JP2004218740A

JP2004218740A - 組み合わせ金属ガスケット及びシール構造体

Info

Publication number: JP2004218740A
Application number: JP2003006836A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Takahiro; 憲一高広; Hideaki Mori; 英明森; Kanji Hanashima; 完治花島
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2004-08-05
Also published as: US6942220B2; US20040183262A1

Abstract

【課題】大きな圧縮荷重がかかっても塑性変形することがなく、シールする流体の圧力が高い場合であっても、ガスケットの破損が起こり難い、安定したシール性を示す金属ガスケット及びシール構造体を提供すること。
【解決手段】Ｓ字形状の縦断面を有するリング状金属ガスケット１０ａの２つの谷部１１ｂ、１２ｂのうち、少なくとも１つの谷部にリング状金属系弾性構造体１０ｂを嵌め込んでなる組み合わせ金属ガスケット１０。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い圧縮荷重を受けても塑性変形することなく優れた耐久性を示す組み合わせ金属ガスケット及びシール構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、真空装置のシールや圧力流体配管等のシールにはＯリングに代表されるゴム製ガスケット、樹脂製ガスケットあるいは金属製ガスケットなどが使用されている。このうち、高温雰囲気下で且つ弾性復元性の必要な箇所には、所謂Ｃ字形リング、Ｓ字形リング及びＥ字形リングなどの金属製ガスケットが使用されている。
【０００３】
Ｅ字形リングは、例えば特許文献１の特開２００２−５２９０号公報に開示されている。このＥ字形の断面を有するガスケットは、所謂Ｃ字断面形状のガスケットの、シール性を向上させると変位追従性が低下し、変位追従性を向上させるとシール性が低下するという問題を解決したものであって、圧縮荷重に対抗する弾性反発力（シール荷重）を発揮して良好なシール性を得ることができると共に、広範囲に亘って弾性変動し、圧縮荷重の変動に応じた伸縮力を発揮して良好な変位追従性を得ることができるというものである。
【０００４】
また、特許文献２の特開平８−１４５１８３号公報には、シール面に厚さ０．１μｍ〜０．５ｍｍのゴム膜を組み合わせたＶ字形状またはＷ字形状の縦断面を有する金属の弾性構造体であって、該金属の弾性構造体の谷部分にゴムリングを嵌めこんだ真空シール用ガスケットが開示されている。この真空シール用ガスケットによれば、金属の弾性構造体がシール部分における不均一なシール間隙に追従し、これに組み合わせる形状復元性の高いゴム膜の厚さを薄くしているので、超高真空領域においてもガス放出量が小さく、かつ繰り返し使用が可能である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−５２９０号公報（請求項１）
【特許文献２】
