KR100931697B1

KR100931697B1 - 패킹재료 및 이 재료를 사용한 그랜드 패킹

Info

Publication number: KR100931697B1
Application number: KR1020090045710A
Authority: KR
Inventors: 카쯔로 쯔카모토; 히로아키 쯔카모토
Original assignee: 제팬 마텍스 카부시키가이샤; 김광일
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2009-12-14
Also published as: JP2010255661A; JP5420963B2

Abstract

본 발명의 목적은, 내열성, 내구성, 밀봉성, 윤활성(저 토크성), 압축 복원성을 높은 레벨로 조화시키는 것이 가능하여, 화력발전소나 원자력발전소 같은 고압고온 조건하에서 사용하는데 적합한 그랜드 패킹 및 이에 사용되는 패킹재료를 제공하는데 있다. 본 발명에 따른 패킹재료는, 띠 형태의 제1 팽창 흑연 테이프를, 중심재를 피복하도록 꼬아 제1 실 형상체로 하고, 이 제1 실 형상체의 주위를 피복하도록 보강 선재를 떠서 제2 실 형상체로 하고, 이 제2 실 형상체의 주위를 피복하도록 띠 형태의 제2 팽창 흑연 테이프를 돌려 감아 이루어진 패킹재료이다.

그랜드 패킹(gland packing), 팽창 흑연 테이프, 팽윤성 점토재료, 실 형상체, 보강 섬유, 보강 선재(線材), 중심재(中芯材), 끈체(紐體), 리튬 이온, 토크성(torque性), 밀봉성(seal性), 축 밀봉(軸封, shaft seal)

Description

패킹재료 및 이 재료를 사용한 그랜드 패킹{Packing Material and Gland Packing Using the Same}

본 발명은, 패킹재료 및 이 재료를 사용한 그랜드 패킹(gland packing)에 관한 것으로, 보다 자세하게는, 저 토크성(低torque性)과 고 밀봉성(高seal性)을 양립시키는 것이 가능한 패킹재료 및 이 재료를 사용한 그랜드 패킹에 관한 것이다.

종래, 펌프나 밸브 같은 유체(流體)기기의 축 밀봉(軸封, shaft seal)을 하기 위해 그랜드 패킹이 사용되고 있지만, 화력발전소나 원자력발전소에서는, 고압고온 조건하(예를 들어, 초초임계압(ultra super critical)(374 ℃ 이상))에서의 사용이 되어, 스터핑박스(stuffing box) 내에 다수의 그랜드 패킹을 가압해 수용하기 때문에, 축(밸브 스템)의 회전 토크가 높아져 토크 모터에 큰 부담을 주기 쉽다.

이 때문에, 이 같은 상황하에서 사용되는 그랜드 패킹에는, 높은 레벨의 내열성, 내구성, 밀봉성, 윤활성(저 토크성), 압축 복원성이 요구된다.

그러나, 종래의 팽창 흑연제 그랜드 패킹은, 내열성, 내구성, 밀봉성, 윤활성(저 토크성), 압축 복원성을 높은 레벨로 조화시킬 수 없기 때문에, 화력발전소 나 원자력발전소 같은 고압고온 조건하에서 장기간에 걸쳐 사용하는 것은 곤란하였다.

상기 실상에 비추어, 본원 출원인은, 하기 특허문헌 1에서 팽창 흑연 테이프와 평평하고 가는 띠 형태의 탄소 섬유 다발을 조합시킨 구조의 그랜드 패킹을 제안하고 있다.

상기 그랜드 패킹은, 고온고압 조건하에서, 충분한 내구성과 높은 윤활성을 발휘할 수 있는 뛰어난 것이지만, 더 큰 특성의 향상, 특히 윤활성(저 토크성)과 밀봉성의 더 큰 향상이 요구되고 있다.

특허문헌 1: 일본 특허출원 공개 제2004-232806호 공보

본 발명은, 특허문헌 1에 개시된 그랜드 패킹을 더 개량한 것으로, 내열성, 내구성, 밀봉성, 윤활성(저 토크성), 압축 복원성을 높은 레벨로 조화시키는 것이 가능하여, 화력발전소나 원자력발전소 같은 고압고온 조건하에서 사용하는데 적합한 그랜드 패킹 및 이에 사용되는 패킹재료를 제공하는 것이다.

청구항 제1항에 따른 발명은, 띠 형태의 제1 팽창 흑연 테이프를, 중심재(中芯材)를 피복하도록 꼬아 제1 실 형상체로 하고, 이 제1 실 형상체의 주위를 피복 하도록 보강 선재(線材)를 떠서 제2 실 형상체로 하고, 이 제2 실 형상체의 주위를 피복하도록 띠 형태의 제 2 팽창 흑연 테이프를 돌려 감아 이루어진 것을 특징으로 하는 패킹재료에 관한 것이다.

청구항 제2항에 따른 발명은, 띠 형태의 제1 팽창 흑연 테이프와 1개 또는 복수개의 제1 보강 섬유를 적층한 적층 테이프를, 중심재를 피복하도록 꼬아 제1 실 형상체로 하고, 이 제1 실 형상체의 주위를 피복하도록 보강 선재를 떠서 제2 실 형상체로 하고, 이 제2 실 형상체의 주위를 피복하도록 띠 형태의 제2 팽창 흑연 테이프를 돌려 감아 이루어진 것을 특징으로 하는 패킹재료에 관한 것이다.

