JP2012013213A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】作動部Ｏリングの目詰まりを防止し、回転環に対する静止環の押し付け加重を安定させ、好適なシール性能を実現し得るメカニカルシールを提供する。
【解決手段】回転軸７０と一体に回転する回転環３０と、回転環３０と摺動する静止環４１と、静止環４１を軸方向に移動自在に支持するシールケース１１と、静止環外周面とシールケース内周面の間に配置される作動部Ｏリング４６と、回転環３０、静止環４１、シールケース１１および作動部Ｏリング４６を収容するシールカバー１０と、シールケース１１、シールカバー１０のいずれか一方と装置外面８２との間に挟まれ圧縮され保持されるダイアフラム外周部６０ａと、ダイアフラム外周部６０ａより内周側に位置しており作動部Ｏリング４６より機内側において静止環外周面に接触するダイアフラム内周部６０ｂとを有し、弾性材料によって構成されるリング状のダイアフラム６０と、を有するメカニカルシール１。
【選択図】図１

Description

本発明は、メカニカルシールに関し、より詳細には、スラリーを含む流体を処理する装置に用いられて有用なメカニカルシールに関する。

スラリーが含まれる被密封流体をシールするメカニカルシールは、静止環の二次シールとして用いられるＯリングにスラリーが固着し、静止環の軸方向に沿う動きが阻害され、シール寿命が低下するという問題を有する。

このような問題に対応した従来技術としては、Ｏリングにスラリーが付着するのを防止するため、ケーシングと静止環の間に軟質目詰材を配置するものや、Ｏリングの代わりにパッキンを採用するものが提案されている（特許文献１および２参照）。

特開２００５−１７２１０７号公報 特開２００５−１２１１３０号公報

しかしながら、軟質目詰材を配置するメカニカルシールでは、スラリーが軟質目詰材自体の回りに固着するなどして、軟質目詰材自体が静止環の作動不良の原因となるという問題を有している。また、軟質目詰材に適切な硬度を持たせる必要があるため、軟質目詰材に使用できる材料が大きく制限され、被密封流体が高温である場合や、被密封流体がケミカル流体であるような場合には、使用できない場合があった。

また、Ｏリングの代わりにパッキンを採用する従来技術では、例えばパッキンを静止環に対して弾性的に押し付けて固定した場合には、パッキンが、静止環に対して大きな軸方向加重を発生させ、回転環に対する静止環の押し付け加重の調整が難しくなるという問題を有している。また、例えばパッキンと静止環を接着して固定した場合には、組み立て工程が複雑になり、組み立て後においても接着剥がれが発生するという問題を有している。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、作動部Ｏリングの目詰まりを防止し、回転環に対する静止環の押し付け加重を安定させ、好適なシール性能を実現し得るメカニカルシールを提供することである。

上述の課題を解決するために、本発明に係るメカニカルシールは、回転軸と一体に回転するように当該回転軸に設置される回転環と、
前記回転環と対向するように配置され、前記回転環と摺動する静止環と、
前記静止環を軸方向に移動自在に支持するシールケースと、
前記静止環の外周面である静止環外周面と前記シールケースの内周面であるシールケース内周面の間に配置される作動部Ｏリングと、
前記回転軸を有する装置の外面である装置外面に取り付けられ、前記回転環、前記静止環、前記シールケースおよび前記作動部Ｏリングを収容するシールカバーと、
前記シールケースおよび前記シールカバーのいずれか一方と前記装置外面との間に挟まれて保持されるダイアフラム外周部と、当該ダイアフラム外周部より内周側に位置しており前記作動部Ｏリングより前記機内側において前記静止環外周面に接触するダイアフラム内周部とを有し、弾性材料によって構成されるリング状のダイアフラムと、を有し、
前記ダイアフラム外周部は、前記シールケースおよび前記シールカバーのいずれか一方と前記装置外面によって、軸方向に圧縮されていることを特徴とする。

