WO2014069098A1 - メカニカルシール装置 - Google Patents

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WO2014069098A1
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seal
sealing
ring
fixing
rotation
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Inventor
柳澤　隆
高橋　秀和
Original Assignee
イーグル工業株式会社
イーグルブルグマンジャパン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a mechanical seal device.
  • Patent Document 1 discloses a mechanical seal having a radial end face width of 0.2 to 1.0 mm as shown in FIGS.
  • Patent Document 1 since the sealing is performed by increasing the contact pressure by reducing the radial width of the sealing end face, there is a problem in that the seal face is severely worn and the seal sliding face is damaged. there were.
  • An object of the present invention is to provide a mechanical seal capable of significantly reducing sliding heat generation while suppressing sealing wear while having sealing performance.
  • the mechanical seal comprises: A mechanical seal device that seals the fluid inside the machine at the gap between the stuffing box and the rotating shaft, A seal cover attached to the stuffing box; A fixing seal ring attached to the seal cover and having a first seal surface; A rotary seal ring having a second seal surface attached to the rotary shaft and slidable on the first seal surface; A collar that rotates integrally with the rotating shaft; Either the sealing surface of the sealing ring for fixing or the sealing ring for rotation is formed so that the surface width in the radial direction is narrower than the other sealing surface, A gap is formed between a back surface of the rotation seal ring facing the second seal surface and the collar, and the rotation seal ring is elastically held in the axial direction of the rotation shaft and the collar. It is characterized by rotating in unison.
  • the seal surface with a narrow surface width is low in rigidity, so that the seal surface is easily deformed. For this reason, when the sealing ring for rotation rotates, the sealing surface with a narrow surface width follows the opposing sealing surface flexibly. As a result, appropriate undulation occurs on the sliding surface, and a fluid lubricating film can be suitably formed on the sliding surface.
  • the rotary seal ring is held elastically in the axial direction of the rotary shaft and rotates integrally with the collar. For this reason, since the vibration etc. at the time of the rotation sealing ring rotating can be absorbed, the wave
  • the surface width of the sealing surface is narrow, the temperature difference between the sealing surface between the machine inside where there is a sealing fluid and the machine outside where there is no sealing fluid is reduced by sandwiching the sealing surface with a narrow surface width. Can do. As a result, it is possible to reduce the amount of deformation of the sealing surface due to heat between the machine inside and the machine outside.
  • a groove for accommodating an elastic member and a spacer is formed on the inner periphery of the collar of the rotation sealing ring, and the spacer contacts the collar, and the back surface of the rotation sealing ring A gap is formed between the collar.
  • the sealing surface formed so that the radial surface width is narrower than that of the other sealing surface is formed in a nose portion having a rectangular cross-sectional shape.
  • the mechanical seal device having such a configuration, since the nose portion is rectangular, even if the sliding surface is worn, it is possible to keep the appropriate contact pressure without changing the surface width of the seal surface. Become.
  • the surface width of the seal surface formed so that the surface width in the radial direction is narrower than that of the other seal surface is 1.1 to 2.0 mm.
  • the balance ratio of the fixing seal ring is 0.8 to 1.20.
  • the pressing force corresponding to the pressure of the internal fluid acts on the sealing ring for fixing. For this reason, since a contact pressure corresponding to the pressure of the internal fluid is generated on the sliding surface, an appropriate swell is generated corresponding to the pressure of the internal fluid. Therefore, a fluid lubrication film suitable for the sliding surface can be formed.
  • the inner diameter ratio of the sealing ring for fixing is formed to be 1.09 to 1.30.
  • the mechanical seal device having such a configuration, a relatively large gap is formed between the outer peripheral surface of the rotary shaft on the inner peripheral surface side of the fixing seal ring. As a result, the sealed fluid can be efficiently circulated toward the sliding surface, so that sliding heat generation can be efficiently removed.
  • the inner circumferential surface of the fixing sealing ring is formed in a tapered shape so as to be inclined toward the outer circumferential side toward the first seal surface.
  • the sealed fluid can be efficiently circulated toward the sliding surface, so that sliding heat generation can be efficiently removed.
  • the mechanical seal device has a sealed fluid on a side close to the rotating shaft with respect to a sealing surface formed by sliding the sealing ring for rotation and the sealing ring for fixing. It is an outside type.
  • At least one of the fixing seal ring and the rotation seal ring is made of SiC.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a mechanical seal device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view of the cross-sectional view shown in FIG.
  • FIG. 3 is a front view of the rotary seal ring shown in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the sliding surface width and the specific wear amount.
  • a mechanical seal device 1 is a seal device mounted on a general industrial pump or the like. As shown in FIGS. 1 and 2, the mechanical seal device 1 is configured as an outside type in which a sealed fluid exists on the side close to the rotation shaft with respect to the sealing surface, and includes the rotation shaft 70 and the stuffing box 80. The fluid on the machine interior A side is sealed with a gap between 1 and 2, the shaft hole 81 side (left side in the figure) of the stuffing box 80 is the machine interior A, and the opposite side in the axial direction (right side in the figure) is the machine exterior B.
  • the mechanical seal device 1 of the present embodiment is preferably used in a use environment where the pressure of the sealed fluid is 1 MPa or less, but is not limited to this, and can be used in a pressure environment greater than 2 MPa.
  • a shaft hole 81 is formed in the stuffing box 80, and a rotation shaft 70 rotatably supported by a bearing (not shown) passes through the shaft hole 81.
  • the mechanical seal device 1 is attached to the outer surface 82 around the shaft hole 81 of the stuffing box 80 via the gasket 60. That is, the mechanical seal device 1 is attached to the stuffing box 80 by passing the installation groove (not shown) of the seal cover 10 through the embedded bolt 83 installed on the outer surface 82 of the stuffing box 80 and tightening the nut 84. It is attached.
