JPH0127306B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は高真空バルブの金属製密封装置に関
し、詳しくは回転面状に形成された第１密封面
と、該第１密封面と同軸の回転面状に形成された
第２密封面とを有し、第１密封面と第２密封面と
が開位置と閉位置との間で互いに相対的に軸方向
に移動可能に構成された高真空バルブ等の金属製
密封装置に関する。

（従来技術） 導管等に利用される密封装置としては種々のも
のが既に知られている。水道管等の密封装置など
がその一例であるが、これ等には密封性という点
に関して、それほど大きな要求は課されていな
い。こうした密封装置では相対する方向に移動可
能な密封部材との間に、ゴム等の柔軟な材料より
なるＯリングを設置することが知られており、こ
のようなＯリングはプレストレスを与えられて一
方の密封部材に形成された所定の溝内に装着され
る。密封装置を閉じる際には密封部材は互いに近
づけられ、前述のＯリング密封部材の何れか一方
に密着しかつ押しつぶされて必要な密封性が得ら
れる。こうした密封装置は、水道管等に用いるに
は適している。なぜなら、水道管等に関しては、
上述のように密封性の点でそれほど大きな要求が
課されておらず、それにまた水道管等は、比較的
低い温度で用いるからである。

一方、研究所や原子力装置を備えた場所等にお
いて用いられる高真空装置では、密封性の点で非
常に高い要求が課されており、こうした要求はゴ
ム等の柔軟な材料を用いた密封装置では満たすこ
とが出来ない、のみならず、こうした高真空装置
のバルブは400℃まで加熱しなければならないと
いう事情があり、それゆえ総金属製のバルブが既
に開発されている。このような総金属製バルブは
２つのグループに大別できる。

第１のグループの総金属製のバルブでは比較的
軟らかい金属でできた密封部材を堅い金属で出来
た密封部材とを互いに押付け合う構成となつてい
る。バルブを閉じる際には、軟らかい方の密封部
材が堅い方の密封部材に柔軟に密着し、これによ
つて密封を行なう。こうした柔軟な押付けはバル
ブを閉じるたびに行わざるを得ないが、軟らかい
密封部材の変形等に起因して、密封性を得るには
バルブを閉じる力をその都度増大させていかない
限り不可能である。バルブの寿命（この場合密封
効果を維持させたまま開閉できる回数を意味す
る）は、このようにバルブの閉じ力を絶えず増大
させ続けなければならないという事情があるため
に、一定の限界がある。なぜなら、バルブの閉じ
力は限りなく増大させていく訳にはいかないから
である。

第２のグループの総金属製バルブにおいては、
堅い金属で出来た密封面同志を押付けることで密
封を得るように構成されている。この構成では一
方の密封面は弾力性のある金属材料からなる密封
部材により形成され、また他方の密封面はクロ
ム、ニツケル、モリブデン及び／またはチタンを
含む特殊合金よりなるバルブシートにより形成さ
れている。密封部材は相手側の密封面と接触する
縁部分に丸みを有しており、バルブ・ケーシング
もしくは移動可能なバルブ部材に接着、溶接、ネ
ジ止め等の方法で固定されている。縁部分に丸み
を持たせたことにより、密封部材はバルブの閉作
動の際に相手側の密封面に沿つて高圧下で転がる
ことができる。従つてこうした高真空バルブにお
いては、潤滑油が不足した際のクリープや破壊を
減少させることができる。また、こうした高真空
バルブは閉じている際の温度の変化ならびにそれ
と不可分の関係にある熱膨脹の結果として生ずる
密封面間の僅かな相対的な動きを吸収でき、その
際、互いに押付け合う密封面が損傷を受けること
もない。このような構成のバルブを用いるならば
数千回以上の開閉を行つても、1.10^-9Torr、１／
sec（Herium）の密封度が確保され、バルブの閉
じ力を増大させる必要もない。

