TW202219407A - 用於真空系統之單向止回閥及止回閥裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種真空系統單向閥，其包括：用於延伸穿過該真空系統中之一流動路徑的一擋板及一閥部件。該擋板包括一孔口，該孔口之一周邊包括一閥座。該閥部件包括一彎曲密封表面，其經構形以與該閥座配合。該閥部件及孔口經構形使得該閥部件在一關閉位置中遮蔽該孔口且與該閥座密封以阻止流體自一出口端至一入口端之一流動且在一打開位置中在使用中可移位以移動遠離該閥座且允許一流體自該入口端流動至該出口端；包圍該孔口之該擋板之該表面之至少一部分朝向該閥之該入口端傾斜，使得該孔口在該入口端處小於在該出口端處。

Description

用於真空系統之單向止回閥及止回閥裝置

本發明之領域係關於用於真空系統之單向閥。

單向閥用於真空系統中以允許流體在一個方向上泵送且阻止流體自一較高壓力區域返回至真空區域。例如，其等用作內部洩壓閥(諸如排放閥)或用作乾式泵中之排氣止回閥，或用作減排系統中之單向閥。真空系統內發現之壓差可很高且此等需要有效密封。

對於具有苛刻熱及化學條件之應用(諸如半導體應用)，處理室通常含有強酸/強鹼氣體，及固體及可冷凝副產物。含有彈性體之止回閥之使用變得越來越受較高泵及管道操作溫度要求之限制，尤其係在腐蝕性環境內，該等材料通常用於密封此等閥。

期望提供一種改良單向閥，其對腐蝕性及熱程序氣體具有抵抗力並提供一有效密封。

一態樣提供一種真空系統單向閥，其包括：一擋板，其用於延伸橫越該真空系統中之一流動路徑，該擋板包括一孔口，該孔口之一周邊包括一閥座；一閥部件，其包括一彎曲密封表面，其經構形以與該閥座配合，該閥部件及孔口經構形使得該閥部件在一關閉位置中遮蔽該孔口且與該閥座密封以阻止流體自一出口端至一入口端之一流動且在一打開位置中在使用中可移位以移動遠離該閥座且允許一流體自該入口端流動至該出口端；包圍該孔口之該擋板之該表面之至少一部分朝向該閥之該入口端向內傾斜，使得該孔口在該入口端處小於在該出口端處；且其中該孔口之該等傾斜表面之徑向相對部分對向介於30°與70°之間的一角度。

已發現，圍繞該閥之該孔口之一傾斜表面可提供與該閥部件之該彎曲表面之一有效密封且以在30°與55°之間的特定角度，在一些實施例中，已發現30°與45°之間可牢固地、堅固地接納閥部件並提供有效密封。在其他情況下，45°與55°，在一些情況下45°與100°之間的一角度已發現係有效的。

本發明之發明人認識到，在不能用於密封之可壓縮彈性體類型材料之情況下，若密封有效，則密封表面具有一良好接觸係特別重要的。此外，若閥將連續移位，其每次移位時其定向可稍微變化，且因此，若可用密封表面不侷限於一特定方向，則亦係有利的。具有一彎曲表面及一傾斜閥座之一閥提供一有效密封表面且允許閥部件在不同定向上與閥部件有效密封。在此方面，儘管閥座具有對應於閥部件之彎曲橫截面之一彎曲橫截面似乎係有利的，但已發現，為了便於製造及限制變形對密封性質之影響，一傾斜，較佳係錐形閥座係有效的。

斜面之角度及孔口及閥部件之相對大小經選擇，使得閥座處之表面之斜度在所需配合位置處與閥部件之彎曲表面相切。在此方面，在閥座及閥部件經選擇為具有一類似直徑的情況下，則該閥部件在最靠近該閥部件表面之斜率陡峭之該閥部件之最寬部分之一點處與該閥座配合，且在此一情況下，該合適角度係一較小角度。具有與該閥座類似但稍大之一直徑之該閥部件具有一些優點，因為其允許一更寬閥座直徑及因此改良傳導性。然而，已發現，在一真空系統中，一較小角度意謂該閥部件之初始位移提供歸因於該閥座之該陡坡度而逐漸增大之一狹窄開口。此逐漸打開調節該系統中背壓之變化，提供壓力之一逐漸變化且藉由減少氣體通過該閥之該初始洩漏率來減少球彈進及彈出該閥座之任何趨勢。與帶有一更大角度閥座之一止回閥之一真空系統相比，此允許提高該真空系統之效能並減少該閥之磨損。

