JP2013011325A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】弾性機構及び筒状構造体として機能するベローズを用いながら、静止密封輪を押付けてシール部とする弾性機構がより長期に亘って十分機能するよう改善し、耐久性が向上して高機能化されるメカニカルシールを提供する。
【解決手段】回転軸１の機外延出軸部１Ａに一体的に外嵌される回転密封輪５と、軸心Ｐ方向移動が可能で、かつ、回転不能に側壁２に支持される静止密封輪６と、静止密封輪６を回転密封輪５に押付けてシール部Ｓを形成する弾性機構７とを備え、弾性機構７が、延出軸部１Ａを囲繞する状態で静止密封輪６と固定部２とに亘って架設されるゴム製ベローズで構成されるメカニカルシールにおいて、ベローズ７の蛇腹部７Ｃより固定部側となる基端部７Ａと、静止密封輪側となる先端部７Ｂとを、軸心Ｐ方向で離反する方向に弾性付勢する外装弾性機構２０が、蛇腹部７Ｃの径外側部位を通って基端部７Ａと先端部７Ｂとに跨る状態で装備される。
【選択図】図２

Description

本発明は、スラッジやスラリーが大量に含まれる液体の輸送に使用されるポンプの回転軸、めっき槽内に装備されるシンクロールの軸、または、河川の砂利採取用ポンプや泥土圧送装置などの土木機械の回転軸（以下、「回転軸」と記す）を軸封するためのメカニカルシールに関するものである。

シンクロールは、圧延鋼板等の長尺状金属板を連続的にめっき処理するために、めっき槽内にて長尺状金属板を巻回して反転移動させるための回転体であり、例えば、特許文献１において開示されるものが知られている。特許文献１においては、その図３に示されるように、アルミニウムを主成分とするめっき浴（２）中に鋼板（１）を連続的に浸漬して表面にめっき層を形成するためのめっき槽内に、上方から下降移動されてくる鋼板（１）をシンクロールに巻付けて反転させ、上方移動させて行く構造が示されている。

シンクロールの軸、即ちシンクロール軸に対するメカニカルシールは、構成要素がめっき液に浸されないこと、施工のし易さ、良好なメンテナンス性により、通常、めっき槽の側壁を貫通して延出されるシンクロール軸の延出部に装備されており、特許文献２や特許部件３において開示されている。そして、そのメカニカルシールは、特許文献３において示されるように、めっき槽の側壁に支持されることとなる静止密封輪を軸心方向に押圧付勢する手段として、めっき液に浸されることの影響がでないように、ゴムなどの弾性材によるベローズが用いられる。

特許文献３（図１などを参照）に示されるメカニカルシールは、シンクロール軸（１）におけるめっき槽側壁（１２）から外部に出た延出軸部を囲繞する状態で、静止密封輪（３）と側壁（１２）とに亘って架設される弾性材製のベローズ（符記無）を設けて構成されている。ベローズ（符記無し）は、側壁（１２）に刺さり込むように配置される基端部と、静止密封輪（３）を内嵌保持する先端部と、１段の蛇腹部とを有し、静止密封輪（３）を回転密封輪（４）に押付けてシール部を構成するための弾性機構として、かつ、静止密封輪（３）と側壁（１２）との間を覆う筒状構造体として機能するように構成されている。

このような構造のメカニカルシールにおいては、めっき液（２）は、シンクロール軸（１）とベローズ（符記無し）との間の空間部に普通に入り込むこととなる。それ故、静止密封輪（３）の支持機能及び軸心方向で回転密封輪（４）に押付けてシール部を生じさせる押圧付勢機能とを有するベローズ（符記無し）を弾性材製として、めっき液（２）の影響を受けない構成とされている。ところが、使用状況によっては早期に漏れが許容量を越えるというトラブルの生じることが知見されてきた。

横軸のシンクロール軸にベローズを有する上記メカニカルシールを適用した場合、ベローズの内側、特に袋状となる蛇腹部の下部に固形物や塵埃が入って溜り易い傾向がある。蛇腹部の内側下部に固形物などが溜まると、その部分における軸心方向での伸縮性の劣化が促進されて、前述の弾性機構としての機能が衰え易くなる。そうなると、静止密封輪の回転密封輪への十分な押付け力が得られなくなって、シール部からの漏れ量が早期に増えるおそれがある。加えて、ベローズの材料（ゴムなど）自体の劣化により、静止密封輪の十分な押付け力が得られなくなる経時劣化が相乗されることにより、漏れ量が増えることも考えられる。

