特許 6859101 メカニカルシール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6859101

(24)【登録日】2021年3月29日

(45)【発行日】2021年4月14日

(54)【発明の名称】メカニカルシール

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/34 20060101AFI20210405BHJP

【ＦＩ】

   F16J15/34 K

   F16J15/34 L

【請求項の数】5

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2016-257156(P2016-257156)

(22)【出願日】2016年12月29日

(65)【公開番号】特開2018-109430(P2018-109430A)

(43)【公開日】2018年7月12日

【審査請求日】2019年10月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】000101879

【氏名又は名称】イーグル工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100201259

【弁理士】

【氏名又は名称】天坂 康種

(74)【代理人】

【識別番号】100116506

【弁理士】

【氏名又は名称】櫻井 義宏

(72)【発明者】

【氏名】板谷 壮敏

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 祐貴

(72)【発明者】

【氏名】千葉 啓一

(72)【発明者】

【氏名】吉野 顯

【審査官】 大谷 謙仁

(56)【参考文献】

【文献】 実公昭４８−０２１６９９（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】 英国特許出願公告第００８０２３８６（ＧＢ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｊ １５／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸側に固定される回転環と、
固定壁側に固定される固定環と、
前記固定環を密封する第１シール部、前記固定壁側を密封する第２シール部及び前記第１シール部と前記第２シール部とを接続する屈曲部を有するベローズと、
前記ベローズの前記屈曲部の外周側に前記ベローズの径方向の変形を規制する規制部材と、を備え、
前記回転環と前記固定環とが摺動面にて互いに対向摺動して前記摺動面の内径側から外径側へ向かう流体をシールするメカニカルシールであって、
前記規制部材は、少なくとも前記ベローズの線膨張係数と略等しい材料からなる第１コア部を備えることを特徴とするメカニカルシール。

【請求項2】

前記規制部材は、少なくとも前記ベローズより高い弾性係数を有する材料からなる第２コア部を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。

【請求項3】

前記規制部材は、少なくとも低摩擦係数の材料からなる被覆部を備え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。

【請求項4】

前記規制部材は環状部材からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のメカニカルシール。

【請求項5】

回転軸側に固定される回転環と、
固定壁側に固定される固定環と、
前記固定環を密封する第１シール部、前記固定壁側を密封する第２シール部及び前記第１シール部と第２シール部とを接続する屈曲部を有するベローズと、
前記ベローズの前記屈曲部の外周側に前記ベローズの径方向の変形を規制する規制部材と、を備え、
前記回転環と前記固定環とが摺動面にて互いに対向摺動して前記摺動面の内径側から外径側へ向かう流体をシールするメカニカルシールであって、
前記規制部材は、少なくとも低摩擦係数の材料からなる被覆部を備えることを特徴とするメカニカルシール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転軸側に固定される回転環と、ベローズを介して固定壁側に固定される固定環との相対位置が、温度変化により大きく変位するメカニカルシールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、全閉形回転電機において、回転子を液体冷却するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。液冷却方式の回転子４は、冷却液箱６に取着された入液パイプ６ａの入液口６ｃから中空軸５に設けられた穴５ａに供給された冷却液が、穴の端面５ｂで反転して中空軸の穴５ａと入液パイプ６ａの外周との隙間５ｃを逆流し、穴の開口部５ｄから冷却液箱６に設けられた排液口６ｂから流出して、回転子１３０の冷却を行うものである。そしてメカニカルシール・ユニット７のスラスト方向摺動リング７ｂと回転リング７ｃは、互いに接触シール面Ｂで摺動して中空軸５の穴５ａを流れる冷却液の漏れを防止している。

【0003】

さらに、全閉形回転電機において回転子を液体冷却するものとして、特許文献２のものがある。特許文献２においては、メカニカルシールのメイティングリング４１を中空軸５の内周部に配置して、摺動面の内径側から外径側に向かう流体の漏れを制限するアウトサイド形のメカニカルシールとすることによって、メイティングリング４１とシールリング４２との摺動面の径を小さくして、摺動面における周速を抑えることにより、高速、大容量の液冷却方式の回転子を実現している。

