JP6328658B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、バランス形のメカニカルシールに関する。

メカニカルシールは、密封対象流体の流体圧力が比較的低い領域に適用されるアンバランス形と、当該流体圧力が比較的高い領域に適用されるバランス形に大別される。ここで、バランス比が１より大きなメカニカルシールをアンバランス形といい、バランス比が１以下のメカニカルシールをバランス形という。また、回転環側から固定環側に流体圧力が作用する場合、バランス比は、固定環と回転環の摺動面積をＳ１とし、流体圧力によって固定環が回転環の圧力影響を受ける受圧面積をＳ２とした場合に、Ｓ２÷Ｓ１により求められる値である。

メカニカルシールをバランス形にする場合、従来、回転軸に段差を設ける構成を採用していた（特許文献１，２参照）。図３を参照して、従来例に係るバランス形のメカニカルシールについて説明する。図３は従来例に係るバランス形の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。

メカニカルシール５００は、回転軸６００とハウジング７００との間の環状隙間をシールするために用いられる。そして、メカニカルシール５００は、ハウジング７００側に設けられる固定環５１０と、回転軸６００と共に回転する回転環５２０とを備えている。回転環５２０は、不図示のスプリング等の押圧部材によって固定環５１０側に向かって押圧されている。これにより、固定環５１０に設けられた環状凸部５１１の先端面が、回転環５２０に対して接触した状態が維持される。従って、回転軸６００と共に回転環５２０が回転している場合には、環状凸部５１１の先端面と回転環５２０の密封対象流体（Ｆ）側とは反対側の端面との間で摺動する。

そして、回転軸６００には段差が設けられている。すなわち、回転軸６００は、小径部６１０と大径部６２０とを有している。そして、固定環５１０は小径部６１０の外周面側に配置されている。なお、固定環５１０の外周面とハウジング７００の内周面との間の環状隙間はシールリング８１０によって封止されている。また、大径部６２０の外周面と回転環５２０の内周面との間がシールリング８２０により封止された状態で、回転環５２０が配置されている。

以上の構成により、バランス比を１以下にすることが可能となる。バランス比を１以下にすることができる点について、より詳細に説明する。固定環５１０と回転環５２０の摺動面積Ｓ１は、環状凸部５１１の先端面と回転環５２０の密封対象流体（Ｆ）側とは反対側の端面との接触面積である。つまり、摺動面積Ｓ１は、図３に示す断面図において、環状凸部５１１の内周面から外周面までの距離Ａ１の全周分の面積である。また、流体圧力によって固定環５１０が回転環５２０の圧力影響を受ける受圧面積Ｓ２は、図３に示す断面図において、回転軸６００の大径部６２０の外周面から環状凸部５１１の外周面までの距離Ａ２の全周分の面積である。これは、大径部６２０の外周面よりも径方向内側においては、密封対象流体が存在せず、環状凸部５１１の外周面よりも径方向外側では、回転環５２０に対して軸線方向の両側から圧力が作用し、固定環５１０に対して回転環５２０を介した流体圧力が加わらないためである。

以上のように、回転軸６００に段差を設けて、摺動面積Ｓ１を広くする（つまり、図３においてＡ１≧Ａ２とする）ことで、Ｓ１≧Ｓ２を満たすことが可能となる。これにより、バランス比（Ｓ２÷Ｓ１）を１以下にすることが可能となる。

しかしながら、従来技術においては、上記の通り、回転軸に段差を設けなければ、バランス比を１以下にすることができない。そのため、例えば、メカニカルシールを製造するメーカと回転軸を製造するメーカが異なるような場合、メカニカルシールを製造するメーカではバランス比の管理ができないなどの問題がある。従って、メカニカルシールの構成のみで、バランス比を１以下にできることが望まれている。

