JP2021038835A - 金属シール - Google Patents

Abstract

【課題】２平面間を密封する金属シールに於て、塑性変形領域におけるセット高さに対する反力の増減が緩やかな金属シールを提供する。【解決手段】横断面形状が、中間基部３と、内径寄りの第１凸部11と、外径寄りの第２凸部12とを、備え、第１凸部11と第２凸部12は、各々、先端に円弧状頂部11Ａ，12Ａを有すると共に基底部13，14に向かって幅寸法Ｗ11，Ｗ12がしだいに増加する横断面形状である。【選択図】図２

Description

本発明は、金属シールに係り、特に、２平面間を密封するための金属シールに関する。

従来、図10に示した金属シール60を、本出願人が提案した（特許文献１参照）。即ち、この金属シール60は、相互に平行な第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ の間に介装され、全体が環状であり、横断面矩形状の中間基部63と、第１平面Ｐ₁ に当接する内径寄りの断面半円形の第１凸部66と、第２平面Ｐ₂ に当接する外径寄りの断面半円形の第２凸部67とを、有している。
そして、装着圧縮状態（使用状態）では、図10（Ｂ）に示すように、相互に接近する第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ から押圧力Ｆ₆₁，Ｆ₆₂によって、中間基部63の重心点Ｇ₆₃を中心に「回転弾性変形」を生じ、その「回転弾性変形」に伴う弾発的反発力により、第１凸部66は第１平面Ｐ₁ に圧接し、かつ、第２凸部67は第２平面Ｐ₂ に圧接して、流体の密封作用を行うものであった。

このように、図10に示した従来の金属シール60は、第１・第２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ からの押圧力Ｆ₆₁，Ｆ₆₂が小さく、弾発付勢復元性に優れた金属シールであったが、被密封用流体の圧力が高い場合や、圧力の脈動が発生した場合、図10（Ｂ）の矢印Ｚ方向に、第２凸部67が第２平面Ｐ₂ から浮上り（２点鎖線参照）、矢印Ｂ₆₇方向に流体洩れ（ブロ―バイ）を生ずる虞れがあることが、その後の試験の結果、判明した。

そこで、本出願人は、図12（Ａ）（Ｂ）に示すような断面形状の金属シール62を提案した（特許文献２参照）。即ち、図12（Ａ）に示すように、矩形状中間基部63の角部68，69に、横断面小三角形状の補助小突起64，65を、付設した。
言い換えると、図10（Ａ）に示した断面形状をそのまま基本形状として、中間基部63における、第１平面Ｐ₁ に対応する第１長辺部71の外方端71Ａに、補助小突起64を付設し、さらに、中間基部63における、第２平面Ｐ₂ に対応する第２長辺部72の内方端72Ａに、補助小突起65を付設した。

特開２００４− ５２９００号公報 特開２００４−３４０３１５号公報

特許文献１記載の金属シールは、（上述のように）高圧の流体圧が作用するとブローバイによる流体洩れの虞れがあった。その改良発明としての特許文献２記載の金属シールは、そのようなブローバイ等による流体洩れを防止できるが、あくまでも、回転弾性変形領域内での使用であった。現実には、種々の使用状況・条件下で、密封（シール）性能を十分高く、しかも、常に安定して発揮させることが難しい場合があることも、最近、判明した。

そこで、本発明は、従来の特許文献１，特許文献２に記載の金属シールのような回転弾性変形領域内に限定せずに、塑性変形領域までも許容して、最近の厳しい使用状況・条件に十分対応できる金属シールの提供を一つの目的とする。
第１平面と第２平面の間に介装した金属シールを、この２平面の相互締付けによって、塑性変形領域内における十分な変形を起こすには、締付けボルトへの負荷が急増し、かつ、シール圧縮量に対する締付力（反力）が急激増加することも予想される。
このようなボルトの負荷の急増や、シール圧縮量に対する反力の急激増加を、抑制して、実用性のある金属シールを提供することを、本発明の他の目的とする。

本発明は、相互に平行な第１平面と第２平面の間に介装される全体が環状であって、横断面形状が略矩形の中間基部と、上記第１平面に当接する内径寄りの第１凸部と、上記第２平面に当接する外径寄りの第２凸部と、を備えた金属シールに於て、上記第１凸部及び第２凸部は、各々、先端に円弧状頂部を有すると共に上記中間基部に連設される基底部に向かって幅寸法がしだいに増加する横断面形状であり、しかも、上記中間基部における、上記第１平面・第２平面に対応する第１長辺部・第２長辺部の各中間位置には、第１副凸部・第２副凸部が、配設されている。
また、装着未圧縮状態から、上記第１平面と第２平面の相対的接近に伴って、回転モーメントを受けて、上記第１凸部と第１副凸部が上記第１平面に当接した横断面２点接触状態と、上記第２凸部と第２副凸部が上記第２平面に当接した横断面２点接触状態と、から成る４点接触状態に至るまでは、上記中間基部を中心に回転弾性変形を生ずるように構成され、上記４点接触状態から、さらに上記第１平面と第２平面からの押圧力を受けて、上記第１凸部と第１副凸部と第２凸部と第２副凸部、及び、その近傍部位の塑性変形を生ずるように構成した。

また、上記４点接触状態において、上記第２副凸部が上記第２平面に接することで描かれる第２副凸部接触円が、上記第１凸部・上記第１副凸部が上記第１平面に接することで描かれる第１凸部接触円・第１副凸部接触円によって形成された帯状円形リングの内部に、存在している。
また、上記４点接触状態において、上記第１副凸部が上記第１平面に接することで描かれる第１副凸部接触円が、上記第２凸部・上記第２副凸部が上記第２平面に接することで描かれる第２凸部接触円・第２副凸部接触円によって形成された帯状円形リングの内部に、存在している。
また、上記４点接触状態の横断面において、上記第２副凸部の先端の上記第２平面への接触点から、上記第２平面に対して９０°を成すように立てた垂線に完全一致して乃至その近傍に、上記第１凸部の外周側稜線の延長線と、上記第１副凸部の内周側稜線の延長線との、交点が、存在するように、構成されている。
また、上記４点接触状態の横断面において、上記第１副凸部の先端の上記第１平面への接触点から、上記第１平面に対して９０°を成すように立てた垂線に完全一致して乃至その近傍に、上記第２凸部の内周側稜線の延長線と、上記第２副凸部の外周側稜線の延長線との、交点が、存在するように、構成されている。

