JP4567798B1

JP4567798B1 - 密封構造

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Publication number: JP4567798B1
Application number: JP2009135138A
Authority: JP
Inventors: 隆広假屋; 聡藤堂
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2009-06-04
Filing date: 2009-06-04
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2029-06-04
Also published as: US20100308545A1; KR20100130946A; KR101536588B1; JP2010281385A; US8662504B2

Abstract

【課題】捩れ弾性変形を生ずる金属シールを確実に保持して、簡易かつコンパクトな保持板をもって安定して確実に、その脱落を防止できると共に、従来からのシール溝寸法を変更せずにそのまま使用可能であり、相手平面を傷付けず、締付荷重も適正範囲に保持できる密封構造の提供を目的とする。
【解決手段】金属シールＳの外周面に係止用凹周溝20を形成し、この凹周溝20に係止する爪部23を有する細帯状弾性部10を備えた保持板Ｍにて保持する。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体を密封する構造に関する。

各種流体系に於て、流体機器相互の接続、配管の接続等の部位に各種のシール材が用いられる。例えば、近年の半導体デバイスの製造設備にあっては、各種機器の高精度化・高機能化が進み、使用環境がゴムや合成樹脂製のシール材では、厳しくなっており、高いシール性能（低ガス透過性）、さらには、耐熱性、耐プラズマ性、耐ラジカル性等も要求されるようになっているため適用が困難である。さらに、供給されるガスについても不純物が限りなく少ない高純度のものが要求されるようになってきており、上記ゴムや合成樹脂製のシール材は適さない状況である。
そこで、本出願人は、上述の過酷な要求に対応可能なシール材として、捩れ弾性変形しつつ、相互に平行な２平面間をメタルタッチで密封する金属シールを提案した（例えば、特許文献１参照）。

ところが、このような金属シールには取付作業の際に、装着が困難であったり、脱落する場合がある。特に、金属シールを鉛直面や天井面へ向かって装着せねばならないような場合、金属シールは脱落しやすいという問題がある。そこで、従来から金属シールの脱落防止用保持具が各種提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第４０９１３７３号公報特開平１０−２０９３１２号公報

しかしながら、従来の金属シールの脱落防止用保持具は、以下のような欠点があった。 (ｉ) 金属シールが単純な圧縮変形を起こす場合には適用可能ではあるが、捩れ弾性変形を起こす金属シールを確実に安定して保持することが至難である。 (ii) 金属シールが単純な圧縮変形を起こす場合には適用可能であるが、捩れ弾性変形を起こす金属シールでは、金属シールの捩れ弾性変形を阻害し、金属シールの性能を十分に発揮できない。(iii) 捩れ弾性変形を起こす金属シール用の保持板を付設すると、シール溝の寸法が従来品と相違する場合が多く継手本体等の設計変更を要する。 (iv) 金属シールの捩れ弾性変形に伴い保持板も変形し、保持板が相手平面に干渉し締付荷重の異常を生じ、あるいは、密封性能が低下したり、相手平面を傷つける。 (ｖ) 上記特許文献２に記載の断面Ｃ型の金属リングのように大きな係止用溝部を必要とする。

そこで、本発明は、このような従来の欠点を解消して、捩れ弾性変形を生じて密封作用をなす金属シールに対して、簡易かつコンパクトな保持板をもって安定して確実に、その脱落を防止できると共に、従来からのシール溝寸法を変更せずにそのまま使用可能であり、相手平面を傷付けず、締付荷重も適正範囲に保持できる密封構造の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る密封構造は、外周面に係止用凹周溝を形成した金属シールと、貫通窓部を有する薄板材から成り、該窓部の内周端縁からアキシャル方向及びラジアル方向に弾性変形自在に突設された細帯状弾性部と、該細帯状弾性部に一体に設けられて上記凹周溝に係止する爪部とを、有する保持板と、を具備し、上記金属シールは、相互に平行な一対の平坦面の間に介装される全体環状であって、中間基部と、上記平坦面の一方に当接する第１接触凸部と、上記平坦面の他方に当接する第２接触凸部と、を備え、上記第１接触凸部を内径寄りに、上記第２接触凸部を外径寄りに、夫々突設し、装着圧縮状態にて上記一対の平坦面から受ける押圧力によって上記中間基部を中心に回転する捩れ弾性変形を生ずるブロック型横断面形状であり、しかも、上記外周面のアキシャル方向ストレート部の長さ寸法を、内周面のアキシャル方向ストレート部の長さ寸法よりも大きく設定して、該外周面に於て上記第２接触凸部寄りに上記凹周溝を配設したものである。
また、上記係止用凹周溝は、上記第２接触凸部の横断面積に比べて、十分小さくて、かつ、三角形である。
また、流路孔を有する相互に接続される第１部材と第２部材を備え、該第１部材にシール溝を形成して該シール溝の溝底面をもって上記平坦面の上記一方とすると共に、装着未圧縮状態下で上記金属シールの上記凹周溝が、上記シール溝の開口端側平坦面部よりもアキシャル外方位置に在り、上記保持板は上記開口端側平坦面部に取着されているものである。

