JP2008008493A

JP2008008493A - 分割形メカニカルシール用密封環の製作方法

Info

Publication number: JP2008008493A
Application number: JP2007253193A
Authority: JP
Inventors: Toshio Fukui; 寿夫福井; Shigeyuki Fujinaga; 繁行藤永; Masaki Miyamoto; 正樹宮本
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2008-01-17

Abstract

【課題】脆性材製の分割形リングである分割形メカニカルシール用密封環を容易且つ安価に製作する方法を提供する。
【解決手段】カーボン、セラミックス又は超硬合金で構成された脆性材製リング１の内外周面１ａ，１ｃに、一つの直径線２上の二箇所において、軸線方向に延びる微小な切欠溝３ａ，３ｂを形成した上、当該リング１に、これを前記直径線２に直交する方向に拡径させる外力Ｆ，Ｆを付与して、内周面側の切欠溝３ａから外周面側の切欠溝３ｂへと亀裂を進行させることにより、当該リング１を、その分割面１０ｄ，１０ｅが不規則且つ微細な凹凸面となるように二分割させる。外力Ｆ，Ｆの付与は、前記直径線２を挟んで対向し且つリング内周面１ａに当接する一対の押圧治具５，５を介して行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーボン、セラミックス又は超硬合金で構成された脆性材製リングを周方向に二分割することにより分割形メカニカルシール用密封環を製作する方法に関するものである。

従来からも、シールケース側に設けた密封環と回転軸側に設けた密封環とをこれらの対向端面である密封端面で相対回転摺接させることにより、その相対回転摺接部分の内外周側領域である機内領域と機外領域とをシールするように構成されたメカニカルシールにあって、密封端面の摩耗損傷等による密封環の交換，修理等のメンテナンス作業を容易ならしめるべく、少なくとも一方の密封環を径方向に二分割しておくことが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

而して、このような分割形の密封環は、一般に、図７及び図８に示す如く、半円状の密封環構成部分２１，２２を個々に製作することによって得るようにしているのが普通である。すなわち、図８に示す如く、両端部に所定量δの研磨代２１ｂ，２２ｂを設けた円弧状素材２１ａ，２２ａを製作した上、これら円弧状素材２１ａ，２２ａの研磨代２１ｂ，２２ｂを研磨（ラップ，ポリッシング等）除去することによって、密封環構成部分２１，２２は製作される。研磨代２１ｂ，２２ｂの研磨は、図７に示す如く、密封環構成部分２１，２２の研磨面２１ｃ，２２ｃ同士を衝合させることにより所望する密封環２０が構築されるように行われる。

特開２００１−０６５７０６号公報

しかし、このような分割形の密封環２０は、各密封環構成部分２１，２２を個々に製作することによって得られるものであるため、円弧状素材２１ａ，２２ａの研磨に高度の熟練を要する。すなわち、研磨面２１ｃ，２２ｃの精度が低い場合には、密封環構成部分２１，２２が適正な円環状をなして衝合することができず、密封環２０が不良品となる。したがって、作業者が高度の熟練者でない場合、不良品発生率が高くなり、製作効率も頗る悪い。また、メカニカルシール用密封環の構成材としてはカーボン，セラミックス，超硬合金等の高価な脆性材料が使用されるが、円弧状素材２１ａ，２２ａを研磨して密封環構成部分２１，２２を得ることから、材料の歩留まりが頗る悪く、製作コストが高くなる。さらに、密封環構成部分２１，２２の衝合面２１ｃ，２２ｃが平滑な平面（研磨面）であることから、密封環２０としてメカニカルシールに組み込んだ場合、圧力変動等により衝合面２１ｃ，２２ｃにズレを生じて、衝合面２１ｃ，２２ｃ間から漏れを生じる等、良好なシール機能を発揮し難い。

