具体实施方式

如上所述，本发明的金属垫圈是具有金属制的垫圈主体和弹性体的金属垫圈，该垫圈主体在外周面上具有凹部状的圆周槽。

本发明的金属垫圈的特征在于，在上述垫圈主体的圆周槽中插入有弹性体，在上述金属垫圈的纵截面中，在与被密封件接触的垫圈主体的上表面形成有朝向上部具有鼓起的圆弧状的上部密封面，在与被密封件接触的垫圈主体的下表面形成有朝向下部具有鼓起的圆弧状的下部密封面，在上述上部密封面设置有上部平面或者上部切口部，在上述下部密封面设置有下部平面或者下部切口部。

由于本发明的金属垫圈具有上述结构，因此表现出如下优异的效果：能够通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性，并且即使在承受了热历史的情况下也能够确保密封性。

以下，根据附图对本发明的金属垫圈进行详细说明，但本发明不仅限定于该附图所记载的实施方式。

图1的(a)是示出本发明的金属垫圈的一个实施方式的概略侧视图，图1的(b)是示出该金属垫圈的一个实施方式的概略俯视图。图2是示出图1的(b)所示的X-X部的金属垫圈1的一个实施方式的概略剖视图。

如图1的(a)和图2所示，本发明的金属垫圈1具有：金属制的垫圈主体2，其在外周面上具有凹部状的圆周槽3；以及弹性体4。在垫圈主体2的圆周槽3中插入有弹性体4。

在图2所示的实施方式中，在与被密封件接触的垫圈主体2的上表面形成有朝向上部具有鼓起的圆弧状的上部密封面2a，在与被密封件接触的垫圈主体的下表面形成有朝向下部具有鼓起的圆弧状的下部密封面2b。在上部密封面2a和下部密封面2b上分别设置有上部切口部5a和下部切口部5b。

从通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性的观点出发，垫圈主体2的表面硬度(维氏硬度)优选为15HV以上，更优选为19HV以上。另外，从通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性的观点出发，垫圈主体2的表面硬度(维氏硬度)优选为250HV以下，更优选为220HV以下，进一步优选为175HV以下，更进一步优选为170HV以下。

从通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性的观点出发，垫圈主体2的材质优选为从由铝、铝合金、不锈钢、铬镍铁合金、碳钢、铅、金、银、铜、镍、钽、铬钼钢、蒙乃尔合金、钛以及镁合金构成的组中选出的金属，更优选为从由铝、铝合金、不锈钢以及铬镍铁合金构成的组中选出的金属，进一步优选为铝或不锈钢。

作为铝合金，例如可以举出铝-铁合金、铝-铜合金、铝-锰合金、铝-镁合金、铝-锌合金以及铝-镍合金等，但本发明不仅限定于上述例示。

作为不锈钢，例如可以举出SUS304、SUS316、SUS430、SUS630、SUS631、SUS633以及SUS420J2等，但本发明不仅限定于上述例示。

另外，作为用于镁合金的镁以外的金属，例如可以举出锂、钙、铝、锌、钛、锰、锆、钇、钽、钕、铌等，但本发明不仅限定于上述例示。

如图1的(b)所示，金属垫圈1的平面形状可以为环状，也可以为四边形状等多边形状，但通常为环状。金属垫圈1的外径L根据金属垫圈1的用途而不同，不能一概地确定，因此优选根据金属垫圈1的用途而适当确定，但通常为2mm～3m左右。

如图2所示，图1的(b)所示的X-X部的垫圈主体2的截面形状为大致圆形状，但本发明不仅限定于该截面形状，也可以为多边形状。垫圈主体2的截面形状优选为圆形状。上述圆形状不仅是正圆，还是包含纵长的椭圆形状、横长的椭圆形状以及椭圆轨迹形状的概念的圆形状。

如上所述，在本发明的金属垫圈1中，在垫圈主体2的上表面形成有朝向上部具有鼓起的圆弧状的上部密封面2a，在垫圈主体2的下表面形成有朝向下部具有鼓起的圆弧状的下部密封面2b。与垫圈主体2的截面形状相同，上述圆弧状不仅是正圆的圆弧，还是包含纵长的椭圆形状的圆弧、横长的椭圆形状的圆弧以及椭圆轨迹形状的圆弧的概念的圆弧状。

