JP4471670B2

JP4471670B2 - フランジシール構造

Info

Publication number: JP4471670B2
Application number: JP2004015975A
Authority: JP
Inventors: 正樹部坂
Original assignee: 新光産業株式会社
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-01-23
Also published as: JP2005207526A

Description

本発明は、例えば、真空機器の真空シールに適用されるフランジシール構造に係り、更に詳細には多数回の使用に耐えられると共に、高温環境下での使用も可能なフランジ及びそれに使用するガスケットに関する。

現在、超高真空の真空装置において最も普及しているフランジシール構造は、例えば、ナイフエッジ型メタルシールフランジ構造（コンフラットフランジ構造とも呼ばれる）７９である。
ナイフエッジ型メタルシールフランジ構造７９は、例えば図５に示すように、フランジ８０、８１の対向面にそれぞれリング状で鋭角な突出部を有するナイフエッジ８２、８３が形成され、このナイフエッジ８２、８３の間には、例えば、ＪＩＳ−Ｃ１０２０あるいはＪＩＳ−Ｃ１０１１で規定された無酸素銅を用いた円環状の金属ガスケット８４がシール材として装着される。また、金属ガスケット８４の位置決め用に、フランジ８０、８１の各ナイフエッジ８２、８３の内側には、突堤８５、８６が設けられている。
このような構成とすることにより、フランジ８０とフランジ８１を、例えば、ボルトを用いて締結する過程で、図５に示すようにナイフエッジ８２、８３が金属ガスケット８４に食い込んでいく（矢印Ａ方向）。このようにして、各フランジ８０、８１には金属ガスケット８４がナイフエッジ８２、８３の食い込み部で接触してシール部が形成され、このシール部で高い圧力でフランジ側と金属ガスケット８４側とが接触しているので、信頼性の高い真空シールが達成される（例えば、非特許文献１、２参照）。

しかしながら、特許文献１、２に記載されたナイフエッジ型メタルシールフランジ構造７９では、使用後の金属ガスケット８４にはナイフエッジ８２、８３の食い込み溝が形成されているため再使用は不可能である。
このため、フランジの対向する面にそれぞれめっきを施し、これらのフランジの間に、例えば、無酸素銅製の金属製Ｏリングを介在させボルトを用いて締結して使用するタイプのフランジシール機構が提案されている。しかし、締結時に金属製Ｏリングと各フランジの接触部には高い圧力が発生して、金属製Ｏリングはめっきが施されたフランジ面に圧着するため、使用後に金属製Ｏリングを取り外す際にめっき部分をフランジ側から剥離させるという問題が発生し易い。このため、この種のフランジシール構造においても、多数回の繰り返し使用は困難になる。

そこで、図６に示すように、対向するフランジ８７、８９の一方のフランジ８７の対向面側にリング状の断面外形がく字状になった凸部８８を形成し、他方のフランジ８９の対向面にリング状の凸部８８が入り込むリング状の断面外形がく字状になった凹部９０を形成し、この凸部８８及び凹部９０の間に、例えば、無酸素銅を用いた断面外形がく字状になった環状の金属ガスケット９１をシール材として装着するタイプのフランジシール構造９２が考えられている。
ここで、凸部８８が凹部９０に容易に入り込んで、金属ガスケット９１を介して凸部８８の側面の一部と凹部９０の側面の一部が高い圧力で密接できるようにするため、凸部８８を断面視した際の２つの側面Ｐ、Ｑが交差して形成する角度θは、凹部９０を断面視した際の２つの側面Ｒ、Ｓが交差して形成する角度φより小さくしている。このため、凸部８８の側面の一部と凹部９０の側面の一部が密接して形成するシール部は、凹部９０の底部側（凸部８８の頂部側）に位置する。

黒河内智、外４名、"ガスケット変形挙動観察に基づくコンフラットシール機構の考察"、真空、日本真空協会、１９９９年１０月２０日、第４２巻、第１０号、ｐ．９１０−９１７黒河内智、外２名、"ガスケット内部の応力解析に基づくコンフラットシール機構の考察"、真空、日本真空協会、１９９９年１０月２０日、第４２巻、第１０号、ｐ．９１８−９２２

