JPS6260581B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は機械的面密封装置に関し、特に曲げや
すく弾力のある蛇腹を有する機械的面密封装置に
関する。

相対的に回転可能な一対の機械構成要素の間を
密封するための機械的面密封装置の一つの形式
は、該要素の一つに液密態様で固着された第一の
密封部材と第一の密封面部材の向き合つた密封面
の方に押し付けられている密封面を有する第二の
密封面部材とよりなり、第二の密封面部材は曲げ
やすく弾力のある蛇腹によつて別の構成要素に固
着されている。この形の密封装置では蛇腹は第二
の密封面部材とその連合する構成要素との間の密
封装置としての役をし又第二の密封面部材を第一
の密封面部材と密封係合させるのに必要な軸方向
荷重を適用するのに役立つ。

運転中に蛇腹はその壁の内外面に圧力差を受
け、そのために蛇腹は密封面部材に適当な荷重を
加えることができなければならないだけでなく、
それが受ける圧力差によく耐えることができなけ
ればならない。さらに密封面部材は損耗するの
で、蛇腹は延びることができ且つ密封装置の寿命
期間にわたつてある限界内の荷重を与えるもので
なければならない。従つて、蛇腹は圧力差に耐え
るために充分な強さと厚みのある材料で作られな
ければならないし、同時に損耗のために必要な軸
方向の動きができるために充分に曲げやすくなけ
ればならず、同時に必要な軸方向の推力を持つて
いなければならない。

これを達成する一方法は、復数個の環状の円板
を溶接することによつて蛇腹を作ることであり、
一連のひだ（convolution）を作るために対の円
板を一つおきにそれらの内径と外径のところで一
緒にくつつける。この型の蛇腹を造るのは、しか
し乍ら時間と費用のかかる方法である。さらに、
溶接蛇腹装置の「水圧均衡直径（hydraulic
balance diameter）」は、その壁の内外面の圧力
差によつて変わり、蛇腹は、密封面部材の全体的
な設計はそれが受けるあらゆる圧力差で満足に作
用する密封装置を提供するために、この変化に適
応させなければならない。

蛇腹を作る一層安価な方法は、壁の肉の薄い管
のひだを作ることである。この型の蛇腹（以下一
体形成蛇腹と称する）は、「水圧均衡直径」が実
質的に一定であり、その結果その蛇腹は、密封面
部材の設計上の制限が溶接蛇腹のそれに比べて大
きくないという利点がある。残念乍ら、一般的に
一体形成蛇腹では、曲がりやすさと要求される耐
圧性とは相容れない。結果として、受け入れるこ
とのできないほど長くなく、必要な表面荷重を与
えるに充分なほどに曲がりやすい、相応に高圧性
能を有する一体形成蛇腹を作ることはできないで
きた。

作つて、本発明の目的は、一体形成蛇腹であつ
て、なお且つ曲がり易さと耐圧性とを両立させ得
る機械的面密封装置を提供することにある。本発
明の一実施態様によれば、相対的に回転可能な一
対の機械構成要素の間に密封を形成し、使用する
際に圧力差を受ける機械的密封装置において、面
密封装置は、該構成要素の一方に液密態様で固着
されていて密封面を有する第１密封面部材と第１
密封面部材の密封面に押し付けられている密封面
を有する第２の密封面部材とよりなり、第２密封
面部材は、他の構成要素に第２密封面部材を密封
させる役目をする曲がりやすく弾力のある一体形
成蛇腹（以下に詳述）が、つばを介して他の構成
要素に固着されており、該蛇腹は複数のひだを有
し、面密封装置の高圧側の方に向いているひだの
山は面密封装置の低圧側の方を向いているひだの
山よりも曲率半径が大きく形成されている。

一般に大きな曲率半径と小さな曲率半径でもつ
て交互に折り返して蛇腹状に形成させたものは、
大きな曲率半径の側から小さな曲率半径の側に押
した場合の方がその反対に押した場合よりも変形
しにくい。

又大きな曲率半径でもつてＵ字型に折り返した
方が小さな曲率半径で折り返した場合に比べて、
より容易に即ちより小さな力で両直線部分を押し
拡げたり押し狭めたりすることが出来る。