特開２００８−１３７９９号公報 特開平６−８１１８０号公報 実開平４−１０６３５２号公報

本発明の目的は、前述したように弾性機構及び筒状構造体として機能するベローズを用いる構造を踏襲しながら、静止密封輪を押付けてシールするための弾性機構がより長期に亘って十分に機能し得るように改善し、耐久性が向上しての高機能化が図れるメカニカルシールを提供する点にある。

請求項１に係る発明は、機械の回転軸１における機外へ延ばされた延出軸部１Ａに外嵌されて一体回転する回転密封輪５と、前記回転軸１の軸心Ｐ方向移動が可能で、かつ、前記軸心Ｐに関する回転が不能に前記機械の固定部２に支持される静止密封輪６と、前記軸心Ｐ方向において前記静止密封輪６を前記回転密封輪５に押付けてシール部Ｓを形成させる弾性機構７とを備え、前記弾性機構７が、前記延出軸部１Ａを囲繞する状態で前記静止密封輪６と前記固定部２とに亘って架設される弾性材製のベローズを有して構成されているメカニカルシールにおいて、
前記ベローズ７におけるその蛇腹部７Ｃより前記固定部側となる基端部７Ａと、前記静止密封輪側となる先端部７Ｂとを、前記回転軸１の軸心Ｐ方向に互いに離れる方向に弾性付勢する外装弾性機構２０が、前記蛇腹部７Ｃの径外側部位を通って前記基端部７Ａと前記先端部７Ｂとに跨る状態で装備されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のメカニカルシールにおいて、前記外装弾性機構２０が、前記基端部７Ａに外装される基端側環状板１４と、前記先端部７Ｂに外装される先端側環状板１７と、これら両環状板１４，１７の間に配置される圧縮型バネ手段ｂと、を有して構成されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載のメカニカルシールにおいて、前記圧縮型バネ手段ｂが、前記軸心Ｐの周りに複数配備されるコイルスプリング１９を有して構成されていることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載のメカニカルシールにおいて、前記コイルスプリング１９が、前記基端側環状板１４と前記先端側環状板１７との何れかに螺着される支軸１８に遊外嵌される状態で装備されていることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載のメカニカルシールにおいて、前記基端側環状板１４が、前記基端部７Ａと前記蛇腹部７Ｃとの境目に形成される凹周溝１３に嵌り込み外装される構成と、前記先端側環状板１７が、前記先端部７Ｂと前記蛇腹部７Ｃとの境目に形成される凹周溝１６に嵌り込み外装される構成とのうちの少なくともいずれか一方の構成が採用されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、互いに蛇腹部を挟んで配置される基端部と先端部とが離反する方向に外装弾性機構がベローズを弾性付勢する。故に、蛇腹部の下部に固形物や塵埃が溜まってその伸縮性の劣化が促進されたり、或いはゴムなどの材料が劣化したりすることでベローズの弾性が衰えても、外装弾性機構の弾性により静止密封輪は回転密封輪に十分に押付けられる状態が維持できるようになる。従って、シール部が長期に亘って十分なシール機能が発揮されるので、漏れ量が早期に増える不都合が回避さえっるようになる。また、外装弾性機構は蛇腹部の径外側を通って、即ち、めっき液などのシール対象には触れない状態で配備されるから、シール対象に侵される心配やそれによる耐久性劣化のおそれもなく好都合である。その結果、弾性機構及び筒状構造体として機能するベローズを用いる構造を踏襲しながら、静止密封輪を押付けてシールするための弾性機構がより長期に亘って十分に機能し得るように改善でき、耐久性が向上しての高機能化が図れるメカニカルシールを提供することができる。

請求項２の発明によれば、外装弾性機構が、基端部に外装される基端側環状板と、先端部に外装される先端側環状板と、これら両環状板の間に配置される圧縮型バネ手段とによる構成、つまりは一般的な構造部材を設ける簡単でな生産性の良い合理的な状態で、請求項１の発明による上記効果を得ることができる利点がある。

請求項３の発明によれば、コイルスプリングの複数により、径方向寸法を抑えながら、かつ、周方向で均等的に弾性付勢力が作用する好ましい状態で圧縮型バネ手段を構成することができる。

請求項４の発明によれば、コイルスプリングが支軸によるガイド作用を受けて円滑に伸縮動作できるとともに、螺着される支軸は組付け及び取外しが可能であり、組付性や整備製に優れ、また、保管や取扱いが容易になるという利点が追加される。

