JP6159620B2 - グランドパッキン - Google Patents

Description

本発明は、ポンプやバルブ等の流体機器のシール部品として使用されるグランドパッキンに関するものである。

ポンプ、バルブ等の流体機器の軸封部などに用いるグランドパッキンや、それに用いるヤーン（編み糸）に関する従来技術として、一般的には特許文献１にて開示されたように、膨張黒鉛を用いたものが良く知られている。膨張黒鉛は、柔軟性や耐薬品性に優れ、密着性に富み、高温にも耐える利点はあるが、引張り強さが非常に小さく、もろくて折れやすい欠点がある。

そこで、強度や磨耗に強い繊維からなるヤーンや、これを撚り又は編組して紐状に構成されてなるグランドパッキンも作られている。例えば、特許文献２や特許文献３において開示されるアクリル繊維を用いたものが知られている。これらの有機繊維としては、アクリルやアクリル系のほか、レーヨン、セルロース、麻、綿、ポリビニルアルコールなど、種々のものが考えられる。

有機繊維の特徴としては、材料により、強度や磨耗に強い、耐熱性や吸湿性が低い、高温や耐薬品性に優れる、紫外線に弱い、抵抗力が強い、といった具合に様々である。従って、用途に合った材料による繊維材料を選択することが要求される。
即ち、グランドパッキンと、ポンプなどの流体機器のシャフト（軸）との滑りに重要な摩擦（摩擦係数）をある程度小さいものにすることや、グランド部やシャフトとの馴染み性に重要な柔軟性のあることなどが、ヤーンを形成する繊維（有機繊維）に求められる。

そこで、種々の特性が要求される繊維の特性を表す一要素として、特許文献４にて開示されるように、限界酸素指数（ＬＯＩ）というものがある。限界酸素指数は、プラスチック或いは繊維などの素材の燃焼の容易さを知る評価法の一つであり、空気の「窒素分子／酸素分子」の比を変化させて、着火を起こす限界の酸素濃度、即ち、限界酸素指数（Ｌｉｍｉｔｉｎｇ Ｏｘｙｇｅｎ Ｉｎｄｅｘ：ＬＯＩ）を求めている。

特開昭５９−０６８３８７号公報 特開平１１−２１７７２３号公報 特開平０９−０７８３７５号公報 特開２０１３−０６７９２０号公報

そこで、本発明は、有機繊維などの繊維によるヤーンを用いたグランドパッキンを構築するに当り、必要となる特性の良し悪しを、その限界酸素指数の値との関係を見出して適切に定義することにより、必要となる特性を備えたより好ましいグランドパッキンを得ることを主な目的とする。また、繊維の断面形状工夫により、その好ましい特性を安定的に発揮できるようにすることも目的である。

請求項１に係る発明は、グランドパッキンにおいて、
限界酸素指数が２１〜３０を呈する繊維ｓを加撚してなるヤーンＹの単数又は複数を撚り又は編組して構成されるとともに、
前記繊維ｓは、その繊維断面を互いに平行な２本の直線Ｌ１，Ｌ２で挟んだ状態における前記２本の直線Ｌ１，Ｌ２どうしの間隔の最大値ａを最小値ｂで除した値である扁平率ｆが１．１〜４と定義されるものを含んでいることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のグランドパッキンにおいて、
前記繊維ｓは、その断面形状に１箇所以上の凹部１を有するものを含んでいることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載のグランドパッキンにおいて、
前記凹部１の深さｈが０．４μｍ以上あることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載のグランドパッキンにおいて、前記繊維ｓは、アクリル系繊維を有していることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載のグランドパッキンにおいて、
前記アクリル系繊維が、アクリロニトリル酢酸ビニル共重合体繊維であることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載のグランドパッキンにおいて、
前記限界酸素指数が２２〜２６であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、繊維の限界酸素指数が２１以上であることにより、摩擦係数を小さくすることができる。従って、このヤーン用いてなるグランドパッキンは、シャフトなどの対摺動物との摩擦の少ない利点が得られる。
一方、繊維の限界酸素指数が３０以下であることにより、柔軟性に富むものとすることができる。従って、このヤーン用いてなるグランドパッキンは、シャフトなどの対摺動物への馴染み性が良好となり、漏洩の少ない優れたシール性を得ることができる利点がある。

