| 【発明の名称】 |
メカニカルシール |
| 【発明者】 |
【氏名】瀧ケ平 宜昭
【氏名】菅家 敏弘
【氏名】古川 泰成
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| 【要約】 |
【課題】高圧の密封対象流体でも摺動面の負荷の増大を抑制して、メカニカルシールの長寿命化及び好適に使用可能な実用限界の拡大を図ることにある。
【解決手段】シールハウジング１の環状凹部１２に収容され、外周面３１ａが環状凹部１２の内周面１２ａにＯリング３３を介して固定的に密嵌された非回転のシールリング３１と、回転軸２と共に回転しシールリング３１の摺動突起３１１と摺動するメイティングリング３２を備え、その互いの摺動面Ｓの外周側が密封対象の機内空間Ａとなっている。シールリング３１の背面３１ｂにおける内周側には支持突起３１２が形成され、この支持突起３１２が、シールハウジング１の環状凹部１２における端面１２ｂに当接されている。シールリング３１は、機内空間Ａの圧力によって支持突起３１２の外径を支点とする変形を受け、摺動面Ｓに外周側へ開いたクサビ状の隙間を形成し、これによって摺動面Ｓに作用する開力を増大させる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 円周方向に連続した摺動突起を有する摺動環と、前記摺動突起の端面に密接される摺動環とを備え、密封対象流体の存在する空間が前記両摺動環の摺動面の外周側にあって、前記両摺動環のうち一方又は双方の外周面及び背面が保持部材に保持され、前記摺動環と保持部材の対向周面間にパッキングが介在され、前記摺動環の背面とこれを支承する前記保持部材の端面のうちいずれか一方に、内周側に偏在して軸方向に突出した支持突起が形成されたことを特徴とするメカニカルシール。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は回転軸の軸周を密封するメカニカルシールであって、特に、高圧の流体を密封するのに適したメカニカルシールに関する。
【０００２】
【従来の技術】産業機械等、密封対象流体が高圧となる条件下で使用される工業用メカニカルシールの典型的な従来例としては、図５に示されるような構造のものが知られている。このメカニカルシールは、機器のシールハウジング１１１側に装着された非回転のシールリング１０１と、前記シールハウジング１１１の軸孔に挿通された回転軸１１２側に装着されたメイティングリング１０２を備え、シールリング１０１におけるメイティングリング１０２との対向面に円周方向に連続して形成された摺動突起１０１ａが、回転するメイティングリング１０２の端面に摺接されることによって、その摺動面Ｓの外周側の機内空間Ａに存在する高圧の密封対象流体が回転軸１１２とシールハウジング１１１との隙間から機外空間Ｂへ漏出するのを防止するものである。
【０００３】非回転のシールリング１０１は、その外周面１０１ｂを、シールハウジング１１１の軸孔開口部に形成された環状凹部の内周面１１１ａにＯリング１０３を介して保持されると共に、背面１０１ｃを、前記環状凹部の端面１１１ｂに支承されている。一方、回転側のメイティングリング１０２は、Ｏリング１０４を介して回転軸１１２に軸方向移動可能に装着されると共に、その背面側に配置されたコイルスプリング１０５によって前記シールリング１０１へ向けて付勢され、カラー１０６及びコンプレッションリング１０７を介して回転軸１１２の回転力が伝達されることによって、この回転軸１１２と共に回転される。
【０００４】ここで、シールリング１０１とメイティングリング１０２との摺動面Ｓの内周に連なる機外空間Ｂの圧力（大気圧）と、それより高圧である機内空間Ａの密封対象流体の圧力との差圧をΔＰとすると、図６に示されるように、この差圧ΔＰがメイティングリング１０２に対してその背面側から軸方向に作用する受圧面積ａよりも、摺動面Ｓ側から軸方向に作用する受圧面積ｂが小さいため、前記差圧ΔＰによって、メイティングリング１０２をシールリング１０１に押し付ける荷重Ｆ＝ΔＰ（ａ−ｂ）が発生する。すなわち、この荷重ＦはΔＰに比例することから、機内空間Ａが高圧であるほど、シールリング１０１とメイティングリング１０２の互いの摺動面圧が比例的に増大し、摺動面Ｓに介在する密封対象流体の一部からなる潤滑膜の膜厚さが減少する。
【０００５】摺動面Ｓにおける潤滑膜の膜厚さの減少は、潤滑不足による摩擦熱の発熱量の増大や、摺動材の異常摩耗、更には摺動面Ｓにおける焼き付きやカジリ等を引き起こす原因になり、これらはメカニカルシールの寿命を短命化させるものである。したがって、密封対象流体Ａの圧力は、メカニカルシールの実用限界を決定する単独要因の一つとして認識されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、その主な技術的課題は、高圧の密封対象流体でも摺動面の負荷の増大を抑制して、メカニカルシールの長寿命化及び好適に使用可能な実用限界の拡大を図ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、本発明に係るメカニカルシールは、円周方向に連続した摺動突起を有する摺動環と、前記摺動突起の端面に密接される摺動環とを備え、密封対象流体の存在する空間が前記両摺動環の摺動面の外周側にあって、前記両摺動環のうち一方又は双方の外周面及び背面が保持部材に保持され、前記摺動環と保持部材の対向周面間にパッキングが介在され、前記摺動環の背面とこれを支承する前記保持部材の端面のうちいずれか一方に、内周側に偏在して軸方向へ突出した支持突起が形成されたものである。すなわち、前記保持部材は、摺動環の背面を前記支持突起において支承し、その外周側は逃げ空間となるので、前記摺動環は、密封対象流体の圧力によって前記逃げ空間へ倒れ込むような変形を受け、摺動面間に、その開力（Opening Force）となる密封対象流体の圧力が導入される。