本発明に係るメカニカルシールは、弾性材料によって構成されるリング状のダイアフラムを有し、ダイアフラムは、作動部Ｏリングが配置されている空間に、被密封流体に含まれるスラリー等が侵入することを防止できる。これにより、メカニカルシールは、作動部Ｏリングの目詰まりを防止し、回転環に対する静止環の押し付け加重を安定させ、好適なシール性能を実現することができる。また、弾性体によって構成されるダイアフラムは、ダイアフラム外周部が軸方向に圧縮されて弾性変形することによって、ダイアフラム内周部を静止環に向かって押し付けることができる。このようなメカニカルシールは、組み立てが容易であるとともに、ダイアフラムが静止環に対して及ぼす軸方向の加重を、抑制することができる。

また、例えば、本発明に係るメカニカルシールにおいて、前記シールケースおよび前記シールカバーのいずれか一方と前記装置外面との間には、前記ダイアフラム外周部を収納するための隙間が形成されていてもよく、当該隙間の幅は、前記ダイアフラムが外力を受けていない状態における前記ダイアフラム外周部の厚さより小さくてもよい。

このようなメカニカルシールでは、シールカバーを装置に組み付けただけでダイアフラムが圧縮され、作動部Ｏリングの目詰まりを防止できるため、組み立てが極めて容易である。

また、例えば、本発明に係るメカニカルシールにおいて、前記静止環外周面には、外周方向に向かって開口する円環状の溝が形成されていてもよく、前記ダイアフラム内周部における内周側端部に形成されるダイアフラム内周端面は、前記溝の底面である溝底面に接触してもよい。

このようなメカニカルシールは、ダイアフラム内周部と静止環の接触位置が変化することを防止するとともに、ダイアフラム内周部と静止環外周面の密着を確実なものとすることができる。また、ダイアフラム内周部を溝に係合させることによって、ダイアフラム内周部を静止環に対して容易に位置決めすることが可能であり、このようなメカニカルシールは、組み立てが容易である。

また、例えば、前記ダイアフラムが外力を受けていない状態において、前記ダイアフラム内周端面の径は前記溝底面の径より大きくてもよく、前記ダイアフラムは平板状であってもよく、
前記ダイアフラム内周部は、前記ダイアフラム外周部が前記シールケースおよび前記シールカバーのいずれか一方と前記装置外面によって軸方向に圧縮されることによって膨張し、前記ダイアフラムには、前記ダイアフラム外周部と前記ダイアフラム内周部との間に、撓み部が形成されてもよい。

このようなメカニカルシールは、ダイアフラム外周部とダイアフラム内周部との間に撓み部が形成されているため、静止環が軸方向に移動した場合にも、ダイアフラム内周端面と溝底面との密着を好適に維持することができる。また、ダイアフラムが外力を受けていない状態において、ダイアフラム内周端面の径は溝底面の径より大きいので、シールカバーが装置外面に組み付けられるまで、ダイアフラムは平面状態を保つことが可能であり、このようなメカニカルシールは、組み立てが容易である。

また、例えば、前記溝の幅は、前記ダイアフラムが外力を受けていない状態における前記ダイアフラム内周部の厚さより大きくてもよく、
前記ダイアフラム内周部は、前記ダイアフラム外周部が前記シールケースおよび前記シールカバーのいずれか一方と前記装置外面によって軸方向に圧縮されることによって膨張し、前記溝の両側面に接触してもよい。

このようなメカニカルシールは、ダイアフラム内周部と静止環の接触位置が変化することを確実に防止するとともに、ダイアフラム内周部と静止環外周面の密着をより確実なものとすることができる。また、溝の幅は、ダイアフラムが外力を受けていない状態におけるダイアフラム内周部の厚さより大きいので、ダイアフラムを静止環に対して容易に仮組みすることが可能であり、このようなメカニカルシールは、組み立てが容易である。

また、例えば、本発明に係るメカニカルシール装置は、前記回転環と前記静止環が摺動することによって形成される密封面に対して、前記回転軸に近接する側に被密封流体が存在するアウトサイド型であってもよい。

本発明に係るメカニカルシール装置は、アウトサイド型であっても、インサイド型であってもよいが、アウトサイド型である場合は、静止環とダイアフラムの配置調整が容易であり、小型化に適している。

図１は、本発明の一実施形態に係るメカニカルシールの断面図である。 図２は、図１に示すダイアフラムの周辺部を拡大した拡大断面図である。 図３は、装置に取り付ける前のメカニカルシールにおけるダイアフラムの周辺部を表す拡大断面図である。 図４Ａは、ダイアフラムの圧縮面積が大きい場合におけるダイアフラムの変位量を解析した解析結果を表した図である。 図４Ｂは、ダイアフラムの圧縮面積が小さい場合におけるダイアフラムの変位量を解析した解析結果を表す図である。