在一些實施例中，該閥部件由金屬製成且在其他實施例中由一陶瓷製成。

在一些實施例中，該閥部件由不銹鋼製成且在一些實施例中該閥座由不銹鋼製成。

不銹鋼密封件係堅固、堅硬、耐高溫且提供一有效密封表面。

在一些實施例中，該閥部件由與該閥座不同之一金屬製成，在一些實施例中，該閥部件包括一鎳-鉻-鉬合金，在一些情況下為Hastelloy C276 ^®(鎳57%。Mo 15%至17%，Cr 14.5%至16.5%，Fe 4%至7%)。

由不同金屬形成該閥座及閥部件可協助抑制該兩者在高溫下之結合。一鎳鉻鉬合金(諸如Hastelloy C276 ^®)係耐惡劣環境及高溫之該閥部件之一特別好選擇。

該閥之構形允許有效密封，而無需可在較高溫度及腐蝕性環境中降解之可壓縮彈性材料。此允許使用諸如金屬之材料，該等材料穩健且耐受許多惡劣環境。

在一些實施例中，包圍該孔口之該表面之該傾斜部分自面向該閥之該出口端之一表面朝向面向該入口端之該表面延伸且對於延伸至面向該入口端之該表面之一部分變得更陡峭，該閥座在位於或接近該傾斜角之一變化之一位置處。

在一些實施例中，該斜面之該角度朝向該入口端變得更陡且此允許該閥座之位置靠近窮變得更陡之區域且遠離該入口側之該孔口之邊緣。此形成一更穩健閥座，其中支撐該閥部件之該閥座部分不靠近該孔口之邊緣。

在一些實施例中，形成該閥座之該材料具有在0.1 Ra與1.0 Ra之間，較佳在0.3 Ra與0.5 Ra之間的一粗糙度。

在一些實施例中，形成該閥部件之該材料具有在0.01 Ra與0.5 Ra之間的一粗糙度。

該閥部件及該閥座之粗糙度對該密封品質具有一影響且在該閥部件及該閥座由金屬而非一更具彈性材料製成時，此影響特別重要。已發現，0.1 Ra與1.0Ra之間，較佳0.3 Ra與0.5 Ra之間的粗糙度為該閥座提供一有效表面及一有效密封。此外，此一表面可依一成本有效方式製造。若該閥部件形成為比該閥座更光滑，則可為有利的。

一替代實施例在該孔口之該傾斜表面中提供一凹痕且此凹痕提供不接觸該閥部件之該彎曲表面之一區域，使得該閥部件在該凹痕之任一側上之兩個位置處接觸該閥座。此在實際上提供兩個密封位置之密封方面可特別有效。

在一些實施例中，該閥部件係實心的，而在其他實施例中，該閥部件係空心的。該閥部件可由多種材料形成且可為空心的或實心的且通常經構形以具有一特定質量，選擇質量以提供適當防止氣體逆流之保護，同時不過大使得在其處產生對該真空系統之一顯著背壓。

在一些實施例中，該閥包括自該閥部件之該彎曲表面延伸之一突起，該突起延伸穿過該孔口且包括自該突起向外延伸且經構形以當該閥處於該打開位置時限制該閥部件朝向該出口端行進之一保持部分。

該閥部件應保持在該閥內，且此可使用一籠型機構用於限制該部件朝向該出口之行進完成，替代地其可由延伸穿過該孔口之一突起及自該突起延伸之寬於該孔口之一保持部分完成。

在一些實施例中，該擋板可延伸橫越一管道且在使用一籠型機構之情況下，此亦可延伸橫越該管道且在一些實施例中作為一干涉配合保持在該管道內。

一進一步態樣提供一種真空系統單向閥裝置，其包括根據一態樣相對於彼此串聯配置之兩個真空系統單向閥，使得來自該閥裝置之一入口端之流體流動通過該等單向閥之一第一者且接著通過該等單向閥之一第二者。

實施例之該等單向閥可用作一雙止回閥以提供額外防止回流之保護。一止回閥為氣體自該真空系統外部之較高壓力至該真空系統中提供一可行洩漏路徑。對於歸因於所經歷之惡劣條件而不使用習知彈性體密封構件之閥而言，此可特別成問題。洩漏率取決於跨該閥之壓差。一雙止回閥在兩個止回閥之間具有一中間容積，且當該等閥關閉時，此容積處於一中間壓力，使得跨各閥之該壓降小於跨一單一閥之壓降。此導致該等止回閥之各者及因此該組合閥與使用一單一閥之情況相比之一較低洩漏率。

