TW201634853A

TW201634853A - 墊圈

Info

Publication number: TW201634853A
Application number: TW104143058A
Authority: TW
Inventors: Kiyoshi Omori; Shintaro Onji
Original assignee: Japan Pionics
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2016-10-01
Also published as: JP2016118255A; TWI621799B; CN105715798A

Abstract

本發明的課題在於提供一種墊圈，該墊圈安裝於閥門、接頭等構造物的金屬法蘭間，該構造物使選自於氫、氨以及惰性氣體中的一種以上的氣體在高溫下流過。該墊圈具有優異的氣密性，不因該高溫氣體的影響而產生劣化，可長期維持優異的氣密性。本發明的解決手段係提供一種墊圈，作為其構成成分，以90wt%以上的含有率包含銀。或者，提供一種墊圈，其藉由以90wt%以上的含有率包含銀的金屬層，來覆蓋與金屬法蘭的接觸面。

Description

墊圈

本發明係關於一種被使用作為閥門、接頭等構造物的金屬法蘭(flange)之間的密封手段的墊圈，更具體而言，係關於一種墊圈，其能使下述高溫氣體等以不從密封部洩漏的方式而進行流通，該高溫氣體為：被供給至氫、氨、惰性氣體的精製裝置等之高溫氣體；或者從該等裝置所回收之高溫的氣體等；或者包含從廢氣的淨化裝置等所排出的上述氣體之高溫的氣體等。

在過去，在半導體製造步驟中，高純度的氫、氮等之惰性氣體被大量使用作為環境氣體，或高純度的氨被大量使用作為半導體製造的原料氣體，例如為了得到高純度的氫而進行氫精製，其中，將含有雜質的原料氫供給至由鈀合金的薄膜所構成的氫分離膜，僅使氫通過並取出。作為用於如此氫精製方法的裝置，使用如下之裝置：該裝置在含有雜質之原料氫的導入口、純氫的取出口、以及該導入口與該取出口之間的氣體流路中，具有鈀合金的薄膜。在精製氫時，需要將通過合金薄膜前後的氫的溫度維持在規定溫度(250~500℃)，並且需要將一次側空間(含有雜質之原料氫的供給側空間)在規定範圍內維持在高於二次側空間(純氫的取出側空間)的壓力。因此，在氫精製裝置的上游側和下游側，設置有控制加熱後的氣體的壓力的閥門、連接該閥門與配管的接頭等。

另外，包含從半導體製造步驟所排出之有害物質的廢氣，需要藉由淨化裝置進行淨化而釋放到大氣中。例如，從氮化鎵(GaN)類化合物半導體製造步驟，會排出含有氨的廢氣。在將這樣的廢氣釋放到大氣中時，需要將氨的濃度去除至TLV-TWA(25ppm)以下。作為氨的淨化方法，雖已知有使含有氨的廢氣在加熱下與氨分解觸媒接觸，從而將氨分解成為氮與氫的氨分解方法，但是因從半導體製造步驟所排出之廢氣為高溫，且亦從氨淨化裝置排出高溫之已處理完畢的氣體，故在氨淨化裝置的上游側和下游側，需要具有控制氣體流量的耐熱性的閥門、連接該閥門與配管的接頭等。

如上述的閥門，具有設置於氣體的導入口(進氣口)、氣體的排出口(出氣口)、連通該等的流路、以及該流路的中途之流路的開閉手段，已知有例如專利文獻1~3所示者。此等閥門一般係組合複數的金屬法蘭所構成者，在組裝時，使用用於防止金屬法蘭間洩漏氣體的墊圈。作為這樣的墊圈，較佳為具有氣密性和耐熱性，例如，如專利文獻4~6所示，作為石棉替代材料，使用將陶瓷纖維、橡膠、無機填充材料作為主要成分者。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本特開平6-185377號公報

專利文獻2：日本特開平6-213335號公報

專利文獻3：日本特開2003-206807號公報

專利文獻4：日本特開平5-222352號公報

專利文獻5：日本特開平6-159516號公報

專利文獻6：日本特開2005-273690號公報

然而，專利文獻4~6中記載的墊圈，在表面硬度高的情況，容易在金屬法蘭面間形成縫隙，有氣密性降低之虞，在表面硬度低的情況，由於長期受到高溫氣體的影響，有產生劣化而氣密性降低的傾向。因此，本發明欲解決之課題係提供一種墊圈，其係安裝於閥門、接頭等構造物的金屬法蘭之間的墊圈，該構造物在高溫(100℃以上的溫度)下使選自於氫、氨以及惰性氣體中的一種以上的氣體流過，並且，該墊圈具有優異的氣密性，不因高溫氣體的影響而產生劣化，可長期維持優異的氣密性。

