JP2009115163A - ガスケット - Google Patents

Abstract

【課題】中芯材である同心円の波形を付けた金属薄板の両面に無機シートを積層接着したガスケットを実現するとともに、低〜高締付荷重において長期的に安定したシール性能を確保する。
【解決手段】従来空隙であった金属薄板１１の谷部１１ａに無機粉体のシール材１４を充填し該部を最初から埋めておくことによって、従来低締付荷重では圧縮できなかった金属薄板１１の谷部１１ａにおける無機シート１２及び１３を圧縮し、低締付荷重において全面で締付面圧を確保するとともに、無機シート１２及び１３の変形量を抑え、流動性が低い無機シート１２及び１３が高締付荷重を負荷しても破壊しないようにし、より薄い無機シート１２及び１３の使用を可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、配管継手部（JIS又はJPI規格フランジ等）や機器の接合部（バルブのボンネット等）等の厳しい使用環境において長期シール安定性を求められる用途に使用されるガスケットに関する。

従来、同心円の波形を付けた金属薄板の両面にシール材として膨張黒鉛シートを積層接着した構造が知られている。この従来構造は、それまで金属平板又は両面を不連続の凹凸やのこ歯形の凹凸に加工した金属板であった中芯材に、同心円の波形を付けた金属薄板を用いることによって、それまで僅かであった圧縮率を飛躍的に高め、歪やうねりがあるガラスライニングフランジにでも使用可能な高い変形追随性（フランジ面精度に対する追従性）を確保している。また、シール材にそれまでと同様膨張黒鉛シートが用いられ、フランジと接触する両面が膨張黒鉛シートで形成され、その膨張黒鉛シートは流動性が高く、フランジへの優れたなじみ性も確保している。

このような従来構造がシール作用を発揮するメカニズムを、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示す当該従来構造の圧縮変形過程を参照して説明する。図において、１は中芯材である同心円の波形を付けた金属薄板、２及び３は金属薄板１の両面に積層接着された膨張黒鉛シート、４及び５はフランジ、Ｔはガスケット厚みである。

図６（Ａ）の締付前の自由状態では、金属薄板１は元の波ピッチＰ，波高さＴ１／２（山高さＴ１）を有し、膨張黒鉛シート２及び３も全体に均一な元の厚みＴ２を有し、金属薄板１の谷部１ａと膨張黒鉛シート２及び３間に空隙４が形成されている。

図６（Ｂ）の低締付荷重を負荷した締付状態では、相対するフランジ５及び６間で厚み方向に圧縮され、金属薄板１は波高さＴ１／２を縮小しながら波ピッチＰを拡大し、厚み方向に圧縮変形しながら面方向（内外径方向）にも伸び変形する。膨張黒鉛シート２及び３は金属薄板１の山部１ｂで厚み方向に圧縮されるが、金属薄板１の谷部１ａでは圧縮されない。このため、従来構造は、金属薄板１の山部１ｂにおいて局部的に高い締付面圧を確保してシール性能を発揮する。この際、膨張黒鉛シート２及び３はその高い流動性によって金属薄板１の山部１ｂの位置変化に追随変形して破壊することなく、厚みＴ２を金属薄板１の山部１ｂで減じながら金属薄板１の谷部１ａで増し、空隙４の一部を埋める。

図６（Ｃ）の高締付荷重を負荷した締付状態では、相対するフランジ５及び６間で厚み方向にさらに圧縮され、金属薄板１は波高さＴ１／２をさらに縮小しながら波ピッチＰをさらに拡大し、平板に近い状態にまで厚み方向にさらに圧縮変形しながら面方向にもさらに伸び変形する。この際、膨張黒鉛シート２及び３はその高い流動性によって金属薄板１の山部１ｂの位置変化に追随変形して破壊することなく、厚みＴ２を金属薄板１の山部１ｂでさらに減じながら金属薄板１の谷部１ａでさらに増し、遂に空隙４の全部を埋める。このため、従来構造は、膨張黒鉛シート２及び３が金属薄板１の谷部１ａでも厚み方向に圧縮され、金属薄板１の山部１ｂ及び谷部１ａの全面で締付面圧を確保して安定したシール性能を発揮する。

