CN116075661A - 用于真空系统的单向止回阀和止回阀设备 - Google Patents

Abstract

一种真空系统单向阀，其包括：挡板，其用于延伸横跨真空系统中的流动路径；以及阀构件。挡板包括孔口，该孔口的周边包括阀座。阀构件包括被构造成与阀座配合的弯曲的密封表面。阀构件和孔口被构造成使得阀构件在关闭位置中遮挡孔口并与阀座密封以阻碍流体从出口端到入口端的流动，并且在使用中可移位以远离阀座移动并在打开位置中允许从入口端到出口端的流体流动；挡板的包围孔口的表面的至少一部分朝向阀的入口端倾斜，使得孔口在入口端处比其在出口端处小。

Description

用于真空系统的单向止回阀和止回阀设备

技术领域

本发明的领域涉及用于真空系统中的单向阀。本申请要求于2020年8月13日提交的GB2012603.3的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

在真空系统中使用单向阀，以允许流体沿一个方向被泵送并抵抗流体从较高压力区域返回到真空区域。这些单向阀例如被用作内部减压阀(诸如，吹泄阀)，或用作干泵中的排气止回阀，或用作减排(abatement)系统中的单向阀。在真空系统内发现的压力差可能很高并且这些需要有效密封。

对于具有苛刻的热和化学条件的应用(诸如，半导体应用)，处理室常常包含强酸/碱气体、以及固体和可冷凝的副产品。包含弹性体(这些材料通常用于在这种阀中进行密封)的止回阀的使用变得越来越受较高的泵和管操作温度要求的限制，尤其是在腐蚀性环境内。

将期望提供一种改进的单向阀，其对腐蚀性和热过程气体具有抵抗力并提供有效密封。

发明内容

一个方面提供了一种真空系统单向阀，其包括：挡板，其用于延伸横跨所述真空系统中的流动路径，所述挡板包括孔口，所述孔口的周边包括阀座；阀构件，其包括被构造成与所述阀座配合的弯曲的密封表面，所述阀构件和孔口被构造成使得所述阀构件在关闭位置中遮挡所述孔口并与所述阀座密封以阻碍流体从出口端到入口端的流动，并且在使用中可移位以远离所述阀座移动并在打开位置中允许从所述入口端到所述出口端的流体流动；所述挡板的包围所述孔口的所述表面的至少一部分朝向所述阀的所述入口端向内倾斜，使得所述孔口在所述入口端处比其在所述出口端处小；并且其中，所述孔口的所述倾斜表面的直径方向上相对的部分包围介于30°和70°之间的角度。

已发现，围绕阀的孔口的倾斜表面能够提供与阀构件的弯曲表面的有效密封，且特别地，已发现介于30°和55°之间(在一些实施例中，介于30°和45°之间)的角度牢固地、稳健地接收阀构件并提供有效密封。在其他情况下，已发现介于45°和55°之间(在一些情况下，介于45°和100°之间)的角度是有效的。

本发明的发明人认识到，在可压缩弹性体类型的材料不可用于密封的情况下，如果要使密封有效，则密封表面具有良好的接触是特别重要的。此外，如果阀将连续地移位，则每次阀移位时其取向可能略微改变，且因此还有利的是，可用的密封表面未被局限到特定取向。具有弯曲表面和倾斜的阀座的阀提供有效的密封表面，并且允许阀构件在阀构件处于不同取向的情况下有效地密封。在这方面，尽管阀座具有与阀构件的弯曲截面对应的弯曲截面可能似乎是有利的，但已发现，为了便于制造和限制变形对密封性能所带来的影响，倾斜的(优选地，锥形的)阀座是有效的。

坡度角、以及孔口和阀构件的相对尺寸被选择成使得阀座处的表面的坡度在期望的配合位置处与阀构件的弯曲表面相切。在这方面，在阀座和阀构件被选择为具有类似直径的情况下，则阀构件在最靠近阀构件的最宽部分的点处与阀座配合，在该点处，阀构件表面的坡度是陡峭的，并且在这种情况下适当的角度是较小的角度。使阀构件具有与阀座类似但比其稍大的直径具有一些优点，因为它允许阀座的直径更宽且因此改进传导性。然而，已发现，在真空系统中，较小的角度意味着阀构件的初始移位提供了窄的开口，该开口由于阀座的陡峭坡度而逐步增大。这种逐步打开调节了系统中的背压变化，从而提供逐步的压力变化，并通过减小气体通过阀的初始泄漏率来降低球弹入和弹出阀座的任何趋势。当与具有带更广角的阀座的止回阀的真空系统相比较时，这允许改进真空系统的性能并减少阀上的磨损。

