KR20190050317A - 웨이퍼 프로세싱 어셈블리용 씰 - Google Patents

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Abstract

로브, 제 2 로브, 및 45도 내지 90도인 각을 갖는 코너를 갖는 단면 프로파일을 갖는 씰이며, 상기 제 1 로브로부터 상기 코너까지 연장하는 제 1 면 및 상기 제 2 로브로부터 상기 코너까지 연장하는 제 2 면, 상기 제 1 면 및 상기 제 2 면은 상기 코너 각을 규정한다. 홈 내에 제 1 로브 및 상기 코너가 존재하고 제 2 로브는 홈으로부터 연장하도록 씰은 홈 내에 안착될 수 있다. 사용시, 제 2 로브는 홈 내로 접혀 유체 밀폐형 씰을 형성한다.

Description

웨이퍼 프로세싱 어셈블리용 씰
아래의 설명은 웨이퍼 프로세싱 시스템이나 어셈블리에 이용되는 씰에 관한 것이다.
많은 반도체장치는 웨이퍼(예: 실리콘 웨이퍼)와 같은 기판 상에 수행되는 프로세스에 의하여 형성된다. 예를 들어, 많은 반도체장치는 유기금속화학기상증착(metal organic CVD, MOCVD)시스템과 같은 화학적기상증착(chemical vapor deposition, CVD)시스템을 이용하여 연속적인 금속산화물층의 성장에 의하여 형성된다. 그러한 과정에서 웨이퍼가 승온상태로 유지되는 동안 웨이퍼들은 웨이퍼의 면 위로 흐르는 가스나 가스들의 조합에 노출된다. 가스(들)이 흐르기 전에, 웨이퍼가 놓인 챔버는 공기를 배출한 상태가 된다. 증착 프로세스 동안, 챔버는 증압상태에 놓일 수 있다. 시스템 내의 씰은 정확한 프로세싱 상태를 갖추는데 있어서 가장 중요하다.
본 발명의 목적은 웨이퍼 프로세싱 시스템이나 어셈블리에 이용되는 씰을 제공하기 위한 것이다.
본 명세서에 설명된 기술은 특히 웨이퍼 프로세싱 시스템이나 어셈블리에 이용되는 가스켓(gasket), 오링(O-ring) 또는 그외 다른 안착되는 씰에 대한 것이다. 여기 설명된 씰의 단면 프로파일은 제공되는 유체 밀폐(fluid-tight)와 사용의 편의(예: 설치) 모두에서 기존 오링에 비하여 개선된 씰을 제공한다.
본 명세서에 개시된 멀티 로브(multi-lobe) 씰 디자인은 가용 글랜드필(gland fill)을 초과하지 않으면서 동등한 오링보다 많은 변형 또는 "압착(squeeze)"을 제공한다. 이는 예를 들어 상대 부분들 중 하나 또는 모두가 평평하지 않아서 모든 면에서 기존 오링과의 접촉을 보장할 수 없기 때문에 (따라서 누설 발생) 기존 오링에 맞는 공간이 충분하지 않은 경우 바람직하다. 크기, 형상 및 안착이 적절하게 이루어지면 멀티 로브 씰 디자인은 진공상태에서 특히 중요한 가상누설(virtual leak)을 발생시키지 않는다. 다른 씰 개념들이 이러한 목표를 성취할 수 있는 반면, 본 개시의 멀티 로브 씰은 2개의 정합 부분과 그 사이의 씰 조립의 용이성에 대하여 다른 비원형 씰보다 이점을 갖는다. 멀티 로브 씰은 바닥 벽 및/또는 씰이 안착된 홈 또는 글랜드의 벽에 들러 붙고(hug), 씰의 롤링 또는 오정렬을 방지한다. 이는 홈이 원형이고 씰 로브들이 대칭인 경우에 특히 현저하다. 멀티 로브 씰은 '더브테일(dove tail)' 홈 또는 글랜드에 설치하기 쉽고 보통 홈의 벽(들), 적어도 바닥 벽 및 일부 실시 예들에서 내측 직경 벽에 들러붙기 위해 스스로 맞춘다(orient itself). 또한, 멀티 로브 씰은 비교적 단순한 기하학적 구조를 가지므로, 예를 들어 Ø.070 인치에 상당하는 크기로 축소된 경우에도 쉽게 성형할 수 있다.
본 개시의 멀티 로브 씰들은 두개의 결합부분들 사이의 어떠한 어플리케이션에도 사용될 수 있다. 씰은 방사상 씰(radial seal) 또는 면상 씰(face seal)일 수 있다.
본 명세서에 설명된 하나의 특정 실시 예는 제 1 로브, 제 2 로브, 및 45 도 내지 90 도의 각을 갖는 코너를 포함하는 단면 프로파일을 갖는 씰이고, 제 1 로브로부터 코너로 연장하는 제 1 면 상기 제 2 로브로부터 상기 코너로 연장하는 제 2 면을 포함하며, 상기 제 1면 및 상기 제 2면은 상기 코너 각을 규정한다.
