JP2003156153A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来のメカニカルシールは耐圧性能が低いた
め、大深度地下トンネルの掘削のような高水圧下で使用
することができない。 【解決手段】 環状の固定側シールリング２と環状の回
転側シールリング３とを軸方向に対向させて設け、これ
らシールリング２，３との間に密接するシール面５を形
成し、このシール面５の背面側にシールリング２，３を
シール面５側に押圧するスプリング６，７を設け、前記
シール面５のシール液体１０側に、このシール液体１０
の圧力でシール面５にスプリング側への反力１３を作用
させる液圧作用面１４を形成して、シールリング２，３
のシール面５における面圧と面圧分布を変化させて高圧
下でも最適なシール性を保つようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、回転側シールリ
ングと固定側シールリングとの間のシール面で液体をシ
ールするメカニカルシールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、液体の侵入を防止するための
メカニカルシールとして、例えば、固定側シールリング
と回転側シールリングとを軸方向に対向させて設け、こ
れら固定側シールリングと回転側シールリングとの間の
摺動面をシール面として液体をシールするメカニカルシ
ールがある。

【０００３】図９(a),(b) は、このような従来のメカニ
カルシールの一実施形態を示す断面図であり、図示する
ように、略Ｌ字形の固定側シールリング６３と回転側シ
ールリング６４とが対向するように設けられ、これらの
縦方向のシール面６５が密接するようにそれぞれラバー
スプリング６６で押圧されている。この状態のシールリ
ング６３，６４には、外部の液体６７の圧力６８が半径
方向に作用し、ラバースプリング６６のスプリング力６
９が軸方向に作用しており、シール面６５が外部の液体
圧力６８をシールするのに好ましい状態の面圧関係とな
るように設定されている。図示する矢印ｖ，ｗが力の方
向を示している。

【０００４】一方、この種のメカニカルシールを用いる
従来技術として、例えば、トンネル掘削機のカッタヘッ
ドに設けられたローラカッタのシールがある。図１０は
このローラカッタの一例を示す断面図である。図示する
ように、ローラカッタ５１は、カッタヘッド（図示略）
に固定するシャフト５２と一体的に固定された固定部５
３と、この固定部５３の外周で回転する回転部５４とを
有している。回転部５４はシャフト５２に設けられた軸
受５５で回転可能に支持されており、この回転部５４の
外周にカッタリング５６が設けられている。そして、こ
の回転部５４と固定部５３との間にはシールが設けられ
ており、この例では、外側にラビリンスシール５７が設
けられ、その内側にフローティングシールと呼ばれるメ
カニカルシール５８が設けられている。

【０００５】前記図９に示すメカニカルシールとは型式
が異なるが、このメカニカルシール５８は、対向する金
属リング５９，６０とその外周に設けられたゴムリング
６１とから構成されており、メカニカルシール５８を固
定部５３と回転部５４の間に設ければ、ゴムリング６１
が固定部５３と回転部５４の傾斜面に沿ってその弾性で
対向する金属リング５９，６０を所定の面圧で接触させ
るので、固定部５３側で固定している金属リング６０と
回転部５４側で回転する金属リング５９の接触面で内部
と外部との間がシールされている。

【０００６】このメカニカルシール５８でシールされた
シール内部６２である潤滑油区画には、軸受５５を潤滑
するための潤滑油が入れられており、前記ラビリンスシ
ール５７とメカニカルシール５８によってこの潤滑油中
に泥水や土砂が侵入しないようにシールされている。

