JP4440530B2 - 浅いｓ字型メタルシール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の部材間を密封するためのメタルシールに関する。特に、本発明は、有効荷重を狭い帯域上に集中させて、漏れを分子レベルで最小限に抑えるのに十分な幅で高性能のシール壁を形成することにより（密封領域が狭ければ接触応力が高くなる）、信頼性の高い密封状態を提供するシールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
典型的な静止型シールアセンブリは、第１嵌合面を備える第１部材と、適した密封材料(例えば、金属Ｏリング)で形成した環状シールと、第２嵌合面を備える第２部材とを有する。これら部材の第１及び第２嵌合面を介して、機械的荷重がシールに印可される。通常、この機械的荷重が、複数の留め具の締付けによりトルクとしてかけられると、シール面とシール面との間に、圧縮としても周知の変位が生じる。これら当接面の総荷重により、２つのシール壁が形成される。
【０００３】
断面を矩形とする中実金属のリングを十分な力で圧縮することにより、低い漏れ率に対する要件を達成することができる。中実金属のリングに付随して起こる１つの問題は、このリングの圧迫力が部材の嵌合面を塑性変形させるほど大きくなり得るということである。嵌合面のこのような塑性変形をブリネリングという。ブリネリングが生じた場合、まず損傷したシール面を補修しない限り、適切に再シールできる可能性は激減してしまう。
【０００４】
したがって、静止型シールの設計には、最大の荷重レベルと可撓性とが必要条件となる。静止型シールを良好に機能させるには、圧縮された時点で、シール形成するために十分に大きいが、空隙面にブリネリングを形成するほどには大きくない荷重レベルを生じさせなければならない。これまでのところ、従来技術においてさまざまな種類のメタルシールが開発されている。
【０００５】
金属「Ｏ」リングが、上述した相反する設計要件を満たす初期の開発成果であった。しかし、「Ｏ」リングは、中実であろうと中空であろうと通常剛性すぎるため、この種のシール弾性はかなり制限される上、本質的に高価である。「Ｏ」リングの改良型として開発されたのがＣ字型シールである。具体的に言えば、「Ｏ」の一部を単純に取り除いているため、このシールでは、周方向拘束力が大幅に低下し、可撓性がより高くなっている。しかし、基本的な「Ｃ」シールは通常、変形して、軟質に富むメッキ材料によるコーティングを施さなければ、ヘリウム漏れ率１×１０ｅ^-9ｃｃ／秒以下の望ましい標準真空レベルを達成することができない。これまでいくつかのＣ字型シールが、このレベルのシール完全性を得るように設計されている。
【０００６】
典型的な「Ｃ」シールの他に、従来技術によるシール例として、バネ付勢式「Ｃ」シール、三角突起形状を特徴とするバネ付勢式「Ｃ」シール（デルタシール）、変形自在な金属ガスケット、１重または多重に畳み込んだＥシールが挙げられる。これまでの設計のいくつかを、見合う荷重レベルまたは物理的拘束力でこの開示装置に利用すると、シール完全性レベルが得られる。
【０００７】
従来技術によるシールリングの例は、下記文献に開示されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。しかし、この２件によるシールは、２つのシール面が互いに相対移動する半動的用途に対処するものである。これらの特許は、断面のより大きなものに関連しており、その変形方法は軸方向の曲げとねじれとの双方を利用している。
【０００８】
上記点に鑑みて、信頼性が高い耐圧シールを提供しつつ、高温及び高圧にて使用可能な、最適化されたシール領域を備える改良型メタルシールリングが要望される。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第４，８１３，６９２号明細書
【００１０】
【特許文献２】
米国特許第４，８５４，６００号明細書
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、比較的安価で製造できる、信頼性の高いメタルシールを提供することにある。
