JP7399791B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、回転軸を軸封する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、ハウジング等により構成される静止側要素に固定される静止密封環の摺動面と、回転軸等の回転側要素とともに回転する回転密封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。

このようなメカニカルシールにあっては、回転軸に固定され回転密封環を保持する保持部材に突設された回り止めピンが回転密封環の背面に形成される凹部に嵌合することで、この回転密封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が備える保持部材から突設された回り止めピンが静止密封環の背面の凹部に嵌合することで、この静止密封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。すなわちこれらの回り止めピンは、互いに摺動する密封環同士の摺動トルクを受けて、一対の密封環の供回りを規制するように機能している。

また、密封環と保持部材とを、圧入または焼き嵌めにより固定し、回り止めピンを省略可能としたメカニカルシールも考案されている。特許文献１に示されるメカニカルシールは、カーボンから構成される環状の静止密封環の外周に、ステンレスやチタンからなる円筒形状の保持部材を圧入あるいは焼嵌めによって固定させることで構成されており、その強い緊合によって密封環と保持部材とが一体的に機能することから、回り止めピンの構成が省略されメカニカルシールを構成する部品点数が少なくなっている。（特許文献１参照）

国際公開第２０１０／１１６８４４号公報（第２頁、第１図）

しかしながら、このような、圧入または焼き嵌めにより保持部材を密封環に固定し、密封環に対する回り止めピンを省略した保持部材にあっては、保持部材の内周面に密封環の外周面から圧縮力が作用しこの圧縮力により摺動面に応力がかかり歪みが生じることから、摺動面が適正な平坦面を維持できず、漏れの原因となっていた。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、メカニカルシールを構成する部品点数を抑えつつ平坦な摺動面を維持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、
回転軸に取り付けられる回転側要素に保持され該回転側要素とともに回転する回転密封環と、静止側要素に保持される静止密封環と、を有するメカニカルシールであって、
少なくとも一方の前記密封環は、樹脂材の保持部材により保持されており、
前記保持部材の素材の一部が、前記密封環の表面に形成されている凹部内部に進入して接合され、該保持部材が該密封環と一体化されている。
これによれば、樹脂材の素材の一部が密封環の表面に形成されている凹部内部に進入した状態となっているため、これにより所謂アンカー効果が得られ、保持部材と密封環とが強く一体化されているとともに、保持部材と密封環との接合箇所に大きな力が生じにくく、該力によって摺動面に大きな応力が作用しない。そのため、密封環の摺動面を平坦に保ちながら保持部材により密封環は回り止めされている。

前記保持部材は、少なくとも一方の密封環の外周面に接合されている。
これによれば、回転軸の回転中心から半径距離が長い密封環の外周面が保持部材に接合されているので、保持部材と一体化された当該密封環が強固に回り止めされている。

前記保持部材は、少なくとも一方の密封環の背面に接合されている。
これによれば、相手方密封環からの相対的な押圧力を当該密封環の背面側で受けることができ、かつ軸方向の移動に対する剪断力を受けにくいことから、当該密封環が強固に回り止めされている。

前記保持部材は、少なくとも一方の密封環の周面と背面とに接合されている。
これによれば、保持部材が密封間の２面で一体化されているので、より強固に回り止めされている。

前記保持部材が接合される前記密封環の表面の粗さは、前記密封環の摺動面の粗さよりも大きい。
これによれば、保持部材と接合される密封環の表面が、摺動面よりも表面粗さが大きいことから、保持部材が表面に形成されている凹部内部に確実に入り込み硬化されることとなり、アンカー効果がより確実に得られる。

前記回転密封環と前記静止密封環とは、双方ともに同じ樹脂材の保持部材により保持されている。
これによれば、双方の保持部材が温度や湿度等の雰囲気と略等しい条件下のもとで収縮や膨張することとなるので、摺動面に応力をかけにくい。

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。 回転密封環を示す斜視図である。 （ａ）は金型に回転密封環を配置させる模式図であり、（ｂ）は回転密封環を配置された金型に樹脂を流し込んだ態様を示す模式図であり、（ｃ）は一体成型された回転密封環と保持具とを金型から外した態様を示す模式図である。 保持具と回転密封環との接合部を示す拡大図である。 密封環の変形例１を示す斜視図である。 回転環保持具と静止環保持具の変形例２を示す一部拡大断面図である。 （ａ）は回転密封環の変形例３を示す斜視図であり、（ｂ）は回転密封環と回転環保持具の一部拡大断面図である。

