JP2004245267A - 高圧軸シール方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明による高圧軸シール方法は、高圧容器(1)に設けられ回転軸(2)が貫通するシール本体(9)を設け、このシール本体(9)のフローティングリング(7)の隣りにシール液(11)をためるシール室(4)を有する1段のシール部(3)を設け、高圧容器(1)内を10MPa以上の高圧状態に保つことができるようにした方法である。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧軸シール方法に関し、特に、高圧容器内部に動力を伝達する回転軸を有し、この回転軸と高圧容器との間のシールを行うための新規な改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、高圧容器内を外部から動力伝達して、攪拌、混練する回転軸を有し、さらには軸回転速度100回転/分以上の高速、高圧である機器はメカニカルシールを用いて圧力をシールする方法が一般的であるが、この方式ではメカニカルシール1段では内圧10〜15MPa程度が限度で、それ以上の高圧になるとシールすることが不可能であるのが現状であった。
また、多段メカニカルシールでは装置が大型化し、各圧力段に応じて油圧ユニットが必要になる欠点があった。
またパッキンシールでは高圧には耐えるが前記した高速回転では軸が発熱、磨耗して実現不可能であるのが現状であった。従来例パッキンとして角型パッキン、Vパッキン(材料テフロン(登録商標)、樹脂繊維編み上げ材)等があった。
また、医薬品、食料品製造装置用途ではシール冷却用液体が高圧容器内に混入汚染するのを防止する必要があった。
【0003】
すなわち図4のフローティングシールの場合、ガス圧縮機のシールに利用した例である。
圧縮機内圧よりわずかに高いシール油をシーリング内径と軸外径に囲まれた環状部分に流し圧縮機内のガスを封止する構造である(例えば、非特許文献1参照)。
【0004】
図5の多段メカニカルシールでは容器内圧力20MPaの差圧を2段のシールで分担して1段あたりの負荷を軽減している。
従来技術では1段あたり10MPaが実用上の限界である。(通常、高圧用途に使用されるバランス型メカニカルシールを使用する例が多い)このため、中間シール室102の圧力は10MPaとし、この圧力は油圧装置で供給して行う。
20MPa以上ではこのシール段数を増やせば良いが各メカニカルシール103、104の各段毎に油圧装置が必要でシール長さが大きくなり実用上3段程度が限界である(例えば、非特許文献2参照)。
また、実際には各シールに圧力を均等に振り分けることは難しく、多段のシールを実用に供することは困難であった。
【0005】
【非特許文献1】
プロの教えるシールのごくい 発行年:昭和55年9月発行、出版元:株式会社技術評論社
【非特許文献2】
メカニカルシールハンドブック 発行年:平成7年10月発行、出版元:社団法人日本産業機械工業会
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来フローティングリングを利用して軸とのスキマに液体を流し、流体抵抗で圧力差をつける方法は(図4の例)知られていたがシール油が内部ガスにさらされ内部ガスの流出、シール油のガス側への流出・混入があり、適用が限られていた。
また多段メカニカルシールの図5では20MPaを示したが20MPa以上では3〜4段のメカニカルシールが必要になり大型になる。またこれらの各段ごとに油圧を制御して供給する複雑な装置になる。そこで高圧ではあるが小型化できる高圧の軸シール方法がシール業界での課題であった。
また食品、医薬品の装置ではシール部から内部にシールオイル等がリークして悪影響を与えてはならず、また内部液が外部のシールオイル類を劣化させるのを防止する必要があつたため、このような従来の方法では十分ではなかった。
また10MPa以上の軸シールではスラスト荷重が増大し軸がたわみ、フレ廻りや振動が生じて実用化が困難であった。
【0007】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、10MPa以上の高圧においても十分な軸シールを可能とするようにした高圧軸シール方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明による高圧軸シール方法は、高圧容器の回転軸に対する高圧軸シール方法であって、前記高圧容器に前記回転軸が貫通しフローティングリングを有するシール本体を設け、前記シール本体の前記高圧容器側に第1シールを設け、前記高圧容器と外部大気圧の圧力差は前記高圧容器内の容器内圧を圧力センサで検出し、前記容器内圧に相当する循環オイルの圧力を油圧装置で発生させてフローティングリングと前記回転軸とのスキマに供給し、前記循環オイルの流れを前記フローティングリングの隣接位置に設けたシールでシールして大気側へ回収する方法において、前記第1シールは軸方向に沿って設けた第1、第2シール部を用い、前記各シール部間にシール液を注入し、前記シール液の圧力は前記高圧容器内圧と同等または高くし、前記シール液の圧力は前記循環オイルの圧力と同等または高くする方法であり、また、前記シール液の圧力は前記油圧装置の循環オイルに接続したピストン缶で昇圧、または容器内圧の液に接続したピストン缶で昇圧する方法であり、また、前記シール液の漏れ分は逆止弁を介して高圧小型ポンプで外部に設けたシール液タンクからシール室へ補給・注入する方法であり、また、前記高圧容器は食品又は医薬品用途の製造容器であり、前記高圧容器内圧力は10MPa以上とする方法であり、また、前記回転軸は、第1、第2ラジアル軸受けと1個のスラスト軸受けで軸受けする方法であり、また、前記油圧装置の循環オイルのポンプ駆動用モータはその回転速度で流量可変できるように可変速モータを用い、前記高圧容器の容器内圧を圧力センサで検出して前記循環オイルの圧力を前記高圧容器の容器内圧に追従させる方法であり、また、前記油圧装置の吐出側に、前記高圧容器の容器内圧と予め設定された差圧で制御される可変リリーフ弁を設け、前記容器内圧の圧力が異常に上昇した時に前記可変リリーフ弁によって差圧制御する方法であり、また、前記フローティングリングのスキマに接する内面に円周方向に溝またはラビリンスが設けられている方法であり、また、前記第1、第2シール部のいずれかをリップ型シールにし、前記各シール部間に前記シール液を逆止弁を介して高圧小型ポンプで注入して、前記高圧容器内の原料が外部にリークするのを防止する方法であり、前記第1シール、シールはメカニカルシールよりなる方法である。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による高圧軸シール方法の好適な実施の形態について説明する。尚、従来例と同一又は同等部分には同一符号を用いて説明する。
