JP4875330B2 - グランドパッキン及びこれを用いたシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、バルブのステムのようにヘリカル運動する軸、回転ポンプや撹拌機等のように回転する軸、往復動ポンプやシリンダ装置のように往復運動する軸等の軸部分をシールするのに用いられるものであり、低温から高温まで広範囲の温度変化に対応することができると共に、高圧に於いても低摺動トルクで耐久性及びシール性の向上を図れるようにしたグランドパッキン及びこれを用いたシール装置に関するものである。

一般に、バルブのステム、回転ポンプの回転軸、撹拌機の回転軸、送風機の回転軸、混合機の回転軸、往復動ポンプの往復作動軸、シリンダ装置の往復作動軸等の軸部分のシールには、従前からグランドパッキン及びグランドパッキンを用いたシール装置が広く利用されている。

前記グランドパッキンとしては、炭素繊維やアラミド繊維等の繊維材料から成るヤーンを単数又は複数撚り合わせたものを所望の形状に編組した編組パッキン、シート状の材料を打ち抜いて所望の形状に加工し、これを金型等でプレス成形した積層パッキン、膨張黒鉛を主材料とした黒鉛パッキン、フッ素系樹脂を主原料とした樹脂パッキン等が知られている。

又、シール装置としては、例えば、バルブのボディに形成したスタフィンボックスとこれを貫通するステムとの間に形成された円筒状のシール空間に上述したグランドパッキンを充填し、スタフィンボックスの外周面に螺着したグランドナットを締め付けてシール空間の入口側に嵌合したパッキン押えを介して前記グランドパッキンをステムの軸線方向へ加圧することにより、グランドパッキンの内周面をステムの外周面へ、又、グランドパッキンの外周面をスタフィンボックスの内周面へ夫々密着させてシールするようにしたバルブのシール装置が知られている。

ところで、最近のグランドパッキン及びシール装置に於いては、シール性等の向上を図るために異なる材質により形成した環状のパッキンリングを組み合せた構造のグランドパッキン及びこれを用いたシール装置が使用されている（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。

例えば、ボイラー給水や各種ガス等の流体を制御するバルブに於いては、耐熱性、耐薬品性、自己潤滑性等に優れたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）により形成した環状のパッキンと、ポリテトラフルオロエチレンに匹敵する特性を持つテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）により形成した環状のパッキンとを組み合せた構造のグランドパッキン及びこれを用いたシール装置が使用されている。

然し乍ら、前記グランドパッキン及びシール装置に於いては、流体の圧力が３０ＭＰａを超える高圧になると、バルブの開閉操作に伴ってグランドパッキンが直ぐに摩耗し、シール機能が低下してグランド部分から流体が漏洩し、開閉耐久性能が極めて悪いと云う問題があった。例えば、流体の圧力が４０ＭＰａの加圧下に於いては、バルブの開閉操作を５０回程度行うだけで、グランドパッキンが摩耗してしまい、グランド部分からの漏洩が発生している。
そのため、前記グランドパッキン及びシール装置では、流体の圧力が３０ＭＰａ以上の高圧に耐えられる耐久性の実現は困難であった。
又、前記グランドパッキン及びシール装置を手動式のバルブに用いた場合、流体の圧力が高圧になると、グランド部分の摺動抵抗が増加し、バルブを開閉操作する際のハンドルトルクが高くなってバルブの開閉操作が困難になると云う問題があった。
更に、前記グランドパッキン及びシール装置は、その使用温度範囲も−２０℃〜１５０℃と比較的狭く、手動式のバルブで要求の多い−５０℃〜２３０℃の温度範囲に使用することができなかった。
特許第０３２２９８９０号公報 特許第０３２４２４２８号公報 特開平０７−２１７７４５号公報

本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は取り扱う流体が高圧であっても、グランド部分の摺動抵抗が小さくて高い開閉耐久性能を持つと共に、低温から高温まで広い温度範囲に対応することができるグランドパッキン及びこれを用いたシール装置を提供することにある。

