JPH0781657B2 - 真空フランジ - Google Patents
真空フランジInfo
- Publication number
- JPH0781657B2 JPH0781657B2 JP63178171A JP17817188A JPH0781657B2 JP H0781657 B2 JPH0781657 B2 JP H0781657B2 JP 63178171 A JP63178171 A JP 63178171A JP 17817188 A JP17817188 A JP 17817188A JP H0781657 B2 JPH0781657 B2 JP H0781657B2
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- JP
- Japan
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- flange
- vacuum
- bolts
- knife edge
- line load
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L55/00—Devices or appurtenances for use in, or in connection with, pipes or pipe systems
- F16L55/10—Means for stopping flow from or in pipes or hoses
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16L23/00—Flanged joints
- F16L23/16—Flanged joints characterised by the sealing means
- F16L23/18—Flanged joints characterised by the sealing means the sealing means being rings
- F16L23/20—Flanged joints characterised by the sealing means the sealing means being rings made exclusively of metal
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S285/00—Pipe joints or couplings
- Y10S285/901—Cap closures
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y10S285/00—Pipe joints or couplings
- Y10S285/917—Metallic seals
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Pressure Vessels And Lids Thereof (AREA)
- Gasket Seals (AREA)
- Flanged Joints, Insulating Joints, And Other Joints (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は真空装置，例えば核融合装置のプラズマ真空容
器と各種装置との接続部に有する真空フランジに関す
る。
器と各種装置との接続部に有する真空フランジに関す
る。
（従来の技術） 真空機器，真空配管等の接続部に使用される真空フラン
ジとしては、各種の形状，材質のものがあり、これらは
目的とする真空の質と到達圧力によって選択される。例
えば、一般的に清浄な超高真空を得るためのフランジと
してはメタルガスケット類を使用したフランジがあり、
また低又は高真空を保持するためのフランジとしてはエ
ラストマー系のガスケット類を使用したフランジがあ
る。
ジとしては、各種の形状，材質のものがあり、これらは
目的とする真空の質と到達圧力によって選択される。例
えば、一般的に清浄な超高真空を得るためのフランジと
してはメタルガスケット類を使用したフランジがあり、
また低又は高真空を保持するためのフランジとしてはエ
ラストマー系のガスケット類を使用したフランジがあ
る。
これらのフランジはガスケットの剛性に対応した剛性を
有するものが使用され、ガスケットとの強力な接触によ
りシール性能を確保している。
有するものが使用され、ガスケットとの強力な接触によ
りシール性能を確保している。
ところで、超高真空状態に保持される真空装置，例えば
核融合装置のプラズマ真空容器およびこれに接続される
各種装置の接続部に有する真空フランジとしては、一般
的に第１図に示すようなナイフエッジ型メタルシールフ
ランジが使用されている。すなわち、このナイフエッジ
型メタルシールフランジは第１図に示すように、１対の
フランジ部1a,1bをその円周方向に適宜の間隔を存して
複数本のボルト２で締結することにより、フランジ部1
a,1bの内端側に刃先角度が70°〜100°に形成されたナ
イフエッジ部３をその間に挿入された円環状の銅ガスケ
