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JP3711365B2 - コンポーネント対コンポーネントのシール方法 - Google Patents

コンポーネント対コンポーネントのシール方法 Download PDF

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Description

【0001】
発明の背景
本発明は流体を流すコンポーネントに関する。さらに詳しくは、本発明はフルオロポリマーのカップリングに関する。
【0002】
多くの業界および多くの用途においては、金属のチューブ、フィッティングおよび種々の他の「配管」コンポーネントを使用して重要な流体の流れを処理し制御している。このようなコンポーネントは銅、ステンレススチールおよびスチールで形成することができる。処理されている流体に大きな圧力がかかっている場合、あるいは、封入の完全性が重要である場合には、一般的には、Oリングおよび柔軟性のあるフラットガスケットなどのシールが用いられる。
【0003】
半導体の加工など特定の用途では、含まれる流体は金属成分および従来のガスケット及びエラストマのOリングと反応し、および/またはこれらの使用によって汚染される可能性がある。したがって、このような業界では、浸水コンポーネントに対しては、配管コンポーネントはフルオロプリマ、すなわち、PFAおよびPTFEなどの不活性度の高い材料から製造される。このような用途では、エラストマのOリングは、典型的には、フルオロポリマーのコーティングの中に封入されたシリコンなどの第1の従来のエラストマ材料とあわせて2つの材料から形成される。これらのOリングは高価であり、劣化しやすく、典型的には単一の使用と考えられる。
【0004】
Oリングを使用しないフルオロポリマーコンポーネントの間を接続するために、種々のフルオロポリマーに基づいたフィッティング(fittings)及びカップリング(couplings)が発展してきた。従来技術を示す図1を参照すると、1つの典型的なタイプのフィッティングは、業界では、FLARETEK(商標名)フィッティングとして知られている。FLARETEKはこの特許出願の譲受人であるフルオロウェア・インコーポレーテッド(Fluoroware. Inc.)の登録商標である。このようなフィッティング30では、ねじ付きネック34を伴う長いテーパー状のノーズ部32が管の端部36の中に係合している。管の端部36はテーパー状のノーズ部にフィットするようにフレア状になっている。フレア部38は内側の円筒面40を有し、その円筒面40はノーズ部32の外側の円筒面42の外径に合った内径を有する。したがって、ノーズ部はフレア部38の中に「入れ子状」になる。ナット44がフレア部をノーズの上に固定させ、フィッティング本体とパイプ部のフレア部との間にシール46を形成する。パイプのフレア状の端部は、一般に、パイプを加熱し、加熱された可鍛性のパイプの端オス型チールの型を使用して所望のフレア状の形状に成形することによって形成される。
【0005】
従来の技術においては、種々の他のタイプのフルオロポリマーフィッティングが知られている。一部のフィッティングは別のグリッパ部または内部のフェルールを使用している。たとえば、米国特許第3,977,708号及び第4,848,802号を参照されたい。フルオロポリマーバルブとフルオロポリマーマニフォールドなどのコンポーネントとの間を接続するために、コンポーネント間のシールの完全性は、典型的には、ガスケットまたはフルオロポリマーで覆われたOリングによって達成される。ある場合には、Oリングまたはガスケットなしの環状の溝型(tongue-in-groove)接続がうまく利用されている。これらの接続には欠点がる。それは、公差0.0005インチの精密な機械加工を必要とすることであり、また、対応する部品を正しく並べることが難しい可能性があるとことである。さらに、これらの接続は切り傷またはひっかき傷に弱く、接続の完全性を損なう可能性がある。このような溝型フィッティングは米国特許第5,645,301号に示されている。米国特許第3,977,708号、第4,848,802号、および第5,645,301号は本明細書において文献援用される。
【0006】
発明の概要
フルオロポリマーのバルブ本体及びフルオロポリマーのマニフォールドなどのコンポーネント間のシール、又はパイプの端部の結合に適した理想的なカップリングはシール面を限定するのに前記コンポーネント上の構造を利用している。
【0007】
