CN104685273A - 机械密封装置 - Google Patents

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Abstract

一种机械密封装置(1)，包括：密封盒(30)，安装于装置主体；旋转用密封环(60)，安装于旋转轴(100)；固定用密封环(50)，相对于旋转用密封环(60)在轴向上相对配置；和波纹管(40)，在轴向上可伸缩地安装在固定用密封环(50)与密封盒(30)之间。在密封盒(30)形成有向波纹管(40)的内周面侧的静压流体室(C)供给静压流体的静压流体供给孔(56)，在固定用密封环(50)形成有将静压流体室(C)的静压流体导入固定用密封环(50)与旋转用密封环(60)之间的密封面的连通孔。在波纹管(40)的外周面侧配置有密封流体。

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，已知一种阻止密封在机内的密封流体泄漏到机外的静压式机械密封装置。在该静压式机械密封装置内，通过向密封面供给压力比密封流体高的吹扫气体，使该吹扫气体泄漏到机内侧及机外侧，从而防止密封流体泄漏到机外。
然而，现有的静压式机械密封装置存在如下情况：由于机内侧的压力变动，机内压力与吹扫气体压力的平衡遭到破坏，难以适当地保持滑动面之间的间隙。例如，当机内压力大于规定压力时，滑动面之间的间隙打开至超出需要，密封流体可能会泄露至机外侧。另外，当机内压力小于规定压力时，滑动面相接触，滑动面可能会损坏。
为了解决这种问题，例如提出了专利文献1所示的机械密封装置。在专利文献1的机械密封装置内，形成有连通机内区域与固定用密封环的背面区域的背压导入通路。然而，在专利文献1等的现有机械密封装置存在如下问题：在固定用密封环与密封盒之间需要配置多个O形圈，从而降低了固定用密封环的轴向随动速度(随动性下降)。
另外，专利文献1等的现有机械密封装置还存在如下问题：形成细长的背压导入通路发生阻塞，无法使密封流体的压力作用于固定用密封环的背面。进而，还存在如下问题：由于密封流体的成分粘附在固定用密封环的背面区域内配置的操作用O形圈、弹簧等，从而降低了固定用密封环的轴向随动性。
专利文献
专利文献1：WO99-27281号公报
发明内容
本发明是鉴于这种问题而作出，其目的在于，提供一种能够较佳地对密封流体进行密封的机械密封装置。
为了达到上述目的，本发明提供一种机械密封装置，在装置主体与旋转轴之间的间隙内对装置内部的密封流体进行密封，其特征在于，包括：
密封盒，安装于所述装置主体；
旋转用密封环，安装于所述旋转轴；
固定用密封环，相对于所述旋转用密封环在轴向上相对配置；和
波纹管，在轴向上可伸缩地安装在所述固定用密封环与所述密封盒之间，
在所述密封盒形成有向所述波纹管的内周面侧的静压流体室供给静压流体的静压流体供给孔，
在所述固定用密封环形成有将所述静压流体室的静压流体导入所述固定用密封环与所述旋转用密封环之间的密封面的连通孔，
在所述波纹管的外周面侧配置有所述密封流体。
根据上述结构的机械密封装置，由于使密封流体的压力作用于波纹管的外周面，因此即使是对含有固体成分的密封流体进行密封的情况下也能够较佳地发挥密封性能。
进而，在本发明的机械密封装置内，由于使密封流体的压力作用于波纹管的外周面而使波纹管发挥密封功能的同时提供挤压力，因此能够省略与密封流体接触的O形圈或弹簧等结构。进而，在本发明中，能够使固定用密封环在轴向上平滑移动，从而发挥较佳的密封性能。而且，由于波纹管在轴向上可伸缩并且在径向上也可变形，因此安装于波纹管的固定用密封环能够吸收装置的振动等，并能够发挥较佳的密封性能。
