JP5039551B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、高い圧力又は変動する圧力の被密封流体を密封できるようにすると共に、密封環の取付状態を強固に保持して摺動シール面のシール能力を発揮させることのできるメカニカルシール装置に関する。また、密封環の摺動時の発熱によって摺動シール面が不具合になるのを防止したメカニカルシール装置に関する。

近年、変動圧力や高圧の被密封流体を使用する機械装置が多くなるにつれて、そのメカニカルシール装置における被密封流体の漏れ量の対策が求められている。そして、メカニカルシール装置の取付の構造に起因する被密封流体の漏れが問題となっている。そのうちでも、一対の組み合わせの密封環からの被密封流体の漏れは、一方の密封環をシールハウジングに取付けたときに、この取付面間をシールするガスケットの取り付け構造に起因する。特に、高圧力や変動圧力の被密封流体の圧力を受けたときに、ゴム状弾性材製のガスケットに保持された密封環におけるシール面が複雑な変位を生じることがある。例えば、シールハウジングとシールハウジングに取り付ける一方の密封環との間をシールするために、その部品間に取り付けられるゴム材製の断面Ｌ形のガスケットが、一対に対向するうちの他方の密封環により強く押圧されたり、或いは被密封流体の高圧力により押圧されたりすると、一方の密封環とともに、軸方向へ弾性変形する構成になっている。この技術に関する先行技術は、例えば、下記の特許文献１に記載されている。そして、一対の密封環の互いのシール面間は、一対の密封環に作用する外力によって押圧方向に微妙な相対変位をする。その結果、このシール面間の微妙な変位によりシール面間から被密封流体が漏洩する問題が存する。

更に、シールハウジングに取り付けられた密封環とシールハウジングとの間が全面にわたり断面がＬ形のガスケットによって覆われているので、密封環の摺動時の発熱がシールハウジングに伝熱することが困難になる。このために、摺動時の発熱が密封環に蓄積して密封環に熱応力が発生する恐れがある。この熱応力は密封環のシール面に亀裂を惹起し、或いはシール面を変形させる原因となる。さらに、密封環とシールハウジングとの間をシールするガスケットが、密封環に発生する摺動発熱により、へたって密封環を支持することが困難になるとともに、ガスケットの接合間から被密封流体が漏洩し、シール能力を低下させる原因となる。

図１１は、工業用ポンプの軸封装置としてのメカニカルシール装置１００である。このメカニカルシール装置１００は、下記の特許文献１の図３と同様に構成されているが、ガスケット１１０については構成を異にする。また、図１１の右側の省略した部分は、特許文献１の図３のそれと同様に構成されている。そして、図１１のメカニカルシール装置１００は、軸に装着した状態で軸方向へ断面にした片側の部分断面図である。このメカニカルシール装置１００は、固定用シール部１００Ａと回転用シール装置１００Ｂとを組み合わせた構成である。このうち固定用シール部１００Ａは、シールハウジング１６０の貫通孔と、この貫通孔に挿設する回転軸１５０との間に設けられて回転用シール装置１００Ｂと協働して機内の被密封流体が機外Ａへ漏洩するのを防止する。

この固定用シール部１００Ａの固定用密封環１０２は、シールハウジング１６０との間に取り付けられたガスケット１１０を介在させて嵌着されている。このガスケット１１０は、シールハウジング１６０と固定用密封環１０２との間に取り付けられて両部品の嵌合面をシールしている。そして、ガスケット１１０は、補強環１１１の内周に第１ゴム層１１０Ｃが接着されている。また、補強環１１１の外周には第２ゴム層１１０Ｄが接着されている。また、補強環１１１の機内側の一端部は、薄いゴム層に被覆されて押込端部１１０Ａを形成している。また、第１ゴム層１１０Ｃおよび第２ゴム層１１０Ｄの両他端部も、金属端部１１１Ａとほぼ同一面のゴム端部１１０Ｂに形成されている。

そして、ガスケット１１０の軸方向長さは、固定用密封環１０２の軸方向とほぼ同一寸法に形成されている。このガスケット１１０の内周面と固定用密封環１０２の外周面とを嵌着するとともに、ガスケット１１０の外周面１１０Ｄ１とシールハウジング１６０の嵌合面１６０Ｃとを嵌着している。このガスケット１１０の挿入時にゴム端部１１０Ｂと固定用密封環１０２の背面１０２Ｂとをほぼ同一面にしてシールハウジング１６０の支持面１６０Ａに当接する。そして、固定用密封環１０２の背面１０２Ｂと反対の端面には、固定用シール面１０２Ａが設けられている。

一方、固定用シール部１００Ａと対向する回転用シール装置１００Ｂは、下記の特許文献１の図面に示すものとほぼ同様である。つまり、回転用密封環１２０と、この回転用密封環１２０と回転軸１５０との間をシールする図示省略のベローズと、回転用密封環１２０を弾発に押圧する図示省略のコイルスプリングから構成されている。

