メタルガスケット
【課題】従来よりも小さい締付け力で、従来と同等以上の高いシール性が発揮されるメタルガスケットを提供すること。
【解決手段】周方向の開口が形成された断面略Ｃ字状の環状の外環と、この外環の内側に嵌装された環状の内環とから構成され、部材間に装着された状態で上下方向に押圧されることで部材間をシールする環状のメタルガスケットであって、内環は、その断面において、外環の内側面の上側と当接する上側角部と、外環の内側面の下側と当接する下側角部と、上側角部と下側角部との間に位置するように、内環の内周側に形成された内周側角部と、上側角部と下側角部との間に位置するように、内環の外周側に形成された外周側角部と、を備えた断面多角形状に形成されるとともに、上側角部と、内周側角部および外周側角部との間、並びに下側角部と、内周側角部および外周側角部との間には、内角が１８０°よりも大きい屈曲部が各々形成されている。
【解決手段】周方向の開口が形成された断面略Ｃ字状の環状の外環と、この外環の内側に嵌装された環状の内環とから構成され、部材間に装着された状態で上下方向に押圧されることで部材間をシールする環状のメタルガスケットであって、内環は、その断面において、外環の内側面の上側と当接する上側角部と、外環の内側面の下側と当接する下側角部と、上側角部と下側角部との間に位置するように、内環の内周側に形成された内周側角部と、上側角部と下側角部との間に位置するように、内環の外周側に形成された外周側角部と、を備えた断面多角形状に形成されるとともに、上側角部と、内周側角部および外周側角部との間、並びに下側角部と、内周側角部および外周側角部との間には、内角が１８０°よりも大きい屈曲部が各々形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温環境下、プラズマ環境下、および超真空環境下などの環境下で用いられて好適なメタルガスケットに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力設備や半導体製造装置などの各種配管、機械設備においては、ゴム製のガスケットが使用できない高温環境下、プラズマ環境下、および超真空環境下などの環境下で用いられるガスケットとして、メタルＣリングガスケットと呼ばれる環状のメタルガスケットが使用されている。
【０００３】
このメタルＣリングガスケットと呼ばれるメタルガスケットは、例えば、特許文献１，２に開示されているように、断面略Ｃ字状の金属製の外環の内側に、金属製の板バネやコイルスプリングなどからなる内環が嵌装されて構成されている。したがって、このメタルガスケットを用いる場合は、ゴム製のガスケットよりも大きな締付け力が必要であり、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との問題があった。
【０００４】
このような背景のもと、小さい締付け力で高いシール性を得ることができる環状のメタルガスケットとして、内環を正方形などの断面多角形体に形成したメタルガスケットが、本出願人により開示されている（特許文献３）。
【０００５】
図７は、従来の特許文献３のメタルガスケットを示した断面図である。また、図８は、従来の特許文献３のメタルガスケットがシール溝に装着されている状態を示した断面図である。
【０００６】
図７に示したように、特許文献３のメタルガスケット１００は、外周側に開口１１２が形成された断面略Ｃ字状の外環１１０と、この外環１１０の内側に嵌装された内環１２０とから構成されている。内環１２０は、図７に示したように、その断面の上下方向に一対の上側角部１２２ａおよび下側角部１２２ｂが形成されるとともに、その断面の左右方向に一対の内周側角部１２２ｃおよび外周側角部１２２ｄが形成された断面略正方形状に形成されている。そして、その上側角部１２２ａおよび下側角部１２２ｂが上述した外環１１０の内側面と当接するようにして、外環１１０に嵌装されている。
【０００７】
この特許文献３のメタルガスケット１００は、図８に示したように、フランジ１３２に形成されているシール溝１３４に装着されて、相手側のフランジ１３０によって締付け力Ｆで上下方向に押圧される。すると、内環１２０の復元力によって、上述した一対の上側角部１２２ａおよび下側角部１２２ｂが外環１１０の内側面を強く押圧し、外環１１０の上側とフランジ１３０とが部分的に強く接触するとともに、外環１１０の下側とフランジ１３２のシール溝１３４とが部分的に強く接触する。そして、この接触部分がシール部となって、フランジ１３０とフランジ１３２との間がシールされる。
【０００８】
このように、この従来の特許文献３のメタルガスケット１００は、内環１２０の復元力によって、外環１１０の内側面が上側角部１２２ａおよび下側角部１２２ｂによって押圧されるように構成されているため、特許文献１，２に開示されているような一般的なメタルガスケットと比べて、小さい締付け力で高いシール性を得ることができるようになっている。
【０００９】
ところで、メタルガスケットにおいて、メタルガスケットに作用する締付け力とメタルガスケットの変位量との関係は、図９のグラフのラインａのような関係を示すのが好ましいとされている。ここで、図９は、メタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの好ましい関係を説明するためのグラフである。上述した特許文献３のメタルガスケット１００における締付け力Ｆと変位量δとの関係は、おおむねこの図９のグラフのラインａに近似している。なお、図９のグラフの縦軸は締付け力Ｆを、グラフの横軸はメタルガスケットの変位量δを、それぞれ示している。
【００１０】
この図９のグラフのラインａに示したように、メタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの関係は、初期においてはグラフのラインａの傾きＥ１が急な傾きを示すことが好ましい。
【００１１】
なぜなら、メタルガスケットがある程度のシール性を発揮するためには、ガスケットとフランジ面との間に「なじみ」が必要であるところ、この「なじみ」を得るためには、フランジ面と接触するガスケットのシール部に大きな接触応力を生じさせる必要がある。そして、ガスケットのシール部に大きな接触応力を発生させるには、単位当たりの変位量δに対して締付け力Ｆが出来るだけ大きくなるように、図９における初期の傾きＥ１が急な傾きを示す方が良いからである。
【００１２】
この初期の傾きＥ１が緩やかだと、ガスケットのシール部に大きな接触応力を発生させるために、ガスケットを大きく変形させる必要があり、例えばボルトの締付け不足などが発生した場合には、ガスケットとフランジ面との間に十分な「なじみ」が得られない場合がある。なお、ここで「なじみ」とは、フランジ面と接触するメタルガスケットが、フランジ面の微小な凹凸に沿って変形し、その凹凸を埋めることで、ガスケットとフランジ面との間の隙間をなくすことを言う。
【００１３】
また、図９のグラフのラインａに示したように、メタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの関係は、締付け力Ｆが所定の締付け力Ｆ２を超えてからは、グラフのラインａの傾きＥ２が緩やかな傾きを示すことが好ましい。
【００１４】
なぜなら、メタルガスケットは、２つの部材の間をシールする場合、例えば、上述したようなフランジ１３０とフランジ１３２との間をシールする場合に使用されるが、この場合のフランジ間の締付けは、フランジ同士が接触するまで、すなわち、フランジ面がメタルタッチするまで行なわれる。すなわち、上述した図８に示した状態においては、フランジ１３０とフランジ１３２とが接触するまで締付けられ、締付けが完了した状態では、メタルガスケット１００は、変位量δ１だけ圧縮された状態となる。
【００１５】
このように、メタルガスケットはフランジ面がメタルタッチするまで締付けられるため、グラフのラインａの傾きＥ２が急な傾きを示すメタルガスケットの場合は、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１が著しく大きくなってしまい、メタルガスケットの締付け管理が行ない難くなってしまう。
【００１６】
また、メタルガスケットの締付け管理を、メタルガスケットの変位が所定の変位量δ１になるまで締付けを行なうとのいわゆる変位制御で行なう場合には、以下に示すような問題が生ずる場合がある。すなわち、メタルタッチとなる変位量には、フランジ面やシール溝のうねりや寸法公差などによって誤差が生ずる場合があるため、グラフのラインａの傾きＥ２が急な傾きを示す場合には、メタルタッチとなる変位量にわずかな誤差が生じただけで締付け力が大きく変化してしまう。そして、締付け力が小さくなった場合にはシール性に問題が生ずる恐れがあり、締付け力が大きくなった場合には、ボルトの破損、およびメタルタッチするまで締付けることが出来ないなどの問題が生ずる恐れがある。
【００１７】
なお、図９に示したグラフにおいて、符号Ｆ０は、所定のシール性を発揮するために必要な締付け力を、符号Ｆ２は、グラフａの傾きが急な傾きＥ１から緩やかな傾きＥ２へと変化する際の締付け力を示している。そして、この締付け力Ｆ０は、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１よりも小さいのは勿論のこと、上述した締付け力Ｆ２よりも小さいことが、メタルガスケットが安定したシール性能を発揮するために重要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平２−１１３１７１号公報