본 명세서에 설명된 또 다른 특정 실시 예는 내측 벽, 외측 벽 그리고 바닥 벽으로 규정되는 홈내에 안착된 씰이다. 씰은 제 1 로브, 제 2 로브, 및 코너를 포함하고 제 1 로브로부터 코너까지 연장된 제 1 면 및 제 2 로브로부터 코너까지 연장된 제 2 면을 갖춘 단면 프로파일을 갖는다. 제 1 로브는 씰의 최외측 면을 규정하고 코너는 씰의 최내측 면을 규정한다. 일부 실시 예들에서, 씰은 씰의 중심점에서 가장 가까운 최내측 면을 갖는 원형이다. 씰은 제 1 로브와 인접한 홈의 외측 벽에 안착된다. 제 1 면은 바닥 벽과 인접하고 코너 및 제 2 면은 내측 면에 인접한다.
본 명세서에 설명된 또 다른 특정 실시 예는 홈을 갖는 제 1 부분과 제 2 부분 사이에 유체 밀폐 씰을 제공하는 방법이다. 상기 방법은 홈에 제 1 로브 및 코너가 완전하게 배치되고 제 2 로브의 일부분이 홈으로부터 연장되어 나오도록 홈 내에 멀티 로브 씰을 배치한 다음, 제 2 로브가 홈내로 접혀지도록 제 2 부분에 제 1 부분을 위치시키는 단계를 포함한다.
이들 및 다양한 다른 실시 예들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 명백해 질것이다.
본 요약은 이하 상세한 설명에서 더 자세히 설명되는 단순한 형태의 개념들의 모음을 소개하기 위해 제공된다. 본 요약은 청구된 주제의 주요특징 또는 필수기능을 식별하기 위한 것이 아니며 청구된 주제의 범위를 제한하는데 사용되는 것도 아니다.
도 1은 일반적인 웨이퍼 프로세싱 어셈블리의 단면 개략도이다. 도 1의 (a)는 도 1의 어셈블리의 일부분의 확대도이다. 도 1의 (b)는 도 1의 어셈블리의 다른 일부분의 확대도이다.
도 2는 씰의 상면 투시도(top perspective view)이다.
도 3은 도 2의 3-3선에 따른 씰의 단면도이다.
도 4a는 도 3의 씰과 유사한 씰의 단면부의 제 1 실시 예이다. 또한 도 4b는 씰의 단면부의 제 2 실시 예이다.
도 5a는 홈에 안착된 씰의 단면도의 제 1 실시 예이다. 도 5b는 홈에 안착된 씰의 단면도의 제 2 실시 예이다. 도c는 홈에 안착된 씰의 단면도의 제 3 실시 예이다. 그리고 도 5d는 홈에 안착된 씰의 단면도의 제 4 실시 예이다.
도 6a는 홈에 안착된 씰의 단면도이다. 그리고 도 6b는 도 6a의 홈내에 압축된 씰의 단면도이다.
도 7a는 홈에 배치되고 있는 씰의 단면도이다. 그리고 도 7b는 홈내에 안착된 도 7a의 씰의 단면도이다.
본 발명은 면들 중 하나가 씰을 수용하는 홈을 그 안에 갖는 두 개의 맞닿는 면들을 밀폐하기 위한 것으로써 (또한 가스켓이나 오링 등으로 언급되는) 씰들에 관한 것이다. 여기에서 설명된 씰들은 어떤 시스템이나 오링, 가스켓 또는 다른 그러한 씰들을 이용하는 어셈블리에 사용될 수 있다. 씰들은 특히 웨이퍼 프로세싱 어셈블리들 및/또는 시스템들의 용도에 맞게 조정될 수 있다. 웨이퍼 프로세싱 시스템은, 예를 들어, CVD시스템, MOCVD시스템, 이온 빔 증착 시스템, 이온 빔 스퍼터링(sputtering) 시스템, 화학적 에칭(etching) 시스템, 이온 밀링(milling) 시스템, 물리적기상증착(physical vapor deposition, PVD)시스템, 다이아몬드상 카본(diamond-like carbon, DLC)증착시스템, 또는 다른 프로세싱 시스템이 될 수 있다.
다음의 설명에서, 여기의 일부를 형성하고 구체적 실시 예 도시의 형태로 나타낸 첨부도면을 참조한다. 이 설명은 추가적인 구체적 실시 예를 제공한다. 본 발명의 범위나 사상을 벗어남이 없는 다른 실시 예도 고려될 수 있으며 만들어질 수 있음이 이해되어야 한다. 그러므로 다음의 상세한 설명을 제한적인 의미로 간주되지 않아야 한다. 본 발명이 그와 같이 제한되는 것은 아님에도, 발명의 다양한 측면에 대한 이해가 아래 제공된 예시들에 대한 논의를 통해서 얻어질 수 있을 것이다.
