JP7373316B2 - ヤーン、グランドパッキン、及びヤーンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヤーン、グランドパッキン、及びヤーンの製造方法に関する。

従来、ポンプ又はバルブ等の流体機器には、軸封部品であるグランドパッキンが備えられている。このようなグランドパッキンとしては、断面真円状の複数本のヤーン（編み糸）を編組したものが用いられる（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のヤーンは、線材をニット編みしてなる筒状部材に、短冊状に形成された複数の充填材を充填して構成されている。筒状部材の線材は、その使用量を削減するため、筒状部材の軸線に対して所定角度で傾斜した編目が形成されるようにニット編みされている。

特開２０１６－９８４４０号公報

前記ヤーンを編組して構成されたグランドパッキンは、流体機器のパッキンボックス内に装着された後、パッキンボックスに挿入されたパッキン押えにより軸方向に押圧されることで、流体機器内の被シール面をシールするようになっている。しかし、グランドパッキンを構成する複数本のヤーンは断面真円状に形成されているので、ヤーン同士が点接触により緩く絡み合った状態となり、グランドパッキンは外力が作用すると変形しやすい。このため、グランドパッキンがパッキン押えに押圧されると、グランドパッキンの一部（ヤーンを構成する線材や充填材）が、パッキンボックスとパッキン押えとの間に形成された隙間にはみ出す場合がある。このようなはみ出しが生じると、パッキン押えによるグランドパッキンの押圧力が不足し、シール性能が低下するおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、複数本のヤーンを編組してなるグランドパッキンが押圧されても、ヤーンを構成する線材や充填材がはみ出すのを抑制できるようにすることを目的とする。

（１）本発明は、筒状部材と、当該筒状部材に充填された短冊状の複数の充填材と、を備え、前記筒状部材は、当該筒状部材の軸線に対して所定角度で傾斜した編目が形成されるように線材をニット編みして構成されているヤーンであって、前記ヤーンにおける前記軸線と直交する断面形状が扁平円状に形成されている、ヤーンである。

本発明のヤーンによれば、断面形状が扁平円状に形成されたヤーンを複数本編組させてグランドパッキンを構成することで、ヤーン同士が面接触して強く絡み合うため、グランドパッキン全体の強度を向上させることができる。これにより、グランドパッキンが押圧されても、ヤーンを構成する線材や充填材が隙間にはみ出すのを抑えることができる。その結果、グランドパッキンのシール性能が低下するのを抑制することができる。

（２）前記断面形状の扁平率は０．１０以上０．６０以下であるのが好ましい。
この場合、ヤーンを構成する線材や充填材が隙間にはみ出すのをさらに抑えることができる。その結果、グランドパッキンのシール性能が低下するのをさらに抑制することができる。

（３）他の観点からみた本発明は、前記（１）又は（２）に記載のヤーンが複数本編組されることによって構成されたグランドパッキンである。
本発明のグランドパッキンによれば、上記ヤーンと同様の作用効果を奏する。

（４）他の観点からみた本発明は、筒状部材に短冊状の複数の充填材を充填してなるヤーンの製造方法であって、前記筒状部材の軸線に対して所定角度で傾斜した編目が形成されるように線材をニット編みして前記筒状部材を形成しながら、当該筒状部材に前記複数の充填材を充填し、前記軸線と直交する断面形状が真円状に形成されたヤーン素材を得る工程と、前記ヤーン素材を一対のロール間に挟み込みながら通過させ、前記断面形状を扁平円状に変形させる工程と、を含むヤーンの製造方法である。

本発明のヤーンの製造方法によれば、ヤーン素材の断面形状を扁平円状に変形させてなるヤーンを複数本編組させてグランドパッキンを構成することで、ヤーン同士が面接触して強く絡み合うため、グランドパッキン全体の強度を向上させることができる。これにより、例えばパッキン押えによりグランドパッキンが押圧されても、ヤーンを構成する線材や充填材が隙間にはみ出すのを抑えることができる。その結果、グランドパッキンのシール性能が低下するのを抑制することができる。

また、本発明のヤーンの製造方法によれば、断面形状が真円状に形成されたヤーン素材を一対のロール間に挟み込みながら通過させることによって、前記断面形状を扁平円状に変形させるので、断面形状が扁平円状に形成されたヤーンを容易に製造することができる。

