(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合タイプの金属製のシール用Ｏ−リングであって、
金属製のトーラス形状の中空中央ボディ（３１）と、この金属製ボディを覆う少なくとも１つの金属シート（３２）と、を具備してなり、
前記中央ボディは、円筒（１６，２８）の両端部を連結することによってトーラス形状とされて形成されたものであり、
前記円筒は、断面視においてオーバーラップ部分（α）を有し、
それらオーバーラップ部分は、互いに隣接して配置されていることを特徴とするシール用Ｏ−リング。
【請求項２】
前記円筒（１６）は、円筒形態とされた複数の平行ストリップ（１４）を備え、
これら複数の平行ストリップの主面が、前記中央ボディの前記トーラス形状をもたらしていることを特徴とする請求項１記載のシール用Ｏ−リング。
【請求項３】
前記複数の平行ストリップは、金属製連続部（１５）によって互いに連結されていることを特徴とする請求項２記載のシール用Ｏ−リング。
【請求項４】
前記複数の平行ストリップ、および、前記金属製連続部は、平坦に展開された状態においては、櫛形状をなす中央ボディをもたらすことを特徴とする請求項３記載のシール用Ｏ−リング。
【請求項５】
前記円筒（２８）は、金属ワイヤ（２１）から構成されていることを特徴とする請求項１記載のシール用Ｏ−リング。
【請求項６】
前記金属ワイヤは、平坦に展開した状態においてはジグザグ構成（２０）をなす所定長さの単一ワイヤから形成された部材であり、
前記ジグザグ構成は、互いにほぼ平行な直線部分（２５，２６）と、各直線部分を先の直線部分に対して連結するためのまた次なる直線部分に対して連結するための連結部分（２７）と、を備え、
前記連結部分（２７）が、前記円筒（２８）の前記オーバーラップ部分（α）を構成することを特徴とする請求項５記載のシール用Ｏ−リング。
【請求項７】
複合タイプの金属製のシール用Ｏ−リングを製造するための方法であって、
トーラス形状の中空の金属製中央ボディ（３１）を形成するステップと、
前記中央ボディを少なくとも１つの金属シート（３２）で覆うステップと、
を具備してなり、
前記中央ボディの形成ステップにおいては、
−金属シート（１１）に適切な寸法の切欠（１３）を部分的に形成することにより、金属製連続部（１５）によって互いに連結されているとともに前記金属製連結部に対して垂直に延在している複数の平行ストリップ（１４）を形成し、
−前記金属シートに対して平行でありかつ前記ストリップに対して垂直な軸（１２）回りに、前記ストリップどうしがオーバーラップ部分（α）を形成するようにして、前記金属シートを巻回することにより、円筒（１６）を形成し、
−前記円筒の両端部を連結することにより、トーラス形状の前記金属製中央ボディを得ることを特徴とする方法。
【請求項８】
複合タイプの金属製のシール用Ｏ−リングを製造するための方法であって、
トーラス形状の中空の金属製中央ボディ（３１）を形成するステップと、
前記中央ボディを少なくとも１つの金属シート（３２）で覆うステップと、
を具備してなり、
前記金属製中央ボディの形成ステップにおいては、
−所定長さの金属製ワイヤ（２１）を成形することにより、前記ワイヤが平坦に展開されたときには、互いにほぼ平行な直線部分（２５，２６）と、各直線部分を先の直線部分に対して連結するためのまた次なる直線部分に対して連結するための連結部分（２７）と、を備えてなるジグザグ構成（２０）を形成し、
−前記ジグザグ構成の長さ方向に対して平行でありかつ前記直線状部分に対して垂直な軸（２４）回りに、前記連結部分（２７）どうしがオーバーラップ部分（α）を形成するようにして、前記ジグザグ構成を巻回することにより、円筒（２８）を形成し、
−前記円筒の両端部を連結することにより、前記金属製中央ボディをなすトーラス形状を得ることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スプリングを備えた複合タイプの金属製シールに関するものである。また、このタイプのシールの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静的シールの分野においては、例えば、シールを備えたボルトタイプの組立体の分野またはシールを備えたネジ結合の分野においては、ここ３０年にわたって、機械的機能、弾性機能、および、シール機能の分離をベースとして、フレキシブルな金属製Ｏ−リングが開発されてきた。この原理に基づいて、通常は大きな降伏応力を備えたスプリング材料から形成された弾性コア（Ｃ形断面）としての、閉塞チューブまたは開放チューブが使用され、そして、延性のある金属から形成された独立の薄いシートでこの弾性システムを覆うか、あるいは、基体上に直接的に表面コーティングを施してこの弾性システムを覆うか、のいずれかを行う。また、隣接するターンが自身において閉塞するような螺旋スプリングによって中央ボディが形成されるとともに、この中央ボディの外側が金属製シートによって覆われた、複合型Ｏ−リング（ＣＥＦＩＬＡＣによる「Ｈｅｌｉｃｏｆｌｅｘ」）が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この構成は、非常に大きなシール性能を有したシールをもたらす。しかしながら、必要とされる締付力が、弾性体から形成されたＯ−リングの場合に必要とされる締付力と比較して、５〜４０倍と大きなものとなってしまう。締付力が小さいと、シール性能が落ちてしまうことは、明らかである。