このため、本発明による一体形成蛇腹のように
曲率半径の大きいひだの山と曲率半径の小さいひ
だの山とを交互に配設して、大きいひだの山を高
圧側に向けた場合には、従来の一体形成蛇腹に比
べて、また勿論その反対の場合に比べて、高圧側
から低圧側への押圧力が一体形成蛇腹を低圧側に
押し凹まそうとする力が低減することになる。も
つて、同じ強さの素材を用いた場合には、本発明
の一体形成蛇腹はより大きな圧力に耐えることが
できるものである、 また上記の如く、損耗をカバーするために必要
な形成蛇腹の曲がり易さ、即ち軸方向への伸長し
易さが必要かつ充分に得られるものである。

従つて、本発明による一体形成蛇腹を採用する
ことによつて、蛇腹は従来の対称的な構造の一体
形成蛇腹よりも薄い材料で作ることができ、それ
は同じ圧力差に耐えるでろう。その結果、ある与
えられた圧力差のために一層曲がりやすい蛇腹を
作ることが本発明によつて可能であり、その結
果、機械的面密封装置にとつて受け入れることの
できる容積、圧力能及び曲がりやすさをもつた一
体形成蛇腹を作ることができる。反対に、従来の
対称的に形作られた蛇腹の曲がりやすさと同じ曲
がりやすさを有する本発明による蛇腹はより大き
な圧力能を有する。

本発明によつて設計された蛇腹の曲がりやすさ
もしくは圧力能における重要な改善は蛇腹の高圧
側に向いているひだの山の曲率半径の低圧側に向
いている山の曲率半径に対する比を３：２又はそ
れ以上にすることによつて達成される。しかし乍
ら、２：１から６：１の比を用いることが好まし
い。

本発明を図に基づいて詳細に説明する。

例えばポンプ装置の回転軸１０とハウジング１
１の間の機械的面密封装置は、ハウジング１１の
段部に保持された第一の環状密封部材即ち台座１
２を有し、台座１２の凹部にエラストマーのＯ−
リング１３によつてハウジングに密封されてい
る。環状の密封面部材１５の密封表面１４は、ぐ
るりに間隔をおいて設けた一連のグラブねじ２３
によつてあるいは他の適当な固定手段によつて、
軸１０上に設けたつば１７に固着され、そこにＯ
−リング１８によつて密封された金属一体形成蛇
腹１６によつて台座１２と密封接触を維持してい
る。密封面部材１５は蛇腹１６の端にプレスばめ
され、エラストマーのＯ−リング２０は、蛇腹１
６の一番外側のひだの中に保持され、面部材１５
はその間に液の漏れを防ぐ密封を作る役目をす
る。蛇腹の他の端１６はつば１７に溶接されてい
るが、例えば、すえ込みあるいはろう付けのよう
な液の漏れない他の接合手段によつてつばに固着
してよい。

金属製蛇腹１６は一連のひだよりなり、軸１０
から遠い方のひだの山２１の曲率半径は軸１０の
方に向かうひだの山２２の曲率半径よりも大き
く、その比は４：１である。

上記の密封装置は、面部材１５の密封表面１４
が台座１２と密封係合しているように、蛇腹１６
が押し縮められそして台座１２の方に面部材１５
を予荷重するように組立てる。

運転中、密封装置はその面の前後に圧力差を受
け、蛇腹の内側に比べて高圧域Ｐは蛇腹１６の外
側にある。

蛇腹１６の内外面の圧力差は、その外側面即ち
高圧域Ｐの面の全域に等しく加わり、従つて、実
質的に非曲率部分２４にも等しく加わることにな
り、その結果としてこの圧力差はそれぞれの非曲
率部分２４を矢印で示す反対方向即ち軸方向に圧
力差に比例して押し拡げる力を生ずる。この軸方
向の力は軸方向に圧縮されている蛇腹１６によつ
て密封面部材に加えられる初期の力を強める。運
転状態で加えられるこの附加的な力のために、広
い範囲の運転状態の下で、台座１２と密封面部材
１５の間に加えられる荷重は普通の状態において
効果的な密封をつくるために必要な荷重よりもわ
ずかに大きい。この方法によつて密封面部材１５
の損耗が最小になる。

この運転の型は、それ自体は新しいものではな
い。本発明は蛇腹１６の新規なひだにあり、その
ひだは蛇腹の特性を一層大きく制御することを可
能にする。例えば、蛇腹が受ける圧力差に耐える
ためには、蛇腹は、つぶれないで圧力に耐えるた
めに充分な強度と規格の材料で作らなければなら
ない。ここで特許請求されている構造は、蛇腹を
同じ圧力差に耐える従来の対称的な設計の蛇腹に
必要であるよりも軽い規格の材料で作ることを可
能にする。軽い規格の材料を使用すると蛇腹の軸
方向の曲げやすさが増し、本発明の蛇腹を使うと
蛇腹は最初により大きな程度で圧縮され、それに
よつて、その耐用年限中ずつと、面部材１５によ
り均一な予荷重を加える。