【特許文献２】特開平９−２６４４２７号公報
【特許文献３】特開２００９−２８１４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上述したように、メタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの関係は、初期においては、単位変位量当たりの締付け力Ｆが大きくなるように、グラフのラインの傾きＥ１が急な傾きを示すことが好ましい。また、締付け力がＦ０よりも大きくなり、メタルガスケットが所定のシール性を発揮している状態では、単位変位量当たりの締付け力Ｆが小さくなるように、グラフのラインの傾きＥ２が緩やかな傾きを示すことが好ましい。
【００２０】
さらに、小さい締付け力で高いシール性を発揮するメタルガスケットとするためには、上述したような締付け力Ｆと変位量δとの関係を維持しつつ、さらに、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１を小さくする必要がある。
【００２１】
しかしながら、上述したような締付け力Ｆと変位量δとの好ましい関係を維持しつつ、さらに、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１が小さくなるようなメタルガスケットを開発することは容易なことではない。例えば、図１０のグラフのラインｂおよびラインｃは特許文献１，２に開示されているような従来の一般的なメタルガスケットの締付け力と変位の関係を示したラインであるが、この図１０のグラフのラインｂに示したように、初期の傾きＥ１´を大きくしようとすると、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１´は、一般に大きくなってしまう。また、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１´を小さくしようとすると、図１０のグラフのラインｃに示したように、初期の傾きＥ１´は、一般に緩やかになってしまう。
【００２２】
このような技術的背景のもと、本発明者らは、特許文献３のメタルガスケット１００の内環１２０の断面形状を変更することで、特許文献３に開示されているメタルガスケット１００よりも小さい締付け力で、特許文献３に開示されているメタルガスケットとほぼ同等のシール性を発揮できるメタルガスケットとすることができるのではないかと考えた。
【００２３】
そして、図７および図８に示した特許文献３のメタルガスケット１００において、その内角θ１およびθ２と、締付け力−変位との関係を検討したところ、上側角部１２２ａおよび下側角部１２２ｂの内角θ１を小さくすると、初期の傾きＥは大きくなるがメタルタッチする際の締付け力Ｆ１が大きくなる傾向を示すこと、および内周側角部１２２ｃおよび外周側角部１２２ｄの内角θ２を小さくすると、メタルタッチする際の締付け力Ｆ１が小さくなる傾向を示すことを見出し、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明のメタルガスケットは、
周方向の開口が形成された断面略Ｃ字状の環状の外環と、この外環の内側に嵌装された環状の内環とから構成され、部材間に装着された状態で上下方向に押圧されることで部材間をシールする環状のメタルガスケットであって、
前記内環は、その断面において、
前記外環の内側面の上側と当接する上側角部と、
前記外環の内側面の下側と当接する下側角部と、
前記上側角部と下側角部との間に位置するように、該内環の内周側に形成された内周側角部と、
前記上側角部と下側角部との間に位置するように、該内環の外周側に形成された外周側角部と、
を備えた断面多角形状に形成されるとともに、
前記上側角部と、前記内周側角部および外周側角部との間、並びに前記下側角部と、前記内周側角部および外周側角部との間には、内角が１８０°よりも大きい屈曲部が各々形成されていることを特徴とする。
【００２５】
このように構成することによって、特許文献３のメタルガスケットよりも小さい締付け力で、特許文献３のメタルガスケットとほぼ同等のシール性を発揮するメタルガスケットを提供することができる。
【００２６】
また、特許文献３に開示されているメタルガスケットよりも、メタルタッチとなるまでの締付け力を小さくできるため、メタルガスケットの締付け管理を容易に行なえるメタルガスケットを提供することができる。
【００２７】
上記発明において、
前記内環の断面が、上下方向に線対称形状となるように形成されていることが望ましい。
【００２８】
このように構成することによって、メタルガスケットが上下方向に押圧された際に、内環は、その断面の上下方向および左右方向に略線対称形状となるように変形するため、内環がずれたり斜めに傾いたりすることがなく、安定した状態のまま外環の内側に保持される。
【００２９】
また、上記発明において、
前記上側角部と、前記上側角部と内周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
前記上側角部と、前記上側角部と外周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
前記下側角部と、前記上側角部と内周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
前記下側角部と、前記上側角部と外周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
には、内角が１８０°よりも小さい第２の屈曲部が形成されていることを特徴とする。
【００３０】
このように構成することによって、より小さい締付け力で、特許文献３のメタルガスケットとほぼ同等のシール性を発揮するメタルガスケットを提供することができる。また、メタルタッチとなるまでの締付け力をより小さくできるため、メタルガスケットの締付け管理をより一層容易に行なうことのできるメタルガスケットを提供することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、従来の特許文献３に開示されているメタルガスケットよりも小さい締付け力で、従来の特許文献３に開示されているメタルガスケットとほぼ同等のシール性を発揮するメタルガスケットを提供することができる。このように、本発明のメタルガスケットによれば、従来のメタルガスケットよりも締付け力を小さくすることができるため、フランジを薄くすることが可能となり、装置の小型化、軽量化が図れるとともに、コスト面でも有利となる。また、フランジの材料に例えばセラミックスなどの、金属と比べて壊れやすい材料を使用することも可能となる。
【００３２】
また、従来の特許文献３に開示されているメタルガスケットよりも、メタルタッチとなるまでの締付け力を小さくできるため、メタルガスケットの締付け管理を容易に行なうことができるメタルガスケットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明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した部分拡大断面図である。
【図２】図２は、本発明のメタルガスケットを示した断面図である。
【図３】図３は、本発明のメタルガスケットが上下方向に押圧されて変形した状態を示した断面図である。
【図４】図４は、本発明のメタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの関係を示したグラフである。
【図５】図５は、本発明のメタルガスケット１を実施例とし、特許文献３のメタルガスケット１００を比較例として、その各々の締付け力−変位の関係を有限要素法によって解析した結果を示したグラフである。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態のメタルガスケットを示した断面図である。
【図７】図７は、従来の特許文献３のメタルガスケットを示した断面図である。
【図８】図８は、従来の特許文献３のメタルガスケットがシール溝に装着されている状態を示した断面図である。
【図９】図９は、メタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの好ましい関係を説明するためのグラフである。
【図１０】図１０は、従来の一般的なメタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの関係を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のメタルガスケットを配管などの継手部に用いた状態を示した部分拡大断面図である。図２は、本発明のメタルガスケットを示した断面図である。
【００３５】
本発明のメタルガスケット１は、例えば、半導体製造装置の各種配管などの継手部に使用される。そして、図１に示したように、メタルガスケット１は、フランジ３２に形成されているシール溝３４に装着されて、フランジ３０とフランジ３２との間に介装され、フランジ３０とフランジ３２とがメタルタッチするまでボルト４０によって締付けられることで上下方向に押圧されることで、フランジ３０とフランジ３２との間をシールする。
【００３６】
