JP4668703B2 - 真空装置用クランプ形継手 - Google Patents

Description

本発明は、アウターリング及びこれを用いる、高温使用下においてもＯリング割れを生じることがない真空装置用クランプ形継手に関するものである。

従来のＪＩＳ Ｂ ８３６５(ＩＳＯ ２８６１／１)（以下、単に「ＪＩＳ規格」と言う。）で規定される真空装置用クランプ形継手の代表例を図３に示す。真空装置用クランプ形継手１００は、互いに平行な一対の平坦面１１１、１１１を有するカップリング１０１と、カップリング１０１の平坦面１１１、１１１間に介装される外周端が凹面溝１１２のセンターリング１０２と、センターリング１０２の凹溝１１２に嵌合するＯリング１０３とを有し、カップリング１０１の鍔部材１１３をクランプ（不図示）で締付け、カップリング１０１の平坦面１１１、１１１とＯリング１０３の当接面で流体をシールするものである。

真空装置用クランプ形継手１００は、真空配管におけるシールを目的としたものであっても、わずかに内圧（正圧）がかかることがある。内圧が負荷されるとクランプ形継手のＯリングは外側へ拡大し、安定したシール性が発揮できず、流体が漏れることがある。また、最悪の場合、クランプ形継手からＯリングが外れ、シール不能となることがある。このような問題を解消するため、図４に示すように、内圧によるＯリング１０３の外側への拡大を防止するため、Ｏリング１０３の外周にＯリング１０３を嵌み込むようにコ字形状断面の金属製のアウターリング１０５を設置している。このような構造の真空装置用クランプ形継手２００は、真空装置の配管で内圧がかかっても、Ｏリングの外側への拡大を抑制するため、安定したシール性を発揮する。また、近年、クランプ形継手で使用するＯリングの耐熱性が向上しており、真空装置の配管で使用するクランプ形継手を、２００℃以上の高温下で使用する場合がある。
「真空装置用クランプ形継手の形状及び寸法」ＪＩＳ Ｂ ８３６５-１９８８

しかしながら、２００℃以上の高温下において、アウターリングを設置した真空装置用クランプ継手２００を使用すると、Ｏリング１０３の割れが生じ、最悪シール不能となるという問題があった。

従って、本発明の目的は、２００℃以上の高温下で使用しても、Ｏリングの割れを生じることなく、安定したシール性を発揮する真空装置用クランプ継手、これに用いるアウターリングを提供することにある。

かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、（１）Ｏリング割れはアウターリングのコ字形状を構成する上下一対の鍔部がＯリングに当たる部分（図５中の符号Ｘ部分）で起きること、（２）２５０℃の高温下での熱膨張係数を考慮した有限要素法（ＦＥＭ）による解析を行ったところ、図５に示すようにＯリングの内部応力分布から、Ｘ部分に最大応力で５４ＭＰａという大きな応力が集中していること、（３）アウターリングである金属の熱膨張係数よりもＯリングであるゴムの熱膨張係数の方が数桁高いため、高温時にＯリングが外周側に大きく拡大し、Ｏリングがアウターリングに強く押しつけられ、アウターリングの鍔部にＯリングが強く当たり、大きな応力集中が発生してＯリングが割れること、（４）従って、鍔部のＯリングと当接する側の形状を、Ｏリングに向かって凸形状の扇形とすれば、応力集中を緩和できＯリング割れの問題が解決できること等を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、
金属製のセンターリングの外周端に嵌合するＯリングの外周に、該Ｏリングを挟持するように付設される金属製のアウターリングを組み込んでなる真空装置用クランプ形継手であって、
前記アウターリングは、外周面を形成する基部と、該基部の上下両側からそれぞれ継手の軸心に向かって延出する一対の鍔部からなり、
該鍔部の内側である該Ｏリングと当接する側の形状が、該Ｏリングに向かって凸形状の扇形であって、
該扇形を形成する円弧の半径が０．６ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であり、
前記Ｏリングを嵌合する部位のセンターリングの厚み（ｍｍ）をｔ _１ としたときに、アウターリングの厚さｔ _０ が次式；
ｔ _１ −０．２≦ｔ _０ ≦ｔ _１ ＋０．４
の寸法であることを特徴とする真空装置用クランプ形継手を提供するものである。