請求項５の発明によれば、基端部や先端部と蛇腹部との間に設けられる凹周溝により、蛇腹部の弾性変位を円滑に行わせることができるとともに、その凹周溝を基端側や先端側の環状板の装着手段としても使えるので、機能構造の兼用化によるさらなる合理化が可能となる利点がある。

本願発明に係るメカニカルシールを示す全体図 図１のメカニカルシールの要部を示す拡大断面図

以下に、本発明によるメカニカルシールの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

〔実施例１〕
実施例１に係るメカニカルシールＭは、図１，２に示すように、回転密封輪５、静止密封輪６、ベローズ７等を有し、めっき槽（機械の一例）Ｔの側壁（固定部の一例）２の外側にボルト止めによって液密に取り付けられた装着壁３と、回転軸（シンクロール軸）１とに跨るように構成されている。回転軸１の側壁２から外部に延ばされた延出軸部１Ａに、合成樹脂（例：クロロスルホン化ポリエチレン）製のリテーナ４が締付バンド１１を用いて外嵌係止され、そのリテーナ４の側壁側端に回転密封輪５が内嵌支持されている。

軸心Ｐを有する回転軸１の延出軸部１Ａに嵌装される状態の回転密封輪５は、例としてＳｉｃ製で延出軸部１Ａと一体回転する。１２は、回転密封輪５をリテーナ４に固定させるための締付バンドであり、８はリテーナ４を補強するための金属製バックアップリング板である。静止密封輪６の材質の例としてはセラミックが挙げられる。また、２１はリテーナ４の延出軸部１Ａへの係止状態を補強するストッパーリングであり、ｅはシール対象流体の一例としてのめっき液である。

ベローズ７は、装着壁３に係止固定される固定部側の端部である基端部７Ａ、静止密封輪６を内嵌保持する静止密封輪側となる先端部７Ｂ、及びそれら基端部７Ａと先端部７Ｂとを繋ぐ一段の蛇腹部７Ｃとを有して構成される弾性材（例：クロロスルホン化ポリエチレン）製の蛇腹筒である。ベローズ７の他の材料としては、ＮＢＲ、フッ素ゴム、ＥＰＤＭなどのゴム材が可能である。このベローズ７は、静止密封輪６を軸心Ｐ方向で回転密封輪５に押圧付勢して接触型のシール部Ｓを形成させる弾性機構を兼ねている。蛇腹部７Ｃの内側は、ベローズ７の内部空間（ベローズ７と延出軸部１Ａとの間の空間部）における蛇腹形状に伴う径外側に膨出する環状膨出部７Ｖとなっている。

装着壁３における回転軸１の挿通孔３ａの径外側には、軸心Ｐ方向で先拡がり状の側周溝１０が形成されており、ベローズ７の先窄まり状断面を持つ基端部７Ａが側周溝１０に側方から差し込まれている。そして、ベローズ７の基端部７Ａと蛇腹部７Ｃとの境目の凹周溝１３に嵌り込み外装される基端側環状板（例：ステンレス鋼板製）１４を、軸心Ｐに関する周上に配置されて装着壁３に螺装される複数のボルト・ナット２５で装着壁３側に押付けることにより、基端部７Ａの先端部を側周溝１０に押付けてこれら両者７Ａ，３を液密に接合させてある。なお、本実施例においては、装着壁３は側壁２の一部（つまりは固定部）であるとみなして良い。

先端部７Ｂの内周面には静止密封輪６が内嵌装着（直接に内嵌支持）されており、外周面には締付バンド１５が装備されている。先端部７Ｂと蛇腹部７Ｃとの境目には、先端側環状板１７が嵌り込み外装される凹周溝１６が形成されている。例えばステンレス鋼板製の先端側環状板１７の外周側に螺着される複数のボルト１８にはコイルスプリング１９が嵌装されており、先端側環状板１７と基端側環状板１４とを、つまりは、基端部７Ａと先端部７Ｂとを互いに軸心Ｐ方向で離反する方向に弾性付勢する外装弾性機構２０を構成している。なお、ボルト・ナット２５が挿通される基端側環状板１４は先端側環状板１７よりも大径に形成されている。

