特開 2024-74004 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】P2024074004

(43)【公開日】2024-05-30

(54)【発明の名称】メカニカルシール

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/34 20060101AFI20240523BHJP

【ＦＩ】

F16J15/34 H

F16J15/34 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022185037

(22)【出願日】2022-11-18

(71)【出願人】

【識別番号】000101879

【氏名又は名称】イーグル工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】503227553

【氏名又は名称】イーグルブルグマンジャパン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098729

【弁理士】

【氏名又は名称】重信 和男

(74)【代理人】

【識別番号】100204467

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 好文

(74)【代理人】

【識別番号】100148161

【弁理士】

【氏名又は名称】秋庭 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100195833

【弁理士】

【氏名又は名称】林 道広

(74)【代理人】

【識別番号】100206911

【弁理士】

【氏名又は名称】大久保 岳彦

(72)【発明者】

【氏名】上野 貴大

(72)【発明者】

【氏名】喜藤 雅和

(72)【発明者】

【氏名】田中 寛志

【テーマコード（参考）】

3J041

【Ｆターム（参考）】

3J041AA03

3J041BA04

3J041BD01

3J041DA05

3J041DA16

3J041DA20

(57)【要約】

【課題】排出口に設けられたシールケース及びハウジングにブランクピースを溶接等により固定せずとも様々な位置の排出口に対してエクスターナル流体の排出が可能なメカニカルシールを提供する。
【解決手段】シールケース１２は、排出口３１における回転軸２の回転方向下流側に配置される突起１４４を備えている。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体機器のハウジングに取付けられるシールケースと、前記シールケースに固定される静止密封環と、前記ハウジングおよび前記シールケースに挿通される回転軸に固定され前記静止密封環に対して相対回転により摺動する回転密封環と、を備え、前記ハウジングまたは前記シールケースに形成された導入口からエクスターナル流体を導入し前記ハウジングに形成された排出口から前記エクスターナル流体を排出するメカニカルシールであって、
前記シールケースは、該シールケースから軸方向に延び、前記排出口における前記回転軸の回転方向下流側に配置される突起を備えているメカニカルシール。

【請求項2】

前記シールケースは、前記静止密封環を保持する保持体と、前記保持体とは別体の前記突起を有する静止構造体と、を少なくとも有する分割構造である請求項１に記載のメカニカルシール。

【請求項3】

前記静止構造体と前記シールケースとの相対的な周方向位置を位置決めする位置決め機構を備えている請求項２に記載のメカニカルシール。

【請求項4】

前記突起の先端部には、前記回転軸の回転方向上流側に向けて延びる返り部が設けられている請求項１に記載のメカニカルシール。

【請求項5】

前記突起における前記回転軸の回転方向上流側の端面は、前記突起の先端部から前記シールケース側に向けて前記回転軸の回転方向下流側に傾斜して延びている請求項１に記載のメカニカルシール。

【請求項6】

前記突起における前記回転軸の回転方向上流側の端面は、内径側から外径側に向けて前記回転軸の回転方向下流側に傾斜している請求項１に記載のメカニカルシール。

【請求項7】

流体機器のハウジングに取付けられるシールケースと、前記シールケースに固定される静止密封環と、前記ハウジングおよび前記シールケースに挿通される回転軸に固定され前記静止密封環に対して相対回転により摺動する回転密封環と、を備え、前記ハウジングまたは前記シールケースに形成された導入口からエクスターナル流体を導入し前記シールケースに形成された排出口から前記エクスターナル流体を排出するメカニカルシールであって、
前記シールケースは、前記排出口が設けられた排出口形成体と、前記排出口形成体とは別体の前記静止構造体と、を少なくとも有する分割構造であり、
前記静止構造体は、前記排出口における前記回転軸の回転方向下流側に配置される突起を備えてい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、回転軸を軸封するメカニカルシールに関する。

【背景技術】

【0002】

メカニカルシールは、流体機器のハウジングと該ハウジングを貫通するように配置される回転軸との間に装着して使用されるものであり、ハウジングに取付けられる固定側ケースに固定される固定環の摺動面と、回転軸に取付けられる回転側ケースに固定され回転する回転環の摺動面とを周方向に摺接させて、摺動面に生じる摩擦を低減するとともに被密封流体の漏れを防ぐ機能を有している。このようなメカニカルシールにあっては、静止密封環の摺動面と回転密封環の摺動面との冷却や洗浄を行うために、被密封流体空間と大気空間との間の中間空間にエクスターナル流体を流し込むことが行われている。

