JP2024046849A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】摺動面間が離間することを防止できるメカニカルシールを提供する。【解決手段】ハウジング４とハウジング４に対して相対回転する回転軸１との間に配置され、ハウジング４側に固定される静止密封環１０と、回転軸１側に固定される回転密封環２０とが相対回転して被密封流体空間Ｓ１及び漏れ空間Ｓ２を区画するメカニカルシール１であって、一方の密封環１０の摺動面１１と軸方向で反対側に形成される背面空間Ｓ３と被密封流体空間Ｓ１とを連通する連通路８を備え、連通路８内における被密封流体空間Ｓ１から一方の密封環１０の背面空間Ｓ３への被密封流体Ｆの移動を許容し、背面空間Ｓ３から被密封流体空間Ｓ１への被密封流体Ｆの移動を規制する逆止弁３０が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば車両、産業機械等の回転機器に適用され、被密封流体空間及び漏れ空間を区画するメカニカルシールに関する。

メカニカルシールは、回転機器のハウジングと該ハウジングを貫通するように配置される回転軸との間に装着して使用され、被密封流体空間と漏れ側空間とを区画するものである。このようなメカニカルシールの一種として、相対回転する静止密封環と回転密封環との摺動面間にガスを導入し、被密封流体が機外に漏洩することを確実に防ぐものがある。

例えば特許文献１に示されるメカニカルシールは、ハウジングに取付けられた静止密封環の背面側に背面空間が形成されている。背面空間には、静止密封環を回転密封環側に付勢する付勢手段が配置されている。また、静止密封環には、ガスを摺動面に導くガス導入路が設けられているとともに、ハウジングには被密封流体を背面空間に導く連通路が設けられている。

この連通路を介して被密封流体を背面空間に導入して静止密封環を回転密封環側に押圧する力として利用できるため、付勢手段の付勢力を小さくできるようになっている。これによれば、付勢手段の付勢力が小さいため、圧力流体の停止時に摺動環同士が激しく衝突し、静止密封環および回転密封環が破損することを防止できるようになっている。

国際公開第９９／０２７２８１号（第２２頁、第６図）

特許文献１のようなメカニカルシールにあっては、回転機器側の使用状況によって被密封流体の圧力が急激に低下する場合がある。このような場合、背圧空間の圧力が低下し、静止密封環が回転密封環から離れる方向に移動し、摺動面間が離間することで、ガスによる密封機能が低下し、被密封流体の漏れ側空間への漏れが生じる虞があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、摺動面間が離間することを防止できるメカニカルシールを提供することを目的とする。

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、
ハウジングと前記ハウジングに対して相対回転する回転軸との間に配置され、前記ハウジング側に固定される静止密封環と、前記回転軸側に固定される回転密封環とが相対回転して被密封流体空間及び漏れ空間を区画するメカニカルシールであって、
前記一方の密封環の摺動面と軸方向で反対側に形成される背面空間と前記被密封流体空間とを連通する連通路を備え、
前記連通路内における前記被密封流体空間から前記背面空間への被密封流体の移動を許容し、前記背面空間から前記被密封流体空間への被密封流体の移動を規制する逆止弁が設けられている。
これによれば、逆止弁により背面空間から被密封流体空間への流体の移動が規制されていることから、被密封流体空間の相対的な負圧時において、背面空間が高圧な状態を維持することができ、摺動面間が離間することを防止できる。

前記一対の密封環の摺動面間に圧力流体を供給する圧力流体供給路を備えていてもよい。
これによれば、摺動面間に圧力流体を供給できるため、被密封流体空間の相対的な負圧時において、摺動面間が離間することにより被密封流体が機外に漏洩することを確実に防げる。

前記一方の密封環を前記他方の密封環に付勢する付勢手段を備えていてもよい。
これによれば、背面空間内の被密封流体の圧力に加えて付勢部材の付勢力も加わるため、被密封流体空間の相対的な負圧時において、摺動面間が離間することにより被密封流体が機外に漏洩することを確実に防げる。

前記逆止弁は、前記背面空間側に向かって突出するリップ部を有していてもよい。
これによれば、簡素な構造で被密封流体空間から背面空間への被密封流体の移動を許容し、背面空間から被密封流体空間への被密封流体の移動を規制することができる。

