JP2017180788A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジングに対して固定された固定環と、回転軸に対して固定されて、固定環に対して回転摺動する回転環と、を備えるメカニカルシールにおいて、自己潤滑性に優れた摺動環を提供し、以て、摺動環の耐摩耗性を向上させる。【解決手段】メカニカルシール１００は、固定環１１０と回転環１２０とを備え、固定環１１０と回転環１２０のうちの一方は、液体が含浸される多孔質材から構成される含浸部１３０を備え、含浸部１３０は、摺動面上に露出した面であって、摺動面上における、固定環１１０の摺動面１１１に対して回転摺動する摺動領域Ｘと、摺動面１１１に対して回転摺動しない非摺動領域Ｙ１とに跨るように配置された露出面１３１を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ハウジングに対して固定された固定環と、回転軸に対して固定されて、固定環に対して回転摺動する回転環と、を備えるメカニカルシールに関する。

一般に、メカニカルシールの固定環や回転環（双方合わせて摺動環ともいう）には、耐摩耗性が求められる。従来、メカニカルシールの摺動面に減摩体を埋め込む技術や、摺動環の材質とは耐摩耗性が異なる材質を摺動面に配置する技術が提案されている（特許文献１，２参照）。これら各種の技術が提案されているが、摺動環の耐摩耗性の向上には未だ改善の余地がある。

ところで、液体が存在しない環境や、摺動面への液体の供給が乏しい環境で使用されるメカニカルシールの摺動環には、自己潤滑性を備える摺動材料や、潤滑剤が添加された摺動材料が用いられることがある。しかしながら、これらの摺動材料は、必ずしも耐摩耗性に優れていないことがある。

実開昭６０−１１０７７０号公報 特開昭５８−１１３６６１号公報

本発明の目的は、ハウジングに対して固定された固定環と、回転軸に対して固定されて、固定環に対して回転摺動する回転環と、を備えるメカニカルシールにおいて、自己潤滑性に優れた摺動環を提供し、以て、摺動環の耐摩耗性を向上させることにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明に係るメカニカルシールは、
ハウジングと、前記ハウジングが備える軸孔内に挿通される回転軸との間の環状隙間を密封するメカニカルシールであって、
前記ハウジングに対して固定された固定環と、前記回転軸に対して固定されて、前記固定環に対して回転摺動する回転環と、を備えるメカニカルシールにおいて、
前記固定環と前記回転環のうちの一方は、液体が含浸される多孔質材から構成される含浸部を備え、
前記含浸部は、前記固定環と前記回転環のうちの一方の摺動面上に露出した面であって、当該摺動面上における、前記固定環と前記回転環が回転摺動する摺動領域と、前記固定環と前記回転環が回転摺動しない内径側、或いは外径側の非摺動領域の一方とに跨るように配置された露出面を備えることを特徴とする。

本発明によれば、含浸部の露出面は、固定環と回転環のうちの一方の摺動面上における摺動領域と内径側、或いは外径側の非摺動領域の一方とに跨るように配置されている。したがって、露出面における非摺動領域内に配置された部分は、環状隙間内の空間に露出するため、露出面における非摺動領域内に配置された部分から液体が含浸部に含浸し、更に当該液体が露出面における摺動領域内に配置された部分から摺動面間に押し出されるため
、摺動面間の潤滑が向上する。また、一方のみの非摺動領域と面しているため、一方の非摺動領域と他方の非摺動領域が連通することなく密封性は保持される。以上より、本発明によれば、シールとしての密封性を保持しつつ、摺動環の自己潤滑性が向上するため、シールとして良好な機能を有しつつ、摺動環の耐摩耗性を向上させることができる。

また、前記露出面が、前記固定環と前記回転環のうちの一方の摺動面上において周方向に部分的に配置されていてもよい。

これにより、固定環と回転環との摺動部分、即ち、摺動環同士の摺動部分により確実に液体が供給されるようになる。なお、含浸部を構成する多孔質材が、摺動環の材質よりも硬度が低い材質である場合には、多孔質材の摩耗が抑制される。