請求項１の発明によれば、扁平率ｆにおいて、ｆ≧１．１の繊維を加撚してなるヤーンの撚り又は編組によるグランドパッキンは、含浸材を保持し易くなるとともに、ｆ≦４の繊維を用いてなるグランドパッキンは、応力緩和を十分小さくでき、シールに必要な応力を確保及び維持することができる。
従って、１．１≦ｆ≦４のものが存在すれば、前述の作用効果であるｖ「含浸材が保持され易くなる」やｚ「シールに必要な応力の確保や維持」が明確に得られる。

その結果、有機繊維などの繊維によるヤーンの撚り又は編組してグランドパッキンを構築するに当り、必要となる特性の良し悪しを、その限界酸素指数の値との関係を見出して適切に定義すること、及び繊維の断面形状を工夫することにより、必要となる特性を備えたグランドパッキンを提供することができる。
そして、請求項６のように、限界酸素指数が２２〜２６であれば、請求項１の構成による前記作用効果をより強化可能なグランドパッキンを提供することができる。

請求項２の発明によれば、１箇所以上の凹部を有する繊維の存在により、その凹部に含浸材を保持することができる。そして、その１箇所以上の凹部を有する繊維が含まれる繊維でなるヤーンを用いてグランドパッキンが構成されているので、含浸材を保持可能となる利点を実質的に発揮することができるグランドパッキンを提供することができる。
そして、１箇所以上の凹部を有する繊維が５０％以上存在すれば、前述の作用効果であるｗ「含浸材を保持可能となる利点」が明確に得られるため好ましい。
この場合、請求項３のように、含浸材保持のし易さの点から、凹部の深さは０．４μｍ以上あれば好ましい。

使用する繊維としては、請求項４のように、アクリル系繊維を有しているものが良く、また、請求項５のように、アクリル系繊維を、アクリロニトリル酢酸ビニル共重合体繊維とすれば好都合である。

単繊維の断面形状を示す断面写真 繊維の断面形状や扁平率を示す図 漏洩試験装置の構成を示す概略図 図３における漏洩試験部分の詳細図 応力緩和試験機を示す模式図 摩擦試験装置を示す模式図 漏洩試験及び摩擦試験の各結果を示す図表 図７に示す各試験結果を示すグラフ 扁平率と含浸率及び応力緩和との関係を示す図表

以下に、本発明によるグランドパッキンの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下においては、限界酸素指数は「ＬＯＩ」と略称するものとする。

〔実施形態１〕
本発明によるグランドパッキンは、ＬＯＩが２１〜３０を呈する繊維を加撚してなるヤーンの単数又は複数を撚り又は編組して構成されとともに、繊維ｓは、その繊維断面を互いに平行な２本の直線Ｌ１，Ｌ２で挟んだ状態における前記２本の直線Ｌ１，Ｌ２どうしの間隔の最大値ａを最小値ｂで除した値である扁平率ｆが１．１〜４と定義されるものを含んでいることを特徴としている。
実施形態１においては、繊維のＬＯＩの値ｅは、２１≦ｅ≦３０であり、かつ、扁平率ｆは、１．１≦ｆ≦４である。

まず、ＬＯＩ値ｅが、２１≦ｅ≦３０である繊維としては、アクリル繊維、アクリル系繊維、レーヨン、セルロース、麻、綿、ポリビニルアルコールが挙げられる。
アクリル繊維は、アクリロニトリルを５０重量％以上含有するポリマーからなるものを含む。ポリマーは、アクリロニトリルを５０重量％以上含有するならば、アクリロニトリルと、アクリロニトリルと共重合可能な不飽和モノマーとのコポリマーであってもよい。

