特許 7002777 シール構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-05

(45)【発行日】2022-01-20

(54)【発明の名称】シール構造

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/06 20060101AFI20220113BHJP

   F16J 15/08 20060101ALI20220113BHJP

【ＦＩ】

F16J15/06 F

F16J15/08 K

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020104981

(22)【出願日】2020-06-18

(65)【公開番号】P2021196040

(43)【公開日】2021-12-27

【審査請求日】2020-06-18

(73)【特許権者】

【識別番号】517304705

【氏名又は名称】株式会社コスにじゅういち

(74)【代理人】

【識別番号】100087398

【弁理士】

【氏名又は名称】水野 勝文

(74)【代理人】

【識別番号】100128783

【弁理士】

【氏名又は名称】井出 真

(74)【代理人】

【識別番号】100128473

【弁理士】

【氏名又は名称】須澤 洋

(74)【代理人】

【識別番号】100160886

【弁理士】

【氏名又は名称】久松 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】飯尾 逸史

【審査官】羽鳥 公一

(56)【参考文献】

【文献】特表２０２０－５０４２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５２２２７４７（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第０４３０３２５１（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第０５８８７８７６（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／００５４５７４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｂ ２５／００－３３／００

Ｆ１６Ｊ １５／００－１５／１４

Ｆ１６Ｌ ２３／００－２５／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体が加圧された状態で移動する流路を互いに連結されて形成する２つの連結部材の連結面におけるシール構造であって、
リング状に形成されており、前記流路の内周面に沿って配置されるメタルシールと、
２つの前記連結面によって形成されており、前記流路の内側に向かって開口した状態において前記メタルシールを収容する凹部と、を有し、
前記凹部は、
前記凹部の開口端から前記流路の長手方向と直交する方向にそれぞれ延びており、前記流路の長手方向において前記メタルシールを挟む一対の第１平坦領域と、
前記一対の第１平坦領域のそれぞれから互いに近づく方向に突出する一対の爪部と、
前記流路の長手方向に沿って形成され、前記凹部の底面を構成する第２平坦領域と、を有し、
前記メタルシールは、前記爪部の全体が食い込み変形することにより、前記一対の第１平坦領域及び前記第２平坦領域に密接するとともに、前記メタルシールの内径面が前記流路の内壁面よりも前記流路の内側に位置していることを特徴とするシール構造。

【請求項2】

前記爪部は、前記第２平坦領域に対して傾斜する第１側面と、前記第１平坦領域と繋がり前記流路の長手方向に沿って形成された第２側面と、を有することを特徴とする請求項１に記載のシール構造。

【請求項3】

初期状態における前記メタルシールの厚みＴと、前記流路の長手方向における前記凹部の幅Ｈとが下記式（Ｉ）に示す条件、
１．０×Ｔ≦Ｈ≦１．２×Ｔ ・・・（Ｉ）
を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のシール構造。

【請求項4】

初期状態における前記メタルシールの幅Ｂと、前記流路の長手方向と直交する方向における前記凹部の深さＤとが下記式（ＩＩ）に示す条件、
１．０５×Ｄ≦Ｂ≦１．１×Ｄ ・・・（ＩＩ）
を満たすことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のシール構造。

【請求項5】

前記凹部の内側の空間全体は、前記メタルシールによって満たされていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のシール構造。

【請求項6】

初期状態における前記メタルシールの厚みが一定であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のシール構造。

