(57)【要約】      （修正有）【課題】シール力の高いガス密封型メタルシールを低コストかつ安定した品質で製造する方法を提供する。【解決手段】常温環境で蒸発あるいは昇華する物質からなる封入体４を液体又は固体の状態で、メタルシールの材料となる金属管２に注入する封入体注入工程と、金属管２の両端どうしを環状に接合して管内を密封する接合工程と、を含むことを特徴とするガス封入型メタルシールの製造方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
常温環境で蒸発あるいは昇華する物質からなる封入体を液体又は固体の状態で、メタルシールの材料となる金属管に注入する封入体注入工程と、
前記金属管の両端どうしを環状に接合して管内を密封する接合工程と、
を含むことを特徴とするガス封入型メタルシールの製造方法。
【請求項２】
前記封入体注入工程では、常温常圧環境で前記封入体を前記金属管に注入し、
前記接合工程では、常温常圧環境で前記金属管の両端どうしを環状に接合して管内を密封する、
ことを特徴とする請求項１に記載のガス封入型メタルシールの製造方法。
【請求項３】
前記接合工程を、全ての前記封入体が前記金属管内で蒸発するより以前に完了させる、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のガス封入型メタルシールの製造方法。
【請求項４】
前記封入体注入工程の前処理として、前記金属管を冷却する冷却工程を、
さらに含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の封入型メタルシールの製造方法。
【請求項５】
前記封入体注入工程では、前記封入体として、ドライアイス、ナフタリン、液体窒素、または液体空気を用いる、
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の封入型メタルシールの製造方法。
【請求項６】
前記封入体注入工程では、前記封入体として、常温域での蒸気圧が大きい有機溶剤またはアルコールを用いる、
ことを特徴とする請求項１に記載のガス封入型メタルシールの製造方法。
【請求項７】
環状の金属管と、前記金属管に封入された封入ガスとを備え、
前記金属管の内圧が外圧より高い、
ことを特徴とするガス封入型メタルシール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温／低温／高圧環境下で内外域間を封止する際に用いられるガス封入型メタルシールおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高温／低温／高圧環境下で内外域の間を封止する際に、メタルＯリングなどの密閉型金属シールが広く用いられている。その中には密閉された環状の金属管内に封入ガスを封入することで構成されたガス封入型メタルシールがある。
【０００３】
ガス封入型メタルシールは、過酷な環境下での耐久性を維持するためにシール材として金属が用いられており、金属自身が有する弾性力と、さらには金属を密封管形状に成形したうえでその内部に封入ガスを封入することで得られる弾性力とによってガス封入型メタルシールはシール力を発揮している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２００１−９３８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ガス密封型メタルシールは、上述した材質，成形形状および封入ガスの圧力に起因する弾性力によってシール力を発揮しているが、その効果を得るために所望の圧力でガスを封入して金属シールを製造するためには、高圧容器中で封入・溶接するなどの特殊な工程が必要であり、溶接の健全性や内圧の精度などの品質を維持しながら安定して製造することが難しく、高コストとなっていた。
【０００６】
なお、金属管を密封することなく小さな開口を開けることで、金属管内の圧力を周囲の雰囲気圧力と同じにして弾性力を増強させることも考えられるが、そうすると、周囲の雰囲気ガスや湿気が金属管内に入り込んで腐食等の別の問題を生じさせるだけでなく、金属材料の熱的な物性変化（へたり）による弾性力低下を防ぐことができない。
【０００７】
本発明の課題は、シール力の高いガス密封型メタルシールを低コストかつ安定した品質で製造する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、常温環境で蒸発あるいは昇華する物質からなる封入体を液体又は固体の状態で、メタルシールの材料となる金属管に注入する封入体注入工程と、
前記金属管の両端どうしを環状に接合して管内を密封する接合工程と、
を含んでガス封入型メタルシールの製造方法を構成した。
