JP2022006788A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】被密封流体をシールしながら、被密封流体を供給することができるメカニカルシールを提供する。【解決手段】相対回転を伴う一対の密封部材１０，２０の摺動面１０ａ，２０ａ間に周方向に繋がったシール部を形成し、被密封流体をシールするメカニカルシール１において、一方の密封部材２０には、摺動面２０ａの外径側の被密封流体が存在する被密封空間Ｘと摺動面１０ａ，２０ａ間とを連通する一方流路２４が設けられ、他方の密封部材１０には、該密封部材１０の外部空間Ｙと摺動面１０ａ，２０ａ間とを連通する他方流路１４が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、相対回転を伴う２部材間において流体をシールするメカニカルシールに関する。

一般的なメカニカルシールは、ハウジングに固定される静止密封環と、回転軸に固定され回転軸と共に回転する回転密封環とを備え、これらの摺動面を相対摺動させることにより、摺動面間に形成され周方向に繋がったシール部により、摺動面の内径側から外径側または外径側から内径側への漏れを防止している。

例えば、特許文献１のメカニカルシールにおいては、スプリングによって回転密封環が静止密封環へ向けて押圧付勢されており、摺動面に摩耗が生じても摺動面同士を密接状態で相対摺動させることができ、シール性を維持できるようになっている。

特開平２－１０２９７５号公報（第２頁、第１図）

特許文献１のメカニカルシールにおいては、相対摺動する摺動面間の微小な隙間に流入する被密封流体により流体膜が形成されることで潤滑性とシール性を両立させているが、摺動面間に流入する被密封流体の量が少なくなると流体膜が十分に形成されず、潤滑性が悪くなることで摩擦熱が発生しやすくなるとともに、摺動面間にコンタミが溜まることで摺動面が摩耗しやすくなるという問題があった。また、メカニカルシールが配置される空間内に被密封流体は収容されていることから、被密封流体に対するアクセスが難しかった。

本発明は、被密封流体をシールしながら、被密封流体を供給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。

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、
相対回転を伴う一対の密封部材の摺動面間に周方向に繋がったシール部を形成し、被密封流体をシールするメカニカルシールにおいて、
一方の前記密封部材には、前記摺動面の内径側と外径側のいずれかの被密封流体が存在する被密封空間と前記摺動面間とを連通する一方流路が設けられ、
他方の前記密封部材には、該密封部材の外部空間と前記摺動面間とを連通する他方流路が設けられている。
これによれば、密封部材の相対回転に伴って一方流路の摺動面側開口と他方流路の摺動面側開口同士が重なることにより、各流路によって被密封空間と外部空間とを連通させることができるため、シール部により被密封流体をシールしながら、摺動面間を介して被密封空間と外部空間との間で被密封流体を供給することができる。したがって、摺動面間に被密封流体による流体膜が形成されやすくなり潤滑性が高まるとともに、被密封流体に対するアクセスが容易になる。

他方の前記密封部材は、静止密封環であってもよい。
これによれば、他方流路が相対回転しないため、外部空間と他方流路との間で被密封流体を安定して供給することができる。

前記被密封流体は、加圧手段により加圧されていてもよい。
これによれば、各流路における被密封流体の流通性がよい。

一方の前記密封部材は、回転密封環であり、
前記回転密封環は、付勢手段により前記静止密封環へ向けて付勢されていてもよい。
これによれば、付勢手段により回転密封環が静止密封環に押し付けられるため、静止密封環の軸方向移動が防止され、外部空間と他方流路との間で被密封流体をより安定して供給することができる。

前記被密封空間と前記外部空間との間で被密封流体が常に供給されるように両流路が設けられていてもよい。
これによれば、被密封空間と外部空間との間で両流路を通して被密封流体を連続的に供給することができる。