本発明は、分割形メカニカルシール用密封環である脆性材製の分割形リングを、上記した問題を生じることなく、容易且つ安価に製作することができる方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記の目的を達成すべく、カーボン、セラミックス（ＳｉＣ，Ａｌ_２Ｏ_３等）又は超硬合金（ＷＣ，ＴｉＣ等）で構成された脆性材製リングの内外周面に、一つの直径線上の二箇所において、当該内外周面の全幅に亘って軸線方向に延びる微小な切欠溝を形成した上、当該リングに、これを前記直径線に直交する方向に拡径させる外力を付与して、内周面側の切欠溝から外周面側の切欠溝へと前記直径線に沿って亀裂を進行させることにより、当該リングを、その分割面が不規則且つ微細な凹凸面となるように周方向に二分割させるようにした分割形メカニカルシール用密封環の製作方法であって、脆性材製リングへの前記外力の付与は、物理的な衝撃によることなく、前記直径線を挟んで対向し且つリング内周面に当接する一対の押圧治具を介して行われるものであって、脆性材製リングを水平面である載置面上に載置させた上、両押圧治具の対向面間を、当該対向面（５ｂ，５ｂ）間に装填させた下窄まり状のカム体（６）を押圧下降させることにより、前記直径線（２）に直交する方向に徐々に押し広げるようにすることを特徴とする分割形メカニカルシール用密封環の製作方法を提案する。かかる方法にあって、脆性材製リングは、密封端面として機能させる一側端面たるリング表面を上にした状態で、載置面上に載置させておくことが好ましい。また、載置面は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の低摩擦性材をコーティングする等により、低摩擦性の平滑面に構成しておくことが好ましい。

本発明によれば、分割形メカニカルシール用密封環を、高度の熟練を必要とすることなく、容易且つ安価に製作することができる。しかも、分割面が不規則且つ微細な凹凸面であることから、分割リングの衝合形態を適正に確保，維持することができ、密封環たる当該分割リングの機能を良好に発揮させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る方法の実施の形態を示す横断平面図（断面は図２のＩ−Ｉ線に沿う）であり、（Ａ）図は分割開始状態を示しており、（Ｂ）図は分割完了状態を示している。また、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う縦断正面図であり、（Ａ）図は分割開始状態を示しており、（Ｂ）図は被分割リングを（Ａ）図と異なる形態（リング裏面を下にした形態）に載置保持させた場合の分割開始状態を示しており、（Ｃ）図は分割完了状態を示している。また、図３は図１（Ａ）の要部（被分割リング）を取り出して示す平面図であり、図４は図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う縦断側面図であり、図５は分割された脆性材製リング（分割形メカニカルシール用密封環）を示す平面図であり、図６は図５の要部を拡大して示す詳細図である。

この実施の形態は、本発明の方法により図３に示す脆性材製リング１を分割して、図５及び図６に示す分割形メカニカルシール用密封環１０を製作する例に係る。

本発明の方法を実施するに当たっては、まず、所望する密封環１０の完成形態（後述する半円状の密封環構成部分１０ａ，１０ｂを、図５に示す如く、適正な円環状に衝合させた形態）に合致する形状の脆性材製リング（以下「被分割リング」という）１を製作する。この被分割リング１の内外周面１ａ，１ｂには、図３及び図４に示す如く、一つの直径線２上の二箇所において、内外周面１ａ，１ｂの全幅（軸線方向における全幅）に亘って軸線方向に延びる切欠溝（ノッチ）３ａ，３ｂが形成されている。各切欠溝３ａ，３ｂは、溝幅及び溝深さが微小且つ一定のＶ字溝（図３（Ａ））又はＵ字溝（同図（Ｂ））である。また、被分割リング１の一側端面であるリング表面１ｃは、軸線に直交する平滑面（鏡面）に表面研磨されており、リング表面１ｃにおける切欠溝３ａ，３ｂが形成される内外周縁部分を除く所定幅（シール面幅）Ｗの環状部分は、当該密封環１０をメカニカルシールに組み込んだ場合に相手密封環に摺接する密封端面１０ｃとして機能するものである。なお、被分割リング１の構成材としては、当該密封環１０が組み込まれるメカニカルシールの使用目的，機能や相手密封環の材質等の条件に応じた脆性材が使用される。具体的には、カーボン、ＳｉＣ，Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックス又はＷＣ，ＴｉＣ等の超硬合金が使用される。