なお、同心円の波形を付けた金属薄板の両面に膨張黒鉛シートを積層接着した従来構造は、例えば特許文献１に記載のガスケットで採用されて公知である。
実開平５−９２５７４号公報

上記従来構造は、シール材として膨張黒鉛シートを用いるため、４００℃以下の非酸化性流体には使用できるものの、酸化性流体には使用困難である。そこで、シール材としてマイカシート、バーミキュライト系シート、又は金属シート等の無機シートを用いたところ、下記のような課題があることが判明した。なお、上記のような無機シートは４００℃以上の酸化性流体に使用できるシール材である。

すなわち、同心円の波形を付けた金属薄板を中芯材として用いるため、低締付荷重において全面で締付面圧を確保することは困難な上に、無機シートは硬く圧縮性が低いため、低締付荷重において実用に供するシール性能を得難く、高締付荷重を負荷すると、無機シートは膨張黒鉛シートに比べて流動性が格段に低いため破壊が起こり漏洩する。充分に厚い無機シートを用いると該無機シートの破壊は避けることはできるが、このような充分に厚い無機シートは高価である上、無機シートは硬く圧縮性が低いため、高締付荷重においても安定したシール性能を得難い。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、中芯材である同心円の波形を付けた金属薄板の両面に無機シートを積層接着又は該金属薄板の両面及び内周を金属成形体で被覆したガスケットを実現するとともに、上記のような課題を解決し、低〜高締付荷重において長期的に安定したシール性能を確保することにある。

上記目的を達成するための請求項１に記載のガスケットは、同心円の波形を付けた金属薄板の谷部に無機粉体のシール材を充填し、該金属薄板の両面にシール性を有する無機シートを積層接着したことを特徴とするものである。

請求項２に記載のガスケットは、同心円の波形を付けた金属薄板の谷部に無機粉体のシール材を充填し、該金属薄板の両面及び内周をシール性を有する金属成形体で被覆したことを特徴とするものである。

請求項３に記載のガスケットは、請求項１又は請求項２に記載のガスケットにおいて、金属薄板の谷部における締付面圧が金属薄板の山部における締付面圧よりも低くなる密度で、無機粉体のシール材を金属薄板の谷部に充填したことを特徴とするものである。

請求項１〜３に記載のガスケットでは、従来空隙であった金属薄板の谷部に無機粉体のシール材を充填し該部を最初から埋めておくことによって、従来低締付荷重では圧縮できなかった金属薄板の谷部における無機シート（請求項１）や金属成形体（請求項２）を圧縮し、低締付荷重において全面で締付面圧を確保することができるため、低締付荷重から実用上問題のない安定したシール性能が得られる。また、無機シートや金属成形体の変形量を抑えることができるため、流動性が低い無機シートや金属成形体が高締付荷重を負荷しても破壊しないため、より薄い無機シートや金属成形体の使用が可能となる。

また、金属薄板の両面にシール材が２層に配置されるので、外側のシール材である無機シートや金属成形体が破壊したとしても、内側のシール材によってシールが可能であり、シールの信頼性が高まる。内側のシール材は外側のシール材と同じ材料又は異種材料の組み合わせが可能である。

さらに、金属薄板の谷部に充填するシール材は粉体で、高い圧縮性と高い流動性を兼備しているので、金属薄板の変形を妨げずガスケットの変形追随性を損なわない。金属薄板の谷部に空隙が生じ難く該部において締付面圧を安定して確保できる。粉体のシール材は安価である上、高い歩留りで無駄なく使用でき、経済的である。

請求項３に記載のガスケットのように、金属薄板の谷部における締付面圧が金属薄板の山部における締付面圧よりも低くなる密度で、粉体のシール材を金属薄板の谷部に充填することで、締付面圧分布が均等にならず締付面圧が低下しないため、シールに必要な最小締付力の増加がない。

請求項１〜３に記載のガスケットによれば、中芯材である同心円の波形を付けた金属薄板の両面に無機シートを積層接着又は該金属薄板の両面及び内周を金属成形体で被覆したガスケットを実現できるとともに、低〜高締付荷重において長期的に安定したシール性能を確保することができる。

