JP7093290B2 - グランドパッキン及びパッキン構造 - Google Patents

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Description

本発明は、グランドパッキン及びパッキン構造に関する。
特開平7-217745号公報(特許文献1)は、可動軸の周囲をシールするように構成されたシール装置を開示する。このシール装置は、各々が可動軸の周囲に配置された複数のグランドパッキン(膨張黒鉛製のパッキンリング)と、該複数のグランドパッキンを挟み込む2つのアダプターパッキンとを含んでいる(特許文献1参照)。
特開平7-217745号公報
上記特許文献1に開示されているシール装置においては、たとえば、可動軸が摺動した場合に、グランドパッキンに起因する膨張黒鉛(摩耗粉)が可動軸に固着し、可動軸に固着した膨張黒鉛がアダプターパッキンによって掻きとられる。その結果、たとえば、アダプターパッキンによって掻きとられた膨張黒鉛が、可動軸とグランドパッキンとの摺動面上に残留する可能性がある。可動軸とグランドパッキンとの摺動面上に膨張黒鉛が残留すると、該膨張黒鉛がグランドパッキンの内周面を摩耗させ、シール装置における気密性が低下する可能性がある。
また、上記特許文献1に開示されているシール装置においては、たとえば、グランドパッキンの内周面に潤滑剤が塗布される場合に、可動軸の摺動によって可動軸とグランドパッキンとの摺動面から潤滑剤が早期に流出する可能性がある。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、可動軸とグランドパッキンとの摺動面上における膨張黒鉛の残留を抑制するとともに、摺動面における潤滑剤切れを抑制することが可能なグランドパッキン及びパッキン構造を提供することである。
本発明のある局面に従うグランドパッキンは、可動軸の周囲に配置される。このグランドパッキンは、膨張黒鉛製のグランドパッキン本体を備える。このグランドパッキン本体は、筒状であって、径方向に複数の層が形成されている。このグランドパッキン本体は、軸方向の両端面である第1及び第2面を有する。グランドパッキンは、膨張黒鉛製の環状の第1シート部と、膨張黒鉛製の環状の第2シート部と、環状の第1多孔質部材と、環状の第2多孔質部材とをさらに備える。第1シート部は、上記第1面上に配置されている。第2シート部は、上記第2面上に配置されている。第1多孔質部材は、第1シート部上に配置されている。第2多孔質部材は、第2シート部上に配置されている。
このグランドパッキンは、第1及び第2多孔質部材を備えている。したがって、このグランドパッキンによれば、摺動面において生じた膨張黒鉛が第1及び第2多孔質部材に吸着されるため、摺動面上における膨張黒鉛の残留を抑制することができる。また、このグランドパッキンによれば、グランドパッキンの内周面並びに第1及び第2多孔質部材に潤滑剤が塗布された場合に、潤滑剤が第1及び第2多孔質部材によって保持され、摺動面において潤滑剤が不足したときに、第1及び第2多孔質部材から摺動面に潤滑剤が供給され得るため、摺動面における潤滑剤切れを抑制することができる。なお、このグランドパッキンにおいては、グランドパッキン本体において径方向に複数の層が形成されているため可動軸の軸方向において液体が浸透し得るが、第1及び第2面上に第1及び第2シート部がそれぞれ配置されているため可動軸の軸方向における浸透漏洩が抑制されている。
上記グランドパッキンにおいて、第1及び第2シート部は、第1及び第2面の中間に位置する面を対称面として面対称であってもよい。
このグランドパッキンにおいては、第1及び第2面の中間に位置する面を対称面として、第1及び第2シート部が面対称である。したがって、このグランドパッキンによれば、どちらの面からスタッフィングボックスに挿入したとしても、同様のシール効果を得ることができる。その結果、グランドパッキンの設置者は、グランドパッキンの表裏を意識することなく、グランドパッキンをスタッフィングボックス内に配置することができる。
