JP2018071606A - mechanical seal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転軸側に固定された回転環と、前記回転環に対向するようにハウジング側に配置された固定環と、を備え、前記回転環と前記固定環との対向端面である密封端面間を相対回転させつつ被密封流体をシールするように構成されたメカニカルシールに関する。 The present invention comprises a rotating ring fixed on the rotating shaft side and a fixing ring disposed on the housing side so as to face the rotating ring, and is a sealed end face between the rotating ring and the fixed ring The present invention relates to a mechanical seal configured to seal a sealed fluid while relatively rotating between end faces.
従来からメカニカルシールの一種として、図8に示すように、ポンプのインペラ(図示省略)を駆動させる回転軸70側にスリーブ71及びカップガスケット72を介してこの回転軸70と一体的に回転可能な状態に設けられた回転環としてのメイティングリング73と、ポンプのハウジング79に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態でカートリッジ76内のベローズ77を介して設けられた固定環としてのシールリング75と、を備え、メイティングリング73とシールリング75との対向端面である摺動面同士を相対回転させつつ被密封流体をシールするものが知られている(たとえば、特許文献1参照。)。
Conventionally, as a kind of mechanical seal, as shown in FIG. 8, it can rotate integrally with the
通常、メイティングリング73として、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素、アルミナ等の疎水性材料であるセラミクスが使用され、シールリング75として自己潤滑性に優れた疎水性材料であるカーボンなどが使用されている。しかし疎水性材料同士が摺動する場合には、摺動面同士が密着しすぎて摺動面に水の進入が不足して「鳴き」という現象を生じる場合がある。そこで、「鳴き」を防ぐために、疎水性材料であるセラミクスの摺動面及び外周部エリアに親水性素材のコーティングを施し、摺動面を親水性材料と疎水性材料との組合せにすることによって、摺動性を改善するものがある(たとえば、特許文献2参照。)。
Usually, ceramics which are hydrophobic materials such as silicon carbide and alumina having excellent wear resistance are used as the
特許文献1のメカニカルシールにあっては、シールリング75の材料としてカーボンが使用されている。カーボンは自己潤滑性に加えて、その表面に適度な凹凸を有することから、メイティングリング73の摺動面との間に被密封流体による液膜を保持することができ、優れた潤滑特性を発揮する。しかしながら、カーボンは優れた摺動性を発揮する反面、シリケートなどの密封液の構成成分が摺動発熱によって化学変化を起こし、カーボン表面の凹凸に堆積し、該堆積物が剥離して摺動面に進入し、摺動面を傷つけシール機能を低下させる場合がある。また、メイティングリング73も、炭化ケイ素等のセラミクスを焼結して成形するので、その表面に微小な凹凸を有し、該凹凸に液中に含まれる物質が堆積し、該堆積物による枢動面の傷つき、シール機能の低下を生じさせる場合がある。
In the mechanical seal of Patent Document 1, carbon is used as the material of the
特許文献2のメカニカルシールにおいても、回転側摺動部材として疎水性のカーボンを使用しているため、シリケートなどの密封液の構成成分が摺動発熱によって化学変化を起こし、カーボン表面の凹凸に堆積し、該堆積物によって摺動面が傷付けられる虞がある。また、固定側摺動部材の摺動面及び摺動面の外径側に親水性被膜をコーティングすると、親水性被膜によって被密封流体と濡れやすくなるため、その表面に液中に含まれる物質が堆積しやすくなり、該堆積物が摺動面を傷つけてシール機能を低下させる虞がある。 In the mechanical seal of Patent Document 2 as well, hydrophobic carbon is used as the rotation-side sliding member, so that the constituent components of the sealing liquid such as silicate cause chemical changes due to sliding heat generation and accumulate on the unevenness of the carbon surface. In addition, the sliding surface may be damaged by the deposit. In addition, when a hydrophilic coating is coated on the sliding surface of the fixed-side sliding member and the outer diameter side of the sliding surface, the hydrophilic coating makes it easy to get wet with the fluid to be sealed. The deposit tends to be easily deposited, and the deposit may damage the sliding surface and reduce the sealing function.
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、シリケートなど、熱による化学変化を起こし易い成分を含有する密封液中でメカニカルシールを使用しても、液中に含まれる物質の堆積を減少して、回転環と固定環との対向端面である密封端面が堆積物によって損傷することを防ぐことができるとともに、鳴き等の異音の発生を防止することができるメカニカルシールを提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such problems, and even if a mechanical seal is used in a sealing liquid containing a component that easily undergoes a chemical change due to heat, such as silicate, the substance contained in the liquid A mechanical seal that can reduce the accumulation of noise and prevent the sealed end surface, which is the opposite end surface of the rotating ring and stationary ring, from being damaged by deposits, and can also prevent the generation of abnormal noise such as squealing The purpose is to provide.
前記課題を解決するために、本発明のメカニカルシールは、
回転軸側に固定された回転環と、前記回転環に対向するようにハウジング側に配置された固定環と、を備え、
前記回転環と前記固定環との対向端面である密封端面間を相対回転させつつ被密封流体をシールするように構成されたメカニカルシールであって、
前記回転環、前記固定環のうち少なくとも一方に前記密封端面間よりも高圧流体側に撥水処理された撥水部を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、密封端面間よりも高圧流体側に撥水処理された撥水部によって、被密封流体中に含まれる物質が密封端面間へ流入することを防ぐことができ、密封端面の損傷を防止することができる。
In order to solve the above problems, the mechanical seal of the present invention is
A rotating ring fixed on the rotating shaft side, and a fixed ring disposed on the housing side so as to face the rotating ring,
A mechanical seal configured to seal a sealed fluid while relatively rotating between sealed end faces which are opposed end faces of the rotating ring and the fixed ring,
At least one of the rotating ring and the stationary ring is provided with a water-repellent part that is water-repellent on the high-pressure fluid side than between the sealed end faces.
According to this feature, the water-repellent portion that is water-repellent on the high-pressure fluid side than between the sealed end surfaces can prevent a substance contained in the sealed fluid from flowing into between the sealed end surfaces. Damage can be prevented.