このメカニカルシール装置１００は、前述したように、固定用密封環１０２の固定用シール面１０２Ａと回転用密封環１２０の回転用シール面１２０Ａとが密接して被密封流体が機外Ａへ漏洩しないように遮断する。更に、ガスケット１１０によりシールハウジング１６０と固定用密封環１０２との間隙をシールして被密封流体がこの間隙から機外Ａへ漏洩しないように遮断する。そして、固定用シール面１０２Ａと回転用シール面１２０Ａとは、互いに両シール面１０２Ａ、１２０Ａが密接して摺動すると、各シール面１０２Ａ，１２０Ａは摺動するにつれて発熱をする。特に、被密封流体に不純物が含まれるような場合、又は被密封流体が化学液のような場合には、シール面は不純物を含む被密封流体の介在により発熱する。

このように構成されたメカニカルシール装置１００は、図１２および図１３に示すようにして固定用密封環１０２をシールハウジング１６０の嵌合面１６０Ｃに装着する。図１２と図１３は、シールハウジング１６０の嵌合面１６０Ｃに固定用密封環１０２とガスケット１１０とを一体にして挿入する行程の状態図である。この図１２と図１３において、図１１と同一符号の部品は、同一構成として説明したので、部品の説明は省略する。そして、一体にした固定用密封環１０２とガスケット１１０とをシールハウジング１６０の嵌合面１６０Ｃに嵌着するとき、嵌合面１６０Ｃにガスケット１１０の押込端面１１０ＡをＰの力で押圧してガスケット１１０と共に固定用密封環１０２を装着する。このとき、ガスケット１１０の外周側の第２ゴム層１１０Ｄは、挿入されるときの嵌合面１６０Ｃとの摩擦力によって剪断ひずみが生じる。そして、第２ゴム層１１０Ｄの断面が挿入方向へ平行四辺形のように弾性変形する。しかし、補強環１１１の金属端部１１１Ａは支持面１６０Ａに当接するから、ガスケット１１０は、それ以上に前進しない。この状態で、Ｐの外力を除くと、第２ゴム層１１０ＤはＦの力で正四辺形に復元しようとするから、そのスプリングバックにより図１１又は図１３に示すように支持面１６０Ａに対して背面１０２Ｂとゴム端部１１０Ｂとに間隙が生じる。この間隙は、組み立てている作業者から見えない内部に生じるために、その後も機外Ａ側からは判別することが困難になる。

図１１又は図１３に示す固定用密封環１０２の取り付け状態で、固定用密封環１０２の固定用シール面１０２Ａと回転用密封環１２０の回転用シール面１２０Ａとが密接しても、背面１０２Ｂと支持面１６０Ａとの間に僅かでも間隙が存在すると、ばねまたは被密封流体の圧力により回転用密封環１２０を介して押圧されている固定用密封環１０２は、圧力の大きさに応じて固定用シール面１０２Ａがランダムに変動することになる。このために、メカニカルシール装置１００の固定用シール面１０２Ａと回転用シール面１２０Ａとが密接しない場合もあるので、シール能力が低下する。

また、背面１０２Ｂと支持面１６０Ａとの間に間隙が発生すると、固定用密封環１０２の固定用シール面１０２Ａ側に生じる摺動発熱は、シールハウジング１６０の支持面１６０Ａ側への伝熱が少なくなるから、固定用密封環１０２Ａにますます熱が蓄積することになる。その結果、固定用密封環１０２の固定用シール面１０２Ａは、熱応力により変形し、回転用シール面１２０Ａと密接してシールすることが困難になる。さらに、蓄積した熱が固定用密封環１０２からガスケット１１０へ伝熱するから、ゴム材製のガスケット１１０は、熱によりへたってシールハウジング１６０と固定用密封環１０２との間をシールするシール能力が低下する恐れが生じる。

実開平５−１０７５号公報（この公報の図３を参照）

本発明は、上述のような問題点に鑑み成されたものである。その技術的課題は、メカニカルシール装置の密封環のシール面が不規則に変位してシール能力が低下するのを防止することにある。また、密封環を密封に取り付けるパッキングが密封環からの摺動熱によりへたってシール能力が低下するのを防止することにある。さらに、固定用密封環のシール面に摺動熱に伴う変形や、亀裂等の不具合が発生するのを防止することにある。

本発明は、上述のような技術的課題を解決するために成されたものである。そして、この本発明の技術的解決手段は以下のように構成されている。

本発明に係わるメカニカルシール装置は、軸を挿設するシールハウジングの孔に設けられた嵌合周面と、嵌合周面に対して段を成す支持面とに形成された段付穴に取り付けられるメカニカルシール装置であって、嵌合周面に嵌着する接合面と接合面の内周側に設けた接着面とを有すると共に、嵌合周面へ挿入する挿入先端に挿入先端部を有するゴム状弾性材製の環状のパッキング及びパッキングの接着面と結合する嵌着面と、支持面に密接する背面と、背面の反対側のシール面とを有する固定用密封環を具備し、背面を支持面に接合した位置で挿入先端部と支持面側の対向面との間に空間部を有し、空間部内にパッキングを押し込んでパッキングの弾性力により背面を支持面と密着させているものである。

