專利名稱：用于真空泵的密封襯套的制作方法
用于真空泵的密封襯套
相關申請的交叉引用
本申請要求2007年3月6日提交的臨時申請第60/905124號的優(yōu)先權。
有關聯(lián)邦i^資助研究或研制的聲明 不適用
共同研究協(xié)議的參與者的姓名 不適用
對于以附錄形式列出的"序列表"、圖表或計算^4呈序的引用 不適用
背景技術：
對于包括根據(jù)美國聯(lián)邦專利法條37 CFR 1.97和37 CFR 1.98公開的信 息的相關技術的描述
本發(fā)明的實施方式涉及改進例如由英國Crawley的Edwards Vacuum制造的機械真空增壓器上的軸封的設計。這樣的增壓器與真空 泵結合使用以產(chǎn)生用于例如半導體制造工業(yè)的多種工業(yè)中的多種用途 的制程真空，系統(tǒng)典型地獲得了低至5.3xl0—s托(torr)的極限真空， 并具有從30英尺3/分到845英尺3/分的排量。
本申請的實施方式包括整體式的襯套密封件，該整體式的襯套密封 件包括在內(nèi)表面上具有三個密封唇的圓筒形聚四氟乙烯(PTFE)本體。 這些實施方式密封致動凸輪增壓真空泵的旋轉電機軸。這種襯套密封件 代替了真空增壓泵上的常規(guī)的三個單獨的VITON唇封件并且避免了損 害這種唇封的氣漏和油漏。
美國專利No. 3,420,535公開了一種可以由PTFE構造的密封件，該 密封件包括兩個部件， 一個附連到底座并且不旋轉，而另一個附連到軸 并且利用壓在固定面上的密封面與軸一起旋轉。美國專利No. 3,801,114公開了一種包括三個夾在金屬外殼中的 PTFE墊圏的密封件，所述密封件利用液體動力將可能已經(jīng)漏過笫一密 封件的油返回。
美國專利No. 4,383,691公開了 一種具有繞回的肋的水力配置的 PTFE密封件，所述密封件阻止了流體通過密封件的泄漏。無肋區(qū)域防 止軸靜止時通過密封件泄漏。
美國專利No. 4，522，411公開了 一種帶有彈性主唇和PTFE輔唇的用 于真空泵的泵送密封件。
美國專利No. 4,828，273公開了 一種帶有PTFE套管的用于真空室的 引線的密封件，所述套管利用彈性環(huán)密封到鉆孔和軸。
美國專利No. 4,850,601公開了在具有密封腔的圓周面上密封的單 獨的PTFE密封件，所述密封件被強制裝配到軸上。圖9-11在說明書 中沒有予以描述。
美國專利No. 5，368，648公開了一種在半導體制造中用于密封腔室 壁的PTFE密封件。
美國專利No. 5,984,316公開了多種單獨的PTFE密封件，該密封件 為C形并且在C形的頂部包含金屬環(huán)而在其之下包含螺旋彈簧。
美國專利No. 6，676，132公開了 一種金屬線團，其截面呈倒置的L形， 并具有涂覆在上表面上的PTFE,該金屬線團延伸以形成密封到軸的主 要密封件和輔助密封件。卡緊彈簧促使密封件抵靠在軸上。并且公開了 多個密封單元的用途。
公布的專利申請2005/0264791公開了 一種用于真空室的旋轉密封 件，該密封件可以是彈性體，或者鐵磁流體。
本申請的軸封襯套與滿足長期的需要的現(xiàn)有技術密封件相比具有 多個優(yōu)點。襯套的使用免去了對于保持軸封儲油器填充有全氟聚瞇 PFPE基油的需要。這防止了將油吸入到真空泵中的可能性并且免去了 獲得昂貴的油的成本以及處置使用過的油的成本，所述使用過的油被看 作是危險的廢棄物。另外，維護泵的人工成本通過免去對于油位的監(jiān)控 和維持以及對于油的周期性更換的監(jiān)控和維持而得到降低。與常規(guī)的自緊唇封相比，另一個意料之外的優(yōu)點是由于村套密封件的壽命更長以及 更換的筒單性，導致從事周期性更換軸封的技工減少。最后，襯套密封 件與兩個圓筒形的軸套一起使用，與需要圓錐形套筒和圓筒形套筒的現(xiàn) 有技術密封件相對比，這使得能夠節(jié)省成本并減少備件庫存。
