JP6763755B2 - 分割型メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、本発明はポンプ、攪拌機、紛体機械、コンプレッサーなどの各種回転機械器具に使用されるものであって、静止密封環と回転密封環との対向端面である摺動面によりシールするように構成されたメカニカルシールに関し、特に、メンテナンス時の分解が困難な工業用大型ポンプ等の機器の軸封部に装着され、静止密封環または回転密封環が円周方向において分割された分割型メカニカルシールに関する。

従来の分割型メカニカルシールとして、静止密封環または回転密封環のうち周方向に分割された密封環の分割面が、静止密封環及び回転密封環の摺動面近傍の自然破断面と、この自然破断面の反摺動面側の機械切断面とからなる構造のメカニカルシールがある。

このような密封環の分割面は、自然破断面同士の不規則且つ微細な凹凸面同士を符合させるとともに、機械切断面同士の対向面間に弾性体からなるガスケットを介設させることで、当該分割面同士を密接させてシール性を高めた構造のものがある（例えば、特許文献１参照）。

実開平４−１１３３７２号公報（第５頁、第２図）

しかしながら、特許文献１にあっては、機械切断面間に介設されたシール部材（ガスケット）が、密封環の径方向の内外の空間に曝されているため、高圧側である被密封流体の圧力により、ガスケットが所期位置からズレたり、あるいは低圧側に抜け出てしまう虞が生じるという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、分割面の対向面間に介設されたシール部材が被密封流体の圧力の影響を受けて所期位置から外れることなく、高いシール性を維持することができる分割型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、本発明の分割型メカニカルシールは、
ハウジングと回転軸との間に形成した軸封部に装着され、前記ハウジング側の静止密封環と前記回転軸側の回転密封環とを摺動させることで、前記軸封部をシールするメカニカルシールにおいて、
前記静止密封環又は前記回転密封環の少なくともいずれか一方は、周方向に分割された分割型の密封環であり、前記分割型の密封環の分割面は、低圧側に形成された自然破断面と、前記自然破断面よりも高圧側である被密封流体側に軸方向に延設された溝部とを有し、前記溝部にシール部材が設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、分割型の密封環の分割面に、シール部材が介設されるスペースである被密封流体側の溝部と、自然破断面とで周方向の深さが異なるため、分割面に径方向の段差が形成され、この段差が被密封流体の圧力を受けるシール部材を保持するため、シール部材が溝部から位置ずれ若しくは抜け出すことを防止し、高いシール性能を維持することができる。

前記分割型の密封環の前記被密封流体側には、該密封環の周方向に沿う環状シールが前記シール部材に接して設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、シール部材が、溝部の段差と環状シールとにより挟圧されるため、設置位置に位置決めされるばかりか、このシール部材と環状シールとの密接により被密封流体が漏出する虞を回避できる。

前記環状シールは、前記分割型の密封環の摺動面の近傍位置に設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、環状シールが、摺動面の近傍位置でシール部材に接して当該位置でシールするため、被密封流体の回り込みにより密封環に掛かる負荷を小さくできる。

前記自然破断面及び前記溝部は、それぞれ前記分割面の軸方向に亘り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、自然破断面と溝部とにより形成される段差を最大限に幅広に形成することができるので、シール部材の保持機能を高め、被密封流体が分割面間を径方向に漏出する虞を回避することができる。

前記溝部は、前記分割型の密封環の摺動面側に開放して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、被密封流体の圧力を利用してシール部材を溝部内に保持することができる。

実施例１における分割型メカニカルシールを示す断面図である。 図１の一部拡大断面図である。 図１のＡ矢視図である。 図１のＢ矢視図である。 分割面を示す斜視図である。 実施例２における分割型メカニカルシールを示す一部拡大断面図である。 図６のＣ矢視図である。

本発明に係る分割型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以下に説明する。

実施例１に係る分割型メカニカルシールにつき、図１から図５を参照して説明する。先ず図１の符号１に示す分割型メカニカルシールは、静止密封環１０と回転密封環２０の両方が周方向に分割する構造を有するものである。