請求項３に記載のガスケットによれば、使用に当たって、求められる機器・配管の接合部の強度が大きくならず、設計の見直し、設備・装置の改造等の必要性がない。

以下、本発明に係るガスケットの実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態に係るガスケットの平面図、図２は本発明の一実施形態に係るガスケットの構造を示す断面図である。

図１、図２に示すガスケット１０は、中芯材である同心円の波形を付けた円環状の金属薄板（以下、「波形金属薄板」という。）１１の表裏両面に、シール性を有する円環状の無機シート１２及び１３を積層接着したガスケットであって、従来空隙４（図６参照）であった部分（波形金属薄板１１の谷部１１ａと無機シート１２及び１３間）には、従来低締付荷重では圧縮できなかった波形金属薄板１１の谷部１１ａにおける無機シート１２及び１３を圧縮し、低締付荷重において全面で締付面圧を確保し、低締付荷重から安定したシール性能を得、また、無機シート１２及び１３の変形量を抑え、流動性が低い無機シート１２及び１３が破壊しないようにし、より薄い無機シート１２及び１３の使用を可能とするために、無機粉体のシール材（以下、「充填材」という。）１４が充填され、該充填材１４によって従来空隙４であった部分を最初から埋める。したがって、当該ガスケット１０では、波形金属薄板１１の表裏両面にシール材である充填材１４と無機シート１２及び１３とが内外２層に配置された構造となっている。

ここで、波形金属薄板１１の内周端縁と外周端縁には、波形金属薄板１１の片面側（図２の下側）に突出した各山部１１ｂの頂点を含む一平面上に位置する円環状の平坦部１１ｃ及び１１ｄが形成されている。また、充填材１４が谷部１１ａに充填された後の波形金属薄板１１の表裏両面の外形は、表面（図２の上側）の外形が、同一平面上に位置する平坦部１１ｃ及び１１ｄの表面の間が低背の台形に盛り上がった立体形状となり、裏面（図２の下側）の外形が、同一平面上に位置する平坦部１１ｃ及び１１ｄの裏面の間が平坦面で繋がれた平面形状となっている。そして、波形金属薄板１１の表面側の無機シート１２は、波形金属薄板１１の内周側の平坦部１１ｃの端部から外周側の平坦部１１ｄの端部にわたって、波形金属薄板１１の表面の立体形状の外形に沿って積層接着され、波形金属薄板１１の裏面側の無機シート１３は、波形金属薄板１１の内周側の平坦部１１ｃの端部から外周側の平坦部１１ｄの端部にわたって、波形金属薄板１１の裏面の平面形状の外形に沿って積層接着されている。無機シート１２及び１３の内周端縁は、波形金属薄板１１の内周側の平坦部１１ｃの端部から内径方向に突出し、該平坦部１１ｃの端部より内周側で、該平坦部１１ｃの厚み内で貼合わされて固着されている。無機シート１２及び１３の外周端縁は、波形金属薄板１１の外周側の平坦部１１ｄの端部から外径方向に突出し、該平坦部１１ｄの端部より外周側で、該平坦部１１ｄの厚み内で貼合わされて固着されている。

ガスケット１０の製造は、プレス成型品である波形金属薄板１１を略水平姿勢に保持し、波形金属薄板１１の上面側にある各谷部１１ａに充填材１４を充填した後、波形金属薄板１１の上面（表面）に一方の無機シート１２を図示しない接着剤を介して積層接着する。次いで、波形金属薄板１１を裏返し、波形金属薄板１１の上面側にある各谷部１１ａに充填材１４を充填した後、波形金属薄板１１の上面（裏面）に他方の無機シート１３を図示しない接着剤を介して積層接着するともに、無機シート１２及び１３の内周端縁同士と外周端縁同士を貼合わせ固着することにより完了する。

