CN105531518A - 机械密封 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够保持耐用性且使密封性稳定的机械密封。在该机械密封中，接合环(120)具有：滑动部(121)，其在轴(200)的轴线方向的大气(A)侧的端面具有与密封圈(110)滑动的滑动面；和被保持部(122)，其从滑动部(121)的径向外侧的端部向轴线方向的密封对象流体(F)延伸，并被衬套(130)保持，该机械密封还具有环状的支架(500)，其固定于衬套(130)设置，承受来自O型圈(140)的压力，该O型圈(140)从轴线方向的密封对象流体(F)侧，承受流入到由衬套(130)的法兰部(132)和接合环(120)的被保持部(122)形成的空间密封对象流体的液压P。

Description

机械密封
技术领域
本发明涉及一种机械密封。
背景技术
现有技术中已知，在汽车用水泵中，安装有用于密闭壳体和轴之间的环状间隙的机械密封。利用安装机械密封，将壳体内划分为，对密封对象流体密封的密封对象流体侧(泵室)和大气侧(轴承室)。
近年由于引擎的热效率提高，而使最适合的运转温度区域高于以前，或由于水泵的小型化、高性能化的高速转动化等，而有使密封对象流体侧(泵室)的压力增高的倾向。
因密封对象流体侧的压力升高，使得施加于机械密封的转动侧和固定侧的压力平衡产生压差，导致在转动侧密闭衬套和接合环(matingring，转动环)之间的环状间隙的杯形垫圈(cupgasket)沿轴向移动。在杯形垫圈移动时，会导致密封性不稳定。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2011‐74966号公报
发明要解决的课题
因此，在专利文献1中公开有以下结构，转动侧的接合环和固定侧的密封圈相互滑动的机械密封中，接合环120的内径R2在橡胶制波纹管的外径的最小径R3以上，由此，沿轴线方向对接合环120施加的来自密封对象流体侧的压力变小。
此时，使用图6，与现有技术的机械密封的结构进行比较且对专利文献1的机械密封的结构的详细进行说明。图6(a)是表示现有技术的机械密封的结构的截面示意图，图6(b)是表示专利文献1的机械密封的结构的截面示意图。
机械密封是利用随着轴200的转动接合环120转动，使在轴200侧固定的作为转动环的接合环120和在壳体300侧固定的作为固定环的密封圈110而相互滑动的结构。此时，将接合环120的端面和密封圈110的端面中相互滑动的部分定义为滑动面。另外，如图6所示，将滑动面的最大径定义为R1、将接合环120的内径定义为R2、将橡胶波纹管170的外径的最小径定义为R3。
如专利文献1的记载，通过将R2设定为R3以上，能够减少施加于机械密封的转动侧和固定侧的压力平衡之差。这是因为，通过将R2设定为R3以上，在密封对象流体的液压作用下，即使将接合环120向轴线方向的固定侧推压的多余的力为最大，也仅是杯形垫圈40的内径及接合环120的内径间的圆环状的面积这样很少的量。
然而，在将R2设定为R3以上时，与现有技术例的图6(a)所示的结构比较，由于需要增大接合环120的直径(参照图6(b))、接合环120的直径增大时导致圆周速度变快，从而容易在滑动面产生磨损，而使耐用性降低。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种保持耐用性且使密封性稳定的机械密封。
用于解决课题的方式
为了解决上述课题，本发明采用以下的手段。
即，本发明的机械密封，
