JP5984360B2 - グランドパッキン - Google Patents

Description

本発明は、グランドパッキンに関する。

従来、グランドパッキンとして、所定長さの紐状パッキン基材を、環状にした状態で、プレスにより加圧成型したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
図９は、従来のグランドパッキンにおける編み糸９０の編み方の一例を示す説明図である。この図に示すように、８本（又は４本）の編み糸を八編み（八打ち）によって編み組することによって、紐状パッキン基材８９が製造され、その断面形状は、ほぼ正方形となる。そして、編み組されたこの紐状パッキン基材８９を所定長さに切断し、切断面同士を突き合わせて環状とし、これを金型により加圧成型し、環状のグランドパッキンが製造される。

上記のとおり製造されたグランドパッキンは、例えばポンプ、バルブなどに用いられるシール装置として用いられ、その利用形態を図１０に示している。ポンプなどのハウジング９１内に軸９２が配置されており、これらの間に形成された環状空間Ａに、複数の（図例では３つの）グランドパッキン９３が軸方向に並べて設置されている。これらグランドパッキン９３は、ハウジング９１の内周側段部９５と、大気側に設けられている筒状の締め付け部材９４との間に軸方向から挟まれた状態にある。
そして、締め付け部材９４がボルト９６によって流体９９側（軸方向内部側）へ締め付けられると、グランドパッキン９３は軸方向に圧縮され、さらに、グランドパッキン９３は圧縮されるにつれてハウジング９１の内周面９１ａ及び軸９２の外周面９２ａに密着する。これにより、ハウジング９１内の流体９９が大気側へ漏れるのを防止することができる。

特開２００７−１３８３１６号公報（図３参照）

上記のように、８本の編み糸９０（図９参照）を八編みした紐状パッキン基材８９からなるグランドパッキンは、一般的に硬いものとなるが、特に圧力の高い流体を密封するために、締め付け部材９４（図１０参照）による締め付け力（軸方向圧縮力）を大きくすると、グランドパッキン９３が異常変形する場合がある。すなわち、締め付け力を大きくすると、グランドパッキン９３の一部（軸方向両側の一部）９３ａが、ハウジング９１と軸９２との隙間９７、及び、締め付け部材９４と軸９２との隙間９８に、はみ出るおそれがある。
このように、グランドパッキン９３の一部９３ａが、本来グランドパッキン９３が存在すべき領域からはみ出ると、グランドパッキン９３をさらに締め付けても、その密度はさほど高まらず、所望の密封性能を得ることができない場合がある。

そこで、本発明の目的は、軸方向に締め付けられた際に、異常変形し難いグランドパッキンを提供することである。

本発明のグランドパッキンは、複数本の編み糸を単一の軌道に沿って動かしながら編んで帯状とした平打組物からなる所定長さの帯状パッキン基材を有し、前記帯状パッキン基材は、渦巻き状に重ね巻きされた状態で、径方向及び軸方向から圧縮されていることを特徴とする。

本発明のグランドパッキンの製造方法は、複数本の編み糸を単一の軌道に沿って動かしながら、各編み糸が、他の編み糸に対して上下交互に編まれ、これが繰り返されることにより、帯状とした平打組物からなる所定長さの帯状パッキン基材を、その幅方向が渦巻きの中心線と平行となるようにして渦巻き状に重ね巻きし、前記帯状パッキン基材を、渦巻き状に重ね巻きした状態で、前記中心線と直交する径方向及び前記中心線と平行する軸方向から圧縮成形することを特徴とする。

また、前記編み糸は、膨張黒鉛材料と、当該膨張黒鉛材料の外周を被覆している補強材と、を有し、前記補強材は、細糸が網状に編まれた編組体からなる。
この場合、細糸が網状に編まれた編組体からなる補強材によって膨張黒鉛材料の外周が被覆され、この膨張黒鉛材料を編み糸として平打組物が構成される。そして、この平打組物からなる帯状パッキン基材が渦巻き状に複数重ね巻きされる。したがって、渦巻き状となって重なっている帯状パッキン基材間では、編組体からなる補強材が密な状態となり、グランドパッキンの剛性をより一層高めることができる。

本発明によれば、パッキン基材の編み糸が半径方向及び軸方向に密に並んだ状態となり、剛性を高めることができるため、軸方向の締め付け力を大きくしても、従来に比べて異常変形し難いグランドパッキンとすることができる。

