(57)【要約】【課題】  高圧の流体をシールする場合においても、シールリングと摺動するシートリングの傾斜を確実に防止して、長期に渡って安定した摺動特性と密封性能を維持すると共に、高信頼性のシール装置及びポンプを得ることにある。【解決手段】  回転軸に固定されたフランジと、このフランジに対して固定されたシールリングと、該回転軸の外側に該フランジを囲むように配置したカバーを備えたハウジングと、該シールリングと摺動するシートリングと、このシートリングを押圧する静止環と、を備えたシール装置において、前記静止環に設けられたピンが挿入される孔部を有する金属リングが前記シートリングの外周側に設けられ、前記シートリングは前記静止環に対して独立して設けられている。【選択図】図１
2009243321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に固定されたフランジと、このフランジに対して固定されたシールリングと、該回転軸の外側に該フランジを囲むように配置したカバーを備えたハウジングと、該シールリングと摺動するシートリングと、このシートリングを押圧する静止環と、を備えたシール装置において、前記静止環に設けられたピンが挿入される孔部を有する金属リングが前記シートリングの外周側に設けられ、前記シートリングは前記静止環に対して独立して設けられたことを特徴とするシール装置。
【請求項２】
請求項１記載のシール装置において、前記金属リングと前記ハウジングとの隙間に前記シートリングを支持する支持部材を設けたことを特徴とするシール装置。
【請求項３】
請求項１記載のシール装置において、前記シールリングとシートリングとは、同材質のセラミック材料からなることを特徴とするシール装置。
【請求項４】
回転軸と、この回転軸の下端に固定された羽根車と、該回転軸を挿通すると共に、内部に流体の流路を有するポンプケーシングと、このポンプケーシングと前記回転軸との隙間からの漏洩を防止するシール装置とを備えたポンプにおいて、前記シール装置は前記回転軸に固定されたフランジと、このフランジに対して固定されたシールリングと、該回転軸の外側に該フランジを囲むように配置したカバーを備えたハウジングと、該シールリングと摺動するシートリングと、このシートリングを押圧する静止環と、を備えたシール装置において、前記静止環に設けられたピンが挿入される孔部を有する金属リングが前記シートリングの外周側に設けられ、前記シートリングは前記静止環に対して独立して設けられたことを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧の流体をシールするポンプのシール装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
近年、ポンプの容量増大や高揚程化が進められている。このため、ポンプの回転軸部からの流体の漏れを防止するシール装置に対しては、高圧の流体が作用する環境下で使用できる能力が要求されている。
【０００３】
水力機械における回転軸の軸封装置としては、上下のシールリングにセラミックスを使用したものが特開平５−２０３０６４号公報（特許文献１）に開示されている。この軸封装置では、上側シールリングの平面シール部の外側端部に円弧状の曲面を備え、平面シール部と側面とが滑らかに連なる構造を有している。このため、回転軸が回転して、この回転軸の軸振れや水圧による変形によって、下側シールリングと上側シールリングとの各シール面に僅かな傾きを生じても下側シールリングの外端部と上側シールリングの外端部とが衝突しないようにし、この各外端部同士を常に円滑に当接して、ランナ側の圧力水を外部へ漏洩しないように軸封機能を保持し信頼性や安全性の向上を図っている。
【０００４】
一方、立軸ポンプの軸封装置としては、特開平８−２８４８８０号公報（特許文献２）に開示されているような、シールリング材にセラミックスを用いた端面型セラミック軸封装置が使用されるようになってきた。この端面型セラミック軸封装置は、揚水液を潤滑水として利用し、長時間安定して、しかも繰返し気中運転ができる外部給水不要の軸封装置を提供し、特に、回転容器内への土砂の浸入または堆積を防止するようにして、安定した摺動特性を確保している。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２０３０６４号公報
