TWI381120B - 真空裝置用夾固式接頭 - Google Patents

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Description

真空裝置用夾固式接頭
本發明係關於外環以及即使在高溫使用下O環也不會發生破裂(cracking)之使用此外環的真空裝置用夾固(clamp)式接頭。
圖3表示習知之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係具備有：具有互相平行之一對平坦面111、111的管接頭(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之凹溝112的0環103；而以夾具(clamp)(未圖示)夾緊管接頭101之凸緣構件113，而管接頭101之平坦面111、111與O環103之抵接則使流體密封。
真空裝置用夾固式接頭100即使在真空配管中當作密封之目的時，也會有稍受內壓(正壓)之情形。內壓受到負荷時則夾固式接頭之O環會向外側擴大，而使其不能發揮安定的密封性，並使流體漏出。又，在最壞之狀況下，O環自夾固式接頭脫落則有變成不能密封之情形。為了解決此一問題，如圖4所示，為了防止受到內壓而O環103朝向外側擴大，在O環103之外周設置可嵌入O環103之字形狀剖面的金屬製之外環105。此一構造之真空裝置用夾固式接頭200，即使真空裝置之配管受到內壓，也可抑制O環朝向外側擴大，而可發揮安定的密封性。又，近年來，為提高在夾固式接頭所使用之O環的耐熱性，也有將在真空裝置的配管所使用之夾固式接頭使用於200℃以上的高溫下之情形。
(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，如使用設置有外環之真空裝置用夾固式接頭200時，O環103則會發生破裂，最壞時則會有發生不能密封之問題。
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外環。
在該等情形下，本發明人專心檢討結果，發現出(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抵接O環之部份(圖5中之符號X部份)，(2)在實施考慮到250℃高溫下之熱膨脹係數的有限要素法(FEM)解析後，如圖5所示，自O環之內部應力分佈，以最大應力54MPa之大應力集中在X部份，(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張，O環被強壓在外環上而強烈地碰觸外環之凸緣部，則會發生很大的應力集中使O環破裂，(4)因此，只要將抵接在凸緣部的O環側的形狀，朝向O環構成凸形狀之扇形時，則可緩和應力集中而可解決O環破裂之問題，如此而完成本發明。
亦即，本發明係提供一種在嵌合於中間環的外周端之O環的外周，附設可挾持該O環之真空裝置用夾固式接頭的外環，其特徵為，其具備：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(brims)部；如此所構成，而抵接該凸緣部內側之該O環側之形狀係呈朝向該O環之凸形狀的扇形，且形成該扇形的圓弧之半徑為0.6mm以上、2.5mm以下，厚度(t0 )為如下式；t1 －0.2≦t0 ≦t1 ＋0.4(式中，t1 表示嵌合至該O環部位的中間環之厚度(mm))之尺寸。
又，本發明係提供一種組裝有前述夾固式接頭的外環之真空裝置用夾固式接頭。
根據本發明之真空裝置用夾固式接頭及其所使用之外環，則即使在高溫時O環朝向外周側大大地擴張，或O環被強壓至外環上，由於此部份為互相彼此具有大曲率之圓弧，因此，不會發生大的應力集中，而不會發生如習知之O環的破裂之問題。又，根據本發明之O環，其可迴避O環破裂，同時，O環與外環之嵌合既強固又安定，外環不會自O環脫落。
其次參照圖1說明本發明之第1實施形態中的外環及真空裝置用夾固式接頭。圖1係本例之真空裝置用夾固式接頭的一部份擴大之剖面圖。圖1中接頭之記載被省略。又，在真空裝置用夾固式接頭中「內側」係指接頭的軸心側，「外側」係指其相反側，在外環之凸緣部中「內側」係指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0環3；及，可挾持0環3而被嵌入至0環3的外周之外環5；而其以未圖示之接頭來夾緊管接頭1，並在管接頭1之平坦面11、11與0環3的抵接面密封流體。
中間環2將0環3固定，其為在組合管接頭時可容易對準軸之作用者，且其形狀為依據JIS規格而被規定，且形成凹溝21之環部份的厚度(圖中之符號t1 )為3.9mm。又，嵌合在中間環2之凹溝21的O環3之形狀也依據JIS規格而被規定，其圓形剖面的直徑為5mm。O環3之材質雖然使用所謂的橡膠構件，但使用耐熱性較高的氟橡膠或全氟橡膠(perfluro－rubber)時，即使在200℃以上之高溫下使用時也具有耐久性，因此較佳。
本發明之外環5係附設有可挾持O環3者，其由：形成外周面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；如此所構成，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，係朝O環3呈凸形狀之扇形。
