JP7419176B2 - 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、摺動面に生じる摩擦を低減するとともに被密封流体の漏れを防ぐ機能を有している。

一般的な静止型のメカニカルシールは、特許文献１に示されるように、ハウジングに固定された保持部材に保持された静止密封環と、回転軸に外装固定された筒状のスリーブとともに回転する回転密封環とを備え、密封環同士の相対摺動時において、静止密封環と回転密封環の摺動面間に被密封流体である液体の液膜が形成されることによって潤滑性の向上を図っている。（特許文献１参照）

特開２０１６－１２５５９７号公報（第１頁、第２図）

ところで、メカニカルシールは精密機器であることから、定期的に点検を行う必要があり、メカニカルシールの摺動面を点検するには、被密封流体をドレン口から排出した後、固定ボルト等を外して静止側要素を機外側に向けて移動させて、機内側の回転側要素から離間させるようにしている。

静止密封環の摺動面と回転密封環の摺動面は平滑であり、かつ両摺動面間には被密封流体である液体が介在している状態となっている。この状態で静止側要素を回転側要素から離間するように機外側へ向けて移動させた場合、摺動面同士が吸着した状態で、静止密封環の移動に伴い回転密封環が追従してしまうことがあった。また、スリーブ外周と静止側要素内周との間は狭い空間であるから、静止側要素を回転側要素から離間するように機外側へ向けて移動させた場合、該空間が相対的に負圧となって、回転密封環の追従を助長することもあった。

このように、回転密封環が静止密封環とともに機外側へ移動されることとなり、回転密封環が回転密封環を保持する保持部材から脱落し、スリーブ外周面やケーシング内周面に衝突し破損する虞があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、静止側要素を回転側要素から分離する際において、回転密封環が静止密封環に追従離脱することを確実に防止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、
回転機器の回転軸に取り付けられるスリーブとともに回転する回転密封環と、ハウジング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、
前記スリーブには、外径方向に突出する突状部が形成されており、
前記回転密封環は、前記突状部に当接することで、前記軸方向への移動が規制されるものである。
これによれば、メカニカルシールの静止側要素を回転側要素から分離する際において、静止密封環に追従しようとする回転密封環が、スリーブに形成された突状部に当接し軸方向の移動を規制されるので、回転密封環が静止密封環に追従離脱することを確実に防止できる。

前記回転密封環は前記静止密封環へ向けて傾斜する傾斜面を備えており、前記突状部は前記傾斜面に傾斜状態で当接する傾斜面を備えている。
これによれば、回転密封環と突状部との傾斜面同士が当接することで衝撃力の一部は径方向に逃がされることから、当接による衝撃が緩和される。

前記回転密封環は、背面側から２次シールを介して保持部材に保持されており、
前記回転密封環は、前記２次シールにより背面側の密封状態が維持されたまま前記突状部に至る軸方向への移動が許容されている。
これによれば、回転密封環が移動し突状部に当接した際、回転密封環の背面側の空間が２次シールにより密封されているので、被密封流体が導入される外径側室からの流体が前記空間に流入せず前記空間に気圧の急激な変化が生じにくい。

前記回転密封環の内周面と前記スリーブの外周面との間には弾性部材が介在している。
これによれば、回転密封環が突状部に当接するまで軸方向へ移動する際に、回転密封環の内周面がスリーブの外周面に直接接触することを防ぐ緩衝機能を有する。

前記スリーブには、内径側に凹む環状の凹溝が形成されており、
前記静止密封環及び前記スリーブの間の内径側室と前記凹溝とを連通する連通孔が形成されている。
これによれば、回転密封環が静止密封環側に移動した際に、連通孔によって凹溝内へも気体の移動が許容されるので、内径側室に生じる負圧が軽減される。

前記弾性部材は、前記内径側室と前記凹溝の間に配設されている。
これによれば、弾性部材は内径側室と凹溝の気体の連通を妨げることなく、回転密封環の内周面とスリーブの外周面との間の緩衝機能を発揮可能となっている。

