JPH08247306A

JPH08247306A - 弁座

Info

Publication number: JPH08247306A
Application number: JP8199195A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Saito; 斉藤勉; Kumeo Usuda; 臼田久米雄
Original assignee: IWAMURA KK; Nippon Carbon Co Ltd
Current assignee: IWAMURA KK; Nippon Carbon Co Ltd
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 1995-03-15
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】従来回動弁などに使用されている弁座の
形状を変更し、金属板バネ、”Ｏ”リングを不要とした
単純な部品で構成し、広い使用温度と耐食性を具備した
弁座を提案する。【構成】弁座４の構成材料を金属、非鉄金属、Ｆ
ＲＰ、ＦＲＭ、ＦＲＧなどの剛体材料を用いて、弁座の
弁体３との摺動部１５が圧縮復元など弁の操作に必要な
弾性効果を発揮できる形状に成形、加工し、弁座と弁体
の摺動部に適切な面圧を保持させ、流体をシールする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低温、高温、高圧、耐
蝕性に優れた広い範囲で使用可能な弁の弁座に関するも
のである。更に詳しくは、本発明は弁の弁箱内に装着し
て使用する回動弁などの弁座であって弁箱との接触面及
び弁体との摺動面で流体のシールを行う、弁座の構造と
材質に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】回動弁の代表的な、ボー
ル弁やバタフライ弁の、弁箱内に装着して使用する弁座
は、弁箱との接触面及び弁体との摺動面で流体をシール
する弁座（以下単に「弁座」と称する）は、圧縮復元性
や、弾性機能が要求される。弁座のシール機能に必要な
諸性能は（１）摺動部材間の摩擦係数が小さくかつ不浸透性であ
ること。（２）摩耗を抑止できる硬度及び機械的強度を有するこ
と。（３）圧力変動に追随し得る圧縮復元性に優れているこ
と。（４）広い温度範囲で上記性能が保たれること。（５）耐化学薬品等に対し耐蝕性がすぐれていること…
…等である。

【０００３】上記の如き弁座の諸性能を満足させるた
め、従来から弁座の材質及び構造について各種の試みが
なされている。金属材料や炭素材料の様な弾性に乏しい
ものを弁座に用いる場合は、第１５図の如き構造の弁座
が使われて来た。第１５図中、１は弁箱、３弁体、４は
弁座、５は弁棒、１８は”Ｏリング”、１９は板バネで
ある。

【０００４】第１５図の弁座構造に於て、弁体と弁座の
シールは弁座本体４と弁体３の摺動面で達成され、弁箱
１と弁座４とのシールは”Ｏ”リング１８により行われ
る。また、弁座にかかる圧力の変動に対する追随は、金
属板バネ１９の弾性により行われる。

【０００５】この弁座の構造は”Ｏ”リングがフッ素ゴ
ムや、ＰＴＦＥの如き高分子材料から成っているので、
高温領域では劣化や熱分解されシール機能が失なわれ
る。また高圧流体では”Ｏ”リングが著しく変形してシ
ールが達成できないなどの欠点が避けられない。

【０００６】また、板バネが金属板のため高温度領域で
は劣化を生じ弾性機能が損なわれる。従って、火災時の
様な緊急時に流体を遮断しなければならない時に”Ｏ”
リングの損傷や板バネの劣化などにより流体の閉止が不
可能となる問題が起きている。

【０００７】また、弁座の材質にも問題がある。金属材
料では強度、耐熱性などに優れているが摩擦係数が大き
い。弁座と弁体に硬度差を付けないと、焼き付きやカジ
リ付きの問題を起こし、弁の操作が不能になる恐れがあ
る。そのため弁座及び弁体に盛金などの表面処理をしな
ければならない。

【０００８】更に、弁体と弁座双方が金属であるため、
摺動面でシールを確実にするためには、両者の表面を平
滑に仕上げると共に寸法精度、真球度などは極めて、精
度の高い加工が要求される。また、両者は、剛体のた
め、圧縮復元性や弾性がまったく期待できないため、前
述の如く板バネなどのスプリングを用いて弁座にかかる
圧力の変動に追随させなければならない。

【０００９】また、最近、弁座の材料として、多く用い
られる炭素材料ではそれ自体が固体潤滑材として使用さ
れているものであり、金属材料に比べ数段に摩擦係数や
耐熱性に優れているが、固体炭素材では、透過性がある
事や、機械的強度が不充分であり、充分なシール面圧が
とれない事と共に、摩耗が比較的多いなどの欠点があ
る。

【００１０】このため、炭素材の空隙、空孔にフェノー
ル樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸させる方法がとられて
いるが、その効果は通常２００℃〜２５０℃の使用温度
に耐える程度であり、更に加熱処理を施して耐熱姓を向
上させても３００℃以上の温度領域での使用には耐え得
ない。

【００１１】この様な、高精度な機械加工や、耐熱処理
加工は、非常に経済的負担が大きい。一方、高分子材料
であるポリテトラフロロエチレン樹脂（以下単に「ＰＴ
ＦＥ」と称す）はＰＴＦＥ自体が弾性体であるので第１
６図に示した単体材料で弁座として使用されている。第
１６図中、１は弁箱、３は弁体、４は弁座、５は弁棒で
ある。ＰＴＦＥ製の弁座４は、摩擦係数、不浸透性、耐
薬品性、弾性に優れているが其の他の要件に欠けてい
る。