この本発明に係わるメカニカルシール装置によれば、密封環の嵌着面とシールハウジングの嵌合周面との間に装着した環状のパッキングは、挿入先端部を空間部に押し込んで嵌着状態に保持しているものである。このためにパッキングは、図９から図１０に示すような形に弾性変形して固定用密封環の背面を支持面に常に接合できる。その結果、固定用密封環の背面はシールハウジングの支持面に接合しているから、一方の回転用密封環側のばねにより押圧されても、また、被密封流体の高圧力により押圧されても、摺動シール面の軸方向の位置は、変位するのが防止できる。そして、摺動シール面のシール能力を発揮する効果が期待できる。また、固定用密封環の背面とシールハウジングの支持面とが常に接合していると、摺動シール面が摺動して発熱しても、固定用密封環から支持面を介してシールハウジングに伝熱し、固定用密封環は摺動熱による加熱が防止できる。その結果、固定用密封環が蓄積した摺動熱により摺動シール面に熱応力によるゆがみ、割れ等が発生するのを効果的に防止できる。また、摺動時に固定用密封環に蓄積した熱がパッキングに伝熱してパッキングのゴム状弾性材に不具合が生じるのも防止できる。このために、パッキングから被密封流体が漏洩するのも効果的に防止できる効果を奏する。

図１は、本発明の第１実施の形態に係わるメカニカルシール装置を軸に装着した全断面図である。 図２は、図１に示すパッキングを拡大した片側断面図である。 図３は、本発明の第２実施の形態に係わるメカニカルシール装置を軸に装着した片側の断面図である。 図４は、本発明の第３実施の形態に係わるメカニカルシール装置を軸に装着した片側の断面図である。 図５は、本発明の第４実施の形態に係わるメカニカルシール装置を軸に装着した片側の断面図である。 図６は、本発明のメカニカルシール装置に関連するパッキングの片側の断面図である。 図７は、本発明のパッキングと固定用密封環とをハウジングの嵌合周面に取り付ける第１挿入行程状態図である。 図８は、本発明のパッキングと固定用密封環とをハウジングの嵌合周面に取り付ける第２挿入行程状態図である。 図９は、本発明のパッキングと固定用密封環とをハウジングの嵌合周面に取り付ける第３挿入行程状態図である。 図１０は、本発明のパッキングと固定用密封環とをハウジングの嵌合周面に取り付けた嵌着の状態図である。 図１１は、本発明に関連する他のメカニカルシール装置の片側の断面図である。 図１２は、図１１のパッキングと固定用密封環とをハウジングの嵌合面に取り付ける第１挿入の状態図である。 図１３は、図１１のパッキングと固定用密封環とをハウジングの嵌合面に取り付けた嵌着の状態図である。

符号の説明

１ メカニカルシール装置
１Ａ 第１シール部
１Ｂ 第２シール部
２ 固定用密封環
２Ａ シール面
２Ｂ 背面
２Ｃ 内周面
２Ｄ 嵌着面
１０ パッキング
１０Ａ 押出面
１０Ｂ 挿入先端部
１０Ｃ 第１弾性層
１０Ｃ１ 接着面
１０Ｃ２ 凹凸面
１０Ｄ 第２弾性層
１０Ｄ１ 接合面
１０Ｄ２ シール部分
１０Ｄ３ 突起部
１０Ｄ４ 止部
１１ 補強環
１１Ａ 挿入先端面
１１Ｂ 押圧端部
１５ 支持環
１５Ｂ 外周面
１５Ｃ 外面
１５Ｄ 側面
１５Ｅ 円筒部
２０ 回転用密封環
２０Ａ 対向シール面
２０Ｂ 押圧面
２０Ｇ 係止溝
４３Ｆ かしめ部
６０ シールハウジング
６０Ａ 支持面
６０Ａ１ 凹支持面（支持面側の対向面）
６０Ｂ 段状穴
６０Ｃ 嵌合周面
６０Ｅ 係止段付部
Ｐ 押込装置
Ｗ 第１幅
Ｗ１ 第２幅
Ｘ 奥行幅
Ａ 機外領域
Ｂ 機内領域

以下、本発明に係わる実施の形態のメカニカルシール装置を図面に基づいて詳述する。尚、以下に説明する各図面は、寸法関係が正確な設計図を基にしたものである。

図１は、本発明に係わる第１実施例のメカニカルシール装置を示す全断面図である。図２は、図１の筒状のパッキング１０を拡大した片側の断面図である。この図１は、シールハウジング６０の軸方向に設けた貫通する孔に連通する段状穴６０Ｂと回転軸５０との間にメカニカルシール装置１を装着したものである。

図１に於いて、メカニカルシール装置１は、シールハウジング６０に固定される一方の第１シール部１Ａ及び回転軸５０に取り付けられた他方の第２シール部１Ｂを一対に構成したものである。尚、この回転軸５０とシールハウジング６０とは相対回転する関係にあり、一方の回転軸５０が固定された構成で、他方のシールハウジング６０が回転体に形成されて両部品が相対回転する場合がある。以下、図１と図２とに基づいて説明する。

