ВВОД ДВИЖЕНИЯ ШТОКА В ГЕРМЕТИЧНУЮ КАМЕРУ
ENTRANCE OF MOVING ROD INTO PRESSURE TIGHT CHAMBER

Изобретение относится к области вакуумной техники и предназначено для использования в устройствах передачи движения внутрь герметичной (вакуумной) камеры. В частности, может быть использовано в вакуумных технологических установках, например, для бестигельной зонной плавки, для передачи внутрь технологической камеры возвратно-поступательного и вращательного движений штоков с держателями затравки и заготовки.
Для ввода внутрь вакуумной камеры движущихся штоков (валов) используются, как известно, вводы движения штока в герметичную камеру типа уплотнения Вильсона. Уплотнения такого типа позволяют передавать большие по величине возвратно-поступательные перемещения, а также вращательное движение. Конструкции таких уплотнений включают промежуточную полость (пространство), откачиваемую отдельным насосом для повышения надежности уплотнения. Известен вариант уплотнения Вильсона [Справочник по вакуумной технике и технологиям. Розбери Ф. Пер. с англ. - М., «Энергия», 1972, стр.292], содержащий две кольцевые прокладки V-образного сечения, между которыми расположена промежуточная прокладка также V-образного сечения, имеющая по периферии участок квадратного сечения с кольцевой выемкой по наружной стороне. Сверху этих прокладок расположена кольцевая фиксирующая прокладка квадратного сечения, внутренний диаметр которой соответствует внутреннему диаметру периферийного участка прямоугольного сечения V-образных прокладок. Все прокладки выполнены из фторопласта. Образованный столбик прокладок расположен внутри стакана, дном которого служит участок основания герметичной камеры, в котором выполнено отверстие для прохождения штока. Столбик зажимается уплотняющей гайкой, ввинчиваемой в стакан с его открытой стороны. В стенке стакана выполнен перпендикулярный его оси сквозной канал, расположенный напротив кольцевой выемки в промежуточной прокладке и предназначенный для откачки воздуха при помощи дополнительных откачных средств из промежуточной полости.
Недостатками такой конструкции являются ее относительная сложность - сложная форма прокладок; необходимость при работе с высоким вакуумом большого количества прокладок, что увеличивает габариты; невозможность работы с избыточным давлением в камере; уплотнение не обеспечивает базового направления штока.
Известен другой вариант конструкции ввода движения типа уплотнения Вильсона (RU 2263242 С1, 27.10.2005, прототип). В этой конструкции ввода движения штока в герметичную камеру промежуточная полость, откачиваемая дополнительным насосом, образована кольцевым зазором между двух встречно расположенных фторопластовых втулок (подшипники скольжения). Втулки располагаются внутри цилиндрического корпуса, промежуточную полость откачивают через ниппель, проходящий через стенки секции. Полость с ниппелем постоянно на протяжении всей работы герметичной камеры откачивают с помощью дополнительного насоса. Для полного исключения какого-либо натекания корпус ввода вращения выполняют в виде набора нескольких секций с втулками, например, не менее двух, вакуумно-плотно скрепленных между собой. В этом случае в секции, непосредственно контактирующие с герметичной камерой, не может попасть воздух даже в том случае, когда посадка между штоком и втулками за счет износа при длительной работе может перейти от скользящей или ходовой до широкоходовой посадки. Применение подшипников скольжения в виде фторопластовых втулок позволяет передавать вращательное движение штока с большим числом оборотов без потери герметичности при условии создания постоянного автономного разрежения в кольцевой полости между втулками.
-3
Недостатками такой конструкции являются невозможность работы при разрежении в камере менее 10 Торр; невозможность работы при отключенных насосах вследствие большого натекания в камеру при отключенной откачке и, как следствие, невозможность обеспечения необходимой чистоты среды (по кислороду, азоту и др.) при получении полупроводниковых материалов и сложность поддержания стабильности заданного состава среды при избыточном давлении в камере. Кроме того, конструкция относительно сложна - необходимо много секций для получения надежной герметизации, а также, вследствие изнашивания внутренних поверхностей втулок, затруднено создание надежного (устойчивого) базового направления штока.
Задача, решаемая заявляемым изобретением, - создание относительно простого ввода движения штока в герметичную камеру, способного к стабильной, длительной (круглосуточной) работе при вращении штока с большим числом оборотов и его перемещениях как в высоком вакууме, так и при избыточном давлении в камере.
