JP5415874B2 - メカニカルシール装置および回転環の固定方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転環を回転軸に対してコンパクトに固定することができるメカニカルシール装置およびメカニカルシールに用いられる回転環の固定方法に関する。

メカニカルシール装置において、回転環を回転軸へ固定する構造としては、種々の形態が提案されている。その中で、回転環を回転軸に対してコンパクトに固定するための従来技術としては、例えば回転環およびリテーナの両方に溝部が形成されており、両方の溝部の間にストッパーを挿入することによって、回転環を固定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、回転環およびリテーナの両方に形成された溝にストッパーを挿入する従来技術は、挿入時にストッパーを構成するワイヤーが曲がったり、ワイヤーが溝に引っ掛かったりするために、組み立てに手間がかかるという問題を有している。

特開２００１−１４１０７６号公報

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、回転環を回転軸に対してコンパクトかつ容易に固定することができるメカニカルシール装置およびメカニカルシールに用いられる回転環の固定方法を提供することである。

前記課題を解決するために、請求項１に係る本発明のメカニカルシール装置は、
回転軸の軸方向の少なくとも一方の面に形成されている回転環側シール面と、前記回転軸に対向する面であってストッパー係合溝が形成されている内周面と、を含み、前記回転軸と一体に回転するように前記回転軸に設置される回転環と、
前記回転環側シール面に密接摺動する固定環側シール面を含む固定環と、
前記回転軸に固定されており、前記軸方向における機外側又は機内側から前記回転環を係止する回転環係止面と、前記ストッパー係合溝に対向するように配置されるストッパー収納溝が形成されている外周面と、を含み、前記ストッパー収納溝に連通する径方向の貫通穴が形成されているスリーブと、
前記スリーブの前記ストッパー収納溝に係合されている第１部分と、前記回転環の前記ストッパー係合溝に係合されている第２部分と、を含み、略Ｃ字状の外形状を有するストッパー部材と、
前記貫通穴に挿入されている一方の端部と、前記ストッパー収納溝に配置されており前記ストッパー部材に接触する他方の端部と、を含み、前記ストッパー部材の前記第２部分を径方向の外側に向かって支持するノックピンと、を含むことを特徴とする。

このような構成の本発明のメカニカルシール装置は、回転環の固定構造において軸方向及び径方向に広いスペースを必要とせず、コンパクトである。また、スリーブには貫通穴が形成されており、貫通穴にノックピンを挿入することによって、ストッパー部材の第２部分を径方向の外側に向かって移動させ、当該第２部分を回転環のストッパー係合溝に係合させることができる。すなわち、本発明に係るメカニカルシール装置は、回転環をスリーブに取り付ける前に、あらかじめストッパー部材をスリーブのストッパー収納溝に配置しておき、回転環をスリーブに取り付けた後に、ストッパー部材の一部を回転環のストッパー係合溝に係合させることができる。したがって、本発明に係るメカニカルシール装置は、従来技術とは異なり、回転環をスリーブに取り付けた後にストッパー部材を溝に挿入する必要が無く、組立が容易である。

また、例えば、本発明に係るメカニカルシール装置において、前記回転環の前記ストッパー係合溝は、縦断面形状が略Ｌ字状であるＬ型溝であってもよい。ストッパー係合溝をＬ型溝とすることによって、回転環にストッパー係合溝を形成するための加工が容易になる。また、前記ストッパー係合溝がＬ型溝であれば、ストッパー係合溝に治具を差し込み、ストッパー部材の第２部分をスリーブのストッパー収納溝に押し戻すことによって、回転環の固定を容易に解除することができる。

また、例えば、本発明に係るメカニカルシール装置において、前記回転環の前記ストッパー係合溝は、横断面において直線で表されるストレート部を含んでもよい。ストッパー係合溝のストレート部は、ストッパー部材の第２部分を回転方向に係止することによって、回転環がスリーブに対して回転することを防止する回転止めの役割を果たすことができる。したがって、このようなメカニカルシール装置は、回転環の回転止めのための構造を別途設ける必要がないため、回転環の固定構造をよりシンプルにすることができ、また、小型化に適している。

また、例えば、本発明に係るメカニカルシール装置において、前記ストッパー部材は、前記ノックピンと接触して塑性変形する軟性材料からなるものであってもよい。ストッパー部材として、軟性材料からなるストッパー部材を用いることによって、ストッパー部材を径方向に支持するためにノックピンに作用する負荷が低減される。また、ノックピンを貫通孔に挿入してから、スリーブを回転軸に挿入するまでの間、ノックピンを貫通孔に仮固定するために必要な力が小さくなるため、このようなメカニカルシールは、さらに組み立てが容易である。