前記逆止弁の前記リップ部とは径方向で反対側の基部の前記被密封流体空間側には、前記逆止弁の移動を規制する前記基部側移動規制部が設けられていてもよい。
これによれば、背面空間内の圧力により逆止弁が被密封流体空間側に移動することを規制できるため、背面空間から被密封流体空間への被密封流体の移動をより抑制でき、かつ逆止弁の破損を抑制できる。

前記逆止弁の前記リップ部の前記被密封流体空間側には、前記逆止弁の移動を規制するリップ部側移動規制部が設けられていてもよい。
これによれば、背面空間内の被密封流体が被密封流体空間に漏れにくく、かつリップ部の捲れを防止できる。

前記一方の密封環は、前記静止密封環であり、前記連通路は、前記メカニカルシールのハウジングに設けられていてもよい。
これによれば、連通路を簡便に構成できる。

前記連通路の前記被密封流体空間側に前記逆止弁が配置されていてもよい。
これによれば、連通路を背面空間の一部として利用できるため、流体の貯留容積を確保できる。

本発明の実施例におけるメカニカルシールの非稼働時を示す縦断面図である。 メカニカルシール稼働時において機内空間の圧力が背面空間よりも高い状態を示す説明図である。 メカニカルシール稼働時において機内空間の圧力が背面空間よりも低い状態を示す説明図である。 本発明の実施例２におけるメカニカルシールを示す縦断面図である。

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以下に説明する。

実施例１に係るメカニカルシールにつき、図１から図３を参照して説明する。尚、本実施例においては、図１の紙面左側を正面側、紙面右側を背面側として説明する。

図１に示されるように、実施例におけるメカニカルシールは、機内空間Ｓ１と機外空間Ｓ２とを区画するものである。機内空間Ｓ１には、被密封流体Ｆが存在し、機外空間Ｓ２には大気Ａが存在している。

メカニカルシールは、他方の密封環としての回転密封環２０と、一方の密封環としての静止密封環１０と、ハウジング４と、圧力流体供給路としてのガス供給路６と、連通路８と、逆止弁３０と、から主に構成されている。尚、図１では、後述するシールガスＧがガス供給路６に供給されていない状態を示している。

回転密封環２０は円環状をなしている。回転密封環２０は、回転軸１に固定されたスリーブ２Ａと、スリーブ２Ａに固定される固定部材２Ｂと、により軸方向に挟持されることで回転軸１と共に回転可能となっている。回転密封環２０の摺動面２１は、平坦面となっている。

静止密封環１０は円環状をなし、ハウジング４に非回転状態かつ軸方向に移動可能な状態で設けられている。

静止密封環１０及び回転密封環２０は、代表的にはＳｉＣ（硬質材料）同士またはＳｉＣ（硬質材料）とカーボン（軟質材料）の組み合わせで形成されるが、これに限らず、摺動材料はメカニカルシール用摺動材料として使用されているものであれば適用可能である。尚、ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボン等を焼結助剤とした焼結体をはじめ、成分、組成の異なる２種類以上の相からなる材料、例えば、黒鉛粒子の分散したＳｉＣ、ＳｉＣとＳｉからなる反応焼結ＳｉＣ、ＳｉＣ－ＴｉＣ、ＳｉＣ－ＴｉＮ等があり、カーボンとしては、炭素質と黒鉛質の混合したカーボンをはじめ、樹脂成形カーボン、焼結カーボン等が利用できる。また、上記摺動材料以外では、金属材料、樹脂材料、表面改質材料（コーティング材料）、複合材料等も適用可能である。

ハウジング４は、第１ハウジング部材４１と第２ハウジング部材４２とから構成されている。第１ハウジング部材４１は筒状を成している。第２ハウジング部材４２は第１ハウジング部材４１よりも小径の筒状を成し、第１ハウジング部材４１の内径側に密封状に固定されている。第２ハウジング部材４２は、基部４２ａと、基部４２ａの内径端縁から軸方向正面側に延びる延設部４２ｂと、を備えている。

すなわち、第１ハウジング部材４１と、第２ハウジング部材４２の基部４２ａおよび延設部４２ｂとにより凹状の空間部が形成されている。この空間部に静止密封環１０が配置されている。

