特開 2024-69922 シール材及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024069922

(43)【公開日】2024-05-22

(54)【発明の名称】シール材及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/22 20060101AFI20240515BHJP

   F16J 15/328 20160101ALI20240515BHJP

   F16K 5/06 20060101ALI20240515BHJP

   C09K 3/10 20060101ALI20240515BHJP

【ＦＩ】

F16J15/22

F16J15/328

F16K5/06 Z

C09K3/10 M

C09K3/10 Q

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022180216

(22)【出願日】2022-11-10

(71)【出願人】

【識別番号】000229737

【氏名又は名称】日本ピラー工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】荒川 洸平

(72)【発明者】

【氏名】井上 広大

【テーマコード（参考）】

3H054

3J043

4H017

【Ｆターム（参考）】

3H054AA03

3H054BB02

3H054CA32

3H054CE05

3H054GG04

3H054GG14

3J043AA06

3J043BA06

3J043CA10

3J043CA13

3J043CB13

3J043CB14

3J043CB18

3J043DA02

3J043DA11

3J043FB11

4H017AA04

4H017AA29

4H017AB12

4H017AD01

4H017AE05

(57)【要約】

【課題】シール材を、摩耗粉を発生させず、ファイヤーセーフ試験にも耐え得るものにする。
【解決手段】シール材１に、合成樹脂材料によりコーティングされた膨張黒鉛テープ（ＰＴＦＥ特殊処理膨張黒鉛シート３）が少なくとも外周側に位置するように膨張黒鉛テープ２ａが渦巻き状又は同心円状に巻き重ねられた膨張黒鉛テープ本体２と、膨張黒鉛テープ本体２の軸方向両面に固定された合成樹脂製リング状シート（ＰＴＦＥシート４）とを設ける。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

合成樹脂材料によりコーティングされた膨張黒鉛テープが少なくとも外周側に位置するように膨張黒鉛テープが渦巻き状又は同心円状に巻き重ねられた膨張黒鉛テープ本体と、
前記膨張黒鉛テープ本体の軸方向両面に固定された合成樹脂製リング状シートとを備えている
ことを特徴とするシール材。

【請求項2】

前記膨張黒鉛テープ本体の軸方向両面における半径方向内側には、前記膨張黒鉛テープが露出しており、
前記膨張黒鉛テープ本体の軸方向両面におけるその他の部分には、前記合成樹脂製リング状シートが露出している
ことを特徴とする請求項１に記載のシール材。

【請求項3】

前記膨張黒鉛テープ本体の外周側は、ＰＴＦＥにコーティングされた膨張黒鉛テープが露出しており、
前記合成樹脂製リング状シートは、ＰＴＦＥのリング状シートである
ことを特徴とする請求項１に記載のシール材。

【請求項4】

液体水素用ボール弁において、一次シールよりも被密封流体から離れた位置に配置される二次シールである
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のシール材。

【請求項5】

合成樹脂材料により表面がコーティングされた特殊処理膨張黒鉛テープと、前記合成樹脂材料により表面がコーティングされていない無処理膨張黒鉛テープと、一対の合成樹脂製リング状シートとを準備する準備工程と、
前記特殊処理膨張黒鉛テープと、前記無処理膨張黒鉛テープとを所定の長さにそれぞれ切断する切断工程と、
前記無処理膨張黒鉛テープが内周側に配置され、前記特殊処理膨張黒鉛テープが外周側に配置されるように、渦巻き状又は同心円状に巻き重ねて膨張黒鉛テープ本体を形成する巻き重ね工程と、
巻き重ねた前記膨張黒鉛テープ本体を一対の合成樹脂製リング状シートで挟み込んだ状態で、成形金型でプレス成形するプレス成形工程とを含む
ことを特徴とするシール材の製造方法。

【請求項6】

前記プレス成形工程では、
前記膨張黒鉛テープ本体の軸方向両面における半径方向内側に、前記無処理膨張黒鉛テープを露出させ、
前記膨張黒鉛テープ本体の軸方向両面におけるその他の部分に、前記合成樹脂製リング状シートを露出させる
ことを特徴とする請求項５に記載のシール材の製造方法。

