CN106471295A - 机械密封 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使在游动环与固定环之间没有设置密封部件，也可以提高密封性的机械密封，其特征在于具备：旋转环(110)、固定环(120)以及游动环(130)，其中游动环(130)具有在轴向上向旋转环(110)突出，并且作为突出方向的前端面的滑动面(131a)与旋转环(120)滑动的环状的滑动部(131)；以及在轴向上向固定环(120)突出，并且作为突出方向的前端面的被挤压面(132a)与固定环(120)抵接的环状的被挤压部(132)，通过滑动部(131)的滑动面(131a)和被挤压部(132)的被挤压面(132a)对密封对象流体进行密封，在游动环(130)的流体侧(L)的轴向上的端面中，受到密封对象流体向旋转环(110)侧的流体压力的面的面积大小，与受到密封对象流体向固定环(120)侧的流体压力的面的面积大小不同。

Description

机械密封

技术领域

本发明涉及一种使用游动环的机械密封。

背景技术

以往，对于机械密封，已知一种在与旋转轴一同旋转的旋转环和被固定在轴壳上的固定环之间具备游动环的结构。游动环具有：突出部(滑动部)，其具有在旋转环上滑动的滑动面；以及突出部(抵接部)，其具有被挤压在固定环上的被挤压面。对于这种结构的机械密封，通过滑动面和被挤压面对密封对象流体进行密封，在对密封对象流体进行密封一侧，游动环受到流体压力。为了不使游动环向旋转轴的轴向倾斜，突出部(滑动部、抵接部)被设于游动环的端面，使从旋转轴的轴向两侧作用于游动环的流体压力产生的力相等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-249131号公报

发明内容

本发明要解决的问题

然而，在游动环不向旋转轴的轴向倾斜地维持其位置的情况下，游动环的被挤压面与固定环的挤压面保持相互平行的状态，因此使被挤压面与挤压面抵接的面积增大。若被挤压面与挤压面的抵接面积增大，则使表面压力降低，导致游动环与固定环之间的密封性下降。

对此，在专利文献1中公开了通过在游动环8与静止环(固定环)4之间设置作为密封部件的O形环25，对游动环8与静止环4之间的环状间隙进行密封的结构。这样，通过设置O形环25，可以提高游动环8与静止环4之间的密封性，但是增加了零件数量，导致伴随有制造工序的增加、成本的增加。

并且，设置O形环25时还存在如下所述的问题。由于O形环25受到流体压力，因此会有其形状发生变形，而使静止环4与O形环25之间产生旋转轴在轴向上的间隙的情况。尤其在高压条件下，O形环25的形状容易发生变形，而有游动环8与静止环4之间的密封性下降的问题。另外，若因流体压力的影响而使O形环25的形状变形，则相对于游动环8在轴向上从静止环4一侧作用于旋转环6一侧的流体压力产生的力的大小发生改变，使游动环8的定位控制变难。

对此，本发明的目的在于，在游动环与固定环之间没有设置密封部件而提高密封性。

用于解决课题的手段

本发明为了解决上述问题而采用了以下手段。

即，本发明的机械密封用于密封旋转轴与轴壳之间的环状间隙，所述机械密封的特征在于具备：

旋转环，其与所述旋转轴一同旋转；

固定环，其被固定于所述轴壳；以及

游动环，其在所述旋转轴的轴向上被设置于所述旋转环与所述固定环之间，并具有在所述轴向上向所述旋转环突出，并且该突出方向的前端面与所述旋转环滑动的环状的滑动部；以及在所述轴向上向所述固定环突出，并且该突出方向的前端面与所述固定环抵接的环状的抵接部；通过所述滑动部的前端面和所述抵接部的前端面对密封对象流体进行密封，

在所述游动环的所述轴向上的端面中，沿所述轴向受到所述密封对象流体从所述固定环侧向所述旋转环侧的方向的流体压力的面的面积大小，与沿所述轴向受到从所述旋转环侧向所述固定环侧的方向的所述流体压力的面的面积大小不同。

另外，优选当密封对象流体处于滑动部的外径侧时，滑动部的前端面的最内侧内径与抵接部的最内侧内径的大小不同，当密封对象流体处于滑动部的内径侧时，滑动部的前端面的最外侧外径与抵接部的最外侧外径的大小不同。

根据该结构，密封对象流体的流体压力产生的力对游动环在旋转轴的轴向上从固定环侧向旋转环侧作用的力的大小与从旋转环侧向固定环侧对游动环作用的力的大小不同。因此，利用扭矩的作用使游动环相对于旋转轴的轴向倾斜。

