JP2008267603A - 複合シール - Google Patents

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Abstract

【課題】シールの密封した全体性を危うくすることなく、多くのサイクルにわたって、接合部品の膨張または収縮の比較的大きな差に対応可能なシールの提供。
【解決手段】複合シールが開示され、それは間隔を開けて互いの上に重なる第一および第二金属層を有する。無機層が金属層の間に位置する。金属および無機層は、内側および外縁部を有し、内縁部が重なりあって開口部を画定する。金属層は縁部、好ましくは外縁部で、溶接により接合される。金属層は好ましくは貴金属または高温合金ホイルであり、および無機層はマイカ、バーミキュライトまたはバーミキュライトの改良物である。
【選択図】図1

Description

本発明は、種々の熱および化学膨張係数を有する材料間の実質的に流体を密封するジョイントを提供するシールに関係する。
セラミックのイオン輸送膜を使用して、空気から酸素を分離し、酸素製品を製造する、または分離した酸素を被酸化性の化合物、たとえばメタンと反応させて酸化若しくは部分酸化した反応生成物、たとえば合成ガスを生成する。供給ガス、例えば空気がセラミックイオン輸送膜モジュールへおよびそこから、金属パイプによって送られるが、この金属パイプは前記膜をシール(封止)して係合しなければならない。非透過性ガスはこのモジュールから他の金属パイプによって引き出してもよいが、このパイプも前記膜をシール(封止)して係合しなければならない。透過された酸素製品もこのモジュールから他の金属パイプによって引き出してもよいが、このパイプも前記膜をシール(封止)して係合しなければならない。イオン輸送膜のような装置は相当の圧力(500psig程度)および高い温度(概して700〜1100℃の範囲)で運転可能であり、および金属パイプとセラミック膜との間のシールは多くのサイクルの大きな温度変化に耐えなければならず、且つ相当の圧力下で流体を密封するシールを提供し続けなければならない。
セラミックと比べると、金属の熱膨張係数は相当異なるので、広い温度範囲にわたって有効な信頼性があって、流体を密封するセラミックと金属間のシールを提供することは困難である。装置運転の間に生じる大きな温度偏位と結びつけられるこの熱膨張係数の差は、セラミックと金属成分の両方と接触するあらゆるシールが、密封した全体性を維持しつつ各成分間の物理的膨張の比較的大きな差によって生じるストレスおよび歪みに対応できなければならないことを意味する。
さらなる考慮事項は、セラミックと金属成分の一方の他方に対する化学的な膨張による異なる膨張に対して、セラミックと金属成分間で流体を密封するシールを維持することである。例えば、イオン輸送膜セラミック材料は、これらに晒される酸素分圧が等温条件下で変化する場合に、膨張または収縮することがある。化学的な膨張は、金属が共有しないイオン輸送セラミック材料の特性であり、そしてこの差はセラミックと金属部品の間の膨張の差を追加し、運転温度が一定に維持されるときでもシールの全体性を危うくすることがある。
明らかに、シールの密封した全体性を危うくすることなく、多くのサイクルにわたって、接合部品の膨張または収縮の比較的大きな差に対応可能なシールが求められている。
本発明は複合シールに関係する。複合シールは、第一の外縁部(perimeter)と有し、さらに第一の内縁部により画定される第一の開口部(aperture)を有する、第一の金属層を含む。第二の金属層は、第一の金属層に対して間隔を置いて配置され、且つ、これに重ねられる(overlie)。第二の金属層は、第二の外縁部と、第二の内縁部により画定される第二の開口部とを有する。第一の内・外縁部の少なくとも一つは、第二の内・外縁部の一つにシールして接合される。無機層は、第一および第二の金属層の間に位置する。無機層は第三の開口部を有する。金属層および無機層の開口部は互いに重なり合う(overlap)。金属層の一つは、廻りを取り囲む側壁により画定する収容部を有し、この収容部は無機層を受け入れるように構成される。