【0003】

このようなメカニカルシールとして、例えば、特許文献１に示されるように、固定環と回転環の中間空間にエクスターナル流体が満たされており、中間空間には、メカニカルシールの外部に設けられる外部流路が接続されている。この外部流路にはエクスターナル流体のタンクやエクスターナル流体を冷やすクーラーが設けられている。また、固定環が固定されるシールケースに外部流路に連通するエクスターナル流体の導入口と排出口とが設けられている。また、回転環の外径側にはパーシャルインペラが固定されている。

【0004】

パーシャルインペラが回転環とともに回転することで、エクスターナル流体がパーシャルインペラの外径側に向けて導かれ、これにより中間空間から外部流路にエクスターナル流体が排出されるとともに、外部流路から中間空間にエクスターナル流体が導入されて循環するようになっている。これにより、ポンプなどを用いずに中間空間に冷却されたエクスターナル流体を順次供給できるようになっている。

【0005】

また、シールケースの内周面には、ブランクピースが設けられている。このブランクピースは、排出口におけるパーシャルインペラの回転方向下流側に内径方向に突出するように溶接等により設けられており、パーシャルインペラの外径側に向けて導かれたエクスターナル流体がブランクピースに当接することにより効率よく排出口へと導かれるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１７－８９８００号公報（第７頁、第１図）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１のようなメカニカルシールにあっては、流体機器の仕様により排出口はシールケースに設けられる場合やハウジングに設けられる場合があり、さらにシールケースまたはハウジングに対する排出口の周方向位置や軸方向位置は様々である。様々な位置の排出口に対応する場合、各排出口の適正位置にブランクピースを固定的に設置したシールケースおよびハウジングを用意する必要があり、様々な位置の排出口に対応することが煩雑であった。また、このブランクピースのシールケース及びハウジングへの固定は一般的に溶接により行われているため、特に溶接部に対する耐久性の面でも懸念があった。

【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、排出口に設けられたシールケース及びハウジングにブランクピースを溶接等により固定せずとも様々な位置の排出口に対してエクスターナル流体の排出が可能な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、
流体機器のハウジングに取付けられるシールケースと、前記シールケースに固定される静止密封環と、前記ハウジングおよび前記シールケースに挿通される回転軸に固定され前記静止密封環に対して相対回転により摺動する回転密封環と、を備え、前記ハウジングまたは前記シールケースに形成された導入口からエクスターナル流体を導入し前記ハウジングに形成された排出口から前記エクスターナル流体を排出するメカニカルシールであって、
前記シールケースは、該シールケースから軸方向に延び、前記排出口における前記回転軸の回転方向下流側に配置される突起を備えている。
これによれば、突起を排出口に適切に配置できることで、様々な位置の排出口に対してエクスターナル流体の排出が可能となる。尚、突起は溶接しなくても構成できる。

【0010】

前記シールケースは、前記静止密封環を保持する保持体と、前記保持体とは別体の前記突起を有する静止構造体と、を少なくとも有する分割構造であってもよい。
これによれば、シールケースを構成する他の部材を分解せずとも、静止構造体を動かして突起の位置調整や交換ができる。また、シールケースと静止密封環とを組立てやすい。

【0011】

前記静止構造体と前記シールケースとの相対的な周方向位置を位置決めする位置決め機構を備えていてもよい。
これによれば、メカニカルシールの使用時に突起の周方向位置が変わることを防止できる。

【0012】

前記突起の先端部には、前記回転軸の回転方向上流側に向けて延びる返り部が設けられていてもよい。
これによれば、エクスターナル流体が突起の先端部から軸方向に逃げることが抑制され、エクスターナル流体が排出口に効率よく導かれる。

【0013】

前記突起における前記回転軸の回転方向上流側の端面は、前記突起の先端部から前記シールケース側に向けて前記回転軸の回転方向下流側に傾斜して延びていてもよい。
これによれば、エクスターナル流体が突起の先端部から軸方向に逃げることが抑制され、エクスターナル流体が排出口に効率よく導かれる。

【0014】

前記突起における前記回転軸の回転方向上流側の端面は、内径側から外径側に向けて前記回転軸の回転方向下流側に傾斜していてもよい。
これによれば、エクスターナル流体が外径側の排出口に向けて効率よく導かれる。