以下，根据图3对垫圈主体2进行说明。图3是示出图1的(b)所示的X-X部的垫圈主体2的一个实施方式的概略剖视图。

在本发明的金属垫圈1的垫圈主体2的上部密封面2a设置有上部切口部5a，在垫圈主体2的下部密封面2b设置有下部切口部5b。

上部切口部5a和下部切口部5b的深度D根据垫圈主体2的材质、垫圈主体2的大小等而不同，因此不能一概地确定，但从得到能够通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性，并且即使在承受了热历史的情况下也能够确保密封性的金属垫圈1的观点出发，上部切口部5a和下部切口部5b的深度D分别优选为0.1mm～3mm，更优选为0.3mm～2mm，进一步优选为0.5mm～1mm。另外，如图3所示，在上部切口部5a和下部切口部5b的端部引出切线，并以使与上部切口部5a和下部切口部5b的底部接触的直线与上述切线平行的方式引出平行线，上部切口部5a和下部切口部5b的深度D是指上述切线与上述平行线之间的距离。

上部切口部5a和下部切口部5b的宽度W根据垫圈主体2的材质、垫圈主体2的大小等而不同，因此不能一概地确定，但从得到能够通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性，并且即使在承受了热历史的情况下也能够确保密封性的金属垫圈1的观点出发，上部切口部5a和下部切口部5b的宽度W分别优选为0.1mm～3mm，更优选为0.3mm～2mm，进一步优选为0.5mm～1mm。另外，如图3所示，在上部切口部5a和下部切口部5b的端部引出切线，并分别以上部切口部5a和下部切口部5b的端部为起点引出2根与该切线垂直的直线，上部切口部5a和下部切口部5b的宽度W是指2根垂线之间的距离。

从得到能够通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性，并且即使在承受了热历史的情况下也能够确保密封性的金属垫圈1的观点出发，如图3所示，上部切口部5a和下部切口部5b分别优选为V字状的切口部。从得到能够通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性，并且即使在承受了热历史的情况下也能够确保密封性的金属垫圈1的观点出发，上述V字状的切口部的槽部所成的角度θ优选为20°以上，更优选为40°以上，进一步优选为45°以上，从得到能够通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性，并且即使在承受了热历史的情况下也能够确保密封性的金属垫圈1的观点出发，上述V字状的切口部的槽部所成的角度θ优选小于180°，更优选为160°以下，进一步优选为140°以下，更进一步优选为120°以下。

在上部切口部5a和下部切口部5b中，如图3所示，V字状的切口部的底部可以呈锐角，也可以呈平面，还可以呈圆弧状。从通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性的观点出发，V字状的切口部的底部优选呈钝角。

从得到能够通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性，并且即使在承受了热历史的情况下也能够确保密封性的金属垫圈1的观点出发，如图3所示，金属垫圈1的水平方向上的上部切口部5a和下部切口部5b的最深的部分的位置优选存在于从圆周槽3的内部侧壁的最里端P至圆周槽3的入口部Q之间。

另外，上部切口部5a和下部切口部5b不仅可以分别设置于上部密封面2a和下部密封面2b，还可以根据需要而分别设置于用于插入后述的弹性体4的圆周槽3的内部的上部壁面(未图示)和下部壁面(未图示)。

在垫圈主体2的内部形成有用于插入弹性体4的圆周槽3。在图2和图3所示的实施方式中，圆周槽3的内部的上部壁面(未图示)和下部壁面(未图示)都形成为与垫圈主体2水平的平面，但不需要一定形成为与垫圈主体2水平的平面，也可以是相对于垫圈主体2的水平方向倾斜(锥形)的平面。

