JP6573631B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転リングと固定リングとの摺動面を介して流体をシールするメカニカルシール装置に関する。

メカニカルシール装置は、ハウジングと、ハウジングを貫通するように配置される回転シャフトとの間に装着して使用されるものである。

図５には代表的なメカニカルシール装置１０３が示されている。このメカニカルシール装置１０３は、ハウジング１０１に非回転状態に装着された静止側摺動環であるメイティングリング１３０、回転シャフト１０２側に装着されてこのシャフト１０２と一体的に回転する回転側摺動環であるシールリング１４０を有する。メイティングリング１３０はハウジング１０１にガスケット１５０を介して固定される。また、メカニカルシール装置１０３は、シールリング１４０を回転シャフト１０２に嵌着するための構成として、ケース１６０、コイルドウェーブスプリング１７０及びＯリング１８０を有する。メイティングリング１３０とシールリング１４０とは、回転シャフト１０２の軸方向に沿って互いに対向するように配置されており、使用状態（図５ではシールリング１４０の一部を破線で示している。）ではその対向した端面同士１３０ａ、１４１ａが密接することにより被密封流体をシールする（特許文献１）。

シールリング１４０は、回転シャフト１０２の外周面にＯリング１８０を介在させて軸方向移動可能に嵌合されている。シールリング１４０のメイティングリング１３０側の端面には、メイティングリング１３０方向に突出した摺動突起１４１が形成されており、摺動突起１４１の端面１４１ａがメイティングリング１３０の摺動面１３０ａに摺動可能に密接される。

スプリングホルダ１７１の背面側にはケース１６０が配置されている。ケース１６０は、回転シャフト１０２に対し軸方向及び回転方向に移動不能に固定されている。スプリングホルダ１７１とケース１６０との間には、コイルドウェーブスプリング１７０が軸方向に適宜圧縮された状態で介在されており、使用状態ではこれによりシールリング１４０はスプリングホルダ１７１を介してメイティングリング１３０方向に付勢される。また、ケース１６０の外周部には、軸方向に延在された複数の係合爪１６１が均等間隔で形成されており、シールリング１４０の外周面に同じく均等間隔に形成された係合切欠１４２と係合している。これにより、シールリング１４０は、回転シャフト１０２の軸方向には移動可能な状態となり、回転シャフト１０２の周方向（回転方向）には移動不能な状態（一体的に回転する状態）で回転シャフト１０２に装着される。

このような構成により、使用状態では回転シャフト１０２の回転に伴って、メイティングリング１３０の摺動面１３０ａとシールリング１４０の摺動突起１４１の先端の摺動面１４１ａとは密接した状態で摺動することとなり、メイティングリング１３０の摺動面１３０ａとシールリング１４０の摺動面１４１ａとが面接触して被密封流体をシールする。

国際公開第２００８／１２９９５０号（段落００１６−００２６、図１）

しかしながら、上記した特許文献１にあっては、メイティングリング１３０とシールリング１４０とは別部材であり、かつそれぞれ個別に取り扱われるため、メカニカルシール装置１０３を回転シャフト１０２やハウジング１０１等の機器に取り付ける際に、メイティングリング１３０の摺動面１３０ａとシールリング１４０の摺動面１４１ａとの間に塵埃が入る虞がある。また、機器に取り付ける前に、メイティングリング１３０の摺動面１３０ａとシールリング１４０の摺動面１４１ａとを接触させた状態で保管していても、機器に取り付ける際に、メイティングリング１３０の摺動面１３０ａとシールリング１４０の摺動面１４１ａとの間に隙間が生じ、塵埃が入る虞があり、組み立て時を含め、それら部材の取扱いに相当な慎重さが要求されることになる。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、メイティングリングの摺動面とシールリングの摺動面との間への塵埃の侵入を極力抑制できるメカニカルシール装置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装置は、
軸に垂直な摺動面を有し、径方向に突出するフランジを有するメイティングリングと、
前記軸方向に移動可能に設けられ、前記メイティングリングの摺動面と接触する軸に垂直な摺動面を有するシールリングと、
前記シールリングを前記メイティングリング側に押圧する弾発部材と、
内部に前記シールリングと前記弾発部材とを内包するケースとを備え、
前記両リングの軸に垂直な摺動面が互いに接触し、相対的に回転することによって流体をシールするメカニカルシール装置であって、
前記ケースと、前記メイティングリングの前記フランジとが係合して前記シールリングと前記メイティングリングとが、弾発保持されてなることを特徴としている。
この特徴によれば、メイティングリングのフランジと内部に弾発部材を有するケースとの係合により、リングの軸に垂直な摺動面が、メカニカルシール装置が機器に取り付けられる使用状態に加え、機器に取り付けられる前の使用前状態においても両リングの軸に垂直な摺動面が弾発部材の弾発力に基づく圧力で互いに接触しているため、メイティングリングの摺動面とシールリングの摺動面との間に入る塵埃を極力抑制できる。また、フランジが形成されることで表面積が大きくなり、流体にふれる面積を大きくすることができるため、メイティングリングの冷却効果が高まる。

