JP6517426B2 - ベローズ要素を備えたメカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、運転時における軸方向の再調整動作を向上させたベローズ要素を備えるメカニカルシール装置に関連する。

当該技術水準において、ベローズ要素を備えるメカニカルシール装置が様々な形態で知られている。基本的には、ベローズ要素として、例えばシャフトが変位した場合に、特にメカニカルシールの軸方向における再調整を可能にする、エラストマー製ベローズや金属製ベローズが可能である。特にエラストマー製ベローズが使用される場合、メカニカルシール装置の再調整動作の性能が低下し得ることがわかっている。１つの要因として、エラストマー材料が軟質であるため、ベローズ要素の支持肩部がシャフトの表面等に引っ掛かり、軸方向における再調整動作に十分に素早く追従できなくなることが挙げられる。また、例えば、運転時におけるシャフト上の堆積物によって生じ得る汚れがシャフトの表面上にある場合には、上記の現象は更に生じやすい。このため、メカニカルシール装置を長期間に亘って運転させた後では、ベローズ要素の軸方向の移動が完全に止まってしまうことがある。更に、汚れがない場合でも、エラストマー材料とシャフトとの間の摩擦の増大に伴って発生する運転時の振動が要因となって、エラストマー製ベローズの支持肩部が、再調整動作を妨げ得ることがわかっている。上記の問題によって、運転時においてシールギャップにおける漏出の増加や、更にはメカニカルシール装置の故障が生じる場合もある。

このため、本発明は、エラストマー製ベローズ要素を備えるメカニカルシール装置であって、簡易な構造を有し、容易で費用効率よく製造可能で、使用寿命の全期間における再調整動作を向上させ、特に再調整時におけるベローズ要素の引っ掛かりや詰まりの危険性を回避するように機能するメカニカルシール装置を提供することを目的とする。

上記の目的は、請求項１の特徴を有するメカニカルシール装置によって達成される。下位の請求項は、本発明の好適な更なる展開例を示す。

請求項１の特徴を有する、本発明に係るメカニカルシール装置は、エラストマー製の回転ベローズ要素の軸方向における可動性が大幅に向上するというという利点を有する。このため、メカニカルシール装置の軸方向における再調整動作を顕著に向上させて、運転時、特にメカニカルシール装置の始動時における漏出率を顕著に減少させることができる。本発明によれば、ベローズ要素と、これとは別体の環状中間ディスクとを有するベローズユニットを有するメカニカルシール装置によって、上記が実現される。ベローズ要素は、例えば回転シャフト等の回転構造部品に接続される第１接続部と、回転スライドリング、及び第１及び第２接続部間に配置された可撓性のベローズ中間部に接続される第２接続部とを備える。ここで、ベローズ要素は、完全にエラストマー材料から構成される。中間ディスクは、このエラストマー材料よりも剛性の高い材料から構成され、具体的には合成材料から構成される。ここで、環状中間ディスクは、ベローズ要素において、中間ディスクの第１側が回転スライドリング、具体的には回転スライドリングの裏側に当接し、中間ディスクの第２側がベローズ要素、具体的にはベローズ要素における第２接続部の突出部に当接するように配置されている。なお、中間ディスクは、スリット長さよりも小さいスリット幅を有する少なくとも１つのスリットを有する。ここで、スリットは、中間ディスクのスリットの領域において接続部位が残るように、一方側が閉じられている。即ち、スリットは、中間ディスクを貫くようには設けられておらず、このスリットは、中間ディスクにおいて部分的にのみ形成されている。従って、接続部位では、中間ディスクが閉環状の部位として残る。このように、中間ディスクに部分的に設けられたスリットによって、中間ディスクは、運転時に加熱された場合に容易に膨張可能であり、冷却されるにつれて収縮可能である。ここで、スリットは、中間ディスクが冷却に伴って例えばシャフトといった回転構造部品上に収縮することを防止するように機能する。スリットの端部における接続部位は、中間ディスクが広がることを防止する。