特開平８−１４５１８３号公報（請求項１〜請求項３）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＳ字形状のガスケットやＥ字形状のガスケットは、図５に示すように、その形状の弾性限界を超えて大きな圧縮荷重Ｐがかかる場合、Ｃ字断面形状部の背６１、６１に応力が集中してしまい塑性変形を生じる。この際、弾性反発力を発揮することができず、シール性を得ることができなくなるという問題がある。なお、図５中、符号６２、６３はシール対象部材である。また、弾性限界に近い圧縮荷重で繰り返し振動を受けると、ガスケットが金属疲労を起こし、疲労破壊して耐久性が低下するという問題がある。また、シールする流体側とその反対側の非流体側の圧力差が高い場合、通常Ｓ字形又はＥ字形リングガスケットは締め付け荷重が小さいためシール部分に隙間が生じ、漏洩の原因となる。単純にＳ字形又はＥ字形リングガスケットの肉厚を厚くしたり、硬い材質を使用すれば、締め付け荷重を高くすることもできるが、この場合、著しく弾性領域が狭くなる。また、特開平８−１４５１８３号公報のようなゴムリングを組み合わせたガスケットでは、金属の弾性構造体の弾性を補助するには未だ十分ではなく、ましてや高温域では使用できないという問題がある。
【０００７】
従って、本発明の目的は、大きな圧縮荷重がかかっても塑性変形することがなく、シールする流体の圧力が高い場合であっても、ガスケットの破損が起こり難い、安定したシール性を示す金属ガスケット及びシール構造体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行なった結果、Ｓ字形状又はＥ字形状の縦断面を有するリング状金属ガスケットの２つ又は３つの谷部のうち、少なくとも１つの谷部にリング状金属系弾性構造体を嵌め込んでなる組み合わせ金属ガスケットが、大きな圧縮荷重がかかっても塑性変形することがなく、シールする流体の圧力が高い場合であっても、ガスケットの破損が起こり難い、安定したシール性を示すこと等を見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明（１）は、Ｓ字形状の縦断面を有するリング状金属ガスケットの２つの谷部のうち、少なくとも１つの谷部にリング状金属系弾性構造体を嵌め込んでなる組み合わせ金属ガスケットを提供するものである。かかる構成を採ることにより、大きな圧縮荷重がかかっても、谷部に嵌めこまれたリング状金属系弾性構造体が補強材として作用しＳ字形状の縦断面を有するリング状金属ガスケットの塑性変形を防止する。また、弾性限界を超えるような大きな圧縮荷重がかかっても、同様にリング状金属系弾性構造体がＳ字形状の縦断面を有するリング状金属ガスケットの変形を防止するため、シール漏れの心配がない。
【００１０】
また、本発明（２）は、略Ｅ字形状の縦断面を有する金属ガスケットの３つの谷部のうち、少なくとも１つの谷部にリング状金属系弾性構造体を嵌め込んでなる組み合わせ金属ガスケットを提供するものである。かかる構成を採ることにより、略Ｅ字形状の縦断面を有する金属ガスケットにおいても同様の効果を奏する。
【００１１】
また、本発明（３）は、前記組み合わせ金属ガスケットをシール対象部材間に装着してなるシール構造体を提供するものである。本発明のシール構造体によれば、例え大きな圧縮荷重がかかっても、あるいはシールする流体の圧力が高くとも、安定したシール性を示すため、安全で安定した装置運転ができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第１の実施の形態における組み合わせ金属ガスケットを図１及び図２を参照して説明する。図１は本例の組み合わせ金属ガスケットの装着時における非圧縮状態を示す部分断面図であり、図２は本例の組み合わせ金属ガスケットの装着時における圧縮状態を示す部分断面図である。
【００１３】
