(57)【要約】【課題】回転軸の回転トルクが大きくなっても、回転密封環が回転軸に対して径方向に押し上げられ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、回転軸Ｓ側に設けられる回転密封環１２と、回転軸Ｓを包囲しているケーシングＣ側に設けられ、回転密封環１２が摺接する静止密封環３２と、回転軸Ｓの回転トルクを回転密封環１２に伝達する伝達機構１３と、を備える。伝達機構１３は、回転軸Ｓ側に形成された第１係合溝１４と、回転密封環１２に形成された第２係合溝１５と、回転軸Ｓの外周側において回転軸Ｓと同心状に配置されるリング部１６と、リング部１６に固定されて第１係合溝１４及び第２係合溝１５に係合される係合部１７と、を有する。【選択図】図１
2020197258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸側に設けられる回転密封環と、
前記回転軸を包囲しているケーシング側に設けられ、前記回転密封環が摺接する静止密封環と、
前記回転軸の回転トルクを前記回転密封環に伝達する伝達機構と、を備え、
前記伝達機構は、
前記回転軸側に形成された第１係合溝と、
前記回転密封環に形成された第２係合溝と、
前記回転軸の外周側において当該回転軸と同心状に配置されるリング部と、
前記リング部に固定され、前記第１係合溝及び前記第２係合溝に係合される係合部と、を有する、メカニカルシール。
【請求項２】
前記係合部は、前記リング部の周方向に３個以上固定され、
前記第１係合溝及び前記第２係合溝は、前記係合部と同数形成されている、請求項１に記載のメカニカルシール。
【請求項３】
前記係合部は、前記第１係合溝に係合される第１係合部と、前記第２係合溝に係合される第２係合部と、を有し、
前記第１係合部及び前記第２係合部の少なくとも一方が、前記リング部にねじ止めされる、請求項１又は２に記載のメカニカルシール。
【請求項４】
前記係合部は、前記第１係合溝に係合される第１係合部と、前記第２係合溝に係合される第２係合部と、を有し、
前記第２係合部は、
金属材料からなるピン部材と、
前記ピン部材よりも軟質の材料からなり、当該ピン部材の外周を覆った状態で前記第１係合溝に係合される筒状の被覆部材と、を有する、請求項１〜３のいずれか１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】
回転機器の内部の被密封流体をシールするものとして、図７に示すように、ケーシング（図示省略）側に固定された静止密封環１０１と、回転軸１０２側に一体回転可能に取り付けられた回転密封環１０３とを軸方向に並べて配置し、静止密封環１０１及び回転密封環１０３の互い対向するシール面１０１ａ，１０３ａ同士を摺接させるメカニカルシール１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、図７のＸ−Ｘ矢視断面図である。図７及び図８に示すように、回転軸１０２に固定されたスリーブ１０４の外周面には、その周方向の１箇所にキー溝１０５が形成されている。また、回転密封環１０３の内周側には、キー溝１０５に対向する切欠溝１０６が形成されている。キー溝１０５と切欠溝１０６にはキー１０７が係合されている。キー１０７は、プレート１０８及びスナップリング１０９によって、キー溝１０５と切欠溝１０６に係合された状態で保持されている。これにより、回転軸１０２の回転トルクは、キー１０７を介して回転密封環１０３に伝達されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−５９６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記メカニカルシール１００では、回転軸１０２の回転トルクが大きくなると、図９に示すように、キー１０７がキー溝１０５及び切欠溝１０６に対して周方向に傾く場合がある。この場合、図９の矢印で示すように、傾いたキー１０７によって回転密封環１０３を径方向に押し上げる力が働くことで、回転密封環１０３は、スリーブ１０４に対して２箇所の支持点１１０，１１１で２点支持された状態となる。
【０００６】
回転密封環１０３は、スリーブ１０４に対して２点支持されると、その支持点１１０，１１１を結ぶ軸線Ｐ回りに揺動して傾く。そうすると、静止密封環１０１は、回転密封環１０３の傾きに追従することができないため、シール面１０１ａ，１０３ａ間に隙間が生じてシール性能が低下するという問題が生じる。
また、回転密封環１０３がスリーブ１０４に対して２点支持されるときに、回転密封環１０３を径方向に押し上げる力（衝撃荷重）が強すぎると、支持点１１０，１１１を起点として回転密封環１０３に割れ１１２，１１３が発生する可能性もある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、回転軸の回転トルクが大きくなっても、回転密封環が回転軸に対して径方向に押し上げられ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】
