CN111520474A - 用于流体通道连接处的密封垫圈 - Google Patents

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CN111520474A CN202010128751.7A CN202010128751A CN111520474A CN 111520474 A CN111520474 A CN 111520474A CN 202010128751 A CN202010128751 A CN 202010128751A CN 111520474 A CN111520474 A CN 111520474A
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Abstract

一种适用于高纯度流体输送系统的延展性垫圈。垫圈具有位于相对两侧的平坦轴向端表面密封区域，还包含一位于第一侧的内凸唇与一位于第二侧的外凸唇。二凸唇通过与一个或多个结合的流体输送元件的接面上的结构结合使垫圈于一流体输送管线内对齐，并同时提供正常装卸与流体输送系统组装时密封区域的防护。

Description

用于流体通道连接处的密封垫圈
本申请是中国申请号为201480078601.2(其对应的国际申请号为PCT/US2014/034256)，发明名称为“用于流体通道连接处的密封垫圈”的专利申请的分案申请，原申请的申请日是2014年04月15日。
技术领域
本发明涉及一种用于密封流体通道各部分之间接头的金属垫圈。
背景技术
许多介面结构与相关垫圈的组合常见于流体输送系统的设计中。这些结构包括凸缘(flange)、密封盖(glands)、元件连接件以及其他能使各种系统元件的机械组合形成相互连接的流体通道结构布局的元件。
代表性的流体输送装置可见于，例如，在生产精致化工产品、石油产品或半导体与可能承受真空或压力或纯度要求以及依据上述要求的组合的工业设备中。流体通道在半导体制造设备内用于控制制程材料的元件中通常需要维持所输送的反应物的高纯度且一般具有远小于例如石化厂的流体通道截面积。在许多情况下，从业人员发现金属垫圈可提供优越的性能，特别是关于制程流体或污染物扩散通过垫圈，以及对后续不良渗漏的抵抗性，因此偏好金属垫圈而不使用聚合物材料垫圈。
一个已知的流体通道连接类型使用一环形平坦金属垫圈，此垫圈受压于二形状应相同且环绕相对装置元件的圆形通道开孔的环状凸出之间。环状凸出沿轴向延伸朝向彼此，造成具有延展性的金属垫圈的永久塑性变形，以产生可阻挡甚至是难以包含在内的流体例如氦气的泄漏的密封效果。此种连接处代表性的例子可见于，例如，授予给Carlson与Wheeler的3,208,758号的美国专利(熟知的
Figure BDA0002395209500000011
凸缘)，授予给Callahan与Wennerstrom的3,521,910号美国专利(熟知的
Figure BDA0002395209500000012
配件)，以及颁发给Harra与Nystrom的4,303,251号美国专利。
另一个已知的流体通道连接类型使用一复杂形状环形平坦金属垫圈，此垫圈受压于二形状应相同且环绕相对装置元件的圆形通道开孔的环状凸出之间。此种连接处代表性的例子公开于授予给Leigh的4,854,597号美国专利，授予给McGarvey的5,505,464号美国专利以及授予给Ohmi的6,135,155号美国专利(现今工业界众所周知W密封接头型式的早期版本)。6,135,155号美国专利另外提供一单独的保持件(retainer)，可在连接头组合时维持垫圈的位置并使垫圈维持在中心处。此种单独的保持件结构同样可见于颁发给Barber与Aldridge的5,673,946号美国专利与5,758,910号美国专利，以及颁发给Ohmi的7,140,647号美国专利。
