JP5883012B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、カートリッジ式のメカニカルシールに関する。

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においては、ハウジング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てシール面が形成される。かかる構成においては、固定環と回転環との摺動状態を維持させるために固定環を回転環側に向けて付勢する付勢部材が設けられる。なお、回転環を固定環側に向けて付勢する付勢部材が設けられる場合もある。そのため、メカニカルシールを所定位置に組み付ける際においては、付勢部材による付勢力が作用した状態となる。従って、メカニカルシールを位置決めした状態で組み付けるためには何らかの工夫が必要となる。そこで、従来、回転軸にスリーブを装着する構成を採用し、当該スリーブ表面に対して、メカニカルシールを取り付ける位置に罫書きを入れていた。しかしながら、この場合には、組み付け作業に非常に手間がかかる。そのため、近年、シールカバーとカラーとを仮固定しておくセットプレートを備えたカートリッジ式のメカニカルシールが主流になっている。

図６及び図７を参照して、従来例に係るカートリッジ式のメカニカルシールについて説明する。図６は従来例に係るメカニカルシールの正面図であり、図７は従来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６においては、セットプレートを省略している。また、図７中のメカニカルシールの断面図は、図６におけるＢＢ断面に相当する。

メカニカルシール５００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。このメカニカルシール５００は、ハウジング３００に固定される環状のシールカバー５１０と、シールカバー５１０側に設けられる固定環５２０と、回転軸２００に固定される環状のカラー５３０と、カラー５３０側に設けられる回転環５４０とを備えている。また、固定環５２０と回転環５４０とはそれぞれ端面同士が摺動するように構成されている。そして、これらの摺動状態を維持させるために、固定環５２０を回転環５４０側に向けて付勢する付勢部材（スプリング）５６０が設けられている。

そして、この従来例に係るメカニカルシール５００には、シールカバー５１０とカラー５３０とを仮固定しておくセットプレート５５０が備えられている。セットプレート５５０は、ボルト５５５によって、カラー５３０の外周面側に固定されるように構成されている。そして、セットプレート５５０が固定されることによって、シールカバー５１０に設けられている鉤状の係合突起部５１１とセットプレート５５０に設けられた鉤状の係合突起部５５１が係合した状態となる。これにより、シールカバー５１０とカラー５３０は軸方向及び径方向のいずれも位置決めされた状態で固定される。なお、セットプレート５５０は、周方向に所定の間隔で複数設けられる。

以上のような構成により、メカニカルシール５００全体を一つの部品として取り扱うことが可能となる。従って、メカニカルシール５００を組み付ける場合には、まず、カートリッジ化されたメカニカルシール５００を、所定位置に装着させる。そして、シールカバー５１０をハウジング３００に固定し、かつカラー５３０を回転軸２００に固定する。その後、ボルト５５５を外してセットプレート５５０を全て取り外す。これにより、シールカバー５１０及び固定環５４０はハウジング３００に固定された状態のまま、カラー５３０及び回転環５４０は回転軸２００と共に回転可能な状態となる。

以上のように構成された従来例に係るカートリッジ式のメカニカルシール５００においては、メカニカルシール５００の構成部材のうち、最も大型の部材で、かつ比較的高価なシールカバー５１０に、係合突起部５１１を形成する構成を採用している。シールカバー５１０はステンレス鋼からなる円筒形状の素材に対して切削加工を施すことによって製造される。従って、係合突起部５１１が複雑な構造であることから、シールカバー５１０の切削加工に手間がかかっていた。また、他の部材に比べて径の大きなシールカバー５１０に、係合突起部５１１を軸方向に薄肉状に突出させる構成であることから、係合突起部５１１の剛性が低くなり、加工時等に破損してしまうこともあった。更に、固定環５２０や回転環５４０の種類に応じて、軸方向の距離が異なると、それに合わせて係合突起部５１１の寸法も変更しなければならない。そのため汎用性がないという短所もあった。以上のことから、コストを高める要因にもなっていた。