そして、図１及び図２に示す如く、上記の如く構成された被分割リング１に、これを前記直径線２に直交する方向に拡径させる外力Ｆ，Ｆを付与することによって、当該リング１を半円状の密封環構成部分１０ａ，１０ｂに二分割させて、所望する分割形の密封環１０を得るのである。

すなわち、まず、図１（Ａ）及び図２（Ａ）（Ｂ）に示す如く、被分割リング１を水平な載置台４に載置保持させると共にリング内周面１ａに一対の押圧治具５，５を当接させる。ところで、被分割リング１の載置台４への載置形態は、一側端面（密封端面１０ｃが形成される側の端面）であるリング表面１ｃを下に向けた形態（図２（Ａ）に示す形態）であっても、他側端面（密封端面１０ｃが形成されない側の端面）であるリング裏面１ｄを下に向けた形態（同図（Ｂ）に示す形態）であっても、何れでもよいが、後者のようにすることが好ましい。また、何れの場合にも（特に、前者のようにする場合には）、後述する分割作用時における当該リング１の被摺接面（リング表面１ｃ又はリング裏面１ｄ）と載置台４の上面たる載置面４ａとの相対摺接運動により被摺接面が損傷しないように、載置面４ａは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の低摩擦性材をコーティングする等により低摩擦性の平滑な水平面に構成しておくことが好ましい。両押圧治具５，５は、切欠溝３ａ，３ｂが位置する前記直径線２を挟んで対向するように、被分割リング１内に装填されたものであり、当該直径線２に対して対称の円弧形状をなす。各押圧治具５は、図１及び図２に示す如く、外周面５ａをリング内周面１ａに密接する円弧面（リング内周面１ａと同一径をなす）に構成すると共に、内周面５ｂを曲率半径が下方向に漸次小さくなる円弧状のテーパ面に構成したものであり、下端面が載置面４ａに接触され且つ外周面５ａがリング内周面１ａにその上下方向全幅に亘って当接する状態で、被分割リング１内に配置されている。

次に、図１（Ａ）及び図２（Ａ）（Ｂ）に示す如く、下窄まり状のカム体６の下端部を両押圧治具５，５の対向面５ｂ，５ｂ間に装填させた上、このカム体６を、これに適宜の押圧手段（プレス機等）により下方への押圧力Ｐを作用させて、徐々に押し下げていく。カム体６の外周面６ａは、当該カム体６を下降させるに従って両押圧治具５，５の対向面５ｂ，５ｂ間を前記直径線に直交する方向に徐々に押し広げるように、押圧治具５，５のテーパ面５ｂ，５ｂに対して機能しうる下窄まり状のカム面に構成されている。

而して、カム体６を下方に押圧させると、被分割リング１に、押圧治具５，５を介して、当該リング１を前記直径線２に直交する方向に拡径させる外力Ｆ，Ｆが付与される。したがって、カム体６が下降されるに従って、被分割リング１には、内周面側の切欠溝３ａを起点とする亀裂が生じ、爾後、この亀裂が当該切欠溝３ａから外周面側の切欠溝３ｂへと進行して、図１（Ｂ）及び図２（Ｃ）示す如く、当該リング１が半円状の密封環構成部分１０ａ，１０ｂに二分割される。