另一个已知的流体通道接头，工业界常称为C密封接头型式，使用一具有复杂形状的环形金属垫圈，此垫圈在二相对装置元件之间被压缩，其中至少一元件的表面具有一圆形沉孔凹槽以容纳此垫圈。这种接头的代表性示例揭露于，例如，授予给Nicholson的5,354,072号美国专利，授予给Ma的6,042,121号美国专利，授予给Doyle的6,357,760号美国专利与6,688,608号美国专利，以及授予给Spence与Felber的6,409,180号美国专利。授予给Spence与Felber的6,409,180号美国专利另外公开了一种单独的保持件(retainer)，可在连接头组合时维持垫圈的位置并使垫圈维持在中心处。此种单独的保持件结构同样可见于授予给Swensen的5,730,448号美国专利，授予给Kojima与Aoyama的5,984,318号美国专利，授予给Doyle的6,845,984号美国专利，以及授予给Whitlow的6,945,539号美国专利。
还有另一种已知的流体通道接头类型，工业界称为Z密封类型，使用一环形金属垫圈，此垫圈在二相对装置元件之间被压缩，其中环绕圆形通道开孔的接合特征产生角剪切进入垫圈。此种角剪切接头揭露于授予给本案发明人Kim Ngoc Vu的5,803,507号美国专利与6,394,138号美国专利，其同样使用保持件结构。上述所有专利的全部内容均一并纳入参照。
在前面大多数的设计示例中，在接头结合之前有相当大的风险会刮损垫圈相对的一面，而此种损坏会造成接头无法满足无泄露的要求。通过一单独的保持件将垫圈置于其中可提供流体通道管线部份与穿过垫圈的中心通道之间所需的对准一致性，但却会导致不必要的额外成本花费。在一些用于半导体制程的流体传输系统中，有同时使用多种类型的通道管线接头的情况，这种情况需要设备维护人员累积各种不必要的备用垫圈的大量库存。
发明内容
本发明要解决的技术问题是通过提出一种容易制造的单件具延展性金属垫圈并自动置中地置入密封区域的防护以解决前述的问题。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提供的垫圈是一环状部分，此环状部分可被描述为由一旋转的具有环绕该环的中心轴的特定特征的截面轮廓产生的凸环。垫圈可方便地使用在例如车床或螺纹切削机台自固体原料加工或制成管状，但其他的制程，例如冲压或结合适当退火程序的铸造制程，也可纳入考虑。从业人员可理解为通过使用由模塑或加工成型的高分子材料垫圈，例如氟素树脂(PFA)，也可获得密封区域保护与自动置中的优点，但抵抗制程流体或污染物扩散的能力会减少。
垫圈凸环一般具有一大致对应于流体通道管线内直径的内直径，以及一由结合的装置元件限制的外直径。垫圈凸环具有一与垫圈中心流体通道孔的轴垂直的第一轴向端表面密封区域，第一轴向端表面密封区域一般为平坦。垫圈凸环还具有一相对于第一轴向端表面密封区域的第二轴向端表面密封区域，第二轴向端表面密封区域与垫圈中心流体通道孔的轴垂直，第二轴向端表面密封区域一般为平坦。一具有足够轴向延伸的内凸唇环绕第一轴向端表面密封区域以保护第一轴向端表面密封区域，并具有一比第一密封区域小的直径。一具有足够轴向延伸的外凸唇环绕第二轴向端表面密封区域以保护第二轴向端表面密封区域，并具有一比第二密封区域大的直径。内凸唇与外凸唇可各自轴向延伸一超出对应相邻密封区域的适当距离(例如0.010英寸)。内凸唇与外凸唇可具有最多任何凸面轮廓，但一具有锥面侧的平滑曲面最外围部分比较容易机械加工，并将在半导体设备一般使用的洁净室条件下流体输送装置组装时擦伤或刮伤垫圈的机会减到最小。垫圈可方便地使用例如车床或螺纹切削机台自固体原料加工或制成管状，但其他的制程，例如冲压或结合适当退火程序的铸造制程，也可纳入考虑。从业人员将可理解为通过使用由模塑或加工成型的高分子材料垫圈，例如氟素树脂(PFA)，也可获得密封区域保护与自动置中的优点，但抵抗制程流体或污染物扩散的能力会减少。当使用圆棒原料时，本发明认为较佳的材料为不锈钢或其他适合的材料，例如赫斯特耐酸合金(Hastelloy)C276或C22。
