JP5758550B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、ハウジングと回転軸との間の環状隙間をシールするメカニカルシールに関する。

一般産業用のポンプ（汎用ポンプ）等に使用されるメカニカルシールにおいては、ポンプ本体のハウジング（スタフィンボックス）に固定されるシールカバー側に設けられる固定環と、回転軸に固定されるカラー側に設けられる回転環との摺動部分においてシール面が形成される。このシールカバーは、通常、ハウジング端面に対してガスケットを介してボルトによって固定される。ここで、ハウジング端面には、一般に２つまたは４つの締結箇所（ボルト穴またはスタッドボルト）が軸孔の周方向に等間隔に設けられているが、それらの締結位置（軸孔の中心に対する径方向の位置）は、回転軸の径が同一でもポンプによって異なることがある。したがって、従来のメカニカルシールにおいては、締結位置の異なる種々のポンプに使用できる汎用性を持たせるために、周方向で等間隔に４つのＵ字溝を設けたシールカバーが使用されている（特許文献１参照）。

以下、図４を参照して、従来例に係るメカニカルシールのシールカバーについて説明する。図４は従来例に係るメカニカルシールの正面図である。メカニカルシール９００が備えるシールカバー９０は、軸孔の周囲に、周方向で等間隔に設けられた４つのＵ字溝９１を有している。ここで、Ｕ字溝９１は、ボルトの軸部が挿通可能な範囲を広くするために、可能な限り内周側まで形成されている。シールカバー９０は、このような構成を備えることにより、ハウジング端面に締結箇所を２つまたは４つ備えるポンプの何れに対しても固定することができると共に、固定できる締結位置の範囲が広くなるため、汎用性が高い。

しかしながら、軸孔の中心に対して対称の位置にある２つのＵ字溝９１において固定された場合には、ボルトの締結力によってシールカバー９０が変形し、十分にガスケットが圧着されなくなって密封機能が低下することがあった。なお、この変形は、ボルトによって締結されていない他の２つのＵ字溝９１の近傍で特に顕著であった。また、この変形は、軸孔が大きいシールカバーを固定した場合に特に顕著であった。ここで、十分な強度を確保すべく、シールカバー９０の肉厚（軸方向の厚さ）を厚くすることが考えられるが、肉厚化による重量の増加や、メカニカルシールの固定場所の空間的な制約などの問題がある。

特開２００３−７４７１３号公報

本発明の目的は、汎用性が高く、かつ２本のボルトによってハウジングに対して固定された場合であっても変形が発生しにくいシールカバーを備えるメカニカルシールを提供することである。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明のメカニカルシールは、
回転軸とハウジングとの間の環状隙間をシールするメカニカルシールであって、
前記回転軸と共に回転する回転環と、
前記回転環に対して摺動自在に接する固定環と、
前記回転軸が挿通される軸孔を有し、前記固定環を前記ハウジングに取り付けるシールカバーと、
を備え、
前記シールカバーは、ボルト締結用の溝と長穴を、交互に、かつ前記軸孔の周方向で等間隔にそれぞれ２つずつ備え、
前記長穴は、前記軸孔の径方向に長く、かつ、ボルトの軸部が挿通可能な最も内側の位置が、前記溝におけるボルトの軸部が挿通可能な最も内側の位置よりも内側に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、シールカバーが、ボルト締結用の溝と長穴を、交互に、かつシールカバーの軸孔の周方向で等間隔にそれぞれ２つずつ備え、長穴は、軸孔の径方向に長く、かつ、ボルトの軸部が挿通可能な最も内側の位置が、溝におけるボルトの軸部が挿通可能な最も内側の位置よりも内側に設けられている。これにより、ハウジング端面に締結箇所を２つまたは４つ備えるポンプの何れに対しても、メカニカルシールを固定することが可能となる。また、締結箇所が２つで、かつ、それらが外側寄りに位置している場合には、２つの溝を用いることによってシールカバーを固定することができる。一方、締結箇所が２つで、かつ、それらが内側寄りに位置している場合には、２つの長穴を用いることによってシールカバーを固定することができる。すなわち、締結箇所が２つの場合には、それらが外側寄りに位置していても、内側寄りに位置していてもシールカバーを締結することが可能となる。したがって、メカニカルシールを固定できる締結位置の範囲が従来のメカニカルシールと同様に広くなるため、汎用性が高くなる。