여기에 사용되는 바에 있어서, 단수형 "일", "한", 그리고 "상기(the)"는 그 내용이 명백하게 다르게 지시하지 않는 한 복수의 참조들을 갖는 실시 예들을 포괄한다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 바에 있어서, 용어 "또는"은 일반적으로 그 내용이 명백하게 다르게 지시하지 않는 한 "및/또는"을 포함하는 의미로 쓰인다.
"하부", "상부", "밑에", "아래에", "위에", "상단에" 등을 포함하나 이에 한정되지 않고 공간적으로 관련된 용어들은, 여기에 사용되는 경우, 구성요소(들)와 다른 것과의 공간적 관계를 묘사하는 설명의 편의를 위해 이용된다. 이러한 공간적으로 관련된 용어들은 상기 장치의 다른 배향들 이외에도 도면들에 도시되고 여기에 설명되는 특정한 배향들을 포괄한다. 예를 들면, 도면들에 도시되는 구조가 반전되거나 뒤집히는 경우, 앞서 다른 요소들의 아래나 밑인 것으로 설명되는 부분들은 이들 다른 요소들의 위나 상부에 있을 수 있다.
어떤 경우들에 있어, 도면의 참조번호는 다수의 유사한 구성요소들 중 하나를 나타내기 위해 대문자로 구성된 연관 서브라벨을 가질 수 있다. 서브라벨의 지정이 없는 참조번호 관련사항에는, 그 참조는 모든 이러한 다수의 유사한 구성요소들을 언급하는 것으로 의도된다.
도 1은 가장 기본이 되는 방식으로 CVD시스템과 같은 웨이퍼 프로세싱 시스템(100)을 나타낸다. 특정한 시스템(100)은 본 개시의 씰들에게 가장 중요한 것은 아니지만, 본 개시의 씰이 포함될 수 있는 일반적인 웨이퍼 프로세싱 시스템으로써 제공된다. 특정 시스템(100)은 도시된 부분의 일부만을 가지며, 특별한 설계없이 일반적으로 도시된다; 실제 CVD시스템이나 다른 웨이퍼 프로세싱 시스템이 훨씬 더 많은 존재하는 특징을 가진다는 것이 이해되어야 한다.
웨이퍼 프로세싱 시스템(100)에는 적어도 제 1 부분(104)과 (도시되지 않았으나)프로세싱 과정에서 웨이퍼가 놓이는 부분인 제 2 부분(106)으로 구성된 챔버(102)가 있다. 특정한 실시 예에서 챔버(102)는 원형의 제 2 부분(106)과 만나는 원통형의 제 1 부분(104)으로 구성된 원통형의 용적을 갖는다. 챔버(102)내에서의 프로세싱은, 예를 들어, 웨이퍼 위에 금속산화물막들(metal oxide film(s))의 증착을 위한 것일 수 있다. 뚜껑(108)은 제 2 부분(106)위에 도시되어 있다. 센터 허브(110)는 뚜껑(108)을 통과하여 제 2 부분(106)까지 연장되어 존재한다.
챔버(102)내에는 프로세싱 중에 웨이퍼를 그 위에 또는 그 안에 배치하기 위한 기판지지부(112)가 있다. 도시되지는 않았지만, 시스템(100)은 웨이퍼를 챔버(102) 내외로 이동시키기 위한 챔버(102)내부로의 접근로를 포함할 것이다.
특정 처리시스템에 따라, 시스템(100)은 또한 챔버(102)내 진공을 빼내기 위한 배출소스(evacuation source)(114), 챔버(102)에 (예:반응성있는)가스나 다른것들을 공급하기 위한 가스 피드들(116,118)을 포함할 수 있다. 챔버(102)내에서 적절한 (기체) 환경을 유지하기 위하여 제 1 부분(104) 및 제 2 부분(106)과 같은 다양한 부분 사이의 결합은 유체 불투과성(예: 기체불투과성)인 것이 바람직하다. 이를 위해 두 부분 사이에 씰이 제공된다.
도시된 시스템(100)에서, 제 1 부분(104)과 제 2 부분(106)의 전체 원주를 따라 제 1 부분(104)과 제 2 부분(106)사이에 원형의 씰이 제공된다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 제 1 부분(104)은 제 1 부분(104) 둘레로 연장되는 홈(120)을 가지며, 이 홈에는 씰(125)이 배치된다. 씰(125)은 제 1 부분(104)를 둘러서 이어지는 고리이다. 씰(125)은 제 1 부분(104)과 제 2 부분(106)사이에 유체밀폐형 결합을 제공한다. 또한 시스템(100)에는 제 2 부분(106)에 인접한 허브(110)의 홈(130)에 제공된 제 2 씰(135)이 있다.(도 1의 (b)참조) 제 1 부분(104)과 제 2 부분(106)사이의 씰(125)과 유사하게, 제 2 씰(135)은 원형체이고 허브(110)와 제 2 부분(106)사이에 유체밀폐형 결합을 제공한다.