欲与角剪切型式接头一起使用的垫圈中平坦第一轴向端表面密封区域的内直径通常与平坦第二轴向端表面密封区域的外直径大致相同。另一实施例的垫圈中平坦第一轴向端表面密封区域的内直径通常与平坦第二轴向端表面密封区域的外直径大致相同。另一实施例的垫圈中平坦第一轴向端表面密封区域的内直径小于平坦第二轴向端表面密封区域的外直径，以便与
Figure BDA0002395209500000031
型接头一起使用。
本发明的垫圈的一有用的替换版本没有任何穿过垫圈材料的孔，因而可产生一无空隙密封作用以防止流体通过一流体通道如技术领域所周知。本发明的垫圈的更进一步的变化版本具有一个或多个穿过垫圈材料的孔，而不是一较大的中央孔，以减少或限制流体通过一流体通道如技术领域所周知(请参见7,874,208号美国专利使用角剪切型式接头的此功能的应用示例)。
更特别的是，本发明揭露的实施例中提供一种适用于高纯度流体输送系统的具延展性垫圈。垫圈包含一第一侧、一相对的第二侧以及一外周围部分，垫圈还包含一位于该第一侧的内凸唇与一位于该第二侧的外凸唇，其中该内凸唇与该外凸唇的周围彼此相距隔开。于所示的实施例中，垫圈为圆形。垫圈可为金属，或可由高分子材料制成。金属版本的垫圈可自圆棒固体原料，例如不锈钢或赫斯特耐酸合金加工制成。
垫圈的第一侧包含该内凸唇的一设置向外的平坦第一密封区域，垫圈的该第二侧包含该外凸唇的一设置向外的平坦第二密封区域。如所示，垫圈的第一侧为垫圈的第二侧的一镜像。垫圈的第一侧还包含一形成内凸唇的一部分的环形部分、一自环形部分延伸的向外锥面部分以及自锥面部分向外延伸与连接平坦第一密封区域的一平滑曲线。垫圈的第二侧还包含一形成该外凸唇的一部分的环形部分、一自环形部分延伸的向内锥面部分以及自锥面部分向内延伸与连接平坦第二密封区域的一平滑曲线。垫圈包含一具有定义一中央轴向孔的内周围的凸环，且每一平坦第一密封区域与平坦第二密封区域与中央轴向孔大致垂直。
垫圈设置于一具有由一接头的元件组合而成的流体通道中的密封配置，接头包含一接头沉孔部分、一接头沟槽部分、一自接头沉孔部分延伸的沉孔角以及一自接头沟槽部分延伸的沟槽部分角，此外其中内凸唇使垫圈与接头沉孔部分对齐，外凸唇使垫圈与接头沟槽部分对齐，使得当接头完全结合时，沉孔角剪切进入垫圈第一密封区域，沟槽部分角剪切进入垫圈第二密封区域。
本发明与额外特征及优点可通过参考以下的描述结合图示得到最佳的理解。在这些图标号中，相似元件符号标示所有图标中的相同部分。
附图说明
【图标简单说明】
图1a为一根据本发明一实施例建构的垫圈的俯视图。
图1b为图1a中的垫圈沿A-A线的截面图。
图1c为图1a与1b中垫圈一部分的等角视图。
图2为图1b中以字母“B”标示的部分放大细节。
图3a为一具有平面角剪切流体输送元件的流体输送系统的一部分与使用本发明垫圈的俯视图。
图3b为图3a中系统沿A-A线的截面图。
图3c为图3a与3b中系统的等轴截面图。
图3d为图3b中以字母“C”标示的部分的放大截面图。
图4a为一具有内凹与平面角剪切流体输送元件的流体输送系统的一部分与使用本发明垫圈的俯视图。
图4b为图4a中系统沿A-A线的截面图。
图4c为图4a与4b中系统的等轴截面图。
图4d为图4b图中以字母“D”标示的部分的放大截面图。
