JP3986301B2 - 金属ガスケットによる密封構造および密封方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属ガスケットによる密封構造および密封方法に関し、詳しくは、配管接続部における気密封止などに利用され、特に気密性に優れているとされる金属ガスケットを用いた密封構造と、そのような密封構造を用いた密封方法とを対象にしている。
【０００２】
【従来の技術】
各種の密封構造で使用されている一般的なガスケットには、金属ガスケット、セミ金属ガスケットおよび非金属ガスケットがある。
金属ガスケットは、気密性、耐熱性に優れるため、原子力分野、半導体分野などにおける各種配管、機械設備など、高温、低温、高圧、高真空などの過酷な条件下において、広範に用いられている。
ガスケット、特に金属ガスケットは、継ぎ手などの密封構造に使用したあと、密封構造を分解してしまうと、金属ガスケットの再使用はできないとされている。
【０００３】
ガスケットは、密封使用時に強い締め付け力を受けて変形するので、変形復元量の小さな金属ガスケットは、一旦、密封構造を開放した後、再使用のために、既に変形してしまった金属ガスケットを再度締め付けても、新たな「なじみ」を得るための十分な締め付けができず、所定のシール性が得られないのである。
したがって、従来は、密封構造の開閉を行なうたびに、使用済みの金属ガスケットを廃棄し、新たな金属ガスケットに交換していた。そのため、フランジ開閉頻度が高いフランジ継ぎ手などに、金属ガスケットを使用すると、フランジの開閉作業のたびに、ガスケットの交換が必要になり、高コストとなっていた。
【０００４】
そこで、金属ガスケットを再使用できるようにする技術が、いくつか提案されている。
例えば、特開平５−２４８５４２号公報に開示された技術は、一対のフランジの両方に、内側側壁部が傾斜しているシール溝を設け、断面矩形で比較的硬質の金属ガスケットと組み合わせている。金属ガスケットの断面矩形の角部がシール溝の傾斜面に当接することで密封性が向上し、金属ガスケットの繰り返し使用も可能であるとされている。
特開昭５９−２００８６９号公報に開示された技術は、金属ガスケットの材料に形状記憶合金を使用し、再使用する前に金属ガスケットを加熱して原形に復元させることで、金属ガスケットの繰り返し使用を可能できるとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の繰り返し使用を意図した金属ガスケットの技術は何れも、実用性に乏しいものであった。
前記特開平５−２４８５４２号公報の技術は、金属ガスケットの復元性が向上するわけではないので、フランジ面が接触するまで金属ガスケットを圧締めする使用方法では、再使用時に、締め付け量を増やすことができないので、密封性が十分に発揮できなくなる。そこで、この技術では、締め付けトルクを制御しながらボルト締めを行うトルク管理を行ない、フランジ面が接触するまでは締め付けないようにし、再使用のたびに、金属ガスケットの矩形角部の変形を徐々に増やしていくような使い方がされる。しかし、厳密なトルク管理は非常に手間がかかり、ボルト締め作業が煩雑で難しくなる。フランジ面を締めきらない上記方法では、ボルトの応力緩和やガスケットクリープによってシール性が低下する問題がある。ガスケットの変形は再使用のたびに増えるため、繰り返し使用は数回が限界である。
【０００６】
前記特開昭５９−２００８６９号公報の技術は、形状記憶合金のコストが非常に高くつく。再使用の前に加熱して十分に復元させるための作業工程が増え、過熱設備も必要になる。しかも、密封使用時の環境温度が、形状記憶合金の変態温度以下としなければならないという制限があり、使用場面が限定されてしまう。
本発明の課題は、金属ガスケットを繰り返し使用しても、密封性能の低下が少なく、実用的に何度も繰り返して使用することが可能な密封構造および密封方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる金属ガスケットによる密封構造は、一対の密封面の間に環状中実の金属ガスケットを挟み込んで金属ガスケットの内外周空間を遮断する密封構造であって、前記一方の密封面は、前記金属ガスケットの当接個所に配置された平坦部を有し、前記他方の密封面は、前記金属ガスケットが収容されるガスケット収容溝を有し、前記ガスケット収容溝は、前記金属ガスケットが当接する側壁に配置され底側から開口側へと開く拡開部と、前記金属ガスケットよりも底側に配置される空隙部とを有し、前記金属ガスケットは、前記一方の密封面に有する平坦部と、前記他方の密封面のガスケット収容溝に有する左右の側壁の拡開部との３個所に当接し、ガスケット収容溝に収容されたときに、金属ガスケットの一部がガスケット収容溝の外に突出する構造となっていることにより、一旦使用したガスケットを裏返して再使用可能であることを特徴とする。
【０００８】
〔密封面〕
互いに開閉あるいは分離結合できるようになった一対の部材間で、互いに対面して配置され、密着して閉じ合わせることができ、中間に配置される金属ガスケットによる密封を行なう面である。通常の密封構造あるいは密封装置における密封面であれば、その材料や構造は特に限定されない。
