弾性シール部材
【課題】 日本工業規格で設計された溝形状を用いる場合に比べて、より高い弾性Ｏリングの反発力を得ることができる寸法関係の溝形状および締め付け率を有する弾性シール部材の構造を提供する。
【解決手段】 第１のプレート１１と、該第１のプレート１１に形成された弾性Ｏリング嵌合用の蟻溝１６と、該蟻溝１６に嵌合される弾性Ｏリング１０と、該弾性Ｏリング１０を介して上記第１のプレート１１に圧接される第２のプレート１３とを備えてなる弾性シール部材において、上記蟻溝１６の溝角θを、１０．０°〜２０．０°とするとともに、上記弾性Ｏリング１０の圧縮変形前の断面高さをＨとし且つ上記弾性Ｏリング１０の圧縮変形後の断面高さをｈとしたとき、ξ＝（Ｈ−ｈ）／Ｈで与えられる締め付け率ξを、１０％以上として、より高い弾性Ｏリングの反発力を得ることができる寸法関係の溝形状および締め付け率を有する弾性シール部材の構造を提供する。
【解決手段】 第１のプレート１１と、該第１のプレート１１に形成された弾性Ｏリング嵌合用の蟻溝１６と、該蟻溝１６に嵌合される弾性Ｏリング１０と、該弾性Ｏリング１０を介して上記第１のプレート１１に圧接される第２のプレート１３とを備えてなる弾性シール部材において、上記蟻溝１６の溝角θを、１０．０°〜２０．０°とするとともに、上記弾性Ｏリング１０の圧縮変形前の断面高さをＨとし且つ上記弾性Ｏリング１０の圧縮変形後の断面高さをｈとしたとき、ξ＝（Ｈ−ｈ）／Ｈで与えられる締め付け率ξを、１０％以上として、より高い弾性Ｏリングの反発力を得ることができる寸法関係の溝形状および締め付け率を有する弾性シール部材の構造を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、弾性シール部材のシール部の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体の製造工程において、製造したシリコンウエハー等の半導体ウエハーに、ドライ洗浄処理としてのプラズマ処理を施して表面の汚染物質を除去するような場合、例えば図１５に示すような真空チャンバー１を用いて、プラズマ放電電極６によりプラズマを発生させ、同真空チャンバー１内に収納した半導体ウエハー２に照射する方法が採用されている。また、この場合、必要に応じて不活性ガスによる洗浄処理も併用される。
【０００３】
そして、このようなプラズマによる半導体洗浄装置では、上記真空チャンバー１内の高い真空度を保つために、例えば真空チャンバー１上部の反応室開閉用の蓋部３や、半導体ウエハー２を出し入れするドア部４、空気および不活性ガス等排出用配管５との接続部、空気および不活性ガス等排出用配管５と排気用真空ポンプ７との接続部に設けられた開閉バルブ部８などの各種開口部には、弾性シール部材として、一般にシール性の高い例えばゴム製の弾性Ｏリング１０を使用した弾性シール構造が採用されている（例えば、これと同様のシール構造を採用したものとして、以下の特許文献１を参照）。
【０００４】
そして、これら各ゴム製の弾性Ｏリング１０は、現在のところ、日本工業規格（ＪＩＳ２５０）に基いて設計されており、該弾性Ｏリング１０の嵌合される溝が、例えば図１６のような断面形状の角溝１２の場合、その溝幅ＷはＷ＝１．３４φ２（φ２は、弾性Ｏリング１０の断面部の直径）、また該弾性Ｏリング１０が嵌合される溝が、例えば図１７のような蟻溝１６の場合、その溝角θはθ＝２５．０°で設計されるようになっている。
【０００５】
なお、図１６および図１７中の弾性シール構造は、例えば図１５中の半導体ウエハー２を出し入れするドア部４に適用した場合を一例として示している。
【０００６】
【特許文献１】公表特許公報２００１−５１２８９７号（明細書第１−１９頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、実際に計測して見ると、上記の各関係式で設計されるＯリング装着溝を用いる場合、角溝１２、蟻溝１６何れの場合にも、弾性Ｏリング１０に対する締め付け率を大きくしても、必ずしも十分に高い反発力が得ることができず、シール性能のさらなる向上が困難であることが判明した。
【０００８】
そこで、本願発明は、このような事情に鑑み、上述の日本工業規格で設計された溝形状を用いる場合に比べて、より高い弾性Ｏリングの反発力を得ることができる寸法関係の溝形状および締め付け率を有する弾性シール部材の構造を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明は、上記の目的を達成するために、次のような課題解決手段を備えて構成されている。
【００１０】
（１） 課題解決手段
この発明の課題解決手段は、第１のプレート１１と、該第１のプレート１１に形成された弾性Ｏリング嵌合用の蟻溝１６と、該蟻溝１６に嵌合される弾性Ｏリング１０と、該弾性Ｏリング１０を介して上記第１のプレート１１に圧接される第２のプレート１３とを備えてなる弾性シール部材であって、上記蟻溝１６の溝角θが、１０．０°〜２０．０°であり、上記弾性Ｏリング１０の圧縮変形前の断面高さをＨとし且つ上記弾性Ｏリング１０の圧縮変形後の断面高さをｈとしたとき、ξ＝（Ｈ−ｈ）／Ｈで与えられる締め付け率ξが、１０％以上であることを特徴としている。
【００１１】
