JP6274006B2 - シール構造 - Google Patents

Description

本発明は、相互に締結合体される複数の部材間のシール構造に関する。

圧力容器や真空容器などのシール方法として、一般的には、シール材として、樹脂製のＯリングや金属製のガスケットが用いられる。また、確実なシールには、相互に締結合体される複数の部材間を溶接する方法もある。しかしながら、Ｏリングは容器内部を高圧下や高真空下においた場合に密封対象のリークが懸念される。また、Ｏリングは高温下での使用に適さない。一方、金属製のガスケットは、高温下、高圧下および高真空下におけるガスケット自体の劣化や密封対象のリークは十分に抑制できるものの、シール時の変形に対して復元性がなく、繰り返し使用することはできない。また、溶接によるシールは、相互締結した部材を再び切り離すことができないため、容器内の試料等を交換する場合や、容器内をメンテナンスする場合において適するとは言えない。

この問題を解決する手段として、特許文献１には、上記したようなシール材を用いないフランジ付き管および該管の連結構造が提案されている。このフランジ付き管は、管状部材に開口先端にフランジ部材が嵌合して成り、管状部材の先端がフランジ部材の形状に沿って円錐状に成形されている。そして、第１のフランジ付き管における管状部材の先端（前端縁）を、第２のフランジ付き管における管状部材の円錐状部内面に当接し、両フランジ付き管のフランジ部材同士を接合バンドで締めつけて固定する。このようにして、第１のフランジ付き管と第２のフランジ付き管の間をシールする。

特開２０１０−２０９９２２号公報

しかしながら、このような構成では、第２のフランジ付き管の円錐状部分が、フランジ部材からの抗力を受けながら、第１のフランジ付き管の前端縁の当接による集中した圧力を受ける。よって、第２のフランジ付き管における管状部材の円錐状部分は、金属製のガスケットと同様に、シール時の変形に対して復元性が失われ、繰り返し使用ができなくなる虞がある。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、シール材を用いることなく繰り返し使用可能なシール構造を提供することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

上記目的を達成するために、本発明は、金属製の第１部材（１０，５０）と、金属製の第２部材（２０，４０）とを備え、これら第１部材と第２部材とが互いに締結されることによって外部空間と隔離された収容空間（Ｓ）を形成するシール構造であって、第１部材は、第２部材と当接する第１面（１１，５１）を有し、第２部材は、第１面が当接する第２面を有し、第１部材は、第１面を除く収容空間側の内壁面（１０ｂ）から突出して設けられ、収容空間と外部空間とを隔てるように、第１部材と一体的に形成された環状シール部（１３，５３）を有し、環状シール部は、内壁面との接合部（１３ｂ，５０ａ）と反対の突出先端（１３ａ）が、第１面に対して第２部材側に張り出して形成され、第２面が第１面に当接した場合に、環状シール部は、第２部材に付勢されて線形弾性範囲内で歪んだ状態となることを特徴としている。

これによれば、第１部材と第２部材との間をシールする環状シール部が、第１部材と一体的に形成されているので、ガスケット等のシール材を別途用意する必要がない。また、第１部材と第２部材とが互いに当接した状態において、環状シール部は線形弾性範囲内で付勢された状態であるから、付勢に起因する反力によって第１部材と第２部材とを強くシールすることができる。また、環状シール部は線形弾性範囲内で変形するから、降伏点に至ることがなく、繰り返し使用することができる。

第１実施形態にかかる圧力チャンバの斜視断面図である。 図１に示す領域ＩＩの詳細を示す断面図である。 環状シール部の詳細を示す断面図である。 環状シール部の厚さが均一である場合の応力分布を示す図である。 環状シール部の厚さを突出先端に向かうに伴って薄くした場合の応力分布を示す図である。 環状シール部の厚さを突出先端に向かうに伴って薄くした場合の応力分布を示す図である。 表面粗さを示す図である。 リーク試験の結果を示す図である。 第２実施形態にかかる圧力チャンバの領域ＩＩに相当する部分の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。

（第１実施形態）
最初に、図１を参照して、本実施形態に係るシール構造の概略構成について説明する。

本実施形態に係るシール構造は、例えば、被収容物としての試料を一定の高圧下に置くような圧力チャンバに適用することができる。図１に示すように、この圧力チャンバ１００は、試料を収容する第１部材としての収容容器１０と、収容容器１０に蓋をする第２部材としての蓋部材２０とを備えている。