【０００９】
上記構成によれば、金属管の両端どうしを環状に接合して管内に封入体を封入することにより、蒸発した封入体からなる封入ガスが金属管に充填される。しかも、封入ガスは、管内圧が管外圧より高い状態で金属管に封入される。このように形成された環状の金属管からなガス密封型メタルシールは、内圧が外圧より高い状態で封入された封入ガスが弾性媒体となってメタルシールの弾性力を補強するので、メタルシールのシール力が増強され、仮に高温で金属管の物性が低下しても弾性力を維持でき、安定したシール性を維持できる。
【００１０】
ここで、金属管の内圧は封入体（封入ガス）の封入量に比例するので、金属管に注入する封入体の量を調整することで、使用される温度や圧力などの環境下で所望するシール力を得るのに要する金属管の内圧を精度高く得ることができる。
【００１１】
なお、本発明には、
前記封入体注入工程では、常温常圧環境で前記封入体を前記金属管に注入し、
前記接合工程では、常温常圧環境で前記金属管の両端どうしを環状に接合して管内を密封する、
という態様がある。この態様によれば、封入体注入工程と接合工程とを常温常圧環境で実施することで、その作業性が向上するうえ、作業に要する費用が格段に削減される。
【００１２】
また本発明には、前記接合工程を、全ての前記封入体が前記金属管内で蒸発するより以前に完了させる、という態様がある。この態様によれば、全ての封入体が金属管内で蒸発するより以前に接合工程を完了させることにより、内圧を外圧より高くした状態で確実に金属管に封入ガスを封入することが可能になる。
【００１３】
また本発明には、前記封入体注入工程の前処理として、前記金属管を冷却する冷却工程をさらに含む、という態様がある。この態様によれば、冷却処理により金属管を常温域より低温にした状態で金属管に封入体を注入するので、注入した封入体の全ての蒸発が完了するまでに要する時間長は、冷却しない状態で金属管に封入体を注入する際より長くなる。その結果、接合工程に費やすことができる時間長が長くなり、その分、余裕を持って接合工程を実施することが可能になって作業性が向上する。さらには、接合封止された金属管の内圧は、接合完了後に蒸発する封入体の量に比例して上昇するが、金属管に注入した封入体の全ての蒸発が完了するまでに要する時間長が長くなる分、接合完了後に蒸発する封入体の量は多くなる。これにより、接合封止された金属管の内圧をさらに高めてシール力を向上させることが可能になるうえ、必要となる封入体の量を削減することが可能となる。
【００１４】
なお、本発明において、封入体注入工程で最適に用いることができる封入体としては、ドライアイス、ナフタリン、液体窒素、または液体空気がある。また、封入体注入工程では、封入体として、常温域での蒸気圧が大きい有機溶剤またはアルコールを用いることも可能である。
【００１５】
本発明のガス密封型メタルシールは、環状の金属管と、前記金属管に封入された封入ガスとを備え、前記金属管の内圧が外圧より高い、ことに特徴がある。これにより、内圧が外圧より高い状態で封入された封入ガスが弾性媒体となってメタルシールの弾性力を補強するので、メタルシールのシール力が増強される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ガス密封型メタルシールのシール力を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態のガス密封型メタルシールの構造を示す一部切欠斜視図である。
【図２】実施の形態のガス密封型メタルシールの製造方法を示すフローチャートである。
【図３】実施の形態のガス密封型メタルシールの製造途中の状態をそれぞれ示す平面図である。
【図４】実施の形態のガス密封型メタルシールの製造方法における時間経過の一部分を示す図である。
【図５】本発明の変形例のガス密封型メタルシールの製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るガス密封型メタルシールおよびその製造方法を説明する。図１は、実施の形態のガス密封型メタルシール１の構造を示す一部切欠斜視図である。メタルシール１は、環状の金属管２と、金属管２に封入された封入ガス３とを備えている。金属管２は炭素鋼，ステンレス鋼、銅および銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金、ニッケル基合金（例えばインコネル）等の金属をパイプ状に加工することで構成されている。金属管２はその両端どうしが溶接等の接合処理によって環状（通常は円環状であるが矩形環状等の他の環形状でもよい）に連結されて内部が密封されている。接合は、バット溶接、抵抗溶接、ガス溶接、ろう付け溶接等により実施されている。接合部２ａは、バリ除去処理がなされたうえで平滑仕上げが施されている。なお、接合部２ａには、この他、炭素鋼，ステンレス鋼、銅および銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金、ニッケル基合金（例えばインコネル）等の金属、あるいはフッ素系樹脂材料を用いた被膜処理やコーティング処理を施しても良い。