本発明に係る固定方法は、
メカニカルシール装置に用いられる回転環の固定方法であって、
回転軸に固定可能であり、前記回転軸の軸方向における機外側又は機内側から前記回転環を係止する回転環係止面と、前記回転環に向き合う面であってストッパー収納溝が形成されている外周面と、を含み、前記ストッパー収納溝に連通する径方向の貫通穴が形成されているスリーブを準備する手順と、
略Ｃ字状の外形状を有するストッパー部材を、前記スリーブの前記ストッパー収納溝に設置する手順と、
前記回転軸の前記軸方向の少なくとも一方の面に形成されている回転環側シール面と、前記回転軸に対向する面であって前記ストッパー収納溝に対向するように配置されるストッパー係合溝が形成されている内周面と、を含む前記回転環を、前記スリーブの前記回転環係止面に係止する手順と、
前記スリーブの前記貫通孔に径方向の内側からノックピンを挿入し、当該ノックピンの先端が前記貫通孔から前記ストッパー収納溝に突出して前記ストッパー部材を径方向の外側に押し広げることによって、前記ストッパー部材の一部を前記回転環の前記ストッパー係合溝に係合させる手順と、を含む。

本発明に係る固定方法は、回転環をスリーブに取り付ける前に、あらかじめストッパー部材をスリーブのストッパー収納溝に配置しておき、回転環をスリーブに取り付けた後に、ストッパー部材の一部を回転環のストッパー係合溝に係合させることができる。したがって、本発明に係る固定方法は、従来技術とは異なり、回転環をスリーブに取り付けた後にストッパー部材を溝に挿入する必要がなく、挿入時にワイヤーが曲がったり、ワイヤーが溝に引っ掛かったりする問題を回避することができるため、回転環を容易に固定できる。

図１は、本発明の一実施形態のメカニカルシール装置の構成を示す縦断面図である。 図２は、回転環を固定する組み立て手順における第１〜３の段階を模式的に示す縦断面図である。 図３は、回転環を固定する組み立て手順における第４の段階を模式的に示す縦断面図である。 図４は、図３に示す模式断面図における回転環の周辺を拡大した拡大図である。 図５は、回転環を固定する組み立て手順における第５の段階を模式的に示す縦断面図である。 図６は、回転環を固定する組み立て手順における第３の段階を模式的に示す横断面図である。 図７は、回転環を固定する組み立て手順における第４の段階を模式的に示す横断面図である。 図８は、回転環を固定する際の組み立て手順における第５の段階を模式的に示す横断面図である。 図９は、図１に示すメカニカルシール装置におけるスリーブに形成されている回転環係止面の形状を表す平面図および縦断面図である。 図１０は、図１に示すメカニカルシール装置の回転環に含まれる面のうち、図９に示す回転環係止面に係合される面の形状を表す縦断面図および平面図である。 図１１は、本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置に含まれる回転環の形状を表す平面図および縦断面図である。

第１実施形態
本発明の一実施形態に係るメカニカルシール装置について、図１〜図１０を参照して説明する。本実施形態においては、回転軸が貫通する装置のハウジングに対して、カートリッジ形式で装着されるメカニカルシール装置を例示して本発明を説明する。本実施形態では、１つの摺動面を有するシングルシール構成のメカニカルシールを用いて説明を行うが、本発明に係るメカニカルシール装置としてはこれに限定されず、例えば２つの摺動面を背面合わせに配置したダブルシール構成のメカニカルシール装置であってもよい。

図１は、本実施形態のメカニカルシール装置１０の構成を示す断面図であり、メカニカルシール装置１０をハウジング７２に装着した状態を示す図である。図１に示すように、ハウジング７２には軸孔７３が形成されており、回転軸７０が、軸孔７３を貫通している。メカニカルシール装置１０は、軸孔７３を貫通する回転軸７０と、ハウジング７２との隙間を封止するように、ハウジング７２および回転軸７０に対して設置される。なお、図１に示すように、メカニカルシール装置１０に対して軸孔７３側（図示左側）が機内側空間Ａであり、その軸方向反対側（図示右側）が機外側空間Ｂ（例えば大気側）である。

メカニカルシール装置１０は、主な構成部として、回転環５０と、固定環３０と、スリーブ３４と、ストッパー部材６０と、ノックピン６２と、シールカバー１２とを有する。さらに、メカニカルシール装置１０は、その他の構成部として、スリーブカラー２４、セットスクリュー２６、固定環回転止めピン２２、スプリング２０、Ｏリング等を有する。

メカニカルシール装置１０においては、回転環５０の回転環側シール面５２と固定環３０の固定環側シール面３２とが密接摺動することによって、機内側空間Ａと機外側空間Ｂとの間をシールし、メカニカルシールを構成する。

シールカバー１２は、装置本体のハウジング７２に設置される。シールカバー１２は、ハウジング７２に形成されたボルト穴（不図示）に各ボルト１６を締め付けることにより、ハウジング７２に固定される。すなわち、図１においてボルト１６は、ナット１４を介して、シールカバー１２を、ハウジング７２に固定している。図１に示すように、シールカバー１２の機内側端面１２ａとハウジング７２の外面７２ａとの間には、Ｏリング１８が介在される。これにより、シールカバー１２の機内側端面１２ａと、ハウジング７２の外面７２ａとの間が、確実に密封される。

シールカバー１２は、回転環５０および固定環３０を収容する。シールカバー１２には、シールカバー１２がハウジング７２に固定された状態において軸孔７３と連通する内部孔１３が形成されている。内部孔１３は回転軸７０によって貫通されるとともに、内部孔１３の内部には、固定環３０、回転環５０およびスリーブ３４の一部等が配置される。