在一些实施例中，所述阀构件由金属制成，且在其他实施例中由陶瓷制成。

在一些实施例中，所述阀构件由不锈钢制成，且在一些实施例中，所述阀座由不锈钢制成。

不锈钢密封件是稳健的、硬质的、耐高温的，并且提供有效的密封表面。

在一些实施例中，所述阀构件由与所述阀座不同的金属制成，在一些实施例中，所述阀构件包括镍铬钼合金，在一些情况下包括哈氏合金

(镍57％、Mo 15–17％、Cr14.5–16.5％、Fe 4–7％)。

由不同的金属形成阀座和阀构件可有助于抑制在高温下这两者之间的结合。镍铬钼合金(诸如，哈氏合金

)对于阀构件是特别好的选择，因为它抵抗恶劣的环境和高温。

阀的构型允许实现有效密封，而不需要可能在高温下和在腐蚀性环境中退化的可压缩的弹性体材料。这允许使用诸如金属之类的材料，这些材料是稳健的并且抵抗许多恶劣的环境。

在一些实施例中，包围所述孔口的所述表面的所述倾斜部分从面向所述阀的所述出口端的表面朝向面向所述入口端的所述表面延伸，并且对于延伸到面向所述入口端的所述表面的部分变得更陡峭，所述阀座定位在所述坡度角变化处的位置或靠近所述坡度角变化处的位置。

在一些实施例中，坡度角朝向入口端变得更陡峭，并且这允许阀座的位置靠近其变得更陡峭的区域且远离入口侧的孔口的边缘。这使得阀座更稳健，其中支撑阀构件的阀座部分不靠近孔口的边缘。

在一些实施例中，形成所述阀座的材料具有介于0.1Ra和1.0Ra之间、优选地介于0.3Ra和0.5Ra之间的粗糙度。

在一些实施例中，形成所述阀构件的材料具有介于0.01Ra和0.5Ra之间的粗糙度。

阀构件和阀座的粗糙度对密封的质量有影响，并且在阀构件和阀座由金属而不是更有弹性的材料制成的情况下，这种影响会特别重要。已发现，介于0.1Ra和1.0Ra之间、优选地介于0.3Ra和0.5Ra之间的粗糙度提供了用于阀座的有效的表面和有效密封。此外，这样的表面能够以具成本效益的方式产生。可能有利的是，阀构件被形成为比阀座更光滑。

替代性实施例在孔口的倾斜表面中提供凹口，并且该凹口提供不接触阀构件的弯曲表面的区域，使得阀构件在凹口的两侧上的两个位置处接触阀座。这对于密封能够特别有效，实际上提供了两个密封位置。

在一些实施例中，所述阀构件是实心的，而在其他实施例中，所述阀构件是中空的。阀构件可由若干种材料形成，并且可以是中空的或实心的，并且通常被构造成具有一定的质量，该质量被选择为提供抵抗气体反向流动的适当保护，同时不会太大以致于它在真空系统上产生显著的背压。

在一些实施例中，阀包括从所述阀构件的所述弯曲表面延伸的突起，所述突起延伸穿过所述孔口并且包括固持部分，该固持部分从所述突起向外延伸并被构造成当所述阀处于所述打开位置中时限制阀构件朝向所述出口端的行进。

阀构件应被固持在阀内，并且这可使用一种用于限制该构件朝向出口的行进的保持架类型的机构来完成，替代地，它可通过延伸穿过孔口的突起和从突起延伸的比孔口宽的固持部分来完成。

在一些实施例中，挡板可延伸横跨管，并且在使用保持架类型的机构的情况下，该保持架类型的机构也可延伸横跨管，且在一些实施例中以过盈配合被固持在管内。

另外的方面提供了一种真空系统单向阀设备，其包括根据一个方面的两个真空系统单向阀，它们相对于彼此串联布置，使得来自所述阀设备的入口端的流体流过所述单向阀中的第一个，且然后流过所述单向阀中的第二个。

实施例的单向阀可以用作双止回阀以提供抵抗回流的附加保护。止回阀为气体从真空系统外部的较高压力进入真空系统中提供了可能的泄漏路径。对于其中由于所经历的恶劣条件所致而不使用常规弹性体密封器件的阀来说，这可能是特别有问题的。泄漏率取决于跨越阀的压力差。双止回阀具有在两个止回阀之间的中间容积，并且该中间容积在这些阀关闭时处于中间压力，使得跨越每个阀的压降比跨越单个阀的情况下的压降小。与使用单个阀时的情况相比，这导致止回阀中的每一个且因此组合阀的泄漏率更低。