しかしながら、図６に示すフランジシール構造９２では、シール部は凹部９０の底部側に位置するため、使用後にフランジ８７、８９の締結を解いてフランジ８７、８９を相互に離脱させたときに、金属ガスケット９１が凹部９０の底部側に取り残されることになる。このため、使用後の金属ガスケット９１が取り出し難いという問題が生じる。また、取り出す際に金属ガスケットを変形させてしまい、再使用ができなくなる場合も発生する。
更に、凸部８８から見た場合、シール部は凸部８８の頂部側に存在するため、フランジ８７、８９に大きな力を加えて締結を繰り返していると、凸部８８の頂部側が徐々に変形してシール性が劣化するという問題が生じる。特に、高温環境下での使用のように、フランジ８７、８９の増し締めを行って締結力を向上させる必要がある場合、凸部８８の頂部側の変形が著しく、高温環境下で安定して使用する場合には信頼性に問題が生じる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、多数回の繰り返し使用を容易に行うことができると共に、高温環境下での使用も可能なフランジシール構造を提供することを目的とする。

前記目的に沿う請求項１記載のフランジシール構造は、リング状凹部が形成された一方のフランジに、前記リング状凹部に嵌入するリング状凸部が形成された他方のフランジを、断面Ｖ字状のリングガスケットを介して締結するフランジシール構造において、
前記リング状凹部は、開口端部に徐々に開き角を大きくした丸み部が形成されたＶ字溝であって、前記リング状凸部は、その開き角が前記丸み部を除く前記Ｖ字溝の開き角より大きいＶ字突起である。

Ｖ字突起の開き角度（開き角）が丸み部を除くＶ字溝の開き角より大きいので、Ｖ字突起の側面はリングガスケットを介してＶ字溝の開口端部、すなわち、丸み部に当接することになり、シール部をＶ字溝の開口端部（Ｖ字突起をＶ字溝に嵌入した際に、Ｖ字突起の先端側から離れた位置）に形成することができる。
このとき、リングガスケットは断面Ｖ字状のためＶ字突起に被さるように配置されるので、Ｖ字突起の両側面がリングガスケットを介してＶ字溝の開口端部の両丸み部にそれぞれ当接する。

請求項２記載のフランジシール構造は、請求項１記載のフランジシール構造において、前記Ｖ字溝の開き角は２０〜５０度の範囲にあり、前記Ｖ字突起の開き角は前記Ｖ字溝の開き角より２〜１０度の範囲で大きい。
Ｖ字溝の開き角が２０度未満の場合、リングガスケットを垂直に押す押圧力が低下する。一方、Ｖ字溝の開き角が５０度を超えると、Ｖ字溝へのＶ字突起の嵌入深さが短くなって、フランジ同士の位置決めが行ない難くなる。このため、Ｖ字溝の開き角は２０〜５０度の範囲にした。
Ｖ字突起の開き角とＶ字溝の開き角の差が２度未満であるとシール部がＶ字溝の開口端部の奥側（すなわち、丸み部の終端側）に形成され、Ｖ字突起の開き角とＶ字溝の開き角の差が１０度を超えるとシール部がＶ字溝の開口端部の開口側（すなわち、丸み部の開始端側）に形成されるため、いずれの場合もリングガスケットを垂直に押す押圧力が低下する。このため、Ｖ字突起の開き角はＶ字溝の開き角より２〜１０度大きい範囲とした。

請求項３記載のフランジシール構造は、請求項１及び２記載のフランジシール構造において、前記Ｖ字溝及び前記Ｖ字突起の開き角の頂点で形成される円は、同心かつ同一半径である。
このような構成とすることにより、Ｖ字突起の一部をＶ字溝の一部に嵌入させることで、両フランジの位置合せを容易に行うことができる。

