CN104487744A - 机械密封装置 - Google Patents

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CN104487744A CN201380026282.6A CN201380026282A CN104487744A CN 104487744 A CN104487744 A CN 104487744A CN 201380026282 A CN201380026282 A CN 201380026282A CN 104487744 A CN104487744 A CN 104487744A
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mechanical seal
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sealing
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柳泽隆
高桥秀和
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Eagle Industry Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种机械密封件，在填料盒与旋转轴之间的间隙对机器内部的流体进行密封，其特征在于，包括：密封盖，安装于所述填料盒；固定用密封环，安装于所述密封盖，具有第一密封面；旋转用密封环，安装于所述旋转轴，具有在所述第一密封面可滑动的第二密封面；以及轴环，与所述旋转轴一体旋转，所述固定用密封环或所述旋转用密封环的任何一个的密封面形成为半径方向的面宽度与另一个的密封面相比变窄，在所述旋转用密封环的与所述第二密封面相对的背面与所述轴环之间形成有间隙，所述旋转用密封环在所述旋转轴的轴向上保持弹性地与所述轴环一体旋转。

Description

机械密封装置
技术领域
本发明涉及一种机械密封装置。
背景技术
以往，在机械密封装置中，由于密封面滑动时缺乏自润滑性，使得滑动面发生磨损，或摩擦系数变动而引起温度急剧上升，从而存在产生热应力裂纹等问题。
因此，以往经验上通过降低滑动面温度来抑制介于滑动面的密封流体蒸发，从而将润滑膜保持在滑动面上。然而，在对接近沸点的流体进行密封时，很难抑制润滑膜的蒸发。
以往，考虑了通过使滑动面宽度变窄来减少摩擦系数，降低滑动放热。然而，认为使滑动面宽度变窄，会导致滑动面的磨损量增加而损坏滑动面，或密封性能变差等，技术优势较少，实用化较为困难。即，如果滑动面宽度较窄，则在滑动面之间不会形成液膜，由于固体接触而磨损量增加，因而认为使滑动面宽度变窄并非优选。
在专利文献1中，如其中的图1及图2所示，公开了密封端面的径向宽度为0.2～1.0mm的机械密封件。然而，在专利文献1中，由于通过使密封端面的径向宽度变小来增加接触压力而进行密封，因此存在密封面的磨损剧增，密封件滑动面损坏的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-173800号公报
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有密封性能并大幅度降低滑动放热，同时还能够抑制滑动面磨损的机械密封件。
为了达到上述目的，本发明提供一种机械密封件，在填料盒与旋转轴之间的间隙对机器内部的流体进行密封，其特征在于，包括：
密封盖，安装于所述填料盒；
固定用密封环，安装于所述密封盖，具有第一密封面；
旋转用密封环，安装于所述旋转轴，具有在所述第一密封面可滑动的第二密封面；以及
轴环，与所述旋转轴一体旋转，
所述固定用密封环或所述旋转用密封环的任何一个的密封面形成为半径方向的面宽度与另一个的密封面相比变窄，
在所述旋转用密封环的与所述第二密封面相对的背面与所述轴环之间形成有间隙，所述旋转用密封环在所述旋转轴的轴向上保持弹性地与所述轴环一体旋转。
根据这种结构的机械密封装置，面宽度狭窄的密封面由于刚度较低，因此容易变形。因此，在旋转用密封环旋转时，面宽度狭窄的密封面灵活地追随相对的密封面。其结果，滑动面产生适当的波纹，从而能够在滑动面适当地形成流体润滑膜。
