JP6942431B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、固定環と回転環を備えるメカニカルシールに関する。

メカニカルシールにおいて、回転軸と回転環との間の環状隙間を封止するために、ベローズシールを用いる技術が知られている（特許文献１，２参照）。このような技術においては、一般的に、ベローズシールを固定するためのケースが設けられている。また、このような技術においては、回転環が回転軸やケースに対して周方向に回転してしまわないように、ケースによって、回転環を直接固定する構造を採用することが多い。しかしながら、このような構造を採用する場合には、回転環等の構造が複雑になるため、ベローズシールをケースに対して嵌合により固定し、かつ回転環をベローズシールに対して嵌合により固定する構造が採用される場合もある。このような従来例に係るメカニカルシールについて、図１０及び図１１を参照して説明する。

図１０は従来例に係るメカニカルシールの使用状態を示す模式的断面図である。図１１は従来例に係るケースの一部断面図である。メカニカルシール７００は、回転軸５００と、回転軸５００の軸孔を有するハウジング６００との間の環状隙間を密封するために用いられる。そして、メカニカルシール７００は、ハウジング６００に対して固定される固定環７１０と、固定環７１０に対して摺動する回転環７２０と、ケース７３０と、回転軸５００と回転環７２０との間の環状隙間を封止するベローズシール７４０とを備えている。また、メカニカルシール７００は、ベローズシール７４０を回転軸５００に締め付ける締め付け部材７５０も備えている。

ケース７３０は、内周面側にベローズシール７４０が嵌合により固定される環状の被嵌合部７３１と、被嵌合部７３１における端部から径方向内側に向かって伸びる内向きフランジ部７３２とを備えている。また、ケース７３０は、この内向きフランジ部７３２の先端から回転環７２０が備えられている側とは反対側に向かって伸び、締め付け部材７５０に設けられた被係合部に係合する係合突起７３３も備えている。この係合突起７３３は、周方向に間隔を空けて複数設けられている。

以上のように構成されるメカニカルシール７００においては、ケース７３０の被嵌合部７３１にベローズシール７４０が嵌合により固定され、ベローズシール７４０に回転環７２０が嵌合により固定される。このような構成を採用することで、回転環等の構造の複雑化を抑制することが可能となる。

このメカニカルシール７００においては、係合突起７３３を締め付け部材７５０に設けられた被係合部に係合させることによって、ケース７３０とベローズシール７４０との相対的な回転の抑制を図っている。しかしながら、ベローズシール７４０の経時的な劣化等によって、ケース７３０における被嵌合部７３１とベローズシール７４０との嵌合部分に密封対象流体が浸入することがある。被嵌合部７３１の内周面７３１ａは、滑らかで滑りやすいため、この内周面７３１ａに対して、ベローズシール７４０が滑ってしまうことがある。つまり、被嵌合部７３１の内周面７３１ａの部分で、ケース７３０に対してベローズシール７４０が回転方向に摺動してしまうことがある。これにより、密封性能が低下してしまうおそれがある。

実開平３−９８３７１号公報 実開平４−６６４６１号公報

本発明の目的は、長期に亘り密封性の安定化を可能とするメカニカルシールを提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明のメカニカルシールは、
回転軸と、該回転軸の軸孔を有するハウジングとの間の環状隙間を密封するメカニカルシールであって、
前記ハウジングに対して固定される固定環と、
前記固定環に対して摺動する回転環を有すると共に、前記回転軸と共に回転する回転環ユニットと、
を備えるメカニカルシールにおいて、
前記回転環ユニットは、
内周面側に前記回転環が嵌合により固定される第１環状部と、前記回転軸の外周面に密着する第２環状部と、第１環状部と第２環状部とを繋ぎ、かつ第１環状部に対する第２環状部の位置の変化に追随する湾曲部とを有する環状の弾性体シールと、
第２環状部の外周面を回転軸に対して締め付ける環状の締め付け部材と、
内周面側に第１環状部が嵌合により固定される環状の被嵌合部を備える金属製のケースと、
を備え、
前記被嵌合部の内周面には、第１環状部の周方向への相対的な回転を抑制する滑り止めが形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ケースの被嵌合部の内周面に滑り止めが形成されているため、被嵌合部の内周面に対して弾性体シールが相対的に回転してしまうことを抑制することができる。

前記ケースは、
前記被嵌合部における端部から径方向内側に向かって伸びる内向きフランジ部と、
前記内向きフランジ部の先端から前記回転環が備えられている側とは反対側に向かって伸び、前記締め付け部材に設けられた被係合部に係合する係合突起と、
を備えるとよい。

