JP6572148B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、シールリング、メイティングリング、そしてメイティングリング方向にシールリングを付勢するコンプレッションリングを備えるメカニカルシールに関する。

メカニカルシールは、たとえば、回転するメイティングリングに対し回転不能に保持されたシールリングを付勢手段によってメイティングリング方向に付勢し、メイティングリングとシールリングとの摺接により軸封するものである。特に、高速回転で、高圧の被密封流体漏れを制限するメカニカルシールにおいては、メイティングリングが、高速回転する回転軸に固定されているため、回転軸の振動、被密封流体の圧力、温度等の影響を受け、複雑な挙動を示す。このため、メイティングリングの複雑な挙動に追従して全周に亘ってシール面を形成できるように、シールリングは、コンプレッションリングを介してメイティングリングに対して周方向に均一に付勢される。

シールリングが、コンプレッションリングを介してメイティングリングに対し付勢されるタイプのメカニカルシールとして、たとえば特許文献１に示されるように、カバープレートに回転不能に保持されるシールバックスリーブ（コンプレッションリング）及びシールリングと、スリーブを介して回転軸に支持されるメイティングリングと、カバープレートとシールバックスリーブの間に介装される複数のバネと、を備え、シールリングの摺動面とメイティングリングの摺動面とが互いに摺動してシール面を形成し被密封流体漏れを制限するものがある。ここで、シールリングは、メイティングリングに対して周方向に均一に付勢されるようにシールバックスリーブを介して付勢されるとともに、シールバックスリーブは、シールリングの若干の動きを許容するように軸方向の異なる位置で２個のＯリングによって弾性支持される構造となっている。

特開２００６−２６６２８５号公報（第２ページ、図１）

しかしながら、特許文献１にあっては、シールリングは、シールバックスリーブ（コンプレッションリング）から当接面を介して軸方向に付勢されるとともに、軸方向の異なる箇所で、大径部と小径部とに形成される２箇所の嵌合部で嵌合、支持されている。このため、高速回転で、高圧の被密封流体漏れを制限するメカニカルシールにおいては、メイティングリングに傾動力が発生した際、この傾動力を受けたシールリングは、２箇所の嵌合部及び当接面によってその動きが制限され、メイティングリングの傾動に十分に追随できず、シールリングとメイティングリング間の流体漏れを制限できないといった虞があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、シールリングを可能な限りメイティングリングの傾動に追随させ、シールリングとメイティングリング間の流体漏れを防止できるメカニカルシールを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のメカニカルシールは、
コンプレッションリング、シールリング、前記シールリングと環状シール部を形成するメイティングリング、及び前記シールリングに対し前記コンプレッションリングを付勢する付勢手段を備えるメカニカルシールであって、
前記コンプレッションリングと前記シールリングとの当接部が、前記シールリングと前記メイティングリングとの実質的な接触部である前記環状シール部の内径側に位置するとともに、
前記コンプレッションリングと前記シールリングとの前記当接部の外径側には、前記コンプレッションリングと前記シールリングとの間に環状空隙部が形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、コンプレッションリングとシールリングとの実質的な当接部が、シールリングとメイティングリングとの実質的な接触部より内径側に位置するため、メイティングリングに傾動力が発生した際、この傾動力を受けたシールリングがコンプレッションリングとシールリングとの実質的な当接部を支点にして傾くこととなり、シールリングがメイティングリングの傾動に追随することとなり、シールリングとメイティングリング間の流体漏れを防止できる。またシールリングとコンプレッションリングとの間に形成された環状の空隙部は、実質的にシールリングとコンプレッションリングとの相対傾動による逃げ領域を提供することになる。

本発明のメカニカルシールは、
前記当接部は、前記シールリングと前記メイティングリングとの実質的な接触部である前記環状シール部の内周部より内径側に形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、傾動力がシールリングの環状シール部のどの位置に作用しても、シールリングは、環状シール部の内周部より内径側で当接部によって支持されるので、確実に傾動モーメントを発生させて、メイティングリングの動きに追随することができる。

