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CN101627239A - 用于真空泵的密封衬套 - Google Patents

用于真空泵的密封衬套 Download PDF

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CN101627239A
CN101627239A CN200880007367A CN200880007367A CN101627239A CN 101627239 A CN101627239 A CN 101627239A CN 200880007367 A CN200880007367 A CN 200880007367A CN 200880007367 A CN200880007367 A CN 200880007367A CN 101627239 A CN101627239 A CN 101627239A
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CN
China
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vacuum
lip
pump
axle envelope
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CN200880007367A
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Inventor
小凯·G·科尔布
布赖恩·L·菲舍尔
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Advanced Vacuum Co Inc
Original Assignee
Advanced Vacuum Co Inc
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Publication date
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Abstract

提供了一个或者多个改进的示例性的实施方式包括用于真空泵的电机轴的轴封衬套，该轴封衬套将三个轴封结合在一个装置中。衬套大大简化了密封件的更换并且免除了对于昂贵的密封件润滑油的需要，并且延长了轴封的寿命。衬套的实施方式由玻璃纤维/钼填充的聚四氟乙烯制造而成。

Description

用于真空泵的密封衬套
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年3月6日提交的临时申请第60/905124号的优先权。有关联邦政府资助研究或研制的声明
不适用
共同研究协议的参与者的姓名
不适用
对于以附录形式列出的“序列表”、图表或计算机程序的引用
不适用
背景技术
对于包括根据美国联邦专利法条37CFR 1.97和37CFR 1.98公开的信息的相关技术的描述
本发明的实施方式涉及改进例如由英国Crawley的EdwardsVacuum制造的机械真空增压器上的轴封的设计。这样的增压器与真空泵结合使用以产生用于例如半导体制造工业的多种工业中的多种用途的制程真空。系统典型地获得了低至5.3×10-3托(torr)的极限真空，并具有从30英尺3/分到845英尺3/分的排量。
本申请的实施方式包括整体式的衬套密封件，该整体式的衬套密封件包括在内表面上具有三个密封唇的圆筒形聚四氟乙烯(PTFE)本体。这些实施方式密封致动凸轮增压真空泵的旋转电机轴。这种衬套密封件代替了真空增压泵上的常规的三个单独的VITON唇封件并且避免了损害这种唇封的气漏和油漏。