本発明によれば、金属シールを塑性変形させるために、第１・第２平面を締付けるための力が過大とならず、締付ボルトの外径も小さくて済み、これによって、シール装着機器のコンパクト化にも寄与できる。第１平面・第２平面に対して適切な接触面圧分布をもって各々２点で圧接し、優れた密封性を発揮する。

本発明の実施形態を示す全体の断面図であって、（Ａ）は第１の実施形態を示す断面図、（Ｂ）は第２の実施形態を示す断面図である。 第１の実施形態の形状を説明するための拡大断面図である。 第１の実施形態の金属シールの４点接触状態を示した図であって、（Ａ）は拡大断面説明図、（Ｂ）は（Ａ）の要部を抽出して示した縮小平面図、（Ｃ）は（Ａ）の要部を抽出して示した縮小底面図である。 第２の実施形態の形状を説明するための拡大断面図である。 第２の実施形態の金属シールの４点接触状態を示した拡大断面説明図である。 図７と図８に示す、接触面圧のグラフ図と、塑性変形後の断面図を、ＦＥＭ解析にて求めるのに用いた金属シールの自由状態の形状と寸法を示す断面図であって、（Ａ）は図８に対応する断面図、（Ｂ）は図７に対応する断面図である。 ＦＥＭ解析にて得られた本発明の実施品についての最終締付圧縮状態の断面形状を示すと共に、第１・第２平面に対する接触面圧を示す図である。 ＦＥＭ解析にて得られた比較例の最終締付圧縮状態の断面形状を示すと共に、第１・第２平面に対する接触面圧を示す図である。 本発明と比較例を比べて、セット高さに対する反力の大きさを示したグラフ図である。 従来例を示し、（Ａ）は自由状態の全体断面図、（Ｂ）は最終圧縮状態（使用状態）を示す断面図である。 比較例を示す図であって、（Ａ）は大きな締付力を与えて第１平面と第２平面に対して各２点接触させて全体を４点接触状態とした拡大断面説明図であり、（Ｂ）は（Ａ）の要部を抽出して示した縮小平面図、（Ｃ）は（Ａ）の要部を抽出して示した縮小底面図である。 他の従来例（比較例）を示す図であって、（Ａ）は自由状態の全体断面図、（Ｂ）は圧縮使用状態を示す要部断面図である。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
図１（Ａ）と図２及び図３（Ａ）に示すように、本発明に係る金属シールＳは、相互に平行な第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ の間に介装して使用され、全体が、円形や長円形や多角形等の環状である。そして、平行な上記２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ 間を密封するものである。
例えば、（図示省略したが）シール凹溝内に装着されて、シール凹溝の底面と、蓋部材の下面とに、圧接して密封作用をなす。

そして、この金属シールＳの横断面形状について説明すれば、略矩形の中間基部３と、第１平面Ｐ₁ に当接する内径寄りの第１凸部11と、第２平面Ｐ₂ に当接する外径寄りの第２凸部12と、を備えている。上記略矩形の中間基部３は、第１・第２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ に対して平行な長辺３Ａ，３Ａ───これを区別して、第１長辺部31・第２長辺部32と呼ぶ場合もある───と、それに直交する短辺３Ｂ，３Ｂから形成されるが、図例では、４角部の内で点対称位置の２角部に、小さな三角形状切欠き15，15が設けられている。

第１凸部11は、先端に所定半径Ｒの円弧状頂部11Ａを有すると共に、上記中間基部３に連設される基底部13に向かって幅寸法Ｗ₁₁がしだいに増加する横断面形状とされている。
また、第１凸部11は、切欠き15の存在しない（矩形状中間基部３の）直角状角部３Ｃにおける第１長辺部31側に連設されている。このようにして、第１凸部11は矩形状中間基部３の第１長辺部31の内径側の端部に配設されている。
また、（図２に示すように）第１凸部11の内周側稜線11Ｂは、中間基部３の内周側短辺３Ｂの延長線上に存在する。

第２凸部12は、先端に所定半径Ｒの円弧状頂部12Ａを有すると共に、上記中間基部３に連設される基底部14に向かって幅寸法Ｗ₁₂がしだいに増加する横断面形状とされている（図２では上下反転した山型に図示される）。

また、第２凸部12は、切欠き15の存在しない（矩形状中間基部３の）直角状角部３Ｄにおける第２長辺部32側に連設されている。このようにして、第２凸部12は矩形状中間基部３の第２長辺部32の外径側の端部に配設されている。
また、（図２に示すように）第２凸部12の外周側稜線12Ｃは、中間基部３の外周側短辺３Ｂの延長線上に存在する。

そして、図１（Ａ）と図２と図３（Ａ）に示した実施の形態に於ては、上記中間基部３における、第１平面Ｐ₁ ・第２平面Ｐ₂ に対応する第１長辺部31・第２長辺部32の各中間位置に、横断面三角形の第１副凸部21・第２副凸部22が、配設されている。
また、図１（Ｂ）と図４と図５に示した本発明の他の実施形態に於ては、横断面が台形の第１副凸部21・第２副凸部22が、第１長辺部31・第２長辺部32に、各々配設されている。

横断面三角形の第１副凸部21が第１長辺部31の「中間位置」に配設されているとは、次のように定義する。
即ち、図２に示す金属シールＳの自由状態における断面に於て、切欠き15が形成される以前の第１長辺部31の長さ寸法───つまり、図２の金属シールＳの横断面の幅寸法───をＷo とすると共に、第１副凸部21の三角頂点21Ｐと、外径側短辺３Ｂとの（幅方向の）寸法をＷ₂₁とすれば、次の数式〔数１〕を満たす場合を言う。
〔数１〕０．１５・Ｗ₀ ≦Ｗ₂₁≦０．４０・Ｗ₀

