JP4213724B2 - 流体弁およびパッキン構造 - Google Patents

Description

本発明は、流体を保持したハウジング内で運動部材の封止を行うパッキン構造およびこのパッキン構造を備えた流体弁に関する。特に、厳しい漏洩防止と耐火災安全性の要求を満たし、例えば弁からの多量の漏洩防止が望まれる環境で使用するためのパッキン構造、および、このパッキン構造を備えた流体弁に関する。

パッキン材料は、例えば調節弁や往復動ポンプの回転軸や摺動軸等の流体を保持するハウジング内で、運動部材の周りの流体漏洩を防止するために広く使われている。このようなパッキンは通常弾性部材で形成されており、運転部材の周りのパッキン箱内の所定位置にボルト止めされ静荷重の状態で使用される。他の例では、活荷重パッキンとして知られるように、パッキンにバネ荷重が負荷されている。活荷重パッキンは外部環境への流体の漏洩を防止するのに効果的である。

また、約４５０°Ｆ（２３２℃）以上の運転温度（パッキン近傍の運転温度）では、ポリ４フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）よりも通常入手可能な黒鉛パッキンを使用することが望ましい。何故なら、このような高温領域ではＰＴＦＥがはみ出して封止機能が失われ、流体の漏洩が生じるからである。運転温度が約４５０°Ｆ（２３２℃）以下であれば、ＰＴＦＥパッキンを使用することが望ましい。何故なら、ＰＴＦＥパッキンは黒鉛パッキンよりもはるかに摩擦抵抗が小さい空である。パッキンの摩擦抵抗が大きい場合には流体プロセスの制御が難しくなる。

一例として、流体制御弁への適用する場合に、多量の漏洩防止と低摩擦の要求を満たすだけでなく、漏れに起因する耐火災テストをクリアする厳しいパッキン性能を満たす必要がある。石油精製等の化学プロセスに使われる流体制御弁のパッキンは、摩擦が少なく、通常の運転状態で弁上部からの流体の漏れが殆どゼロ（ＥＰＡの試験法２１で５００ｐｐｍ以下）のものが望まれる。更に、パッキンが高温に曝されても破損せず、火災時に多量の可燃性流体が漏洩しないことが望まれる。

この用途では、火災時の多量漏洩が防止できる点で黒鉛パッキンが適しているが、漏洩を殆どゼロとするためにパッキンに加える高荷重によって、通常運転時に黒鉛パッキンには大きな摩擦抵抗が生じ、ＰＴＦＥパッキンに比べてプロセス制御が不正確となる。荷重を減らすと黒鉛パッキンの摩擦抵抗が大幅に減少するが流体の漏れ量が増加（５００ｐｐｍ以上）する。漏れ量と摩擦抵抗を減らすためには、黒鉛材料よりも緊密で長期間の封止が可能なＰＴＦＥ材料を使用することが望ましい。しかし、ＰＴＦＥパッキンは、石油精製における耐火災テストのような高温での使用に通常望ましくない。火災時の高温により、はみ出し、分解、気化することによってＰＴＦＥパッキンの封止機能が失われ、多量の漏れが発生する危険性がある。

従って、制御弁用のパッキンとしては、低摩擦で耐火災安全性を備え、漏れが殆どゼロで、長期間の使用に耐え、同時に低価格のパッキンの提供が望まれる。

本発明の原理によれば、回転弁、往復動弁、又は往復動ポンプの軸等の流体を扱うハウジング内での運動部材に対して使用する、耐火災安全性と低漏洩性を備えた低摩擦パッキンが得られる。ハウジング内の運転部材の周りで漏れを防止するための、第１と第２のリング状パッキン群を有する２部材パッキン組立体が運転部材の周りに組込まれている。第１のリング状パッキン群は、運転部材の流体に近い側、即ち弁の内部寄りに組込まれる。第１のリング状パッキン群は、少なくとも１つの柔軟性黒鉛リングと、はみ出しのない２つのブッシュリング、及び各リング間に挟まれる摩擦の少ないＰＴＦＥなどのワッシャーを含んでいる。第１のリング状パッキン群は、耐火災安全性とワイパー作用を備えるための相当量の黒鉛材と、運動部材への付着を防止て潤滑性を付与するために十分な量のＰＴＦＥなどの低摩擦材を含んでいる。