在一些實施例中，該系統進一步包括在該兩個閥座之間提供一流動路徑之一中間容積，該流動路徑之一長度在該等閥座之一直徑之1.5倍與10倍之間，較佳地在1.5倍與6倍之間。

為了使該雙止回閥特別有效，該兩個閥之間應有一容積，使得該真空系統與外部之間的該壓差跨該兩個止回閥分開。該中間容積越小，當該等閥關閉時該中間容積中之壓力越快達到一平衡穩態值。然而，容積應足以允許各閥打開及關閉而不會實體影響另一閥。

在一些實施例中，該中間容積在連接該第一中間閥及該第二中間閥之一管道內。

在一些實施例中，該兩個止回閥可為獨立單元且可由一連接管道連接。選擇該連接管道之該長度以提供一合適中間容積。在一些情況下，該閥座之該直徑在該兩個閥之該兩個閥座之間的該管道之該等長度之1.5倍與10倍之間。

在其他實施例中，該裝置包括用於容納該第一止回閥及該第二止回閥兩者之一組合外殼。

該雙止回閥形成於一單一外殼中可為有利的，該外殼可附接至該裝置，藉此需要更少密封構件。如先前所提及，在腐蝕性及熱環境中，密封構件劣化且因此減少對密封構件之要求係有利的。

在一些實施例中，該組合外殼經構形使得該等止回閥之間的一流動路徑包括在與進出該閥裝置之一流動路徑相反之一方向運行之一部分。

該組合外殼可經構形使得該兩個止回閥實際上並排配置，使得其等之間的該流動路徑隨其離開一個閥並返回至該第二閥而改變方向。該氣體流入及氣體流出之該方向可為一單一方向，當其在該止回閥中之該等閥之間通過時，流動方向簡單地改變。

在隨附獨立及附屬技術方案中闡述進一步特定及較佳態樣。附屬技術方案之特徵可適當地與獨立技術方案之特徵組合，且可與申請專利範圍中明確闡述之彼等不同組合。

本申請案主張2020年8月13日申請之GB2012603.3之優先權，該案之全部內容以引用的方式併入本文中。

在更詳細地討論實施例之前，首先將提供一概述。

對於具有苛刻熱及化學挑戰之應用(例如半導體應用)，一熱泵與可在高溫下以良好耐腐蝕性使用之一止回閥組合係期望的。實施例提供一種可完全由金屬製成之展示良好密封效能之一止回閥。在一些實施例中，使用不銹鋼，閥座之不銹鋼經加工成具有0.1 Ra與1 Ra之間，較佳0.3 Ra與0.5 Ra之間的一表面粗糙度。在一些實施例中，閥部件經加工成具有0.01 Ra與0.5 Ra之間的一表面粗糙度。在一些實施例中，閥部件由與閥座不同之一金屬形成，在一些實施例中，閥部件由一鎳-鉻-鉬合金形成。在一些實施例中，通過使用一雙止回閥進一步改良密封。

實施例提供一種具有一閥部件之一止回閥，該閥部件具有鄰接一傾斜閥座之一彎曲表面。閥座之斜面之角度係結合閥部件及孔口之大小來選擇以提供有效密封。在一些實施例中，閥部件包括直徑為30 mm之一球。閥座之內徑為26 mm。球與座之間的接觸係一單線接觸。在一些實施例中，閥係一金屬閥，而在其他實施例中，閥體及閥座可由一陶瓷形成。金屬及陶瓷適用於高溫及腐蝕性環境。

在一些實施例中，閥部件及閥座由相同材料形成，而在其他實施例中，其等由不同之材料形成。

在一些實施例中，該閥安裝於該系統之該等管道內，而在其他實施例中，使用一管道連接器。

圖1展示根據一實施例之一止回閥5之一截面。止回閥5包括呈一球體形式之一突起及保持部件22自其延伸之一閥部件18。保持部件經穿孔以允許氣體通過其。閥部件18與形成於一擋板14中之一閥座22配合，擋板14延伸橫越安裝有閥之管道且包括具有一第一角度之一傾斜表面25及一更陡峭傾斜表面之一孔口。閥座22定位成靠近斜面之角度變化。

止回閥5經由一管道內之密封件安裝且氣體在箭頭7之方向上自一真空系統流動朝向一出口。當真空系統中之壓力升高時，一力施加在閥部件18上，該力被推離閥座23至一打開位置，在該位置中氣體可流動通過孔口，孔口不再由閥部件18遮蔽且自管道之頂部流出。當系統內之壓力下降時，閥體18將在其重量作用下返回至孔口且將與閥座23密封，使得真空系統外部處於一較高壓力之氣體不會進入真空系統。