图5a为一具有其他内凹角剪切流体输送元件的流体输送系统的一部分与使用本发明垫圈的俯视图。
图5b为图5a中系统沿A-A线的截面图。
图5c为图5a与5b中系统的等轴截面图。
图5d为图5b中以字母“E”标示的部分的放大截面图。
【主要元件符号说明】
10垫圈 20 内凸唇
21向外锥面 22 环形部分
23向外锥面 24 平滑曲线
30第一轴向端表面区域 40 中央轴内孔
50垫圈外直径 60 外凸唇61向内锥面
62环形部分 63 向内锥面
64平滑曲线 66 环形部分
70第二密封区域 310 厚垫片
320接头沉孔部分 322 沉孔角
324下元件通道部分 325 介面表面
360接头沟槽部分 362 沟槽部分角
364上元件通道部分 365 介面表面
420接头沉孔部分 422 沉孔角
424下元件通道部分 425 介面表面
460接头沟槽部分 462 沟槽部分角
464上元件通道部分 465 介面表面
520接头沉孔部分 522 沉孔角
523沉孔 524 下元件通道部分
525介面表面 560 接头沟槽部分
562沟槽部分角 563 沉孔
564上元件通道部分 565 介面表面
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的用于流体通道连接处的密封垫圈其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
现请进一步参考附图，其中在多个附图与实施例中相似元件符号标示相同或对应部分，图1a至图1c与图2中显示根据本发明原理建构的垫圈10的一个实施例。垫圈10具有一内凸唇20与一平滑直向中央轴内孔40，其中内凸唇20始自一大约30度的向外锥面21。到达大约0.007英寸的轴向长度，向外锥面21转换为一指向外侧且半径大约0.006英寸的一平滑曲线以形成一大约90度的环形部分22，接着开始进一步进入一沿相反轴向呈45度的向外锥面23。在几乎到达向外锥面21起始处的相同轴向位置处，向外锥面23转向一平滑曲线24，平滑曲线24进一步指向外侧且半径大约0.004英寸，并连接一平坦的第一轴向端表面区域30，第一轴向端表面区域30与垫圈中央轴内孔40的轴垂直，中央轴内孔40定义流体通道孔。平坦的第一轴向端表面区域30沿径向向外延伸约0.005英寸，接着转换为一指向外侧且半径大约0.020英寸的一平滑曲线以形成一大约90度的环形部分26，其中垫圈外直径50的直侧壁与中心轴线平行。
在上述实施例中，自垫圈外直径50转换延伸的外凸唇60的轮廓与平坦的第二密封区域70为对应的内凸唇20与平坦的第一轴向端表面区域30的镜像。垫圈10具有平滑外直径50与外凸唇60，外凸唇60始自一大约30度的向内锥面61。到达大约0.007英寸的轴向长度，向内锥面61转换为一指向内侧且半径大约0.006英寸的一平滑曲线以形成一大约90度的环形部分62，接着开始进一步进入一沿相反轴向呈45度的向内锥面63。在几乎到达约30度的向内锥面61起始处的相同轴向位置处，向内锥面63转向一平滑曲线64，平滑曲线64进一步指向内侧且半径大约0.004英寸，并连接一平坦的第二轴向端表面区域70，第一轴向端表面区域70与定义流体通道孔的垫圈中央轴内孔40的轴垂直。平坦的第一轴向端表面区域70沿径向向外延伸约0.005英寸，接着转换为一指向内侧且半径大约0.020英寸的一平滑曲线以形成一大约90度的环形部分66，其中垫圈中央轴内孔40的直内壁与中心轴线平行。
第一密封区域30与第二密封区域70之间的轴向间距可根据欲使用垫圈的对应装置元件的特定尺寸做出选择。在所示的实施例中，大约0.058英寸的轴向间距允许垫圈用于当完全结合时可提供约0.012英寸垫圈压缩程度的平面角剪切型接头。应了解的是，角剪切型接头装配特征可位于对应的装置元件的各种内凹轴向深度，相同的一个实施例可用于这些不同的组合中。