国際公開番号ＷＯ２００６／０２２３７８号公報

本発明の目的は、加工が容易で、コスト削減を可能とするカートリッジ式の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、
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、
前記ハウジングに固定される環状のシールカバーと、
該シールカバー側に設けられる固定環と、
前記回転軸に固定される環状のカラーと、
該カラー側に設けられ、前記固定環の端面に対して摺動する摺動面を有する回転環と、
前記固定環を前記回転環側に向けて付勢する付勢部材と、
前記シールカバーと前記カラーとを仮固定するために取り付けられると共に、前記シールカバーが前記ハウジングに固定され、かつ前記カラーが前記回転軸に固定されると、前記シールカバー及びカラーから取り外されるセットプレートと、
を備えるカートリッジ式のメカニカルシールにおいて、
前記シールカバーにおける前記ハウジングに対向する側とは反対側の端面には第１凹部が設けられ、かつ前記カラーの外周側には第２凹部が設けられており、
前記セットプレートは、前記シールカバーにおける前記端面側に固定されるように構成されると共に、
該セットプレートが固定されることによって、
該セットプレートに設けられた突出部が第１凹部内に挿入されて第１凹部における側面に接し、かつ該セットプレートの端部が第２凹部の底面に接することで前記シールカバーとカラーとの径方向の位置決めがなされ、
前記セットプレートにおける前記シールカバー側の面が、該シールカバーにおける前記端面及び第２凹部における該シールカバー側の側面に接することで該シールカバーとカラーとの軸方向の位置決めがなされることを特徴とする。

本発明によれば、セットプレートによる位置決め固定のために、シールカバーには、ハウジングに対向する側とは反対側の端面に第１凹部を設ければよい。また、この第１凹部には、セットプレートに設けられた突出部が接する側面が設けられていればよい。従って、メカニカルシールの構成部材のうち、最も大型の部材で、かつ比較的高価になってしまい易いシールカバーの加工を簡単にすることができ、コストも削減できる。また、シールカバーにおいて剛性が低くなってしまう部位を減らすことができる。更に、固定環や回転環の種類に応じて、軸方向の距離が異なる場合であっても、シールカバーとセットプレートとの位置関係は影響を受けない。そのため、これらの部材を、複数種類の固定環や回転環に対して利用できる。従って、汎用性もある。

以上説明したように、本発明によれば、加工を容易にすることができ、コストを削減することもできる。

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。 図２は図１中の一部拡大断面図である。 図３は本発明の実施例に係るメカニカルシールの正面図である。 図４は本発明の実施例に係るセットプレートの斜視図である。 図５は本発明の実施例に係るセットプレートの断面図である。 図６は従来例に係るメカニカルシールの正面図である。 図７は従来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。

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５を参照して、本発明の実施例に係るカートリッジ式のメカニカルシールについて説明する。

＜メカニカルシール全体＞
特に、図１〜図３を参照して、本発明の実施例に係るカートリッジ式のメカニカルシール全体の構成について説明する。なお、図３においては、セットプレートを省略している。また、図１中のメカニカルシールの断面図は、図３におけるＡＡ断面に相当する。また、図２は図１のうちセットプレートによるシールカバーとカラーとの固定構造部分を拡大した図である。

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。図１中（Ｓ）はシール流体が密封されている領域であり、図１中（ｑ）はクエンチング液が密封されている領域である。なお、クエンチング液は、導入口１５から導入されて、排出口１４から排出される（図３参照）。このクエンチング液は、漏れたシール流体を強制排出させたり、摺動面を潤滑・冷却したり、摺動面を大気と遮断させたりする役割を担っている。