本発明の他の目的は、断面形状が単純であり、最小限の公差で既存の設備を利用して大量生産が可能なメタルシールを提供することにある。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は、シール壁の幅を最適化することにより、狭い帯域に有効荷重を集中させてシールの押圧に必要な荷重を最小限にした、信頼性の高いメタルシールを提供することにある。
本発明のさら他の目的は、シールの圧縮時にシール壁があまりシフトしないメタルシールを提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、ヘリウム漏れ率が１×１０ｅ^-9ｃｃ／秒以下であるメタルシールを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、シール押圧に必要な荷重を最も効果的に利用しながら、狭い帯域に有効荷重を集中させて、漏れを最小限に抑えるのに十分な幅でシール壁を形成するメタルシールを提供することにより達成され得る。
本発明のメタルシールは、第１環状端部と、第２環状端部と、第３環状中央部とを含む。第１環状端部は、第１部材に当接して第１部材との間に第１環状シール壁を形成するよう、第１方向を向き、第１平面内に位置する第１環状シール面を有する。第２環状端部は、第２部材に当接して第２部材との間に第２環状シール壁を形成するよう、第１軸方向とは反対の第２方向を向き、第１平面に実質的に平行な第２平面内に位置する第２環状シール面を有する。第３環状中央部は、第１環状端部と第２環状端部との間に延在して、長手方向中心軸を備えた中央通路を有するリングを形成している。第３環状中央部は、メタルシールのねじり応力により第１及び第２環状シール面に実質的に垂直に印可されるシール荷重の大部分が歪むよう、第１及び第２環状端部が第３環状中央部に対し互いに反対側の両端部にそれぞれ隣接して配置された円錐台形状チューブである。
【００１５】
第１及び第２シール面は、長手方向中心軸に実質的に平行である第１及び第２方向に向いていてもよく、また、長手方向中心軸に対して実質的に半径方向である第１及び第２方向に向いていてもよく、さらに、第１シール面と第２シール面との間で長手方向中心軸に垂直に測定される第２距離と実質的に等しい、長手方向中心軸に平行に測定される第１距離をあけて配置されていてもよい。
【００１６】
また、第１及び第２シール面は凸状湾曲面であってもよく、この凸状湾曲面は、シールの一方の自由端から環状中央部まで延在していてもよく、約６０°の円弧を描いて延在していてもよい。
第３環状中央部は、長手方向中心軸に対して約４５°で傾斜していてもよい。シールは、耐食合金で形成されてもよく、ニッケル系合金、銅系合金、スズ、アルミニウム系合金及びステンレス鋼からなる群から選択される材料で形成されてもよい。
【００１７】
第１及び第２環状端部は、互いに反転している、実質的に同じ断面プロファイルを有していてもよい。また、第３環状中央部は、直線状の断面プロファイルを有していてもよい。
以上のみならず、本発明の他の目的、特徴、態様及び利点が、添付の図面と併せて本発明の好適な実施形態を開示する以下の詳述から当業者には明白になるであろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１〜図４を参照すると、本発明の第１実施形態による浅いメタルシール１０が示されている。浅いメタルシール１０は、円形として示されている。しかし、浅いメタルシール１０を円形以外のリンク形状として、種々の高さのものに製造できる。また、図示する浅いメタルシール１０の厚さは、例示のために誇張したものである。
【００１９】
浅いメタルシール１０の目的は、２つの対向する部材の間、例えば、金属と金属、金属とセラミック、セラミックとセラミック、または重要な流体及び/または気体の密封に一般に使用される適した材料のあらゆる組合わせの間にシールを設けることである。さらに、メタルシール１０は、あらゆる流体制御または気密用途におけるフランジ間または構成要素間に使用することができる。メタルシール１０を使用する最も典型的な位置は、溝内、カウンタボア内、または、密封対象である構成要素を固定分離している比較的平坦な表面間である。メタルシール１０は、円形または非円形に製造することが可能であり、その高さはさまざまでよい。
【００２０】