現(xiàn)有技術的前述示例和與之相關的局限性被確定為是說明性的并 且不是唯一的。對于本領域技術人員來說，當閱讀了說明書并研究了附 圖之后，現(xiàn)有技術的其它局限性將變得明顯。

發(fā)明內(nèi)容
實施方式包括用于真空泵的軸封襯套，其包括具有外表面和內(nèi)表面的 圓筒形的軸封襯套，該襯套包括圓筒形的密封襯套肩部，肩部具有環(huán)繞外 表面的圓周的肩部密封凹口和環(huán)繞內(nèi)表面的圓周的大氣唇。圓筒形的密封 本體附連到肩部，本體具有環(huán)繞外表面的圓周的本體密封凹口和環(huán)繞內(nèi)表 面的圓周的真空唇，真空唇與大氣唇相鄰，以及環(huán)繞內(nèi)表面的圓周的油唇， 油唇與真空唇相鄰。肩部具有比本體大的直徑。
另外，用于真空泵的軸封襯套的實施方式還包括位于肩部密封凹口中
的外部o形環(huán)封和位于本體密封凹口中的內(nèi)部o形環(huán)封。
實施方式包括用于真空泵的軸封襯套，其中襯套用單件材料制成。
下面結合意欲用作示例性的和說明性的，而不是對范圍做出限制的 系統(tǒng)、工具和方法來描述和說明其實施方式和方面。在多個實施方式中， 已經(jīng)減少或者消除了上述問題中的一個或者多個，同時其它實施方式針 對其它的改進。
除了上面描述的示例性的方面和實施方式以外，其它方面和實施方 式將通過參照附圖和通過研究下面的描述而變得明顯。


圖l是安裝在真空泵中的現(xiàn)有技術密封件的截面圖。
圖2是軸封襯套的實施方式的立體圖，其中肩緣處于最顯著的位置中。
圖3是軸封襯套的實施方式的立體圖，其中體緣處于最顯著的位置中。
圖4是軸封襯套的實施方式的一部分在圖1的線4-4處獲得的截面圖。
圖5是安裝在真空泵中的軸封襯套的實施方式的截面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施方式涉及改進機械真空增壓器，例如由英國Crawley 的Edwards Vacuum制造的機械真空增壓器上的軸封的設計。這樣的增 壓器與真空泵結合使用以產(chǎn)生用于例如半導體制造工業(yè)的多種工業(yè)中 的多種用途的制程真空。系統(tǒng)典型地獲得了低至5.3 x l(T3torr的極限真 空，并具有30英尺3/分到845英尺3/分的排量。
圖l是Edwards Vacuum在其型號為EH250、 EH500、 EH1200、 QMB250、 QMB500和QMB1200及其所有變型上4吏用的現(xiàn)有寺支術軸封 的設計的截面圖。在圖1中可見的是帶有軸10的泵用電機17。覆蓋住 軸10的是兩個強制安裝的套筒、圓錐形套筒11和圓筒形套筒13。這些 套筒為旋轉電機軸10提供了耐磨但是可更換的表面。軸封座孔28穿透 軸封座20。帶有相關的套筒的軸被插入而貫穿軸封座孔28，貫穿軸封 座20。軸封座20包含三個VITON唇封14、 15、 16和座外密封環(huán)以及 座內(nèi)密封環(huán)23。 VITON是由特拉華州威爾明頓市的E丄Du Pont De Nemours&Company所擁有的用于合成橡膠和橡膠混合物的商標。第一 VITON唇封14是壓靠在圓錐形套筒11上的帶有唇緣的環(huán)封。第二 VITON唇封15是壓靠在圓筒形套筒13上的帶有唇緣的環(huán)封。第三 VITON唇封16是壓靠在圓筒形套筒13上的帶有唇緣的環(huán)封。軸封座 20還包括軸封油儲存器21。軸10經(jīng)過軸封座20延伸到變速箱12中， 該變速箱12包括聯(lián)接的封閉式油儲存器22。在圖1中，大氣側26位于 軸封座20的左側或者外側，而真空側27位于軸封座20的右側或者內(nèi) 側。軸封儲存器也處于大氣壓下。