【請求項7】

前記流体が１５０ＭＰａ以上の圧力で移動することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載のシール構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流体の流路を形成する２つの連結部材の連結面における密閉性を確保するシール構造に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、真空容器のフランジ部を封止するシール構造の一つとして、ナイフエッジ型メタルシールフランジが記載されている。ナイフエッジ型メタルシールフランジでは、一対のフランジのそれぞれにナイフエッジが形成されており、これらのナイフエッジによってメタルガスケットを押し潰すことにより、シール性を確保している。このシール性は、ナイフエッジの先端部がメタルガスケットに突き刺さった部分と、ナイフエッジによって押し潰されたメタルガスケットがフランジの内壁面を押し付ける部分とによって確保されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－０８２８９１号公報（段落０００９，図９）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載のナイフエッジ型メタルシールフランジは、加速器の導波管等のような真空容器に適用されるものである。液体などの流体を移動させる流路において、特許文献１のようなナイフエッジ型メタルシールフランジを適用する場合には、シール性が不十分になることがある。例えば、流体を加圧状態で移動させる場合には、メタルガスケットのシール部分が流体からの圧力に耐えにくくなり、シール性が不十分になることがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、２つの連結部材（１０Ａ，１０Ｂ）の連結面（１１）におけるシール構造（１）である。２つの連結部材（１０Ａ，１０Ｂ）は、互いに連結されて流路（Ｐ１，Ｐ２）を形成する。シール構造（１）は、メタルシール（２０）及び凹部（３０）を有する。メタルシール（２０）は、リング状に形成されており、流路（Ｐ１，Ｐ２）の内周面に沿って配置される。凹部（３０）は、２つの連結面（１１）によって形成されており、流路（Ｐ１，Ｐ２）の内側に向かって開口した状態においてメタルシール（２０）を収容する。

【0006】

凹部（３０）は、一対の平坦領域（１４）及び一対の爪部（１３）を有する。一対の平坦領域（１４）は、凹部（３０）の開口端から流路（Ｐ１，Ｐ２）の長手方向と直交する方向にそれぞれ延びており、流路（Ｐ１，Ｐ２）の長手方向においてメタルシール（２０）を挟む。一対の爪部（１３）は、一対の平坦領域（１４）のそれぞれから互いに近づく方向に突出する。メタルシール（２０）は、爪部（１３）の食い込みによって変形するとともに、一対の平坦領域（１４）に密接する。

【0007】

凹部（３０）の内側の空間全体がメタルシール（２０）によって満たされるように、メタルシール（２０）を変形させることができる。メタルシール（２０）が凹部（３０）に収容された状態において、メタルシール（２０）の内径面（２１）を、流路（Ｐ１，Ｐ２）の内壁面と同一面内又は、流路（Ｐ１，Ｐ２）の内壁面よりも流路（Ｐ１，Ｐ２）の内側に位置させることができる。

【0008】

初期状態におけるメタルシール（２０）の厚みＴと、流路（Ｐ１，Ｐ２）の長手方向における凹部（３０）の幅Ｈとは、下記式（Ｉ）に示す条件を満たすことができる。
１．０×Ｔ≦Ｈ≦１．２×Ｔ ・・・（Ｉ）

【0009】

初期状態におけるメタルシール（２０）の幅Ｂと、流路（Ｐ１，Ｐ２）の長手方向と直交する方向における凹部（３０）の深さＤとは、下記式（ＩＩ）に示す条件を満たすことができる。
１．０５×Ｄ≦Ｂ≦１．１×Ｄ ・・・（ＩＩ）

【0010】

流路（Ｐ１，Ｐ２）では、流体を加圧した状態で移動させることができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、爪部（１３）をメタルシール（２０）に食い込ませるだけでなく、凹部（３０）の開口端に位置する一対の平坦領域（１４）にメタルシール（２０）を密接させているため、連結面（１１）におけるシール性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】シール構造の断面図である。

