JPS591209B2 - 可撓性グラフアイトを含むパツキンリング - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧縮された可撓性グラファイト粒から成る改
形可能なパツキンリングの使用を通して、ポンプ及び弁
等の構造体のスタッフィングボックス組立体における効
率的なシールの形成に関するものである。

可撓性グラファイトは、ポンプ、弁等の構造体のスタッ
フィングボックス組立体用の非常に効率的なシールを形
成する為のパツキン材として長い間使用されてきた。

このような可撓性グラファイトの一形態は予備成形され
た屑状リングの形態をとった。

別の形態は、軸の周囲に巻きつけられだ可撓性グラファ
イトの波状リボン或いはテープを圧縮することにより形
成されるダイ成型リングである。

いずれにせよ、このような予備成形リングが有効である
為には、これらはスタッフィングボックスとポンプ或い
は弁の軸棒との間の正確なしまり嵌め状態を形成しなけ
ればならない、即ち圧力がスタッフィングボックスのグ
ランドの締付けにより適用される時膨張してこの空隙を
充満しえねばならない。

しかし、残念ながら、層状パツキンリングは、その異方
性構造の故に、圧力がそれらに適用される時充分な量の
側方向流動を受けえず、従ってスタッフィングボックス
とポンプ或いは弁の軸棒との間に所望のしまり嵌めを形
成しないことが多い。

同じくダイ成型リングは、これらリングのシール表面の
永久的な破損が起る前にそれらの外径において僅か４％
の平均膨張しか示さず、従ってやはり満足すべきシール
を提供しないことが多い。

本発明は、圧縮された可撓性グラファイト粒から成るき
わめて効率的なパツキンリングを提供する。

このパツキンリングは現在使用されているパツキンリン
グに較さて高度に等方性であるから、スタッフィングボ
ックスのグランドを締付けることによる等して創生され
るような圧力下に置かれる時現在使用されているリング
より一層大きな流動を示しうる。

その結果、スタッフインクボックス内に一層良好なしま
り嵌めが創生されえ従って一層効率的なシールが形成さ
れうる。

このパツキンリングが流動しそしてその寸法を改変しう
るが故に、このリングはこれまで使用されたリング程精
確に特定のスタッフィングボックスの寸法に整寸される
必要はない。

上に挙げたような層状の可撓性グラファイトシートから
成る従来型式の予備成形リングはきわめて異方性であり
、グラファイト結晶構造の底面が実質上リングと同一面
に載っている。

圧力がスタッフィングボックスのグランドによりこれら
リングに適用され、そしてリングが底面に垂直に圧縮さ
れる時、底面の方向への横方向流動はほとんど起らない
。

軸の周りに巻きつけられだ可撓性グラファイトの波形リ
ボン乃至テープを圧縮することにより形成されるリング
の場合、グラファイトの底面は最初リボン乃至テープが
軸周囲に巻かれるに際して軸に平行に存在し、そして後
圧縮後軸に対しである角度をなして存在する。

その結果、このようなリングがスタッフィングボックス
のグランドにより更に圧縮される時、これらはその底面
がリングの面に平行な方向に更に押されるので、制限さ
れた量の横方向流動を示す。

しかし、このリングの外径はそのシール面の永久的な破
損が起る前に平均僅か４％しか膨張しないことが見出さ
れていた。

他方、本発明のパツキンリングは小さなでたらめに配向
された多数の粒を互いに圧縮して形成され、従って性質
において高度に等方性である。

圧力がスタッフィングボックスのグランドによってこの
ようなリングに適用される時、これら小さなでたらめに
配向された粒は互いに流動しあい、リングはスタッフィ
ングボックスの寸法に合わせてその形状を改形せしめら
れる。

その結果、スタッフインクボックス内に緊密なしまり嵌
め状態が創生され、従って一層効率的なシールが生みだ
される。

本発明のパツキンリングの等方性構造は、リングに一層
良好なシール能力を賦与するのみならず、このような構
造はまた低摩擦であることが考慮を必要とされる弁軸シ
ールとしてもこのパツキンリングを理想的に適合化せし
める。

斯くして、本発明のパツキンリングは、気体及び液体流
体いずれと共に使用されても漏れのないシールを生成す
るのみならず、可撓性グラファイトから形成される他ノ
パッキンリングに較べて驚くべき低い軸棒摩擦を示すこ
とが見出された。

ここで使用される軸棒摩擦という用語は、スタッフィン
グボックス内にパツキンが存在しない時弁を作動するに
必要とされる力とスタッフインクボックス内にパツキン
が装填される時弁を作動するに必要な力との差として測
定された弁軸（ステム）への摩擦抗力を意味する。

