JP2001141075A

JP2001141075A - メカニカルシール

Info

Publication number: JP2001141075A
Application number: JP32918599A
Authority: JP
Inventors: Noriaki Takigahira; 宜昭瀧ケ平; Toshihiro Sugaya; 敏弘菅家; Yasunari Furukawa; 泰成古川
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】高圧の密封対象流体でも摺動面の負荷の増大
を抑制して、メカニカルシールの長寿命化及び好適に使
用可能な実用限界の拡大を図ることにある。【解決手段】シールハウジング１の環状凹部１２に収
容され、外周面３１ａが環状凹部１２の内周面１２ａに
Ｏリング３３を介して固定的に密嵌された非回転のシー
ルリング３１と、回転軸２と共に回転しシールリング３
１の摺動突起３１１と摺動するメイティングリング３２
を備え、その互いの摺動面Ｓの外周側が密封対象の機内
空間Ａとなっている。シールリング３１の背面３１ｂに
おける内周側には支持突起３１２が形成され、この支持
突起３１２が、シールハウジング１の環状凹部１２にお
ける端面１２ｂに当接されている。シールリング３１
は、機内空間Ａの圧力によって支持突起３１２の外径を
支点とする変形を受け、摺動面Ｓに外周側へ開いたクサ
ビ状の隙間を形成し、これによって摺動面Ｓに作用する
開力を増大させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転軸の軸周を密封
するメカニカルシールであって、特に、高圧の流体を密
封するのに適したメカニカルシールに関する。

【０００２】

【従来の技術】産業機械等、密封対象流体が高圧となる
条件下で使用される工業用メカニカルシールの典型的な
従来例としては、図５に示されるような構造のものが知
られている。このメカニカルシールは、機器のシールハ
ウジング１１１側に装着された非回転のシールリング１
０１と、前記シールハウジング１１１の軸孔に挿通され
た回転軸１１２側に装着されたメイティングリング１０
２を備え、シールリング１０１におけるメイティングリ
ング１０２との対向面に円周方向に連続して形成された
摺動突起１０１ａが、回転するメイティングリング１０
２の端面に摺接されることによって、その摺動面Ｓの外
周側の機内空間Ａに存在する高圧の密封対象流体が回転
軸１１２とシールハウジング１１１との隙間から機外空
間Ｂへ漏出するのを防止するものである。

【０００３】非回転のシールリング１０１は、その外周
面１０１ｂを、シールハウジング１１１の軸孔開口部に
形成された環状凹部の内周面１１１ａにＯリング１０３
を介して保持されると共に、背面１０１ｃを、前記環状
凹部の端面１１１ｂに支承されている。一方、回転側の
メイティングリング１０２は、Ｏリング１０４を介して
回転軸１１２に軸方向移動可能に装着されると共に、そ
の背面側に配置されたコイルスプリング１０５によって
前記シールリング１０１へ向けて付勢され、カラー１０
６及びコンプレッションリング１０７を介して回転軸１
１２の回転力が伝達されることによって、この回転軸１
１２と共に回転される。

【０００４】ここで、シールリング１０１とメイティン
グリング１０２との摺動面Ｓの内周に連なる機外空間Ｂ
の圧力（大気圧）と、それより高圧である機内空間Ａの
密封対象流体の圧力との差圧をΔＰとすると、図６に示
されるように、この差圧ΔＰがメイティングリング１０
２に対してその背面側から軸方向に作用する受圧面積ａ
よりも、摺動面Ｓ側から軸方向に作用する受圧面積ｂが
小さいため、前記差圧ΔＰによって、メイティングリン
グ１０２をシールリング１０１に押し付ける荷重Ｆ＝Δ
Ｐ（ａ−ｂ）が発生する。すなわち、この荷重ＦはΔＰ
に比例することから、機内空間Ａが高圧であるほど、シ
ールリング１０１とメイティングリング１０２の互いの
摺動面圧が比例的に増大し、摺動面Ｓに介在する密封対
象流体の一部からなる潤滑膜の膜厚さが減少する。

