JP4702929B2 - シール組立体 - Google Patents

Description

本発明は、第一シール面が形成された第一金属体と、第二シール面が形成された第二金属体と、該第一及び第二金属体とを互いに軸方向に圧して取外し自在に結合せしめる結合手段とを有するシール組立体に関する。

本発明は、特に、このようなシール組立体が用いられる、流体制御装置と称されるガスあるいは液体の流れを測定そして調整するような制御のための装置に関する。

特許文献１は、例えば、上述した一般的な形式のシール組立体が用いられている制御弁の形態での流体制御装置を開示している。ここに開示された装置は、一端で開口された弁室をもつ弁体を有している。径が大きくなっているフランジをもつ閉止部材が開口端に配設されている。このフランジと弁体との間でシールを行うために、フランジには、底面にその周縁に沿って、丸みをもった断面形状の環状ビードシールが設けられている。この丸みをもった断面形状のビードシールは、弁体に形成された平坦な肩部と接触している。内ねじが形成されたグランドナットが弁体の外ねじと協働して、ビードシールに軸方向の圧力を与える。
米国特許第4,687,017号

このような特許文献１では、Ｏリングを用いることなく、上記構造で適宜なシールを得ることができるが、部材同士が互いに外され再び締められること（再組立）が何度も行われると、この構造では十分でないことが実施していて判明した。これは、しかし、製造中そして保守中では有効的である。

本発明は、その目的のために、冒頭に述べた類の組立体であって、再組立が何度でも可能で、しかも、漏れが効果的に防止できる組立体を提供する。

本発明によるシール組立体は、その目的のために、第一金属体は、その協働面に、平坦な底部と垂直壁とで形成される丸いセンタリング壁を有していて、該底部が第一シール面を形成し、第二金属体は協働面から立ち上がる環状カラーを有していて、該カラーが内壁面、外壁面、そして第二シール面を形成する平坦な端面をもった狭端部を有し、該狭端部は外方に膨出し、上記カラーの外壁面が第一金属体のセンタリング室の垂直壁に対して当接するセンタリング面を有しており、結合手段は第一金属体と第二金属体とを互いに結合することを特徴としている。軸方向の圧力を伴っての結合は、カラーの狭端面そしてカラーの他部も変形する。このとき狭端部は外方に張出す。

本発明の後述する効果は、実施形態において、第一及び第二金属体がセンタリング室の外側で互いに協働するアライメント手段を有しているときには、高められて、再組立時に第一及び第二金属体の相対位置の再現が保証でき、その結果、特に、第一及び第二金属体の互いの対向面の円状セグメントが常に同じ位置で互いに接触する。

カラーの外壁面自体は、センタリング面として機能するが、本発明のシール組立体の一形態では、カラーは半径外方に突出する部分を有し、該部分にセンタリング面が形成される。これによる利点は、突出部分が同時に補強部分として機能することである。アライメント手段は、一方の金属体に一つもしくは複数のピンを設け、これが他方の金属体の対応孔に嵌入するようにしても形成でき、例えば、結合手段としてのグランドナットとの組み合せも可能である。本発明の好ましい形態では、アライメント手段は第一及び第二金属体に穿設された複数のボルト孔で形成され、これらのボルト孔が互いに複数対をなすように一致して位置しており、ここにボルトを通すことで結合手段を形成する。部材同士が当初の位置に対して１８０°ずれて回転した位置で誤組立されることを防止するには、回転していない正しい位置を示す目視マークを設けることができ、あるいはセンタリング室の中心に対してボルト孔の位置を非対称に定めることもできる。本発明にもとづく設計では、カラーは狭端部が０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度の厚さとなる。厚さはカラーの直径が大きくなる程、これに比例して大きくなるであろう。

カラーの狭端部は、本願明細書では、以下、しばしば「シール」と表記される。シールのために必要な圧縮力は、とりわけ
１．所望の漏れ抵抗の程度
２．用意された面の面粗度
に依存する。