【０００７】ところで、近年、大深度地下トンネル、あ
るいは海底横断トンネルなど、１０kgf/cm² 程度の水圧
が作用するような高水圧環境におけるトンネル掘削機の
需要が高まっている。そのため、このようなトンネル掘
削機を実現するためには、高圧、高速掘削に適した高
圧、高速ローラカッタが必要となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
たようなメカニカルシール５８は、その耐圧性能が２〜
３kgf/cm² 程度と低いため、高圧下ではローラカッタの
円滑な回転が望めずカッタに偏摩耗を生じるおそれがあ
る。そのため、前記した大深度地下トンネルの掘削のよ
うに、例えば、１０kgf/cm² 程度かそれ以上の高圧下で
使用する高圧、高速ローラカッタに採用することはでき
ない。このことは他の用途の高圧下において使用するメ
カニカルシールの場合も同様である。

【０００９】また、液体の侵入をシールするメカニカル
シールとしては、その使用条件は様々であり、スラリ
ー、泥土、泥水等の液体で、その圧力も様々で、これら
の条件に応じて好ましい状態でシールできるメカニカル
シールを構成することは困難である。

【００１０】なお、このようなメカニカルシールの従来
技術として、例えば、実公昭６２−２５５７４号公報記
載の考案では、断面略Ｌ型のシールリングを押圧するラ
バースプリングにフィンガースプリングを一体加硫して
ラバースプリングの早期劣化を防止しようとし、また、
実公平６−１５１６８号公報記載の考案では、シールリ
ングの端部に金属製のリテーナを設けて液圧でラバース
プリングがずれないようにしているが、いずれも様々な
条件に応じて高耐圧のシール性を発揮することはできな
い。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、前記課題を解決
するために、本願発明は、環状の固定側シールリングと
環状の回転側シールリングとを軸方向に対向させて設
け、該固定側シールリングと回転側シールリングとの間
に密接するシール面を形成し、該シール面の背面側にシ
ールリングをシール面側に押圧するスプリングを設け、
該シール面の外周部に、該シール液体の圧力でシール面
にスプリング側への反力を作用させる液圧作用面を形成
している。これにより、この液圧作用面の形状や位置を
変化させればシール面側からスプリング側への反力が生
じるとともに、この反力でシールリングに撓みが生じる
ので、シール面における面圧と面圧分布とを変化させ
て、高圧下等の使用条件に応じた最適なシール状態を保
つようにすることができる。この液圧作用面を形成して
得られる最適な面圧と面圧分布の確認手段として、例え
ば、有限要素法による解析を用いて行うことができる。

【００１２】前記シール面を、固定側シールリングと回
転側シールリングとから外周側に突出させて形成し、該
突出したシール面の外周部に液圧作用面を形成すれば、
シールリングの外周側から作用する液圧を液圧作用面に
作用させてスプリング側への反力を生じさせて、シール
リングの接触面における面圧と面圧分布を好ましい状態
にすることができる。

【００１３】また、前記液圧作用面を、シール面の外周
部の半径方向に所定深さでほぼ平行な溝を設けて形成す
れば、この液圧作用面に生じる両シールリングへの反力
をほぼ対向する同等の反力とすることができるので、面
圧と面圧分布の解析が容易に行える。

【００１４】さらに、前記固定側シールリングと回転側
シールリングとを断面略Ｌ字形で形成し、該固定側シー
ルリングと回転側シールリングとの断面を外周側に突出
させた状態で対向させて密接させることによりシール面
を形成し、該シール面の外周部に所定深さの液圧作用面
を形成すれば、対向するＬ字形のシール面の背面に位置
する角部を利用して安定したスプリングの保持とシール
面の密接が可能なメカニカルシールを構成することがで
きる。

【００１５】また、前記スプリングをラバースプリング
で構成すれば、このラバースプリングに、固定側シール
リングと回転側シールリングとのシール面を密接させる
機能と、両シールリングの取付部におけるシール部材と
しての機能を発揮させることができる。

【００１６】その上、前記固定側シールリングと回転側
シールリングとを耐摩耗性金属で形成することにより、
加工が容易で安価なメカニカルシールを構成することが
できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本願発明の一実施形態を図
面に基づいて説明する。図１は本願発明の一実施形態を
示すメカニカルシールの図面であり、(a) は断面図、
(b) は同メカニカルシールの作用図である。この図１で
は軸の外周に設けられたメカニカルシールを例に説明す
る。

