TWI798195B - 真空閥之密封件及其製造方法 - Google Patents

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麥克 莫德
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Abstract

一種真空閥，用於調節一體積或質量流、及/或用於氣密中斷一流路，其包括一閥座及一閉合元件，該閥座具有一閥開口及一第一密封表面，該閥開口界定一開口軸線，該第一密封表面環繞該閥開口周圍，及該閉合元件具有一第二密封表面，該第二密封表面與該第一密封表面對應。該第一密封表面及/或該第二密封表面具有一至少二成份材料複合物，且該材料複合物具有一金屬載體組件(41)及一以聚合物為基礎之密封材料(45)。密封材料(45)係沿一密封表面走向施加至該載體組件(41)上而具有既定輪廓。金屬載體組件(41)界定一內載體區(41a)及一外載體區(41b)。金屬載體組件(41)具有複數個既定凹陷(42)，其在密封表面區域延伸入內載體區(41a)中，其中該等凹陷(42)之每一者分別界定一體積及一深度。密封材料(45)施加至載體組件(41)，使得密封材料(45)之既定輪廓設於外載體區(41b)上，且密封材料(41’)之一部分至少延伸入載體組件(41)之凹陷(42)之一部分中且填充該等凹陷至少關於體積及/或深度之一半。

Description

真空閥之密封件及其製造方法
本發明關於一種如請專利範圍第1項及第11項前言所述之真空閥及用於真空閥之閉合元件，及一種如申請專利範圍第12項所述之用於此類真空閥密封表面之製造方法。
通常，由先前技藝，已在不同具體實施例中得知大體上氣密封閉或調節一流路之真空閥，其中該流路穿過一形成於閥殼中之開口。真空滑軸閥特別地用於積體電路及半導體製造之領域中，該製造必須儘可能在不存有污染微粒之一保護大氣中進行。例如，在一半導體晶圓或液晶基板之製造設施中，高度敏感之半導體或液晶元件依序通過多重處理室，其中位於該處理室內之半導體元件各藉由一處理裝置處理。在於該處理室內之處理程序期間、及亦在從處理室到處理室之輸運期間，高度敏感之半導體元件恆須位在保護氣體中、特別地在真空中。該處理室係經由連接路徑而相互連接，譬如其中可藉由真空滑軸閥開啟該等處理室，以將部件從其中一處理室輸送到次一個且接著實施各別之製造步驟，以及可氣密封閉該等處理室。此類閥因上述之應用領域而亦稱作真空輸送閥，且因其矩形開口剖面而稱作矩形滑件。
由於使用輸送閥，因此尤其在製造高度敏感之半導體元件期間，必須將特別地藉該閥驅動所造成之微粒生成、及閥空間中自由粒子之數量保持儘可能低。微粒生成主要因摩擦所致，譬如歸因於金屬-金屬接觸及歸因於磨擦。
可譬如經由一密封件、或經由一密封環來達成密封，其中該密封件配置於閉合板之閉合側上，且該閉合板被壓至開口之周圍閥座上，及閉合板之閉合側係壓抵至該密封環。由譬如美國專利案第US 6,629,682 B2號(Duelli)等先前技藝已知不同的密封裝置。一合適密封環材料係譬如以商標名稱Viton®為名之彈性密封材料。
對用於真空閥中之密封件的要求非常高。另一方面，必須確保閉合狀態下之該等閥滲漏緊度。這將因真空場中之高壓差、及因此發生作用於閥閉合件上之大力量，而顯然尤其有需要。由於所使用之密封件在過度之高壓縮下承受一高於平均位準之磨耗、或者損毀，因此該閥之結構必須使差壓力無法作用、或僅可作用於密封件上達一有限程度。密封件之壓縮係沿其走向儘可能均等地發生，這需要閥板在閥座上之整個接觸區域中皆有一均等接觸壓力。尤其，密封件上之橫向及縱向負荷需保持儘可能小。在與密封件縱向方向橫交之橫向負荷下，O型環密封件中存在有將被扯出其固定所在之安裝座、特別地溝槽的危險。硫化之密封件亦可僅承受非常有限之橫向力。在閥之開啟、及亦在封閉狀態二者下，密封件有時受攻擊性介質之影響，且因此必須具有一成份而使其可承受此等影響，及/或可將該介質移出流路以亦避免磨擦。密封件過高位準之磨耗代表製程可靠度之一不確定因素，且需要定期更換該密封件，而這又導致製程中之停頓時間增加。
由先前技藝已知真空閥、特別地其密封件及驅動技術的不同具體實施例，尤其具有延長閥使用壽命及改良製程可靠度之目標。
根據各別之驅動技術，特別地在亦稱作閥滑件或矩形滑件之滑軸閥、與鐘擺閥之間有所區別，其中先前技藝中之封閉與開啟通常以二步驟進行。在一第一步驟中，在譬如從美國專利案第US 6,416,037號(Geiser)或美國專利案第US 6,056,266號(Blecha)得知之一滑軸閥、特別地L型者情況下的一閥閉合構件、特別地一閉合板或一閉合元件係線性地位移越過一與閥座大體上平行開口，或者在譬如從美國專利案第US 6,089,537號(Olmsted)得知之一鐘擺閥情況下關於一支樞軸作樞轉越過該開口，而不致在此情況下於閉合板與閥殼之閥座之間發生一接觸。在一第二步驟中，閉合板係以其閉合側壓至閥殼之閥座上，以氣密封閉該開口。可譬如經由一密封件、或經由一密封環來達成密封，其中該密封件配置於閉合板之閉合側上，且該閉合板被壓至開口之周圍閥座上，及閉合板之閉合側係壓抵至該密封環。該密封件、譬如該密封環可被固 持於一溝槽中、及/或硫化。
