JP2005207520A - メカニカルシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 メカニカルシール装置は、シール面に発生する歪みを防止して、シール能力の向上と共に、耐摩耗能力を向上させることにある。
【解決手段】 メカニカルシール装置（Ｍ）は、一対の密封環（２，１２）のうち外周面に平面にした押え部（２Ｂ）を有する第１密封環（２）と、第１密封環（２）の内周面（２Ｃ）を支持する第１支持部（３Ｄ）と押え部（２Ｂ）を支持する第２支持部（３Ａ）とが備えられていると共に、シールハウジング（６０）又は軸（５０）に固定する固定部（３Ｃ）を有する保持環（３）と、保持環（３）と第１密封環（２）とに密着するガスケット（４）とを具備し、第２支持部（３Ａ）が押え部（２Ｂ）に圧接する締め代（Ｈ）を０．０１ｍｍから０．２５ｍｍの範囲に形成されていると共に、第１密封環（２）の周面に設けた各押え部（２Ｂ）が周面の非対称の位置に有するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、密封環のシール面に発生する歪みを防止したメカニカルシール装置に関する。更に詳しくは、密封環の歪みのないシール面によりシール能力と耐摩耗性能を向上させたメカニカルシール装置の技術分野に関する。

近年、被密封流体をシールする密封環は、シール面に惹起する問題点を解決するためにシール面の平面度、面粗さ、材質の改善に努力が向けられてきた。特に、密封環の材質の改善として耐摩耗性を向上させるために炭化珪素材製を採用してきた。しかし、密封環は耐摩耗性能の材質の改善と共に鏡面仕上げされているために、取付状態によりシール面に歪みが発生する。しかし、この歪みの発生が見逃されてきたために、メカニカルシール装置に於ける被密封流体の微小な漏洩はＪＩＳ規格でも仕方のないものとしてある程度の許容値が設けられてきた。その結果、技術の向上につれてメカニカルシール装置のシール能力が問題となってきた。

本発明に関連するメカニカルシール装置として図６に示す第１関連技術のメカニカルシール装置１１１が存在する（例えば、特許文献１参照）。この回転用密封環１０２は、図７に示すように外周面の径方向対称の位置に取付平面１０２Ｂが形成されている。そして、回転用密封環１０２の内周面はカップガスケット１０４の外周面に嵌着している。この回転用密封環１０２はカップガスケット１０４を介してスリーブ１０３の取付部１０３Ｄに嵌着されている。取付部１０３Ｄには、図７に示すように、押え板１０３Ａが設けられている。この押え板１０３Ａは係止平面１０２Ｂに近接状態に取り付けられている。

回転用密封環１０２に対向した位置には、固定用密封環１１２が配置されている。この固定用密封環１１２は、固定用密封環１１２とハウジングに固定されたカートリッジ１１５との間に配置されたベローズ１１４に接合している。そして、ベローズ１１４の両端の取付部１１４Ａ、１１４Ｂは、ばね座金１１３、１１３を介してコイル状のばね１１９により押圧されている。ばね１１９により押圧された固定用密封環１１２のシール面１１２Ａは、回転用密封環１０２の対向するシール面１０２Ａと密接する。

このように構成されたメカニカルシール装置１１１は、ばね１１９によりベローズ１１４を介して固定用密封環１１２が押圧され、固定用密封環１１２のシール面１１２Ａは回転密封環１０２の対向するシール面１０２Ａと接合して機内側の被密封流体をシールする。又、スリーブ１０３は、回転軸に嵌着して回転軸と共に回動する。このとき、取付部１０３Ｄにカップガスケット１０４を介して取り付けられた回転用密封環１０２は、係止平面１０２Ｂが押え板１０３Ａと係止して回転軸と回動するが、係止平面１０２Ｂと押さ板１０３Ａとを密接させることは、困難に成る。それは、例えば、取付部１０３Ｄにカップガスケット１０４を嵌着すると共に、カップガスケット１０４を回転用密封環１０２に嵌着させるためである。更には、取付部１０３Ｄに直接に押え板１０３Ａをプレス加工しなければならないので加工精度を上げることができないからである。又、係止平面１０２Ｂに押さ板１０３Ａを強く圧接させると対向するシール面１０２Ａに歪みが発生する。更に、図７に示すように、回転用密封環１０２の対称を成す係止平面１０２Ｂを押さえると、対向するシール面１０２Ａに歪みが発生する。このため、係止平面１０２Ｂと押さ板１０３Ａとの間には間隙を設けている。そして、対向するシール面１０２Ａとシール面１１２は、相対摺動するときに、カップガスケット１０４の摺動方向の弾性変形及び係止平面１０２Ｂと押さ板１０３Ａとの間隙によってスティックと相対回動を繰り返すことになる。このスティックと相対回動を繰り返すことによって鳴き現象が発生する。更に、このスティックは相対するシール面１０２Ａ、１１２Ａに摩耗を促進させる。その結果、メカニカルシール装置１１１のシール能力が低下する。

