(57)【要約】【課題】ヤーンを編組してなるグランドパッキンにおいて、放熱性及び耐摩耗性に優れたグランドパッキンを提供する。【解決手段】ヤーンを編組してなるグランドパッキンであって、ヤーンは、ＰＴＦＥと黒鉛との混合物からなり、黒鉛の円形度は、０．５〜０．７の範囲にあり、混合物は、ＰＴＦＥ１００質量部に対して、５〜６０質量部の黒鉛が含有されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヤーンを編組してなるグランドパッキンであって、
前記ヤーンは、ＰＴＦＥと黒鉛との混合物からなり、
前記黒鉛の円形度は、０．５〜０．７の範囲にあり、
前記混合物は、ＰＴＦＥ１００質量部に対して、５〜６０質量部の黒鉛が含有されている、グランドパッキン。
【請求項２】
ヤーンを編組してなるグランドパッキンに用いるヤーンの製造方法であって、
ＰＴＦＥと黒鉛とを含む混合物を作製する工程と、
前記混合物を押出してフィラメントを形成する工程と、
前記フィラメントの束を延伸してヤーンを形成する工程と
を含み、
前記黒鉛の円形度は、０．５〜０．７の範囲にあり、
前記混合物は、ＰＴＦＥ１００質量部に対して、５〜６０質量部の黒鉛が含有されている、グランドパッキン用ヤーンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヤーン（編糸）を編組してなるグランドパッキン、及びグランドパッキンに使用するヤーンの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体機器の軸封を行うパッキンとして、機器のケーシングと軸との間に形成される空間にシール部材を充填して、このシール部材を締め付ける構造のグランドパッキンがある。
【０００３】
このうち、耐薬品性に優れたグランドパッキンとして、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）繊維からなるヤーンを編組したグランドパッキンが知られている（例えば、特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−９３９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＰＴＦＥは、熱可塑性樹脂であるため、ＰＴＦＥ繊維からなるヤーンを編組したグランドパッキンを、例えば、回転軸が高速回転する流体機器に使用した場合、グランドパッキンが摩擦熱により高温になって変形し、その結果、シール性が低下するという問題がある。加えて、ＰＴＦＥは、機械的強度が弱いため、耐摩耗性が低いという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、ヤーンを編組してなるグランドパッキンにおいて、放熱性及び耐摩耗性に優れたグランドパッキンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るグランドパッキンは、ヤーンを編組してなるグランドパッキンであって、ヤーンは、ＰＴＦＥと黒鉛との混合物からなり、黒鉛の円形度は、０．５〜０．７の範囲にあり、混合物は、ＰＴＦＥ１００質量部に対して、５〜６０質量部の黒鉛が含有されている。
【０００８】
本発明に係るグランドパッキン用ヤーンの製造方法は、ヤーンを編組してなるグランドパッキンに用いるヤーンの製造方法であって、ＰＴＦＥと黒鉛とを含む混合物を作製する工程と、混合物を押出してフィラメントを形成する工程と、フィラメントの束を延伸してヤーンを形成する工程とを含み、黒鉛の円形度は、０．５〜０．７の範囲にあり、混合物は、ＰＴＦＥ１００質量部に対して、５〜６０質量部の黒鉛が含有されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ヤーンを編組してなるグランドパッキンにおいて、放熱性及び耐摩耗性に優れたグランドパッキンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態におけるグランドパッキンを、流体機器の軸封部に装着した状態を模式的に示した断面図である。