シール面に十分な圧力が加えられていれば、２×１０^−９ｍｂａｒ ｌ／ｓよりも良好な漏れ抵抗が達成できる。特に、シール組立体を分解・組立てを三回繰返して行う際、ボルトに対し同じ締めつけトルクで、毎回同じ漏れ抵抗とすることが可能である。本発明によるシール組立体では、１０〜１５％の若干のトルク増で、再組立の際に、少なくとも８回の繰返し分解可能である。

協働面は、好ましくは、この目的のために０．６μｍＲａｍａｘの表面粗さを有する。

半径方向の突出部に設けられたセンタリング面をもつ本発明によるシール組立体のカラーは種々の形態をとることができる。

第一には、簡単な形態として、センタリング面が形成されている環状カラーの突出部分は狭端部からセンタリング面に対応する面まで延びていることに特徴づけられている。

簡単かつ座屈の虞れのなく変形可能な他の形態は、半径方向の突出部が傾斜面を経て狭端部に至ることに特徴づけられる。傾斜面を経由した移行は座屈の点では垂直な面よりも好ましいが、これが突出部に形成されているので、ボルトの締めつけ時にセンタリング面がジャムを起す虞れを有する。これを防止するには、さらに他の形態が有効であり、中間の壁厚をもつ中間部が突出部と狭端部との間に設けられることとする。好ましくは、中間部は、座屈に対する抵抗を生ずるように傾斜面を経て狭端部に至る。

他の形態では、カラーの内壁面あるいは外壁面に、センタリング面が形成されているカラーの突出部と協働面との間で、半径方向のノッチが形成されていて、カラーの有効最小壁厚を少なくとも部分的に定め、カラーの最小壁厚が狭端部での最小壁厚と同じあるいはこれよりも小さくなっている。

この形態では、高さが比較的小さいこと、したがってコンパクトになることにおいて利点があるが、比較的複数になり、したがって作りづらいという欠点がある。

本発明によるシール組立体は、漏れ抵抗が高いこと、そして同じ締めつけトルクで何度も再組立できることに特徴があり、流体制御装置の種々の分野で優位性をもたらす。これらの装置としては、例えば、流量計、圧力計（通常の閉タイプや開タイプの両方）、フィルタ装置、流量制御装置が挙げられる。本発明装置のような金属シールを用いることは、半導体の製造者で特に重要なこととなっている。

本発明によるシール組立体の効果は、一方では、センタリング室とカラーのセンタリング面との組合せが、再組立における部材同士の相対位置の再現を確実に行い、他方では、何度も連続して行われる再組立作業における結合手段に力が作用してカラーが塑性変形するが、塑性変形は、カラー（特に、丸い断面の端面に代えて平坦な端面とその半径に相当する厚さをもつカラー）に与えられた形によって、まだ多くの回数だけ組立可能としている、という認識のもとに成り立っている。

以下、添付図面を参照しつつ、さらに本発明を詳説する。

図１は、流量計の部分Ａ、制御弁の部分Ｂ、そして共通の基部（以下「本体」ともいう）Ｃを有する流量制御装置、本例ではガスのための装置についての圧力作用部分を示す。流量計Ａは、熱流量センサを形成するＵ字状管６０とこれと並列に接続された層流要素６１とを有している。流量計Ａは、閉止部材１と本体Ｃの一部である部分２とを有している。閉止部材１は、協働面６４から前方へ突出しかつ部分２の協働面５に形成されたセンタリング室４を正確に嵌合する環状カラー３を有している。これらは嵌合状態で拡大して示されている。制御弁Ｂも、同様に、閉止部材７と本体Ｃの一部をなす部分６を備えた本発明のシール組立体を有している。閉止部材７は環状カラー８を有し、この環状カラーは部分６の協働面１０に形成されたセンタリング室９に正確に嵌合するようになっている。カラー８を有する制御弁Ｂの閉止部材７は、図５に別途図示されている。カラーの第一実施形態は図６に示されるごとくである。

