JP4447339B2 - 分割型メカニカルシール - Google Patents

Description

この発明は、分割型メカニカルシールに関する。

ポンプや撹拌機に使用されるメカニカルシールは、消耗品であるシールリング等の摺動材を時々交換する必要がある。交換の際に摺動材を軸から外すためにポンプの分解や、軸受けの取り外し、また組込み時には芯出し作業等が必要になるため、多大な労力と時間、メンテナンスコストを要する。
このため、摺動材を２つ割りにした分割型のシールが使用されている。
しかし、摺動材を２つ割りにしたシールの場合、組込み後の摺動面の割面に段差が生じやすくなり、この段差により漏れが生ずる問題がある。
この段差をほぼゼロにするために、従来から種々の工夫がなされているが、その一例として、分割型のシールリングの外周に凸部を設けて、該凸部の前後にＯリングを介装し、これらをリングリテーナの中に納めて、アダプタリングで入口側を押さえることにより、前記Ｏリングによりシールリングの軸線方向の位置合わせを行って、シール面の段差を防止した技術が知られている。（特許文献１）
また他の従来技術として、例えば摺動材の外周両端に面取り部を設け、その面取り部に合成ゴム等のＯリングが当たるようにして、シールフランジ等の金属部品で挟み込むことによって、自然に割面が合うような工夫がされている例がある。外周両端に設けられた面取り部は更にＯリングを締め付けたときに摺動材の分割面を押しつける拘束力を生む作用をしている。

特許第３３５１５１５号

しかし、上記前者の構成の場合、軸線方向の位置合わせが弾性のあるＯリングによりを行われるため、ズレ等が生じやすく、シール面の段差を完全に解消できない問題がある。また、シールリングの凸部の端面における位置合わせであり、比較的小面積において位置合わせが行われるため、その精度に十分なものが期待できない。更に、軸線方向に押圧力を加えて締結していないため、同様に位置合わせの精度が不十分である、などの欠点があった。
また後者の構成の場合、Ｏリングの上に２つ割摺動材が乗り、その後にシ一ルフランジ等の押さえ板挟み込むことによりＯリングの上を摺動材のテーパー部が滑り降りるようにしてケーシング端面に当たろうとする。この時、Ｏリングにねじれ抵抗が生じたり、Ｏリングを挟み込んで隙間ができたり、Ｏリングの滑り抵抗や弾性によって摺動材が押し返されようとして、摺動材背面がケーシング端面に当たるのを邪魔する力が作用する。このため、摺動材背面がケーシング端面に全面均一で当たらず、摺動面に段差が生じ、漏れにつながってしまう。特にPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)やPPS(ポリフェニレンサルファイド)のような樹脂製やカーボン製の摺動材では、金属やセラミックスに比べて弾性率が小さいので、背面が均一に当たらないと摺動面にその歪みが現れ、漏洩の原因となる。また、シールフランジをかぶせるまでは２つ割摺動材を手でもって一つに保持しておく必要があり、組み作業が困難であった。
本発明は上記した従来の問題点を解決するためになされたもので、分割型シールでありながら摺動面に段差を生じにくく、シール性と組込み性の高い摺動材分割型メカニカルシールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の分割型メカニカルシールは、シール面を有する２つ割りのシールリングと、該シールリングの端部に外周側半径方向に径大に形成され、前記シール面と反対側の背端面において基準端面と当接する第１凸部と、該シールリングの外周に嵌装され、両端面が外周から中心方向に接近するように傾斜するテーパ端面であるテーパリングと、該テーパリングの更に外周側に装着され、前記基準端面に固定されるシールフランジと、該シールフランジの前記第１凸部と反対側の端部に内周側半径方向に突出するように設けられた第２凸部と、該第１凸部とテーパリングのテーパ端面との間に嵌装されたＯリングと、該第２凸部とテーパリングの他のテーパ端面との間に嵌装されたＯリングと、前記シールフランジを軸線方向に押し付けて、前記ＯリングとテーパリングとＯリングを軸線方向に押圧し、これらを介して更に前記第１凸部を軸線方向に押圧し、該第１凸部の背端面を基準端面に押し付け、該シールフランジを該基準端面に締結する手段と、を備えたことを特徴とする。
上記構成において、前記シールフランジを基準端面に固定する応力によって、前記２つ割シールリングの摺動面に段差を生じることなく、完全に強固に一体化することができる。これにより、組込み性、シール性が格段に向上する。即ち、締結する手段により２つ割りのシールリングの第１凸部の背端面は基準端面に押し付けられるため、軸線方向の位置合わせが行われ、該シールリングのシール面に段差が生じない。第１凸部は径大になっており、その背端面は面積が大きく、大面積により基準面との位置合わせが行われるから、精度が高く、シール面も高い精度で平滑性が維持される。
更に、締結する手段の締結によりＯリングはテーパ端面に沿って中心方向に押し込まれるため、２つ割りシールリングを半径方向に確実に拘束し、２つ割りの分割面のシール性も向上する。またＯリングとしてカットされたものを用いる場合にも、該カット面の突き合わせが密になり、シール性が確実になる。
また、２つ割りシールリングはテーパリングにより拘束されるため、シールフランジへの組み込みなどが容易である。
上記構成は非回転シールリングに採用しても良いし、回転シールリングに採用しても良い。また非回転シールリングと回転シールリングの両方を上記構成としても良い。非回転シールリングの場合、前記基準端面として、メカニカルシールが装着されるケーシングの端面とするのが望ましい。また回転シールリングの場合には、前記基準端面を設ける必要があり、例えば該回転シールリングの背端面側に回転リングを装着し、この回転リングの端面を基準端面とする構成などが採用可能である。