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。以下、図１の紙面左側を大気領域である機外側、紙面右側を機内側として説明する。

図１に示されるように、本実施例のメカニカルシール１は、静止側要素Ｓと、回転側要素Ｒと、から構成されている。静止側要素Ｓは、ハウジング３にＯリング１５とともに取り付けられスクリュ１２によってハウジング３に固定される環状の取付金具１０と、取付金具１０と後述する静止環保持具７の間にかけて配設されるコイルスプリング８と、該コイルスプリング８から背面側を押圧される静止環保持具７と、該静止環保持具７に保持されている静止密封環６と、から主に構成されている。

回転側要素Ｒは、回転軸２に取り付けられる被回転部材９と、該被回転部材９に対して背面側が支持されＯリング１４とともに回転軸２に取り付けられる回転環保持具５と、該回転環保持具５に保持される回転密封環４と、から主に構成されている。

本実施例のメカニカルシール１は、回転密封環４が備える摺動面Ｆ１と、静止密封環６が備える摺動面Ｆ２と、が摺動することで形成される摺動部Ｔの外周側から内周側に向けて漏れようとする被密封流体Ｌを密封するインサイド型かつ静止型のメカニカルシール１である。

回転密封環４は回転環保持具５に保持され、静止密封環６は静止環保持具７に保持されている。尚、後述するが、回転密封環４は回転環保持具５と一体的に成型され、静止密封環６は静止環保持具７と一体的に成型されている。

図２は、回転密封環４の斜視図である。尚、回転密封環４と静止密封環６とは略同一形状であり、同一素材から構成されており、ここでは回転密封環４のみ説明する。回転密封環４は、無機物の焼結体であるセラミックスにより形成されており、略円環状に成型されている。後述するが、大凹部Ｐ１や小凹部群Ｐ２は、回転密封環４と静止密封環６を焼結・成型時に表面上に形成されたものである。

回転密封環４は、静止密封環６と対向して配置され平坦に形成された摺動面Ｆ１と、摺動面Ｆ１の背面側に位置し平坦に形成された背面４２と、外周面４１、内周面４３とを有しており、各面の間は面取りが施されている。外周面４１と摺動面Ｆ１との間には環状の面取り部４ａが形成されている。同様に、外周面４１と背面４２の間、内周面４３と摺動面Ｆ１の間、内周面４３と背面４２の間には、それぞれ環状の面取り部４ｂ，４ｃ，４ｄが形成されている。

また、摺動面Ｆ１は研磨加工により、外周面４１，背面４２，内周面４３よりも平滑に形成されている。これにより、外周面４１，背面４２，内周面４３は摺動面Ｆ１よりも表面粗さが大きくなっている。

次いで、図３（ａ）～（ｃ）を用いて、回転密封環４と回転環保持具５とを一体的に成型する態様について説明する。尚、静止密封環６と静止環保持具７とを一体的に成型する態様については、回転密封環４と回転環保持具５とを一体的に成型する工程と略同一のため説明を省略する。

金型２０，３０には、所望の成型品を得るために環状の凹部２１、３１がそれぞれ形成されている。

図３（ａ）に示されるように、回転密封環４を、回転密封環４の内径（すなわち中心から内周面４３までの距離）と外径が略同径、もしくは僅かに小さい径に形成された環状の支持部３０Ｂに沿って移動させて底面３０Ｃに載置する。その後、金型２０の前面２０Ａと金型３０の前面３０Ａとを当接させる。

次に、図３（ｂ）に示されるように、金型２０の凹部２１と金型３０の凹部３１とから構成される空間５０内に図示しない注入口からＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)を主成分とする粉末状の樹脂材を流し込み、圧縮成形させた後、加熱等によって固化させる。

本実施例における樹脂材は、ＰＴＦＥを主成分とする樹脂材を例に説明したが、これに限られず耐熱性、強度、耐薬品性を有する樹脂材を適宜選択すればよい。また、樹脂材は、導電助剤、例えばカーボン粉末を含有することが好ましく、このようにすることで回転密封環４、静止密封環６に静電気の蓄積することを抑制できる。

