(57)【要約】【課題】回転軸側に固定される回転環と、ベローズを介して固定壁側に固定される固定環との相対位置が変化することによりベローズが大きく変形し、この状態でベローズに流体力が作用しても、ベローズの非可逆的な変形を防止して、回転環の動きに固定環が追従して確実にシール性能を発揮できるメカニカルシールを提供すること【解決手段】ベローズ２２２を介して固定壁２２６に固定される固定環２２１と回転環２１１とが摺動する摺動面Ｓの内径側から外径側へ向かう流体をシールするメカニカルシールであって、ベローズ２２２の外筒部２２２ｃを固定環２２１に保持するためのケース部材２２３と、ベローズ２２２の内筒部２２２ａに嵌合され、内筒部２２２ａとの嵌合長さに略等しい軸方向長さを有する保持部材２２４と、ベローズ２２２は外筒部２２２ｃと内筒部２２２ａの間に屈曲部２２２ｂと、を備え、ケース部材２２３は、屈曲部２２２ｂの径方向外側を全周に亘って覆う壁部２２３ａを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベローズを介して固定壁に固定される固定環と回転環とが摺動する摺動面の内径側から外径側へ向かう流体をシールするメカニカルシールであって、
前記ベローズの外筒部を前記固定環に保持するためのケース部材と、
前記ベローズの内筒部に嵌合され、前記内筒部との嵌合長さに略等しい軸方向長さを有する保持部材と、
前記ベローズは前記外筒部と前記内筒部の間に屈曲部と、を備え、
前記ケース部材は、前記屈曲部の径方向外側を全周に亘って覆う筒状壁部を備えることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】
前記保持部材は、前記保持部材の前記軸方向長さよりも短く、前記ベローズの開放端部側に配設された凸状部を有し、
前記ケース部材は、前記凸状部と係合する溝部を備え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。
【請求項３】
前記ケース部材の前記筒状壁部と前記保持部材とは全周に亘って重なる重なり部を備え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】
前記ベローズと前記ケース部材との間には、前記ベローズを拘束することなく前記ベローズの伸縮変形を可能とする外側空隙部を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のメカニカルシール。
【請求項５】
前記ベローズの内径側には、前記ベローズを拘束することなく該ベローズの伸縮変形を可能とする内側空隙部を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか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、回転軸側に固定される回転環と、ベローズを介して固定壁側に固定される固定環との相対位置が、温度変化により大きく変位するメカニカルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、全閉形回転電機において、回転子を液体冷却するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。液冷却方式の回転子４は、冷却液箱６に取着された入液パイプ６ａの入液口６ｃから中空軸５に設けられた穴５ａに供給された冷却液が、穴の端面５ｂで反転して中空軸の穴５ａと入液パイプ６ａの外周との隙間５ｃを逆流し、穴の開口部５ｄから冷却液箱６に設けられた排液口６ｂから流出して、回転子１３０の冷却を行うものである。そしてメカニカルシール・ユニット７のスラスト方向摺動リング７ｂと回転リング７ｃは、互いに接触シール面Ｂで摺動して中空軸５の穴５ａを流れる冷却液の漏れを防止している。【０００３】
さらに、全閉形回転電機において回転子を液体冷却するものとして、特許文献２のものがある。特許文献２においては、メカニカルシールのメイティングリング４１を中空軸５の内周部に配置して、摺動面の内径側から外径側に向かう流体の漏れを制限するアウトサイド形のメカニカルシールとすることによって、メイティングリング４１とシールリング４２との摺動面の径を小さくして、摺動面における周速を抑えることにより、高速、大容量の液冷却方式の回転子を実現している。【０００４】
また、特許文献２において、シールリング４２は、複数の折り返し部を有するゴム製の弾性ベローズ４４を介してキャリア３７に密封状に固定されるとともに、シールリング４２は、スプリング４５によって軸方向に付勢されている。このように、弾性ベローズ４４は折り返し部を複数設けることによって、中空軸５とキャリア３７との相対変位を吸収できるので、温度変化により中空軸５が大きく伸縮しても、シールリング４２はメイティングリング４１の動きに追従して流体をシールできるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１７０６９４号公報（第２−３ページ、図１−図２）