シールカバー１２の機外側端部には、内周側（回転軸７０側）に向かって段差状に突出している固定環設置部１５が形成されている。すなわち、シールカバー１２の内部孔１３は、固定環設置部１５より機内側の部分である大径部１３ａと、固定環設置部１５によって大径部１３ａより内径が小さくなっている小径部１３ｂとによって構成される。

固定環３０は、固定環設置部１５に、嵌合設置されている。固定環設置部１５の設置部内周面１５ｄには、回転軸７４に直交する平面に略平行であって機内側を向く内周段差面１５ａが形成されている。それに対して、固定環３０の固定環外周面３０ｅには、回転軸７４に直交する平面に略平行であって機外側を向く外周段差面３０ａが形成されている。固定環３０は、固定環３０の外周段差面３０ａが、固定環設置部１５の内周段差面１５ａと対向するように配置される。外周段差面３０ａと内周段差面１５ａの間に形成される断面矩形の環状空間には、Ｏリング２８が配置される。このように、Ｏリング２８を介在させて、固定環３０を固定環設置部１５に嵌合させることにより、固定環３０の固定環外周面３０ｅと固定環設置部１５の設置部内周面１５ｄの間が密封される。

また、固定環設置部１５の機内側端面１５ｂには、軸方向機内側に突出する固定環回転止めピン２２が設置されている。また、固定環３０は、径方向の外側に向かって突出しており、固定環回転止めピン２２を嵌入させるための案内溝が形成されているフランジ部３０ｂを有する。固定環回転止めピン２２の端部は、固定環３０のフランジ部３０ｂに形成された案内溝に嵌入され、固定環３０がシールカバー１２に対して相対的に回転することを防止する。

固定環設置部１５には、固定環３０を回転環５０に向かって押圧するスプリング２０が設置されている。すなわち、固定環設置部１５の機内側端面１５ｂには、周方向へ複数のバネ座１５ｃが設けられており、バネ座１５ｃにはスプリング２０が設置されている。スプリング２０は、固定環設置部１５のバネ座１５ｃと、固定環３０におけるフランジ部３０ｂのフランジ部機外側端面３０ｃとの間に保持される。このようにして、シールカバー１２は、スプリング２０を介して、固定環３０を軸方向に沿って移動自在に支持する。

固定環３０は、メカニカルシールにおける一方のシール面である固定環側シール面３２を含む。すなわち、固定環３０の機内側の端部には、固定環３０に対して機内側に配置された回転環５０に向かって突出する突起部３０ｄが形成されている。突起部３０ｄの機内側端面には、回転環５０に含まれる回転環側シール面５２に密接摺動する固定環側シール面３２が形成されている。固定環３０は、スプリング２０によって回転環５０側に押圧されるため、回転軸７０が回転を開始すると、固定環側シール面３２は、回転環５０の回転環側シール面５２に対して密接摺動する。

回転環（メイティングリング）５０は、メカニカルシールにおける他方のシール面である回転環側シール面５２を含む。回転環側シール面５２は、回転環５０の軸方向機外側の端面５０ａ（回転環機外側端面）に形成されており、固定環側シール面３２と密接摺動する。また、回転環５０は、スリーブ３４を介して、回転軸７０に嵌合設置されており、回転軸７０と一体に回転する。

回転環５０は、スリーブ３４の回転環係止面３６に係止される。スリーブ３４は、回転軸７０に直交する平面に略平行であって機内側を向く回転環係止面３６を含む。すなわち、回転環係止面３６は、軸方向の機外側から回転環５０の回転環機外側端面５０ａを係止する。

回転環５０の周辺を拡大した図４に示すように、回転環５０の回転環機外側端面５０ａには、スリーブ係合溝５４が形成されている。

スリーブ係合溝５４は、回転環５０の回転環機外側端面５０ａにおける回転環内周面５０ｂ側に形成されており、回転環５０回転環機外側端面５０ａと回転環内周面５０ｂの両方に開口を有する。すなわち、本実施形態におけるスリーブ係合溝５４は、縦断面形状が略Ｌ字状であるＬ型溝である。

また、スリーブ３４には、スリーブ係合溝５４と係合される係合突起３７が形成されている。係合突起３７は、スリーブ３４の回転環係止面３６から、軸方向の機内側に突出している。さらに、図１０に示すように、スリーブ係合溝５４は、横断面において直線で表されるストレート部５４ａを含む。また、図９に示すように、スリーブ３４に形成された係合突起３７も、横断面において直線で表されるストレート部３７ａを含む。回転環５０のスリーブ係合溝５４と、スリーブ３４の係合突起３７とは、互いのストレート部５４ａ，３７ａが係合した状態になるように、配置される。これにより、回転環５０がスリーブ３４に対して相対的に回転することが防止される。

