特開 2023-87402 メカニカルシール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023087402

(43)【公開日】2023-06-23

(54)【発明の名称】メカニカルシール

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/34 20060101AFI20230616BHJP

【ＦＩ】

F16J15/34 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021201760

(22)【出願日】2021-12-13

(71)【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

(74)【代理人】

【識別番号】110000280

【氏名又は名称】弁理士法人サンクレスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】福本 翔也

(72)【発明者】

【氏名】奥村 淳矢

【テーマコード（参考）】

3J041

【Ｆターム（参考）】

3J041AA01

3J041BA04

3J041BA08

3J041BB05

3J041BD01

3J041DA20

(57)【要約】

【課題】回転密封環を押圧するスプリングが遠心力によって変形するのを抑制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】メカニカルシール１は、ケーシング７２に設けられた静止密封環３２と、静止密封環３２の軸方向一方側において回転軸７１に対して軸方向に移動可能に設けられ、静止密封環３２に摺動する回転密封環１５と、回転密封環１５の軸方向一方側において回転軸７１に固定され、軸方向他方側で開口する取付孔１１ｂが形成された第１リテーナ１１と、一部１６ａが第１リテーナ１１の取付孔１１ｂに挿入され、回転密封環１５を軸方向他方側に押圧するために他部１６ｂが取付孔１１ｂから露出しているスプリング１６と、スプリング１６の他部１６ｂが内部に挿入され、軸方向一方側の一端部１７ａが第１リテーナ１１の取付孔１１ｂに対して軸方向に移動可能に嵌合されている筒状のスペーサ１７と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸を包囲しているケーシング側に設けられた静止密封環と、
前記静止密封環の軸方向一方側において前記回転軸側に対して軸方向に移動可能に設けられ、前記静止密封環に摺動する回転密封環と、
前記回転密封環の軸方向一方側において前記回転軸側に固定され、軸方向他方側で開口する取付孔が形成されたリテーナと、
一部が前記リテーナの前記取付孔に挿入され、前記回転密封環を軸方向他方側に押圧するために他部が前記取付孔から露出しているスプリングと、
前記スプリングの前記他部が内部に挿入され、軸方向一方側の端部が前記リテーナの前記取付孔に対して軸方向に移動可能に嵌合されている筒状のスペーサと、を備えるメカニカルシール。

【請求項2】

前記スペーサの軸方向他方側の開口を閉塞している蓋をさらに備える請求項１に記載のメカニカルシール。

【請求項3】

前記蓋は、前記スペーサと一体に形成されている、請求項２に記載のメカニカルシール。

【請求項4】

前記スペーサは、低摩擦材料からなる、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のメカニカルシール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、メカニカルシールに関する。

【背景技術】

【0002】

いわゆる回転型のメカニカルシールは、ケーシング側に固定された静止密封環と、回転軸側に一体回転可能に取り付けられた回転密封環と、回転密封環を静止密封環側に押圧するスプリングと、を備えている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、回転軸の外周に固定されたリテーナの取付孔にスプリングが挿入されている。スプリングの軸方向の一端は、リテーナの取付孔から露出して回転密封環を静止密封環側に押圧している。これにより、静止密封環および回転密封環の互い対向するシール面同士の間に隙間が生じるのを抑制している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－４４７６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１のメカニカルシールでは、回転軸の回転に伴う遠心力によって、スプリングの取付孔から露出している部分が、回転軸の径方向外側に折れ曲がるように変形するという問題が生じる。

【0005】

本開示は、回転密封環を押圧するスプリングが遠心力によって変形するのを抑制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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

（１）本開示のメカニカルシールは、回転軸を包囲しているケーシング側に設けられた静止密封環と、前記静止密封環の軸方向一方側において前記回転軸側に対して軸方向に移動可能に設けられ、前記静止密封環に摺動する回転密封環と、前記回転密封環の軸方向一方側において前記回転軸側に固定され、軸方向他方側で開口する取付孔が形成されたリテーナと、一部が前記リテーナの前記取付孔に挿入され、前記回転密封環を軸方向他方側に押圧するために他部が前記取付孔から露出しているスプリングと、前記スプリングの前記他部が内部に挿入され、軸方向一方側の端部が前記リテーナの前記取付孔に対して軸方向に移動可能に嵌合されている筒状のスペーサと、を備える。

