JP5774945B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、分割型の密封環を用いた端面接触型のメカニカルシールに関する。

従来から、回転軸とケーシングとのすき間を密封するために、回転軸に固定された回転密封環と、ケーシング側に固定され前記回転密封環の密封端面に摺接する静止密封環とを備えたメカニカルシールが用いられることがある。このようなメカニカルシールには、分解組立を容易とするため、静止密封環に、複数の円弧状の分割体を環状に組み合わせて構成された分割型の密封環を採用したものがある。
図４に示すように、上記メカニカルシールにおいて、分割型の静止密封環１００は、ケーシング（図示省略）に固定されたスプリングリテーナ１０１に固定されており、その一端面１００ａが回転密封環１０２のシール面１０２ａに摺動可能に接触している。また、静止密封環１００は、外周面１００ｂがケーシング側に向かって漸次拡径するテーパ面とされている。

スプリングリテーナ１０１は、静止密封環１００を回転密封環１０２に付勢するためのスプリング（図示せず）を固定するための部材であり、静止密封環１００の他端面１００ｃが当接しているフランジ部１０３ａを有するリテーナ本体１０３と、フランジ部１０３ａとの間で静止密封環１００を挟持している環状の押さえ板１０４とを備えている。
押さえ板１０４は、静止密封環１００の外周面１００ｂに当接した当接面１０４ａを有している。当接面１０４ａは、ケーシング側に向かって漸次拡径するテーパ面とされている静止密封環１００の外周面１００ｂに当接しているので、押さえ板１０４がリテーナ本体１０３に近づくように軸線方向に締め付けられることで、静止密封環１００には、縮径される方向の力が作用するとともに、フランジ部１０３ａに押し付けられる方向の力が作用する。
これによって、静止密封環１００は、フランジ部１０３ａに押し付けられるとともに、各分割体が突き合わされている突き合わせ面が互いに押圧された状態で、リテーナ本体１０３と押さえ板１０４との間で挟持される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２５１３７６号公報

上記従来のメカニカルシールでは、分割型の静止密封環１００をリテーナ本体１０３と、押さえ板１０４とによって挟持して固定しているので、例えば、押さえ板１０４の締め付けが不均一であると、静止密封環１０２を構成している分割体に歪が生じ、各分割体の突き合わせ面にすき間が生じて密封性を低下させることがあった。
また、押さえ板１０４の締め付けが不十分であると、静止密封環１００に作用する縮径される方向の力が弱くなるので、上記同様に各分割体の突き合わせ面にすき間が生じ、密封性を低下させることがあった。

さらに、押さえ板１０４の締め付けが適度であったとしても、当該押さえ板１０４の締め付け方向と、静止密封環１００が付勢されて摺接している回転密封環１０２からの反力の方向とが同じであるため、経時変化によって静止密封環１００が変形し押さえ板１０４の締め付けが弱まった場合、静止密封環１００に作用する縮径される方向の力も弱まり、密封性を低下させることも考えられる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高い密封性を長期に亘って維持することができるメカニカルシールを提供することを目的とする。

本発明は、回転軸に一体回転可能に固定された回転密封環と、前記回転密封環と同心に配置され、当該回転密封環の回転側シール面が摺動可能に密接した静止側シール面を有するとともに、複数の円弧状の分割体を環状に組み合わせてなる静止密封環と、前記静止密封環を保持するとともに前記静止密封環を前記回転密封環に向けて付勢するための弾性部材を保持し、前記静止密封環とともに前記回転密封環に向けて付勢されている環状のリテーナと、を備え、前記リテーナは、ケーシングに固定されるとともに前記静止密封環が当接しているフランジ部を有するリテーナ本体と、前記静止側シール面側から前記静止密封環を前記フランジ部に向けて締め付け挟持することで当該静止密封環を保持している環状の押さえ部材と、を備え、前記静止密封環は、前記静止側シール面に対して軸方向反対側の背面が前記フランジ部に当接しており、前記回転軸と、前記ケーシングとのすき間を密封するメカニカルシールにおいて、前記フランジ部には、前記静止密封環が当接するとともに、前記回転密封環に向かって漸次拡径するように傾斜するテーパ面が形成されており、前記静止密封環の前記背面には、前記フランジ部のテーパ面に一致して当接可能なテーパ面が形成されており、前記フランジ部に形成されたテーパ面と、前記背面に形成されたテーパ面との間には、これらの間を密封する弾性材料からなる環状のシール部材が配置されていることを特徴としている。

