JPH02225886A - 可変ダンパを備えたベロー型機械的シール構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、シャフトとそれを取り囲むシールリングとの
間で作動する可変ダンパを備えたベロータイプの機械的
シール構造に関する。

（従来の技術） 米国特許第４，２６１，５８１号には、相対回転可能で
あり相互に摺動シール係合するように配設された一対の
対向面リングを用いた機械的シール構造が開示されてい
る。一方の面リングはハウジングを取り囲むように固定
されており、他方の面リングは回転シャフトに対して非
回転的に取り付けられている。回転面リングは、典型的
にはシャフトから半径方向外側に向けて間隔をあけてお
り、シャフトに対して概ね環状の間隙を画定している。

この面リングはシャフトを取り囲み軸方向に伸びるベロ
ーの一方端に取り付けられており、その他方端はシャフ
トをシールするように固定されたカラーに取り付けられ
ている。このよく知られたシール構造は、封入された流
体、特に侵食性及び／又は高温の流体に対するシールが
要求される化学産業や石油化学産業のような多くの環境
において、広く用いられている。

上記シール構造においては、面リングは通常は又は好ま
しくはカーバイド材料、一般的にはシリコンカーバイド
又はタングステンカーバイドから構成され、所望の動作
条件に対する耐性及び消耗のシール継続性が付与される
。しかしながら、カーバイド面リングの硬度が非常に高
いため、従来の機械的シール環境に付随する機械的振動
に起因するシャフトとカーバイド面リングとの接触を防
止するために、カーバイド面リングをシャフトに対して
半径方向に離隔させる必要がある。かかる面リングとシ
ャフトとの間の振動は、軸方向振動、半径方向振動、ね
じれ振動と行った多くの形態及びモードで生じるもので
ある。

かかる機械的振動は、機械的シール、特に金属性ベロー
を備えたシールの摩耗及び耐久性に関して長い間問題と
なってきた。そのため、シール設計者は、上記振動に起
因する摩耗などの問題点を防止するべくシャフトに対す
る回転シール部材を正確に制御し規定するために、シー
ル構造に関し多くの構造的修正を試みている。

一般的な且つ長い間用いられてきた構造においては、回
転面リングに関する支持リングには、一体的に形成され
た幾つかの（通常は３つの）タブが配設され、これらの
タブはシャフトと近接するように半径方向に飛び出して
いる。タブとシャフトとの間の間隙は通常は数十分の一
センチメートル（インチ）の大きさである。これらのタ
ブにより、さらにシャフトに対する小さな間隙により、
シャフトに対する回転シール部材の、少なくとも軸方向
に対する、正確な封入を得ようとし、さらに振動をも減
少させることが期待される。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、実際の経験及び試験所でのテストを通じ
てのこの種の振動緩衝技術に関する経験によれば、これ
らの振動緩衝構造は解決よりも多くの問題点を惹起する
ものである。例えば、シャフトと振動緩衝タブとの間の
フレッチング損傷により、シャフトに対するシール面の
アライメントが不整合になるおそれがある。支持リング
の前後の（例えば軸方向）振動により、ポンプ軸にフレ
ッチング損傷が生じることがしばしば観察される。支持
リングに加わるこの損傷と不利な負荷は、シール面を分
離させ、好ましくない高い漏れ率を示し、さらにはベロ
ーの停止をもたらすに十分なほど大きなものである。

シャフトに対する振動緩衝タブの間隙を狭くしたために
、シールの外気側に形成される結晶や固形物により、あ
るいは振動緩衝タブの内側のタブの膨張により、シール
構造自体が作動不能になる場合がある。このように、こ
の種の振動緩衝構造は、多くの使用状況「で、好ましく
なく、また受容しがたいものである。

上述の種類の振動ダンパに起因するフレッチングや作動
不能の問題を解決するために、機械的シール構造はプラ
スチックや弾性拐料性の振動ダンパを使用している。か
かる振動ダンパは一般的には、軸方向に肉薄で、回転面
リングとその支持リングとの間にクランプ係合され固定
されるリング部材からなっている。この弾性ダンパリン
グは半径方向内側に飛び出して、シャフトに密接する。

