JP2017511450A - ベローズ要素を有するメカニカルシール装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、それらの間にシールギャップ（１３）を画成する回転摺動リング（１１）及び固定摺動リング（１２）と、ベローズ要素（３）及び中間ディスク（４）を含むベローズ部（２）とを備え、ベローズ要素（３）が、第１の接続領域（３１）と、第２の接続領域（３２）と、ベローズ中間領域（３３）とを有し、ベローズ要素（３）が、エラストマー材料から形成され、回転摺動リング（１１）と回転部品（１０）との間を接続し、中間ディスク（４）が、ベローズ要素（３）と回転摺動リング（１１）との間に配置され、中間ディスク（４）の内周面領域（４０）が、回転部品（１０）上に支持されるように配置される、メカニカルシール装置に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、ベローズ要素を有し、使用中の軸方向のリセット動作を改善したメカニカルシール装置に関する。

従来より、ベローズ要素を有する様々な構成のメカニカルシール装置が知られている。ベローズ要素は、基本的にはエラストマー製のベローズ又は金属製のベローズであり、特に、例えばシャフトが撓んだ際に、メカニカルシールを軸方向にリセットさせることができる。特にエラストマー製のベローズが用いられる場合は、メカニカルシール装置のリセット動作が正常に行われない可能性があることが確認されている。この原因の１つは、エラストマー材料が軟質であることにより、ベローズ要素の支持肩部がシャフトの表面などに固着してしまい、軸方向リセットに速やかに追従できないことにある。このような現象は、例えばシャフト上に存在する破片が原因で使用中に発生し得る塵がシャフトの表面に付着している場合に特に生じやすい。このような状態のメカニカルシール装置を比較的長時間使用すると、ベローズ要素が軸方向に全く移動できなくなる可能性がある。また、たとえ塵が存在しなくても、エラストマー材料とシャフトとの間の摩擦が強まると、使用中に発生する振動と相まって、エラストマー製のベローズの支持肩部が、リセット動作を妨害し得ることも確認されている。このような場合、上記問題点は、使用中における、シールギャップからの漏出の増加やメカニカルシール装置自体の故障を引き起こし得る。

そこで、本発明は、エラストマー製のベローズ要素を有するメカニカルシール装置であって、特に、リセット行程中ベローズ要素が動かなくなったり斜めになったりするリスクを回避するために、改善されたリセット動作及びその寿命全体に亘る自己洗浄機能を有し、シンプルな設計で、また、シンプルに且つコスト効率良く製造できるメカニカルシール装置を提供することを目的とする。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有するメカニカルシール装置によって達成される。従属項には、本発明の好ましい発展形態を記載する。

請求項１の特徴を有する本発明に係るメカニカルシール装置は、回転するエラストマー製のベローズ要素の軸方向における移動が著しく改善されるという利点を有する。その結果、メカニカルシール装置の軸方向のリセット動作が大幅に改善され、それにより、メカニカルシール装置の始動時において特に、使用中の漏出率がかなり低減される。これは、本発明に係るメカニカルシール装置が、ベローズ要素と、別体で環状の中間ディスクとを含むベローズ部を有するために達成される。ベローズ要素は、例えば回転シャフトなどの回転部品に接続するための第１の接続領域と、回転摺動リングに接続するための第２の接続領域と、これら第１及び第２の接続領域の間に位置する柔軟性をもつベローズ中間領域とを備える。ベローズ要素は、完全にエラストマー材料のみで形成される。中間ディスクは、エラストマー材料よりも硬質な材料、特に合成材料から形成される。環状の中間ディスクはベローズ要素に配置され、中間ディスクの第１の面が回転摺動リング、具体的には回転摺動リングの後面に当接し、第２の面がベローズ要素、具体的にはベローズ要素の第２の接続領域の段差部に当接する。中間ディスクの内周面領域が、回転部品上で支持されるので、リセット動作に必要であるベローズ部の軸方向の移動が、向上されて低摩擦で可能となる。

特に好ましくは、中間ディスクは、その内周面に、多数の凹部を有する。これにより中間ディスクは凹凸のある内周面を有するため、中間ディスクの、回転部品に支持される面が縮小される。その結果、中間ディスクと回転部品との間の摩擦が更に低減され、より優れたリセット動作が達成される。凹部は、中間ディスクの内周面に規則的に設けられるのが好ましい。また、凹部はアーチ幾何学形状又は略矩形幾何学形状を有するのが好ましい。中間ディスクの幅は一定であることが好ましい。あるいは、中間ディスクの幅は、その内周面領域と外周面領域とで異なる。外周面領域よりも内周面領域において幅が大きいのが特に好ましく、これにより、中間ディスクは特に安定して回転部品に支持される。

