TWI381116B - Ｏ環及真空裝置用夾固式接頭 - Google Patents

Description

O環及真空裝置用夾固式接頭

本發明係關於O環及即使在高溫使用下O環也不會發生破裂之使用此一O環的真空裝置用夾固式接頭(clamp－type joint)。

圖2表示以先前之JIS B 8365(ISO 2861/1)(以下簡稱「JIS規格」)所規定之真空裝置用夾固式接頭的代表例。真空裝置用夾固式接頭100具備有：具有互相平行之一對平坦面111、111之管接頭(coupling)101；及，被夾裝在管接頭101的平坦面111、111間且其外周端為凹面溝112之中間環102；及，嵌合在中間環102之凹面溝112的O環103；而以夾具(未圖示)夾緊管接頭101之凸緣(brim)構件113，在管接頭101之平坦面111、111與O環103的抵接面密封流體。

真空裝置用夾固式接頭100在真空配管中即使當作密封之目的，其仍有時會稍受內壓(正壓)之情形。內壓受到負荷時則夾固式接頭之O環會對外側擴大，而不能發揮安定的密封性，而導致流體漏出。又，在最壞之狀況下，O環會有自夾固式接頭脫落而不能密封之情形。如圖4所示，為了解決此一問題，為防止O環103受到內壓而向外側擴大，在O環103之外周被設置可嵌入至O環103之字形狀剖面的金屬製之外環105。如此構造之真空裝置用夾固式接頭200，即使在真空裝置之配管受到內壓，也可抑制O環向外側擴大，而可發揮安定的密封性。又，近年來，夾固式接頭所使用之O環的耐熱性被提高，而有可將真空裝置之配管所使用的夾固式接頭使用於200℃以上的高溫下之情況。

(非專利文獻1)「真空裝置用夾固式接頭之形狀及尺寸」JIS B 8365－1988

但是，在200℃以上的高溫下，當使用設置外環之真空裝置用夾固式接頭200時，O環103會發生破裂，最壞時則有不能密封之問題。

因此，本發明之目的為提供一種即使在200℃以上的高溫下使用時，O環也不會破裂，而可發揮安定的密封性之真空裝置用夾固式接頭及其所使用之O環。

在該等情況下，本發明人專心檢討結果發現：(1)O環破裂係發生在構成外環之字形狀的上下一對凸緣部在抵觸到O環之部份(圖4中之符號X部份)，(2)自考慮250℃高溫下的熱膨脹係數而實施有限要素法(FEM)解析後，發現如圖4所示，自O環之內部應力分佈在X部份會集中最大應力54MPa之強大的應力，(3)由於O環之橡膠的熱膨脹係數比外環之金屬的熱膨脹係數高出非常多，因此，高溫時O環會朝向外周側大大地擴開，O環被外環強力地按壓而強固地接觸至外環之凸緣部，而發生大的應力集中使O環破裂，(4)因此，只要在抵接至外環之一對凸緣部側之橫剖面使O環的圓弧之直徑構成比在接頭的軸心側之橫剖面的O環之圓弧的直徑更小，則可緩和應力集中而解決O環破裂之問題，如此而完成本發明。

亦即，本發明係提供一種嵌合於中間環之外周端的凹溝，同時，以外周字形剖面之外環所挾持的真空裝置用夾固式接頭所使用之O環，其特徵為，抵接至該外環側之橫剖面的圓弧之直徑比在接頭的軸心側之橫剖面的圓弧之直徑更小。

又，本發明係提供一種組裝前述夾固式接頭的O環所成之真空裝置用夾固式接頭。

本發明之真空裝置用夾固式接頭及所使用之O環係，在高溫時即使O環朝向外周側大大地擴開，或O環強烈地按壓至外環，也不會發生大的應力集中，而不會發生如習知問題之O環破裂。又，O環與外環之嵌合強固安定，且外環不會自O環脫落。

其次，參照圖1說明本發明的實施形態中之O環及真空裝置用夾固式接頭。圖1係本實施例之真空裝置用夾固式接頭的一部份擴大之剖面圖。圖1中省略接頭之記載。又，在真空裝置用夾固式接頭中「內側」係指接頭的軸心側，而「外側」係指其相反側，在外環之凸緣部中「內側」係指在一對凸緣部間之溝方向。

真空裝置用夾固式接頭(joint)10具備有：具有互相平行之一對平坦面11、11之管接頭(coupling)1；及，外周端介裝在管接頭1的平坦面11、11間之凹溝21的中間環2；及，嵌合在中間環2的凹溝21之O環3；及，在O環3之外周具有被嵌入挾持O環3之外環5，而以未圖示之接頭夾緊管接頭1，而在管接頭1之平坦面11、11與O環3的抵接面密封流體。

