(57)【要約】  ベローズの劣化や破れがなく、また、ベローズのバネ定数を小さくしてベローズの伸縮よる荷重の変動を少なくしたメカニカルシールを提供する。  回転軸に固定されるスリーブ２、２０と、ハウジング３に固定されるカートリッジ４、４０とを備え、スリーブ２、２０には回転側摺動環５が設けられ、カートリッジ４、４０には回転側摺動環５に対向して摺動する固定側摺動環６及び該固定側摺動環６を軸方向に付勢するベローズ７、１５、３０が設けられたインサイド形のメカニカルシールにおいて、ベローズ７、１５、３０は金属製であり、金属製のベローズ７、１５、３０は、一端が固定側摺動環６を保持するケース８に固定され、他端がカートリッジ４、４０に固定され、その板厚が前記ケース８またはカートリッジ４、４０の板厚より薄く設定されていることを特徴としている。
2014054745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に固定されるスリーブと、ハウジングに固定されるカートリッジとを備え、前記スリーブには回転側摺動環が設けられ、前記カートリッジには前記回転側摺動環に対向して摺動する固定側摺動環及び該固定側摺動環を軸方向に付勢するベローズが設けられたインサイド形のメカニカルシールにおいて、前記ベローズは金属製であり、前記金属製のベローズは、一端が前記固定側摺動環を保持するケースに固定され、他端が前記カートリッジに固定され、その板厚が前記ケースまたは前記カートリッジの板厚より薄く設定されていることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】
前記金属製のベローズは、山部と谷部が交互に繰り返し形成される蛇腹部、及び、前記蛇腹部の両端に前記谷部から径方向外側に延びる円盤状のフランジ部を備え、前記フランジ部の外径は前記山部の径より大きく、また、前記フランジ部の内径は前記谷部の径と略同じかまたは若干大きくなるように、成型または溶接により形成されることを特徴とする請求項１記載のメカニカルシール。
【請求項３】
前記金属製のベローズと金属製のケース及び金属製のカートリッジとの固定は、前記金属製のベローズの前記フランジ部の外径よりわずかに内径側の位置において溶接または溶着により行われることを特徴とする請求項１又は２に記載のメカニカルシール。
【請求項４】
前記回転側摺動環は前記スリーブにカップガスケットを介して固定され、前記カップガスケットは前記回転側摺動環の反摺動面側及び外周面に跨って設けられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のメカニカルシール。
【請求項５】
回転軸に固定されるスリーブと、ハウジングに固定されるカートリッジとを備え、前記スリーブには回転側摺動環が設けられ、前記カートリッジには前記回転側摺動環に対向して摺動する固定側摺動環及び該固定側摺動環を軸方向に付勢するベローズが設けられたインサイド形のメカニカルシールにおいて、前記ベローズは金属製であり、前記金属製のベローズは、一端が前記固定側摺動環を保持するガスケットに嵌合され、他端が前記カートリッジに固定され、その板厚が前記カートリッジの板厚より薄く設定されていることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項６】
前記固定側摺動環を保持する前記ガスケットに嵌合する前記金属製のベローズの外筒部の外周にはバンドが装着されることを特徴とする請求項５記載のメカニカルシール。
【請求項７】
回転軸に固定されるスリーブと、ハウジングに固定されるカートリッジとを備え、前記スリーブには回転側摺動環が設けられ、前記カートリッジには前記回転側摺動環に対向して摺動する固定側摺動環及び該固定側摺動環を軸方向に付勢するベローズが設けられたインサイド形のメカニカルシールにおいて、前記ベローズは金属製であり、前記金属製のベローズは、一端が前記固定側摺動環に直接固定され、他端が前記カートリッジに固定され、その板厚が前記カートリッジの板厚より薄く設定されていることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項８】
前記スリーブの内筒部の先端がカシメにより拡径されて前記カートリッジの内筒部に係合することにより前記カートリッジと前記スリーブとの軸方向の離脱が防止されるタイプにおいて、前記カートリッジの内筒部には前記固定側摺動環側と軸方向反対側に位置する部分が拡径されて段部が設けられ、前記ベローズは、前記カートリッジの内筒部の段部から固定側摺動環側に位置する部分の内径が前記カートリッジの内筒部の段部から固定側摺動環と反対側に位置する部分の内径より小径に形成されていることを特徴とする請求項１ないし７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、例えば、ポンプ等の軸封装置として用いられるメカニカルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からメカニカルシールの一種として、図７に示すように、摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする高圧流体側の被密封流体を密封する形式のインサイド形式のものであり、高圧流体側のポンプインペラ（図示省略）を駆動させる回転軸５０側にスリーブ５１及びカップガスケット５２を介してこの回転軸５０と一体的に回転可能な状態に設けられた円環状の回転側摺動環５３と、ポンプのハウジング５４に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態でカートリッジ５６内のベローズ５７を介して設けられた円環状の固定側摺動環５５とが、この固定側摺動環５５を軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング５８及びベローズ５７によって、ラッピング等によって鏡面仕上げされた摺動面Ｓ同士で密接摺動するものが知られている（以下、「従来技術１」という。例えば、特許文献１参照。）この従来技術のメカニカルシールにおけるベローズ５７は、ゴム製であり、その一端は固定環５５にケース５９を介して取り付けられ、また、他端はカートリッジ内筒部５６ａにドライビングバンド６０を介して取付けられている。【０００３】