本発明の一実施形態に係るメカニカルシールについて、図１〜図３を参照して説明する。本実施形態においては、遠心ポンプのような装置の軸シールとして使用されるメカニカルシールであって、２つの摺動面を背面合わせに構成したダブルシールを有し、取付フランジ８０の外面８２にカートリッジ形態で装着されるメカニカルシールを例示して本発明を説明する。

図１は、本実施形態のメカニカルシール１の構成を示す断面図であり、メカニカルシール１を装置本体における取付フランジ８０の外面８２にカートリッジとして装着した状態を表している。図２は、図１に示すダイアフラム６０の周辺部を拡大した拡大断面図である。図３は、装置本体に装着する前のメカニカルシール１におけるダイアフラム６０を表す拡大断面図である。

図１に示すように、装置本体の取付フランジ８０には、軸孔８１が形成されており、この軸孔８１を、不図示の軸受けにより回転可能に支持された回転軸７０が貫通している。メカニカルシール１は、軸孔８１の周囲の外面８２に、ボルト等を用いて固定される。

メカニカルシール１は、回転環３０、第１静止環４１、シールケース１１、第１作動部Ｏリング４６、シールカバー１０、ダイアフラム６０を有する。また、メカニカルシール１は、スリーブ２０、第２静止環５１、第２作動部Ｏリング５５、スリーブカラー２１等をさらに有する。

シールカバー１０は、回転軸７０を有する装置本体における取付フランジ８０の外面８２に取り付けられている。シールカバー１０には、固定用のボルトを挿通させるために、軸方向の貫通孔（不図示）が複数形成されており、貫通孔を挿通する複数のボルトによって、取付フランジ８０の外面８２に押し付けられた状態で固定される。シールカバー１０は、シールケース１１、回転環３０、第１静止環４１、第２静止環５１、第１作動部Ｏリング４６および第２作動部Ｏリング５５等を、内周側に収容している。

シールカバー１０の内部には、図１に示すように、取付フランジ８０の軸孔８１に連続し、回転軸７０を通過させる内部孔１５が形成されている。シールカバー１０の内周面には、機内側から機外側方向に向かって、シールケース装着面１０ａ、拡張面１０ｂおよび絞り面１０ｃが形成されている。また、シールカバー１０の外周面の機外側端部には、位置決め用溝１０ｄが形成されている。回転軸７０にスリーブ２０や回転環３０を設置する時には、この位置決め用溝１０ｄにセットプレート６３の凸状部６２ａを嵌合させて、回転環３０等の位置決めを行う。

シールカバー１０には、外周面から内部孔１５に繋がるクエンチング液流入路１７が形成されている。クエンチング液流入路１７は、シールカバー１０の拡張面１０ｂに形成された開口に連通しており、機内側シール部４０と機外側シール部５０の間に形成される中間室１９に接続されている。

摺動時において、中間室１９には、クエンチング液流入路１７からクエンチング液が注入され、機内側シール部４０および機外側シール部５０の冷却や、各シール部に付着している不純物の洗浄が行われる。なお、シールカバー１０には、クエンチング液流入路１７に対して周方向に回転移動した位置に、クエンチング液排出路（不図示）が形成されている。

シールケース１１は、シールカバー１０のシールケース装着面１０ａに設置されている。シールケース１１は、シールカバー１０側からねじ込まれたセットスクリュー１３によって、シールカバー１０に対して固定されている。シールカバー１０とシールケース１１の間は、Ｏリング１２によって封止されている。

シールケース１１は、シールカバー１０を固定するボルトによって、シールカバー１０と共に、取付フランジ８０の外面８２に向かって押し付けられて、取付フランジ８０に対して固定される。シールケース１１と外面８２の間には、ダイアフラム６０が挟まれている。ダイアフラム６０については、後ほど詳述する。

シールケース１１は、第１静止環４１を軸方向に移動自在に支持している。第１静止環４１は、シールケース１１の内周側に配置されており、第１静止環４１の外周面である第１静止環外周面４１ａと、シールケース１１の内周面であるシールケース内周面１１ａの間には、第１作動部Ｏリング４６が配置されている。第１作動部Ｏリング４６は、第１静止環外周面４１ａと、シールケース内周面１１ａの間を封止している。