於上述中，閉合構件首先被橫向地推過開口而不發生密封件與閥座之接觸，及該閉合構件接著被大致垂直地壓至該閥座上的二階段運動，除可能精密調節流率外，尤其具有使密封件幾乎僅有垂直地受壓縮，而不存在密封件橫向或縱向負荷之優點。驅動件具有一相對較複雜之結構，其特別地藉單一驅動件或藉複數個驅動件形成，其中該單一驅動件能夠達成閉合構件之一L型運動，該複數個驅動件譬如為二線性驅動件、或一線性驅動件與一擴展驅動件(spreading drive)。擴展驅動件通常配置於閉合板正後方，且使該閉合板關於其設置所在之軸沿垂直方向位移至閥座上，其中擴展驅動件在閥內部具有複數個機械部件，以執行相互關聯之相對運動。
僅作線性位移之楔型閥(wedge valves)能夠達成一明顯較高之位移速度，但由於密封件之橫向應力，有時難以適合於真空場，且倘用於真空場時亦僅作數次位移循環。
藉由封閉與密封程序確實經由單一線性運動達成、但密封件幾何可使密封件之橫向應力完全避免的滑軸閥，將解決此問題。已知之此類閥譬如產品名稱「MONOVAT 02及03系列」且作為設計如瑞士Haag之VAT Vakuumventile(VAT Vakuumventile AG)股份有限公司之矩形插閥的一輸送閥。此類閥之結構與功能譬如在美國專利案第US 4,809,950號(Geiser)及第US 4,881,717號(Geiser)中說明。
此中所述之閥在其殼中具有一密封表面，當沿該閥通路開口之軸線的方向觀看時，該密封表面具有複數個依次設置之區段，該等區段將併入複數個平面密封表面區段，經由連續延伸之曲線而側向地朝外延伸，然而其中具有多重區段之該單體密封表面的虛母線(imaginary generatrices)係與該閥通路開口之軸線平行。該密封表面將加工處理。閉合構件具有一與該密封表面對應之接觸表面，用於環周封閉密封件。更詳細地說明，所謂閥滑件具有一滑動殼及一滑動通路開口，可使用一可在其平面中位移之閉合構件來封閉該滑動通路開口。該滑動通路開口區域設有一密封表面，配置於該密封表面上之一環周封閉密封件係在該閉合構件之封閉位置中推抵該密封表面，其中該密封表面之虛 線性母線(imaginary,linear generatrices)係與該滑動通路開口之軸線平行。該環周封閉單體密封件具有複數個不同長度及/或外型之區段，其位於不同平面中，其中該環周封閉密封件之二個主區段位於與該滑動通路開口之軸線垂直的平面中且相互保持距離。該密封件之二個主區段係藉複數個側向區段連接。該閉合構件具有一表面，該表面係與該殼之密封表面走向(course)對應地延伸且承載該環周封閉密封件。該環周封閉密封件之側向區段係依一U型延伸。此等U型側向區段之每一腿(leg)皆在一平面中。當沿該滑動通路開口之軸向方向觀看時呈接連設置之該等密封表面區段，將併入側向地朝外延伸之複數個平面密封表面區段，以在具有一共同、線性、沿軸向平行之母線的區域中，與該等密封件之主區段接觸。此等平面密封表面區段位於相互平行、且與該滑動通路開口之軸線平行設置的平面中。
用於可藉由一線性運動封閉之此類輸送閥的一合適驅動件係在日本專利案第JP 6241344號(Buriida Fuuberuto)中說明。此中所述之驅動件具有偏心安裝之桿件，以使閉合構件裝設於其上之推桿作線性位移。
提供或應用至閉合元件之密封件的具體實施例大體上與上述用於閥閉合件之驅動技術獨立無關。如上所述者，此類密封件典型地係以一溝槽中之O型環、或(為改善可靠度)藉由一特殊工具硫化至閉合元件上而實現。
為硫化該密封件，提供溢流間隙，使得過量之密封材料、譬如彈性體可排出，且可依據模具所指定之外型(輪廓)產生該密封件。然而，通過溢流間隙退出之材料仍保持於由譬如鋁或不銹鋼製造之板胚料上，且必須在硫化後機械地移除。此移除典型地目前係藉由在金屬/密封材料過渡帶區域修整而實施，且導致移除密封材料及亦移除金屬二者。
然而，此製程中的一更大缺點係在藉修整移除材料期間出現微粒及形成毛邊。特別地由於此微粒形成、及此類微粒餘留在閥閉合元件上，對待於真空區中執行之處理程序而言極為關鍵，因此需尋求減少、或最好完全避免此類微粒。
所謂引體(primers)(黏附促進劑(adhesion promoters))典型地用於硫化程序，以確保密封材料黏附於金屬表面上。此類使用具有缺點，即黏附促進劑在譬如於部份真空下之硫化程序後亦脫氣，且亦可進入上述應用中之處理體積及因此對處理程序有不利影響。
因此，本發明之目的係提供一種密封組件，用於一真空閥、即用於一閉合板或閉合元件或者一閥座，具有一硫化密封件，其中將達成改良之製程可靠度。
特別地，一目的係提供一種對應之密封組件，其中至少在朝向處理體積待終結之部份中，將與製造相關之毛邊形成及殘留微粒之發生減至最少或全面避免。
又一目的係製造該密封組件，以減少發生或防止因該密封組件形成所致之處理體積污染。
此等目的係藉實現申請專利範圍獨立項之特徵化特點而達成。可由申請專利範圍附屬項推論出以另一選擇或有利方式使發明臻於完善之特點。
本發明關於一種真空閥、特別地一真空調節閥、譬如一鐘擺閥或真空輸送閥，用於調節一體積或質量流、及/或用於氣密中斷一流路。該真空閥具有一閥座及具有一閉合元件(閥板)，該閥座具有一閥開口，該閥開口界定一開口軸線、及環繞該閥開口周圍之一第一密封表面，該閉合元件具有一第二密封表面，該第二密封表面與該第一密封表面對應、特別地與密封表面之走向與尺寸相關。