在一些实施例中，系统进一步包括在所述两个阀座之间提供流动路径的中间容积，所述流动路径的长度在所述阀座的直径的1.5倍和10倍之间、优选地在1.5倍和6倍之间。

为了使双止回阀特别有效，在两个阀之间应存在容积，使得真空系统和外部之间的压力差跨越两个止回阀来分担(split)。中间容积越小，当阀关闭时中间容积中的压力就越快达到平衡稳态值。然而，该容积应足以允许每个阀在不物理地影响另一阀的情况下打开和关闭。

在一些实施例中，所述中间容积位于连接所述第一和第二中间阀的管内。

在一些实施例中，两个止回阀可以是独立的单元，并且可通过连接管连接。连接管的长度被选择为提供合适的中间容积。在一些情况下，阀座的直径在管的在两个阀的两个阀座之间的长度的1.5倍和10倍之间。

在其他实施例中，设备包括用于容纳所述第一和第二止回阀两者的组合外壳体。

可能有利的是将双止回阀形成在单个壳体中，该壳体可附接到设备，由此需要较少的密封器件。如之前已指出的，在腐蚀性和热环境中，密封器件退化且因此减少对密封器件的要求是有利的。

在一些实施例中，所述组合外壳体被构造成使得所述止回阀之间的流动路径包括沿与进出所述阀设备的流动路径相反的方向延伸的部分。

组合壳体可被构造成使得两个止回阀实际上并排布置，使得它们之间的流动路径在其离开一个阀并向下朝向第二阀返回时改变方向。气体流入和气体流出的方向可以是单个方向，当在止回阀中的阀之间流动通过时，流动的方向简单地改变。

在所附的独立权利要求和从属权利要求中阐述了另外的特定和优选方面。从属权利要求的特征可适当地与独立权利要求的特征相结合，并且以不同于权利要求中明确阐述的那些的组合相结合。

附图说明

现在将参考附图进一步描述本发明的实施例，在附图中：

图1示意性地示出了根据第一实施例的单向止回阀；

图2示意性地示出了具有更广角的破度的单向止回阀；

图3示意性地示出了根据另外的实施例的单向止回阀；

图4示出了根据实施例的双止回阀；以及

图5示出了双止回阀的替代性实施例。

具体实施方式

在更详细地讨论实施例之前，首先将提供概述。

对于具有苛刻的热和化学挑战的应用(例如，半导体应用)，与能够在高温下使用的具有良好抗腐蚀性的止回阀组合的热泵是期望的。实施例提供了可完全由金属制成的止回阀，它示出了良好的密封性能。在一些实施例中，使用不锈钢，不锈钢的阀座被机加工成具有介于0.1Ra和1Ra之间、优选地介于0.3Ra和0.5Ra之间的表面粗糙度。在一些实施例中，阀构件被机加工成具有介于0.01Ra和0.5Ra之间的表面粗糙度。在一些实施例中，阀构件由与阀座不同的金属形成，在一些实施例中，它由镍铬钼合金形成。在一些实施例中，借助于使用双止回阀来进一步改进密封。

实施例提供了一种具有阀构件的止回阀，该阀构件具有邻接倾斜的阀座的弯曲表面。阀座的坡度角是结合阀构件和孔口的尺寸来选择的，以提供有效密封。在一些实施例中，阀构件包括直径为30mm的球。阀座的内直径为26mm。球和阀座之间的接触是单线接触。在一些实施例中，阀是金属阀，而在其他实施例中，阀体和阀座可由陶瓷形成。金属和陶瓷适合于高温和腐蚀性环境。

在一些实施例中，阀构件和阀座由相同的材料形成，而在其他实施例中，它们由不同的材料形成。

在一些实施例中，阀安装在系统的管内，而在其他实施例中，使用管连接器。

图1示出了根据实施例的穿过止回阀5的剖面。止回阀5包括呈球形式的阀构件18，并且从该阀构件延伸出突起和固持构件22。固持构件被穿孔以允许气体通过它。阀构件18与形成在挡板14中的阀座22配合，该挡板延伸横跨其中安装该阀的管，并且该挡板包括具有第一角度的倾斜表面25和更陡峭的倾斜表面的孔口。阀座22定位在靠近坡度角变化的位置。