另外，由于在旋转用密封环的背面与轴环之间形成有间隙，因此旋转用密封环在旋转轴的轴向上保持弹性地与轴环一体旋转。因此，能够吸收旋转用密封环旋转时的振动等，因此能够较佳地保持滑动面产生的波纹。并且，滑动面宽度狭窄，即，即使滑动面积很小也能够防止密封环损坏。
进而，由于使密封面的面宽度形成为较窄，因此夹着面宽度狭窄的密封面在有密封流体的机器内侧与无密封流体的机器外侧，能够使密封面的温差变小。其结果，能够减小密封面由于机器内侧与机器外侧之间的热而产生的变形量。
优选地，在所述旋转用密封环的所述轴环侧内周形成有容纳弹性部件和间隔物的槽，所述间隔物抵接于所述轴环，并在所述旋转用密封环的背面与所述轴环之间形成有间隙。
另外，优选地，形成为半径方向的面宽度与另一个的密封面相比变窄的密封面形成有截面形状为矩形的机头部。
根据这种结构的机械密封装置，由于机头部是矩形，因此假设即使滑动面磨损，密封面的面宽度也不会发生变化，从而能够持续保持适当的接触压力。
另外，优选地，形成为半径方向的面宽度与另一个的密封面相比变窄的密封面的面宽度形成为1.1～2.0mm。
另外，优选地，所述固定用密封环的平衡比形成为0.8～1.20。
根据这种结构的机械密封装置，与内部流体的压力对应的挤压力作用于固定用密封环。因此，滑动面由于产生与内部流体的压力对应的接触压力，因此与内部流体的压力对应地产生适当的波纹。因此，能够在滑动面形成较佳的流体润滑膜。
另外，优选地，所述固定用密封环的最内径比形成为1.09～1.30。
根据这种结构的机械密封装置，在固定用密封环的内周面侧与旋转轴的外周面之间形成有较大的间隙。其结果，能够朝向滑动面高效地循环被密封流体，因此能够高效地排出滑动放热。
另外，优选地，所述固定用密封环的内周面以朝向所述第一密封面并向外周侧倾斜的方式形成为锥状。
根据这种结构的机械密封装置，能够朝向滑动面高效地循环被密封流体，因此能够高效地排出滑动放热。
另外，优选地，机械密封装置为相对于由所述旋转用密封环与所述固定用密封环滑动而形成的密封面，在靠近所述旋转轴的一侧存在被密封流体的外侧式。
根据这种结构的外侧式机械密封装置，能够将滑动放热高效地排放到机器外侧。
另外，优选地，所述固定用密封环以及所述旋转用密封环中的至少任何一个由SiC构成。
附图说明
图1是本发明一实施方式中的机械密封装置的剖视图；
图2是图1所示的剖视图的局部放大图；
图3是图1及图2所示的旋转用密封环的正视图；
图4是表示滑动面宽度与比磨损量之间关系的曲线图。
符号说明
1….机械密封装置
10…密封盖
20…轴环
30…旋转用密封环
31…背面
32…密封面
35…槽
36…O形环
37…间隔物
40…固定用密封环
41…锥部
43…密封面
46…机头部
70…旋转轴
80…填料盒
A…机器内部
BV…平衡比
K…最内径比
具体实施方式
第一实施方式
本实施方式中的机械密封装置1是安装于普通工业用泵等的密封装置。如图1及图2所示，机械密封装置1构成为在相对于密封面靠近旋转轴的一侧存在被密封流体的外侧式，在旋转轴70与填料盒80之间的间隙内，对机器内部A侧的流体进行密封。另外，在图1及图2中，填料盒80的轴孔81侧(图示左侧)是机器内部A，其轴向相反侧(图示右侧)是机器外部B。
本实施方式的机械密封装置1优选在被密封流体的压力为1Mpa以下的使用环境下使用，但不限于此，也能够在大于2Mpa的压力环境下使用。
填料盒80形成有轴孔81，该轴孔81贯通有由未图示的轴承可旋转地支撑的旋转轴70。机械密封装置1通过密封垫60安装于填料盒80的轴孔81周围的外面82。即，通过使设置于填料盒80的外面82的嵌入式螺栓83通过密封盖10的设置用槽(未图示)而旋紧螺母84，从而使得机械密封装置1安装于填料盒80。另外，密封垫60是树脂制的或者金属制的，防止机器内侧空间A的被密封流体从密封盖10与填料盒80之间泄漏。
机械密封装置1包括密封盖10、固定用密封环40、旋转用密封环30以及轴环20。
在密封盖10的内周侧，可轴向移动地嵌设有固定用密封环40。密封盖10具有凸出至轴向机器外侧的固定销48。固定销48插入在固定用密封环40的凸缘部42形成的引导槽47内。密封盖10在周向上设置有多个弹簧座，在与固定用密封圈40的凸缘部42的相对面之间且在周向上保持多个盘簧49。
密封盖10自外周面形成有与内部孔11相连的径向的淬火剂注入通路13。淬火剂注入通路13形成有可与未图示的配管连接的管螺纹孔。通过配管注入的淬火剂从淬火剂注入通路13注入到固定用密封环40及旋转用密封环30的外周侧。通过注入的淬火剂，冷却固定用密封环40及旋转用密封环30的滑动面滑动时的放热，同时清洗附着于各密封部的杂质。另外，该淬火功能对于本发明而言并不是不可欠缺的功能，因此并不限定其存在与否。