【０００８】なお、ここでいう「背面」とは摺動面と反対側を向いた面のことであり、「前面」とは摺動面側の面のことである。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１及び図２は、本発明に係るメカニカルシールの好ましい一実施形態を示すものである。この図において、参照符号１は工業用機器のシールハウジング、参照符号２はこのシールハウジング１に開設された軸孔の内周に同心的に挿通された回転軸である。
【００１０】シールハウジング１と回転軸２との間に介在される本発明のメカニカルシール３は、前記シールハウジング１側に装着された非回転の摺動環であるシールリング３１と、前記回転軸２側に装着されてこの回転軸２と共に回転するメイティングリング３２を備え、このシールリング３１とメイティングリング３２が、軸方向に対向する端面同士で互いに密接摺動されることによって、その摺動面Ｓの外周側に連なる機内空間Ａに存在する高圧の密封対象流体が、シールハウジング１と回転軸２との隙間から機外空間Ｂへ漏出するのを防止するものである。
【００１１】シールリング３１は、シールハウジング１の軸孔１１の機内側開口部に同心的に拡径形成された環状凹部１２内に収容され、外周面３１ａが、前記環状凹部１２の内周面１２ａに円周方向へ連続して形成されたＯリング装着溝１３に装着されたパッキングとしてのＯリング３３を介して、固定的に密嵌されている。このシールリング３１には、前記環状凹部１２から露出してメイティングリング３２側を向いた前面に、円周方向に連続した摺動突起３１１が形成されている。
【００１２】また、シールリング３１の背面３１ｂにおける内周側に偏在した部分には、軸方向へ突出した支持突起３１２が形成され、この支持突起３１２が、シールハウジング１の環状凹部１２における端面１２ｂに当接されている。
【００１３】回転側のメイティングリング３２はシールリング３１より硬質の摺動材料からなるものであって、シールリング３１からみて機内側に配置され、回転軸２の外周面にＯリング３４を介して軸方向移動自在に装着されている。前記Ｏリング３４は、メイティングリング３２の背面側の内周面に形成されたＯリング装着凹部３２ａに収容された状態でメイティングリング３２に保持されている。
【００１４】メイティングリング３２の背面側には、Ｏリング３４を背面側から押えるコンプレッションリング３５が軸方向移動自在に配置されており、更にその背面側には、円周方向等間隔でねじ込まれた複数のセットスクリュ３６１によって回転軸２の外周面に固定された環状のカラー３６が配置されている。カラー３６には、コンプレッションリング３５側へ開放された複数のスプリング保持孔３６ａが円周方向等間隔で形成されており、各スプリング保持孔３６ａに半収容状態に保持されたコイルスプリング３７が、適当に圧縮された状態で前記コンプレッションリング３５の背面に当接している。また、コンプレッションリング３５は、ピン３６２を介してカラー３６と円周方向に係合されており、メイティングリング３２は、その背面に形成された切欠３２ｂが、コンプレッションリング３５に設けられたピン３５１と円周方向に係合されている。
【００１５】すなわちメイティングリング３２は、コンプレッションリング３５及びＯリング３４を介して与えられるコイルスプリング３７の軸方向付勢力によって、その端面がシールリング３１の摺動突起３１１に押し付けられると共に、回転軸２の回転力が、セットスクリュ３６１、カラー３６、ピン３６２、コンプレッションリング３５及びピン３５１を介して伝達されることにより前記回転軸２と一体的に回転され、前記摺動突起３１１との間に摺動面Ｓを形成するものである。
【００１６】回転軸２は、メイティングリング３２の内周に位置する部分に環状段差部２ａが形成されており、この環状段差部２ａを境にして、シールハウジング１の軸孔１１及びシールリング３１の内周への挿通部２ｂが相対的に小径、Ｏリング３４が軸方向移動自在に嵌着されたメイティングリング担持部２ｃが相対的に大径に形成されている。そして、シールリング３１の内径と、メイティングリング３２における摺動面Ｓ寄りの内径は、回転軸２のシールリング担持部２ｃよりも小径に形成されており、これによって、シールリング３１の摺動面Ｓ（摺動突起３１１）がメイティングリング３２の内周寄りに偏在し、機内空間Ａの密封対象流体の圧力と機外空間Ｂの大気圧との差圧ΔＰがメイティングリング３２の前面に軸方向に作用する範囲ｂを内径側へなるべく大きくすることによって、前記差圧ΔＰがメイティングリング３２の背面に作用する範囲ａとの差（ａ−ｂ）を小さくしてある。