例えば、配管のフランジ継手における、一対のフランジの対向面、真空容器と蓋の開閉面などが挙げられる。
密封面は、基本的には平坦面であるが、湾曲面の場合もある。
【０００９】
密封面の材質は、特に限定されないが、通常は、鋼やステンレスその他の金属からなるものである。セラミックやガラス質の場合もある。金属の表面にセラミックなどのコーティングが施される場合もある。
〔金属ガスケット〕
基本的には、通常の密封構造で使用されているガスケットと同様の材料および形状構造を有するものでよい。
金属ガスケットの材料として、変形および復元性の観点から、比較的硬度が小さい材料が好ましい。具体的には、アルミニウム、銅、ニッケル、銀、金などが挙げられる。硬度として、ビッカース硬度２００Ｈｖ以下の材料が好ましい。耐腐食性および耐熱性の面からＳＵＳなども好ましい。ガスケットの硬度は、ガスケットが当接する密封面の硬度よりも小さいことが望ましい。
【００１０】
金属ガスケットの断面形状として、一般的な円形や楕円形、多角形などが採用される。中空円形やＣ形なども採用できる。材質の異なる部材で二重構造にしたものや、部分的に別の材料からなる部材を組み合わせたものもある。金属部分とセラミックなどの非金属部分とを組み合わせることもできる。本発明では、一部に非金属材料が使用されていても、基本的に金属で構成されているものを、金属ガスケットと称する。
金属ガスケットは、密封面において密封遮断すべき領域を囲む環状に構成される。例えば、配管フランジであれば、配管あるいは流体通路を囲むことのできる形状寸法に設定される。環状とは、円環状のほか、楕円や長円さらには矩形や多角形状のものも含まれる。
【００１１】
金属ガスケットの断面形状として、ガスケット収容溝あるいは密封面に対する当接が良好に行なえたり、使用時の変形による密封機能の発現および再使用時の変形復元が良好に行なわれたりするものが好ましい。
例えば、ガスケット収容溝の側壁との当接個所が、側壁と同じ形状になっているものが好ましい。ガスケット収容溝の側壁が傾斜面の場合、傾斜面と同じ傾斜角度を有するものが好ましい。
金属ガスケットの断面形状が、環状の金属ガスケットの中心線に対して表裏で対称形状を有するものが好ましい。この条件を満足する形状として、円形や楕円形、六角形、八角形などがある。
【００１２】
金属ガスケットとして、中空ＯリングやＣリングなども使用できる。これらの金属ガスケットは、比較的に低い締め付け荷重で使用することができる。
〔密封面の平坦部〕
一対の密封面のうち、一方の密封面は、金属ガスケットの当接個所に配置された平坦部を有する。
金属ガスケットの配置形状によって、平坦部の配置も変える。密封面の全面が平坦であってもよいし、金属ガスケットの環形状に沿う領域のみに平坦部が設けられていて、それ以外の領域には段差や凹凸を有するものであってもよい。
【００１３】
〔ガスケット収容溝〕
一対の密封面のうち、他方の密封面は、全体は前記一方の密封面と密着して当接できる形状を有するとともに、金属ガスケットが収容されるガスケット収容溝を有する。
ガスケット収容溝は、基本的には、通常の密封構造におけるガスケット収容溝あるいはシール溝と呼ばれる構造と同様のものである。
ガスケット収容溝は、金属ガスケットの環形状に合わせて環状に配置されている。前記一方の密封面の平坦部に対応する位置に配置される。
【００１４】
ガスケット収容溝には、金属ガスケットが当接する側壁を有する。側壁は、金属ガスケットの左右両側に存在する。この側壁の少なくとも一部に、底側から開口側へと開く拡開部を有する。
拡開部は、直線状の傾斜面であってもよいし、円弧状などの曲線状をなすものであってもよい。拡開部が、傾斜や曲率の異なる複数の部分に分割されてあってもよい。直線と曲線とを組み合わせた形状であってもよい。
拡開部は、左右の側壁で対称形に配置されていてもよいし、非対称形であってもよい。例えば、左右の拡開部で傾斜角度が異なる傾斜面を配置することもできる。
【００１５】
ガスケット収容溝のうち、拡開部以外の側壁および底壁の形状については、金属ガスケットの収容ができれば、特に限定されない。例えば、拡開部よりも開口側になる側壁が垂直であってもよい。拡開部よりも底側に、垂直な側壁や平坦な底面、Ｕ字形の底部などを配置することもできる。
ガスケット収容溝に金属ガスケットが収容された状態で、金属ガスケットよりも底側に空隙部が配置されるようにする。金属ガスケットの底部は、ガスケット収容溝の内面には当接しないようにする。空隙部が大きいほど、金属ガスケットに締め付け圧力を加えたときの底部側への変形が行い易く、再使用時の締め代も大きくできる。
【００１６】
〔密封構造の使用〕
基本的には、通常の金属ガスケットを用いた密封構造と同じように使用する。
一方の密封面に有するガスケット収容溝に金属ガスケットを収容する。ガスケット収容溝の左右の側壁に設けた拡開部に、金属ガスケットが当接して支持される。拡開部と金属ガスケットとの当接は、線接触であっても、面接触であってもよい。面接触のほうが密封性は高まる。金属ガスケットの底部は、ガスケット収容溝の底には当接せず、空隙部が存在する状態である。
金属ガスケットは、ガスケット収容溝の開口よりも上に一部が突出した状態になる。このときの、密封面から金属ガスケットの上端までの距離が、締め代になる。
【００１７】
