以下に、本発明の一実施形態に係る接続部シール構造、及び、シール部材ついて図面を参照して説明する。本実施形態では、例えば、半導体製造装置に使用する腐食性のある薬液が流れる第1配管と第2配管との接続部分に、接続部シール構造を適用している。
<接続部シール構造の構成>
図1は、本発明の実施形態に係る接続部シール構造1を示す断面図である。図2は、本発明の実施形態に係る接続部シール構造を分解した断面図である。接続部シール構造1は、第1配管L1の第1接続部2と第2配管L2の第2接続部3とをシールリング5を介して突き合わせて接続することにより、第1流路21と第2流路31とを接続している。シールリング5は、環状をなす。シールリング5の内周面51の内径は、第1流路21と第2流路31の直径と同じである。シールリング5は、第1流路21の第1流路壁21aと第2流路31の第2流路壁31aとの間に内周面51を介在させ、流路の一部を形成する。シールリング5は「シール部材」の一例である。
図1に示すように、第1接続部2の第1流路壁21aとシールリング5の内周面51との間、及び、第2接続部3の第2流路壁31aとシールリング5の内周面51との間に、それぞれ、凹所Sが形成されている。この凹所Sにより、第1接続部2と第2接続部3とを接続する際に流路側への変形によって流路面積が縮小されることが抑制される。凹所Sについては、後述する。
クランプ部材4は、第1接続部2と第2接続部3の外周に図中上下方向から装着されている。クランプ部材4は、第1接続部2と第2接続部3とがシールリング5の反発力によって離間する方向に移動するのを規制し、シール力を維持する。
第1接続部2と第2接続部3とシールリング5とクランプ部材4は、比較的に線膨張率が近い樹脂で形成されている。例えば、200℃を超える高温の薬液と、常温の洗浄液とが交互に流通する場合等に、第1接続部2と第2接続部3とシールリング5とクランプ部材4とで発生する膨張、収縮を同程度にして、シール性能を維持するためである。
第1接続部2と第2接続部3は、例えばPTFEなどのように、耐腐食性と強度に優れたフッ素樹脂で形成されている。第1接続部2と第2接続部3は、異なる材料で形成してもよい。シールリング5は、例えばPFAなどのように、耐腐食性に優れたフッ素樹脂で形成されている。一方、クランプ部材4は、シールリング5の反発力に抗して第1接続部2と第2接続部3の接続状態を維持するために、第1接続部2及び第2接続部3より強度があって、耐腐食性のあるフッ素樹脂で形成されている。
<第1及び第2接続部の構成>
図1及び図2に示すように、第1接続部2は、第1流路21と、第1環状突起22と、第1装着溝23と、第1支持片26と、第1平坦面27と、第1クランプ溝28と、第1係止凸部29とを備える。第2接続部3は、第2流路31と、第2環状突起32と、第2装着溝33と、第2支持片36と、第2平坦面37と、第2クランプ溝38と、第2係止凸部39とを備える。第1接続部2と第2接続部3は、同一形状に設けられている。以下では第1接続部2について説明し、第2接続部3については説明を省略する。なお、第1流路21と第2流路31は「流路」の一例である。第1環状突起22と第2環状突起32は「環状突起」の一例である。第1支持片26と第2支持片36は「支持片」の一例である。第1流路21の第1流路壁21aと第2流路31の第2流路壁31aは「流路壁」の一例である。
第1クランプ溝28は、第1接続部2の外周面に沿って環状に形成されている。そのため、第1接続部2は、フランジ形状に設けられている。第1係止凸部29は、第1接続部2の外周面端部に径方向外向きに突設されている。
第1接続部2は、図中左右方向に沿って第1流路21が形成されている。第1流路21は、図中右側に位置する第1接続端面に開口している。第1流路21は、図中左右方向の軸線に対して直交する断面において、第1流路壁21aが円形状に設けられている。第1環状突起22と第1支持片26と第1装着溝26は、第1接続部2の第1接続端面に、第1流路壁21aと同心円状に設けられている。
第1環状突起22は、第1流路壁21aの径方向外側に第1流路21の図中左右軸線方向に沿って突設されている。第1支持片26は、第1流路壁21aに連続して設けられている。第1支持片26は、第1環状突起22の径方向内側に第1流路壁21aに沿って環状に設けられている。第1装着溝23は、第1環状突起22と第1支持片26との間に設けられている。
図3は、本発明の実施形態に係る接続部シール構造1の分解状態の部分拡大断面図である。図5は図3のD部拡大図である。図3及び図5に示すように、第1支持片26は、第1環状突起22側に位置する面に第1突起側テーパ部26aが設けられ、第1流路21側に位置する面に第1流路側テーパ部26dが設けられている。第1支持片26は、第1環状突起22の基端部22d側(図中左側)に位置する部分26bの径方向肉厚の方が、第1環状突起22の先端部22e側(図中右側)に位置する部分26cの径方向肉厚より大きくされている。つまり、第1支持片26は、第1流路21の図中左右軸線方向に沿って切断した断面の形状が、第1流路21の開口端部側(図中右側の第1接続端面側)に向かって先細りする三角形状となるように、設けられている。
