真空阀的制作方法

专利名称：真空阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种布置成在波纹管收缩和伸长时打开和关闭的真空阀。
背景技术：
迄今为止，例如在半导体制造系统的CVD装置中，通过反应腔室 的入口端口将由用于薄膜材料的成分构成的材料气体供应到反应腔室 内的晶片上，该反应腔室为真空容器。同时，通过真空泵从该反应腔 室的出口端口将气体排出该反应腔室，从而将该反应腔室维持在真空
下。材料气体的排出速度由例如蝶形比例阀控制。然而，这样的蝶形 比例阀不能完全阻塞管道。因此，与该蝶形比例阀相串联地布置有开/ 关真空阀，以完全阻断管道内的流体流动。
在JP2003-83467A中公开了该真空阀的一个示例。在图15中以剖 视图示出了该真空阀。
通过将致动器部分102的驱动力施加到阀部分101上来操作图15 中的真空阀IOO，从而将其打开和关闭。在致动器部分102中，以可滑 动的方式安装在缸110内的活塞103连接到延伸穿过缸110的凸部111 布置的输出轴104的一端。输出轴104因此被轴向引导。输出轴104 的另一端从凸部111突出到阀部分101内。
在阀部分101内，阔元件105固定地连接到输出轴104的在阀体 112中突出的一端，而在阀体112的第一端口 113和第二端口 114之间 设置有阀座107，阀元件105进行移动而与该阀座107接触或脱离接触。 阀元件105始终由压縮弹簧115向着阀座107推压。在阀体112内以这
样的方式布置有金属制波纹管108，即，波纹管108包围压縮弹簧115 和输出轴104，并可弹性地伸长和收縮。
上述真空阀100这样操作，即，在活塞腔室109被加压，从而克 服压縮弹簧115的推压力而使活塞103在图中向上移动时，阀元件105 移动离开阀座107，从而使第一端口 113和第二端口 114之间可连通。
另一方面，在停止对活塞腔室109的加压时，活塞103在压缩弹 簧115的推压力的作用下向下移动，从而使阀元件105与阀座107接 触而完全弯曲关闭第一端口 113和第二端口 114之间的流体连通。
在进行上述阀的打开和关闭操作时，波纹管108在阀元件105移 动且起到了密封地隔开波纹管108的内部和外部的功能时被收縮和伸 长。因此，可能在输出轴104的滑动部分等中产生的粒子将不会在流 动通道内流动。
然而，传统真空阀100的缺点在于，波纹管108在长时间使用后 易于损坏或损坏，从而导致粒子泄漏在流体通道内。目前，波纹管108 这样的损坏被认为是由阀元件阀关闭的时候阀元件105与阀座107的 撞击或冲击引起的。
本申请的发明人针对波纹管108的耐久性对其进行了反复的试 验，发现大多数的波纹管108是由于在给定部位处引起的裂纹而损坏 的。发明人还发现，阀打开的时候，波纹管108由于阀元件105撞击 缸110的凸部111时引起的冲击，而破裂，从而造成波纹管108破损。
因此，发明人认为上述缺点的原因如下。
具体而言，波纹管108以浮动的方式保持在阀部分101内，从而 根据阀元件105的移动而弹性收縮和伸长。在此状态下，当阀元件105
向上移动至行程端部，并撞击凸部111的下端时，该揸击经由缸110 被传递到波纹管108，并同时从阀元件105传递到波纹管108。传递到 波纹管108的这两个撞击沿着相反的方向作用在波纹管108上，引起 波纹管108在不同方向上振动。因此可推想，波纹管108由振动所引 起的内部应力在给定部位处相互干涉，从而在该干涉部位处引起应力 集中。每次在阀元件105撞击管道构件106时，都在波纹管108的相 同部位中引起应力集中，从而波纹管108的该给定部位比其他部位损 坏得更快。
鉴于以上原因，可设想通过对阀元件105在开始阀打开操作时的 "操作速度"以及阀元件105撞击凸部111时传递到处于收缩状态的波 纹管108的"撞击加速度"进行控制，从而来提高波纹管108的耐用 性。因此，发明人还通过使用不同的"操作速度"和"撞击加速度" 进行了真空阀100的寿命试验。
这些寿命试验是在具有相同波纹管和相同内部结构的多个真空阀 上进行的，其中对每个阀重复进行预定数次的阀打开和关闭操作，并 检査每个阀是否达到与预期使用寿命相对应的目标数次的操作，而不 损坏波纹管108。"操作速度"是通过附接在阀体112的内壁上的速度 传感器测量的。"撞击加速度"是通过安装在阀元件105上的加速度传 感器测量的。这里，寿命试验是针对19种具有不同波纹管和不同内部 结构的真空阀进行的，其中，每种真空阀包括多个具有相同波纹管和 相同内部结构的真空阀。图16示出了测量结果，其中所述19种真空 阀中的某些具有相同的结果，从而有九个符号表示这19种真空阀的结 果。
在图16中，如果在长寿命的阀(在寿命试验中测定为能达到理想 次操作的阀)和短寿命的阀(在寿命试验中测定为不能达到理想次操作 的阀)之间划一条线，则限定出图16中的阴影区域S。由所述试验结果可知，对设有金属波纹管的真空阀而言，在"操