第１静止環４１は、外周方向に突出する第１静止環フランジ部４２を有しており、第１静止環フランジ部４２とシールケース１１の両方に係合する固定ピン４８によって、第１静止環４１の回転が規制されている。また、シールケース１１の機外側端面にはバネ座が設けられており、シールケース１１と第１静止環４１の第１静止環フランジ部４２の間には、コイルスプリング４９が設けられている。コイルスプリング４９は、第１静止環４１を回転環３０に向かって付勢する軸方向の力を発生する。

第１静止環４１は、回転環３０に対向するように配置されており、回転環３０と摺動する。すなわち、第１静止環４１の機外側端面には、機内側シール部４０の一方のシール面を構成する第１静止環シール面４３が形成される。第１静止環シール面４３は、後述する回転環３０の機内側シール面３２と摺動し、機内側シール部４０を構成する。

第２静止環５１は、機外側シール部５０の一方のシール面を構成する。第２静止環５１は、シールカバー１０の絞り面１０ｃに対して、軸方向に移動自在に設置されている。第２静止環５１も、第１静止環４１と同様に、回転環３０に対向するように配置されており、回転環３０と摺動する。すなわち、第２静止環５１の機内側端面には、機外側シール部５０の一方のシール面を構成するシール面５３が形成される。シール面５３は、後述する回転環３０の機外側シール面３３と摺動し、機外側シール部５０を構成する。

第２静止環５１の外周面である第２静止環外周面５１ａと、絞り面１０ｃの間には、第２作動部Ｏリング５５が配置されている。第２作動部Ｏリング５５は、第２静止環外周面５１ａと、絞り面１０ｃの間を封止している。第２静止環５１は、第１静止環４１と同様に、外周方向に突出するフランジ部５２を有しており、フランジ部５２とシールカバー１０の両方に係合する固定ピン５８によって、第２静止環５１の回転が規制されている。また、シールカバー１０にはバネ座が設けられており、シールカバー１０と第２静止環５１のフランジ部５２の間には、コイルスプリング５９が設置されている。コイルスプリング５９は、第２静止環５１を回転環３０に向かって付勢する軸方向の力を発生する。

第１静止環４１と第２静止環５１の間には、回転環３０が配置されている。回転環３０は、第１静止環４１および第２静止環５１と摺動する。すなわち、回転環３０の機内側端面には、第１静止環４１の第１静止環シール面４３と摺動する機内側シール面３２が形成され、回転環３０の機外側端面には、第２静止環５１のシール面５３と摺動する機外側シール面３３が形成される。

回転環３０は、スリーブ２０およびスリーブカラー２１等を介して、回転軸７０に固定・設置されており、回転軸７０と一体に回転する。回転環３０は、スリーブ２０に形成された貫通孔を貫通して回転環３０に係合するノックピン２９によって、スリーブ２０に固定される。回転環３０とスリーブ２０の間には、Ｏリング２６が配置されており、Ｏリング２６は、スリーブ２０と回転環３０の間を封止する。

スリーブ２０は、Ｏリング２３を介在させて回転軸７０の周面に密接に嵌合されている。スリーブ２０は、機外側端部においてスリーブカラー２１により、回転軸７０に固定されている。スリーブカラー２１は、スリーブ２０の機外側端部の外周面に嵌合し、セットスクリュー２２によって回転軸７０に対して固定される。スリーブ２０とスリーブカラー２１の両方に係合するノックピン２４は、スリーブ２０のスリーブカラー２１に対する相対移動を規制する。

本実施形態のメカニカルシール１において、回転環３０、第１静止環４１、及び、第２静止環５１は、各々、炭化ケイ素（シリコンカーバイト、ＳｉＣ）、カーボン、超硬合金等の材料を用いて作製される。好適には、第１静止環４１あるいは第２静止環５１と回転環３０との組み合わせは、各々、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と炭化ケイ素（ＳｉＣ）の組み合わせ、カーボンと炭化ケイ素（ＳｉＣ）の組み合わせ、超硬合金と超硬合金の組み合わせ、あるいは、カーボンと超硬合金の組み合わせが好適である。