アクリロニトリルと共重合可能な不飽和モノマーとしては、例えばアクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸ｎ−ブチル、アクリル酸２ーエチルヘキシル、アクリル酸２ーヒドロキシエチル、アクリル酸ヒドロキシプロピル等のアクリル酸エステル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸ｎ−ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸ｔ−ブチル、メタクリル酸ｎ−ヘキシル、メタクリル酸シクロヘキシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸２ーヒドロキシエチル、メタクリル酸ヒドロキシプロピル、メタクリル酸ジエチルアミノエチル等のメタクリル酸エステル、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸、アクリルアミド、Ｎ−メチロールアクリルアミド、ジアセトンアクリルアミド、スチレン、ビニルトルエン、酢酸ビニル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、臭化ビニル、臭化ビニリデン、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン等の不飽和モノマー等がある。

さらに、共重合されるモノマーとして、ｐ−スルホフェニルメタリルエーテル、メタリルスルホン酸、アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸、２ーアクリルアミドー２ーメチルプロパンスルホン酸、及びこれらのアルカリ金属塩等がある。

また、前記繊維のＬＯＩ値ｅの調製には、前記繊維を温度２００℃乃至４００℃の空気雰囲気中に１時間乃至１０時間暴露する手段を用いることができる。

次に、繊維の扁平率について説明する。
実施形態１によるヤーンを構成する繊維（単繊維）ｓは、前述したように、その繊維断面を互いに平行な２本の直線Ｌ１，Ｌ２で挟んだ状態における２本の直線Ｌ１，Ｌ２どうしの間隔の最大値ａを最小値ｂで除した値である扁平率ｆ＝１．１〜４と定義されるものが含まれている（図１，図２を参照）。
即ち、図２に示すそら豆状の断面形状を持つ繊維ｓの場合、互いに平行な２直線Ｌ１，Ｌ２で挟まれる間隔のうち、最大の値がａであり、最小値がｂである。そして、この場合の扁平率ｆ＝（ａ／ｂ）である。
上述の扁平率ｆとして、１．１≦ｆ≦４のものが存在しておれば、前記作用効果ｖ，ｚを得ることができるとともに、１．１≦ｆ≦４のものが５０％以上存在しておれば、前記作用効果ｖ，ｚを明確に得ることができて好都合である。
例えば、ヤーンＹを構成する繊維数が１００本である場合は、扁平率ｆが１．１≦ｆ≦４であるものが５０本以上含まれている。

ヤーンを形成する繊維（単繊維）ｓは、その断面形状に、図２に示すように、断面形状に１箇所以上の凹部１を有するもの（そら豆状）が含まれている。１箇所以上の凹部１を有する繊維が存在すれば、前記作用効果ｗを実質的に発揮することができるとともに、１箇所以上の凹部を有する繊維が５０％以上存在すれば前記作用効果ｗが明確に得られるため好ましい。
繊維ｓの断面形状がひょうたん型を呈するなど、凹部１が２箇所以上あっても良い。図２に示すように、凹部１の深さｈは、含浸材を有効に凹部１で保持させる点から、ｈ≧０．４μｍであることが望ましい。より好ましくはｈ≧０．６μｍであるのが望ましい。

図示は省略するが、凹部（凹み）の無い断面形状の繊維では、その扁平率ｆは、１．０≦ｆ≦１．７であり、断面形状は曲線のみで形成されている。そして、そら豆状など、凹部を１箇所以上有する断面形状のものの扁平率ｆは、１．１≦ｆ≦４であり、そのうちの多くは１．２≦ｆ≦１．７であった。

繊維（単繊維）ｓの断面は、直径が１７±３μｍで、長さは１２８±２０μｍであった。また、繊維度は２デニールであった。繊維を紡績してなる単糸は、下撚り９０回／ｍによる重量は０．１４ｇ／ｍであった。３本の単糸を撚ってなるヤーンは、上撚り４０回／ｍによる重量が０．４３ｇ／ｍであった。そして、８本のヤーンによる角編み、１６本のヤーンによる丸編み、３２本のヤーンによる格子編みなどにより紐状のグランドパッキン（パッキン編組品）が形成される。

含浸については次のように処理する。本発明による紐状のグランドパッキン（パッキン編組品）をフッ素樹脂ディスパージョンへ浸漬させ、所定時間後に引き揚げて乾燥させる。含浸率τは、含浸後重量をｘ、含浸前重量をｙとすれば、
τ＝｛（ｘ−ｙ）／ｘ｝×１００（単位：％）
で表すことができ、実施品の含浸率は、τ＝４５〜５０％であった。
上記含浸後に、炭化水素系潤滑剤を同様に含浸させても良い。