本発明によれば、複数本のヤーンを編組してなるグランドパッキンが押圧されても、ヤーンを構成する線材や充填材がはみ出すのを抑制することができる。

本発明の実施形態に係るグランドパッキンを備えた流体機器の一部を示す断面図である。 グランドパッキンを示す斜視図である。 ヤーンの一部を示す正面図である。 ヤーンを示す断面図である。 従来のヤーンと本実施形態のヤーンとを比較した表である。 ヤーンを製造する製造装置の一例を示す模式図である。 ロール機構の一例を示す模式図である。 図１のＢ部拡大図である。 評価試験の試験結果を示すグラフである。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
［グランドパッキンの構成］
図１は、本発明の実施形態に係るグランドパッキンを備えた流体機器の一部を示す断面図である。流体機器は、例えばポンプ又はバルブ、ドレッサージョイント等であり、パッキンボックス１と、パッキンボックス１内に配置された軸２と、パッキンボックス１と軸２との間をシールする複数のグランドパッキン３とを備えている。

軸２は、パッキンボックス１に対して、軸２の軸線Ｃ回りに回転したり、軸方向に往復移動したりするようになっている。なお、本実施形態の流体機器では、軸２の軸線Ｃを鉛直方向に配置しているが、当該軸線Ｃを水平方向に配置してもよい。

複数のグランドパッキン３は、それぞれ環状に形成されており、パッキンボックス１内に形成された環状空間Ａにおいて軸方向に並べて配置されている。環状空間Ａは、パッキンボックス１の大気側の内周面１ａ及び段差面１ｂと、軸２の外周面２ａとによって区画形成されている。

複数のグランドパッキン３は、環状空間Ａの大気側（図１の上側）に配置されたパッキン押え４により機内側（図１の下側）に押圧されている。パッキン押え４は、円筒状に形成されており、円環状のフランジ部４ａを有している。フランジ部４ａには、周方向に複数（図１では１個のみ図示）のボルト５が軸方向に貫通しており、これらの各ボルト５は、パッキンボックス１の大気側の端面に形成されたねじ孔６に螺合されている。

パッキン押え４は、ボルト５を締め付けることで機内側へ移動し、各グランドパッキン３を機内側に押圧する。そうすると、各グランドパッキン３が軸方向に押し潰され、各グランドパッキン３の外周面３ａ及び内周面３ｂは、径方向に対向するパッキンボックス１の内周面１ａ及び軸２の外周面２ａにそれぞれ密着する。これにより、各グランドパッキン３は、流体機器内の被密封流体が大気側へ漏れるのを防いでいる。

図２は、グランドパッキン３を示す斜視図である。グランドパッキン３は、芯材１１の周りで複数本のヤーン１２を編組してなる紐状部材３’を環状に丸めて圧縮成形することによって構成されている。これにより、グランドパッキン３は、断面形状が矩形で全体形状が環状に形成されている。

［ヤーンの構成］
図３は、ヤーン１２の一部を示す正面図である。ヤーン１２は、筒状部材１３と、筒状部材１３に充填された複数の充填材１４とを備えている。充填材１４は、例えば膨張黒鉛材からなり、筒状部材１３に収容するために短冊状に形成されている。ヤーン１２は、充填材１４の長手方向を筒状部材１３の軸方向に沿わせた状態で、複数の充填材１４を筒状部材１３に充填することにより構成されている。

筒状部材１３は、編目１５が形成されるように線材１６をニット編みして構成されている。線材１６としては、例えば、ステンレス線等の鉄を主成分とする合金等から構成される金属線が用いられる。線材１６は、ニット編みされることにより、円弧状に形成された複数の円弧部１６ａと、各円弧部１６ａの両端から直線状に延びる直線部１６ｂとを有している。

円弧部１６ａは、筒状部材１３の周方向において螺旋状に連続して複数配置されており、周方向に隣り合う円弧部１６ａ同士は、互いに突出方向が逆向きとなるように配置されている。直線部１６ｂは、筒状部材１３の周方向において所定間隔をあけて螺旋状に配置されている。

編目１５は、周方向に隣り合う一対の直線部１６ｂと、これら直線部１６ｂの長手方向の一方端同士を連結する円弧部１６ａと、これら直線部１６ｂの長手方向の他方端を跨いで配置された他の円弧部１６ａとによって形成されている。これにより、筒状部材１３には、その周方向において螺旋状に連続して配置された複数の編目１５が形成されており、これらの編目１５は概ね均一の大きさに形成されている。

各編目１５の長手方向に延びる中心線Ｋは、筒状部材１３の軸線Ｐに対して所定角度θをなしており、各編目１５は、筒状部材１３の軸線Ｐに対して所定角度θで傾斜して形成されている。この構成により、各編目１５は、筒状部材１３に充填された充填材１４に対して傾斜した状態に配置されるので、充填材１４の長手方向の端部が全体的に編目１５から筒状部材１３の外部に露出しにくくなる。