詳しくは、図２に示すように、外装弾性機構２０は、基端部７Ａに外装される基端側環状板１４と、先端部７Ｂに外装される先端側環状板１７と、これら両環状板１４，１７の間に配置される圧縮型バネ手段ｂと、を有して構成されている。圧縮型バネ手段ｂは、実施例１においては、軸心Ｐの周りに複数配備されるコイルスプリング１９を有して構成されている。それらコイルスプリング１９は、先端側環状板１７に螺着される支軸の一例であるボルト１８に遊外嵌される状態で装備されている。このような構成においては、基端側環状板１４は、基端部７Ａの先端部をボルト・ナット２５で側周溝１０に押付けるための構造体として、かつ、外装弾性機構２０を構成するための構造体として機能する部材になっている。

さて、外装弾性機構２０により、ベローズ７によって静止密封輪６を回転密封輪５に押圧付勢する機能、即ちシール部Ｓを生じさせる機能を補助並びに強化することが可能である。例えば、静止密封輪６をより強く押す補強用として、また、ベローズ７が劣化してその弾性機能が低下した際でも十分な弾性付勢力、即ちシール部Ｓの機能を維持させて必要十分なシール性能を発揮させる補助用として機能させることができる。基端側環状板１４および先端側環状板１７のその他の材料としては、機内液（めっき液）が漏れたときのことを考慮すれば、ステンレス鋼板と同等以上の耐食性を有するものが望ましく、また両板１４，１７は互いに同一材料であるのが妥当である。

外装弾性機構２０を持たない構造では、ベローズ７は、静止密封輪６と装着壁３との間からめっき液ｅを外部に漏らさない液漏れ防止機能と、静止密封輪６を回転密封輪５に押付ける押圧付勢機能との二つの役割を持つことが要求される。これに対して、外装弾性機構２０を持つ構造では、ベローズ７は前記液漏れ防止機能を、そして外装弾性機構２０は前記押圧付勢機能を、という具合に機能分担させることも可能である。従って、ベローズ７の劣化を遅らせて耐久性を高められるとか、劣化したとしても前記押圧付勢機能は維持されてシール部Ｓの良好なシール性を発揮し続けさせることができる、という効果が得られる。なお、コイルスプリング１９の材料としてシリコンマンガン鋼、クロムバナジウム鋼、クロムモリブデン鋼、ステンレス鋼であるが、その他でも良い。

そして、図１，図２に示すように、環状膨出部７Ｖに対して径内側から蓋をすべく、ベローズ７における蛇腹部７Ｃの静止密封輪側となる先端部７Ｂに液密に支持され、かつ、ベローズ７における蛇腹部７Ｃの固定部側となる基端部７Ａの内周面２２（ｉ）に軸心Ｐ方向で相対移動可能に摺接される筒状のアダプタ９が装備されている。アダプタ９は、例えばグラスファイバー入りのＰＴＦＥ（フッ素樹脂）またはステンレス鋼で作成され、静止密封輪６に内嵌される嵌合支持部９ｃと、後述する周溝ｍに嵌合支持される外周フランジ９ａと、凸条リング部９ｂと、本体筒部９ｄとを有して延出軸部１Ａに遊外嵌状態で装備されている。

先端部７Ｂに、静止密封輪６の軸心Ｐ方向で側壁２側となる端面６ａを溝側壁とする周溝ｍを構成するための周状の切欠き７ｋが形成されており、その周溝ｍに外周フランジ９ａが嵌り込んでいる。そして、アダプタ９における側壁２側端部に径外側に突出する凸条リング部９ｂが形成され、凸条リング部９ｂの外周が基端部７Ａの内周面２２（内周面ｉ）に軸心Ｐ方向で相対移動可能に摺接する構造として、先端部７Ｂの内周面２３（ベローズ７の内周面ｉ）とアダプタ９との径方向間に奥止り状の筒状狭小空間ｒが形成されている。つまり、ベローズ７の内部空間における蛇腹形状に伴う径外側に膨出する環状膨出部７Ｖに対して径内側から蓋をすべく、ベローズ７における固定部側となる基端部７Ａと静止密封輪側となる先端部７Ｂのうちの何れか一方に液密に支持され、かつ、何れか他方の内周面ｉに軸心Ｐ方向で相対移動可能に摺接される筒状のアダプタ９が装備されている。

このような構成により、ベローズ７の先端部７Ｂに液密支持されるアダプタ９の凸条リング部９ｂと、基端部７Ａの内周面２２との摺接によって接触型シール部２４が形成されている。従って、めっき槽Ｔ内のめっき液ｅがベローズ７部位に及んでいても、めっき液ｅに混入している金属片、ゴミ、泥土、砂利等の異物は接触型シール部２４でシールされ、蛇腹部７Ｃの内部空間である環状膨出部７Ｖにまでは及ばないようになる。しかも、接触型シール部２４であるから、アダプタ９を設けても、回転軸１の振れや移動に追従して問題なくベローズ７が動くことができる。また、アダプタ９をフッ素樹脂製とすれば、耐温度性や耐薬品性に優れており、めっき液に浸されての使用条件下においても十分な耐久性が発揮される。