図８は、本発明の第２関連技術を示すメカニカルシール装置２１１の半断面図である。図８も図６と同様な構成である。対向するシール面２０２Ａを設けた回転用密封環２０２はカップガスケット２０４に嵌着してスリーブ２０３の取付部２０３Ｄに取り付けられている。回転用密封環２０２の外周面には、２等配又は４等配の溝部２０２Ｇの底に係止平面２０２Ｔが形成されている。一方、取付部２０３Ｄには板状に突出する押え板２０３Ａが設けられている。この押え板２０３Ａは溝部２０２Ｇ内に挿入されて溝部２０２Ｇの側面と係止している。このように回転用密封環２０２をスリーブ２０３に取り付けた一方の回転用シール部２０１は固定部２０３Ｃを回転軸に嵌着させる。

固定用密封環２１２はベローズ２１４に嵌着して取り付けられている。ベローズ２１４の両端部外周は第１保持部２１３Ａと第２保持部２１３Ｂが嵌合して固定されている。又、カートリッジ２１５は一端部がハウジングに固定されると共に、他端部が固定用密封環２１２の内周面と摺動自在に嵌合している。そして、第１保持部２１３Ａとカートリッジ２１５との間にコイル状のばね２１９が配置されている。このばね２１９により固定用密封環２１２を弾発に押圧している。そして、固定用密封環２１２のシール面２１２Ａを回転用密封環２０２の対向するシール面２０２Ａに密接させて被密封流体をシールする。

この場合も、押え板２０３Ａが溝部２０２Ｇ内に配置されているが、押え板２０３Ａの幅を溝部２０２Ｇの幅と同一寸法に加工することは、加工技術から困難である。このために、押え板２０３Ａの幅を溝部２０２Ｇの幅より小さく形成している。その上、回転用密封環２０２は、弾性変形するカップガスケット２０４に保持されている。その結果、回転用密封環２０２の対向するシール面２０２Ａが回転中に固定用密封環２１２のシール面２１２Ａと相対摺動とスティックとを繰り返しながら作動する。このとき、押え板２０３Ａは溝部２０２Ｇの幅内で往復移動を繰り返すから、摺動するシール面２０２Ａ、２１２Ａに鳴き現象が発生する。更に、スティック現象は、摺動するシール面２０２Ａ、２１２Ａの摩耗も促進される。その結果、メカニカルシール装置２１１のシール能力が低下する。更に、回転用密封環２０２の外周の２個所又は４個所に係止平面２０２Ｔが設けられて、押え板２０３Ａで強く係止平面２０２Ｔを押さえると、摺動するシール面２０２Ａに歪みが発生し、摺動するシール面２０２Ａ、２１２Ａのシール能力が低下する。

特開平１１−３１５９３５号公報（図２） 特開２０００−７４２２６号公報（図２）

本発明は上述のような問題点に鑑み成されたものである。その発明が解決しようとする技術的課題は、メカニカルシール装置の密封環のシール面に歪みが惹起するのを防止してシール能力を発揮させることにある。又、摺動時の鳴きを防止して摩耗を低減することにある。