固定用密封环40轴向移动自由地嵌设在密封盖10的内周侧。固定用密封环40在机器外侧端面形成有截面形状为矩形的机头部46。机头部46的机器外侧端面形成在密封面43上，该密封面43可滑动地紧密连接于旋转用密封环30的密封面32。固定用密封环40的密封面43的面宽度(径向长度)形成为比旋转用密封环30的密封面32的面宽度窄。图3所示的固定用密封环40的密封面43的面宽度优选为1.1～2.0mm。更优选地，固定用密封环40的密封面43的面宽度a为1.4～1.8mm。另外，机头部46的轴向长度优选为1.0～2.0mm。
如图2所示，固定用密封环40的外周面形成有沿轴向形成阶梯的台阶部41a。另一方面，密封盖10的内周面形成有与固定用密封环40的台阶部41a相对地沿同一轴向形成阶梯的台阶部44a。由这些台阶部41a及台阶部44a形成截面矩形的环状空间，该环状空间配置有O形环45。O形环45对密封盖10与固定用密封环40之间进行密封。另外，O形环45的材质可使用氟橡胶、丁腈橡胶、EPDM、全氟弹性体等。
如图1所示，固定用密封环40的外周侧形成在凸缘部42上，凸缘部42在轴向上形成有引导槽47。引导槽47插入有形成在密封盖10的机器外侧端面的固定销48。固定销48与引导槽47处于轴向上可相对移动的状态，周向上锁定的状态，由此，固定用密封环40设置为相对于密封盖10在轴向上可自由移动，在周向(旋转轴70的旋转方向)上不可旋转。
固定用密封环40的凸缘部42的与密封盖10相对的面在周向上设有多个弹簧座，在与形成在密封盖10的机器外侧端面的弹簧座之间保持着盘簧49。由此，固定用密封环40被挤压在轴向机器外侧，即被挤压在旋转密封环30的方向上。
固定用密封环40的内周面侧与旋转轴70的外周面之间形成有较大间隙。即，在本实施方式中，以由下面数学式1定义的最内径比K在1.09～1.30的范围内的方式形成固定用密封环40。这样，通过形成固定用密封环40，能够朝向滑动面高效地循环容纳在机器内侧空间A的被密封流体，从而能够高效地排出滑动面的滑动放热。
K＝rs/ra…(数学式1)
K是最内经比
ra是旋转轴70的半径
rs是固定用密封环40的内径
固定用密封环40的内周面以朝向密封面43向外周侧倾斜的方式形成为锥状。通过在固定用密封环40形成锥部41，能够朝向滑动面高效地循环被密封流体，从而能够高效地排出滑动面的滑动放热。
另外，在本实施方式中，如图2所示，以由下面的数学式2定义的平衡比BV在0.8～1.20范围内的方式形成固定用密封环40。通过使平衡比在0.8～1.20范围内，与内部流体的压力对应的挤压力作用于固定用密封环40。因此，在滑动面产生与内部流体的压力对应的接触压力，从而与内部流体的压力对应地在滑动面产生适当的波纹。因此，能够在滑动面形成较佳的流体润滑膜。
BV＝(rb 2-ri 2)/(ro 2-ri 2)…(数学式2)
BV是平衡比
ri是密封面43的内径
ro是密封面43的外径
rb是密封盖10的与台阶部44a的轴周面平行的面的直径(内径)
如图1所示，轴环20在由设置板55定位的状态下，通过紧定螺钉22相对于旋转轴70进行固定。另外，设置板55在组装完机械密封装置1后取下。
旋转用密封环30的机器内侧的端面形成在与固定用密封环40的密封面43紧密连接地滑动的机器内侧密封面32上。在旋转用密封环30的轴环20侧的内周面形成有槽35。
旋转用密封环30的槽35自轴环20侧沿着轴向依次配置有间隔物37以及O形环36。间隔物37抵接于轴环20，在旋转用密封环30的与密封面32相对的背面31与轴环20之间形成间隙b。间隔物37由SUS或工程塑料等强度优良的材料构成。而且，形成在背面31与轴环20之间的间隙b优选为0.4mm～3mm。在间隙b较小时，由于部件组合产生的累积公差，使得本实施方式的效果有变小倾向，另外，在间隙B较大时，机械密封装置在轴向上变大，将机械密封装置安装在泵体等存在变难的倾向。另外，固定用密封环40的密封面43的面宽度a与间隙b的比(a/b)优选为0.35～5。
O形环36紧密连接于旋转用密封环30的槽35、旋转轴70与间隔物37，对旋转用密封环30与旋转轴70之间密封。进而，O形环36由具有弹性的材料构成，因此旋转用密封环30在轴向及径向上保持弹性。O形环36的材料可采用氟橡胶、丁腈橡胶、EPDM、全氟弹性体等。
