JP2011080578A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】 従動環の従動性を阻害しないメカニカルシールを提供する
【解決手段】 Ｏリング３と押圧リング４は、ケーシングＣに形成された収納溝５に収納されており、Ｏリング３は押圧リング４に押圧されて、ケーシングＣと従動環１に密着してケーシングＣと従動環１の間を従動可能にシールし、機内Ｙと大気Ｘ側の間をシールする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、メカニカルシールに関する。

メカニカルシールは、回転軸に装着された回転環とケーシング（機器）側に装着された非回転環の端面を摺動接触させて摺動シール面を形成することにより、回転軸とケーシング（機器）との間をシールする装置として、種々の分野において広く使用されている。
前記摺動シール面は、使用するに従って摩耗するため、これを補償する必要があり、また振動や軸振れに追随するために、前記回転環か非回転環のどちらかを軸線方向に移動可能な従動環として構成するのが普通である。
従動環は、前記したようにケーシング或は回転軸に装着されるが、これら装着体との間はＯリングによりシールされ、該Ｏリングとの摺動により従動可能に構成して、フローティングパッキンとするのが普通である。
Ｏリングは周知のように、所定の圧力を加えることにより対象物に密着してシール機能を発揮するものであるが、メカニカルシールの場合、フローティングパッキンであるＯリングは、通常ケーシング或は回転軸である装着体に形成された溝に装着され、該溝をＯリングの断面径よりも小さな径の溝として、この溝により締代を与えて装着体に密着させる構成を採用している。

特開２００６−４６４７７号公報

しかし、該Ｏリングの締代は、Ｏリング自体の線径や溝の径の公差などによって、変動する問題がある。締代が大きくなると、Ｏリングと従動環との間の抵抗が大きくなり、従動環の従動が阻害され、シール性能の悪化をもたらす問題がある。また、逆に締代が小さくなるとＯリングと従動環との間のシール性が悪くなる問題がある。
このため、Ｏリングの締代を溝の径により与えるのではなく、Ｏリングにガータースプリングなどを装着して半径方向に押圧力を加え、軸線方向にはスプリングにより押圧力を加えるように構成する提案もなされているが、半径方向と軸線方向の両方の押圧力付与のため部品が必要であるため、部品点数が多くなり、構造が複雑になり、コスト高となる問題がある。
また、Ｏリングの太さ（断面径）を大きくして、溝の径の公差の影響を低減する方法も考えられるが、Ｏリングの断面径を大きくすると、従動環との接触面積が大きくなり、摺動抵抗が増して従動性を阻害する欠点がある。
本発明は上記従来技術の問題を解決することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、装着体に対して軸線方向に従動可能に装着された従動環を有するメカニカルシールにおいて、前記従動環と装着体の間に該従動環を軸線方向に従動可能なように装着され、該従動環と装着体の間を低圧側と高圧側とにシールするＯリングと、該Ｏリングを従動環と装着体に押圧する紐状体と、前記装着体に形成された環状の溝であって、前記Ｏリングと紐状体を収納し、前記紐状体に締代を付与する溝と、を有し、前記環状の溝が内周面と、高圧側側面と低圧側側面とを有し、前記紐状体は前記内周面と高圧側面とに接触し、所定の締代を付与され、前記Ｏリングは、該紐状体により押圧されて、従動環と低圧側側面とに接触し、シール部を形成する、ことを特徴とするメカニカルシール。

本発明のメカニカルシールによれば、溝の公差は押圧リングにより吸収され、Ｏリングと従動環との摺動抵抗への影響は抑制される。また、Ｏリングの径を大きくする必要がなく、接触面積の増大による摺動抵抗の増大がない、等の効果がある。

本発明の一実施形態を示す断面図。 本発明の一実施形態を示す部分拡大断面図。 本発明の一実施形態におけるＯリング３と押圧リング４の全体断面図。 本発明の一実施形態の組み立て方法を示す説明図。

以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明のメカニカルシールユニットＡの一実施例を示す断面図である。
このメカニカルシールユニットＡは、回転軸Ｊ上に装着され、回転軸ＪとケーシングＣとの間をシールし、機内Ｙ側からの大気Ｘ側への漏れをシールする構成になっている。機内Ｙ側は高圧、大気Ｘ側は低圧になっている。

メカニカルシールユニットＡは、従動環１と非従動環２を有し、従動環１と非従動環２が形成する摺動シール面Ｓにより、ケーシングＣの機内Ｙをシールするように構成されている。

従動環１は、装着体であるケーシングＣ側に従動可能に装着された非回転環であり、Ｏリング３と押圧リング４を介してケーシングＣに装着されている。ケーシングＣと従動環１との間はＯリング３により従動可能にシールされている。

