JP7246830B2 - 回り止め機構 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸を軸封するメカニカルシール等の摺動部品に適用される回り止め機構に関する。

摺動部品は、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、ハウジング等により構成される静止側要素に固定される静止摺動環の摺動面と、回転軸等の回転側要素とともに回転する回転摺動環の摺動面とを周方向に摺接させて、被密封流体の漏れを防ぐものである。

このような摺動部品にあっては、回転軸に固定されるカラー等の回転側要素に軸方向に突設されたドライブピンが回転摺動環の背面に形成される凹部に嵌合することで、この回転摺動環は回転側要素に対し回り止めされ、回転軸とともに回転する構造となっている。同様にハウジング等の静止側要素に突設されたノックピンが静止摺動環の背面の凹部に嵌合することで、この静止摺動環は静止側要素に対し回り止めされ、静止状態を維持する構造となっている。すなわちこれらの摺動環の背面の凹部と、この凹部に嵌入されるドライブピンやノックピン等の回り止め部材の嵌入部とによって構成される回り止め機構は、摺動面を介し互いに摺動する摺動環の摺動トルクを受けて、摺動環の供回りを規制するように機能している（例えば、特許文献１）。

特開２０１７－２０７１４７号公報（第２頁、第１図）

しかしながら、このような摺動部品に適用される回り止め機構にあっては、摺動環同士の回転摺動により、摺動環の背面側の凹部内面と嵌入部外面との当接箇所に発生する振動等を原因として、嵌入部や凹部に摩耗や破損が生じ易く、回り止め機構の耐久性に乏しかった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、摩耗や破損の発生を抑制して耐久性の高い摺動部品用の回り止め機構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、本発明の回り止め機構は、
回転軸に取り付けられる回転側要素とともに周方向に回転する回転摺動環と、静止側要素に固定される静止摺動環とが相対摺動する摺動部品に用いられ、前記回転摺動環を前記回転側要素に対し回り止めし、若しくは前記静止摺動環を前記静止側要素に対し回り止めする回り止め機構であって、
前記回り止め機構は、凹部と、前記凹部内に嵌入される嵌入部と、から構成されており、前記凹部の内面若しくは前記嵌入部の外面に、凹形状を成すディンプル部が設けられている。
これによれば、凹部の内面若しくは凹部内に嵌入された嵌入部の外面に設けられたディンプル部に、周囲の流体が導入されることで、嵌入部の外面と凹部の内面との間に、流体膜を生成できるため、この流体膜によって嵌入部と凹部との接触個所を良好な潤滑状態にして、回り止め機構の摩耗や破損の発生を抑制することができる。

前記嵌入部の外面と前記凹部の内面との接触領域と、前記接触領域を除く非接触領域とにかけて、前記ディンプル部が延設されている。
これによれば、凹部の内面と嵌入部の外面との非接触領域から導入した流体を接触領域に向けて排出し易く、この接触領域に流体膜を確実に生成できる。

前記ディンプル部は、前記摺動環の軸方向に延設されている。
これによれば、摺動環に軸方向に作用する振動を利用して、ディンプル部の全面に流体を導入し易い。

前記ディンプル部は、前記摺動環の軸方向に長径の楕円状に形成されている。
これによれば、楕円状に形成されたディンプルの端部まで流体を導入し易い。

前記ディンプル部は、前記嵌入部の外面に複数設けられている。
これによれば、凹部内の潤滑性を高めることができる。

前記嵌入部の外面と前記凹部の内面との接触領域と、前記接触領域を除く非接触領域とにかけて、前記複数のディンプル部を備えたディンプル形成領域が形成されている。
これによれば、凹部の内面と嵌入部の外面との非接触領域に溜めた流体を接触領域に導入することができる。