以下に詳述するように、本発明による浅いメタルシール１０は、狭い帯域上に有効荷重を集中させることにより（密封領域が狭ければ接触応力が高くなる）、２つの部材の間を高い信頼性で密封するものである。この狭いシール帯域または表面が、分子レベルで漏れを最小限に抑えるのに十分な幅の高性能シール壁となる。シールと複数の嵌合面との間で密着させなければならないシール壁幅を最小限に抑えることにより、圧縮荷重を増加させなくとも、高性能の密封を実現することができる。言い換えれば、本発明による浅いメタルシール１０を用いると、シール１０の実質的に平行な表面を２つの空隙面に密着させることで、制御された接触応力（環帯面積当たりの荷重）を得ることができる。
【００２１】
本発明による浅いメタルシール１０は、広範囲の密封性能を目的に使用できるように設計されている。本発明による浅いメタルシール１０は特に、半導体装置産業、真空装置産業、データ記憶デバイス産業、または他の、高い信頼性及び／または極めて高い密封性（ヘリウム漏れ率が１×１０ｅ^-9ｃｃ／秒以下）が求められるあらゆる産業に適用可能である。本発明による浅いメタルシール１０はまた、この基本的形状が、シールグランド寸法や有効なボルト荷重に役立つ用途のいずれにも適用可能である。例えば、浅いメタルシール１０を、超高真空（ＵＨＶ）産業、航空宇宙産業、発電産業、及び他の、上述した機能性が必要であるあらゆる業界で必要とされる広範囲の用途に利用することができる。
【００２２】
具体的に言えば、浅いメタルシール１０により、流出量が.０１ＳＣＦＭ／直径インチであり、漏れ率が１×１０ｅ^-9ｃｃ／秒以下である高い信頼性及び耐圧を備えた、高圧力、高温シールが得られる。本発明による浅いメタルシール１０は、広範囲の圧縮力または周方向１インチ当たりのポンド数（ＰＣＩ）において機能するように設計されている。
【００２３】
浅いメタルシール１０は、図４に示すように、一様な断面プロファイルを有する。本発明において「断面プロファイル」とは、環状シールの１点のみを通過する長手方向の平面により画定される環状シールの一部の部分的断面形状をいう。
浅いメタルシール１０は、プレスされると図４に示すような断面プロファイルを有する環状部材を形成するように作用する延性合金で構成されている。例えば、浅いメタルシール１０の主材料は、スズ、ニッケル、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、インコネル（登録商標）及び他の密封完全性を改良するニッケル系合金などの延性合金または金属構成要素で構成されている。好ましくは、シール１０の基材を、ニッケル系合金、銅系合金、スズ、アルミニウム系合金及びステンレス鋼からなる群から選択される耐食合金で形成する。任意に、より軟質な延性コーティングを基材（延性合金）の周囲に用いることもできる。こうした延性コーティングの例として、アルミニウム、ニッケルインジウム、銀、ＰＦＡ、ＰＴＦＥなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。延性コーティングの厚さは、好ましくは約０．００１インチ〜０．００６インチ（０．２５ｍｍ〜１．５ｍｍ）である。この延性コーティングでシール面全体をカバーすることも、またはこれをシール面の一部のみに適用することも可能である。他の金属構成要素及び非金属化合物も同様にコーティングとして使用可能である。
【００２４】
浅いメタルシール１０では、空隙とシールとを合わせた公差範囲を許容できるものとしてシール剛性を設計することにより、シール空隙の公差を考慮に入れている。シールの断面プロファイルを図４に示すように設計して、この部分の偏位を制御する。断面（厚さ、シール界面における曲率半径、角度、高さ及び半径方向幅）を変更することにより、シールグランドの深さがさまざまであり、それぞれ具体的な耐力を備えた種々のコーティング、すなわち、そのコーティングが所与幅に塑性変形する条件が整うように荷重を増減する必要があるコーティングを施したシールが機能するように、荷重を調節することができる。
【００２５】
