JP2018138796A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】回転密封環の摺動面又は静止密封環の摺動面に微小高さ（深さ）の凹凸を施すことによってシール部の隙間制御を行えるように工夫し、より漏れが少なくかつ摩擦抵抗も少なくなるように改善されたメカニカルシールを提供する。【解決手段】回転軸３に外嵌されて一体回転する回転密封環１１と、ハウジング２に相対回転不能に支持される静止密封環１２と、回転密封環１１の摺動面１１Ａと静止密封環１２の摺動面１２Ａとを互いに回転軸３の軸心Ｐ方向に押付けてシール部Ｓを形成するための弾性機構１３と、摺動面１１Ａの表面に設けられた樹脂皮膜と摺動面１１Ａにおける樹脂皮膜の無い素面部分とでなる凹凸部１５と、を有して成るメカニカルシール。【選択図】図３

Description

本発明は、各種エンジンにおけるウォータポンプのシール手段として好適なメカニカルシールに関するものである。

メカニカルシールは、ポンプやコンプレッサーなどの回転機械の動力を伝える軸部分（シャフト）に設置されるパッキン部品の一種であり、自動車、船舶、ロケット、産業プラント用設備など、様々な場面で使用されている。メカニカルシールの役割は、機械で取り扱われる水や油などの流体が機械の外部（大気中・水中など）への漏れを防ぐことにあり、環境汚染の防止、機械の運転の効率化による省エネ、さらには機械の安全にも貢献している。

メカニカルシールは、軸側、機械のハウジング側にそれぞれ分離した輪（又は環）を設置して、それら輪どうしを軸心方向に押し付ける弾性機構により押し付けてシール部を形成する構造を有しており、軸の回転動力を損なわず、液体等の漏れも殆ど発生しないようにシールすることができる。このようなメカニカルシールとしては、特許文献１にて開示されたように、エンジンのウォータポンプに適用されたものが知られている。

メカニカルシールにおいて、シール部を形成する回転密封環及び静止密封環それぞれの摺動面は、流体を止める最も重要な部位であり、各摺動面どうしは極僅かな隙間を持って相対回転している。隙間が狭過ぎると摩擦が強くなって、軸の動きを妨げたりシールが壊れ易くなるといった悪影響が生じ、隙間が大き過ぎると流体を漏らす。

従って、流体を漏らさず、かつ、流体による潤滑を保つことにより、摺動トルクを低減し、機器の回転を阻害しないように、ミクロン単位の隙間制御が必要である。

特開２０１３−０５３６９３号公報

本発明の目的は、鋭意研究により、回転密封環の摺動面又は静止密封環の摺動面に微小高さ（深さ）の凹凸を施すことによってシール部の隙間制御を行えるように工夫し、より漏れが少なくかつ摩擦抵抗も少なくなるように改善された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、メカニカルシールにおいて、
回転軸３に外嵌されて一体回転する回転密封環１１と、
ハウジング２に相対回転不能に支持される静止密封環１２と、
前記回転密封環１１の摺動面１１Ａと前記静止密封環１２の摺動面１２Ａとを互いに前記回転軸３の軸心Ｐ方向に押付けてシール部Ｓを形成するための弾性機構１３と、
前記摺動面１１Ａの表面に設けられた樹脂皮膜１４と前記摺動面１１Ａにおける前記樹脂皮膜１４の無い素面部分１１ａとでなる凹凸部１５と、
を有して成ることを特徴とする。

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、
前記凹凸部１５は、屈曲形の前記樹脂皮膜１４が周方向に間隔をおいて多数配置されることによるヘリングボーン形状のものに形成されていることを特徴とする。

請求項３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、
前記凹凸部１５は、前記摺動面１１Ａの表面に分散配置されている斑点状の樹脂皮膜１４と、隣り合う前記斑点状の樹脂皮膜１４，１４どうしの間の前記素面部分１１ａ及び前記隣り合う斑点状の樹脂皮膜１４，１４により形成される凹部２０よりなる網目状溝２１と、を備えて形成されていることを特徴とする。

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、
前記斑点状の樹脂皮膜１４は、前記軸心Ｐ方向視で六角形を為すものに形成されていることを特徴とする。