一方非従動環２は回転軸Ｊ上に回転可能に装着され、ねじ２１により回転軸Ｊ上に固定されており、非従動の回転環になっている。非従動環２と回転軸Ｊの間はＯリング２０によりシールされている。

Ｏリング３と押圧リング４は、ケーシングＣに形成された収納溝５に収納されており、Ｏリング３は押圧リング４に押圧されて、ケーシングＣと従動環１に密着してケーシングＣと従動環１の間を従動可能にシールし、機内Ｙと大気Ｘ側の間をシールするように構成されている。

収納溝５は、ケーシングＣの内周側面に円環状に形成されており、内周面５２と機内Ｙ側の高圧側側面５３と大気Ｘ側の大気側側面５４とを有する。

押圧リング４は、Ｏリングであって、図３に示すように切断部４５においてその１ヶ所を切断した弾性を有する紐状体になっており、収納溝５内に簡単に装着できるようになっている。押圧リング４として、Ｏリング以外の他の弾性を有するものを使用可能である。

図２に示すように、Ｏリング３は、半径方向の切断面において、所定の直径ａを有し、押圧リング４も半径方向の切断面において、所定の直径ｂを有しており、直径ａ＜直径ｂになっている。直径ａ＝直径ｂであっても良いが、直径ａを大きくすると、従動環１との接触面積が大きくなり、摺動抵抗が大きくなって従動性を阻害するので最大直径ａ＝直径ｂとする。

この押圧リング４により、Ｏリング３そのものの公差と収納溝５の公差の影響を吸収し、Ｏリング３を押す力の変化を少なくすることができるため、Ｏリング３と従動環１との摺動抵抗の変動を少なくすることができる。またＯリング３の直径ａを大きくする必要がないため、従動環１との接触面積を増加させることがなく、従動環１の従動性を阻害しない。

図２に示すように、Ｏリング３の半径方向切断面の中心Ｏ３と押圧リング４の半径方向切断面の中心Ｏ４を結ぶ直線Ｌ上の接触部Ｐにおいて、Ｏリング３は押圧リング４と接触し押圧され、従動環１及び低圧側側面５４方向に押されるようになっている。
直線Ｌと従動環１の外周側面１５とのなす角度θを０＜θ＜９０の範囲に設定してある。この実施形態では約θ＝４５度に設定してある。θ＝４５度とした場合、Ｏリング３は従動環１とケーシングＣに対して同一の押圧力で密着するため、θ＝４５度とするのが望ましい。また、この角度θを変えることにより、シール部Ｓ１とシール部Ｓ２におけるＯリング３の押圧力を変えることが可能である。
なお、外周側面１５は回転軸Ｊの軸心とほぼ平行であるから、前記角度θは直線Ｌと軸心とのなす角度と定義できる。

収納溝５は、その半径方向の深さ５０と軸線方向の幅５１のサイズを、押圧リング４に対して所定の締代４０を付与するように設定してある。
即ち、Ｏリング３と押圧リング４の組み合わせの径方向の断面長さｄに対してｄ＞深さ５０となっている。厳密にはｄ＞深さ５０＋ｇとなっている。ｇはケーシングＣの内周側面と従動環１の外周側面との間のギャップｇである。
またＯリング３と押圧リング４の組み合わせの軸線方向の幅ｅに対してｅ＞幅５１となるように、収納溝５の寸法を限定している。
この構成により、押圧リング４は収納溝５の内周面５２と機内Ｙ側の側面である高圧側側面５３により、締代４０、４０を付与される構成になっている。

この押圧リング４に付与される締代４０により、押圧リング４は接触部ＰにおいてＯリング３を押圧し、Ｏリング３は直線Ｌ方向に押圧され、従動環１の外周側面１５に対してＦ１の押圧力で押されて、外周側面１５との間でシール部Ｓ１を形成し、またケーシングＣの収納溝５の大気側の側面である低圧側側面５４に対して押圧力Ｆ２で押されて、シール部Ｓ２を形成し、ケーシングＣと従動環１との間を従動可能にシールするように構成されている。
また押圧リング４には切断部４５が形成されているため、Ｏリング３に対する機内Ｙ側の高圧を遮断することがない。

収納溝５には、低圧側側面５４に収納溝５内部において高圧側側面５３方向に突出する突条５５が形成されている。突条５５は軸線方向に所定長さの幅５７を有し、半径方向に所定の深さ５６を有しており、突条５５内部に段差を形成するようになっている。低圧側側面５４には、突条５５のない部分がＯリングの直径直径ａ以上の長さ（深さ）だけ残るように、突条５５の深さ５６を制限している。
この突条５５により押圧リング４を高圧側側面５３側に安定して装着でき、その結果Ｏリング３を低圧側側面５４と外周側面１５に接触するように容易に装着できる。

