(57)【要約】【課題】使用温度限界を超える温度領域でも膨脹黒鉛の酸化消失がなく、優れたシール性を維持することができる膨脹黒鉛製リングパッキンおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】膨脹黒鉛テープの全周面を金属箔で被覆し、該金属箔で被覆された膨脹黒鉛テープを渦巻き状または同心円状に巻き重ねて、該膨脹黒鉛テープの幅方向に加圧成型することにより、金属箔からなる被覆層を全周面に付設した膨張黒鉛製リングパッキンを得る。【選択図】　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属箔からなる被覆層を全周面に付設してなることを特徴とする膨張黒鉛製リングパッキン。
【請求項２】
径方向における断面構造が、金属箔層と膨張黒鉛テープ層の繰り返し構造であることを特徴とする請求項１記載の膨張黒鉛製リングパッキン。
【請求項３】
前記被覆層の全周面に更に耐熱離型剤のコーティング層を有してなることを特徴とする請求項１又は２記載の膨脹黒鉛製リングパッキン。
【請求項４】
前記耐熱離型剤が、窒化硼素、二硫化モリブデン、フッ素化合物、シリコーン化合物又はタルクであることを特徴とする請求項３記載の膨脹黒鉛製リングパッキン。
【請求項５】
膨脹黒鉛テープの全周面を金属箔で被覆し、該金属箔で被覆された膨脹黒鉛テープを渦巻き状または同心円状に巻き重ねて、該膨脹黒鉛テープの幅方向に加圧成型することを特徴とする膨脹黒鉛製リングパッキンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温高圧装置の配管及びバルブ等に使用されるガスや水等の流体をシールするのに好適な膨脹黒鉛製リングパッキン及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高温高圧装置の配管及びバルブ等に使用するシールリングとして、金属製シールリングが知られている。該金属製シールリングは、高温での耐熱酸化性は良好であるため、長期に亘り安定したシール性を示すものの、装置のシール部分に傷が付く恐れがあり、また傷が付いてしまうと装置の補修や交換を行わなければならず、メンテナンス費用を増加させてしまう。
【０００３】
そこで、金属製シールリングに代わるものとして、軟質でシール性の高い膨脹黒鉛を素材としたリングパッキンが多用されている。種々あるタイプの膨脹黒鉛製リングパッキンのうち、テープモールド式と称される膨張黒鉛製リングパッキンが最も一般的なものである。このリングパッキンは膨脹黒鉛製シートを所定幅に裁断して得たテープ状素材を成型用金型内に渦巻き状または同心円状に巻き重ねて配置した後、これをテープ幅方向に加圧成型して得られるリング状パッキンである。
【０００４】
この膨脹黒鉛製リングパッキンは一般的な金属よりも軟質であるため、装置のシール部分に傷を付けるおそれはなく、また弾力性に富んでいることから、金属製シールリングよりも圧力変動および配管の振動や膨脹等の動きに十分に追従できるとともに低締付面圧でも十分なシール性を発揮するという利点がある。
【０００５】
しかし、前記膨脹黒鉛製リングパッキンは、４００℃を超える温度領域では大気中の酸素による膨脹黒鉛の酸化消失が促進するため、長期に渡る安定したシール性の保持が困難となる。また、締め付けされた際に膨張黒鉛が隙間からはみ出ることがあり、その結果応力緩和によってシール性能が低下するという問題がある。
【０００６】
これを解決するものとして、特許文献１の特開２００１−３３０１５４号公報には、膨張黒鉛テープ９２の幅方向の両端面部に金属箔９１を挟み込ませて被覆部材となし、この被覆部材付き膨張性黒鉛テープ９０を型Ａ１の周囲に所定厚さで巻き重ね型Ａ２に嵌め込み固定したあと、該テープの幅方向に型Ａ３で加圧成形して膨脹黒鉛製リングパッキンを得る方法が記載されている（図９、図１０）。この方法によれば、使用限界温度を超える温度領域でも膨脹黒鉛の酸化消失がなく、優れたシール性を維持でき、また、締め付けによる膨張黒鉛のはみ出しもない。
【０００７】