本発明の分割型メカニカルシールによれば、シールリングの分割面に生じる段差を最小限に抑制することができ、シール性能に悪影響を及ぼさない。また、テーパリングのテーパ端面によりＯリングが半径方向内周側に押し込まれるから、シールリングの半径方向の拘束力が増し、２つ割りの分割面のシール性が向上する。またカットされたＯリングを用いる場合でも、該カット面のシール性が向上する。更にシールリングに装着したテーパリングにより、シールリングがばらけることなく組み込めるため、組込が格段に容易になる等の効果がある。

以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１において、このメカニカルシールは２つ割りの摺動材である非回転シールリング１と、同様に摺動材である回転シールリング２を備えている。非回転シールリング１と回転シールリング２は軸Ｊの周囲に設けられており、非回転シールリング１は非回転、回転シールリング２は軸Ｊと共に回転する回転環になっている。

非回転シールリング１の外周側にはシールフランジ３が装着され、またその背端面１５がケーシング５０の端面５１に当接するように装着されるようになっている。該端面５１が軸線方向の基準面になっている。
なお図中Ａは大気(低圧)側、Ｂは被シール流体(高圧)側を示しているが、この大気側と高圧側は逆の配置になることもある。
なお、シールフランジ３も２つ割りとすることが可能である。

非回転シールリング１とシールフランジ３との間には、テーパリング４とＯリング５、５が介在している。
非回転シールリング１のケーシング５０側の背端部には径大の第１凸部１０が形成されている。また、シールフランジ３のケーシング５０と反対側の端部には内周方向に突出する第２凸部３０が形成され、該第１凸部１０と第２凸部３０の間に前記テーパリング４とＯリング５、５が介装されている。
Ｏリング５、５は、一カ所カットされており、機器を分解することなく装着可能となっている。

テーパリング４は図２に示すように両側の端面がテーパ端面４０、４０になっている。テーパ端面４０は図示するように外周から中心に向かって互いに接近するように傾斜するテーパ面になっている。