本発明のメカニカルシールは、
前記密封端面間よりも高圧流体側に間隙部を備え、該間隙部の軸方向間隙uは少なくとも0<u<kT/Pの範囲に設定されることを特徴としている。
ただし、uは、間隙部の軸方向間隙、Pは被密封流体の圧力、Tは撥水部と被密封流体との表面張力である。
この特徴によれば、間隙部の軸方向間隙を制限して、密封端面間への被密封流体の進入を制限できるので、被密封流体中に含まれる物質によって密封端面が損傷することを防ぐことができる。
The mechanical seal of the present invention is
A gap is provided on the high-pressure fluid side from between the sealed end faces, and the axial gap u of the gap is set in a range of at least 0 <u <kT / P.
Where u is the axial gap of the gap, P is the pressure of the sealed fluid, and T is the surface tension between the water repellent portion and the sealed fluid.
According to this feature, it is possible to limit the axial gap of the gap portion and limit the entry of the sealed fluid between the sealed end surfaces, thereby preventing the sealed end surface from being damaged by the substance contained in the sealed fluid. Can do.
本発明のメカニカルシールは、
前記間隙部の内半径及び外半径は、r22−r12=2P/ρn2ω2により設定されることを特徴とする。
ただし、r1は間隙部の内半径寸法、r2はの外半径寸法、Pは被密封流体圧力、ρは被密封流体密度、ωは回転環の角速度、nは0<n<1の範囲の係数である。
この特徴によれば、間隙部の径寸法を制限して、密封端面間への被密封流体の進入を制限できるので、被密封流体中に含まれる物質によって密封端面が損傷することを防ぐことができる。
The mechanical seal of the present invention is
An inner radius and an outer radius of the gap are set by r2 2 −r1 2 = 2P / ρn 2 ω 2 .
Where r1 is the inner radius of the gap, r2 is the outer radius, P is the sealed fluid pressure, ρ is the sealed fluid density, ω is the angular velocity of the rotating ring, and n is a coefficient in the range of 0 <n <1. It is.
According to this feature, it is possible to limit the diameter of the gap portion and restrict the entry of the sealed fluid between the sealed end surfaces, and thus prevent the sealed end surface from being damaged by the substance contained in the sealed fluid. it can.
本発明のメカニカルシールは、
前記間隙部の前記軸方向間隙は、前記密封端面に向かって漸次狭くなることを特徴としている。
この特徴によれば、回転環と固定環との間に微小な軸方向間隙を有する間隙部を容易に形成することができる。
The mechanical seal of the present invention is
The axial gap of the gap portion is characterized by gradually narrowing toward the sealed end face.
According to this feature, a gap portion having a minute axial gap can be easily formed between the rotating ring and the fixed ring.
本発明のメカニカルシールは、
前記撥水部は、被密封流体との接触角が90°より大きいことを特徴としている。
この特徴によれば、被密封流体との接触角が90°より大きくして、密封端面間への被密封流体の進入を制限できるので、被密封流体中に含まれる物質が付着しにくくなり、傷つき、剥がれ等による撥水性の低下を防止でき、耐久性を向上できる。
The mechanical seal of the present invention is
The water repellent part is characterized in that a contact angle with a fluid to be sealed is larger than 90 °.
According to this feature, the contact angle with the sealed fluid is larger than 90 °, and the entry of the sealed fluid between the sealed end faces can be restricted, so that the substance contained in the sealed fluid is less likely to adhere, It is possible to prevent a decrease in water repellency due to damage, peeling, etc., and to improve durability.
本発明のメカニカルシールは、
前記密封端面は、前記回転環と前記固定環との相対回転により動圧を発生する動圧発生機構を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、密封端面間よりも高圧流体側に撥水処理された撥水部によって、被密封流体中が密封端面間へ流入することが妨げられても、密封端面は、回転環と固定環との間に正圧を発生させて流体膜を形成できるので、鳴き等の異音の発生を防止することができる。
The mechanical seal of the present invention is
The sealed end face includes a dynamic pressure generating mechanism that generates dynamic pressure by relative rotation between the rotating ring and the fixed ring.
According to this feature, even if the water-repellent part that is water-repellent on the high-pressure fluid side than between the sealed end faces prevents the fluid to be sealed from flowing into the sealed end faces, the sealed end faces Since a fluid film can be formed by generating a positive pressure with the stationary ring, it is possible to prevent abnormal noise such as squealing.
本発明に係るメカニカルシールを実施するための形態を実施例に基づいて説明する。 EMBODIMENT OF THE INVENTION The form for implementing the mechanical seal which concerns on this invention is demonstrated based on an Example.