また、図２に示したように、本発明のメタルガスケット１は、環状の外環１０と、この外環１０の内側に嵌装された環状の内環２０とから構成されている。
外環１０は、その外側面１０ａの外周側の周方向に開口１２が形成されており、図２に示したように、断面略Ｃ字状に形成されている。
【００３７】
内環２０は、図２に示したように、断面中空の多角形状に形成されている。そして、その断面の上側には、外環１０の内側面１０ｂの上側と当接する上側角部２２ａと、外環１０の内側面１０ｂの下側と当接する下側角部２２ｂと、が形成されている。また、上側角部２２ａと下側角部２２ｂとの間の内周側には内周側角部２２ｃが形成されるとともに、上側角部２２ａと下側角部２２ｂとの間の外周側には外周側角部２２ｄが形成されている。
【００３８】
ここで、外環１０の内側面１０ｂの上側とは、開口１２よりも上側の部分を指す。すなわち、図２において、外環１０の内側面１０ｂの内、開口１２の上端部１２ａよりも上側に位置する内側面１０ｂを指す。同様に、外環１０の内側面１０ｂの下側とは、開口１２よりも下側の部分、すなわち、外環１０の内側面１０ｂの内、開口１２の下端部１２ｂよりも下側に位置する内側面１０ｂを指す。また、図２では、内環２０の内周側角部２２ｃも、外環１０の内側面１０ｂが当接しているが、この内周側角部２２ｃと外環１０の内側面１０ｂとは、必ずしも当接していなくてもよい。
【００３９】
また、これら上側角部２２ａ、下側角部２２ｂ、内周側角部２２ｃ、外周側角部２２ｄにおける各々の屈曲部の頂部は、円弧状に形成されていることが好ましい。特に、外環１０の内側面１０ｂと当接する上側角部２２ａと下側角部２２ｂの屈曲部の頂部については、外環１０の内側面１０ｂを傷つけないようにするために、円弧状に形成されていることが好ましい。
【００４０】
また、上述した上側角部２２ａと、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄとの間には、それぞれ内周側角部２２ｃまたは外周側角部２２ｄに近い方から、屈曲部２４および第２の屈曲部２６の２箇所の屈曲部が形成されている。さらに、上術した下側角部２２ｂと、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄとの間にも、それぞれ内周側角部２２ｃまたは外周側角部２２ｄに近い方から、屈曲部２４および第２の屈曲部２６との２箇所の屈曲部が形成されている。
【００４１】
そして、図２に示したように、この屈曲部２４は、内環２０の断面の内側に向かって屈曲しており、この屈曲部２４の内角は１８０°よりも大きい角度となっている。これに対して、第２の屈曲部２６は、内環２０の断面の外側に向かって屈曲しており、この第２の屈曲部２６の内角は１８０°よりも小さい角度となっている。
【００４２】
また、図２に示した内環２０は、上述した上側角部２２ａが、外環１０の内側面１０ｂの最も上側の部分と当接するとともに、上述した下側角部２２ｂも、外環１０の内側面１０ｂの最も下側の部分と当接している。
【００４３】
ここで、本発明のメタルガスケット１では、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂと、外環１０の内側面１０ｂとの当接箇所は、上述した部分に限定されるものではない。しかしながら、上述したように、上側角部２２ａが外環１０の内側面１０ｂの最も上側の部分と当接し、下側角部２２ｂが、外環１０の内側面１０ｂの最も下側の部分と当接するように構成する方が、メタルガスケット１が上下方向に押圧された際に、その押圧力が外環１０を介して直ちに内環２０にも作用するため、好ましい。
【００４４】
また、内環２０の断面は、その上下方向および左右方向に線対称形状となるように形成されている。すなわち、図２に示したように、水平方向の中心線ＨＣＬに対して上下方向に対称形状に形成されるとともに、鉛直方向の中心線ＶＣＬに対して左右方向に対称形状に形成されている。そして、上述した上側角部２２ａと下側角部２２ｂの内角θ１は、それぞれ等しい角度に形成されるとともに、上述した内周側角部２２ｃと外周側角部２２ｄの内角θ２も、それぞれ等しい角度に形成されている。
【００４５】
ここで、本発明のメタルガスケット１では、内環２０の断面は、その上下方向および左右方向が線対称形状のものに限定されるものではない。しかしながら、上述したように、内環２０の断面が、少なくともその上下方向に線対称形状となるように形成されている方が、後述するように、メタルガスケット１が上下方向に押圧された際に、内環２０がずれたり斜めに傾いたりすることがなく、安定した状態のまま外環１０の内側に保持されるため、好ましい。
【００４６】
また、本発明のメタルガスケット１において、上述したような屈曲部２４および第２の屈曲部２６が形成されている理由は、次のとおりである。
すなわち、上述したように、本発明者らが検討したところにより、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄの内角θ２を小さくするとメタルタッチする際の締付け力Ｆ１が小さくなる傾向を示すことが分かっている。このため、本発明のメタルガスケット１では、上側角部２２ａと、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄとの間、並びに下側角部２２ｂと、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄとの間に、内角が１８０°よりも大きい屈曲部２４を各々形成することで、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄの内角θ２が小さくなるように構成している。
【００４７】
また、本発明者らが検討したところにより、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの内角θ１が小さくなると、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１が大きくなる傾向を示すことが分かっている。そして、上述したような屈曲部２４を形成すると、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄの内角θ２が小さくなる一方で、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの内角θ１も小さくなってしまう。このため、本発明のメタルガスケット１では、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂと、上述した屈曲部２４との間に、内角が１８０°よりも小さい第２の屈曲部を各々形成することで、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの内角θ１が小さくなり過ぎないように構成している。
【００４８】
このような第２の屈曲部２６は、屈曲部２４と比べて小さい屈曲度合いとなっている方が好ましい。すなわち、第２の屈曲部２６の外角が、屈曲部２４の内角よりも小さい方が好ましい。第２の屈曲部２６が大きく屈曲していると、例えば、後述する図３の（ｃ）に示した状態において、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂが内側に凹むように変形してしまうため、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂと、外環１０の内側面１０ｂとの接触応力が小さくなってしまい、シール性能が低下してしまう恐れがある。
【００４９】
このような上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの内角θ１の好ましい範囲は、メタルガスケット１の形状、材料、およびメタルタッチまでの変位量などによっても異なるが、おおむね５０°〜１２０°の範囲であることが好ましく、特に好ましくは６０〜９０°の範囲である。また、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄの内角θ２の好ましい範囲は、おおむね９０°以下であることが好ましく、特に好ましくは３５°〜８０°の範囲である。なお、本実施形態では、θ１は約７５°、θ２は約６０°に形成されている。
【００５０】
これら外環１０および内環２０の構成材料は、金属である。この際、内環２０を構成する金属は、外環１０を構成する金属よりも硬質の金属から形成されていることが好ましく、例えば、外環１０は、いわゆる軽金属と称されるアルミニウム、内環２０は、アルミニウムよりも硬質の金属、例えばステンレスなどから形成されることが好ましい。
【００５１】
このように、外環１０よりも内環２０を高硬度の金属で構成すれば、本発明のメタルガスケット１が、図１に示したように、フランジ３０、３２との間に介装されて上下方向に押圧された際に、相対的に変形し難い高硬度の内環２０が低硬度の外環１０をフランジ３０、３２に強く押し付ける。そして、低硬度の外環１０は、フランジ３０などとのなじみ性が良好であるため、高いシール性を発揮されることとなる。
【００５２】
また、外環１０の外側面１０ａに、ポリテトラフルオレエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミドなどをコーティングすることや、銀、ニッケル、銅などのメッキを施すことで形成された軟質層（不図示）が形成されていれば、外環１０のフランジ３０などに対するなじみ性が高くなり、より高いシール性が発揮されるようになる。