【０００５】摺動面Ｓにおける潤滑膜の膜厚さの減少
は、潤滑不足による摩擦熱の発熱量の増大や、摺動材の
異常摩耗、更には摺動面Ｓにおける焼き付きやカジリ等
を引き起こす原因になり、これらはメカニカルシールの
寿命を短命化させるものである。したがって、密封対象
流体Ａの圧力は、メカニカルシールの実用限界を決定す
る単独要因の一つとして認識されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問
題に鑑みてなされたもので、その主な技術的課題は、高
圧の密封対象流体でも摺動面の負荷の増大を抑制して、
メカニカルシールの長寿命化及び好適に使用可能な実用
限界の拡大を図ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した技術的課題を有
効に解決するための手段として、本発明に係るメカニカ
ルシールは、円周方向に連続した摺動突起を有する摺動
環と、前記摺動突起の端面に密接される摺動環とを備
え、密封対象流体の存在する空間が前記両摺動環の摺動
面の外周側にあって、前記両摺動環のうち一方又は双方
の外周面及び背面が保持部材に保持され、前記摺動環と
保持部材の対向周面間にパッキングが介在され、前記摺
動環の背面とこれを支承する前記保持部材の端面のうち
いずれか一方に、内周側に偏在して軸方向へ突出した支
持突起が形成されたものである。すなわち、前記保持部
材は、摺動環の背面を前記支持突起において支承し、そ
の外周側は逃げ空間となるので、前記摺動環は、密封対
象流体の圧力によって前記逃げ空間へ倒れ込むような変
形を受け、摺動面間に、その開力（Opening Force）と
なる密封対象流体の圧力が導入される。

【０００８】なお、ここでいう「背面」とは摺動面と反
対側を向いた面のことであり、「前面」とは摺動面側の
面のことである。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１及び図２は、本発明に係るメ
カニカルシールの好ましい一実施形態を示すものであ
る。この図において、参照符号１は工業用機器のシール
ハウジング、参照符号２はこのシールハウジング１に開
設された軸孔の内周に同心的に挿通された回転軸であ
る。

【００１０】シールハウジング１と回転軸２との間に介
在される本発明のメカニカルシール３は、前記シールハ
ウジング１側に装着された非回転の摺動環であるシール
リング３１と、前記回転軸２側に装着されてこの回転軸
２と共に回転するメイティングリング３２を備え、この
シールリング３１とメイティングリング３２が、軸方向
に対向する端面同士で互いに密接摺動されることによっ
て、その摺動面Ｓの外周側に連なる機内空間Ａに存在す
る高圧の密封対象流体が、シールハウジング１と回転軸
２との隙間から機外空間Ｂへ漏出するのを防止するもの
である。

【００１１】シールリング３１は、シールハウジング１
の軸孔１１の機内側開口部に同心的に拡径形成された環
状凹部１２内に収容され、外周面３１ａが、前記環状凹
部１２の内周面１２ａに円周方向へ連続して形成された
Ｏリング装着溝１３に装着されたパッキングとしてのＯ
リング３３を介して、固定的に密嵌されている。このシ
ールリング３１には、前記環状凹部１２から露出してメ
イティングリング３２側を向いた前面に、円周方向に連
続した摺動突起３１１が形成されている。

【００１２】また、シールリング３１の背面３１ｂにお
ける内周側に偏在した部分には、軸方向へ突出した支持
突起３１２が形成され、この支持突起３１２が、シール
ハウジング１の環状凹部１２における端面１２ｂに当接
されている。

【００１３】回転側のメイティングリング３２はシール
リング３１より硬質の摺動材料からなるものであって、
シールリング３１からみて機内側に配置され、回転軸２
の外周面にＯリング３４を介して軸方向移動自在に装着
されている。前記Ｏリング３４は、メイティングリング
３２の背面側の内周面に形成されたＯリング装着凹部３
２ａに収容された状態でメイティングリング３２に保持
されている。

【００１４】メイティングリング３２の背面側には、Ｏ
リング３４を背面側から押えるコンプレッションリング
３５が軸方向移動自在に配置されており、更にその背面
側には、円周方向等間隔でねじ込まれた複数のセットス
クリュ３６１によって回転軸２の外周面に固定された環
状のカラー３６が配置されている。カラー３６には、コ
ンプレッションリング３５側へ開放された複数のスプリ
ング保持孔３６ａが円周方向等間隔で形成されており、
各スプリング保持孔３６ａに半収容状態に保持されたコ
イルスプリング３７が、適当に圧縮された状態で前記コ
ンプレッションリング３５の背面に当接している。ま
た、コンプレッションリング３５は、ピン３６２を介し
てカラー３６と円周方向に係合されており、メイティン
グリング３２は、その背面に形成された切欠３２ｂが、
コンプレッションリング３５に設けられたピン３５１と
円周方向に係合されている。

