JP4391933B2 - 高温用に金属製ジャケットを有したフレキシブルなグラファイトシールジョイント - Google Patents

Description

本発明は、静的な密封に関するものであり、特に、非常に高温の流体を搬送するようなパイプフランジのための静的な密封に関するものである。

図１〜図５に示すように、いくつかのタイプのシールが、公知であって、例えば金属やグラファイトといったようないくつかの材料から構成されている。

図１は、第１の『溝付き』タイプのシールを示している。この場合、金属製コア（１Ｂ）が、グラファイト製の２つの薄い層（１Ａ）によって囲まれている。金属製コア（１Ｂ）は、表面上に溝を有している。これにより、グラファイト層（１Ａ）が、金属製コア（１Ｂ）内へとわずかに侵入することができ、これにより、ジョイントの密封性をもたらすことができる。

図２は、第２の『波状』タイプのシールを示している。この場合、波形状とされた中央金属層（２Ｂ）が、両面を、同様の波形状とされたグラファイト層（２Ａ）によってカバーされている。

図３は、第３の『螺旋状』タイプのシールを示している。この場合、グラファイト製螺旋（３Ａ）が、金属製螺旋（３Ｂ）を巻回している。

図４は、第４の『金属−プラスチック』タイプのシールを示している。この場合、中央コア（４Ａ）が、グラファイト製とされ、２つの部材からなる金属製外皮（４Ｂ）によって包囲されている。

最後に、第５の『すべてグラファイトからなる』タイプのシールが、図５に示されている。この場合、正方形横断面形状または矩形横断面形状とされた中央コア（５Ａ）が、両面を、２つの塊状金属製リング（５Ｂ）によって包囲されている。

すべてのタイプの金属−プラスチックシールにおいて、アスベストが、『延伸グラファイト』とも称されるようなフレキシブルグラファイトに沿って設けられている。アスベストは、シール材料として直接的に使用されている。すなわち、アスベストは、シールを形成する必要がある部材どうしの間においてつまりフランジどうしの間において、直接的に接触している。これは、例えば、ライニングを有しているような、螺旋状のシールや波状のシールや溝付きのシールの場合である。また、アスベストは、特に金属−プラスチックシールの場合には、ライニング材料として間接的に使用されている。

アスベストをグラファイトによって代替したとしても、このような『複合型』シールの場合に観測される様々な性能レベルに関連する問題点を解決することはできない。すなわち、グラファイトと金属とを連結する際に発生する問題点を解決することはできない。それは、非常に困難な応用においては、『すべてがグラファイトからなる』シールが、即座に支配的となるからである。その理由は、そのようなシールの場合には、性能の再現性が高いことに加えて、グラファイトによって占有される容積を区画しているリング上において、フランジどうしの間の金属／金属接触が可能であるからである。

したがって、このような新たな分類のグラファイトシールの使用の限界は、材質自体に密接に関連している、すなわち、フレキシブルグラファイトという材質自体に密接に関連している。しかしながら、延伸グラファイトを特徴づける本質的パラメータは、純度レベルである。そのため、腐食リスクおよび酸化速度は、純度要因に関連する。よって、５５０℃という限界温度が、酸素の存在下における最高純度のグラファイトに関して、広く知られている。なお、本出願人の知る限りにおいては、本出願に関連性を有する先行技術文献は存在しない。

本発明の目的は、グラファイトと金属とから構成されているとともに５５０℃よりも高温に耐え得るような上記とは異なるタイプのシールを提供することによって、上記欠点を克服することである。

上記目的を達成するため、本発明の主題は、高温用にフレキシブルグラファイトと金属製外皮とを具備してなるシールであって、とりわけ、フレキシブルグラファイトコアと、このフレキシブルコアを包囲する金属製外皮と、を具備している。

本発明においては、フレキシブルコアとこのコアの包囲する金属製外皮とからなるシールユニットが、密封シール用のシース内に封入され、これにより、シールユニットは、制御された雰囲気下で動作することができる。実際、不活性雰囲気下においては、すなわち、無酸素雰囲気下においては、グラファイトが機能し得る温度は、物理的性質を変化させることなく、２，０００℃にも達し得ることに注意されたい。加えて、金属製外皮は、有利には、フレキシブルコアの全周を包囲していない２つのカップから構成される。

この理由により、本発明の最初の実施態様においては、シースの内部が、減圧状態とされる。

他の可能な実施態様においては、シースの内部が、不活性ガス雰囲気に維持される。

好ましくは、フレキシブルコアを構成するために、フレキシブルグラファイトが使用される。

シースの主要な実施態様においては、シースは、金属製とされる。

シースの形状に関し、最初の実施態様においては、シースは、シールの中央平面のところにおいて互いに溶接された２つの部材から構成することができる。

第２の実施態様においては、シースは、なおも、２つの部材から構成することができ、これら２つの部材は、シースの横断面形状が四辺形である場合には、シールがなす四隅のうちの互いに対向した２つの隅のところにおいて互いに溶接される。