このとき、外力Ｆ，Ｆが切欠溝３ａ，３ｂを通過する直径線２に直交する方向に作用することから、上記亀裂が内周面側の切欠溝３ａから外周面側の切欠溝３ｂへと確実に進行することになる。したがって、切欠溝３ａ，３ｂが形成された箇所以外の箇所において亀裂が発生したり、局部的な欠損を生じたりすることがなく、被分割リング１を予定された直径線２上の箇所で適正に分割することができる。したがって、分割不良品の発生する割合が極めて低く、脆性材製リング１の分割を極めて経済的に行うことができる。また、被分割リング１への外力Ｆ，Ｆの付与を、物理的な衝撃によることなく、リング内周面１ａに当接させた円弧状の押圧治具５，５を介して行うから、リング内周面１ａにピンポイントで直接的に外力Ｆ，Ｆを付与させる場合（直径線２に直交する直径線上のリング内周面部分のみに外力Ｆ，Ｆを作用させる場合）のように被分割リング１が切欠溝３ａ，３ｂが形成された部分以外で折損したり亀裂を生じたりすることがなく、上記した適正な分割が確実に行われる。

また、被分割リング１が低摩擦性の平滑水平面（載置面）４ａ上に載置されていることから、外力Ｆ，Ｆによる当該リング１の水平方向への分断作用（剪断作用）が載置面４ａとこれに接触するリング表面１ｃ（図２（Ａ）参照）又はリング裏面１ｄ（同図（Ｂ）参照）との間の摩擦抵抗（及び載置面４ａと治具５，５の下面との間の摩擦抵抗）によって妨げられる虞れがなく、円滑且つ良好なリング分割が行われる。そして、この場合、当該リング１を、図２（Ｂ）に示す如く、密封端面１０ｃが形成されているリング表面１ｃを上にした状態で載置面４ａ上に載置させている場合には勿論、同図（Ａ）に示す如く、リング表面１ｃを下にした状態で載置面４ａ上に載置させている場合にも、載置面４ａを前記した如き低摩擦性の平滑水平面としておくことにより、分割時における両面１ｃ，４ａの相対摺接運動により密封端面１０ｃが損傷する虞れはない。

ところで、被分割リング１を加熱した上で急冷することにより、当該リング１を熱衝撃により分割する方法や被分割リング１をこれに直接に物理的な衝撃を与えることにより分割（剪断）させる方法も考えられるが、前者の方法によれば、内周面側の切欠溝３ａを起点として亀裂が発生しても、その亀裂の終点が外周面側の切欠溝３ｂとなるか否か不明であり、正確なリング分割を行い得ないし、加熱，急冷により分割部分１０ａ，１０ｂに不測の歪が生じる虞れもある。また、後者の方法によれば、亀裂が切欠溝３ａ，３ｂの形成されていない箇所で生じる虞れがあり、リング欠損が生じ易く、不良品発生率が極めて高くなる。しかし、上記した分割方法によれば、このような問題を生じることがなく、被分割リング１を切欠溝３ａ，３ｂを結ぶライン上で確実に分割することができる。

そして、以上のようにして被分割リング１を二分割して得られた密封環構成部分１０ａ，１０ｂの衝合面つまり密封環１０の分割面１０ｄ，１０ｅは、図６に示す如く、微細且つ不規則な凹凸面となり、当該分割面１０ｄ，１０ｅに平行する方向（密封環１０の軸線方向及び径方向）に相対スライドを生じない状態で凹凸係合することになる。したがって、密封環１０をメカニカルシールに組み込んだ場合、分割面１０ｄ，１０ｅの凹凸係合により密封環構成部分１０ａ，１０ｂの軸線方向及び径方向への相対変位（ズレ）が生じず、密封環１０を適正な円環状体に保持させておくことができ、分割面１０ｄ，１０ｅからの漏れを生じたりすることなく、良好なシール機能が発揮される。また、密封環構成部分１０ａ，１０ｂの衝合時の位置決めつまり分割面１０ｄ，１０ｅの適正な衝合も容易に行うことができ、密封環１０のメカニカルシールへの組み込みを適正且つ容易に行うことができる。

