JP7154714B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシールに関する。

メカニカルシールは、流体機器のハウジングと該ハウジングを貫通するように配置される回転軸との間に装着して使用されるものであり、ハウジングに固定される静止密封環の摺動面と、回転軸とともに回転する回転密封環の摺動面とを摺接させて、流体機器の内部から外部又は外部から内部への流体の漏れを防ぐものである。

このようなメカニカルシールは、回転密封環と静止密封環とスプリングとを備えており、スプリングの付勢力により回転密封環及び静止密封環は軸方向に互いに圧接される。そのため、静止密封環の摺動面または回転密封環の摺動面が摺動により多少摩耗しても、スプリングの付勢力により互いに圧接され続けることから、長期に亘り安定して流体機器の内部と外部とをシールすることができる。一方、エネルギ効率の観点から、回転密封環及び静止密封環の摺動トルクは小さくすることが望ましく、スプリングの付勢力は所定の値に設定されるのが一般的である。

特許文献１に示されるメカニカルシールは、回転密封環が軸方向に移動可能なシールリングであり、静止密封環が軸方向に移動が規制されたメイティングリングである所謂回転型のものであって、シールリングと、回転軸に固定されたカラーとの間には所定の長さに圧縮された状態でスプリングが配置されている。

特開２０１９－６６００１号公報（第６，７頁、第１図）

しかしながら、メカニカルシールを流体機器に組み込む際には、ハウジングにメイティングリングを回転不能に取付けた後、シールリングの摺動面をメイティングリングの摺動面に当接させ、スプリングが所定の長さに圧縮される位置にカラーを移動させ、その状態でカラーを回転軸に固定する必要があるため、スプリングがメイティングリングとシールリングとに与える付勢力を正確に調整するのが困難であった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、メイティングリングとシールリングとの間に所望のスプリングの付勢力を正確かつ簡単に与えることが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、
メイティングリングと、該メイティングリングに摺接するシールリングと、回転軸体に固定されるカラーと、前記シールリング及び前記カラーの間に配置されるスプリングと、を備えるメカニカルシールであって、
前記スプリングが前記シールリングと前記カラーとの間で圧縮された状態で、前記シールリング、前記カラー及び前記スプリングを一時的にユニット化できる保持部材を有している。
これによれば、ユニット状態のシールリングをメイティングリングに当接させた状態で回転軸体にカラーを固定したのち、保持部材を外すことで、メイティングリングとシールリングとの間に所望のスプリングの付勢力を正確かつ簡単に与えることができる。

前記保持部材は、前記シールリング及び前記カラーの外径側に取り外し可能になっていてもよい。
これによれば、カラーを回転軸体に取り付けたのち保持部材を取り外し易い。

前記保持部材は、前記カラーに着脱可能にネジ固定されていてもよい。
これによれば、組み付け前の運搬時に、シールリング、カラー及びスプリングのユニット状態を確実に維持することができる。

前記シールリングと前記保持部材とは、互いの係止部によって軸方向に係止されていてもよい。
これによれば、カラーを回転軸体に固定したのち保持部材を径方向に取り外し易い。

前記係止部同士の間には、径方向に隙間が形成されていてもよい。
これによれば、シールリングの摺動面に力が作用しにくい。

前記係止部同士の係止面は傾斜していてもよい。
これによれば、シールリングから保持部材を円滑に外し易い。

本発明の実施例１におけるメカニカルシールを示す断面図である。 シールリング、カラー及びスプリングを分解して示す断面図である。 保持部材によりユニット化されたシールリング、カラー及びスプリングを示す断面図である。 ユニット状態のシールリングをメイティングリングに当接させた状態を示す断面図である。 実施例１の変形例１を示す断面図である。 実施例１の変形例２を示す断面図である。 実施例１の変形例３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。

実施例１に係るメカニカルシールにつき、図１から図４を参照して説明する。また、メカニカルシールを構成する摺動部品の外径側を大気側（漏れ側、低圧側）、内径側を被密封液体側（高圧側）として説明する。尚、これに限らず、被密封液体側が低圧側で、漏れ側が高圧側であってもよいし、また被密封流体は、液体に限らず気体でもよく、例えば大気であっても構わない。