図４は、ヤーン１２を示す断面図である。なお、図４では、充填材１４の図示を省略している。ヤーン１２における筒状部材１３の軸線Ｐと直交する断面形状は、扁平円状に形成されている。なお、ヤーン１２の前記断面形状は、図４に示す形状に限定されるものではなく、扁平円状であれば楕円状等の他の形状に形成されていてもよい。

ヤーン１２の断面形状の扁平率δは、ヤーン１２の厚み（短半径）ｔ、及びヤーン１２の幅（長半径）ｗを用いて、下記の計算式で表すことができる。
δ＝ｔ／ｗ
扁平率δは、０．９０以下に設定されるのが好ましく、０．１０以上０．６０以下に設定されるのがより好ましく、０．２５以上０．５０以下に設定されるのがさらにより好ましい。

図５は、断面形状が真円状に形成された従来のヤーンと、断面形状が扁平円状に形成された本実施形態のヤーン１２とを比較した表である。図５に示すように、ヤーンの断面形状が従来の真円状の場合、複数本のヤーンを編組してグランドパッキン等を成形するときにヤーン同士は点接触して緩く絡み合った状態となる。これに対して、本実施形態のようにヤーン１２の断面形状が扁平円状の場合、複数本のヤーン１２を編組してグランドパッキン３等を成形するときにヤーン１２同士が面接触し、断面形状が真円状のヤーン同士が点接触するよりも接触面積が大きくなるので、複数本のヤーン１２は、編組された状態で、従来のヤーンよりも強く絡み合った状態となる。

［ヤーンの製造装置］
図６は、ヤーン１２を製造する製造装置の一例を示す模式図である。この製造装置３０は、供給機構３１、搬送機構３２、切断機構３３、案内供給機構３４、編み機３５、ロール機構３６、及び制御部３７を備えている。

供給機構３１は、リール４１を有している。リール４１は、回転軸４３に回転自在に設けられている。リール４１の外周面には、所定の幅を有するシート状部材（帯状の膨張黒鉛シート）４２が巻回されている。図６に示す矢印Ａ方向にリール４１を回転させると、これに巻回されたシート状部材４２が徐々に引き出されるようになっている。

搬送機構３２は、供給機構３１と切断機構３３との間に配置されており、一対のローラ４５，４６と、搬送駆動部４７とを備えている。一対のローラ４５，４６は、供給機構３１から引き出されたシート状部材４２の一部を上下から挟持できるように配置されている。搬送駆動部４７は、一対のローラ４５，４６のうちの少なくとも一方を回転駆動させるように構成されている。これにより、搬送駆動部４７により回転駆動された一対のローラ４５，４６は、両者の間で挟持しているシート状部材４２を引っ張り、リール４１から引き出されたシート状部材４２を切断機構３３に向かって送り出す。

切断機構３３は、切断刃５０と、切断駆動部５１と、受台５２とを有している。切断刃５０は、シート状部材４２をその搬送方向と略直交する平面で切断できるように構成されている。切断駆動部５１は、切断刃５０を上下方向に往復移動させるように構成されている。受台５２は、切断刃５０の下方に配置されている。切断駆動部５１により切断刃を往復移動させると、搬送駆動部４７により送り出されたシート状部材４２の端部が切断され、当該端部から短冊状の充填材１４が形成される。

案内供給機構３４は、漏斗５５を有している。漏斗５５は、その大径側の開口部５６を上向きにして受台５２の下方に配置されている。漏斗５５の小径側の開口部５７は、編み機３５の上面に形成された投入口５８に挿入されている。これにより、切断機構３３で形成された充填材１４は、漏斗５５によって充填材１４の長手方向が上下方向を向いた状態で編み機３５に案内供給される。

編み機３５は、図示しない複数の編針を備えており、これらの編針により線材１６をニット編みして筒状部材１３を形成するように構成されている。編み機３５は、筒状部材１３における軸線Ｐと直交する断面形状が真円状となるように線材１６をニット編みする。

編み機３５は、筒状部材１３の上端開口が漏斗５５の開口部５７の真下で保持されるように線材１６のニット編みを続け、筒状部分（筒状部材１３の一部）を形成しながら下方へ送り出す。これにより、編み機３５は、軸方向の長さが所定寸法となる筒状部材１３をかたちづくる。

その際、案内供給機構３４により編み機３５の投入口５８に案内された充填材１４は、筒状部材１３の形成途中の段階から、筒状部材１３の上端開口からその内部に順次投入される。これにより、筒状部材１３に複数の充填材１４が充填して構成されたヤーン素材５９が形成される。ヤーン素材５９は、軸方向の長さが所定寸法とされ、筒状部材１３の軸線Ｐと直交する断面形状が真円状に形成されたものである。