図1から図6を参照して実施例1に係るメカニカルシールを説明する。なお、実施例1において、密封端面Sの外周から内周方向へ向かって漏れようとする流体をシールするインサイド形のメカニカルシールを例として説明するが、本発明はインサイド形、アウトサイド形のいずれの形式のメカニカルシールに対しても適用可能である。また、実施例1において、メイティングリング11を回転環、シールリング21を固定環として説明しているが、メイティングリング11を固定環、シールリング21を回転環としてもよい。図1おいて、密封端面Sの外周側を高圧流体側、内周側を低圧流体側(たとえば大気側)として説明する。
A mechanical seal according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 6. In the first embodiment, an inside type mechanical seal that seals a fluid that leaks from the outer circumference of the sealing end surface S toward the inner circumference direction will be described as an example, but the present invention may be either an inside type or an outside type. It can also be applied to mechanical seals of the type. In the first embodiment, the
図1は、メカニカルシールの一例を示す縦断面図であって、高圧流体側の回転体(例えば、ポンプ インペラ。図示省略)を駆動させる回転軸2側に一体的に回転可能な状態に設けられた回転側カートリッジ10と、ハウジング3に非回転状態で固定される固定側カートリッジ20とからなる。回転側カートリッジ10に配設されるメイティングリング11と、固定側カートリッジ20に配設されるシールリング21が互いに密封端面Sにて相対回転することにより、被密封流体が回転軸2の外周から大気側へ流出するのを防止するものである。また、図2に示すように、メイティングリング11の密封端面Sの高圧流体側には撥水部Hrが設けられ、またシールリング21の密封端面Sの高圧流体側には撥水部Hsが設けられ、メイティングリング11の撥水部Hrとシールリング21の撥水部Hsとの間には環状の間隙部Ncsが形成されている。以下、回転側カートリッジ10、固定側カートリッジ20の構成について説明する。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of a mechanical seal, and is provided in a state of being integrally rotatable on a rotating shaft 2 side for driving a high pressure fluid side rotating body (for example, a pump impeller, not shown). The
回転側カートリッジ10は、回転軸2に固定される回転側スリーブ12と、該回転側スリーブ12とともに回転するカップガスケット13及びメイティングリング11から主に構成される。
The
図1に示すように、回転側スリーブ12は、断面略コ字状をなす環状部材で、回転軸2に圧入固定される内筒部12a、該内筒部12aの一端から径方向外側に延設される壁部12b、及び該壁部12bの外径側端部から内筒部12a側の軸方向に延設される外筒部12cから構成される。回転側スリーブ12の開口部は、固定側カートリッジ20側に向くように回転軸に固定される。
As shown in FIG. 1, the rotation-
図2及び図3に示すように、メイティングリング11は、断面略矩形の環状部材からなり、メイティングリング11は、機械強度が高く、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素、アルミナ等の各種セラミクスや、超硬合金等から構成される。シールリング21と対向するメイティングリング11の前面側には、平滑に仕上げられ、密封端面Sとして機能するシール面Rsが設けられている。なお、メイティングリング11とシールリング21の回転中心が厳密に一致していない場合にも対応できるように、後述するシールリング21の密封端面Sの径方向幅より大きくなるように、シール面Rsの外径を大きく、かつ、内径を小さくして密封端面余裕代が形成されている。また、本実施例においては、メイティングリング11のシール面Rsの径方向幅は、シールリング21の密封端面Sの径方向幅より大きく形成されているが、本発明はこれに限定されることなく、逆の場合においても適用出来ることはもちろんである。さらに、図3に示されるようにメイティングリング11の外周部には2カ所の切り欠き凹部19が形成され、該切り欠き凹部19に前述の回転側スリーブ12が係合され、メイティングリング11と回転側スリーブ12とは、一体に回転する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
また、図2及び図3に示すように、メイティングリング11のシール面Rsの高圧流体側、すなわちメイティングリング11の外径側端面11a及び外周面11bには、撥水処理された撥水部Hrが設けられている。メイティングリング11の外径側端面11aは、背面側向かってシール面Rsよりも撥水部Hrの厚さt分低く形成されている。後述するように、外径側端面11aにコーティング等により厚さt以上に撥水部Hrが形成され、撥水部Hrと撥水部Hrを有しないシール面Rsとに面一かつ平滑に仕上げられる。これにより、撥水部Hrの厚さが確保され、耐久性を向上することができ、またメイティングリング11とシールリング21との密封端面余裕代も確保することができる。さらに、メイティングリング11の外周面11bにも、撥水部Hrが配設される。なお、撥水部Hrは、テフロン系(「テフロン」は登録商標)、シリコン系等の樹脂又は粉体からなり、メイティングリング11の外径側端面11a及び外周面11bに、コーティングすることにより形成される。また、図2及び図3においては、撥水部Hrは、メイティングリング11の外径側端面11a及び外周面11bの両方に施されているが、外径側端面11aのみに施されていてもよい。
As shown in FIGS. 2 and 3, the water repellent water repellent treatment is applied to the high pressure fluid side of the sealing surface Rs of the
さらに、図1に示すように、カップガスケット13は、断面L字状の環状部材であり、ゴム等の弾性体からなる。カップガスケット13は、メイティングリング11と回転側スリーブ12の内筒部12aとの間で適切な締め代が付与され、密封性と固定力が確保される。
Furthermore, as shown in FIG. 1, the
そして、メイティングリング11は、回転側スリーブ12の環状空間10a内に、シール面Rsが回転側スリーブ12の開口部を向くように収容され、メイティングリング11の背面側及び内周側をカップガスケット13を介して回転側スリーブ12に対して固定され、回転側カートリッジ10が構成される。
The
つぎに、固定側カートリッジ20について説明する。固定側カートリッジ20は、ハウジング3に固定される固定側スリーブ22と、該固定側スリーブ22内に収容されるシールリング21、ベローズ23、ケース24、ドライビングバンド25及びスプリング26から主に構成される。以下、固定側スリーブ22、シールリング21及びベローズ23について説明する。
Next, the fixed
図1に示すように、固定側スリーブ22は、断面略コ字状をなす環状部材で、ハウジング3に圧入固定される外筒部22c、該外筒部22cの一端から径方向内側に延設される壁部22b、及び該壁部22bの内径側端部から外筒部22c側の軸方向に延設される内筒部22aから構成される。固定側スリーブ22の開口部は、回転側カートリッジ10側の開口部に対向するようにハウジング3に固定される。
As shown in FIG. 1, the
図2及び図4に示すように、シールリング21は、断面略矩形の環状部材からなり、カーボン等の自己潤滑性、摺動性に優れた材料から構成される。シールリング21には、メイティングリング11の密封端面Sと対向する密封端面Sが形成されている。シールリング21の密封端面Sは、軸方向に突出した環状部に形成され、平滑に仕上げられている。また、シールリング21の密封端面Sの高圧流体側、すなわちシールリング21の外径側端面21a及び外周面21bには、撥水処理された撥水部Hsが設けられている。シールリング21の外径側端面21aは、背面側向かって密封端面Sよりも低く形成されている。撥水部Hsは、外径側端面21aにコーティング等により撥水部Hsが形成され、該撥水部Hsと撥水部Hsを有しない密封端面Sとが、面一かつ平滑に仕上げられる。撥水部Hsは、テフロン系(「テフロン」は登録商標)、シリコン系等の樹脂又は粉体からなり、シールリング21の外径側端面21a及び外周面21bに、コーティング等により形成される。撥水部Hsは、シールリング21の外径側端面21a及び外周面21bの両方に施されているが、シールリング21の外径側端面21aのみに施されていてもよい。なお、本実施例において、メイティングリング11及びシールリング21に厚さt以上の撥水部を設けたが、メイティングリング11、シールリング21の少なくとも一方に厚さt以上の撥水部を設け、他方をコーティング等により形成された撥水部としてもよい。