本発明のパツキンリングは、所望のリングの形に沿う形
状を有する成形型内で可撓性グラファイトの粒を圧縮す
ることにより作製される。

このようにして、任意所望の寸法のリングが生成されう
る。

このようなリングの密度は適用される圧力の量に比例し
て変化する。

実際問題として、７０１ｂ、／ ｆ ｔ” （１，１２
９／ｃＩｆｔ）より小さい密度を有するリングは粒同志
の充分な保持性を示さず、そして１２０ ｌｂ／ ｆｔ
３（１，９１／ｃｒＩｔ）を越える密度を有するリング
は製作困難であるのみならず、使用中スタッフィングボ
ックスの寸法に改形せしめるのにきわめて高い圧力を必
要とする。

従って７０〜１２０ ｌｂ／ｆｔ３（１，１２〜１．９
２．！９／ｃｒ／ｌ）。

好ましくは８０〜９０１ｂ／ｆｔ３（１，２８〜１．４
４ｇ／７）の密度のリングが使用される。

このような密度を有するリングは、可撓性グラファイト
粒土に約１，５００〜１２，０００ｐｓｉ（１０５〜８
４０に９／ｄ）の成型圧力を適用することにより生成さ
れうる。

約２，０００ｐｓｉ〜３，０００ ｐｓｉ（１４０〜２
１ ｏＫｙ／ｃＩｌ）の圧力は約８０〜９０１ｂ／ｆｔ
”（１，２８〜ｔ４４ｇ／ｄ）の密度を有するリングを
生成する。

このようなリングは大半の用途に対して満足すべきもの
である。

この態様で生成されたパツキンリングがポンプ或いは弁
のスタッフィングボックス内に組込まれ、そしてポンプ
或いは弁のグランドが締付けられる時、リングは圧縮さ
れ、そしてスタッフインクボックスの壁とポンプ或いは
弁の軸棒の間の空隙を埋めるようその形状を改形する。

グランドは、リングを充填ボックスに充満せしめ、以っ
てリングがポンプ或いは弁の内部流体圧を密閉するよう
充分に締付けられねばならない。

本発明のパツキンリングの製造に使用される可撓性グラ
ファイト粒は、約１インチ（２５，４７１ｍ）までの長
さ範囲をとりうるが、通常は０．２５０インチ（６，３
５Ｍ）長さを越えない。

扁３０米国準備篩（０，０２３４インチ（０，５９ｍ）
開口）を通抜けるに充分小さい粒も使用されうるけれど
も、このような粒はスタッフィングボックスの部品面間
に摺シ押し込まれることがわかったから（０，００５イ
ンチ（０，１２７Ｍ）を越える部品界面誤差は珍しいこ
とではない）、これらより幾分大きい粒程には所望され
ない。

この理由の為嵐３０米国標準篩上に保持されるに充分大
きな粒を使用することが一般に好ましい。

しかし、部品誤差が０．００５インチ（０，１２７８）
以下であるような用途においては、もつと小さい粒も使
用されうる。

但し、それらは煮５０米国標準篩（０，０１１フインチ
（０，２９７Ｍ）開口）上に保持されるに充分大きいこ
とが好ましい。

本発明において使用される可撓性グラファイト粒は、可
撓性グラファイトシートを細断することにより調整され
うる。

このようなシートは、グラファイトフレークをＣ結晶軸
方向に少く共８０倍膨張しそして後膨張フレークを圧縮
して凝集構造を形成することにより調整されうる。

グラファイトフレークの膨張はグラファイトの内部構造
における層状面間の結合力を壊すことにより容易に達成
されうる。

このような作用の結果として、重なりあう層間の間隔が
増大されてＣ軸方向である層に垂直な方向において著し
い膨張をもたらす。

膨張粒は僅かの圧力下でフオーム材に成形されうる。

何故なら、粒は大きな膨張に由り結合剤なく付着しあう
能力を具備しているからである。

テープ、シート等が圧縮圧力を単に増大することによっ
て膨張粒から形成され、その場合形成グラファイトの密
度は適用された成形圧力に関連づけられる。

この材料に対して、５ ｌ ｂ／ ｆｔ３（０，０８ｇ
／ｃｔｌｌ）以下から約１３７ ｌｂ／ ｆｔ” （２
，１９ｇ／ｃｒ／ｌ）までの密度が容易に得られる。

可撓性グラファイトの製造方法については米国特許第３
，４０４，０６１号を参照されたい。

本発明において使用される可撓性グラファイト粒を生成
するのに使用される可撓性グラファイトシートは好まし
くは、約１０〜１００ ｌｂ／ｆｔ”（０，１６〜１．
６．！ｉ’／７）、もつと好ましくは約５０〜９０ ｌ
ｂ 〜ｆｔ”（０，８〜１．４４ ｇ／Ｃｌ／ｌ）の密
度を有しそして約０．００３〜０．０６０インチ（Ｏ，
ＯＳ〜１．５２ｍ）、好ましくは約０．００５〜０．０
２５インチ（０，１２７〜０．６３５Ｍ）の厚さを有す
る。