청구항 제3항에 따른 발명은, 상기 중심재에 팽윤성 점토재료가 피막되어 있고, 이 팽윤성 점토재료는, 층간 양이온이 리튬 이온으로 치환됨과 동시에 가열처리가 가해져 있는 것을 특징으로 하는 제1항 또는 제2항 기재의 패킹재료에 관한 것이다.

청구항 제4항에 따른 발명은, 상기 제1 보강 섬유에 상기 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있는 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제3항의 어느 한 항 기재의 패킹재료에 관한 것이다.

청구항 제5항에 따른 발명은, 상기 제1 팽창 흑연 테이프에 상기 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있는 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제4항의 어느 한 항 기재의 패킹재료에 관한 것이다.

청구항 제6항에 따른 발명은, 상기 제2 실 형상체에 상기 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있는 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제5항의 어느 한 항 기재 의 패킹재료에 관한 것이다.

청구항 제7항에 따른 발명은, 상기 제2 팽창 흑연 테이프에 상기 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있는 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제6항의 어느 한 항 기재의 패킹재료에 관한 것이다.

청구항 제8항에 따른 발명은, 상기 제2 팽창 흑연 테이프가 제2 보강 섬유를 내포하고 있는 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제7항의 어느 한 항 기재의 패킹재료에 관한 것이다

청구항 제9항에 따른 발명은, 상기 중심재가 스테인리스 또는 인코넬로 이루어진 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제8항의 어느 한 항 기재의 패킹재료에 관한 것이다.

청구항 제10항에 따른 발명은, 상기 보강 선재가 스테인리스 또는 인코넬로 이루어진 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제9항의 어느 한 항 기재의 패킹재료에 관한 것이다.

청구항 제11항에 따른 발명은, 상기 제2 보강 섬유가 탄소 섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 제8항 내지 제10항의 어느 한 항 기재의 패킹재료에 관한 것이다.

청구항 제12항에 따른 발명은, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 패킹재료를 편조(編組)하고, 그 편조체를 소정의 형상으로 가압 성형하여 이루어진 것을 특징으로 하는 그랜드 패킹에 관한 것이다.

청구항 제1항에 따른 발명에 따르면, 띠 형태의 제1 팽창 흑연 테이프를, 중심재를 피복하도록 꼬아 제1 실 형상체로 하고, 이 제1 실 형상체의 주위를 피복하도록 보강 선재를 떠서 제2 실 형상체로 하고, 이 제2 실 형상체의 주위를 피복하도록 띠 형태의 제2 팽창 흑연 테이프를 돌려 감아 이루어진 패킹재료이므로, 떠진 보강 선재에 의해 제2 실 형상체가 보강됨과 동시에, 보강 선재의 뜨개코에 제1 팽창 흑연 테이프 및 제2 팽창 흑연 테이프가 얽힘으로써, 보강 선재와 제1 팽창 흑연 테이프 및 제2 팽창 흑연 테이프가 강고하게 일체화된다. 이에 의해, 패킹재료의 내구성이 향상하여, 고온고압 조건하에서도 뛰어난 내구성을 발휘할 수 있다. 또한, 제2 실 형상체의 주위를 피복하도록 띠 형태의 제2 팽창 흑연 테이프를 돌려 감아 이루어져 있으므로, 밀봉성도 뛰어나다.

청구항 제2항에 따른 발명에 따르면, 띠 형태의 제1 팽창 흑연 테이프와 1개 또는 복수개의 제1 보강 섬유를 적층한 적층 테이프를, 중심재를 피복하도록 꼬아 제1 실 형상체로 하고 있기 때문에, 제1 실 형상체가 제1 보강 섬유에 의해 보강되어, 강도 및 내구성이 뛰어난 패킹재료를 얻을 수 있다.

청구항 제3항 내지 제7항에 따른 발명에 따르면, 중심재, 제1 보강 섬유, 제1 팽창 흑연 테이프, 제2 실 형상체, 제2 팽창 흑연 테이프 중 적어도 1개 이상에 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있으므로, 팽윤성 점토재료의 층 사이에 윤활유를 유지시킴으로써, 고온고압 조건하에서 뛰어난 윤활성(저 토크성)을 발휘할 수 있다. 게다가, 팽윤성 점토재료는, 층간 양이온이 리튬 이온으로 치환됨과 동시 에 가열처리가 가해져 있으므로, 물에 의한 분산을 막을 수 있어, 내수성이 뛰어난 것이 된다. 더욱이, 팽윤성 점토재료가 갖는 높은 내열성에 의해, 패킹재료의 내열성을 향상시킬 수 있다.

청구항 제8항에 따른 발명에 따르면, 제2 팽창 흑연 테이프가 제2 보강 섬유를 내포하고 있기 때문에, 제2 보강 섬유에 의해 제2 팽창 흑연 테이프의 강도가 높아져, 패킹재료의 내구성을 향상시킬 수 있다.

청구항 제9항 및 제10항에 따른 발명에 따르면, 중심재 또는 보강 선재가, 고강도이며 내식성이 뛰어난 스테인리스 또는 인코넬로 이루어져 있기 때문에, 패킹재료의 내구성을 향상시킬 수 있다.