止回阀5经由密封件安装在管内，并且气体沿箭头7的方向从真空系统朝向出口流动。当真空系统中的压力上升时，在阀构件18上施加力，该阀构件被推离阀座23进入打开位置中，在该打开位置中，气体能够流过不再由阀构件18遮挡的孔口并通过管的顶部流出。当系统内的压力下降时，则阀体18将在其重量作用下返回到孔口并且将与阀座23密封，使得在真空系统外部的处于较高压力的气体不能进入真空系统。

挡板14中的孔口具有与出口邻近的倾斜表面25，该倾斜表面与孔口的直径方向上相对侧上的倾斜表面包围60°的角度，并且这提供了用于与球的弯曲表面配合并提供良好密封的合适的坡度。坡度朝向阀的入口变得更陡峭，使得阀座的位置被很好地限定并且不朝向倾斜表面的一端，从而允许球被牢固地保持并且阀座不容易损坏。

尽管已发现，对于其中球的直径接近阀座的直径的阀构件，60°的角度是有效的。在一些实施例中，可能地，在球的直径比孔口的直径大介于5％和18％之间、优选地大介于5％和10％之间的情况下，介于35°和40°之间的较小的角度可能是优选的。对于该角度，球从阀座的移位提供了初始窄的通道及因此逐步更受控制的压力变化。

图2示出了替代性方案，其中倾斜表面25的角度是不太陡峭的角度，并且在该实施例中倾斜表面25与孔口的直径方向上相对侧上的倾斜表面包围90°的角度。如在先前实施例中那样，坡度朝向入口变得更陡峭，使得阀座位于表面上的限定位置中。在该示例中，阀构件的直径和阀座的直径更加不同，使得阀构件保持在不靠近阀构件的中间的位置处，且因此弯曲表面的倾斜角度更浅并且与阀座的坡度相匹配。在该实施例中，球的直径比阀座的直径大介于15％和30％之间。此处，当与具有更陡峭的角度的阀座相比时，阀构件的移位引起流体流动的更大的初始变化，并且可能引起真空系统的泵送性能更差。

图3示出了替代性实施例，其中形成阀座的孔口的表面的轮廓在其内具有凹口27，使得在该凹口的两侧上形成两个阀座22。孔口的入口侧比出口侧小，使得阀构件保持在两个点处，并且在两个点处形成有效密封，从而导致更好的密封。

图4示出了替代性实施例，其中使用先前实施例的两个止回阀5a和5b来提供双止回阀60。两个止回阀形成双止回阀，并且气体经由入口32进入并遇见第一止回阀5a。如果入口32处的压力上升到管50内的中间容积内的压力之上，则第一阀5a将打开并且气体将进入管50中的中间容积。压力在此增加将引起第二阀5b打开并且气体将从系统中流出。当入口处的压力下降到低于中间容积50内的压力时，则止回阀5a将关闭。类似地，如果中间容积中的压力下降到低于外部的压力，则第二阀5b将关闭。在真空系统中，当泵起动时，这将引起5a下方的压力增加并且5a将打开。泵的入口处的压力降低(真空)，但在泵出口处，压力由于气体的压缩所致而增加。中间容积50中的压力将增加并且5b将打开。当泵操作时，则通常存在足够的气流来维持压力差并保持5a和5b打开。

停止泵将引起5a下方的压力下降，并且该压力将无法维持5a的重量且5a将关闭，类似地，50处的压力将下降且5b将关闭。

当两个止回阀关闭时，管50内的中间容积处于中间压力，使得入口32和外部之间的压降跨越不同止回阀中的每一个来分担，这减少了反向泄漏。在这方面，跨越每个阀的泄漏取决于跨越该阀的压降，因此，通过在两个阀之间分担压降来减小压降而减少了泄漏。中间容积应被选择为足以使两个阀在操作期间彼此不物理地影响，但优选地不显著大于这种程度。当双止回阀关闭时，较大的中间容积增加了中间容积达到平衡的中间压力的时间，并且这对止回阀所附接到的真空系统产生影响。

图5示出了替代性实施例，其中双止回阀60安装在单个壳体70内。具有单个壳体使阀更容易安装到系统并且也减少了将其密封到系统所需的密封件的数量。如早前已指出的，用于高温腐蚀性系统的密封件可能会出现问题，并且减少所需的数量能够是有利的。