他方の密封面に有する平坦部を、金属ガスケットの上端に当接させて、密封面同士を閉じる方向に締め付ける。例えば、配管フランジの場合、一対のフランジをボルトなどで締め付ければよい。
密封面同士の締め付けによって、金属ガスケットが変形する。密封面同士が当接して完全に閉じられる状態になるまで締め付ける。金属ガスケットは、全体がガスケット収容溝の内部に収まるような形状に変形する。この変形に伴なう反発力で、金属ガスケットと両側の密封面とが、隙間なく圧接され、密封機能が発現する。
【００１８】
環状の金属ガスケットに対して、内周側の空間と外周側の空間とが確実に遮断される。内外空間に大きな圧力差が生じても、密封性が損なわれることがない。
〔再使用〕
金属ガスケットによる密封構造は、必要に応じて密封を解除し、再び密封することがある。
例えば、配管フランジの場合、配管レイアウトの変更、配管内の清掃や配管部品の洗浄などの作業を行う際には、フランジの密封を解除し分解することになる。
【００１９】
密封構造の密封を解除すると、金属ガスケットに加わっていた締め付け力は取り除かれる。金属ガスケットは、ある程度までは元の形状に戻る方向に復元する。しかし、完全に復元することはない。通常は、ガスケット収容溝の形状に沿って変形した形が、わずかに戻る程度である。
変形した金属ガスケットは、ガスケット収容溝から取り出す。
その後、密封構造を再び閉じて密封状態にする際に、新たな金属ガスケットを使用するのではなく、前記取り出した変形済みの金属ガスケットを使用する。
変形した金属ガスケットを裏返して、ガスケット収容溝に取り付ける。すなわち、前の使用状態では、ガスケット収容溝の底側に存在していた側を、ガスケット収容溝の開口側になるように上下を入れかえる。
【００２０】
金属ガスケットのうち、前の使用状態で、一方の密封面の平坦部に当接して平坦に変形させられた部分が、ガスケット収容溝の拡開部に当接する。金属ガスケットのうち、前の使用状態で、ガスケット収容溝の拡開部に当接して拡開形状に変形させられた部分は、ガスケット収容溝の上方に突出して配置される。この突出量が、締め代になる。
金属ガスケットの上端に、相手側の密封面が当接し、前記同様の締め付けを行なって、密封面同士を密着して当接させる。この状態で、金属ガスケットによる密封機能が発現する。
【００２１】
金属ガスケットは、前回の使用状態と同様に、一方の密封面の平坦部とガスケット収容溝の内部形状とにしたがって変形させられる。
〔繰り返し使用〕
前記した最初の使用状態および再使用状態の何れでも、金属ガスケットは、ガスケット収容溝の内部形状に沿って変形させられる。
したがって、再使用状態から、さらに密封状態の解除あるいは密封構造の分解を行ない、変形した金属ガスケットを取り出して裏返し、ガスケット収容溝に収容すれば、まったく同じようにして密封機能を発現させることができる。
【００２２】
金属ガスケットの、ガスケット収容溝と前記平坦部とによる変形が繰り返される限り、同じ金属ガスケットを用いて、密封状態と解除状態とを繰り返すことが可能になる。
但し、金属ガスケットの変形は、全く同じ形状で繰り返されるわけではない。通常は、金属ガスケットが締め付け方向に厚みが薄くなるように徐々に形が変化することになる。
その結果、金属ガスケットをガスケット収容溝に収容したときに、ガスケット収容溝の上に突出する部分の高さ、すなわち、締め代が少なくなる。必要とされる密封機能が発揮できなくなるまで、締め代が少なくなれば、その金属ガスケットについては使用できなくなる。
【００２３】
金属ガスケットが使用できなくなるまでの使用回数は、使用条件や要求性能によっても異なるが、従来の金属ガスケットと同等の締め代に設定するなど、通常の使用条件では、２回以上、１５回程度までである。好ましくは、５〜１０回まで使用することができる。
〔保持部材〕
互いの対向面にそれぞれ密封面を有する一対の密封部材と、前記一対の密封部材の中間に配置され、両面に密封面を有するガスケット保持部材とを組み合わせて使用することができる。
【００２４】
密封部材とは、前記した配管フランジのフランジ板や気密蓋と開口枠など、密封面を備えた部材である。
保持部材は、密封部材とは別の部材である。保持部材の材料は、密封部材と同様でよい。鋼やステンレスなどの金属が使用できる。
保持部材の両面には、密封部材と同様の密封面を設けておく。
一対の密封部材の中間に保持部材を配置した状態で、一方の密封部材の密封面と、この密封面と対向する保持部材の片側の密封面との間に、前記同様の密封構造からなる第１の密封構造が構成できる。他方の密封部材の密封面と、この密封面と対向する保持部材の他側の密封面との間にも、もうひとつの密封構造すなわち第２の密封構造が構成できる。それぞれの密封構造には、金属ガスケットが使用されることになる。
【００２５】
上記構造では、一対の密封部材の間を、２個所の密封構造で強力に密封することができる。保持部材および金属ガスケットの形状や材料などを変更することで、密封部材のほうには変更を加えることなく、密封構造の機能や性能などを変えることができる。