청구항 제11항에 따른 발명에 따르면, 제2 팽창 흑연 테이프에 내포되는 제2 보강 섬유가 탄소 섬유로 이루어져 있으므로, 제2 팽창 흑연 테이프가 보강되어, 패킹재료의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 제2 보강 섬유가 노출되지 않기 때문에, 스템 등에 흠집이 나는 것을 방지할 수 있다.

청구항 제12항에 따른 발명에 따르면, 청구항 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 패킹재료를 편조하고, 그 편조체를 소정의 형상으로 가압 성형하여 이루어진 것을 특징으로 하는 그랜드 패킹이므로, 내열성, 내구성, 밀봉성, 윤활성(저 토크성), 압축 복원성을 높은 레벨로 조화시키는 것이 가능하여, 화력발전소나 원자력발전소 같은 고압고온 조건하에서 사용하는데 적합한 그랜드 패킹이 된다.

이하, 본 발명에 따른 패킹재료 및 이 재료를 사용한 그랜드 패킹의 가장 알맞은 실시형태에 관하여, 도면을 참조하면서 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 패킹재료의 단면을 확대해 나타낸 사시도이고, 도2는 본 발명에 따른 패킹재료의 제조방법을 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 패킹재료(1)는, 띠 형태의 제1 팽창 흑연 테이프(2)와 1개 또는 복수개의 제1 보강 섬유(3)를 적층한 적층 테이프(4)를, 중심재(5)를 피복하도록 꼬아 제1 실 형상체(6)로 하고, 이 제1 실 형상체(6)의 주위를 피복하도록 보강 선재(7)를 떠서 제2 실 형상체(8)로 하고, 이 제2 실 형상체(8)의 주위를 피복하도록 띠 형태의 제2 팽창 흑연 테이프(9)를 돌려 감아 이루어진 것이다.

패킹재료(1)의 지름은, 예를 들어 Φ1.2∼3.0 mm의 범위로 설정된다.

도3(a)는 제1 실 형상체(6)를 나타낸 사시도이고, 도3(b)는 제1 실 형상체(6)를 형성하는 모습을 나타낸 도면이다.

제1 실 형상체(6)는, 띠 형태의 제1 팽창 흑연 테이프(2)와, 1개 또는 복수개의 제1 보강 섬유(3)를 적층한 적층 테이프(4)를, 중심재(5)를 피복하도록 꼬아 형성된다.

제1 팽창 흑연 테이프(2)와 제1 보강 섬유(3)는, 접착제 층(14)을 사이에 두고 적층해 일체화시켜도 되고, 접착제를 사용하지 않고 단순히 겹치기만 해도 된다.

접착제층(14)을 구성하는 접착제의 종류는 특별히 한정되지 않고, 유기질계 접착제, 무기질계 접착제, 무·유기혼합질계 접착제 등의 여러 접착제에서 선택해 사용할 수 있으며, 예를 들어 폴리비닐 알코올(PVA)이 가장 알맞게 사용된다. 또한, PVA 부직포, PVA 필름, 폴리에틸렌 필름, 올레핀계 필름, 우레탄계 필름 등의 열융착 필름을 사용할 수도 있다.

제1 팽창 흑연 테이프(2)로는, 천연 흑연, 열분해 흑연, 키슈 흑연 등의 흑연 분말을, 농황산, 농초산 등과 반응시켜 일단 층간 화합물로 한 후, 수세 등을 거쳐 잔류 화합물을 얻고, 이를 급열해 팽창시켜 얻어지는 가소성 팽창 흑연 그 자체를, 롤재(roll材) 등으로 압축 성형하여 시트 형태로 하고, 이를 띠 형태로 절단한 것을 사용할 수 있다.

제1 팽창 흑연 테이프(2)의 밀도는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0.80∼2.2 g/㎤인 것이 바람직하다. 밀도가 이 범위 내에 있으면, 팽창 흑연 테이프의 표면에 결정(結晶) 레벨의 요철이 형성되어, 그 위에 적층되는 제1 보강 섬유(3)와의 사이에 앵커 효과를 일으키게 할 수 있다. 이에 대해, 밀도가 0.80 g/㎤ 미만이면 조직의 결이 너무 성겨져서, 패킹으로 만들었을 때 밀봉성이 저하할 우려가 있다. 반대로, 밀도가 2.2 g/㎤를 넘으면, 조직의 결이 너무 조밀해져 앵커 효과를 일으키게 하기 어려워져, 제1 보강 섬유(3)와의 적층을 양호하게 못할 우려가 있다.

제1 팽창 흑연 테이프(2)의 두께는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 0.1∼1.5 mm, 보다 바람직하게는 0.2∼0.4 mm 정도가 되는 것이 바람직하다. 두께가, 0.1 mm 미만이면, 팽창 흑연이 갖는 뛰어난 내열성, 내식성, 내마모성을 양호하게 발현시킬 수 없다. 또한, 이처럼 극박(極薄)인 것은 제조가 곤란하여 경제적이지 않다. 반대로, 두께가 1.5 mm를 넘으면, 팽창 흑연의 물러짐이 나타나기 쉽다.

제1 팽창 흑연 테이프(2)의 폭은, 바람직하게는 3∼10 mm가 되고, 보다 바람직하게는 4∼5 mm가 된다. 폭이 10 mm를 넘으면, 유연성이 저하해 가공하기 어려워질 우려가 있다. 반대로, 폭이 3 mm 미만이 되면, 허용 인장력이 극도로 저하해, 가공시 파단할 우려가 있다.

