JP4017671B2

JP4017671B2 - 流量制御装置用低透過性流体シール

Info

Publication number: JP4017671B2
Application number: JP51562698A
Authority: JP
Inventors: グラボウ，テッド，ディー．; ウィルソン，ロバート，ティー．
Original assignee: フィッシャーコントロールズインターナショナルリミテッドライアビリティーカンパニー
Priority date: 1996-09-25
Filing date: 1997-08-06
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2017-08-06
Also published as: US5823540A; DE69717832D1; CN1119377C; JP2001501235A; CA2266549A1; CA2266549C; DE69717832T2; WO1998013422A1; BR9711297A; AU4054897A; EP0928315B1; CN1231683A; EP0928315A1

Description

〔技術分野〕
この発明は流量制御装置用流体シールに関し、特に、ボール型流量制御弁での使用に適した特性を有する流体シールに関する。
〔背景技術〕
流体流量制御弁は、流体の流量をオンオフ制御したり、絞ったりするのに利用される。そのような流量制御弁の多くは、ボールシールに接触する回転ボール制御部材を使用している。そのような流量制御装置としては、ガス、蒸気、液体および繊維状スラリーのような流体に対する優れた処理機能を有し、各種の加工産業における多くの異なった用途において優れた流体処理機能を有するボール弁が代表的である。
そのようなボール制御弁の各種の用途を考慮すると、耐加水分解性（すなわち、高温水や高温蒸気に長期間晒されることに対する抵抗力）に加えて、幅広い温度変化に対する抵抗力や耐薬品性を有していなければならない。さらに、そのような流量制御弁用ボールシールは、十分な硬さと耐クリープ性を備え、摩耗しにくくて変形しにくいことが好ましく、一方、漏れのない信頼性の高いシールをするためには、摩擦係数が低く、空気の透過率が低いことが好ましい。
ボールシールとして使用するために、各種の組成のものが過去に使用されている。その各々はある望ましい特性を備えている。しかし、望ましい特性のすべてを備えているものはない。例えば、流体シールを製造するために使用された従来の組成物は、（ａ）ポリイミドで補強されたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂のようなポリマー補強フッ素樹脂と、（ｂ）補強充填剤として薄片状ステンレス鋼が添加されたＰＴＦＥと、さらに、（ｃ）補強充填剤として薄片状ハステロイＣ型合金が添加されたＰＴＦＥを含んでいる。金属薄片で補強されたＰＴＦＥ組成物は、流体シールとして必要な強靭性と化学的に不活性な特性を備えているが、摩損性があり、摩擦係数が高く、ボール制御弁の表面を傷つけてしまう。その結果、漏れが生じる。ポリマー補強ＰＴＦＥ組成物は、金属薄片で補強されたＰＴＦＥ組成物に伴う摩損性、摩擦およびボール引っ掻き問題はないが、流体シールとして望まれる耐薬品性や耐加水分解性は備えていない。特に、ポリイミド補強ＰＴＦＥは加水分解され、それゆえ、容認できない量のクリープまたは変形を受けるので、長期間にわたる高温の水や高温の蒸気での使用には不適当である。
〔発明の開示〕
本発明によって、耐薬品性、耐加水分解性、耐温度性、低クリープ性および低変形性、高硬度、低摩擦係数、低摩損性および低通気性のような望ましい特性を有する流体制御弁のためのボールシールのような流体シールが提供される。
特に、フッ素樹脂と、特有の引張り強さと耐加水分解性を有する補強ポリマーと、必要に応じて添加される二硫化モリブデン（MoS₂）を含む組成物から形成されるボール制御弁用のボールシールとして有用な流体シールが提供される。その組成物中の補強ポリマーの量またはポリマー混合物の量は、流体シールに求められる剛性と摩耗特性に応じて約５〜約５０重量％とされる。フッ素樹脂はノンフリー・フローイング（nonfree-flowing）樹脂であるのが好ましい。
本発明の流体用シールの好ましい組成物は、約１０〜約２５重量％の補強ポリマーと、約１〜約４重量％の二硫化モリブデンと、残部がノンフリー・フローイングフッ素樹脂を含むものである。当業者にとって公知の任意の成分を流体シールの成分として添加することもできる。
そのような組成物から流体シールを形成するとき、構成成分の混合方法としては、好ましくは、粉末状のものを均質になるまで混合し、その混合物を管状鋳型に配し、圧縮成型に供する。次に、管状鋳型を加熱焼結して樹脂を溶融し、それから焼鈍する。焼結と焼鈍に続いて、成形管は機械加工されて望ましい大きさの流体シールに仕上げられる。原料の圧縮成形、焼結および焼鈍ならびに仕上げ成品の加工工程のすべては、最大密度に対する最適化がなされ、流体シールの完成品は高密度と低透過性を備えたものとなる。