図２はセンタリング室４，９が形成された本体Ｃを単独で示している。本実施形態では、センタリング室４は２３．５ｍｍの直径で、センタリング室９は１６．５ｍｍの直径である。これらのセンタリング室４，９は、内室１１，１２にそれぞれつながっており、前者の内室１１は入口孔１３と、後者の内室は出口孔１４とそれぞれ連通している。上記内室１１と１２は接続孔１５により互いに接続されている。本体Ｃにセンタリング室９が形成されている部分は図４に詳しく示されている。

図３はセンタリング室４，９を有する本体Ｃの平面図を示す。各センタリング室の外側に四つの孔（矩形の隅部に位置している）１６，・・・，１６'''とタップ孔１７，・・・，１７'''とが設けられていて、ここには四つのボルトが取りつけられ取外自在に他の部材と結合するようになっている。

図７は図５に断面図が示された制御弁Ｂの閉止部材７についての平面図である。この閉止部材は本体Ｃの孔１７，・・・，１７'''に対応する四つの孔１８，・・・，１８'''を有している。

より大きい直径のカラー３をもつ閉止部材１はＭ５（ねじ外径５ｍｍ）の四つのボルトによって圧力を受けて本体Ｃに結合される。小さい直径のカラー８をもつ閉止部材７はＭ４（ねじ外径４ｍｍ）の四つのボルトによって圧力を受けた状態で本体Ｃに結合される。この閉止部材７は、部材同士が互いにずれて１８０°回転して結合されないように寄与する目視可能な位置合せマークＸが設けられている。又、これに代えて、それぞれのセンタリング室に対して複数のボルト孔を非対称の位置に設けることとしてもよい。

次に、カラー８の断面が示されている図６に注目することができる。カラー８は平坦な端面２２が形成された狭端部２１（シール）を有している。センタリング面２４は、半径方向で外方に突出する突出部２３に形成されている。中間的な厚みＨをもつ中間部２５は上記突出面２３と狭端部２１との間に位置している。中間部２５が小さい厚さであるのに対し、最大厚みをもつ該突出部２３は、ボルトが締めつけられたとき該突出部２３が変形せず、センタリング面を形成する。

狭端部２１へ移行する中間部２５に沿って形成される傾斜面Ｖはカラーの座屈を防止するのに有効である。これはカラーの壁面に対し３５°〜５５°の角度をなしていることが好ましい。

シールの直径が２３．５ｍｍそして最大作用圧が１００ｂａｒの場合、シール幅は０．３ｍｍで十分である。換言すれば、１００ｂａｒの荷重のもとで、ボルトの伸びと圧力部分の曲げに対抗するシール圧がこれで十分であるということである。シールの直径が２５ｍｍのとき、同じ１００ｂａｒの作用圧であるならば、シール幅を増加することが好ましい。ボルトを細くし、かつ１００ｂａｒのシール圧を十分に確保するために、ボルトに予張力を与えておくことができる。しかしながら、シール圧は、シール幅を大きくしなくともよいように、組立中に９００Ｎ／ｍｍ^２を超えてはならない。

これは次の例で明らかになる。シール幅は、最大作用圧が１００ｂａｒでの５０ｍｍのシール直径、すなわち、２３．５ｍｍに対して約２倍（係数２）の大きさのシール直径においては、約０．６ｍｍ位であることが望ましい。直径が４０ｍｍから１５０ｍｍ位では、旋盤加工で０．０２ｍｍの平滑度が得られる。これらの直径におけるシール面での平滑度は、２５ｍｍ以下の直径における値に対し係数２だけ大きいので、シールの変形も係数２だけ大きくなる。これは、シールが係数２だけ高いものとなることを意味する。