垫圈10可方便地用固体原料加工，例如使用车床或螺纹切削机台对圆棒或管状原料加工，但其他的制程，例如冲压或结合适当退火程序的铸造制程，也可纳入考虑。从业人员将可理解通过使用由模塑或加工成型的高分子材料垫圈，例如氟素树脂(PFA)，也可获得密封区域保护与自动置中的优点，但抵抗制程流体或污染物扩散的能力会减少。当使用圆棒原料时，本发明认为较佳的材料为不锈钢或其他适合的材料，例如赫斯特耐酸合金(Hastelloy)C276或C22。
如图3a-3d所示，本发明垫圈10可与装配特征类似于5,803,507号或6,394,138号美国专利中揭露的平面角剪切型接头一并使用，其中内凸唇20使垫圈10与一接头沉孔部分320对齐，而外凸唇60使垫圈10与一接头沟槽部分360对齐。当接头完全结合，沉孔角322剪切进入垫圈第一密封区域30，而沟槽部分角362剪切进入垫圈第二密封区域70。垫圈中央轴向孔40具有与上元件通道部分364大约相同的直径，上元件通道部分364的直径通常也与下元件通道部分324的直径相同。于此设计中，上元件通道部分364与下元件通道部分324通常具有沟槽部分角362与沉孔角322，通过搭叠在接头元件的平面上使其变得更加尖锐，上元件通道部分364与下元件通道部分324的沟槽部分角362与沉孔角322需位于相对的介面表面365与325。接头最好是在相对的介面表面365与325之间置入厚垫片310后结合，以确保达成垫圈10所需的压缩(通常为0.012英寸)并且当充分紧固力作用时提供硬式阻挡。
如图4a-4d所示，垫圈10可与角剪切型接头装配特征一并使用，其中一些元件特征为向内凹陷处理。如前述，内凸唇20使垫圈10与接头沉孔部分420对齐，而外凸唇60使垫圈10与接头沟槽部分460对齐。当接头完全结合，沉孔角422剪切进入垫圈第一密封区域30，而沟槽部分角462剪切进入垫圈第二密封区域70。垫圈中央轴向孔40具有与上元件通道部分464大约相同的直径，上元件通道部分464的直径通常也与下元件通道部分424的直径相同。于此另外的设计中，下元件通道部分424具有一接头沉孔部分420与置于稍大的沉孔423且位于一下元件表面425下方的沉孔角422。在所包含的平面上元件设计中，接头沟槽部分460与沟槽部分角462可选择性地通过搭叠在上元件的平面上使其变得更加尖锐。接头是在相对的介面表面465与425之间未置入任何垫片的情况下结合，垫圈10所需的压缩(通常为0.012英寸)是通过选择较大沉孔423的深度而达成，并且当充分紧固力作用时将出现硬式阻挡。类似的平面下元件设计与内凹陷上元件设计的组合也可被实施，但为了精简起见不加以详细说明。
如图5a-5d所示，垫圈10可与角剪切型接头装配特征一并使用，其中元件特征为对称向内凹陷处理。如前述，内凸唇20使垫圈10与接头沉孔部分520对齐，而外凸唇60使垫圈10与接头沟槽部分560对齐。当接头完全结合，沉孔角522剪切进入垫圈第一密封区域30，而沟槽部分角562剪切进入垫圈第二密封区域70。垫圈中央轴向孔40具有与上元件通道部分564大约相同的直径，上元件通道部分564的直径通常也与下元件通道部分524的直径相同。于此另外的设计中，下元件通道部分524具有一接头沉孔部分520与置于稍大的沉孔523且位于下元件表面525下方的沉孔角522。而在相似的情况下，上元件通道部分564具有接头沟槽部分560与置于较深的额外沉孔563且位于元件表面565上方的沟槽部分角562。接头是在相对的介面表面565与525之间未置入任何垫片的情况下结合，垫圈10所需的压缩(通常为0.012英寸)是通过选择额外沉孔523与563的深度而达成，并且当充分紧固力作用时将出现硬式阻挡。