【0015】

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、
流体機器のハウジングに取付けられるシールケースと、前記シールケースに固定される静止密封環と、前記ハウジングおよび前記シールケースに挿通される回転軸に固定され前記静止密封環に対して相対回転により摺動する回転密封環と、を備え、前記ハウジングまたは前記シールケースに形成された導入口からエクスターナル流体を導入し前記シールケースに形成された排出口から前記エクスターナル流体を排出するメカニカルシールであって、
前記シールケースは、前記排出口が設けられた排出口形成体と、前記排出口形成体とは別体の前記静止構造体と、を少なくとも有する分割構造であり、
前記静止構造体は、前記排出口における前記回転軸の回転方向下流側に配置される突起を備えている。
これによれば、静止構造体の突起を排出口に適切に配置できることで、様々な位置の排出口に対してエクスターナル流体の排出が可能となる。シールケースを動かさず、静止構造体を動かして突起の位置調整や交換ができる。シールケースと静止密封環とを組立てやすい。尚、突起は溶接しなくても構成できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施例１におけるメカニカルシールを示す模式断面図である。

【図2】（ａ）は静止構造体を示す上面図、（ｂ）はＡ－Ａ断面図である。

【図3】（ａ）はケースと静止構造体との相対回転を規制する手段を示す模式断面図、（ｂ）はケースと静止構造体との軸方向の相対移動を規制する手段を示す模式断面図、ケースと静止構造体との固定手段を示す模式断面図である。

【図4】パーシャルインペラと静止構造体とを外径側から見た模式図である。

【図5】図４のＢ－Ｂ断面図である。

【図6】本発明の実施例２における突起の形状を示す模式図である。

【図7】本発明の実施例３における突起の形状を示す模式図である。

【図8】本発明の実施例４における突起の形状を示す模式図である。

【図9】本発明の実施例５におけるメカニカルシールを示す模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

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0018】

実施例１に係るメカニカルシールにつき、図１から図５を参照して説明する。以下、図１の紙面左側を左側、紙面右側を右側として説明する。

【0019】

図１に示されるように、メカニカルシール１は、回転軸２と流体機器のハウジング３との間の環状空間を密封するために用いられる。尚、このメカニカルシール１の軸方向左側には図示しない別のメカニカルシールが設けられており、メカニカルシール１と別のメカニカルシールとの間にはエクスターナル流体が満たされる空間Ｓが形成されている。さらに尚、空間Ｓの左側は、被密封流体側空間となっており、空間Ｓの右側は大気空間となっている。

【0020】

このメカニカルシール１は、回転密封環１１と、保持体としてのケース１２と、静止密封環１３と、静止構造体１４と、パーシャルインペラ１５と、を主に備えている。

【0021】

回転密封環１１は、円環状をなし、回転軸２の外周面に固定される回転軸側部材としてのスリーブ４を用いて取付けられており、回転軸２と共に回転可能となっている。尚、回転密封環１１は、回転軸２に直接取付けられていてもよい。

【0022】

ケース１２は、筒状の部材であり、回転軸２が挿通されている。このケース１２は、図示しない軸方向に延びるボルトにより、ハウジング３の軸方向右側に固定されている。尚、ケース１２は、例えばスペーサ部材などのハウジング側部材を用いてハウジング３に取付けられていてもよい。

【0023】

このケース１２は、導入口１２１と、環状の凹溝１２２と、が設けられている。

【0024】

導入口１２１は、外部に設けられる流体回路２０の端部に接続されている。この流体回路２０は、エクスターナル流体を冷却する冷却部と、冷却したエクスターナル流体を貯留するタンクと、を備えている（図示略）。

【0025】

凹溝１２２は、ケース１２の内径側において軸方向左側に開口して設けられる段付き凹溝である。具体的には、凹溝１２２は、環状の第１凹部１２２Ａと環状の第２凹部１２２Ｂとから構成されている。

【0026】

第１凹部１２２Ａは、ケース１２の内壁部１２３と、該内壁部１２３の右端から外径側に立ち上がる側壁部１２４と、側壁部１２４の外径端から左側に延びる外壁部１２５と、から構成されている。

【0027】

第２凹部１２２Ｂは、第１凹部１２２Ａの開口部を外径側に拡開するように外壁部１２５の左端に設けられている。この第１凹部１２２Ａと第２凹部１２２Ｂとの間に段部が形成されている。

【0028】

静止密封環１３は、円環状をなし、ケース１２の第１凹部１２２Ａに非回転状態かつ軸方向に移動可能な状態で設けられている。静止密封環１３とケース１２の側壁部１２４との間には、弾性部材７が配置されている（図３（ｂ）参照）。この弾性部材７によって静止密封環１３が軸方向左側に付勢される。

【0029】

回転密封環１１および静止密封環１３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。

【0030】

パーシャルインペラ１５は、環状をなし、スリーブ４における回転密封環１１よりも左側の位置に取付けられている。パーシャルインペラ１５は、第１部位１５１と、第２部位１５２と、から成る有底筒状部を有している。第１部位１５１は、スリーブ４から外径側に延びている。第２部位１５２は、第１部位１５１の外径端縁から軸方向右側に延びている。