直径が極度に大きくない限り、現状で行われている方法により、旋盤加工によって０．０１ｍｍ以内の平坦面を十分に得られる。これは、不良率を低くするために、少なくとも０．０２ｍｍでの良好かつ「経済的」な流れ加工が行えるということを意味している。高さが約２ｍｍ、幅が０．３ｍｍのカラーにおける変形は、ボルトの緊締（毎回同じ締めトルク）と緩めを繰り返した後に測定した結果、０．３ｍｍの幅があった。最初の二回あるいは三回ではカラーの変形は約０．０３５ｍｍであり、四回ではカラーの変形は約０．０２５ｍｍであり、五回では、０．０１５ｍｍ、六回ないし十回では約０．０１ｍｍであった。

これは、不定な回転方向位置で締められたとき、四回のシールは高信頼性のもとで密にシールされることができるということを意味している。もし、カラーが一定した同じ回転方向位置で締められると、シールは十回可能となる。又、カラーは外方に膨出したことも確認された。直径は、組立時に０．０１ｍｍ大きくなった。

カラーに適切な材料は、軟らかい鋼材もしくは他の金属である。ステンレス鋼、モネル、ハステロイ、例えば銅、アルミニウム、亜鉛そして他の金属を含むニッケル合金も好適である。ニッケル銅合金は、しばしばモネルと呼ばれ、ニッケルが約６５重量％、銅が３５重量％である。ハステロイの殆どは、ニッケルモリブデンの類である。ハステロイＢは耐ＨＣｌ性を示す。

シールそして最大作用圧は、疲労によって機能を失うことのないように、十分に注意して設定する必要がある。作用圧はシールに曲げ応力をもたらす。したがって、曲げ応力によってシールの機能を失う前に、何回（ｎ回）の作用圧が繰り返して印加できるのかということが重要問題となる。

本発明における曲げ応力は、１００，０００回の荷重変動が達成されるように制御することができる。シール圧は９００Ｎ／ｍｍ^２以下となるべきで、ステンレス鋼の場合は５００Ｎ／ｍｍを超えた位の値となる。

上述した圧力は、ゼロ荷重で取付けあるいは組立状態後におけるシールでの圧力である。シールが一旦緊締されて得られると、約１００ｂａｒの作用圧のもとで１４０Ｎ／ｍｍ^２のシール面圧にまで下げられる、すなわち、ボルトの伸びそして緊締される部品の曲げにより生ずる内圧にまで下げられる。これはシールを密にするのに要する圧力よりもはるかに低い。

良好なシール効果を得るためには、シールが内圧によるシール面での滑り（内圧によるシールの径の拡大によって生ずる滑り）を生じるべきではない。この滑りによって金属接触がなくなり洩れが始まるからである。本発明によるシールは、突合せ接合（ヒンジングと同じであって、滑りではない）あるいは表面でのクランプとみなされる。これらの二つの荷重状態は、荷重の点では、滑りが生ずる状態よりはるかに好ましく、１００ｂａｒの作用圧が可能という結果をもたらす。シールの壁厚は、原則として、高さが十分に小さければ、直径が大きいからいって大きくする必用はない。

シールの滑りを阻止するのに必要なシール面での摩擦力は、高さが十分に小さいときには、１００ｂａｒにおいて、わずか４．７Ｎ／ｍｍ（周縁における力）である。この値はクランプあるいは突合せ接合の状態を維持し、シールの長さが非常に小さいので、シール直径に係りなくなる。

ステンレス鋼のとき摩擦係数が非常に小さく、これが０．１２であると仮定すると、これは最大でも４０Ｎ／ｍｍ^２というここでの議論のもとで、シールに要求される最小の圧縮をもたらす。過剰圧力でのテスト時（作用圧の１．５倍）では、これは最大でも２２０Ｎ／ｍｍ^２である。実際には、材料の一方から他方への流れによって、摩擦係数はもっと大きい値となるであろうし、要求される最小の圧縮は係数２〜３だけ低いものとなるであろう。

