WO2018158915A1 - 高シール性ボールバルブシート - Google Patents

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metal
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graphite
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豊彦 香山
達也 谷井
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日本カーボン株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K5/00—Plug valves; Taps or cocks comprising only cut-off apparatus having at least one of the sealing faces shaped as a more or less complete surface of a solid of revolution, the opening and closing movement being predominantly rotary
    • F16K5/06—Plug valves; Taps or cocks comprising only cut-off apparatus having at least one of the sealing faces shaped as a more or less complete surface of a solid of revolution, the opening and closing movement being predominantly rotary with plugs having spherical surfaces; Packings therefor
    • F16K5/0663—Packings
    • F16K5/0689—Packings between housing and plug
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/02—Sealings between relatively-stationary surfaces
    • F16J15/06—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces
    • F16J15/10—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces with non-metallic packing
    • F16J15/104—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces with non-metallic packing characterised by structure
    • F16J15/106—Sealings between relatively-stationary surfaces with solid packing compressed between sealing surfaces with non-metallic packing characterised by structure homogeneous

Definitions

  • the present invention relates to a high-seal ball valve seat used under high temperature and high pressure, and more specifically to a high-seal ball valve seat that prevents liquid leakage from between a graphite seal ring and a metal retainer.
  • the ball valve is a valve that adjusts the flow rate and opens and closes the flow path by rotating a spherical, hemispherical, or cylindrical valve body, and opens and closes by rotating a handle or lever. Because it has good sealing properties, it is widely used in power industry, natural gas pipeline, petroleum refining, petrochemical plant, general chemical factory equipment, building equipment related, pollution prevention related, general household water and sewage, gas supply equipment, etc. Yes.
  • an annular seal is interposed between the ball valve sliding surface and the ball holding portion of the valve case, and the seal member is held on the case side by a retainer mounted inside the case.
  • the seal member between the ball and the case is configured by a combination of a retainer and a seal ring.
  • the material of the seal member is appropriately selected depending on the fluid, pressure, and temperature to be used. In particular, when used in a temperature range of 2 MPa or more, exceeding 200 ° C., up to 350 ° C., and even 500 ° C.
  • Graphite material or graphite material impregnated with metal is used.
  • the resin-impregnated graphite material is resistant to alkaline and acidic fluids, and the metal-impregnated graphite material can withstand alkaline and some acidic fluids. Ball valve seats using these graphite materials have a graphite seal ring (seal member) fixed to the inside of a ring-shaped metal retainer by shrink fitting.
  • the ball valve seat interposed between the spherical, hemispherical, and cylindrical valve body and the inside of the valve case is integrated with the seal ring that is the ball pressure contact part and the retainer.
  • An object of the present invention is to improve the sealing performance of a ball valve seat in which a resin or metal-impregnated graphite seal ring and a metal retainer used under high pressure and high temperature are shrink-fitted, and to prevent leakage.
  • a rib with a height of 50 to 250 ⁇ m is formed on the outer periphery of a graphite seal ring made of a graphite material impregnated with resin or metal, thereby improving the sealing property between the shrink-fitted metal retainer and preventing leakage. is there.
  • the height of the rib is less than 50 ⁇ m, the effect of sealing is not sufficient, and it is preferably 50 ⁇ m or more.
  • the metal retainer does not expand so as to fit the seal member having the height of 250 ⁇ m or more even if the metal retainer is heated, so that shrink fitting is performed. I can't.
  • a height of 50 to 250 ⁇ m is appropriate, and a more preferable rib height is 100 to 200 ⁇ m.
  • the ribs must be continuously formed on the outer periphery of the graphite seal ring.
  • the number of ribs is at least one, and a plurality of ribs may be provided.
  • 1 to 3 ribs are preferable, and when using an L-type retainer, 1 to 2 ribs are preferable.
  • the width of the rib is not particularly limited, but since the height of the rib is set to 50 to 250 ⁇ m by machining, a slope with R on the both sides from the apex to facilitate machining from the apex to the bottom of the rib And the width of the bottom of the rib is preferably 550 to 1100 ⁇ m.
  • the rib When a graphite seal ring is made by machining a graphite material impregnated with resin or metal, the rib is 50 to 250 ⁇ m in height on the outer periphery of the graphite seal ring. Sealability can be improved and leakage can be prevented.
  • the conventional method of impregnation with resin eliminates the need for a step for preventing leakage, and can be manufactured at a low cost and in a short period of time.