本発明によれば、細帯状弾性部が金属シールの弾性変形に柔軟に対応しつつ確実に常に金属シールを保持して、脱落を防止でき、しかも、継手本体等の平坦面に対して干渉せず、平坦面を傷付けず、良好な密封性能を常時発揮できる。また、金属シールに形成すべき係止用凹周溝も小さくて済み、金属シールの横断面積の増加も微小で済み、従来のシール溝の寸法のままで済み、シール溝を有する継手本体等がそのまま使用可能である。また、解体時の取り外し性も優れている。

本発明の実施の一形態の装着未圧縮状態を例示した要部断面図である。図１の要部拡大図である。圧縮状態の要部拡大図である。金属シールの横断面説明図である。保持板の正面図である。図５のａ−ａ断面及び取着方法説明のための断面図である。保持板の右側面図である。図５のｂ−ｂ断面図である。保持板の作用説明図である。実施例を示した金属シールの断面図である。実施例を示した保持板の正面図である。

以下、図示の実施の形態に基づき、本発明を詳説する。
図１〜図３に於て、Ｓは金属シール（メタルシール）であって、ステンレス鋼やばね用鋼やその他の金属から成り、切削や研削あるいは塑性加工等にて作製される。

この金属シールＳは、図１では、円形の流路孔３を有する第１部材１と、この流路孔３と同一軸心Ｌ₀ 上に配設される円形の流路孔４を有する第２部材２の間に、介装される。
第１部材１にシール溝５が凹設（形成）されており、流路孔３の軸心Ｌ₀ と同心円形に、開口端角部を横断面矩形に切欠いてシール溝５が形成される。
この金属シールＳは相互に平行な一対の平坦面11，12の間に介装されるものであり、全体が円形等の環状である。

シール溝５が形成された第１部材１に於て、シール溝５の溝底面６をもって上記平坦面11とする。つまり、第１部材１のシール溝５の開口端側平坦面部７よりも所定深さ寸法Ｈ₅ だけ後退した平面を、第１部材の平坦面11とする。
Ｍは薄板材の打抜加工やレーザーカットにて作製された保持板であり、第１部材１の上記開口端側平坦面部７に（後述する図６に示すように）取着される。

金属シールＳは、上述したように、相互に平行な一対の平坦面11，12の間に介装される全体が閉じた環状であって、横断面形状が矩形状の中間基部13と、一方の平坦面11に当接する第１接触凸部21と、他方の平坦面12に当接する第２接触凸部22と、を有するブロック型である。
第１接触凸部21を内径寄りに偏位させ、第２接触凸部22を外径寄りに偏位させて、各々中間基部13から突設させる。
装着圧縮状態では、（図２から）図３に示すように、一対の平坦面11，12から受ける押圧力によって中間基部13の中心点Ｇを中心に（矢印Ｎのように）回転する捩れ弾性変形を生ずる。

ところで、図例では、第１接触凸部21は略半円形であるのに対し、第２接触凸部22は大き目の略４半円形とする。即ち、図４に示すように、矩形状の中間基部13の短辺13Ａを延伸して、外周面14のアキシャル方向ストレート部15の長さ寸法Ｌ₁₅を、内周面16のアキシャル方向ストレート部17の長さ寸法Ｌ₁₇よりも大きく設定し、この外周面14に於て、第２接触凸部22寄りに断面三角形状の凹周溝20を（切欠状に）形成する。

ところで、保持板Ｍには、図５と図９に示すような小さい山型の爪部23が３個以上（図例では４個）設けられており、この爪部23が金属シールＳの上記凹周溝20に係止して、金属シールＳのシール溝５からの脱落を防ぐように、保持する。
図５〜図９に示すように、薄板材から成る保持板Ｍは、Ｕ字型乃至Ｊ字型の取着脚片８，８を除いて、全体に平板状であり、かつ、略正方形であり、貫通窓部９を中央に有すると共に４角部に締付ボルト用の４個の円形孔24を有する。そして、貫通窓部９は略八角形状として、その内周端縁９Ａから、アキシャル方向Ｙ及びラジアル方向Ｒに弾性変形自在に細帯状弾性部10が突設されている。