分割型メカニカルシール１は、これら密封環１０，２０の摺動面Ｓをシール面として、高圧の被密封流体側Ｈである内周側から、低圧流体側Ｌ（例えば大気側）である外周側へ向かって漏れようとする流体をシールする形式であって、静止密封環１０を軸方向に付勢するスプリング８がハウジング２側に設けられた形式のアウトサイド・静止形のメカニカルシールに適したものであるが、摺動面の外周から内周方向へ向かって漏れようとする流体をシールする形式であるインサイド形のメカニカルシールにも適用可能であるし、若しくはスプリングが回転軸側に設けられた回転形のメカニカルシールにも適用可能である。

以下においては、アウトサイド・静止形のメカニカルシールの場合について説明する。

図１に示されるように、分割型メカニカルシール１（以下、単に「メカニカルシール１」ともいう）は、ハウジング２の内周面２ａと回転軸３との間の被密封流体側Ｈの被密封流体をシールするために装着される。

分割型メカニカルシール１は、ケース４と、リテーナ５と、スプリング８と、静止密封環１０と、回転密封環２０と、カラー６と、から主に構成されており、その使用前においてはアジャストボルト２４及びセットボルト２５により一体とされたカートリッジ型に構成されるものである。このメカニカルシール１は、後述するように、アジャストボルト２４及びセットボルト２５を取り外した状態で使用するものである。

ハウジング２は、機内側が回転軸３を挿入可能な内周面２ａが形成されるとともに、機外側が開放されており、機外側の端面には、固定ボルト９用の雌ネジ部２ｂを備えている。

ケース４は、固定ボルト９の軸部が挿通される挿通孔４ａを備えて環状を成し、ハウジング２の内周面２ａに沿って延出する延出部４ｂを備えている。これによれば、ケース４の挿通孔４ａに固定ボルト９を挿入してハウジング２の雌ネジ部２ｂにねじ込むことにより、ケース４をハウジング２に固定することができる。このときケース４の延出部４ｂがハウジング２の内周面に沿って挿入されるに伴い、ケース４とハウジング２の位置合わせが行われ、また固定ボルト９による固定状態では、延出部４ｂの外周面の凹部に設けられたＯリング３１が、ハウジングの内周面２ａに密接して被密封流体をシールする。

またケース４の外周面には、メカニカルシール１を保護するためにカラー６の外径側まで延設された筒状の保護カバー２３が被覆されている。この保護カバー２３は、その外周に巻回されるバンド２１により、ケース４の外周面に対し固着されている。バンド２１の構成は密封環用のバンド２１の説明にて詳述する。

図１，２に示されるように、リテーナ５は、回転軸３が挿通されるように筒状をなし、ケース４と静止密封環１０との間に介装されるものであり、リテーナ５の外周面の機内側の凹部に設けられたＯリング３２が、ケース４の内周面に密接してシールする。またリテーナ５は、軸方向に機外側に、静止密封環１０と回転密封環２０との摺動面Ｓに近接する位置まで延設されており、リテーナ５の外周面の機外側の凹部５ｂに設けられたＯリング３３が、静止密封環１０の内周面及び後述するガスケット１７に密接してシールする。

リテーナ５の機外側の外周面には、リテーナ５の外径方向に突出した鍔部５ａに接して静止密封環１０が設けられている。この静止密封環１０は、後述するように周方向に２分割される分割構造であって、例えば、炭化珪素又はカーボン材により形成されている。また、静止密封環１０とケース４との間にはノックピン７が配置され、静止密封環１０とケース４との相対回転を規制するようになっている。ノックピン７は、静止密封環１０の周方向の分割面１１に形成されたノックピン用切欠き１５と、ケース４の端面に形成された凹部とに架けて配置されている。なお、静止密封環１０の分割数は、２分割に限定されることなく、３分割以上でもよい。