前記ケースは軸方向メイティングリング側に突出するガイド片を有し、前記シールリングは外面に切欠を有し、前記ガイド片が当該切欠に係合することで相対回転不能にされていることを特徴としている。
この特徴によれば、ケースがシールリングとの相対回転を防止すると共にメイティングリングとの係合手段としても用いるため、部品の共通化が可能となる。

前記ガイド片は径方向に突出した係合片を有し、前記係合片と前記メイティングリングの前記フランジと係合することで弾発保持されていることを特徴としている。
この特徴によれば、ケースが回転軸の接続を受けて移動するのみで、メイティングリングと係合片との接触を容易に解くことができる。

前記フランジは、その周方向に前記係合片が通過可能な幅の切欠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、フランジと係合片はいわゆるバヨネット係合により着脱可能となり、簡単な手順によりメイティングリングとシールリングとを弾発状態に組み立てることができる。また、フランジに切欠が形成されていることで周囲の流体を循環し、また、切欠があることで表面積が大きくなり、メイティングリングの冷却効果を高めることができる。

前記ケースが回転シャフトの接続を受けて前記フランジと前記ケースとの接触が解かれるようになっていることを特徴としている。
この特徴によれば、使用状態で使用される弾発部材を、機器に取り付けられる前の使用前状態において両リングの軸に垂直な摺動面が互いに接触する状態に保持する弾発部材として用いるため、部品の共通化が可能となる。

実施例１における機器に取り付けられる前の使用前状態（保持状態）における保持長に保持されたメカニカルシール装置を一部切り欠いて示す正面図である。 実施例１における機器に取り付けられた使用状態における使用長に保持されたメカニカルシール装置を一部切り欠いて示す正面図である。 実施例１のメイティングリングを示す斜視図である。 実施例１のケースを示す斜視図である。 従来の機器に取り付けられる途中のメカニカルシール装置の断面図である。

本発明に係るメカニカルシール装置を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。本実施例においては、自動車空調用コンプレッサに適用されて冷媒たる炭酸ガス（ＣＯ２）をシールする回転型のメカニカルシール装置について説明する。

実施例１に係るメカニカルシール装置につき、図１から図４を参照して説明する。以下、図１の紙面左、右、上、下側をメカニカルシール装置の左、右、上、下側として説明する。

図１、２に示すように、メカニカルシール装置３は、コンプレッサ（機器）のハウジング１（機器）と、ハウジング１の軸孔１１を貫通してコンプレッサの内部（機内側）と外部（大気側）に連通するように配置されるシャフト２との間に装着される。シャフト２（機器、回転シャフト）は、大気側においてエンジンのクランク軸からの駆動力が図示せぬ電磁クラッチ等の機構を介して伝達され、これにより回転し、コンプレッサ内部（機内側）の機構を駆動する。

メカニカルシール装置３は、ハウジング１に非回転状態に装着される静止側摺動環であるメイティングリング３０、シャフト２側に装着されてこのシャフト２と一体的に回転する回転側摺動環であるシールリング４０を有する。また、メカニカルシール装置３は、シールリング４０をシャフト２に嵌着するための構成として、ケース６０、コイルドウェーブスプリング７０（弾発部材）、スプリングホルダ７１及びＯリング８０を有する。

メイティングリング３０とシールリング４０とは、シャフト２の軸方向に沿って互いに対向するように配置されており、その対向した端面である摺動面３０ａ、４１ａ同士が密接することにより、被密封流体をシールする。すなわち、機内側の被密封流体が大気側に漏洩、流出しないようにシールされる。
ここで、ハウジング１の右側の摺動面３０ａ、４１ａの外周側の空間が、被密封流体たる炭酸ガス（ＣＯ２）が充満する機内側空間Ｐであり、摺動面３０ａ、４１ａの内周側からハウジング１の左側に至る空間が大気側（機外）空間Ａである（図２）。

