TWI811445B - 非彈性體密封件、具有非彈性體密封件之真空幫浦系統及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種由一非彈性體材料形成之密封件。該密封件具有包括圍繞一內區段之一外壁之一橫截面。該內區段包括一連續固體結構，該連續固體結構附接至該外壁且經構形以藉由提供對該密封件之變形之一抗性而增加該密封件之一回彈性。

Description

非彈性體密封件、具有非彈性體密封件之真空幫浦系統及其製造方法

本發明之領域係關於密封件、具有此等密封件之真空系統及一種製造密封件之方法。

在壓力差下操作之系統(諸如真空系統)需要不同組件之間的連接處之有效密封件，以便有效地操作。

一有效密封件係具回彈性且可變形以填充一間隙之密封件。通常已使用具回彈性且可變形之彈性體材料製造密封件。

一些真空系統在高溫下操作及/或處理侵蝕性材料。彈性體密封件可不足以抵抗高溫或侵蝕性材料以作為此等系統中之有效密封件。

具有對此等環境之較高抗性之材料包含金屬。已知金屬密封件。金屬密封件之一缺點係為使其等有效地密封，其等需要在試圖密封之表面上之一高夾持力及一精細光度兩者。較高夾持力可導致所夾持之組件之扭曲且可需要專用夾持組件及工具以鬆開及夾緊夾持組件。表面之更精細光度係昂貴的。

將期望提供抗較高溫度操作及/或至少一些侵蝕性材料且在相對低夾持力下形成一有效密封件之一密封件。

一第一態樣提供一種由一非彈性體材料形成之密封件，該密封件具有包括圍繞一內區段之一外壁之一橫截面；該內區段包括一連續固體結構，該連續固體結構附接至該外壁且經構形以藉由提供對該密封件之變形之一抗性而增加該密封件之一回彈性。

一密封件之可變形程度及回彈程度影響其密封性質。本發明之發明人認知，增加一密封件之外表面之可變形性且藉此提供更有效密封將為可行的，前提是可提供一些增加回彈性以補償增加可變形性。藉由在該密封件內提供一連續固體結構而增加該回彈性(此不形成密封表面之部分)容許該密封表面之至少一些之可變形性減小，同時維持該密封件之總回彈性。實際上，附接至該密封件外壁之一固體連續結構提供該密封件之該回彈性之一增加且藉此容許外壁特性之選擇之較大靈活性。

在一些實施例中，該連續固體結構之至少一部分跨該內區段延伸，從而在至少兩個點處連接該外壁。

該增加回彈性可由跨該內區段延伸之一固體結構提供。在一些實施例中，該連續固體結構包括跨該內區段延伸之至少一個內壁，而在一些實施例中，其包括跨該內區段延伸之複數個內壁。

一或多個內壁改良回彈性，從而提供對用於使該密封件之整個橫截面形狀變形之力之抗性。

儘管該密封件可具有數個形狀，然在一些實施例中，該壁及內部分具有一圓形橫截面。

在一些實施例中，該至少一個內壁跨該內區段之一直徑延伸。

在其他實施例中，該連續固體結構包括一多孔或胞狀材料。

一多孔或胞狀結構係含有空隙之結構，從而容許其被壓縮且仍提供回彈性。

在一些實施例中，該連續固體結構沿該密封件之一長度係不均勻的，使得該密封件之一回彈性沿該長度改變。替代地及/或另外，該連續固體結構可跨該密封件之該橫截面係不均勻的。

沿該密封件之該長度之回彈性之一變化可為期望的，因為其容許該密封件具有針對特定密封位置之適當性質。在此方面，當用於一真空系統中時，將施加夾持力以將該密封件固持於適當位置中。此等力在接近於夾持元件之一些位置中可高於其他位置。變化該回彈性以反映此等改變可為有利的。此變化可藉由使該密封件內部之該結構沿該密封件之該長度不均勻而達成。

另外，圍繞該密封件之周邊，可存在形成密封表面之區域及不形成密封表面之其他區域。提供相鄰於該等密封表面之改良可變形性及相鄰於其他部分之改良回彈性以補償此亦可為有利的且改良該密封件之有效性。

在一些實施例中，該等內壁之一厚度沿該密封件之一長度變化達至少10%，較佳地達至少50%。

該內壁之該厚度可沿該密封件之該長度變化，從而提供沿其長度之回彈性改變。

另外及/或替代地，該外壁之該厚度可沿其長度變化。在此方面，該外壁厚度在一些實施例中及一些位置中可下降低至0.01 mm且在其他位置中可能升高至0.5 mm。在任何情況中，該變化將為至少10%且在許多實施例中將為50%或更多或100%或更多。應注意，提供該內部結構增加該密封件之回彈性且容許該外壁比其他情況更薄，因此由於該內部結構而達成低至0.01 mm之尺寸。

