JP2018035872A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】製造の困難性を伴うことなく、密封性の向上を可能とするメカニカルシールを提供する。【解決手段】回転軸５００と共に回転する回転環１００と、ハウジング６１０に対して固定される固定環２００と、回転環１００と固定環２００との間に配置される遊動環３００と、を備えるインサイド形のメカニカルシール１０において、遊動環３００は、回転環１００側に向かって突出し、回転環１００に対して摺動する第１環状凸部３１０と、固定環２００側に向かって突出し、固定環２００に対して密着する第２環状凸部３２０と、を備えると共に、遊動環３００は炭化珪素により構成され、かつ回転環１００は炭素繊維を含有する炭化珪素により構成されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、遊動環を備えるメカニカルシールに関する。

従来、回転軸と共に回転する回転環と、ハウジングに対して固定される固定環とを備え、回転軸とハウジングとの間の環状隙間を密封するメカニカルシールが知られている。また、何らかの影響で固定環が傾いてしまった場合でも、摺動するシール部の状態を安定的に保つために、固定環と回転環との間に遊動環を配置させる技術も知られている。遊動環は、回転環側からの流体圧力と固定環側からの流体圧力が等しくなるように構成されている。これにより、もし固定環が傾いてしまっても、遊動環の姿勢は流体圧力により保たれることによって、遊動環と回転環との摺動するシール部の状態を安定的に保つことができる。なお、遊動環は、回転環側からの流体圧力と固定環側からの流体圧力が等しくなるようにするために、その両面側には、それぞれ環状凸部が設けられている。

本出願人は、密封性を高めるために、遊動環の材料として炭素繊維を含有する炭化珪素を用いる技術を提案している（特許文献１参照）。しかしながら、炭素繊維を含有する炭化珪素を用いて、一対の環状凸部を有する遊動環を製造するのは技術的に難しく、特に、環状凸部から炭素繊維の脱落を抑制可能とするように遊動環を製造するのが難しいことが分かった。

国際公開第２０１６／０１３６２８号 国際公開第２０１４／１６８１１２号 特許第４６３５０４２号公報

本発明の目的は、製造の困難性を伴うことなく、密封性の向上を可能とす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、
回転軸と、該回転軸の軸孔を有するハウジングとの間の環状隙間を密封するメカニカルシールであって、
前記回転軸と共に回転する回転環と、
前記ハウジングに対して固定される固定環と、
前記回転環と固定環との間に配置される遊動環と、
を備えるインサイド形のメカニカルシールにおいて、
前記遊動環は、
前記回転環側に向かって突出し、前記回転環に対して摺動する第１環状凸部と、
前記固定環側に向かって突出し、前記固定環に対して密着する第２環状凸部と、
を備えると共に、
前記遊動環は炭化珪素により構成され、かつ前記回転環は炭素繊維を含有する炭化珪素により構成されることを特徴とする。

本発明によれば、遊動環は炭化珪素により構成されるため、圧縮強度が高く、ヤング率も高いため、圧力による変形が少ない。また、遊動環は第１環状凸部と第２環状凸部を有するものの、その材料は炭化珪素であることから製造が困難になることはない。そして、回転環は炭素繊維を含有する炭化珪素により構成されるため、炭化珪素が荷重を受ける機能を発揮しつつ、炭素繊維によって摺動性が高められ、密封性が向上する。

第１環状凸部の先端の外径と、第２環状凸部の先端の外径が等しくなるように設計されているとよい。

これにより、遊動環に対して、両面側（回転環側及び固定環側）にかかる流体圧力が等しくなるため、遊動環の姿勢を維持させることができる。

第２環状凸部の先端面と、前記固定環における第２環状凸部の先端が密着する面は、いずれも研磨面により構成されており、第２環状凸部の先端面が前記固定環に密着することによって密封対象流体を封止する封止部が形成されているとよい。

これにより、遊動環と固定環との間を密封するために、別途、シールリングを設ける必要がない。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

以上説明したように、本発明によれば、製造の困難性を伴うことなく、密封性の向上を図ることができる。

図１は本発明の実施例に係るメカニカルシールを適用した密封構造を示す模式的断面図である。 図２は本発明の実施例に係るメカニカルシールを適用した密封構造の一部拡大断面図である。

