CN1307671A - 管件的真空密封接头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于两个管状件的端部(1,2)的真空密封接头,第一端部(1)的内部空间的尺寸小于第二端部(2)的内部空间的尺寸。第二端部具有一凸缘端部(11),它可在第一端部上轴向滑动而抵靠于所述第一端部上的一抵靠环(10)。该接头在所述端部之间包括至少一个密封环(4,5),并还包括一夹环(3),该夹环具有一基本呈圆柱形的外表面。该夹环(3)由两个基本相同的半部(12,13)构成,每个夹环半部具有一U形的横截面,并带有一朝内的凹槽(6),所述凹槽包封所述凸缘和所述抵靠环而使它们彼此抵靠。两个夹环半部在它们的端部(15,16)处彼此固定,固定装置在至少一个位置包括螺栓装置(9)。

Description

管件的真空密封接头

本发明涉及一种用于两个管状件的端部的真空密封接头。具体说，它涉及必须围绕其纵管轴线旋转的重型管件的接头，例如真空溅射反应器中的可旋转的对象，尤其是磁控管。

发明背景

专利公开DE 3328137、US 4,900,063、US 5,591,314、WO 85/04940和EP0726417中揭示了用于管端的真空或至少流体密封接头。大多数这种连接装置包括夹环，由于它们的固定装置的本性，夹环不具有基本呈圆柱形的外表面。这就阻碍了管子在围绕夹环、也就是径向面对夹环的较小开口内的旋转。另外，在连接后，横向管子端部实质上是用它们的端面彼此抵靠，密封装置在横向抵靠区域内设置在它们之间。当一个管子端部必需例如以悬臂方式支承另一较重管子并可选择地必需使其例如在高速下旋转时，则这些公知的抵靠型接头的结构会受到实际上难以承受的应力和载荷。

US 5,480,193描述了一种推进式接头，该接头包括一分体式夹子。内管端具有两个“O”型环，外管端推到密封件上。轴向夹子的每个半部具有一半圆形表面，它设置成围绕推进式接头的位于密封件上的那部分。弹性插入件放在夹子内，施压力于外管。由于使用了弹性构件，内、外管之间有可能有相对运动。

US 5,647,612揭示了一种推进式管接头，它由一铰接夹子夹紧。在关闭位置，两个夹子半部相互配合而形成一与接头配合零件的部分相对应的凹槽，从而轴向约束接头，但没有将它们夹合于一起。该夹子由一可拆卸的锁紧机构保持关闭。

发明目的和概要

本发明的一个目的在于避免已知接头的缺点，为相对较重的管件提供一种可靠的真空密封接头。另一个目的在于设计出这样一种接头，当需要时它允许相对较高速的转动。还有一个目的在于产生一种容易装配和拆卸、并很容易使用的接头，例如可转动的溅射对象的主轴/对象接头。该接头设计成可多次拆卸和重新装配。在固定接头后，主轴可连接于其支承装置，例如一端块，它具有用于驱动和冷却对象管子的内部空间的连接机构。

在本发明的用于两个管状件端部的真空密封接头中，第一端部的内径选择成小于第二端部的内径。该第二端部带有一径向朝外延伸的凸缘端，并且该端部可在第一端部上轴向滑动而抵靠所述第一端部上的一外周抵靠环。在所述端部之间于它们的搭接圆柱形接触区域中设置至少一个密封环。该接头还包括一外表面基本呈圆柱形的夹环。该夹环由两个基本相同的半部构成，每个半部呈U形截面，并具有一朝内的凹槽，所述凹槽包封第二端部的所述凸缘部分以及第一端部的所述抵靠环。拧紧夹环可使抵靠环沿纵向(轴向)有效夹合于凸缘。该夹环直接在凸缘和夹环上操作。较佳的是，夹环、凸缘端抵靠环的负载支承表面由金属制成，例如钢。固定夹环半部用的固定装置包括至少位于一个位置的螺栓装置，其轴线垂直于所连接的管状件的纵轴线并基本与夹环周边相切。