上記構成のメカニカルシールによれば、静止密封環を締め付けるフランジ部に、回転密封環に向かって漸次拡径するように傾斜するテーパ面が形成されており、静止密封環の背面に、フランジ部のテーパ面に一致して当接するテーパ面が形成されているので、静止密封環が、押さえ部材によってフランジ部に向けて締め付け押圧されると、静止密封環には縮径される方向に力が作用する。これにより、各分割体の突き合わせ面が互いに周方向に押圧され、当該突き合わせ面にすき間が生じるのを防止することができる。また、静止密封環は、フランジ部側に押圧されることにより縮径される方向の力が作用するので、静止密封環を付勢したときに作用する回転密封環からの反力と同じ軸線方向の力によって縮径することとなる。よって、経時変化によって、押さえ部材の締め付けが低下したとしても、静止密封環を付勢したときの回転密封環からの反力によって、静止密封環には、縮径する方向の力が作用し、各分割体の突き合わせ面にすき間が生じるのを防止することができる。
さらに、押さえ部材の締め付けによって互いに押圧し合う、前記フランジ部に形成されたテーパ面と、静止密封環の背面に形成されたテーパ面との間には、これらの間を密封する環状のシール部材が配置されているので、仮に、隣接する分割体の間で軸方向に位置ずれが生じて、静止密封環のテーパ面に段差が生じたとしても、前記段差に起因して静止密封環の背面側にすき間が生じるのを、弾性材料からなるシール部材によって防止することができる。また、フランジ部のテーパ面と、静止密封環のテーパ面とは、静止密封環を付勢したときに回転密封環から静止密封環に作用する反力によっても互いに押圧し合うので、経時変化によって、押さえ部材の締め付けが低下したとしても、静止密封環を付勢したときの反力によって、シール部材を両面間で押圧保持することができ、当該シール部材の密封性が低下するのを防止できる。
以上のように、本発明のメカニカルシールによれば、分割型の静止密封環において、各分割体の間にすき間が生じるのを確実に防止するとともに、静止密封環の背面とリテーナとの間にすき間が生じるのを確実に防止することができるので、長期に亘って高い密封性を維持することができる。

上記メカニカルシールにおいて、前記静止密封環は、その軸方向に沿う断面が、当該静止密封環を軸方向に二分する中心線に対して線対称となる形状に形成されていてもよい。
この場合、静止密封環を軸方向に反転させ、背面側を静止側シール面として使用することができる。このため、何らかの原因により静止側シール面が使用できなくなったとしても、背面側を静止側シール面として使用するといった応急的対応が可能になる。

また、上記メカニカルシールにおいて、前記シール部材は、前記静止側シール面と径方向においてほぼ一致する位置に設けられていることが好ましく、この場合、シール部材を、回転密封環からの反力が直接作用する静止側シール面と径方向にほぼ一致する位置に設けることができる。これにより、フランジ部に形成されたテーパ面と、静止密封環の背面に形成されたテーパ面との間でシール部材を確実に押圧し、両者に密接させることができる。

本発明によれば、長期に亘って高い密封性を維持することができる。

本発明の一実施形態に係るメカニカルシールの断面図である。 静止密封環を軸方向正面から見たときの外観図である。 図１中、静止密封環を拡大した部分断面図である。 従来のメカニカルシールの要部断面図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るメカニカルシールの断面図である。
図１中、メカニカルシール１は、上下水道等の水処理施設に用いられるポンプに装着されており、当該ポンプのポンプケースＣと、ポンプケースＣの開口ｃ１を貫通して配置されているポンプ軸Ｓとの間のすき間を密封している。
上記メカニカルシール１は、回転軸としてのポンプ軸Ｓに一体回転可能に固定された回転密封環２と、回転密封環２のシール面２ａが摺動可能に密接した静止密封環３と、この静止密封環３を保持しているスプリングリテーナ４とを備えている。

回転密封環２は、ストッパリング５を介してポンプ軸Ｓに一体回転可能に固定されている。ストッパリング５は、径方向に貫通して形成されたねじ孔５ａに螺合されている固定ねじ６をポンプ軸Ｓに向けて締め込むことで、ポンプ軸Ｓに対して一体回転可能にかつ、軸方向に移動しないように固定されている。
回転密封環２は、ストッパリング５の軸方向ポンプケースＣ側に配置されている。回転密封環２のストッパリング５側の端面には、ストッパリング５の端面に突設されたストッパピン７が挿入された孔部２ｂが形成されている。回転密封環２は、このストッパピン７によってストッパリング５と一体回転可能に連結され、ポンプ軸Ｓに対して一体回転可能とされている。
回転密封環２の内周側には、当該回転密封環２の内周面とポンプ軸Ｓの外周面との間をシールするＯリング８が配置されている。
また、回転密封環２のシール面２ａは、静止密封環３よりも硬質な素材、例えばアルミナ等のセラミックスを溶射等によって回転密封環２の端面に形成した環状の硬質層９を端面側に露出させることによって構成されている。