进而，在本发明的机械密封装置中，由于在波纹管的外周面侧配置有密封流体，因此大幅度提高波纹管的内周面侧的设计灵活性。即，即使是对含有腐蚀性密封流体或固体成分的密封流体进行密封的情况，由于在波纹管的内周面侧不接触密封流体，因此能够自由选择在波纹管的内周侧配置的部件的材质。
优选地，机械密封装置进一步包括：密封部件，在所述波纹管的内周面侧配置在所述密封盒与所述固定用密封环之间，在轴向上可移动地保持所述固定用密封环，从大气侧空间对所述静压流体室进行密封。
在上述结构的机械密封装置中，由于在波纹管的内周面侧配置有密封部件，因此密封流体不接触密封部件。因此，密封部件的材质选择项较广，而且也消除了因密封流体接触造成的密封部件劣化的担忧。
另外优选地，在所述固定用密封环形成有与所述连通孔连续的环状槽。与连通孔连续的环状槽由于向固定用密封环与旋转用密封环之间的整个密封面导入静压流体，因此能够较佳地使静压作用于整个密封面。
优选地，所述环状槽的外径形成为大致等于所述波纹管的压力作用直径。通过如上述一样形成环状槽，仅调整环状槽的宽度，就能够调整作用于固定用密封环的挤压力。
优选地，机械密封装置进一步包括：弹性部件，相比所述密封部件配置在大气侧，将所述固定用密封环向所述旋转用密封环侧挤压。通过将弹性部件相比密封部件配置在大气侧，弹性部件不接触密封流体及静压用流体。其结果，弹性部件的材质选择项较广，而且也消除了因密封流体及静压流体接触造成的弹性部件劣化的担忧。
另外，优选地，所述环状槽的内径形成为大致等于所述密封部件与所述固定用密封环的接触直径。通过如上述一样形成环状槽，仅调整环状槽的宽度，就能够调整作用于固定用密封环的挤压力。
也可以将弹性部件配置在所述静压流体室的内部，该弹性部件将所述固定用密封环向所述旋转用密封环侧挤压。通过将弹性部件配置在静压流体室的内部，静压流体室的静压流体压力也作用于弹性部件挤压的固定用密封环的背面。因此，能够增大由静压流体产生的固定用密封环对旋转用密封环的挤压力。在有想要增大固定用密封环对旋转用密封环的挤压力的要求时，这种结构特别有效。
另外，优选地，在所述旋转用密封环的密封面形成有动压产生槽。动压产生槽能够在旋转用密封环旋转时产生动压的同时，向整个密封面导入静压流体，从而使静压较佳地作用于整个密封面。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式中的机械密封装置的剖视图；
图2是对图1所示的剖面图的主要部分进行说明的图；
图3是图1及图2所示的旋转用密封环的正视图；
图4是图1及图2所示的固定用密封环的正视图；
图5是本发明的其他实施方式中的机械密封装置的半剖视图。
符号说明
10…密封壳体
20…适配器
30…密封盒
40…波纹管
50…固定用密封环
56…连通孔
60…旋转用密封环
64、64a…动压产生槽
80…填料盒
100…旋转轴
122、122a、122b…O形圈
A…机外
B…机内
C…静压流体室
dob…环状槽内径
do…O形圈的接触直径
dbb…环状槽外径
db…波纹管的压力作用直径
具体实施方式
第一实施方式
本实施方式涉及的机械密封装置1是装配于一般工业用搅拌机、鼓风机或压缩机等装置的密封装置，尤其用于食品、医疗品、化学物质的制造用途中。
如图1及图2所示，机械密封装置1构成为相对于密封面将密封流体配置在径向外侧的内侧式，在旋转轴100与填料盒80之间的间隙内对机内B侧的密封流体进行密封。另外，在图1及图2中，轴向左侧为机外A，轴向右侧为机内B。