この弾性ダンパによればフレッチング問題が減少される
ことは明かであるが、それにも関わらず、他の作動上の
問題点が観察される。例えば、この弾性ダンパがシャフ
ト上で停止した場合には、シールとして作動してしまい
、かえって正常な機械的シール構造の動作が妨げられる
おそれがある。弾性ダンパはまた、特に高い侵食性を示
し高温の流体に関し、この種の流体をシールすることが
通常なのであるが、劣化を被り易い。さらに公知のダン
パの軸方向長さは非常に短いものであり、従ってその効
果も限定的なものにならざるを得ながった。

非常に限定的な条件下において、カーバイド面リングよ
りもカーボン面リングが機械的シール構造に配設されて
いる。かかるカーボン面リングの作動可能耐久時間は短
いため、通常は使用されない。しかしながら、これらの
カーボン面リングを使用される場合には、シャフトに対
する間隔が振動による問題を減少させるための最小値と
なるように内径が設定される。かかるカーボン面リング
により振動に関する問題に対しては一応の満足はゆくよ
うな作動は確認されるが、それにも拘らず、全体的なシ
ール構造の作動性能に関する評価は、振動に関する問題
の評価をも含めて、低いものとならざるを得ない。

蓋し、カーボン面リング自体のライフサイクルが、振動
の問題が顕在化する以前に、あまりにも短いからである
。

従って、本発明の目的は、上述の不利益及び作動状の問
題点を克服可能な、カーバイド面リングを備えたベロー
型機械的シール構造を改良するにある。

（課題を解決するための手段） 本発明により改良されたベロー型機械的シール構造にお
いては、回転するカーバイド面リングには振動ダンパが
取り付けられ、この振動ダンパは、好ましくはプレスば
め手段によりカーバイド面リング内に固定されるカーボ
ンリングとして構成される。このカーボン振動緩衝リン
グは概ね軸方向に伸張しており、シャフトに対して狭い
間隙が確保されることにより、シャフトに対する損傷又
は軸上での作動停止を回避すると同時に、回転している
シール部分の振動を効果的に減衰することが可能である
。

上に要約されたように、この改良型シール構造において
は、カーボン緩衝リングは、好ましくは、カーバイド面
リングの軸方向長さよりも若干短い軸方向長さを有する
。カーバイド面リングは、カーボン緩衝リングを越えて
軸方向に飛び出すノーズ部分が形成されるように、配置
され支持される。このノーズ部分により、静止面リング
の対向面に摺動接触するシール面が画定される。

本発明に基づく改良型シール構造により、カーバイド面
リングを使用しながらも十分な耐久時間が確保され、同
時に、面リングは好ましくは、中間カーボン緩衝リング
手段によりシャフトに近接して且つ同軸上に支持される
ことにより、振動を効果的に干渉し、さらに振動に起因
する問題点を減少する。さらに、このカーボン緩衝リン
グにより、シャフトと支持係合する同軸上の長い区域が
確保され、かかる区域においては十分に自己潤滑可能で
あり、シャフトのフレフランジやシール部分の作動停止
が生じるようなことがない。同時に、カーボンリングに
よりカーボン緩衝リングとシャフトとの間に所望の且つ
必要な最小間隙が維持されるので、この地点が完全な密
封状態におかれることがなく、良好なシール作動を行う
に十分な面リングのフローティング移動（半径方向移動
及び有角傾動の双方）が確保される。

（実施例） 以下に、添付図面に基づき本発明の実施例について説明
する。

第１図は、軸１４の回りを回転するシャフト１３が貫通
する開口１２を備えた壁体１１を含む装置に関連して、
従来のベロー型機械的シール構造ｌＯが示されている。

壁体１１は、例えばポンプのような任意の従来の流体取
扱装置の一部であり、装置内には加圧流体が存在し、開
口１２を介して漏出しようとしている。

流体の漏出を防止するために、シール構造１０が配設さ
れ、壁体１１とシャフト１３の間にシールを形成してい
る。シール構造１０には、従来の環状スタッフィング・
ボックス又はハウジング１６が含まれ、このハウジング
はシャフトを取り囲むように壁体１１に固定されている
。スタッフィング・ボックスは環状室１７を規定し、環
状室１７は開口１２に連通している。従来のスロートハ
ウジング１８が環状室１７の一方端に関連し、この開口
を介しての環状室への加圧流体の流れを制限している。

