バルブのシール原理

バルブには多くの種類がありますが、基本的な機能は共通しており、流体の流れを遮断または接続することです。そのため、バルブのシール性に関する問題は非常に重要になります。

バルブが媒体の流れを適切に遮断し、漏れを防ぐためには、バルブのシールが完全であることを確認する必要があります。バルブの漏れには、不適切な構造設計、シール接触面の欠陥、固定部品の緩み、バルブ本体とバルブカバー間の嵌合不良など、多くの原因があります。これらの問題はすべてバルブのシール不良につながり、漏れの問題を引き起こす可能性があります。したがって、バルブシール技術これはバルブの性能と品質に関わる重要な技術であり、体系的かつ詳細な研究が必要である。

バルブが開発されて以来、そのシール技術も大きく発展してきました。現在、バルブのシール技術は主に静的シールと動的シールの2つの主要な側面で表されます。

いわゆる静的シールとは、通常、2つの静止面間のシールを指します。静的シールのシール方法は主にガスケットを使用します。

いわゆる動的シールとは主にバルブステムのシールこれにより、バルブステムの動きに伴うバルブ内の流体の漏れを防ぎます。動的シールの主なシール方法は、グランドパッキンを使用することです。

1. 静的シール

静的シールとは、2つの固定部分の間にシールを形成することを指し、シール方法としては主にガスケットが用いられます。ワッシャーには多くの種類があり、一般的に使用されるものとしては、平ワッシャー、O型ワッシャー、巻きワッシャー、特殊形状ワッシャー、波型ワッシャー、巻ワッシャーなどがあります。それぞれの種類は、使用される材料によってさらに細分化できます。
①平ワッシャー平ワッシャーは、2つの固定部品の間に平らに配置される平ワッシャーです。一般的に、使用される材料によって、プラスチック平ワッシャー、ゴム平ワッシャー、金属平ワッシャー、複合平ワッシャーに分類されます。各材料にはそれぞれ独自の用途範囲があります。
②Oリング。Oリングとは、断面がO字型のガスケットのことです。断面がO字型であるため、一定の自己締め付け効果があり、平らなガスケットよりもシール効果が優れています。
③ワッシャーを含む。ラップガスケットとは、ある材料を別の材料で包んだガスケットのことです。このようなガスケットは一般的に弾力性に優れ、シール効果を高めることができます。 ④特殊形状ワッシャー。特殊形状ワッシャーとは、楕円形ワッシャー、ダイヤモンド型ワッシャー、ギア型ワッシャー、アリ溝型ワッシャーなど、不規則な形状のガスケットのことです。これらのワッシャーは一般的に自己締め付け効果があり、主に高圧および中圧バルブで使用されます。
⑤波型ワッシャー。波型ガスケットは、波状の形状のみを持つガスケットです。これらのガスケットは通常、金属材料と非金属材料の組み合わせで構成されています。一般的に、小さな加圧力と優れたシール効果という特徴があります。
⑥ ワッシャーを巻きます。巻きガスケットとは、薄い金属片と非金属片をしっかりと巻き付けて作られたガスケットのことです。このタイプのガスケットは、優れた弾性とシール性を備えています。ガスケットの製造に使用される材料は、主に金属材料、非金属材料、複合材料の3種類に分類されます。一般的に、金属材料は強度が高く、耐熱性にも優れています。よく使用される金属材料には、銅、アルミニウム、鋼などがあります。非金属材料には、プラスチック製品、ゴム製品、アスベスト製品、麻製品など、多くの種類があります。これらの非金属材料は広く使用されており、特定のニーズに応じて選択できます。また、積層材、複合パネルなど、多くの種類の複合材料があり、これも特定のニーズに応じて選択できます。一般的に、波形ワッシャーとスパイラル巻きワッシャーがよく使用されます。

