JP6343454B2 - シール構造およびシール方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば配管や容器などの接続部におけるシール構造およびシール方法に関する。

従来より、配管同士や容器と蓋などの接続部におけるシール構造として、ガスケットを内外二重に配置したシール構造が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−２５９８７５号公報

しかしながら、上記のようにガスケットを内外二重に配置した場合であっても、ガスケットの平坦度が低いと十分なシール性能が得られない可能性がある。

本発明は、こうした状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、流体漏れ防止性能を向上したシール構造およびシール方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のシール構造は、第１部材と第２部材との接続部におけるシール構造であって、第１部材に形成された第１フランジと、第２部材に形成され、第１フランジと結合された第２フランジと、第１フランジと第２フランジとの間に間隔を置いて配置された内側ガスケットおよび外側ガスケットと、内側ガスケットと外側ガスケットとの間の第１空間に第１流体を供給する流体供給装置とを備える。流体供給装置は、第１空間内の第１流体を、第１部材および第２部材により形成される第２空間内の第２流体より高い圧力に維持する。

第１流体は、不活性ガスであり、第２流体は、空気に対する耐性が低い流体であってもよい。

第１空間内の第１流体は、外側ガスケットより外側の第３空間より高い圧力とされ、第２空間内の第２流体は、真空に近い圧力とされてもよい。

第２流体は、５００℃以上の流体であってもよい。

内側ガスケットは、黒鉛を用いて形成されてもよい。

外側ガスケットは、ステンレス鋼または銅を用いて形成されてもよい。

本発明の別の態様は、シール方法である。この方法は、第１部材と第２部材との接続部におけるシール方法であって、第１部材に形成された第１フランジと第２部材に形成された第２フランジとの間に間隔を置いて内側ガスケットおよび外側ガスケットを配置するステップと、内側ガスケットと外側ガスケットとの間の第１空間に第１流体を供給するステップとを備える。第１空間内の第１流体は、第１部材および第２部材により形成される第２空間内の第２流体より高い圧力に維持される。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、流体漏れ防止性能を向上したシール構造およびシール方法を提供できる。

本発明の実施形態に係るシール構造の全体構成を示す図である。 本発明に係るシール構造の要部を拡大して示す図である。 本発明の別の実施形態に係るシール構造の全体構成を示す図である。

図１は、本発明の実施形態に係るシール構造１０の全体構成を示す図である。図２は、本発明に係るシール構造１０の要部を拡大して示す図である。本実施形態に係るシール構造１０は、第１配管１１と第２配管１２との接続部に採用されている。

第１配管１１および第２配管１２は、円筒状の配管であり、それぞれ容器（図示せず）に接続されている。第１配管１１および第２配管１２は、例えばステンレス鋼で形成されてよい。

本実施形態に係るシール構造１０は、第１配管１１に形成された第１フランジ１３と、第２配管１２に形成された第２フランジ１４と、第１フランジ１３と第２フランジ１４との間に内外二重に配置された内側ガスケット１５および外側ガスケット１６と、内側ガスケット１５と外側ガスケット１６との間の空間（以下、「ガスケット空間」と呼ぶ）１７に流体を供給する流体供給装置２０とを備える。

第１フランジ１３、第２フランジ１４は、それぞれ第１配管１１、第２配管１２の端部から配管の中心軸に対し垂直方向に延設された円盤状の部材である。第１フランジ１３および第２フランジ１４は、配管と同じ材質、例えばステンレス鋼で形成される。第１フランジ１３、第２フランジ１４は、それぞれ第１合わせ面１３ａ、第２合わせ面１４ａを有する。第１フランジ１３および第２フランジ１４は、第１合わせ面１３ａおよび第２合わせ面１４ａが対向するようにして配置され、ボルト２１およびナット２２によって結合される。

内側ガスケット１５および外側ガスケット１６は、金属製のOリング状のガスケットであり、第１フランジ１３と第２フランジ１４との間に同心状に所定の間隔を置いて配置されている。配管の中心から見てボルト２１およびナット２２よりも内側に外側ガスケット１６が配置されており、該外側ガスケット１６の内側に内側ガスケット１５が配置されている。

第１フランジ１３の第１合わせ面１３ａ、第２フランジ１４の第２合わせ面１４ａにはそれぞれ、環状の第１外側Ｖ溝１３ｂ、第２外側Ｖ溝１４ｂが形成されている。外側ガスケット１６は、第１外側Ｖ溝１３ｂおよび第２外側Ｖ溝１４ｂにより挟み込まれることにより固定される。