本领域技术人员可进一步了解到在本发明垫圈10的所有实施例中内凸唇20与外凸唇60为彼此径向偏移(如图2中所示)，这是因为内凸唇20与外凸唇60分别始自密封区域30与70的相对边缘。邻近轴孔40的向内环形部分66的平滑开口型式以及始自大约30度的向外锥面21的内凸唇20的平滑型式可避免流体通道的意外实质泄漏与污染物的聚集。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (15)

1.一种适用于高纯度流体输送系统的具延展性垫圈，所述垫圈包含一第一侧、一相对的第二侧以及一外周围部分，所述垫圈还包含一位于所述第一侧的内凸唇与一位于所述第二侧的外凸唇，其中所述内凸唇与所述外凸唇的周围彼此相距隔开；
所述垫圈的第一侧包含所述内凸唇的一设置向外的平坦第一密封区域，所述垫圈的第一侧还包含一形成所述内凸唇的一部分的环形部分、一自所述环形部分延伸的向外锥面部分以及自所述锥面部分向外延伸与连接所述平坦第一密封区域的一平滑曲线；
所述垫圈的第二侧包含所述外凸唇的一设置向内的平坦第二密封区域，所述垫圈的第二侧还包含一形成所述外凸唇的一部分的环形部分、一自所述环形部分延伸的向内锥面部分以及自所述锥面部分向内延伸与连接所述平坦第二密封区域的一平滑曲线；
其中所述垫圈设置于一由具有一接头的元件组合而成的流体通道中的密封配置，所述接头包含一接头沉孔部分、一接头沟槽部分、一自所述接头沉孔部分延伸的沉孔角以及一自所述接头沟槽部分延伸的沟槽部分角，此外其中所述内凸唇使所述垫圈与所述接头沉孔部分对齐，所述外凸唇使所述垫圈与所述接头沟槽部分对齐，使得当所述接头完全结合时，所述沉孔角剪切进入所述垫圈第一密封区域，所述沟槽部分角剪切进入所述垫圈第二密封区域。
2.如权利要求1所述的垫圈，其特征在于其中所述垫圈为圆形。
3.如权利要求1所述的垫圈，其特征在于其中所述垫圈为金属。
4.如权利要求3所述的垫圈，其特征在于其中所述垫圈为以圆棒原料加工制成。
5.如权利要求4所述的垫圈，其特征在于其中所述圆棒原料包含不锈钢或赫斯特耐酸合金。
6.如权利要求1所述的垫圈，其特征在于其中所述垫圈为高分子材料制成。
7.如权利要求1所述的垫圈，其特征在于其中所述垫圈包含一具有定义中央轴向孔的内周围的凸环。
8.如权利要求1所述的垫圈，其特征在于其中所述垫圈的第一侧为所述垫圈的第二侧的一镜像。
9.如权利要求1所述的垫圈，其特征在于其中所述垫圈包含一具有定义中央轴向孔的内周围的凸环，且每一所述平坦第一密封区域与所述平坦第一密封区域平坦第二密封区域与所述中央轴向孔大致垂直。
10.如权利要求1所述的垫圈，其特征在于其中所述沟槽部分角与沉孔角通过搭叠在接头元件的平面上使其变得尖锐。
11.如权利要求1所述的垫圈，其特征在于包含一厚垫片，置入所述接头相对的介面表面之间。
12.如权利要求1所述的垫圈，其特征在于其中所述接头是在相对的介面表面之间未置入任何垫片的情况下结合，且相对的介面表面与所述平坦第二密封区域位于相同高度。
13.如权利要求1所述的垫圈，其特征在于其中所述接头沟槽部分与沟槽部分角通过搭叠在平面上使其变得尖锐。
14.如权利要求1所述的垫圈，其特征在于其中所述接头的上元件及下元件分别包含额外沉孔，接头结合后成为一个沉孔且面向垫圈的外周围部分。
15.如权利要求1所述的垫圈，其特征在于其中所述接头是在相对的介面表面之间未置入任何垫片的情况下结合，且相对的介面表面的高度位于所述平坦第一密封区域以及平坦第二密封区域之间。
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