メカニカルシール装置１を構成する一方の第２シール装置１Ｂには、カーボン材製の回転用密封環２０を設ける。この回転用密封環２０は、全体が環状体を成しており、この回転用密封環２０の外周面には、周面に沿って複数に配置する案内溝２０Ｇを形成する。この案内溝２０Ｇは外周面に対して軸方向を成す。叉、内周が回転軸５０と微小間隙で貫通する貫通孔に形成する。更に、回転用密封環２０の図示左先端部には対向シール面２０Ａを設ける。又、対向シール面２０Ａに対して反対側には押圧面２０Ｂを形成する。尚、回転用密封環２０は、潤滑性を重視したカーボン材の他に、硬度を重視した炭化珪素材、更には、この両者を兼ね備えるものとして炭化珪素に潤滑性を付与した複合摺動材、エンジニアリング・セラミックス等の材料により形成することもできる。

更に、回転用密封環２０の外周面に嵌合する筒部４３Ａと、この筒部４３Ａの一端に孔付の底部４３Ｂを設けたドライブケース４３を形成する。このドライブケース４３の筒部４３Ａの内周には、案内溝２０Ｇ内に入り込んで係止する内方へ凸状の係止部４３Ｃを形成する。また、底部４３Ｂの内周端には、周面に沿って２等配又は３等配に配置して軸方向へ突出する板状の連結片４３Ｄを形成する。さらに、筒部４３Ａの他端部には周面に沿って複数のかしめ部４３Ｆを形成する。このドライブケース４３の材質は、鋼、アルミニウム、ステンレス鋼等でプレス加工して製作する。

また、回転用密封環２０の押圧面２０Ｂ側にはゴム又は樹脂材製のベローズ４７を配置する。このベローズ４７は、外筒部４７Ａの一端に内方へ折り曲げられた筒状の可撓部を設けるとともに、可撓部から軸方向へ連続する内筒嵌合部４７Ｂに形成する。この外筒部４７Ａの一端面には、接合面４７Ａ１を形成する。この接合面４７Ａ１を回転用密封環２０の押圧面２０Ｂに接合した状態にしてかしめ部４３Ｆとドライブケース４３の底部４３Ｂとの間で回転用密封環２０と外筒部４７Ａとを狭持して接合面４７Ａ１を押圧面２０Ｂに接合状態にする。そして、回転用密封環２０とベローズ４７とをドライブケース４３によって結合状態に保持する。また、内筒嵌合部４７Ｂの内周面４７Ｂ１を回転軸５０の外周面に嵌合する。さらに、内筒嵌合部４７Ｂの外周面には、結合面４２Ｃを嵌着したドライブリング４２を設ける。このドライブリング４２により、内筒嵌合部４７Ｂを回転軸５０に固定する。そして、内筒嵌合部４７Ｂの内周面４７Ｂ１の密着により内筒嵌合部４７Ｂと回転軸５０との嵌合間をシールするとともに、回転用密封環２０の押圧面２０Ｂにベローズ４７の接合面４７Ａ１を密接させて回転用密封環２０の押圧面２０Ｂ側をシールしている。

このドライブリング４２には、外周面の周面に沿って等配に軸方向を成す複数条の係止溝４２Ｇを形成する。そして、係止溝４２Ｇには、ドライブケース４３の係止片４３Ｄを係止させてドライブリング４２とドライブケース４３とがともに回動するように連結する。また、ベローズ４７の機内領域Ｂ側には、回転軸５０の段付部５０Ｄに嵌着状態に結合したばね受環４４を設ける。このばね受環４４は、断面がＬ形の環状体に形成する。叉、ばね受環４４の側面には、ばね受面４４Ａを設ける。そして、このばね受面４４Ａとドライブケース４３の底部４３Ｂとの間には、回転用密封環２０を弾発に押圧するコイルばね等から成る弾発手段４５を配置する。この弾発手段４５は、コイルばねに形成しているが、円錐状の蔓巻ばねに形成することもできる。なお、ばね受環４４は、ステンレス鋼板、鋼板等の材質を加工して製作する。

そして、回転用密封環２０と、ドライブケース４３と、ドライブリング４２と、ベローズ４７とは、互いに連結して回転軸とともに回動する。同時に、ドライブリング４２の係止溝４２Ｇとドライブケース４３の係止片４３Ｄとが軸方向へ相対移動可能にされているので、ばね手段４５によりドライブケース４３と回転用密封環２０とは、ベローズ４７の可撓部を弾性変形させて固定用密封環２へ弾発に押圧される。そして、弾発手段４５により押圧される回転用密封環２０の対向シール面２０Ａは、固定用密封環２のシール面２Ａと摺動して密接するようになる。なお、弾発手段４５は、上述のばねの他に複数のばねを組み合わせたものも利用できる。

