JP5863810B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、分割型密封環を備えたメカニカルシールに関する。

メカニカルシールにおいては、装着性等の観点から、密封環（シールリング）が分割されており、取り付け箇所に取り付ける際に、これら分割された分割体を組み合わせることによって、環状の密封環を構成する技術が知られている。ここで、メカニカルシールにおける密封環はＳｉＣやアルミナなどのセラミックス（塑性材料）で構成される場合が多く、この場合には分割体同士をボルトなどの締結具を用いて固定させることはできない。そのため、複数の部材を用いて、複数の分割体を位置決めさせつつ固定する構造が採用される。以下、図５を参照して、従来例に係る分割型密封環の固定構造について説明する。

図５（ａ）に示す分割型密封環３１０においては、分割型密封環３１０を構成する２つの分割体が、支持部材３２０と押え部材３３０によって位置決めされた状態で固定される。すなわち、分割型密封環３１０における密封環の中心軸線に対して垂直な垂直面３１１が支持部材３２０の端面３２１により支持された状態で、外周側のテーパ面３１２が押え部材３３０の内周側のテーパ面３３１によって押え付けられることで、２つの分割体が位置決めされた状態で固定される。ここで、この分割型密封環３１０の場合には、垂直面３１１が支持部材３２０の端面３２１に直接面接触した状態で密着し、かつテーパ面３１２も押え部材３３０の内周側のテーパ面３３１に直接面接触した状態で密着する構成が採用されている。

図５（ｂ）に示す分割型密封環４１０においても、同図（ａ）に示す分割型密封環３１０の場合と同様に、分割型密封環４１０における密封環の中心軸線に対して垂直な垂直面４１１が支持部材４２０の端面４２１により支持された状態で、外周側のテーパ面４１２が押え部材４３０の内周側のテーパ面４３１によって押え付けられることで、２つの分割体が位置決めされた状態で固定される。ここで、この分割型密封環４１０の場合には、垂直面４１１と支持部材４２０の端面４２１との間、及びテーパ面４１２と押え部材４３０の内周側のテーパ面４３１との間に、それぞれ弾性部材４４０，４５０が設けられる構成が採用されている。

上記図５（ａ）に示す分割型密封環３１０の場合、２つの分割体は支持部材３２０と押え部材３３０によって直接締め付けられるため、締め付け力が大き過ぎると歪が生じて分割部分に段差が生じてしまい漏れの原因となる。また、このような不具合を防ぐために締め付け力を小さくした場合には、密封対象流体の圧力によって分割部分から漏れが生じてしまうおそれがある。

そして、図５（ｂ）に示す分割型密封環４１０の場合、２つの分割体は、垂直面４１１とテーパ面４１２が、弾性部材４４０，４５０を介して締め付けられるため、上記のような歪の問題はない。しかしながら、垂直面４１１とテーパ面４１２のいずれについても弾性部材４４０，４５０を介して締め付けられるため、分割型密封環４１０の姿勢が安定し難く、傾いてしまってシール性を低下させる原因となってしまう。

特開平０４−１８５９７６号公報 特開２０１０−１９３７３号公報

本発明の目的は、密封環を構成する分割体の位置決め精度の向上を図ったメカニカルシールを提供することにある。

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、
分割された分割体（２つに分割された分割体の他、３つ以上に分割された分割体の場合も含む）を組み合わせることにより環状の密封環が構成される分割型密封環を備えるメカニカルシールにおいて、
前記密封環には、該密封環の中心軸線に対して垂直な垂直面と、外周側において前記垂直面から遠ざかるにつれて縮径するテーパ面とが設けられており、
前記垂直面側を支持する支持部材と前記テーパ面を支持する押え部材によって、前記密封環の外周側が挟み込まれることで複数の前記分割体が位置決めされた状態で固定されるメカニカルシールであって、
前記支持部材と前記垂直面との間に弾性部材が配置されることによって、前記垂直面は該弾性部材を介して支持されると共に、前記テーパ面は前記押え部材の内周側のテーパ面が直接面接触した状態で支持されることを特徴とする。