収容容器１０は、例えば、ステンレス鋼であるＳＵＳ４３０より成る有底円筒形状の部材である。収容容器１０は、開口部１０ａが形成された面である第１面１１と、後に詳述する蓋部材２０とが当接するようになっている。収容容器１０は第１面１１に複数の雌ねじ部１２を有しており、図示しないねじによって収容容器１０と蓋部材２０とが互いに締結される。これにより、収容容器１０における、試料が収容されるべき収容空間Ｓは、外部空間と隔離された空間となる。

収容容器１０は、収容空間Ｓを形成する内壁面１０ｂの一部であって開口部１０ａの外縁部１０ｃに、環状シール部１３を有している。環状シール部１３は、外縁部１０ｃから収容空間Ｓに向かって突出しつつ、外縁部１０ｃに沿って環状に形成されている。なお、環状シール部１３は、全域で蓋部材２０と接触する第１面１１には形成されない。本実施形態における外縁部１０ｃは円形であるから、環状シール部１３は円環状を成している。環状シール部１３の詳細は追って説明する。

蓋部材２０は、収容容器１０の開口部１０ａに蓋をし、外部空間と収容空間Ｓとを隔離する部材である。本実施形態では、蓋部材２０もステンレス鋼であるＳＵＳ４３０より成る。蓋部材２０には、収容容器１０と外部空間とを、図示しないバルブ等を介して繋ぐ配管３０が接続されている。蓋部材２０は、収容容器１０における第１面１１と対向し、蓋部材２０と収容容器１０とが当接される際に第１面１１に接触する第２面２１を有している。本明細書において、第２面２１は、第１面１１と当接する面のみを指し、第２面２１と同一面であっても、開口部１０ａに面する部分は第２面２１に含まない。蓋部材２０には、蓋部材２０を貫通するねじ穴２２が第２面２１に形成されている。図示しないねじは、このねじ穴２２を貫通しつつ雌ねじ部１２にねじ込まれる。これにより、収容容器１０と蓋部材２０とを互いに締結固定する。

次に、図２〜図７を参照して、本実施形態に係る環状シール部１３の詳細構成について説明する。なお、図２では、収容容器１０と蓋部材２０とを締結した状態を実線で示し、両者が締結される前の状態を破線で示している。一方、図３は、外力を受けていない状態の収容容器１０、とくに環状シール部１３の詳細を示す図である。

上記したように、環状シール部１３は、外縁部１０ｃから収容空間Ｓに向かって突出して形成されている。より具体的には、図２に破線で示すように、環状シール部１３は、第１面１１に沿う面よりも底部側に位置する外縁部１０ｃから、開口部１０ａに向かって斜めに突き出ており、その突出先端１３ａが第１面１１に対して蓋部材２０側に位置するようになっている。

これにより、収容容器１０の開口部１０ａを塞ぐように蓋部材２０を配置しようとすると、蓋部材２０は、まず環状シール部１３の突出先端１３ａに接触することになる。蓋部材２０の第２面２１と収容容器１０の第１面１１とを接触させるために、蓋部材２０をさらに押し付けると突出先端１３ａが蓋部材２０から付勢力を受け、環状シール部１３には、環状シール部１３の接合部１３ｂのまわりに回転のモーメントが印加される。接合部１３ｂは収容容器１０に固定されているため、蓋部材２０によって付勢された環状シール部１３は変形する。図２に実線で示すように、環状シール部１３は、第１面１１と第２面２１が完全に接触する状態に至るまで、降伏を生じない線形弾性範囲で歪む。換言すれば、蓋部材２０は、環状シール部１３からバネ弾性によるゼロでない抗力を受けている。

なお、本実施形態において、環状シール部１３に印加される回転にかかる力のモーメントは、図２において紙面反時計回りの方向を向いている。つまり、環状シール部１３が蓋部材２０から受ける付勢力の反力は、紙面時計回りを向いている。前述のように、収容容器１０は圧力チャンバに適用することができ、収容空間Ｓは外部空間よりも高圧となっている。このため、収容空間Ｓと外部空間との圧力差に起因して生じる応力は、接合部１３ｂのまわりにおいて紙面時計回りを向くことになる。

上記したように、本実施形態のような形態においては、蓋部材２０による付勢力に反発する反力と、収容空間Ｓと外部空間との圧力差に起因して生じる応力とが同一の方向を向く。このため、蓋部材２０による付勢力に反発する反力と、圧力差に起因する応力とが逆方向を向く場合に較べて、環状シール部１３が蓋部材２０に密着する際の力が大きくなる。したがって、収容容器１０と蓋部材２０とのシール性を向上することができる。