【００１９】
封入ガス３は、管内圧が外圧より高い状態で、金属管２に封入されている。金属管１の環体横断面形状はどのような形状であってもよく、例えば円形状や矩形状になっている。金属管２は、封止対象の大きさに応じて任意の大きさに成形されるが、大凡断面直径０．５〜３．０ｍｍ、外径１０〜３０００ｍｍ程度の環状形状を有している。封入ガス３は、炭酸ガス、ナフタレンガス、窒素ガス、空気の他、メタノール、エタノール、有機溶媒等の気化ガスからなる。
【００２０】
次に、このガス密封型メタルシール１の製造方法を図２のフローチャートと図３を参照して説明する。
【００２１】
炭素鋼，ステンレス鋼、銅および銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金、ニッケル基合金（例えばインコネル）等の金属をパイプ状に加工してなる金属管２を用意し、この金属管２を図３（ａ）に示すように環状に成形する。この段階では、環状の金属管２の両端部２ｂ、２ｂは接合させることなく、分離したままの状態としておく（金属管準備工程Ｓ１）。
【００２２】
次に、常温環境で蒸発あるいは昇華する物質からなる液体または固体からなる封入体４を用意する。この条件を満足する封入体４としては、常温環境での蒸気圧が大気圧より大きい物質がある。具体的には、ドライアイス（昇華性材料：固体状二酸化炭素）、ナフタリン（昇華性材料：固体）、液体窒素（低沸点材料：液体）、液体空気（低沸点材料：液体）等の他、一部の有機溶剤（高蒸気圧材料：液体）や、メタノール、エタノール等のアルコール類（高蒸気圧材料：液体）を選択することができる。なお、後述する工程では、これらの封入体４を常温環境で使用するため、次の準備が必要となる。すなわち、有機溶剤やメタノール、エタノール等は、常温常圧環境で液体となるため、密封すれば常温常圧環境で保管することができるが、ドライアイスや液体窒素や液体空気は、常温常圧環境では気体となるため、使用開始時点まで冷却保管することで固体／液体状態を維持しておく。また、ナフタリンは、常温常圧環境では固体であるものの昇華性材料であって非常に気化し易い物質であるため、冷却保管する必要は特にないものの気化しないように気密封止保管しておく（封入体準備工程Ｓ２）。なお、封入体準備工程Ｓ２は、金属管準備工程Ｓ１より先に行ってもよく、両工程Ｓ１、Ｓ２を並行に実施してもよいのはいうまでもない。また、本発明では常温を０〜４０℃と規定し、常圧を大気圧（１気圧）と規定する。
【００２３】
次に、図３（ｂ）に示すように、金属管準備工程Ｓ１で準備した金属管２の端部２ａからその管内に、封入体準備工程Ｓ２で準備した封入体４を液体又は固体の状態（非気化状態）で注入する（封入体注入工程Ｓ３）。封入体注入工程Ｓ３は常温常圧環境において実施する。ここで、液体または固体の状態（非気化状態）とは、次の状態をいう。すなわち、昇華性材料であるドライアイスやナフタリンは、常温常圧環境では急速に気化（蒸発）する。同様に、低沸点材料である液体窒素、液体空気は、常温常圧環境ではさらに急速に気化する。高蒸気圧材料である有機溶剤やメタノール、エタノールは、昇華材料や低沸点材料に比して若干緩慢ではあるものの、常温常圧環境では比較的急速に気化する。以上のことを鑑み、本発明においては、液体または固体の状態（非気化状態）で金属管２内に注入した封入体４の全てが気化することなく少なくともその一部が、液体または固体の形態のままで金属管２の内部に留まっている状態を、液体または固体の状態（非気化状態）と規定する。
【００２４】
次に、図３（ｃ）に示すように、封入体４を注入した環状の金属管２の両端部２ｂ、２ｂどうしを環状に接合して管内を密封する（接合工程Ｓ４）。接合工程Ｓ４は常温常圧環境において実施する。接合工程Ｓ４は、例えば、バット溶接、抵抗溶接、ガス溶接、ろう付け溶接等により実施する。接合工程Ｓ４は、次の期間が終了するまでに完了させる。すなわち、液体または固体の状態（非気化状態）で金属管２内に注入した封入体４が全て気化（蒸発）することなく少なくともその一部が、液体または固体の形態のままで金属管２の内部に留まっている期間中に接合工程Ｓ４を完了させる。接合工程Ｓ４が完了した時点では金属管２内に注入した封入体４の少なくとも一部が固体または液体の状態で留まっているので、停留している封入体４の気化（蒸発）が、接合後も、全ての封入体４の気化が終了するまで継続する。その結果、接合後に気化した封入体４の気化物からなる封入ガス３が金属管２内に封入される。さらには、このようにして封入される封入ガス３は、金属管２の内圧を外圧に比して高くした状態で金属管２に封入される。