도 2는 씰(200)을 도시한다. 본 실시 예에서, 씰(200)은 씰(220)의 중심점(C)에 대하여 바라볼 때, 방사상으로 최내측 면(DI)(씰의 내경쪽) 및 방사상으로 최외측 면(DO)(씰의 외경쪽)을 갖는 원형이다. 씰(200)은 충분히 유연하여 힘의 적용에 따라 그 형태와 크기가 변경될 수 있다. 예를 들어, 씰(200)은 정지시(at rest)(씰에 힘이 작용하고 있지 않을 때)보다 더 큰 내경 및 더 큰 외경을 갖도록 신장될 수 있다. 이는 일반적으로 각각의 홈에 씰(200)을 설치할 때 발생한다.
도 2에 도시된 원형의 씰(200)이 가장 일반적이긴 하지만, 씰은 정지시 및/또는 홈에 설치시, 타원형(예:경기장트랙형상)이나 직사각형(예:정사각형), 삼각형등의 다른 형태도 가질 수 있다.
도 3은 도 2의 씰(200)의 내측 면(DI)으로부터 외측 면(DO)까지 중심점(C)에 대하여 방사상으로 취한 단면 프로파일을 도시한다. 도 3에서 보여지는 바와 같이, 본 개시에 따른 씰(300)은 비원형, 멀티로브 단면 프로파일을 갖는다.
씰(300)은 이를 관통하여 연장되는 대칭선(304)을 갖는 멀티 로브 몸체(302)를 갖는다. 대칭선(304)의 일측에는 제 1 로브(306A)가 있고, 대칭선(304)의 반대 측에는 제 2 로브(306B)가 있다. 로브들(306A, 306B)사이에는 로브들(306)에 대하여 오목한 영역(305)이 있다. 로브들(306)의 반대쪽은 대칭선(304)이 연장되며 통과하는 코너(308)이다. 코너(308)에 제 1 로브(306A)를 연결하는 것은 제 1면(307A)이고 코너(308)에 제 2 로브(308B)를 연결하는 것은 제 2 면(307B)이다. 본 특정 실시 예에서 면들(307)은 평면인 반면, 다른 실시 예들에서는 한 쪽 또는 양쪽면들(307)이 볼록 및/또는 오목한 부분(들) 또는 연장부분(들)을 가질 수도 있다.
제 1 로브(306A)는 씰(300)의 중심점(C) (도 2)으로부터 가장 멀리 떨어져있는 외측 면(도 2의 DO)의 부분이나, 씰(300)의 방사상 최외측 주변부로 규정된다. 코너(308)는 중심점(C)(도 2)에서 가장 가까운 내측 면(도 2의 DI) 부분, 또는 씰(300)의 방사상 최내측 주변부를 규정한다.
상기 설명된 바와 같이 씰(300)이 대칭선(304)에 대해 대칭이라 하더라도, 다른 실시 예들에서 로브들(306) 중 하나는 로브들(306)의 다른 것들과 다를 수 있다. (예: 더 길거나, 더 넓거나, 내부의 다른 각을 갖거나, 다른 측 벽(side wall)을 갖거나, 아래에 설명된 다른 치수일 수 있다) 부가적이거나 대안적으로, 영역(305)은 대칭선(304)을 경계로 양측에서 다를 수 있다.
도 4a 및 4b는 본 개시에 따라 대칭적인 멀티 로브 씰들의 다양한대안적인 실시 예들을 도시한다. 씰들의 다양한 부분들의 식별은 일반적으로 도 3의 씰(300)과 동일하다.
도 4a를 참조하면, 씰(400A)은 일 면(407A)으로부터 반대편 로브(406B)까지의 높이(도 4a의 방향) X를 갖고, 도시된 실시 예에서 약 0.077인치이다. 유사하게, 면(407B)으로부터 반대편 로브(406A)까지의 거리는 X(예: 약 0.077인치)이다. 씰(400A)는 로브(406A)로부터 코너(408)에 인접한 가장 먼 지점까지 최대 폭Y(도 4a의 방향)를 갖고, 도시된 실시 예에서 약 0.078인치이다. 유사하게, 로브(406B)로부터 인접한 코너(408)까지의 최대 거리는 Y (예: 약 0.78 인치)이다. 씰(400A)는 코너(408) (예: 변들(407A, 407B)사이)에 대해 각 β을 갖는다. 도시된 본 실시 예에서 코너 각 α 는 약 66° ± 3°이다. 씰(400A)은 또한 로브들(406)의 두께 또는 폭으로 규정되는 각 β 을 갖는다. 도시된 본 실시 예에서 각 β 은 약 26°±3°이다. 또한, 씰(400A)은 로브가 대향 측에 대하여(예: 로브(406A)가 면(407A)에 대하여) 수직 또는 직각으로부터 제거되는 각인 기울기 각도 γ를 갖는다. 도시된 본 실시 예에서 기울기각도 γ는 약 2°이다.