次に、シールハウジング６０の段状穴６０Ｂは、回転軸５０が挿入される孔の入口側の端部に形成されている。段状穴６０Ｂは、回転軸５０に対して径方向を成す支持面６０Ａと支持面６０Ａに対して直角の嵌合周面６０Ｃとから形成する。この支持面６０Ａの嵌合周面６０Ｃ側は支持面６０Ａより凹ませた凹支持面（以下では、支持面側の対向面とも言う）６０Ａ１に形成して凹支持面６０Ａ１内に空間部Ｃを形成する。

この段状穴６０Ｂには、第１シール部１Ａを取り付ける。第１シール部１Ａは、第２シール部１Ｂと対向する位置に配置する。第１シール部１Ａは、固定用密封環２とパッキング（ガスケット）１０から構成する。そして、固定用密封環２の内周には、回転軸５０に間隙を設けて挿嵌する内周面２Ｃを形成する。また、固定用密封環２の外周には嵌着面２Ｄを形成する。さらに、固定用密封環２には、回転用密封環２０の対向シール面２０Ａと対向して密接するシール面２Ａを設ける。叉、固定用密封環２のシール面２Ａと反対面には背面２Ｂを形成する。そして、シール面２Ａと対向シール面２０Ａとは、弾発手段４５の弾発力又は被密封流体の圧力がベローズ４７を介して回転用密封環２０の押圧面２０Ｂに作用する押圧力で密封に接触する。その結果、メカニカルシール装置１により機内領域Ｂと機外領域Ａとを密封に遮断する。尚、固定用密封環２は炭化珪素で製作されているが、超硬合金、カーボン、セラミック材等で製作することもできる。

上述の固定用密封環２の嵌着面２Ｄとシールハウジング６０の嵌合周面６０Ｃとの間に設けられたパッキング１０は、ゴム材又は樹脂材製で円筒状に形成する。図１のパッキング１０では、円筒状の補強環１１の周りをゴム材又は樹脂材のようなゴム状弾性材で全周を覆う形に形成する。補強環１１の内周側は、第１弾性層１０Ｃに形成する。この第１弾性層１０Ｃの内周面は、接着面１０Ｃ１に形成する。さらに、接着面１０Ｃ１には、凹凸面（シール部分）１０Ｃ２を形成する（図２の拡大したパッキング１０を参照）。そして、この凹凸面１０Ｃ２を介して固定用密封環２の嵌着面２Ｄと強く結合させる。この凹凸面１０Ｃ２の役目は、シール部分の機能とともに、嵌着面２Ｄの凹凸と係止する係止手段の機能を持たせることもできる（図２参照）。いずれの嵌着方法にせよ、固定用密封環２の嵌着面２Ｄとパッキング１０の接着面１０Ｃ１とは、圧入嵌着又は接着剤又は係止手段を介して強く結合する。

また、パッキング１０の外周側は第２弾性層１０Ｄに形成する。第２弾性層１０Ｄの接合面１０Ｄ１には複数に突起するシール部分１０Ｄ２を設ける。このシール部分１０Ｄ２は、シールハウジング６０の嵌合周面６０Ｃと強く圧着するとともに、被密封流体をシールする役目をする。このために、接合面１０Ｄ１と嵌着する嵌合周面６０Ｃは、荒い加工精度でも良いので、この嵌合周面６０Ｃの加工コストを低減できる。また、パッキング１０の機内領域Ｂ側は、押出面１０Ａに形成する。この押出面１０Ａは、固定用密封環２とパッキング１０とを段状穴６０Ｂに嵌合するときに、この押出面１０Ａを押しこんで装着する。また、パッキング１０の押出面１０Ａと反対側は、挿入先端部１０Ｂに形成する。また、補強環１１における挿入先端部１０Ｂ側も、挿入先端面１１Ａに形成する。この挿入先端面１１Ａは挿入先端部１０Ｂと同一面にして第２弾性層１０Ｄから露出させると良い。

パッキング１０の軸方向の第２幅Ｗ１は固定用密封環２の軸方向の第１幅Ｗとほぼ同一寸法に形成する。また、空間部Ｃの奥行幅Ｘは、パッキング１０が空間部Ｃ内へ押し込まれた後に復元しても、弾性変形力により支持面６０Ａと背面２Ｂとが常に圧接できる寸法以上にする（図９と図１０のパッキング１０の挿入を参照）。このパッキング１０を押し込みながら組み立てる方法は、図７から図１０に示す方法による。図７から図１０に示すパッキング１０の組み付け方法は、図１の第１シール部１Ａにおける組み込む順序を示したものである。図７から図１０の符号を詳しく示したように、説明のない図１と同一符号は、図１で説明した部品と同一部品である。このため、図７から図１０における部品の説明は省略する。