本発明のグランドパッキンがシール装置として用いられている流体機器の一部の断面図である。 平打組物からなる帯状パッキン基材の説明図である。 グランドパッキンを軸方向から見た図である。 グランドパッキンの斜視図であり、一部を断面として示している。 （Ａ）は、編み機の一部と、この編み機によって編まれている平打組物の説明図であり、（Ｂ）は、平打組物の横断面を示す図である。 編み糸の説明図である。 実施例と従来例との性能比較として、圧縮復元特性について説明する説明図である。 実施例と従来例との性能比較として、締め付け圧の伝達特性及び変換特性について説明する説明図である。 従来のグランドパッキンにおける編み糸の編み方の一例を示す説明図であり、８本の編み糸によって八編み（八打ち）する場合の図である。 従来のグランドパッキンがシール装置として用いられている流体機器の一部の断面図である。

図１は、本発明のグランドパッキンがシール装置として用いられている流体機器の一部の断面図である。この流体機器は、バルブ又はポンプなどであり、ハウジング１と、このハウジング１の内部空間に設けられている軸２とを備えている。
そして、ハウジング１と軸２との間に形成されている環状空間Ａに、グランドパッキン３が軸方向に並べて配置されている。本実施形態では３つのグランドパッキン３が並べて配置されている。なお、軸２は、軸２の中心線回りに回転したり、軸方向に往復移動したりする。

環状空間Ａの大気側（軸方向外部側）に、筒状でありフランジ部４ａ付きの締め付け部材４が設けられている。グランドパッキン３は、この締め付け部材４とハウジング１の内周側の段部５との間に軸方向から挟まれた状態にある。ハウジング１の段部５及び内周面１ａと、軸２の外周面２ａとによって、パッキンボックスが構成され、このパッキンボックス内が上記環状空間Ａであり、このパッキンボックス内にグランドパッキン３が設置されている。

ボルト６によって締め付け部材４を流体９側（軸方向内部側）へ締め付けると、グランドパッキン３は、軸方向に圧縮され（潰され）、さらに、圧縮されるにつれてハウジング１の内周面１ａ及び軸２の外周面２ａに密着する。これにより、軸２が回転したり軸方向に往復移動したりしても、ハウジング１内の流体９が外部（大気側）へ漏れるのを防ぐことができる。ハウジング１、軸２、締め付け部材４及びボルト６は、金属製である。

３つのグランドパッキン３は全て同じものである。これらグランドパッキン３それぞれは、所定長さの帯状パッキン基材を有している。図２は、帯状パッキン基材７の説明図である。また、図３は、この帯状パッキン基材７を有するグランドパッキン３を軸方向から見た図である。図４は、このグランドパッキン３の斜視図であり、一部を断面として示している。

図２において、帯状パッキン基材７は、複数本の編み糸８を編んで帯状とした平打組物（平織組物）２０からなる。平打組物２０は、後にも説明するが、複数本の編み糸８を単一の軌道に沿って動かしながら編んだ編物である。
そして、グランドパッキン３は、この平打組物２０からなる帯状パッキン基材７を、図３と図４とに示すように、渦巻き状に複数重ね巻きした状態で、径方向及び軸方向から圧縮して断面角形としたものである。本実施形態のグランドパッキン３は、１本の長い帯状パッキン基材７を渦巻き状にほぼ４周巻き、４重に重ね巻きしたものである。そして、これを加圧成型して断面矩形としている。加圧成型は、プレス及び金型により行われる。つまり、金型に、渦巻き状に重ね巻きしたパッキン基材７を設置し、これをプレスが金型内で圧縮成型する。

〔平打組物２０及び編み糸８について〕
図２において、平打組物２０は、複数本の編み糸８を単一の軌道（経路）に沿って動かしながら編んで構成されている。図５（Ａ）は、編み機の一部と、この編み機によって編まれている平打組物２０の説明図である。編み機は、編み糸８と同数（本実施形態では四つ）の組錘２７を有している。組錘２７は、単一の編み糸８を保持しつつ当該編み糸８を繰り出す機能を有している。各組錘２７は、波状の軌道Ｋに沿って導かれて移動することができ、四つの組錘２７が交互に交差することにより、各組錘２７から繰り出された編み糸８は編まれる。四つの組錘２７の軌道Ｋは１本であり、編み糸８それぞれは、この単一の軌道Ｋに沿って動きながら編まれることとなる。図５（Ａ）の破線が、軌道Ｋを示しており、この軌道Ｋに沿って付されている矢印が、各組錘２７（各編み糸８）の移動経路を示している。