また、本実施形態における環状シール部１３は、図３に示すように、根元の厚さＤ２が、突出先端１３ａにおける厚さＤ１に較べて薄くなっている。すなわち、Ｄ１＜Ｄ２の関係が成り立っている。なお、Ｄ１およびＤ２については次のように定める。

図３に示すような環状シール部１３の断面において、上底が曲率を有する略台形状を成している。曲率を有する上底とは上記する突出先端１３ａを指している。ここで、第１面１１に平行な仮想線Ｌ１と、この台形を、脚が線対称になるように二分する仮想線Ｌ２とを想定する。突出先端１３ａにおける厚さＤ１とは、環状シール部１３と仮想線Ｌ１との接点Ｐ１を通り、仮想線Ｌ２に直交する線分の長さである。また、根元の厚さＤ２とは、外縁部１０ｃと環状シール部１３との境界を示す点Ｐ２を通り、仮想線Ｌ２に直交する線分の長さである。

発明者は、Ｄ１＝Ｄ２の場合と、Ｄ１＜Ｄ２の場合とで、環状シール部１３に印加される応力のシミュレーションを実施した。このシミュレーションでは、収容容器１０、環状シール部１３および蓋部材２０の構成材料として、いずれもＳＵＳ３１６を想定し、収容空間Ｓの内圧が５ＭＰａであり、蓋部材２０が５ｋＮの力で収容容器１０に一様に押し付けられる条件で実施されている。

図４は、例えばＤ１＝Ｄ２＝２ｍｍとして形成された環状シール部１３、収容容器１０および蓋部材２０の応力分布を示すシミュレーション結果である。図４に示すように、環状シール部１３における外縁や蓋部材２０との接点において、２３５ＭＰａ以上の応力が印加される。このため、ＳＵＳ３０４や、本シミュレーションで想定するＳＵＳ３１６では、降伏応力（略２３４ＭＰａ）を超えてしまい、線形弾性範囲外となる。したがって、Ｄ１＝Ｄ２として形成された環状シール部１３は、初回のシールには問題ないが繰り返して使用するには適さない。

これに対して、例えばＤ１＝１ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍとして形成された環状シール部１３、収容容器１０および蓋部材２０の応力分布を図５に示す。図５に示すように、環状シール部１３に印加される応力は、蓋部材２０との接点近傍を除き、最大で略１６０ＭＰａである。このため、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６であっても、線形弾性範囲を超えることはなく、蓋部材２０の押し付けに対して環状シール部１３が弾性変形することができる。したがって、シール時の変形に対して復元性が保ったまま、繰り返し使用することができる。

なお、環状シール部１３と蓋部材２０との接点近傍では、応力が略２４０ＭＰａに達するため、構成材料としてＵＳ３０４やＳＵＳ３１６を用いる場合では、突出先端１３ａが塑性変形する虞がある。突出先端１３ａが塑性変形しても、環状シール部１３をシール材として繰り返し使用することは可能だが、突出先端１３ａの摩耗は収容空間Ｓ内のリークの原因となりうる。よって、環状シール部１３は、降伏応力がＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６に較べて大きいＳＵＳ４３０（降伏応力：略３２７ＭＰａ）を構成材料とすることが好ましい。

図６は、収容容器１０、環状シール部１３および蓋部材２０の構成材料として、いずれもＳＵＳ４３０を想定し、Ｄ１＝１ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍとして形成された環状シール部１３、収容容器１０および蓋部材２０の応力分布をシミュレーションした結果である。すなわち、図６は、図５に示したシミュレーション結果を得た条件に対して、構成材料をＳＵＮ３１６からＳＵＮ４３０に変更してシミュレーションした結果を示している。これによれば、環状シール部１３に印加される応力は、蓋部材２０との接点近傍を除き、最大で略１５０ＭＰａであり、線形弾性範囲を超えることはない。また、蓋部材２０との接点近傍の応力は、略２４０ＭＰａであり、線形弾性範囲を超えることはない。以上のように、環状シール部１３の構成材料をＳＵＳ４３０とすることにより、突出先端１３ａを含めた全体において、線形弾性範囲で環状シール部１３を弾性変形させることができる。したがって、シール時の変形に対して復元性が保ったまま、繰り返し使用することができる。

さらに、環状シール部１３における蓋部材２０との接触面、もしくは、蓋部材２０における環状シール部１３との接触面は、表面粗さの低減を目的に鏡面加工されていることが好ましい。本実施形態では、蓋部材２０における環状シール部１３との接触面が鏡面加工されている例について説明する。

