JPWO2019059197A1 - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】固定側密封環が回転側密封環の動きに追従して確実なシール性を発揮できるとともに、装置全体を小型化できるメカニカルシールを提供することを目的とする。【解決手段】軸２に取付けられた回転側密封環１３と、ハウジング３に取付けられた固定側密封環２１とが互いに摺動して、ハウジング３と軸２との間をシールするメカニカルシールであって、ハウジング３に取付けられ固定側密封環２１を収納するケース２２と、ケース２２と固定側密封環２１の間に配設されたシール部材２３と、を備え、ケース２２は、シール部材２３の軸方向の両側の移動を規制する保持部２２ｄを備える【選択図】図１

Description

本発明は、軸に密封状態で取付けられた回転側密封環と、ハウジングに密封状態で取付けられた固定側密封環とが互いに摺動して、ハウジングと軸との間をシールするメカニカルシールに関する。

従来、回転軸に密封状態で取付けられたメイティングリングと、ハウジングに密封状態で取付けられたシールリングとが互いに摺動して、ハウジングと回転軸との間をシールするメカニカルシールであって、ハウジングに固定されるとともにシールリングを収納する環状ケースと、シールリングと環状ケースの間に配設されたＯリングと、を備えるメカニカルシールがある（例えば、特許文献１参照）。

また、軸に密封状態で取付けられた回転用密封環と、シールハウジングに取付けられた固定用密封環とが互いに摺動して、シールハウジングと軸との間をシールするメカニカルシール装置であって、シールハウジングに固定されるとともに固定用密封環を収納するカートリッジと、固定用密封環とカートリッジの間に配設されるゴム製のベローズと、を備えるメカニカルシール装置がある（例えば、特許文献２参照）。

実公平５−４２２８１号公報（第１図） 特開２００５−２０７５２０号公報（第６、７頁、図１）

しかしながら、特許文献１にあっては、シールリングと環状ケースとの間をシールするＯリングが、シールリングの内周面と端面との２か所で接触している。このため、軸振動が大きくなると、シールリングがＯリングによって内周面と端面の２か所で接触して拘束されるためメイティングリングの動きに十分追従できず、確実なシール性が発揮できない虞がある。

また、特許文献２にあっては、ゴム製のベローズの軸方向長さを長くすることにより可撓性を確保しているので軸振動が大きい場合でも、固定用密封環は回転用密封環の動きに追従できる。しかしながら、ベローズの軸方向長さを大きくしているので、メカニカルシール装置が大型化してしまうという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、固定側密封環が回転側密封環の動きに追従して確実なシール性を発揮できるとともに、装置全体を小型化できるメカニカルシールを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のメカニカルシールは、
軸に密封状態で取付けられた回転側密封環と、ハウジングに密封状態で取付けられた固定側密封環とが互いに摺動して、前記ハウジングと前記軸との間をシールするメカニカルシールであって、
前記ハウジングに取付けられ前記固定側密封環を収納するケースと、該ケースと前記固定側密封環との間に配設されたシール部材と、を備え、
前記ケースは、前記シール部材の軸方向の両側の移動を規制する保持部を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、シール部材は、ケースの保持部によって軸方向の両側の移動を規制されるので、シール部材は固定側密封環と１か所で接触してシールできる。これにより、固定側密封環はシール部材によって動きを拘束されることなく、回転側密封環の動きに追従して確実にシール性を発揮することができる。

本発明のメカニカルシールは、
前記保持部は、前記シール部材との間に軸方向隙間をさらに備えることを特徴としている。
この特徴によれば、シール部材が変形して軸方向に膨らんでも、軸方向隙間によって変形を吸収することができる。

本発明のメカニカルシールは、
前記保持部は、環状溝からなることを特徴としている。
この特徴によれば、シール部材は環状溝からなる保持部によって全周に亘って確実に保持される。

本発明のメカニカルシールは、
前記保持部の深さは、前記固定側密封環と前記ケースとの隙間より大きいことを特徴としている。
この特徴によれば、環状溝の深さは、固定側密封環とケースとの隙間より大きいので、シール部材は、固定側密封環とケースとの隙間から飛び出すことなく確実に保持される。