本発明のメカニカルシールは、
前記当接部は、前記コンプレッションリングに形成された環状突部であることを特徴としている。
この特徴によれば、環状突部によって当接部の外径側に空隙を形成して、実質的にシールリングとコンプレッションリングとの相対傾動による逃げ領域を提供することができる。

本発明のメカニカルシールは、
前記当接部の内径側、かつ前記コンプレッションリングと前記シールリングとの間に環状の内側空隙部を有することを特徴としている。
この特徴によれば、コンプレッションリングとシールリングとの接触部を小さくして、シールリングがコンプレッションリングに対して容易に初動することができる。

本発明のメカニカルシールは、
前記コンプレッションリングと前記シールリングは、前記環状空隙部の外径側で互いに遊嵌する嵌合部を有することを特徴としている。
この特徴によれば、遊嵌する嵌合部により、シールリングは傾き代を確保できるとともに、コンプレッションリングとシールリングの径方向のガタツキを防止できる。

本発明に係るメカニカルシールの側断面図である。 本発明に係るメイティングリングとコンプレッションリングの接触状態を示す図である。 メイティングリングとコンプレッションリングの比較例を示す図である。 本発明に係るメイティングリングとコンプレッションリングの変形例を示す図である。 本発明に係るメイティングリングとコンプレッションリングの別の変形例を示す図である。

本発明に係るメカニカルシールを実施するための形態を実施例に基づいて、図１から図５を参照して、以下説明する。なお、図１から図５において、メイティングリング側を左側、付勢手段側を右側として説明する。

図１に示されるように、メカニカルシール１０は、ハウジング３０に固定された収容ケース１１と、該収容ケース１１に対し回転不能に取付けられたコンプレッションリング１４及びシールリング１６と、スリーブ２１及びリテーナ２０を介して回転軸２２に回転支持されるメイティングリング１７と、シールリング１６をメイティングリング１７に対し、コンプレッションリング１４を介して付勢する付勢手段１２と、を主に備える。シールリング１６とメイティングリング１７とから構成される実質的な接触部である環状シール部１８による密封により、機内の被密封領域Ｓと機外の大気領域Ａとの間を密封している。ここで、実質的な接触部である環状シール部１８は、メイティングリング１７の摺動部１７ａとシールリングの摺動部１６ａとが互いに接触する部分、具体的には各端面を意味する。

ここで、シールリング１６、メイティングリング１７は、ＳｉＣ（炭化珪素）等のセラミックス、カーボン、超硬合金等から形成されており、密封用の摺動部材として一般的に要求される機械的強度、自己潤滑性、耐摩耗性を有するものであればよい。また、収容ケース１１、コンプレッションリング１４、スリーブ２１、リテーナ２０、回転軸２２は、メカニカルシールに要求される圧力、温度、腐食環境に耐える材料であればよく、製造の容易性の観点から、金属、例えば、鉄、鋼、鋳鋼、鋳鉄、ステンレス鋼等を使用することができる。以下、メイティングリング１７、シールリング１６、コンプレッションリング１４、付勢手段１２について説明する。

メイティングリング１７は、その外周部をリテーナ２０に嵌合、保持されるとともに、リテーナ２０に取付けられたドライブピン２４ａによって、リテーナ２０に対し径方向、周方向に移動不能に取付けられている。また、リテーナ２０は、スリーブ２１に嵌合、保持されるとともに、リテーナ２０に取付けられたドライブピン２４ｂによって、スリーブ２１に対し径方向、周方向に移動不能に取付けられている。さらに、スリーブ２１は、回転軸２２に固定的に取付けられており、スリーブ２１、リテーナ２０及びメイティングリング１７は、回転軸２２とともに一体に回転する構成となっている。なお、メイティングリング１７がリテーナ２０と対向する反対側の端面が、メイティングリング１７の摺動部１７ａとなっている。