  • the gasket 60 is made of resin or metal, and prevents the sealed fluid in the machine interior space A from leaking between the seal cover 10 and the stuffing box 80.
  • the mechanical seal device 1 has a seal cover 10, a sealing ring 40 for fixing, a sealing ring 30 for rotation, and a collar 20.
  • the fixing seal ring 40 is fitted and installed on the inner peripheral side of the seal cover 10 so as to be movable in the axial direction.
  • the seal cover 10 includes a fixing pin 48 that protrudes outward in the axial direction.
  • the fixing pin 48 is inserted into a guide groove 47 formed in the flange portion 42 of the fixing seal ring 40.
  • the seal cover 10 is provided with a plurality of spring seats in the circumferential direction, and holds a plurality of coil springs 49 in the circumferential direction between the opposing surfaces of the flange portion 42 of the fixing seal ring 40.
  • the seal cover 10 is formed with a radial quenching liquid injection path 13 connected from the outer peripheral surface to the internal hole 11.
  • the quenching liquid injection path 13 is formed with a pipe screw hole that can be connected to a pipe (not shown).
  • the quenching liquid injected via the piping is injected from the quenching liquid injection path 13 to the outer peripheral side of the sealing ring 40 for fixing and the sealing ring 30 for rotation.
  • the injected quenching liquid cools the heat generated when the sliding surfaces of the sealing ring for fixing 40 and the sealing ring for rotation 30 slide, and cleans impurities adhering to each seal portion.
  • this quenching function is not an indispensable function with respect to this invention, the presence or absence is not limited.
  • the sealing ring 40 for fixing is fitted and installed on the inner peripheral side of the seal cover 10 so as to be axially movable.
  • the fixing seal ring 40 is formed with a nose portion 46 having a rectangular cross-sectional shape on the outer end surface of the machine.
  • the machine-side end surface of the nose portion 46 is formed on the seal surface 43, and this seal surface 43 is slidably in close contact with the seal surface 32 of the rotary seal ring 30.
  • the surface width (the length in the radial direction) of the seal surface 43 of the fixing seal ring 40 is narrower than the surface width of the seal surface 32 of the rotation seal ring 30.
  • the surface width a of the sealing surface 43 of the fixing sealing ring 40 shown in FIG. 3 is preferably 1.1 to 2.0 mm. More preferably, the surface width a of the sealing surface 43 of the fixing sealing ring 40 is 1.4 to 1.8 mm.
  • the axial length of the nose portion 46 is preferably 1.0 to 2.0 mm.
  • a staircase portion 41a having a step along the axial direction is formed on the outer peripheral surface of the sealing ring 40 for fixing.
  • a stepped portion 44 a having a step along the axial direction is formed so as to face the stepped portion 41 a of the fixing seal ring 40.
  • An annular space having a rectangular cross section is formed by the staircase portion 41a and the staircase portion 44a, and an O-ring 45 is disposed in the annular space.
  • the O-ring 45 seals between the seal cover 10 and the fixing seal ring 40.
  • fluorine rubber, nitrile rubber, EPDM, perfluoroelastomer, or the like is used as the material of the O-ring 45.
  • the outer peripheral side of the sealing ring 40 for fixing is formed in a flange portion 42, and a guide groove 47 is formed in the flange portion 42 in the axial direction.
  • a fixing pin 48 formed on the end surface of the seal cover 10 on the outside of the machine is inserted into the guide groove 47.
  • the fixing pin 48 and the guide groove 47 are in a state in which they can move relative to each other in the axial direction, and are locked in the circumferential direction. It is movable in the direction, and is installed so as not to rotate in the circumferential direction (the rotation direction of the rotation shaft 70).
  • a plurality of spring seats are provided in the circumferential direction on the surface of the flange portion 42 of the sealing ring 40 for fixing facing the seal cover 10.
  • a coil spring 49 is held.
  • the fixing seal ring 40 is pressed outward in the axial direction, that is, in the direction of the rotation seal ring 30.
  • the fixing seal ring 40 is formed so that the innermost diameter ratio K defined by the following formula 1 is in the range of 1.09 to 1.30.
  • K r s / r a (Equation 1) K is the innermost diameter ratio r a is the radius of the rotating shaft 70 rs is the inner diameter of the sealing ring 40 for fixing
  • the inner peripheral surface of the fixing seal ring 40 is formed in a tapered shape so as to be inclined toward the outer peripheral side toward the seal surface 43.
  • the fixing sealing ring 40 is formed so that the balance ratio BV defined by the following formula 2 is in the range of 0.8 to 1.20. .
  • the balance ratio in the range of 0.8 to 1.20, a pressing force corresponding to the pressure of the internal fluid acts on the fixing seal ring 40.
  • a contact pressure corresponding to the pressure of the internal fluid is generated on the sliding surface, an appropriate undulation is generated on the sliding surface corresponding to the pressure of the internal fluid. Therefore, a fluid lubrication film suitable for the sliding surface can be formed.
  • BV (r b 2 ⁇ r i 2 ) / (r o 2 ⁇ r i 2 ) (Equation 2)
  • BV is the balance ratio r i is the inner diameter ro of the seal surface 43
  • the outer diameter r b of the seal surface 43 is the diameter (inner diameter) of the surface parallel to the axial peripheral surface of the stepped portion 44 a of the seal cover 10.
  • the collar 20 is fixed to the rotating shaft 70 by the set screw 22 in a state where the collar 20 is positioned by the set plate 55.
  • the set plate 55 is removed after the mechanical seal device 1 is assembled.
  • the end face on the inner side of the rotary seal ring 30 is formed on the inner seal surface 32 that slides closely with the seal surface 43 of the fixing seal ring 40.