로브들(406) 및 코너(408) 각각은 라운드지거나, 반경 형식(radiused)이지만, 다른 실시 예들에서 로브들(406) 및/또는 코너(408) 중 하나 이상은 절단되거나(truncated), 다듬어지거나(squared off), 뾰족하거나(pointed), 그렇지 않으면 둥글지 않을 수 있다. 로브들(406)은 반경 R1에 의해 규정된 형태를 갖는다. 도시된 본 실시 예에서, R1은 0.012 ± 0.003인치이다. 유사하게, 코너(408)는 R2에 의해 규정된 형태를 갖는다. 도시된 본 실시 예에서, R2는0.020 ± 0.003 인치이다. 영역(405) 또한 반경R3에 의하여 규정된 형태를 갖는다. 도시된 본 실시 예에서, R3은 0.012 ± 0.003인치이다. 씰(400A)은 종래의 Ø.070 인치 오링에 대한 적합한 대체재이다.
도 4b는 멀티 로브 씰의 대안적인 실시 예를 도시한다. 전체적으로, 도 4b의 씰(400B)은 도 4a의 씰(400A)과 유사하다. 로브들(406)사이의 영역(405)이 오목한 언더컷(undercut )을 생성하는 기울기 각도를 갖는 것을 제외하고는, 도 4a와 유사하다. 오목한 언더컷은 씰(400B)의 성형 용이성을 감소시킬 수 있지만, 더 큰 반경R3은 씰(400B)의 인열(tearing) 및/또는 응력에 대한 더 많은 저항성을 제공한다.
다양한 폭들, 길이들, 각도들 등에 대한 구체적 치수들이 상기에 제공되었음에도 불구하고, 씰은 어떠한 적절한 글랜드 또는 홈 내에서도 맞는 크기가 될 수 있는 것으로 이해된다. 일반적으로 홈은 씰이 있는 시스템에 알맞게 크기가 정해질 것이다. 씰들에 대한 보통 크기들의 예들은 Ø.070 인치, Ø.103 인치, Ø.139 인치 및 Ø.210 인치를 포함하여 기존 오링에 비례한다. 대부분의 실시 예들에서 코너 각 (예: 각도 α)은 약 45-75도 사이이지만, 90도까지의 더 큰 각도가 사용될 수 있을 것이다.
또한, 도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d는 홈에 안착된 채 도시된 본 개시에 따른 대칭 멀티 로브(symmetrical multi-lobed) 씰들의 다양한 대안적인 실시 예들을 도시한다. 이 도면들에서 보여지듯이, 씰의 코너 및 하나의 로브는 홈 내에 존재하고, 두 번째 로브는 홈으로부터 위로 그리고 밖으로 연장된다. 씰의 크기, 형태 및 프로파일은 그것이 안착되는 홈의 내측 벽과 밀접하게 맞물리거나 들러붙어있도록 선택될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 씰의 면 전체 길이는 홈의 벽과 맞물려 있는 반면, 다른 실시 예들에서는 코너로부터 연장되는 로브까지의 벽의 일부분만이 홈 내측 벽과 맞물린다. 씰의 측면이 홈의 벽, 특히 홈의 내측 벽과 맞물리거나(engage) 들러붙어있게(seat against) 하는 것은, 씰이 홈내에 위치될 때, 씰이 홈에 안착될 때, 그리고 씰이 처음으로 압축될 때, 씰이 구르거나(rolling) 꼬이는 것(twisting)을 방지한다. 또한, 씰의 크기, 형태 및 프로파일은 홈의 바닥 벽과 밀접하게 맞물리게 하거나 맞서 안착될 수 있도록 선택될 수 있다. 홈의 바닥 벽 상에 씰을 안착시키도록 하는 것은 가상누설 (예: 씰 아래의 에어 포켓)을 방지한다.
각 도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d의 도면들에서 홈내 보여지는 다른 씰들을 갖는, 홈의 단면은 동일하다. 이 모든 도면들에서 홈(550)은 (도 2의 중심점 C에 가장 가까운) 내측 벽(552), (도 2의 중심점C로부터 가장 먼) 외측 벽(554) 및 바닥 벽(556)을 갖는다. 홈(550)은 지면으로부터 안팎으로 연장되는 길게 늘인 길이를 갖는 것으로 이해된다. 상기 길이는 무한할 수있고, 이는 (도 2에서와 같은) 원형체도 마찬가지이다(the length may be infinite, as is with a circle (such as in FIG. 2)). 개방된 상부면(558)은 벽들(552, 554, 556)에 의해 규정되는 홈의 용적으로의 접근을 허용한다.