（発明が解決しようとする課題） この第２のグループの総金属製バルブはこれま
でに上記のような真価を発揮してきたものの、欠
点が全くないわけではない。総金属製バルブは高
真空装置に利用されるものであるため、表面から
ガスを除く目的で十分に加熱される必要があり、
このような加熱には450℃ほどの温度が必要であ
る。加熱を行うためには特別な加熱装置が用いら
れ、この加熱装置はバルブの外部に取付けられて
外側からバルブを加熱する。熱はバルブの内部に
外側から徐々に伝達される。手続き行われる冷却
に際しては、熱は内側から外側へ逃げる。温度は
内側に向かうにつれ低くなり、また逆に高くなる
場合もある。バルブの内部の真空は断熱性が極め
て高いので、内外でかなりの大きさの温度差が生
ずる。このような温度差は加熱及び冷却の際に
100℃を越えることもあり得る。そのため、バル
ブの諸部分に熱膨脹による寸法の変化が生じ、こ
のような寸法の変化が生じ、このような寸法の変
化は各部材の間に相対的な移動を惹き起こし、剪
断変形を生じさせて、噛み込み、もしくはすべり
摩擦により密封面を破壊する。ここで注意すべき
ことは、熱膨脹の際には発揮されるバランス動は
一定の限度を越えて行われないことである。つま
りこのようなバルブでは密封部材は縁部で固定さ
れているため、一定の限度を越えたバランス動が
起こると、固定された個所で壊れるか、もしくは
ヒビが入るからであり、これによつてバルブの密
封性が失われることである。なお、密封部材を柔
軟に変形可能として、一定の限度を越えたバラン
ス動が起こると、固定された個所で永久変形する
ように構成することもできるが、結果として密封
性は失われる。

上記従来技術の欠点に鑑み、本発明の目的は密
封部材が密封性を損うことなく比較的大きなバラ
ンス動を行なえる金属製の密封装置の提供にあ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明による高真空バルブ等の金属製密封装置
は、回転面状に形成された第１密封面と、第１密
封面と同軸の回転面状に形成された第２密封面と
を有し、前記第１密封面と前記第２密封面とが開
位置を閉位置との間で互いに相対的に軸方向に移
動可能に構成された高真空バルブ等の金属製密封
装置であつて、前記閉位置において前記第１密封
面と前記第２密封面との間にこれらと同軸で介在
する環状の密封体を有しており、該密封体の前記
第１密封面と前記第２密封面とに当接する半径方
向内側及び外側の縁にはそれぞれ軸方向の断面に
おいて丸みが与えられており、前記密封体の幅Ｂ
は前記縁の曲率半径の２倍にほぼ等しく設定され
ており、前記第１密封面と前記第２密封面及び前
記密封体はほぼ非延性の材料により形成されてお
り、前記第１密封面と前記第２密封面が前記閉位
置に相対動して、前記密封体の前記内外の縁が前
記第１密封面と前記第２密封面にそれぞれ圧接す
ると、前記密封体がその弾性限度内の変形を伴つ
て前記内外の縁が前記第１密封面及び前記第２密
封面に対してそれぞれ転動する構成となつてい
る。

なお、非延性の材料としては例えば35％以上の
ニツケル含有率を有し、更にクロムおよび／また
はコバルトを含んだニツケル合金、あるいはま
た、クロム、ニツケル、モリブデンおよび／また
はチタンを含むステライトならびに合金を用いる
のが好ましい。

また、密封体の重心を含む面が第１密封面及び
前記第２密封面に対し垂直となるように構成し
て、密封力が密封体に対して直角に伝わるように
するのが好ましい。

（作用） 本発明による高真空バルブ等の金属製密封装置
では密封体の第１密封面と第２密封面に当接する
半径方向内側及び外側の縁にはそれぞれ軸方向の
断面において丸みが与えられており、密封体の幅
は縁の曲率半径の２倍にほぼ等しく設定されてい
るため、密封体の内外に縁は軸方向の断面におい
て円もしくは円の一部を成す。従つて第１密封面
と第２密封面とが閉位置に相対動して密封体が相
互間で弾性変形すると、内外の縁は第１密封面と
第２密封面に対し摺動を伴うことなく転動する。
また閉状態で熱により密封体あるいは第１密封面
及び第２密封面を形成する部材が膨脹した場合に
おいても密封体は第１密封面と第２密封面との相
対動による閉鎖力が加えられた場合と同様に第１
密封面と第２密封面に対し摺動を伴うことなく転
動する。またこのような構成により、当業者によ
り一般に1.10^-9Torr、１／sec（Herium）の密封
度を与えようとする場合に講ぜられる手段である
密封面間の密封領域すなわち接触領域を可能な限
り小さく止める構成を採用することなく、十分に
大きな密封領域を確保することができ、さらに密
封体は精度上かなりの許容度を持たせて形成する
ことができる。さらにバルブ本体の横断面の厚み
とその幅との間の比は約１：３ないし１：10であ
り、密封体は自分自身の中に、その弾性限度内で
変形を吸収し、この変形は密封体に作用する大き
な密封力により生ずる。従つて、大きな密封力が
加わつても密封体及び第１密封面および第２密封
面は弾性限度内で単に表面的な変形を行うに止ま
る。