以上より、各編み糸８が、他の編み糸８に対して上下交互に編まれ、これが繰り返されることにより、平打組物２０が得られ、この平打組物２０は、複数本の編み糸８が一つの面に沿って（平面に沿って）編まれた編物となる。図５（Ｂ）に示すように、平打組物２０は、横断面で編み糸８が平面的に配置され、一重の編組が成されたものとなり、薄い帯状となる。なお、図５では、説明を容易とするために、編み糸８数を少なくして説明しているが、編み糸８の数は、平打組物２０の必要な幅に応じて変更される。
この平打組物２０によれば、編み糸８は、平打組物２０の長手方向及び幅方向に対して傾斜した構成となる。図２（Ａ）では、幅方向の直線Ｌに対して、編み糸８の直線部分が角度θで傾斜している。

なお、平打組物２０は、編み糸をニット編みしたニット編物とは異なる。ニット編みは、一本の糸で一つの輪を作り、この輪に次に作った輪を入れてすくいだし、これを連続させる編み方である。このニット編みの編物によってグランドパッキンを構成した場合、編物内において編み糸が複雑に屈曲及び交差するために、編み糸の適用材料に制限がある。また、編み糸が複雑に屈曲及び交差するため、変形し易い特徴を備える。また、編み糸間に隙間が発生しやすく密封性能を高めることが困難となる。

編み糸８について説明する。図６は、編み糸８の説明図である。編み糸８は、膨張黒鉛材料１１と、この膨張黒鉛材料１１の外周を被覆している補強材１２とを有する。膨張黒鉛材料１１の一例としては、上記特許文献１（特開２００７−１３８３１６号公報）に記載された従来のグランドパッキンに用いられているものを採用することができる。そして、この膨張黒鉛材料１１の外周が、補強材１２によって編組補強されている。本実施形態の補強材１２は、細糸（細線）１２ａが網状に編まれた編組体からなる。

細糸１２ａは金属糸であり、例えば、ステンレス線、インコネル糸又はモネル糸などがある。なお、細糸１２ａを非金属糸とすることもでき、この場合、化学繊維とすることができ、有機繊維（木綿、レーヨン、フエノール、アラミド、ＰＢＯ、ＰＢＩ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ、ＰＥＥＫなど）又は無機繊維（炭素繊維、セラミック繊維など）がある。

〔グランドパッキン３の機能について〕
以上の構成を備えたグランドパッキン３は、編み糸８を平編みすることによって得られた平打組物２０からなる帯状パッキン基材７を、渦巻き状に重ね巻きし、径方向及び軸方向から加圧成型してなるものであるため、図４に示すように、編み糸８が径方向及び軸方向に重なるようにして配置され、編み糸８が半径方向及び軸方向に整列して密に並んだ状態となり、剛性の高いグランドパッキン３となる。このため、図１に示している締め付け部材４及びボルト６によって、このグランドパッキン３への軸方向の締め付け力を大きくしても、従来と比べて異常変形し難い。

特に本実施形態では、編み糸８が、膨張黒鉛材料１１と、この膨張黒鉛材料１１の外周を被覆するように配置した補強材１２とを有しており、補強材１２は、金属製などの細糸１２ａが網状に編まれた編組体からなる。このような、補強材１２によって補強されている膨張黒鉛材料１１を、編み糸として平打組物２０が構成され、この平打組物２０からなる帯状パッキン基材７が、渦巻き状に重ね巻きされている。なお、この膨張黒鉛材料１１は、特許文献１に記載されている様に、互いに位置をずらして配置された矩形の膨張黒鉛の集合体から構成されている。したがって、渦巻き状となって重なっている帯状パッキン基材７間では、編組体からなる補強材１２（細糸１２ａ）が密な状態となり、グランドパッキン３の径方向及び軸方向の剛性をより一層高めることができる。