本例の組み合わせ金属ガスケット１０は、Ｓ字形状の縦断面を有するリング状金属ガスケット（以下、「Ｓ字形金属ガスケット」とも言う）１０ａと、Ｕ字形金属リング（リング状金属系弾性構造体）１０ｂの組み合わせからなる。Ｓ字形金属ガスケット１０ａはＣ字断面形状部１１ａと、逆Ｃ字断面形状部１２ａとが互いのＣ字形の縁端部となる連結点１１ｃで連続する断面形状に形成されたリング状の金属製の一体物であって、シールする流体側（図中、右側）にあるＣ字形状に由来する谷部１１ｂと、その反対側にある非流体側（図中、左側）にある逆Ｃ字形状に由来する谷部１２ｂの２つの谷部を有する。Ｓ字形状は厳密な形状を言うのではなく、図１の形状以外に、例えばＣ字形状又は逆Ｃ字形状が文字通り「Ｃ」の如く、その先端の縁端部１１ｄ、１２ｄが内側に屈曲するカール形状のものや、あるいはＣ字形状又は逆Ｃ字形状のシール対象部材と当接する側部材が、非圧縮時から図２に示すような平坦部を形成するような形状のものであってもよい。
【００１４】
Ｕ字形金属リング１０ｂはＵ字形断面を有するリング状金属物であり、図１及び図２ではシールする流体側にある谷部１１ｂに、その開口が流体側となるように嵌合している。Ｕ字形金属リング１０ｂの厚みの寸法としては、非圧縮状態にあるＳ字形金属ガスケット１０ａの谷部１１ｂに手で嵌合でき、Ｃ字形状の谷部の対向する両内側面に当接する程度の大きさが好適である。Ｕ字形金属リング１０ｂの厚みが大き過ぎるとＳ字形金属ガスケット１０ａの谷部に嵌合できないか、無理に開口を広げて嵌合させても変位追従性を悪くするだけである。また、Ｕ字形金属リング１０ｂの厚みが小さ過ぎると、大きな圧縮荷重が掛かるとＳ字形金属ガスケット１０ａの塑性変形を防止することができなくなる。
【００１５】
本実施の形態例において、Ｕ字形金属リング１０ｂがＳ字形金属ガスケット１０ａの谷部に嵌合する形態としては、図１及び図２に示す形態の他、１つのＵ字形金属リングがＳ字形金属ガスケット１０ａの非流体側にある谷部１２ｂに嵌合する形態及び２つのＵ字形金属リングが２つの谷部１１ｂ、１２ｂにそれぞれ嵌合する形態が挙げられる。このうち、２つのＵ字形金属リングがＳ字形金属ガスケット１０ａの２つの谷部１１ｂ、１２ｂにそれぞれ嵌合する形態が、大きな圧縮荷重が掛かっても、Ｓ字形金属ガスケット１０ａの塑性変形を確実に防止することができる点で好ましい。
【００１６】
Ｓ字形金属ガスケット１０ａの製造方法としては、特に制限されず、例えば絞り加工、曲げ加工及びプレス加工などを適宜組み合わせて、目的に応じた所定の金属基材を塑性変形させることで行なわれる。金属基材としては、例えばステンレス鋼、ニッケル基合金などが挙げられる。また、Ｓ字形金属ガスケット１０ａと、Ｕ字形金属リング１０ｂの金属材質は同じであっても、異なっていてもよい。また、Ｓ字形金属ガスケット１０ａ及びＵ字形金属リング１０ｂの表面は銀などのメッキが施されていてもよい。
【００１７】
次に、組み合わせ金属ガスケット１０の使用方法について説明する。使用箇所としては、例えば図１に示すような一方のシール対象部材１４の凹部１４１に組み合わせ金属ガスケット１０を嵌め込む。次いで、シール対象部材１３、１４をその間を狭めるようにして締め付ける。組み合わせ金属ガスケット１０は所定の圧縮荷重において挟まれ、締め付けられた状態となり、シール構造体２０を構成する（図２）。本例における組み合わせ金属ガスケット１０は所定の圧縮荷重の締め付け状態において、Ｓ字形金属ガスケット１０ａとシール対象部材１３との当接、及びＳ字形金属ガスケット１０ａとシール対象部材１４との当接はそれぞれ平坦部１１ｅ、平坦部１２ｅの面接触により行なわれているが、これに限定されず、例えば図７に示すように点６４で線接触するものであってもよい。
【００１８】