先ず、図７に示すように、固定用密封環２にパッキング１０を結合する。そして、図示省略の押込装置Ｐによりパッキング１０は押出面１０Ａを押圧されながら嵌合周面６０Ｃに押し込まれる。さらに、図８は、パッキング１０が嵌合周面６０Ｃに押し込まれて支持面６０Ａに背面２Ｂが当接した途中の組み立て行程の状態である。この時、第２弾性層１０Ｄの接合面１０Ｄ１は、嵌合周面６０Ｃとの摩擦により弾性変形して断面が平行四辺形状（剪断ひずみ）に変形する。この第２弾性層１０Ｄは、断面が平行四辺形状に弾性変形して挿入先端部１０Ｂがひずみ（傾斜）面となってひずみ角度（ａ）だけ歪む。さらにまた、図９に示すように、パッキング１０の挿入先端部１０Ｂおよび挿入先端面１１Ａを空間部Ｃの支持面側の対向面に当接するまで押し込む。この時、第１弾性層１０Ｃは、断面が平行四辺形状（剪断ひずみ）に弾性変形して挿入先端部１０Ｂがひずみ（傾斜）面となってひずみ角度（ｂ）だけ歪む。そして、第２弾性層１０Ｄのひずみ角度（ａ）による軸方向のひずみ面の寸法Ｙは（図８も参照）、第１弾性層１０Ｃのひずみ角度（ｂ）による軸方向のひずみ寸法Ｘより小さくする必要がある。なお、パッキング１０に補強環１１がない場合は、パッキング１０の外周部分を押し込むことにより、パッキング１０の挿入先端部１０Ｂの全ひずみ面が図９のひずみ角度（ｂ）のように傾斜するので、背面２Ｂが支持面６０Ａに強く接合した状態に保持される。

図１０は、図示省略の押込装置Ｐを除去した第１シール部１Ａの取付状態を示す。第１シール部１Ａにおけるパッキング１０の挿入先端部１０Ｂのひずみ面は補強環の挿入先端面１１Ａを境にして傾斜する。そして、パッキング１０の剪断ひずみにより固定用密封環２の背面２Ｂを常に支持面６０Ａに密接させる。なお、押込装置Ｐは、図示を省略するが、押込装置Ｐには、内外径が固定用密封環２とパッキング１０とを結合したリング体とほぼ同一形状の押込ジグを備えている。この押し込みジグの押し込み側の端面は、パッキング１０の押出面１０Ａに当接する部分の突出部は、固定用密封環２のシール面２Ａに接合する押出面より図９に示すＸ寸法だけ突出している。そして、押込装置Ｐは、シールハウジング６０に支えられた三脚フレームの中心に設けた雌ねじに雄ねじを螺合して廻し、押込ジグを押し込みながらパッキング１０を段状穴６０Ｂに挿着する構成である。

図３は、本発明の実施例２に係わるメカニカルシール装置１の片側の断面図である。図３において、図１と相違する点は、支持面６０Ａを取付部品である支持環１５の軸方向の正面により構成したものである。シールハウジング６０には、段状穴６０Ｂが設けられている。この段状穴６０Ｂと貫通する孔の周面６０Ｈとが連続する部分に断面がＬ形の支持環１５の円筒部１５Ｅを嵌着する。そして、支持環１５のフランジ部の側面１５Ｂを段状穴６０Ｂの径方向面に接合する。そして、フランジ部の厚さＸにより軸方向の奥行幅Ｘの空間部Ｃを形成し、空間部Ｃは支持環１５の外周面１５Ｃと凹支持面６０Ａ１によって容易に形成できる。また、固定用密封環２とパッキング１０は接着剤を介して結合する。そのほかの構成は図１のメカニカルシール装置と同一符号で示すようにほぼ同様である。

このようにメカニカルシール装置１を構成することにより、支持環１５によって空間部Ｃの奥行幅Ｘを任意に設計することが可能になる。そして、奥行幅Ｘを深くすれば、パッキング１０の凹支持面６０Ａ１に対して押し込みできる距離を大きくできるので、支持面６０Ａと背面２Ｂとを強く密接することが可能になる。その結果、段状穴６０Ｂの径方向面の径方向長さ寸法が、構造上から十分にとれない場合でも、固定用密封環２を支持環１５によって支持できるので、固定用密封環２に発生する摺動熱を支持環１５からシールハウジング６０へ放出することが可能になる。特に、支持環１５の円筒部１５Ｅにより放熱効果が発揮できる。この支持環１５は、熱伝導率の良い銅、アルミニウム、ステンレス鋼等を利用すると良い。

図４は、本発明の実施例３に係わるメカニカルシール装置１の片側の断面図である。図４において、図１のメカニカルシール装置１と相違する点は、固定用密封環２の第１幅Ｗが、パッキング１０の第２幅Ｗ１より奥行幅Ｘだけ大きな寸法にした点である。そして、固定用密封環２の第１幅Ｗをパッキング１０の第２幅Ｗ１より長くすることにより挿入先端部１０Ｂと支持面６０Ａ側の対向面（支持面６０Ａと同一面で背面２Ｂより外方側）との間に奥行幅Ｘ寸法の空間部Ｃを容易に形成することができる。図４におけるその他の構成は、図１の構成と同一符号で示すように構成されている。このようにメカニカルシール装置１を構成することにより、空間部Ｃを容易に形成できる。しかも、固定用密封環２の嵌着面２Ｄとパッキング１０の接着面１０Ｃ１とを嵌着するときに、補強環１１の端部を折り曲げて形成した内周端面を嵌着面２Ｄに嵌合して強固に固着させることが可能になる。さらに、パッキング１０は成形が容易になり、成形加工のコストを低減できる。