제1 보강 섬유(3)로는, 아크릴계나 피치계 등의 탄소 섬유나, 유리, 세라믹, 록울(rock wool) 등으로 이루어진 무기계 섬유 등이 가장 알맞게 사용된다.

복수개의 탄소 섬유를 사용할 경우, 개섬(開纖)된 띠 형태의 탄소 섬유 다발(이하, '개섬 섬유 다발'이라 칭함)이 가장 알맞게 사용된다. 도3(b)에서는 제1 보강 섬유(3)로서 개섬 섬유 다발을 사용한 경우가 나타나 있다.

개섬 섬유 다발은, 제1 팽창 흑연 테이프(2)를 보강함과 동시에 팽창 흑연 테이프에 부족하기 쉬운 탄력성을 보충하고, 또한, 고체 윤활재의 역할을 다할 수도 있는 것이다.

개섬 섬유 다발은, 탄소 섬유 다발을 원래 폭에서 필요로 하는 폭으로 평평하게 늘린 띠 형태의 섬유 집합체이다. 상기 개섬 섬유 다발은 기계적 강도가 뛰어나고, 또한, 그 기계적 강도 등의 여러 성질이, -200 ℃∼+600 ℃ 사이에서 거의 변화하지 않고, 저온 특성, 고온 특성 모두 뛰어나다. 따라서, 개섬 섬유 다발은, 상온 영역에서는 물론이고, 가혹 온도 환경하에서도 확실하게 제1 팽창 흑연 테이프(2)를 보강할 수 있다.

또한, 개섬 섬유 다발은 내식성 및 내마모성도 뛰어나므로, 화력발전소나 원자력발전소 같은 가혹 환경하에서도 장기간 사용에 견딜 수 있다.

개섬 섬유 다발의 두께는, 0.01∼0.5 mm로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.15∼0.4 mm가 된다. 이는, 두께가 0.01 mm 미만이면, 충분한 윤활성 및 밀봉성을 얻을 수 없고, 반대로, 두께가 0.5 mm를 넘으면, 충분한 유연성을 얻을 수 없기 때문이다.

개섬 섬유 다발의 제조방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 초음파나 유체류(流體流)를 사용하여, 멀티 필라멘트라 불리는 섬유 다발(탄소 섬유 다발)을 얇고 큰 폭으로 개섬할 수 있다. 이 때 띠의 폭은, 제1 팽창 흑연 테이프(2)와 같게 설정되며, 바람직하게는 3∼10 mm가 되고, 보다 바람직하게는 4∼5 mm가 된다.

제1 실 형상체(6)는, 상기 제1 팽창 흑연 테이프(2)와 제1 보강 섬유(3)를 적층한 적층 테이프(4)를, 중심재(5)를 피복하도록 꼬아 형성된다(도3 참조). 이 때, 제1 보강 섬유(3)가 안쪽(중심재(5)쪽)이 되도록 하면, 패킹을 형성했을 때 섬유가 바깥면으로 노출되는 일이 확실히 방지되기 때문에 바람직하다.

도시되어 있지 않지만, 본 발명에서는, 적층 테이프(4)를 대신해 제1 팽창 흑연 테이프(2)만을 사용하는 구성, 즉 제1 보강 섬유(3)를 사용하지 않는 구성을 채용할 수도 있다.

이 경우, 제1 실 형상체(6)는, 띠 형태의 제1 팽창 흑연 테이프(2)를, 중심재(5)를 피복하도록 꼬아 형성된다.

본 발명에서는, 팽창 흑연 테이프(2), 제1 보강 섬유(3), 중심재(5) 중 적어도 어느 하나(바람직하게는 전부)에, 리튬화된 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있는 것이 바람직하다. 피막 두께는, 예를 들어 0.01∼0.02 mm로 설정된다. 또한, 피막은 한쪽 면에 형성해도 되고 양쪽 면에 형성해도 된다.

도1에서는, 해칭이 가해진 부분(11)이 리튬화된 팽윤성 점토재료를 나타내고 있다.

팽윤성 점토재료로는, 8면체 결정 구조로 이루어진 8면체 층을, 4면체 결정 구조로 이루어진 한 쌍의 4면체 층 사이에 끼운 구조의 단위층이 층층이 겹쳐 쌓여 있고, 각 단위층 간에 Na^＋, K^＋, Ca² ^＋, Mg² ^＋ 등의 층간 양이온(교환성 양이온)을 갖는 것이 사용된다.

구체적으로는, 몬모릴로나이트, 베이델라이트, 사포나이트, 헥토라이트(hectorite), 스티븐사이트(stevensite), 소코나이트(sauconite) 등의 스멕타이트(smectite)가 사용된다.

본 발명에서는, 이들 중에서 몬모릴로나이트 또는 스티븐사이트가 특히 가장 알맞게 사용된다. 그 이유는, 이들 스멕타이트가, 상기 8면체 층에 여분의 사이트를 갖고 있어, 뒤에서 설명하는 리튬 이온이 안정적으로 존재할 수 있기 때문이다. 또한, 몬모릴로나이트를 주성분으로 하는 벤토나이트를 사용할 수도 있다.

본 발명에서 사용되는 팽윤성 점토재료는, 상기 층간 양이온 전부 또는 일부(가장 알맞게는 적어도 50 % 이상)가 리튬 이온으로 치환되어 있음과 동시에, 가열처리가 가해져 있다(즉, 리튬화되어 있다).