最後に、第３の実施態様においては、シースは、４つの部材から構成され、これら４つの部材は、上部材、下部材、および、２つの側方部材とされていて、これら４つの部材は、互いに溶接される。

シースは、好ましくは、正方形横断面を有したもの、あるいは、矩形横断面を有したもの、とされる。

シールの締付時にシースが負荷を受ける面に対応して、カップに突起を設けることは、有効な着想である。

本発明および本発明の様々な技術的特徴点は、添付図面を参照しつつ、以下の詳細な説明を読むことにより、明瞭となるであろう。

図６に示すように、本発明によるシールは、フレキシブル内部コア（１０）に関連した複合型のシールであり、コア（１０）は、延伸グラファイトから構成されている、あるいは、同様の材料から構成されている。５５０℃以上の温度においても弾性特性を維持し得るよう、延伸グラファイトを無酸素雰囲気下に維持しなければならないことが、指定される。そのため、本発明においては、密封シールされたシース（１５）が、形成される。これにより、グラファイトに向けて腐食性ガスが侵入することを、完全に防止することができる。必要に応じて、酸素を吸引除去するとともに、例えばアルゴンといったような不活性ガスによって置換し得ることも、想定される。

よって、シース（１５）は、金属ボックスを構成し、この金属ボックスは、外部から内部へのおよび内部から外部への、一切のガス流通を遮断する。延伸グラファイトから形成されたフレキシブルコア（１０）は、金属製外皮をなす２つの金属カップ（１２）の間に配置されている。コア（１０）の容積は、締付ステップ時に圧縮されつつ稠密化された際にでもグラファイトが一切押し出されることがないように、規定されている。締付ステップを行う前の時点では、２つのカップ（１２）の間にスペース（１３）が存在している点、および、締付ステップの終了時点では、そのスペースが最小化される点、に注意されたい。

カップ（１２）は、複数の突起（１４）を有している。これら突起（１４）は、カップ（１２）のうちの、シールを確立しなければならない部材どうしを受領することとなるシースの部材に対向している表面に形成されている。これにより、実際、シールと、隆起表面すなわちシールすべき部材と、の間の当接部分のところに、押圧力を集中させることができる。このことは、シールを維持することに寄与する。突起（１４）は、丸いボスという形態で図示されている。しかしながら、突起（１４）は、三角形状や矩形形状のものとすることもできる。突起（１４）の高さは、高温でシース（１５）を機能させた際に、シース（１５）の剪断を引き起こし得ないような、寸法とされている。

２つのカップ（１２）によって構成された金属製外皮は、同様に金属からなるシース（１５）よりも、剛性が大きなものとされている。シールが圧潰された際には、すなわち、シールの確立対象をなす２つの部材が近接移動した際には、コア（１０）をなすフレキシブルグラファイトの容積が、稠密化によって低減され、これにより、外皮（１５）に関する全体的応答が引き起こされる。この全体的応答は、２つのカップ（１２）の外面に形成された突起（１４）に集中する。

図７は、本発明によるシールの第２実施形態を示している。この第２実施形態は、完成度がより高いものである。実際、シース（２５）は、上部材（２６Ｓ）および下部材（２６Ｉ）という２つの個別部材から構成されている。これら２つの部材は、それぞれの端部（２７）のところにおいて中央平面内において互いに溶接されている。端部（２７）は、外方に突出していて、フレキシブルリップを形成しており、溶接の実施を容易なものとしているとともに、シールが押圧された際にシース（２５）をよりフレキシブルなものとしている。フレキシブルコア（１０）と、金属製外皮を構成している両カップ（１２）とは、図６に示す第１実施形態と同じ構成とされている。

図８に示す第３実施形態は、シース（３５）を、４つの個別部材から形成し得ることを示している。すなわち、シース（３５）を、上部材（３６Ｓ）と、下部材（３６Ｉ）と、２つの側方部材（３６Ｌ）と、から形成し得ることを示している。これら４つの部材は、上部材（３６Ｓ）および下部材（３６Ｉ）の内壁の２つの平面内において２つずつのものどうしが互いに溶接されている。フレキシブルコア（１０）と両カップ（１２）とは、上記第１および第２実施形態と同じ形状とすることができる。

図９に示す第４実施形態は、正方形横断面ではなく矩形横断面を有したフレキシブルコア（４０）を備えている。このため、両カップ（４２）は、少し幅が広いものとされているとともに、より多くの数の突起（４４）が設けられている。これに対し、シース（４５）は、上部材（４６Ｓ）および下部材（４６Ｉ）という２つの部材から構成されている。上部材（４６Ｓ）および下部材（４６Ｉ）は、それぞれ、鉛直方向側壁（４６Ｌ）を有している。したがって、溶接は、矩形横断面形状の互いに反対側に位置したエッジにおいて行われている。