本発明の実施例１のメカニカルシールの構造を示す断面図である。 スリーブと静止密封環と回転密封環を示す一部拡大断面図である。 静止側要素を回転側要素から離間させる態様を示す模式図である。 （ａ）は所定位置に配置された静止密封環と回転密封環とを示す一部拡大断面図であり、（ｂ）は分解時に回転密封環が静止密封環側に追従して移動する態様を示す模式図であり、（ｃ）は回転密封環が突状部に当接し静止密封環と回転密封環が離間した態様を示す模式図である。 本発明の実施例２におけるメカニカルシール構造を示す一部拡大断面図である。 （ａ）は所定位置に配置された静止密封環と回転密封環とを示す一部拡大断面図であり、（ｂ）は分解時に回転密封環が静止密封環側に追従して移動する態様を示す模式図であり、（ｃ）は回転密封環が突状部に当接し静止密封環と回転密封環が離間した態様を示す模式図である。 本発明の実施例３におけるメカニカルシール構造を示す一部拡大断面図である。 本発明の実施例４におけるメカニカルシール構造を示す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。以下、図１の紙面左側を大気領域である機外側、紙面右側を被密封流体領域である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、ボルト１２とナット１３によってハウジング３に固定されるフランジ１０と、該フランジ１０とハウジング３と間に配設される環状のカラー１４と、該カラー１４に配設されるコイルスプリング１５と、該コイルスプリング１５の押圧力を静止環保持部材７０の背面側に伝達するコンプレッションリング１６と、該コンプレッションリング１６から回転密封環６に向けて押圧される静止環保持部材７０に保持された静止密封環７と、から主に構成されている。

回転側要素Ｒは、回転軸２に固定リング１７により固定される円筒状のスリーブ４と、該スリーブ４の外周側に取り付けられる回転環保持部材５と、該回転環保持部材５に保持される回転密封環６と、から主に構成されている。

図２に示されるように、本実施例のメカニカルシール１は、回転密封環６が備える摺動面Ｆ１と、静止密封環７が備える摺動面Ｆ２とで形成される摺動部Ｔの外径側の外径側室２１から摺動部Ｔの内径側の内径側室２０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である。

回転密封環６には、側面６１よりも軸方向に突出する、環状の凸部６２が形成されており、該凸部６２の静止密封環７と対向する対向面が平坦に形成された摺動面Ｆ１となっている。

回転密封環６は、背面６０側に切り欠き部６５が形成されており、回転環保持部材５から軸方向に向けて延出するピン５０が係合することで回転軸２の回転力が伝達されるようになっている。また、回転密封環６の背面６０には、回転環保持部材５に配設された二次シールとしてのＯリング７１が介在しており、外径側室２１の被密封流体Ｌが回転密封環６の背面６０を通じて、回転密封環６の内周面６４側に回り込み大気側の内径側室２０へ漏出することが防止されている。

また、内周面６４の機外側端部には、外径側かつ側面６１側に向けて傾斜して形成された環状の傾斜面６６と、該傾斜面６６の機外側端部から軸方向に延び側面６１に直交して連なる周面６７とが形成されている。

スリーブ４には外径側に突出する環状の突状部４０が形成されている。突状部４０は、後述する傾斜面４１と、周面４２と、傾斜面４３とにより区画されている。

スリーブ４の外周面３４は、メカニカルシール１が組み付けられた状態で、回転密封環６の内周面６４と僅かに離間して対向する平坦な周面４Ａと、該周面４Ａの機外側端から外径側かつ機外側に向けて傾斜した環状の傾斜面４１と、該傾斜面４１の機外側端部から機外側に向けて延びる周面４２と、該周面４２の機外側端部から延出され内径側かつ機外側に向けて傾斜した傾斜面４３と、該傾斜面４３の機外側端部から延出され周面４Ａよりも内径側に形成された周面４Ｂと、から主に構成されている。

スリーブ４の突状部４０における傾斜面４１と、回転密封環６の傾斜面６６とは、メカニカルシール１が組み付けられた状態で、略平行かつ離間するように配置されている。

図１に戻り、メカニカルシール１の静止密封環７の摺動面Ｆ２の点検について説明する。外径側室２１に密封されている被密封流体Ｌを図示しないドレン口から排出した後、静止側要素Ｓのナット１３を緩めハウジング３からフランジ１０を外す。その後、図３に示されるようにカラー１４を把持し、カラー１４とコイルスプリング１５とコンプレッションリング１６と静止環保持部材７０と静止密封環７とからなる静止環ユニットＵを機外側に向けて移動させる。このように、静止密封環７を機外側の空間に移動させて、目視等により摺動面Ｆ２を点検している。尚、回転密封環６から静止密封環７を離間させる詳細手順は後述する。