本願発明者は、様々な材質により形成した環状のパッキンリングを色々組み合せて数十種類のグランドパッキンを形成し、各グランドパッキンを流体の圧力及び温度等の条件を変えて各種試験を行い、そのシール性能、耐久性、摺動抵抗等を調べた結果、グラファイト入りのポリテトラフルオロエチレン（以下、グラファイト入りＰＴＦＥと呼ぶ）製のパッキンリングとこのパッキンリングの材質よりも硬度の高い材質のプラスチック材により形成した硬質パッキンリングとを組み合せたグランドパッキンが最も耐久性、シール性、摺動抵抗等に優れていることを見出した。

本発明の請求項１の発明は、上述の如き過程を経て創作されたものであり、バルブボディ２に形成した筒状のスタフィンボックス２ａと当該スタフィンボックス２ａ内にこれと同心状に挿通されてボディ２に回転且つ昇降自在に螺着したステム３との間に形成された円筒状の空間内へ、ステム３を挿通させて鍔状の金属製ハメ輪４を挿入してこれをボディ２に水平姿勢で支持固定することにより、スタフィンボックス２ａの内周面とステム３の外周面の間に前記鍔状のハメ輪４を底面とする円筒状のシール空間を形成し、当該鍔状のハメ輪４の上面にステム３を挿通させて、グラファイト入りのポリテトラフルオロエチレン（PTFE）により形成した断面形状が長方形の薄板状の環状のパッキンリング１ａと、当該パッキンリング１ａの上面側及び下面側に夫々面接触状に配置され且つパッキンリング１ａの材質よりも硬度の高いポリエーテルエーテルケトン（PEEK）により形成した断面形状が長方形でその厚みがパッキンリング１ａよりも小さな薄板状の環状の硬質パッキンリング１ｂ、１ｂとから成るグランドパッキン１を装着すると共に、前記グランドパッキン１の上面へステム３を挿通させて筒状の金属製パッキン押え５を装着し、ステム３を挿通させてスタフィンボックス２ａの外周面に螺着したグランドナット６を締込むことによりグランドパッキン１をステム３の軸線方向へ締め付けし、スタフィングボックス２ａの内周面とステム３の外周面との隙間を前記グランドパッキン１によりシールする構成としたことにと特徴がある。

本発明の請求項２の発明は、バルブボディ２に形成した筒状のスタフィンボック２ａと当該スタフィンボックス２ａ内にこれと同心状に挿通されてボディ２に回転且つ昇降自在に螺着したステム３との間に形成された円筒状の空間内へ、ステム３を挿通させて鍔状の金属製ハメ輪４を挿入してこれをボディ２に水平姿勢で支持固定することにより、スタフィンボックス２ａの内周面とステム３の外周面の間に前記鍔状のハメ輪４を底面とする円筒状のシール空間を形成し、当該鍔状のハメ輪４の上面にステム３を挿通させて、グラファイト入りのポリテトラフルオロエチレン（PTFE）により形成した断面形状が長方形の薄板状の環状のパッキンリング１ａと、当該パッキンリング１ａの上面側及び下面側に夫々面接触状に配置され且つパッキンリング１ａの材質よりも硬度の高いポリフッ化ビニリデン（PVDF）により形成した断面形状が長方形でその厚みがパッキンリング１ａよりも小さな薄板状の環状の硬質パッキンリング１ｂ、１ｂとから成るグランドパッキン１を装着すると共に、前記グランドパッキン１の上面へステム３を挿通させて筒状の金属製パッキン押え５を装着し、ステム３を挿通させてスタフィンボックス２ａの外周面に螺着したグランドナット６を締込むことによりグランドパッキン１をステム３の軸線方向へ締め付けし、スタフィングボックス２ａの内周面とステム３の外周面との隙間を前記グランドパッキン１によりシールする構成としたことに特徴がある。