２個所の密封構造の何れでも、ガスケット収容溝を保持部材側に設けておけば、密封部材側には平坦部を設けておくだけでよい。密封部材側には、高コストになる、ガスケット収容溝の加工が不要になる。ガスケット収容溝の形状変更を行なうときには、保持部材だけを取りかえればよい。設備装置などに連結された状態の密封部材のほうは、取り外しなどの作業を行うことなく、そのまま使用しつづけることができる。
【００２６】
保持部材の両面に有するガスケット収容溝に金属ガスケットを収容した状態で、全体をまとめて、一対の密封部材の中間に装着する作業や取り出す作業を行うことができる。特に、既に密封使用したあとで、ガスケット収容溝内で変形して固着した状態の金属ガスケットでも、保持部材に収容したままであれば、まとめて容易に取り扱うことができる。金属ガスケットのガスケット収容溝からの取り出し、裏返し、再装着する作業が、密封部材から離れたところで、作業性良く行なえる。
保持部材の両面に配置されるガスケット収容溝の位置を、内側と外側とにずらせておくことができる。これによって、深いガスケット収容溝であっても配置できることになる。
【００２７】
保持部材は、全体が一体構造であってもよいし、複数の部材に分割構成されていて使用時に組み合わせるものであってもよい。このような組み立て構造の保持部材は、製造を容易にしたり、ガスケット収容溝への金属ガスケットの収容および取り出しを容易にしたりするのに有効である。
保持部材を、ガスケット収容溝の位置を境界にして、内外周に２分割しておくことができる。この構造では、ガスケット収容溝の左右の側壁が、内外の分割部材の内周または外周の端面で構成されることになる。内外の分割部材は、互いの位置決めを正確にするために位置決め用の凹凸や当接面を備えておくことができる。
【００２８】
保持部材の厚みは、密封時に加わる締め付け圧力などの外力に耐えて金属ガスケットを保持し密封機能を発揮させることができるように設定しておく。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１−図６に示す実施形態は、配管のフランジ継手個所における密封構造に適用した場合である。
〔全体構造〕
図１に示すように、一対の円盤状をなすフランジ１０、２０にはそれぞれ、配管１２、２２が接続されている。配管１２、２２には、各種のガスが流通する。
一対のフランジ１０、２０は、鋼材で構成され、互いに閉じ合わされる平坦な密封面１６、２６を有している。両フランジ１０、２０の外周には、周方向の複数個所に、互いに連通するボルト孔１４、２４が貫通している。図２に示すように、互いのボルト孔１４、２４に、ボルト５０を挿通してナットで締め付けることで、フランジ１０、２０が固定され、密封面１６、２６が閉じ合わされる。
【００３０】
図１の上側に配置された密封面１６は、全体が平坦である。下側の密封面２６は、配管２２とボルト孔２４との間に、環状のガスケット収容溝３０を有する。
ガスケット収容溝３０は、断面が２等辺三角形をなし、左右の側壁が底側から開口側へと開く傾斜面３２になっている。
ガスケット収容溝３０には、金属ガスケット４０が収容される。金属ガスケット４０は、アルミニウムからなり、断面円形状をなし、ガスケット収容溝３０の周長さに対応する環状をなしている。
金属ガスケット４０は、ガスケット収容溝３０に収容された状態で、ガスケット収容溝３０の左右に存在する傾斜面の途中にそれぞれ当接して支持される。ガスケット収容溝３０のうち、金属ガスケット４０よりも底側には、下方に尖った三角形状の空隙３４があいている。金属ガスケット４０の上部は、ガスケット収容溝３０の開口面すなわち密封面２６よりも上方に突出している。金属ガスケット４０の上端と密封面２６との高さ位置の差が、いわゆる締め代になる。
【００３１】
〔密封構造〕
図１に示すように、ガスケット収容溝３０に金属ガスケット４０を装着したあと、図２に示すように、上下のフランジ１０、２０を閉じて、ボルト５０で締め付ける。
このとき、上側のフランジ１０の密封面１６を、金属ガスケット４０の上端に当接させて、ボルト５０による締め付け圧力を加える。金属ガスケット４０が変形し、密封面１６が下側の密封面２６と密着する。変形した金属ガスケット４０が、上下の密封面１６、２６に圧接されることで、金属ガスケット４０の内周側になる配管１２、２２の空間を、金属ガスケット４０よりも外周側の空間に対して、確実に遮断して密封することができる。
【００３２】
金属ガスケット４０の変形は、上側の密封面１６の平坦面と、下側のガスケット収容溝３０とで囲まれた三角形状の空間に規制されて起こる。変形したあとの金属ガスケット４０は、断面が概略三角形で各頂点が丸くなった「三角おむすび形」になる。
〔再使用〕
上記した配管のフランジ継手では、配管のレイアウト変更があったり、配管内の清掃、洗浄などの作業を行なったりする際に、フランジ１０、２０を開くことがある。必要な作業が終わった後、配管の再接続が行なわれる。
【００３３】
図２の状態で、ボルト５０を緩めて取り外し、フランジ１０、２０を開いたときには、金属ガスケット４０は、ガスケット収容溝３０の形状にしたがって埋め込まれた状態であり、下向きに尖った三角形状をなしている。ガスケット収容溝３０から金属ガスケット４０を取り出しても、前記三角形状のままである。
図３に示すように、配管の再接続を行なうまえに、ガスケット収容溝３０に再び金属ガスケット４０を装着する。このとき、金属ガスケット４０を、先の使用状態とは上下が逆になるように裏返して、ガスケット収容溝３０に装着する。金属ガスケット４０の三角形の頂点が上を向く姿勢になる。
