JP6424124B2 - 金属シール - Google Patents

Description

本発明は、金属シールに関する。

半導体製造装置の配管接続部等に於て、各種シール材が使用されている。例えば、図６と図７に示すようなゴム製Ｏリング３９とＴ字型横断面の保持部材３８の２部品を組み合せたシール材３６が配管接続部３５に使用されている。つまり、フランジ部４０，４１に対応する２平面４０Ａ，４１Ａ間をゴム製Ｏリング３９にて密封している。保持部材３８は、Ｏリング３９を保持するための弧状凹部３７を有する（特許文献１の図４参照）。
しかしながら、半導体製造装置にあっては、最近、その雰囲気温度（使用流体の温度）が高く設定され、例えば、５００℃にも達する場合がある。このような過酷な高温下では、図６と図７に示したようなシール材３６では、Ｏリング３９がゴム製であるため、耐熱性の面で使用できない。
そこで、このような高温に耐え得るシール材としては、図８に示すような全体を金属のみで作製したＵ型金属シール４２を適用することも本発明者は検討した（特許文献２の図７参照）。

特開平８−２１０５７２号公報 特開２０１３−１５５７６９号公報

しかし、図８に示すような金属シール４２を、図６に示すシール材３６の使用箇所に適用するには、以下のような問題点がある。

即ち、（ｉ）図８に示すようなＵ型金属シール４２を、そのまま、図６に示すフランジ部４０，４１の２平面４０Ａ，４１Ａ間に介装するとすれば、シール４２の軸心とフランジ部４０，４１の（孔の）軸心Ｌ₄₀とが一致しない。つまり、センタリング機能を発揮できず、密封性が得られないときが生じる。（ii）このようなセンタリング機能を備えるには、図８に２点鎖線にて示したように、平行な２平面４０Ａ，４１Ａの内の一方に凹状シール溝４３を切削加工等にて形成する必要があり、フランジ部４１の改造を要する。(iii）Ｕ型金属シール４２は、その強い弾発力によって先端シール突条（突起）４４，４４が相手平面に圧接して密封作用をなすものであるが、既設の、あるいは、従来から多く使用されていた、図６に示すような配管接続部３５に於て、締付ボルトの径と本数、フランジ部４０，４１等の肉厚寸法等は元来のゴム製Ｏリング３９用として、設計されており、２平面４０Ａ，４１Ａの圧接力は（予め）小さく設定されているので、Ｕ型金属シール４２に対する２平面４０Ａ，４１Ａの圧接力も、余りに増大することができない。従って、図８に示したＵ型金属シール４２ではシール性（密封性能）に不安が残る。

そこで、本発明は、上記のような従来のシール材の問題点を解決し、最近の高い雰囲気温度に十分対応でき、しかも真空装置や半導体製造装置や液晶パネル製造装置等の配管接続部のフランジにシール溝の加工をすることなく、（従来のシール材に置き換えて）そのまま使用できる密封性能に優れた金属シールを提供することを目的とする。

本発明に係る金属シールは、相互に平行な２平面間を密封するＵ字型シール部を備え、該Ｕ字型シール部の相互に平行な基部寄り側面から、断面矩形状の係止用膨出部を突設して、センタリング用ガイド部を一体形成したものである。

さらに、上記Ｕ字型シール部の一対の弾性脚片の先端部に第１シール突条が形成され、さらに、上記Ｕ字型シール部の上記基部寄り側面と膨出部の外周面とが直角に交わる隅部に於て、上記基部寄り側面の各々に、上記第１シール突条よりも小さな第２シール突条が形成され、かつ、上記第２シール突条は、上記基部寄り側面と上記外周面とが直角に交わる点よりも上記先端部の方向に分離した位置に於て上記基部寄り側面から突設され、しかも、上記膨出部の外周面側の先端角部に、ガイド勾配面が形成されているものである。
また、上記第２シール突条は、三角山型乃至台形山型の横断面形状に形成されているものである。

本発明の金属シールによれば、密封する平行な２平面にシール溝を凹状に加工せずにセンタリングを行うことができ、従来のシール材からの置き換えが容易に行える。高温域での使用に耐え、最近の半導体製造装置等にも十分適用できる。