該第一密封表面及/或該第二密封表面具有一至少二成份材料複合物(two-component material composite)，且該材料複合物又具有一金屬載體組件及一以聚合物為基礎之密封材料。該密封材料係依既定輪廓、特別地在該載體組件表面法線方向上之既定高度，沿一密封表面走向施加、特別地硫化於該載體組件上。
依據本發明，該金屬載體組件界定一內載體區及一外載體區。換言之，該等內與外載體區係藉載體組件與密封材料之間的邊界層所界定之一平面而分離。
該金屬載體組件具有(特別地關於載體組件與密封材料之間邊界平面)複數個在各別密封表面區域延伸入該內載體區中之既定凹陷，其中該等凹陷之每一者分別界定一體積及一深度。此外，該密封材料施加至該載體組件，使得該密封材料之既定輪廓設於該外載體區上，且該密封材料之一部分至少延伸入該等載體組件之凹陷之一部分中且填充該等凹陷至少關於體積及/或深度之一半、特別地填充或佔據該體積及/或深度之至少50%。
該凹陷體積之填充係關於各別凹陷所界定之體積，或考慮多重凹陷、特別地所有凹陷所決定之體積平均值。
該密封材料可譬如藉由射出成型、網板印刷、或以硫化接觸壓力方法之範疇黏附地施加至該載體組件。特別地，該密封材料係依一交聯或硫化狀態提供，其中該密封材料黏附於該載體上。
可因此藉由將該密封材料機械附著至該等凹陷中而大致提供該密封材料至該載體組件之黏附。特別地，可免除對該材料複合物提供黏附促進劑、即無所謂引體或黏附促進劑。此二因素以個別單獨地、或相組合地確保，將一密封件更可靠地提供至一真空閥。由於無黏附促進劑，因此避免負面影響之該黏附促進劑脫氣(outgassing)。脫氣不僅負面影響品質本身，而該脫氣亦可造成該黏附促進劑與一處理室(真空體積)中之一處理氣體反應，其中該組件之黏附促進劑將喪失或至少大幅減少。在此情況下，可能結果為特別地該密封材料從金屬下方表面脫離。此外，可由此導致該處理氣體、及因此整個製造程序污染。
藉由依據本發明提供之附著，對比地在未使用一黏附促進劑下，提供該密封材料於該載體材料上之一具有長期阻力的高度穩定且強健黏附。
在一具體實施例中，提供一連結該閥板之驅動單元，其設計成使得該閥板可至少從一開啟位置大體上沿一縱向封閉方向上之一幾何縱軸而位移至一封閉位置及返回，在該開啟位置時之該閥板與該閥座未相互接觸，在該封閉位置時將經由一居間密封材料而在該第一密封表面與該第二密封表面之間存在一軸向密封接觸且因此氣密封閉該閥開口。
關於以該密封材料填充該等凹陷之其中之一、或大多數且特 別地所有該等凹陷之一填充程度，可平均至少50%、特別地至少75%、或至少90%。
藉該等凹陷界定之體積的至少50%、特別地至少75%、或至少90%，可藉該密封材料填充至少50%、特別地至少75%、或至少90%。
關於該等凹陷之設計，可依據本發明設想到不同具體實施例。該等凹陷之至少其中之一、特別地大多數或大體上所有凹陷在該內載體區中可形成為一：-圓柱形凹部(譬如，通道)，在其中一側上限定而具有既定深度，或-圓柱形凹部，在其中一側上限定而具有既定深度，具有一關於該凹部直徑之一擴大末端區域、特別地具有橢球體末端體積、特別地儲存庫體積，或-具有一切槽之凹陷，或-圓錐或楔型凹陷，其具有一隨增加深度而減少或增加之寬度。
依據本發明之一具體實施例，該等凹陷之至少其中之一、特別地複數個或大體上所有凹陷具有在該內載體區中之一深度，該深度在一介於200微米與500微米之間的範圍、特別地在一介於300微米與400微米之間的範圍。該凹陷因此關於該載體表面延伸進入該載體材料內部中越過(over)一譬如300微米或350微米之長度。
該等凹陷之至少其中之一、特別地大多數或大體上所有凹陷可具有特別地關於其表面之一內直徑，該內直徑在一介於80微米與200微米之間的範圍、特別地在一介於100微米與130微米之間的範圍。
在一具體實施例中，該等凹陷之至少其中之一、特別地大多數或大體上所有凹陷形成為，在該內載體區中具有一內直徑對深度比d：t<1：2、特別地d：t<1：3或d：t<1：4。
以上規格另一選擇地亦有關於多重或所有生成凹陷之平均值。是以，該等凹陷之一平均深度可在一介於200微米與500微米之間的範圍、特別地在一介於300微米與400微米之間的範圍。一平均內直徑可在一介於80微米與200微米之間的範圍、特別地在一介於100微米與130微米之間的範圍。可提供該等凹陷一平均直徑對深度比d：t<1：2、特別地d：t<1：3或d：t<1：4。
依據本發明之一具體實施例，各別相鄰凹陷之一距離、特別地從中心點到中心點者係100微米<a<250微米。該等相鄰凹陷在此情況下特別地排成一列、或沿著沿密封件走向延伸之一路徑設置。
依據本發明，該等凹陷之至少其中之一、特別地大多數或全部複數個凹陷，可沿該密封表面延伸越過一部份。特別地，可關於該閥開口、或依據密封表面之外型，同心地施加該凹陷。
各別之相鄰凹陷可關於其排列大體上平行地配置，或該等凹陷可關於其排列(特意地)混亂配置。
此外，生成之凹陷可實現一溢流體積之效果。為製造依據本發明之密封件，硫化程序典型地需要較藉此製造出之密封件最終佔據者大的體積，這係因密封材料在硫化期間經歷一空間膨脹、及接著又收縮。一凹陷、特別地多重或所有凹陷之一體積，或者該體積之一平均值可被界定成使得該體積較該凹陷中之硫化密封材料體積所佔據的一體積大。特別地，該體積可較大，使得硫化期間發生之密封材料空間尺寸擴大可被收容於該凹陷中。如此，譬如可略除提供一額外溢流通道。