作速度"为30mm/s以上220mm/s以下且"撞击加速度"在图16中的 阴影区域S内时，波纹管108就不易破裂。如果操作速度大于220mm/s 并相应增加了撞击加速度，则波纹管108很可能破裂。就此而言，如 果降低操作速度、减小撞击加速度，则波纹管108不易破裂。然而事 实上，即使操作速度低于30mm/s且撞击加速度较低，波纹管108也破 裂，如图16所示。
发明人从以上试验结果发现，在操作速度太低和太高的情况下， 具有相同行程的真空阀100的波纹管108的耐用性会下降。而且，发 明人还发现，即使操作速度较高，但是在能减小撞击加速度时，也能 提高波纹管108的耐用性。因此，只要将真空阀100设计成在降低撞 击加速度的同时提高操作速度，就能够延长波纹管108的使用寿命， 从而提高真空阀IOO的耐用性。
一些真空阀布置成允许活塞紧靠活塞腔室的内壁。同样，对这类 真空阀而言，发明人也从耐用性试验发现波纹管108如同上述情形一 样破裂和损坏。因此，这类真空阀仅仅要设计成达到较高的操作速度 和较低的撞击加速度，以增加延长波纹管108的寿命，从而提高真空 阀100的耐用性。

发明内容
已作出本发明来实现上述目的，且本发明的目的在于提供一种提 高了波纹管寿命的真空阀。
为了实现上述目的，提供一种真空阀，该真空阀包括阀部分， 该阀部分包括第一端口、第二端口、设置在该第一和第二端口之间的 阀座、以及可移动成与所述阀座接触或脱离与所述阀座的接触的阀元 件；致动器部分，该致动器部分包括孔和联接到所述阀元件上的活塞， 操作流体通过该孔供应到所述致动器部分，允许所述活塞根据所述操
作流体的压力的变化操作，以对所述阀部分施加驱动力；以及波纹管， 当所述阀元件上下垂直移动时，该波纹管能收縮和伸长，其中，所述 孔设计成具有如下确定的有效截面积，该有效截面积使得所述阀元件 和所述活塞的操作速度被控制成用于防止所述波纹管损坏的预定速 度。
根据另一方面，本发明提供一种真空阀，该真空阀包括阀主单 元，该阀主单元包括第一端口、第二端口、以及设置在第一和第二端 口之间的阀座；阀元件，该阔元件可移动成与所述阀座接触或脱离与 所述阀座的接触，所述阀元件布置成在所述阀元件移动到全开位置时 紧靠所述阀主单元；致动器部分，该致动器部分包括连接至所述阀元 件的输出轴，用于通过所述输出轴对所述阀元件施加驱动力；波纹管， 该波纹管设置成以弹性收縮和伸长的方式包围所述阀主单元中的所述 输出轴；以及缓冲构件，该缓冲构件适于减轻当所述阀元件移动成与 所述阀主单元接触时引起的撞击，且还适于减小所述阀元件在移动成 与所述阀主单元接触时的撞击加速度以防止波纹管损坏。
此外，根据另一方面，本发明提供一种真空阀，该真空阀包括
阀主单元，该阀主单元包括第一端口、第二端口、以及设置在第一和
第二端口之间的阀座；阀元件，该阀元件可移动成与所述阀座接触或 脱离与所述阀座的接触；致动器部分，该致动器部分包括活塞腔室、 以可滑动的方式安装在该活塞腔室中的活塞、以及分别一体连接至所 述活塞并联接至所述阀元件的输出轴，允许所述活塞根据要施加到所 述活塞上的压力的变化操作，以对所述阀元件施加驱动力；波纹管， 该波纹管设置成以弹性收縮和伸长的方式包围所述阀主单元中的所述 输出轴；以及缓冲机构，该缓冲机构适于减轻当所述活塞和所述输出 轴中的一个沿轴向移动成与所述活塞腔室的内壁接触时引起的撞击， 且还适于减小当所述活塞和所述输出轴中的所述一个移动成与所述活 塞腔室的内壁接触时的撞击加速度以防止波纹管损坏。


图1为根据本发明的第一实施例的真空阀的剖视图，示出了阀关 闭状态；
图2A为第一实施例的真空阀的剖视图，示出了阀打开状态；
图2B为图2A中的XI部分的放大图3为图1所示的缓冲构件的平面图4为缓冲构件沿图3中的A-A线的剖视图5为表示孔直径与操作速度之间关系的曲线图，垂直轴表示操 作速度(mm/s)，而水平轴表示孔直径(mm);
图6为表示波纹管使用寿命与操作速度之间关系的曲线图，垂直 轴表示操作速度(mm/s)，而水平轴表示预期使用寿命的实现率(％);
图7为表示存在/不存在缓冲件与撞击加速度之间的关系的曲线 图，垂直轴表示撞击加速度(G)，而水平轴表示缓冲件存在/不存在；
图8为表示波纹管的使用寿命与阔元件的撞击加速度之间的关系 的曲线图，垂直轴表示撞击加速度(G)，而水平轴表示预期使用寿命的 实现率(％);
图9A为根据本发明的第二实施例的真空陶的剖视图，示出了阀关 闭状态；
图9B为图9A中的X2部分的放大图IO为第二实施例的真空阀的剖视图，示出了阀打开状态； 图IIA为根据本发明的第三实施例的真空阀的剖视图，示出了阀 关闭状态；
图IIB为图UA中的X3部分的放大图12为根据本发明的第三实施例的真空阀的剖视图，示出了阀打 开状态；
图13A为根据本发明的第四实施例的真空阀的剖视图，示出了阀 关闭状态；
图13B为图13A中的X4部分的放大图14为根据本发明的第五实施例的真空阀的剖视图，示出了阀关 闭状态；
图15为现有技术中真空阀的剖视图；而 图16为示出了寿命试验结果的曲线图。
具体实施例方式