  • Sectional drawing which shows a valve seat.
  • the outer periphery of the graphite seal ring is designed to improve the sealing performance of the ball valve seat with a resin or metal-impregnated graphite seal ring and metal retainer used under high pressure and high temperature, and to prevent leakage.
  • a resin or metal-impregnated graphite seal ring and metal retainer used under high pressure and high temperature and to prevent leakage.
  • the sealing performance between the metal retainer and the seal ring is improved, and a highly sealing ball valve seat that does not need to be filled with a resin is provided. Is.
  • the rib is formed at the same time when the graphite ring is cut out by machining, but it is difficult to process the rib by controlling the height of the rib to less than 50 ⁇ m.
  • the rib is formed at the contact surface between the graphite seal ring and the retainer. After shrink fitting, the retainer inner wall and the graphite seal outer periphery are parallel to each other. Any position is acceptable.
  • the ring does not expand uniformly during heating, and the ball contact portion side of the graphite seal ring and the retainer are compared with the gap between the valve case side of the graphite seal ring and the retainer due to shrink fitting. There is a deformation that the gap between them becomes large and does not become parallel. For this reason, it is necessary for the construction position of the rib to be closer to the case side than the center of the outer wall height of the graphite seal ring.
  • Shrink fit is a method of fitting a shaft and a hole. At room temperature, the diameter of the hole smaller than the diameter of the shaft is heated and expanded to fit together, and then the diameter of the hole is reduced by cooling. The following theoretical formula is established. Baked (pressure contact surface) force fit p m when fitted by shrink fitting the two hollow round bar ⁇ shrink-fitting white (diameter difference) is calculated by the following equation.
  • the inner cylinder has a longitudinal elastic modulus E 1 , Poisson's ratio ⁇ 1 , inner radius r 1 , outer radius r 2
  • the outer cylinder has a longitudinal elastic modulus E 2 , Poisson's ratio ⁇ 2 , inner radius r 2 , outer radius r 3 .
  • a shaft such as a metal disc (metal ring) with a hole is heated and expanded to insert a shaft that is slightly larger than the diameter of the hole and then cooled, and the metal member contracts to fix the shaft. This is a fitting method.
  • the material of the seal member is appropriately selected depending on the fluid to be used, the pressure, the temperature, and the properties of the fluid to be used.
  • a graphite material impregnated with resin is selected.
  • NHC-7E3 bulk specific gravity of 1.
  • NC-S76 bulk specific gravity 2.7, Shore hardness 80 manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.
  • Compressive strength 225 MPa
  • heat resistant temperature 500 ° C.
  • the seal member is preferably made of graphite in terms of machining and slidability. Specifically, coke powder and pitch and other binders are kneaded at a temperature of 80 to 150 ° C, then extruded, molded, molded by CIP (cold isostatic pressing), etc., and in a non-oxidizing atmosphere It is obtained by gradually raising the temperature and firing at 800 to 1300 ° C., then transferring to a graphitization furnace, gradually raising the temperature in a non-oxidizing atmosphere, and graphitizing at a maximum of 3200 ° C. Practically, if graphitized at 2000 ° C. or higher, there is no problem in machinability and slidability.
  • graphitization temperature is 2800 ° C. or higher
  • the hardness decreases, and there may be a problem in wear resistance.
  • graphitization is preferably 2000 ° C. or higher because the material is hard and difficult to machine.
  • the rib 3 forms at least one rib 3 continuous with the outer periphery of the graphite seal ring 1.
  • the number of the ribs 3 is 1 to 3
  • the retainer 2 is the L type shown in FIG.
  • An enlarged cross-sectional view of the rib 3 is shown in FIG.
  • the cross-sectional shape of the rib 3 is a mountain shape having a curved slope, and the width of the rib 3 is appropriately determined according to the height of the rib 3.
  • the minimum height h 2 of the rib 3 is 50 ⁇ m and the maximum height h 1 is 2500 ⁇ m from the limit of machining.
  • the slope from the apex to the bottom of the rib 3 is a circular curve with a radius R, and R is preferably 550 to 1100 ⁇ m.
  • the graphite sealing material impregnating agent includes resin and metal.
