JPH0518532Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、流体機械等において、その回転軸や
往復動軸などがケーシングを貫く部分に設けられ
るメカニカルシールに関する。

〔従来の技術〕

高圧高温流体を有効に密封するメカニカルシー
ルとして、ケーシングに固定した静止密封環と回
転軸に同時に回転可能に固定した回転密封環とを
密封端面において接面圧力を生じさせた状態で摺
接させるようにしたメカニカルシールが知られて
いる。

ところで、この種のメカニカルシールにおいて
は、前記密封端面の潤滑性を確保するため、この
密封端面間に密封流体による流体膜を形成するよ
うにしている。しかし、密封端面が単に平板な面
に形成されているだけであると、この密封端面が
摩擦熱の影響で高温化したとき、前記流体膜が蒸
発して膜切れを起こすため、潤滑性が低下して密
封端面の摩擦トルクが増大し、異常摩擦が発生す
るおそれがある。このため、従来においては、密
封端面に各種溝を加工したり、密封端面を形成す
る静止もしくは回転密封環を熱的にあるいは圧力
をかけて強制的に微少変形させ、これによつて密
封端面にうねりを形成したりすることにより、密
封端面間に間断なく流体を導入し、前記流体膜の
膜切れを防止するようにしていた。

〔考案が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のように密封端面に溝を加
工したり、静止密封環や回転密封環を熱的にある
いは圧力をかけて微少変形させることで密封端面
にうねりを形成したりするものでは、密封端面の
形状は予め定められた所定形状に固定されてしま
うため、潤滑状態やもれ量をコントロールするこ
とができなかつた。

本考案は上記のような事情に鑑みなされたもの
であつて、密封端面の潤滑状態や密封流体のもれ
量を、使用態様に応じて随時コントロールできる
ようにしたメカニカルシールを提供することを目
的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本考案によるメカ
ニカルシールは、ケーシングに固定した静止密封
環と回転軸に同時回転可能に固定した回転密封環
とを密封端面で摺接させたメカニカルシールにお
いて、前記静止密封環及び回転密封環の少なくと
もいずれかの一方の背面部に、軸方向に電歪して
静止密封環もしくは回転密封環を微少変形させる
複数個の圧電素子を周方向に等間隔を隔てて配置
し、周方向で１つ置きの圧電素子同志を互いに電
気的に並列接続し、これら２つの系統の圧電素子
群を互いに時間的にずれて振動させるように構成
したものである。

〔作用〕

上記のように構成されたメカニカルシールによ
れば、２つの系統の圧電素子群を互いに時間的に
ずれて電歪させて静止密封環もしくは回転密封環
を微少変形させることにより、密封端面に周方向
でのうねりが形成され、このうねりの山部と谷部
の間に密封流体が導入されて上記密封端面では、
十分な潤滑作用が発揮される。また、これら圧電
素子の電歪量はこの圧電素子が置かれる電界の大
きさに伴つて変化するから、この電歪量によつて
変化する静止密封環及び回転密封環の微少変形
量、即ち、密封端面のうねりの大きさは、前記電
界の大きさを変えることにより、随時、電気的に
コントロールされる。

〔実施例〕

以下、本考案を図示した実施例に基づいて説明
する。

第１図は本考案に係るメカニカルシールの半截
断面図であり、図においてＸは大気側、Ｙは本考
案のメカニカルシールで密封される密封流体側を
示している。そして、ケーシング１内中心に回転
軸２が挿通され、この回転軸２とケーシング１と
の環状空間部３に本考案のメカニカルシールが装
備されている。

このメカニカルシールは、ケーシング１に固定
した静止密封環４と回転軸２に同時回転可能に固
定した回転密封環５とを具備し、これら静止密封
環４と回転密封環５の密封端面を摺接させるよう
になつている。

