JP4668704B2 - Ｏリング及び真空装置用クランプ形継手 - Google Patents

Description

本発明は、Ｏリング及びこれを用いる、高温使用下においてもＯリング割れを生じることがない真空装置用クランプ形継手に関するものである。

従来のＪＩＳ Ｂ ８３６５(ＩＳＯ ２８６１／１)（以下、単に「ＪＩＳ規格」と言う。）で規定される真空装置用クランプ形継手の代表例を図２に示す。真空装置用クランプ形継手１００は、互いに平行な一対の平坦面１１１、１１１を有するカップリング１０１と、カップリング１０１の平坦面１１１、１１１間に介装される外周端が凹面溝１１２のセンターリング１０２と、センターリング１０２の凹溝１１２に嵌合するＯリング１０３とを有し、カップリング１０１の鍔部材１１３をクランプ（不図示）で締付け、カップリング１０１の平坦面１１１、１１１とＯリング１０３の当接面で流体をシールするものである。

真空装置用クランプ形継手１００は、真空配管におけるシールを目的としたものであっても、わずかに内圧（正圧）がかかることがある。内圧が負荷されるとクランプ形継手のＯリングは外側へ拡大し、安定したシール性が発揮できず、流体が漏れることがある。また、最悪の場合、クランプ形継手からＯリングが外れ、シール不能となることがある。このような問題を解消するため、図４に示すように、内圧によるＯリング１０３の外側への拡大を防止するため、Ｏリング１０３の外周にＯリング１０３を嵌み込むようにコ字形状断面の金属製のアウターリング１０５を設置している。このような構造の真空装置用クランプ形継手２００は、真空装置の配管で内圧がかかっても、Ｏリングの外側への拡大を抑制するため、安定したシール性を発揮する。また、近年、クランプ形継手で使用するＯリングの耐熱性が向上しており、真空装置の配管で使用するクランプ形継手を、２００℃以上の高温下で使用する場合がある。
「真空装置用クランプ形継手の形状及び寸法」ＪＩＳ Ｂ ８３６５-１９８８

しかしながら、２００℃以上の高温下において、アウターリングを設置した真空装置用クランプ継手２００を使用すると、Ｏリング１０３の割れが生じ、最悪シール不能となるという問題があった。

従って、本発明の目的は、２００℃以上の高温下で使用しても、Ｏリングの割れを生じることなく、安定したシール性を発揮する真空装置用クランプ継手、これに用いるＯリングを提供することにある。

かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、（１）Ｏリング割れはアウターリングのコ字形状を構成する上下一対の鍔部がＯリングに当たる部分（図４中の符号Ｘ部分）で起きること、（２）２５０℃の高温下での熱膨張係数を考慮した有限要素法（ＦＥＭ）による解析を行ったところ、図４に示すようにＯリングの内部応力分布から、Ｘ部分に最大応力で５４ＭＰａという大きな応力が集中していること、（３）アウターリングである金属の熱膨張係数よりもＯリングであるゴムの熱膨張係数の方が数桁高いため、高温時にＯリングが外周側に大きく拡大し、Ｏリングがアウターリングに強く押しつけられ、アウターリングの鍔部にＯリングが強く当たり、大きな応力集中が発生してＯリングが割れること、（４）従って、アウターリングの一対の鍔部に当接する側にある横断面におけるＯリングの円弧の径が、継手の軸心側にある横断面におけるＯリングの円弧の径より小さくすれば、応力集中を緩和できＯリング割れの問題が解決できること等を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、センターリングの外周端の凹溝に嵌合すると共に、外周がコ字形断面のアウターリングで挟持される真空装置用クランプ形継手に使用されるＯリングであって、該アウターリングに当接する側にある横断面における円弧の径は、継手の軸心側にある横断面における円弧の径の２/５〜７/１０であることを特徴とするクランプ形継手のＯリングを提供するものである。