応用に際し、金属製シースおよびカップを構成するために使用される材料は、温度耐性と、熱が印加された際の機械的耐性と、に応じて選択される。シースは、好ましくは、ニッケルまたは鉄ベース合金とすべきである。それは、これら材料であれば、高温において、酸化アルミニウムまたは酸化クロムを含有し得るような、腐食に対する保護層を形成し得るからである。カップをなす材料は、シースによる腐食から保護する必要があることのために、選択範囲がさらに限定される。共通して使用し得るような、ニッケル／クロム／鉄合金を、使用することができる。再使用やライフサイクルという目的で、例えばセラミックといったような他の材料を使用することもできる。

寸法を例示するならば、平均直径が５０〜１５０ｍｍのシールの場合には、５×５ｍｍという横断面を有したグラファイトと、０．５ｍｍという厚さを有したカップとを、使用することができる。シースの厚さは、０．１０ｍｍや０．２０ｍｍといったように任意に制限される。突起の高さは、０．１０ｍｍという厚さのシースの場合には０．０５ｍｍとされ、０．２０ｍｍという厚さのシースの場合には０．１５ｍｍとされる。

よって、グラファイトコアがシースによって包囲されて封入された後には、閉塞後において、グラファイトコアが、高温でも有効な性質を維持し得ることは、理解されるであろう。

従来技術による第１の『溝付き』タイプのシールを示す断面図である。 従来技術による第２の『波状』タイプのシールを示す断面図である。 従来技術による第３の『螺旋』タイプのシールを示す断面図である。 従来技術による第４の『金属−プラスチック』タイプのシールを示す断面図である。 従来技術による第５の『すべてグラファイトからなる』タイプのシールを示す断面図である。 本発明によるシールの第１実施形態を示す断面図である。 本発明によるシールの第２実施形態を示す断面図である。 本発明によるシールの第３実施形態を示す断面図である。 本発明によるシールの第４実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１０ フレキシブルコア
１２ カップ（金属製外皮）
１４ 突起
１５ シース
２５ シース
３５ シース
３６Ｉ 下部材
３６Ｌ 側方部材
３６Ｓ 上部材
４０ フレキシブルコア
４２ カップ（金属製外皮）
４４ 突起
４５ シース
４６Ｉ 下部材
４６Ｌ 側方部材
４６Ｓ 上部材

Claims (10)

1. 高温用に金属製外皮を有したフレキシブルグラファイト製のシールであって、
   −フレキシブルコア（１０，４０）と；
   −このフレキシブルコアを包囲する金属製外皮（１２，４２）と；
   を具備してなり、
   −前記外皮（１２，４２）と前記フレキシブルコア（１０，４０）とからなるシールユニットを内部に密封シールするシース（１５，２５，３５，４５）を具備し、
   −前記シース（１５，２５）が、前記シールの中央平面のところにおいて互いに溶接された２つの部材から構成され、
   −前記金属製外皮が、前記フレキシブルコア（１０，４０）の全周を包囲していない２つのカップ（１２，４２）から構成されていることを特徴とするシール。
2. 請求項１記載のシールにおいて、
   前記フレキシブルコア（１０，４０）が、フレキシブルグラファイトであることを特徴とするシール。
3. 請求項１記載のシールにおいて、
   前記シース（１５，２５，３５，４５）の内部が、減圧状態に維持されていることを特徴とするシール。
4. 請求項１記載のシールにおいて、
   前記シース（１５，２５，３５，４５）の内部が、不活性ガス雰囲気に維持されていることを特徴とするシール。
5. 請求項１記載のシールにおいて、
   前記シース（１５，２５，３５，４５）が、金属製であることを特徴とするシール。
6. 請求項１記載のシールにおいて、
   前記シース（３５，４５）が、４つの部材から構成され、
   これら４つの部材が、上部材（３６Ｓ，４６Ｓ）、下部材（３６Ｉ，４６Ｉ）、および、２つの側方部材（３６Ｌ，４６Ｌ）とされていて、これら４つの部材が、互いに溶接されていることを特徴とするシール。
7. 請求項１記載のシールにおいて、
   前記シース（４５）が、２つの部材から構成され、
   これら２つの部材が、上部材（４６Ｓ）および下部材（４６Ｉ）とされていて、これら２つの部材が、前記シールがなす四隅のうちの互いに対向した２つの隅のところにおいて互いに溶接されていることを特徴とするシール。
8. 請求項１記載のシールにおいて、
   前記シールユニットが、正方形横断面を有したものとされていることを特徴とするシール。
9. 請求項１記載のシールにおいて、
   前記シールユニットが、矩形横断面を有したものとされていることを特徴とするシール。
10. 請求項９記載のシールにおいて、
    前記カップ（１２，４２）が、前記シースが負荷を受ける面に対応して配置された突起（１４，４４）を有していることを特徴とするシール。

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