前記複数のディンプル部同士を連通する連通溝が設けられている。
これによれば、各ディンプル部に常に流体が供給され、潤滑性を維持することができる。

前記複数のディンプル部は、同一ピッチに離間している。
これによれば、凹部内に均質な流体膜を生成することができる。

前記複数のディンプル部は、同一形状に設けられている。
これによれば、凹部内に均質な流体膜を生成することができる。

本発明の実施例のメカニカルシールの構造を示す断面図である。 図１のＡ－Ａ断面図である。 実施例１のメカニカルシールに被密封流体とバリア液が充填されている態様を示す図である。 実施例１の回り止め機構の嵌合態様を示し、流体膜が形成されている態様を示す要部断面図である。 実施例１の変形例における回り止め機構の嵌合態様を示す斜視図である。 実施例２の回り止め機構の嵌合態様を示し、流体膜が形成されている態様を示す斜視図である。 実施例２の変形例１における回り止め機構の嵌合態様を示す要部断面図である。 実施例２の変形例２における回り止め機構の嵌合態様を示す要部断面図である。

本発明に係る回り止め機構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用回り止め機構につき、図１から図５を参照して説明する。以下、図１の紙面右側を大気領域である機外側、紙面左側を機内側として説明する。

図１に示されるように、実施例１の摺動部品としてのメカニカルシール１は、回転軸２とともに回転する回転摺動環としての回転密封環４と、シールカバー１０に配設されたコイルスプリング８により付勢されているリテーナ１８から押圧される静止摺動環としての静止密封環６と、を備えた静止形のメカニカルシール１である。また、本実施例のメカニカルシール１は、機外側のシールカバー１０と機内側のシールカバー１０’に対し回り止めされる円環状の静止密封環６，６’と、回転軸２に固定されたスリーブ３に対し回り止めされる回転密封環４，４’とが、軸方向に同一方向を向いて配設されているタンデム型のメカニカルシール１である。このメカニカルシール１は、シールカバー１０，１０’に回り止めピンとしてのノックピン７，７’を介して固定された円環状のケース９に回り止めされている静止密封環６，６’を有する静止側要素Ｓと、回転軸２とともに回転する回転密封環４，４’を有する回転側要素Ｒとで主に構成されている。

図１を用いて、回転側要素Ｒ及び静止側要素Ｓをより詳しく説明する。図１に示されるように回転側要素Ｒは、回転軸２に固定状態で取付けられたスリーブ３と、該スリーブ３に固定された回転環保持部材２０，２０’と、該回転環保持部材２０，２０’から機外側にそれぞれ略水平に延出する回り止めピンとしてのドライブピン５，５’と、該ドライブピン５，５’を介して回転軸２から伝えられる回転力によって周方向に回転する円環状の回転密封環４，４’と、から主に構成されている。

静止側要素Ｓは、シールカバー１０，１０’が軸方向に隣接するように配置され、連結ボルト１１をシールカバー１０，１０’の軸方向に挿通させて機器本体Ｍに固定されている。また、シールカバー１０，１０’には、リテーナ１８，１８’を背面側から軸方向に向けて付勢するコイルスプリング８，８’と、回転密封環４，４’と摺接される静止密封環６，６’の供回りを防止するノックピン７，７’とが取り付けられている。ノックピン７，７’は、ケース９，９’の背面側から軸方向に向けて係合するようになっており、ケース９，９’は、シールカバー１０，１０’内において、静止密封環６，６’の外径側に内嵌されている。

また、図１に示されるようにシールカバー１０は、径方向に形成されたバリア液流入口１９とクエンチング液流入口４９を有し、またシールカバー１０’は径方向に形成されたフラッシング液流入口３９とバリア液流出口２９を有している。バリア液流入口１９から流入されたバリア液Ｂは、ケース９によって径方向に連通されている連通路Ｌ１を通過し、後述する空間Ｚに流入され、空間Ｚからバリア液流出口２９へ流動するようになっている。また、バリア液Ｂは、被密封流体Ｈよりも高圧になるように流体圧は管理されている。本実施例のメカニカルシール１は、上述したようにタンデム型であり、軸方向に同様に配置された構成を有しているため、以下は機外側の静止密封環６、回転密封環４等の構成について説明し、機内側の構成については説明を省略する。