本発明のメカニカルシールは、
前記保持部の断面形状は、内径側が狭く、外径側が広い台形状であることを特徴としている。
この特徴によれば、シール部材は台形状の溝内で軸方向の両側の移動を規制されるとともに、環状溝の内径側で狭く、外径側で広くなるので、シール部材が変形して軸方向に膨らんでも、外径側の軸方向隙間によって変形を吸収することができる。

本発明のメカニカルシールは、
前記固定側密封環は軸方向全長に亘って同一径に形成された内周部を備え、
前記シール部材は前記内周部と接触することを特徴としている。
この特徴によれば、メカニカルシールを小型化できるとともに、固定側密封環の内周面は軸方向全長に亘って同一径に形成されるので、ＳｉＣなどの難成型材料を使用する場合であっても成型が容易となり、品質の安定、コストダウンが可能となる。

実施例１におけるメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。 実施例２におけるメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。 実施例３におけるメカニカルシールのケースの一例を示す縦断面図で、（３Ａ）はシール部材を取付ける前のケースの縦断面図、（３Ｂ）はシール部材を嵌合して、爪を折り曲げた状態のケースの縦断面図である。 実施例１〜３の変形例で、（４Ａ）はシール部材としてＸリングを使用したもの、（４Ｂ）はシール部材としてＵリングを使用したもの、（４Ｃ）はシール部材として組合せシールを使用したものである。

本発明に係る摺動部品を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下説明するメカニカルシールは一例であり、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。

本発明の実施形態１に係る摺動部品について図１を参照しながら説明する。

図１は、メカニカルシール１の一例を示す縦断面図であって、摺動面Ｓの外周から内周に向かって漏れようとする被密封流体を密封する形式のインサイド形式のものである。メカニカルシール１は、回転軸２と一体的に回転可能な状態に設けられた回転側カートリッジ１０と、ハウジング３に非回転状態で固定される固定側カートリッジ２０とからなる。回転側カートリッジ１０は、回転軸２に固定されたスリーブ１２と、スリーブ１２内にてカップガスケット１３を介して回転軸２と一体的に回転可能な状態に設けられた回転側密封環１１を備える。一方、固定側カートリッジ２０は、ハウジング３に固定されるケース２２と、ケース２２内にて非回転状態で、かつ、軸方向移動可能な状態で設けられた円環状の固定側密封環２１と、ケース２２と固定側密封環２１との間に設けられたシール部材２３と、固定側密封環２１を軸方向に付勢する付勢手段２４を備える。回転側密封環１１と固定側密封環２１とが互いに摺動面Ｓにて相対摺動することにより、被密封流体が摺動面Ｓの外周から漏れ側へ流出するのを防止するものである。なお、回転側密封環１１及び固定側密封環２１の材質は、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び自己潤滑性に優れたカーボンなどから選定されるが、例えば、両者がＳｉＣ、あるいは、いずれか一方がＳｉＣであって他方がカーボンの組合せが可能である。以下、回転側カートリッジ１０、固定側カートリッジ２０の構成について説明する。

回転側カートリッジ１０は、回転軸２に固定されるスリーブ１２と、該スリーブ１２とともに回転するカップガスケット１３及び回転側密封環１１から主に構成される。

図１に示すように、スリーブ１２は、断面略コ字状をなす環状部材で、回転軸２に圧入固定される内筒部１２ａ、該内筒部１２ａの一端から径方向外側に延設される端部壁１２ｂ、及び該端部壁１２ｂの外径側端部から内筒部１２ａ側の軸方向に延設される外筒部１２ｃから構成される。スリーブ１２の開口部１２ｐは、固定側カートリッジ２０側に向くように回転軸２に固定される。