층간 양이온을 리튬 이온으로 치환하는 방법으로는, 팽윤성 점토재료를 리튬 이온과 함께 물에 분산시키는 방법을 예시할 수 있다. 팽윤성 점토재료의 물 분산 액에 리튬화합물을 첨가하면, 단위층 간에 있는 층간 양이온과 리튬 이온이 이온 교환되고, 이에 의해 층간 양이온의 전부 또는 일부가 리튬 이온으로 치환된다.

리튬화합물로는, 수산화리튬, 염화리튬, 황산리튬 등의 1종류 이상의 리튬화합물이 사용된다. 이 중, 불순물이 되는 음이온을 포함하지 않는 수산화리튬이 가장 알맞게 사용된다. 리튬화합물은, 이온 교환을 충분히 하기 위하여, 층간 양이온량(이온 교환 용량)에 대해 1∼30배의 양을 첨가하는 것이 바람직하다.

이어서, 상기 층간 양이온이 리튬 이온으로 치환된 점토재료를 가열처리한다.

가열처리의 온도 조건은, 230 ℃ 이상인 것이 바람직하고, 300 ℃ 이상인 것이 보다 바람직하며, 350 ℃ 이상인 것이 가장 바람직하다. 800 ℃를 넘으면 점토가 열화(劣化)하기 때문에 바람직하지 않다. 처리시간은, 20분 이상 24시간 이내인 것이 바람직하고, 저온일 경우에는 장시간으로 하면 된다.

가열처리를 가함으로써, 단위층 간에 있는 리튬 이온의 적어도 일부를 8면체 층 내에 이동시킬 수 있다. 리튬 이온이 8면체 층 내에 이동하면, 단위층 간에 있는 층간 양이온이 감소하여 수화력(水和力)이 저하하기 때문에, 내수성이 향상한다(물 분산성이 없어진다).

중심재(5)는, 팽윤성 점토재료의 물 분산액에 리튬화합물을 첨가함으로써 층간 양이온의 전부 또는 일부가 리튬 이온으로 치환된 점토재료(12)에 침지(도2 참조)되고, 그 후에 가열처리가 이루어진다.

팽창 흑연 테이프(2) 및 제1 보강 섬유(3)에 관해서는, 상기 점토재료(12)에 침지(도시 생략)된 후에 가열처리를 해도 되고, 상기 점토재료(12)에서 점토막을 작성해 이를 가열처리하고, 가열처리 후의 점토막을 팽창 흑연 테이프(2) 또는 제1 보강 섬유(3)의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 적층해도 된다.

또한, 가열처리에 관해서는, 제1 실 형상체(6)를 형성한 후의 단계에서 해도 되고, 제2 실 형상체(8)를 형성한 후의 단계에서 해도 되며, 패킹재료(1)를 형성한 후의 단계에서 해도 된다.

상기 팽윤성 점토재료는, 유기 카티온 처리 또는 시릴화(cyril化) 처리가 이루어진 변성 점토로 이루어진 것이어도 된다.

유기 카티온으로는, 제4급 암모늄 카티온 또는 제4급 포스포늄 카티온이 사용된다. 제4급 암모늄 카티온으로는, 특별히 한정되지 않지만, 디메틸디옥타데실 (dimethyl dioctadecyl) 타입, 디메틸스테아릴(dimethyl stearyl)벤질 타입, 트리메틸스테아릴 타입이 예시된다.

시릴화제(劑)로는, 특별히 한정되지 않지만, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 프로필트리메톡시실란, 부틸트리메톡시실란, 헥실트리메톡시실란, 옥틸트리메톡시실란을 예시할 수 있다.

상기 제1 실 형상체(6)의 주위를 피복하도록 보강 선재(7)를 떠서 제2 실 형상체(8)가 형성된다(도2 참조).

보강 선재(7)의 재질로는, 예를 들어, 스테인리스(SUS304, SUS316, SUS316L 등), 인코넬, 니켈, 니켈합금을 들 수 있고, 그 중에서도 강도나 내식성의 관점에서, 스테인리스 또는 인코넬을 사용하는 것이 바람직하며, 인코넬을 사용하는 것이 가장 바람직하다.

보강 선재(7)의 지름은, 0.05∼0.35 mm로 하는 것이 바람직하고, 0.08∼0.15 mm로 하는 것이 보다 바람직하다. 지름이 0.05 mm 미만이면 뜨개 가공시 파단할 우려가 있고, 0.35 mm를 넘으면 뜨개 가공을 하기 어려워져, 어느 경우나 바람직하지 않기 때문이다.

보강 선재(7)로서, 경(硬)금속 선재와 연(軟)금속 선재, 2종류의 금속 선재를 사용하는 것도 가능하다. 이 경우, 2종류의 금속 선재를 겹치거나 또는 서로 꼬아 1개로 하고, 이를 제1 실 형상체(6)의 겉면을 피복하는 뜨개실로서 사용하면 된다.

경금속 선재로는, 브리넬 경도가 90∼240 (kg/mm²)인 것이 사용된다.

이 같은 경도를 갖는 금속재료는, 고온하에서의 인장강도 등의 기계적 강도가 높고, 반복하중에 대한 피로 한도도 높다. 또한, 이 같은 경도를 갖는 금속은, 고온하에서 크리프(creep)가 발생하기 어렵다.