また、横断面三角形の第２副凸部22が第２長辺部32の「中間位置」に配設されているとは、図２の自由状態断面に於て、切欠き15が形成される以前の第２長辺部32の長さ寸法───つまり、図２の金属シールＳの横断面の前記幅寸法Ｗo ───に対して、（横断面三角形の）第２副凸部22の三角頂点22Ｐと、内径側短辺３Ｂとの（幅方向の）寸法をＷ₂₂とすれば、次の数式〔数２〕を満たす場合を言うものと定義する。
〔数２〕０．１５・Ｗ₀ ≦Ｗ₂₂≦０．４０・Ｗ₀

また、第１副凸部21と第２副凸部22が、図４に示すような横断面台形である実施形態に於て、前記「中間位置」に配設されているとは、次のように定義する。
図４に示した金属シールＳを、装着未圧縮状態から、第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ の相対的接近に伴って、押圧力を受けて、第１副凸部21及び第２副凸部22が、各々、第１平面Ｐ₁ ・第２平面Ｐ₂ に当接して、図５に示す４点接触状態に至るが、その状態下で、図５で明らかな如く、横断面台形の第１副凸部21・第２副凸部22の台形上辺は微小傾斜角度βをもって（第１・第２）平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ に接触する。

従って、第１副凸部21にあっては、横断面台形（の上辺）の外径側の一点21Ｋを、図２に示した頂点21Ｐに該当するものとして、前記Ｗ₂₁を規定する。さらに、第２副凸部22にあっては、横断面台形の内径側の一点22Ｋを、図２に示した頂点22Ｐに該当するものとして、前記Ｗ₂₂を規定する。このように、各寸法Ｗ₂₁，Ｗ₂₂を規定すれば、前記数式〔数１〕〔数２〕が、図５に示した実施形態にもそのまま適用できる。即ち、第１副凸部21・第２副凸部22が横断面台形である場合に、前記数式〔数１〕〔数２〕を充足すれば、第１副凸部21・第２副凸部22が、第１長辺部31・第２長辺部32の「中間位置に配設」されていると言える。

ところで、図10及び図12にて既に説明したように、従来の金属シール60，62は、基本的に金属の弾性変形領域内で使用されている。
これに対し、本願発明は、図２，図４にて説明した横断面形状であって、装着未圧縮状態から、第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ の相対的接近に伴って、押圧力を受けて、まず、図２から図３のように、あるいは、図４から図５に示すように、回転弾性変形を生ずるが、さらに、引続いて、図７に示す如く、第１凸部11と第１副凸部21と第２凸部12と第２副凸部22、及び、（断面における）その近傍部位が、塑性変形を生ずるように、構成されている。

具体的に説明すると、図２又は図４に示した自由状態の断面形状のままで、シール装着装置の内部の第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ の間に介装した装着未圧縮状態から、第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ を、（図外の）ボルト締付けによって、相対的に接近させてゆくと、まず、第１凸部11と第２凸部12のみが当接しつつ締付力（押圧力）を受けて、回転弾性変形を開始する。

引続き、ボルト締付けによって、第１・第２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ を相対的に接近させると、
第１凸部11と第１副凸部21が第１平面Ｐ₁ に当接した横断面２点接触状態となると同時に、第２凸部12と第２副凸部22が第２平面Ｐ₂ に当接した横断面２点接触状態とから成る４点接触状態（図３，図５参照）となる。このように４点接触状態に至るまでは、上記中間基部３（の重心点Ｏ₃ ）を中心に回転弾性変形を生ずるように構成されている。
このような作動（構成）は、従来の図12（Ａ）（Ｂ）と同様であると言える。

しかしながら、本発明に係る金属シールＳでは、図３，図５に示したような４点接触状態から、さらに、第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ を相対的に接近させていって、押圧力を受け続け、図７に示す如く、塑性変形を生ずるように構成されている。
図３（Ｂ）は、４点接触状態における同図（Ａ）の要部のみを、抽出して示した縮小平面図である。
図３（Ｂ）に於て、Ｒ₁₁は、図３（Ａ）に示した第１凸部11が第１平面Ｐ₁ に接する点を、上面から見て描いた第１凸部接触円である。
Ｒ₂₁は、第１副凸部21が第１平面Ｐ₁ に接する点を、上面から見て描いた第１副凸部接触円である。
さらに、Ｒ₂₂は、図３（Ａ）に示した第２副凸部22が第２平面Ｐ₂ に接する点を、上面から見て描いた第２副凸部接触円である。

この図３（Ｂ）から、以下のことが判る。つまり、図３（Ａ）の４点接触状態に於て、第２副凸部接触円Ｒ₂₂は、第１凸部接触円Ｒ₁₁及び第１副凸部接触円Ｒ₂₁によって形成された帯状円形リングＲ₁₀₀ の内部に、存在する。
図３（Ｂ）に示したこのような特徴点は、後述する（従来例の場合を示す）図11（Ｂ）及び図12（Ｃ）と、対比することで、独自の作用・効果を発揮することが、明らかになるであろう。なお、図５に示した他の実施形態の４点接触状態にあっても、図３（Ｂ）（Ｃ）で説明したと同様の技術的構成となり、かつ、同じ作用効果が得られる。

次に、図３（Ｃ）は、４点接触状態における同図（Ａ）の要部のみを、抽出して示した縮小底面図である。
図３（Ｃ）に於て、Ｒ₁₂は、図３（Ａ）に示した第２凸部12が第２平面Ｐ₂ に接する点を、底面から見て描いた第２凸部接触円である。
Ｒ₂₁は、第１副凸部21が第１平面Ｐ₁ に接する点を、底面から見て描いた第１副凸部接触円である。
さらに、Ｒ₂₂は、図３（Ａ）に示した第２副凸部22が第２平面Ｐ₂ に接する点を、底面から見て描いた第２副凸部接触円である。

この図３（Ｃ）から、以下のことが判る。つまり、図３（Ａ）の４点接触状態に於て、第１副凸部接触円Ｒ₂₁が、第２凸部接触円Ｒ₁₂と第２副凸部接触円Ｒ₂₂によって形成された帯状円形リングＲ₂₀₀ の内部に、存在する。
図３（Ｃ）に示したこのような特徴点は、後述する（従来例の場合を示す）図11（Ｃ）及び図12（Ｄ）と、対比することで、独自の作用・効果を発揮することが、明らかとなるであろう。

