JP7432236B2 - フランジ継手 - Google Patents

Description

本発明は、対向するフランジがガスケットを挟んで連結されたフランジ継手に関する。

管と管の接続や管末端の閉止は、ガスケットを挟んだ対となるフランジを連結することによってシール性が確保され、その具体例が特許文献１、２に開示されている。特許文献１、２に開示された例では、対向するフランジが、それぞれに形成されたナイフエッジを、フランジ間に配置されたガスケットに食い込ませた状態で連結される。これによって、外部から管内への物質の進入や管内の流体の外部への漏れを防止して、例えば、管内に設けられた真空環境を維持することができる。そして、特許文献２には、一方のフランジに１つのナイフエッジを設け、他方のフランジに２つのナイフエッジを設けてシール性を向上させる旨が開示されている。

特開平６－２０７６９１号公報 特開平２－１１７６６号公報

ところで、ガスケットは消耗品であり、気密性が保てなくなる前に新しいものに交換される必要があることから、ガスケットは寿命が長いことが望まれる。例えば、主成分が銅のガスケットの場合、銅の純度が高いものは高額であり、ガスケットの交換回数が増えると経済的負担が大きくなる。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、ガスケットの使用期間を延ばすことが可能なフランジ継手を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係るフランジ継手は、それぞれ中心が仮想軸上に配されて連結された第１、第２のフランジと、対向する前記第１、第２のフランジに挟まれたガスケットとを有するフランジ継手において、前記第１のフランジは、前記ガスケットの一側に押し当てられたナイフエッジＪを具備し、前記第２のフランジは、前記ガスケットの他側に押し当てられたナイフエッジＰ、Ｑを備え、前記ナイフエッジＪ、Ｐ、Ｑから前記仮想軸までの距離をそれぞれｊ、ｐ、ｑとして、該ナイフエッジＪ、Ｐ、Ｑは、ｐ＜ｊ＜ｑとなる位置に設けられ、前記ナイフエッジＪは、前記第１のフランジの周方向に全周に渡って形成され、前記ナイフエッジＰ、Ｑは、一方が前記第２のフランジの周方向に全周に渡って形成された連続型ナイフエッジであり、他方が前記第２のフランジの周方向に間隔を空けて設けられ、それぞれ前記ガスケットに接触した複数の突起を有する不連続型ナイフエッジであり、前記ナイフエッジＪの周方向の長さ、前記連続型ナイフエッジの周方向の長さ、前記不連続型ナイフエッジの前記複数の突起の該第２のフランジの周方向の長さの合計をそれぞれＬｊ、Ｌ１、Ｌ２として、０．８×（Ｌ１＋Ｌ２）≦Ｌｊ≦１．５×（Ｌ１＋Ｌ２）が成立する。

本発明に係るフランジ継手は、ナイフエッジＪ、Ｐ、Ｑから仮想軸までの距離をそれぞれｊ、ｐ、ｑとして、ナイフエッジＪ、Ｐ、Ｑが、ｐ＜ｊ＜ｑとなる位置に設けられている。ここで、ガスケットの径方向の異なる位置には、ナイフエッジＪ、Ｐ、Ｑのガスケットへの押し当てによってそれぞれ溝（圧痕）が形成されることとなる。溝が形成されたガスケットを反転させて第１、第２のフランジに挟んだ状態では、ナイフエッジＪ、Ｐ、Ｑが、ガスケットに形成されている各溝とは別の領域でガスケットに接触する。よって、本発明に係るフランジ継手は、ガスケットを反転させて使用することにより、新たにシール性を確保でき、ガスケットの使用回数を増やすこと、即ち、ガスケットの使用期間を延ばすことが可能である。