また、冒頭で述べた如く密封環構成部分２１，２２を各別に製作する場合と異なって、密封環１０の完成形態と同一形状に製作された被分割リング１を二分割させるため、材料の歩留まりがよく、高度の熟練を必要とすることなく、分割形密封環１０を容易且つ安価に製作することができる。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良，変更することができる。例えば、切欠溝３ａ，３ｂの形状は、図３（Ａ）に示すＶ字溝や図３（Ｂ）に示すＵ字溝に限定されず、外力Ｆ，Ｆにより発生する亀裂の起点ないし終点及び両点間の誘導ラインとして機能しうるものであればよい。

本発明に係る方法の実施の形態を示す横断平面図（断面は図２のＩ−Ｉ線に沿う）であり、（Ａ）図は分割開始状態を示しており、（Ｂ）図は分割完了状態を示している。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う縦断正面図であり、（Ａ）図は分割開始状態を示しており、（Ｂ）図は被分割リングを（Ａ）図と異なる形態（リング裏面を下にした形態）に載置保持させた場合の分割開始状態を示しており、（Ｃ）図は分割完了状態を示している。図１（Ａ）の要部（被分割リング）を取り出して示す平面図である。図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う縦断側面図である。分割された脆性材製リング（メカニカルシール用密封環）を示す平面図である。図５の要部を拡大して示す詳細図である。従来方法により製作されたメカニカルシール用密封環を示す平面図である。同密封環の構成素材を示す平面図である。

符号の説明

１被分割リング（脆性材製リング）
１ａ内周面
１ｂ外周面
２直径線
３ａ内周面側の切欠溝
３ｂ外周面側の切欠溝
４載置台
４ａ載置面
５押圧治具
５ａ押圧治具の外周面
５ｂ押圧治具の内周面（対向面）
６カム体
６ａカム面
１０密封環
１０ａ密封環構成部分
１０ｂ密封環構成部分
１０ｃ密封端面
１０ｄ衝合面（分割面）
１０ｅ衝合面（分割面）

Claims

カーボン、セラミックス又は超硬合金で構成された脆性材製リング（１）の内外周面（１ａ，１ｂ）に、一つの直径線（２）上の二箇所において、当該内外周面（１ａ，１ｂ）の全幅に亘って軸線方向に延びる微小な切欠溝（３ａ，３ｂ）を形成した上、当該リング（１）に、これを前記直径線（２）に直交する方向に拡径させる外力（Ｆ，Ｆ）を付与して、内周面側の切欠溝（３ａ）から外周面側の切欠溝（３ｂ）へと前記直径線（２）に沿って亀裂を進行させることにより、当該リング（１）を、その分割面（１０ｄ，１０ｅ）が不規則且つ微細な凹凸面となるように周方向に二分割させるようにした分割形メカニカルシール用密封環の製作方法であって、
脆性材製リング（１）への前記外力（Ｆ，Ｆ）の付与は、物理的な衝撃によることなく、前記直径線（２）を挟んで対向し且つリング内周面（１ａ）に当接する一対の押圧治具（５，５）を介して行われるものであって、脆性材製リング（１）を水平面である載置面（４ａ）上に載置させた上、両押圧治具（５，５）の対向面（５ｂ，５ｂ）間を、当該対向面（５ｂ，５ｂ）間に装填させた下窄まり状のカム体（６）を押圧下降させることにより、前記直径線（２）に直交する方向に徐々に押し広げるようにすることを特徴とする分割形メカニカルシール用密封環の製作方法。
脆性材製リング（１）は、密封端面（１０ｃ）として機能させる一側端面たるリング表面（１ｃ）を上にした状態で、載置面（４ａ）上に載置させるようにすることを特徴とする、請求項１に記載する分割形メカニカルシール用密封環の製作方法。
載置面（４ａ）が低摩擦性の平滑面に構成されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する分割形メカニカルシール用密封環の製作方法。