また、特許文献２には、図８に示すように、ハウジング６１に固定側摺動環６２を取付け、ハウジング６１に回転自在に支持されたシャフトに回転側摺動環６３を設け、これら固定側摺動環６２と回転側摺動環６３とを摺動自在に弾接させるようにしたメカニカルシールにおいて、金属ベローズ６４で固定側摺動環６２を軸方向移動自在に支持するように金属ベローズ６４の右端に固定爪６４ａを形成し、この固定爪６４ａを折り曲げて金属ベローズ６４の右端内部に固定側摺動環６２を支持し、金属ベローズ６４の左端を直接ハウジング６１に固定した発明が開示されている（以下、「従来技術２」という。特許文献２参照。）。【０００４】
しかしながら、従来技術１は、ベローズ５７がゴム製であるため、屈曲部の劣化や破れ等の問題があった。また、コイルドウェーブスプリング５８のような付勢部材及びドライビングバンド６０のような取付部材が必要であり、部品点数が多くなるという問題もあった。【０００５】
また、従来技術２は、金属ベローズ６４で直接固定リング６２を支持し、かつ、金属ベローズ６４がカートリッジを兼用する形で直接ハウジング６１に固定する構造であるため、金属ベローズ６４をカートリッジあるいはケースと同じ厚さを有するようにしなければならず、金属ベローズ６４のバネ定数が増大するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−７４２２６号公報（３頁、図２）
【特許文献２】特許第２９５６８６２号公報（５頁、図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたもので、ベローズの劣化や破れがなく、また、ベローズのバネ定数を小さくしてベローズの伸縮よる荷重の変動を少なくした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。
さらに、通常、回転側及び固定側の一体化による組立においては、スペースの確保のためベローズの内径を大きくする必要があり、ベローズの受圧面積が変化してバランス値も変動するが、そのような場合で、本発明は、バランス値の変動を抑制した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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため本発明のメカニカルシールは、第１に、回転軸に固定されるスリーブと、ハウジングに固定されるカートリッジとを備え、前記スリーブには回転側摺動環が設けられ、前記カートリッジには前記回転側摺動環に対向して摺動する固定側摺動環及び該固定側摺動環を軸方向に付勢するベローズが設けられたインサイド形のメカニカルシールにおいて、前記ベローズは金属製であり、前記金属製のベローズは、一端が前記固定側摺動環を保持するケースに固定され、他端が前記カートリッジに固定され、その板厚が前記ケースまたは前記カートリッジの板厚より薄く設定されていることを特徴としている。
この特徴によれば、金属製のベローズは専ら固定側摺動環を軸方向に付勢する役割を担い、ケース及びカートリッジ等とは別体に形成されるので、金属製のベローズの板厚を薄くすることができ、金属製のベローズのバネ定数を小さくすることができ、金属製のベローズの伸縮量に対する荷重の変化を小さくできる。このため、回転側摺動環が軸方向に変動しても、固定側摺動環に対する軸方向の付勢力を安定することができ、摺動面の圧力を最適な値に維持することができる。また、金属製のベローズの取付長さの公差を緩和できる。さらに、従来のゴム製のベローズに代えて、金属製のベローズを用いると、ベローズの劣化や破れがなく、寿命を増大させることができる。また、ゴム製のベローズの場合に比べ、取付けのための部品を削減することができる。さらに、ベローズのバネ定数を、材質、板厚あるいは山数により、自在に設定することができる。さらに、バランス値を最適な値に設定することができる。【０００９】
また、本発明のメカニカルシールは、第２に、第１の特徴において、前記金属製のベローズは、山部と谷部が交互に繰り返し形成される蛇腹部、及び、前記蛇腹部の両端に前記谷部から径方向外側に延びる円盤状のフランジ部を備え、前記フランジ部の外径は前記山部の径より大きく、また、前記フランジ部の内径は前記谷部の径と略同じかまたは若干大きくなるように、成型または溶接により形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、金属製のベローズをケース及びカートリッジに容易に固定させることができると共に被密封流体の漏れを防止することができる。【００１０】
また、本発明のメカニカルシールは、第３に、第１または第２の特徴において、前記金属製のベローズと金属製のケース及び金属製のカートリッジとの固定は、前記金属製のベローズの前記フランジ部の外径よりわずかに内径側の位置において溶接または溶着により行われることを特徴としている。