【００１５】すなわちメイティングリング３２は、コン
プレッションリング３５及びＯリング３４を介して与え
られるコイルスプリング３７の軸方向付勢力によって、
その端面がシールリング３１の摺動突起３１１に押し付
けられると共に、回転軸２の回転力が、セットスクリュ
３６１、カラー３６、ピン３６２、コンプレッションリ
ング３５及びピン３５１を介して伝達されることにより
前記回転軸２と一体的に回転され、前記摺動突起３１１
との間に摺動面Ｓを形成するものである。

【００１６】回転軸２は、メイティングリング３２の内
周に位置する部分に環状段差部２ａが形成されており、
この環状段差部２ａを境にして、シールハウジング１の
軸孔１１及びシールリング３１の内周への挿通部２ｂが
相対的に小径、Ｏリング３４が軸方向移動自在に嵌着さ
れたメイティングリング担持部２ｃが相対的に大径に形
成されている。そして、シールリング３１の内径と、メ
イティングリング３２における摺動面Ｓ寄りの内径は、
回転軸２のシールリング担持部２ｃよりも小径に形成さ
れており、これによって、シールリング３１の摺動面Ｓ
（摺動突起３１１）がメイティングリング３２の内周寄
りに偏在し、機内空間Ａの密封対象流体の圧力と機外空
間Ｂの大気圧との差圧ΔＰがメイティングリング３２の
前面に軸方向に作用する範囲ｂを内径側へなるべく大き
くすることによって、前記差圧ΔＰがメイティングリン
グ３２の背面に作用する範囲ａとの差（ａ−ｂ）を小さ
くしてある。

【００１７】以上の構成において、シールハウジング１
側に非回転状態に保持されたシールリング３１は、メイ
ティングリング３２からの押し付け力及び機内空間Ａの
密封対象流体の圧力と機外空間Ｂの大気圧との差圧ΔＰ
を受けて、背面３１ｂに形成された支持突起３１２が、
前記シールハウジング１における環状凹部１２の端面１
２ｂに押し付けられており、その外周側には逃げ空間Ｃ
が形成される。このため、図２に示されるように、前記
差圧ΔＰが、シールリング３１の前面における摺動面Ｓ
の外周側に作用することによって、このシールリング３
１は前記支持突起３１２の外径端部３１２ａを支点とす
る変形力Ｍを受け、前記逃げ空間Ｃへ倒れ込むように変
形される（図２では、この状態を誇張して示してあ
る）。

【００１８】その結果、摺動面Ｓには外周側（機内空間
Ａ側）へ開いたクサビ状の微小隙間Ｇが形成され、この
微小隙間Ｇに機内空間Ａ内の密封対象流体の一部が介入
することによって、摺動面Ｓへの安定した潤滑膜の形成
が促される。

【００１９】また、上述のように摺動面Ｓに形成される
クサビ状の微小隙間Ｇに介入する密封対象流体の圧力
（大気圧との差圧ΔＰ）によって、摺動面Ｓの開力が増
大する。すなわち、図３に密封対象流体が水である場合
を示すように、摺動面Ｓにクサビ状の微小隙間が形成さ
れない従来構造のものにおいては、摺動面Ｓの開力とし
て作用するΔＰが内周へ向けて直線的に減圧されるよう
に分布するのに対し、本発明の場合は、摺動面Ｓにクサ
ビ状の微小隙間Ｇが形成されることによって、ΔＰが摺
動面Ｓの内径近傍まで減圧が小さい分布状態になり、そ
の差分ΔＦだけ前記開力が増大して、摺動面圧が軽減さ
れる。

【００２０】更には、クサビ状の微小隙間の形成によっ
て、摺動面Ｓ間における密封対象流体の流通が促され、
摺動面Ｓ間に介入した異物の排出や、摺動に伴って発生
した摩擦熱の除去（冷却）効果の向上が期待できる。