美国专利No.3,420,535公开了一种可以由PTFE构造的密封件，该密封件包括两个部件，一个附连到底座并且不旋转，而另一个附连到轴并且利用压在固定面上的密封面与轴一起旋转。
美国专利No.3,801,114公开了一种包括三个夹在金属外壳中的PTFE垫圈的密封件，所述密封件利用液体动力将可能已经漏过第一密封件的油返回。
美国专利No.4,383,691公开了一种具有绕回的肋的水力配置的PTFE密封件，所述密封件阻止了流体通过密封件的泄漏。无肋区域防止轴静止时通过密封件泄漏。
美国专利No.4,522,411公开了一种带有弹性主唇和PTFE辅唇的用于真空泵的泵送密封件。
美国专利No.4,828,273公开了一种带有PTFE套管的用于真空室的引线的密封件，所述套管利用弹性环密封到钻孔和轴。
美国专利No.4,850,601公开了在具有密封腔的圆周面上密封的单独的PTFE密封件，所述密封件被强制装配到轴上。图9-11在说明书中没有予以描述。
美国专利No.5,368,648公开了一种在半导体制造中用于密封腔室壁的PTFE密封件。
美国专利No.5,984,316公开了多种单独的PTFE密封件，该密封件为C形并且在C形的顶部包含金属环而在其之下包含螺旋弹簧。
美国专利No.6,676,132公开了一种金属线圈，其截面呈倒置的L形，并具有涂覆在上表面上的PTFE，该金属线圈延伸以形成密封到轴的主要密封件和辅助密封件。卡紧弹簧促使密封件抵靠在轴上。并且公开了多个密封单元的用途。
公布的专利申请2005/0264791公开了一种用于真空室的旋转密封件，该密封件可以是弹性体，或者铁磁流体。
本申请的轴封衬套与满足长期的需要的现有技术密封件相比具有多个优点。衬套的使用免去了对于保持轴封储油器填充有全氟聚醚PFPE基油的需要。这防止了将油吸入到真空泵中的可能性并且免去了获得昂贵的油的成本以及处置使用过的油的成本，所述使用过的油被看作是危险的废弃物。另外，维护泵的人工成本通过免去对于油位的监控和维持以及对于油的周期性更换的监控和维持而得到降低。与常规的自紧唇封相比，另一个意料之外的优点是由于衬套密封件的寿命更长以及更换的简单性，导致从事周期性更换轴封的技工减少。最后，衬套密封件与两个圆筒形的轴套一起使用，与需要圆锥形套筒和圆筒形套筒的现有技术密封件相对比，这使得能够节省成本并减少备件库存。
现有技术的前述示例和与之相关的局限性被确定为是说明性的并且不是唯一的。对于本领域技术人员来说，当阅读了说明书并研究了附图之后，现有技术的其它局限性将变得明显。
发明内容
实施方式包括用于真空泵的轴封衬套，其包括具有外表面和内表面的圆筒形的轴封衬套，该衬套包括圆筒形的密封衬套肩部，肩部具有环绕外表面的圆周的肩部密封凹口和环绕内表面的圆周的大气唇。圆筒形的密封本体附连到肩部，本体具有环绕外表面的圆周的本体密封凹口和环绕内表面的圆周的真空唇，真空唇与大气唇相邻，以及环绕内表面的圆周的油唇，油唇与真空唇相邻。肩部具有比本体大的直径。
另外，用于真空泵的轴封衬套的实施方式还包括位于肩部密封凹口中的外部O形环封和位于本体密封凹口中的内部O形环封。
实施方式包括用于真空泵的轴封衬套，其中衬套用单件材料制成。
下面结合意欲用作示例性的和说明性的，而不是对范围做出限制的系统、工具和方法来描述和说明其实施方式和方面。在多个实施方式中，已经减少或者消除了上述问题中的一个或者多个，同时其它实施方式针对其它的改进。
除了上面描述的示例性的方面和实施方式以外，其它方面和实施方式将通过参照附图和通过研究下面的描述而变得明显。
附图说明
图1是安装在真空泵中的现有技术密封件的截面图。
图2是轴封衬套的实施方式的立体图，其中肩缘处于最显著的位置中。
图3是轴封衬套的实施方式的立体图，其中体缘处于最显著的位置中。
图4是轴封衬套的实施方式的一部分在图1的线4-4处获得的截面图。
图5是安装在真空泵中的轴封衬套的实施方式的截面图。
具体实施方式