【００１８】図１(a) に示すように、このメカニカルシ
ール１は、環状の固定側シールリング２と環状の回転側
シールリング３とが軸４の軸方向に対向して設けられて
おり、これらの固定側シールリング２と回転側シールリ
ング３との対向する面がシール面５に形成されている。
このシール面５の背面側には、シール面５を密接させる
ように固定側シールリング２を押圧するスプリング６と
回転側シールリング３を押圧するスプリング７とが設け
られている。図の例では、８が固定部であり、９が回転
部である。図示する１０が外部のシール液体であり、例
えば、１０kgf/cm² 程度かそれ以上の高圧液体の場合が
ある。また、メカニカルシール１の内部には常圧（大気
圧）の潤滑油１１が供給されている。

【００１９】この実施形態では、前記固定側シールリン
グ２と回転側シールリング３とが断面略Ｌ字形で形成さ
れており、この固定側シールリング２と回転側シールリ
ング３との外周側に突出する面を対向させて密接させる
ことによってシール面５が形成されている。なお、図示
するシール面５は両シールリング２，３の接触面であ
り、図では潤滑油１１によって形成された油膜を誇張し
て記載している。

【００２０】また、この断面略Ｌ字形の対向する縦面２
Ａ，３Ａの背面側に形成された角部１２がスプリング
６，７の係止部となっており、シールリング２，３の横
面２Ｂ，３Ｂがスプリング６，７の接する設置面となっ
ている。このスプリング６，７によって押圧するシール
リング２，３のシール面５を密接させている。

【００２１】さらに、この実施形態では、前記スプリン
グ６，７がラバースプリングで構成されており、固定部
８と回転部９とに端部が係止された状態で両シールリン
グ２，３の係止部１２を押圧してシール面５を密接させ
ている。この実施形態のメカニカルシール１は、これら
シールリング２，３とスプリング６，７が対称的に配置
されている。

【００２２】そして、図１(b) に示すように、このシー
ル面５のシール液体１０側（外周部）に、シール液体１
０の圧力でスプリング側へ反力１３を作用させる所定深
さの液圧作用面１４が形成されている。この実施形態に
おけるシール面５は、固定側シールリング２と回転側シ
ールリング３との外周側に突出した縦面２Ａ，３Ａに形
成されているため、この突出させたシール面５の外周部
に液圧作用面１４が形成されている。この実施形態で
は、液圧作用面１４を、シール面５の外周部の半径方向
に所定深さでほぼ平行な面を有する溝を設けることによ
って形成している。

【００２３】また、この実施形態では、前記固定側シー
ルリング２と回転側シールリング３とが耐摩耗性金属
（例えば、「高炭素クロム軸受鋼」、「高クロム鋳
鉄」、「ステンレス鋼」等）で形成されており、このよ
うな金属でシールリング２，３を形成することにより、
安価にメカニカルシール１を製作することができる。

【００２４】図１(b) に示すように、前記したように構
成されたメカニカルシール１によれば、そのシール面５
の外周部に形成された液圧作用面１４に外部の液体１０
の圧力が作用することにより、シールリング２，３の外
周側にスプリング方向への反力１３が作用するので、こ
の作用する反力１３を液圧作用面１４の形状等を変更す
ることによって変化させれば、シール面５に作用する面
圧と面圧分布を変化させることができる。

【００２５】つまり、図１(b) に２点鎖線で示すよう
に、液圧作用面１４に反力１３を作用させることによ
り、シールリング２，３には、半径方向の液圧１５と、
軸方向のスプリング力１６と、このスプリング力１６を
打ち消す方向の反力１３とが作用し、これらの力によっ
てシールリング２，３の内部には撓みが生じて、この撓
みによってシール面５には、外周端側は広げられ、内周
端側は押圧されるような力が作用する。図示する矢印
ｖ，ｗ，ｘが力の方向を示している。