本発明の実施の一形態を示した自由状態の断面図である。 図１の要部拡大断面図である。 圧縮使用状態を示す断面図である。 図３の要部拡大断面図である。 作用を説明する要部拡大断面図である。 従来例を示す断面図である。 従来例の要部の拡大断面図であって、（Ａ）は自由状態の拡大断面図であり、（Ｂ）は圧縮使用状態の拡大断面図である。 他の従来例を示す断面説明図である。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
本発明の金属シールＳは、例えば、真空装置や半導体製造装置や液晶パネル製造装置等の配管接続部等に使用される。図３に示す実施形態では、圧縮使用状態で、配管用継手１４の相互に平行な２平面５，６間に介装され、継手１４の内部１０と外部１１とを密封するＵ字型シール部３を備えている。横断面に於て、図１に実線と２点鎖線１８，１８をもって示すように、Ｕ字型シール部３は、底壁部（基部）３Ａと、底壁部３Ａから（ラジアル外方へ）平行状に突設される一対の片持梁状弾性脚片７，７とを、有している。そして、このＵ字型シール部３の相互に平行な基部寄り側面３Ｅ，３Ｅから係止用膨出部４，４を突設して、センタリング用ガイド部Ｇを形成している。
この膨出部４は、略矩形状の横断面を有し、しかも、図３と図４の図例では、全体が円環状の本金属シールは、Ｕ字型シール部３の凹溝１５がラジアル外方向に開口し、全体円環状の膨出部４，４の外周面４Ａ，４Ａをもって、上記センタリング用ガイド部Ｇを構成している。なお、膨出部４，４は、Ｕ字型シール部３の底壁部３Ａを厚み両方向に両出状に形成されていると、言い換えることもできる。

図１に示したように、自由状態に於て、Ｕ字型シール部３は、（後述する第１シール突条１と第２シール突条２を除き、）両側面７Ｅ，７Ｅ，３Ｅ，３Ｅは相互に平行であって、かつ、平坦面１６、１６に形成されている。
本発明に於て、金属シールの材質としては、耐熱性合金をもって構成するのが好ましく、例えば、Ｎｉ基合金とする。なお、図３に例示する配管用継手１４に於て、一対の金属製カップリングのフランジ部１２，１３の軸心直交状端面１２Ａ，１３Ａが、Ｕ字型シール部３によって密封される相互に平行な２平面５，６に相当する。配管用継手１４の内部１０には、例えば、酸素プラズマや酸素ラジカル等の気体（ガス）、又は、液体が流れ、外部１１は大気あるいは他の流体である。配管用継手１４の内部１０の雰囲気は、外部１１の雰囲気より圧力が低い。

図１に示すように、弾性脚片７の先端部７ａには、２平面５，６の各々に接触する第１シール突条１が形成され、かつ、Ｕ字型シール部３の基部寄り側面３Ｅと膨出部４との隅部Ｒに於て、上記側面３Ｅ，３Ｅの各々に第２シール突条２が形成されている。
そして、第２シール突条２は第１シール突条１よりも、突出高さ寸法（及び断面積）が小さく設定され、自由状態で、弾性脚片７，７の先端部７ａ，７ａの第１シール突条１，１相互間の幅寸法Ｗ_１は、第２シール突条２，２相互間の幅寸法Ｗ_２より大きく設定されている。即ち、２平面５，６を次第に接近させてＵ字型シール部３を締付ける際に、先端部７ａ，７ａの第１シール突条１，１に先ず２平面５，６が当接して、弾性脚片７，７が弾性変形し、次に、図４に示すように、２平面５，６が第２シール突条２，２に当接する。
図４に示す圧縮使用状態では、先端部７ａ，７ａの第１シール突条１，１に反発力Ｆ，Ｆが発生し、第１シール突条１，１が反発力Ｆ，Ｆをもって２平面５，６に押し付けられて、２平面５，６間をシール（密封）している。なお、第１シール突条１は、図例では小丸山型の横断面形状であるが、三角山型等としても良い。

図１に示すように、自由状態では、第１シール突条１，１相互間の幅寸法Ｗ_１に対し、第２シール突条２，２相互間の幅寸法Ｗ_２は、例えば、８５％〜９５％程度に設定されている。
第２シール突条２，２相互間の幅寸法Ｗ_２が下限値未満であると、２平面５，６が第２シール突条２，２に当接する時、弾性脚片７，７の弾性変形が過大となる。
第２シール突条２，２相互間の幅寸法Ｗ_２が上限値を超えると、片持梁状弾性脚片７，７の弾性変形が不十分で、反発力Ｆ，Ｆが不足する場合がある。