-5
Технический результат, достигаемый заявляемой конструкцией, состоит в обеспечении минимального натекания в камеру при вращении штока и его перемещениях как в вакууме (до 10 Торр), так и при избыточном давлении (0,7 атм). Вследствие этого исключается загрязнение внутреннего объема камеры из-за попадания (натекания) в камеру извне вредных элементов (кислорода, азота), а при работе с избыточным давлением в камере создается возможность поддержания стабильности заданного состава среды. Кроме того, предлагаемая конструкция более проста, технологична и дает возможность создать базу для строго вертикального направления штока.
вн
кон
вт
Указанный технический эффект достигается тем, что ввод движения штока в герметичную камеру, содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположена цилиндрическая фторопластовая втулка, внутренний диаметр которой обеспечивает скользящую посадку на штоке, и имеющий промежуточную полость для автономной откачки газа, отличается от известного тем, что втулка выполнена фасонной, состоящей из цилиндра с наружным диаметром, соответствующим внутреннему диаметру цилиндрического корпуса, и двух соединенных с цилиндром, симметричных относительно плоскости, перпендикулярной оси, встречно-направленных усеченных конусов, вершины которых имеют диаметр, меньший внутреннего диаметра цилиндрического корпуса, при этом промежуточная полость образована двумя кольцевыми, симметричными относительно плоскости симметрии канавками соответственно с внутренней и внешней сторон цилиндрического участка втулки, соединенными, по крайней мере, одним каналом, ось которого расположена в плоскости симметрии, кроме того, ввод содержит кольцевые упругие элементы, расположенные снаружи втулки в области вершин ее конусных частей и предназначенные для прижатия внутренней поверхности втулки к поверхности штока. Кольцевые упругие элементы могут быть выполнены из вакуумной резины и иметь внутренний диаметр d, равный (0,5-1,0) внутреннего диаметра втулки. Конусы втулки могут быть выполнены с углом при вершине 5-15 град и соотношением их высоты l к внутреннему диаметру D, равным 1,5-3.
Отличиями заявляемого решения являются новая форма выполнения втулки, промежуточной полости для откачки и наличие дополнительных конструктивных элементов - кольцевых упругих элементов для прижатия внутренней поверхности втулки к поверхности штока.
Предлагаемая конструкция (совокупность признаков) является новой, так как в настоящее время не известны аналогичные устройства, характеризуемые приведенной совокупностью признаков. Отличиями заявляемого решения являются новая форма выполнения элементов и наличие новых конструктивных элементов.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. При создании разрежения в камере, вследствие разницы низкого давления в камере и атмосферного давления извне, нижняя конусная часть фасонной втулки прижимается к поверхности штока. При этом упругие элементы (за счет своей упругости) фиксируют возникшее дополнительное прижимное усилие, увеличивая герметизацию штока. Дополнительное разрежение, создаваемое в промежуточной полости, включает в работу верхнюю конусную часть фасонной втулки, что снижает натекание воздуха в камеру. Именно конусная форма верхней и нижней частей фасонной втулки обеспечивает распределение сил давления упругих элементов на поверхность втулки, необходимое для максимального прижима ее к поверхности штока, тем самым обеспечивая высокую герметизацию. При работе с избыточным давлением газа в камере верхняя конусная часть фасонной втулки прижимается к поверхности штока силами избыточного давления и упругих элементов. Разрежение, создаваемое в промежуточной полости, усиливает величину этих сил и включает в работу нижнюю конусную часть фасонной втулки. Это исключает натекание в камеру (за счет осмотического давления) нежелательных элементов из воздуха - азота, кислорода, водорода и др., сохраняя заданный состав и чистоту газа в камере.
-5
В результате достигается указанный технический эффект - надежно обеспечивается минимальное натекание при вращении штока и его перемещениях как в вакууме (до 10 Торр и менее), так и при избыточном давлении (до 0,7 атм и более). При этом сохраняется преимущество прототипа - возможность работы при вращении штока с большим числом оборотов, при очевидном упрощении конструкции - весь уплотнительный элемент состоит из одной втулки фасонной конфигурации.
вн
Экспериментально определено, что при выполнении кольцевых упругих элементов из вакуумной резины с прямоугольным или круглым сечением и внутренним диаметром d, равным (0,5-1,0) внутреннего диаметра втулки, достигается наибольшее давление на поверхность втулки, усиливающее герметизацию штока.
кон
вн
Выполнение конусных участков фасонной втулки с углом при вершине 5-15° и соотношением их высоты l к внутреннему диаметру D, равным 1,5-3, обеспечивает оптимальное сочетание технологичности конструкции и достигаемого эффекта прижатия.