好ましい実施形態では、この結合はノーズとも呼ばれるオス型の突出部と、凹状のメス型の受容部と、クランプ手段とを有する。クランプ手段はオス型の突出部の対応するねじ付き部分に係合するためのねじ付き内面を有している。オス型の突出部は、一般に、外面、一次シール面、第1のストップ面、第2の共同ストップ面及び流体フローダクトを有する収束する湾曲した錐台として形成される。流体フローダクトは、好ましくは、同心状に配置される。
【0008】
凹部は円形の周辺部、内向きに突出した環状リング、第1の共同ストップ面、第2のストップ面および流体フローダクトを有する。凹部の流体フローダクトは、流体を流す連続的なボアを形成するために、オス型の突出部の流体フローダクトと共同するように形成されている。オス型の突出部は一次シール面と環状のシールリングとの対面によってシールを形成する。
【0009】
本発明の特定の実施形態の利点と特徴は、オス型の突出部が他の周知のコンポーネント対コンポーネントのシールシステムより緩い公差で容易に製造できることである。
【0010】
本発明の特定の実施形態のさらなる利点と特徴は、シールコンポーネントが自動芯合せ機能を有しており、組み立てが容易になっていることである。
【0011】
本発明のさらなる利点と特徴は、基部対基部の接触によって、確実なストップが形成されており、ねじによるトルクが過剰に加えられても、シール部のシール特性に影響が与えられないことである。さらに、環状リングの最適の圧縮がストップ面の接触において設定できる。
【0012】
本発明の別の利点と特徴は、シール面に対する負荷は係合の方向から所定の角度だけ変位していることである。これによりコンポーネント間不均一な圧縮が抑制され、効果的なシールが可能になる。
【0013】
詳細な説明
本発明によるプラスチックのカップリングは種々の用途、たとえば、二つの管状パイプ部分の連結、管状パイプ部分とバルブまたはマニフォールドなどの部材との結合、またはバルブとマニフォールドとの結合などの用途に使用することができる。
【0014】
図2、図3、図4を参照すると、本発明の実施形態にしたがってマニフォールド52に取り付けられたバルブ50が示されている。この実施形態のバルブ50は従来の空気圧作動式のダイアフラムバルブとして示されている。このバルブは2つのフローダクトを有し、これら2つのフローダクトは、説明のために、流体入り口54及び流体出口56として示されている。明らかに、流体はどちらの方向にも流れ得る。マニフォールド52は、実質的に、ブロック51として構成することができる。このブロックはそれを通じて延びる流体流路58を有するものである。ボア58におけるブロックマニフォールド52は当業界で周知のFLARETEKタイプのカップリング60と接続してもよい。同様に、各バルブの入り口はFLARETEKカップリング60によってパイプに適切に接着することができる。マニフォールド52のバルブ50は、次に説明するように、カップリング61によって順次ブロック51に結合され、ねじ及びナットなどのクランプ手段59によって固定される。
【0015】
図3、図5、図6および図7を参照すると、カップリングの実施形態の詳細が示されている。このカップリングはノーズとして形成されたオス型の突出部62と、凹状のメス型の受容部64とを有する。ナットはねじ付きの内面90を有し、オス型の突出部に設けられている対応するねじ付き部分88と係合するようになっている。
【0016】
オス型の突出部62はフランジ部67、収束する湾曲した錐台部65.1、軸a1、外面68、一次シール部71、一次シール面69、第1のストップ面78、第2のストップ面82、および流体フローダクト70を有する。この実施形態における流体フローダクトは錐台部に対して同心状に配置されている。
【0017】
メス型の受容部64は、円形の周辺部72と中間部69.1とを有する凹部65、軸a2、一次シール部、上部平坦面として形成された第の共同ストップ面80、下部平坦面として形成された第1の共同ストップ面76、および流体フローダクト70とを有する。一次シール部は半径方向内向きに突出した一体状の環状リング74として形成されている。そして、その環状リングは一次シール面75を有している。この実施形態では、環状リングはその断面においてコーナ形状を有する。凹部の流体フローダクトは突出部の流体フローダクトと共同して、流体が流れるための流体流路58を形成する。留意すべきは、第1及び第2のストップ面は二次シール面としても機能することである。
【0018】