本実施形態のメカニカルシール１において、シールカバー１０およびシールケース１１は、ステンレス等の金属材料を用いて作製されるが、特に限定されない。また、Ｏリング１２，２３、第１および第２作動部Ｏリング４６，５５は、フッ素ゴム、ニトリルゴム、ＥＰＤＭ、パーフロロエラストマ等の材料を用いて作製されるが、特に限定されない。

図１に示すように、ダイアフラム６０は、回転軸７０の外周を取り囲むリング状の外形状を有している。ダイアフラム６０は、シールケース１１と取付フランジ８０の外面８２との間に挟まれて保持されるダイアフラム外周部６０ａと、ダイアフラム外周部６０ａの内周側に位置しており第１静止環外周面４１ａに接触するダイアフラム内周部６０ｂとを有する。

図２に示すように、ダイアフラム６０は、弾性材料によって構成されており、ダイアフラム外周部６０ａは、シールケース１１と外面８２とによって軸方向に圧縮され、弾性変形している。ダイアフラム６０を構成する弾性材料としては、特に限定されないが、フッ素ゴム、ニトリルゴム、ＥＰＤＭ、パーフロロエラストマ等を使用することができる。ダイアフラム６０は、シールケース内周面１１ａと第１静止環外周面４１ａの隙間を封止するが、機内側に存在する被密封流体に含まれるスラリー等が、第１作動部Ｏリング４６の周りに流入することを防止できれば良く、被密封流体を完全にシールする必要はない。

シールケース１１の軸方向の寸法は、シールケース１１と取付フランジ８０の外面８２の間に、ダイアフラム６０のダイアフラム外周部６０ａを収納するための隙間１６が形成されるように設計されている。すなわち、シールカバー１０を外面８２に固定した際に、シールケース１１の機内側端面は、シールカバー１０の機内側端面より機外側に位置するように設計されており、シールケース１１の機内側端面と外面８２の間の隙間１６に、ダイアフラム外周部６０ａが収納される。

隙間１６の幅Ｄ１は、ダイアフラム６０が外力を受けていない状態におけるダイアフラム６０の厚さＤ２（図３参照）より、小さくなるように設計されている。そのため、図３に示すようなカートリッジ状態のメカニカルシール１を、取付フランジ８０の外面８２に対して固定するだけで、図３に示すような平板状のダイアフラム６０は、図２に示すように変形する。

図２に示すように、ダイアフラム内周部６０ｂは、第１作動部Ｏリング４６より機内側において第１静止環外周面４１ａに接触している。第１静止環外周面４１ａには、外周方向に向かって開口する円環状の溝である収納溝４４が形成されており、ダイアフラム内周部６０ｂは、収納溝４４に収納されている。

ダイアフラム内周部６０ｂにおける内周側端部に形成されているダイアフラム内側端面６０ｃは、収納溝４４の底面である溝底面４４ａに接触している。ただし、図３に示すように、ダイアフラム６０が外力を受けていない状態において、ダイアフラム内側端面６０ｃの径Ｄ３は、溝底面４４ａの径Ｄ４より大きい。しかし、ダイアフラム内周部６０ｂは、ダイアフラム外周部６０ａがシールケース１１と外面８２によって軸方向に圧縮されることによって膨張し、ダイアフラム内側端面６０ｃは、図２に示すように、溝底面４４ａに接触する。また、ダイアフラム内周部６０ｂは、ダイアフラム内側端面６０ｃが溝底面４４ａに接触した後もさらに膨張し、径方向内側に伸びるため、ダイアフラム６０には、ダイアフラム外周部６０ａとダイアフラム内周部６０ｂとの間に、撓み部６０ｆが形成される。

図３に示すように、収納溝４４の幅Ｄ５は、ダイアフラム６０が外力を受けていない状態におけるダイアフラム内周部６０ｂの厚さＤ２より大きく、収納溝４４とダイアフラム内周部６０ｂとの間には、径方向だけでなく、幅方向にも隙間がある。しかし、図３に示すように、シールカバー１０を取付フランジ８０の外面８２に対して固定すると、ダイアフラム内周部６０ｂは、ダイアフラム外周部６０ａがシールケース１１と外面８２によって軸方向に圧縮されることによって膨張する。これによって、ダイアフラム内周部６０ｂの第１側面６０ｄおよび第２側面６０ｅは、収納溝４４の第１側面４４ｂおよび第２側面４４ｃに、それぞれ接触する。