【0007】

前記メカニカルシールによれば、回転軸側に設けられたリテーナの取付孔から露出しているスプリングの他部は、リテーナの取付孔に嵌合されたスペーサの内部に挿入される。これにより、回転軸の回転に伴う遠心力によって、スプリングの他部が回転軸の径方向外側に折れ曲がるように変形するのを、スペーサによって抑制することができる。

【0008】

（２）前記メカニカルシールは、前記スペーサの軸方向他方側の開口を閉塞している蓋をさらに備えるのが好ましい。
この場合、蓋によりスペーサの軸方向他方側の開口が閉塞されるので、スペーサの内部に被密封流体が浸入するのを抑制することができる。これにより、スペーサ内のスプリングに被密封流体が接触することに起因して、スプリングの目詰まりが発生したりスプリングが腐食したりするのを抑制することができる。特に、静止密封環と回転密封環との摺動部分の径方向外側に被密封流体を密封する機内領域が形成される、いわゆるインサイド型のメカニカルシールに有効である。

【0009】

（３）前記蓋は、前記スペーサと一体に形成されているのが好ましい。
この場合、メカニカルシールの構成を簡素化することができる。

【0010】

（４）前記スペーサは、低摩擦材料からなるのが好ましい。
この場合、リテーナの取付孔に対してスペーサを軸方向にスムーズに移動させることができるので、静止密封環に対する回転密封環の追従性が低下するのを抑制することができる。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、回転密封環を押圧するスプリングが遠心力によって変形するのを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。

【図2】図１の要部を示す拡大断面図である。

【図3】第２実施形態に係るメカニカルシールの要部を示す拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

次に、本開示の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
＜全体構成＞
図１は、第１実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。図１において、メカニカルシール１は、ポンプ等の回転機器に用いられる。メカニカルシール１は、回転機器の回転軸７１と、回転軸７１を包囲しているケーシング７２との間において、回転軸７１の軸方向（以下、単に「軸方向」という）に沿って配置されている。本明細書では、便宜上、図１の右側を軸方向一方側といい、図１の左側を軸方向他方側という（図２および図３についても同様）。

【0014】

本実施形態の回転軸７１は、大径部７１ａと、小径部７１ｂと、を有している。大径部７１ａの外径は、小径部７１ｂの外径よりも大きい。大径部７１ａは、ケーシング７２内に配置されている。小径部７１ｂは、大径部７１ａの軸方向他方側に形成されている。大径部７１ａと小径部７１ｂとの間には、環状の段差面７１ｃが形成されている。

【0015】

メカニカルシール１は、回転側ユニット２と、静止側ユニット３と、を備えている。回転側ユニット２は、回転軸７１に一体回転可能に設けられている。静止側ユニット３は、ケーシング７２に設けられている。メカニカルシール１は、後述する回転密封環１５と静止密封環３２とを互いに押圧させるためのスプリング１６が回転側ユニット２に設けられた、いわゆる回転型のメカニカルシールである。また、本実施形態のメカニカルシール１は、回転密封環１５と静止密封環３２との摺動部分の径方向外側に被密封流体を密封する機内領域７４が形成される、いわゆるインサイド型のメカニカルシールである。

【0016】

静止側ユニット３は、シールケース３１と、静止密封環３２と、を備えている。シールケース３１は、ケーシング７２の軸方向他方側の端面に当接した状態で、ボルト（図示省略）により固定されている。シールケース３１は、環状に形成されており、回転軸７１の小径部７１ｂを包囲している。シールケース３１とケーシング７２との間は、Ｏリング３３によりシール（二次シール）されている。ケーシング７２には、フラッシング流体をケーシング７２内に供給する供給路７３が形成されている。