本発明の一実施の形態に係るフランジ継手の説明図である。 （Ａ）は第１のフランジの正面図であり、（Ｂ）は図２（Ａ）の一部省略ＣＣ’矢視断面図である。 （Ａ）は第２のフランジの正面図であり、（Ｂ）は図３（Ａ）の一部省略ＤＤ’矢視断面図である。 本発明の一実施の形態に係るフランジ継手においてガスケットを反転させた状態を示す説明図である。 （Ａ）は変形例に係る第２のフランジの正面図であり、（Ｂ）は図５（Ａ）の一部省略ＥＥ’矢視断面図である。 第２のフランジを取り外した真空チャンバーの外観図である。 図６の一部省略ＦＦ’矢視断面図である。 第２のフランジを第１のフランジに固定した状態の真空チャンバーの外観図である。 図８の一部省略ＧＧ’矢視断面図である。 フランジ継手のシール性を検証した実験結果を示す説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２（Ａ）、（Ｂ）、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係るフランジ継手１０は、それぞれ中心が仮想軸Ｖ上に配されて連結されたフランジ１１（第１のフランジの一例）及びフランジ１２（第２のフランジの一例）と、対向するフランジ１１、１２に挟まれたガスケット１３とを有する。以下詳細に説明する。

フランジ１１は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、円環状であり、フランジ１１の一側にはナイフエッジＪ１（ナイフエッジＪの一例）が設けられている。ナイフエッジＪ１はフランジ１１の周方向に全周に渡って連続して形成された連続型ナイフエッジである。フランジ１１のナイフエッジＪ１より外側の領域には、複数の貫通孔１４が等ピッチで形成されている。

フランジ１２は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、円環状であり、フランジ１２の一面側にはナイフエッジＰ１（ナイフエッジＰの一例）及びナイフエッジＱ１（ナイフエッジＱの一例）が設けられている。ナイフエッジＰ１はフランジ１１の周方向に全周に渡って連続して形成された連続型ナイフエッジである。ナイフエッジＱ１は、フランジ１１のナイフエッジＰ１より外側に位置し、フランジ１１の周方向に間隔を空けて設けられた複数の突起１５を有している。即ち、ナイフエッジＱ１は不連続型ナイフエッジである。本実施の形態において、各突起１５はフランジ１１の周方向に長く、フランジ１２のナイフエッジＱ１より外側の領域には、複数の貫通孔１６が等ピッチで形成されている。
ガスケット１３は、図１に示すように、円環状であり、フランジ１１、１２及びガスケット１３は内径が略等しい。

フランジ継手１０は、図１に示すように、フランジ１１、１２及びガスケット１３の各中心が仮想軸Ｖ上（同軸上）に配された状態で、フランジ１１、１２の間にガスケット１３が挟まれている。フランジ１１、１２は、フランジ１１のナイフエッジＪ１がガスケット１３の一面側に押し当てられてガスケット１３に食い込み、フランジ１２のナイフエッジＰ１、Ｑ１がガスケット１３の他側に押し当てられてガスケット１３に食い込んだ状態で、貫通孔１４、１６を挿通したボルト１７及びボルト１７に装着されたナット１８によって連結されている。フランジ継手１０は、ナイフエッジＪ１、Ｐ１がガスケット１３に食い込んだ状態となることによってシール構造を形成し、ナイフエッジＱ１はガスケット１３を支持する支持部として機能する。

図２（Ｂ）、図３（Ｂ）に示すように、ナイフエッジＪ１（ナイフエッジＪ１の頂点部）からフランジ１１の中心（仮想軸Ｖ）までの距離をｊ、ナイフエッジＰ１（ナイフエッジＰ１の頂点部）からフランジ１２の中心（仮想軸Ｖ）までの距離をｐ、ナイフエッジＱ１（突起１５の頂点部）からフランジ１２の中心（仮想軸Ｖ）までの距離をｑとして、ナイフエッジＪ１、Ｐ１、Ｑ１は、ｐ＜ｊ＜ｑとなる位置に設けられている。

