JP5237839B2

JP5237839B2 - 金属製のこ歯形ガスケット及び組み合わせガスケット

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Publication number: JP5237839B2
Application number: JP2009003513A
Authority: JP
Inventors: 晃則大脇; 直哉宮城
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: JP2010159852A

Description

本発明は、金属製のこ歯形ガスケット及びその両面に弾性シート体が貼り合わされた一般にカンプロファイルと称される組み合わせガスケットに関するものである。

カンプロファイルガスケットは、１９７０年にドイツのケンプヘン社により開発された、金属製のこ歯形ガスケットの両面に膨張黒鉛等の弾性シート体を貼りあわせた構造のもので、高温・高圧流体に対しても比較的低い締め付け面圧でシールすることができるガスケットとして知られている（英国特許出願公開第２０１０４１７号明細書）。

この組み合わせガスケットは、金属製本体の両面に直径が異なる同心円状の溝が径方向にほぼ等ピッチで多数掘られた断面がのこ（鋸）歯形状となっているため、締め付け面圧が低くてものこ歯の先端部分に高い面圧が発生し、さらに表面に膨張黒鉛などの弾性シート体が貼り合わされているために、フランジ表面との馴染みがよく、またのこ歯の先端が直接フランジと接触しないため、フランジ表面を傷つけることもない。このため、構造上、組み合わせガスケットの幅（径方向長さ）を狭く設計することが可能となるため、フランジにおけるガスケット座の幅が狭い熱交換器等の機器用のガスケットとして最適である。

この組み合わせガスケットにおける溝の形状としては、ケンプヘン社によって数々の検討がされており、溝の先端でフランジ面を傷つけないように歯の先端の幅は０．１ｍｍ、溝と溝のピッチは１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、溝の深さは０．３３ｍｍ、０．６３ｍｍ、溝の角度は９０℃とすること等が推奨されている。また、貼りあわせる弾性シート体は、通常、膨張黒鉛シートあるいはテトラフルオロエチレン樹脂（ＰＴＦＥ）シートを使用する。

従来、弾性シート体として膨張黒鉛シートやＰＴＦＥシートを使用する場合、締め付けにより膨張黒鉛はＰＴＦＥが金属の同心円の溝部分に流れ込み、この反発力によって低面圧でも優れたシール性を発揮するものと考えられていた。

しかしながら、この従来のカンプロファイルガスケットを低面圧で気密試験を行ったところ、微小な漏れが検出された。このため、従来にも増してシール性に優れたカンプロファイルガスケットが望まれていた。

従って、本発明の目的は、低面圧におけるシール性が極めて良好なカンプロファイルガスケット及びこれに用いる金属製のこ歯形ガスケットを提供することにある。

かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、（１）低面圧の気密試験で検出される漏れは膨張黒鉛シート内部に残存する空気が圧縮されて押し出されたものであること、（２）相対的に膨張黒鉛体積に対して溝容積を大きくして歯先端幅部分にだけ高面圧を負荷すれば、高面圧部分の膨張黒鉛内部の空隙を完全に埋めてしまい締め付けの段階で空気を完全に押し出すことができ、シール性を向上させることができること、（３）このような優れたシール性は、歯の先端の幅（ｗ）が所定の範囲であり、歯の先端の幅ｗ（ｍｍ）を歯間に形成される溝のピッチｐ（ｍｍ）で割った値ｗ/ｐが所定の範囲であり、また、ｗ/ｐ＜ｄｐ/２（ｄは溝の深さ）を満足する金属製のこ歯形ガスケットを用いたカンプロファイルガスケットで達成できることなどを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、両面に、断面がのこ歯形状となるような歯と歯溝が形成され、該のこ歯の先端が平坦面であり、下記（Ａ）〜（Ｃ）；
（Ａ）歯の先端の幅ｗ（ｍｍ）が、０．２〜０．９０、
（Ｂ）歯の先端の幅ｗ（ｍｍ）を歯間に形成される溝のピッチｐ（ｍｍ）で割った値ｗ/ｐが、０．１５〜０．４５、
（Ｃ）ｗ/ｐ＜ｄｐ/２（式中、ｗ及びｐは前記と同じ、ｄは溝の深さ（ｍｍ）を示す。）を満たす金属製のこ歯形ガスケットを提供するものである。

