KR101536587B1

KR101536587B1 - 금속 시일

Info

Publication number: KR101536587B1
Application number: KR1020100022926A
Authority: KR
Inventors: 사토시 토도; 타카히로 카리야
Original assignee: 미츠비시 덴센 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2015-07-14
Also published as: KR20100111238A; US20100253010A1; JP2010242858A; US8628094B2; JP4567797B1

Abstract

낮은 조임력을 유지하면서 최종 조립 상태하에서의 접촉면압을 증가시켜 밀봉 성능을 높인다.
제1 접촉 볼록부(11)와 중간 기부(3)와 제2 접촉 볼록부(12)를 가지는 블록 형상 금속 시일로서, 제1·제2 접촉 볼록부(11, 12)가 4분원 형상이다.

Description

금속 시일{METAL SEAL}

본 발명은 금속 시일에 관한 것으로, 특히 한 쌍의 평탄면 사이에 개재 장착되어 비틀림 변형하면서 밀봉 작용을 하는 금속 시일에 관한 것이다.

종래, 고진공·고압(외압·내압), 고온·저온, 또는 부식성 유체 밀봉 등의 가혹한 조건하에서는 금속 시일이 사용되는 경우가 많다.

그래서, 본 출원인은 상기 서술한 바와 같이, 한 쌍의 평탄면 사이에 개재 장착되어 비틀림 변형하면서 밀봉 작용을 하는 조임력이 작고 복원력도 큰 금속 시일로서, 도 6과 도 7에 도시한 바와 같은 형상(구성)의 것을 제안했다(예를 들어 특허문헌 1 참조).

[특허문헌1]:일본특허제4091373호공보

도 6과 도 7에 도시한 종래의 금속 시일(30)은 서로 평행한 한 쌍의 평탄면(31, 32) 사이에 개재 장착되고, 비틀림 탄성 변형을 발생시키는 횡단면 형상이 직사각형 형상인 중간 기부(基部)(33)와, 반원형 접촉 볼록부(34, 35)를 가지는 블록형이었다. 재질로서는 SUS 등의 금속제이며, 도 6에 도시한 자유 상태(미장착 상태)로부터, 도 7에 도시한 바와 같이, 한 쌍의 상기 평탄면(31, 32)을 서로 접근시켜 비틀림 탄성 변형한 최종 접근 상태(최종 조립 상태)에서는 상기 반원형 접촉 볼록부(34, 35)가 평탄면(31, 32)에 소정의 면압 분포(36)를 가지고 압접하여 유체 밀봉 작용을 하는 구성이었다.

도 7에서도 분명한 바와 같이, 반원형의 접촉 볼록부(34, 35)는 평탄면(31, 32)에 접촉하는 최대 면압(P₀)이 낮고, 맞닿음 원호길이(C₀)가 다소 크며, 면압 분포(36)가 비교적 완만한 산형이다.

이와 같은 종래의 금속 시일(30)은 상대면으로서의 평탄면(31, 32)을 손상시키지 않는 메리트가 있다고는 해도, 다음과 같은 문제가 남겨져 있다. 즉, (i) 평탄면(31, 32)을 경면 가공할 필요가 있는 점, (ii) 금속 시일(30)의 접촉 볼록부(34, 35)를 초연마 다듬질할 필요가 있는 점, (iii) 기체의 밀봉에 있어서 시일성이 다소 불충분했던 점을 들 수 있다.

그래서, 본 발명은 이와 같은 문제점 (i) (ii) (iii)을 간단한 형상에 의해 해결하여, 상대면(평탄면) 및 금속 시일 자체의 경면 가공이나 초연마 다듬질 등의시일면부의 엄격한 품질 관리를 불필요하게 하여, 제작의 용이화와 비용 절감을 도모하는 것을 목적으로 하고, 또한 추가적인 시일성의 향상을 도모하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 서로 평행한 한 쌍의 평탄면 사이에 개재 장착되어 비틀림 탄성 변형을 발생시키는 블록형 횡단면 형상이며, 중간 기부와, 상기 평탄면의 일방에 맞닿는 제1 접촉 볼록부와, 상기 평탄면의 타방에 맞닿는 제2 접촉 볼록부를 구비하고, 상기 제1 접촉 볼록부를 상기 중간 기부의 내경 쪽에 돌출 설치하고, 상기 제2 접촉 볼록부를 상기 중간 기부의 외경 쪽에 돌출 설치한 금속 시일에 있어서, 상기 제1 접촉 볼록부·제2 접촉 볼록부가, 상기 평탄면에 직접적으로 접촉하는 직접 맞닿음부의 횡단면 형상을 원호 형상으로 함과 아울러, 상기 한 쌍의 평탄면이 점차 접근하는 도중의 상기 직접 맞닿음부 내의 도중 맞닿음 원호길이보다 최종 접근 상태의 최종 조립 맞닿음 원호길이가 작아지도록, 상기 직접 맞닿음부의 최종단측에 이스케이프(escape)부를 절결 형성한 것이다.