シール２１の端面２２は平坦である。丸みをもった断面を有する端部に対し平坦な端部が有利な点は、丸みをもった端面を有する縁よりも平坦な形状の方が旋削により容易に得られるということにある。平坦度を容易に測定できるという点でも有利である。平坦な端面で平均シール圧は（ステンレス鋼に対して）所望の５００〜９００Ｎ／ｍｍ^２の範囲で、より制御された方法で、選択できる。丸みをもつ端面を有しているシール端部は簡単に変形してしまい（丸みをもつ断面を有する端部の場合では、四回のシール以降ではシールに要する力はきわめて上昇する）、再組立ができなくなる。これは、とりわけ、シール面の非平滑性に起因する。

図８Ａと図８Ｂは、本発明のカラーについて二つの変形例をそれぞれ示しており、図６の形態よりも簡単である。

図８Ａは狭端部（シール）２７をもつカラー２６を示している。狭くなっていない部分（非狭部）２８は直状であり、その外壁面は、同時に、センタリング面を形成し、これによって、カラー２６は、相手部材３２に形成されたセンタリング室３１の垂直面３０で正確に支持されるようになる。

図８Ｂはこれに類似する形態が示されている。しかしながら、ここでは、狭端部３３から非狭部３４への移行部は傾斜部３５によって形成され、図８（Ａ）のように直角ではない。この形態では、座屈の虞れを少なくする好ましい変形の可能性をもたらす。センタリング面がこれらのカラーの変形によりジャムを生じてしまう虞れは、過度なシール圧のもとでない限り、これらの形態ではきわめて低い。

図８Ｃは、壁厚Ｈ’をもつ中間部が内側で傾斜部Ｖ’を経て狭端部へ至るセンタリング室３７の形態を示している。センタリング面４１は最大壁厚の部分４０に形成されている（これは、図６とは対称な形態である。）。

図９は壁厚ｄの平坦面５２をもった狭端部５１を有する他のカラーの形態を示している。センタリング面５４が形成されている、半径方向に突出した突出部５３が狭端部５１に隣接して設けられている。カラー４８の外壁面には、上記突出部５３と協働面５５との間で半径方向に向くノッチ５６が形成されていて、該ノッチは少なくとも一部分で有効最小厚さｄ’をカラーにもたらしている。ノッチ５６は、例えば、Ｖ字型あるいは溝底部が半径をもった丸みが与えられている。Ｖ字型は、十分に狭くなっているか小さな半径をもっているが、これは収縮部分の座屈を防止するように、実用上好適である。位置出しエッジ５７は互いの結合時に寄与する。図９の形態でのカラーの高さは、図６の形態の場合よりも低く、例えば２ｍｍに対して１．５ｍｍである。

シール組立体の各部材のそれぞれ協働面は、ボルトが締められたとき、互いに接触してはならない、すなわち、締めたときに当接しない、ということに留意しなくてはならない。全圧力がシールで支持される。これは、シールが破壊してもセンタリング室が完全に機能することを意味する。

図１０はフィルタ要素６７を有するフィルタ６６を示し、図１１は感圧要素６９をもつ圧力計６８を示し、これらに本発明のシール組立体が用いられる。図に見られるように、図６の形式のカラーそしてセンタリング室構造が両方の場合に用いられている。

最後に、本発明は、例えば流量計の一部を形成するシール組立体にも関する。シール組立体は、平坦な底面と垂直壁とを備えたセンタリング室が形成されている協働面をもつ第一金属体と、狭端部とセンタリング室の垂直壁に支持されるセンタリング室とを備えた第二金属体とを有している。二つの金属体は、互いの協働面が接触しないようにして、カラーの変形のもとに取り外し自在にボルトにより結合される。