以下の実施例は蛇腹の性能の改良を示し、その
蛇腹は本発明によつて達成されたものである。

実施例 三個の蛇腹Ａ，Ｂ及びＣを同じ材料で作つた。
各部品は外径66.58mm、内径53.42mm、壁肉0.18mm
である。三個の部品はすべて平らな丸味のついた
ひだがついており、ひだの壁は図に示すように、
蛇腹の軸線に実質的に直角である。

蛇腹Ａは従来の対称的な構造であり、ひだの内
側の山と外側の山の曲率半径とは等しく、ひだの
ピツチは7.21mmである。蛇腹Ｂ及びＣは本発明に
従つて作り、ひだの外側の山の曲率半径は内側の
山のそれの２倍であり、ひだのピツチは蛇腹Ｂで
は5.67mm、蛇腹Ｃでは7.1mmである。

それらの蛇腹を300ニユートンの初期の軸方向
の力を加えるために制御された軸方向の移動でも
つて予め圧縮すると、 蛇腹Ａ及びＢは、同じような圧力性能を示した
が、蛇腹Ｂは蛇腹Ａに比べて曲がりやすさにおい
て45％の改良を示した。又蛇腹Ａ及びＣは同じよ
うな曲がりやすさを示したが蛇腹Ｃは蛇腹Ａより
も圧力性能において31％の改良を示した。

上記の実施例に示されるように、本発明に従つ
て使われる蛇腹は、対称的な構造の同じような従
来の蛇腹に比べて、改良された曲がりやすさ（こ
の場合では蛇腹は短くされるかより強い耐久性を
もつ密封装置を与える）又は改良された圧力性能
を示す。その代わりに、本発明で使用する蛇腹
は、機械的面密封装置のための特殊な要求に従つ
てそれらの改良を最高のものにするように、曲げ
やすさと圧力性能の両方において改良するために
設計できる。

本発明を逸脱せずに種々の変形をなしうる、例
えば密封装置が蛇腹の内側に高圧を受けるような
場合には、ひだの山の曲率半径を逆にする。

上記の如く、本発明の一体形成蛇腹の「水圧均
衡直径」は実質的に均一であり、蛇腹と連合して
いる密封面が均衡のとれた密封ができるように設
計しなければならないのに、溶接蛇腹について経
験上分かつている「水圧均衡直径」における変化
のために補正装置をつける必要がある環を保持す
るについては比較的複雑な設計を必要とはしな
い。密封面部材はそれ故上記のように蛇腹１６の
端に押し込みばめしてもよい。上記において、蛇
腹と密封面部材の間に密封を形成するためにＯ−
リングを使用しているが、密封面部材と蛇腹の間
の接合が液が漏れないように接合するに充分なだ
け良好ならば無しで済ますこともできる。しかし
製造公差を調節するために適当な密封剤の層をそ
の間に塗つてもよい。その代わりに、蛇腹の端は
外方向にテーパ付けし、密封面部材の外側表面を
それに合わせてテーパ付けしてもよい。

そのような型のプレスばめでは、蛇腹部品に関
して密封面部材の軸方向の位置決めをする何らか
の手段が必要である。これは、図に示すように、
密封面部材を蛇腹の最初のひだの壁に接合させる
ことによつて達成される。しかしこの装置では、
密封面部材は蛇腹の最初のひだが曲がらないよう
にし、ひいては蛇腹の全体の曲げやすさを減ら
す。それ故密封面部材を最初のひだの壁から離す
ことが望ましく、この目的のために接合面は蛇腹
の端部に設ける。

上記のプレスばめは炭素のようなもろい材料で
作られた面部材１５にとつては特に適切である。
その代わり、炭素の密封面部材１５は金属の環の
中に保持され、蛇腹はすえ込、ろう付、あるいは
溶接によつてそれに連結してもよい。すえ込は又
蛇腹を直接密封面部材に連結するのに使つてもよ
く、その場合密封面部材は焼結炭化金属あるいは
窒化金属のような堅い材料で作られる。