【0004】

また、特許文献２において、シールリング４２は、複数の折り返し部を有するゴム製の弾性ベローズ４４を介してキャリア３７に密封状に固定されるとともに、シールリング４２は、スプリング４５によって軸方向に付勢されている。このように、弾性ベローズ４４は折り返し部を複数設けることによって、中空軸５とキャリア３７との相対変位を吸収できるので、温度変化により中空軸５が大きく伸縮しても、シールリング４２はメイティングリング４１の動きに追従して流体をシールできるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平７−１７０６９４号公報（第２−３ページ、図１−図２）

【特許文献2】国際公開第２０１６／０５０５３４号パンフレット（第８ページ、ＦＩＧ１，ＦＩＧ４）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１にあっては、メカニカルシール・ユニット７は、中空軸５の外周側に配設されているためスラスト方向摺動リング７ｂと回転リング７ｃの接触シール面Ｂにおける径が大きくなり、周速が高くなる。このため、メカニカルシール・ユニット７は、大形機や高速機に対して適用することが困難であった。

【0007】

一方、特許文献２のメカニカルシールにおいては、大形機や高速機に対して適用することができるものの、温度変化により回転軸が伸び、弾性ベローズ４４が軸方向に縮んだ状態で、ベローズ内部から流体圧が作用すると、弾性ベローズ４４は樽状に変形してしまい、最悪の場合には弾性ベローズ４４がスプリング４５に接触してスプリング４５の動きを阻害し、十分なシール性能を発揮できない虞がある。逆に樽状に変形した状態から弾性ベローズ４４が元の形状に戻るためには２方向に逆向きに変位させる力、すなわち回転軸が縮んで弾性ベローズ４４が軸方向に伸びる力と弾性ベローズ４４に対し径方向内側へ作用する力必要がある。しかし、弾性ベローズ４４内には常に流体圧が作用しているため、弾性ベローズ４４は樽状に変形した状態から元の形状に戻ることができない。すなわち、回転環と固定環との相対位置が変化して軸方向に縮んだ状態で弾性ベローズ４４に内圧が作用すると、径方向に大きく変形して元の形状に戻ることができない非可逆的変形を引き起こす。

【0008】

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、回転軸側に固定される回転環と、ベローズを介して固定壁側に固定される固定環との相対位置が変化することによりベローズが大きく変形し、この状態でベローズに流体圧が作用しても、ベローズは非可逆的な変形をすることなく、回転環の動きに固定環が追従して確実にシール性能を発揮できるメカニカルシールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

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、
回転軸側に固定される回転環と、
固定壁側に固定される固定環と、
前記固定環を密封する第１シール部、前記固定壁側を密封する第２シール部及び前記第１シール部と第２シール部とを接続する屈曲部を有するベローズと、
前記ベローズの前記屈曲部の外周側に前記ベローズの径方向の変形を規制する規制部材と、
を備え、
前記回転環と前記固定環とが摺動面にて互いに対向摺動して前記摺動面の内径側から外径側へ向かう流体をシールするメカニカルシールであって、
前記規制部材は、少なくとも前記ベローズの線膨張係数と略等しい材料からなる第１コア部を備えることを特徴としている。

【0010】

この特徴によれば、回転環と固定環との相対位置が変化することによりベローズが大きく変形し、この状態でベローズに流体力が作用しても、第１シール部と第２シール部との間の屈曲部は規制部材によって変位が規制されるので、ベローズの非可逆的な変形を防止して、回転環の動きに固定環が追従して確実にシール性能を発揮できる。また、規制部材は、少なくともベローズの線膨張係数と略等しい材料からなる第１コア部を備えるので、メカニカルシールが使用される温度範囲が大きく変化しても、規制部材及びベローズの熱膨張差による過度の締付け、過大な隙間の発生により規制部材がベローズの変形を規制できなくなることを防止できる。