静止密封環１０の外周面には、静止密封環１０の分割面を密接させるための金属または樹脂製のバンド２１が周方向に亘り巻回されている。バンド２１は、静止密封環１０の外周面より僅かに短い幅寸を有する帯状部２１ａと、該帯状部２１ａの一方の端部が固定される保持ケース２１ｂと、該保持ケース２１ｂに設けられる締付ボルト２１ｃと、から主に構成されている。

また、バンド２１は、帯状部２１ａを静止密封環１０の外周面に沿って輪状に変形させ、帯状部２１ａの他方の端部を保持ケース２１ｂ内に通した状態で、締付ボルト２１ｃを締めたり緩めたりすることにより、帯状部２１ａの締め付け力を調整することができる。上記したバンド２１は、回転密封環２０の外周面及び保護カバー２３の外周面にも同様に巻回されている。

また図１に示されるように、スプリング８は、ケース４の機外側に軸方向に開口した凹部４ｃと、リテーナ５の鍔部５ａとの間に、圧縮された状態で軸方向に配置されている。よって静止密封環１０の機内側の側端面は、リテーナ５を介しスプリング８から軸方向の付勢力が負荷されることにより、静止密封環１０の機外側の側端面（摺動面Ｓ）は、回転密封環２０の側端面（摺動面Ｓ）に対して密着している。これによれば、回転密封環２０の側端面に対する静止密封環１０の側端面の軸方向の追従性を高めることができる。そのため、メカニカルシール１の摺動面Ｓにおけるシール性を高めることができる。

図１に示されるように、カラー６は、回転軸３が挿通されるように筒状を成しており、その機外側にて外径方向に張り出す張出部６ａと、張出部６ａに連続して機内側に向けて軸方向に延出した延出部６ｂとを有している。また、カラー６の延出部６ｂの内周面には、環状溝が形成されており、この環状溝にはＯリング３５が装着されている。これによれば、カラー６に回転軸３が挿通されるとき、Ｏリング３５を回転軸３の外周面に圧着させることで、カラー６の内周面と回転軸３の外周面との間の隙間をＯリング３５によってシールすることができる。

またカラー６の張出部６ａには、径方向に貫通するとともに内周面に雌ネジ部を有する貫通孔６ｃが形成されている。この貫通孔６ｃの雌ネジ部に押圧ネジ２２を螺挿して、押圧ネジ２２の先端が回転軸３の外周面を押圧することで、カラー６を回転軸３に対し固定可能となっている。更に張出部６ａには、軸方向に貫通しアジャストボルト２４及びセットボルト２５を挿通するための挿通孔が貫通形成されている（図示略）。

カラー６の延出部６ｂの外周面には、回転密封環２０が設けられている。この回転密封環２０は、周方向に２分割される分割構造であって、例えば炭化珪素またはカーボンなどの材料で製作される。また、回転密封環２０とカラー６との間にはノックピン１９が配置され、回転密封環２０とカラー６との相対回転を規制するようになっている。ノックピン１９は、回転密封環２０の周方向の分割面に形成されたノックピン用切欠き２６と、カラー６の張出部６ａの端面に形成された凹部とに架けて配置されている。なお、回転密封環２０の分割数は、２分割に限定されることなく、３分割以上でもよい。

また、延出部６ｂの外周面には環状溝が形成されており、この環状溝には、Ｏリング３４が装着されている。これによれば、延出部６ｂの外周面に回転密封環２０が装着されるとき、Ｏリング３４を回転密封環２０の内周面に圧着させることで、回転密封環２０の内周面と延出部６ｂの外周面との間の隙間をＯリング３４によってシールすることができる。

また、アジャストボルト２４は、静止密封環１０及び回転密封環２０を一体化する際に、平坦な端面を有するカラー６とケース４とで軸方向の両側から挟み込み、メカニカルシール１を一時的に剛体化するものであり、上述したバンド２１の締付け作業を容易にするものである。

またセットボルト２５は、メカニカルシール１のセット状態の軸長を設定するとともに、メカニカルシール１を一体化するものであり、機器への装着の完了後に取り外されるものである。

次に、図２ないし図５を参照しながら、本実施例の静止密封環１０及び回転密封環２０（以下、静止密封環及び回転密封環をまとめて総称する場合には単に「密封環」ということがある）の周方向の分割面について説明する。