無機層は、マイカ、バーミキュライト、熱的および化学的に再構築された形態のバーミキュライト、さらにこれらの材料を組み合わせたものから形成されてもよい。この第一および第二の金属層は、金属ホイル、好ましくは金、銀、プラチナ、金、銀若しくはプラチナを含む合金、ステンレス鋼若しくはニッケル超合金から形成されたものを含む。好ましくは第一および第二の金属層は同じタイプの金属である。
一実施態様において、第一の金属層の第一の外縁部は、第二の金属層の第二の外縁部に接合される。別の実施態様において、第一の金属層の第一の内縁部は、第二の金属層の第二の内縁部に接合される。さらなる実施態様において、外縁部どうしだけでなく、内縁部どうしも接合される。好ましくは、金属層は溶接によって接合される。
本発明は、実質的に流体を密封するジョイントも含む。このジョイントは、第一の膨張係数を有する材料から形成された第一の表面および、第一の膨張係数とは異なる第二の膨張係数を有する材料から形成された第二の表面を含む。この膨張係数は、例えば熱的係数または化学的係数である。シールが、第一および第二の表面の間で、且つそれらと接触する位置にある。このシールは、第一の外縁部を有し、さらに第一の内縁部により画定される第一の開口部を有する第一の金属層を含む。第二の金属層が、第一の金属層に対して間隔を置いて配置され、且つ、これに重ねられる。第二の金属層は、第二の外縁部と、第二の内縁部により画定される第二の開口部とを有する。第一の内・外縁部の一つは、第二の内・外縁部の一つにシールして接合される。無機層は、第一および第二の金属層の間に位置する。無機層は第三の開口部を有する。これらの開口部は互いに重なり合う。無機層は、マイカ、バーミキュライト、熱的および化学的に再構築された形態のバーミキュライト、またはこれらの材料を組み合わせたものから形成されてもよい。
図1は、本発明による複合シール10の分解斜視図である。シール10は、第一の金属層12を含み、この金属層は外縁部14とこの金属層を通る開口部18を画定する内縁部16とを有する。第二の金属層20は、第一の金属層に重ねられ、間隔を置いて配置される。第二の金属層は、外縁部22と、第二の金属層を通る開口部26を画定する内縁部24も有する。
金属層は好ましくは厚さ約0.002インチから約0.020インチのホイルである。以下に記載されるような使用における相当なストレスおよび歪みに対応しなければならないシールにとって有利な性質である、靱性(toughness)とたわみ性(flexibility)のために、金属ホイルが好ましい。任意の金属が使用されてもよいが、高温用途に関しては、例えばイオン輸送膜の特色である高温酸素リッチ環境で溶融または酸化しない、金;銀;プラチナ;金、銀またはプラチナを含む合金;ステンレス鋼またはニッケル超合金のような金属を採用することが有利である。
無機層28は第一および第二の金属層12と22の間に位置する。無機層28も開口部30を有する。好ましい無機物はマイカ、バーミキュライト、ならびにテキサス州、ヒューストンのFlexitallic Group, Inc.からTHERMICULITE(商標)という取引名で売られている熱的および化学的に再構築された形態のバーミキュライトを含む。無機層の望ましい性質は、高温に耐える能力、および、無機層の面で簡単に分かれるか(separate)さもなければ裂ける(cleave)かして、シールによって接合したインターフェース部の間の膨張係数の差によって生じる種々の過激な膨張および収縮による金属層の面内の移動に対応する薄板で形成される能力である。無機層の厚さは約0.001インチ〜約0.1インチであり、好ましい厚さは約0.002インチ〜約0.05インチである。マイカで形成された実用的な無機層が約0.005インチ厚の複合シールに用いられた。約0.017インチ〜約0.034インチの厚さのTHERMICULITE(商標)層も、本発明のシールに使用された。
図2に示すように組み立てたとき、金属層12と20および無機層28の、開口部18、26および30は、これらの様々な層を組みたてて構成したシールに開口部32を形成するように、それぞれ互いに重なりあってそして好ましくは同軸上に並べられる。これらの層は丸型形状で図解されているが、それらは特定の用途に対して要求されるインターフェースおよびシール機能を発揮するために要求される任意の形状であってよいことが理解される。(シールが丸型であるとき、それらの様々な各縁部が、それぞれ円周部(circumference)であると呼ばれてもよい。)