第1流路側テーパ部26dは、第1支持片26の先端面26gと仮想面Uとの交点を起点26eとして、起点26eから第1流路壁21aに向かって、徐々に径が小さくなるように設けられている。仮想面Uは、第1環状壁部53を第1装着溝23に非装着の状態で、直径が第1流路壁21aの直径より0.05mm以上0.3mm以下の範囲で大きく設定され、第1流路壁21aの軸芯を中心に仮想的に形成することが望ましい。つまり、起点26eは、第1流路壁21aから0.025mm以上0.15mm以下の範囲V1で、第1流路壁21aより径方向外側となる位置に設けることが望ましい。起点26eが0.025mmよりも径方向内側に位置する(第1流路壁21aに近づく)と、凹所Sのスペースが不十分となり1流路側テーパ部26d変形を吸収しきれない場合があるからである。一方、起点26eが、第1流路壁21aより0.15mmを超えて径方向外側に位置する(第1流路壁21aから遠くなる)と、凹所Sのスペースが大きくなり、流体が滞留して劣化し易くなるからである。
第1流路側テーパ部26dの軸方向長さV2、すなわち、起点26eから、第1流路側テーパ部26dと第1流路壁21aとの交点となる終点26fまでの長さV2は、0.3mm以上1.0mm以下の範囲で設定されることが望ましい。軸方向長さV2が0.3mmよりも短いと、凹所Sのスペースが不十分となり、第1流路側テーパ部26d変形を吸収しきれない場合があるからである。また、軸方向長さV2が1.0mmよりも大きいと、凹所Sのスペースが大きくなることで、流体が凹所Sに滞留して劣化し易くなるからである。
図3に示すように、第1接続部2は、第1環状突起22の径方向外側に、第1平坦面27が設けられている。第1平坦面27は、第1流路21の図中左右軸線方向に対して直交するように(第1環状突起22の径方向外側に位置する外周面22bに対して垂直に)設けられている。第1平坦面27は、第1環状突起22の圧入量を確保しつつ、第1環状突起22が圧入時に径方向外側に倒れにくくするために、第1支持片26の径方向外側となる領域A内に、設けられている。つまり、第1接続部2は、第1環状突起22の径方向外側に、第1装着溝23のようにシールリング5が装着される外側装着溝が形成されていない。
<シールリングの構成>
図1及び図2に示すように、シールリング5は、径方向に所定の肉厚で設けられた筒形状をなす。シールリング5は、図中左右両端面が対称形状をなす。シールリング5は、図中左端面に、第1環状溝52と、第1環状壁部53と、第1肉厚部57と、第1把持部58とが、内周面51と同心円状に設けられている。シールリング5は、図中右端面に、第2環状溝62と、第2環状壁部63と、第2肉厚部67と、第2把持部68とが、内周面51と同心円状に形成されている。以下では、第1環状溝52側を中心にシールリング5の構成を説明し、第2環状溝62側のシールリング5の構成については説明を省略する。
図3に示すように、第1環状溝52は、シールリング5の図中左端面に、環状に形成されている。第1環状溝52は、内周面51の図中左右軸線方向に沿って形成されている。第1環状溝52は、径方向の溝幅(径方向内側の内側内壁52aと径方向外側の外側内壁52bとの間隔)が第1環状突起22の径方向肉厚(第1環状突起22の径方向内側の内周面22aと径方向外側の外周面22bとの間隔)より小さく、第1環状突起22が圧入される。
第1環状壁部53は、第1環状溝52の径方向内側にシールリング5の図中左右軸線方向に沿って環状の筒形状に設けられ、第1接続部2の第1装着溝23に装着される。第1環状壁部53は、内周面51の径方向外側となる位置に、第1支持片26の第1突起側テーパ部26aに圧接される第1圧接面53aが設けられている。そして、第1環状壁部53は、第1圧接面53aと内周面51との間に、第1連接部53bが設けられている。
図4は、図3のC部拡大図である。第1連接部53bは、第1流路壁21aより径方向外側に凹む凹所S(図1参照)を形成するために、第1圧接面53aより径方向内側で、かつ、内周面51より径方向外側となる位置に設けられている。第1連接部53bは、起点53eから内周面51に向かって、徐々に径が小さくなるように設けられている。
第1連接部53bは、第1圧接面53aと仮想面Mとの交点を起点53eとして、内周面51に向かって形成されている。仮想面Mは、第1環状壁部53を第1装着溝23に非装着の状態で、直径が内周面51の直径より0.05mm以上0.3mm以下の範囲で大きく設定され、内周面51の軸芯を中心に仮想的に形成することが望ましい。つまり、起点53eは、内周面51から0.025mm以上0.15mm以下の範囲N1で、内周面51より径方向外側となる位置に設けることが望ましい。起点53eが0.025mmよりも径方向内側に位置する(内周面51に近づく)と、凹所Sのスペースが不十分となり第1連接部53b変形を吸収しきれない場合があるからである。一方、起点53eが、内周面51より0.15mmを超えて径方向外側に位置する(内周面51から遠くなる)と、凹所Sのスペースが大きくなり、流体が滞留して劣化し易くなるからである。
第1連接部53bの軸方向長さN2、すなわち、起点53eから、第1連接部53bと内周面51との交点となる終点53fまでの長さN2は、0.3mm以上1.0mm以下の範囲で設定されることが望ましい。軸方向長さN2が0.3mmよりも短いと、凹所Sのスペースが不十分となり、第1連接部53b変形を吸収しきれない場合があるからである。また、軸方向長さN2が1.0mmよりも大きいと、凹所Sのスペースが大きくなることで、流体が凹所Sに滞留して劣化し易くなるからである。
