JP2019157986A - シール構造体及びシール方法 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の形状に比較的容易に設計可能であり、十分なシール性能を有するシール構造体、及びこのシール構造体を用いたシール方法を提供する。【解決手段】本発明は、シール部をそれぞれ有する一対のフランジ、及び上記一対のフランジのシール部間に配置される環状の金属ガスケットを備え、上記一対のフランジが、上記各シール部に環状に形成されたナイフエッジをそれぞれ有し、上記各シール部に形成されたナイフエッジが平面視において相似形であり、かつこれらのナイフエッジの半径の差が０ｍｍ超３ｍｍ以下であり、上記金属ガスケットの上記各シール部に対向する一対の面がそれぞれ平面であるシール構造体である。【選択図】図１

Description

本発明は、シール構造体及びシール方法に関する。

真空蒸着装置等の真空を利用した各種装置等においては、蓋や配管等の取り付けや接続のために、フランジと金属ガスケットとを組み合わせたシール構造体が用いられている。特に、真空装置においては、ナイフエッジ型のフランジを有するシール構造体が広く用いられている（特許文献１、２参照）。

図５に従来のシール構造体３０を示す。従来のナイフエッジ型のフランジ３１ａ、３１ｂは、シール部３３ａ、３３ｂに環状のナイフエッジ３４ａ、３４ｂが形成されている。ナイフエッジ３４ａ、３４ｂは、通常、その横断面が鋭角な突起形状を有する。また、シール部３３ａ、３３ｂの外側には、外枠３５ａ、３５ｂが設けられている。一対のフランジ３１ａ、３１ｂを突き合わせて結合する際、シール部３３ａ、３３ｂ間に環状の金属ガスケット３２が配置される。フランジ３１ａ、３１ｂの固定は通常ボルト等（図示しない）によって行われ、図５における上下方向に締め付けられる過程で、図５に示されるようにナイフエッジ３４ａ、３４ｂが、金属ガスケット３２に食い込んでいく。この食い込みに伴って、金属ガスケット３２は塑性変形して外向きへ膨出するため、金属ガスケット３２の外周面３８が、フランジ３１ａ、３１ｂの外枠３５ａ、３５ｂの内面に圧接する。このように、従来のナイフエッジ型のフランジを有するシール構造体３０においては、金属ガスケット３２は、フランジ３１ａ、３１ｂにより上下及び外側（ナイフエッジ３４ａ、３４ｂ及び外枠３５ａ、３５ｂ）から押圧されてシールされることとなる。

このようなシール構造体３０において、シール性能を確実なものとするためには、塑性変形させられた金属ガスケット３２の外周面３８が、全周にわたってフランジ３１ａ、３１ｂの外枠３５ａ、３５ｂの内面に均等に接触することが重要となる。このためには、フランジ３１ａ、３１ｂ及び金属ガスケット３２に高度な製作精度が要求される。しかし、プレス加工等による現状の製作法では自ずと限界がある。特に、円形以外の形状の金属ガスケットの場合、塑性変形の際の外向きへの膨出長さが均一ではなくなる。このため、円形以外の形状の金属ガスケットを有するシール構造体において、締め付けの際に均等な外向きの押圧が生じるような設計とし、これを作製することは極めて難しい。

また、従来のナイフエッジ型のフランジを有するシール構造体３０においては、上述のように、ボルトの締め付けに伴って、金属ガスケット３２の外周面３８がフランジ３１ａ、３１ｂの外枠３５ａ、３５ｂの内面に接触し、金属ガスケット３２の外向きの膨出が拘束される。このため、締め付けの際には、非常に大きな力が必要となるといった不都合も有する。

特開平６−１７４０９７号公報 特開平１０−１５９９７９号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、任意の形状に比較的容易に設計可能であり、十分なシール性能を有するシール構造体、及びこのシール構造体を用いたシール方法を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明は、シール部をそれぞれ有する一対のフランジ、及び上記一対のフランジのシール部間に配置される環状の金属ガスケットを備え、上記一対のフランジが、上記各シール部に環状に形成されたナイフエッジをそれぞれ有し、上記各シール部に形成されたナイフエッジが平面視において相似形であり、かつこれらのナイフエッジの半径の差が０ｍｍ超３ｍｍ以下であり、上記金属ガスケットの上記各シール部に対向する一対の面がそれぞれ平面であるシール構造体である。