本発明のシール組立体を有する流量計（左部分）と制御弁部分（右部分）とを備えた流量制御装置の断面図である。 図１装置の下部（本体）のみについての断面図である。 図２の本体の平面図である。 図２の本体の制御弁の部分についての断面図である。 図１の制御弁の上部の部分についての断面図である。 第一実施形態におけるシールカラーを備えた図５における円形部分についての拡大断面図である。 図１装置の一部を形成する制御弁の上部についての底面図である。 図６のシールカラーの変形例を示す図である。 図６のシールカラーの他の変形例を示す図である。 図６のシールカラーのさらに他の変形例を示す図である。 シールカラーの他の形態を示す図である。 本発明によるシール組立体が用いられているフィルタを示す図である。 本発明によるシール組立体が用いられている圧力計を示す図である。

符号の説明

１ 第二金属体（閉止部材）
２ 第一金属体（本体の部分）
３ 環状カラー
４ センタリング室
５ 協働面
６ 第一金属体（本体の部分）
７ 第二金属体（閉止部材）
８ 環状カラー
９ センタリング室
１０ 協働面
１６ ボルト孔
１７ ボルト孔
１８ ボルト孔
２１ 狭端部
２３ 突出部
２４ センタリング面
２５ 中間部
２６ カラー
２７ 狭端部
３０ 垂直面
３１ センタリング室
３３ 狭端部
３７ センタリング室
４１ センタリング面
４８ カラー
５１ 狭端部
５３ 突出部
５４ センタリング面
５５ 協働面
５６ ノッチ
６４ 協働面
６５ 協働面

Claims (11)

1. 第一シール面が形成された第一金属体と、第二シール面が形成された第二金属体と、該第一及び第二金属体とを互いに軸方向に圧して取外し自在に結合せしめる結合手段とを有するシール組立体において、第一金属体は、その協働面に、平坦な底部と垂直壁とで形成される丸いセンタリング室を有していて、該底部が第一シール面を形成し、第二金属体は協働面から立ち上がる環状カラーを有していて、該カラーが内壁面、外壁面、そして第二シール面を形成する平坦な端面をもった狭端部を有し、該狭端部は外方に膨出し、上記カラーの外壁面が第一金属体のセンタリング室の垂直壁に対して当接するセンタリング面を有しており、結合手段は第一金属体と第二金属体とを互いに結合することを特徴とするシール組立体。
2. 第一及び第二金属体がセンタリング室の外側で互いに協働するアライメント手段を有しており、再組立時に第一及び第二金属体の相対位置の再現が可能であることとする請求項１に記載のシール組立体。
3. アライメント手段は第一及び第二金属体に穿設された複数のボルト孔で形成され、これらのボルト孔が互いに複数対をなすように一致して位置しており、該ボルト孔にボルトを通すことで結合手段を形成していることとする請求項２に記載のシール組立体。
4. カラーは半径外方に突出する部分を有し、該部分にセンタリング面が形成されていることとする請求項１に記載のシール組立体。
5. センタリング面が形成されている環状カラーの突出部は狭端部からセンタリング面に対応する面まで延びていることとする請求項４に記載のシール組立体。
6. 半径方向の突出部は傾斜面を経て狭端部に至ることとする請求項５に記載のシール組立体。
7. カラーは、中間の壁厚をもつ中間部が突出部と狭端部との間に設けられていることとする請求項４に記載のシール組立体。
8. 中間部は、傾斜面を経て狭端部に至ることとする請求項７に記載のシール組立体。
9. カラーの内壁面あるいは外壁面に、センタリング面が形成されているカラーの突出部と協働面との間で、半径方向のノッチが形成されていて、カラーの有効最小壁厚を少なくとも部分的に定めていることとする請求項４に記載のシール組立体。
10. カラーの最小壁厚が狭端部での最小壁厚と同じあるいはこれよりも小さくなっていることとする請求項９に記載のシール組立体。
11. カラーは軟らかい鋼材そして他の金属を含む材料群のうちから選ばれた材料で作られていることとする請求項１に記載のシール組立体。

Images