スプリングリテーナ４は、ポンプケースＣの開口ｃ１に軸方向移動可能に挿入されており、静止密封環３を保持するとともに、静止密封環３を回転密封環２に向けて付勢するためのスプリング１０を保持している。
スプリングリテーナ４は、リテーナ本体１１と、環状の押さえ板１２とを備えている。リテーナ本体１１は、ポンプ軸Ｓの外周側に配置されるとともにポンプケースＣの開口ｃ１に挿入された筒状部１１ａと、この筒状部１１ａのポンプケースＣの軸方向外側に位置する端部から径外方向に延び、押さえ板１２との間で静止密封環３を保持している環状のフランジ部１１ｂとを有している。

ポンプケースＣの開口ｃ１には、ポンプケースＣの外側面ｃ２における開口ｃ１端縁の周囲を覆う環状プレート１３ａを有するスリーブ１３が、開口ｃ１の内周面に内嵌されている。このスリーブ１３は、環状プレート１３ａがボルト１４によって外側面ｃ２に密接するように固定されることで、ポンプケースＣに固定されている。環状プレート１３ａには、スリーブ１３と、ポンプケースＣとの間を密封するためのＯリング１５が配置されている。
リテーナ本体１１の筒状部１１ａは、上記スリーブ１３を介在して開口ｃ１において軸方向移動可能に挿入されている。また、筒状部１１ａの外周面側には、筒状部１１ａの外周面とスリーブ１３の内周面とを密封するためのＯリング１６が配置されている。

リテーナ本体１１のフランジ部１１ｂには、スプリング１０を保持するための孔部１１ｂ１が形成されている。スプリング１０は、孔部１１ｂ１によってその軸線方向がポンプ軸Ｓと平行に保持されている。スプリング１０は、一端面が環状プレート１３ａに当接するとともに、他端面がスプリング受け部材１８に当接している。スプリング受け部材１８は、押さえ板１２に固定された調整ボルト１７によって軸方向の位置が調整可能であり、スプリング１０は、このスプリング受け部材１８によって軸方向に弾性的に圧縮された状態とされている。これによって、スプリング１０は、スプリングリテーナ４を、当該スプリングリテーナ４に保持された静止密封環３とともに回転密封環２に向けて付勢している。

また、フランジ部１１ｂには、当該フランジ部１１ｂの外周面側と内周面側とを連通しているフラッシング用流路１９が形成されている。フラッシング用流路１９は、リテーナ本体１１の外部から内周面側に向けて、静止密封環３の内周面側の洗浄及び冷却のためのフラッシング用の流体を導入するために設けられている。

押さえ板１２は、ボルト２０によってフランジ部１１ｂに固定されており、フランジ部１１ｂとの間で、静止密封環３を締め付け挟持することで当該静止密封環３を保持している。

スプリングリテーナ４に保持された静止密封環３は、カーボン、又はその他の材料を主成分として形成した部材である。静止密封環３は、回転密封環２に同心に配置され、回転密封環２のシール面２ａが摺動可能に密接したシール面３ａを有している。
図２は、静止密封環３を軸方向正面から見たときの外観図である。図２に示すように、静止密封環３は、２つの円弧状の分割体３ｂを環状に組み合わせて構成されている。
静止密封環３は、上記二つの分割体３ｂを環状に組み合わせた状態で、スプリングリテーナ４に保持され、回転密封環２に密接した状態で、当該回転密封環２に向けて付勢されている。

図３は、図１中、静止密封環３を拡大した部分断面図である。静止密封環３には、図に示すように、当該静止密封環３の外周面側から軸方向先端側（シール面３ａ側、及びシール面３ａと軸方向反対側の背面側の双方）に向かって漸次縮径している外側テーパ面３ｃと、静止密封環３の内周面側から軸方向先端側（同上）に向かって漸次拡径している内側テーパ面３ｄとが、その両側に形成されている。
これら外側テーパ面３ｃ及び内側テーパ面３ｄは、両側で共にほぼ同一の寸法で形成されている。このため、静止密封環３は、軸方向に沿う断面（長手方向の切断面）における輪郭形状が、当該静止密封環３を軸方向に二分する中心線に対してほぼ線対称となる形状に形成されている。

