JP6116148B2

JP6116148B2 - シールリング

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Publication number: JP6116148B2
Application number: JP2012156032A
Authority: JP
Inventors: 藤原　優; 優藤原; 杉田　克紀; 克紀杉田; 林　洋樹; 洋樹林
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2032-07-12
Also published as: JP2014020378A

Description

本発明は、例えば、発電と工場用蒸気供給機能を備えた蒸気タービンの流入部など、高温蒸気といった高温流体の配管装置に装備される弁に用いられるシールリングに関するものである。

この種の弁は、例えば、特許文献１において開示されるように、蒸気タービンの主蒸気流入部に装備されたものが知られている。即ち、前記特許文献１の図２になどに示されるように、蒸気加減弁（１０）は、弁体（１０ａ）、ディフューザと一体な弁座（１０ｂ）、弁棒（１０ｃ）、弁体駆動用の油圧シリンダ（１０ｄ）との組立体で、弁ケーシング〔弁箱〕（１２）に形成した球殻構造の弁箱部分に組み込まれている。

蒸気加減弁は、高温の蒸気での配管途中に設置されるため、弁軸と弁箱との間をシールする軸封機構には高温の蒸気に対する配慮が必要である。その軸封機構として、従来では、特許文献２や特許文献３において開示される手段が知られている。即ち、従来の軸封機構は、膨張黒鉛でなるグランドパッキンを備えるだけでなく、金属材とマイカとを積層してなるシールリングも配列し、パッキン押えで押付ける構造のものであった。

金属材とマイカとの積層体でなるシールリングの採用により、摺動性が良好で柔らかく馴染み易く高温でもシール性に優れる特性を発揮しながら、マイカの形崩れなくシールリングの移動運搬や組付け分解作業が行える、という優れた作用効果を奏するものであるが、場合によっては、うまくいかないことがあった。
例えば、金属材やマイカシートの厚さが厚かったり薄かったりすると、シール用空間部に入れ難く装填し難いとか、使用時におけるパッキン押えなどによる押圧力によって十分に径方向に拡がり変形できず、所期するシール性能が得られないことがある。

また、断面をＶ字状などの凸形状とした場合において、金属材の厚さが厚いと、使用時に断面Ｖ字形状が平らに変形し難くなり、所期するシール性が得られないとか、明確なＶ字形状のままだと隣のシール部材に押圧力が伝わり難く、結果としてシール性が悪化する。厚さが薄過ぎると形状を維持する能力（保形性）が足りず、製品とならない。

マイカシートの厚さが厚いと、シールリングに形成した場合に亀裂が入り易くなり、折角のシール性が台無しになるおそれがある。また、当然ながら、薄過ぎると本来の性能が出ない。このように、前記シールリングを本来の性能が出るものとして実現させるには、金属材やマイカシートを如何なる状態のものに設定するか、という点において改善の余地が残されているものであった。

特開２０１０−０４８２１６号公報特開平０４−３４７０６８号公報特開２０１２−０４１８８６号公報

本発明の目的は、金属材とマイカシートとの積層体でなるシールリングについてさらなる鋭意研究を行うことにより、本来の性能を如何なく発揮することができる緒元（スペック）を求め、より好都合なシールリングとして提供する点にある。

請求項１に係る発明は、シールリングにおいて、金属製で０．０３ｍｍ〜０．１ｍｍの厚さを有する第１リング１６と、マイカ製で０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さを有する第２リング１７とが積層一体化されてなることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のシールリングにおいて、前記第１リング１６のリング軸心Ｐに関する径方向で切った断面形状が、前記リング軸心Ｐの方向に凸となる屈曲形状に設定されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載のシールリングにおいて、前記第２リング１７が凸屈曲形状における山側に配置される状態に構成されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、第１リング（金属材）の厚さが厚いことによる重量増加や寸法肥大などの無駄がないとともに、薄いことによる補強機能不足もないので、無駄なく軽い状態で必要となる強度（保形性）が出せるようになる。そして、第２リング（マイカ）の厚さが厚いことによる亀裂発生が無く、かつ、薄いことによる性能不足もなくなる。その結果、金属材とマイカシートとの積層体でなるシールリングの各種緒元（スペック）を求める工夫により、本来の性能を如何なく発揮することができるシールリングを提供することができる。