また、本発明は、前記クランプ形継手のＯリングを組み込んでなる真空装置用クランプ形継手を提供するものである。

本発明の真空装置用クランプ形継手及びこれに用いるＯリングであれば、高温時にＯリングが外周側に大きく拡大し、Ｏリングがアウターリングに強く押しつけられても、大きな応力集中は発生せず、従来問題となっていたＯリング割れが起こらない。また、Ｏリングとアウターリングの嵌合が強固で安定し、アウターリングがＯリングから外れることがない。

次に、本発明の実施の形態におけるＯリング及び真空装置用クランプ形継手を図１を参照して説明する。図１は本例の真空装置用クランプ形継手の一部を拡大した断面図である。図１中、クランプの記載は省略した。また、真空装置用クランプ形継手における「内側」は継手の軸心側を、「外」はその反対側を言い、アウターリングの鍔部における「内側」は一対の鍔部間にある溝方向を言う。

真空装置用クランプ形継手１０は、互いに平行な一対の平坦面１１、１１を有するカップリング１と、カップリング１の平坦面１１、１１間に介装される外周端が凹溝２１のセンターリング２と、センターリング２の凹溝２１に嵌合するOリング３と、Ｏリング３の外周に、Ｏリング３を挟持するように嵌め込まれるアウターリング５を有し、カップリング１が不図示のクランプで締付けられ、カップリング１の平坦面１１、１１とＯリング３の当接面で流体をシールするものである。

センターリング２はＯリング３を固定し、カップリングを組み合わせるときの軸合わせを容易にする働きをするものであり、ＪＩＳ 規格によりその形状が規定されており、凹溝２１を形成するリング部分の厚さ（図中、符号ｔ_１）は ３．９ｍｍである。

本実施の形態例で用いる異形Ｏリング３は、アウターリング５の一対の鍔部５２、５２に当接する側３２（図１中、異形Ｏリングの右半分）にある横断面における円弧３３の径が、継手の軸心側３１（図１中、異形リングの左半分）にある横断面における円弧３４の径より小さいものである。すなわち、図１中、異形Ｏリング３の右半分の横断面における形状は円弧３３と異形Ｏリング３の中心の両側３６、３６を結ぶ略直線３５、３５で形成される外形が滑らかな凸形状を呈している。なお、異形Ｏリング３の高さ（左半分の円弧３４の径）及び幅寸法は同じにする必要はなく、用途によって適宜決定すればよい。

アウターリング５の一対の鍔部５２、５２に当接する側にある横断面における円弧３３の径は、継手の軸心側にある横断面における円弧３４の径の２/５〜７/１０、好ましくは１/２〜２/３とすることが、安定なシール性を発揮するとともに、アウターリング５がＯリング３から外れることない点で好ましい。異形Ｏリング３の右半分の横断面における形状は、図１記載のものに限定されず、例えば異形Ｏリング３の中心の両側３６、３６に近い直線部分が外側にやや膨らんだ形状であってもよい。Ｏリング３の材質は、いわゆるゴム部材であるが、耐熱性の高いフッ素ゴムまたはパーフルオロ・ゴムを用いることが、２００℃以上の高温下の使用においても耐久性を示す点で好ましい。

本発明において、Ｏリング３と組み合わせて用いられるアウターリング５としては、特に制限されないが、Ｏリング３を挟持するように付設されるものであって、外周面を形成する横断面が矩形状の基部５１と、基部５１の上下両側からそれぞれ継手の軸心（図１中の左側）に向かって延出する一対の鍔部５２、５２からなり、鍔部５２、５２の内側（図１中、一対の鍔部５２、５２間にある溝５３側）の形状が、Ｏリング３に向かって凸形状の扇形であることが好ましい。