静止密封環７の摺動面Ｆ２と回転密封環６の摺動面Ｆ１は平滑である。また、被密封流体Ｌをドレン口から排出させた後においても、摺動面Ｆ１，Ｆ２間には被密封流体Ｌである液体が介在している。後述するが、一方側の密封環が移動すると、摺動面同士が吸着し、他方側の密封環も一方側の密封環に追従して移動してしまうことがある。特に摺動面間に液体が介在していると摺動面同士が吸着しやすい。

また、図３に示されるように、静止環ユニットＵのカラー１４の内周面１４Ａと、スリーブ４の周面４Ｂとは、径方向に近接しており、かつ径方向に近接している軸方向の長さが長尺であることから、静止環ユニットＵを機外側に向けて移動させると内径側室２０（図２参照）に負圧が生じ易くなっている。

以下、回転密封環６から静止密封環７を離間させる詳細手順について説明する。図４（ａ）は、メカニカルシール１を分解し点検するために、被密封流体Ｌをドレン口から排出させた状態を示している。静止側要素Ｓの静止環ユニットＵを機外側へ向けて移動させた場合、摺動面Ｆ１，Ｆ２同士が吸着した状態で、静止環ユニットＵの移動に伴い回転密封環６が静止密封環７に追従する。

更に静止環ユニットＵを移動させると、図４（ｂ）に示されるように、回転密封環６はスリーブ４の突状部４０に当接する。

詳細には、回転密封環６の傾斜面６６が、スリーブ４に形成された突状部４０の傾斜面４１に当接することで、回転密封環６は機外側への移動を規制される。このことから、回転密封環６が静止密封環７に追従移動しても、回転密封環６が回転環保持部材５から離脱することを確実に防止できる。

また、傾斜面４１，６６同士が当接することから、回転密封環６とスリーブ４との当接による衝撃力の一部は径方向に逃がされることとなり、当接による衝撃が緩和されるようになっている。さらに、傾斜面４１，６６は平行であることから、当該緩和作用に優れる。

また、回転密封環６が機外側に移動することで、Ｏリング５１が回転密封環６の背面６０に当接したまま僅かに軸方向に伸張し、Ｏリング５１の内径側と回転密封環６の背面６０と回転環保持部材５との間に空間２３が形成され、Ｏリング５１の外径側と回転密封環６の背面６０と回転環保持部材５との間に空間２４が形成される。空間２３は、内径側室２０と連通しており、空間２４は、外径側室２１と連通している。

回転密封環６は、Ｏリング５１によって背面６０側の密封状態が維持されたまま突状部４０に至る軸方向への移動が許容されており、回転密封環６が移動し突状部４０の傾斜面４１に当接した際、回転密封環６の背面６０側の空間２３と空間２４がＯリング５１により密封されている。これにより、外径側室２１からの流体が空間２４を通じて空間２３に流入せず、回転密封環６が静止密封環７側に移動されるにつれ空間２３の負圧が高まるようになっている。空間２３に生じる負圧により、回転密封環６には回転環保持部材５側への力が作用することから、摺動面Ｆ１と摺動面Ｆ２とを離間させやすいようになっている。

図４（ｂ）の状態から、更に静止環ユニットＵを機外側に移動させると、突状部４０による規制力が摺動面Ｆ１と摺動面Ｆ２との間の吸着力を上回り、摺動面Ｆ１，Ｆ２同士の吸着状態が解除され、図４（ｃ）に示されるように摺動面Ｆ１とＦ２とが離間された状態となる。

次に、実施例２に係るメカニカルシールにつき、図５を参照して説明する。尚、前記実施例１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。

図５に示されるように実施例２に関わるメカニカルシール１１は、実施例１におけるスリーブ４の形状を変更し、機内側の周面４Ａに環状の凹溝４６が形成され、該凹溝４６と内径側室２０とが連通孔４５によって連通されたスリーブ４４を用いている。