また、本発明は、前記金属製のこ歯形ガスケットの両面に弾性シート体を貼り合わされて得られる組み合わせガスケットを提供するものである。

本発明の組み合わせガスケットは、相対的に弾性シート体に対して溝容積を大きくして歯先端幅部分にだけ高面圧を負荷するため、高面圧部分の弾性シート体内部の空隙を完全に埋めてしまい締め付けの段階で空気を完全に押し出すことができる。このため、低面圧におけるシール性が極めて良好である。従来の組み合わせガスケットは、相対的に弾性シート体に対して溝容積が小さいため、歯先端幅部分だけでなく、溝部分にも荷重が分散され、空隙を完全に埋めきれず、空隙の空気が押し出されるため、漏洩が生じるものと思われる。また、本発明の金属製のこ歯形ガスケットは、前記組み合わせガスケットの構成部材として好適なものである。

本実施の形態例の組み合わせガスケットの一部を破断して示す平面図。図１のＡ-Ａ線に沿って見た図。のこ歯部分の拡大断面図。締め付けによる弾性シートの変形状態を説明する図。図２の組み合わせガスケットの締め付け後の状態を示す図。図６は種々ののこ歯の断面形状を示す図である。図１〜図５で使用する金属製のこ歯形ガスケットの一部を破断して示す平面図。図７のＢ-Ｂ線に沿って見た図である。シール性評価のための試験装置の概略図である。

本発明の実施の形態における組み合わせガスケットを図１〜図６を参照して説明する。図１は本例の組み合わせガスケットの一部を破断して示す平面図、図２は図１のＡ-Ａ線に沿って見た図、図３はのこ歯部分の拡大端面図、図４は締め付けによる弾性シートの変形状態を説明する図、図５は図２の組み合わせガスケットの締め付け後の状態を示す図、図６は種々ののこ歯の端面形状を示す図である。また、図７は、図１〜図５で使用する金属製のこ歯形ガスケットの一部を破断して示す平面図、図８は、図７のＢ-Ｂ線に沿って見た端面図である。

組み合わせガスケット１０は、金属製のこ歯形ガスケット１の両面に弾性シート体２、２を貼り合わせて得られるものである。組み合わせガスケット１０は、締め付けにより、弾性シート体２がのこ歯間に形成される溝部分に流れ込み、低面圧でも優れたシール性を発揮する。また、表面に弾性シート体が貼り合わされているために、フランジ表面との馴染みがよく、またのこ歯の先端が直接フランジと接触しないため、フランジ表面を傷つけることもない。

金属製のこ歯形ガスケット１は、図７及び図８に示すように、両面に、断面がのこ歯形状となるような歯１２と歯溝１３が形成された、厚みｔ_３、リング幅Ｗのリング状物である。のこ歯は、直径の異なる同心円の溝１３が、径方向に対して複数、等ピッチで形成されることで表れるものである。すなわち、隣接する歯（のこ歯）１２間に溝１３が形成されたものである。

金属製のこ歯形ガスケット１の材質としては、ステンレス３１６Ｌ鋼、ステンレス３０４鋼などのステンレス鋼、他の合金鋼が挙げられる。材質の選定は、使用される流体の種類や温度により、適宜決定される。

金属製のこ歯形ガスケット１は、歯の先端の幅ｗ（ｍｍ）が０．２〜０．９０である（構成（Ａ））。歯の先端の幅ｗは平坦で、弾性シート体２と当接している。また、締め付け後は、弾性シート体２に高い面圧を負荷する部分となる。歯の先端の幅ｗが狭すぎると、歯の先端部分の面圧が高くなり過ぎて弾性シート体２が溝１３にはみ出してしまい、逆に歯の先端の幅ｗが広過ぎると、シール性を維持できる十分な面圧にはならない。