  • a groove 35 is formed on the inner peripheral surface of the rotary seal ring 30 on the collar 20 side.
  • a spacer 37 and an O-ring 36 are arranged in order from the collar 20 side along the axial direction.
  • the spacer 37 abuts on the collar 20 and forms a gap b between the back surface 31 facing the seal surface 32 of the rotation sealing ring 30 and the collar 20.
  • the spacer 37 is made of a material having excellent strength such as SUS or engineering plastic.
  • the gap b formed between the back surface 31 and the collar 20 is preferably 0.4 mm to 3 mm. When the gap b is small, the effect of this embodiment tends to be small due to the accumulated tolerance due to the combination of components.
  • the ratio (a / b) between the surface width a of the seal surface 43 of the fixing seal ring 40 and the gap b is preferably 0.35 to 5.
  • the O-ring 36 is in close contact with the groove 35 of the rotation seal ring 30, the rotation shaft 70, and the spacer 37, and seals between the rotation seal ring 30 and the rotation shaft 70. Further, since the O-ring 36 is made of an elastic material, the rotation sealing ring 30 is held elastically in the axial direction and the radial direction. As the material of the O-ring 36, fluorine rubber, nitrile rubber, EPDM, perfluoroelastomer, or the like is used.
  • the rotary seal ring 30 is locked along the axial direction by a collar 20 fitted and installed on the rotary shaft 70 via an O-ring 36 and a spacer 37.
  • a guide groove 33 is formed in the rotational seal ring 30 in the axial direction.
  • the fixing pin 21 installed on the end face on the inner side of the collar 20 is inserted.
  • the fixing pin 21 and the guide groove 33 are relatively movable in the axial direction and locked in the circumferential direction, and the rotation sealing ring 30 rotates integrally with the collar 20.
  • the rotation sealing ring 30 and the fixing sealing ring 40 are made of a material such as silicon carbide (SiC), carbon, cemented carbide or the like.
  • the fixing seal ring 40 and the rotation seal ring 30 are made of SiC.
  • the surface width of the seal surface 43 is narrower than usual. For this reason, when the pressure of the coil spring 49 that presses the fixing seal ring 40 in the direction of the rotation seal ring 30 is the same, the surface pressure between the seal surface 43 and the in-machine seal surface 32 can be increased. In other words, when the same surface pressure (seal surface pressure) is obtained, it is possible to reduce the pressing force of the coil spring 49 by narrowing the seal surface width, and it is possible to use a small spring. Become. As a result, the mechanical seal device 1 can be downsized.
  • the surface width of the seal surface 43 is narrow, the rigidity of the seal surface 43 is low and easily deformed. For this reason, when the sealing ring 30 for rotation rotates, the sealing surface 43 follows the sealing surface 32 which opposes flexibly. As a result, appropriate undulation occurs on the sliding surface, and a fluid lubricating film can be suitably formed on the sliding surface.
  • the rotation sealing ring 30 since the gap b is formed between the back surface 31 of the rotation sealing ring 30 and the collar 20, the rotation sealing ring 30 is elastically held in the axial direction of the rotation shaft 70 and the collar. 20 and rotate together. For this reason, since the vibration etc. at the time of the rotation sealing ring 30 rotating can be absorbed, the wave
  • the surface width of the sealing surface 43 is narrow, the temperature difference can be reduced between the machine interior A side where the sealing fluid is present and the machine exterior B side where there is no sealing fluid with the seal surface 43 interposed therebetween. it can. As a result, the amount of deformation due to heat can be reduced on the machine interior A side and machine exterior B side of the seal surface 43.
  • the nose portion 46 is rectangular, even if the sliding surface is worn, it is possible to keep the appropriate contact pressure without changing the surface width of the seal surface 43.
  • the balance ratio BV of the fixing seal ring 40 is in the range of 0.8 to 1.20, and the pressing force corresponding to the pressure of the internal fluid acts on the fixing seal ring 40. For this reason, since a contact pressure corresponding to the pressure of the internal fluid is generated on the sliding surface, an appropriate undulation is generated on the sliding surface corresponding to the pressure of the internal fluid. Therefore, a fluid lubrication film suitable for the sliding surface can be formed.
  • a relatively large gap is formed between the outer peripheral surface of the rotary shaft 70 and the inner peripheral surface of the fixing seal ring 40.
  • the inner peripheral surface of the sealing ring 40 for fixation is formed in a taper shape toward the sealing surface, the sealed fluid can be efficiently circulated toward the sliding surface. Therefore, sliding heat generation can be efficiently removed.
  • Patent Document 1 in a sealing device having a narrow sliding surface width, it is considered that sealing must be performed with a very high contact pressure in order to ensure sealing performance. It was. Conventionally, if the sliding surface width is narrow, a liquid film is not formed between the sliding surfaces, and the amount of wear increases due to solid contact. Was considered undesirable.
  • the present invention has found that when the sliding surface width is set to an optimal surface width, sliding heat generation can be greatly reduced, and a design incorporating this is conducted by trial and error, and a new type of solution that solves problems in the prior art. A mechanical seal device was realized.
  • the shape and installation configuration of the sealing ring 40 for fixing and the sealing ring 30 for rotation may be arbitrarily changed.
  • the nose portion is formed in the fixing seal ring 40, but the nose portion 40 may be formed in the rotation seal ring 30.
  • the outside type mechanical seal device has been described.
  • the present invention can also be applied to an inside type mechanical seal device.
  • Examples 1 to 3 In Examples 1 to 3, the mechanical seal device described in the first embodiment was created, and the fixing seal ring 40 and the rotation seal ring 30 were made of SiC. As shown in Table 1, the sliding surface width of the sealing ring for fixing is 1.20 mm in Example 1, the sliding surface width is 1.50 mm in Example 2, and the sliding surface width is 1 in Example 3. 80 mm.