そして、本実施例に係るメカニカルシール１００は、ハウジング３００に固定される環状のシールカバー１０と、シールカバー１０側に設けられる固定環２０とを備えている。シールカバー１０はステンレス鋼などの材料により構成されており、複数設けられたＵ形溝１６（図３参照）に不図示のボルトなどの固定具が挿通された状態で、ハウジング３００の端面に固定される。このシールカバー１０は、円筒形状の素材に対して切削加工を施すことにより製造される。そして、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。こにより、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ス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、シールカバー１０に対して、固定環２０は、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が設けられている。これにより、これらの間の環状隙間はシールされている。また、シールカバー１０に設けられているスプリング用穴１７には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側に設けられる回転環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３５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構成されている。すなわち、カラー３０に固定されたノックピン８０が、回転環４０に設けられた切り欠き４２に嵌ることによって、カラー３０に対して、回転環４０は、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が設けられている。これにより、これら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。これにより、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（回転軸２００及びハウジング３００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、複数（本実施例では３個）のセットプレート５０によって、シールカバー１０とカラー３０とは仮固定されている。なお、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。使用時においては、ボルト５５を外すことでセットプレート５０が全て取り外される。これにより、シールカバー１０及び固定環２０はハウジング３００に対して固定された状態のまま、カラー３０及び回転環４０は回転軸２００と共に回転可能な状態となる。

＜仮固定構造＞
特に、図１，２，４を参照して、セットプレート５０によるメカニカルシール１００の仮固定構造について説明する。図４はセットプレート５０の斜視図である。セットプレート５０には、板状の本体部分から突出した突出部５１、及び板状の本体部分に設けられ、ボルト５５の軸部が挿通される貫通孔５２が設けられている。このセットプレート５０によって、シールカバー１０とカラー３０とが仮固定された状態となり、メカニカルシール１００はカートリッジ化されて一つの部品として取り扱うことが可能となる。

以下、仮固定構造について詳細に説明する。シールカバー１０におけるハウジング３００に対向する側とは反対側の端面１０ａには、環状の第１凹部１１が設けられている。また、カラー３０の外周側には環状の第２凹部３１が設けられている。なお、カラー３０の外周側には、固定環２０側に向かって軸方向に突き出た環状部分が設けられており、この部分に第２凹部３１が設けられている。

セットプレート５０は、シールカバー１０における端面１０ａ側に固定される。すなわち、ボルト５５がシールカバー１０に設けられたメネジ部１２に固定されることによって、セットプレート５０が固定される。セットプレート５０が固定されると、セットプレート５０に設けられた突出部５１は第１凹部１１内に挿入された状態となる。そして、この突出部５１が第１凹部１１における回転軸２００側の側面１１ａに接し、かつセットプレート５０の端部（図１及び図２中、下端部）５０ａが第２凹部３１の底面３１ａに接した状態となる。これにより、シールカバー１０とカラー３０との径方向の位置決めがなされる。なお、本実施例では、セットプレート５０は、周方向に等間隔で３箇所設けられており、シールカバー１０とカラー３０とのセンタリングがなされる。また、本実施例では、突出部５１を第１凹部１１における回転軸２００側の側面１１ａに接する構成を採用したが、その反対側の側面に接する構成を採用しても、シールカバー１０とカラー３０との径方向の位置決めは可能である。

また、セットプレート５０が固定されることによって、セットプレート５０におけるシールカバー１０側の面のうち、貫通孔５２が設けられている付近の部位５０ｂがシールカバー１０の端面１０ａに密着し、上記端部５０ａ付近の部位５０ｃが第２凹部３１におけるシールカバー１０側の側面３１ｂに密着した状態となる。これにより、シールカバー１０とカラー３０との軸方向の位置決めがなされる。なお、カラー３０には、スプリング６１の付勢力によって、固定環２０及び回転環４０を介して、シールカバー１０から離れる方向に力が作用している。これにより、セットプレート５０における上記部位５０ｃと、第２凹部３１の側面３１ｂとは密着した状態となる。