図5、図6、図7を参照すると、バルブおよびマニフォールドなどの構成要素は係合し、オス型の突出部62は環状リング74と外面68とのインタフェース84において凹状のメス型の受容部64に対面している。図6に示されるように、オス型の突出部が凹状のメス型の受容部に挿入されると、環状リング74は外面68に接触する。このとき、第1の共同ストップ面76と第1のストップ面78との間にわずかな空隙86が存在し、また、第の共同ストップ面80と第2のストップ面82との間にもわずかな空隙86が存在する。
【0019】
クランプ手段59をカップリングのオス型の突出部62のねじ付き部分88の上にスライドさせ、クランプ手段59を回してそれを締めることによって、シールが形成される。クランプ手段が締められると、空隙86は狭くなり、インタフェース84において環状リング74によって外面68の上に加わる力が増大する。クランプ手段は、空隙86が除去され、第1の共同ストップ面76が第1のストップ面78と接触し、第の共同ストップ面80が第2のストップ面82と接触するまで締められる。空隙がなくなると、環状リング74には図7に示されるようなゆがみが生じる。このゆがみは環状リング74に作用する外面によって生成された対峙力Fによるものである。好ましくは、環状リング74のゆがみは約0.0075インチであり、外面68のゆがみは無視できるほどである。
【0020】
図22に示された別の実施形態では、環状リング74はオス型の突出部62の外面68上に存在すること、すなわち、外面68と一体状に形成することができる。このような実施形態では、凹状のメス型の受容部64は環状リングを有しておらず、受容部64は環状リングと対面する接触面67を有している。
【0021】
図10から図12に示される別の実施形態では、第2の環状リング73は凹状のメス型の受容部64に形成される。このような実施形態では、第2のストップ面82と第の共同ストップ面80との間には空隙は形成されない。その代わりに、第2の環状リング73は第2のインタフェース85において第2のストップ面82と接触する。第1のストップ面78と第1の共同ストップ面76との間の残りの空隙がなくなると、第1のインタフェース83及び第2のインタフェース85の両方に一次シールが形成される。
【0022】
図5から図12及び図22を参照すると、インタフェース84に存在する力Fは極めて完全性の高いシールを形成する。第1の共同ストップ面76と第1のストップ面78との間にある接触も、第の共同ストップ面80と第2のストップ面82との間にある接触も、追加のシール手段を形成する。それぞれの面76、78、80、82の接触によって確実なストップが形成されるため、ユーザがクランプ手段59を締めすぎて、カップリングのシール特性に影響を与えることが防止される。この確実なストップが存在するので、ナットをさらに締めても、インタフェース84において追加の力は生成されない。
【0023】
図8から図12に示されている2つの管状部材を結合するクランプ手段は、好ましくは、ねじ付きナットである。ナット92は開口部を有する。この開口部は、メス型の管状部64がオス型の管状部62と係合したときに、メス型の管状部64のフランジ部96を押さえ付けるように構成されている。ナット92はオス型の管状部のねじ付き部分88と係合するねじ付き内面90を有する。当業者であれば、管状部材を連結するために、その他の種々のクランプ手段、たとえば、各部材のフランジ部をクランプする複数のボルトなどを使用できることを認識できるであろう。
【0024】
図2から図7を参照すると、マニフォールドの中で使用されるクランプ手段はナットを使用しておらず、バルブ本体50はファスナ65でマニフォールド52に固定されている。ファスナは、好ましくは、ブロック51の中のねじ付きボアと係合するキャップスクリューである。しかし、本発明の精神または範囲から離れることなく、他の適切なクランプ手段を使用することもできる。
【0025】
上記したように、本明細書において説明されるとともに主張されているカップリングは自動的に芯合せを行う。突出部62の第1の係合面78は凹部64の円形の周辺部72よりも小径である。外面68が錐体状であるため、2つの部分が結合されると、突出部は凹部に対して中心がそろうようにガイドされる。
【0026】
図7に示されるように、インタフェース84においてコーナ部74に加えられる力Fの方向はEで示されている係合の方向からずらされている。ずれの量は外面68の傾斜の関数である。
【0027】
インタフェース84において形成されるシールは寸法公差を極めて厳格に維持する必要性を低減する。
【0028】
