JP3600766B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

【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、摺動環が他の環状部材に嵌合保持された構造を備えるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
メカニカルシールには、静止側摺動環と回転側摺動環との摺動面の両側に存在する空間のうち、いずれの空間が相対的に高圧になっても密封性能を発揮するものがある。図５はその一例を部分的に示すもので、静止側摺動環１０１がベローズ１０２によって軸方向の押し付け力が付与され、この静止側摺動環１０１に密封的に摺接する回転側摺動環１０３が、保持部材であるリテーナ１０４に嵌合保持された構造を備えている。
【０００３】
回転側摺動環１０３は、リテーナ１０４の筒状張出部１０４ａの内周にパッキン１０５を介して密嵌されると共に、ピン１０６との係合によって回転軸１００側からの回転力がリテーナ１０４を介して伝達される。また、静止側摺動環１０１と回転側摺動環１０３による密封摺動面ＳＦの内周側に連なる空間Ｂが、前記密封摺動面ＳＦの外周側に連なる空間Ａより高圧になる逆圧状態の時に、その差圧が回転側摺動環１０３の背面に作用することによって、この回転側摺動環１０３がベローズ１０２を圧縮しながらリテーナ１０４から抜け出すことのないように、回転側摺動環１０３は、リテーナ１０４の筒状張出部１０４ａの内周溝に嵌着されたスナップリング１０７によって抜け止めがなされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来構造のメカニカルシールによれば、リテーナ１０４からの摺動環１０３の抜け止めがリテーナ１０４の筒状張出部１０４ａの内周溝に、密封摺動面ＳＦ側から嵌着されたスナップリング１０７によりなされていることから、このスナップリング１０７の内径と、摺動環１０３の摺動面の外径Ｄ１ とのクリアランスΔＤ１ が、スナップリング嵌着用溝の溝深さｄよりも大きく設定されていないと、スナップリング１０７の装着が不可能である。したがって、摺動環１０３の外径Ｄ２ は、少なくともＤ１ ＋２ｄ以上とする必要があり、その結果リテーナ１０４の外径も大きくなり、径方向に対して大きな装着スペースが必要であった。
【０００５】
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とするところは、保持部材に対する摺動環の抜け止め構造によって、径方向の装着スペースを小さくすることの可能なメカニカルシールを提供することにある。
【０００６】
【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、回転側又は静止側の摺動環が保持部材に嵌合保持され、前記摺動環と、その外周を包囲する前記保持部材の筒状張出部の互いの対向周面に、それぞれ円周方向へ延びる溝が形成され、前記保持部材の筒状張出部にその先端から延びてこの筒状張出部の内周溝を円周方向へ分断する切欠が形成され、前記両溝間に嵌合するストッパが前記切欠から前記両溝間へ円周方向に挿入された構成を備える。
【０００７】
上記構成によれば、摺動環を保持部材の筒状張出部の内周へ収容保持した後、径方向に互いに対向する前記摺動環の外周溝と前記筒状張出部の内周溝との間に、この筒状張出部に前記内周溝を円周方向へ分断するように形成された切欠からストッパを円周方向へ挿入することによって、ストッパが前記両溝間に嵌合され、保持部材からの摺動環の抜け止めがなされる。この構造において、ストッパは摺動環の端面を係止するものではなく、前記筒状張出部の内周面と摺動環の外周面間に介在する構造であるため、前記摺動環の外径を摺動面の外径と一致させることが可能である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１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用いた軸封装置全体を示すものである。なお、以下の説明において、「背面」とはメカニカルシール１の密封摺動面ＳＦと反対側を向いた面のことであり、「後端」あるいは「後部」とは、前記密封摺動面ＳＦと反対側の端部のことである。
【０００９】
図１において、参照符号２は複数の環状部材２１，２２がボルト・ナット２３によって組み立てられた軸封部のハウジング、３はハウジング２の内周に挿通されてその軸心の周りに回転される回転軸である。前記ハウジング２と回転軸３との間で軸封を行うメカニカルシール１は、ハウジング２側に非回転状態に配置された静止側シールユニット１１と、回転軸３側に軸方向移動自在に配置されてこの回転軸３と共に回転される回転側シールユニット１２とを備える。