そして、図３（Ａ）に於て、本発明のさらなる特徴点につき説明する。
即ち、図３（Ａ）に示した４点接触状態の横断面において、第２副凸部22の先端（頂点22Ｐ）の第２平面Ｐ₂ への接触点から、第２平面Ｐ₂ に対して９０°を成すように立てた垂線Ｔ₁ を、（仮に）想定する。
そして、図３（Ａ）に於て、第１凸部11の外周側稜線11Ｃの延長線Ｙ₁₁と、第１副凸部21の内周側稜線21Ｅの延長線Ｙ₂₁との交点をＯ_Ｙとすると、この交点Ｏ_Ｙは、前記垂線Ｔ₁ に一致して、垂線Ｔ₁ 上に存在する。
図３（Ａ）に於ては、両延長線Ｙ₁₁，Ｙ₂₁の交点Ｏ_Ｙから第２平面Ｐ₂ に下した垂線と、前記垂線Ｔ₁ とが、一致し、同図中のεは、零であることを記載している。

なお、図２中の金属シールＳの幅寸法Ｗ₀ に対して、最大ε値は、０．１５・Ｗ₀ 以内であれば良い。
言い換えると、第２平面Ｐ₂ に対して９０°を成すように立てた上記垂線Ｔ₁ の近傍に、交点Ｏ_Ｙが存在しておれば十分である。

また、図３（Ａ）に示すように、４点接触状態に於て、第１副凸部21の先端の第１平面Ｐ₁ への接触点───頂点21Ｐが該当している───から、上記第１平面Ｐ₁ に対して９０°を成すように立てた垂線Ｔ₂ を想定する。

そして、第２凸部12の内周側稜線12Ｂの延長線Ｙ₁₂と、第２副凸部22の外周側稜線22Ｅの延長線Ｙ₂₂との交点をＯｘとすると、この交点Ｏｘは、前記垂線Ｔ₂ に一致して、垂線Ｔ₂ 上に存在する。
図３（Ａ）に於ては、交点Ｏｘから第１平面Ｐ₁ に直交する垂線と、前記垂線Ｔ₂ とが、一致し、同図中のεは、零であることを記載している。

なお、金属シールＳの幅寸法Ｗ₀ に対して、最大ε値は、０．１５・Ｗ₀ 以内であれば良い点は、図３（Ａ）の交点Ｏ_Ｙについての場合と同じである。言い換えれば、第１平面Ｐ₁ に対して９０°を成す垂線Ｔ₂ の近傍に、交点Ｏｘが存在すれば、十分である。

次に、図５に於て、図３（Ａ）の垂線Ｔ₁ ，Ｔ₂ は、台形状副凸部21，22の先端の一角部21Ｋ，22Ｋから第１・第２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ に対して垂直に立てる点、及び、交点Ｏｘ，Ｏ_Ｙが、夫々、垂線Ｔ₁ の近傍にある───つまり、同図中の小さな寸法εをもって外れている───点以外は、図３（Ａ）と同様の構成であるので、詳細説明を省略する。

ここで、図２，図４にもどって望ましい各部の寸法（寸法関係）について追加説明する。
第１凸部11・第２凸部12の外周・内周の稜線の成す角度をθとすれば、２５°≦θ≦３５°のように設定する。また、第１副凸部21・第２副凸部22の外周・内周の稜線の成す角度をθ’とすれば、５０°≦θ’≦１１０°のように設定する。
矩形状の中間基部３の幅寸法と高さ寸法を、各々、Ｗ₀ ，Ｈ₀ とすれば、第１凸部11・第２凸部12の高さ寸法Ｈ₁₁，Ｈ₁₂は、次のように設定する。
〔数３〕０．２５・Ｈ₀ ≦Ｈ₁₁≦０．５・Ｈ₀
〔数４〕０．２５・Ｈ₀ ≦Ｈ₁₂≦０．５・Ｈ₀
また、第１凸部11・第２凸部12の基底部13，14の各々寸法を、Ｗ₁₁₀ ，Ｗ₁₂₀ とすれば、次のように設定する。
〔数５〕０．２０・Ｗ₀ ≦Ｗ₁₁₀ ≦０．３５・Ｗ₀
〔数６〕０．２０・Ｗ₀ ≦Ｗ₁₂₀ ≦０．３５・Ｗ₀
また、第１・第２副凸部21，22の高さ寸法を、各々、Ｈ₂₁，Ｈ₂₂とすれば、次のように設定する。
〔数７〕０．１０・Ｈ₀ ≦Ｈ₂₁≦０．２５・Ｈ₀
〔数８〕０．１０・Ｈ₀ ≦Ｈ₂₂≦０．２５・Ｈ₀

次に、図６（Ａ）は本発明の一実施品の横断面の具体的寸法・形状を示すと共に、図６（Ｂ）は比較例（従来例）の横断面の具体的寸法・形状を例示している。図６（Ｂ）は、既に図10で説明した従来の金属シール60そのものであるが、これを回転弾性変形領域（図10（Ｂ）参照）を越えて、第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ の間隔寸法Ｈｐを減少させてゆくと、図11に示した４点接触状態を経て、図８に示したような塑性変形領域に至り、大きな変形を起こす。

また、図８では、第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ の間隔寸法Ｈｐを０．７ｍｍまで減少した───即ち、金属シール60のセット高さＧを０．７ｍｍとした───最終締付圧縮状態（いわゆるセット状態）の金属シールの変形状態、及び、第１・第２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ に対する接触面圧を示す。

本発明に係る金属シールＳの実施品（図６（Ａ））では、図７に示すような、セット高さＧを０．７ｍｍとした最終締付圧縮状態（いわゆるセット状態）の金属シールＳの断面形状、及び、接触面圧についてのＦＥＭ解析した結果を示す。