この細帯状弾性部10は、対称形として一対配設され、各弾性部10は、両端部10Ａ，10Ａが、上記内周端縁９Ａに一体に連設され、Ｕ字状に弯曲した一対のＵ字部10Ｂ，10Ｂと、ラジアル方向Ｒの外方へ凸状の山型部10Ｃとから成る。
山型部10Ｃの裾部―――山型部10ＣとＵ字部10Ｂとの連結部位―――は、相互に約90°を成し、金属シールＳの円形外周面に接線状に対応し、爪部23は、このように接線状に対応する上記連結部位に、設けられており、図１〜図３に示すように、この爪部23が金属シールＳの凹周溝20に係止する。

そして、図１と図２に示した装着未圧縮状態下で、金属シールＳの凹周溝20が、シール溝開口端側平坦面部７よりも、アキシャル外方位置に在るように、金属シールＳの寸法と形状、及び、シール溝５の深さ寸法Ｈ₅ を、設定する。

図１〜図４で明らかなように、外周面14は十分に大きな長さ寸法Ｌ₁₅のストレート部15を有することで、アキシャル外方位置に凹周溝20（の中心）を十分にアキシャル外方向に配設可能となって、図２の装着未圧縮状態下で、保持板Ｍの細帯状弾性部10は、平面状、又は、図２のようにアキシャル外方向へ弾性的に弯曲状として、凹周溝20に爪部23が係止し、金属シールＳの脱落を阻止する。しかも、この装着未圧縮状態下で、細帯状弾性部10は、図９に示した如くラジアル方向Ｒに十分な弾性変形可能であって、かつ、アキシャル方向Ｙ（図８参照）にも十分に弾性変形可能であるため、図２の各部の寸法誤差等を吸収でき、安定姿勢で確実に、金属シールＳをシール溝５内に保持し、第１接触凸部21を軽く平坦面11（溝底面６）に接触状に保持する。

係止用凹周溝20は、第２接触凸部22の横断面積に比べて、十分小さくて、かつ、三角形であることにより、圧縮時の捩り弾性変形状態の金属シールＳの強度上全く問題がないと共に異常変形をきたすこともない。しかも、図２と図３のように、保持板Ｍの爪部23は確実に保持される。なお、図４（Ａ）のような二等辺三角形に限らず、図４（Ｂ）のような不等辺三角形（直角三角形）に、凹周溝20を形成するも好ましい。

本発明の保持板Ｍはステンレス鋼が好適である。但し、Ｎｉ合金やＣｕ合金やＡｌ合金等の金属材を用いてもよいと共に、耐薬品性等に優れるフッ素樹脂とすることも自由である。保持板Ｍは十分な弾性反発力を有する範囲で肉厚寸法Ｔは薄いのが好ましく、0.08mm〜 1.5mm程度とする。

図６は、保持板Ｍの取着のための構造の一例を示し、図１〜図３とは、上下逆に描いた断面図であって、第１部材１の平坦面部７に、２個の円形孔25，25を有底状に穿設し、他方、保持板ＭにはＵ字型取着脚片８，８を折曲形成しておいて、これを円形孔25へ押込めば、Ｕ字型取着脚片８の弾性変形に伴う弾発力によって、容易に抜け出ないように保持される。即ち、図１と図２に示すように、第１部材１の平坦面部７が、下方へ向いている場合（あるいは図示省略した斜め下方向や水平方向に向いている場合）にあっても、保持板Ｍは、平坦面部７に沿って接触保持される。なお、取着脚片８と円形孔25の個数は、さらに増加することも自由である。

作用（作動）について、さらに説明すれば、図１と図２の未圧縮状態から矢印Ｅ方向に第２部材２を第１部材１に向かって、しだいに接近させてゆくと、図３に示した装着圧縮状態となる。即ち、金属シールＳは、一対の平坦面11，12から受ける押圧力Ｆ₁ ，Ｆ₂ によって中間基部13（中心点Ｇ）を中心に矢印Ｎ方向に回転して、捩れ弾性変形を生ずる。なお、この捩れ弾性変形は、一対の平坦面11，12が分離すれば、図１と図２のような元の状態に復元する。
このように、金属シールＳは、一対の平坦面11，12からの押圧力Ｆ₁ ，Ｆ₂ を巧妙に柔軟に受け止めつつ矢印方向Ｎへ回転する捩れ弾性変形を起こし、塑性変形しないと共に平坦面11，12を傷付けない。