其用于密闭转动轴和壳体之间的环状间隙，并将所述壳体内划分为密封有密封对象流体的流体侧和大气侧，其特征在于，具有：转动环，其与所述转动轴一起转动；固定环，其固定于所述壳体，并设置在比所述转动环靠近所述转动轴的轴线方向的所述大气侧；环状的衬套，其具有内周面固定于所述转动轴的外周面的筒状的轴固定部、从所述轴固定部的端部中所述轴线方向的所述流体侧的端部向径向外侧延伸的法兰部、和保持所述转动环的转动环保持部；环状的第1密封部件，其密闭所述转动环和所述衬套之间的环状间隙；环状的管筒，其具有外周面固定于所述壳体的内周面的筒状的壳体固定部、从所述壳体固定部的端部中所述轴线方向的所述大气侧的端部向径向内侧延伸的法兰部、和从所述法兰部的径向内侧的端部向轴线方向的所述流体侧延伸，并保持所述固定环的固定环保持部；以及环状的第2密封部件，其密闭所述固定环和所述固定环保持部之间的环状间隙，具有从所述轴线方向的所述大气侧承受向所述壳体固定部的内部流入的密封对象流体的液压，并将该液压传递给所述固定环的受压部，所述转动环具有：滑动部，其在所述轴线方向的所述大气侧的端面具有与所述固定环滑动的滑动面；和被保持部，其从所述滑动部的径向外侧的端部向所述轴线方向的所述流体侧延伸，并被所述转动环保持部保持，该机械密封还具有环状的压力承受部件，其固定于所述衬套，或与所述衬套设置为一体，用于承受来自第1密封部件的压力，该第1密封部件从所述轴线方向的所述流体侧，承受流入到由所述衬套的法兰部和所述被保持部形成的空间的密封对象流体的液压。
根据上述结构，由于向管筒(Cartridge)的筒状的壳体固定部的内部流入的密封对象流体的液压，使第2密封部件的受压部受到从轴线方向的大气侧向密封对象流体侧的方向的力。受压部承受的液压向固定环传递，使固定环从轴线方向的大气侧向密封对象流体侧的方向施压转动环。
另一方面，由衬套的法兰部和转动环的被保持部形成空间，利用向该空间流入的密封对象流体的液压，第1密封部件承受从轴线方向的密封流体侧朝向大气侧方向的力。
此时，压力承受部件固定于衬套，或与衬套一体设置，通过使第1密封部件承受液压，使压力承受部件承受来自第1密封部件的力。因此，利用密封对象流体的液压，使第1密封部件承受的、从轴线方向的流体侧向大气侧方向的力，不向转动环传递。
因此，由于密封对象流体的液压作用，使所述转动环从轴线方向的流体侧向大气侧对所述固定环施压的力，只作用于滑动面的最大径和转动环的被保持部的内径间的圆环状的面积。因此，即使密封对象流体的液体压力变大时，也能够抑制转动环对固定环推压的力过大。
另外，根据上述结构，通过设置压力承受部件，限制第1密封部件向轴线方向的移动，从而不会导致由于第1密封部件沿轴线方向移动而使密封性不稳定的问题。另外，根据上述结构，由于不需要如专利文献1记载的结构那样，增大转动环的直径，从而能够抑制转动环的圆周速度变大，而且能够抑制与固定环的滑动面的摩擦损耗，而能够保持耐用性。
另外，转动环的被保持部的内周径的长度，优选在第2密封部件的受压部的最小径的长度以上。根据该结构，不会因密封对象流体的液压，使转动环推压固定环的力大于固定环推压转动环的力。
发明的效果
按照上述说明，根据本发明，能够保持耐用性，且能够提供稳定的密封性。
附图说明
图1是表示本发明的实施例的机械密封适用的水泵的截面示意图。
图2是表示本发明的实施例1的机械密封的安装状态的截面示意图。
图3是用于说明衬套和接合环接合的图。
图4是表示本发明的实施例2的机械密封的安装状态的截面示意图。
图5是表示本发明的实施例3的机械密封的安装状态的截面示意图。
图6是表示现有技术例的机械密封的安装状态的截面示意图。
具体实施方式
以下，参照附图，基于实施例对用于实施本发明的实施方式例示进行详细说明。但是，除非有特定记载，否则本发明的范围不限于该实施例中所记载的构成部件的尺寸、材质、形状、及其相对配置等。
(实施例)
参照图1～5，对本发明的实施例的机械密封进行说明。
＜机械密封的适用例＞