第２のリング状パッキン群は、運動部材の流体から離れた側のハウジング内、即ち弁外部に近い場所に組み込まれている。第２のリング状パッキン群は、はみ出しのないリングに挟まれたＶ型のＰＴＦＥリングを有する。第２のリング状パッキン群は、ハウジング内で運転部材周りの流体の漏れを防止すると共に運転部材の摩擦を低減する。

２部材パッキン組立体は、火災に対する安全性と漏れが少ない状態、例えばＡＰＩ−５８９及びＡＰＩ−６０７仕様書の耐火災安全性テストの条件を満たす状態で、皿形バネなどのバネ手段による活荷重が摩擦の少ない荷重レベルに維持されている。

特に、本発明の原理によれば、皿形バネの荷重源に最も近い第２のリング状パッキン群には、弁棒や軸の直径及びパッキンの材料に応じた一定の荷重が負荷されており、通常運転時の漏洩を少なくしている。この荷重は、ＰＴＦＥ材が変形して運転部材との間の空隙を満たし、パッキン腔内において低摩擦で低漏れ量の特性が得られる大きさである。ハウジングと運転部材に対して第２のリング状パッキン群が低摩擦であることにより、第２のリング状パッキン群は、荷重源から離れた第１のリング状パッキン群に効果的に荷重を伝達する。最初の組立調整段階で、第２のリング状パッキン群に通常の運転時以上の荷重が一時的に加えられる。この荷重は第１のリング状パッキン群に効果的に伝達されてＰＴＦＥ材を永久変形させ、耐火災安全性とワイパー作用を備えた永続的な封止作用が付与される。バネ荷重を通常の値に減らした後の通常運転時においても、このワイパー作用により第２のリング状パッキン群への異物の侵入が防止される。

従って、本発明では、低摩擦、低漏洩、耐火災安全性を与えるために、ＰＴＦＥ材料と共に黒鉛材料が用いられる。黒鉛材料は、プロセス流体に近い位置で使用して流体からＰＴＦＥ材料を隔離し耐火災安全性を与える。ＰＴＦＥ材料は運動部材の周りを封止し漏れ量を５００ｐｐｍ以下に抑える。漏れ防止に使われる従来の黒鉛材料性パッキンに比べて荷重を小さくして摩擦の少ないパッキンが得られる。ＰＴＦＥ／黒鉛の組合せパッキンは、黒鉛のみのパッキンに比べ、同じ漏れ量に対して摩擦を著しく低減することができる。

漏れテストを目的とした組立状態における本発明の実施形態では、１／２インチの往復動弁を使用し、弁棒の周りの皿形バネには１７８３ｐｓｉ（１２．３Ｍｐａ）の荷重が加えられる。流体に最も近い下部の、第１のリング状パッキン群には、２個の柔軟性黒鉛リング、３枚のＰＴＦＥワッシャー、及び、両端のカーボンブッシュリングが含まれている。上部即ち第２のリング状パッキン群には、カーボンを充填したＰＴＦＥのＶリングに挟まれた、充填物なしのＰＴＦＥの雌型Ｖリング、及び、両側に黒鉛ブッシュリングを有するカーボンを充填したＰＴＦＥの雄型Ｖリングが含まれる。

ＥＰＡ（環境保護庁）の漏洩試験法２１により、試験流体としてメタンを使用し、運転の機械的サイクルを１０万回繰り返した後、パッキン組立体からの漏れ量は５００ｐｐｍ以下であった。機械的サイクルを繰り返す間、室温から４５０°Ｆ（２３２℃）の間の温度サイクルを繰り返した。圧力についても、下部パッキン温度４５０°Ｆ（２３２℃）に対応する圧力７５０ｐｓｉ（５．１７ＭＰａ）から上部パッキン温度４５０°Ｆ（２３２℃）に対応する圧力４５０ｐｓｉ（３．１ＭＰａ）の間で変化させた。機械的サイクルを繰り返す間のパッキンの摩擦は僅かであり、ＰＴＦＥと黒鉛の組合せになる２部材組合せパッキンの摩擦は、漏れ量が同じ場合には黒鉛単独パッキンに比べて著しく低摩擦であった。