シールリング１６、コンプレッションリング１４及び付勢手段１２は、回転軸２２と所定の隙間を有し、流体機器のハウジングに固定される収容ケース１１に収容され、収容ケース１１に対し回転不能に取付けられている。

図１、図２に示されるように、シールリング１６は、断面略逆Ｔ字形の環状部材で、メイティングリング１７側に突出する左側突出部１６ｂの端面に環状かつ突状に摺動部１６ａが形成され、該摺動部１６ａがメイティングリング１７の摺動部１７ａと互いに接触し環状シール部１８を形成している。また、付勢手段１２側に突出する右側突出部１６ｃの突出部外周面１６ｄにはＯリング１５ａが配設される（図１のＢ部参照）。また、シールリング１６は、収容ケース１１の回り止め部１１ａによって収容ケース１１に対し周方向の動きを規制され、付勢手段１２側に突出する右側突出部１６ｃをＯリング１５ａに支持されることによって径方向、軸方向に移動可能に取付けられている。

図１及び図２に示されるように、コンプレッションリング１４は、断面略Ｔ字形の環状部材で、メイティングリング１７側に突出する左側突出部１４ａの突出部内周面１４ｄが、シールリング１６の突出部外周面１６ｄと対向する状態で配設され、シールリング１６の突出部外周面１６ｄとコンプレッションリング１４の突出部内周面１４ｄとによって囲まれる空間部にＯリング１５ａが配設され、シールリング１６とコンプレッションリング１４との間が密封される。さらに、付勢手段１２側に突出する右側突出部１４ｂの突出部内周面１４ｃは、後述する保持ケース１３の突出部１３ｂの外周面１３ｃと対向した状態で配設され、右側突出部１４ｂの突出部内周面１４ｃと突出部１３ｂの外周面１３ｃとによって囲まれる空間部にＯリング１５ｂが配設される。このように、コンプレッションリング１４は、その左側突出部１４ａの突出部内周面１４ｄと右側突出部１４ｂの突出部内周面１４ｃとがＯリング１５ａ、１５ｂによって径方向、周方向、軸方向に移動可能に支持されるので、後述する付勢手段１２からの付勢力をシールリング１６の周方向に均等に伝えることができる。

図１及び図２に示されるように、付勢手段１２は、保持ケース１３と、該保持ケース１３に収容される弾性部材からなる複数のコイルバネ２３とから主に構成される。保持ケース１３は、収容ケース１１に対し移動不能に固定され、複数のコイルバネ２３は、保持ケース１３の周方向に略等間隔に形成された収容部１３ａに収容され、該複数のコイルバネ２３によって、コンプレッションリング１４は周方向に均等に押圧される。

つぎに、シールリング１６とコンプレッションリング１４との当接部１９について説明する。当接部１９は、シールリング１６の右側突出部１６ｃの端面１６ｅとコンプレッションリング１４の環状突部１４ｅとが当接して構成される。Ｏリング１５ａ、１５ｂによって径方向、周方向、軸方向に移動可能に支持されるコンプレッションリング１４は、当接部１９を介して付勢手段１２からの付勢力をシールリング１６の周方向に均等に伝え、シールリング１６の摺動部１６ａとメイティングリング１７の摺動部１７ａとは、全周に亘って摺動することによって、実質的な接触部である環状シール部１８が形成される。

図２に示されるように、シールリング１６の摺動部１６ａは、外径寸法ｄ１、内径寸法ｄ２を有している。また、コンプレッションリング１４の環状突部１４ｅは、外径寸法ｄ３を有している。以下説明するように、シールリング１６のメイティングリング１７に対する追随性を高めるために、少なくともよりも摺動部１６ａの外径寸法ｄ１は環状突部１４ｅの外径寸法ｄ３より大きく（ｄ１＞ｄ３）する必要がある。さらに、シールリング１６のメイティングリング１７に対する追随性を高めるために、摺動部１６ａの内径寸法ｄ２は環状突部１４ｅの外径寸法ｄ３より大きく（ｄ２＞ｄ３）することが好ましい。また、環状突部１４ｅを設けることによって、その外径側で、コンプレッションリング１４とシールリング１６との間に環状空隙部１４ｆが形成される。