上述のシール面３ａは、静止密封環３において回転密封環２側に形成された外側テーパ面３ｃと内側テーパ面３ｄとが繋がっている先端部に形成されている。このシール面３ａは、回転密封環２のシール面２ａに径方向に一定の幅寸法で面接触することで密接している。
静止密封環３における、シール面３ａ側の外側テーパ面３ｃと内側テーパ面３ｄとが繋がる先端部は、当該静止密封環３を形成した時点では、先鋭な状態であり、シール面２ａに対して面接触しうるシール面３ａは形成されていない。静止密封環３は、メカニカルシールとして使用される前に、メカニカルシール１に組み込まれた状態で、回転密封環２のシール面２ａに対して、通常付勢される所定圧力よりも高い圧力で押し付けて当たりを付け（焼付け工程を実施し）、シール面３ａを形成する。これによって、静止密封環３を構成している分割体３ｂ同士の突き合わせ部分に段差等が生じていたとしても、焼付け後には段差の無い平坦なシール面３ａが形成される。但し、焼付け後も、外側テーパ面３ｃ及び内側テーパ面３ｄの内、シール面３ａ以外の焼付けられていない他の部分には、段差が残存していることがある。

シール面３ａ側の外側テーパ面３ｃには、静止密封環３をフランジ部１１ｂとの間で挟持している押さえ板１２が当接している。
一方、静止密封環３における、シール面３ａと軸方向反対側の背面に形成された外側テーパ面３ｃには、フランジ部１１ｂのテーパ面１１ｂ２が当接している。
テーパ面１１ｂ２は、回転密封環２に向かって漸次拡径するように傾斜してフランジ部１１ｂに形成されている。
静止密封環３の背面側の外側テーパ面３ｃは、フランジ部１１ｂのテーパ面１１ｂ２に一致して当接可能に形成されている。

また、背面側の外側テーパ面３ｃと、フランジ部１１ｂのテーパ面１１ｂ２との間には、Ｏリング３０が配置されている。
このＯリング３０は、ブチルゴム等の弾性材料を用いて形成されており、背面側の外側テーパ面３ｃに形成された環状溝３１に配置されている。環状溝３１は、シール面３ａと径方向においてほぼ一致する位置に設けられている。よって、この環状溝３１に配置されるＯリング３０も、同様の位置に配置されている。

Ｏリング３０は、背面側の外側テーパ面３ｃと、フランジ部１１ｂのテーパ面１１ｂ２とが当接している状態で、弾性的に圧縮され、環状溝３１の内側面と、フランジ部１１ｂのテーパ面１１ｂ２とに密着し、背面側の外側テーパ面３ｃと、フランジ部１１ｂのテーパ面１１ｂ２との間を密封している。

上記のように構成された本実施形態のメカニカルシール１によれば、静止密封環３を締め付けるフランジ部１１ｂに、回転密封環２に向かって漸次拡径するように傾斜するテーパ面１１ｂ２が形成されており、静止密封環３の背面に、フランジ部１１ｂのテーパ面１１ｂ２に一致して当接する外側テーパ面３ｃが形成されているので、静止密封環３が、押さえ板１２によってフランジ部１１ｂに向けて締め付け押圧されると、静止密封環３には縮径される方向に力が作用する。これにより、各分割体３ｂの突き合わせ面が互いに周方向に押圧され、各分割体３ｂの突き合わせ面にすき間が生じるのを防止することができる。また、静止密封環３は、フランジ部１１ｂ側に押圧されることにより縮径される方向の力が作用するので、静止密封環３を付勢したときに作用する回転密封環２からの反力と同じ軸線方向の力によって縮径することとなる。よって、経時変化によって、押さえ板１２の締め付けが低下したとしても、静止密封環３を付勢したときの回転密封環２からの反力によって、静止密封環３には、縮径する方向の力が作用し、各分割体３ｂの突き合わせ面にすき間が生じるのを防止することができる。

また、組み付け不良等により、隣接する分割体３ｂの間で軸方向に位置ずれが生じて、背面側の外側テーパ面３ｃに段差が生じることがある。ここで、静止密封環３の背面と、フランジ部１１ｂのテーパ面１１ｂ２との間をシールするために、例えば液体パッキンを用いた場合には、液体パッキンの背面への塗布状態によっては、前記段差に起因して静止密封環３の背面側にすき間が生じるのを防止することができないことがある。