なお、本発明は、静止密封環１０及び回転密封環２０のいずれにも同様に適用できるものであるが、以下においては、静止密封環１０を例にして説明する。更になお、分割面は、周方向に互いに対向して接する分割面１１，１１のいずれにも同様に適用できるものであるが、以下においては、一方の分割面１１を例にして説明する。

図２に示されるように、分割面１１は、低圧流体側Ｌ（大気側）である径方向の外側に、後述する工程により機械加工することなく自然破断された自然破断面１２が形成されるとともに、自然破断面１２よりも被密封流体側Ｈである径方向の内側に、自然破断面１２よりも周方向に低い凹形状を成す溝部１３が機械加工により形成されている。

この溝部１３は、径方向には、摺動面Ｓの最内径又は摺動面Ｓの内径側部分に係る位置にて内径側が開放して形成されるとともに、軸方向には、本実施例では静止密封環１０を貫通して形成されている。よって、図３，図５に示されるように、溝部１３は、自然破断面１２とで深さが異なることで、溝部１３と自然破断面１２との径方向の境界に、段差１４が、静止密封環１０の軸長に亘って軸方向に平面状に形成される。

また、溝部１３は、自然破断により当該分割面１１に符合する分割面１１に形成された溝部１３と対向することで、内径側が開放され軸方向視で所定の孔径（例えば２〜４ｍｍ）の円弧状の開口に形成される。

この溝部１３に嵌合されるガスケット１７は、本実施例では図示しない弾性材からなるＯリングを溝部１３の軸長よりも潰し代として僅かに長寸で切断した紐状ガスケットであり、上記したように互いに対向する溝部１３，１３により形成される孔径よりも潰し代として僅かに大径の略円柱状に形成される。このガスケット１７は、リテーナ５の外周面、当該外周面の凹部５ｂに設けられたＯリング３３、及びリテーナ５の外側面と接するように配設される。すなわちガスケット１７は、本発明のシール部材を構成し、またＯリング３３は、本発明の環状シールを構成する。

また図４，５に示されるように、分割面１１は、摺動面Ｓの背面に、静止密封環１０をケース４に回り止め状態で固定するためのノックピン用切欠き１５が、軸方向に所定長さ穿設されている。更に分割面１１は、後述するように自然破断により当該分割面を形成するための分割用切欠き１６が、径方向に貫通形成されている。また分割用切欠き１６は、ノックピン用切欠き１５の底部と連通し、また溝部１３とも連通している。

すなわち分割面１１は、上述した溝部１３、ノックピン用切欠き１５及び分割用切欠き１６を除く面部分が、自然破断面１２として構成される。この自然破断面１２は、一体環状に形成した静止密封環に外力を付与することで生じた破断面であり、複雑且つ微小な多数の凹凸面からなり、破断により生じた自然破断面１２，１２同士は互いの凹凸面を精緻に補完して符合するため、高いシール機能を得ることができる。

上記した分割面１１の加工方法について説明する。

先ず周知の方法で分割前となる一体環状の密封環をＳｉＣ等の塑性材料で生成する。次に特に図示しないが、当該密封環の周方向の所定箇所（例えば１８０度離れた２箇所）を分割予定箇所として特定し、当該分割予定箇所において、内周端が開放された前述した円弧状の開口（破断後の溝部１３，１３）と、摺動面Ｓの背面側のノックピン用切欠き１５、及び径方向に貫通する分割用切欠き１６を機械加工により穿設する。

次に、当該密封環の外面に所定方向の外力を付与することで、当該分割予定箇所にせん断応力を集中させる。密封環の分割予定箇所は、上記したように開口及び切欠き１５，１６が形成されているため、密封環の他の箇所に比べて構造強度に乏しい。したがってこの外力に伴い円弧状の開口、ノックピン用切欠き１５、及び分割用切欠き１６を起点にチッピングが生じ、この分割予定箇所にて自然破断面１２，１２を生成しながら破断して分割される。この破断により、前記した円弧状の開口は、溝部１３，１３として各々の自然破断面１２，１２の内径側に形成される。