第1圧接面53aと第1連接部53bは、傾斜面により凹所S(図1参照)を形成するために、第1連接部53bが内周面51に対して傾斜する第2傾斜角度θ12は、第1圧接面53aが内周面51に対して傾斜する第1傾斜角度θ11より小さくされている。第2傾斜角度θ12は、5度以上15度以下の範囲とすることが望ましい。5度以下では凹所Sのスペースが不足となり第1流路21側への変形を吸収しきれない場合があり、15度以上では、凹所Sのスペースが大きくなり過ぎて、液溜まりや乱流を発生させてしまう場合がある。凹所Sを狭すぎず緩やかに形成するためである。
なお、第1傾斜角度θ11は、第1突起側テーパ部26aが第1流路壁21aに対して傾斜する角度θ21より小さくされている。これにより、第1圧接面53aと第1突起側テーパ部26aとが圧接してシールするシール部は、第1支持片26の肉厚な部分26bの方が第1支持片26の薄肉な部分26cより大きくなる。そのため、第1支持片26は、第1圧接面53aから第1突起側テーパ部26aに作用する径方向内向きの力によって、第1流路21側に変形しにくくなる。
また、図5に示すように、第1流路側テーパ部26dは、第1支持片26の軸方向端面(図中右側の端面)から第1流路壁21aに向かって徐々に径が小さくなるように設けられている。図4に示す第2傾斜角度θ12は、第1流路側テーパ部26dが第1流路壁21aに対して傾斜する角度θ23(図5参照)と同程度にされている。これにより、図1に示すように、第1流路壁21aと内周面51との間に形成される凹所S(図1参照)が緩やかな山形状になり、第1流路壁21aから内周面51へ薬液が円滑に流れるようになる。
図3に示すように、第1環状溝52の開口部には、第1環状突起22を第1環状溝52に対して軸線方向に案内して位置決めする第1位置決め部53cがテーパ状に形成されている。第1位置決め部53cの入口は、径方向幅寸法を第1環状突起22の径方向幅寸法より大きく形成されることによって、第1大径部53dが設けられている。この第1大径部53dにより、図6に示すように、第1環状壁部53と第1装着溝23と第1環状突起22の基端部22dとの間に隙間S1を環状に形成する。隙間S1は、第1接続部2と第2接続部3を引き寄せている間及び引き寄せた後に、第1環状壁部53が第1環状突起22側へ変形することを許容し、第1環状壁部53の反発力を吸収する。なお、第1環状突起22の先端部22eと第1環状溝52の底部との間にも隙間S2が形成され、この隙間S2によっても、第1環状壁部53の反発力が吸収される。
シールリング5は、第1環境溝52の径方向外側に、第1肉厚部57が円筒状に設けられている。第1肉厚部57の径方向肉厚W1は、第1環状壁部53の径方向肉厚W2より大きい。径方向肉厚W1は径方向肉厚W2の1.5倍以上3.5倍以下であることが望ましい。1.5倍未満の場合、第1肉厚部57の剛性力が低下し、第1シール部P1および第2シール部P2(図6参照)の減少によりシール力が不足することがある。一方、3.5倍以上の場合、剛性力が高すぎるため、第1シール部P1および第2シール部P2(図6参照)の増加によりシールリング5の内径側への変形を増加させることがある。なお、図6に示すように、第1シール部P1は、第1環状突起22の径方向内側に位置する内周面22aと、第1装着溝52の径方向内側に位置する内側内壁52aとが圧接してシールする部分をいう。第2シール部P2は、第1環状突起22の径方向外側に位置する外周面22bと、第1装着溝52の径方向外側に位置する外側内壁52bとが圧接してシールする部分をいう。
図3に戻り、第1肉厚部57の図中左側に位置する第1規制面57aは、内周面51(第1環状溝52)の図中左右軸線方向に対して直交するように設けられている。第1規制面57aは、第1環状壁部53の先端部からの距離Bが、第1圧接面53aの図中左右方向の長さより長く、第1圧接面53aより奥側(図中右側)、つまり、第1連接部53bの径方向外側となる位置に設けられている。これにより、第1環状突起22を第1環状溝52に圧入したときに、第1圧接面53aの全体を第1突起側テーパ部26aに当接させることができる。
また、距離Bは領域Aの軸線方向の長さより短くされている。これにより、第1環状突起22を第1環状溝52に圧入したときに、第1規制面57aと第1平坦面27との間に隙間T(図1参照)が形成され、第1接続部2やシールリング5の熱膨張変形等を許容できる。
第1把持部58は、第1規制面57aの外周面端部からシールリング5の図中左右軸線方向に延設されている。第1把持部58は、先端部内周面に、第1接続部2の第1係止凸部29に係止される第1係止爪59が設けられている。
<第1接続部と第2接続部との接続方法について>
続いて、第1接続部2と第2接続部3との接続方法について説明する。まず、例えば、第1接続部2の第1係止凸部29にシールリング5の第1係止爪59を係止させ、第2接続部3の第2係止凸部39に第2係止爪69を係止させることにより、シールリング5を第1接続部2と第2接続部3に脱落しないように仮止めする。この状態では、第1環状突起22と第2環状突起32は、第1環状溝52と第2環状溝62に未到達であるが、第1環状溝52と第2環状溝62に対して同軸上に配置される。