また、本発明によれば、２つの長穴を備えることにより、シールカバーの外周縁における開口部が２つのみとなるため、従来のシールカバーに比して外周側における強度を高くすることができる。したがって、２つの溝にボルトの軸部を挿通させてシールカバーを固定した場合であっても、ボルトによって締結されていない長穴近傍における変形を効果的に抑制することができる。また、本発明によれば、上記の構成により、溝の内側端部が長穴の内側端部に比して外側に設けられるため、シールカバーにおける溝の内側端部よりも内側の部分が径方向に幅広となり、従来のシールカバーに比して内周側における強度を高くすることができる。したがって、２つの長穴にボルトの軸部を挿通させてシールカバーを固定した場合であっても、ボルトによって締結されていない溝近傍の変形を効果的に抑制することができる。以上より、本発明のメカニカルシールによれば、２本のボルトを用いて固定した場合であっても、シールカバーの変形を抑制して密封機能の低下を抑制することができる。

また、本発明によれば、シールカバーは、長穴の内側端部の内側に設けられた環状凸部をさらに備えることを特徴とする。このような構成とすることにより、内周側のみを肉厚化させて、シールカバーの強度を高くすることができるため、重量増などの問題を回避することが可能となる。

本発明によれば、汎用性が高く、かつ２本のボルトによってハウジングに対して固定された場合であってもシールカバーの変形が発生しにくいシールカバーを備えるメカニカルシールを提供することができる。

図１は、本発明の実施例１に係るメカニカルシールが回転軸及びハウジングに組み付けられた状態を示す模式的断面図である。 図２は、本発明の実施例１に係るメカニカルシールの正面図である。 図３は、本発明の実施例２に係るメカニカルシールのシールカバーの斜視図である。 図４は、従来例に係るメカニカルシールの正面図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１〜図２を参照して、本発明の実施例１に係るメカニカルシールについて説明する。なお、本実施例は、シールカバーと回転軸のカラーとを仮固定するセットプレートが設けられることによって組み付け作業が簡略化された、一般にカートリッジ式メカニカルシールと称されるメカニカルシールを例にしている。

＜メカニカルシール全体＞
特に、図１を参照して、本発明の実施例１に係るメカニカルシール全体の構成について説明する。図１は、本実施例に係るメカニカルシールが回転軸及びハウジングに組み付けられた状態を示す模式的断面図である。なお、図１においては、メカニカルシールの断面は、メカニカルシールを構成する各環状の部材の中心軸線（回転軸の中心軸に一致する）を含む断面であるが、説明の便宜上、特徴的な部分を示すために、切断位置の位相は適宜変更させている。また、図１においては、基本的に奥行きを省略して端面のみを図示している。

メカニカルシール１００は、回転軸２００とハウジング３００との間の環状隙間をシールするために設けられる。なお、図１に示す領域（Ｌ）は、シール対象の流体が密封されている領域である。メカニカルシール１００は、回転軸２００に固定されるカラー３０と、カラー３０に保持されて回転軸２００と共に回転する回転環４０とを備え、さらに、回転環４０に対して摺動自在に接する固定環２０を備えている。また、メカニカルシール１００は、回転軸２００が挿通される軸孔を有し、固定環２０をハウジング３００に取り付けるシールカバー１０を備えている。そして、シールカバー１０は、ボルト締結用のＵ字溝１１と長穴１２を、交互に、かつ軸孔の周方向で等間隔にそれぞれ２つずつ備えている（図２参照）。なお、図１に示す状態では、シールカバー１０は、長穴１２に挿通されたボルト６０によって、ハウジング３００の端面に対して固定されている。ここで、ハウジング３００の端面とシールカバー１０との間には、ＰＴＦＥなどの樹脂材で構成されたガスケット７４が設けられることによって、これらの間の隙間がシールされる。

固定環２０は、ＳｉＣやアルミナなどのセラミック材料により構成される。この固定環２０は、シールカバー１０に対して回転方向への動きが規制され、かつ軸方向に対してはある程度移動可能に構成されている。すなわち、シールカバー１０に設けられたピン穴１３には、ノックピン６２が差し込まれている。そして、このノックピン６２が固定環２０に設けられた溝２２に嵌ることによって、固定環２０がシールカバー１０に対して軸方向への移動は許容されつつ回転しないようになっている。また、シールカバー１０の内周面と固定環２０の外周面との間にはゴム製のＯリング７１が設けられており、これらの間の環状隙間がシールされている。また、シールカバー１０に設けられているスプリング用穴１４には、固定環２０を付勢する付勢部材としてのスプリング６１が配置されている。