第１のリング状パッキン群の柔軟性黒鉛リングの代わりに複合黒鉛リングを使用することもできる。この複合黒鉛リングは、例えば米国特許第４，８２６，１８１号に開示されており、柔軟性黒鉛リングに比べて僅かに硬い。同様に、編成黒鉛リングを使用して、パッキンの摩擦性、封止能力を変えることもできる。また、低摩擦低漏洩パッキン材料としてフルオロポリマー、パーフルオロポリマー等の他の非黒鉛材を使用することもできる。

本発明の原理は、回転弁、往復動弁、往復動ポンプの軸等に適用できる。

本発明の新規な特徴事項については添付の特許請求の範囲に詳細に記載されている。図面を参照した以下の説明により本発明が更によく理解されるであろう。図面では類似の部材に類似の符号を付けてある。

図１は、本発明の２部材パッキン組立体の往復動弁への適用例を図示したものである。

往復動型の流体弁１０の図示部分には、ボンネット付の弁体１４と、この弁体を貫通する摺動弁棒１６のような運動部材を有する。一連の締付棒２０に螺着された各締付ナット１８を締め込むことにより、ボンネット内での弁棒周りのパッキンに対する荷重を調節することができる。

ボンネット１４にパッキン腔２２が形成されたパッキン箱内の、弁棒１６のプロセス流体に最も近い側の端部２６寄りに、弁棒の周りに第１のリング状パッキン群２４が組み込まれている。２部材パッキン組立体の第２のリング状パッキン群２８は、弁棒１６のプロセス流体から最も遠い側の端部３０寄りのパッキン腔２２内で弁棒１６の周りに組み込まれている。

図２に詳細を示すように、第１のリング状パッキン群２４は、従来のリボン状黒鉛で型成形された、一対の柔軟性黒鉛リング３２を含んでいる。柔軟性黒鉛リング３２は、比較的柔軟な材料であり、そのままで弁棒周りの封止ができる。第１のリング状パッキン群２４の両側には、従来のカーボンブッシュリング３４が配置され、柔軟性黒鉛材料の弁棒１６上へのはみ出しを防止している。カーボンブッシュ３４は柔軟性黒鉛リング３２より硬いため、ブッシュ３４は、運転中に摺動弁棒１６上でワイパーの作用をし、黒鉛材料の弁棒への付着を防止する。ブッシュ３４はまたパッキン箱内で中心を維持して、リング状パッキン群２４内のより軟らかいパッキン材料の変形や破損を防止する。エンドリング３６はパッキン箱の端部空間を満たす。

薄いＰＴＦＥ円板、即ちワッシャー３８として形成され、低摩擦特性を有する３個の各高分子材料性リングは、厚みが０．０１５インチ（０．３８１ｍｍ）で各ＰＴＦＥ円板３８は、柔軟性黒鉛リング３２の間、及び黒鉛リング３２とカーボンブッシュ３４の間に挿入されている。ＰＴＦＥリングの材料は、変形して弁棒１６の側に部分的にはみ出すように設計されており、リング状パッキン群２４の内側を摺動する弁棒を潤滑する。このようにＰＴＦＥ円板即ちワッシャー３８は、リング状パッキン群２４の内側で潤滑部材として働くと同時に黒鉛パッキンリング３２の封止機能を助ける役割を果たす。

図２にも、第２即ち上部のリング状パッキン群２８が図示されている。リング状パッキン群２８には、上部の雌型アダプタリング４０、中間部のＶリング４２、及び下部の雄型アダプタリング４４とからなる３個のＶ型リングが含まれている。カーボンブッシュ３４と類似の各カーボンブッシュ４６がリング状パッキン群２８の上下に配置されている。

