極低温シールとは

極低温シールは、極低温環境で動作するように設計された特殊なシール ソリューションです。これらのシールは、極低温条件下で動作する機械やシステムの完全性と性能を維持する上で重要な役割を果たします。

このブログ投稿では、極低温シールの世界を詳しく調べ、その独自の特性、設計上の考慮事項、利点、用途について探ります。また、極低温シールに関連する課題と、それを克服するために採用された戦略についても説明します。

極低温条件

極低温環境とは、通常 -150°C (-238°F) 未満の極低温環境を指します。この温度では、材料は室温での特性とは大きく異なる独特の特性と動作を示します。

極低温システムでは、一般的な流体として、液体窒素 (LN2)、液体ヘリウム (LHe)、液体水素 (LH2) などの液化ガスが挙げられます。これらの液体の大気圧での沸点は、それぞれ -196°C (-320.8°F)、-269°C (-452.2°F)、-253°C (-423.4°F) です。

極低温環境における極寒は、材料や部品にさまざまな課題をもたらします。熱収縮、脆化、機械的特性の変化は、適切に対処しないと、シール不良、漏れ、システムの誤動作につながる可能性があります。

極低温シールとは

極低温シールは、極低温の用途で漏れのないバリアを維持するように設計された特殊なシール ソリューションです。これらのシールは、極低温流体の漏れを防ぎ、真空断熱を維持し、低温による悪影響から敏感なコンポーネントを保護します。

極低温シールの主な機能は、接合面間の漏れのないシールを維持し、外部汚染物質の侵入と極低温流体の流出を防ぐことです。これらのシールは、熱収縮、材料の脆化、極端な温度勾配など、極低温に関連する課題に耐える必要があります。

信頼性の高いパフォーマンスを確保するために、極低温シールは、低温でも柔軟性、強度、シール特性を維持する特殊な材料から製造されています。一般的な材料には、PTFE (ポリテトラフルオロエチレン)、PCTFE (ポリクロロトリフルオロエチレン)、およびステンレス鋼、アルミニウム、インコネルなどの特殊な金属合金があります。

極低温シールの種類

静的シール

静的シール シール面間に相対的な動きがない極低温用途で使用されます。これらのシールは通常、PTFE、PCTFE、またはその他の低温適合性エラストマーなどの材料で作られています。静的シールは、極低温システムで見られる極寒および高圧条件下でも密閉性を維持するように設計されています。

ダイナミックシール

ダイナミック シールは、回転または往復運動する装置など、シール面間に相対的な動きがある極低温用途で使用されます。これらのシールは、コンポーネントの動きに対応しながら、極低温の課題に耐えることができなければなりません。極低温用途のダイナミック シールには、このような厳しい条件下でもシール効果を維持するために、ベローズやスプリング駆動シールなどの特殊な設計が組み込まれていることがよくあります。

ガスケット

ガスケットは、極低温システムでよく使用される別のタイプのシールです。これらの平らなシールは、フランジなどの 2 つの固定面の間に配置され、漏れを防止します。極低温用途のガスケットは通常、PTFE、グラファイト、銅やステンレス鋼などの特定の金属など、極低温でも柔軟性を保ち、シール特性を維持する材料で作られています。

極低温シールの設計上の考慮事項

材料

極低温シールの性能を正常に発揮させるには、適切な材料の選択が重要です。材料は、脆くなったり、柔軟性を失ったり、大幅な寸法変化を起こさずに、極低温に耐えられる必要があります。極低温シールに使用される一般的な材料には、次のものがあります。

• PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）
• PCTFE（ポリクロロトリフルオロエチレン）
• FKM（フッ素エラストマー）
• FFKM（パーフルオロエラストマー）
• 黒鉛
• ステンレス鋼
• 銅

熱膨張と収縮に対応する設計

極低温シールは、部品が極低温にさらされたときに発生する大きな熱膨張と収縮に対応できるように設計する必要があります。材料は冷却されると収縮する傾向があり、これによりシール界面が変化し、シールの有効性が損なわれる可能性があります。

この問題を緩和するために、極低温シールには、寸法の変化にかかわらずシール面間の接触を維持できるベローズやバネ式のコンポーネントなどの柔軟な要素が組み込まれることがよくあります。さらに、設計者は、嵌合コンポーネント間の相対的な動きを最小限に抑えるために、同様の熱膨張係数を持つ材料を指定する場合があります。