前記一方流路は、切り欠きであってもよい。
これによれば、被密封空間に開口する一方流路の流路断面積を大きく構成することができる。

本発明の実施例におけるメカニカルシールが適用される回転機器の一例を示す断面図である。 実施例における回転密封環の摺動面を示す図である。尚、説明の便宜上、摺動面に設けられる切り欠きにドットを付している。 実施例における静止密封環の摺動面を示す図である。 実施例におけるメカニカルシールを示す拡大断面図である。 回転密封環の摺動面の変形例１を示す図である。尚、説明の便宜上、摺動面に設けられる切り欠きにドットを付している。 本発明の実施例におけるメカニカルシールの変形例２を示す拡大断面図である。

本発明に係るメカニカルシールを実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例に係るメカニカルシールにつき、図１から図４を参照して説明する。尚、本実施例においては、メカニカルシールを構成する回転密封環および静止密封環の内径側を漏れ側としての大気側（低圧側）、外径側を被密封流体側（高圧側）として説明する。また、被密封流体は図示しないポンプ等の加圧手段により加圧されており、大気側よりも高圧となっている。

図１に示されるメカニカルシール１は、摺動面１０ａ，２０ａの外径側から内径側に向かって漏れようとする被密封液体をシールするインサイド形のものであって、回転軸２に固定されたスリーブ３を介して回転軸２と共に回転可能かつ軸方向移動可能な状態で設けられた一方の密封部材としての円環状の回転密封環２０と、回転機器のハウジング４に固定され非回転状態で設けられた他方の密封部材としての円環状の静止密封環１０と、から主に構成されている。

回転密封環２０は、付勢手段としてのコイルスプリング６によって静止密封環１０へ向けて軸方向に付勢されることにより、静止密封環１０の摺動面１０ａと回転密封環２０の摺動面２０ａとが互いに密接摺動するようになっている。尚、コイルスプリング６は、その軸方向一端が回転密封環２０を保持する金属製のリテーナ２１に接するとともに、軸方向他端がスリーブ３の収容穴に収容配置されている。また、リテーナ２１は、背面に形成される図示しない凹部にスリーブ３から軸方向に延びる回り止めピン３０が挿入されることにより、回転軸２と共に回転可能となっている。

静止密封環１０および回転密封環２０は、代表的にはＳｉＣ（硬質材料）同士またはＳｉＣ（硬質材料）とカーボン（軟質材料）の組み合わせで形成されるが、これに限らず、摺動材料はメカニカルシール用摺動材料として使用されているものであれば適用可能である。尚、ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボン等を焼結助剤とした焼結体をはじめ、成分、組成の異なる２種類以上の相からなる材料、例えば、黒鉛粒子の分散したＳｉＣ、ＳｉＣとＳｉからなる反応焼結ＳｉＣ、ＳｉＣ－ＴｉＣ、ＳｉＣ－ＴｉＮ等があり、カーボンとしては、炭素質と黒鉛質の混合したカーボンをはじめ、樹脂成形カーボン、焼結カーボン等が利用できる。また、上記摺動材料以外では、金属材料、樹脂材料、表面改質材料（コーティング材料）、複合材料等も適用可能である。さらに尚、被密封流体として腐蝕性の高い流体が使用される場合、ニッケル基超合金等の耐蝕性の高い材料も適用可能である。

図１に示されるように、回転密封環２０は、断面視略Ｌ字形状に形成され、背面の内径側に形成される段状かつ環状の凹部２０ｂにＯリング２２が挿入されており、スリーブ３の外周にＯリング２２を介在させた状態で挿嵌されることにより軸方向移動可能な状態で保持されている。尚、Ｏリング２２は、二次シールとして機能し、回転密封環２０とスリーブ３間のシール性が確保されている。

また、回転密封環２０は、背面の外径側に形成されるスリット状の凹部２０ｃにリテーナ２１から軸方向に延びる回り止めピン２３が挿入されることにより、回転軸２と共に回転可能となっている。

図１および図２に示されるように、回転密封環２０には、摺動面２０ａから外周面２０ｄにかけて外径側の空間、すなわち被密封流体が存在する被密封空間Ｘと摺動面１０ａ，２０ａ間とを連通する一方流路としての環状の切り欠き２４が設けられている。