따라서, 경금속 선재는, 패킹의 기계적 강도를 향상시킴과 동시에, 고온하에서의 내크리프성(耐creep性)을 높여, 패킹에 응력 완화가 생기지 않도록 할 수 있다.

경금속 선재로는, 예를 들어, 스테인리스, 인코넬, 니켈, 니켈합금을 들 수 있다.

경금속 선재의 지름은, 0.05∼0.35 mm로 하는 것이 바람직하다. 지름이 0.05 mm 미만이면 뜨개 가공시 파단할 우려가 있고, 0.35 mm를 넘으면 뜨개 가공을 하기 어려워져, 어느 경우나 바람직하지 않기 때문이다.

연금속 선재로는 브리넬 경도가 40∼55 (kg/mm²)인 것이 사용된다.

이 같은 경도를 갖는 금속재료는, 패킹이 접촉하는 상대 재료보다 경도가 낮기 때문에, 패킹이 상대 재료에 대해 상대적으로 변위한 경우에 상대 재료에 흠집을 내는 일이 없다. 또한, 이 같은 경도를 갖는 금속재료는, 유연성이 뛰어나, 소성 가공을 용이하게 할 수 있다.

따라서, 연금속 선재가 차지하는 비율이 많을수록, 보강 선재(7)에 의한 뜨개 가공을 용이하게 할 수 있다. 또한, 뜨개 가공으로 얻은 제2 실 형상체(8)에서 제조된 패킹재료를 가압 성형하여 패킹으로 할 때, 표면 및 내부가 치밀하게 촘촘한 패킹으로 할 수 있다.

또한, 이 같은 경도를 갖는 금속재료는, 상대 재료에 대한 친밀성이 양호하다. 이 때문에, 연금속 재료가 차지하는 비율이 많을수록, 패킹의 밀봉성을 향상시킬 수 있다.

더욱이, 이 같은 경도를 갖는 금속재료는, 400∼850 ℃ 정도의 온도하에서는 변질되기 어렵다. 따라서, 패킹의 밀봉성을 고온하에서 안정시킬 수 있다.

연금속 선재로는, 예를 들어, 구리, 모넬 메탈 등의 구리합금, 알루미늄, 알루미늄합금을 들 수 있다.

연금속 선재의 지름은, 0.05∼0.35 mm로 하는 것이 바람직하다. 지름이 0.05 mm 미만이면 뜨개 가공시 파단할 우려가 있고, 0.35 mm를 넘으면 뜨개 가공을 하기 어려워져, 어느 경우나 바람직하지 않기 때문이다.

보강 선재(7)로서 경금속 선재와 연금속 선재, 2종류의 금속 선재를 사용할 경우, 양자의 개수의 비는 1:1∼0.3으로 하는 것이 바람직하다. 이를 비의 값(경금속 선재의 개수/연금속 선재의 개수)으로 나타내면 1∼약 3.3이 된다.

비(比)의 값이 1 미만이면 제2 실 형상체(8)의 기계적 강도가 낮아지고, 반대로 3.3을 넘으면 뜨개 가공을 하기 어려워지는데다가, 제2 실 형상체의 친밀성이 저하해 패킹의 밀봉성이 저하할 우려가 있기 때문에, 어느 경우나 별로 바람직하지 않다.

제1 실 형상체(6)의 겉면을 피복하도록 떠지는 보강 선재(7)의 뜨개코의 피치(pitch)는, 길이 방향 및 폭 방향에 있어 각각 1.5∼6 mm로 하는 것이 바람직하다.

보강 선재(7)의 뜨개코의 피치가 1.5 mm 미만이면, 뜨개코에 팽창 흑연이 깊숙이 들어가기 어렵기 때문에 패킹의 친밀성이나 밀봉성을 충분히 얻을 수 없고, 한편, 6 mm를 넘으면, 패킹의 강도가 저하하기 때문에, 어느 경우나 바람직하지 않다.

보강 선재(7)의 뜨개법(뜨개 조직)에 관해서는, 세로뜨기(經編, warp knitting)여도 좋고 가로뜨기(緯編, weft knitting)여도 좋지만, 강도 면에서 가로뜨기가 바람직하다.

가로뜨기로 할 경우, 그 구체적인 형태는 특별히 한정되지 않고, 원통뜨기(丸編, circular knitting), 사각뜨기(角編, square braid), 평뜨기(平編, flat knitting, plain stitch), 고무뜨기(rib stitch), 안뜨기(purl stitch, pearl stitch), 터크뜨기(tuck knitting), 플로우트 스티치(float stitch), 외이랑뜨기(片疇編, 핫찌), 양이랑뜨기(兩疇編, 니쥬), 양면뜨기, 레이스뜨기, 플레이티드 스티치(plated　stitch) 등의 형태를 채용할 수 있다.

본 발명에서는, 제2 실 형상체(8)에 상기 리튬화된 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있는 것이 바람직하다.

팽윤성 점토재료로는, 앞서 설명한 것이 가장 알맞게 사용된다.

보다 구체적으로는, 몬모릴로나이트, 베이델라이트, 사포나이트, 헥토라이트, 스티븐사이트, 소코나이트 등의 스멕타이트(가장 알맞게는, 몬모릴로나이트 또는 스티븐사이트)의 층간 양이온의 전부 또는 일부가 리튬 이온으로 치환되어 있음과 동시에 가열처리가 가해져 있는(즉, 리튬화되어 있는) 것이다.