回転環５０の周辺を拡大した図４に示すように、回転環５０の面のうち、回転軸７０に対向する面である回転環内周面５０ｂには、ストッパー係合溝５６が形成されている。

図４に示すように、ストッパー係合溝５６は、回転環５０の回転環内周面５０ｂにおける機内側の端部に形成されており、回転環５０の回転環機内側端面５０ｃと、回転環５０の回転環内周面５０ｂの両方に開口を有する。すなわち、本実施形態におけるストッパー係合溝５６は、縦断面形状が略Ｌ字状であるＬ型溝である。

図１に示すように、ストッパー係合溝５６には、ストッパー部材６０の一部が係合されている。ストッパー部材６０は、図６（ｂ）に示すように略Ｃ字状の外形状を有しており、ワイヤー等の線材によって構成される。また、図１および図８に示すように、スリーブ外周面３８には、ストッパー係合溝５６に対向するように配置されるストッパー収納溝４０が形成されており、ストッパー部材６０の他の一部は、ストッパー収納溝４０に係合されている。すなわち、ストッパー部材６０は、スリーブ３４のストッパー収納溝４０に係合されている第１の部分６０ａと、回転環５０のストッパー係合溝５６に係合されている第２の部分６０ｂとを含む（図８参照）。

ストッパー部材６０は、第１の部分６０ａがストッパー収納溝４０に係合されているため、軸方向に移動することができない。また、回転環５０は、ストッパー部材６０の第２の部分６０ｂがストッパー係合溝５６に係合していることによって、軸方向機内側への移動を防止されている。また、回転環５０は、スリーブ３４の回転環係止面３６によって軸方向機外側への移動を防止されているため、スリーブ３４に対して、軸方向に沿う何れの側への相対移動も防止されている。

なお、回転環５０に形成されるストッパー係合溝５６の径方向の長さ（深さ）は、ストッパー部材６０を構成する線材の直径より小さいことが好ましい。ストッパー部材６０の全てがストッパー係合溝５６に収納され、回転環５０が、ストッパー部材６０とともに、スリーブ３４から軸方向機内側に抜け落ちてしまうことを防止するためである。

スリーブ３４には、径方向の貫通孔４２が、周方向に複数形成されている。貫通孔４２は、スリーブ３４のスリーブ内周面３９から、ストッパー収納溝４０に連通している。

貫通孔４２には、ノックピン６２が挿入されている。図８（ｂ）に示すように、ノックピン６２の内周側の端部６２ａは貫通孔４２に挿入されており、ノックピン６２の外周側の端部６２ｂは、スリーブ３４のストッパー収納溝４０に配置される。ノックピン６２の外周側の端部６２ｂは、ストッパー部材６０に内周側から接触している。

ストッパー部材６０のうち、ノックピン６２に内周側から接触されている部分は、図８（ａ）に示すように、径方向の外側に向かってふくらむ。したがって、ストッパー部材６０のうち、ノックピン６２に内周側から接触されている部分は、周方向で考えて、回転環５０のストッパー係合溝５６に係合される第２の部分６２ｂに対応する（図８）。ここで、図１に示すように、スリーブ３４の内周側は、回転軸７０によって貫通されているため、ノックピン６２がスリーブ３４のスリーブ内周面３９側から抜け落ちることはない。したがって、ノックピン６２は、ストッパー部材６０の第２の部分６２ｂを、径方向の外側に向かって支持することができる。

図１に示すように、スリーブ３４は、中空円筒状の外形状を有しており、回転軸７０を抱き込んだ状態で、回転軸７０に対して固定される。スリーブ３４のスリーブ内周面３９には、Ｏリング４４を収納するためのＵ型溝が形成されており、Ｏリング４４はスリーブ３４のスリーブ内周面３９と、回転軸７０の回転軸外周面７０ａの間をシールする。スリーブ３４は、セットスクリュー２６によって回転軸７０に固定され、回転軸７０と一体的に回転することができる。すなわち、スリーブ３４の機外側端部のスリーブ外周面３８には、スリーブカラー２４が嵌合される。セットスクリュー２６は、スリーブカラー２４の外周側から挿入され、スリーブカラー２４とスリーブ３４とを、回転軸７０に対して一体的に螺旋止めし、固定する。セットスクリュー２６を回転軸７０に螺旋止めすることによって、回転環５０がスリーブ３４に取り付けられた組み立て構造体が、回転軸７０に固定設置される。

なお、スリーブ３４のスリーブ内周面３９のうち、スリーブ３４に形成される貫通孔４２の内周側開口付近は、スリーブ内周面３９を構成する他の部分より僅かに内径の広い逃げ部３９ａが形成されている（図４）。逃げ部３９ａは、回転軸７０と嵌合される加工精度の要求される面をできるだけ小さくするとともに、スリーブ３４に孔加工やネジ加工をする際の歪等が嵌合面に影響しないようにするために形成される。または、逃げ部３９ａは、ノックピン６２の仮止め剤が開口付近に付着して、回転軸７０の挿通を妨げることがないようにするために形成される。

以下に、図１に示すメカニカルシール装置１０に含まれる回転環５０を、スリーブ３４を介して回転軸７０に固定する固定方法を、図１〜図１０を用いて説明する。図２は、回転環５０を固定する組み立て手順における第１〜第３の段階を模式的に示す縦断面図（回転軸７０の軸中心７４を含む断面による断面図）である。