擋板14中之孔口具有與出口相鄰之一斜面25，該斜面與孔口之徑向相對側上之一斜面對向一60°角度，且此提供一合適斜面以與球之彎曲表面配合且提供一良好密封。斜面朝向閥之入口變得更陡，使得閥座之位置經良好界定而不朝向斜面之一端，其允許球牢固地保持且閥座不易損壞。

儘管已發現60°之角度對於其中球之直徑接近閥座之直徑之閥部件係有效的。在可能其中球之直徑比孔口之直徑大5%與18%之間、較佳大5%與10%之間的一些實施例中，35°與40°之間的一較小角度可較佳。球自閥座之此一角度位移提供一初始狹窄通道，且因此，壓力逐漸更可控變化。

圖2展示一替代方案，其中傾斜表面25之角度係一較不陡峭角度且在此實施例中與孔口之徑向相對側上之傾斜表面對向一90°角度。如在先前實施例中般，斜面朝向入口變得更陡，使得閥座位於表面上之一界定位置中。在此實例中，閥部件之直徑及閥座之直徑較不同，使得閥部件保持在不靠近閥部件中間之一位置處，且因此彎曲表面之傾斜角較淺且與閥座之斜面相匹配。在此實施例中，球之直徑比閥座之直徑大15%與30%之間。此處，與具有一更陡角之閥座相比，閥部件之位移導致流體流動之一更大初始變化且可導致真空系統之泵送效能更差。

圖3展示一替代實施例，其中形成閥座之孔口之表面輪廓在其內具有一凹痕27，使得在凹痕之任一側上形成兩個閥座22。孔口之入口側小於出口側，使得閥部件保持在兩個點處且在兩個點處形成一有效密封，其導致更佳密封。

圖4展示一替代實施例，其中使用前述實施例之兩個止回閥5a及5b來提供一雙止回閥60。兩個止回閥形成一雙止回閥且氣體經由入口32進入且與第一止回閥5a相遇。若入口32處之壓力升高至高於管道50內之中間容積內之壓力，則第一閥5a將打開且氣體將進入管道50中之中間容積。此處壓力之一增加將導致第二閥5b打開且氣體將流出系統。當入口處之壓力低於中間容積50內之壓力時，則止回閥5a將關閉。類似地，若中間容積中之壓力低於外部壓力，則第二閥5b將關閉。在一真空系統中，當泵啟動時，此將導致低於5a之壓力增加且5a將打開。泵入口處之壓力降低(真空)，但在泵出口處，壓力歸因於氣體壓縮而增加。中間容積50中之壓力將增加且5b將打開。當泵運作時，則通常有足夠氣流來維持壓差並保持5a及5b打開。

停止泵將導致低於5a之壓力下降且其不會承受5a之重量，且其將關閉，類似地，50處之壓力將下降且5b將關閉。

當兩個止回閥關閉時，管道50內之中間容積處於一中間壓力，使得入口32與外部之間的壓降跨不同止回閥之各者分流，其減少回漏。在此方面，跨各閥之洩漏取決於閥之壓降，因此，藉由在兩個閥之間分流來減少壓降減少洩漏。中間容積應選擇為足以使兩個閥在操作期間彼此不實體碰撞，但較佳不顯著大於此。當雙止回閥關閉時，一較大中間容積增加中間容積達到一平衡中間壓力之時間且此影響止回閥附接至其之真空系統。

圖5展示一替代實施例，其中雙止回閥60安裝於一單一外殼70內。具有一單一外殼使得一閥更容易安裝至系統且亦減少將其密封至系統所需之密封件之數目。如早期已提及，高溫腐蝕性系統之密封可具問題且減少所需之數目可為有利的。

此實施例提供一種特別緊湊止回閥，其可裝入一小空間中。兩個止回閥並排安裝且此需要氣流在其行進通過閥時改變方向。

儘管雙止回閥經展示為具有包括一突起及保持部件22之一閥部件，但其可與一彎曲閥部件及一些其他保持構件(諸如閥部件與出口之間的一格柵或籠)一起使用。

儘管本文中已參考附圖詳細揭示本發明之繪示性實施例，但應理解，本發明不限於精確實施例，且熟習此項技術者可在不背離由隨附申請專利範圍及其等效物界定之本發明之範疇的情況下在其中進行各種改變及修改。