請求項５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、
前記斑点状の樹脂皮膜１４は、前記軸心Ｐ方向視で鼓形を為すものに形成されていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項４又は５に記載のメカニカルシールにおいて、
複数の前記斑点状の樹脂皮膜１４が、前記軸心Ｐの周方向に沿って配列されていることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載のメカニカルシールにおいて、
産業用エンジンのウォータポンプ１におけるシール手段６に適用されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、摺動面に僅かな深さ凹凸部（テクスチャリング）が形成されているので、漏れ量やフリクショントルクを含むシール性能のコントロールが可能である。加えて、回転側と静止側それぞれの摺動面の間であるシール部に、より冷却水が集まり易くなって動圧効果が高められるので、摩擦係数が下がってフリクションロスが減り、シール性も向上するようになる。
その結果、回転密封環又は静止密封環の摺動面に微小な凹凸を施すことでシール部の隙間制御が行えるようになり、より漏れが少なくかつ摩擦抵抗も少なくなるように改善されたメカニカルシールを提供することができる。

エンジンに採用されるウォータポンプの正面図 図１のウォータポンプの構造を示す縦断面図 ウォータポンプ用メカニカルシールの構造を示す断面図 回転密封環を示す正面図 回転密封環の摺動面の第１別構造を示す要部の正面図 回転密封環の摺動面の第２別構造を示す要部の正面図

以下に、本発明によるメカニカルシールの実施の形態を、産業用エンジンのウォータポンプに適用された場合について、図面を参照しながら説明する。

〔実施例１〕
図１、図２にトラクタや建機などに搭載されるエンジンのウォータポンプ１が示されている。ウォータポンプ１は、ポンプケースであるハウジング２、ハウジング２にベアリング装置４を介して回転可能に支持されているポンプ軸である回転軸３、回転軸３に取り付けられているインペラー５、ハウジング２と回転軸３とに跨って設けられているメカニカルシール６などを有して構成されている。

ハウジング２は、ハウジング２に一体形成されている冷却水の戻り管部２ａ、冷却水の出口パイプ７、ベアリング装置４を内嵌支持する軸受部２ｂ、メカニカルシール６を内嵌支持するシール支持部２ｃなどを備えている。回転軸３におけるハウジング２の外側には、受動プーリ又は受動ギヤが装備可能なフランジ８が取付けられ、内端には前述のインペラー５が取付けられている。ハウジング２の周囲部位には、複数のボルト挿通孔２ｄが形成されている。インペラー５は、複数の羽根部５ａ、羽根支持部５ｂ、筒ボス部５ｃなどを有している。

メカニカルシール６は、図２に示されるように、ハウジング２内におけるポンプ室側部分９とベアリング装置４側の被シール側部分１０とを密封して水漏れを防ぐシール手段６であり、回転軸３に外嵌され、かつ、ハウジング２に内嵌される状態で装備されている。

図２〜図４に示されるように、メカニカルシール６は、回転軸３に外嵌されて一体回転する回転密封環１１と、ハウジング２に相対回転不能に支持される静止密封環１２と、
回転密封環１１の摺動面１１Ａと静止密封環１２の摺動面１２Ａとを互いに回転軸３の軸心Ｐ方向に押付けてシール部Ｓを形成するための弾性機構１３と、回転密封環１１の摺動面１１Ａの表面に設けられた樹脂皮膜１４と摺動面１１Ａにおける樹脂皮膜１４の無い素面部分１１ａとでなる凹凸部１５と、を有して構成されている。

回転軸３には、板金製で環状の回転側リテーナ１６が外嵌支持されており、回転側リテーナ１６の一端の外フランジ部１６Ａの内側に、断面Ｌ形の保持リング１７を介して円環状の回転密封環１１が取付けられている。つまり、回転側リテーナ１６と、保持リング１７と、回転密封環１１との三者は、回転軸３と一体回転する構成とされている。

ハウジング２には、板金製で環状の静止側リテーナ１８が内嵌支持されている。静止側リテーナ１８、ハウジング２のシール支持部２ｃに内嵌されている外周部１８Ａ、静止密封環１２及び弾性機構１３を外嵌している内周部１８Ｂ、内周部１８Ｂの一端側（ベアリング装置４側）に形成されている中段周部１８Ｃ、及び外周部１８Ａと中段周部１８Ｃとを繋ぐ側周部１８Ｄとを有して構成されている。

