JPS63285367A - 耐熱性流体封止部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はバルブまたはボールジヨイント等に於ける流体
封止用部材に関するものである。更に詳しくは、流体を
封止するための流体通路を取り囲む環状封止部材が、弁
体または内筒に接する環状摺動接触部材（Ａ）“、およ
び弁箱または外筒に接する環状接触シール部材（Ｂ）と
から成る、流体封止機構において使用される環状摺動接
触部材に関するものである。

〔従来の技術と問題点〕

バルブの弁座のごとき環状流体封止機構としては、例え
ば球状バルブの４半分拡大図である第１図、ボールジヨ
イント部を示す第２図の例に見られるように、炭素系複
合材料もしくは、金属の如き剛体材料からなる環状の摺
動接触部材（Ａ）を用いて可動部分である弁体との緊密
な接触により流体（ガス、または液体）の封止を達成し
、またその背面にあって且つ弁箱または外筒と環状摺動
接触部材（Ａ）との間にあり、両者に接し、弁箱との封
止を達成する環状の接触シール部材（Ｂ）との構造のも
のが挙げられる。

このような構造の弁またはジヨイントに於いて摺動接触
部材（Ａ）としては古くは硬質ゴム、フッ素樹脂、熱硬
化性樹脂、或いはこれ等と無機物質との複合材料が用い
られていた。

これ等の材料のなかには、比較的ゆるやかな条件下では
使用出来るものもあり、例えば汎用グレードのバルブ、
ジヨイント等の封止材料として現在でも使用されている
ものも存在する。しかし乍ら最近の技術の急速な進歩に
伴い使用条件が益々高度化され、このような条件下では
従来の材料では次の様な欠陥が指摘されている。

例えば、ゴム質の材料については、高温で劣化し、逆に
低温では脆くなり、またフン素樹脂系の材料については
ＬＮＧや液体窒素を流体として使用する極低温領域では
熱膨張係数が大きいため、寸法変化を生じ、シールが不
十分となる。またバルブ或いはジヨイントが高温、特に
数百度の火焔にさらされると、分解して封止機能を失な
う難点がある。このためこれ等の欠点を補なうべく、い
くつかの改善案が報告され、セラミックス又は炭素材を
用いたものが提案されている。セラミックスは耐熱性は
良いが、加工性が悪（、弁体と接合面との摺り合わせが
難しく、十分な封止機能を持たせにくいと共に、サーマ
ルショックに対して脆弱である等の欠点がある。

このような事情から、最近は高温、極低温等の条件下で
使用されるもの、或いは、腐食性の高い流体の封止用弁
の部材としては、弁箱又は弁体には、耐熱性或いは耐食
性の高い金属を用い、封止部材としては、炭素材を組み
合わせる構成のものもいくつか提案されている。

炭素材は、３０００℃の高温にも耐えられると共に極低
温に於いても物性が安定しており、且つ熱膨張係数も他
の材料に比べ非常に小さくしかも薬品に対する耐食性も
良い等の点で好ましＧ゛）材料である。

しかし乍ら一般の炭素材には、いくつかの欠点がある０
例えば炭素材には通常微細な貫通孔があってガス透過性
である。更に詳乙＜は一般に炭素材は、コークス、天然
黒鉛等をピンチで混和、粉砕、成形、焼成して造られる
ため、ピッチ中の揮発分、反応生成物のガス等が逃散し
て細孔が生じるのが通常である。また製造工程に於いて
も、焼成時の割れを防止するために、この現象を利用し
て細孔を生じるような原料配合や焼成条件を積極的に選
ぶのを通常としている。