シールフランジ３は図１に示すようにボルト３１により軸線方向に締め付けられて、ケーシング５０に締結されるようになっている。このボルト３１により締結することにより、シールフランジ３が非回転シールリング１をケーシング５０に押し付けるように構成されている。この締結により、非回転シールリング１の背端面１５はケーシング５０の端面５１に押し付けられ、２つ割りの非回転シールリング１は軸線方向に規制され、そのシール面に段差が生ずることなく、シール面の平滑性が維持されるようになっている。
なお非回転シールリング１とケーシング５０の間はＯリング１１によりシールされる。

なお、回転シールリング２はバックメタル２５に嵌装され、軸Ｊに固定されたコンプレッションリング２０に設けられたピン２１により回転方向に係止され軸Ｊと共に回転し、スプリング２２により非回転シールリング１方向に押圧されて、非回転シールリング１との間でシール面Ｓを形成するようになっている。

以上の構成において、２つ割りの非回転シールリング１を軸Ｊ上に装着し、その外周にＯリング５、５とテーパリング４を装着する。テーパリング４の装着により、非回転シールリング１はリング形状を保つため、作業が容易である。
Ｏリング５、５は、接着剤などによりカット面を接続する。このＯリング５、５は、それぞれ十分な締め代を設けてある上、装着時にはカット面を上記のように接着すれば確実なシール性を確保できる。

Ｏリング５とテーパリング４の装着が終わったら、その上からシールフランジ３を装着し、ボルト３１によりシールフランジ３を軸線方向に、即ちケーシング５０の端面５１側に締め付けていく。
これによりＯリング５、５は圧縮され、テーパリング４のテーパ端面４０によって非回転シールリング１の分割面を密着させようとする応力が生じ、非回転シールリング１の分割面は一体化し、確実にシールされる。またカット面を接着しない場合でも、Ｏリング５がテーパリング４のテーパ端面４０の隙間の狭い内周側へ押し込まれていくので、カット面の突き合わせが密になり、シール性が確実となる。
同時に非回転シールリング１の背端面１５はケーシング５０の端面５１に平坦に圧接されるため、非回転シールリング１のシール面Ｓの分割部には段差が生じず、シール面の平滑性を維持でき、確実なシール面を維持することができる。背端面１５は第１凸部１０により面積が広くなっており、非回転シールリング１は、この広い面積により軸線方向の位置が規制されるから、シール面Ｓの平滑性は高精度で維持できる。

図３に他の実施形態を示す。
この例では、非回転シールリング１に加えて回転シールリング２も２つ割にしている。
回転シールリング２側にも非回転シールリング１側と同様の構造を適用することによって、非回転シールリング１と回転シールリング２が摩耗や損傷した場合でも、機器を分解することなく、非回転シールリング１と回転シールリング２を交換することができる。

回転シールリング２の外周側に押えリング６を装着し、その間にテーパリング４’とＯリング５’、５’を装着してある。
押えリング６には第２凸部６０が設けられ、回転シールリング２には第１凸部２３が設けられて、この第１凸部２３と第２凸部６０の間にテーパリング４’とＯリング５’、５’が設けられている。
該押えリング６も２つ割りとすることが可能である。

回転シールリング２の背端面２６側にはリテーナ７が装着され、該リテーナ７の基準端面である端面７１に該背端面２６が当接するようになっている。リテーナ７は押えリング６にボルト７０により締結されるように構成されている。このボルト７０を締め付けることにより、非回転シールリング１の場合と同様に回転シールリング２の背端面２６は端面７１に押し付けられて当接し、軸線方向に規制され、シール面の平滑性が維持される。また同時に２つ割りの分割面が確実にシールされる。
なお、リテーナ７はコンプレッションリング２０に装着されたピン２１’に係止され、またスプリング２２により非回転シールリング１方向に押圧されている。

一般には、摺動面幅の広い側、図３の場合、回転シールリング２にアルミナや炭化ケイ素等の硬質材料を用い、相手側、図３の場合は非回転シールリング１に充填剤入りＰＴＦＥやカーボン等の軟質の摺動材料を用いることが多く、硬質材料側は摩耗が少ないので軟質側のみの交換で済む場合が多い。しかし、繰り返し長期に使用していると、硬質材料といえども摺動痕が付いてシール性が低下することがある。このような時に軸受けを外したり、機器全体を分解することなく硬質材料である回転シールリング２側も簡単に交換できることは、メンテナンスの迅速化とメンテナンスコストの削減に大きく貢献する。