さらに、第１フランジ１３の第１合わせ面１３ａ、第２フランジ１４の第２合わせ面１４ａにはそれぞれ、第１外側Ｖ溝１３ｂ、第２外側Ｖ溝１４ｂよりも内側に、環状の第１内側Ｖ溝１３ｃ、第２内側Ｖ溝１４ｃが形成されている。内側ガスケット１５は、第１内側Ｖ溝１３ｃおよび第２内側Ｖ溝１４ｃにより挟み込まれることにより固定される。

内側ガスケット１５と外側ガスケット１６との間隔は、例えば配管の直径に応じて設定されてよい。例えば配管の直径が２００ｍｍ〜３００ｍｍの場合には、内側ガスケット１５と外側ガスケット１６との間隔は、例えば１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度であってよい。

第１合わせ面１３ａと第２合わせ面１４ａの間に内側ガスケット１５および外側ガスケット１６を配置したことにより、第１合わせ面１３ａと第２合わせ面１４ａの間には隙間が形成されている。内側ガスケット１５および外側ガスケット１６の断面径が１０ｍｍ程度の場合には、第１合わせ面１３ａと第２合わせ面１４ａとの間の隙間は例えば２ｍｍ〜３ｍｍ程度であってよい。

本実施形態に係るシール構造１０では、内側ガスケット１５、外側ガスケット１６、第１合わせ面１３ａおよび第２合わせ面１４ａにより、気密にされた環状のガスケット空間１７が形成される。第１フランジ１３には、このガスケット空間１７に外部から不活性ガスを供給するためのガス供給口２３が形成されている。このガス供給口２３には内ネジが形成されている。流体供給装置２０のガス供給用パイプ２８の先端に形成された外ネジがガス供給口２３の内ネジと嵌合することで、流体供給装置２０が第１フランジ１３に接続される。

本実施形態において、流体供給装置２０は、ガス供給口２３を介してガスケット空間１７に、流体として不活性ガスを供給する。不活性ガスは、例えばヘリウム、ネオン、アルゴンなど希ガス類元素であってよい。本実施形態において、流体供給装置２０は、ガスケット空間１７内の不活性ガスを、第１配管１１および第２配管１２を流れる流体（以下、「配管内流体」と呼ぶ）より高い圧力に維持するよう構成される。すなわち、ガスケット空間１７内の不活性ガスの圧力をＰ１、配管内流体の圧力をＰ２としたとき、流体供給装置２０は常に、Ｐ１＞Ｐ２となるように動作する。

図２に示すように、流体供給装置２０は、不活性ガス源２４と、圧力制御弁２５と、圧力計２６と、ホールダー２７とを備える。この流体供給装置２０において、不活性ガス源２４から出力された不活性ガスは、圧力制御弁２５、ホールダー２７、ガス供給用パイプ２８を通ってガスケット空間１７に供給される。ホールダー２７は、不活性ガスを貯蔵するための容器であり、ガス供給用パイプ２８を介してガスケット空間１７に接続されている。ホールダー２７は、ガスケット空間１７内の不活性ガスの圧力が急激に低下するのを防ぐ役割を有する。ホールダー２７内の不活性ガスの圧力は、ガスケット空間１７内の不活性ガスの圧力と等しい。圧力計２６は、ホールダー２７の圧力を測定する。圧力制御弁２５には、不活性ガス源２４からホールダー２７で維持すべき圧力よりも高い圧力の不活性ガスが供給される。圧力制御弁２５は、圧力計２６にて測定された圧力を参照して、ホールダー２７内の不活性ガスの圧力が一定となるよう弁開度を調整する。

本実施形態に係るシール構造１０において、配管内流体と接触する内側ガスケット１５は、高温への耐性およびシール性の高い材料を用いて形成される。このような材料としては、黒鉛を例示できる。黒鉛は空気との接触により劣化するおそれがあるが、本実施形態では、内側ガスケット１５の外側のガスケット空間１７には不活性ガスが充填されているため、内側ガスケット１５は空気には接触しない。

また本実施形態に係るシール構造１０において、空気と接触する外側ガスケット１６は、空気に対する耐性の高い材料を用いて形成される。このような材料としては、ステンレス鋼または銅を例示できる。ステンレス鋼または銅で形成されたガスケットは、高温（例えば５００℃以上、例えば１０００℃程度）でのシール性は低いが、空気に対する耐性は高い。