シール10の組立を促進するために、無機層28を受け入れ周りを取り囲む側壁36により画定される収容部34を有する、少なくとも一つの金属層(この例では層20)を形成することが有利である。この形状により、金属層どうしが互いの上に重なる関係で位置するときに、この層の外縁部22が金属層12の外縁部14と接触することが可能になる。図2に図解されるシールの実施態様10aに示されるように、金属層20に形成された収容部と側壁を伴って、これらの金属層の外縁部が容易に接合される。
シール実施態様10aにおいて、外縁部14と22は好ましくは溶接によって接合される。ガスタングステンアークを使用する、環状溶接(orbital welding)は、金属層12と22の外縁部にジョイント38を形成するのに有利である。アークは強烈な熱を発生し、その熱がこのジョイント領域のベース金属を溶かす。溶けた金属は、冷やされてアルゴンパージガスの存在下で融合して、シールの全体の縁部のまわりに流体を密封するジョイントを形成する。この溶接を形成するために、金属フィラーは使用しない。ロウづけ、電子ビーム溶接、圧接、ステーキング、折り曲げ、丸め、および爆着を含む、縁部を接合するための他の技術も実行可能である。
シール実施態様10aが図2に示され、金属チューブ40とセラミック部42の一部との間のジョイントをシールしている。このセラミック部は、例えば、イオン輸送膜の部品であり、およびこのチューブはニッケル超合金から形成できる。本発明のジョイントにおけるセラミック部を構成するセラミック材料は、ある混合金属酸化物組成物を含み且つ高温で酸素イオン伝導性と電子伝導性の両方を有する。この技術分野で混合伝導性金属酸化物として知られている、これらの材料は、ガス分離膜および膜酸化反応器を含む用途で使用されてもよい。これらのセラミック膜は選択された混合金属酸化物組成物でできており、およびイオン輸送膜(ITM)として説明されている。
混合伝導性金属酸化物材料は、一般化学量論組成(Ln1−x(B1−yB’)O3−δを有することがあり、ここでLnはLa、IUPAC周期表のDブロックランタニド、およびYから選択される一以上の元素を意味し;AはMg、Ca、SrおよびBaから選択される一以上の元素を意味し;BおよびB’はそれぞれSc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Cr、Al、ZrおよびGaから選択される一以上の元素を意味し;0≦x≦1、0≦y≦1且つ0.95≦w≦1.05であり;δは化合物の電荷をニュートラルにする数である。この混合伝導性金属酸化物材料は、一般化学量論組成(LaCa1−xFeO3−δを有することがあり、ここで1.0>x>0.5、1.1≧w≧1.0であり、δは化合物の電荷をニュートラルにする数である。
この混合伝導性金属酸化物材料は、一般化学量論組成(LaSr1−xCoO3−δを有することがあり、ここで1.0>x>0.1、1.05≧w≧0.95であり、δは化合物の電荷をニュートラルにする数である。この混合伝導性金属酸化物材料は、一般化学量論組成(La0.4Sr0.6CoO3−δを有することがあり、ここで1.05≧w≧0.95であり、δは化合物の電荷をニュートラルにする数である。
運転時に、また図2を参照すると、チューブ40の外直径部は高圧ガスに晒され、一方高温の低圧ガスが、シール開口部32を通って、チューブ40のボア44を通過し、セラミック部42へ流れる。運転中に図2に描かれた装置が加熱されるにつれて、金属チューブ40は、それに付着しているセラミック部42と比べて異なる度合で放射状に外側に向かって膨張する。これはこの二つの部分の熱膨張係数の差によるものである。チューブ40と接触しているシールの金属層20が、セラミック部42と接触している金属層12の膨張と比べて、異なる度合でチューブとともに膨張するために、チューブ40とセラミック部42の膨張差が、シール10aにせん断応力を生じる。このせん断応力は、上述した無機層28を受け入れるように形成された収容部34を画定する金属層側壁36のたわみによって対応される。このせん断は無機層28によっても対応される。この層を形成する薄板が面内で分かれ、そしてチューブ40と接触する金属層20がセラミック部42と接触する金属層12と比べて、異なる度合で膨張することを可能にする。このジョイント38の流体を密封する溶接は、ジョイントの密封した全体性を確実なものとし、チューブのボア44の内部またはそれがないところでもあらゆるガスが、無機層を通るリーク経路を見つけることを妨げる。