〔漏洩試験装置及び方法とその結果について〕
図３に漏洩試験装置Ａを示す。漏洩試験装置Ａは、漏洩試験部分２、軸受３、回転継手４、トルク検出部５、軸受６、伝動ベルト７、原動機（モーター）８、漏洩測定部９などを試験枠２２に図示のように配置して構成されている。
漏洩試験部分２、図４に示すように、流体入口１０、シール装置Ｂを備えるシールボックス１１、及び流体出口１２などを有して構成されている。１３は、タンク１４内の流体（水など）を流体入口１０に供給する供給流路１６に介装されるポンプである。

シール対象となる流体の入口側の流体温度を測定する第１温度計１５が供給流路１６に装備されている。また、流体出口１２からタンク１４へと伸びる排出流路１７には、出口側の流体温度を測定する第２温度計１８が装備されている。
漏洩測定部９は、図３に示すように、シール装置Ｂから漏れてくる流体を受止めて貯留可能な貯め容器９Ａと、貯め容器ごと漏れ出た流体の重さを測る重量計９Ｂとを有して構成されている。なお、図３，４における垂下するような破線は、漏れ流体の落下経路を模式的に示したものである。

シール装置Ｂは、シールボックス１１のグランド部１１Ａと回転軸（シャフト）１９との筒状空間部に、受け部材２０、複数のグランドパッキンｇ、パッキン押え２１とを挿入装備してなる。図示しないボルトでパッキン押え２１をグランド部１１Ａのフランジ１１ａに締付け、それによって複数のグランドパッキンｇを軸心Ｐ方向に押付けて、グランド部１１Ａと回転軸１９との間をシールする一般的なものである。
２３は、シール用流体の入口側のジャケット温度を測る第３温度計であり、２４は、シール用流体の出口側のジャケット温度を測る第４温度計である。また、グランドパッキンｇの温度（パッキン温度）を測る第５温度計２５も装備されている。

漏洩試験装置Ａによる漏洩試験方法としては、内径１００ｍｍ、外径１２９ｍｍ、高さ１４．５ｍｍのグランドパッキンｇの５個を１セット（５リング１セット）として、ポンプを模擬した前記試験装置Ａのグランド部１１Ａに組み込む。グランド部１１Ａに圧力０．５ＭＰａの清水（シール用流体）を負荷し、１９００ｒｐｍで回転軸１９を回転させる。第５温度計２５を使って、グランドパッキンｇ付近のグランド部１１Ａ温度が４０℃となるように、パッキン押え２１の締付ボルトを調節する。そして、漏洩測定部９により、漏洩量の変化が無くなり、一定となる約６時間後の漏洩量を記録する、という具合である。

〔応力緩和試験〕
グランドパッキンｇの応力緩和については、図５に示す応力緩和試験機Ｃを用いた。この応力緩和試験機Ｃは、グランドパッキンｇを装着するためのパッキン装着部２７を備える機枠２６、パッキン押圧部２８、押圧ボルト２９などを有して構成されている。
複数の押圧ボルト２９に架設される押圧板３０に、パッキン押圧部２８の上部２８ａが球面接触されており、環状のパッキン装着部２７に装填されている単数又は複数のグランドパッキンｇをリング状の押え部２８ｂを介して押圧する構造とされている。

さて、環状のパッキン装着部２７に、内径１００ｍｍ、外径１２９ｍｍ、高さ１４．５ｍｍのグランドパッキンｇの５個を１セットとして（５リング１セット）として組み込み、押圧ボルト２９を操作して締め付け、グランドパッキンｇへの締付応力（初期締付応力）ｐを、ｐ＝２Ｎ／ｍｍ２とし、２４時間後の残留応力を測定した。
応力緩和率σは、２４時間後の締付応力をｑとすれば、
σ＝ｐ−ｑ／ｐ
で表される。