この特徴によれば、金属製のベローズのフランジ部の内周部は、ケース及びカートリッジから離れることが可能となり、回転軸の偏芯に対しても追従性に優れ、安定したシール性を発揮することが可能になる。また、金属製のベローズの固定を特別の取付部材を使用することなく、確実に行うことができる。【００１１】
また、本発明のメカニカルシールは、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、前記回転側摺動環は前記スリーブにカップガスケットを介して固定され、前記カップガスケットは前記回転側摺動環の反摺動面側及び外周面に跨って設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、高圧流体の圧力がカップガスケットの外周面に作用しても、カップガスケットの離脱を防止することができる。【００１２】
また、本発明のメカニカルシールは、第５に、回転軸に固定されるスリーブと、ハウジングに固定されるカートリッジとを備え、前記スリーブには回転側摺動環が設けられ、前記カートリッジには前記回転側摺動環に対向して摺動する固定側摺動環及び該固定側摺動環を軸方向に付勢するベローズが設けられたインサイド形のメカニカルシールにおいて、前記ベローズは金属製であり、前記金属製のベローズは、一端が前記固定側摺動環を保持するガスケットに嵌合され、他端が前記カートリッジに固定され、その板厚が前記カートリッジの板厚より薄く設定されていることを特徴としている。
この特徴によれば、金属製のベローズがケースを兼用するように形成されているため、部品点数を削減でき、また、溶接箇所を減らすことができる。【００１３】
また、本発明のメカニカルシールは、第６に、第５の特徴において、前記固定側摺動環を保持する前記ガスケットに嵌合する前記金属製のベローズの外筒部の外周にはバンドが装着されることを特徴としている。
この特徴によれば、金属製のベローズとカップガスケットとの嵌合を確実なものとすることができる。【００１４】
また、本発明のメカニカルシールは、第７に、回転軸に固定されるスリーブと、ハウジングに固定されるカートリッジとを備え、前記スリーブには回転側摺動環が設けられ、前記カートリッジには前記回転側摺動環に対向して摺動する固定側摺動環及び該固定側摺動環を軸方向に付勢するベローズが設けられたインサイド形のメカニカルシールにおいて、前記ベローズは金属製であり、前記金属製のベローズは、一端が前記固定側摺動環に直接固定され、他端が前記カートリッジに固定され、その板厚が前記カートリッジの板厚より薄く設定されていることを特徴としている。
この特徴によれば、部品点数を削減できると共に、メカニカルシールの軸方向の長さを短くできる。また、メカニカルシールの軸方向の長さを短くする代わりに、金属製のベローズの山数を増やすことも可能である。【００１５】
また、本発明のメカニカルシールは、第８に、第１ないし第７のいずれかの特徴において、前記スリーブの内筒部の先端がカシメにより拡径されて前記カートリッジの内筒部に係合することにより前記カートリッジと前記スリーブとの軸方向の離脱が防止されるタイプにおいて、前記カートリッジの内筒部には前記固定側摺動環側と軸方向反対側に位置する部分が拡径されて段部が設けられ、前記ベローズは、前記カートリッジの内筒部の段部から固定側摺動環側に位置する部分の内径が前記カートリッジの内筒部の段部から固定側摺動環と反対側に位置する部分の内径より小径に形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、ベローズの外径を大きくすることなく、バランス値の低下を抑制することができ、摺動面の漏れ量を低減させることができ、また、ベローズのバネ定数の増加を抑制することができる。さらに、バランス値が１００％を超えるように設定する場合においても、回転側摺動環及び固定側摺動環の大径化を抑制することができ、メカニカルシールの大型化を回避することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）ベローズを金属製とし、金属製のベローズは、一端が固定側摺動環を保持するケースに固定され、他端がカートリッジに固定され、その板厚がケースまたはカートリッジの板厚より薄く設定されていることにより、金属製のベローズは専ら固定側摺動環を軸方向に付勢する役割を担い、ケース及びカートリッジ等とは別体に形成されるので、金属製のベローズの板厚を薄くすることができ、金属製のベローズのバネ定数を小さくすることができ、金属製のベローズの伸縮量に対する荷重の変化を小さくできる。このため、回転側摺動環が軸方向に変動しても、固定側摺動環に対する軸方向の付勢力を安定することができ、摺動面の圧力を最適な値に維持することができる。また、金属製のベローズの取付長さの公差を緩和できる。
さらに、従来のゴム製のベローズに代えて、金属製のベローズを用いると、ベローズの劣化や破れがなく、寿命を増大させることができる。また、ゴム製のベローズの場合に比べ、取付けのための部品を削減することができる。さらに、ベローズのバネ定数を、材質、板厚あるいは山数により、自在に設定することができる。さらに、バランス値を最適な値に設定することができる。【００１７】
（２）前記金属製のベローズは、山部と谷部が交互に繰り返し形成される蛇腹部、及び、前記蛇腹部の両端に前記谷部から径方向外側に延びる円盤状のフランジ部を備え、前記フランジ部の外径は前記山部の径より大きく、また、前記フランジ部の内径は前記谷部と略同じかまたは若干大きくなるように、成型または溶接により形成されることにより、金属製のベローズをケース及びカートリッジに容易に固定させることができると共に被密封流体の漏れを防止することができる。【００１８】