Ｖ型リング４０、４２、４４はそれぞれ、「Ｖ型ＰＴＦＥパッキン」として市販されているＰＴＦＥ材料（ポリ４フッ化エチレンと合成樹脂の重合体）で形成するのが望ましい。Ｖリング４０及び４４はカーボン充填ＰＴＦＥ材で形成し、中間のＶリング４２は充填物なしのＰＴＦＥ材で形成するのが望ましい。

活荷重のパッキン構造では、下部のリング状パッキン群２４と上部のリング状パッキン群２８とからなる２部材パッキン組立体において、ワッシャー３８及びリング４０、４２、４４を形成するＰＴＦＥ材料が変形して弁棒１６との間の空隙を満たし、低摩耗、低漏洩運転ができる荷重レベルが維持される。上部パッキン群２８は荷重源に近いため、低漏洩を確保するための全荷重がこのパッキン群に負荷される。上部のリング状パッキン群２８は、下部のリング状パッキン群２４に比べて低摩擦であり、活荷重源に近いため、荷重の殆どが下部のリング状パッキン群２４に伝達され、耐火災安全性テストで要求される弁棒の信頼性のある封止性が確保される。また、この荷重は、ＰＴＦＥ製ワッシャー３８を十分に変形させうる大きさであればよいため、ＰＴＦＥ製ワッシャー３８を含まない柔軟性黒鉛材料のみからなるパッキン群に比べて、リング状パッキン群２４の摩擦を著しく小さくすることができる。このように、通常大きな摩擦特性を有する黒鉛材料を使用しても望ましい低摩擦特性が達成され、パッキン構造に使われる黒鉛材料の望ましい耐火災安全特性を活かすことができる。

活荷重のパッキンは、一端にベース部５０、他端に案内スリーブ５２、中間にフランジ５４を形成した押さえ金具４８を有している。押さえ金具４８は、内側に、本出願人の米国特許第５，１２９，６２５号に開示されたカーボン充填ＰＴＦＥその他の材料の内張５６が設けられている。フランジ５４と押さえフランジ６０に挟まれた状態で、複数の皿形バネ５８が押さえ金具の案内スリーブ５２の周りに摺動可能に挿入されている。押さえフランジ６０には、各ネジ棒２０と中心の弁棒１６を貫通させるための開口部６２が設けられている。

２個のランタンリングが、上部のリング状パッキン群２８と下部のリング状パッキン群２４の間で弁棒の周りのパッキン腔の空間を満たしている。通常のランタンリングや弁と同様に、このランタンリング６４は、注入孔６６と連結孔１８により、弁外部とパッキン内腔２２とが連通している。これによって、弁棒１６周りのパッキン腔に潤滑油を注入することができる。注入孔６４にはタップネジ７０が着脱自在にねじ込まれている。ランタンリング６４は、又、リング状パッキン群２４とリング状パッキン群２８とを隔離し、黒鉛材料の弁棒１６への付着によるリング状パッキング２８の封止性能の悪化を防止する。

図示のように弁を組み立てた後、弁棒１６を取り囲むネジ棒２０のナット１８を締め込むことにより、押さえフランジ６０がネジ棒とナットに働く力を皿形バネ５８に伝達する。ナット１８を締め込むことにより、押さえ金具４８を介して皿形バネ５８の力が更にリング状パッキン群２４、２８に伝達され、所定のバネ圧が維持される。

所定の荷重下での上部のリング状パッキン群２８の低摩擦特性との組合せによって、ＰＴＦＥ材料の信頼性のある封止性能が得られる。また荷重源から離れた位置にある下部のリング状パッキン群２４に柔軟性黒鉛リング３２を使用することにより黒鉛材料の耐火災安全特性を活かすことができる。更に、ＰＴＦＥ製ワッシャー３８が十分に薄いためバネ圧による十分な活荷重によく応答し、ＰＴＦＥ材料が変形によってリング状パッキン群２４の内部を摺動する弁棒を潤滑する働きをし、黒鉛材料の運動部材への付着を防止する。従って、本発明の２部材パッキン組立体は、下部のリング状パッキンセット２４がパッキン近傍で１０００°Ｆ（５３８℃）までの高温状態での耐火災安全性を備え、上部のリング状パッキンセット２８が低漏洩性能と４５０°Ｆ（２３２℃）までの運転温度における運動部材の低摩擦性を備えている。