【図2】図１に示すシール構造において、メタルシールを省略した図である。

【図3】メタルシールを変形させる前の状態を示す図である。

【図4】メタルシールの寸法を説明する図である。

【図5】メタルシールが収容される凹部の寸法を説明する図である。

【図6】メタルシールの内径面が流路の内側に突出した状態を示す図である。

【図7】メタルシールを第１連結部材から取り外す方法（第１の取り外し方法）において、前準備の状態を示す図である。

【図8】メタルシールを第１連結部材から取り外す方法（第１の取り外し方法）において、抜き取りボルトをメタルシールのネジ溝に係合させた状態を示す図である。

【図9】メタルシールを第１連結部材から取り外す方法（第２の取り外し方法）において、前準備の状態を示す図である。

【図10】メタルシールを第１連結部材から取り外す方法（第２の取り外し方法）において、引き抜き工具の引掛け部をメタルシールに引っ掛けた状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本実施形態であるシール構造は、図１に示すように、第１連結部材１０Ａ及び第２連結部材１０Ｂの連結面１１におけるシール構造１である。第１連結部材１０Ａ及び第２連結部材１０Ｂは、ボルトやナットなどの締結部材（不図示）を用いて互いに締結されることにより、連結面１１において互いに密接する。第１連結部材１０Ａや第２連結部材１０Ｂの形状は、適宜決めることができ、例えば、フランジを備えた形状とすることができる。第１連結部材１０Ａや第２連結部材１０Ｂがフランジを備えている場合、締結部材を用いてフランジを締結することができる。

【0014】

第１連結部材１０Ａには、流体が移動する流路Ｐ１が形成されており、第２連結部材１０Ｂには、流体が移動する流路Ｐ２が形成されている。流体としては、液体や気体が挙げられ、液体には固体物質が含まれていてもよい。第１連結部材１０Ａ及び第２連結部材１０Ｂを連結したとき、流路Ｐ１，Ｐ２が繋がることにより、１つの流路が形成される。

【0015】

第１連結部材１０Ａの連結面１１と、第２連結部材１０Ｂの連結面１１とは、左右対称（面対称）の形状を有している。このため、以下では、第１連結部材１０Ａの連結面１１の構成について説明し、第２連結部材１０Ｂの連結面１１の構成については説明を省略する。なお、第２連結部材１０Ｂの連結面１１において、第１連結部材１０Ｂの連結面１１と同様の機能を有する部分については、同一の符号を用いている。

【0016】

第１連結部材１０Ａの連結面１１は、第２連結部材１０Ｂの連結面１１（接触領域１２）と接触する接触領域１２を有する。また、連結面１１は、爪部１３、第１平坦領域１４及び第２平坦領域１５を有する。接触領域１２は、流路Ｐ１，Ｐ２の長手方向と直交する方向（図１の上下方向）に延びている。

【0017】

第１平坦領域１４は、流路Ｐ１，Ｐ２の長手方向と直交する方向（図１の上下方向）に沿って形成されており、第１平坦領域１４の一端（内径側の端部）は、流路Ｐ１を形成する内壁面上に位置している。第２平坦領域１５は、流路Ｐ１，Ｐ２の長手方向（図１の左右方向）に沿って形成されており、第２平坦領域１５の一端は、接触領域１２と繋がっている。

【0018】

爪部１３は、第１平坦領域１４と第２平坦領域１５との間に設けられており、第１側面１３ａ及び第２側面１３ｂを有する。第２側面１３ｂは、第１側面１３ａよりも流路Ｐ１の側に配置されている。第１側面１３ａは、第２平坦領域１５と繋がっており、第２平坦領域１５に対して傾斜している。第２側面１３ｂは、第１平坦領域１４と繋がっており、流路Ｐ１，Ｐ２の長手方向（図１の左右方向）に沿って形成されている。

【0019】

なお、本実施形態では、爪部１３の第２側面１３ｂが流路Ｐ１，Ｐ２の長手方向に沿って形成されているが、これに限るものではなく、例えば、第２側面１３ｂを第１平坦領域１４に対して傾斜させることができる。

【0020】

第１連結部材１０Ａの連結面１１と第２連結部材１０Ｂの連結面１１との間には、金属で形成されたメタルシール２０が配置されている。メタルシール２０は、リング状に形成されており、流路Ｐ１，Ｐ２の内周面に沿って配置されている。図２に示すように、第１連結部材１０Ａ及び第２連結部材１０Ｂを連結したとき、連結面１１には、メタルシール２０が収容される凹部３０が形成される。