  • Comparative Examples 1 to 3 Comparative Examples 1 and 2 differ from Examples 1 to 3 described above, as shown in Table 1, in Comparative Example 1, the sliding surface width is 1.00 mm, and in Comparative Example 2, the sliding surface width is 2.25 mm. It was. In Comparative Example 3, the sliding surface width is 1.5 mm.
  • a gap is formed between the back surface of the rotary seal ring and the collar. Absent. That is, in Comparative Example 3, unlike the first embodiment described above, an O-ring is disposed in a groove formed at a radial intermediate position on the back surface of the rotary seal ring, so that the gap between the rotary seal ring and the collar is reduced. Sealed with.
  • Example 1 to 3 no leakage occurred.
  • the wear amount was 1.00E-10 (mm2 / N) or less, and the wear characteristics were good.
  • the fluid lubrication region has a fluid film formed on the sliding surface.
  • the wear amount was 2.00 E-14 (mm2 / N) or less, and the wear characteristics were particularly good.
  • Comparative Example 1 no leakage occurred, but the wear amount was 1.00E-7 (mm2 / N). In Comparative Example 1, since the sliding surface width is too narrow, a fluid film is not formed on the sliding surface, which is considered to be an abrasive wear region.
  • Comparative Example 2 Although the wear amount was 1.00E-15 (mm2 / N), leakage occurred. In Comparative Example 2, since the sliding surface width is too wide, the rigidity of the sealing surface becomes high, and the sealing surface formed in the nose portion cannot flexibly follow the opposing sealing surface. Conceivable.
  • Comparative Example 3 sliding traces were seen locally, and a chip was generated at the end of the nose of the fixed sliding ring, indicating that it was in strong contact with a part, and leakage occurred. .
  • Comparative Example 3 since no gap is formed between the back surface of the rotary seal ring and the collar, vibrations or the like when the rotary seal ring rotates cannot be absorbed and is generated on the sliding surface. It is thought that the swell could not be retained.
  • Example 1 to 3 when the temperature of the sliding surface was measured, the temperature inside the machine was 80 ° C. and the temperature outside the machine was 79.8 ° C. Also from this result, it can be seen that in Examples 1 to 3, the sliding surface has a very small friction coefficient, and is a fluid lubrication region in which a fluid film is formed on the sliding surface.
  • the present invention can be used for general industrial pumps, for example.
  • any apparatus having a rotating shaft it can be used as a shaft seal device for the rotating shaft.

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Abstract