【図２】表１の試料Ｃにおいて、各試験項目を評価した後のグランドパッキングの表面を観察した結果を示した図で、（ａ）はＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真、（ｂ）はＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）写真である。
【図３】表１の試料Ｆにおいて、各試験項目を評価した後のグランドパッキングの表面を観察した結果を示した図で、（ａ）はＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真、（ｂ）はＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態におけるグランドパッキンを、流体機器の軸封部に装着した状態を模式的に示した断面図である。
【００１３】
図１に示すように、流体機器（不図示）の回転軸１の外周を取り囲んで配置されたパッキンボックス２と、回転軸１との間に形成された空間に、グランドパッキン３が装着されている。ここでは、５個のグランドパッキン３が装着された例を示している。
【００１４】
装着されたグランドパッキン３は、ボルト５を用いて、パッキン押さえ４で軸方向に締め付けることによって、軸表面を押し付ける力が発生し、その接触圧力で内部の流体がシールされる。
【００１５】
本実施形態において、グランドパッキン３は、ＰＥＴＥ（ポリテトラフルオロエチレン）と黒鉛との混合物からなるヤーン（編糸）を編組してなる編組体で構成されている。
【００１６】
また、ＰＴＦＥと黒鉛との混合物からなるヤーンは、粉末状のＰＴＦＥと黒鉛とを含む混合物を作製し、作製した混合物を押出してフィラメントを形成した後、このフィラメントの束を延伸することによって形成される。
【００１７】
本実施形態において、ＰＴＦＥと黒鉛との混合物からなるヤーンは、ＰＴＦＥと黒鉛とが化学結合せずに、ＰＴＦＥと黒鉛とが、互いにアンカー効果により結合している。
【００１８】
そこで、本発明者等は、ＰＴＦＥと黒鉛との結合力を示すアンカー効果が、黒鉛の円形度に依存すると考え、円形度の異なる黒鉛をＰＴＦＥと混合してヤーンを作製し、作製したヤーンを用いて編組したグランドパッキンに対して、その放熱性と耐摩耗性の評価を行った。
【００１９】
（グランドパッキンの作製）
ＰＴＦＥ１００質量部に対して、円形度を０．４〜０．８の範囲で変えた黒鉛を６０質量部混合し、この混合物から、所定の方法によりヤーンを形成した。また、このヤーンを格子編みすることにより、グランドパッキンを作製した。
【００２０】
ここで、円形度は、粒子を２次元に投影したときの球形の指標で、投影した画像の面積をＳ、輪郭線の長さをＬとしたとき、以下の式（１）で算出される。例えば、円の場合、円形度は１となる。
【００２１】
円形度＝４πＳ／Ｌ２  ・・・（１）
上記の測定は、例えば、粉体画像解析装置「ＰＩＴＡ−３」（株式会社セイシン企業製）を用いて行うことができる。
【００２２】
作製した各試料に対して、実機を模擬した回転試験機（社内製）を用いて、以下の試験項目を評価した。
【００２３】
（１）漏洩量
回転試験機のパッキンボックス内に、作製した各試料を５個装着し、所定の面圧力でパッキン押さえを締め付けした。そして、常温で０．５ＭＰａの水圧を負荷しながら、８．５ｍ／秒の周速で軸の回転を起動させた。その後、軸封部からの漏洩量を測定しながら、締付圧力を徐々に増加させて、漏洩量が安定したときの漏洩量を測定した。
【００２４】
（２）温度変化（放熱性）