この結果、従来のように（図１０参照）グランドパッキン９３の一部９３ａが、本来グランドパッキン９３が存在すべき領域（パッキンボックス）から、はみ出すというような不具合の発生を、本実施形態のグランドパッキン３によれば防ぐことができ、このグランドパッキン３によれば、軸方向の締め付け力に応じてグランドパッキン３の密度は高まり、所望のシール性能を維持することが可能となる。

また、従来のように（図９参照）八編みにより編み組された紐状パッキン基材を所定長さに切断し、切断面同士を突き合わせて環状としたグランドパッキンでは、その突き合わせ面において、隙間が発生し、流体の漏れが生じる可能性があるが、本実施形態に係るグランドパッキン３は、帯状パッキン基材７を渦巻き状として環状としていることから、従来のような突き合わせ面は存在せず、高いシール性能が得られる。

また、帯状パッキン基材７は、Ｎ本（ただし、Ｎは３以上の整数）の編み糸８を有し、本実施形態では、４本の編み糸８を有している。この編み糸８の数を増加させることで、編み方を変えることなく、幅方向に広い帯状パッキン基材７が得られる。
このように、帯状パッキン基材７が平打組物２０からなることにより、編み糸８の数を変更することによって帯状パッキン基材７の幅を変更することができる。この結果、帯状パッキン基材７の幅方向が渦巻きの中心線と平行となるようにして、パッキン基材７は渦巻き状に巻かれることから、編み糸８の数を変更することによって、グランドパッキン３の軸方向寸法Ａ（図４参照）を容易に変更することができる。

そして、この帯状パッキン基材７の巻数を変更することで、グランドパッキン３の径方向寸法Ｂ（図４参照）を容易に変更することができる。つまり、巻数を増やすと、径方向寸法Ｂを大きくすることができ、巻数を減らすと、径方向寸法Ｂを小さくすることができる。
このように、本発明のグランドパッキン３によれば、軸方向寸法Ａ及び径方向寸法Ｂを容易に変更可能であることから、グランドパッキン３の断面形状のアスペクト比を様々な値（例えば２以上の大きな値）に設定することが可能となる。
なお、従来のグランドパッキンでは、図８に示しているように断面形状がほぼ正方形となるように作製しているため、このようなアスペクト比の変更には限界がある。
以上より、製造可能なグランドパッキン３の寸法範囲が、従来よりも広くなり、グランドパッキン３を様々な機器に適用可能となる。

〔実施例〕
実施例として、厚み０．３８ｍｍ、幅１ｍｍ、長さ２００ｍｍの矩形状の膨張黒鉛材料１１を、その端部を互いにずらしながら、補強材１２として金属製細糸１２ａ（線径０．１ｍｍのインコネル糸）からなるニット編筒状部に挿入し、膨張黒鉛材料１１と金属製細糸の重量比が７：３となる編み糸８を製作した。この編み糸８を用いて、図２のように平編みして平打組物２０からなる帯状パッキン基材７とし、このパッキン基材７を図３に示すように渦巻き状に重ね巻きし、径方向及び軸方向から加圧成型して断面矩形のグランドパッキン３を製造した。加圧成型前の帯状パッキン基材７の厚さは４．５ｍｍであり、幅が１３ｍｍである。このパッキン基材７を加圧成型した後の密度は、１．９５ｇ／ｃｍ^３である。

これに対して、従来例として、膨張黒鉛材料及び補強材として金属製細糸（インコネル糸）からなる編み糸を、図８のように八編みして断面ほぼ正方形のパッキン基材とし、このパッキン基材を所定長さに切断し、切断面を突き合わせて一つの環状とし、径方向及び軸方向から加圧成型して断面矩形のグランドパッキンを製造した。加圧成型前のパッキン基材の高さは９ｍｍであり、幅が７ｍｍである。そして、加圧成型した後の密度は、実施例と同じ１．９５ｇ／ｃｍ^３である。なお、パッキン基材を加圧成型する際の成型面圧は、実施例と従来例とを同じである。

実施例と従来例との性能比較のために試験を行った。圧縮復元特性について図７により説明する。実施例と従来例とのグランドパッキンそれぞれを、図１に示しているように、ハウジング１と軸２との間の環状空間に設置し、締め付け部材４により各グランドパッキンを圧縮した。なお、グランドパッキンは一つとしている。
試験は、無負荷状態から５８．８Ｎ／ｍｍ^２の面圧で締め付け、その後、無負荷状態とした際の、各グランドパッキン（実施例及び従来例）の圧縮率と復元率とを測定した。