當前的現(xiàn)有技術密封件的設計在平均正常使用達到5年后就失效， 并且在^^用不到一年后就失效的情況較多。這樣的失效源于過早的軸封 失效，軸封失效使油可以從軸封油儲存器21泄漏，或者通過第一唇封 14軸封泄露到增壓器的外部(到大氣側26 )或者通過第二唇封15和第 三唇封16泄露到靜液壓驅(qū)動油儲存器22(其位于真空側27上)中。這在密封件IS和16中的一個或者兩個失效時發(fā)生。軸封儲存器21裝有 油并且設計成在運行過程中潤滑第一唇封14和第二唇封15。軸封儲存 器21處在大氣壓力下。 一旦軸封儲存器21中不再存在油，密封件就不 再受到任何潤滑，并且作為因真空產(chǎn)生的壓差的結果，空氣被吸入到靜 液壓驅(qū)動油儲存器22中。這引起真空側27中的壓力升高并且導致引起 單元停止運行的內(nèi)漏。
除了全部重新裝配增壓器并很有可能全部重新裝配干燥的前級泵 之外，現(xiàn)有技術密封件中的一種或者多種的失效還使得排放并且更換 PTFE-油和靜液壓驅(qū)動油并更換唇封。這需要將軸封座從電機處并從變 速箱處卸下。從軸封座的大氣側移除并且更換第一唇封，同時從軸封座 的真空側移除并更換第二唇封和第三唇封。每個唇封都必須精確定位以 確保密封唇垂直于套筒，于是密封件壓在套筒的整個圓周上。利用專門 為每個密封件確定尺寸的工具來獲得這樣的定位。
圖2是本申請的軸封村套30的實施方式的立體圖，其中肩緣或者 外緣38位于最顯著的位置中。襯套安裝在泵中，大氣側26位于圖2的 左側而真空側27在圖2中的右側。襯套30由附連到更小外徑的儲存器 壁34的密封本體肩部32組成。密封本體臺階33位于肩部32的真空側 上。肩部32的外緣38被標明，并且儲存器壁34的儲存器壁或內(nèi)緣37 也被標明，但是在圖2的真空側27上是不可見的。大氣唇封40在密封 本體肩部32的內(nèi)表面31的圓周上是可見的。肩部0形環(huán)封47在肩部 32的外部圓周上是可見的并且儲存器壁O形環(huán)封46在儲存器壁34的 外部圓周上是可見的。O形環(huán)封適合于圖2中沒有示出的O形環(huán)槽。
圖3是本申請的軸封襯套30的實施方式的立體圖，其中儲存器壁 或者內(nèi)緣37處于最顯著的位置中。襯套安裝在泵中，真空側27處于圖 3的左側而大氣側26在圖3中處于右側。襯套30由附連到更小外徑的 儲存器壁34的密封本體肩部32組成。密封本體臺階33位于肩部32的 真空側上。肩部32的外緣38被標明，但在圖3中是不可見的，并且儲 存器壁34的內(nèi)緣37在圖3的真空側27上是可見的。油唇封44在儲存 器壁34的內(nèi)表面48的圓周上是可見的。真空唇封42在儲存器壁34的 內(nèi)表面48的圓周上是可見的。肩部0形環(huán)封47在肩部32的外部圓周 上是可見的，并且儲存器壁O形環(huán)封46在儲存器壁34的外部圓周上是 可見的。O形環(huán)封適合于圖3中沒有示出的O形環(huán)槽。圖4是軸封襯套30的實施方式的一部分在圖2的線4-4處獲得的截 面圖。在圖4中圓筒形密封襯套的外表面上可見的是肩部或者外緣38、 密封本體肩部32、擱置在肩部0形環(huán)槽36中的肩部0形環(huán)封47、密 封本體臺階33、儲存器壁34、擱置在儲存器壁O形環(huán)槽35中的儲存器 壁0形環(huán)封46、以及儲存器壁或內(nèi)緣37。在圖4中圓筒形密封襯套的 內(nèi)表面上可見的是肩部內(nèi)表面31、大氣唇封40、大氣唇封凹口41、儲 存器壁內(nèi)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。在圖4中，大氣側26位于左側而真空側27位于右側。軸封 襯套的實施方式包括代替先前使用的三個單獨的油潤滑VITON唇封的 雙向單體密封件。軸封襯套的實施方式不需要對運行進行潤滑。
因為唇封不潤滑的情況下起作用，所以軸封襯套的實施方式的運行 無需使用軸封油儲存器中的油。在圖4中，大氣唇封40和真空唇封42 朝向大氣側26傾斜。油唇封44朝向真空側傾斜。大氣唇封凹口 41、真 空唇封凹口 43、以及油唇封凹口 45是確保相應的唇封的最佳適應性的 側凹。