【0031】

パーシャルインペラ１５における第２部位１５２は、ハウジング３の内径側に位置している。また、ハウジング３には排出口３１が設けられており、この排出口３１は外部の流体回路２０の端部に接続されている。

【0032】

第２部位１５２には、径方向に貫通する貫通孔１５２ａが周方向に複数形成されている。この貫通孔１５２ａは内径側から外径側に向かうにつれて軸方向右側に傾斜している。尚、貫通孔１５２ａは少なくとも１つ設けられていればよく、数量や形状は自由に変更できる。

【0033】

パーシャルインペラ１５は、回転軸２とともに回転すると、空間Ｓ内のエクスターナル流体が外径側に導かれるようになっている。これにより空間Ｓから流体回路２０にエクスターナル流体を排出させるようになっている。尚、回転軸２の回転時におけるエクスターナル流体の流れについては、後に詳しく説明する。

【0034】

静止構造体１４は、ハウジング３およびケース１２の内径側に配置されている。静止構造体１４およびケース１２はシールケースを構成している。ハウジング３は流体機器側の構成部材を指し、シールケースはハウジング３に取付けられるメカニカルシール１側の構成部材を指す。シールケースは、１つの部材、若しくは複数の部材の分割構造から構成される。

【0035】

詳しくは、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、静止構造体１４は、第１筒状部１４１と、第２筒状部１４２と、取付段部１４３と、突起１４４と、を備えている。

【0036】

第１筒状部１４１は、第２筒状部１４２の左側に位置し、該第２筒状部１４２よりも若干小径に形成されている。

【0037】

また、第２筒状部１４２の右端部には、左側に凹むように切り欠かれた切欠き部１４２ａが周方向に複数等配されている。切欠き部１４２ａは第２筒状部１４２を切削加工することにより構成されている。

【0038】

取付段部１４３は、第１筒状部１４１と第２筒状部１４２との境界部において外径側に環状に張り出して形成されている。取付段部１４３の軸方向右側の外縁は面取りされた傾斜面１４３ａとなっている。

【0039】

突起１４４は、第１筒状部１４１の左端部において周方向の一箇所に軸方向左側に突出して設けられる径方向視で略矩形状をなす突起片である。突起１４４は、第１筒状部１４１を切削加工することにより構成されている。すなわち、突起１４４は、第１筒状部１４１と同一の厚みを有し、かつ軸方向に滑らかに連なっている。このように、溶接を使わずに、突起１４４を構成できる。

【0040】

図１に戻って、静止構造体１４は、第１筒状部１４１がハウジング３の内径側に挿入され、第２筒状部１４２がケース１２の第１凹部１２２Ａ内に挿入され、取付段部１４３がケース１２の第２凹部１２２Ｂに嵌合して配置されている。

【0041】

第１筒状部１４１は、ハウジング３の内径側に相対回転可能に配置されている。第１筒状部１４１とハウジング３との間には僅かに隙間がある。これにより静止構造体１４とハウジング３の距離が保たれるようになっている。

【0042】

また、突起１４４は第１筒状部１４１に片持ち状態であり、かつ外径方向に隙間があるのでパーシャルインペラ１５等から外力を受けても撓むことで損傷しにくくなっている

【0043】

第２筒状部１４２は、ケース１２の外壁部１２５の内径側に相対回転可能に配置されている。第２筒状部１４２の外周面はとケース１２の外壁部１２５の内周面は当接している。これにより、第１筒状部１４１とケース１２とが径方向に位置決めされる。

【0044】

取付段部１４３は、ハウジング３とケース１２との間で軸方向に挟持されている。取付段部１４３とケース１２の外壁部１２５との間にはＯリング５が配置されている。取付段部１４３とハウジング３との間にはＯリング６が配置されている。

【0045】

また、図３（ａ）に示されるように、任意の切欠き部１４２ａには、ケース１２の側壁部１２４から左側に延びるピン８が嵌合している。これにより、ケース１２と静止構造体１４との相対的な周方向位置が規定される。すなわち、切欠き部１４２ａおよびピン８は、ケース１２と静止構造体１４との周方向の位置決め機構として機能している。