【００１０】
静止側シールユニット１１は、カーボン材料からなる静止側摺動環としてのシールリング１１１と、このシールリング１１１を密嵌保持する静止側リテーナ１１２と、ハウジング２を構成する環状部材２２の内周フランジ部２２ａにガスケット１１５を介してボルト１１６により固定されたベローズカラー１１３と、軸方向両端が前記静止側リテーナ１１２とベローズカラー１１３に溶接されたベローズ１１４とからなる。すなわち、シールリング１１１は、静止側リテーナ１１２、ベローズ１１４及びベローズカラー１１３を介して、ハウジング２側に非回転状態にかつ軸方向移動可能な状態に保持されている。
【００１１】
一方、回転側シールユニット１２は、シールリング１１１と対向端面同士で密接した状態に配置されたＳｉＣからなる回転側摺動環としてのメイティングリング１２１と、このメイティングリング１２１を嵌合保持する保持部材である回転側リテーナ（以下、単にリテーナという）１２２と、このリテーナ１２２の背面にボルト１２４を介して固定されると共に、回転軸３に外装された軸スリーブ３１の一端にピン１２３ａを介して係止されたコンプレッションリング１２３とを備える。すなわち、前記メイティングリング１２１は、回転軸３に外装された軸スリーブ３１から、コンプレッションリング１２３及びリテーナ１２２を介して回転トルクが伝達されることにより、回転軸３と一体的に回転して、非回転のシールリング１１１との間に密封摺動面ＳＦを形成する。
【００１２】
軸スリーブ３１は、コンプレッションリング１２３との係合部と反対側の端部３１ａに円周方向等間隔で開設された孔３１ｂに、その外周に配置されたスリーブカラー３２からねじ込まれた複数のセットスクリュ３３によって、回転軸３の外周に固定されている。前記端部３１ａの内周段差部と回転軸３の外周面との間にはパッキン３４が挿入されており、このパッキン３４は、前記スリーブカラー３２に軸方向にねじ込まれたボルト３５の締め付け力で、シールカバー３６を介して圧縮されることにより、回転軸１３と軸スリーブ３１との間をシールするものである。
【００１３】
ハウジング（環状部材２２）には、シールリング１１１とメイティングリング１２１による密封摺動面ＳＦの外周側に連なる機内空間Ｓ１に向けて開口された所要数のフラッシング孔２ａが形成されている。すなわち、機内空間Ｓ１内の密封対象液は、このフラッシング孔２ａを通じて、図示されていない外部の循環装置との間で循環されている。
【００１４】
メカニカルシール１と軸スリーブ３１との間のクエンチング空間Ｓ２には、バッフルスリーブ４が配置されており、その基部４ａがハウジング２を構成する環状部材２２の内周フランジ部２２ａの背面に固定されている。なお、ベローズカラー１１３を固定するボルト１１６は、前記バッフルスリーブ４の基部４ａに対する固定手段を兼ねるものである。
【００１５】
バッフルスリーブ４の基部４ａの背面側には円筒面シール５が配置されており、ハウジング２の環状部材２２の外端内周部にフランジ部材５１及びボルト５２を介して固定されている。更に、前記環状部材２２には、前記バッフルスリーブ４の外周空間へ向けて開口されたクエンチング液供給孔２ｂと、前記バッフルスリーブ４の基部４ａの背面側の空間へ向けて開口されたクエンチング液排出孔２ｃが形成されている。
【００１６】
円筒面シール５は、フランジ部材５１に固定されたケース部材５３内に非回転状態に収容されたシールリング５４が、その内周面を軸スリーブ３１の外周面に微小隙間を介して密封的に摺接されると共に、一端面を、円周方向複数配置されたコンプレッションスプリング５５の軸方向付勢力によって、前記ケース部材５３の内側面と密接された構造を有する。そしてこれによって、バッフルスリーブ４の基部４ａの背面側でクエンチング空間Ｓ２を密封し、クエンチング液が機外空間Ｓ３へ流出するのを防止するものである。
【００１７】
すなわち、クエンチング液供給孔２ｂから供給されたクエンチング液は、メカニカルシール１の静止側シールユニット１１とバッフルスルーブ４との間の隙間をメカニカルシール１の密封摺動面ＳＦの内周側まで迂回して流れ、そこから前記バッフルスリーブ４と軸スリーブ３１との間の隙間及びバッフルスリーブ４の基部４ａの背面側を経由して、クエンチング液排出孔２ｃから排出される。そしてこのようなクエンチング液の流通によって、メカニカルシール１の密封摺動面ＳＦで発生する摺動熱を除去すると共に、前記密封摺動面ＳＦからクエンチング空間Ｓ２内へ漏洩した機内の密封対象流体を、機外空間Ｓ３へ流出することのないようにクエンチング液排出孔２ｃから排出するものである。