填料盒80中形成有轴孔82，由未图示的轴承可旋转支撑的旋转轴100贯通。在轴孔82的径向内侧配置有旋转用密封环60。旋转用密封环60在由间隔物75在轴向上定位的状态下安装于旋转轴100。间隔物75配置在旋转轴100的径向台阶部102与旋转用密封环60之间，进行旋转用密封环60的轴向定位。间隔物75由SUS或工程塑料等强度优异的材质构成。
在旋转用密封环60的轴向机内B侧，配置有护圈70及套筒76。套筒76通过护圈70将旋转用密封环60固定在轴向上。
护圈70配置在套筒76与旋转用密封环60之间，防止密封流体的固体成分从机内B侧浸入到填料盒80的轴孔82与旋转用密封环60的外周面之间。即，在护圈70的外周侧形成有延伸至轴向机外A侧的圆筒部71，该圆筒部71覆盖从填料盒80向轴向机内B侧凸出的凸出部86。进而，护圈70通过与旋转轴100一起旋转，利用离心力将密封流体及其所包含的固体成分引导至径向外侧。因此，防止密封流体的固体成分侵入填料盒80的轴孔82与旋转用密封环60的外周面之间。
护圈70的旋转用密封环60侧的内周面形成为锥状，在此配置O形圈128。O形圈128防止密封流体从旋转用密封环60与旋转轴100之间泄漏。
旋转用密封环60在机外A侧具有与固定用密封环50的密封面55相对的密封面62。如图3所示，在密封面62形成有动压产生槽64。动压产生槽64具有正向旋转R1用的第一槽64A与逆向旋转R2用的第二槽64B。第一槽64A与第二槽64B在径向上对称配置，第一槽64A与第二槽64B成对地在周向上等间隔地形成多个。动压产生槽64通过旋转用密封环60与旋转轴100一起旋转而产生动压。
如图1所示，在旋转用密封环60的轴向机外A侧配置有密封壳体10、适配器20、密封盒30、波纹管40、固定用密封环50等。密封壳体10安装于填料盒80。即，通过使设置在填料盒80的外面84的预埋螺栓(未图示)通过密封壳体10的安装用槽(未图示)，并用螺母(未图示)紧固，从而使得密封壳体10安装于填料盒80。在密封壳体10与填料盒80之间配置有O形圈120，防止密封流体从密封壳体10与填料盒80之间泄漏。
在密封壳体10的内周面12，在轴向机内B侧的端面14侧形成有安装槽16，该安装槽16安装有适配器20及密封盒30。适配器20及密封盒30容纳在安装槽16内，因此能够使机械密封装置1在轴向及径向上小型化。
安装于密封壳体10的适配器20具有向轴向机内B侧延伸的凸出部22，相比凸出部22在径向外侧组装于密封盒30。适配器20与密封盒30由紧固部件130固定。凸出部22的前端与密封盒30的内周面台阶部之间构成容纳O形圈122(密封部件)的容纳部。另外，适配器20与密封壳体30也可以一体地形成。适配器20与密封盒30即使为单独体，在本实施方式中也可作为密封盒30的一部分进行处理。
在密封盒30的轴向机内B侧的区段外径端部32安装有波纹管40的一端，波纹管40的另一端安装在固定用密封环50的外径端部51。波纹管40配置在填料盒80的轴孔82的内侧，在波纹管40的外周面侧配置有密封流体。波纹管40在轴向上可伸缩并且在径向上也可变形。因此，安装于波纹管40的固定用密封环50能够吸收装置的振动等，因此机械密封装置1能够发挥较佳的密封性能。另外，作为密封元件，由于使用波纹管40，因此与使用O行圈等的情况相比，能够使机械密封装置1在轴向及径向上小型化。
在固定用密封环50的内周侧形成有在波纹管40的内周侧向轴向机外A侧延伸的圆筒部52。在圆筒部52的外周面与密封盒30的内周台阶部之间配置有O形圈122，O形圈122、密封盒30、波纹管40和固定用密封环50之间形成静压流体室C。O形圈122从机外A对应的大气侧空间密封静压流体室C。
从静压流体供给孔34向静压流体室C供给作为静压流体的吹扫气体(例如氮气)。从静压流体供给孔34供给的静压流体能够根据机械密封装置1的使用用途进行适当选择。例如，静压流体也可以是水等液体。