この際、波形金属薄板１１の谷部１１ａにおける締付面圧が波形金属薄板１１の山部１１ｂにおける締付面圧よりも低くなるように、無機シート１２及び１３の密度より低い密度で、充填材１４を波形金属薄板１１の谷部１１に充填することが重要である。このような密度で充填材１４を充填することで、当該ガスケット１０では、波形金属薄板１１の表裏両面に密度の異なるシール材である充填材１４（低密度）と無機シート１２及び１３（高密度）とが内外２層に配置された構造となる。

図３は本発明の他の実施形態に係るガスケットの構造を示す断面図である。なお、本実施形態に係るガスケットの平面は前記ガスケット１０の図１に示した平面と同一である。また、本実施形態に係るガスケットの構造は前記ガスケット１０の図２に示した構造と無機シート以外同一のため、同一構造には同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図３に示すガスケット２０は、波形金属薄板１１の表裏両面と内周を、円環状の金属平板を切削加工することにより製作された一体構造の金属成形体２１で連続的に被覆したものである。この金属成形体２１は、厚み方向で相対する円環状のシート部２１ａ及び２１ｂと、シート部２１ａ及び２１ｂの内周側端縁の間に連続一体に形成される短円筒状の繋ぎ部２１ｃとを有し、これらシート部２１ａ及び２１ｂと繋ぎ部２１ｃの内側に、外周に開口部２１ｄを有する中芯収納空間２１ｅが形成されている。そして、波形金属薄板１１が中芯収納空間２１ｅに装着され、波形金属薄板１１の内周側の平坦部１１ｃの直ぐ内側に立上がる繋ぎ部２１ｃの上下端部から波形金属薄板１１の表裏両面側にシート部２１ａ及び２１ｂが延設されている。

ガスケット２０の製造は、金属成形体２１を水平姿勢に保持し、上面側にある一方のシート部２１ａを繋ぎ部２１ｃと同一円筒面上に捲上げ、波形金属薄板１１を上方から円筒状のシート部２１ａを通して繋ぎ部２１ｃの外側に嵌込んだ後、波形金属薄板１１の上面側にある各谷部１１ａに充填材１４を充填する。次いで、円筒状のシート部２１ａを元に戻して波形金属薄板１１の上面（表面）に図示しない接着剤を介して積層接着する。次いで、波形金属薄板１１を裏返し、上面側にある他方のシート部２１ｂを繋ぎ部２１ｃと同一円筒面上に捲上げた後、波形金属薄板１１の上面側にある各谷部１１ａに充填材１４を充填する。次いで、円筒状のシート部２１ｂを元に戻して波形金属薄板１１の上面（裏面）に図示しない接着剤を介して積層接着することにより完了する。この際の充填材１４の充填密度につても前記ガスケット１０と同様に、金属成形体２１の密度より低い密度で、充填材１４を波形金属薄板１１の谷部１１に充填することが重要である。

なお、当該ガスケット２０の場合、内周の内側角部（波形金属薄板１１の平坦部１１ｃと一方のシート部２１ａの内周端縁部間）に空隙が形成されるため、その空隙にも充填材１４が充填されて空隙が埋められている。

上記のように構成された各ガスケット１０、２０がシール作用を発揮するメカニズムは同一のため、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す当該ガスケット１０、２０の圧縮変形過程を参照して説明する。

図４において、５０及び６０は機器・配管のフランジ、ｔはガスケット厚みである。

図４（Ａ）の締付前の自由状態では、波形金属薄板１１は元の波ピッチｐ，波高さｔ１／２（山高さｔ１）を有し、無機シート１２及び１３や金属成形体２１のシート部２１ａ及び２１ｂも全体に均一な元の厚みｔ２を有し、従来空隙４であった部分（波形金属薄板１１の谷部１１ａと無機シート１２及び１３や金属成形体２１の間）には、充填材１４が充填されている。

図４（Ｂ）の低締付荷重を負荷した締付状態では、相対するフランジ５０及び６０間でガスケット１０、２０が厚み方向に圧縮され、波形金属薄板１１は波高さｔ１／２を縮小しながら波ピッチｐを拡大し、厚み方向に圧縮変形しながら面方向（内外径方向）にも伸び変形する。無機シート１２及び１３や金属成形体２１のシート部２１ａ及び２１ｂは、波形金属薄板１１の山部１１ｂで厚み方向に圧縮されるとともに、波形金属薄板１１の谷部１１ａには充填材１４が充填されているので、該波形金属薄板１１の谷部１１ａでも圧縮され、波形金属薄板１１の山部１１ｂ及び谷部１１ａの全面で締付面圧を確保して安定したシール性能を発揮する。