従って、フランジ継手１０は、図１に示すように、仮想軸Ｖに直交する方向（ガスケット１３の径方向）において、ガスケット１３にナイフエッジＰ１が押し当てられた位置とガスケット１３にナイフエッジＱ１が押し当てられた位置との間で、ナイフエッジＪ１がガスケット１３に押し当てられている。そのため、ガスケット１３にナイフエッジＰ１が押し当てられた位置とガスケット１３にナイフエッジＱ１が押し当てられた位置との間の領域外（例えば、ガスケット１３にナイフエッジＰ１が押し当てられた位置よりガスケット１３の中心に近い位置）で、ナイフエッジＪ１がガスケット１３に押し当てられる場合に比べて、ガスケット１３の変形量を抑制することができる。

本実施の形態で、間隔を空けて設けた複数の突起１５を有してナイフエッジＱ１を構成するようにしているのは、ナイフエッジＰ１、Ｑ１の間にガスケット１３とフランジ１２とによって密閉された空間（ポケット）が設けられないようにするためである。本実施の形態では、フランジ継手１０が、フランジ１１、１２及びガスケット１３の内周側に真空環境を確保する設備で利用されるものであり、このような設備では、そのような密閉空間を設けないことが好ましい。

また、本実施の形態では、時間の経過によるガスケット１３の変形等によってシール性が低下した場合、図４に示すように、ガスケット１３を反転させて、ナイフエッジＪ１が押し当てられていたガスケット１３の一側（一面）にナイフエッジＰ１、Ｑ１が押し当てたれ、ナイフエッジＰ１、Ｑ１が押し当てられていたガスケット１３の他側（他面）にナイフエッジＪ１が押し当てられるようにして、ガスケット１３を再利用することができる。

ガスケット１３の反転後は、ガスケット１３の反転前にナイフエッジＪ１の食い込みによってガスケット１３に形成されていた溝（圧痕）Ｇ１に、ナイフエッジＰ１、Ｑ１が接触せず、ガスケット１３の反転前にナイフエッジＰ１、Ｑ１それぞれの食い込みによってガスケット１３に形成されていた溝（圧痕）Ｇ２、Ｇ３に、ナイフエッジＪ１が接触しない。よって、溝Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３が形成されたガスケット１３でも、反転させることにより、シール構造を安定的に確保することができ、ガスケット１３の再利用が可能となる。ガスケット１３の再利用によって、ガスケット１３を再利用しない場合に比べ、ガスケット１３の使用寿命を約倍に延長することができる。

第１、第２のフランジによるガスケットの締め付け力を調整して、第１、第２のフランジ及びガスケットによるシール性が調節されるが、第１、第２のフランジによるガスケットの締め付け力が如何なるものであっても、ガスケットの使用寿命が約倍に延長されることに変わりはない。
そして、第１、第２のフランジ及びガスケットを備えた設備を新規に導入する際には言うまでもなく、既設の設備が具備する対となったフランジを第１、第２のフランジに取り替えること（場合によっては、対となったフランジの一方のみを第２のフランジに取り替えること）によっても、ガスケットの使用寿命の延長が可能となる。

また、本実施の形態では、ナイフエッジＪ１の周方向の長さをＬｊとし、ナイフエッジＰ１（ナイフエッジＰ１、Ｑ１の一方の連続型ナイフエッジ）の周方向の長さをＬ１とし、ナイフエッジＱ１（ナイフエッジＰ１、Ｑ１の他方の不連続型ナイフエッジ）の複数の突起１５のフランジ１２の周方向の長さの合計をＬ２として、以下の式（１）が成立するように（即ち、Ｌ１＋Ｌ２がＬｊに近い値となるように）ガスケット１１、１２を設計して、溝Ｇ１の深さと溝Ｇ２、Ｇ３の深さとが同レベルとなるようにしている。
０．８×（Ｌ１＋Ｌ２）≦Ｌｊ≦１．５×（Ｌ１＋Ｌ２） （１）

ここで、溝Ｇ１の深さと溝Ｇ２、Ｇ３の深さとが同レベルにするという観点では、α×（Ｌ１＋Ｌ２）≦Ｌｊ≦β×（Ｌ１＋Ｌ２）において、αは０．９が好ましく、０．９５が更に好ましい。そして、βは１．３が好ましく、１．２が更に好ましく、１．１がより好ましい。なお、Ｌ１、Ｌ２、Ｌｊがそれぞれ０より大きい値であるのは言うまでも無い。

