JP4389241B2

JP4389241B2 - 金属リングガスケット

Info

Publication number: JP4389241B2
Application number: JP2001033373A
Authority: JP
Inventors: 秀史柴田; 完治花島; 周一郎和田; 一郎窪; 英明森
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2021-02-09
Also published as: JP2002235854A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置や原子力装置などで使われる超高真空機器において、流体の漏れを防止するために用いられる金属リングガスケットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造装置等では高い気密性を得る目的で各種の金属リングガスケットが使用されている。
このうち、金属中空Ｏリングガスケットは一般にステンレス鋼やインコネルなどの金属パイプを曲げ加工等でリング状に成形し、その両端を相互に溶接することによって製造している。この構造の金属中空Ｏリングガスケットは、強い締付圧力を与えることによって金属リングが変形して良好なシールが得られるようになっている。
【０００３】
ところが、上記の金属中空Ｏリングガスケットは、前述したようにリング状に曲げ加工した金属パイプの両端を相互に溶接することによって製造するため、通常、溶接の際に生じるバリがパイプ内外部に残り、外側のバリを切削・研磨等によって削除処理するため、パイプの肉厚が多少薄くなることから、締め付けた時に溶接部分とその他の部分の圧縮強度が不均一になることがあり、超高真空を要求される用途に用いられる場合は肉厚が薄くなった溶接部分から漏れが発生することがある。
【０００４】
また、ガスケットの径サイズが例えば１０mm程度の極小の場合は曲げ加工や溶接が困難であるという問題があり、かつ強い締付圧力を与えることのできる高強度のボルトが要求されるという不具合もある。
【０００５】
そのため、金属板あるいは金属チューブを折り曲げ加工して製造するために溶接部分がなく、小さい径サイズの成形も容易な断面が略Ｃ字形状の図６に示すような金属ＣリングガスケットＧ_２が使用されるようになってきている。
【０００６】
また金属Ｃリングガスケットの中にコイルスプリング等を入れて復元量を大きくしたものや、金属チューブを切削加工して製造する断面が略Ｋの字形状の図７に示すような、金属ＣリングガスケットＧ_３が使用されることもある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記に挙げた金属リングガスケットは、特に半導体製造装置内のガス供給ラインの中で用いられてきたが、現在このガス供給ラインをコンパクト化するために集積化ガスシステムとして標準化する動きがＳＥＭＩ（Semiconductor Equipment and Materials International）の中で進められている。
【０００８】
この集積化ガスシステムに用いられるガスケットの特性としては、１×１０^−１１Pa・m^３／secHe以下の超高真空度を維持できることに加えて、同一フランジで２０回以上ガスケットを交換してもシール可能なことが要求されている。
【０００９】
これに対して、従来の各種金属ガスケットを用いる場合、超高真空度を維持するためにはガスケットを取り付けるフランジの表面粗さを鏡面状態に研磨して高い締付圧力を負荷する必要がある。さらに、２０回以上ガスケットを交換してもシール可能とするためには、ガスケットの圧痕によってフランジ表面が傷つかないようにフランジの硬度を高くする必要がある。
しかしながら、フランジの表面を鏡面に近い状態まで研磨することや、フランジの硬度を高くするためには、特殊なフランジの表面加工が必要となり、フランジのコストが高くなるという問題がある。
【００１０】
本発明は、以上のような従来の金属ガスケットの問題点を解消するためになされたものであって、比較的単純な加工によって得られるフランジを用いて、１×１０^−１１Pa・m^３／secHe以下の超高真空度を維持して、同一フランジで２０回以上ガスケットを交換してもシール可能な金属リングガスケットを提供することを主たる目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明による金属リングガスケットは、断面が略Ｕ字形状をしており、前記断面において、内径をつくる面とフランジと接する面とがなすＲが０．０５〜０．６ｍｍであり、かつ、内外径の差ΔＤと中央部分の肉厚ｔ _０との比率ｔ _０／（ΔＤ／２）が０．３〜０．６であることを要旨とする。
