JPH0293174A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、従動リングとシールプレートとの摺接によっ
て液密を保つようにしたメカニカルシールに関する。

「従来の技術」 従来のメカニカルシールの一例として、カーボン族の従
動リングとセラミック族のシールプレートとを備えたも
のが知られている。そして−数的には、それらの摺接面
をそれぞれ軸方向に対して垂直なフラット面に形成して
いるが、従動リング側の摺接面を、その摺接面の外周側
を内周側よりも突出させた外商の傾斜面としたものも知
られている。

「発明が解決しようとする課題」 ところで、メカニカルシールにおいては、低速回転時に
いわゆる鳴きと称する異音が発生し易く、従来からその
ような異音の発生を防止するために種々の努力が払われ
てきたが、安価かつ確実に異音の発生を防止することは
困難であった。

「課題を解決するための手段」 本発明はそのような事情に鑑み、上記シールプレートと
従動リングとの少なくとも一方の摺接面を、その摺接面
の半径方向の一部が他部よりも軸方向に突出した傾斜面
又は湾曲面から構成し、かつ該摺接面の表面粗さを上記
軸方向への最大突出量より大きく設定したものである。

「作用」 上記構成によれば、従来に比較して安価かつ効果的に異
音の発生を抑制することが可能となる。

すなわち、先ず、上記シールプレートと従動リングとの
摺接面をフラット面とし、かつ表面粗さを大小に変化さ
せた場合の影響について述べると、この場合には表面粗
さが小さいほど密封流体の漏れ量が少なくなるが、その
反面、両摺接面間に導入される密封流体の量が少なくな
フて摩擦トルクが増大し、異音が発生するようになる。

他方、表面粗さを大きくした場合には、摺接面間への密
封流体の供給量が増大するので摩擦トルクが減少し、異
音の発生を抑制することができるが、その反面、洩れ量
が増大するようになる。

これに対し、従動リングの摺接面を傾斜面とした場合に
は、その摺接面をフラット面とした場合に比較して接触
面圧を増大させることができるのて、より効果的に密封
流体の漏れを防止することができ、しかも傾斜面間に密
封流体を滞溜させることができるので、異音の発生も抑
制することができる。

しかしながら従来は、傾斜面の表面粗さを小さくするよ
うに製造しており、その表面粗さは傾斜面の傾斜量より
も小さくなっていた。その結果、特に初期摩耗によって
傾斜面の一部が摩耗されてフラット面となると、このフ
ラット面の表面粗さは摩耗前の表面粗さよりも一層小さ
いものとなるので、摺接面全域をフラット面としたもの
と同様な理由から、異音が発生するようになっていた。

これに対し本発明においては、摺接面を傾斜面又は湾曲
面から構成し、かつ該摺接面の表面粗さを上記軸方向へ
の最大突出量より大きく設定しているので、特に初期摩
耗によって摺接面の突出部分が摩耗されてフラット面が
形成されても、そのフラット面の表面粗さを大きい状態
に維持することができる。そしてこれによってフラット
面における密封流体の供給量を大きいままに維持するこ
とができるので、異音の発生を効果的に抑制することが
できる。そしてまた、上記フラット面の接触面圧は、全
体をフラット面から構成した場合の接触面圧よりも大き
いので、その部分の表面粗さが大きくても従来に比較し
て効果的に密封流体の漏れを防止することができるよう
になる。

［実施例］ 以下、本発明をクォータポンプ用メカニカルシールに適
用した実施例について説明すると、第１図において、カ
ーボン族の従動リング１を摺動自在に設けたケース２は
、その軸部の筒状部３とこの筒状部３に連続して半径方
向外方に延びる壁部４と、この壁部４の外周から上記筒
状部３の方向に延びる外方筒状部５と、この外方筒状部
５に連続して半径方向外方に延びるフランジ部６とから
成っている。

上記外方筒状部５の外周にはシール部材７としてのゴム
をコーティングしてあり、該シール部材７により、上記
外方筒状部５をハウジング８に嵌合した際の液密を保持
している。