所望なら、可撓性グラファイト粒は、グラファイトフレ
ークを膨張してそして膨張したフレークをシートの特性
より大きな厚さを持つ賦形体、例えばブロック等に圧縮
して生成される材料を細断することによって入手されう
る。

所望なら、フェノール樹脂、炭素繊維等のような他の材
料が、結着剤、補強剤等として作用するよう本発明の可
撓性グラファイトハッキンリングに添加されうる。

以下、例示目的で本発明の具体例について述べる。

例１ ０．０１５インチ（０，３８１ｍ）公称厚さと７０１ｂ
／ ｆｔ３（１，１２９／ｃｒ／ｌ）公称密度を有する
［グラフオイル（Ｇｒａ ｆｏ ｉ １）−米国Ｕ３Ｏ
社の商品名−」等級ＧＴＢ可撓性グラファイトのシート
をクロスカット式シュレッダ−（細断機）によって細断
した。

生成粒は全般的に細長片（スライ・り状であり、１／４
インチ（６，３５１１１１１）までの長さ及び約１／３
２インチ（０，７９Ｍ）の巾を有した。

これら粒の縁辺は巻いているものが多く、そして平坦に
しだ時平坦片は約１／１６〜３／３２インチ（１，５９
〜２．３８７ｉａ）の巾を有した。

細断された粒をその後成型ダイ内に注ぎそして２０００
ｐｓ ｉ （１４０に９／Ｃ７７すの圧力下で圧縮し
て（リング面に垂直に適用）、７７１６インチ（１１，
１１Ｍ）の内径と１１７１６インチ（１７，４６Ｍ）の
外径を有するパツキンリングを生成した。

リングの密度は８０ ｌｂ／ ｆｔ３（１，２８ｇ／Ｃ
１／ｌ）であった。

その後、リングを７００〜２０００ｐｓｉ（４９〜１４
０に９／ＣｒＩｔ） ＋７）圧力（リンク面ニ垂直）下
に置いた。

この圧力の結果として、リングはリングの最初の断面積
の２倍を越える環状空隙を充満するようその寸法を改形
した。

他方、２０００ ｐｓｉ 〜３０００ ｐｓｉ（１４０
〜２１ ｏＫｐ／Ｃｒ／ｌ）の圧力を従来型式の予備成
形された可撓性グラファイト層状リングに適用した時、
リングの外径は最初の直径の僅か０．８〜１．６％の膨
張を受けるにすぎず、同時に内径は僅か０．３％収縮す
ることが見出された。

軸の周りに巻きつけられた可撓性グラファイトの波状リ
ボン乃至テープを圧縮することによって形成されたリン
グが２００〜１５００ｐｓｉ（１４〜１０５に７／ｃｍ
−）の圧力下に置かれる時、リングの外径は１〜７％の
膨張を示し同時に内径は１〜１０％収縮することが見出
された。

しかし、約４％を越える外径の膨張はリングの外側縁を
裂開せしめた。

この裂開は増大せる圧力の適用をもっても閉成されず、
リングに漏洩をもたらす恐れのある細隙路を残した。

例２ 例１に記載したようにして生成した４つのパツキンリン
グを制御弁のスタッフィングボックス内に組込みそして
１５００ ｐｓ ｉ （１０５に９／ｍ）内部圧力を密
封するに充分のグランド圧力に置いた。

制御弁に弁を開放及び閉成しうるダイヤフラム弁アクチ
ュエータを装備した。

アクチュエータは弁を開放するのに空気圧を使用しそし
て弁を閉成するのにはねを使用するものであった。

弁を開放するのに必要とされる空気圧はマノメータによ
って測定しえた。

その後、油、空気及び水を弁を通して順次して流し、そ
して各場合弁を５０００開閉サイクル下に置いた。

各場合、弁は全く漏れのない状態でこの全期間中作動し
た。

弁を作動するのに必要とされる摩擦圧力を２５番目サイ
クル及び５０００番目サイクル後３種の流体すべてに対
して測定し、そしてパツキンが存在しない時弁を作動す
るのに必要とされる圧力と較べた。

摩擦抗力として知られる圧力差は、２５番目サイクル後
、油、空気及び水それぞれに対して１．５ ｐｓ ｉ
（０，１０５に７／ｄ）、１．８ｐｓｉ（０，１２６に
７／ｍ ）及び０．６ ｐｓ ｉ （０，０４２４／ｍ
）であった。

５０００サイクル後、摩擦抗力は、油、空気及び水それ
ぞれに対して０．３ｐｓｉ（０，０２１に９／ｍ）、１
．２ ｐｓ ｉ （０，０８４に９／ｃＩｆｔ）及び０
．６ ｐｓ ｉ （０，０４２に９／ｃｒｄ）であるこ
とが見出された。