そして、矢印Ｎ方向への回転に伴って、アキシャル方向Ｙへ凹周溝20がシール溝５内方へ微小移動を生ずるが、この凹周溝20に係止した爪部23は、図９に例示したように十分に長い寸法を有すると共に複数の弯曲部を有する細帯状弾性部10に一体に設けられている構成であるので、爪部23は、アキシャル方向Ｙ及びラジアル方向Ｒへ軽快に弾性変形しつつ追従する。

なお、第１部材１と第２部材２とは、図示省略のボルトにて相互に締結される。このボルトの中心線を、図１では一点鎖線26，26をもって示し、図５の円形孔24にこのボルトが挿通される。
なお、所望により、シール溝５を省略することもできるが、そのときには保持板Ｍは、図５〜図８の平板状から、内周縁側と外周縁側とを段差をもって連設した立体形状とするのが良い。

本発明は上述の図示の実施例に限定されず設計変更自由であって、細帯状弾性部10を、３本以上配設してもよい。また、爪部23は各細帯状弾性部10に１個又は３個以上設けても自由である。
本発明では爪部23はアキシャル方向Ｙ及びラジアル方向Ｒに柔軟に軽く、弾性変形自在の細帯状弾性部10と一体として、移動できるので、常に安定して、かつ、確実に金属シールＳを保持可能である。特に、矢印Ｎ方向及び逆方向に捩り弾性変形する金属シールＳに対して、有効に保持機能を発揮できる。

しかも、平坦面11，12に対して、爪部23が接触することがなく、平坦面11，12を傷付けずに済み、かつ、締付荷重が過大となることも防止できる。また、係止用凹周溝20は最小の大きさで済み、金属シールＳの異常変形を生ずることも防止できる。言い換えると、捩り弾性変形する金属シールＳの密封機能を、本発明に係る上述の保持板Ｍは阻害せず、安定して優れたシール性能を発揮する。
また、従来の保持板Ｍを具備しない金属シール用のシール溝５の寸法・形状のままで流用できるという利点もある。また、解体時の取り外し作業性も良好であり、保持板Ｍを容易に取外し及び再取着できる利点もある。さらに、図２と図３のいずれにあっても、金属シールＳのセンターずれが発生せず、図１の軸心Ｌ₀ を中心として保持される。

次に、図10に示したような形状と寸法の金属シールＳを作製し、また、図11に示すような形状と寸法の保持板Ｍを作製して、Ｈｅガスを用いたリーク試験（フード法）とヒートサイクル試験（−10℃⇔ 180℃×３サイクル）を実施した。
テスト結果は、Ｈｅガス洩れは全く検出されず密封性能（シール性能）が良好であることが確認された。

本発明は、以上述べたように、外周面14に係止用凹周溝20を形成した金属シールＳと、貫通窓部９を有する薄板材から成り、該窓部９の内周端縁９Ａからアキシャル方向Ｙ及びラジアル方向Ｒに弾性変形自在に突設された細帯状弾性部10と、該細帯状弾性部10に一体に設けられて上記凹周溝20に係止する爪部23とを、有する保持板Ｍと、を具備する構成であるので、金属シールＳの弾性変形を阻害せず、良好な密封性能（シール性能）を発揮できると共に、金属シールＳの不意の離脱・脱落を防止できる。従って、金属シールＳを天井面や垂直面に取着する場合も、脱落する心配がなく容易に取着（接続）作業が可能となる。例えば、半導体製造装置等に好適であり、ガスの質量流量計等にも利用可能となる。

さらに、保持板Ｍがアキシャル方向Ｙ及びラジアル方向Ｒへ柔軟に変形自在であるので、金属シールＳの弾性変形を阻害せず、密封機能を低下させることが全くなくなる。しかも、シール溝５の形状と寸法を変更せずに、従来のまま流用可能となる。
さらに、保持板Ｍが平坦面11，12等に干渉しないように取着可能となり、平坦面11，12を傷付けることがなく、常に優れた密封性能を発揮できる。また、係止用凹周溝20は小さな寸法で済み、金属シールＳの異常変形を防止できると共に、金属シールＳが安定して保持される。特に、金属シールＳが捩れ弾性変形するようなタイプのものであっても、確実に保持できる。また、全体がコンパクトな寸法で済む。