なお、圧縮率とは、圧縮前のグランドパッキンの軸方向寸法Ａ（図４参照）をＡ０とし、前記面圧で締め付けた状態での軸方向寸法をＡ１とした場合、図７に記載の式により求められる。復元率は、前記面圧で締め付けた後、無負荷状態とした際の軸方向寸法をＡ２とすると、図７に記載の式により求められる。

圧縮率に関して、実施例は１９．１％であるのに対して、従来例は２２．３％である。復元率に関して、実施例は３．７％であるのに対して、従来例は１１．８％である。すなわち、実施例は従来例に比べると圧縮率が低いことから、実施例は変形し難い特性を有している。つまり、実施例のグランドパッキンは比較例よりも強固であり剛性が高い。
このため、実施例のグランドパッキンによれば、その一部が、本来グランドパッキンが存在すべき領域から、はみ出すのを防ぐことができ、グランドパッキンの締め付け力に応じてグランドパッキンの密度は高まり、所望のシール性を確保することが可能となる。

図８は、締め付け圧の伝達特性及び変換特性についての試験結果を示している。締め付け圧の伝達特性（伝達率）は、グランドパッキンの軸方向一方側の側面を締め付け部材４によって締め付けた際の面圧をＦとし、この面圧Ｆによってグランドパッキンの軸方向他方側の側面において発生した面圧をｆとした場合、これら面圧の比（ｆ／Ｆ）である。面圧Ｆと面圧ｆとは方向が一致している。

締め付け圧の変換特性（変換率）は、グランドパッキンの軸方向一方側の側面を締め付け部材４によって締め付けた際の面圧をＦとし、この面圧Ｆによってグランドパッキンの内周面に発生する面圧をＰとした場合、これら面圧の比（Ｐ／Ｆ）である。面圧Ｆと面圧Ｐとは方向が直交しており、締め付け圧の変換特性は、軸方向の締め付け力が、どの程度、軸２に対する径方向の締め付け力として生じることができるかを示す指標である。

締め付け圧の伝達特性に関して、実施例は８５．５％であるのに対して、従来例は８９．３％である。締め付け圧の変換特性に関して、実施例は６８．１％であるのに対して、従来例は５５．３％である。この結果によれば、軸方向の締め付け力が、径方向の締め付け力へと変換される割合が、従来例と比べて実施例の方が高いことがわかる。
つまり、軸方向の締め付け力が従来例と実施例とで同じであっても、実施例では、従来品に比べて軸２に対する面圧（シール面圧）を高くすることが可能となる。

以上、図７と図８との性能比較の結果によれば、平打組物２０からなる帯状パッキン基材７を渦巻き状とした実施例のグランドパッキン３は、八編みした紐状パッキン基材を環状とした従来例のグランドパッキンよりも、剛性が高く、異常変形を防ぐことができると共に、軸方向から受ける締め付け力を、その内周側の軸２に対する締め付け力（径方向力）へと、効率良く変換することができ、高いシール性能を有することが可能となる。

本発明のグランドパッキンは、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。前記実施形態では、帯状パッキン基材７を４層巻きとしたが、帯状パッキン基材７を多層巻きとすればよく、４周巻き以外であってもよい。

３：グランドパッキン ７：帯状パッキン基材 ８：編み糸 １１：膨張黒鉛材料 １２：補強材 １２ａ：細糸 ２０：平打組物 Ｋ：軌道

Claims (2)

1. 複数本の編み糸を単一の軌道に沿って動かしながら、各編み糸が、他の編み糸に対して上下交互に編まれ、これが繰り返されることにより、帯状とした平打組物からなる所定長さの帯状パッキン基材を、その幅方向が渦巻きの中心線と平行となるようにして渦巻き状に重ね巻きし、
   前記帯状パッキン基材を、渦巻き状に重ね巻きした状態で、前記中心線と直交する径方向及び前記中心線と平行する軸方向から圧縮成形することを特徴とするグランドパッキンの製造方法。
2. 前記編み糸は、膨張黒鉛材料と、当該膨張黒鉛材料の外周を被覆している補強材と、を有し、前記補強材は、細糸が網状に編まれた編組体からなる請求項１に記載のグランドパッキンの製造方法。

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