【００１２】即ち、極低温領域では、液体窒素ガス、Ｌ
ＮＧ、ＬＰＧの流体に使用したり、また高温領域である
２５０℃以上の流体に使用した場合、ＰＴＥＦは高い膨
張係数により寸法変化を起こし、弁座としてのシール機
能が果せなくなる。

【００１３】更に、非常事態などの火災時には数百℃以
上の高温にさらされるとＰＴＦＥは熱分解して昇華する
ので、可燃性流体を閉止することが困難となり、大災害
を起こす危険性がある。

【００１４】また極低温領域では、弁座が著しく収縮
し、シール機能が失われる他に弾性が無くなり脆くなる
ので圧力に依り破壊され易くなる。またＰＴＦＥは、常
温領域でも圧力によりコールドフローを起すのでシール
性を維持し難く、温度が加わると更に加速度的に伸びが
大きくなり１５０℃で２０Ｋｇ／ｃｍ² までの圧力が使
用許容範囲である。

【００１５】上記の欠点を補うためにＰＴＦＥにアスベ
ストやグラスファイバー、カーボンファイバーなどを充
填したり、金属製の外環を付けてコールドフローの防止
改良策を施しているが耐熱性及び機械的強度が若干向上
するにすぎないのが現状である。

【００１６】また、黒鉛材料では耐熱性、不浸透性、機
械強度に優れた改良品も開発されているが、黒鉛材料は
流体中に特定の化学薬品を含む場合は、黒鉛材料の特徴
でもある層間に、薬品が浸透して層間化合物を形成し、
黒鉛構造を崩壊したり、層間化合物を生成する流体での
使用温度領域が極端に狭くなる。

【００１７】

【発明の目的】本発明の目的は、従来の回動弁などに使
用されている弁座及び弁座に用いられる材料や構造では
弁座としての諸要件を充分に満足することが不可能であ
った弁座を、満足すべき諸要件を兼ね備えた弁座として
提供することにある。

【００１８】更に詳しくは、弁座の要求する諸要件及び
性能を剛体材料を用い、構造的にはネジシール固定や、
テーパー固定或は脱着容易な弁座取付けとし、弁体との
摺動部に圧縮復元性などの弾性が、発揮できる様に成形
加工を施すことに依り、剛体材料に弁座としての必要な
諸要件としての作用効果を発揮させ本発明の目的を達成
しようとするものである。

【００１９】

【問題を解決するための手段】本発明は、前述の問題点
を解決するために弁座自体の形状を変更し、弁座にシー
ル機能と弾性スプリング機能とを持たせる。即ち弁座の
形状を弁体に摺動接触シールするリップ型に形成し、リ
ップ部の弾性によってシールさせることを提案するもの
である。

【００２０】即ち、本発明は弁の弁箱にネジ込み若しく
はテーパー面嵌合或は着脱容易に装着して使用する弁座
であり、弁箱との接触面及び弁体との摺動面で流体のシ
ールを行う弁座に於て、該弁座が剛体材料から成り、弁
箱との接触面はネジ止めシールやテーパーシール若しく
は弁座背面でシールし、弁体との摺動面も剛体材料から
成り、弁座としての圧縮復元性などの弾性機能が発揮で
きる構造を特徴とする弁座の材料と構造に関するもので
ある。

【００２１】本発明の弁座部材である金属材料、非鉄金
属材料、強化複合材料は、耐摩耗性、機械的強度、不浸
透性に優れて居り、材料を適宣選択する事により、低温
から高温領域の範囲まで、これ等の性質を保持できる。

【００２２】回動弁であるボール弁などに最も多く使わ
れている着脱容易に装着して使用するソフト弁座の形状
を、剛体材質のもので代替しようとしても柔軟性が全く
無く圧縮復元性が、まったく期待できないため、単体で
弁座として使用しようとすれば、流体のシールを達成す
るために過大な面圧を要し、弁体と弁座面にカジリ付き
が生ずる恐れがあり、弁の開閉操作は非常に困難とな
る。

【００２３】従って、他の部材との併用を考慮して圧縮
復元性などの弾性機能を付与せざるを得ない。そのた
め、弁体との摺動部材を炭素材料や金属材料とし、弁箱
との接触部材もソフト材料で流体をシールする弁座が提
案されているが、圧縮復元性などの弾性不足で満足でき
ない。

【００２４】本発明の弁座は、前記第１５図の如く、”
Ｏ”リング、板バネ、弁座と三種類の材料によりシール
機能を分担させることなく、単一の材料で弁座としての
諸要件を満たすことができ、従来の弁座で得られなかっ
た作用効果を発揮する。

【００２５】以下図面を参照しながら、本発明を更に詳
細に説明する。第１図は、弁の一例としてのボール弁の
断面図である。図中、１は弁箱、２は弁箱蓋、３は弁
体、４は弁座、５は弁棒、６はガスケット、７はパッキ
ン押え輪、８はパッキン押え、９はグランドパッキン
グ、１０はボルトナット、１１はハンドルである。

【００２６】第１図の如きボール弁の弁座は環状（リン
グ状）であり、その断面を第２図から第１３図に例示す
る。

【００２７】第２図〜第４図の弁座は、環状外周面にネ
ジ部を設けて圧接嵌合する弁座であって、１は弁箱、３
は弁体、４は弁座、１２はネジ部を嵌合するための弁座
取付治具穴、１３は雄ネジ、１４は弁箱と弁座の接触
部、１５は弁体と弁座の摺動部、１６はシートチャンバ
ー（ＳｅａｔＣｈａｍｂｅｒ）、１７はシールリッ
プ、２０はスプリングである。