【請求項7】

前記準備工程では、
ＰＴＦＥにより表面がコーティングされた特殊処理膨張黒鉛テープと、
前記ＰＴＦＥにより表面がコーティングされていない無処理膨張黒鉛テープと、
一対のＰＴＦＥ製リング状シートとを準備する
ことを特徴とする請求項５又は６に記載のシール材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シール材及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、シール材は、回転する軸、往復運動をする軸等に対して、圧力の加わった流体が、機器の外部へ流出するのを防ぐために使用される。耐摩耗性や使用環境等を考慮してシールの材料が選択され、例えば、膨張黒鉛やＰＴＦＥ等が用いられている。

【0003】

例えば、特許文献１のように、軸と接触する摺動面部のみを可撓性黒鉛テープで形成したリング状パッキンは知られている。

【0004】

また、特許文献２のグランドパッキンは、焼成されたＰＴＦＥからなる表面層を備える膨張黒鉛テープを、表面層が径内側となる状態で渦巻き状又は同心円状に巻き重ねる構成を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】実開昭５５－１０４１５８号公報

【特許文献2】特開２０１５－１２９５３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

非常に厳しい使用環境の場合、シール材に使用できる材料が制限される。例えば、液体水素用のシール材は、高温でもシール性能を維持することが求められるため、膨張黒鉛を使用することが考えられる。

【0007】

しかし、液体水素用途では禁油禁水であることが求められるため、膨張黒鉛を潤滑剤に含浸させることができない。このため、摺動特性が悪化し、ボール弁の作動性を阻害するおそれや膨張黒鉛の摩耗粉が発生する懸念があった。

【0008】

一方で、ＰＴＦＥは摺動特性に優れるが、耐熱温度が高くないため、高温でのシール性の維持が求められる環境では使用することが難しいという問題がある。

【0009】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、シール材を、摩耗粉を発生させず、ファイヤーセーフ試験にも耐え得るものにすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前記の目的を達成するために、この発明では、摩耗粉の流出を防止する合成樹脂製リング状シートをシール材に設けた。

【0011】

具体的には、第１の発明では、
合成樹脂材料によりコーティングされた膨張黒鉛テープが少なくとも外周側に位置するように膨張黒鉛テープが渦巻き状又は同心円状に巻き重ねられた膨張黒鉛テープ本体と、
前記膨張黒鉛テープ本体の軸方向両面に固定された合成樹脂製リング状シートとを備えている。

【0012】

前記の構成によると、膨張黒鉛テープ本体は、耐熱性が高く、ファイヤーセーフ試験においても焼け残る。一方、合成樹脂製リング状シートにより、膨張黒鉛テープからの摩耗粉の流出が防止される。さらに、合成樹脂材料にコーティングされた膨張黒鉛テープが少なくとも摺動面となる外周側にあるので、摩耗粉の発生を防ぎながら、摺動特性及び耐摩耗性が向上する。

【0013】

第２の発明では、第１の発明において、
前記膨張黒鉛テープ本体の軸方向両面における半径方向内側には、前記膨張黒鉛テープが露出しており、
前記膨張黒鉛テープ本体の軸方向両面におけるその他の部分には、前記合成樹脂製リング状シートが露出している。

【0014】

前記の構成によると、膨張黒鉛テープ本体の軸方向両面全体が合成樹脂製リング状シートに覆われているのではなく、一部膨張黒鉛テープが露出しているので、一体成形時に合成樹脂製リング状シートが径方向外側からも押さえ付けられ、堅固に一体成形される。また、ファイヤーセーフ試験においても耐熱性の高い膨張黒鉛テープ部分が焼け残るので、一定のシール性能が維持される。

【0015】

第３の発明では、第１又は第２の発明において、
前記膨張黒鉛テープ本体の外周側は、ＰＴＦＥにコーティングされた膨張黒鉛テープが露出しており、
前記合成樹脂製リング状シートは、ＰＴＦＥのリング状シートである。

【0016】

前記の構成によると、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）は、耐久性が高く、低摩耗性、良好なシール性を有する。その上、ＰＴＦＥにコーティングされた膨張黒鉛テープは、コーティングされていない無処理膨張黒鉛テープのように摩耗粉を発生しないので、摩耗粉の放出が防止される。