変形例として、異なった摩擦性や封止性能をもつ、他の黒鉛材料、例えば複合黒鉛材料や編成黒鉛材料製のリングも、柔軟性黒鉛リング３２の代わりに使用可能である。又、黒鉛以外の材料、低摩擦特性をもつエラストマー、例えばフルオロエラストマー、パーフルオロエラストマー、やフッ素含有高分子材料を使用して、ＰＴＦＥ材料のような低摩擦特性、低漏洩特性を付与することができる。

以上の説明は理解を容易にするためのものであって、不要の限定は当業者に自明の改良と解すべきである。

本発明の原理は、回転弁、往復動弁、往復動ポンプの軸等に適用できる。

往復動弁に適用した本発明の２部材パッキン組立体の望ましい実施形態の断面図である。 ２部材パッキン組立体の分解詳細図である。

符号の説明

１６・・・・弁棒
２２・・・・パッキン腔
２４・・・・第１のリング状パッキン群
２８・・・・第２のリング状パッキン群
３２・・・・黒鉛リング
３４・・・・カーボンブッシュ
３８・・・・ＰＴＦＥワッシャー
４０・・・・雌型アダプタリング
４２・・・・Ｖリング
４４・・・・雄型アダプタリング
４６・・・・カーボンブッシュ
４８・・・・押さえ金具
５８・・・・皿バネ
６４・・・・ランタンリング

Claims (13)