圆周槽3的内部侧壁的最里端P处的垫圈主体2的最小厚度根据本发明的金属垫圈1的用途等而不同，因此不能一概地确定，但从得到能够通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性，并且即使在承受了热历史的情况下也能够确保密封性的金属垫圈1的观点出发，圆周槽3的内部侧壁的最里端P处的垫圈主体2的最小厚度分别优选为1mm以上，更优选为1.5mm以上，进一步优选为2mm以上。另外，圆周槽3的最里端P处的垫圈主体2的最大厚度根据本发明的金属垫圈1的用途等而不同，因此不能一概地确定，但从得到能够通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性，并且即使在承受了热历史的情况下也能够确保密封性的金属垫圈1的观点出发，圆周槽3的最里端P处的垫圈主体2的最大厚度优选为15mm以下，更优选为10mm以下，进一步优选为5mm以下。

图3所示的垫圈主体2的圆周槽3的内表面(未图示)均由平面形成，但不需要一定由平面形成，例如也可以由圆弧状曲面、波形状曲面、凹凸状曲面等曲面形成。

圆周槽3的开口部的宽度S根据本发明的金属垫圈1的用途等而不同，因此不能一概地确定，但从得到能够通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性，并且即使在承受了热历史的情况下也能够确保密封性的金属垫圈1的观点出发，圆周槽3的开口部的宽度S优选为图1的(a)所示的金属垫圈1的垫圈主体2的厚度T的30％～85％。

垫圈主体2的厚度T根据金属垫圈1的用途等而不同，不能一概地确定，因此优选根据金属垫圈1的用途来适当确定，但通常为1.5mm～15mm左右。

在图3中，垫圈主体2的水平方向的长度B根据金属垫圈1的用途等而不同，不能一概地确定，因此优选根据金属垫圈1的用途等来适当确定，但通常为1mm～15mm左右。

从通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性的观点出发，垫圈主体2的圆周槽3的深度A与垫圈主体2的水平方向的长度B之比(圆周槽的深度A/水平方向的长度B)的值优选为0.1以上，更优选为0.2以上，更加优选为0.3以上，进一步优选为0.4以上，更进一步优选为0.5以上，从提高垫圈主体2的机械强度，并且通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性的观点出发，该比值优选为0.95以下，更优选为0.9以下，更加优选为0.88以下，进一步优选为0.86以下。

如图2所示，在垫圈主体2的圆周槽3中配设有弹性体4。作为构成弹性体4的材料，例如可以举出例如氟橡胶、硅酮橡胶、丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、丙烯腈-丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯橡胶、氯丁橡胶、天然橡胶等橡胶、烯烃系热塑性弹性体、酯系热塑性弹性体、苯乙烯系热塑性弹性体、氯乙烯系热塑性弹性体等热塑性弹性体、以及聚四氟乙烯等氟树脂等挠性较高的热塑性树脂等，但本发明不仅限定于上述例示。在这些构成弹性体4的材料中，从得到耐热性优异，并且能够通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性，即使在承受了热历史的情况下也能够确保密封性的金属垫圈1的观点出发，优选氟橡胶和硅酮橡胶，更优选氟橡胶。另外，作为弹性体4，能够使用螺旋弹簧。

弹性体4具有与垫圈主体2的圆周槽3的内部形状对应的形状。图2所示的弹性体4以与垫圈主体2的圆周槽3的内壁接触的方式配设在圆周槽3内，但例如也可以为，通过在弹性体4的表面形成凹凸形状或者将弹性体4的截面形状形成为圆形、三角形等形状，在弹性体4与圆周槽3的内表面之间设置间隙。另外，从提高弹性体4的挠性的观点出发，如图4所示，也可以根据需要而在弹性体4上设置挖除部6。另外，图4是示出图1的(b)所示的X-X部的金属垫圈1的另一实施方式的概略剖视图。

弹性体4可以以填充垫圈主体2的圆周槽3的整个内部的方式配设，如图2所示,也可以以在垫圈主体2的圆周槽3的入口部Q处形成有檐部2c的方式配设在圆周槽3内。

作为本发明的金属垫圈1的又一实施方式，能够举出图5所示的金属垫圈1。图5是示出图1的(b)所示的X-X部的金属垫圈的又一实施方式的概略剖视图。

在图2～图4所示的实施方式中，在上部密封面2a上设置有上部切口部5a，在下部密封面2b上设置有下部切口部5b，与此相对，在图5所示的实施方式中，在上部密封面2a上设置有上部平面5c，在下部密封面2b上设置有下部平面2d。在这些实施方式中，从通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性的观点出发，优选在上部密封面2a上设置有上部切口部5a，在下部密封面2b上设置有下部切口部5b。