本发明的实施方式涉及改进机械真空增压器，例如由英国Crawley的Edwards Vacuum制造的机械真空增压器上的轴封的设计。这样的增压器与真空泵结合使用以产生用于例如半导体制造工业的多种工业中的多种用途的制程真空。系统典型地获得了低至5.3×10-3torr的极限真空，并具有30英尺3/分到845英尺3/分的排量。
图1是Edwards Vacuum在其型号为EH250、EH500、EH1200、QMB250、QMB500和QMB1200及其所有变型上使用的现有技术轴封的设计的截面图。在图1中可见的是带有轴10的泵用电机17。覆盖住轴10的是两个强制安装的套筒、圆锥形套筒11和圆筒形套筒13。这些套筒为旋转电机轴10提供了耐磨但是可更换的表面。轴封座孔28穿透轴封座20。带有相关的套筒的轴被插入而贯穿轴封座孔28，贯穿轴封座20。轴封座20包含三个VITON唇封14、15、16和座外密封环以及座内密封环23。VITON是由特拉华州威尔明顿市的E.I.Du Pont DeNemours&Company所拥有的用于合成橡胶和橡胶混合物的商标。第一VITON唇封14是压靠在圆锥形套筒11上的带有唇缘的环封。第二VITON唇封15是压靠在圆筒形套筒13上的带有唇缘的环封。第三VITON唇封16是压靠在圆筒形套筒13上的带有唇缘的环封。轴封座20还包括轴封油储存器21。轴10经过轴封座20延伸到变速箱12中，该变速箱12包括联接的封闭式油储存器22。在图1中，大气侧26位于轴封座20的左侧或者外侧，而真空侧27位于轴封座20的右侧或者内侧。轴封储存器也处于大气压下。
当前的现有技术密封件的设计在平均正常使用达到5年后就失效，并且在使用不到一年后就失效的情况较多。这样的失效源于过早的轴封失效，轴封失效使油可以从轴封油储存器21泄漏，或者通过第一唇封14轴封泄露到增压器的外部(到大气侧26)或者通过第二唇封15和第三唇封16泄露到静液压驱动油储存器22(其位于真空侧27上)中。这在密封件15和16中的一个或者两个失效时发生。轴封储存器21装有油并且设计成在运行过程中润滑第一唇封14和第二唇封15。轴封储存器21处在大气压力下。一旦轴封储存器21中不再存在油，密封件就不再受到任何润滑，并且作为因真空产生的压差的结果，空气被吸入到静液压驱动油储存器22中。这引起真空侧27中的压力升高并且导致引起单元停止运行的内漏。
除了全部重新装配增压器并很有可能全部重新装配干燥的前级泵之外，现有技术密封件中的一种或者多种的失效还使得排放并且更换PTFE-油和静液压驱动油并更换唇封。这需要将轴封座从电机处并从变速箱处卸下。从轴封座的大气侧移除并且更换第一唇封，同时从轴封座的真空侧移除并更换第二唇封和第三唇封。每个唇封都必须精确定位以确保密封唇垂直于套筒，于是密封件压在套筒的整个圆周上。利用专门为每个密封件确定尺寸的工具来获得这样的定位。
图2是本申请的轴封衬套30的实施方式的立体图，其中肩缘或者外缘38位于最显著的位置中。衬套安装在泵中，大气侧26位于图2的左侧而真空侧27在图2中的右侧。衬套30由附连到更小外径的储存器壁34的密封本体肩部32组成。密封本体台阶33位于肩部32的真空侧上。肩部32的外缘38被标明，并且储存器壁34的储存器壁或内缘37也被标明，但是在图2的真空侧27上是不可见的。大气唇封40在密封本体肩部32的内表面31的圆周上是可见的。肩部O形环封47在肩部32的外部圆周上是可见的并且储存器壁O形环封46在储存器壁34的外部圆周上是可见的。O形环封适合于图2中没有示出的O形环槽。
图3是本申请的轴封衬套30的实施方式的立体图，其中储存器壁或者内缘37处于最显著的位置中。衬套安装在泵中，真空侧27处于图3的左侧而大气侧26在图3中处于右侧。衬套30由附连到更小外径的储存器壁34的密封本体肩部32组成。密封本体台阶33位于肩部32的真空侧上。肩部32的外缘38被标明，但在图3中是不可见的，并且储存器壁34的内缘37在图3的真空侧27上是可见的。油唇封44在储存器壁34的内表面48的圆周上是可见的。真空唇封42在储存器壁34的内表面48的圆周上是可见的。肩部O形环封47在肩部32的外部圆周上是可见的，并且储存器壁O形环封46在储存器壁34的外部圆周上是可见的。O形环封适合于图3中没有示出的O形环槽。