可依據此後描述之一方法來製造上述之二成份材料複合物、特別地該等凹陷。
此外，本發明關於一種閉合元件、特別地一閥板，用於一真空閥，其設計成調節一體積或質量流、及/或藉由與提供給一處理體積之該真空閥的一真空閥開口交互作用，以氣密終結該處理體積。該閉合元件具有一第二密封表面，其與該閥開口之一第一密封表面對應、特別地關於外型及大小尺寸，其中該第一密封表面環繞該真空閥開口周圍。該第二密封表面具有一二成份材料複合物，且該材料複合物又具有一金屬載體組件及一以聚合物為基礎之密封材料。該密封材料係沿一密封表面走向施加、特別地硫化至該載體組件上，而具有既定輪廓、特別地具有該載體組件表面法線方向上之既定高度。
依據本發明，該金屬載體組件界定一內載體區及一外載體區，且該金屬載體組件具有複數個既定凹陷，該等凹陷在各別密封表面區域、關於載體組件與密封材料之間的一邊界平面而延伸入該內載體區中，其中該等凹陷之每一者分別界定一體積及一深度。該密封材料硫化至該載 體組件上，使得該密封材料之既定輪廓大體上設於該外載體區上，且該密封材料之一部分至少延伸入該等載體組件之凹陷之一部分中且填充該等凹陷至少關於體積及/或深度之一半。
本發明更關於一種用於一真空閥之至少一密封表面之一至少二成份材料複合物的製造方法，具有一金屬材料胚料，其具體實施該真空閥之一閉合元件或一閥座的至少一部份且形成該二成份材料複合物之一載體組件，其中該材料胚料之一表面分離且界定出一內載體區與一外載體區。
實施該材料胚料之表面處理，使得沿待產生之密封表面產生複數個延伸入該內載體區中之既定凹陷。該材料胚料及一以聚合物為基礎之密封材料被引入處於一開啟模具狀態之一多功能模具中，該密封材料在一壓縮及/或加熱步驟中藉封閉該多功能模具而變形及/或液化、特別地壓縮或擠壓，使得該密封材料之一部份進入該材料胚料之該等凹陷且至少部份地填充該等凹陷，以及在一最終步驟中進行常態化、特別地冷卻、及/或放鬆(relaxation)該密封材料及/或該載體組件之狀態。
特別地，在執行該最終步驟前，進行該密封材料硫化之一硫化步驟，使得沿一密封表面走向之該密封材料的一第一部份依一既定輪廓硫化於該外載體區上，及該密封材料之一第二部份硫化、且延伸入該材料胚料之該等凹陷中與填充該等凹陷至少一半。特別地，在該硫化步驟期間，依據一既定交聯曲線對該多功能模具進行溫控。
尤其藉以下方法之至少其中之一來實施該等凹陷之產生，即藉應用：-脈衝雷射輻射，-銑，-蝕刻，-鑽鑿，及/或-壓製。
特別地，實施該等凹陷之其中之一的產生係將一聚焦雷射光束定向至該材料胚料表面上之一特定位置，其中雷射輻射在保持對準於該特定位置(保持相對地對準該位置)的同時放射多次、特別地至少10次或至少 50次、且呈脈衝型式。
本發明附帶地關於一種閉合元件，藉執行以上例舉方法所獲致。特別地，其中一閉合元件將、或係如上述者形成。
1:閥壁
2:開口
3:閥座
6:閥桿
7:驅動單元
8:縱軸
9:橫軸
10:閥殼
11:真空區
12:驅動區
13:開口軸線
20:閉合元件
20’:閥板/閉合元件/載體
21:閉合側
22:密封表面
23:範圍
25:密封材料
31:密封載體
32a:凹陷
32b:凹陷
32c:凹陷
32d:凹陷/溝槽
32e:凹陷
32f:凹陷
41:載體組件
41a:內載體區
41b:外載體區
42:凹陷
45:密封材料
45’:密封材料部件/密封材料組件
以下基於圖式中概略圖示之特定示範具體實施例而僅僅作為範例地更詳細說明依據本發明之裝置及依據本發明之方法，其中亦將討論本發明之其他進一步優點。個別圖式中：第1圖顯示依據本發明之一真空閥的一第一具體實施例；第2圖顯示依據本發明之一用於真空閥的大體上矩形閥板；第3a圖至第3f圖顯示依據本發明產生於載體組件(閥座或閥板)中之凹陷的不同具體實施例；及第4圖顯示通過依據本發明由一金屬載體組件及一以聚合物為基礎之密封材料所製成之一至少二成份材料複合物的一剖視圖。
第1圖顯示依據本發明之一真空滑閥的一第一具體實施例。該真空滑閥具有一閥殼10，該閥殼10具有一閥壁1，該閥壁1具有一開口2，該開口2具有一開口軸線13及一長方形、大體上矩形閥座3，該閥座3係環繞開口2周圍。具有一閉合側21之一閉合元件20係藉推壓閉合側21至閥座3上而用於大體上氣密封閉開口2，其中該閉合側21特別地設於處理側上且具有一略大於開口2之剖面。閉合元件20係藉二閥桿6支持，此等閥桿6係相互平行地配置。由於此等閥桿6係在第1圖中以一側視圖顯示，因此僅可辨識出其中之一閥桿6。依據本發明之另一選擇具體實施例，亦可設置僅一個閥桿6，且可藉該閥桿6支持閉合元件20。
閥殼10劃分為一真空區11及一驅動區12，於該真空區11中配置開口2、閥座3及閉合元件20，該驅動區12位於真空區11之外。二閥桿6經由閥殼10中二氣密饋孔(feedthroughs)而從真空區11導引入驅動區12，此等饋孔具體實施為膜片密封件或端部上具有密封件之膜片伸縮囊(譬如，O型環)。此等膜片密封件或膜片伸縮囊具體實施成使得閥桿6可運動且在沿一縱軸8及一橫軸9之某一特定運動範圍中保持氣密密封。由於驅動軸12係與真空區11氣密分離，因此一大氣壓力可盛行於(prevail)驅動區12中。位於驅動 區12中之摩擦微粒無法進入敏感之真空區中。一驅動單元7配置於驅動區12中。