本発明の更に好ましい実施形態によれば、ベローズ部は、第１のＺ字断面ブラケットと第２のＺ字断面ブラケットとを更に備える。第１のＺ字断面ブラケットは、第１の接続領域の外面に配置され、第２のＺ字断面ブラケットは、第２の接続領域の外面に配置される。これら２つのＺ字断面ブラケットは、環状に形成されて、その横断面が、径方向外方領域と軸方向領域と径方向内方領域とによりＺ字状を呈する。Ｚ字断面ブラケットは、好ましくは金属材料から形成され、エラストマー製のベローズ要素の第１及び第２の接続領域を更に強化する。

特に好ましくは、第２の接続領域上に配置される第２のＺ字断面ブラケットは、メカニカルシール装置の軸方向において、第２の接続領域と同じ高さで終端する。これにより、第２の接続領域は完全に強化され、ベローズ要素の第２の接続領域が回転摺動リングをクランプするクランプ長が特に短縮される。これは、ベローズ部の軸方向の長さの短縮に繋がり、ひいてはメカニカルシール装置全体の軸方向の長さの所望の短縮に繋がる。

本発明の更に好ましい実施形態によれば、ベローズ部は、ベローズ要素に対して軸方向に初張力を付与するばね要素を更に備える。ばね要素は、たる型のばねであるのが好ましい。ばね要素は、その第１の端部領域が第１のＺ字断面ブラケットに支持され、第２の端部領域が第２のＺ字断面ブラケットに支持されるのが特に好ましい。

中間ディスクがベローズ要素にしっかりと固定されるように、ベローズ要素は、中間ディスクを配置するための溝を有するのが好ましい。その結果、中間ディスクは簡単に組み付けられ、ベローズ要素にしっかりと固定される。

本発明の更に好ましい実施形態によれば、中間ディスクは、中間ディスクから外方に突出してその回転をロックするための少なくとも１つの領域を有する。この突出領域は、中間ディスクの両面から軸方向に突出するのが好ましい。この回転ロック用の突出領域は、更に、回転摺動リングの径方向の押圧を低減することができる。これは、突出領域によって、回転摺動リングが中間ディスクを介して既にある程度ベローズ部に固定されているためである。

好ましくは、回転部品のトルクは、ベローズ部のみを介して回転摺動リングに入力される。この結果、特に小型な設計が提供される。

また、好ましくは、第１のＺ字断面ブラケットの径方向内方壁領域が、第１の接続領域の、ベローズ中間領域側に向けられた端部上に係合する。好ましくは、第２のＺ字断面ブラケットの径方向内方壁領域も、第２の接続領域の、ベローズ中間領域側に向けられた端部上に係合する。これにより、エラストマー製のベローズ要素の強度、特にその２つの接続領域の強度が向上される。

好ましくは、ベローズ要素は、付着防止コーティングを有する。

以下、本発明の好ましい例示的実施形態の詳細を、添付の図面を参照して説明する。同様又は同機能の部分は、同様の参照符号によって示される。

図１は、本発明の第１の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置の概略的な縦断面図である。 図２は、図１の拡大詳細図である。 図３は、図１のメカニカルシール装置の概略的な横断面図である。 図４は、本発明の第２の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置の概略的な横断面図である。 図５は、図４の中間ディスクの概略的な側面図である。 図６は、中間ディスクの第２の例示的実施形態の概略図である。 図７は、中間ディスクの第２の例示的実施形態の概略図である。 図８は、第３の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置の概略図である。 図９は、第３の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置の概略図である。 図１０は、第４の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置の概略図である。

以下、図１〜図３を参照して、本発明の第１の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置１について詳細に説明する。

図１から分かるように、メカニカルシール装置１は、回転摺動リング１１と固定摺動リング１２とを備え、これらの間には、既知の態様でシールギャップ１３が画成される。メカニカルシール装置１は、第１の空間８を第２の空間９から封止する役割を果たす。

回転摺動リング１１は、本例示的実施形態ではシャフトである回転部品１０に接続され、回転部品１０と共に回転する。固定摺動リング１２は、その位置が固定されたハウジング１４に接続される。符号１５は、ハウジング１４に対して固定摺動リング１２を封止する二次シール要素を示す。