【００２６】従って、高圧液体の侵入を防止するために
ラバースプリング６，７の押圧力を大きくしている場合
でも、シール面５の外周部における密接を和らげること
ができるので、シール面５を好ましい面圧と面圧分布に
して高圧液体をシールすることが可能となる。このよう
に、シール面５に作用する面圧と面圧分布を変化させる
ことにより、高圧下でも最適なシール状態を保つように
して、シール面５での耐圧性を向上させている。

【００２７】前記液圧作用面１４の形状を決定するため
の解析手段として、ＭＡＲＣやＭＳＣ．Ｎａｓｔｒａｎ
等の有限要素法を用いた解析プログラムによる解析手段
を用いることができる。

【００２８】このような解析手段によって、最適な面圧
と面圧分布が得られるようにシールリング２，３の形状
やシール面５の形状を決定すれば、任意の条件において
好ましい状態の面圧と面圧分布でシール面５を密接させ
ることができるので、様々な条件において好ましいメカ
ニカルシール１を構成することができる。

【００２９】このシール面５に作用する面圧や面圧分布
は、シールリング２，３の外面に作用する全体圧力やシ
ールリング１の内面に作用する内圧側圧力の大きさや、
このシールリング１の形状や材質変更による剛性の変更
によっても調整することができる。

【００３０】なお、シールリング１の形状やシール面５
の形状を解析する手段は有限要素法に限られるものでは
なく、シール面５に作用する面圧や面圧分布の変化を解
析することができる手段であれば他の方法によって解析
してもよく、この解析技術は有限要素法に限定されるも
のではない。

【００３１】図２は図１に示すメカニカルシールをロー
ラカッタに用いた状態を示す断面図である。図示するよ
うに、ローラカッタ１７は、カッタヘッド（図示略）に
固定する固定部１８と、この固定部１８の外周で回転す
る回転部１９とを有しており、この回転部１９の外周に
カッタリング２０（図１０、符号５６参照）が設けられ
ている。この回転部１９は固定部１８に設けられた軸受
２１で回転可能に支持されており、これら回転部１９と
固定部１８との間に、地下水等が軸受２１の部分に侵入
しないようにメカニカルシール１が設けられている。

【００３２】このメカニカルシール１には、前記したよ
うに対向するシールリング２，３とこれらを押圧するラ
バースプリング６，７とが設けられており、このメカニ
カルシール１を固定部１８と回転部１９との間に設けれ
ば、両ラバースプリング６，７によってシールリング
２，３の対向するシール面５が密接するように押圧され
る。これにより、シール面５を所定の面圧で接触させ
て、固定側シールリング２と回転側シールリング３との
間で安定したシール性を保つことができる。

【００３３】しかも、このメカニカルシール１では、前
記したように、シール面５の外周部に設けた液圧作用面
１４に外部の液体圧力が作用して、このシール面５から
スプリング側へ反力１３が作用してシールリング２，３
に撓みが生じるので、これによるシール面５の面圧と面
圧分布によって効果的なシール性を発揮することができ
る。

【００３４】そのため、上述したような高圧、高速掘削
に適した高圧、高速ローラカッタにおけるメカニカルシ
ール１として使用して、１０kgf/cm² 程度やそれ以上の
高水圧が作用する大深度地下トンネル、あるいは海底横
断トンネルをトンネル掘削機で掘削することが可能とな
る。

【００３５】なお、この実施形態では、液圧作用面１４
を軸方向と直交する方向に形成しているが、この液圧作
用面１４は直交方向から傾いた傾斜面であってもよい。
また、この液圧作用面１４の溝の深さなどの形状パラメ
ータを変化させれば面圧及び面圧分布を変化させること
ができるので、条件に応じて最適な形態とすることによ
り、より高性能なシール性を実現することが可能とな
る。