この点、本実施形態のメカニカルシール１では、押さえ板１２の締め付けによって互いに押圧し合う、フランジ部１１ｂに形成されたテーパ面１１ｂ２と、静止密封環３の背面に形成された外側テーパ面３ｃとの間には、これらの間を密封する環状のＯリング３０が配置されているので、上述の段差に起因して静止密封環３の背面側にすき間が生じるのをＯリング３０の自封性によって防止することができる。また、フランジ部１１ｂのテーパ面１１ｂ２と、静止密封環３の外側テーパ面３ｃとは、静止密封環３を付勢したときに回転密封環２から静止密封環３に作用する反力によっても互いに押圧し合うので、経時変化によって、押さえ板１２の締め付けが低下したとしても、静止密封環３を付勢したときの反力によって、Ｏリング３０を両面間で押圧保持することができ、当該Ｏリング３０の密着状態が低下して密封性が低下するのを防止できる。
以上のように、本実施形態のメカニカルシール１によれば、分割型の静止密封環３において、各分割体３ｂの間に生じるすき間を確実に防止でき、高い密封性を長期に亘って維持することができる。

また、上記実施形態において、静止密封環３は、その軸方向に沿う断面が当該静止密封環３を軸方向に二分する中心線に対して線対称となる形状に形成されているので、静止密封環３を軸方向に反転させ、背面側をシール面として使用することができる。このため、何らかの原因によりシール面３ａが使用できなくなったとしても、シール面３ａの背面側をシール面として使用するといった応急的対応が可能になる。

また、上記メカニカルシール１において、Ｏリング３０は、シール面３ａと径方向においてほぼ一致する位置に設けられているため、Ｏリング３０を、回転密封環２からの反力が直接作用するシール面３ａと径方向にほぼ一致する位置に設けることができる。これにより、フランジ部１１ｂに形成されたテーパ面１１ｂ２と、静止密封環３の背面に形成された外側テーパ面３ｃとの間でＯリング３０を確実に押圧し、両者に密接させることができる。

なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、静止密封環３を、二つの分割体３ｂによって構成した場合を例示したが、３分割、４分割といったように、より多数の分割体によって構成してもよい。
また、上記実施形態の静止密封環３は、軸方向に沿う断面における輪郭形状が、当該静止密封環３を軸方向に二分する中心線に対してほぼ線対称となる形状に形成した場合を例示したが、これに限定されるものではなく、静止密封環３のシール面３ａ側の形状は、背面側の形状に関わらず設定することができる。

１ メカニカルシール
２ 回転密封環
２ａ シール面
３ 静止密封環
３ａ シール面
３ｂ 分割体
３ｃ 外側テーパ面
３ｄ 内側テーパ面
４ スプリングリテーナ
１０ スプリング
１１ リテーナ本体
１１ａ 筒状部
１１ｂ フランジ部
１１ｂ１ 孔部
１１ｂ２ テーパ面
１２ 押さえ板（押さえ部材）
３０ Ｏリング
Ｃ ポンプケース（ケーシング）
Ｓ ポンプ軸（回転軸）

Claims (3)

1. 回転軸に一体回転可能に固定された回転密封環と、
   前記回転密封環と同心に配置され、当該回転密封環の回転側シール面が摺動可能に密接した静止側シール面を有するとともに、複数の円弧状の分割体を環状に組み合わせてなる静止密封環と、
   前記静止密封環を保持するとともに前記静止密封環を前記回転密封環に向けて付勢するための弾性部材を保持し、前記静止密封環とともに前記回転密封環に向けて付勢されている環状のリテーナと、を備え、
   前記リテーナは、ケーシングに固定されるとともに前記静止密封環が当接しているフランジ部を有するリテーナ本体と、前記静止側シール面側から前記静止密封環を前記フランジ部に向けて締め付け挟持することで当該静止密封環を保持している環状の押さえ部材と、を備え、
   前記静止密封環は、前記静止側シール面に対して軸方向反対側の背面が前記フランジ部に当接しており、
   前記回転軸と、前記ケーシングとのすき間を密封するメカニカルシールにおいて、
   前記フランジ部には、前記静止密封環が当接するとともに、前記回転密封環に向かって漸次拡径するように傾斜するテーパ面が形成されており、
   前記静止密封環の前記背面には、前記フランジ部のテーパ面に一致して当接可能なテーパ面が形成されており、
   前記フランジ部に形成されたテーパ面と、前記背面に形成されたテーパ面との間には、これらの間を密封する弾性材料からなる環状のシール部材が配置されていることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記静止密封環は、その軸方向に沿う断面が、当該静止密封環を軸方向に二分する中心線に対して線対称となる形状に形成されている請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記シール部材は、前記静止側シール面と径方向においてほぼ一致する位置に設けられている請求項１に記載のメカニカルシール。

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