図２に示すように、第２シール突条２は、小さな三角山型の横断面形状に形成され、Ｕ字型シール部３の基部寄り側面３Ｅに鉛直状乃至急勾配状の起立面２ａを有し、かつ、弾性脚片７の先端部７ａ側（外部１１側）に緩い勾配の傾斜面２ｂを有する不等辺三角形状である。なお、第２シール突条２は、頂部９が切り取られた台形山型の横断面形状としても良い。図例では、第２シール突条２が１つだけ形成されているが、第２シール突条２が２つ以上形成されていても良い（図示省略）。また、第２シール突条２に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｉ等の金属めっき層を被覆形成するも好ましい。（第１シール突条１についても同様である。）

第２シール突条２は、膨出部４の外周面４Ａから頂部９までの長さ寸法Ｌが、０．３ｍｍ〜１．２ｍｍに設定されている。
０．３ｍｍ未満であると、平面５，６と円周上で接触しない部分が出る可能性がある。逆に、１．２ｍｍを超えると、２平面５，６の接近に伴い第１シール突条１が接触して弾性脚片７が（図４のように）弾性変形してゆくが、このような弾性変形に伴って第２シール突条２が平面５，６と遊離してしまう（密封性能を発揮しなくなる）虞れがある。

そして、膨出部４，４の先端角部には、ガイド勾配面８，８が形成されている。
つまり、膨出部４，４のラジアル外方側の先端角部を面取りすることで形成されている。平行な２平面５，６を次第に接近させる際に、フランジ部１２，１３の角部２０，２０にガイド勾配面８，８が誘導案内され、フランジ部１２，１３の軸心に対し本金属シールＳの軸心が一致するようにセンタリングがスムーズに行われる。

上述した本発明の金属シールの使用方法（作用）について説明する。
図４に示すように、圧縮使用状態では、Ｕ字型シール部３が平行な２平面５，６に圧縮され、片持梁状弾性脚片７，７の先端部７ａ，７ａが相互に接近するように弾性変形し、片持梁状弾性脚片７，７の弾発付勢力によって先端部７ａ，７ａの第１シール突条１，１に反発力Ｆ，Ｆが発生し、２平面５，６間をシール（密封）する。従来から使用されていた、図８に例示のシール材３６を、同一の使用箇所にそのまま本金属シールＳを置き換え得るという利点があるが、そのような置き換えのために、弾性的反発力Ｆを、図８のシール材３６のゴム製Ｏリング３９と同等乃至僅かに大きく（例えば、１倍〜４倍）するのが望ましい。そこで、弾性脚片７，７の肉厚寸法Ｔ₇ を小さ目に設定し、あるいはラジアル方向突出寸法を長く設定するのが好ましい。

片持梁状弾性脚片７，７が十分に弾性変形した後、図５に示すように、第２シール突条２が平面５，６に圧接して、副シール（密封）性能を発揮する。
配管用継手１４の内部１０に圧力の高い流体（酸素プラズマや酸素ラジカル等の腐食ガス）が流れ、外部１１が低圧である場合には、第２シール突条２の（鉛直状の）起立面２ａにて内部１０の高い圧力Ｐ_０を受け、外部１１に酸素プラズマや酸素ラジカル等の腐食ガスが漏洩しないように密封する。一方、図示省略するが、内部１０の雰囲気を真空圧とし、外部１１が大気である場合には、第２シール突条２の傾斜面２にて大気圧を受けることとなるが、内部１０の外部１１の圧力差が比較的小さい為、第２シール突条２のシール性は損なわれず、外部１１から内部１０への漏れ量は軽微で済む。
なお、（図示省略するが、）第２シール突条２，２を２つ設けた場合には、より一層確実な密封性能を発揮する。しかも、複数のシール突条２，２とすることで、１つのシール突条２自体が傷付いたり、相手平面５，６に傷が付いたとしても、密封性が維持される。

なお、本発明は、設計変更可能であって、例えば、Ｕ字型シール部３は、弾性脚片７，７の向きをラジアル方向の外方と内方とを入れ替えても良い。即ち、Ｕ字型シール部３の底壁部３Ａから一対の弾性脚片７，７をラジアル内方へ平行状に突設しても良く、膨出部４，４のラジアル内方側先端角部にガイド勾配面８，８を形成し、膨出部４，４の内周面をもってセンタリング用ガイド部Ｇとしても良い（図示省略）。