  • Typical examples of the resin include phenol resin and furan resin. Put the graphite material that is to be impregnated into a metal pressure vessel, evacuate it, depressurize it into the pores existing in the graphite material, then pour the liquid resin dissolved in the solvent, and further pressurize The impregnation is performed by spreading the resin to the pores in the graphite material. Repeat this operation multiple times if necessary. After impregnation, the solvent is removed and the resin is cured by a heat treatment at 180 to 250 ° C.
  • the metal include copper, copper alloy, silver, tin, antimony, antimony alloy, aluminum, and aluminum alloy.
  • a graphite material is put into a metal pressure vessel and once evacuated, the graphite material is immersed in a molten metal and impregnated under pressure.
  • Retainer member The metal must be able to withstand the pressure, temperature, and fluidity (alkaline, acidity) of the fluid used, and stainless steel, nickel alloy, nickel, or titanium is preferable.
  • stainless steels SUS316, SUS316L, SUS317L, SUS329L, SUS329J, and the like are preferably selected.
  • nickel alloys ALLOY 20, HASTERLOY C, HASTELLOY B, INCONEL 600, MONEL, etc. are preferably selected.
  • Retainer Shape There are two types of retainer shapes: a simple cylindrical shape (I-type) and a shape in which a part of the retainer wraps around the housing (L-type).
  • I-type simple cylindrical shape
  • L-type shape in which a part of the retainer wraps around the housing
  • the inner surface of the retainer remains parallel to the outer periphery of the graphite seal ring after shrink fitting, but in the case of an L-type retainer, it expands from the heel side to the cylindrical head and leg side when heated. Therefore, the gap on the head side of L becomes large and warps upward, and even when cooled, the state is maintained, so the retainer and the graphite seal ring are not parallel. Therefore, in the case of the L type, the rib position of the graphite seal ring needs to be provided on the L-shaped leg side.
  • the inner diameter of the metal retainer is determined based on the coefficient of thermal expansion of the metal retainer at 500 ° C.
  • the shrinkage allowance is expressed by graphite seal ring outer diameter ⁇ (retainer inner diameter at 500 ° C. ⁇ retainer inner diameter at normal temperature) + ⁇ , where ⁇ is a value close to zero. Increasing ⁇ makes it difficult for the retainer and the graphite seal ring to come off, but since distortion occurs due to cooling after shrink fitting, the shrinkage allowance is determined in consideration of these, and the inner diameter of the metal retainer is determined.
  • the material of the metal retainer was SUS329J1, the thermal expansion at 500 ° C. was calculated from the thermal expansion coefficient, and the inner diameter of the retainer (type I) was processed to 97.3 mm.
  • NC-S76 bulk specific gravity 2.7, Shore hardness 80, compressive strength 225 MPa, heat-resistant temperature 500 ° C.
  • the outer peripheral portion was 97.8 mm in outer diameter by machining.
  • One rib having a height of 150 ⁇ m was formed at the center of the width of the seal member. The rib width is 832 ⁇ m, and the slope R is 800 ⁇ m.
  • the metal retainer was heated to 700 ° C. to expand, and the graphite seal ring subjected to the ribbed process was fitted into the thermally expanded metal retainer and allowed to cool to complete shrink fitting.
  • Example 2 Example 1 except that the inner diameter of the retainer (type I) is 67.6 mm, the outer diameter of the graphite seal ring is 67.9 mm, the height of the rib on the outer peripheral portion is 100 ⁇ m, the width of the rib is 778 ⁇ m, and the R of the slope is 800 ⁇ m. As well as.
  • NC-S76 bulk specific gravity 2.7, Shore hardness 80, compressive strength 225 MPa, heat-resistant temperature 500 ° C.
  • One rib having a height of 150 ⁇ m, a rib width of 832 ⁇ m, and a slope R of 800 ⁇ m was applied to a position 15% closer to the valve case side than the center of the width of the graphite seal ring. Thereafter, the metal retainer was heated to 700 ° C. and expanded in the same manner as in Example 1. Next, the ribbed graphite seal ring was fitted into a thermally expanded metal retainer and allowed to cool to complete shrink fitting.
  • the retainer (L type) has an inner diameter of 243.4 mm, an outer diameter of the graphite seal ring of 245.0 mm, a height of the rib applied to the outer periphery of 150 ⁇ m, a rib width of 832 ⁇ m, and a slope R of 800 ⁇ m. The same operation as in Example 3 was performed. ⁇ Comparative Example 1>
  • the material of the metal retainer was SUS329J1, the thermal expansion at 500 ° C. was calculated from the thermal expansion coefficient, and the inner diameter of the retainer (L type) was processed to 67.5 mm.