为提供稳固的连接，一个管子端部进入另一管子端部的所述搭接圆柱形接触区域应相对于第一端部的内径“d”而超过一个最小表面。例如，最小的搭接区域可以是第一端部内径的5％。通过这种方式，进入的管子端部在任何工作条件下将为包绕的管子端部提供合适的机械支承。为了便于在有限空间内的连接，搭接量最好应在长度上有所限制。例如，第一和第二端部之间的搭接长度较好的是第一端部内径“d”的50％或更小，更好的是30％或更小，最好的是20％或更小。搭接可以是10％。该搭接量足以为密封环提供足够的空间，并提供机械稳定性。

为防止起电弧，最好将一抗电弧元件连接于夹环的表面。该抗电弧元件可以是一个环。抗电弧元件可以由绝缘或导电材料制成。

下面将参照附图来描述本发明。具体针对主轴到可转动对象的接头的某些较佳的实施例，将阐明进一步的细节和优点。

附图简述

图1是本发明一实施例的接头的纵向剖视图。

图2是图1的横向剖视图，表示夹环的两个半部。

图3是另一实施例的纵向剖视图，其中在第二端部上的凸缘端是一分离环。

图4是图3的夹环的横向剖视图。

图5是用于夹环的两个半部的固定结构的另一实施例的纵向剖视图。

图6是图5的夹环的横向剖视图。

图7表示在两个接头的第一与第二端部之间插入一管状件。

图8是本发明另一实施例的接头的分解示意图。

图9是图8的接头的局部放大纵向剖视图。

某些实施例的详细描述

下面参照某些实施例和附图来描述本发明，但本发明并不局限于它们，而是由权利要求书限定。本发明的接头尤其适合于用作真空接头。本发明的接头不仅适用于0.5到0.01巴范围内的真空级别，而且还适用于较高的真空级别，诸如10^-3巴或更低，尤其是10^-5巴或更低，例如10^-6到10^-9巴。。本发明的接头可以是超高真空接头。本发明的超高真空是10^-10巴或更低，例如10^-11低至10^-15巴。

图1中示意性地示出了本发明的真空密封接头的一个实施例。通常，接头的结构材料可由金属制成，例如钢，也可由任何其它合适的高强度材料制成。该接头具有两个管状件的端部1、2。第一端部1的内径可比端部2的内径小。当将本发明应用于主轴/对象接头时，第一端部1是主轴的一部分或装配于主轴之中或之上，第二端部2是对象管子的一部分或装配于对象管子之中或之上。对象辊子可具有一内支承管7，对象材料的圆筒形层8固定于内支承管上。第一端部的内部空间的尺寸小于第二端部2的内部空间的尺寸。第二端部2带有一凸缘端11，该凸缘端可在第一端部1上轴向滑动而抵靠于所述第一端部上的一外周抵靠环10。抵靠环10与凸缘11之间的接触称作抵靠区域。

该接头在所述端部之间于它们的搭接接触区域中包括至少一个密封环4、5。密封环4、5可以是一O型环。在主轴端部的外侧上的一圆周槽中最好设置一O型环5。最好用对象管子的端部将一O型环4设置在抵靠区域附近。虽然一个O型环在理论上可确保真空密封，但两个O型环可在最极端的工作条件下保证最大的真空完整性。O型环4和5在装配过程中均安装于主轴上。这种结构可在密封件上提供自动和均匀的压力，使得它们或密封表面在装配、校正、清洗和对象更换过程中受损的危险减小到最低限度。本发明的接头设计成可反复装配和拆卸，同时任保持它们的机械特性，例如适用于真空或超高真空条件。橡胶O型密封环(例如Viton^TM橡胶O型环)适用于高真空场合，也就是低至约10^-9巴的压力场合。由于橡胶放气，这种O型环并不太适用于超高真空场合。可以用商标为Helicoflex^TM(生产商为法国的Le Carbone-Lorraine公司)的环形柔性金属密封件来代替橡胶O型环，用于超高真空，例如10^-11到10^-15巴。