通常はグランドと称される、さらに別の環状ハウジング
要素１９が、中間ガスケット２１を介して、スタッフィ
ング・ボックス１６に近接するように配置される。従来
の複数の螺合要素（図示せず）を用いることにより、ス
タッフィング・ボックス１６とグランド１９とが壁体１
１に相互固定される。

「内蔵型」機械的シールアセンブリ２３が環状室１７内
に配設され、シャフト１３とグランド１９との間にシー
ル状態が形成される。但し両者の相対回転は維持される
。機械的シールアセンブリ２３はベロー型であり、グラ
ンド１９に非回転的に接続された静止シール部２４を含
んでいる。この静止シール部２４は、通常はグランドイ
ンサートと称される、環状シール部材２６を含み、この
グランドインサート２６は、適当なキー又はビン２７に
よりグランド１９に非回転的に接続される。さらに、シ
ールリング、又はガスケット２８がグランド１９とイン
サート２６の間に配設される。

インサート２６は環状フランジ２９を含み、環状フラン
ジ２９はインサート２６の内側端から軸方向に飛び出し
ており、さらにこのフランジ２９は環状面リング３１を
締めしろ又はプレスばめ手段によりぴったりと支持する
ように包囲している。

環状面リング３１はその外側端、すなわち軸方向露出端
に平坦な環状シール面３２を有している。

適当な環状間ＦＩＩ３３がインサート２６とシャフト１
３の間に形成され、周囲ハウジングに対するシャフトの
非制限的な相対回転や、角度をもったあるいは横方向へ
の移動、あるいはたわみが許容される。

機械的シールアセンブリ２３はさらに回転自在のシール
部３４を含む。このシール部３４は第１及び第２のリン
グ状カラ一部材３７．３８より形成される環状カラー３
６を含んでいる。カラーは、式の螺子３９のような従来
の手段によりシャフト１３に固定される。適当なシール
リング又はガスケット４１が２つのカラーの間にシール
状態にクランプされ、シャフトＩ３の周囲にシール係合
が形成される。

回転シール部３４はさらに回転環状シールリング４２を
含み、このシールリング４２はシャフト１３を取り囲み
、シャフト１３よりも概ね大きな内径を有しており、こ
れによりリングとシャフト間の横方向及び／又は角度を
もった運動が可能になる。シールリング４２は環状フラ
ンジ４３を有し、この環状フランジ４３はシールリング
の外側端から軸方向に張り出している。環状フランジに
より、環状面リング４４が配置される凹所が画定される
。環状面リング４４はフランジ４３内にプレスばめ又は
締めしろ手段によりシールリング状に固定され支持され
る。面リング４４はその外側端において横方向、又は半
径方向シール面４６を形成し、この面が対向するシール
面３２に対して回転状態で摺動係合する。面リング４４
の背面４７は、シールリング４２により規定される底面
４８に対して着座される。

シールアセンブリ２３はさらに従来の金属性ベローシー
ル２２を含み、ベローシール２２はカラー３６とシール
リング４２の間にあって、両者を非回転的にシール状態
に接続している。このベローシール２２はシャフトを取
り囲み、その一方端がカラー３８に溶接などの手段によ
り密封状態に固定される。ベローシール２２の他方端は
シールリング４２に溶接などの手段により密封状態に固
定される。ベローシール２２は概ね従来通りの構造をし
ており、複数のベロープレート、好ましくは適切に相互
溶接されたステンレス鋼を含んでいる。

ベローシール２２はまた弾性装置としても機能し、通常
はシールリング４２をグランドインサート２６方向に弾
性付勢し、これによりシール面３２゜４６を相互に密封
状態に係合させている。必要な場合には、カラー３８と
シールリング４２との間で作用するように１又は２以上
の従来のコイルバネを用いることにより、さらに弾性手
段を設けることも可能である。