以下将参照附图描述实施本发明的真空阀的优选实施例。 <第一实施例>
图1为第一实施例的真空阔1的剖视图，示出了阀关闭状态。图
2A为第一实施例的真空阀1的剖视图，示出了阀打开状态。图2B为 图2A中的XI部分的放大图。
图1和图2A所示的真空阀1可以以与传统真空阀类似的方式和碟 形比例阀一起在半导体制造系统中安装在反应腔室和真空泵之间。真 空阀1为开/关截流阀，它布置成在波纹管31收縮和伸长时打开和关闭， 从而对从反应腔室排出气体的管道的打开和截流进行控制。具体而言， 通过将致动器部分3的驱动力施加到阀部分2上而操作真空阀1打开 和关闭。
阀部分2内置在阀主单元35内，该阀主单元35在第一端口 7和 第二端口 8之间形成有包括阀座9的阀腔室5。在本实施例中，主单元 35包括阀体4、第二关闭板20、以及管道构件28。阀体4由诸如不锈 钢和碳钢的金属材料制成，以确保刚性和抗压性。阀体4形成有空腔6， 该空腔6用作由第二关闭板20关闭的阀腔室5。空腔6在图中与在阀 体4的侧表面中打开的第一端口 7连通，并与在阀体4的下表面中打 开的第二端口 8连通。阀体4形成有阀座9，该阔座由围绕在空腔6中 打开的第二端口 8的孔口的平表面形成。能使阀元件IO进入和脱离与 阀座9的接触。
阀元件10包括固定板11、支撑板12、以及配合在固定板11和支 撑板12之间的0形环13。固定板11和支撑板12由诸如不锈钢和碳钢
的金属制成，以确保刚性。O形环13由诸如橡胶的弹性材料制成，以 允许与阀座9紧密接触并对阀座9施加密封力。在阀元件10向上移动
时，阀元件10紧靠管道构件28的下端。这样，阀元件10的向上移动 受管道构件28的下端限制。为了缓冲阀元件10在紧靠管道构件28时 的冲击，将缓冲构件14以面对管道构件28的下端的方式安装在周定 板11的上表面中。
缓冲构件14设置成使它的端部从固定板11的上表面突出，从而 在阀如图2A和图2B所示全开时使阀元件10离开管道构件28微小间 隙的情况下保持阀元件10。缓冲构件14由诸如高硬度橡胶和树脂的弹 性材料制成。在本实施例中，缓冲构件14由硬度为90度的聚氨酯橡 胶制成。
图3为图1的缓冲构件14的平面图。图4为缓冲构件14沿着图 3中的A-A线的剖视图。
缓冲构件14具有环形形状，且截面几乎为矩形，缓冲构件14形 成有从缓冲构件14的内周表面沿径向向内突出的环形突起15。
如图1、图2A、和图2B所示，固定板11在装配有缓冲构件14 的上表面中形成有环形沟槽16。具体而言，沟槽16在相对于沟槽16 的开口沿径向向内的一侧上包括接合凹部17，从而缓沖构件14的环形 突起15接合在凹部17中。
缓冲构件14以如下方式安装到固定板11上在突起15弹性变形 时将缓冲构件14压入沟槽16，直到突起15进入凹部17并恢复到与凹 部17接合的原始形式。即使在真空阀1被操作打开和关闭时阀元件10 振动的情况下，突起15和凹部17之间的接合也能防止缓冲构件14从 固定板11脱落。
另一方面，致动器部分3内置在连接至阀体4的缸体18中。缸体
18由诸如不锈钢和碳钢的金属制成，以确保抗压性。缸体18为具有上 开口和下开口的筒形。缸体18的上开口由第一关闭板19关闭，而下 开口由第二关闭板20关闭，从而形成活塞腔室21。
活塞腔室21被以可滑动的方式安装在缸体18中的活塞22分隔为 第一腔室21a和第二腔室21b。活塞22由金属制成，以确保抗压性和 刚性。由诸如橡胶和树脂的弹性材料制成的密封构件23配合在活塞22 的外周周围。因此，活塞腔室21被活塞22气密地划分为第一腔室21a 和第二腔室21b。第一腔室21a通过未示出的对大气打开的开口与大气 连通。第二腔室21b通过形成在缸体18中的孔24与操作端口 25连通。 在本实施例中，孔24在与图l垂直的方向上具有圆形截面，即，孔24 具有敞开到操作端口 25中的圆形开口。
由金属制成的输出轴26以如下方式固定到活塞22上，该方式使 得轴26从下方插入穿过活塞22的中心。具体而言，该输出轴26—体 地固定到活塞22上，其中金属固定螺母27通过螺纹接合在输出轴26 的从活塞22突出的上端上。在本实施例中，螺母27构成输出轴26的 一部分。输出轴26还以可滑动的方式插入穿过第二关闭板20和管道 构件28，使得输出轴26的远端部分突出到阀腔室5中。
管道构件28设置成其下端位于阀腔室5中，从而限定阀元件10 的全开位置。输出轴26的远端插入穿过阀元件10的中心，并通过螺 纹接合在输出轴26的远端上的安装螺母29—体地固定到阀元件10上。 允许输出轴26进入或者脱离管道构件28的下端。活塞22和阀元件10 从而通过输出轴26—体地相互连接，因此能够一起上下垂直移动。
复位弹簧30以压縮形式安装在阀元件10和管道构件28之间，从 而朝着阀座9向下推压阀元件10。该推压力使得阀元件10支承在阀座 9上，同时挤压O形环13使0形环13变形，从而对阀座9施加密封
力。复位弹簧30的弹簧力或弹性力通过输出轴26从阀元件10传递到
活塞22，从而对活塞22施加在图中向下的力。