【００２８】第５図〜第７図の弁座は、第２図〜第４図
の弁座と同じく、環状外周面にネジで嵌合する弁座に於
て４Ａは弁座保持環である、第８図〜第１０図は、弁座
の環状外周面にテーパーを設けて、弁箱に同じく設けら
れたテーパー面に嵌合する弁座において、１は弁箱、３
は弁体、４は弁座、１４は弁箱と弁座の接触部、１５は
弁体と弁座の摺動部、１６はシートチャンバー、１７は
シールリップである。

【００２９】また、第１１図〜第１３図の弁座は、弁の
弁箱内に着脱容易に嵌合して使用する弁座に於て１は弁
箱、３は弁体、４は弁座、１４は弁箱と弁座の接触部、
１５は弁体と弁座の摺動部、１６はシートチャンバー、
１７はシールリップである。

【００３０】第１４図は、第２図の弁座をボール弁に組
込んだ場合の断面図である。第１７図は弁の他の例とし
てのバタフライ弁の断面図であり、第１８図〜第２０図
はこの弁に使用される弁座の態様を断面図で示すが、３
１は弁箱、３２は弁箱蓋、３３は弁体、３４は弁座、３
５は弁棒、３６はガスケット、３９はグランドパッキ
ン、４０はボルト、４１はハンドル、４２は弁座を嵌合
するための治具穴、４３はネジ部、４４弁箱と弁座の接
触部、４５は弁体と弁座の摺動部、４６はシートチャン
バーである。

【００３１】弁座４の材質は次の材料の中から適宜選択
される。ａ）金属材料ｂ）非鉄金属材料ｃ）強化複合材料などである。

【００３２】弁箱１と弁座４の接触部１４及び弁体３と
弁座４の摺動部１５は、金属材料、非鉄金属材料及び繊
維強化複合材料の中から使用条件により適宜選択され
る。弁用の弁座は、用途に応じて高圧用、中圧用、低圧
用、高温用、常温用、低温用に大別される。

【００３３】高圧弁の場合、弁座は高速の流体による侵
蝕や摩耗を最も受け易い部分であり、これを考慮してク
ロム系耐蝕鋼及びニッケル系耐蝕鋼が好ましい。また高
温弁の場合は、焼付きやカジリ付きを防止するために高
炭素の高クローム鋼や、オーステナイト系ステンレス鋼
を使用する。

【００３４】但し、１８：８ステンレス鋼等に於て、５
００℃前後で粒界に炭化物が析出し、粒界腐食が起るこ
とがあり、防止策として高耐蝕性の金属材料、例えばア
ロイコ２０の如き高ニッケルステンレス鋼や、ハステロ
イＢや、モネルの如き高ニッケル合金等を盛金したり、
或は耐熱、耐摩耗、焼付けカジリ付き等を防止するため
にステライト合金（コバルト−クローム、ダングステン
合金）やコロモノイ（ニッケル・クローム、ホウ素合
金）或はＴ、Ｗ、Ｃ合金（タングステン、カーバイド）
合金などを盛金する。

【００３５】この様な盛金は表面硬化処理であり、高温
用以外に於ても本発明の実施に好ましい処理である。中
圧、常温弁の場合、１３クローム鋼が耐摩耗性、耐蝕性
に優れ、機械的強度も４００℃〜４５０℃までほとんど
低下しないので好ましい。

【００３６】低圧用の場合、流体が水、温水、空気など
の場合は、アルミ青銅や、リン青銅などが用いられる
が、ステンレス鋼は不銹性、剛性の点から好ましい。ま
た、低温用弁には安全性の高いオーステナイト系ステン
レス鋼が好ましい。

【００３７】上記の他にアルミニウム、アルミニウム合
金、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チ
タン合金、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト
系ステンレス鋼等いづれの材料使用も可能である。

【００３８】材料の選択は、使用流体、温度、圧力に応
じて、適宜選択し得るものであるが、摩擦係数や流体や
弁体に対する耐摩耗性、硬度、降伏点、引張り強度など
の機械的性質、耐酸化性、耐蝕性などの化学的性質、熱
膨張係数、熱伝導度、組織の安定性、機械的加工性及び
経済性を考慮して最適材料を選定する。

【００３９】また、本発明の弁座材料として、前述の金
属材料や、非鉄金属の材料の他に、繊維強化樹脂複合材
（Ｆ．Ｒ．Ｐ）や繊維強化金属複合材（Ｆ．Ｒ．Ｍ）お
よび繊維強化ガラス複合材（Ｆ．Ｒ．Ｇ）の材料を用い
ることができる。

【００４０】繊維強化樹脂複合材（以下単にＦＲＰと称
す）の本弁座に使用する繊維は、炭素繊維や炭化けい素
繊維が望ましいが、その他の繊維としては、ガラス繊
維、アラミド繊維、ホウ素繊維、石綿繊維と多くの繊維
を用いる事が可能であり、樹脂母材は、エポキシ樹脂
や、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂が使われる。

【００４１】但し、上記繊維の中で石綿繊維は、価格が
安く、比較的入手が容易で、かつ耐熱性に極めて、優れ
ている素材であるが、人体への影響が常に問題視される
ので該、弁座材料用繊維から除外することにした。

【００４２】ＦＲＰでは、繊維の配列方向と、それ等の
斜角に依り、物性が異なる。そのため、一方向性プリプ
レイグを単純に一方向に積層すると、縦方向には強い
が、横方向には極めて弱い成形体が得られる。材料とし
て使用する場合、成形体に加わる応力が、単一方向のみ
と云うのは、稀であり、複数方向の応力が加わる。従っ
て、成形体と繊維を複数の角度で積層していく必要があ
る。