Таким образом, указанный технический эффект достигается новой, неизвестной из уровня техники совокупностью конструктивных признаков.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где показан в разрезе предлагаемый ввод движения штока в герметичную технологическую камеру, который содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого расположена цилиндрическая фторопластовая фасонная втулка 2. Фасонная втулка 2 состоит из цилиндрической части 3 с внешним диаметром, обеспечивающим скользящую посадку внутри цилиндрического корпуса 1, и внутренним диаметром, соответствующим скользящей посадке на штоке 4.
Цилиндрическая часть 3 втулки 2 соединена с двумя симметричными относительно плоскости 5, перпендикулярной оси, встречно-направленными верхним и нижним усеченными конусами соответственно 6 и 7, вершины которых имеют диаметр, меньший внутреннего диаметра цилиндрического корпуса 1.
Цилиндрическая часть 3 втулки 2 имеет симметричные относительно плоскости симметрии 5 первую кольцевую канавку 8 и вторую кольцевую канавку 9, соответственно с внешней и внутренней сторон. Также в цилиндрической части 3 втулки 2 выполнены симметрично расположенные относительно оси втулки 2 каналы 10, 11, оси которых расположены в плоскости симметрии 5. Кольцевые канавки 8, 9 и каналы 10, 11 образуют промежуточную полость для автономной откачки газа, в которой в процессе работы создается разрежение. Кольцевые упругие элементы 12, 13 для прижатия конусных частей 6, 7 втулки 2 расположены в области их вершин. Предпочтительным вариантом выполнения является расположение кольцевых упругих элементов на расстоянии не менее 1 мм от вершины конуса в количестве не менее 3.
-3
-5
-6
Предлагаемый ввод работает следующим образом. К каналам 10, 11 подключают форвакуумный насос, который создает в промежуточной полости, образованной кольцевыми канавками 8, 9 и каналами 10, 11, разрежение не хуже 5·10 мм рт.ст. При рабочем разряжении в технологической камере 5·10-5·10 мм рт.ст., вследствие разницы давления в камере и атмосферного давления извне, нижняя конусная часть 7 втулки 2 прижимается к поверхности штока 4. При этом упругие элементы 13 (за счет своей упругости) фиксируют возникшие дополнительное прижимное усилие, увеличивая герметизацию штока 4. Дополнительное разрежение, создаваемое в промежуточной полости, образованной канавками 8, 9 и каналами 10, 11, включает в работу верхнюю конусную часть 6 фасонной втулки 2, что снижает натекание воздуха в камеру. При работе с избыточным давлением газа в камере верхняя конусная часть 6 фасонной втулки 2 прижимается к поверхности штока 4 силами избыточного давления в технологической камере и упругих элементов 12. Разрежение, создаваемое в промежуточной полости, усиливает величину этих сил и включает в работу нижнюю конусную часть 7 фасонной втулки 2. Это исключает натекание в технологическую камеру (за счет осмотического давления) нежелательных элементов из воздуха - азота, кислорода.
-5
Примером конкретного выполнения может служить ввод движения штока кристаллодержателя в вакуумную технологическую камеру современной промышленной установки «Кристалл 115» для выращивания монокристаллического кремния методом бестигелъной зонной плавки, разработанную ВНИИТВЧ им. В.П.Вологдина. На установке выращиваются высококачественные монокристаллы кремния диаметром 20 мм, длиной 200 мм. Конструкция ввода соответствует чертежу. Водоохлаждаемая технологическая вакуумная камера, основание, шток, обеспечивающий вращательное и вертикальное линейное перемещения кристалла в течение технологического процесса, выполнены из нержавеющей стали. Фасонная втулка ввода выполнена из фторопласта, кольцевые упругие элементы - из вакуумной резины. При круглосуточной работе в течение месяца установки «Кристалл 115» в режиме линейной скорости перемещения штока 0,5-200 мм/мин, скорости вращения штока 0,1-30 об/мин и вакууме внутри технологической камеры 1·10 Торр натекание составило менее 0,3 л·мк/с.
Предполагается использование предлагаемой конструкции ввода движения штока в герметичную камеру во всех разрабатываемых во ВНИИТВЧ вакуумных установках, в которых необходимо обеспечить передаваемое извне камеры перемещение элементов внутри камеры без нарушения высокого вакуума в камере.
Таким образом, видно, что предлагаемое устройство имеет более простую конструкцию, чем прототип, и надежно обеспечивает минимальное натекание при вращении штока и его перемещениях как в вакууме, так и при избыточном давлении в камере до 0,75 атм. При этом сохраняется преимущество прототипа - возможность работы при вращении штока с большим числом оборотов, при очевидном упрощении конструкции.