【特許文献２】国際公開第２０１６／０５０５３４号パンフレット（第８ページ、ＦＩＧ１，ＦＩＧ４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１にあっては、メカニカルシール・ユニット７は、中空軸５の外周側に配設されているためスラスト方向摺動リング７ｂと回転リング７ｃの接触シール面Ｂにおける径が大きくなり、周速が高くなる。このため、メカニカルシール・ユニット７は、大形機や高速機に対して適用することが困難であった。【０００７】
一方、特許文献２のメカニカルシールにおいては、大形機や高速機に対して適用することができるものの、温度変化により回転軸が伸び、弾性ベローズ４４が軸方向に縮んだ状態で、ベローズ内部から流体圧が作用すると、弾性ベローズ４４は樽状に変形してしまい、最悪の場合には弾性ベローズ４４がスプリング４５に接触してスプリング４５の動きを阻害し、十分なシール性能を発揮できない虞がある。逆に樽状に変形した状態から弾性ベローズ４４が元の形状に戻るためには、回転軸が縮んで弾性ベローズ４４が軸方向に伸び、弾性ベローズ４４の径方向内側へ収縮する必要がある。しかし、弾性ベローズ４４内には常に流体圧が作用しているため、弾性ベローズ４４は樽状に変形した状態から元の形状に戻ることができない。すなわち、回転環と固定環との相対位置が変化して軸方向に縮んだ状態で弾性ベローズ４４に内圧が作用すると、径方向に大きく変形して元の形状に戻ることができない非可逆的変形を引き起こす。【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、回転軸側に固定される回転環と、ベローズを介して固定壁側に固定される固定環との相対位置が変化することによりベローズが大きく変形し、この状態でベローズに流体圧が作用しても、ベローズは非可逆的な変形をすることなく、回転環の動きに固定環が追従して確実にシール性能を発揮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】
【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、
ベローズを介して固定壁に固定される固定環と回転環とが摺動する摺動面の内径側から外径側へ向かう流体をシールするメカニカルシールであって、
前記ベローズの外筒部を前記固定環に保持するためのケース部材と、
前記ベローズの内筒部に嵌合され、前記内筒部との嵌合長さに略等しい軸方向長さを有する保持部材と、
前記ベローズは前記外筒部と前記内筒部の間に屈曲部と、を備え、
前記ケース部材は、前記屈曲部の径方向外側を全周に亘って覆う筒状壁部を備えることを特徴としている。【００１０】
この特徴によれば、回転環と固定環との相対位置が変化によりベローズが大きく変形した状態で流体圧が作用しても、屈曲部を全周に亘って覆う筒状壁部によって変形を規制するので、ベローズの非可逆的な変形を防止できる。【００１１】
本発明のメカニカルシールは、
前記保持部材は、前記保持部材の前記軸方向長さよりも短く、前記ベローズの開放端部側に配設された凸状部を有し、
前記ケース部材は、前記凸状部と係合する溝部を備えることを特徴としている。【００１２】
この特徴によれば、ケース部材の溝部と保持部材の凸状部とが係合して、ベローズの動きを軸方向に案内するとともに、ベローズのねじれ変形を防止することができる。【００１３】
本発明のメカニカルシールは、
前記ケース部材の前記筒状壁部と前記保持部材とは周方向全周に亘って重なる重なり部を備えることを特徴としている。【００１４】
この特徴によれば、ケース部材の筒状壁部と保持部材の重なり部によって、ベローズの径方向のはみ出しを防止するとともに、ケース部材の径方向の変位を制限することができる。【００１５】
本発明のメカニカルシールは、
前記ベローズと前記ケース部材との間には、前記ベローズを拘束することなく前記ベローズの伸縮変形を可能とする外側空隙部を備えることを特徴としている。【００１６】
この特徴によれば、ベローズは他の部材に影響を与えることなく、外側空隙部内にベローズの変形を吸収することができる。【００１７】
本発明のメカニカルシールは、
前記ベローズの内径側には、前記ベローズを拘束することなく該ベローズの伸縮変形を可能とする内側空隙部を備えることを特徴としている。【００１８】
この特徴によれば、ベローズは他の部材に影響を与えることなく、内側空隙部内にベローズの変形を吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例１に係るメカニカルシールを適用したモータの縦断面図である。
【図２】本発明の実施例１に係るメカニカルシールを示す縦断面図である。
【図３】本発明の実施例１に係るメカニカルシールを構成するケース部材を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係るメカニカルシールを構成するドライブリングを示す図である。
【図５】本発明の実施例２に係るメカニカルシールを示す縦断面図である。