또 상기 제1 접촉 볼록부와 상기 제2 접촉 볼록부는 각각 횡단면이 대략 4분원 형상으로 한 것이다.

또 상기 한 쌍의 평탄면은 비경면 상태의 기계 가공면이다.

본 발명에 따른 금속 시일에 의하면, 최종 조립 원호길이가 작아진 분량만큼 평탄면에 대한 접촉면압이 증가하여 소위 압력의 피크를 나타내고, 유체 누설이 강력하게 차단되어 시일성(밀봉 성능)이 향상된다. 또 이와 같이 접촉면압이 증가하여 평탄면과 접촉 볼록부가 강하게 압접되기 때문에, 평탄면과 접촉 볼록부가 서로 압접하는 시일면부에 대해 (종래의) 경면 가공이나 초연마 다듬질의 생략이 가능하며, 품질 관리가 용이해짐과 아울러 제작이 용이해져 비용 절감에도 공헌할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시의 1 형태를 도시한 단면 정면도이다.
도 2는 본 발명의 기본 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 자유 상태를 도시한 요부 확대 단면도이다.
도 4는 한 쌍의 평탄면이 점차 접근하는 도중의 도중 맞닿음 상태의 요부 확대 단면 설명도이다.
도 5는 최종 접근 상태의 요부 확대 단면 설명도이다.
도 6은 종래예의 요부 확대 단면도이다.
도 7은 종래예의 최종 접근 상태의 요부 확대 단면 설명도이다.

이하, 실시형태를 도시한 도면에 기초하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1과 도 3은, 금속 시일(S)의 실시의 1 형태를 도시하는, 자유 상태(미장착 상태)의 단면 정면도이며, 도 4와 도 5는 사용 상태도로서, 도 4는 도중 맞닿음 상태의 설명도, 도 5는 최종 접근 상태의 설명도를 도시한다.

반도체 제조에는 각종의 부식성 가스 등이 사용되며, 본 발명의 금속 시일(S)은 그러한 반도체 제조 장치의 배관 계통에 적합한 것으로서, 표면 피복층(코팅층)을 가지지 않는 SUS316L재 등의 내식성 금속이 재질로서는 바람직하다.

그리고, 이 금속 시일(S)은 서로 평행한 한 쌍의 평탄면(1, 2) 사이에 개재 장착되고, 비틀림 탄성 변형을 발생시켜 밀봉 작용을 하며, 블록형 횡단면 형상이다.

횡단면 형상에 대해서, 더욱 상세하게 설명하면, 대략 직사각형(장방형)의 중간 기부(3)와, 일방의 평탄면(1)에 맞닿는 제1 접촉 볼록부(11)와, 타방의 평탄면(2)에 맞닿는 제2 접촉 볼록부(12)를 일체로 블록 형상으로 가진다. 또, 제1 접촉 볼록부(11)는 중간 기부(3)의 내경 쪽에 돌출 설치되고, 제2 접촉 볼록부(12)는 중간 기부(3)의 외경 쪽에 돌출 설치되어 있다.

이 제1 접촉 볼록부(11)의 횡단면 형상에 대해서 설명하면, (도시생략의 장착 미가압 상태로부터) 도 4에 도시한 바와 같이 한 쌍의 평탄면(1, 2)이 점차 접근하는 도중 맞닿음 상태에 있어서, 제1 접촉 볼록부(11)는 평탄면(1)에 맞닿는 직접 맞닿음부(20)를 가지고, 이 직접 맞닿음부(20)는 충분히 큰 반경(R₀)의 원호 형상이다.

그리고, 한 쌍의 평탄면(1, 2)이 점차 접근하는 도중의 상기 직접 맞닿음부(20) 내의 도중 맞닿음 원호길이를 C_x로 하고(도 2와 도 4 참조), 최종 접근 상태의 최종 조립 맞닿음 원호길이를 C₁로 (도 2와 도 5 참조)하면, C₁<C_x가 되도록, 상기 직접 맞닿음부(20)의 최종단측에 이스케이프부(Z)를 절결 형성한다.