図１に示すメカニカルシール装置１０において回転環５０を回転軸７４に固定する場合、まず、回転環５０をスリーブ３４に設置する。回転環５０を固定する組み立て手順における第１の段階では、図２に示すスリーブ３４を準備する。

図２に示すように、スリーブ３４は、回転軸７０の軸方向における機外側から回転環５０を係止する回転環係止面３６を有する。また、スリーブ３４のスリーブ外周面３８には、ストッパー収納溝４０と、Ｏリング収納溝４８が形成されている。

さらに、スリーブ３４には、ストッパー収納溝４０に連通する径方向の貫通孔４２が形成されている。図６（ａ）は、スリーブ３４の横断面図（回転軸７０の軸中心７４に直交する断面による断面図）であり、ストッパー収納溝４０を通過する断面を示す図である。図６（ａ）に示すように、スリーブ３４には、４カ所の貫通孔４２が形成されている。各貫通孔４２は、周方向に略等間隔に形成されている。

図２に示すように、回転環係止面３６は、スリーブ３４に対して機内側から挿入された回転環５０を機外側から係止するため、ストッパー収納溝４０およびＯリング収納溝４８は、回転環係止面３６に対して機内側に形成されている。しかし、他の実施形態においては、回転環係止面は、機外側から挿入された回転環を機内側から係止してもよい。その場合は、ストッパー収納溝およびＯリング収納溝は、回転環係止面に対して機外側に形成されていてもよい。

次に、手順２では、手順１で準備したスリーブ３４に対して、図２に示すＯリング４６を取り付ける。Ｏリング４６は、スリーブ３４のスリーブ外周面３８に形成されているＯリング収納溝４８に収納される。

さらに、手順３では、手順１で準備したスリーブ３４に対して、図２に示すストッパー部材６０を取り付ける。図６（ｂ）は、ストッパー部材６０の横断面図である。ストッパー部材６０は、図６（ｂ）に示すように、円周方向に延びるとともにその一部が切断された略Ｃ字状の外形状を有しており、ワイヤー等の線材によって構成される。ストッパー部材６０を構成する材料としては、特に限定されないが、適度な弾性および延性・展性を有する材料を用いることができる。ストッパー部材６０は、例えばＳＵＳ等の鋼材を用いて作製することができる。

ストッパー部材６０は、図３に示すように、スリーブ３４のスリーブ外周面３８に形成されているストッパー収納溝４０に収納される。ここで、ストッパー部材６０は、回転環５０をスリーブ３４に取り付ける前に、スリーブ３４に対して取り付けることができるため、スリーブ３４への取り付けが容易である。例えば、図６（ｂ）に示すようなストッパー部材６０を、ストッパー部材６０が弾性変形可能な範囲で径方向に押し広げ、ストッパー部材６０の一部をストッパー収納溝４０に係合させる。その後、ストッパー部材６０の弾性変形により、ストッパー部材６０を径方向に収縮させることによって、ストッパー部材６０をストッパー収納溝４０に容易に取り付けることができる。

図４に示すように、ストッパー部材６０をスリーブ３４に取り付けてから、ノックピン６２が貫通孔４２に挿入されるまでの間、ストッパー部材６０の全部は、ストッパー収納溝４０に収納されている。すなわち、スリーブ３４に形成されているストッパー収納溝４０の径方向の長さ（深さ）は、ストッパー部材６０を構成する線材の直径より大きい。また、ストッパー部材６０は、自らの弾性力により、ストッパー収納溝４０の収納溝内周面４０ａに密着することができる。

手順４では、Ｏリング４６およびストッパー部材６０を取り付けたスリーブ３４に対して、図２に示す回転環５０を取り付ける。図３は、手順４において、回転環５０をスリーブ３４に取り付けた直後の状態を表す縦断面図である。また、図４は、図３に示す模式断面図における回転環５０の周辺を拡大した拡大図である。

図３に示すように、回転環５０は、スリーブ３４に対して機内側から挿入され、スリーブ３４の回転環係止面３６に係止される。手順４において、回転環５０をスリーブ３４に挿入する際、回転環５０の回転環内周面５０ｂは、ストッパー部材６０の外径側（径方向の外側）を通過することができる。なぜなら、図４に示すように、ストッパー収納溝４０の深さはストッパー部材６０の直径より大きく設計されており、回転環５０を挿入する際には、ストッパー部材６０の全部がストッパー収納溝４０に収納されているからである。

図４に示すように、回転環５０は、回転環５０のスリーブ係合溝５４と、スリーブ３４の係合突起３７とが係合するように、スリーブ３４に対して取り付けられる。これにより、回転環５０の中心と、スリーブ３４の中心とを一致させ、回転環５０の中心とスリーブ３４が取り付けられる回転軸７０の軸中心７４とを、容易に一致させることができる。また、図９および図１０に示すように、スリーブ係合溝５４および係合突起３７は、互いに係合するストレート部５４ａ，３７ａを有する。したがって、回転環５０は、スリーブ３４に対して相対的に回転することが防止され、スリーブ３４が回転軸７０に固定されると、回転軸７０と一体に回転することができる。

