JP6128600B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシール装置に関する。

メカニカルシール装置において、回転環を回転軸に外嵌されたスリーブを介して回転軸に固定する構成が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。図４、図５を参照して、スリーブを備えた従来のメカニカルシール装置について説明する。図４、図５は、従来例に係るメカニカルシール装置の構成を説明する模式的半断面図である。

図４に示すメカニカルシール装置１００は、ポンプのケーシング等のハウジング２００と回転軸３００と間に設けられ、ハウジング２００の内部（機内側）Ａを外部（機外側）Ｂに対して密封する。メカニカルシール装置１００は、ハウジング２００に取り付けられるシールカバー１０２と、回転軸３００に嵌着されるスリーブ１０３と、を有する。シールカバー１０２には、環状部材である固定環１０４が設けられている。スリーブ１０３には、環状部材である回転環１０５が設けられている。

シールカバー１０２とスリーブ１０３は、固定環１０４と回転環１０５とが接触するように、ハウジング２００と回転軸３００にそれぞれ取り付けられる。固定環１０４と回転環１０５とが互いに摺動自在に接触して環状のシール面を形成することにより、上記密封状態が形成される。また、スリーブ１０３と回転軸３００との間にはシール部材としてＯリング１０６が装着され、スリーブ１０３と回転軸３００との隙間から密封対象流体が漏れ出るのを防止する構成となっている。

スリーブ１０３の組み付けは、その内筒部に回転軸３００を通しながら回転軸３００外周面の所定位置までスリーブ１０３を移動させることにより行う。そのため、装着性（芯合わせのし易さ）の観点から、図４に示すように、スリーブ１０３の内径及び回転軸３００の外径を、スリーブ１０３に回転軸３００を挿通する際の入口側の広さが奥側よりも広くなるように変化させた段差形状の構成が採用されることが多い。そして、装着時の安定性の観点から、スリーブ１０３と回転軸３００との対向面において隙間を部分的に極力小さく、すなわち、スリーブ１０３内径と回転軸３００外径を略同径に設定するインロー部を設けることが一般的である。このインロー部においてスリーブ１０３と回転軸３００は互いに嵌め合された装着状態となる。かかるインロー部は、スリーブ１０３の装着姿勢の安定性の観点から、少なくとも２箇所設ける構成が一般的である。図４に示すように、機内側インロー部Ｃ、機外側インロー部Ｃ_０を設ける構成が一般的である。

ところで、このような段差形状及びインロー部Ｃ、Ｃ_０を設けた構成は、例えば、軸心の不一致により段差部においてスリーブ１０３と回転軸３００とが直接接触することによって強固に引っかかった状態、いわゆるかじりが生じやすい。特に、縦型ポンプでは、装置分解時に回転軸とカップリングを分離する際に回転軸を落下させてしまうことがあり、その際にスリーブが回転軸に対してずれてかじりを生じ、スリーブが回転軸から抜けなくなってしまうことがある。

このようなかじり対策としては、スリーブと回転軸とが当たりにくくなるように、段差形状における機外側の小径領域におけるスリーブと回転軸との間の隙間を大きくとるように設計することが考えられる。あるいは、スリーブの材質の硬度を回転軸よりも低くして、かじりが発生しても外し易くることが考えられる。

また、図５のように、Ｏリング１０６、１０７を２本使いとし、Ｏリング２本で調芯することも考えられる。しかしながら、この構成においては、組付け時などにおいてＯリング１０６、１０７間に溜まったエア溜によって、装置の分解や組み込みがやりにくくなることがある。また、Ｏリング１０６、１０７間に溜まったエアが装置作動時に熱などにより膨張し、スリーブ１０３が回転軸３００に対して移動してしまうことがある。また、スリーブと回転軸の材質間に硬度差を設ける対策では、スリーブまたは回転軸の材料選択に制約が生じることになる。