図１〜図３に示すように、メカニカルシール１は、弾性材料によって構成されるリング状のダイアフラム６０を有し、ダイアフラム６０は、第１作動部Ｏリング４６が配置されている空間に、被密封流体に含まれるスラリー等が侵入することを防止できる。これにより、メカニカルシール１は、第１作動部Ｏリング４６の目詰まりを防止し、第１静止環４１の円滑な軸方向移動を維持することが可能であり、好適なシール性能を実現することができる。

また、弾性体によって構成されるダイアフラム６０では、ダイアフラム外周部６０ａが軸方向に圧縮されて弾性変形することによって、ダイアフラム内周部６０ｂを静止環に向かって押し付ける径方向の押し付け力が生じる。したがって、メカニカルシール１は、ダイアフラム内周部６０ｂを第１静止環外周面４１ａに対して容易に密着させることが可能であり、組み立てが容易である。また、ダイアフラム６０は、機内側の被密封流体に含まれるスラリー等が第１作動部Ｏリング４６の周りに流入することを防止できれば良く、被密封流体を完全にシールする必要はないため、ダイアフラム６０が第１静止環４１に対して及ぼす軸方向の加重を抑制できる。ダイアフラム６０が第１静止環４１に対して及ぼす軸方向の加重を抑制することで、メカニカルシール１は、回転環３０に対して第１静止環４１を押し付ける押し付け加重が不安定になることを防止できる。また、ダイアフラム６０は、平板リング状であるため第１静止環４１に対して軸方向加重を発生し難く、ダイアフラム６０の材料には厳密な機械的性質を要求しなくても良い。したがって、ダイアフラム６０は、材料の選択において幅広い選択枝を有し、メカニカルシール１は、被密封流体がケミカル流体であっても、柔軟に対応することが可能である。

また、メカニカルシール１の第１静止環外周面４１ａには、ダイアフラム内周部６０ｂを収納する収納溝４４が形成されている。これにより、ダイアフラム内周部６０ｂが第１静止環外周面４１ａに確実に係合されるため、ダイアフラム内周部６０ｂと第１静止環外周面４１ａとの間に摩擦が起こることを防止し、第１静止環４１の円滑な軸方向移動が阻害されることを防止できる。

また、メカニカルシール１は、図３に示すように、装置本体に組み付ける前の状態において、ダイアフラム内周部６０ｂを収納溝４４に係合させることによって、ダイアフラム内周部６０ｂを第１静止環４１に対して容易に位置決めすることが可能であるため、組み立てが容易である。さらに、メカニカルシール１は、ダイアフラム外周部６０ａとダイアフラム内周部６０ｂとの間に撓み部６０ｆが形成されているため、第１静止環４１が軸方向に移動した場合にも、ダイアフラム内側端面６０ｃと溝底面４４ａとの密着を好適に維持することができる。また、メカニカルシール１は、撓み部６０ｆを形成することによって、第１静止環４１の軸方向への移動に伴い、ダイアフラム６０が第１静止環４１に対して軸方向加重を発生してしまうことを、効果的に防止することができる。

ダイアフラム内周部６０ｂは、溝底面４４ａに加えて、収納溝４４の両側面４４ｂ，４４ｃにも接触していることが好ましく、このようなメカニカルシール１は、第１作動部Ｏリング４６が配置されている空間に、被密封流体に含まれるスラリー等が侵入することを効果的に防止できる。

なお、シールケース１１において、ダイアフラム外周部６０ａは、シールケース１１と取付フランジ８０の外面８２の間に挟まれて保持されているが、ダイアフラム外周部６０ａは、シールカバー１０と取付フランジ８０の外面８２の間に挟まれて保持されてもよい。

実施例
以下に、ダイアフラムの変形状態を解析した実施例を示し、本発明に係るメカニカルシール１を詳細に説明するが、本発明の技術的範囲は、これらの実施例に限定されない。