請求項２の発明によれば、断面をＶ字状などの凸形状とした場合に、金属材が厚くて使用時に平らに変形し難くなって所期するシール性が得られず、また、凸字形状のままだと結果としてシール性が悪化するとか、厚さが薄くて形状を維持する能力（保形性）が足りない、という種々の不都合が解消又は軽減されるようになる。従って、シールリングの装填が軽く楽に行える好都合なものでありながら、十分なシール性も得られ、請求項１の発明による前記効果が強化される利点がある。

請求項３の発明によれば、その形状特性故に、押圧力が作用して平ら又はそれに近い形状に変形することで山側のマイカ材が、軸外周や弁箱内周などのシール対象箇所に確実に当接する状態でシールできるようになり、より高温流体でも十分な機能が発揮できる好ましいシールリングを提供することができる。

ボール弁を示す断面図図１のボール弁の要部を示す拡大断面図シールリングを示す断面図（実施例１）マイカシートの可撓性を示す図表シールリングの性能を示す図表

以下に、本発明によるシールリングの実施の形態を、ボール弁に適用されたものとして図面を参照しながら説明する。

〔実施形態１〕
ボール弁Ｖは、図１に示すように、第１躯体１Ａと第２躯体１Ｂとで成るとともに内部に円筒状の流路２が形成される弁箱１、この弁箱１に回動移動可能に収容されるボール３、ボール３を回動操作するためのステム４などを備えて構成されている。ハウジングは、流路方向に分割されてボールが挿入されるサイドエントリ形、縦方向に分割されてボールが挿入されるトップエントリ形などの構造が宜に選択設定される。ステム４の周辺における弁箱１とボール３とで囲まれる空間であるキャビティ５が形成されている。

流路２と連通する円筒状の貫通孔３ａが形成されて弁箱１の内部に配備されるボール３は、流路２と直交する方向に配置された一対のステム部４Ａ，４Ｂに支持されている。つまり、ボール３は、ステム部４Ａ，４Ｂでなるステム４を回動支点としており、貫通孔３ａにより流路２を開閉する方向に回動可能に装着されている。
ボール３は、金属材等で形成されている。金属材では、ステンレス鋼、炭素鋼、ダクタイル鉄、鉄、青銅、黄銅が用いられるが、金属からなる芯体をステライトやメッキによって表面処理されたものも用いられる。

ボール弁Ｖには、ボール３と弁箱１との間をシールするボールシール機構Ｓが装備されている。ボールシール機構Ｓは、図１、図２に示すように、流路２とキャビティ５との間をシールして、流体が流路２からキャビティ５へ漏出するのを防止するためのものであり、第１躯体１Ａと第２躯体１Ｂとのそれぞれに設けられている。

第２躯体１Ｂ側のもので説明すれば、ボールシール機構Ｓは、第２躯体１Ｂにスライド移動可能に第２躯体１Ｂに内嵌される環状のリテーナ６、リテーナ６の先端側に保持されてボール３の球面状の外周面３ｂに接するシール用のシートリング７、シートリング７を外周面３ｂに圧接させるべく第２躯体１Ｂに対してリテーナ６を押圧付勢する複数のコイルバネ８、及び、リテーナ６と第２躯体１Ｂとをシールするリテーナシール機構９などを有して構成されている。なお、１０はシートリング７をリテーナ６に保持するための保持リング、１９，２０は内外のスペーサリングである。

リテーナシール機構９は、図２に示すように、第２躯体１Ｂ側のものにおいて、複数のシールリング１２と、環状のリング押え１３と、コイルバネ８とを有して構成されており、リテーナ６の外周面６ａと第２躯体１Ｂの中間内周面１ｂとの間をシールする。
リテーナシール機構９においては、複数のコイルバネ８がリング押え１３を押圧付勢し、リング押え１３におけるリング状の外周押え部１３ａがシールリング１２をそのリング軸心Ｐ方向に押付けることにより、リテーナ６と第２躯体１Ｂとで形成されるシール用空間部１８に配置されるシールリング１２が拡がり変形し、リテーナ６の中間外周面６ｂ及び中間内周面１ｂに密着してシールすることができる。