請求項１〜３記載のフランジシール構造においては、リング状凸部は、その開き角度が丸み部を除くＶ字溝の開き角より大きいＶ字突起であるので、Ｖ字突起の側面はリングガスケットを介してＶ字溝の開口端部、すなわち、丸み部に当接してシール部をＶ字溝の開口端部に形成することができ、対向するフランジを相互に離脱させたときにリングガスケットをＶ字突起側に残すことが可能になる。その結果、リングガスケットを変形させずに容易に取り外すことができ、リングガスケットの多数回使用が可能になる。Ｖ字溝の開口端部に形成された丸み部がリングガスケットに当接するので、リングガスケットにＶ字溝の開口縁の食い込み疵が形成されるのを防止することが可能になる。その結果、ガスケットを多数回使用することができる。
また、Ｖ字突起をＶ字溝に嵌入した際に、シール部をＶ字突起の先端側から離れた位置、すなわち、Ｖ字突起の肉厚部分に形成することができることから、Ｖ字突起をＶ字溝に嵌入させて大きな力を加えて締結してもＶ字突起の変形を抑制することができ、多数回使用してもシール性が劣化するのを防止することが可能になる。そして、Ｖ字突起の変形が抑制されることから、フランジの増し締めが必要な高温環境下においても、安定して使用することが可能になる。
更に、リングガスケットは断面Ｖ字状のためＶ字突起に被さるように配置されるので、Ｖ字突起の両側面がリングガスケットを介してＶ字溝の開口端部の両丸み部にそれぞれ当接して内外２カ所のシール部を形成することができ、信頼性の高いシールを行うことが可能になる。

特に、請求項２記載のフランジシール構造は、Ｖ字溝の開き角は２０〜５０度の範囲にあり、Ｖ字突起の開き角はＶ字溝の開き角より２〜１０度の範囲で大きいので、リングガスケットを垂直に押す押圧力を確保すると共に、Ｖ字溝へのＶ字突起の嵌入深さも確保することができ、Ｖ字溝にＶ字突起を嵌入させてフランジ同士の位置決めを容易に行うことが可能になる。その結果、フランジの取付けを容易に行うことが可能になる。また、Ｖ字溝とＶ字突起の間に存在するリングガスケットを垂直に押す押圧力を確保することができ、シール性を安定して維持することが可能になる。

請求項３記載のフランジシール構造においては、Ｖ字溝及びＶ字突起の開き角の頂点で形成される円は、同心かつ同一半径であるので、Ｖ字突起の一部をＶ字溝の一部に嵌入させることで位置合せを行うことができ、Ｖ字突起全体をＶ字溝内に容易に嵌入させることが可能になる。その結果、フランジの取付けを容易に行うことが可能になる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係るフランジシール構造の他方のフランジの平面図、及び側断面図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同フランジシール構造の一方のフランジの平面図、及び側断面図、図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同フランジシール構造に適用するプレス加工前後のリングガスケットの側断面図、図４は同フランジシール構造において一方のフランジに形成されたＶ字溝にリングガスケットを介して他方のフランジに形成されたＶ字突起が嵌入している状態を示す説明図である。

図１〜図４に示すように、本発明の一実施の形態に係るフランジシール構造１０は、図示しない真空装置側に取付けられる他方のフランジ１１、と他方のフランジ１１に取付けられる一方のフランジ１２と、その間に設けられる断面Ｖ字状のリングガスケットの一例である銅製ガスケット１３を有している。以下これらについて、詳細に説明する。
他方のフランジ１１は、例えば、ステンレス鋼製の円板形状を有し、その中央部には裏面側（真空装置側）１４から表面側（以下、一方のフランジ１２と対面する面のため対向面側という）１５に向けて３段階に縮径する円形の開口部１６が設けられている。また、対向面側１５には、開口部１６と同心の円環状をしたリング状凸部となるＶ字突起１７が形成され、Ｖ字突起１７の開き角の頂点は開口部１６と同心の第１の円１８の周上に存在している。更に、フランジ１１の外周側には、複数（図２では８個）のねじ孔１９が設けられている。

他方のフランジ１１に対向して取付けられる一方のフランジ１２は、例えば、他方のフランジ１１と同一の外径を有するステンレス鋼製の円板形状に形成され、他方のフランジ１１と対向する対向面側２０には、一方のフランジ１２と同心の円環状をしたリング状凹部となるＶ字溝２１が形成され、Ｖ字溝２１の開き角の頂点はフランジ１２と同心の第２の円２２の周上に存在している。そして、第１の円１８と第２の円２２は同一半径となっている。
また、図４に示すように、Ｖ字溝２１の開口端部には徐々に開き角を大きくした丸み部２３が形成され、更に、丸み部２３を除くＶ字溝２１の開き角αは２０〜５０度の範囲にあり、Ｖ字突起１７の開き角βはＶ字溝２１の開き角αより２〜１０度の範囲で大きく形成されている。
このような構成とすることにより、Ｖ字突起１７の側面を銅製ガスケット１３を介してＶ字溝２１の開口端部、すなわち、丸み部２３に当接させることができ、この当接部にシール部を形成することができる。また、銅製ガスケット１３を垂直に押す押圧力を確保してシール性を安定して維持すると共に、Ｖ字溝２１へのＶ字突起１７の嵌入深さを確保してフランジ１１、１２同士の位置決めを容易に行うことができる。