波纹管31包围输出轴26、管道构件28、和复位弹簧30，以防止 在输出轴26和管道构件28的滑动部分等中产生的粒子泄漏到阀腔室5 中。波纹管31由诸如不锈钢的金属制成，并以弹性伸长和收縮的方式 放置在阀腔室5中。波纹管31的上端焊接到环形保持器32上，该保 持器32的一部分接合在阀体4和缸体18之间。这样，保持器32相对 于阀体4和缸体18定位在合适位置。波纹管31的下端在复位弹簧30 外侧焊接到固定板11上。
具有以上结构的真空阀1例如能通过第一端口 7连接到真空泵上， 并通过第二端口 8连接到真空容器上。操作端口 25能连接到未示出的 操作流体控制装置上。
在没有操作流体通过操作端口 25供应到真空阀1时，阀元件10 如图l所示通过复位弹簧30的弹性力保持为与阀座9接触，从而中断 第一端口 7和第二端口 8之间的连通。因此，不允许任何流体从第二 端口 8流到第一端口 7，并且真空容器不被排空。
在将操作流体供应到操作端口 25时，第二腔室21b的内部压力增 加，从而克服复位弹簧30的弹性力而使活塞22向上移动，从而使阀 元件10移动离开阀座9直到全开位置，如图2A所示。因此，使第一 端口 7和第二端口 8相互连通，从而允许流体从第二端口 8流动至第 一端口7。因此通过真空泵的操作而排空真空容器。
之后，在从第二腔室21b排出操作流体时，第二腔室21b的内部 压力降低。阀元件10然后在复位弹簧30的弹性力的作用下向下移动， 然后如图1所示支承在阀座9上。因此，再次阻断了第一端口 7和第 二端口 8之间的连通，阻断了流体的流动。因此，再次不排空真空容
器。
同时，如在背景技术中提到的那样，发明人发现，通过将真空阀 设计为操作速度提高而同时降低撞击加速度，则可提高波纹管的使用 寿命，从而提高真空阀的耐用性。发明人注意到，对孔24的有效截面 积的调节可有效地将阀元件10的操作速度控制为合适的值，并可有效
地控制阀元件10在通过缓冲构件14紧靠管道构件28时的撞击加速度。 以下将说明其具体示例。
例如，如图16所示，在操作速度设置在30mm/s至220mm/s的范 围内时，能提高波纹管的寿命。因此，发明人通过使用具有相同波纹 管和不同内部结构的两类真空阀样品(样品1和样品2)，考察了截面为 圆形的孔24的直径与操作速度之间的关系。图5示出了考察结果。
例如，样品1的真空阀包括三个不同的孔直径。如图5所示，孔 直径为0.8mm的真空阀可将操作速度控制为约28mm/s，孔直径为 1.3mm的真空阀可将操作速度控制为约100mm/s，而孔直径为2.4mm 的真空阀可将操作速度控制为约220mm/s。
同样，样品2的真空阀也包括三个不同的孔直径。孔直径为0.8mm 的真空阀可将操作速度控制为约43mm/s，孔直径为l.Omm的真空阀可 将操作速度控制为约68mm/s，而孔直径为1.3mm的真空阀可将操作速 度控制为约112mm/s。
以上结果表明内部结构不同的样品1和样品2的真空阀中的每个 具有孔直径和操作速度之间的正相关。因此可知，即使是内部结构不 同的真空阀也可根据孔直径，即孔24的有效截面积而实现任何操作速 度。
而且，发明人进行了寿命试验来考察操作速度对波纹管31寿命的
影响。该寿命试验是以与背景技术中所述的方式类似的方式进行的。 具体而言，通过将具有相同波纹管和相同内部结构的每个真空阀重复 预定数次的阀打开和关闭操作，并检查每个阀是否达到"与预期使用 寿命相对应的目标次数的操作"(这里，称之为"目标使用寿命")而不 损坏波纹管31，以此来进行寿命试验。这里，寿命试验是这样进行的， 即，使用组与组之间波纹管和内部结构都不同的若千组真空阀(即，同 一组的真空阀具有相同的波纹管和内部结构)，并且将操作速度设置成 组与组之间不同，以考察预期使用寿命的实现率(这里，称之为"寿命 实现率")，即，每组中达到了目标使用寿命的波纹管的百分比。图6 示出了其试验结果。
例如，在操作速度为220mm/s或以上时，寿命实现率低到0%。 可以推断，这是由于在阀元件10以短行程和高操作速度操作时，被加 速的阀元件10趋于快速接靠管道构件28，使得所产生的强力冲击被传 递到波纹管31，使波纹管31破裂或损坏。
然而，存在这样的情形，即，即使在操作速度低到30mm/s时，寿 命实现率也低到0%。因为通常认为在操作速度较低时，撞击加速度也 变得较低，从而不确定为什么即使操作速度非常低，但是寿命实现率 也较低。
另一方面，即使操作速度低到40mm/s，寿命实现率也随着内部结 构的不同而不同。
以上试验结果表明，应以真空阀的内部结构和操作状态，如真空 阀的活塞直径和将施加到真空阀上的操作压力达到良好平衡的方式来 确定真空阀内的有效截面积，从而获得较高的寿命实现率。
为了实现良好的响应，有效截面积优选确定为实现高操作速度， 该操作速度位于获得高寿命实现率的范围内。
可如下确定有效截面积。
首先按照式I确定操作速度V:
V = L/t (I)
其中，V表示阀元件(活塞)的操作速度，L表示阀元件(活塞)的操 作行程，而t表示阀元件(活塞)的操作时间。
