一种真空阀门及真空设备的制作方法

1.本发明涉及真空设备技术领域，更具体地说，涉及一种真空阀门及真空设备。


背景技术：

2.真空镀膜设备是在真空中把金属、合金或化合物沉积在基板上的设备，由进料预热腔、工艺镀膜腔、冷却出料腔等构成。其中工艺镀膜腔是进行镀膜的场所，镀膜工艺需要在真空下进行，原因为：1)真空环境可以减少气体分子(氧、氮、水气及碳氢化合物)给薄膜镀制带来的危害；2)真空环境下可以保证薄膜材料(金属、合金或化合物)的平均自由程大于薄膜材料与基板之间的距离，才可以得到均匀、牢固的膜层。
3.工艺镀膜腔由真空腔体、抽真空系统以及真空测量系统组成。抽真空系统的作用为对真空腔体抽真空，排出腔内气体。它包含连接至真空腔体的真空管道、安装在真空管道上的阀门和安装在真空管道末端的真空泵。
4.镀膜工艺需要在设定的气压(真空度)下进行，做法为设置需要的气压后，通过工艺气体管路以及质量流量计往工艺镀膜腔通入一定量的工艺气体，真空计检测工艺镀膜腔内气压，通过阀门来控制工艺镀膜腔的抽气速度，从而控制腔内的气压。
5.现有的真空设备包括真空容器、两组抽真空系统、复压系统以及计算机控制系统，其中，真空容器上设置有两个真空规以及经过电磁阀连接的第一过滤器；两组抽真空系统相同，分别通过气动插板阀连通可控蝶阀和真空泵，气动插板阀与可控蝶阀之间设置真空计，可控蝶阀与真空泵之间的管路经电磁阀二连接第二过滤器，复压系统包括充放气设备和两组流量计，两组流量计并联通过管路与真空容器连通，计算机控制系统通过plc程序对真空泵、阀门、流量计进行控制。该系统通过可控蝶阀的开度大小控制泄压速率；通过手动调节角阀控制泄复压速率而带来的试验误差，大幅度提高泄复压试验结果的准确性和可靠性。
6.但是，如图1所示，现有真空设备中，抽真空系统的阀门通常包括小角阀、蝶阀和插板阀(或大角阀)。存在的问题是小角阀、蝶阀和插板阀(或大角阀)的功能单一，即蝶阀只能控制管道的开度，小角阀和插板阀(或大角阀)只能控制管道的通断，需要三者配合使用才能控制相应腔体内的压力。
7.由此，现亟需一种用于真空设备的阀门，其可同时控制管道的开度和通断。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有技术中用于真空设备的阀门功能单一，设备结构复杂的不足，提供了一种真空阀门，通过调节阀芯上抽气口与阀壳上法兰孔的重叠区域，进而实现阀门对管道的开度和通断的控制，使得真空系统的结构更为紧凑。
9.为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
10.本发明的一种真空阀门，包括密封壳体，所述密封壳体的侧壁上设有第一开口；阀芯，所述阀芯的侧壁上设有第二开口，所述阀芯位于密封壳体内，且所述第二开口与所述第
一开口之间开关配合；以及传动单元，所述传动单元用于驱动所述阀芯沿所述密封壳体的侧壁延展方向运动，以实现所述第二开口与所述第一开口之间的开关配合。
11.进一步地，所述密封壳体包括第一阀壳、第二阀壳以及第三阀壳，所述第一阀壳与所述第二阀壳之间设置有密封圈a，所述第二阀壳与所述第三阀壳之间设置有密封圈b；
12.或，
13.所述第一阀壳、所述第二阀壳以及所述第三阀壳一体形成。
14.进一步地，所述第一开口为法兰孔b，所述法兰孔b开设在所述第二阀壳的侧壁上并向外延伸，所述法兰孔b远离所述第二阀壳的端部设置有密封圈n。
15.进一步地，所述第二开口为抽气口，所述抽气口与所述法兰孔b相对设置。
16.进一步地，所述传动单元包括旋转密封件，所述旋转密封件与所述第三阀壳之间设置有密封圈c。
17.进一步地，所述阀芯靠近所述第三阀壳的端部设置有螺母以及与螺母配合的丝杆，所述丝杆一端向所述阀芯的内部延伸，所述丝杆的另一端贯穿所述第三阀壳后与所述旋转密封件连接。
18.进一步地，所述第三阀壳的顶部设置有轴承，所述轴承用于为所述螺母和所述丝杆提供支撑力。
19.进一步地，所述阀芯包括导向块，所述导向块贴合所述螺母设置；所述第二阀壳靠近所述螺母的一端内壁上设置有导向槽；所述导向槽与所述导向块相配合以限制所述螺母的转动，使得所述阀芯在所述密封壳体内做直线运动。
20.进一步地，所述第一阀壳包括法兰孔a，所述阀芯远离所述螺母的一端的端面正对所述法兰孔a，所述法兰孔a远离所述第二阀壳的一端的端面处设置有密封圈m。