次に、リテーナシール機構９に用いられるシールリング１２について説明する。
シールリング１２は、図３に示すように、ステンレス箔などの金属製で０．０３ｍｍ〜０．１ｍｍの厚さを有する第１リング１６と、マイカ製で０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さを有する第２リング１７とが積層一体化されることで構成されている。そして、シールリング１２は、第１リング１６のリング軸心Ｐに関する径方向で切った断面形状が、リング軸心Ｐ方向に凸となる屈曲形状、具体的にはＶ字形状に設定されている。
シールリング１２は、そのＶ字形断面における山側（谷側）に第１リング１６を配置するか、第２リング１７を配置するかにより、Ａシールリング１４とＢシールリング１５とに分類される。

Ａシールリング１４は、図３（ａ）に示すように、Ｖ字形の折れ曲がりにおける谷側に位置する環状のマイカシート、即ち、第２リング１７と、山側に位置する環状のステンレス箔、即ち、第１リング１６とが接着剤を用いて積層一体化されて成る構造のシールリング１２である。つまり、第２リング１７が凸屈曲形状における谷側に配置される構造である。
Ｂシールリング１５は、図３（ｂ）に示すように、Ｖ字形の折れ曲がりにおける谷側に位置する第１リング１６と、山側に位置する第２リング１７とが接着剤を用いて積層一体化されて成る構造のシールリング１２である。つまり、第２リング１７が凸屈曲形状における山側に配置される構造である。
Ａ，Ｂの両シールリング１４，１５は、図３に示すように、自然状態におけるＶ字状断面の挟角θは共に１５２度に設定されているが、その限りではない。

第１リング１６を構成するステンレス箔１６の厚さは、前述のように０．０３ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲に設定される。第２リング１７は、シート状のマイカから打ち抜かれて形成された環帯状体（マイカリング）であリ、前述のようにその厚さは、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲に設定される。いずれ１６，１７も断面がＶ字形状に形成され、接着剤は熱硬化性の接着剤が望ましいが、熱可塑性接着剤や粘着剤であっても良い。

リテーナシール機構９の組付前の自由状態（コイルバネ８で押されていない状態）においては、シールリング１２の内径を中間外周面６ｂの径よりも僅かに大きく、かつ、シールリング１２の外径を中間内周面１ｂの径よりも僅かに小さい寸法に形成しておけば、中間外周面６ｂへの嵌合装着やシール用空間部１８への装填が軽く楽に行えて好都合である。

複数のコイルバネ８による所定の押圧力が作用した組付状態（図２に示す状態）では、図示は省略するが、押圧力により各シールリング１２における断面Ｖ字形の角度が自然状態のときよりも緩く（平らに）変形する。その変形によってシールリング１２の外径は若干大きくなり、かつ、内径は若干小さくなるから、中間内周面１ｂ及び中間外周面６ｂに圧接されるようになり、従って、リテーナ６と第２躯体１Ｂ（弁箱１）との間が良好にシールされる。次に、シールリング１２の製法や特性、構成要素などについて説明する。

まず、実施例１によるシールリング１２の作り方について説明する。以下の工程１．〜９．を行うことにより作製される。
１．ステンレス材（ＳＵＳ３１６Ｌなど）からなる厚さ０．０５ｍｍのステンレス箔を作製する。
・備考：シールリング１２自身の変形を容易にし、機器への密着性を高めるとともに、他のシールリング１２へリング押え１３からの応力を容易に伝える。

２．工程１．による作製物（ステンレス箔）の片面にフェノール系接着剤を全面に塗布する。接着剤の塗布量は、５〜１０ｇ／ｍ^２、厚さ０．０６ｍｍ（片側）とする。
・備考：接着剤の塗布は両面でも可。一部でも可。他の種類の接着剤でも可。接着剤に代えて粘着剤でも可。