驅動單元7設計成使得閉合元件20可藉二閥桿6沿一縱向封閉方向z上之幾何縱軸8而從一開啟位置至在此所示中間位置的位移、及可藉二閥桿6沿一橫向封閉方向y上與縱軸8垂直延伸之幾何橫軸9而從中間位置至一封閉位置的位移，作來回位移(該閉合板之運動呈L型，因此稱作L型)。
閉合元件20具有一環周、硫化密封材料25，其譬如藉由朝向閉合側21內部區域、即朝向藉閉合側21上之密封件所終結之表面的壓縮而限定。聚合物型密封材料25藉由機械附著於載體材料中所設置之凹陷內而大體上固定，藉此大體上提供密封材料25之黏附。特別地亦基於一化學鍵來提供一小分量之密封材料25黏附。因此，密封材料25在載體材料上之黏附係譬如由一機械黏附分量及一化學黏附分量組成，而達成全面黏附密封材料25之總量。該黏附可歸因於譬如90%機械效應、及10%化學效應。
以下將提供密封件、及密封件/金屬過渡區之依據本發明的具體實施例更詳細圖示及說明。
本發明之又一具體實施例關於一真空滑軸閥(在此未顯示)，已知者為譬如產品名稱「MONOVAT 02及03系列」且作為設計如瑞士Haag之VAT Vakuumventile股份有限公司之矩形插閥(rectangular insert valve)的一輸送閥，滑軸閥具有一矩形開口剖面，其寬度大致上大於高度。亦譬如由歐洲專利案第EP 2 420 709 A1號已知此類具有複雜密封結構之閥型式。
此類閥亦提供氣密封閉之一流路，但僅僅藉由閉合元件之一線性運動達成。該閉合構件可在一閉合構件平面中，沿著相關於開口軸線作橫向延伸之一幾何位移軸線作線性位移，從曝露出開口之一開啟位置沿一封閉方向被線性推動越過該開口而至一封閉位置，且相反地沿一開啟方向返回。在一封閉位置中，施加至該閉合元件密封表面之密封材料被推壓至環繞開口周圍之密封表面上。
由先前技藝得知且可藉由單一線性運動封閉之此類真空閥，相較於可藉由二運動封閉而需要一相對較複雜構成之驅動件的輸送閥、或者相對於密封件橫向受壓之楔型閥而言，具有優勢。由於上述真空 閥之閉合構件呈單件式，因此可承受高加速力，使得該閥亦可用於快速與緊急閉合。可藉由單一線性運動來實行封閉及密封，而可能非常快速地封閉與開啟該閥。環周密封件在所有其區段中，皆可在多樣之封閉程序期間尋得唯一的可再現狀態。由於密封件大體上僅在與該密封件垂直之方向、及/或部份地在縱向方向上的線性封閉運動之方向上，而非關於其在封閉期間及封閉壓力發生時之縱向延伸呈橫向地受壓，而得以避免該密封件上之橫向力，因此該真空閥適合於真空及高真空範圍中之高品質密封任務。
依據本發明，該密封材料又因設於該閉合元件中之既定凹陷而黏附至該閉合元件(閉合構件)。該密封材料至少部份地延伸入此等凹陷中，藉此提供附著該材料。
第1圖中所示之具體實施例明顯代表一真空閥之一示範具體實施例。緣是，本發明亦擴展到另一選擇真空閥，其具有依據本發明具體實施之一密封件、即依據本發明之二成份材料複合物。
第2圖係以一水平投影顯示，依據本發明之一真空閥、特別地一L型真空閥的一大體上矩形閥板20'。閥板20'構成為一載體組件，用於一金屬或一金屬合金、譬如鋁或不鏽鋼製成之一密封材料，其中具有一密封件施加於上之一密封表面22係環繞閥板20’邊緣上之周圍設置。
該密封材料可譬如為一聚合物、特別地一彈性體，其中該材料特別地具有一氟聚合物成份及/或一全氟聚合物成份。
該密封件係藉由將一可交聯密封材料硫化於密封表面22上產生。將載體20’之表面預熱，使得複數個既定凹陷延伸入該載體材料中，且各在其中形成既定之凹部。較佳地產生此等凹陷，使其具有一關於該載體表面至少300微米之深度。該凹陷之外型可譬如呈圓柱形、圓錐形、或錐體，其具有隨深度增加而漸減之寬度或亦呈楔型，其中該凹陷可沿密封件輪廓(沿密封表面22之走向)延伸，且特別地可具體實施為同心地環周(concentrically circumferential)。
緣是，閥板20’之有效表面面積係藉所產生之凹陷而擴大。
此等凹陷係藉由使用脈衝雷射輻射來照射載體組件而產生。特別地藉使用脈衝輻射多次轟擊一特定表面位置，以產生個別獨立之凹陷。在此使用之脈衝雷射輻射具有一相對較高之每脈衝能量密度(energy density per pulse)，藉此可在與金屬載體表面交互作用時，發生金屬之液化或氣化。藉由在某一點上多次施用，即可因此藉此類移除、及/或依此方式之「鑽鑿」來產生一凹陷。為達此目的，可較佳地使用紅外線波長範圍內之雷射輻射。
選擇該雷射輻射之傳播方向，譬如使相鄰凹陷大體上相互平行地對正、特別地與表面正交。
亦可藉由另一選擇之方法來生成此等凹陷。例如，可藉極為針對性且精細之銑或機械鑽鑿來產生各別之凹陷。
此等凹陷僅在密封表面區域、即一既定範圍內產生。這具有使此型表面處理可限於該既定區域且僅僅該區域被處理之優點。如此，可實行有效率地僅處理密封表面。這在縮短處理時間方面特別有利。
在將密封材料硫化於密封表面22上之進程，原材料係在壓力及/或高溫下變形，使得一部份密封材料滲入該等凹陷中、特別地被推壓或流動，且在此狀態下硫化(交聯)、即成為一期望之塑性-彈性外型。結果因此形成出具有一載體材料之一密封表面，其具有既定之凹陷(關於數量、外型及尺寸)，其中該等凹陷至少部份地填充、且至少部份地使用該密封材料填充，及因此提供該密封材料於載體上之黏附-主要地藉聚合物在該等凹陷中之附著。例如，在硫化之範疇中，至少90%、或高達99%之所產生凹陷填充有密封材料。此等凹陷之填充程度可因此較佳地介於50%與100%之間、特別地介於90%與99%之間。