（３）金属製のベローズと金属製のケース及び金属製のカートリッジとの固定は、前記金属製のベローズの前記フランジ部の外径よりわずかに内径側の位置において溶接または溶着により行われることにより、金属製のベローズのフランジ部の内周部は、ケース及びカートリッジから離れることが可能となり、回転軸の偏芯に対しても追従性に優れ、安定したシール性を発揮することが可能になる。また、金属製のベローズの固定を特別の取付部材を使用することなく、確実に行うことができる。【００１９】
（４）回転側摺動環はスリーブにカップガスケットを介して固定され、カップガスケットは回転側摺動環の反摺動面側及び外周面に跨って設けられることにより、高圧流体の圧力がカップガスケットの外周面に作用しても、カップガスケットの離脱を防止することができる。【００２０】
（５）金属製のベローズは、一端が固定側摺動環を保持するガスケットに嵌合され、他端がカートリッジに固定されることにより、金属製のベローズがケースを兼用するように形成されているため、部品点数を削減でき、また、溶接箇所を減らすことができる。【００２１】
（６）固定側摺動環を保持するガスケットに嵌合する金属製のベローズの外筒部の外周にはバンドが装着されることにより、金属製のベローズとカップガスケットとの嵌合を確実なものとすることができる。【００２２】
（７）金属製のベローズは、一端が固定側摺動環に直接固定され、他端がカートリッジに固定されることにより、部品点数を削減できると共に、メカニカルシールの軸方向の長さを短くできる。また、メカニカルシールの軸方向の長さを短くする代わりに、金属製のベローズの山数を増やすことも可能である。【００２３】
（８）前記スリーブの内筒部の先端がカシメにより拡径されて前記カートリッジの内筒部に係合することにより前記カートリッジと前記スリーブとの軸方向の離脱が防止されるタイプにおいて、前記カートリッジの内筒部には前記固定側摺動環側と軸方向反対側に位置する部分が拡径されて段部が設けられ、前記ベローズは、前記カートリッジの内筒部の段部から固定側摺動環側に位置する部分の内径が前記カートリッジの内筒部の段部から固定側摺動環と反対側に位置する部分の内径より小径に形成されていることにより、ベローズの外径を大きくすることなく、バランス値の低下を抑制することができ、摺動面の漏れ量を低減させることができ、また、ベローズのバネ定数の増加を抑制することができる。さらに、バランス値が１００％を超えるように設定する場合においても、回転側摺動環及び固定側摺動環の大径化を抑制することができ、メカニカルシールの大型化を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例１に係るメカニカルシールの要部を示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施例２に係るメカニカルシールの要部を示す縦断面図である。
【図３】本発明の実施例３に係るメカニカルシールの要部を示す縦断面図である。
【図４】本発明の実施例４に係るメカニカルシールの要部を示す縦断面図である。
【図５】本発明の実施例５に係るメカニカルシールの要部を示す縦断面図である。
【図６】本発明の実施例６に係るメカニカルシールの要部を示す縦断面図である。
【図７】従来技術１のメカニカルシールの要部を示す縦断面図である。
【図８】従来技術２のメカニカルシールの要部を示す縦断面図である。
【図９】本発明の実施例５及び６に係るメカニカルシールを説明するための参考例を示す要部縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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、その相対的配置などは、特に明示的な記載がない限り、それらのみに限定する趣旨のものではない。  
【実施例１】
【００２６】
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について説明する。
なお、本発明は、摺動面の外周から内周方向へ向かって漏れようとする流体をシールする形式であるインサイド形のメカニカルシールに適用されるものであって、図１の左側が高圧流体側（被密封流体側）、右側が低圧流体側（大気側）である。【００２７】
本発明のメカニカルシールは、回転軸１に固定されるスリーブ２と、ハウジング３に固定されるカートリッジ４とを備え、スリーブ２には回転側摺動環５が設けられ、カートリッジ４には回転側摺動環５に対向して摺動する固定側摺動環６及び該固定側摺動環６を軸方向に付勢するベローズ７が設けられたメカニカルシールにおいて、ベローズ７は金属製であり、金属製のベローズ７は、一端が固定側摺動環６を保持するケース８に固定され、他端がカートリッジ４に固定され、その板厚がケース８またはカートリッジ４の板厚より薄く設定されていること、を主な特徴とするものである。【００２８】
回転軸１の高圧流体側には、例えば、ポンプインペラ（図示省略）が固定されており、ポンプのハウジング３の内径側と回転軸１の外径側との軸封部に本発明のメカニカルシールが配設されて密封するようになっている。【００２９】
スリーブ２は、回転軸１に嵌合される内筒部２ａと、内筒部２ａの高圧流体側から外径方向に延びる円盤部２ｂと、円盤部２ｂの外径側から低圧流体側に延びる外筒部２ｃを有し、略コ字状断面の低圧流体側にカップガスケット９を介して回転側摺動環５を保持する。カップガスケット９は回転側摺動環５の反摺動面側及び外周面に跨って設けられる。このため、高圧流体の圧力がカップガスケット９の外周面に作用しても、カップガスケット９が離脱することはない。【００３０】