第２ハウジング部材４２の基部４２ａと静止密封環１０との間には、付勢手段としてのバネ７が取付けられている。バネ７によって静止密封環１０が回転密封環２０に向けて軸方向に付勢されるようになっている。尚、付勢手段はバネ７に限られず、ベローズや樹脂やゴムなどの弾性体等であってもよい。

静止密封環１０の摺動面１１には、回転密封環２０の摺動面２１に向けて開口する凹部１２が周方向に複数形成されている。尚、凹部１２は、摺動面１１に沿って環状に形成されていてもよい。

また、静止密封環１０には、各凹部１２と第１ハウジング部材４１に複数設けられたポート４１ａとを連通する貫通孔１３が複数形成されている。凹部１２と貫通孔１３により流路を形成している。尚、貫通孔１３は１つのポート４１ａから各凹部１２に分岐して延びていてもよい。

静止密封環１０の外周面には、貫通孔１３の外径側開口を軸方向に挟んで凹溝１４，１５が形成されており、各凹溝１４，１５にはＯリング１６，１７が嵌合されている。これにより、ポート４１ａと貫通孔１３とが密封状に連通している。このポート４１ａには、圧力流体としてのシールガスＧが外部から供給される（図２，図３参照）。

尚、静止密封環１０の外周面と第１ハウジング部材４１の内周面とＯリング１６，１７とで形成される環状空間に各貫通孔１３が連通していれば、ポート４１ａは１つであってもよい。

これら凹部１２、貫通孔１３、ポート４１ａは、ガス供給路６を構成している。

また、静止密封環１０の内周面と第２ハウジング部材４２の延設部４２ｂとの間には、Ｏリング１８が配置されている。これにより、静止密封環１０の背面側には環状の背面空間Ｓ３が形成されている。

第１ハウジング部材４１には、機内空間Ｓ１と背面空間Ｓ３とを連通する連通路８がポート４１ａとは周方向にずれて形成されている。この連通路８は、環状溝８１と貫通孔８２とから構成されている。

環状溝８１は、正面側に開口し、後述する環状凹溝４１ｂの背壁部４１ｅに沿って環状に設けられている。

貫通孔８２は、環状溝８１から背面空間Ｓ３に向かって延び背面空間Ｓ３に開口している。尚、貫通孔８２は、第１ハウジング部材４１に１つ設けられてもよいし、２つ以上設けられていてもよい。

逆止弁３０は、弁体としてのリップシール９と、弁座としての内壁部４１ｃと、ストッパ部材３２とから主に構成されている。

第１ハウジング部材４１における回転密封環２０の外径側には、正面側に開口する環状凹溝４１ｂが形成されている。この環状凹溝４１ｂには、リップシール９が配置されている。

リップシール９は、ゴムなどの弾性部材から環状に構成されており、円筒状の基部９１と、基部９１の正面側端部から背面側に傾いて内径側に環状に延びるリップ部９２と、を備えている。

リップ部９２は、環状凹溝４１ｂを構成する内壁部４１ｃに密封状に圧接されている。

リップシール９の正面側には、基部側移動規制部としてのストッパ部材３２が配置されている。詳しくは、第１ハウジング部材４１の内周面には、内径側に開口する環状の凹溝４１ｆが形成されている。この凹溝４１ｆには、正面視略Ｃ字状のストッパ部材３２が嵌合設置されている。

リップシール９の基部９１は、環状凹溝４１ｂを構成する外壁部４１ｄに圧接されているとともに、ストッパ部材３２と環状凹溝４１ｂを構成する背壁部４１ｅとで軸方向に挟持され、軸方向の移動が規制されている。

次に、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時における被密封流体Ｆの動きについて説明する。

図２，図３に示されるように、静止密封環１０と回転密封環２０との相対回転時には、シールガスＧがガス供給路６に外部から供給される。このシールガスＧは、被密封流体Ｆの圧力よりも高く設定されている。シールガスＧの圧力により摺動面１１，２１間が僅かに離間して摺動性が高められるとともに、機内空間Ｓ１の被密封流体Ｆが機外空間Ｓ２に漏れることを確実に防止できるようになっている。