スタッフィングボックスと回転軸との間隙で機内部の流体をシールするメカニカルシール装置であって、前記スタッフィングボックスに取り付けられるシールカバーと、前記シールカバーに取り付けられ、第１シール面を備える固定用密封環と、前記回転軸に取り付けられ、前記第１シール面に摺動可能な第２シール面を備える回転用密封環と、前記回転軸と一体に回転するカラーとを有し、前記固定用密封環または前記回転用密封環の何れか一方のシール面は、他の一方のシール面よりも半径方向の面幅が狭くなるように形成されており、前記回転用密封環の前記第２シール面に対向する背面と前記カラーとの間には隙間が形成されており、前記回転用密封環が前記回転軸の軸方向に弾性に保持されて前記カラーと一体に回転することを特徴とするメカニカルシール装置。

Description

メカニカルシール装置
　本発明は、メカニカルシール装置に関する。
　従来、メカニカルシール装置において、シール面を摺動させると自己潤滑性が乏しいために、摺動面が摩耗したり、摩擦係数が変動し急激な温度上昇が起こることにより熱応力割れが発生するなどの問題があった。
　したがって、従来では、摺動面温度を下げて、摺動面に介在する密封流体の蒸発を抑制することにより、潤滑膜を摺動面に保持させることが経験的に行われていた。しかしながら、沸点に近い流体を密封する際には、潤滑膜の蒸発を抑えることが困難であった。
　従来では、摺動面幅を狭くすることにより、摩擦係数が減少し、摺動発熱が低減すると考えられていた。しかしながら、摺動面幅を狭くすることにより、摺動面の摩耗量が増加して摺動面の損傷を引き起こしたり、密封性能が悪くなるなど、技術的メリットが少ないと考えられており、実用化が困難であった。すなわち、摺動面幅が狭いと、摺動面の間に液膜が形成されず、固体接触してしまうために摩耗量が増加してしまうため、摺動面幅を狭くすることは、好ましくないと考えられていた。
　特許文献１には、その図１および２に示すように、密封端面の径方向幅が０．２～１．０ｍｍのメカニカルシールが開示されている。しかしながら、特許文献１では、密封端面の径方向幅を小さくすることにより、接触圧を高くしてシールを行っているため、シール面の摩耗が激しく、シール摺動面が損傷してしまう問題があった。
特開２００１－１７３８００号公報
　本発明は、密封性能を有しながら、摺動発熱を大幅に低減するとともに、摺動面の摩耗を抑制することができるメカニカルシールを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係るメカニカルシールは、
　スタッフィングボックスと回転軸との間隙で機内部の流体をシールするメカニカルシール装置であって、
　前記スタッフィングボックスに取り付けられるシールカバーと、
　前記シールカバーに取り付けられ、第１シール面を備える固定用密封環と、
　前記回転軸に取り付けられ、前記第１シール面に摺動可能な第２シール面を備える回転用密封環と、
　前記回転軸と一体に回転するカラーとを有し、
　前記固定用密封環または前記回転用密封環の何れか一方のシール面は、他の一方のシール面よりも半径方向の面幅が狭くなるように形成されており、
　前記回転用密封環の前記第２シール面に対向する背面と前記カラーとの間には隙間が形成されており、前記回転用密封環が前記回転軸の軸方向に弾性に保持されて前記カラーと一体に回転することを特徴とする。
　このような構成のメカニカルシール装置によれば、面幅が狭いシール面は、剛性が低いので、シール面が変形しやすい。このため、回転用密封環が回転したときに、面幅が狭いシール面が、対向するシール面にフレキシブルに追従する。その結果、摺動面に適正なうねりが生じ、摺動面に好適に流体潤滑膜を形成することができる。
　また、回転用密封環の背面とカラーとの間に隙間が形成されているので、回転用密封環が回転軸の軸方向に弾性に保持されてカラーと一体に回転する。このため、回転用密封環が回転する際の振動等を吸収することができるので、摺動面に発生するうねりを好適に保持することができる。さらに、摺動面幅が狭い、即ち、摺動面積が小さくても密封環の損傷を防止できる。
　さらに、シール面の面幅を狭く形成してあるので、面幅が狭いシール面を挟んで、密封流体が有る機内側と密封流体が無い機外側とで、シール面の温度差を小さくすることができる。その結果、シール面の機内側と機外側との熱による変形量を小さくすることができる。
　好適には、前記回転用密封環の前記カラー側内周には、弾性部材およびスペーサを収容する溝が形成してあり、前記スペーサが前記カラーに当接して、前記回転用密封環の背面と前記カラーとの間に隙間が形成される。
　また、好適には、前記他の一方のシール面よりも半径方向の面幅が狭くなるように形成されたシール面が、断面形状が矩形のノーズ部に形成されている。
　このような構成のメカニカルシール装置によれば、ノーズ部が矩形なので、仮に摺動面が磨耗してもシール面の面幅が変化することなく、適正な接触圧を保持し続けることが可能になる。
　また、好適には、前記他の一方のシール面よりも半径方向の面幅が狭くなるように形成されたシール面の面幅が、１．１～２．０ｍｍに形成されている。
　また、好適には、前記固定用密封環のバランス比が、０．８～１.２０に形成されている。
　このような構成のメカニカルシール装置によれば、内部流体の圧力に対応した押圧力が固定用密封環に作用する。このため、摺動面には、内部流体の圧力に対応した接触圧が発生するので、内部流体の圧力に対応して適正なうねりが生じる。したがって、摺動面に好適な流体潤滑膜を形成することができる。
　また、好適には、前記固定用密封環の最内径比が、１.０９～１.３０に形成されている。
　このような構成のメカニカルシール装置によれば、固定用密封環の内周面側には、回転軸の外周面との間に比較的大きな間隙が形成される。その結果、被密封流体を、摺動面に向かって効率よく循環させることができるので、摺動発熱を効率よく除去することができる。
　また、好適には、前記固定用密封環の内周面が、前記第１シール面に向かって外周側に傾斜するようにテーパ状に形成されている。
　このような構成のメカニカルシール装置によれば、被密封流体を摺動面に向かって効率よく循環させることができるので、摺動発熱を効率よく除去することができる。
　また、好適には、メカニカルシール装置は、前記回転用密封環と前記固定用密封環が摺動することによって形成される密封面に対して、前記回転軸に近接する側に被密封流体が存在するアウトサイド型である。
　このような構成のアウトサイド型メカニカルシール装置によれば、摺動発熱を機外側に効率よく放熱させることができる。
　また、好適には、前記固定用密封環および前記回転用密封環の少なくとも何れか一方が、ＳｉＣで構成されている。
図１は、本発明の一実施形態に係るメカニカルシール装置の断面図である。 図２は、図１に示す断面図の部分拡大図である。 図３は、図１および図２に示す回転用密封環の正面図である。 図４は、摺動面幅と比摩耗量との関係を示すグラフである。