【特許文献２】特開平８−２８４８８０号公報
【発明の開示】
【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に記載されている軸封装置では、水圧による変形によって下側シールリングと上側シールリングとの各シール面に傾きを生じても、下側シールリング外端部と上側シールリングの外端部とが当らないようにして、軸封機能を保持しているが、水圧条件に対応して各シール面の傾き量が変化するので、お互い同一箇所で摺動することが無くなじみ難い。その結果、安定した摺動特性を確保できないことが予想される。
【０００７】
一方、特許文献２に記載されている立軸ポンプの軸封装置では、図９に示すように、シールケース５０に固定したケース５１にシールリング５２が格納されているので、高圧の流体が作用するとシールケース５０の水平部分５０ａが湾曲する。このため、ケース５１に格納されたシールリング５２も傾斜し、シールリング５２の外側部分のみが下側シールリング５３と摺動する。このような摺動状態になると、片当り接触部分が過大面圧状態となり、摩耗損傷が早期に進行する可能性がある。その結果、長期間にわたって安定した摺動特性を維持することが困難と推定できる。
【０００８】
以上のように、公知例においては、高圧の流体をシールすることを前提とした場合、シールリングの傾斜に起因する摩耗損傷の防止や摺動特性の安定化に関して、十分に考慮されていないので安定した密封性能及び摺動特性を長期間に渡って維持出来ない可能性がある。
【０００９】
発明は上記のような事情に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、高圧の流体をシールする場合においても、シールリングの傾斜を確実に防止して、安定した密封性能が確保できる高信頼性のシール装置及びそのシール装置を搭載したポンプを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明のシール装置は、回転軸に固定されたフランジと、このフランジに対して固定されたシールリングと、該回転軸の外側に該フランジを囲むように配置したカバーを備えたハウジングと、該シールリングと摺動するシートリングと、このシートリングを押圧する静止環と、を備えたシール装置において、前記静止環に設けられたピンが挿入される孔部を有する金属リングが前記シートリングの外周側に設けられ、前記シートリングは前記静止環に対して独立して設けられたものである。
【００１１】
また前記目的を達成するために、本発明のポンプは、回転軸と、この回転軸の下端に固定された羽根車と、該回転軸を挿通すると共に、内部に流体の流路を有するポンプケーシングと、このポンプケーシングと前記回転軸との隙間からの漏洩を防止するシール装置とを備えたポンプにおいて、前記シール装置は前記回転軸に固定されたフランジと、このフランジに対して固定されたシールリングと、該回転軸の外側に該フランジを囲むように配置したカバーを備えたハウジングと、該シールリングと摺動するシートリングと、このシートリングを押圧する静止環と、を備えたシール装置において、前記静止環に設けられたピンが挿入される孔部を有する金属リングが前記シートリングの外周側に設けられ、前記シートリングは前記静止環に対して独立して設けられたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、密封性能及び摺動特性の安定化が図れ、高信頼性のシール装置を得ることができ、高圧ポンプのシール装置として使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の各実施例について図を用いて説明する。第２実施例以降の実施例においては第１実施例と共通する構成の重複する説明を省略する。なお、各実施例の図における同一符号は同一物又は相当物を示す。ここでは、後述するシールリング４とシートリング７に用いる材料として、セラミック材料である炭化珪素を用いた場合について説明するが、炭化珪素以外のセラミックスでも、使用流体環境下で安定した摺動特性と耐摩耗性を示す材質であれば特に限定するものではない。
【００１４】