メイティングリング３０のシールリング４０側の端面は、シールリング４０の摺動面たる環状の摺動突起４１の摺動面４１ａが摺動可能に密接される摺動面３０ａとして形成されている。メイティングリング３０のシールリング４０側の端部には、径方向外側に延び周方向に等間隔に３カ所の切欠３２が設けられた３カ所のフランジ３１が設けられている（図３）。

シールリング４０のメイティングリング３０側の端面には、メイティングリング３０方向に突出した環状の摺動突起４１が形成されており、摺動突起４１の摺動面４１ａがメイティングリング３０の摺動面３０ａに摺動可能に密接される。シールリング４０は、例えばカーボン摺動材により形成され、メイティングリング３０は、カーボン摺動材よりもヤング率の大きい硬質摺動材（例えばＳｉＣ等のセラミックス）により形成される。

Ｏリング８０は、シールリング４０の背面側（メイティングリング３０とは反対側の面）の端部の内周面に形成されたＯリング装着凹部４３に収容された状態で、シールリング４０に装着される。シールリング４０の背面には、金属板であるスプリングホルダ７１が当接配置され、その内径部はシールリング４０のＯリング装着凹部４３の背後を塞ぐように延びている。スプリングホルダ７１の背面側には三脚台状の金属板（例えばステンレス鋼板）からなるケース６０が配置されている。

図４を参照し、ケース６０は、中央に嵌合孔６２を有する鍔状の底板６１、底板６１から軸方向に僅かに（コイルドウェーブスプリング７０よりも短い。）延びるリブ６３、リブ６３から軸方向に延びる３本のガイド片６４（ガイド部材）、ガイド片６４の先端の係合突起６６（保持手段としての係合片）から形成されている。ガイド片６４の先端の係合突起６６は、ガイド片６４を径方向内側にプレスすることにより形成されている。プレスにより係合突起６６の突出方向とは反対側に凹部６５が形成される。ガイド片６４は周方向に均等間隔で形成されており、シールリング４０の外周面に同じく均等間隔に形成された切欠４２（図１）と係合している。これにより、シールリング４０は、シャフト２の軸方向には移動可能な状態となり、周方向（回転方向）には移動不能な状態（一体的に回転する状態）とされる。

図１に示されるメカニカルシール装置３を組み立てるには、ケース６０内に、コイルドウェーブスプリング７０、スプリングホルダ７１、Ｏリング８０が装着されたシールリング４０を順に収容する。この状態で、ケース６０のガイド片６４を、メイティングリング３０の切欠３２の位置に合わせ、コイルドウェーブスプリング７０の弾発力に抗しながら軸方向（ケース６０の底板６１とメイティングリング３０とが近づく方向）に押し込み、係合突起６６がフランジ３１を超えた位置（係合突起６６とフランジ３１が径方向に見て重複しない位置）でケース６０を周方向に６０度回転させることにより、係合突起６６の係合面６６ａ（右側の面）とフランジ３１の被係合面３１ａ（左側）の面が当接させられることにより組み立てられる。図１に示されるメカニカルシール装置３が機器に取り付けられる前の状態を保持状態（又は使用前状態）と言う。

保持状態では、係合突起６６の係合面６６ａとフランジ３１の被係合面３１ａの面が当接し、コイルドウェーブスプリング７０が軸方向に保持長に圧縮された状態で介在されており、これによりシールリング４０はスプリングホルダ７１を介してメイティングリング３０に保持圧力で付勢される。すなわち、シールリング４０とメイティングリング３０とが、コイルドウェーブスプリング７０と係合突起６６との間に弾発保持されてなる。ここで、保持長はコイルドウェーブスプリング７０の自然長よりも短く、図２に示されるメカニカルシール装置３の使用長よりも長い長さである。

ついで、図２に示されるメカニカルシール装置３が機器に取り付けられた使用状態について説明する。メイティングリング３０は、ガスケット５０を介在させてハウジング１の軸孔１１の機内側開口部に拡径形成された環状凹部１２に嵌入されている。ガスケット５０は内部の金属環５１がインサート成形によりゴム部材５２により覆われている。シールリング４０は、メイティングリング３０よりも機内側に配置され、シャフト２の外周面にＯリング８０を介在させて軸方向移動可能に嵌合されている。