図５及び図６に示すように、本発明の第１実施形態によるシールアセンブリ１２は、使用されている状態のメタルシール１０を示すために線図として図示されている。具体的に言えば、シールアセンブリ１２は、シール１０と当接する、第１嵌合または当接面１６を具備する第１部材１４と、第２嵌合または当接面２０を具備する第１部材１８とを含む。第１及び第２部材１４，１８は、複数の留め具またはボルト２２で互いに連結されている。第１及び第２部材１４，１８は、その間にシールを形成する必要のある２つの部材または装置であればいずれのものでもよい。したがって、第１及び第２部材１４，１８についての具体的な構造については図示しない。
【００２６】
例えば、メタルシール１０は、他の例として、高温及び／または高圧気密用途に対する効果的で低コストなシールを実現できるよう構成することができる。こうした他の例は、本明細書中に例示する高精度漏れ完全性型のものと同様に構成することができる。
浅いメタルシール１０は、１枚のシート材料で形成したワンピース単一部材である。任意に、メタルシール１０の基材上に軟質コーティングを施すことができる。浅いメタルシール１０の断面プロファイルは、３つの環状部分に区分することができる。すなわち、第１環状端部３１、第２環状端部３２及び第３環状中央部３３である。図示した実施形態では、第１及び第２環状端部３１，３２は、曲線状の断面プロファイルを有しており、第３環状中央部３３は直線状の断面プロファイルを有している。したがって、環状端部及び中央部３１〜３３は、ややＳ字型形状の断面を形成するように構成されている。このＳ字型形状断面は、好ましくは、メタルシール１０の周囲全体に沿って一様である。本実施形態では、第３環状中央部３３は、円錐台形状である。しかし、第３環状中央部３３を曲線状の断面プロファイルとし、軸方向視して非円形部分とすることも可能である。いずれの場合も、第３環状中央部３３の形状は円錐台状である。本発明において「円錐台形状」とは、第１及び第２環状端部を有しており、その一方の端部が、もう一方の端部の直径または横方向寸法を上回る直径または横方向寸法を有し、第１環状端部と第２環状端部との間の環状部分が波形になっていない部分をいう。
【００２７】
第１環状端部３１は、第１軸方向Ａ₁を向き、第１平坦当接面Ｐ₁内に位置する第１環状シール面３４を有する。この第１環状シール面３４が、第１部材１４が具備する第１当接面１６に当接して、その間に第１環状シール壁Ｄ₁を形成する。第２環状端部３２は、第１軸方向Ａ₁と反対向きである第２軸方向Ａ₂を向き、第１平坦当接面Ｐ₁に実質的に平行な第２平坦当接面Ｐ₂内に位置する第２環状シール面３６を有する。この第２環状シール面３６が、第２部材１８が具備する第２当接面２０と当接して、その間に第２環状シール壁Ｄ₂を形成する。第３環状中央部３３は、第１環状端部３１と第２環状端部３２との間に延在して、長手方向中心軸Ｃを具備する中央通路３８を有するリングを形成している。
【００２８】
第１及び第２シール面３４，３６は、好ましくは、約６０°の円弧を描いて延在する同じ曲率（湾曲線）の凸状湾曲面である。言い換えれば、第１及び第２シール面３４，３６は、シール１０の圧縮前においては半径方向の幅を持たない環状シールラインＳ₁，Ｓ₂である。留め具２２を締付けるとメタルシール１０に荷重がかかるため、メタルシール１０は圧縮されて、主に捻り力により塑性変形を起こす。これにより、メタルシール１０と第１及び第２部材１４，１８との間に一対の環状シール壁Ｄ₁，Ｄ₂が形成される。メタルシール１０の変形量は、シール１０の第１及び第２シール面３４，３６の間における高さの約１０％〜２５％である。シール１０が圧縮され終わると、第１及び第２シール面３４，３６が変形されて、環状シール壁Ｄ₁，Ｄ₂に対応する平坦なシール面が形成される。第１及び第２シール面３４，３６に形成される環状シール壁Ｄ₁，Ｄ₂の最小有効幅は、約０．００５インチ〜約０．０４０インチ（約１．３ｍｍ〜約１０ｍｍ）である。
【００２９】
第１シール面３４と第２シール面３６とは、長手方向中心軸Ｃに平行に測定される第１距離または高さｄ₁をあけて位置している。この第１距離または高さｄ₁は、長手方向中心軸Ｃに垂直に測定される、第１シール面３４と第２シール面３６との間の第２距離（ｄ₂）よりも短い。本実施形態では、第１距離ｄ₁と第２距離ｄ₂とは実質的に等しい。
【００３０】