本發明人等為了解決此等課題而進行深入研究，結果發現下述情況，從而得到本發明之墊圈。該情況為：在使氫、氨、惰性氣體於高溫下流過的閥門、接頭等構造物的金屬法蘭間所安裝的墊圈中，使用銀作為主要成分，或者藉由將銀作為主要成分的金屬層覆蓋表面，藉此墊圈具有優異的氣密性，即使長期與高溫氣體接觸也不會產生劣化。

即，本發明為一種墊圈，其係安裝於構造物的金屬法蘭間之墊圈，該構造物使選自於氫、氨以及惰性氣體中的一種以上的氣體在100℃以上的溫度下流過，其特徵在於，作為構成成分，以90wt%以上的含有率包含銀。

又，本發明為一種墊圈，其係安裝於構造物的金屬法蘭間之墊圈，該構造物使選自於氫、氨以及惰性氣體中的一種以上的氣體在100℃以上的溫度下流過，其特徵在於，藉由以90wt%以上的含有率包含銀的金屬層，覆蓋與金屬法蘭的接觸面。

本發明的墊圈，由於至少與金屬法蘭的接觸面為將銀作為主要成分的構造，故具有與構成法蘭的金屬相比而言適度柔軟的硬度(莫氏硬度：約2.5)的表面，在通過螺栓等按壓墊圈時，難以在與金屬法蘭面之間形成縫隙，無閥門的氣密性降低之虞。又，具有優異的耐熱性、耐腐蝕性，即使長期使用亦難以受到高溫(100℃~700℃左右)的氫、氨或惰性氣體的影響，難以產生劣化。其結果，可適合地使用作為安裝於使高溫的上述氣體流過的閥門、接頭等構造物的金屬法蘭間的墊圈。

1‧‧‧墊圈

2‧‧‧銀含有部分

3‧‧‧銀含有層

4‧‧‧閥箱

5‧‧‧進氣口

6‧‧‧出氣口

7‧‧‧閥桿

8‧‧‧閥體

9‧‧‧閥箱的上部的法蘭

10‧‧‧波紋管法蘭

11‧‧‧氣體的流路

12‧‧‧原料氫供給口

13‧‧‧含雜質之氣體取出口

14‧‧‧純氫取出口

15‧‧‧單元

16‧‧‧加熱器

17‧‧‧原料氫的導入配管

18‧‧‧純氫取出配管

19‧‧‧含雜質之氣體回收管

20‧‧‧閥門

21‧‧‧法蘭

22‧‧‧母法蘭

23‧‧‧公法蘭

第1圖為表示本發明的墊圈的一個例子的立體圖；第2圖為表示第1圖的墊圈的垂直截面的例子的構成圖；第3圖為表示使用本發明之墊圈的閥門的一個例子的構成圖；第4圖為第3圖的墊圈附近的放大圖；第5圖為表示使用本發明之墊圈的接頭的例子的構成圖；第6圖為表示使用安裝有本發明之墊圈的閥門的精製裝置的一個例子的構成圖。

本發明適用於一種墊圈，其安裝於構造物的金屬法蘭間，該構造物為使選自於氫、氨以及惰性氣體中的一種以上的氣體在100℃以上的溫度下流過的閥門、接頭等。

以下，基於第1圖~第6圖來詳細說明本發明的墊圈，但本發明並不限於此。又，第1圖為表示本發明的墊圈的一個例子的立體圖。第2圖為表示第1圖的墊圈的垂直截面的例子的構成圖。第3圖為表示使用本發明之墊圈的閥門的一個例子的構成圖。第4圖為第3圖的墊圈附近的放大圖。第5圖為表示使用本發明之墊圈的接頭的例子的構成圖。第6圖為表示使用安裝有本發明之墊圈的閥門的精製裝置的一個例子的構成圖。

本發明的第一形態的墊圈係安裝於構造物的金屬法蘭間的墊圈，該構造物使選自於氫、氨以及惰性氣體中的一種以上的氣體在100℃以上的溫度下流過，並且，作為構成成分，該墊圈以90wt%以上的含有率包含銀。

