JP5913025B2 - 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ものである。

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（逆の場合もある）付勢部材が設けられる。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ため、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、正規のスプリング荷重を得るために、正規の位置にスリーブを固定しなければならない。従って、正規の位置を測定しなければならないため、部材を装置に組み入れる作業に非常に手間がかかり、メカニカルシールの組み付け作業全体として非常に手間がかかっていた。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。

このような技術においては、セットプレートをシールカバーの端面側にボルト等で固定する技術が知られている（特許文献１参照）。しかしながら、この技術の場合には、セットプレートを固定するためのねじ穴の公差分だけ、径方向に対するガタがあり、芯出し精度が低くなってしまう欠点がある。また、メカニカルシールを所定位置に組み付けた後にセットプレートを取り外す際に、軸方向にボルトが配置されているため、ボルトを取り外すための器具が入り難く、ボルトを取り外すための作業を行うスペースが確保できない等、作業性が悪い場合がある。更に、カートリッジ式とするために、回転軸に装着するスリーブが必須となってしまう欠点もある。

また、シールカバーの側面側に鉤状部分を設けておき、セットプレートをこの鉤状部分の径方向外側から係合させた状態で、カラーの径方向外側にセットプレートを固定する技術も知られている（特許文献２参照）。しかしながら、この技術の場合には、付勢部材の付勢力に抗するようにカラーを押え付けつつ、セットプレートを固定する作業が強いられるため作業性が悪い欠点がある。また、周方向に対してセットプレートを複数（例えば３箇所）固定するため、シールカバーとセットプレートとの間に径方向に対するクリアランスが必須となり、上記技術の場合と同様に、径方向に対するガタがあり、芯出し精度が低くなってしまう欠点がある。更に、シールカバーの側面側に鉤状部分を設けなければならないため、切削加工のコストが高くなってしまう欠点もある。更に、鉤状部分が軸方向に伸びる構成であることからメカニカルシールを軸方向にコンパクト化する際の支障にもなっている。

特開２００７−１３８９６５号公報 国際公開番号ＷＯ２０１０／００１６８３号公報

本発明の目的は、組立作業が容易で、芯出し精度を高められる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、
前記固定環と回転環のうちの一方を他方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係合するセットプレートと、
を備えるメカニカルシールにおいて、
前記セットプレートは、その外周面に突出部を備えると共に、前記カラーに固定され、
前記シールカバーは、その内周面に凸部を有し、該凸部には、径方向内側へと開口し、かつ該凸部のハウジング側とカラー側の両領域とを連通する軸方向溝が設けられており、
前記セットプレートにおける前記突出部と、前記シールカバーにおける前記凸部とが係合することを特徴とする。

本発明によれば、セットプレートはカラーに予め固定しておけばよく、また、セットプレートの位置をシールカバーの軸方向溝の位置に合わせ、カラーをシールカバー側に押し込んだ状態で回転させるだけで、カラーとシールカバーとを位置決めさせた状態で仮固定することができる。従って、組立作業が容易である。

また、前記シールカバーは前記凸部の前記ハウジング側に周方向溝を有し、前記セットプレートは前記突出部の前記ハウジングとは反対側に凹部を有するとよい。

このような構成のメカニカルシールにより、突出部及び凸部が、各々周方向溝及び凹部に入り込むことで、シールカバーとセットプレートとが軸方向に対する変位が無いように固定され、持ち運びや取り付けの際に取扱いが容易となる。

前記シールカバーにおいて、前記凸部の先端面、及び前記周方向溝の溝底面はいずれも周方向に円弧状に形成され、
前記セットプレートにおいて、前記突出部の先端面、及び前記凹部の底面はいずれも周方向に円弧状に形成されるとよい。

本発明においては、凸部の先端面とセットプレートの凹部の底面はいずれも周方向に円弧状に形成されているので、これらを線接触の状態で接触させることができる。また、同様に、突出部の先端面とシールカバーの周方向溝の溝底面はいずれも周方向に円弧状に形成されているので、これらを線接触の状態で接触させることができる。従って、固定する際、各々の接触面についてかじることなく径方向隙間をなくすことができ、また、芯出し精度を高めることができる。