上記の試験において、起動開始時の試料の温度から、漏洩量が安定したしたときの試料の温度を測定し、その温度変化を測定した。なお、試料の温度は、パッキン押さえを貫通して、パッキンに接触させて取り付けた熱電対により測定した。
【００２５】
（３）質量減少率（耐摩耗性）
上記の試験において、試験前の試料の質量Ｍ１と、漏洩量が安定した時点で回転試験機から取り出した試料の質量Ｍ２を測定し、試料の質量減少率（Ｍ２／Ｍ１×１００）を求めた。
【００２６】
表１は、上記の試験項目の評価結果を示した表である。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
ここで、試料Ｂ〜Ｆは、ＰＴＦＥ１００質量部に対して、円形度を０．４〜０．８の範囲で変えた黒鉛を６０質量部混合したヤーンを用いてグランドパッキンを作製した試料である。なお、試料Ａは、黒鉛を含有しないヤーンを編組してグランドパッキンを作製した試料である。また、黒鉛の円形度は、１０００個以上の黒鉛について円形度を求め、それらを平均した平均円形度を示したものである。
【００２９】
表１に示したように、ＰＴＦＥに黒鉛を含有させた試料Ｂ〜Ｆでは、温度変化が、黒鉛を含有させない試料Ａに比べて減少しているのが分かる。これは、ＰＴＦＥに、熱伝導性に優れた黒鉛を含有させることによって、グランドパッキングの放熱性が向上したためと考えられる。
【００３０】
しかしながら、円形度が０．５〜０．８の黒鉛を含有させた試料Ｃ〜Ｆでは、温度変化が、黒鉛を含有させない試料Ａに比べて、１／１０以下に減少しているが、円形度が０．４の黒鉛を含有させた試料Ｂでは、温度変化は、１／２程度に留まっている。これは、試料Ｂの黒鉛が歪な形状になっているため、ヤーンの表面に露出した黒鉛が、不均一な状態で、回転試験機のステム（回転部）と局所的に接触するため、黒鉛の放熱性が十分に発揮できなかったためと考えられる。
【００３１】
一方、表１に示したように、ＰＴＦＥに黒鉛を含有させた試料Ｂ〜Ｆでは、質量減少率が、黒鉛を含有させない試料Ａに比べて減少しているのが分かる。これは、ＰＴＦＥに、機械的強度に優れた黒鉛を含有させることによって、グランドパッキングの耐摩耗性が向上したためと考えられる。
【００３２】
しかしながら、円形度が０．５〜０．７の黒鉛を含有させた試料Ｃ〜Ｅでは、質量減少率が、黒鉛を含有させない試料Ａに比べて、１／５以下に減少しているが、円形度が０．４の黒鉛を含有させた試料Ｂでは、質量減少率は、黒鉛を含有させない試料Ａに比べて、２／３程度に留まっている。これは、試料Ｂの黒鉛が歪な形状になっているため、ヤーンの表面に露出した黒鉛が、回転試験機のステム（回転部）との摩耗により脱落したものと考えられる。
【００３３】
また、円形度が０．８の黒鉛を含有させた試料Ｆでも、質量減少率が、黒鉛を含有させない試料Ａに比べて、２／３程度に留まっている。これは、試料Ｆの黒鉛の円形度が大きいため、ＰＴＦＥと黒鉛との結合力を示すアンカー効果が、円形度の小さい試料Ｃ〜Ｅに比べて小さかったためと考えられる。
【００３４】
本願発明者等は、ＰＴＦＥと黒鉛との結合力を示すアンカー効果について、以下の方法により確認を行った。
【００３５】
図２及び図３は、質量減少率が小さい試料Ｃ、及び質量減少率が大きい試料Ｆにおいて、上記の試験項目を評価した後のグランドパッキングの表面を観察した結果を示した図で、各図の（ａ）は、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真、各図の（ｂ）は、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）写真である、なお、ＥＤＸ写真は、ＳＥＭ写真中の黒鉛（カーボン）の分布をマッピングしたものである。ＳＥＭ写真及びＥＤＸ写真中、矢印Ａで示したものが黒鉛である。
【００３６】