以上のように構成されたメカニカルシール１０の作用効果について説明する。

メイティングリング１７は、回転軸２２に略直交して取付けられている。一方、収容ケース１１に対し回転不能に取付けられたシールリング１６は、Ｏリング１５ａ、１５ｂ及びコイルバネ２３によって支持されたコンプレッションリング１４を介して弾性支持されている。したがって、運転中にメイティングリング１７の摺動部１７ａに多少の傾きが発生しても、弾性支持されたシールリング１６はメイティングリング１７の動きに追随して、全周に亘ってほぼ均等に摺動して環状シール部１８を形成できるようになっている。

しかし、高速回転で、高圧水を吐出するポンプのような場合には、回転軸２２の振動、ポンプインペラの周方向に圧力分布の変化等により、回転軸２２の傾き大きくなる場合がある。このように回転軸２２の傾き大きくなる場合であっても、図２に示されるように、コンプレッションリング１４とシールリング１６と当接部１９の外径寸法ｄ３は、シールリング１６とメイティングリング１７との環状シール部１８の外径寸法ｄ１（図１のＢ参照）より内径側に位置するので（ｄ１＞ｄ３）、メイティングリング１７に傾動力Ｆが発生した際、この傾動力Ｆを受けたシールリング１６には、コンプレッションリング１４との当接部１９の外径端部１４ｊを支点として傾動モーメントＭ＝Ｆ（ｄ１−ｄ３）／２が発生し、図２の点線で示すように容易に傾動して、メイティングリング１７の動きに追随できる。その結果、シールリング１６とメイティングリング１７は全周に亘ってほぼ均等に摺動するのでシールを維持できる。特に、シールリング１６の摺動部１６ａの内径寸法ｄ２をコンプレッションリング１４の環状突部１４ｅ外径寸法より大きく（内径寸法ｄ２＞外径寸法ｄ３）とすることにより、メイティングリング１７からの傾動力Ｆがシールリング１６の環状シール部１８（図１参照）の内径位置に作用しても、確実に傾動モーメントＭ＝Ｆ（ｄ２−ｄ３）／２を発生させることができる。

仮に、図３に示されるように、コンプレッションリング５４とシールリング５６との当接部５９の外径寸法ｄ５が、シールリング５６の摺動部５６ａの外径寸法ｄ４とほぼ同径に構成される場合には、シールリング５６に発生するモーメントはＭ２＝Ｆ（ｄ４−ｄ５）／２≒０となり、シールリング５６には傾動モーメントＭがほとんど発生せず、コンプレッションリングを弾性支持するＯリング５５ａ、５５ｂ、及びコイルバネ２３の弾性変形のみによる自動調芯性しか示さない。

このように本発明のメカニカルシール１０は、Ｏリング１５ａ、１５ｂ及びコイルバネ２３の弾性変形による追随性に加え、コンプレッションリング１４とシールリング１６との当接部１９の外径部が、シールリング１６とメイティングリング１７との実質的な接触部である環状シール部１８の外径部より内径側に形成されるので、シールリング１６はコンプレッションリング１４との当接部１９を支点として傾動モーメントＭ＝Ｆ（ｄ１−ｄ３）／２が有効に発生してメイティングリング１７の動きに容易に追随できるようになる。また、コンプレッションリング１４とシールリング１６との当接部１９の外径側で、コンプレッションリング１４とシールリング１６との間に形成される環状空隙部１４ｆが、シールリング１６がコンプレッションリング１４に対して相対傾動したときに、シールリング１６の外径角部１６ｈの逃げ領域となり、シールリング１６の外径部角部がコンプレッションリング１４と接触することを防ぐことができるので、シールリング１６とコンプレッションリング１４との相対傾動が妨げられることがなくなる（図２のＣ部参照）。さらに、コンプレッションリング１４に環状突部１４ｅを形成することにより、シールリング１６の傾動の支点となる当接部１９の外径端部１４ｊからシールリング１６の重心までの距離を小さくできるので、外径端部１４ｊ周りのシールリング１６の慣性モーメントを小さくできるので、シールリング１６は傾き易くなる。