また、特許文献２の特開２００１−３４９４３９号公報には、第１の膨脹黒鉛製リングパッキンと該第１のリングパッキン部材を挟んでその両端面に配設される第２リングパッキンを組み合わせた構造であって、該第２リングパッキンが金属箔テープのみ加圧成型して作製したリング状パッキンであるリングパッキン構造が開示されている。これにより、膨脹黒鉛製リングパッキンの酸化消失を抑えることができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３３０１５４号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開２００１−３４９４３９号公報（特許請求の範囲）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示すように、前記端部に金属箔部を設けた膨脹黒鉛製リングパッキン１００の内側面１０４および外側面１０５には膨脹黒鉛部１０１と金属箔部１０２との境界線１０３が生じ、この境界線１０３を境に膨脹黒鉛部１０１は、金属箔部１０２の厚さ分だけ低くなっている。そのため、パッキン内側面１０４および外側面１０５と、当該側面１０４、１０５と当接する装置のシール部分との密着性が損なわれてしまい、パッキン上端に負荷された締付圧を、パッキンがシール部分を密封しようとする側圧へと充分に伝達させることができなくなり、シール性が低下してしまうという問題がある。また、前記端部に金属箔部位を設けた膨脹黒鉛製リングパッキンや金属箔テープを加圧成型して組合わせ使用するリング状パッキンは、金属箔部が高温高圧装置と締付圧力が負荷された状態で長期間直接接触するため、金属材質間の固体拡散によりパッキンを被覆している金属箔が装置に固着してしまい交換作業が煩雑になってしまうという問題点がある。
【００１０】
従って、本発明の目的は、使用温度限界を超える温度領域でも膨脹黒鉛の酸化消失がなく、優れたシール性を維持することができる膨脹黒鉛製リングパッキンおよびその製造方法を提供することにあり、また、本発明の他の目的は、金属材質間の固体拡散によるパッキンと装置との固着がない膨脹黒鉛製リングパッキンを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行なった結果、膨張黒鉛製リングパッキンの全周面に金属箔からなる被覆層を付設すれば、リングの内側面および外側面に膨脹黒鉛部と金属箔部との段差が生じることがなく、内側面及び外側面と装置のシール部分との密着性が優れると共に、使用温度限界を超える温度領域でも膨脹黒鉛の酸化消失がないこと、被覆層の全周面に更に耐熱離型剤のコーティング層を設ければ、金属材質間の固体拡散によるパッキンと装置との固着が生じないこと等を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明（１）は、金属箔からなる被覆層を全周面に付設してなる膨張黒鉛製リングパッキンを提供するものである。本発明によれば、使用温度限界を超える温度領域でも膨脹黒鉛の酸化消失がなく、優れたシール性を維持することができる。
【００１３】
また、本発明（２）は、径方向における断面構造が、金属箔層と膨張黒鉛テープ層の繰り返し構造である前記膨張黒鉛製リングパッキンを提供するものである。本発明によれば、前記発明と同様の効果を奏する他、金属箔で全周が被覆された膨張黒鉛テープをリング巻きにした後、圧力成形する方法により容易に一体物が得られると共に、繰り返し構造中の膨張黒鉛テープ部分は金属箔で完全に被覆されているため、例え酸化雰囲気が繰り返し構造の層間を通気するようなことがあっても膨張黒鉛は直接酸化雰囲気に晒されることがなく優れた耐熱酸化性を示す。
【００１４】
また、本発明（３）は、前記被覆層の全周面に更に耐熱離型剤のコーティング層を有してなる前記膨脹黒鉛製リングパッキンを提供するものである。従来、リングパッキンへの離型剤の適用は、シール性の向上や摺動抵抗軽減を目的としたものであったが、本発明によれば、金属材質間の固体拡散によるパッキンと装置との固着を防止するため、交換作業が容易となる。
【００１５】
また、本発明（４）は、前記耐熱離型剤が、窒化硼素、二硫化モリブデン、フッ素化合物、シリコーン化合物又はタルクである前記膨脹黒鉛製リングパッキンを提供するものである。本発明によれば、前記発明（３）と同様の効果を奏する他、耐熱離型剤の選択を容易にする。