上記のように、本実施形態に係るシール構造１０では、ガスケット空間１７内の不活性ガスの圧力が、第１配管１１および第２配管１２を流れる配管内流体の圧力より高く維持される。第１配管１１と第２配管１２との結合と分離が頻繁に行われる場合には、第１配管１１に対する第２配管１２のずれや、内側ガスケット１５および外側ガスケット１６の劣化が起こりやすい。また、配管内流体が高温（５００℃以上、例えば１０００℃程度）である場合には、ガスケットおよびフランジの熱膨張が大きくなりやすい。このような配管同士のずれ、ガスケットの劣化、ガスケットおよびフランジの熱膨張に起因して、内側ガスケット１５および外側ガスケット１６と、第１フランジ１３または第２フランジ１４との間に隙間が生じたとしても、不活性ガス圧力Ｐ１＞配管内流体圧力Ｐ２であることにより、不活性ガスがガスケット空間１７から該隙間を経て第１配管１１および第２配管１２の内部に流れ込み、配管内流体が第１配管１１および第２配管１２からガスケット空間１７を経て流れ出ることがない。このため、第１配管１１および第２配管１２の内部からの配管内流体の漏れを確実に防止することができる。

また、第１配管１１および第２配管１２内にはガスケット空間１７の不活性ガスが流れ込むだけであるため、本実施形態に係るシール構造１０は、配管内流体が空気と接触すると空気中の酸素や窒素と反応し、品質が著しく劣化するものである場合や、配管内流体が空気中の水分と反応し、酸性ガスを発生するものである場合などに適している。このような空気に対する耐性が低い流体としては、金属の塩化物などがある。本実施形態に係るシール構造１０を採用することで、配管内流体が空気と接触する事態を防止でき、配管内流体の品質を高く維持することができる。

本実施形態において、ガスケット空間１７内の不活性ガスは、外側ガスケット１６より外側の空間（以下、「外部空間」と呼ぶ）より高い圧力とし、配管内流体は、真空に近い圧力とすることができる。ここでいう真空に近い圧力とは、例えば１ｋＰａＡ以下（「ＰａＡ」は絶対圧を表す）である。すなわち、ガスケット空間１７内の不活性ガスの圧力を、配管内流体の圧力および外部空間の圧力よりも高くするのである。例えば、ガスケット空間１７内の不活性ガスの圧力は１０２ｋＰａＡ〜１２０ｋＰａＡであってよい。この場合、外側ガスケット１６とフランジとの間に隙間が生じたとしても、ガスケット空間１７の不活性ガスが外部空間に流れ出るだけであり、外部空間の空気がガスケット空間１７内に侵入することはない。従って、ガスケット空間１７内の流体が配管内に流れ込んだとしても、配管内に空気が侵入することはない。

また、本実施形態に係るシール構造１０では、高温への耐性およびシール性の高い例えば黒鉛を用いて内側ガスケット１５を形成し、空気に対する耐性の高い例えばステンレス鋼または銅を用いて外側ガスケット１６を形成している。これにより、シール性と空気に対する耐性の両方を高く維持することが可能である。

なお、第１配管１１と第２配管１２とを空気中で結合した場合には、ガスケット空間１７に空気が存在している可能性がある。この場合、ガス供給口２３を介してガスケット空間１７内の気体の吸引して真空にする作業と、ガス供給口２３を介してガスケット空間１７内に不活性ガスを供給する作業とを繰り返すことにより、ガスケット空間１７内の空気を不活性ガスに置換することができる。あるいは、ガス供給口２３から不活性ガスを供給しながら、第１配管１１と第２配管１２を結合してもよい。あるいは、第１フランジ１３または第２フランジ１４に、ガス供給口２３とは別に空気抜き孔を設け、ガス供給口２３からガスケット空間１７内に不活性ガスを供給することで、空気抜き孔からガスケット空間１７内の空気を追い出してもよい。あるいは、配管内部に不活性ガスを大気圧を超えるよう供給しておき、その状態で第１配管１１と第２配管１２とをボルト２１およびナット２２で結合してもよい。この場合、第１配管１１と第２配管１２の結合時に、不活性ガスが空気をガスケット空間１７から追い出すので、ガスケット空間１７を不活性ガスで充填することができる。

図３は、本発明の別の実施形態に係るシール構造３０の全体構成を示す図である。本実施形態に係るシール構造３０は、容器３１と、該容器３１の蓋３２との接続部に採用されている。

容器３１は、円筒状の容器であり、上面に開口部を有する。蓋３２は、容器３１の開口部を覆うように設けられる。容器３１および蓋３２は、例えばステンレス鋼で形成されてよい。このシール構造３０は、容器３１および蓋３２により形成される空間に収容される流体（以下、「容器内流体」と呼ぶ）が空気に対する耐性が低いものである場合に適している。また、このシール構造３０は、容器３１に対する蓋３２の開閉を頻繁に行う場合に特に適している。