ット４に食込ませてシールする構造となっている。この
場合、真空フランジのシール性能はナイフエッジ部３の
円周上に作用するシール線荷重により決定される。した
がって、シール線荷重はその大きさと分布，つまり各ボ
ルト間における荷重の大きさが均一に作用しているかど
うかが重要なことであり、具体的にはフランジ部1a,1b
の剛性（フランジ厚さ，材質）とボルトの本数、ボルト
締付けトルクおよびガスケットの材質により決められ
る。
核融合装置のプラズマ真空容器およびこれに接続される
各種装置の接続部に有する真空フランジとしては、一般
的に第１図に示すようなナイフエッジ型メタルシールフ
ランジが使用されている。すなわち、このナイフエッジ
型メタルシールフランジは第１図に示すように、１対の
フランジ部1a,1bをその円周方向に適宜の間隔を存して
複数本のボルト２で締結することにより、フランジ部1
a,1bの内端側に刃先角度が70°〜100°に形成されたナ
イフエッジ部３をその間に挿入された円環状の銅ガスケ
ット４に食込ませてシールする構造となっている。この
場合、真空フランジのシール性能はナイフエッジ部３の
円周上に作用するシール線荷重により決定される。した
がって、シール線荷重はその大きさと分布，つまり各ボ
ルト間における荷重の大きさが均一に作用しているかど
うかが重要なことであり、具体的にはフランジ部1a,1b
の剛性（フランジ厚さ，材質）とボルトの本数、ボルト
締付けトルクおよびガスケットの材質により決められ
る。
そこで、従来ではかかる真空フランジにおいて、充分な
シール性能を確保するには高い締付けトルク，すなわち
シール線荷重が大きく、且つ均一な分布とする必要があ
ることから、多数のボルトと、それらに耐え得る板厚の
フランジが使用されてきた。
シール性能を確保するには高い締付けトルク，すなわち
シール線荷重が大きく、且つ均一な分布とする必要があ
ることから、多数のボルトと、それらに耐え得る板厚の
フランジが使用されてきた。
ここで、その仕様については日本真空協会で昭和57年12
月１日に制定された「真空装置用ベーカブルフランジの
形状・寸法」と題したJVIS−003に規定されており、そ
の値は次の通りである。
月１日に制定された「真空装置用ベーカブルフランジの
形状・寸法」と題したJVIS−003に規定されており、そ
の値は次の通りである。
上記表において、シール線荷重Ws1は Ws1＝σ・ｎ・S/π・Ｂ（N/mm） ……（１） また、シール線荷重Ws2はJVIS−003には規定されていな
いが、（２）式より求めたものである。
いが、（２）式より求めたものである。
Ws2＝σ・ｎ・S/π・De（N/mm） ……（２） 但し、σ；ボルト引張り応力（MPa）、n;ボルト数、S;
ボルト有効断面積（mm2）、B;ボルトピッチ円径（m
m）、De;ナイフエッジ円径（mm）である。
ボルト有効断面積（mm2）、B;ボルトピッチ円径（m
m）、De;ナイフエッジ円径（mm）である。
なお、表中のシール線荷重の値は、σ＝200MPaとして求
めてある。
めてある。
（発明が解決しようとする課題） しかし、上記表に示すような仕様の真空フランジにも、
核融合装置のようにプラズマ真空容器に接続される機
器，計測機器類が非常に多い狭あいな環境下で、数多く
の接続あるいは分解作業を行なうには次のような問題が
ある。
核融合装置のようにプラズマ真空容器に接続される機
器，計測機器類が非常に多い狭あいな環境下で、数多く
の接続あるいは分解作業を行なうには次のような問題が
ある。
すなわち、プラズマ真空容器に接続される数多くの機
器，計測機器類の接続箇所には核融合装置の性能をより
高いものとするため、必要最小限の作業空間が確保され
ているに過ぎない。したがって、このような狭い空間で
フランジ部の締結又は分解作業を行なうことは非常に多
くの労力を必要とし、しかも作業の信頼性を得るために
は多大な時間が必要となる。
器，計測機器類の接続箇所には核融合装置の性能をより
高いものとするため、必要最小限の作業空間が確保され
ているに過ぎない。したがって、このような狭い空間で
フランジ部の締結又は分解作業を行なうことは非常に多
くの労力を必要とし、しかも作業の信頼性を得るために
は多大な時間が必要となる。
また、各フランジ部の接続終了後に清浄な超高真空を得
るための一つの手段として、通常高温ベーキング（加
熱，脱ガス）が行なわれるが、この場合パイプ，フラン
ジ真空容器等各部品間の熱容量の違いによる温度分布が
生じ易く、これに起因して熱歪みによりフランジ接続部
よりリークが発生することもある。
るための一つの手段として、通常高温ベーキング（加
熱，脱ガス）が行なわれるが、この場合パイプ，フラン
ジ真空容器等各部品間の熱容量の違いによる温度分布が
生じ易く、これに起因して熱歪みによりフランジ接続部
よりリークが発生することもある。
本発明はフランジ接続部の組立，分解作業を容易に短時
間に行なうことができ、またベーキングによって発生す
るリークに対する信頼性を向上させることができる真空
フランジを提供することを目的とする。
間に行なうことができ、またベーキングによって発生す