更に、フランジ１２の外周側には、ねじ孔１９と同一個数、かつ、同一ピッチで、ねじ孔１９にねじ込むボルトを挿通させる貫通孔２４が設けられている。このような構成とすることにより、各ねじ孔１９の心と各貫通孔２３の心とを一致させることによりフランジ１１の心とフランジ１２の心を一致させることができる。
その結果、第１の円１８と第２の円２２の各心を容易に一致させることができ、一方のフランジ１２に形成されたＶ字溝２１に他方のフランジ１１に形成されたＶ字突起１７を容易に嵌入させることができる。

銅製ガスケット１３は、板厚０．１〜０．５ｍｍ程度の銅板から円環状の原リングガスケット１３ａを打ち抜き、プレス加工して断面Ｖ字状としたもので、銅製ガスケット１３の頂部１３ｂ（銅製ガスケット１３のＶ字開き角の頂点）が周上に存在する円の半径は、Ｖ字突起１７の開き角の頂点が存在する第１の円１８と同一半径になるようにしている。
ここで、銅製ガスケット１３の母線の長さｂは、Ｖ字突起１７の片側の一片の長さａより短くしてある。これによって、フランジ１１とフランジ１２を締結した際に、フランジ１１の対向面側１５に銅製ガスケット１３が接触し、銅製ガスケット１３は変形することによるシール力が低下することを防止している。
また、フランジ１１の中心線が水平状態にある場合、銅製ガスケット１３の取付けはＶ字突起１７に被せるだけで、落下を防止して容易にその位置決めを行うことができる。そして、Ｖ字突起１７の両側面を銅製ガスケット１３を介してＶ字溝２１の開口端部の各丸み部２３にそれぞれ当接させてシールを行うことができる。

次に、本発明の一実施の形態に係るフランジシール構造１０の使用方法について説明する。
まず、他方のフランジ１１の対向面側１５を清浄な状態にして、Ｖ字突起１７の片側の一片の長さａより短い長さｂの母線を有する銅製ガスケット１３をＶ字突起１７に被せる。
次いで、対向面側２０を清浄な状態にした一方のフランジ１２に形成されている各貫通孔２４の心を、他方のフランジ１１に形成されている各ねじ孔１９の心に一致するように位置調整を行って、図示しないボルトを各貫通孔２４に挿通させて、他方のフランジ１１に対して一方のフランジ１２が平行に維持されるようにして、各ねじ孔１９にねじ込んでいく。

各貫通孔２４に挿通させたボルトを各ねじ孔１９にねじ込んでいくことにより、一方のフランジ１２は他方のフランジ１１に対して心を一致させて、平行状態を保ちながら次第に接近していく。ここで、一方のフランジ１２と他方のフランジ１１の心を一致させているので、第１の円１８と第２の円２２の中心を一致させることができる。更に、Ｖ字突起１７の開き角の頂点が存在する第１の円１８とＶ字溝２１の開き角の頂点が存在する第２の円２２は同一半径であるので、他方のフランジ１１と一方のフランジ１２がある程度接近してくると、他方のフランジ１１に形成されたＶ字突起１７は一方のフランジ１２に形成されたＶ字溝２１に、銅製ガスケット１３を介して嵌入していく。
このとき、Ｖ字突起１７に被せられている銅製ガスケット１３は、Ｖ字突起１７の移動に伴ってＶ字溝２１内に徐々に押し込まれていく。

図４に示すように、一方のフランジ１２に形成されているＶ字溝２１の開き角αは、他方のフランジ１１に形成されているＶ字突起１７の開き角βより小さいので、Ｖ字突起１７がＶ字溝２１内にある程度嵌入されると、Ｖ字溝２１の開口端部に形成されている丸み部２３がＶ字突起１７の側面に銅製ガスケット１３を介して当接を開始する。このため、一方のフランジ１２を他方のフランジ１１に対して平行状態を保ちながら更に接近させると、Ｖ字突起１７に載置されている銅製ガスケット１３は、Ｖ字溝２１の開口端部に形成されている丸み部２３でＶ字突起１７側に押圧されながら丸み部２３上を摺動してＶ字溝２１内に押し込まれていく。
そして、Ｖ字溝２１の開口端部に形成されている両丸み部２３がＶ字突起１７の両側面に銅製ガスケット１３を介して当接状態になると、これ以上はＶ字突起１７をＶ字溝２１内に嵌入することができず、他方のフランジ１１に対する一方のフランジ１２の取付けが完了する。