また、上記の式（１）を満たせば、フランジ１２（不連続型ナイフエッジが連続型ナイフエッジの外側に設けられた第２のフランジ）の代わりに、不連続型ナイフエッジが連続型ナイフエッジの内側に設けられた第２のフランジをフランジ１１と組み合わせて用いても、各溝の深さを同レベルにすることができる。以下、図５（Ａ）、（Ｂ）を参照して、不連続型ナイフエッジが連続型ナイフエッジの内側に設けられたフランジ２０（第２のフランジ）について説明する。
なお、フランジ２０において、フランジ１２と同様の構成については同じ符号を付して詳しい説明は省略する。

フランジ１１と組み合わせて用いられるフランジ２０は、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、円環状であり、フランジ２０の一側に、ナイフエッジＰ２（ナイフエッジＰの一例）及びナイフエッジＱ２（ナイフエッジＱの一例）が設けられている。

ナイフエッジＰ２は、フランジ２０の周方向に間隔を空けて設けられた複数の突起２１を有する不連続型ナイフエッジであり、ナイフエッジＱ２は、フランジ２０のナイフエッジＰ２より外側の領域に位置し、フランジ２０の周方向に全周に渡って連続して形成された連続型ナイフエッジである。ナイフエッジＰ２（突起２１の頂点部）からフランジ２０の中心までの距離はｐ、ナイフエッジＱ２（ナイフエッジＱ２の頂点部）からフランジ２０の中心までの距離はｑである。

フランジ２０は、ナイフエッジＱ２（ナイフエッジＰ２、Ｑ２の一方の連続型ナイフエッジ）の周方向の長さをＬ１とし、ナイフエッジＰ２（ナイフエッジＰ２、Ｑ２の他方の不連続型ナイフエッジ）の複数の突起２１のフランジ２０の周方向の長さの合計をＬ２として、上記の式（１）が成立する。

フランジ１１、２０がガスケット１３を挟んで連結されたフランジ継手は、ナイフエッジＪ１、Ｑ２のガスケット１３への押し当てによってシール構造を形成することとなり、ナイフエッジＰ２はガスケット１３を支持する支持部として機能する。当該フランジ継手においても、フランジ継手１０と同様に、ガスケット１３を反転させて再利用することができる。

ここで、不連続型ナイフエッジが連続型ナイフエッジの外側に設けられた第２のフランジは、Ｌ１＋Ｌ２≦Ｌｊ≦１．５×（Ｌ１＋Ｌ２）を満たせるが、不連続型ナイフエッジが連続型ナイフエッジの内側に設けられた第２のフランジは、同式を満たせない。そのため、設計の自由度の観点において、不連続型ナイフエッジが連続型ナイフエッジの外側に設けられた第２のフランジは、不連続型ナイフエッジが連続型ナイフエッジの内側に設けられた第２のフランジより好ましい。

次に、図６～図９を参照して、第１のフランジの一例であるフランジ１１０及び第２のフランジの一例であるフランジ１２０を備えた真空チャンバー１００について説明する。真空チャンバー１００は、図６～図９に示すように、外観が円柱状の中空体１０１と、中空体１０１の頂部に設けられた円環状の接合部材１０２に一面側が連通して接合部材１０２と一体となった円環状のフランジ１１０と、フランジ１１０に固定された円盤状のフランジ１２０と、フランジ１１０、１２０に挟まれた円環状のガスケット１３０を具備している。

フランジ１１０は、図６、図７に示すように、フランジ１１と同様の構造であり、フランジ１１０の他面側にはナイフエッジＪ２（ナイフエッジＪの一例）がフランジ１１０の周方向に全周に渡って連続して形成され、フランジ１１０の他面側のナイフエッッジＪ２より外側の領域には、複数の貫通孔１１１が形成されている。なお、図６においては、ナイフエッジＪ２の記載を省略している。
中空体１０１には、開口１０３が形成されている。この開口１０３から、連通された接合部材１０２の内周部を介して、中空体１０１の内部に導かれる構成となっている。