【００２５】
このときの金属管２の内圧は、封入ガス３の封入量により調整することができる。封入ガス３の封入量は、封入体４の注入量、さらに具体的には、金属管２を接合した時点において液体または固体状態で金属管２内に残存している封入体４の残存量により調整することができる。
【００２６】
次に、接合工程Ｓ４が完了した環状の金属管２の接合部２ａのバリ除去処理を行い、さらに、平滑仕上げを施すことで、ガス密封型メタルシール１が完成する（仕上げ工程Ｓ５）。なお、接合部２ａには、この他、銀、インジウム、アルミニウム、金、ニッケル、クロム等の金属、あるいはフッ素系樹脂材料を用いた被膜処理やコーティング処理を施しても良い。
【００２７】
このようにして製造されたガス密封型メタルシール１では、封入ガス３が、管内圧が管外圧より高い状態で金属管２に封入される。管内圧が管外圧より高い状態で封入ガス３が封入された金属管２では、封入ガス３が弾性媒体として機能して、環状の金属管２の弾性力を補うことになる結果、メタルシール１のシール力が増強されるとともに、シールの形状追随性が向上する。これにより、封止対象に内圧変化や振動が生じる環境下においてガス密封型メタルシール１を使用しても良好なシール性能を得ることができる。
【００２８】
さらには、超高温環境で使用されるガス密封型メタルシール１では、金属管２の強度が低下してしまうが、高圧状態で封入された封入ガス３が発揮する弾性力が金属管２の強度低下を補うために、その場合であってもシール性能が維持される。
【００２９】
また、薄肉の金属から金属管２を構成した場合、ガス密封型メタルシール１を組み込んで締め付けると、封入ガス３が高圧状態で封入された金属管２が容易に変形するため、シール取付部材に塑性変形等の物理的局所ダメージを与えることなく、圧力変動にもよく追随し、かつ比較的小さな締め付け力でガス密封型メタルシール１を装着した状態で良好なシール力を得ることができる。
【００３０】
ガス密封型メタルシール１の内圧は次のようにして調整される。すなわち、使用環境温度におけるガス密封型メタルシール１の内圧を計算した結果に基づいて、最適内圧を算出し、その最適内圧となるように、ガス密封型メタルシール１の内圧は調整される。ガス密封型メタルシール１の内圧は、金属管２を封止した後に気化する封入体４の量（以下、封入ガス量という）に比例する。さらには、封入ガス量は、封入する封入体４の量と、金属管２を封止した封止時点ａから全ての封入体４の気化が終了する気化終了時点ｂまでの期間ｔ１（図４参照）の時間長とにそれぞれ比例し、封入体４の封入量が増加するまたは期間ｔ１の時間長が増加すれば封入ガス量が増加する。そのため、封入体４の封入量と、期間ｔ１の時間長とを調整することで、ガス密封型メタルシール１の内圧を精度高く制御することができる。
【００３１】
ガス密封型メタルシール１の製造方法には次の変形例がある。すなわち、封入ガス量を増やすためには、封入体注入工程Ｓ３を実施したのち接合工程Ｓ４が完了するまでに気化する封入体３の気化量（以下、漏洩気化量という）をできうる限り少なくする必要がある。漏洩気化量を少なくするためには、封入体注入工程Ｓ３を実施したのち可及的速やかに接合工程Ｓ４を実施すればよいのであるが、接合工程の工程短縮化には限界がある。
【００３２】
本変形例では、漏洩気化量を少なくするために、封入体注入工程Ｓ３を実施した注入時点ｃから接合工程Ｓ４が完了する封止時点ａまでの期間ｔ２（図４参照）における封入体４の気化速度に着目する。すなわち、この期間ｔ２における封入体４の気化速度を遅くすれば、接合工程Ｓ４を余裕を持って実施することが可能になるうえに漏洩気化量を減少させることも可能になる。封入体４の気化速度を遅くするためには、注入された封入体４を冷却によって低温保持することで、この期間における単位時間あたりの封入体４の気化量を少なくすればよい。
【００３３】
そこで、本変形例では、図５に示すように、封入体注入工程Ｓ３の前工程として、金属管冷却工程Ｓ３−１を追加している。これにより、封入体注入工程Ｓ３で金属管２に注入された封入体４の温度は、前処理である金属管冷却工程Ｓ３−１で冷却された金属管２によって比較的長期に亘って低温保持される結果、単位時間あたりの気化量が少なくなって漏洩気化量が減少する。
【符号の説明】
【００３４】
１  ガス密封型メタルシール
２  金属管
２ａ  接合部
３  封入ガス
４  封入体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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