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）
図１及び図２を参照して、本発明の実施例に係るメカニカルシールについて説明する。図１は本発明の実施例に係るメカニカルシールを適用した密封構造を示す模式的断面図である。なお、メカニカルシールは略回転対称形状であり、図１における断面図は、メカニカルシールの中心軸線を含む面で切断した断面図である。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。図２は本発明の実施例に係るメカニカルシールを適用した密封構造の一部拡大断面図であり、メカニカルシールを構成する各構成の寸法関係を説明するための説明図である。図２においても、メカニカルシールの中心軸線を含む面で切断した断面図を示している。

＜メカニカルシール全体＞
本実施例に係るメカニカルシールの全体構成について説明する。メカニカルシール１０
は、回転軸５００と、回転軸５００の軸孔を有するハウジング６１０との間の環状隙間を密封する役割を担っている。また、本実施例に係るメカニカルシール１０は、メカニカルシール１０の外周面側から内周面側への密封対象流体の漏れを防止するためのインサイド形メカニカルシールである。ハウジング６１０は、メカニカルシール１０が適用される装置の筐体６２０に固定されている。また、ハウジング６１０は、内径が小さな略円筒状の小径部６１１と、小径部６１１よりも内径が大きな略円筒状の大径部６１２とを備えている。そして、大径部６１２の端面が筐体６２０に接するように、筐体６２０に対してハウジング６１０は固定されている。また、小径部６１１と大径部６１２との段差面には、複数のスプリング装着穴６１３が設けられている。なお、ハウジング６１０と筐体６２０との間には、装置内部（Ａ）の密封対象流体が装置外部（Ｂ）に漏れてしまうことを抑制するシールリングＯ１が設けられている。

回転軸５００には、スリーブ５１０が取り付けられている。スリーブ５１０は、第１円筒部５１１と、第２円筒部５１２と、これらの間に設けられる第３円筒部５１３とから構成される。これらの外径は、第１円筒部５１１が最も小さく、第２円筒部５１２が最も大きく構成されている。そして、第２円筒部５１２が装置内部（Ａ）側となるように、スリーブ５１０は回転軸５００に取付けられている。また、回転軸５００の外周面とスリーブ５１０の内周面との間には、装置内部（Ａ）の密封対象流体が装置外部（Ｂ）に漏れてしまうことを抑制するシールリングＯ２が設けられている。

メカニカルシール１０は、回転軸５００と共に回転する回転環１００と、ハウジング６１０に対して固定される固定環２００と、回転環１００と固定環２００との間に配置される遊動環３００とを備えている。

回転環１００は、内径が小さな筒状の小径部１１０と、小径部１１０よりも内径が大きな略円筒状の大径部１２０とを備えている。そして、回転環１００は、小径部１１０における装置内部（Ａ）側の側壁面がスリーブ５１０における第３円筒部５１３の側壁面に対向し、かつ大径部１２０の内周面が第３円筒部５１３の外周面に対向するように、スリーブ５１０の外周面側に配置される。また、回転環１００における大径部１２０には切欠き１２１が形成されており、スリーブ５１０の第２円筒部５１２に取付けられたピン５１４が、この切欠き１２１に挿入されている。これにより、回転環１００は、回転軸５００及びスリーブ５１０に対して、軸線方向の移動は許容されるものの、回転方向の移動が規制される。従って、回転軸５００が回転すると、回転環１００は回転軸５００と共に回転する。また、スリーブ５１０における第３円筒部５１３の外周面と回転環１００における大径部１２０の内周面との間には、装置内部（Ａ）の密封対象流体が装置外部（Ｂ）に漏れてしまうことを抑制するシールリングＯ３が設けられている。

固定環２００は、外径が大きな略円筒状の大径部２１０と、大径部２１０よりも外径が小さな略円筒状の小径部２２０とを備えている。そして、固定環２００は、その小径部２２０が、ハウジング６１０における小径部６１１の内側に挿入されるように配置されている。また、固定環２００は、ハウジング６１０における複数のスプリング装着穴６１３にそれぞれ装着されたスプリング７００によって、回転環１００に向けて押圧されている。更に、固定環２００における小径部２２０の外周面とハウジング６１０における小径部６１１の内周面との間には、装置内部（Ａ）の密封対象流体が装置外部（Ｂ）に漏れてしまうことを抑制するシールリングＯ４が設けられている。また、シールリングＯ４の装置外部（Ｂ）側には、シールリングＯ４の一部が固定環２００における小径部２２０の外周面とハウジング６１０における小径部６１１との間の微小隙間にはみ出してしまうことを防止するバックアップリングＢが装着されている。