上記従動リング１はケース２の筒状部３の外周に軸方向
に摺動自在に嵌装してあり、その筒状部３の先端部等間
隔位置に半径方向外方に突出する突起ｌＯを形成すると
ともに、従動リング１の内周面にその突起１０に係合す
る係合溝１１を形成して両者を相互に係合させることに
より、ケース２に対する従動リング１の軸方向の摺動は
許容するが、両者が相対的に回転するのは阻止している
。

そして上記従動リング１の右端面とケース２の壁部４の
左端面との間にシール部材１２を配設してこれを各端面
に密着させることにより、従動リング１とケース２との
間の液密を保持している。

上記筒状部３の軸部には回転軸１５を貫通させてその先
端部にウォータポンプを構成するインペラ１６を取付け
てあり、このインペラ１６にシートパツキン１７を介し
てセラミック製のシールプレート１８を取付けている。

そして、上記シール部材１２の従動リング１側接着部に
リテーナ１９を当接させるとともに、このリテーナ１９
とシール部材１２の壁部４側接着部との間にコイルばね
２０を弾装し、このコイルばね２０の弾撥力で上記従動
リング１をシールプレート１８に摺動自在に弾接させて
、密封流体としての水がその摺接面２１の外周から内周
へ漏れるのを防止するようにしている。

然して本実施例においては、第２図に誇張して示すよう
に、従動リング１の摺接面２１をその半径方向の外周縁
部が内周縁部よりも軸方向に突出した外商の傾斜面から
構成し、かつ該摺接面２１の平均表面粗さＸを、上記軸
方向への最大突出量Ｙよりも大きく設定している。

第３図ないし第５図はそれぞれ本発明の他の実施例にお
ける摺接面形状を示したもので、第３図のものは第２図
とは逆に内高の傾斜面を形成したもの、第４図のものは
凹状の湾曲面を形成したもの、さらに第５図のものは凸
状の湾曲面を形成したものである。これらの実施例にお
いても、各摺接面２１の平均表面粗さＸを最大突出量Ｙ
よりも大きく設定していることは勿論である。

上記平均表面粗さＸと最大突出量Ｙとの具体的な大きさ
は、摩擦トルクの増大を抑制し、かつ密封流体の漏れ量
の増大を抑制するためには、摺接面２１の平均表面粗さ
Ｘが最大突出量Ｙより大きいという条件を満たした上で
、上記最大突出量Ｙを０．１〜２．０　μｍ、平均表面
粗さＸをＲｚ値で０．５〜３．０μｍの範囲に設定する
のが良く、より望ましくは、最大突出量Ｙを０．３〜１
．０μｍ、平均表面粗さＸを０．７〜２．０μｍの範囲
に設定するのが良い。

次に、本発明の効果を実験結果に基づいて説明する。先
ず、第６図、第７図および第８図で示す各実験結果に関
してそれぞれの試験条件等を説明すると、第６図の実験
結果は、次の試験条件で摩擦トルクを測定したものであ
る。

（試験条件） 試験機：リングオンリング型スラストテスタ従動リング
とシールプレートの密着荷重：５Ｋｇ両者の滑り速度：
　　０．２ｍ　／ｓｅｃシール液：水 試験時間：３時間 また第６図において、本発明品１は第２図に示した外商
の傾斜面を有する従動リング１を用いたもので、平均表
面粗さＸを１．３μｍ、最大突出量Ｙを０．５μｍとし
たもの、本発明品２は第３図に示した内高の傾斜面を有
する従動リング１を用いたもので、平均表面粗さＸをり
、Ｓμｍ、最大突出量Ｙを０．５μｍとしたもの、本発
明品３は第４図に示した凹状の湾曲面を有する従動リン
グ１を用いたもので、平均表面粗さＸを０．７μｍ、最
大突出量Ｙを０．３μｍとしたもの、さらに本発明品４
は第５図に示した凸状の湾曲面を有する従動リング１を
用いたもので、平均表面粗さＸを０．６μｍ、最大突出
量Ｙを０．５μｍとしたものである。