【０００４】
これらシールの機械的特性を検証すると、言い換えれば、シールを締め付けるためにシールに対してもたらされる直線力Ｅ1 、および、シールの圧縮度合いｅを測定すると、図１のグラフに示すような曲線１が得られる。同じグラフ上に、単位面積あたりの接触圧力Ｐの変化を重ね合わせると、言い換えれば、直線力と、Ｏ−リング・シール接触面間の接触幅と、の間の関係を同じグラフ上に重ね合わせると、図１のグラフに示すような曲線２が得られる。曲線２は、Ｏ−リングの圧縮度合いが１０分の数ミリのところにおいては単位面積あたりの接触圧力が非常に急激に上昇するものの、最大値を通り過ぎると非常に速く減少してしまうことを、示している。このことは、シールハウジングにおいて通常通りに圧縮を行った場合には、シールがダメージを受ける危険性があることにより、大いなる欠点である。
【０００５】
弾性Ｏ−リングコアを有しているこれらすべての金属製シールは、共通して、とりわけ、印加された力の影響によって楕円形となるような何らかの部分を備えている。曲率半径が大きくなると（Ｈｅｒｔｚの表現）、このような楕円形への変形によってシール・接触表面間の接触面積が増大し、したがって、単位面積あたりの接触圧力が減少することとなる。曲線１の勾配は、ある圧縮値ｘe （図１参照）を超えると急激に減少する。一方、曲率半径は、増大する。
【０００６】
本発明は、スプリングを備えた複合型金属製シールの圧縮時に、Ｏ−リング部分の楕円変形の問題に打ち勝ち得るよう構成されたものである。したがって、本発明においては、単位面積あたりの接触圧力の減少を防止することができ、全体的な力を小さくすることができる。
【０００７】
より詳細には、本発明の目的は、シールと、径方向力を受ける弾性部材の接触面と、の間の接触点において、曲率半径の変化を起こさせないことであり、また、逆に減少させることである。（これに対して、従来技術の場合の）Ｃ形断面とされたシールを締め付けた場合には、形成される円が楕円形になってしまい、これにより、特に、シール・接触面間の接触点における曲率半径Ｃの増大化がもたらされ、この場合には、締付力を増加させなければならなくなる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、複合タイプの金属製のシール用Ｏ−リングであって、金属製のトーラス形状の中空中央ボディと、この金属製ボディを覆う少なくとも１つの金属シートと、を具備してなり、前記中央ボディは、オーバーラップ部分を有した状態で前記トーラス形状の大円に沿って配置された巻回スプリングを形成するための一連の手段を備え、巻回スプリングを形成するための前記手段は、互いに隣接して配置されているとともに、互いに非接触状態で配置されていることを特徴とするシール用Ｏ−リングである。
【０００９】
本発明においては、（例えば、締付力が印加されたときに、この締付力によってもたらされるような）ターンを巻き込むような力は、シール・接触面間の接触点において、曲率半径を減少させる（すなわち、締付力がかかった場合には、中央ボディは、オーバーラップ部分が増大するように変形するので、中央ボディが円形を維持することができて（ただし円の半径は小さくなる）、中央ボディは、楕円形に潰れることがない）。このような曲率半径の変化によって、（同じ接触圧力を得るための）締付力が低減できという機能がもたらされる。
【００１０】
本発明によるシール用Ｏ−リングは、Ｃ形状がほとんど閉塞しているにしても、弾性コアとしてＣ形断面の開口チューブを使用しているＯ−リングとは、機能的に異なっている。この場合、本発明によって得られる効果は、そのような従来品では得られない。その理由は、従来技術によるそのようなシールを締め付けたときには、Ｃ形状の両端部の閉塞箇所において、金属の叩きつけ（または、シールの軸の位置に依存した伸び）が起こるからである。したがって、本発明においては、中央ボディの断面における閉塞を容易とするために、周方向の不連続性が必要であることが示されている。この不連続性は、巻回スプリングを形成するための手段が互いに隣接して配置されているとともに互いに非接触状態で配置されている場合に、得られる。