このように、第１のプレート１１の蟻溝１６の溝角θが、１０．０°〜２０．０°であると、弾性Ｏリング１０に対する締め付け率ξが約１０．０％以上に大きくなった時に、従来のＪＩＳ規格で設計された蟻溝を用いる場合に比べて、より高い反発力が得られるようになり、弾性Ｏリング１０のシール性能の著しい向上が可能となる。
【００１２】
今例えば、蟻溝１６底部の内周側および外周側各コーナー部の曲率半径Ｒ3と溝角θを変化させた蟻溝１６における弾性Ｏリング１０の挙動を解析すると、溝角θが３０．０→２５．０→２０．０→１７．５→１５．０→１２．５→１０．０と小さくなるにしたがって、弾性Ｏリング１０の反発力が次第に上昇する。
【００１３】
特に、溝角θが１５．０ｄｅｇ（１５．０°）より小さい場合、締め付け率ξが１０％以上となる時点から、弾性Ｏリング１０の反発力が急激に上昇する。
【００１４】
またＪＩＳ規格値のθ＝２５．０ｄｅｇ（２５．０°）よりも小さいθ＝２０．０ｄｅｇ（２０．０°）、θ＝１７．５ｄｅｇ（１７．５°）の時でも、少なくとも締め付け率ξが２０％を超えるようになると、有効に反発力が向上するようになる。
【００１５】
さらに、溝角θと締め付け率ξの違いによる弾性Ｏリング１０の断面Ｍｉｓｅｓ応力分布を、その断面変形によって観察すると、溝角θが小さくなるにしたがって、弾性Ｏリング１０と蟻溝１６の内外両側壁面との接触面積が増大することが明らかである。そして、同接触面積の増大が反発力上昇の原因であると判断される。
【００１６】
要するに、蟻溝１６の場合、反発力は蟻溝１６底部の内外コーナー部の曲率半径Ｒ3による影響をほとんど受けない。これは同蟻溝１６底部の内外両コーナー部の曲率半径Ｒ3が変わっても、弾性Ｏリング１０と溝部両側壁面との接触面積がほとんど変わらないことによると推測される。
【００１７】
これに対して、弾性Ｏリング１０の反発力は溝角θによる影響を大きく受け、θが小さくなるほど反発力が上がる。特に溝角θが１５．０ｄｅｇ（１５．０°）以下である場合、例えば締め付け率ξが１０％程度の場合でも、反発力は急激に上昇する。これは溝角θが小さくなるにしたがい、弾性Ｏリング１０と溝部両側壁面との接触面積の増大で反発力が上昇するからであると考えられる。
【００１８】
これらのことからも、シールプレートである第１のプレート１１の蟻溝１６の溝角θが、１０．０ｄｅｇ〜２０．０ｄｅｇ（１０．０°〜２０．０°）であると、上記弾性Ｏリング１０に対する締め付け率ξが約１０．０％以上に大きくなった時に、従来のＪＩＳ規格で設計された蟻溝θ＝２５．０ｄｅｇ（θ＝２５．０°）を用いる場合に比べて、より高い反発力が得られるようになり、フッ素ゴム製等の弾性Ｏリング１０のシール性能の著しい向上が可能となることが裏付けられる。
【発明の効果】
【００１９】
以上の結果、本願発明によると、弾性Ｏリングが十分な弾性反発力を有し、高いシール性能を発揮することができる高性能の弾性シール部材を提供することができるようになる。しかも、弾性Ｏリング１０の圧縮変形前の断面高さをＨとし且つ上記弾性Ｏリング１０の圧縮変形後の断面高さをｈとしたとき、ξ＝（Ｈ−ｈ）／Ｈで与えられる締め付け率ξを、１０％以上としたことにより、弾性Ｏリング１０の反発力が急激に上昇する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付の図面を参照して、本願発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００２１】
（最良の実施の形態）
図１〜図４は、本願発明の最良の実施の形態に係る弾性シール部材のシール構造と同弾性シール構造において用いられる弾性Ｏリングの構造を示している。
【００２２】
この最良の実施の形態の弾性シール構造は、例えば図１に示すように、シール部の一方側シール面を構成するアルミナ製のシールプレート（第１のプレート）１１と、該シールプレート１１に形成された弾性Ｏリング嵌合用の蟻溝１６と、該蟻溝１６に嵌合される図２、図３のようなフッ素ゴム製の弾性Ｏリング１０と、該弾性Ｏリング１０を介して上記シールプレート１１に圧接される、シール部の他方側シール面を構成するアルミナ製の蓋プレート（第２のプレート）１３とを備えて構成されている。
【００２３】
そして、上記蟻溝１６内に上記弾性Ｏリング１０を、例えば図１に示すように嵌合して、その上方側から上記蓋プレート１３を所定の締め付け率で圧接することにより、上記弾性Ｏリング１０を図４のように圧縮変形させて蓋プレート１３方向に所望の反発力を得ることにより、上記シールプレート１１と上記蓋プレート１３との間のＯリング空間の内側と外側とを高精度にシールするようになっている。
【００２４】
上記蟻溝１６は、その溝角がθ、開口部で見た内径がＤ、深さがＥ、底部の内周側と外周側各コーナー部の曲率半径がＲ3となっている。
【００２５】
また上記弾性Ｏリング１０は、例えばリング部の内径がφ1、断面部の直径がφ2となっている。
【００２６】
そして、この最良の実施の形態の場合、以上の構成において、特に上記蟻溝１６の溝角θが、１０．０°〜２０．０°であることを特徴としている。
【００２７】
このように、シールプレート１１の蟻溝１６の溝角θが、１０．０°〜２０．０°であると、上記弾性Ｏリング１０に対する締め付け率ξが約１０．０％以上に大きくなった時に、従来のＪＩＳ規格で設計された蟻溝（θ＝２５．０°）を用いる場合に比べて、より高い反発力が得られるようになり、フッ素ゴム製の弾性Ｏリング１０のシール性能の著しい向上が可能となる。