接头还包括一夹环3，它具有一基本呈圆柱形的外表面。基本呈圆柱形是指带有其固定装置9的夹环的外圆周的包络面没有沿径向显著延伸到所述圆周之外的部分。因此，可将圆筒形的护罩十分贴近地设置在夹环上而不碰到它，即使是在夹环与圆筒形护罩之间有相对转动的过程中。夹环3最好由诸如金属之类的高强度材料制成，例如钢。夹环3由两个基本相同的半部12、13构成，每个半部具有半圆形或U形横截面，并带有一朝内的凹槽6。在合拢夹环3后，所述凹槽6包封凸缘11和所述抵靠环10。拧紧夹环半部12、13，便可通过加工成锥形的边缘(图3和图9中的25)将抵靠环10和凸缘11的横向端面彼此紧密地压合于一起。夹环3不仅可为两个端部1、2提供纵向或轴向的约束，而且还可确实有效地将环10夹合于凸缘11。夹环3最好具有至少一个倾斜内边25，它在夹合过程中与环10或凸缘11中的一个上的倒角边28(如图3中所示，倒角边28位于环10上)相配合。倒角/倾斜的角度应可在相应的环10或凸缘11上提供强大的轴向压力。在环10或凸缘11的另一个上可以没有倒角/倾斜边(如图3中所示)，或者这些边也可以具有配合倒角29、30(图9)。通过将凸缘11以实心方式夹合于抵靠环10，可防止环10与凸缘11之间的相对运动，不管这种运动是相对于端部1、2是轴向的，或是围绕一平行于端部1、2的轴线的一转轴旋转，或是围绕一垂直于端部1、2的轴线的一轴线旋转。这意味着在接头的旋转过程中，任何圆周方向的不平衡力均不会造成反复的小的旋转或直线运动，这种运动会损坏密封件4、5或产生周期性的运动，进而造成工艺过程中、例如在溅射过程中的周期性变化。两个夹环半部12、13在它们的端部15、16处通过一固定装置、例如螺栓9彼此固定于一起。

固定装置在至少一个位置包括螺栓装置9，螺栓装置的纵轴线14垂直于所连接的管状件的纵轴线，并基本与夹环的周边相切。这种将夹环半部12、13固定于一起的方式在这里表示为只使用两个螺栓9，它们拧于夹环端面16的螺纹孔中。它们在夹环3的任何旋转位置均很容易够到和看到。这对于安装和拆卸圆筒形管子、特别在一可转动的对象中保证了快速和使用者方便的对接。在该实施例中，如图2中所示，两个螺栓均从同一侧固定。该连接系统在连接和夹合管子端部时不须绕其纵轴线转过180°。在用于对象-主轴接头时，螺栓的螺纹孔设置在主轴侧(朝向端部1)，以防止或减少材料溅射到螺栓上。夹环3最好具有一实心部分，螺栓9的孔设置在其中。夹环3还具有一凹槽，用于容纳凸缘11和环10的外圆周边。该凹槽相对于螺栓9轴向不对称设置、也就是向凹槽的一侧设置，使夹环3的外径较小。

在图3和4中示意性表示的另一实施例中，螺栓9彼此反向设置。通过这种方式，每个夹环半部12、13均是相同的，因而可由相对的一个13、12更换。图3表示在搭接的管件2的端部处使用一分离的凸缘环11。这一特征的优点是，对象的支承管7不需要每次在其端部形成一个凸缘。分离的凸缘环11可以插入，它适当地与管子端部2和相配合的夹环3的设计相配合。凸缘环11例如通过焊接固定于管子端部2。

在图5和6中示出了夹环3的另一种设计。两个夹环半部12和13在它们的端部21、22的一个接触区域中通过适当安装在一枢转块26中的枢销17可枢转地彼此相连。两个半部可枢转成一打开位置19。另两个端部15、16可通过位于内螺纹孔18中的螺栓9而彼此适当地固定于一起。

在某些溅射反应器的真空室中，确保不同的溅射宽度是有用的。这与待使用的可旋转对象的不同长度相对应。因此，溅射区域的有效宽度可以显著小于带有对象管子的两个相对的主轴之间的距离。通过这种方式，在主轴1与对象管子2之间设置至少一个管状插入件20是有利的，如图7中所示。插入管20的面对第一端部1(主轴)的横向端23又是一个可在所述第一端部上轴向滑动的环。同样，插入管件20的另一端24是一个可供所述第二端部2在其上轴向滑动的环。这一端也具有一适合于容纳一密封环的圆周槽27。

