JP7479529B1 - 金属シールの使用方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属シールを小さな締付力でシール性能が得られるものにする。【解決手段】第１平坦面Ｐ１に当接する内周よりで断面円弧状の第１接触部１１と、第２平坦面Ｐ２に当接する外周よりで断面円弧状の第２接触部１２と、第１接触部１１から第２接触部１２へ外径が拡がるようにテーパ状に連結する中間壁部１３とを有する金属シール本体１０及び金属シール本体の表面に被覆される金属シール本体の構成材料よりも軟質の材料よりなる被覆層１４を備える。第１接触部１１及び第２接触部１２の断面円弧の半径をｒ（ｍｍ）、断面円弧状部分の被覆層１４の厚さをｔ（ｍｍ）、金属シール１の、第１平坦面と第２平坦面との間で所定厚さまで圧縮されるときの単位周長当たりの荷重をｆ（Ｎ／ｍｍ）とし、ｔが以下の式を満たす。ｔ＜αｆｒβｆ＋γただし、α＝９．９６×１０－４（ｍｍ／Ｎ）、β＝－６．８１×１０－４（ｍｍ／Ｎ）、γ＝－２．０１×１０－１である。【選択図】図２
Description
本発明は、第１平坦面と第２平坦面との間に圧接される、全体が環状の金属シールに関する。
従来、第１平坦面と第２平坦面との間に圧接される、全体が環状のシールは知られている。この種の環状シールがシール性能を発現させるためには、一対の平行平板にて軸方向に締め付けて圧縮し、その反発力をもって両平行平板との界面を流体が通過しないようにする必要がある。
近年、装置の軽量化、省力化などで、締結ボルトのサイズや数が減るなどにより、環状シールの締結力を低減したいという要求が多くなっている。
逆に環状シールがおかれる環境は、より過酷になってきており、これまでよりも温度条件が厳しい、シールすべき流体が有機高分子材料を分解する性質を持つなど、従来シール材料として主に使用されてきた、ゴム、エラストマーのシールが使用できない状況が増えてきている。
そこで、小さな締結力でシール性能を発揮する金属シールが求められており、例えば、特許文献１のような、相互に平行な第１平坦面と第２平坦面の間に介装される全体が環状の金属シールにおいて、第１平坦面に当接する内周よりの断面凸型第１接触部と、第２平坦面に当接する外周よりの断面凸型第２接触部と、第１接触部から第２接触部へしだいに拡径テーパ状に連結する中間壁部とを備え、断面凸型第１接触部の曲率半径よりも断面凸型第２接触部の曲率半径を大きく設定した金属シールが知られている。
この種の金属シールの締付工程として、図５に示すように、金属シールを一対の平行平板で徐々に圧縮した場合、それぞれの平行平板と接触する部分の直径が異なるため、圧縮初期には断面にねじれ変形が生じる。
その後、図５における圧縮量が１．５ｍｍの変曲点Ｉで、平行平板との接触部円弧半径が小さい面ではその接触部の外側、大きい面ではその接触部の内側部分が、平行平板と接触し、この状態から圧縮すると、その荷重は急激に大きくなることが分かっている。
従来技術では、平行平板との界面の接触状態を安定なものとするために、金属シールの締付時の平行平板距離は、前記荷重の変曲点Ｉにおける平行平板距離よりも小さく（圧縮量が１．５ｍｍよりも大きく）なるように設定される。
このため、特許文献１のような従来の金属シールでは、金属シールとそれを装着する機器との界面の安定性を確保するために、大きな締結力を必要とする、という問題がある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小さな締付力で、所望のシール性能が得られる金属シールを提供することにある。
上記の目的を達成するために、この発明では、金属シールの単位長さ当たりの締付荷重に対して、金属シールと機器側の平板とが接触する部分の金属シール本体の断面で見た円弧半径と、そこに形成される被覆厚さとを最適な寸法にした。