　第１実施形態
　本実施形態に係るメカニカルシール装置１は、一般産業用ポンプ等に装着されるシール装置である。メカニカルシール装置１は、図１および図２に示すように、密封面に対して回転軸に近接する側に被密封流体が存在するアウトサイド型に構成されており、回転軸７０とスタッフィングボックス８０との間隙で、機内部Ａ側の流体をシールする。なお、図１および図２においては、スタッフィングボックス８０の軸孔８１側（図示左側）が機内部Ａであり、その軸方向反対側（図示右側）が機外部Ｂである。
　本実施形態のメカニカルシール装置１は、好ましくは、被密封流体の圧力が１ＭＰａ以下の使用環境で使用されるが、これに限定されず、２ＭＰａよりも大きな圧力環境下でも使用可能である。
　スタッフィングボックス８０には軸孔８１が形成されており、この軸孔８１に、不図示の軸受けにより回転可能に支持された回転軸７０が貫通している。メカニカルシール装置１は、ガスケット６０を介して、スタッフィングボックス８０の軸孔８１の周囲の外面８２に取り付けられる。すなわち、スタッフィングボックス８０の外面８２に設置されている埋め込みボルト８３に、シールカバー１０の設置用溝（不図示）を通過させて、ナット８４を締め付けることより、メカニカルシール装置１がスタッフィングボックス８０に取り付けられる。なお、ガスケット６０は、樹脂製又は金属製であり、シールカバー１０とスタッフィングボックス８０との間から機内側空間Ａの被密封流体が漏洩するのを防止する。
　メカニカルシール装置１は、シールカバー１０、固定用密封環４０、回転用密封環３０およびカラー２０を有する。
　シールカバー１０の内周側には、固定用密封環４０が軸方向に移動可能に嵌合設置されている。シールカバー１０は、軸方向機外側に突出する固定ピン４８を備える。固定ピン４８は、固定用密封環４０のフランジ部４２に形成された案内溝４７に挿入される。シールカバー１０には、周方向に複数のバネ座が設けられており、固定用密封環４０のフランジ部４２の対向面との間に周方向に複数のコイルスプリング４９を保持する。
　シールカバー１０には、外周面から内部孔１１につながる径方向のクエンチング液注入路１３が形成されている。クエンチング液注入路１３には、不図示の配管と接続可能な管用ねじ穴が形成されている。配管を介して注入されたクエンチング液は、クエンチング液注入路１３から固定用密封環４０および回転用密封環３０の外周側に注入される。注入されたクエンチング液により、固定用密封環４０および回転用密封環３０の摺動面の摺動時の発熱が冷却されると共に、各シール部に付着している不純物が洗浄される。尚、このクエンチング機能は本発明に対し、必要不可欠な機能ではないため、その有無は限定されない。
　固定用密封環４０は、シールカバー１０の内周側に軸方向移動自在に嵌合設置されている。固定用密封環４０には、機外側端面に、断面形状が矩形のノーズ部４６が形成されている。ノーズ部４６の機外側端面は、シール面４３に形成されており、このシール面４３が、回転用密封環３０のシール面３２に摺動可能に密接する。固定用密封環４０のシール面４３の面幅（径方向の長さ）は、回転用密封環３０のシール面３２の面幅よりも狭く形成されている。図３に示す固定用密封環４０のシール面４３の面幅ａは、好適には、１．１～２．０ｍｍである。さらに好適には、固定用密封環４０のシール面４３の面幅ａは、１．４～１．８ｍｍである。なお、ノーズ部４６の軸方向長さは、好適には、１．０～２．０ｍｍである。
　図２に示すように、固定用密封環４０の外周面には、軸方向に沿って段差となった階段部４１ａが形成されている。一方、シールカバー１０の内周面には、固定用密封環４０の階段部４１ａと対向するように同じく軸方向に沿って段差となった階段部４４ａが形成されている。これらの階段部４１ａ及び階段部４４ａにより断面矩形の環状空間が形成されており、この環状空間にＯリング４５が配置されている。Ｏリング４５は、シールカバー１０と固定用密封環４０との間を密封する。なお、Ｏリング４５の材質は、フッ素ゴム、ニトリルゴム、ＥＰＤＭ、パーフロロエラストマなどが用いられる。
　図１に示すように、固定用密封環４０の外周側はフランジ部４２に形成されており、フランジ部４２には軸方向に案内溝４７が形成されている。案内溝４７には、シールカバー１０の機外側端面に形成された固定ピン４８が挿入される。固定ピン４８と案内溝４７とは、軸方向へ相対移動可能な状態、周方向へは係止された状態となっており、これにより固定用密封環４０は、シールカバー１０に対して、軸方向には移動自在であり、周方向（回転軸７０の回転方向）には回転不能に設置されている。
　固定用密封環４０のフランジ部４２のシールカバー１０との対向面には、周方向へ複数のバネ座が設けられており、シールカバー１０の機外側端面に形成されたバネ座との間にコイルスプリング４９を保持している。これにより、固定用密封環４０は軸方向機外側に、すなわち回転用密封環３０の方向に押圧される。
　固定用密封環４０の内周面側は、回転軸７０の外周面との間に比較的大きな間隙が形成されている。すなわち、本実施形態では、以下の数式１で定義される最内径比Ｋが、１.０９～１.３０の範囲になるように、固定用密封環４０が形成される。このように、固定用密封環４０を形成することで、機内側空間Ａに収容される被密封流体を、摺動面に向かって効率よく循環させることができるので、摺動面の摺動発熱を効率よく除去することができる。
　Ｋ＝ｒｓ／ｒａ・・・（数１）
　Ｋは、最内径比
　ｒａは、回転軸７０の半径
　ｒｓは、固定用密封環４０の内径
　固定用密封環４０の内周面は、シール面４３に向かって外周側に傾斜するようにテーパ状に形成されている。固定用密封環４０にテーパ部４１を形成することにより、被密封流体を、摺動面に向かって効率よく循環させることができるので、摺動面の摺動発熱を効率よく除去することができる。
　また、本実施形態では、図２に示すように、以下の数式２で定義されるバランス比ＢＶが、０．８～１.２０の範囲になるように、固定用密封環４０が形成される。バランス比を０．８～１.２０の範囲にすることで、内部流体の圧力に対応した押圧力が固定用密封環４０に作用する。このため、摺動面には、内部流体の圧力に対応した接触圧が発生するので、内部流体の圧力に対応して摺動面に適正なうねりが生じる。したがって、摺動面に好適な流体潤滑膜を形成することができる。
　ＢＶ＝（ｒｂ ２－ｒｉ ２ ）／（ｒｏ ２－ｒｉ ２ ） …（数２）
　ＢＶは、バランス比
　ｒｉは、シール面４３の内径
