JP5204550B2 - メタルガスケット - Google Patents

Description

本発明は、原子力分野、半導体分野などにおける各種配管、機械設備など高温高圧、真空などの過酷な条件でシール部材として用いられるメタルガスケットに関し、特に低い締め付け力でシール性が良好なメタルガスケットに関する。

高真空用途のように透過漏洩を許容できない高いシール性能や、脱ガスのベーキング処理などへの耐熱性が要求される用途においては、ゴムやエラストマーなどからなる素材より、それらの特性に優れた軟質金属材料からなるメタルガスケットが一般的に用いられている。

このようにメタルガスケットを用いて安定したシール性を確保するには、ゴムやエラストマーの場合に比べて締め付け力を非常に大きくしなければならない。その結果、メタルガスケットを用いる場合は、締付作業の負担やフランジやボルトなどの締結体が大型化してしまうのが通常である。

また、Ｏリング形状のガスケットすなわちシート形状ではないガスケットの場合は、装着時にガスケット装着溝に締切りの状態で使用することが一般的であるが、Ｏリング形状でゴム製あるいはエラストマー製のガスケットの場合は、低い締め付け荷重で大きく変形するので、ボルトを段階的に締め付けていくと、ガスケットを締め付けているときには簡単にボルトが回って締め付けていくことができる。一方、ボルトの溝締め切り状態になると、直ちにボルトが回らなくなる。あるいはほとんど回らなくなる。

よって、Ｏリング形状でゴム製あるいはエラストマー製のガスケットの場合は、手作業でもボルトの締め付け管理を行なうことが容易であった。
これに対し、金属製でＯリング形状のガスケットの場合は、変形させるために元来大きな力が必要であるため、ボルトの溝締切り状態になった瞬間の変化が分かり難い。そのため、手作業でのボルト締め付けの管理が行い難いという問題があった。

なお、金属製でＯリング形状のガスケットとして、メタル中空Ｏリングやばね入りメタルＣリングなども知られている。しかしながら、メタル中空Ｏリングやばね入りメタルＣリングの場合であっても、ボルトの溝締切り状態になった瞬間の変化が分かり難く、手作業のボルト締め付けの管理を行うことは困難であった。また、これらメタル中空Ｏリングやばね入りメタルＣリングなどの場合は、「Ｏ」や「Ｃ」など全体形状を規定する部分の肉厚や寸法を変更したりすることで変形し易くすることができる。さらに、ばね入りＣリングの場合は、内蔵されるばねの太さなどを適宜変更することで、変形し易くしたりすることはできる。しかしながら、ばねの太さなどを変更すれば、反力もしくはシール面の応力も損なわれることから、シール性能が損なわれてしまうという問題があった。

メタル中空Ｏリングやばね入りメタルＣリングにおいて、シール性能を向上させるために、様々な提案が成されている。
例えば、メタルガスケットのシール面に軟質な層（金属メッキ、ゴムコーティングなど）を設けたり、あるいはメタルガスケットのシール面に応力集中を生じさせる形状を採用したりすることが行われている。すなわち、特許文献１では、シール面に突出部を、特許文献２では、シール面に凹溝を設けて、応力集中が生じる形状としている。

しかしながら、このような改善案であっても、未だ低い締め付け力で十分なシール性能
を発揮することは十分でなかった。
また特に、特許文献１，２のように、シール面を応力集中が生じる形状とすると、その形状により相手側のフランジ面に傷が残り易く、結果として、フランジの再使用に問題が生じる場合があった。また、応力集中部が凸形状となるため、傷がつき易く、取扱いの際に特に注意が必要になるなどの問題があった。
特開平２−１１３１７１号 特開平９−２６４４２７号

本発明は、このような従来の実情に鑑み、低い締付け力で高シール性を得ることができ、しかも、手作業でボルト締めを行った場合であってもボルト締め付けの管理を行うことが容易であり、さらには相手側のフランジ面に傷を付ける虞もないメタルガスケットを提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係るメタルガスケットは、
周方向の開口により断面略Ｃ字状に形成された外環と、この外環の内側に嵌合状態で配置される内環と、から構成されるメタルガスケットであって、
前記内環が中空の断面多角形体から構成されているともに、この内環における互いに対向する一対の角部が、前記外環における前記開口を挟んで上下両側の内周面に密接されるようそれぞれ配置されているとともに、
前記内環を構成する金属が、前記外環を構成する金属より硬質の金属から形成されていることを特徴としている。

このような構成のメタルガスケットによれば、内環の角部が外環に当接して部分的に強く押圧されるとともに、他の部分は緩やかに外環に当接するので、シール力を得るための全体の締め付け力は低くて良い。
また、このように内環が外環より硬質であれば、高硬度の内環が低硬度の内環を外側に押圧するとともに、低硬度の外環による相手部材に対するなじみ性が良好であるため、シール性も良好である。