詳しくは、切り欠き２４は、円環状に形成され、平坦な摺動面２０ａと直交するように軸方向に延び摺動面２０ａの内周に沿って延びる円環状の周壁面２４ａと、摺動面２０ａと平行に延びる平面状の底面２４ｂと、から構成されている。また、切り欠きは、周方向に亘って環状に繋がるものであれば、軸方向視において波形状や凹凸形状に形成されていてもよい。

また、切り欠き２４は、静止密封環１０の貫通孔１４全体と軸方向に重なる位置まで延びている（図１および図３参照、特に図３において鎖線で示される切り欠き２４を参照）。尚、切り欠き２４は、静止密封環１０の貫通孔１４の少なくとも一部と軸方向に重なる位置まで延びていればよい。

尚、切り欠き２４は、摺動面１０ａ，２０ａ間に動圧を発生させない程度の軸方向寸法に形成されることが好ましい。

図１に示されるように、静止密封環１０は、断面視Ｌ字形状に形成され、背面にハウジング４を構成するシールカバー４０の端面４０ａに形成される環状凹部４０ｂに挿入されるＯリング１１を介在させた状態でシールカバー４０の端面４０ａに軸方向に当接されるとともに、静止密封環１０の内周とシールカバー４０の外周との間にＯリング１２を介在させた状態で挿嵌されることにより保持されている。尚、Ｏリング１１，１２は、二次シールとして機能し、静止密封環１０とシールカバー４０間のシール性が確保されている。尚、ハウジング４の内周と静止密封環１０の外周との間にＯリングを配置してもよい。

また、静止密封環１０は、背面の外径側に形成される凹部１０ｂにシールカバー４０から軸方向に延びる回り止めピン１３が挿入されることにより、非回転状態で固定されている。

図１および図３に示されるように、静止密封環１０には、軸方向に貫通し密封部材の外部空間Ｙと摺動面１０ａ，２０ａ間とを連通する他方流路としての貫通孔１４が周方向に複数等配されている。尚、静止密封環１０に設けられる貫通孔１４の数は問わず１つであってもよい。また、貫通孔１４の断面形状は円以外の形状であってもよい。

詳しくは、貫通孔１４は、摺動面１０ａの径方向略中央に中心を有する円形に形成されている。また、貫通孔１４は、摺動面１０ａの周方向に１０等配されている。尚、貫通孔１４は、シールカバー４０の端面４０ａに開口する密封部材の外部空間Ｙとしての複数の流体供給口４１の数や配置と一致するように設けられている。

すなわち、図１に示されるように、静止密封環１０の貫通孔１４およびシールカバー４０の流体供給口４１は、それぞれ軸方向に直線的に配置されることにより連通している。

次いで、メカニカルシール１のシール機能および流体供給機能について図４を用いて説明する。

図４に示されるように、回転密封環２０の切り欠き２４内には、外径側の被密封空間Ｘから切り欠き２４の被密封空間側開口２４ｅを介して被密封流体が流入する。また、被密封流体は、その圧力により外径側から内径側に向けて摺動面１０ａ，２０ａ間の微細な隙間に進入する。尚、切り欠き２４内に被密封流体が流入することで、切り欠き２４内から摺動面１０ａ，２０ａ間におけるより内径側のランド部１０ｅ，２０ｅまで被密封流体が進入しやすくなる。また、回転密封環２０のランド部２０ｅは、静止密封環１０のランド部１０ｅよりも径方向に幅広に形成されており、詳しくはランド部１０ｅ，２０ｅの対向部により摺動面１０ａ，２０ａ間に周方向に途切れることなく繋がったシール部Ｓが形成される。

回転軸２の回転により回転密封環２０の摺動面２０ａが静止密封環１０の摺動面１０ａに対して相対摺動すると、摺動面１０ａ，２０ａ間に進入した被密封流体がその粘性により回転密封環２０の摺動面２０ａに追従する。これにより、摺動面１０ａ，２０ａ間における内径側のランド部１０ｅ，２０ｅに周方向に亘って流体膜が形成され、摺動面１０ａ，２０ａの被密封空間Ｘから大気側に被密封流体が漏れ出さないようにシールすることができる。