【0011】

本発明のメカニカルシールは、少なくとも前記ベローズより高い弾性係数を有する材料からなる第２コア部を備えることを特徴としている。

【0012】

この特徴によれば、ベローズの材料の弾性係数より高い第２コア部を有する規制部材によって、ベローズの過大な変形を確実に規制することができる。

【0013】

本発明のメカニカルシールは、
前記規制部材は、少なくとも低摩擦係数の材料からなる被覆部を備えることを特徴としている。

【0014】

この特徴によれば、低摩擦係数の材料からなる被覆部によって、規制部材とベローズとの間の相対変位による損傷を防止することができる。

【0015】

本発明のメカニカルシールは、
前記規制部材は環状部材からなることを特徴としている。

【0016】

この特徴によれば、環状部材からなる規制部材はベローズに容易に取付けることができ、ベローズの変形を規制することができる。

【0017】

本発明のメカニカルシールは、
回転軸側に固定される回転環と、
固定壁側に固定される固定環と、
前記固定環を密封する第１シール部、前記固定壁側を密封する第２シール部及び前記第１シール部と第２シール部とを接続する屈曲部を有するベローズと、
前記ベローズの前記屈曲部の外周側に前記ベローズの径方向の変形を規制する規制部材と、を備え、
前記回転環と前記固定環とが摺動面にて互いに対向摺動して前記摺動面の内径側から外径側へ向かう流体をシールするメカニカルシールであって、
前記規制部材は、少なくとも低摩擦係数の材料からなる被覆部を備えることを特徴としている。

【0018】

この特徴によれば、回転環と固定環との相対位置が変化することによりベローズが大きく変形し、この状態でベローズに流体力が作用しても、第１シール部と第２シール部との間の屈曲部は規制部材によって変位が規制されるので、ベローズの非可逆的な変形を防止して、回転環の動きに固定環が追従して確実にシール性能を発揮できる。また、低摩擦係数の材料からなる被覆部によって、規制部材とベローズとの間の相対変位による損傷を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係るメカニカルシールを適用したモータの縦断面図である。

【図2】本発明に係るメカニカルシールを示す縦断面図である。

【図3】本発明のメカニカルシールを構成するケース部材を示す図である。

【図4】本発明の規制部材の断面構造を示す図で、（ａ）は規制部材を第１コア部から構成した図、（ｂ）は規制部材を第１コア部と第２コア部から構成した図、（ｃ）は（ａ）の規制部材、（ｂ）の規制部材に被覆部を設けた図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

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図１から図４を参照して例示的に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置などは、特に明示的な記載がない限り、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

【0021】

図１において、モータ１００は、本発明のメカニカルシール２００が適用された全閉形液冷媒冷却方式である。モータ１００は、固定子ハウジング１１０内に支持された固定子１２０、軸受部１５１、１５５によって回転自在に支持された回転子１３０、メカニカルシール２００から主に構成される。固定子１２０は、固定子鉄心１２１と固定子コイル１２２から主に構成され、回転子１３０は回転子鉄心１３１、回転子導体１３２及び中空回転軸１３３から主に構成される。モータ１００は、外部より固定子１２０に電力が供給され、回転磁界が発生すると、回転子１３０は回転駆動力を発生する。また固定子１２０及び回転子１３０は、通電による電気的な損失や回転子１３０の回転による摩擦損失が発生する。この固定子１２０及び回転子１３０から発生する損失は、以下に説明するように主に液冷媒によって冷却される。