本発明のグランドパッキン及びシール装置は、耐熱性、耐摩耗性、耐薬品性等に優れたグラファイト入りＰＴＦＥ製の環状のパッキンリングを、耐熱性、耐摩耗性、耐薬品性等に優れ且つ高温・高圧下でも優れた特性を発揮するポリエーテルエーテルケトン製の硬質パッキンリングで挾持するようにしているため、広範囲の温度領域と高圧の条件下にも充分に対応することができ、高いシール性と高い開閉耐久性を確保することができる。
又、本発明のグランドパッキン及びシール装置は、耐摩耗性等に優れたグラファイト入りＰＴＦＥ製のパッキンリングと同じく耐摩耗性等に優れたポリエーテルエーテルケトン製の硬質パッキンリングとを使用しているため、バルブに用いた場合には、グランド部分の摺動抵抗が小さくなり、バルブのハンドルトルクの上昇を抑制することができ、バルブのハンドルの回転操作を容易に行える。
更に、本発明のグランドパッキン及びシール装置は、一枚のパッキンリングを二枚の硬質パッキンリングで挾持しているため、グランドパッキン自体がコンパクトになり、バルブ等の各種機器のコンパクト化を図れる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態に係るグランドパッキン１及びシール装置を手動式のバルブのグランド部分に適用したものであり、前記グランドパッキン１及びシール装置は、バルブのステム３部分をシールするのに用いられ、広範囲の温度領域と高圧の条件下にも対応することができると共に、摺動抵抗が小さくて耐久性にも優れ、然も、バルブのコンパクト化を達成できるようにしたものである。

前記グランドパッキン１は、グラファイト入りＰＴＦＥにより形成した環状のパッキンリング１ａと、パッキンリング１ａの両端面に配置され、パッキンリング１ａの材質よりも硬度の高い材質のプラスチック材により形成した環状の硬質パッキンリング１ｂとから成り、一枚のパッキンリング１ａを二枚の硬質パッキンリング１ｂで挾持するようにしたものである。

即ち、パッキンリング１ａは、グラファイト入りＰＴＦＥ（グラファイトの粉末をＰＴＦＥに分散し、ＰＴＦＥの耐圧縮クリープ特性や耐摩耗性等の不足している特性を強化したもの）により断面形状が矩形の環状に形成されており、耐熱性、耐摩耗性、耐薬品性、非粘性、自己潤滑特性、電気特性等に優れた特性を有している。この例では、パッキンリング１は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）にグラファイト粉末（黒鉛の粉末）を配合して成る材料から形成されている。

一方、硬質パッキンリング１ｂは、パッキンリング１ａの材質よりも硬度の高い材質のプラスチック材により断面形状が矩形の環状に形成されており、この例では、エンジニアリングプラスチックの一つであるポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：登録商標）により形成されている。このポリエーテルエーテルケトンは、耐熱性（ＵＬ値で２６０℃）、耐摩耗性（高温、高加重下でも優れた摺動性を発揮）、耐薬品性（濃硫酸以外の幅広い無機・有機溶剤に対して極めて優れた耐性を発揮）、難燃性（１．５ｍｍの厚みのサンプルでＶ−０難燃性を達成）、耐加水分解性（２５０℃以上のスチーム、高圧水の中で数千時間の使用に耐える）等に優れた特性を有している。

上述したグランドパッキン１を用いたシール装置は、図１に示す如く、バルブのボディ２に形成した筒状のスタフィンボックス２ａとスタフィンボックス２ａ内に挿通されてボディ２に回転自在且つ昇降自在に螺着されたステム３との間に形成された円筒状のシール空間に、金属製のハメ輪４、硬質パッキンリング１ｂ、パッキンリング１ａ及び硬質パッキンリング１ｂを順次充填すると共に、シール空間の入口側に金属製の筒状のパッキン押え５を嵌め込み、スタフィンボックス２ａの外周面に螺着したグランドナット６を締め付けてパッキン押え５とハメ輪とでグランドパッキン１を構成するパッキンリング１ａ及び硬質パッキンリング１ｂをステム３の軸線方向へ加圧することにより、バルブのグランド部分をシールするようにしたものである。
尚、図１に於いて、７はスタフィンボックス２ａの外周面に螺着したパネルナットである。