또한, 이스케이프부(Z)를 절결 형성한 절결선(5)과 직접 맞닿음부(20)의 코너부(에지부)(6)는 다소 작은 반경(R₁)의 R 모따기를 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 평탄면(1)의 손상을 방지할 수 있다.

상기 서술한 바와 같이, C₁<C_x로 함으로써, 도 4에 도시한 도중 맞닿음 상태의 최대 면압(Px)보다 최접근 상태(최종 조립 상태)의 최대 면압(P₁)을 충분히 크게(높게) 설정할 수 있고, 이것에 의해 유체-특히 가스(기체)-의 외부 누설을 저지하여 높은 시일성(밀봉 성능)을 실현한다.

특히, 0.3·C_x≤C₁≤0.6·C_x와 같이 설정하는 것이 바람직하다. 그런데, 도 7에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 절결 형성한 이스케이프부(Z)가 없는 경우의 맞닿음 원호길이(C₀)는 도중 맞닿음 원호길이(C_x)에 대해서 (약간 크지만) 대략 동등한 값이므로, 개략 0.3·C₀≤C₁≤0.6·C₀인 관계식도 성립하고 있다고 할 수 있다.

다음에, 제2 접촉 볼록부(12)에 대해서 설명하면, (도시생략한 장착 미가압 상태로부터) 도 4의 접근 도중 상태에 있어서의 제2 접촉 볼록부(12)는 평탄면(2)에 맞닿는 직접 맞닿음부(20)를 가지고, 이 직접 맞닿음부(20)는 반경(R₀)이 충분히 큰 원호 형상이며, 도중 맞닿음 원호길이(C_x)와, 최종 조립 맞닿음 원호길이(C₁) 사이에는 0.3·C_x≤C₁≤0.6·C_x인 관계식이 성립한다. 또, 이스케이프부(Z)를 절결 형성한 절결선(5)과, 직접 맞닿음부(20)의 코너부(6)는 다소 작은 반경(R₁)의 R 모따기로 하는 점은 제1 접촉 볼록부(11)와 마찬가지이다(도 2 참조).

그리고, 제2 접촉 볼록부(12)의 도중 맞닿음 상태의 최대 면압(Px)과, 최접근 상태의 최대 면압(P₁)의 관계, 및 그 작용에 관해서도 이미 서술한 제1 접촉 볼록부(11)와 마찬가지이며 중복 설명을 생략한다(도 2의 개략 구성도, 및 도 4, 도 5의 면압 그래프 참조).

그리고, 도 1, 및 도 3 내지 도 5에 도시한 실시형태에서는 이 금속 시일(S)의 제1 접촉 볼록부(11)와 제2 접촉 볼록부(12)는 각각 횡단면이 대략 4분원 형상으로 되어 있다. 이스케이프부(절결부)(Z)는 이 제1 접촉 볼록부(11)·제2 접촉 볼록부(12)의 횡단면적보다도 약간 작은 대략 4분원 형상이다.

구체적으로는, 종래의 도 6을 절결 전의 기본 형상으로 하여 설명하면, 중간 기부(33 (3))의 짧은 변(33a (3a))과 평행하게, 또한 반원형의 접촉 볼록부(34, 35)의 원 중심점(O)을 통과하는 직선(L₀)을 긋고, 이 직선(L₀)과 접촉 볼록부(34, 35 (11, 12))의 교점(E)보다도 작은 치수(H)만큼 안쪽으로 치우친 위치에서 짧은 변(33a (3a))과 평행하게 절단하고 있다.

또한, 절결 형성한 이스케이프부(Z)의 절결선(5)은 도 1과 도 3 내지 도 5에서는 직각으로 교차하는 2개선으로 구성한 경우를 도시하고 있다. 본 발명에서는, 이 절결선(5)의 형상은, 도 2에 도시한 바와 같이, 곡선 형상으로 하거나, 그 밖의 형상으로 하거나 자유이지만, 최종 접근 상태하에서 이스케이프부(Z)의 절결선(5)이 평탄면(1, 2)에 비접촉이면 충분하다. 특히, 도 2로부터, 이와 같은 절결선(5)에 의해 형성되는 이스케이프부(Z)의 존재에 의해, 절결 이스케이프부가 없는 (도 6의) 최종 접근 상태하에서의 접촉 원호길이(C₀)가 충분히 짧은 원호길이(C₁)가 되는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는, 최종 조립 맞닿음 원호길이(C₁)가 도중 맞닿음 원호길이(C_x), 및 종래예의 (도 6, 도 7의) 맞닿음 원호길이(C₀)보다도 충분히 작아져, 이것에 따라 평탄면(1, 2)과의 접촉 면적이 감소하고, 최종 접근 상태의 최종 조립 면압 분포(16)가 도 5에 도시한 바와 같이(도 7과 도 4에 비해) 현저히 날카로운 산형이 되며, 최대 면압(P₁)은 도 7의 최대 면압(P₀) 및 도중 맞닿음 면압의 최대 면압(Px)에 비해 현저하게 커진다. 소위 선접촉 상태가 된다. 이와 같이, 낮은 조임력-평탄면(1)과 평탄면(2)을 접근 방향으로 조이기 위한 힘-이 낮음에도 불구하고 최대 면압(P₁)이 상승(증가)하여 시일성 (밀봉 성능)이 향상되고 있다.