【００２８】
今、これをＦＥＭ解析によって確認して見ると、次のようになった。
【００２９】
（１） 解析モデル
図１の構成の弾性シール部材のシール構造（シールプレート１１および蓋プレート１３の材料：アルミナ、蟻溝１６の溝角がθ、内径がＤ、深さがＥ、溝底部の内周側と外周側の各コーナー部の曲率半径がＲ3）において、図２、図３に示すような構成（リング部の内径φ1、断面部の直径φ2）のフッ素ゴム製の弾性Ｏリング１０を採用した。
【００３０】
そして、同図２、図３の構造の弾性Ｏリング１０を、例えば図１に示すように、上記構造のシールプレート１１の蟻溝１６内に嵌合し、蓋プレート１３を介して中心方向下方に所定値以上の締付力を加え、図４のように圧縮変形させることにより、その挙動を解析した（ＪＩＳ：Ｐ２２Ａ〜Ｐ５０を参照）。
【００３１】
フッ素ゴム製の弾性Ｏリング１０に比べると、アルミナ製のシールプレート１１および蓋プレート１３は、著しく剛性が高く、剛体として扱うことができる。したがって、弾性Ｏリング１０を超弾性の軸対称要素、蟻溝１６と蓋プレート１３とを剛体と見なし、蟻溝１６を完全固定の節点、蓋プレート１３を鉛直方向に強制変位を有する節点で各々モデリングする一方、弾性Ｏリング１０と蟻溝１６の壁面、弾性Ｏリング１０と蓋プレート１３の内壁面との間の接触による摩擦はないものとした。
【００３２】
（２） 解析条件
（拘束条件）
この解析では、上述のように蟻溝１６と蓋プレート１３を剛体扱いするので、蟻溝１６の内側形状を表す節点を完全固定し、また蓋プレート１３の内面形状を表す節点を鉛直方向以外に固定した。
【００３３】
（荷重条件）
そして、同拘束条件下において、図５に示すように、蓋プレート１３に対して鉛直方向下方への強制変位を与える。
【００３４】
蟻溝１６の場合、締め付け率ξ用いた表現がわかりやすい。そこで、上記弾性Ｏリング１０の締め付け率ξを、次の式で定義する。
【００３５】
ξ＝（Ｈ−ｈ）／Ｈ
ここで、Ｈは、弾性Ｏリング１０の圧縮変形前の断面高さ（直径：図５参照・・・Ｈ＝φ2）で、ｈは、弾性Ｏリング１０の圧縮変形後の断面高さ（短軸方向の直径：図５参照）である。よって、蓋プレート１３の鉛直方向の最大強制変位量ν＝（Ｈ−ｈ）は、ξＨで求められる。
【００３６】
蟻溝１６底部の内周側および外周側各コーナー部の曲率半径Ｒ3と溝角θを変化させた蟻溝１６における弾性Ｏリング１０（リング部の内径Ｄ＝２３．７ｍｍ、断面部の直径φ2＝３．５ｍｍ）の挙動を解析する。
【００３７】
（溝底部の内外コーナー部の曲率半径Ｒ3の影響）
次に、溝角θを２０．０ｄｅｇ（θ＝２０°）とした蟻溝１６で、溝部底部の内外各コーナー部の曲率半径Ｒ3を０．４〜１．０ｍｍに変化させた場合の、締め付け率ξの違いによる弾性Ｏリング１０の反発力の変化を、次の表１と図６に示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
これらによれば、同コーナー部の曲率半径Ｒ3が弾性Ｏリング１０の反発力には、ほとんど影響を及ぼさないことがわかる。
【００４０】
（溝角θの影響）
これに対して、蟻１６溝底部の内外コーナー部の曲率半径Ｒ3を０．４ｍｍとした蟻溝１６で、溝角θを１０．０〜３０．０ｄｅｇ（θ＝１０．０°〜３０．０°）に変化させた場合の、締め付け率ξの違いによる弾性Ｏリング１０の反発力の変化を次の表２と図７に示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
これによると、溝角θが３０．０→２５．０→２０．０→１７．５→１５．０→１２．５→１０．０と小さくなるにしたがって、弾性Ｏリング１０の反発力が次第に上昇することが明らかである。特に、溝角θが１５．０ｄｅｇ（１５．０°）より小さい場合、締め付け率ξが１０％以上となる時点から、弾性Ｏリング１０の反発力が急激に上昇することが読み取れる。
【００４３】
またＪＩＳ規格値のθ＝２５．０ｄｅｇ（２５．０°）よりも小さいθ＝２０．０ｄｅｇ（２０．０°）、θ＝１７．５ｄｅｇ（１７．５°）の時でも、少なくとも締め付け率ξが２０％を超えるようになると、有効に反発力が向上するようになる。
【００４４】
さらに、溝角θと締め付け率ξの違いによる弾性Ｏリング１０の断面Ｍｉｓｅｓ応力分布を、その断面変形とともに図８（ａ），（ｂ），（ｃ）〜図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。これらによると、溝角θが小さくなるにしたがって、弾性Ｏリング１０と蟻溝１６の内外両側壁面との接触面積が増大することが明らかである。そして、同接触面積の増大が反発力上昇の原因であると思われる。
【００４５】
要するに、蟻溝１６の場合、反発力は蟻溝１６底部の内外コーナー部の曲率半径Ｒ3による影響をほとんど受けない。これは同蟻溝１６底部の内外両コーナー部の曲率半径Ｒ3が変わっても、弾性Ｏリング１０と溝部両側壁面との接触面積がほとんど変わらないことによると推測される。
【００４６】
これに対して、弾性Ｏリング１０の反発力は溝角θによる影響を大きく受け、θが小さくなるほど反発力が上がる。特に溝角θが１５．０ｄｅｇ（１５．０°）以下である場合、例えば締め付け率ξが１０％程度の場合でも、反発力は急激に上昇する。これは溝角θが小さくなるにしたがい、弾性Ｏリング１０と溝部両側壁面との接触面積の増大で反発力が上昇するからであると考えられる。