21.进一步地，所述第一阀壳的内侧壁上设置有轴套，所述阀芯贯穿所述轴套，所述轴套用于引导所述阀芯做直线运动。
22.进一步地，所述轴套为铜轴套，或无油轴套，或滚珠花键。
23.进一步地，所述轴套的上方放置有第一密封圈。
24.进一步地，所述第二阀壳上安装有传感器，所述阀芯上套设有磁环，当所述磁环随着所述阀芯上下移动时，所述传感器通过检测所述磁环的位置，进而判断所述阀芯所处的位置。
25.进一步地，所述传感器包括上极限传感器，当所述阀芯上移至第二开口与第一开口完全错开时，所述上极限传感器判断所述阀芯超过全闭位置，继而停止传动单元的转动。
26.进一步地，所述传感器包括下极限传感器，当所述阀芯下移至第二开口与第一开口重叠时，所述下极限传感器判断所述阀芯超过全开位置，继而停止传动单元的转动。
27.进一步地，还包括减速机以及与减速机相连的电机，所述减速机的另一端与所述旋转密封件连接；所述电机转动，经过所述减速机后转速降低扭矩增加，所述旋转密封件再将减速后的转动传递给丝杆。
28.进一步地，所述抽气口为圆形孔，或方形孔，或圆孔的点阵，或腰形槽的陈列。
29.另一方面，本发明提供一种真空设备，包括真空泵、腔体和腔盖，所述腔体通过抽真空管道与所述真空泵相连，以及上述任一项的真空阀门，所述真空阀门用于控制所述抽真空管道的开度和通断。
30.本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
31.(1)本发明的真空阀门，通过将丝杆的旋转运动转换为阀芯的直线往复运动，从而实现控制管道的通断及开度(抽速)。采用该真空阀门替代原本的小角阀、蝶阀和插板阀(大角阀)的真空设备，整体结构更为简单、布局更为紧凑。
32.(2)在本发明中，由电机进行驱动，通过多种算法，可调整响应时间，能够迅速控制管道的通断，并且可以线性控制真空管道的开度。
33.(3)本发明的真空阀门有不同控制模式，可以设置为位置模式，设定固定的开度，由电机驱动阀门至设定的开度位置；也可以设置为压力模式，设置固定的压力，由电机驱动阀门，根据设定的压力，腔体内气体的流量，通过内部的算法，自动调整阀门开度，使腔内的压力快速达到设定值。
34.(4)本发明提供的真空设备，需要精确控制腔内气压(抽气速度)，通过采用本发明的真空阀门，简化设备结构的同时满足了精确控制抽真空管道开度和通断的使用需求。
附图说明
35.图1为现有真空镀膜设备的结构示意图；
36.图2为现有小角阀/大角阀开通状态的截面图；
37.图3为现有小角阀/大角阀断开状态的截面图；
38.图4为现有插板阀开通状态的剖视图；
39.图5为现有插板阀断开状态的剖视图；
40.图6为现有蝶阀开通状态的示意图；
41.图7为现有蝶阀断开状态的示意图；
42.图8为本发明真空阀门的结构示意图；
43.图9为真空阀门全开状态的示意图；
44.图10为真空阀门半开状态的示意图；
45.图11为真空阀门全闭状态的示意图；
46.图12为采用真空阀门的真空镀膜设备的结构示意图。
47.图中的标号说明：
48.100、真空阀门；101、真空泵；102、抽真空管道；103、腔体；104、腔盖；107、小角阀；108、插板阀；109、蝶阀；110、第一阀壳；111、第一密封圈；112、轴套；113、法兰孔a；1131、密封圈m；120、第二阀壳；121、导向槽；122、法兰孔b；1221、密封圈n；123、上极限传感器；124、下极限传感器；130、第三阀壳；131、轴承；140、密封圈a；150、密封圈b；
49.210、阀芯；220、螺母；230、丝杆；240、导向块；250、磁环；260、第二密封圈；270、第三密封圈；280、抽气口；
50.300、旋转密封件；310、密封圈c；
51.400、减速机；500、电机；600、管道a；700、管道b。
具体实施方式
52.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术
上实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得以涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴；除此之外，本发明的各个实施例之间并不是相互独立的，而是可以进行组合的。