【０００８】
（１）本発明のメカニカルシールは、回転軸側に設けられる回転密封環と、前記回転軸を包囲しているケーシング側に設けられ、前記回転密封環が摺接する静止密封環と、前記回転軸の回転トルクを前記回転密封環に伝達する伝達機構と、を備え、前記伝達機構は、前記回転軸側に形成された第１係合溝と、前記回転密封環に形成された第２係合溝と、前記回転軸の外周側において当該回転軸と同心状に配置されるリング部と、前記リング部に固定され、前記第１係合溝及び前記第２係合溝に係合される係合部と、を有する。
【０００９】
本発明によれば、回転軸の回転トルクは、伝達機構の第１係合溝、係合部、及び第２係合溝を介して回転密封環に伝達される。その際、回転軸の回転トルクが大きくなると、係合部を回転軸に対して周方向に傾けようとする力が働く。しかし、係合部は、回転軸の外周側において当該回転軸と同心状に配置されたリング部に固定されているため、前記力が働いても、リング部の内周面が回転軸側に当接することで、係合部が周方向に傾くのを防ぐことができる。これにより、回転軸の回転トルクが大きくなっても、回転密封環が回転軸に対して径方向に押し上げられるのを防ぐことができる。その結果、回転密封環の傾き及び割れを抑制することができるため、メカニカルシールのシール性能が低下するのを抑制することができる。
【００１０】
（２）前記係合部は、前記リング部の周方向に３個以上固定され、前記第１係合溝及び前記第２係合溝は、前記係合部と同数形成されているのが好ましい。
この場合、回転軸の回転トルクが大きくなったときに、回転密封環は、３個以上の係合部を介して回転軸側に支持されるため、従来のように回転密封環が２点支持される場合に比べて、前記回転トルクによって回転密封環に作用する衝撃荷重を分散させることができる。これにより、回転密封環の割れをさらに抑制することができる。
【００１１】
（３）前記係合部は、前記第１係合溝に係合される第１係合部と、前記第２係合溝に係合される第２係合部と、を有し、前記第１係合部及び前記第２係合部の少なくとも一方が、前記リング部にねじ止めされるのが好ましい。
従来のキーを本発明の係合部として用いる場合、リング部にキーを溶接して固定することになる。これに対して、上記（３）では、係合部における第１係合部及び第２係合部の少なくとも一方がリング部にねじ止めされるため、従来のキーをリング部に溶接する場合に比べて、係合部を容易に製作することができる。
【００１２】
（４）前記係合部は、前記第１係合溝に係合される第１係合部と、前記第２係合溝に係合される第２係合部と、を有し、前記第２係合部は、金属材料からなるピン部材と、前記ピン部材よりも軟質の材料からなり、当該ピン部材の外周を覆った状態で前記第１係合溝に係合される筒状の被覆部材と、を有するのが好ましい。
この場合、金属材料からなるピン部材よりも軟質の材料からなる被覆部材が回転密封環の第２係合溝に係合される。これにより、ピン部材を第２係合溝に直接係合させる場合に比べて衝撃荷重を緩和することができるため、回転密封環の割れをさらに抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回転軸の回転トルクが大きくなっても、回転密封環が回転軸に対して径方向に押し上げられるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の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】回転側ユニットの正面図である。
【図３】図２の要部拡大図である。
【図４】回転軸の回転トルクが大きくなった場合における回転側ユニットの正面図である。
【図５】伝達機構の変形例を示す回転密封環の正面図である。
【図６】伝達機構の他の変形例を示す回転密封環の正面図である。
【図７】従来のメカニカルシールを示す断面図である。
【図８】図７のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図９】回転軸の回転トルクが大きくなった場合における従来のメカニカルシールの回転密封環側の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明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。
図１は、本発明の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、本実施形態のメカニカルシール１は、ポンプ、撹拌機等の回転機器に用いられ、この回転機器の回転軸Ｓと、この回転軸Ｓを包囲しているケーシングＣとの間に配置されている。
【００１６】