凹溝４６は外径側から内径側に向けて断面略台形を成しており、機外側側面４７、底面４８、機内側側面４９と、により区画されて構成されている。機外側側面４７と機内側側面４９とは、底面４８から外径側に向けて拡がるように傾斜しており、凹溝４６の容積が大きくなるように形成されている。

凹溝４６と内径側室２０とは、連通孔４５により連通されている。詳しくは、連通孔４５は、機外側側面４７からスリーブ４４の内径側かつ機外側に向けて傾斜されて穿設された穴４５ａと、傾斜面４３からスリーブ４４の内径側かつ機内側に向けて傾斜されて穿設された穴４５ｂとが連結されて構成されている。

連通孔４５は、傾斜して穿設された穴４５ａと穴４５ｂとにより軸方向断面視略Ｖ字形に形成されていることから、連通孔４５の容積は大きい。

図６（ａ）は、メカニカルシール１１を分解し点検するために、被密封流体Ｌをドレン口から排出させた状態を示している。静止側要素Ｓの静止環ユニットＵを機外側へ向けて移動させた場合、摺動面Ｆ１，Ｆ２同士が吸着した状態で、静止環ユニットＵの移動に伴い回転密封環６が静止密封環７に追従する。

図６（ｂ）に示されるように、摺動面Ｆ１，Ｆ２同士が吸着した状態で、静止環ユニットＵの静止密封環７が機外側に移動されると、回転密封環６が静止密封環７に追従し機外側へ移動する。

このように、静止環ユニットＵを機外側に向けて移動させると、凹溝４６内の大気が連通孔４５を通じて内径側室２０側へ移動し、内径側室２０に生じる負圧が軽減されるようになっている。

図６（ｂ）に示される回転密封環６がスリーブ４の突状部４０に移動を規制されている状態から、更に静止環ユニットＵを機外側に移動させると、内径側室２０に空間２５が連通されていることから、内径側室２０に負圧が生じにくく、スムーズに摺動面Ｆ１，Ｆ２同士の吸着状態が解除され、図６（ｃ）に示される摺動面Ｆ１とＦ２とが離間された状態となる。

また、静止環ユニットＵの点検後、再度実施例２の静止環ユニットＵを組み付ける際においても、スリーブ４４に形成された凹溝４６と連通孔４５に大気の移動が許容されるようになっていることから、ハウジングとスリーブ４４との間に形成されている内径側室２０内の空気が圧縮されて組み付けを阻害することが防止されている。

次に、実施例３に係るメカニカルシールにつき、図７を参照して説明する。尚、前記実施例１および２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。

図７に示されるように実施例３に関わるメカニカルシール１１１は、実施例２におけるスリーブ４４の形状を変更し、軸方向における突状部４０と凹溝４６の間に、環状の浅溝９１が形成され、該浅溝９１内に弾性部材としてのＯリング９０が配設されるスリーブ１４４となっている。

浅溝９１内にＯリング９０が配設されていることで、メカニカルシール１１１の分解時において、回転密封環６が突状部４０に当接するまで軸方向へ移動された際に、回転密封環６の内周面６４がスリーブ１４４の外周面１４４Ａに直接接触することを防ぐようになっており、緩衝機能を奏するようになっている。

また、Ｏリング９０は、内径側室２０と凹溝４６の間に配設されていることから、Ｏリング９０が内径側室２０と凹溝４６の気体の連通を妨げることがない。

次に、実施例４に係るメカニカルシールにつき、図８を参照して説明する。尚、前記実施例１～３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。

図８に示されるように実施例３に関わるメカニカルシール２１１は、実施例１におけるスリーブ４の形状を変更し、突状部の機外側端部が鉛直方向に垂下する機外側側面１４０Ａを備える突状部１４０となっている。また、突状部１４０よりも機内側に、軸方向断面視略凹状の環状の浅溝１４６が形成されている。

また、機外側側面１４０Ａから軸方向機内側へ向けて直線的に穴１４５ａが穿設され、更に浅溝１４６の底面から鉛直方向に穴１４５ｂが穿設されていることで、穴１４５ａと穴１４５ｂが接続され、連通孔１４５が形成されたスリーブ２４４となっている。