5:止回閥 5a:第一止回閥 5b:第二閥 7:氣流 14:擋板 18:閥部件 22:保持部件/閥座 23:閥座 25:傾斜表面 27:凹痕 50:中間管道 52:密封件 60:雙止回閥 70:外殼

現將參考附圖進一步描述本發明之實施例，其中：

圖1示意性地展示根據一第一實施例之一單向止回閥；

圖2示意性地展示具有一較寬斜度之一單向止回閥；

圖3示意性地展示根據一進一步實施例之一單向止回閥；

圖4展示根據一實施例之一雙止回閥；及

圖5展示一雙止回閥之一替代實施例。

5a:第一止回閥

5b:第二閥

50:中間管道

52:密封件

60:雙止回閥

Claims (17)

1. 一種真空系統單向閥，其包括： 一擋板，其用於延伸橫越該真空系統中之一流動路徑，該擋板包括一孔口，該孔口之一周邊包括一閥座； 一閥部件，其包括一彎曲密封表面，其經構形以與該閥座配合，該閥部件及孔口經構形使得該閥部件在一關閉位置中遮蔽該孔口且與該閥座密封以阻止流體自一出口端至一入口端之一流動且在一打開位置中在使用中可移位以移動遠離該閥座且允許一流體自該入口端流動至該出口端； 包圍該孔口之該擋板之該表面之至少一部分朝向該閥之該入口端向內傾斜，使得該孔口在該入口端處小於在該出口端處；且其中 該孔口之該等傾斜表面之徑向相對部分對向介於30°與70°之間的一角度。
2. 如請求項1之真空系統單向閥，其中該孔口之該等傾斜表面之該等徑向相對部分對向介於30°與55°之間的一角度。
3. 如請求項1或2之真空系統單向閥，其中該孔口之該等傾斜表面之該等徑向相對部分對向介於30°與45°之間的一角度。
4. 如請求項1或2之真空系統單向閥，其中形成該閥部件之一材料具有在0.01 Ra與0.5 Ra之間的一粗糙度。
5. 如請求項1或2之真空系統單向閥，其中形成該閥座之一材料具有在0.1 Ra與1.0 Ra之間，較佳在0.3 Ra與0.5 Ra之間的一粗糙度。
6. 如請求項1或2之真空系統單向閥，其中該閥部件及該閥座由不銹鋼形成。
7. 如請求項1或2之真空系統單向閥，其中該閥部件及該閥座由不同金屬形成。
8. 如請求項1或2之真空系統單向閥，其中包圍該孔口之該表面之該傾斜部分自面向該閥之該出口端之一表面朝向面向該入口端之該表面延伸，且對於延伸至面向該入口端之該表面之一部分變得更陡峭，該閥座在位於或接近該傾斜角之一變化之一位置處。
9. 如請求項1之真空系統單向閥，其中包圍該孔口之該擋板之該傾斜表面包括一凹痕，使得該閥部件經構形以在該凹痕之任一端處之兩個位置處接觸包圍該孔口之該傾斜表面。
10. 如請求項1或2之真空系統單向閥，其中該閥部件係中空。
11. 如請求項1或2之真空系統單向閥，其包括自該閥部件之該彎曲表面延伸之一突起，該突起延伸穿過該孔口且包括自該突起向外延伸且經構形以當該閥處於該打開位置時限制該閥部件朝向該出口端行進之一保持部分。
12. 一種真空系統單向閥裝置，其包括如前述請求項中任一項之相對於彼此串聯配置之兩個真空系統單向閥，使得來自該閥裝置之一入口端之流體流動通過該等單向閥之一第一者且接著通過該等單向閥之一第二者。
13. 如請求項12之真空系統單向閥裝置，其進一步包括在該兩個閥之該等閥座之間提供一流動路徑之一中間容積，該流動路徑具有該等閥座之一直徑之一長度之1.5倍與10倍之間的一長度。
14. 如請求項13之真空系統單向閥裝置，其中該流動路徑具有該等閥座之一直徑之1.5倍與6倍之間的一長度。
15. 如請求項12至14中任一項之真空系統單向閥裝置，該中間容積在連接該第一中間閥及該第二中間閥之一管道內。
16. 如請求項12至13中任一項之真空系統單向閥裝置，其包括用於容納該第一止回閥及該第二止回閥兩者之一組合外殼。
17. 如請求項16之真空系統單向閥裝置，其中該組合外殼經構形使得該等止回閥之間的一流動路徑包括在與進出該閥裝置之一流動路徑相反之一方向運行之一部分。

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