以上の構成により、シールカバー１０（及びシールカバー１０側に設けられた固定環２０等）と、カラー３０（及びカラー３０側に設けられた回転環４０等）は、径方向及び軸方向の位置決めがなされた状態で仮固定されている。このように、メカニカルシール１００はカートリッジ化され、１部品として取り扱うことができる。メカニカルシール１００を組み付ける場合には、まず、メカニカルシール１００を所定位置に装着させる。そして、シールカバー１０をハウジング３００に固定し、かつカラー３０を回転軸２００に固定する。その後、ボルト５５を外してセットプレート５０を全て取り外す。

＜セットプレート＞
特に、図４及び図５を参照して、セットプレート５０について、より詳しく説明する。セットプレート５０においては、上記の通り、突出部５１と、セットプレート５０の本体部分の端部５０ａと、本体部分におけるシールカバー１０側の面（部位５０ｂ，ｃ）が位置決めに関与する。従って、これらを形成する部分、及びシールカバー１０に固定されるための貫通孔５２は必須の構成といえる。言い換えれば、これらの必須の構成を備えてさえいれば、種々の構成を採用し得る。ただし、セットプレート５０は、メカニカルシール１００を使用する際には取り外さなければならないので、ボルト５５を外した後に、シールカバー１０から簡単に外せるようにするのが望ましい。以上の観点から、セットプレート５０の好ましい形態について説明する。

図５（ａ）は、図１，２及び４に示したセットプレート５０の断面図である。この図５（ａ）に示す各部の寸法について、Ｘ＞ＹかつＺ≧Ｙの条件を満たすことによって、セットプレート５０の取り付け、及び取り外しを容易にすることが可能となる。ＬとＨの大小関係は、取り付けや取り外しの容易性にはあまり関与しない。また、突出部５１が第１凹部１１内に挿入された状態で、突出部５１と第１凹部１１との間には断面Ｌ字状の隙間Ｓが形成されるようにするのが望ましい（図２参照）。

以上のような構成により、セットプレート５０の取り付け、及び取り外しが容易になる。従って、例えば、図５（ｂ）に示すセットプレート５０Ｘのように、基本的な形状を上記セットプレート５０と同一とした上で、Ｘ＝Ｙとする構成を採用することもできる。また、図５（ｃ）に示すセットプレート５０Ｙのように、板状の部材に突出部５１と貫通孔５２を設けたようなシンプルな構成とすることもできる。なお、このセットプレート５０Ｙが、加工が最も容易である。更に、図５（ｄ）に示すセットプレート５０Ｚのように、上記セットプレート５０Ｙの構成に対して、端部５０ａ側に段差を形成する構成を採用することもできる。

ここで、上記実施例において説明したセットプレート５０は、従来例において用いられていたセットプレート５５０をそのまま適用したものである。つまり、このセットプレート５０は、本実施例に係るメカニカルシール１００及び従来例に係るメカニカルシール５００のいずれにも適用可能である。ただし、径方向の位置決めと、軸方向の位置決めに関与する部位は、それぞれ異なることは言うまでもない。上述したように、従来例においては、セットプレート５５０に鉤状の係合突起部５５１を設けるのが必須であるのに対して、本実施例の場合には、そのような複雑な部位は必須ではない。すなわち、上記の通り、図５（ｃ）に示すセットプレート５０Ｙのような単純な構造のものを採用できる。

＜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１００によれば、セットプレート５０（５０Ｘ，５０Ｙ，５０Ｚ）による位置決め固定のために、シールカバー１０には、ハウジング３００に対向する側とは反対側の端面１０ａに第１凹部１１を設ければよい。そして、この第１凹部１１には、回転軸２００側に、セットプレート５０に設けられた突出部５１が接する側面１１ａが設けられていればよい。つまり、従来例の場合のように、シールカバー１０に対して、鉤状の係合突起部のような複雑な構造部分は不要である。従って、メカニカルシール１００の構成部材のうち、最も大型の部材で、かつ比較的高価になってしまい易いシールカバー１０の加工（円筒形状の素材に対する切削加工）を簡単にすることができ、コストも削減できる。また、シールカバー１０において剛性が低くなってしまう部位を減らすことができる。更に、固定環２０や回転環４０の種類に応じて、軸方向の距離が異なる場合であっても、シールカバー１０とセットプレート５０との位置関係は影響を受けない。そのため、これらの部材を、複数種類の固定環２０や回転環４０に対して利用できる。従って、汎用性もある。