前記滑り止めは、ローレット加工部であってもよいし、ショットブラスト加工部であってもよいし、軸線方向に伸びる複数の凹部または凸部であってもよい。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

以上説明したように、本発明によれば、長期に亘り密封性の安定化を図ることができる。

図１は本発明の実施例に係るメカニカルシールの使用状態を示す模式的断面図である。 図２は本発明の実施例に係る回転環ユニットの模式的断面図である。 図３は本発明の実施例に係る回転環ユニットの部品を展開させた状態を示す模式的断面図である。 図４は本発明の実施例に係るケースの模式的断面図である。 図５は本発明の変形例１に係るケースの一部断面図である。 図６は本発明の変形例２に係るケースの一部断面図である。 図７は本発明の変形例３に係るケースの一部断面図である。 図８は本発明の変形例３に係るケースの正面図の一部である。 図９は本発明の変形例４に係るケースの正面図の一部である。 図１０は従来例に係るメカニカルシールの使用状態を示す模式的断面図である。 図１１は従来例に係るケースの一部断面図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１〜図４を参照して、本発明の実施例に係るメカニカルシールについて説明する。図１は本発明の実施例に係るメカニカルシールの使用状態を示す模式的断面図である。なお、本実施例に係るメカニカルシールは、一部の部材を除き、回転対称形状であり、図１においては、メカニカルシールの中心軸線を含む面でメカニカルシールを切断した断面図を示している。図２は本発明の実施例に係る回転環ユニットの模式的断面図である。図２においても、メカニカルシールの中心軸線を含む面で回転環ユニットを切断した断面図を示している。図３は本発明の実施例に係る回転環ユニットの部品を展開させた状態を示す模式的断面図である。図３においても、メカニカルシールの中心軸線を含む面で回転環ユニットを切断した断面図を示している。図４は本発明の実施例に係るケースの模式的断面図である。図４においては、メカニカルシールの中心軸線よりも上側に、当該中心軸線を含む面でケースを切断した断面図を示しており、下側にケースの外観図を示している。なお、以下の説明において、軸線方向とは、メカニカルシールの中心軸線が伸びる方向を意味する。

＜メカニカルシール＞
本実施例に係るメカニカルシールについて説明する。メカニカルシール１０は、回転軸５００と、回転軸５００の軸孔を有するハウジング６００との間の環状隙間を密封する役割を担っている。図１に示すように、メカニカルシール１０によって、回転軸５００とハウジング６００との間の環状隙間が封止されて、図中右側の領域（Ａ）と左側の領域（Ｂ）とが隔てられる。本実施例においては、領域（Ａ）に密封対象流体が封止され、領域（Ｂ）が大気側となるように使用される。

メカニカルシール１０は、回転環ユニット１００と、固定環ユニット２００とを備えている。回転環ユニット１００は、回転軸５００と共に回転するように構成される。また、固定環ユニット２００は、ハウジング６００に対して固定される。この固定環ユニット２００は、円筒状の固定環２１０と、ガスケット２２０とから構成される。

固定環２１０は、Ｓｉｃ，カーボンまたは金属などの硬質材料で構成される。この固定環２１０のうち回転環ユニット１００が配置される側（図１中右側）の端面が回転環１１０との摺動面となる。ガスケット２２０は、円筒部２２１と、円筒部２２１の端部に設けられる内向きフランジ部２２２とから構成される。固定環２１０は、円筒部２２１の内周面に嵌合されることによって、ガスケット２２０に対して固定される。つまり、固定環２１０はガスケット２２０を介してハウジング６００に固定される。

以上のように構成される固定環ユニット２００は、ハウジング６００の端面側に設けられた環状の切欠き６１０に嵌合により固定される。このとき、切欠き６１０における内周面に対して、ガスケット２２０の円筒部２２１の外周面が密着することにより、ガスケット２２０とハウジング６００との間の環状隙間が封止される。

回転環ユニット１００は、回転環１１０と、金属製のケース１２０と、回転環１１０と回転軸５００との間の環状隙間を封止する弾性体シール１３０と、弾性体シール１３０を回転軸５００に密着させるための締め付け部材１４０とを備えている。

回転環１１０は、Ｓｉｃ，カーボンまたは金属などの硬質材料で構成される。この回転環１１０は、略円筒状の円筒部１１１と、円筒部１１１の端面から突出する環状凸部１１２とから構成される。この環状凸部１１２の先端面が固定環２１０と摺動する。