るリークに対する信頼性を向上させることができる真空
フランジを提供することを目的とする。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するため、フランジ接合面の内
端側を刃先角度70°〜100°のナイフエッジ部に形成し
たオーステナイト系ステンレス鋼材からなる１対のメタ
ルシールフランジ部の前記ナイフエッジ部間に円環状の
銅ガスケットを挿入し、前記両メタルシールフランジ部
間を複数本のボルトにより締結し、前記銅ガスケットに
ナイフエッジ部を食込ませてナイフエッジ円周上に作用
するシール線荷重により真空装置内を真空状態にシール
する構造の真空フランジにおいて、前記各ボルトの中心
軸線間を同一平面上で結ぶ円の直径をＢとしたとき、前
記メタルシールフランジ部の厚さｔとしては から求められる値の範囲とし、またボルトの本数ｎとし
ては から求められる値の範囲としたものである。
端側を刃先角度70°〜100°のナイフエッジ部に形成し
たオーステナイト系ステンレス鋼材からなる１対のメタ
ルシールフランジ部の前記ナイフエッジ部間に円環状の
銅ガスケットを挿入し、前記両メタルシールフランジ部
間を複数本のボルトにより締結し、前記銅ガスケットに
ナイフエッジ部を食込ませてナイフエッジ円周上に作用
するシール線荷重により真空装置内を真空状態にシール
する構造の真空フランジにおいて、前記各ボルトの中心
軸線間を同一平面上で結ぶ円の直径をＢとしたとき、前
記メタルシールフランジ部の厚さｔとしては から求められる値の範囲とし、またボルトの本数ｎとし
ては から求められる値の範囲としたものである。
（作用） したがって、かかる構成の真空フランジにあっては上記
のようにメタルシールフランジ部の厚さｔを、 から求められる値の範囲とし、且つフランジ部の締結に
必要とするボルトの本数ｎを、 から求められる値の範囲とすることにより、従来に比べ
てフランジ部の板厚を薄く、しかもボルト本数を少なく
でき、さらにシール線荷重を小さくすることにより充分
なシール性能を得ることが可能となり、所期の目的を達
成することができる。
のようにメタルシールフランジ部の厚さｔを、 から求められる値の範囲とし、且つフランジ部の締結に
必要とするボルトの本数ｎを、 から求められる値の範囲とすることにより、従来に比べ
てフランジ部の板厚を薄く、しかもボルト本数を少なく
でき、さらにシール線荷重を小さくすることにより充分
なシール性能を得ることが可能となり、所期の目的を達
成することができる。
（実施例） 以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
本実施例では第１図に示すナイフエッジ型メタルシール
フランジにおいて、フランジ部1a,1bの厚さ（ｔ）およ
びフランジ部1a,1bを締結するボルト２の本数（ｎ）を
次の式から求めた値の範囲となるように構成するもので
ある。
フランジにおいて、フランジ部1a,1bの厚さ（ｔ）およ
びフランジ部1a,1bを締結するボルト２の本数（ｎ）を
次の式から求めた値の範囲となるように構成するもので
ある。
但し、Ｂは各ボルト２の中心軸線間を同一平面上で結ぶ
円の直径（以下ボルトピッチ円径と呼ぶ）〔mm〕 この場合、フランジ板厚（ｔ），ボルト本数（ｎ）を決
定する上記各式は、ナイフエッジ型メタルシールフラン
ジにおいて、JVIS−003に規定された口径40〜200のもの
についてシール性能との関係をボルト本数，締付けトル
ク，フランジ板厚をパラメータとして多くの実験，数値
的解析を行なった結果から得たものである。
円の直径（以下ボルトピッチ円径と呼ぶ）〔mm〕 この場合、フランジ板厚（ｔ），ボルト本数（ｎ）を決
定する上記各式は、ナイフエッジ型メタルシールフラン
ジにおいて、JVIS−003に規定された口径40〜200のもの
についてシール性能との関係をボルト本数，締付けトル
ク，フランジ板厚をパラメータとして多くの実験，数値
的解析を行なった結果から得たものである。
ここで、一例として外径152mm（呼び径100mm）のフラン
ジに対し、シール線荷重とボルト本数との関係およびシ
ール線荷重，フランジ応力とフランジ板厚との関係につ
いて実験を行なった結果を第２図および第３図に示し、
またその数値解析およびリーク試験結果についてまとめ
ると第２表のようになる。なお、第３図はボルト本数が
８本のときの結果である。
ジに対し、シール線荷重とボルト本数との関係およびシ
ール線荷重，フランジ応力とフランジ板厚との関係につ
いて実験を行なった結果を第２図および第３図に示し、
またその数値解析およびリーク試験結果についてまとめ
ると第２表のようになる。なお、第３図はボルト本数が
８本のときの結果である。
すなわち、第２図について考察して見るに、シール線荷
重とボルト本数とを変えて多数の点をプロットし、その
各点のリークの有無を調べて見ると、ボルト本数８本の
線とシール線荷重100（N/mm）の線で仕切られた第１象
限の部分においてはリークがない。また第３図について
考察して見るに、シール線荷重，フランジ応力とフラン
ジ板厚とを変えて多数の点をプロットし、その各点のリ
ークの有無を調べて見ると、板厚15mmの線とシール線荷