図１に示すように、回転側密封環１１は、断面略矩形の環状部材からなる。固定側密封環２１と対向する回転側密封環１１の前面側には摺動面Ｓが設けられている。なお、回転側密封環１１と固定側密封環２１の回転中心が厳密に一致していない場合にも対応できるように、摺動面Ｓの外径を大きく、かつ、内径を小さくして、外径側の密封部余裕代及び内径側の密封部余裕代が形成され、後述する固定側密封環２１の摺動面Ｓの径方向幅より大きく形成されている。また、本実施例においては、回転側密封環１１の摺動面Ｓの径方向幅が固定側密封環２１の摺動面Ｓの径方向幅より大きく形成されているが、本発明はこれに限定されることなく、逆の場合においても適用できることはもちろんである。さらに、図１に示されるように回転側密封環１１の外周部には回転軸２に対称に切り欠き凹部１１ａが形成され、該切り欠き凹部１１ａに前述のスリーブ１２が係合され、回転側密封環１１とスリーブ１２とは、一体に回転する。

さらに、図１に示すように、カップガスケット１３は、断面Ｌ字状の環状部材であり、ゴム等の弾性体からなる。カップガスケット１３は、回転側密封環１１とスリーブ１２の内筒部１２ａとの間で適切な締め代が付与され、密封性と固定力が確保される。

そして、回転側密封環１１は、スリーブ１２の環状空間１０ａ内に、摺動面Ｓがスリーブ１２の開口部１２ｐを向くように収容され、回転側密封環１１の背面側及び内周側をカップガスケット１３を介してスリーブ１２に対して固定され、回転側カートリッジ１０が構成される。

つぎに、固定側カートリッジ２０について説明する。固定側カートリッジ２０は、ハウジング３に固定されるケース２２と、該ケース２２内に収容される固定側密封環２１、ケース２２と固定側密封環２１との間に設けられるシール部材２３及び固定側密封環２１を回転側密封環１１に向かって付勢する付勢手段２４から主に構成される。

固定側密封環２１は、断面略矩形の環状部材からなり、回転側密封環１１と対向する面には摺動面Ｓが形成されている。固定側密封環２１の摺動面Ｓは、軸方向に突出した環状部に形成されている。固定側密封環２１の押圧面２１ｂは、漏れ側から回転側密封環１１に向かって付勢手段２４によって押圧されることにより、摺動面Ｓには所定の面圧が付与される。

固定側密封環２１を収納するケース２２は、断面略コ字状をなす環状部材で、ケース２２の開口部２２ｐが回転側密封環１１に対向するようにハウジング３に固定される。ケース２２は、ハウジング３に圧入固定される外筒部２２ｃ、該外筒部２２ｃの一端から径方向内側に延設される端部壁２２ｂ、及び該端部壁２２ｂの内径側端部から外筒部２２ｃ側の軸方向に延設される内筒部２２ａから主に構成される。また、内筒部２２ａの外周面にはシール部材２３を収納するための保持部２２ｄが形成されている。保持部２２ｄは底部壁２２ｅと底部壁２２ｅから立設される一対の環状の壁部２２ｆ、２２ｇとからなる環状溝である。また、壁部２２ｆ、２２ｇのうち少なくとも一方は径方向外側に向かって開いて傾斜している。シール部材２３を収納するための保持部２２ｄの幅は、シール部材２３の幅よりも大きく形成され、保持部２２ｄの深さは固定側密封環２１の内周面２１ａ（本発明係る内周部）と保持部２２ｄの外径部との隙間、すなわち壁部２２ｆ、２２ｇの外径部との隙間より大きく形成されている。

保持部２２ｄに保持されたシール部材２３は、固定側密封環２１の内周面２１ａとケース２２との間で径方向に圧縮変形され密着することにより、固定側密封環２１とケース２２との間をシールする。また、シール部材２３は、その軸方向両側を保持部２２ｄの壁部２２ｆ及び壁部２２ｇによって軸方向の移動が規制されるので、シール部材２３の外径側のみが固定側密封環２１の内周面２１ａに接触する。回転側密封環１１がケース２２に対し大きく相対移動しても、シール部材２３と固定側密封環２１の内周面２１ａは互いに１か所のみで接触するので、固定側密封環２１はシール部材２３によって動きを拘束されることなく、回転側密封環１１の動きに追従して確実にシール性を発揮することができる。また、固定側密封環２１の押圧面２１ｂを径方向に延長した面は、シール部材２３を通るように設定されているので、付勢手段２４は、少ない付勢力で固定側密封環２１の姿勢を効率よく修正することができる。