가열처리는, 예를 들어, 제2 실 형상체(8)를, 팽윤성 점토재료의 물 분산액에 리튬화합물을 첨가함으로써 층간 양이온의 전부 또는 일부가 리튬 이온으로 치환된 점토재료(12)에 침지(도2 참조)한 후에 하면 된다.

상기 제2 실 형상체(8)(리튬화된 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있는 것이 바람직하지만, 그렇지 않은 것이어도 된다.)의 주위를 피복하도록 띠 형태의 제2 팽창 흑연 테이프(9)를 돌려 감는다(도2 참조). 이에 의해, 본 발명에 따른 패킹재료를 얻을 수 있다.

제2 팽창 흑연 테이프(9)로는, 상기 제1 팽창 흑연 테이프(2)와 동일한 것을 사용할 수 있다.

제2 팽창 흑연 테이프(9)에는, 제2 보강 섬유(13)가 내포되어 있는 것이 바 람직하다.

제2 보강 섬유(13)로는 탄소 섬유가 가장 알맞게 사용되지만, 그 밖의 유기 섬유나 무기 섬유를 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 아라미드 섬유 등의 합성수지 섬유, 스테인리스(SUS304, SUS316, SUS316L 등)나 인코넬 등으로 이루어진 금속 섬유, 유리 섬유 등의 무기 섬유, 면사 등을 사용할 수 있다.

탄소 섬유를 사용할 경우, 상기 개섬 섬유 다발을 사용하는 것이 바람직하다. 개섬 섬유 다발은, 제2 팽창 흑연 테이프(9)를 보강함과 동시에 팽창 흑연 테이프에 부족하기 쉬운 탄력성을 보충하는 역할을 다할 수 있다.

본 발명에 있어서는, 제2 팽창 흑연 테이프(9)에 상기 리튬화된 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있는 것이 바람직하다.

리튬화된 팽윤성 점토재료로는, 앞서 설명한 것이 가장 알맞게 사용된다.

구체적으로는, 몬모릴로나이트, 베이델라이트, 사포나이트, 헥토라이트, 스티븐사이트, 소코나이트 등의 스멕타이트(가장 알맞게는, 몬모릴로나이트 또는 스티븐사이트)의 층간 양이온의 전부 또는 일부가 리튬 이온으로 치환되어 있음과 동시에 가열처리가 가해져 있는(즉, 리튬화되어 있는) 것이다.

가열처리는, 제2 팽창 흑연 테이프(9)를 상기 점토재료(12)에 침지한 후에 해도 되고, 상기 점토재료(12)에서 점토막을 작성해 이를 가열처리하고, 가열처리후의 점토막을 제2 팽창 흑연 테이프(9)의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 적층해도 된다.

본 발명에 있어서는, 위에서 설명한 바와 같이, 중심재(5), 제1 보강 섬유(3), 제1 팽창 흑연 테이프(2), 제2 실 형상체(8), 제2 팽창 흑연 테이프(9) 중 적어도 1개 이상에 리튬화된 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있는 구성이 바람직하게 채용된다.

상기 구성을 채용하면, 팽윤성 점토재료의 층 사이에 윤활유나 녹 방지유가 유지됨으로써, 고온고압 조건하에서 뛰어난 윤활성(저 토크성) 및 내식성을 발휘할 수 있다. 또한, 리튬화된 팽윤성 점토재료는, 물에 의한 분산이 일어나지 않기 때문에 내수성이 뛰어난 것이 된다. 더욱이, 팽윤성 점토재료가 갖는 높은 내열성에 의해, 패킹재료의 내열성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 그랜드 패킹은, 상기 패킹재료를 편조하고, 그 편조체를 소정의 형상으로 가압 성형함으로써 얻을 수 있다.

보다 구체적으로는, 상기 패킹재료를 편조함으로써, 서큘러 니팅 코드(circular knitting cord), 스퀘어 니팅 코드(square knitting cord) 등의 뜨개끈(knitting cord)이나, 서큘러 브레이드(circular braid), 스퀘어 브레이드(square braid)등의 꼰 끈(braid) 등의 형태를 이루는 끈체(紐體)를 구성할 수 있다. 그 밖에, 장갑형상끈이나 고착끈 등의 형태를 이루는 끈체를 구성할 수도 있다. 또한, 꼰 끈의 경우에는, 4꼬기, 8꼬기, 16꼬기, 18꼬기, 24꼬기, 32꼬기 등, 임의의 꼬기법이 가능하다. 도4(a)∼(d)는, 본 발명에 따른 패킹재료를 편조함으로써 얻어지는 끈체(15)의 일례를 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 그랜드 패킹(10)은, 상기 끈체(15)를 가압 성형하여 얻어지는 것으로서, 예를 들어 도5에 나타나 있듯이 링 형태로 형성된다. 이 같은 그랜드 패킹(10)은, 스터핑박스 내에 가득 담겨, 유체 기기의 축 밀봉을 위해 사용할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 그랜드 패킹(10)은, 내열성, 내구성, 밀봉성, 윤활성(저 토크성), 압축 복원성을 높은 레벨로 조화시키는 것이 가능하기 때문에, 화력발전소나 원자력발전소 같은 고압고온 조건하에서 사용하는데 적합한 그랜드 패킹이 된다.