図3は、別のシール実施態様10bを表し、ここでは金属層12と20の内縁部16と24がこの場合も先と同様に接合され、好ましくは内縁部のまわりに連続的に伸びる溶接ジョイント38によって接合される。前と同じように、金属層20は変形して、側壁36により画定する収容部34を形成し、これはシール10bの向かい合った側での異なる膨張によって生じたせん断力に対応するのに役立つ。図4は別のシールの実施態様10cを示し、ここで各金属層12と20の内側(16、24)と外側(14,22)縁部の両方が接合され、好ましくは溶接ジョイント38によって接合される。
本発明によるシールの有効性は試験によって裏付けられる。第一の試験では、複合シールが、内直径2.223cmと外直径3.493cmの銀のホイルの二つの層(それぞれ0.025cm厚)から形成された。このホイル層の一つは直径3.251cmで深さ0.013cmの収容部を提供するように形成された。厚さ0.010cm、内直径2.223cmおよび外直径3.239cmの白雲母マイカの無機層は前記収容部に置かれ、金属層どうしはその外縁部で溶接によって接合された。複合シールはLa0.4Sr0.6CoO3−xセラミック(ここでxはこの化合物の電荷をニュートラルにする数)でできたクローズドエンド型のチューブのオープンエンドと向かい合って接触するように配置された。シールの反対側の面はHaynes230合金で形成されたカップと係合し、このカップはシールの開口部と並べられた穴(opening)を有していた。このチューブとシールの組立物は圧力容器中に置かれ、875℃まで加熱され、組立物の外側は200psigに加圧された。リーク率は検出限界未満であった。組立物の外側はその後降圧され室温まで冷却された。組立物はそれから875℃に加熱され、組立物の外側は再び200psigに加圧された。リーク率はやはり検出限界未満であった。この加熱/加圧/降圧/冷却サイクルを10回繰り返したが、あらゆるサイクルの場合にピークの温度と圧力で最大リーク率が観測され、それは160sccmであった。リーク率はサイクルの数とともに増加することはなかった。
第二の例では、複数の複合シールが、内直径0.475cmと外直径1.054cmの金のホイルの二つの層(それぞれ0.025cm厚)から形成された。このホイル層の一つは直径0.901cmで深さ0.013cmの収容部を提供するように形成された。厚さ0.010cm、内直径0.475cmおよび外直径0.889cmの白雲母マイカの無機層は前記収容部に置かれ、金属層はその外縁部で溶接によって接合された。二つのシールがその後、La0.9Sr0.1FeO3−xセラミック(ここでxはこの化合物の電荷をニュートラルにする数)のブロックに加工された二つの穴のそれぞれの土台に置かれた。この二つの穴は流体で連通していた。それからHaynes230合金から作られたチューブスタブがそれぞれの穴に挿入され、複合シールがセラミックブロックのそれぞれの穴の平坦な土台と各チューブスタブの平坦な端部の間にあるようにした。チューブスタブの開いている端部は、入口および出口チューブに溶接され、そしてその組立物はそれから圧力容器に搭載された。組立物の外側は60psigに加圧され、組立物は900℃に加熱され、そして空気流が入口チューブを通って先導される。900℃の間に、組立物の外側の圧力は最初に100psigに上昇され、それから215psigに上昇される。出口と入口の空気流の差が観察されて、シールのリークが評価された。組立物は215psig且つ900℃で約70時間保持され、その後室温まで冷却され降圧された。流れの差はこの試験を通じて検出限界未満であった。
金ホイル層とThermiculite(商標)無機層を有する同一の寸法のガスケットで、同じ試験を実施した。試験の結果は同じであった、すなわち、流れの差はこの試験を通じて検出限界未満であった。