上記グランドパッキンにおいて、第1及び第2シート部の各々は、第1及び第2シートを含み、第1及び第2シートの一方は、第1及び第2面の内周側を覆う一方、第1及び第2面の外周側を覆わず、第1及び第2シートの他方は、第1及び第2面の外周側を覆う一方、第1及び第2面の内周側を覆わず、第1及び第2シートは、部分的に重なり合ってもよい。
このグランドパッキンにおいては、第1及び第2シートの一方によって第1及び第2面の内周側が覆われ、第1及び第2シートの他方によって第1及び第2面の外周側が覆われ、第1及び第2シートは部分的に重なり合っている。したがって、このグランドパッキンによれば、グランドパッキン本体の第1面及び第2面の各々が第1及び第2シートによって覆われているため、可動軸の軸方向における浸透漏洩を抑制することができる。また、このグランドパッキンにおいては、第1及び第2シートの一方がグランドパッキン本体の軸方向両端面の外周側を覆わず、第1及び第2シートの他方がグランドパッキン本体の軸方向両端面の内周側を覆わない。すなわち、このグランドパッキンにおいては、第1及び第2シートによって、グランドパッキン本体の内周側及び外周側に段差が形成されている。このグランドパッキンによれば、該段差において、第1及び第2シートの一方とグランドパッキン本体とが引っ掛かり、第1及び第2シートの他方と多孔質部材とが引っ掛かるため、各部位の接合をより強固にすることができる。
上記グランドパッキンにおいて、第1及び第2多孔質部材の各々は、金属製のメッシュ成形品であり、第1及び第2シートの一方の内径は、第1及び第2多孔質部材の各々の内径よりも小さくてもよい。
このグランドパッキンにおいては、第1及び第2シートの一方の内周が第1及び第2多孔質部材の各々の内径よりも小さい。したがって、このグランドパッキンによれば、第1及び第2シートが可動軸のより近傍に位置するため、金属製のメッシュ成形品である第1及び第2多孔質部材が可動軸に接触する可能性を低減することができる。その結果、金属製のメッシュ成形品である第1及び第2多孔質部材が可動軸を摩耗させる可能性を低減することができる。なお、このグランドパッキンにおいては、第1及び第2多孔質部材の各々が金属製であり硬度が高いため、グランドパッキンに締付圧力を加えてもグランドパッキン本体のはみ出しが生じにくい。その結果、このグランドパッキンによれば、高い締付圧力を維持することができる。
上記グランドパッキンは、潤滑剤が含浸されていてもよい。
本発明の他の局面に従うパッキン構造は、複数のグランドパッキンが可動軸の周囲に配置された構造である。このパッキン構造において、複数のグランドパッキンの各々は、上記グランドパッキンである。
本発明によれば、可動軸とグランドパッキンとの摺動面上における膨張黒鉛の残留を抑制するとともに、摺動面における潤滑剤切れを抑制することが可能なグランドパッキン及びパッキン構造を提供することができる。
グランドパッキンの外観斜視図である。 グランドパッキンの平面図である。 図2のIII-III断面図である。 グランドパッキンを用いたパッキン構造の一例を示す図である。 グランドパッキンの製造に用いられる金型の平面図である。 図5のVI-VI断面図である。 グランドパッキンの製造手順を示すフローチャートである。 変形例におけるグランドパッキンの断面を示す図である。 比較例におけるグランドパッキンの配列を示す図である。 試験結果を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
[1.グランドパッキンの構成]
図1は、本実施の形態に従うグランドパッキン10の外観斜視図である。グランドパッキン10は、たとえば、バルブ等の貫通軸(可動軸)をシールするために利用される。
図1に示されるように、グランドパッキン10はリング形状を有する。グランドパッキン10の中央部分には、孔H1が形成されている。グランドパッキン10は、孔H1に可動軸(不図示)を通すことによって、可動軸の周囲に配置される。一般的に、可動軸の周囲には複数のグランドパッキン10が配置される。これにより、バルブ等の可動軸のシールが実現される。
図2は、グランドパッキン10の平面図である。図3は、図2のIII-III断面図である。図2及び図3を参照して、グランドパッキン10は、筒状のグランドパッキン本体100と、環状のシート部110,120と、環状のメッシュ成形品130,140とを一体成形することによって構成されている。