〔摩擦試験機〕
グランドパッキンｇの摩擦試験機Ｄについて簡単に説明する。
摩擦試験機Ｄは、図６に示すように、試験フレーム３１に、支持枠３２及びアーム３３が立設され、かつ、それら３２，３３の間に、ステンレス材などの金属材製で円柱状の回転ドラム（回転軸）３４を枢支して摩擦試験機Ｄが構成されている。回転ドラム３４は、図外の駆動源により、軸心３４ａ回りにおける図示の矢印（白抜き矢印）方向に回転駆動可能である。

支持枠３２の上部に角紐状などのグランドパッキンｇの一端を固定し、その他端を回転ドラム３４の下側を通して巻回させてから持ち上げる。その持ち上げられたグランドパッキンｇの他端に紐３５を接続し、その紐３５をアーム３３の上端部に枢支される滑車３６に巻き掛け、その垂下された紐他端３５ａに錘３７が装着されている。つまり、グランドパッキンｇは、ある程度の力で回転ドラム３４の表面３４ａに押え付けられた状態で回転ドラム３４と相対摩擦される。

〔実施例〕
グランドパッキンｇのヤーンＹに使用する繊維ｓは、アクリル系繊維又はアクリル繊維を用い、その繊維直径は１８（１４〜２０）μｍである。使用繊維のＬＯＩの測定は、ＪＩＳ Ｋ ７２０１−２「プラスチック−酸素指数による燃焼性の試験方法−第２部：室温における試験」に従って行った。

まず、上記繊維の複数を加撚してヤーンＹを作製する。次に、編組機（図示省略）を用いて、ヤーン（編糸）Ｙを８本用いる８打ち角編み、或いはヤーンＹを１６本用いる１６打ち丸編みにより紐状のグランドパッキンｇを作製するが、撚り紐にてグランドパッキンを作製しても良い。
そして、その紐状のグランドパッキンｇを、２点ロール或いは４点ロールを用いて、一辺の長さが１４．５ｍｍである断面正方形の角紐状のグランドパッキンｇとし、所定の長さに切断した。

上記により作製されたグランドパッキンｇを用いて、漏洩試験と摩擦試験とを行い、図７，図８に示すように、漏洩量及びトルクとＬＯＩ値ｅとの関係を求めた。
摩擦試験においては、錘３７を１ｋｇとし、回転ドラム３４を３０００ｒｐｍで回転させたときの回転ドラム３４の回転力値、即ちトルク（トルク値）を計測した。その結果を図７の表と図８のグラフとに示す。

トルクに関しては、図７，８から、ＬＯＩ値ｅ＜２２では、ｅが大きくなるに連れてトルク値は小さくなっている。また、ｅ＝２２付近でトルク値の変化量が小さくなり、ｅ≧２２ではトルク値はほぼ一定の値を示している。
この結果から、ＬＯＩ値ｅ≧２２では摩擦が小さくなり、ポンプ動力への負担が軽減されるグランドパッキンｇになることが見出された。ＬＯＩ値ｅが大きくなるに連れて、繊維の炭化度が増し、回転ドラム３４との摩擦係数が減少したものと推測される。

漏洩量に関しては、図７，８から、ＬＯＩ値ｅ＜２７では殆ど変わらない値を示し、ｅ＝２７付近ではやや増加するものの、した。そして、２７≦ｅ＜３０では増加傾向を示し、ｅ≧３０では大幅に漏洩量が増えていることが理解できる。
これらのことから、ＬＯＩ値ｅは、２１≦ｅ≦３０であるのが望ましく、より好ましくは、２２≦ｅ≦２６であると言えよう。

ｅ＜２１である繊維を加撚してなるヤーンを用いたグランドパッキンｇでは、これとシャフト（ポンプのシャフト）とでは、摩擦（摩擦係数）が許容範囲を超えて大きくなってしまうことが知見された。
そして、ｅ＞３０である繊維を加撚してなるヤーンは柔軟性に乏しいことが判った。柔軟性に乏しいと弾性率が高く、そのヤーンによるグランドパッキンは塑性変形し難いものとなる。
即ち、柔軟性に乏しいと、角紐状グランドパッキン（紐角パッキン）の断面形状を保持し難くなり、丸みを帯びてしまう。また、ポンプのシャフトへの馴染み性に劣るため、漏洩量（単位時間当たりの漏洩量）が多くなってしまう。

