JP4556205B2

JP4556205B2 - 金属ガスケット

Info

Publication number: JP4556205B2
Application number: JP2003091937A
Authority: JP
Inventors: 秀史柴田; 完治花島
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: US6905125B2; JP2004301159A; US20040188956A1

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、このような金属中空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、通常溶接の際のバリがパイプの内外部に残り、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、図１１に示すように、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字形状の金属ＣリングガスケットＧ_６が使用されている。
【０００６】
また、前記金属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、図１２に示すように、金属チューブを切削加工して製造する断面が略Ｋの字形状の金属リングガスケットＧ_７が使用されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２３５８５４号公報
【特許文献２】
特公平６−５６２１１号公報
【０００８】
【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。
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。この集積化ガスシステムではガス流路を構成するフランジとバルブ、フィルター等の各部品の間にガスケットを入れてボルトで固定するが、ボルトの径が細いため、ボルトに大きな力を加えることができないため、金属ガスケットにはシールに必要な締め付け力の低減が望まれている。
【０００９】
これに対して、特公平６−５６２１１号では、図１３に示したように、金属被覆１，２の内部に金属バネ３を内包し、金属被覆のシール面となる支持面の周方向に突起部分４を設けたバネ入り突起付き金属ＣリングガスケットＧ_８を、また本件出願人の特願２００１−４０１８８０号では、図６に示したように、金属Ｃリングガスケットの表面に環状の突起部分ａ_１を設けた金属ガスケットＧ_５を用いることにより、シールに必要な締め付け力の低減を図ることが行われている。
【００１０】
しかしながら、これら突起付き金属Ｃリングガスケットは使用時に小さな突起部分で集中荷重を発生させることでシール性を確保しているため、突起部分が最適な大きさよりも大きい場合には、フランジのシール面を傷付けシール性が低下することがあり、逆に突起部分が最適な形状よりも小さい場合にはフランジのシール面に対してガスケットが全面で接触することでシールに必要な面圧を維持できないという問題があるが、微小な突起部分の形状を管理することは製造上、非常に困難である。
【００１１】
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、シールに必要な締め付け力が低く、１×１０^−１１Pa・m^３/secHe以下の超高真空度を維持して、同一フランジで繰り返しガスケットを交換してもシール可能なガスケットを提供することを主たる目的としている。
【００１２】
【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の発明による金属ガスケットは、断面が外周側に開口部を持つ横Ｕ字またはコの字形状となる環状の金属ガスケットにおいて、相手面と接触する平坦な相対する２つのシール面の各々の内周側にガスケット中央の肉厚ｔ_０の４０％以上の幅、かつガスケットの高さＨの５％以上の高さを持つ環状の空間を設け、断面を音叉形状としたことを要旨とする。
【００１３】
また、請求項２の発明による金属ガスケットは、締め付けにより相手面と接する部分の肉厚ｔ_１の外周側に向けて肉厚ｔ_１の５０％まで徐々に薄くしたことを要旨とする。
【００１４】