【００３４】
下向き三角形のガスケット収容溝３０に、上向き三角形の金属ガスケット４０が配置されるので、金属ガスケット４０は、その一部のみしかガスケット収容溝３０に収められない。金属ガスケット４０の底辺が、ガスケット収容溝３０の左右に存在する傾斜面３２の途中に当接する。金属ガスケット４０の上部は、ガスケット収容溝３０の開口面すなわち密封面２６よりも、かなり上に突出した状態になる。この状態で、金属ガスケット４０の上端と密封面２６との距離が、次に密封使用する際の締め代になる。
図５は、金属ガスケット４０とガスケット収容溝３０との関係を詳しく示している。２点鎖線で示す金属ガスケット４０が、前記図２の状態を表す。金属ガスケット４０は、三角形の底辺４４が上側の密封面１６に当接し、残りの２辺がガスケット収容溝３０の左右の傾斜面３２に当接している。ガスケット収容溝３０の底側では、金属ガスケット４０の三角形の頂点４２よりも下側には空隙３４があく。
【００３５】
図５に実線で示す金属ガスケット４０は、図３の状態を表す。金属ガスケット４０の三角形状のうち、頂点４２が平坦な上側の密封面１６に当接し、三角形の底辺４４が、ガスケット収容溝３０の左右に存在する傾斜面３２の途中に当接している。
図４に示すように、前回の使用時と同様に、ボルト５０を取り付けてフランジ１０、２０を締め付け、密封面１６、２６を圧接して密封する。
金属ガスケット４０は、平坦な密封面１６と三角形状のガスケット収容溝３０との間に収まるように変形する。この状態は、前回の密封状態である図２とほぼ同じ状態であり、金属ガスケット４０による密封機能は十分に果たされる。
【００３６】
金属ガスケット４０の変形を詳しくみると、前記図３あるいは図５に示す、金属ガスケット４０の三角形の頂点４２が、平坦な密封面１６で押し潰されて、平坦な底辺４２になる。この変形に伴ない、ガスケット収容溝３０の内部では、左右の傾斜面３２に沿って、金属ガスケット４０が底側に膨れるように変形する。金属ガスケット４０の底側には空隙３４があいているので、金属ガスケット４０は比較的に容易に変形できる。その結果、金属ガスケット４０の下部中央が膨出して、三角形の頂点を形作ることになる。
なお、図４に示す今回使用時における金属ガスケット４０の形状と、図２の前回使用時における金属ガスケット４０の形状とは、厳密に一致するものではない。今回使用時のほうが、前回使用時よりも、高さ方向に押し潰された形状になるものと推定できる。
【００３７】
〔繰り返し使用〕
図４に示す再使用状態から、前回の使用時と同様に、フランジ１０、２０を開いて、金属ガスケット４０を取り出せば、さらに次回の使用も可能である。
すなわち、再使用状態から取り出した金属ガスケット４０も、断面形状は前回と同様に三角形状をなしているのであるから、もう一度、図５における頂点４２と底辺４４とが逆になるように裏返して使用すればよいのである。
フランジ１０，２０を開くたびに、金属ガスケット４０を取り出して、上下を逆に裏返して装着し直すという作業を行なうことで、同じ金属ガスケット４０を何度も繰り返し使用することが可能になる。
【００３８】
金属ガスケット４０が、前記した三角形状を維持していて、上下を逆にしてガスケット収容溝３０に収容したときに、ガスケット収容溝３０の上方に突出する部分の高さ、すなわち締め代が十分に確保されている限り、金属ガスケット４０による密封機能は発揮できる。
但し、金属ガスケット４０の使用を繰り返しているうちに、前記した三角形状が徐々に変化する。密封使用時に締め付け圧力が加わる上下方向に、三角形が扁平になるように変形する傾向がある。ガスケット収容溝３０に収容したときに、密封面２６よりも上方に突出する高さ、すなわち締め代が少なくなる。
【００３９】
その結果、金属ガスケット４０の密封機能は徐々に弱くなる。したがって、必要とされる密封機能が達成できなる限界回数を予測しておき、限界回数に達した金属ガスケット４０は廃棄するようにすればよい。新たな使用の前に、ガスケット収容溝３０に収容したときの金属ガスケット４０の突出量すなわち締め代を測定して、金属ガスケット４０の寿命あるいは性能低下を推測することもできる。
〔寸法条件〕
上記したような金属ガスケット４０の繰り返し使用を可能にするために、好ましい寸法条件がある。
【００４０】
金属ガスケット４０の変形は、金属ガスケット４０の材料特性、金属ガスケット４０およびガスケット収容溝３０の形状などの条件が決まれば、有限要素法などを適用して数値解析することで求められる。
図６に示すように、密封面２６のガスケット収容溝３０に金属ガスケット４０を収容し、金属ガスケット４０の上端に上側の密封面１６を配置した状態で、各部の寸法を規定する。
断面円形をなす金属ガスケット４０の直径がＤ、Ｖ字形をなすガスケット収容溝３０の開口幅がＷ、鉛直線に対する傾斜角度がθ、密封面１６、２６の間隔すなわち締め代がＧである。
【００４１】
有限要素解析の前提条件として、以下の条件を想定した。
金属ガスケットの材質：純アルミニウム相当の強塑性体。
密封面の材質：ＳＵＳ３０４相当の剛体、表面粗さＲｍａｘ＝２Ｓ。
摩擦係数：０．３、相対滑り速度：０．１。
ガスケット収容溝の溝中心径Ｄｍ：４０ｍｍ。