特開２００２−２６７０２６号公報 特開２００３−０４２３０７号公報

本発明の目的は、回転軸の構成とは関係なく、バランス比を１以下にすることが可能な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において、
前記ハウジング側に設けられる固定環と、
該固定環を介して密封対象流体側に配置され、かつ前記回転軸と共に回転する回転環と、
該回転環を前記固定環に向けて押圧する押圧部材と、
前記回転軸に固定されるスリーブと、
を備え、
前記スリーブは、密封対象流体側の方がその反対側に比べて内径及び外径が大きな段差を有する第１環状部と、第１環状部の密封対象流体側の端部から径方向外側に向かって拡がる拡径部と、該拡径部の径方向外側の端部から前記反対側に向かって伸びる第２環状部とを有しており、
第１環状部における前記段差を介して前記反対側の小径部の内周面が前記回転軸の外周面に嵌着され、かつ該小径部の外周面側に前記固定環が配置され、
第１環状部における前記段差を介して密封対象流体側の大径部の外周面と前記回転環の内周面との間の環状隙間が封止された状態で、該回転環が配置され、
前記大径部と拡径部と第２環状部により囲まれる空間内には密封対象流体が流入するように構成され、かつ該空間内に前記押圧部材が配置されると共に、
前記固定環と回転環との摺動面積をＳ１とし、密封対象流体の圧力によって前記固定環が回転環の圧力影響を受ける受圧面積をＳ２とした場合に、Ｓ２÷Ｓ１≦１を満たすことを特徴とする。

本発明においては、回転軸に固定されるスリーブを設け、かつ、このスリーブが密封対象流体側の方がその反対側に比べて内径及び外径が大きな段差を有する第１環状部を有する構成を採用している。これにより、固定環と回転環との摺動面積をＳ１とし、密封対象流体の圧力によって固定環が回転環の圧力影響を受ける受圧面積をＳ２とした場合に、Ｓ２÷Ｓ１≦１とすることが可能となる。つまり、回転軸の構成とは関係なく、バランス比を１以下とすることが可能となる。

また、前記回転軸は、前記スリーブが配置される小径部と、該小径部よりも密封対象流体側の大径部とを備えており、前記スリーブは前記拡径部が前記回転軸の段差部分に密着するように配置されると共に、
前記拡径部には、折り曲げ線の両端を結ぶように形成された切り込みにより前記折り曲げ線の位置で密封対象流体側に折り曲げられ、かつ前記回転軸の大径部に形成された切欠きに嵌め込まれることで前記スリーブの廻り止めを行う廻り止め部が設けられている。

この構成を採用することで、スリーブと回転軸との間で相対的に回転してしまうことを防止できる。また、切り込みの部分から、大径部と拡径部と第２環状部により囲まれる空間内とその外部との間で流体を流通させることができる。

第１環状部における前記大径部の外周面と前記回転環の内周面との間の環状隙間を封止する弾性体製のシールリングを備えると共に、
前記押圧部材は、一端側が前記拡径部と第２環状部との隅の部分に密着し、他端側が第１環状部における大径部の外周面に対してスライド自在に設けられた保持部材に保持されたスプリングであり、
該スプリングにより押圧される前記保持部材は前記シールリングに密着するように設けられるとよい。

これにより、スプリングのばね力のばらつきが、弾性体製のシールリングによって緩和される。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

以上説明したように、本発明によれば、回転軸の構成とは関係なく、バランス比を１以下にす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中の一部を拡大した拡大図である。 図３は従来例に係るバランス形の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及び図２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。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中の一部を拡大した拡大図である。なお、以下の説明において、「軸線」とは回転軸２００の中心軸線を意味する。

＜メカニカルシールの構成＞
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用いられる。回転軸２００は、段差を有する構造であり、小径部２１０と大径部２２０とを備えている。小径部２１０にメカニカルシール１００（より具体的にはメカニカルシール１００を構成するスリーブ１３０）が配置される。また、小径部２１０には環状溝２１１が形成されている。この環状溝２１１に、メカニカルシール１００におけるスリーブ１３０の軸線方向の位置決めを行うスナップリング４１０が嵌められている。また、回転軸２００の大径部２２０には周方向の複数個所に切欠き２２１が設けられている。ハウジング３００の内周面も段差が形成されている。また、ハウジング３００の内周面には環状溝３１０が設けられている。この環状溝３１０に、メカニカルシール１００を構成する固定環１１０の軸線方向の位置決めを行うスナップリング４２０が嵌められている。

そして、メカニカルシール１００は、ハウジング３００側に設けられる固定環１１０と、固定環１１０を介して密封対象流体（Ｆ）側に配置され、かつ回転軸２００と共に回転する回転環１２０と、回転環１２０を固定環１１０に向けて押圧する押圧部材としてのスプリング１５０とを備えている。また、本実施例に係るメカニカルシール１００においては、回転軸２００に固定されるスリーブ１３０を備えている。このスリーブ１３０によって、固定環１１０と回転環１２０とスプリング１５０等が一体化されている。つまり、メカニカルシール１００を１部品として取り扱うことが可能となっている。なお、スリーブ１３０を用いて各部材を一体化することで、メカニカルシール１００を保管している間においても、固定環１１０と回転環１２０との接触部分（使用時において摺動する部分）に埃などの異物が侵入してしまうことを抑制できる利点もある。つまり、固定環と回転環が別々に取り扱われる場合には、これらを保管している際に、固定環と回転環が摺動する部分に埃などの異物が付着してしまう恐れがある。そして、異物が付着されたまま、固定環と回転環が装置に取り付けられると、シール性に悪影響が出てしまう問題がある。本実施例においては、そのような問題も解消される。