ここで、本発明の金属ガスケットに使用する金属材料としては、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／精錬を行った材料）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、本発明の金属ガスケットの加工方法としては、金属丸棒または金属チューブを切削加工により断面が外周側に開口部を持つ横Ｕ字またはコの字形状に製作した後に段差部分を形成するが、この段差部分は、丸削り、フライス削り、研削またはローレット削り等の材料を切除する周知の機械加工法によるか、または何ら材料を切除しない型鍛造等の方法によって形成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態としては、図１に示すように、切削加工によって作製した断面が外周側に開口部を持つコの字形状となる環状のガスケットＧ_１において、内径をＤ_１、外径をＤ_２、高さＨ、中央肉厚をｔ_０＝０．４〜０．６ｍｍ、相手面と接する部分の肉厚をｔ_１＝０．３〜０．５ｍｍとし、周方向最内部に１つの環状の台形断面の空間Ｖを設け、空間Ｖの相手面と接する側の底面の幅ｗ_１＝０．２〜０．７ｍｍ、空間Ｖの高さｈ_１＝０．１〜０．３０ｍｍに構成する。さらに、前記相手面と接する部分の肉厚を周方向最外部に向けて５０％まで徐々に薄くしたものにしてもよい。
ここで、図５に示すように、内外径Ｄ_１，Ｄ_２は図１と同じで、突起がない従来の金属ＣリングガスケットＧ_４、そして図６に示すように、内外径Ｄ_１，Ｄ_２と高さＨは図１と同じで、台形断面の突起ａ_１を設けた金属ガスケットＧ_５について、締め付け時のＦＥＭ解析を行い、そのガスケットの面圧分布および圧縮曲線を求めた。
【００１７】
図１、図５、図６の形状のガスケットのフランジ接触部分近傍での面圧分布をそれぞれ図７〜図９に、また圧縮復元曲線を図１０に示す。図７〜図９において、斜線部分はガスケットが締め付けられたときの断面形状を表わし、曲線部分はその状態での面圧分布を示している。金属ＣリングガスケットＧ_４はガスケットを締め切った状態において全面で接触し、接触部分の最高面圧は低くなっている。これに対し、断面音叉形状の金属ＣリングガスケットＧ_１は、突起付き金属ＣリングガスケットＧ_５と同様に接触面積が狭く、接触部分の面圧も高いため良好なシール性が維持され、締付時の圧縮荷重も低いことから、低い締め付け力で締め付け可能であると予想される。
このとき、音叉形状はガスケットＧ_１の変形の際に接触部分近傍の体積が内周側の空間に徐々に移動することにより、締付時の圧縮荷重が極端に高くなることなく、高い面圧を維持できるものと考えられる。
【００１８】
また、突起付きのガスケットＧ_５は圧縮の初期では接触部分の面積が極端に狭く、非常に高い面圧となるため、フランジ面を傷める恐れがあったが、音叉形状では圧縮初期の接触面積が突起付きのものに比べて広いため、フランジを傷める恐れもない。
さらに、製造性に関しては突起付きのガスケットＧ_５は凸部の形状を安定して加工することが難しいが、音叉形状では内周側を削る加工のみであるため、加工や特性の管理が容易である。
【００１９】
ここで、前記音叉形状において相手面と接する部分の肉厚は外周側に向かって徐々に薄くすることにより接触部分の面積が少なくなり、面圧を高くすることができるが、相手面と接する部分の肉厚ｔ_１から５０％以上に薄くなると接触部分の寸法の変化に対する接触初期の面圧分布の変化が大きくなりすぎるため、安定したシール性能を維持することが難しくなる。
【００２０】
【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製金属からなる外径φ８．０ｍｍの丸棒を長さ１．７ｍｍに切断し、切削加工によって、外径Ｄ_２＝φ７．２ｍｍ、内径Ｄ_１＝４．６ｍｍ、高さＨ＝１．６０ｍｍ、中央の肉厚ｔ_０＝０．５６ｍｍ、相手面と接する部分の肉厚ｔ_１＝０．３３ｍｍを持った断面コの字形状とし、フランジと接する２つのシール面の周方向最内部に幅ｗ_１＝０．３３ｍｍ、高さｈ_１＝０．１１ｍｍ、面積Ｓ＝０．０３ｍｍ^２の台形断面の空間Ｖを図１に示すような金属ガスケットＧ_１を得る。その後、この金属ガスケットＧ_１に焼鈍、電解研磨を行って、表面硬度２００Ｈｖの金属ガスケットを得る。
【００２１】
実施例２