機械的ストレス管理

極低温シールは、極低温システムで発生する極端な温度勾配と圧力差により、大きな機械的ストレスにさらされます。これらのストレスは、適切に管理されない場合、シールの故障につながる可能性があります。

設計者は、シールが加えられた応力に耐えられるように、シール形状、材料特性、取り付け方法を慎重に検討する必要があります。これには、強度が高く熱伝導率が低い材料の使用、シール設計への応力緩和機能の組み込み、過度の圧縮や損傷を防ぐためにシール取り付け時の適切なトルク値の指定などが含まれます。

極低温シールの利点

優れた密閉性能

極低温シールの主な利点の 1 つは、極低温環境における優れたシール性能です。極低温シールは、極低温の液体やガスにさらされても、密閉性と漏れのないシール状態を維持するように特別に設計されています。

安全性の強化

極低温シールは、極低温システムの安全性を高める上で重要な役割を果たします。極低温シールは、漏れを防ぎ、シールされたコンポーネントの完全性を維持することで、極低温の液体またはガスの漏れから生じる危険な状況のリスクを最小限に抑えるのに役立ちます。

システムの信頼性の向上

極低温シールを使用すると、極低温システムの信頼性が大幅に向上します。これらのシールは、極低温環境で発生する極端な熱応力と機械的負荷に耐えられるように設計されています。信頼性の高いシール ソリューションを提供することで、極低温シールはシステム障害、ダウンタイム、およびコストのかかる修理を防ぐのに役立ちます。

極低温シールの欠点

温度範囲の制限

極低温シールの主な欠点の 1 つは、温度範囲が限られていることです。極低温シールは極低温環境では優れていますが、広範囲の温度が関係する用途には適さない場合があります。極低温シールの材料と設計は極低温条件に合わせて最適化されているため、高温範囲ではシールの有効性と耐久性が制限される可能性があります。

コストの上昇

極低温シールは、標準的なシール ソリューションに比べてコストが高くなることがよくあります。極低温シールの製造にはポリマーや金属などの特殊な材料が使用されるため、コストが高くなります。さらに、極低温シールの信頼性と性能を確保するために必要な精密エンジニアリングと厳格なテストも、全体的なコストを増加させます。

設置とメンテナンスの複雑さ

極低温シールの取り付けとメンテナンスは、標準シールに比べて複雑になる場合があります。極低温シールの独特な設計機能と厳しい許容誤差により、適切なシール性能を確保するには、慎重な取り扱いと正確な取り付け手順が必要です。極低温シールの特殊性により、シールの交換や修理などのメンテナンス作業もより複雑で時間がかかる場合があります。

極低温シールの用途

液化天然ガス（LNG）システム

極低温シールは、液化天然ガス (LNG) システムで幅広く使用されています。LNG は、通常 -162°C (-260°F) 程度の極低温で保管および輸送されます。極低温シールは、貯蔵タンク、パイプライン、移送ラインなど、LNG システムのさまざまなコンポーネントで使用され、漏れを防ぎ、極低温液体の安全な封じ込めを保証します。

極低温流体の移送と保管

極低温シールは、液体窒素、液体酸素、液体ヘリウムなどの極低温流体の移送と保管に広く使用されています。これらの流体は、医療、航空宇宙、科学研究など、さまざまな業界で利用されています。極低温シールは、極低温流体移送ラインと保管容器のバルブ、カップリング、接続部に使用されます。極低温シールは、移送および保管プロセス中に極低温流体の漏れのない操作を保証し、その純度と完全性を維持します。

航空宇宙および宇宙アプリケーション

極低温シールは、航空宇宙および宇宙用途で重要な役割を果たします。ロケット エンジンでは、推力を生成するために液体水素や液体酸素などの極低温推進剤が使用されます。極低温シールは、漏れを防ぎ、推進システムの効率的で安全な動作を確保するために、燃料および酸化剤ライン、およびエンジン コンポーネントに使用されます。さらに、極低温シールは、極低温冷却システムおよび計器の完全性を維持するために、衛星システムおよび宇宙船で使用されます。