また、金属製のこ歯形ガスケット１は、歯の先端の幅ｗ（ｍｍ）を溝のピッチｐ（ｍｍ）で割った値ｗ/ｐが０．１５〜０．４５である（構成（Ｂ））。ｗ/ｐ値が高すぎると、歯の先端部分の面圧が低くなりすぎてシール性が維持できず、ｗ/ｐ値が低すぎると、歯の先端部分の面圧が高くなり過ぎて弾性シート体２が溝１３にはみ出してしまう。

また、金属製のこ歯形ガスケット１は、ｗ/ｐ＜ｄ×ｐ/２（式中、ｗ及びｐは前記と同じ、ｄは歯間で形成される溝の深さ（ｍｍ）を示す。）である（構成（Ｃ））。この不等号式の右辺は、溝のピッチｐと溝の深さｄの積の半分であり、溝１３の断面積に概ね等しいものである。従って、この不等号式を満たさない場合、すなわち、溝１３の断面積が小さ過ぎる場合、歯の先端幅ｗ部分の弾性シート体の密度が十分に高くなる前に弾性シート体がすぐに溝を満たしてしまい、歯の先端幅ｗ部分の弾性シート体だけでなく溝１３部分の弾性シート体にも荷重が分散してしまい、歯の先端の幅ｗ部分の弾性シート体２の密度が高くならず、優れたシール性を発揮できない。一方、溝１３の断面積が大きければ、ｗ/ｐが大きくても溝１３に流れ込むことができる弾性シート体３の量が多いため、溝１３部分の弾性シート体に荷重が分散することがなく、歯の先端幅ｗ部分の弾性シート体だけの密度が高くなり、優れたシール性を発揮できる。

金属製のこ歯形ガスケット１におけるのこ歯と溝の形状としては、のこ歯の先端が平坦面であれば、特に制限されず、のこ歯が台形断面であり、溝が逆台形断面のもの（図６（Ａ））、溝が凹状且つ円弧状断面のもの（図６（Ｂ））、のこ歯が台形断面であり、溝が溝角９０〜１３０度の略Ｖ字形状断面のもの（（図６（Ｃ））などが挙げられる。

金属製のこ歯形ガスケット１は、その外周面（側面）に外輪５を嵌め込むための溝４が形成されていてもよい。外輪５は組み合わせガスケット１０をフランジの座面に合わせる際、ボルトの位置に合わせてセンタリングする目的で用いられる。外輪５の材質としては、３０４鋼、４３０鋼等のステンレス及び炭素鋼が挙げられる。また、外輪５としては、金属製のこ歯形ガスケット１への嵌め込みを容易にするための切り込みが径方向に延びるように形成されていてもよい。また、２分割した外輪５の端面同士を溶接して使用することもできる。

組み合わせガスケット１０において、上記構成（Ａ）〜（Ｃ）を満たす金属製のこ歯形ガスケット１を用いれば、締め付け力が比較的弱い低面圧であってもシール性が顕著に良好となる。この理由は、上記構成（Ａ）〜（Ｃ）を満たす場合、のこ歯１１の先端周りの弾性シート体２の一部が溝１３に流れ込み、のこ歯１１の先端の幅（ｗ）部分の適度に残された弾性シート体２に負荷される面圧が大きくなる（密度が高まる）ためである。この本発明の作用は、従来言われていたシール性は溝内部に流れ込んだ弾性シート体２の反発力であるとする思想とは全く異なる。

組み合わせガスケット１０において使用する弾性シート体２としては、膨張黒鉛シート、ＰＴＦＥ（テトラフルオロエチレン樹脂）シート、アルミニウムシート、銀シート、銅シート又は繊維強化ゴムシートなどが挙げられる。このうち、膨張黒鉛シート、ＰＴＦＥシートが、上記構成（Ａ）〜（Ｃ）を満たす金属製のこ歯形ガスケット１と組み合わせて使用された際、のこ歯１１の先端周りの弾性シート体２の一部が溝１３に流れ込み、のこ歯１１の先端の幅（ｗ）部分の適度に残された弾性シート体２に負荷される面圧が大きくなる（密度が高まる）効果が顕著に表れる点で好適である。また、ＰＴＦＥシートは優れた耐薬品性を有するため、耐薬品性が必要な部位の使用に好適である。