図７と図８を比較すれば、以下のことが判る。即ち、（ｉ）第１平面Ｐ₁ に対する接触面圧波形は、本発明実施品（図６（Ａ），図２参照）では、第１副凸部21（図２参照）の波形が大きく、第１凸部11（図２参照）の波形が小さく出現している。（ii）第２平面Ｐ₂ に対する接触面圧波形は、本発明実施品（図６（Ａ），図２参照）では、第２副凸部22の波形が大きく、第２凸部12の波形が小さく出現している。(iii）比較例（図６（Ｂ）参照）では、第１凸部66の波形が、角部68の波形に比較すると、幅が広く、最大高さ（面圧）がやや低く、面積は僅かに大きい。（iv）比較例（図６（Ｂ）参照）では、第２凸部67の波形が、角部69の波形に比較すると、幅が広く、最大高さ（面圧）がやや低く、面積が僅かに大きい。（ｖ）図７と図８のいずれにあっても、接触面圧は、４点接触状態の４点のいずれもが１０００ＭＰａを越えた十分高い値を示し、密封性能に関しては、十分である。

ところが、図９に示すように、横軸にセット高さＧ（ｍｍ）をとり、縦軸に第１平面Ｐ₁ （第２平面Ｐ₂ ）が受ける反力Ｆ（ｋＮ）をとったグラフ図に於て、本発明と比較例とでは、著しい特性上の差異を示している。
図９について説明すれば、点線のグラフ線は、図６（Ｂ）に示した比較例に関する特性を示す。点Ｐ₃₁は、第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ に対して第１凸部66 と第２凸部67が軽く接触した圧縮開始点を示す。（断面姿勢は、図10（Ａ）が該当している。）

点Ｐ₃₂は、４点接触開始点を示す。即ち、図10（Ｂ）に示す回転弾性変形を経て、図11（Ａ）に示すように４点ａ，ｂ，ｃ，ｄにて、２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ に対して軽く接触した状態である。
ΔＧｂは、上記点Ｐ₃₁から点Ｐ₃₂に至るまでに、２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ の間隔寸法Ｈｐを減少させるための移動量であり、かなり大きいことが判る。さらに、その移動量ΔＧｂ中に、回転弾性変形のために反力ΔＦを必要としている。

セット高さＧ（間隔寸法Ｈｐ）が点Ｐ₃₂の４点接触状態から、図８に示した最終締付圧縮状態（最終セット状態）の点Ｐ₃₃までは、急激な反力Ｆの増加がみられる。即ち、破線で示した比較例のグラフ線は、点Ｐ₃₂から点Ｐ₃₃までは急な勾配をもって、反力Ｆが増加する。しかも、点Ｐ₃₂を越えても、グラフ線は急な勾配のままで、反力Ｆが増加し続けていることが判る。

これに対して、図９中に実線にて示した本発明の実施品（図６（Ａ）参照）では、以下の通りである。つまり、点Ｐ₃₆は、第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ に対して、第１凸部11と第２凸部12が軽く接触した圧縮開始点を示す。（断面姿勢は、図２と同じである。）

点Ｐ₃₇は、４点接触開始点を示す。即ち、図３（Ａ）に示すように、４点ｅ，ｆ，ｇ，ｈにて、２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ に対して、軽く接触した状態である。
ΔＧａは、上記点Ｐ₃₆から点Ｐ₃₇に至るまでに、２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ の間隔寸法Ｈｐを減少させるための移動量であり、比較例の対応する前記移動量ΔＧｂよりも十分小さいことが判る。さらに、本発明実施品の移動量ΔＧａ中に、回転弾性変形のために、ほとんど反力を必要としない。

即ち、本発明の金属シールＳにおいては、点Ｐ₃₆から点Ｐ₃₇に至るまでのセット高さ移動量ΔＧａ、及び、そのために要する（反力Ｆに対する）外力が、比較例の移動量ΔＧｂ、及び、そのために要する外力ΔＦに比べて、各々、十分小さいが故に、第１凸部11・第２凸部12が第１平面Ｐ₁ ・第２平面Ｐ₂ に対して擦れ傷を発生する虞れが、比較例よりも、著しく低減できる利点がある。

図９について、さらに説明すれば、実線グラフ線に於て、セット高さＧ（間隔寸法Ｈｐ）が点Ｐ₃₇の４点接触状態から、図７に示した最終締付圧縮状態（最終セット状態）の点Ｐ₃₈までは、比較例の実線グラフ線に比べて、極めて緩やかに反力Ｆが増加する。
即ち、実線で示した本発明の実施品のグラフ線は、点Ｐ₃₇から点Ｐ₃₈までは、緩やかな勾配をもって、反力Ｆが少しずつ増加する。
しかも、点Ｐ₃₈を越えても、グラフ線は緩やかな勾配のままで、（あるいはさらに緩やかな勾配となりつつ）、反力Ｆがゆるりと増加し続けている。

従って、本発明によれば、シール性を発現した４点接触開始点Ｐ₃₇から以降の圧縮に対し、反力（締付力）Ｆの増加が緩やかであるため（増加の割合が少ないため）、第１・第２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ ───つまり、フランジ面等───に傷が付くことを防止できる。さらには、締付けに要するボルトへの負担も低減でき、これに伴って、ボルトの径を小さくしたり、ボルトの本数を削減できて、装着の小型化とコストダウンを図り得る。さらに、２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ 間の間隔寸法Ｈｐが加工寸法誤差や温度・圧力等の使用条件等によってばらつきを生じることも実際の装置（機器）ではよくあり得る。しかしながら、図９に示した実線のグラフ線では、セット高さＧが所定値よりも大小変化したとしても、反力Ｆがほとんど増減しないことを示し、密封性能等は安定して良好に維持できる。

なお、図12に示した、補助小突起64，65を有する従来の金属シール62については、図９に示すようなグラフ図を省略したが、同様の結果が得られている。
図９のグラフ図は、以上述べたように、本発明（の実施品）を比較例（従来例）と比べて多くの利点のあることを示しているが、その実線と破線で示した差異が生じた理由につき、以下、追加説明と分析を行う。