図１に示される一般産業機械用のメカニカルシール１は、摺動面の被密封液体側から大気側に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するアウトサイド型であり、かつ後述するスプリング５が回転軸体としての回転軸２とともに回転する回転型のものであって、被取付機器のハウジング３に回転不能に取り付けられた円環状の摺動密封環であるメイティングリング１０と、回転軸２と一体的に回転可能かつ軸方向移動可能な状態で設けられた円環状の摺動密封環であるシールリング２０と、回転軸２に固定される円環状のカラー４と、シールリング２０及びカラー４の間に配置されるスプリング５と、を備えている。尚、シールリング２０の摺動面２１及びメイティングリング１０の摺動面１１は平坦面を成すものでも、凹み部が設けられているものでもよい。

メイティングリング１０およびシールリング２０は、代表的にはＳｉＣ（硬質材料）同士またはＳｉＣ（硬質材料）とカーボン（軟質材料）の組み合わせで形成されるが、これに限らず、摺動材料はメカニカルシール用摺動材料として使用されているものであれば適用可能である。尚、ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボン等を焼結助剤とした焼結体をはじめ、成分、組成の異なる２種類以上の相からなる材料、例えば、黒鉛粒子の分散したＳｉＣ、ＳｉＣとＳｉからなる反応焼結ＳｉＣ、ＳｉＣ－ＴｉＣ、ＳｉＣ－ＴｉＮ等があり、カーボンとしては、炭素質と黒鉛質の混合したカーボンをはじめ、樹脂成形カーボン、焼結カーボン等が利用できる。また、上記摺動材料以外では、金属材料、樹脂材料、表面改質材料（コーティング材料）、複合材料等も適用可能である。

カラー４は金属製であって、被密封液体側に開口が形成された収容穴４１が周方向に所定間隔をあけて複数配置され（図１では１個のみ図示）ている。各収容穴４１にスプリング５の一部が収容され、スプリング５が圧縮された状態でその一端はシールリング２０に当接している。尚、収容穴４１の軸方向の深さは、スプリング５の自然長よりも浅い。

また、カラー４には、外径側に開口が形成されたネジ穴４３が周方向に所定間隔をあけて複数配置され（図１では１個のみ図示）、後述するネジ７２が螺合可能となっている。

また、カラー４には、複数のスクリュー孔４２が周方向に所定間隔をあけて径方向に延びて形成され（図１では１個のみ図示）、各スクリュー孔４２にセットスクリュー６（図１では１個のみ図示）が螺合可能となっており、セットスクリュー６の内径側先端部が回転軸２に押圧されることで、カラー４は回転軸２に固定される。

また、カラー４には周方向に所定間隔をあけて複数箇所に図示しない貫通孔が軸方向に延びて形成されている。シールリング２０には周方向に所定間隔をあけて複数箇所に図示しない切り欠きが軸方向に延びて形成されており、図示しない複数のドライブピンは一端が貫通孔に圧入固定され、他端が切り欠きに遊嵌されている。そのため、シールリング２０は回転軸２と一体的に回転できる。

図２，３に示されるように、シールリング２０、カラー４及びスプリング５は、保持片７１及びネジ７２から成る保持部材７によって、一時的にユニット化され得るようになっている。

詳しくは、保持片７１は、略矩形状の片を成しており、カラー４に複数取り付けられる。また、保持片７１は、径方向に延びる貫通孔７８が形成された基部７３と、該基部７３から軸方向の被密封液体側に延びる延出部７４と、該延出部７４の先端から内径方向に延びる突出部７５と、保持片７１の軸方向略中央から内径方向に延びる中央突出部７６と、を備えており、延出部７４及び突出部７５は係止部としての係止鉤７７を構成する。

シールリング２０は、その外径側に開口が形成された係止部としての係止溝２２を備えており、係止鉤７７の突出部７５は係止溝２２に遊嵌状態で挿入可能となっている。また、カラー４のネジ穴４３は保持片７１の貫通孔７８に対応するように形成されており、ネジ７２を貫通孔７８に挿通させ、ネジ穴４３に螺合させることができる。

次いで、シールリング２０、カラー４及びスプリング５のユニット化について説明する。カラー４の収容穴４１にスプリング５の一端側を収容したまま、スプリング５の他端側をシールリング２０の大気側に面する押圧面２３に当接・押圧させた状態で、保持片７１の中央突出部７６の側面をカラー４の側面に沿って外径側から内径側に移動させることで、係止鉤７７をシールリング２０の係止溝２２に軸方向に係止させ、さらにネジ７２を貫通孔７８に挿通させ、ネジ穴４３に螺合させることで保持部材７によってシールリング２０、カラー４及びスプリング５を仮固定できる、すなわちシールリング２０、カラー４及びスプリング５をユニット化できる。