As shown in FIGS. 2 and 4, the
また、ベローズ23は、柔軟な弾性体、たとえばゴムなどの非金属材料、または薄い金属を成形して形成される。ベローズ23の一方の端部の外周側にはドライビングバンド25が装着され、ベローズ23は、ドライビングバンド25と固定側スリーブ22の内筒部22aとの間で適切な締め代が付与され、密封性と固定力が確保される。一方、ベローズ23の他方の端部は、その外周側にケース24が装着され、シールリング21は、ケース24及びベローズ23によって密封保持される。
The bellows 23 is formed by molding a flexible elastic body, for example, a non-metallic material such as rubber, or a thin metal. A driving
図1に示すように、固定側スリーブ22の環状空間20a内にシールリング21の密封端面Sが開口部に向くように配設され、該シールリング21はベローズ23、ケース24、ドライビングバンド25、スプリング26を介して固定側スリーブ22内に収容固定され、固定側カートリッジ20が構成される。これにより、シールリング21は、柔軟なベローズ23及びスプリング26によって支持されるので、軸方向、径方向に移動可能に支持される。
As shown in FIG. 1, the sealing end surface S of the
このように構成された回転側カートリッジ10と固定側カートリッジ20は、図1に示すようにそれぞれの開口部が対向するように取付けられ、メイティングリング11とシールリング21とは、密封端面Sにて互いに相対回転して被密封流体の漏れを制限することができる。また、シールリング21とメイティングリング11との間に相対変位が生じても、シールリング21は柔軟なベローズ23を介して径方向に支持されているので、メイティングリング11との相対変位に追従して相対回転することができる。なお、密封端面Sの面圧は、ベローズ23とスプリング26による軸方向押圧力の合力により決定される。
As shown in FIG. 1, the
このように構成されたメイティングリング11の撥水部Hr及びシールリング21のHsの作用について説明する。
The action of the water repellent portion Hr of the
撥水処理された撥水部Hr、Hsは、撥水性を有し、液体に濡れにくい性質を有する。メイティングリング11及びシールリング21の表面の撥水性が高いと、メイティングリング11及びシールリング21の表面は被密封流体に濡れにくくなり、その結果、メイティングリング11及びシールリング21の表面には被密封流体に含まれる物質が付着しにくくなる。
The water-repellent portions Hr and Hs that have been subjected to the water-repellent treatment have water repellency and are difficult to wet with liquid. When the water repellency of the surfaces of the
特に、シールリング21として一般に使用されるカーボンは、自己潤滑性に加えて、その表面に適度な凹凸を有することから、メイティングリング11の密封端面Sとの間に被密封流体による潤滑膜を保持することができ、優れた潤滑特性を発揮する。しかし、カーボンは、優れた潤滑特性を発揮する反面、シリケート濃度の高い流体中で使用されると、液中に含まれる物質がカーボン表面の凹凸に堆積し、該堆積物がある程度大きくなると剥離して密封端面Sに流れ、密封端面Sを傷つけてシール機能を低下させる場合がある。
In particular, since carbon generally used as the
そこで、シールリング21の表面に撥水性の高い撥水部Hsを形成し、シールリング21が被密封流体に濡れにくくすることにより、シールリング表面の凹凸に液中に含まれる物質の付着を防止することができる。また、撥水部Hsによって、シールリング21の表面と液中に含まれる物質との密着力も低くなるので、液中に含まれる物質がカーボンの表面に析出、堆積しても、該堆積物が大きく成長する前に剥離するので、粒の大きな堆積物が密封端面Sへ流入することが防止され、密封端面Sの損傷を防止することができる。同様に、炭化ケイ素等のセラミクスを焼結して成形されるメイティングリング11もその表面に微小な凹凸を有する。したがって、シールリング21だけでなく、メイティングリング11の密封端面Sより外径側にも撥水部Hrを設けることで、堆積物を減少させ、該堆積物が密封端面Sへ流入することを防止でき、密封端面Sの損傷を防止することができる。
Therefore, the water-repellent part Hs having high water repellency is formed on the surface of the
また、撥水部Hr、Hsは、少なくともメイティングリング11の密封端面Sの外径側端面11a及びシールリング21の密封端面Sの外径側端面21aに設けられるが、さらに撥水部Hr、Hsは、メイティングリング11の外周面11b及びシールリング21の外周面21bにも設けられることで、さらに堆積物を減少させ、該堆積物が密封端面Sへ流入することを防止でき、密封端面Sの損傷を防止することができる。
The water repellent parts Hr and Hs are provided at least on the outer diameter
本実施例において、撥水部Hr、Hsは、コーティングにより形成されたが、撥水部Hr、Hsの形成方法はこれに限らず、撥水性を有する板状のフッ素樹脂、シリコン樹脂等を使用して構成してもよい。たとえば、図3に示すように、メイティングリング11の密封端面Sの外径側端面11aを、密封端面Sよりも深さtだけ背面側に低く形成する。そして、深さtだけ低く形成された外径側端面11aに、厚さt以上の撥水性の樹脂板を接着等により取付け、該撥水性樹脂板と密封端面Sとを面一に仕上げる。このように板状部材からなる撥水部は、撥水部の厚さを確保できるので、コーティングのように剥がれによる撥水性の低下を防止でき、コーティングによる撥水部Hr、Hsよりも耐久性が向上する。
In this embodiment, the water repellent portions Hr and Hs are formed by coating, but the method of forming the water repellent portions Hr and Hs is not limited to this, and a plate-like fluororesin or silicon resin having water repellency is used. You may comprise. For example, as shown in FIG. 3, the outer diameter side end surface 11 a of the sealing end surface S of the
また、撥水部Hr、Hsは、撥水性を有する材料を使用して構成したが、これに限らず、撥水性の低い材料の表面に直径数ナノメートル程度の微小な周期凹凸パターンを形成して、撥水部Hr、Hsを形成してもよい。微小な周期凹凸パターンの形成方法としては、レーザ等によってメイティングリング11、シールリング21の表面に直接微小な周期凹凸パターンを物理的に形成する方法や、化学的に分子を積み上げて微小な周期凹凸パターンを形成する方法を使用することができる。さらに、撥水性に優れたフッ素樹脂板等の表面に微小な周期凹凸パターンを形成することで、さらに高い撥水性を得ることができる。
The water-repellent portions Hr and Hs are made of a material having water repellency. However, the present invention is not limited to this, and a minute periodic concavo-convex pattern having a diameter of about several nanometers is formed on the surface of a material having low water repellency. Thus, the water repellent portions Hr and Hs may be formed. As a method of forming a minute periodic uneven pattern, a method of physically forming a minute periodic uneven pattern directly on the surface of the
