| 【発明の名称】 |
メカニカルシール |
| 【発明者】 |
【氏名】福井 寿夫
【氏名】藤永 繁行
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| 【要約】 |
【課題】両密封環の少なくとも一方を分割構造となしていることに起因して適正なシール機能を発揮し得ないでいた条件下においても、良好なシール機能を発揮することができるものであり、凝固性流体等を扱う化学工業分野等の広範な用途に供しうるメカニカルシールを提供する。
【解決手段】回転軸２側の第１密封環４とシールケース側の第２密封環６との対向端面である密封端面４ａ，６ａの相対回転摺接作用により、機内領域Ｈと大気領域Ｌとをシールする。第１密封環４の端部は尖端形状とされており、密封端面４ａの径方向幅Ｗは０．２〜１．０ｍｍとされている。各密封環４，６は、その内周部又は外周部に軸線方向における全幅に亘る切欠部を形成すると共にこの切欠部に剪断力を作用させることによって、径方向に２分割されており、その分割面は微細な凹凸面をなしている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 シールケース及びこれを洞貫する回転軸の一方に設けた第１密封環と他方に設けた第２密封環とがその対向端面である密封端面で相対回転摺接するように構成されており、少なくとも第１密封環が径方向に分割されているメカニカルシールにおいて、密封端面が形成される第１密封環の端部を、その内外周面が当該密封端面との交角が鈍角となる円錐面をなす尖端形状として、当該密封端面の径方向幅を０．２〜１．０ｍｍとなしていることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】 第１密封環又は第１及び第２密封環が、その内周部又は外周部に軸線方向における全幅に亘る切欠部を形成すると共にこの切欠部に剪断力を作用させることによって、径方向に分割されており、その分割面が微細な凹凸面をなしていることを特徴とする、請求項１に記載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、少なくとも一方を径方向に分割してある二つの密封環を相対回転摺接させることによりシール機能が発揮されるように構成されたメカニカルシールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】シールケースに設けた密封環と回転軸に設けた密封環とをこれらの対向端面である密封端面で相対回転摺接させることにより、その相対回転摺接部分の内外周側領域である機内領域と機外領域とをシールするように構成されたメカニカルシールにあって、密封端面の摩耗損傷等による密封環の交換，修理等のメンテナンス作業を容易ならしめべく、少なくとも一方の密封環を径方向に分割しておくように工夫されたものが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このように分割形の密封環を使用するメカニカルシールにあっては、機内領域の流体が凝固物質等のスラリ成分を含有するものである場合、スラリ成分が密封端面間に侵入して付着，堆積し、密封端面の適正な接触を妨げる虞れがあり、特に、密封環の分割面間にスラリ成分が付着，堆積したときには、シール機能が喪失して、大量漏れに繋がる。また、機内領域の圧力変動等により、当該密封環の分割面にズレが生じて、その密封端面に分割個所で段差や隙間が生じる虞れがあった。かかる密封端面に生じた段差や隙間は、それが極く僅かなものであっても、シール機能の大幅な低下を招来する。
【０００４】したがって、分割形の密封環を使用する従来のメカニカルシールは、機内領域の圧力変動や流体の性状等のシール条件によっては実用することができず、その用途が大幅に制限されているのが実情である。
