JP6868641B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、電動機、原動機、ポンプ、攪拌機、紛体機械、コンプレッサなどの各種回転機械に使用され、被密封流体の漏れを制限するメカニカルシールに関するものである。

メカニカルシールは、シール端面の摩耗に従い、スプリングなどによって軸方向に動くことができる回転密封環及び軸方向に動かない静止密封環からなり、軸にほぼ垂直な相対的に回転するシール端面において被密封流体の漏れを制限する働きをするものである。特許文献１に記載されたメカニカルシールは、回転側リテーナを機内側に延出する構造としてスプリングを配置する密閉空間を形成し、この回転側リテーナに２巻以下で径方向に拡縮可能な合成樹脂性のスパイラルパッキン等を用いて、スプリングが配置される密閉空間にシール端面から漏れた流体やスラリー等を侵入し難くしている。（例えば特許文献１を参照。）

実公平６−２９５６５号公報（第２頁、第１図）

しかしながら、特許文献１にあっては、回転側リテーナは、回転密封環と共に軸方向に移動可能な部材であって、その一部は外径側においてスプリングよりも機内側に延出する構造とされている。すなわち、回転側リテーナのスプリングに付勢される側端面は、その面積が広い構造となっている。そのため、回転密封環や静止密封環の摩耗等によって、回転側リテーナが軸方向に移動すると、スプリングが配置される密閉空間の体積変化が大きく、当該密閉空間内に上記流体やスラリーが入り込む虞がありスプリングの機能を低下させやすいものであった。また、スプリングが配置される密閉空間に空気を密封するようにしているため、当該密閉空間に侵入した流体やスラリー等はスプリングに到達しやすく、スプリングの機能を低下させやすいものであった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、スプリングの寿命の長い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、
回転機械の回転軸が挿通されるハウジングと、
前記ハウジングに保持された静止密封環と、
前記回転軸とともに回転し前記静止密封環と摺接する回転密封環と、
前記回転密封環を前記静止密封環側に付勢するスプリングと、
前記スプリングを保持するとともに前記回転軸に固定されるカラーと、
前記スプリング及び前記回転密封環側の部材をそれらの外径側において密封状態に覆うとともに前記回転軸の軸方向に移動不能状態に設けられたスプリングカバーと
を備えたメカニカルシール。
これによれば、スプリングカバーの内径側において、回転密封環側の部材が軸方向に移動可能に構成されており、回転密封環側の部材はスプリングカバーの内径側に配置されているため、回転密封環や静止密封環の摩耗等によって、回転密封環側の部材が軸方向に移動しても、当該空間内に異物が侵入する虞が少なく、スプリングの寿命の長いメカニカルシールとすることができる。

前記スプリングカバーと前記スプリングとの間の空間にオイル、グリース、水などの充填流体が充填されている。
これによれば、スプリングカバーとスプリングとの間の空間に充填流体が充填されているため、スプリングの隙間に異物が入ってスプリングの機能を損なう虞が少ない。

前記スプリングカバーは前記カラーに着脱可能に固定され、かつ前記スプリングカバーと前記カラーとの間には二次シールが配置されており、さらに、前記スプリングカバーと前記回転密封環側の部材との間には二次シールが配置されている。
これによれば、スプリングカバーはカラーに着脱できるため、メカニカルシールの組立や分解の作業性が良い。また、カラーは回転軸に固定されているため、スプリングカバーを強固にカラーに取り付けることができる。

前記スプリングカバーは円筒形状である。
これによれば、スプリングカバーは外周側に凹凸が少なく、回転時においてスプリングカバーは略回転抵抗とはならない。

前記スプリングカバーは底部に開口が設けられたカップ形状である。
これによれば、スプリングカバーはカップ形状となっているおり、底部に角部を有するためカラーとの位置合わせが簡単である。

