JPH079267B2

JPH079267B2 - メカニカルシール

Info

Publication number: JPH079267B2
Application number: JP3503830A
Authority: JP
Inventors: 寛二大場; 猛夫中嶋; 祐一田村
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1991-02-08
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: EP0528029A1; EP0528029A4; DE69121710D1; KR927004053A; KR950010697B1; DE69121710T2; EP0528029B1; WO1992014080A1

Description

【発明の詳細な説明】技術分野この発明は、液体を処理する回転機器の軸封部に用いら
れるシールに関するもので、特に、剪断摩擦によって凝
固するラテックス等のゴム質流体、摺動摩擦熱によって
共重合固化するプラスチック系流体、高粘性を有する重
油等の石油系流体、パルプ分野における黒液、スラリー
を多量に含む泥水等のように、腐食性、凝固性の高い液
体を取扱う化学工業関係の回転機器の軸封に好適に使用
されるメカニカルシールに関する。

背景技術従来、例えばラテックス等のゴム質流体の移送ポンプに
おける軸封装置として適用されているメカニカルシール
には次のようなものが知られている。

その１つは、第５図に示しているように、回転側となる
回転軸１の外周面と、静止側となるケーシング２の内周
面との間に構成されるもので、上記回転軸１のポンプ室
側軸周面上にインペラ３が嵌装され、このインペラ３の
軸封側端面3aと、これに対向する回転軸１の段部1aとの
間に回転シールリング４が介在されている。この回転シ
ールリング４はインペラ３の端面3aから突出されたノッ
クピン５に係合し、かつ、Ｏリング６により端面3aと段
部1aとの間をシールさせた状態で回転軸１の外周に固定
され、回転軸１と一体に回転するようになされている。

一方、上記ケーシング２の内周面にボルト７を介してリ
テーナ８が取付けられ、このリテータ８に、ケーシング
２の内周面との間がＯリング９でシールされたアダプタ
リング10が取付けられ、かつ、このアダプタリング10に
金属成形ベローズ11を介して指示されたシールリングリ
テーナ12に、上記回転シールリング４の端面に形成され
た鋭利な刃先状の密封端部4aが摺動する平滑な密封端面
13aを有する静止シールリング13が固定されている。

また、上記リテーナ８からは、その先端が上記静止シー
ルリング13の内側面付近にまで達するバッフルリング14
が固着されており、このバッフルリング14の外周部にお
いて、リテーナ８とシールリングリテータ12との間にモ
ノコイルスプリング15を介装して、上記静止シールリン
グ13を回転シールリング４側に移動付勢し、その平滑密
封端面13aを回転シールリング４の刃先状の密封端部4a
に弾圧させたものである。

他の１つは、第６図に示すように、ベローズを用いてい
ない構成のもので、回転シールリング４の端面は平滑な
密封端面4aとされ、第５図に示ものと同様にして、回転
軸１の外周に固定されている。一方、静止シールリング
13は、ケーシング２の内周面にＯリング16を介して配設
されたシールリングリテーナ17の先端部に固定されてお
り、ケーシング２に一体に形成されたスプリングリテー
ナ18に保持された周方向に複数個のマルチコイルスプリ
ング19に付勢力により回転シールリング４側に移動され
て、この静止シールリング13に形成した刃先状の密封端
部13aが回転シールリング４側の平滑な密封端面4aに弾
圧されたものである。

さらにもう１つは、第７図に示すように、第６図と同様
にベローズを用いていない構成のものであって、回転軸
１は大気側に小径部1bを、かつ密封流体側に大径部1cを
有し、この大径部1cの外周に回転シールリング４をＯリ
ング20を介して液密に嵌着してる。一方、静止シールリ
ング13は、回転軸１の小径部1bの外側に遊嵌させて、ケ
ーシング２の内周面に固定されており、回転軸１の大径
部1cの外周に固着したスプリングリテーナ21に保持され
た周方向に複数個のマルチコイルスプリング19の付勢力
により回転シールリング４を静止シールリング13側に移
動させて、この回転シールリング４側の平滑密封端面4a
が静止シールリング13側の刃先状の密封端部13aに弾圧
されたものである。