【００４３】ＦＲＰの製造は、一方向に引き揃えた繊維
や若しくは、平織、朱子織などの織布や不織布などの代
わりにウィスカー、フェルト、チョップ、ストランド、
トウ、マットなどの繊維に母材となる樹脂のエポキシ樹
脂やポリイミド樹脂等を含浸させて、プリプレイグを作
り、これを繊維の配列を複数方向に積層してホットプレ
スやオートクレーブで熱圧成形して、ＦＲＰ成形体が得
られる。

【００４４】他の方法としては、繊維束を樹脂浴に通し
て、マンドレル上にヘルカリ巻きなどワインディング
し、その後加熱硬化する方法や、更に、短繊維を用いた
インジェクションモールドやスプレー法などでも材料を
得る事ができる。

【００４５】この方法では、強化繊維の形態や配向、体
積含有率など複合材料の基本的な、性能を決定するた
め、材料の設計は、用途に応じた任意な方向を採用する
事が肝心である。この様にして、得られたＦＲＰは、強
度、弾性率が極めて高く、疲労特性及びクリープ特性に
優れ、金属に比べて振動減衰特性が良く、熱的寸法安定
性、極低温性、耐薬品性に優れた材料である。

【００４６】一方、ＦＲＰの唯一の弱点である耐熱性を
向上させるために、母材であるエポキシ樹脂及びポリイ
ミド樹脂の加熱処理温度を前者で１２０℃（２５０°
Ｆ）後者を１８０℃（３５０°Ｆ）で加熱硬化する事に
より、それぞれ１５０℃〜２００℃、２５０℃〜３００
℃の℃で長時間の耐熱特性を得ることができる。

【００４７】繊維強化金属複合材（以下、単に「ＦＲ
Ｍ」と称す）を本弁座に使用する繊維としては、炭素繊
維や、炭化けい素繊維が望ましいが、其の他の繊維とし
ては、ガラス繊維、アラミド繊維、ホウ素繊維と多くの
繊維を用いる事が出来るが、その中でも炭素繊維、炭化
けい素繊維が好ましい。

【００４８】ＦＲＰの場合は、使用温度が極低温から２
５０℃の温度範囲で金属では得られない機械的特性を期
待して用いたが、高温領域で使用可能な、弁座を得るた
めにＦＲＭ複合材を使用する。

【００４９】ＦＲＭは炭素繊維や、炭化けい素繊維の束
を一方向にそれぞれ平行に並べてサイジング樹脂で固定
し、繊維のシートを作る。このシートとアルミニウム板
を交互に積み重ねて積層体を作り、オートクレーブに入
れ、減圧下で高温加熱し、サイジング樹脂分を熱分解に
より除去した後、再度減圧下で再加熱し、其の後、高温
に加熱した状態で加圧し、溶融アルミニウムを繊維間に
浸透させて、繊維強化アルミニウム複合材を得る。

【００５０】また、繊維のシートを互いに直角になる様
に複数方向にアルミニウム板と積層することにより、複
数方向に強い複合材が得られる。上記材料は、繊維チョ
ップで母材をアルミニウムとすることで複合材を得るこ
とができる。

【００５１】繊維のチョップとアルミニウムを高圧鋳造
法により複合化しビレットを製造する。このビレット材
を高温で押し出し成形すると繊維チョップ強化アルミニ
ウム複合材の丸棒を作ることができる。

【００５２】以上の他に繊維の束を溶融アルミニウムの
中に入れることによりプリフォームワイヤーを作る。こ
のプリフォームワイヤーを中間素材として丸棒や、パイ
プなど各種の形状の材料を得る事が出来る。

【００５３】しかし、ＦＲＭは、高温領域で各種機械的
特性を発揮させる目的で使われる場合が多いので、ＦＲ
Ｍに用いる繊維が炭素繊維の場合、酸、アルカリなど耐
薬品性は優れているが、最大の欠点は高温での酸化に弱
いことである。

【００５４】炭素材の酸化は、主として欠陥を起点とし
て、進行する事が多く、炭素は酸化性雰囲気が４００〜
４５０℃から酸化消耗が始まり温度が高くなるに従っ
て、酸化消耗の速度も増してくる。

【００５５】繊維自身の構造が黒鉛結晶の配列状態に依
っても組織がさまざまに変化し、複合材料中に種々な欠
陥が多数内存するので、特に高温領域で使用する場合は
炭化けい素繊維を強化材としたＦＲＭが望ましい。

【００５６】炭化けい素繊維は有機けい素ポリマーのポ
リカルボシランを出発物質として、溶融紡糸の後、焼成
して作られる。この繊維状の炭化けい素繊維は強度、弾
性率が高く、高温に於ても高強度を保持し、また金属と
の反応性が低く、濡れ性が良好であるためＦＲＭの強化
繊維として最も有効である。

【００５７】炭化けい素繊維は、現在ニカロンの商品名
で日本カーボン株式会社から製造、販売されている。こ
の繊維は、空気中で１２７３°Ｋまで非酸化性雰囲気中
で１５２３°Ｋまで強度の低下が起らず、耐酸化性、耐
高熱性に優れた無機繊維である。

【００５８】また、細い繊維であるために可撓性があり
平織、朱子織から三次元織りまで各種の織物を織る事が
できる。用途としては、耐熱材料の用途としてよりも、
むしろＦＲＭの強化繊維として、非常に有力な繊維であ
る。