具体的には、第１の発明では、第１平坦面と第２平坦面との間に圧接される全体が環状の金属シールを対象とし、
前記金属シールは、
前記第１平坦面に当接する内周よりで断面円弧状の第１接触部と、
前記第２平坦面に当接する外周よりで断面円弧状の第２接触部と、
前記第１接触部から前記第２接触部へ外径が拡がるようにテーパ状に連結する中間壁部とを有する金属シール本体、及び、
前記金属シール本体の表面に被覆される、前記金属シール本体の構成材料よりも軟質の材料よりなる被覆層を備え、
前記第１接触部及び前記第２接触部の断面円弧の半径をｒ（ｍｍ）、断面円弧状部分の被覆層の厚さをｔ（ｍｍ）、前記金属シールの、前記第１平坦面と前記第２平坦面との間で所定厚さまで圧縮されるときの単位周長当たりの荷重をｆ（Ｎ／ｍｍ）とし、ｔが以下の式を満たす。
前記金属シールは、
前記第１平坦面に当接する内周よりで断面円弧状の第１接触部と、
前記第２平坦面に当接する外周よりで断面円弧状の第２接触部と、
前記第１接触部から前記第２接触部へ外径が拡がるようにテーパ状に連結する中間壁部とを有する金属シール本体、及び、
前記金属シール本体の表面に被覆される、前記金属シール本体の構成材料よりも軟質の材料よりなる被覆層を備え、
前記第１接触部及び前記第２接触部の断面円弧の半径をｒ（ｍｍ）、断面円弧状部分の被覆層の厚さをｔ（ｍｍ）、前記金属シールの、前記第１平坦面と前記第２平坦面との間で所定厚さまで圧縮されるときの単位周長当たりの荷重をｆ（Ｎ／ｍｍ）とし、ｔが以下の式を満たす。
ｔ＜αｆｒβｆ＋γ・・・・（１）
ただし、α＝９．９６×１０－４（ｍｍ／Ｎ）、β＝－６．８１×１０－４（ｍｍ／Ｎ）、γ＝－２．０１×１０－１である。
上記の構成によると、締付荷重ｆと接触部の断面半径ｒから被覆層１４の厚さｔの最大値を設定することができ、被覆層１４の厚さｔを上記式（１）から得られた値未満とすることで、金属シールは、従来のように変曲点を超えるまで締め付ける必要がなく、低い締付荷重ｆにおいても、平坦面との接触部において効果的に流体を封止できる。
第２の発明では、第１の発明において、
中心軸と前記中間壁部のテーパ面とでなす角度は、５°以上４５°以下である。
中心軸と前記中間壁部のテーパ面とでなす角度は、５°以上４５°以下である。
上記角度が５°よりも小さいと、平坦面との摩擦などの接触状態によっては圧縮による断面のねじり変形が得られず、必要な変形状態とならない場合があり、４５°よりも大きいと、金属シールの圧縮しろが小さくなりすぎ、その結果、平坦面側又は金属シール側の僅かなばらつきで締付力が大幅に変化してロバスト性の低い金属シールとなってしまうが、上記の構成によると、圧縮によって断面の捩り変形が確実に得られ、平坦面側又は金属シール側の僅かなばらつきがあっても締付力が大幅に変化せず、ロバスト性の高い金属シールとなる。
第３の発明では、第１の発明において、
前記被覆層は、純銀若しくは銀合金、純錫若しくは錫合金、又は、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金で構成されている。
前記被覆層は、純銀若しくは銀合金、純錫若しくは錫合金、又は、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金で構成されている。
上記の構成によると、純銀若しくは銀合金は、接着性、抗菌性に優れ、純錫若しくは錫合金は、安価で耐食性、展延性に優れ、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金は、安価で軽く、被覆層として適切である。
第４の発明では、第１又は第２の発明において、
前記被覆層が、電着塗装により形成されたエポキシ・アクリル系樹脂又はポリイミド系樹脂で構成されている。
前記被覆層が、電着塗装により形成されたエポキシ・アクリル系樹脂又はポリイミド系樹脂で構成されている。