また、図２に示されるように、機内空間Ｓ１における被密封流体Ｆの圧力が背面空間Ｓ３よりも相対的に高圧である場合には、矢印Ａに示されるように、機内空間Ｓ１における被密封流体Ｆの圧力により、リップシール９のリップ部９２が背面側に押圧され、リップ部９２と内壁部４１ｃとの間に隙間が生じる。

これにより、機内空間Ｓ１の被密封流体Ｆが連通路８を通じて背面空間Ｓ３に流入するため、背面空間Ｓ３内の圧力を高めることができる。背面空間Ｓ３内に流入した被密封流体Ｆの圧力は、静止密封環１０を回転密封環２０に向けて押圧する力として利用されるため、バネ７の付勢力を小さくすることができるようになっている。

機内空間Ｓ１と背面空間Ｓ３が略同圧となると、リップ部９２が内壁部４１ｃに圧接される。

図３に示されるように、機内空間Ｓ１における被密封流体Ｆの圧力が背面空間Ｓ３よりも相対的に低圧となった場合には、白抜き矢印Ｂに示されるように、背面空間Ｓ３における被密封流体Ｆの圧力により、リップシール９のリップ部９２が正面側に押圧される。これにより、リップ部９２の内径端が内壁部４１ｃに押し付けられ、リップ部９２と内壁部４１ｃとの間の密封性が向上する。

以上説明したように、リップシール９は、連通路８内における機内空間Ｓ１から背面空間Ｓ３への被密封流体Ｆの移動を許容し、背面空間Ｓ３から機内空間Ｓ１への被密封流体Ｆの移動を規制するようになっていることから、変動する機内空間Ｓ１の圧力における相対的な負圧時において、背面空間Ｓ３が高圧な状態を維持することができる。これにより、摺動面１１，２１間がシールガスＧの圧力により大きく離間することを防止でき、摺動面１１，２１間の密封性を維持することができる。

また、リップシール９は、基部９１から背面空間Ｓ３側に向かって突出するリップ部９２を有しており、リップ部９２は、弾性変形可能となっている。簡素な構造のリップシール９により、機内空間Ｓ１から背面空間Ｓ３への被密封流体Ｆの移動を許容し、背面空間Ｓ３から機内空間Ｓ１への被密封流体Ｆの移動を規制することができる。

また、リップシール９の基部９１の機内空間Ｓ１側には、リップシール９の移動を規制するストッパ部材３２が配置されている。これによれば、背面空間Ｓ３内の圧力によりリップシール９が機内空間Ｓ１側に移動することを規制できる。

また、連通路８は、メカニカルシールのハウジング４に設けられているため、連通路８を簡便に構成できる。また、連通路８を流れる被密封流体Ｆを制御するリップシール９の設置も簡便である。

また、連通路８の機内空間Ｓ１側にリップシール９が配置されている。これによれば、連通路８を背面空間Ｓ３の一部として利用できるため、被密封流体Ｆの貯留容積を確保でき、背面空間Ｓ３内の圧力が即座に低下することを防止できる。

また、回転密封環２０の外径側に逆止弁３０を配置しているため、メカニカルシールの軸方向寸法をコンパクトにできる。

また、回転密封環２０の外径側に内壁部４１ｃが設けられているため、逆止弁３０に回転密封環２０周りの回転流が直接流れ込みにくい。そのため、逆止弁３０は、純粋に被密封流体Ｆの圧力のみで開閉されるようになっている。

また、リップシール９のリップ部９２は内径に延び、リップ先端が基部９１よりも内径側に位置している。これによれば、リップ部９２は、ハウジング４の内周面に沿って軸方向に流れる被密封流体Ｆの力を受けにくい。そのため、逆止弁３０は、純粋に被密封流体Ｆの圧力のみで開閉されるようになっている。

また、正面に開口する環状凹溝４１ｂにリップシール９を配置しているため、組み立て時や分解時にリップシール９を軸方向移動させることができ、組み立てやメンテナンスを良好に行うことができる。

次に、実施例２に係るシール装置につき、図４を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図４に示されるように、実施例２のメカニカルシールは、第１ハウジング部材１４１の内壁部１４１ｃに外径側に突出する凸条部１４３が設けられている。この凸条部１４３は、リップシール９のリップ部９２に当接可能になっている。