本実施例に係る固定環１１０は、ハウジング３００に固定される。なお、固定環１１０の外周面とハウジング３００の内周面との間の環状隙間は、弾性体製のシールリング（Ｏリング）４３０によって封止される。このシールリング４３０はハウジング３００の内周面に形成された環状溝３２０に装着されている。

本実施例に係る回転環１２０は、固定環１１０側（密封対象流体（Ｆ）側とは反対側）に向かって突出する環状凸部１２１と、内周面側に設けられる環状凹部１２２と、外周面付近において軸線方向に貫通する複数の貫通孔１２３とを備えている。そして、環状凸部１２１の先端面と固定環１１０の密封対象流体（Ｆ）側の端面とが接触する。従って、回転軸２００と共に回転環１２０が回転している場合には、環状凸部１２１の先端面と固定環１１０の密封対象流体（Ｆ）側の端面との間で摺動する。

本実施例に係るスリーブ１３０は、金属製の環状部材を素材として、板金加工によって各部分が形成される。そして、スリーブ１３０は、内周面側の第１環状部１３１と、第１環状部１３１の密封対象流体（Ｆ）側の端部から径方向外側に向かって拡がる拡径部１３２と、拡径部１３２の径方向外側の端部から密封対象流体（Ｆ）側とは反対側に向かって伸びる第２環状部１３３とを有している。

第１環状部１３１は、密封対象流体（Ｆ）側の方がその反対側に比べて内径及び外径が大きな段差を有している。この第１環状部１３１における段差を介して密封対象流体（Ｆ）側とは反対側の小径部１３１ａの内周面が回転軸２００の外周面に嵌着され、かつ小径部１３１ａの外周面側に固定環１１０が配置される。また、第１環状部１３１における段差を介して密封対象流体（Ｆ）側の大径部１３１ｂの外周面と回転環１２０の内周面との間の環状隙間が封止された状態で、回転環１２０が配置される。なお、大径部１３１ｂの外周面と回転環１２０の内周面との間の環状隙間は、弾性体製のシールリング１４０によって封止される。また、第１環状部１３１における密封対象流体（Ｆ）側とは反対側の端部には、周方向の複数個所において径方向外側に折り曲げられたストッパ部１３４が設けられている。このストッパ部１３４によって、メカニカルシール１００を取り扱う際に、固定環１１０等がスリーブ１３０から抜け落ちないようにすることができる。

拡径部１３２には、折り曲げ線１３２ａ１の両端を結ぶように形成された切り込みにより折り曲げ線１３２ａ１の位置で密封対象流体（Ｆ）側に折り曲げられた廻り止め部１３２ａが設けられている。なお、切り込みの形状は特に限定されるものではなく、Ｖ字形状、Ｃ字形状などを採用できる。この廻り止め部１３２ａが、回転軸２００の大径部２２０に形成された切欠き２２１に嵌め込まれることでスリーブ１３０の廻り止めがなされる。また、切り込みにより軸線方向に貫通する孔１３２ｂが形成される。

第２環状部１３３には、周方向の複数個所に密封対象流体（Ｆ）側とは反対側に向かって突き出た突出部１３３ａが設けられている。この突出部１３３ａが回転環１２０に設けられた貫通孔１２３に差し込まれることで、回転環１２０はスリーブ１３０に対して廻り止めがなされる。つまり、回転環１２０はスリーブ１３０と共に回転する。また、第２環状部１３３のうち突出部１３３ａを除く部分と回転環１２０との間には隙間が形成される。これにより、スリーブ１３０における大径部１３１ｂと拡径部１３２と第２環状部１３３により囲まれる空間内には密封対象流体（Ｆ）が流入する。そして、この空間内に押圧部材としてのスプリング１５０が配置される。なお、スプリング１５０は周方向の複数個所に配置されている。また、回転環１２０に備えられた環状凹部１２２に、弾性体製のシールリング１４０が装着されている。このシールリング１４０により、第１環状部１３１における大径部１３１ｂの外周面と回転環１２０の内周面との間の環状隙間が封止される。なお、本実施例においては、シールリング１４０としてＯリングを採用しているが、Ｏリング以外の角リングやＤリングなど各種のシールリングを採用することができる。