本発明によれば、密封環は、その外周側に設けられたテーパ面が、押え部材の内周側のテーパ面によって直接面接触した状態で支持されるので、軸方向及び径方向の両方向に対して的確に位置決めがなされる。また、密封環は、その垂直面が、支持部材によって、弾性部材を介して支持されるので、押え部材によって比較的強く押え付けられても歪んでしまうことを抑制できる。従って、分割部分に段差が生じてしまうことを抑制できる。

前記テーパ面は、前記密封環における摺動面に近付くにつれて拡径するように構成されているとよい。

これにより、密封対象流体の流体圧力が高くなるにつれてテーパ面に作用する反力は、分割体の締め付け力を高める方向に作用する。

内周側に密封対象流体が密封されるように構成されており、前記垂直面及びテーパ面は、密封対象流体に接触しない位置に設けられているとよい。

例えば、垂直面やテーパ面を密封環の外周側に設け、これら垂直面やテーパ面が密封環（及びその他のシール）によって密封された領域外の位置に設けられるようにすることで、密封対象流体に接触しないようにすることが可能である。なお、「その他のシール」とは、例えば、密封環と密封環が装着される相手側の部材（ハウジングや軸）との間の隙間を封止するシールである。

これにより、分割体の締め付け部分においては、密封対象流体による影響を受けない。

以上説明したように、本発明によれば、密封環を構成する分割体の位置決め精度を向上させることができる。

本発明の実施例に係るメカニカルシールの装着状態を示す模式的断面図である。 本発明の実施例に係る回転環を概略的に示した平面図である。 本発明の実施例に係る支持部材の平面図である。 本発明の実施例に係る押え部材の平面図である。 従来例に係る分割型密封環の固定構造を示す模式的断面図である。

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）
図１〜図４を参照して、本発明の実施例に係るメカニカルシールについて説明する。

＜メカニカルシール＞
特に、図１を参照して、本発明の実施例に係るメカニカルシールの全体構成等について説明する。図１は本発明の実施例に係るメカニカルシールの装着状態を示す模式的断面図である。なお、図１中のメカニカルシールは、回転軸の中心軸線を通る面で切断した断面を示しているが、説明の便宜上、切断位置（周方向の切断位置）については、必要に応じて変えている。すなわち、メカニカルシールを構成する複数の部材や各部材の部位において、特徴的な部分が示されるように、切断位置を適宜変えている。

本実施例に係るメカニカルシールは、回転環ユニット１００と固定環ユニット２００とを備えたアウトサイドシールである。すなわち、回転軸５００とハウジング６００との間の環状隙間に封止されている密封対象流体（Ｒ）が、内周側から外周側に漏れるのをメカニカルシールによって防ぐものである。また、本実施例に係るメカニカルシールは静止形のシールであり、固定環側にスプリングなどの作動部が備えられている。

回転環ユニット１００は、環状の密封環としての回転環１１０と、回転環１１０を位置決め固定するための支持部材１２０及び押え部材１３０と、回転環１１０と支持部材１２０との間に設けられる環状の弾性部材１４０とを備えている。回転環１１０は、分割された２つの分割体を組み合わせることにより環状の密封環が構成される分割型密封環であり、その外周側が支持部材１２０と押え部材１３０によって挟み込まれることで、２つの分割体が位置決めされた状態で固定される。なお、支持部材１２０は押え部材１３０に対してボルトＢ１によって固定される。

このように構成される回転環ユニット１００は、回転軸５００に取り付けられる。すなわち、回転軸５００に固定されたカラー１５０に取り付けられたドライブピン１６０が、押え部材１３０に設けられている貫通孔１３１に挿入されることによって、回転環ユニット１００は回転軸５００に取り付けられる。なお、回転環１１０の内周側には段差部１１４が形成されており、この段差部１１４にＯリングＯ１が装着されることで、回転軸５００の外周面と回転環１１０の内周面との間の環状隙間が封止される。