【００１６】
また、本発明（５）は、膨脹黒鉛テープの全周面を金属箔で被覆し、該金属箔で被覆された膨脹黒鉛テープを渦巻き状または同心円状に巻き重ねて、該膨脹黒鉛テープの幅方向に加圧成型する膨脹黒鉛製リングパッキンの製造方法を提供するものである。本発明によれば、前記膨張黒鉛製リングパッキンを簡易な方法で確実に得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態における膨張黒鉛製リングパッキンを図１及び図２を参照して説明する。図１は本例の膨張黒鉛製リングパッキンの斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面に沿って見た縦断面図である。膨張黒鉛製リングパッキン１０は、内側面１１、外側面１２、上端面１３及び下端面１４の全周面が金属箔からなる被覆層１５で覆われたものである。金属箔としては、特に制限されないが、融点が４００℃を超えるもので、高温高圧装置等の本体よりも硬度が低く、厚さが０．０５ｍｍ以下のものが好ましい。具体的には、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル及びステンレス等の金属箔が挙げられる。
【００１８】
また、膨張黒鉛製リングパッキン１０は、径方向における断面構造が、金属箔層２１と膨張黒鉛テープ層２２の繰り返し構造である。このような繰り返し構造中の膨張黒鉛テープ部分は完全に金属箔で被覆されているため、例え酸化雰囲気が繰り返し構造の層間を通気するようなことがあっても膨張黒鉛は直接酸化雰囲気に晒されることがなく優れた耐熱酸化性を示す。
【００１９】
また、本発明の膨張黒鉛製リングパッキンはその全周が金属箔で被覆されたものであればよく、上記の断面構造の他、最外側及び最内側以外の膨張黒鉛テープ層２２はテープ幅方向の端面部のみ金属箔を被覆したものであってもよい。このような断面構造の場合、酸化雰囲気が当該構造の層間を通気するような場合には図２の構造のものと比較して耐熱酸化性が若干劣るものの、逆に膨張黒鉛テープ間の密着性が優れたものとなる。
【００２０】
面に更に耐熱離型剤のコーティング層を有してなるものが、金属材質間の固体拡散によるパッキンと装置との固着を防止でき、交換作業が容易となる点で好ましい。該耐熱離型剤のコーティング層は、窒化硼素、二硫化モリブデン、フッ素化合物、シリコーン化合物又はタルクからなるものである。該耐熱離型剤のコーティング量は使用する離型剤やシール装置の使用条件などにより適宜決定されるが、膨張黒鉛製リングパッキン重量に対する離型剤のコーティング重量比率が１．０〜３．０重量％であるものが好ましい。コーティング重量が１．０重量％未満では金属材質間の固体拡散によるパッキンと装置との固着防止能が低下し、３．０重量％を越えるものは、固着防止能がコーティング量に比例して向上することはなく、無駄な量をコーティングすることになる。
【００２１】
本実施の形態における膨張黒鉛製リングパッキン１０は、４００℃を超える高温雰囲気下、及び高圧装置の配管及びバルブ等に使用される各種ガスや水等の流体をシールする用途に好適である。また、膨張黒鉛製リングパッキン１０の断面形状も図２のものに限定されず、外周面１２の下方部分が内側に切り込まれた楔断面形状のものであってもよい。
【００２２】
本実施の形態における膨張黒鉛製リングパッキン１０によれば、該リングパッキンの内側面および外側面は段差等が生じることがなく、該パッキン内側面および外側面と当接する装置のシール部分との密着性が損なわれることがない。このため、パッキン上端に負荷された締付圧を、パッキンがシール部分を密封しようとする側圧へと充分に伝達させることができ、シール性が向上する。また、耐熱離型剤でコーティングされた金属箔被覆膨張黒鉛製リングパッキンは、優れたシール性を維持しつつ、金属材質間の固体拡散によるパッキンと装置との固着を防止することができる。このため、定期検査等で行なわれる膨張黒鉛製リングパッキンの交換作業が容易となる。
【００２３】