＜解析結果＞
有限要素解析によって求められた各部の好ましい寸法とその理由は、以下のとおりである。
【００４２】
ガスケット収容溝３０の開口幅Ｗ＝３〜１０ｍｍ。
開口溝Ｗが大きくなると、ガスケット収容溝３０に収容する金属ガスケット４０の直径Ｄが大きくなり、密封面１６、２６を閉じるための締め付け荷重が大きくなる。金属ガスケット４０の直径Ｄが小さ過ぎると、取り扱い難いという問題がある。適切な直径Ｄの金属ガスケット４０を使用して、適度な締め付け荷重で使用するには、前記開口幅Ｗの範囲が好ましい。
傾斜角度θ＝２０〜４５°、好ましくは２５〜４０°。
傾斜角度θによって、繰り返し使用したときの締め代量の減少度が変わる。締め代減少度を比較的小さい適度な範囲に設定するために、前記した傾斜角度範囲が好ましい。
【００４３】
第１回目使用時の締め代Ｇ／金属ガスケット直径Ｄ＝１０〜４０％、好ましくは２０〜３０％。
締め代Ｇが大きいほど締め付け荷重は大きくなる。第１回目使用時の締め代Ｇが変わっても、繰り返し使用による締め代の減少傾向の変化は少ない。第１回目使用時の締め代Ｇが大きいほど、その後の使用回でも締め代Ｇが大きくなり、繰り返し使用に有利である。金属ガスケット４０の断面積が、ガスケット収容溝３０の断面積よりも大きくなってしまうと、密封面１６、２６の締め切りができない。このような条件を考慮して、前記締め代Ｇの範囲が設定できる。
【００４４】
なお、有限要素解析の設定条件が変わると、前記各部寸法の好ましい条件も変わる可能性はあるが、実用的使用の範囲では、前記寸法条件の範囲に設定しておけばよい。
後述する断面八角形の金属ガスケット４０など、金属ガスケット４０の形状や寸法を変更した場合には、前記同様の有限要素解析を適用することで、それぞれの条件において、より適切な寸法範囲を求めることができる。
〔ガスケット収容溝の変更例〕
図７に示す実施形態は、ガスケット収容溝３０の形状を変更している。
【００４５】
図７（ａ）に示すガスケット収容溝３０は、概略ラッパ状をなす。ガスケット収容溝３０の左右の側壁が、底側から開口側へと曲線状に拡がる傾斜面３２になっている。
図７（ｂ）に示すガスケット収容溝３０は、２段Ｖ字形をなす。ガスケット収容溝３０の左右の側壁が、２段の傾斜面３２になっている傾斜面３２の鉛直方向に対する傾斜角度が、底側では小さく、開口側では大きい。この場合、金属ガスケット４０を収容したときには、傾斜面３２の上段側あるいは下段側の何れが当接してもよい。要求される密封機能に合わせて金属ガスケット４０の寸法形状を変えることで、金属ガスケット４０の当接個所の傾斜角度を選択的に変更し、密封性能を調整することが可能である。
【００４６】
〔多角形状の金属ガスケット〕
図８に示す実施形態は、多角形状の金属ガスケット４０を使用する。
図８（ａ）に示す金属ガスケット４０は、正四角形の対向する２辺を端から一定の距離まで斜めに切り落として、概略八角形にした形状を有する。金属ガスケット４０の四方の傾斜辺の傾斜角度θaが、ガスケット収容溝３０の傾斜面３２の傾斜角度θに合わせてある。
ガスケット収容溝３０に収容された金属ガスケット４０は、左右下部の傾斜辺が、ガスケット収容溝３０の傾斜面に当接して配置される。金属ガスケット４０の下辺より底側には空隙３４が構成される。金属ガスケット４０の上辺が上側の密封面１６に当接する。
【００４７】
この実施形態では、第１回目の使用時から、平坦な密封面１６およびガスケット収容溝３０の傾斜面３２に対して、金属ガスケット４０が、広い範囲で確実に当接することができる。前記した図６の実施形態における断面円形の金属ガスケット４０は、第１回目の密封使用時には、密封面１６およびガスケット収容溝３０傾斜面３２に対して、線接触している。図５に示す２回目の使用時にも、やはり、線接触になる。これに対し、図８に示すように、この実施形態では、第１回目の使用時でも、金属ガスケット４０が密封面１６および傾斜面３２の何れに対しても、面接触をしている。その結果、接触個所におけるなじみが良くなり、高い密封性能を発揮することができる。
【００４８】
金属ガスケット４０を裏返して再使用するときにも、八角形の傾斜辺がガスケット収容溝３０の傾斜面３２に確実に当接できる。使用を繰り返しても、常に、金属ガスケット４０と密封面１６および傾斜面３２との接触は十分な面積での面接触になる。
なお、この実施形態では、繰り返し使用しているうちに、金属ガスケット４０の八角形のうち、前記した傾斜辺が徐々に広くなり、高さ方向には短くなり、横方向に拡がるように変形するものと推測できる。
上記した実施形態は、八角形状の金属ガスケット４０を使用しているが、八角形以外の多角形でも同様の機能を果たすことができる。
【００４９】
例えば、図８（ｂ）に示す六角形の金属ガスケット４０が使用でき、１２角形なども採用できる。
〔保持部材の使用〕
図９に示す実施形態は、一対のフランジ１０、２０の中間に保持部材６０を配置する。
保持部材６０は、フランジ１０、２０と同様の材料からなり、概略円板状をなし、中心に貫通孔６２を有している。貫通孔６２は、上下の配管１２、２２を連通させてガスなどの流通を図る。
【００５０】