そして、これら第５図〜第７図に示す従来のメカニカル
シールにおいては、刃先状の密封端部4aまたは13aが第
８図に示すように、その外径面4a1または13a1が回転軸
１の軸心に平行であるとともに、その内径面4a2または1
3a2が軸心に対して傾斜する内外非対称形状で、かつエ
ッジ面4a3または13a3に対する外径面4a1または13a1の角
度θが90度以下に設定されている点を共通の構成として
いる。

ところで、上記した従来のメカニカルシールにおいて
は、刃先状の密封端部4aまたは13aの内外径面がエッジ
面に対し非対称形状であるために、その刃先状の密封端
部4aまたは13aを有するシールリング４または13側に歪
が生じやすいとともに、その加工に高度な技術を要し、
加工コストが高価になるばかりでなく、外径面4a1また
は13a1とエッジ面4a3または13a3とのなす角度が90度以
下であるため、加工時あるいはエッジ面4a3または13a3
を平滑な密封端面13aまたは4aに弾圧させて回転にとも
ない両者を摺接させる作用時にその角部が欠けやすく
て、所定の密封機能を安定良く発揮させることが困難に
なるといった共通の欠点を有している。

また、第５図に示す従来のメカニカルシールは、モノコ
イルスプリング15と金属成形ベローズ11とを組合せ使用
するものであるから、構造が複雑で高価となるととも
に、長スパン化しやすく、かつ金属成形ベローズ11のば
ね性の限界から、弾圧変動の大いき条件下での使用には
適さない。これに対して、第６図および第７図に示す従
来のメカニカルシールは、金属成形ベローズを使用しな
いので、第５図のものにくらべて構造的にシンプルとな
るものの、第６図に示すものでは、Ｏリング16への凝固
物の詰まりなどによって、スティックを生じ易いととも
に、エッジ面の径に対してバランス径Ｄが大きくなり、
したがって、圧力変動、とくに逆圧の発生時に密封端部
13aと密封端面4aとの間に大きな開き力が働いて、その
密封機能を低下する、あるいは喪失し流体漏れを発生す
る恐れがあり、それ故、極く低圧の用途に制限される。
さらに、第７図に示すものでは、マルチコイルスプリン
グ19が塵埃や凝固物などの詰まりによって作動不能に陥
りやすく、また、Ｏリング20のステイックも生じやす
い。

さらに、第５図〜第７図に示す従来のメカニカルシール
においては、いずれも回転軸１に段部1aを設けて、その
小径部1bに回転シールリング４または静止シールリング
13を配設する構成であり、このような構成では常に回転
軸１の加工が必要であるために、実質的に、この種のカ
ニカルシールを採用することができないケースもあり、
また、そのような回転軸１の加工によって回転軸１自体
の剛性の低下を招くばかりでなく、特に第６図に示すも
のでは、バランス径Ｄが大きくなり過ぎて、密封流体の
突発的な圧力変動に対して安定した密封機能を維持する
ことができないという問題もある。

発明の開示この発明は、上記のような従来技術の背景に鑑みてなさ
れたもので、相互に摺接して密封流体をシールする回転
シールリングおよび静止シールリングのうち、一方のシ
ールリングに形成され、他方のシールリングに形成され
た平滑な密封端面にスプリング部材の付勢力によって弾
圧される刃先状の密封端部をそのエッジ面に対して内外
径対称形状とすることにより、刃先状密封端部の加工を
容易にするとともに、回転軸に対する加工を不要にして
加工コストの低減を図り、しかもエッジ面に対する内径
側および外径側の角度をともに90度以上に設定すること
で、加工時および作用時における歪や欠損を抑制し、突
発的な圧力変動に対しても長期にわたり良好な密封性能
を安定良く維持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ものである。