另外，本發明的第二形態的墊圈係安裝於構造物的金屬法蘭間的墊圈，該構造物使選自於氫、氨以及惰性氣體中的一種以上的氣體在100℃以上的溫度下流過，並且，該墊圈藉由以90wt%以上的含有率包含銀的金屬層，覆蓋與金屬法蘭的接觸面。

本發明的墊圈不論是第一形態還是第二形態，通常為如第1圖所示之扁平狀的圓筒形、或者是扁平狀的角筒形(圖中未示出)，但不僅限於此等。本發明的第一形態的墊圈，如第2圖(1)所示，整體由以90wt%以上的含有率含有銀的金屬(銀含有部分2)構成，但本發明的第二形態的墊圈，如第2圖(2)所示，與金屬法蘭的接觸面由以90wt%以上的含有率含有銀的金屬層(銀含有層3)構成。另外，在第二形態的墊圈中，上述銀含有層3的厚度通常為0.05mm以上，較佳為0.1mm以上。

在第一形態的墊圈、或第二形態的墊圈的銀含有層3中，作為銀以外的構成成分，可含有金、銅等之金屬。但是，此等包含銀的合金的硬度，較佳為成為以莫氏硬度計為3.0以下的範圍。莫氏硬度超過3.0的情況，例如在通過螺栓等按壓墊圈時，在金屬法蘭面之間變得容易產生縫隙，有氣密性降低之虞。另外，作為第二形態的墊圈的銀含有層3以外的構成成分，可列舉出金屬、其它無機物等。

本發明的墊圈，例如可用於閥門、接頭等構造物中，該構造物設置於用於精製氫、氨或惰性氣體的氣體精製裝置；或包含從半導體製造步驟所排出之上述氣體的廢氣的淨化裝置的內部、上游側或下游側。又，本發明之墊圈，安裝於複數的金屬法蘭之間，作為用於防止從該縫隙間的氣體洩漏的手段，而被用於流通於內部的上述氣體的溫度成為100℃以上的閥門、接頭等構造物，進一步適用於上述氣體溫度成為200℃以上的構造物。

作為能適用本發明之墊圈的閥門，只要滿足上述條件就沒有特別限定，但可列舉例如第3圖、第4圖所示的閥門。該閥門具有閥箱4、進氣口5、出氣口6、閥桿7、閥體8等，係藉由使閥桿7和閥體8朝上下方向移動從而進行進氣口5與出氣口6的氣體連通和阻斷(閥門的開關)的結構。並且，藉由安裝於閥箱的上部的法蘭9與波紋管法蘭(bellows flange)10之間的墊圈1，氣體的流路11與外部被阻斷，維持閥門內部的氣密。另外，作為含有上述法蘭的閥門的材料，一般使用鍛鋼、鑄鐵等包含鐵作為主要成分的金屬材料，但使用於氫、氨、惰性氣體的精製裝置、包含此等氣體的廢氣淨化裝置的情況，較佳為SUS304、SUS316等不銹鋼製的材料。

作為使用可適用本發明之墊圈的閥門的氫精製裝置，可列舉例如日本特開平1-145302(使用鈀合金膜)、日本特開平2-141404(使用觸媒、吸附劑)所記載之氫精製裝置，同樣作為氨精製裝置，可列舉例如日本特開2002-37624(使用觸媒、吸附劑)所記載之氨精製裝置，同樣作為惰性氣體精製裝置，可列舉例如日本特開平1-115806(使用觸媒、吸附劑)、日本特開平5-4809(使用吸氣劑)所記載之惰性氣體精製裝置。又，作為設置於此等精製裝置的上游側的閥門，可列舉例如日本特開平1-115806的第4圖的V20a、V21a，作為設置於內部的閥門，可列舉例如日本特開平2-141404的第2圖的V11a、V12a，作為設置於下游側的閥門，可列舉例如上述第2圖的V13a、V14a。

作為使用可適用本發明之墊圈的閥門之從半導體製造步驟所排出之氣體的淨化裝置，可列舉例如日本特開2000-233117(氨分解)所記載的淨化裝置。又，作為設置於淨化裝置內部的閥門，可列舉例如上述公報的第1圖的閥門7、14，作為設置於下游側的閥門，可列舉例如上述第1圖的閥門11、13。