メカニカルシール装置１は、回転摺動リング１１と回転部品１０との接続を確立させるベローズ部２を更に備える。ベローズ部２は、ベローズ要素３と、一体的な中間ディスク４とを備える。ベローズ要素３は、エラストマー材料から形成され、第１の接続領域３１と、第２の接続領域３２と、これらの接続領域３１，３２の間のベローズ中間領域３３とを備える。ベローズ中間領域３３は柔軟性を有し、これによりベローズ要素３は、軸方向Ｘ−Ｘに沿って伸縮可能となっている。

図１から分かるように、ベローズ要素３は、一体部品であり、回転摺動リング１１を封止する役割を果たす。ベローズ部２はまた、回転部品１０のトルクを回転摺動リング１１に伝達するために使用される。

ベローズ部２は、第１のＺ字断面ブラケット５と第２のＺ字断面ブラケット６とを更に備える。第１のＺ字断面ブラケット５は、第１の接続領域３１の外径上に配置される。第２のＺ字断面ブラケット６は、第２の接続領域３２の外径上に配置される。これら２つのＺ字断面ブラケット５，６は、その横断面がＺ字状を呈する。

第１のＺ字断面ブラケット５は、第１の径方向外方領域５１と、第１の径方向内方領域５２と、第１の軸方向領域５３とを備える。第２のＺ字断面ブラケット６は、第２の径方向外方領域６１と、第２の径方向内方領域６２と、第２の軸方向領域６３とを備える（図２参照）。第１のＺ字断面ブラケットの第１の径方向内方領域５２は、第１の接続領域３１の、ベローズ中間領域３３側の端部上に係合する。第２のＺ字断面ブラケット６の第２の径方向内方領域６２は、第２の接続領域３２の、ベローズ中間領域３３側の端部上に係合する（図１参照）。これら２つのＺ字断面ブラケット５，６の軸方向領域５３，６３は、それぞれ第１，第２の接続領域３１，３２の外径上に位置する。これにより、エラストマー製の接続領域３１，３２は圧縮される。

第２の接続領域３２の一端と第２のＺ字断面ブラケット６の第２の径方向外方領域６１とは、軸方向Ｘ−Ｘにおいて同じ高さに位置し、平面状に終端する。

ベローズ要素３は更に、その内周面に溝３４を備える。図２から分かるように、中間ディスク４は、溝３４内に配置される。中間ディスクは、その内周面領域４０が回転部品１０の外周面に支持される。また、内周面領域４０には、多数の凹部４１が形成される（図３参照）。これにより、内周面領域４０の、回転部品１０の外周面との軸受面が縮小される。凹部４１は、中間ディスク４の周面に沿って等間隔で形成され、略矩形幾何学形状を有する。しかし、他の幾何学形状の凹部４１、例えばアーチ状凹部とすることも可能である。

図１から分かるように、環状の中間ディスク４は、回転摺動リング１１とベローズ要素３との間に配置され、中間ディスク４の第１の面４３が回転摺動リング１１の後面に当接し、第２の面４４がベローズ要素３の段差部３５に当接する。また、中間ディスク４は、一定の幅を有する。

ベローズ部２は、本例示的実施形態ではたる型のばねである初張力付与要素７を更に備える。初張力付与要素７は、第１のＺ字断面ブラケット５と第２のＺ字断面ブラケット６との間に支持され、永久的にベローズ部２に初張力を付与する。

本発明のように、エラストマー製のベローズ要素３と回転摺動リング１１との間に硬質な中間ディスク４を設けることにより、本発明に係るメカニカルシール装置１の軸方向リセット動作が改善される。メカニカルシールの使用中は、回転部品１０の外周面に堆積物が形成される可能性が常にある。本発明に係る中間ディスク４を用いることにより、ベローズ要素３を、その第２の接続領域３２の領域において、回転部品１０の外周面と接触させないことが可能となる。これに対し、例えば安定した合成材料から形成され得る中間ディスク４は、回転部品１０の外周面への固着現象が起きることなく移動でき、また、回転部品の表面から塵を除去することもできる。したがって、エラストマー製のベローズ要素の従来技術における問題点、すなわち一定使用時間経過後におけるリセット動作についての問題点は、巧みに設けられた中間ディスク４により解決される。中間ディスク４は、ベローズ要素３よりも低い摩擦係数を有し、軸方向の移動中に、回転部品１０の表面の自己洗浄効果を発揮する。更に、本発明によれば、メカニカルシールのリセットが常に可能であり、また、シールギャップ幅が最小限となるため、シールギャップ１３における漏出が大幅に低減される。