当該シール構造体によれば、十分なシール性能を発揮することができる。この理由は定かではないが、以下が推測される。当該シール構造体においては、一対のフランジに設けられたナイフエッジの大きさが異なるように形成されている。このため、一対のフランジのシール部間に金属ガスケットを配置した状態で一対のフランジを対向方向に押圧した際、２つのナイフエッジが金属ガスケットに食い込みやすい。さらに、位置がずれている上下のナイフエッジが食い込むことによって、金属ガスケットに剪断変形が生じると推測される。当該シール構造体においては、このようなナイフエッジの食い込みと金属ガスケットの剪断変形とによって、一対のフランジと金属ガスケットとの間をシール可能な構造となっており、従来のシール構造体のように、金属ガスケットの外周面とフランジの外枠との押圧を必ずしも利用するものでは無い。従って、当該シール構造体によれば、比較的弱い力で一対のフランジ間を締め付けても十分なシール性能を発揮することができる。また、当該シール構造体は、金属ガスケットの外周面とフランジの外枠との押圧を必ずしも利用するものでは無いため、金属ガスケットの外周面やフランジの外枠の内面の形状やサイズに関して厳密な精度が要求されない。このため、当該シール構造体は、任意の形状に比較的容易に設計可能である。

さらに、当該シール構造体においては、一対のナイフエッジの位置が互いにずれているため、一度使用した金属ガスケットを裏返して使用しても、ナイフエッジは最初の食い込み箇所と異なる箇所に食い込むこととなる。このため、当該シール構造体によれば、一度使用した金属ガスケットを裏返して使用しても十分なシール性を発揮することができ、金属ガスケットの２度の利用が可能となる。

なお、「環状」とは、平面視で穴部分を有する形状をいい、円形に限定されるものではない。すなわち、「環状」とは、平面視で穴部分を有する形状であれば、その外縁形状は、例えば楕円、四角等の形状であってよい。また、外縁形状と内縁形状とは異なっていてもよい。例えば、外縁が四角であって、円形の穴が形成された、すなわち内縁形状が円であるものであってもよい。

また、「ナイフエッジの半径」とは、平面視における中心からの距離をいう。すなわち、平面視において一方（小さい方）のナイフエッジを他方（大きい方）のナイフエッジ内に互いの中心を一致させた配置した際の、両者の離間距離が０ｍｍ超３ｍｍ以下である。半径の差（離間距離）が一定ではない場合、最小の半径の差（離間距離）が０ｍｍ超３ｍｍ以下であればよいが、最小の半径の差（離間距離）及び最大の半径の差（離間距離）が共に０ｍｍ超３ｍｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

上記金属ガスケットの厚さが２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。当該シール構造体においては、このように金属ガスケットの厚さを比較的大きくすることで、ナイフエッジが十分に金属ガスケットに食い込むことができること、ナイフエッジの食い込みに伴って十分に金属ガスケットが剪断変形されやすくなることなどにより、シール性能をより高めることができる。

上記ナイフエッジの先端の角度が、４０°以上８０°以下であることが好ましい。ナイフエッジの先端の角度を上記範囲とすることで、ナイフエッジが十分に金属ガスケットに食い込むことができること、ナイフエッジの食い込みに伴って十分に金属ガスケットが剪断変形されやすくなることなどにより、シール性能をより高めることができる。

当該シール構造体は、真空蒸着装置に用いられることが好ましい。当該シール構造体は、真空蒸着装置のシール構造体に対応可能な十分なシール性能を有する。

上記課題を解決するためになされた別の本発明は、当該シール構造体を用いたシール方法であって、上記一対のフランジのシール部間に上記金属ガスケットを配置した状態で、上記一対のフランジを押圧することにより、上記各シール部に形成されたナイフエッジを上記金属ガスケットに食い込ませる工程を備えるシール方法である。

当該シール方法によれば、比較的弱い力で十分なシールを可能とするため、作業性を高めることなどができる。また、当該シール方法に用いられるシール構造体は、任意の形状に比較的容易に設計可能であるため、当該シール方法によれば、様々な形状のシールを可能とする。

本発明によれば、任意の形状に比較的容易に設計可能であり、十分なシール性能を有するシール構造体、及びこのシール構造体を用いたシール方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るシール構造体を示す模式的部分断面図である。 図２は、図１のシール構造体のナイフエッジ及び金属ガスケットの位置関係を示す模式的平面図である。 図３は、図１のシール構造体を用いたシール方法を示す模式的部分断面図である。 図４は、図１とは異なる実施形態に係るシール構造体を示す模式的部分断面図である。 図５は、従来のシール構造体を示す模式的部分断面図である。