  • NC-S76 bulk specific gravity 2.7, Shore hardness 80, compressive strength 225 MPa, heat resistant temperature 500 ° C.
  • the metal retainer was heated to 700 ° C. and expanded.
  • the graphite seal ring was fitted into a thermally expanded metal retainer and allowed to cool to complete shrink fitting.
  • Comparative Example 1 was performed except that the inner diameter of the retainer (L type) was 97.2 mm and the outer shape of the graphite seal ring was 97.8 mm.
  • Test 1 As shown in FIG. 6, the ball valve seats of Examples 1 to 4 are sandwiched between an upper lid 5 with a metal nozzle 6 and a lower lid 7 through a packing 8, and a hose for blowing air is attached to the nozzle 6 in water. I put it in. Next, 3.5 MPa compressed air was blown into the ball valve seat through the hose and the nozzle 6 and left to stand for 5 minutes to perform a leak test. For each of the ball valves of Examples 1 to 4, five points were produced and the leak test was repeated twice, but no air bubbles leaked between the metal retainer and the graphite seal ring.

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Abstract

【課題】　樹脂や金属を含浸した黒鉛シールリングを焼き嵌め方式で一体化したボールバルブシートの金属製リテーナーと黒鉛シールリングとの間に生ずる隙間からの漏液を防止する。 【解決手段】　樹脂又は金属含浸した黒鉛シールリング１とＬ型の金属製リテーナー２ｂを焼嵌めしたボールバルブシートであって、樹脂または金属を含浸させた黒鉛シールリング１の外周に高さ５０～２５０μｍの連続したリブ３を少なくとも１本設けたボールバルブシートであり、リブ３は、頂点から両側にＲを付した斜面であり、リブの底部の幅Ｌを５５０～１１００μｍとしたものであり、リブ３と金属リテーナー２ｂとの間のシール性を高め、漏液を防止したものである。

Description

高シール性ボールバルブシート
　本発明は、高温、高圧下で使用する高シール性ボールバルブシートに関し、より具体的には、黒鉛シールリングと金属リテーナーとの間からの漏液を防止する高シール性ボールバルブシートに関する。
　ボールバルブは、球状、半球状、または、円筒状の弁体の回転によって流量を調節及び流路の開閉をおこなうものであり、ハンドルまたはレバーの回転により開閉を行なうバルブで、操作性が良く、シール性も良いことから、電力業界、天然ガスパイプライン、石油精製、石油化学プラント、一般化学工場の設備、建築設備関連、公害防止関連、一般家庭の上下水道、ガス供給設備等、幅広く使用されている。
　ボールバルブのシール構造は、ボールバルブの摺動面とバルブケースのボール保持部の間に環状シールを介設しており、シール部材はケース内側に取付けたリテーナーによってケース側に保持されている。すなわち、ボールとケースとの間のシール部材は、リテーナーとシールリングの組合せにより構成されている。