図３（ｃ）に示されるように、樹脂材が固化した後、金型２０と金型３０とをお互いに離間する方向に移動させ取り外す。これにより、金型２０の凹部２１と金型３０の凹部３１とから構成される空間５０の形状に固化された回転環保持具５が回転密封環４と一体成型される。尚、回転密封環４の外周面４１と背面４２とが回転環保持具５に接合されている。

尚、本実施例においては、金型２０と金型３０との２つ金型から回転密封環４と回転環保持具５とを一体成型させることとしたが、これに限られず、３分割以上の金型から回転密封環４と回転環保持具５とを一体成型させることとしてもよい。

図４は、図３（ｃ）における回転密封環４の背面４２と樹脂材から成る回転環保持具５との接合部Ａを示す拡大図である。回転密封環４は、焼結成型されたセラミックスであることからいわゆるポーラス構造をなしており、表面上に複数の大凹部Ｐ１や小凹部群Ｐ２が形成されている。

回転密封環４の背面４２は摺動面Ｆ１よりも表面粗さが大きいことから、樹脂材が回転環保持具５の大凹部Ｐ１内及び小凹部群Ｐ２内に入り込み硬化されることとなり、回転密封環４と回転環保持具５とがアンカー効果により強い接合力が得られるようになっている。

尚、図３（ｃ）に示される、回転密封環４の外周面４１と回転環保持具５との接合部Ｂにおいても、外周面４１は摺動面Ｆ１よりも表面粗さが大きいことから、樹脂材から成型される回転環保持具５が大凹部Ｐ１内及び小凹部群Ｐ２内に入り込み硬化されることとなり、回転密封環４と回転環保持具５とがアンカー効果により強い接合力が得られるようになっている。

このように、回転環保持具５が回転密封環４の背面４２に接合されていることから、静止密封環６からの相対的な押圧力を回転密封環４の背面４２側で受けることができ、かつ軸方向の移動に対する剪断力を受けにくいことから、回転密封環４を強固に回り止めさせることができるようになっている。

また、回転密封環４の外周面４１と回転環保持具５との接合部Ｂ（図３（ｃ）参照）においても、回転密封環４の外周面４１は摺動面Ｆ１よりも表面粗さが大きいことから、樹脂材から成型される回転環保持具５が外周面４１に形成されている大凹部Ｐ１内及び小凹部群Ｐ２内に入り込み硬化されることとなり、アンカー効果により強い接合力が得られるようになっている。

また、回転環保持具５が回転密封環４の外周面４１に接合されていることから、回転環保持具５と一体化された回転密封環４が外周側から強固に回り止めされている。また、回転軸２の回転中心から半径距離が長い回転密封環４の外周面が回転環保持具５に接合されているので、より高い回り止め効果が得られる。

また、回転密封環４の外周面４１の全周面、すなわち面取り部４ａ，４ｃ（図２参照）の間が全周に亘って接合されているので、回り止め効果が高まるようになっている。

また、回転密封環４の、摺動面Ｆ１側の面取り部４ｃ（図１参照）が回転環保持具５よりも軸方向に向けて突出し露出されていることから、メカニカルシール１を組み付ける際に、回転環保持具５と静止環保持具７とが干渉しない。また、相手方密封環との摺動により密封環が摩耗したとしても、摺動面Ｆ１側の面取り部４ｃが軸方向に向けて突出し露出されていることから、回転環保持具５と静止環保持具７とが干渉しにくい。

また、回転密封環４の背面４２の全面、すなわち面取り部４ａ，４ｄの間の背面４２（図１参照）が全て回転環保持具５と接合されているので、静止密封環６からの相対的な押圧力を回転密封環４の背面４２側全面で受けることができ、かつ軸方向の移動に対する剪断力を受けにくいことから、回転密封環４を静止密封環６に対して強固に回り止めさせることができる。

また、回転密封環４と静止密封環６とは、双方ともに同じ樹脂材の保持具により保持されていることから、双方の保持具が気温や機内温度など略等しい条件下のもとで収縮や膨張することとなるので、摺動面Ｆ１，Ｆ２に応力をかけにくい。

また、回転環保持具５と、静止環保持具７とが樹脂により成型されていることから、金属材から成型された保持具よりも軽量であり、持ち運び易く組付け易い上、様々な被密封流体Ｌに対応できる。