【０００５】本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、少なくとも一方の密封環を分割形としておくことによる上記した問題を解決して、シールすべき流体の性状等のシール条件に拘わらず良好なシール機能を発揮することができ、例えば高粘度スラリ流体のシール等、広範な用途に供しうるメカニカルシールを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、シールケース及びこれを洞貫する回転軸の一方に設けた第１密封環と他方に設けた第２密封環とがその対向端面である密封端面で相対回転摺接するように構成されており、少なくとも第１密封環が径方向に分割されているメカニカルシールにおいて、密封端面が形成される第１密封環の端部を、その内外周面が当該密封端面との交角が鈍角となる円錐面をなす尖端形状として、当該密封端面の径方向幅を０．２〜１．０ｍｍとなしておくことを提案するものである。シールすべき粒体が高粘度，凝固性流体や微粒固形成分を含有する流体である場合には、密封端面間に凝固性成分が侵入して凝固物が生成したり微粒固形成分が噛み込んだりして、密封端面間が開き良好なシール機能が発揮できなくなる虞れがあるが、かかる場合にも、上記した如く第１密封環の密封端面の径方向幅（密封端面幅）を微小としておくと、両密封端面の接触圧（面圧）が高くなることとも相俟って、密封端面間への高粘度，凝固性流体や微粒固形成分の侵入，噛み込みを防止し得て、両密封端面を適正な接触状態に保持し、良好なシール機能を発揮することができる。さらに、第１密封環が、その内周部又は外周部に軸線方向における全幅に亘る切欠部を形成すると共にこの切欠部に剪断力を作用させることによって、径方向に分割されたものであり、その分割面が微細な凹凸面をなしているものであることを提案する。このように分割面を微細な凹凸面をなすものとしておくことにより、分割面が上記した如く微小幅のものであっても、分割面同士のずれを効果的に防止することができる。また、第２密封環についても、第１密封環と同様の手法により同様の形態に分割しておくことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。なお、以下の説明において、軸線とは回転軸及び密封環の軸線並びにＯリングの曲率中心を通過する軸線を、また前後とは図１における左右を意味するものとする。
【０００８】この実施の形態における本発明に係るメカニカルシールは、図１に示す如く、円形の内周部を有するシールケース１とこれを前後方向に同心状に洞貫する回転軸２との間に組み込まれた分割形のものであり、回転軸２に第一リテーナ３を介して保持された第一密封環４と、シールケース１の内周部に第二リテーナ５を介して第一密封環４と同心対向状に保持された第二密封環６とを具備して、スプリング部材８により第一密封環４を第二密封環６へと押圧接触させることによって、両密封環４，６の対向端面である密封端面４ａ，６ａの相対回転摺接部分において、その外周側領域である機内領域Ｈとその内周側領域である機外領域（大気領域）Ｌとをシールするように構成されている。
【０００９】シールケース１は、図１に示す如く、回転機器のハウジングに取り付けられたケース本体１ａと、その先端部（前端部）に取り付けられた端部壁１ｂとからなる。
【００１０】第一リテーナ３は、図１に示す如く、内周部を基端方向（後端方向）に順次縮径する階段状に形成した円環状体である。すなわち、第一リテーナ３の内径は、先端部（前端部）３ａにおいて中間部３ｂより大きく、基端部（前端部）３ｃにおいて中間部３ｂより小さく設定されており、基端部３ｃの内径は、第一リテーナ３を回転軸２の外径よりやや大きく設定されている。而して、第一リテーナ３は、回転軸２と中間部３ｂとの対向周面間にＯリング９を介装させることにより、回転軸２に、これと同心をなし且つＯリング９により二次シールされた状態で、軸線方向つまり前後方向に移動可能に嵌合保持されている。また、第一リテーナ３は、その回転を回転軸２との間に設けた回転阻止手段により阻止されている。すなわち、回転阻止手段は、図１に示す如く、第一リテーナ３の基端部に対向して回転軸２に嵌合固定された環状体７ａと、環状体７ａを貫通して第一リテーナ３の基端部に固着されたドライブピン７ｂとからなり、リテーナ３及びドライブピン７ｂの頭部７ｃが環状体７ａに衝合する範囲内において、第一リテーナ３の軸線方向移動を許容しつつ、その回転軸２に対する相対回転を阻止する。