図１は本実施例におけるシール装置４０の断面構造を示すものである。回転軸１に円盤状のフランジ２が固定されている。このフランジ２の上面には、フランジ２に設けられたケース３と、ケース３に格納されたシールリング４が設けられ、シールリング４はフランジ２に対してボルト（図示せず）によりケース３を通じて固定されている。
【００１５】
回転軸１に固定されたフランジ２の外側を囲むようにハウジング６が配置されている。このハウジング６の上面部にはカバー５が設けられている。シールリング４に対向してシートリング７が当接した状態に設置される。本実施例においては、シールリング４とシートリング７は同材質のセラミック材料としている。
【００１６】
このシートリング７の上面は静止環８により押圧されているが、静止環８とは独立して配置されている。静止環８は断面Ｌ字型の部材であり、回転軸１に平行な筒部とフランジ２と平行な鍔部とからなる。シートリング７は静止環８の水平部分であるフランジ２に平行な鍔部と接触して押圧される。
【００１７】
静止環８の回転軸１に平行な筒部とカバー５との隙間に弾性を有するシール部材９が装着されている。
【００１８】
静止環８をシートリング７の上面と常に接触させるため、静止環８のフランジ２に平行な鍔部におけるシートリング７との接触面に対してその反対側の面とカバー５との間を引き離す力を生じさせるコイルバネ１０を設け、このコイルバネ１０により静止環８がシートリング７をシールリング４方向に押圧する。コイルバネ１０は静止環８の鍔部上に、周方向に複数個設置している。
【００１９】
シートリング７の外周側には金属リング１１が焼き嵌め固定されている。シートリング７の回転を防止するため、静止環８に固定したピン１２が金属リング１１の連通孔１４に挿入されている。ピン１２と連通孔１４とからなるシートリング７の回転防止機構により、回転軸１に伴い回転するシールリング４に連動してシートリング７は回転せずにシールリング４と摺動する。
【００２０】
また、連通孔シートリング７の位置決めのために、金属リング１１の外周部とハウジング６の内周部との間の隙間に支持部材１３が設置されている。回転軸１の上下動に追従できるように、静止環８はカバー５とシール部材９を介して相対運動ができるように保持されている。
【００２１】
このシール装置４０では、フランジ下面２Ａと回転軸１とハウジング６とで囲まれる部分に高圧流体が作用し、シールリング４とシートリング７とが当接している摺動面から流体が漏洩していく。ここで、図中の矢印は高圧流体の流れ方向を示している。
【００２２】
図２は高圧流体が作用した後のシール装置の断面構造を示す。図２を用いて本実施例におけるシール装置４０の作用について説明する。
【００２３】
シール装置４０では高圧流体が作用することにより、静止環８の水平部分が湾曲する静止環８の変形が発生する。そのため、静止環８の水平部下面８Ａも湾曲する。一方、シートリング７は、静止環８とは独立関係にあるので、静止環８の湾曲変形の影響を受けることなく、ほぼ水平状態を維持する。したがって、シールリング４と当接するシートリング摺動面７Ａはほぼ水平状態にあり、シールリング４の摺動面と略均一な接触状態が維持される。これにより摺動面の偏摩耗が回避でき、安定した摺動特性が得られる。
【００２４】
ちなみに静止環８の水平部下面８Ａの外周近傍のみがシートリング上面７Ｂと接触することになり、水平部下面８Ａの内周側にくさび状の隙間が形成されるが、水平部下面８Ａの外周近傍の接触部分で高圧流体の漏洩が防止するので軸封機能を維持できる。
【００２５】
このくさび状の隙間には流体が常に侵入し酸欠状態が回避されので、静止環８とシートリング７との間に電位差が生じたとしても、この電位差による腐食が防止でき、高信頼性化に寄与する。一方、シートリング７と静止環８との接触面積が、従来技術におけるシール装置よりも減少し接触面圧が上昇するが、本実施例のようにセラミック材料を摺動部材として用いた場合、圧縮強度が高く十分な耐荷重性を有するので高信頼性が確保できる。
【００２６】
シートリング７は外側に金属リング１１を焼き嵌めして圧縮応力を付与しているので、強度信頼性が向上し割れ難くくしている。また、支持部材１３によりシートリング７はほぼ水平方向の中心位置に保持されているので、対向するシールリング４の摺動面と均一な接触圧力で摺動する。そのためシールリング４とシートリング７の摺動面はなじみ易く、結果的に平滑な摺動面が形成される。一旦平滑な面が形成されると、シールリング４とシートリング７の双方が同材質なので、摩耗がほとんど進展しなくなり安定した摺動面が長期に渡って維持される。