次に、本発明の実施の形態における膨張黒鉛製リングパッキンの製造方法を図３及び図４を参照して説明する。図３は膨張黒鉛テープに金属箔を被覆する方法を説明する図、図４は金属箔被覆膨張黒鉛テープを加圧成型する方法を説明する図である。金属箔被覆膨張黒鉛テープ３０は膨張黒鉛テープ２２を膨張黒鉛テープ２２を包み込むに十分な大きさの金属箔２１で被覆されたものである。本例では図３に示すように、テープの幅方向において重なる部分３１が生じるように被覆するものである。この方法によれば金属箔２１の寸法を余り気にすることなく被覆できる点で好適である。また、これ以外に、テープの幅方向において重なる部分を無くし、テープの幅方向における金属箔の端面同士を当接するように被覆してもよい。また、長さ方向における両端ははみ出した金属箔を内側に折り曲げて、長さ方向に重なる部分が生じるように被覆すればよい。金属箔被覆膨張黒鉛テープ３０は金型への巻き付け方法が渦巻き状で巻き付ける場合、長尺テープ一つを用いればよく、同心円状で巻き付ける場合、略円周長さの短冊状テープを複数枚用いることになる。
【００２４】
このようにして得られた金属箔被覆膨張黒鉛テープ３０を図４に示すように、金型４１の周囲に所定厚さになるまで渦巻き状または同心円状に巻き重ね、それを金型４２内に入れ、金型４３でテープ幅方向に加圧成型して角形断面の膨脹黒鉛製リングパッキン１０を得る。このような加圧成型によれば、径方向における断面構造が、金属箔層２１と膨張黒鉛テープ層２２の繰り返し構造であっても、これらの層が緊密に一体化する。
【００２５】
また、金型４１の周囲に膨張黒鉛テープを巻き付ける際、最内側又は最内側近傍に金属箔を全周に被覆した膨張黒鉛テープを同心円状で巻き付け、次いでテープの幅方向における端面部にのみ金属箔を被覆したテープを渦巻き状で巻き付け、次いで最外側又は最外側近傍に金属箔を全周に被覆した膨張黒鉛テープを同心円状で巻き付け、その後加圧成型する方法であってもよい。このような方法で得られる膨張黒鉛製リングパッキンは、図２の膨張黒鉛製リングパッキン１０と比べて、酸化雰囲気が繰り返し構造の層間を通気するような場合、耐熱酸化性で若干劣るものの、膨張黒鉛テープ同士の密着性が優れたものとなる。
【００２６】
また、上記膨脹黒鉛製リングパッキンの被覆層である金属箔の全周面に耐熱離型剤のコーティング層を形成する方法としては、耐熱離型剤を有機溶媒等に分散させた液状物に膨張黒鉛製リングパッキンを一定時間浸漬した後、取り出し乾燥して耐熱離型剤のコ−ティング層を形成する方法及び耐熱離型剤を含むガス状物又は液状物を膨張黒鉛製リングパッキンの周面に吹き付けた後乾燥して耐熱離型剤のコ−ティング層を形成する方法が挙げられる。耐熱離型剤としては、前述したものと同様のものが挙げられる。このうち、窒化硼素が耐熱性を有し且つ金属材質間の固体拡散をより効果的に防止する点で好ましい。浸漬液中又は吹付け液中の窒化硼素の含有量は３０〜８０重量％とすることが、浸漬又は吹付け時間が無用に長くなることもなく、且つ均一に分散されたコ−ティング層が得られる点で好ましい。被覆層である金属箔の周面に更に離型剤のコーティング層を有することで、金属材質間の固体拡散によるパッキンと装置との固着を防止するため、交換作業が容易となる。
【００２７】
【実施例】
次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって本発明を制限するものではない。
実施例１
（膨張黒鉛製リングパッキンの作製）
厚さ０．３８ｍｍ、幅１６ｍｍの膨脹黒鉛テープと、厚さ０．０１２ｍｍ、幅４０ｍｍのアルミ箔テープを素材として用い、図３に示すような膨脹黒鉛テープの全周をアルミ箔で包み込んで被覆した膨脹黒鉛テープを作製した。次いで図４に示すように、このアルミ箔被覆膨張黒鉛テープを金型４１の周囲に所定厚さになるまで渦巻き状に巻き重ね、それを金型４２内に入れ、金型４３でテープ幅方向に加圧成型して角形断面のアルミ箔被覆膨脹黒鉛製リングパッキンを作製した。次いでアルミ箔被覆膨脹黒鉛製リングパッキンの表面に窒化硼素をメチルエチルケトン中に６０重量％分散させた液状物を吹き付け、常温で乾燥させて窒化硼素のコーティング層を有するアルミ箔被覆膨脹黒鉛製リングパッキンを得た。アルミ箔膨張黒鉛製リングパッキン重量に対する離型剤のコーティング重量比率は２．０％であった。
【００２８】
（評価試験）