同じ制御弁に４つの従来型式の予備成形された可撓性グ
ラファイト層状リングを装着しそして弁を通して油を流
しながら同態様で試験した時、パツキンが存在しない時
に較べてパツキンが存在する時に弁を作動する必要とさ
れる圧力差は２５サイクル後３．８ ｐｓ ｉ （０
，２６７Ｋｙ／ｃＩＩｌ）であることが見出された。

軸の周囲に０．５インチ（１’２．７ｍ）巾と０．０１
５インチ（０，３８ｍ）厚の可撓性グラファイトの波状
リボン乃至テープを巻きつけそして後これをリングに圧
縮することによって形成された４つのリングを使用して
、空気及び水を使って試験を繰返したところ、各場合に
弁軸にかかる摩擦抗力は非常に高く、従って１．５ ｐ
ｓ ｉ （１，０５Ｋｐ／ｄ）の最大ダイヤフラム圧力
においてさえ弁を閉成しえなかった。

空気を使用した場合、弁はかなりの軸チャタリングを伴
って作動した。

水を使用しその１インチ（２５，４ｍ）巾Ｘ０．０１５
インチ（０，３８，ｗ）厚の可撓性グラファイトの波状
リボン乃至テープを軸の周囲に巻きつけそして後リボン
或いはテープをリングに圧縮することにより形成された
４つのリングを使用して試験を繰返した時、パツキンが
存在しない時に較べてパツキンが存在する時弁を作動す
るのに必要とされる圧力差は２．５サイクル後１．７ｐ
ｓｉ（０，１２〜／７）でありそして５０００サイクル
後１．３ ｐｓ ｉ （０，０９に９／７）ｆあルコト
カ見出された。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ スタッフィングボックス充填用パツキンリングであ
   って、該パツキンリングが、無秩序に配向された小さな
   可撓性グラファイト粒を互いに圧縮して成りそして７０
   〜１２０ｐｂｓ／ ｆｔ３（１，１２〜１．９２．！ｉ
   ｌ／ｃｆＩｔ）の密度を有し、そして該可撓性グラファ
   イト粒がリングへの圧力適用に際して互いに流動してリ
   ングをスタッフィングボックスの寸法に合せて形状変化
   せしめることを特徴とするパツキンリング。 ２８０ ｌｂ／ｆｔ３〜９０ ｌｂ／ｆｔ”（１，２８
   〜１．４４ｇ／ｃｒＩｔ）の密度を有する特許請求の範
   囲第１項記載のパツキンリング。 ３ スタッフィングボックス充填用のパツキンリングを
   製造する方法であって、 グラファイトフレークをＣ軸方向に少くとも８０倍膨張
   する段階と、 膨張したグラファイトフレークを圧縮して可撓性グラフ
   ァイトシートを形成する段階と、該可撓性グラファイト
   シートを細断して小さな無秩序に配向した可撓性グラフ
   ァイト粒を生成する段階と、 該可撓性グラファイト粒を加圧下で成形して７０〜１２
   ０ ｌｂ／ ｆｔ”（１，１２〜ｔ、９２ｇ／ｄ）の密
   度を有するパツキンリングを生成する段階とを包含する
   パツキンリング製造方法。 ４ パツキンリングがＡ５０米国標準篩上に保持される
   に充分であり、しかも長さにおいて０．２５０インチ（
   ６，３５７１ｍ）を越えない寸法の可撓性グラファイト
   粒から形成される特許請求の範囲第３項記載の方法。 ５ パツキンリングが嵐３０米国標準篩上に保持される
   に充分であり、しかも長さにおいて０．２５０インチ（
   ６，３５Ｍ）を越えない寸法の可撓性グラファイト粒か
   ら成形される特許請求の範囲第３項記載の方法。 ６ パツキンリングを成形するのに使用される可撓性グ
   ラファイト粒が、１０１ｂ／ｆｔ”〜１００１ｂ／ｆｔ
   、”（０，１６〜１．６．Ｆ／ｄ）の密度を有しそして
   ０．００３〜０．０６０インチ（ｏ、ｏｓ〜 ′１
   ．５２Ｍ）の厚さを有する可撓性グラファイトシートか
   ら生成される特許請求の範囲第４或いは５項記載の方法
   。 ７ パツキンリングを成形するのに使用される可撓性グ
   ラファイト粒が、５０１ｂ／ｆ１３〜９０１ｂ／ｆｔ３
   （０，８〜ｔ４４ｇ／ｄ）の密度を有しそして０．００
   ５〜０．０２５インチ（０，１２７〜０．６３５Ｍ）の
   厚さを有する可撓性グラファイトシートから生成される
   特許請求の範囲第４或いは５項記載の方法。