本発明は、上述のような技術的課題を解決するために成されたものである。その技術的解決手段は以下のように構成されている。

請求項１に係わる本発明のメカニカルシール装置は、ハウジングに設けた孔と、孔に挿嵌する軸との間をシールするメカニカルシール装置であって、一対の密封環と、一対の密封環のうち外周面に平面の押え部を有する第１密封環と、第１密封環の内周面を支持する第１支持部と第１支持部に一体で押え部を支持する第２支持部とを有すると共に、シールハウジング又は軸に固定する固定部を有する保持環と、保持環と第１密封環とに密着するガスケットとを具備し、第２支持部が押え部に圧接する締め代を０．０１ｍｍから０．２５ｍｍの範囲に形成されていると共に、第１密封環の周面に設けた各押え部が周面の非対称の位置に有するものである。

請求項２に係わる本発明のメカニカルシール装置において、保持環の第１支持部は第１密封環の周面内に挿入される筒部と、第１密封環の端面に対向するフランジ部とを有し、第２支持部が第１支持部のフランジ部から軸方向へ片持板に形成されていると共に片持板に内径へ円弧状に変形させた締め代を有するものである。

請求項３に係わる本発明のメカニカルシール装置において、第２支持部は第１支持部から一体に筒状を成す外環に形成し、この外環を軸方向へ切り込んで片持板に形成すると共に、片持板に内径へ凸部に変形させた締め代を有するものである。

請求項４に係わる本発明のメカニカルシール装置において、第１密封環の押え部が周面に沿って３等配又は５等配に形成されているものである。

請求項５に係わる本発明のメカニカルシール装置において、第２支持部が外環に形成されていると共に、外環の一部を内径へ突出させて形成した締め代を有するものである。

この請求項１に係わる本発明のメカニカルシール装置では、第２支持部が第１密封環の押え部に圧接する締め代を０．０１ｍｍから０．２５ｍｍの範囲に形成されている。更に、第１密封環の周面に設けた各押え部が周面の非対称の位置に設けられている。そして、この０．０１ｍｍから０．２５ｍｍの範囲の締め代にすると第１密封環のシール面には、シール能力を低下させる面歪みがほとんど認められない。例え、歪みが生じたとしても、むしろこの歪み範囲は、微小であるがために、歪みに潤滑液が介在してシール面に潤滑能力を発揮させる。又、押え部を周面に沿って非対称の位置に設けると、互いに押え部に対して対向する力が作用しないので、シール能力を低下させるような歪みの発生は少なくなる。このために、シール面のシール能力を向上させることができる。更に、シール面の摺動時の鳴き現象を防止して、シール面の異常摩耗を防止することができる。

この請求項２に係わる本発明のメカニカルシール装置では、第２支持部がフランジ部から軸方向へ片持板に形成されていると共に、片持板を円弧状に変形させて押え部に対して設定された締め代で圧接できるので、シール面に歪みが発生するのを防止できる。又、弾性力のある片持板と弾性力のあるガスケットにより内外周から保持されているので、シール面は対向するシール面と圧接しても弾性的に対応してシール面の偏摩耗が防止できる。特に、片持板の押え部に対する変形状態の加工が容易であるから、締め代の精度が一定にでき、シール面に発生する歪みが防止できる。その結果、シール面の摩耗も防止できると共に、シール能力が長期に渡り発揮される。

この請求項３に係わる本発明のメカニカルシール装置では、第２支持部が筒状の外環に形成され、この外環を軸方向へ必要な長さだけスリット加工して片持板に形成する。更に、この片持板を内径方向へ変形して押え部に所定の圧力で圧接できる締め代を設けることができるので、シール面に歪みが発生するのを防止できる。又、第２支持部を折曲げてもスプリングバックがなくできるので、押え部を一定の力で保持することが可能になる。このために、シール面に歪みが生じることもなく、シール能力を発揮できる。又、シール面の摩耗に対する耐久能力を向上できる。

この請求項４に係わる本発明のメカニカルシール装置では、密封環の外周面に押え部を３個所又は５個所設けると、各押え部は非対称になるから、圧接する取付状態に於いてシール面に径方向の互いに押し合うこともなく、シール面に歪みの発生が防止できる。このために、シール面のシール能力を発揮できると共に、摺動時の鳴きを防止する。そして、シール面のシール能力の向上と共に、耐摩耗が向上する。