図２（ｂ）に示すように、試料Ｃでは、ＰＴＦＥと黒鉛との間に隙間がなく、ＰＴＦＥと黒鉛とが強固に結合力していることが分かる。これは、試料Ｃでは、ＰＴＦＥに含有される黒鉛の円形度が小さい（０．５）ため、アンカー効果が大きく（結合力が大きく）、回転試験機のステム（回転部）との摩耗によっても、黒鉛が脱落しなかったためと考えられる。
【００３７】
一方、図３（ｂ）に示すように、試料Ｆでは、ＰＴＦＥと黒鉛との間に隙間が観察される。これは、試料Ｆでは、ＰＴＦＥに含有される黒鉛の円形度が大きい（０．８）ため、アンカー効果が小さく（結合力が小さく）、回転試験機のステム（回転部）との摩耗により、黒鉛が回転したことにより、ＰＴＦＥと黒鉛との間に隙間が生じたものと考えられる。
【００３８】
以上の観察から、ＰＴＦＥに円形度の小さい（０．５〜０．７）黒鉛を混合した混合物が、アンカー効果によって強固に結合することによって、この混合物からなるヤーンを編組して作製したグランドパッキンの耐摩耗性が向上したものと考えられる。
【００３９】
再び、表１に戻って、円形度が０．５〜０．７の黒鉛を含有させた試料Ｃ〜Ｅでは、漏液量が、黒鉛を含有させない試料Ａに比べて、約１／２０程度に減少しているのが分かる。これは、上述したように、ＰＴＦＥに含有される黒鉛の円形度が小さいため、アンカー効果が大きく、その結果、ＰＴＦＥと黒鉛とが強固に結合することにより、耐摩耗性が向上（質量減少率の減少）したためと考えられる。
【００４０】
一方、円形度が０．４の黒鉛を含有させた試料Ｂでは、漏液量が、試料Ｃ〜Ｅに比べて多くなっていることが分かる。これは、上述したように、試料Ｂの黒鉛が歪な形状になっているため、試料Ｃ〜Ｅに比べて、放熱性及び耐摩耗性が低かった（質量減少率が大きかった）ためと考えられる。
【００４１】
また、円形度が０．８の黒鉛を含有させた試料Ｆでは、漏液量が、試料Ｃ〜Ｅに比べて多くなっていることが分かる。これは、上述したように、ＰＴＦＥに含有される黒鉛の円形度が大きいため、アンカー効果が小さく、その結果、ＰＴＦＥと黒鉛との結合力が弱く、耐摩耗性が低かった（質量減少率が大きかった）ためと考えられる。
【００４２】
以上の結果から、グランドパッキンを、ＰＴＦＥと、円形度が０．５〜０．７の黒鉛とを混合して形成したヤーンを編組した編組体で構成することによって、放熱性及び耐摩耗性に優れたグランドパッキンを得ることができる。これにより、例えば、流体機器の回転軸の軸封部に、本実施形態におけるグランドパッキンを適用した場合、回転軸が高速回転（例えば、周速が２０ｍ／秒以上）する高ＰＶ値下で使用しても、十分な放熱性及び耐摩耗性を有することができる。その結果、高ＰＶ下で長時間使用しても、高いシール性と耐久性を維持することができる。
【００４３】
ところで、黒鉛は、ＰＴＦＥと黒鉛に比べて、熱伝導性及び機械的強度が高いため、ＰＴＦＥに、円形度が０．５〜０．７の黒鉛を、一定量混合してヤーンを作製し、このヤーンを編組して作製したグランドパッキングは、放熱性及び耐摩耗性の向上が期待できる。そこで、このようにして作製したグランドパッキングにおいて、ＰＴＦＥに混合する黒鉛の含有率に対して、優れた放熱性及び耐摩耗性を得るための最適な範囲を、以下のような試料を作製して検討した。
【００４４】
（グランドパッキンの作製）
ＰＴＦＥと黒鉛との混合物として、ＰＴＦＥ１００質量部に対して、円形度が０．６の黒鉛の含有率を、０〜７０質量部の範囲で変えた試料Ｇ〜Ｍを作製し、この混合物から作製したヤーンを編組してグランドパッキングを作製した。そして、作製した各試料に対して、上述した方法と同じ試験方法により、漏洩量、温度変化、及び、質量減少率の各試験項目を評価した。
【００４５】
表２は、上記の試験項目の評価結果を示した表である。
【００４６】
【表２】
2019196828.tif 000004
【００４７】
ここで、試料Ｇは、表１の試料Ａと同じもので、試料Ｌは、表１の試料Ｄと同じものである。
【００４８】