面リング３１．４４はタングステンカーバイドやシリコ
ンカーバイドのようなカーバイドから構成される。回転
面リング４４は、通常は、半径方向長さを越える軸方同
店がりを有しており、円筒状内壁４９により規定される
リング４４の内径はシャフト１３の直径より概ね大きく
形成され、内壁４９がシャフトに対し半径方向に鉗離を
有するように構成される。

第１図に示される全体的なシール構造は、その構成と動
作を含め、従来通りのものである。

この種のシール構造の詳細については、米国特許第４，
２６１，５８１号及び第３，７７３，３３７号に記載さ
れている。

次に、第２図を参照しながら本発明に基づく改良点につ
いて説明する。回転するカーバイド面リング４４はそれ
に固定された振動緩衝リング５１を備えている。このリ
ング５１は締めしろ又はプレスばめ手段によりカーバイ
ド面リング４４の円筒状内壁４９内に配設され、リング
４４とリング５１は相互にしっかりと固定される。振動
緩衝リング５１の内径、すなわち円筒状壁５２の寸法は
シャフト１３の外径より若干大きく構成され、その間に
形成される半径方向間隙は、約０．１２７ｍｍ（０００
５ｉｎ）乃至約（１，６３５ａｍ　（０，０２５ｉｎ）
の範囲にある。

緩衝リング５１は好ましくはカーボン製であり、第２図
に示すような、特徴的な軸方向長さを有している。実際
には、リング５１の長さは、カーバイド面リング４４の
際だ軸方向長さより若干短く構成される。カーボンリン
グ５１の背面５３は好ましくはカーバイド面リングの背
面４７と概ね同一平面を形成する。しかしながら、リン
グ５１の前面５４はシール面４６から軸方向前方又は後
方に間隔をおき、カーボンリング上に形成される異物す
なわちコークスによるシール面４６への影響を阻止して
いる。

前面５４に近接する外径側のリング５１は、その角に小
さな面取り部５６を備え、カーボンリング５１をカーバ
イドリング４４の左側からカーバイドリング４４内に圧
太し易く構成されている。リング５１の面５４は好まし
くは少なくとも約０．１５２４＋ｎｏ＋（０，００６ｉ
ｎ）シール面４６から軸方向後方に配置される。

カーボンリング５１は常に半径方向肉厚よりも長い軸方
向長さをｈしている。例えば、このカーボンリングの寸
法は、約０．６３５ｃｍ（０，２５ｉｎ）の半径方向厚
み及び約０　、７６２ｃｍ　（０，３０ｉｎ）の軸方向
長さを有する約３．６５７６ｃｍ（１，２０ｉｎ）の外
径寸法より、約１．０１６ｃｍ（０，４（Ｈ，ｎ）の半
径方向厚み及び約１２７ｃｍ（０，５０ｉｎ）の軸方向
長さを有する約１２．１４１２ｃｍ（４、７８ｉｎ）の
外径寸法の範囲にある。