本発明による複合シールは、その金属層がプラスティック様に(plastically)変形可能なインターフェース表面を有し、それらが密封性の金属対金属および金属対セラミックのシールを形成することができ、これはプラスティック様に変形することができず且つ結果として接触表面間にリーク経路を有する無機系のシールとは異なるという点で、先行技術を超える利点をもたらす。金属表面間に無機層を使用することにより、せん断に追従することをもたらす。マイカとバーミキュライトの平面的な特性による、このせん断への追従により、シールの金属層間の比較的大きな膨張差に対応することが可能となる。せん断に対応できる能力と結びつけられる、接触表面においてプラスティック様に変形する能力により、本発明のシールが、大きな温度変化を受ける化学的および熱的膨張係数が相当な差を有する部分間に置かれた場合に効果的に機能することが可能となる。
本発明による複合シールの分解斜視図。 本発明による複合シールの様々な実施態様の長手方向の断面図。 本発明による複合シールの様々な実施態様の長手方向の断面図。 本発明による複合シールの様々な実施態様の長手方向の断面図。

Claims (27)

  1. 第一の外縁部を有し、さらに第一の内縁部により画定される第一の開口部を有する、第一の金属層;
    第一の金属層に対して間隔を置いて配置され、且つ、これに重ねられる第二の金属層であって、第二の外縁部と第二の内縁部により画定される第二の開口部とを有し、第一の内・外縁部の少なくとも一つが第二の内・外縁部の一つにシールして接合される、第二の金属層;および
    第一および第二の金属層の間に位置し、第三の開口部を有する無機層であって、これらの開口部は互いに重なり合い、マイカ、バーミキュライト、熱的および化学的に再構築された形態のバーミキュライト、およびこれらを組み合わせたものからなる群から選択される、無機層、
    を含んでなる複合シール。
  2. 金属層の一つが周りを取り囲む側壁により画定される収容部を有し、収容部が無機層を受け入れるように構成される、請求項1に記載の複合シール。
  3. 第一の金属層の第一の外縁部が、第二の金属層の第二の外縁部に接合される、請求項1に記載の複合シール。
  4. 第一の金属層の第一の内縁部が、第二の金属層の第二の内縁部に接合される、請求項3に記載の複合シール。
  5. 第一の金属層の第一の内縁部が、第二の金属層の第二の内縁部に接合される、請求項1に記載の複合シール。
  6. 第一の金属層の第一の外縁部が、第二の金属層の第二の外縁部に溶接される、請求項1に記載の複合シール。
  7. 金属層は、金、銀、プラチナ、金の合金、銀の合金、プラチナの合金、ステンレス鋼およびニッケル超合金からなる群から選択される、請求項1に記載の複合シール。
  8. 第一および第二の金属層は同じタイプの金属である、請求項1に記載の複合シール。
  9. 第一および第二の金属層は金属ホイルを含んでなる、請求項1に記載の複合シール。
  10. 第一の外円周部を有し、さらに第一の内円周部により画定される第一の開口部を有する、第一の金属層;
    第一の金属層に対して間隔を置いて配置され、且つ、これに重ねられる第二の金属層であって、第二の外円周部と第二の内円周部により画定される第二の開口部とを有し、第一の外円周部が第二の外円周部にシールして接合される、第二の金属層;および
    第一および第二の金属層の間に位置し、第三の開口部を有する無機層であって、これらの開口部は互いに重なり合い、マイカ、バーミキュライト、熱的および化学的に再構築された形態のバーミキュライト、およびこれらを組み合わせたものからなる群から選択される、無機層、
    を含んでなる複合シール。
  11. 金属層の一つが周りを取り囲む側壁により画定される収容部を有し、収容部が無機層を受け入れるように構成される、請求項10に記載の複合シール。
  12. 第一および第二の金属層は金属ホイルを含んでなる、請求項10に記載の複合シール。
  13. 金属層は、金、銀、プラチナ、金の合金、銀の合金、プラチナの合金、ステンレス鋼およびニッケル超合金からなる群から選択される、請求項12に記載の複合シール。