遊動環３００は、回転環１００側に向かって突出し、回転環１００に対して摺動する第
１環状凸部３１０と、固定環２００側に向かって突出し、固定環２００に対して密着する第２環状凸部３２０とを備えている。また、遊動環３００の外周面には溝部３３０が形成されている。この溝部３３０に、ハウジング６１０に設けられた廻り止め突起６１２ａが入り込むことによって、ハウジング６１０に対して遊動環３００が回転しないように構成されている。また、遊動環３００は、複数のスプリング７００により回転環１００に向けて押圧された固定環２００によって、回転環１００に向けて押圧されている。これにより、遊動環３００に設けられた第１環状凸部３１０が回転環１００に対して密着した状態が維持され、かつ第２環状凸部３２０が固定環２００に対して密着した状態が維持される。

＜メカニカルシールの各構成の材料及び寸法関係＞
特に、図２を参照して、メカニカルシールを構成する構成部品（回転環１００と固定環２００と遊動環３００）の材料と寸法関係について説明する。

回転環１００は、炭素繊維を含有する炭化珪素により構成されている。これにより、炭化珪素が荷重を受ける機能を発揮しつつ、炭素繊維によって摺動性が高められ、密封性を向上させることができる。また、もし、摺動面に焼損が発生してしまっても、脆性材料を用いた場合のように飛散することがないため、金属環により補強したり、回転環１００の外周面を保護部材により保護したりする必要もない。

固定環２００は、ヤング率の高い材料、より具体的には、炭化珪素または超硬合金炭化珪素または超硬合金により構成されている。これにより、固定環２００は、圧力による変形が少なく、シールリングＯ４によるシール性を安定的に維持させることができる。また、固定環２００には、遊動環３００に向かって突出する環状凸部２３０が設けられている。この環状凸部２３０の先端面は、研磨処理が施された研磨面となっている。

遊動環３００は、ヤング率の高い炭化珪素により構成されており、より具体的には、常圧焼結炭化珪素または反応焼結炭化珪素により構成されている。固定環２００の硬度は遊動環３００の硬度はほぼ等しく、回転環１００の硬度は遊動環３００の硬度よりも若干低い。遊動環３００も固定環２００と同様に、圧力による変形が少ない。また、遊動環３００における第１環状凸部３１０の外周面は回転環１００に向かって縮径するテーパ面で構成され、第１環状凸部３１０の内周面は回転環１００に向かって拡径するテーパ面で構成されている。そして、遊動環３００における第２環状凸部３２０の外周面は固定環２００に向かって縮径するテーパ面で構成され、第２環状凸部３２０の内周面は固定環２００に向かって拡径するテーパ面で構成されている。以上のように構成される遊動環３００は、第１環状凸部３１０と第２環状凸部３２０の大きさが多少異なっているものの、これらの環状凸部を除く部分における軸線方向に対する中心面に対して対称形状となっている。また、第２環状凸部３２０の先端面は、研磨処理が施された研磨面となっている。この第２環状凸部３２０の先端面が、固定環２００における環状凸部２３０の先端面に密着することによって、密封対象流体を封止する封止部が形成されている。

第１環状凸部３１０の高さＬ１と第２環状凸部３２０の高さＬ２との関係は、Ｌ１≧Ｌ２となるように設計されている。例えば、０．５ｍｍ≦Ｌ１≦１．０ｍｍとし、Ｌ２を０．５ｍｍ以下に設定すると好適である。上記の通り、第２環状凸部３２０の内周面及び外周面をテーパ面として、先端に向かうにつれて先細りする構成としたことにより、第２環状凸部３２０の高さを可及的に低くすることができる。第１環状凸部３１０についても同様である。更に、第１環状凸部３１０及び第２環状凸部３２０は、いずれも先細りした構成であることから、先端面の面幅（径方向の幅）も可及的に狭くすることができる。ここで、本実施例においては、第１環状凸部３１０の先端面における径方向の幅（摺動面における径方向の幅に相当）をＷｆとし、第２環状凸部３２０の先端面における径方向の幅（封止部における径方向の幅に相当）をＷｒとすると、Ｗｆ＞Ｗｒとなるように設計されて
いる。例えば、Ｗｒを１ｍｍ程度に設定し、Ｗｆを２．０ｍｍ≦Ｗｆ≦２．５ｍｍ程度に設定するとよい。Ｗｆ＞Ｗｒとすることによって、第１環状凸部３１０の先端面と回転環１００との摺動面の面圧に比べて、第２環状凸部３２０の先端面と固定環２００との封止部の面圧を高くすることができる。これにより、第２環状凸部３２０の先端面と、固定環２００における環状凸部２３０の先端面のいずれもが研磨面で構成されていること、及び封止部においては摺動しないこととが相俟って、高いシール性を発揮させることができる。また、第１環状凸部３１０の高さＬ１を可及的に低くすることで、摺動面における径方向の幅Ｗｆも、上記の通り、十分狭くすることができるため、摺動部における面圧を適当かつ最小限に抑えることができ、摺動による発熱を抑制することができる。