【図６】本発明の実施例２に係るメカニカルシールを構成するケース部材を示す図である。
【図７】本発明の実施例２に係るメカニカルシールを構成するドライブリングを示す図である。
【図８】本発明の実施例３に係るメカニカルシールを示す縦断面図である。
【図９】本発明の実施例３に係るメカニカルシールを構成するケース部材を示す図である。
【図１０】本発明の実施例３に係るメカニカルシールを構成するドライブリングを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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図１から図４を参照し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、本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１】
【００２１】
図１において、モータ１００は、本発明のメカニカルシール２００が適用された全閉形液冷媒冷却方式である。モータ１００は、固定子ハウジング１１０内に支持された固定子１２０、軸受部１５１、１５５によって回転自在に支持された回転子１３０、メカニカルシール２００から主に構成される。固定子１２０は、固定子鉄心１２１と固定子コイル１２２から主に構成され、回転子１３０は回転子鉄心１３１、回転子導体１３２及び中空回転軸１３３から主に構成される。モータ１００は、外部より固定子１２０に電力が供給され、回転磁界が発生すると、回転子１３０は回転駆動力を発生する。また固定子１２０及び回転子１３０は、通電による電気的な損失や回転子１３０の回転による摩擦損失が発生する。この固定子１２０及び回転子１３０から発生する損失は、以下に説明するように主に液冷媒によって冷却される。【００２２】
固定子１２０を支持する固定子ハウジング１１０は、主に筒状の外側ハウジング１１１と、外周に冷媒流路１１２ａが形成された筒状の内側ハウジング１１２とからなり、内側ハウジング１１２が、外側ハウジング１１１内に密封嵌合される。また、外側ハウジング１１１は、内側ハウジング１１２の冷媒流路１１２ａに連通する冷媒入口孔、冷媒出口孔（図示せず）を有し、冷媒入口孔から流入した冷媒は、冷媒流路１１２ａを流れ、冷媒出口孔から流出する。このように構成された固定子１２０は、固定子ハウジング１１０内の冷媒流路１１２ａを流れる冷媒によって冷却される。【００２３】
一方、中空回転軸１３３を有する回転子１３０は以下のように冷却される。図１に示すように、中空回転軸１３３は、回転子鉄心１３１の略全長に亘って設けられる中空部１３３ａを備え、該中空部１３３ａは内周壁１３３ｄ、該内周壁１３３ｄの一端を外部に連通する開口端部１３３ｂ、他端を閉塞する閉塞部１３３ｃからなる。また、中空回転軸１３３の中空部１３３ａには、冷媒導入手段１６０によって冷媒が導入される。冷媒導入手段１６０は、中空部１３３ａより小径の冷媒導入管１６１、該冷媒導入管１６１と一体に形成されたフランジ１６２から構成される。冷媒導入管１６１は中空部１３３ａに挿入され、フランジ１６２は中空回転軸１３３の開口端部１３３ｂ側のケーシング１７０を介してブラケット１５７に固定される。さらにフランジ１６２には冷媒供給管１６３が接続され、冷媒供給管１６３から供給される冷媒は、図１の矢印に示されるように冷媒導入管１６１内を通り、中空部１３３ａの閉塞部１３３ｃまで送り込まれ、冷媒は中空部１３３ａの内周壁１３３ｄと冷媒導入管１６１との隙間を逆流して、フランジ１６２に設けられた冷媒排出孔１６２ａから回転子１３０の外部へ流出する。こうして回転子鉄心１３１及び回転子導体１３２は、中空回転軸１３３の中空部１３３ａの内周壁１３３ｄと冷媒導入管１６１との隙間を流れる冷媒によって冷却される。【００２４】
また、図１及び図２に示すように、モータ１００は、中空回転軸１３３の中空部１３３ａを流れる冷媒をシールするためにメカニカルシール２００を備える。メカニカルシール２００は、中空回転軸１３３（本発明に係る回転軸）の内周壁１３３ｄの開口端部１３３ｂ側に固定され、中空回転軸１３３と一体に回転する回転側カートリッジ２１０と、ケーシング１７０に非回転状態で固定される固定側カートリッジ２２０とからなる。回転側カートリッジ２１０に配設される回転環２１１と、固定側カートリッジ２２０に配設される固定環２２１とが摺動面Ｓで互いに密接摺動することにより、中空回転軸１３３の中空部１３３ａを流れる流体としての冷媒が、摺動面Ｓの内径側から外径側に向かって漏れようとする流体を密封するアウトサイド形のメカニカルシールである。【００２５】