この請求項５に係わる本発明のメカニカルシール装置では、第２支持部は外環に内径方向へ突出させた形状であるから加工が容易になる。しかも、第２支持部の加工に対するスプリングバックがなく、押え部を所定の締め代で保持することが可能になる。このために、シール面に歪みを発生させることがなく、シール面のシール能力が発揮できると共に、摺動時の鳴きを防止してシール面の耐摩耗が向上できる。

以下、本発明に係わる好ましい実施の形態のメカニカルシール装置を、その図面に基づいて詳述する。尚、以下に説明する各図面は、正確な設計図を基にしたものである。図１は、本発明に係わる第１実施の形態を示すメカニカルシール装置１の断面図である。又、図２は、図１に示すメカニカルシール装置１における矢視２−２の断面図である。又、図３は、図２に示す矢視３−３の半断面図である。

以下、図１，図２，図３の各図を参照して説明する。メカニカルシール装置Ｍは、第１（一方の）シール部１と第２（他方の）シール部１１とが対向して一対に構成される。第１シール部１に設けた第１密封環（一方の密封環）２のシール面２Ａと、第２シール部１１に設けた第２密封環（他方の密封環）１２の対向シール面１２Ａが互いに密接して被密封流体をシールする。この第１密封環２は、内周面２Ｃと端面２Ｄをカップ状のガスケット４に密着する。更に、ガスケット４を保持環３に嵌合密着して保持する。一方、第２密封環１２は、ベローズ１４とスプリング１９を介してカートリッジ１５に弾発に支持されている。

図１では、回転用密封環である第１密封環２は、断面が方形状で環状体を成している。この環状体の先端面は、鏡面仕上げした第１シール面２Ａに形成する。又、第１密封環２に於ける第１シール面２Ａと反対側は端面２Ｄに形成する。更に又、第１密封環２は内周面２Ｃに形成する。更に、第１密封環２の外周面２Ｅには周面に沿って３等配に押え部２Ｂを形成する。尚、図２に示すように、第１密封環２の外周面２Ｅには、更に３等配の平面部６が設けられているが、押え部２Ｂに利用するものではない。この平面部６は、シール面２Ａに歪みが生じるのを防止するために、歪みが生じないようにカットするものである。従って、平面部６は、各押え部２Ｂの間に設ける。又、押え部２Ｂは、周面に沿って５等配、７等配、９等配等の奇数個に形成すると良い。更に又、押え部２Ｂは、図２に示すように、軸に平行に外周面２Ｅをカットして平面に形成する。この押え部２Ｂの平面には、更に小さな凹みを設けて第２支持部３Ａの凸部と係止しても良い。尚、第１密封環２は、硬質摺動材で製作される。硬質摺動材は、例えば、炭化珪素、セラミック、超硬合金、カーボン材等である。

保持環３は、ステンレス鋼板から製作されたスリーブである。保持環３には、円筒状に形成されて円筒状の一端側に軸５０と嵌着する固定部３Ｃを設ける。この円筒部の固定部３Ｃに対し反対側は、第１支持部３Ｄを設ける。第１支持部３Ｄは円筒端部と円筒端部に設けたフランジ部とから形成されている。フランジ部の外周端には、更に短い円筒状の外環３Ｂを形成する。この外環３Ｂには、周面に沿って３等配に形成された第２支持部３Ａを設ける。この第２支持部３Ａは、外環３Ｂから軸方向へ延びた長方形状の片持板に形成されている。更に、第２支持部３Ａは内径方向へ円弧状に折曲げられて押え部２Ｂに圧接する。この押え部２Ｂの圧接は、締め代Ｈの範囲内で接合する。

この第２支持部３Ａの締め代Ｈの範囲は、０から０．３０ｍｍにする。更に好ましくは、第２支持部３Ａの押え部２Ｂに対する締め代Ｈの範囲は０．０１ｍｍから０．２５ｍｍにすると良い。つまり、締め代Ｈは押え部２Ｂの半径より締め代Ｈの寸法範囲だけ小さな寸法である。尚、第２支持部３Ａの自由端は、組立時に、第１密封環２を第２支持部３Ａ内に挿入しやすくするために外方へ曲げられている。保持環３の他端部３Ｃ１は、外径方向へ拡張して軸５０に挿入しやすく形成している。この保持環３の材質は、ステンレス鋼、アルミニュウム、銅、鋼板等被密封流体の適性に応じて用いられる。