【００１４】
ここで、本発明の金属リングガスケットに使用する金属材料として、一般にステンレス鋼やインコネル等の金属材料あるいは、それらの表面にニッケル等の軟質金属をメッキあるいは蒸着させたものを使用できるが、半導体産業で使用する場合は、耐食性に優れているＳＵＳ３１６Ｌおよびその真空２重溶解材、真空３重溶解材（汚染の原因となる各種の化学成分を低減するために２回〜３回と真空中で溶解／精練を行った材料）のようなオーステナイト系ステンレス鋼の単一材料が好ましい。
【００１５】
また、本発明の金属リングガスケットの加工方法としては、金属板あるいは金属チューブから折り曲げ加工等により略Ｕ字形状に成形する方法や金属チューブを切削加工により略Ｕ字形状に製作する方法がある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態としては、図１に示すように、内径（Ｄ_１）４．８mm、外径（Ｄ_２）７．３mm、肉厚：ｔ_０＝０．６〜ｔ_１＝０．５mm、内径側のＲ＝０．１mmの切削加工によって作製した略Ｕ字形状の金属リングガスケットＧがある。
【００１７】
本発明者らは、従来より半導体用の金属リングガスケットについて検討を行っており、金属Ｃリングガスケットの断面を略三日月状とし、締め付けにより相手面と接する部分の肉厚ｔ_１と、中央部分の肉厚ｔ_０との比率ｔ_０／ｔ_１を１．２以上とすることにより、半導体製造装置などの超高真空機器に使用できることを見いだし、これを特願平１１−１２５６９９号にて提案している。
【００１８】
また、材質がオーステナイト系ステンレス鋼の金属Ｃリングガスケットを電解研磨によってその表面粗さが０．２μmRa以下、表面硬度が２３０Hv以下とすることにより、さらにシール性が良好となることを見いだし、これを特願平１１−１８５３１２号にて提案している。
【００１９】
しかしながら、これらの金属Ｃリングガスケットでは、ＳＥＭＩで規格化されようとしているフランジ（表面同心円状加工、表面粗さ０．４μmRa以下、表面硬度１７０Hv以上）を用いたときに、２０回以上ガスケットを交換しても１×１０^−１１Pa・m^３／secHe以下のシール性を維持するという条件を満たすことができない。
【００２０】
そこで、本発明者らは、さらに鋭意検討し、実験およびＦＥＭ解析等を行った結果、断面を略Ｕ字形状とし、内径側のＲを１．０mm以下とし、内外径の差△Ｄ（＝Ｄ_２−Ｄ_１）と中央部分の肉厚ｔ_０の比率ｔ_０／（△Ｄ／２）が０．３〜０．６にすることにより、シール性（真空度）および繰り返しシール性が著しく良好になることを見いだし、その知見に基づき本発明は完成されたものである。
【００２１】
ここで、内径側のＲが１．０mm以下のときは、図８（イ），（ロ）に示すように、フランジＦの締め付け後にも金属リングガスケットＧは略Ｕ字形状を維持し、フランジＦとの接触部分が広くなるために良好なシール性を示すものと推定している。
【００２２】
これに対して、内径側のＲを１．０mmより大きくすると、図９（イ），（ロ）に示すように、フランジＦの締め付け後に金属リングガスケットＧ_１が略Ｃ字形状に変形しフランジＦとの接触部分が狭くなるため、ガスケットやフランジの微小な傷によって漏れが発生し易くなり、またフランジにガスケッの圧痕による傷が付きやすくなるため繰り返しシール性の低下にもつながる。
【００２３】
そして、前記内径側のＲがあまりに小さいと、内径側の角でフランジを変形させる可能性があるため、この内径側のＲは０．０５〜０．６の範囲とすることが好ましい。
また、内外径の差△Ｄ（＝Ｄ_２−Ｄ_１）と中央部分の肉厚ｔ_０の比率に関しては、ｔ_０／（△Ｄ／２）が０．３より小さいと金属リングガスケットが座屈変形してしまうため、シールするために必要な所定の面圧を維持できなくなり、ｔ_０／（△Ｄ／２）が０．６より大きいと金属リングガスケットを締め付けるための荷重が大きくなり、高強度のボルトが要求されるという不具合や、ガスケットの圧痕によってフランジの表面を傷つける恐れもある。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
実施例１
実施例１は、ＳＵＳ３１６Ｌ製金属から成る外径８．０mmの丸棒を長さ１．８５mmに切断して、切削加工によって、外径（Ｄ_２）７．３mm、内径（Ｄ_１）４．６mm、高さ１．８５mm、中央の肉厚（ｔ_０）が０．６mm、相手面と接する部分の肉厚（ｔ_１）が０．５mm、内径側の曲率Ｒが０．１mmの図１に示すような金属リングガスケットＧを得る。その後、この金属リングガスケットにバレル研磨、焼鈍、電解研磨を行って表面粗さ０．０８μmRa、表面硬度２００Hvの状態にする。