53.下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
54.如图1所示，现有真空设备中，抽真空系统的阀门包括小角阀107、蝶阀109和插板阀108(或大角阀)。
55.小角阀107的作用是控制管道的通断，如图2、图3所示，其分别为小角阀107开通和断开的状态。当以压缩空气为驱动力推开阀芯，小角阀107开通；当以大气压产生推力和弹簧力为驱动力拉回阀芯，小角阀107断开。
56.当真空设备通过电磁阀控制压缩空气注入充气室，在受力板上产生往右的推力时，阀芯往右退，密封圈与阀壳上的密封面脱离，此时弹簧为被压缩状态，小角阀107为开通的状态。当真空设备通过电磁阀控制压缩空气排出充气室，受力板的右侧承受大气压会产生往左的推力，同时弹簧因为恢复原状也产生往左的推力，阀芯往左前进，密封圈压紧阀壳上的密封面，此时小角阀107为断开的状态。
57.插板阀108的作用是控制真空管道的通断。通过阀杆的左右或上下运动，使得阀板与阀座压紧来实现密封。通过手动、气动或者电动等方式驱动阀杆做往复运动，从而实现阀板与阀座的压紧和脱离，起到通断管道的作用。
58.具体地，如图4、图5所示的气动插板阀，图4中压缩空气通过cda进口a注入充气室a，阀板收缩后，活塞和阀杆向右退回，此时插板阀108处于全开状态。图5中压缩空气通过cda进口b注入充气室b，活塞和阀杆向左伸出，到位后阀板膨胀，阀板的上下两面都有密封圈压紧阀座内侧的密封面，此时插板阀108处于全闭状态。
59.如图6、图7所示，蝶阀109的作用是过调整阀板的角度(即管道的开度)来调节气体抽速。通过阀杆旋转带动阀板转动，在蝶阀阀体的圆柱形通道内，圆盘形的阀板绕着阀杆的轴线旋转。蝶阀109安装在管道的直径方向，当阀板旋转至与管道内流体的流向相同角度时，蝶阀109为全开；当阀板旋转至与管道内流体的流向垂直时，蝶阀109为全闭。说明的是，因为阀板的直径比圆柱形通道的直径小，所以在全闭状态下，流体可以从阀板与通道之间的间隙通过，即蝶阀109是不能关死的。
60.现有真空设备腔内气压抽到设定值的过程为：
61.1)腔内为大气状态，此时插板阀108的阀板与阀座压紧，真空管道为断开的状态；设置需要的气压；
62.2)真空泵101启动，真空泵101与插板阀108之间的管道达到真空状态；
63.3)小角阀107打开，对腔内低速抽真空(如果直接打开插板阀108或大角阀，将对真空泵101带来冲击，造成损坏)；
64.4)抽到50torr时，小角阀107关闭，插板阀108或大角阀打开，对真空腔体高速抽真空；
65.5)抽到底压后，通过工艺气体管路以及质量流量计往腔内通入一定量的工艺气
体，真空计检测腔内气压，通过蝶阀109来调整管道的开度，改变腔内的抽气速度，从而控制腔内的气压。
66.由此可见，现有真空设备中采用的小角阀107、蝶阀109和插板阀108(或大角阀)功能单一，即蝶阀109只能控制管道的开度，小角阀107和插板阀108(或大角阀)只能控制管道的通断，需要三者配合使用才能控制腔内的压力。
67.为了克服以上现有真空设备中采用的阀门所存在的不足，本发明的实施例中提供一种真空设备，如图12所示，包括真空泵101、腔体103和腔盖104，腔体103通过抽真空管道102与真空泵101相连，以及位于抽真空管道102与真空泵101连接处的真空阀门100，该真空阀门100用于控制抽真空管道102的开度和通断。
68.另外，上述真空设备还可包括真空测量系统，通过真空测量系统测量腔体内的真空度，具体可以采用各种真空计，例如pg表和bg表。pg表用来测量低真空的真空度(大于20torr)，bg表用来测量高真空和工艺时的真空度(0
‑‑
20torr)。
69.本实施例中的真空设备，通过真空阀门100，既能控制管道的通断，又可以调节管道的开度(抽速)。此外，采用真空阀门100替代现有的小角阀107、蝶阀109和插板阀108(大角阀)，使得真空设备整体结构更为简洁、布局更为紧凑。