以下、適宜図面を参照にしつつ、本発明の一実施形態に係るシール構造体及びシール方法について詳説する。

＜シール構造体１０＞
図１のシール構造体１０は、一対のフランジ１１ａ、１１ｂ及び金属ガスケット１２を備える。

（フランジ）
フランジ１１ａは、筒状体である。一方、フランジ１１ｂは、有底の蓋である。フランジ１１ａは、シール部１３ａを有する。また、フランジ１１ｂは、シール部１３ｂを有する。シール部とは、封止状態を形成する部分である。シール部１３ａは、図１におけるフランジ１１ａの上側部分であり、金属ガスケット１２が載置される部分を含む。シール部１３ｂは、図１におけるフランジ１１ｂの下側部分である。金属ガスケット１２は、一対のフランジ１１ａ、１１ｂのシール部１３ａ、１３ｂ間に配置される。

フランジ１１ａのシール部１３ａには、ナイフエッジ１４ａが環状に形成されている。また、フランジ１１ｂのシール部１３ｂには、ナイフエッジ１４ｂが環状に形成されている。ナイフエッジとは、先端がナイフのように尖った、線状の突起である。この線状の突起が、平面視で環を形成している。

図２に示されるように、ナイフエッジ１４ａ及びナイフエッジ１４ｂは、平面視において共に環状であり、具体的には略長方形状（各頂点が丸みを帯びた長方形状）を有する。ナイフエッジ１４ａとナイフエッジ１４ｂとは、平面視において同一中心を有する相似形である。なお、図２において、ナイフエッジ１４ａ、１４ｂは、その先端（稜線）を図示している。

平面視において、ナイフエッジ１４ａは、ナイフエッジ１４ｂの外側に設けられている。具体的には、ナイフエッジ１４ａの半径とナイフエッジ１４ｂの半径との差Ａは、０ｍｍ超３ｍｍ以下である。すなわち、一対のフランジ１１ａ、１１ｂを対向させた際、対向方向視（図２に示す平面視）において、ナイフエッジ１４ａは、ナイフエッジ１４ｂから０ｍｍ超３ｍｍ以下離れた外側位置となるように形成されている。なお、ナイフエッジの半径は、ナイフエッジの先端（稜線）の位置に基づくものとする。当該シール構造体１０によれば、このように一対のナイフエッジ１４ａ、１４ｂの位置がずれていることにより、２つのナイフエッジ１４ａ、１４ｂが金属ガスケット１２に食い込むと共に、金属ガスケット１２に剪断変形が生じうるため、比較的弱い力でも十分なシール性能が発現される（後述する図３参照）。

ナイフエッジ１４ａの半径とナイフエッジ１４ｂの半径との差Ａの下限は、０．１ｍｍが好ましく、０．３ｍｍがより好ましく、０．５ｍｍがさらに好ましく、１ｍｍがよりさらに好ましい。また、この差Ａの上限は、２ｍｍが好ましく、１．５ｍｍがより好ましく、１ｍｍがさらに好ましい。

ナイフエッジ１４ａ、１４ｂの先端の角度θの下限としては、４０°が好ましく、５０°がより好ましい。ナイフエッジ１４ａ、１４ｂの先端の角度θが上記下限以上であることで、ナイフエッジ１４ａ、１４ｂの先端が欠け難く、また、押圧の際に金属ガスケット１２に効果的に剪断変形を生じさせることができる。一方、上記角度θの上限としては、８０°が好ましく、７０°がより好ましい。この角度θが上記上限以下であることで、押圧の際に金属ガスケット１２にナイフエッジ１４ａ、１４ｂが効果的に食い込むことができる。なお、ナイフエッジ１４ａ、１４ｂの先端の角度とは、ナイフエッジ１４ａ、１４ｂの稜線に垂直な断面における角度をいう。この断面におけるナイフエッジ１４ａ、１４ｂの形状は、二等辺三角形状であってもよく、その他の三角形状であってもよい。また、ナイフエッジ１４ａ、１４ｂの先端は、丸みを帯びていてもよい。

ナイフエッジ１４ａ、１４ｂの高さＢとしては、特に限定されないが、下限としては０．５ｍｍが好ましく、０．８ｍｍがより好ましい。ナイフエッジ１４ａ、１４ｂの高さＢを上記下限以上とすることで、押圧の際により十分な食い込みや剪断変形を生じさせることができる。一方、この高さＢの上限としては、３ｍｍが好ましく、１．５ｍｍがより好ましい。ナイフエッジ１４ａ、１４ｂの高さＢを上記上限以下とすることで、ナイフエッジ１４ａ、１４ｂの欠けを抑制し、シール性能を高めることができる。

フランジ１１ａ、１１ｂのシール部１３ａ、１３ｂの外縁部分には、それぞれ外枠１５ａ、１５ｂが設けられている。また、この外枠１５ａ、１５ｂには、フランジ１１ａ、１１ｂを締め付けるためのボルト１６用の穴（図示しない）が設けられている。