国際公開第２００９／００８２８８号公報 特開２０１１−０９９５３２号公報 特開２０１２−０３６９２６号公報

本発明の目的は、装着性の向上を図りつつ装着姿勢の安定性の向上を図ることができるスリーブを備えたメカニカルシール装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明におけるメカニカルシール装置は、
ハウジングに設けられた軸孔と該軸孔に挿通された回転軸との間を密封して前記ハウジング内の流体を外部に対してシールするメカニカルシール装置であって、
第１外周面と、該第１外周面よりも小径で前記第１外周面よりも軸方向外部側に設けられる第２外周面と、を有する前記回転軸の外周に取り付けられる筒状のスリーブであって、前記第１外周面に対向する第１内周面と、該第１内周面よりも小径で前記１内周面よりも軸方向外部側に設けられ、前記第２外周面に対向する第２内周面と、有し、前記第１内周面側を入口として前記回転軸が前記第２外周面側を先頭にして挿通されるスリーブと、
前記スリーブの外周に取り付けられる第１環状部材と、
前記ハウジングに取り付けられ、前記第１環状部材に摺動自在に接触して環状のシール面を形成する第２環状部材と、
前記第１外周面と前記第１内周面との間の隙間に装着され、該隙間をシールするシール部材と、
前記第２外周面と前記第２内周面との間の隙間に装着され、前記回転軸に対して前記スリーブを支持する支持部材と、
を備え、
前記支持部材は、環状の弾性部材であり、前記スリーブと前記回転軸との間で径方向に圧縮されて装着されると共に、
前記スリーブと前記回転軸との間の隙間における前記シール部材と前記支持部材との間の領域と、前記外部とが連通されていることを特徴とする。

本発明によれば、回転軸とスリーブが、段差形状を有する構成となっていることで、スリーブの回転軸に対する装着性の向上を図ることができるとともに、支持部材が設けられていることにより、スリーブの装着姿勢の向上を図ることができる。すなわち、スリーブと回転軸との間の隙間において、ハウジング内部側の大径領域では、シール部材によってスリーブが回転軸に対して支持され、外部側の小径領域では、支持部材によってスリーブが回転軸に対して支持される構成となる。これにより、スリーブの回転軸に対する装着姿勢が安定する。スリーブの装着姿勢の安定により、シール部材及び装置全体のシール性の安定・向上を図ることができる。また、支持部材は、環状の弾性部材であり、スリーブと回転軸との間で径方向に圧縮されて装着されるので、スリーブと回転軸の中心軸を一致させるような径方向の付勢力が発生し、装着性の向上、装着姿勢の安定性が向上される。

また、スリーブと回転軸との間の隙間におけるシール部材と支持部材との間の空間が外部と連通されていることで、上記空間が密封空間とならないように構成されている。これ
により、上記空間にエアが溜まって、熱等によるエアの膨張によってスリーブが移動する等の不具合が生じるのを防止することができる。

前記スリーブは、前記回転軸との間の隙間における前記シール部材と前記支持部材との間の領域と、前記外部とを連通する連通路を有するとよい。

スリーブに上述のような連通路を設けることで、上述した連通状態を簡易に形成することができる。

前記連通路は、前記スリーブの内周面に前記支持部材との接触領域を横断するように形成された溝であるとよい。

これにより、連通路を簡易に形成することができる。

前記支持部材は、Ｏリングであるとよい。

これにより、支持部材として特別な部材を用意する必要がなく、本発明の構成を簡易に実現することができる。

前記スリーブは、第２外周面と第２内周面との間の隙間の径方向の幅が、前記第１外周面と前記第１内周面との間の隙間の径方向の幅よりも広いとよい。

これにより、かじりの発生を抑制することができる。

前記スリーブは、前記第１内周面に前記第１外周面と略同径となる嵌め合わせ部を有するとよい。

これにより、スリーブと回転軸との間におけるハウジング内部側の大径領域においては隙間を極力小さくした嵌め合わせ部及びシール部材により、外部側の小径領域では支持部材により、それぞれスリーブが回転軸に対して支持される構成となる。これにより、スリーブの回転軸に対する装着姿勢が安定する。

本発明によれば、装着性の向上を図りつつ装着姿勢の安定性の向上を図ることができる。

本発明の実施例に係るメカニカルシール装置の模式的半断面図 本発明の実施例におけるスリーブの模式的半断面図 図２のＡ矢視断面図 従来例に係るメカニカルシール装置の模式的半断面図 従来例に係るメカニカルシール装置の模式的半断面図

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３を参照して、本発明の実施例に係るメカニカルシール装置について説明する。図１は、本実施例に係るメカニカルシール装置の構成を示す模式的半断面図である。図２は、本発明の実施例におけるスリーブの模式的半断面図である。図３は、図２のＡ矢視断面図（軸方向に見た断面図）である。