また、本例ではリング状金属系弾性構造体として、Ｕ字形金属リングを用いたが、これに限定されず、例えばＶ字形金属リング、Ｃ字形金属リング及びスプリングリングを用いることができる。また、Ｕ字形金属リング、Ｖ字形金属リング及びＣ字形金属リングが金属ガスケットの谷部に嵌合する向きとしては、上記実施の形態例に限定されず、開口を谷部側に向けた状態の嵌合であってもよい。スプリングリングとしては、例えば径が谷部の内径に嵌る寸法であって、長さを嵌合後の円周長さに巻いたコイル巻きバネを準備し、これを谷部に嵌合する形態である（図３）。コイル巻きバネリング１０ｃは使用状態において、一般的なコイル巻きバネが付勢する方向とは異なる径方向に圧縮荷重がかかるが、このような使用形態においても弾発性を発揮することができる（図４）。
【００１９】
第１の実施の形態例の組み合わせ金属ガスケット１０によれば、大きな圧縮荷重がかかっても、谷部に嵌めこまれたリング状金属系弾性構造体の該圧縮荷重に抗する付勢力が作用しＳ字形状の縦断面を有するリング状金属ガスケットの塑性変形を防止して、高いシール性を維持することができる。また、大きな圧縮荷重で繰り返し振動を受けても、同様にリング状金属系弾性構造体がＳ字形状の縦断面を有するリング状金属ガスケットの変形を防止するため、シール漏れを生じる恐れがない。
【００２０】
第１の実施の形態例のシール構造体２０は、前記Ｕ字形金属リング１０ｂやスプリングリング１０ｃを、シールする流体側Ｘとこれと反対側にある非流体側Ｙのうち、圧力の低い側の谷部に少なくとも１つ嵌め込んでなるものが好ましい。
例えばシールする流体側Ｘの圧力Ｐ_Ｘと、これと反対側にある非流体側Ｙの圧力Ｐ_ＹがＰ_Ｘ≦Ｐ_Ｙである場合、Ｕ字形金属リング１０ｂやスプリングリング１０ｃをシールする流体側Ｘにある谷部１１ｂに嵌め込む方法である。これにより、薄肉板から作製されたガスケットであって圧力差による変形が図２中の矢印ａ方向に起こったとしても変形側に弾性体であるＵ字形金属リング１０ｂやスプリングリング１０ｃが嵌めこまれているため、高いシール性を維持することができる。
【００２１】
第１の実施の形態例のシール構造体２０は、例えば真空装置のシール及び圧力流体配管等のシールなどに適用される。図２中、符号ｂで示される流体としては、気体及び液体のいずれであってもよく、使用温度も−２００〜５００℃の範囲において使用されるが、特に流体側の温度が２００〜５００℃の範囲にあるような高温条件下の場合、本例の組み合わせ金属ガスケット１０はゴム部材を一切使用していないため、本発明の効果を確実に奏することができる点で好適である。
【００２２】
次に、本発明の第２の実施の形態における組み合わせ金属ガスケット３０Ａについて図５及び図６を参照して説明する。図５は本例の組み合わせ金属ガスケットの装着時における圧縮状態を示す部分断面図であり、図６は本例の他の組み合わせ金属ガスケットの装着時における圧縮状態を示す部分断面図である。図５及び図６において、図２と同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、異なる点について主に説明する。すなわち、第２の実施の形態例の組み合わせ金属ガスケット３０Ａにおいて、第１の実施の形態例の組み合わせ金属ガスケット１０と異なる点は、Ｓ字形金属ガスケットを略Ｅ字形状の縦断面を有する金属ガスケット（以下、「略Ｅ字形金属ガスケット」とも言う）とした点及びＵ字形金属ガスケットをＶ字形金属ガスケットに代えた点である。
【００２３】