表２に示したように、ＰＴＦＥ１００質量部に、５〜７０質量部の黒鉛を含有させた試料Ｈ〜Ｍでは、温度変化が、黒鉛を含有させない試料Ａに比べて、１／４以下に減少しているのが分かる。これは、ＰＴＦＥに、熱伝導性に優れた黒鉛を含有させることによって、グランドパッキングの放熱性が向上したためと考えられる。
【００４９】
一方、ＰＴＦＥ１００質量部に、５〜６０質量部の黒鉛を含有させた試料Ｈ〜Ｌでは、質量減少率が、黒鉛を含有させない試料Ａに比べて、１／２〜１／５に減少しているが、７０質量部の黒鉛を含有させた試料Ｍでは、質量減少率が、黒鉛を含有させない試料Ａに比べて、２／３程度に留まっている。これは、ＰＴＦＥと黒鉛との混合物において、黒鉛同士には結着性はなく、ＰＴＦＥがバインダーの役割を果たしているため、黒鉛の含有率が７０質量部を超えると、ＰＴＦＥと黒鉛の混合物で作製したヤーンが脆くなったためと考えられる。また、試料Ｍでは、質量減少率の増加に伴い、漏液量も、試料Ｈ〜Ｌに比べて増加している。
【００５０】
以上の結果から、ＰＴＦＥと、円形度が０．５〜０．７の黒鉛との混合物からなるヤーンを編組して作製したグランドパッキングにおいて、ＰＴＦＥと黒鉛との混合物は、ＰＴＦＥ１００質量部に対して、５〜６０質量部の黒鉛が含有されていることが好ましい。これにより、放熱性及び耐摩耗性に優れたグランドパッキンを得ることができる。さらに、ＰＴＦＥと黒鉛との混合物は、ＰＴＦＥ１００質量部に対して、２０〜６０質量部の黒鉛が含有されていることがより好ましい。これにより、より放熱性及び耐摩耗性に優れたグランドパッキンを得ることができる。
【００５１】
本実施形態におけるヤーンは、ＰＴＦＥと黒鉛とを含む混合物からなるが、この混合物に、カーボン繊維、ガラス繊維等を含ませてもよい。これにより、グランドパッキンの機械的強度や、耐摩耗性をさらに向上させることができる。
【００５２】
また、本実施形態におけるヤーンの編み方は、特に限定されないが、例えば、八編み、格子編み、袋編み等の編み方を使用することができる。
【００５３】
また、本実施形態において、ＰＴＦＥに混合する黒鉛の粒径は特に限定されないが、黒鉛の平均粒径が、ＰＴＦＥの平均粒径よりも小さいことが好ましい。これにより、ＰＴＦＥと黒鉛との混合物において、より大きなアンカー効果を得ることができる。また、黒鉛の平均粒径は、典型的には、１０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。
【００５４】
また、本実施形態において、ＰＴＦＥに混合する黒鉛の種類は限定されないが、例えば、人造黒鉛や天然黒鉛等を用いることができる。なお、これらの黒鉛の円形度は、一定の分布を有するため、本実施形態において用いる黒鉛は、平均円形度が０．５〜０．７の範囲にある黒鉛を選別して用いればよい。
【００５５】
また、本実施形態におけるヤーンは、ＰＴＦＥと黒鉛とを含む混合物を押出してフィラメントを形成した後、このフィラメントの束を延伸することによって形成されるが、その後、圧縮成形することにより、任意の断面形状（例えば、矩形）に成形してもよい。
【００５６】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態では、流体機器の回転軸の軸封部に、グランドパッキンを適用する例を説明したが、これに限定されず、軸方向に往復運動する軸体の軸封部にも、勿論、本実施形態におけるグランドパッキンを適用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１      回転軸 
２      パッキンボックス 
３      グランドパッキン
４      パッキン押さえ
５      ボルト
【図１】
2019196828.tif 000005
【図２】
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【図３】
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