特に好適には、スリットは、中間ディスクにおいて、スリットが中間ディスクの内周から延在するように配置される。これにより、温度に起因する中間ディスクの膨張及び収縮を、中間ディスクによって最適に補償することができる。冷却時には、中間ディスクの内周におけるスリットの開口部のスリット幅は減少する。このとき、スリットは、回転構造部品上への中間ディスクの収縮を防止する。

特に好適には、中間ディスクはスリットを１つだけ有する。これにより、温度が関係する中間ディスクの変形性を十分に確保できる。

好適には、スリット幅は、接続部位の径方向長さと同等である。

特に好適には、スリットは、中間ディスクの径方向におけるリング幅の１／２よりも大きいスリット長さを有する。特に好適には、スリット長さは、中間ディスクの径方向におけるリング幅の３／４以上である。

更に好適には、スリット長さに対するスリット幅の比は、０．０５〜０．３５の範囲内にある。特に好適には、スリット長さに対するスリット幅の比は、約０．１７である。

更に好適には、中間ディスクのリング幅に対するスリット長さの比は、０．７〜０．９５の範囲内にある。特に好適には、中間ディスクのリング幅に対するスリット長さの比は、約０．８５である。

特に好適には、中間ディスクは、内周に複数の凹部を有する。この結果、所定の形状の内周を有する中間ディスクが得られる。このため、具体的にはベローズ要素の内部領域を洗浄することも可能になる。

更に好適には、中間ディスクの内周部における内径は、回転構造部品との間に間隔を残すように選択される。これにより、中間ディスクと回転構造部品との間には環状のギャップが設けられ、常に流体がベローズ要素の内部領域へ移動できるようなっている。更に、上記により、全ての動作状態において、中間ディスクの特に内周部が、確実に収縮できるようになる。

ここで、好適には、凹部は、中間ディスクの内周において一定間隔で設けられる。更に、好適には、凹部は、弓状の幾何学形状、又は略矩形の幾何学形状を有する。

更に好適には、中間ディスクは、内周に奇数個の凹部を有する。

特に好適には、スリットは、複数の凹部のうちの１つを起点に延在する。

特に好適には、スリットは、径方向に沿って設けられる。

本発明の更に好適な実施形態では、ベローズユニットは、第１Ｚ字状角部及び第２Ｚ字状角部を備える。ここで、第１Ｚ字状角部は、第１接続部の外側に配置され、第２Ｚ字状角部は第２接続部の外側に配置される。なお、これら２つのＺ字状角部は、環状に形成され、径方向外方延出部、軸部、及び径方向内方延出部を有するＺ字状の断面を有する。各Ｚ字状角部は、好適には金属材料から構成され、エラストマー製ベローズ要素の第１及び第２接続部を追加的に補強する。

特に好適には、第２接続部に配置された第２Ｚ字状角部は、メカニカルシール装置の軸方向において第２接続部と同じ高さで終端するように配置される。これにより、第２接続部が全体的に補強されるため、特に、ベローズ要素の第２接続部が回転スライドリングを保持する保持長さを短くすることができる。この結果、ベローズユニットの軸方向長さが短くなるため、望まれていたメカニカルシール装置全体の軸方向長さを短くすることが可能になる。

本発明の更に好適な実施形態では、ベローズユニットは、ベローズ要素に軸方向の張力を予め付与するばね要素を更に備える。好適には、ばね要素はたる型コイルばねである。ここで、特に好適には、ばね要素は、第１Ｚ字状角部の第１端部に支持され、且つ第２Ｚ字状角部の第２端部に支持される。

好適には、ベローズ要素は、中間ディスクをベローズ要素に確実に固定するために、中間ディスクを配置する溝を有する。これにより、中間ディスクをベローズ要素に容易に取り付け、確実に固定することができる。

好適には、回転構造部品のトルクが、ベローズユニットのみを介して回転スライドリングに伝達される。これにより、特にコンパクトな設計が得られる。

更に好適には、第１Ｚ字状角部の径方向内方延出壁部が、第１接続部におけるベローズ中間部と対向する端部に重なる。好適には、第２Ｚ字状角部の径方向内方延出壁部も、第２接続部におけるベローズ中間部と対向する端部に重なる。これにより、エラストマー製ベローズ要素、特にその２つの接続部の剛性を向上させることができる。