　ｒｏは、シール面４３の外径
　ｒｂは、シールカバー１０の階段部４４ａの軸周面に平行な面の径（内径）
　図１に示すように、カラー２０は、セットプレート５５により位置決めされた状態で、セットスクリュー２２により回転軸７０に対して固定される。なお、セットプレート５５は、メカニカルシール装置１の組立後に取り外される。
　回転用密封環３０の機内側の端面は、固定用密封環４０のシール面４３と密接に摺動する機内側シール面３２に形成されている。回転用密封環３０のカラー２０側の内周面には、溝３５が形成されている。
　回転用密封環３０の溝３５には、カラー２０側から軸方向に沿って順に、スペーサ３７およびＯリング３６が配置されている。スペーサ３７は、カラー２０に当接し、回転用密封環３０のシール面３２に対向する背面３１とカラー２０との間に隙間ｂを形成する。スペーサ３７は、ＳＵＳやエンジニアリングプラスチック等の強度に優れる材質で構成される。なお、背面３１とカラー２０との間に形成される隙間ｂは、好ましくは、０．４ｍｍ～３ｍｍである。隙間ｂが小さい場合には、部品の組み合わせによる累積公差のため、本実施形態の効果が小さくなる傾向にあり、また、隙間Ｂが大きい場合には、メカニカルシール装置が軸方向に大きくなり、メカニカルシール装置をポンプ等に装着することが困難になる傾向にある。また、固定用密封環４０のシール面４３の面幅ａと隙間ｂとの比（ａ／ｂ）は、好適には、０．３５～５である。
　Ｏリング３６は、回転用密封環３０の溝３５と回転軸７０とスペーサ３７とに密接して、回転用密封環３０と回転軸７０との間を密封する。さらに、Ｏリング３６は、弾性を有する材質で構成されているので、回転用密封環３０が軸方向および径方向に弾性に保持される。Ｏリング３６の材質は、フッ素ゴム、ニトリルゴム、ＥＰＤＭ、パーフロロエラストマなどが用いられる。
　回転用密封環３０は、軸方向に沿って、Ｏリング３６およびスペーサ３７を介して、回転軸７０に嵌合設置されたカラー２０により係止されている。回転用密封環３０には、軸方向に案内溝３３が形成されている。案内溝３３には、カラー２０の機内側端面に設置された固定ピン２１が挿入される。固定ピン２１と案内溝３３は、軸方向へ相対移動可能な状態、周方向へは係止された状態となっており、回転用密封環３０は、カラー２０と一体に回転する。
　本実施形態では、回転用密封環３０および固定用密封環４０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、カーボン、超硬合金等の材質で構成される。好適には、固定用密封環４０および回転用密封環３０は、ＳｉＣで構成される。固定用密封環４０および回転用密封環３０をＳｉＣで構成することにより、これらが同じ硬度であるため、摩耗を抑制することができる。
　本実施形態では、シール面４３の面幅を通常よりも狭く形成している。このため、固定用密封環４０を回転用密封環３０方向に押圧するコイルスプリング４９の圧力が同一の場合には、シール面４３と機内側シール面３２との面圧を高めることができる。換言すれば、同じ面圧（シール面圧）を得る場合には、シール面幅を狭くすることにより、コイルスプリング４９の押圧力を少なくすることが可能となり、小型のスプリングを用いることが可能となる。その結果、メカニカルシール装置１を小型化することが可能となる。
　また、本実施形態では、シール面４３の面幅が狭いので、シール面４３の剛性が低く変形しやすい。このため、回転用密封環３０が回転したときに、シール面４３が、対向するシール面３２にフレキシブルに追従する。その結果、摺動面に適正なうねりが生じ、摺動面に好適に流体潤滑膜を形成することができる。
　また、本実施形態では、回転用密封環３０の背面３１とカラー２０との間に隙間ｂが形成されているので、回転用密封環３０が回転軸７０の軸方向に弾性に保持されてカラー２０と一体に回転する。このため、回転用密封環３０が回転する際の振動等を吸収することができるので、摺動面に発生するうねりを好適に保持することができる。
　さらに、シール面４３の面幅を狭く形成してあるので、シール面４３を挟んで、密封流体が有る機内部Ａ側と密封流体が無い機外部Ｂ側とで、温度差を小さくすることができる。その結果、シール面４３の機内部Ａ側と機外部Ｂ側とで、熱による変形量を小さくすることができる。
　また、本実施形態では、ノーズ部４６が矩形なので、仮に摺動面が磨耗してもシール面４３の面幅が変化することなく、適正な接触圧を保持し続けることが可能となる。
　また、本実施形態では、固定用密封環４０のバランス比ＢＶが０．８～１.２０の範囲であり、内部流体の圧力に対応した押圧力が固定用密封環４０に作用する。このため、摺動面には、内部流体の圧力に対応した接触圧が発生するので、内部流体の圧力に対応して摺動面に適正なうねりが生じる。したがって、摺動面に好適な流体潤滑膜を形成することができる。
　また、本実施形態では、固定用密封環４０の内周面側には、回転軸７０の外周面との間に比較的大きな間隙が形成される。その結果、被密封流体を、摺動面に向かって効率よく循環させることができるので、摺動発熱を効率よく除去することができる。
　また、本実施形態では、固定用密封環４０の内周面が、シール面に向かってテーパ状に形成されているので、被密封流体を、摺動面に向かって効率よく循環させることができるので、摺動発熱を効率よく除去することができる。
　また、本実施形態では、アウトサイド型のメカニカルシール装置なので、摺動発熱を機外側に効率よく放熱させることができる。
　なお、従来では、特許文献１に開示されているように、摺動面幅が狭いシール装置では、密封性能を確保するために、非常に高い接触圧でシールを行わなければならないと考えられていた。また、従来では、摺動面幅が狭いと、摺動面の間に液膜が形成されず、固体接触してしまうために摩耗量が増加してしまうため、摺動面幅を狭くすることは、好ましくないと考えられていた。本発明は、摺動面幅を最適な面幅にすると、摺動発熱を大幅に低減できることを発見し、それを取り入れた設計を試行錯誤で行い、従来技術における問題点を解決した新しいタイプのメカニカルシール装置を実現した。
　なお、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。
　たとえば、固定用密封環４０および回転用密封環３０の形状や設置構成等は任意に変更してよい。たとえば、上記の実施形態では、固定用密封環４０にノーズ部を形成したが、回転用密封環３０にノーズ部４０を形成しても良い。
　また、上記の実施形態では、アウトサイド型のメカニカルシール装置について説明をしたが、インサイド型のメカニカルシール装置にも適用することができる。