本実施例に係るメカニカルシール装置は、例えば、各種プラント用の配管に用いられる各種ポンプにおける軸封装置として用いられる。

＜全体構成＞
図１に示すように、本実施例に係るメカニカルシール装置１は、ポンプのケーシング等であるハウジング２００と、該ハウジング２００の軸孔２０１内に挿通される金属または樹脂製の回転軸３００と間に取り付けられる。メカニカルシール装置によって、機内であるハウジング２００内部Ａは、機外である外部（大気側）Ｂに対して密封される。

メカニカルシール装置１は、ハウジング２００に取り付けられる第１シールカバー２１と、第１シールカバー２１に取り付けられる第２シールカバー２２と、回転軸３００の外周に嵌着される金属または樹脂製のスリーブ３と、を備える。第２シールカバー２２の内周には、第２環状部材である固定環（固定側シールリング）４が取り付けられている。スリーブ３の外周には、第１環状部材である回転環（メイティングリング）５、環状保持部６、コンプレッションリング７、スプリング８、カラー９などが取り付けられている。

＜シールカバー２１、２２＞
第１シールカバー２１は、軸方向に延びる不図示の固定溝を複数有しており、該固定溝に不図示のボルトが嵌め込まれることにより、ハウジング２００の外面（軸孔開口部外周の端面）に取り付けられる。第１シールカバー２１は、複数のフラッシング通路２４を有している。第２シールカバー２２は、ボルト２３により第１シールカバー２１の端面に取り付けられる。第１シールカバー２１と第２シールカバー２２との間には、Ｏリング２５が装着されており、両者の間の隙間をシールしている。なお、第１シールカバー２１もボルト２３によってハウジング２００に固定される構成でもよい。すなわち、第１シールカバー２１と第２シールカバー２２にそれぞれ貫通孔を設け、それら貫通孔にボルト２３を通して、両者をハウジング２００に対して固定する構成でもよい。

＜スリーブ３＞
スリーブ３は、外部Ｂ側の端部外周面にスリーブカラー３０が取り付けられている。スリーブ３は、スリーブカラー３０とともにセットスクリュー３１、３２によって回転軸３００に固定され、回転軸３００とともに回転する。スリーブ３の内周面と回転軸３００の外周面との間にはＯリング２８が取り付けられ、両者の間の隙間がシールされている。スリーブ３は、外周面の内部Ａ側に環状保持部６、コンプレッションリング７、カラー９が嵌合されている。

本実施例では、回転軸３００とスリーブ３が上述したインロー部Ｃを有する構成となっている。また、回転軸３００は、外周面におけるスリーブ３の装着領域が段差形状となっており、第１外周面３０１と、第１外周面よりも小径の第２外周面３０２とを有する構成となっている。そして、スリーブ３は、この回転軸３００の外周形状に対応した内周形状
を有している。すなわち、第１外周面３０１に対向する第１内周面３３と、該第１内周面３３よりも小径で、第２外周面３０２に対向する第２内周面３４と、有する。そして、スリーブ３は、回転軸３００がスリーブ３の第１内周面３３側を入口として第２外周面３０２側を先頭にして挿通されることにより、回転軸３００の外周に嵌着される。

本実施例におけるスリーブ３の特徴的構成については、後述する。

＜固定環（固定側シールリング）４＞
固定環４は、第２シールカバー２２の内周面に取り付けられている。固定環４の外周面と第２シールカバー２２の内周面との間にはＯリング２６が径方向に圧縮されて装着されている。また、固定環４の外部Ｂ側の端面と第２シールカバー２２の端面との間にはＯリング２７が軸方向に圧縮されて装着されている。固定環４には超硬質材料が用いられ、例えば、シリコンカーバイド、タングステンカーバイト、カーボン、その他のセラミックスなどが挙げられるが、これらに限定されない。

固定環４は、軸方向における内部Ａ側の端面に、回転環５に向かって突出する
環状の凸部４０を有する。この凸部４０の先端が環状の摺動面４１となっており、回転環５の環状の摺動面５１と接触することにより、環状のシール面が形成される。固定環４は、第２ハウジング２２に対して固定されており、回転軸３００の回転によって回転する回転環５の摺動面５１に対し、摺動面４１が摺動する。

＜回転環５＞
回転環５は、環状保持部６の内周に設けられた凹部に内嵌されており、回転軸３００とともに回転する。回転環５の軸方向機外Ｂ側の側面は、摺動面５１となっており、上述したように、固定環４の摺動面４１に密着するとともに回転軸３００の回転により摺動面４１に対して摺動する。回転環５には超硬質材料が用いられ、例えば、シリコンカーバイド、タングステンカーバイト、カーボン、その他のセラミックスなどが挙げられる。ただし、これらに限定されない。