実施例１，２
実施例１では、図１に示すダイアフラム６０と同様の形状を有するダイアフラム９０について、ダイアフラム外周部９０ａを軸方向に圧縮した場合におけるダイアフラム９０全体の変形状態を解析した。図４Ａは、ダイアフラム９０の解析結果を図示したものであり、より濃いハッチングが施されている部分は、径方向により大きな変位が発生したことを表している。

実施例１に係るダイアフラム９０は、ニトリルゴムで作成されている。ダイアフラム９０に外力が加えられていない状態において、ダイアフラム９０の内径Ｄ３（図３参照）は、φ６５ｍｍであり、外径はφ８８ｍｍである。また、ダイアフラム９０に外力が加えられていない状態において、ダイアフラム９０は平板状であり、厚さＤ２（図３参照）は１．０ｍｍである。

図４Ａに示す実施例１において、部材１００はメカニカルシール１における第１静止環４１（図２参照）に相当し、部材１０１はメカニカルシール１におけるシールケース１１（図２参照）に相当し、部材１０２は取付フランジ８０（図２参照）に相当する。収納溝４４の幅Ｄ５（図３参照）に相当する溝９１の幅Ｄ５は１．１ｍｍであり、溝底部４４ａの径Ｄ４（図３参照）に相当する溝底部９１ａの径Ｄ４は、φ６４．５ｍｍである。フランジ外周部を収納する隙間１６の幅Ｄ１（図２参照）に相当する隙間１０４の幅Ｄ１は、０．７ｍｍである。また、取付フランジ８０の外面８２の内径Ｄ６（図２参照）に相当する部材１０２の内径Ｄ６は、φ７３ｍｍである。

実施例２では、ダイアフラム９０の材質を、ニトリルゴムに代えてフッ素ゴムとした以外は、実施例１と同様にして、変形状態を解析した。実施例１および実施例２の解析条件および解析結果を表１に示す。

表１および図４Ａに示すように、ダイアフラム９０は、ダイアフラム外周部９０ａが軸方向に０．３ｍｍ圧縮されることによって、ダイアフラム内周部９０ｂが内径方向に向かって最大０．９２ｍｍ程度変位している。したがって、ダイアフラム内側端面９０ｃの径は、圧縮前において溝底部９１ａとの間に存在するギャップ（０．２５ｍｍ）を埋めるように縮小され、ダイアフラム内側端面９０ｃは、溝底面９１ａと密着していることが解る。

また、図４Ａから、ダイアフラム内周部９０ｂは、ダイアフラム外周部９０ａが圧縮されることによって膨張し、収納溝９１の両側面にも接触していることが解る。さらに、ダイアフラム外周部９０ａとダイアフラム内周部９０ｂとの間に、撓み部９０ｆが形成されることが確認できる。

実施例３，４
実施例３および実施例４でも、実施例１および実施例２と同様に、ニトリルゴム製（実施例３）とフッ素ゴム製（実施例４）のダイアフラム９６について、変形状態を解析した。図４Ｂは、ダイアフラム９６の解析結果を図示したものである。実施例３および実施例４における解析条件は、取付フランジ８０の外面８２の内径Ｄ６（図２参照）に相当する部材１０６の内径Ｄ６を、φ７８ｍｍに変更した他は、実施例１および実施例２の解析条件と同様である。

表１および図４Ｂに示すように、ダイアフラム９６は、ダイアフラム外周部９６ａが軸方向に０．３ｍｍ圧縮されることによって、ダイアフラム内周部９６ｂが内径方向に向かって最大０．８５ｍｍ程度変位している。ダイアフラム内周部９６ｂの変位量は、取付フランジ８０の外面８２の内径（部材１０６の内径）Ｄ６が大きくなったことに伴い、実施例１および実施例２に比べて減少した。しかし、ダイアフラム内側端面９６ｃの径は、圧縮前において溝底部９１ａとの間に存在するギャップ（０．２５ｍｍ）を埋めるように縮小され、ダイアフラム内側端面９６ｃは、溝底面９１ａと密着していることが解る。

また、図４Ｂから、ダイアフラム内周部９６ｂは、ダイアフラム外周部９６ａが圧縮されることによって膨張し、収納溝９１の両側面にも接触していることが解る。さらに、ダイアフラム外周部９６ａとダイアフラム内周部９６ｂとの間に、撓み部９６ｆが形成されることが確認できる。ただし、撓み部９６ｆの形状は、ダイアフラム内周部９６ｂの変位量が減少したことにより、実施例１および実施例２に係る撓み部９０ｆ（図４Ａ参照）とは異なる。