好適には、ベローズ要素は、ノンスティックコーティングを有する。

以下に、本発明の好適な例示的実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。同一の構成又は同一の機能を有する構成は、同一の符号で示す。図面は以下の通りである。
本発明の第１の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置の概略的な縦断面図を示す。 図１の詳細な拡大図を示す。 本発明の第１の例示的実施形態に係る中間ディスクの概略的な上面図を示す。 図３の中間ディスクの斜視図を示す。 図３の中間ディスクの断面図を示す。 本発明の第２の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置の概略図を示す。 図６の中間ディスクの概略的な上面図を示す。 図７の中間ディスクの斜視図を示す。 図７の中間ディスクの概略的な断面図を示す。

以下に、本発明の第１の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置１を、図１〜図５を参照して詳細に説明する。

図１からわかるように、メカニカルシール装置１は、それらの間に既知の形態でシールギャップ１３を画成する、回転スライドリング１１及び固定スライドリング１２を備える。メカニカルシール装置１は、第２空間９に対して第１空間８をシールするように機能する。

回転スライドリング１１は、本例示的実施形態においてシャフトである回転構造部品１０に接続されており、これと共に回転する。固定スライドリング１２は、固定された筐体１４に接続されている。参照符号１５は、筐体１４に対して固定スライドリング１２をシールするための第２シール要素を示している。

メカニカルシール装置１は、回転スライドリング１１と回転構造部品１０とを接続するベローズユニット２を更に備える。ベローズユニット２は、ベローズ要素３と、単一部品から構成される中間ディスク４とを備える。ベローズ要素３は、エラストマー材料から構成され、第１接続部３１と、第２接続部３２と、これら２つの接続部３１，３２間に位置するベローズ中間部３３とを備える。ベローズ中間部３３は、可撓性を有し、ベローズ要素３を軸方向Ｘ−Ｘにおいて伸縮可能にしている。

図１からわかるように、ベローズ要素３は、単一部品から構成される構造部品であり、回転スライドリング１１においてシールがなされるように機能する。更に、ベローズユニット２は、回転構造部品１０から回転スライドリング１１へトルクを伝達させる。

ベローズユニット２は、第１Ｚ字状角部５と第２Ｚ字状角部６とを更に備える。第１Ｚ字状角部５は、第１接続部３１の外周に配置されている。第２Ｚ字状角部６は、第２接続部３２の外周に配置されている。これら２つのＺ字状角部５，６は、断面においてＺ字状の形状を有する。

第１Ｚ字状角部５は、第１径方向外方延出部５１と、第１径方向内方延出部５２と、第１軸部５３とを備える。第２Ｚ字状角部６は、第２径方向外方延出部６１と、第２径方向内方延出部６２と、第２軸部６３とを備える（図２を参照）。ここで、第１Ｚ字状角部の第１径方向内方延出部５２は、第１接続部３１におけるベローズ中間部３３と対向する端部に重なっている。第２Ｚ字状角部６の第２径方向内方延出部６２は、第２接続部３２（図１を参照）におけるベローズ中間部３３と対向する端部に重なっている。ここで、２つのＺ字状角部５，６の２つの軸部５３，６３は、第１及び第２接続部３１，３２の外周に配置されている。これにより、エラストマー製の接続部３１，３２が圧着される。

更に、第２接続部３２の端部と第２Ｚ字状角部６の第２径方向外方延出部６１とは、軸方向Ｘ−Ｘにおいて同じ高さに位置しており、平らな端面となっている。

ベローズ要素３は、その内周に突出部３４を更に備える。図２からわかるように、中間ディスク４は、正面側接触面３５に当接している。中間ディスクの内周部４０は、回転構造部品１０の外周との間に間隔を有する。このため、中間ディスク４の内周部４０と回転構造部品１０との間に環状ギャップ４８が存在する。これにより、回転スライドリング１１は、ベローズ要素３から回転構造部品１０までの領域に確実に連続的に接続される。