本発明の真空装置用クランプ形継手及びこれに用いるアウターリングであれば、高温時にＯリングが外周側に大きく拡大し、Ｏリングがアウターリングに強く押しつけられても、この部分が互いに大きな曲率を持つ円弧同士であるため、大きな応力集中は発生せず、従来問題となっていたＯリング割れが起こらない。また、本発明のＯリングによれば、Ｏリング割れを回避するとともに、Ｏリングとアウターリングの嵌合が強固で安定し、アウターリングがＯリングから外れることがない。

次に、本発明の第１の実施の形態におけるアウターリング及び真空装置用クランプ形継手を図１を参照して説明する。図１は本例の真空装置用クランプ形継手の一部を拡大した断面図である。図１中、クランプの記載は省略した。また、真空装置用クランプ形継手における「内側」は継手の軸心側を、「外」はその反対側を言い、アウターリングの鍔部における「内側」は一対の鍔部間にある溝方向を言う。

真空装置用クランプ形継手１０は、互いに平行な一対の平坦面１１、１１を有するカップリング１と、カップリング１の平坦面１１、１１間に介装される外周端が凹溝２１のセンターリング２と、センターリング２の凹溝２１に嵌合するＯリング３と、Ｏリング３の外周に、Ｏリング３を挟持するように嵌め込まれるアウターリング５を有し、カップリング１が不図示のクランプで締付けられ、カップリング１の平坦面１１、１１とＯリング３の当接面で流体をシールするものである。

センターリング２はＯリング３を固定し、カップリングを組み合わせるときの軸合わせを容易にする働きをするものであり、ＪＩＳ 規格によりその形状が規定されており、凹溝２１を形成するリング部分の厚さ（図中、符号ｔ_１）は ３．９ｍｍである。また、センターリング２の凹溝２１に嵌合するＯリング３の形状もＪＩＳ規格により規定されており、円形断面の径は５ｍｍである。Ｏリング３の材質は、いわゆるゴム部材であるが、耐熱性の高いフッ素ゴムまたはパーフルオロ・ゴムを用いることが、２００℃以上の高温下の使用においても耐久性を示す点で好ましい。

本発明に係るアウターリング５は、Ｏリング３を挟持するように付設されるものであって、外周面を形成する横断面が矩形状の基部５１と、基部５１の上下両側からそれぞれ継手の軸心（図１中の左側）に向かって延出する一対の鍔部５２、５２からなり、鍔部５２、５２の内側（図１中、一対の鍔部５２、５２間にある溝５３側）の形状が、Ｏリング３に向かって凸形状の扇形である。

また、扇形の要、すなわち扇形を構成する円弧の中心ｐは、Ｏリング３の中心とＯリング３とアウターリング５の接点を結んだ延長線上であって、アウターリング５の上下方向の最外側面との交点である。この扇形を構成する円弧の半径ｒは、０．６ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下、好ましくは０．８ｍｍ以上、２ｍｍ以下、特に好ましくは１．２ ｍｍ以上、１．７ｍｍである。扇形を構成する円弧の半径ｒが、０．６ｍｍ未満では、高温時に発生する応力集中が大きくなり、Ｏリングの割れの原因となる。また、半径ｒが、２．５ｍｍを超えるとＯリング３の外径Ｄgoとアウタ−リング５の内径Ｄoiとの差Ｓが小さくなり過ぎて、アウターリング５がＯリング３からが外れ易くなる。また、アウターリング５の厚さｔ_０は次式；ｔ_１−０．２≦ｔ_０≦ｔ_１＋０．４
（式中、ｔ_１は該Ｏリングを嵌合する部位のセンターリングの厚み（ｍｍ）を表す。）の寸法であり、好ましくはｔ_１≦ｔ_０≦ｔ_１＋０．２、特に好ましくはｔ_０＝ｔ_１＋０．１である。アウターリング５の厚さｔ_０が（ｔ_１−０．２）ｍｍ未満では、カップリング１とアウターリング５との間に大きな隙間が発生し、高温時その隙間にＯリング３が入り込み、Ｏリング３の割れの原因となる。また、アウターリング５の厚さｔ_０が（ｔ_１＋０．４）ｍｍを超えると、カップリング１とセンターリング２の間に大きな隙間が発生し、真空シール時にＯリング３が内側に引き込まれ、その隙間にＯリング３が入り込み、その部分に応力集中が発生し、これもＯリング３の割れの原因となる。