操作速度V达到预定操作速度范围(可有效实现100%的寿命实现 率的操作速度范围，例如，图16中的30mm/s至220mm/s)所要的操作 时间t通过式I计算。
通常，操作时间t可通过将时间tl、时间t2和时间t3相加而得， 其中，时间tl为阀元件10开始移动所需的时间，时间t2为阀元件10 加速的时间，而时间t3为阀元件10以恒定速度移动的时间。然而，在 真空阀1中，阀元件10以较短的行程(例如，15 mm)操作，从而操作 时间t可认为是阀元件10的加速时间t2。阀元件10的该加速时间t2 可通过下式II确定。
<formula>formula see original document page 16</formula> (II)
在式II中，F表示载荷(N)， f表示缸体18的摩擦力(N)， At表示 活塞22在流体供应侧部分的受压面积(mm2)， P。表示将供应到操作端 口 25的操作流体的压力(MPa)， M表示载荷的质量(kg)， L表示阀元件 10的操作行程的距离(mm)，而S2表示操作端口 25侧的孔24的有效截 面积。
通过将由式I确定的操作时间t应用到上式II中阀元件10的加速 时间t2，并将真空阀1的设计值带入式II中的以上参数；即，载荷F(N)、 摩擦力f(N)、受压面积A"mm2)、流体供应压力P"MPa)、载荷质量
M(Kg)以及操作行程L(mm)，从而能计算打开在操作端口 25中的孔24 的有效截面积。
在载荷F为3.0N、缸体18的摩擦力f为50N至70N、流体供应 侧的活塞直径为50mm(流体供应胸的活塞受压面积A!为25007rmm2)、 流体供应压力Po(待供应到操作端口 25的操作流体的压力)为0.4 MPa 至0.6MPa、载荷质量M为0.3Kg且阀元件10的操作行程L为15mm 的情况下，图1和图2A中所示的第一实施例的真空阀1设计成孔24 的直径为1.8mm。
另一方面，在操作速度处于如图16所示的30mm/s至220mm/s的 范围内且撞击加速度确定为在阴影区域S中时，能提高波纹管的寿命。 因此，发明人利用具有相同波纹管和不同内部结构的两种样品(样品3 和样品4)，考察了存在/不存在缓冲构件14和撞击加速度之间的关系。 图7示出了其考察结果。
如图7所示，没有缓冲构件14的样品3的真空阀中的撞击加速度 约为12G,而具有缓冲构件14的样品3的真空阀中的撞击加速度约为 4G。因而，对样品3而言，具有缓冲构件14的真空阀中的撞击加速度 能降低至没有缓冲构件14的真空阀内的撞击加速度的约33%。
没有缓冲构件14的样品4的真空阀中的撞击加速度约为8G，而 具有缓冲构件14的样品4的真空阀中的撞击加速度约为3.4G。因而， 对样品4而言，具有缓冲构件14的真空阀中的撞击加速度能降低至没 有缓冲构件14的真空阀中的撞击加速度的约42%。
而且，发明人进行了寿命试验来考察撞击加速度对波纹管31寿命 的影响。该寿命试验是以与背景技术中公开的方式类似的方式进行的。 具体而言，通过将具有相同波纹管和相同内部结构的每个真空阀重复 预定数次的阀打开和关闭操作，并检查每个真空阀是否达到与预期使
用寿命("目标使用寿命")相对应的目标次数的操作而不损坏波纹管31， 以此来进行寿命试验。这里，寿命试验是这样进行的，即，通过使用 组与组之间波纹管和内部结构都不同的若干组真空阀，并且将操作速 度设置成组与组之间不同，来考察预期使用寿命的实现率("寿命实现 率")，即，每组中达到了目标使用寿命的波纹管的百分比。图8示出 了其试验结果。
如图8所示，在撞击加速度约为80G时，寿命实现率为0%。这 是可以想象的，这是因为在阀元件10接靠管道构件28时所引起的揸 击很强，以致在波纹管31中引起较大应力。
然而，存在这样的情形，即，即使撞击加速度约为8G，寿命实现 率也为0%。因为通常假设在撞击加速度较低时波纹管31的内部应力 变小，所以不确定为什么即使撞击加速度低波纹管31的寿命也短。
而且，即使在撞击加速度大约相等时，真空阀之间的寿命实现率 也随着内部结果的不同而不同。
因此，在将缓冲构件14安装到真空阀上以减小撞击加速度时，要 考虑到所关心的真空阀的诸如活塞直径和操作压力之类的内部结构和 操作状况的平衡来选择缓冲构件14属性，如硬度和材料，使得能获得 较高的寿命实现率。为了防止波纹管31的损坏，优选选择缓冲构件14， 从而能使撞击加速度最小。
根据第一实施例的真空阀1，阀元件10和活塞22的操作速度受 到孔24(操作流体通过该孔24供应到活塞腔室21)的有效截面积(孔直 径)的控制，从而防止波纹管31的损坏。这使得可提高波纹管31的使 用寿命，从而提高了真空阀1的耐用性。
根据第一实施例的真空阀1，能通过缓冲构件14减轻阀元件10
在紧靠形成阀主单元35 —部分的管道构件28时的撞击加速度，从而
防止波纹管31被损坏。因此能提高波纹管31的寿命，结果提高了真
空阀1的耐用性。