在一些實施例中，形成該連續固體結構之該多孔或胞狀材料之一密度沿該密封件之該長度變化達至少10%，較佳地達至少25%。

沿該密封件之該長度變化該多孔或胞狀材料之該密度容許該密封件沿該長度改變其回彈性，從而容許其提供依該密封件之一特定部分定製之回彈性。

例如，在一些實施例中，該密封件經構形以與待密封之表面配接且該密封件經構形，使得在使用中遠離於用於將該密封件夾持於該等表面之間的夾持元件之該多孔材料之該密度減小，使得遠離於該等夾持元件之該密封件之一回彈性減小。

特定言之，在經構形以在使用中相鄰於該等夾持元件之該密封件之部分處具有較高密度材料及遠離於此等區域之該材料之較低密度部分可為有利的。此提供遠離於該等夾持元件之該密封件之一減小回彈性及相鄰於其等之一增加回彈性。相鄰於該夾持元件，該夾持力將較高且因此，該密封件將處於較大壓縮下。可藉由以此方式變化該密度而達成密封件之一更均勻壓縮橫截面。此外，減小遠離於該等夾持元件之該密封件之回彈性可容許使用一減小夾持力。

在一些實施例中，該多孔或胞狀材料之該密度跨該密封件之該橫截面變化達超過10%，較佳地達至少25%。

在一些實施例中，該內區段之該材料之一密度可跨該橫截面變化。例如，接近於該密封件之一外周邊之一密封部分之該材料可製成為低於遠離於該密封件之該外周邊之該密封部分之該材料之一密度。

跨該橫截面變化該多孔或胞狀材料之該密度，使得鄰近於密封表面之密度減小且因此可變形性增加可為有利的。

在一些實施例中，該非彈性體材料包括一金屬材料。

在一些實施例中，該金屬材料包括鋁、鋁合金、鎳、鎳合金、貴金屬、鋼、不銹鋼、銅之至少一者。

在其他實施例中，該材料包括一聚合物材料，該聚合物材料包括一或多個熱塑性材料。

在一些實施例中，該聚合物材料包括氟聚合物、聚醚醚酮(PEEK)及聚苯硫醚(PPS)之至少一者。

儘管該密封件可完全由一金屬或完全由一聚合物材料形成，然在一些實施例中，其可由此等材料之兩者之一組合形成。

該外壁圍繞該內區段定位且在一些實施例中，該外壁圍封該內區段。

在一些實施例中，該壁在一縱向方向上延伸且具有一管狀形狀。

在一些實施例中，該壁延伸以形成一環圈。

在一些實施例中，該壁及內部具有一圓形橫截面。

在一些實施例中，該密封件係一縱向或長形密封件，其長度長於跨其橫截面之其寬度。

本發明之一第二態樣提供一種真空系統，其包括根據本發明之一第一態樣之至少一個密封件。

在一些實施例中，該真空系統包括經構形有透過變化該內部結構之該等性質而具有變化回彈性之部分之至少一個密封件，該真空系統具有夾持元件以將至少一個密封件固持於具有增加回彈性之該密封件之部分處之兩個協作表面之間。

本發明之一第三態樣提供一種使用加成製造技術製造根據任何前述技術方案之密封件之方法。

傳統地，藉由形成金屬管或其他輪廓且藉由焊接連結其等而製成金屬密封件。控制由此等傳統方法製成之密封元件之楊氏模數(Young’s modulus)及其他機械性質係困難的。一加成製造技術之使用容許製造具有內部結構之密封件，其中該等內部結構之該等機械性質可在該密封件之該橫截面中以及亦沿一密封件之該長度變化。此容許密封件經設計有適合於其等環境之此等性質之變化，從而容許較低彈性材料提供有效密封件。此可容許使用具有較低夾持力之系統且仍提供高密封件完整性。

在一些實施例中，該加成製造技術係選自立體微影(SLA)、熔融沈積成型(FDM)、多噴流成型(MJM)、3D列印及選擇性雷射燒結(SLS)。

在隨附獨立技術方案及附屬技術方案中陳述進一步特定及較佳態樣。附屬技術方案之特徵可酌情與獨立技術方案之特徵組合，且可為除在技術方案中明確陳述外之組合。

在一裝置特徵被描述為可操作以提供一功能的情況中，將瞭解，此包含提供該功能或經調適或構形以提供該功能之一裝置特徵。

在更詳細論述實施例之前，首先將提供一概述。

採用加成製造技術來製造密封件容許密封件製造有彈性之標定變化，其容許密封力對於針對夾持力之密封有效性進行最佳化。此外，提供具有經構形以增加密封件之一回彈性之一固體材料之一內區段容許一密封件具有一更可變形外壁且因此達成具有減小夾持力之改良密封件完整性。