【００５９】また、炭化けい素ウィスカーで強化され
た、アルミニウム複合材は以下の如き方法で製造され
る。炭化けい素ウィスカーは絡み合った状態で得られる
ので良くほぐした後、アルミニウム粉末と混合したの
ち、溶湯加圧成形法により、炭化けい素ウィスカー／ア
ルミニウムのビレットが得られる。

【００６０】このビレット材を高圧加圧して、炭化けい
素ウィスカー／アルミニウムの板や、棒、パイプを製造
することができる。この複合材はＶｆ：３５容量％で引
張強度は５６Ｋｇ／ｍｍ² 弾性率は１２，０００Ｋｇ／
ｍｍ² である。

【００６１】特に弾性は高く、他の繊維で強化されたア
ルミニウム複合材よりも高い値を有している。また、こ
の複合材料は圧延ができるためホットプレスなどにより
各種の形状に加工することができる。

【００６２】この他にボロン繊維強化アルミニウム複合
材や炭化けい素繊維強化チタン複合材にも前述の炭化け
い素繊維強化アルミニウム複合材と同様の方法で得られ
るが、最大の欠陥は、価格が高価であるのと界面反応に
依る特性の劣化で、このために一般成形は、例えばボロ
ン繊維強化アルミニウム複合材では、８０３°Ｋまで数
１０Ｋｇ／ｃｍ² の高加圧力下での拡散接合を必要とす
るので大幅なコスト増を招くことになる。

【００６３】ボロン繊維／チタン合金は、チタン合金母
材に対して反応性が高く問題がある。この欠点を克服す
るために炭化ホウ素被覆ボロン繊維が開発されボロン系
繊維の高温安定性は改善されたが、高度な多層化処理に
より素材価格が非常に高価となる。

【００６４】また、これ等の複合材は、ボロン繊維の硬
さがモース硬度で９以上と極めて硬いため切削加工は困
難であり研削に頼る他になく、ダイヤモンドを用いた特
殊な工具が必要となり経済負担が大きい。

【００６５】一方、炭化けい素や、窒化けい素、アルミ
ナ、ジルコニア等のセラミック材は、８００℃以上の高
温で強度を保持するがセラッミック特有の脆さという性
質が改善されないため、弁座材料として実用化されにく
い。

【００６６】そこで、高温耐熱材料として最も期待され
るのが繊維強化ガラス（ＦＲＧ）や繊維強化セラミック
ス（ＦＲＣ）である。この内、ＦＲＧ複合材は、高温に
於ける高強度、高靭性、軽量という優れた特徴をもち、
耐熱材料として有望である。

【００６７】この繊維強化ガラス複合材の強化繊維とし
ては黒鉛繊維、アルミナ繊維、炭化けい素繊維等がある
が、黒鉛繊維強化ガラス複合材では高水準の強度、破壊
靭性を有しているが、前述の如く繊維が空気中で４００
〜４５０℃以上から酸化消耗するため高温酸化性雰囲気
中では耐熱材料として機能が失なわれる。

【００６８】また、アルミナ繊維強化ガラス複合材で
は、高温に於てアルミナとガラスが反応してガラス化す
るため、繊維が浸蝕され、強度や靭性が得られない。し
かし、炭化けい素繊維強化ガラス複合材では、炭化けい
素自体が高温の空気中でも耐酸化性を有し、優れた強度
を維持すると共にガラスと反応しないため、高温に於
て、高強度、高靭性、耐酸化安定性を有する材料を得る
事ができる。

【００６９】この炭化けい素繊維強化ガラス複合材はガ
ラス粉末をポリビニールアルコール等の樹脂を介して炭
化けい素繊維に含浸させて炭化けい素繊維／ガラスのプ
リフォーム体を作り、このプリフォーム体を所定の形状
としたのち、加熱成形することで成形体を得る事ができ
る。

【００７０】繊維強化セラミック複合材（ＦＲＣ）で
は、複合材と構成する、素材の種類から分類すると、炭
素繊維、炭化けい素繊維、アルミナ繊維などの耐熱性を
もつ既存のものに絞ることができるが、母材の種類はあ
らゆるセラミックスが対象となる。主な母材を使用温度
の低い順に挙げると、ガラス、ガラスセラミックス、酸
化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、炭化物と
なる。

【００７１】上記繊維中、炭素繊維や、アルミナ繊維は
前述の如く、耐酸化性の問題や、価格的な問題を含め、
ＦＲＣの強化繊維としては適さない。その中で、炭化け
い素繊維強化セラミックス複合材は、炭化けい素繊維か
ら成る織布や不織布の代りにウィスカー、クロス、フェ
ルト、チョップ、ストランド、マット、織物、引揃え品
などの繊維に無機バインダーとしてコロイダルシリカに
微粒子の結晶質シリカを分散させた。

【００７２】ペースト状液を刷毛塗りなどで塗布し、こ
れを成形焼成して炭化けい素繊維強化セラミックス複合
材料を得る。ここで採用される炭化けい素繊維は有機け
い素化合物を原料として製造された繊維径５０μ以下の
繊維である。

【００７３】従来８００℃以上に耐える耐熱材料として
はニッケル、コバルト、タングステン、鉄、クローム系
の合金や、チタン合金などが使用されて来た。しかしこ
の金属材料は、高温では強度が５０％以下、多くは１０
％〜２０％に低下するのが現状である。