또, 이와 같이 최대 면압(P₁)이 증가하여 충분한 시일성(밀봉 성능)이 얻어지는 것에 따라, 본 발명에서는, 한 쌍의 평탄면(1, 2)이 비경면 상태의 기계 가공면 그대로여도 되게 된다. 또한, 금속 시일(S) 자체의 볼록부(11, 12)의 직접 맞닿음부(20)는 종래와 같은 초연마 다듬질이 생략 가능하게 되고, 통상의 연마 다듬질로도 충분해진다. 즉, 양쪽의 시일면부의 다듬질 가공이 약간씩이었다고 해도, 헬륨 밀봉 시험에 있어서 종래의 경면 다듬질과 초연마 다듬질한 것과 동등한 양호한 실성(밀봉 성능)을 발휘할 수 있다. 물론, 금속 시일(S)의 표면에 대한 피복층(코팅층)의 부착도 생략할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 서술한 실시형태에 한정되지 않고, 설계 변경이 자유이며, 예를 들어 중간 기부(3)는 직사각형 이외에 평행사변형이나 다른 다각 형상이나 둥그스름한 형상이어도 된다. 또, 볼록부(11, 12)는 직접 맞닿음부(20)가 평탄면(1, 2)과의 접촉 부위의 접근에 따라 매끄럽게 이동하는 원호형상이면 도시하는 것 이외에도 그 형상은 자유이다.

본 발명은 이상에서 설명한 바와 같이, 서로 평행한 한 쌍의 평탄면(1, 2) 사이에 개재 장착되어 비틀림 탄성 변형을 발생시키는 블록형 횡단면 형상이며, 중간 기부(3)와, 상기 평탄면(1, 2)의 일방에 맞닿는 제1 접촉 볼록부(11)와, 상기 평탄면(1, 2)의 타방에 맞닿는 제2 접촉 볼록부(12)를 구비하고, 상기 제1 접촉 볼록부(11)를 상기 중간 기부(3)의 내경 쪽에 돌출 설치하고, 상기 제2 접촉 볼록부(12)를 상기 중간 기부(3)의 외경 쪽에 돌출 설치한 금속 시일에 있어서, 상기 제1 접촉 볼록부(11)·제2 접촉 볼록부(12)가 상기 평탄면(1, 2)에 직접적으로 접촉하는 직접 맞닿음부(20)의 횡단면 형상을 원호 형상으로 함과 아울러, 상기 한 쌍의 평탄면(1, 2)이 점차 접근하는 도중의 상기 직접 맞닿음부(20) 내의 도중 맞닿음 원호길이(C_x)보다도 최종 접근 상태의 최종 조립 맞닿음 원호길이(C₁)가 작아지도록, 상기 직접 맞닿음부(20)의 최종단측에 이스케이프부(Z)를 절결 형성한 구성이며, 간단한 형상임에도 불구하고, 최종 접근 상태하에서의 접촉 최대 면압(P₁)이 충분히 커지고, 밀봉 유체가 기체(가스)라고 해도 외부 누설의 흐름을 차단하여 우수한 실성(밀봉성)을 발휘한다. 게다가, 조임력은 낮은 상태 그대로도 충분하다. 또, 접촉 최대 면압(P₁)이 충분히 높아지므로 상대면으로서의 평탄면(1, 2)의 경면 가공을 생략하거나, 금속 시일(S) 자체의 접촉 볼록부(11, 12)의 초연마 다듬질을 생략할 수 있다. 이와 같이 제조가 용이해져 저렴한 제조를 실현할 수 있다.

또, 상기 제1 접촉 볼록부(11)와 상기 제2 접촉 볼록부(12)는 각각 횡단면이 대략 4분원 형상으로 했으므로, 심플한 횡단면 대략 반원형의 이스케이프부(Z)의 절삭 가공으로 끝나 제작이 용이해진다.