保持部材６０の上下の平坦な表面５１、５３のそれぞれに、ガスケット収容溝３０が設けられ、金属ガスケット４０が装着される。ガスケット収容溝３０は、前記した図１の実施形態と同様に左右対称の傾斜面３２を有しているとともに、平坦な底面を有しており、全体が逆台形状をなしている。
上下のフランジ１０、２０には何れも、平坦な密封面１６、２６が設けられる。
保持部材６０の上面６１と、上側のフランジ１０の密封面１６との間に、一つの密封構造が構成され、保持部材６０の下面６３と、下側のフランジ２０の密封面２６との間に、別のもう一つの密封構造が構成される。
【００５１】
上記の実施形態では、既存設備の一部品であるフランジ１０、２０の密封面１６、２６には、ガスケット収容溝３０を設けなくても良いので、製造や加工の手間が省ける。ガスケット収容溝３０がない一般的なフランジ継手に、本発明の密封構造を追加することも可能になる。
フランジ１０、２０の開け閉めおよび金属ガスケット４０の裏返し作業などを行う際には、フランジ１０、２０の間から、保持部材６０とともに金属ガスケット４０を出し入れすることができる。フランジ１０、２０の外で、保持部材６０から金属ガスケット４０を取り出したり、裏返して再装着したりする作業を行えば、作業が容易である。フランジ１０、２０の設置個所に作業スペースが取れなかったり、作業環境が良くなかったりする場合でも、保持部材６０を作業に適した場所に移動して必要な作業を行うことができる。
【００５２】
〔保持部材の変更例〕
図１０に示す実施形態は、前記実施形態と構造が異なる保持部材６０を使用する。
図１０（ａ）では、ガスケット収容溝３０の位置を、上下で内周側と外周側とに少しずらせて配置している。
これによって、保持部材６０の厚みを薄くすることができ、フランジ１０、２０による継手構造全体も短くなる。上下の金属ガスケット４０は環径が違うので、繰り返し使用しても、上下のガスケット収容溝３０に入れ間違うことがない。繰り返し使用の際に、保持部材６０を上下に裏返して使用すると、フランジ１０、２０の密封面１６、２６に対して金属ガスケット４０が当接する位置が変わることになり、密封面１６、２６の同じ位置ばかりに負荷が加わるのを軽減することができる。
【００５３】
図１０（ｂ）では、保持部材６０を、内外周に２分割している。内周部材６０ｂの傾斜した外周端面と、外周部材６０ａの傾斜した内周端面との間に、Ｖ字形のガスケット収容溝３０が構成される。
この実施形態では、密封使用後に、ガスケット収容溝３０から変形した金属ガスケット４０を取り出すのが容易になる。
すなわち、変形した金属ガスケット４０が、ガスケット収容溝３０の内部に密着して埋め込まれた状態になってしまった場合には、金属ガスケット４０を傷付けないように、ガスケット収容溝３０から引き出すのは、かなり技術あるいは力を要する。
【００５４】
しかし、内周部材６０ｂと外周部材６０aとを、軸方向〔図１０（ｂ）の上下方向）にずらすように動かして、内周部材６０ｂと外周部材６０aとを引き離せば、金属ガスケット４０はガスケット収容溝３０から容易に取り出せる。内周部材６０ｂと外周部材６０aとに操作力を加えるので、金属ガスケット４０に直接に大きな力を加えて損傷させる心配もない。
図１０（ｃ）の構造は、前記図１０（ａ）の構造と図１０（ｂ）の構造を組み合わせている。
内周部材６０ｂと外周部材６０ａとに分割構成され、両者の間に構成されるＶ字形のガスケット収容溝３０は、内外周にずらせて配置されている。
【００５５】
特に、内周部材６０ｂと外周部材６０ａとは、上下のガスケット収容溝３０を結ぶ線６４で分割されている。分割線６４で示される位置合わせ面を有することで、内周部材６０ｂと外周部材６０ａとの位置決めが正確になり、内周部材６０ｂと外周部材６０ａとの密封面６１、６３が上下にずれたり姿勢が傾いたりするようなことが防げる。
【００５６】
【実施例】
本発明の実施例となる密封構造の性能を評価した結果を示す。比較例として、従来のバネ入りＣ形リングによる密封構造についても性能を評価する。
〔実施例１〕
金属ガスケット：断面円形（図６参照）、直径Ｄ＝２ｍｍ、純アルミニウム製（硬度Ｈｖ＝２７）、環中心径４０ｍｍ。
フランジ：ＳＵＳ３０４製（表面粗さＲmax＝２Ｓ）、直径６０ｍｍ、厚み２０ｍｍ。
【００５７】
ガスケット収容溝：Ｖ字溝（図６参照、傾斜角度θ＝３０°、溝開口幅Ｗ＝３ｍｍ）。
したがって、金属ガスケットをガスケット収容溝に配置した図６の状態における初期締め代Ｇ＝０．４ｍｍになる。
〔実施例２〕
金属ガスケット：断面８角形〔図８（ａ）参照〕、幅２ｍｍ、高さ２ｍｍ、傾斜角度θa＝３０°、環中心径４０ｍｍ、材質は実施例１と同じ。締め代Ｇ＝０．４ｍｍ。
【００５８】
フランジおよびガスケット収容溝は、実施例１と同じ。
〔比較例１〕
ガスケット：バネ入りＣリング、外被材質アルミニウム、外被厚さ０．４ｍｍ、コイルバネ材質インコネル、バネ巻径２．６ｍｍ、バネ線径０．４ｍｍ、内径３７ｍｍ、断面径３．８ｍｍ。
フランジ：実施例１と同じ。
ガスケット収容溝：矩形溝、溝幅５．０ｍｍ、溝深さ３．０ｍｍ。
〔密封性試験〕
アムスラー圧縮試験機を用い、一対のフランジの間にガスケットを装着した状態で、厚み方向に圧縮負荷を加え、フランジの密封面同士が完全に密着する締めきり状態にした。ガスケットの内側になるフランジの中央空間にヘリウムリークディテクターを接続した。ガスケットの外側になるフランジの外部空間にヘリウムガスを供給した。ヘリウムリークディテクターで検出されたヘリウム量を、ガスケットの漏洩量として測定した。