この状態から、第1接続部2の第1引寄溝G1と第2接続部3の第2引寄溝G2に図示しない治具を係合させ、第1接続部2と第2接続部3を引き寄せる。これにより、図1に示すように、第1環状突起22と第2環状突起32が、それぞれ、第1環状溝52と第2環状溝62に圧入されてシールする。シールリング5は、第2環状溝62側が第1環状溝52側と同様にシールするため、以下では、図6を参照しながら、第1環状溝52側のシールについて説明し、第2環状溝62側のシールについては説明を省略する。
図6は、本発明の実施形態に係るシールリング5の変形を説明する図であるシールリング5は、第1シール部P1と第2シール部P2にて第1環状突起22に圧接してシールする。
シールリング5は、第1環状突起22を第1環状溝52に圧入すると、第1環状壁部53の先端部が第1装着溝23に挿入される。これにより、第1環状壁部53の第1圧接面53aが、第1支持片26の第1突起側テーパ部26aに圧接してシールする。このシール部分を「第3シール部P3」とする。
第1環状突起22を第1環状溝52に圧入する際、第1シール部P1には、第1環状突起22の反発力F1が径方向内向きに作用し、第1環状壁部53が先端部を第1流路21側に倒すように変形しようとする。しかし、第1環状壁部53は、第1圧接面53aを第1突起側テーパ部26aに当接させる。第1圧接面53aと第1突起側テーパ部26aが傾斜面で形成されているため、第3シール部P3には、第1環状突起22の先端部22e側に向かって、押圧力F3が発生する。このとき、第1支持片26は、第1環状壁部53により内径側に押し出されるように変形する。しかし、シールリング5は、第1環状突起21から第1環状突起53に径方向内向きの反発力F1が作用しても、第1環状壁部53が第1支持片26の反発力F3に支持され、隙間S1側に向かって変形することで第1流路21側に変形しにくい。
しかし、シールリング5をその軸方向に沿って第1接続部2にさらに圧接させると、第3シール部P3の領域が広がるため、反発力F3が大きくなる。第1接続部2と第2接続部3との間に配置されるシールリング5は、左右両側から加圧されている。そのため、第1環状壁部53には、軸方向(図中左右方向)に圧縮する力が大きく働くようになり、その圧縮変形により第1連接部53b付近が径方向に膨らみ、内径側に押し出されるように変形する。
第1接続部2とシールリング5との間には、第1支持片26に形成した第1流路側テーパ部26dと第1環状壁部53に形成した第1連接部53bにより、第1流路壁21aを延長した仮想線Iより径外方向に凹む凹所Sが第1支持片26の先端部に沿って形成されている。このため、第1支持片26の内径側への変形及び第1環状壁部53の内径側への変形は、その凹所Sに吸収され、変形時に第1流路21側に出っ張る量が抑制される。つまり、流路面積が縮小されにくい。
本実施形態において、第1流路21の直径と内周面51の内径は、0.3mm以上3.5mm以下に設定されている。0.3mmより細くなると、流路抵抗が高くなりすぎて流体制御し難くなる。3.5mmは、内径収縮の影響が特に大きくなり始める内径である。このように第1流路21と内周面51が細く、流路面積が小さい場合でも、シールリング5が、変形時に、凹所Sによって第1流路21側に出っ張る量が抑制されるので、流路面積を縮小させる縮小率を抑制し、シールリング5の変形が流体制御に与える影響を小さくできる。
また、シールリング5は、第1肉厚部57の第1規制面57aと第1接続部2の第1平坦面27との間に隙間Tを形成した状態で、第1環状突起22が第1環状溝52に圧入される。シールリング5は、第1環状突起22の径方向外向きの反発力F2が第2シール部P2に作用する。シールリング5は、第2シール部P2により径方向外側の位置で、反発力F2に対抗する径方向内向きの力を受けていない。しかし、シールリング5は、第1肉厚部57の径方向肉厚W1が第1環状壁部53の径方向肉厚W2より大きく、反発力F2に対する剛性が高くされている。そのため、シールリング5は、第1肉厚部57が反発力F2によって変形しにくく、第2シール部P2のシール力を維持できる。
このようにして、シールリング5を介して接続された第1接続部2と第2接続部3を図示しない治具を用いて接続したら、図1に示すように、第1クランプ溝28と第2クランプ溝38にクランプ部材4を装着する。第1接続部2と第2接続部3は、第1~第3シール部P1~P3に作用するシールリング5の反発力により、図中左右方向に離間しようとする。しかし、クランプ部材4が、第1接続部2の第1クランプ溝28と第2クランプ溝38に係合して第1接続部2と第2接続部3の移動を規制する。よって、シールリング5によるシール力が維持される。
<流体の流れについて>
例えば、接続部シール構造1には、図1に示す第1流路21からシールリング5を介して第2流路31へ、200℃以上の高温の薬液と、常温の洗浄液が流れる。シールリング5は、第1~第3シール部P1~P3にて第1接続部2にシールしている。これと同様に、シールリング5は第2接続部3にシールしている。よって、薬液や洗浄液が第1接続部2と第2接続部3との接続部分から漏れない。
例えば、第1接続部2や第2接続部3やシールリング5は、高温の薬液と常温の洗浄液が流れることで、熱膨張と熱収縮を繰り返す。その変形に伴って、シールリング5は、第1圧接面53aを第1突起側テーパ部26aに対してずらすように第1流路21側へ変形することがある。しかし、シールリング5は、凹所Sによってその変形を吸収されるので、変形時に第1流路21側へ出っ張る量が抑制される。これにより、接続部シール構造1は、流路面積の縮小が抑制され、薬液や洗浄液を安定した流量で流通させることができる。