カートリッジ４は、例えば、金属製からなり、ハウジング３の内周に嵌入する外筒部４ａと、外筒部４ａの低圧流体側から径方向内側に延びる円盤部４ｂと、円盤部４ｂの内径部から回転軸に沿って高圧流体側に延びる内筒部４ｃとを有し、略コ字状断面の高圧流体側に金属製のベローズ７を介して固定側摺動環６を軸方向に移動可能に保持する。カートリッジ４は、ハウジング３に対して着脱自在なカートリッジ形式に形成されている。カートリッジ４の板厚は、例えば金属製の場合、約０．４ｍｍ程度である。【００３１】
固定側摺動環６は、その反摺動面側及び外周面がカップガスケット１０を介してケース８に保持される。ケース８は、例えば、金属製からなり、外筒部８ａと円盤部８ｂを有する断面略逆Ｌ字状をなし、高圧流体側にカップガスケット１０を介して固定側摺動環６を保持し、円盤部８ｂの低圧流体側において金属製のベローズ７の一端と固定する。ケース８の板厚は、金属製の場合、約０．４ｍｍ程度である。
なお、カップガスケット９及び１０は弾性変形可能であり、例えば、ゴム、樹脂、又は金属などから選択される。【００３２】
金属製のベローズ７は、一端が固定側摺動環６を保持する金属製のケース８の円盤部８ｂに固定され、他端が金属製のカートリッジ４の円盤部４ｂに溶接などの手段により固定される。すなわち、金属製のベローズ７は、ケース８及びカートリッジ４とは別体に形成される。【００３３】
山部７ａと谷部７ｂが交互に繰り返して形成される伸縮自在の蛇腹部を備えたベローズ７において、ベローズ７の軸方向両端部にはベローズ７の谷部７ｂから伸びる円盤状のフランジ部７ｃが備えられており、これら両端のフランジ部７ｃ、７ｃの内径はベローズ７の谷部７ｂと略同じかあるいは若干大きく形成され、フランジ部７ｃの外径はベローズ７の山部７ａよりも大きく形成されている。
また、ベローズ７両端のフランジ部７ｃ、７ｃは、ケース８の円盤部８ｂ及びカートリッジ４の円盤部４ｂに固定される。固定される際には、ベローズ７の山部７ａの外径よりも大きく形成されたフランジ部７ｃの外径よりわずかに内径側の位置１１においてケース８及びカートリッジ４に溶接あるいは溶着させる。それにより、容易にベローズ７をケース８及びカートリッジ４に固定させると共に被密封流体が漏れないようにすることが可能になる。
さらに、ケース８の円盤部８ｂは、ベローズ７のフランジ部７ｃよりも若干内径側に延びていると共に、ベローズ７のフランジ部７ｃを全体的に支持していることにより、ベローズ７の作動及びばね定数の安定を図り、シール性の維持を達成している。
さらに、ベローズ７のフランジ部７ｃの外径よりわずかに内径側においてのみ溶接していることから、ベローズ７のフランジ部７ｃの内周部は、ケース８の円盤部８ｂ及びカートリッジ４の円盤部４ｂから離れることが可能となり、回転軸１の偏芯に対しても追従性に優れ、安定したシール性を発揮することが可能になる。【００３４】
金属製のベローズ７の材質としては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＡＭ３５０及びインコネル６２５が一般的である。また、金属製のベローズ７は、例えば、成型により形成される成型ベローズまたは溶接により形成される溶接ベローズからなる。さらに、金属製のベローズ７の板厚は金属製のケース８または金属製のカートリッジ４の板厚より薄く設定される。例えば、金属製のベローズ７の板厚は約０．１ｍｍ程度に設定され、ケース８またはカートリッジ４の板厚よりかなり薄いものから形成されている。【００３５】
金属製のベローズ７の板厚を薄くした場合、ベローズ７のバネ定数が小さくなり、ベローズ７の伸縮量に対する荷重の変化も小さくなる。このように、ベローズ７の伸縮量に対する荷重の変化が小さくなると、回転側摺動環５が軸方向に変動しても、固定側摺動環６に対する軸方向の付勢力が安定するので、摺動面の圧力を最適な値に維持することができる。また、ベローズ７の取付長さの公差を緩和できるというメリットもある。図１の場合、金属製のベローズ７の山数は２山であるが、ベローズ７の伸縮量に対する荷重を小さくする場合は３山に、また、軸方向の長さを短くする場合には１山にするなど、必要に応じて山数を増減させてもよい。【００３６】
金属製のベローズ７の有効径（略、内径と外径との中心径。）と摺動面Ｓの径方向の位置関係については、固定側摺動環６を摺動面側に押圧する力Ｆ１と反摺動面側に押圧する力Ｆ２とが一定の関係でバランスするように設定される。
図１に示す実施例の場合、金属製のベローズ７の被密封流体から受ける受圧面積（固定側摺動環６を摺動面側に押圧する方向に作用させるためのベローズ７が被密封流体から受ける受圧面積の意味であり、ベローズ７の有効径と摺動面Ｓの外径との間の面積で表される。以下、同じ）をＡ１とし、回転側摺動環５と固定側摺動環６との摺動面積をＡ２とした場合、Ａ１／Ａ２の比で表されるバランス値が、５０％≦バランス値≦１００％の範囲に設定されている。このバランス値は、バランス径（有効径）と摺動面積の設定如何により変更可能であり、通常、被密封流体の圧力が高い場合は大きく、低い場合は小さく設定される。【００３７】
従来のゴム製のベローズに代えて、金属製のベローズを用いると、ベローズの劣化や破れがなく、寿命を増大させることができる。また、ゴム製のベローズの場合に比べ、取付けのための部品を削減することができる。さらに、ベローズのバネ定数を、材質、板厚あるいは山数により、自在に設定することができる。さらに、バランス値を最適な値に設定することができる。
【実施例２】