他方、比較量１は摺接面を軸方向に対して垂直なフラッ
ト面に形成した従動リングを用いたもので、平均表面粗
さＸを０．５μｍと大きく設定したものである。この場
合には、突出量Ｙは零であることは勿論である。

また、比較量２は第２図に示した外商の傾斜面を有する
従動リングを用いたもの、比較量３は第３図に示した内
高の傾斜面を有する従動リングを用いたものであるが、
本発明品１〜４とは異なり、それぞれ平均表面粗さＸを
０．２μｍ、最大突出量Ｙを０．３μｍとして、平均表
面粗さＸよりも最大突出量Ｙの方が大きくなるように設
定したものである。

上記本発明品１〜４および比較量１〜３の各従動リング
は、それぞれフェノール樹脂５０ｗｔ％、グラファイト
５５ｗｔ％、クレー２０冑ｔ％からなるカーボン材料を
用いた。他方、シールプレートは、本発明品３．４につ
いてのみ真直度が０．２μｍのステンレス材を用い、そ
の他のものは真直度が０．１μｍのアルミナからなるセ
ラミック材を用いた。

そして、本試験の試験時間を３時間としたのは、３時間
が経過する以前に初期摩耗が終了し、以後は安定した状
態となるからである。

次に、第７図に示す実験結果は、第６図の試験条件に基
づいて平均表面粗さと摩擦トルクとの関係を測定したも
ので、資料としては上述した本発明品１に類似した本発
明品１゛と比較量１とを使用し、それらの平均表面粗さ
を種々に変化させている。上記本発明品１′は、平均表
面粗さを小さくすることを考慮して、発明品１の最大突
出量を０．２μｍに設定しもので、その他は発明品１と
同である。

また摩擦トルクの大きさは、試験開始後３時間を経過し
た際の摩擦トルクの大きさを示している。

さらに第８図は、平均表面粗さと水の漏れ量との関係を
示したもので、第７図の実験で用いた本発明品１°、す
なわち最大突出量を０．２μｍに設定した本発明品１°
と、比較量１とを用いた。

この実験の試験条件は次のとおりである。

（試験条件） 試験機　シールテスタ シール液　水 滑り速度　５ｍ／ｓｅｃ 試験時間　５０時間 第６図の実験結果に示されているように、実験開始直後
には本発明品１〜４と比較量１〜３とで摩擦トルクの大
きさに大きな差はないが、試験時間が経過して初期摩耗
が生じると、比較量１〜３の摩擦トルクが最初の値から
２倍はどの大きさに増大して異音か発生することが認め
られた。これに対し、本発明品１〜４についてはさほど
摩擦トルクが増大せず、異音の発生は認められなかった
。

また第７図から理解されるように、本発明品１゛と比較
量１とは、平均表面粗さが大きければ摩擦トルクの大き
さにそれほどの差がないが、平均表面粗さが小さくなる
と徐々にその差が大きくなり、比較量１では摩擦トルク
の絶対値が大きくなって異音が発生し易くなる。

したがって、第７図の実験結果からすれば、数的には平
均表面粗さを充分に大きくしておけば、初期摩耗の終了
後であっても摺接面間への充分な密封流体の供給量を確
保して摩擦トルクを減少させることができ、それによっ
て異音の発生を抑制することができる。そして最大突出
量を０．２μｍに設定した本発明品１′では、平均表面
粗さを小さくした場合、平均表面粗さがその最大突出量
よりも大きいうちは摩擦トルクはさほど増大はしていな
いが、それよりも小さくなると、つまり比較量２に相当
するようになると、比較量１よりも絶対値は小さいとし
ても急激に摩擦トルクが増大する。

また第８図の実験結果によれば、比較量１では平均表面
粗さが大きくなると急激に密封流体の漏れ量が増大する
が、本発明品１′ではそれほど急激に密封流体の漏れ量
は増大しておらず、これは本発明品１′の方が接触面圧
が高いためであると考えられる。