特别是，在第一实施例的真空阀1中，孔24的以上优点和缓冲构 件14的以上优点是协同作用的。因此可在增加操作速度的同时降低撞 击加速度，从而在保持良好响应性的同时提高波纹管31的寿命。
<第二实施例〉
接着，将参照附图描述根据本发明第二实施例的真空阀。图9A为 第二实施例的真空阀1A的剖视图，示出了阀关闭状态。图9B为图9A 中X2部分的放大图。图IO为第二实施例的真空阀1A的剖视图，示出 了全开状态。
第二实施例的真空阀1A与第一实施例的真空阀的不同之处在于， 缓冲构件14设置在致动器部分3中而不是在阀部分2中，以构成"缓 冲机构"。第二实施例的真空阀1A与第一实施例的真空阀的不同之处 还在于，在缸体18内除了操作端口 25之外还形成有排出端口 41。将 集中在与第一实施例的这些不同来说明第二实施例，且相同的部件具 有相同的附图标记，这里不对它们进行重复说明。
如图9A、图9B和图10所示，在真空阀1A中，缓冲构件14配 合在固定螺母27A上，从而缓冲构件14相对于输出轴26的上端、螺 母27A的上端以及活塞22的上表面向上突出。螺母27A形成有用于缓 沖构件14的安装的台肩以及在该台肩的周边上径向向内凹的凹部43。 在该凹部43内，接合有缓冲构件14的环状突起15。具体而言，缓冲 构件14以突起15接合在凹部43中的方式配合在螺母27A上，以防止 缓冲构件14从螺母27A脱落。
真空阀1A设有排出孔42，第一腔室21a通过该排出孔42与排出端口 41连通。该排出端口 41能连接到未示出的用于控制排出速度的 排出控制装置上。
具有上述结构的真空阀1A以以下方式操作。在通过操作端口 25 向真空阀1A供应操作流体(空气)，从而使第二腔室21b的内部压里增 加时，活塞22克服复位弹簧30的弹簧力向上移动，压縮第一腔室21a 内的空气，从而使得空气通过排出端口 41排出第一腔室21a。联接到 活塞22上的阀元件10因而向上移动离开阀座9，从而使第一端口 7和 第二端口 8之间连通。因此允许流体从真空容器流到真空泵。此时， 孔24起到了调节待供应到第二腔室21b的操作流体的流量的作用，从 而对活塞22和阀元件10的操作速度进行控制。此外，排出孔42起到 了这样的作用，即，调节将从第一腔室21a排出的空气的流量，以压缩 填充在第一腔室21a内的空气，从而施加气垫效果。这使得可防止输出 轴26、螺母27A和活塞22快速移动而导致与第一关闭板19的碰撞。
如图IO所示，在缓冲构件14紧靠第一关闭板19时真空阀1A全 开。在缓冲构件14与第一关闭板19碰撞时，缓冲构件14通过其自身 的弹性吸收碰撞冲击，并还将螺母27A、输出轴26和活塞22保持成 与第一关闭板19紧密地间隔开。因此，能防止由金属制成的螺母27A、 输出轴26和活塞22与金属制成的第一关闭板19直接碰撞。因此，该 碰撞的冲击将不会通过缸体18、保持器32等传递到波纹管31 。
根据第二实施例的真空阀1A，能降低在使输出轴26、螺母27A 或活塞22与第一关闭板19接触时引起的冲击，从而能降低撞击加速 度。因此，能减小在波纹管31内产生的振动，从而实现增加波纹管31 的寿命，并提高真空阀1A的耐用性。
通过使用孔24将阀元件10的操作速度控制为预定的速度。而且， 还在通过缓冲构件14减小撞击加速度的同时允许阀元件10紧靠管道 构件28。因此阀元件10在其紧靠管道构件28时只会接收到小的震动。
另一方面，在停止供应操作流体时，复位弹簧30的弹簧力将阀元
件10向下推动。复位弹簧30的弹簧力通过输出轴26被传递到活塞22。 此时，排出孔42起到了对将从排出端口 41供应到第一腔室21a的空气 的速度进行控制的作用。因此，活塞22将不会快速向下移动。因此， 活塞22和阀元件10能缓慢地向下移动，使得阀元件10在与阀座9接 触时的撞击加速度较小。
第二实施例的真空阀1A能通过使用排出孔42控制阀关闭时的操 作速度，并能控制在阀打开时的操作速度。因此，能减轻作用在波纹 管31上的撞击，从而增加了波纹管31的寿命并提高了真空阔1A的耐 用性。
应注意，阀关闭时的操作速度是通过排出孔42的有效截面积来控 制的。换言之，与确定孔24的有效截面积的方式相同，排出孔42的 有效截面积由上述式I和II确定，从而将阀元件10或者活塞22在阀 关闭时的操作速度设置在有效地防止波纹管31损坏的操作速度范围 内。因此，除了阔打开时间之外，还能控制阀关闭时的操作速度，以 防止波纹管31损坏，从而实现了波纹管31寿命的进一步增加。
<第三实施例>
接着，将参照附图描述根据本发明第三实施例的真空阀。图11A 为第三实施例的真空阀1B的剖视图，示出了阀关闭状态。图IIB为图 11A中的X3部分的放大图。图12为第三实施例的真空阀1B的剖视图， 示出了阀打开状态。
除了作为"缓冲机构"的示例的橡胶气垫51安装到固定螺母27B 上之外，第三实施例的真空阀1B与第二实施例的真空阀一样。因此以 下说明将集中在与第二实施例的不同上。与第二实施例中相同的部件 具有相同的附图标记，这里不对它们进行重复的说明。