選擇凹陷之體積，特別地使得該等凹陷不僅代表黏附之基礎，反而其全數同時用作為一溢流體積且能夠收容任何可能的過量密封材料。例如，由於此類設計，可略除一典型設置之溢流通道。過量密封材料所形成之毛邊將因此避免，且如此生成之一密封組件的後處理可達較少程度、或可完全略除。結果，可預期一非常有利、對應地較少的微粒產生。
由於該材料之體積在硫化期間暫時地增加，且在其後再次減小，因此亦需提供過量密封材料收集。
藉密封表面22及/或硫化密封件包圍之範圍23係閉合元件20’之朝向處理體積的區域，其在提供閉合元件20’用於一真空閥中時需終結，且其中一部份密封件在該閥之一封閉位置中仍朝向處理體積。
第3a圖至第3f圖顯示，在載體組件(閥座或閥板)中，依據本發明產生之凹陷的不同具體實施例。
第3a圖顯示複數個凹陷32a，其規律地配置於一密封載體31中。凹陷32a係該載體材料中之圓柱形凹部，其在整個深度上大體上均勻地形成。該載體材料可譬如以鐵或鋁、特別地其各別之合金為基礎而實現。在一以聚合物為基礎之密封材料的硫化範疇中，該密封材料可變形、或(部份地)液化，使得其一部份可進入凹陷32a且可在完成硫化後於該等凹陷中交聯，及可提供附著至該載體材料。
該載體組件具有凹陷32a，其特別地具有一在二相鄰凹陷32a之間的距離a>150微米、特別地具有一距離250微米>a>150微米。在一較佳具體實施例中，距離a大體上係200微米。
相鄰之凹陷在本發明之範疇中應特別地被理解為沿一線或一路徑配置之凹陷，譬如在相距一閥開口之一既定距離處環周地配置、或關於一閥開口或其中心而徑向地配置的凹陷。
凹陷32a深介於100微米與500微米之間(500微米>t>200微米)，即從載體材料31之表面進入該載體材料內部至少200微米深、特別地至少300微米深。凹陷32a較佳地達400微米深。
此外，凹陷32a具有一在該載體表面上之內直徑d，該內直徑d至少80微米、特別地至少100微米。直徑d較佳地小於200微米、特別地小於130微米。
在圖式所示具有大體上均勻圓柱形凹部之具體實施例中，內直徑d隨增加之深度仍保持大致恆定。
凹陷32a尤其可形成為使得該等凹陷之至少其中之一、特別地大體上所有此類凹陷皆被實現為具有一特定之內直徑(特別地關於該載體表面)對深度比。該內直徑d對深度t比因此可為d：t<1：2、或d：t<1：3、或d：t<1：4，即一凹陷係深度較其直徑大至少一因數2、3或4。
以上關於距離a、深度t、及直徑d之數值，顯然無需僅僅有關於單一凹陷或所有凹陷32a，反而在本發明之背景下，其各自皆可有關於所產生凹陷32a之一平均值。
凹陷32a可譬如藉由雷射作用而被引入、或已被引入密封載 體31中。可為此使用譬如一雷射鑽鑿方法，其中具有高重複頻率(譬如50或100千赫(kHz))之多個短雷射脈衝(譬如，奈秒、皮秒(picosecond)或飛秒(femtosecond)範圍中之脈衝期，且10到50個脈衝)被定向成聚焦於該載體之表面，且使用一高性能脈衝式短脈衝雷射放射。連續脈衝在此情況下皆保持始終定向在關於該表面之相同位置上。如此，可在多個步驟中、即逐步地產生一凹陷。每入射雷射脈衝「移除」(“removed”per incident laser pulse)、即藉液化或氣化移開一部份之載體材料。
在此情況下，可譬如經由可選擇之雷射參數、及可藉此可達成之效應，設定及決定該凹陷之最終結果外型，該可選擇之雷射參數譬如為脈衝期、脈衝峰值功率、重複頻率、或束聚焦(beam focusing)及直徑，該可藉此可達成之效應譬如為電漿形成。
另一選擇，可譬如藉由其他的切削、磨擦、壓縮、研磨、或蝕刻方法來產生凹陷32a。可譬如藉微精密鑽鑿、銑、或針對性壓縮該載具材料來生成該凹陷。
依據第3a圖所述之具體實施例的規格，相應地應用於第3b圖至第3f圖之具體實施例。
在此情況下，雷射光束之校準決定一凹陷在密封載體31內部中之延伸方向。在依據第3a圖之範例中，選擇與一表面法線平行、即與表面正交之雷射光束校準。
第3b圖亦顯示依圓柱形產生之複數個凹陷32b，但該等凹陷在載體材料中具有不同之延伸方向。此類變型可提供該密封材料於該載體材料上之又一改良黏附。基於與表面橫交地且非正交地延伸之凹陷32b，在該凹陷中硫化之一密封材料僅可在困難度增加、特別地當發生一對應正交應力時，從該載體脫離。特別地在該等凹陷之情況下，該等凹陷之延伸係朝對立之方向定向(如圖式所示者)，使該脫離特別地更困難。
第3c圖顯示依據本發明之凹陷32c的又一具體實施例。該等凹陷皆在其封閉末端處具有一體積擴大之儲存庫(repository)。如此，擴大之一溢流體積全部可用於收容過量及/或膨脹之密封材料。因此，可略除為製造一真空閥密封表面之特殊溢流通道，且可相應地選擇與其相配之密封材料量。可因此亦略除密封表面之後處理，藉此杜絕因該後處理所致之可能 微粒形成。這特別地關於真空技術中極高清潔標準而言非常有利。
第3d圖顯示又一選擇之凹陷32d，其呈在圖式平面中延伸之溝槽之型式。此類溝槽32d可譬如壓或銑入材料中。溝槽32d可特別地沿待形成密封表面之外型、譬如關於閥開口同心地且環繞該閥開口環周地形成。
第3e圖顯示依據本發明之複數個凹陷32e，其呈鑽孔之型式，具有一各別之切槽。密封材料在載體上之黏附藉凹陷32e之外型進一步加強。隨增加深度而增加之內直徑或寬度，將使從該等凹陷脫離硫化密封材料更加困難。