【0046】

尚、本実施例では、ピン８がケース１２の周方向に１箇所設けられる形態を例示したが、周方向に複数箇所設けられていてもよい。

【0047】

また、図３（ｂ）に示されるように、ケース１２の左端面には、ネジ孔１２６が周方向に複数設けられている。ネジ孔１２６に皿ネジ９が螺合されることで、皿ネジ９の頭部が静止構造体１４の取付段部１４３の傾斜面１４３ａに当接し、ケース１２と静止構造体１４との相対的な軸方向位置が規定される。すなわち、皿ネジ９は、ケース１２と静止構造体１４との軸方向の位置決め機構として機能している。

【0048】

尚、図３（ａ），（ｂ）は、図１とはそれぞれ周方向に位相が異なる部位を図示している。

【0049】

図４に示されるように、メカニカルシール１の使用状態において、突起１４４は、ハウジング３の排出口３１における回転軸２の回転方向下流側近傍に配置されている。

【0050】

次いで、回転軸２の回転時におけるエクスターナル流体の流れについては、図５に基づいて説明する。

【0051】

図５に示されるように、回転軸２が回転すると、パーシャルインペラ１５も回転する（図５の白矢印参照）。このとき、各貫通孔１５２ａ内のエクスターナル流体に遠心力が作用し、各貫通孔１５２ａの外径側にエクスターナル流体が導かれる。

【0052】

各貫通孔１５２ａの外径側に導かれたエクスターナル流体は、パーシャルインペラ１５の回転に追従してハウジング３とパーシャルインペラ１５との間を周方向に移動する。そして、当該エクスターナル流体は、静止構造体１４の突起１４４に当接し、これにより外径方向に導かれ、排出口３１に排出される。

【0053】

尚、パーシャルインペラ１５の貫通孔１５２ａは、従来の溝に比べ圧力差が生じやすいため、よりエクスターナル流体の流体圧を高めることができるため、効率よくエクスターナル流体の排出を行うことができる。

【0054】

また、突起１４４は軸方向に延びており、従来のブランクピースのように内径方向に張り出さないため、パーシャルインペラ１５の径を確保して遠心効果が低下することを抑制できる。

【0055】

以上説明したように、ケース１２は、排出口３１における回転軸２の回転方向下流側に配置される突起１４４を有する静止構造体１４を備えており、突起１４４を排出口３１に対して適切に配置できることで、様々な位置の排出口３１に対してエクスターナル流体の排出が可能となる。

【0056】

また、静止構造体１４は、ケース１２と別体であるため、静止構造体１４を動かして突起１４４の位置調整や交換ができる。すなわち、ケース１２を動かさなくても、突起１４４と排出口３１との相対位置の変更や別の静止構造体１４への交換を行える。さらに、突起１４４と静止密封環１３との干渉を回避して、ケース１２と静止密封環１３とを組立てやすい。

【0057】

また、静止構造体１４の切欠き部１４２ａとケース１２のピン８との嵌合によりケース１２と静止構造体１４との周方向の位置決めがされるため、メカニカルシール１の使用時に突起１４４の周方向位置が変わることを防止できる。

【0058】

また、静止構造体１４はケース１２からハウジング３側に向けて軸方向に延びており、突起１４４がハウジング３の内部まで延びるように装着できるので、ハウジング３に設けられた排出口３１に対して適切な位置に突起１４４を配置できる。

【0059】

また、突起１４４は、第１筒状部１４１を切削加工することにより構成されており、第１筒状部１４１と一体形成されているので、溶接等のように径方向に盛り上がる部分が形成されず、軸方向に滑らかに連なるので、径方向寸法を小さくできる。

【実施例0060】

次に、実施例２に係るメカニカルシールにつき、図６を参照して説明する。尚、前記実施例１と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

【0061】

図６に示されるように、本実施例２のメカニカルシールは、静止構造体２４の突起２４４の形状が実施例１の突起１４４の形状と異なる。

【0062】

具体的には、突起２４４は、基部２４４ａと返り部２４４ｂとから構成されている。基部２４４ａは、径方向視で略矩形状を成している。

【0063】

返り部２４４ｂは、突起２４４の先端部、すなわち基部２４４ａにおける軸方向左側の端部から回転軸２の回転方向上流側に向けて延びている。返り部２４４ｂの右面は、径方向視で回転方向下流側に向けて凹むように湾曲している。

【0064】

これによれば、パーシャルインペラ１５の回転に追従してハウジング３とパーシャルインペラ１５との間を周方向に移動するエクスターナル流体が返り部２４４ｂにより軸方向左側に逃げることが抑制され、エクスターナル流体が排出口３１に効率よく導かれる。

【0065】

尚、本実施例２では、返り部２４４ｂが突起２４４の先端部にのみ設けられる形態を例示したが、例えば、排出口の軸方向両側に配置されるように基部から２つの返り部が延びていてもよい。