また、ベローズがエラストマー製の場合に従来必要であった、第２の接続領域３２の領域に設けられてベローズ要素３を回転部品１０に支持する支持肩部が、中間ディスク４により省略できるため、中間ディスク４は、メカニカルシール装置を軸方向Ｘ−Ｘに縮小し得る点でも有益である。これにより、軸方向の設置スペースが節約できる。それと同時に、中間ディスク４の使用により、第２のＺ字断面ブラケット６の長い軸方向領域６３において長い軸方向（クランプ長Ｌ）に亘って回転摺動リング１１を軸方向Ｘ−Ｘにクランプできるため、回転摺動リング１１の径方向の圧縮を低減させることが可能となる（図２参照）。これにより、摺動面が変形してしまう可能性のある回転摺動リング１１について特に好ましい効果を発揮する。このような変形は、メカニカルシールの使用中に、更なる望ましくない漏出を引き起こし得る。

エラストマー製のベローズ要素３を用いた本発明に係るベローズ部２は、このように、予期しない一連の利点を可能とする。ベローズ部２は、軸方向Ｘ−Ｘにおいて更に小型に構成できる。軸方向Ｘ−Ｘにおけるシール装着長を短くできると、極めて重要な競争優位性が提供される。更に、本発明に係るベローズ部２は、使用中に発生し得る振動を問題のない方法で弱めることができ、また、軸方向のリセット移動が絶えず可能であるため、長時間使用してもなお、使用可能である。

図４及び図５は、第２の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置を示す。このメカニカルシール装置では、中間ディスク４が、軸方向に突出する領域４２を更に有する。これらの突出領域４２は、中間ディスク４が、一方のベローズ要素３と他方の回転摺動リング１１とに対して周方向に回転しないようにする回転ロック装置である。また、突出領域４２を使用して回転をロックすると、回転摺動リング１１に対向する突出領域４２がベローズ部２からのトルクを回転摺動リング１１に伝達させるため、回転摺動リング１１の径方向における圧縮が低減される。突出領域４２を収容するための、突出領域４２に対応する形状の凹部が、回転摺動リング４２及びベローズ要素３に設けられ得る。上記以外の構造は第１の例示的実施形態に対応するため、第１の例示的実施形態における説明を参照されたい。

図６及び図７は、第２の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置の、別の中間ディスク４を示す。この中間ディスク４には、その内周面領域４０に、アーチ状の凹部４１が複数形成される。アーチ状凹部４１は、例えばフライスなどを使った簡単な方法で製造できる。凹部４１は、内周面４０に沿って等間隔で配置される。中間ディスク４は、一定の幅を有する（図７参照）。

図８及び図９は、また別の中間ディスク４を備えた、第３の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置を示す。この中間ディスク４には、段差部４５が設けられている。したがって中間ディスク４は、その横断面が逆Ｌ字形状を有する。これにより中間ディスク４は、内周面領域４０と外周面領域４６とで異なる幅を有する。段差部４５により、中間ディスク４は回転部品に安定して支持される。中間ディスク４は、より狭い外周面領域４６を介してエラストマー製のベローズ要素に対してシンプルに固定される。特に、ベローズ要素３には幅の広い溝を設ける必要はなく、狭い外周面領域４６を部分的に収容する小さな溝を設けるだけでいいので、ベローズ要素の強度が溝によって過度に低下することがない。ここでも同様に、アーチ状凹部４１が内周面領域４０に設けられるのが好ましい。

図１０は、本発明の第４の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置を示す。中間ディスク４は、ベローズ要素を支持する支持領域４７を有する。支持領域４７は、回転部品１０と接触しない。中間ディスク４は狭い内周面領域４０のみを介して回転部品１０に支持される。

１ メカニカルシール装置
２ ベローズ部
３ ベローズ要素
４ 中間ディスク
５ 第１のＺ字断面ブラケット
６ 第２のＺ字断面ブラケット
７ 初張力付与要素
８ 第１の空間
９ 第２の空間
１０ 回転部品／シャフト
１１ 回転摺動リング
１２ 固定摺動リング
１３ シールギャップ
１４ ハウジング
１５ 二次シール要素／Ｏリング
３１ 第１の接続領域
３２ 第２の接続領域
３４ 溝
３５ 段差部
４０ 内周面領域
４１ 凹部
４２ 突出領域
４３ 第１の面
４４ 第２の面
４５ 段差部
４６ 外周面領域
４７ 支持領域
５１ 第１の径方向外方領域
５２ 第１の径方向内方領域
５３ 第１の軸方向領域
６１ 第２の径方向外方領域
６２ 第２の径方向内方領域
６３ 第２の軸方向領域
Ｌ 軸方向クランプ長
Ｘ−Ｘ 軸方向