スプリング１５０は、その一端側が拡径部１３２と第２環状部１３３との隅の部分に密着し、その他端側が第１環状部１３１における大径部１３１ｂの外周面に対してスライド自在に設けられた保持部材１６０に保持されている。そして、スプリング１５０により押圧される保持部材１６０はシールリング１４０に密着するように構成されている。つまり、スプリング１５０の押圧力は保持部材１６０を介してシールリング１４０に伝わるように構成されている。

なお、本実施例においては、スリーブ１３０における大径部１３１ｂの内周面側に、スリーブ１３０の内周面と回転軸２００の外周面との間の環状隙間を封止する弾性体製のシールリング４４０が設けられている。ただし、スリーブ１３０における第１環状部１３１の小径部１３１ａの内周面と回転軸２００の外周面との嵌着部分によってシール性が得られる場合には、このシールリング４４０は不要である。

＜メカニカルシールの組み立て手順＞
メカニカルシール１００の組み立て手順について説明する。まず、金属製の環状部材を素材として、スリーブ１３０のうちストッパ部１３４を除く部分を板金加工により形成する。そして、スリーブ１３０に対して、保持部材１６０に保持させたスプリング１５０，シールリング１４０を装着させた回転環１２０、及び固定環１１０を、この順に組み付ける。なお、回転環１２０を組み付ける際には、回転環１２０に設けられた貫通孔１２３に、スリーブ１３０における第２環状部１３３の突出部１３３ａが差し込まれるようにする。その後、スリーブ１３０におけるストッパ部１３４を形成する。これにより、固定環１１０等がスリーブ１３０から抜け落ちてしまうことが防止され、メカニカルシール１００を１部品として取り扱うことが可能となる。

＜メカニカルシールの装着手順＞
メカニカルシール１００の装着手順について説明する。まず、シールリング４３０，４４０を、ハウジング３００の内周面に設けられた環状溝３２０と、回転軸２００における小径部２１０の外周面にそれぞれ装着する。そして、メカニカルシール１００を回転軸２００の小径部２１０に対して、大径部２２０側に向かって装着する。このとき、スリーブ１３０に設けられた複数の廻り止め部１３２ａが、回転軸２００の大径部２２０に設けられた複数の切欠き２２１にそれぞれ嵌るようにする。また、スリーブ１３０における拡径部１３２が回転軸２００の段差部分に突き当たる（密着する）まで、メカニカルシール１００をスライドさせて装着させる。その後、スナップリング４１０，４２０を、回転軸２００に設けられた環状溝２１１とハウジング３００の内周面に設けられた環状溝３１０にそれぞれ装着させる。これにより、スリーブ１３０と固定環１１０の軸線方向の位置決めがなされる。なお、固定環１１０は、複数のスプリング１５０によって、シールリング１４０及び回転環１２０を介して密封対象流体（Ｆ）とは反対側に押圧される。従って、固定環１１０はスナップリング４２０と回転環１２０に挟まれた状態で軸線方向の位置決めがなされる。

＜本実施例に係るメカニカルシールの優れた点＞
以上のように構成されたメカニカルシール１００により、固定環１１０と回転環１２０との摺動面積Ｓ１に比べて、密封対象流体（Ｆ）の圧力によって固定環１１０が回転環１２０の圧力影響を受ける受圧面積Ｓ２の方を狭くすることが可能となる。つまり、回転軸２００の構成とは関係なく、バランス比を１以下とすることが可能となる。この点について、図２を参照して、より詳細に説明する。

固定環１１０と回転環１２０の摺動面積Ｓ１は、回転環１２０における環状凸部１２１の先端面と固定環１１０の密封対象流体（Ｆ）側の端面との接触面積である。つまり、摺動面積Ｓ１は、図２に示す断面図において、環状凸部１２１の内周面から外周面までの距離Ａ１の全周分の面積である。また、流体圧力によって固定環１１０が回転環１２０の圧力影響を受ける受圧面積Ｓ２は、図２に示す断面図において、スリーブ１３０における第１環状部１３１の大径部１３１ｂの外周面から環状凸部１２１の外周面までの距離Ａ２の全周分の面積である。これは、大径部１３１ｂの外周面よりも径方向内側においては、密封対象流体が存在せず、環状凸部１２１の外周面よりも径方向外側では、回転環１２０に対して軸線方向の両側から圧力が作用し、固定環１１０に対して回転環１２０を介した流体圧力が加わらないためである。