図４は、図３の実施形態に更に機内側と連通する孔であるバランスホール８を設けた実施形態である。
分割型シールの場合、機内側の圧力が高くなると、分割内周面にシールリングの分割面を開かせようとする力が大きくなるため、分割面からの漏洩が発生する場合がある。漏洩が発生するか否かは、Ｏリング５の締め付け力と機内圧による開口力との差によって決まる。前者が大きい場合には漏洩しないが、後者が前者を上回るようになると、その差の大きさに比例して漏洩量が増えることになる。バランスホール８を設けると、機内側Ｂの流体がＯリング５と５の間に入り込みテーパリング４の内周面積の分は機内側圧力と相殺される。これにより、分割シールリング１、２を開こうとする応力が削減され、より高い圧力領域まで高いシール性能を維持することができる。

以上説明した実施形態によれば、機器を分解することなくシールリングを交換することができ、かつ、広い圧力範囲において高いシール性能を実現することができる。またシールリングの交換が容易で、迅速で確実なメンテナンスを行うことができ、メンテナンス時間とコストの大幅な削減が可能となる。

本発明の一実施形態を示す半断面図。 本発明の一実施形態におけるテーパリング４の断面図。 本発明の他の実施形態を示す半断面図。 本発明の他の実施形態を示す半断面図。

符号の説明

１：非回転シールリング、２：回転シールリング、３：シールフランジ、４：テーパリング、５：Ｏリング、６：押えリング、７：リテーナ、８：バランスホール、１０：第１凸部、１１：Ｏリング、１５：背端面、２０：コンプレッションリング、２１：ピン、２２：スプリング、２３：第１凸部、２５：バックメタル、２６：背端面、３０：第２凸部、３１：ボルト、４０：テーパ端面、５０：ケーシング、５１：端面、６０：第２凸部、７０：ボルト、７１：端面。

Claims (4)

1. シール面を有する２つ割りのシールリングと、
   該シールリングの端部に外周側半径方向に径大に形成され、前記シール面と反対側の背端面において基準端面と当接する第１凸部と、
   該シールリングの外周に嵌装され、両端面が外周から中心方向に接近するように傾斜するテーパ端面であるテーパリングと、
   該テーパリングの更に外周側に装着され、前記基準端面に固定されるシールフランジと、
   該シールフランジの前記第１凸部と反対側の端部に内周側半径方向に突出するように設けられた第２凸部と、
   該第１凸部とテーパリングのテーパ端面との間に嵌装されたＯリングと、
   該第２凸部とテーパリングの他のテーパ端面との間に嵌装されたＯリングと、
   前記シールフランジを軸線方向に押し付けて、前記ＯリングとテーパリングとＯリングを軸線方向に押圧し、これらを介して更に前記第１凸部を軸線方向に押圧し、該第１凸部の背端面を基準端面に押し付け、該シールフランジを該基準端面に締結する手段と、
   を備えたことを特徴とする分割型メカニカルシール。
2. 前記２つ割りのシールリングが非回転シールリングであり、
   前記基準端面がケーシングの端面である、
   請求項１に記載の分割型メカニカルシール。
3. 前記２つ割りのシールリングが回転シールリングであり、
   前記基準端面が該回転シールリングの背端面側に装着された回転リングの端面である、
   請求項１に記載の分割型メカニカルシール。
4. 前記２つ割りのシールリングが回転シールリングと非回転シールリングであり、
   該非回転シールリングにおける前記基準端面がケーシングの端面であり、
   該回転シールリングにおける前記基準端面が該回転シールリングの背端面側に装着された回転リングの端面である、
   請求項１に記載の分割型メカニカルシール。
   

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