ここで、本発明では、前記内環は断面四角形体であることが好ましい。
このような構成であれば、簡単な構成の内環によりシール性能を高くすることができる。

さらに、本発明では、前記内環の前記多角形体の頂部は円弧状に形成されていることが好ましい。
このような構成であれば、内環の外環に対する密着性が良好であるので、シール性能を良好に維持することができるともに、内環の周方向への移動を防止することもできる。

また、頂部が鋭角であれば過度に応力集中が起こり、それにより外環の破壊や相手フランジのシール面へ窪み発生などのダメージを与えてしまう虞があるが、頂部が円弧状であれば、それらを抑制することができる。

また、前記外環の少なくとも外周側表面に、軟質層を設けることもできる。ここで、軟質層としては、樹脂あるいは適宜なゴム、さらには軟質金属によるメッキ層であっても良い。

このように外環の少なくとも外周側表面に軟質層を設けた場合であっても、相手部材に対するなじみ性を良好に維持することができる。

本発明に係るメタルガスケットによれば、従来のメタルガスケットに比べて同等のシール性を得るために必要な全体としての締め付け荷重は低くなるとともに、一定荷重を加えた場合の変形量は大きくなるので、低い締め付け力で十分なシール性を確保することができるとともに、手作業によるボルト締めを行ったときに、ボルトの溝締切りになった瞬間にボルトがほとんど回らなくなるので、手作業によるボルト締め付けの管理を行うことが容易である。

さらに、外環の外周面は突出した部分が存在しない曲面であるので、相手側のフランジ面に傷を付けてしまう虞がない。

以下、本発明に係るメタルガスケットについて説明する。
図１は、本発明の一実施例によるメタルガスケットを示した断面図である。
図１に示したように、メタルガスケット１０は、断面略Ｃ字状の外環１２と、断面略四角形状の中空の内環１４とから構成されている。

ここで、内環１４を構成する金属は、外環１２を構成する金属より硬質の金属から形成されていることが好ましい。
例えば、外環１２は、いわゆる軟質金属と称されるアルミニウム、内環１４は、アルミニウムより硬質の金属、例えばステンレスなどから形成されていることが好ましい。

すなわち、本実施例のメタルガスケット１０では、シール面に配置される外環１２が内環１４より低硬度であり、これにより外環１２が変形し易く形成されている。また外環１２は、図２に示したように、リング状でかつ平板状に打ち抜かれたアルミニウム板１２’を予め用意し、このアルミニウム板１２’をパイプ状にくせ巻きすることで形成されている。

一方、内環１４は、例えば、断面四角形体の角筒パイプなどが用意され、この角筒パイプが環状に引き回された後、両端部を溶接することで形成されている。また、この角筒パイプからなる内環１４は、一対の角部１４ａ、１４ｂを軸方向（上下方向）に、他の一対の角部１４ｃ、１４ｄを水平方向（径方向）に配置した状態で環状に引き回すことにより図１のように形成されている。したがって、先ず、環状の内環１４を作成した後、その内環１４の外方を覆う態様で、上記外環１２をくせ巻きすれば、図１に示したように、内環１４と外環１２とからなるメタルガスケット１０を形成することができる。なお、外環１２と内環１４の作成方法、組み付け方法は、上記実施例に何ら限定されない。

本実施例によれば、内環１４における一対の角部１４ａ、１４ｂが、外環１２の開口の両側内周面に配置されるので、外環１２を内側から強く押圧することができる。これにより、内環１４は弾性要素として機能され、かつ外環１２は、シール要素として機能される。

このようなメタルガスケット１０は、図３に示したように、例えば、半導体製造に使用された配管２０、２１の継ぎ手部分のフランジ面２２に介装され、ボルト２４などで締め付けられる。なお、メタルガスケット１０を構成する外環１２のシール性を高めるために、外環１２の表面に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミドなどのコーティングや、銀、ニッケル、銅などのメッキを施すことも可能である。

このように構成されるメタルガスケット１０の締め付けについて、以下に説明する。
本発明のメタルガスケット１０では、図３に示したように、シールすべき配管２０、２１のフランジ面２２に、ガスケット１０を介在させて、ボルト２４などによって所定の締め付け力を付与すると、先ず、外環１２の外周面が圧縮される。このとき、外環１２は、内環１４の一対の角部１４ａ、１４ｂが当たる部分は変形し難いが、他の部分では、適宜な圧縮力を受けて、徐々にフランジ面２２になじむようになる。これにより、シール性が確保される。また、外環１２が軟質金属から形成され、この外環１２の内周面が一対の角部１４ａ、１４ｂで圧接される構造であるため、全体の締め付け力を低く抑えた状態でシール性能を維持することができる。