このとき、スプリング５は所定の長さに圧縮されシールリング２０には被密封液体方向への付勢力が働いており、保持部材７の係止鉤７７の突出部７５の大気側の係止面７５ａが、シールリング２０の係止溝２２の大気側の壁面である係止面２２ａに当接して当該付勢力を受けるため、シールリング２０及びカラー４が分離するのを防ぎつつスプリング５の圧縮状態を維持できる。これによれば、シールリング２０、カラー４及びスプリング５が分離せずにユニット状態を維持できるため、これらのユニットごと運搬することができる。尚、係止鉤７７の延出部７４の内径面と、係止溝２２の係止面２２ａと押圧面２３との間の径方向突出部の外径面と、の間には、径方向に隙間が形成されている。また、係止鉤７７の突出部７５の内径面と係止溝２２の凹部底面との間には、径方向に隙間が形成されている。これによれば、ネジ７２の螺合による径方向の力がシールリング２０に伝わり難く、シールリング２０の摺動面２１に力が作用しにくい。

次いで、ユニット状態のシールリング２０、カラー４及びスプリング５のハウジング３内への組み付けについて説明する。図４に示されるように、Ｏリング８をシールリング２０に装着したユニット状態のシールリング２０、カラー４及びスプリング５を回転軸２に挿通させ、ユニット状態のシールリング２０の摺動面２１をメイティングリング１０の摺動面１１に当接させる。この当接状態で、カラー４をセットスクリュー６の締結により回転軸２に固定する。その後、ネジ７２を外し、係止鉤７７がシールリング２０の係止溝２２に軸方向に係止している保持片７１を外径側に外すことで、シールリング２０、カラー４及びスプリング５をハウジング３内へ容易に組み付けることができる。尚、保持片７１は、シールリング２０から取り外しがし易いよう、好ましくは樹脂等の滑り易い材料でできているのがよい。

このように、スプリング５の長さは、ハウジング３内に組み付ける際に、すなわちシールリング２０、カラー４及びスプリング５のユニット状態を解除する前後において略一定である。これによれば、メイティングリング１０とシールリング２０との間に所望のスプリング５の付勢力を正確かつ簡単に与えることができる。

尚、ユニット状態のシールリング２０、カラー４及びスプリング５は、ユニット状態でシールリング２０の摺動面のラッピングが可能である。

また、運搬中にシールリング２０、カラー４及びスプリング５をユニット化しない場合、ハウジング３内への組み付け直前にシールリング２０、カラー４及びスプリング５をユニット化することで、これらの取付長の調整を省略して簡単に組み付けができる。

尚、シールリング２０には係止溝２２が備えられ、保持部材７の保持片７１には係止鉤７７が備えられていると説明したが、これに限らず、逆にシールリングに係止鉤が備えられ、保持片に係止溝が備えられていてもよい。

以上説明したように、スプリング５がシールリング２０とカラー４との間で圧縮された状態で、シールリング２０、カラー４及びスプリング５を一時的にユニット化できる保持部材７を有していることから、ユニット状態のシールリング２０をメイティングリング１０に当接させた状態で回転軸２にカラー４を固定したのち、保持部材７を外すことで、メイティングリング１０とシールリング２０との間に所望のスプリング５の付勢力を正確かつ簡単に与えることができる。

また、保持部材７は、シールリング２０及びカラー４の外径側に取り外し可能になっているため、カラー４を回転軸２に取り付けたのち保持部材７を取り付け易い。

保持部材７は、カラー４に着脱可能にネジ７２によってネジ固定されているため、組み付け前の運搬時に、シールリング２０、カラー４及びスプリング５のユニット状態を確実に維持することができる。

シールリング２０と保持部材７とは、係止溝２２と係止鉤７７とによって軸方向に係止されているため、カラー４を回転軸２に固定したのち保持部材７を径方向に取り外し易い。

実施例１の変形例１について説明する。尚、前記実施例に示される構成部分と同一のものについては、同一符号を付して重複する説明を省略する。図５に示されるように、シールリング１２０の係止溝１２２の係止面１２２ａは、係止溝１２２の開口が広がるようにすなわち外径側にいくにつれて摺動面２１からの距離が長くなるように傾斜している。また、保持片１７１の係止鉤１７７の突出部１７５の係止面１７５ａも、係止面１２２ａに対応するように傾斜している。これによれば、係止面１２２ａと係止面１７５ａとが傾斜しておりシールリング１２０と保持片１７１とが径方向に分離するように滑り易い構造になっているため、シールリング１２０から保持部材１０７を円滑に外し易い。