本実施例に係る弾性体シール１３０は、ゴム状弾性体製のベローズシールである。この弾性体シール１３０は、第１環状部１３１と、回転軸５００の外周面に密着する第２環状部１３３と、第１環状部１３１と第２環状部１３３とを繋ぐ湾曲部１３２とを備えている。第１環状部１３１の内周面側に回転環１１０が嵌合により固定される。湾曲部１３２は、撓み変形可能に構成されており、第１環状部１３１に対する第２環状部１３３の位置の変化に追随することができる。従って、ハウジング６００に対する回転軸５００の偏心や軸線方向の位置ずれに対して、第２環状部１３３は回転軸５００の外周表面に対して密着した状態を維持することができる。つまり、ハウジング６００に対する回転軸５００の移動に対して第２環状部１３３が追随することができる。

締め付け部材１４０は、金属製の環状部材により構成されている。この締め付け部材１４０により、弾性体シール１３０における第２環状部１３３の外周面を回転軸５００に対して締め付けることで、第２環状部１３３が回転軸５００に密着した状態を維持させることができる。また、締め付け部材１４０の外周面側には、被係合部としての溝１４１が、周方向に間隔を空けて複数設けられている。なお、溝１４１は、締め付け部材１４０の外周面側において、軸線方向の一端側端面から他端側端面に至るように設けられている。

ケース１２０は、環状の被嵌合部１２１と、被嵌合部１２１における端部から径方向内側に向かって伸びる内向きフランジ部１２２と、内向きフランジ部１２２の先端から回転環１１０が備えられている側とは反対側に向かって伸びる係合突起１２３とを備えている。被嵌合部１２１の内周面に、弾性体シール１３０における第１環状部１３１が嵌合により固定される。また、係合突起１２３は、締め付け部材１４０に設けられた溝１４１に係合するように構成されている。この係合突起１２３も、周方向に間隔を空けて複数設けられている。つまり、複数の係合突起１２３は、締め付け部材１４０に設けられている複数の溝１４１にそれぞれ係合される。これにより、締め付け部材１４０に対して、ケース１２０が相対的に回転してしまうことが抑制される。

また、本実施例に係るメカニカルシール１０においては、回転軸５００に固定されるスプリングホルダー３００と、スプリングホルダー３００に取付けられるコイルスプリング４００とを備えている。スプリングホルダー３００は金属製の環状部材により構成されている。コイルスプリング４００は、スプリングホルダー３００とケース１２０の内向きフランジ部１２２との間に挟み込まれた状態で装着されている。このコイルスプリング４００によって、ケース１２０及び弾性体シール１３０を介して、回転環１１０は固定環２１０に向けて押圧される。これにより、回転環１１０と固定環２１０が密着した状態が維持される。

そして、本実施例に係るケース１２０においては、被嵌合部１２１の内周面に、弾性体シール１３０における第１環状部１３１の周方向への相対的な回転を抑制する滑り止めが形成されている。本実施例における滑り止めは、ローレット加工により得られたローレット加工部１２１ａにより構成されている。また、ローレット加工部１２１ａにおける山部と谷部の高低差は、０．０３ｍｍ以上に設定している。

＜本実施例に係るメカニカルシールの優れた点＞
本実施例に係るメカニカルシール１０によれば、ケース１２０の被嵌合部１２１の内周面に滑り止めとしてのローレット加工部１２１ａが形成されているため、被嵌合部１２１の内周面に対して弾性体シール１３０が相対的に回転してしまうことを抑制することができる。従って、弾性体シール１３０の経時的な劣化等によって、仮に、被嵌合部１２１と弾性体シール１３０との嵌合部分に密封対象流体が浸入したとしても、被嵌合部１２１の内周面に対して、弾性体シール１３０が回転方向に摺動してしまうことを抑制することができる。これにより、密封性能が低下してしまうことを抑制することができる。以上より、長期に亘り密封性の安定化を図ることができる。

（その他）
上記実施例においては、ケース１２０における被嵌合部１２１の内周面に形成される滑り止めがローレット加工部１２１ａの場合を示した。しかしながら、滑り止めについては、ローレット加工部１２１ａに限定されるものではなく、弾性体シール１３０が被嵌合部１２１に対して、周方向に相対的に回転することを抑制することができれば、その他の構成も採用し得る。以下、図５〜図９を参照して、滑り止めの変形例をいくつか説明する。図５は本発明の変形例１に係るケースの一部断面図である。図６は本発明の変形例２に係るケースの一部断面図である。図７は本発明の変形例３に係るケースの一部断面図である。図５〜図７においては、メカニカルシールの中心軸線よりも上側に、当該中心軸線を含む面でケースを切断した断面図を示しており、下側にケースの外観図を示している。図８は本発明の変形例３に係るケースの正面図（図７中、左側から見た図）の一部である。図９は本発明の変形例４に係るケースの正面図（図７中、左側から見た図に相当）の一部である。なお、上記実施例と同一の構成部については同一の符号を付して、その説明は省略する。