　シール部材の材質は、使用する流体、圧力、温度により適宜選択されるが、取り分け、２ＭＰａ以上で２００℃を超え、最高３５０℃、更には５００℃に渡る温度領域で使用する場合は、樹脂含浸した黒鉛材や金属を含浸した黒鉛材が使用されている。樹脂含浸した黒鉛材は、アルカリ性や酸性の流体にも耐性があり、金属を含浸した黒鉛材は、アルカリ性及び一部の酸性の流体に耐えることができる。これらの黒鉛材を用いるボールバルブシートは、黒鉛シールリング（シール部材）をリング状の金属製のリテーナーの内側に焼嵌めにより固定されている。
　バルブのハンドルの急激な操作によって流路を急激に閉塞したり、急激な圧力変化が起きると、流体がリテーナーとシールリングとの間隙に侵入してシールリングの剥離が起き、シール性が低下したり、リテーナーの背面に圧力がかかってリテーナーが飛出す等の不具合が発生する恐れがあった。
　これを防ぐために球状、半球状、円筒状の弁体とバルブケースの内側との間に介設するボールバルブシートをボール圧接部であるシールリングとリテーナーを一体型としたり、高温下での圧力変動に追随できる膨張黒鉛を金属箔、金属線、又は金属メッシュで覆ったり、膨張黒鉛に金属箔、金属線、又は金属メッシュを挟み込んで圧縮成形したシールリングを用いることも提案されているが、強度が十分でなく高温高圧下で用いるには問題があった。
特開平１１－１４１６９９号公報 特開２００４－２７０７７３号公報 特開２００１－３３６６３９号公報 特開２００８－３０９２２４号公報 特開２００９－４１７７６号公報 特開２００９－１０３２４２号公報 特開２００９－８１１６号公報 特開２０１４－２０６２１３号公報 特開２０１５－２０３４６３号公報
　従来の焼嵌め方式によると、金属製リテーナーと樹脂や金属を含浸した黒鉛シールリングとの間に隙間が存在し、流体がリークする不具合が発生するため、黒鉛シールリングとリテーナーの間に樹脂等のシール材を挟んでいたが、漏液防止が十分とは言えず、特に高圧、高温下の条件では完全に漏液を防止することができなかった。
　本発明は、高圧・高温下で用いる樹脂又は金属含浸黒鉛シールリングと金属製リテーナーを焼嵌めしたボールバルブシートのシール性を高め、漏液を防止することを目的とする。
　樹脂又は金属を含浸した黒鉛材からなる黒鉛シールリング外周部に５０～２５０μｍ高さのリブを形成することにより焼嵌めされた金属リテーナーとの間のシール性を高めて漏液を防止するものである。
　リブの高さは、５０μｍ未満では、シールの効果は十分でなく、５０μｍ以上であることが好ましい。また、リブの高さが２５０μｍ以上では、多くの場合、金属リテーナーを加熱しても高さ２５０μｍ以上のリブを有するシール部材を嵌め合わすことができるほど金属リテーナーが膨張しないため焼き嵌めをすることができない。適正に焼嵌めを行って高いシール性を発現させるためには、５０～２５０μｍの高さが適切であり、より好ましいリブの高さは、１００～２００μｍである。
　リブは、黒鉛シールリングの外周部に連続的に形成することが必要である。リブの本数は、少なくとも１本必要であり、複数のリブを設けてもよい。Ｉ型リテーナーを用いる場合は、リブは１～３本、Ｌ型リテーナーを用いる場合は、１～２本が好ましい。　　　　
　リブの幅は特に限定するものではないが、リブの高さを機械加工により５０～２５０μｍとするため、リブの頂点から底部にかけて機械加工を容易にするには頂点から両側にＲを付した斜面とし、リブの底部の幅を５５０～１１００μｍとするのが好ましい。
　樹脂又は金属含浸した黒鉛材を機械加工して黒鉛シールリングを作成する際、黒鉛シールリングの外周部に５０～２５０μｍの高さのリブ加工を施すことにより焼嵌めされた金属リテーナーとの間のシール性を高め、漏液を防止することができる。且つ、従来手法である樹脂含浸により漏れを防ぐ工程が不要となり、低コスト、短期間で製造することができる。
バルブシートを示す断面図。 リブ付の黒鉛シールリングの断面図。 Ｉ型リテーナー付のバルブシートの断面図。 Ｌ型リテーナー付のバルブシートの断面図。 リブの拡大断面図。 リークテスト用治具で挟んだボールバルブシートの断面図（部分）。