図５は、本発明の実施例４に係わるメカニカルシール装置１の片側の断面図である。図５において、図４に示すメカニカルシール装置１と相違する点は、シールハウジング６０の嵌合周面６０Ｃに係止段付部６０Ｅを設けたものである。また、パッキング１０の軸方向に長い突起部１０Ｄ３の端に係止段付部６０Ｅと係止する止部１０Ｄ４を形成したものである。図５におけるその他の構成は、図４の構成と同一符号で示すように構成されている。このように構成したメカニカルシール装置１は、例えば、被密封流体の圧力が脈動する装置内で、メカニカルシール装置１を長時間使用しても、支持面６０Ａと背面２Ｂとの密接を確実に保持することが期待できる。なお、実施例１から実施例４に係わるメカニカルシール装置１の各第２シール部１Ｂは、図１の第２シール部１Ｂと同様に形成されている。

図６は、本発明に係わるパッキング１０の一実施例を示す片側の断面図である。パッキング１０には径方向の中央に補強環１１を埋設する。この場合には、第１弾性層１０Ｃの接着面１０Ｃ１に複数の凹凸面（シール部分）１０Ｃ２を形成する。この凹凸面１０Ｃ２を固定用密封環２の嵌着面２Ｄに圧入して嵌着する。又は、固定用密封環２の嵌着面２Ｄに凹凸面１０Ｃ２と係合する凹凸部２Ｄ２を形成して凹凸面１０Ｃ２と係止させる。このようにして固定用密封環２とパッキング１０とを嵌着する。次に、第１弾性層１０Ｃの肉厚が第２弾性層１０Ｄの肉厚より薄い場合には、第１弾性層１０Ｃを固定用密封環２の嵌着面２Ｄに圧入嵌合した状態で嵌着が可能になる。反対に、第１弾性層１０Ｃが第２弾性層１０Ｄより厚い場合には、固定用密封環２とパッキング１０を接着等により一体に固着することが好ましい。このように固定用密封環２とパッキング１０を結合して、パッキング１０の挿入先端部１０Ｂを空間部Ｃまで押し込むことにより、各弾性層１０Ｃ，１０Ｄに弾性的な剪断ひずみを生起させて支持面６０Ａに背面２Ｂを密接させることができる。

以上述べた発明の各実施例により、固定用密封環２の摺動時の発熱による加熱が背面２Ｂから支持面６０Ａを通してシールハウジング６０に伝熱して放熱することが期待できる。その結果、固定用密封環２のシール面２Ａにおいて摺動熱により惹起される亀裂、割れ、等の不具合を効果的に防止できる。さらに、パッキング１０が摺動熱によりへたったり、弾性力が低下したり、化学的に変化することを効果的に防止することができる。また、シール面２Ａに発生する摺動熱により種々の被密封流体が熱劣化したり、オイル炭化生成物に変化したりしてシール面２Ａに付着し、シール面２Ａのシール能力が低下するのを効果的に防止できる。

以下、本発明に係わる他の実施態様の発明について、その構成と作用効果を説明する。

本発明の実施態様に係わる第１発明のメカニカルシール装置は、空間部が筒状のパッキングの軸方向の長さよりも固定用密封環の軸方向長さを長くして挿入先端部と支持面側の対向面との間に形成しているものである。

この第１発明のメカニカルシール装置によれば、空間部はパッキングの軸方向の長さよりも固定用密封環の軸方向長さを長くして挿入先端部と支持面との間に形成されているものである。このため、固定用密封環とパッキングとの寸法を設定通りに組み立てることができるので、空間部Ｃの寸法も設定通りに形成できる。同時に、部品管理が容易になる効果を奏する。また、空間部の軸方向の奥行幅Ｘの長さが、固定用密封環の軸方向長さとパッキングの軸方向の長さとの関係により任意に設計できるので、第２弾性層の弾性変形状態を設定通りに形成して背面と支持面との接合力を最適にすることが可能になる。さらに、焼結成形により固定用密封環の長さが加工できるので、シールハウジングの空間部のための機械加工を不要とし、加工コストを低減できる効果を奏する。さらに、上述の本発明に記載したような効果も奏する。

本発明の実施態様に係わる第２発明のメカニカルシール装置は、パッキングの径方向幅の中間に筒状の補強環が埋設されているものである。

この第２発明のメカニカルシール装置によれば、パッキングに筒状の補強環が埋設されているものである。このために、補強環によりパッキングを固定用密封環とシールハウジングとの間に確実に挿入することが可能になるとともに、第２弾性層の押し込まれた弾性変形を補強環により支持して第２弾性層とシールハウジングの嵌合面とを確実に嵌着させることが可能になる。そして、背面を支持面に長期間にわたって接合させることが可能になる。さらに、挿入先端部を支持面側の対向面に当接することにより第２弾性層の弾性変形による嵌合面との嵌着を寸法通りに結合させることが可能になる。