O形圈122对固定用密封环50的圆筒部52的外周面与密封盒30之间进行密封，同时可轴向移动地保持固定用密封环50。在固定用密封环50在轴向上移动时，由于是只有一个O形圈122的滑动阻力发生作用的结构，因此能够使固定用密封环50在轴向上平滑移动。
另外，O形圈122由于配置在波纹管40的内周面侧，从而与密封流体隔离。因此，能够与密封的密封流体无关地选择O形圈122的材质。而且，也消除了密封流体接触O形圈122而造成劣化的担忧。其结果，在本发明中，能够使固定用密封环50在轴向上平滑移动，从而发挥较佳的密封性能。
在圆筒部52的相比O形圈122的大气侧形成有引导槽53及弹簧座54。埋入适配器20的固定销24插入引导槽53，固定销24与引导槽53为在轴向上可相对移动的状态、在周向上止动的状态。由此，固定用密封环50设置为对于密封盒30在轴向上自由移动，在周向(旋转轴100的旋转方向)上不能旋转。
弹簧座54在周向上设有多个，在与适配器20的相对面之间保持多个螺旋弹簧140。螺旋弹簧140提供将固定用密封环50向旋转用密封环60侧挤压的挤压力。
在本实施方式中，将固定销24及螺旋弹簧140配置在相比O形圈122的大气侧。在相比O形圈122的大气侧，由于固定销24及螺旋弹簧140不接触密封流体及静压用流体，因此这些部件的材质选择项较广。而且，由于固定销24及螺旋弹簧140不接触密封流体及静压流体，因此也消除了这些部件的劣化担忧。其结果，能够使固定用密封环50在轴向上平滑移动，从而较佳地发挥密封性能。另外，上述O形圈122与螺旋弹簧140的结构也能够替换为波纹管。
在密封盒30形成有静压流体供给孔34。静压流体供给孔34从密封盒30的外周端面连通到波纹管40的内周侧的静压流体室C。在密封盒30的外周端面，在静压流体供给孔34的两侧配置有O形圈124、126，对密封盒30与密封盖10之间进行密封。在密封盖10的外侧连接有未图示的吹扫气体供给装置，由吹扫气体供给装置供给的吹扫气体通过密封盖10的气体通路18、密封盒30的静压流体供给孔34供给到静压流体室C内。
在固定用密封环50形成有从静压流体室C侧贯通至轴向机内B侧的连通孔56，导入静压流体室C内的吹扫气体通过固定用密封环50的连通孔56导入到密封面55侧。如图4所示，在固定用密封环50的密封面55形成有与连通孔56连续的环状槽57，导入静压流体室C内的吹扫气体通过固定用密封环50的连通孔56，导入到密封面55侧的环状槽57。另外，连通孔56沿着环状槽57的周向形成有多个。与连通孔56连续的环状槽57向固定用密封环50与旋转用密封环60之间的整个相对滑动面导入静压流体，因此能够较佳地对相对滑动面作用静压。进而，在与固定用密封环50的密封面55相对的旋转用密封环60的密封面62形成有动压产生槽64，通过该动压产生槽64对整个相对滑动面产生静压。
吹扫气体在比密封流体高的压力下供给，导入环状槽57的吹扫气体产生静压，以使密封面55与密封面62之间的相对滑动面不接触。另外，导入该相对滑动面的吹扫气体也可以泄漏到机内B侧及/或机外A侧。泄漏到机内B侧的吹扫气体由于从护圈70的外周侧排出，因此成为密封流体不会从机内B侧进入填料盒80的轴孔82侧的结构。因此，消除了密封流体的固体成分粘附在密封面55与密封面62之间的相对滑动面及波纹管40的外周面的担忧，能够较佳地发挥密封性能。
另外，在本实施方式中，固定用密封环50及旋转用密封环60由碳化硅(SiC)、碳、超硬合金等材质构成。另外，O形圈120～128的材质采用氟橡胶、丁腈橡胶、EPDM、全氟弹性体等。