首先，参照图1，对本发明的实施例的机械密封100的适用例进行说明。图1是表示作为本发明适用的作为液体泵的水泵10的截面示意图。如图1所示，在形成水泵10的框体的筒状的水泵壳体(以下，简称为壳体)300，使作为转动轴的轴200利用轴承13以可自由转动的方式支承。在该轴200的图1中左端，固定设置有叶轮14，在图1中右端固定设置有皮带轮18，并通过未图示的外部驱动源得到驱动力。利用在壳体300和轴200之间设置的机械密封100，将轴承13所处位置的、作为大气室的轴承室16(大气(A)侧)和叶轮14所处位置的、作为液室的泵室17(密封对象流体(F)侧)划分。水泵10利用叶轮14的转动将充满泵室17的冷却水吐出，并冷却外部驱动源。
(实施例1)
＜机械密封的结构＞
下面参照图2、图3，对本发明的实施例1的机械密封进行说明。图2是表示本发明的实施例1的机械密封的安装状态的截面示意图。图3是用于说明衬套和接合环的接合的图，是从轴的轴线方向(以下，简称为轴线方向)所视的截面图。
机械密封100密闭轴200和壳体300之间的环状间隙，能够抑制壳体300内的密封对象流体向外部泄漏。另外，机械密封100将壳体300内密封对象流体被密封的作为流体侧的密封对象流体(F)侧和大气(A)侧划分。在图2中，隔着机械密封100，左侧为密封对象流体(F)侧，隔着机械密封100，右侧为大气(A)侧。本实施例中，密封对象流体是上述的冷却水。
机械密封100具有：固定于壳体300的、作为固定环的密封圈110；与轴200一起转动的、作为转动环的接合环120；将密封圈110向接合环120推压的、作为推压部件的弹簧150。弹簧150设置在后述的管筒(Cartridge)160的法兰部162和基座180之间，并隔着基座180和橡胶波纹管170将密封圈110向接合环120推压。
密封圈110设置于比接合环120更靠近轴线方向的大气(A)侧。利用轴200转动，使密封圈110的端面110a和接合环120的端面120a滑动。将上述端面中相互滑动的部分称为滑动面。这样，利用密封圈110和接合环的端面相互滑动，以使密封对象流体不向大气(A)侧泄漏的方式密封。
另外，机械密封100具有固定于轴200的衬套130。衬套130具有：内周面固定于轴200的外周面的筒状的轴固定部131；轴固定部131的端部中，从轴线方向的密封对象流体(F)侧的端部向径向外侧延伸的法兰部132。另外，衬套130具有从法兰部132的径向外侧的端部向轴线方向的大气(A)侧延伸，用于保持接合环120的转动环保持部133。在本实施例中，转动环是图2所示的从法兰部132的径向外侧的端部向轴线方向的大气(A)侧延伸的结构，但本发明并不局限于此。即，也可使转动环保持部不是向轴线方向的大气(A)侧延伸，而是与法兰132向相同方向延伸的结构。
如图3所示，在接合环120的外周面形成沿轴线方向延伸的多个槽120b。在本实施方式中，形成4个槽120b。利用衬套130的转动环保持部133与该槽120b接合，使衬套130保持接合环120。这样，利用衬套130保持接合环120，随着与轴200一起转动的衬套130的转动，作为转动环的接合环120转动。
另外，如图2所示，实施例1的接合环120具有：在轴线方向的大气(A)侧的端面120a具有与密封圈110滑动的滑动面的滑动部121；从滑动部121的径向外侧的端部向轴线方向的密封对象流体(F)侧延伸，并被转动环保持部133保持的被保持部122。上述槽120b设置在接合环120的被保持部122的外周面。
另外，实施例1的机械密封100具有作为第1密封部件的橡胶制的O型圈140，该O型圈140用于密闭接合环120和衬套130之间的环状间隙。
另外，实施例1的机械密封100具有固定于衬套130的法兰部132，在比O型圈140更靠近轴线方向的大气(A)侧与O型圈140接触，并承受来自O型圈140的力的环状的作为压力承受部件的支架500。该支架500设置不与接合环120接触。但，只要作为压力承受部件的支架具有承受来自O型圈140的力，并降低向接合环120传递的力的结构，也可为与接合环120接触的结构。