さらに、図2及び図5に示すように、メイティングリング11の撥水部Hrとシールリング21の撥水部Hsとの間には、微小な軸方向間隙uを有する間隙部Ncsが形成される。被密封流体の圧力によっても変化するが、たとえば、間隙部Ncsの軸方向の軸方向間隙uは1μmから1mm程度に形成される。後述するように、メイティングリング11の撥水部Hrとシールリング21の撥水部Hsとの間に微小な軸方向間隙uを有する間隙部Ncsを形成することで、間隙部Ncsは非接触シールとして機能する。
Further, as shown in FIGS. 2 and 5, a gap Ncs having a minute axial gap u is formed between the water repellent part Hr of the
微小な間隙を形成するために、図2に示すように平行な軸方向間隙uによって微小な間隙を形成してもよいが、図5に示すように、メイティングリング11の撥水部Hrとシールリング21の撥水部Hsとの間の軸方向間隙uは、密封端面Sに向かって漸次狭くすることで容易に微小な空隙を形成することができる。図5(a)は、シールリング31の密封端面Sの外径側を一定の傾斜を有する円錐面31aに形成したものである。このように構成することにより、メイティングリング11の撥水部Hrとシールリング21の撥水部Hsとの間の間隙部Ncsは密封端面Sに向かって漸次狭くなるので、微小な間隙を容易に形成することができる。また、図5(b)は、シールリング41の密封端面Sの外径側を外側に凸となる湾曲面を有する弧状円錐面41aに形成したものである。このように構成することにより、図5(a)に比べ、径方向に長い距離に亘って微小な間隙を容易に形成することができる。なお、図5(a)、(b)において、シールリングの密封端面Sの外径側を径方向に傾斜させたが、メイティングリングの密封端面Sの外径側を径方向に傾斜させてもよいし、シールリング及びメイティングリングの密封端面Sの外径側を径方向に傾斜させてもよい。
In order to form a minute gap, a minute gap may be formed by parallel axial gaps u as shown in FIG. 2, but as shown in FIG. 5, the water repellent portion Hr of the
ここで、メイティングリング11の撥水部Hrとシールリング21の撥水部Hsとの間に形成される間隙部Ncsを微小な間隙に形成することで、非接触シールとして機能する理由について説明する。
Here, the reason why the gap Ncs formed between the water repellent part Hr of the
図6に示すように、間隙部Ncsにて被密封流体がシールされる状態では、被密封流体の流体膜には、被密封流体の圧力P、メイティングリング11の回転による生じる被密封流体に作用する遠心力Fc、密封端面Sと被密封流体との表面張力Tが主に作用する。したがって、被密封流体の流体膜作用する径方向の力Fr(軸に直交する方向)は、(式1)にて表すことができる。
As shown in FIG. 6, in a state where the sealed fluid is sealed in the gap Ncs, the fluid film of the sealed fluid includes the pressure P of the sealed fluid and the sealed fluid generated by the rotation of the
Fr=Pπdu‐Fc+2Tπdcosθ (式1) Fr = Pπdu−Fc + 2Tπdcos θ (Formula 1)
ここで、dは、間隙部Ncsにおける被密封流体の液面位置(直径)、θは被密封流体とメイティングリング11、シールリング21の表面との接触角である。接触角θとは、固体表面と流体の液面端部における接線とがなす角である。(式1)において、右辺第1項は被密封流体の圧力Pと液面の面積との積、すなわち液面に作用する流体圧力を示し、間隙部Ncsの軸方向の軸方向間隙uが小さいほど液面に作用する流体圧力を小さくできる。第2項は被密封流体に作用する遠心力で、軸方向間隙uを小さくすることで、間隙部Ncs内の被密封流体の周方向速度を高め、軸方向間隙u内の遠心力による圧力勾配を高めることができ、さらに間隙部Ncsの径方向幅を大きくすることで、被密封流体が高圧流体側から低圧流体側へ流れるときの圧力損失を大きくすることができる。第3項は被密封流体の液面端部に作用する表面張力Tと液面端部周長との積、すなわち液面端部に作用する表面張力を示す。そして、Frが負であれば、被密封流体には径方向外側(高圧流体側)へ向かう力が大きくなって、間隙部Ncsによって被密封流体をシールでき、Frが正であれば、間隙部Ncsによって被密封流体をシールすることができない。
Here, d is a liquid level position (diameter) of the sealed fluid in the gap Ncs, and θ is a contact angle between the sealed fluid and the surfaces of the
ここで、接触角θは、シール面Rs、Ssの状態によって変化し、シール面Rs、Ssが濡れにくい状態では、被密封流体と密封端面の接触面積が小さく、接触角θは大きくなる。逆に、濡れやすい状態では、被密封流体と密封端面の接触面積が大きく、接触角θは小さくなる。たとえば、図6(b)に示すように撥水部Hrと撥水部Hsとの間に間隙部Ncsが形成される場合には、撥水部Hr、Hsの表面との被密封流体との接触角θ1は90°より大きくなり表面張力Tの径方向分力は高圧流体側へ向かって作用するので、被密封流体の漏れを抑制する方向に働く。逆に、図6(c)に示すように撥水部を有しない壁面の間に間隙部Ncsが形成される場合には、壁面と被密封流体との接触角θ2は90°より小さくなり表面張力Tの径方向分力は低圧流体側へ向かって作用するので、被密封流体の漏れを促進する方向に働く。(式1)において遠心力Fcは漏れを制限する方向に作用するので、安全サイドにFcを零として、間隙部Ncsの表面張力Tのみによって被密封流体をシールするための条件は(式2)となる。 Here, the contact angle θ varies depending on the state of the seal surfaces Rs and Ss. When the seal surfaces Rs and Ss are difficult to wet, the contact area between the sealed fluid and the sealed end surface is small, and the contact angle θ is large. On the contrary, in the state which is easy to get wet, the contact area between the sealed fluid and the sealed end surface is large, and the contact angle θ is small. For example, when the gap Ncs is formed between the water repellent part Hr and the water repellent part Hs as shown in FIG. 6B, the surface of the water repellent parts Hr and Hs is sealed with the fluid to be sealed. The contact angle θ1 is larger than 90 °, and the radial component of the surface tension T acts toward the high-pressure fluid side, so that it acts in a direction to suppress leakage of the sealed fluid. Conversely, when the gap Ncs is formed between the wall surfaces not having the water repellent portion as shown in FIG. 6C, the contact angle θ2 between the wall surface and the fluid to be sealed becomes smaller than 90 ° and the surface Since the radial component of the tension T acts toward the low-pressure fluid side, it acts in a direction that promotes leakage of the sealed fluid. In (Formula 1), the centrifugal force Fc acts in a direction to limit leakage. Therefore, the condition for sealing the sealed fluid only by the surface tension T of the gap Ncs with Fc being zero on the safe side is (Formula 2). It becomes.