本発明の流体シールは、コールドフローに対する抵抗性を改良し、摩耗を減ずるとともに、耐薬品性と硬度特性を改良するものである。さらに、本発明の流体シールは、摩擦係数を減少し、金属薄片が充填された従来のＰＴＦＥ製流体シールに伴うボールの引っ掻き疵のトラブルがなく、ポリイミドの充填された従来のＰＴＦＥ製流体シールに伴う加水分解やクリープのトラブルがない。
【図面の簡単な説明】
新規である本発明の特徴は、請求の範囲に記載されている。添付図面とともに以下の説明を参照することによって、本発明を最もよく理解できる。図面において、同一参照番号は、同じものを示している。
図１は、本発明に係る改良ボールシールを有する流体ボール制御弁を示す断面図である。
図２は、本発明の原理に従って形成されたボールシールを示す部分破断断面図である。
〔詳細な説明〕
図１、図２において、流量制御のために使用されて、弁本体通路１８によってつながれた流体入口１４と流体出口１６を備えた弁本体１２を有するボール制御弁１０が示されている。通路１８内にある、ボールシールリング２０、すなわち流体シールは弁本体１２に取り付けられて、シール保護リング２２によって確実に保持されている。
回転軸２４のようなバルブ作動要素が、軸受けとともに弁本体１２に取り付けられている。回転軸２４に固着されたボール制御部材２６がボールシールリング２０と密に係合し、入口１４と出口１６の間において流体をシールする。必要に応じて、金属のバックアップリング２８をボールシールリング２０を保持するために、弁本体の肩部３０に取り付けることができる。
本発明の流体シールは、（ａ）フッ素樹脂と、（ｂ）２５０℃で少なくとも約１６００psi（pounds per square inch）の引っ張り強さと２５℃で少なくとも約１４０００psiの引っ張り強さを有し、水または２００℃で２００psiの蒸気と３０００時間接触した後に引っ張り強さが認めうるほどに減少しない補強ポリマーと、（ｃ）必要に応じて、二硫化モリブデンを含有する。本発明の流体シールは、少なくとも約１．９、好ましくは、約１．９〜約２．０の比重を有するのが好ましい。
特に、流体シールは、シール重量の約５〜約５０重量％の補強ポリマーを有し、好ましくは、約８〜約３５重量％の補強ポリマーを有する。本発明の効果を十分に享受するためには、流体シールは、約１０〜約２５重量％の補強ポリマーを有する。補強ポリマーの量を約５〜約５０重量％の間で変えると、流体シールの剛性または硬度は変るが、流体シールのすべての利点は得られる。もし、補強ポリマーがシール中に約５０重量％より多く含まれていれば、そのようなシールは製造が困難で、硬すぎる。もし、シール中に含まれる補強ポリマーが約５重量％より少なければ、その補強ポリマーの量は、厳しい環境で長期間使用するために必要な強度を有する流体シールを提供するべく、フッ素樹脂の特性を改良するには十分な量ではない。
本発明の流体シールで使用される補強ポリマーは、ＡＳＴＭの試験法Ｄ６３８で測定したとき、２５０℃で少なくとも約１６００psiの引っ張り強さと２５℃で少なくとも約１４０００psiの引っ張り強さを有している。補強ポリマーは、２５０℃で約１６００〜約３０００psiの引っ張り強さを有するのが好ましく、本発明の効果を十分に享受するためには、２５０℃で少なくとも約１７００psiの引っ張り強さを有するのが好ましい。補強ポリマーは、２５℃で約１４０００〜約２５０００psiの引っ張り強さを有するのが好ましい。
補強ポリマーは、また十分な耐加水分解性を有しているので、水または２００℃で２００psiの蒸気と３０００時間接触した後に、補強ポリマーの引っ張り強さが認めうるほどに減少することはない。すなわち、補強ポリマーの引っ張り強さは、水または高温（２００℃）で高圧（２００psi）の蒸気と３０００時間接触中に、１０％より多く減少するということはない。（すなわち、１０％以下である）。
特に補強ポリマーとして有用な一例を挙げれば、英国、ランカシヤー州のビクトレツクス社製のポリ（アリールエーテルケトン）ポリマー（ＰＥＥＫ）を使用することができる。ＰＥＥＫポリマーは、半晶質であり、芳香族系直鎖状高分子であり、優れた強度と耐加水分解性を有している。補強ポリマーは、粉末状または繊維状で存在させることができる。粉末状補強ポリマーが好ましい。ＰＥＥＫポリマーは、ビクトレックス社製のＰＥＥＫグレード４５０Ｇを使用することができるが、これに限定されるものではない。
本発明の流体シールにおいて有用な他の補強樹脂としては、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）がある。これらの補強樹脂の構造はＰＥＥＫ樹脂に類似しているが、ＰＥＥＫ樹脂と同等またはそれ以上の優れた特性を有している。さらに、他の有用な補強樹脂としては、商標名がＣＥＬＡＺＯＬＥであるテキサス州ヒューストンのヘキストセラニーズ社製のポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）樹脂を挙げることができる。例えば、ＣＥＬＡＺＯＬＥＵ−６０は、ＡＳＴＭの試験法Ｄ６３８で測定すると、２５℃で２３０００psiの引っ張り強さを有している。