第２の実施の形態例の組み合わせ金属ガスケット３０Ａは、略Ｅ字形金属ガスケット３０ａとＶ字形金属リング３０ｂ（３０ｃ）の組み合わせからなる。略Ｅ字形金属ガスケット３０ａは第１Ｃ字断面形状部１１ａと逆Ｃ字断面形状部１２ａとが互いのＣ字形の縁端部となる連結点１１ｃで連続し、逆Ｃ字断面形状部１２ａと第２Ｃ字断面形状部３１ａとが互いにＣ字形の縁端部となる連結点３１ｃで連続する断面形状に形成されたリング状の金属製の一体物であって、シールする流体側（図中、右側）にあるＣ字形状に由来する２つの谷部１１ｂ、３１ｂと、その反対側にある非流体側（図中、左側）にある逆Ｃ字形状に由来する谷部１２ｂの３つの谷部を有する。略Ｅ字形状は厳密な形状を言うのではなく、図４の形状以外に、例えばＣ字形状又は逆Ｃ字形状が文字通り「Ｃ」の如く、その先端の縁端部１１ｄ、３１ｄが内側に屈曲するカール形状であってもよい。また、第１、第２Ｃ字断面形状部１１ａ、３１ａと逆Ｃ字断面形状部１２ａとはその形状が同一である必要はなく、例えば逆Ｃ字断面形状部１２ａはＶ字形状を反時計回りに９０度回転させた横Ｖ字形状のようなものであってもよい。
【００２４】
第２の実施の形態例の組み合わせ金属ガスケット３０Ａにおいて、Ｖ字形金属リングが略Ｅ字形金属ガスケット３０ａの谷部に嵌合する形態としては、２つのＶ字形金属リングがシールする流体側Ｘにある谷部１１ｂと谷部３１ｂに、その開口が谷部側に向くようにそれぞれ嵌合する形態（図５）、１つのＶ字形金属リングが非流体側Ｙにある谷部１２ｂに、その開口が谷部側に向くように嵌合する形態（図６）及び３つのＶ字形金属リングが３つの谷部１１ｂ、１２ｂ及び３１ｂに、その開口が谷部側に向くようにそれぞれ嵌合する形態が挙げられる。このうち、３つのＶ字形金属リングが３つの谷部１１ｂ、１２ｂにそれぞれ嵌合する形態が、大きな圧縮荷重が掛かっても、略Ｅ字形金属ガスケット１０ａの塑性変形を確実に防止することができる点で好ましい。
【００２５】
第２の実施の形態例の組み合わせ金属ガスケット３０Ａによれば、大きな圧縮荷重がかかっても、谷部に嵌めこまれたＶ字形金属リングが弾発性部材として作用し略Ｅ字形状の縦断面を有するリング状金属ガスケットの塑性変形を防止する。また、大きな圧縮荷重で繰り返し振動を受けても、同様にＶ字形金属リングが略Ｅ字形状の縦断面を有するリング状金属ガスケットの変形を防止するため、ガスケットがシール漏れをおこすことがない。
【００２６】
第２の実施の形態例のシール構造体は、Ｖ字形金属リングを、シールする流体側Ｘとこれと反対側にある非流体側Ｙのうち、圧力の低い側の谷部に少なくとも１つ嵌め込んでなるものが好ましい。例えば図５に示すような真空装置のシールのように、シールする流体側Ｘの圧力Ｐ_Ｘと、これと反対側にある非流体側Ｙの圧力Ｐ_ＹがＰ_Ｘ≦Ｐ_Ｙである場合、Ｖ字形金属リング３０ｂ、３０ｃをそれぞれシールする流体側Ｘにある谷部１１ｂと谷部３１ｂに嵌め込む方法である。また、例えば図６に示すような高圧流体配管のシールのように、シールする流体側Ｘの圧力Ｐ_Ｘと、これと反対側にある非流体側Ｙの圧力Ｐ_ＹがＰ_Ｘ≧Ｐ_Ｙである場合、Ｖ字形金属リング３０ｄを非流体側にある谷部１２ｂに嵌め込む方法である。これにより、薄肉板から作製されたガスケットであって圧力差による変形が矢印ｂ方向（図５）、あるいは矢印ｃ方向（図６）に起こったとしても変形側に弾発性部材であるＶ字形金属リング３０ｂと３０ｃ（図５）、あるいは３０ｄが嵌めこまれているため、塑性変形に至らず破損が起こり難い。第２の実施の形態例においても同様に、Ｖ字形金属リングはＵ字形金属リング、Ｃ字形金属リング又はスプリングリングであってもよく、Ｕ字形金属リング、Ｃ字形金属リングの場合、嵌合する向きは開口が谷部と反対側にくるようにしてもよい。
【００２７】