前記底部の内周部と前記回転軸との間には二次シールが配置されている。
これによれば、機外側とのシール性が高められる。

前記スプリング及び前記スプリングカバーは前記回転機械の機外側に設けられている。
この特徴によれば、機外側から侵入する塵埃等を抑制できる。

前記スプリングカバーは金属製である。
これによれば、充填流体を介して伝えられた熱をスプリングカバーから効率的に放熱できる。

前記スプリングカバーには前記充填流体を充填する充填口が設けられている。
これによれば、スプリングカバーを着脱することなく充填流体を補充することができる。

実施例１におけるメカニカルシールの全体を示す断面図である。 スプリングカバーを取り着ける前のシールリング側の部材の斜視図である。 スプリングカバーの斜視図である。 シールリング側の部材の斜視図である。 実施例２におけるメカニカルシールの全体を示す断面図である。 スプリングカバーの斜視図である。 実施例３におけるメカニカルシールの全体を示す断面図である。 実施例４におけるメカニカルシールの全体を示す断面図である。

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以下に説明する。なお、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。

図１に示すように、メカニカルシール１は、メイティングリング（静止密封環）１０と、シールリング（回転密封環）２０と、シールリングリテーナ３０と、ベローズ４０（スプリング）と、カラー５０と、スプリングカバー６０とから主に構成されている。メカニカルシール１は、回転機械のハウジング２と、ハウジング２の軸孔３を貫通して回転機械の機外Ａ側に連通するように配置される回転軸４との間に装着されている。機外Ａ側は、海水、水、空気等の雰囲気であり、機内Ｍ側は被密封流体が封入されている。

メイティングリング１０は、Ｏリング１２を介してハウジング２に対し非回転状態に装着されている。シールリング２０は、回転軸４側に装着されてこの回転軸４と一体的に回転する。メイティングリング１０とシールリング２０とは、回転軸４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、それらの対向した端面である摺動面１０ａ、２０ａ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、メカニカルシール１は内径側から外径側への被密封流体の漏れを制限するアウトサイド形である。

メイティングリング１０及びシールリング２０はいずれも硬質摺動材（例えばＳｉＣ等のセラミックス）により形成されている。

シールリング２０は図示しない周知のノックピン等を介してシールリングリテーナ３０に焼嵌めにより非回転状態に装着されている。ベローズ４０は、金属製（例えばステンレス鋼）かつ環状の蛇腹形状であり、シールリングリテーナ３０とカラー５０との間に圧縮状態で配置され、その両端部４１、４２がそれぞれシールリングリテーナ３０とカラー５０とに液密に溶接されている。シールリングリテーナ３０の外周において内径側に凹む環状凹部３５が形成されている。カラー５０は、そのネジ孔５２にセットスクリュー５１を螺合させることにより回転軸４に対し非回転状態に固定されており、その内周において外径側に凹む環状凹部５３にはＯリング５４が装着され、回転軸４との間の密封性を高めている。ここで、実施例１では軸方向に移動するシールリング２０及びシールリングリテーナ３０をシールリング側の部材２５と言う（図１、図２）。

スプリングカバー６０は、金属製例えばステンレス鋼により形成されておりかつ円筒状の形状であり、主に、軸方向機外Ａ側から、肉厚の固定部６１、ベローズ４０に対向して配置される薄肉部６２、肉厚の遊端部６３の３つの部分から構成され、いわゆる片持ち構成とされている（図１、図３）。スプリングカバー６０の内周側とベローズ４０の外周側との間の密閉空間ＳにはグリースＧ（充填流体）が充填されており、ベローズ４０の内周側は機内Ｍ側の雰囲気とされている。なお、密閉空間Ｓはベローズ４０の外周、シールリングリテーナ３０の一部、Ｏリング６８（二次シール）、スプリングカバー６０の内周の一部、Ｏリング６６（二次シール）、カラー５０の一部により画成される空間である。

スプリングカバー６０の固定部６１は、そのネジ孔６５に止めネジ６４を螺合させることによりカラー５０に対し非回転状態に固定されている。また、固定部６１の内周かつ止めネジ６４よりもシールリング２０側において外径側に凹む環状凹部６７にはＯリング６６が装着され、スプリングカバー６０とカラー５０との間をシールしている。遊端部６３の内周において外径側に凹む環状凹部６９にはＯリング６８が装着され、スプリングカバー６０とシールリングリテーナ３０との間をシールしている。