この発明に係るメカニカルシールは、回転および静止シ
ールリングを共に同一径の軸上に配置する構成としたの
で、回転軸に段部を形成するための加工が不要となり、
この種のメカニカルシールの適用範囲を広れることがで
きるとともに、回転軸の剛性低下も招かず、また、バラ
ンス径も余り大きくしないですみ、突発的な圧力変動に
対して安定した密封機能を維持することができる。その
上、回転および静止シールリングの一方に形成される刃
先状の密封端部をそのエッジ面に対する内径側および外
径側の角度がともに90度以上180度未満、好ましくは105
〜150度の範囲に設定された内外対称形状とされている
ので、この密封端部の内外径面を共通の加工手段を用い
て容易に、かつ精度良く加工することができ、これによ
り、加工費の低減が可能となる。しかも、密封端部に90
度以下の角度が形成されないので、加工時あるいは摺接
状態での作用時において歪や欠損を生じることがなくな
り、この種のメカニカルシールとして要求度の高い密封
機能を長期間にわたって安定良く確保できる。加えて、
形状的に欠損しにくい構成とすることにより、構成材料
として、WCを主体とする超硬合金に限らず、比較的脆弱
なカーボンやセラミックへの適用も可能とし、使用材料
からのコストダウンも図ることができる。

また、スプリング部材として、密封流体空間の外側に配
置したモノコイルスプリングを用いるとともに、二次シ
ールとしてのパッキンを軸方向に伸縮可能なＶ字状シー
ルで覆わせて保護することにより、ばね性は十分に保ち
ながら、スプリングおよび二次シールへの凝固物等の詰
まりを防止して、作動性の向上を図り、高い密封性能を
長期間にわたり安定良く確保できる。

さらに、スプリング部材として、密封流体空間の外側に
配置された皿状板ばねを用いることによって、構造のシ
ンプル化、低コスト化と同時に、短スパン化を図れ、し
かもエッジ面の径に対してバランス径をできるだけ小さ
くすることが可能となり、高い面圧を保持することがで
き、凝固物等が詰まりにくいことと相乗じて、大きな圧
力変動に対いても高い密封性能を確保することができ
る。

図面の簡単な説明第１図は第１の発明に係るメカニカルシールの一実施例
を示す半截断面図である。

第２図は密封端部を示す拡大断面図である。

第３図は第２の発明に係るメカニカルシールの一実施例
を示す半截断面図である。

第４図は第３の発明に係るメカニカルシールの一実施例
を示す半截断面図である。

第５図ないし第７図はそれぞれ従来のメカニカルシール
の半截断面図である。

第８図は各従来例に共通の密封端部を示す拡大断面図で
ある。

発明を実施するための最良の形態第１図は第１の発明に係るメカニカルシールの一実施例
を示す半截断面図であり、同図において、31は回転軸と
なる回転軸であって，全長にわたり同一径に形成されて
いる。32は静止側となる流体移送用ポンプのケーシング
であり、上記回転軸31の外周面とケーシング32の内周面
との間に軸封装置として、次のようなメカニカルシール
が構成されている。

上記回転軸31のポンプ室側軸周面上にインペラ33が嵌装
され、このインペラ33の軸封側端面33aに密接させ、か
つ上記回転軸31の外周面との間をＯリング34を介してシ
ールさせた状態でスプリングリテーナ35がビス36を介し
て回転軸31に固定されている。このスプリングリテーナ
35の外周上にシールリングリテーナ37がそれらの内外周
面間を二次シール用パッキンとしてのＯリング38を介し
てシールした状態で嵌装されており、このシールリング
リテーナ37の上記インペラ33側の端面と上記スプリング
リテーナ35との間に軸心方向に伸縮可能なＶ字状のシー
ル部39aをもつシールリング39を介在させて、このシー
ルリング39により上記Ｏリング38を覆い保護させている
とともに、上記シールリングリテーナ37の他端部側に回
転シールリング40が取付けられ、回転軸31と一体に回転
するようになされている。

一方、上記ケーシング32の内周面にノックピン41を介し
てリテーナ42が取付けられ、このリテーナ42と上記ケー
シング32の内周面との間をＯリング43によりシールする
とともに、その端部に、上記回転シールリング40に形成
した刃先状の密封端部40aが摺動する平滑な密封端面44a
を有する静止シールリング44が固定されている。