鍔部５２、５２の内側の扇形形状は、図１に示す形状に限定されず、Ｏリング３との接点近傍が扇形を形成する円弧であればよく、例えば図１中、鍔部５２、５２の内側最先端の角（エッジ）は丸みとなっていてもよい。アウターリング５の材質としては、金属材料であれば特に制限されないが、センターリング２と熱膨張係数が同じか、大きい材料を使用することが好ましく、特にアルミニウム合金とすることが、金属材料のうちでも熱膨張係数が大きい点で好ましい。

真空装置用クランプ形継手１０によれば、アウターリング５がＯリング３から外れることなく、且つ互いに大きな曲率の円弧同士の接触となり、２００℃以上の高温下の使用において発生する熱変形に伴う応力の集中を緩和できる。

次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって本発明を制限するものではない。

図１に示す構造の真空装置用クランプ形継手を作製した。カップリング、センターリング、アウターリングの材質はＳＵＳ３１６Ｌ（熱膨張係数は１６．０×１０^−６／℃）を使用し、Ｏリングの材質は耐熱パーフルオロ・ゴム組成物（熱膨張係数２．６×１０^−４／℃）（「ブレイザーブラック」ニチアス社製）を使用した。また、カップリング、センターリング、ＯリングはＪＩＳ規格の呼び径４０(ＮＷ４０)で規定されている寸法とし、アウターリングの外径はφ５６ｍｍ、扇形を形成する円弧の半径ｒは１．５ｍｍ、厚さｔ_０は４．０ｍｍとした。また、Ｏリングとアウターリングの重なり量Ｓは０．５ｍｍとした。なお、Ｏリングを嵌合する部位のセンターリングの厚みｔ_１（ｍｍ）は３．９ｍｍである。得られた真空装置用クランプ形継手は下記の評価項目に従って評価した。その結果を表１に示す。また、温度２５０℃における熱膨張係数を考慮した公知のＦＥＭ解析から求めたＯリングの内部応力分布を図２に示す。

（ＦＥＭ解析による最大応力及び最大応力が発生する位置の測定）
・温度２５０℃における熱膨張係数を考慮した公知のＦＥＭ解析からＯリングの内部応力の最大値（最大応力）と最大応力が発生する位置を求めた。表中、最大応力の発生位置がアウターリング側（右半分）である場合を「アウター」と表示し、センターリング側（左半分）である場合を「センター」と表示した。

（温度２５０℃におけるＯリングの割れの有無と割れの位置）
・温度２５０℃条件下の耐久試験を行い、２０時間後、真空装置用クランプ形継手を分解して、Ｏリングの割れの有無と割れの位置を観察した。表中、割れがないものを「○」で示し、割れがあったものを「×」で示した。また、割れの位置がアウターリング側（右半分）である場合を「アウター」と表示し、センターリング側（左半分）である場合を「センター」と表示した。

（アウターリングのＯリングからのはずれ易さ）
・耐久試験前のアウターリングとＯリングの嵌合状態について、嵌合状態を維持しアウターリングがＯリングから外れていないものを「○」で表示し、アウターリングがＯリングから外れているもの、あるいは 数回振ったときに外れたものを「×」で表示した。