弾性シート体２は通常、接着剤で金属製のこ歯形ガスケット１に貼り付けられている。従って、金属製のこ歯形ガスケット１の歯の先端と弾性シート体２間には、接着剤層が存在する。弾性シート体２の厚みは、０．２〜１．２ｍｍ、好ましくは０．２５〜１．０ｍｍである。弾性シート体２の厚みが余り薄すぎると、溝１３に流れ込んだ後の歯の先端上部の弾性シート２の厚みを確保できず、本願発明の作用を奏しなくなる。また、弾性シート体２は公知のガスケットシートと同様のものが使用できる。接着剤としては、公知のものでよく、例えば、ＳＢＲ系接着剤が使用できる。なお、金属製のこ歯形ガスケット１と弾性シート体２との接着は、接着剤以外にも、両面テープなどの接着手段によるものであってもよい。

次に、組み合わせガスケット１０の製造方法の一例について説明する。組み合わせガスケット１０は、例えば厚さ３．０ｍｍのような所定厚みの板状のステンレス鋼板を所定のガスケットサイズとなるようにリング状にレーザー加工するＩ工程、Ｉ工程で得られた所定厚みのリング状物の両面（平坦面）に対して、直径の異なる同心円の溝１３を、径方向に対して複数、等ピッチで、且つ上記構成（Ａ）〜（Ｃ）を満たすように旋盤で切削加工して、金属製のこ歯形ガスケット（中間体）を得るＩＩ工程、ＩＩ工程で得られた金属製のこ歯形ガスケットの両面に、所定の厚みの弾性シート体から同寸法となるように打抜き加工したリング状弾性シート体を接着剤で貼り付けて、組み合わせガスケットを得るＩＩＩ工程を実施することにより得られる。

Ｉ工程において、板状のステンレス鋼板をリング状に加工する方法としては、上記レーザー加工によるもの以外に、例えば帯状の金属を曲げ加工により円形にし、端面同士を溶接したものであってもよい。曲げ加工は、大きい金属製のこ歯形ガスケットを作製する場合に有効である。また、Ｉ工程後、リング状の外周面に外輪嵌合用の溝を形成してもよい。

ＩＩ工程で得られる金属製のこ歯形ガスケットの形状及び作用は、前記金属製のこ歯形ガスケットと同様であり、その記載を省略する。また、ＩＩ工程で得られる金属製のこ歯形ガスケットは、本発明の金属製のこ歯形ガスケットである。

ＩＩＩ工程で使用する弾性シート体は、組み合わせガスケットで説明した弾性シート体と同様であり、その記載を省略する。

本発明の金属製のこ歯形ガスケットは、前記組み合わせガスケットで使用する金属製のこ歯形ガスケットであり、前記組み合わせガスケット及びその製造方法における金属製のこ歯形ガスケットの記載と同様であるため、その説明を省略する。すなわち、本発明の金属製のこ歯形ガスケットは、組み合わせガスケットに好適に使用されるものであり、組み合わせガスケットの製造過程における中間体となるものである。また、本発明の金属製のこ歯形ガスケットは、そのままでフランジ間に使用されるものではない。

本発明の組み合わせガスケットは、例えば石油精製・石油化学プラント、発電所及び製鉄所などの配管の継手用ガスケット、あるいは熱交換器などの機器用の漏れ防止用のガスケットと使用される。締め付け力は比較的弱いものであっても優れたシール性を発揮する。締め付け力、すなわち、ガスケット面圧が３９．２〜７８．５Ｎ/ｍｍ^２、好適には３９．２Ｎ/ｍｍ^２となるような締め付けであれば十分である。