【００３８】
次に、図２を参照して、本発明の実施例２に係るメカニカルシールについて説明する。
図２に示す実施例２は、金属製のベローズがケースを兼用するように形成されている点で、図１に示した実施例１と相違するが、その他の構成は実施例１と同じであり、重複する説明は省略する。【００３９】
図２において、金属製のベローズ１５は、山部１５ａと谷部１５ｂが交互に繰り返して形成される伸縮自在の蛇腹部を備え、ベローズ１５の軸方向両端部にはベローズ１５の谷部１５ｂから伸びる円盤状のフランジ部１５ｃが備えられており、これら両端のフランジ部１５ｃ、１５ｃの内径はベローズ１５の谷部１５ｂと略同じかあるいは若干大きく形成され、フランジ部１５ｃの外径はベローズ１５の山部１５ａよりも大きく形成されている。ベローズ１５のカートリッジ４側のフランジ部１５ｃは、カートリッジ４の円盤部４ｂに固定される。固定側摺動環６側のフランジ部１５ｃには、固定側摺動環６を保持するカップガスケット１０の外周面と嵌合されるように外筒部１５ｄが連続して形成され、外筒部１５ｄとカップガスケット１０の外周面とが弾力的に嵌合するようになっている。カートリッジ４側のフランジ部１５ｃを、カートリッジ４の円盤部４ｂ固定する際には、ベローズ１５の山部１５ａの外径よりも大きく形成されたフランジ部１５ｃの外径よりわずかに内径側の位置１１においてカートリッジ４に溶接あるいは溶着させる。それにより、容易にベローズ１５をカートリッジ４及びカップガスケット１０に固定させると共に被密封流体が漏れないようにすることが可能になる。さらに、ベローズ１５のカートリッジ４側のフランジ部７ｃは外径よりわずかに内径側においてのみ溶接されていること、及び、固定側摺動環６側のフランジ部１５ｃはカップガスケット１０の側面に弾力的に接合されていることから、ベローズ１５のフランジ部１５ｃの内周部は、カートリッジ４の円盤部４ｂ及びカップガスケット１０の側面から離れることが可能となり、回転軸１の偏芯に対しても追従性に優れ、安定したシール性を発揮することが可能になる。【００４０】
金属製のベローズ１５の材質及び成形方法については、実施例１の金属製のベローズ７と同じである。また、金属製のベローズ１５の板厚は金属製のカートリッジ４の板厚より薄く設定される。【００４１】
本実施例２では、金属製のベローズ１５がケースを兼用するように形成されているため、部品点数を削減でき、また、溶接箇所を減らすことができる。
【実施例３】
【００４２】
次に、図３を参照して、本発明の実施例３に係るメカニカルシールについて説明する。
図３に示す実施例３は、金属製のベローズの外筒部の外周にバンドが装着される点で、図２に示した実施例２と相違するが、その他の構成は実施例２と同じであり、重複する説明は省略する。【００４３】
図３において、金属製のベローズ１５の外筒部１５ｄの外周にバンド１６が装着される。バンド１６は、カップガスケット１０の径方向外側への弾性力に抗して外筒部１５ｄを径方向内側に締め付けるものである。バンド１６としては、例えば、弾性変形可能なリング状の薄板からなり、周方向の接合部をネジで締め込むことにより径を小さくするようにしたホースバンドタイプや、同じく、弾性変形可能なリング状の薄板からなり、弾性で縮小方向に変形する力に抗してワンタッチで拡径方向に操作可能な板クリップ型（ワンタッチホスクランプ）、あるいは、弾性変形可能なリング状の薄板の周方向の１箇所が切断されたＣリング型等から構成される。【００４４】
本実施例３では、バンド１６によりカップガスケット１０の径方向外側への弾性力に抗して外筒部１５ｄを径方向内側に締め付けるため、ベローズ１５の外筒部１５ｄとカップガスケット１０との嵌合を確実なものとすることができる。
【実施例４】
【００４５】
次に、図４を参照して、本発明の実施例４に係るメカニカルシールについて説明する。
図４に示す実施例４は、金属製のベローズのフランジ部と固定側摺動環とが直接固定される点で、図１に示した実施例１と相違するが、その他の構成は実施例１と同じであり、重複する説明は省略する。【００４６】
固定側摺動環６が金属溶接可能な材質の場合、図１に示すケース８及びカップガスケット１０を用いることなく、金属製のベローズ７を固定側摺動環６に直接溶接することができる。 
図４において、ベローズ７両端のフランジ部７ｃ、７ｃは、カートリッジ４の円盤部４ｂ及び固定側摺動環６の反摺動面側６ａに固定される。固定される際には、ベローズ７の山部７ａの外径よりも大きく形成されたフランジ部７ｃの外径よりわずかに内径側の位置１１において固定側摺動環６及びカートリッジ４に、直接、溶接あるいは溶着される。
固定側摺動環６の材質としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、燒結金属、超硬合金あるいはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）が挙げられる。固定側摺動環６の材質が、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）及び燒結金属の場合は溶接により、また、超硬合金及びシリコンカーバイド（ＳｉＣ）の場合はろう付けにより固定可能である。【００４７】
本実施例４では、図１に示すようなケース８及びカップガスケット１０を用いることがないため、部品点数を削減できると共に、メカニカルシールの軸方向の長さを短くできる。また、メカニカルシールの軸方向の長さを短くする代わりに、金属製のベローズ７の山数を増やすことも可能である。
【実施例５】
【００４８】
次に、図５及び図９を参照して、本発明の実施例５に係るメカニカルシールについて説明する。