１…メカニカルシール
１０…シールカバー
１０ａ…シールケース装着面
１０ｂ…拡張面
１０ｃ…絞り面
１１…シールケース
１１ａ…シールケース内周面
１２…Ｏリング
１３…セットスクリュー
１５…内部孔
１６…隙間
１７…クエンチング液注入路
１９…中間室
２０…スリーブ
２１…スリーブカラー
２２…セットスクリュー
２３…Ｏリング
２４…ノックピン
２９…ノックピン
３０…回転環
４０…機内側シール部
３２…機内側シール面
３３…機外側シール面
４１…第１静止環
４１ａ…第１静止環外周面
４２…第１静止環フランジ部
４３…第１静止環シール面
４４…収納溝
４６…第１作動部Ｏリング
４８…固定ピン
４９…コイルスプリング
５０…機外側シール部
５１…第２静止環
５２…第２静止環フランジ部
５３…第２静止環シール面
５５…第２作動部Ｏリング
５８…固定ピン
５９…コイルスプリング
６０…ダイアフラム
６０ａ…ダイアフラム外周部
６０ｂ…ダイアフラム内周部
６０ｃ…ダイアフラム内側端面
６０ｄ…第１側面
６０ｅ…第２側面
６０ｆ…撓み部
６３…セットプレート
６５…シールケース
７０…回転軸
８０…取付フランジ
８１…軸孔
８２…外面

Claims (6)

1. 回転軸と一体に回転するように当該回転軸に設置される回転環と、
   前記回転環と対向するように配置され、前記回転環と摺動する静止環と、
   前記静止環を軸方向に移動自在に支持するシールケースと、
   前記静止環の外周面である静止環外周面と前記シールケースの内周面であるシールケース内周面の間に配置される作動部Ｏリングと、
   前記回転軸を有する装置の外面である装置外面に取り付けられ、前記回転環、前記静止環、前記シールケースおよび前記作動部Ｏリングを収容するシールカバーと、
   前記シールケースおよび前記シールカバーのいずれか一方と前記装置外面との間に挟まれて保持されるダイアフラム外周部と、当該ダイアフラム外周部より内周側に位置しており前記作動部Ｏリングより前記機内側において前記静止環外周面に接触するダイアフラム内周部とを有し、弾性材料によって構成されるリング状のダイアフラムと、を有し、
   前記ダイアフラム外周部は、前記シールケースおよび前記シールカバーのいずれか一方と前記装置外面によって、軸方向に圧縮されていることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記シールケースおよび前記シールカバーのいずれか一方と前記装置外面との間には、前記ダイアフラム外周部を収納するための隙間が形成されており、当該隙間の幅は、前記ダイアフラムが外力を受けていない状態における前記ダイアフラム外周部の厚さより小さいことを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記静止環外周面には、外周方向に向かって開口する円環状の溝が形成されており、前記ダイアフラム内周部における内周側端部に形成されるダイアフラム内周端面は、前記溝の底面である溝底面に接触することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のメカニカルシール。
4. 前記ダイアフラムが外力を受けていない状態において、前記ダイアフラム内周端面の径は前記溝底面の径より大きく、前記ダイアフラムは平板状であり、
   前記ダイアフラム内周部は、前記ダイアフラム外周部が前記シールケースおよび前記シールカバーのいずれか一方と前記装置外面によって軸方向に圧縮されることによって膨張し、前記ダイアフラムには、前記ダイアフラム外周部と前記ダイアフラム内周部との間に、撓み部が形成されることを特徴とする請求項３に記載のメカニカルシール。
5. 前記溝の幅は、前記ダイアフラムが外力を受けていない状態における前記ダイアフラム内周部の厚さより大きく、
   前記ダイアフラム内周部は、前記ダイアフラム外周部が前記シールケースおよび前記シールカバーのいずれか一方と前記装置外面によって軸方向に圧縮されることによって膨張し、前記溝の両側面に接触することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のメカニカルシール。
6. 前記回転環と前記静止環が摺動することによって形成される密封面に対して、前記回転軸に近接する側に被密封流体が存在するアウトサイド型であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかに記載のメカニカルシール。

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