【００１１】
第１実施形態においては、巻回スプリングを形成するための手段は、巻回状態とされた複数の平行ストリップを備え、これら複数の平行ストリップの主面が、中央ボディのトーラス形状をもたらす。複数の平行ストリップは、金属製連続部によって互いに連結することができる。よって、平坦に展開された状態においては、中央ボディとして、櫛形状を得ることができる。
【００１２】
第２実施形態においては、巻回スプリングを形成するための手段は、金属製ワイヤである。有利には、金属製ワイヤは、平坦に展開した状態においてはジグザグ構成をなす直線状部分を形成するような、同じ長さワイヤから形成された部材であり、この場合、ジグザグ構成は、円筒形態に巻回されこの円筒の両端部が連結されたときにはトーラス形状を形成するようなものである。
【００１３】
本発明の他の目的は、複合タイプの金属製のシール用Ｏ−リングを製造するための方法であって、トーラス形状の中空の金属製中央ボディを形成するステップと、前記中央ボディを少なくとも１つの金属シートで覆うステップと、を具備してなり、前記中央ボディの形成ステップにおいては、
−金属シートに適切な寸法の切欠を部分的に形成することにより、金属製連続部によって互いに連結されているとともに前記金属製連結部に対して垂直に延在している複数の平行ストリップを形成し、
−前記金属シートに対して平行でありかつ前記ストリップに対して垂直な軸回りに、前記ストリップどうしがオーバーラップ部分を形成するようにして、前記金属シートを巻回することにより、円筒を形成し、
−前記円筒の両端部を連結することにより、トーラス形状の前記金属製中央ボディを得ることを特徴とする方法である。
【００１４】
最後に、本発明のさらに他の目的は、複合タイプの金属製のシール用Ｏ−リングを製造するための方法であって、トーラス形状の中空の金属製中央ボディを形成するステップと、前記中央ボディを少なくとも１つの金属シートで覆うステップと、を具備してなり、前記金属製中央ボディの形成ステップにおいては、
−所定長さの金属製ワイヤを成形することにより、前記ワイヤが平坦に展開されたときには、互いにほぼ平行な直線部分と、各直線部分を先の直線部分に対して連結するためのまた次なる直線部分に対して連結するための連結部分と、を備えてなるジグザグ構成を形成し、
−前記ジグザグ構成の長さ方向に対して平行でありかつ前記直線状部分に対して垂直な軸回りに、前記連結部分どうしが交互に相互拘束されているようにして、前記ジグザグ構成を巻回することにより、円筒を形成し、
−前記円筒の両端部を連結することにより、前記金属製中央ボディをなすトーラス形状を得ることを特徴とする方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照した、非限定的な例示としての、以下の説明により、本発明が一層明瞭に理解され、本発明の他の詳細および特徴点が一層明瞭となるであろう。
【００１６】
図１は、従来技術によるＯ−リングの特性を示すグラフである。
図２（ａ）、図２（ｂ）、および、図２（ｃ）は、本発明によるシール用Ｏ−リングにおける中央ボディの第１実施形態を示す図である。
図３（ａ）、図３（ｂ）、および、図３（ｃ）は、本発明によるＯ−リングにおける中央ボディの第２実施形態を示す図である。
図４は、本発明によるＯ−リングを一部断面でもって示す図である。
図５は、本発明によるＯ−リングの特性を示すグラフである。
【００１７】
第１実施形態においては、Ｏ−リングの中央ボディは、図２（ａ）に示すように、切欠付きの金属シートから形成されている。図においては、例えば鋼製とされたシート１１が示されており、このシート１１は、長さ方向軸１２を有している。シート１１には、軸１２に対して垂直に、切欠１３が形成されている。切欠１３は、シートの同じ側から形成されている。これにより、同じ幅とされた一連の平行ストリップ１４が形成されている。隣接した２つのストリップは、切欠１３に対応した所定距離だけ離間されている。切欠１３は、金属製連続部（または、ヒール部）１５を残すようにして形成されている。したがって、切欠付き金属シートは、ヒール部が設けられた薄い櫛の形態とされている。ヒール部は、必要最小限の幅とされており、トーラスの周縁回りに複数のストリップ１４を一様に分布させ得るよう、複数のストリップ１４を互いに機械的に連結するという機能を有している。このヒール部は、例えば櫛の中央部といったように、縁部以外の他の任意の場所に形成することができる。
【００１８】