また、回転密封環２０の切り欠き２４の摺動面側開口２４ｆと静止密封環１０の複数の貫通孔１４の摺動面側開口１４ｆとが重なることにより、切り欠き２４内に保持されていた被密封流体が貫通孔１４内に供給される。

静止密封環１０の貫通孔１４内に供給された被密封流体は、貫通孔１４の外部空間側開口１４ｅから外部空間Ｙとしてのシールカバー４０の流体供給口４１へと供給される。シールカバー４０の流体供給口４１に供給された被密封流体は、シールカバー４０の内部に形成される流路を通って図示しない供給先へとそれぞれ供給される。

このように、メカニカルシール１は、相対回転を伴う回転密封環２０と静止密封環１０との摺動面１０ａ，２０ａ間にランド部１０ｅ，２０ｅにより周方向に繋がったシール部Ｓを形成し、回転密封環２０には、摺動面１０ａの外径側の被密封空間Ｘと摺動面１０ａ，２０ａ間とを連通する切り欠き２４が設けられ、静止密封環１０には、外部空間Ｙとしてのシールカバー４０の流体供給口４１と摺動面１０ａ，２０ａ間とを連通する貫通孔１４が設けられている。これによれば、回転密封環２０と静止密封環１０の相対回転に伴って切り欠き２４の摺動面側開口２４ｆと貫通孔１４の摺動面側開口１４ｆ同士が重なることにより、切り欠き２４および貫通孔１４によって被密封空間Ｘと外部空間Ｙとを常に連通させることができるため、シール部Ｓにより被密封流体をシールしながら、摺動面１０ａ，２０ａ間を介して被密封空間Ｘと外部空間Ｙとの間で被密封流体を供給することができる。

また、摺動面１０ａ，２０ａ間に被密封流体による流体膜が形成されやすくなり潤滑性が高まる。

また、被密封流体に対するアクセスが容易になり、回転密封環２０近傍の被密封流体の採取点検や被密封流体の交換等を行いやすい。

また、静止密封環１０と回転密封環２０の相対摺動する摺動面１０ａ，２０ａ間に直接被密封流体を供給することができるため、摺動部分に対する冷却効果が高い。また、静止密封環１０においては、被密封流体が貫通孔１４を通って静止密封環１０の内部を通過するため、冷却効率がより高くなっている。さらに、貫通孔１４は周方向に等配されているので、静止密封環１０を均等に冷却することができる。

また、外部空間Ｙとしてのシールカバー４０の流体供給口４１と摺動面１０ａ，２０ａ間とを連通する他方流路である貫通孔１４は、静止密封環１０に設けられている。これにより、貫通孔１４が相対回転しないため、シールカバー４０の流体供給口４１と静止密封環１０の貫通孔１４との間で被密封流体を安定して供給することができる。

また、被密封流体は、図示しない加圧手段により加圧されているため、回転密封環２０の切り欠き２４と静止密封環１０の貫通孔１４を通る被密封流体の流通性がよい。

また、静止密封環１０の背面においては、静止密封環１０の貫通孔１４とシールカバー４０の流体供給口４１とが連通されており、静止密封環１０の背面とシールカバー４０の端面４０ａとの間には、Ｏリング１１が配置されている。これにより、静止密封環１０の背面とシールカバー４０の端面４０ａとの間において、静止密封環１０の貫通孔１４の外部空間側開口１４ｅからシールカバー４０外への被密封流体の漏れ出しが防止される。

また、静止密封環１０には、複数の貫通孔１４が設けられているため、被密封流体の供給効率を高めることができる。

また、静止密封環１０の貫通孔１４は、軸方向に貫通する貫通孔であるため、静止密封環１０に他方流路を形成するための加工が容易であるとともに、メカニカルシール１の取り付け時において、シールカバー４０の流体供給口４１に対して軸方向に直線的に連通するため、部材同士の位置合わせを行いやすい。