また、前記含浸部は、前記固定環と前記回転環のうちの一方の内部に設けられており、前記露出面のみが露出しているようにしてもよい。

これにより、含浸部に含浸された液体が押し出される表面が露出面に限定されるため、摺動環の摺動面間により確実に液体が供給されるようになる。

また、前記環状隙間は、前記固定環と前記回転環の摺動領域によって内部の圧力に差のある２つの空間に隔てられていると共に、前記２つの空間のうちの内部の圧力がより高い一方の空間内には被密封液体が密封されており、前記含浸部の露出面における前記非摺動領域に配置された部分は、前記一方の空間に露出していてもよい。

これにより、高圧側の空間に密封されている被密封液体が露出面における非摺動領域に配置された部分から含浸部に含浸される。そして、高圧側の空間内の圧力によって、摺動面間への当該液体の供給が促進される。したがって、摺動環の潤滑性がより向上する。

以上説明したように、本発明によれば、ハウジングに対して固定された固定環と、回転軸に対して固定されて、固定環に対して回転摺動する回転環と、を備えるメカニカルシールにおいて、自己潤滑性に優れた摺動環が提供されるため、摺動環の耐摩耗性を向上させることができる。

実施例に係るメカニカルシールの構成を示す模式的断面図である。 実施例に係る回転環の摺動面の正面図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。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、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この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。

（実施例）
図１〜図２を参照して、本発明の実施例に係るメカニカルシール１００について説明する。本実施例に係るメカニカルシール１００は、ハウジング２００と、ハウジング２００が備える軸孔２０１内に挿通される回転軸３００との間の環状隙間を密封する。

＜メカニカルシールの全体構成＞
特に、図１を参照して、本発明の実施例１に係るメカニカルシール１００の全体構成に
ついて説明する。図１は本発明の実施例１に係るメカニカルシール１００の構成を示す模式的断面図である。なお、図１中のメカニカルシール１００は、回転軸３００の中心軸線を含む面で切断した断面を示している。ただし、図１においては、説明の便宜上、特徴的な部分を示すため、切断位置の位相（周方向の位置）を適宜変更している。また、図１においては、切断面のみを示し、奥行き線は省略している。

本実施例に係るメカニカルシール１００は、回転機械のハウジング２００と、ハウジング２００の軸孔２０１に挿通される回転軸３００との間の環状隙間において、機内側Ａ（図１中右側）の空間と機外側Ｂ（図１中左側）の空間との間を密封している。なお、機内側Ａの空間内には、被密封流体としての液体が密封（収容）されている。

メカニカルシール１００は、軸方向に対向する２つの摺動環、すなわち、ハウジング２００に対して固定された固定環１１０と、回転軸３００に対してスリーブ１２２を介して固定されて、固定環１１０に対して回転摺動する回転環１２０とを備えている。

固定環１１０は、シリコンカーバイドやカーボン等の摺動材から構成される。固定環１１０は、機内側Ａに向かって突出した環状の突出部１１２を備えており、この突出部１１２における機内側Ａの端面が、回転環１２０に対して摺動する摺動面１１１として機能する。なお、固定環１１０のハウジング２００に対する回り止めは、固定環１１０の切り欠きに係合するノックピン１１３によってなされている。また、固定環１１０とハウジング２００との間の環状隙間は、Ｏリング１１４によって封止されている。

回転環１２０も、固定環１１０と同様に、シリコンカーバイドやカーボン等の摺動材から構成される。回転環１２０における機外側Ｂの端面が、固定環１１０に対して摺動する摺動面１１１よりも面幅が大きい摺動面１２１として機能する。なお、回転環１２０は、スリーブ１２２に対してＯリング１２５を介して固定されており、回転環１２０のスリーブ１２２に対する回り止めは、回転環１２０の切り欠きに係合するノックピン１２６によってなされている。また、スリーブ１２２は、回転軸３００に固定されたバネ保持部１２４によって保持されたバネ１２３によって軸方向に付勢されている。これにより、回転環１２０は、スリーブ１２２及びＯリング１２５を介して、バネ１２３によって機内側Ａから機外側Ｂに向かって付勢されている。その結果、回転環１２０の摺動面１２１が、固定環１１０の摺動面１１１に対して、軸方向に適度な強さで押圧される。

以上の構成により、回転環１２０は、回転軸３００と共に回転しながら、摺動面１２１を固定環１１０の摺動面１１１に対して回転摺動させる。これにより、互いに回転摺動する摺動面１１１，１２１が、機内側Ａの空間と機外側Ｂの空間との間を密封する。