【0022】

固定子１２０を支持する固定子ハウジング１１０は、主に筒状の外側ハウジング１１１と、外周に冷媒流路１１２ａが形成された筒状の内側ハウジング１１２とからなり、内側ハウジング１１２が、外側ハウジング１１１内に密封嵌合される。また、外側ハウジング１１１は、内側ハウジング１１２の冷媒流路１１２ａに連通する冷媒入口孔、冷媒出口孔（図示せず）を有し、冷媒入口孔から流入した冷媒は、冷媒流路１１２ａを流れ、冷媒出口孔から流出する。このように構成された固定子１２０は、固定子ハウジング１１０内の冷媒流路１１２ａを流れる冷媒によって冷却される。

【0023】

一方、中空回転軸１３３を有する回転子１３０は以下のように冷却される。図１に示すように、中空回転軸１３３は、回転子鉄心１３１の略全長に亘って設けられる中空部１３３ａを備え、該中空部１３３ａは内周壁１３３ｄ、該内周壁１３３ｄの一端を外部に連通する開口端部１３３ｂ、他端を閉塞する閉塞部１３３ｃからなる。また、中空回転軸１３３の中空部１３３ａには、冷媒導入手段１６０によって冷媒が導入される。冷媒導入手段１６０は、中空部１３３ａより小径の冷媒導入管１６１、該冷媒導入管１６１と一体に形成されたフランジ１６２から構成される。冷媒導入管１６１は中空部１３３ａに挿入され、フランジ１６２は中空回転軸１３３の開口端部１３３ｂ側のケーシング１７０を介してブラケット１５７に固定される。さらにフランジ１６２には冷媒供給管１６３が接続され、冷媒供給管１６３から供給される冷媒は、図１の矢印に示されるように冷媒導入管１６１内を通り、中空部１３３ａの閉塞部１３３ｃまで送り込まれ、冷媒は中空部１３３ａの内周壁１３３ｄと冷媒導入管１６１との隙間を逆流して、フランジ１６２に設けられた冷媒排出孔１６２ａから回転子１３０の外部へ流出する。こうして回転子鉄心１３１及び回転子導体１３２は、中空回転軸１３３の中空部１３３ａの内周壁１３３ｄと冷媒導入管１６１との隙間を流れる冷媒によって冷却される。

【0024】

また、図１及び図２に示すように、モータ１００は、中空回転軸１３３の中空部１３３ａを流れる冷媒をシールするためにメカニカルシール２００を備える。メカニカルシール２００は、中空回転軸１３３（本発明に係る回転軸）の内周壁１３３ｄの開口端部１３３ｂ側に固定され、中空回転軸１３３と一体に回転する回転側カートリッジ２１０と、ケーシング１７０に非回転状態で固定される固定側カートリッジ２２０とからなる。回転側カートリッジ２１０に配設される回転環２１１と、固定側カートリッジ２２０に配設される固定環２２１とが摺動面Ｓで互いに密接摺動することにより、中空回転軸１３３の中空部１３３ａを流れる流体としての冷媒が、摺動面Ｓの内径側から外径側に向かって漏れようとする流体を密封するアウトサイド形のメカニカルシールである。

【0025】

しかし、図１に示すモータ１００を車載用のモータとして使用した場合には、その周囲温度は−４０℃から６５℃の範囲で変化する場合があり、この温度範囲でモータ１００が運転されると、モータ１００の温度は−４０℃から１４０℃の範囲で変動し、モータ１００の中空回転軸１３３はセット状態から±１ｍｍ程度伸び縮みする可能性がある。通常、回転側カートリッジと固定側カートリッジの軸方向変位は±０．１ｍｍ程度であれば、ベローズ全体が変形して固定環は回転環の相対変位に追従してシールすることができる。ところが、回転側カートリッジと固定側カートリッジとの間の相対変位が±１ｍｍ程度になると、固定環は回転環の相対変位に追従してシールすることができない虞がある。また、ベローズが±１ｍｍ程度の相対変位に追従できるようにベローズ全体を薄肉に形成することもできるが、薄肉のベローズでは、流体圧により樽状に非可逆に変形してしまう虞もある。