薄肉部６２には、径方向に貫通する貫通孔７０（充填口）が設けられており、常時、貫通孔７０は封止ボルト７１により封止されている。封止ボルト７１を外すことにより貫通孔７０から密閉空間ＳにグリースＧを充填できるようになっている。これによれば、スプリングカバー６０を着脱することなくグリースＧを補充することができる。また、貫通孔７０を他の箇所に設けておいてもよく、例えば、密閉空間Ｓの軸方向の端部において貫通孔７２と封止ボルト７３、貫通孔７４と封止ボルト７５を設けておくと、回転軸４が鉛直方向に配置される縦置型の回転機器にも対応できる。この場合、貫通孔７２、７４はベローズ４０の軸方向中心に向かう側に傾斜して配置しておくことにより縦置型の回転機器へのグリースの充填しやすくなるため好ましい。

図１の拡大図を参照し、Ｏリング６８は、互いに対向する環状凹部３５の底面３５ａと環状凹部６９の底面６９ａとに挟持状態で保持されるとともに、この挟持状態において、Ｏリング６８の軸方向長さＷ６８は環状凹部３５の両側面３５ｂ，３５ｃ間の距離Ｗ３５よりも短く構成されている。同様に、軸方向長さＷ６８は環状凹部６９の両側面６９ｂ，６９ｃ間の距離Ｗ６９よりも短く構成されている。これによれば、メイティングリング１０やシールリング２０の摩耗等によって、ベローズ４０が軸方向に僅かに伸長するに伴い、シールリングリテーナ３０がスプリングカバー６０に対して軸方向に相対移動しても、Ｏリング６８により密閉空間Ｓの密封性は維持される。このように、スプリングカバー６０はベローズ４０の伸縮を可能とした状態で取り付けられている。

以上のように、スプリングカバー６０はベローズ４０を外径側において液密に覆うとともにカラー５０に着脱可能に固定されおり、スプリングカバー６０の内径側において、シールリング側の部材２５が軸方向に移動可能に構成されている。このように、スプリングカバー６０を設けているため密閉空間Ｓへの異物の混入を抑制できる結果、ベローズ４０外周の蛇腹部分に異物が挟まることや異物によってベローズ４０自体が腐食等される虞を低減できる。また、ベローズ４０自体が密閉空間Ｓの二次シールを兼ねるため構造を単純化できる。また、シールリング側の部材２５はスプリングカバー６０の内径側に配置されているため、メイティングリング１０やシールリング２０の摩耗等によって、シールリング側の部材２５が軸方向に移動しても、例えば特許文献１に示すスプリングよりも外径側のスプリングカバー６０が軸方向に移動する形態に比較して、密閉空間Ｓの体積変化は小さい。そのため、密閉空間Ｓ内の圧力変化も小さく、圧力変化に伴い密閉空間Ｓ内に異物が侵入する虞が少なく、ベローズ４０の寿命の長いメカニカルシール１とすることができる。さらに、スプリングカバー６０は薄肉部６２を有しているため、この薄肉部６２が径方向に撓むことによって圧力変化を吸収可能となっている。

また、密閉空間ＳにグリースＧが充填されているため、密閉空間Ｓに異物が混入し難くかつ侵入した異物は粘性を有するグリースＧによって移動を制限され、ベローズ４０の隙間に異物が入ってスプリングの機能を損なう虞が少ない。

また、スプリングカバー６０はカラー５０に止めネジ６４により着脱可能に固定され、スプリングカバー６０とカラー５０との間にはＯリング６６が配置されており、さらにスプリングカバー６０とシールリングリテーナ３０との間にはＯリング６８が配置されている。これによれば、スプリングカバー６０はカラー５０に着脱できるため、メカニカルシール１の組立や分解の作業性が良い。さらに、カラー５０は回転軸４に固定されているため、スプリングカバー６０を強固にカラー５０に取り付けることができる。
また、上述した特許文献１の構造（回転側リテーナは機内側に延出する片持梁状とされるとともにその基部に回転密封環を保持している）とは異なり、スプリングカバー６０とカラー５０との間にＯリング６６が介在しているため、機外Ａ側からスプリングカバー６０を軸に対して傾ける外力が作用しても、カラー５０が傾く虞が少ない。