グランドパッキン本体100は、膨張黒鉛製である。グランドパッキン本体100においては、径方向に複数の層が形成されている。具体的には、グランドパッキン本体100は、膨張黒鉛テープを渦巻き状又は同心円状に巻き重ねることによって形成されている。すなわち、膨張黒鉛テープを巻き重ねることによって、グランドパッキン本体100の径方向には複数の層が形成される。なお、この膨張黒鉛テープにおいては、テープの幅方向の所定間隔毎にテープの長手方向に延びる皺が形成されている。この皺を予め形成することによって、一体成形時に膨張黒鉛テープに生じる座屈点の位置を制御することができる。
シート部110は膨張黒鉛シート112,114を含んでおり、シート部120は膨張黒鉛シート122,124を含んでいる。膨張黒鉛シート112,114,122,124の各々は、膨張黒鉛製である。また、膨張黒鉛シート112と膨張黒鉛シート122とは同一形状であり、膨張黒鉛シート114と膨張黒鉛シート124とは同一形状である。膨張黒鉛シート112,122の各々の内径は膨張黒鉛シート114,124の各々の内径よりも大きく、膨張黒鉛シート112,122の各々の外径は膨張黒鉛シート114,124の各々の外径よりも大きい。
膨張黒鉛シート114はグランドパッキン本体100の一方の面(上面)上に配置され、膨張黒鉛シート124はグランドパッキン本体100の他方の面(下面)上に配置されている。膨張黒鉛シート112は膨張黒鉛シート114上に配置され、膨張黒鉛シート122は膨張黒鉛シート124上に配置されている。すなわち、グランドパッキン本体100において、シート部110,120は、グランドパッキン10が可動軸の周囲に配置された場合に可動軸の軸方向に対して垂直な面のうち、グランドパッキン本体100の軸方向の両端面である上面及び下面の中間に位置する面を対称面として、面対称になっている。したがって、グランドパッキン10によれば、どちらの面からスタッフィングボックスに挿入したとしても、同様のシール効果を得ることができる。その結果、グランドパッキン10の設置者は、グランドパッキン10の表裏を意識することなく、グランドパッキン10をスタッフィングボックス内に配置することができる。
グランドパッキン10においては、膨張黒鉛シート114,124がグランドパッキン本体100の軸方向両端面の内周側(上面及び下面の内周側)を覆い、膨張黒鉛シート112,122がグランドパッキン本体100の軸方向両端面の外周側(上面及び下面の外周側)を覆っている。また、膨張黒鉛シート112と膨張黒鉛シート114とは部分的に重なり合っており、膨張黒鉛シート122と膨張黒鉛シート124とは部分的に重なり合っている。グランドパッキン10においては、グランドパッキン本体100において径方向に複数の層が形成されているため、可動軸の軸方向において液体が浸透し得る。しかしながら、グランドパッキン10によれば、グランドパッキン本体100の上面及び下面がそれぞれシート部110,120によって覆われているため、可動軸(不図示)の軸方向における浸透漏洩を抑制することができる。また、グランドパッキン10によれば、上述のように、膨張黒鉛シート114,124がグランドパッキン本体100の軸方向両端面の内周側を覆い、膨張黒鉛シート112,122がグランドパッキン本体100の軸方向両端面の外周側を覆っているため、グランドパッキン10の製造過程における加圧成形時にグランドパッキン本体100(膨張黒鉛製)がメッシュ成形品130,140に食い込むことを抑制することができる。
また、グランドパッキン10においては、膨張黒鉛シート114,124がグランドパッキン本体100の軸方向両端面の外周側を覆わず、膨張黒鉛シート112,122がグランドパッキン本体100の軸方向両端面の内周側を覆わない。すなわち、グランドパッキン10においては、グランドパッキン本体100の外周側に段差D1,D3が形成され、グランドパッキン本体100の内周側に段差D2,D4が形成されている。なお、段差D2,D4は、加圧成形時に湾曲した膨張黒鉛シート114,124と膨張黒鉛シート112,122との間にそれぞれ形成されている。段差D1,D3においてグランドパッキン本体100が引っ掛かることによって、シート部110,120とグランドパッキン本体100とが強固に接合されている。また、段差D2,D4においてメッシュ成形品130,140がそれぞれ引っ掛かることによって、シート部110,120とメッシュ成形品130,140とがそれぞれ強固に接合されている。