第３環状中央部３３は円錐台形状チューブである。第１及び第２環状端部３１，３２は、この第３環状中央部３３の軸方向に反対側の位置する両端部に隣接して配置されている。こうして配置することにより、第１及び第２環状シール面３４，３６に実質的に垂直に印可されるシール荷重の大部分は、メタルシール１０のねじり応力により歪んでしまう。言い換えれば、軸方向につぶれる、または折り曲げられることによるメタルシール１０の変形量は、上記特許文献１及び２に開示されているＳ字型形状シールの場合と同じように、５０％未満である。メタルシール１０のつぶれる量または折り曲げられる量は、約２０％であることが好ましい。第３環状中央部３３は、好ましくは、第１及び第２平面Ｐ₁及びＰ₂に対して約４５°傾斜している。
【００３１】
シール１０の形状及び寸法面における特徴を、図４に具体的に示す。まず図２を参照すると、シール１０の外周は、シール１０の用途に応じて、所望するいずれの形状でもよい。すなわち、シール１０の外径に制限はない。シール１０の内径は、少なくとも約０．１５０インチ（３７．５ｍｍ）以上でなければならない。シール１０の自由な軸方向高さｄ₁は、通常、約０．０３０インチ〜約０．２５０インチ（約７．６ｍｍ〜約６２．５ｍｍ）である。シール１０の一例において、高さｄ₁は０．０３５インチ（８．７ｍｍ）、外径は０．３１５インチ（７８．８ｍｍ）、内径は０．２４５インチ（６１．３ｍｍ）である。
【００３２】
この実施形態において、第１及び第２シール面３４，３６の第１及び第２方向Ａ₁及びＡ₂は、長手方向中心軸Ｃに実質的に平行な方向に向いている。シール１１０は、他の例として、図７に示すように、長手方向中心軸Ｃに実質的に垂直に向く第１及び第２シール面１３４，１３６を有することができる。言い換えれば、第１及び第２シール面１３４，１３６は、長手方向中心軸Ｃに向かう方向、またはこれから遠ざかる方向に向いている同軸シール面である。メタルシール１１０は、その断面が回転移動されている点を除き、上述したシール１０とほぼ同じものである。シール１１０と上述のシール１０との類似点を鑑み、本明細書ではシール１１０についての詳しい説明及び例示を省略する。メタルシール１１０は、第１環状端部１３１、第２環状端部１３２及び環状中央部１３３を有する。
【００３３】
本明細書では、メタルシール１１０の一部のみを図示するが、シール１１０が、円形または非円形とすることができる連続したリングであることは明白である。好ましくは、メタルシール１１０の断面は、一様である。
本発明において「実質的に」、「約」及び「およそ」などの程度を示す用語は、最終結果が大幅に変化しない程度に、こうした用語に修飾された条件に妥当量の偏差を含むことを意味している。こうした程度を示す用語が、その用語で修飾する条件の意味を否定するものでない場合には、これらの用語を、修飾された条件に対する少なくとも±５％の偏差を含むものとして解釈すべきである。
【００３４】
以上、選択した実施形態のみを用いて本発明を例示したが、特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱することなく、さまざまな変更及び修正を本明細書に加えてもよい。図示したシール１０に対して考えられる変更例は、寸法、形状、高さ、コーティング、熱膨張率を一致させるように選択する基材、圧力または真空シール、適合材料を選択することによる何らかの流体の密封、または他の所与用途に対してシール１０を構成するために通常用いられる変形すべてにわたる。本発明による断面のもう１つの利点は、内径及び外径に対してシールできることであり、他の使用法及び産業にも利用可能となり得る。さらに、本発明による実施形態に関する上述は例示のみを目的とするものであって、添付した請求の範囲及びその等価物によって定められる本発明を何ら制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による浅いメタルシールを示す側面図であり、例示のためにシールの厚さを誇張したものである。
【図２】図１の浅いメタルシールを示す平面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿って見た場合の、図１及び図２の浅いメタルシールを示す断面図である。
【図４】メタルシールを圧縮する前、すなわち荷重していない状態にある、図１〜図３のメタルシールを示す拡大断面プロファイルである。