重100（N/mm）の線で仕切られた第１象限の部分におい
てはリークがない。そして、これら第２図および第３図
に示す結果と第２表から分ることは、フランジ板厚の減
少と共にフランジ応力が増加して、シール線荷重の周方
向分布差が大きくなり、板厚が10〜11mm程度以下になる
とその値が急激に増加するが、逆に板厚が15mm以上では
ほぼ一定である。また、締付力の増加と共にシール線荷
重、、フランジ応力が増加する。さらに、ボルト本数の
減少と共にシール線荷重の周方向の分布差が大きくな
る。
重とボルト本数とを変えて多数の点をプロットし、その
各点のリークの有無を調べて見ると、ボルト本数８本の
線とシール線荷重100（N/mm）の線で仕切られた第１象
限の部分においてはリークがない。また第３図について
考察して見るに、シール線荷重，フランジ応力とフラン
ジ板厚とを変えて多数の点をプロットし、その各点のリ
ークの有無を調べて見ると、板厚15mmの線とシール線荷
重100（N/mm）の線で仕切られた第１象限の部分におい
てはリークがない。そして、これら第２図および第３図
に示す結果と第２表から分ることは、フランジ板厚の減
少と共にフランジ応力が増加して、シール線荷重の周方
向分布差が大きくなり、板厚が10〜11mm程度以下になる
とその値が急激に増加するが、逆に板厚が15mm以上では
ほぼ一定である。また、締付力の増加と共にシール線荷
重、、フランジ応力が増加する。さらに、ボルト本数の
減少と共にシール線荷重の周方向の分布差が大きくな
る。
因みに、第２図および第３図に示されている従来の真空
フランジについて見ると、板厚，ボルト数，シール線荷
重の何れにおいても過剰な値になっており、特にシール
線荷重について注目すると実験値の最低値の約３倍、ボ
ルト数についても約２倍になっていることが分る。
フランジについて見ると、板厚，ボルト数，シール線荷
重の何れにおいても過剰な値になっており、特にシール
線荷重について注目すると実験値の最低値の約３倍、ボ
ルト数についても約２倍になっていることが分る。
以上のような多数の実験結果の中からシール性能を損う
ことなく、ボルト本数を少なく、シール線荷重を小さ
く、しかも板厚を薄くでき、且つフランジ部，ボルトに
過大な応力が加わらない範囲として、前述した式からフ
ランジ厚さ（ｔ），ボルト本数（ｎ）を求め、且つシー
ル線荷重を決定することにより、作業空間の狭い環境下
においてもフランジ接続部の組立，分解作業を容易に短
時間で行なうことができ、しかもリークに対する信頼性
を向上させることができる。
ことなく、ボルト本数を少なく、シール線荷重を小さ
く、しかも板厚を薄くでき、且つフランジ部，ボルトに
過大な応力が加わらない範囲として、前述した式からフ
ランジ厚さ（ｔ），ボルト本数（ｎ）を求め、且つシー
ル線荷重を決定することにより、作業空間の狭い環境下
においてもフランジ接続部の組立，分解作業を容易に短
時間で行なうことができ、しかもリークに対する信頼性
を向上させることができる。
特に一般的に行なわれているベーキング温度300°〜350
°Ｃでベーキングを実施した結果においても充分なシー
ル性能を維持することができる。
°Ｃでベーキングを実施した結果においても充分なシー
ル性能を維持することができる。
［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、従来に比べて板厚が
薄く，ボルト本数が少なくなるので、フランジ接続部の
組立，分解作業を容易に短時間に行なうことができ、ま
たベーキグによって発生するリークに対する信頼性を向
上させることができる真空フランジを提供できる。
薄く，ボルト本数が少なくなるので、フランジ接続部の
組立，分解作業を容易に短時間に行なうことができ、ま
たベーキグによって発生するリークに対する信頼性を向
上させることができる真空フランジを提供できる。
第１図は本発明が適用されるナイフエッジ型メタルシー
ルフランジの断面図、第２図はシール線荷重とボルト本
数の関係を示す図、第３図はシール線荷重とフランジ板
厚の関係を示す図である。 1a,1b……フランジ部、２……ボルト、３……ナイフエ
ッジ部、４……銅ガスケット。
ルフランジの断面図、第２図はシール線荷重とボルト本
数の関係を示す図、第３図はシール線荷重とフランジ板
厚の関係を示す図である。 1a,1b……フランジ部、２……ボルト、３……ナイフエ
ッジ部、４……銅ガスケット。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 義夫 茨城県那珂郡那珂町向山字中原801番地の １ 日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者 長沼 正光 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 喜多村 和憲 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 内田 孝穂 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内