Fr=Pπdu+2Tπdcosθ<0 (式2) Fr = Pπdu + 2Tπdcos θ <0 (Formula 2)
(式2)において、P、d、u、Tは常に正の値であるから、(式2)が成立するためには、接触角はθ>90°であることが必要がある。すなわち、間隙部Ncsによって被密封流体をシールするためには、接触角90°<θ<180°(−1≦cosθ<0)にする必要があり、このときの軸方向間隙uは少なくとも(式3)の範囲に設定する必要がある。 In (Expression 2), P, d, u, and T are always positive values. Therefore, in order to satisfy (Expression 2), the contact angle needs to be θ> 90 °. That is, in order to seal the fluid to be sealed by the gap Ncs, the contact angle needs to be 90 ° <θ <180 ° (−1 ≦ cos θ <0), and the axial gap u at this time is at least (formula It is necessary to set in the range of 3).
u<kT/P (0<k≦2) (式3)
ただし、uは、間隙部Ncsの軸方向の間隙(μm)、Pは被密封流体の圧力(MPa)、Tは間隙部Ncsと被密封流体との表面張力(N/m)である。なお、(式3)は遠心力によるシール効果を無視しているので、(式3)により決定されるは間隙部Ncsの軸方向の間隙uは最小値を示す。
u <kT / P (0 <k ≦ 2) (Formula 3)
However, u is the gap (μm) in the axial direction of the gap Ncs, P is the pressure (MPa) of the sealed fluid, and T is the surface tension (N / m) between the gap Ncs and the sealed fluid. Since (Equation 3) ignores the sealing effect due to the centrifugal force, the axial gap u of the gap Ncs determined by (Equation 3) shows a minimum value.
(式3)において、kの値は接触角θに応じて決定されるが、メイティングリング11とシールリング21との間の間隙部Ncsの軸方向間隙uは、停止中に設定されるものであり、運転中の軸方向間隙uは停止中よりも大きくなる可能性がある。そこで、運転中の軸方向間隙uの変動を考慮して、接触角θに応じてkの値を決定せずに、単に0<k<2の範囲で決定して、間隙部Ncsの軸方向間隙uの大きさを調整して被密封流体をシールするようにしてもよい。
In (Equation 3), the value of k is determined according to the contact angle θ, but the axial gap u of the gap Ncs between the
間隙部Ncsの軸方向間隙uが、少なくとも(式3)を満たす最小間隙に決定されていれば、間隙部Ncsによって被密封流体をシールすることができる。ただし、(式3)により決定される最小間隙uは微小な間隙であるため、実際にメイティングリング11とシールリング21との間の軸方向間隙uを式3により決定された間隙uに設定するのは困難である。そこで、図5に示すメイティングリング11の撥水部Hrとシールリング21の撥水部Hsとの間の軸方向間隙uを漸次狭くすることによって、(式3)を満たす微小隙間を容易に形成することができるので、メイティングリング11の撥水部Hrとシールリング21の撥水部Hsとの間の間隙部Ncsを非接触シールとして機能させることができる。
If the axial gap u of the gap Ncs is determined to be at least the minimum gap satisfying (Equation 3), the sealed fluid can be sealed by the gap Ncs. However, since the minimum gap u determined by (Equation 3) is a minute gap, the axial gap u between the
(式3)は、間隙部Ncsの表面張力Tのみによって被密封流体をシールするための条件であった。しかし、間隙部Ncsの軸方向間隙uの大きさを調整する代わりに、間隙部Ncsの外径と内径の大きさを調整することによって、間隙部Ncsの旋回流れによる遠心力のみによって、被密封流体をシールすることもできる。 (Formula 3) was a condition for sealing the sealed fluid only by the surface tension T of the gap Ncs. However, instead of adjusting the size of the axial gap u of the gap Ncs, by adjusting the outer diameter and the inner diameter of the gap Ncs, only the centrifugal force due to the swirling flow of the gap Ncs can be used for sealing. The fluid can also be sealed.
間隙部Ncs内の流体は、メイティングリング11の回転の影響で旋回流れとなっている。メイティングリング11は周速Vsで回転し、シールリング21は静止しているから、間隙部Ncsにおける被密封流体の旋回速度Vfは、メイティングリング11の回転速度Vs=rω(rは半径、ωはメイティングリング11の回転角速度)とシールリング21の速度=0の間の速度となる。よって、間隙部Ncsにおける被密封流体の旋回速度はVf=nrω(0<n<1の係数)と表すことができる。また、間隙部Ncs内で旋回速度Vfで旋回する流れにおいて、旋回速度Vfに基づく遠心力と半径方向の圧力勾配は釣り合うので、以下の式が成立する。
The fluid in the gap Ncs is swirling due to the rotation of the
dp/dr=ρVf2/r=n2ρrω2 (式4)
ρは被密封流体の密度であり、(式4)を間隙部Ncsの内半径r1(密封端面Sの外半径)から外半径r2に亘って積分すると、式5となる。
dp / dr = ρVf 2 / r = n 2 ρrω 2 (Formula 4)
ρ is the density of the fluid to be sealed. When (Equation 4) is integrated from the inner radius r1 (outer radius of the sealed end surface S) of the gap Ncs to the outer radius r2, Equation 5 is obtained.