【００５３】
図３は、本発明のメタルガスケットが上下方向に押圧されて変形した状態を示した断面図である。また、図４は、本発明のメタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの関係を示したグラフである。ここで、図３の（ａ）はメタルガスケット１が変形する前の初期状態を、図３の（ｂ）はメタルガスケット１が押圧されて変形し、所定のシール性を発揮している状態を、図３の（ｃ）はメタルガスケット１がメタルタッチするまで押圧されて変形している状態を、それぞれ示している。なお、図３中の符号Ｆ０、Ｆ１およびδ１、δ２は、図４のグラフに示されている締付け力Ｆ０、Ｆ１および変位量δ１、δ２と対応するものである。
【００５４】
図３に示したように、図３の（ａ）に示した初期状態において、メタルガスケット１を上下方向に押圧していくと、先ず、内環２０の内、その上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの先端部が潰されて変形する。そして、メタルガスケット１全体では、その上下方向に変位量δ２だけ圧縮変形して、図３の（ｂ）に示した状態となる。この状態では、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの内角θ１、並びに内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄの内角θ２は、初期状態から殆ど変化しておらず、僅かに内角θ１が大きくなるとともに、内角θ２が小さくなる程度である。すなわち、図３の（ｂ）に示した状態における、メタルガスケット１の変位量δ２は、主として上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの先端部が潰れたことによるものである。
【００５５】
そして、さらに締付け力Ｆを大きくしながら押圧していくと、内環２０の上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂが徐々に開くように変形し、その内角θ１が徐々に大きくなっていく。また、内環２０の内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄは徐々に閉まるように変形し、その内角θ２は徐々に小さくなっていく。そして、最終的には、図３の（ｃ）に示したように、内環２０が上下方向に押し潰されるように圧縮変形して、上側の屈曲部２４と下側の屈曲部２４とが当接し、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄの内角θ２が０°となる。そして、メタルガスケット１全体では、その上下方向に変位量δ１だけ変形した状態となる。
【００５６】
この際、メタルガスケット１が初期状態から所定の変位量δ２になるまでの間は、単位当たりの変位量に対して大きな締付け力Ｆを必要とする。すなわち、図４に示されているように、グラフのラインａの初期の傾きＥ１は、急な傾きとなる。これに対して、メタルガスケット１の変位量がδ２からδ１になるまでの間は、単位当たりの変位量に対して小さな締付け力Ｆで変形するようになる。すなわち、図４に示されているように、グラフのラインａの初期の傾きＥ２は、緩やかな傾きとなる。
【００５７】
図５は、図２に示した本発明のメタルガスケット１を実施例とし、図７に示した特許文献３の従来のメタルガスケット１００を比較例として、それぞれにおける締付け力−変位の関係を有限要素法によって解析した結果を示したグラフである。なお、図５のグラフの縦軸は線圧を、グラフの横軸は変位量を、それぞれ示している。
【００５８】
ここで、このグラフの縦軸の線圧とは、メタルガスケットが締付けられた際に、メタルガスケットに作用する単位長さ当たりの締付け力のことであり、以下の式（１）のとおり定義されるものである。
線圧＝締付け力÷メタルガスケット中心円周長さ （１）
【００５９】
また、この有限要素解析では、実施例のメタルガスケット１と比較例のメタルガスケット１００とは、比較例の内環１２０が正方形状に形成されているのに対し、実施例の内環２０には上述した屈曲部２４および第２の屈曲部２６が形成されている点を除いて、同一の条件に設定している。すなわち、実施例の外環１０と比較例の外環１１０の材質、中心円周の長さ、断面の形状寸法を同一条件に設定するとともに、実施例の内環２０と比較例の内環１２０の材質、中心円周の長さ、断面の肉厚および高さや幅を同一条件に設定している。
【００６０】
図５に示したように、初期の傾きは、実施例および比較例ともにほぼ同じような急な傾きを示している。このことは、実施例のメタルガスケット１が、比較例のメタルガスケット１００と、ほぼ同等のシール性能を有していることを意味している。
【００６１】
また、図５に示したように、ガスケットに作用する線圧がＦ０（ここでは１５ＫＮ／ｍ）よりも大きく、メタルガスケットが所定のシール性を発揮している状態におけるグラフの傾きは、比較例よりも実施例の方が穏やかな傾きを示している。そして、メタルタッチとなる際の変位量δ１（ここでは０．８mm）における線圧は、実施例が３４．３ＫＮ／ｍとなっているのに対して、比較例では、３８.１ＫＮ／ｍとなっており、実施例の方が約１０％も小さくなっている。
【００６２】
このように、本発明のメタルガスケット１は、特許文献３のメタルガスケット１００よりも小さい締付け力で締付けることができるにも関わらず、特許文献３のメタルガスケットとほぼ同等のシール性を発揮することができる。このように、本発明のメタルガスケット１によれば、特許文献３のメタルガスケット１００よりも締付け力を小さくすることができるため、フランジを薄くすることが可能となり、装置の小型化、軽量化が図れるとともに、コスト面でも有利となる。また、フランジの材料に例えばセラミックスなどの、金属と比べて壊れやすい材料を使用することも可能となる。
【００６３】
また、本発明のメタルガスケット１は、特許文献３のメタルガスケット１００よりもメタルタッチとなるまでの締付け力Ｆ１を小さくできるため、メタルガスケット１の締付け管理を容易に行なうことが可能である。
【００６４】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、屈曲部２４および第２の屈曲部２６の２つの屈曲部が形成されていたが、本発明のメタルガスケット１はこれに限定されない。図６に示したように、上側角部２２ａと、内周側角部２２ｖおよび外周側角部２２ｄとの間、並びに下側角部２２ｂと、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｃとの間に、少なくとも内角が１８０°よりも小さい屈曲部２４が形成されていればよいものである。
【００６５】
また、上述した実施形態では、外環１０の開口１２は、外側面１０ａの外周側の周方向に形成されていた。しかしながら本発明のメタルガスケット１はこれに限定されず、外環１０の開口１２が、例えば、外側面１０ａの内周側の周方向に開口１２が形成されていてもよいものである。
【符号の説明】
【００６６】
１ メタルガスケット
１０ 外環
１０ａ 外環の外側面
１０ｂ 外環の内側面
１２ 開口
１２ａ 開口の上端部
１２ｂ 開口の下端部
２０ 内環
２２ａ 上側角部
２２ｂ 下側角部
２２ｃ 内周側角部
２２ｄ 外周側角部
２４ 屈曲部
２６ 第２の屈曲部
３０，３２ フランジ
３４ シール溝
４０ ボルト
１００ メタルガスケット
１１０ 外環
１１２ 開口
１２０ 内環
１２２ａ 上側角部
１２２ｂ 下側角部
１２２ｃ 内周側角部
１２２ｄ 外周側角部
１３０，１３２ フランジ
１３４ シール溝
θ１ 上側角部および下側角部の内角
θ２ 内周側角部および外周側角部の内角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温環境下、プラズマ環境下、および超真空環境下などの環境下で用いられて好適なメタルガスケットに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力設備や半導体製造装置などの各種配管、機械設備においては、ゴム製のガスケットが使用できない高温環境下、プラズマ環境下、および超真空環境下などの環境下で用いられるガスケットとして、メタルＣリングガスケットと呼ばれる環状のメタルガスケットが使用されている。
【０００３】
このメタルＣリングガスケットと呼ばれるメタルガスケットは、例えば、特許文献１，２に開示されているように、断面略Ｃ字状の金属製の外環の内側に、金属製の板バネやコイルスプリングなどからなる内環が嵌装されて構成されている。したがって、このメタルガスケットを用いる場合は、ゴム製のガスケットよりも大きな締付け力が必要であり、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との問題があった。
【０００４】
このような背景のもと、小さい締付け力で高いシール性を得ることができる環状のメタルガスケットとして、内環を正方形などの断面多角形体に形成したメタルガスケットが、本出願人により開示されている（特許文献３）。
【０００５】