また、上記の通り、遊動環３００をヤング率の高い炭化珪素により構成したことと、第１環状凸部３１０及び第２環状凸部３２０の高さを可及的に低くして、遊動環３００の断面形状を略矩形としたこととが相俟って、遊動環３００の圧力による変形を可及的に抑制することができる。従って、超高圧条件下においても、メカニカルシール１０を用いることができる。

また、第１環状凸部３１０の先端の外径をＤｏとし、第２環状凸部３２０の先端の外径をＤｒｏとすると、Ｄｏ＝Ｄｒｏとなるように設計されている。これにより、遊動環３００に対して、両面側（回転環１００側及び固定環２００側）にかかる流体圧力が等しくなるため、遊動環３００の姿勢を維持させることができる。ここで、回転環１００と遊動環３００における第１環状凸部３１０の先端面との摺動部のシール性を高くするためには、回転環１００における摺動面と第１環状凸部３１０の先端面とが平行であるのが望ましい。しかしながら、遊動環３００の変形を完全になくすのは難しい。遊動環３００が変形し、摺動部において、径方向外側が開き気味になってしまうと、漏れが生じ易くなってしまう。これに対して、遊動環３００が変形し、摺動部において、径方向内側が開き気味になっても、シール性は維持される。そこで、本実施例においては、第１環状凸部３１０の先端の内径をＤｉとし、第２環状凸部３２０の先端の外径をＤｒｉとすると、Ｄｉ＜Ｄｒｉとなるように設計されている。このように、Ｄｏ＝Ｄｒｏにすることで、遊動環３００の両面側にかかる流体圧力を等しくして遊動環３００の変形を抑制しつつ、Ｌ１≧Ｌ２かつＤｉ＜Ｄｒｉとすることで、摺動部において、径方向内側が開き気味にするようにしている。これにより、摺動部において、径方向外側が開いてしまうことを抑制することができ、長期に亘り安定したシール性を発揮させることができる。

また、回転環１００における大径部１２０の内径をＤｍとし、固定環２００における小径部２２０の外径をＤｂとすると、Ｄｂ＜Ｄｒｉ＜Ｄｍとなるように設計されている。より具体的には、ＤｍはＤｒｉに対して０．５ｍｍ程度大きくし、ＤｒｉはＤｂに対して０．５ｍｍ程度大きくなるように設定している。こうすることで、回転環１００，固定環２００及び遊動環３００が軸方向に移動したり傾いたりしてしまうことを抑制している。なお、固定環２００における小径部２２０の外径Ｄｂは、シールリングＯ４によってシールされている部分の外径に相当し、固定環２００においては、この小径部２２０の外周面よりも径方向外側の部分に遊動環３００方向への流体圧力が作用する。この外径Ｄｂは、摺動面にかかる面圧を調整する機能を有することからバランス径と呼ばれる。上記の通り、固定環２００は、ヤング率の高い炭化珪素等により構成されており、圧力による変形が少ないため、バランス径が変化し難く、安定したシール性を発揮させることができる。また、回転環１００における大径部１２０の内径Ｄｍは、シールリングＯ３によってシールされている部分の内径に相当し、回転環１００においては、大径部１２０の内周面よりも径方向外側の部分に遊動環３００方向への流体圧力が作用する。