该实施例提供了一种特别紧凑的止回阀，该止回阀能够装配到小空间中。两个止回阀并排安装，并且这要求气流在它行进通过阀时改变方向。

尽管双止回阀被示为具有包括突起和固持构件22的阀构件，但它可与弯曲的阀构件和某个其他固持器件(诸如，在阀构件和出口之间的格栅或保持架)一起使用。

尽管本文中已参考附图详细公开了本发明的图示性实施例，但是应理解，本发明不限于精确的实施例，并且本领域技术人员能够在不脱离如由所附权利要求及其等同物限定的本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。

附图标记

5、5a、5b止回阀

7 气流

14 挡板

18 阀构件

22 固持部分

23 阀座

25 倾斜的孔口表面

50 中间管

52 密封件

60 双止回阀

70 壳体

Claims (17)

1.一种真空系统单向阀，其包括：

挡板，其用于延伸横跨所述真空系统中的流动路径，所述挡板包括孔口，所述孔口的周边包括阀座；

阀构件，其包括被构造成与所述阀座配合的弯曲的密封表面，所述阀构件和所述孔口被构造成使得所述阀构件在关闭位置中遮挡所述孔口并与所述阀座密封以阻碍流体从出口端到入口端的流动，并且在使用中能够移位以远离所述阀座移动并在打开位置中允许从所述入口端到所述出口端的流体流动；

所述挡板的包围所述孔口的所述表面的至少一部分朝向所述阀的所述入口端向内倾斜，使得所述孔口在所述入口端处比其在所述出口端处小；并且其中，

所述孔口的所述倾斜表面的直径方向上相对的部分包围介于30°和70°之间的角度。

2.根据权利要求1所述的真空系统单向阀，其中，所述孔口的所述倾斜表面的所述直径方向上相对的部分包围介于30°和55°之间的角度。

3.根据权利要求1或2所述的真空系统单向阀，其中，所述孔口的所述倾斜表面的所述直径方向上相对的部分包围介于30°和45°之间的角度。

4.根据任一前述权利要求所述的真空系统单向阀，其中，形成所述阀构件的材料具有介于0.01Ra和0.5Ra之间的粗糙度。

5.根据任一前述权利要求所述的真空系统单向阀，其中，形成所述阀座的材料具有介于0.1Ra和1.0Ra之间、优选地介于0.3Ra和0.5Ra之间的粗糙度。

6.根据任一前述权利要求所述的真空系统单向阀，其中，所述阀构件和所述阀座由不锈钢形成。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的真空系统单向阀，其中，所述阀构件和所述阀座由不同的金属形成。

8.根据前一权利要求所述的真空系统单向阀，其中，包围所述孔口的所述表面的所述倾斜部分从面向所述阀的所述出口端的表面朝向面向所述入口端的所述表面延伸，并且对于延伸到面向所述入口端的所述表面的部分变得更陡峭，所述阀座定位在所述坡度角变化处的位置或靠近所述坡度角变化处的位置。

9.根据权利要求1所述的真空系统单向阀，其中，所述挡板的包围所述孔口的所述倾斜表面包括凹口，使得所述阀构件被构造成在所述凹口的两端处的两个位置处接触包围所述孔口的所述倾斜表面。

10.根据任一前述权利要求所述的真空系统单向阀，其中，所述阀构件是中空的。

11.根据任一前述权利要求所述的真空系统单向阀，其包括从所述阀构件的所述弯曲表面延伸的突起，所述突起延伸穿过所述孔口并且包括固持部分，所述固持部分从所述突起向外延伸并被构造成当所述阀处于所述打开位置中时限制所述阀构件朝向所述出口端的行进。

12.一种真空系统单向阀设备，其包括根据任一前述权利要求所述的两个真空系统单向阀，它们相对于彼此串联布置，使得来自所述阀设备的入口端的流体流过所述单向阀中的第一个，且然后流过所述单向阀中的第二个。

13.根据权利要求12所述的真空系统单向阀设备，其进一步包括在所述两个阀的所述阀座之间提供流动路径的中间容积，所述流动路径的长度在所述阀座的直径的长度的1.5倍和10倍之间。

14.根据权利要求13所述的真空系统单向阀设备，其中，所述流动路径的长度在所述阀座的直径的1.5倍和6倍之间。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的真空系统单向阀设备，所述中间容积位于连接所述第一和第二中间阀的管内。

16.根据权利要求12至13中任一项所述的真空系统单向阀设备，其包括用于容纳所述第一和第二止回阀两者的组合外壳体。

17.根据权利要求16所述的真空系统单向阀设备，其中，所述组合外壳体被构造成使得所述止回阀之间的流动路径包括沿与进出所述阀设备的流动路径相反的方向延伸的部分。

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