【0021】

凹部３０は、２つの連結面１１の一部によって構成されており、具体的には、第１平坦領域１４、爪部１３（第１側面１３ａ及び第２側面１３ｂ）及び第２平坦領域１５によって構成されている。ここで、流路Ｐ１，Ｐ２の長手方向で対向する一対の爪部１３は、第１平坦領域１４から凹部３０の内側に向かって突出している。凹部３０は、流路Ｐ１，Ｐ２の内周面に沿って形成されており、流路Ｐ１，Ｐ２の内側に向かって開口している。ここで、凹部３０の開口端からは、第１平坦領域１４が延びている。

【0022】

図１に示すように、第１連結部材１０Ａや第２連結部材１０Ｂの爪部１３は、メタルシール２０に食い込むことにより、メタルシール２０を変形（弾性変形）させている。メタルシール２０が初期状態（凹部３０に収容する前の状態）にあるとき、メタルシール２０の断面は、図３に示すように矩形状に形成されている。図３に示すように、凹部３０にメタルシール２０を配置し、締結部材（不図示）を用いて第１連結部材１０Ａ及び第２連結部材１０Ｂのそれぞれに締結力Ｆを与えると、爪部１３がメタルシール２０に食い込むことにより、メタルシール２０が変形する。

【0023】

爪部１３をメタルシール２０に食い込ませるために、爪部１３の材質としては、メタルシール２０の材質よりも硬度が高い材質が用いられる。爪部１３の材質としては、例えば、ＳＳ材やＳＵＳ材を用いることができる。また、メタルシール２０の材質としては、例えば、銅やアルミニウムを用いることができる。メタルシール２０については、引張強さを２５０～３２０Ｎ／ｍｍ^２とし、伸び率を１０～１５％とすることができる。

【0024】

上述したメタルシール２０の変形によって、メタルシール２０は、凹部３０の全面に密接する。すなわち、凹部３０の内側に形成される空間全体をメタルシール２０によって満たすように、メタルシール２０が変形している。なお、メタルシール２０の変形によっては、メタルシール２０が、第２平坦領域１５と爪部１３の第１側面１３ａとの繋ぎ部分から離れて隙間が形成されることもある。

【0025】

爪部１３をメタルシール２０に食い込ませたとき、第１側面１３ａがメタルシール２０を押しつけることにより、メタルシール２０が第１側面１３ａに沿って変形して第１側面１３ａに密接する。また、第１側面１３ａは第２平坦領域１５に対して傾斜しているため、第１側面１３ａが第２平坦領域１５を押圧する方向にメタルシール２０を変形させることにより、メタルシール２０が第２平坦領域１５に密接する。さらに、一対の第１平坦領域１４がメタルシール２０を挟んだ状態でメタルシール２０を押しつけることにより、メタルシール２０が一対の第１平坦領域１４に密接する。

【0026】

爪部１３をメタルシール２０に食い込ませてメタルシール２０を変形させたとき、メタルシール２０には残留応力が発生している。このため、メタルシール２０が第１平坦領域１４、第２平坦領域１５及び爪部１３（第１側面１３ａ）を押しつける力が維持され、第１平坦領域１４、第２平坦領域１５及び爪部１３（第１側面１３ａ）におけるシール性を確保することができる。

【0027】

上述したようにメタルシール２０を変形させるための凹部３０の寸法及びメタルシール２０の寸法について、以下に説明する。

【0028】

図４に示すように、メタルシール２０は、厚さＴ及び幅（外径及び内径の差）Ｂを有する。また、図５に示すように、メタルシール２０を凹部３０に配置せずに、第１連結部材１０Ａ及び第２連結部材１０Ｂを連結したときにおいて、凹部３０は、幅Ｈと深さＤを有する。幅Ｈは、流路Ｐ１，Ｐ２の長手方向（図５の左右方向）における凹部３０の最大距離であり、具体的には、一対の第１平坦領域１４の間の距離である。深さＤは、流路Ｐ１，Ｐ２の長手方向と直交する方向（図５の上下方向）における凹部３０の最大距離であり、具体的には、流路Ｐ１，Ｐ２を構成する内壁面と第２平坦領域１５との間の距離である。