【００７４】そこで、軽くて強い高強度繊維化複合材及
びセラミックス材料が検討され、これ等の材料で広範な
用途利用が計られて居り、その中で繊維強化金属複合材
は現状では炭化けい素繊維強化アルミニウム合金が主力
となって居り、耐熱度も５００℃以下であるが、回動弁
などの弁座の耐熱度は４５０℃以下が圧倒的に多く、弁
座の選択は使用条件に於て前述した材料の中から、最適
な材料を選定することが肝要である。

【００７５】

【本発明の効果】本発明の弁座は、前述の如く従来の回
動弁であるボール弁や、バタフライ弁に多く使用されて
いるソフト弁座の諸性質がまったく期待できない剛性の
材料を上記回動弁用弁座に用い、弁座に必要な諸特性を
発揮できる構造及び材料を選択し得る画期的な弁座であ
る。

【００７６】この弁座を組込んだ弁は、弁座の材質及び
構造を使用条件に応じて選択する事に依り、極低温から
高温、低圧から高圧に至る広い領域で弁座としての機能
を発揮するものである。

【００７７】

【実施例】実施例および比較例により本発明を更に詳細
に説明する。（実施例１〜６、比較例１〜３）

【００７８】第１図に示した構造の呼び径２インチ（５
０Ａ）のボール弁の弁座として表１に示した構造、材質
のものを各々用意した。実施例１〜３で使用した弁座構
造、材質及び実施例４〜５に用いた弁座構造及び材料は
次の方法で得られたものである。

【００７９】

【表１】

【００８０】

【表２】

【００８１】

【表３】

【００８２】

【実施例１】実施例１に於ける弁座の材質は、鉄にクロ
ームとニッケルを加えたオーステナイト系ステンレス鋼
は、標準の組成がクローム１８％、ニッケル１２％、モ
リブデン２．５％であるので１８−１２鋼と呼ばれ、耐
蝕性耐酸性が非常に大きく、常温に於ては大抵の酸やア
ルカリに溶けない不銹鋼のＪＩＳ−Ｇ−４３０３、ＳＵ
Ｓ−３１６の鋼材を用い第４図の如く、弁座環外周面に
弁箱の弁座収納個所の環状内面にメートル細目平行雌ネ
ジを機械加工で設けそれに合致する雄ネジを機械加工で
設けた。

【００８３】また、シートチャンバー１６は、ボール弁
の弁座に加わる面圧などを考慮して、密封性や、弾性効
果が最も発揮しやすいシールリップ１７の厚さのものを
用意した。（図面第４図参照のこと）

【００８４】

【実施例２】実施例２に於ける弁座の材質は、チタン鋼
棒ＪＩＳ−Ｈ−４６５０４種ＴＢ−５５０Ｈ相当品
の市販の丸棒を用いた。チタン鋼は比重が小さく、か
つ、引張強度、弾性率などの機械的強度が非常に優れて
居り、５００℃位まではその特性がほとんど変らず保持
し、耐蝕性にも優れている。

【００８５】この材料を前記実施例１と同様に第２図の
如く、弁座環外周面に弁箱の弁座収納個所に設けたメー
トル細目平行ネジに合致する同じ雄ネジを機械加工で設
けた。また、シートチャンバー１６及びシールリップ１
７は、前記実施例１と同様ボール弁の面圧や、チタン材
の弾性率などを考慮し、一番弾性効果が発揮できる構造
のものを用意した。（第２図参照のこと）

【００８６】

【実施例３】実施例３に於ける、弁座の材質はニッケル
−銅合金（７０Ｎｉ−３０Ｃｕ）のＪＩＳ−Ｈ−４５５
３ＮＣｕＢの市販丸棒を用いた。一般にモネルメタル
として有名なニッケル銅合金鋼である。モネルメタルは
チタン同様、高温でも機械的強度を保ち、海水、中性塩
類の溶液、アルカリ溶液、有機酸ガソリンなど多くの化
学薬品に対して耐蝕性が優れている。

【００８７】この材料を使い弁箱の弁座収容個所にテー
パー面を設け、このテーパー面とテーパー角度が合致し
て流体を封止し得るテーパー面を第１０図の如く弁座環
の外周面に設け、実施例１および２と同様にモネルメタ
ルの材料特性を生かし、弁座として必要な流体の密封性
や、弾性効果が発揮しやすいシートチャンバー１６及び
シールリップ１７の厚さに機械加工したものを用意し
た。（第１０図参照のこと）

【００８８】

【実施例４】実施例４に於ける、弁座材質は、炭化けい
素繊維強化金属複合材であるＦＲＭを用いた。炭化けい
素繊維はニカロンの商品名で日本カーボン（株）が、製
造販売している繊維とし、母材（Ｍａｔｒｉｘ）はアル
ミニウムを用いた。炭化けい素繊維の短繊維を溶融した
アルミニウムに３０〜３５ｗｔ％混合分散し、弁座形状
の鋳型に注入する鋳造法で成形体を得て、仕上加工を行
った。（第５図参照のこと）弁座保持環４ＡはＳＵＳ−
３０４を使用した。

【００８９】

【実施例５】実施例５に於ける、弁座材質は、炭化けい
素繊維強化ガラス複合材であるＦＲＧを用いた。炭化け
い素繊維は、実施例４と同様にニカロン繊維と母材はリ
チウムアルミノシリケート（結晶化ガラス）を用いた。
（第６図参照のこと）弁座保持環４ＡはＳＵＳ−３０４
とした。