以上説明したように、本発明によれば、組立作業が容易となり、かつ芯出し精度を高めることが可能となる。

図１は本発明の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。 図２は本発明の実施例に係るメカニカルシールの斜視図である。 図３は本発明の実施例に係るシールカバーの斜視図である。 図４は本発明の実施例に係るセットプレートが固定されているカラーの斜視図である。 図５は本発明の実施例に係るセットプレートの斜視図である。 図６は本発明の実施例に係るメカニカルシールの組み立て手順説明図である。 図７は本発明の実施例に係るメカニカルシールの組み立て手順説明図である。 図８は本発明の実施例に係るメカニカルシールの組み立て手順説明図である。 図９は本発明の実施例に係るメカニカルシールの組み立て手順説明図である。 図１０は本発明の実施例に係るメカニカルシールの組み立て手順説明図である。

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１０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及び図２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。図１は本発明の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、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（回転軸の中心軸線に一致する）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異なっている。図２は本発明の実施例に係るメカニカルシールをカラー側から見た斜視図である。

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）はシール対象流体が密封されている領域である。

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１５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７３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１４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に設けられたピン穴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が設けられており、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１３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、カラー３０に設けられた貫通孔３３を介してセットスクリュー８２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に設けられたピン穴３１にはノックピン６３が差し込まれている。そして、回転環４０に設けられた切り欠き４２にノックピン６３が嵌ることによって、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が設けられており、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おり、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２１の先端面が回転環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、シールカバー１０をハウジング３００へと、また、カラー３０を回転軸２００へと組付ける前の状態で、複数（本実施例では４個）の樹脂製のセットプレート５０によって、シールカバー１０とカラー３０は固定されている。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８１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〜図５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３は本発明の実施例に係るシールカバーをカラーが設けられる側から見た斜視図である。図４は本発明の実施例に係るセットプレートが固定されているカラーをシールカバーが設けられる側から見た斜視図である。図５は本発明の実施例に係るセットプレートの斜視図である。

セットプレート５０は、板状の本体部分にボルト８１の軸部が挿通される貫通孔５３が設けられている。また、このセットプレート５０は、カラー３０の外周面に対して固定された状態で、シールカバー１０に向かって伸び、その先端側で径方向外側に向かって突出
する突出部５１と、突出部５１よりもカラー３０側に設けられ径方向内側に向かって凹んだ凹部５２とを備えている。また、セットプレート５０における突出部５１の外周面である先端面と凹部５２の内周面である底面は、いずれも周方向（幅方向）に円弧状に形成されている（図５参照）。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、このセットプレート５０による仮固定構造について詳細に説明する。

セットプレート５０は、上記の通り、カラー３０の外周面に対して、ボルト８１により固定される。より具体的には、セットプレート５０の貫通孔５３を介して、カラー３０の外径側に設けられたねじ穴３２にボルト８１をねじ込むことで、セットプレート５０をカラー３０に固定させる。本実施例の場合には、カラー３０に対して、９０度毎に合計４か所にセットプレート５０が固定される。

そして、シールカバー１０には、その内周面に、環状の凸部１２と、周方向に伸びる周方向溝１１が設けられている。また、凸部１２には、径方向内側へと開口し、かつ凸部１２のハウジング３００側とカラー３０側の両領域とを連通する軸方向溝１１ａが設けられている。すなわち、この軸方向溝１１ａは、周方向溝１１内からカラー３０側に向かって伸び、カラー３０側に開口するように構成されている。なお、本実施例に係る周方向溝１１は環状の溝である。

また、凸部１２の先端面と周方向溝１１の溝底面は、いずれも周方向に円弧状に形成されている。なお、セットプレート５０が取り付けられた状態において、シールカバー１０における凸部１２の先端面と、セットプレート５０における凹部５２の底面（２つの対向する面の間の面）は、円弧状面であり、かつ前者の内径と後者の外径が同一径となるように設計されている。また、セットプレート５０が取り付けられた状態において、シールカバー１０における周方向溝１１の溝底面と、セットプレート５０における突出部５１の先端面は、円弧状面であり、かつ前者の内径と後者の外径が同一径となるように設計されている。