（実施例） 次にこの発明の実施例を図面を参照して説明す
ると、第１図はケーシング１を有する高真空密封
バルブの縦断面を示しており、ケーシング１は高
真空ポンプに接続するための短管２ならびに空気
を抜かれるべき装置へ接続するための開口３を有
する。一方の密封面４は截頭円錐状の密封プレー
トにより形成されており、この密封プレートは適
当な支持体５に固定されるかもしくはこれと一体
に形成される。この一方の密封面４を後述する他
方の密封面１２に対し相対的に軸方向に移動させ
る目的で、支持体５はネジ部を有するスピンドル
６に連結されており、このスピンドル６は第１図
においてその上端部のみが示してある。スピンド
ル６はケーシング・カバー７内部に取付けられて
おり、このケーシング・カバー７はネジ８により
ケーシング１に固定されている。スピンドル６を
シールするために、ケーシング１の上部開口部に
フランジ板９が装着され、また金属製じやばら１
０がスピンドル６を取囲んでフランジ板９の下部
に固定されている。金属製じやばら１０の下端は
支持体５に固定されており、フランジ板９とケー
シング１との間の環状の隙間内には密封リング１
１が装着されている。

他方の密封面１２はケーシング１に設けられて
おり、同様に截頭円錐面状に形成されている。こ
の密封面１２上には環状に形成された密封体１３
が自由支持されている。この密封体１３の半径方
向内外の縁１４は玉縁状の丸みを有している。こ
の密封体１３も同様に截頭円錐形をなしており傘
状の板バネを形成している。この密封体１３が上
記他方の密封面１２から持上がるのを防止するた
め、止め具１５がケーシング１から内側に向か
い、密封体１３上に突出しており、この止め具１
５は密封面１２の上端においてケーシング１に固
定されている。このような止め具１５は単一の部
材からなつても良いし複数個の指状の部分からな
つても良い。また止め具１５はケーシングの半径
方向内側において密封体１３の上部に相対してい
る。このような止め具１５はバネ弾性を有してお
り、第６図に示すように半径方向内側部分をネジ
止めあるいは溶接等によつて密封体１３に連結さ
れている。

第２図及び第３図には密封体１３が拡大して示
してある。密封体１３は截頭円錐形の傘状板バネ
状の円環からなつており、半径方向内外の縁１４
は玉縁状の丸みを有している。各縁の曲率半径Ｒ
は密封体１３の幅Ｂのほぼ２分の１に等しく設定
されている。密封面４，１２は既に述べたように
截頭円錐面状に形成されており、ケーシング１の
内側の密封面１２の径の平均値Ｄは密封体１３の
外径に一致している。従つて、密封体１３は密封
面１２上に自由支持された状態となつている。密
封面４，１２及び密封体１３は、密封体１３の重
心を含む面Ｅが両密封面４，１２に対してほぼ垂
直をなすように調整されている。密封面４はスピ
ンドル６の作動により矢印１６方向すなわち開位
置から閉位置に向けて動かされるとその中央部に
おいて密封体１３の玉縁状の縁１４に衝突するよ
うに設定されている。すなわち密封面４の平均外
径ｄは密封体１３の内径にほぼ等しくなるように
設定されている。密封体１３が密封面４，１２に
接触する最初の状態が第２図に示してある。同図
に示すように密封面４と１２とはほぼ平行をなし
ている。

スピンドル６によつて矢印１６方向により大き
な圧力が加えられると、密封面４，１２とこれに
相対する密封体１３の密封面とはこれらを互いに
押付ける大きな圧力により弾性限度内で表面的に
変形を受ける。本実施例の構成では、スピンドル
６により加えられる力は高い変換比で増大され、
この変換比は第２図及び第３図に示すように密封
体１３の円錐面の開き角αにより決定される。こ
のような力が加わると密封体１３の両側の縁１４
が密封面４及び１２に沿つて転動し、その際密封
体１３は全体的に幾分変形する。このような変形
の程度は専ら第２図に示した密封体１３の厚さＳ
に依存する。ここで、上記で述べた密封面４，１
２とこれに相対する密封体１３の密封面の相対的
な変形や密封体１３の転動は実際にはごく僅かな
ものである。なぜなら密封面４および１２ならび
に密封体１３は延性を持たない金属で形成されて
いるからである。

