バルブのシール原理

バルブには様々な種類がありますが、基本的な機能は媒体の流れを遮断または遮断することであり、バルブの密閉性の問題は非常に顕著になります。

バルブが媒体の流れを良好に遮断し、漏れを防止するためには、バルブのシールが損なわれていないことを確認する必要があります。バルブの漏れの原因は様々で、例えば、構造設計の不備、シール接触面の欠陥、締結部品の緩み、バルブ本体とバルブカバーの嵌合不良などが挙げられます。これらの問題はすべて、バルブのシール不良につながる可能性があり、漏れの問題を引き起こします。したがって、バルブシール技術バルブの性能と品質に関わる重要な技術であり、体系的かつ徹底的な研究が必要です。

バルブの誕生以来、そのシール技術も大きく発展してきました。現在、バルブシール技術は主に静的シールと動的シールという2つの主要な側面に反映されています。

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用います。

いわゆるダイナミックシールとは主にバルブステムのシーリングバルブステムの動きによるバルブ内の流体の漏れを防ぎます。ダイナミックシールの主なシール方法は、スタッフィングボックスを使用することです。

1. 静的シール

静的シールとは、2つの固定部間のシール形成を指し、主にガスケットを用いてシールを行います。ワッシャーには多くの種類があり、一般的に使用されるワッシャーには、平ワッシャー、O型ワッシャー、ラップワッシャー、特殊形状ワッシャー、ウェーブワッシャー、巻きワッシャーなどがあります。各種類は、使用される材料の違いによってさらに細分化されます。
①平ワッシャー平ワッシャーは、2つの固定部の間に平らに配置されます。一般的に、使用される材質によって、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。それぞれの材質には独自の用途があります。
②Oリング。Oリングとは、断面がO字型をした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、平型ガスケットよりもシール効果が優れています。
③ワッシャーを組み込む。ラップドガスケットとは、ある材料を別の材料で包み込む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ており、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、楕円ワッシャー、ダイヤモンドワッシャー、ギア型ワッシャー、ダブテール型ワッシャーなど、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・中圧バルブに使用されます。
⑤ウェーブワッシャー。ウェーブガスケットは、波形のみの形状を持つガスケットです。通常、金属材料と非金属材料の組み合わせで構成されており、一般的に押圧力が小さく、シール効果が良好であるという特徴があります。
⑥ ワッシャーを巻きます。巻き付け式ガスケットとは、薄い金属片と非金属片を密着させて巻き付けたガスケットのことです。このタイプのガスケットは、弾力性と密閉性に優れています。ガスケットの材料は、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、耐熱性が強いです。一般的に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、ラミネート、複合パネルなど、多くの種類の複合材料があり、特定のニーズに応じて選択されます。一般的には、波形ワッシャーとスパイラルワッシャーが最もよく使用されます。

2. ダイナミックシール

ダイナミックシールとは、バルブステムの動きに伴ってバルブ内の媒体の流れが漏れるのを防ぐシールのことです。これは相対運動時のシール問題です。主なシール方法はスタッフィングボックスです。スタッフィングボックスには、グランドタイプとコンプレッションナットタイプの2つの基本的なタイプがあります。グランドタイプは現在最も一般的に使用されている形式です。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。それぞれの形式は異なりますが、基本的には圧縮用のボルトが含まれています。コンプレッションナットタイプは、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、圧縮力が制限されます。
スタッフィングボックスでは、パッキンがバルブステムと直接接触するため、シール性、摩擦係数の小ささ、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、ゴム製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、具体的なニーズに応じて選択する必要があります。シーリングは漏れを防ぐためであるため、バルブのシール原理も漏れ防止の観点から研究されています。漏れを引き起こす主な要因は2つあります。1つはシール性能に影響を与える最も重要な要因、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。バルブのシール原理は、液体シール、ガスシール、リークチャネルシール原理、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。

液密性

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。リークバルブの毛細管にガスが充填されている場合、表面張力によって液体がはじかれたり、毛細管内に液体が流入したりすることがあります。これにより接線角が形成されます。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。異なる媒体を用いた実験では、同じ条件下でも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°を超える場合も漏れが発生します。これは、金属表面のグリースまたはワックス膜に関係しているためです。これらの表面膜が溶解すると、金属表面の特性が変化し、元々はじい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、媒体の粘度を高めることで、漏れを防止または漏れ量を減らすことができます。

ガス気密性

ポアソンの式によれば、気体の気密性は気体分子の粘性と気体自体の粘性に関係しています。漏れ量は毛細管の長さと気体の粘性に反比例し、毛細管の直径と駆動力に正比例します。毛細管の直径が気体分子の平均自由度に等しい場合、気体分子は自由な熱運動をしながら毛細管に流入します。したがって、バルブの密閉試験を行う際、媒体は水でなければ密閉効果が得られず、空気、つまり気体では密閉効果が得られません。

塑性変形によってガス分子下の毛細管径を縮小したとしても、ガスの流れを止めることはできません。これは、ガスが金属壁を透過して拡散し続けるためです。そのため、ガス試験は液体試験よりも厳格に行う必要があります。

漏洩経路のシール原理

バルブシールは、波面に広がる凹凸と、波のピーク間の距離における波状の粗さという2つの部分から構成されています。わが国の金属材料の多く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より高い要求を満たす必要があります。つまり、材料の圧縮力がその弾性力を超えている必要があります。そのため、バルブを設計する際には、シールペアに一定の硬度差を持たせる必要があります。圧力の作用下で、一定の塑性変形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も早く現れます。当初は、小さな荷重でも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。接触面積が増加すると、表面の凹凸は塑性弾性変形に移行します。このとき、凹部の両側に粗さが存在することになります。下地材料に深刻な塑性変形を引き起こすような荷重を加え、2つの表面を密着させる必要がある場合、これらの残存経路を連続線と円周方向に沿って近接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して閉じる部分です。使用中、金属シール面は、混入媒体、媒体腐食、摩耗粒子、キャビテーション、エロージョンなどによって容易に損傷を受けます。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せず、むしろ向上します。逆に、摩耗粒子が小さい場合、表面精度は低下します。したがって、摩耗粒子を選択する際には、その材質、使用条件、潤滑性、シール面の腐食などの要因を総合的に考慮する必要があります。

摩耗粒子と同様に、シール材の選定においては、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、耐腐食性、耐傷性、耐浸食性を備えた材料を選定する必要があります。そうでないと、いずれかの要件を満たさない場合でも、シール性能は大幅に低下します。