第三实施例的真空阀IB布置成通过使橡胶气垫51弹性变形而减 轻阀打开时的撞击。该橡胶气垫51由诸如难以塑性变形的碳氟橡胶的 橡胶制成。该橡胶气垫51形成为环形锥形，在图中，其上开口的直径 小于下开口的直径。橡胶气垫51设计成具有从径向中心部分分别朝上 开口和下开口减小的厚度，从而可在轴向方向上轻易地变形。这样的
橡胶气垫51以这样的方式安装到螺母27B上，即下端接合在与输出轴 26B同轴地形成于螺母27B中的沟槽52中。因此，能防止橡胶气垫51 从螺母27B脱落。
在上述真空阀1B中，当活塞22克服复位弹簧30的弹簧力向上移 动时，橡胶气垫51的上端与第一关闭板19紧密接触，从而将空气气 密地密封在第一关闭板19和螺母27B之间。当活塞22进一步向上移 动时，密封空气被压縮从而施加弹性力。这使得可防止输出轴26、螺 母27B和活塞22与第一关闭板19碰揸，或在即使发生碰撞时使得碰 撞的冲击最小。因此，能减小阀元件10紧靠管道构件28时的撞击。
因此，第三实施例的真空阀1B布置成使得橡胶气垫51能减小输 出轴26、螺母27B或活塞22与第一关闭板19的撞击，并减小阔元件 10在紧靠管道构件28时的撞击加速度，从而能减小传递到波纹管31 的振动。因此波纹管31不会因为固定部位处的应力集中而破裂或损坏。 因此，能增加波纹管31的寿命，并因此能提高真空阀1B的耐用性。
<第四实施例〉
接着将参照附图描述根据本发明的第四实施例的真空阀。图13A 为第四实施例的真空阀1C的剖视图，示出了阀关闭状态。图13B为图 13A中的X4部分的放大图。
除了作为"缓冲机构"的示例的速度控制器61安装到排出端口 41上之外，第四实施例的真空阀1C与第二实施例的真空阀一样。因此
以下说明将集中在与第二实施例的不同上。与第二实施例中的部件相 同的部件具有相同的附图标记，这里不对它们进行重复的说明。
第四实施例的真空阀1C布置成除了对通过排出孔42从第一腔室
21a排出的空气的流量进行控制之外，还通过使用速度控制器61来控 制用于从第一腔室21a排出空气的排出速度。因此，与第二实施例的真 空阀1A相比，真空阀1C能精确地控制活塞22幵始移动时的速度和活 塞22向上移动时的加速度。因此，可更加精确地将操作速度控制为预 定速度。
<第五实施例>
接着将参照附图描述根据本发明的第五实施例的真空阀。图14为 第五实施例的真空阀1D的剖视图，示出了阀关闭状态。
除了真空阀1D不包括管道构件28和复位弹簧30及缓冲构件14 之外，第五实施例的真空阀1D与第二实施例的真空阀一样。因此以下 说明将集中在这些不同上。与第二实施例中的部件相同的部件具有相 同的附图标记，这里不对它们进行重复的说明。
第五实施例的真空阀1D布置成操作端口 25能连接到未示出的操 作流体供应源，且排出端口 41能连接到作为"缓冲机构"的示例的未 示出的操作流体供应源，以控制第一腔室21a的内部压力和第二腔室 21b的内部压力之间的平衡，从而移动活塞22，以此来执行阀的打开 和关闭操作。以这样的方式来操作真空阀1D使其打开，即，通过排出 端口 41向第一腔室21a供应操作流体，以增加第一腔室21a的的内部 压力，通过操作端口 25从第二腔室21b排出操作流体，以降低第二腔 室21b的内部压力，从而使活塞22向下移动，以关闭阀。因此，真空 阀1D不包括压縮弹簧30。
真空阀1D布置成如上所述地通过空气加压而打开。因此，输出轴
26在轴向方向上平稳地上下垂直移动。而且，能通过空气压力精确地 控制活塞22和阀元件IO的停止位置。真空阀1D因而不必包括管道构
件28。
在第五实施例的真空阀1D中，通过分别连接到操作端口 25和排 出端口 41的未示出的操作流体控制装置来调节第一腔室21a和第二腔 室21b的内部压力。因此在将打开真空阀1D时，通过排出孔42调节 将从第一腔室21a排出的空气的流量，并还通过操作流体控制装置对将 通过排出端口41排出的空气的排出压力进行控制。因此，在向操作端 口 25供应操作流体从而在图中对活塞22向上加压时，第一腔室21a 内的空气被压縮，起到了缓冲的作用，从而防止活塞22快速向上移动。 因此，使得活塞22的操作速度更低，从而防止了活塞22的快速移动。 这使得可防止活塞22引起输出轴26、螺母27等与第一关闭板19的强 烈碰撞。
因此，在第五实施例的真空阀1D中，对空气压力的控制使得可在 输出轴26、螺母27和活塞22就要与第一关闭板19接触之前停止活塞 22。即使输出轴26、螺母27和活塞22与第一关闭板19接触，也能由 于填充在第一腔室21a内的操作流体的气垫效果而使接触的撞击减到 最小。根据第五实施例的真空阀1D，可以使得在输出轴26、螺母27 和活塞22与形成活塞腔室21的内壁的第一关闭板19停止接触时引起 的撞击减到最小。因此，能减小波纹管31中产生的振动，从而增加了 波纹管31的寿命并提高了真空阀1D的耐用性。
本发明不限于以上实施例，而且在不偏离本发明的基本特征的情 况下可以通过其他具体形式实现。
(l)例如，尽管在以上实施例中，允许流体从第二端口 8流到第一 端口 7，但是可允许流动反向地从第一端口 7流动到第二端口 8。(2) 在以上实施例中，利用孔24的有效截面积来确保合适的操作速