当游动环的径向外侧从固定环侧向旋转环侧倾斜时，(即，当游动环的外周面向旋转环侧倾斜时，)游动环的滑动部前端面的内径侧离开旋转环，外径侧与旋转环滑动，游动环的抵接部前端面的外径侧离开固定环，游动环的抵接部前端面的内径侧与固定环抵接。

另一方面，当游动环的径向外侧从旋转环侧向固定环侧倾斜时，(即，当游动环的外周面向固定环侧倾斜时，)游动环的滑动部前端面的外径侧离开旋转环，游动环的滑动部前端面的内径侧与旋转环滑动，游动环的抵接部前端面的内径侧离开固定环，游动环的抵接部前端面的外径侧与固定环抵接。

这样，游动环相对于旋转轴的轴向倾斜，游动环的抵接部前端面的一部分离开固定环，由此，游动环与固定环的抵接面积减小，游动环相对于固定环局部抵接。因此，游动环与固定环之间的抵接压力增大，而提高游动环与固定环之间的密封性。因此，不需要在游动环与固定环之间设置密封部件。

另外，游动环相对于旋转轴的轴向倾斜，当游动环的滑动部前端面中对密封对象流体进行密封一侧离开旋转环时，密封对象流体进入至因离开而形成的空间，促进了密封对象流体的循环，易于使游动环与旋转环之间的堆积物流出，并且，因流体进入而使滑动面的润滑性也提高。另一方面，当游动环的滑动部的前端面中没有对密封对象流体进行密封一侧离开旋转环时，大气等外部流体进入至因离开而形成的空间，易于使旋转环与游动环的滑动部分冷却。

另外，优选具备：环状的套筒，其具有内周面与旋转轴的外周面固定的筒状的轴固定部，和从轴固定部向径向外侧延伸，用于保持旋转环的保持部；以及环状的密封部件，其对旋转环与保持部之间的环状间隙进行密封，密封部件与旋转环抵接的部位相比滑动部位于在径向上靠密封对象流体的相反侧(例如，密封对象流体位于滑动部的外径侧时，为其相反侧即内径侧)。由于密封部件与旋转环抵接的部位相比滑动部处在径向上靠密封对象流体的相反侧，即旋转环与套筒的密封部位相比滑动部处在径向上靠密封对象流体的相反侧，因此可以增大旋转环在轴向上端面受到流体压力的面积中密封部件所在一侧。因此，对于旋转环，在轴向上从旋转环侧向固定环侧作用的力增大，使旋转环与游动环的滑动部的前端面的抵接压力增大，而提高旋转环与游动环的密封性。

发明效果

如上所述，根据本发明，即使在游动环与固定环之间没有设置密封部件，也可以提高密封性。

附图说明

图1是表示本发明实施例的机械密封的整体结构的示意剖视图。

图2是用于说明作用于本发明的机械密封的力的示意剖视图。

图3是表示本发明的机械密封具备的游动环利用扭矩而呈倾斜状态的剖视图。

图4是表示不呈倾斜状态的游动环和呈倾斜状态的游动环的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图，基于实施例以例示详细说明用于实施本发明的实施方式。但是，在该实施例中记载的结构元件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，只要没有特别地特定性的记载，则本发明的范围不仅仅限定于此。

(本实施例)

＜本实施例的机械密封的结构＞

参照图1，对本发明的实施例(以下，称为本实施例)的机械密封的整体结构进行说明。图1是表示本实施例的机械密封的整体结构的示意剖视图。在本实施例中，针对使用一个机械密封的单密封结构进行说明，但本发明的结构也适用于使用两个机械密封的双密封结构。机械密封用于密封(封闭)旋转轴与轴壳之间的环状间隙。

如图1所示，本实施例的机械密封100具有：旋转环110，其与旋转轴200一同旋转；固定环(静止环)120，其被与轴壳300固定；以及游动环130，其设于旋转环110与固定环120之间。机械密封100还具有套筒140，该套筒140具备内周面与旋转轴200的外周面固定的筒状的轴固定部141和从轴固定部141向旋转轴200的径向外侧延伸来保持旋转环110的保持部142。机械密封100还具有弹簧150，其作为施力部件使固定环120对游动环130进行施力。

旋转环110在与旋转轴200平行方向(以下，称为轴向)的端面一侧具有相对于游动环130滑动的滑动面110a。固定环120在轴向上端面一侧具有抵接于游动环130并对其向旋转环110一侧进行挤压的挤压面120a。