【0017】

静止密封環３２は、シールケース３１の内周に嵌合して固定されている。シールケース３１と静止密封環３２との間は、Ｏリング３４およびＯリング３５によりシール（二次シール）されている。静止密封環３２には、軸方向一方側に突出するノーズ部３２ａが形成されている。ノーズ部３２ａの軸方向一方側の端面には、シール面３２ｂが形成されている。

【0018】

回転側ユニット２は、第１リテーナ（リテーナ）１１、ドライブピン１２、ドライブカラー１３、第２リテーナ１４、回転密封環１５、スプリング１６、及びスペーサ１７を備えている。

【0019】

第１リテーナ１１は、環状に形成されており、回転軸７１の大径部７１ａに嵌合して固定されている。第１リテーナ１１には、軸方向に貫通する貫通孔１１ａが周方向に間隔をあけて複数（図１では１個のみ図示）形成されている。第１リテーナ１１の各貫通孔１１ａには、ドライブピン１２が挿入されている。ドライブピン１２は、第１リテーナ１１に対して軸方向に移動可能に保持されている。

【0020】

ドライブカラー１３は、第１リテーナ１１の軸方向他方側に間隔をあけて配置されている。ドライブカラー１３は、環状に形成されており、回転軸７１の大径部７１ａに対して軸方向に移動可能に嵌合されている。ドライブカラー１３には、軸方向に貫通するねじ孔１３ａが、周方向に間隔をあけて複数（図１では１個のみ図示）形成されている。

【0021】

ドライブカラー１３の各ねじ孔１３ａには、ドライブピン１２の軸方向他端部に形成された雄ねじ１２ａが締め込まれている。これにより、ドライブカラー１３は、ドライブピン１２を介して第１リテーナ１１に対して軸方向に移動可能に保持され、かつ第１リテーナ１１に対する相対回転が規制されている。

【0022】

第２リテーナ１４は、ドライブカラー１３の軸方向他方側に隣接して配置されている。第２リテーナ１４は、環状に形成されている。第２リテーナ１４は、回転軸７１の径方向外側において大径部７１ａと小径部７１ｂとに跨って配置されている。第２リテーナ１４は、大径部７１ａに対して軸方向に移動可能に嵌合されている。

【0023】

第２リテーナ１４には、軸方向一方側に突出する係合ピン１４ａが、周方向に間隔をあけて複数（図１では１個のみ図示）一体に形成されている。各係合ピン１４ａは、ドライブカラー１３に形成された係合孔１３ｂに係合されている。これにより、第２リテーナ１４は、ドライブカラー１３と共に回転軸７１に対して軸方向に移動可能に保持されながら、ドライブカラー１３に対する相対回転が規制されている。

【0024】

第２リテーナ１４と回転軸７１の大径部７１ａとの間は、Ｏリング１８によりシール（二次シール）されている。第２リテーナ１４の軸方向他方側（小径部７１ｂ側）の端部には、回転軸７１の段差面７１ｃに当接しうる当接部１４ｂが環状に形成されている。

【0025】

回転密封環１５は、回転軸７１の小径部７１ｂの径方向外側において、第２リテーナ１４の軸方向他端部に固定されている。これにより、回転密封環１５は、第２リテーナ１４と共に、回転軸７１の小径部７１ｂに対して軸方向に移動可能である。

【0026】

回転密封環１５は、静止密封環３２の軸方向一方側に隣接して配置されている。回転密封環１５の軸方向他方側の端面には、静止密封環３２のシール面３２ｂに摺動するシール面１５ａが形成されている。回転密封環１５および静止密封環３２の両シール面１５ａ，３２ｂ（摺動部分）よりも径方向外側には、機内領域７４が形成されている。これにより、メカニカルシール１は、機内領域７４に被密封流体を密封している。

【0027】

＜スプリング＞
図２は、図１の要部を示す拡大断面図である。図２において、第１リテーナ１１には、軸方向に延びる取付孔１１ｂが、周方向に間隔をあけて複数（図２では１個のみ図示）形成されている。各取付孔１１ｂは、第１リテーナ１１の軸方向他方側の端面で開口する有底の孔である。各取付孔１１ｂは、例えば断面円形に形成されている。各取付孔１１ｂには、スプリング１６が挿入されている。