도 5a에서, 씰(500A)은 홈(550)의 바닥 벽(556)에 맞닿아 자리하는 제 1 면(507A)을 가지며 본질적으로 면(507B)의 길이에 대하여 홈의 내측 벽(552)에 본질적으로 맞닿아 자리하는 제 2 면(507B)을 갖는다. 도 5b에서, 씰(500B)은 바닥 벽(556)에 맞닿아 자리하는 제 1 면(507A)을 갖고, 본질적으로 면(507B)의 길이에 대해 접촉하지 않지만 홈 내측 벽(552)으로부터 이격된 제 2 면(507B)을 갖는다. 도 5c에서, 씰(500C)은 바닥 벽(556)에 맞닿아 자리하는 제 1 면(507A)를 가지며 홈(550)의 개방된 면(558)에 인접하는 홈 내측 벽(552)과 접촉하지만 홈(55)의 바닥 벽(556)과 가까운 홈 내측 벽(552)으로부터 이격된 제 2 면(507B)을 갖는다. 도 5d에서, 씰(500D)은 홈의 바닥 벽(556)에 맞닿아 자리한 제 1 면(507A)을 가지고, 바닥 벽(556)에 인접한 홈 내측 벽(552)과 접촉하지만 홈(550)의 개방된 면(558)과 가까운 홈 내측 벽(552)으로부터 이격된 제 2 면(507B)를 갖는다.
홈(550)의 바닥 벽(556)에 대해 맞닿아 자리하거나 바닥 벽(556)과의 단일 접촉 영역(single contact area)을 갖는 볼록한 바닥면을 갖는 씰의 실시 예들에서, 씰 아래에 공기가 거의 또는 전혀 포획되지 않는다. 반대로, 홈의 바닥에 대해 오목한 면을 갖는 씰은 포획된 공기 또는 다른 가스 버블을 초래할 수 있다.
전술한 바와 같이, 측 벽의 각도 및/또는 씰 코너의 각은 씰이 위치하는 홈의 내벽과 밀접하게 맞물리거나 들러붙도록 선택될 수 있다. 홈의 바닥면과 내부 측 벽(inner side wall) 모두와 접촉하거나 들러붙는 씰을 갖는 것을 용이하게 하기 위해, 씰은 홈의 코너와 유사한 각도(예: 도 4a-4d의 각 α)를 코너에서 갖는다.
도 6a는 홈(650)내에 안착되는 멀티 로브 씰(600)을 도시한다. 도시되고 설명된 다른 씰들과 유사하게, 씰(600)은 제 1 로브(606A)와 홈(650)으로부터 연장되는 반대편 제 2 로브(606B)가 있는 대칭의 바디(body)(602)를 갖는다. 로브들(606A, 606B)사이에 로브들(606)에 대하여 오목한 영역(605)이 있다. 영역(605)의 반대편이고 로브들(606A, 606B)사이에 코너(608)가 있다. 제 1 로브(606A)로부터 코너(608)까지 연장되는 것은 제 1 면(607A)이고, 제 2 로브(606B)로부터 코너(608)까지 연장되는 것은 제 2 면(607B)이다.
씰(600)은 내경 측 벽(inner diameter side wall)(652), 외경 측 벽(outer diameter side wall)(654), 바닥 벽(656) 및 개방 단부(open end)(658)를 갖는 홈(650)에 안착된다. 제 1 로브(606A)는 본질적으로 바닥 벽(656)에 대해 맞닿아 있고, 제 2 로브(606B)는 개방 단부(658)에서 홈(650)으로부터 거리d만큼 연장된다. 이 거리d는 비슷한 크기의 기존 오링보다 더 클 수 있지만 작동 온도에서 글랜드 필을 100% 초과할 만큼 큰 것은 아니다. 일부 실시 예에서, 거리d는 0.01 인치보다 크거나(예: 0.016 인치) 0.03 인치보다 크다.
도 6b는 제 2 부분 (예:도 1의 시스템 (100))에 의해 폐쇄된 홈(650) 내의 동일한 씰(600)을 도시하고 이와같이 홈(650)내에서 씰(600)을 압축하는 것을 도시한다.
도 6b에서 보여지는 바와 같이, 도 6a에서 홈(650)으로부터 연장되어 나온 로브(606B)는 제 2 부분에 의하여 홈(650)내로 구부러지거나 접혀진다. 로브(606A), 제 1 면이면(607A) 및 코너(608)는 본질적으로 홈(650)에 대해 맞닿아 있게 된다. 씰(600)은 홈(65)내에 완벽하게 맞춰질 정도로 탄력적이며 순응적이다. 글랜드 필을 초과하지 않으면 씰(600)의 압축 변형(compression set)이 거의 발생하지 않는다.