如图2所示，在本实施方式的机械密封装置1中，将固定用密封环50的环状槽57的内径dob形成为接近O形圈122与圆筒部52的接触直径do(平衡直径)。进而，将固定用密封环50的环状槽57的外径dbb形成为接近波纹管40的压力作用直径db(波纹管的外周直径与内周直径的平均直径)。与以下说明的一样，通过这样构成环状槽57的内径dob及外径dbb，能够自由地调整作用于固定用密封环50的挤压力。
例如，假设环状槽57的内径dob与外径dbb形成为满足以下关系。
(环状槽57的内径)dob＝do(O形圈122与圆筒部52的接触直径)
(环状槽57的外径)dbb＝db(波纹管40的压力作用直径)
此时，若保持吹扫气体压力P2大于密封流体压力P1的关系，则仅考虑使旋转用密封环60的旋转产生的动压Fd、从波纹管40的外周侧作用的密封流体压力P1产生的挤压力Fp1、弹性作用力Fs和波纹管的弹性作用力Fb的关系如下述算式1所示即可，从而能够简化机械密封装置1的设计。
Ftc＝Fp1+Fs+Fb<Fd…(算式1)
例如，在想要增大固定用密封环50对旋转用密封环60的挤压力时，在保持Ftc<Fd的关系的同时，相比“dob＝do、dbb＝db”的情况，只需缩小环状槽57的内外径的宽度(跨度)即可。
另外，在想要缩小固定用密封环50对旋转用密封环60的挤压力时，在保持Ftc<Fd的关系的同时，相比“dob＝do、dbb＝db”的情况，只需增大环状槽57的内外径的宽度即可。
在如上述构成的机械密封装置1中，波纹管40在发挥密封功能的同时，对固定用密封环50提供挤压力。因此，在本实施方式中的机械密封装置1中，能够大幅度省略O形圈或弹簧等结构。而且，由于固定用密封环50在轴向上移动时的滑动阻力大幅度减小，因此能够使固定用密封环50在轴向上平滑移动，从而较佳地发挥密封性能。另外，机械密封装置1结构简单，在轴向及径向上被小型化。
另外，配置在波纹管40的内周侧的O形圈122及螺旋弹簧140等部件不接触密封流体，因此即使是对含有腐蚀性流体或固体成分的流体进行密封的情况，这些部件也不会劣化，从而能够较佳地发挥密封功能。进而，由于构成为密封流体的固体成分不会浸入到波纹管40的外周侧，因此在波纹管40不会粘附密封流体的固体成分。因此，波纹管40能够较佳地对固定用密封环50提供挤压力，因此机械密封装置1能够较佳地发挥密封性能。
第二实施方式
如图5所示，本实施方式中的机械密封装置1a是图1～图4所示的第一实施方式的机械密封装置1的变形例，除下面所示以外，具有与第一实施方式相同的结构，达到同样的作用效果。关于与第一实施方式通用的结构，在附图中使用相似的标记，省略重复部分的说明。
在该实施方式中，形成为如下结构：在静压流体室C的内部，作为弹性部件的螺旋弹簧140a在周向上间断地配置有多个。为了实现这种结构，在该实施方式中，在适配器20的半径方向内侧端部，一体形成有向旋转用密封环60的方向延伸的圆筒状凸出部26。静止用密封环50的圆筒部52a轴向移动自由地装配于圆筒状凸出部26的前端部外周。
在圆筒部52a的内周面形成有O形圈槽，在该O形圈槽装配有O形圈122a(密封部件)，在静止用密封环50的圆筒部52a的内周面与适配器20的圆筒状凸出部26的外周面之间发生弹性变形，从机外A对应的大气侧空间密封静压流体室C。
在圆筒部52a的背面侧后端58(与旋转用密封环60的相反侧的端部)抵接在周向上间断地配置多个的螺旋弹簧140a的前端。各螺旋弹簧140a的后端分别容纳在圆柱状孔的弹簧座26的内部，该圆柱状孔的弹簧座26在圆筒状凸出部26的半径方向外侧沿周向间断地形成。各螺旋弹簧140a产生弹力以将静止用密封环50向旋转用密封环60挤压。另外，在周向间断地配置的弹簧座26的相互之间也可以配置有防止静止用密封环50相对于适配器20相对旋转的止旋销。