本実施形態に係るシール構造３０は、容器３１に形成された第１フランジ３３と、蓋３２に形成された第２フランジ３４と、第１フランジ３３と第２フランジ３４との間に内外二重に配置された内側ガスケット３５および外側ガスケット３６と、内側ガスケット３５と外側ガスケット３６との間の空間（以下、「ガスケット空間」と呼ぶ）３７に流体（具体的には不活性ガス）を供給する流体供給装置４０とを備える。流体供給装置４０の構成は、図２に示す流体供給装置２０と同様なので説明を省略する。

第１フランジ３３、第２フランジ３４は、それぞれ容器３１、蓋３２の端部から容器３１の中心軸に対し垂直方向に延設された円盤状の部材である。第１フランジ３３および第２フランジ３４は、容器３１および蓋３２と同じ材質、例えばステンレス鋼で形成される。第１フランジ３３、第２フランジ３４は、それぞれ第１合わせ面３３ａ、第２合わせ面３４ａを有する。第１フランジ３３および第２フランジ３４は、第１合わせ面３３ａおよび第２合わせ面３４ａが対向するようにして配置され、ボルト４１およびナット４２によって結合される。

内側ガスケット３５および外側ガスケット３６は、金属製のOリング状のガスケットであり、第１フランジ３３と第２フランジ３４との間に同心状に所定の間隔を置いて配置されている。容器３１の中心から見てボルト４１およびナット４２よりも内側に外側ガスケット３６が配置されており、該外側ガスケット３６の内側に内側ガスケット３５が配置されている。内側ガスケット３５、外側ガスケット３６は、それぞれ、第１合わせ面３３ａ、第２合わせ面３４ａに形成されたＶ溝によって挟み込まれることにより固定される。

本実施形態に係るシール構造３０では、内側ガスケット３５、外側ガスケット３６、第１合わせ面３３ａおよび第２合わせ面３４ａにより、気密にされた環状のガスケット空間３７が形成される。蓋３２の第２フランジ３４には、このガスケット空間３７に外部から不活性ガスを供給するためのガス供給口４３が形成されている。ガス供給口４３には、流体供給装置４０のガス供給用パイプ４８が接続される。

流体供給装置４０は、ガス供給口４３を介してガスケット空間３７に不活性ガスを供給する。不活性ガスは、例えばヘリウム、ネオン、アルゴンなど希ガス類元素であってよい。本実施形態において、流体供給装置４０は、ガスケット空間３７内の不活性ガスを、容器内流体より高い圧力に維持するよう構成される。すなわち、ガスケット空間３７内の不活性ガスの圧力をＰ１、容器内流体の圧力をＰ２としたとき、流体供給装置４０は常にＰ１＞Ｐ２となるように動作する。

本実施形態に係るシール構造３０において、容器内流体と接触する内側ガスケット３５は、高温への耐性およびシール性の高い材料、例えば黒鉛を用いて形成される。一方、外側ガスケット３６は、空気に対する耐性の高い材料、例えばステンレス鋼または銅を用いて形成される。

上記のように、本実施形態に係るシール構造３０では、ガスケット空間３７内の不活性ガスの圧力が、容器内流体の圧力より高く維持される。容器３１に対する蓋３２の開閉が頻繁に行われる場合には、容器３１に対する蓋３２のずれや、内側ガスケット３５および外側ガスケット３６の劣化が起こりやすい。また、容器内流体が高温（５００℃以上、例えば１０００℃程度）である場合には、ガスケットおよびフランジの熱膨張が大きくなりやすい。しかしながら、本実施形態に係るシール構造３０によれば、内側ガスケット３５および外側ガスケット３６と、第１フランジ３３または第２フランジ３４との間に隙間が生じたとしても、不活性ガスがガスケット空間３７から該隙間を経て容器３１の内部に流れ込み、容器内流体がガスケット空間３７を経て容器３１の外部に流れ出ることがない。このため、容器３１の内部からの容器内流体の漏れを確実に防止することができる。

また、容器３１内にはガスケット空間３７の不活性ガスが流れ込むだけであるため、容器内流体が空気と接触する事態を防止でき、容器内流体の品質を高く維持することができる。

本実施形態において、ガスケット空間３７内の不活性ガスは、外側ガスケット３６より外側の外部空間より高い圧力とし、容器内流体は、真空に近い圧力とすることができる。ここでいう真空に近い圧力とは、例えば１ｋＰａＡ以下である。すなわち、ガスケット空間３７内の不活性ガスの圧力を、容器内流体の圧力および外部空間の圧力よりも高くするのである。例えば、ガスケット空間３７内の不活性ガスの圧力は１０２ｋＰａＡ〜１２０ｋＰａＡであってよい。この場合、外側ガスケット３６とフランジとの間に隙間が生じたとしても、ガスケット空間３７の不活性ガスが外部空間に流れ出るだけであり、外部空間の空気がガスケット空間３７内に侵入することはない。従って、ガスケット空間３７内の流体が容器内に流れ込んだとしても、容器内に空気が侵入することはない。