しかし、図１に示すモータ１００を車載用のモータとして使用した場合には、その周囲温度は−４０℃から６５℃の範囲で変化する場合があり、この温度範囲でモータ１００が運転されると、モータ１００の温度は−４０℃から１４０℃の範囲で変動し、モータ１００の中空回転軸１３３は±１ｍｍ程度伸び縮みする可能性がある。通常、回転側カートリッジと固定側カートリッジの軸方向変位は±０．１ｍｍ程度であれば、ベローズ全体が変形して固定環は回転環の相対変位に追従してシールすることができる。ところが、回転側カートリッジ２１０と固定側カートリッジ２２０との間の相対変位が±１ｍｍ程度になると、固定環は回転環の相対変位に追従してシールすることができない虞がある。また、ベローズが±１ｍｍ程度の相対変位に追従できるようにベローズ全体を薄肉に形成することもできるが、薄肉のベローズでは、流体圧により樽状に非可逆に変形してしまう虞もある。【００２６】
そこで、本発明のメカニカルシール２００は、回転環と固定環との相対位置が大きく変化することによりベローズが大きく変形し、この状態でベローズに流体圧が作用しても、ベローズは非可逆的な変形をすることなく、回転環の動きに固定環が追従して確実にシール性能を発揮できるものである。以下、本発明のメカニカルシール２００を構成する回転側カートリッジ２１０、固定側カートリッジ２２０の構成について説明する。【００２７】
回転側カートリッジ２１０は、回転環２１１と、該回転環２１１と中空回転軸１３３の内周壁１３３ｄとの間を密封するカップガスケット２１２とから主に構成され、回転側カートリッジ２１０は中空回転軸１３３の内周壁１３３ｄに圧入固定される。【００２８】
図２に示すように、回転環２１１は、断面略矩形の環状部材からなり、機械強度が高く、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素、アルミナ等の各種セラミクスや、超硬合金等から構成される。固定環２２１と対向する回転環２１１の前面側には、ラッピング等により鏡面仕上げされた摺動面Ｓが設けられている。【００２９】
カップガスケット２１２は、回転環２１１の外周面に嵌合される外筒部２１２ａ、回転環２１１の背面を覆う径方向部２１２ｂからなる断面略Ｌ字状の環状部材であり、ゴム等の弾性体からなる。回転環２１１の摺動面Ｓは、固定側カートリッジ２２０の固定環２２１に対向して配設される。カップガスケット２１２の外筒部２１２ａは、回転環２１１の外周面と中空回転軸１３３の内周壁１３３ｄとの間で適切な締め代が付与されることによって、密封性が確保されるとともに、回転環２１１は中空回転軸１３３と一体に固定される。【００３０】
つぎに、固定側カートリッジ２２０について説明する。固定側カートリッジ２２０は、ケーシング１７０に密封状に固定されるハウジング２２６（本発明に係る固定壁）と、該ハウジング２２６の環状空間２２６ｄ側に収容される固定環２２１、固定環２２１を密封するベローズ２２２、ベローズ２２２の一端を固定環２２１に対し保持固定するためのケース部材２２３、ベローズ２２２の他端をハウジング２２６に対して保持固定するためのドライブリング２２４（本発明に係る保持部材）、及びケース部材２２３を介して固定環２２１を回転環２１１に向けて付勢するスプリング２２５から主に構成される。以下、固定側カートリッジ２２０の各構成について説明する。【００３１】
図２に示すように、ハウジング２２６は、ケーシング１７０に圧入固定される外側環状部２２６ｃ、該外側環状部２２６ｃの一端から径方向内側に延設されるハウジング壁２２６ｂ、及び該ハウジング壁２２６ｂの内径側端部から軸方向に延設される内側環状部２２６ａから主に構成される断面略Ｕ字状の環状部材である。ハウジング２２６の開放部は、回転環２１１の摺動面Ｓに対向するようにケーシング１７０に圧入固定される。なお、ハウジング２２６をケーシング１７０に圧入固定して形成したが、ハウジング２２６とケーシング１７０とを一体に形成してもよい。【００３２】
図２に示すように、固定環２２１は、環状部材からなり、カーボン等の自己潤滑性、摺動性に優れた材料から構成される。固定環２２１には、回転環２１１と摺動する摺動面Ｓが形成されている。固定環２２１の摺動面Ｓは、軸方向に突出した環状部に形成され、ラッピング等により平滑に鏡面仕上げされている。また固定環２２１の外周部には、後述するベローズ２２２によって覆われ密封される外周端部２２１ａが形成されている。なお、回転環２１１及び固定環２２１の材質は、耐摩耗性に優れた炭化珪素（ＳｉＣ）と自己潤滑性に優れたカーボンとの組合せとしたが、例えば、両者を炭化ケイ素、アルミナ等の各種セラミクスや、超硬合金等から形成してもよい。【００３３】
図２に示すように、ベローズ２２２は、軸方向に延設された内筒部２２２ａ、内筒部２２２ａより大径に形成された外筒部２２２ｃ、及び内筒部２２２ａと外筒部２２２ｃを接続する断面略Ｌ字状に形成された屈曲部２２２ｂから少なくとも構成される環状部材で、柔軟なゴム、合成樹脂などの非金属弾性体からなる。【００３４】
また、略Ｌ字状の屈曲部２２２ｂの曲り部の外周側には、低圧流体側に開口する開口部を有し周方向に延設される環状凹部２２２ｇが形成される。屈曲部２２２ｂから環状凹部２２２ｇを取り除いた残部、すなわち環状凹部２２２ｇにおける肉厚は、軸方向の肉厚よりも径方向の肉厚が薄くなる断面略半円状の凹部に形成される。【００３５】
