JP2017150614A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】初期の運転時においても、固定環と回転環との摺動摩耗を抑制することのできるメカニカルシールを提供する。【解決手段】固定環２１０は、多孔質カーボンにより構成されるカーボン部２１１と、カーボン部２１１の表面を覆うように設けられ、かつ炭化ケイ素により構成される表層部２１２と、を備えると共に、固定環２１０には、回転環３１０との摺動面２１０Ｆからカーボン部２１１に至る潤滑剤供給孔２１４が形成されており、かつカーボン部２１１における多数の孔内には潤滑剤が溜められていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、互いに摺動する固定環と回転環を備えるメカニカルシールに関する。

上下水道などに利用される各種ポンプには、密封対象流体の漏れを抑制するためにメカニカルシールが用いられている。このようなメカニカルシールにおいては、互いに摺動する固定環と回転環を備えている。固定環と回転環の摺動部においては、密封対象流体である水などの液体が、潤滑剤としての機能を発揮する。

しかしながら、メカニカルシールをポンプなどの機体に設置した直後においては、摺動部には密封対象流体が存在しない。従って、初期の運転時においては、固定環と回転環が気中にて摺動することになる。これにより、固定環と回転環の摺動部が摩耗してしまい、その後の密封性に悪影響を及ぼしたり、寿命が短くなってしまったりするおそれがある。

特開２００６−２９１９８８号公報 特開２０１３−２４２０２３号公報 特開平７−２０８６１２号公報

本発明の目的は、初期の運転時においても、固定環と回転環との摺動摩耗を抑制することのできるメカニカルシールを提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明のメカニカルシールは、
互いに摺動する固定環と回転環を備えるメカニカルシールにおいて、
前記固定環と回転環のうちのいずれか一方の部材は、
多孔質カーボンにより構成されるカーボン部と、
該カーボン部の表面を覆うように設けられ、かつ炭化ケイ素により構成される表層部と、を備えると共に、
前記一方の部材には、前記固定環と回転環のうちの他方の部材との摺動面から前記カーボン部に至る潤滑剤供給孔が形成されており、かつ前記カーボン部における多数の孔内には潤滑剤が溜められていることを特徴とする。

本発明によれば、固定環と回転環のうちのいずれか一方の部材には、多孔質カーボンにより構成されるカーボン部が備えられている。そして、このカーボン部における多数の孔内には潤滑剤が溜められている。これにより、カーボン部内に溜められた潤滑剤は、潤滑剤供給孔により、固定環と回転環との摺動部に供給される。従って、初期の運転時（気中運転時）においても、固定環と回転環との摺動摩耗を抑制することができる。

前記一方の部材における前記他方の部材との摺動面側には環状溝が形成されており、前記潤滑剤供給孔は該環状溝の溝底に開口するように設けられているとよい。

これにより、環状溝に潤滑剤が供給されるため、固定環と回転環との摺動部に対して、全周に亘り潤滑剤が供給される。

以上説明したように、本発明によれば、初期の運転時においても、固定環と回転環との摺動摩耗を抑制することができる。

図１は本発明の実施例１に係るメカニカルシールの装着状態を示す模式的断面図である。 図２は本発明の実施例１に係るメカニカルシールを構成する固定環の平面図である。 図３は本発明の実施例１に係るメカニカルシールを構成する固定環の模式的断面図である。 図４本発明の実施例１に係るメカニカルシールを構成する固定環の中間製品の模式的断面図である。 図５は本発明の実施例２に係るメカニカルシールの装着状態を示す模式的断面図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１〜図４を参照して、本発明の実施例１に係るメカニカルシール１００について説明する。本実施例に係るメカニカルシール１００は、回転軸５００と、回転軸５００が挿通される軸孔を有するハウジング６２０との間の環状隙間を封止する役割を担っている。また、ハウジング６２０は、ポンプなどの各種機体６１０に固定される。

＜メカニカルシール＞
特に、図１を参照して、本発明の実施例１に係るメカニカルシールの全体構成等について説明する。図１は本発明の実施例１に係るメカニカルシールの装着状態を示す模式的断面図である。なお、図１中のメカニカルシールは、回転軸の中心軸線を含む面で切断した断面を示している。ただし、図１においては、説明の便宜上、特徴的な部分を示すため、切断位置の位相（周方向の位置）は適宜異なっている。また、図１においては、切断面のみを示し、奥行き線は省略している。