图4是轴封衬套30的实施方式的一部分在图2的线4-4处获得的截面图。在图4中圆筒形密封衬套的外表面上可见的是肩部或者外缘38、密封本体肩部32、搁置在肩部O形环槽36中的肩部O形环封47、密封本体台阶33、储存器壁34、搁置在储存器壁O形环槽35中的储存器壁O形环封46、以及储存器壁或内缘37。在图4中圆筒形密封衬套的内表面上可见的是肩部内表面31、大气唇封40、大气唇封凹口41、储存器壁内表面39、真空唇凹口43、真空唇封42、或油唇凹口45、以及油唇封44。在图4中，大气侧26位于左侧而真空侧27位于右侧。轴封衬套的实施方式包括代替先前使用的三个单独的油润滑VITON唇封的双向单体密封件。轴封衬套的实施方式不需要对运行进行润滑。
因为唇封不润滑的情况下起作用，所以轴封衬套的实施方式的运行无需使用轴封油储存器中的油。在图4中，大气唇封40和真空唇封42朝向大气侧26倾斜。油唇封44朝向真空侧倾斜。大气唇封凹口41、真空唇封凹口43、以及油唇封凹口45是确保相应的唇封的最佳适应性的侧凹。
图5是安装在真空增压泵中的轴封衬套的实施方式的截面图。电机、电机轴、轴封座、以及变速箱与图1中的相同。在图5中还可见的是外部圆筒形的套筒18和内部圆筒形套筒19。这些套筒被强制装配在电机轴10上并且绕电机轴旋转。轴封衬套30的实施方式示出为处于适当位置中，大气唇封40搁置在外部圆筒形的套筒18的圆周上并且真空唇封42和油唇封44搁置在内部圆筒形的套筒19的圆周上。还可见的是肩部O形环封47以及储存器壁O形环封46，这些O形环封密封轴封座20与轴封衬套肩部32和储存器壁34之间的区域。轴封衬套30并不旋转。
当密封件磨损时需要更换轴封衬套。将电机17和带有相关套筒18和19的轴10从轴封座20处卸下。取出轴封衬套。将新的轴封衬套30插入到轴封座孔28中，肩部台阶33与密封座台阶25相邻。将电机17和带有更换的衬套18和19的轴10重新插入到轴封座孔28中，并且将电机重新附连到轴封座。这通常仅仅在全部重新装配增压器的过程中执行。
实施方式包括轴封的设计，已经建立该设计以便改善EdwardsVacuum的型号为EH250、EH500、EH1200、QMB250、QMB500和QMB1200的机械增压器及其所有变型的可靠性和失效之间的平均时间。轴封设计将现存的用在增压器的驱动侧上的三个单独的油润滑VITON唇封变成不需要润滑并且适合于在真空服务中使用的单体加载的PTFE设计。存在两种尺寸的密封件，具有较小尺寸并且可以应用到包含数字250和500的增压器型号的尺寸EDD-FL2054，以及可应用到包含数字1200的增压器型号的较大的尺寸EDD-FL2055。
轴封衬套的实施方式用纯PTFE树脂与以变化的百分比添加填充材料以便改善纯PTFE树脂的物理特性。数种混合的合金通常是玻璃/钼填充的PTFE树脂，但是也可以设想其它合适的材料。实施方式包括加上5％的玻璃纤维和5％的MoS2的90％的纯PTFE树脂，所有的百分比都是重量百分比。其它的实施方式包括加上1％到10％的玻璃纤维和1％到10％的MoS2的80％到98％的纯PTFE树脂，所有的百分比都是重量百分比。其它实施方式包括PTFE树脂、填充有坦与石墨的混合物的PTFE树脂、填充有钼的PTFE树脂、填充有聚酰亚胺的PTFE树脂、或者填充有青铜的PTFE树脂。
在实施方式的制造中，将数种混合的原料在室温下在圆筒形模具中压模。这形成了将在窑中烧结16-30个小时的易碎的套筒或者原料的坯料。窑中的时间是从环境温度到超过700华氏度并回到室温的缓慢循环。这个过程对于生产具有对于机加工轴封衬套以在应用中起作用所必需的物理特性的套筒是关键性的。