作為可適用本發明之墊圈的接頭，可列舉例如如第5圖所示之接頭。第5圖(1)係具有安裝於兩個法蘭21之間的墊圈1的配管接頭。又，第5圖(2)係具有安裝於母法蘭22與公法蘭23之間的墊圈1的接頭。另外，該接頭藉由將陰螺紋設置於母法蘭22的前端部的內周、將陽螺紋設置於公法蘭23的前端部的外周，旋轉擰緊螺紋，而可使填料1密接於壁面，在該部分得到氣密性。包含法蘭的接頭的材料，與上述閥門的情況相同。

[實施例]

接著，藉由實施例更具體地說明本發明，但本發明並不受限於此。

[實施例1]

(閥門的製作)

將包含95wt%的銀、5wt%的銅之厚度0.5mm的合金板衝壓成圓盤狀(外徑65mm、內徑55mm)後，進行表面處理，製作如第1圖、第2圖(1)所示之墊圈1。將此墊圈如第4圖所示般安裝於SUS316L製的閥箱的上部的法蘭9與波紋管法蘭10之間，製作如第3圖所示之主要由不銹鋼製的材料所構成的閥門。

(氫精製裝置的製作)

為了試驗本發明之墊圈的效果，如下述般製作使用已安裝有其之閥門的氫精製裝置(參見第6圖)。

將35根由將鈀、銀和金作為主要成分的合金所構成的鈀合金細管(外徑1.8mm、厚度70μm、長度300mm)焊接在直徑25mm、厚度5mm的圓盤狀的鎳製管板的複數個同心圓上。

將上述管板及鈀合金細管收納於具有原料氫供給口12、含有雜質的氣體取出口13、以及純氫取出口14之內徑25mm、長度700mm的SUS316L製單元15。

接著，將加熱器16設置於單元15的外側後，將原料氫的導入配管17連接於原料氫供給口12，將純氫取出配管18連接於純氫取出口14，將含雜質的氣體回收配管19連接於含雜質的氣體取出口13，將如上述所製作的閥門20安裝於純氫取出配管18，從而製作如第6圖所示之構成的氫精製裝置。

(氫的精製)

將氫精製裝置的單元的一次側的空間的內部溫度升溫至600℃並且導入氫，進行10小時的加熱處理。接著，使氫精製裝置的單元的一次側的空間的內部溫度降低至420℃，以15L/min的流量從原料氫供給口12導入含有雜質(氮、氧、二氧化碳等)的原料氫，使其通過鈀合金細管並經由純氫取出口14取出純氫，並且將沒有通過鈀合金細管的含有雜質的氣體從一次側空間取出，進行氫的精製。另外，流過閥門20的純氫的溫度大約為300℃。

(墊圈的氦漏試驗(helium leak test))

氫的精製進行大約1000小時。接著，使氫精製裝置的單元內的溫度降低至室溫，取代氫而流入氮後，取出閥門20，針對墊圈進行氦漏試驗。氦漏試驗係藉由真空罩(vacuum hood)法來進行。其結果，氦的洩漏量大約為1×10^-10Pa．m³/s。另外，亦針對氫精製前的墊圈進行氦漏試驗，但此時的氦的洩漏量大約為1×10^-10Pa．m³/s，可知即使進行了大約1000小時的氫精製，墊圈也維持優異的氣密性。

[實施例2]

在實施例1的閥門的製作中，除了使用第2圖(2)所示之具有銀含有層3的墊圈以外，與實施例1同樣地進行，製作閥門。另外，銀含有層3含有95wt%的銀、5wt%的銅，厚度為0.1mm。除了銀含有層3以外，使用將銅作為主要成分(90wt%以上)的金屬。又，墊圈的厚度為0.5mm。

使用此閥門，與實施例1同樣地進行，製作氫精製裝置，與實施例1同樣地進行氫精製，與實施例1同樣地進行墊圈的氦漏試驗。其結果，氫精製前的墊圈、氫精製後的墊圈的氦洩漏量均為大約2×10^-10Pa．m³/s。

[實施例3]

與實施例1同樣地進行，製作安裝有包含95wt%的銀、5wt%的銅之厚度0.5mm的合金製的墊圈的閥門。為了試驗該墊圈的效果，如下述般進行使用安裝有其之閥門的氨流通試驗。