このシール装置に於いては、耐熱性及び耐摩耗性等に優れたグラファイト入りＰＴＦＥ製のパッキンリング１ａを耐熱性及び耐摩耗性等に優れ且つ高温・高圧下でも優れた摺動性を発揮するポリエーテルエーテルケトン製の硬質パッキンリング１ｂで挾持して成るグランドパッキン１を使用しているため、広範囲の温度領域と高圧の条件下にも充分に対応することができ、高いシール性と高い開閉耐久性を確保することかできる。
又、このシール装置に於いては、グラファイト入りＰＴＦＥ製のパッキンリング１ａとポリエーテルエーテルケトン製の硬質パッキンリング１ｂとから成るグランドパッキン１を使用しているため、取り扱う流体の圧力が高圧になっても、グランド部分の摺動抵抗が小さく、バルブのハンドルトルクの上昇を抑制することができ、バルブのハンドルの回転操作を容易に行える。
更に、このシール装置に於いては、一枚のパッキンリング１ａを二枚の硬質パッキンリング１ｂで挾持したグランドパッキン１を使用しているため、グランドパッキン１自体がコンパクトになり、延いてはバルブのコンパクト化を図れる。

本発明のグランドパッキン１を用いたシール装置の耐久性や摺動トルク等を確認するために、本発明のグランドパッキン１を用いたシール装置と従来のグランドパッキン（ＰＴＦＥとＰＦＡを組み合せたもの）を用いたシール装置とを手動式のバルブに用いて耐久性等の試験を行った。その結果、下記の表１に示すような結果となった。
尚、本発明のグランドパッキン１と従来のグランドパッキンとは、同一の形状に形成して試験を行った。

表１からも明らかなように、本発明のグランドパッキン１を用いたシール装置は、従来のグランドパッキンを用いたシール装置に比較して耐久性に優れていると共に、摺動抵抗が小さく、使用温度範囲も広いことが判明した。

尚、上記の実施の形態に於いては、グランドパッキン１及びシール装置を手動式のバルブに用いるようにしたが、他の実施の形態に於いては、グランドパッキン１及びシール装置を自動式のバルブに用いるようにしても良い。

上記の実施の形態に於いては、ステム３がヘリカル運動するバルブにグランドパッキン１及びシール装置を用いるようにしたが、他の実施の形態に於いては、ステム３が回転運動又は往復運動するバルブにグランドパッキン１及びシール装置を用いるようにしても良い。

上記の形態に於いては、グランドパッキン１を押え付けるパッキン押え５をスタフィンボックス２ａの外周面に螺着したグランドナット６で締め付けるようにしたが、他の実施の形態に於いては、パッキン押え５をフランジや内ネジ式の部材で締め付けるようにしても良い。

上記実施形態に於いては、硬質パッキンリング１bをポリエーテルエーテルケトンにより環状に形成するようにしたが、他の実施形態に於いては、硬質パッキンリング１bをパッキンリング１aよりも硬質の他の樹脂材により形成するようにしても良い。例えば、硬質パッキンリング１bをポリフッ化ビニリデン（PVDF）により形成するようにしても良い。

上記の実施の形態に於いては、パッキンリング１ａ及び硬質パッキンリング１ｂの断面形状を矩形に形成するようにしたが、他の実施の形態に於いては、パッキンリング１ａ及び硬質パッキンリング１ｂの断面形状を薄い板状又はＶ字状等に形成するようにしても良く、又、その他の形状に形成するようにしても良い。

本発明は、バルブの軸部分のシールに利用されるものであるが、回転ポンプや撹拌機等のように回転する軸、往復動ポンプやシリンダ装置のように往復運動する軸等の軸部分をシールするのにも適用することができる。