本発明の流体シールは、０〜約６重量％の二硫化モリブデンを含有し、好ましくは、約０．５〜約５重量％の二硫化モリブデン（MoS₂）を含有する。本発明の効果を十分に享受するためには、流体シールは約１〜約４重量％の二硫化モリブデンを含有する。二硫化モリブデンは、流体シールの潤滑性や摩耗性のような特性を改良する固体の無機化合物である。二硫化モリブデンの一例としては、これに限定されるものではないが、コネチカット州グリーンビッチのクライマックスモリブデン社製のテクニカルグレード、テクニカル上級グレードまたは超上級グレードの登録商標ＭＯＬＹＳＵＬＦＩＤＥのものを挙げることができる。
流体シールの残部はフッ素樹脂からなる。特に、ノンフリー・フローインググレード（nonfree-flowing grade）のフッ素樹脂からなる。フッ素樹脂としては、例えば、ＩＣＩアメリカ社製のフルオン（ＦＬＵＯＮ）グレード５８０や、デラウェア州ウイルミントンのＥＩデュポン・ド・ネムール社製のテフロン（ＴＥＦＬＯＮ）グレード７Ａや７Ｃのものが好ましい。ノンフリー・フローインググレードのＰＴＦＥは、少なくとも１．９の比重を有する流体シールを提供する場合に好ましい。本発明の流体シールで使用できる他のフッ素樹脂としては、パーフルオリネーテッドエチレン−プロピレン樹脂（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシ樹脂（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレン樹脂（ＥＴＦＥ）、エチレンークロロトリフルオロエチレン樹脂（ＥＣＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン樹脂（ＰＣＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド樹脂（ＰＶＤＦ）およびこれらの混合物を含むが、これらに限定されるものではない。
本発明の流体シールは、従来の流体シールに比べて、高温における変形やクリープ量が少なく、優れた耐薬品性を有している。従って、本発明の流体シールは、約２７５℃のような高温の厳しい環境で使用することができる。代表的には、本発明の流体シールは、約−４６℃〜約２３２℃の温度範囲にわたり、有用である。特に、本発明の流体シールは、長期間にわたり水や蒸気に接触することで加水分解される従来のポリイミド補強ＰＴＦＥシールよりも性能が優れている。本発明の流体シールは、補強ポリマーと二硫化モリブデンの組み合わせにより、耐摩耗性を改善する。一方、金属薄片補強シールの特性である、掻き庇や摩損がない。従って、本発明の流体シールは、漏れ防止に関して、長期間にわたり、金属薄片補強シールよりも優れた性能を発揮する。
約１７重量％のポリ（アリールエーテルケトン）、すなわち、ＰＥＥＫ、約３重量％の二硫化モリブデン（MoS₂）、および残部がノンフリー・フローイングＰＴＦＥ樹脂を含む組成物を、低透過性の流体シールを提供するべく、最大密度に対し、圧縮成形し、焼結し、および焼鈍することによって流体シールを形成すれば、ボールシールリング２０の好ましい特性に関して、最大の利点が得られることが分かった。そのようにして形成されたボールシールリング２０は、ボール制御弁１０に流入する流体に関して、優れた耐薬品性と耐加水分解性を有する。また、そのようなシールは、シールリングの摩耗を効果的に減少するための好ましい硬さと耐クリープ性を有している。さらに、本発明のボールシールリング２０は、ボールシール２０とボール制御部材２６との間の摩耗を減少し、実質的に摩損的な接触をなくするのである。
例えば、ボールシール２０を形成するとき、約１７重量％のＰＥＥＫポリマー（粉末状または繊維状）と、約３重量％の二硫化モリブデンと、残部が好ましくは粉末状のノンフリー・フローイングＰＴＦＥを含む組成物が、均質になるまで混合され、管状鋳型に配される。他の任意成分が摩耗速度および／または摩擦係数を必要に応じて改善するために上記組成物に添加される。それから、管状鋳型は圧縮成形されて、混合した樹脂を溶融するために、管状鋳型は加熱焼結される。適当な焼鈍が施された後、成形品はボールシールリング２０を形作るリング状に加工される。原料の圧縮成形、焼結および焼鈍ならびに仕上げ成品の加工工程のすべては、最大密度に対する最適化がなされ、得られたボールシールリングは低透過性を備え、少なくとも１．９、好ましくは約１．９〜約２．０の比重を有している。
上記のような工程で得られる本発明の流体シールは、次のような特性を備えている。
（１）ＡＳＴＭの試験法Ｄ１４５７による２５℃での引っ張り強さが少なくとも約１９００psiであり、普通は、約１９００〜約２０００psiである。
（２）ＡＳＴＭＤ１１５７による伸びの最小値が１４０％である。
（３）ＡＳＴＭ試験法Ｄ７９２による比重が少なくとも約１．９０であり、代表的には、約１．９４である。
（４）ＡＳＴＭ試験法Ｄ２２４０によるジュロメーターＤ硬さの最小値が６４である。
（５）肉眼で識別不可能な空隙は存在しない。
通気性に関して、流体シール２０は、その表面を十分にシールされているオリフィスを経て１００psiの気圧を受けた場合に、石鹸水による漏れテストを行っても、材料の厚さ方向または加圧領域に隣接している箇所を経て漏れは認められない。
新規である本発明の特徴は、特に請求の範囲に記載されている。
上記した詳細な説明は、理解を明らかにするためだけのものであり、何らの不要な限定が加えられるべきでなく、当業者にとって、変形は容易である。