【００３６】また、前記実施形態では、同一形状のシー
ルリング２，３とスプリング６，７とを対向するように
設けたメカニカルシールを例に説明したが、一方がシー
ルリングとスプリングで他方はシールリングのみの構成
でも本願発明を適用することは可能である。

【００３７】さらに、上述した実施形態は一実施形態で
あり、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更
は可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。

【００３８】

【実施例】以下、本願発明の一実施例における作用例を
従来例と対比して説明する。図３は図１に示すメカニカ
ルシールのシールリングと従来のシールリングとを対比
するための対照図であり、(a) は寸法図、(b) は寸法の
一覧図である。図４(a) 〜(c) は、図３(b) に示すシー
ルリングの解析モデル図である。図５は本願発明の一実
施形態を示す図３(b) のモデルＭ１における嵌め合い時
の面圧図、図６は同モデルＭ１における圧力作用時の荷
重分布図である。図７は従来の一実施例を示す図３(b)
のモデルＭ０における嵌め合い時の面圧図であり、図８
は同モデルＭ０における圧力作用時の荷重分布図であ
る。なお、以下の実施例におけるシールリング２，３
は、最外周のリング径をＲ２、スプリング６，７の設置
面のリング径をＲ１とし、荷重分布図では、１．５MPa
（約１５kgf/cm² ）の圧力を作用させた場合を示してい
る。

【００３９】図３(b) に示すように、この実施例におけ
るモデルＭ１のメカニカルシール１は、シール面５の外
周部に液圧作用面１４を形成した構成以外は従来のモデ
ルＭ０と同一であり、シール面５位置に液圧作用面１４
を有するか否かのみが異なっている。つまり、従来のメ
カニカルシールを示すモデルＭ０におけるシール面６５
のシール面位置寸法Ｈ１はゼロであるのに対して、本願
発明の一実施例であるモデルＭ１におけるシール面位置
寸法Ｈ１は、シールリング２，３の最外周部（リング径
Ｒ２）からａの寸法の液圧作用面１４となる溝が形成さ
れ、この液圧作用面１４の内周端から内側に所定寸法の
シール面５が形成されている。

【００４０】従って、このモデルＭ１において外周側か
ら液圧が作用した場合、液圧作用面１４にスプリング側
への反力１３（図１(b) ）が作用するので、このシール
リング２，３の外周部を広げる方向に作用する。

【００４１】このようなモデルＭ１の場合、図５に示す
ように、嵌め合い時には、シール面５の内周部での面圧
が高く、外周部ではほとんど面圧が作用していないが、
外周部から液圧を作用させた場合、図６に示すように、
液圧作用面１４の内周端から形成されるシール面５に作
用する荷重分布としては、シール面５の外周端付近でピ
ークとなって半径方向約半分の部分にまで荷重が作用す
るような山形の荷重分布となる。つまり、シール面５の
半径方向外周位置に荷重が集中して作用するような荷重
分布となっている。

【００４２】このような本願発明の一実施例に対して従
来のモデルＭ０では、図７に示すように、嵌め合い時に
は、シール面６５の内周部での面圧が高く、外周部では
ほとんど面圧が作用していない分布は上述した本願発明
の実施例であるモデルＭ１と同一であるが、外周部から
液圧を作用させた場合、図８に示すように、シール面６
５の半径方向外周付近でピークとなって、シール面６５
の３／４程度の内周側位置まで作用する山形となった荷
重分布となっている。つまり、シール面６５の半径方向
に広い範囲で荷重を受けるような荷重分布となってい
る。

【００４３】従って、シール面５の外周部に液圧作用面
１４を設けることにより、この液圧作用面１４に作用す
る液体の反力でシール面５の荷重分布、すなわちシール
面５での面圧と面圧分布を変化させることができること
がわかる。