また、図２に示されるように、コンプレッションリング１４とシールリング１６との当接部１９の内周側にも内側空隙部１４ｇが形成されている。コンプレッションリング１４を支持するＯリング１５ａ、１５ｂが圧縮されながら、シールリング１６がコンプレッションリング１４に対して相対傾動する場合であっても、当接部１９の内側空隙部１４ｇが、シールリング１６の内径部の逃げ領域となり、シールリング１６の内径部がコンプレッションリング１４と接触することを防ぐことができる。

さらに、図２に示されるように、コンプレッションリング１４は、環状空隙部１４ｆの外径端部から軸方向に延設される円筒状の延設部１４ｈを有し、該延設部１４ｈよりも小径に形成された突出部外周面１６ｄがクリアランスを持って互いに遊嵌する嵌合部を形成する。この嵌合部を有することで、コンプレッションリング１４とシールリング１６とは、互いに傾動できるように傾動代を確保できるとともに、径方向のガタツキを防止することができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

前記実施例では、コンプレッションリング１４の環状突部１４ｅがシールリング１６の右側突出部１６ｃの端面１６ｅと当接する面は、平坦面に形成されているが、図４に示されるように、環状突部２４ｅの当接面を曲面に形成してもよい。シールリング２６の端面２６ｅと当接する環状突部２４ｅの当接面を曲面に形成することにより、シールリング２６は、メイティングリング１７に対する自動調芯性を高めることができ、シールリング２６は、メイティングリング１７の傾動に対する追随性が向上する。

また、前記実施例では、メイティングリング１７を回転側、シールリング１６とコンプレッションリング１４を固定側としているが、メイティングリングを固定側、シールリングとコンプレッションリングを回転側としてもよい。

さらに、前記実施例では、コンプレッションリング１４に環状突部１４ｅを形成しているが、図５（ａ）に示されるように、シールリング３６に環状突部３６ｅを形成し、コンプレッションリング３４の端面３４ｅを平坦面としてもよいし、図５（ｂ）に示されるように、コンプレッションリング４４とシールリング４６とにそれぞれ環状突部４４ｅ、４６ｅを形成してもよい。

１０ メカニカルシール
１２ 付勢手段
１４ コンプレッションリング
１４ｅ 環状突部
１４ｆ 環状空隙部
１４ｇ 内側空隙部
１６ シールリング
１７ メイティングリング
１８ 環状シール部
１９ 当接部
２２ 回転軸

Claims (4)

1. コンプレッションリング、シールリング、前記シールリングと環状シール部を形成するメイティングリング、及び前記シールリングに対し前記コンプレッションリングを付勢する付勢手段を備えるメカニカルシールであって、
   前記コンプレッションリングと前記シールリングとの当接部が、前記シールリングと前記メイティングリングとの実質的な接触部である前記環状シール部の内径側に位置するとともに、
   前記コンプレッションリングと前記シールリングとの前記当接部の外径側には、前記コンプレッションリングと前記シールリングとの間に環状空隙部が形成されており、前記当接部は、前記コンプレッションリングに形成された環状突部であることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記当接部は、前記シールリングと前記メイティングリングとの実質的な接触部である前記環状シール部の内周部より内径側に形成されてい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. 前記当接部の内径側、かつ前記コンプレッションリングと前記シールリングとの間に環状の内側空隙部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシール。
4. 前記コンプレッションリングと前記シールリングは、前記環状空隙部の外径側で互いに遊嵌する嵌合部を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のメカニカルシール。

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