【００９０】本弁座を組み込んだボール弁は、各種の性
能評価試験により、広い温度領域用弁座として、安全性
を確認して居り、その代表的な試験内容及び結果は以下
の通りである。

【００９１】（１）帯電防止ボール弁では、弁座及びグランドパッキングにＰＴＦＥ
樹脂などの絶縁体を使用すると、弁体と弁座樹脂の摩擦
に依り静電気が発生し、特に引火点の低い、ガソリンや
天然ガス、ＬＰＧなどに使用すると危険である。

【００９２】従来のソフト弁座を用いた弁は、弁棒や、
弁棒と弁体の嵌合部に静電除去の機構が設けられている
が、本弁座は弁座そのものが電気の良導体のため、静電
気は、弁体に帯電することなく、そのままで優れた帯電
防止機構を備えたことになり、帯電防止に気を配る必要
が全くなく経済的である。

【００９３】実施例１〜５、比較例１〜３は、いづれも
合格であった。但し、比較例３は、弁座がＰＴＦＥ樹脂
製であるが帯電防止機構が取りつけられているため、問
題なかった。

【００９４】（２）水圧試験弁座の水漏試験として、１８Ｋｇ／ｃｍ² 、２１Ｋｇ／
ｃｍ² 、５３Ｋｇ／ｃｍ² 、１０５Ｋｇ／ｃｍ² 、１５
５Ｋｇ／ｃｍ² の各圧力で試験した。

【００９５】弁の内部に上記の各圧力に相当する水圧を
加え、一端を解放して水を排除後、上記の各試験圧力を
加圧して、５分間保持し、弁座と弁体との摺動面及び背
面からの漏水や滲みの有無を検査した。その結果、実施
例１〜５、比較例１〜３共いずれも合格であった。

【００９６】（３）気密試験弁の一端にブラインドフランジを取付け、他端より２Ｋ
ｇ／ｃｍ² 、６Ｋｇ／ｃｍ² 、１０Ｋｇ／ｃｍ² 、１６
Ｋｇ／ｃｍ² 、２０Ｋｇ／ｃｍ² の各試験圧力の空気圧
を加えた後、弁を閉止し、弁、内部に空気圧を内封し
て、両端フランジ面より、石鹸水により弁座の弁体との
摺動面及び背面からの漏れの有無を検査した。

【００９７】比較例１の弁では、１０Ｋｇ／ｃｍ² 以上
の圧力で全流量の０．０１％以上の漏れが確認された
が、この漏れ量は許容漏れ量以内であった。其の他の弁
の実施例１〜５、比較例２〜３共総て合格であった。

【００９８】（４）蒸気試験蒸気として６Ｋｇ／ｃｍ² （１６４℃）、１０Ｋｇ／ｃ
ｍ² （１８３℃）、１５Ｋｇ／ｃｍ² （２００℃）、２
０Ｋｇ／ｃｍ² （２１４℃）の飽和蒸気を用い、弁全体
が、ほぼ等温になるまで段階的に昇温し、上記、各温度
に於て、弁座と弁体との摺動面及び背面からの漏れを、
鏡（ミラー）に依り検査した。

【００９９】比較例２〜３の弁は、２０Ｋｇ／ｃｍ²
（２１４℃）での検査で漏れがあった。部材を点検した
処、弁座及びＯリングの熱変形が生じていた。其の他の
弁は全数合格であった。また、弁の開閉作動試験も行っ
たが弁棒、弁座、弁体などに焼付けや、カジリ付きなど
は認められずスムーズに作動操作できた。

【０１００】（５）低温試験弁の内部に液体窒素ガスにより空気を置換した後、冷媒
中（−５５℃）に浸漬して、圧力６Ｋｇ／ｃｍ² に保
ち、弁体及び弁箱などの内部が上記温度に冷却され、更
に温度が安定するのに必要な時間を保持した後に、温度
を確認し、弁をくり返し開閉操作をしてその時の開弁力
及び閉弁力などの作動試験を行った。

【０１０１】作動試験後、温度を安定させるため、更に
２０分間放置して、弁内部に液体窒素ガスを封入して弁
を閉止し、上流側から６Ｋｇ／ｃｍ² の圧力を加圧し、
５分間保持して下流側の弁座の漏洩を検査した。その結
果、比較例３の弁では、弁座がＰＴＦＥ樹脂のため収縮
し、漏れが認められた。その他の実施例、比較例の弁は
いづれも合格であった。

【０１０２】（６）ファイヤーセーフ試験通常のボール弁では、弁座、グランドパッキン、ガスケ
ット等のシール材にＰＴＦＥ樹脂やゴムなどの非金属材
料が多く使用されている。そのため、弁が火災などにあ
い、こられが焼損する様な場合、グランド部やガスケッ
ト部から外部への漏洩や、弁座漏れ、或は作動不良を起
すなどして火災を著しく増大させたり、弁の操作に支障
を来たすなど、ボール弁であるが故にウィークポイント
にならない事が肝要である。

【０１０３】このファイヤーセーフ試験は、弁の１次側
に水を満たし、内部に空気が残っていない事を確認後、
３．５Ｋｇ／ｃｍ² の水圧を加え反対の２次側ブライン
ドフランジを取外し、ＬＰＧ（液化プロパンガス）バー
ナー２基を用いて７６０℃（１４００°Ｆ）〜９８０℃
（１８００°Ｆ）の火炎で３０分間または、弁の表面が
５９５℃（１１００°Ｆ）の温度に達した後、更に１０
分間燃焼を続け、２次側からの弁座漏れを確認した。