图8和9中示意性地示出了本发明一实施例的又一夹合装置3，它可具有附加的环31和/或32，它们可用来防止溅射磁控管中起电弧。一个管子端部(2)是一旋转的圆筒形对象的一部分，它可有利地用于反应溅射工艺中。使用该实施例的夹合装置3可防止在用于真空镀覆过程中起电弧。图8和9中各零件的标号与前面的实施例中的相对应，只是在前面的实施例中，需要溅射的材料8是涂覆于一背衬管7上。在该实施例中，待镀覆的材料可以是一粗大的管子2的形式，它具有一固定于其端部的成一体的环37，该环具有合适的夹合凸缘11。这样，按照该实施例，第二端部是37。然而，本实施例并不局限于此，而可以包括参照图1和3所描述的凸缘固定方法。

夹合装置3用作将由标号2表示的圆筒形对象安装于由标号1表示的主轴的装置。夹合装置3可包括两个半圆形夹合半部12、13，它们可以用参照图1到7所述的任何固定装置固定于一起。夹环3的外周面基本呈圆柱形，如针对前面实施例所描述的一样。夹环3使抵靠凸缘10、11有效地轴向夹合。为此，夹合半部12、13具有至少一个倾斜表面25、29，它们与环10和/或凸缘11上的至少一个倒角表面28、30相配合而将环10和凸缘11压合于一起，并将它们的加工出的抵靠表面有效夹合于一起。

在图9中示出了该实施例的延伸的夹环的剖视图。图8表示分解图。设置有附加的环31和32，它们可以是两件式的，而标号33和34表示保持环(由诸如弹簧钢之类的合适材料制成)，用于将分体式环31和32紧靠夹环半部12和13而固定。环33、34可以是单件式的。可以通过插入一些固定销35(例如四个)插设通过夹合半部12和13来保持住。环31和32在反应溅射过程中提供功能性的作用。保持环33和34以及销35用来使环31和32连接于夹环半部12和13，这两个半部在上面已经详细描述过。环31可以由绝缘材料制成，用来使环32与夹环半部12、13电气绝缘。当环32是绝缘的时，环31并不重要。在溅射过程中，夹环半部12、13具有与对象2相同的电位。环32可以也由绝缘材料制成。环32的内径上的朝轴向方向的环形唇缘36延伸于对象2上，并可具有矩形的横截面，但本发明并不局限于此。例如，也可以使用锯齿状的形状，其边缘恰在溅射磁控管中的对象2上方引起的等离子体跑道的边缘处接触对象2。本发明在其范围内还包括其它形式的唇缘36，它延伸到适当设计用于不同工艺条件的对象表面上。

在另一实施例中，环32可以由导电材料制成，并与对象表面略微隔开。该环32具有所需的电位、接地或电浮。在这种情况下，绝缘环31的存在有利于使导电环32与具有一定电位的夹环半部12、13绝缘。另外，在该结构中，销35应设计成可防止夹环半部12、13与环32电接触。例如，这可以通过使用绝缘销或通过在这些销上设置一绝缘衬套来实现。延伸于对象2上的环32上的唇缘36最好在对象表面上等间距隔开。在图9中表示为具有矩形横截面的唇缘端可具有圆形、锯齿形或其它形状的横截面。该金属护罩在溅射过程中对于减少起电弧可能是较为有利的。该金属护罩没有电气连接，并在等离子起燃后具有一浮动电位。

较佳的是，两个环31和32在它们的外周面上有这样一种几何结构，即当它们固定于一起时在夹环半部12、13与环31之间提供一个槽39，并在环31与32之间提供一迷宫式槽38。在溅射过程中，不仅基底覆以所需的薄膜，而且真空室中的其它所有本体和壁也涂覆以薄膜。这意味着最终环31和32将被涂覆以一溅射薄膜。若干该溅射涂层是导电的，则从夹环半部12、13越过绝缘环31到环32会产生短路。如果环32是导电的，并且该环将被保持于一不同于夹环电位的电位，则在这两者之间不形成导电通路是较为重要的。通过在环31与32之间提供一复杂的槽38，并在夹环半部12、13与环3之间提供一槽39，可显著减小形成导电通路的机会。