フランジ１２０は、図８、図９に示すように、円環状のフランジ１２に対し円盤状である点で異なるが、その他の構造はフランジ１２と同様であり、フランジ１２０の一面側には、ナイフエッジＰ３（ナイフエッジＰの一例）とナイフエッジＰ３より外周側に設けられたナイフエッジＱ３（ナイフエッジＱの一例）が形成されている。ナイフエッジＰ３はフランジ１２０の周方向に全周に渡って連続して形成され、ナイフエッジＱ３は、それぞれフランジ１２０の周方向に間隔を空けて配された複数の突起によって構成されている。フランジ１２０のナイフエッジＱ３より外周側には複数の貫通孔１２１が形成されている。

フランジ１２０は、フランジ１１０、１２０の間にガスケット１３０を挟んだ状態で、貫通孔１１１、１２１を挿通したボルト１０４とボルト１０４に装着されたナット１０５によってフランジ１１０に固定されて、開口１０３を閉止している。このとき、フランジ１１０、１２０及びガスケット１３０は同軸上に配され、ガスケット１３０には、ナイフエッジＪ２、Ｐ３、Ｑ３が押し当てられている。ナイフエッジＪ２からフランジ１１０の中心までの距離は、ナイフエッジＰ３からフランジ１２０の中心までの距離より長く、ナイフエッジＱ３からフランジ１２０の中心までの距離より短い。ナイフエッジＪ２、Ｐ３、Ｑ３も上記の式１を満たしている。

なお、真空チャンバーの中空体に接合部材を介して連結する対象を第１のフランジでなく第２のフランジとし、当該第２のフランジに第１のフランジを固定するようにしてもよい。
また、既存の真空チャンバーは、それぞれ２つの第１のフランジ（即ち、１つのナイフエッジを有するフランジ）が、ガスケットを挟んで固定されている。このような既存の真空チャンバーに対しては、一方の第１のフランジを、第２のフランジに取り替えることで、新規の真空チャンバーを設置するのに比べ、コスト及び導入の手間を抑えた上で、ガスケットの使用期間を延ばすことが可能なフランジ継手を得ることができる。

なお、真空チャンバーは種々の構成を採用可能であり、真空チャンバーに対して採用する、第１、第２のフランジを備えるフランジ継手（以下、「本発明のフランジ継手」と言う）の数は限定されない。例えば、真空チャンバーの複数のフランジ継手のうち、１つのみを、本発明のフランジ継手にしてもよい。但し、本発明のフランジ継手の数が多くなる程、使用期間を延ばすことができるガスケットの数を増やすことができ、ランニングコストの削減への寄与が大きくなる。

また、真空チャンバー１００は、図示しない真空ポンプや各種測定装置、分析装置との組み合わせが可能であり、真空装置の一部を構成するのは言うまでもない。
真空チャンバー１００を備える真空装置は、本発明のフランジ継手を備えることとなり、フランジ継手を備えた真空装置として好ましい形態と言える。

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実験について説明する。
実験では、以下の３つのケースについて真空引きを行い、フランジの内周部の気圧の変化を計測した。

ケース１：
１のナイフエッジＪを具備する第１のフランジと２つのナイフエッジＰ、Ｑを具備する第２のフランジとをガスケットを挟むようにして連結し、ガスケットの径方向において、ナイフエッジＰがガスケットに押し当てられた位置とナイフエッジＱがガスケットに押し当てられた位置の間で、ナイフエッジＪがガスケットに押し当てられるようにした。ナイフエッジＰは第２のフランジの周方向に全周に渡って形成され、ナイフエッジＱは第２のフランジの周方向に間隔を空けて設けられた複数の突起を有して構成されていた。