Pr2−Pr1=ρn2ω2(r22−r12)/2 (式5)
ここで、間隙部Ncs外半径r2においてPr2=P(被密封流体の圧力)となり、間隙部の内半径r1においてPr1=0、すなわち大気圧となるように、間隙部Ncsの内半径r1(密封端面Sの外半径)と外半径r2を決定すれば、間隙部Ncsを非接触シールとして機能させることができる。通常、間隙部Ncsの内半径r1(密封端面Sの外半径)は設計条件から決定されるので、間隙部Ncsの外半径r2を(式6)にて決定することができる。
Pr2-Pr1 = ρn 2 ω 2 (r2 2 −r1 2 ) / 2 (Formula 5)
Here, the inner radius r1 (sealed) of the gap Ncs is such that Pr2 = P (pressure of the sealed fluid) at the outer radius r2 of the gap Ncs and Pr1 = 0, that is, atmospheric pressure, at the inner radius r1 of the gap. If the outer radius of the end face S) and the outer radius r2 are determined, the gap portion Ncs can function as a non-contact seal. Usually, since the inner radius r1 of the gap Ncs (the outer radius of the sealed end surface S) is determined from the design conditions, the outer radius r2 of the gap Ncs can be determined by (Equation 6).
r22−r12=2P/ρn2ω2 (0<n<1) (式6)
ただし、r1は間隙部Ncsの内半径寸法(m)、r2は間隙部Ncsの外半径寸法(m)、Pは被密封流体圧力(Pa)、ρは被密封流体密度(kg/m3)、ωはメイティングリングの角速度である。なお、(式6)は間隙部Ncsの撥水部によるシール効果を無視しているので、(式6)により決定される外半径r2は最大値を示す。
r2 2 −r1 2 = 2P / ρn 2 ω 2 (0 <n <1) (Formula 6)
Where r1 is the inner radius dimension (m) of the gap Ncs, r2 is the outer radius dimension (m) of the gap Ncs, P is the sealed fluid pressure (Pa), and ρ is the sealed fluid density (kg / m 3 ). Ω is the angular velocity of the mating ring. Since (Equation 6) ignores the sealing effect of the water repellent portion of the gap Ncs, the outer radius r2 determined by (Equation 6) shows the maximum value.
以上より、メイティングリング11の撥水部Hrとシールリング21の撥水部Hsとの間の間隙部Ncsの径方向幅Lc=r2−r1を少なくとも式6を満たすように設定すれば、間隙部Ncsを非接触シールとして機能させることができる。この際、間隙部Ncsの軸方向間隙uの大きさによって、(式6)のnの値は決される。なお、間隙部Ncsを非接触シール部として機能させるために、(式3)により間隙部Ncsの軸方向間隙uの大きさを調整して、間隙部Ncsの径方向幅Lcを任意に決定してもよいし、式(6)により間隙部Ncsの径方向幅Lcを調整して、間隙部Ncsの軸方向間隙uの大きさを任意に調整もよいし、または間隙部Ncsの軸方向間隙uの大きさと径方向幅Lcの両方を調整してもよい。
From the above, if the radial width Lc = r2-r1 of the gap Ncs between the water repellent part Hr of the
本発明の効果は以下のとおりである。 The effects of the present invention are as follows.
メイティングリング11とシールリング21は、密封端面Sよりも高圧流体側に撥水処理された撥水部Hr、Hsを備えることによって、メイティングリング11とシールリング21の高圧側は、被密封流体に濡れにくくなるとともに被密封流体中に含まれる物質が付着しにくくなり、被密封流体中に含まれる物質の析出、堆積を防ぐことができ、高圧流体側から密封端面Sへの堆積物の流入による密封端面Sの傷付きを防ぐことができる。
The
密封端面Sよりも高圧流体側に間隙部Ncsを備え、該間隙部Ncsの軸方向間隙uは少なくとも(式3)0<u<kT/Pの範囲に設定されることによって、間隙部Ncsは非接触シールとして機能させることができる。これにより、密封端面間への被密封流体の進入を制限できるので、被密封流体中に含まれる物質によって密封端面Sが損傷することを防ぐことができる。 The gap portion Ncs is provided on the high-pressure fluid side of the sealed end surface S, and the axial gap u of the gap portion Ncs is set to at least the range of (Equation 3) 0 <u <kT / P. It can function as a non-contact seal. Thereby, since the approach of the sealed fluid between the sealed end surfaces can be restricted, it is possible to prevent the sealed end surface S from being damaged by the substance contained in the sealed fluid.
間隙部Ncsの内半径r1及び外半径r2は、(式6)r22−r12=2P/ρn2ω2により設定されることにより、間隙部Ncsは非接触シールとして機能させることができる。これにより、密封端面間への被密封流体の進入を制限できるので、被密封流体中に含まれる物質によって密封端面Sが損傷することを防ぐことができる。 The inner radius r1 and the outer radius r2 of the gap Ncs are set by (Expression 6) r2 2 −r1 2 = 2P / ρn 2 ω 2, so that the gap Ncs can function as a non-contact seal. Thereby, since the approach of the sealed fluid between the sealed end surfaces can be restricted, it is possible to prevent the sealed end surface S from being damaged by the substance contained in the sealed fluid.
撥水部Hs,Hrは、被密封流体との接触角が90°より大きく設定されるので、密封端面Sへの被密封流体の進入を制限でき、被密封流体中に含まれる物質が付着しにくくなり、傷つき、剥がれ等による撥水性の低下を防止できる。 Since the water repellent portions Hs and Hr have a contact angle with the sealed fluid larger than 90 °, the entry of the sealed fluid into the sealed end surface S can be restricted, and the substances contained in the sealed fluid adhere to it. It becomes difficult to prevent a decrease in water repellency due to scratches or peeling.
間隙部Nscの軸方向間隙uは、密封端面に向かって漸次狭くなるように形成されるので、回転環と固定環との間に微小な軸方向間隙を形成することができる。 Since the axial gap u of the gap Nsc is formed so as to become gradually narrower toward the sealed end face, a minute axial gap can be formed between the rotating ring and the fixed ring.