フランジ１１ａ、１１ｂの材質としては、特に限定されず、通常、金属である。フランジ１１ａ、１１ｂの材質としては、ステンレス鋼、チタン等を挙げることができ、良好な硬度を有することなどから、ステンレス鋼が好ましい。

（金属ガスケット）
金属ガスケット１２は、平面視環状の板状体である。具体的には、図２に示されるように、金属ガスケット１２は、平面視において外縁及び内縁が略長方形状（各頂点が丸みを帯びた長方形状）の環状形状を有する。また、平面視において、金属ガスケット１２の内縁は、ナイフエッジ１４ｂよりも小さく、金属ガスケット１２の外縁は、ナイフエッジ１４ａよりも大きい。すなわち、図２に示されるように、平面視において、２つのナイフエッジ１４ａ、１４ｂは、金属ガスケット１２に覆われる大小関係になっている。

金属ガスケット１２においては、一対のフランジ１１ａ、１１ｂの各シール部１３ａ、１３ｂに対向する一対の面１７ａ、１７ｂ（図１における金属ガスケット１２の上面及び下面）は、それぞれ平面である。すなわち、金属ガスケット１２は、平板である。シールする際は、この一対の面１７ａ、１７ｂに、ナイフエッジ１４ａ、１４ｂがそれぞれ食い込まれる。

金属ガスケット１２の厚さＣの下限としては、２ｍｍが好ましく、２．５ｍｍがより好ましい。金属ガスケット１２の厚さＣを上記下限以上とすることで、十分にナイフエッジ１４ａ、１４ｂを食い込ませることができ、シール性能を高めることができる。一方、この厚さＣの上限としては、５ｍｍが好ましく、４ｍｍがより好ましい。この厚さＣを上記上限以下とすることで、効果的に剪断変形が生じることなどにより、シール性能を高めることができる。

金属ガスケット１２の環部分の幅Ｄの下限としては、３ｍｍが好ましく。４ｍｍがより好ましい。一方、この幅Ｄの上限としては、８ｍｍが好ましく、６ｍｍがより好ましい。金属ガスケット１２のこの幅Ｄを上記範囲内とすることで、ナイフエッジ１４ａ、１４ｂの食い込みや金属ガスケット１２の剪断変形がより生じやすくなり、シール性能を高めることができる。

一対のフランジ１１ａ、１１ｂのシール部１３ａ、１３ｂ間に金属ガスケット１２を配置した際、金属ガスケット１２の外周面１８は、フランジ１１ａ、１１ｂの外枠１５ａ、１５ｂの内周面１９に接していてもよいし、接していなくてもよい。例えば、金属ガスケット１２の外周面１８と、フランジ１１ａ、１１ｂの外枠１５ａ、１５ｂの内周面１９との最大距離Ｅの下限は、０．１ｍｍが好ましく、０．３ｍｍがより好ましい。最大距離Ｅが上記下限以上であることで、一対のフランジ１１ａ、１１ｂによって金属ガスケット１２を押圧した際に、金属ガスケット１２の外周面１８が膨出することで外枠１５ａ、１５ｂの内周面１９を圧接する力が大きくなりすぎないため、締め付けをより弱い力で行うことができる。一方、上記最大距離Ｅの上限としては、５ｍｍが好ましく、３ｍｍがより好ましい。最大距離Ｅが上記上限以下であることで、一対のフランジ１１ａ、１１ｂのシール部１３ａ、１３ｂ間への金属ガスケット２５の配置を精度よく容易に行うことなどができる。

金属ガスケット１２の材質としては、特に限定されず各種金属を用いることができるが、銅及び銅合金が好ましく、無酸素銅がより好ましい。これらは、特に真空中で使用する場合に良好な性能が発揮される。無酸素銅としては、ＪＩＳ−Ｃ１０２０等で規定される無酸素銅等を挙げることができる。

＜シール構造体２０＞
図４のシール構造体２０は、一対のフランジ２１ａ、２１ｂ及び金属ガスケット２２を備える。シール構造体２０は、一対のフランジ２１ａ、２１ｂの双方が筒状であること以外は、実質的に図１のシール構造体１０と同様である。すなわち、一対のフランジ２１ａ、２１ｂは、シール部２３ａ、２３ｂをそれぞれ有する。また、フランジ２１ａのシール部２３ａには、ナイフエッジ２４ａが環状に形成されている。フランジ２１ｂのシール部２３ｂには、ナイフエッジ２４ｂが環状に形成されている。一方のフランジ２１ｂが筒状であること以外は、シール構造体２０は、図１のシール構造体１０と同じであってよい。当該シール構造体２０は、配管の接続部材として好適に用いられる。