また、上記シールリングリテーナ37、シールリング39お
よびＯリング38により密封される密封流体空間45の内側
において、上記シールリングリテーナ37の径内方へのリ
ング状突出部37Aとこれに軸心方向で対向する上記スプ
リングリテーナ35との間にモノコイルスプリング46を介
装することにより、上記回転シールリング40を静止シー
ルリング44側に移動付勢して、その刃先状の密封端部40
aを静止シールリング44側の平滑密封端面44aに弾圧させ
たものである。

そして、上記回転シールリング40側の密封端部40aは、
第２図に明示するように、0.1mm〜0.3mmの範囲の幅Ｗに
設定されたエッジ面40a3に対して、そのエッジ面40a3を
構成する内径面40a2および外径面40a1が各々90度以上18
0度未満、好ましくは105〜150度の範囲の等しい角度θ
1,θ２（θ１＝θ２）の傾斜面に設定された内外対称形
状に構成されている。

ここで、上記回転および静止の各シールリング40,44の
構成材料としては、WCを主体とする超硬合金、カーボン
およびセラミックの中から任意に選択され、組合わせ使
用される。また、セラミックとしては、SiC,TiC,B₄Cな
どの炭化物系セラミック、Al₂O₃,Cr₂O₃,TiO₂,ZiO₂など
の酸化物系セラミック、Si₃N₄,BN,TiN,NbNなどの窒化物
系セラミック、TiB₂,ZnB₂などの硼化物系セラミックの
いずれであってもよい。さらに、上記両シールリング4
0,44の密接面の面積と静止シールリング44側の平滑密封
端面44aの受圧面積との比によって決定されるバランス
比は略零に設定されており、これにより、刃先状の密封
端部40aと平滑な密封端面44aとがモノコイルスプリング
46による面圧を介して、密封液体の圧力変動にかかわら
ず、ほぼ一定の圧力で摺接することになり、安定の良い
密封状態が得られるようになっている。

このような構成のメカニカルシールによれば、回転軸31
に段部を形成する必要がないために、回転軸31の剛性を
高く保てるとともに、メカニカルシールとしてのバラン
ス径Ｄも比較的小さくできるので、密封流体の突発的な
圧力変動に対しても安定した密封機能を保持することが
可能である。その上、回転シールリング40の密封端部40
aがそのエッジ面40a3に対して内外径面40a2,40a1を対称
形状としているので、内外径面を共通の加工手段により
容易に、かつ高精度に加工しやすくて、加工コストの低
減を図ることができる。しかも、内外径面をともに90度
以上180度未満の等しい角度にすることで、密封端部40a
に90度以下の角部が発生せず、加工時や作用時における
歪や欠損の発生を極力抑制して、所期の密封性能を長期
にわたり安定良く確保できる。

その上、スプリング46を外装し、二次シールとして使用
したＯリング38をＶ字状のシールリング39で覆い保護し
ているので、塵埃や凝固物などがスプリング46およびＯ
リング38に詰まることもなく、円滑な作動性を保持して
密封性能を一段と向上することができる。

第３図は第２の発明に係るメカニカルシールの一実施例
を示す半截断面図であり、上記実施例と同一もしくは相
当部分に同一の符号を付して、それらの詳しい説明を省
略する。同図において、48は皿状板ばねで、この皿状板
ばね48を、インペラ33に固定したシールリングリテーナ
37と、回転軸31の外周面との間がＯリング34を介してシ
ールされた状態で上記シールリングリテーナ37に保持さ
れた回転シールリング40の基端側に配置したばね受けリ
ング49との間に介在させることにより、上記回転シール
リング40をケーシング32の内周面側に固定された静止シ
ールリング44側に移動付勢して、その密封端部40aを平
滑密封端面4aに弾圧させたものである。ここで、実施例
における密封端部40aは、上記実施例と同様に、第２図
に示すような形状とされている。