実施例２は、実施例１と同じ方法で作製し、外径φ８．０ｍｍの丸棒を長さ１．７ｍｍに切断し、切削加工によって、外径Ｄ_２＝φ７．２ｍｍ、内径Ｄ_１＝４．６ｍｍ、高さＨ＝１．６０ｍｍ、中央の肉厚ｔ_０＝０．５６ｍｍ、相手面と接する部分の肉厚ｔ_１＝０．３３ｍｍを持った断面Ｕの字形状とし、フランジと接する２つのシール面の周方向最内部に幅ｗ_１＝０．３３ｍｍ、高さｈ_１＝０．１１ｍｍ、面積Ｓ＝０．０３ｍｍ^２の台形断面の空間Ｖを設け、さらにフランジと接する２つのシール面の周方向外部に向かって幅ｗ_２＝０．９０ｍｍ、高さｈ_２＝０．１２ｍｍ、面積Ｓ＝０．０５ｍｍ^２の三角形断面の空間Ｖ_１を設け、図２に示すような金属ガスケットＧ_２を得る。その後、この金属ガスケットＧ_２に焼鈍、電解研磨を行って、表面硬度２００Ｈｖの金属ガスケットを得る。
【００２２】
実施例３
実施例３は、実施例１と同じ方法で作製し、外径φ８．０ｍｍの丸棒を長さ１．７ｍｍに切断し、切削加工によって、外径Ｄ_２＝φ７．２ｍｍ、内径Ｄ_１＝４．６ｍｍ、高さＨ＝１．６０ｍｍ、中央の肉厚ｔ_０＝０．５６ｍｍ、相手面と接する部分の肉厚ｔ_１＝０．３３ｍｍを持った断面Ｕの字形状とし、フランジと接する２つのシール面の周方向最内部に幅ｗ_１＝０．３３ｍｍ、高さｈ_１＝０．１１ｍｍ、面積Ｓ＝０．０３ｍｍ^２の台形断面の空間Ｖを設け、図３に示すような金属ガスケットＧ_３を得る。その後、この金属ガスケットＧ_３に焼鈍、電解研磨を行って、表面硬度２００Ｈｖの金属ガスケットを得る。
【００２３】
実施例４
実施例４は、実施例１と同じ方法で作製し、外径φ８．０ｍｍの丸棒を長さ１．７ｍｍに切断し、切削加工によって、外径Ｄ_２＝φ７．２ｍｍ、内径Ｄ_１＝４．６ｍｍ、高さＨ＝１．６０ｍｍ、中央の肉厚ｔ_０＝０．５６ｍｍ、相手面と接する部分の肉厚ｔ_１＝０．３３ｍｍを持った断面横Ｕ字形状とし、フランジと接する２つのシール面の周方向最内部に幅ｗ_１＝０．３３ｍｍ、高さｈ_１＝０．１１ｍｍ、面積Ｓ＝０．０３ｍｍ^２の台形断面の空間Ｖを設け、図４に示すような金属ガスケットＧ'_１を得る。その後、この金属ガスケットＧ'_１に焼鈍、電解研磨を行って、表面硬度２００Ｈｖの金属ガスケットを得る。
【００２４】
比較例１
比較例１は、実施例１と同じ方法で作製し、外径φ８．０ｍｍの丸棒を長さ１．９ｍｍに切断し、切削加工によって、外径Ｄ_２＝φ７．２ｍｍ、内径Ｄ_１＝４．６ｍｍ、高さＨ＝１．７８ｍｍ、中央の肉厚ｔ_０＝０．５６ｍｍ、相手面と接する部分の肉厚ｔ_１＝０．４６ｍｍを持った断面横Ｕ字形状とし、図５に示すような金属ガスケットＧ_４を得る。その後、この金属ガスケットＧ_４に焼鈍、電解研磨を行って、表面硬度２００Ｈｖの金属ガスケットを得る。
【００２５】
比較例２
比較例２は、実施例１と同じ方法で作製し、外径φ８．０ｍｍの丸棒を長さ１．７ｍｍに切断し、切削加工によって、外径Ｄ_２＝φ７．２ｍｍ、内径Ｄ_１＝４．６ｍｍ、高さＨ＝１．６０ｍｍ、中央の肉厚ｔ_０＝０．４０ｍｍ、相手面と接する部分の肉厚ｔ_１＝０．３３ｍｍで断面Ｕ字形状のガスケット本体を作り、相手面と接する面に１つの環状の台形断面の突起ａ_１を設け、突起ａ_１の頂部中央をφ５．０ｍｍの位置とし、前記突起のガスケット本体側の底面の幅を０．４ｍｍ、反対側の幅を０．１ｍｍ、突起高さｈを０．１ｍｍとした図６に示すような金属ガスケットＧ_５を得る。その後、この金属ガスケットＧ_５に焼鈍、電解研磨を行って、表面硬度２００Ｈｖの金属ガスケットを得る。
【００２６】
上記実施例１〜４および比較例１〜２の金属ガスケットのシール性を比較するため、ヘリウムリークディテクターを用いてシール試験を行った。
この試験では、図１４に示すように正方形の板状フランジＦ_１，Ｆ_２間に供試体となるガスケットＧを１個装着し、フランジの角隅部に挿入した４本のボルトＢの締付トルクを０．１Ｎｍ／本ずつ対角に段階的に締め付け、ヘリウムの漏れ試験を実施し、漏れが１×１０^−１１Pa・m^３/secHe以下となる締付トルク（シール可能トルク）を求めた。
【００２７】
次に、これらのガスケットの圧縮復元試験を行い、ガスケットの締め切り時の荷重（圧縮荷重）を求めた。その結果を下記表１に示す。なお、実施例４は実施例１の外周部の溝にＲを付け、断面コの字形状を断面横Ｕ字形状にしたことを除いて、上述の実施例１とほぼ同一である。特性についても実施例１とほぼ同一であったため、ここでは詳細に説明することを省略する。また、実施例および比較例の金属ガスケットはいずれも２０回ガスケットを交換しても漏れが発生しないことを確認している。
【００２８】
【表１】