静止密封環１２は、図３に示されるように、摺動部１２ａ、受け部１２ｂ、ボス部１２ｃなどを備えた円環状のものに形成されて、静止側リテーナ１８の内周部１８Ｂに軸心Ｐ方向に往復スライド可能に外嵌されている。摺動部１２ａの軸心Ｐ方向の先端面が摺動面１２Ａに形成されている。弾性機構１３は、コイルスプリングにより構成されており、ゴムなどの可撓性を有する材料製のパッキン１９を介して、静止側リテーナ１８の内周部１８Ｂに外嵌装備されている。

パッキン１９は、図３に示されるように、中段周部１８Ｃ及び静止密封環１２における中段周部１８Ｃと同径のボス部１２ｃに外嵌されている一対の大径端部１９ａ，１９ａ、内周部１８Ｂに外嵌される中間細径部１９ｂ、各大径端部１９ａと中間細径部１９ｂとを繋ぐ一対の蛇腹部１９ｃ、各大径端部１９ａの端に形成されているフランジ部１９ｄ，１９ｄを有している。

コイルスプリング１３は、各フランジ部１９ｄどうしを軸心Ｐ方向に互いに離反する方向に押圧付勢する状態で、各大径端部１９ａ，１９ａに遊外嵌されている。パッキン１９を介して側周部１８Ｄと受け部１２ｂとの間に装備されているコイルスプリング１３により、静止密封環１２が静止側リテーナ１８に対して回転密封環１１側に押圧付勢されている。

図３に示されるように、メカニカルシール６においては、回転密封環１１の摺動面１１Ａと静止密封環１２の摺動面１２Ａとが、回転軸３の回転に伴ってコイルスプリング１３により互いに押し付けられながら相対回転し、シール部Ｓが形成されている。このシール部Ｓにより、インペラー５を備えるポンプ室側部分９とベアリング装置４側の被シール側部分１０とがシールされている。

図４に示されるように、凹凸部１５は、略Ｖ字状に屈曲した形状の樹脂皮膜１４が周方向に間隔をおいて多数配置されることによるヘリングボーン形状のものに形成されている。即ち、樹脂皮膜１４は、湾曲した径内側部分１４Ａと、径外側部分１４Ｂと、これら両者１４Ａ，１４Ｂの連結箇所である尖り部１４Ｃとを備えてなり、摺動面１１Ａにおける樹脂皮膜１４の無い素面部分１１ａを隔てた周方向の均等角度ごとに多数形成されている。
樹脂皮膜１４の厚さの例（凹凸部１５の深さの例）は１００ｎｍ（０．１μｍ）であるが、５０ｎｍ〜１５０ｎｍなど、１００ｎｍ以外でもよい。

このように、テクスチャリングとしてヘリングボーン形状の樹脂皮膜１４を摺動面１１Ａに形成してあるので、メカニカルシール６の摺動面１１Ａ，１２Ａの間、即ちシール部Ｓ（図３参照）により冷却水が集まり易くなって動圧効果が高められ、摩擦係数が下がってフリクションロスが減り、シール性も向上するようになる。故に、摺動面１１Ａ，１２Ａに施されるテクスチャリングの工夫により、エンジン用ウォータポンプ１のシール性が向上し、エンジンの耐久性向上にも寄与できるメカニカルシール６が提供されている。

例えば、摺動面１１Ａ（１２Ａ）に、単に周方向に間隔を隔てて樹脂皮膜を設ける構造の凹凸部では、ターボ機種などのより高負荷エンジンではシール性能が不十分になり易いが、本発明の凹凸部１５では、上述のように動圧効果がよく効くので、高負荷エンジンであっても十分なシール性能を発揮させることが可能になる。

〔実施形態２〕
実施形態２によるメカニカルシール６（図３参照）は、実施形態１によるものと凹凸部１５が異なるのみである。即ち、図５に示されるように、凹凸部１５は、摺動面１１Ａの表面に分散配置されている斑点状の樹脂皮膜１４と、隣り合う斑点状の樹脂皮膜１４，１４どうしの間の素面部分１１ａ及び隣り合う斑点状の樹脂皮膜１４，１４により形成される凹部２０よりなる網目状溝２１と、を備えて形成されている。