また、図２に示すように、ベローズ７の内周面ｉとアダプタ９との径方向間に筒状狭小空間ｒが形成されているから、もし異物が接触型シール部２４を越えて侵入することがあったとしても、それらを筒状狭小空間ｒに溜めて、環状膨出部７Ｖにまでは及ばないようにすることが可能になる。その結果、金属片が環状膨出部７Ｖの下部に溜まってベローズ７を内部から突き刺し、亀裂や割れ、或いはそれらによって早期に漏れが生じるという不都合が回避され、所期通りの十分な耐久性のあるメカニカルシールＭが実現できる。

ベローズ７における静止密封輪６を内嵌支持する内周面、リテーナ４における回転密封輪５を内嵌支持する大内周面及び回転軸１に外嵌される小内周面の三箇所には、それぞれ複数で、かつ、軸心Ｐ方向で均等間隔毎に複数の周溝７ａ，４ａ，４ｂが形成されている。これら周溝７ａ、大周溝４ａ、小周溝４ｂの存在、並びに、それら隣合う周溝７ａ，４ａ，４ｂどうしに軸心Ｐ方向の適宜な間隙を設けて接触面積をある程度確保することとにより、嵌合相手物との接触面圧を無理なく高めることができ、単純な嵌合構造に比べて保持力を高めることが可能となる効果がある。なお、この周溝７ａ，４ａ，４ｂによる効果（接面圧増によるシール性の向上）は、ストッパーリング２１にも適用されている。

〔別実施例〕
ボルト１８は、基端側環状板１４に螺着される構成を採ることが可能である。圧縮型バネ手段ｂは、例えば、蛇腹部７Ｃを囲繞する径を持つ状態で各環状板１４，１７の間に配備される単一の大型巻ばねによって構成することも可能である。

１ 回転軸
１Ａ 延出軸部
２ 固定部
５ 回転密封輪
６ 静止密封輪
７ 弾性機構、ベローズ
７Ａ 基端部
７Ｂ 先端部
７Ｃ 蛇腹部
１３ 凹周溝
１４ 基端側環状板
１６ 凹周溝
１７ 先端側環状板
１８ 支軸
１９ コイルスプリング
２０ 外装弾性機構
Ｐ 軸心
Ｓ シール部
ｂ 圧縮型バネ手段

Claims (5)

1. 機械の回転軸における機外へ延ばされた延出軸部に外嵌されて一体回転する回転密封輪と、前記回転軸の軸心方向移動が可能で、かつ、前記軸心に関する回転が不能に前記機械の固定部に支持される静止密封輪と、前記軸心方向において前記静止密封輪を前記回転密封輪に押付けてシール部を形成させる弾性機構とを備え、前記弾性機構が、前記延出軸部を囲繞する状態で前記静止密封輪と前記固定部とに亘って架設される弾性材製のベローズを有して構成されているメカニカルシールであって、
   前記ベローズにおけるその蛇腹部より前記固定部側となる基端部と、前記静止密封輪側となる先端部とを、前記回転軸の軸心方向に互いに離れる方向に弾性付勢する外装弾性機構が、前記蛇腹部の径外側部位を通って前記基端部と前記先端部とに跨る状態で装備されているメカニカルシール。
2. 前記外装弾性機構が、前記基端部に外装される基端側環状板と、前記先端部に外装される先端側環状板と、これら両環状板の間に配置される圧縮型バネ手段と、を有して構成されている請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記圧縮型バネ手段が、前記軸心の周りに複数配備されるコイルスプリングを有して構成されている請求項２に記載のメカニカルシール。
4. 前記コイルスプリングが、前記基端側環状板と前記先端側環状板との何れかに螺着される支軸に遊外嵌される状態で装備されている請求項３に記載のメカニカルシール。
5. 前記基端側環状板が、前記基端部と前記蛇腹部との境目に形成される凹周溝に嵌り込み外装される構成と、前記先端側環状板が、前記先端部と前記蛇腹部との境目に形成される凹周溝に嵌り込み外装される構成とのうちの少なくともいずれか一方の構成が採用されている請求項１〜４の何れか一項に記載のメカニカルシール。

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