つまり、第６図ないし第８図の実験結果を総合的に観察
すると、外商等の摺接面を有するものは、フラット面を
有するもの（比較量１）に対して一般に摩擦トルクが小
さく、フラット面のもので同等の摩擦トルクを得るには
、比較例１で示すように、平均表面粗さを０．５μｍと
かなり大きく設定する必要がある（第６図の試験開始直
後の摩擦トルク値参照）。

しかしながら、上記比較量１において平均表面粗さをそ
のような値とすると、密封流体の漏れ量が大きくなって
実用に供することができなくなる（第８図参照）。した
がって密封流体の漏れ量を減少させるために、従来一般
には、平均表面粗さが小さくなるように設定するのが普
通である。

他方、上述したように、外商等の摺接面を有するものは
、平均表面粗さの大小にあまり影響されずに小さな摩擦
トルクが得られており（第６図の試験開始直後の摩擦ト
ルク値参照）、これは外商等の傾斜面間に密封流体を滞
溜させることができるからであると考えられる。

しかしながら、初期摩耗が進むと、外商または内高形状
を有する比較量２．３であフても、本発明品１〜４に比
較して、摩擦トルクが増大している。これは、比較量２
．３については密封流体の漏れ量を減少させるために平
均表面粗さを小さく製造し、その平均表面粗さが傾斜面
の最大突出量よりも小さくなっていたからである。

すなわち、平均表面粗さを傾斜面の最大突出量よりも小
さくした場合には、特に初期摩耗によって傾斜面の一部
が摩耗されてフラット面となると、このフラット面の平
均表面粗さは摩耗前の平均表面粗さよりも一層小さいも
のとなるので、摺接面全域をフラット面としたものと同
様な理由から（第７図参照）、摩擦トルクが増大すると
考えられる。

特に初期摩耗の程度がひどく、傾斜面のほぼ全域がフラ
ット面となった場合を考えたとき、平均表面粗さが傾斜
面の最大突出量よりも小さい場合には、平均表面粗さよ
りも深い部分の基材が完全に露出するため、その部分の
平均表面粗さはかなり小さくなり、摩擦トルクが急激に
増大するようになる。

これに対し本発明品１〜４においては、摺接面の平均表
面粗さを最大突出量より大きく設定しているので、初期
摩耗によってフラット面が形成されても相対的に充分に
大きい平均表面粗さを確保することができ、したがって
摩擦トルクを小さいままに維持することができる。そし
て密封流体の漏れについては、第８図に示すように、平
均表面粗さが比較的大きくても、効果的に密封流体の漏
れを防止することができる。

なお、上記実施例では従動リング１の摺接面を傾斜面又
は湾曲面としているが、これとは逆にシールプレート１
８側に傾斜面又は湾曲面を形成しても良い。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、安価かつ効果的に異音
の発生を抑制することができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は第１
図の要部を誇張して示す断面図、第３図ないし第５図は
それぞれ本発明の他の実施例を示す第２図と同様な断面
図、第６図および第７図はそれぞれ平均表面粗さと摩擦
トルクとの関係を測定した実験結果を示す図、第８図は
平均表面粗さと密封流体の漏れ量との関係を測定した実
験結果を示す図である。 １・・・従動リング　　　　２・・・ケース１５−・・
回転軸　　　　　　１６−・・インペラ１８・・・シー
ルプレート　　２１−１’ｊｆｉ接面Ｘ・・・平均表面
粗さ　　　Ｙ・・・最大突出量第　　１ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シールプレートと従動リングとを摺接させて液密を保持
   するようにしたメカニカルシールにおいて、上記シール
   プレートと従動リングとの少なくとも一方の摺接面を、
   その摺接面の半径方向の一部が他部よりも軸方向に突出
   した傾斜面又は湾曲面から構成し、かつ該摺接面の表面
   粗さを上記軸方向への最大突出量より大きく設定したこ
   とを特徴とするメカニカルシール。