発明者は、研磨材としてアルミナを用いて、蓋部材２０における環状シール部１３との接触面を研磨した。研磨は、ダイヤシートを用いて手動により行われ、その結果、研磨された面は鏡面状態となる。図７は、研磨された面の表面粗さを示すグラフである。なお、図７における横軸は、環状シール部１３が接触する円周状の部分における位置を示す。一方、縦軸は、ゼロ度の位置における高さをゼロとした場合の相対高さである。図７によれば、高さのピーク対ピークは０．２９７μｍであった。蓋部材２０における環状シール部１３との接触面を研磨して表面粗さを低減することにより、蓋部材２０と環状シール部１３との間の隙間を小さくすることができ、よりシール性を向上させることができる。

次に、図８を参照して、リーク試験の結果について説明する。

発明者は、相対高さのピーク対ピークを０．２９７μｍとした状態で、収容容器１０、環状シール部１３および蓋部材２０の構成材料としていずれもＳＵＳ４３０を採用し、Ｄ１＝１ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍとして試作したシール構造において、リーク試験を実施した。

リーク試験の一つは、収容空間Ｓを空気で満たすことによって大気圧に対して正圧とし、経過時間に対する収容空間Ｓ内の圧力変化を確認するものである。発明者は、収容空間Ｓ内の初期圧力を０．６２ＭＰａとして、１００００分の間、収容空間Ｓの圧力を測定した。結果、圧力測定器に起因する誤差を除く圧力変化は確認されなかった。すなわち、収容空間Ｓの封入された空気はリークすることなく、本実施形態におけるシール構造が有効であることを示している。

リーク試験の他の一つは、高温高圧下におけるシール性を評価するものである。発明者は、収容空間Ｓに液体の水を入れ、この水を含む圧力チャンバ１００の質量を測定し、水の温度が２７０度に達した時点で圧力チャンバ１００の質量を測定した。結果、加熱前の質量１４３８．５ｇに対して、加熱後の質量は１４３８．２ｇであり、質量変化が見られないことから、本実施形態におけるシール構造が有効であることを示している。また、図８に示すように、収容空間Ｓ内の圧力の温度依存性も、実測値（実線）は、リークを想定しない理論値（破線）とほぼ一致するものであり、本実施形態におけるシール構造が有効であることを示している。

以上説明したように、本実施形態における環状シール部１３は、収容容器１０に一体的に形成されるものであり、且つ、蓋部材２０から受ける付勢力に対して線形弾性範囲で歪んだ状態となることにより、収容空間Ｓと外部空間とを隔離するように構成されている。したがって、従来のガスケット等のシール材を用いることなく、繰り返し使用可能なシール構造を提供するものである。

（第２実施形態）
第１実施形態では、収容容器１０が環状シール部１３を有する例について示したが、蓋部材２０が環状シール部１３を有する構成としてもよい。すなわち、図９に示すように、本実施形態における圧力チャンバ２００は、試料を収容する第２部材としての収容容器４０と、収容容器４０に蓋をする第１部材としての蓋部材５０とを備えている。そして、第１部材である蓋部材５０が環状シール部５３を有している。

より具体的には、本実施形態における蓋部材５０は、収容容器４０に当接しない面５０ａ（以降、接合部５０ａとも称する）から突出した環状シール部５３を有している。この環状シール部５３は、収容空間Ｓ側に傾いて形成されており、収容容器４０と蓋部材５０とが締結固定された状態において、線形弾性範囲を超えないように弾性変形するようになっている。

収容容器４０は、第１実施形態と同様に、有底円筒形状の容器である。この収容容器４０は、図９に示すように、蓋部材５０に当接する面４１（特許請求の範囲における第２面に相当）と、面４１に対して段違いに形成されたマージン面４０ａと、を有している。

これにより、収容容器４０の開口部を塞ぐように蓋部材５０を配置しようとすると、前述の環状シール部５３は、まずマージン面４０ａに接触することになる。第１面に相当する、蓋部材５０の面５１と収容容器４０の面４１とを接触させるために、蓋部材５０をさらに押し付けると、環状シール部５３が収容容器４０から付勢力を受け、環状シール部５３には、環状シール部５３の接合部５０ａのまわりに回転のモーメントが印加される。接合部５０ａは蓋部材５０に固定されているため、収容容器４０によって付勢された環状シール部５３は変形する。図９に実線で示すように、環状シール部５３は、第１面５１と第２面４１が完全に接触する状態に至るまで、降伏を生じない線形弾性範囲で歪む。換言すれば、収容容器４０は、環状シール部５３からバネ弾性によるゼロでない抗力を受けている。