回転環５は、環状保持部６がコンプレッションリング７を介してスプリング８から軸方向の付勢力が負荷されることにより、軸方向外部Ｂ側に付勢され、固定環４に対して密着している。スリーブ３外周面と環状保持部６とコンプレッションリング７の間には、Ｏリング２９が装着され、これらの間の隙間を封止している。スプリング８は、周方向に複数個配置され、コンプレッションリング７とカラー９との間に軸方向に圧縮されて装着される。

＜本実施例の優れた点＞
本実施例におけるスリーブ３は、段差形状における大径領域に、スリーブ３内周と軸３００外周が略同径となるインロー部Ｃを有するとともに、該インロー部Ｃにシール部材としてＯリング２８が取り付けられている。Ｏリング２８は、スリーブ３の第１内周面３３に形成された環状の装着溝３５に装着される。Ｏリング２８は、装着溝３５の溝底と、回転軸３００の第１外周面３０１との間で径方向に圧縮される。これにより、Ｏリング２８は、スリーブ３と回転軸３００との間の環状隙間を封止するシール性を発揮するとともに、スリーブ３と回転軸３００に対して、それぞれの中心軸を互いに一致させるような径方向の付勢力を付与し、スリーブ３の回転軸３００に対する装着姿勢を安定させる。

また、本実施例におけるスリーブ３は、段差形状における小径領域に支持部材としてのＯリング３６が取り付けられている。小径領域は、大径領域のインロー部Ｃよりもスリーブ３内周とハウジング３００外周との隙間が大きく設けられている。Ｏリング３６は、スリーブ３の第２内周面３４に形成された環状の装着溝３７に装着される。Ｏリング３６は
、装着溝３７の溝底と、回転軸３００の第２外周面３０２との間で径方向に圧縮される。これにより、Ｏリング３６は、スリーブ３と回転軸３００に対して、それぞれの中心軸を互いに一致させるような径方向の付勢力を付与し、スリーブ３の回転軸３００に対する装着姿勢を安定させる。

このように、本実施例においては、スリーブ３と回転軸３００との間の大径領域においては隙間を極力小さくした嵌め合わせ部であるインロー部Ｃ及びＯリング２８により、小径領域ではＯリング３６により、それぞれスリーブ３が回転軸３００に対して支持される構成となる。これにより、スリーブ３の回転軸３００に対する装着姿勢が安定する。スリーブ３の装着姿勢の安定により、Ｏリング２８及び装置全体のシール性の安定・向上を図ることができる。

また、本実施例では、スリーブ３の装着溝３７に、連通溝３８が形成されている。連通溝３８は、装着溝３７の内部Ａ側の側面から溝底、外部Ｂ側の側面にかけて、Ｏリング３６とスリーブ３との接触領域を横断するように形成されている。この連通溝３８により、スリーブ３と回転軸３００との間の隙間におけるＯリング２８とＯリング３６との間の空間と外部Ｂとが連通された状態となる。このような連通状態が形成されることで、上記隙間におけるＯリング２８とＯリング３６との間の空間が密封空間とならないように構成されている。これにより、上記空間にエアが溜まって、熱等によるエアの膨張によってスリーブが移動する等の不具合が生じるのを防止することができる。

上述したように、本実施例では、大径領域のＯリング２８によってスリーブ３と回転軸３００との間のシール性を担保しているので、小径領域については、Ｏリング３６による芯合わせ効果が確保される範囲において自由な設計が可能となる。例えば、上述したかじり防止の観点から、小径領域におけるスリーブ３と回転軸３００との隙間を大きくとるように構成することができる。例えば、大径領域におけるＯリング２８近傍をＨ７（ＪＩＳはめあい公差）級の公差とする一方、小径領域には基準寸法＋０．２程度の隙間を設けるように設計することができる。

すなわち、高い加工精度が要求されるインロー部Ｃを機内側の１箇所にのみ設け、機外側を支持部材としてのＯリング３６によりスリーブ３と回転軸３００の間の隙間を完全に封止することなく支持する構成とすることにより、装着姿勢の安定化、装着性の向上、低コスト化を図ることができる。