Claims (1)
- 【請求項１】フランジ接合面の内端側を刃先角度70°〜
100°のナイフエッジ部に形成したオーステナイト系ス
テンレス鋼材からなる１対のメタルシールフランジ部の
前記ナイフエッジ部間に円環状の銅ガスケットを挿入
し、前記両メタルシールフランジ部間を複数本のボルト
により締結し、前記銅ガスケットにナイフエッジ部を食
込ませてナイフエッジ円周上に作用するシール線荷重に
より真空装置内を真空状態にシールする構造の真空フラ
ンジにおいて、前記各ボルトの中心軸線間を同一平面上
で結ぶ円の直径をＢとしたとき、前記メタルシールフラ
ンジ部の厚さｔとしては から求められる値の範囲とし、またボルトの本数ｎとし
ては から求められる値の範囲としたことを特徴とする真空フ
ランジ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63178171A JPH0781657B2 (ja) | 1988-07-19 | 1988-07-19 | 真空フランジ |
| US07/379,264 US4988130A (en) | 1988-07-19 | 1989-07-13 | Metal seal flange assembly |
| GB8916335A GB2221002B (en) | 1988-07-19 | 1989-07-17 | Metal seal flange assembly |
| DE3923946A DE3923946C2 (de) | 1988-07-19 | 1989-07-19 | Metalldichtflanschanordnung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63178171A JPH0781657B2 (ja) | 1988-07-19 | 1988-07-19 | 真空フランジ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0231097A JPH0231097A (ja) | 1990-02-01 |
| JPH0781657B2 true JPH0781657B2 (ja) | 1995-09-06 |
Family
ID=16043851
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63178171A Expired - Fee Related JPH0781657B2 (ja) | 1988-07-19 | 1988-07-19 | 真空フランジ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4988130A (ja) |
| JP (1) | JPH0781657B2 (ja) |
| DE (1) | DE3923946C2 (ja) |
| GB (1) | GB2221002B (ja) |
Families Citing this family (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04181069A (ja) * | 1990-06-01 | 1992-06-29 | Japan Atom Energy Res Inst | 金属ガスケット |
| WO1992019891A2 (en) * | 1991-05-09 | 1992-11-12 | Bostec Engineering, Inc. | Gland and seal |
| US5836623A (en) * | 1996-09-20 | 1998-11-17 | Bothell; Richard D. | Connector system for use in ultra-high vacuum systems |
| US5855397A (en) * | 1997-04-02 | 1999-01-05 | Cummins Engine Company, Inc. | High-pressure sealable connector for a pressure sensor |
| US6083566A (en) * | 1998-05-26 | 2000-07-04 | Whitesell; Andrew B. | Substrate handling and processing system and method |
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| US6357760B1 (en) | 2000-05-19 | 2002-03-19 | Michael Doyle | Ring seal |
| US8191901B2 (en) * | 2000-10-26 | 2012-06-05 | Kimball Physics, Inc. | Minimal thickness, double-sided flanges for ultra-high vacuum components |
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