　高温・高圧下で用いるボールバルブは、金属製リテーナーと樹脂や金属を含浸した黒鉛シールリングとを焼嵌めにより一体化したボールバルブシートが賞用されているが、金属リテーナーと黒鉛シールリングの間に隙間があり、流体がリークする不具合が発生する。これを防ぐため、黒鉛シールリングとリテーナーの間に樹脂を充填するなどの防止策を施す必要があった。しかし、３５０℃を超え、最大５００℃までの高温下で用いる場合、充填する樹脂の耐熱温度の問題もあり、抜本的な解決策とはならない。
　そこで、高圧・高温下で用いる樹脂又は金属含浸した黒鉛シールリングと金属製リテーナーを焼嵌めしたボールバルブシートのシール性を高め、漏液を防止することを目的とするため、黒鉛シールリングの外周に高さ５０～２５０μｍ、幅５５０～１１００μｍのリブを１本以上形成することにより金属リテーナーとシールリングの間のシール性を高め、樹脂を充填する必要のない高シール性ボールバルブシートを提供するものである。
　リブは、黒鉛製のリングを機械加工によって切り出す際に同時に形成するが、リブの高さを５０μｍ未満に制御して加工するのは困難である。
　リブを形成する位置は、Ｉ型リテーナーの場合は、黒鉛シールリングとリテーナーの接触面であれば、焼嵌め後、リテーナー内壁と黒鉛シール外周とは平行になるので、黒鉛シールリングの高さのどの位置であっても構わない。Ｌ型リテーナーの場合は、加熱時にリングが一様に熱膨張せず、焼嵌めによって黒鉛シールリングのバルブケース側とリテーナーの間の隙間に比べて、黒鉛シールリングのボール接触部側とリテーナーの間の隙間が大きくなり平行にならないという変形が起こる。このためリブの施工位置は、黒鉛シールリング外壁高さの中央よりもケース側に寄っていることが必要である。
　本発明の黒鉛シールリングの製造工程を以下に説明する。
焼嵌め
　焼嵌め（Ｓｈｒｉｎｋ　ｆｉｔ）とは、軸と穴の嵌め合い法のひとつで、常温では軸の径より小さい穴の径を加熱膨張させて嵌め合わせ、冷えて穴径が縮まることによって両者を堅く結合させるものであり、以下の理論式が成り立つ。焼嵌めしろ（直径差）δ の２本の中空丸棒を焼き嵌めにより嵌め合わせたときの焼き嵌め圧力（接触面の圧力）pm は以下の式で求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ただし、内筒は縦弾性係数 Ｅ１ 、ポアソン比 ν１ 、内半径 ｒ１、外半径 ｒ２ 、外筒は縦弾性係数Ｅ２、ポアソン比 ν２ 、内半径 ｒ２ 、外半径 ｒ３ である。
　具体的には、穴のあいた金属円板（金属リング）などの部材を加熱膨張させて穴の直径よりやや大きく作成した軸を嵌め入れた後に冷却し、金属部材が収縮することにより軸を固定する嵌め合い方法である。
シール部材
　シール部材の材質は、使用する流体、圧力、温度、及び用いる流体の性状により適宜選択される。使用条件が、圧力が２ＭＰａ以上で、温度が２００℃を超え最高３５０℃の場合、樹脂を含浸した黒鉛材が選択され、具体的には日本カーボン株式会社製のＮＨＣ－７Ｅ３（嵩比重１．８、ショア硬さ９５、圧縮強さ２４０ＭＰａ、耐熱温度３５０℃）、ＨＣ－６Ｅ３（嵩比重１．８、ショア硬さ９０、圧縮強さ１８０ＭＰａ、耐熱温度３５０℃）、ＮＳ－１０３Ｅ（嵩比重１．８、ショア硬さ８５、圧縮強さ２３０ＭＰａ、耐熱温度３５０℃）が選択され、これらはアルカリ性及び酸性の流体に適応可能である。また３５０℃を超え５００℃に渡る温度領域で使用する場合は、金属を含浸した黒鉛材が選択され、具体的には日本カーボン株式会社製ＮＣ－Ｓ７６（嵩比重２．７、ショア硬さ８０、圧縮強さ２２５ＭＰａ、耐熱温度５００℃）が好ましく、アルカリ性の流体と、酸性の一部の流体に適応可能である。
　シール部材は、機械加工及び摺動性の面から黒鉛質であることが好ましい。具体的にはコークス粉とピッチ等のバインダーを８０～１５０℃の加温下で混捏した後、押し出し、型込め、ＣＩＰ（冷間等方加圧法）等により成形し、非酸化性雰囲気中で徐々に昇温し８００～１３００℃にて焼成、次いで黒鉛化炉に移し、非酸化性雰囲気中で徐々に昇温し、最高３２００℃にて黒鉛化することによって得られる。実用的には２０００℃以上で黒鉛化されていれば機械加工性及び摺動性においても問題ない。