また、本実施形態に係るシール構造３０では、高温への耐性およびシール性の高い例えば黒鉛を用いて内側ガスケット３５を形成し、空気に対する耐性の高い例えばステンレス鋼または銅を用いて外側ガスケット３６を形成している。これにより、シール性と空気に対する耐性の両方を高く維持することが可能である。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば、上述の実施形態では、配管同士の接続部および容器と蓋の接続部におけるシール構造について説明したが、本発明に係るシール構造は、これらに限定されず、任意の２つの部材の接続部に適用することができる。

また、上述の実施形態では、ガスケット空間に不活性ガスを供給する実施形態を説明したが、ガスケット空間に供給する流体は不活性ガスに限定されず、配管や容器内の流体の種類に応じて適宜選択することができる。

また、上述した実施形態のシール構造は、配管や容器内の流体が高温（５００℃以上、例えば１０００℃程度）である場合に限定されず、配管や容器内の流体が５００℃未満の場合にも適用可能である。

また、上述した実施形態のシール構造は、配管や容器内の流体が真空に近い圧力である場合に限定されず、配管や容器内の流体の圧力がガスケット空間の圧力より低ければ適用可能である。

また、上述した実施形態のシール構造によりシールされる流体は、空気に対する耐性が低い流体に限られない。

１０、３０ シール構造、 １１ 第１配管、 １２ 第２配管、 １３、３３ 第１フランジ、 １４、３４ 第２フランジ、 １５、３５ 内側ガスケット、 １６、３６ 外側ガスケット、 １７、３７ ガスケット空間、 ２０、４０ 流体供給装置、 ２１、４１ ボルト、 ２２、４２ ナット、 ２３、４３ ガス供給口、 ２４ 不活性ガス源、 ２５ 圧力制御弁、 ２６ 圧力計、 ２７ ホールダー、 ２８、４８ ガス供給用パイプ。

Claims (7)

1. 第１部材と第２部材との接続部におけるシール構造であって、
   前記第１部材に形成された第１フランジと、
   前記第２部材に形成され、前記第１フランジと結合された第２フランジと、
   前記第１フランジと前記第２フランジとの間に間隔を置いて配置された内側ガスケットおよび外側ガスケットと、
   前記内側ガスケットと前記外側ガスケットとの間の第１空間に第１流体を供給する流体供給装置と、を備え、
   前記流体供給装置は、前記第１空間内の前記第１流体を、前記第１部材および前記第２部材により形成される第２空間内の第２流体より高い圧力に維持し、
   前記第１流体は、不活性ガスであり、
   前記内側ガスケットは、黒鉛を用いて形成され、
   前記外側ガスケットは、ステンレス鋼または銅を用いて形成されることを特徴とするシール構造。
2. 前記第２流体は、空気に対する耐性が低い流体であることを特徴とする請求項１に記載のシール構造。
3. 前記第１空間内の前記第１流体は、前記外側ガスケットより外側の第３空間より高い圧力とされ、
   前記第２空間内の前記第２流体は、真空に近い圧力とされることを特徴とする請求項１または２に記載のシール構造。
4. 前記第２流体は、５００℃以上の流体であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のシール構造。
5. 第１部材と第２部材との接続部におけるシール方法であって、
   前記第１部材に形成された第１フランジと前記第２部材に形成された第２フランジとの間に間隔を置いて内側ガスケットおよび外側ガスケットを配置するステップと、
   前記内側ガスケットと前記外側ガスケットとの間の第１空間に第１流体を供給するステップと、を備え、
   前記第１空間内の前記第１流体は、前記第１部材および前記第２部材により形成される第２空間内の第２流体より高い圧力に維持され、
   前記第１流体は、不活性ガスであり、
   前記内側ガスケットは、黒鉛を用いて形成され、
   前記外側ガスケットは、ステンレス鋼または銅を用いて形成されることを特徴とするシール方法。
6. 前記第２流体は、空気に対する耐性が低い流体であることを特徴とする請求項５に記載のシール方法。
7. 前記第１空間内の前記第１流体は、前記外側ガスケットより外側の第３空間より高い圧力とされ、
   前記第２空間内の前記第２流体は、真空に近い圧力とされることを特徴とする請求項５または６に記載のシール方法。

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