本発明の別の実施形態は図13から図21に示されており、同心二重ノーズ結合100を提供する。同心二重ノーズ結合はオス型の突出部102及び凹状のメス型の受容部104、第1の流体流路106及び第2の流体流路108を有する。図13、図17、図18、図19及び図20に示されたオス型の突出部102は第1のフロー開口部107と第2の流体フロー開口部110とを有し、パイプを通じて搬送される流体は第1の流体流路106及び第2の流体流路108へとそれぞれ流入可能である。第2の流体流路108は共通の孔111によって第1の流体流路106と連通している。
【0029】
図18及び図20の断面図では、オス型の突出部102は複数の円形の外面を有する。これらの外面は第1の一次シール面112、第2の一次シール面114、第のストップ面116及び第のストップ面118である。
【0030】
図21を参照すると、凹状のメス型の受容部は複数のシール機構を有する。これらの機構は第の環状リング120、第の環状リング122、第の共同ストップ面126および第の共同ストップ面124である。
【0031】
図14及び図15を参照すると、オス型の突出部102は凹状のメス型の受容部104に対面し、完全な同心二重ノーズ結合100を形成する。このような対面が発生すると、第2の環状リング120は第2のインタフェース130において第2の一次シール面114に接触する。同時に、第1の環状リング122は第1のインタフェース128において第1の一次シール面112と接触する。それぞれの接触が最初に形成された時、第の共同ストップ面124と第のストップ面118との間に小さな第1の空隙132が形成される。第の共同ストップ面126と第のストップ面116との間に第2の空隙134も存在する。
【0032】
オス型の突出部102及び凹状のメス型の受容部104は、さらに、ファスナ136を締め付けることによって強制的に結合される。ファスナは、好ましくは、ねじ付きボルトである。ボルト136は、凹状のメス型の受容部の中のねじ付きボア138と係合することによって、オス型の突出部を凹状のメス型の受容部に締着する。本発明の精神または範囲から離れることなく、他の適切なファスナを使用することもできる。
【0033】
ファスナ136が強制的に同心二重ノーズ結合100の上部及び下部を結合すると、空隙132、134はしだいに減少して最後にはなくなる。この時点で、載置面124、126はそれらのそれぞれの接触面116、118と接触している。環状リング120、122はインタフェース128、130で生成された力によってシールを形成する。上記のように、この強制的な接触により、環状リングはわずかなゆがみを生じる。オス型の突出部102の外面は無視できるゆがみが生じるだけである。シール力の方向は一次シール面112、114の傾斜の関数として変位されている。追加のシールがそれぞれのストップ面と共同ストップ面との間の接触によって形成される。
【0034】
別の実施形態では、インタフェース128、130は同時ではなく連続的に形成される。さらに、ゆがみは異なる量である場合があり、および/またはインタフェースにおける力の方向は異なる方向である場合がある。
【0035】
本発明の種々の実施形態によるカップリングは射出成形によって形成することもできるし、機械加工によって形成することもできる。上記のようなシール接続は他のコンポーネント間接続にも使用できる。理想的な実施形態では、接続されるコンポーネントはPFAまたはPTFEなどのフルオロポリマーで形成される。
【0036】
本発明はその精神または本質を逸脱することなく他の特定の形態で実施可能である。したがって、本実施形態はすべての点で本発明を説明するためのものであって限定的なものではなく、本発明の範囲は上記の説明ではなく添付の請求の範囲によって限定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のフレア状のフィッティングカップリングを示す図である。
【図2】 本発明によるバルブマニフォールド及びバルブの斜視図である。
【図3】 本発明による図2のバルブマニフォールド及びバルブの断面図である。
【図4】 図2のバルブマニフォールドの上面図である。
【図5】 本発明によるカップリングのオス型の突出部及びこれに対応する凹状のメス型の受容部の詳細断面図である。
【図6】 図5のオス型の突出部の詳細断面図であり、凹状のメス型の受容部と部分的に係合した状態を示す図である。
【図7】 図5のオス型の突出部の詳細断面図であり、凹状のメス型の受容部と完全に係合した状態を示す図である。
【図8】 2つの管状部をシールするための本発明の実施形態の斜視図である。
【図9】 図8のカップリングの断面図である。
【図10】 2つの一次シールを有する本発明の実施形態の詳細断面図である。