虽然已经公开了利用单个整体套筒制造轴封衬套的实施方式，但由若干部件制造衬套同样是可能的。这些部件可以被成型并且随后利用胶粘的手段结合起来，或者衬套可以以若干部件的方式使用，每个部件在内表面上具有至少一个唇封。
轴封衬套的实施方式在计算机数控(CNC)车床上进行制造。出于可重复性的目的，已经写入并保存仅产生一种结果的CNC程序。将PTFE合金的衬套装载到车床中以用于机加工。一般使用套爪以夹持衬套。一个衬套通常将制造4-5件具有这种尺寸的密封件。密封寿命和即将失效的关键指标是密封唇厚度。在利用具有额定密封唇厚度为0.032英寸的密封件的情况下，90天连续使用后的测试导致密封件厚度为0.0318英寸。估计取决于实际运行条件，所测试的具有特定实施方式的唇设计的密封件在正常使用下将持续至少五年。
在安装新的密封件之后，轴封油储存器的充油的需要现在是可随意选择的。密封件自身并不需要润滑，并且设计成干燥运行。用油填充轴封油储存器将不影响密封操作，因为油将通过密封衬套的外径与密封件屏蔽。
本申请的实施方式的使用与现有技术相比具有许多优点。由于不需要PFPE基润滑油润滑密封件，因此能节省获得油的成本和处置或回收使用过的油的成本，以及用于监控并且更换油的人工成本。与三个现有技术密封件的更换相比，当需要时更换轴封衬套需要更少地拆卸泵以及更少的工人。最后，轴封衬套需要的更换次数比现有技术密封件通常需要的少。
虽然上面已经详述了多个示例性的方面和实施方式，但是本领域技术人员将辨认出某些改良、置换、增加及其变型。因此，意图是此后引入的下面所附权利要求将包括所有的这些改良、置换、增加和变型解释为在它们合法的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种用于真空增压泵的轴封衬套，包括：
圆筒形的轴封衬套，其具有外表面和内表面，所述衬套包括：
圆筒形的密封衬套肩部，
所述肩部具有环绕所述外表面的圆周的肩部密封件凹口和环绕所述内表面的圆周的大气唇，和
圆筒形的密封本体，
所述本体具有环绕所述外表面的圆周的本体密封件凹口和环绕所述内表面的圆周的真空唇，所述真空唇与所述大气唇相邻，以及环绕所述内表面的圆周的油唇，所述油唇与所述真空唇相邻，并且
所述肩部具有比所述本体大的直径。
2.如权利要求1所述的用于真空增压泵的轴封衬套，还包括位于所述肩部密封件凹口中的外部O形环封和位于所述本体密封件凹口中的内部O形环封。
3.如权利要求1所述的用于真空增压泵的轴封衬套，其中，所述衬套用单件材料制成。
4.如权利要求1所述的用于真空增压泵的轴封衬套，其中，所述衬套用两件或者更多件材料制成。
5.如权利要求1所述的用于真空增压泵的轴封衬套，其中，所述衬套用填充有玻璃和钼的混合物的聚四氟乙烯树脂制成。
6.如权利要求1所述的用于真空增压泵的轴封衬套，其中，制造材料是填充有5％的玻璃纤维和5％的MoS2的90％的纯聚四氟乙烯树脂，所有的百分比都是重量百分比。
7.如权利要求1所述的用于真空增压泵的轴封衬套，其中，制造材料是填充有1％到10％的玻璃纤维和1％到10％的MoS2的80％到98％的纯聚四氟乙烯树脂，所有的百分比都是重量百分比。
8.如权利要求1所述的用于真空增压泵的轴封衬套，其中，制造材料是纯聚四氟乙烯树脂、聚四氟乙烯树脂、填充有碳和石墨的混合物的聚四氟乙烯树脂、填充有钼的聚四氟乙烯树脂、填充有聚酰亚胺的聚四氟乙烯树脂、或者填充有青铜的聚四氟乙烯树脂。
9.如权利要求1所述的用于真空增压泵的轴封衬套，其中，所述衬套安装在真空泵中，所述肩部最接近所述泵的大气侧并且所述本体侧最接近所述真空增压泵的真空侧。
10.如权利要求1所述的用于真空增压泵的轴封衬套，其中，所述衬套安装在真空泵中，所述大气唇和所述真空唇朝向所述泵的大气侧定向而所述油唇朝向所述真空增压泵的真空侧定向。
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