【００５９】
上記測定を繰り返した。実施例１、２では、各測定回毎に、ガスケット収容溝から取り出したガスケットを上下に裏返してから、再装着を行なった。
〔試験結果〕
【００６０】
【表１】

【００６１】

＜評価＞
(1) 比較例１（従来のバネ入りＣリング）は、１回目の使用では、必要とされる密封性能が発揮できるが、繰り返し使用するごとに、急激に性能が低下して、第４回以後は、十分な密封性能は発揮できなくなる。
【００６２】
(2) 本発明の実施形態のうち、実施例１（断面円形）の場合、１回目の使用では、実用上は十分であるが、比較例１に比べると少し密封性能が劣る。しかし、使用回数が第２回から第３回と増えるにつれ、密封性能が向上している。その後は、第１６回まで繰り返しても、優れた密封性能を継続して発揮することができる。
実施例１の場合、数回の試験運用あるいは慣らし使用のあとで、実用に供すれば、最初の実用的使用回から高い密封性能を発揮させることができる。
(3) 実施例２（断面８角形）では、第１回から高い密封性能を発揮できており、第１６回まで安定した性能が発揮できている。
【００６３】
【発明の効果】
本発明にかかる金属ガスケットによる密封構造では、前記平坦部を有する密封面と、前記拡開部と空隙部とを有するガスケット収容溝を備えた密封面との間に金属ガスケットを装着して使用する。一旦使用し変形した金属ガスケットを裏返してガスケット収容溝に装着することで、再び、良好な密封性能を発揮することができる。その結果、金属ガスケットを裏返すという操作を行なうだけで、同じ金属ガスケットを何度も繰り返し使用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態を表す密封構造の密封前における断面図
【図２】 密封状態における断面図
【図３】 再密封前における断面図
【図４】 再密封状態における断面図
【図５】 金属ガスケットの収容状態を示す拡大断面図
【図６】 金属ガスケットの寸法関係を説明する断面図
【図７】 ガスケット収容溝の別の実施形態を示す断面図
【図８】 金属ガスケットの別の形態を示す断面図
【図９】 保持部材を使用する実施形態を示す断面図
【図１０】 保持部材の別の実施形態を示す断面図
【符号の説明】
１０、２０ フランジ
１６、２６、６１、６３ 密封面
３０ ガスケット収容溝
３２ 傾斜面
３４ 空隙
４０ 金属ガスケット
５０ ボルト
６０ 保持部材

Claims (4)

1. 一対の密封面の間に環状中実の金属ガスケットを挟み込んで金属ガスケットの内外周空間を遮断する密封構造であって、
   前記一方の密封面は、前記金属ガスケットの当接個所に配置された平坦部を有し、
   前記他方の密封面は、前記金属ガスケットが収容されるガスケット収容溝を有し、
   前記ガスケット収容溝は、前記金属ガスケットが当接する側壁に配置され底側から開口側へと開く拡開部と、前記金属ガスケットよりも底側に配置される空隙部とを有し、
   前記金属ガスケットは、前記一方の密封面に有する平坦部と、前記他方の密封面のガスケット収容溝に有する左右の側壁の拡開部との３個所に当接し、ガスケット収容溝に収容されたときに、金属ガスケットの一部がガスケット収容溝の外に突出する構造となっていることにより、一旦使用したガスケットを裏返して再使用可能であることを特徴とする、
   密封構造。
2. 前記ガスケット収容溝が、直線状の傾斜面からなる拡開部を左右の側壁に対称形状で備える、
   請求項１に記載の密封構造。
3. 互いの対向面にそれぞれ密封面を有する一対の密封部材と、前記一対の密封部材の中間に配置され、両面に密封面を有するガスケット保持部材とを備え、
   前記一方の密封部材の密封面と、この密封面と対向する前記ガスケット保持部材の片側の密封面との間に、前記請求項１または２に記載の密封構造からなる第１の密封構造を備え、
   前記他方の密封部材の密封面と、この密封面と対向する前記ガスケット保持部材の他側の密封面との間に、前記請求項１または２に記載の密封構造からなる第２の密封構造を備える、
   密封構造。
4. 一対の密封面の間に環状の金属ガスケットを挟み込んで金属ガスケットの内外周空間を遮断する密封方法であって、
   請求項１から３に記載の密封構造において、一方の密封面に有するガスケット収容溝に金属ガスケットを収容し、ガスケット収容溝から突出する金属ガスケットに他方の密封面の平坦部を当接させ、一対の密封面が密着するまで締め付けて、金属ガスケットの内外周空間を遮断する第１の使用段階と、
   先の使用段階の後で、前記一対の密封面を互いに開き、一方の密封面のガスケット収容溝に収容された金属ガスケットを取り出し、金属ガスケットを裏返す工程と、
   裏返した金属ガスケットを、前記一方の密封面に有するガスケット収容溝に収容し、ガスケット収容溝から突出する金属ガスケットに他方の密封面の平坦部を当接させ、一対の密封面が密着するまで締め付けて、金属ガスケットの内外周空間を遮断する第２の使用段階と、
   を含む密封方法。

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