【００１８】
ここで、メカニカルシール１における回転側シールユニット１２の構成について、更に詳しく説明すると、図２及び図３に示されるように、メイティングリング１２１は軸心を通る平面で切断した断面形状が略Ｌ字形をなすものであって、すなわち静止側シールユニット１１のシールリング１１１との密封摺動面ＳＦが形成された大径部１２１ａと、その背面側へ延びる小径部１２１ｂとを有する。前記大径部１２１ａの外周面には、円周方向に連続した溝１２１ｃが形成されており、前記小径部１２１ｂの後端部には、円周方向２等配（１８０°間隔）で係合切欠１２１ｄが形成されている。
【００１９】
リテーナ１２２は、軸スリーブ３１の外周面に支持される内径フランジ部１２２ａと、その外周部から突出形成されて、メイティングリング１２１の小径部１２１ｂの後部外周面を挿入可能な段差部１２２ｂと、更にその外周部から突出形成されて、メイティングリング１２１の大径部１２１ａを挿入可能な筒状張出部１２２ｃとを有する。メイティングリング１２１は、このリテーナ１２２に、大径部１２１ａにおける密封摺動面ＳＦ側の端部が前記筒状張出部１２２ｃから露出した状態で嵌合保持される。
【００２０】
リテーナ１２２の内径フランジ部１２２ａには、円周方向２等配（１８０°間隔）でピン１２２ｄが突設されている。このピン１２２ｄは、メイティングリング１２１の後端の各係合切欠１２１ｄと係合することによって、メイティングリング１２１とリテーナ１２２との相対回転を阻止し、リテーナ１２２からメイティングリング１２１へ回転トルクを伝達するものである。
【００２１】
リテーナ１２２における内径フランジ部１２２ａの背面には、パッキン１２５が装着されており、このパッキン１２５は、先に説明したボルト１２４の締め付けにより、コンプレッションリング１２３及びスプリットリング１２６を介して圧縮され、前記内径フランジ部１２２ａと軸スリーブ３１との間を密封するものである。また、メイティングリング１２１の大径部１２１ａと小径部１２１ｂの外周面間の段差部には、パッキン１２７が嵌着される。このパッキン１２７は、前記メイティングリング１２２をリテーナ１２２に嵌合保持した状態では、その筒状張出部１２２ｃの内周面との間で適当に圧縮され、メイティングリング１２１とリテーナ１２２との間を密封するものである。
【００２２】
メイティングリング１２１における大径部１２１ａの外周面を包囲するリテーナ１２２の筒状張出部１２２ｃの内周面には、前記大径部１２１ａの外周面に形成された溝１２１ｃと互いに対応する位置に、円周方向に延びる溝１２２ｅが形成されており、両溝１２１ｃ，１２２ｅ間には、ストッパ２８が嵌着されるようになっている。このストッパ２８は、ＳＵＳ等の鋼材からなり、図２に示されるように円周方向に延びると共にその一部が切断された略Ｃ字形をなすことによって、半径方向への適当な弾性が与えられている。
【００２３】
リテーナ１２２の筒状張出部１２２ｃの先端部には、その内周面に形成された溝１２２ｅを円周方向へ分断する切欠１２２ｆが、円周方向２等配（１８０°間隔）で形成されている。
【００２４】
以上の構成において、メカニカルシール１は、密封摺動面ＳＦの外周側に連なる機内空間Ｓ１が、内周側に連なるクエンチング空間Ｓ２より高圧となる正圧状態では勿論、機内空間Ｓ１よりクエンチング空間Ｓ２が相対的に高圧となる逆圧状態であっても、その差圧が、ベローズ１１４に対して静止側シールユニット１１のシールリング１１１をメイティングリング１２１側へ押し付ける背圧として作用する。
【００２５】
そして、クエンチング液の軸方向の圧力に対するメイティングリング１２１の受圧面積は、シールリング１１１との密封摺動面ＳＦの内周側の受圧面積よりも、背面側の受圧面積の方が大きいため、機内空間Ｓ１よりクエンチング空間Ｓ２が相対的に高圧となる逆圧状態の時は、メイティングリング１２１は、リテーナ１２２から抜け出す方向への軸方向変位力を受ける。しかしながら、前記メイティングリング１２１は、その大径部１２１ａの外周面に形成された溝１２１ｃと、リテーナ１２２の筒状張出部１２２ｃの内周面に形成された溝１２２ｅに跨がって嵌着されたストッパ１２８によって、リテーナ１２２との相対的な軸方向変位が阻止されているので、前記逆圧時に、メイティングリング１２１がベローズ１１４を圧縮するようにリテーナ１２２から抜け出してしまうことがない。したがって、このメカニカルシール１は、正圧に対しても逆圧に対しても優れた密封性能を発揮することができる。