（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。

厚さ３．０ｍｍの板状のステンレス３１６Ｌ鋼を、内径９８．４ｍｍ、外径１２３．８ｍｍのリング状物となるように、レーザー加工した。次いで、この両面を表１の実施例１に示した歯及び溝形状となるように旋盤により切削加工を施し金属製のこ歯形ガスケットを作製した。なお、溝の断面形状は略Ｖ字状とした。更に、リング状物の外周面を溝深さ１．１ｍｍ、溝幅１．３ｍｍとなるように外輪用の溝を加工した。次いで、上記外輪用の溝に嵌合する厚さ１ｍｍのステンレス３０４鋼のリング状外輪を作製した。このリング状外輪には、嵌め込み易いように、１箇所に径方向に延びる切り込みを入れ、その後、外輪用の溝の嵌め込み、切り込み部分の端面を溶接により接合した。次いで、金属製のこ歯形ガスケットの両面に、厚さ０．５ｍｍの膨張黒鉛から同寸法となるように打抜き加工したリング状物をＳＢＲ系接着剤で貼り付け組み合わせガスケットを作製した。得られた組み合わせガスケットについて、下記の方法により、シール性を評価した。その結果を表１に示す。

（シール性の評価）
シール性の測定は、図９に示す試験装置で行なった。すなわち、組み合わせガスケット（試験体）２１を上下フランジ２４、２４で挟み込み、捕集用外筒２５を取り付け、ガスケット面圧が５８．８Ｎ/ｍｍ^２となるように締め付ける。そして、捕集用外筒２５に形成されるテストポートとヘリウムリークディテクター２２を接続して、その内部とヘリウムリークディテクター内に設置される質量分析計内部（不図示）を真空引きする。次いで、組み合わせガスケット（試験体）２１の内部に内圧２．１ＭＰａのヘリウムガスを負荷して、漏れを測定する。符号２３はヘリウムボンベ、符号２６はＯリングである。

実施例２〜４、比較例１〜７
表１に示す溝形状とした以外は、実施例１と同様の方法により、組み合わせガスケットを作製した。得られた組み合わせガスケットについて、実施例１と同様の方法によりシール性を評価した。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、構成（Ａ）〜（Ｃ）の要件を満たす実施例は漏洩量が１．１×１０^−１１〜１．５×１０^−７Ｐａｍ^３/ｓ、すなわち、概ね１０^−７Ｐａｍ^３/ｓより小であり、構成（Ａ）〜（Ｃ）の要件の全て又は一部が外れる比較例は、漏洩量が１．３×１０^−５〜１．０×１０^−４Ｐａｍ^３/ｓ、すなわち、概ね１０^−４Ｐａｍ^３/ｓより大である。このように、本願発明の組み合わせガスケットは、構成（Ａ）〜（Ｃ）を満たすことで、漏洩量を顕著に抑制することができる。

本発明の組み合わせガスケットは、比較的弱い締め付け力であっても、極めて優れたシール性を発揮するため、石油精製・石油化学プラント、発電所及び製鉄所などの配管の継手用ガスケット、あるいは熱交換器などの機器用の漏れ防止用のガスケットとして好適である。

１金属製のこ歯形ガスケット
２弾性シート体
１０組み合わせガスケット
１２歯（この歯）
１３歯間で形成される溝

英国特許出願公開第２０１０４１７号明細書及び図１〜図６

Claims

両面に、断面がのこ歯形状となるような歯と歯溝が形成され、該のこ歯の先端が平坦面であり、下記（Ａ）〜（Ｃ）；
（Ａ）歯の先端の幅ｗ（ｍｍ）が、０．２〜０．９０、
（Ｂ）歯の先端の幅ｗ（ｍｍ）を歯間に形成される溝のピッチｐ（ｍｍ）で割った値ｗ/ｐが、０．１５〜０．４５、
（Ｃ）ｗ/ｐ＜ｄｐ/２（式中、ｗ及びｐは前記と同じ、ｄは溝の深さ（ｍｍ）を示す。）を満たすことを特徴とする金属製のこ歯形ガスケット。
請求項１記載の金属製のこ歯形ガスケットの両面に弾性シート体を貼り合わされて得られることを特徴とする組み合わせガスケット。
前記弾性シート体が、膨張黒鉛シートまたはＰＴＦＥシートであることを特徴とする請求項２記載の組み合わせガスケット。