尚、係止面１２２ａ及び係止面１７５ａがいずれも傾斜していると説明したが、これに限らず一方のみが傾斜していてもよい。

実施例１の変形例２について説明する。尚、前記実施例に示される構成部分と同一のものについては、同一符号を付して重複する説明を省略する。図６に示されるように、シールリング２２０の外径側には、軸方向に亘って平坦な平坦部２２４と、該平坦部の大気側端部に外径方向に突出する突出部２２５と、によって構成される係止部としての係止鉤２２２が備えられている。突出部２２５の被密封液体側の面である係止面２２２ａは、保持部材７の保持片７１と軸方向に係止する際、該保持片７１の係止鉤１７７の係止面７５ａと係止する。これによれば、シールリング２２０の外径側を簡単な構造にすることができる。

尚、変形例１と変形例２とを組み合わせてもよい。すなわち、変形例２において、係止面２２２ａ及び係止面７５ａが傾斜していてもよい。

実施例１の変形例３について説明する。尚、前記実施例に示される構成部分と同一のものについては、同一符号を付して重複する説明を省略する。図７に示されるように、シールリング３２０の外径側は軸方向に亘って平坦であり、該シールリング３２０の外径側の被密封液体側には係止部としての係止角３２２が備えられている。該係止角３２２の被密封液体側の面である係止面３２２ａは、保持部材３０７の保持片３７１と軸方向に係止する際、該保持片３７１の係止鉤３７７の係止面７５ａと係止する。そのため、保持片３７１の延出部３７４の軸方向の長さはシールリング３２０の外径側の軸方向の長さに対応している。これによれば、シールリング３２０の外径側を簡単な構造にすることができる。

尚、変形例１と変形例３とを組み合わせてもよい。すなわち、変形例３において、係止面３２２ａ及び係止面７５ａが傾斜していてもよい。

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、実施例では、一般産業機械用のメカニカルシール１を例に説明したが、自動車やウォータポンプ用等の他のメカニカルシールであってもよい。

また、本発明の回転軸体として実施例では回転軸２を例に説明しているが、回転軸及び回転軸に固定されたスリーブによって構成されていてもよい。

また、カラー４のスクリュー孔４２及びセットスクリュー６は複数あると説明したが、これに限らず１個でもよい。

また、保持片はカラー４に複数取り付けられると説明したが、これに限らず１個でもよい。

また、保持片はシールリング及びカラー４に外径側から取り付けられると説明したが、これに限らずそれ以外の方向から取り付けられていてもよい。

１ メカニカルシール
２ 回転軸（回転軸体）
３ ハウジング
４ カラー
５ スプリング
７ 保持部材
１０ メイティングリング
１１ 摺動面
２０ シールリング
２１ 摺動面
２２ 係止溝（係止部）
２２ａ 係止面
７１ 保持片
７２ ネジ
７５ａ 係止面
７７ 係止鉤（係止部）
１０７ 保持部材
１２０ シールリング
１２２ 係止溝
１２２ａ 係止面
１７１ 保持片
１７５ａ 係止面
１７７ 係止鉤
２２０ シールリング
２２２ 係止鉤（係止部）
２２２ａ 係止面
３０７ 保持部材
３２０ シールリング
３２２ 係止角（係止部）
３２２ａ 係止面
３７１ 保持片
３７７ 係止鉤

Claims (6)

1. メイティングリングと、該メイティングリングに摺接するシールリングと、回転軸体に固定されるカラーと、前記シールリング及び前記カラーの間に配置されるスプリングと、を備えるメカニカルシールであって、
   前記スプリングが前記シールリングと前記カラーとの間で圧縮された状態で、前記シールリング、前記カラー及び前記スプリングを一時的にユニット化できる保持部材を有しているメカニカルシール。
2. 前記保持部材は、前記シールリング及び前記カラーの外径側に取り外し可能になっている請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記保持部材は、前記カラーに着脱可能にネジ固定されている請求項１または２に記載のメカニカルシール。
4. 前記シールリングと前記保持部材とは、互いの係止部によって軸方向に係止されている請求項１ないし３のいずれかに記載のメカニカルシール。
5. 前記係止部同士の間には、径方向に隙間が形成されている請求項４に記載のメカニカルシール。
6. 前記係止部同士の係止面は傾斜している請求項４または５のいずれかに記載のメカニカルシール。

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