O型圈140被内周面122a和支架500夹持在由衬套130的法兰部132和接合环120的筒状的被保持部122的内周面122a和支架500形成的空间内。此时，由法兰部132、滑动部121和O型圈140形成间隙B，在该间隙B中有从衬套130的转动环保持部133和接合环120的槽120b之间的间隙流入的密封对象流体。
在本实施例中，支架500利用激光进行接缝焊接而焊接固定于衬套130的法兰部132。但，固定方法不是局限于此，只要能够将支架500固定于衬套，也可使用其他的方法，例如，也可为铜焊或粘合。另外，在本实施例中，是表示固定在作为压力承受部件的支架外独立设置的衬套130的结构，但不是局限于此，也可与衬套130一体构成。
另外，实施例1的机械密封100具有保持作为固定环的密封圈110的管筒160。管筒160具有：在壳体300的内周面，使外周面紧贴固定的筒状的壳体固定部161；和壳体固定部161的端部中，从轴线方向的大气(A)侧的端部向径向内侧延伸的法兰部162。另外，管筒160具有从法兰部162的径向内侧的端部向轴线方向的密封对象流体(F)侧延伸，并用于保持密封圈110的固定环保持部163。壳体固定部161和壳体300之间的间隙利用未图示的密封部件密封而无间隙。
另外，在管筒160的固定环保持部163的外周面形成有向径向内侧凹入的止转部163a，另一方面，在密封圈110的内周面形成向径向内侧突起的突起部110c。通过使突起部110c卡住止转部163a，而使密封圈110不会相对于管筒160转动。止转部163a、突起部110c在图2中由虚线表示。
另外，实施例1的机械密封100具有将管筒160的固定环保持部163和密封圈110之间的环状间隙密闭的、作为第2密封部件的橡胶波纹管170。橡胶波纹管170具有：与管筒160的固定环保持部163的外周面紧贴的紧贴部171；和紧贴部171的端部中，从轴线方向的密封对象流体(F)侧的端部向径向外侧突出的受压部172。受压部172从轴线方向的大气(A)侧承受向壳体固定部161的内部流入的密封对象流体的压力。
另外，实施例1的机械密封100具有环状的、作为紧固部件的紧固箍190，该紧固箍190将橡胶波纹管170的紧贴部171紧固(箍紧)于管筒160的壳体固定部161。实施例1的机械密封100还具有用于保持橡胶波纹管170的受压部172，并承受来自弹簧150的推压力的基座180。利用紧固箍190和基座180，限制橡胶波纹管170在轴线方向和径向上的移动。根据上述的结构，密封圈110和管筒160之间的环状间隙由橡胶波纹管170密封。在本实施方式中，是对使用作为第2密封部件的橡胶波纹管的结构进行的说明，但本发明不局限于此。
利用管筒160使作为上述固定侧的各部件的密封圈110、弹簧150、橡胶波纹管170、基座180、紧固箍190一体地形成集装件。在本实施例中，衬套130、管筒160、基座180、支架500由SUS(不锈钢)构成，但只要是耐应力部件，则不现定于上述。
＜实施例1的机械密封优点＞
接下来，参照图2对实施例1的机械密封的优点进行说明。此时，将接合环120的端面120a和密封圈110的端面110a中，该两端面相互滑动的部分定义为滑动面，将滑动面的最大径定义为滑动径R1。另外，如图2所示，定义接合环120的被保持部122的内周径R2、橡胶波纹管170的外径的最小径R3。
由于密封对象流体的液压P的作用，使橡胶波纹管170的受压部172承受力，由此使密封圈110推压接合环120的力W1，作用于滑动径R1和橡胶波纹管170的外径的最小径R3之间的圆环状的面积。使用该圆环状的面积S1(＝(R12‐R32)π)，形成为W1＝S1×P。另外，弹簧150为弹簧力Ws时，实际上密封圈110对接合环120推压的力由W1+Ws表示。