また、スプリングカバー６０は円筒形状であるため、外周側に凹凸が少なく、回転時においてスプリングカバー６０が略回転抵抗とはならない。

また、ベローズ４０及びスプリングカバー６０は回転機械の機外Ａ側に設けられているため、機外Ａ側から侵入する塵埃等を制限できる。

また、スプリングカバー６０は金属製であるため、グリースＧを介して伝えられた熱、例えばメイティングリング１０とシールリング２０との摺動発熱をスプリングカバー６０から効率的に放熱できる。

以下、本発明の実施例２について説明する。実施例２はスプリングカバー２６０をカップ形状としている点が実施例１とは主に相違している。なお、実施例１と同様の構成についてはその説明を省略する。

図５、図６に示されるように、スプリングカバー２６０は、金属製例えばステンレス鋼であり、円筒部２６１と底部２６２から形成された略カップ形状であり、底部２６２の中央には開口２６３が設けられている。また、底部２６２の内周部２６４には外径方向に凹む環状凹部２６５が設けられており、この環状凹部２６５にＯリング２６６（二次シール）が配置されている。これによれば、スプリングカバー２６０と回転軸４とのシール性が高められているとともに、セットスクリュー５１、カラー５０に対するシール性が高められている。回転軸４とのシール性が高められている。また、スプリングカバー２６０はカップ形状となっており、円筒部２６１と底部２６２の内側に角部２６７を有するためカラー５０との位置合わせが簡単である。尚、円筒部２６１については実施例１のスプリングカバー６０と略同様の構成であるためその説明を省略する。

以下、本発明の実施例３について説明する。実施例３はコイルスプリング３４０が実施例１のベローズ４０とは主に相違している。なお、実施例１と同様の構成についてはその説明を省略する。

図７に示されるように、シールリング２０はノックピン３３１を介してシールリングリテーナ３３０に対し非回転状態に装着されている。コイルスプリング３４０は、金属製であり、シールリングリテーナ３３０とカラー３５０のとの間に圧縮状態で配置されている。シールリングリテーナ３３０の内周において外径側に凹む環状凹部３３２が形成され、環状凹部３３２にＯリング３３３が配置されている。シールリングリテーナ３３０の内周において外径側に凹む環状凹部３３４が形成され、環状凹部３３４にＯリング３３５が配置されている。

カラー３５０の内周において外径側に凹む環状凹部３５２が形成され、環状凹部３５２にＯリング３５３が配置されている。カラー３５０はセットスクリュー３５１により回転軸４にＯリング３５３を介して液密に固定されている。

コイルスプリング３４０が配置される密閉空間Ｓ３にはグリースＧが充填されている。なお、密閉空間Ｓ３はＯリング３３５、シールリングリテーナ３３０の一部、Ｏリング６８、スプリングカバー６０の内周の一部、Ｏリング６６、カラー３５０の一部、Ｏリング３５３、回転軸４の一部により画成される空間である。

シールリングリテーナ３３０は環状凹部３３４よりもカラー３５０側にコイルスプリング３４０内を通って延びる爪片３３６が周方向に等配され、この爪片３３６はカラー３５０に設けられた軸方向凹部３５４に嵌め合わされている。このようにして、爪片３３６は軸方向凹部３５４に対し軸方向に移動可能かつ回転方向に移動が規制されており、爪片３３６を介して回転軸４の回転力がシールリングリテーナ３３０に伝達されるようになっている。

以下、本発明の実施例４について説明する。図８に示される実施例４はスプリングカバー４６０をカップ形状としている点が実施例３とは主に相違している。カップ形状については実施例２のスプリングカバー２６０の構成と同様である。また、その他の構成は、実施例１、３と同様の構成についてはその説明を省略する。