メカニカルシール１は、前記回転機器の内部の被密封流体（溶剤、水又は油等）をシールするものであり、回転軸Ｓに設けられた回転側ユニット２と、ケーシングＣに設けられた静止側ユニット３とを備えている。なお、本明細書において、図１の左側を機外側Ａ、図１の右側を機内側Ｂという。
【００１７】
［静止側ユニット］
メカニカルシール１の静止側ユニット３は、ケーシングＣに取り付けられた環状のシールケース３１と、シールケース３１の内周に取り付けられた環状の静止密封環３２とを備えている。シールケース３１の外周には、ケーシングＣの内周面との間をシール（二次シール）するＯリング３３が設けられている。
【００１８】
静止密封環３２は、シールケース３１の機内側Ｂの内周に嵌合して固定されている。静止密封環３２の機内側Ｂの端部にはシール面３２ａが形成されている。静止密封環３２の外周には、シールケース３１の内周面との間をシール（二次シール）するＯリング３５が設けられている。
【００１９】
［回転側ユニット］
メカニカルシール１の回転側ユニット２は、回転軸Ｓに嵌合して固定されたスリーブ１１と、スリーブ１１の機内側Ｂの外周に嵌合された環状の回転密封環１２と、回転軸Ｓの回転トルクを回転密封環１２に伝達する伝達機構１３とを備えている。
スリーブ１１の機内側Ｂの外周には、回転密封環１２の内周面との間をシール（二次シール）するＯリング１９が設けられている。
【００２０】
回転密封環１２は、例えば、耐摩耗性及びシール性能に優れた炭化ケイ素（ＳｉＣ）の焼結体からなる。回転密封環１２の機外側Ａの端面は、静止密封環３２のシール面３２ａに摺接するシール面１２ａとされており、機外側Ａと機内側Ｂとの間をシールしている。これによって、メカニカルシール１により機内側Ｂの被密封流体が機外側Ａへ漏洩するのを防止している。
【００２１】
［伝達機構］
図２は、回転側ユニット２を機外側Ａから見た正面図である。なお、図２では後述するスナップリング１８の図示を省略している。図１及び図２において、伝達機構１３は、スリーブ１１の外周に形成された複数の第１係合溝１４と、回転密封環１２に形成された複数の第２係合溝１５と、スリーブ１１の外周側に配置されたリング部１６と、リング部１６に固定された複数の係合部１７とを有している。
図例（図２）では、係合部１７は、リング部１６の周方向に等間隔をあけて３個固定されており、第１係合溝１４及び第２係合溝１５は、係合部１７と同数（３個）形成されている。
【００２２】
図３は、図２の要部拡大図である。図１及び図３において、第１係合溝１４は、例えば凹溝からなり、回転密封環１２及び静止密封環３２の両シール面１２ａ，３２ａの摺接部分に対応する位置において、スリーブ１１の径方向外側及び機外側Ａに開口して形成されている。
【００２３】
第２係合溝１５は、例えば正面視においてＵ字状に形成されており、第１係合溝１４の径方向外側において、回転密封環１２の機外側Ａ及び径方向内側に開口して形成されている。これにより、周方向の同じ位置に形成された第１係合溝１４及び第２係合溝１５は、互いに連通している。
【００２４】
リング部１６は、例えば金属材料や硬質樹脂により形成された円環部材からなる。リング部１６の内径は、スリーブ１１における第１係合溝１４が形成された外周面１１ａの直径よりも僅かに大きく設定されている。リング部１６の外径は、第２係合溝１５の円弧部分の径方向最外端よりも少し小さく設定されている。
【００２５】
リング部１６は、スリーブ１１の外周面１１ａの径方向外側において回転軸Ｓと同心状に配置された状態で、スナップリング１８を用いてスリーブ１１に保持されている。ここで、「同心状」とは、リング部１６の軸心が回転軸Ｓの軸心と一致している場合だけでなく、リング部１６の内径と前記外周面１１ａの直径との寸法差により、リング部１６の軸心が回転軸Ｓの軸心に対して偏心している場合も含む意味である。
なお、リング部１６は、スナップリング１８以外に、接着、溶接又は他の固定手段によりスリーブ１１に固定されていてもよい。
【００２６】
係合部１７は、第１係合溝１４に係合される第１係合部２１と、第２係合溝１５に係合される第２係合部２２とを有している。
第１係合部２１は、リング部１６の内周側に一体に形成されており、リング部１６の内周面から径方向内側に向かって突出している。第１係合部２１は、例えば凸状に形成されており、スリーブ１１の第１係合溝１４に挿入して係合されている。
【００２７】
第２係合部２２は、ピン部材２３と、ピン部材２３の外周を覆う被覆部材２４とを有している。
ピン部材２３は、例えば金属材料により円柱状に形成されており、ピン本体部２３ａと、ピン本体部２３ａよりも小径に形成されたねじ部２３ｂとによって構成されている。ねじ部２３ｂは、リング部１６において軸方向に貫通して形成されたねじ孔１６ａに、機内側Ｂから螺合されている。これにより、第２係合部２２は、リング部１６にねじ止めされており、ピン本体部２３ａは、リング部１６から機内側Ｂに向かって突出している。
【００２８】