第3f圖係圖示依據本發明之又一變型凹陷32f。凹陷32f形成為圓錐形及/或錐體、或楔型，其中在一楔型具體實施例之情況下，產生此等凹陷譬如延伸入圖式之平面中，且至少在一部份區域中與閥開口同心地延伸。
第4圖係顯示通過依據本發明之一至少二成份材料複合物的一剖面，該材料複合物係由一金屬載體組件41及一以聚合物為基礎之密封材料45製成。該材料複合物具體實施一用於真空閥之真空密封件的單側部件。
載體組件41關於一平面界定出一內載體區41a及一外載體區41b，其中該平面由密封表面之走向、及/或載體組件41與密封材料45之間的邊界面所界定。
為製造一密封件，密封材料45係由譬如一對立密封表面等一相反組件壓縮。該密封表面為此特別地具有一外型，其與沿一真空閥(閥座或閥板側上)密封表面之密封材料45外型對應。
密封材料45特別地以一氟聚合物為基礎，且歸屬於彈性體類。為產生圖式所示之密封材料45外型，以一原材料、即未交聯且未硫化者連同該載體材料引入一可溫控模具中，且藉封閉該模具而壓縮成期望之外型。同時，加熱該模具、或一對應之模具部件，起初該原材料之黏度下降且該材料可先以一改善之方式呈現意欲之外型，其次可部份進入載具組件41之圖式所示凹陷42中。該材料可流入凹陷42中，及/或可藉一根據製造參數而定之施加壓力而被壓入此等凹陷42中。
在溫控之又一進程中，將由此引發該原材料之交聯(硫化)、 及因此密封材料45在載具元件41上之黏附。接著以硫化型式設於凹陷42中之複數個密封材料部件45’，特別地提供與金屬載體41之附著。除機械附著外，亦可具有根據化學效應(譬如，化學鍵)為基礎而關於黏附之一較低效果分量。
如以上已說明者，各凹陷42係依既定方向以一既定深度延伸入載體組件41中。特別地藉由雷射處理來生成凹陷42。
第4圖附帶地圖示出，密封材料組件45'存在於該等凹陷中。密封材料組件45'關於各別之凹陷42特別地佔據至少50%之凹陷42所界定體積。特別地，凹陷42平均以材料填充至少50%。特定之填充程度通常與凹陷42之體積或深度有關。
圖示出之圖形明顯地僅概略表示可能的示範具體實施例。依據本發明，各種方案亦可相互組合，且與先前技藝中在真空狀態下封閉處理體積的方法及裝置組合。
41‧‧‧載體組件
41a‧‧‧內載體區
41b‧‧‧外載體區
42‧‧‧凹陷
45‧‧‧密封材料
45’‧‧‧密封材料部件/密封材料組件

Claims (15)

  1. 一種用於一真空閥之至少一密封表面(22)之一至少二成份材料複合物的製造方法，具有一金屬材料胚料，其代表該真空閥之一閉合元件(20，20’)或一閥座(3)的至少一部份且形成該二成份材料複合物之一載體組件(31，41)，其中該材料胚料之一表面分離且界定出一內載體區(41a)與一外載體區(41b)，其中實施該材料胚料之表面處理，使得沿待產生之密封表面產生複數個延伸入該內載體區(41a)中之既定凹陷(32a-f，42)，且該等凹陷(32a-f，42)之至少其中之一係形成為一圓柱形凹部，在該圓柱形凹部之一側上限定而具有既定深度，或為一具有寬度隨深度增加而減少之圓錐形的或錐體的凹部，該材料胚料及一以聚合物為基礎之密封材料(25，45)被引入處於一開啟模具狀態之一多功能模具中，該密封材料(25，45)在一壓縮及/或加熱步驟中藉使用封閉該多功能模具而變形及/或液化，使得該密封材料(45’)之一部分進入該材料胚料之該等凹陷(32a-f，42)且至少部份地填充該等凹陷，及在一最終步驟中進行常態化該密封材料(25，45)及/或該載體組件(31，41)之狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，藉以下方法之至少其中之一來實施該等凹陷(32a-f，42)之產生：脈衝雷射光束，銑，蝕刻，鑽鑿，及/或壓製。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之方法，其中，實施該等凹陷(32a-f，42)之其中之一的產生係將一聚焦雷射光束定向至該材料胚料之表面上之一特定位置，其中雷射輻射在保持對準於 該特定位置的同時放射多次且呈脈衝型式。
  4. 一種真空閥，用於調節一體積或質量流、及/或用於氣密中斷一流路，包括：一閥座(3)，具有一閥開口(2)，界定一開口軸線(13)，及一第一密封表面，環繞該閥開口(2)周圍，及一閉合元件(20，20’)，具有一第二密封表面(22)，該第二密封表面與該第一密封表面對應，其中該第一密封表面及/或該第二密封表面(22)具有一至少二成份材料複合物，且該材料複合物具有一金屬載體組件(31，41)及一以聚合物為基礎之密封材料(25，45)，及該密封材料(25，45)係沿一密封表面走向施加至該載體組件(31，41)上而具有既定輪廓，其特徵在於：該金屬載體組件(31，41)界定一內載體區(41a)及一外載體區(41b)，該金屬載體組件(31，41)具有複數個既定凹陷(32a-f，42)，其在各別密封表面(3，22)區域延伸入該內載體區(41a)中，其中該等凹陷(32a-f，42)之每一者分別界定一體積及一深度(t)，及該密封材料(25，45)施加至該載體組件(31，41)，使得該密封材料(25，45)之既定輪廓設於該外載體區(41b)上，及該密封材料(41’)之一部份至少延伸入該載體組件(31，41)之該等凹陷(32a-f，42)之一部分中且填充該等凹陷關於體積及/或深度至少50%，該等凹陷(32a-f，42)之至少其中之一係形成為一圓柱形凹部，在該圓柱形凹部之一側上限定而具有既定深度，或為一具有寬度隨深度增加而減少之圓錐形的或錐體的凹部。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之真空閥，其中：關於以該密封材料(41’)填充該等凹陷(32a-f，42)之其中之一、或大 多數該等凹陷(32a-f，42)之一填充程度係平均至少50%，及/或藉該等凹陷(32a-f，42)界定之體積的至少50%係以該密封材料填充至少50%。