【0017】

第４の発明では、第１から第３のいずれか１つの発明において、
液体水素用ボール弁において、一次シールよりも被密封流体から離れた位置に配置される二次シールである。

【0018】

前記の構成によると、ファイヤーセーフ試験にも耐え得る摩耗粉が発生しないシール材が得られる。

【0019】

第５の発明のシール材の製造方法では、
合成樹脂材料により表面がコーティングされた特殊処理膨張黒鉛テープと、前記合成樹脂材料により表面がコーティングされていない無処理膨張黒鉛テープと、一対の合成樹脂製リング状シートとを準備する準備工程と、
前記特殊処理膨張黒鉛テープと、前記無処理膨張黒鉛テープとを所定の長さにそれぞれ切断する切断工程と、
前記無処理膨張黒鉛テープが内周側に配置され、前記特殊処理膨張黒鉛テープが外周側に配置されるように、渦巻き状又は同心円状に巻き重ねて膨張黒鉛テープ本体を形成する巻き重ね工程と、
巻き重ねた前記膨張黒鉛テープ本体を一対の合成樹脂製リング状シートで挟み込んだ状態で、成形金型でプレス成形するプレス成形工程とを含む。

【0020】

前記の構成によると、特殊処理膨張黒鉛テープは、全体ではなく、摺動する外周側に限定しているので、費用面で優れており、プレス成形で一体化できるので、製造が容易で品質が安定する。これにより、摩耗粉を発生させず、ファイヤーセーフ試験にも耐え得るシール材が容易に得られる。

【0021】

第６の発明では、第５の発明において、
前記プレス成形工程では、
前記膨張黒鉛テープ本体の軸方向両面における半径方向内側に、前記無処理膨張黒鉛テープを露出させ、
前記膨張黒鉛テープ本体の軸方向両面におけるその他の部分に、前記合成樹脂製リング状シートを露出させる。

【0022】

前記の構成によると、合成樹脂製リング状シートが軸方向両面全体に露出する場合に比べて合成樹脂製リング状シートを膨張黒鉛テープで包み込むように堅固に一体成形される。また、ファイヤーセーフ試験において、膨張黒鉛テープが焼け残るので、一定のシール性能が維持される。

【0023】

第７の発明では、第５又は第６の発明において、
前記準備工程では、
ＰＴＦＥにより表面がコーティングされた特殊処理膨張黒鉛テープと、
前記ＰＴＦＥにより表面がコーティングされていない無処理膨張黒鉛テープと、
一対のＰＴＦＥ製リング状シートとを準備する。

【0024】

前記の構成によると、ＰＴＦＥは、耐久性が高く、低摩耗性、良好なシール性を有する。その上、ＰＴＦＥにコーティングされた膨張黒鉛テープは、コーティングされていない膨張黒鉛のように摩耗粉を発生しないので、摩耗粉の放出が防止されるシール材が得られる。

【発明の効果】

【0025】

以上説明したように、本発明によれば、シール材を、摩耗粉を発生させず、ファイヤーセーフ試験にも耐え得るものにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】シール材が設けられた液体水素用ボール弁及びその周辺を示す断面図である。

【図2】本発明の実施形態に係るシール材を拡大して示す断面図である。

【図3】シール材の製造工程を示す図である。

【図4】シール材の製造工程を示す図であり、（ａ）が巻き重ね工程を示し、（ｂ）がプレス成形工程を示す。

【図5】（ａ）がファイヤーセーフ試験におけるシール性確認試験を示す断面図であり、（ｂ）がその一部拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

【0028】

図１は本発明の実施形態のシール材１を示す。詳しい説明は省略するが、シール材１は、例えば、リング状で、水素ステーションなどに用いられる液体水素用ボール弁１０の背面一次シール１１よりも被密封流体から離れた箇所に位置する背面二次シール（ファイヤーセーフシール）として、液体水素用ボール弁１０のシール溝１０ａに嵌め込まれて使用される。液体水素用ボール弁１０は、図示しないスプリングにより、矢印の方向に押し付けられた状態で使用される。液体水素は、気体水素に比べ極低温であるため、シール材１は、極低温に耐えられると共に、後述するファイヤーセーフテストに耐え得ることが求められる。

【0029】

図２に拡大して示すように、シール材１は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂によりコーティングされた特殊処理膨張黒鉛テープとしてのＰＴＦＥ特殊処理膨張黒鉛シート３が少なくとも外周側に位置するように膨張黒鉛テープ２ａが渦巻き状又は同心円状に巻き重ねられた膨張黒鉛テープ本体２を備えている。ＰＴＦＥは、耐久性が高く、低摩耗性、良好なシール性を有する。