図11は比較例（従来例）を示し、本発明の実施例を示した図３と対比すべき図である。
図３（Ａ）に示した４点ｅ，ｆ，ｇ，ｈの平面接触状態において、図３（Ｂ）の平面図に示したように、第２副凸部22が第２平面Ｐ₂ に接することで描かれた第２副凸部接触円Ｒ₂₂が、上記４点接触状態において、上記第２副凸部22が上記第２平面Ｐ₂ に接することで描かれる第２副凸部接触円Ｒ₂₂が、上記第１凸部11・上記第１副凸部21が上記第１平面Ｐ₁ に接することで描かれる第１凸部接触円Ｒ₁₁・第１副凸部接触円Ｒ₂₁によって形成された帯状円形リングＲ₁₀₀ の内部に、存在している。

それに対して、図11（Ａ）に於ては、４点ａ，ｂ，ｃ，ｄは、図３（Ａ）の４点ｅ，ｆ，ｇ，ｈが、各々、対応すると見ることができると共に、図11（Ｂ）は図３（Ｂ）に対応する（要部を抽出して示した）平面図である。
この図11（Ｂ）から、以下のことが判る。つまり、第１凸部66・第１角部68が第１平面Ｐ₁ に接することで描かれる第１凸部接触円Ｒａ・第１角部接触円Ｒｂによって形成された帯状円形リングＲ'₁₀₀の内部に、第２角部69が第２平面Ｐ₂ に接することで描かれる第２角部接触円Ｒｃが、存在しておらず、この第２角部接触円Ｒｃは、上記帯状円形リングＲ'₁₀₀の内周縁よりも、ラジアル内方向に、外れている。

図11（Ａ）（Ｂ）に示したように、第２角部接触円Ｒｃがラジアル内方向に外れていることによって、第１・第２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ から締付力Ｆ₁ ，Ｆ₂ を受けた際、金属シール60のｃ点に作用する力は、ａ点とｂ点に分散せず、（図11（Ａ）に示す）真上のａ点に伝達されて、直ちにｃ点とａ点間の圧縮変形を生じて（図９に破線をもって示した）急勾配の反力Ｆの特性を示すと考えられる。
次に、図11（Ｃ）は図３（Ｃ）と対比すべき底面図である。

本発明の実施例では、図３（Ａ）に示した４点ｅ，ｆ，ｇ，ｈの平面接触状態において、図３（Ｃ）の平面図に示したように、上記第１副凸部21が上記第１平面Ｐ₁ に接することで描かれる第１副凸部接触円Ｒ₂₁が、上記第２凸部12・上記第２副凸部22が上記第２平面Ｐ₂ に接することで描かれる第２凸部接触円Ｒ₁₂・第２副凸部接触円Ｒ₂₂によって形成された帯状円形リングＲ₂₀₀ の内部に、存在している。

それに対して、比較例（従来例）では、図11（Ｃ）に示すように、第２凸部67・第２角部69が第２平面Ｐ₂ に接することで描かれる第２凸部接触円Ｒｄ・第２角部接触円Ｒｃによって形成された帯状円形リングＲ'₂₀₀の内部に、第１角部68が第１平面Ｐ₁ に接することで描かれる第１角部接触円Ｒｂが、存在せず、この第１角部接触円Ｒｂは、上記帯状円形リングＲ'₂₀₀の外周縁よりも、ラジアル外方向に、外れている。

図11（Ａ）（Ｃ）に示したように、第１角部接触円Ｒｂがラジアル外方向に外れていることによって、第１・第２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ から締付力Ｆ₁ ，Ｆ₂ を受けた際、金属シール60のｂ点に作用する力は、ｄ点とｃ点に分散せず、（図11（Ａ）に示す）真下のｄ点に伝達されて、直ちにｂ点とｄ点間の圧縮変形を生じて（図９に破線をもって示した）急勾配の反力Ｆの特性を示すと考えられる。

次に、図12に示した他の比較例（従来例）にあっても、図11（Ｂ）（Ｃ）と同様の接触円Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄが描かれていることとなって、その結果、図９に於て、同様に破線グラフ線が描かれることとなる。
但し、図12に於けるｂ点，ｃ点は、小さな三角形の補助小突起64，65の頂点とする。それ以外は、図11（Ａ）と同様であるので、重複説明を省略する。

次に、図９に示したグラフ図に於て、本発明と比較例の差異が生じた他の根拠について以下考察する。
図３又は図５に於て、本発明では、上記４点接触状態の横断面において、上記第２副凸部22の先端の上記第２平面Ｐ₂ への接触点から、上記第２平面Ｐ₂ に対して９０°を成すように立てた垂線Ｔ₁ に完全一致して乃至その近傍に、上記第１凸部11の外周側稜線11Ｃの延長線Ｙ₁₁と、上記第１副凸部21の内周側稜線21Ｅの延長線Ｙ₂₁との、交点Ｏ_Ｙが、存在するように、構成されている。しかも、上記４点接触状態の横断面において、上記第１副凸部21の先端の上記第１平面Ｐ₁ への接触点から、上記第１平面Ｐ₁ に対して９０°を成すように立てた垂線Ｔ₂ に完全一致して乃至その近傍に、上記第２凸部12の内周側稜線12Ｂの延長線Ｙ₁₂と、上記第２副凸部22の外周側稜線22Ｅの延長線Ｙ₂₂との、交点Ｏｘが、存在するように、構成されている。

このような構成によって、図７に示したような最終締付圧縮状態に於て、上下各々２個ずつの接触面圧波形による反力の位置が、図７の左右方向───全体のラジアル方向───にずれていることとなり、図９に実線のグラフ線で示されるような緩やかな勾配の反力特性が達成されている。

図３（Ａ）と図７とを対比して、具体的に説明すれば、第２副凸部22に作用した（第２
平面Ｐ₂ からの）締付力は、交点Ｏ_Ｙに向かって伝達されつつ左右稜線11Ｃ，21Ｅ（の内部）に沿うように分岐して、第１凸部11の頂部11Ａ、及び、第１副凸部21へ、伝達される。
これを、比較例を示した図８と比べれば、判るように、図８の左下の波形による締付力は、左上の波形による締付力と、真向対立する。従って、図８では、図９の破線グラフ線の如く、急な勾配線が描かれたものと、考えられる。
本発明の実施例では、前述の如く、巧妙に左右稜線11Ｃ，21Ｅ（の内部）に沿うように、第２副凸部22の大きな締付力が２つに分岐してゆくため、（柔軟性を残して）図９に実線で示した緩やかな勾配となり、反力Ｆの急激な増加が生じない。