図４及び図５は、第２の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置を示す。このメカニカルシール装置では、中間ディスク４が、軸方向に突出する領域４２を更に有する。これらの突出領域４２は、中間ディスク４が、一方のベローズ要素３と他方の回転摺動リング１１とに対して周方向に回転しないようにする回転ロック装置である。また、突出領域４２を使用して回転をロックすると、回転摺動リング１１に対向する突出領域４２がベローズ部２からのトルクを回転摺動リング１１に伝達させるため、回転摺動リング１１の径方向における圧縮が低減される。突出領域４２を収容するための、突出領域４２に対応する形状の凹部が、回転摺動リング１１及びベローズ要素３に設けられ得る。上記以外の構造は第１の例示的実施形態に対応するため、第１の例示的実施形態における説明を参照されたい。

図６及び図７は、第２の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置の、別の中間ディスク４を示す。この中間ディスク４には、その内周面領域４０に、アーチ状の凹部４１が複数形成される。アーチ状凹部４１は、例えばフライスなどを使った簡単な方法で製造できる。凹部４１は、内周面領域４０に沿って等間隔で配置される。中間ディスク４は、一定の幅を有する（図７参照）。

Claims (13)

1. それらの間にシールギャップ（１３）を画成する回転摺動リング（１１）及び固定摺動リング（１２）と、
   ベローズ要素（３）及び中間ディスク（４）を含むベローズ部（２）とを備え、
   前記ベローズ要素（３）が、第１の接続領域（３１）と、第２の接続領域（３２）と、ベローズ中間領域（３３）とを有し、
   前記ベローズ要素（３）が、エラストマー材料から形成され、前記回転摺動リング（１１）と回転部品（１０）との間を接続し、
   前記中間ディスク（４）が、前記ベローズ要素（３）と前記回転摺動リング（１１）との間に配置され、
   前記中間ディスク（４）の内周面領域（４０）が、前記回転部品（１０）上に支持されるように配置される、メカニカルシール装置。
2. 前記中間ディスク（４）の前記内周面領域（４０）には、多数の凹部（４１）が設けられ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装置。
3. 前記凹部（４１）が、前記中間ディスク（４）の前記内周面領域（４０）に等間隔で設けられることを特徴とする、請求項２に記載のメカニカルシール装置。
4. 前記凹部（４１）が、アーチ状あるいは略矩形状であることを特徴とする、請求項２又は３に記載のメカニカルシール装置。
5. 前記ベローズ部（２）が、第１のＺ字断面ブラケット（５）と、第２のＺ字断面ブラケット（６）とを更に備え、
   前記第１のＺ字断面ブラケット（５）が、前記第１の接続領域（３１）の外面に配置され、
   前記第２のＺ字断面ブラケット（６）が、前記第２の接続領域（３２）の外面に配置されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
6. 前記第２のＺ字断面ブラケット（６）が、軸方向（Ｘ−Ｘ）において、前記第２の接続領域（３２）と同じ高さで終端することを特徴とする、請求項５に記載のメカニカルシール装置。
7. 前記ベローズ部（２）に対して軸方向（Ｘ−Ｘ）に初張力を付与する初張力付与要素（７）を更に備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
8. 前記初張力付与要素（７）は、第１の端部領域で前記第１のＺ字断面ブラケット（５）に支持されるとともに、第２の端部領域で前記第２のＺ字断面ブラケット（６）に支持されることを特徴とする、請求項７に記載のメカニカルシール装置。
9. 前記ベローズ要素（２）が、内周面に、前記中間ディスク（４）を収容するための溝（３４）を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
10. 前記中間ディスク（４）が、前記中間ディスク（４）から突出して、前記中間ディスク（４）の回転をロックするための少なくとも１つの領域（４２）を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
11. 前記回転部品（１０）のトルクが、前記ベローズ部（２）のみを介して前記回転摺動リング（１１）に入力されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
12. 前記第１のＺ字断面ブラケット（５）の第１の径方向内方領域（５２）が、前記第１の接続領域（３１）の、前記ベローズ中間領域（３３）側に向けられた端部上に係合する、及び／又は、
    前記第２のＺ字断面ブラケット（６）の第２の径方向内方領域（６２）が、前記第２の接続領域（３２）の、前記ベローズ中間領域（３３）側に向けられた端部上に係合することを特徴とする、請求項５〜１１のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
13. 前記エラストマー製のベローズ要素（３）は、付着防止コーティングを有する、又は
    前記中間ディスクは、合成材料から形成されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。

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