（発明の効果） 本発明によれば、動作時、カーボン振動緩衝リング５１
を用いた第２図に示すような改良型機械的シール構造は
、シール構造の振動、特に機械的シール構造を貫装状態
で走行させた場合に観察されるベローの振動を顕著に減
少させ、制御することができる。同時に、カーボンリン
グ５１には十分な半径方向間隔が確保され、面リング４
４の必要な半径方向変位又は有角の傾動が妨げられるこ
とがないので、常に所望の走行性能が維持され、静止面
リング３１とのシール係合が確保される。リング５１時
代も若干の自己潤滑が可能であり、特徴的な軸方向長さ
と相まって、シャフトのフレフランジや作動停止を効果
的に防止することが可能である。振動効果を効果的に減
少あるいは縮小させるという堅調な改良点を除いては、
本発明のシール構造は従来のものと同様に機能する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のベロー型機械的シール構造のアセンブ
リを示す軸方向断面図であり、第２図は、本発明に基づ
く装置の拡大軸方向断面図である。 １１・・・壁体、１２・・・開口、１３・・・シャフト
、１４・・・軸、２２・・・ベローシール、 ２３・・・機械的シールアセンブリ、 ２４・・・静止シール部、２６・・・グランドインサー
ト、２７・・・ビン、２９・・・環状フランジ、３１・
・・環状面リング、３２・・・シール面、３３・・・間
隙、３４・・回転シール部、３６・・・環状カラー３９
・・・螺子、４１・・・ガスケット、４２・・・シール
リング、４３・・・環状フランジ、４４・・・回転面リ
ング、４６・・・シール面、４７・・・背面、４８・・
・底面、４９・・・内壁、５１・・・可変緩衝リング、
５２・・・円筒状壁、５３・・・背面、５４・・・前方
軸方向端面、５６・・・面取り部、 従来技術 出願人代理人　　　古　谷　　馨 同　　　溝部孝彦 同　　　古谷　聡 ＦＩＧ、　２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ハウジングに対し相対回転するシャフトをシールす
   るための機械的シール構造であって、上記シャフトを取
   り囲むように且つ上記シ ャフトに対して非回転的に固定されたカラー手段と、 上記シャフトを取り囲むように配設され且 つ回転支持リングと上記回転支持リングに固定された回
   転カーバイド面リングとを含み、上記回転支持リング及
   び面リングは上記シャフトから半径方向に隔置され上記
   シャフトに対して概ね環状の間隙が画定されているよう
   な回転シール部と、 上記シャフトを取り囲むように配設され且 つ上記カラー手段と上記回転支持リングとの間を軸方向
   に伸び、その一方端が上記カラー手段に固定され、その
   他方端が上記回転支持リングに固定された軸方向に伸張
   する金属製ベローと、さらに、 上記ハウジングに固定されたグランドリン グと上記グランドリングに固定された定置カーバイド面
   リングとを含み、上記グランドリングと上記定置面リン
   グは上記シャフトを取り囲むように配設され且つ上記シ
   ャフトから半径方向に隔置され上記シャフトに対して概
   ね環状の間隙が画定された定置定置シール部とを含み、 上記回転リングと定置面リングとにより軸 方向に対向し且つ概ね平面的なシール面が画定され、上
   記シール面が相互に回転自在に且つ摺動係合可能なよう
   に維持されることにより半径方向を横切るシールが形成
   されるような、機械的シール構造において、 可変緩衝リング（５１）が上記シャフト（１３）を取り
   囲むように上記回転面リング（４４）と同軸上に配設さ
   れ、上記可変緩衝リングはカーボン製であり且つ締めし
   ろ又はプレスばめ手段により上記回転面リング（４４）
   内に固定され、上記可変緩衝リングの内径は上記シャフ
   ト（１３）の外径よりも若干大きく形成されて上記シャ
   フトに対して小さな半径方向間隙が形成され、上記可変
   緩衝リング（５１）が緩衝ダンパとして機能するように
   概ね軸方向に伸張していることを特徴とする、可変ダン
   パを備えたベロー型機械的シール構造。 ２　上記可変緩衝リング（５１）が上記回転面リング（
   ４４）の軸方向長さの少なくとも約７５％の軸方向長さ
   を有し、上記可変緩衝リング（５１）が上記回転面リン
   グ（４４）よりも短い軸方向長さを有することを特徴と
   する、請求項１に記載の機械的シール構造。 ３　上記可変緩衝リング（５１）がその一方端に上記回
   転面リング（４４）上のシール面（４６）と軸方向同方
   向に向いている前方軸方向端面（５４）を有し、上記可
   変緩衝リング上の上記前方軸方向端面（５４）が上記回
   転面リング上の上記シール面（４６）に対し軸方向後方
   に間隔を置いていることを特徴とする、請求項１又は２
   に記載の機械的シール構造。 ４　上記可変緩衝リング（５１）がその軸方向長さの約
   ６０％乃至約８０％の半径方向厚みを有することを特徴
   とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の機械的シー
   ル構造。 ５　上記シャフト（１３）と上記可変緩衝リング（５１
   ）との間の半径方向間隙が約０．１２７ｍｍ（０．００
   ５ｉｎ）乃至約０．６３５ｍｍ（０．０２５ｉｎ）であ
   ることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載
   の機械的シール構造。