また、固定環ユニット２００も、回転環ユニット１００と同様に、環状の密封環としての固定環２１０と、固定環２１０を位置決め固定するための支持部材２２０及び押え部材２３０と、固定環２１０と支持部材２２０との間に設けられる環状の弾性部材２４０とを備えている。固定環２１０は、分割された２つの分割体を組み合わせることにより環状の密封環が構成される分割型密封環であり、その外周側が支持部材２２０と押え部材２３０によって挟み込まれることで、２つの分割体が位置決めされた状態で固定される。なお、支持部材２２０は押え部材２３０に対してボルトＢ２によって固定される。

このように構成される固定環ユニット２００は、ハウジング６００に取り付けられる。すなわち、ハウジング６００の端面に取り付けられたドライブピン２６０が、押え部材２３０に設けられている貫通孔２３１に挿入されることによって、固定環ユニット２００はハウジング６００に取り付けられる。なお、固定環２１０の外周側には環状溝２１４が形成されており、この環状溝２１４にＯリングＯ２が装着されることで、ハウジング６００の内周面と固定環２１０の外周面との間の環状隙間が封止される。

また、押え部材２３０にはスプリングを支持するための支持穴２３８が設けられており、この支持穴２３８にスプリング２５０が装着されている。これにより、固定環ユニット２００は回転環ユニット１００側に押圧されている。つまり、固定環ユニット２００は、ハウジング６００に対して、回転方向についてはドライブピン２６０によって移動しないように規制されているが、軸方向については移動可能に構成されている。そして、固定環ユニット２００は回転環ユニット１００側に押圧されるので、回転環１１０のシール端面１１１と、固定環２１０のシール端面２１１とが離れてしまうことはない。なお、回転環１１０のシール端面１１１と固定環２１０のシール端面２１１はいずれも先端に向かうにつれて先細りする構成となっており、シール幅はいずれも１〜３ｍｍ程度に設定される。

以上のように構成されるメカニカルシールによれば、回転軸５００の回転に伴って回転環ユニット１００も回転し、回転環１１０のシール端面１１１と固定環２１０のシール端面２１１とが密着した状態を保ちながら摺動する。従って、密封対象流体（Ｒ）の外周側への漏れを抑制することができる。なお、回転軸５００の外周面と回転環１１０の内周面との間、及びハウジング６００の内周面と固定環２１０の外周面との間は、上記の通り、それぞれＯリングＯ１，Ｏ２によって封止されており、これらの隙間からの密封対象流体（Ｒ）の漏れも抑制されている。このような構成により、本実施例に係るメカニカルシールにおいては、密封対象流体（Ｒ）が接する部材は、回転環１１０と、固定環２１０と、ＯリングＯ１，Ｏ２のみである。

＜メカニカルシールの構成部材＞
図１〜図４を参照して、メカニカルシールを構成する部材について、より詳細に説明する。本実施例に係るメカニカルシールを構成する円環状の部材のうち、ＯリングＯ１，Ｏ２，弾性部材１４０，２４０を除く部材は、装着性の観点（必要性）から、いずれも２つの分割体を組み合わせることによって環状の部材となる二つ割構造である。なお、ＯリングＯ１，Ｏ２，弾性部材１４０，２４０については、周方向の１か所に切断部（合口）を有する構造である。

また、回転環ユニット１００と固定環ユニット２００は、基本的な構成は同一である。すなわち、回転環ユニット１００を構成する回転環１１０と固定環ユニット２００を構成する固定環２１０とは、断面形状は異なるものの、機能的な部分については同様の構成を備えている。また、回転環ユニット１００を構成する支持部材１２０と固定環ユニット２００を構成する支持部材２２０は全く同一の部品を用いている。更に、回転環ユニット１００を構成する押え部材１３０と固定環ユニット２００を構成する押え部材２３０についても全く同一の部品を用いている。従って、以下の説明においては、説明を簡略化するために、回転環ユニット１００側の構成部品についてのみ説明する。