【0028】

スプリング１６は、圧縮コイルばねからなる。スプリング１６の軸方向の一部１６ａは、第１リテーナ１１の取付孔１１ｂに挿入されている。スプリング１６の一部１６ａの軸方向一端は、取付孔１１ｂの底面１１ｃに当接している。スプリング１６の軸方向の他部１６ｂは、取付孔１１ｂの開口から軸方向他方側に露出している。スプリング１６の他部１６ｂの軸方向他端は、ドライブカラー１３の軸方向一方側の端面１３ｃに当接している。スプリング１６の付勢力により、ドライブカラー１３および第２リテーナ１４を介して回転密封環１５が軸方向他方側に押圧されている。

【0029】

＜スペーサ＞
回転側ユニット２は、スプリング１６（取付孔１１ｂ）と同数のスペーサ１７を備えている。スペーサ１７は、例えば断面円形に形成された筒状の部材である。本実施形態のスペーサ１７は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の低摩擦材料からなる。スペーサ１７の外径は、取付孔１１ｂの孔径よりも僅かに小さい。スペーサ１７の軸方向一方側の一端部１７ａは、第１リテーナ１１の取付孔１１ｂに対して軸方向に移動可能に嵌合されている。本実施形態では、スペーサ１７の軸方向の半分以上が、取付孔１１ｂに嵌合されている。

【0030】

スプリング１６の外径は、スペーサ１７の内径よりも小さい。スプリング１６は、取付孔１１ｂに嵌合されたスペーサ１７の内部に挿入されている。スペーサ１７の軸方向他方側の他端部１７ｂは、取付孔１１ｂの開口から軸方向他方側に露出し、ドライブカラー１３の端面１３ｃに当接している。これにより、スプリング１６の他部１６ｂは、スペーサ１７から露出することなく、スペーサ１７の他端部１７ｂの内部に挿入されている。

【0031】

メカニカルシール１を回転機器に組み付けたときに、図２に示す状態から、スプリング１６の付勢力に抗して回転密封環１５を軸方向一方側に押し込む動作確認が行われる。その動作確認をスペーサ１７が阻害しないように、スペーサ１７の一端部１７ａと取付孔１１ｂの底面１１ｃとの間には、軸方向に所定の隙間Ｓ１が形成されている。

【0032】

隙間Ｓ１は、メカニカルシール１を回転機器に組み付けたときに、第２リテーナ１４の当接部１４ｂと回転軸７１の段差面７１ｃとの軸方向の隙間Ｓ２以上となるように設定されている。このように隙間Ｓ１を設定することで、前記動作確認時に第２リテーナ１４の当接部１４ｂが回転軸７１の段差面７１ｃに当接するまで回転密封環１５を軸方向一方側に押し込んでも、スペーサ１７を隙間Ｓ１の範囲内で軸方向一方側に移動させることができる。これにより、前記動作確認をスペーサ１７に阻害されずに行うことができる。

【0033】

＜作用効果＞
第１実施形態のメカニカルシール１によれば、回転軸７１に固定された第１リテーナ１１の取付孔１１ｂから露出しているスプリング１６の他部１６ｂは、取付孔１１ｂに嵌合されたスペーサ１７の内部に挿入されている。これにより、回転軸７１の回転に伴う遠心力によって、スプリング１６の他部１６ｂが回転軸７１の径方向外側に折れ曲がるように変形するのを、スペーサ１７によって抑制することができる。

【0034】

また、既存のメカニカルシールであっても、その第１リテーナを、スペーサ１７を嵌合可能な取付孔１１ｂが形成された第１リテーナ１１に交換することで、本実施形態のメカニカルシール１を容易に採用することができる。

【0035】

また、スペーサ１７は低摩擦材料からなるので、第１リテーナ１１の取付孔１１ｂに対してスペーサ１７を軸方向にスムーズに移動させることができる。これにより、静止密封環３２に対する回転密封環１５の追従性が低下するのを抑制することができる。