図１に示されるように、シールカバー１０は、軸方向視環状に形成されており、リテーナ１８を軸方向に向けて付勢するようにコイルスプリング８が周方向に等配に複数配設されている。このようにコイルスプリング８が複数等配に配設されていることで、リテーナ１８が静止密封環６の背面６ａを均等な面圧で、回転密封環４に向けた付勢力を軸方向に伝達するように構成されている。また、シールカバー１０には、周方向に等配されているコイルスプリング８よりも外周側に穴部１０ａが同様に周方向に等配に形成されており、この穴部１０ａに後述するノックピン７の圧入部２７が圧入固定されるようになっている。

次に、ケース９について詳しく説明する。図２に示されるようにケース９は、軸方向視円環の筒状に形成された筒部９０と、該筒部９０から内径側に突出して軸方向に延設された柱状の嵌入部としての突出部９１と、該筒部９０に径方向に貫通形成された連通路Ｌ１と、から主に形成されている。突出部９１は連通路Ｌ１と同位相、すなわち周方向及び径方向に対向する位置に配置されている。突出部９１は、周方向に面して配置される一対の平面からなる側壁部９１ａと、内径方向に面する平面からなる底部９１ｂとから構成された角柱状に形成されており、側壁部９１ａには、側面視楕円状で底部が断面視湾曲状に形成された側壁部９１ａの面よりも窪んだ凹部であるディンプル部１４が複数形成されている。また、静止密封環６の外周面６ｃには、軸方向に亘って矩形状の凹部６ｄが形成されており、先述したケース９の突出部９１が遊嵌するように大形に形成されている。これによりケース９の突出部９１が静止密封環６の凹部６ｄ内に径方向若しくは軸方向から挿入され、周方向に嵌合するようになっており、回転密封環４と摺接される静止密封環６の供回りを防止することができるようになっている。すなわち凹部６ｄと突出部９１とにより回り止め機構が構成されている。

次に図３を用いて、本実施例のメカニカルシール１稼働時において、被密封流体Ｈと、被密封液体としてのバリア液Ｂと、漏れ側である大気Ａとが占有する領域を説明する。図３に示されるように、機内側である紙面左方側には、被密封流体Ｈが回転密封環４’と静止密封環６’との摺動部Ｅ’によって密封されている。機外側である紙面右方側には、大気Ａが回転密封環４と静止密封環６との摺動部Ｅによって区画されている。また、回転密封環４’と静止密封環６’との摺動部Ｅ’と、回転密封環４と静止密封環６との摺動部Ｅとの間に形成されている空間Ｚには、バリア液流入口１９から流入されたバリア液Ｂが密封されている。

また、バリア液流入口１９から流入されたバリア液Ｂは、回転密封環４と静止密封環６との摺動部Ｅと、回転密封環４’と静止密封環６’との摺動部Ｅ’と、シールカバー１０，１０’とから形成される空間Ｚに充填され、バリア液流出口２９から流出されるようになっている。また、バリア液Ｂは被密封流体Ｈより高圧になるように管理されているので、摺動部Ｅ’の摺動不良により異常が発生したとしても、被密封流体Ｈが空間Ｚ側へ流入することを抑えるように構成されている。

図４を用いて、本実施例のメカニカルシール１稼働時における、ケース９と静止密封環６との嵌合態様について詳しく説明する。リテーナ１８（図１参照）を介してコイルスプリング８に付勢された静止密封環６に対向する回転密封環４が周方向に回転すると、この静止密封環６の凹部６ｄ内に遊嵌状態で嵌入された突出部９１の側壁部９１ａが、凹部６ｄの一方の内壁面６ｅに周方向に押圧状態で当接することで、静止密封環６の供回りを規制する。ケース９の突出部９１における側壁部９１ａには、ディンプル部１４が各々軸方向に長径に形成され、径方向及び軸方向に所定ピッチで離間してマトリックス状に整然と並設された状態で複数形成されている。このようにすることで、バリア液Ｂをディンプル部１４内に滞留させることができ、突出部９１の側壁部９１ａと凹部６ｄの一方の内壁面６ｅ間に均一な流体膜Ｆが形成されるようになっている。尚、ケース９’と静止密封環６’については、被密封流体Ｈを凹部６ｄ’内に導入するようになっている。