游动环130在轴向上设置在旋转环110与固定环120之间，且没有与其它部件固定。需要说明的是，游动环130相对于旋转环110滑动，但被突出轴壳300而设置的销301限制了向旋转轴200旋转方向的移动。另外，游动环130具有滑动部131，其向旋转环110突出，在其突出方向的前端面(以下，称为滑动面131a)处相对于旋转环110的滑动面110a滑动。另外，游动环130具有作为抵接部的被挤压部132，其向固定环120突出，在其突出方向的前端面(以下，称为被挤压面132a)处向固定环120的挤压面120a挤压。

机械密封100通过游动环130的滑动面131a和被挤压面132a对密封对象流体进行密封。即，轴壳300内部由滑动面131a和被挤压面132a分为密封有密封对象流体的流体侧L和没密封有密封对象流体的大气侧(非流体侧)A。在本实施例中，如图1所示，流体侧L为滑动面131a、被挤压面132a的旋转轴200的径向外侧，大气侧A为滑动面131a、被挤压面132a的旋转轴200的径向内侧。

＜作用于机械密封的各部件的力＞

接着，参照图2，针对作用于本实施例的机械密封各部件的力进行说明。图2是用于说明作用于本实施例的机械密封各部件的力的示意剖视图。需要说明的是，在图2中省略套筒140等一部分的结构进行图示。虽然还省略了旋转轴200，但仅对旋转轴200的轴中心O进行图示。需要说明的是，以下将轴向上旋转环所在的一侧(图中左侧)设为旋转环侧，固定环所在的一侧(图中右侧)设为固定环侧。

令固定环120的轴向端面中，与游动环130对置一侧的相反侧的端面，即受到密封对象流体的流体压力P的影响的端面121a的面积为S1。如图2所示，在端面121a上作用有沿轴向向旋转环110侧的力F1＝P×S1。另外，令端面121a中离旋转轴200的轴中心O最短部分的半径(本实施例中为位于对密封对象流体进行密封的最内侧内径即固定环120与二次密封401接触部位的半径)为R1。

令固定环120的轴向端面中，与游动环130对置一侧的端面，即受到密封对象流体的流体压力P的影响的端面121b的面积为S2。需要说明的是，在本实施例中，设定受到流体压力P影响的端面121b包括在挤压面120a上受到流体压力P影响的面。如图2所示，在端面121b上作用有轴向上向固定环120侧的力F2＝P×S2。另外，令端面121b中离旋转轴200的轴中心O最短部分的半径(在本实施例中对应于被挤压面132a的最内侧内径)为R2。

令游动环130的轴向端面中，与固定环120对置一侧的端面，即受到密封对象流体的流体压力P的影响的端面132b的面积为S3。需要说明的是，在本实施例中，设定受到流体压力P影响的端面132b包括在被挤压部132的面上受到流体压力P的影响的面。如图2所示，在端面132b上作用有轴向上向旋转环110侧的力F3＝P×S3。

令游动环130的轴向端面中，与旋转环110对置一侧的端面，即受到密封对象流体的流体压力P的影响的端面131b的面积为S4。如图2所示，在端面131b上作用有轴向上向固定环120侧的力F4＝P×S4。另外，令端面131b中离旋转轴200的轴中心O最短部分的半径(在本实施例中与滑动面131a的最内侧内径相对应)为R3。

在此，在轴向上作用于固定环120的力F1与力F2的关系为F2＞F1时，使固定环120离开游动环130，因此为了保持固定环120相对于游动环130抵接的状态，由弹簧150向与F1动作相同的方向对固定环120施加作用力Fsp。为了满足F2＜F1+Fsp的关系，通过调整作用力Fsp，可以维持固定环120相对于游动环130抵接的状态。但是，当使用作用力Fsp大的弹簧150时，机械密封100的组装作业变难。

因此，在本实施例中，设定满足F2＜F1的关系。即，固定环120的端面121a的面积S1大于固定环120的端面121b的面积S2。换言之，从端面121a的最内侧内径R1至固定环120的外径的宽度大于从被挤压面132a的最内侧内径R2至固定环120的外径的宽度。即，满足R2＞R1。

因此，在本实施例的结构中，与弹簧150产生的作用力Fsp的大小无关，始终使F2＜F1+Fsp的关系成立。通过如此设定作用于固定环120的力，可以保持固定环120相对于游动环130抵接的状态。