【００２５】
実施例２
実施例２は実施例１と同じ方法で作製し、外径（Ｄ_２）７．３mm、内径（Ｄ_１）４．６mm、高さ１．８５mm、中央の肉厚（ｔ_０）が０．６mm、相手面と接する部分の肉厚（ｔ_１）が０．５mm、内径側の曲率Ｒが０．６mmの図２に示すような金属リングガスケットＧを得る。その後、この金属リングガスケットＧにバレル研磨、焼鈍、電解研磨を行って表面粗さ０．１μmRa、表面硬度２１０Hvの状態にする。
【００２６】
実施例３
実施例３は実施例１と同じ方法で作製し、外径（Ｄ_２）７．３mm、内径（Ｄ_１）４．６mm、高さ１．８５mm、中央の肉厚（ｔ_０）が０．８mm、相手面と接する部分の肉厚（ｔ_１）が０．５mm、内径側の曲率Ｒが０．１mmの図３に示すような金属リングガスケットＧを得る。その後、この金属リングガスケットＧにバレル研磨、焼鈍、電解研磨を行って表面粗さ０．０９μmRa、表面硬度２００Hvの状態にする。
【００２７】
比較例１
比較例１は実施例１と同じ方法で作製し、外径（Ｄ_２）７．３mm、内径（Ｄ_１）４．６mm、高さ１．８５mm、中央の肉厚（ｔ_０）が１．０mm、相手面と接する部分の肉厚（ｔ_１）が０．５mm、内径側にＲをとらない図４に示すような表面粗さ０．１５μmRa、表面硬度２８０Hvの金属リングガスケットＧ_４を得る。
【００２８】
比較例２
比較例２は実施例１と同じ方法で作製し、外径（Ｄ_２）７．３mm、内径（Ｄ_１）４．６mm、高さ１．８５mm、中央の肉厚（ｔ_０）が０．３８mm、相手面と接する部分の肉厚（ｔ_１）が０．３８mm、内径側の曲率Ｒが１．２mmの図５に示すような金属リングガスケットＧ_５を得る。その後、この金属リングガスケットにバレル研磨、焼鈍、電解研磨を行って表面粗さ０．２μmRa、表面硬度２１０Hvの状態にする。
【００２９】
上記実施例１，２，３および比較例１，２の金属リングガスケットのシール性を比較するためにフランジにガスケットを装着して荷重５ｋＮで締め付け、ヘリウムリークディテクターを用いてシール試験を実施し、漏れが１×１０^−１１Pa・m^３／secHe以下の場合は再び新しいガスケットを装着して締め付け、シール試験を実施し、漏れが発生するまでの繰り返し回数を測定した。その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１から明らかなように、本発明の実施例はいずれも２０回ガスケットを交換しても漏れが発生しないが、比較例は漏れが１×１０^−１１Pa・m^３／secHe以上になるか、あるいは繰り返しの回数が少なくなり、本発明の金属リングガスケットはシール性能が著しく向上していることが確認されている。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の金属リングガスケットによれば、半導体製造装置などの超高真空機器に繰り返し使用しても、良好なシール性を維持できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す金属リングガスケットの縦断面図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す金属リングガスケットの縦断面図である。
【図３】本発明のさらに他の実施例を示す金属リングガスケットの縦断面図である。
【図４】比較例とした従来の金属リングガスケットの縦断面図である。
【図５】比較例とした従来の金属リングガスケットの縦断面図である。
【図６】従来の金属リングガスケットの縦断面図である。
【図７】従来の金属リングガスケットの縦断面図である。
【図８】本発明の一実施例を示す金属リングガスケットの締め付け前後の縦断面図である。
【図９】従来の金属リングガスケットの締め付け前後の縦断面図である。
【符号の説明】
Ｇ本発明の金属リングガスケット
Ｇ_１〜Ｇ_５従来の金属リングガスケット
Ｆフランジ
Ｄ_１内径
Ｄ_２外径
△Ｄ内外径の差
ｔ_０中央部分の肉厚
ｔ_１相手面と接する部分の肉厚
Ｒ内径側の加工半径

Claims

断面が略Ｕ字形状をしており、前記断面において、内径をつくる面とフランジと接する面とがなすＲが０．０５〜０．６ｍｍであり、かつ、内外径の差ΔＤと中央部分の肉厚ｔ _０との比率ｔ _０／（ΔＤ／２）が０．３〜０．６であることを特徴とする金属リングガスケット。