由於改良外壁之可變形性且精細調諧密封件之設計之此能力，其可由具有減小彈性性質之材料(諸如金屬)製成。此等材料可具有改良耐熱性及耐化學性。

容許具有減小夾持力之此改良密封件完整性之特徵包含：密封件內之用於提供彈性之一複雜結構。在一些情況中，亦提供輪廓之元件之一可變厚度及密封面處之結構或密度之一改變，例如提供將塌縮且符合於配接表面之一開放結構，諸如發泡體。

圖1展示根據一相關技術之一密封件之一橫截面，其可與根據諸如圖5及圖6中展示之實施例之密封件結合使用。在此實例中，圍封內區段之外壁10具有一可變壁厚度。提供壁厚度之變化容許壁之部分(較厚部分)提供增加回彈性，而較薄部分具有增加可變形性。具有增加可變形性之部分提供一更有效密封表面，此係因為其等更易於變形。因此，密封件之密封區域(其等係當密封件在使用中安裝於一真空系統中時提供密封效應之外表面之區域)經構形以具有比遠離於此等密封部分之其他部分薄之一壁。以此方式，有效密封部分更可變形，而整個密封件由於較厚部分而保持其回彈性。

圖2展示根據一相關技術之穿過一密封件之一第二實例之一縱向截面，其以類似於圖1之實例之一方式具有外壁10之一變化厚度且可與本發明之實施例結合使用。在此特定實例中，厚度變化沿密封件之長度發生。應注意，變化可跨橫截面及/或圍繞周邊及/或沿密封件之長度發生。在此情況中，密封件之較厚部分經構形以相鄰於夾持元件定位於一真空系統內，使得夾持力20作用於密封件之較具回彈性部分，而遠離於夾持元件且具有減小夾持力作用於其等上之密封件之部分則經形成為具有較薄壁且具有較低回彈性但較大可變形性。以此方式，提供依其用途調適且容許密封力對於針對抵抗夾持力之密封有效性進行最佳化或至少改良之一密封件。

圖3展示一替代實例，其中用於將密封件依在使用期間作用於其上之力調適之物理特性係材料之密度、形成外壁10之材料之密度改變。在此情況中，密度可跨密封件之橫截面改變及/或其可沿密封件之長度改變。因此，提供具有較低回彈性之減小密度部分且提供具有高回彈性之增加密度部分。減小回彈性部分可經設置為朝向圍繞周邊之密封表面，而增加密度部分則可經設置為遠離於此等部分且在對應於當密封件在使用中安裝於一真空總成中時夾持元件定位之位置之縱向位置處。關於圖1及圖2之實例，此技術可與本發明之實施例結合使用。

圖4展示一相關技術之一進一步實例，其中外壁具備從壁突出之額外區12且其中材料係多孔的且因此具有一特定低密度。此等設置於密封件之密封表面處且將壓縮及符合於配接表面。其等亦可用於將密封件定位於真空系統內之一特定定向中。關於圖1、圖2及圖3之實例，此技術可與本發明之實施例結合使用。

圖5展示一實施例之橫截面，其中在外壁10內提供一內部結構。在此實施例中，提供內壁22，該等內壁22橫跨密封件之內區段且提供針對密封件之變形之回彈性。此一內部結構之添加容許外壁被製成為比其中不存在內部結構的情況更薄。此具有提供外部結構之一改良可變形性之優點，此可提供改良密封且容許密封件在具有不太精細之一密封表面光度之一真空系統中提供有效密封。

儘管在此實施例中，內部結構由延伸且附接至外壁10之內壁提供，然在其他實施例中，內部結構可為不同的且可例如由一多孔材料形成。此多孔材料可具有跨其橫截面之一不同密度且亦可具有沿其長度之一不同密度，藉此在不同點處提供密封件之回彈性之標定改變。以一類似方式，圖5之密封件可具有內壁22沿其長度之寬度變化以提供回彈性之差異。

圖6展示根據一進一步實施例之穿過一密封件之一縱向截面。在此實施例中，密封件包括一多孔內部24，其中多孔內部之密度沿密封件之長度改變，從而容許密封件經配置，使得增加密度及增加回彈性之區域接近於夾持元件且具有減小密度及減小回彈性之區域在安裝於真空總成中時遠離於此等元件。此容許使用減小夾持力將密封件固持於適當位置中而未不當地影響密封件之密封性質。

密封件以橫截面、縱向截面或作為一側視圖展示。其等可具有一管狀形式且此管狀形式可為經調適以密封於例如一真空泵之定子之間或圍繞一真空系統中之連接元件之一環圈。由於不將彈性體材料用於此等密封件之能力，其等在用於其中可泵抽侵蝕性材料且使用高溫之減量系統中時係尤其有效的。