次に、図7を参照して、本発明の実施例2に係るメカニカルシールについて説明する。実施例2は、密封端面Sが、メイティングリング11とシールリング21との相対回転に動圧を発生する動圧発生機構を備える点で、実施例1と相違する。なお、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。
Next, with reference to FIG. 7, the mechanical seal which concerns on Example 2 of this invention is demonstrated. The second embodiment is different from the first embodiment in that the sealing end surface S includes a dynamic pressure generating mechanism that generates a dynamic pressure in the relative rotation between the
実施例2においては、メイティングリング11とシールリング21との相対移動により正圧(動圧)を発生する動圧発生機構として、スパイラルグルーブ58を密封端面Sに設けた場合を一例として説明する。
In the second embodiment, a case where the
図7に示すように、シールリング51の外周側には撥水部Hs(図7の薄墨部)が設けられる。シールリング51とメイティングリング11とが互いに相対回転する密封端面Sには、スパイラルグルーブ58が複数(本実施例では6)形成されている。スパイラルグルーブ58は、密封端面Sよりわずかに窪んだ底部58eを有し、メイティングリング11の回転方向の後方側に傾いたらせん状の溝で、低圧流体側に開放された内周側端部58aと、密封端面Sによって閉塞された一対のらせん壁58b、58d、密封端面Sによって閉塞された外周側端部壁58cから構成される。
As shown in FIG. 7, a water repellent portion Hs (light ink portion in FIG. 7) is provided on the outer peripheral side of the
図7に示すようにメイティングリング11が時計方向に回転すると、低圧流体側に開放された内周側端部58aより吸い込まれた低圧側流体(空気)は、一対のらせん壁58b、58d及び外周側端部壁58cによって閉塞されたスパイラルグルーブ58内で昇圧し、該昇圧された流体は、スパイラルグルーブ58内から密封端面Sへ供給され、メイティングリング11とシールリング51は流体潤滑を維持することができる。
As shown in FIG. 7, when the
間隙部Ncsが非接触シールとして機能すると、高圧流体側から密封端面Sへ被密封流体の流入が妨げられるので、密封端面Sにおける潤滑状態は境界潤滑状態となる。しかし、高圧流体側から密封端面Sへ被密封流体の流入が妨げられても、密封端面Sに設けた複数のスパイラルグルーブ58によって、低圧流体側から密封端面Sへ低圧側流体(空気)が供給されるので流体潤滑を維持することができ、鳴き等の異音の発生を防止することができる。しかも、高圧流体側から密封端面Sへ被密封流体の流入が妨げられるので、被密封流体中に含まれる物質が密封端面Sに析出、堆積することを防ぐことができ、延いては堆積物による密封端面Sの傷付きを防いで密封性を向上できる。
When the gap Ncs functions as a non-contact seal, the flow of the sealed fluid from the high-pressure fluid side to the sealed end surface S is hindered, so that the lubrication state at the sealed end surface S is a boundary lubrication state. However, even if the flow of the sealed fluid from the high-pressure fluid side to the sealed end surface S is hindered, the low-pressure fluid (air) is supplied from the low-pressure fluid side to the sealed end surface S by the plurality of
上記実施例において動圧発生機構をスパイラルグルーブ58により構成したが、レイリーステップ機構又はレイリーステップ機構と逆レイリーステップとの組合せから構成してもよいし、回転方向にグルーブの深さが徐々に浅くなるテーパ状底部壁を有する動圧発生グルーブからなる変形レイリーステップ機構としてもよい。
In the above embodiment, the dynamic pressure generating mechanism is configured by the
1 メカニカルシール
2 回転軸
3 ハウジング
10 回転側カートリッジ
11 メイティングリング(回転環)
11a 外径側端面
12 回転側スリーブ
13 カップガスケット
18 回転環
20 固定側カートリッジ
21 シールリング(固定環)
21a 外径側端面
22 固定側スリーブ
23 ベローズ
24 ケース
25 ドライビングバンド
26 スプリング
31 シールリング(固定環)
41 シールリング(固定環)
51 シールリング(固定環)
58 正圧発生機構
S 密封端面
Hr、Hs 撥水部
Ncs 間隙部
u 軸方向間隙
r1 間隙部Ncsの内半径
r2 間隙部Ncsの外半径
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Mechanical seal 2 Rotating shaft 3
11a Outer diameter side end face 12
21a Outer diameter side end face 22
41 Seal ring (fixed ring)
51 Seal ring (fixed ring)
58 Positive pressure generation mechanism S Sealed end face Hr, Hs Water repellent part Ncs Gap part u Axial gap r1 Inner radius r2 of gap part Ncs Outer radius of gap part Ncs
Claims (6)
前記回転環と前記固定環との対向端面である密封端面間を相対回転させつつ被密封流体をシールするように構成されたメカニカルシールであって、
前記回転環、前記固定環のうち少なくとも一方に前記密封端面間よりも高圧流体側に撥水処理された撥水部を備えることを特徴とするメカニカルシール。 A rotating ring fixed on the rotating shaft side, and a fixed ring disposed on the housing side so as to face the rotating ring,
A mechanical seal configured to seal a sealed fluid while relatively rotating between sealed end faces which are opposed end faces of the rotating ring and the fixed ring,
A mechanical seal characterized in that at least one of the rotating ring and the stationary ring is provided with a water-repellent part that is water-repellent on the high-pressure fluid side than between the sealed end faces.
ただし、uは、間隙部の軸方向間隙、Pは被密封流体の圧力、Tは前記撥水部と被密封流体との表面張力、kは0<k≦2の範囲の係数である。 2. The mechanical device according to claim 1, wherein a gap is provided on the high-pressure fluid side from between the sealed end faces, and the axial gap u of the gap is set in a range of at least 0 <u <kT / P. seal.
Where u is the axial gap of the gap, P is the pressure of the sealed fluid, T is the surface tension between the water repellent portion and the sealed fluid, and k is a coefficient in the range of 0 <k ≦ 2.
ただし、r1は前記間隙部の内半径寸法、r2は前記間隙部の外半径寸法、Pは被密封流体圧力、ρは被密封流体密度、ωは前記回転環の角速度、nは0<n<1の範囲の係数である。 The mechanical seal according to claim 2, wherein an inner radius and an outer radius of the gap portion are set by r2 2 −r1 2 = 2P / ρn 2 ω 2 .
Where r1 is the inner radius of the gap, r2 is the outer radius of the gap, P is the sealed fluid pressure, ρ is the sealed fluid density, ω is the angular velocity of the rotating ring, and n is 0 <n <. A coefficient in the range of 1.
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