メッシュ成形品130,140の各々は、環状であり、かつ、金属製である。メッシュ成形品130,140の各々は、たとえば、ニット編みされた金属線を渦巻き状にして成形用金型に投入し、加圧成形することによって作成される。完成したメッシュ成形品130,140の各々は、多孔質かつ高硬度な部材となっている。
[2.グランドパッキンを用いたパッキン構造]
図4は、グランドパッキン10を用いたパッキン構造の一例を示す図である。図4に示されるように、パッキン構造20においては、可動軸30の周囲に形成されたスタッフィングボックス45内に5つのグランドパッキン10が配置されている。スタッフィングボックス45内において、グランドパッキン10は、グランド抑え40によって軸方向に押圧されている。これにより、可動軸30のシールが実現されている。なお、グランドパッキン10においては、メッシュ成形品130,140の各々が金属製であり硬度が高いため、グランドパッキン10に締付圧力を加えてもグランドパッキン本体100のはみ出しが生じにくい。その結果、グランドパッキン10によれば、高い締付圧力を維持することができる。
たとえば、可動軸30が軸方向に摺動すると、グランドパッキン本体100に起因する膨張黒鉛(摩耗粉)が可動軸30に固着する場合がある。仮にグランドパッキン10と可動軸30との摺動面上に膨張黒鉛が残留すると、膨張黒鉛がグランドパッキン10の内周面を摩耗させ、パッキン構造20における気密性が低下する。しかしながら、パッキン構造20においては、メッシュ成形品130,140が多孔質であり、メッシュ成形品130,140が摺動面上に生じた膨張黒鉛を吸着し得る。すなわち、パッキン構造20によれば、摺動面上に生じた膨張黒鉛がメッシュ成形品130,140によって摺動面の外部に排出されるため、摺動面上における膨張黒鉛の残留を抑制することができる。特に、摺動面に潤滑剤(たとえば、炭化水素系潤滑剤)が塗布されている場合には、潤滑剤がメッシュ成形品130,140側に浸入する流れにのって、膨張黒鉛がメッシュ成形品130,140の径方向奥側(外周側)まで移動する。これにより、メッシュ成形品130,140により多くの膨張黒鉛を保持させることができる。
また、グランドパッキン10においては、グランドパッキン10の内周面及びメッシュ成形品130,140に潤滑剤が塗布された場合に、潤滑剤がメッシュ成形品130,140によって保持される。したがって、グランドパッキン10によれば、摺動面において潤滑剤が不足したときに、メッシュ成形品130,140から摺動面に潤滑剤が供給され得るため、摺動面における潤滑剤切れを抑制することができる。
なお、メッシュ成形品130,140が強度を維持しかつ潤滑剤及び膨張黒鉛を適切に保持するためには、メッシュ成形品130,140の空隙率が50~70%であることが好ましい。
[3.グランドパッキンの製造方法]
図5は、グランドパッキン10の製造に用いられる金型50の平面図である。図6は、図5のVI-VI断面図である。なお、図6は、金型50において各材料が配置され、かつ、加圧成形前の状態を示している。図5及び図6に示されるように、金型50は、材料保持部52と加圧部54とを含んでいる。材料保持部52の所定位置に複数種類の材料が配置され、複数種類の材料が加圧部54によって押圧される。これにより、複数種類の材料の一体成形が行なわれる。
図7は、グランドパッキン10の製造手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、たとえば、グランドパッキン10の製造装置によって実行される。