ベローズ２２２に内圧が作用しても略Ｌ字状の屈曲部２２２ｂは樽状に膨らむ方向に対して変形しにくく、ベローズ２２２全体として肉厚を確保して樽状に膨らむ変形を防止している。また、固定環と回転環の相対変位を吸収できるように薄肉に形成した環状凹部２２２ｇは容易に変形するようになっている。すなわち、中空回転軸１３３が熱膨張してベローズ２２２が縮むと、略Ｌ字状の屈曲部２２２ｂが鋭角に折れ曲がり、逆に、中空回転軸１３３が冷えて収縮すると略Ｌ字状の屈曲部２２２ｂは鈍角に折れ曲がり、ベローズ２２２は軸方向の一方向に可逆的に伸縮変形して、固定環は回転環の動きに追従して確実にシール性能を発揮できる。【００３６】
図２、図３に示すように、ケース部材２２３は、互いに逆向きに軸方向に延設される内側円筒部２２３ａ（本発明の筒状壁部）及び収容部２２３ｂから構成される。内側円筒部２２３ａは、軸方向に延出され全周に亘って形成された壁部からなる。収容部２２３ｂは内側円筒部２２３ａの一端から径方向外側へ延設される全周に亘って形成されたケース壁２２３ｃ、ケース壁２２３ｃの外径側端部から軸方向に延設され全周に亘って形成された外側円筒部２２３ｄ、外側円筒部２２３ｄの端部に延設され薄肉に形成された外側端部２２３ｅから構成される。また、内側円筒部２２３ａの先端部には、壁部を略矩形状に切欠いた溝部２２３ｆが配設された壁部２２３ｇが設けられている。本実施例では溝部２２３ｆは壁部２２３ｇの周方向に４等配で配設され、後述するドライブリング２２４の外周端部に４等配で配設された凸状部２２４ａと係合して案内部を形成する。なお、溝部２２３ｆ及び凸状部の個数は、４箇所に限らず、たとえば１、２、３等の他の個数であってもよい。【００３７】
固定環２２１の外周端部２２１ａは、ベローズ２２２の外筒部２２２ｃによって覆われるとともに、さらにその外径側からケース部材２２３の収容部２２３ｂによって収容される。収容部２２３ｂの外側端部２２３ｅが折り曲げられることによって、固定環２２１の外周端部２２１ａは、外筒部２２２ｃにより両側から挟み込まれて密封されるとともに、ベローズ２２２と一体に固定される。これにより、固定環２２１とベローズ２２２は、接着剤を使用しないで一体に固定できるので、接着剤の劣化による緩みを防止することができる。さらに、ベローズ２２２の外筒部２２２ｃは固定環２２１の外周端部２２１ａを軸方向に挟んで密封するので、温度変化により回転側カートリッジ２１０と固定側カートリッジ２２０とが軸方向両側に伸び、縮みしても、ベローズ２２２は固定環２２１の外周端部２２１ａを確実に密封できる。【００３８】
図２、図４に示すように、ドライブリング２２４は、断面略矩形の環状部材である。ドライブリング２２４の内周部２２４ｃは全長に亘って同径に形成された円筒面からなり、ベローズ２２２の内筒部２２２ａとの嵌合する嵌合面となっている。ドライブリング２２４の外周部２２４ｂも同径に形成された円筒面となっている。ドライブリング２２４の軸方向長さは、ベローズ２２２の内筒部２２２ａとの嵌合長さに略等しい長さを有する。また、外周部２２４ｂの端部にはドライブリング２２４の軸方向長さより短く形成された凸状部２２４ａが周方向に等間隔で配設される。ドライブリング２２４の外周部２２４ｂは、凸状部２２４ａの外径及びケース部材２２３の内側円筒部２２３ａよりも小径に形成さている。そしてベローズ２２２の内筒部２２２ａの開放端部側２２２ｄ側にドライブリング２２４の凸状部２２４ａが位置するように外嵌され、ドライブリング２２４とハウジング２２６の内側環状部２２６ａとの間でベローズ２２２の内筒部２２２ａは適切な締め代が付与されることによって、ベローズ２２２とハウジング２２６は一体に密封、固定される。【００３９】
図２〜図４に示すように、上記説明したケース部材２２３の内側円筒部２２３ａは、ベローズ２２２の屈曲部２２２ｂの外側を全周に亘って覆うことができ、また、ケース部材２２３の溝部２２３ｆは、ドライブリング２２４の外周端部に形成された凸状部２２４ａと係合して案内部を形成するので、ベローズの軸方向及び径方向の変形を許容して、ねじれ方向の変形を防止することができる。【００４０】
以上の構成を有することにより、中空回転軸１３３が熱膨張してベローズ２２２が縮んだ状態では、略Ｌ字状の屈曲部２２２ｂの環状凹部２２２ｇの開口部は閉じるように鋭角に折れ曲がる。環状凹部２２２ｇの開口部が閉じた状態では見かけ上のベローズ２２２の屈曲部の厚さが増して剛性が高くなるので、ベローズ２２２の内側から流体圧が作用しても屈曲部２２２ｂは樽状に非可逆変形することがない。逆に、中空回転軸１３３が収縮してベローズ２２２が伸び、略Ｌ字状の屈曲部２２２ｂが略直角から鈍角に変形して、ベローズ２２２の内側から流体圧が作用しても、略Ｌ字状の屈曲部２２２ｂは樽状に膨らむ方向に対して変形しにくい構造となっている。ベローズ２２２の屈曲部２２２ｂはケース部材２２３の内側円筒部２２３ａによって全周に亘って覆われるので、ベローズ２２２の過大な変形を規制でき、ベローズ２２２が樽状に膨らむ非可逆的な変形を防ぐことができる。【００４１】