ケース２：
ケース１の実験の後、一側に１つの溝が形成され他側に２つの溝が形成されたガスケットを反転させ、ケース１の実験で用いた第１、第２のフランジで当該ガスケットを挟むようにした。このとき、ナイフエッジＪは、ナイフエッジＰがガスケットに押し当てられた位置とナイフエッジＱがガスケットに押し当てられた位置の間でガスケットに押し当てられる状態となった。

ケース３：
１のナイフエッジを具備するフランジと１つのナイフエッジを具備するフランジとをガスケットを挟むようにして連結し、一方のフランジのナイフエッジと他方のフランジのナイフエッジがガスケットの径方向同位置でガスケットに押し当てられるようにした。

図１０に示された実験結果より、ケース１、２はそれぞれケース３と同レベルのシール性を確保できることが確認できた。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、フランジ継手は、第１、第２のフランジの一方が円盤状のフランジ（所謂、閉止フランジ）であってもよいし、第１、第２のフランジが角フランジであってもよい。
また、フランジ継手は、液体が流れる管に設けられるものであってもよい。
そして、ナイフエッジＰ、Ｑの少なくとも一方が、第２のフランジの周方向に全周に渡って形成されたものであればよく、例えば、ナイフエッジＰ、Ｑの双方が第２のフランジの周方向に全周に渡って形成されたものであってもよい。但し、上述したように、ナイフエッジＰ、Ｑの双方が周方向に全周に渡って形成された第２のフランジは、第１、第２のフランジの内周側に真空環境を設ける設備での使用に適さない。

１０：フランジ継手、１１、１２：フランジ、１３：ガスケット、１４：貫通孔、１５：突起、１６：貫通孔、１７：ボルト、１８：ナット、２０：フランジ、２１：突起、１００：真空チャンバー、１０１：中空体、１０２：接合部材、１０３：開口、１０４：ボルト、１０５：ナット、１１０：フランジ、１１１：貫通孔、１２０：フランジ、１２１：貫通孔、１３０：ガスケット、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３：溝、Ｊ１、Ｊ２、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３：ナイフエッジ、Ｖ：仮想軸

Claims (3)

1. それぞれ中心が仮想軸上に配されて連結された第１、第２のフランジと、対向する前記第１、第２のフランジに挟まれたガスケットとを有するフランジ継手において、
   前記第１のフランジは、前記ガスケットの一側に押し当てられたナイフエッジＪを具備し、前記第２のフランジは、前記ガスケットの他側に押し当てられたナイフエッジＰ、Ｑを備え、前記ナイフエッジＪ、Ｐ、Ｑから前記仮想軸までの距離をそれぞれｊ、ｐ、ｑとして、該ナイフエッジＪ、Ｐ、Ｑは、ｐ＜ｊ＜ｑとなる位置に設けられ、
   前記ナイフエッジＪは、前記第１のフランジの周方向に全周に渡って形成され、前記ナイフエッジＰ、Ｑは、一方が前記第２のフランジの周方向に全周に渡って形成された連続型ナイフエッジであり、他方が前記第２のフランジの周方向に間隔を空けて設けられ、それぞれ前記ガスケットに接触した複数の突起を有する不連続型ナイフエッジであり、
   前記ナイフエッジＪの周方向の長さ、前記連続型ナイフエッジの周方向の長さ、前記不連続型ナイフエッジの前記複数の突起の該第２のフランジの周方向の長さの合計をそれぞれＬｊ、Ｌ１、Ｌ２として、０．８×（Ｌ１＋Ｌ２）≦Ｌｊ≦１．５×（Ｌ１＋Ｌ２）が成立することを特徴とするフランジ継手。
2. 請求項１記載のフランジ継手において、前記ナイフエッジＰ、Ｑはそれぞれ前記連続型ナイフエッジ及び前記不連続型ナイフエッジであり、０．９×（Ｌ１＋Ｌ２）≦Ｌｊ≦１．５×（Ｌ１＋Ｌ２）であることを特徴とするフランジ継手。
3. 請求項２記載のフランジ継手において、０．９×（Ｌ１＋Ｌ２）≦Ｌｊ≦１．３×（Ｌ１＋Ｌ２）であることを特徴とするフランジ継手。

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