また、回転密封環４と回転環保持具５とが一体成型されていることから、ノックピン等の回り止め防止機構の構造材を組み込む必要がなく、簡素な構造でメカニカルシール１を製作することができる。

図５は、回転密封環４の変形例１を示す回転密封環４０の斜視図である。回転密封環４０の外周面４１には、等間隔おきに軸方向に沿った凹溝４１ａが形成され、背面４２には放射状に延びる凹溝４２ａが形成されている。凹溝４１ａおよび凹溝４２ａが形成されていることで、樹脂により形成された回転環保持具５が凹溝４１ａと凹溝４２ａ内へ入り込み硬化することで、より高い回り止め効果を得られる。

このように、樹脂材から成型される回転環保持具５が回転密封環４０の外周面４１及び背面４２に形成されている大凹部Ｐ１内及び小凹部群Ｐ２内（図４参照）に入り込み硬化されることとなるのでアンカー効果により強い接合力が得られ、更に凹溝４１ａ，凹溝４２ａと回転環保持具５とが接合されるので、アンカー効果と凹凸による接合とによって、より高い回り止め効果が得られるようになっている。

また、上述した凹溝４１ａと４２ａのどちらか一方のみ形成させてもよいし、凹溝４１ａと凹溝４２ａを回転密封環のみならず静止密封環に形成させ静止密封環と静止環保持具とを一体的に成型させることとしてもよい。

更に、図５に示される回転密封環４０の背面４２と外周面４１の間に形成された面取り部４ｃに凹溝を形成させてもよい、面取り部４ｃに凹溝を形成させることで、より高い回り止め効果を得られるようになっている。

また、回り止めを効果向上させる例として、図５に示されるように凹溝４１ａ，４２ａを回転密封環４０の外周面４１と背面４２とに形成させることを説明したが、密封環の外周面及び背面の少なくともいずれか一方にブラスト処理を施した上で、密封環保持具と一体成型させることとしてもよい。

図６は、回転環保持具と静止環保持具の変形例を示す回転環保持具５１と静止環保持具７１の一部拡大断面図である。尚、変形例２における回転環保持具５１と静止環保持具７１とは略同一構造のため、回転環保持具５１のみ説明する。

変形例２における回転環保持具５１は、図３にて説明した金型３０の凹部３１の形状を一部変更し回転密封環４とともに一体成型されたものである。金型３０の凹部３１の形状が一部変更されたことにより、回転環保持具５１の外周前面５１ａは、回転密封環４の摺動面Ｆ１側の外周側の面取り部４ｃにおける中央部まで軸方向に延出して形成されている。

回転環保持具５１は、回転密封環４の背面４２と、該背面４２側の面取り部４ａと、外周面４１と、摺動面Ｆ１側の外周側の面取り部４ｃと、に亘って回転密封環４と接合されているので、より高い回り止め効果が得られるようになっており、メカニカルシール１を組み立てる際に、回転密封環４が軸方向に抜けにくくなっている。

図７（ａ）は、回転密封環の変形例３を示す斜視図であり、この変形例３における回転密封環１４０は、背面１４２から摺動面Ｆ１へ向けて切り欠かれた形状の切り欠き部１４３が形成されている。

切り欠き部１４３は、側面１４３ａ，１４３ｂ、底面１４３ｃ、奥端面１４３ｄにより区画され、軸方向断面視略凹状を成している。奥端面１４３ｄは外周面１４１に直交して連なっている。

回転密封環１４０を図示しない金型により回転環保持具１５１と一体成型させると、切り欠き部１４３には、図７（ｂ）に示されるように、成型時に樹脂が進入して硬化する。これにより、回転環保持具１５１の内周面の一部には、凸部１５１Ａが形成されることとなる。

凸部１５１ａは、切り欠き部１４３の、側面１４３ａ，１４３ｂ、底面１４３ｃ、奥端面１４３ｄにそれぞれ接合されている。このように、回転密封環１４０の切り欠き部１４３に、回転環保持具１５１の凸部１５１Ａが接合されているので、高い回り止め効果が得られるようになっている。