以上のように、Ｄｂ＜Ｄｒｉ＜Ｄｍを満たすことにより、回転環１００，固定環２００及び遊動環３００が軸方向に移動したり傾いたりしてしまうことを抑制することで、密封
対象流体の圧力変動にかかわらず、安定したシール性を発揮させることができる。特に、Ｄｂ＜Ｄｒｉを満たすことにより、第２環状凸部３２０の先端面と固定環２００との封止部に対して、より確実に流体圧力を起因とする面圧を発生させることができる。従って、遊動環３００が圧力により変形してしまっても、遊動環３００に対して固定環２００が傾いてしまうことを抑制することができ、封止部のシール性を維持させることができる。

＜本実施例に係るメカニカルシールの優れた点＞
本実施例に係るメカニカルシール１０によれば、遊動環３００は炭化珪素により構成されるため、圧縮強度が高く、ヤング率も高いため、圧力による変形が少ない。また、遊動環３００は第１環状凸部３１０と第２環状凸部３２０を有するものの、その材料は炭化珪素であることから製造が困難になることはない。そして、回転環１００は炭素繊維を含有する炭化珪素により構成されるため、炭化珪素が荷重を受ける機能を発揮しつつ、炭素繊維によって摺動性が高められ、密封性が向上する。なお、回転環１００については、遊動環３００のように環状凸部を設ける必要はなく、遊動環３００における第１環状凸部３１０が摺動する面は、平坦な面でよい。従って、回転環１００の材料として、炭素繊維を含有する炭化珪素を用いても、回転環１００の製造が困難になることもない。また、回転環１００の摺動部から炭素繊維が脱落してしまうことも抑制することができる。なお、回転環１００の硬度は、遊動環３００の硬度よりも若干低くなるものの、摺動特性が優れていることから、回転環１００の摺動面が、遊動環３００における第１環状凸部３１０が食い込むように摩耗してしまうことは殆どない。従って、シール性への悪影響は殆どない。

また、本実施例においては、第１環状凸部３１０の先端の外径Ｄｏと、第２環状凸部３２０の先端の外径Ｄｒｏが等しくなるように設計されている。これにより、遊動環３００に対して、両面側（回転環１００側及び固定環２００側）にかかる流体圧力が等しくなるため、遊動環３００の姿勢を維持させることができる。

更に、本実施例においては、第２環状凸部３２０の先端面と、固定環２００における第２環状凸部３２０の先端が密着する面は、いずれも研磨面により構成されている。そして、第２環状凸部３２０の先端面が固定環２００に密着することによって密封対象流体を封止する封止部が形成されている。従って、遊動環３００と固定環２００との間を密封するために、別途、シールリングを設ける必要がない。

１０ メカニカルシール
１００ 回転環
１１０ 小径部
１２０ 大径部
２００ 固定環
２１０ 大径部
２２０ 小径部
２３０ 環状凸部
３００ 遊動環
３１０ 第１環状凸部
３２０ 第２環状凸部
３３０ 溝部
５００ 回転軸
５１０ スリーブ
５１１ 第１円筒部
５１２ 第２円筒部
５１３ 第３円筒部
５１４ ピン
６１０ ハウジング
６１１ 小径部
６１２ 大径部
６１２ａ 突起
６１３ スプリング装着穴
６２０ 筐体
７００ スプリング
Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４ シールリング

Claims (3)

1. 回転軸と、該回転軸の軸孔を有するハウジングとの間の環状隙間を密封するメカニカルシールであって、
   前記回転軸と共に回転する回転環と、
   前記ハウジングに対して固定される固定環と、
   前記回転環と固定環との間に配置される遊動環と、
   を備えるインサイド形のメカニカルシールにおいて、
   前記遊動環は、
   前記回転環側に向かって突出し、前記回転環に対して摺動する第１環状凸部と、
   前記固定環側に向かって突出し、前記固定環に対して密着する第２環状凸部と、
   を備えると共に、
   前記遊動環は炭化珪素により構成され、かつ前記回転環は炭素繊維を含有する炭化珪素により構成されることを特徴とするメカニカルシール。
2. 第１環状凸部の先端の外径と、第２環状凸部の先端の外径が等しくなるように設計さ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。
3. 第２環状凸部の先端面と、前記固定環における第２環状凸部の先端が密着する面は、いずれも研磨面により構成されており、第２環状凸部の先端面が前記固定環に密着することによって密封対象流体を封止する封止部が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシール。

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