３．工程２．により片面に接着剤が塗布されたステンレス箔に、少量のバインダーを用いてマイカをシート状とされた厚さ０．２ｍｍのマイカシートを、加圧加熱接着（条件：温度８０℃、面圧２〜３Ｎ／ｍｍ^２、時間２〜３分）させ、薄いシート体を作製する。
・備考（１）：マイカ材だけのシールリングに比べて、シール性が向上する（浸透漏れの防止）。
・備考（２）：マイカシートが厚い場合、締付によるマイカの変形時に亀裂が入り、薄い場合は、シールリング１２と、これの流体側に配置されるシールリング１２（又はグランドパッキン）との接触面での接面漏洩を防止することはできない。マイカシートの製法は、特開平０５−１１８４４４号公報（段落：００１５など）に記載のものと同様である。マイカシートの厚さは、好ましくは０．５ｍｍ以下。
・備考（３）：接着による一体化は、グランド部（シール用空間部１８）への挿入時にマイカシートとステンレス箔とがずれて、ステンレス箔がグランド部の金属部分に接触することを避けるためである。

４．工程３．によるシート体を、トムソン型を用いて、適用するグランドのステム径（中間外周面６ｂの径）より０．２ｍｍ小さい内径で、かつ、適用するグランドのボックス内径（中間内周面１ｂの径）より０．２ｍｍ大きい外径のリング体として打ち抜く。
・備考：平らな状態では、グランド部（シール用空間部１８）の投影面積より大きな面積とし、変形により機器への密着を高める。

５．工程４．により打ち抜かれたリング体を、断面形状がＶ字形で、かつ、その径方向での交差角度（挟角）が１５２度となるような成形が可能な金型へ投入し、面圧５Ｎ／ｍｍ^２でプレス成形する。
・備考：Ｖ字形として外径の縮小化及び内径の拡大化を図り、グランド部（シール用空間部１８）への挿入を容易にする。但し、交差角は１５２度に限定されない。

６．工程５．を行う際に、断面Ｖ字状の谷側がマイカシート１７（第２リング１７）で、かつ、山側がステンレス箔１６（第１リング１６）となる状態にセットして成形することによりＡシールリング１４（１２）を作製する。
それとは反対に、断面Ｖ字状の谷側がステンレス箔１６（第１リング１６）で、かつ、山側がマイカシート１７（第２リング１７）となる状態にセットして成形することによりＢシールリング１５（１２）を作製する。
・備考：シールリング１２は、Ｖ字の谷側がマイカシート１７でもステンレス箔１６でも形成可能である。

〔シールリングのガスシール特性〕
工程６、により作製された種々のシールリング１４（１２），１５（１２）を、図５に示すガスシール特性により評価し、合否を分けた。合格したシールリング１２を、Ｖ字における尖った側から先にグランド部（シール用空間部１８）に挿入する。一例として、４枚のＢシールリング１５（１２）を挿入し、それから１枚のＡシールリング１４（１２）を挿入する、といった具合である。
・備考：グランド（シール用空間部１８）の金属部分にシールリング１２のステンレス箔（第１リング１６）が接触しない方向で装填させると好都合である。この点からは、図３（ｂ）に示すＢシールリング１５が好適であるが、限定するものではない。場合によっては、グランド（シール用空間部１８）の金属部分にステンレス箔（第１リング１６）が接触する方向で装填し、使用することもある。

〔マイカシートの可撓性について〕
図４に示す各厚みでのマイカシート（第２リング１７）から内径３１．８ｍｍ、外径４９．２ｍｍのリングを打ち抜き、これを前記工程５．にて説明した成形金型に投入し、面圧５Ｎ／ｍｍ^２でプレス成形した試験用マイカリングとし、外観の目視チェックにより亀裂の有無を確認した。それら試験用マイカリングは前述のマイカシート（第２リング１７）を模擬している。この試験用マイカリングの目視チェックが、図４に示す１回目の亀裂の有無である。つまり、「１回目」とは、Ｖ字状断面の挟角θが所定角度（例：１５２度）に設定された自由状態のことである。

その後、２枚の平板の間に試験用マイカリングを挟み、面圧５Ｎ／ｍｍ^２で再びプレス成形して締付時（組付時）を模擬した締付後マイカリングとし、外観の目視チェックにより亀裂の有無を確認した。この締付後マイカリングの目視チェックが、図４に示す２回目の亀裂の有無である。つまり、「２回目」とは、締付によりＶ字状断面が変形して挟角θが前述の所定角度（例：１５２度）から平ら又は平らに近い緩い角度（例えば１７５度）に変化した使用状態のことである。