連通孔１４５により、浅溝１４６と内径側室２０とが連通されており、連通孔１４５と浅溝１４６とによって内径側室２０内の負圧を軽減させるようになっている。

以上、本発明の実施例１～４を図面とともに説明してきたが、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１～４では、回転密封環６が回転環保持部材５に保持されていたがこれに限られず、例えば、回転環保持部材５の構成を省略し、スリーブが直接回転密封環を保持するメカニカルシールであってもよい。

また、前記実施例１～４では、インサイド型のメカニカルシールを例に説明したがこれに限られず、アウトサイド型のメカニカルシールとしてもよい。

また、前記実施例１～４では、機外側に静止密封環が配設されているメカニカルシールを例に説明したが、これに限られず、機内側に静止密封環が配設されているメカニカルシールであってもよい。

また、前記実施例１～４では、突状部４０が回転密封環６の内周面６４の傾斜面６６に対して当接することで軸方向への移動が規制されることを例に説明したがこれに限られず、突状部４０が回転密封環６の側面６１に当接することで軸方向への移動が規制されるものであってもよい。

また、前記実施例１～４では、突状部４０の傾斜面４１に回転密封環６の内周面６４の傾斜面６６が当接して軸方向への移動が規制されるもの、すなわち傾斜面同士が当接するものを例に説明したがこれに限られず、回転密封環６の軸方向への移動を規制できればよく、突状部４０のみ傾斜面を備えることとしてもよいし、回転密封環６の内周面６４のみが傾斜面を備えることとしてもよいし、突状部４０と回転密封環６との双方ともに傾斜面を備えず径方向面同士が当接するものであってもよい。

１ メカニカルシール
２ 回転軸
３ ハウジング
４ スリーブ
５ 回転環保持部材（保持部材）
６ 回転密封環
７ 静止密封環
１１ メカニカルシール
１４ カラー
１５ コイルスプリング
１６ コンプレッションリング
２０ 内径側室
２１ 外径側室
３４ 外周面
４０ 突状部
４１ 傾斜面
４３ 傾斜面
４４ スリーブ
４５ 連通孔
４６ 凹溝
５１ Ｏリング（２次シール）
７０ 静止環保持部材
９０ Ｏリング（弾性部材）
１１１ メカニカルシール
１４０ 突状部
１４４ スリーブ
１４５ 連通孔
１４６ 浅溝
２１１ メカニカルシール
２４４ スリーブ
Ｆ１ 摺動面
Ｆ２ 摺動面
Ｌ 被密封流体
Ｒ 回転側要素
Ｓ 静止側要素
Ｕ 静止環ユニット

Claims (6)

1. 回転機器の回転軸に取り付けられるスリーブとともに回転する回転密封環と、ハウジング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、
   前記スリーブには、外径方向に突出する突状部が形成されており、
   前記回転密封環と前記突状部の少なくとも一方は、前記静止密封環側に向けて内径側から外径側に傾斜する傾斜面を備えており、
   前記回転密封環は、前記傾斜面を介して前記突状部に当接することで、前記軸方向への移動が規制されるメカニカルシール。
2. 前記回転密封環及び前記突状部の双方が前記傾斜面を備えており、前記突状部の傾斜面は、前記回転密封環の傾斜面に傾斜状態で当接する請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記回転密封環は、背面側から２次シールを介して保持部材に保持されており、
   前記回転密封環は、前記２次シールにより背面側の密封状態が維持されたまま前記突状部に至る軸方向への移動が許容されている請求項１または２に記載のメカニカルシール。
4. 前記回転密封環の内周面と前記スリーブの外周面との間には弾性部材が介在されている請求項１ないし３のいずれかに記載のメカニカルシール。
5. 前記スリーブには、内径側に凹む環状の凹溝が形成されており、
   前記静止密封環及び前記スリーブの間の内径側室と前記凹溝とを連通する連通孔が形成されている請求項１ないし４のいずれかに記載のメカニカルシール。
6. 前記スリーブには、内径側に凹む環状の凹溝が形成されており、
   前記静止密封環及び前記スリーブの間の内径側室と前記凹溝とを連通する連通孔が形成されており、
   前記弾性部材は、前記内径側室と前記凹溝の間に配設されている請求項４に記載のメカニカルシール。

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