図5、図6及び図7を参照して、製造装置は、材料保持部52上にメッシュ成形品140を配置する(ステップS100)。製造装置は、メッシュ成形品140上に膨張黒鉛シート122を配置する(ステップS110)。製造装置は、膨張黒鉛シート122上に膨張黒鉛シート124を配置する(ステップS120)。製造装置は、膨張黒鉛シート124上にグランドパッキン本体100を配置する(ステップS130)。製造装置は、グランドパッキン本体100上に膨張黒鉛シート114を配置する(ステップS140)。製造装置は、膨張黒鉛シート114上に膨張黒鉛シート112を配置する(ステップS150)。製造装置は、膨張黒鉛シート112上にメッシュ成形品130を配置する(ステップS160)。その後、製造装置は、加圧部54を押下させることによって、材料の加圧成形を行なわせる(ステップS170)。これにより、グランドパッキン10が製造される。
[4.特徴]
以上のように、グランドパッキン10は、メッシュ成形品130,140を備えている。したがって、グランドパッキン10によれば、摺動面において生じた膨張黒鉛がメッシュ成形品130,140に吸着されるため、摺動面上における膨張黒鉛の残留を抑制することができる。また、グランドパッキン10によれば、グランドパッキン10の内周面及びメッシュ成形品130,140に潤滑剤が塗布された場合に、潤滑剤がメッシュ成形品130,140によって保持され、摺動面において潤滑剤が不足したときに、メッシュ成形品130,140から摺動面に潤滑剤が供給され得るため、摺動面における潤滑剤切れを抑制することができる。なお、このグランドパッキン10においては、グランドパッキン本体100において径方向に複数の層が形成されているため可動軸の軸方向において液体が浸透し得るが、グランドパッキン本体100の両面上にシート部110,120がそれぞれ配置されているため可動軸の軸方向における浸透漏洩が抑制されている。
[5.変形例]
以上、実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。以下、変形例について説明する。但し、以下の変形例は適宜組合せ可能である。
<5-1>
上記実施の形態においては、グランドパッキン本体100及び膨張黒鉛シート114,124の内径と、メッシュ成形品130,140の内径とが略同一であるとした。しかしながら、各部材の内径の関係はこれに限定されない。
図8は、変形例におけるグランドパッキン10Aの断面を示す図である。図8に示されるように、たとえば、グランドパッキン本体100A及び膨張黒鉛シート114A,124Aの内径がメッシュ成形品130,140の内径より小さくてもよい。すなわち、膨張黒鉛シート114A,124Aの内周がメッシュ成形品130,140の内周よりも短くてもよい。グランドパッキン10Aによれば、グランドパッキン本体100A及び膨張黒鉛シート114A,124Aが可動軸のより近傍に位置するため、金属製のメッシュ成形品130,140が可動軸に接触する可能性を低減することができる。その結果、金属製のメッシュ成形品130,140が可動軸を摩耗させる可能性を低減することができる。
<5-2>
上記実施の形態においては、内径及び外径の小さい膨張黒鉛シート114,124がグランドパッキン本体100に近い位置に配置され、内径及び外径の大きい内外膨張黒鉛シート112,122がグランドパッキン本体100から遠い位置に配置された。しかしながら、各膨張黒鉛シートの位置はこれに限定されない。たとえば、内径及び外径の小さい膨張黒鉛シート114,124がグランドパッキン本体100から遠い位置に配置され、内径及び外径の大きい内外膨張黒鉛シート112,122がグランドパッキン本体100に近い位置に配置されてもよい。
<5-3>
上記実施の形態において、メッシュ成形品130,140の各々は金属製であるとされた。しかしながら、メッシュ成形品130,140の各々は必ずしも金属製である必要はない。メッシュ成形品130,140の各々は、たとえば、カーボンファイバー、炭素繊維、アルミナ、セラミックフィルタ等で構成されてもよい。すなわち、メッシュ成形品130,140の各々は、グランドパッキン本体100よりも多孔質かつ硬質な部材で構成されていればよい。
[6.実施例等]
以下、実施例について説明する。
<6-1.実施例>
(メッシュ成形品)
線径(直径)が0.15mmの金属線を使用して、幅が16mmとなるようにニット編みを行なった。ニット編みされた金属線を1.4g用意した。用意された金属線を内径24mm、外径37mmの成形用金型につる巻状に投入した。その後、成形面圧40N/mm2で加圧成形した。その結果、厚さ0.75mmの成形品が完成した。同様の方法で2枚のメッシュ成形品を作成した。