【００２７】
次に、図３に示すシートリング７に作用する圧力分布を用いて、シートリング７への作用を説明する。図中Ｐは高圧流体の圧力を示す。また、Ｗは静止環の押付け力を示す。シートリングの外周側には一様に流体圧力Ｐが作用する。また、摺動面は平行平面となるので三角形の圧力分布となる。このようにシートリングに作用する力はシートリングを上下、及び内径方向に収縮させるように働く。したがって、外周側が上下方向に僅か収縮するような形状になって、内周側（大気側）が接触するような摺動形態となり外当りによる片当りが防止され、安定した摺動特性が得られる。
【００２８】
図４に本発明におけるシール装置４０の第二の実施例を示す。この実施例で、第一の実施例と異なるのは、静止環８下面のシートリング７外周部上面が接する外側部分にＯリング１５を装着した点にある。
【００２９】
この実施例によれば、基本的には前述した第一の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、Ｏリング１５がシール部材として機能するので静止環８とシートリング７との接触面からの漏水量を低減できる。その結果、全体の漏水量低減が図れ、シール性能向上に寄与できる。
【００３０】
また、シートリング７をガイドしている部分が２箇所となるので、支持部材１３のみで支持していた場合に比較し、シートリング７の位置を変化させることなくより安定して支持できる。そのためシールリング４とシートリング７の摺動面の接触状態の安定化が達成でき耐久信頼性の向上に大きく寄与できる。
【００３１】
図５に本発明におけるシール装置４０の第三の実施例を示す。この実施例で、第一の実施例と異なるのはシートリング７の上下面のハウジング６側に、静止環８やシールリング４の対向面から離れた面をもたらす段差部１６を設けた点にある。
【００３２】
この実施例によれば、基本的には前述した第一の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、シールリング４の摺動面及び静止環８との接触幅が狭くなるので、加工仕上げ精度を容易に向上でき、加工費用の節約となり低コスト化が達成できる。また、段差部１６より外側では密封流体により常時冷却されるので放熱性が改善でき、静止環８との摺動面が静止環８を押付ける面圧を高く設定することが可能となるので、密封流体の圧力条件を高くすることが可能となりシール装置４０の適用範囲拡大に貢献できる。
【００３３】
図６に本発明におけるシール装置４０の第四の実施例を示す。この実施例で、第一の実施例と異なるのはシートリング７上下面のハウジング６側に、静止環８やシールリング４の対向面から離れた面をもたらす段差部１６を設け、かつシートリング７の上面の段差部１６と静止環８とが接する部分のシートリング７側にＯリング１５ａを装着した点にある。
【００３４】
この実施例によれば、基本的には前述した第一の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、シールリング４の摺動面及び静止環８との接触幅が狭くなるので加工精度を短時間で得ることができ、加工費用の低減に有効である。また、Ｏリング１５ａを装着したことより密封性能の改善が図られる。
【００３５】
図７に本発明におけるシール装置４０の第五の実施例を示す。この実施例で、第一の実施例と異なるのは回転軸１に固定されたフランジ２にシールリング４１を直接装着して固定した点にある。回転軸１とシールリング４１が接触する部分にはＯリング１５ｂを装着している。また、シールリング４１の外周側でフランジ２の溝１７にＯリング１５ｃが装着されている。
【００３６】
この実施例によれば、基本的には前述した第一の実施例と同様の作用効果を得ることができる他、シールリング４が万一損傷し交換が必要になった時、ケース３から取り外し、再固定する作業工程がなく直接交換できるので交換作業が短時間で容易に行うことができ、交換費用の節約になる。
【００３７】