なお、手順４が終了した直後の状態では、図３および図４に示すように、回転環５０は、軸方向機内側への移動を規制されておらず、軸方向機内側へ抜け落ちることができる状態にある。これは、図７に示すように、手順４が終了した直後の状態では、ストッパー部材６０の全部がストッパー収納溝４０に収納されており、ストッパー部材６０が回転環５０のストッパー係合溝５６に係合されていないからである。

手順５では、図３において矢印６１で示すように、スリーブ３４の貫通孔４２の内径側（径方向の内側）からノックピン６２を挿入し、ストッパー部材６０の一部を回転環５０のストッパー係合溝５６に係合させることによって、回転環５０を固定する。本実施形態では、図７に示すように、スリーブ３４に形成されている４つの貫通孔４２に対して、ノックピン６２を挿入する。

図５は、ノックピン６２を挿入した後の状態を表す模式断面図である。ノックピン６２は、少なくともノックピン６２の後端面が、スリーブ３４のスリーブ内周面３９と略一致する位置まで挿入される。ノックピン６２の長さは、少なくとも貫通孔４２の長さより長く設計されているため、ノックピン６２の先端は、貫通孔４２からはみ出し、貫通孔４２と連通するストッパー収納溝４０に突出する。

したがって、ストッパー収納溝４０に収納されていたストッパー部材６０は、ノックピン６２によって外径側に押し広げられる。その結果、ノックピン６２の一部は、ストッパー収納溝４０に対向する位置に配置されている回転環５０のストッパー係合溝５６に移動させられ、ストッパー係合溝５６に係合される。

図８（ａ）は、ノックピン６２を挿入した後におけるストッパー部材６０の状態を表した横断面図である。図８（ａ）に示すように、ストッパー部材６０のうち、ノックピン６２に内周側から接触されている部分に近接する外周側部分は、ストッパー係合溝５６に移動させられ、ストッパー係合溝５６に係合される。

図８（ａ）の部分拡大図である図８（ｂ）に示すように、スリーブ３４に径方向の内側から挿入されたノックピン６２は、貫通孔４２に挿入されている第１の端部６２ａと、ストッパー収納溝４０に配置されておりストッパー部材６０に接触する第２の端部６２ｂとを含む。すなわち、スリーブ３４に挿入されたノックピン６２は、第２の部分６０ｂが径方向の内側に向かって移動しようとした場合でも、第２の部分６０ｂを径方向の外側に向かって支持し、ストッパー部材６０とストッパー係合溝５６との係合を維持させることができる。

しかし、ストッパー部材６０のうち、ノックピン６２から周方向に離れている部分や、内周側の部分は、ノックピン６２を挿入した後においても、スリーブ３４のストッパー収納溝４０に留まる。このように、ストッパー部材６０は、ノックピン６２が挿入されることによって、スリーブ３４のストッパー収納溝４０に係合されている第１の部分６０ａと、回転環５０のストッパー係合溝に係合されている第２の部分６０ｂとを含むように、変形させられる。

ノックピン６２が挿入された後も、ストッパー部材６０は、第１の部分６０ａがストッパー係合溝に係合されているため、軸方向に移動することができない。また、回転環５０は、ストッパー部材６０の第２の部分６０ｂがストッパー係合溝５６に係合されることによって、軸方向機内側への移動を阻止される。また、回転環５０は、スリーブ３４の回転環係止面３６によって軸方向機外側への移動を阻止されているため、スリーブ３４に対して、軸方向に沿う何れの方向へも移動しないように固定される。

なお、ストッパー部材６０は、手順５においてノックピン６２と接触して塑性変形する軟性材料で構成されていることが好ましい。ストッパー部材６０の材料として軟性材料を用いることによって、ストッパー部材６０を径方向の外側に向かって支持するためにノックピン６２に作用する負荷が低減される。また、ノックピン６２を貫通孔４２に挿入してから、スリーブ３４を回転軸７０に挿入するまでの間、ノックピン６２を貫通孔４２に仮固定するために必要な力が小さくなるため、このようなメカニカルシール装置１０は、さらに組み立てが容易である。

なお、ノックピン６２の外周側の端部６２ｂは、ノックピン６２がスリーブ３４のスリーブ内周面３９側から抜け落ちることを防止するために、貫通孔４２に対して接着剤等によって仮止めされてもよい。また、本実施形態に係るノックピン６２は、図１に示すように、スリーブ３４が回転軸７０を抱き込んだ状態で回転軸７０に固定された後は、特別な固定手段を用いなくても、貫通孔４２から抜け落ちることはない。なぜなら、ノックピン６２は、ストッパー部材６０の内周面と回転軸７０の回転軸外周面７０ａとによって、貫通孔４２に保持されるからである。

手順６では、回転環５０が固定されたスリーブ３４（図５）と、メカニカルシール１０を構成する他の部品を組み合わせ、カートリッジ型のメカニカルシール装置１０を組み立てる。具体的には、例えば回転環５０が固定されたスリーブ３４や固定環３０等を、シールカバー１２に対して取り付ける。