また、シール部材２３を収納するための保持部２２ｄの幅は、シール部材２３の幅よりも大きく形成されるので、シール部材２３は保持部２２ｄとの間に軸方向隙間を有し、シール部材２３の変形による軸方向の膨らみを吸収することができる。さらに、保持部２２ｄの深さは固定側密封環２１の内周面２１ａと保持部２２ｄの外径部、すなわち壁部２２ｆ、２２ｇの外径部との隙間より大きく形成されるので、シール部材２３が保持部２２ｄからの飛び出すのを防止することができる。

さらに、固定側密封環２１の内周面２１ａは軸方向全長に亘って同一径に形成されるので、メカニカルシールを小型化できる。また、固定側密封環の内周面が同一径に形成されるので、ＳｉＣなどの難成型材料を使用する場合であっても成型が容易となり、品質の安定、コストダウンが可能となる。

本発明の実施例２に係る摺動部品について説明する。図２は実施例２に係る摺動部品を示したもので、固定側密封環３１の内周面３１ａがテーパー面となっている点で実施例１と相違するのみで、他の構成は実施例１と同じである。以下、実施例１と同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図２に示すように、固定側密封環３１の内周面３１ａ（本発明係る内周部）はテーパー面となっている。固定側密封環３１の内周面３１ａはテーパー状になっているので、ケース２２の保持部２２ｄに取付けられたシール部材２３に対し容易に嵌合でき、固定側密封環３１を所定位置に容易にセットすることができる。シール部材２３は、固定側密封環３１の内周面３１ａとケース２２との間で径方向に圧縮変形され密着することにより、固定側密封環３１とケース２２との間をシールする。また、シール部材２３は、その軸方向両側を保持部２２ｄの壁部２２ｆ及び壁部２２ｇによって軸方向の移動が規制されるとともに、シール部材２３の外周側のみが固定側密封環３１の内周面３１ａに接触する。これにより、回転側密封環１１がケース２２に対し大きく相対移動しても、シール部材２３と固定側密封環３１の内周面３１ａは互いに１か所のみで接触するので、固定側密封環３１はシール部材２３によって動きを拘束されることなく、回転側密封環１１の動きに追従して確実にシール性を発揮することができる。

本発明の実施例３に係る摺動部品について説明する。図３は実施例３に係る摺動部品を示したもので、固定側密封環２１、３１を収納するケース３２の形状が実施例１及び２と相違するのみで、他の構成は実施例１及び２と同じである。以下、実施例１と同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図３の（３Ａ）に示すように、固定側密封環２１を収納するケース３２は、断面略コ字状をなす環状部材で、ケース３２の開口部３２ｐが回転側密封環１１に対向するようにハウジング３に固定される。ケース３２は、ハウジング３に圧入固定される外筒部３２ｃ、該外筒部３２ｃの一端から径方向内側に延設される端部壁３２ｂ、及び該端部壁３２ｂの内径側端部から外筒部３２ｃ側の軸方向に延設される内筒部３２ａから主に構成される。また、内筒部３２ａは開口部３２ｐ側の端部は爪部３２ｆが周方向に所定数（図３の実施例では６個）形成されている。

図３の（３Ｂ）に示すように、内筒部３２ａの外周面にシール部材２３が取付けられた後、爪部３２ｆは径方向を向くように折り曲げられる。これにより、底部壁３２ｅと、底部壁３２ｅから立設される環状の壁部３２ｇと、爪部３２ｆとからなる保持部３２ｄが形成され、この保持部３２ｄにシール部材２３が収納される。保持部３２ｄは、内筒部３２ａの外周面にシール部材２３が取付けられた後に爪部３２ｆを折り曲げて構成するので、シール部材２３をケース３２に容易に取付けることができ、シール部材２３をケース３２に取付ける際の傷付きを防止することができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、回転側密封環１１はスリーブ１２内に配設され、カップガスケット１３によって密封する例を示したが、これに限らない。たとえば、スリーブ１２及びカップガスケット１３を使用せずに、回転側密封環１１と回転軸２との間にシール部材を設けて密封してもよい。