【００４７】
これらのことからも、シールプレート１１の蟻溝１６の溝角θが、１０．０ｄｅｇ〜２０．０ｄｅｇ（１０．０°〜２０．０°）であると、上記弾性Ｏリング１０に対する締め付け率ξが約１０．０％以上に大きくなった時に、従来のＪＩＳ規格で設計された蟻溝θ＝２５．０ｄｅｇ（θ＝２５．０°）を用いる場合に比べて、より高い反発力が得られるようになり、フッ素ゴム製の弾性Ｏリング１０のシール性能の著しい向上が可能となることが裏付けられる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本願発明の最良の実施の形態に係る弾性シール部材のシール構造を示す断面図である。
【図２】同シール部材の弾性Ｏリングの構成を示す平面図である。
【図３】同弾性Ｏリングの断面図である。
【図４】同シール部材の弾性Ｏリングのシール時の圧縮変形状態を示す断面図である。
【図５】上記弾性Ｏリングのシール時の変形状態を示す説明図である。
【図６】同弾性Ｏリングの締め付け率ξが、５．０％、１０．０％、１５．０％、２０．０％、２５．０％、２７．０％の時の嵌合溝底部コーナー部の曲率半径Ｒ3と反発力との関係を示すグラフである。
【図７】同弾性Ｏリングを嵌合する蟻溝の溝角θが、１０．０ｄｅｇ、１２．５ｄｅｇ、１５．０ｄｅｇ、１７．５ｄｅｇ、２０．０ｄｅｇ、３０．０ｄｅｇの各場合における当該弾性Ｏリングの締め付け率ξと反発力との関係を示すグラフである。
【図８】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、１０．０ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２４．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図９】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、１２．５ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２６．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図１０】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、１５．０ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２７．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図１１】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、１７．５ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２７．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図１２】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、２０．０ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２７．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図１３】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、２５．０ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２７．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図１４】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、３０．０ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２７．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図１５】従来から、一般的に弾性シール部材が採用されている装置の一例を示す概略図である。
【図１６】同弾性シール部材のシール構造の一例を示す断面図である。
【図１７】同弾性シール部材のシール構造の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０は弾性Ｏリング、１１はシールプレート、１３は蓋プレート、１６は蟻溝、θは溝角、ξは締め付け率である。
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、弾性シール部材のシール部の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体の製造工程において、製造したシリコンウエハー等の半導体ウエハーに、ドライ洗浄処理としてのプラズマ処理を施して表面の汚染物質を除去するような場合、例えば図１５に示すような真空チャンバー１を用いて、プラズマ放電電極６によりプラズマを発生させ、同真空チャンバー１内に収納した半導体ウエハー２に照射する方法が採用されている。また、この場合、必要に応じて不活性ガスによる洗浄処理も併用される。