上部平面5c和下部平面5d可以设置为分别与上部密封面2a和下部密封面2b平行，如图5所示，也可以设置为分别相对于上部密封面2a和下部密封面2b倾斜。在这些实施方式中，从通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性的观点出发，优选上部平面5c和下部平面5d设置为分别相对于上部密封面2a和下部密封面2b倾斜。在该情况下，从通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性的观点出发，上部平面5c的垂直方向上的从上端至下端的长度E和下部平面5d的垂直方向上的从上端至下端的长度F分别优选为0.1mm～3mm，更优选为0.3mm～2mm，进一步优选为0.5mm～1mm。另外，从通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性的观点出发，上部平面5c的水平方向上的从上端至下端的长度G和下部平面5d的水平方向上的从上端至下端的长度H分别优选为0.1mm～3mm，更优选为0.3mm～2mm，进一步优选为0.5mm～1mm。

如上所述构成的本发明的金属垫圈1能够通过以较小的紧固力对凸缘间进行紧固来确保密封性，并且即使在承受了热历史的情况下也能够确保密封性。因此，本发明的金属垫圈1例如能够在火力发电站、核电站、蒸汽涡轮船的蒸汽机构、炼油线、石油化学工业的生产线、半导体制造线等中将配管彼此连接时适当地使用。

接下来，根据实施例对本发明的金属垫圈的一个实施方式进行详细说明，但本发明不仅限定于该实施例。

实施例1

作为垫圈主体，使用具有图1～图3所示的形状的铝制垫圈主体(表面硬度：22HV)。

更具体而言，使用如下的垫圈主体2：在图1的(a)和(b)所示的金属垫圈1中，垫圈主体2的平面形状的外径L为75mm，厚度T为3.5mm，在图2所示的金属垫圈1中，圆周槽3的开口部的宽度S的长度为2.5mm，圆周槽3的内部侧壁的最里端P处的垫圈主体2的最小厚度为0.3mm，在图3所示的垫圈主体2中，圆周槽3的深度A为3mm，水平方向的长度B为3.5mm，深度A与水平方向的长度B之比(圆周槽3的深度A/水平方向的长度B)的值为0.86，上部切口部5a和下部切口部5b的宽度W分别为4mm，上部切口部5a和下部切口部5b的深度D分别为2mm，上部切口部5a和下部切口部5b的V字状的切口部的槽部3所成的角度θ分别为110°。

通过在垫圈主体2的圆周槽3内安装具有图2所示的形状的氟橡胶制弹性体4，制作了金属垫圈1。

作为上述所得的金属垫圈1的物性，根据以下的方法对所需紧固力、密封性以及热历史后的密封性进行了评价。将其结果在表1中示出。

(1)所需紧固力

使用图6所示的垫圈的评价试验装置7对所需紧固力进行了评价。图6是垫圈的评价试验装置7的概略说明图。

将垫圈8安装在测试板9a与测试板9b之间，一边对垫圈8进行压缩一边利用千分表来测量测试板9a的移动量，对基于式：

[压缩率]＝[(初始的垫圈8的高度)-(压缩后的垫圈8的高度)]÷[初始的垫圈8的高度]×100

求出的压缩率到达17％时的压缩负载进行测量，并将该压缩负载作为所需紧固力，按照以下的评价基准对所需紧固力进行评价。另外，压缩率到达17％时的压缩负载是指使垫圈8与测试板9a、9b之间的间隙消失所需的压缩负载(所需紧固力)。

〔评价基准〕

◎：所需紧固力(压缩负载)小于50kN/m。

〇：所需紧固力(压缩负载)为50kN/m以上且小于80kN/m。

△：所需紧固力(压缩负载)为80kN/m以上且小于100kN/m。

×：所需紧固力(压缩负载)为100kN/m以上。

(2)密封性

在对垫圈的密封性进行评价时，使用图6所示的垫圈的评价试验装置7。

首先，在密封性的评价试验装置7内，将垫圈8安装在测试板9a与测试板9b之间，在对垫圈8赋予压缩负载25kN/m后，从氦气瓶10的喷嘴10a喷射氦气，使评价试验装置7内充满大气压的氦气。