静止密封環４はカーボンでなり、その背面部に
は、第２図にも示すように周方向に並ぶ複数個の
電圧素子６ａ，６ｂ，……６ｌが配設されてい
る。これら圧電素子６ａ，６ｂ，……６ｌとして
は例えばPbZrO₃−PbTiO₃−Pb（Mg_1/3，Nb_2/3）
O₃等の３成分系圧電セラミツクスが用いられて
いる。また、第３図に示すように、一つおきの圧
電素子６ａ，６ｃ，……６ｋは配線７a₁，７a₂間
に並列接続され、他の一つおきの圧電素子６ａ，
６ｂ，……６ｌは配線７b₁，７b₂間に並列接続さ
れている。これら配線７a₁，７a₂間及び配線７
a₁，７a₂間に電圧を印加して得られる電界中にお
いて、前記圧電素子６ａ，６ｂ，……６ｌは軸方
向に電歪する。前記配線７a₁，７a₂は増幅器８ａ
を介して高周波電源部９に接続され、配線７b₁，
７b₂は増幅器８ｂ及び位相器１０を介して前記高
周波電源部９に接続されており、前記位相器１０
は、高周波電源部９から供給される高周波電源電
圧を90°遅らせて出力する。したがつて、以上の
ように接続したことにより、一つおきの圧電素子
６ａ，６ｃ，……６ｋは、他の一つおきの圧電素
子６ａ，６ｄ，……６ｌと時間的に90°遅れて軸
方向に振動する。

前記圧電素子６ａ，６ｂ，……の背面側には、
前記静止密封環４との間にこれら圧電素子６ａ，
６ｂ，……６ｌを挾着する環状の金属リテーナ１
１が配設されている。この金属リテーナ１１は、
断面Ｌ字形に形成されており、軸方向に延びる一
辺の一端外周部位に、ケーシング１側に形成した
環状溝に嵌合されるＯリング１２を圧接させるこ
とで、ケーシング１とのシール性を確保してい
る。また金属リテーナ１１の背面側には、ケーシ
ング１に凹設したバネ受部１ａに嵌入する圧縮バ
ネ１２が装備されており、前記金属リテーナ１１
は、この圧縮バネ１２及び密封流体の圧力によつ
て圧電素子６ａ，６ｂ，……に押し付けられ、且
つこの圧電素子６ａ，６ｂを介して静止密封環４
が回転密封環５を常時押圧して、各密封環４，５
の密封端面４Ａ，５Ａを摺接させている。

１３は、静止密封環４，圧電素子６ａ，６ｂ，
……、金属リテーナ１１の外周面を被覆するカバ
ーであつて、静止密封環４との間にＯリング１４
を、また金属リテーナ１１との間にＯリング１５
を介設して、これら静止密封環４及び金属リテー
ナ１１と圧電素子６ａ，６ｂ，……との間に密封
流体が入り込まないようにしている。

回転密封環５は、前述したように回転軸２に同
時回転可能に外嵌固定され、且つ内周部位に形成
した環状溝にＯリング１５を嵌合し、このＯリン
グ１５を回転軸２の外周に圧接させることで、こ
の回転軸２との間のシール性を確保している。

以上のように構成したメカニカルシールにおい
て前記高周波電源部９から高周波電圧を出力する
と、圧電素子６ａ，６ｂ，……６ｌが電歪の方向
を連続的に変えることによつて振動する。この
時、隣接する圧電素子６ａ，６ｃ，……６ｋと６
ｂ，６ｄ，……６ｌは前述したように時間的にず
れて振動する。一方、圧電素子６ａ，６ｂ，……
６ｌは、金属リテーナ１１が圧縮バネ１２のバネ
付勢力と密封流体の流体圧力により静止密封環４
側へ押圧されることにより、この金属リテーナ１
１と静止密封環４の間に挾着されているから、圧
電素子６ａ，６ｂ，……６ｌが電歪すると、静止
密封環４がこの電歪に伴つて微少変形し、この微
少変形は静止密封環４の密封端面４Ａ表れる。し
たがつて、前述のようにして圧電素子６ａ，６
ｂ，……６ｌが振動すると、前記圧電素子６ａ，
６ｃ，……６ｋに接している部分と、これと隣接
する圧電素子６ａ，６ｄ，……６ｌに接している
部分では振動のタイミングがずれるため、密封端
面４は時間的に変化する周方向のうねり面に変形
される。第４図はうねり面に変形された密封端面
４Ａの一事象を示しており、４A₁はうねり面の
谷部、４A₂は同じく山部である。この第４図に
示すように、密封端面４Ａの谷部４A₁と回転密
封環５の平板な密封端面５Ａの間には複数の微少
間隙１６が形成される。このため、これら微少間
隙１６に密封流体が導入され、よつて静止密封環
４と回転密封環５の密封流体４Ａ，５Ａ間に密封
流体を有効に送り込むことができ、膜切れが確実
に防止される。また、隣接する圧電素子６ａ，６
ｃ，……と６ｂ，６ｄ，……の振動が時間的にず
れて密封端面４Ａのうねり面が時間的に変化する
から、回転密封環５の密封端面５Ａと接する密封
端面４Ａの山部４A₂の位置も変化し、密封端面
４Ａを部分的に使用することがない。したがつ
て、うねり面を形成したにも拘らず密封端面４Ａ
が局部的に摩耗することがなく、メカニカルシー
ルの短命化を防止することができる。さらに、圧
電素子６ａ，６ｂ，……６ｌの電歪量は電界の大
きさに伴つて変化するから、各圧電素子６ａ，６
ｂ，……６ｌに印加する電圧をコントロールして
電歪量を変化させれば、密封端面４Ａのうねりの
大きさ、即ち、各部４A₁と山部４A₂の落差も変
化し、これによつて谷部４A₁と回転密封環５の
密封端面５Ａの間に導入する密封流体の量がコン
トロールされる。したがつて、密封端面の潤滑状
態や密封流体のもれ量を使用状態に応じて適宜コ
ントロールすることができる。