以上の構成により、セットプレート５０における突出部５１及び凹部５２と、シールカバー１０における周方向溝１１及び凸部１２とが係合することで、カラー３０とシールカバー１０とが位置決めされた状態で仮固定される。ここで、カラー３０とシールカバー１０は、スプリング６１による付勢力により、互いに離れる方向への力が作用している。そのため、セットプレート５０における突出部５１のカラー３０側に向いた面と、シールカバー１０における周方向溝１１のハウジング３０側に向いた側面とが接触した状態が保たれる。これにより、カラー３０とシールカバー１０は、軸方向の位置決めがなされた状態で仮固定される。

また、セットプレート５０における凹部５２の底面と、シールカバー１０における凸部１２の先端面とは密着した状態となっている。更に、セットプレート５０における突出部５１の先端面と、シールカバー１０における周方向溝１１の溝底面も密着した状態となっている。これにより、上記の通り、９０度毎に合計４か所のセットプレート５０が設けられているため、カラー３０とシールカバー１０は、径方向の位置決めがなされた状態で仮固定される。また、凹部５２の底面と凸部１２の先端面、及び突出部５１の先端面と周方向溝１１の溝底面は、同一径となるように設計されているため、いずれもクリアランスが設けられることなく密着した状態となっており、また、セットプレート５０における突出部５１の先端面と、セットプレート５０における凹部５２の底面が円弧状に形成されることにより、凹部５２の底面と凸部１２の先端面、及び突出部５１の先端面と周方向溝１１
の溝底面は、固定する際、かじることなく径方向隙間をなくすことができる。従って、カラー３０とシールカバー１０の芯出し精度を高くすることができる。更に、カラー３０とシールカバー１０の芯出し精度が高くなることに伴い、これらに設けられている回転環４０と固定環２０についても芯出し精度が高くなる。

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８１を外してセットプレート５０を全て取り外す。

＜メカニカルシールの組み立て手順＞
図６〜図１０を参照して、本発明の実施例に係るメカニカルシール１００の組み立て手順について説明する。図６〜図８はメカニカルシール１００を構成する各部材を断面で示している。なお、図６は組み立てる前、図７は組み立て途中、図８は組み立て後の状態を示している。図８においては、丸で囲った一部の拡大図も示している。また、図６〜図８において、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（回転軸の中心軸線に一致する）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異なっている。

また、図９及び図１０はメカニカルシール１００の組み立て時の様子を正面側（カラー３０側）から見た図を示している。ただし、説明の便宜上、図９及び図１０においては、ボルト８１を省略している。

本実施例においては、従来例とは異なり、まず、セットプレート５０をカラー３０に対して、予め固定しておく。上記の通り、本実施例においては、４つのセットプレート５０を、ボルト８１によって、それぞれカラー３０に固定する。セットプレート５０を固定後、カラー３０のピン穴３１にノックピン６３を差し込む。その後、回転環４０に設けられた切り欠き４２にノックピン６３が嵌るように、回転環４０をカラー３０に取付ける。このとき、カラー３０と回転環４０との間にＯリング７２を装着させておく（図６参照）。

また、シールカバー１０のスプリング用穴１３に対してスプリング６１を装着し、ピン穴１４にノックピン６２を差し込む。そして、固定環２０に設けられたピン穴２２にノックピン６２が嵌るように、固定環２０をシールカバー１０に取付ける。このとき、シールカバー１０と固定環２０との間にＯリング７１を装着させておく（図６参照）。

その後、回転環４０をカラー３０に取付けた状態を維持しながら、セットプレート５０における突出部５１をシールカバー１０の軸方向溝１１ａの位置に合わせた状態で、スプリング６１の付勢力に抗しつつ、カラー３０をシールカバー１０側に押し込む（図７及び図９参照）。

そして、突出部５１がシールカバー１０の周方向溝１１の位置に至るまでカラー３０を押し込んだ状態で、カラー３０を回転させる。このとき、セットプレート５０が軸方向溝１１ａと重ならない位置までカラー３０を回転させる（図８及び図１０参照）。なお、本実施例では時計回りとは反対方向にカラー３０を回転させている。