上記実施例において、シール部材２３としてＯリングを使用したが、これに限らない。たとえば、図４に示すように、シール部材２３としてＯリングに換えて、（４Ａ）のＸリング３３、（４Ｂ）のＵリング４３、或いはＶリング（図示せず）を使用してもよい。Ｘリング３３、Ｕリング４３、Ｖリングは、Ｏリングに比較して摺動抵抗を小さくできるので、回転側密封環１１及び固定側密封環２１、３１がケース２２、３２に対し相対移動しても、固定側密封環２１、３１はシール部材３３、４３によって動きを拘束されることなく、回転側密封環１１の動きに追従して確実にシール性を発揮することができる。

また、図４の（４Ｃ）に示すように、シール部材５３としてＯリング５３ａ、キャップ５３ｂを備えた組合せシールを使用してもよい。キャップ５３ｂはＰＴＦＥ等の摩擦の小さい材料から構成されるので、固定側密封環２１、３１とシール部材５３との摺動抵抗を小さくできる。これにより、回転側密封環１１及び固定側密封環２１、３１がケース２２、３２に対し相対移動しても、固定側密封環２１、３１はシール部材５３によって動きを拘束されることなく、回転側密封環１１の動きに追従して確実にシール性を発揮することができる。

さらに、固定側密封環２１、３１は、ＳｉＣなどを焼結して構成されているが、ステンレススチール、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼）等の金属材料から構成してもよい。これら金属材料は、ＳｉＣなどの焼結材料より摩擦を低減できる。これにより、固定側密封環２１、３１自体の摩擦を低減してシール部材２３、３３、４３、５３と組み合わせることにより、一層、固定側密封環２１、３１は回転側密封環１１の動きに追従して確実にシール性を発揮することができる。

１ メカニカルシール
２ 回転軸
３ ハウジング
１０ 回転側カートリッジ
１１ 回転側密封環
１１ａ 切り欠き凹部
１２ スリーブ
１２ａ 内筒部
１２ｂ 端部壁
１２ｃ 外筒部
１２ｐ 開口部
１３ カップガスケット
２０ 固定側カートリッジ
２１ 固定側密封環
２１ａ 固定側密封環の内周面（内周部）
２２ ケース
２２ａ 内筒部
２２ｂ 端部壁
２２ｃ 外筒部
２２ｄ 保持部
２２ｅ 底部壁
２２ｆ 壁部
２２ｇ 壁部
２２ｐ 開口部
２３ シール部材
２４ 付勢手段
３１ 固定側密封環
３２ ケース
３２ｆ 爪部
３３ シール部材
４３ シール部材
５３ シール部材
Ｓ 摺動面

Claims (7)

1. 軸に取付けられた回転側密封環と、ハウジングに取付けられた固定側密封環とが互いに摺動して、前記ハウジングと前記軸との間をシールするメカニカルシールであって、
   前記ハウジングに取付けられ前記固定側密封環を収納するケースと、該ケースと前記固定側密封環との間に配設されたシール部材と、を備え、
   前記ケースは、前記シール部材の軸方向の両側の移動を規制する保持部を備えることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記保持部は、前記シール部材との間に軸方向隙間をさらに備え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。
3. 前記保持部は、環状溝からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のメカニカルシール。
4. 前記保持部の深さは、前記固定側密封環と前記ケースとの隙間より大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のメカニカルシール。
5. 前記保持部の断面形状は、内径側が狭く、外径側が広い台形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のメカニカルシール。
6. 前記固定側密封環は軸方向全長に亘って同一径に形成された内周部を備え、
   前記シール部材は前記内周部と接触することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のメカニカルシール。
7. 前記固定側密封環はテーパー状の内周部を備え、
   前記シール部材は前記内周部と接触することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のメカニカルシール。

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