【００２９】
表１から明らかなように、断面が音叉形状を持つ本発明の実施例は、突起がないものに比べてシール可能トルクが低く、かつ圧縮荷重も小さくなり、突起を持つものと比べても遜色がないが、フランジ面との接触部分にさらに空間を設けることにより、さらに低荷重とすることができることが確認された。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明による金属ガスケットは、断面を音叉形状とし相手面と接する面に空間を設けることにより、シールに必要な締め付け力を小さくすることができる。また、突起を設ける場合に要求される微細な加工が必要ないため、製造性や特性の管理が容易にな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ガスケットの縦断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施例を示す金属ガスケットの縦断面図である。
【図５】従来の金属ガスケットの縦断面図である。
【図６】従来の金属ガスケットの縦断面図である。
【図７】本発明の一実施例を示す金属ガスケットの締付時の面圧分布図である。
【図８】従来の金属ガスケットの締付時の面圧分布図である。
【図９】従来の金属ガスケットの締付時の面圧分布図である。
【図１０】本発明の金属ガスケットおよび従来の金属ガスケットの圧縮曲線である。
【図１１】従来の金属ガスケットの縦断面図である。
【図１２】従来の金属ガスケットの縦断面図である。
【図１３】従来の金属ガスケットの縦断面図である。
【図１４】ガスケットのシール試験の概略図である。
【符号の説明】
Ｇ金属ガスケット
Ｇ_１，Ｇ'_１，Ｇ_２，Ｇ_３本発明による金属ガスケット
Ｆ_１，Ｆ_２フランジ
Ｂボルト
Ｄ_１ガスケット本体の内径
Ｄ_２ガスケット本体の外径
Ｈガスケット本体の高さ
ｔ_０ガスケット本体の中央部分の肉厚
ｔ_１ガスケットの相手面と接する部分の肉厚
ｗ_１，ｗ_２設けた空間の相手面と接する部分の幅
ｈ_１，ｈ_２設けた空間の高さ
ａ_１ガスケットの相手面と接する部分の肉厚
１金属バネ
２内側覆い
３外側覆い
４三角形断面の突起

Claims

断面が外周側に開口部を持つ横Ｕ字またはコの字形状となる環状の金属ガスケットにおいて、相手面と接触する平坦な相対する２つのシール面の各々の内周側にガスケット中央の肉厚ｔ_０の４０％以上の幅、かつガスケットの高さＨの５％以上の高さを持つ環状の空間を設け、断面を音叉形状としたことを特徴とする金属ガスケット。
締め付けにより相手面と接する部分の肉厚ｔ_１の外周側に向けて肉厚ｔ_１の５０％まで徐々に薄くしたことを特徴とする請求項１に記載の金属ガスケット。」