【０００３】
そして、このようなプラズマによる半導体洗浄装置では、上記真空チャンバー１内の高い真空度を保つために、例えば真空チャンバー１上部の反応室開閉用の蓋部３や、半導体ウエハー２を出し入れするドア部４、空気および不活性ガス等排出用配管５との接続部、空気および不活性ガス等排出用配管５と排気用真空ポンプ７との接続部に設けられた開閉バルブ部８などの各種開口部には、弾性シール部材として、一般にシール性の高い例えばゴム製の弾性Ｏリング１０を使用した弾性シール構造が採用されている（例えば、これと同様のシール構造を採用したものとして、以下の特許文献１を参照）。
【０００４】
そして、これら各ゴム製の弾性Ｏリング１０は、現在のところ、日本工業規格（ＪＩＳ２５０）に基いて設計されており、該弾性Ｏリング１０の嵌合される溝が、例えば図１６のような断面形状の角溝１２の場合、その溝幅ＷはＷ＝１．３４φ２（φ２は、弾性Ｏリング１０の断面部の直径）、また該弾性Ｏリング１０が嵌合される溝が、例えば図１７のような蟻溝１６の場合、その溝角θはθ＝２５．０°で設計されるようになっている。
【０００５】
なお、図１６および図１７中の弾性シール構造は、例えば図１５中の半導体ウエハー２を出し入れするドア部４に適用した場合を一例として示している。
【０００６】
【特許文献１】公表特許公報２００１−５１２８９７号（明細書第１−１９頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、実際に計測して見ると、上記の各関係式で設計されるＯリング装着溝を用いる場合、角溝１２、蟻溝１６何れの場合にも、弾性Ｏリング１０に対する締め付け率を大きくしても、必ずしも十分に高い反発力が得ることができず、シール性能のさらなる向上が困難であることが判明した。
【０００８】
そこで、本願発明は、このような事情に鑑み、上述の日本工業規格で設計された溝形状を用いる場合に比べて、より高い弾性Ｏリングの反発力を得ることができる寸法関係の溝形状および締め付け率を有する弾性シール部材の構造を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明は、上記の目的を達成するために、次のような課題解決手段を備えて構成されている。
【００１０】
（１） 課題解決手段
この発明の課題解決手段は、第１のプレート１１と、該第１のプレート１１に形成された弾性Ｏリング嵌合用の蟻溝１６と、該蟻溝１６に嵌合される弾性Ｏリング１０と、該弾性Ｏリング１０を介して上記第１のプレート１１に圧接される第２のプレート１３とを備えてなる弾性シール部材であって、上記蟻溝１６の溝角θが、１０．０°〜２０．０°であり、上記弾性Ｏリング１０の圧縮変形前の断面高さをＨとし且つ上記弾性Ｏリング１０の圧縮変形後の断面高さをｈとしたとき、ξ＝（Ｈ−ｈ）／Ｈで与えられる締め付け率ξが、１０％以上であることを特徴としている。
【００１１】
このように、第１のプレート１１の蟻溝１６の溝角θが、１０．０°〜２０．０°であると、弾性Ｏリング１０に対する締め付け率ξが約１０．０％以上に大きくなった時に、従来のＪＩＳ規格で設計された蟻溝を用いる場合に比べて、より高い反発力が得られるようになり、弾性Ｏリング１０のシール性能の著しい向上が可能となる。
【００１２】
今例えば、蟻溝１６底部の内周側および外周側各コーナー部の曲率半径Ｒ3と溝角θを変化させた蟻溝１６における弾性Ｏリング１０の挙動を解析すると、溝角θが３０．０→２５．０→２０．０→１７．５→１５．０→１２．５→１０．０と小さくなるにしたがって、弾性Ｏリング１０の反発力が次第に上昇する。
【００１３】
特に、溝角θが１５．０ｄｅｇ（１５．０°）より小さい場合、締め付け率ξが１０％以上となる時点から、弾性Ｏリング１０の反発力が急激に上昇する。
【００１４】
またＪＩＳ規格値のθ＝２５．０ｄｅｇ（２５．０°）よりも小さいθ＝２０．０ｄｅｇ（２０．０°）、θ＝１７．５ｄｅｇ（１７．５°）の時でも、少なくとも締め付け率ξが２０％を超えるようになると、有効に反発力が向上するようになる。
【００１５】
さらに、溝角θと締め付け率ξの違いによる弾性Ｏリング１０の断面Ｍｉｓｅｓ応力分布を、その断面変形によって観察すると、溝角θが小さくなるにしたがって、弾性Ｏリング１０と蟻溝１６の内外両側壁面との接触面積が増大することが明らかである。そして、同接触面積の増大が反発力上昇の原因であると判断される。
【００１６】
要するに、蟻溝１６の場合、反発力は蟻溝１６底部の内外コーナー部の曲率半径Ｒ3による影響をほとんど受けない。これは同蟻溝１６底部の内外両コーナー部の曲率半径Ｒ3が変わっても、弾性Ｏリング１０と溝部両側壁面との接触面積がほとんど変わらないことによると推測される。
【００１７】
これに対して、弾性Ｏリング１０の反発力は溝角θによる影響を大きく受け、θが小さくなるほど反発力が上がる。特に溝角θが１５．０ｄｅｇ（１５．０°）以下である場合、例えば締め付け率ξが１０％程度の場合でも、反発力は急激に上昇する。これは溝角θが小さくなるにしたがい、弾性Ｏリング１０と溝部両側壁面との接触面積の増大で反発力が上昇するからであると考えられる。