尚、本考案が上記実施例に限定されないものは
もちろんであつて、実用新案登録請求の範囲を逸
脱しない範囲で種々の設計変更を行なうことが可
能である。例えば、圧電素子としては上述した３
成分系の圧電セラミツクスの他に、チタン・ジル
コン酸鉛に代表される２成分系の圧電セラミツク
スやチタン酸バリウム、チタン酸鉛等のセラミツ
クス、あるいは単結晶圧電素子を用いることがで
きる。

また、圧電素子に印加する電圧は必ずしも高周
波電圧ではなくてもよく、低周波電圧であつても
同様の動作を行なわせることができるし、こうし
た交流電圧に代えて直流電圧を用いることも可能
である。即ち、圧電素子に印加する電圧として交
流電圧を用いれば、周波数に応じて自動的に電界
の方向が変わつてうねり面が時間的に変化するか
ら、密封端面を有効に使えるという利点がある
が、直流電圧を加えることによつても密封端面を
うねり面とすることができ且つ電圧をコントロー
ルすればうねりの大きさもコントロールされ、本
考案の目的を達成することができるし、直流電圧
の極性を切換器を用いて手動もしくは自動で反転
させるようにすれば、直流電圧を用いた場合でも
うねり面の山部及び谷部の位置を移動させること
ができる。

さらにまた、上記実施例では静止密封環を微少
変形させる例を示したが、回転密封環側を微少変
形させてその密封端面をうねり面とするようにし
てもよい。

〔考案の効果〕

以上の説明から明らかなように、本考案による
メカニカルシールによれば、静止密封環及び回転
密封環の少なくともいずれか一方の背面部に、複
数個の圧電素子を周方向に等間隔を隔てて配置
し、周方向で１つ置きの圧電素子同志を互いに電
気的に並列接続して、これら２つの系統の圧電素
子群を互いに時間的にずれて振動させるようにし
たので、密封端面に形成される周方向のうねりの
大きさを電界の大きさを変えることにより、随
時、電気的にコントロールすることができるとと
もに、うねり面も時間的に変化させることができ
る。したがつて、うねりによる上記密封端面間の
微少隙間に密封流体を有効に送り込むことができ
る上に、上記密封端面の局部的な摩耗を抑制する
ことができ、さらに、密封端面の潤滑性や密封流
体のもれ量を使用状況に応じて随時、好適な状態
にコントロールすることができるという効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係るメカニカルシールの半截
断面図、第２図は第１図の−部縦断面図、第
３図は圧電素子に対する電圧印加回路図、第４図
はうねり面を形成した静止密封環の側面図であ
る。 １……ケーシング、２……回転軸、４……静止
密封環、４Ａ……密封端面、５……回転密封環、
６ａ，６ｃ，６ｅ，６ｇ，６ｉ，６ｋ……一方の
系統の圧電素子群、６ｂ，６ｄ，６ｆ，６ｈ，６
ｊ，６ｌ……他方の系統の圧電素子群。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 ケーシングに固定した静止密封環と回転軸に同
   時回転可能に固定した回転密封環とを密封端面で
   摺接させたメカニカルシールにおいて、 前記静止密封環及び回転密封環の少なくともい
   ずれか一方の背面部に、軸方向に電歪して静止密
   封環もしくは回転密封環を微少変形させる複数個
   の圧電素子を周方向に等間隔を隔てて配置し、周
   方向で１つ置きの圧電素子同志を互いに電気的に
   並列接続し、これら２つの系統の圧電素子群を互
   いに時間的にずれて振動させるように構成したこ
   とを特徴とするメカニカルシール。