図３〜図５は、中間ディスク４を詳細に図示している。図３からわかるように、中間ディスク４の内周部には、複数の凹部４１が設けられており、凹部４１により、ベローズ要素における通路の断面が広げられている。これにより、ベローズ要素の軸方向における再調整の動作が常に可能となる。

中間ディスク４はスリット４７を有する。スリット４７は、中間ディスク４の内周部４０から径方向外側に延在している。なお、スリット４７は、中間ディスク４の外周部４６まで連続的に形成されておらず、中間ディスクには、接続部位４９が残してある。したがって、中間ディスクは、外周と内周との間にその材料の部位が残されているため、中間ディスクの一定の安定性が確保され、中間ディスクが広がることが防止される。

スリット４７は、具体的には、スリット長さＳに対するスリット幅Ｂの比が約０．１２になるように、幅Ｂ及びスリット長さＳを有している。また、スリット幅Ｂは、接続部位４９の径方向長さと略同等である。このため、スリット４７の幅Ｂは、接続部位４９の幅Ｖと等しくなるように選択される。本例示的実施形態では、２つの凹部４１の間における中間領域に配置される。ここで、中間ディスクの最大リング幅Ｒ及びスリット長さＳは、リング幅に対するスリット長さの比が約０．９になるように選択される。

図２からわかるように、環状の中間ディスク４は、中間ディスク４の第１側４３が回転スライドリング１１の後側に当接し、ベローズ要素３の第２側４４が正面側接触面３５に当接するように、回転スライドリング１１とベローズ要素３との間に配置されている。更に、中間ディスク４は、幅が固定されている。

ベローズユニット２は、本例示的実施形態においてたる型コイルばねである張力付与要素７を更に備える。ここで、張力付与要素７は、第１Ｚ字状角部５と第２Ｚ字状角部６との間に支持され、ベローズユニット２に張力を常に付与する。

本発明では、剛性の高い中間ディスク４が、エラストマー製ベローズ要素３と回転スライドリング１１との間に設けられる。このため、本発明によれば、メカニカルシール装置１の軸方向における再調整動作を向上可能である。特に、切り込みを入れた環状の中間ディスク４によって、ベローズ要素の軸方向における再調整動作が、全ての動作状態において確実に行われるようになる。中間ディスク４は高温になると膨張するため、中間ディスク４の内周部４０と回転構造部品との間のギャップ４８を十分に大きく設ける。中間ディスクは冷却されるにつれて径方向内方に収縮する。しかし、この過程において、内周部４０から延在するスリット４７により内周部は冷却に伴い収縮可能であるが、その結果、中間ディスク４が回転構造部品１０上に収縮することはない。これにより、低温であっても、ベローズ要素の軸方向における調整のための空間が確保される。

本発明によれば、中間ディスクは、切り込みが部分的にだけ入れられているため、温度が関係する中間ディスク４の寸法の変化に対して、簡易且つ費用効果の高い解決手段となる。

更に、中間ディスクが広がった場合でも、中間ディスクにおけるスリット４７の径方向端部に設けられた接続部位４９により、外周部の突起でエラストマーから構成されるベローズ要素３が損傷することが防止される。

このように、本発明によれば、中間ディスク４が回転構造部品１０上に収縮するという問題を、その収縮によってベローズ要素を損傷させることなく且つベローズ要素３の軸方向における再調整動作に対して不都合を生じさせることなく解決することができる。

一方、例えば安定した合成材料から構成することが可能な中間ディスク４は、付着することなく回転構造部品１０の外周上を移動可能であり、更に、回転構造部品の表面から汚れを除去できる。当該技術水準においてこれまで存在した、エラストマー製ベローズ要素の、一定期間動作させた後の再調整動作に関する問題を、中間ディスク４を適切に設けることで解消できる。更に、本発明によれば、メカニカルシールの軸方向における再調整が常に可能であり、シールギャップ幅を可能な限り小さくできるため、シールギャップ１３からの漏出を大幅に低減できる。