　黒鉛化温度が２８００℃以上となると、逆に硬度が下がり、耐摩耗性に問題が出ることがある。２０００℃以上での黒鉛化を行わない場合、材質が硬く、機械加工の面で難があることから、黒鉛化は２０００℃以上が好ましい。
リブの形状
　リブ３は、黒鉛シールリング１の外周部に連続する少なくとも1本のリブ３を形成する。リテーナー２が図３に示すI型の場合、リブ３は１～３本、図４に示すＬ型の場合は１～２本である。
　リブ３の拡大断面図を図５に示す。リブ３の断面形状は曲線状の斜面を有する山形であり、リブ３の高さに応じてリブ３の幅を適宜定める。機械加工の限界からリブ３の最小高さｈ２は５０μｍであり、最大高さｈ１は２５００μｍである。リブ３の頂点から底部に向かう斜面は半径Ｒの円曲線とし、Ｒは５５０～１１００μｍとするのが好ましい。
黒鉛シールの含浸剤
　黒鉛シール材の含浸剤は、樹脂及び金属がある。
　樹脂としては、フェノール樹脂やフラン樹脂等がその代表である。金属製の耐圧容器に被含浸物である黒鉛材を投入し、真空引きを行い、黒鉛材に存在する細孔内まで減圧状態にした後、溶剤に溶解した液状樹脂を流し込み、更に加圧することで黒鉛材内の細孔にまで樹脂を行き渡らせることで含浸を行う。必要によりこの操作を複数回繰り返す。また、含浸後は、１８０～２５０℃の加熱処理により、溶剤の除去及び樹脂の硬化を行う。
　金属としては、銅、銅合金、銀、錫、アンチモン、アンチモン合金、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられる。金属製耐圧容器に黒鉛材を投入し一旦真空引きした後、黒鉛材を溶融した金属に浸漬し、加圧含浸するものである。
リテーナー部材
　使用する圧力、温度、流体の液性（アルカリ性、酸性）に耐えられる金属であることが必要であり、ステンレス鋼、ニッケル合金、ニッケル又はチタンが好ましい。ステンレス鋼の中でも、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１７Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｌ、ＳＵＳ３２９Ｊ等が好ましく選択される。ニッケル合金の中では、ＡＬＬＯＹ　２０、ＨＡＳＴＥＲＬＬＯＹ　Ｃ、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ　Ｂ、ＩＮＣＯＮＥＬ　６００、ＭＯＮＥＬ等が好ましく選択される。
リテーナーの形状
　リテーナーの形状は、単純な円筒形（Ｉ型）と一部がハウジング部に回り込んだ形状（Ｌ型）の２種類がある。
　Ｉ型リテーナーの場合、焼嵌め後においてリテーナーの内面は黒鉛シールリングの外周部と平行のまま維持されるが、Ｌ型リテーナーの場合、加熱した際、鍔側より円筒頭部と脚側に膨張に差が生じるためＬの頭側の隙間が大きくなって上に向かって反った形状となり、冷却されてもその状態が維持されるのでリテーナーと黒鉛シールリングが平行とならない。そこで、Ｌ型の場合は黒鉛シールリングのリブの位置をＬ字の脚側に設ける必要がある。
＜実施例１＞
　最高５００℃で使用する場合、５００℃での金属リテーナーの熱膨張率に基づいて金属リテーナーの内径を決定する。焼嵌め代は、黒鉛シールリング外径 －（５００℃でのリテーナー内径 － 常温でのリテーナー内径）+ αで表され、αは、０に近い値である。αを大きくするとリテーナーと黒鉛シールリングは外れにくくなるが、焼嵌め後の冷却で歪が発生するので、これらを勘案して焼嵌め代を決定し、金属リテーナーの内径を定める。
　金属リテーナーの材質をＳＵＳ３２９Ｊ１とし、熱膨張率から５００℃における熱膨張分を計算し、リテーナー（Ｉ型）の内径を９７．３ｍｍに加工した。
黒鉛シール部材として日本カーボン株式会社製ＮＣ－Ｓ７６（嵩比重２．７、ショア硬さ８０、圧縮強さ２２５ＭＰａ、耐熱温度５００℃）を用い、機械加工で外周部が外径９７．８ｍｍ、黒鉛シール部材の幅の中央部に高さ１５０μｍのリブを１本形成した。リブの幅は８３２μｍ、斜面のＲは８００μｍである。
　次に、金属リテーナーを７００℃に加熱して膨張させ、リブ付加工を施した黒鉛シールリングを熱膨張した金属リテーナーに嵌め込み、放冷して焼嵌めを完了した。　
＜実施例２＞
　リテーナー（Ｉ型）の内径を６７．６ｍｍ、黒鉛シールリングの外径６７．９ｍｍ、外周部のリブの高さを１００μｍ、リブの幅を７７８μｍ、斜面のＲを８００μｍとした以外は実施例１と同様に行った。