さらに、ケース部材２２３の内側円筒部２２３ａとドライブリング２２４の外周部２２４ｂとは全周に亘って重なる重なり部Ｌｐを有している。重なり部Ｌｐのケース部材２２３とドライブリング２２４の径方向隙間は小さく調整されているので、ベローズ２２２が大変形したときに、ケース部材２２３の内側円筒部２２３ａとドライブリング２２４との間の隙間から、ベローズ２２２がはみ出すのを防止できる。さらに、重なり部Ｌｐによって、固定環２２１の外周端部２２１ａを保持するケース部材２２３の径方向の大きな変位を規制することができる。【００４２】
さらに、図２に示すように、ベローズ２２２の屈曲部２２２ｂの外径側（低圧流体側）には、屈曲部２２２ｂの変形を吸収する外側空隙部Ｃ１が形成されている。また、ベローズ２２２の屈曲部２２２ｂの内径側（高圧流体側）、ベローズ２２２の内筒部２２２ａより内側に環状の内側空隙部Ｃ２が形成されている。これにより、ベローズ２２２の変形は外側空隙部Ｃ１内、内側空隙部Ｃ２内に吸収され、ベローズ２２２は、他の部材に影響を与えることなく変形することができ、固定環は回転環の動きに追従して確実にシール性能を発揮できる。
【実施例２】
【００４３】
図５を参照して、本発明の実施例２に係るメカニカルシール３００について説明する。実施例２に係るメカニカルシール３００は、ケース部材２２８及びドライブリング２２９（本発明に係る保持部材）の構成が、実施例１のメカニカルシール２００と相違するが、その他の基本構成は実施例１と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。【００４４】
図５、図６に示すように、ケース部材２２８は周方向に連続した壁部を有する円筒部材であり、互いに逆向きに軸方向に延設される内側円筒部２２８ａ（本発明の筒状壁部）及び収容部２２８ｂから構成される。内側円筒部２２８ａは、軸方向に延出され全周に亘って形成された円筒部からなり、円筒部の端部には径方向外側に突出する突出部２２８ｇが形成される。突出部２２８ｇは周方向に一対の側壁２２８ｈ、２２８ｋ及び一対の側壁を接続する周壁２２８ｊからなり、一対の側壁２２８ｈ、２２８ｋ及び周壁２２８ｊによって囲まれる溝部２２８ｆが周方向に３カ所形成されている。収容部２２８ｂは内側円筒部２２３ａの一端から径方向外側へ延設される周方向に連続したケース側壁２２８ｃ、ケース側壁２２８ｃの外径側端部から軸方向に延設される周方向に連続した外側円筒部２２８ｄ、外側円筒部２２８ｄの端部に延設され薄肉に形成された外側端部２２８ｅから構成される。【００４５】
図５、図７に示すように、ドライブリング２２９は、板状の部材を環状に成形した部材で、環状部２２９ｂ、凸状部２２９ａ、小径部２２９ｄからなる。環状部２２９ｂの内周部２２９ｃは全長に亘って同径に形成された円筒面でベローズ２２２の内筒部２２２ａとの嵌合する嵌合面となっている。ドライブリング２２９の軸方向長さは、ベローズ２２２の内筒部２２２ａとの嵌合長さに略等しい長さを有する。また環状部２２９ｂの一方の端部には略矩形状の舌部が配設され、内周部２２９ｃの反対側（径方向外側）へ折り曲げられて凸状部２２９ａが形成されている。
さらに、環状部２２９ｂの他方の端部にはほぼ全周に亘って径方向外側へ折り曲げられた小径部２２９ｄが形成され、小径部２２９ｄの外径は凸状部２２９ａの外径より小さく形成されている。そして、凸状部２２９ａの外径はケース部材２２８の周壁２２８ｊよりも小径に形成さている。【００４６】
ベローズ２２２の内筒部２２２ａの開放端部側２２２ｄ側にドライブリング２２９の凸状部２２９ａが位置するように外嵌され、ドライブリング２２９とハウジング２２６の内側環状部２２６ａとの間でベローズ２２２の内筒部２２２ａは適切な締め代が付与されることによって、ベローズ２２２とハウジング２２６は一体に密封、固定される。このようにドライブリング２２９はベローズ２２２とハウジング２２６は一体に固定する必要があり、剛性を必要とする部材である。しかし、薄板であっても、ほぼ全周に亘って形成された小径部２２９ｄにより、薄板の部材に十分な剛性を付与することができるので、プレス等を使用して安価に製造することができる。【００４７】
図５に示すように、ケース部材２２８の溝部２２８ｆは、ドライブリング２２９の凸状部２２９ａ（本実施例では３箇所）と係合して、ドライブリング２２９の動きを軸方向に案内する案内部として作用する。また、ドライブリング２２９はケース部材２２８の内径側に収容されて全周に亘って重り部を形成できるので、ベローズの径方向のはみ出しを防止するとともに、ケース部材２２８自体の大きな変位も規制することができる。【００４８】
以上の構成を有することにより、中空回転軸１３３が熱膨張してベローズ２２２が縮んだ状態では、略Ｌ字状の屈曲部２２２ｂの環状凹部２２２ｇの開口部は閉じるように鋭角に折れ曲がる。環状凹部２２２ｇの開口部が閉じた状態では見かけ上のベローズ２２２の屈曲部の厚さが増して剛性が高くなるので、ベローズ２２２の内側から流体圧が作用しても屈曲部２２２ｂは樽状に非可逆変形することがない。逆に、中空回転軸１３３が収縮してベローズ２２２が伸び、略Ｌ字状の屈曲部２２２ｂが略直角から鈍角に変形して、ベローズ２２２の内側から流体圧が作用しても、略Ｌ字状の屈曲部２２２ｂは樽状に膨らむ方向に対して変形しにくい構造となっている。また、ケース部材２２８は、ベローズ２２２の内筒部２２２ａから外筒部２２２ｃのほぼ全長に亘って、かつ全周に亘って覆うので、ベローズ２２２の過大な変形を規制でき、ベローズ２２２が樽状に膨らむ非可逆的な変形を防ぐことができる。