更に、中間ディスク４は、これまで当該技術水準のエラストマー製ベローズ要素において必要であり、回転構造部品１０にベローズ要素３を支持する第２接続部３２の領域に設けられていた支持肩部を省略できるため、メカニカルシール装置を軸方向Ｘ−Ｘにおいて大幅に短くできるという利点を有する。従って、軸方向における設置スペースを小さくできる。同時に、中間ディスク４を用いることで、回転スライドリング１１を、軸方向Ｘ−Ｘにおいて、第２Ｚ字状角部６のより長い軸部６３でより長い軸方向距離（保持長さＬ）に亘って保持することも可能になるため、回転スライドリング１１の径方向における圧着を低減することが可能になる（図２を参照）。このため、回転スライドリング１１、特に、回転スライドリング１１の摺動面に起こり得る望ましくない変形に対して、有利な効果が得られる。上記の変形は、運転時におけるメカニカルシールからの望ましくない漏出の増加を招き得る。

このように、本発明に係るベローズユニット２は、エラストマー製ベローズ要素３が用いられる場合において、多くの顕著な利点を奏する。ここで、ベローズユニット２は、軸方向Ｘ−Ｘにおいて更にコンパクトに構成できる。軸方向Ｘ−Ｘにおいてシールの設置長さを短くできるという選択肢があることは、競争上非常に優位である。更に、本発明に係るベローズユニット２は、常に軸方向の調節動作を行えるため、長期間に亘る動作の後でも、動作時に発生し得る振動を容易に吸収できる。

図６〜図９は、中間ディスク４が軸方向Ｘ−Ｘに突出する突出部４５を更に備える、第２の例示的実施形態に係るメカニカルシール装置を示す。各突出部４５は、中間ディスク４の内周部４０に形成されている。ここで、凹部４１と軸方向に突出する突出部４５は、内周部４０にそれぞれ交互に設けられている（図８を参照）。なお、凹部４１の数と軸方向に突出する突出部４５の数は奇数である。本例示的実施形態では、それぞれ９個の凹部４１と９個の突出部４５が設けられている。なお、スリット４７は１つの凹部４１を起点に径方向外方に向けて形成されている。

本例でも、各凹部４１は弓状に設けられている。図９からわかるように、中間ディスク４は、軸方向に突出する突出部４５を通る断面おいて、Ｌ字状の形状を有する。

なお、軸方向に突出する突出部４５は、ベローズ要素３を安定に支持可能にする。これにより、第２接続部３２の領域においてベローズ要素３が回転構造部品１０に接触して、例えば、ベローズ要素３の軸方向における再調整動作を妨げることを更に確実に防止している。したがって、突出部４５は、本発明に係る中間ディスク４の、冷却時の内周部４０において収縮する能力を損なわせることなく、エラストマー製ベローズ要素３を支持している。

１ メカニカルシール装置
２ ベローズユニット
３ ベローズ要素
４ 中間ディスク
５ 第１Ｚ字状角部
６ 第２Ｚ字状角部
７ 張力付与要素
８ 第１空間
９ 第２空間
１０ 回転構造部品／シャフト
１１ 回転スライドリング
１２ 固定スライドリング
１３ シールギャップ
１４ 筐体
１５ 第２シール要素／Ｏリング
３１ 第１接続部
３２ 第２接続部
３３ ベローズ中間部
３４ 突出部
３５ ベローズ要素の正面側接触面
４０ 内周部
４１ 凹部
４２ 突起部
４３ 第１側
４４ 第２側
４５ 突出部
４６ 外周部
４７ スリット
４８ 環状ギャップ
４９ 接続部位
５１ 第１径方向外方延出部
５２ 第１径方向内方延出部
５３ 第１軸部
６１ 第２径方向外方延出部
６２ 第２径方向内方延出部
６３ 第２軸部
Ｂ スリットの幅
Ｌ 軸方向の保持長さ
Ｓ スリットの長さ
Ｒ 中間ディスクの最大リング幅
Ｖ 接続部位の径方向幅
Ｘ−Ｘ 軸方向

Claims (14)