【0026】

そこで、本発明のメカニカルシール２００は、回転環２１１と固定環２２１との相対位置が大きく変化することによりベローズ２２２が大きく変形し、この状態でベローズ２２２に流体圧が作用しても、ベローズ２２２は非可逆的な変形をすることなく、回転環２１１の動きに固定環２２１が追従して確実にシール性能を発揮できるものである。以下、本発明のメカニカルシール２００を構成する回転側カートリッジ２１０、固定側カートリッジ２２０の構成について説明する。

【0027】

回転側カートリッジ２１０は、回転環２１１と、該回転環２１１と中空回転軸１３３の内周壁１３３ｄとの間を密封するカップガスケット２１２とから主に構成され、回転側カートリッジ２１０は中空回転軸１３３の内周壁１３３ｄに圧入固定される。

【0028】

図２に示すように、回転環２１１は、断面略矩形の環状部材からなり、機械強度が高く、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素、アルミナ等の各種セラミクスや、超硬合金等から構成される。固定環２２１と対向する回転環２１１の前面側には、ラッピング等により鏡面仕上げされた摺動面Ｓが設けられている。

【0029】

カップガスケット２１２は、回転環２１１の外周面に嵌合される外筒部２１２ａ、回転環２１１の背面を覆う径方向部２１２ｂからなる断面略Ｌ字状の環状部材であり、ゴム等の弾性体からなる。回転環２１１の摺動面Ｓは、固定側カートリッジ２２０の固定環２２１に対向して配設される。カップガスケット２１２の外筒部２１２ａは、回転環２１１の外周面と中空回転軸１３３の内周壁１３３ｄとの間で適切な締め代が付与されることによって、密封性が確保されるとともに、回転環２１１は中空回転軸１３３と一体に固定される。

【0030】

つぎに、固定側カートリッジ２２０について説明する。固定側カートリッジ２２０は、ケーシング１７０に密封状に固定されるハウジング２２６（本発明に係る固定壁）と、該ハウジング２２６の環状空間２２６ｄ側に収容される固定環２２１、固定環２２１を密封するベローズ２２２、ベローズ２２２の一端を固定環２２１に対し密封固定するためのケース部材２２３、ベローズ２２２の他端をハウジング２２６に対して密封固定するためのドライブリング２２４、及びケース部材２２３を介して固定環２２１を回転環２１１に向けて付勢するスプリング２２５から主に構成される。以下、固定側カートリッジ２２０の各構成について説明する。

【0031】

図２に示すように、ハウジング２２６は、ケーシング１７０に圧入固定される外側環状部２２６ｃ、該外側環状部２２６ｃの一端から径方向内側に延設される壁部２２６ｂ、及び該壁部２２６ｂの内径側端部から軸方向に延設される内側環状部２２６ａから主に構成される断面略Ｕ字状の環状部材である。ハウジング２２６の開放部は、回転環２１１の摺動面Ｓに対向するようにケーシング１７０に圧入固定される。なお、ハウジング２２６をケーシング１７０に圧入固定して形成したが、ハウジング２２６とケーシング１７０とを一体に形成してもよい。

【0032】

図２に示すように、固定環２２１は、環状部材からなり、カーボン等の自己潤滑性、摺動性に優れた材料から構成される。固定環２２１には、回転環２１１と摺動する摺動面Ｓが形成されている。固定環２２１の摺動面Ｓは、軸方向に突出した環状部に形成され、ラッピング等により平滑に鏡面仕上げされている。また固定環２２１の外周端部２２１ａには、後述するベローズ２２２によって覆われ密封される外周端部２２１ａが形成されている。なお、回転環２１１及び固定環２２１の材質は、耐摩耗性に優れた炭化珪素（ＳｉＣ）と自己潤滑性に優れたカーボンとの組合せとしたが、例えば、両者を炭化ケイ素、アルミナ等の各種セラミクスや、超硬合金等から形成してもよい。