70.如图8所示，真空阀门100包括密封壳体，密封壳体的侧壁上设有第一开口；以及阀芯210，阀芯210的侧壁上设有第二开口，阀芯210位于密封壳体内，且第二开口与第一开口开关配合；以及传动单元，传动单元用于驱动阀芯210沿密封壳体的侧壁延展方向运动，以实现第二开口与第一开口之间的开关配合。
71.通过以上设置，当阀芯210上的第二开口与密封壳体上的第一开口重叠时，真空阀门100为全开状态，此时抽真空管道102的抽速最大；当阀芯210上的第二开口与密封壳体上的第一开口部分重叠时，真空阀门100仍为开通状态，此时抽真空管道102的抽速降低；当阀芯210上的第二开口与密封壳体上的第一开口完全错开，两个开口之间没有重叠区域时，真空阀门100为关闭状态，此时抽真空管道102的抽速为零。
72.为了提升本实施例的真空阀门100在控制腔内气压(抽气速度)时的精确性，本实施例进一步地做出如下改进：
73.对于密封壳体：
74.本实施例中，如图8所示，密封壳体包括第一阀壳110、第二阀壳120以及第三阀壳130。第一阀壳110包括法兰孔a113，法兰孔a113正对阀芯210的一端的端面，法兰孔a113远离阀芯210的一端与管道a600连接，法兰孔a113与管道a600的连接端面处设置有密封圈m1131，即密封圈m1131用于密封法兰孔a113与管道a600的连接处。说明的是，密封壳体也可以采用一体成型的结构，或者其他能够为阀芯210的反复运行提供密封环境的其他结构。
75.另外，第一阀壳110的另一端与第二阀壳120的顶部连接，第一阀壳110与第二阀壳120之间设置有密封圈a140。第二阀壳120的底部与第三阀壳130的顶部连接，第二阀壳120与第三阀壳130的连接处设置有密封圈b150。
76.其中，密封壳体上的第一开口开设在第二阀壳120的侧壁上并向外延伸，第一开口的延展端与管道b700相连。第一开口可采用法兰孔b122的形状，法兰孔b122远离第二阀壳120的端部设置有密封圈n1221，即密封圈n1221用于密封法兰孔b122与管道b700的连接处。
77.通过以上阀壳和密封圈组合而成的壳体，与管道a600、管道b700共同构成一个封
闭环境，即本实施例中的真空阀门100与管道a600、管道b700相连，组成的抽真空系统是密封不漏气的。
78.为了确保阀芯210沿密封壳体内壁的延展方向做直线运动，第一阀壳110的内壁上设置有轴套112，轴套112的上方放置有第一密封圈111。阀芯210在密封壳体内部上下移动时，阀芯210的上部贯穿轴套112，此时轴套112与阀芯210的外侧面贴合，轴套112对阀芯210起到限位作用，进而引导阀芯210做直线运动。第一密封圈111用于保障阀芯210处于密闭环境中运行。
79.说明的是，本实施例中的轴套112可以采用多种类型，例如铜轴套，或无油轴套，或滚珠花键等，所采用的轴套能够对阀芯210起到限位作用并引导阀芯210做直线运动即可。同时，轴套112可以减少阀芯210在移动过程中的摩擦，延长真空阀门100的寿命。
80.进一步地，第二阀壳120上安装有传感器，阀芯210上套设有磁环250，当磁环250随着阀芯210上下移动时，传感器通过检测磁环250的位置，进而判断阀芯210所处的位置。传感器包括上极限传感器123和下极限传感器124，当阀芯210上移至第二开口与第一开口完全错开时，上极限传感器123判断阀芯210超过全闭位置，继而停止传动单元的转动；当阀芯210下移至第二开口与第一开口重叠时，下极限传感器123判断阀芯210超过全开位置，继而停止传动单元的转动。通过以上机构的设置，真空阀门100的驱动机构能够及时地暂停，从而保护真空阀门100不受冲击而损坏。
81.对于阀芯210：
82.如图8所示，本实施例中阀芯210为管状，阀芯210内通孔的上端正对第一阀壳110内的法兰孔a113，且阀芯210侧壁上开设的第二开口为抽气口280，抽气口280与法兰孔b122相对设置。关于抽气口280的具体形状，可以为圆形孔，或方形孔，也可以是圆孔的点阵，或腰形槽的陈列。当然，其他能够实现与法兰孔b122相配合进行抽真空的开口形状也可以适用于本实施例的真空阀门100。
83.另外，阀芯210靠近第三阀壳130的一端设置有螺母220以及与螺母220配合的丝杆230，丝杆230的一端向阀芯210的内部通孔延伸，丝杆230的另一端贯穿第三阀壳130后与传动单元连接。通过以上设置，丝杆230能够把传动单元的旋转运动转换为阀芯210在密封壳体内部的直线往复运动，从而实现真空阀门100控制管道的通断及开度(抽速)。