도 7a 및 7b는 로브들(706A, 706B) 및 코너(708)를 갖는 씰(700)을 홈 또는 글랜드(750)에 설치하기위한 예시적인 방법을 도시한다. 홈(750)은 내측 벽(752)(도 2의 중심점C에 가장 가까운), 및 외측 벽(754) (도 2의 중심점 (C)으로부터 가장 멀리 떨어진), 및 바닥 벽(756)을 갖는다.
이들의 형상 때문에, 씰(700)은 기존 오링으로 행하여 지듯이 그것을 단순히 아래로 똑바로 밀어서 홈(750)에 설치할 수 없다. 오히려, 씰(700)은 그 측면상에 삽입될 필요가 있고, 제 1 로브(706A)는 외측 벽(754)에 맞서서 삽입되고 도 7a의 화살표로 도시된 바와 같이, 도 7b에서 나타낸 위치로 굴려진다. 홈(750)내에 적절히 안착될 때, 코너(708)는 내측 벽(752)에 인접하고, 제 1 로브(706A)는 외측 벽(754)에 인접한다.
일반적으로, 씰(700)은 자동적으로 홈(750)내로 떨어지고 적절하게 배치된다. 그러나 어떤 경우들에서는, 예를들어, 씰(700)이 공차범위(tolerance range)의 상한(high end)에 있고 홈(750)이 하한(low end)에 있다면, 압력은 코너(708)와 가깝거나 코너에 있는 씰(700)에 가해져 씰(700)이 홈(750) 내로 떨어지게 된다. 압력은 예를 들어 오링 픽(O-ring pick )에 의해 가해질 수 있다.
씰(예: 씰들(300, 400, 500, 600, 700))은 임의의 탄력성(예:신축성) 및 바람직하게는 압축성 재료로 제조될 수 있다. 상기 물질은 자연 발생적(naturally occurring) (예: 고무) 일 수도 있고 중합체(polymeric)기반 일 수도 있으며; 상기 재료는 열가소성 또는 열경화성 일 수 있다.
물질들의 예시들은 고무(예:천연고무), 에틸렌 프로필렌 디엔 단량체 (ethylene propylene diene monomer, EPDM) 고무, 아크릴로 니트릴 부타디엔 스티렌 (acrylonitrile butadiene styrene, ABS), 에틸렌비닐아세테이트(ethylene-vinyl acetate, EVA), 니트릴, 실리콘, 우레탄, 폴리 에스테르, 폴리 프로필렌, 폴리에틸렌, 스티렌 및 그것의 엘라스토머(elastomers) 및/또는 공중합체를 포함한다.
적합한 재료들의 구체적인 예들는 듀폰(Dupont)사의 Kalrez® perfluoroelastomer, Viton® elastomer, Vamac® ethylene acrylic elastomer, and Hytrel® thermoplastic polyester elastomer, 루브리졸(Lubrizol)사의 Estane® and Pellethane® thermoplastic polyurethanes, 아사히유리(Asahi Glass Company, AGC)사의 Aflas® fluoroelastomers을 포함한다.
씰은 임의의 적절한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 씰은 원하는 프로파일, 형상 및 크기로 성형될 수 있고, 씰은 3D 인쇄 기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 씰은 먼저 원하는 프로파일의 길게 늘인 길이로 밀려내어진 다음, 원하는 형상 및 크기로 절단 및 접합될 수 있거나, 또는 씰은 다른 프로파일, 형상 및/또는 크기를 갖는 재료로부터 원하는 프로파일, 형상 및/또는 크기로 기계 가공(machine)될 수 있다.
멀티 로브 씰은, 상기 설명과 도면들에 따라, 홈에 대하여 적절하게 형상 및 크기로 될 때 두 부분들 사이에 유체 밀폐형 씰을 제공한다. 다수의 로브들, 어떤 실시 예들에서, 압축 전에, 홈의 바닥 벽에 가까이 붙은 하나의 로브 및 홈으로부터 연장되어 나온 다른 로브를 가지는 것은 표준 원형 오링 밀폐보다 우수한 유체 밀폐를 제공한다. 전술한 바와 같이, 홈의 바닥 벽의 적어도 일부분 및 홈의 내측 벽의 적어도 일 부분과 맞닿아 있는 씰이 매우 바람직하다.
씰은 홈 내에서 압축된 후에 그 씰이 적어도 홈의 체적의 80 % 이상을 차지하도록 크기 및 형상이 결정될 수 있다(글랜드 필 비율). 일부 실시 예들에서, 씰은 홈의 85 % -90 %를 차지할 수 있다. 95 % 및 심지어 100 %만큼 많은 글랜드필이 씰에 의하여 채워지더라도, 씰이 지나치게 팽창하지 않도록(예:고온에서) 주의해야 하고, 그러므로 두 개의 결합된 부분을 분리시키거나 영구적으로 씰을 손상시켜 유체 밀폐 씰의 완전성을 위태롭게 하는 어느 한쪽의 결합된 부분에 바람직하지 않은 압력을 가하게 되지 않도록 주의해야한다.