第２図から明白なように、温度差や熱膨脹等に
よつて密封面４と１２との間に比較的大きな相対
動が有つたとしても、このような動きは密封体１
３によりただちに吸収される。すなわち、このよ
うな動きがあつた場合には密封体１３の密封面が
４と１２に沿つて相互間の密封性を保ちつつある
程度転動する。つまり、スピンドル６に大きな力
が加えられていてもこのような温度差が許容され
るのである。

第４図に示す実施例において密封体１３ａの止
め具１５ａはケーシング１ａではなく、可動側で
ある密封面４ａを有する截頭円錐状の密封プレー
トの下面に取付けてある。なお、１２ａはケーシ
ング１ａ側の密封面である。

なお、本考案の実施例において密封面４，１２
は円錐面として形成されているが、これらの面は
また球面状に形成してもよく、凹面と凸面の組合
わせを利用することも可能である。また円錐面と
球面の両方を利用することも可能である。なぜな
ら、これらの密封面４，１２は、互いに直接接触
する訳ではないからである。これらの密封面４，
１２は密封装置を開閉操作する際に密封体１３の
丸みを帯びた縁１４がこれらの面に沿つて転動可
能に形成されていればよい。また密封体１３の転
動の距離や変形は実際には極めて僅かなものであ
る。なぜなら、密封装置の閉鎖は堅い延性を持た
ない材料で出来た部材同志が押付けあうことで行
われるものであり、材料を弾性限度を越えること
はないからである。

第５図は密封体１３ｂがトーラス状に形成され
た別の実施例を示す。この密封体１３ｂは少なく
とも理論的には大きな軌跡を描いて転動し、外力
は常に密封体１３ｂの中立面内で作用する。しか
しながら、このトーラス状の密封体１３ｂは非常
に堅い材料で出来ていることと、その断面積が大
きいため上記実施例の密封体１３，１３ａに比し
て融通性に乏しいこととにより密封体１３ｂは場
合によつては外力には容易に従わないことがある
ことを考慮に入れねばならない。なお図中４ｂは
可動側の密封面を示し、１２ｂはケーシング１ｂ
側の密封面を示す。

一般に、上記のような密封体に作用する力は、
ひとつには弾性限度内において表面に凹凸変形を
もたらし、またひとつには密封体全体を幾分変形
させる。しかしながら、こうした変形は極めて僅
かなものである。なぜなら、密封装置が閉状態に
あるとき、密封力は密封面に対して垂直に加わ
り、またこの密封力は密封体の重心を含んだ面内
で作用するからである。なお、このような密封力
の作用面は密封体の中立面Ｅと合致する必要はな
い。このような合致は密封装置の開閉あるいは熱
膨脹により惹き起こされる相対動により密封体が
密封面４および１２に沿つて転動する場合に起れ
ばよい。

また、第６図には止め具１５ｃの一端側ががケ
ーシング１ｃにまた他端側が密封体１３ｃの上面
中央に固定されている別例を示す。なお１２ｃは
ケーシング１ｃ側の密封面、１４ｃは可動側の密
封面である。

さらに、別の実施例では第７図に示すように截
頭円錐形の環状円盤として形成された密封体１３
０の中立面Ｅとケーシング１００側の円錐面状の
密封面１２０もしくは可動側の円錐状の密封面４
００の横断面Ｑとのなす角度が少なくとも密封装
置を閉じる際の接触の瞬間には角度βとなるよう
に設定されている。この角度βは密封面１２０及
び４００の開き角αよりも大きい。この構成によ
り、密封体１３０と密封面１２０および密封面４
００との接線Ａ，Ｂは最初の接触の瞬間には中立
面Ｅからずれた位置にあり、接線Ａは中立面Ｅよ
りも上に、接線Ｂは中立面Ｅよりも下に位置して
いる。矢印２００方向の密封力が加わると、密封
体１３０は密封面１２０および４００に沿つて転
動する。これにより、接線Ａ及びＢは中立面Ｅの
方向に移動し、密封装置が閉じた状態では接線Ａ
及びＢが実質的に中立面Ｅ内に位置することとな
る。密封装置が加熱された場合に生ずる密封部材
間の調節動すなわち相対動には中立面Ｅに対し上
方あるいは下方のいずれにせよ充分な許容範囲が
存在するため、接線Ａ，Ｂが中立面Ｅからずれる
ことは、実質的にはないと言える。