図７は、従来の特許文献３のメタルガスケットを示した断面図である。また、図８は、従来の特許文献３のメタルガスケットがシール溝に装着されている状態を示した断面図である。
【０００６】
図７に示したように、特許文献３のメタルガスケット１００は、外周側に開口１１２が形成された断面略Ｃ字状の外環１１０と、この外環１１０の内側に嵌装された内環１２０とから構成されている。内環１２０は、図７に示したように、その断面の上下方向に一対の上側角部１２２ａおよび下側角部１２２ｂが形成されるとともに、その断面の左右方向に一対の内周側角部１２２ｃおよび外周側角部１２２ｄが形成された断面略正方形状に形成されている。そして、その上側角部１２２ａおよび下側角部１２２ｂが上述した外環１１０の内側面と当接するようにして、外環１１０に嵌装されている。
【０００７】
この特許文献３のメタルガスケット１００は、図８に示したように、フランジ１３２に形成されているシール溝１３４に装着されて、相手側のフランジ１３０によって締付け力Ｆで上下方向に押圧される。すると、内環１２０の復元力によって、上述した一対の上側角部１２２ａおよび下側角部１２２ｂが外環１１０の内側面を強く押圧し、外環１１０の上側とフランジ１３０とが部分的に強く接触するとともに、外環１１０の下側とフランジ１３２のシール溝１３４とが部分的に強く接触する。そして、この接触部分がシール部となって、フランジ１３０とフランジ１３２との間がシールされる。
【０００８】
このように、この従来の特許文献３のメタルガスケット１００は、内環１２０の復元力によって、外環１１０の内側面が上側角部１２２ａおよび下側角部１２２ｂによって押圧されるように構成されているため、特許文献１，２に開示されているような一般的なメタルガスケットと比べて、小さい締付け力で高いシール性を得ることができるようになっている。
【０００９】
ところで、メタルガスケットにおいて、メタルガスケットに作用する締付け力とメタルガスケットの変位量との関係は、図９のグラフのラインａのような関係を示すのが好ましいとされている。ここで、図９は、メタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの好ましい関係を説明するためのグラフである。上述した特許文献３のメタルガスケット１００における締付け力Ｆと変位量δとの関係は、おおむねこの図９のグラフのラインａに近似している。なお、図９のグラフの縦軸は締付け力Ｆを、グラフの横軸はメタルガスケットの変位量δを、それぞれ示している。
【００１０】
この図９のグラフのラインａに示したように、メタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの関係は、初期においてはグラフのラインａの傾きＥ１が急な傾きを示すことが好ましい。
【００１１】
なぜなら、メタルガスケットがある程度のシール性を発揮するためには、ガスケットとフランジ面との間に「なじみ」が必要であるところ、この「なじみ」を得るためには、フランジ面と接触するガスケットのシール部に大きな接触応力を生じさせる必要がある。そして、ガスケットのシール部に大きな接触応力を発生させるには、単位当たりの変位量δに対して締付け力Ｆが出来るだけ大きくなるように、図９における初期の傾きＥ１が急な傾きを示す方が良いからである。
【００１２】
この初期の傾きＥ１が緩やかだと、ガスケットのシール部に大きな接触応力を発生させるために、ガスケットを大きく変形させる必要があり、例えばボルトの締付け不足などが発生した場合には、ガスケットとフランジ面との間に十分な「なじみ」が得られない場合がある。なお、ここで「なじみ」とは、フランジ面と接触するメタルガスケットが、フランジ面の微小な凹凸に沿って変形し、その凹凸を埋めることで、ガスケットとフランジ面との間の隙間をなくすことを言う。
【００１３】
また、図９のグラフのラインａに示したように、メタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの関係は、締付け力Ｆが所定の締付け力Ｆ２を超えてからは、グラフのラインａの傾きＥ２が緩やかな傾きを示すことが好ましい。
【００１４】
なぜなら、メタルガスケットは、２つの部材の間をシールする場合、例えば、上述したようなフランジ１３０とフランジ１３２との間をシールする場合に使用されるが、この場合のフランジ間の締付けは、フランジ同士が接触するまで、すなわち、フランジ面がメタルタッチするまで行なわれる。すなわち、上述した図８に示した状態においては、フランジ１３０とフランジ１３２とが接触するまで締付けられ、締付けが完了した状態では、メタルガスケット１００は、変位量δ１だけ圧縮された状態となる。
【００１５】
このように、メタルガスケットはフランジ面がメタルタッチするまで締付けられるため、グラフのラインａの傾きＥ２が急な傾きを示すメタルガスケットの場合は、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１が著しく大きくなってしまい、メタルガスケットの締付け管理が行ない難くなってしまう。
【００１６】
また、メタルガスケットの締付け管理を、メタルガスケットの変位が所定の変位量δ１になるまで締付けを行なうとのいわゆる変位制御で行なう場合には、以下に示すような問題が生ずる場合がある。すなわち、メタルタッチとなる変位量には、フランジ面やシール溝のうねりや寸法公差などによって誤差が生ずる場合があるため、グラフのラインａの傾きＥ２が急な傾きを示す場合には、メタルタッチとなる変位量にわずかな誤差が生じただけで締付け力が大きく変化してしまう。そして、締付け力が小さくなった場合にはシール性に問題が生ずる恐れがあり、締付け力が大きくなった場合には、ボルトの破損、およびメタルタッチするまで締付けることが出来ないなどの問題が生ずる恐れがある。
【００１７】
なお、図９に示したグラフにおいて、符号Ｆ０は、所定のシール性を発揮するために必要な締付け力を、符号Ｆ２は、グラフａの傾きが急な傾きＥ１から緩やかな傾きＥ２へと変化する際の締付け力を示している。そして、この締付け力Ｆ０は、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１よりも小さいのは勿論のこと、上述した締付け力Ｆ２よりも小さいことが、メタルガスケットが安定したシール性能を発揮するために重要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平２−１１３１７１号公報
【特許文献２】特開平９−２６４４２７号公報
【特許文献３】特開２００９−２８１４２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上述したように、メタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの関係は、初期においては、単位変位量当たりの締付け力Ｆが大きくなるように、グラフのラインの傾きＥ１が急な傾きを示すことが好ましい。また、締付け力がＦ０よりも大きくなり、メタルガスケットが所定のシール性を発揮している状態では、単位変位量当たりの締付け力Ｆが小さくなるように、グラフのラインの傾きＥ２が緩やかな傾きを示すことが好ましい。
【００２０】
さらに、小さい締付け力で高いシール性を発揮するメタルガスケットとするためには、上述したような締付け力Ｆと変位量δとの関係を維持しつつ、さらに、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１を小さくする必要がある。
【００２１】
しかしながら、上述したような締付け力Ｆと変位量δとの好ましい関係を維持しつつ、さらに、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１が小さくなるようなメタルガスケットを開発することは容易なことではない。例えば、図１０のグラフのラインｂおよびラインｃは特許文献１，２に開示されているような従来の一般的なメタルガスケットの締付け力と変位の関係を示したラインであるが、この図１０のグラフのラインｂに示したように、初期の傾きＥ１´を大きくしようとすると、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１´は、一般に大きくなってしまう。また、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１´を小さくしようとすると、図１０のグラフのラインｃに示したように、初期の傾きＥ１´は、一般に緩やかになってしまう。
【００２２】
このような技術的背景のもと、本発明者らは、特許文献３のメタルガスケット１００の内環１２０の断面形状を変更することで、特許文献３に開示されているメタルガスケット１００よりも小さい締付け力で、特許文献３に開示されているメタルガスケットとほぼ同等のシール性を発揮できるメタルガスケットとすることができるのではないかと考えた。
【００２３】
そして、図７および図８に示した特許文献３のメタルガスケット１００において、その内角θ１およびθ２と、締付け力−変位との関係を検討したところ、上側角部１２２ａおよび下側角部１２２ｂの内角θ１を小さくすると、初期の傾きＥは大きくなるがメタルタッチする際の締付け力Ｆ１が大きくなる傾向を示すこと、および内周側角部１２２ｃおよび外周側角部１２２ｄの内角θ２を小さくすると、メタルタッチする際の締付け力Ｆ１が小さくなる傾向を示すことを見出し、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明のメタルガスケットは、