本実施例では、支持部材として、Ｏリング３６を用いたが、回転軸３００に対するスリーブ３の支持作用及び芯合わせ効果が確保されるのであれば、かかる構成に限定されない。例えば、支持部材はリング状のつながった部材である必要はなく、複数の部品に分割可能な構成でもよい。また、Ｏリング以外の弾性部材でもよい。ただし、本発明の技術分野において一般的な部材であるＯリングを用いれば、支持部材として特別な部材を用意する必要がなく、本発明の構成を簡易に実現することができる。また、支持部材を設ける個数は１個に限られず、複数個設けるように構成してもよい。さらに、例えば、複数の弾性部材を周方向に等間隔に配置することにより、全周にわたって略均等に径方向に付勢力が発生するように構成してもよい。

また、本実施例では、スリーブ３と回転軸３００との間の隙間におけるＯリング２８とＯリング３６との間の空間を、外部Ｂと連通させるための構成として、連通溝３８を設ける構成としたが、上記連通状態を形成することができれば、かかる構成には限定されない。例えば、スリーブ３に貫通孔を設けて上記連通状態を形成してもよい。また、連通溝３８を設ける個数は、特に限定されるものではなく、１個でもよいし、複数個設けてもよい。本実施例では、連通溝３８をスリーブ３の軸中心を挟んで対向する２箇所に設けている
。

また、例えば、支持部材に、装着時に圧縮されても塞がらない大きさの貫通孔を設けたり、上述したように、支持部材を複数の周方向に間隔を空けて配置するように構成することにより、上記連通状態を形成してもよい。この場合、スリーブ３に連通溝３８のような上記連通状態を形成するための構成を設ける必要がなくなる。

＜その他＞
Ｏリング２５〜２９、３６の材料としては、例えば、ニトリルゴム、ＥＰＤＭ、ＦＫＭ、ＦＦＫＭが挙げられる。ただし、これらに限定されるわけではない。

１ メカニカルシール装置
２００ ハウジング
３００ 回転軸
３０１ 第１外周面
３０２ 第２外周面
２８ Ｏリング（シール部材）
３ スリーブ
３３ 第１内周面
３４ 第２内周面
３６ Ｏリング（支持部材）
３７ 装着溝
３８ 連通溝
４ 固定環
５ 回転環

Claims (6)

1. ハウジングに設けられた軸孔と該軸孔に挿通された回転軸との間を密封して前記ハウジング内の流体を外部に対してシールするメカニカルシール装置であって、
   第１外周面と、該第１外周面よりも小径で前記第１外周面よりも軸方向外部側に設けられる第２外周面と、を有する前記回転軸の外周に取り付けられる筒状のスリーブであって、前記第１外周面に対向する第１内周面と、該第１内周面よりも小径で前記１内周面よりも軸方向外部側に設けられ、前記第２外周面に対向する第２内周面と、有し、前記第１内周面側を入口として前記回転軸が前記第２外周面側を先頭にして挿通されるスリーブと、
   前記スリーブの外周に取り付けられる第１環状部材と、
   前記ハウジングに取り付けられ、前記第１環状部材に摺動自在に接触して環状のシール面を形成する第２環状部材と、
   前記第１外周面と前記第１内周面との間の隙間に装着され、該隙間をシールするシール部材と、
   前記第２外周面と前記第２内周面との間の隙間に装着され、前記回転軸に対して前記スリーブを支持する支持部材と、
   を備え、
   前記支持部材は、環状の弾性部材であり、前記スリーブと前記回転軸との間で径方向に圧縮されて装着されると共に、
   前記スリーブと前記回転軸との間の隙間における前記シール部材と前記支持部材との間の領域と、前記外部とが連通されていることを特徴とするメカニカルシール装置。
2. 前記スリーブは、前記回転軸との間の隙間における前記シール部材と前記支持部材との間の領域と、前記外部とを連通する連通路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装置。
3. 前記連通路は、前記スリーブの内周面に前記支持部材との接触領域を横断するように形成された溝であ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装置。
4. 前記支持部材は、Ｏリングであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のメカニカルシール装置。
5. 前記スリーブは、前記第２外周面と前記第２内周面との間の隙間の径方向の幅が、前記第１外周面と前記第１内周面との間の隙間の径方向の幅よりも広いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のメカニカルシール装置。
6. 前記スリーブは、前記第１内周面に前記第１外周面と略同径となる嵌め合わせ部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のメカニカルシール装置。

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