ケース６０は底板６１の外側面（右面）が、シャフト２の第１の段差部２１に当接されることにより、ケース６０はシャフト２の軸方向に係止されている。また、ケース６０は嵌合孔６２の平坦部６２ａがシャフト２の第１の段差部２１の一部に形成された切欠部２６と係合するように構成されている（図４）。これによりシャフト２に対して周方向に移動不能に、すなわち、シャフト２の回転に伴ってシャフト２と一体的に回転するように、シャフト２に嵌合されている。

ここで、シャフト２は、ケース６０の平坦部６２ａが係合される位置に切欠部２６が形成された第１の段差部２１が形成されており、また、シールリング４０の内周に対応する位置に第２の段差部２２が形成されている。これら第１の段差部２１及び第２の段差部２２を境として、シャフト２は、第１の段差部２１よりも大気側の部分であってハウジング１の軸孔１１及びメイティングリング３０の内周部へ挿通している小径部２３、第１の段差部２１と第２の段差部２２の間のシールリング４０がＯリング８０を介在させて軸方向移動可能に嵌着されている中径部２４、及び第２の段差部２２よりも機内側の大径部２５により形成されている。これにより、流体圧力がかかるシールリング４０の最内径よりもメイティングリング３０とシールリング４０との摺動面３０ａ、４１ａの最内径を内径側に配置することができ、バランス形メカニカルシールとして用いることができる。ここで、バランス形とは、摺動面に流体圧力の作用しない面積の部分を持っていて、流体圧力による摺動面への負荷を低減できるシール形式のことを指す。（他に関連するものとして、アンバランス形が挙げられ、これは摺動面に流体圧力が全て作用し、流体圧力による摺動面への負荷を低減できないシール形式のことを指す。）

メカニカルシール装置３の軸方向の長さは、図２に示される使用状態が図１に示される保持状態よりもＬだけ短い長さである。ここで、メカニカルシール装置３の軸方向の長さは、ガスケット５０の外側端面（図１、２における左側の端面）とケース６０の外側端面（図１、２における右側の端面）の間の長さである。このため、メカニカルシール装置３を機器に取り付けた使用状態では、シールリング４０はコイルドウェーブスプリング７０からメイティングリング３０に図１に示される保持圧力よりも高い使用圧力で付勢される。図２に示される状態では、メイティングリング３０とケース６０とは係合しておらず、シャフト２の回転を妨げることがない。

このような構成により、シールリング４０にはコイルドウェーブスプリング７０による付勢力がシャフト２の軸方向に与えられ、摺動突起４１先端の摺動面４１ａはメイティングリング３０の摺動面３０ａに適切な使用圧力で押し付けられる。また、シールリング４０は、シャフト２からの回転トルクをケース６０を介して与えられることとなり、シャフト２と一体的に回転する。この結果、シャフト２の回転に伴って、メイティングリング３０の摺動面３０ａとシールリング４０の摺動面４１ａとは密接した状態で摺動することとなり、メイティングリング３０の摺動面３０ａとシールリング４０の摺動面４１ａとの接合により被密封流体をシールする。

また、両リング３０、４０の軸に垂直な摺動面３０ａ、４１ａが、メカニカルシール装置３が機器に取り付けられる使用状態（図１）に加え、機器に取り付けられる前の使用前状態（図２）においても両リング３０、４０の軸に垂直な摺動面３０ａ、４１ａがコイルドウェーブスプリング７０の弾発力に基づく圧力で互いに接触しているため、メイティングリング３０の摺動面３０ａとシールリング４０の摺動面４１ａとの間に入る塵埃を極力抑制できる。

また、使用状態で使用されるコイルドウェーブスプリング７０を、機器に取り付けられる前の使用前状態において両リング３０、４０の軸に垂直な摺動面３０ａ、４１ａが互いに接触する状態に保持する弾発部材として用いるため、部品の共通化が可能となる。

また、係合突起６６によりコイルドウェーブスプリング７０の弾発力を受けたメイティングリング３０の移動を阻止できるようになっている。このため、機器に組み込む際に、ケース６０が回転シャフト２の軸方向からの接続を受けて移動するのみで、メイティングリング３０と係合突起６６との接触を容易に解くことができる。

また、ガスケット５０とフランジ３１との間に、径方向内向きの係合突起６６の好適な待機場所を確保できる。

また、フランジ３１と係合突起６６はいわゆるバヨネット係合により着脱可能となり、簡単な手順によりメイティングリング３０とシールリング４０とを弾発状態（保持状態）に組み立てることができる。