また、扇形の要、すなわち扇形を構成する円弧の中心ｐは、Ｏリング３の中心とＯリング３とアウターリング５の接点を結んだ延長線上であって、アウターリング５の上下方向の最外側面との交点である。この扇形を構成する円弧の半径ｒは、０．３ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下、好ましくは０．６ｍｍ以上、２ｍｍ以下、更に好ましくは１ｍｍ以上、２ｍｍ以下、特に好ましくは１．３ｍｍ以上、１．７ｍｍである。扇形を構成する円弧の半径ｒが、０．３ｍｍ未満では、高温時に発生する応力集中が大きくなり、Ｏリングの割れの原因となる。また、半径ｒが、２．５ｍｍを超えるとＯリング３の外径Ｄgoとアウタ−リング５の内径Ｄoiとの差Ｓが小さくなり過ぎて、アウターリング５がＯリング３からが外れ易くなる。また、アウターリング５の厚さｔ_０は次式；
ｔ_１−０．２≦ｔ_０≦ｔ_１＋０．４
（式中、ｔ_１は該Ｏリングを嵌合する部位のセンターリングの厚み（ｍｍ）を表す。）の寸法であり、好ましくはｔ_１≦ｔ_０≦ｔ_１＋０．２、特に好ましくはｔ_０＝ｔ_１＋０．１である。アウターリング５の厚さｔ_０が（ｔ_１−０．２）ｍｍ未満では、カップリング１とアウターリング５との間に大きな隙間が発生し、高温時その隙間にＯリング３が入り込み、Ｏリング３の割れの原因となる。また、アウターリング５の厚さｔ_０が（ｔ_１＋０．４）ｍｍを超えると、カップリング１とセンターリング２の間に大きな隙間が発生し、真空シール時にＯリング３が内側に引き込まれ、その隙間にＯリング３が入り込み、その部分に応力集中が発生し、これもＯリング３の割れの原因となる。

鍔部５２、５２の内側の扇形形状は、図１に示す形状以外に、例えばＯリング３との接点近傍が扇形を形成する円弧であればよく、例えば図１中、鍔部５２、５２の内側最先端の角（エッジ）は丸みとなっていてもよい。アウターリング５の材質としては、金属材料であれば特に制限されないが、センターリング２と熱膨張係数が同じか、大きい材料を使用することが好ましく、特にアルミニウム合金とすることが、金属材料のうちでも熱膨張係数が大きい点で好ましい。

真空装置用クランプ形継手１０によれば、アウターリング５がＯリング３から外れることなく、且つ互いに大きな曲率の円弧同士の接触となり、２００℃以上の高温下の使用において発生する熱変形に伴う応力の集中を緩和できる。

次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって本発明を制限するものではない。

図１に示す構造の真空装置用クランプ形継手を作製した。カップリング、センターリング、アウターリングの材質はＳＵＳ３１６Ｌ（熱膨張係数は１６．０×１０^−６／℃）を使用し、Ｏリングの材質は耐熱パーフルオロ・ゴム組成物（熱膨張係数２．６×１０^−４／℃）（「ブレイザーブラック」ニチアス社製）を使用した。また、カップリング、センターリングはＪＩＳ規格の呼び径４０(ＮＷ４０)で規定されている寸法とし、Ｏリングの継手の軸心側にある横断面における円弧の径は５ｍｍ、アウターリングの一対の鍔部に当接する側にある横断面における円弧の径は３．０ｍｍとし、アウターリングの外径はφ５６ｍｍ、鍔部の扇形を形成する円弧の半径は０．５ｍｍ、厚さｔ_０は３．９ｍｍとした。なお、Ｏリングを嵌合する部位のセンターリングの厚みｔ_１（ｍｍ）は３．９ｍｍである。また、Ｏリングとアウターリングの重なり量Ｓは０．５ｍｍとした。得られた真空装置用クランプ形継手は下記の評価項目に従って評価した。その結果を表１に示す。

（ＦＥＭ解析による最大応力及び最大応力が発生する位置の測定）
・温度２５０℃における熱膨張係数を考慮した公知のＦＥＭ解析からＯリングの内部応力の最大値（最大応力）と最大応力が発生する位置を求めた。表中、最大応力の発生位置がアウターリング側（右半分）である場合を「アウター」と表示し、センターリング側（左半分）である場合を「センター」と表示した。
（温度２５０℃におけるＯリングの割れの有無と割れの位置）
・温度２５０℃条件下の耐久試験を行い、２０時間後、真空装置用クランプ形継手を分解して、Ｏリングの割れの有無と割れの位置を観察した。表中、割れがないものを「○」で示し、割れがあったものを「×」で示した。また、割れの位置がアウターリング側（右半分）である場合を「アウター」と表示し、センターリング側（左半分）である場合を「センター」と表示した。
（アウターリングのＯリングからのはずれ易さ）
・耐久試験前のアウターリングとＯリングの嵌合状態について、嵌合状態を維持しアウターリングがＯリングから外れていないものを「○」で表示し、アウターリングがＯリングから外れているもの、あるいは 数回振ったときに外れたものを「×」で表示した。また、数回の試験で「○」と「×」が起こるものを「△」で表示した。