このような構成のメカニカルシールによれば、密封端部
40aの形状面から得られるところの加工の容易性、欠損
がなくて所期の密封性能を長期にわたり安定良く確保で
きるといった効果に加えて、板ばね48への塵埃等の詰ま
り防止を確実にできるとともに、シール部の短スパン
化、構造のシンプル化を図ることができ、さらにエッジ
面の径に対するバランス径Ｄをできるだけ小さくして、
密封面に強いばね圧を与え、密封性能を一層向上できる
といった効果を奏する。

第４図は第３の発明に係るメカニカルシールの一実施例
を示す半截断面図であり、第１図および第３図に示す上
記各実施例と同一もしくは相当部分には同一の付号を付
して、それらの詳しい説明を省略する。同図において
は、皿状板ばね４を、回転軸31にビス36を介して固定し
たスプリングリテーナ35と回転軸31の外周上にＯリング
34を介してシールした状態で軸心方向にスライド可能に
嵌装したシールリングリテーナ37との間で、密封流体空
間45に対する外側部に介装させることにより、回転シー
ルリング40を静止シールリング44側に移動付勢して、そ
の密封端部40aを平滑密封端面44aに弾圧させたものであ
る。この実施例における密封端部40aも、上記実施例と
同様に、第２図に示すような形状とされている。

この様な構成のメカニカルシールによれば、上記第２の
発明の実施例と同様な効果、すなわち密封端部40a加工
性、欠損がない高い密封性、シール部の短スパン化、構
造のシンプル化に加えて、ばね面圧の増大により密封性
能のより一層の向上を図り得るといった効果を奏する。

産業上の利用可能性以上のように、この発明のメカニカルシールは、相互に
摺接して密封流体をシールする回転および静止シールリ
ングのいずれか一方に形成される密封短部の形状を改良
することで、加工を容易にするとともに、歪や欠損にと
もなう密封性能の低下を抑制する。また、メカニカルシ
ールの回転および静止両シールリングを配設する回転軸
には段部の加工を不要にして、回転軸の剛性低下を抑え
るとともに、バランス径の増大を抑えて密封流体の突発
的な変動に対しても安定のよい密封機能を維持させるこ
とが可能である。しかも、作動性を円滑にして、常に強
いばね面圧を与えることが可能となるので、流体移送ポ
ンプ、特に、腐食性、凝固性、スラリーの多い化学工業
関係の流体機器などの広範な機器の軸密装置として好適
に使用されるものである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相互に摺接して密封流体をシールする回転
シールリングおよび静止シールリングと、これらシール
リングのうちの一方のシールリングを他方のシールリン
グに弾圧させるように付勢するスプリング部材とを備
え、上記両シールリングの一方に平滑な密封端面を形成
するとともに、他方の上記平滑密封端面に摺接する刃先
状の密封端部を形成してなるメカニカルシールにおい
て、上記回転シールリングと静止シールリングとは共に
同一径の軸上に配置され、かつ、上記密封端部をそのエ
ッジ面に対する内径側および外径側の角度がともに90度
以上180度未満の角度に設定された形状に構成している
ことを特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】スプリング部材が密封流体空間の外側に配
置されたモノコイルスプリングからなり、二次シールと
してのパッキンを設けるとともに、軸心方向に伸縮可能
なＶ字状シールにより上記パッキンを覆い保護させてな
る請求項１記載のメカニカルシール。
【請求項３】スプリング部材が密封流体空間の外側に設
置された皿状板ばねからなるものである請求項１記載の
メカニカルシール。
【請求項４】一方のシールリング側の密閉端部の内径側
および外径側の角度が105〜150度の範囲である請求項１
記載のメカニカルシール。
【請求項５】両シールリングの密接面の面積と平滑密封
端面の受圧面積との比により決定されるバランス比をほ
ぼ零とするとともに、一方のシールリング側の密封端部
のエッジ面の幅が0.1mm〜0.3mmの範囲である請求項１記
載のメカニカルシール。
【請求項６】両シールリングの平滑密封端面および密封
端部が、WCを主体とする超硬合金、カーボンおよび炭化
物系，酸化物系，窒化物系，硼化物系などのセラミック
の中から選択された少なくとも１つのものである請求項
１、２、３、４、５のいずれかに記載のメカニカルシー
ル。