他方、第１副凸部21に作用した（第１平面Ｐ₁ からの）締付力は、交点Ｏｘに向かって伝達されつつ左右稜線12Ｂ，22Ｅ（の内部）に沿うように分岐して、第２凸部12の頂部12Ａ、及び、第２副凸部22へ、伝達される。
これを、比較例を示した図８と比べれば、判るように、図８の右下の波形による締付力は、右上の波形による締付力と、真向対立する。従って、図８では、図９の破線グラフ線の如く、急な勾配線が描かれたものと、考えられる。

本発明の実施例では、前述の如く、巧妙に左右稜線12Ｂ，22Ｅ（の内部）に沿うように、第１副凸部21の大きな締付力が２つに分岐してゆくため、（柔軟性を残して）図９に実線で示した緩やかな勾配となり、反力Ｆの急激な増加が生じない。

ところで、図７に於て、大きな接触面圧を示している左下の波形４と右上の波形５は、各々、図３（Ａ）の第２副凸部22と第１副凸部21の圧縮に伴って発生した面圧を示すと共に、（図８の比較例の如く、上下に衝突せずに）横断面に於て、斜め方向の下と上に配設される。これによって、横断面における回転変形を伴いつつ、面圧の上昇も緩やかとなって、図９に示した良好な結果が得られたと推察される。

さらに、図７に於て、左上の波形６と右下の波形７は、各々、図３（Ａ）の第１凸部11と第２凸部12の圧縮に伴って発生した面圧を示し、（図８の比較例の如く、上下に衝突せずに）横断面に於て、ラジアル方向の内方・外方に、孤立して存在する。これによって、反力の上昇も十分緩やかとなり、図９に示した良好な結果が得られたものと推察される。
なお、本発明は、図示の実施例に限定されず設計変更自由であって、例えば、第１・第２副凸部21，22は、半円形や半楕円形等とすることもできる。

本発明は、以上詳述したように、相互に平行な第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ の間に介装される全体が環状であって、横断面形状が略矩形の中間基部３と、上記第１平面Ｐ₁ に当接する内径寄りの第１凸部11と、上記第２平面Ｐ₂ に当接する外径寄りの第２凸部12と、を備えた金属シールに於て、上記第１凸部11及び第２凸部12は、各々、先端に円弧状頂部11Ａ，12Ａを有すると共に上記中間基部３に連設される基底部13，14に向かって幅寸法Ｗ₁₁，Ｗ₁₂がしだいに増加する横断面形状であり、しかも、上記中間基部３における、上記第１平面Ｐ₁ ・第２平面Ｐ₂ に対応する第１長辺部31・第２長辺部32の各中間位置には、第１副凸部21・第２副凸部22が、配設されている構成であるので、図９のグラフ図に実線をもって示す如く、セット高さＧに対して反力Ｆの増加が、緩やかであり、これによって、第１・第２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ によって形成されるセット間隔に差が生じても、反力Ｆは略同じ値に維持され、優れた密封性を維持できる。また、第１・第２平面Ｐ₁ ，Ｐ₂ に対して過大な面圧力を与えずに済み、フランジ等の傷付きを防止できる。

また、装着未圧縮状態から、上記第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ の相対的接近に伴って、回転モーメントを受けて、上記第１凸部11と第１副凸部21が上記第１平面Ｐ₁ に当接した横断面２点接触状態と、上記第２凸部12と第２副凸部22が上記第２平面Ｐ₂ に当接した横断面２点接触状態と、から成る４点接触状態に至るまでは、上記中間基部３を中心に回転弾性変形を生ずるように構成され、上記４点接触状態から、さらに上記第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ からの押圧力を受けて、上記第１凸部11と第１副凸部21と第２凸部12と第２副凸部22、及び、その近傍部位の塑性変形を生ずるように構成したので、第１平面Ｐ₁ と第２平面Ｐ₂ をボルト締付けによって極めてスムーズに、塑性変形に至るまで作業を行い得る。しかも、セット高さＧのばらつきがあっても、安定した高い密封性能を発揮できる。

また、上記４点接触状態において、上記第２副凸部22が上記第２平面Ｐ₂ に接することで描かれる第２副凸部接触円Ｒ₂₂が、上記第１凸部11・上記第１副凸部21が上記第１平面Ｐ₁ に接することで描かれる第１凸部接触円Ｒ₁₁・第１副凸部接触円Ｒ₂₁によって形成された帯状円形リングＲ₁₀₀ の内部に、存在している構成としたので、（図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、）第２副凸部22の接触面圧による反力は、第１凸部11と第１副凸部21に分散しつつ伝達され、図９に示すように、セット高さＧに対して反力Ｆの増加が緩やかな優れた反力特性が得られる。

また、上記４点接触状態において、上記第１副凸部21が上記第１平面Ｐ₁ に接することで描かれる第１副凸部接触円Ｒ₂₁が、上記第２凸部12・上記第２副凸部22が上記第２平面Ｐ₂ に接することで描かれる第２凸部接触円Ｒ₁₂・第２副凸部接触円Ｒ₂₂によって形成された帯状円形リングＲ₂₀₀ の内部に、存在している構成であるので、（図３（Ａ）（Ｃ）に示すように、）第１副凸部21の接触面圧による反力は、第２凸部12と第２副凸部22に分散しつつ伝達され、図９に示すように、セット高さＧに対して反力Ｆの増加が緩やかな優れた反力特性が得られる。

また、上記４点接触状態の横断面において、上記第２副凸部22の先端の上記第２平面Ｐ₂ への接触点から、上記第２平面Ｐ₂ に対して９０°を成すように立てた垂線Ｔ₁ に完全一致して乃至その近傍に、上記第１凸部11の外周側稜線11Ｃの延長線Ｙ₁₁と、上記第１副凸部21の内周側稜線21Ｅの延長線Ｙ₂₁との、交点Ｏ_Ｙが、存在するように、構成されているので、第２副凸部22に作用する大き目の反力は、稜線11Ｃと稜線21Ｅに沿うように分岐され、図７に示したような横断面における締付面圧が得られ、その結果、図９に於て、実線で示すように緩やかな勾配の優秀な反力特性の金属シールが得られる。