本実施例に係るメカニカルシール１００は、固定環ユニット２００と回転環ユニット３００を備えたアウトサイドシールである。すなわち、回転軸５００とハウジング６２０との間の環状隙間に封止されている密封対象流体側（Ａ）の密封対象流体が、内周側から外周側（Ｂ）に漏れるのをメカニカルシール１００によって防ぐものである。また、本実施例に係るメカニカルシール１００は静止形のシールであり、固定環ユニット２００側にスプリングなどの作動部が備えられている。

固定環ユニット２００は、環状のシールリングとしての固定環２１０と、ハウジング６２０に対して固定環２１０が回転しないようにするためのピン２２０と、固定環２１０を回転環３１０に向けて押圧するスプリング２３０と、２分割された固定環２１０を固定するためのホースバンド２４０とを備えている。

このように構成される固定環ユニット２００は、ハウジング６２０に取付けられる。すなわち、ハウジング６２０の端面に取り付けられたピン２２０が、固定環２１０に設けられた切り欠き２１２ａに挿入されることによって、固定環ユニット２００はハウジング６２０に取り付けられている。なお、固定環２１０の外周側には環状溝が形成されており、この環状溝にＯリングＯ１が装着されることで、ハウジング６２０の内周面と固定環２１０の外周面との間の環状隙間が封止される。

また、固定環２１０にはスプリング２３０が装着されるスプリング孔２１２ｂが複数設けられており、これら複数のスプリング孔２１２ｂにそれぞれスプリング２３０が装着される。これにより、固定環ユニット２００は回転環ユニット３００側に押圧されている。つまり、固定環ユニット２００は、ハウジング６２０に対して、回転方向についてはピン２２０によって移動しないように規制されているが、軸方向については移動可能に構成されている。

回転環ユニット３００は、環状のシールリングとしての回転環３１０と、回転軸５００に対して回転環３１０が回転しないようにするため（回転軸５００と共に回転環３１０が回転するため）のピン３２０と、２分割された回転環３１０を固定するためのホースバンド３３０とを備えている。

このように構成される回転環ユニット３００は、回転軸５００に取り付けられる。すなわち、回転軸５００に固定されたカラー４００に取り付けられたピン３２０が、回転環３１０に設けられている切り欠き３１２ａに挿入されることによって、回転環ユニット３００は回転軸５００に取り付けられる。つまり、回転環ユニット３００は、カラー４００に対して、ピン３２０によって回転方向に移動しないように規制されている。

なお、回転環３１０の内周側には環状の切り欠きが形成されており、この切り欠きにＯリングＯ２が装着されることで、回転軸５００の外周面と回転環３１０の内周面との間の環状隙間が封止される。また、カラー４００は、セットスクリュ４１０によって回転軸５００に固定されている。

そして、上記の通り、複数のスプリング２３０によって、固定環ユニット２００は回転環ユニット３００側に付勢されるので、固定環２１０の摺動面２１０Ｆと、回転環３１０の摺動面３１０Ｆとが離れてしまうことはない。

以上のように構成されるメカニカルシール１００によれば、回転軸５００の回転に伴って回転環ユニット３００も回転し、回転環３１０の摺動面３１０Ｆと固定環２１０の摺動面２１０Ｆとが密着した状態を保ちながら摺動する。従って、密封対象流体の外周側（Ｂ）への漏れを抑制することができる。

＜固定環＞
本実施例に係る固定環２１０について、特に、図２〜図４を参照して、より詳細に説明する。図２は本発明の実施例１に係るメカニカルシールを構成する固定環の平面図である。図３は本発明の実施例１に係るメカニカルシールを構成する固定環の模式的断面図であり、図２におけるＡＡ断面図である。図４本発明の実施例１に係るメカニカルシールを構成する固定環の中間製品の模式的断面図である。

本実施例に係る固定環２１０は、装着性の観点（必要性）から、２つの分割体を組み合わせることによって環状の部材となる二つ割構造である。この固定環２１０は、例えば、環状の部材を引っ張ることによって、図２に示す分割面２１０Ｘにより２つに分割された
２つの分割体から構成される。このように２つの分割体により構成される固定環２１０においては、ホースバンド２４０によって、外周面が締め付けられることにより、２つの分割体が固定されている。なお、ホースバンド２４０については、締め付けボルト２４１を締め付けることによって、２つの分割体により構成される固定環２１０の外周面を、全周に亘ってほぼ均一な締め付け力で締め付けることができる。