圖5是安裝在真空增壓泵中的軸封村套的實施方式的截面圖。電機、 電機軸、軸封座、以及變速箱與圖1中的相同。在圖5中還可見的是外 部圓筒形的套筒18和內(nèi)部圓筒形套筒19。這些套筒被強制裝配在電機 軸10上并且繞電機軸旋轉。軸封村套30的實施方式示出為處于適當位 置中，大氣唇封40擱置在外部圃筒形的套筒18的圓周上并且真空唇封 42和油唇封44擱置在內(nèi)部圓筒形的套筒19的圓周上。還可見的是肩部 O形環(huán)封47以及儲存器壁O形環(huán)封46，這些O形環(huán)封密封軸封座20 與軸封襯套肩部32和儲存器壁34之間的區(qū)域。軸封襯套30并不旋轉。
當密封件磨損時需要更換軸封襯套。將電機17和帶有相關套筒18 和19的軸10從軸封座20處卸下。取出軸封襯套。將新的軸封襯套30 插入到軸封座孔28中，肩部臺階33與密封座臺階25相鄰。將電機17 和帶有更換的村套18和19的軸10重新插入到軸封座孔28中，并且將 電機重新附連到軸封座。這通常僅僅在全部重新裝配增壓器的過程中執(zhí) 行。
實施方式包括軸封的i殳計，已經(jīng)建立該"沒計以〗更改善Edwards Vacuum的型號為EH250、 EH500、 EH1200、 QMB250、 QMB500和 QMB1200的機械增壓器及其所有變型的可靠性和失效之間的平均時間。軸封設計將現(xiàn)存的用在增壓器的驅(qū)動側上的三個單獨的油潤滑
VITON唇封變成不需要潤滑并且適合于在真空服務中使用的單體加載 的PTFE設計。存在兩種尺寸的密封件，具有較小尺寸并且可以應用到 包含數(shù)字250和500的增壓器型號的尺寸EDD-FL2054,以及可應用到 包含數(shù)字1200的增壓器型號的較大的尺寸EDD-FL2055。
軸封村套的實施方式用純PTFE樹脂與以變化的百分比添加填充材 料以便改善純PTFE樹脂的物理特性。數(shù)種混合的合金通常是玻璃/鉬 填充的PTFE樹脂，但是也可以設想其它合適的材料。實施方式包括加 上5%的玻璃纖維和5%的MoS2的卯％的純PTFE樹脂，所有的百分 比都是重量百分比。其它的實施方式包括加上1%到10%的玻璃纖維和 1%到10%的MoS2的80%到98 的純PTFE樹脂，所有的百分比都是 重量百分比。其它實施方式包括PTFE樹脂、填充有坦與石墨的混合物 的PTFE樹脂、填充有鉬的PTFE樹脂、填充有聚酰亞胺的PTFE樹脂、 或者填充有青銅的PTFE樹脂。
在實施方式的制造中，將數(shù)種混合的原料在室溫下在圓筒形模具中 壓模。這形成了將在窯中燒結16—30個小時的易碎的套筒或者原料的 坯料。窯中的時間是從環(huán)境溫度到超過700華氏度并回到室溫的緩慢循 環(huán)。這個過程對于生產(chǎn)具有對于機加工軸封襯套以在應用中起作用所必 需的物理特性的套筒是關鍵性的。
雖然已經(jīng)公開了利用單個整體套筒制造軸封襯套的實施方式，但由 若干部件制造襯套同樣是可能的。這些部件可以被成型并且隨后利用膠 粘的手段結合起來，或者村套可以以若干部件的方式使用，每個部件在 內(nèi)表面上具有至少 一個唇封。
軸封襯套的實施方式在計算機數(shù)控(CNC)車床上進行制造。出于 可重復性的目的，已經(jīng)寫入并保存僅產(chǎn)生一種結果的CNC程序。將 PTFE合金的襯套裝載到車床中以用于機加工。 一般使用套爪以夾持襯 套。 一個襯套通常將制造4-5件具有這種尺寸的密封件。密封壽命和即 將失效的關鍵指標是密封唇厚度。在利用具有額定密封唇厚度為0.032 英寸的密封件的情況下，90天連續(xù)使用后的測試導致密封件厚度為 0.0318英寸。估計取決于實際運行條件，所測試的具有特定實施方式的 唇設計的密封件在正常使用下將持續(xù)至少五年。