又，扇形之扇軸，亦即構成扇形之圓弧的中心p，係在O環3的中心及O環3與外環5之連結接點的延長線上，是在和外環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為0.6mm以上、2.5mm以下，最好是0.8mm以上、2mm以下，特別以1.2mm以上、1.7mm最佳。構成扇形之圓弧的半徑r在未滿0.6mm時，則高溫時發生之集中應力會變大，而成為O環破裂之原因。又，當半徑r超過2.5mm時，則O環3之外徑Dgo與外環5之內徑Doi的差距S會變成過小，而變成外環5容易從O環3脫落。又，外環5之厚度t0 為如次式；t1 －0.2≦t0 ≦t1 ＋0.4(式中，t1 表示嵌合至該O環之部位的中間環之厚度(mm))的尺寸，最好是t1 ≦t0 ≦t1 ＋0.2，而特別以t0 ＝t1 ＋0.1最佳。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，在高溫時O環3則會進入該間隙，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則會被拉進內側，而O環3進入該間隙，並在該部份發生集中應力，因此也變成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，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。外環5之材質，只要是金屬材料則可而並無特別限制，但如使用和中間環2有相同或更大的熱膨脹係數之材料為佳，特別是如使用鋁合金時，由於在金屬材料中有較大的熱膨脹係數之點因而較佳。
根據此真空裝置用夾固式接頭10，則外環5不會從O環3脫落，且成為互相具有大曲率之圓弧彼此間之接觸，在200℃以上的高溫下使用時則可緩和因熱變形所發生之應力集中。
其次，雖然舉出實施例更具體說明本發明，但其為例示性者而並不用來限制本發明。
(實施例1)
製作圖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－BLACK」霓佳斯公司製品)。又，管接頭、中間環、O環係以JIS規格之標稱直徑40(NW40)所規定之尺寸，外環之外徑係φ 56mm，而形成扇形之圓弧的半徑r係1.5mm，厚度t0 為0.4mm。又，O環和外環之重疊量(overlapping width)S係0.5mm。而嵌合至O環部位之中間環的厚度t1 (mm)係3.9mm。依照下述之評價項目評價所完成之真空裝置用夾固式接頭。表1中顯示其結果。圖2表示從考慮到溫度250℃之熱膨脹係數的習知FEM解析所求得的O環內部應力分佈。
(自FEM解析測定最大應力及最大應力發生之位置)
．從考慮到溫度250℃之熱膨脹係數的習知FEM解析所求得的O環之內部應力的最大值(最大應力)和最大應力發生之位置。表中，發生最大應力的位置在外環側(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，而在中間環側(左側部份)時則以「中間」表示。
(外環自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，以「○」表示維持嵌合狀態外環未自O環脫落，而以「×」表示外環自O環脫落，或數次搖動時則會脫落。
(實施例2~5及比較例1~4)
使形成扇形之圓弧的半徑r、外環之厚度及O環與外環之重疊量s如表1及表2所表示的尺寸，以外則用和實施例1同樣的方法來實施。其結果示如表1及表2。又，比較例1係從考慮到溫度250℃之熱膨脹係數的習知FEM解析所求得的O環之內部應力分佈。圖5表示其結果。
由圖2、圖5、表1及表2明顯可知，實施例1之真空裝置用夾固式接頭係，以FEM解析並未觀察到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，以FEM解析觀察到有應力集中，其最大應力值亦為實施例1之2倍50MPa之高。又，實施例2~5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環破裂發生之情形。一邊，形成外環的扇形之圓弧的半徑r過小(比較例1)，外環的厚度過小(比較例3)或過大(比較例4)時，則在高溫條件下被認定O環有破裂。又，外環之半徑r過大時(比較例2)，則外環有自O環脫落之傾向。
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
51．．．外環之基部
52．．．外環之一對凸邊部
53．．．溝
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係第1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表示在實施例1中從考慮到溫度250℃之熱膨脹係數的習知FEM解析所求得的O環內部應力分佈。
圖3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4係在圖3中被設置外環之習知例。
圖5表示在比較例1中從考慮到溫度250℃之熱膨脹係數的習知FEM解析所求得的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
51．．．外環之基部
52．．．外環之一對凸邊部
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 (3)

  1. 一種真空裝置用夾固式接頭，其係具備有：管接頭，其係具有互相平行之一對平坦面；金屬製中間環，其外周端介裝在該管接頭之平坦面間之凹溝；O環，其係嵌合在該金屬製中間環之外周端；以及金屬製外環，其係以挾持該O環之方式而附設於該O環之外周；並在管接頭之平坦面與O環之抵接面密封流體者，其中，上述外環係由形成外周面之基部、與自該基部之上下兩側各自朝向接頭之軸心延伸之一對凸緣(brims)部所構成，抵接至該凸緣部內側之該O環側之形狀係朝向該O環呈凸形狀之扇形，形成該扇形之圓弧半徑為0.6mm以上且2.5mm以下，於將嵌合至上述O環之部位的中間環之厚度(mm)設為t1 時，外環之厚度t0 為如下式之尺寸：t1 -0.2≦t0 ≦t1 +0.4。
  2. 如申請專利範圍第1項之真空裝置用夾固式接頭，其中，形成前述扇形之圓弧之半徑為0.8mm以上且2mm以下。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之真空裝置用夾固式接頭，其中，外環厚度t0 為t1 ≦t0 ≦t1 +0.2之尺寸。
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