なお、本実施例に係るメカニカルシール１００の場合には、カラー３０の外周側に、第２凹部３１を形成するために、固定環２０側に向かって軸方向に突き出た環状部分を設ける必要がある。また、固定環２０や回転環４０の種類に応じて、軸方向の距離が異なる場合には、この環状部分の寸法を調整しなければならない。従って、カラー３０については、本実施例に係るメカニカルシール１００の方が、従来例に比べて複雑な構成となる。しかしながら、カラー３０はシールカバー１０に比べて小型の部品であり、加工は容易である。また、軸方向に突き出た環状部分も、シールカバーに鉤状の係合突起部を形成する場合に比べて、径が小さいため、剛性もそれほど低くなることはない。以上のことから、従来例に比べてコストを十分に削減することが可能となる。

＜その他＞
本実施例においては、セットプレート５０により位置決めされるために、シールカバー１０に設ける第１凹部１１及びカラー３０に設ける第２凹部３１は、いずれも環状の溝によって構成される場合を示した。これは、部分的な凹部を形成する場合に比べて、加工が容易であることや、セットプレート５０の取り付け、及び取り外しがより容易になるためである。ただし、第１凹部１１及び第２凹部３１は、少なくとも位置決め機能を満たせばよいので、環状の溝ではなく部分的に凹んだ凹部で構成してもよい。

１０ シールカバー
１１ 第１凹部
１２ メネジ部
１３ ピン穴
１４ 排出口
１５ 導入口
１６ Ｕ形溝
２０ 固定環
２１ 先端面
２２ 溝
３０ カラー
３１ 第２凹部
３５ セットスクリュー
４０ 回転環
５０，５０Ｘ，５０Ｙ，５０Ｚ セットプレート
５１ 突出部
５２ 貫通孔
５５ ボルト
６２ ノックピン
７１，７２ Ｏリング
７３ シールリング
７４ ガスケット
８０ ノックピン
１００ メカニカルシール
２００ 回転軸
３００ ハウジング

Claims (1)

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、
   前記ハウジングに固定される環状のシールカバーと、
   該シールカバー側に設けられる固定環と、
   前記回転軸に固定される環状のカラーと、
   該カラー側に設けられ、前記固定環の端面に対して摺動する摺動面を有する回転環と、
   前記固定環を前記回転環側に向けて付勢する付勢部材と、
   前記シールカバーと前記カラーとを仮固定するために取り付けられると共に、前記シールカバーが前記ハウジングに固定され、かつ前記カラーが前記回転軸に固定されると、前記シールカバー及びカラーから取り外されるセットプレートと、
   を備えるカートリッジ式のメカニカルシールにおいて、
   前記シールカバーにおける前記ハウジングに対向する側とは反対側の端面には第１凹部が設けられ、かつ前記カラーの外周側には第２凹部が設けられており、
   前記セットプレートは、前記シールカバーにおける前記端面側に固定されるように構成されると共に、
   該セットプレートが固定されることによって、
   該セットプレートに設けられた突出部が第１凹部内に挿入されて第１凹部における側面に接し、かつ該セットプレートの端部が第２凹部の底面に接することで前記シールカバーとカラーとの径方向の位置決めがなされ、
   前記セットプレートにおける前記シールカバー側の面が、該シールカバーにおける前記端面及び第２凹部における該シールカバー側の側面に接することで該シールカバーとカラーとの軸方向の位置決めがなされることを特徴とするメカニカルシール。

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