また、回転密封環２０は、付勢手段としてのコイルスプリング６により静止密封環１０へ向けて軸方向に付勢されている。これにより、コイルスプリング６により回転密封環２０が静止密封環１０に押し付けられるため、静止密封環１０の軸方向移動が防止され、シールカバー４０の流体供給口４１と静止密封環１０の貫通孔１４との間で被密封流体をより安定して供給することができる。また、Ｏリング１１に軸方向の荷重を付与することができるため、静止密封環１０の背面側におけるシール性を高めることができる。

また、回転密封環２０の切り欠き２４は、静止密封環１０に設けられる複数の貫通孔１４と常に連通している。すなわち、被密封空間Ｘと外部空間Ｙとの間で被密封流体が常に供給されるように切り欠き２４および貫通孔１４が設けられているため、被密封空間Ｘと外部空間Ｙとの間で切り欠き２４および貫通孔１４を通して被密封流体を連続的に供給することができる。そのため、被密封流体の供給流量を安定させることができる。

また、回転密封環２０に設けられる一方流路を切り欠き２４とすることにより、回転密封環２０に一方流路を形成するための加工が容易であるとともに、一方流路の流路断面積を大きく確保することができ、被密封流体を効率的に供給することができる。

また、回転密封環２０に設けられる一方流路を切り欠き２４とすることにより、切り欠き２４内に供給された被密封流体の圧力が摺動面１０ａ，２０ａ間を軸方向に離間させようとする力の影響が大きくなる。そのため、コイルスプリング６の荷重は、摺動面１０ａ，２０ａの内径側と外径側の空間における圧力差と、摺動面１０ａ，２０ａ間に供給される被密封流体の圧力よりも大きくなるように設定される。これにより、コイルスプリング６の荷重により、被密封流体の供給によって摺動面１０ａ，２０ａ間が軸方向に開くことが確実に防止される。

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、メカニカルシール１は、密封部材としての円環状の回転密封環２０および静止密封環１０から主に構成されるものとして説明したが、これに限らず、メカニカルシールの密封部材は、相対回転するものであれば、例えば一方の密封部材が回転密封環であり、他方の密封部材がハウジングの端面から構成されていてもよい。

また、前記実施例では、メカニカルシール１は、インサイド形のものとして説明したが、摺動面の内径側から外径側に向かって漏れようとする被密封液体をシールするアウトサイド形に構成されてもよい。この場合、被密封空間と摺動面間とを連通する一方流路は摺動面の内径側に開口するように設けられることは言うまでもない。

また、前記実施例では、回転密封環２０の環状の切り欠き２４が静止密封環１０の貫通孔１４と常に連通した態様について説明したが、これに限らず、例えば図５の変形例１に示されるように、回転密封環２０’の摺動面の周方向に所定の形成範囲を有する切り欠き２４’が設けられ、当該切り欠き２４’が回転のタイミングによって静止密封環１０の少なくとも１つの貫通孔１４と位相が合うことにより被密封空間Ｘと外部空間Ｙとの間が間欠的に連通する状態となるものであってもよい。これによれば、摺動面１０ａ，２０ａ’間において被密封流体をシールしながら、被密封流体を間欠的に供給することができる。

また、前記変形例１では、図５に示されるように、回転密封環２０’に一方流路としての切り欠き２４’が形成される例について説明したが、図６に示される変形例２のメカニカルシール１０１のように、回転密封環１２０に形成される一方流路は被密封空間Ｘと静止密封環１０側にそれぞれ開口を有する断面Ｌ字の貫通孔１２４であってもよい。

また、前記実施例および前記変形例では、回転密封環に被密封空間Ｘと摺動面間を連通する一方流路を設け、静止密封環に外部空間Ｙと摺動面間を連通する他方流路を設ける態様について説明したが、これに限らず、静止密封環に被密封空間と摺動面間を連通する一方流路を設け、回転密封環に外部空間と摺動面間を連通する他方流路を設けるようにしてもよい。