1. それらの間にシールギャップ（１３）を画成する回転スライドリング（１１）及び固定スライドリング（１２）と、
   ベローズ要素（３）及び中間ディスク（４）を有するベローズユニット（２）と
   を備え、
   前記ベローズ要素（３）が、第１接続部（３１）、第２接続部（３２）、及びベローズ中間部（３３）を有し、
   前記ベローズ要素（３）が、エラストマー材料から構成され、前記回転スライドリング（１１）と回転構造部品（１０）とを接続し、
   前記中間ディスク（４）が、前記ベローズ要素（３）と前記回転スライドリング（１１）との間に配置され、
   前記中間ディスク（４）が、スリット長さ（Ｓ）よりも小さいスリット幅（Ｂ）を有する少なくとも１つのスリット（４７）を有し、
   前記スリット（４７）の一方側が閉じられており、前記中間ディスク（４）の前記スリット（４７）に接続部位（４９）が残されている、
   メカニカルシール装置。
2. 前記中間ディスク（４）に、スリット（４７）が１つだけ設けられていることを特徴とする請求項１記載のメカニカルシール装置。
3. スリット幅（Ｂ）が、前記接続部位（４９）の径方向長さと同等であることを特徴とする請求項１又は２記載のメカニカルシール装置。
4. 前記スリット長さ（Ｓ）に対する前記スリット幅（Ｂ）の比が、０．０５〜０．３５の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のメカニカルシール装置。
5. 前記中間ディスクのリング幅（Ｒ）に対する前記スリット長さ（Ｓ）の比が、０．７〜０．９５の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のメカニカルシール装置。
6. 前記スリット（４７）が、前記中間ディスク（４）の内周部（４０）から延在していることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のメカニカルシール装置。
7. 前記中間ディスク（４）の前記内周部（４０）に、複数の凹部（４１）が設けられてい
   ることを特徴とする請求項６記載のメカニカルシール装置。
   
8. 前記凹部（４１）が一定間隔で前記中間ディスク（４）の前記内周部（４０）に配置され、且つ／又は前記中間ディスク（４）が奇数個の凹部を有することを特徴とする請求項７に記載のメカニカルシール装置。
9. 前記スリット（４７）が、前記複数の凹部（４１）のうちの１つを起点に前記内周部（４０）から延在していることを特徴とする請求項７又は８に記載のメカニカルシール装置。
10. 前記中間ディスク（４）が、前記中間ディスク（４）の前記内周部（４０）において前記凹部（４１）と交互に形成され、軸方向に突出する複数の突出部（４５）を有することを特徴とする請求項７〜９の何れか一項に記載のメカニカルシール装置。
11. 前記ベローズユニット（２）が、第１Ｚ字状角部（５）及び第２Ｚ字状角部（６）を更に備え、
    前記第１Ｚ字状角部（５）が、前記第１接続部（３１）の外側に配置され、
    前記第２Ｚ字状角部（６）が、前記第２接続部（３２）の外側に配置された
    請求項１〜１０の何れか一項に記載のメカニカルシール装置。
12. 前記第２Ｚ字状角部（６）が、軸方向（Ｘ−Ｘ）において前記第２接続部（３２）と同じ長さで終端することを特徴とする請求項１１に記載のメカニカルシール装置。
13. 前記第１Ｚ字状角部（５）の第１径方向内方延出部（５２）が、前記第１接続部（３１）における前記ベローズ中間部（３３）と対向する端部に重なっており、且つ／又は前記第２Ｚ字状角部（６）の第２径方向内方延出部（６２）が、前記第２接続部（３２）における前記ベローズ中間部（３３）と対向する端部に重なっていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のメカニカルシール装置。
14. 前記ベローズユニット（２）に軸方向（Ｘ−Ｘ）の張力を予め付与する張力付与要素（７）を更に備え、
    前記張力付与要素（７）が、前記第１Ｚ字状角部（５）の第１端部に支持され、且つ前記第２Ｚ字状角部（６）の第２端部に支持されている
    請求項１１〜１３の何れか一項に記載のメカニカルシール装置。

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