【実施例３】
【００４９】
図８を参照して、本発明の実施例３に係るメカニカルシール４００について説明する。実施例３に係るメカニカルシール４００は、ケース部材２３８及びドライブリング２３９（本発明に係る保持部材）の構成が、実施例１及び２のメカニカルシール２００、３００と相違するが、その他の基本構成は実施例１及び２と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。【００５０】
図８、図９に示すように、ケース部材２３８は、円錐状に先細りとなるテーパー部２３８ａ（本発明の筒状壁部）、テーパー部２３８ａの大径部側に設けられる円筒状の収容部２３８ｂ、テーパー部２３８ａの小径部側に軸方向に延設される円筒状の壁部２３８ｇから構成される。収容部２３８ｂはテーパー部２３８ａの大径部側から径方向外側へ全周に亘って延設されるケース壁２３８ｃ、ケース壁２３８ｃの外径側端部から軸方向の全周に亘って延設される外側円筒部２３８ｄ、外側円筒部２３８ｄの端部に延設され薄肉に形成された外側端部２３８ｅから構成される。また、円筒状の壁部２３８ｇの先端部側には、円筒状の壁部２３８ｇの一部が切り欠かれた溝部２３８ｆが設けられている。本実施例では溝部２３８ｆは周方向に４等配で配設され、後述するドライブリング２３９の凸状部２３９ａと係合して案内部を形成する。なお、溝部２３８ｆ及び凸状部の個数は、４箇所に限らず、たとえば１、２、３等の他の個数であってもよい。【００５１】
図８、図１０に示すように、ドライブリング２３９は、板状の部材を環状に成形した部材で、環状部２３９ｂ、凸状部２３９ａ、折り曲げ部２３９ｄからなる。環状部２３９ｂの内周部２３９ｃは全長に亘って同径に形成された円筒面でベローズ２２２の内筒部２２２ａとの嵌合する嵌合面となっている。ドライブリング２３９の軸方向長さは、ベローズ２２２の内筒部２２２ａとの嵌合長さに略等しい長さを有する。また環状部２３９ｂの一方の端部には環状部２３９ｂの外周面に密着するように折り曲げられた折り曲げ部２３９ｄが周方向に４等配で設けられている。さらに、折り曲げ部２３９ｄの先端部は径方向外側へ折り曲げられて凸状部２３９ａが形成されている。【００５２】
図８に示すように、ドライブリング２３９はベローズ２２２の内筒部２２２ａに外嵌され、ドライブリング２３９とハウジング２２６の内側環状部２２６ａによって、ベローズ２２２の内筒部２２２ａは適切な締め代が付与される。これにより、ベローズ２２２とハウジング２２６は一体に密封、固定される。このようにドライブリング２３９はベローズ２２２とハウジング２２６を一体に固定する必要があるため、剛性を必要とする部材である。しかし、本実施例のドライブリング２３９のように薄板によって構成しても、環状部２３９ｂの外周面に密着するように折り曲げられた折り曲げ部２３９ｄと折り曲げ部２３９ｄの先端部に形成された凸状部２３９ａを一体に形成することにより、ドライブリング２３９は十分な剛性を発揮する。また、ドライブリング２３９は軸方向の一端部のみに折り曲げ部２３９ｄを形成すればよいので、プレス等を使用して安価に製造することができる。【００５３】
図８に示すように、ケース部材２３８の溝部２３８ｆは、ドライブリング２３９の凸状部２３９ａ（本実施例では４箇所）と係合して、ドライブリング２３９の動きを軸方向に案内する案内部として機能する。また、ドライブリング２３９はケース部材２３８の内径側に収容されて全周に亘って重り部Ｌｐを形成するので、ベローズ２２２が大きく変形したときの変形を規制するとともに、ベローズのはみ出しを防止することができる。さらには、ケース部材２３８とドライブリング２３９の重なり部Ｌｐにおける径方向隙間は、回転環２１１と固定環２２１とが正常に密接摺動できる範囲に設定されているので、運転中における回転環２１１と固定環２２１の大きな相対変位を規制して、常に密封性を発揮することができる。【００５４】
以上の構成を有することにより、中空回転軸１３３が熱膨張してベローズ２２２が縮んだ状態では、略Ｌ字状の屈曲部２２２ｂの環状凹部２２２ｇの開口部は閉じるように鋭角に折れ曲がる。環状凹部２２２ｇの開口部が閉じた状態では見かけ上のベローズ２２２の屈曲部の厚さが増して剛性が高くなるので、ベローズ２２２の内側から流体圧が作用しても屈曲部２２２ｂは樽状に非可逆変形することがない。逆に、中空回転軸１３３が収縮してベローズ２２２が伸び、略Ｌ字状の屈曲部２２２ｂが略直角から鈍角に変形した状態で、ベローズ２２２の内側から流体圧が作用しても、略Ｌ字状の屈曲部２２２ｂは樽状に膨らむ方向に対して変形しにくい構造となっている。また、ケース部材２３８は、ベローズ２２２の内筒部２２２ａから外筒部２２２ｃのほぼ全長に亘って、かつ全周に亘って覆うので、ベローズ２２２の過大な変形を規制でき、ベローズ２２２が樽状に膨らむ非可逆的な変形を防ぐことができる。【００５５】