被覆部材２４は、例えば円筒状に形成されており、ピン本体部２３ａの外周を覆っている。被覆部材２４は、ピン部材２３よりも軟質の材料であって、かつ被密封流体に侵されない材料からなる。本実施形態の被覆部材２４は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のふっ素樹脂、フェノール樹脂やゴムなどからなる。被覆部材２４は、ピン本体部２３ａを覆った状態で、回転密封環１２の第２係合溝１５に機外側Ａから挿入して係合されている。
なお、係合部１７は、上記構成に限定されるものではない。例えば、係合部１７として従来のキーを用いてもよい。
【００２９】
［作用効果］
以上の構成により、回転軸Ｓの回転トルクは、スリーブ１１、第１係合溝１４、第１係合部２１、リング部１６、第２係合部２２（ピン部材２３、被覆部材２４）、及び第２係合溝１５を介して、回転密封環１２に伝達される。その際、回転軸Ｓの回転方向が、例えば図３及び図４の時計回り方向である場合、回転軸Ｓの回転トルクが大きくなると、図４に示すように、第１係合溝１４が第１係合部２１に対して周方向一方側（図示の時計回り方向）にずれるとともに、第２係合部２２が第２係合溝１５に対して周方向一方側にずれることで、係合部１７をスリーブ１１に対して周方向他方側（図中の反時計回り方向）に傾けようとする力が働く。
【００３０】
しかし、係合部１７は、スリーブ１１の外周側において回転軸Ｓと同心状に配置されたリング部１６に固定されているため、前記力が働いても、リング部１６の内周面がスリーブ１１の外周面１１ａに当接することで、係合部１７が周方向他方側に傾くのを防ぐことができる。これにより、回転軸Ｓの回転トルクが大きくなっても、回転密封環１２が回転軸Ｓに対して径方向に押し上げられるのを防ぐことができる。その結果、回転密封環１２の傾き及び割れを抑制することができるため、メカニカルシール１のシール性能が低下するのを抑制することができる。
【００３１】
係合部１７は、リング部１６の周方向に沿って３個固定されているので、回転軸Ｓの回転トルクが大きくなったときに、回転密封環１２は、３個の係合部１７を介してスリーブ１１に支持される。これにより、従来のように回転密封環１２が２点支持される場合に比べて、前記回転トルクによって回転密封環１２に作用する衝撃荷重を分散させることができるので、回転密封環１２の割れをさらに抑制することができる。
【００３２】
従来のキーを本実施形態の係合部１７として用いる場合、リング部１６にキーを溶接して固定することになる。これに対して、本実施形態では、係合部１７における第２係合部２２がリング部１６にねじ止めされているため、従来のキーをリング部１６に溶接する場合に比べて、係合部１７を容易に製作することができる。
【００３３】
金属材料からなるピン部材２３のピン本体部２３ａの外周は、ピン部材２３よりも軟質の材料からなる被覆部材２４により覆われており、その被覆部材２４が第２係合溝１５に係合されている。これにより、ピン本体部２３ａを第２係合溝１５に直接係合させる場合に比べて衝撃荷重を緩和することができるので、回転密封環１２の割れをさらに抑制することができる。
【００３４】
［その他］
回転側ユニット２は、スリーブ１１を備えていなくてもよい。この場合、回転軸Ｓの外周面に第１係合溝１４を形成すればよい。
本実施形態では、第２係合部２２をリング部１６にねじ止めしているが、第２係合部２２をリング部１６に一体に形成してもよい。また、第１係合部２１をリング部１６に一体に形成しているが、第１係合部２１をリング部１６にねじ止めしてもよい。
【００３５】
本実施形態の伝達機構１３は、第１係合溝１４、第２係合溝１５及び係合部１７をそれぞれ３個ずつ備えているが、これらの個数は、２個以下でもよいし、図５又は図６に示すように４個以上でもよい。なお、図５では、前記個数が４個の場合を示しており、図６では、前記個数が６個の場合を示している。
【００３６】
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】
【００３７】
１  メカニカルシール
１２  回転密封環
１３  伝達機構
１４  第１係合溝
１５  第２係合溝
１６  リング部
１７  係合部
２１  第１係合部
２２  第２係合部
２３  ピン部材
２４  被覆部材
３２  静止密封環
Ｃ  ケーシング
Ｓ  回転軸
【図１】
2020197258.tif 000003
【図２】
2020197258.tif 000004
【図３】
2020197258.tif 000005
【図４】
2020197258.tif 000006
【図５】
2020197258.tif 000007
【図６】
2020197258.tif 000008
【図７】
2020197258.tif 000009
【図８】
2020197258.tif 000010
【図９】
2020197258.tif 000011