　以下では、本発明を実施例に基づき説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　実施例１～３
　実施例１～３では、上記の第１実施形態で説明したメカニカルシール装置を作成し、固定用密封環４０および回転用密封環３０をＳｉＣで構成した。なお、表１に示すように、実施例１では固定用密封環の摺動面幅を１．２０ｍｍ、実施例２では摺動面幅を１．５０ｍｍ、実施例３では摺動面幅を１．８０ｍｍとした。
　比較例１～３
　比較例１および２は、上記の実施例１～３とは異なり、表１に示すように、比較例１では摺動面幅を１．００ｍｍ、比較例２では摺動面幅を２．２５ｍｍとした。比較例３では、摺動面幅を１．５ｍｍとしたが、上記の第１実施形態で説明したメカニカルシール装置とは異なり、回転用密封環の背面とカラーとの間に隙間が形成されていない。すなわち、比較例３では、上記の第１実施形態とは異なり、回転用密封環の背面の径方向中間位置に形成される溝にＯリングを配置して、回転用密封環とカラーとの間で密封した。
　評価
　表１に示すように、摩耗および漏れ量の評価を行った。なお、摩耗の良否判定は、比摩耗量が１．００Ｅ－８（ｍｍ２／Ｎ）以下を良判定とした。
　表１に示すように、実施例１～３では、漏れが発生していない。しかも、実施例１～３では、被摩耗量が１．００Ｅ－１０（ｍｍ２／Ｎ）以下であり、摩耗特性が良好であった。実施例１～３では、摺動面に流体膜が形成される流体潤滑領域であると考えられる。実施例２および３では、被摩耗量が２．００Ｅ－１４（ｍｍ２／Ｎ）以下であり、摩耗特性が特に良好であった。
　比較例１では、漏れは発生しなかったものの、被摩耗量が１．００Ｅ－７（ｍｍ２／Ｎ）であった。比較例１では、摺動面幅が狭すぎるため、摺動面に流体膜が形成されず、アブレシブ摩耗領域であると考えられる。
　比較例２では、被摩耗量は１．００Ｅ－１５（ｍｍ２／Ｎ）であったものの、漏れが発生してしまった。比較例２では、摺動面幅が広すぎるため、シール面の剛性が高くなってしまい、ノーズ部に形成されるシール面が、対向するシール面にフレキシブルに追従することができなくなってしまったと考えられる。
　比較例３では、摺動痕が局所的に見られ、固定摺動環のノーズの端にカケが発生していて、部分的に強く接触したことを示しており、漏れが発生してしまった。比較例３では、回転用密封環の背面とカラーとの間に隙間が形成されていないので、回転用密封環が回転する際の振動等を吸収することができず、摺動面に発生するうねりを保持することができなかったと考えられる。
　なお、実施例１～３について、摺動面の温度を測定したところ、機内部側の温度が８０℃であり、機外部側の温度が７９．８℃であった。この結果からも、実施例１～３では、摺動面の摩擦係数が非常に小さく、摺動面に流体膜が形成される流体潤滑領域であることが分かる。
産業上の利用分野
　本発明は、たとえば、一般産業用ポンプ等に利用することができる。その他、回転軸を有する任意の装置において、その回転軸の軸封装置として利用することができる。
１　・・・メカニカルシール装置
１０・・・シールカバー
２０・・・カラー
３０・・・回転用密封環
３１・・・背面
３２・・・シール面
３５・・・溝
３６・・・Ｏリング
３７・・・スペーサ
４０・・・固定用密封環
４１・・・テーパ部
４３・・・シール面
４６・・・ノーズ部
７０・・・回転軸
８０・・・スタッフィングボックス
Ａ　・・・機内部
ＢＶ・・・バランス比
Ｋ　・・・最内径比

Claims (9)

  1. 　スタッフィングボックスと回転軸との間隙で機内部の流体をシールするメカニカルシール装置であって、
    　前記スタッフィングボックスに取り付けられるシールカバーと、
    　前記シールカバーに取り付けられ、第１シール面を備える固定用密封環と、
    　前記回転軸に取り付けられ、前記第１シール面に摺動可能な第２シール面を備える回転用密封環と、
    　前記回転軸と一体に回転するカラーとを有し、
    　前記固定用密封環または前記回転用密封環の何れか一方のシール面は、他の一方のシール面よりも半径方向の面幅が狭くなるように形成されており、
    　前記回転用密封環の前記第２シール面に対向する背面と前記カラーとの間には隙間が形成されており、前記回転用密封環が前記回転軸の軸方向に弾性に保持されて前記カラーと一体に回転することを特徴とするメカニカルシール装置。
  2. 　前記回転用密封環の前記カラー側内周には、弾性部材およびスペーサを収容する溝が形成してあり、前記スペーサが前記カラーに当接して、前記回転用密封環の前記背面と前記カラーとの間に隙間が形成されることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
  3. 　前記他の一方のシール面よりも半径方向の面幅が狭くなるように形成されたシール面が、断面形状が矩形のノーズ部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
  4. 　前記他の一方のシール面よりも半径方向の面幅が狭くなるように形成されたシール面の面幅が、１．１～２．０ｍｍに形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
  5. 　前記固定用密封環のバランス比が、０．８～１.２０に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
  6. 　前記固定用密封環の最内径比が、１.０９～１.３０に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
  7. 　前記固定用密封環の内周面が、前記第１シール面に向かって外周側に傾斜するようにテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
  8. 　前記回転用密封環と前記固定用密封環が摺動することによって形成される密封面に対して、前記回転軸に近接する側に被密封流体が存在するアウトサイド型であることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
  9. 　前記固定用密封環および前記回転用密封環の少なくとも何れか一方が、ＳｉＣで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
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