【００４４】なお、本願発明の実施例であるモデルＭ１
では、シールリング２，３の液圧作用面１４以外の構成
を従来例のモデルＭ０と同一にしているが、このシール
リング２，３の形態は、図４(c) に示すモデルＭ２のよ
うに、内側長さＢ１，Ｂ２等の他の寸法を任意に変更し
てもよく、シールする液体１０の性状や圧力やその他の
条件を考慮して適宜好ましい面圧と面圧分布となるよう
な形態にすればよい。

【００４５】

【発明の効果】本願発明は、以上説明したような形態で
実施され、以下に記載するような効果を奏する。

【００４６】シール面の外周部に設けた液圧作用面に作
用する圧力でシールリングに生じる撓みを変化させるこ
とができるので、使用条件に応じてシール面を好ましい
面圧と面圧分布に設定することができるメカニカルシー
ルを構成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の一実施形態を示すメカニカルシール
の図面であり、(a) は断面図、(b) は同メカニカルシー
ルの作用図である。

【図２】図１に示すメカニカルシールをローラカッタに
用いた状態を示す断面図である。

【図３】図１に示すメカニカルシールのシールリングと
従来のシールリングとを対比するための対照図であり、
(a) は寸法図、(b) は寸法の一覧図である。

【図４】(a) 〜(c) は、図３(b) に示すシールリングの
解析モデル図である。

【図５】本願発明の一実施形態を示す図３(b) のモデル
Ｍ１における嵌め合い時の荷重分布図である。

【図６】図５に示すモデルＭ１における荷重作用時の荷
重分布図である。

【図７】従来の一実施形態を示す図３(b) のモデルＭ０
における嵌め合い時の荷重分布図である。

【図８】図７に示すモデルＭ０における荷重作用時の荷
重分布図である。

【図９】従来のメカニカルシールの一実施形態を示す断
面図である。

【図１０】従来のメカニカルシールを用いた一例を示す
ローラカッタの断面図である。

【符号の説明】

１…メカニカルシール ２…固定側シールリング ３…回転側シールリング ４…軸 ５…シール面 ６，７…ラバースプリング ８…固定部 ９…回転部 １０…シール液体 １１…潤滑油 １２…角部 １３…反力 １４…液圧作用面 １５…液圧 １６…スプリング力 １７…ローラカッタ １８…固定部 １９…回転部 ２０…カッタリング ２１…軸受 ｖ，ｗ，ｘ…力の方向

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 環状の固定側シールリングと環状の回転
   側シールリングとを軸方向に対向させて設け、該固定側
   シールリングと回転側シールリングとの間に密接するシ
   ール面を形成し、該シール面の背面側にシールリングを
   シール面側に押圧するスプリングを設け、該シール面の
   外周部に、該シール液体の圧力でシール面にスプリング
   側への反力を作用させる液圧作用面を形成したメカニカ
   ルシール。
2. 【請求項２】 前記シール面を、固定側シールリングと
   回転側シールリングとから外周側に突出させて形成し、
   該突出したシール面の外周部に液圧作用面を形成したこ
   とを特徴とする請求項１記載のメカニカルシール。
3. 【請求項３】 前記液圧作用面を、シール面の外周部の
   半径方向に所定深さでほぼ平行な溝を設けて形成したこ
   とを特徴とする請求項１又は請求項２記載のメカニカル
   シール。
4. 【請求項４】 前記固定側シールリングと回転側シール
   リングとを断面略Ｌ字形で形成し、該固定側シールリン
   グと回転側シールリングとの縦面を外周側に突出させた
   状態で対向させて密接させることによりシール面を形成
   し、該シール面の外周部に所定深さの液圧作用面を形成
   したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記
   載のメカニカルシール。
5. 【請求項５】 前記スプリングをラバースプリングで構
   成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に
   記載のメカニカルシール。
6. 【請求項６】 前記固定側シールリングと回転側シール
   リングとを耐摩耗性金属で形成したことを特徴とする請
   求項１〜５のいずれか１項に記載のメカニカルシール。