ここで、図２を参照して、回転環１２０の摺動面１２１の構成について詳細に説明する。図２は、摺動面１２１を軸方向の一方側（図１における機外側Ｂから）見たときの正面図である。なお、２つの破線の間に挟まれた円環状の領域が、摺動面１２１上における、固定環１１０の摺動面１１１に対して回転摺動する摺動領域Ｘである。また、径方向外側の破線と摺動面１２１の外周縁との間に挟まれた円環状の領域と、径方向内側の破線と摺動面１２１の内周縁との間に挟まれた円環状の領域が、それぞれ、摺動面１２１上における、固定環１１０の摺動面１１１に対して回転摺動しない外径側の非摺動領域Ｙ１と、内径側の非摺動領域Ｙ２である。

図１，２に示されるように、回転環１２０は、液体が含浸される多孔質材から構成される含浸部１３０を備えている。含浸部１３０の材料としては、多孔質状に成形されたカーボン、シリコンカーバイド、セラミック、ＰＴＦＥ等が用いられる。なお、固定環１１０に対する攻撃性を低くするという観点からは、固定環１１０の素材よりも硬度が低い材質
が望ましい。含浸部１３０は、円柱形状を有しており、摺動面１２１の径方向における概ね中央において、軸方向に埋め込まれている。なお、本実施例では、回転環１２０は、周方向に間隔を空けて１２個の含浸部１３０を備えている。図２に示されるように、摺動面１２１上には、含浸部１３０の円形の軸方向端面である露出面１３１が露出している。このように、露出面１３１は、摺動面１２１上において周方向に部分的に配置されている。なお、図２中では、説明のために露出面１３１にハッチングを施している。また、露出面１３１は、摺動面１２１上における摺動領域Ｘと外径側の非摺動領域Ｙ１とに跨るように配置されている。すなわち、露出面１３１の連続した径方向内側の部分と径方向外側の部分について、径方向内側の部分が摺動領域Ｘ内に配置されており、径方向外側の部分が非摺動領域Ｙ１内に配置されている。また、含浸部１３０は、摺動面１２１の径方向における概ね中央において軸方向に埋め込まれている。つまり、含浸部１３０は、回転環１２０の内部に設けられており、露出面１３１のみが回転環１２０の外部に露出している。

ここで、メカニカルシール１００においては、機内側Ａの空間内に被密封流体としての液体が密封されているため、機内側Ａの空間内の圧力が、機外側Ｂの空間内の圧力よりも高くなる。つまり、固定環１１０と回転環１２０の摺動領域によって隔てられた２つの空間は内部の圧力に差があるため、その機内側Ａと機外側Ｂとの間で流体をシールする摺動領域Ｘに存在する流体の圧力は、機外側Ｂよりも高く、機内側Ａよりも低い。そして、図１に示されるように、露出面１３１における非摺動領域Ｙ１内に配置された部分は、高圧側である機内側Ａの空間に露出している。したがって、本実施例においては、露出面１３１が圧力の高い非摺動領域Ｙ１と圧力の低い摺動領域Ｘに面しているため、露出面１３１の非摺動領域Ｙ１に面している箇所から機内側Ａの空間内に密封された液体が含浸部１３０に含浸され、それにより、含浸部１３０内に存在していた流体は摺動領域Ｘに面している箇所から押し出される。

＜メカニカルシールの使用時のメカニズム＞
回転軸３００の回転時には、回転環１２０の摺動面１２１が固定環１１０の摺動面１１１に対して回転摺動する。これにより、機内側Ａの空間と機外側Ｂの空間との間が密封（封止）される。このとき、露出面１３１における摺動面１２１の非摺動領域Ｙ１内に配置された部分には、高圧側である機内側Ａの空間内の圧力が作用する。したがって、当該圧力によって含浸部１３０内の液体が、露出面１３１における摺動領域Ｘ内に配置された部分から押し出されるため、摺動面間へ液体が供給される。