このような貫通細孔は必然的に封止能力の低下を招く。

そこで一般炭素材を封止材料として用いる場合の欠点を
補なうために、いくつかの方法が提案されている。

例えば、特公昭５８−１８５５４号に見られる如く、膨
張黒鉛や酸化黒鉛のごとき変成処理をした黒鉛を除く炭
素材料と非有機材料との複合成形体からなる摺動接触部
材が提案されている。この際の非有機材料としては、酸
化黒鉛、ホウ酸、及びリン酸アルミニウムから選ばれた
少なくとも１種の無機バインダーを含浸させたものや融
点２００〜１）００℃の非鉄金属もしくはこれ等の合金
との複合体が使用されている。このものは一般の炭素材
の欠点である貫通細孔による漏洩を異物含浸によって補
っているものと考えられるが、このような異物含浸体ま
たは混合体（複合材）は、ある程度炭素材の貫通孔を塞
ぎ、ガス洩れを封止する効果を有するものの、含浸によ
る下記のような二次的な欠点を併発する。

（１）金属及び塩類の含浸品は、流体が酸やアルカリ性
薬品である場合、その部分が侵され易く、シール性、強
度が長期間使用により劣化する。

（２）素材そのものの熱膨張係数及び熱伝導率が、金属
や塩類と炭素材料とは大きく異なっており、それらの影
響による部分的破壊が進行し、強度低下、シール性不良
の原因になる。特に５００℃以上の高温用や一１００℃
以下の極低温用のバルブや接手類にその種の複合材を用
いた場合には、反復繰り返し使用により、この現象の発
生が顕著となる。

（３）また、これ等含浸複合材は、製造工程に於いて、
工程が増え、製造コストが高くなる。

（４）製造工程に於いて含浸ムラ等が起こり、特性の安
定性に欠ける。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明が解決しようとする問題点は、従来のこの種の封
止材料の上記難点を解消することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者は、環状摺動接触部材について、種々の材料を
、比較検討した結果、メソカーボンマイクロビーズ（Ｍ
　ＣＭ　Ｂと略称）を原料とし、これを成形、焼成、必
要に応じ黒鉛化した材料を用いることにより、上記の従
来の部材の欠点を解決出来ることを見出した。

〔発明の構成並びに作用〕

ＭＣＭＢを原料とした炭素材自体は公知である。

本発明者は、この炭素材をこの種封止部材として使用し
ようとの全く新しい着想にいたり、その通用性について
研究して来た。この研究に於いてこの炭素材は極めて緻
密で、細孔が少なく、通気性が皆無に近く、流体封止に
好適な素材であることを見出した。従って異物含浸の必
要もなく、高温−低温を繰り返しても含浸または混合物
と炭素材との膨張係数の差による破壊もなければ、腐食
性薬品による含浸成分の溶出、シール機能の低下も生じ
ない。

このＭＣＭＢを原料とする炭素材は一般の炭素材に比べ
高強度であり、炭素材特有の潤滑性をも有していること
も見出した。上記の緒特性を要約すると、 （イ）摺動する部材間の摩擦係数が小さい、（ロ）弁体
及び流体により、弁座に加えられる圧力に耐えられる機
械的強度を有する、 （ハ）不浸透性である、 （ニ）ｉ＋薬品性である、 （ホ）急激な温度変化に対応出来るように熱膨張係数が
小さく、且つ均一である、 （へ）極低温から高温まで広い温度領域で、上記各特性
が維持出来る、 ものであり、弁座の材料として、完全と言える性質を有
することが明らかとなった。

またこの炭素材は原料ＭＣＭＢを最終形状による型押し
成形後焼成する方法でも作れるし、同じ＜ＭＣＭＢを静
水圧加圧法によって圧縮或いは焼成して大ブロツク材を
作り、切削加工によって最終形状に仕上げることもでき
、その製作も極めて容易である。加工コストの点から前
者の方法が採られることが多いが、精密な型を用いて略
々完成品に近い形状を有しているが、必要に応じて要部
や表面を更に精密に研磨、トモ擦り等の手段によって仕
上げることが出来る。

このような、切削加工や表面研磨作業には等方性の高い
材料が望ましい。

この点に関しては、ＭＣＭＢを原料としたこの炭素材は
一般炭素材と異なり等方性良好な性質ををしており、加
工には極めて好都合である。

更に等方性の高い材料は、膨張率も低く、且つすべての
方向に同様に膨張する性質を有しているので、完全等方
性である相手金属と共に、弁の使用温度変化にあらゆる
方向に平行的に伸縮するので、超高温から超低温までの
大巾な温度変化に均一に追従し流体洩れを完全に封止出
来る利点をも有している。