金属シート１１を軸１２回りに巻くことにより、図２（ｂ）において側面図として示すような、円筒１６が得られる。シートを巻く際には、金属シートの部分的なオーバーラップが得られるようにして、巻かれる。このようなオーバーラップは、円筒１６の一端部を示している図２（ｃ）において、より明瞭に示されている。角度αとされたこのオーバーラップ部分は、形成される円の円周長さを低減させるような形態での（角度αを増大させるような形態での）巻回スプリングの巻込を開始するために（このような巻込は、例えば、締付力によってもたらされる）、不可欠である。
【００１９】
第２実施形態においては、Ｏ−リングの中央ボディは、例えば、円形横断面を有した鋼製とされた、金属ワイヤから形成することができる。このワイヤは、最初は、平坦面上において、図２（ａ）に示すようなジグザグ構成２０に形成されている。図においては、金属ワイヤ２１のジグザグ構成が、軸２４の両側に位置した、２つの平行な軸２２、２３間に形成されていることが示されている。ジグザグ構成をなす各ループは、互いにほぼ平行とされた、言い換えれば、軸２４に対してほぼ垂直とされた、直線部分２５、２６と、これらを連結している短い連結部分２７と、を備えている。
【００２０】
ジグザグ構成２０を軸２４に関して巻くことにより、図３（ｂ）において側面図として示すような、円筒２８が得られる。ジグザグ構成を巻く際には、連結部分２７が交互に配置されるようにして、巻かれる。
【００２１】
図３（ｃ）は、円筒２８の一端部を示す図である。図３（ｃ）においては、直線で囲まれた部分の重なり角度が、角度αで示されている。
【００２２】
いずれかの実施形態によって得られた円筒は、その後、円筒の両端部を連結して、トーラス形状を形成するように、変形される。得られた中央ボディに対しては、１つまたは複数のスキンを被覆することができ、これにより、小さな硬さを有した、本発明によるＯ−リングが得られる。スキン材料は、好ましくは、インジウム、錫、鉛、金、アルミニウム、といった延性のある金属の中から、あるいは、これらのうちの１つの金属の合金の中から、選択される。
【００２３】
巻回スプリングの開口は、応用に応じて任意の向きとすることができ、巻き上げによって、決して圧縮を妨げることがない。
【００２４】
図４は、本発明によるＯ−リングの完成品を示している。完成品は、その一部が断面図として示されている。この断面は、例えば上記の第１実施形態に示したような、巻回スプリングを形成する部材とされた、金属製中央ボディ３１を示している。この金属製中央ボディ３１は、延性のある金属から形成されたスキン３２の内側に位置している。この場合、スキン３２は、開口した円を形成している。
【００２５】
このタイプのシールの特性を示すグラフが、図５に示されている。図１に図示された従来技術によるシールに関するグラフと比較すれば、曲線４１によって示されている圧縮−解除サイクルにおいて、解除後の永久変形が小さいことがわかる。楕円形となってしまうような、従来技術によるシールにおけるスプリングとは違って、本発明によるシールにおける巻回スプリングは、実用上、スプリングの弾性変形領域内に留まっている。そして、曲線４２で示されているように、境界部分における単位面積あたりの接触圧力が、常に単調に増加している。したがって、過度の圧縮によってダメージを受ける危険性がない。
【００２６】
とりわけ、このタイプのシールは、
−半導体産業におけるＰＶＤ（物理的気相蒸着）およびＣＶＤ（化学気相蒸着）のための表面処理装置において、
−真空産業および超高真空産業において、特に、加速器や物理実験装置において、
−より一般的には、静的シール部材として弾性体シールを使用するすべての装置において、
使用することができる。本発明によるシールは、有利には、弾性体シールと置換される。その場合、装置の締付能力を変更しなくても、脱ガスや劣化現象を除去することにより、汚染の危険性を制限することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術によるＯ−リングの特性を示すグラフである。
【図２】  本発明によるシール用Ｏ−リングにおける中央ボディの第１実施形態を示す図である。
【図３】  本発明によるＯ−リングにおける中央ボディの第２実施形態を示す図である。
【図４】  本発明によるＯ−リングを一部断面でもって示す図である。
【図５】  本発明によるＯ−リングの特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１１  金属シート
１２  軸
１３  切欠
１４  ストリップ
１５  金属製連続部
１６  円筒
２０  ジグザグ構成
２１  金属ワイヤ
２４  軸
２５  直線部分
２６  直線部分
２７  連結部分
２８  円筒
３１  中央ボディ
３２  スキン（金属シート）
【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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