そして、斑点状の樹脂皮膜１４は、軸心Ｐ方向視（図３を参照）で６つの辺１４ａを有する六角形（正六角形）を為すものに形成されている。亀甲形状を為す斑点状の樹脂皮膜１４が規則正しく摺動面１１Ａに配列されており、それによってハニカム状の網目状溝２１が形成されている。なお、図示は省略するが、周方向で隣り合う斑点状の樹脂皮膜１４が、軸心Ｐの放射線上に沿って、或いは周方向に沿って並ぶように配列されてなる凹凸部１５を有する摺動面１１Ａとしてもよい。

〔実施形態３〕
実施形態３によるメカニカルシール６（図３参照）は、実施形態１によるものと凹凸部１５が異なるのみである。即ち、図６に示されるように、凹凸部１５は、摺動面１１Ａの表面に分散配置されている斑点状の樹脂皮膜１４と、隣り合う斑点状の樹脂皮膜１４，１４どうしの間の素面部分１１ａ及び隣り合う斑点状の樹脂皮膜１４，１４により形成される凹部２２よりなる網目状溝２３と、を備えて形成されている。

そして、斑点状の樹脂皮膜１４は、軸心Ｐ方向視（図３を参照）で鼓形を為すものに形成されており、その鼓形の樹脂皮膜１４が多数（複数の一例）前記軸心Ｐの周方向に沿って配列されている。さらに、周方向で隣り合う鼓形の樹脂皮膜１４どうしは、軸心Ｐを中心とする径方向に互い違いに（半ピッチ分）ずらされた状態で形成されている。

鼓形の樹脂皮膜１４は、一対の長辺１４ｂと４箇所の短辺１４ｃとを有しており、図６においては、長辺１４ｂが周方向に向く状態で、方向や間隔を統一して規則正しく摺動面１１Ａに配列されている。長辺１４ｂは、軸心Ｐを中心とする円弧線でも直線でもよい。図示は省略するが、周方向で隣り合う鼓形の樹脂皮膜１４が、その長辺１４ｂが軸心Ｐの放射線上に沿って、或いは互いに同じ方向に揃えられて並ぶように配列されてなる凹凸部１５を有する摺動面１１Ａとしてもよい。

〔別実施例〕
凹凸部１５が、静止密封環１２の摺動面１２Ａに形成されているメカニカルシール６でも良い。

１ ウォータポンプ
２ ハウジング
３ 回転軸
６ シール手段
１１ 回転密封環
１１Ａ 摺動面
１１ａ 素面部分
１２ 静止密封環
１２Ａ 摺動面
１３ 弾性機構
１４ 樹脂皮膜、斑点状の樹脂皮膜
１５ 凹凸部
２０ 凹部
２１ 網目状溝
Ｐ 軸心
Ｓ シール部

Claims (7)

1. 回転軸に外嵌されて一体回転する回転密封環と、
   ハウジングに相対回転不能に支持される静止密封環と、
   前記回転密封環の摺動面と前記静止密封環の摺動面とを互いに前記回転軸の軸心方向に押付けてシール部を形成するための弾性機構と、
   前記摺動面の表面に設けられた樹脂皮膜と前記摺動面における前記樹脂皮膜の無い素面部分とでなる凹凸部と、
   を有して成るメカニカルシール。
2. 前記凹凸部は、屈曲形の前記樹脂皮膜が周方向に間隔をおいて多数配置されることによるヘリングボーン形状のものに形成されている請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記凹凸部は、前記摺動面の表面に分散配置されている斑点状の樹脂皮膜と、隣り合う前記斑点状の樹脂皮膜どうしの間の前記素面部分及び前記隣り合う斑点状の樹脂皮膜により形成される凹部よりなる網目状溝と、を備えて形成されている請求項１に記載のメカニカルシール。
4. 前記斑点状の樹脂皮膜は、前記軸心方向視で六角形を為すものに形成されている請求項３に記載のメカニカルシール。
5. 前記斑点状の樹脂皮膜は、前記軸心方向視で鼓形を為すものに形成されている請求項３に記載のメカニカルシール。
6. 複数の前記斑点状の樹脂皮膜が、前記軸心の周方向に沿って配列されている請求項４又は５に記載のメカニカルシール。
7. 産業用エンジンのウォータポンプにおけるシール手段に適用されている請求項１〜６の何れか一項に記載のメカニカルシール。

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