进一步地，针对使旋转环110的背面(旋转环110上与游动环130相反侧的面)利用压力与套筒140的保持部142接触的条件进行说明。将固定环120对游动环130挤压的力设为F，将在流体压力P的影响下使旋转环110对游动环130挤压的力设为F5。旋转环110的背面与保持部142接触的条件为F+F3＞F4+F5。即使本结构相对于轴向倾斜，也要求满足保持固定环120抵接于游动环130的状态的条件和旋转环110的背面与保持部142接触的条件。

＜本实施例的优点＞

进一步地，参照图3、图4，针对本实施例的优点进行说明。图3是表示本实施例的机械密封具备的游动环利用扭矩而呈倾斜状态的图，图3(a)表示向图中R1方向(逆时针方向)倾斜的游动环。另外，图3(b)表示向图中R2方向(顺时针方向)倾斜的游动环。需要说明的是，在图3中，仅示出游动环剖面的一部分而省略了纵深。图4是表示不呈倾斜状态的游动环和呈倾斜状态的游动环的剖视图。图4(a)表示图3(a)所示结构的游动环的不倾斜状态，图4(b)表示图3(a)所示结构的游动环的倾斜状态。另外，图4(c)表示图3(b)所示结构的游动环的倾斜状态。

在本实施例中，由于滑动面131a的最内侧内径R3的大小与被挤压面132a的最内侧内径R2的大小不同，因此向固定环120侧受流体压力P的端面131b的面积S4与向旋转环110侧受流体压力P的端面132b的面积S3不同。因此，作用于端面131b的力F4与作用于端面132b的力F3的大小不同，利用扭矩的作用使没有与其它部件固定的游动环130在轴向上倾斜。

若游动环130在轴向上倾斜，则游动环130的滑动面131a一部分离开旋转环110的滑动面110a，游动环130的被挤压面132a一部分离开固定环120的挤压面120a。

这样，在本实施例中，由于游动环130的被挤压面132a一部分离开固定环120的挤压面120a，使被挤压面132a与挤压面120a的抵接面积减小，成为被挤压面132a与挤压面120a局部地抵接。因此，挤压面120a对被挤压面132a的抵接压力增大，使游动环130与固定环120之间的密封性提高。尤其在高压条件下，更高的压力作用于游动环130而作用大扭矩，并作用使其倾斜的更大的力，从而密封性提高。由此，对于本实施例的结构，为了对游动环130与固定环120之间的间隙进行密封(封闭)，而不需要设置O形环等密封部件。因此，也不会产生设置O形环而使游动环130在高压条件下的定位控制变难这样的问题。

进一步地，针对采用图3(a)、图4(b)所示向R1方向倾斜的结构以及采用图3(b)、图4(c)所示向R2方向倾斜的结构作为游动环的结构分别得到的效果进行说明。

在此，在本实施例中，如图4所示，游动环130的力矩中心(旋转中心。详细而言，图4所示的各剖面部分的力矩中心。)Oy比滑动面131a的最内侧内径R3和被挤压面132a的最内侧内径R2中较短一方的半径靠径向外侧。具体而言，在最内侧内径R3小于最内侧内径R2的图3(a)、图4(b)所示的结构中，旋转中心Oy比最内侧内径R3靠径向外侧。因此，在扭矩作用下，游动环130以旋转中心Oy为中心向R1方向旋转。相对于此，在最内侧内径R2小于最内侧内径R3的图3(b)、图4(c)所示的结构中，旋转中心Oy比最内侧内径R2靠径向外侧。因此，利用扭矩，游动环130以旋转中心Oy为中心向R2方向旋转。

首先，参照图3(a)和图4(b)，针对最内侧内径R3小于最内侧内径R2的情况，即，面积S4大于面积S3的情况进行说明。此时，作用于端面131b的力F4大于作用于端面132b的力F3，但旋转中心Oy比最内侧内径R3靠径向外侧，因此作用于端面131b的力F4与作用于端面132b的力F3的差值(即，合力F4-F3)作用于端面131b上比旋转中心Oy靠径向内侧的部分。其结果，游动环130向图3(a)中的R1方向(逆时针方向)倾斜，因此使游动环130将其径向外侧向旋转环110侧倾斜。

对于游动环130呈向R1方向倾斜的状态，滑动面131a中大气侧A的面离开滑动面110a，滑动面131a中仅流体侧L与滑动面110a抵接滑动。由此，大气等外部流体进入到因滑动面131a中大气侧A的面离开滑动面110a而形成的间隙H1，而可以得到易于冷却旋转环110与游动环130的滑动部分这样的效果。