旋转用密封环30沿着轴向经由O形环36及间隔物37，由嵌设于旋转轴70的轴环20锁定。旋转用密封环30在轴向上形成有引导槽33。在引导槽33插入有设置在轴环20的机器内侧端面上的固定销21。固定销21与引导槽33处于轴向上可相对移动的状态，周向上锁定的状态，旋转用密封环30与轴环20一体旋转。
在本实施方式中，旋转用密封环30以及固定用密封环40由碳化硅(SiC)、碳、超硬合金等材料构成。优选地，固定用密封环40以及旋转用密封环30由SiC构成。通过用SiC构成固定用密封环40以及旋转用密封环30，使得这些部件具有相同硬度，因而能够抑制磨损。
在本实施方式中，将密封面43的面宽度相比通常形成为较窄。因此，在将固定用密封环40向旋转密封环30方向挤压的盘簧49的压力相同时，能够提高密封面43与机器内侧密封面32之间的表面压力。换言之，在取得相同的表面压力(密封面压力)时，通过使密封面宽度变窄，能够减小盘簧49的挤压力，从而能够使用小型弹簧。其结果，能够使机械密封装置1小型化。
另外，在本实施方式中，由于密封面43的面宽度狭窄，密封面43的刚度较低而容易变形。因此，在旋转用密封环30旋转时，密封面43灵活地追随相对的密封面32。其结果，在滑动面上产生适当的波纹，从而能够在滑动面合适地形成流体润滑膜。
另外，在本实施方式中，由于在旋转用密封环30的背面31与轴环20之间形成有间隙b，因此旋转用密封环30在旋转70的轴向上保持弹性地与轴环20一体旋转。因此，能够吸收旋转用密封环30旋转时的振动等，因此能够较佳地保持滑动面产生的波纹。
进而，由于使密封面43的面宽度形成为较窄，因此夹着密封面43在有密封流体的机器内部A侧与无密封流体的机器外部B侧，能够使温差变小。其结果，在密封面43的机器内部A侧与机器外部B侧，能够减小因热造成的变形量。
另外，在本实施方式中，由于机头部46为矩形，因此假设即使滑动面磨损，密封面43的面宽度也不会发生变化，从而能够持续保持适当的接触压力。
另外，在本实施方式中，固定用密封环40的平衡比BV在0.8～1.20范围内，与内部流体的压力对应的挤压力作用于固定用密封环40。因此，在滑动面产生与内部流体的压力相对应的接触压力，因此与内部流体的压力对应地在滑动面产生适当的波纹。因此，能够在滑动面形成较佳的流体润滑膜。
另外，在本实施方式中，固定用密封环40的内周面侧与旋转轴70的外周面之间形成有较大的间隙。其结果，能够朝向滑动面高效地循环被密封流体，因此能够高效地排出滑动放热。
另外，在本实施方式中，固定用密封环40的内周面朝向密封面形成为锥状，因此能够朝向滑动面高效地循环被密封流体，从而能够高效地排出滑动放热。
另外，在本实施方式中，由于是外侧式的机械密封装置，因此能够将滑动放热高效地排放到机器外侧。
另外，在以往认为，如专利文献1所公开的那样，在滑动面宽度狭窄的密封装置中，为了确保密封性能，必须在非常高的接触压力下进行密封。另外，在以往认为，如果滑动面宽度狭窄，则滑动面之间不形成液膜，固体接触而增加磨损量，因此并不优选使滑动面宽度变窄。本发明发现，如果使滑动面宽度为最佳面宽度，则能够大幅度降低滑动放热，以尝试法将其引入进行设计，实现了解决现有技术的问题点的新型机械密封装置。
另外，上述实施方式是为了容易理解本发明而记载的，并不对本发明作任何限定。实施方式中所公开的各要素也包括属于本发明的技术范围内的所有设计及变更或等效物，并且还能够进行任意合适的各种修改。
例如，固定用密封环40以及旋转用密封环30的形状或设置结构等可以任意变更。例如，在上述实施方式中，在固定用密封环40形成机头部，但也可以在旋转用密封环30形成机头部40。
另外，在上述实施方式中。针对外侧式机械密封装置进行了说明，但也能够适用于内侧式机械密封装置。
实施例
下面，基于实施例对本发明进行说明，但本发明并不限于这些实施例。
[表1]
实施例1～3
在实施例1～3中，制作上述第一实施方式所描述的机械密封装置，并使用SiC构成固定用密封环40以及旋转用密封环30。
而且，如表1所示，在实施例1中将固定用密封环的滑动面宽度设为1.20mm，在实施例2中将滑动面宽度设为1.50mm，在实施例3中将滑动面宽度设为1.80mm。
比较例1～3