【００１８】
これらのことからも、シールプレートである第１のプレート１１の蟻溝１６の溝角θが、１０．０ｄｅｇ〜２０．０ｄｅｇ（１０．０°〜２０．０°）であると、上記弾性Ｏリング１０に対する締め付け率ξが約１０．０％以上に大きくなった時に、従来のＪＩＳ規格で設計された蟻溝θ＝２５．０ｄｅｇ（θ＝２５．０°）を用いる場合に比べて、より高い反発力が得られるようになり、フッ素ゴム製等の弾性Ｏリング１０のシール性能の著しい向上が可能となることが裏付けられる。
【発明の効果】
【００１９】
以上の結果、本願発明によると、弾性Ｏリングが十分な弾性反発力を有し、高いシール性能を発揮することができる高性能の弾性シール部材を提供することができるようになる。しかも、弾性Ｏリング１０の圧縮変形前の断面高さをＨとし且つ上記弾性Ｏリング１０の圧縮変形後の断面高さをｈとしたとき、ξ＝（Ｈ−ｈ）／Ｈで与えられる締め付け率ξを、１０％以上としたことにより、弾性Ｏリング１０の反発力が急激に上昇する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付の図面を参照して、本願発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００２１】
（最良の実施の形態）
図１〜図４は、本願発明の最良の実施の形態に係る弾性シール部材のシール構造と同弾性シール構造において用いられる弾性Ｏリングの構造を示している。
【００２２】
この最良の実施の形態の弾性シール構造は、例えば図１に示すように、シール部の一方側シール面を構成するアルミナ製のシールプレート（第１のプレート）１１と、該シールプレート１１に形成された弾性Ｏリング嵌合用の蟻溝１６と、該蟻溝１６に嵌合される図２、図３のようなフッ素ゴム製の弾性Ｏリング１０と、該弾性Ｏリング１０を介して上記シールプレート１１に圧接される、シール部の他方側シール面を構成するアルミナ製の蓋プレート（第２のプレート）１３とを備えて構成されている。
【００２３】
そして、上記蟻溝１６内に上記弾性Ｏリング１０を、例えば図１に示すように嵌合して、その上方側から上記蓋プレート１３を所定の締め付け率で圧接することにより、上記弾性Ｏリング１０を図４のように圧縮変形させて蓋プレート１３方向に所望の反発力を得ることにより、上記シールプレート１１と上記蓋プレート１３との間のＯリング空間の内側と外側とを高精度にシールするようになっている。
【００２４】
上記蟻溝１６は、その溝角がθ、開口部で見た内径がＤ、深さがＥ、底部の内周側と外周側各コーナー部の曲率半径がＲ3となっている。
【００２５】
また上記弾性Ｏリング１０は、例えばリング部の内径がφ1、断面部の直径がφ2となっている。
【００２６】
そして、この最良の実施の形態の場合、以上の構成において、特に上記蟻溝１６の溝角θが、１０．０°〜２０．０°であることを特徴としている。
【００２７】
このように、シールプレート１１の蟻溝１６の溝角θが、１０．０°〜２０．０°であると、上記弾性Ｏリング１０に対する締め付け率ξが約１０．０％以上に大きくなった時に、従来のＪＩＳ規格で設計された蟻溝（θ＝２５．０°）を用いる場合に比べて、より高い反発力が得られるようになり、フッ素ゴム製の弾性Ｏリング１０のシール性能の著しい向上が可能となる。
【００２８】
今、これをＦＥＭ解析によって確認して見ると、次のようになった。
【００２９】
（１） 解析モデル
図１の構成の弾性シール部材のシール構造（シールプレート１１および蓋プレート１３の材料：アルミナ、蟻溝１６の溝角がθ、内径がＤ、深さがＥ、溝底部の内周側と外周側の各コーナー部の曲率半径がＲ3）において、図２、図３に示すような構成（リング部の内径φ1、断面部の直径φ2）のフッ素ゴム製の弾性Ｏリング１０を採用した。
【００３０】
そして、同図２、図３の構造の弾性Ｏリング１０を、例えば図１に示すように、上記構造のシールプレート１１の蟻溝１６内に嵌合し、蓋プレート１３を介して中心方向下方に所定値以上の締付力を加え、図４のように圧縮変形させることにより、その挙動を解析した（ＪＩＳ：Ｐ２２Ａ〜Ｐ５０を参照）。
【００３１】
フッ素ゴム製の弾性Ｏリング１０に比べると、アルミナ製のシールプレート１１および蓋プレート１３は、著しく剛性が高く、剛体として扱うことができる。したがって、弾性Ｏリング１０を超弾性の軸対称要素、蟻溝１６と蓋プレート１３とを剛体と見なし、蟻溝１６を完全固定の節点、蓋プレート１３を鉛直方向に強制変位を有する節点で各々モデリングする一方、弾性Ｏリング１０と蟻溝１６の壁面、弾性Ｏリング１０と蓋プレート１３の内壁面との間の接触による摩擦はないものとした。
【００３２】
（２） 解析条件
（拘束条件）
この解析では、上述のように蟻溝１６と蓋プレート１３を剛体扱いするので、蟻溝１６の内側形状を表す節点を完全固定し、また蓋プレート１３の内面形状を表す節点を鉛直方向以外に固定した。
【００３３】
（荷重条件）
そして、同拘束条件下において、図５に示すように、蓋プレート１３に対して鉛直方向下方への強制変位を与える。
【００３４】
蟻溝１６の場合、締め付け率ξ用いた表現がわかりやすい。そこで、上記弾性Ｏリング１０の締め付け率ξを、次の式で定義する。
【００３５】
ξ＝（Ｈ−ｈ）／Ｈ