＜実施例３＞
　金属リテーナーの材質をＳＵＳ３１６とし、熱膨張率から５００℃における熱膨張分を計算し、リテーナー（Ｌ型）の内径を１８３．６ｍｍに加工した。
黒鉛シール部材として日本カーボン株式会社製ＮＣ－Ｓ７６（嵩比重２．７、ショア硬さ８０、圧縮強さ２２５ＭＰａ、耐熱温度５００℃）を用い、機械加工により外径１８５．０ｍｍの外周部に、黒鉛シールリングの幅の中央部より１５％バルブケース側に寄った位置に高さ１５０μｍ、リブの幅８３２μｍ、斜面のＲが８００μｍのリブを１本施工した。
　以後は実施例１と同様に金属リテーナーを７００℃に加熱し膨張させた。次いでリブ付加工を施した黒鉛シールリングを熱膨張した金属リテーナーに嵌め込み放冷して焼嵌めを完了した。
＜実施例４＞
　リテーナー（Ｌ型）の内径を２４３．４ｍｍ、黒鉛シールリングの外径が２４５．０ｍｍ、外周部に施工するリブの高さを１５０μｍ、リブの幅を８３２μｍ、斜面のＲを８００μｍとした以外は実施例３と同様に行った。
＜比較例１＞
　金属リテーナーの材質をＳＵＳ３２９Ｊ１とし、熱膨張率から５００℃における熱膨張分を計算し、リテーナー（Ｌ型）の内径を６７．５ｍｍに加工した。
黒鉛シール部材として日本カーボン株式会社製ＮＣ－Ｓ７６（嵩比重２．７、ショア硬さ８０、圧縮強さ２２５ＭＰａ、耐熱温度５００℃）を用い、機械加工により外形６７．９ｍｍとした。
　金属リテーナーを７００℃に加熱し膨張させた。黒鉛シールリングを熱膨張した金属リテーナーに嵌め込み放冷して焼嵌めを完了した。　
＜比較例２＞
　リテーナー（Ｌ型）の内径を９７．２ｍｍ、黒鉛シールリングの外形が９７．８ｍｍとした以外は比較例１と同様に行った。
リークテスト
　本発明の実施例及び比較例の黒鉛シールリングについてリークテストを実施し、本発明の漏液防請性能を確認した。
テスト１
　実施例１～４のボールバルブシートを図６に示すように、パッキン８を介して金属製のノズル６付上蓋５と下蓋７で挟み、ノズル６に空気吹込み用のホースを取り付け水中に投入した。次いで３．５ＭＰaの圧縮空気をホースとノズル６を通してボールバルブシート内に吹き込み加圧したまま５分間放置してリークテストを実施した。実施例１～４のボールバルブは、各５点作製し、各々２回繰り返してリークテストを行ったが、金属リテーナーと黒鉛シールリングとの間から気泡は漏れなかった。
テスト２
　実施例１と２のボールバルブシート各２個を、４５０℃の恒温槽に投入して１時間保持した。この後、実施例４のリークテスト１と同様にリークテストを各々２回繰り返し実施したが金属リテーナーと黒鉛シールリングとの間から気泡は漏れなかった。
　比較例１～２のボールバルブは、各５点作製し、各々２回繰り返してリークテストを行ったが、比較例１、２とも、数秒後から金属リテーナーと黒鉛シールリングとの間から気泡が発生し漏れが確認された。
　以上のことから本発明の黒鉛シールリングと金属リテーナからなるボールバルブシートは、漏液防止に効果があることが確認された。
　　１　　黒鉛シールリング
　　２　　金属リテーナー
　　２ａ　Ｉ型金属リテーナー
　　２ｂ　Ｌ型金属リテーナー
　　３　リブ
　　４　リブのＲ面
　　５　上蓋
　　６　ノズル
　　７　下蓋
　　８ 　パッキン

Claims (5)

  1. 　焼嵌めされた金属リテーナーと黒鉛シールリングからなるボールバルブシートであって、黒鉛シールリングの外周に高さ５０～２５０μｍのリブが形成してある高シール性ボールバルブシート。
  2. 　請求項１において、リブの断面が山形であって、頂点から半径Ｒの曲線状の斜面である高シール性ボールバルブシート
  3. 　請求項１～２のいずれかにおいて、リブは少なくとも１本であり、連続したものである高シール性ボールバルブシート。
  4. 　請求項１～３のいずれかにおいて、黒鉛シールリングの黒鉛材は、樹脂または金属が含浸してある高シール性ボールバルブシート。
  5. 　請求項１～４のいずれかにおいて、黒鉛シールリングが、２０００℃以上で黒鉛化したものである高シール性ボールバルブシート。
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