第２の実施の形態例のシール構造体４０Ａ、４０Ｂにおいても、第１の実施の形態例のシール構造体２０と同様の使用箇所に用いることができ、また使用条件等及び効果についても同様である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、大きな圧縮荷重がかかっても、谷部に嵌めこまれたリング状金属系弾性構造体の該圧縮荷重に抗する付勢力が作用しＳ字形状又はＥ字形状の縦断面を有するリング状金属ガスケットの塑性変形を防止する。また、大きな圧縮荷重で繰り返し振動を受けても、同様にリング状金属系弾性構造体がＳ字形状又はＥ字形状の縦断面を有するリング状金属ガスケットの変形を防止するため、シール漏れを起こすことがない。また、シールする流体側とその反対側の非流体側の圧力差が高くとも、変形側に補強用のリング状金属系弾性構造体が嵌めこまれているため、例え薄肉板から作製されたガスケットであっても破損が起こり難い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態例の組み合わせ金属ガスケットの装着時における非圧縮状態を示す部分断面図である。
【図２】第１の実施の形態例の組み合わせ金属ガスケットの装着時における圧縮状態を示す部分断面図である。
【図３】第１の実施の形態例の他の組み合わせ金属ガスケットの装着時における非圧縮状態を示す部分断面図である。
【図４】第１の実施の形態例の他の組み合わせ金属ガスケットの装着時における圧縮状態を示す部分断面図である。
【図５】第２の実施の形態例の組み合わせ金属ガスケットの装着時における圧縮状態を示す部分断面図である。
【図６】第２の実施の形態例の他の組み合わせ金属ガスケットの装着時における圧縮状態を示す部分断面図である。
【図７】従来のＳ字形金属ガスケットの装着時における圧縮状態を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１０、３０Ａ組み合わせ金属ガスケット
１０ａ、６０Ｓ字形金属ガスケット
１０ｂＵ字形金属リング（リング状金属系弾性構造体）
１０ｃ巻きコイルバネリング（リング状金属系弾性構造体）
３０ｂ〜３０ｄＶ字形金属リング（リング状金属系弾性構造体）
１１ａＣ字断面形状部（第１Ｃ字断面形状部）
１１ｂ、１２ｂ、３１ｂ谷部
１１ｃ、３１ｃ連結点
１１ｄ、１２ｄ、３１ｄ縁端部
１１ｅ、１２ｅ、３１ｅ平坦部
１２ａ逆Ｃ字断面形状部
１３、１４、６２、６３シール対象部材
２０、４０Ａ、４０Ｂシール構造体
３０ａ略Ｅ字形金属ガスケット
３１ａ第２Ｃ字断面形状部
６１背部
１４１凹部
Ｘシールする流体側
Ｙ非流体側

Claims

Ｓ字形状の縦断面を有するリング状金属ガスケットの２つの谷部のうち、少なくとも１つの谷部にリング状金属系弾性構造体を嵌め込んでなることを特徴とする組み合わせ金属ガスケット。
略Ｅ字形状の縦断面を有する金属ガスケットの３つの谷部のうち、少なくとも１つの谷部にリング状金属系弾性構造体を嵌め込んでなることを特徴とする組み合わせ金属ガスケット。
前記リング状金属系弾性構造体が、Ｕ字形状又はＶ字形状の縦断面を有するリング構造体であることを特徴とする請求項１又は２記載の金属ガスケット。
請求項１又は２記載の組み合わせ金属ガスケットをシール対象部材間に装着してなることを特徴とするシール構造体。
前記リング状金属系弾性構造体を、シールする流体側とこれと反対側にある非流体側のうち、圧力の低い側の谷部に少なくとも１つ嵌め込んでなることを特徴とする請求項４記載のシール構造体。
流体側の温度が、２００〜５００℃の範囲にあることを特徴とする請求項４又は５記載のシール構造体。