なお、特に、図示はしないが、回転環３１０についても、同様に二つ割り構造となっている。そして、２つの分割体により構成される回転環３１０においては、ホースバンド３３０によって、外周面が締め付けられることにより、２つの分割体が固定されている。なお、ホースバンド３３０については、締め付けボルト３３１を締め付けることによって、２つの分割体により構成される回転環３１０の外周面を、全周に亘ってほぼ均一な締め付け力で締め付けることができる。

以上のように、本実施例に係るメカニカルシール１００においては、分割された複数の分割体を組み合わせることにより環状のシールリングが構成される分割型シールリングを採用している。

そして、本実施例に係る固定環２１０は、多孔質カーボンにより構成されるカーボン部２１１と、カーボン部２１１の表面を覆うように設けられ、かつ炭化ケイ素（ＳｉＣ）により構成される表層部２１２とから構成される。また、固定環２１０における摺動面２１０Ｆ側には、環状溝２１３が形成されている。そして、固定環２１０には、摺動面２１０Ｆからカーボン部２１１に至る潤滑剤供給孔２１４が形成されている。この潤滑剤供給孔２１４は、環状溝２１３の溝底に開口するように設けられている。本実施例においては、潤滑剤供給孔２１４は、周方向に等間隔に８か所設けられている。そして、カーボン部２１１における多数の孔内には潤滑剤が溜められている。なお、本実施例に係る潤滑剤は潤滑油である。

以上のように構成される固定環２１０の製造方法について、簡単に説明する。まず、多孔質カーボンを用いて、所定の形状の中間製品が製造される。そして、この中間製品の表層に液体状のシリコン（Ｓｉ）が溶浸される。これにより、カーボン部２１１の表面を覆うように、炭化ケイ素により構成される表層部２１２が形成される。その後、切削加工によって、環状溝２１３が形成される。図４には、以上の工程により得られた中間製品２１０Ａの模式的断面図が示されている。この中間製品２１０Ａに対して、ドリルによって、潤滑剤供給孔２１４が形成される。その後、真空引きがなされて、カーボン部２１１中の多数の孔内の空気が抜かれた後に、真空中で潤滑剤（潤滑油）中に中間製品が漬け込まれる。以上の工程によって、カーボン部２１１中の多数の孔内に潤滑剤が溜められた固定環２１０が得られる。なお、以上の工程により得られた固定環２１０を、大気よりも気圧が高い環境の中にしばらく放置させることによって、カーボン部２１１中の多数の孔内に、より一層確実に潤滑剤を保持させることもできる。

なお、本実施例に係る回転環３１０の材料については、カーボンの他、炭化ケイ素などを採用することができる。回転環３１０の材料として、炭化ケイ素を採用することで、カーボンを採用する場合に比べると、より一層摺動摩耗を抑制することができる。

＜本実施例に係るメカニカルシールの優れた点＞
以上のように構成されるメカニカルシール１００によれば、固定環２１０には、多孔質カーボンにより構成されるカーボン部２１１が備えられている。そして、このカーボン部２１１における多数の孔内には潤滑剤が溜められている。これにより、カーボン部２１１内に溜められた潤滑剤は、潤滑剤供給孔２１４により、固定環２１０と回転環３１０との摺動部に供給される。従って、初期の運転時（気中運転時）においても、固定環２１０と
回転環３１０との摺動摩耗を抑制することができる。

また、本実施例においては、固定環２１０における回転環３１０との摺動面２１０Ｆ側には環状溝２１３が形成されており、潤滑剤供給孔２１４は環状溝２１３の溝底に開口するように設けられている。そのため、環状溝２１３に潤滑剤が供給されるため、固定環２１０と回転環３１０との摺動部に対して、全周に亘り潤滑剤が供給される。従って、初期の運転時においても、固定環２１０と回転環３１０との摺動摩耗をより確実に抑制することができる。

（実施例２）
図５には、本発明の実施例２が示されている。上記実施例１では、固定環がカーボン部と表層部とから構成され、かつ固定環に環状溝と潤滑剤供給孔が形成される場合の構成を示した。これに対して、本実施例においては、回転環がカーボン部と表層部とから構成され、かつ回転環に環状溝と潤滑剤供給孔が形成される場合の構成を示す。その他の基本的な構成および作用については実施例１と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。