図５に示す実施例５は、カートリッジとスリーブとの軸方向の離脱を防止できる、いわゆる固定側・回転側カシメによる一体化のタイプである点で、図１〜図４に示した実施例１〜実施例４と相違するが、その他の構成、例えば、バランス値が、５０％≦バランス値≦１００％の範囲に設定されている点でも、これらの実施例と同じであり、重複する説明は省略する。【００４９】
図９は、本発明の実施例５に係るメカニカルシールを説明するための参考例である。
スリーブ２の内筒部２ａの先端２ｄがカシメにより拡径されてカートリッジ４の内筒部４ｃに係合することによりカートリッジ４とスリーブ２との軸方向の離脱が防止されるタイプにおいて、カートリッジ４の内筒部４ｃにはスリーブ２の内筒部２ａの先端２ｄと係合する段部４ｄが設けられた状態を示している。この段部４ｄは、内筒部４ｃの円盤部４ｂ側の一部が拡径される形状とされることで形成されており、この内筒部４ｃの拡径された部分にスリーブ２の内筒部２ａのカシメにより拡径された先端２ｄが嵌入され、先端２ｄと段部４ｄとが係合するようになっている。【００５０】
図９に示すように、カートリッジ４の内筒部４ｃに段部４ｄが設けるには、ベローズ７の内径を実施例１〜４のベローズの内径より大きくして内筒部４ｃとの間に一定の間隙を設ける必要がある。ベローズ７の内径を大きくすると、その外径を一定とした場合、有効径が大きくなり、ベローズ７の被密封流体から受ける受圧面積Ａ１が小さくなるため、バランス値＝Ａ１／Ａ２（Ａ２は摺動面の面積）は低下し、漏れ量が増加するという問題がある。
なお、ベローズ７の外径を大きくすれば、受圧面積Ａ１が大きくなり、バランス値も大きくなるが、ベローズ７の外径を大きくすると、ベローズ７とカートリッジ４等の金属部品との溶接作業がやりにくくなり、また、メカニカルシールの外径が大きくなるという問題があるため、実用的ではない。【００５１】
本発明の実施例５に係るメカニカルシールは、前記参考例の問題点を解決したものであり、図５は、その要部を示す縦断面図である。図５の破線は固定側摺動環６の周方向の一部に設けられた回り止め部の断面を示しており、実線は回り止め部以外の部分の断面を示している。なお、図１〜図４の実施例１〜実施例４では、実線が回り止め部を示し、破線が回り止め部以外の部分の断面を示し、図５と逆である。【００５２】
図５において、スリーブ２０の内筒部２０ａの先端２０ｄがカシメにより拡径されてカートリッジ４０の内筒部４０ｃに係合することによりカートリッジ４０とスリーブ２０との軸方向の離脱を防止するため、カートリッジ４０の内筒部４０ｃの円盤部４０ｂ側の一部が拡径されて拡径部４０ｅが形成され、段部４０ｄが設けられている。スリーブ２０の内筒部２０ａの先端２０ｄと係合する段部４０ｄが設けられている。この内筒部４０ｃの段部４０ｄにスリーブ２０の内筒部２０ａのカシメにより拡径された先端２０ｄが係合することで、カートリッジ４０とスリーブ２０との軸方向の離脱を防止され、固定側と回転側とが一体化されるものである。【００５３】
金属製のベローズ３０は、外径が上記参考例と同じであって、カートリッジ４０の内筒部４０ｃの段部４０ｄから固定側摺動環６側に位置する部分の内径がカートリッジ４０の内筒部４０ｃの段部４０ｄから固定側摺動環６と反対側に位置する部分の内径より小径に形成されている。すなわち、金属製のベローズ３０は、断面視において、内径側が段をなす形状をしている。
以下、説明の便宜上、ベローズ３０の内径が大きい部分を大内径部３０−１、内径の小さい部分を小内径部３０−２と呼ぶことがある。【００５４】
ベローズ３０の大内径部３０−１は、有効径が上記参考例と同じであるため、有効径と摺動面Ｓの外径との間の面積で表される受圧面積Ａ１−１が小さく、バランス値も小さくなる。
一方、ベローズ３０の小内径部３０−２は、大内径部３０−１よりも有効径が小さくなるため、有効径と摺動面Ｓの外径との間の面積で表される受圧面積Ａ１−２が大きく、バランス値も大きくなる。
このため、ベローズ３０の全体のバランス値は、図９に示したベローズの外径が同じであって段付きでないもの（参考例）のバランス値よりも大きくなり、バランス値の低下を抑制することができ、摺動面Ｓの漏れ量を低減させることができる。また、ベローズ３０のバネ定数の増加を抑制することができる。【００５５】
本実施例においては、スリーブ２０の内筒部２０の先端２０ｄがカシメにより拡径されてカートリッジ４０の内筒部４０ｃに係合することによりカートリッジ４０とスリーブ２０との軸方向の離脱が防止されるタイプにおいて、カートリッジ４０の内筒部４０ｃには固定側摺動環６側と軸方向反対側に位置する部分が拡径されて段部４０ｄが設けられ、ベローズ３０は、カートリッジ４０の内筒部４０ｃの段部４０ｄから固定側摺動環６側に位置する部分の内径が段部４０ｄから固定側摺動環６と反対側に位置する部分の内径より小径に形成されているため、ベローズの外径が同じであって、内径を一様に大きくした場合に比べ、バランス値が大きくなり、バランス値の低下を抑制することができ、摺動面Ｓの漏れ量を低減させることができる。また、ベローズ３０のバネ定数の増加を抑制することができる。換言すれば、ベローズの外径を大きくすることなく、バランス値の低下を抑制することができ、摺動面Ｓの漏れ量を低減させることができ、また、ベローズ３０のバネ定数の増加を抑制することができるという顕著な効果を奏するものである。
【実施例６】
【００５６】
次に、図６を参照して、本発明の実施例６に係るメカニカルシールについて説明する。
図６に示す実施例６は、カートリッジとスリーブとの軸方向の離脱を防止できる、いわゆる固定側・回転側カシメによる一体化のタイプである点で、図５に示した実施例５と同じであるが、バランス値が１００％を超えるように設定されている点で図５に示した実施例５と相違する。