この明細書で用いる「一体形成蛇腹」という語
は一体形成構造のいかなる蛇腹をも意味し、その
ような蛇腹は例えば圧延あるいは吹製のような適
当な形成方法によつて、管状の金属から作られる
のが都合がよい。しかし、蛇腹は例えばポリテト
ロフルオロエチレン類のような硬質プラスチツク
スから作つてもよい。そのような蛇腹は金属製蛇
腹を作るのに使用する方法と似た方法あるいは、
例えば機械加工もしくは適当な直接鋳造のような
他の適当な方法によつて作られる。

さらに蛇腹は多重構造としてもよく、その場合
には例えば、金属蛇腹の腐食を防ぐための金属蛇
腹の少なくとも一つの表面は非金属で覆う必要が
ある。

上記の実施態様では、蛇腹のひだの壁が平行で
あり、蛇腹の特性の変化は、ひだの山の間の壁の
構造を変えることによつて達成される。例えば壁
はひだの山の間を凹入する構造とするために連続
して湾曲させてもよい。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明による機械的面密封装置の断面を
図式的に表した図である。 １０：軸、１５：環状密封面部材、１１：ハウ
ジング、１６：一体形成蛇腹、１２：台座、１
７：つば、１３，１８，２０：Ｏ−リング、１
４：密封面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 相対的に回転可能な一対の機械構成要素１
   ０，１１の間に密封を形成し、使用の際に圧力差
   を受ける機械的面密封装置において、面密封装置
   は、該要素の一方１１に液密態様で固着されてい
   て密封面を有する第１密封面部材１２と、第１密
   封面部材１２の密封面に押しつけられている密封
   面１４を有する第２密封面部材１５とよりなり、
   第２密封面部材１５は、他の構成要素１０に第２
   密封面部材１５を密封させる役目をする曲げやす
   く弾力のある一体形成蛇腹１６が、つば１７を介
   して他の構成要素１０に固着されており、該蛇腹
   １６は、多数のひだを有し、面密封装置の高圧側
   （Ｐ）の方に向いているひだの山２１は、面密封
   装置の低圧側を向いているひだの山２２よりも曲
   率半径が大きい、ことを特徴とする機械的面密封
   装置。 ２ 蛇腹１６の高圧側に向いたひだの山２１の曲
   率半径の蛇腹１６の低圧側を向いた山２２の曲率
   半径に対する比が少なくとも３：２であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項の機械的面密封
   装置。 ３ 蛇腹１６の高圧側に向いたひだの山２１の曲
   率半径の蛇腹１６の低圧側を向いた山２２の曲率
   半径に対する比が２：１から６：１の範囲にある
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項の機械的
   面密封装置。 ４ 蛇腹に圧力が加えられていない時には、蛇腹
   のひだの壁が、平行であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１、２又は３項の機械的面密封装
   置。 ５ 蛇腹に圧力が加えられていないときには、蛇
   腹１６のひだの壁が湾曲していることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１、２又は３項の機械的面密
   封装置。 ６ 蛇腹１６が金属でできていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１、２、３、４又は５項の機
   械面密封装置。 ７ 蛇腹１６が硬質プテスチツクス材料でできて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１、２、
   ３、４、５又は６項の機械的面密封装置。 ８ 蛇腹１６が多重構造であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１、２、３、４、５、６又は７
   項の機械的面密封装置。 ９ 第２シール表面部材１５が蛇腹１６の端に押
   し込みばめされていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１、２、３、４、５、６、７又は８項の
   機械的面密封装置。 １０ 接合面が蛇腹１６の端部に設けられてお
   り、その接合面は蛇腹のひだから離れたところに
   あり、第２シール表面部材１５を蛇腹の端部で軸
   方向に位置決めするように作用することを特徴と
   する特許請求の範囲第９項の機械的面密封装置。 １１ 第２シール表面部材が液密態様で蛇腹１６
   に固着されている保持環の中に位置決めされてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１、２、
   ３、４、５、６、７又は８項の機械的面密封装
   置。 １２ 蛇腹１６の端部が保持環にすえ込まれ、ろ
   う付けされあるいは溶接されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１１項の機械的面密封装
   置。 １３ 第２シール表面部材が堅い材料でできてお
   り、蛇腹１６の端部がシール表面部材に直接すえ
   込まれていることを特徴とする特許請求の範囲第
   １、２、３、４、５、６、７、８又は９項の機械
   的面密封装置。