なお、メカニカルシール装置１０において、回転環５０および固定環３０は、各々、炭化ケイ素（シリコンカーバイト、ＳｉＣ）、カーボン、超硬合金等の材質で製作される。好適には、固定環３０と回転環５０との組み合わせは、各々、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と炭化ケイ素（ＳｉＣ）の組み合わせ、カーボンと炭化ケイ素（ＳｉＣ）の組み合わせ、超硬合金と超硬合金の組み合わせ、あるいは、カーボンと超硬合金の組み合わせが好適である。

また、メカニカルシール装置１０の各Ｏリング１８，２８，４４，４６の材質は、フッ素ゴム、ニトリルゴム、ＥＰＤＭ、パーフロロエラストマなどが用いられる。

このように、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、回転環５０の固定構造において、軸方向及び径方向に広いスペースを必要とせず、コンパクトである。また、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、機内側空間Ａが機外側空間Ｂに対して正圧であっても、負圧であっても、回転環５０が軸方向に動かないため、安定したシール特性を得ることができる。また、Ｃ字状のストッパー部材６０と回転環５０が接触するため、ピン等で回転環を支持する技術に比べて、回転環５０とストッパー部材６０との接触領域が大きく、シール面５２が歪み難い。

さらに、スリーブ３４には貫通孔４２が形成されており、貫通孔４２にノックピン６２を挿入することによって、ストッパー部材６０の第２の部分６０ｂを径方向の外側に向かって移動させ、第２の部分６２ｂを回転環５０のストッパー係合溝５６に係合させることができる。すなわち、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、回転環５０をスリーブ３４に取り付ける前に、あらかじめストッパー部材６０をスリーブ３４のストッパー収納溝４０に配置しておき、回転環５０をスリーブ３４に取り付けた後に、ストッパー部材６０の一部を回転環５０のストッパー係合溝５６に係合させることができる。したがって、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、従来技術とは異なり、回転環５０をスリーブ３４に取り付けた後にストッパー部材６０を溝に挿入する必要が無く、組立が容易である。

また、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、回転環５０をスリーブ３４に取り付けた後にストッパー部材６０を溝に挿入する必要が無いため、ストッパー部材６０として、軟性材料を用いて構成される塑性変形しやすいワイヤー等を用いることができる。なぜなら、溝にワイヤーを挿入しなければならない従来技術では、腰のある（塑性変形し難い）ワイヤーを用いなければならないが、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０ではその必要がないためである。さらに、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、ストッパー部材６０として安価なものを使用することができるため、コスト的に有利である。なぜなら、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、溝にワイヤーを挿入しなければならない従来技術に比べて、ストッパー部材６０の機械的特性を厳密に要求しないためである。

ただし、ストッパー部材６０は、ノックピン６２と接触して塑性変形する軟性材料で構成されていることが好ましい。ストッパー部材６０の材料として軟性材料を用いることによって、ストッパー部材６０を径方向の外側に向かって支持するためにノックピン６２に作用する負荷が低減される。また、ノックピン６２を貫通孔４２に挿入してから、スリーブ３４を回転軸７０に挿入するまでの間、ノックピン６２を貫通孔４２に仮固定するために必要な力が小さくなるため、このようなメカニカルシール装置１０は、さらに組み立てが容易である。

また、図１および図５に示すように、回転環５０のストッパー係合溝５６は、縦断面形状が略Ｌ字状であるＬ型溝であることが好ましい。ストッパー係合溝５６をＬ型溝とすることによって、回転環５０にストッパー係合溝５６を形成するための加工が、Ｕ型溝等にくらべて容易になる。また、ストッパー係合溝５６がＬ型溝であれば、ストッパー係合溝５６に、軸方向機内側から治具を差し込み、ストッパー部材６０の第２の部分６０ｂを、スリーブ３４のストッパー収納溝４０に押し戻すことによって、回転環５０の固定を解除して、回転環５０を容易に分解することができる。このため、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０は分解が容易であり、メンテナンス性に優れている。

第２実施形態
図１１は、本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置に含まれる回転環８０の形状を表す平面図（図１１（ａ））および縦断面図（図１１（ｂ））である。第２実施形態に係るメカニカルシールは、回転環８０の回転止めに関する構造が異なる他は、第１実施形態に係るメカニカルシールと同様であるため、回転環８０以外の部分については説明を省略する。

図１１に示すように、回転環８０の回転環内周面８０ｂには、第２実施形態に係る回転環内周面５０ｂと同様に、ストッパー係合溝８２が形成されている。しかし、第２実施形態に係るストッパー係合溝８２は、図１１（ａ）に示すように、横断面において直線で表されるストレート部８２ａを含んでいる。

回転環８０のストッパー係合溝８２におけるＬ型溝部８２ｂには、第１実施形態に係るストッパー係合溝５６と同様に、ストッパー部材６０の第２の部分６０ｂ（図８（ａ））が係合される。また、第２実施形態に係る回転環８０におけるストレート部８２ａも、第２の部分６０ｂに接触し、回転環８２がスリーブ３４および回転軸７０（図１）に対して、回転方向に移動することを防止する。