＜用途等＞
当該シール構造体１０、２０は、真空装置のシール構造体、あるいはその他のシール構造体として用いることができる。当該シール構造体１０、２０は、例えば４００℃を超える高温環境下においても、十分な真空シールを可能とする。中でも、当該シール構造体１０、２０は、真空蒸着装置のシール構造体として好適に用いられる。

真空蒸着装置としては、例えば蒸着材収容部、バルブ及び蒸着材放出部を備え、蒸着材収容部とバルブ、及びバルブと蒸着材放出部が、それぞれ配管によって連結された構造を有するものが挙げられる。図１のシール構造体１０は、このような真空蒸着装置の蓋部分などに、図４のシール構造体２０は、このような真空蒸着装置の連結部分などに用いることができる。当該シール構造体を有する真空蒸着装置は、当該シール構造体によって十分にシールされているため、良好な蒸着性能を発揮することができる。なお、当該シール構造体を有する真空蒸着装置においては、通常、金属ガスケットの両面には２つのナイフエッジがそれぞれ食い込まれており、また、２つのナイフエッジにより金属ガスケットは剪断変形されている。但し、金属ガスケットに剪断変形が生じていなくてもよい。

＜シール方法＞
当該シール構造体１０を用いたシール方法は、一対のフランジ１１ａ、１１ｂのシール部１３ａ、１３ｂ間に金属ガスケット１２を配置した状態（図１参照）で、一対のフランジ１１ａ、１１ｂを押圧することにより、２つのナイフエッジ１４ａ、１４ｂを金属ガスケット１２に食い込ませる工程を備える（図３参照）。

一対のフランジ１１ａ、１１ｂの押圧は、ボルト１６の締め付けにより行うことができる。すなわち、一対のフランジ１１ａ、１１ｂ同士が図１における上下方向に押圧されることで、２つのナイフエッジ１４ａ、１４ｂが金属ガスケット１２の面１７ａ、１７ｂにそれぞれ食い込み、さらに２つのナイフエッジ１４ａ、１４ｂにより、金属ガスケット１２の剪断変形が生じうる。当該シール方法によれば、このような作用により、比較的弱い力で十分なシールを可能とする。

なお、当該シール方法においては、用途等に応じて、軟化真空焼鈍処理を施してもよい。また、当該シール構造体２０を用いたシール方法は、上記シール構造体１０を用いたシール方法と同様である。

＜他の実施形態＞
本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲でその構成を変更することもできる。例えば、図１のシール構造体１０においては、蓋側のフランジ１１ｂのナイフエッジ１４ｂの径を、もう一方のフランジ１１ａのナイフエッジ１４ａの径よりも小さくしているが、逆であってもよい。また、ボルト以外の方法によって、一対のフランジを押圧するような構造であってもよい。

本発明のシール構造体及びシール方法は、真空蒸着装置等の真空装置の部品及びシール方法などとして好適に用いることができる。

１０、２０、３０ シール構造体
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、３１ａ、３１ｂ フランジ
１２、２２、３２ 金属ガスケット
１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂ シール部
１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ ナイフエッジ
１５ａ、１５ｂ、３５ａ、３５ｂ 外枠
１６ ボルト
１７ａ、１７ｂ 面
１８、３８ 外周面
１９ 内周面

Claims (5)

1. シール部をそれぞれ有する一対のフランジ、及び
   上記一対のフランジのシール部間に配置される環状の金属ガスケット
   を備え、
   上記一対のフランジが、上記各シール部に環状に形成されたナイフエッジをそれぞれ有し、
   上記各シール部に形成されたナイフエッジが平面視において相似形であり、かつこれらのナイフエッジの半径の差が０ｍｍ超３ｍｍ以下であり、
   上記金属ガスケットの上記各シール部に対向する一対の面がそれぞれ平面であるシール構造体。
2. 上記金属ガスケットの厚さが２ｍｍ以上５ｍｍ以下である請求項１に記載のシール構造体。
3. 上記ナイフエッジの先端の角度が、４０°以上８０°以下である請求項１又は請求項２に記載のシール構造体。
4. 真空蒸着装置に用いられる請求項１、請求項２又は請求項３に記載のシール構造体。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のシール構造体を用いたシール方法であって、
   上記一対のフランジのシール部間に上記金属ガスケットを配置した状態で、上記一対のフランジを押圧することにより、上記各シール部に形成されたナイフエッジを上記金属ガスケットに食い込ませる工程
   を備えるシール方法。

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