カップ状ガスケット４は保持環３の第１支持部３Ｄに密着する。更に、ガスケット４は、第１密封環２の内周面２Ｃ及び端面２Ｄと密着して第１密封環２を保持環３の第１支持部３Ｄに保持している。ガスケット４はフランジ状の支部４Ａと支部４Ａの内周から筒状を成す嵌着部４Ｂに形成する。このガスケット４の嵌着部４Ｂの内周面は、第１支持部３Ｄに嵌着すると共に、嵌着部４Ｂの外周面は、第１密封環２の内周面２Ｃと密着する。この嵌着部４Ｂは第１密封環２と共に回動できるように嵌着している。又、支部４Ａは第１密封環２を軸方向へ弾性的に支持する。そして、ガスケット４は保持環３と第１密封環２の間から被密封流体が漏洩するのをシールすると共に、第１密封環２をガスケット４により弾性的に保持環３に保持する。このガスケット４はゴム材製である。このガスケット３の材質は、ＦＫＭ、ＮＢＲ、ＩＩＲ、Ｕ、Ｑ、ＣＲ等を用いると良い。

第１密封環２と対向する第２密封環１２は、ステンレス鋼板製のカートリッジ１５に軸方向へ移動自在に支持されている。この第２密封環１２とカートリッジ１５の間には、ゴム材製のベローズ１６を配置する。又、ベローズ１６の一端部と第１取付環１３は、スプリング１９により押圧できるように連結する。そして、ベローズ１６とスプリング１９とにより第２密封環１２を第１密封環２へ弾発に押圧する。ベローズ１６の一端部は、外周面が第１取付環１３に締めつけられて内周面を第２密封環１２の外周面に固着する。又、ベローズ１６の他端は、第２取付環１４によりカートリッジ１５に固着する。このカートリッジ１５はシールハウジング６０の孔に固着部１５Ａを嵌着すると共に、フランジ１５Ｂをシールハウジング６０の端面に当接して固定する。尚、第２密封環１２も摺動材として好ましい炭化珪素又はカーボン或いは超硬合金材製にする。

図４と図５は本発明に係わる第２実施の形態を示すメカニカルシール装置である。図５は図４の矢視５−５断面図である。この図４に於いて、図１と相違する点は、第１シール部１に設けた保持環３の第２支持部３Ａである。この第２支持部３Ａは、第１支持部３Ｄの外周端から筒状に外環３Ｂを形成し、この外環３Ｂに対して押え部２Ｂの幅に対応する幅に成るように軸方向へスリット加工を施して片持板に形成する。この片持板にした第２支持部３Ａを、図５に示すように、内径方向へ折曲げて押え部２Ｂに対する締め代Ｈを形成する。この締め代Ｈは、０から０．３０ｍｍにする。更に好ましくは、第２支持部３Ａの押え部２Ｂに対する締め代Ｈを０．０１ｍｍから０．２５ｍｍにすると良い。つまり、締め代Ｈは、平面にした押え部２Ｂまでの半径に対し締め代Ｈの寸法範囲だけ小さくした寸法である。このように外環３Ｂから第２支持部３Ａを形成することにより、スリット加工の軸方向の深さにより片持板状の第２支持部３Ａの長さが加減できるので、第２支持部３Ａで押え部２Ｂを押圧するときのスプリングバックが小さくできると共に、正確な締め代Ｈにできて、シール面２Ａに歪みが発生するのを防止できる。

更に、第３に実施の形態として図示は省略するが、第２支持部３Ａは第１支持部３Ｄの外周端から、図４及び図５と同様に、円筒状の外環３Ｂに形成する。そして、図５の片持板３Ａと同一効果の構成として外環３Ｂの押え部２Ｂに対応する位置に内周方向へ凸部を形成する。この凸部に締め代Ｈを形成して押え部２Ｂに圧接する。凸部の形状は半球形状に突出するもの、柱状に突出するもの、楕円形状に突出するもの、十字形状に突出するもの等種々の形状がある。又、凸部の締め代Ｈの範囲は、０から０．３０ｍｍにする。更に好ましくは、第２支持部３Ａの押え部２Ｂに対する締め代Ｈを０．０１ｍｍから０．２５ｍｍにすると良い。