【００１１】第二リテーナ５は、図１に示す如く、筒状の本体部５ａとその基端部（前端部）に内方へと突出する環状鍔部５ｂとからなる円環状体であり、第一リテーナ３の先端部に対向し且つ回転軸２と同心をなす状態で、シールケース１の端部壁１ｂの内周部にＯリング１２を介して内嵌固定されている。
【００１２】第一密封環４は、図１及び図３に示す如く、基端部（後端部）４ｃの外径を先端部（前端部）４ｂ及び中間部４ｄの外径より小さくした円環状体である。そして、第1密封環４は、次のようにして、径方向において一対の半円形状の密封環部分４ｆ，４ｆに二分割されている。
【００１３】すなわち、第一密封環４の内周部又は外周部における径方向対向二箇所に、図４（ａ）又は同図（B）に示す如く、当該密封環４の軸線方向における全幅に亘って微細な切欠溝４ｉを形成した上、この切欠溝４ｉに径方向の剪断力を作用させて、切欠溝４ｉを起点として径方向への亀裂を進行させることにより、当該密封環４を二分割するようにしている（以下、この分割加工を「自然割」という）。このように分割された密封環部分４ｆ，４ｆの衝合面つまり当該密封環４の分割面４ｇ，４ｇは、図４に示す如く、微細且つ不規則な凹凸面となり、当該分割面４iに平行する方向（密封環４の軸線方向及び径方向）に相対スライドを生じない状態で凹凸係合するものとなっている。したがって、分割面４i，４iが離間せず衝合状態を維持する限り、分割面４i，４iの凹凸係合により密封環部分４ｆ，４ｆの軸線方向及び径方向への相対変位（ズレ）が生じず、密封環４を適正な円環状体に保持させておくことができる。また、密封環部分４ｆ，４ｆの衝合時の位置決めつまり分割面４ｇ，４ｇの適正な衝合も容易に行うことができる。
【００１４】第二密封環６は、図１に示す如く、基端部（前端部）６ｂの外径を中間部６ｃ及び先端部（後端部）６ｄの外径より小さくした円環状体であり、第一密封環４と同様にして径方向に二分割されている。すなわち、第二密封環６は、上記した自然割により、一対の半円形状の密封環部分６ｆ，６ｆに二分割されており、密封環部分６ｆ，６ｆの衝合面である分割面６ｇ，６ｇは微細且つ不規則な凹凸面となっている。
【００１５】而して、各密封環４，６は、これとリテーナ３，５との対向周面部間に軸線方向に所定間隔を隔てて配設した第一及び第二Ｏリング１０，１１又は１３，１４により、環状に緊縛すると共にリテーナ３，５との相対回転を阻止された状態で、リテーナ３，５に嵌合保持されている。
【００１６】すなわち、第一密封環４は、図１に示す如く、回転軸２に同心状に遊嵌され且つ先端部４ｂを第一リテーナ３の先端面（前端面）から突出させた状態で、第一リテーナ３の先端部３ａの内周部に内嵌保持されている。そして、第一リテーナ３の先端部３ａの内周部とこれに対向する第一密封環４の中間部４ｄ及び基端部４ｃの外周部との間には、第一及び第二Ｏリング１０，１１が充填されている。第一リテーナ３の先端部３ａと第一密封環４の基端部４ｃとの対向周面部間に配設された第一Ｏリング１０は、前後方向において、第一密封環４に設けられた第一係止部（基端部４ｄの外周部と基端部４ｃの外周部との連繋部分）４ｈと第一リテーナ３に設けられた第二係止部（先端部３ａの内周部と中間部３ｂの内周部との連繋部分）３ｄとの対向端面間に挟圧されていて、第一密封環４に対する密封端面方向（前方）への相対移動を第一係止部４ｈにより阻止されると共に、第一リテーナ３に対する上記と逆方向（後方）への相対移動を第二係止部３ｄにより阻止されている。第一リテーナ３の先端部３ａと第一密封環４の中間部４ｄとの対向周面部間に配設された第二Ｏリング１１は、第一リテーナ３の先端部３ａの内周部に形成した環状溝３ｄに係合保持されている。なお、第一リテーナ３の先端部３ａの内周部（環状溝３ｄが形成されていない部分の内周部）と第一密封環４の基端部４ｃの外周部との径方向間隔（第一Ｏリング１０の締代）及び第一リテーナ３の先端部３ａの内周部（環状溝３ｄの底面部）と第一密封環４の中間部４ｄの外周部との径方向間隔（第二Ｏリング１１の締代）は、両Ｏリング１０，１１により、第一密封環４をその分離面４ｇ，４ｇが適正に衝合する円環状体に保持するに充分な緊縛力と第一密封環４の第一リテーナ３に対する相対回転を阻止するに充分な摩擦係合力とが確保されることを条件として、適宜に設定される。