接下来，使用氦气检漏仪11，对垫圈8的内侧进行减压直至真空度成为0.1Pa，在从到达该真空度起经过了5分钟的时刻，测量从垫圈8的外部流入垫圈8的内侧的空间部的氦气的泄漏量。

基于上述测量的氦气的泄漏量，按照以下的评价基准对密封性进行评价。

〔评价基准〕

◎：氦气的泄漏量小于4×10^-11Pa·m³/s·m(检测极限值)。

〇：氦气的泄漏量为4×10^-11Pa·m³/s·m以上且小于1×10^-10Pa·m³/s·m。

△：氦气的泄漏量为1×10^-10Pa·m³/s·m以上且小于1×10^-9Pa·m³/s·m。

×：氦气的泄漏量为1×10^-9Pa·m³/s·m以上。

(3)热历史后的密封性

通过将垫圈放入到温度为100℃的恒温槽内24小时并进行加热，在对垫圈赋予了热历史后，将该垫圈放冷至室温，并从恒温槽中取出。

使用上述赋予了热历史的垫圈，与上述同样地调查密封性，调查氦气的泄漏量是否比上述密封性的测量时增加，并基于以下的评价基准对热历史后的密封性进行评价。

〔评价基准〕

◎：不认为氦气的泄漏量增加。

×：认为氦气的泄漏量增加。

(4)综合评价

在垫圈的所需紧固力、密封性以及热历史后的密封性的评价结果中，将◎的评价记为100分，将〇的评价记为80分，将△的评价记为60分，将×的评价记为0分，对垫圈的所需紧固力、密封性以及热历史后的密封性的各得分进行合计，并将该合计分数记载在表1的综合评价的栏中。

另外，在垫圈的所需紧固力、密封性以及热历史后的密封性的评价结果中的任意一方中存在×的评价的情况下，在综合评价的栏中记载“不合格”。

比较例1

在实施例1中，将未使用弹性体的垫圈主体用作金属垫圈。

与实施例1同样地评价上述金属垫圈的所需紧固力、密封性以及热历史后的密封性。将其结果在表1中示出。

比较例2

作为现有的垫圈，使用氟橡胶制的O型环(华尔卡株式会社制，产品编号：No.4640)，与实施例1同样地评价所需紧固力、密封性以及热历史后的密封性。将其结果在表1中示出。

比较例3

作为现有的金属垫圈，使用带弹簧的金属C型环(华尔卡株式会社制，产品编号：3645)，与实施例1同样地评价所需紧固力、密封性以及热历史后的密封性。将其结果在表1中示出。

比较例4

作为现有的垫圈，使用不锈钢(SUS304)制的金属中空O型环(华尔卡株式会社制，产品编号：3640)，与实施例1同样地评价所需紧固力、密封性以及热历史后的密封性。将其结果在表1中示出。

[表1]

根据表1所示的结果可知，在实施例1中得到的金属垫圈能够以所需紧固力为35kN/m这样的低紧固力使金属垫圈与测试板之间的间隙消失，因此例如即使在对铝制凸缘等由软质金属构成的凸缘进行紧固时使用，也不会在该凸缘上残留紧固痕迹，进而能够提高使用该凸缘时的密封性。

另外，在实施例1中得到的金属垫圈的密封性优异，承受了热历史后的密封性没有变化，因此可以认为能够在火力发电站、核电站、蒸汽涡轮船的蒸汽机构、炼油线、石油化学工业的生产线以及半导体制造线等中将配管彼此连接时适当地使用。

与此相对，可知在各比较例中使用的垫圈的所需紧固力、密封性以及热历史后的密封性中的任意一方的物性差。

标号说明

1：金属垫圈；2：垫圈主体；2a：上部密封面；2b：下部密封面；2c：檐部；3：圆周槽；4：弹性体；5a：上部切口部；5b：下部切口部；5c：上部平面；5d：下部平面；6：挖除部；7：密封性的评价试验装置；8：垫圈；9a：测试板；9b：测试板；10：氦气瓶；11a：喷嘴；12：氦气检漏仪。