以上のように、スリーブ１３０の第１環状部１３１に段差を設けて、摺動面積Ｓ１を広くする（つまり、図２においてＡ１≧Ａ２とする）ことで、Ｓ１≧Ｓ２を満たすことが可能となる。これにより、バランス比（Ｓ２÷Ｓ１）を１以下にすることが可能となる。

また、本実施例に係るメカニカルシール１００によれば、スリーブ１３０に廻り止め部１３２ａを設けたことにより、スリーブ１３０と回転軸２００との間で相対的に回転してしまうことを防止できる。また、この廻り止め１３２ａにより形成された孔１３２ｂ（切り込みの部分）から、スリーブ１３０における大径部１３１ｂと拡径部１３２と第２環状部１３３により囲まれる空間内とその外部との間で流体を流通させることができる。つまり、当該空間内とその外部との間においては、径方向においても軸線方向においても流体を流通させることができる。従って、固定環１１０と回転環１２０との摺動により発生した熱により密封対象流体（Ｆ）が加熱されても、当該空間内に密封対象流体（Ｆ）が滞留してしまうことを抑制できるので、スプリング１５０やシールリング１４０が加熱されてしまうことを抑制できる。

また、本実施例においては、スプリング１５０により押圧される保持部材１６０がシールリング１４０に密着する構成を採用している。これにより、スプリング１５０のばね力のばらつきを弾性体製のシールリング１４０によって緩和させることが可能となる。

１００ メカニカルシール
１１０ 固定環
１２０ 回転環
１２１ 環状凸部
１２２ 環状凹部
１２３ 貫通孔
１３０ スリーブ
１３１ 第１環状部
１３１ａ 小径部
１３１ｂ 大径部
１３２ 拡径部
１３２ａ 廻り止め部
１３２ａ１ 折り曲げ線
１３２ｂ 孔
１３３ 第２環状部
１３３ａ 突出部
１３４ ストッパ部
１４０ シールリング
１５０ スプリング
１６０ 保持部材
２００ 回転軸
２１０ 小径部
２１１ 環状溝
２２０ 大径部
３００ ハウジング
３１０，３２０ 環状溝
４１０，４２０ スナップリング
４３０，４４０ シールリング

Claims (2)

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において、
   前記ハウジング側に設けられる固定環と、
   該固定環を介して密封対象流体側に配置され、かつ前記回転軸と共に回転する回転環と、
   該回転環を前記固定環に向けて押圧する押圧部材と、
   前記回転軸に固定されるスリーブと、
   を備え、
   前記スリーブは、密封対象流体側の方がその反対側に比べて内径及び外径が大きな段差を有する第１環状部と、第１環状部の密封対象流体側の端部から径方向外側に向かって拡がる拡径部と、該拡径部の径方向外側の端部から前記反対側に向かって伸びる第２環状部とを有しており、
   第１環状部における前記段差を介して前記反対側の小径部の内周面が前記回転軸の外周面に嵌着され、かつ該小径部の外周面側に前記固定環が配置され、
   第１環状部における前記段差を介して密封対象流体側の大径部の外周面と前記回転環の内周面との間の環状隙間が封止された状態で、該回転環が配置され、
   前記大径部と拡径部と第２環状部により囲まれる空間内には密封対象流体が流入するように構成され、かつ該空間内に前記押圧部材が配置されると共に、
   前記固定環と回転環との摺動面積をＳ１とし、密封対象流体の圧力によって前記固定環が回転環の圧力影響を受ける受圧面積をＳ２とした場合に、Ｓ２÷Ｓ１≦１を満たすメカニカルシールであって、
   前記回転軸は、前記スリーブが配置される小径部と、該小径部よりも密封対象流体側の大径部とを備えており、前記スリーブは前記拡径部が前記回転軸の段差部分に密着するように配置されると共に、
   前記拡径部には、折り曲げ線の両端を結ぶように形成された切り込みにより前記折り曲げ線の位置で密封対象流体側に折り曲げられ、かつ前記回転軸の大径部に形成された切欠きに嵌め込まれることで前記スリーブの廻り止めを行う廻り止め部が設けられていることを特徴とするメカニカルシール。
2. 第１環状部における前記大径部の外周面と前記回転環の内周面との間の環状隙間を封止する弾性体製のシールリングを備えると共に、
   前記押圧部材は、一端側が前記拡径部と第２環状部との隅の部分に密着し、他端側が第１環状部における大径部の外周面に対してスライド自在に設けられた保持部材に保持されたスプリングであり、
   該スプリングにより押圧される前記保持部材は前記シールリングに密着するように設けられ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。

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