另外，为了确保适配器20与密封盒30之间的密封性，在适配器20的外周侧凸出部22a的外周形成有O形圈槽，在此装配有O形圈122b。O形圈122b与O形圈122a均是用于从大气侧空间密封静压流体室C的内部的密封部件，但在适配器20与密封盒30一体形成时，则不需要。
在本实施方式中，在旋转用密封环60的密封面形成的动压产生槽64a的形状或图案与第一实施方式的动压产生槽64的形状或图案可不同，也可相同。另外，在本实施方式中，也优选将图4所示的环状槽57形成在静止用密封环50的密封面，但也可未必一定形成。
在本实施方式中，作为弹性部件的螺旋弹簧140a配置在静压流体室C的内部。因此，静压流体室C内的静压流体压力也作用于固定用密封环50的背面侧后端58。因此，能够增大由静压流体产生的固定用密封环50对旋转用密封环60的挤压力。在有想要增大固定用密封环50对旋转用密封环60的挤压力的要求时，本实施方式的这种结构特别有效。
另外，上述实施方式是为了便于理解本发明而记载的实施方式，并不对本发明作任何限定。实施方式中所公开的各元件也包括属于本发明技术范围内的全部设计变更或等同物，还可进行各种任意合适的修改。
工业实用性
本发明例如能够用于一般工业用泵。除此之外，在具有旋转轴的任意装置中，能够用作该旋转轴的轴封装置。

Claims (8)

1.一种机械密封装置，在装置主体与旋转轴之间的间隙内对装置内部的密封流体进行密封，其特征在于，包括：
密封盒，安装于所述装置主体；
旋转用密封环，安装于所述旋转轴；
固定用密封环，相对于所述旋转用密封环在轴向上相对配置；和
波纹管，在轴向上可伸缩地安装在所述固定用密封环与所述密封盒之间，
在所述密封盒形成有向所述波纹管的内周面侧的静压流体室供给静压流体的静压流体供给孔，
在所述固定用密封环形成有将所述静压流体室的静压流体导入所述固定用密封环与所述旋转用密封环之间的密封面的连通孔，
在所述波纹管的外周面侧配置有所述密封流体。
2.根据权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，进一步包括：
密封部件，在所述波纹管的内周面侧配置在所述密封盒与所述固定用密封环之间，在轴向上可移动地保持所述固定用密封环，从大气侧空间对所述静压流体室进行密封。
3.根据权利要求1或2所述的机械密封装置，其特征在于，在所述固定用密封环形成有与所述连通孔连续的环状槽。
4.根据权利要求3所述的机械密封装置，其特征在于，所述环状槽的外径形成为大致等于所述波纹管的压力作用直径。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的机械密封装置，其特征在于，进一步包括：
弹性部件，相比所述密封部件配置在大气侧，将所述固定用密封环向所述旋转用密封环侧挤压。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的机械密封装置，其特征在于，所述环状槽的内径形成为大致等于所述密封部件与所述固定用密封环的接触直径。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的机械密封装置，其特征在于，进一步包括：
弹性部件，配置在所述静压流体室的内部，将所述固定用密封环向所述旋转用密封环挤压。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的机械密封装置，其特征在于，在所述旋转用密封环的密封面形成有动压产生槽。
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