比较例1及比较例2与上述实施例1～3不同，如表1所示，在比较例1中将滑动面宽度设为1.00mm，在比较例2中将滑动面宽度设为2.25mm。在比较例3中，将滑动面宽度设为1.5mm，但与上述第一实施方式描述的机械密封装置不同，在旋转用密封环的背面与轴环之间没有形成间隙。即，在比较例3中，与上述第一实施方式不同，在旋转用密封环背面的径向中间位置形成的槽内配置O形环，以在旋转用密封环与轴环之间进行密封。
评价
如表1所示，对磨损及泄漏量进行了评价。另外，磨损的良否判定是将比磨损量为1.00E-8(mm2/N)以下判定为良。
如表1所示，在实施例1～3中，没有发生泄漏。而且，在实施例1～3中，比磨损量为1.00E-10(mm2/N)以下，磨损特性良好。在实施例1～3中，认为存在滑动面形成有流体膜的流体润滑区域。在实施例2以及实施例3中，比磨损量为2.00E-14(mm2/N)以下，磨损特性特别良好。
在比较例1中，虽然没有发生泄漏，但是比磨损量为1.00E-7(mm2/N)。在比较例1中，由于滑动面宽度过窄，因此在滑动面没有形成流体膜，认为是磨料磨损区域。
在比较例2中，虽然比磨损量为1.00E-15(mm2/N)，但发生了泄漏。在比较例2中，由于滑动面宽度过宽，导致密封面的刚度提高，形成在机头部的密封面无法灵活地追随相对的密封面。
在比较例3中，局部可以看到滑动痕迹，并且在固定滑动环的机头部的一端产生缺口，并呈现出部分很强地接触，发生了泄漏。在比较例3中，认为由于在旋转用密封环的背面与轴环之间没有形成间隙，因此无法吸收旋转用密封环旋转时的振动等，无法保持滑动面产生的波纹。
另外，对于实施例1～3，测量了滑动面的温度，机器内部侧的温度为80℃，机器外部侧的温度79.8℃。由该结果也可以看出，在实施例1～3中，滑动面的摩擦系数非常小，存在滑动面形成有流体膜的流体润滑区域。
工业上的实用性
本发明例如能够用于一般工业用泵等。除此之外，在具有旋转轴的任意装置中，也能够用作该旋转轴的轴封装置。

Claims (9)

1.一种机械密封装置，在填料盒与旋转轴之间的间隙对机器内部的流体进行密封，其特征在于，包括：
密封盖，安装于所述填料盒；
固定用密封环，安装于所述密封盖，具有第一密封面；
旋转用密封环，安装于所述旋转轴，具有在所述第一密封面可滑动的第二密封面；以及
轴环，与所述旋转轴一体旋转，
所述固定用密封环或所述旋转用密封环的任何一个的密封面形成为半径方向的面宽度与另一个的密封面相比变窄，
在所述旋转用密封环的与所述第二密封面相对的背面与所述轴环之间形成有间隙，所述旋转用密封环在所述旋转轴的轴向上保持弹性地与所述轴环一体旋转。
2.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，在所述旋转用密封环的所述轴环侧内周形成有容纳弹性部件和间隔物的槽，所述间隔物抵接于所述轴环，并在所述旋转用密封环的背面与所述轴环之间形成有间隙。
3.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，形成为半径方向的面宽度与另一个的密封面相比变窄的密封面形成有截面形状为矩形的机头部。
4.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，形成为半径方向的面宽度与另一个的密封面相比变窄的密封面的面宽度形成为1.1～2.0mm。
5.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述固定用密封环的平衡比形成为0.8～1.20。
6.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述固定用密封环的最内径比形成为1.09～1.30。
7.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述固定用密封环的内周面以朝向所述第一密封面并向外周侧倾斜的方式形成为锥状。
8.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述机械密封装置为相对于由所述旋转用密封环与所述固定用密封环滑动而形成的密封面，在靠近所述旋转轴的一侧存在被密封流体的外侧式。
9.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述固定用密封环以及所述旋转用密封环中的至少任何一个由SiC构成。
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