【００１７】以上の構成において、シールハウジング１側に非回転状態に保持されたシールリング３１は、メイティングリング３２からの押し付け力及び機内空間Ａの密封対象流体の圧力と機外空間Ｂの大気圧との差圧ΔＰを受けて、背面３１ｂに形成された支持突起３１２が、前記シールハウジング１における環状凹部１２の端面１２ｂに押し付けられており、その外周側には逃げ空間Ｃが形成される。このため、図２に示されるように、前記差圧ΔＰが、シールリング３１の前面における摺動面Ｓの外周側に作用することによって、このシールリング３１は前記支持突起３１２の外径端部３１２ａを支点とする変形力Ｍを受け、前記逃げ空間Ｃへ倒れ込むように変形される（図２では、この状態を誇張して示してある）。
【００１８】その結果、摺動面Ｓには外周側（機内空間Ａ側）へ開いたクサビ状の微小隙間Ｇが形成され、この微小隙間Ｇに機内空間Ａ内の密封対象流体の一部が介入することによって、摺動面Ｓへの安定した潤滑膜の形成が促される。
【００１９】また、上述のように摺動面Ｓに形成されるクサビ状の微小隙間Ｇに介入する密封対象流体の圧力（大気圧との差圧ΔＰ）によって、摺動面Ｓの開力が増大する。すなわち、図３に密封対象流体が水である場合を示すように、摺動面Ｓにクサビ状の微小隙間が形成されない従来構造のものにおいては、摺動面Ｓの開力として作用するΔＰが内周へ向けて直線的に減圧されるように分布するのに対し、本発明の場合は、摺動面Ｓにクサビ状の微小隙間Ｇが形成されることによって、ΔＰが摺動面Ｓの内径近傍まで減圧が小さい分布状態になり、その差分ΔＦだけ前記開力が増大して、摺動面圧が軽減される。
【００２０】更には、クサビ状の微小隙間の形成によって、摺動面Ｓ間における密封対象流体の流通が促され、摺動面Ｓ間に介入した異物の排出や、摺動に伴って発生した摩擦熱の除去（冷却）効果の向上が期待できる。
【００２１】なお、ΔＰが同一の条件下において、支持突起３１２の外径を小径にし、すなわちその外径端部３１２ａを内径側に移動して逃げ空間Ｃの径方向寸法を内径側へ拡張した場合、図２に示されるΔＰによるシールリング３１の変形がより大きくなり、これによって摺動面Ｓに形成されるクサビ状の隙間Ｇも拡大される。その結果、摺動負荷の大幅な低減が期待されるが、反面、摺動面圧の低下を伴うことによって、密封性能が低下するおそれがある。したがって、支持突起３１２の外径寸法は、使用目的や圧力条件等を考慮して適切に決定される。
【００２２】上述の効果は、図４に他の実施形態を示すように、支持突起をシールハウジング１側に形成しても実現することができる。すなわちこの実施形態においては、シールリング３１は従来と同様、背面３１ｂが軸心と直交する平坦な平面状に形成されているのに対し、このシールリング３１を保持するシールハウジング１の環状凹部１２の端面１２ｂには、前記シールリング３１の背面３１ｂにおける内周側に当接する支持突起１４が軸方向へ突出形成されている。その他の部分の構成は、先に説明した図１の実施形態と同様である。
【００２３】この場合も、支持突起１４の外周側には逃げ空間Ｃが形成されることになるので、シールリング３１は、その前面における摺動突起３１１の外周側に機内空間Ａと機外空間Ｂとの差圧を受けることによって前記逃げ空間Ｃへ倒れ込むような変形を受け、摺動面Ｓに外周側へ開いたクサビ状の微小隙間が形成される。
【００２４】なお、上述の各実施形態においては、静止側の摺動環又はこれを保持するシールハウジングについて本発明を適用した場合を説明したが、回転側の摺動環が環状の保持部材に保持された構造を有するものにおいては、この摺動環又は保持部材に、本発明を同様に実施することができる。
【００２５】
【発明の効果】本発明に係るメカニカルシールによると、密封対象流体の圧力を利用して摺動環を変形させることによって、摺動面の開力を増大させるため、摺動面圧が抑制されると共に摺動面の潤滑膜の安定化が図られ、摺動面に介入される密封対象流体の流通が促され、このため、高圧条件においても摺動負荷が軽減され、軸封装置として使用可能な圧力条件の実用限界が拡大され、シールの長寿命化を図ることができる。
【００２６】また、このような効果を実現できるものであることから、例えば通常は低圧の系でも、事故や故障等、何らかの異常発生時に急激な圧力増大が予想されるような系において、摺動材の破損を有効に防止し、また良好なシール性能を維持し得る軸封装置として好適に使用することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１０１８７９
【氏名又は名称】イーグル工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１１月１９日（１９９９．１１．１９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７１２０５
【弁理士】
【氏名又は名称】野本 陽一
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１４１０７５（Ｐ２００１−１４１０７５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年５月２５日（２００１．５．２５） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３２９１８５ |
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