【0030】

炭素原子の分子結合をしているグラフェンとグラフェンの間に、イオンや他の分子などが挿入されることで黒鉛層間化合物が形成される。この黒鉛層間化合物を急熱するとグラフェン間に入れられた物質が燃焼しガス化する。そのガスによりグラフェンの積層間が押し広げられ、元の体積の数十倍にも膨張し、膨張黒鉛が得られる。無処理の膨張黒鉛テープ２ａは、このようにして得られた膨張黒鉛シートを所定の幅及び長さに切断することで得られる。無処理の膨張黒鉛テープ２ａは、例えば、厚さ０．３８ｍｍ、幅８ｍｍのものである。

【0031】

膨張黒鉛テープ本体２は、後述する方法で、外周側のみがＰＴＦＥ特殊処理膨張黒鉛シート３で構成され、それ以外は、特殊処理されていない無処理の膨張黒鉛テープ２ａで構成されている。

【0032】

ＰＴＦＥ特殊処理膨張黒鉛シート３自体は、例えば、特許文献３に記載の方法で得られる。ＰＴＦＥ特殊処理膨張黒鉛シート３は、コーティングされていない膨張黒鉛のように摩耗粉を発生しにくく、摩耗粉の放出が防止される。

【0033】

膨張黒鉛テープ本体２の軸方向両面には、合成樹脂製リング状シート（ＰＴＦＥ製リング状シート）としてのＰＴＦＥシート４が固定されている。例えば、このＰＴＦＥシート４の外径は、パッキン外径マイナス０．５～１．０ｍｍで、内径はパッキン内径と同一、厚さは０．５～１．０ｍｍである。このＰＴＦＥシート４は、厚さ０．５～１．０ｍｍのＰＴＦＥシートから切削又は打ち抜きにより得られる。

【0034】

膨張黒鉛テープ本体２の軸方向両面における半径方向内側には、膨張黒鉛テープ２ａが露出して円周方向に連続するリング状の軸方向黒鉛露出部２ｂを形成している。そして、膨張黒鉛テープ本体２の軸方向両面におけるその他の部分には、ＰＴＦＥシート４が露出している。軸方向黒鉛露出部２ｂの径方向の長さは特に限定されないが、０．５～１．０ｍｍ程度である。

【0035】

－シール材の製造方法－
次に、図３を用いて本実施形態に係るシール材１の製造方法について説明する。

【0036】

まず、準備工程において、ＰＴＦＥ特殊処理膨張黒鉛シート３と、ＰＴＦＥにより表面がコーティングされていない無処理膨張黒鉛テープ２ａと、一対のＰＴＦＥシート４とを準備する。ＰＴＦＥシート４は、予め所定の外径、内径及び厚さとなるように切削又は打ち抜きにより製作しておく。

【0037】

次いで、切断工程において、ＰＴＦＥ特殊処理膨張黒鉛シート３と、無処理膨張黒鉛テープ２ａとを所定の長さにそれぞれ切断する。具体的には、計量器３０で正確な重さを量りながら所定長さとなるように切断する。

【0038】

次に、図４（ａ）に示すように、巻き重ね工程において、無処理膨張黒鉛テープ２ａが内周側に配置され、ＰＴＦＥ特殊処理膨張黒鉛シート３が外周側に配置されるように、渦巻き状又は同心円状に巻き重ねて膨張黒鉛テープ本体２を形成する。例えば、ＰＴＦＥ特殊処理膨張黒鉛シート３が外周側に１．５巻き程度となるように、切断工程で長さ調整しておく。

【0039】

さらに、図４（ｂ）に示すように、プレス成形工程において、巻き重ねた膨張黒鉛テープ本体２を一対のＰＴＦＥシート４で挟み込んだ状態で、成形金型２０でプレス成形する。具体的には、中心に上側貫通孔２１ａを有するドーナツ形の上型２１と、リング状の成形溝２２ａ及び上側貫通孔２１ａに挿通される下側挿通軸２２ｂを有する下型２２とを準備し、成形溝２２ａに、巻き重ねた膨張黒鉛テープ本体２を一対のＰＴＦＥシート４で挟み込んだものを挿入し、図示しないプレスでプレス成形する。