본 발명은, 예를 들어 화력발전소나 원자력발전소 같은 고압고온 조건하에서의 밸브 축 밀봉용 그랜드 패킹 등으로서 가장 알맞게 이용할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 패킹재료의 단면을 확대해 나타낸 사시도이다.

도2는 본 발명에 따른 패킹재료의 제조방법을 나타낸 도면이다.

도3은 (a)가 제1 실 형상체를 나타낸 사시도이고, (b)가 제1 실 형상체를 형성하는 모습을 나타낸 도면이다.

도4는 본 발명에 따른 패킹재료를 편조함으로써 얻어지는 끈체의 일례를 나타낸 도면이다.

도5는, 본 발명에 따른 그랜드 패킹의 일례를 나타낸 사시도이다.

*도면의 주요 부호에 대한 설명*

1: 패킹재료 2: 제1 팽창 흑연 테이프

3: 제1 보강 섬유 4: 적층 테이프

5: 중심재(中芯材) 6: 제1 실 형상체

7: 보강 선재(線材) 8: 제2 실 형상체

9: 제2 팽창 흑연 테이프 10: 그랜드 패킹(gland packing)

11: 리튬화된 팽윤성 점토재료

12: 점토재료(팽윤성 점토재료의 물 분산액에 리튬화합물을 첨가함으로써 층간 양이온의 전부 또는 일부가 리튬 이온으로 치환된 것)

13: 제2 보강 섬유 14: 접착제 층

15: 끈체(紐體)

Claims

띠 형태의 제1 팽창 흑연 테이프를, 중심재(中芯材)를 피복하도록 꼬아 제1 실 형상체로 하고, 이 제1 실 형상체의 주위를 피복하도록 보강 선재(線材)를 떠서 제2 실 형상체로 하고, 이 제2 실 형상체의 주위를 피복하도록 띠 형태의 제2 팽창 흑연 테이프를 돌려 감아 이루어진 패킹재료로서, 상기 중심재에 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있고, 상기 팽윤성 점토재료는, 층간 양이온이 리튬 이온으로 치환됨과 동시에 가열처리가 가해져 있는 것을 특징으로 하는 패킹재료.
띠 형태의 제1 팽창 흑연 테이프와 1개 또는 복수개의 제1 보강 섬유를 적층한 적층 테이프를, 중심재를 피복하도록 꼬아 제1 실 형상체로 하고, 이 제1 실 형상체의 주위를 피복하도록 보강 선재를 떠서 제2 실 형상체로 하고, 이 제2 실 형상체의 주위를 피복하도록 띠 형태의 제2 팽창 흑연 테이프를 돌려 감아 이루어진 패킹재료로서, 상기 중심재에 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있고, 상기 팽윤성 점토재료는, 층간 양이온이 리튬 이온으로 치환됨과 동시에 가열처리가 가해져 있는 것을 특징으로 하는 패킹재료.
제 2항에 있어서, 상기 제1 보강 섬유에 상기 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있는 것을 특징으로 하는 패킹재료.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 팽창 흑연 테이프, 제2실 형상체, 또는 제2 팽창 흑연 테이프 중 하나 이상에 팽윤성 점토재료가 함침 또는 피막되어 있는 것을 특징으로 하는 패킹재료.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 팽창 흑연 테이프가 제2 보강 섬유를 내포하고 있는 것을 특징으로 하는 패킹재료.
제3항에 있어서, 상기 제2 팽창 흑연 테이프가 제2 보강 섬유를 내포하고 있는 것을 특징으로 하는 패킹재료.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심재가 스테인리스 또는 인코넬로 이루어진 것을 특징으로 하는 패킹재료.
제3항에 있어서, 상기 중심재가 스테인리스 또는 인코넬로 이루어진 것을 특징으로 하는 패킹재료.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보강 선재가 스테인리스 또는 인코넬로 이루어진 것을 특징으로 하는 패킹재료.
제3항에 있어서, 상기 보강 선재가 스테인리스 또는 인코넬로 이루어진 것을 특징으로 하는 패킹재료.
제5항에 있어서, 상기 제2 보강 섬유가 탄소 섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 패킹재료.
제6항에 있어서, 상기 제2 보강 섬유가 탄소 섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 패킹재료.
제1항 내지 제3항, 제6항, 제8항, 제10항, 제12항 중 어느 한 항에 기재된 패킹재료를 편조(編組)하고, 그 편조체를 소정의 형상으로 가압 성형하여 이루어진 것을 특징으로 하는 그랜드 패킹.
제4항에 기재된 패킹재료를 편조(編組)하고, 그 편조체를 소정의 형상으로 가압 성형하여 이루어진 것을 특징으로 하는 그랜드 패킹.
제5항에 기재된 패킹재료를 편조(編組)하고, 그 편조체를 소정의 형상으로 가압 성형하여 이루어진 것을 특징으로 하는 그랜드 패킹.
제7항에 기재된 패킹재료를 편조(編組)하고, 그 편조체를 소정의 형상으로 가압 성형하여 이루어진 것을 특징으로 하는 그랜드 패킹.
제9항에 기재된 패킹재료를 편조(編組)하고, 그 편조체를 소정의 형상으로 가압 성형하여 이루어진 것을 특징으로 하는 그랜드 패킹.
제11항에 기재된 패킹재료를 편조(編組)하고, 그 편조체를 소정의 형상으로 가압 성형하여 이루어진 것을 특징으로 하는 그랜드 패킹.