また、メカニカルシール１００は、回転軸２００に固定される環状のカラー３０と、カラー３０に保持されて回転軸２００と共に回転する回転環４０とを備えている。カラー３０は、ステンレス鋼などの材料により構成されており、セットスクリュー３３によって回転軸２００に対して直接固定されるように構成されている。回転環４０は、ＳｉＣやアルミナなどのセラミックス材料により構成される。この回転環４０は、カラー３０に対して回転方向への動きが規制され、かつ軸方向に対してはある程度移動可能に保持されている。すなわち、カラー３０に一体的に設けられた突起部３２が、回転環４０に設けられた切欠き４２に嵌ることによって、回転環４０がカラー３０に対して軸方向への移動は許容されつつ回転しないようになっている。これにより、回転軸２００の回転に伴って、回転環４０はカラー３０と共に回転する。また、回転環４０の内周面と、回転軸２００の外周面との間には、ゴム製のＯリング７２とステンレス製のシールリング７３が設けられており、これらの面の間の環状隙間はシールされている。

そして、回転軸２００の回転に伴って回転環４０が回転している間、固定環２０と回転環４０とは、それぞれ端面同士が摺動する。上記の通り、付勢部材としてのスプリング６１によって、固定環２０は回転環４０側に向けて付勢されているため、固定環２０と回転環４０との摺動状態が維持される。なお、固定環２０においては、回転環４０側に突き出た環状の凸部の先端面２１が回転環４０における固定環２０側の端面４１と摺動するように構成されている。

そして、本実施例に係るメカニカルシール１００においては、所定位置に組み付ける前の状態では、１部品として取り扱うことができるようにカートリッジ化されている。すなわち、ボルト５３によって締結されているセットプレート５０によって、シールカバー１０とカラー３０とが位置決めされた状態で仮固定されている。より具体的には、端部５１がカラー３０に設けられた凹部３１と嵌合し、かつ、突出部５２がシールカバー１０のカラー側の端面に設けられた環状溝１５と当接した状態で、セットプレート５０がシールカバー１０に締結されている。なお、本実施例では、セットプレート５０は、周方向に３箇所設けられる（図２参照）。また、図１においては、カートリッジ化されたままの状態のメカニカルシール１００を示している。そして、メカニカルシール１００の組み付け後においては、ボルト５３を外すことでセットプレート５０が取り外される。これにより、シールカバー１０及び固定環２０がハウジング３００に対して位置決めされた状態で、カラー３０及び回転環４０が回転軸２００と共に回転可能な状態となる。

＜シールカバー＞
次に、特に図２を参照して、シールカバー１０について詳しく説明する。なお、図２は、メカニカルシール１００をカラー３０側から見たときの正面図である。シールカバー１０は、Ｕ字溝１１と長穴１２を、交互に、かつ軸孔の周方向で等間隔にそれぞれ２つずつ備えている。ここで、長穴１２は、軸孔の径方向に長く、かつ、ボルトの軸部が挿通可能な最も内側の位置が、Ｕ字溝１１におけるボルトの軸部が挿通可能な最も内側の位置よりも内側に設けられている。このような構成により、シールカバー１０の外周縁における開口部が２つのみとなるため、従来のシールカバーに比して外周側における強度を高くすることができる。また、Ｕ字溝１１の内側端部が長穴１２の内側端部に比して外側に設けられるため、Ｕ字溝１１の内側端部よりも内側の部分が径方向に幅広となり、従来のシールカバーに比して内周側における強度を高くすることができる。なお、Ｕ字溝１１と長穴１２は、切削加工等の機械加工によって設けてもよいし、シールカバー１０が精密鋳造によって製造される場合には、鋳造時に併せて成型してもよい。

そして、シールカバー１０をガスケット７４を介してハウジング３００の端面に固定する際には、次のようにすればよい。すなわち、ハウジング３００の端面に設けられた締結箇所が４つの場合には、両Ｕ字溝１１及び両長穴１２にボルトを挿通させて締結すればよい。また、ハウジング３００の端面に設けられた締結箇所が２つのみで、かつ、それらが内側寄りに位置している場合には、当該締結箇所と２つの長穴１２の位置を合わせた後にボルトによって締結する。一方、ハウジング３００の端面に設けられた締結箇所が２つのみで、かつ、それらが外側寄りに位置している場合には、当該締結箇所と２つのＵ字溝１１の位置を合わせた後にボルトによって締結する。なお、２つの締結箇所が、Ｕ字溝１１または長穴１２の何れによってでも締結可能な位置にある場合には、両Ｕ字溝１１または両長穴１２のどちらを用いてもよい。