【0033】

図２に示すように、ベローズ２２２は、軸方向に延設された内筒部２２２ａ（本発明の第２シール部）、内筒部２２２ａより大径に形成された外筒部２２２ｃ（本発明の第１シール部）、及び内筒部２２２ａと外筒部２２２ｃを接続する断面略Ｌ字状に形成された屈曲部２２２ｂから少なくとも構成される環状部材で、たとえばニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのエラストマーからなる。

【0034】

また、ベローズ２２２の屈曲部２２２ｂの外周側、すなわち低圧流体側には、開口部を有し、径方向内側に向かって形成された断面略半円状の環状凹部２２２ｇが形成される。屈曲部２２２ｂは、環状凹部２２２ｇを設けることによって内筒部２２２ａと外筒部２２２ｃとの間において最小の肉厚、幅狭の薄肉部が形成される。

【0035】

これにより、ベローズ２２２内に流体圧が作用しても、ベローズ全体が樽状に膨らむ変形を防止できる肉厚を確保できるとともに、薄肉かつ幅狭に形成した屈曲部２２２ｂが局所的に大きく変形し、ベローズ２２２全体として屈曲変形する。中空回転軸１３３が熱膨張してベローズ２２２が縮むと、略Ｌ字状に折れ曲がる屈曲部２２２ｂは鋭角に折れ曲がり、逆に、中空回転軸１３３が冷えて収縮すると略Ｌ字状に折れ曲がる屈曲部２２２ｂは鈍角に折れ曲がり、ベローズ２２２は屈曲変形することにより、軸方向の一方向に可逆的に伸縮変形する。

【0036】

図２、図３に示すように、ケース部材２２３は、軸方向に延設され、周方向に４等配で形成される鍔部２２３ａ及び収容部２２３ｂから構成される。収容部２２３ｂは鍔部２２３ａの一端から径方向外側へ延設される周方向に連続した壁部２２３ｃ、壁部２２３ｃの外径側端部から軸方向に延設され外側円筒部２２３ｄ、外側円筒部２２３ｄの端部に延設され薄肉に形成された外側端部２２３ｅから構成される。鍔部２２３ａは後述するドライブリング２２４の外周に形成された溝部２２４ａと係合して案内部を形成する。

【0037】

固定環２２１の外周端部２２１ａは、ベローズ２２２の外筒部２２２ｃによって覆われるとともに、さらにその外径側からケース部材２２３の収容部２２３ｂによって収容される。収容部２２３ｂの外側端部２２３ｅが折り曲げられることによって、固定環２２１の外周端部２２１ａは、外筒部２２２ｃにより両側から挟み込まれて密封されるとともに、ベローズ２２２と一体に固定される。これにより、固定環２２１とベローズ２２２は、接着剤を使用しないで一体に固定できるので、接着剤の劣化による緩みを防止することができる。さらに、ベローズ２２２の外筒部２２２ｃは固定環２２１の外周端部２２１ａを軸方向に挟んで密封するので、温度変化により回転側カートリッジ２１０と固定側カートリッジ２２０とが軸方向両側に伸び、縮みしても、ベローズ２２２は固定環２２１の外周端部２２１ａを確実に密封できる。

【0038】

図２、図４に示すように、ドライブリング２２４は、断面略矩形の環状部材である。ドライブリング２２４の内周部は全長に亘って同径に形成された円筒面からなり、ドライブリング２２４の外周部は、同径に形成された円筒面の周方向に溝部２２４ａが４等配に形成されている。ベローズ２２２の内筒部２２２ａに外嵌され、ドライブリング２２４とハウジング２２６の内側環状部２２６ａとの間でベローズ２２２の内筒部２２２ａは適切な締め代が付与されることによって、ベローズ２２２とハウジング２２６は一体に密封、固定される。