【００２１】なお、ΔＰが同一の条件下において、支持
突起３１２の外径を小径にし、すなわちその外径端部３
１２ａを内径側に移動して逃げ空間Ｃの径方向寸法を内
径側へ拡張した場合、図２に示されるΔＰによるシール
リング３１の変形がより大きくなり、これによって摺動
面Ｓに形成されるクサビ状の隙間Ｇも拡大される。その
結果、摺動負荷の大幅な低減が期待されるが、反面、摺
動面圧の低下を伴うことによって、密封性能が低下する
おそれがある。したがって、支持突起３１２の外径寸法
は、使用目的や圧力条件等を考慮して適切に決定され
る。

【００２２】上述の効果は、図４に他の実施形態を示す
ように、支持突起をシールハウジング１側に形成しても
実現することができる。すなわちこの実施形態において
は、シールリング３１は従来と同様、背面３１ｂが軸心
と直交する平坦な平面状に形成されているのに対し、こ
のシールリング３１を保持するシールハウジング１の環
状凹部１２の端面１２ｂには、前記シールリング３１の
背面３１ｂにおける内周側に当接する支持突起１４が軸
方向へ突出形成されている。その他の部分の構成は、先
に説明した図１の実施形態と同様である。

【００２３】この場合も、支持突起１４の外周側には逃
げ空間Ｃが形成されることになるので、シールリング３
１は、その前面における摺動突起３１１の外周側に機内
空間Ａと機外空間Ｂとの差圧を受けることによって前記
逃げ空間Ｃへ倒れ込むような変形を受け、摺動面Ｓに外
周側へ開いたクサビ状の微小隙間が形成される。

【００２４】なお、上述の各実施形態においては、静止
側の摺動環又はこれを保持するシールハウジングについ
て本発明を適用した場合を説明したが、回転側の摺動環
が環状の保持部材に保持された構造を有するものにおい
ては、この摺動環又は保持部材に、本発明を同様に実施
することができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明に係るメカニカルシールによる
と、密封対象流体の圧力を利用して摺動環を変形させる
ことによって、摺動面の開力を増大させるため、摺動面
圧が抑制されると共に摺動面の潤滑膜の安定化が図ら
れ、摺動面に介入される密封対象流体の流通が促され、
このため、高圧条件においても摺動負荷が軽減され、軸
封装置として使用可能な圧力条件の実用限界が拡大さ
れ、シールの長寿命化を図ることができる。

【００２６】また、このような効果を実現できるもので
あることから、例えば通常は低圧の系でも、事故や故障
等、何らかの異常発生時に急激な圧力増大が予想される
ような系において、摺動材の破損を有効に防止し、また
良好なシール性能を維持し得る軸封装置として好適に使
用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るメカニカルシールの好適な一実施
形態を軸心を通る平面で切断して示す断面図である。

【図２】本発明の作用を示す説明図である。

【図３】本発明と従来構造の摺動面における開力の分布
を示す説明図である。

【図４】本発明に係るメカニカルシールの好適な他の実
施形態を軸心を通る平面で切断して示す断面図である。

【図５】従来技術に係るメカニカルシールを軸心を通る
平面で切断して示す概略的な半断面図である。

【図６】回転側のメイティングリングに作用する圧力の
軸方向成分の分布を示す説明図である。

【符号の説明】

１シールハウジング（保持部材）１４支持突起２回転軸３メカニカルシール３１シールリング（静止側摺動環）３１１摺動突起３１２支持突起３２メイティングリング（回転側摺動環）３３Ｏリング（パッキング）Ｓ摺動面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者古川泰成埼玉県坂戸市大字片柳1500番地イーグル工業株式会社埼玉工場内Ｆターム(参考） 3J041 AA01 BA04 BB02 BB03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円周方向に連続した摺動突起を有する摺
動環と、前記摺動突起の端面に密接される摺動環とを備
え、密封対象流体の存在する空間が前記両摺動環の摺動面の
外周側にあって、前記両摺動環のうち一方又は双方の外周面及び背面が保
持部材に保持され、前記摺動環と保持部材の対向周面間にパッキングが介在
され、前記摺動環の背面とこれを支承する前記保持部材の端面
のうちいずれか一方に、内周側に偏在して軸方向に突出
した支持突起が形成されたことを特徴とするメカニカル
シール。