【０１０４】ＬＰガスを消火した後に弁が１００℃（２
１２°Ｆ）または、それ以下に自然冷却されたのちに次
の順番で試験を行った。弁の開閉を数回くり返し操作して、操作性の確認を行
った。弁を閉とし１次側に水圧３．５Ｋｇ／ｃｍ² を加圧し
て弁座漏れを確認した。弁内部に水圧１０Ｋｇ／ｃｍ² の高圧締切試験を行い
漏れの有無を確認した。

【０１０５】尚この試験に際して、実施例、比較例の弁
とも、弁座以外の部分の耐熱性を保証するために、グラ
ンドパッキング及びガスケットの材質は、日本カーボン
株式会社製の膨張黒鉛成形体である商品名ニカフィルム
を各々に使用した。

【０１０６】上記試験後に各々の弁を分解し、各部材を
点検した。実施例１〜５の弁は上記の過酷な条件での試
験にも拘らずいづれも合格であった。比較例１について
は、弁座から著しい漏れがあった。部材を点検した結
果、”Ｏリングの損傷が酷く、ゴムが炭化してシール機
能が全く失なわれていた。また、金属板バネは、焼鈍さ
れ、弾性が不足して居り、適正な面圧を保持し得なかっ
た。

【０１０７】比較例２に付いても比較例１と同様に著し
い漏れがあった。部材は比較例１と同様にＯリングが炭
化していた。また、弁座は炭素材に含浸されているフェ
ノール樹脂が炭化して摺動面は細かい亀裂が多数認めら
れた弁座としての役目を果たしていなかった。

【０１０８】比較例３に付いては、他の比較例の弁より
も一層激しい漏れがあった。部材を点検した結果、弁座
の材質であるＰＴＦＥ樹脂は、高温のため熱分解し、弁
座の形態をとどめて居らず消失していた。

【０１０９】

【図面の簡単な説明】

第１図は、弁の一例としてのボール弁の断面図。第２図
から第１３図は、本発明の弁座の種々の態様を例示する
断面図、第１４図は第２図の弁座を弁に組込んだ場合の
断面図。第１５図は”Ｏリング”金属板バネを有する従
来型の弁座の一例の断面図および第１６図はＰＴＦＥ製
弁座の従来型弁座の一例の断面図、第１７図は弁の一例
としてのバタフライの弁の断面図。第１８図〜第２０図
は、本発明の弁座の種々の態様を例示する断面図であ
る。

【符号の説明】

１．弁箱２．弁箱蓋３．弁体４．弁座４Ａ．弁
座保持環５．弁棒６．ガスケット７．パッキン押え輪８．
パッキン押え９．グランドパッキン１０．ボルトナット１１．ハ
ンドル１２．弁座取付治具穴１３．雄ネジ１４．弁箱と弁
座接触部１５．弁体と弁座の摺動部１６．シートチャンバー１７．シールリップ１８．Ｏリング１９．板バネ２０．コイルスプリング３１．弁箱３２．弁箱蓋
３３．弁体３４．弁座３５．弁棒３６．ガスケット３７．パ
ッキン押え輪３８．パッキン押え３９．グランドパキン４０．ボ
ルト４１．ハンドル４２．弁座取付治具穴４３．雄ネジ４４．４４Ａ．弁箱と弁座接触部４５．弁体と弁座の
摺動部４６．シートチャンバー４７．シールリップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弁の弁箱内に装着して使用する回動弁など
の弁座であり弁箱と弁座の接触部及び弁体と弁座の摺動
部で流体のシールを行う弁座に於て、弁座の弁体との摺
動部が圧縮復元など弁の操作に必要な弾性効果を発揮で
きる形状に成形、加工され、弁座と弁体の摺動部に適切
な面圧を保持させ流体をシールするを特徴とする弁座。
【請求項２】前記、弁座が金属若しくは非鉄金属、炭素
繊維、炭化けい素繊維などの強化複合材料であるＦ．
Ｒ．Ｐ（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔ
ｉｃｓ）、Ｆ．Ｒ．Ｍ．（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒ
ｃｅｄＭｅｔａｌ）若しくは、Ｆ．Ｒ．Ｇ．（Ｆｉｂ
ｅｒＲｅｉｎｔｏｒｃｅｄＧｌａｓｓ）などから成
る事を特徴とする特許請求範囲第１項記載の弁座。
【請求項３】前記弁座の固定方法及びシール方法が弁箱
内に設けられた雌ネジ部に弁座の外周面に設けた雄ネジ
とを嵌合固定し弁座背面を弁箱面に圧接してシールする
か、弁座収納個所にテーパーを設け、同じく弁座外周面
に上記弁箱内に設けたテーパーと合致するテーパー面を
設け、弁座をテーパー面で嵌合させ、弁箱と弁座の接触
部をシールするか、弁箱内に着脱容易に装着して使用す
る弁座で弁体と弁座の接触面圧により、弁座背面及び摺
動面で流体をシールする特許請求範囲第１項及び第２項
記載の弁座。
【請求項４】前記、弁座の弁体との摺動部の弾性を補助
するために、弁座に設けたチャンバー（ｃｈａｍｂｅ
ｒ）にスプリングを装着した事を特徴とする特許請求範
囲第１項乃至第３項記載の弁座。
【請求項５】特許請求範囲第３項の弁座の保持環を汎用
金属使用の異種材料と組み合わせたことを特徴とする特
許請求範囲第１項乃至４項記載の弁座。