図４（Ｃ）の高締付荷重を負荷した締付状態では、相対するフランジ５０及び６０間でガスケット１０、２０が厚み方向にさらに圧縮され、波形金属薄板１１は波高さｔ１／２をさらに縮小しながら波ピッチｐをさらに拡大し、平板に近い状態にまで厚み方向にさらに圧縮変形しながら面方向にもさらに伸び変形する。無機シート１２及び１３や金属成形体２１のシート部２１ａ及び２１ｂは、波形金属薄板１１の山部１１ｂで厚み方向にさらに圧縮されるとともに、波形金属薄板１１の谷部１１ａには充填材１４が充填されているので、該波形金属薄板１１の谷部１１ａでもさらに圧縮され、波形金属薄板１１の山部１１ｂ及び谷部１１ａの全面でさらに高い締付面圧を確保して、低締付荷重で得た安定したシール性能を引き続き保持する。

このように、各ガスケット１０、２０では、従来空隙４であった波形金属薄板１１の谷部１１ａに充填材１４を充填し該部を最初から埋めているので、従来低締付荷重では圧縮できなかった波形金属薄板１１の谷部１１ａにおける無機シート１２及び１３や金属成形体２１のシート部２１ａ及び２１ｂを圧縮し、低締付荷重において全面で締付面圧を確保することができるため、低締付荷重から安定したシール性能が得られる。したがって、低〜高締付荷重において長期的に安定したシール性能を確保することができる。

また、各ガスケット１０、２０では、従来空隙４であった波形金属薄板１１の谷部１１ａに充填材１４を充填し該部を最初から埋めているので、無機シート１２及び１３や金属成形体２１が自身の流動性や厚みｔ１，ｔ２によって波形金属薄板１１の谷部１１ａを埋めようとして変形するのを抑えるため、無機シート１２及び１３や金属成形体２１のシート部２１ａ及び２１ｂの変形量は非常に小さくなる。このため、流動性が低い無機シート１２及び１３や金属成形体２１が高締付荷重を負荷しても破壊しないため、より薄い無機シート１２及び１３や金属成形体２１の使用が可能となる。

また、各ガスケット１０、２０では、波形金属薄板１１の表裏両面にシール材である充填材１４と無機シート１２及び１３や金属成形体２１のシート部２１ａ及び２１ｂとが内外２層に配置された構造となっているので、外側のシール材である無機シート１２及び１３や金属成形体２１が破壊したとしても、内側のシール材である充填材１４によってシールが可能であり、シールの信頼性が高い。内側のシール材である充填材１４と外側のシール材である無機シート１２及び１３や金属成形体２１の材料には同材料又は異種材料の組み合わせが可能である。

また、各ガスケット１０、２０では、波形金属薄板１１の谷部１１ａに充填する充填材１４は粉体で、高い圧縮性と高い流動性を兼備しているので、波形金属薄板１１の谷部１１ａの形状変化に追従性良く波形金属薄板１１の谷部１１ａ内で圧縮され、流動するので、波形金属薄板１１の変形を妨げずガスケット１０、２０の変形追随性を損なわない。波形金属薄板１１の谷部１１ａに空隙が生じ難く該部において締付面圧を安定して確保できる。粉体の充填材１４は安価である上、高い歩留りで無駄なく使用でき、経済的である。

さらに、各ガスケット１０、２０では、無機シート１２及び１３や金属成形体２１の密度より低い密度で、充填材１４を波形金属薄板１１の谷部１１に充填してあるので、何れの締付荷重においても、波形金属薄板１１の谷部１１ａにおける締付面圧が波形金属薄板１１の山部１１ｂにおける締付面圧よりも低くなり、締付面圧分布が均等にならず締付面圧が低下しないため、シールに必要な最小締付力の増加がない。したがって、使用に当たって、求められる機器・配管の接合部の強度が大きくならず、設計の見直し、設備・装置の改造等の必要性がない。