密封对象流体的液压P作用于O型圈140，但其作用于O型圈140的力由支架500承受，此时由于支架500与衬套130的法兰部132接合，从而使法兰部132受力。因此，接合环120推压密封圈110的力W2作用于滑动径R1和接合环120的被保持部122的内周径R2之间的圆环状的面积部分。其使用圆环状的面积S2(＝(R12‐R22)π)，形成为W2＝S2×P。
此时，O型圈140承受由向空间B流入的密封对象流体产生的、从密封对象流体(F)侧向大气(A)侧方向的液压P。但，在本实施例中，O型圈140，由在大气(A)侧接触的支架500保持，由于支架500不与接合环120的滑动部121轴线方向的密封对象流体(F)侧的端面接触，而不会使由密封对象流体的液压P产生的、O型圈140承受的力向接合环120传递。
因此，在实施例1的结构中，接合环120对密封圈110推压的力仅是W2。另外，由于S1>S2，而使W1>W2，当然一定满足W1+Ws>W2。因此，即使密封对象流体的液压P升高，也不会使接合环120向密封圈110侧移动。
另外，由于O型圈140由支架500保持，并限制从轴线方向的密封对象流体(F)侧向大气(A)侧移动，从而即使密封对象流体的液压P升高，也不会向大气侧移动。因此，与图6(a)所示的现有技术例的结构比较，能够稳定接合环120和衬套130之间的环状间隙的密封性。
另外，在实施例1中，不需要使接合环120的外径相比图6(a)所示的现有技术例的结构增大。因此，与图6(b)所示的结构相比，由于接合环120的圆周速度不会增大，因此难以在滑动面产生摩擦损耗，从而具有耐用性。
本实施例的结构如图2所示那样，但本发明不局限于此。即，不局限于图2所示的结构，只要是至少被保持部122的内周径R2为橡胶波纹管170的外径的最小径R3以上的结构，就能够得到本发明的效果。假设R2和R3相同时，为W1＝(R12-R32)π×P，W2＝(R12-R32)π×P。即，为W1＝W2。此时，密封圈110推压接合环120的力，不仅是由液压产生的W1，也作用由弹簧150产生的Ws。即，通过Ws>0，使W1+Ws>W2成立。这样，只要至少R2≧R3成立，就能够实现与实施例同样的效果。进一步讲，无论R2和R3之间的关系如何，通过调整弹簧力Ws，只要为W1+Ws>W2成立的关系，就能够取得与本实施例同样的效果。在本实施例中，为了满足该关系，即，为了使接合环120推压密封圈110的力小于密封圈110对接合环120推压的力，而设置支架500。
另外，在本实施例中，如图2所示，是对被保持部122的内周径R2<滑动径R1的结构进行的说明，但本发明不局限于此。在R2≧R1时，接合环120推压密封圈的力W2为0。即使在这种情况下，也能够得到接合环120和密封圈110之间的压力平衡被保持的本实施例的效果。
(实施例2)
接下来，参照图4对本发明的实施例2的机械密封进行说明。图4是表示本发明的实施例2的机械密封的安装状态的截面示意图。在实施例2中，除了第1密封部件的结构不同以外，其他都与实施例1相同，对相同的结构用相同的符号表示，并在此省略对其的说明。
在实施例2中，代替在实施例1中使用的O型圈140，使用与图6所示的现有技术的杯形垫圈40的形状类似的密封部件240。该密封部件240具有：截面为大致圆形的本体部241和从本体部241向径向外侧延伸的延伸部242。通过具有延伸部242，能够稳定在轴线方向的密封部件240的定位，并提高接合环120和衬套130之间的环状间隙的密封性。
由于延伸部242不受液压的影响，在与衬套130的法兰部132之间以设置微小间隙的方式设置窄缝242a。通过设置上述的窄缝242a，使延伸部242不受到密封对象流体的液压的推压，液压形成对密封部件240的本体部241的作用。
按照上述，在实施例2中，能够得到比实施例1更加稳定的、第1密封部件的密封性，从而能够得到与实施例1同样的效果。