薬液と洗浄液は、第1流路21から第2流路31へ流れる際に、凹所Sを通過する。凹所Sは、例えば、第1流路側テーパ部26dと第1連接部53bとで形成されている。本実施形態では、第1流路側テーパ部26dが第1流路壁21aにして傾斜する角度θ23と、第1連接部53bが内周面51に対して傾斜する第2傾斜角度θ12は、5度以上15度以下に設定されている。よって、凹所Sは、第1支持片26の先端部を中心とする緩やかな山形状に形成される。これにより、薬液や洗浄液は、滞留や乱流を発生させることなく、凹所Sを通過できる。
シールリング5は、第1肉厚部57の剛性により変形を抑制している。しかし、第1肉厚部57は、径方向内向きに支持されておらず、しかも、第1平坦面57との間に隙間Tが形成されている。そのため、シールリング5は、径方向外向きへ変形することが可能である。よって、シールリング5は、例えば、熱膨張によって第1環状壁部53の圧縮変形度合いを高められた場合でも、その変形を径方向外向きに逃がすことができる。これにより、第1環状壁部53が第1流路21側に変形することを抑制できる。
以上説明したように、本実施形態の接続部シール構造1では、シールリング5が、第1圧接面53aと内周面51との間であって、第1圧接面53aより径方向内側で、かつ、内周面51より径方向外側となる位置に、第1連接部53bが第1圧接面53aから内周面51に向かって徐々に径を小さくするように設けられている。その第1連接部53bにより、第1流路壁21aと内周面51との間には、径方向外側に凹む凹所Sが形成される。シールリング5は、その凹所S周辺で第1環状壁部53が径方向内側に変形することで、第1環状壁部53が第1流路21内に出っ張る量が抑制される。よって、本実施形態の接続部シール構造1によれば、流路面積がシールリング5の変形によって縮小することを抑制できる。
<実施例と比較例との比較>
発明者らは、接続部シール構造のシールリングに発生する面圧を解析するシミュレーションを行った。シミュレーション対象は、図1~図6に示す本実施形態の接続部シール構造1を適用した実施例と、図7~図8に示す従来の接続部シール構造100を適用した比較例である。
まず、比較例について説明する。図7は、比較例の接続部シール構造100を示す断面図である。図8は、比較例の接続部シール構造100の分解状態の部分拡大断面図である。図9は、比較例のシールリング150の変形を説明する図である。
図7に示すように、比較例の接続部シール構造100は、第1接続部120と第2接続部130とをシールリング150を介して接続し、その接続状態をクランプ部材140により維持している。第1接続部120と第2接続部130は、それぞれ、第1環状突起122と第2環状突起132の径方向外側に、第1外側装着溝124と第2外側装着溝134を環状に形成され、第1環状突起122と第2環状突起132の径方向内側に第1装着溝123と第2装着溝133を形成されている。また、第1接続部120と第2接続部130の外周面には、それぞれ、クランプ溝128、138と、係止凸部129,139が設けられている。
そして、図8に示すように、第1接続部120は、第1支持片126の流路側に位置する面が、第1流路側テーパ部26dを形成されず、第1流路壁121aの延長線Ix上に設けられている。そして、シールリング150は、第1環状溝152の径方向内側に第1装着溝123に装着される第1環状壁部153が設けられている。第1環状壁部153は、第1圧接面153aと内周面151とを直接接続している。よって、比較例の接続部シール構造100は、図7に示すように、延長線Ixより径方向外向きに凹む凹所Sが形成されていない。図7に示すように、第2接続部130の第2支持片136とシールリング150の第2環状壁部163も、第1支持片126と第1環状壁部153と同様に構成され、シールリング5と第2接続部130との接続部分に凹所Sが形成されていない。
また、図8に示すように、シールリング150は、第1環状溝152の径方向外側に、第1外側装着溝124に装着される第1外側環状壁部154が設けられている。また、図7に示すように、シールリング150は、第2環状溝162の径方向外側に、第2外側装着溝134に装着される第2外側環状壁部164が設けられている。
図7に示すように、シールリング5は、外縁部に沿って把持部158が設けられ、把持部158の一端に係止凸部169が設けられている。シールリング150は、第1外側環状壁部154と把持部158との間に、第1接続部120の外環状部127が遊嵌される遊嵌溝155が形成されている。また、シールリング150は、第2外側環状壁部164と把持部158との間に、第2接続部130の外環状部137が遊嵌される遊嵌溝165が形成されている。
図8に示すように、シールリング150は、第1環状溝52の径方向外側の肉厚W101が第1環状溝152の径方向内側の肉厚W102と同程度である。さらに、シールリング150は、第1外側環状溝124の第1外側テーパ部124aに圧接する第1外圧接テーパ部154bが、第1外側環状壁部154に設けられている。
図9に示すように、シールリング150は、第1環状突起122が第1装着溝152に圧入されると、第1環状突起122の反発力F1が第1シール部P101に径方向内向きに発生し、第1環状突起122の反発力F102が第2シール部P102に径方向外向きに発生する。しかし、第1環状壁部153は、第1支持片126の押圧力F103が第3シール部P103に対して径方向外向きに作用し、隙間S101側に変形することにより、内径側への変形が抑制される。