【0029】

メタルシール２０の厚さＴと、凹部３０の幅Ｈとは、下記式（１）に示す関係を満たすことが好ましい。下記式（１）において、厚さＴ及び幅Ｈの単位は同じである。
１．０×Ｔ≦Ｈ≦１．２×Ｔ ・・・（１）

【0030】

メタルシール２０の幅Ｂと、凹部３０の深さＤとは、下記式（２）に示す関係を満たすことが好ましい。下記式（２）において、幅Ｂ及び深さＤの単位は同じである。
１．０５×Ｄ≦Ｂ≦１．１×Ｄ ・・・（２）

【0031】

上記式（１），（２）に示す関係を満たすことにより、上述したように、メタルシール２０を、第１平坦領域１４、第２平坦領域１５及び爪部１３（第１側面１３ａ）に密接させやすくなる。

【0032】

本実施形態では、メタルシール２０を変形させたとき、図６に示すように、メタルシール２０の内径面２１は流路Ｐ１，Ｐ２の内側に僅かに突出する。ここで、メタルシール２０の内径面２１は、流路Ｐ１，Ｐ２を構成する内壁面と同一面内に位置していてもよい。本実施形態では、メタルシール２０の内径面２１が流路Ｐ１，Ｐ２を構成する内壁面よりも凹部３０の内側に位置しないようにしている。

【0033】

メタルシール２０の内径面２１が凹部３０の内側に位置していると、内径面２１が凹部３０の内側に入り込んだ分だけ窪みが形成されることになる。ここで、流路Ｐ１，Ｐ２を流れる流体に固体物質が含まれている場合、この固体物質が上述した窪みに入り込んで留まってしまうおそれがある。窪みに固体物質が留まった状態において、流路Ｐ１，Ｐ２を移動させる流体を変更した場合には、上述した窪み（凹部３０の内側）に留まっていた固体物質が、変更後の流体に異物として混入してしまうおそれがある。

【0034】

上述したように、メタルシール２０の内径面２１を流路Ｐ１，Ｐ２の内側に僅かに突出させたり、メタルシール２０の内径面２１を流路Ｐ１，Ｐ２を構成する内壁面と同一面内に位置させたりすれば、上述した窪みが形成されることはなく、窪みに流体中の固体物質が留まってしまうことを防止できる。本実施形態のように、メタルシール２０の内径面２１が流路Ｐ１，Ｐ２の内側に突出した場合、このメタルシール２０の突出部分に流体中の固体物質が引っ掛かることが考えられる。しかし、メタルシール２０の突出部分には流体が突き当たるため、メタルシール２０の突出部分に固体物質が引っ掛かったとしても、流体の流れによって固体物質を取り除くことができる。

【0035】

本実施形態のシール構造１は、流路Ｐ１，Ｐ２を移動する流体が外部に漏れることを防止するために用いられる。この目的を達成する上では、流路Ｐ１，Ｐ２に最も近い位置にある第１平坦領域１４において、シール性を確保することが好ましい。一方、特許文献１のように、真空容器で用いられるナイフエッジ型メタルシールフランジは、真空容器の外部から真空容器の内部に空気が進入することを防止するために用いられており、本実施形態であるシール構造１とは目的が異なる。