以下において、実施例５と同じ点については重複する説明は省略する。【００５７】
図６に示す実施例６の場合、金属製のベローズ３０の被密封流体から受ける受圧面積をＡ１（受圧面積Ａ１−１と受圧面積Ａ１−１との平均値）とし、回転側摺動環５と固定側摺動環６との摺動面積をＡ２とした場合、Ａ１／Ａ２の比で表されるバランス値が、１００％を超えるように設定されている。【００５８】
バランス値が１００％を超えるように設定するには、ベローズ３０のバランス径（有効径）よりも、回転側摺動環５と固定側摺動環６との摺動面の内径を大きくする必要があるため、ベローズ３０のバランス径を一定とすると、回転側摺動環５及び固定側摺動環６の径が大きくなり、メカニカルシールの大型化を招くという問題がある。
本実施例６によれば、ベローズ３０の小内径部３０−２は、大内径部３０−１よりも有効径が小さいため、回転側摺動環５と固定側摺動環６との摺動面の内径の大径化を抑制することができる。【００５９】
本実施例においては、スリーブ２０の内筒部２０の先端２０ｄがカシメにより拡径されてカートリッジ４０の内筒部４０ｃに係合することによりカートリッジ４０とスリーブ２０との軸方向の離脱が防止されるタイプにおいて、カートリッジ４０の内筒部４０ｃには固定側摺動環６側と軸方向反対側に位置する部分が拡径されて段部４０ｄが設けられ、ベローズ３０は、カートリッジ４０の内筒部４０ｃの段部４０ｄから固定側摺動環６側に位置する部分の内径が段部４０ｄから固定側摺動環６と反対側に位置する部分の内径より小径に形成されているため、ベローズの外径が同じであって、内径を一様に大きくした場合に比べ、バランス値が１００％を超えるように設定する場合においても、回転側摺動環５と固定側摺動環６との摺動面の内径の大径化を抑制することができる。
換言すれば、回転側摺動環５及び固定側摺動環６の径をさほど大きくすることなく、バランス値が１００％を超えるように設定することができ、メカニカルシールの大型化を回避することができるという顕著な効果を奏するものである。【００６０】
以上、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。【００６１】
例えば、前記実施例では、本発明のメカニカルシールがポンプに適用される場合について説明したが、これに限らず、例えば、コンプレッサ、水中モータ等、各種産業機械に適用できる。【００６２】
また、例えば、前記実施例では、カートリッジ４及びケース８が金属製から形成される場合について説明したが、金属製に限らず、耐食性の高い材料であればよく、例えば、プラスチック製でもよい。その場合、金属製のベローズとの固定は、例えば、接着剤による接着あるいはレーザによる結合などが考えられる。【００６３】
また、例えば、前記実施例１〜５では、バランス値が、５０％≦バランス値≦１００％の範囲に設定される場合について説明し、実施例６ではバランス値が１００％を超えるように設定される場合について説明しているように、本発明は、いずれのバランス値の場合でも適用可能である。
なお、バランス値は、被密封流体の種類、圧力などに応じて適宜設定されるものである。【００６４】
また、例えば、前記実施例５及び６では、分かりやすく説明する都合上、ベローズの外径が同じである場合を例にして本発明の効果を説明したが、これに限定されるものではなく、ベローズ３０の外径に変動があっても、本発明は効果を奏するものである。要は、固定側と回転側とが一体化されるタイプにおいて、ベローズ３０の一部分の内径を小さくすることにより、バランス値の低下の防止、又は、回転環及び固定環の大径化を抑制することに技術的意義があるものである。【００６５】
すなわち、実施例５のように、バランス値が、５０％≦バランス値≦１００％の範囲では、バランス値の低下が防止され、実施例６のように、バランス値が１００％を超える場合には、回転側摺動環及び固定側摺動環の大径化を抑制され、メカニカルシールの大型化を回避されるものである。
【符号の説明】
【００６６】
１              回転軸
２              スリーブ
３              ハウジング
４              カートリッジ
５              回転側摺動環
６              固定側摺動環
７              金属製のベローズ
８              ケース
９              カップガスケット
１０             カップガスケット
１５             金属製のベローズ  
１６             バンド
２０             スリーブ
３０             金属製のベローズ
４０             カートリッジ
【図１】
2014054745.tif 000003
【図２】
2014054745.tif 000004
【図３】
2014054745.tif 000005
【図４】
2014054745.tif 000006
【図５】
2014054745.tif 000007
【図６】
2014054745.tif 000008
【図７】
2014054745.tif 000009
【図８】
2014054745.tif 000010
【図９】
2014054745.tif 000011
【国際調査報告】
2014054745.tif 000012
2014054745.tif 000013
2014054745.tif 000014
2014054745.tif 000015