本発明の実施態様に係わる第３発明のメカニカルシール装置は、パッキングに埋設の補強環の挿入先端面が挿入先端部の端面とほぼ同一に形成されているものである。

この第３発明のメカニカルシール装置によれば、パッキングに埋設の補強環の挿入先端面が挿入先端部の端面とほぼ同一に形成されているものである。このため、補強環の挿入先端面を空間部の対向する壁面に当接させることにより、第１弾性層と第２弾性層のスプリングバックを想定した弾性変形を設定通りにできる効果を奏する。さらに、固定用密封環とシールハウジングとの間に挿入されるパッキングの挿入不足が判別できる効果を奏する。

本発明の実施態様に係わる第４発明のメカニカルシール装置は、パッキングが補強環より内周側の第１弾性層の肉厚が補強環より外周側の第２弾性層より厚肉の寸法に形成されているものである。

この第４発明のメカニカルシール装置によれば、パッキングは補強環より内周側の第１弾性層の肉厚を補強環より外周側の第２弾性層より厚肉な寸法に形成されているものである。このため、補強環を介して第１弾性層の厚さを大きく弾性変形（断面が平行四辺形に）させることができるとともに、第２弾性層を第１弾性層よりも小さく弾性変形させてシールハウジングの嵌合面と確実に嵌着させることができる効果を奏する（図９と図１０を参照）。

本発明の実施態様に係わる第５発明のメカニカルシール装置は、固定密封環の嵌着面とパッキングの接着面が凹凸による固定又は接着剤により固定されているものである。

この第５発明のメカニカルシール装置によれば、固定用密封環の嵌着面とパッキングの接着面が凹凸部による係止又は凹凸部の圧接により固定されているものである。このため、固定用密封環とパッキングとを確実に接合して第２弾性層とシールハウジングの嵌合面との嵌着を確実にし、固定用密封環の背面とシールハウジングの支持面とを確実に接合させることが可能になる。その結果、摺動シール面の軸方向の変位を防止してシール効果を発揮できる。同時に、摺動に伴う固定用密封環の発熱も支持面から発散することが可能になるので、摺動熱による固定用密封環の摺動シール面の損傷も効果的に防止できる。

以上述べたように、本発明は、密封環のシール面に於ける摺動熱を放熱してシール面に発生する亀裂・損傷を防止したメカニカルシール装置として有用である。叉、密封環をシールするパッキングの不具合を防止してパッキングの耐久能力を向上したメカニカルシール装置として有用である。

Claims (6)

1. 回転軸を挿設するシールハウジングの孔に設けられた嵌合周面と、前記嵌合周面に対して内方へ直角に段を成す支持面とに形成された段付穴に取り付けられるメカニカルシール装置において、
   前記嵌合周面に嵌着する接合面と前記接合面の内周側に接着面とを有すると共に、前記嵌合周面へ挿入する挿入先端に挿入先端部を有するゴム状弾性材製の環状のパッキングと、
   前記パッキングの径方向中間に埋設されている筒状の補強環と、
   前記パッキングの前記接着面と結合する嵌着面と、前記支持面に密接する背面と、前記背面の反対側のシール面とを有する固定用密封環と、を具備するメカニカルシール装置であって、
   前記パッキングに埋設された前記補強環の内周側の第１弾性層の肉厚が前記補強環の外周側の第２弾性層より厚い寸法の肉厚に形成され、
   前記背面を前記支持面に接合した位置で前記挿入先端部と前記支持面側の対向面との間に空間部を有し、前記パッキングの挿入先端部を前記空間部の前記支持面側の前記対向面に当接するまで押し込み前記押し込みを解除した後でも弾性的な剪断ひずみが前記パッキングに生起されることにより、前記パッキングの前記弾性的な剪断ひずみによって前記背面を前記支持面に密着させていることを特徴とするメカニカルシール装置。
2. 前記空間部は前記パッキングの軸方向の長さよりも前記固定用密封環の軸方向長さを長くして前記挿入先端部と前記支持面側の前記対向面との間に形成し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装置。
3. 前記補強環の挿入先端面が前記パッキングの前記挿入先端部の端面と同一面に形成されているとともに、前記支持面の前記嵌合周面側に、該支持面より凹ませた前記支持面側の前記対向面を形成して、前記支持面側の前記対向面内に前記空間部が形成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装置。
4. 前記補強環の挿入先端面が前記パッキングの前記挿入先端部の端面と同一面に形成されているとともに、前記シールハウジングの前記段付穴と貫通する孔の周面とが連続する部分に断面がＬ形の支持環の円筒部を嵌着するとともに、該支持環のフランジ部の側面を前記段付穴の径方向面に接合して該フランジ部の厚さによって、前記空間部が形成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装置。
5. 前記押し込みを解除した後に、前記挿入先端部が、前記補強環の挿入先端面よりも前記支持面側の前記対向面に向かって傾斜していることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のメカニカルシール装置。
6. 前記固定用密封環の前記嵌着面と嵌着する前記パッキングの前記接着面に凹凸面が形成されて前記凹凸面が前記嵌着面と圧接着又は凹凸の係止により結合していることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のメカニカルシール装置。

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