図３に、Ｏリング３と押圧リング４の全体的な断面図を示す。Ｏリング３は所定の内径ｒ１と外径ｒ２を有し、押圧リング４は所定の内径Ｒ１と外径Ｒ２を有する。前記したように角度θを０＜θ＜９０とするためには、Ｒ２＞ｒ２＞Ｒ１＞ｒ１とする必要があることは明らかである。なお、ｒ２＝ｒ１＋２ａ、Ｒ２＝Ｒ１＋２ｂとなる。

好適な実施形態においては、最初に回転軸Ｊの径に応じたＯリング３の径ｒ１直径ａを決定し、次に図２に示す角度θを決定する。このθにより、押圧力Ｆ１、Ｆ２の分圧が決定できるので、目的に応じてθを決定する。通常は４５度とする。次に押圧リング４の直径ｂと収納溝５の深さ５０と幅５１を、適切な締代４０を得られように、決定する。押圧リンツ４の長さは、切断部４５の離間幅（カット幅）をできるだけ小さくするように決定する。
押圧リング４としては、前記したように一箇所が切断されたＯリング或は弾性を有する紐状のものを使用可能である。

図４により組み立て方法を説明する。
まず、収納溝５に押圧リング４を装着する。押圧リング４は内周面５２と高圧側側面５３に接触させて装着する（ア）。
次にＯリング３を溝５に挿入する。Ｏリング３は低圧側側面５４に接触させ、押圧リング４に接触する（イ）。
そして、ケーシングＣと軸Ｊの間に従動環１を押し込む。これにより押圧リング４に締代４０、４０が付与され、Ｏリング３は押圧リング４に押されて低圧側側面５４と従動環１の外周側面１５に接触、押圧されてシール部Ｓ１、Ｓ２を形成する。

上記実施形態では、押圧リング４としてＯリングを用いたが、他の弾性を有するリング或は紐状体を用いることも可能である。またＯリングよりも硬度の低い軟質材を用いることも可能である。

以上の構成によれば、Ｏリング３は押圧リング４に押圧されて従動環１とケーシングＣに密着し、シール部Ｓ１とシール部Ｓ２を形成する。収納溝５のサイズ、特に深さ５０に公差があっても、その公差は押圧リング４により吸収され、押圧力Ｆ１に大きな影響は及ぼさない。そのため従動環１の従動方向の動きを阻害することがなく、良好なシール性能を維持できる。
また、Ｏリング３の断面の直径ａを大きくする必要がないため、接触面積の増加による摺動抵抗の増加がなく、同様に従動環１の従動性を阻害することがない。

１：従動環、２：非従動環、３：Ｏリング、４：押圧リング、５：収納溝、１０：スプリング、１１：廻り止め、１５：外周側面、２０：Ｏリング、２１：ねじ、４０：締代、４５：切断部４５、５１：幅、５２：内周面、５３：高圧側側面５３、５４：低圧側側面５４、５５：突条、５６：深さ、５７：幅。

Claims (4)

1. 装着体に対して軸線方向に従動可能に装着された従動環を有するメカニカルシールにおいて、
   前記従動環と装着体の間に該従動環を軸線方向に従動可能なように装着され、該従動環と装着体の間を低圧側と高圧側とにシールするＯリングと、
   該Ｏリングを従動環と装着体に押圧する紐状体と、
   前記装着体に形成された環状の溝であって、前記Ｏリングと紐状体を収納し、前記紐状体に締代を付与する溝と、を有し、
   前記環状の溝が内周面と、高圧側側面と低圧側側面とを有し、
   前記紐状体は前記内周面と高圧側面とに接触し、所定の締代を付与され、
   前記Ｏリングは、該紐状体により押圧されて、従動環と低圧側側面とに接触し、シール部を形成する、
   ことを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記Ｏリングの半径方向の切断面の中心と前記紐状体の半径方向の切断面の中心とを結ぶ直線と前記従動環の外周側面とのなす角度θが、０＜θ＜９０度である、
   請求項１のメカニカルシール。
3. 前記溝には、前記低圧側側面から高圧側側面へと突出する突条が形成され、該突条は前記内周面から所定の長さ形成され、前記低圧側側面には突条のない部分が残され、該突条のない部分は前記Ｏリングの半径方向切断面の直径以上の長さを有する、
   請求項１又は２のメカニカルシール。
4. 前記紐状体は、Ｏリングの一箇所を切断したものである、
   請求項１又は２又は３のメカニカルシール。

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