図７は、ロール機構３６の一例を示す模式図である。ロール機構３６は、ヤーン素材５９の断面形状を真円状から扁平円状に変形させてヤーン１２を形成するように構成されている。具体的には、ロール機構３６は、第１ロール６１と、第２ロール６２と、リンク部６３とを有している。

第１ロール６１は、回転駆動軸６４に回転自在に支持されており、第１ロール６１の外周面には、ヤーン素材５９の長手方向の一部が巻き付けられる。第２ロール６２は、第１ロール６１に隣接する位置において、図中の上下方向に延びて形成されたリンク部６３の下端部に固定されている。

リンク部６３の中央部は、固定軸６５に対して揺動自在に支持されている。リンク部６３の上端部には、連結棒６６の一端部が連結されている。連結棒６６の他端側には図示しない錘が取り付けられている。このため、リンク部６３は、前記錘の荷重により固定軸６５を中心として図中の反時計回り方向に揺動するように付勢されている。

上記構成により、第２ロール６２の外周面の一部は、第１ロール６１に巻き付けられたヤーン素材５９を常に第１ロール６１側に強く押し付ける押し付け面６２ａとして機能する。したがって、第１ロール６１にヤーン素材５９を巻き付けた状態で回転駆動軸６４を図中の時計回り方向に回転させると、ヤーン素材５９は、第１ロール６１の外周面と第２ロール６２の押し付け面６２ａとの間で強く挟み込まれながら通過する。これにより、ヤーン素材５９の前記断面形状を真円状から扁平円状に変形させることができる。

図６等に示すように、制御部３７は、搬送機構３２の搬送駆動部４７、切断機構３３の切断駆動部５１、編み機３５、及びロール機構３６の回転駆動軸６４の各駆動を制御するように構成されている。

以上のように構成された製造装置３０では、編み機３５において、線材１６をニット編みして筒状部材１３を形成しながら当該筒状部材１３に複数の充填材１４を充填し、筒状部材１３の軸線Ｐと直交する断面形状が真円状に形成されたヤーン素材５９を得る工程が行われる。そして、ロール機構３６において、ヤーン素材５９を第１ロール６１と第２ロール６２との間に挟み込みながら通過させることで、ヤーン素材５９における前記軸線Ｐと直交する断面形状を扁平円状に変形させる工程が行われる。これにより、ヤーン１２を製造することができる。

なお、ロール機構３６は、ヤーン素材５９を一対のロール間に挟み込みながら通過させて扁平円状の断面形状に変形させるものであれば、本実施形態に限定されるものではない。また、製造装置３０は、ロール機構３６を備えていなくてもよい。この場合、製造装置３０により一旦、真円状のヤーン素材５９を製造したのち、製造装置３０とは別に設けたロール成形装置等にてヤーン素材５９を扁平円状に変形させてもよい。

［評価試験］
図８は、図１のＢ部拡大図である。本発明者らは、本実施形態のグランドパッキン３により得られる効果を検証するための評価試験を行った。図１及び図８に示すように、本評価試験では、流体機器のパッキンボックス１内にグランドパッキン３を配置し、パッキン押え４により一定の締付圧力でグランドパッキン３を押圧したときに、軸２の外周面２aとパッキン押え４との間に形成された隙間７にはみ出したグランドパッキン３のはみ出し高さｈを測定した。

本評価試験では、隙間７の幅寸法ｄが０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、及び１．０ｍｍとなる３種類の流体機器それぞれにおいて試験を行った。そして、各流体機器には、断面形状が真円状のヤーンからなる従来のグランドパッキンを装着した場合と、断面形状が扁平円状のヤーン１２からなる本実施形態のグランドパッキン３を装着した場合のそれぞれについて試験を行った。他の試験条件は以下の通りである。
パッキン押え４の締付圧力：８０Ｎ／ｍｍ^２
本実施形態のグランドパッキン３を構成するヤーン１２の扁平率δ：０．４

図９は、上記評価試験の試験結果を示すグラフである。図９に示すように、隙間７の幅寸法ｄが０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、及び１．０ｍｍのいずれの場合においても、はみ出し高さｈは、断面形状が扁平円状のヤーン１２からなる本実施形態のグランドパッキン３のほうが、断面形状が真円状のヤーンからなる従来のグランドパッキンよりも低い値を示している。しかも、前記幅寸法ｄが大きくなるほど、本実施形態のグランドパッキン３と従来のグランドパッキンとのはみ出し高さｈの差が大きくなっている。