【００１７】また、第二密封環６は、図１に示す如く、回転軸２に同心状に遊嵌され且つ先端部６ｄを第二リテーナ５の先端面（後端面）から突出させた状態で、第二リテーナ５の本体部５ａの内周部に内嵌保持されている。そして、第二リテーナ５の本体部５ａの内周部とこれに対向する第二密封環６の基端部６ｂ及び中間部６ｃの外周部との間には、第一及び第二Ｏリング１３，１４が適度に圧縮された状態で充填されている。第二リテーナ５の本体部５ａと第二密封環６の基端部６ｂとの対向周面部間に配設された第一Ｏリング１３は、前後方向において、第二密封環６に設けられた第一係止部（基端部６ｂの外周部と中間部６ｃの外周面との連繋部分）６ｈと第二リテーナ５に設けられた第二係止部（環状鍔部）５ｂとの対向端面間に挟圧されていて、第二密封環６に対する密封端面方向（後方向）への相対移動を第一係止部６ｈにより阻止されると共に、第二リテーナ５に対する上記と逆方向（前方向）への相対移動を第二係止部５ｂにより阻止されている。第二リテーナ５の本体部５ａと第二密封環６の中間部６ｃとの対向周面部間に配設された第二Ｏリング１４は、第二リテーナ５の本体部５ａの内周部に形成した環状溝５ｃに係合保持されている。なお、第二リテーナ５の本体部５ａの内周部（環状溝５ｃが形成されていない部分の内周部）と第二密封環６の基端部６ｂの外周部との径方向間隔（第一Ｏリング１３の締代）及び第二リテーナ５の本体部５ａの内周部（環状溝５ｃの底面部）と第二密封環６の中間部６ｃの外周部との径方向間隔（第二Ｏリング１４の締代）は、上記したＯリング１０，１１と同様に、両Ｏリング１３，１４により第二密封環６をその分離面６ｇ，６ｇが適正に衝合する円環状体に保持するに充分な緊縛力と第二密封環６の第二リテーナ５に対する相対回転を阻止するに充分な摩擦係合力とが確保されることを条件として、適宜に設定される。
【００１８】ところで、この例では、第１密封環４を炭化珪素で、第２密封環６を超硬合金で構成してあり、第１及び第２リテーナ３，５はＳＵＳ３０４で構成してある。また、各密封環４，６の先端部４ｂ，６ｄの外周には、密封環抜出用の環状凹部４ｊ，６ｊが形成されているそして、第一リテーナ３と環状体７ａとの間には、回転軸２の周囲に等間隔を隔てて配置した複数個のスプリング部材（圧縮コイルスプリング）８が介装されていて、第一リテーナ３を第二密封環方向（前方向）に附勢することにより、第一密封環４を第二密封環６に押圧接触させ、それらの先端部４ｂ，６ｄの対向端面である密封端面４ａ，６ａを同心状態で相対回転摺接させるようになっている。
【００１９】このように相対回転摺接する両密封端面４ａ，６ａは、軸線に直交する平滑な環状平面に形成されているが、第１密封環４の密封端面４ａは、その径方向幅（以下「密封端面幅」という）Ｗを微小なものとして、密封端面４ａ，６ａの接触面積を小さくすると共に密封端面４ａ，６ａの接触圧（面圧）を高めるように工夫されている。すなわち、第１密封環４の先端部４ｂを、図２に示す如く、その内外周面４ｍ，４ｎが当該密封端面４ａとの交角α，βが鈍角（９０°＜α，β＜１８０°）となる円錐面をなす尖端形状として、密封端面Ｗを０．２〜１．０ｍｍとなしている。なお、内外周面４ｍ，４ｎと密封端面４ａとの交角α，βの一方を鋭角又は直角としても、上記した寸法の密封端面幅Ｗを得ることが可能であるが、このように鋭角又は直角とした場合には、密封環４の構成材が上記した炭化珪素のように一般に脆い硬質材で構成されることとも相俟って、上記した自然割により密封環４を分割したときにおいて密封端面４ａの分割個所が欠ける虞れがある。したがって、上記交角α，βは、密封環４の材質に応じて鈍角の範囲で適宜に設定しておくことが必要であり、一般には、９０°＜α，β≦１７０°としておくことが好ましい。