（実施例２、３及び比較例１、２）
Ｏリングの継手の軸心側にある横断面における円弧の径、アウターリングの一対の鍔部に当接する側にある横断面における円弧の径及び重なり量ｓを表１に示す寸法とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。その結果を表１に示す。また、比較例１においては、温度２５０℃における熱膨張係数を考慮した公知のＦＥＭ解析からＯリングの内部応力分布を求めた。その結果を図４に示す。

図４及び表１から明らかなように、実施例１の真空装置用クランプ形継手の場合、ＯリングにＦＥＭ解析による応力集中は観察されず、最大応力値も２５ＭＰａと低かった。一方、比較例１の真空装置用クランプ形継手の場合、ＦＥＭ解析により応力集中が観察され、その最大応力値も実施例１の約２倍の５４ＭＰａと高かった。また、実施例２、３の真空装置用クランプ形継手も実施例１と同様に、応力集中は観察されずアウターリングによるＯリングの割れは発生しなかった。一方、円形断面のＯリングの場合（比較例１）、高温条件下においてＯリングの割れが認められた。また、半円形断面のＯリングの場合（比較例２）、アウターリングがＯリングから外れる傾向にあった。表１から明らかなように、異形リングを使用した真空装置用クランプ形継手は、最大応力値が小さく、実際の割れもなく、且つアウターリングのはずれもなく良好な結果を示した。

本実施の形態例の真空装置用クランプ形継手の一部を拡大した断面図である。 ＪＩＳ Ｂ ８３６５(ＩＳＯ ２８６１／１)で規定される真空装置用クランプ形継手の断面図である。 図２においてアウターリングが設置された従来例である。 温度２５０℃における熱膨張係数を考慮した公知のＦＥＭ解析から求めた比較例１におけるＯリングの内部応力分布を示す。

符号の説明

１、１００、２００ カップリング
２、１０２ センターリング
３ Ｏリング
５、１０５ アウターリング
ｒ アウターリングの扇形を形成する円弧の半径
ｔ_０ アウターリングの厚さ
ｔ_１ センターリングの凹溝部分の厚さ
Ｄoi アウターリングの内径
Ｄgo Ｏリングの外径
５１ アウターリングの基部
５２ アウターリングの一対の鍔部
１０３ Ｏリング

Claims (4)

1. センターリングの外周端の凹溝に嵌合すると共に、外周がコ字形断面のアウターリングで挟持される真空装置用クランプ形継手に使用されるＯリングであって、該アウターリングに当接する側にある横断面における円弧の径は、継手の軸心側にある横断面における円弧の径の２/５〜７/１０であることを特徴とするクランプ形継手のＯリング。
2. 前記アウターリングが、外周面を形成する基部と、該基部の上下両側からそれぞれ継手の軸心に向かって延出する一対の鍔部からなり、該鍔部の内側である該Ｏリングと当接する側の形状が、該Ｏリングに向かって凸形状の扇形であって、該扇形を形成する円弧の半径が０．３ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であり、厚さ（ｔ_０）が次式；
   ｔ_１−０．２≦ｔ_０≦ｔ_１＋０．４
   （式中、ｔ_１は該Ｏリングを嵌合する部位のセンターリングの厚み（ｍｍ）を表す。）の寸法であることを特徴とする請求項１記載のクランプ形継手のＯリング。
3. 請求項１又は２に記載のクランプ形継手のＯリングを組み込んでなることを特徴とする真空装置用クランプ形継手。
4. ２００℃以上の高温下で使用されることを特徴とする請求項３に記載の真空装置用クランプ形継手。