ただし、同時に、押圧力F103は第1環状壁部153を軸方向に圧縮する方向にも作用していた。比較例は、第1環状突起122の径方向内側にある隙間S101と、第1環状突起122の先端部側にある隙間S102とで、第1環状壁部153の変形を吸収する。しかし、それでは不十分で、第1環状壁部153が内径方向に膨らむように圧縮変形することがあった。比較例は、実施例のような第1連接部53bが無い。そのために、シールリング150は、第1圧接面153aと内周面151とが接続する接続部分153g付近が第1流路121内に突き出し、流路面積を縮小させる。従来、この接続部分153g付近が内径側に突き出るように変形し、流量が絞られていることは分かっていなかった。また、特に小口径流路ではその悪影響は大きい。大口径流路においても影響度は小さいが問題となることがある。
なお、シールリング150の第1外側環状壁部154は、第1環状突起122の反発力F102が第2シール部P102に作用し、先端部を径方向外向きに移動させるように変形しようとする。しかし、第1外側環状壁部154は、第1外圧接テーパ部154aを第1外側装着溝124の第1外テーパ部124aに圧接させてシールする。このシール部分を「第4シール部P104」とする。第1外側環状壁部154は、径方向内向きの押圧力F104が第4シール部P104に作用することで、径方向外向きの変形が阻止される。また、第1環状突起122と第2装着溝124の内壁との間に形成される隙間S104,S105により、シールリング150の径方向外向きの変形を吸収している。
<面圧・歪解析について>
続いて、実施例のシールリング5と比較例におけるシールリング150に発生する面圧と歪のシミュレーションについて説明する。実施例と比較例について、第1接続部2,120の材質をPTFE、シールリング5、150の材質をPFAとし、第1環状突起22を第1環状溝52に圧入する圧入量を最小にした場合と、最大にした場合について、それぞれ、面圧と歪をシミュレーションした。
図10は、比較例の圧入量最小時の面圧と歪のシミュレーション結果を示す図である。シールリング150は、第1~第3シール部P101~P103に面圧Y111,Y112,Y113が発生し、第4シール部P104に面圧が発生していない。つまり、シールリング150は、第1環状溝152の径方向外側にて、径方向内向きの力が作用していなくても、第1~第3シール部P101~P103に適切なシール力を発生させることができる。
第1接続部120とシールリング150は、第1支持片126が、第1流路壁121aを延長した仮想線Ixを超えて、第1流路121側に張り出すように変形し、第1環状壁部153は流路面積を僅かに縮小させているだけである。
図11は、比較例の圧入量最大時の面圧と歪のシミュレーション結果を示す図である。シールリング150は、第1~第3シール部P101~P103に面圧Y121,Y122,Y123が発生し、さらに第4シール部P104に面圧Y124が発生している。シールリング150は、第1外側環状壁部154の外周面154cが第1外側装着溝124の径方向外側に位置する外周面124cに圧接され、面圧Y125が発生している。なお、第1環状突起122は、左右軸線方向に沿って配置され、径方向外側に変形していない。
第1接続部120とシールリング150は、第1支持片126と第1環状壁部153が、仮想線Ixを大きく超えて、第1流路121側に張り出すように大きく変形し、第1流路121の流路面積を縮小させている。従来は、第1圧接面153aが第1支持片126に当接すると、第1圧接面153aは第1突起側テーパ部126aに沿って隙間S101側に進み隙間S101を埋めるように径方向外側へ変形し、その反力により第1支持片126が径方向内側へ変形する、と考えられていた。しかし、このシミュレーションの結果(特に図11)から、圧入量が大きい場合は、第1環状壁部153が軸方向に圧縮され径方向に膨らみ、第1流路121に張り出すように変形し、第1流路121の流路面積を縮小させることが明らかとなった。
図12は、実施例の圧入量最小時の面圧と歪のシミュレーション結果を示す図である。シールリング5は、第1~第3シール部P1~P3に面圧Y11,Y12,Y13が発生している。シールリング5の第1環状壁部53は、仮想線Iを超えて、第1流路21側に張り出すように変形していない。つまり、シールリング5は、第1流路21の流路面積を縮小させていない。
図13は、実施例の圧入量最大時の面圧と歪のシミュレーション結果を示す図である。シールリング5は、第1~第3シール部P1~P3に面圧Y21,Y22,Y23が発生している。シールリング5は、比較例のような第1外側環状壁部を備えず、第2シール部P2より外側にて第1接続部2に装着されていない。つまり、シールリング5は、第2シール部P2に作用する反発力F2に対抗するように第1接続部2に支持されていない。しかし、シールリング5は、第2シール部P2に面圧Y22が発生している。
シールリング5は、第1支持片26と第1環状壁部53が仮想線Iを超えて変形しているが、その出っ張る量は比較例のシールリング150より小さい。つまり、シールリング5は、シールリング150と比べ、第1流路21の流路面積を縮小させる縮小率が小さい。