上記の構成によると、エポキシ・アクリル系樹脂の電着塗装であれば、下地金属との高い密着性と優れた耐薬品性を有する。ポリイミド系樹脂の電着塗装であれば、被塗物の均一塗装を可能にする優れたつきまわり性、高い塗着効率、防食性の向上を図れる。このため、被覆層として適切である。
以上説明したように、本発明によれば、金属シールの単位長さ当たりの締付荷重に対して、金属シールと第１平坦面及び第２平坦面とが接触する部分の金属シール本体の断面で見た円弧半径と、そこに形成される被覆厚さを最適な寸法に設定したので、金属シールを小さな締付力でシール性能が得られるものにすることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明の実施形態１の金属シール１を示し、この金属シール１は、固定フランジなどの第１平坦面Ｐ１と第２平坦面Ｐ２との間に圧接される、全体が環状のメタルシールである。
具体的には、金属シール１は、第１平坦面Ｐ１に当接する内周よりで断面円弧状の第１接触部１１と、第２平坦面Ｐ２に当接する外周よりで断面円弧状の第２接触部１２と、第１接触部１１から前記第２接触部１２へ外径が拡がるようにテーパ状に連結する中間壁部１３とを有する金属シール本体１０を有する。
本実施形態では、金属シール本体１０の第１接触部１１と中間壁部１３と第２接触部１２が、緩やかに湾曲した断面Ｓ字状である。この断面は、反転Ｓ字状、Ｚ字状でもよい。
図１に示すように、金属シール１は、全体としてみたときに、緩やかな湾曲面で構成された、高さの低い略円錐台形皿バネ状であるということもできる。
金属シール１は、金属シール本体１０の表面に被覆される、金属シール本体１０の構成材料よりも軟質の材料よりなる被覆層１４を備えている。
純銀若しくは銀合金は、接着性、抗菌性に優れ、純錫若しくは錫合金は、安価で耐食性、展延性に優れ、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金は、安価で軽く、被覆層１４として適切である。
被覆層１４は、金属メッキではなく、電着塗装により形成されたエポキシ・アクリル系樹脂又はポリイミド系樹脂であってもよい。エポキシ・アクリル系樹脂の電着塗装であれば、下地金属との密着性、耐薬品性に優れる。一方、ポリイミド系樹脂の電着塗装であれば、被塗物の均一塗装を可能にする優れたつきまわり性、高い塗着効率、防食性の向上を図れる。
そして、中心軸（図示せず）と中間壁部１３のテーパ面とでなす角度θは、５°以上４５°以下である（５°≦θ≦４５°）。つまり、５°よりも小さいと、平坦面との摩擦などの接触状態によっては圧縮による断面のねじり変形が得られず（テーパ面が屈曲してしまうことがある）、必要な変形状態とならない場合があり、４５°よりも大きいと、金属シール１の圧縮しろが小さくなりすぎ、その結果、平坦面側又は金属シール１側の僅かなばらつきで締付力が大幅に変化してロバスト性の低い金属シール１となってしまう。
しかし、本実施形態のように、５°≦θ≦４５°であると、圧縮によって断面の捩り変形が確実に得られ、平坦面側又は金属シール１側の僅かなばらつきがあっても締付力が大幅に変化せず、ロバスト性の高い金属シール１となる。１５°≦θ≦３５°であると、さらにその効果は顕著となる。
そして、本発明の特徴として、第１接触部１１及び第２接触部１２の断面円弧の半径をｒ（ｍｍ）、断面円弧状部分の被覆層１４の厚さをｔ（ｍｍ）、金属シール１の、第１平坦面Ｐ１と第２平坦面Ｐ２との間で所定厚さまで圧縮されるときの単位周長当たりの荷重をｆ（Ｎ／ｍｍ）とし、ｔが以下の式（１）を満たす。
ｔ＜αｆｒβｆ＋γ・・・・（１）
ただし、α＝９．９６×１０－４（ｍｍ／Ｎ）、β＝－６．８１×１０－４（ｍｍ／Ｎ）、γ＝－２．０１×１０－１である。この式は、金属シール１において締付に必要な線荷重ｆ、接触部の形状及び被覆層１４の厚さｔについての関係を示す。