＜本実施例に係るメカニカルシールの優れた点＞
本実施例に係るメカニカルシール１００によれば、シールカバー１０が、ボルト締結用のＵ字溝１１と長穴１２を、交互に、かつシールカバー１０の軸孔の周方向で等間隔にそれぞれ２つずつ備え、長穴１２は、軸孔の径方向に長く、かつ、ボルトの軸部が挿通可能な最も内側の位置が、Ｕ字溝１１におけるボルトの軸部が挿通可能な最も内側の位置よりも内側に設けられている。これにより、ハウジング端面に締結箇所を２つまたは４つ備えるポンプの何れに対しても、メカニカルシール１００を固定することが可能となる。また、締結箇所が２つで、かつ、それらが外側寄りに位置している場合には、２つのＵ字溝１１を用いることによってシールカバー１０を固定することができる。一方、締結箇所が２つで、かつ、それらが内側寄りに位置している場合には、２つの長穴１２を用いることによってシールカバー１０を固定することができる。すなわち、締結箇所が２つの場合には、それらが外側寄りに位置していても、内側寄りに位置していてもシールカバー１０を締結することが可能となる。したがって、メカニカルシール１００を固定できる締結位置の範囲が従来のメカニカルシールと同様に広くなるため、汎用性が高くなる。

また、本実施例に係るメカニカルシール１００によれば、２つの長穴１２を備えることにより、シールカバー１０の外周縁における開口部が２つのみとなるため、従来のシールカバーに比して外周側における強度を高くすることができる。したがって、２つのＵ字溝１１にボルトの軸部を挿通させてシールカバー１０を固定した場合であっても、ボルトによって締結されていない長穴１２近傍における変形を効果的に抑制することができる。また、メカニカルシール１００によれば、Ｕ字溝１１の内側端部が長穴１２の内側端部に比して外側に設けられるため、Ｕ字溝１１の内側端部の内側が径方向に幅広となり、従来のシールカバーに比して内周側における強度を高くすることができる。したがって、２つの長穴１２にボルトの軸部を挿通させてシールカバー１０を固定した場合であっても、ボルトによって締結されていないＵ字溝１１近傍の変形を効果的に抑制することができる。以上より、本実施例に係るメカニカルシール１００によれば、２本のボルトを用いて固定した場合であっても、シールカバー１０の変形を抑制して密封機能の低下を抑制することができる。これにより、例えば、４本のボルトを用いてメカニカルシール１００を固定することが困難な取り付け場所においても、２本のボルトで固定することによって、密封機能を低下させることなく、回転軸２００とハウジング３００との間の環状隙間をシールすることが可能となる。また、メカニカルシール１００によれば、軸孔の径が大きい場合でも、密封機能を低下させることなく２本のボルトで固定することが可能となる。

（実施例２）
図３には、本発明の実施例２に係るメカニカルシールのシールカバーが示されている。なお、図３は、実施例２に係るシールカバーを、組み付けた際におけるカラー側から見た斜視図である。図３に示すように、シールカバー８０は、ボルト締結用のＵ字溝８１と長穴８２を、交互に、かつ軸孔の周方向で等間隔にそれぞれ２つずつ備えている。そして、この長穴８２は、軸孔の径方向に長く、かつ、ボルトの軸部が挿通可能な最も内側の位置が、Ｕ字溝８１におけるボルトの軸部が挿通可能な最も内側の位置より内側に設けられている。なお、このようにして構成されるシールカバー８０によって奏される効果については、実施例１におけるシールカバー１０と同様であるので説明は省略する。そして、シールカバー８０は、長穴８２の内側端部の内側に設けられた環状凸部８３を備えている。このような構成とすることにより、全体を肉厚化させることなく、内周側のみを肉厚化させてシールカバー８０の強度を高くすることができるため、重量増などの問題を回避することが可能となる。

１０、８０ シールカバー
１１、８１ Ｕ字溝
１２、８２ 長穴
２０ 固定環
３０ カラー
４０ 回転環
１００ メカニカルシール
２００ 回転軸
３００ ハウジング

Claims (2)

1. 回転軸とハウジングとの間の環状隙間をシールするメカニカルシールであって、
   前記回転軸と共に回転する回転環と、
   前記回転環に対して摺動自在に接する固定環と、
   前記回転軸が挿通される軸孔を有し、前記固定環を前記ハウジングに取り付けるシールカバーと、
   を備え、
   前記シールカバーは、ボルト締結用の溝と長穴を、交互に、かつ前記軸孔の周方向で等間隔にそれぞれ２つずつ備え、
   前記長穴は、前記軸孔の径方向に長く、かつ、ボルトの軸部が挿通可能な最も内側の位置が、前記溝におけるボルトの軸部が挿通可能な最も内側の位置よりも内側に設けられていることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記シールカバーは、前記長穴の内側端部の内側に設けられた環状凸部をさらに備え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。

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