上記シミュレーションより、実施例は、比較例より、流路面積の縮小を抑制できることを確認できた。
すなわち、比較例は、第1圧接面153aと内周面151が直接接続されている。そのため、第1圧接面153aが変形すると、第1圧接面153aと内周面151との接続部分153gが直ちに流路側に出っ張り、流路面積を縮小させた。
これに対して、実施例は、第1流路側テーパ部26dと第1連接部53bにより、仮想線Iより径方向外側に凹む凹所Sが、第1支持片26の先端部に沿って形成されている。シールリング5は、第1圧接面53aや連接部53bが内径側に変形しても、第1圧接面53aや第1連接部53bやその接続部分(起点53e)が凹所S内に留まる。またはシールリング5は、凹所Sを超えて変形したとしても、その変形が凹所Sにより相殺され、僅かな出っ張りに収めることができる。
よって、実施例のように、第1連接部53bや第1流路側テーパ部26dをシールリング5に設けることで、シールリング5が変形時に流路側に出っ張る量を抑制し、流路面積を縮小させる縮小率を低減できる。
上記シミュレーションにより、実施例は、比較例の第1外側装着溝124と第1外側環状壁部154を備えず、第1接続部2やシールリング5を比較例の第1接続部120やシールリング150より小さくして、接続部シール構造1を小型化しても、第1~第3シール部P1~P3のシール力を確保できた。
これは、シールリング5は、第1肉厚部57により剛性が高められ、第2シール部P2に径方向外向きの反発力F2が作用しても、第1肉厚部57が変形しにくいためと考えられる。
なお、実施例のように、比較例の第1外側環状壁部154と第1外側装着溝124を省略することで、第1環状壁部53の変形を抑制し、流路面積を縮小させにくくなる。
すなわち、比較例のように、第1外側環状壁部154を第1外側装着溝124に装着し、第1外側環状壁部154の径方向外向きの変形を抑制すると、第1環状突起122と第1支持片126との間で発生した力は、径方向内向きにしか作用しない。よって、シールリング150は、第1環状壁部153に径方向内向きに作用する力によって、第1環状壁部153を流路側にダイレクトに変形させ、流路面積を縮小させる。
これに対して、実施例は、シールリング5の第1肉厚部57が第1接続部2によって径方向内向きに支持されていない。そのため、第1環状突起22と第1支持片26との間で発生した力は、径方向外向きにも作用する。よって、シールリング5は、第1環状壁部53に作用する力を径方向外向きに分散させ、第1環状壁部153を流路側に変形させる変形量を緩和することで、流路面積を縮小させにくくなる。
尚、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。上記実施形態の接続部シール構造1は、半導体製造装置以外の装置に適用してもよい。また。環状突起、支持片、装着溝等は、第1接続部2と第2接続部3の両方でなく、何れか一方だけに設けてもよい。この場合、シールリング5は、環状溝、環状壁部、圧接面、連接部等を両端面でなく、一方の端面にのみ、設けてもよい。
第1接続部2と第2接続部3は、第1配管L1と第2配管L2以外のデバイスに設けられていてもよい。また、第1接続部2と第2接続部3は、異なる種類のデバイスに設けられてもよい。例えば、第1接続部2は配管に設けられ、第2接続部3はバルブのポート開口部に設けられてもよい。
第1流路21と第2流路31の直径は、3.5mmと異なっても差し支えない。第1流路21と第2流路31の直径は、0.3mm以上3.5mm以下であることが望ましい。図14は、流路の直径と流路面積の縮小率との関係を示すグラフである。図14のグラフK1は、接続部同士の接続時に、流路側に0.4mmの変形を生じた場合における流路の直径と流路面積の縮小率との関係を示すグラフである。また、図14のグラフK2は、接続部同士の接続時に、流路側に0.2mmの変形を生じた場合における流路の直径と流路面積の縮小率との関係を示すグラフである。変形量を0.2mmと0.4mmとした理由は、比較例のシミュレーションの結果より変形量は0.2mm付近から多くなり、最大では0.4mm程度となるためで、製品の多くがグラフK1とグラフK2との間の領域J付近に含まれるからである。
図中I11、I21に示すように、流路の直径が3.5mmである付近から、流路面積の縮小率が約10%~23%と高くなる。図中I12、I22に示すように、流路の直径が3.0mmとなる付近ではさらに、流路面積の縮小率が約13%~25%と大きくなり、流路側への変形の影響度合いが高くなる。さらに、図中I13、I23に示すように、流路の直径が2.5mm以上では、流路面積の縮小率が約15%~30%と高くなり、特に流路側への変形の影響度合いが顕著になる。よって、流路の直径の上限値は、3.5mmであることが望ましい。また、流路の直径の上限値は、3.0mmとしてもよい。更に、流路の直径は、2.5mmとしてもよい。流路の直径が小さいほど、流路面積が変形の影響を受ける度合いが高くなるので、凹所Sを設ける効果が顕著になる。また流路の直径の最小値は、流体の流れを確保するために、0.3mm以上とすることが望ましい。また、流路の直径の最小値は、0.5mmや1.0mmとして流路抵抗を減らしてもよい。