図５（ａ）に示されるように、突出部９１における側壁部９１ａのディンプル部１４と、各ディンプル部１４同士の間隙に形成される平坦なランド部１５とからなり平面状に形成されるディンプル形成領域Ｄは、軸方向の両端側まで広く延設されている。すなわちディンプル形成領域Ｄは、側壁部９１ａと凹部６ｄの内壁面６ｅとの接触領域Ｓ１と、側壁部９１ａと凹部６ｄの内壁面６ｅとの非接触領域Ｓ２とにかけて延設されており、バリア液流入口１９から流入されたバリア液Ｂを、非接触領域Ｓ２から接触領域Ｓ１に向けて導入させ易くなっている。よって、バリア液Ｂを凹部６ｄの軸方向及び径方向の内奥まで導入させ、より広い領域で流体膜Ｆを得ることができる。

また、図５（ａ）に示されるように、ディンプル部１４は、軸方向に長径な楕円形状であることに加え、回転密封環４と静止密封環６との摺動による微振動により、接触領域Ｓ１近傍の非接触領域Ｓ２に形成されているディンプル部１４ａ内に溜められている流体を接触領域Ｓ１側へ排出し易くなっている。また、図５（ｂ）に示されるように、凹部６ｄの内壁面６ｅに対して、複数のディンプル部１４のうち一部のディンプル部１４ｂを横過するように突出部９１を配置することとしてもよい。

ここで図６に示されるように、上述した突出部９１に形成されていた複数のディンプル部１４の変形例として、静止密封環６の凹部６ｄの内壁面６ｅに、複数のディンプル部２４を形成してもよい。また、内壁面６ｅの両端にかけて複数のディンプル部２４を形成させることで、流体を導入し易い。

以上、実施例１及び変形例において説明したように、回転軸２に取り付けられる回転側要素Ｒとともに周方向に回転する回転密封環４と、静止側要素Ｓに固定される静止密封環６とが相対摺動する摺動部品に用いられ、回転密封環６を回転側要素Ｒに対し回り止めし、若しくは静止密封環６を静止側要素Ｓに対し回り止めする回り止め機構であって、回り止め機構は、静止密封環６の背面に形成された凹部６ｄと、該凹部６ｄ内に嵌入されるケース９の突出部９１と、から構成されており、凹部６ｄの内面若しくは突出部９１の外面に、凹形状を成すディンプル部１４が設けられていることから、凹部６ｄの内面若しくは凹部内に嵌入された突出部９１の外面に設けられたディンプル部１４に、周囲の流体が導入されることで、突出部９１の外面と凹部６ｄの内面との間に、流体膜Ｆを生成できるため、この流体膜Ｆによって突出部９１と凹部６ｄとの接触個所を良好な潤滑状態にして、回り止め機構の摩耗や破損の発生を抑制することができる。

また、図５（ｂ）に示されるように、突出部９１の外面と凹部６ｄの内面との接触領域Ｓ１と、該接触領域Ｓ１を除く非接触領域Ｓ２とにかけて、ディンプル部１４ｂが延設されていることから、凹部６ｄの内面と突出部９１の外面との非接触領域Ｓ２から導入した流体を接触領域Ｓ１に向けて排出し易く、この接触領域Ｓ１に流体膜Ｆを確実に生成できる。

また、ディンプル部１４は、摺動環としての静止密封環６の軸方向に延設されていることから、静止密封環６に軸方向に作用する振動を利用して、ディンプル部１４の全面に流体を導入し易い。

また、ディンプル部１４は、摺動環としての静止密封環６の軸方向に長径の楕円状に形成されていることから、楕円状に形成されたディンプルの端部まで流体を導入し易い。

また、ディンプル部１４は、突出部９１の側壁部９１ａに複数設けられていることから、凹部６ｄ内の潤滑性を高めることができる。

また、複数のディンプル部１４は、同一ピッチに離間していることから、凹部６ｄ内に均質な流体膜Ｆを生成することができる。

また、複数のディンプル部１４は、同一形状に設けられていることから、凹部６ｄ内に均質な流体膜Ｆを生成することができる。

また、突出部９１の外面と凹部６ｄの内面との接触領域Ｓ１と、該接触領域Ｓ１を除く非接触領域Ｓ２とにかけて、複数のディンプル部１４を備えたディンプル形成領域Ｄが形成されていることから、凹部６ｄの内面と嵌入部の外面との非接触領域Ｓ２に溜めた流体を接触領域Ｓ１に導入することができる。