このように、ストッパー係合溝８２のストレート部８２ａは、ストッパー部材６０の第２の部分６０ｂを回転方向に係止することによって、回転環８０がスリーブ３４に対して回転することを防止する回転止めの役割を果たすことができる。したがって、第２実施形態に係るメカニカルシール装置は、第１実施形態に係る回転環５０の回転止めのための構造であるスリーブ係合溝５４等を別途設ける必要がない。そのため、第２実施形態に係るメカニカルシール装置は、回転環８２の固定構造をよりシンプルにすることができ、また、小型化に適している。また、第２実施形態に係るメカニカルシール装置は、第１実施形態に係るメカニカルシールと同様の効果を有する。

なお、前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。

本発明は、回転軸を有する任意の装置に回転軸の軸封装置として適用可能である。例えば、遠心ポンプ、攪拌機等の軸シール等に利用することができる。

１０…メカニカルシール装置
３０…固定環
３２…固定環側シール面
３４…スリーブ
３６…回転環係止面
３８…スリーブ外周面
３９…スリーブ内周面
４０…ストッパー収納溝
４２…貫通孔
５０，８０…回転環
５０ｂ…回転環内周面
５２…回転環側シール面
５６…ストッパー係合溝
６０…ストッパー部材
６０ａ…第１の部分
６０ｂ…第２の部分
６２…ノックピン
６２ａ…第１の端部
６２ｂ…第２の端部
７０…回転軸
８２ａ…ストッパー係合溝ストレート部

Claims (5)

1. スリーブを介して回転軸に嵌合設置され該回転軸と一体に回転し軸方向一端面に回転環側シール面を有する回転環と、前記回転環の前記回転環側シール面に密接摺動する固定環側シール面を有する固定環と、前記回転環を前記スリーブに係止するストッパー部材と、前記ストッパー部材を支持するノックピンと、を有するメカニカルシール装置であって、
   前記回転環の内周面には、前記ストッパー部材を係合するストッパー係合溝が形成されており、
   前記スリーブは、前記回転環の前記軸方向一端面又は軸方向他端面側から前記回転環を係止する回転環係止面と、前記ストッパー係合溝に対向するように配置されるストッパー収納溝が形成されている外周面と、を含み、前記スリーブには、前記ストッパー収納溝に連通する径方向の貫通孔が形成されており、
   前記ストッパー部材は、前記スリーブの前記ストッパー収納溝に係合されている第１部分と前記回転環の前記ストッパー係合溝に係合されている第２部分と、を含み、径方向に弾性的に伸縮可能であるとともに円周方向にその一部が切断されたリング形状を有し、
   前記ノックピンは、前記スリーブの前記貫通孔に挿入されている一方の端部と、前記ストッパー収納溝に配置されており前記ストッパー部材に接触する他方の端部と、を含み、前記ストッパー部材の前記第２部分を径方向の外側に向かって支持する、
   ことを特徴とするメカニカルシール装置。
2. 前記回転環の前記軸方向一端面には、前記スリーブに係合するスリーブ係合溝が形成されており、
   前記スリーブの前記回転環係止面は、前記回転環の前記軸方向一端面側から前記回転環を係止しており、
   前記回転環の前記ストッパー係合溝は、前記回転環の前記内周面と前記回転環の前記軸方向他端面の両方に開口を有するように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。
3. 前記回転環の前記ストッパー係合溝は、横断面において直線で表されるストレート部を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のメカニカルシール装置。
4. 前記ストッパー部材は、前記ノックピンと接触して塑性変形する軟性材料からなることを特徴とする請求項１〜請求項３までのいずれかに記載のメカニカルシール装置。
5. スリーブを介して回転軸に嵌合設置され該回転軸と一体に回転し軸方向一端面に回転環側シール面を有する回転環と、前記回転環の前記回転環側シール面に密接摺動する固定環側シール面を有する固定環と、前記回転環を前記スリーブに係止するストッパー部材と、前記ストッパー部材を支持するノックピンと、を有するメカニカルシール装置の回転環の固定方法であって、
   前記回転環の前記軸方向一端面又は軸方向他端面側から前記回転環を係止する回転環係止面と、ストッパー収納溝が形成されている外周面と、を含み、前記ストッパー収納溝に連通する径方向の貫通孔が形成されている前記スリーブを準備する手順と、
   径方向に弾性的に伸縮可能であるとともに円周方向にその一部が切断されたリング形状を有する前記ストッパー部材を、前記スリーブの前記ストッパー収納溝に設置する手順と、
   前記ストッパー収納溝に対向するように配置されており前記ストッパー部材を係合するストッパー係合溝が形成された内周面を含む前記回転環を、前記スリーブの前記回転環係止面に係止する手順と、
   前記スリーブの前記貫通孔に径方向の内側から前記ノックピンを挿入し、当該ノックピンの先端が前記貫通孔から前記ストッパー収納溝に突出して前記ストッパー部材を径方向の外側に押し広げることによって、前記ストッパー部材の一部を前記回転環の前記ストッパー係合溝に係合させる手順と、
   を含む固定方法。

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