【0040】

このプレス成形工程では、図２に示すように、膨張黒鉛テープ本体２の軸方向両面における半径方向内側に、膨張黒鉛テープ２ａを露出させた軸方向黒鉛露出部２ｂを形成し、膨張黒鉛テープ本体２の軸方向両面におけるその他の部分に、ＰＴＦＥシート４を露出させる。これにより、ＰＴＦＥシート４が軸方向両面全体に露出する場合に比べてＰＴＦＥシート４を膨張黒鉛テープ２ａで包み込むように堅固に一体成形される。

【0041】

本実施形態では、ＰＴＦＥ特殊処理膨張黒鉛シート３は、全体ではなく、摺動する外周側に限定しているので、費用面で優れており、プレス成形で一体化できるので、製造が容易で品質が安定する。

【0042】

－ファイヤーセーフテスト－
図５は本発明の実施形態のシール材１に対する、ファイヤーセーフ試験に対応する耐熱試験を示す図である。

【0043】

詳細な説明は省略するが、ファイヤーセーフ試験は、火災時を想定し、試験対象のシール材１が図５（ｂ）の評価シール材の位置に嵌め込まれたバルブを炎で加熱し、加熱前後のシール性を確認する試験である。

【0044】

加熱条件は、７５０℃～１０００℃の炎で３０分間試験対象のバルブ表面を加熱する。

【0045】

加熱後、図５に示す試験装置で、シール性能を試験する。常温で、流体として水を利用し、圧力は、試験バルブによって異なるが、例えば、０．２ＭＰａＧ（低圧試験）及び６．３ＭＰａＧ（高圧試験）とする。高圧試験圧力で安定させた状態で５分以上、金属製漏斗から漏洩する漏洩量を測定する。漏洩基準は、試験バルブによって変動する。

【0046】

本実施形態に係るシール材１では、この値よりも少ない漏れ量を達成することができる。

【0047】

このように、膨張黒鉛テープ本体２は、耐熱性が高く、ファイヤーセーフ試験においても焼け残る。一方、ＰＴＦＥシート４により、膨張黒鉛テープからの摩耗粉の流出が防止される。さらに、コーティングされていない膨張黒鉛に比べて摩耗粉を発生しにくいＰＴＦＥ特殊処理膨張黒鉛シート３が少なくとも外周側にあるので、摩耗粉の発生を防ぎながら、摺動特性及び耐摩耗性が向上する。

【0048】

本実施形態では、膨張黒鉛テープ本体２の軸方向両面全体がＰＴＦＥシート４に覆われているのではなく、一部膨張黒鉛テープ２ａが露出しているので、一体成形時にＰＴＦＥシート４が径方向外側からも押さえ付けられ、堅固に一体成形される。また、ファイヤーセーフ試験においても膨張黒鉛テープ２ａ部分が焼け残るので、一定のシール性能が維持される。

【0049】

したがって、本実施形態によると、シール材１を、摩耗粉を発生させず、ファイヤーセーフ試験にも耐え得るものにすることができる。

【0050】

（その他の実施形態）
本発明は、前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

【0051】

すなわち、前記実施形態では、合成樹脂製リング状シートは、ＰＴＦＥシートで構成したが、例えば、ＰＥ（ポリエチレン）などの各種合成樹脂で構成されていてもよい。要は、膨張黒鉛よりも低摩擦のものであればよい。また、合成樹脂材料によりコーティングされた膨張黒鉛テープは、ＰＴＦＥ特殊処理膨張黒鉛シート３以外にも、エポキシ、フェノール、ナイロン、ＰＥ等の合成樹脂材料でコーティングされたものでもよい。

【0052】

また、前記実施形態では、シール材１は、液体水素用ボール弁のファイヤーセーフシールとして使用されているが、他の用途で使用してもよい。例えば、石油石化プラントや発電所関係などでファイヤーセーフのニーズがあれば、本発明が適用可能である。

【0053】

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

【符号の説明】

【0054】

１ シール材
２ 膨張黒鉛テープ本体
２ａ 膨張黒鉛テープ
２ｂ 軸方向黒鉛露出部
３ ＰＴＦＥ特殊処理膨張黒鉛シート（特殊処理膨張黒鉛テープ）
４ ＰＴＦＥシート（合成樹脂製リング状シート、ＰＴＦＥ製リング状シート）
１０ 液体水素用ボール弁
１０ａ シール溝
１１ 背面一次シール
２０ 成形金型
２１ 上型
２１ａ 上側貫通孔
２２ 下型
２２ａ 成形溝
２２ｂ 下側挿通軸
３０ 計量器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】