例えば、図５に示す変形例１のように、被嵌合部１２１の内周面にショットブラスト加工を施すことで、ショットブラスト加工部１２１ｂを設けても良い。この場合、ショットブラスト加工により得られる表面粗さは、ＪＩＳで定められた十点平均粗さで、３μｍＲｚ以上に設定するとよい。なお、ショットブラスト加工を行う場合において、被嵌合部１２１の内周面にのみショットブラスト加工部１２１ｂを設ける場合には、ショットブラスト加工を行わない部分にはマスキングを行う必要がある。しかしながら、被嵌合部１２１の内周面以外の部分にショットブラスト加工部が設けられたとしても品質性には影響はない。そこで、図６に示す変形例２のように、マスキングを行うことなく、ケース１２０の全体にショットブラスト加工を行ってもよい。この場合には、図６に示すように、ケース１２０の全体にショットブラスト加工部１２１ｃが設けられる。

また、図７及び図８に示す変形例３のように、被嵌合部１２１の内周面に軸線方向に伸びる複数の凹部１２１ｄを設けても良い。この場合、凹部１２１ｄの深さは、０．０３ｍｍ以上に設定するとよい。なお、被嵌合部１２１の内周面は円柱面で構成されており、凹部１２１ｄは、円柱面で構成される内周面から凹んだ部分により構成される。また、図９に示す変形例４のように、被嵌合部１２１の内周面に軸線方向に伸びる複数の凸部１２１ｅを設けても良い。この場合、凸部１２１ｅの高さは、０．０３ｍｍ以上に設定するとよい。なお、被嵌合部１２１の内周面は円柱面で構成されており、凸部１２１ｅは、円柱面で構成される内周面から突出した部分により構成される。なお、これら変形例３における凹部１２１ｄ、及び変形例４における凸部１２１ｅは、プレス加工により得ることができる。

１０ メカニカルシール
１００ 回転環ユニット
１１０ 回転環
１１１ 円筒部
１１２ 環状凸部
１２０ ケース
１２１ 被嵌合部
１２１ａ ローレット加工部
１２１ｂ，１２１ｃ ショットブラスト加工部
１２１ｄ 凹部
１２１ｅ 凸部
１２２ 内向きフランジ部
１２３ 係合突起
１３０ 弾性体シール
１３１ 第１環状部
１３２ 湾曲部
１３３ 第２環状部
１４０ 締め付け部材
１４１ 溝
２００ 固定環ユニット
２１０ 固定環
２２０ ガスケット
２２１ 円筒部
２２２ 内向きフランジ部
３００ スプリングホルダー
４００ コイルスプリング
５００ 回転軸
６００ ハウジング

Claims (5)

1. 回転軸と、該回転軸の軸孔を有するハウジングとの間の環状隙間を密封するメカニカルシールであって、
   前記ハウジングに対して固定される固定環と、
   前記固定環に対して摺動する回転環を有すると共に、前記回転軸と共に回転する回転環ユニットと、
   を備えるメカニカルシールにおいて、
   前記回転環ユニットは、
   内周面側に前記回転環が嵌合により固定される第１環状部と、前記回転軸の外周面に密着する第２環状部と、第１環状部と第２環状部とを繋ぎ、かつ第１環状部に対する第２環状部の位置の変化に追随する湾曲部とを有する環状の弾性体シールと、
   第２環状部の外周面を回転軸に対して締め付ける環状の締め付け部材と、
   内周面側に第１環状部が嵌合により固定される環状の被嵌合部を備える金属製のケースと、
   を備え、
   前記被嵌合部の内周面には、第１環状部の周方向への相対的な回転を抑制する滑り止めが形成されていることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記ケースは、
   前記被嵌合部における端部から径方向内側に向かって伸びる内向きフランジ部と、
   前記内向きフランジ部の先端から前記回転環が備えられている側とは反対側に向かって伸び、前記締め付け部材に設けられた被係合部に係合する係合突起と、
   を備え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. 前記滑り止めは、ローレット加工部であ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. 前記滑り止めは、ショットブラスト加工部であ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。
5. 前記滑り止めは、軸線方向に伸びる複数の凹部または凸部であ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。

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