本発明の実施の形態に係るグランドパッキン及びシール装置を用いた手動式のバルブのグランド部分の拡大縦断面図である。

符号の説明

１はグランドパッキン、１ａはパッキンリング、１ｂは硬質パッキンリング、２ａはスタフィンボックス、３は軸（ステム）、５はパッキン押え。

Claims (2)

1. バルブボディ（２）に形成した筒状のスタフィンボックス（２ａ）と当該スタフィンボックス（２ａ）内にこれと同心状に挿通されてボディ（２）に回転且つ昇降自在に螺着したステム（３）との間に形成された円筒状の空間内へ、ステム（３）を挿通させて鍔状の金属製ハメ輪(４)を挿入してこれをボディ(２)に水平姿勢で支持固定することにより、スタフィンボックス（２ａ）の内周面とステム（３）の外周面の間に前記鍔状のハメ輪（４）を底面とする円筒状のシール空間を形成し、当該鍔状のハメ輪(４)の上面にステム(３)を挿通させて、グラファイト入りのポリテトラフルオロエチレン（PTFE）により形成した断面形状が長方形の薄板状の環状のパッキンリング（１ａ）と、当該パッキンリング（１ａ）の上面側及び下面側に夫々面接触状に配置され且つパッキンリング（１ａ）の材質よりも硬度の高いポリエーテルエーテルケトン（PEEK）により形成した断面形状が長方形でその厚みがパッキンリング（１ａ）よりも小さな薄板状の環状の硬質パッキンリング（１ｂ）、（１ｂ）とから成るグランドパッキン（１）を装着すると共に、前記グランドパッキン（１）の上面へステム(３)を挿通させて筒状の金属製パッキン押え（５）を装着し、ステム(３)を挿通させてスタフィンボックス（２ａ）の外周面に螺着したグランドナット(６)を締込むことによりグランドパッキン（１）をステム（３）の軸線方向へ締め付けし、スタフィングボックス（２ａ）の内周面とステム（３）の外周面との隙間を前記グランドパッキン（１）によりシールする構成としたバルブ用ステムのシール装置。
2. バルブボディ（２）に形成した筒状のスタフィンボックス（２ａ）と当該スタフィンボックス（２ａ）内にこれと同心状に挿通されてボディ（２）に回転且つ昇降自在に螺着したステム（３）との間に形成された円筒状の空間内へ、ステム（３）を挿通させて鍔状の金属製ハメ輪(４)を挿入してこれをボディ(２)に水平姿勢で支持固定することにより、スタフィンボックス（２ａ）の内周面とステム（３）の外周面の間に前記鍔状のハメ輪（４）を底面とする円筒状のシール空間を形成し、当該鍔状のハメ輪(４)の上面にステム(３)を挿通させて、グラファイト入りのポリテトラフルオロエチレン（PTFE）により形成した断面形状が長方形の薄板状の環状のパッキンリング（１ａ）と、当該パッキンリング（１ａ）の上面側及び下面側に夫々面接触状に配置され且つパッキンリング（１ａ）の材質よりも硬度の高いポリフッ化ビニリデン（PVDF）により形成した断面形状が長方形でその厚みがパッキンリング（１ａ）よりも小さな薄板状の環状の硬質パッキンリング（１ｂ）、（１ｂ）とから成るグランドパッキン（１）を装着すると共に、前記グランドパッキン（１）の上面へステム(３)を挿通させて筒状の金属製パッキン押え（５）を装着し、ステム(３)を挿通させてスタフィンボックス（２ａ）の外周面に螺着したグランドナット(６)を締込むことによりグランドパッキン（１）をステム（３）の軸線方向へ締め付けし、スタフィングボックス（２ａ）の内周面とステム（３）の外周面との隙間を前記グランドパッキン（１）によりシールする構成としたバルブ用ステムのシール装置。

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