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、機内側の被密封流体の外径側への漏れを制限するアウトサイド形の例について説明したが、機外側の流体を被密封流体とするいわゆるインサイド形のものであってもよい。

また、メイティングリング及びシールリングをいずれも硬質摺動材（例えばＳｉＣ等のセラミックス）により形成される例について説明したが、これらの材質は問わない。例えば、メイティングリングは硬質摺動材により形成され、シールリングはカーボン摺動材により形成してもよい。

また、スプリングカバーはカラーに着脱可能に固定される例に説明したが、スプリングカバーとカラーとを一体に形成されたものであってもよい。

また、スプリングカバーの材質として、金属のステンレス鋼を例に説明したが、剛体であればよく、例えば金属以外の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）であってもよい。

また、スプリングカバーはシールリング側の部材としてシールリングリテーナにＯリングを介して接続される例を説明したが、シールリング側の他の部材、例えばシールリングにＯリングを介して接続するものであってもよい。

また、二次シールとしてのＯリングは他の密封手段を採用してもよい。

また、密閉空間にグリースが充填される例について説明したが、充填される流体はグリース以外であってもよく、例えばオイル、水であってもよい。さらに、液体が充填されない態様であってもよい。

１ メカニカルシール
２ ハウジング
４ 回転軸
１０ メイティングリング（静止密封環）
２０ シールリング（回転密封環）
２５ シールリング側の部材
３０ シールリングリテーナ
４０ ベローズ（スプリング）
５０ カラー
６０ スプリングカバー
６１ 固定部
６２ 薄肉部
６３ 遊端部
６４ 止めネジ
６５ ネジ孔
６６ Ｏリング（二次シール）
６８ Ｏリング（二次シール）
７０ 貫通孔（補充口）
２６０ スプリングカバー
２６２ 底部
２６３ 開口
２６４ 内周部
２６６ Ｏリング（二次シール）
３３０ シールリングリテーナ
３３３ Ｏリング（二次シール）
３４０ コイルスプリング（スプリング）
３５０ カラー
３６０ スプリングカバー
４６０ スプリングカバー
Ａ 機外
Ｍ 機内
Ｇ グリース（充填流体）
Ｓ 密閉空間
Ｓ３ 密閉空間

Claims (8)

1. 回転機械の回転軸が挿通されるハウジングと、
   前記ハウジングに保持された静止密封環と、
   前記回転軸とともに回転し前記静止密封環と摺接する回転密封環と、
   前記回転密封環を前記静止密封環側に付勢するスプリングと、
   前記スプリングを保持するとともに前記回転軸に固定されるカラーと、
   前記スプリング及び前記回転密封環側の部材をそれらの外径側において密封状態に覆うとともに前記回転軸の軸方向に移動不能状態に設けられたスプリングカバーとを備え、
   前記スプリングカバーと前記スプリングとの間の空間に充填流体が充填されているメカニカルシール。
2. 前記スプリングカバーは前記カラーに着脱可能に固定され、かつ前記スプリングカバーと前記カラーとの間には二次シールが配置されており、さらに前記スプリングカバーと前記回転密封環側の部材との間には二次シールが配置されている請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記スプリングカバーは円筒形状である請求項１または２に記載のメカニカルシール。
4. 前記スプリングカバーは底部に開口が設けられたカップ形状である請求項１または２に記載のメカニカルシール。
5. 前記底部の内周部と前記回転軸との間には二次シールが配置されている請求項４に記載のメカニカルシール。
6. 前記スプリング及び前記スプリングカバーは前記回転機械の機外側に設けられている請求項１ないし５のいずれかに記載のメカニカルシール。
7. 前記スプリングカバーは金属製である請求項１ないし６のいずれかに記載のメカニカルシール。
8. 前記スプリングカバーには前記充填流体を充填する充填口が設けられている請求項１ないし７のいずれかに記載のメカニカルシール。

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