結果は、図４に示すように、厚みが１．０ｍｍを超える場合（１．３、１．７：単位ｍｍ）は、１回目又は２回目の少なくともいずれかにおいて外観での亀裂が視認された。厚みが１．０ｍｍｍ以下の場合（０．０５、０．２、０．５、０．７、１．０：単位ｍｍ）は、１回目及び２回目のいずれにおいても外観での亀裂は視認されなかった。従って、マイカシート（第２リング１７）の可撓性は、その厚みが１．０ｍｍ以下のものにおいて優れている。

〔ステンレス箔の厚さ〕
ステンレス箔（第１リング１６）の厚さが０．１ｍｍ超えの場合、締付時にシールリング１２における断面のＶ字形が平らに変形し難いことが知見された。平らにならずＶ字形のままであると、流体側に配置される構造物（シールリング１２やグランドパッキン等）に山折りの角部が突き刺さるように当接するため、応力伝達が不均一になり易い傾向がある。また、ステム外径（中間外周面６ｂの径）及びボックス内径（中間内周面１ｂの径）に密着し得ない。
ステンレス箔（第１リング１６）の厚さが０．０３ｍｍ未満の場合は、シールリング１２の成形後におけるＶ字状断面を保持できないようになる。

〔マイカシートの厚さ〕
マイカシート（第２リング１７）の厚さが１．０ｍｍを超えた場合、前述のように可撓性に乏しいため、変形によりマイカシートに亀裂が入り易い。この亀裂は、シールリング１２と、これの流体側に配置される構造物（シールリング１２やグランドパッキン等）との接触面での漏洩経路となるか、又は、シールリング１２とリング押え１３との接触面での漏洩経路となる。従って、シール性能を満足に発揮することはできない。
マイカシート（第２リング１７）の厚さが０．２ｍｍ未満の場合は、グランド部（中間外周面６ｂや中間内周面１ｂ）との馴染み性に劣り、やはり、シール性能を満足に発揮することはできない。

本願発明のシールリング１２による実用上の作用効果としては、以下のものが考えられる。
・使用時にＶ字形の断面が平ら（又は平らに近い緩い峡角）になる
・ステム外径（中間外周面６ｂ）及びボックス内径（中間内周面１ｂ）へ密着する
・流体側に配置される構造物（シールリング１２やパッキンなど）へ応力が均一に伝わる
・成形時にマイカシート（第２リング１７）に亀裂が入らない
・ステンレス箔（第１リング１６）とマイカシート（第２リング１７）とがずれない

〔別実施形態〕
リング軸心Ｐ方向に凸となる断面形状としては、Ｖ字形状の他、Ｗ字形状に屈曲されたものや、湾曲状やＳ字形状に形成されたものでも良い。
図２に示すシールリング１２は、４〜５個のＢシールリング１５のみ備える構造、複数又は単数のＡシールリング１４と複数又は単数のＢシールリング１５とを備える構造、その他でも良い。
また、図３に示すシールリング１２におけるＶ字状断面は、リングの径方向幅の中心に尖り先端が位置する対象形状のＶ字であるが、多少径方向で内又は外に寄った箇所に尖り先端が位置する非対象形状でも良い。

１６第１リング
１７第２リング
Ｐリング軸心

Claims

金属製で０．０３ｍｍ〜０．１ｍｍの厚さを有する第１リングと、マイカ製で０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの厚さを有する第２リングとが積層一体化されてなるシールリングであって、
躯体および前記躯体の径方向内側に配置されたリテーナからなるシール対象箇所にそれぞれ圧接可能な外径部分および内径部分を有し、
前記第１リングのリング軸心に関する径方向で切った、前記シールリングの断面形状が、前記外径部分と前記内径部分との間で前記リング軸心の方向に凸となる屈曲形状に設定され、
前記躯体と前記リテーナとの間をシールすべく、前記躯体と前記リテーナとの間で挟圧された場合に、前記外径部分が前記躯体の内周面に圧接されかつ前記内径部分が前記リテーナの外周面に圧接されるように拡がり変形する構成とされているシールリング。
前記第２リングが凸屈曲形状における山側に配置される状態に構成されている請求項１に記載のシールリング。