本技术领域的技术人员可以理解，本发明在其范围内还包括用于圆筒形溅射对象的接头的单独发明，该接头包括一连接于接头的面对溅射对象一侧的抗电弧零件。该接头可用于将一圆筒形对象连接于一主轴。主轴可受驱动而使接头和对象旋转。接头外表面的包络面可以基本呈圆形，使得接头可设置在一封闭的接头管状护罩内。两个管状件的两个端部可以用该接头连接，第一端部的内部空间的尺寸小于第二端部的内部空间的尺寸，第二端部具有一凸缘端部，该端部可在第一端部上轴向滑动而使凸缘端部抵靠于所述第一端部上的一外周抵靠环。该接头在所述端部之间于它们的搭接区域中包括至少一个密封环，并还包括一夹环，该夹环具有一基本呈圆柱形的外表面并由两个基本相同的半部构成，每个夹环半部具有一半圆形或U形的横截面，并带有一朝内的凹槽，所述凹槽包封所述凸缘端部和所述抵靠环。

Claims (12)

1.一种用于两个管状件的端部(1，2)的真空密封接头，第一端部(1)的内部空间的尺寸小于第二端部(2)的内部空间的尺寸，第二端部具有一凸缘端部(11)，该端部可在第一端部上轴向滑动而使凸缘端部(11)抵靠于所述第一端部上的一外周抵靠环(10)，该接头在所述端部之间于它们的搭接区域中包括至少一个密封环(4，5)，并还包括一夹环(3)，该夹环具有一基本呈圆柱形的外表面并由两个基本相同的半部(12，13)构成，每个夹环半部具有一半圆形或U形的横截面，并带有一朝内的凹槽(6)，所述凹槽包封所述凸缘端部(11)和所述抵靠环(10)，并适于有效地将抵靠环(10)轴向夹靠于凸缘端部(11)，两个夹环半部在它们的端部(15，16)处通过固定装置彼此固定，该固定装置在至少一个位置包括螺栓装置(9)，螺栓装置的轴线(14)垂直于所连接的管状件的纵轴线并基本与夹环周边相切。

2.如权利要求1所述的接头，其特征在于，所述凸缘端部(11)是一分离的环。

3.如权利要求1或2所述的接头，其特征在于，除位于一个位置处的用于固定它们的端部(15，16)的所述螺栓装置(9)外，夹环半部在它们的相对端部(21，22)处还包括用于固定它们的枢转装置(17)。

4.如上述任一项权利要求所述的接头，其特征在于，在所述第一和第二端部之间连接一管状插入件(20)，面对第一端部(1)的插入件端部(23)是一可在所述第一端部上轴向滑动的环，而其相对的插入件端部(24)是一可供所述第二端部(2)在上面滑动的环。

5.如上述任一项权利要求所述的接头，其特征在于，第一和第二管部(1，2)之间的搭接部分的长度为第一部分的内径的50％或更小、较佳的是30％或更小、更佳的是20％或更小。

6.如上述任一项权利要求所述的接头，其特征在于，第一和第二端部(1，2)之间的搭接部分的长度为第一部分的内径的5％或更大。

7.如上述任一项权利要求所述的接头，其特征在于，该接头是一高真空或超高真空接头。

8.一种包括权利要求1到7的任一项所述的接头的、用于圆筒形溅射对象的接头。

9.如权利要求8所述的用于圆筒形溅射对象的接头，其特征在于，夹环(3)的固定装置设置在接头远离溅射对象的一侧。

10.如权利要求8或9所述的用于圆筒形溅射对象的接头，其特征在于，它还包括一连接于夹环(3)与溅射对象同一侧的抗电弧元件(32，36)，用于防止起电弧。

11.如权利要求8到10的任一项所述的用于圆筒形溅射对象的接头，其特征在于，抗电弧元件是导电的或绝缘的。

12.如权利要求8到11的任一项所述的用于圆筒形溅射对象的接头，其特征在于，在抗电弧元件与夹环(3)之间设置至少一个槽(38，39)。

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