ＭＣＭＢ炭素材はピッチ材、レジン類を３５０〜４５０
℃に熱処理して、マトリックス中に生成する数ミクロン
ないし数十ミクロンのメソフェーズ小球体を原料として
使用する０球体の大きさは、熱処理温度、時間などによ
り異なる。このビーズの大きさは成形、焼成必要に応じ
黒鉛化して得られる炭素材のガス透過性に大きな影響が
ある。

原料としては、３通りの方法がある。

１）平均粒径１０μｍ以下のＭＣＭＢを使用する。

２）平均粒径１０μｍ以上のＭＣＭＢを粉砕して、平均
粒径１０μｍ以下にしたものを使用する。

３）ＭＣＭＢを更に生長させ、バルクメソフェースにし
たものを粉砕して、平均粒径１０μｍ以下にして使用す
る。

これ等の原料を常法に従い、成形、焼成、必要に応じ黒
鉛化した材料は、例えば肉厚２ＩＩＩＩｌでＮ２ガス５
　ｋｇ／−でリークが実質的に全く認められず曲げ強さ
１０００〜１５００ｋｇ／ａＪ、ジロアー硬度９０〜１
２０のものが得られる。

本発明にかかる封止材料は、広く球状の弁体を用いたパ
ルプ（第１図）、上下摺動接触部に球面を有し円筒状弁
体を用いたバルブ（第２図）、球状の摺動接触部を有す
る自在シロインド（第３図）、半球状の弁体を用いたバ
ルブ（第４図）等に適用され、このような封止機構を有
する３方２面型、３方４面型パルプにも同様に応用され
る。

これ等、パルプ、ジツイント等に於ける流体封止機構部
分の一例を第１）図、及び第１２図に拡大して示す。

封止部分は金属製の球面状の回転体（弁体）と同じく、
金属製の弁箱との間にあって、内部の流体の漏洩を防止
する機能は、弁体（１）と、環状接触摺動部材（Ａ）、
及び環状接触摺動部材（Ａ＞と弁箱（５）との封止を行
なう環状シール部材（Ｂ）によって行われる。

具体的な通用の形状としては、第５図、及び第６図に示
すものの他に更に第７〜１５図に示すもの等が挙げられ
るが、本発明はこれ等の形状の例示に拘束されない。

その作用の機構を第１図に示す弁で説明すると、弁箱締
付ボルト（４）による締付力により、環状摺動接触部材
（Ａ）と球状弁体（１）とは緊密に接触する０両者は予
め、十分摺り合わせ仕上げが行われているので、この面
からの流体の漏洩はない。

環状摺動接触部材（Ａ）と弁箱（５）との間には、環状
接触シール材（Ｂ）及び（３）があり、ボルトの締付力
が環状摺動部材（Ａ）を介して環状接触シール材（Ｂ）
及び（３）を圧縮し、弁箱との間の封止を完成し、流体
の漏洩を封止する。

即ち、（Ａ）、（Ｂ）の両者、相共に働いて弁全体とし
ての流体の封止を完全なものにするものである。

本発明は、この環状摺動接触部材（Ａ）の材質に関する
ものであり、上記の通り、ＭＣＭＢを原料とし、平均粒
径１０μｍ以下のＭＣＭＢを使うか、平均粒径１０μｍ
以下になるようにＭＣＭＢを粉砕し、これに異物を混和
したり、含浸したりすることなく、成形、焼成、必要に
より、黒鉛化することにより１、流体不浸透性で耐薬品
性があり、熱膨張係数が小さく、機械的強度の大きい、
自己潤滑性があり、極低温から高温までの広い温度に耐
えられる最適の材料が得られる。これを換言すれば従来
の材料に比べ優れた耐熱性、耐薬品性、自己潤滑性、ガ
ス封止性を炭素材のみで充足した材料であることに特徴
がある。