また、メカニカルシール装置３は、各要素それぞれが一体化（ユニット化）されるため、取り扱いが簡素化されるばかりか、取り付け取り外し時の作業の煩雑さが解消される。

また、回転不能に固定されるメイティングリング３０にフランジ３１が設けられるため、軸方向に移動可能かつ回転軸に回転不能に固定されるように構成されたシールリング４０の構成を更に複雑にすることがない。

また、ガイド片６４が回転するシールリング４０側に設けられるとともに当該ガイド片６４はメイティングリング３０とシールリング４０との摺動面３０ａ、４１ａの径方向外側に位置する。このため、使用時に、当該摺動面３０ａ、４１ａの外側にガイド片６４の回転に伴う周方向の流れが生じ、当該周方向の流れが所謂流体カーテンとなって急激な被密封流体の圧力変動等が摺動面３０ａ、４１ａに作用することを抑制できる。

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。

例えば、上述した実施例では、メカニカルシール装置３として回転型のものについて説明したが、静止型のものであってもよい。例えば、回転軸に回転不能に固定されるメイティングリング側にフランジ等の被係合部を設け、スプリングを介してハウジングに固定されるシールリング側に被係合部に係合する係合部を設ければよい。この場合には、回転側のガイド片を短くできるから、回転側を小型化できる。

また、シールリング４０とメイティングリング３０とを弾発保持する保持部材として、ケース６０のガイド片６４に設けた係合突起６６を例について説明したが、必ずしもケース６０に設ける必要はない。要は、シールリング４０とメイティングリング３０とを弾発保持するものであればよく、例えば外部から着脱可能なクリップであってもよい。この場合には、機器に組み込む途中又は組み込み時にクリップを取り外せばよい。

また、軸に垂直な摺動面を有するメイティングリングと、軸方向に移動可能に設けられ、メイティングリングの摺動面と接触する軸に垂直な摺動面を有するシールリングと、前記シールリングを軸方向にガイドするガイド部材と、前記シールリングを前記メイティングリング側に押圧する弾発部材とを備え、前記シールリングと前記メイティングリングとが、前記弾発部材と保持手段との間に弾発保持されるものとしてもよい。両リングの軸に垂直な摺動面が、メカニカルシール装置が機器に取り付けられる使用状態に加え、機器に取り付けられる前の使用前状態においても両リングの軸に垂直な摺動面が弾発部材の弾発力に基づく圧力で互いに接触しているため、メイティングリングの摺動面とシールリングの摺動面との間に入る塵埃を極力抑制できる。

また、メカニカルシール装置３が使用される機器として自動車空調用コンプレッサである場合について説明したが、使用される機器は問わない。

１ ハウジング（機器）
２ シャフト（機器、回転シャフト）
３ メカニカルシール装置
３０ メイティングリング
３０ａ 摺動面
３１ フランジ
３２ 切欠
４０ シールリング
４１ 摺動突起
４１ａ 摺動面
６０ ケース
６１ 底板
６３ リブ
６４ ガイド片（ガイド部材）
６６ 係合突起（係合片）
６６ａ 係合面
７０ コイルドウェーブスプリング（弾発部材）
Ａ 大気側空間
Ｐ 機内側空間

Claims (4)

1. 軸に垂直な摺動面を有し、径方向に突出するフランジを有するメイティングリングと、
   前記軸方向に移動可能に設けられ、前記メイティングリングの摺動面と接触する軸に垂直な摺動面を有するシールリングと、
   前記シールリングを前記メイティングリング側に押圧する弾発部材と、
   内部に前記シールリングと前記弾発部材とを内包するケースとを備え、
   前記両リングの軸に垂直な摺動面が互いに接触し、相対的に回転することによって流体をシールするメカニカルシール装置であって、
   前記ケースは軸方向メイティングリング側に突出するガイド片を有し、前記ガイド片は径方向に突出した係合片を有し、前記係合片と前記メイティングリングの前記フランジとが係合することで、前記シールリングと前記メイティングリングとが、弾発保持されてなることを特徴とするメカニカルシール装置。
2. 前記シールリングは外面に切欠を有し、前記ガイド片が当該切欠に係合することで相対回転不能に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装置。
3. 前記フランジは、該フランジの周方向に前記係合片が通過可能な幅の切欠が形成されてい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装置。
4. 前記ケースが回転シャフトの接続を受けて前記フランジと前記ケースとの接触が解かれるようになっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のメカニカルシール装置。

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