つぎに、高圧対応の立軸ポンプに本実施例のシール装置を搭載した場合について、図８を用いて説明する。ここでは、流路を構成するポンプケーシング内に回転軸を支持する軸受を具備した高圧ポンプを用いて説明するが、ポンプケーシングの外に軸受を配置している場合でも、シール装置は回転軸部と固定部との隙間からの漏水防止のために設置するものであり、高圧ポンプに使用される軸受の配置及び構造については特に限定するものではない。
【００３８】
図８に示す高圧の立軸ポンプは、回転軸１と、この回転軸１の下端に固定された羽根車３１と、回転軸１を挿通すると共に、内部に流体の流路を形成したポンプケーシング３２と、このポンプケーシング３２と回転軸１との隙間からの漏洩を防止するシール装置４０と、カップリング３３を介して回転軸１を駆動するモータ３４を有している。回転軸１はポンプケーシング３２の流路内に設置した２個の軸受３５で支持されている。
【００３９】
そして、シール装置４０は、上述したように、回転軸１に円盤状のフランジ２が固定されていて、このフランジ２の外側を囲むようにハウジング６が配置されている。
【００４０】
図８におけるシール装置４０は、上述したように本発明の実施例における構造を備え、シールリング４とシートリング７は同材質のセラミック材料としている。
【００４１】
シール装置４０を用いることで、シールリング４と当接するシートリング７の摺動面はほぼ水平状態にあり、略均一な接触状態が維持されので、シールリング４とシートリング７との摺動面の偏摩耗が回避でき安定した摺動特性が得られる。
【００４２】
したがって、高圧流体の作用下においても安定した摺動特性と密封性能を得ることができるので、高圧ポンプのシール装置として使用できる。
【００４３】
以上説明したように本実施例によれば、シールリング４と、外周側に金属リング１１を焼き嵌めしたシートリング７と、静止環８とが互いに独立して配置している。そのため、静止環８の水平部分が高圧の流体の作用により湾曲しても、独立しているシートリング７を傾斜させることなく、シートリング７の摺動面をほぼ平行状態に保持でき外当りになることが回避される。
【００４４】
また、金属リング１１を焼き嵌めしたシートリング７はハウジング６との隙間に設置した支持部材１３により、シートリング７の位置を同一位置に保持できるので、シールリング４との対向位置が同一箇所となり早期になじみ面が得られる。したがって、摺動特性の安定化が図れ、摺動面の耐摩耗性を長期に渡って維持することができ、高信頼性のシール装置４０を得ることができ、高圧ポンプのシール装置として搭載できる。
【００４５】
また、シールリング４とシートリング７とは、同材質の材料、特にセラミック材料を用いることで、お互いの摺動面は同様ななじみ過程を経過し、平滑化され良好な摺動面が形成される。セラミックスは高耐摩耗性を有するので長期使用に対する摺動面の形状変化が防止でき、運転初期から継続して安定した軸封機能が維持できる。また、摺動面の熱変形も対称形状となるのでシールリング４とシートリング７のどちらか一方が偏摩耗することも回避される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施例におけるシール装置の縦断面図。
【図２】図１のシール装置で高圧流体が作用した場合の縦断面図。
【図３】シートリングに作用する圧力分布を示す説明図。
【図４】本発明のシール装置の他の実施例を示す断面図。
【図５】本発明のシール装置の他の実施例を示す断面図。
【図６】本発明のシール装置の他の実施例を示す断面図。
【図７】本発明のシール装置の他の実施例を示す断面図。
【図８】本発明のシール装置を立軸ポンプに適用した状態を示す説明図。
【図９】従来のシール装置で高圧流体が作用した場合を説明するための断面図。
【符号の説明】
【００４７】
１  回転軸
２  フランジ
３  ケース
４，４１  シールリング
５  カバー
６  ハウジング
７  シートリング
８  静止環
９  シール部材
１０  コイルバネ
１１  金属リング
１３  支持部材
１４  連通孔
１５・１５ａ・１５ｂ・１５ｃ  Ｏリング
１６  段差部
１７  溝
３１  羽根車
３２  ポンプケーシング
３３  カップリング
３４  モータ
３５  軸受
４０  シール装置
【図１】
2009243321.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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