次に、実施例２に係るメカニカルシール用回り止め機構につき、図７および図８を参照して説明する。尚、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。

実施例２におけるメカニカルシール用回り止め機構について説明する。図７に示されるように、本実施例においては、リテーナ１８を省略しコイルスプリング８が静止密封環６の背面に接して付勢するものであり、静止密封環６の背面６ａに径方向且つ矩形に切欠かれた切欠き部６ｂが形成され、シールカバー１０の側面に形成された穴部１０ｂに圧入された水平方向に延びるノックピン７Ａが切欠き部６ｂに嵌入されることにより、静止密封環６が回転密封環４との摺動による供回りを規制させるものである。

図７に示されるように、ノックピン７Ａは、シールカバー１０の穴部１０ｂと略同径に形成され、穴部１０ｂに圧入固定可能な固定部としての圧入部２７と、この圧入部２７よりも大径に形成され、シールカバー１０から略水平に突出される嵌入部１７と、から主に構成されている。

また、ノックピン７Ａの嵌入部１７は、静止密封環６の背面６ａ側にノックピン７Ａの配置に対応して形成された凹部としての切欠き部６ｂ内に、軸方向に遊嵌状態で嵌入するように配設され、回転密封環４との摺動による静止密封環６の周方向の移動を規制しつつ、軸方向への移動を許容されるようになっている。この切欠き部６ｂは、ノックピン７Ａの嵌入部１７よりも大形且つ軸方向に長寸に形成されている。

嵌入部１７は角柱状に形成され、その外周面１７ｂには、径方向に及び軸方向に複数のディンプル部３４ａがマトリックス状に整然と並設され、かつ複数のディンプル部３４ａを径方向に形成された矩形状の連結溝部３４ｂによって連結させた連結ディンプル部３４が軸方向に複数条形成されている。より詳しくは、連結ディンプル部３４は、複数のディンプル部３４ａと連結溝部３４ｂとから形成されており、複数のディンプル部３４ａは、側面視楕円状で底部が断面視湾曲状に形成されており、また、軸方向に長径部が形成され、軸方向に所定ピッチで離間している。連結溝部３４ｂは、同一幅及び同一深さで断面視矩形状に穿設されており、径方向に並設された複数のディンプル部３４ａを連通させるように径方向に形成されている。このことから、各ディンプル部３４ａに常に流体が供給され、潤滑性を維持することができ、流体膜Ｆを嵌入部１７の外周面１７ｂと切欠き部６ｂとの当接面の全面に亘り形成させることができるようになっている。なお、連結溝部３４ｂは、複数のディンプル部３４ａを径方向に連通させるものに限られず、複数のディンプル部３４ａを軸方向に連通させるものでもよいし、あるいは複数のディンプル部３４ａを径方向且つ軸方向に連通させるものであっても構わない。

図８に示されるように、嵌入部１７に形成された連結ディンプル部３４の変形例として、ノックピン７Ｂの径方向の外面１７ａと内面１７ｃとに開放されて同一幅及び同一深さで断面視矩形状に穿設された連通溝部４４ｂが形成されている連通ディンプル部４４を配設することとしてもよい。このようにすることで、ノックピン７Ｂの外面１７ａから流体を導入させ、各ディンプル部４４ａに常に流体が供給させることができ、より潤滑性を維持させることができる。

また、特に図示しないが、回転密封環４をスリーブ３に対し回り止めするドライブピン５の外周面に、上述したノックピン７Ａと同様に連結ディンプル部または連通ディンプル部が形成されていてもよい。

以上、実施例２及び変形例において説明したように、複数のディンプル部３４ａ同士を連通する連通溝部３４ｂが設けられていることから、各ディンプル部３４ａに常に流体が供給され、潤滑性を維持することができる。