中間環2係用來固定O環3而在組合管接頭時則容易對準軸時作用之物，其形狀依據JIS規格而被規定，在形成凹溝21之環部份的厚度(圖中之符號t₁ )為3.9mm。

本實施形態例所使用之異形O環3，在抵接外環5之一對凸緣(brim)部52、52側32(圖1中，異形O環之右半側)的橫剖面之圓弧33的直徑比接頭之軸心側31(圖1中，異形O環之左半側)的橫剖面之圓弧34的直徑更小。亦即，圖1中，異形O環3的右半側之橫剖面的形狀係，外形以大略直線35、35連結圓弧33和異形O環3之中心兩側36、36所形成而呈現平滑之凸形狀。又，異形O環3的高度(左半側之圓弧34的直徑)及寬度尺寸不須要相同，其依照用途適當決定即可。

抵接在外環5之一對凸緣部52、52側之橫剖面的圓弧33的直徑係為接頭的軸心側之橫剖面的圓弧34之直徑的2/5~7/10，但如為1/2~2/3時，由於其可發揮安定的密封性，同時，外環5不會自O環3脫落，因而較佳。異形O環3的右半側之橫剖面的形狀並不限於圖1所記載之形狀，例如接近異形O環3的中心之兩側36、36的直線部份構成外側稍微凸起之形狀亦可。O環3的材質雖然使用所謂橡膠構件，但使用具有高耐熱性的氟化橡膠或全氟橡膠(perfluoro－rubber)時，即使在200℃以上之高溫下使用時也具有耐久性因而較佳。

在本發明中，和O環3組合所使用之外環5，其雖未特別限制，但附設有可挾持O環3，而由：形成外周面之橫剖面為矩形狀的基部51；及，自基部51之上下兩側各別朝向接頭的軸心(圖1中之左側)延伸之一對凸緣(brims)部52、52；所構成，而凸緣部52、52之內側(圖1中，在一對凸緣部52、52間之溝53側)的形狀，以朝向O環3凸形狀之扇形者較佳。

又，扇形之扇軸，亦即構成扇形圓弧的中心P係，在O環3的中心及連結O環3與外環5的延長線上，而在和外環5之上下方向的最外側面之交點。構成此扇形之圓弧的半徑r係0.3mm以上、2.5mm以下，而以0.6mm以上、2mm以下為佳，且在1mm以上、2mm以下較佳，特別是1.3mm以上、1.7mm以下時最佳。構成扇形之圓弧的半徑r在未滿0.3mm時，則高溫時發生之應力集中會變大，而會成為O環破裂之原因。又，半徑r超過2.5mm時，O環3之外徑Dgo與外環5之內徑Doi的差距S則變成過小，而會使外環5容易從O環3脫落。又，外環5之厚度t₀ 係如下式；t₁ －0.2≦t₀ ≦t₁ ＋0.4

(式中，t₁ 表示嵌合該O環之部位的中間環之厚度(mm))之尺寸，而以t₁ ≦t₀ ≦t₁ ＋0.2為佳，特別是以t₀ ＝t₁ ＋0.1較佳。外環5之厚度t₀ 未滿(t₁ －0.2)mm時，在管接頭1和外環5之間會發生大的間隙，高溫時O環3會進入該間隙，而變成O環3破裂之原因。又，外環5之厚度t₀ 超過(t₁ ＋0.4)mm時，則在管接頭1和中間環2之間會發生大的間隙，在真空密封時O環3會被拉進內側，而O環3進入該間隙，在該部份會發生應力集中，此亦成為O環3破裂之原因。

凸緣部52、52之內側的扇形形狀，並不限於圖1所示之形狀，例如只要和O環3的接點附近形成扇形之圓弧即可，例如圖1中，也可使凸緣部52、52之內側最先端的角(邊緣)形成圓形亦可。外環5之材質，只要是金屬材料即可其雖然並未特別限制，但使用和中間環2有相同或更大的熱膨脹係數之材料者為佳，特別是使用鋁合金時，由於在金屬材料中有較大的熱膨脹係數之點因而較佳。

根據此一真空裝置用夾固式接頭10，外環5不會從O環3脫落，且大曲率之圓弧彼此間成為互相接觸，而可緩和在200℃以上高溫下使用時所發生之熱變形伴隨而來的應力集中。

其次，雖然舉出實施例而更具體說明本發明，但其僅為例示性而並不用以限制本發明。

(實施例1)

製作如圖1所示構造的真空裝置用夾固式接頭。管接頭、中間環、外環之材質係使用SUS316L(熱膨脹係數16.0×10^{－ 6} /℃)，O環之材質係使用全氟．橡膠組合物(熱膨脹係數2.6×10^{－ 4} /℃)(「Blazer－Blact」霓佳斯公司製)。又，管接頭、中間環係以JIS規格之標稱直徑40(NW40)所規定之尺寸，在O環的接頭之軸心側的橫剖面之圓弧直徑為5mm，而抵接外環之一對凸緣部側之橫剖面的圓弧直徑為3.0mm，外環之外徑為φ 56mm，形成凸緣部扇形的圓弧之半徑為0.5mm，厚度t₀ 為3.9mm。又，嵌合在O環之部位的中間環之厚度t₁ (mm)為3.9mm。又，O環和外環之重疊量S為0.5mm。依照下述之評價項目而評價所完成之真空裝置用夾固式接頭。其結果示如表1。