또, 상기 한 쌍의 평탄면(1, 2)은 비경면 상태의 기계 가공면이므로 평탄면(1, 2)의 종래의 경면 가공을 생략할 수 있어, 염가이고 또한 용이하게 상대면을 제작할 수 있다.

1, 2…평탄면
3…중간 기부
11…제1 접촉 볼록부
12…제2 접촉 볼록부
20…직접 맞닿음부
S…금속 시일
Z…이스케이프부
C_x…도중 맞닿음 원호길이
C₁…최종 조립 맞닿음 원호길이

Claims

서로 평행한 한 쌍의 평탄면(1, 2) 사이에 개재 장착되어 비틀림 탄성 변형을 발생시키는 블록형 횡단면 형상이며, 중간 기부(3)와, 상기 평탄면(1, 2)의 일방에 맞닿는 제1 접촉 볼록부(11)와, 상기 평탄면(1, 2)의 타방에 맞닿는 제2 접촉 볼록부(12)를 구비하고, 상기 제1 접촉 볼록부(11)를 상기 중간 기부(3)의 내경 쪽에 돌출 설치하고, 상기 제2 접촉 볼록부(12)를 상기 중간 기부(3)의 외경 쪽에 돌출 설치한 금속 시일에 있어서,
상기 제1 접촉 볼록부(11)·제2 접촉 볼록부(12)가 상기 평탄면(1, 2)에 직접적으로 접촉하는 직접 맞닿음부(20)의 횡단면 형상을 원호 형상으로 함과 아울러, 상기 한 쌍의 평탄면(1, 2)이 점차 접근하는 도중의 상기 직접 맞닿음부(20) 내의 도중 맞닿음 원호길이(C_x)와 최종 접근 상태의 최종 조립 맞닿음 원호길이(C₁)의 관계가 0.3·C_x≤C₁≤0.6·C_x가 되도록, 상기 직접 맞닿음부(20)의 최종단측에 이스케이프부(Z)를 절결 형성한 것을 특징으로 하는 금속 시일.
서로 평행한 한 쌍의 평탄면(1, 2) 사이에 개재 장착되어 비틀림 탄성 변형을 발생시키는 블록형 횡단면 형상이며, 중간 기부(3)와, 상기 평탄면(1, 2)의 일방에 맞닿는 제1 접촉 볼록부(11)와, 상기 평탄면(1, 2)의 타방에 맞닿는 제2 접촉 볼록부(12)를 구비하고, 상기 제1 접촉 볼록부(11)를 상기 중간 기부(3)의 내경 쪽에 돌출 설치하고, 상기 제2 접촉 볼록부(12)를 상기 중간 기부(3)의 외경 쪽에 돌출 설치한 금속 시일에 있어서,
상기 제1 접촉 볼록부(11)·제2 접촉 볼록부(12)가 상기 평탄면(1, 2)에 직접적으로 접촉하는 직접 맞닿음부(20)의 횡단면 형상을 원호 형상으로 함과 아울러, 상기 한 쌍의 평탄면(1, 2)이 점차 접근하는 도중의 상기 직접 맞닿음부(20) 내의 도중 맞닿음 원호길이(C_x)보다도 최종 접근 상태의 최종 조립 맞닿음 원호길이(C₁)가 작아지도록, 상기 직접 맞닿음부(20)의 최종단측에 이스케이프부(Z)를 절결 형성하고,
상기 직접 맞닿음부(20)의 최종단과 상기 이스케이프부(Z)간의 경계에 코너부(6)를 형성하며,
상기 직접 맞닿음부(20)의 횡단면 형상이, 상기 중간 기부(3)의 변부 위에 위치하는 중심점(O)에 의하여 규정되는 반경(R₀)의 호 형상의 선으로 구성되고, 교점(E)으로부터 상기 코너부(6)까지의 상기 최종 조립 맞닿음 원호길이(C₁)가, 상기 코너부(6)로부터 호 형상의 선을 연장할 때에 상기 평탄면(1, 2)에 접하는 점으로부터 교점(E)까지의 맞닿음 원호길이(C₀)보다 작은 것을 특징으로 하는 금속 시일.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제1 접촉 볼록부(11)와 상기 제2 접촉 볼록부(12)는 각각 횡단면이 4분원 형상보다 작은 치수(H)만큼 큰 것을 특징으로 하는 금속 시일.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 한 쌍의 평탄면(1, 2)은 비경면 상태의 기계 가공면인 것을 특징으로 하는 금속 시일.