このとき、外環１２は、内周面が一対の角部１４ａ、１４ｂで圧接される構造であるため、この部位に応力が集中し、全体の締め付け力を低く抑えた状態でフランジ面とのなじみを得ることができシール性能を維持することができる。

また、本実施例では、ボルト締めを手動で行ったとしても、ボルトの溝締切りになった瞬間にボルトが殆ど回らなくなる。これにより、そのボルト締め管理を手動で行うことができる。

さらに、メタルガスケット１０の圧縮時において、外環１２では、内環１４の一対の角部１４ａ、１４ｂが当たらない部分では変形しやすい。
一方、内環１４では、その内環１４が圧縮と共にガスケット１０の径方向（断面図の横方向）に広がっていくため、変形しやすく、また変形時には上下方向（圧縮方向）への反力が保たれるので、ガスケット１０を低い荷重で大きく変形させることができる。よって、ボルト締めを手動で行った場合に、締め付け時には、ボルトを簡単に回すことができ、締め切りまで到達すれば、ボルトが回らなくなるのでボルト締め管理が容易である。

このように、本発明に係るメタルガスケットでは、Ｏリング形状のメタルガスケットであっても、全体としての締め付け力を低く抑えた状態で、シール性を確保することができるとともに、ボルトの溝締切りになれば直ちにボルトが回らなくなるので手動操作によるボルト締め管理を容易に行うことができる。

以上、本発明の一実施例によるメタルガスケットについて説明したが、本発明は上記実施例に何ら限定されない。
例えば、外環１２は、単一の金属ではなく合金であっても良い。また、シール面を構成する外環１２の外側表面に、樹脂やゴムなどによるコーティングあるいはメッキなどにより、軟質層を設けても良い。ここに、軟質層を別途設ける場合、材質は条件に合わせて適宜選択することができる。

このように、外環１２の外側表面に適宜な軟質層を設ければ、ガスケットによるシール性を向上させることができる。また外環１２の表面に、軟質層を設ける場合、外環１２の外側全体でなく少なくとも外周側表面に形成されていれば良い。しかしながら、作業性を考慮すれば、外側全体に軟質層を設けることが実際的である。

また、上記実施例では、内環１４は、断面四角形に形成されているが、この内環１４は、多角形体であれば、四角形体に限定されず、例えば、断面六角形体であっても良い。要は外環１２の中央開口を挟んで両側の対称位置を略均等に押圧する形状であれば良い。

このような本発明のメタルガスケットは、超真空フランジ、真空機器、蒸着装置、スパッタリング装置、ＣＶＤ装置、各種真空ポンプなど高温、高圧、真空、低温などの過酷な
条件下において広範に用いることが可能である。

また、図１に示したように、内環１４が例えば、四角形体である場合に、一対の角部１４ａ、１４ｂの外面頂部は、円弧状、特には外環１２の内周面に密接する大きさの径で形成されていることが好ましい。このように、外環１２の内周と同様の径で形成されていれば、内環１４が密接に摺接するので、外環１２が内環１４によって変形してしまうことを防止することができる。

さらに、内環１４の一対の角部１４ａ、１４ｂを外環１２の内周面に密に接触させる寸法設計を行うことにより、内環１４が外環１２に対して小さい場合に生じ得る内環１４のずれや斜めに傾いたりすることを抑制できる。

さらに上記実施例では、外環１２の開口が、径外周側に形成されているが、この開口が径内周側に形成されるようにしても良い。

なお、外環１２の開口を高圧側に配置すれば、その圧力が外環１２内に入り込んで外環１２を外側に押し広げるので自緊機能が発揮される。

図１は本発明の一実施例によるメタルガスケットの断面図である。 図２は図１に示した外環を形成する際の手順を示す断面図である。 図３は図１のメタルガスケットを配管などのフランジ部に用いた状態を示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１０ メタルガスケット
１２ 外環
１４ 内環
１４ａ、１４ｂ 角部

Claims (4)

1. 周方向の開口により断面略Ｃ字状に形成された外環と、この外環の内側に嵌合状態で配置される内環と、から構成されるメタルガスケットであって、
   前記内環が中空の断面多角形体から構成されているともに、この内環における互いに対向する一対の角部が、前記外環における前記開口を挟んで上下両側の内周面に密接されるようそれぞれ配置されているとともに、
   前記内環を構成する金属が、前記外環を構成する金属より硬質の金属から形成されていることを特徴とするメタルガスケット。
2. 前記内環は断面四角形体であることを特徴とする請求項１に記載のメタルガスケット。
3. 前記内環の前記多角形体の頂部は円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のメタルガスケット。
4. 前記外環の少なくとも外周側表面に、軟質層を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のメタルガスケット。

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