〔実施例〕

以下、本発明にかかる弁体との接触摺動部材に使用する
ＭＣＭＢを素材にした接触摺動部材の具体的製造方法並
びに、この製法にて得られた本発明の材料と、公知の材
料との物性の比較を、実施例１．２及び比較例１．２．
３として、例示した。

実施例１ 平均粒径６ｐｍのＭＣＭＢを、１．３０ｇ／−以上の密
度で成形し、焼成、２０００℃の高温焼成処理を行った
。このフローチャートを示せば第１６図の通りである。

実施例２ ＭＣＭＢを平均粒径６μｍに粉砕し、１．２７ｇ／−以
上の密度で成形し、焼成、２５００℃の高温処理を行っ
た。このフローチャートを第１７図に示す。

比較例１ 人造黒鉛３５重量部、土状黒鉛３５重量部を混合し、フ
ェノール樹脂バインダーで混練し、粉砕、成形、１５０
０℃で焼成した。フローチャートを第１８図に示す。

比較例２ 比較例１と同様な方法で得た素材１００重量部にホワイ
トメタル（Ｓｎ１２ｗｔ％、Ｓ　ｂ　１４ｗｔ％、Ｃｕ
１ｗｔ％、Ｐｂ７３ｗｔ％）３７Ｎ量部を５００℃で熔
融、加圧下で圧入して含浸せしめた。

比較例３ ポリテトラフルオロエチレン製部材 上記実施例並びに比較例の各材料についてその各種物性
を測定し、この結果を第１表に示す。

第１表 但し第１表中の各種物性は夫々法の方法で測定したもの
である。

Ｏ曲げ強度　　二号能材料試験機を用い、１（ｌａｗＸ
　１０＋ｗｍＸ　６０１）−の試験片を支点間距離４０
ｍｍ支点の陵の曲率半径１．５１）１）１加圧クサビの
角度６０°その先端の曲率半径３１とし、毎秒約３ｋｇ ／−の加圧速度で測定した。但し５ 個平均の値。

Ｏ圧縮強度　　：万能材料試験機を用い、１０ＩＩＩＩ
ＩＸ　１０＋ｗｍＸ　１０ｍｍの試験片を毎秒約５ｋｇ
／−の加圧速度で測定し、その ５個の平均の値を用いた。

Ｏシャルピー値：シャルピ一式衝撃試験機を用い、１０
＋ｕ＋Ｘ　１０ｍｓ＋Ｘ　６０ｍｍの試験片を支点間距
離４０ｍｍで測定した。同様 に５（ＩＩ平均の値。

Ｏ熱膨張係数　：熱膨張測定器を用い、１０ｍｍｘ１０
１）１）×５０１）１）の試験を１００〜４００℃の間
で測定した。

【図面の簡単な説明】

第１〜１５図はいずれも特に封止材料を使用する場合の
具体例を示す断面図である。また第１６〜１８図は実施
例並びに比較例の製造工程を示すフローチャートである
。 １・・・・・・弁体 ２・・・・・・環状摺動接触部材（Ａ）３・・・・・・
環状接触シール部材（Ｂ）４・・・・・・弁箱締結ボル
ト ５・・・・・・弁箱 （以上）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体封止用部材に於いて環状摺動接触部材が、メ
   ソカーボンマイクロビーズを原料とした不浸透性炭素材
   料から成ることを特徴とする耐熱性流体封止部材。
2. （２）上記環状摺動接触材料がバルブまたはボールジョ
   イント等に於いて、弁箱と弁体、または外筒と内筒の間
   に配置され、流体を封止するための流体通路を取り囲む
   と共に、弁体または内筒に接する環状摺動接触部材であ
   る特許請求の範囲第１項に記載の流体封止部材。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載の環状摺動接触部材が
   、メソカーボンマイクロビーズを平均粒径１０μｍ以下
   に微粉砕し、成形、焼成、必要に応じ黒鉛化したもので
   ある流体封止部材。
4. （４）特許請求の範囲第１または３項のいずれかに記載
   の流体封止材料が異方度が１．１０以下の等方性黒鉛材
   料である流体封止部材。