また、静止密封環に設けられる貫通孔は、軸方向に貫通するものに限らず、静止密封環の摺動面と外周面にそれぞれ開口するＬ字の貫通孔であってもよい。

また、静止密封環の他方流路は、切り欠きであってもよい。

また、前記実施例では、外部空間Ｙは、ハウジング４を構成するシールカバー４０の流体供給口４１である態様について説明したが、これに限らず、外部空間は、例えばハウジング内に形成される空間であってもよいし、供給先から延びるパイプ等の開口部であってもよい。

また、前記実施例では、図４に示されるように、被密封空間Ｘから回転密封環２０、静止密封環１０を通して外部空間Ｙに被密封流体が供給される態様について説明したが、これに限らず、例えば、逆に外部空間Ｙから静止密封環１０、回転密封環２０を通して被密封空間Ｘに被密封流体が供給されるものであってもよい。

また、メカニカルシールは、例えば圧縮機、撹拌機等の各種回転機械に適用されてよい。また、メカニカルシールが適用される回転機械によっては、例えば被密封空間Ｘから外部空間Ｙに被密封流体を供給した後、ポンプ等を使用して再び元の被密封空間Ｘに被密封流体を戻すことにより、被密封流体を循環させるように構成されてもよい。

また、前記実施例では、１組のメカニカルシールを用いる態様として説明したが、これに限らず、適用される回転機械に応じて２組以上のメカニカルシールを用いてもよく、例えば被密封空間が軸方向に２箇所以上形成されるような場合には、軸方向に２組以上のメカニカルシールを設けてもよい。

また、被密封空間が径方向に２箇所以上形成されるような場合には、径方向に２組以上のメカニカルシールを設けてもよい。尚、この場合には、静止密封環は１つの部材から構成されていてもよい。

また、前記実施例では、回転密封環２０がコイルスプリング６の付勢力によって軸方向に付勢されるものとして説明したが、これに限らず、付勢手段としてのベローズにより付勢力が付与されるものであってもよい。

また、前記実施例では、静止密封環１０が非回転状態で固定されるものとして説明したが、これに限らず、密封部材は相対回転するものであれば、両方の密封部材が異なる回転速度で回転するものであってもよい。

１ メカニカルシール
２ 回転軸
３ スリーブ
４ ハウジング
６ コイルスプリング（付勢手段）
１０ 静止密封環（他方の密封部材）
１０ａ 摺動面
１０ｅ ランド部
１１ Ｏリング
１４ 貫通孔（他方流路）
１４ｅ 外部空間側開口
１４ｆ 摺動面側開口
１５ 貫通孔
２０ 回転密封環（一方の密封部材）
２０ａ 摺動面
２０ｅ ランド部
２１ リテーナ
２４ 切り欠き（一方流路）
２４ｅ 被密封空間側開口
２４ｆ 摺動面側開口
４０ シールカバー
４１ 流体供給口（密封部材の外部空間）
１０１ メカニカルシール
１２０ 回転密封環（一方の密封部材）
１２４ 貫通孔（一方流路）
Ｘ 被密封空間
Ｙ 外部空間
Ｓ シール部

Claims (6)

1. 相対回転を伴う一対の密封部材の摺動面間に周方向に繋がったシール部を形成し、被密封流体をシールするメカニカルシールにおいて、
   一方の前記密封部材には、前記摺動面の内径側と外径側のいずれかの被密封流体が存在する被密封空間と前記摺動面間とを連通する一方流路が設けられ、
   他方の前記密封部材には、該密封部材の外部空間と前記摺動面間とを連通する他方流路が設けられているメカニカルシール。
2. 他方の前記密封部材は、静止密封環である請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記被密封流体は、加圧手段により加圧されている請求項１または２に記載のメカニカルシール。
4. 一方の前記密封部材は、回転密封環であり、
   前記回転密封環は、付勢手段により前記静止密封環へ向けて付勢されている請求項１ないし３のいずれかに記載のメカニカルシール。
5. 前記被密封空間と前記外部空間との間で被密封流体が常に供給されるように両流路が設けられている請求項１ないし４のいずれかに記載のメカニカルシール。
6. 前記一方流路は、切り欠きである請求項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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