図２は回転環１１０を概略的に示した平面図である。この回転環１１０はＳｉＣやアルミナなどのセラミックス（塑性材料）によって構成される。そして、この回転環１１０は、例えば、環状の部材を引っ張ることによって２つに分割した２つの分割体から構成される。また、回転環１１０には、回転環１１０の中心軸線（回転軸５００の中心軸線に一致）に対して垂直な垂直面１１２と、外周側において垂直面１１２から遠ざかるにつれて縮径するテーパ面１１３とが設けられている（図１参照）。なお、詳細説明は省略するが、固定環２１０も回転環１１０と同様に、セラミックス（塑性材料）によって構成され、かつ垂直面及びテーパ面も設けられている（図１参照）。

図３は支持部材１２０の平面図である。支持部材１２０は金属製の部材であり、２つの分割体を組み合わせることによって環状の部材が構成される。そして、支持部材１２０は、回転環１１０の垂直面１１２を支持する支持面１２１と、複数の貫通孔１２２とを備えている。支持面１２１は回転軸５００の中心軸線に対して垂直な面で構成される。複数の貫通孔１２２には、上述したボルトＢ１の軸部が挿通される。なお、上記の通り、固定環ユニット２００の支持部材２２０は支持部材１２０と同一の部品が用いられる。

図４は押え部材１３０の平面図である。押え部材１３０は金属製の部材であり、２つの分割体を組み合わせることによって環状の部材が構成される。そして、押え部材１３０は、ドライブピン１６０が挿通される貫通孔１３１と、ボルトＢ１のネジ部がねじ込まれるネジ穴１３２と、分割体同士を固定するためのボルト１３３，１３４と、これらのボルト１３３，１３４用のネジ穴１３５，１３６とを備えている。また、押え部材１３０の内周側にはテーパ面１３７が設けられている。

この押え部材１３０を構成する２つの分割体は、上記の通り、ボルト１３３，１３４によって固定される。これらのボルト１３３，１３４のうちの一方はリーマボルトであり、２つの分割体は一体化されて、押え部材１３０は１部品からなる部材と同様の機能を発揮する。そして、上記のテーパ面１３７は、２つの分割体が一体化された状態で、超精密に面仕上げが施される。すなわち、このテーパ面１３７は、そのテーパ角度が回転環１１０の外周側のテーパ面１１３のテーパ角度と等しくなるように精密に仕上げられている。

平面図については図示しないが、弾性部材１４０はＰＴＦＥなどの樹脂材によって構成されており、この弾性部材１４０は周方向の１か所に切断部（合口）を有し、その切断部を合わせることによって環状の部材が構成される。また、この弾性部材１４０は、回転環１１０における垂直面１１２の内周側に沿って設けられた環状溝に装着される。なお、固定環ユニット２００を構成する弾性部材２４０についても同様であり、弾性部材１４０と同一の部品を用いている。

回転環ユニット１００を組み立てる場合、まず、２つの分割体を組み合わせることで環状の回転環１１０を形成させ、弾性部材１４０を回転環１１０の垂直面１１２に密着させるように装着する。その状態で、回転環１１０のテーパ面１１３に、押え部材１３０のテーパ面１３７が直接面接触するように、押え部材１３０を組み立てる。そして、この押え部材１３０に対して、ボルトＢ１によって、支持部材１２０を固定させる。これにより、回転環１１０は、垂直面１１２側を支持する支持部材１２０とテーパ面１１３を支持する押え部材１３０によって、回転環１１０の外周側が挟み込まれることで２つの分割体（回転環１１０を構成する２つの分割体）が位置決めされた状態で固定される。そして、本実施例に係る回転環１１０においては、支持部材１２０と垂直面１１２との間に弾性部材１４０が配置されることによって、垂直面１１２は弾性部材１４０を介して支持される。また、回転環１１０のテーパ面１１３は押え部材１３０の内周側のテーパ面１３７が直接面接触した状態で支持される。なお、固定環ユニット２００の組み立てについても、回転環ユニット１００の場合と同様である。