このように形成された溝部１３に、Ｏリングを切断して紐状にしたガスケット１７を装着し、分割面１１，１１同士を合せてバンド２１で締め付け当該密封環を一体化する。バンド２１の締付け力は、このガスケット１７をつぶして分割面１１，１１同士を密接させる程度の力でよいため、過剰な締付け力で摺動面の歪が大きくなり密封性が低下する虞を回避できる。なお、更に密封環からはみ出したガスケット１７を当該密封環の形状に沿って適宜メスによりメスカットすると好ましい。

密封環は塑性材料から生成されているため、自然破断することで、その断面は複雑な凹凸形状の自然破断面１２を形成し、このような自然破断面１２，１２同士を合せることで隙間からの被密封流体の漏れ防止や、位置ずれを防止することができる。なお、分割型の密封環の材料はヤング率の高いＳｉＣ等のセラミックスが好ましいが、一方の密封環をカーボンなどの被摩耗材料としてもよい。

以上説明した本発明に係る分割型メカニカルシールによれば、分割型の密封環の分割面１１に、ガスケット１７（シール部材）が介設されるスペースである被密封流体側Ｈの溝部１３と、自然破断面１２とで周方向の深さが異なるため、分割面１１に径方向の段差１４が形成され、この段差１４が被密封流体の圧力を受けるガスケット１７を保持するため、ガスケット１７が溝部１３から位置ずれ若しくは抜け出すことを防止し、高いシール性能を維持することができる。

また、分割型の密封環の被密封流体側Ｈには、該密封環の周方向に沿うＯリング３３（環状シール）がガスケット１７に接して設けられていることで、ガスケット１７が、溝部１３の段差１４とＯリング３３とにより挟圧されるため、設置位置に位置決めされるばかりか、ガスケット１７とＯリング３３との密接により被密封流体が漏出する虞を回避できる。

また、Ｏリング３３が分割型の密封環の摺動面Ｓの近傍位置の凹部５ｂに設けられていることで、Ｏリング３３が、摺動面Ｓの近傍位置でガスケット１７に接して当該位置でシールするため、被密封流体の回り込みにより密封環に掛かる負荷を小さくできる。

さらに、分割面１１の自然破断面１２及び溝部１３は、それぞれ分割面１１の軸方向に亘り形成されており、この溝部１３にガスケット１７が設けられていることで、自然破断面１２と溝部１３とにより形成される段差１４を軸方向に最大限に幅広に形成することができるので、ガスケット１７の保持機能を高めることができる。また、自然破断面１２が有する微小な凹凸面が分割面１１の軸方向に亘り噛合することで、軸方向の位置ずれを防止することができる。

また本実施例のように、アウトサイド形の分割型メカニカルシール１の場合、分割型の密封環の内周に被密封流体の圧力が作用するため、高圧条件下では当該密封環の分割面を押し開く力がはたらくが、上記したように、分割面１１の自然破断面１２及び溝部１３に設けられたガスケット１７の構成によれば、当該分割面を押し開く力に抗して密封状態を維持できる。

また分割面１１は、溝部１３のほか、同位相にノックピン用切欠き１５及び分割用切欠き１６が形成されており、これらを控除した部分が自然破断面１２として形成されるため、自然破断面１２の面積が極小化されている。したがってバンド２１による締付け力が小さくても自然破断面１２に係る面圧を容易に高めることができ、延いてはシール性を高めることができる。

次に、実施例２に係る分割型メカニカルシールにつき、図６及び図７を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する説明を省略する。本実施例の静止密封環４０及び回転密封環５０の周方向の分割面について説明する。

なお、本発明は、静止密封環４０及び回転密封環５０のいずれにも同様に適用できるものであるが、以下においては、静止密封環４０を例にして説明する。更になお、分割面は、周方向に互いに対向して接する分割面４１，４１のいずれにも同様に適用できるものであるが、以下においては、一方の分割面４１を例にして説明する。