これによれば、機内空間Ｓ１における被密封流体Ｆの圧力が背面空間Ｓ３よりも相対的に低圧となった場合には、リップシール９のリップ部９２が凸条部１４３に当接することで、背面空間Ｓ３内の被密封流体Ｆがリップ部９２と内壁部１４１ｃとの隙間から機内空間Ｓ１に逃げにくくなるとともに、リップ部９２の捲れが防止される。

尚、本実施例２では、リップ部側移動規制部としての凸条部１４３が環状に形成されている形態を例示したが、周方向に複数設けられる凸部をリップ部側移動規制部としてもよい。また、リップ部側移動規制部は、リップ部に沿って傾斜する傾斜面を有していてもよい。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、逆止弁として弁体にリップシール９を用いる形態を例示したが、これに限られず、逆止弁はポペット弁やスイング式等の形態であってもよい。

また、逆止弁は、背面空間Ｓ３から機内空間Ｓ１への被密封流体の流れを完全に規制するものでなく、一部許容されていてもよい。

また、前記実施例では、１つのストッパ部材３２によりリップシール９が正面側に移動することを規制する形態を例示したが、ストッパ部材がハウジングの周方向に複数設けられていてもよい。また、基部側移動規制部は、ハウジングと別体に限られず、例えばハウジングから突出する凸部であってもよい。

また、前記実施例では、連通路８が第１ハウジング部材４１に設けられる形態を例示したが、これに限られず、例えば、静止密封環１０に設けられていてもよい。この場合、逆止弁も静止密封環１０に設けられていればよい。

また、被密封流体Ｆは、気体、液体または気体と液体の混合状態のいずれであってもよい。また、大気Ａは、気体に限られず、液体または気体と液体の混合状態であってもよい。

また、前記実施例では、インサイド型のメカニカルシールを例に説明したがこれに限られず、アウトサイド型のメカニカルシールとしてもよい。

１ 回転軸
４ ハウジング
６ ガス供給路（圧力流体供給路）
７ バネ（付勢手段）
８ 連通路
９ リップシール
１０ 静止密封環（一方の密封環）
２０ 回転密封環（他方の密封環）
３０ 逆止弁
３２ ストッパ部材（基部側移動規制部）
４１ 第１ハウジング部材
４２ 第２ハウジング部材
９１ 基部
９２ リップ部
１４３ 凸条部（リップ側移動規制部）
Ａ 大気
Ｆ 被密封流体
Ｇ シールガス（圧力流体）
Ｓ１ 機内空間（被密封流体空間）
Ｓ２ 機外空間（漏れ空間）
Ｓ３ 背面空間

Claims (8)

1. ハウジングと前記ハウジングに対して相対回転する回転軸との間に配置され、前記ハウジング側に固定される静止密封環と、前記回転軸側に固定される回転密封環とが相対回転して被密封流体空間及び漏れ空間を区画するメカニカルシールであって、
   前記一方の密封環の摺動面と軸方向で反対側に形成される背面空間と前記被密封流体空間とを連通する連通路を備え、
   前記連通路内における前記被密封流体空間から前記背面空間への被密封流体の移動を許容し、前記背面空間から前記被密封流体空間への被密封流体の移動を規制する逆止弁が設けられているメカニカルシール。
2. 前記一対の密封環の摺動面間に圧力流体を供給する圧力流体供給路を備える請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記一方の密封環を前記他方の密封環に付勢する付勢手段を備える請求項１に記載に記載のメカニカルシール。
4. 前記逆止弁は、前記背面空間側に向かって突出するリップ部を有する請求項１に記載のメカニカルシール。
5. 前記逆止弁の前記リップ部とは径方向で反対側の基部の前記被密封流体空間側には、前記逆止弁の移動を規制する基部側移動規制部が設けられている請求項４に記載のメカニカルシール。
6. 前記逆止弁の前記リップ部の前記被密封流体空間側には、前記逆止弁の移動を規制するリップ部側移動規制部が設けられている請求項４に記載のメカニカルシール。
7. 前記一方の密封環は、前記静止密封環であり、前記連通路は、前記メカニカルシールのハウジングに設けられている請求項１に記載のメカニカルシール。
8. 前記連通路の前記被密封流体空間側に前記逆止弁が配置されている請求項１に記載のメカニカルシール。

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