以上の試験結果により、本実施形態のグランドパッキン３は、上述のように従来のグランドパッキンに比べてヤーン１２同士が強く絡み合うことで、パッキン押え４に押圧されても隙間７へのはみ出しを抑制できるのが分かる。そして、その抑制効果は、隙間７の幅寸法ｄが大きくなるほど顕著に表れることが分かる。

[作用効果]
本実施形態によれば、断面形状が扁平円状に形成されたヤーン１２を複数本編組させてグランドパッキン３を構成することで、ヤーン１２同士が面接触して強く絡み合うため、グランドパッキン３全体の強度を向上させることができる。これにより、グランドパッキン３がパッキン押え４により押圧されても、ヤーン１２を構成する線材１６や充填材１４が隙間７にはみ出すのを抑えることができる。その結果、グランドパッキン３のシール性能が低下するのを抑制することができる。なお、言うまでもないが、上記実施形態のグランドパッキン３は、軸２の外周面２ａとパッキン押え４との間に形成された隙間７へのはみ出しだけでなく、パッキンボックス１の内周面１ａとパッキン押え４との間に形成された隙間へのはみ出しも抑えることができる。

また、ヤーン１２の断面形状の扁平率が０．１以上０．６以下にすることで、ヤーン１２を構成する線材１６や充填材１４が隙間７にはみ出すのをさらに抑えることができる。その結果、グランドパッキン３のシール性能が低下するのをさらに抑制することができる。仮に、前記扁平率が０．１未満になると、線材１６を必要以上に潰す必要がり、その結果、充填材１４が線材１６からはみ出す。また、前記扁平率が０．６を超えると、ヤーン１２の断面形状が真円に近くなるので、ヤーン１２同士が点接触になり、グランドパッキン３のシール性能を満足しない。

また、本実施形態のヤーン１２の製造方法によれば、ロール機構３６において、断面形状が真円状に形成されたヤーン素材５９を第１ロール６１と第２ロール６２との間に挟み込みながら通過させることによって、ヤーン素材５９の断面形状を扁平円状に変形させるので、断面形状が扁平円状に形成されたヤーン１２をさらに容易に製造することができる。

［その他］
上記実施形態のヤーン１２を構成する充填材１４は、膨張黒鉛材以外の他の材質（例えば、セラミックファイバー等の無機繊維）により構成されていてもよい。また、筒状部材１３を構成する線材１６は、金属線以外に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の熱可塑性樹脂、コットンなどの有機繊維、セラミック、ガラスなどの無機繊維等により構成されていてもよい。また、グランドパッキン３は、上記実施形態のヤーン１２を複数本編組して構成されるものであれば、上記実施形態に限定されるものではない。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

３ グランドパッキン
１２ ヤーン
１３ 筒状部材
１４ 充填材
１５ 編目
１６ 線材
５９ ヤーン素材
６１ 第１ロール（ロール）
６２ 第２ロール（ロール）
Ｐ 軸線
θ 所定角度

Claims (4)

1. 筒状部材と、当該筒状部材に充填された短冊状の複数の充填材と、を備え、
   前記筒状部材は、当該筒状部材の軸線に対して所定角度で傾斜した編目が形成されるように線材をニット編みして構成されているヤーンであって、
   前記ヤーンにおける前記軸線と直交する断面形状が扁平円状に形成され、
   前記断面形状の扁平率は０．１０以上０．６０以下である、ヤーン。
2. 請求項１に記載のヤーンが複数本編組されることによって構成されたグランドパッキン。
3. 筒状部材に短冊状の複数の充填材を充填してなるヤーンの製造方法であって、
   前記筒状部材の軸線に対して所定角度で傾斜した編目が形成されるように線材をニット編みして前記筒状部材を形成しながら、当該筒状部材に前記複数の充填材を充填し、前記軸線と直交する断面形状が真円状に形成されたヤーン素材を得る工程と、
   前記ヤーン素材を一対のロール間に挟み込みながら通過させ、前記断面形状を、扁平率が０．１０以上０．６０以下の扁平円状に変形させる工程と、を含むヤーンの製造方法。
4. 前記変形させる工程では、前記一対のロールのうち、一方のロールの外周面に前記ヤーン素材の一部を巻き付け、他方のロールの外周面により前記ヤーン素材の一部を前記一方のロール側に押し付けながら、前記一方のロールを回転させることで、前記ヤーン素材を前記一対のロール間に挟み込みながら通過させる、請求項３に記載のヤーンの製造方法。

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