ここで、Ｈは、弾性Ｏリング１０の圧縮変形前の断面高さ（直径：図５参照・・・Ｈ＝φ2）で、ｈは、弾性Ｏリング１０の圧縮変形後の断面高さ（短軸方向の直径：図５参照）である。よって、蓋プレート１３の鉛直方向の最大強制変位量ν＝（Ｈ−ｈ）は、ξＨで求められる。
【００３６】
蟻溝１６底部の内周側および外周側各コーナー部の曲率半径Ｒ3と溝角θを変化させた蟻溝１６における弾性Ｏリング１０（リング部の内径Ｄ＝２３．７ｍｍ、断面部の直径φ2＝３．５ｍｍ）の挙動を解析する。
【００３７】
（溝底部の内外コーナー部の曲率半径Ｒ3の影響）
次に、溝角θを２０．０ｄｅｇ（θ＝２０°）とした蟻溝１６で、溝部底部の内外各コーナー部の曲率半径Ｒ3を０．４〜１．０ｍｍに変化させた場合の、締め付け率ξの違いによる弾性Ｏリング１０の反発力の変化を、次の表１と図６に示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
これらによれば、同コーナー部の曲率半径Ｒ3が弾性Ｏリング１０の反発力には、ほとんど影響を及ぼさないことがわかる。
【００４０】
（溝角θの影響）
これに対して、蟻１６溝底部の内外コーナー部の曲率半径Ｒ3を０．４ｍｍとした蟻溝１６で、溝角θを１０．０〜３０．０ｄｅｇ（θ＝１０．０°〜３０．０°）に変化させた場合の、締め付け率ξの違いによる弾性Ｏリング１０の反発力の変化を次の表２と図７に示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
これによると、溝角θが３０．０→２５．０→２０．０→１７．５→１５．０→１２．５→１０．０と小さくなるにしたがって、弾性Ｏリング１０の反発力が次第に上昇することが明らかである。特に、溝角θが１５．０ｄｅｇ（１５．０°）より小さい場合、締め付け率ξが１０％以上となる時点から、弾性Ｏリング１０の反発力が急激に上昇することが読み取れる。
【００４３】
またＪＩＳ規格値のθ＝２５．０ｄｅｇ（２５．０°）よりも小さいθ＝２０．０ｄｅｇ（２０．０°）、θ＝１７．５ｄｅｇ（１７．５°）の時でも、少なくとも締め付け率ξが２０％を超えるようになると、有効に反発力が向上するようになる。
【００４４】
さらに、溝角θと締め付け率ξの違いによる弾性Ｏリング１０の断面Ｍｉｓｅｓ応力分布を、その断面変形とともに図８（ａ），（ｂ），（ｃ）〜図１４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。これらによると、溝角θが小さくなるにしたがって、弾性Ｏリング１０と蟻溝１６の内外両側壁面との接触面積が増大することが明らかである。そして、同接触面積の増大が反発力上昇の原因であると思われる。
【００４５】
要するに、蟻溝１６の場合、反発力は蟻溝１６底部の内外コーナー部の曲率半径Ｒ3による影響をほとんど受けない。これは同蟻溝１６底部の内外両コーナー部の曲率半径Ｒ3が変わっても、弾性Ｏリング１０と溝部両側壁面との接触面積がほとんど変わらないことによると推測される。
【００４６】
これに対して、弾性Ｏリング１０の反発力は溝角θによる影響を大きく受け、θが小さくなるほど反発力が上がる。特に溝角θが１５．０ｄｅｇ（１５．０°）以下である場合、例えば締め付け率ξが１０％程度の場合でも、反発力は急激に上昇する。これは溝角θが小さくなるにしたがい、弾性Ｏリング１０と溝部両側壁面との接触面積の増大で反発力が上昇するからであると考えられる。
【００４７】
これらのことからも、シールプレート１１の蟻溝１６の溝角θが、１０．０ｄｅｇ〜２０．０ｄｅｇ（１０．０°〜２０．０°）であると、上記弾性Ｏリング１０に対する締め付け率ξが約１０．０％以上に大きくなった時に、従来のＪＩＳ規格で設計された蟻溝θ＝２５．０ｄｅｇ（θ＝２５．０°）を用いる場合に比べて、より高い反発力が得られるようになり、フッ素ゴム製の弾性Ｏリング１０のシール性能の著しい向上が可能となることが裏付けられる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本願発明の最良の実施の形態に係る弾性シール部材のシール構造を示す断面図である。
【図２】同シール部材の弾性Ｏリングの構成を示す平面図である。
【図３】同弾性Ｏリングの断面図である。
【図４】同シール部材の弾性Ｏリングのシール時の圧縮変形状態を示す断面図である。
【図５】上記弾性Ｏリングのシール時の変形状態を示す説明図である。
【図６】同弾性Ｏリングの締め付け率ξが、５．０％、１０．０％、１５．０％、２０．０％、２５．０％、２７．０％の時の嵌合溝底部コーナー部の曲率半径Ｒ3と反発力との関係を示すグラフである。
【図７】同弾性Ｏリングを嵌合する蟻溝の溝角θが、１０．０ｄｅｇ、１２．５ｄｅｇ、１５．０ｄｅｇ、１７．５ｄｅｇ、２０．０ｄｅｇ、３０．０ｄｅｇの各場合における当該弾性Ｏリングの締め付け率ξと反発力との関係を示すグラフである。