なお、本実施形態において、環状シール部５３に印加される回転にかかる力のモーメントは、図９において紙面時計回りの方向を向いている。つまり、環状シール部５３が収容容器４０から受ける付勢力の反力は、紙面反時計回りを向いている。この収容容器４０および蓋部材５０も、第１実施形態と同様に、圧力チャンバに適用することができ、収容空間Ｓは外部空間よりも高圧となっている。このため、収容空間Ｓと外部空間との圧力差に起因して生じる応力は、接合部５０ａのまわりにおいて紙面反時計回りを向くことになる。

上記したように、本実施形態のような形態においては、収容容器４０による付勢力に反発する反力と、収容空間Ｓと外部空間との圧力差に起因して生じる応力とが同一の方向を向く。このため、収容容器４０による付勢力に反発する反力と、圧力差に起因する応力とが逆方向を向く場合に較べて、環状シール部５３が収容容器４０に密着する際の力が大きくなる。したがって、収容容器４０と蓋部材５０とのシール性を向上することができる。

なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、収容容器４０、蓋部材５０および環状シール部５３の構成材料にＳＵＳ４３０を採用すれば、環状シール部５３をより確実に、降伏を生じない線形弾性範囲内で変形させることができる。

また、環状シール部５３における収容容器４０との接触面、もしくは、収容容器４０における環状シール部５３との接触面は、表面粗さの低減を目的に鏡面加工されていることが好ましい。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

上記した各実施形態では、表面粗さを低減する目的の研磨を、環状シール部（１３，５３）が当接する相手側の面に施す例を示したが、環状シール部（１３，５３）における接触面に施してもよい。

また、上記した各実施形態では、収容容器（１０，４０）の収容空間Ｓが大気圧に対して正圧となる例について説明したが、この限りではない。このシール構造は、収容空間Ｓが大気圧に対して負圧となる真空チャンバにも適用することができる。この場合、環状シール部（１３，５３）は、第２部材による付勢力に反発する反力と、収容空間Ｓと外部空間との圧力差に起因して生じる応力とが、同一の方向を向くように、突出方向が設定されることが好ましい。

１０…収容容器
２０…蓋部材
１３…環状シール部
１００…圧力チャンバ

Claims (7)

1. 金属製の第１部材（１０，５０）と、金属製の第２部材（２０，４０）とを備え、これら前記第１部材と前記第２部材とが互いに締結されることによって外部空間と隔離された収容空間（Ｓ）を形成するシール構造であって、
   前記第１部材は、前記第２部材と当接する第１面（１１，５１）を有し、前記第２部材は、前記第１面が当接する第２面を有し、
   前記第１部材は、前記第１面を除く前記収容空間側の内壁面（１０ｂ）から突出して設けられ、前記収容空間と前記外部空間とを隔てるように、前記第１部材と一体的に形成された環状シール部（１３，５３）を有し、
   前記環状シール部は、前記内壁面との接合部（１３ｂ，５０ａ）と反対の突出先端（１３ａ）が、前記第１面に対して前記第２部材側に張り出して形成され、
   前記第２面が前記第１面に当接した場合に、前記環状シール部は、前記第２部材に付勢されて線形弾性範囲内で歪んだ状態となることを特徴とするシール構造。
2. 前記環状シール部は、前記内壁面との接合部の厚さ（Ｄ２）が、前記突出先端の厚さ（Ｄ１）よりも厚くされることを特徴とする請求項１に記載のシール構造。
3. 前記環状シール部は、前記第２部材による付勢力に反発する反力と、前記収容空間と前記外部空間との圧力差に起因して生じる応力とが、同一の方向を向くように形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシール構造。
4. 前記環状シール部における前記第２部材との接触面、もしくは、前記第２部材における前記環状シール部との接触面は、表面粗さを低減するために鏡面加工されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシール構造。
5. 前記第１部材は、構成材料としてＳＵＳ４３０が用いられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のシール構造。
6. 一面が開口し被収容物を収容する収容空間を有する、前記第１部材としての収容容器（１０）と、
   前記収容容器の開口を蓋する前記第２部材としての蓋部材（２０）と、を備え、
   前記環状シール部（１３）は、前記第１部材における前記開口の縁形状に沿って設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシール構造。
7. 一面が開口し被収容物を収容する収容空間を有する、前記第２部材としての収容容器（４０）と、
   前記収容容器の開口を蓋する前記第１部材としての蓋部材（５０）と、を備え、
   前記環状シール部（５３）は、前記第２部材における前記開口の縁形状に沿って、前記第１部材に設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシール構造。

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