上記のように各ガスケット１０、２０は、流動性が低い無機シート１２及び１３や金属成形体２１との適合性を確保し、その無機シート１２及び１３や金属成形体２１の使用を実現しているため、無機シートとしてマイカシート、バーミキュライト系シート、又は金属シート等を用い、４００℃以上の酸化性流体に使用できる。またこの用途では、充填材１４としてマイカ、タルク（無機鉱物）等の粉体が使用可能である。

また、波形金属薄板１１の材料としては内部流体の温度及び内部流体との耐食性等を考慮の上、銅、鉄、軟鋼、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属薄板であれば、上記用途で使用可能である。

波形金属薄板１１として波形金属薄板（材質：ステンレス鋼［３１６Ｌ］，板厚：０．５ｍｍ，波ピッチｐ：３．２ｍｍ，波高さｔ１／２：０．５５ｍｍ［山高さｔ１：１．１ｍｍ］）を使用し、無機シート１２及び１３としてマイカシート（厚みｔ２：０．５ｍｍ）を使用し、充填材１４としてマイカ粉末（平均粒径：５０μｍ）を使用して、図１、図２に示すようなガスケット（以下、「実施例」という。）を作製した。

実施例の比較例として、充填材１４を充填していないこと以外、実施例と同一構造のガスケット（以下「比較例」という。）を作製した。

実施例と比較例とのシール特性を図５に示す。図５は常温での窒素ガスシール試験を実施例と比較例について行い、それぞれのシール特性を比較したものである。図５において、実施例は比較例と比べ低〜高締付荷重（面圧）においてシール性能に優れる。また、比較例は高締付荷重において無機シート１２及び１３の破壊が起こり漏洩を生じた。これにより、従来空隙４であった波形金属薄板１１の谷部１１ａに充填材１４を充填し該部を最初から埋めることによって、低〜高締付荷重において長期的に安定したシール性能を確保できることと、流動性が低い材料の無機シート１２及び１３や金属成形体２１でも高締付荷重において破壊ぜす使用できることを確認した。

また、実施例と比較例の無機シート１２及び１３（マイカシート）の厚みとシール性能の関係を下記の表１に示す。

上記表１は窒素ガスシール試験を実施例と比較例について無機シート１２及び１３の厚みを変えながら行い、厚みごとのシール性能を比較したものである。表１において、実施例は比較例では得られなかった標準的な厚みｔ２の無機シート１２及び１３で安定したシール性能が得られた。これにより、従来空隙４であった波形金属薄板１１の谷部１１ａに充填材１４を充填し該部を最初から埋めることによって、標準的な厚みでより薄い無機シート２及び１３や金属成形体２１の使用が可能となることを確認した。

本発明の実施形態に係るガスケットの平面図である。 本発明の実施形態に係るガスケットの構造を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係るガスケットの構造を示す断面図である。 本発明の実施形態及び他の実施形態に係るガスケットの圧縮変形過程を示す図である。 本発明の実施例と比較例とのシール特性を示す折線グラフである。 従来ガスケット構造の圧縮変形過程を示す図である。

符号の説明

１０，２０ ガスケット
１１ 波形金属薄板（金属薄板）
１１ａ 谷部
１１ｂ 山部
１２，１３ 無機シート
１４ 充填材（シール材）
２０ ガスケット
２１ 金属成形体

Claims (3)

1. 同心円の波形を付けた金属薄板の谷部に無機粉体のシール材を充填し、該金属薄板の両面にシール性を有する無機シートを積層接着したことを特徴とするガスケット。
2. 同心円の波形を付けた金属薄板の谷部に無機粉体のシール材を充填し、該金属薄板の両面及び内周をシール性を有する金属成形体で被覆したことを特徴とするガスケット。
3. 金属薄板の谷部における締付面圧が金属薄板の山部における締付面圧よりも低くなる密度で、無機粉体のシール材を金属薄板の谷部に充填したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガスケット。

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