（発明の効果） 本発明の高真空バルブ等の金属製密封装置では
第１密封面と第２密封面とにより閉鎖力が加えら
れた場合、さらにはバルブ閉状態で熱により密封
体が膨脹した場合においても密封体は第１密封面
と第２密封面に対し摺動せず、転動を行うもので
あるから、密封体の変形時に第１密封面と第２密
封面には単にこれらの面に垂直な方向の力のみが
加わり、摺動による摩擦は生じないため、密封面
の表面の損傷、あるいは密封体の損傷を防止で
き、密封装置の密封性の確実な維持を行えるとと
もに耐久寿命が向上する利点を有する。特に本発
明の金属密封装置は熱による密封体や第１密封面
及び第２密封面の変形に対し密封体の転動により
対応でき、このため450゜に達する温度までの加熱
を受けまた真空によりあるいは加熱、冷却により
100゜を越える内外の温度差を生ずる高真空バルブ
の用途に極めて有用である利点を有している。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施例を示すもので、第１図は密
封装置の縦断面図、第２図は第１図において円で
囲んだ個所の、密封装置が閉じた際の状態を示す
拡大図、第３図は密封装置が開いた際の状態を示
す第２図と同様な個所の拡大図、第４図は密封体
の止め具の別例を示す図、第５図は密封面の形状
の別例を示す図、第６図及び第７図は他の実施例
を示す図である。 ４，４ａ，４ｂ，４ｃ，１２，１２ａ，１２
ｂ，１２ｃ，１２０，４００…密封面、１３，１
３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３０…密封体、１５，
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…止め具。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転面状に形成された第１密封面と、該第１
   密封面と同軸の回転面状に形成された第２密封面
   とを有し、前記第１密封面と前記第２密封面とが
   開位置と閉位置との間で互いに相対的に軸方向に
   移動可能に構成された高真空バルブ等の金属製密
   封装置であつて、前記閉位置において前記第１密
   封面と前記第２密封面との間にこれらと同軸で介
   在する環状の密封体を有しており、該密封体の前
   記第１密封面と前記第２密封面とに当接する半径
   方向内側及び外側の縁にはそれぞれ軸方向の断面
   において丸みが与えられており、前記密封体の幅
   Ｂは前記縁の曲率半径の２倍にほぼ等しく設定さ
   れており、前記第１密封面と前記第２密封面及び
   前記密封体はほぼ非延性の材料により形成されて
   おり、前記第１密封面と前記第２密封面が前記閉
   位置に相対動して、前記密封体の前記内外の縁が
   前記第１密封面と前記第２密封面にそれぞれ圧接
   すると、前記密封体がその弾性限度内の変形を伴
   つて前記内外の縁が前記第１密封面及び前記第２
   密封面に対してそれぞれ転動する構成としたこと
   を特徴とする高真空バルブ等の金属製密封装置。 ２ 前記密封体が円錐形の環状円盤として形成さ
   れ、その重心を含む面Ｅが、少なくとも前記第１
   密封面と前記第２密封面の前記閉位置への相対動
   により前記密封体に接触した瞬間においては、前
   記第１密封面と前記第２密封面とに対しほぼ垂直
   をなすことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の金属製密封装置。 ３ 前記密封体がトーラス形に形成されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の金
   属製密封装置。 ４ 前記第１密封面もしくは前記第２密封面の一
   方には前記密封体に向けて突出して、前記閉位置
   における前記密封体の軸方向の離脱を防止する止
   め具が取付けられていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項から第３項までの何れか一つに記
   載の金属製密封装置。 ５ 前記止め具が弾性を有する材料により形成さ
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第４項
   に記載の金属製密封装置。 ６ 前記止め具が前記密封体の中央部に固定され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第５項に
   記載の金属製密封装置。 ７ 前記第１密封面及び前記第２密封面と前記密
   封体との間の密封力は前記第１密封面及び前記第
   ２密封面に対して垂直方向に加わり、また前記密
   封体の重心を含んだ面内で作用することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項から第６項までの何れ
   か一つに記載の金属製密封装置。 ８ 前記密封体は円錐形の環状円盤として形成さ
   れており、かつその中立面Ｅは、少なくとも前記
   第１密封面と前記第２密封面の前記閉位置への相
   対動によりこれらに接触した瞬間においては、前
   記第１密封面と前記第２密封面の軸方向に対し直
   角な横断面Ｑに対し角度βをなしており、この角
   度βは前記第１密封面と前記第２密封面を形成す
   る円錐面の開き角度αよりも大きく設定されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の金属製密封装置。