＜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によれば、密封環としての回転環１１０及び固定環２１０は、その外周側に設けられたテーパ面が、押え部材１３０，２３０の内周側のテーパ面によって直接面接触した状態で支持される。これにより、回転環１１０及び固定環２１０は、軸方向及び径方向の両方向に対して的確に位置決めがなされる。従って、回転環１１０及び固定環２１０の傾きなどの位置ずれを抑制することができる。

また、回転環１１０及び固定環２１０は、その垂直面が、支持部材１２０，２２０によって、弾性部材１４０，２４０を介して支持されるので、押え部材１３０，２３０によって比較的強く押え付けられても歪んでしまうことを抑制できる。従って、分割部分に段差が生じてしまうことを抑制できる。また、締め付け力の誤差を許容することができる。更に、密封対象流体（Ｒ）の流体圧力の変動に伴って、回転環１１０及び固定環２１０に対して作用する力（２つの分割体を引き離そうとする力）の変動についても許容することができる。

また、本実施例に係るメカニカルシールにおいては、密封対象流体（Ｒ）が接する部材は、回転環１１０と、固定環２１０と、ＯリングＯ１，Ｏ２のみであり、回転環１１０及び固定環２１０における垂直面及びテーパ面は、密封対象流体（Ｒ）に接触しない位置に設けられている。そのため、回転環１１０及び固定環２１０をそれぞれ構成する２つの分割体の締め付け部分は、密封対象流体（Ｒ）による影響を受けない。従って、密封対象流体（Ｒ）が接触することによる締付面の精度の低下や、密封対象流体（Ｒ）に含まれるスラリーの締付面への入り込みや、密封対象流体（Ｒ）による弾性部材１４０，２４０の劣化の問題は生じない。

本実施例に係るメカニカルシールにおいては、回転環１１０及び固定環２１０における外周側の各テーパ面は、摺動面（シール端面１１１とシール端面２１１との摺動面）に向かうにつれて拡径するように構成されている。これにより、密封対象流体（Ｒ）の流体圧力が高くなるにつれて各テーパ面に作用する反力は、回転環１１０及び固定環２１０をそれぞれ構成する２つの分割体の締め付け力を高める方向に作用する。従って、密封性をより高めることができる。

１００ 回転環ユニット
１１０ 回転環
１１１，２１１ シール端面
１１２ 垂直面
１１３ テーパ面
１１４ 段差部
１２０，２２０ 支持部材
１２１ 支持面
１２２ 貫通孔
１２３ テーパ面
１３０，２３０ 押え部材
１３１ 貫通孔
１３２ ネジ穴
１３３，１３４ ボルト
１３５，１３６ ネジ穴
１３７ テーパ面
１４０，２４０ 弾性部材
１５０ カラー
１６０ ドライブピン
２００ 固定環ユニット
２１０ 固定環
２１４ 環状溝
２３１ 貫通孔
２３８ 支持穴
２５０ スプリング
２６０ ドライブピン
５００ 回転軸
６００ ハウジング

Claims (3)

1. 分割された分割体を組み合わせることにより環状の密封環が構成される分割型密封環を備えるメカニカルシールにおいて、
   前記密封環には、該密封環の中心軸線に対して垂直な垂直面と、外周側において前記垂直面から遠ざかるにつれて縮径するテーパ面とが設けられており、
   前記垂直面側を支持する支持部材と前記テーパ面を支持する押え部材によって、前記密封環の外周側が挟み込まれることで複数の前記分割体が位置決めされた状態で固定されるメカニカルシールであって、
   前記支持部材と前記垂直面との間に弾性部材が配置されることによって、前記垂直面は該弾性部材を介して支持されると共に、前記テーパ面は前記押え部材の内周側のテーパ面が直接面接触した状態で支持されることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記テーパ面は、前記密封環における摺動面に近付くにつれて拡径するように構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。
3. 内周側に密封対象流体が密封されるように構成されており、前記垂直面及びテーパ面は、密封対象流体に接触しない位置に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシール。

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