  14. 第一の金属層の第一の内円周部が、第二の金属層の第二の内円周部にシールして接合される、請求項10に記載の複合シール。
  15. 第一の膨張係数を有する材料で形成された、第一の表面;
    第一の膨張係数とは異なる、第二の膨張係数を有する材料で形成された、第二の表面;ならびに
    第一および第二の表面と接触しそれらの間に位置するシールであって、
    第一の外縁部を有し、さらに第一の内縁部により画定される第一の開口部を有する、第一の金属層;
    第一の金属層に対して間隔を置いて配置され、且つ、これに重ねられる第二の金属層であって、第二の外縁部と第二の内縁部により画定される第二の開口部とを有し、第一の内・外縁部の少なくとも一つが第二の内・外縁部の一つにシールして接合される、第二の金属層;および
    第一および第二の金属層の間に位置し、第三の開口部を有する無機層であって、これらの開口部は互いに重なり合い、マイカ、バーミキュライト、熱的および化学的に再構築された形態のバーミキュライト、およびこれらを組み合わせたものからなる群から選択される、無機層、を含んでなるシール、
    を含んでなる実質的に流体を密封するジョイント。
  16. 第一の金属層の第一の外縁部が、第二の金属層の第二の外縁部に接合される、請求項15に記載のジョイント。
  17. 第一の金属層の第一の内縁部が、第二の金属層の第二の内縁部に接合される、請求項16に記載のジョイント。
  18. 第一の金属層の第一の内縁部が、第二の金属層の第二の内縁部に接合される、請求項15に記載のジョイント。
  19. 第一の金属層の第一の外縁部が、第二の金属層の第二の外縁部に溶接される、請求項15に記載のジョイント。
  20. 金属層の一つが周りを取り囲む側壁により画定される収容部を有し、収容部が無機層を受け入れるように構成される、請求項15に記載のジョイント。
  21. 金属層は、金、銀、プラチナ、金の合金、銀の合金、プラチナの合金、ステンレス鋼およびニッケル超合金からなる群から選択される、請求項15に記載のジョイント。
  22. 第一および第二の金属層は金属ホイルを含んでなる、請求項15に記載のジョイント。
  23. 第一の表面の材料は金属であり、第二の表面の材料はセラミックである、請求項15に記載のジョイント。
  24. 第二の表面材料が、一般化学量論組成(Ln1−x(B1−yB’)O3−δを有し、ここでLnはLa、IUPAC周期表のDブロックランタニド、Yおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される元素を意味し;AはMg、Ca、Sr、Baおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される元素を意味し;BおよびB’はそれぞれSc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Cr、Al、Zr、Gaおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される元素を意味し;0≦x≦1、0≦y≦1且つ0.95≦w≦1.05であり;ならびにδは化合物の電荷をニュートラルにする数である、請求項23に記載されたジョイント。
  25. 第二の表面材料が、一般化学量論組成(LaCa1−xFeO3−δを有し、ここで1.0>x>0.5、1.1≧w≧1.0であり、およびδは化合物の電荷をニュートラルにする数である、請求項23に記載されたジョイント。
  26. 第二の表面材料が、一般化学量論組成(LaSr1−xCoO3−δを有し、ここで1.0>x>0.1、1.05≧w≧0.95であり、およびδは化合物の電荷をニュートラルにする数である、請求項23に記載されたジョイント。
  27. 第二の表面材料が、一般化学量論組成(La0.4Sr0.6CoO3−δを有し、ここで1.05≧w≧0.95であり、およびδは化合物の電荷をニュートラルにする数である、請求項23に記載されたジョイント。
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