【0036】

次に、使用済みのメタルシール２０を取り外す方法について説明する。

【0037】

図１に示すように、メタルシール２０は、第１連結部材１０Ａ及び第２連結部材１０Ｂの間に配置されているため、メタルシール２０を取り外すためには、締結部材（不図示）を取り外して第１連結部材１０Ａ及び第２連結部材１０Ｂを分離させればよい。第１連結部材１０Ａ及び第２連結部材１０Ｂを分離させたときには、メタルシール２０が第１連結部材１０Ａ又は第２連結部材１０Ｂのいずれかに付着したままとなりやすい。この理由は、上述したように爪部１３がメタルシール２０に食い込んでいるため、第１連結部材１０Ａ及び第２連結部材１０Ｂを分離させたとき、第１連結部材１０Ａ及び第２連結部材１０Ｂのうちの一方の第２平坦領域１５及び爪部１３（第２側面１３ｂ）がメタルシール２０に食い込んだままとなるためである。

【0038】

第１連結部材１０Ａ又は第２連結部材１０Ｂに付着したメタルシール２０を取り外す方法（２つの例）について、以下に説明する。以下の説明では、メタルシール２０が第１連結部材１０Ａに付着した場合を前提とする。

【0039】

第１の取り外し方法について、図７及び図８を用いて説明する。まず、ハンドタップなどの切削工具（不図示）を用いることにより、図７に示すように、メタルシール２０の内径面２１にネジ溝２１ａを形成する。ここで、メタルシール２０の内径面２１を流路Ｐ１，Ｐ２の内側に突出させることにより、内径面２１にネジ溝２１ａを形成しやすくなる。

【0040】

次に、図８に示すように、治具（不図示）に設けられたボルト１００のネジ部を、メタルシール２０のネジ溝２１ａに係合させた後、第１連結部材１０Ａから離れる方向（図８の左方向）に治具（ボルト１００）を移動させる。これにより、メタルシール２０のネジ溝２１ａがボルト１００に係合した状態において、メタルシール２０を第１連結部材１０Ａから取り外すことができる。

【0041】

第１の取り外し方法は、メタルシール２０の内径が小径である場合に採用することができる。具体的には、メタルシール２０の内径が小径であることにより、後述する第２の取り外し方法で用いられる引き抜き工具２００（引掛け部２０１）をメタルシール２０の内径部分に挿入しにくい場合には、上述した第１の取り外し方法を採用することができる。

【0042】

第２の取り外し方法について、図９及び図１０を用いて説明する。まず、引き抜き工具２００の先端に設けられた一対の引掛け部２０１を、メタルシール２０の内径面２１を介して流路Ｐ１の内側に挿入する。そして、一対の引掛け部２０１を互いに離れる方向（図９に示す矢印Ｅの方向）に広げることにより、図１０に示すように、一対の引掛け部２０１をメタルシール２０に引っ掛ける。ここで、メタルシール２０の内径面２１を流路Ｐ１の内側に突出させることにより、このメタルシール２０の突出部分に引き抜き工具２００の引掛け部２０１を引っ掛けることができる。引掛け部２０１をメタルシール２０に引っ掛けた状態において、第１連結部材１０Ａから離れる方向（図１０の左方向）に引き抜き工具２００を移動させることにより、メタルシール２０を第１連結部材１０Ａから取り外すことができる。

【0043】

本実施形態であるシール構造１は、例えば、特開２０１９－０４４６１３号公報に記載の液体吐出装置において用いることができる。この液体吐出装置を用いれば、高圧下で原料繊維を破砕してセルロースナノファイバーを製造したり、高圧下でシリコン油を吐出させて微小粒径のシリコン油のエマルジョンを生成したり、高圧下で顔料系塗料を吐出させて顔料系塗料を媒質中で分散させやすくしたりすることができる。このような用途では、流体を高圧下（例えば、１５０ＭＰａ以上）で移動させることになるが、本実施形態のシール構造１は、このような高圧に耐えることができる。

【符号の説明】

【0044】

１：シール構造、１０Ａ：第１連結部材、１０Ｂ：第２連結部材、１１：連結面、
１２：接触領域、１３：爪部、１３ａ：第１側面、１３ｂ：第２側面、
１４：第１平坦領域、１５：第２平坦領域、２０：メタルシール、２１：内径面、
３０：凹部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】