図５は本発明の実施例２に係るメカニカルシールの装着状態を示す模式的断面図である。なお、図５中のメカニカルシールは、回転軸の中心軸線を含む面で切断した断面を示している。ただし、図５においては、説明の便宜上、特徴的な部分を示すため、切断位置の位相（周方向の位置）は適宜異なっている。また、図５においては、切断面のみを示し、奥行き線は省略している。

本実施例に係るメカニカルシール１００においては、固定環ユニット２００Ｓを構成する固定環２１０Ｓと、回転環ユニット３００Ｓを構成する回転環３１０Ｓの構成が、上記実施例１の場合とは異なっている。その他の構成については、上記実施例１の場合と同一であるので、その説明は省略する。

本実施例に係る固定環２１０Ｓは単一の材料（カーボンや炭化ケイ素）により構成されている。また、上記実施例１の場合とは異なり、固定環２１０Ｓの摺動面２１０Ｆ側には環状溝は設けられておらず、潤滑剤供給孔も設けられていない。

そして、本実施例に係る回転環３１０Ｓは、多孔質カーボンにより構成されるカーボン部３１１と、カーボン部３１１の表面を覆うように設けられ、かつ炭化ケイ素により構成される表層部３１２とから構成される。また、回転環３１０Ｓにおける摺動面３１０Ｆ側には、環状溝３１３が形成されている。そして、回転環３１０Ｓには、摺動面３１０Ｆからカーボン部３１１に至る潤滑剤供給孔３１４が形成されている。この潤滑剤供給孔３１４は、環状溝３１３の溝底に開口するように設けられている。本実施例においては、潤滑剤供給孔３１４は、周方向に等間隔に８か所設けられている。そして、カーボン部３１１における多数の孔内には潤滑剤が溜められている。なお、本実施例に係る潤滑剤は潤滑油である。以上のように構成される回転環３１０Ｓの製造方法については、上記実施例１で説明した固定環２１０の製造方法と同様であるので、その説明は省略する。

以上のように構成される本実施例に係るメカニカルシール１００においても、上記実施例１の場合と同様の効果を得ることができる。

（その他）
上記各実施例においては、潤滑剤供給孔が、周方向に等間隔に８か所設けられる場合を示したが、潤滑剤供給孔の数は限定されるものではなく、各部材の寸法や使用環境に応じて、適宜設定すればよい。また、上記実施例１では固定環２１０に環状溝２１３を設け、
実施例２では回転環３１０Ｓに環状溝３１３を設ける場合の構成を示した。しかしながら、環状溝２１３，３１３が設けられなくても、摺動部には潤滑剤は供給されるので、使用環境等によっては、環状溝２１３，３１３を設けない構成を採用することもできる。

１００ メカニカルシール
２００，２００Ｓ 固定環ユニット
２１０，２１０Ｓ 固定環
２１０Ａ 中間製品
２１０Ｆ 摺動面
２１０Ｘ 分割面
２１１ カーボン部
２１２ 表層部
２１２ａ 切り欠き
２１２ｂ スプリング孔
２１３ 環状溝
２１４ 潤滑剤供給孔
２２０ ピン
２３０ スプリング
２４０ ホースバンド
２４１ ボルト
３００，３００Ｓ 回転環ユニット
３１０ 回転環
３１０Ｆ 摺動面
３１０Ｓ 回転環
３１１ カーボン部
３１２ 表層部
３１３ 環状溝
３１４ 潤滑剤供給孔
３２０ ピン
３３０ ホースバンド
３３１ ボルト
４００ カラー
４１０ セットスクリュ
５００ 回転軸
６１０ 機体
６２０ ハウジング
Ｏ１，Ｏ２ Ｏリング

Claims (2)

1. 互いに摺動する固定環と回転環を備えるメカニカルシールにおいて、
   前記固定環と回転環のうちのいずれか一方の部材は、
   多孔質カーボンにより構成されるカーボン部と、
   該カーボン部の表面を覆うように設けられ、かつ炭化ケイ素により構成される表層部と、を備えると共に、
   前記一方の部材には、前記固定環と回転環のうちの他方の部材との摺動面から前記カーボン部に至る潤滑剤供給孔が形成されており、かつ前記カーボン部における多数の孔内には潤滑剤が溜められていることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記一方の部材における前記他方の部材との摺動面側には環状溝が形成されており、前記潤滑剤供給孔は該環状溝の溝底に開口するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。

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