上記方法で得られた窒化硼素のコーティング層を有するアルミ箔被覆膨脹黒鉛製リングパッキンを図５に示す試験治具に２リング装填し、面圧４５Ｎ／ｍｍ２で締め付け、試験温度６００℃で３００時間加熱した。加熱開始５０、１００、２００、３００時間後に重量測定とシール試験を実施した。また、試験時間３００後のリングパッキンを治具から取り出す際に、リングパッキンの治具への固着状態を観察した。重量測定は試験前後で行い熱減量（％）で表記した。また、シール試験は試験流体を窒素とし、負荷圧力を１．５ＭＰａとした。結果を表１に示す。
【００２９】
比較例１
厚さ０．３８ｍｍ、幅１６ｍｍの膨脹黒鉛テープと、厚さ０．０１２ｍｍ、幅１０ｍｍのアルミ箔テープ（２テープ）を素材として用い、膨脹黒鉛テープの幅方向の両端をアルミ箔で挟み込んで被覆部材とした膨脹黒鉛テープを作製したこと、及び窒化硼素のコーティング処理を省略したこと以外は、実施例１と同様の方法で膨張黒鉛製リングパッキンを作製し、図６に示す試験治具で評価試験を行なった。結果を表１に示す。
【００３０】
比較例２
厚さ０．３８ｍｍ、幅１６ｍｍの膨脹黒鉛テープを巻き重ねて加圧成型し、角形断面の膨脹黒鉛製リングパッキンを得た。一方、アルミ箔テープのみを巻き重ねて同様の方法で加圧成型し、角形断面のアルミリングパッキンを得た。膨脹黒鉛製リングパッキン及びアルミリングパッキン共に、窒化硼素のコーティング処理は省略した。評価試験は図７に示すように試験治具にアルミリングパッキンで膨脹黒鉛リングパッキンを挟んだ形態で合計４リング装填し、実施例１と同様の方法で行なった。結果を表１に示す。
【００３１】
比較例３
厚さ０．３８ｍｍ、幅１６ｍｍの膨脹黒鉛テープを巻き重ねて加圧成型し角形断面の膨脹黒鉛製リングパッキンを得た。評価試験は膨張黒鉛製リングパッキンを図８に示すように試験治具に２リング装填し、実施例１と同様の方法で行なった。結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
表１に示すように、実施例１は良好な耐熱酸化性であるばかりではなく、良好なシール性を示すと共に、試験治具への固着がなく交換作業が容易であるということが判った。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、使用限界温度を超える温度領域でも膨脹黒鉛の酸化消失がなく、優れたシール性を維持することができる。また、金属材質同士の固着を抑えることにより交換作業が容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における膨張黒鉛製リングパッキンの斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面に沿って見た縦断面図である。
【図３】膨張黒鉛テープに金属箔を被覆する方法を説明する図である。
【図４】金属箔被覆膨張黒鉛テープを加圧成型する方法を説明する図である。
【図５】実施例１の評価試験で使用する試験治具の概略図である。
【図６】比較例１の評価試験で使用する試験治具の概略図である。
【図７】比較例２の評価試験で使用する試験治具の概略図である。
【図８】比較例３の評価試験で使用する試験治具の概略図である。
【図９】幅方向における端面に金属箔を設けた従来の膨脹黒鉛テープの断面図である。
【図１０】図９の膨脹黒鉛テープを加圧成型する方法を説明する図である。
【図１１】図９の膨脹黒鉛テープを用いて作製された膨張黒鉛製リングパッキンの斜視図である。
【符号の説明】
１０、１００、１００ａ　　膨張黒鉛製リングパッキン
１１　　内側
１２　　外側
１３　　上端面
１４　　下端面
１５　　被覆層（金属箔層）
２１　　金属箔（層）
２２　　膨張黒鉛テープ（層）
３０　　膨脹黒鉛テープ
５１　　パッキン押え
５２　　スタッフィングボックス
５３　　ステム
５４　　ボルトとナット
５５　　スペーサーリング
１００ｂ　金属パッキンリング
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004116694.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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