위의 설명과 그림에 따라 멀티 로브 씰은 여러 번 재사용 할 수 있다. 씰의 재질, 씰과 홈의 형상과 크기, 씰들이 노출된 조건, 씰이 압축된 시간에 따라 씰은 저하(예: 금(cracking))되지 않고 탄성력있게 유지된다. 경우에 따라, 씰은 압축된 후 자동으로 '튀어 나온다(bounces back)'. 또한, 씰은 표준 원형 오링 씰보다 낮은 전체 압축변형(low overall compression set)을 가진다. 엘라스토머 재질과 결합된 멀티 로브 형상으로 인해 압축변형(ASTM D395에 따라)은 10 % 미만이 될 수 있으며 일부 실시에서는 5 % 미만이 될 수 있다.
상기 명세서 및 예시들는 본 발명의 구조, 특징 및 실시 예들의 용도 대한 완전한 설명을 제공한다. 본 발명의 많은 실시가 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 만들어질 수 있으므로, 본 발명은 첨부된 청구범위에 속한다. 또한, 다른 실시 예들의 구조적 특징들은 인용된 청구항들로부터 벗어남없이 또 다른 실시 예들에서 결합될 수 있다.

Claims (18)

  1. 내측 벽, 외측 벽 및 바닥 벽으로 규정되는 홈에 안착되고, 단면 프로파일을 갖는 씰에 있어서, 상기 단면 프로파일은,
    제 1 로브, 제 2 로브, 및 코너, 상기 제 1 로브로부터 상기 코너까지 연장하는 제 1 면과, 상기 제 2 로브로부터 상기 코너까지 연장하는 제 2 면을 포함하고,
    상기 제 1 로브는 최외측 면을 규정하고;
    상기 코너는 최내측 면을 규정하고;
    상기 씰은 상기 외측 벽과 인접한 상기 제 1 로브, 상기 바닥 벽과 인접한 상기 제 1 면, 상기 내측 벽과 인접한 상기 제 2 면 및 상기 코너에 안착되는 씰.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코너는 상기 제 1 면 및 상기 제 2 면에 의하여 규정되는 각을 갖고 상기 각은 45도 내지 90도인 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 코너 각은 45도 내지 75도인 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 씰은 상기 코너로부터 연장되고 상기 제 1 로브 및 상기 제 2 로브 사이에 있는 대칭선을 갖는 어셈블리.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 로브는 상기 홈으로부터 연장되어 나오는 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 로브는 상기 홈으로부터 적어도 0.016인치 연장되어 나오는 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 면은 상기 내측 벽의 전체 길이에 대하여 상기 내측 벽에 맞닿아 있는 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 면은 상기 바닥 벽과 인접한 상기 내측 벽에 맞닿아 있는 어셈블리.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 씰은 탄성중합체를 포함하는 어셈블리.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 씰은 불소탄성중합체를 포함하는 어셈블리.
  11. 제 1 로브, 제 2 로브, 및 45도 내지 90도의 각을 갖는 코너, 상기 제 1 로브에서 상기 코너로 연장되는 제 1 면, 및 상기 제 2 로브에서 상기 코너로 연장되는 제 2 면을 포함하는 단면 프로파일을 갖고, 상기 제 1 면 및 상기 제 2 면은 상기 코너 각을 규정하는 씰.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 코너 각은 45도 내지 75도의 각인 씰.
  13. 제 12 항의 씰은 상기 코너로부터 연장되고 상기 제 1 로브 및 상기 제 2 로브 사이에 있는 대칭선을 갖는 씰.
  14. 제 11 항의 씰은 탄성중합체를 포함하는 씰.
  15. 제 14 항의 씰은 불소탄성중합체를 포함하는 씰.
  16. 홈을 갖는 제 1 부분과 제 2 부분 사이에 유체 밀폐형 씰을 제공하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    상기 씰의 코너 및 제 1 로브가 상기 홈 내에 완전히 배치되고 제 2 로브의 일 부분이 상기 홈으로부터 연장되어 나오도록 멀티 로브 씰을 상기 홈에 안착시키는 단계; 및
    상기 제 2 로브가 상기 홈 내로 접히도록 상기 제 2 부분을 상기 제 1 부분에 위치시키는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 씰은 상기 코너로부터 연장되고 상기 제 1 로브 및 상기 제 2 로브 사이에 있는 대칭선을 갖는 씰.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 씰은 중심점을 갖는 원형체이고, 상기 씰의 상기 코너는 상기 중심점과 가장 가까운 방법.
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