2. 動的シール

動的シールとは、バルブステムの動きに伴ってバルブ内の流体の流れが漏れるのを防ぐシールを指します。これは相対運動時のシールの問題です。主なシール方法はグランドパッキンです。グランドパッキンには、グランド型と圧縮ナット型の2つの基本的なタイプがあります。グランド型は現在最も一般的に使用されているタイプです。一般的に、グランドの形状に関しては、複合型と一体型の2種類に分けられます。それぞれの形状は異なりますが、基本的に圧縮用のボルトが含まれています。圧縮ナット型は一般的に小型バルブに使用されます。このタイプはサイズが小さいため、圧縮力は制限されます。
グランドパッキンでは、パッキンがバルブステムと直接接触するため、パッキンには良好なシール性、小さな摩擦係数、媒体の圧力と温度への適応性、耐腐食性が求められます。現在、一般的に使用されている充填材には、ゴムOリング、ポリテトラフルオロエチレン編組パッキン、アスベストパッキン、プラスチック成形充填材などがあります。各充填材にはそれぞれ適用条件と範囲があり、特定のニーズに応じて選択する必要があります。シールは漏れを防ぐためのものであるため、バルブシールの原理も漏れ防止の観点から研究されています。漏れの原因となる主な要因は2つあります。1つはシール性能に最も影響を与える要因、つまりシールペア間の隙間であり、もう1つはシールペアの両側の圧力差です。バルブシールの原理は、液体シール、ガスシール、漏れ経路シール原理、バルブシールペアの4つの側面からも分析されています。

液体の密閉性

液体のシール特性は、液体の粘度と表面張力によって決まります。漏れのあるバルブの毛細管にガスが満たされると、表面張力によって液体が反発したり、毛細管内に液体が流入したりします。これにより接線角が生じます。接線角が90°未満の場合、液体が毛細管内に注入され、漏れが発生します。漏れは媒体の特性の違いによって発生します。同じ条件下でも、異なる媒体を用いた実験では異なる結果が得られます。水、空気、灯油などを使用できます。接線角が90°より大きい場合も漏れが発生します。これは、金属表面のグリースやワックスの膜に関係しています。これらの表面膜が溶解すると、金属表面の特性が変化し、もともと反発していた液体が表面を濡らして漏れが発生します。上記の状況を考慮すると、ポアソンの式によれば、毛細管の直径を小さくし、媒体の粘度を上げることで、漏れを防止したり、漏れ量を減らしたりすることができます。

気密性

ポアソンの式によれば、気体の気密性は気体分子の粘度と気体の粘度に関係しています。漏れは毛細管の長さと気体の粘度に反比例し、毛細管の直径と駆動力に比例します。毛細管の直径が気体分子の平均自由度と同じ場合、気体分子は熱運動によって自由に毛細管内に流れ込みます。したがって、バルブのシール試験を行う際には、シール効果を得るために媒体は水でなければならず、空気、すなわち気体ではシール効果は得られません。

たとえ塑性変形によって毛細管の直径を気体分子より小さくしても、気体の流れを止めることはできません。なぜなら、気体は金属壁を透過して拡散するからです。したがって、気体試験を行う際には、液体試験よりも厳密な手順を踏む必要があります。

漏洩経路のシール原理

バルブシールは、波面の凹凸と波の頂点間の距離における波状部の粗さという2つの部分から構成されます。我が国の金属材料のほとんどは弾性ひずみが低いため、シール状態を実現するには、金属材料の圧縮力に対する要求を高くする必要があります。つまり、材料の圧縮力が弾性限界を超えなければなりません。したがって、バルブを設計する際には、シール対となる部材に一定の硬度差を持たせます。圧力が加わると、一定程度の塑性変形によるシール効果が得られます。

シール面が金属材料でできている場合、表面に凹凸のある突起が最初に現れます。最初は、わずかな荷重でこれらの凹凸のある突起を塑性変形させることができます。接触面が増加すると、表面の凹凸は塑性弾性変形になります。このとき、凹部の両側に粗さが生じます。下地材料に大きな塑性変形を起こさせ、2つの表面を密着させる荷重をかける必要がある場合、これらの残存する経路は連続線と円周方向に沿って密着させることができます。

バルブシールペア

バルブシールペアとは、バルブシートと閉鎖部材が接触することで閉じる部分です。使用中、金属製シール面は、混入媒体、媒体腐食、摩耗粒子、キャビテーション、浸食などによって容易に損傷を受けます。摩耗粒子の場合、摩耗粒子が表面粗さよりも小さい場合、シール面が摩耗しても表面精度は低下するのではなく向上します。逆に、表面精度が劣る場合は低下します。したがって、摩耗粒子を選定する際には、材質、使用条件、潤滑性、シール面の腐食などの要素を総合的に考慮する必要があります。

摩耗粉と同様に、シール材を選定する際には、漏れを防ぐために、その性能に影響を与える様々な要因を総合的に考慮する必要があります。そのため、腐食、傷、浸食に強い材料を選ぶことが不可欠です。そうでなければ、これらの要件を満たさないと、シール性能が著しく低下してしまいます。