(藉FEM解析最大應力及測定最大應力之發生位置)．自考慮在溫度250℃之熱膨脹係數之公知的FEM解析而求得O環之內部應力的最大值(最大應力)和發生最大應力之位置。表中，發生最大應力位置在外環側(右側部份)時以「外側」表示，在中間側(左側部份)時則以「中間」表示。

(在溫度250℃有無O環破裂及破裂之位置)．實施在250℃條件下之耐久試驗，20小時後分解真空裝置用夾固式接頭，觀察O環有無破裂及破裂位置。表中，以「○」表示未破裂之O環，以「×」表示有破裂之O環。又，破裂位置在外環側(右側部份)時以「外側」表示，在中間環側(左側部份)時則以「中間」表示。

(外環從O環脫落之容易性)．對耐久試驗前之外環與O環的嵌合狀態，針對維持於嵌合狀態而外環未自O環脫落者以「○」表示，而對外環自O環脫落，或數次搖動時會脫落者以「×」表示。又，實施數次試驗發生「○」與「×」之狀態者則以「△」表示。

(實施例2、3及比較例1、2)

如表1所示在O環的接頭之軸心側的橫剖面之圓弧的直徑，抵接外環之一對凸緣部側之橫剖面的圓弧之直徑及重疊量S的尺寸，以外則以和實施例1同樣方法實施。表1表示其結果。又，在比較例1中，自考慮溫度250℃之熱膨脹係數而以公知之FEM解析求得O環之內部應力分佈。圖4表示其結果。

由圖4及表1可明顯得知，實施例1之真空裝置用夾固式接頭之情形，藉FEM解析法未觀察到O環有應力集中，且最大應力值在25MPa之低值。一邊，比較例1之真空裝置用夾固式接頭，當藉FEM解析法則觀察到有應力集中，其最大應力值也高於實施例1之約2倍的54MPa。又，實施例2、3之真空裝置用夾固式接頭也和實施例1同樣，未觀察到有應力集中且未有因外環而O環發生破裂之情形。一邊，圓形剖面的O環(比較例1)，在高溫條件下被認定有O環之破裂。又，半圓形剖面的O環之情形(比較例2)，外環有自O環脫落之傾向。由表1可明顯得知，使用異形環之真空裝置用夾固式接頭，其最大應力值小，實際上不會有破裂，且外環不會脫落，而顯示有良好的結果。

1、101．．．管接頭

2、102．．．中間環

3、103．．．O環

5、105．．．外環

10、100、200．．．真空裝置用夾固式接頭

11、111．．．平坦面

21．．．凹溝

31．．．軸心側

32．．．抵接凸邊部側

33、34．．．圓弧

35．．．直線

36．．．兩側

51．．．基部

52．．．凸緣部

53．．．溝

112．．．凹面溝

113．．．凸緣構件

r．．．形成外環之扇形的圓弧之半徑

t₀ ．．．外環之厚度

t₁ ．．．中間環之凹溝部位的厚度

Doi．．．外環之內徑

Dgo．．．O環之外徑

圖1係本實施形態之真空裝置用夾固式接頭的一部份擴大之剖面圖。

圖2係以JIS B 8365(ISO 2861/1)所規定之真空裝置用夾固式接頭的剖面圖。

圖3係在圖2中設置外環之習知例。

圖4表示考慮溫度250℃之熱膨脹係數以公知之FEM解析求得比較例1的O環之內部應力分佈。

1．．．管接頭

2．．．中間環

3．．．O環

5．．．外環

10．．．真空裝置用夾固式接頭

11．．．平坦面

21．．．凹溝

31．．．軸心側

32．．．抵接凸緣部側

33．．．圓弧

34．．．圓弧

35．．．直線

36．．．兩側

51．．．基部

52．．．凸緣部

53．．．溝

Dgo．．．O環之外徑

Doi．．．外環之內徑

r．．．形成外環之扇形的圓弧之半徑

t₀ ．．．外環之厚度

t₁ ．．．中間環之凹溝部位的厚度

Claims (4)

1. 一種夾固式接頭之O環，其為嵌合在中間環之外周端的凹溝，同時，外周以字形剖面之外環所挾持，如此的真空裝置用夾固式接頭所使用之O環，其特徵為，抵接該外環側之橫剖面的圓弧之直徑，為接頭軸心側之橫剖面之圓弧直徑之2/5~7/10。
2. 如申請專利範圍第1項之夾固式接頭之O環，其中，前述外環係由：形成外周面之基部；及，自該基部之上下兩側各別朝向接頭的軸心延伸之一對凸緣部；如此所構成，而抵接該凸緣部內側的該O環側之形狀係呈朝向該O環的凸形狀之扇形，形成該扇形之圓弧的半徑為0.3mm以上、2.5mm以下，厚度(t₀ )為如下式；t₁ -0.2≦t₀ ≦t₁ +0.4(式中，t₁ 表示嵌合該O環之部位的中間環之厚度(mm))之尺寸。
3. 一種真空裝置用夾固式接頭，係由組裝有申請專利範圍第1或2項之夾固式接頭的O環所構成。
4. 如申請專利範圍第3項之真空裝置用夾固式接頭，其中，其被使用在200℃以上的高溫下。