1. 流体を収容するハウジング内に延設された運動部材の、流体に近い第１端と流体から離れた第２端の間で、運動部材の耐火災安全性及び低漏洩性を備えた封止を行うための、２部材からなる低摩擦で活荷重のパッキン構造であって、
   前記運動部材の周りに組み込まれる第１及び第２のリング状パッキン群を有し、ハウジング内の運動部材の周りで流体の漏洩を防止する２部材パッキン組立体と、
   前記第１及び第２のリング状パッキン群の間に挿入される少なくとも１個の間隔保持リングと、
   前記２部材パッキン組立体にバネ荷重を加えて封止状態を維持するためのバネ手段と、
   を備えており、
   前記運動部材の流体に近い側の端部寄りに挿入される前記第１のリング状パッキン群が、運動部材に沿って第１のリング状パッキン群の中心部から両端に向かって配置される、少なくとも１個の黒鉛リングと、前記黒鉛リングに隣接する少なくとも２個の、はみ出しが生じないブッシュリングと、ＰＴＦＥ材料で形成され、前記第１パッキン群の隣接する前記黒鉛リングおよびブッシュリングの間に挿入されるワッシャーとを備えており、
   運動部材の流体から離れた側の端部寄りに組み込まれる前記第２のリング状パッキン群が、はみ出しが生じないブッシュリングで挟まれた、少なくとも２個のＰＴＦＥリングを有しており、
   パッキン構造の組み立て調整時に、通常の運転時以上の荷重が一時的に加えられることにより、第１のリング状パッキン群の前記ＰＴＦＥ製ワッシャー材が封止作用を奏しうるように永久変形させられており、
   該第１のリング状パッキン群が、稼働時にハウジング内での運動部材の低摩擦運転と流体に対する耐火災安全性とをもたらすように構成されており、
   前記第２のリング状パッキン群が、流体の低漏洩封止と、ハウジング内での運動部材の低摩擦運転とを行うように構成されてなるパッキン構造。
2. 前記バネ手段が、前記２部材パッキン組立体のＰＴＦＥワッシャーが部分的にはみ出して、２部材パッキン組立体の内側で運動する運動部材の周りをＰＴＦＥ材料が潤滑するのに十分なバネ荷重を維持する請求項１記載のパッキン構造。
3. 前記第２のリング状パッキン群が、第１のリング状パッキン群に比べて低摩擦に形成されており、当該第２のリング状パッキン群に負荷された荷重のほとんどを第１のリング状パッキン群に伝達するように構成されてなる請求項２記載のパッキン構造。
4. 前記バネ手段が、複数の皿形バネである請求項３記載のパッキン構造。
5. 前記第２のリング状パッキン群が、Ｖ型のＰＴＦＥリングを有し、前記バネ手段が、ＰＴＦＥ材料を変形させて運動部材との間の空隙を埋め、第２のリング状パッキン群の内側を運動する運動部材に十分な潤滑性を与える程度のバネ荷重を維持する請求項１記載のパッキン構造。
6. 第２のリング状パッキン群が、一方の端部に雌型ＰＴＦＥ製リング、他方の端部に雄型ＰＴＦＥ製リング、及び両リングに挟まれるＶ型リングとからなる請求項５記載のパッキン構造。
7. 前記ＰＴＦＥ製の雄型及び雌型の各リングが、カーボン充填ＰＴＦＥ製であり、これらに挟まれたＶリングが充填物なしのＰＴＦＥ製である請求項６記載のパッキン構造。
8. 流体弁内で運動部材の封止を行う、耐火災安全性、低漏洩性を備えた２部材からなる低摩擦で活荷重のパッキン構造を含んだ流体弁であって、
   弁内のパッキン箱と、
   パッキン箱内で運動部材を保持するパッキン押さえと、
   前記運動部材に間隔を隔てて装着された第１及び第２のリング状パッキン群を有し、各パッキン群が運動部材の周りを封止し、弁内で運動部材の周りの流体の漏洩を防止する２部材パッキン組立体と、
   この２部材パッキン組立体にバネ荷重を加えて流体を封止するバネ手段と、
   を備えており、
   運動部材の流体に近い端部寄りに組み込まれる前記第１のリング状パッキン群が、その中心部から両端部に向かって配置される、少なくとも１個の黒鉛リングと、前記黒鉛リングに隣接する少なくとも２個のはみ出し防止ブッシュリングと、隣接する前記黒鉛リングおよびブッシュリングの間に介在したＰＴＦＥ製ワッシャーとを備えており、
   前記運動部材の流体から離れた第２端側に装着される前記第２のリング状パッキン群が、はみ出しが生じないブッシュリングに挟まれた、低摩擦特性を備えた高分子材料製の少なくとも２個のリングを有しており、
   パッキン構造の組み立て調整時に、通常の運転時以上の荷重が一時的に加えられることにより、第１のリング状パッキン群の前記ＰＴＦＥ製ワッシャー材が封止作用を奏しうるように永久変形させられており、
   前記第１のリング状パッキン群が、運動部材の低摩擦運動と流体の耐火災安全性とをもたらすように構成されており、
   前記第２のリング状パッキン群が、流体の低漏洩と、運動部材の低摩擦運動とを可能にするように構成されており、
   前記バネ手段が、２部材パッキン組立体に、前記ＰＴＦＥワッシャー及び高分子材料性のリングが変形して運動部材との間の空隙を満たし、２部材パッキン組立体に対して、運動部材の低摩擦運動が可能となる程度のバネ荷重を維持しうるように構成されてなる流体弁。
9. 前記第２のリング状パッキン群が、第１のリング状パッキン群に比べて低摩擦に形成されており、当該第２のリング状パッキン群に負荷された荷重のほとんどを第１のリング状パッキン群に伝達するように構成されてなる請求項８記載の流体弁。
10. 前記バネ手段が複数の皿形バネである請求項９記載の流体弁。
11. 第２のリング状パッキン群の少なくとも２個の高分子材料性のリングが、ＰＴＦＥ製のＶ型リングである請求項８記載の流体弁。
12. 前記第２のリング状パッキン群が、一方の端部のＰＴＦＥ製の雌型リングと、他方の端部のＰＴＦＥ製の雌型リングと、両リングに挟まれたＶ型リングとからなる請求項１１記載の流体弁。
13. 前記のＰＴＦＥ製の雄型及び雌型リングが、カーボンを充填したＰＴＦＥ製であり、両リングに挟まれるＶ型リングが充填物なしのＰＴＦＥ製である請求項１２記載の流体弁。

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