他方のフランジ１１に対して一方のフランジ１２の取付けが終了した時点では、銅製ガスケット１３はＶ字突起１７に被さっている状態になっている。そして、Ｖ字溝２１の開口端部に形成されている両丸み部２３がＶ字突起１７の両側面に当接する位置には大きな押圧が発生しているため、当接箇所においては銅製ガスケット１３がＶ字突起１７及びＶ字溝２１にそれぞれ密着した状態になってシール部が形成される。このため、シール部において、信頼性の高いシールが達成されている。
そして、シール部がＶ字突起１７の先端側から離れた位置、すなわち、Ｖ字突起１７の肉厚部分に形成されることから、大きな力を加えてＶ字突起１７をＶ字溝２１内に嵌入させてもＶ字突起１７の変形を抑制することができ、多数回使用してもシール性が劣化するのを防止できる。更に、Ｖ字突起１７の変形が抑制されることから、各フランジ１１、１２の増し締めが必要な高温環境下においても、安定して使用することが可能になる。

シール部がＶ字溝２１の開口端部に設けられた丸み部２３に相当する位置に形成されているので、使用後に各フランジ１１、１２の締結を解いて各フランジ１１、１２を相互に離脱させると、銅製ガスケット１３はＶ字突起１７側に残ることになる。このため、銅製ガスケット１３を容易に取り外すことができ、銅製ガスケット１３の多数回使用が可能になる。
なお、銅製ガスケット１３を繰り返し使用する際には、対向面側１５を清浄な状態にした他方のフランジ１１はＶ字突起１７に断面Ｖ字状に変形した銅製ガスケット１３を被せるように配置して、対向面側２０を清浄な状態にした一方のフランジ１２をボルトを用いて取付けることになる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能であり、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明の真空シール用フランジ機構を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、ガスケットに銅製のガスケットを使用したが、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル等の容易に変形可能な金属で形成した金属製のガスケットを使用してもよい。

（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係るフランジシール構造の他方のフランジの平面図、及び側断面図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同フランジシール構造の一方のフランジの平面図、及び側断面図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同フランジシール構造に適用するプレス加工前、加工後のリングガスケットの側断面図である。同フランジシール構造において一方のフランジに形成されたＶ字溝にリングガスケットを介して他方のフランジに形成されたＶ字突起が嵌入している状態を示す説明図である。従来例に係る真空シール用フランジ機構の説明図である。他の従来例に係る真空シール用フランジ機構の説明図である。

符号の説明

１０：フランジシール構造、１１：他方のフランジ、１２：一方のフランジ、１３：銅製ガスケット、１３ａ：原リングガスケット、１３ｂ：頂部、１４：裏面側、１５：表面側（対向面側）、１６：開口部、１７：Ｖ字突起、１８：第１の円、１９：ねじ孔、２０：対向面側、２１：Ｖ字溝、２２：第２の円、２３：丸み部、２４：貫通孔

Claims

リング状凹部が形成された一方のフランジに、前記リング状凹部に嵌入するリング状凸部が形成された他方のフランジを、断面Ｖ字状のリングガスケットを介して締結するフランジシール構造において、
前記リング状凹部は、開口端部に徐々に開き角を大きくした丸み部が形成されたＶ字溝であって、前記リング状凸部は、その開き角が前記丸み部を除く前記Ｖ字溝の開き角より大きいＶ字突起であることを特徴とするフランジシール構造。
請求項１記載のフランジシール構造において、前記Ｖ字溝の開き角は２０〜５０度の範囲にあり、前記Ｖ字突起の開き角は前記Ｖ字溝の開き角より２〜１０度の範囲で大きいことを特徴とするフランジシール構造。
請求項１及び２のいずれか１項に記載のフランジシール構造において、前記Ｖ字溝及び前記Ｖ字突起の開き角の頂点で形成される円は、同心かつ同一半径であることを特徴とするフランジシール構造。