【図11】 図10のカップリングの断面図である。
【図12】 本発明のクランプ手段の断面図である。
【図13】 本発明の実施形態による二重ポートカップリングの上面図である。
【図14】 図13のA−A線側断面図である。
【図15】 図14の詳細断面図である。
【図16】 本発明の実施形態による二重ポートカップリングの底面図である。
【図17】 図13の二重ポートカップリングの一部の上面図である。
【図18】 図17のB−B線側断面図である。
【図19】 図13の二重ポートカップリングの一部の底面図である。
【図20】 図19のC−C線側断面図である。
【図21】 図15のカップリングの凹状のメス型の受容部の断面図である。
【図22】 本発明の一実施形態の断面図である。
【符号の説明】
58 流体流路
59 クランプ手段
62 オス型の突出部
64 メス型の受容部
65 凹部
65.1 錐台部
67 フランジ部
69 一次シール面
69.1 中間部
70 流体フローダクト
72 周辺部
74 環状リング
76 第2のストップ面
78 第1のストップ面
80 第1の共同ストップ面
82 第2の共同ストップ面
96 フランジ部

Claims (18)

  1. 第1及び第2の流体フローコンポーネントをシール接続するためのフルオロポリマーカップリングであって、カップリングは、
    第1の流体フローコンポーネントに設けられたオス型の突出部を有し、
    突出部は突出部を通じて軸方向に延びるボアと軸とを有し、突出部はさらに第1フランジ部と、第1フランジ部に対向する第1先端部と、第1フランジ部及び第1先端部間に延びる錐台部とを有し、錐台部はその表面に設けられた外面を有し;
    第2の流体フローコンポーネントに設けられた受容部を有し、
    受容部は突出部を受容するように構成され、受容部は第2フランジ部と、第2フランジ部から延びる凹部とを有し、凹部はその表面に設けられた周辺部を有し;
    突出部に設けられたストップ面と、受容部の少なくとも一部に設けられてストップ面と共同するように構成された共同ストップ面とを有し;及び、
    カップリングの少なくとも一部と一体状に形成された環状リングを有し、
    環状リングが軸に対して斜めの方向に圧縮力を受ける際、受容部は突出部を受容し、突出部は突出部の第1フランジ部及び第1先端部の中間位置で第1及び第2のコンポーネントをシール接続し、カップリングは、ストップ面が共同ストップ面に係合してカップリングの締めすぎ及びカップリングへの損傷を防止するような完全に係合した位置を有するカップリング。
  2. ストップ面は平坦であり、軸はストップ面に対して垂直である請求項1に記載のカップリング。
  3. 環状リングは突出部に一体状に形成される請求項1に記載のカップリング。
  4. 環状リングは受容部と一体状に形成される請求項1に記載のカップリング。
  5. カップリングは、少なくともカップリングの一部と一体状に形成される第2の突出部と第2のリングとを有し、カップリングが係合位置にあるとき第1及び第2のリングは斜め方向の圧縮力を受けて第1及び第2の流体フローコンポーネントをシール接続する請求項1に記載のカップリング。
  6. 受容部は両リングの中間に流路を有する請求項5に記載のカップリング。
  7. 第1の流体フローコンポーネントは、バルブ組立体を有し、第2の流体フローコンポーネントはマニフォールド組立体を有する請求項1に記載のカップリング。
  8. オス型の突出部を受容部に固定するクランプ手段をさらに有する請求項1に記載のカップリング。
  9. 第1及び第2の流体フローコンポーネントをシール接続するためのカップリングであって、カップリングは、
    第1の流体フローコンポーネントに設けられた突出部を有し、
    突出部はその突出部を通じて軸方向に延びるボアと軸とを有し、突出部はさらに第1フランジ部と、第1フランジ部に対向する第1先端部と、第1フランジ部及び第1先端部間に延びる錐台部とを有し、錐台部はその表面に設けられた外面を有し;
    第2の流体フローコンポーネントに設けられた受容部を有し、
    受容部は突出部を受容するように構成され、受容部は第2フランジ部と、第2フランジ部から延びる凹部とを有し、凹部はその表面に設けられた周辺部を有し;
    第1先端部に設けられた第1ストップ面と、受容部の凹部に配置されて第1ストップ面と共同するように構成された第1共同ストップ面とを有し;
    第1フランジ部に設けられた第2ストップ面と、第2フランジ部に配置されて第2ストップ面と共同するように構成された第2共同ストップ面とを有し;及び、