以上説明したように、本発明のメカニカルシール２００、３００、４００は、中空回転軸１３３に取付けられた回転環２１１とケーシングに取付けられた固定環２２１との相対位置が、温度変化により大きく変動しても、ベローズ２２２が軸方向の一方向に大きく変形して相対変位を吸収できる。また、相対変位によりベローズ２２２が大きく変形した状態で流体の圧力が作用しても、ベローズの非可逆的な変形を防止して、他の部材に影響を与えることなく、回転環の動きに固定環が追従して確実にシール性能を発揮できる。【００５６】
上記実施例におけるメカニカルシール２００、３００、４００は、中空回転軸を有するモータ１００に適用された場合を説明したが、中空回転軸を有するものであれば、発電機、発電電動機であってもよい。また、上記実施例において、回転子１３０は、導体を有する回転子であってが、永久磁石回転子であってもよい。【００５７】
上記実施例において、本発明の筒状壁部に相当する内側円筒部２２３ａ、２２８ａ、２３８ａは、一体に形成された筒状壁部として構成してもよいし、周方向に分割された部材を組合わせて筒状壁部としてもよい。この際、周方向に分割された部材を互いに接合して筒状壁部としてもよいし、互いに独立した部材を接合せずに組み合わせて筒状壁部としてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１００                        モータ
１１０                        固定子ハウジング
１２０                        固定子
１３０                        回転子
１３３                        中空回転軸
１３３ａ                      中空部
１３３ｂ                      開口端部
１３３ｄ                      内周壁
１５１、１５５                軸受部
１６０                        冷媒導入手段
１７０                        ケーシング
２００、３００、４００        メカニカルシール
２１０                        回転側カートリッジ
２１１                        回転環
２１２                        カップガスケット
２２０                        固定側カートリッジ
２２１                        固定環
２２２                        ベローズ
２２２ａ                      内筒部
２２２ｂ                      屈曲部
２２２ｃ                      外筒部
２２２ｄ                      開放端部
２２３、２２８、２３８        ケース部材
２２３ａ、２２８ａ、２３８ａ  内側円筒部（筒状壁部）
２２３ｆ、２２８ｆ            溝部
２２４、２２９、２３９        ドライブリング（保持手段）
２２４ａ、２２９ａ、２３９ａ  凸状部
２２４ｂ                      外周部
２２５                        スプリング
２２６                        ハウジング（固定壁）
２２９ｂ                      環状部
Ｓ                            摺動面
Ｃ１                          外側空隙部
Ｃ２                          内側空隙部
Ｌｐ                          重なり部
【図１】
2018124252.tif 000003
【図２】
2018124252.tif 000004
【図３】
2018124252.tif 000005
【図４】
2018124252.tif 000006
【図５】
2018124252.tif 000007
【図６】
2018124252.tif 000008
【図７】
2018124252.tif 000009
【図８】
2018124252.tif 000010
【図９】
2018124252.tif 000011
【図１０】
2018124252.tif 000012
【国際調査報告】
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2018124252.tif 000014
2018124252.tif 000015
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