【0036】

［第２実施形態］
図３は、第２実施形態に係るメカニカルシールの要部を示す拡大断面図である。本実施形態のメカニカルシール１のおける回転側ユニット２は、スペーサ１７の軸方向他方側の開口を閉塞する蓋１９を備えている。この点において、本実施形態は、第１実施形態と相違する。

【0037】

図３において、蓋１９は、スペーサ１７の軸方向他方側の開口を閉塞した状態で、スペーサ１７の他端部１７ｂに固定されている。本実施形態の蓋１９は、スペーサ１７の他端部１７ｂの軸方向他端において一体に形成されている。蓋１９の軸方向他方側の端面１９ｂは、ドライブカラー１３の端面１３ｃに当接している。

【0038】

スプリング１６の他部１６ｂの軸方向他端は、蓋１９の軸方向一方側の端面１９ａに当接している。スプリング１６の付勢力により、蓋１９、ドライブカラー１３、および第２リテーナ１４を介して回転密封環１５は軸方向他方側に押圧されている。本実施形態の他の構成は、第１実施形態と同様であるため、同一の符号を付し、その説明を省略する。

【0039】

第２実施形態のメカニカルシール１においても、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。また、蓋１９によりスペーサ１７の軸方向他方側の開口が閉塞されるので、スペーサの内部に被密封流体が浸入するのを抑制することができる。これにより、スペーサ１７内のスプリング１６に被密封流体が接触することに起因して、スプリング１６の目詰まりが発生したり、スプリング１６が腐食したりするのを抑制することができる。特に、本実施形態のように、静止密封環３２と回転密封環１５との摺動部分の径方向外側に被密封流体を密封する機内領域７４が形成される、インサイド型のメカニカルシールに有効である。

【0040】

また、蓋１９はスペーサ１７に固定されているので、スプリング１６の他部１６ｂが蓋１９に当接して回転密封環１５を軸方向他方側に押圧する際に、スペーサ１７も軸方向他方側へ移動させることができる。したがって、静止密封環３２と回転密封環１５との摺動部分が摩耗したときに、スプリング１６の付勢力によって回転密封環１５が軸方向他方側に移動しても、その移動に追従してスペーサ１７を軸方向他方側へ移動させることができる。これにより、前記摺動部分の摩耗により回転密封環１５が軸方向他方側に移動しても、スプリング１６の他部１６ｂがスペーサ１７から露出するのを抑制することができる。

【0041】

また、蓋１９は、スペーサ１７と一体に形成されているので、メカニカルシール１の構成を簡素化することができる。

【0042】

［その他］
第１実施形態におけるスペーサ１７は、ドライブカラー１３に固定されていてもよいし、ドライブカラー１３と一体に形成されていてもよい。また、上記各実施形態におけるスペーサ１７は、低摩擦材料以外の他の材料により構成されていてもよい。また、上記各実施形態におけるスペーサ１７の取付孔１１ｂに嵌合される部分の軸方向長さは、静止密封環３２の摩耗部分であるノーズ部３２ａの軸方向長さよりも大きければ、本実施形態よりも小さくしてもよい。

【0043】

第２実施形態における蓋１９は、スペーサ１７と一体に形成されているが、スペーサ１７と別体であってもよい。上記各実施形態のメカニカルシール１は、インサイド型のメカニカルシールであるが、回転密封環１５と静止密封環３２との摺動部分の径方向内側が機内領域となる、いわゆるアウトサイド型のメカニカルシールにも適用することができる。

【0044】

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0045】

１ メカニカルシール
１１ 第１リテーナ（リテーナ）
１１ｂ 取付孔
１５ 回転密封環
１６ スプリング
１６ａ 一部
１６ｂ 他部
１７ スペーサ
１７ａ 一端部（端部）
１９ 蓋
３２ 静止密封環
７１ 回転軸
７２ ケーシング

【図1】

【図2】

【図3】