【００２０】このように、第１密封環４の密封端面幅Ｗを微小としておくと、シールすべき流体（機内領域Ｈの流体）が凝固物質等のスラリ成分や微粒固形成分を含有するもの（高粘度，凝固性流体等）である場合にも、密封端面４ａ，６ａ間へのスラリ成分，微粒固形成分の侵入，噛み込みを効果的に防止し得て、密封端面４ａ，６ａの接触不良を確実に防止することができる。すなわち、密封端面幅Ｗが微小であること及びそのために密封端面４ａ，６ａの接触圧（面圧）が高くなることから、密封端面４ａ，６ａ間へのスラリ成分，微粒固形成分の侵入，噛み込みは防止される。したがって、密封端面４ａ，６ａ間が凝固物の生成や固形成分の噛み込みにより開いたりするようなことがなく、またスラリ成分等が密封環４，６の分割面４ｇ，４ｇ又は６ｇ，６ｇ間に侵入して、その間が開くようなこともなく、密封端面４ａ，６ａを適正な接触状態に維持し得て、良好なシール機能を発揮することができる。さらに、密封端面幅Ｗを小さくして密封端面４ａ，６ａの接触面積を小さくしておくことにより、密封端面４ａ，６ａの摺動による発熱が少なく且つ放熱効果も大きくなり、密封端面４ａ，６ａの相対回転摺接が円滑に行われ、シール機能が更に向上する。
【００２１】このような機能ないし効果は、密封端面幅Ｗを上記した０．２〜１．０ｍｍの範囲で密封環材質やシール条件に応じて設定しておくことによって効果的に発揮される。すなわち、Ｗ＞１．０ｍｍであると、密封端面４ａ，６ａ間へのスラリ成分等の侵入，噛み込み防止機能が充分に発揮されないし、密封端面４ａ，６ａの接触による発熱，摩耗を効果的に抑制できない。また、Ｗ＜０．２ｍｍであると、自然割を行う上での強度上の問題（密封端面４ａの分割個所が欠ける等の問題）が生じる虞れがあり、密封端面４ａ，６ａの接触圧が必要以上に高くなる。
【００２２】また、上記したメカニカルシールにあっては、密封環４，６が自然割によって分割されており、それらの分割面４ｇ，４ｇ又は６ｇ，６ｇが不規則な凹凸面をなして係合されることから、機内領域Ｈの圧力変動等により密封環部分４ｆ，４ｆ又は６ｆ，６ｆが軸線方向に齟齬して密封端面４ａ，６ａに段差が生じるようなことがない。
【００２３】さらに、上記した如く、密封環４，６を軸線方向に所定間隔を隔てた二本のＯリング１０，１１又は１３，１４で緊縛するようにしておくと、密封環４，６とリテーナ３，５との間にＯリング１０，１１又は１３，１４による十分な摩擦係合力が生じて、ドライブピンのような物理的係合手段を使用せずとも、密封環４，６のリテーナ３，５に対する相対回転を確実に阻止することができる。しかも、一本のＯリングにより緊縛した場合に比して、両密封環部分４ｆ，４ｆ又は６ｆ，６ｆが強力に衝合一体化されることになる。したがって、密封端面４ａ，６ａの分割部分が開くようなことがなく、密封端面４ａ，６ａの相対回転も適正に行われる。
【００２４】また、密封環４，６には、スプリング部材８による附勢力（及び機内領域Ｈの流体圧による押圧力）によって軸線方向荷重が作用するが、上記したメカニカルシールでは、かかる軸線方向荷重を第一Ｏリング１０，１３を介してリテーナ３，５で受け止めるように工夫している。すなわち、軸線方向荷重は密封環側の第一係止部４ｈ，６ｈから第一Ｏリング１０，１３に伝えられ、リテーナ側の第二係止部３ｄ，５ｂで受け止められる。したがって、軸線方向荷重を受け止めるリテーナ側部分（第二係止部３ｄ，５ｂ）と密封端面４ａ，６ａとの表面加工精度差や密封環４，６とリテーナ３，５との材質による熱膨張係数差が如何に大きくとも、これらによる密封端面４ａ，６ａへの影響は第一Ｏリング１０，１３による弾性変形によって吸収されることになるから、分割面４ｇ，４ｇ又は６ｇ，６ｇが上述した如く不規則な凹凸面をなして軸線方向に相対変位しない状態に凹凸係合していることとも相俟って、密封端面４ａ，６ａの分割個所におけるズレが更に効果的に防止される。