10在安裝新的密封件之后，軸封油儲存器的充油的需要現(xiàn)在是可隨意 選擇的。密封件自身并不需要潤滑，并且設計成干燥運行。用油填充軸 封油儲存器將不影響密封操作，因為油將通過密封襯套的外徑與密封件 屏蔽。
本申請的實施方式的使用與現(xiàn)有技術相比具有許多優(yōu)點。由于不需
要PFPE基潤滑油潤滑密封件，因此能節(jié)省獲得油的成本和處置或回收 使用過的油的成本，以及用于監(jiān)控并且更換油的人工成本。與三個現(xiàn)有 技術密封件的更換相比，當需要時更換軸封襯套需要更少地拆卸泵以及 更少的工人。最后，軸封襯套需要的更換次數(shù)比現(xiàn)有技術密封件通常需 要的少。
雖然上面已經(jīng)詳述了多個示例性的方面和實施方式，但是本領域技 術人員將辨認出某些改良、置換、增加及其變型。因此，意圖是此后引 入的下面所附權利要求將包括所有的這些改良、置換、增加和變型解釋 為在它們合法的精神和范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用于真空增壓泵的軸封襯套，包括圓筒形的軸封襯套，其具有外表面和內(nèi)表面，所述襯套包括圓筒形的密封襯套肩部，所述肩部具有環(huán)繞所述外表面的圓周的肩部密封件凹口和環(huán)繞所述內(nèi)表面的圓周的大氣唇，和圓筒形的密封本體，所述本體具有環(huán)繞所述外表面的圓周的本體密封件凹口和環(huán)繞所述內(nèi)表面的圓周的真空唇，所述真空唇與所述大氣唇相鄰，以及環(huán)繞所述內(nèi)表面的圓周的油唇，所述油唇與所述真空唇相鄰，并且所述肩部具有比所述本體大的直徑。
2. 如權利要求1所述的用于真空增壓泵的軸封襯套，還包括位于所 述肩部密封件凹口中的外部O形環(huán)封和位于所述本體密封件凹口中的 內(nèi)部O形環(huán)封。
3. 如權利要求1所述的用于真空增壓泵的軸封襯套，其中，所述襯 套用單件材料制成。
4. 如權利要求1所述的用于真空增壓泵的軸封襯套，其中，所述襯 套用兩件或者更多件材料制成。
5. 如權利要求1所述的用于真空增壓泵的軸封襯套，其中，所述襯 套用填充有玻璃和鉬的混合物的聚四氟乙烯樹脂制成。
6. 如權利要求1所述的用于真空增壓泵的軸封襯套，其中，制造材 料是填充有5。/。的玻璃纖維和5%的MoS2的卯。/。的純聚四氟乙烯樹脂， 所有的百分比都是重量百分比。
7. 如權利要求1所述的用于真空增壓泵的軸封襯套，其中，制造材 料是填充有1%到10%的玻璃纖維和1%到10%的MoS2的80%到98% 的純聚四氟乙烯樹脂，所有的百分比都是重量百分比。
8. 如權利要求1所述的用于真空增壓泵的軸封襯套，其中，制造材料是純聚四氟乙烯樹脂、聚四氟乙烯樹脂、填充有碳和石墨的混合物的 聚四氟乙烯樹脂、填充有鉬的聚四氟乙烯樹脂、填充有聚酰亞胺的聚四 氟乙烯樹脂、或者填充有青銅的聚四氟乙烯樹脂。
9. 如權利要求1所述的用于真空增壓泵的軸封襯套，其中，所述襯 套安裝在真空泵中，所述肩部最接近所述泵的大氣側并且所述本體側最 接近所述真空增壓泵的真空側。
10. 如權利要求1所述的用于真空增壓泵的軸封襯套，其中，所述襯 套安裝在真空泵中，所述大氣唇和所述真空唇朝向所述泵的大氣側定向 而所述油唇朝向所述真空增壓泵的真空側定向。
全文摘要
提供了一個或者多個改進的示例性的實施方式包括用于真空泵的電機軸的軸封襯套，該軸封襯套將三個軸封結合在一個裝置中。襯套大大簡化了密封件的更換并且免除了對于昂貴的密封件潤滑油的需要，并且延長了軸封的壽命。襯套的實施方式由玻璃纖維/鉬填充的聚四氟乙烯制造而成。
文檔編號F16J15/34GK101627239SQ200880007367
公開日2010年1月13日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權日2007年3月6日
發(fā)明者小凱·G·科爾布, 布賴恩·L·菲舍爾 申請人:先進真空公司