－実施例－
次に、本実施形態に係る金属シール１の実施例について説明する。
次に、本実施形態に係る金属シール１の実施例について説明する。
図３及び図４に、締付荷重ｆを１０Ｎ／ｍｍ以上５０Ｎ／ｍｍ以下とした場合の断面半径ｒ(ｍｍ)と被覆層厚さｔ(ｍｍ)との関係のシミュレーション結果を示す。
式（１）は、締付荷重ｆと接触部の断面半径ｒから被覆層１４の厚さｔの最大値を設定するものであり、被覆層１４の厚さｔを式（１）から得られた値未満とすることで、金属シール１は、従来のように変曲点を超えるまで締め付ける必要がなく、低い締付荷重ｆにおいても、平坦面との接触部において効果的に流体を封止できることが分かった。
図３において、各締付荷重の実線よりも下の範囲が被覆層１４の厚さｔの許容範囲を示す。
したがって、本実施形態に係る金属シール１によると、金属シール１の単位長さ当たりの締付荷重ｆに対して、金属シール１と第１平坦面Ｐ１及び第２平坦面Ｐ２とが接触する部分の金属シール本体１０の断面で見た円弧半径ｒと、そこに形成される被覆厚さｔを最適な寸法に設定したので、金属シール１を小さな締付荷重ｆでシール性能が得られるものにすることができる。
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
すなわち、５０Ｎ／ｍｍ以下の締付荷重が要求される金属シール１は、特に半導体製造装置関連の用途であるが、本発明は、その用途に限定されず、シールする流体についても、気体でも液体でもよい。
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。
１ 金属シール
１０ 金属シール本体
１１ 第１接触部
１２ 第２接触部
１３ 中間壁部
１４ 被覆層
Ｐ１ 第１平坦面
Ｐ２ 第２平坦面
１０ 金属シール本体
１１ 第１接触部
１２ 第２接触部
１３ 中間壁部
１４ 被覆層
Ｐ１ 第１平坦面
Ｐ２ 第２平坦面
Claims (4)
- 第１平坦面と第２平坦面との間に圧接される全体が環状の金属シールであって、
前記第１平坦面に当接する内周よりで断面円弧状の第１接触部と、
前記第２平坦面に当接する外周よりで断面円弧状の第２接触部と、
前記第１接触部から前記第２接触部へ外径が拡がるようにテーパ状に連結する中間壁部とを有する金属シール本体、及び、
前記金属シール本体の表面に被覆される、前記金属シール本体の構成材料よりも軟質の材料よりなる被覆層を備え、
前記第１接触部及び前記第２接触部の断面円弧の半径をｒ（ｍｍ）、断面円弧状部分の被覆層の厚さをｔ（ｍｍ）、前記金属シールの、前記第１平坦面と前記第２平坦面との間で所定厚さまで圧縮されるときの単位周長当たりの荷重をｆ（Ｎ／ｍｍ）、α＝９．９６×１０－４（ｍｍ／Ｎ）、β＝－６．８１×１０－４（ｍｍ／Ｎ）、γ＝－２．０１×１０－１とし、
ｔが以下の式を満たす
ｔ＜αｆｒβｆ＋γ
金属シールを、
ｆ≦５０（Ｎ／ｍｍ）で使用する
ことを特徴とする金属シールの使用方法。 - 中心軸と前記中間壁部のテーパ面とでなす角度が
５°以上４５°以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の金属シールの使用方法。 - 前記被覆層が、純銀若しくは銀合金、純錫若しくは錫合金、又は、純アルミニウム若しくはアルミニウム合金で構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の金属シールの使用方法。 - 前記被覆層が、電着塗装により形成されたエポキシ・アクリル系樹脂又はポリイミド系樹脂で構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の金属シールの使用方法。
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