以上のように、本発明に係る金属シールは、相互に平行な２平面５，６間を密封するＵ字型シール部３を備え、Ｕ字型シール部３の相互に平行な基部寄り側面３Ｅ，３Ｅから、断面矩形状の係止用膨出部４，４を突設して、センタリング用ガイド部Ｇを一体形成した構成であるので、密封すべき平行な２平面５，６にシール溝を加工する必要がなく、従来のゴム部を有するシール材（図８参照）からの置き換えが可能である。
近年、半導体製造装置等に於ける雰囲気温度が上昇してきており、従来のゴム系のシール（図８参照）の耐熱温度を超えることが多くなっているが、フランジ（平面５，６）にシール凹溝等の付加改造を行わずに、そのまま本発明のシールを適用できる。このように本発明のシールは、高温域に対応でき、近年の半導体製造装置等の技術の進歩に大きく貢献するものである。

また、Ｕ字型シール部３の一対の弾性脚片７の先端部７ａに第１シール突条１が形成され、さらに、Ｕ字型シール部３の基部寄り側面３Ｅと膨出部４の外周面４Ａとが直角に交わる隅部Ｒに於て、基部寄り側面３Ｅ，３Ｅの各々に、第１シール突条１よりも小さな第２シール突条２が形成されているので、前述の近年の半導体製造装置等の高い雰囲気温度に対応して、従来のゴム系のシール（図８参照）に置き換えて使用する場合、金属から成る弾性脚片７の弾発力を小さ目に（形状・寸法によって）設定して、平面５，６の押圧力───フランジ部１２，１３の締付力───が、ゴム系のシール（図８参照）の場合に比較して、ほとんど増大しないようにする必要があるが、このように金属から成る弾性脚片７の弾発力を小さ目に設定するということは、第１シール突条１のシール性（密封性能）が低下し、不安定となる虞れがあることに関し、第２シール突条２が副シール（補足的シール）として偉力を発揮し、第１シール突条１と共働して、全体的に安定したシール性（密封性能）を発揮する。
言い換えれば、図８に例示の従来のゴム系シールのシール性（密封性能）を維持しつつ、高圧雰囲気での使用を実現した。

また、膨出部４，４の先端角部に、ガイド勾配面８，８が形成されているので、平面５，６の角部２０，２０によってガイド勾配面８，８が摺接・誘導されて、スムーズかつ確実にセンタリング（位置決め）が行われる。

また、第２シール突条２は、三角山型乃至台形山型の横断面形状に形成されているので、２平面５，６に局部的に極めて高い面圧力にて圧接して、シール性能を十分発揮し、前記副シール（補足的シール）としての役目をなす。

１ 第１シール突条
２ 第２シール突条
３ Ｕ字型シール部
３Ａ 底壁部
３Ｅ 基部寄り側面
４ 膨出部
４Ａ 外周面
５ 平面
６ 平面
７ （片持梁状）弾性脚片
７ａ 先端部
７ｂ 基端部
８ ガイド勾配面
Ｇ センタリング用ガイド部
Ｒ 隅部

Claims (2)

1. 相互に平行な２平面（５）（６）間を密封するＵ字型シール部（３）を備え、該Ｕ字型シール部（３）の相互に平行な基部寄り側面（３Ｅ）（３Ｅ）から、断面矩形状の係止用膨出部（４）（４）を突設して、センタリング用ガイド部（Ｇ）を一体形成し、
   上記Ｕ字型シール部（３）の一対の弾性脚片（７）の先端部（７ａ）に第１シール突条（１）が形成され、さらに、上記Ｕ字型シール部（３）の上記基部寄り側面（３Ｅ）と膨出部（４）の外周面（４Ａ）とが直角に交わる隅部（Ｒ）に於て、上記基部寄り側面（３Ｅ）（３Ｅ）の各々に、上記第１シール突条（１）よりも小さな第２シール突条（２）が形成され、かつ、上記第２シール突条（２）は、上記基部寄り側面（３Ｅ）と上記外周面（４Ａ）とが直角に交わる点よりも上記先端部（７ａ）の方向に分離した位置に於て上記基部寄り側面（３Ｅ）から突設され、
   しかも、上記膨出部（４）の外周面（４Ａ）側の先端角部に、ガイド勾配面（８）が形成されていることを特徴とする金属シール。
2. 上記第２シール突条（２）は、三角山型乃至台形山型の横断面形状に形成されている請求項１記載の金属シール。

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