84.优选地，阀芯210包括导向块240，导向块240贴合螺母220设置。同时，第二阀壳120靠近螺母220的一端内壁上设置有导向槽121，导向槽121与导向块240相配合，以限制螺母220的转动，确保阀芯210在密封壳体内做直线运动。
85.为了增强丝杆230在阀芯210直线往复运动过程中的平稳性，在第三阀壳130与丝杆230接触部分设置有轴承131，轴承131的数量可以为多组，轴承131能够为转动过程中的丝杆230提供支撑力，进而保障真空阀门100在使用过程中整体的平稳性。
86.对于传动单元：
87.本实施例的传动单元，如图8所示，包括旋转密封件300、减速机400以及与减速机400相连的电机500，减速机400的另一端与旋转密封件300连接。旋转密封件300用于将电机500的旋转运动通过螺母220和丝杆230传至密封壳体内。此外，旋转密封件300与第三阀壳130之间设置有密封圈c310，避免气体泄漏和污染。其中，旋转密封件可以采用磁性流体真空传动装置。
88.当电机500转动，转动传至减速机400，经过减速机400后转速降低扭矩增加，旋转密封件300再将减速后的转动传递给螺母220和丝杆230。由于导向槽121和导向块240的限位作用，螺母220的转动受到限制，进而促使丝杆230驱动阀芯210做直线往复运动。
89.说明的是，本实施例的真空阀门100由电机500驱动，通过多种算法，可调整响应时间，真空阀门100可以迅速地控制管道的通断及开度(抽速)，且能够线性控制管道的开度。
90.通过以上设置，如图9所示，当阀芯210上的抽气口280与第二阀壳120上的法兰孔b122重叠时，真空阀门100是全开状态，对工艺镀膜腔的抽气速度最大。如图10所示，电机500驱动阀芯210继续伸出，此时抽气口280与法兰孔b122的重叠区域减小，抽气速度降低；例如，当重叠区域仅有图9的50％时，真空阀门100是半开状态，对工艺镀膜腔的抽气速度为图9的50％。如图11所示，阀芯210已完全伸出，阀芯210上的第二密封圈260、第三密封圈270被压紧在第二阀壳120的法兰孔b122处，此时抽气口280与法兰孔b122无重叠区域，抽气速度为零，真空阀门100是全闭状态。
91.本实施例中采用真空阀门100后，腔体103抽到设定气压的过程为：
92.1)腔体103内为大气状态，真空阀门100为图11的全闭状态，抽真空管道102为断开的状态，设置需要的气压；
93.2)真空泵101启动，真空泵101与真空阀门100之间的管道达到真空状态；
94.3)电机500转动，阀芯210回退，真空阀门100为小开度，对腔体103低速抽真空；
95.4)抽到50torr时，电机500继续转动，阀芯210继续回退，此时真空阀门100为大开度，对腔体103高速抽真空；
96.5)抽到底压后，根据设定的工艺压力，通过工艺气体管路以及质量流量计往腔体103通入一定量的工艺气体，真空计检测腔体103内气压，通过真空阀门100内部的算法(如pid)来调整管道的开度，改变腔体103的抽气速度，从而控制腔内的气压，快速调整气压至设定的工艺压力。
97.另外，本实施例的真空阀门100具有不同模式可以供选择，可以设置为位置模式，设定固定的开度，由电机500驱动阀门至设定的开度位置。也可以设置为压力模式，设置固定的压力，由电机500驱动阀门，根据设定的压力，腔体内气体的流量，通过内部的算法，自动调整阀门开度，使腔内的压力快速达到设定值。
98.说明的是，除了工艺镀膜设备以外，本实施例的真空阀门100还能够适用于多种真空设备，例如刻蚀设备等，即需要精确控制腔内气压(抽气速度)的真空系统，都可以使用本实施例的真空阀门100。
99.在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本技术和本发明的应用领域。
100.更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该
申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。