【図５】図１〜図４のメタルシールを示す分解組立て長手方向断面図である。留め具で互いに連結されると、軸方向にメタルシールを押圧して間に環状シールを形成する、一対の嵌合部材を有するシールアセンブリを併せて図示したものである。
【図６】嵌合部材とメタルシールとを示す、図５に類似した長手方向断面図であるが、嵌合部材が、留め具で互いに連結されて、間に環状シールを形成するようにメタルシールを押圧した後の状態を示すものである。
【図７】本発明の他の実施形態による浅いメタルシールを示す長手方向断面図である。
【符号の説明】
１０ メタルシール
１２ シールアセンブリ
１４ 第１部材
１６ 第１当接面
１８ 第２部材
２０ 第２当接面
２２ 留め具またはボルト
３１ 第１環状端部
３２ 第２環状端部
３３ 環状中央部
３４ 第１環状シール面
３６ 第２環状シール面
３８ 中央通路
１１０ メタルシール
１３１ 第１環状端部
１３２ 第２環状端部
１３３ 環状中央部
１３４ 第１シール面
１３６ 第２シール面

Claims (10)

1. メタルシールであって、
   第１方向を向き、第１平坦当接面内に位置する第１環状シール面を有し、該第１環状シール面が、第１部材に当接して前記第１部材との間に第１環状シール壁を形成する、第１環状端部と、
   前記第１方向とは反対向きの第２方向を向き、前記第１平坦当接面と実質的に平行である第２平坦当接面内に位置する第２環状シール面を有し、該第２環状シール面が、第２部材に当接して前記第２部材との間に第２環状シール壁を形成する、第２環状端部と、
   前記第１環状端部と前記第２環状端部との間に延在して、長手方向中心軸を備えた中央通路を有するリングを形成する第３環状中央部であって、前記メタルシールのねじり応力により前記第１及び第２環状シール面に実質的に垂直に印可されるシール荷重の大部分が歪むよう、前記第１及び第２環状端部が前記第３環状中央部に対し互いに反対側の両端部にそれぞれ隣接して配置された円錐台形状である第３環状中央部と、を含み、
   前記第１及び第２環状シール面は、凸状湾曲面であり、該凸状湾曲面は、約６０°の円弧を描いて延在しており、前記第１及び第２環状端部と前記第３環状中央部とは、Ｓ字型形状の断面を形成するように構成されている、メタルシール。
2. 前記第１及び第２シール面は、前記長手方向中心軸に実質的に平行である前記第１及び第２方向に向いている、請求項１に記載のメタルシール。
3. 前記第１及び第２シール面は、前記長手方向中心軸に対して実質的に半径方向である前記第１及び第２方向に向いている、請求項１に記載のメタルシール。
4. 前記第１及び第２シール面は、前記第１シール面と第２シール面との間で前記長手方向中心軸に垂直に測定される第２距離と実質的に等しい、前記長手方向中心軸に平行に測定される第１距離をあけて配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のメタルシール。
5. 前記凸状湾曲面は、前記シールの一方の自由端から前記環状中央部まで延在している、請求項１〜４のいずれか１項に記載のメタルシール。
6. 前記第３環状中央部は、前記長手方向中心軸に対して約４５°で傾斜している、請求項１〜５のいずれか１項に記載のメタルシール。
7. 前記シールは、耐食合金で形成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のメタルシール。
8. 前記シールは、ニッケル系合金、銅系合金、スズ、アルミニウム系合金及びステンレス鋼からなる群から選択される材料で形成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のメタルシール。
9. 前記第１及び第２環状端部は、互いに反転している、実質的に同じ断面プロファイルを有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載のメタルシール。
10. 前記第３環状中央部は、直線状の断面プロファイルを有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載のメタルシール。

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