使用加成製造技術製造密封件容許其等由例如金屬製成且仍具有可沿長度及/或圍繞周邊及/或跨橫截面變化之性質。此容許密封件依特定位置及特定夾持力調適且改良密封有效性。

儘管本文中已參考隨附圖式詳細揭示本發明之繪示性實施例，然應理解，本發明不限於精確實施例，且在不脫離如由隨附發明申請專利範圍及其等之等效物定義之本發明之範疇的情況下可由熟習此項技術者在其中實現各種改變及修改。

10:密封件外壁/外壁 12:多孔結構/額外區 20:夾持元件/夾持力 22:內壁 24:胞狀內部填充/多孔內部

現將參考隨附圖式進一步描述本發明之實施例，其中： 圖1展示根據一相關技術之具有一可變壁厚度之一密封件之一橫截面； 圖2展示根據一相關技術之具有沿一密封件之一長度之一可變壁厚度之密封件之一縱向截面； 圖3示意性地展示根據一相關技術之具有跨橫截面之一可變密度之一密封件之一橫截面； 圖4示意性地展示根據一相關技術之具有跨橫截面之一可變密度之一密封件之一橫截面； 圖5展示根據一實施例之具有一內部結構以增加回彈性之一密封件之一橫截面；及 圖6展示根據一實施例之具有一內部結構之一密封件之一縱向截面，該內部結構具有沿密封件之一長度之可變密度。

10:外壁

22:內壁

Claims (21)

1. 一種由一非彈性體材料形成之密封件，該密封件具有包括圍繞一內區段之一外壁之一橫截面；該內區段包括一連續固體結構，該連續固體結構附接至該外壁且經構形以藉由提供對該密封件之變形之一抗性而增加該密封件之一回彈性，該連續固體結構包括：至少一個內壁，其跨該內區段延伸；及/或一多孔或胞狀材料；其中該外壁及該內區段具有一圓形橫截面且其中該外壁在一縱向方向上延伸且具有一管狀形狀；及其中該外壁延伸以形成一環圈。
2. 如請求項1之密封件，其中該連續固體結構之至少一部分跨該內區段延伸，從而在至少兩個點處連接該外壁。
3. 如請求項1或2之密封件，其中該連續固體結構包括跨該內區段延伸之複數個內壁。
4. 如請求項1或2之密封件，其中該外壁及該內區段具有一圓形橫截面。
5. 如請求項4之密封件，其中該至少一個內壁跨該內區段之一直徑延 伸。
6. 如請求項1或2之密封件，其中該連續固體結構沿該密封件之一長度係不均勻的，使得該密封件之一回彈性沿該長度改變。
7. 如請求項6之密封件，其中該等內壁之一厚度沿該密封件之一長度變化達至少10%。
8. 如請求項6之密封件，其中該等內壁之一厚度沿該密封件之一長度變化達至少50%。
9. 如請求項6之密封件，其中該多孔或胞狀材料之一密度沿該密封件之該長度變化達至少10%。
10. 如請求項6之密封件，其中該多孔或胞狀材料之一密度沿該密封件之該長度變化達至少25%。
11. 如請求項1或2之密封件，其中該密封件經構形以與待密封之表面配接且該密封件經構形，使得在使用中遠離於用於將該密封件夾持於該等表面之間的夾持元件之該多孔或胞狀材料之該密度減小，使得遠離於該等夾持元件之該密封件之一回彈性減小。
12. 如請求項1或2之密封件，其中接近於該密封件之一外周邊之一密封 部分之該材料之一密度低於遠離於該密封件之該外周邊之該密封部分之該材料之一密度。
13. 如請求項1或2之密封件，其中該非彈性體材料包括一金屬材料。
14. 如請求項13之密封件，其中該金屬材料包括鋁、鋁合金、鎳、鎳合金、貴金屬、鋼、不銹鋼、銅之至少一者。
15. 如請求項1或2之密封件，其中該非彈性體材料包括一聚合物材料，該聚合物材料包括一或多個熱塑性材料。
16. 如請求項15之密封件，其中該聚合物材料包括氟聚合物、聚醚醚酮(PEEK)及聚苯硫醚(PPS)之至少一者。
17. 如請求項1或2之密封件，其中該外壁圍封該內區段。
18. 一種真空系統，其包括至少一個如請求項1至17中任一項之密封件。
19. 如請求項18之真空系統，其包括至少一個如請求項13之密封件及至少一個用於將該至少一個密封件固持於兩個協作表面之間的夾持元件，該密封件經構形，使得該密封件之一回彈性在遠離於該至少一個夾持元件之部分處減小。
20. 一種使用加成製造技術製造如請求項1至17中任一項之密封件之方法。
21. 一種如請求項20之製造密封件之方法，其中該加成製造技術選自立體微影(SLA)、熔融沈積成型(FDM)、多噴流成型(MJM)、3D列印及選擇性雷射燒結(SLS)。