接着，参照图3(b)和图4(c)，针对最内侧内径R2小于最内侧内径R3的情况，即，面积S3大于面积S4的情况进行说明。此时，作用于端面132b的力F3大于作用于端面131b的力F4，但旋转中心Oy比最内侧内径R2靠径向外侧，因此作用于端面132b的力F3与作用于端面131b的力F4的差值(即，合力F3-F4)作用于端面132b上比旋转中心Oy靠径向内侧的部分。其结果，游动环130向图3(b)中的R2方向(顺时针方向)倾斜，因此使游动环130将其径向外侧向固定环120侧倾斜。

对于游动环130呈向R2方向倾斜的状态，滑动面131a中流体侧L的面离开滑动面110a，滑动面131a中仅大气侧A与滑动面110a抵接滑动。由此，密封对象流体进入到因滑动面131a中流体侧L的面离开滑动面110a而形成的间隙H2。其结果，促进了密封对象流体的循环，还可以得到易于使游动环130与旋转环110之间的堆积物流出这样的效果。

O形环400作为对套筒140的保持部142与旋转环110之间的间隙进行密封的密封部件，被设置在保持部142所设的在径向上凹陷的凹部中，在径向上挤压进行密封。由此，不存在O形环400通过密封流体的压力(即旋转环进行位移的方向)在轴向上挤压进行密封的情况，因此对旋转环的变形不造成影响，并且，密封表面压力依据密封流体压力大小的变化少，可以始终以恒定的抵接压力进行密封，例如，与将O形环设为在轴向上与旋转环110的端面111a抵接的结构相比，可以更切实地进行密封。并且，优选密封部件与旋转环抵接的部位相比滑动部在径向上靠密封对象流体的相反侧(例如，密封对象流体位于滑动部的外径侧时为其相反侧，即内径侧)，由于密封部件与旋转环抵接的部位相比滑动部在径向上靠密封对象流体的相反侧，(即旋转环与套筒的密封部位相比滑动部在径向上靠密封对象流体的相反侧，)因此可以增大旋转环在轴向上端面受到流体压力的面积中密封部件所在的一侧。因此，对于旋转环，在轴向上从旋转环侧向固定环侧作用的力增大，使旋转环与游动环的滑动部的前端面的抵接压力增大，而提高旋转环与游动环的密封性。

需要说明的是，如图2所示，为了使游动环130的滑动部131的根部131c(滑动部131与端面131b之间的部分)难以产生密封对象流体的流体积液，并且，为了难以对根部造成损害，因此优选除直角以外的平缓曲面、锥状的结构(难以损坏根部并且难以产生流体积液的结构)。

附图标记说明

100 机械密封

110 旋转环

110a 滑动面

120 固定环

120a 挤压面

130 游动环

131 滑动部

131a 滑动面

132 被挤压部

132a 被挤压面

140 套筒

141 轴固定部

142 保持部

150 弹簧

200 旋转轴

300 轴壳

301 销

400 O形环

Claims (3)

1.一种机械密封，其用于密封旋转轴与轴壳之间的环状间隙，其特征在于，具备：

旋转环，其与所述旋转轴一同旋转；

固定环，其被固定于所述轴壳；以及

游动环，其在所述旋转轴的轴向上被设置于所述旋转环与所述固定环之间，并具有在所述轴向上向所述旋转环突出，并且该突出方向的前端面与所述旋转环滑动的环状的滑动部；以及在所述轴向上向所述固定环突出，并且该突出方向的前端面与所述固定环抵接的环状的抵接部；通过所述滑动部的前端面和所述抵接部的前端面对密封对象流体进行密封，

在所述游动环的所述轴向上的端面中，沿所述轴向受到所述密封对象流体从所述固定环侧向所述旋转环侧的方向的流体压力的面的面积大小，与沿所述轴向受到从所述旋转环侧向所述固定环侧的方向的所述流体压力的面的面积大小不同。

2.根据权利要求1所述的机械密封，其特征在于，

当所述密封对象流体处于所述滑动部的外径侧时，所述滑动部的前端面的最内侧内径与所述抵接部的最内侧内径的大小不同，

当所述密封对象流体处于所述滑动部的内径侧时，所述滑动部的前端面的最外侧外径与所述抵接部的最外侧外径的大小不同。

3.根据权利要求1或2所述的机械密封，其特征在于，具备：

环状的套筒，其具有内周面与所述旋转轴的外周面固定的筒状的轴固定部，和从所述轴固定部向所述径向外侧延伸，用于保持所述旋转环的保持部；以及

密封部件，其对所述旋转环与所述保持部之间的环状间隙进行密封，

所述密封部件与所述旋转环抵接的部位相比所述滑动部位于在径向上靠密封对象流体的相反侧。