    カップリングの突出部及び受容部の一方に一体状に形成された環状リングを有し、
    環状リングが軸に対して斜めの方向に圧縮力を受ける際、受容部は突出部を受容し、突出部は第1フランジ部及び第1先端部の中間位置で第1及び第2のコンポーネントをシール接続し、カップリングは、完全に係合する位置を有し、その位置において第1ストップ面は第1共同ストップ面と係合し、第2ストップ面は第2共同ストップ面と係合し、カップリングの締めすぎを防止するカップリング。
  10. ストップ面は平坦であり、軸はストップ面に対して垂直である請求項9に記載のカップリング。
  11. 環状リングは突出部と一体状に形成されている請求項9に記載のカップリング。
  12. 第1の流体フローコンポーネントはバルブ組立体を有し、第2の流体フローコンポーネントはマニフォールド組立体を有する請求項9に記載のカップリング。
  13. 第2の流体フローコンポーネントとシール接続するように構成されたポリマーバルブとのカップリングであって、カップリングは、
    ポリマーバルブに設けられた突出部を有し、
    突出部はその突出部を通じて軸方向に延びるボアと軸とを有し、突出部はさらに第1フランジ部と、第1フランジ部に対向する第1先端部と、第1フランジ部及び第1先端部間に延びる錐台部とを有し、錐台部はその表面に設けられた外面を有し;
    突出部を受容するように構成された受容部を有し、
    受容部は第2フランジ部と、第2フランジ部から延びる凹部とを有し、凹部はその表面に設けられた周辺部を有し;
    突出部に設けられたストップ面と、受容部に設けられてストップ面と共同するように構成された共同ストップ面とを有し;及び、
    カップリングの突出部及び受容部の一方と一体状に形成された環状リングを有し、突出部及び受容部の他方は環状リングと係合するための錐台表面を有し、環状リングが軸に対して斜めの方向に圧縮力を受ける際、受容部は突出部を受容し、突出部は、突出部の第1フランジ部及び第1先端部の中間位置でポリマーバルブ及び第2の流体フローコンポーネントをシール接続し、カップリングは完全に係合する位置を有し、ストップ面は共同ストップ面と係合してカップリングの締めすぎを防止するカップリング。
  14. 環状リングは突出部と一体状に形成された請求項13に記載のカップリング。
  15. 第2の流体フローコンポーネントはマニフォールド組立体を有する請求項13に記載のカップリング。
  16. 第1及び第2の流体フローコンポーネントをシール接続する方法であって、方法は、
    第1の流体フローコンポーネントに突出部を設けるステップを有し、
    突出部はその突出部を通じて軸方向に延びるボアと軸とを有し、突出部はさらに第1フランジ部と、第1フランジ部に対向する第1先端部と、第1フランジ部及び第1先端部間に延びる錐台部とを有し、錐台部はその表面に設けられた外面を有し、ストップ面が突出部の一部に設けられ;
    突出部を受容するように構成された受容部を設けるステップを有し、
    受容部は第2フランジ部と、第2フランジ部から延びる凹部とを有し、凹部はその表面に設けられた周辺部を有し、共同ストップ面が受容部の少なくとも一部に設けられ、共同ストップ面はストップ面と共同するように構成され;
    突出部及び受容部の一方と一体状に形成された環状リングを設けるステップを有し;
    受容部の中へ突出部を位置決めするステップを有し;及び、
    環状リングが軸に対して斜めの方向に圧縮力を受けてカップリングが完全に係合する位置になるまでカップリングを締め付けるステップを有し、
    第1及び第2の流体フローコンポーネントがシール接続してストップ面が共同ストップ面と係合してカップリングの締めすぎ及びカップリングへの損傷を防止する方法。
  17. 請求項16に記載の方法であって、方法はさらに、
    突出部に第2ストップ面を設けて、受容部に第2共同ストップ面を設けるステップを有し;及び、
    カップリングを完全に係合する位置まで締め付けるステップを有し、
    第1及び第2コンポーネントはシール接続して第2ストップ面は第2共同ストップ面と係合してカップリングの締めすぎを防止する方法。
  18. 請求項16に記載の方法であって、方法はさらに、
    突出部を受容部に対して固定するクランプ手段を設けるステップを有し;及び、
    突出部を受容部に対して固定するステップを有する方法。
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