【００２５】ところで、上記したメカニカルシールにあっては、密封環４，６のシールケース１又は回転軸２からの取り外しを容易に行うことができる。すなわち、ケース本体１ａから端部壁１ｂを外して、第二リテーナ５及びこれに嵌合保持されている第二密封環６を前方向に移動させた上、第二密封環６を第二リテーナ５から後方向に抜き出すことにより、第二密封環６の取り外し及び分解を行うことができる。しかる後、第一密封環４を第一リテーナ３から前方向に抜き出すことにより、第一密封環４の取り外し及び分解を行うことができる。このとき、密封環４，６及びリテーナ３，５とＯリング１０，１１，１３，１４との間に機内領域Ｈの流体に含まれているスラリ成分が侵入堆積することによって、密封環４，６やＯリング１０…のリテーナ３，５からの抜き出し，取り出しが困難となる場合があるが、かかる場合には、密封環４，６の外周部に形成した環状凹部４ｊ，６ｊに引っ掛けた適宜の抜き出し工具により、当該抜き出し，取り出し作業を容易に行うことができる。
【００２６】なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において、適宜に改良，変更することができる。例えば、上記した実施の形態にあっては、相対回転摺接する両密封環４，６を共に分割構造としたが、当該メカニカルシールの各構成部材の寸法や使用条件等によっては第１密封環４のみを分離構造としておいてもよい。また、必要に応じて、各Ｏリングとして、周方向の一箇所を切離したものを使用してもよい。さらに、密封環やＯリング以外のメカニカルシール構成部材についても、必要に応じて、径方向に分割した構造となしておいてもよい。
【００２７】
【発明の効果】以上の説明から容易に理解されるように、本発明のメカニカルシールは、第１密封環の密封端面をナイフエッジ状に形成したから、凝固物質等のスラリ成分や微粒固形成分を含有する流体をシールする場合にも、スラリ成分等の侵入，凝固，噛み込みによる密封端面が接触不良となる等の問題が生じることがない。しかも、第１密封環又は両密封環を上記した自然割により分割することにより、その分割面が不規則な凹凸面となってズレや開きを生じ難い状態で衝合（凹凸係合）されることから、シールされるべき流体が圧力変動する等の条件下においても、分割された密封端面が段差等を生じない適正な平滑面形態に保持させておくことができる。
【００２８】したがって、本発明のメカニカルシールは、両密封環の少なくとも一方を分割構造となしていることに起因して適正なシール機能を発揮し得ないでいた条件下においても、良好なシール機能を発揮することができるものであり、高粘度，凝固性流体等を扱う化学工業分野等の広範な用途に供しうる極めて実用的価値大なるものである。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００２２９７３７
【氏名又は名称】日本ピラー工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年１２月２２日（１９９９．１２．２２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８２４７４
【弁理士】
【氏名又は名称】杉本 丈夫
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１７３８００（Ｐ２００１−１７３８００Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年６月２６日（２００１．６．２６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３６３５７０ |
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