図６，７に示されるように、分割面４１は、低圧流体側Ｌ（大気側）である径方向の外側に、自然破断された自然破断面４２が形成されるとともに、自然破断面４２よりも被密封流体側Ｈである径方向の内側に、自然破断面４２よりも凹形状を成す溝部４３が機械加工により形成されている。

本実施例の溝部４３は、径方向には、摺動面Ｓの最内部に連通する位置から内周端まで開放して形成され、且つ軸方向には、Ｏリング３３に接する位置から摺動面Ｓ側の端面まで開放して形成され、図６に示されるように、溝部４３は、自然破断面１２とで径方向に深さの異なる段差４４が、摺動面Ｓ側から内周面にかけて傾斜状の平面に形成される。すなわち溝部４３は、分割面４１の摺動面Ｓ側且つ被密封流体側Ｈに面する角部を開放して形成されている。

なお、本実施例の溝部は、必ずしも角部を開放して形成されるものに限られず、例えば分割前の環状の密封環に、摺動面Ｓにおける最内部の位置と、Ｏリング３３に接する位置とを貫通した所定孔径（例えば１〜２ｍｍ）の貫通孔を機械加工し、後に分割することで溝部を形成してもよく、この場合、上記した角部が閉塞された溝部として形成される。

この溝部４３に嵌合されるガスケット２７は、図示しないＯリングを切断した紐状ガスケットであり、溝部４３の段差４４に接触する位置に配置されている。このガスケット２７は、一方の端面２７ａが摺動面Ｓと略面一若しくは僅かに凹状に形成され、また他方の端面２７ｂがＯリング３３と接するように形成される。すなわちガスケット２７は、本発明のシール部材を構成する。

またガスケット２７の端面２７ｂとＯリング３３との接触位置よりも背面側に、分割用切欠き１６が径方向に貫通形成されている。

以上説明した本実施例に係る発明によれば、溝部４３が、密封環の摺動面Ｓ側に開放して形成されていることで、被密封流体の圧力を利用してガスケット２７を溝部４３内に保持することができる。

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。

例えば、前記実施例では、静止密封環及び回転密封環のいずれもが周方向に分割された密封環として説明したが、これに限らず例えば静止密封環又は回転密封環のいずれか一方のみが周方向に分割された密封環であり、他方が一体環状の密封環であってもよい。

１ 分割型メカニカルシール
２ ハウジング
３ 回転軸
４ ケース
５ リテーナ
６ カラー
７ ノックピン
８ スプリング
９ 固定ボルト
１０ 静止密封環
１１ 分割面
１２ 自然破断面
１３ 溝部
１４ 段差
１７ ガスケット（シール部材）
２０ 回転密封環
２１ バンド
２７ ガスケット（シール部材）
３３ Ｏリング（環状シール）
４０ 静止密封環
４１ 分割面
４２ 自然破断面
４３ 溝部
４４ 段差
５０ 回転密封環

Claims (5)

1. ハウジングと回転軸との間に形成した軸封部に装着され、前記ハウジング側の静止密封環と前記回転軸側の回転密封環とを摺動させることで、前記軸封部をシールするメカニカルシールにおいて、
   前記静止密封環又は前記回転密封環の少なくともいずれか一方は、周方向に分割された分割型の密封環であり、前記分割型の密封環の分割面は、低圧側に形成された自然破断面と、前記自然破断面よりも高圧側である被密封流体側に軸方向に延設された溝部とを有し、前記溝部にシール部材が設けられていることを特徴とする分割型メカニカルシール。
2. 前記分割型の密封環の前記被密封流体側には、該密封環の周方向に沿う環状シールが前記シール部材に接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の分割型メカニカルシール。
3. 前記環状シールは、前記分割型の密封環の摺動面の近傍位置に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の分割型メカニカルシール。
4. 前記自然破断面及び前記溝部は、それぞれ前記分割面の軸方向に亘り形成されてい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分割型メカニカルシール。
5. 前記溝部は、前記分割型の密封環の摺動面側に開放して形成されてい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分割型メカニカルシール。

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