次に、図１と図４に於ける第１シール装置１の組み立て方法について説明する。第１シール装置１は、図３に示すように、組み立てられている。スリーブ状にステンレス鋼板を加工した保持環３の第１支持部３Ｄにゴム材製のカップ状をしたガスケット４を他端部３Ｃ１から拡張して嵌合する。このガスケット４の嵌着部４Ｂと第２支持部３Ａとの間に第１密封環２を圧入する。このとき、ガスケット４の嵌着部４Ｂが圧縮されると共に、第２支持部３Ａは弾性変形して第１密封環２を挿入させる。そして、第１支持部３Ａは押え部２Ｂに対して締め代Ｈ分だけ圧着して係止する。この締め代Ｈは０から０．３０ｍｍの範囲である。更に、好ましくは０．０１ｍｍから０．２５ｍｍの範囲に係合させるとシール面２Ａに能力を低下させる歪みの発生が認められない。

本発明のメカニカルシール装置は、シール能力に優れ、摺動時に鳴き等の発生が認められず、しかも、異常摩耗がなく、シール面に耐久性があり有用である。

本発明に係わる第１実施の形態のメカニカルシール装置を機械に取り付けた状態の断面図である。 図１の矢視２−２の断面図である。 図２の矢視３−３の断面図である。 本発明に係わる第２実施の形態のメカニカルシール装置を機械に取り付けた状態の断面図である。 図４の矢視５−５の断面図である。 特許文献１のメカニカルシール装置の半断面図である。 図６の矢視７−７の断面図である。 特許文献２のメカニカルシール装置の半断面図である。

符号の説明

Ｍ メカニカルシール装置
１ 第１シール部（一方のシール部）
２ 第１密封環（一方の密封環、回転用密封環）
２Ａ シール面
２Ｂ 押え部
２Ｃ 内周面
２Ｄ 端面
３ 保持環
３Ａ 第２支持部
３Ｂ 外環
３Ｃ 固定部
３Ｃ１ 他端部
３Ｄ 第１支持部
４ ガスケット
４Ａ 支部
４Ｂ 嵌着部
６ 平面部
１１ 第２シール部（他方のシール部）
１２ 第２密封環（他方の密封環、固定用密封環）
１２Ａ 対向シール面
１２Ｂ 嵌合面
１３ 第１取付環
１４ 第２取付環
１５ カートリッジ
１５Ａ 固着部
１５Ｂ フランジ
１９ スプリング
５０ 軸
６０ シールハウジング

Claims (5)

1. ハウジングに設けた孔と、孔に挿嵌する軸との間をシールするメカニカルシール装置であって、一対の密封環と、前記一対の密封環のうち外周面に平面状の押え部を有する第１密封環と、前記第１密封環の内周面を支持する第１支持部と前記第１支持部と一体で押え部を支持する第２支持部とを有すると共に、前記シールハウジング又は前記軸に固定する固定部を有する保持環と、前記保持環と前記第１密封環とに密着するガスケットとを具備し、前記第２支持部が前記押え部に圧接する締め代を０．０１ｍｍから０．２５ｍｍの範囲に形成されていると共に、前記第１密封環の周面に設けた各前記押え部が周面の非対称の位置に有することを特徴とするメカニカルシール装置。
2. 前記第１支持部は第１密封環の周面内に挿入される筒部と、前記第１密封環の端面に対向するフランジ部とを有し、且つ前記第２支持部は前記フランジ部から軸方向へ形成した片持板を有し、前記締め代は前記片持板を内径方向へ円弧状に変形させた面に形成したこと、を特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
3. 前記第２支持部は前記第１支持部から筒状を成す外環に形成すると共に前記外環を軸方向へ切り込んで形成した片持板を有し、且つ前記締め代は前記片持板を内径へ凸状に変形させた面に形成したこと、を特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
4. 前記第１密封環の前記押え部が周面に沿って３等配又は５等配に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３に記載のメカニカルシール装置。
5. 前記第２支持部は前記第１支持部から一体に前記外環に形成されていると共に、前記締め代は前記外環の一部を内径へ突出させた面に形成したことを特徴とする請求項１又は請求項４に記載のメカニカルシール装置。

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