図15に示す第1環状壁部253に示すように、第1圧接面253aは、曲率半径が0.8mm以上の円弧状の凸面であってもよい。また、第1圧接面53aは、緩やかな山形状の凸面であってもよい。また、図16に示す第1環状壁部353に示すように、第1圧接面353aは、曲率半径が1.5mm以上の円弧状の凹面等であってもよい。把持部58,68はなくてもよい。
また、図17の第1環状壁部453に示すように、第1連接部53bは、内周面51に対して、5度以上15度以下の範囲内の直線状に傾斜する傾斜面に限らず、この角度の範囲内であれば曲面を含んでもよい。またその範囲は8度~12度であれば、大きな効果が得られる。又、図17に示す第1環状壁部453に示すように、第1連接部453bは、内径方向に凸状に湾曲する凸面であっても良い。その凸面の曲率半径は、4mmまたは5mm以上であっても良い。曲率半径が5mm以下では凹所Sのスペースが不足する恐れがあり、曲率半径が4mm以下ではさらに不足する恐れがある。また、図15に示す第1環状壁部253に示すように、第1連接部253bは、径方向内向きに緩やかな山形状に突出する凸状面により形成してもよい。
又は、図18に示す第1環状壁部553に示すように、第1連接部553bは、径外方向に凹状に湾曲する凹面であってもよい。その凹面の曲率半径は、2.5mm又は3mm以上であってもよい。曲率半径が3mm以下では凹所Sのスペースが大きくなり過ぎ、流体の滞留が起こりやすくなり、曲率半径が2.5mm以下ではさらにその傾向が強くなる。第1連接部53bが、以上の範囲にある凸面あるいは凹面であることで、流体制御に影響を与えないように、第1流路壁21aより径方向外向きに凹む凹所Sを緩やかに形成することができる。なお、第1連接部53bは、径方向外向きに緩やかな山形状となる凹状面により形成してもよい。
仮想面Mは、第1環状壁部53を第1装着溝23に非装着の状態で、直径が内周面51の直径より0.1mm以上0.2mm以下の範囲で設定されてもよい。つまり、起点53eは、内周面51から0.05mm以上0.1mm以下の範囲N1で、内周面51より径方向外側となる位置に設けてもよい。範囲N1は、0.05mm以上0.1mm以下とすれば、0.025mm以上0.15mm以下とする場合よりも、さらに出っ張り防止と滞留防止のそれぞれの効果が得られる。
また、第1連接部53bの軸方向の長さN2は、上記実施形態の0.3mm以上1.0mm以下の範囲外であってもよい。軸方向の長さN2は、0.5mm以上0.8mm以下であれば、0.3mm以上1.0mm以下の場合より、さらに出っ張り防止と滞留防止のバランスがより保たれて効果が得られる。
仮想面Uは、第1環状壁部53を第1装着溝23に非装着の状態で、直径が第1流路壁21aの直径より0.1mm以上0.2mm以下の範囲で設定されてもよい。つまり、起点26eは、第1流路壁21aから0.05mm以上0.1mm以下の範囲V1で、第1流路壁21aより径方向外側となる位置に設けてもよい。範囲V1は0.05mm以上0.1mm以下とすれば、0.025mm以上0.15mm以下とする場合よりも、さらに出っ張り防止と滞留防止のそれぞれの効果が得られる。
また、第1流路側テーパ部26dの軸方向長さV2は、上記実施形態の0.3mm以上1.0mm以下の範囲外であってもよい。一方、軸方向長さV2は、0.5mm以上0.8mm以下の範囲で設定されてもよい。この範囲V2であれば、0.3mm以上1.0mm以下とする場合より、さらに出っ張り防止と滞留防止のバランスがより保たれて効果が得られる。
第1流路側テーパ部26dを省略し、第1支持片26の流路側に位置する面を第1流路壁21aと同じ内径で設けてもよい。また、第1流路側テーパ部26dが第1流路壁21aに対して傾斜する角度θ23は、5度以上15度以下でなくてもよい。また、図19に示す第1支持片226に示すように、第1流路側テーパ部226dは、径方向内向きに凸状に湾曲する凸面により形成してもよい。また、図20に示す第1支持片326に示すように、第1流路側テーパ部326は、径方向外向きに湾曲する凹面により形成してもよい。但し、上記実施形態のように、第1流路側テーパ部26dを第1流路壁21aに対して角度θ23で傾斜するように設けることで、第1支持片26の流路側に、流体制御に与える影響を小さくするように凹所Sを緩やかに形成できる。そして、第1支持片26は、凹所Sを介して変形することで、第1流路21側に出っ張る量が抑制される。
シールリング5は、第1接続部2の第1環状突起22と第2接続部3の第2環状突起32の外側に、比較例のような外側装着溝を形成し、シールリング5の第1環状溝52と第2環状溝62の径方向外側に比較例のような外側装着壁部を設けてもよい。また、第1接続部2と第2接続部3とをシールリング5を介して接続した場合に、シールリング5が第1環状突起22から径方向外向きに受ける反発力を支持する外側支持部を、第1接続部2に設けてもよい。但し、上記実施形態のシールリング5のように、第1環状溝52と第2環状溝62の径方向外側に、第1環状壁部53と第2環状壁部63の径方向の肉厚W2より径方向の肉厚W1が大きい第1肉厚部57と第2肉厚部67を円筒状に設けることで、外側装着溝や外側環状壁部を省略してシールリング5を径方向外側から支持しない場合でも、第2シール部P2のシール力を維持でき、接続部シール構造1をコンパクトにすることができる。
第1平坦面27と第1肉厚部57は、非接触であれば、対向する面が平坦でなくてもよい。
第1接続部2、第2接続部3はPFA、シールリング5は、PTFEであってもよい。又はその他のフッ素樹脂又はフッ素以外の樹脂でもよい。