また、含浸部１３０の露出面１３１は、摺動面１２１上において周方向に間隔を空けて配置されている。つまり、露出面１３１は、摺動面１２１上において周方向に部分的に配置されている。摺動面内の大部分の流体は回転摺動中において回転方向に沿って動くが、露出面１３１は摺動領域Ｘ内に周方向に部分的に配置されているため、含浸部１３０から供給される液体が、固定環１１０と回転環１２０との摺動部分、すなわち、摺動環同士の摺動領域Ｘに直接的に供給される。また、周方向に隣り合う露出面１３１の間の摺動領域Ｘ（摺動領域Ｘの外径側）にはより直接的に液体が供給され、より潤滑性が向上し、摩耗を低減することができる。また、露出面１３１は、摺動領域Ｘと非摺動領域Ｙ１，Ｙ２の一方側のみにしか跨らない、つまり、摺動領域Ｘと、外径側の非摺動領域Ｙ１、或いは、内径側の非摺動領域Ｙ２のうちの一方だけと跨るように露出面１３１が配置されるため、摺動領域Ｘにより分けられた外径側の非摺動領域Ｙ１と内径側の非摺動領域Ｙ２を多孔質の露出面１３１で繋ぐことなく、シールとしての密封性を保ちつつ、摺動面の潤滑性を向上させることができる。

なお、摺動面１１１，１２１間に供給された液体は、両摺動面の摩擦によって発生する熱によって蒸発し得る。ただし、仮に液体の蒸発によって含浸部１３０内に含浸された液体量が減少したとしても、含浸部１３０の露出面１３１は機内側Ａの空間に露出している
ため、含浸部１３０内には当該空間内の液体が継続的に含浸される。したがって、摺動面１１１，１２１間には継続的に液体が供給される。

＜本実施例に係るメカニカルシールの優れた点＞
メカニカルシール１００によれば、含浸部１３０の露出面１３１は、回転環１２０の摺動面１２１上における摺動領域Ｘと非摺動領域Ｙ１とに跨るように配置されている。したがって、露出面１３１における非摺動領域Ｙ１内に配置された部分は、機内側Ａの空間に露出しているため、当該空間内に存在する流体の圧力が含浸部１３０に含浸された液体に作用し、露出面１３１における摺動領域Ｘ内に配置された部分から押し出される。また、含浸部１３０に含浸された液体は、露出面１３１における摺動領域Ｘ内に配置された部分から、摺動面１１１，１２１間に供給される。これにより、摺動面１１１，１２１間が潤滑されるため、固定環１１０及び回転環１２０の摩耗が低減される。これにより、摺動面１１１，１２１間の潤滑が向上するため、摺動環の摩耗が抑制される。

また、メカニカルシール１００によれば、露出面１３１が、摺動面１２１上において周方向に部分的に配置されている。これにより、固定環１１０と回転環１２０との摺動部分、即ち、摺動環同士の摺動部分により確実に液体が供給されるようになる。なお、回転環１２０の摺動面１２１と含浸部１３０の露出面１３１とは面一となる（または、露出面１３１が摺動面１２１より僅かに没入する）ため、含浸部１３０の摩耗が抑制される。つまり、露出面を摺動面１２１の全周に亘って設けた場合、多孔質材である含浸部は回転環と接触することにより摩耗し、回転環と接触しなくなり、露出面が摺動領域ではなくなってしまうが、それに比べ、露出面が摺動面と面一、または、摺動面よりもわずかに没入させると、摺動環の摺動面があるため、摺動領域が無くなることが無く、長期に亘って、摺動領域に含浸部を配置し続けることが出来る。その結果、含浸部１３０を備えることによる回転環１２０の潤滑性向上の効果を、より長期に亘って継続させることができる。

また、メカニカルシール１００によれば、含浸部１３０は回転環１２０の内部に設けられており、露出面１３１のみが回転環１２０の外部に露出している。つまり、含浸部１３０の外表面は、露出面１３１を除いて、回転環１２０に覆われている。したがって、含浸部１３０に含浸された液体が流出する（滲み出る）箇所が露出面１３１に限定されるため、摺動面１１１，１２１間に液体が供給されやすくなる。その結果、回転環１２０の自己潤滑性が向上する。