(实施例3)
接下来，参照图5对本发明的实施例3的机械密封进行说明。图5是表示本发明的实施例3的机械密封的安装状态的截面示意图。在实施例3中，除了衬套、作为压力承受部件的支架的结构不同外，其他与实施例1相同，对相同的结构用相同的符号表示，并在此省略对其的说明。
在实施例1中，是利用接合环120的被保持部122的内周面122a和支架500，对O型圈140在径向夹持的结构进行的说明。在本实施例中，表示利用接合环120的被保持部122的内周面122a和衬套230，对O型圈140在径向夹持的结构。
如图5所示，实施例3的衬套230具有直径比轴固定部231更大的阶梯部235。另外，利用阶梯部235和接合环120的被保持部122的内周面122a，在径向夹持O型圈140。另外，圆板状的支架600设置在比O型圈140更靠近轴线方向的大气(A)侧与O型圈140接触。
根据上述的结构，支架600设置在比由O型圈140将环状间隙密闭的部分更靠近大气(A)侧。因此，不需要将支架600相对于衬套230完全密封并固定。即，以在圆周上多处设施点焊的固定方法，可将支架600固定于衬套230。
根据上述，在实施例3中，以比实施例1更简单的方法将作为压力承受部件的支架600固定于衬套230，并得到与实施例1相同的效果。
符号说明
100机械密封
110密封圈(固定环)
110a端面
110c突起部
120接合环(转动环)
120a端面
120b槽
121滑动部
122被保持部
122a内周面
130、230衬套
131轴固定部
132法兰部
133转动环保持部
140O型圈(第1密封部件)
150弹簧(推压部件)
160管筒
161壳体固定部
162法兰部
163固定环保持部
163a止转部
170橡胶波纹管(第2密封部件)
171紧贴部
172受压部
180基座
190紧固箍
200轴(转动轴)
240密封部件
241本体部
242延伸部
242a窄缝
300壳体
500、600支架(压力承受部件)

Claims (2)

1.一种机械密封，其用于密闭转动轴和壳体之间的环状间隙，并将所述壳体内划分为密封有密封对象流体的流体侧和大气侧，其特征在于，具有：
转动环，其与所述转动轴一起转动；
固定环，其固定于所述壳体，并设置在比所述转动环靠近所述转动轴的轴线方向的所述大气侧；
环状的衬套，其具有内周面固定于所述转动轴的外周面的筒状的轴固定部、从所述轴固定部的端部中所述轴线方向的所述流体侧的端部向径向外侧延伸的法兰部、和保持所述转动环的转动环保持部；
环状的第1密封部件，其密闭所述转动环和所述衬套之间的环状间隙；
环状的管筒，其具有外周面固定于所述壳体的内周面的筒状的壳体固定部、从所述壳体固定部的端部中所述轴线方向的所述大气侧的端部向径向内侧延伸的法兰部、和从所述法兰部的径向内侧的端部向轴线方向的所述流体侧延伸，并保持所述固定环的固定环保持部；以及
环状的第2密封部件，其密闭所述固定环和所述固定环保持部之间的环状间隙，具有从所述轴线方向的所述大气侧承受向所述壳体固定部的内部流入的密封对象流体的液压，并将该液压传递给所述固定环的受压部，
所述转动环具有：
滑动部，其在所述轴线方向的所述大气侧的端面具有与所述固定环滑动的滑动面；和
被保持部，其从所述滑动部的径向外侧的端部向所述轴线方向的所述流体侧延伸，并被所述转动环保持部保持，
该机械密封还具有环状的压力承受部件，其固定于所述衬套，或与所述衬套设置为一体，用于承受来自第1密封部件的压力，该第1密封部件从所述轴线方向的所述流体侧，承受流入到由所述衬套的法兰部和所述被保持部形成的空间的密封对象流体的液压。
2.根据权利要求1所述的机械密封，其特征在于，
所述被保持部的内周径的长度为所述受压部的外径的最小径长度以上。
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