周方向の開口が形成された断面略Ｃ字状の環状の外環と、この外環の内側に嵌装された環状の内環とから構成され、部材間に装着された状態で上下方向に押圧されることで部材間をシールする環状のメタルガスケットであって、
前記内環は、その断面において、
前記外環の内側面の上側と当接する上側角部と、
前記外環の内側面の下側と当接する下側角部と、
前記上側角部と下側角部との間に位置するように、該内環の内周側に形成された内周側角部と、
前記上側角部と下側角部との間に位置するように、該内環の外周側に形成された外周側角部と、
を備えた断面多角形状に形成されるとともに、
前記上側角部と、前記内周側角部および外周側角部との間、並びに前記下側角部と、前記内周側角部および外周側角部との間には、内角が１８０°よりも大きい屈曲部が各々形成されていることを特徴とする。
【００２５】
このように構成することによって、特許文献３のメタルガスケットよりも小さい締付け力で、特許文献３のメタルガスケットとほぼ同等のシール性を発揮するメタルガスケットを提供することができる。
【００２６】
また、特許文献３に開示されているメタルガスケットよりも、メタルタッチとなるまでの締付け力を小さくできるため、メタルガスケットの締付け管理を容易に行なえるメタルガスケットを提供することができる。
【００２７】
上記発明において、
前記内環の断面が、上下方向に線対称形状となるように形成されていることが望ましい。
【００２８】
このように構成することによって、メタルガスケットが上下方向に押圧された際に、内環は、その断面の上下方向および左右方向に略線対称形状となるように変形するため、内環がずれたり斜めに傾いたりすることがなく、安定した状態のまま外環の内側に保持される。
【００２９】
また、上記発明において、
前記上側角部と、前記上側角部と内周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
前記上側角部と、前記上側角部と外周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
前記下側角部と、前記上側角部と内周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
前記下側角部と、前記上側角部と外周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
には、内角が１８０°よりも小さい第２の屈曲部が形成されていることを特徴とする。
【００３０】
このように構成することによって、より小さい締付け力で、特許文献３のメタルガスケットとほぼ同等のシール性を発揮するメタルガスケットを提供することができる。また、メタルタッチとなるまでの締付け力をより小さくできるため、メタルガスケットの締付け管理をより一層容易に行なうことのできるメタルガスケットを提供することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、従来の特許文献３に開示されているメタルガスケットよりも小さい締付け力で、従来の特許文献３に開示されているメタルガスケットとほぼ同等のシール性を発揮するメタルガスケットを提供することができる。このように、本発明のメタルガスケットによれば、従来のメタルガスケットよりも締付け力を小さくすることができるため、フランジを薄くすることが可能となり、装置の小型化、軽量化が図れるとともに、コスト面でも有利となる。また、フランジの材料に例えばセラミックスなどの、金属と比べて壊れやすい材料を使用することも可能となる。
【００３２】
また、従来の特許文献３に開示されているメタルガスケットよりも、メタルタッチとなるまでの締付け力を小さくできるため、メタルガスケットの締付け管理を容易に行なうことができるメタルガスケットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明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した部分拡大断面図である。
【図２】図２は、本発明のメタルガスケットを示した断面図である。
【図３】図３は、本発明のメタルガスケットが上下方向に押圧されて変形した状態を示した断面図である。
【図４】図４は、本発明のメタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの関係を示したグラフである。
【図５】図５は、本発明のメタルガスケット１を実施例とし、特許文献３のメタルガスケット１００を比較例として、その各々の締付け力−変位の関係を有限要素法によって解析した結果を示したグラフである。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態のメタルガスケットを示した断面図である。
【図７】図７は、従来の特許文献３のメタルガスケットを示した断面図である。
【図８】図８は、従来の特許文献３のメタルガスケットがシール溝に装着されている状態を示した断面図である。
【図９】図９は、メタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの好ましい関係を説明するためのグラフである。
【図１０】図１０は、従来の一般的なメタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの関係を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明のメタルガスケットを配管などの継手部に用いた状態を示した部分拡大断面図である。図２は、本発明のメタルガスケットを示した断面図である。
【００３５】
本発明のメタルガスケット１は、例えば、半導体製造装置の各種配管などの継手部に使用される。そして、図１に示したように、メタルガスケット１は、フランジ３２に形成されているシール溝３４に装着されて、フランジ３０とフランジ３２との間に介装され、フランジ３０とフランジ３２とがメタルタッチするまでボルト４０によって締付けられることで上下方向に押圧されることで、フランジ３０とフランジ３２との間をシールする。
【００３６】
また、図２に示したように、本発明のメタルガスケット１は、環状の外環１０と、この外環１０の内側に嵌装された環状の内環２０とから構成されている。
外環１０は、その外側面１０ａの外周側の周方向に開口１２が形成されており、図２に示したように、断面略Ｃ字状に形成されている。
【００３７】
内環２０は、図２に示したように、断面中空の多角形状に形成されている。そして、その断面の上側には、外環１０の内側面１０ｂの上側と当接する上側角部２２ａと、外環１０の内側面１０ｂの下側と当接する下側角部２２ｂと、が形成されている。また、上側角部２２ａと下側角部２２ｂとの間の内周側には内周側角部２２ｃが形成されるとともに、上側角部２２ａと下側角部２２ｂとの間の外周側には外周側角部２２ｄが形成されている。
【００３８】
ここで、外環１０の内側面１０ｂの上側とは、開口１２よりも上側の部分を指す。すなわち、図２において、外環１０の内側面１０ｂの内、開口１２の上端部１２ａよりも上側に位置する内側面１０ｂを指す。同様に、外環１０の内側面１０ｂの下側とは、開口１２よりも下側の部分、すなわち、外環１０の内側面１０ｂの内、開口１２の下端部１２ｂよりも下側に位置する内側面１０ｂを指す。また、図２では、内環２０の内周側角部２２ｃも、外環１０の内側面１０ｂが当接しているが、この内周側角部２２ｃと外環１０の内側面１０ｂとは、必ずしも当接していなくてもよい。
【００３９】
また、これら上側角部２２ａ、下側角部２２ｂ、内周側角部２２ｃ、外周側角部２２ｄにおける各々の屈曲部の頂部は、円弧状に形成されていることが好ましい。特に、外環１０の内側面１０ｂと当接する上側角部２２ａと下側角部２２ｂの屈曲部の頂部については、外環１０の内側面１０ｂを傷つけないようにするために、円弧状に形成されていることが好ましい。
【００４０】
また、上述した上側角部２２ａと、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄとの間には、それぞれ内周側角部２２ｃまたは外周側角部２２ｄに近い方から、屈曲部２４および第２の屈曲部２６の２箇所の屈曲部が形成されている。さらに、上術した下側角部２２ｂと、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄとの間にも、それぞれ内周側角部２２ｃまたは外周側角部２２ｄに近い方から、屈曲部２４および第２の屈曲部２６との２箇所の屈曲部が形成されている。
【００４１】
そして、図２に示したように、この屈曲部２４は、内環２０の断面の内側に向かって屈曲しており、この屈曲部２４の内角は１８０°よりも大きい角度となっている。これに対して、第２の屈曲部２６は、内環２０の断面の外側に向かって屈曲しており、この第２の屈曲部２６の内角は１８０°よりも小さい角度となっている。
【００４２】
また、図２に示した内環２０は、上述した上側角部２２ａが、外環１０の内側面１０ｂの最も上側の部分と当接するとともに、上述した下側角部２２ｂも、外環１０の内側面１０ｂの最も下側の部分と当接している。
【００４３】