上述したように、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、ノックピン７Ａ、７Ｂの嵌入部１７を角柱状と説明したが、これに限られず、円柱状や六角柱状としてもよい。

また、前記実施例では、突出部９１にディンプル部１４が形成されていたが、これに限られず、ドライブピン５にディンプル部が形成されていてもよい。

また、前記実施例では、静止密封環６若しくは回転密封環４に回り止め機構を構成する凹部が形成されているが、これに限らず例えば、メカニカルシールに静止密封環６をシールカバー１０に係止する係止体、若しくは回転密封環４をスリーブ３に係止するための係止体が構成されている場合、当該係止体に凹部が形成されてもよい。また例えば、シールカバー１０若しくはスリーブ３に凹部が形成されてもよく、該凹部に嵌入される嵌入部が静止密封環６若しくは回転密封環４に設けられても構わない。

また、前記実施例では、タンデム型のメカニカルシール１に回り止め機構が適用されているが、これに限らず本発明に係る回り止め機構は、シングル型、ダブル型のメカニカルシールに適用されてもよいし、スラスト軸受等の摺動部品に適用されてもよい。

また、前記実施例１の変形例で説明したように、凹部の内壁面にディンプル部を設ける事項を、実施例２等においても適用可能である。

１ メカニカルシール（摺動部品）
２ 回転軸
３ スリーブ
４，４’ 回転密封環
５，５’ ドライブピン
６，６’ 静止密封環
６ａ 背面
６ｂ 切欠き部（凹部）
６ｃ 外周面
６ｄ 凹部
６ｅ 内壁面
７，７’ ノックピン
７Ａ ノックピン
７Ｂ ノックピン
８ コイルスプリング
９ ケース
１０ シールカバー
１０ａ 穴部
１０ｂ 穴部
１１ 連結ボルト
１４ ディンプル部
１４ａ ディンプル部
１４ｂ ディンプル部
１７ 嵌入部
１７ｂ 外周面
１９ バリア液流入口
２０ 回転環保持部材
２７ 圧入部
２９ バリア液流出口
３４ 連結ディンプル部
３４ｂ 連結溝部
４４ 連通ディンプル部
４４ｂ 連通溝部
Ｂ バリア液
Ｄ ディンプル形成領域
Ｅ 摺動部
Ｆ 流体膜
Ｈ 被密封流体
Ｍ 機械本体
Ｌ１ 連通路
Ｒ 回転側要素
Ｓ 静止側要素
Ｓ１ 接触領域
Ｓ２ 非接触領域
Ｚ 空間

Claims (6)

1. 回転軸に取り付けられる回転側要素とともに周方向に回転する回転摺動環と、静止側要素に固定される静止摺動環とが相対摺動する摺動部品に用いられ、前記回転摺動環を前記回転側要素に対し回り止めし、若しくは前記静止摺動環を前記静止側要素に対し回り止めする回り止め機構であって、
   前記回り止め機構は、凹部と、前記凹部内に嵌入される嵌入部と、から構成されており、前記凹部の内面若しくは前記嵌入部の外面における前記凹部の内面と前記嵌入部の外面との接触領域に、凹状を成すディンプル部が設けられており、
   前記ディンプル部は、前記摺動環の軸方向に長寸の形状に形成されている回り止め機構。
2. 前記接触領域と、前記接触領域を除く非接触領域とにかけて、前記ディンプル部が延設されている請求項１に記載の回り止め機構。
3. 前記ディンプル部は、前記摺動環の軸方向に長径の楕円状に形成されている請求項１または２に記載の回り止め機構。
4. 前記ディンプル部は、前記嵌入部の外面に複数設けられている請求項１ないし３のいずれかに記載の回り止め機構。
5. 前記接触領域と、前記接触領域を除く非接触領域とにかけて、前記複数のディンプル部を備えたディンプル形成領域が形成されている請求項４に記載の回り止め機構。
6. 前記複数のディンプル部同士を連通する連通溝が設けられている請求項４または５に記載の回り止め機構。

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