【図８】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、１０．０ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２４．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図９】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、１２．５ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２６．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図１０】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、１５．０ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２７．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図１１】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、１７．５ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２７．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図１２】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、２０．０ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２７．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図１３】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、２５．０ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２７．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図１４】同弾性Ｏリングを嵌合される蟻溝の溝角θが、３０．０ｄｅｇである場合において、締め付け率ξを１０．０％、２０．０％、２７．０％と３段階に上昇させた時の圧縮変形状態を示す図である。
【図１５】従来から、一般的に弾性シール部材が採用されている装置の一例を示す概略図である。
【図１６】同弾性シール部材のシール構造の一例を示す断面図である。
【図１７】同弾性シール部材のシール構造の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０は弾性Ｏリング、１１はシールプレート、１３は蓋プレート、１６は蟻溝、θは溝角、ξは締め付け率である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のプレート（１１）と、該第１のプレート（１１）に形成された弾性Ｏリング嵌合用の蟻溝（１６）と、該蟻溝（１６）に嵌合される弾性Ｏリング（１０）と、該弾性Ｏリング（１０）を介して上記第１のプレート（１１）に圧接される第２のプレート（１３）とを備えてなる弾性シール部材であって、上記蟻溝（１６）の溝角θが、１０．０°〜２０．０°であり、上記弾性Ｏリング（１０）の圧縮変形前の断面高さをＨとし且つ上記弾性Ｏリング（１０）の圧縮変形後の断面高さをｈとしたとき、ξ＝（Ｈ−ｈ）／Ｈで与えられる締め付け率ξが、１０％以上であることを特徴とする弾性シール部材。
【請求項１】
第１のプレート（１１）と、該第１のプレート（１１）に形成された弾性Ｏリング嵌合用の蟻溝（１６）と、該蟻溝（１６）に嵌合される弾性Ｏリング（１０）と、該弾性Ｏリング（１０）を介して上記第１のプレート（１１）に圧接される第２のプレート（１３）とを備えてなる弾性シール部材であって、上記蟻溝（１６）の溝角θが、１０．０°〜２０．０°であり、上記弾性Ｏリング（１０）の圧縮変形前の断面高さをＨとし且つ上記弾性Ｏリング（１０）の圧縮変形後の断面高さをｈとしたとき、ξ＝（Ｈ−ｈ）／Ｈで与えられる締め付け率ξが、１０％以上であることを特徴とする弾性シール部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−８０６０７（Ｐ２０１１−８０６０７Ａ）
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３９３０（Ｐ２０１１−１３９３０）
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【分割の表示】特願２００４−２１６８７４（Ｐ２００４−２１６８７４）の分割
【原出願日】平成１６年７月２６日（２００４．７．２６）
【出願人】（０００００２８５３）ダイキン工業株式会社 (7,604)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月２１日（２０１１．４．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２６日（２０１１．１．２６）
【分割の表示】特願２００４−２１６８７４（Ｐ２００４−２１６８７４）の分割
【原出願日】平成１６年７月２６日（２００４．７．２６）
【出願人】（０００００２８５３）ダイキン工業株式会社 (7,604)
【Ｆターム（参考）】
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