＜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はカラー３０に
予め固定しておけばよい。従って、従来例のように付勢部材（スプリングなど）の付勢力に抗してカラーを押さえ付けながらセットプレートを固定するというような作業が強いられることはない。また、本実施例に係るメカニカルシール１００によれば、カラー３０をシールカバー１０側に押し込んだ状態で回転させるだけで、カラー３０とシールカバー１０とを位置決めさせた状態で仮固定することができる。従って、組立作業を容易にすることが可能となる。

また、本実施例においては、セットプレート５０が取り付けられた状態において、シールカバー１０における凸部１２の先端面と、セットプレート５０における凹部５２の底面は、円弧状面であり、かつ前者の内径と後者の外径が同一径となるように設計されている。更に、セットプレート５０が取り付けられた状態において、シールカバー１０における周方向溝１１の溝底面と、セットプレート５０における突出部５１の先端面は、円弧状面であり、かつ前者の内径と後者の外径が同一径となるように設計されている。そのため、凹部５２の底面と凸部１２の先端面、及び突出部５１の先端面と周方向溝１１の溝底面との間には、いずれもクリアランスが設けられることなく密着した状態となっている。従って、径方向に対するクリアランスがなく、ガタをなくすことができ、芯出し精度を高めることができる。

また、本実施例に係るメカニカルシール１００の場合には、カートリッジ化するためにスリーブが必要となることはない。更に、シールカバー１０の側面側に鉤状部分を設ける必要もないので、切削加工のコストが高くなってしまうこともなく、軸方向にコンパクト化する際の支障になることもない。

＜その他＞
本実施例においては、シールカバー１０に設ける周方向溝１１を、環状の溝によって構成される場合を示した。これは、部分的な溝を形成する場合に比べて、加工が容易なためである。ただし、この周方向溝１１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、軸方向溝１１ａを形成する付近にそれぞれ部分的に設けるようにしてもよい。

また、本実施例では、セットプレート５０を４か所に設ける場合を示したが、セットプレート５０の配置数はこれに限るものではなく、メカニカルシール１００の大きさ等に応じて、適宜設定すればよい。なお、芯出し精度を高めるために、セットプレート５０は等間隔で設けるのが望ましい。

また、本実施例においては、固定環２０側にスプリング６１を配置して、固定環２０を回転環４０側に付勢するように構成されたメカニカルシール１００を示した。しかしながら、本発明は、回転環側にスプリングを配置して、回転環を固定環側に付勢するように構成されたメカニカルシールに対しても適用可能である。また、本発明は、固定環側と回転環側の両者にスプリングが配置されたメカニカルシールに対しても適用可能である。

１０ シールカバー
１１ 周方向溝
１１ａ 軸方向溝
１２ 凸部
１３ スプリング用穴
１４ ピン穴
１５ Ｕ形溝
２０ 固定環
２１ 凸部
２２ ピン穴
３０ カラー
３１ 突起部
３２ ねじ穴
３３ 貫通孔
４０ 回転環
４１ 端面
５０ セットプレート
５１ 突出部
５２ 凹部
５３ 貫通孔
６１ スプリング
６２ ノックピン
７１，７２ Ｏリング
７３ ガスケット
８１ ボルト
８２ セットスクリュー
１００ メカニカルシール
２００ 回転軸
３００ ハウジング

Claims (3)

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、
   前記固定環と回転環のうちの一方を他方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係合するセットプレートと、
   を備えるメカニカルシールにおいて、
   前記セットプレートは、その外周面に突出部を備えると共に、前記カラーに固定され、
   前記シールカバーは、その内周面に凸部を有し、該凸部には、径方向内側へと開口し、かつ該凸部のハウジング側とカラー側の両領域とを連通する軸方向溝が設けられており、
   前記セットプレートにおける前記突出部と、前記シールカバーにおける前記凸部とが係合す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凸部の前記ハウジング側に周方向溝を有し、前記セットプレートは前記突出部の前記ハウジングとは反対側に凹部を有す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. 前記シールカバーにおいて、前記凸部の先端面、及び前記周方向溝の溝底面はいずれも周方向に円弧状に形成され、
   前記セットプレートにおいて、前記突出部の先端面、及び前記凹部の底面はいずれも周方向に円弧状に形成されることを特徴とする請求項２に記載のメカニカルシール。

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