將加熱器設置於不銹鋼製的配管的上游側，將上述閥門安裝於下游側，從而製作出流通試驗用的裝置。接著，向加熱器通電，並且使氨流通約500小時。在此期間，從閥門所排出的氨的溫度為150~200℃。

使配管的溫度降低至室溫，取代氨而流通氮後，取出閥門，與實施例1同樣地，針對墊圈進行氦漏試驗。其結果，氨流通前的墊圈、氨流通後的墊圈之氦洩漏量均為約1.5×10^-10Pa．m³/s。

[實施例4]

與實施例1同樣地進行，製作安裝有包含95wt%的銀、5wt%的銅之厚度0.5mm的合金製的墊圈的閥門。為了試驗該墊圈的效果，如下述般進行使用安裝有其之閥門的氮流通試驗。

將加熱器設置於不銹鋼製的配管的上游側，將上述閥門安裝於下游側，從而製作出流通試驗用的裝置。接著，向加熱器通電，並且使氮流通約500小時。在此期間，從閥門所排出的氮的溫度為400~450℃。

使配管的溫度降低至室溫後，取出閥門，與實施例1同樣地，針對墊圈進行氦漏試驗。其結果，氮流通前的墊圈、氮流通後的墊圈之氦洩漏量均為約1×10^-10Pa．m³/s。

[比較例1]

在實施例1的閥門的製作中，除了使用含有鐵作為主要成分的墊圈以外，與實施例1同樣地進行，製作閥門。另外，墊圈的形狀、大小與實施例1相同。

使用該閥門，與實施例1同樣地進行，製作氫精製裝置，與實施例1同樣地進行氫精製，並與實施例1同樣地進行墊圈的氦漏試驗。其結果，氫精製後的氦洩漏量大致與氫精製前相同，但均為大約5×10^-8Pa．m³/s，比實施例1多。

[比較例2]

除了在實施例1的閥門的製作中使用由陶瓷纖維、無機填充材料及有機黏結劑所構成的墊圈以外，與實施例1同樣地進行，製作閥門。另外，墊圈的形狀、大小與實施例1相同。

使用該閥門，與實施例1同樣地進行，製作氫精製裝置，與實施例1同樣地進行氫精製，與實施例1同樣地進行墊圈的氦漏試驗。其結果，氫精製前的氦洩漏量約為5×10^-10Pa．m³/s，但氫精製後的氦洩漏量增加成約為1×10^-8Pa．m³/s。

[比較例3]

除了在實施例2的閥門的製作中使用銀含有層3為銀80wt%、鐵20wt%且銀含有層3以外係將鐵作為主要成分(75wt%以上)的金屬之墊圈以外，與實施例2同樣地進行，製作閥門。另外，墊圈的形狀、大小與實施例1相同。

使用該閥門，與實施例1同樣地進行，製作氫精製裝置，與實施例1同樣地進行氫精製，與實施例1同樣地進行墊圈的氦漏試驗。其結果，氫精製後的氦洩漏量大致與氫精製前相同，但均為大約1×10^-9Pa．m³/s，比實施例1多。如此，墊圈之與法蘭的接觸部分的銀含有率小於90wt%的情況，有氣密性降低之虞。

如上所述，本發明的墊圈除了具有優異的氣密性以外，還具有優異的耐熱性，即使長期使用也能維持初期的氣密性。

2‧‧‧銀含有部

3‧‧‧銀含有層

Claims

一種墊圈，其係安裝於構造物的金屬法蘭(flange)間的墊圈，該構造物使選自於氫、氨以及惰性氣體中的一種以上的氣體在100℃以上的溫度下流過，其特徵在於，作為構成成分，以90wt%以上的含有率包含銀。
一種墊圈，其係安裝於構造物的金屬法蘭間的墊圈，該構造物使選自於氫、氨以及惰性氣體中的一種以上的氣體在100℃以上的溫度下流過，其特徵在於，藉由以90wt%以上的含有率包含銀的金屬層，覆蓋與金屬法蘭的接觸面。
如請求項1或2之墊圈，其中，構造物為設置於氣體的精製裝置的內部、上游側或下游側的閥門。
如請求項1或2之墊圈，其中，構造物為設置於從半導體製造步驟所排出之氣體的淨化裝置的內部、上游側或下游側的閥門。
如請求項1或2之墊圈，其中，構造物為接頭。
如請求項1或2之墊圈，其中，金屬法蘭為不銹鋼製。