また、メカニカルシール１００によれば、含浸部１３０の露出面１３１における非摺動領域Ｙ１内に配置された部分が、高圧側であって液体が密封された側である機内側Ａの空間内に露出している。これにより、機内側Ａの空間内に密封されている液体が含浸部１３０に含浸されるため、圧力の作用によって摺動面１１１，１２１間に当該液体が供給されるようになる。したがって、両摺動面１１１，１２１間の潤滑が向上する。また、露出面１３１が機内側Ａの空間に露出していることから、当該空間内に密封されている液体が含浸部１３０に継続的に含浸される。したがって、摺動面１１１，１２１間に供給された液体が蒸発等によって減少したとしても、両摺動面間には継続的に液体が供給されるため、両摺動面間の潤滑性が長期に亘って維持される。

（変形例）
本発明に係るメカニカルシールの構成は、上記実施例で説明した態様に限られず、その作用効果が発揮される限りにおいて、種々の態様を採用することができる。例えば、液体が含浸される含浸部は、上記実施例とは異なり、ハウジングに固定された固定環に設けてもよい。あるいは、固定環と回転環の双方に設けてもよい。含浸部の露出面は、その作用効果が発揮される限りにおいて、形状や個数を適宜変更することができる。また、上記実施例では、回転環１２０の摺動面１２１上において、露出面１３１が、摺動領域Ｘと径方
向外側の非摺動領域Ｙ１と跨るように配置されているが、これらの位置関係は逆でもよい。つまり、一方の摺動環の摺動面上において、露出面１３１が、摺動領域Ｘと径方向内側の非摺動領域Ｙ２と跨るように配置されていてもよい。このような構成においても、摺動面間への液体供給という機能は同様に発揮される。更に、含浸部の外表面については、露出面以外の部分が、含浸部が設けられた摺動環の外部に露出していてもよい。このような構成においても、摺動面間への液体の供給は実現される。

また、含浸部に含浸される液体としては、高圧側の空間内に密封された液体に限らず、冷却液等の何れかの空間内に存在する液体であってもよい。そのため、低圧側（非密封側）の空間内にも液体が存在する場合には、含浸部の露出面が当該空間に露出していてもよい。更に、含浸部には、潤滑性を備える液体（潤滑油等）を予め含浸させてもよい。このような構成は、液体が存在しない環境や、摺動面への液体の供給が乏しい環境で使用されるメカニカルシールでは特に有効である。このようなメカニカルシールにおいても、含浸部の露出面が露出した空間内の流体（気体）の圧力の作用によって、摺動環の摺動面間への液体の供給が促進されるため、摺動面間の潤滑性が向上する。

１００ メカニカルシール
１１０ 固定環
１１１ 摺動面
１１２ 突出部
１１３ ノックピン
１１４ Ｏリング
１２０ 回転環
１２１ 摺動面
１２２ スリーブ
１２３ バネ
１２４ バネ保持部
１２５ Ｏリング
１２６ ノックピン
１３０ 含浸部
１３０ 含浸部
１３１ 露出面
２００ ハウジング
２０１ 軸孔
３００ 回転軸
Ａ 機内側
Ｂ 機外側
Ｘ 摺動領域
Ｙ１，Ｙ２ 非摺動領域

Claims (4)

1. ハウジングと、前記ハウジングが備える軸孔内に挿通される回転軸との間の環状隙間を密封するメカニカルシールであって、
   前記ハウジングに対して固定された固定環と、前記回転軸に対して固定されて、前記固定環に対して回転摺動する回転環と、を備えるメカニカルシールにおいて、
   前記固定環と前記回転環のうちの一方は、液体が含浸される多孔質材から構成される含浸部を備え、
   前記含浸部は、前記固定環と前記回転環のうちの一方の摺動面上に露出した面であって、当該摺動面上における、前記固定環と前記回転環が回転摺動する摺動領域と、前記固定環と前記回転環が回転摺動しない内径側、或いは外径側の非摺動領域の一方とに跨るように配置された露出面を備えることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記露出面が、前記固定環と前記回転環のうちの一方の摺動面上において周方向に部分的に配置されてい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。
3. 前記含浸部は、前記固定環と前記回転環のうちの一方の内部に設けられており、前記露出面のみが露出していることを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシール。
4. 前記環状隙間は、前記固定環と前記回転環の摺動領域によって内部の圧力に差のある２つの空間に隔てられていると共に、前記２つの空間のうちの内部の圧力がより高い一方の空間内には被密封液体が密封されており、
   前記含浸部の露出面における前記非摺動領域に配置された部分は、前記一方の空間に露出していることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のメカニカルシール。

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