【0039】

図２に示すように、断面円形の環状一体に形成された規制部材２３０は、ベローズ２２２の環状凹部２２２ｇの外側から嵌合され、ベローズ２２２の径方向の変形は規制部材２３０によって規制される。一方、ベローズ２２２の屈曲変形は規制部材２３０により規制されないので、ベローズ２２２の軸方向の変形は阻害されない。これにより固定環２２１は回転環２１１の動きに追従して確実にシール性能を発揮できる。

【0040】

図４に規制部材２３０の断面構造を示す。図４（ａ）に示す規制部材２３０の第１コア部２３４は、少なくともニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のエラストマーからなる。また、第１コア部２３４の断面積、形状は、ベローズ２２２の変形量を所定範囲に収められるように決定される。さらに、第１コア部２３４は単一のエラストマーから構成するだけでなく、ガラス繊維、ケブラー、炭素繊維等を加えて機械的強度を高めることによって、規制部材２３０の保持強度を高めることができる。

【0041】

ここで、モータ１００の温度は−４０℃から１４０℃の範囲で変動する可能性があるため、ベローズ２２２と規制部材２３０との間の熱膨張差によって、規制部材２３０がベローズ２２２を過度に締付けたり、規制部材２３０とベローズ２２２との隙間が過大になる場合がある。例えば、ベローズ２２２の線膨張係数に対し規制部材２３０の線膨張係数が小さい場合には、規制部材２３０は、低温時にベローズ２２２よりも大きく収縮してベローズ２２２を過度に締付けた状態となり、この状態でベローズ２２２の内圧による膨張が作用すると規制部材２３０は過大な力を受けてベローズ２２２の変形を保持できなくなる虞がある。逆に、ベローズ２２２の線膨張係数に対し規制部材２３０の線膨張係数が大きい場合には、規制部材２３０は、高温時にベローズ２２２よりも過大に膨張して、規制部材２３０とベローズ２２２との隙間が過大になり、ベローズ２２２の変形を十分に保持できなくなる虞がある。

【0042】

そこで、温度変動が大きい場合でも、ベローズ２２２と規制部材２３０との間の熱膨張差が過大にならないように、規制部材２３０の第１コア部２３４は、少なくともベローズ２２２と同じ材料又はほぼ同じ線膨張係数を有する材料から構成している。第１コア部２３４の材料は、ベローズ２２２を構成する材料、たとえばニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のエラストマーから構成される。また、図４（ａ）と同じく、ベローズ２２２の変形が小さく、規制部材２３０の断面積を調整してベローズ２２２の変形量を所定範囲に収めることができる場合には、単一の材料からなるエラストマーによって第１コア部２３４によって構成することができる。さらに、第１コア部２３４は単一のエラストマーから構成するだけでなく、ガラス繊維、ケブラー、炭素繊維等を加えて機械的強度を高めることによって、規制部材２３０はベローズ２２２とほぼ同じ線膨張係数を有する材料から構成しつつ、規制部材２３０の保持強度を高めることができる。

【0043】

また、ベローズ２２２の変形が大きく、規制部材の断面積を調整してもベローズ２２２の変形量を所定範囲に収めることがでない場合には、図４（ｂ）に示すように、第１コア部２３４の中心部にベローズ２２２よりも高い弾性係数を有する材料からなる第２コア部２３５を設けることもできる。第２コア部２３５は、環状に形成されたガラス繊維、カーボン繊維、ケブラー繊維、金属線を第１コア部２３４の中心部に配設したもので、これにより、高い弾性係数を有する材料からなる第２コア部２３５によって規制部材２３１は変形しにくくなるので、ベローズ２２２の径方向の変形を確実に規制できる。