  6. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之真空閥，其中，該等凹陷(32a-f，42)之至少其中之一在該內載體區中形成為一：圓柱形凹部，在其中一側上限定而具有既定深度(t)，具有一關於凹部直徑擴大之末端區域(32c)，或具有一切槽之凹陷(32e)，或圓錐或楔型凹陷(32f)，其具有一隨增加深度而減少或增加之寬度。
  7. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之真空閥，其中，該等凹陷(32a-f，42)之至少其中之一或大多數：具有在該內載體區中之一深度(t)，該深度在一介於200微米與500微米之間的範圍，及/或具有一內直徑(d)，該內直徑在一介於100微米與130微米之間的範圍，及/或形成為在該內載體區中具有一內直徑d對深度t比d：t<1：2。
  8. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之真空閥，其中：該複數個凹陷(32a-f，42)之一平均深度(t)在一介於200微米與500微米之間的範圍，及/或該複數個凹陷(32a-f，42)之一平均內直徑(d)在一介於80微米與200微米之間的範圍，及/或該複數個凹陷(32a-f，42)之一平均內直徑d對深度t比d：t<1：2。
  9. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之真空閥，其中：藉由將該密封材料(25，45)機械附著至該等凹陷(32a-f，42)中，而大 體上提供該密封材料至該載體組件上之黏附，及/或未對該材料複合物提供黏附促進劑。
  10. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之真空閥，其中，各別相鄰凹陷(32a-f，42)之一距離(a)係100微米<a<250微米。
  11. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之真空閥，其中，該等凹陷(32a-f，42)之至少其中之一沿該密封表面延伸。
  12. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之真空閥，其中：各別之相鄰凹陷(32a-f，42)關於其排列大體上平行地配置，或該等凹陷(32a-f，42)關於其排列特意地混亂配置。
  13. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之真空閥，其中，一凹陷(32a-f，42)之一體積，或者該體積之一平均值可被界定成使得該體積較密封材料體積所佔據之一體積大。
  14. 一種閉合元件(20，20’)，用於一真空閥，且設計成調節一體積或質量流、及/或藉由與提供給一處理體積之該真空閥的一真空閥開口(2)交互作用，以氣密終結該處理體積，該閉合元件具有一第二密封表面(22)，其與該閥開口之一第一密封表面對應，其中該第一密封表面環繞該真空閥開口(2)周圍，其中該第二密封表面(22)具有一至少二成份材料複合物，且該材料複合物具有一金屬載體組件(31，41)及一以聚合物為基礎之密封材料(25，45)，及該密封材料(25，45)係沿一密封表面走向施加至該載體組件(31，41)上而具有既定輪廓，其特徵在於：該金屬載體組件(31，41)界定一內載體區(41a)及一外載體區(41b)，該金屬載體組件(31，41)具有複數個既定凹陷(32a-f，42)，該等凹陷在各別密封表面(3，22)區域延伸入該內載體區(41a)中，其中該等凹陷(32a-f，42)之每一者分別界定一體積及一深度(t)，該密封材料(25，45)施加至該載體組件(31，41)上，使得 該密封材料(25，45)之既定輪廓設於該外載體區(41b)上，及該密封材料(41’)之一部分至少延伸入該載體組件(31，41)之該等凹陷(32a-f，42)之一部分中且填充該等凹陷至少關於體積及/或深度至少50%，及該等凹陷(32a-f，42)之至少其中之一係形成為一圓柱形凹部，在該圓柱形凹部之一側上限定而具有既定深度，或為一具有寬度隨深度增加而減少之圓錐形的或錐體的凹部。
  15. 一種閉合元件(20，20’)，藉執行如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述之方法所獲致，其中形成如申請專利範圍第14項所述之閉合元件(20，20’)。
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