（実施例２〜５及び比較例１〜４）
扇形を形成する円弧の半径ｒ、アウターリングの厚さ及びＯリングとアウターリングの重なり量ｓを表１及び表２に示す寸法とした以外は、実施例１と同様の方法で行った。その結果を表１及び表２に示す。また、比較例１においては、温度２５０℃における熱膨張係数を考慮した公知のＦＥＭ解析からＯリングの内部応力分布を求めた。その結果を図５に示す。

図２、図５、表１及び表２から明らかなように、実施例１の真空装置用クランプ形継手の場合、ＯリングにＦＥＭ解析による応力集中は観察されず、最大応力値も２５ＭＰａと低かった。一方、比較例１の真空装置用クランプ形継手の場合、ＦＥＭ解析により応力集中が観察され、その最大応力値も実施例１の２倍の５０ＭＰａと高かった。また、実施例２〜５の真空装置用クランプ形継手も実施例１と同様に、応力集中は観察されずアウターリングによるＯリングの割れは発生しなかった。一方、アウターリングの扇形を形成する円弧の半径ｒが小さ過ぎたり（比較例１）、アウターリングの厚みが小さ過ぎたり（比較例３）、大き過ぎたり（比較例４）すると、高温条件下においてＯリングの割れが認められた。また、アウターリングの半径ｒが大き過ぎると（比較例２）、アウターリングＯリングから外れる傾向にあった。

第１の実施の形態例の真空装置用クランプ形継手の一部を拡大した断面図である。 温度２５０℃における熱膨張係数を考慮した公知のＦＥＭ解析から求めた実施例１におけるＯリングの内部応力分布を示す。 ＪＩＳ Ｂ ８３６５(ＩＳＯ ２８６１／１)で規定される真空装置用クランプ形継手の断面図である。 図３においてアウターリングが設置された従来例である。 温度２５０℃における熱膨張係数を考慮した公知のＦＥＭ解析から求めた比較例１におけるＯリングの内部応力分布を示す。

符号の説明

１、１００、２００ カップリング
２、１０２ センターリング
３、１０３ Ｏリング
５、１０５ アウターリング
ｒ アウターリングの扇形を形成する円弧の半径
ｔ_０ アウターリングの厚さ
ｔ_１ センターリングの凹溝部位の厚さ
Ｄoi アウターリングの内径
Ｄgo Ｏリングの外径
５１ アウターリングの基部
５２ アウターリングの一対の鍔部

Claims (4)

1. 金属製のセンターリングの外周端に嵌合するＯリングの外周に、該Ｏリングを挟持するように付設される金属製のアウターリングを組み込んでなる真空装置用クランプ形継手であって、
   前記アウターリングは、外周面を形成する基部と、該基部の上下両側からそれぞれ継手の軸心に向かって延出する一対の鍔部からなり、
   該鍔部の内側である該Ｏリングと当接する側の形状が、該Ｏリングに向かって凸形状の扇形であって、
   該扇形を形成する円弧の半径が０．６ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であり、
   前記Ｏリングを嵌合する部位のセンターリングの厚み（ｍｍ）をｔ _１ としたときに、アウターリングの厚さｔ _０ が次式；
   ｔ _１ −０．２≦ｔ _０ ≦ｔ _１ ＋０．４
   の寸法である
   ことを特徴とする真空装置用クランプ形継手。
2. 前記扇形を形成する円弧の半径が、０．８ｍｍ以上、２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の真空装置用クランプ形継手。
3. アウターリングの厚さｔ _０ が、ｔ _１ ≦ｔ _０ ≦ｔ _１ ＋０．２の寸法である請求項１又は２に記載の真空装置用クランプ形継手。
4. ２００℃以上の高温下で使用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の真空装置用クランプ形継手。