【0044】

図４（ｃ）は規制部材の別の実施形態を示す。図４（ｃ）に示す規制部材２３２、２３３は、図４（ａ）の規制部材２３０又は図４（ｂ）の規制部材２３１に対しＰＴＦＥ等の低摩擦係数のエラストマーからなる被覆部２３６を設けたものである。低摩擦係数の被覆部２３６を設けることにより、規制部材２３２、２３３とベローズ２２２とは互いの動きを阻害することなく滑らかに動くことができるとともに、規制部材２３２、２３３とベローズ２２２との相対変位による傷つきを防止することができる。なお、被覆部２３６は低摩擦係数の単一のエラストマーから構成するだけでなく、ガラス繊維、ケブラー、炭素繊維等を加えて機械的強度を高めることによって、規制部材２３２、２３３の耐摩耗性を向上させるとともに、規制部材２３２、２３３の保持強度を高めることもできる。

【0045】

ベローズ２２２は、規制部材２３０、２３１、２３２又は２３３を備えることで、中空回転軸１３３が熱膨張してベローズ２２２が縮んだ状態で流体圧が作用しても、薄肉に形成されたベローズ２２２の屈曲部２２２ｂの径方向の変形は制限されるとともに、ベローズ２２２全体の径方向の変形も抑えることができる。また、ケース部材２２３の鍔部２２３ａとドライブリング２２４の溝部２２４ａとが係合する案内部によって、ベローズ２２２の相対回転は制限され、ベローズ２２２の屈曲変形による軸方向の相対移動のみが許容される。これにより、ベローズ２２２は主に軸方向に大きく変形するので、非可逆的な変形を防止でき、固定環は回転環の動きに追従して確実にシール性能を発揮できる。

【0046】

さらに、図２に示すように、ベローズ２２２の屈曲部２２２ｂの外径側（低圧流体側）、内径側（高圧流体側）には、屈曲部２２２ｂの変形を吸収する外側空隙部Ｃ１、内側空隙部Ｃ２が形成されている。これにより、中空回転軸１３３が伸縮してベローズ２２２が大きく変形しても、他の部材に影響を与えることなくベローズの変形は外側空隙部Ｃ１と内側空隙部Ｃ２内に吸収される。

【0047】

以上説明したように、本発明のメカニカルシール２００は、中空回転軸１３３に取付けられた回転環２１１とハウジング２２６に取付けられた固定環２２１との相対位置が大きく変位して、ベローズ２２２が大きく変形した状態で流体圧が作用しても、規制部材２３０、２３１、２３２又は２３３によってベローズ２２２の非可逆的な変形が防止され、固定環２２１は回転環２１１の動きに追従して確実にシール性能を発揮できる。

【0048】

上記実施形態における規制部材２３０、２３１、２３２又は２３３は、断面略円形の環状部材であったが、これに限らず断面略矩形の環状部材に構成してもよい。

【0049】

上記実施形態における例におけるメカニカルシール２００は、中空回転軸を有するモータ１００に適用された場合を説明したが、中空回転軸を有するものであれば、発電機、発電電動機であってもよい。また、上記実施例において、回転子１３０は、導体を有する回転子であってが、永久磁石回転子であってもよい。

【符号の説明】

【0050】

１００ モータ
１１０ 固定子ハウジング
１２０ 固定子
１３０ 回転子
１３３ 中空回転軸（回転軸）
１３３ａ 中空部
１３３ｂ 開口端部
１３３ｄ 内周壁
１５１、１５５ 軸受部
１６０ 冷媒導入手段
１７０ ケーシング
２００ メカニカルシール
２１０ 回転側カートリッジ
２１１ 回転環
２１２ カップガスケット
２２０ 固定側カートリッジ
２２１ 固定環
２２２ ベローズ
２２２ａ 内筒部（第２シール部）
２２２ｂ 屈曲部
２２２ｃ 外筒部（第１シール部）
２２３ ケース部材
２２３ａ 鍔部
２２４ ドライブリング
２２４ａ 溝部
２２５ スプリング
２２６ ハウジング（固定壁）
２３０ 規制部材
２３１ 規制部材
２３２ 規制部材
２３３ 規制部材
２３４ 第１コア部
２３５ 第２コア部
２３６ 被覆部
Ｓ 摺動面
Ｃ１ 外側空隙部
Ｃ２ 内側空隙部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】