度，并利用缓冲构件14或橡胶气垫51来确保合适的撞击加速度。作 为替选，可设置成利用孔24的有效截面积和缓冲构件14、 51中的任 何一个来仅仅获得合适的操作速度或仅仅获得撞击加速度，以提高波 纹管31的寿命。
(3) 第一实施例的真空阀1可使用能通过其自身的弹性降低撞击的 合适构件来代替使用缓冲构件14，如橡胶气垫51(参见图IIA、图11B 和图12)、板簧或巻簧。
(4) 第二实施例的真空阀1A可使用能通过其自身的弹性降低撞击 的合适构件来代替使用缓冲构件14，如板簧或巻簧。
(5) 在第一至第四实施例中，缓冲构件14或橡胶气垫51安装到阀 元件10或螺母27A、 27B上。作为替选，缓冲构件14或橡胶气垫51 可安装至管道28的下端或者第一关闭板19，以减小在阔元件10和管 道构件28之伺引起的撞击，并降低由输出轴26、螺母27A、 27B或者 活塞22对第一关闭板19引起的撞击。
(6) 在第五实施例的真空阀1D中，缓冲构件14或橡胶气垫51可 安装至固定板11和螺母27。
(7) 尽管以上实施例中的孔24具有圆形截面，但是它可具有诸如椭 圆形、花形、三角形和方形的任何截面形状，只要其具有预定有效截 面积即可。
(8) 在第一实施例中，在阀元件10紧靠形成为阀主单元35的一部 分的管道构件28时，就确定了阀元件10的全开位置。作为替选，阀 元件10可如现有技术那样设有管道部分，输出轴26通过该管道部分 插入，从而在阀元件10侧的管道部分紧靠形成为阀主单元35的一部
分的第二关闭板20时确定了全开位置。在此情况下，缓冲构件14可
安装到该管道部分的上端上，或者安装至第二关闭板20的与该管道部
分相对应的部分。
尽管已经示出和描述了本发明的当前优选实施例，但是应理解， 本公开是为了示例的目的，在不偏离所附权利要求阐述的本发明范围 的情况下，可作出各种改变和修改。
权利要求
1.一种真空阀，该真空阀包括阀部分，该阀部分包括第一端口、第二端口、设置在该第一和第二端口之间的阀座、以及可移动成与所述阀座接触或脱离与所述阀座的接触的阀元件；致动器部分，该致动器部分包括孔和联接到所述阀元件上的活塞，操作流体通过该孔供应到所述致动器部分，允许所述活塞根据所述操作流体的压力的变化操作，以对所述阀部分施加驱动力；以及波纹管，当所述阀元件上下垂直移动时，该波纹管能收缩和伸长，其中所述孔设计成具有如下确定的有效截面积，该有效截面积使得所述阀元件和所述活塞的操作速度被控制成用于防止所述波纹管损坏的预定速度。
2. —种真空阀，该真空阀包括阀主单元，该阀主单元包括第一端口、第二端口、以及设置在第 一和第二端口之间的阀座；阀元件，该阀元件可移动成与所述阀座接触或脱离与所述阀座的 接触，所述阀元件布置成在所述阀元件移动到全开位置时紧靠所述阀 主单元；致动器部分，该致动器部分包括连接至所述阀元件的输出轴，用 于通过所述输出轴对所述阀元件施加驱动力；波纹管，该波纹管设置成以弹性收縮和伸长的方式包围所述阀主 单元中的所述输出轴；以及缓冲构件，该缓冲构件适于减轻当所述阀元件移动成与所述阀主 单元接触时引起的撞击，且还适于减小所述阀元件在移动成与所述阀 主单元接触时的撞击加速度以防止波纹管损坏。
3. —种真空阀，该真空阀包括阀主单元，该阀主单元包括第一端口、第二端口、以及设置在第 一和第二端口之间的阀座；阀元件，该阀元件可移动成与所述阀座接触或脱离与所述阀座的接触；致动器部分，该致动器部分包括活塞腔室、以可滑动的方式安装 在该活塞腔室中的活塞、以及分别一体连接至所述活塞并联接至所述 阀元件的输出轴，允许所述活塞根据要施加到所述活塞上的压力的变 化操作，以对所述阀元件施加驱动力；波纹管，该波纹管设置成以弹性收縮和伸长的方式包围所述阀主 单元中的所述输出轴；以及缓冲机构，该缓冲机构适于减轻当所述活塞和所述输出轴中的一 个沿轴向移动成与所述活塞腔室的内壁接触时引起的撞击，且还适于 减小当所述活塞和所述输出轴中的所述一个移动成与所述活塞腔室的 内壁接触时的撞击加速度以防止波纹管损坏。
全文摘要
本发明提供一种波纹管的耐用性提高了的真空阀。该真空阀包括阀部分，该阀部分包括第一端口、第二端口、设置在该第一和第二端口之间的阀座，以及可移动成与所述阀座接触或脱离与所述阀座的接触的阀元件；致动器部分，该致动器部分包括孔和联接到所述阀元件上的活塞，操作流体通过该孔供应到所述致动器部分，可根据所述操作流体的压力的变化操作所述活塞，以向所述阀部分施加驱动力；以及波纹管，当所述阀元件上下垂直移动时，该波纹管能收缩和伸长。所述孔设计成具有这样确定的有效截面积，使得所述阀元件和所述活塞的操作速度被控制成防止所述波纹管损坏的预定速度。
文档编号F16K1/00GK101182888SQ200710186949
公开日2008年5月21日 申请日期2007年11月15日 优先权日2006年11月15日
发明者伊藤慎, 内藤正博, 岩田诚, 生路教典 申请人:喜开理株式会社