Claims

流量制御装置用低透過性流体シールであって、その組成が、
（ａ）２５℃で９６４６０ｋＰａから１７２２５０ｋＰａの引っ張り強さと２５０℃で１１０２４ｋＰａから２０６７０ｋＰａの引っ張り強さを有する、ポリ（アリールエーテルケトン）、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリベンズイミダゾールおよびそれらの混合物から成るグループから選択されたものである５〜５０重量％の補強ポリマーと、
（ｂ）０．５〜６重量％の二硫化モリブデンと、
（ｃ）残部としてフッ素樹脂を含む組成物であって、
上記組成物が、低透過性を有する流体シールを提供するために１．９〜２．０の比重を有するように圧縮成型、焼結および焼鈍されてなる流体シール。
上記組成物が８〜３５重量％の補強ポリマーを含む請求の範囲第１項記載の流体シール。
上記組成物が１０〜２５重量％の補強ポリマーを含む請求の範囲第１項記載の流体シール。
補強ポリマーが、２５０℃で、１１７１３ｋＰａから２０６７０ｋＰａの引っ張り強さを有する請求の範囲第１項記載の流体シール。
補強ポリマーが、水または蒸気と２００℃で１３７８ｋＰａの圧力で３０００時間接触した後に、補強ポリマーの引っ張り強さの減少が１０％以下である請求の範囲第１項記載の流体シール。
補強ポリマーが、ポリ（アリールエーテルケトン）である請求の範囲第１項記載の流体シール。
上記組成物が０．５〜５重量％の二硫化モリブデンを含む請求の範囲第１項記載の流体シール。
上記組成物が１〜４重量％の二硫化モリブデンを含む請求の範囲第１項記載の流体シール。
フッ素樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、パーフルオリネーテッドエチレン−プロピレン樹脂、パーフルオロアルコキシ樹脂、エチレン−テトラフルオロエチレン樹脂、エチレン−クロロトリフルオロエチレン樹脂、ポリクロロトリフルオロエチレン樹脂、ポリビニリデンフルオライド樹脂およびこれらの混合物からなるグループから選択されたものである請求の範囲第１項記載の流体シール。
フッ素樹脂が、ポリテトラフルオロエチレン樹脂を含む請求の範囲第１項記載の流体シール。
上記組成物が、以下の（ａ）〜（ｃ）の組成を含む組成物であって、１．９２〜２．００の比重を有する請求の範囲第１項記載の流体シール。
（ａ）１０〜２５重量％の補強ポリマー
（ｂ）１〜４重量％の二硫化モリブデン
（ｃ）７０〜８９重量％のフッ素樹脂。
上記組成物が、以下の（ａ）〜（ｃ）の組成を含む組成物であって、１．９４〜１．９８の比重を有する請求の範囲第１項記載の流体シール。
（ａ）１５〜１９重量％の補強ポリマー
（ｂ）２．５〜３．５重量％の二硫化モリブデン
（ｃ）７７．５〜８２．５重量％のポリテトラフルオロエチレン樹脂。