ここで、本発明のメタルガスケット１では、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂと、外環１０の内側面１０ｂとの当接箇所は、上述した部分に限定されるものではない。しかしながら、上述したように、上側角部２２ａが外環１０の内側面１０ｂの最も上側の部分と当接し、下側角部２２ｂが、外環１０の内側面１０ｂの最も下側の部分と当接するように構成する方が、メタルガスケット１が上下方向に押圧された際に、その押圧力が外環１０を介して直ちに内環２０にも作用するため、好ましい。
【００４４】
また、内環２０の断面は、その上下方向および左右方向に線対称形状となるように形成されている。すなわち、図２に示したように、水平方向の中心線ＨＣＬに対して上下方向に対称形状に形成されるとともに、鉛直方向の中心線ＶＣＬに対して左右方向に対称形状に形成されている。そして、上述した上側角部２２ａと下側角部２２ｂの内角θ１は、それぞれ等しい角度に形成されるとともに、上述した内周側角部２２ｃと外周側角部２２ｄの内角θ２も、それぞれ等しい角度に形成されている。
【００４５】
ここで、本発明のメタルガスケット１では、内環２０の断面は、その上下方向および左右方向が線対称形状のものに限定されるものではない。しかしながら、上述したように、内環２０の断面が、少なくともその上下方向に線対称形状となるように形成されている方が、後述するように、メタルガスケット１が上下方向に押圧された際に、内環２０がずれたり斜めに傾いたりすることがなく、安定した状態のまま外環１０の内側に保持されるため、好ましい。
【００４６】
また、本発明のメタルガスケット１において、上述したような屈曲部２４および第２の屈曲部２６が形成されている理由は、次のとおりである。
すなわち、上述したように、本発明者らが検討したところにより、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄの内角θ２を小さくするとメタルタッチする際の締付け力Ｆ１が小さくなる傾向を示すことが分かっている。このため、本発明のメタルガスケット１では、上側角部２２ａと、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄとの間、並びに下側角部２２ｂと、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄとの間に、内角が１８０°よりも大きい屈曲部２４を各々形成することで、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄの内角θ２が小さくなるように構成している。
【００４７】
また、本発明者らが検討したところにより、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの内角θ１が小さくなると、メタルタッチとなる際の締付け力Ｆ１が大きくなる傾向を示すことが分かっている。そして、上述したような屈曲部２４を形成すると、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄの内角θ２が小さくなる一方で、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの内角θ１も小さくなってしまう。このため、本発明のメタルガスケット１では、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂと、上述した屈曲部２４との間に、内角が１８０°よりも小さい第２の屈曲部を各々形成することで、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの内角θ１が小さくなり過ぎないように構成している。
【００４８】
このような第２の屈曲部２６は、屈曲部２４と比べて小さい屈曲度合いとなっている方が好ましい。すなわち、第２の屈曲部２６の外角が、屈曲部２４の内角よりも小さい方が好ましい。第２の屈曲部２６が大きく屈曲していると、例えば、後述する図３の（ｃ）に示した状態において、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂが内側に凹むように変形してしまうため、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂと、外環１０の内側面１０ｂとの接触応力が小さくなってしまい、シール性能が低下してしまう恐れがある。
【００４９】
このような上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの内角θ１の好ましい範囲は、メタルガスケット１の形状、材料、およびメタルタッチまでの変位量などによっても異なるが、おおむね５０°〜１２０°の範囲であることが好ましく、特に好ましくは６０〜９０°の範囲である。また、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄの内角θ２の好ましい範囲は、おおむね９０°以下であることが好ましく、特に好ましくは３５°〜８０°の範囲である。なお、本実施形態では、θ１は約７５°、θ２は約６０°に形成されている。
【００５０】
これら外環１０および内環２０の構成材料は、金属である。この際、内環２０を構成する金属は、外環１０を構成する金属よりも硬質の金属から形成されていることが好ましく、例えば、外環１０は、いわゆる軽金属と称されるアルミニウム、内環２０は、アルミニウムよりも硬質の金属、例えばステンレスなどから形成されることが好ましい。
【００５１】
このように、外環１０よりも内環２０を高硬度の金属で構成すれば、本発明のメタルガスケット１が、図１に示したように、フランジ３０、３２との間に介装されて上下方向に押圧された際に、相対的に変形し難い高硬度の内環２０が低硬度の外環１０をフランジ３０、３２に強く押し付ける。そして、低硬度の外環１０は、フランジ３０などとのなじみ性が良好であるため、高いシール性を発揮されることとなる。
【００５２】
また、外環１０の外側面１０ａに、ポリテトラフルオレエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリイミドなどをコーティングすることや、銀、ニッケル、銅などのメッキを施すことで形成された軟質層（不図示）が形成されていれば、外環１０のフランジ３０などに対するなじみ性が高くなり、より高いシール性が発揮されるようになる。
【００５３】
図３は、本発明のメタルガスケットが上下方向に押圧されて変形した状態を示した断面図である。また、図４は、本発明のメタルガスケットにおける締付け力Ｆと変位量δとの関係を示したグラフである。ここで、図３の（ａ）はメタルガスケット１が変形する前の初期状態を、図３の（ｂ）はメタルガスケット１が押圧されて変形し、所定のシール性を発揮している状態を、図３の（ｃ）はメタルガスケット１がメタルタッチするまで押圧されて変形している状態を、それぞれ示している。なお、図３中の符号Ｆ０、Ｆ１およびδ１、δ２は、図４のグラフに示されている締付け力Ｆ０、Ｆ１および変位量δ１、δ２と対応するものである。
【００５４】
図３に示したように、図３の（ａ）に示した初期状態において、メタルガスケット１を上下方向に押圧していくと、先ず、内環２０の内、その上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの先端部が潰されて変形する。そして、メタルガスケット１全体では、その上下方向に変位量δ２だけ圧縮変形して、図３の（ｂ）に示した状態となる。この状態では、上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの内角θ１、並びに内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄの内角θ２は、初期状態から殆ど変化しておらず、僅かに内角θ１が大きくなるとともに、内角θ２が小さくなる程度である。すなわち、図３の（ｂ）に示した状態における、メタルガスケット１の変位量δ２は、主として上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂの先端部が潰れたことによるものである。
【００５５】
そして、さらに締付け力Ｆを大きくしながら押圧していくと、内環２０の上側角部２２ａおよび下側角部２２ｂが徐々に開くように変形し、その内角θ１が徐々に大きくなっていく。また、内環２０の内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄは徐々に閉まるように変形し、その内角θ２は徐々に小さくなっていく。そして、最終的には、図３の（ｃ）に示したように、内環２０が上下方向に押し潰されるように圧縮変形して、上側の屈曲部２４と下側の屈曲部２４とが当接し、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｄの内角θ２が０°となる。そして、メタルガスケット１全体では、その上下方向に変位量δ１だけ変形した状態となる。
【００５６】
この際、メタルガスケット１が初期状態から所定の変位量δ２になるまでの間は、単位当たりの変位量に対して大きな締付け力Ｆを必要とする。すなわち、図４に示されているように、グラフのラインａの初期の傾きＥ１は、急な傾きとなる。これに対して、メタルガスケット１の変位量がδ２からδ１になるまでの間は、単位当たりの変位量に対して小さな締付け力Ｆで変形するようになる。すなわち、図４に示されているように、グラフのラインａの初期の傾きＥ２は、緩やかな傾きとなる。