(膨張黒鉛シート)
厚み0.75mmの膨張黒鉛製シートを、内径24mm、外径35mmの打抜き型で打ち抜くことによって、2枚の膨張黒鉛シートを作成した。また、厚み0.75mmの膨張黒鉛製シートを、内径26mm、外径37mmの打抜き型で打ち抜くことによって、2枚の膨張黒鉛シートを作成した。
(グランドパッキン本体)
シート幅方向に2mm間隔でシート長手方向に延びるように深さ0.3mmで癖付けされた、厚み0.38mm、幅14mmの膨張黒鉛シート(テープ)を4.29g用意した。該膨張黒鉛シートを巻くことによって、グランドパッキン本体を作成した。
(グランドパッキン)
図7に示される手順で、各材料を金型に投入した後、成形面圧40N/mm2で加圧成形した。その後、加圧成形された成形品に炭化水素系潤滑剤の含浸処理を施した。そして、80℃環境で4時間乾燥させた。
<6-2.比較例>
特開平7-217745号公報に開示されているグランドパッキンに準じたグランドパッキンを用意した。
<6-3.試験及び結果>
実施例に従うグランドパッキンを図4に示されるように配列し、比較例に従うグランドパッキンを図9に示されるように配列した。実施例及び比較例において、グランドパッキンがシールする可動軸を軸方向に摺動させ、流体の漏洩量を測定した。なお、試験流体圧力は25.9MPaであり、試験温度は常温であり、試験流体はヘリウムガスであった。試験方法は、ISO15848-1(2015)に準じたものであった。
図10は、試験結果を示す図である。図10を参照して、横軸は摺動回数を示し、縦軸は流体の漏洩量を示す。比較例の漏洩量(L2)と比較して、実施例の漏洩量(L1)が改善されていることを確認することができた。
10 グランドパッキン、20 パッキン構造、30 可動軸、40 グランド抑え、45 スタッフィングボックス、50 金型、52 材料保持部、54 加圧部、100 グランドパッキン本体、110,120 シート部、112,114,122,124 膨張黒鉛シート、130,140 メッシュ成形品。

Claims (6)

  1. 可動軸の周囲に配置されるグランドパッキンであって、
    筒状であって、径方向に複数の層が形成された、膨張黒鉛製のグランドパッキン本体を備え、
    前記グランドパッキン本体は、軸方向の両端面である第1及び第2面を有し、
    前記グランドパッキンは、
    前記第1面上に配置された膨張黒鉛製の環状の第1シート部と、
    前記第2面上に配置された膨張黒鉛製の環状の第2シート部と、
    前記第1シート部上に配置された環状の第1多孔質部材と、
    前記第2シート部上に配置された環状の第2多孔質部材とをさらに備える、グランドパッキン。
  2. 前記第1及び第2シート部は、前記第1及び第2面の中間に位置する面を対称面として面対称である、請求項1に記載のグランドパッキン。
  3. 前記第1及び第2シート部の各々は、第1及び第2シートを含み、
    前記第1及び第2シートの一方は、前記第1及び第2面の内周側を覆う一方、前記第1及び第2面の外周側を覆わず、
    前記第1及び第2シートの他方は、前記第1及び第2面の外周側を覆う一方、前記第1及び第2面の内周側を覆わず、
    前記第1及び第2シートは、部分的に重なり合っている、請求項1又は請求項2に記載のグランドパッキン。
  4. 前記第1及び第2多孔質部材の各々は、金属製のメッシュ成形品であり、
    前記第1及び第2シートの一方の内径は、前記第1及び第2多孔質部材の各々の内径よりも小さい、請求項3に記載のグランドパッキン。
  5. 潤滑剤が含浸されている、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のグランドパッキン。
  6. 複数のグランドパッキンが可動軸の周囲に配置されたパッキン構造であって、
    前記複数のグランドパッキンの各々は、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のグランドパッキンである、パッキン構造。
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