【００２６】
また、リテーナ１２２に対してメイティングリング１２１を抜け止めするためのストッパ１２８が、メイティングリング１２１の大径部１２１ａの外周面に形成された溝１２１ｃと嵌合する構成となっているため、図５に示された従来構造のものと異なり、メイティングリング１２１の外径を、Ｃ字形のストッパ１２８のスパンを考慮して密封摺動面ＳＦより十分に大径にするといった必要がなく、メイティングリング１２１の外径を、密封摺動面ＳＦの外径と略同一にすることができる。このため、メイティングリング１２１の半径方向の肉厚を従来よりも小さくすることができ、その結果、リテーナ１２２の半径方向の寸法も小さくして、メカニカルシール１全体の小型化を図ることができる。
【００２７】
なお、メイティングリング１２１をリテーナ１２２に組み付けるには、まず、メイティングリング１２１の小径部１２１ｂの外周面にパッキン１２７を嵌め込んでから、前記メイティングリング１２１をリテーナ１２２に挿入する。その際、メイティングリング１２１を適当に回転させることによって、その小径部１２１ｂの後端に形成された係合切欠１２１ｄを、リテーナ１２２の内径フランジ部１２２ａに突設されたピン１２２ｄと係合させる。そしてこの状態では、メイティングリング１２１の大径部１２１ａの外周面に形成された溝１２１ｃと、リテーナ１２２の筒状張出部１２２ｃの内周面に形成された溝１２２ｅとが、半径方向に互いに対向する位置にある。
【００２８】
次に、図４に示されるように、リテーナ１２２の筒状張出部１２２ｃに形成された切欠１２２ｆを通じて、ストッパ１２８の一端１２８ａを、互いに半径方向に対向した位置にある溝１２１ｃ，１２２ｅ間へ挿入する。ストッパ１２８は、半径方向に対する弾性を有するため、前記筒状張出部１２２ｃの外周側から切欠１２２ｆを通じて適当に弾性変形しながら溝１２１ｃ，１２２ｅ間へ連続的に押し込まれて円周方向へ移動して行き、嵌合状態となる。そして、このようにしていったん挿入されたストッパ１２８は、前記溝１２１ｃ，１２２ｅ間から外部へ逸脱するようなことはない。
【００２９】
なお、上記実施形態においては、回転側の摺動環（メイティングリング１２１）が回転側の保持部材（リテーナ１２２）に嵌合された構造のものに本発明を適用した場合について説明したが、メカニカルシール１の仕様によっては、静止側の摺動環と、その保持部材との装着構造ついても、同様に構成することができる。また、ストッパ１２８は、必ずしもＣ字形に延びるものである必要はなく、ワイヤ状のものや、金属環を円周方向複数箇所で切断した円弧状のものも採用可能であり、その断面形状も図示のような円形のものには限定されない。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るメカニカルシールによると、摺動環とこれを嵌合保持する保持部材との抜け止めをするためのＣ字形のストッパは、摺動環の端面を係止するものではなく、前記保持部材の筒状張出部の内周面と摺動環の外周面間に介在する構造であるため、前記摺動環の外径を密封摺動面の外径と略同一とすることができ、このため摺動環及び保持部材を半径方向に小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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用いた軸封装置全体を、軸心を通る平面で切断して示す断面図である。
【図２】上記実施形態における要部を分解して示す一部切断した斜視図である。
【図３】上記実施形態を示す要部拡大断面図である。
【図４】上記実施形態におけるメイティングリングとリテーナとの間にストッパを挿入する過程を示す説明図である。
【図５】従来技術を示す部分的な断面図である。
【符号の説明】
１ メカニカルシール
１２１ メイティングリング（回転側摺動環）
１２１ｃ，１２２ｅ 溝
１２２ 回転側リテーナ（保持部材）
１２２ｃ 筒状張出部
１２２ｆ 切欠
１２８ ストッパ
ＳＦ 摺動面

Claims (1)

1. 回転側又は静止側の摺動環が保持部材に嵌合保持され、
   前記摺動環と、その外周を包囲する前記保持部材の筒状張出部の互いの対向周面に、それぞれ円周方向へ延びる溝が形成され、
   前記保持部材の筒状張出部にその先端から延びてこの筒状張出部の内周溝を円周方向へ分断する切欠が形成され、
   前記両溝間に嵌合するストッパが前記切欠から前記両溝間へ円周方向に挿入されたことを特徴とするメカニカルシール。

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