【００５７】
図５は、図２に示した本発明のメタルガスケット１を実施例とし、図７に示した特許文献３の従来のメタルガスケット１００を比較例として、それぞれにおける締付け力−変位の関係を有限要素法によって解析した結果を示したグラフである。なお、図５のグラフの縦軸は線圧を、グラフの横軸は変位量を、それぞれ示している。
【００５８】
ここで、このグラフの縦軸の線圧とは、メタルガスケットが締付けられた際に、メタルガスケットに作用する単位長さ当たりの締付け力のことであり、以下の式（１）のとおり定義されるものである。
線圧＝締付け力÷メタルガスケット中心円周長さ （１）
【００５９】
また、この有限要素解析では、実施例のメタルガスケット１と比較例のメタルガスケット１００とは、比較例の内環１２０が正方形状に形成されているのに対し、実施例の内環２０には上述した屈曲部２４および第２の屈曲部２６が形成されている点を除いて、同一の条件に設定している。すなわち、実施例の外環１０と比較例の外環１１０の材質、中心円周の長さ、断面の形状寸法を同一条件に設定するとともに、実施例の内環２０と比較例の内環１２０の材質、中心円周の長さ、断面の肉厚および高さや幅を同一条件に設定している。
【００６０】
図５に示したように、初期の傾きは、実施例および比較例ともにほぼ同じような急な傾きを示している。このことは、実施例のメタルガスケット１が、比較例のメタルガスケット１００と、ほぼ同等のシール性能を有していることを意味している。
【００６１】
また、図５に示したように、ガスケットに作用する線圧がＦ０（ここでは１５ＫＮ／ｍ）よりも大きく、メタルガスケットが所定のシール性を発揮している状態におけるグラフの傾きは、比較例よりも実施例の方が穏やかな傾きを示している。そして、メタルタッチとなる際の変位量δ１（ここでは０．８mm）における線圧は、実施例が３４．３ＫＮ／ｍとなっているのに対して、比較例では、３８.１ＫＮ／ｍとなっており、実施例の方が約１０％も小さくなっている。
【００６２】
このように、本発明のメタルガスケット１は、特許文献３のメタルガスケット１００よりも小さい締付け力で締付けることができるにも関わらず、特許文献３のメタルガスケットとほぼ同等のシール性を発揮することができる。このように、本発明のメタルガスケット１によれば、特許文献３のメタルガスケット１００よりも締付け力を小さくすることができるため、フランジを薄くすることが可能となり、装置の小型化、軽量化が図れるとともに、コスト面でも有利となる。また、フランジの材料に例えばセラミックスなどの、金属と比べて壊れやすい材料を使用することも可能となる。
【００６３】
また、本発明のメタルガスケット１は、特許文献３のメタルガスケット１００よりもメタルタッチとなるまでの締付け力Ｆ１を小さくできるため、メタルガスケット１の締付け管理を容易に行なうことが可能である。
【００６４】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、屈曲部２４および第２の屈曲部２６の２つの屈曲部が形成されていたが、本発明のメタルガスケット１はこれに限定されない。図６に示したように、上側角部２２ａと、内周側角部２２ｖおよび外周側角部２２ｄとの間、並びに下側角部２２ｂと、内周側角部２２ｃおよび外周側角部２２ｃとの間に、少なくとも内角が１８０°よりも小さい屈曲部２４が形成されていればよいものである。
【００６５】
また、上述した実施形態では、外環１０の開口１２は、外側面１０ａの外周側の周方向に形成されていた。しかしながら本発明のメタルガスケット１はこれに限定されず、外環１０の開口１２が、例えば、外側面１０ａの内周側の周方向に開口１２が形成されていてもよいものである。
【符号の説明】
【００６６】
１ メタルガスケット
１０ 外環
１０ａ 外環の外側面
１０ｂ 外環の内側面
１２ 開口
１２ａ 開口の上端部
１２ｂ 開口の下端部
２０ 内環
２２ａ 上側角部
２２ｂ 下側角部
２２ｃ 内周側角部
２２ｄ 外周側角部
２４ 屈曲部
２６ 第２の屈曲部
３０，３２ フランジ
３４ シール溝
４０ ボルト
１００ メタルガスケット
１１０ 外環
１１２ 開口
１２０ 内環
１２２ａ 上側角部
１２２ｂ 下側角部
１２２ｃ 内周側角部
１２２ｄ 外周側角部
１３０，１３２ フランジ
１３４ シール溝
θ１ 上側角部および下側角部の内角
θ２ 内周側角部および外周側角部の内角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向の開口が形成された断面略Ｃ字状の環状の外環と、この外環の内側に嵌装された環状の内環とから構成され、部材間に装着された状態で上下方向に押圧されることで部材間をシールする環状のメタルガスケットであって、
前記内環は、その断面において、
前記外環の内側面の上側と当接する上側角部と、
前記外環の内側面の下側と当接する下側角部と、
前記上側角部と下側角部との間に位置するように、該内環の内周側に形成された内周側角部と、
前記上側角部と下側角部との間に位置するように、該内環の外周側に形成された外周側角部と、
を備えた断面多角形状に形成されるとともに、
前記上側角部と、前記内周側角部および外周側角部との間、並びに前記下側角部と、前記内周側角部および外周側角部との間には、内角が１８０°よりも大きい屈曲部が各々形成されていることを特徴とするメタルガスケット。
【請求項２】
前記内環の断面が、上下方向に線対称形状となるように形成されてい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。
【請求項３】
前記上側角部と、前記上側角部と内周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
前記上側角部と、前記上側角部と外周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
前記下側角部と、前記上側角部と内周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
前記下側角部と、前記上側角部と外周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
には、内角が１８０°よりも小さい第２の屈曲部が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。
【請求項１】
周方向の開口が形成された断面略Ｃ字状の環状の外環と、この外環の内側に嵌装された環状の内環とから構成され、部材間に装着された状態で上下方向に押圧されることで部材間をシールする環状のメタルガスケットであって、
前記内環は、その断面において、
前記外環の内側面の上側と当接する上側角部と、
前記外環の内側面の下側と当接する下側角部と、
前記上側角部と下側角部との間に位置するように、該内環の内周側に形成された内周側角部と、
前記上側角部と下側角部との間に位置するように、該内環の外周側に形成された外周側角部と、
を備えた断面多角形状に形成されるとともに、
前記上側角部と、前記内周側角部および外周側角部との間、並びに前記下側角部と、前記内周側角部および外周側角部との間には、内角が１８０°よりも大きい屈曲部が各々形成されていることを特徴とするメタルガスケット。
【請求項２】
前記内環の断面が、上下方向に線対称形状となるように形成されてい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。
【請求項３】
前記上側角部と、前記上側角部と内周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
前記上側角部と、前記上側角部と外周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
前記下側角部と、前記上側角部と内周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
前記下側角部と、前記上側角部と外周側角部との間に形成された前記屈曲部との間、
には、内角が１８０°よりも小さい第２の屈曲部が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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１５４３６９（Ｐ２０１２−１５４３６９Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１９８４（Ｐ２０１１−１１９８４）
【出願日】平成２３年１月２４日（２０１１．１．２４）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（０００２２９５６４）日本バルカー工業株式会社 (145)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２４日（２０１１．１．２４）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（０００２２９５６４）日本バルカー工業株式会社 (145)
【Ｆターム（参考）】
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