以上のことから、ＬＯＩに関しては、その値であるｅ≧２１の繊維を加撚してなるヤーンは摩擦（摩擦係数）が十分小さくなるので、そのヤーンを用いて構成されるグランドパッキンはシャフトとの良好な滑り性を有するものとなる。
そして、ｅ≧２２ではさらに良好な滑り性を有するグランドパッキンを提供することができる。
繊維のＬＯＩ値ｅ≦３０であれば、必要となる柔軟性を有するグランドパッキンとすることが可能になる。即ち、角紐状グランドパッキンに構成した場合、断面形状の保持が可能となって丸みを帯びないようにすることができる。

また、ポンプのシャフトへの馴染み性が良くなり、漏洩量の少ない良好なシール性を得ることが可能になる。
そして、ｅ≦２６では、グランドパッキンは適度な柔軟性を有するものとなり、ポンプのグランド部や回転軸などのシール対象との馴染み性がさらに良好になり、漏洩量がより少なくなる。

前述した含浸率τ及び応力緩和率σのそれぞれと、繊維の扁平率ｆとの関係を図９に示す。
扁平率ｆは、ｆ＜１．１の場合、潤滑性及びシール性（目詰め材）付与のための含浸材が付着し難くなる。
扁平率ｆは、ｆ＞４の場合、過度に柔軟性を有する。即ち、曲率の小さな部分に応力が集中し、容易に塑性変形してしまうため、グランドパッキンとしたときの応力緩和が大きくなってしまう。

つまり、グランドパッキンをポンプのグランドに装着し、パッキン押えで締付けたときのグランドパッキンに掛る応力が、グランドパッキンの塑性変形のために小さくなり過ぎてしまう。そのため、グランドパッキン使用時の応力が容易に緩和されてしまい、シールに必要な応力を確保及び維持することができず、多量漏洩を引き起こす原因になることがある。
凹部１（図２参照）がない断面形状の場合は、潤滑性及びシール性（目詰め材）付与のための含浸材が定着し難くなってしまう。

扁平率ｆに関して、ｆ≧１．１の繊維を加撚してなるヤーンを用いたグランドパッキンは、含浸材を保持し易く、ｆ≧１．２では含浸材の保持のし易さがさらに良好になる。但し、ｆ≦４の繊維を加撚してなるヤーンを用いたグランドパッキンは、応力緩和を十分小さくでき、シールに必要な応力を確保及び維持することができる。また、繊維断面に凹部があれば、その凹部１に含浸材を保持し易くなり、好ましい。

１ 凹部
Ｙ ヤーン
ａ 直線どうしの間隔の最大値
ｂ 直線どうしの間隔の最小値
ｆ 扁平率
ｈ 凹部の深さ
ｓ 繊維
Ｌ１，Ｌ２ 互いに平行な２本の直線

Claims (6)

1. 限界酸素指数が２１〜３０を呈する繊維を加撚してなるヤーンの単数又は複数を撚った状態又は編組した状態で構成されるとともに、
   潤滑性及びシール性付与のための含浸材を有し、
   前記繊維は、その繊維断面を互いに平行な２本の直線で挟んだ状態における前記２本の直線どうしの間隔の最大値を最小値で除した値である扁平率が１．１〜４と定義されるものが含まれているグランドパッキン。
2. 前記繊維は、その断面形状に１箇所以上の凹部を有するものが含まれている請求項１に記載のグランドパッキン。
3. 前記凹部の深さが０．４μｍ以上ある請求項２に記載のグランドパッキン。
4. 前記繊維は、アクリル系繊維を有している請求項１〜３の何れか一項に記載のグランドパッキン。
5. 前記アクリル系繊維が、アクリロニトリル酢酸ビニル共重合体繊維である請求項４に記載のグランドパッキン。
6. 前記限界酸素指数が２２〜２６である請求項１〜５の何れか一項に記載のグランドパッキン。

Images