また、上記金属シールＳは、相互に平行な一対の平坦面11，12の間に介装される全体環状であって、中間基部13と、上記平坦面11，12の一方に当接する第１接触凸部21と、上記平坦面11，12の他方に当接する第２接触凸部22と、を備え、上記第１接触凸部21を内径寄りに、上記第２接触凸部22を外径寄りに、夫々突設し、装着圧縮状態にて上記一対の平坦面11，12から受ける押圧力によって上記中間基部13を中心に回転する捩れ弾性変形を生ずるブロック型横断面形状であり、しかも、上記外周面14のアキシャル方向ストレート部15の長さ寸法Ｌ₁₅を、内周面16のアキシャル方向ストレート部17の長さ寸法Ｌ₁₇よりも大きく設定して、該外周面14に於て上記第２接触凸部22寄りに上記凹周溝20を配設したので、保持板Ｍの爪部23が、一層確実に凹周溝20に係止した状態を維持できる。特に、捩れ弾性変形を生ずるブロック型の金属シールＳに対して、柔軟に弾性変形する細帯状弾性部10の爪部23によって、従来至難であった保持が実現できた。

また、流路孔３，４を有する相互に接続される第１部材１と第２部材２を備え、該第１部材１にシール溝５を形成して該シール溝５の溝底面６をもって上記平坦面11，12の上記一方とすると共に、装着未圧縮状態下で上記金属シールＳの上記凹周溝20が、上記シール溝５の開口端側平坦面部７よりもアキシャル外方位置に在り、上記保持板Ｍは上記開口端側平坦面部７に取着されている構成であるので保持片Ｍがシール溝５と金属シールＳとの間隙に噛み込むようなことを防いで、常にスムースに弾性変形しつつ確実に金属シールＳの凹周溝20に係止して、安定した密封性能を発揮できる。

１第１部材
２第２部材
３流路孔
４流路孔
５シール溝
６溝底面
７平坦面部
９貫通窓部
９Ａ内周端縁
10 細帯状弾性部
11 平坦面
12 平坦面
13 中間基部
14 外周面
15 アキシャル方向ストレート部
16 内周面
17 アキシャル方向ストレート部
20 凹周溝
21 第１接触凸部
22 第２接触凸部
23 爪部
Ｌ₁₅ 長さ寸法
Ｌ₁₇長さ寸法
Ｍ保持板
Ｒラジアル方向
Ｓ金属シール
Ｙアキシャル方向

Claims

外周面（14）に係止用凹周溝（20）を形成した金属シール（Ｓ）と、
貫通窓部（９）を有する薄板材から成り、該窓部（９）の内周端縁（９Ａ）からアキシャル方向（Ｙ）及びラジアル方向（Ｒ）に弾性変形自在に突設された細帯状弾性部（10）と、該細帯状弾性部（10）に一体に設けられて上記凹周溝（20）に係止する爪部（23）とを、有する保持板（Ｍ）と、
を具備し、
上記金属シール（Ｓ）は、相互に平行な一対の平坦面（11）（12）の間に介装される全体環状であって、中間基部（13）と、上記平坦面（11）（12）の一方に当接する第１接触凸部（21）と、上記平坦面（11）（12）の他方に当接する第２接触凸部（22）と、を備え、上記第１接触凸部（21）を内径寄りに、上記第２接触凸部（22）を外径寄りに、夫々突設し、装着圧縮状態にて上記一対の平坦面（11）（12）から受ける押圧力によって上記中間基部（13）を中心に回転する捩れ弾性変形を生ずるブロック型横断面形状であり、しかも、上記外周面（14）のアキシャル方向ストレート部（15）の長さ寸法（Ｌ ₁₅ ）を、内周面（16）のアキシャル方向ストレート部（17）の長さ寸法（Ｌ ₁₇ ）よりも大きく設定して、該外周面（14）に於て上記第２接触凸部（22）寄りに上記凹周溝（20）を配設したことを特徴とする密封構造。
上記係止用凹周溝（20）は、上記第２接触凸部（22）の横断面積に比べて、十分小さくて、かつ、三角形である請求項１記載の密封構造。
流路孔（３）（４）を有する相互に接続される第１部材（１）と第２部材（２）を備え、該第１部材（１）にシール溝（５）を形成して該シール溝（５）の溝底面（６）をもって上記平坦面（11）（12）の上記一方とすると共に、装着未圧縮状態下で上記金属シール（Ｓ）の上記凹周溝（20）が、上記シール溝（５）の開口端側平坦面部（７）よりもアキシャル外方位置に在り、上記保持板（Ｍ）は上記開口端側平坦面部（７）に取着されている請求項１又は２記載の密封構造。