また、上記４点接触状態の横断面において、上記第１副凸部21の先端の上記第１平面Ｐ₁ への接触点から、上記第１平面Ｐ₁ に対して９０°を成すように立てた垂線Ｔ₂ に完全一致して乃至その近傍に、上記第２凸部12の内周側稜線12Ｂの延長線Ｙ₁₂と、上記第２副凸部22の外周側稜線22Ｅの延長線Ｙ₂₂との、交点Ｏｘが、存在するように、構成されているので、第１副凸部21に作用する大き目の反力は、稜線12Ｂと稜線22Ｅに沿うように分岐され、図７に示したような締付面圧が得られ、その結果、図９に於て、実線で示すように緩やかな勾配の優秀な反力特性の金属シールが得られる。

３ 中間基部
11 第１凸部
11Ａ 円弧状頂部
11Ｃ 外周側稜線
12 第２凸部
12Ａ 円弧状頂部
12Ｂ 内周側稜線
13 基底部
14 基底部
21 第１副凸部
21Ｅ 内周側稜線
22 第２副凸部
22Ｅ 外周側稜線
31 第１長辺部
32 第２長辺部
Ｏｘ 交点
Ｏ_Ｙ 交点
Ｐ₁ 第１平面
Ｐ₂ 第２平面
Ｒ₁₁ 第１凸部接触円
Ｒ₁₂ 第２凸部接触円
Ｒ₂₁ 第１副凸部接触円
Ｒ₂₂ 第２副凸部接触円
Ｒ₁₀₀ 帯状円形リング
Ｒ₂₀₀ 帯状円形リング
Ｓ 金属シール
Ｔ₁ 垂線
Ｔ₂ 垂線
Ｗ₁₁ 幅寸法
Ｗ₁₂ 幅寸法
Ｙ₁₁ 延長線
Ｙ₁₂ 延長線
Ｙ₂₁ 延長線
Ｙ₂₂ 延長線

Claims (6)

1. 相互に平行な第１平面（Ｐ₁ ）と第２平面（Ｐ₂ ）の間に介装される全体が環状であって、横断面形状が略矩形の中間基部（３）と、上記第１平面（Ｐ₁ ）に当接する内径寄りの第１凸部（11）と、上記第２平面（Ｐ₂ ）に当接する外径寄りの第２凸部（12）と、を備えた金属シールに於て、
   上記第１凸部（11）及び第２凸部（12）は、各々、先端に円弧状頂部（11Ａ）（12Ａ）を有すると共に上記中間基部（３）に連設される基底部（13）（14）に向かって幅寸法（Ｗ₁₁）（Ｗ₁₂）がしだいに増加する横断面形状であり、
   しかも、上記中間基部（３）における、上記第１平面（Ｐ₁ ）・第２平面（Ｐ₂ ）に対応する第１長辺部（31）・第２長辺部（32）の各中間位置には、第１副凸部（21）・第２副凸部（22）が、配設されていることを特徴とする金属シール。
2. 装着未圧縮状態から、上記第１平面（Ｐ₁ ）と第２平面（Ｐ₂ ）の相対的接近に伴って、回転モーメントを受けて、上記第１凸部（11）と第１副凸部（21）が上記第１平面（Ｐ₁ ）に当接した横断面２点接触状態と、上記第２凸部（12）と第２副凸部（22）が上記第２平面（Ｐ₂ ）に当接した横断面２点接触状態と、から成る４点接触状態に至るまでは、上記中間基部（３）を中心に回転弾性変形を生ずるように構成され、
   上記４点接触状態から、さらに上記第１平面（Ｐ₁ ）と第２平面（Ｐ₂ ）からの押圧力を受けて、上記第１凸部（11）と第１副凸部（21）と第２凸部（12）と第２副凸部（22）、及び、その近傍部位の塑性変形を生ずるように構成した請求項１記載の金属シール。
3. 上記４点接触状態において、
   上記第２副凸部（22）が上記第２平面（Ｐ₂ ）に接することで描かれる第２副凸部接触円（Ｒ₂₂）が、
   上記第１凸部（11）・上記第１副凸部（21）が上記第１平面（Ｐ₁ ）に接することで描かれる第１凸部接触円（Ｒ₁₁）・第１副凸部接触円（Ｒ₂₁）によって形成された帯状円形リング（Ｒ₁₀₀ ）の内部に、
   存在している請求項２記載の金属シール。
4. 上記４点接触状態において、
   上記第１副凸部（21）が上記第１平面（Ｐ₁ ）に接することで描かれる第１副凸部接触円（Ｒ₂₁）が、
   上記第２凸部（12）・上記第２副凸部（22）が上記第２平面（Ｐ₂ ）に接することで描かれる第２凸部接触円（Ｒ₁₂）・第２副凸部接触円（Ｒ₂₂）によって形成された帯状円形リング（Ｒ₂₀₀ ）の内部に、
   存在している請求項２記載の金属シール。
5. 上記４点接触状態の横断面において、
   上記第２副凸部（22）の先端の上記第２平面（Ｐ₂ ）への接触点から、上記第２平面（Ｐ₂ ）に対して９０°を成すように立てた垂線（Ｔ₁ ）に完全一致して乃至その近傍に、
   上記第１凸部（11）の外周側稜線（11Ｃ）の延長線（Ｙ₁₁）と、上記第１副凸部（21）の内周側稜線（21Ｅ）の延長線（Ｙ₂₁）との、交点（Ｏ_Ｙ）が、存在するように、構成されている請求項２，３又は４記載の金属シール。
6. 上記４点接触状態の横断面において、
   上記第１副凸部（21）の先端の上記第１平面（Ｐ₁ ）への接触点から、上記第１平面（Ｐ₁ ）に対して９０°を成すように立てた垂線（Ｔ₂ ）に完全一致して乃至その近傍に、
   上記第２凸部（12）の内周側稜線（12Ｂ）の延長線（Ｙ₁₂）と、上記第２副凸部（22）の外周側稜線（22Ｅ）の延長線（Ｙ₂₂）との、交点（Ｏｘ）が、存在するように、構成されている請求項２，３又は４記載の金属シール。

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