また、切り欠き部１４３の奥端面１４３ｄよりも摺動面Ｆ１側の外周面１４１は全周に亘り回転環保持具１５１の内周面と接合されることとなるので、回転密封環１４０と回転環保持具１５１との間の密封性が高い。

このように、樹脂材から成型される回転環保持具１５１が回転密封環１４０の外周面１４１と背面１４２とに形成されている大凹部Ｐ１内及び小凹部群Ｐ２内（図４参照）に入り込み硬化されることとなるのでアンカー効果により強い接合力が得られ、更に凸部１５１ａと切り欠き部１４３とが接合されるので、アンカー効果と凹凸による接合とによって、より高い回り止め効果が得られるようになっている。尚、切り欠き部１４３は上述した凹溝４１ａよりも回転密封環の径方向へ深く形成されているので、より強い回り止め効果を得られる。

また、回転密封環と回転環保持具とを備える回転側要素Ｒに切り欠き部と凸部とを形成させることとして説明したが、これに限られず、静止密封環と静止環保持具とを備える静止側要素Ｓに上述した切り欠き部と凸部とを形成させることとしてもよいし、回転側要素Ｒと静止側要素Ｓとの双方に切り欠き部と凸部とを形成させることとしてもよい。

また、図５に示される凹溝４１ａ，４２ａと、図７（ａ）に示される切り欠き部１４３とを単一の回転密封環に形成させてもよい。

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、前記実施例では、密封環が背面と外周面とに接合されていたが接合箇所はこれに限られず、例えば、外周面のみ、背面のみ、内周面のみ、内周面と背面、内周面と外周面、内周面と外周面と背面であってもよい。

また、回転密封環４と、静止密封環６とはセラミックスにより成型されていることとして説明したが、これに限られず、セラミックス以外の素材で成型された密封環を使用することとしてもよい。

また、回転環保持具５と、静止環保持具７とは樹脂材により成型されていると説明したがこれに限られず、それぞれ異なる樹脂材から成型させることとしてもよい。

また、インサイド型のメカニカルシールを例に説明がこれに限られず、アウトサイド型のメカニカルシールとしてもよい。

また、回転密封環４と、回転環保持具５とを一体的に成型する例について説明したが、製造方法はこれに限られず、回転密封環４の表面上に形成された大凹部Ｐ１や小凹部群Ｐ２に対して回転環保持具５の一部が入り込む方法であればよい。尚、静止密封環６と静止環保持具７とも同様である。

１ メカニカルシール
２ 回転軸
３ ハウジング
４ 回転密封環
５ 回転環保持具（保持部材）
６ 静止密封環
７ 静止環保持具（保持部材）
８ コイルスプリング
９ 被回転部材
２０ 金型
３０ 金型
３０Ａ 前面
３０Ｂ 支持部
３０Ｃ 底面
４０ 回転密封環
５０ 空間
５１ 回転環保持具（保持部材）
７１ 静止環保持具（保持部材）
１４０ 回転密封環
１４３ 切り欠き部
１５１ 回転環保持具（保持部材）
１５１Ａ 凸部
Ａ 接合部
Ｂ 接合部
Ｆ１ 摺動面
Ｆ２ 摺動面
Ｌ 被密封流体
Ｐ１ 大凹部
Ｐ２ 小凹部群
Ｒ 回転側要素
Ｓ 静止側要素
Ｔ 摺動部

Claims (4)

1. 回転軸に取り付けられる回転側要素に保持され該回転側要素とともに回転する回転密封環と、静止側要素に保持される静止密封環と、を有するメカニカルシールであって、
   少なくとも一方の前記密封環は、樹脂材の保持部材により保持されており、
   前記保持部材の素材の一部が、前記密封環の表面に形成されている凹部内部に進入して接合され、該保持部材が該密封環と一体成型されており、
   前記保持部材は、少なくとも一方の前記密封環の周面と、背面と、該周面及び該背面の間に施された面取り部と、に接合されているメカニカルシール。
2. 前記保持部材は、少なくとも一方の密封環の外周面に接合されている請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記保持部材が接合される前記密封環の表面の粗さは、前記密封環の摺動面の粗さよりも大きい請求項１または２に記載のメカニカルシール。
4. 前記回転密封環と前記静止密封環とは、双方ともに同じ樹脂材の保持部材により保持されている請求項１ないし３のいずれかに記載のメカニカルシール。

Images