図1において符号1で示されるものは高圧容器であり、この高圧容器1には一端の容器壁を貫通して回転軸2が駆動モータMによって回転可能に挿入され、側壁には高圧容器1内部を検出するための圧力センサ23が設けられると共に図示しない制御装置に連結されている。この高圧容器1の回転軸2が貫通するためこの高圧容器1に取付ボルト200で取付けられたシール本体9の壁部には第1、第2ラジアル軸受け18a、18b及びスラスト軸受け19が設けられ、回転軸2及び外周に嵌合されたスリーブ400を回転自在に軸支している。
【0010】
前記シール本体9は前述のように取付ボルト200によって高圧容器1に固定され、このシール本体9には前記高圧容器1側から第1シール3、フローティングリング7を有する第2シール3A及び第3シール3Bが順次軸方向に沿って配置されている。前記第1シール3は第1、第2シール部3a、3bよりなり、各シール部3a、3b間にシール液11を供給するシール室4が形成されている。このシール室4は逆止弁15、高圧小型ポンプ13を経てシール液タンク14に連通している。
【0011】
前記フローティングリング7はばね7aによって隣接する受けリング7Aに軽く当接されていると共に、このフローティングリング7のシールオイル室20はシールオイル6を供給する孔20aを経て後述の油圧装置5に接続されている。このフローティングリング7はリング形をなし、その内周が前記回転軸2の外周との間に僅かなスキマ8を形成して非接触状態で配置され、このフローティングリング7に隣接して設けられた受けリング7Aは前記シール本体9に保持されている。
【0012】
前記シールオイル室20はこのシール本体9のシールオイル供給用の孔20aから管路を経てシール本体9外のシールオイル供給装置300に連通している。また、前記フローティングリング7の反高圧容器1側で前記受けリング7Aの内周部にはシールオイル出口室21が形成され、このシールオイル室出口室21はシールオイル出口孔21aによりシール本体9の外周へ連通し、管路を経て前記シールオイル供給装置300のオイルタンク301に連通している。
【0013】
前記シール本体9の受けリング7Aの後段位置には、ドレン室420が形成され、このドレン室420の両側には一対のシール24、26が設けられ、このドレン室420はドレン25を介して外部へ連通している。
【0014】
前記第1ラジアル軸受け18a及びスラスト軸受19の軸受室431には、シール本体9に形成された潤滑オイル入口430から潤滑オイルを供給して潤滑オイル出口430aから外部に排出されるように構成されている。尚、この場合の潤滑オイルを供給するための潤滑オイル供給装置は図示を省略している。
【0015】
前記シールオイル供給装置300は、大気開放状態の前記オイルタンク301及びポンプ駆動モータ22により駆動される油圧装置5により構成されている。前記油圧装置5の出口側5aにはオイル圧力検出器28が接続されていると共に、この出口側5aは可変リリーフ弁500を介して前記オイルタンク301側へ連通されている。
尚、このポンプ駆動モータ22はインバータモータ又はサーボモータによって速度制御し、速度可変によるシールオイルの流量調整を行うように構成されている。また、前記可変リリーフ弁500のリリーフ圧力は、図示しない制御装置により制御される。
【0016】
次に、動作について説明する。まず、高圧容器1内に攪拌、混練等の加工操作が行われる食品又は医薬品等の加工材料が高圧状態で挿入され、シール液供給装置600からシール室4へシール液11が所定圧力で供給され、シールオイル供給装置300からシールオイル室20へ循環オイル6が所定圧力で供給され、軸受室431に潤滑オイルが供給されている状態で、駆動モータMを起動し、回転軸2を回転駆動する。この回転軸2は、第1ラジアル軸受18a、第2ラジアル軸受18b、スラスト軸受19及び他端部の軸受18cに支持されて、滑らかに回転する。
【0017】
前記フローティングリング7においては、シールオイル室20に循環オイル6が供給され、スキマ8を通りシールオイル出口21に流れ、このフローティングリング7は受けリング7Aに押し付けられてシールされ循環オイル6は全量スキマ8から出口に流れる。
この循環オイル6は油圧装置5で(第1シール3に隣接するシールオイル室20に)発生させ油圧装置5のポンプはポンプ駆動用モータ22で駆動される。このモータ22はインバータモータで速度可変にして流量調整できる。
前記シールオイル室20からスキマ8を流れる抵抗で循環オイル6は出口21では減圧され、ほぼ大気圧になって油圧装置5のオイルタンク301に戻る。
前記フローティングリング7は図示しない廻り止めピンでシール本体9に固定され、回転軸2はスキマ8が存在しているので1000回転/分以上で高速回転できる。また、シール液11の圧力は高圧小型ポンプ13で少量のシール漏れ分の液を補給する。
【0018】
また、高圧容器1の容器内圧17は圧力センサ23で検出して循環オイル6の流量を変えて循環オイル圧力を高圧容器1の容器内圧17とほぼ一致させ、容器内圧17に追従させることが出来る。
【0019】
また、フローティングリング7のスキマ8の流体粘性抵抗を利用して1段で高圧シールを達成しており、差圧の調整は圧力センサ23で圧力を検出して、循環オイル圧のオイル圧力検出器28の圧力と比較して油圧装置5のモータ22の回転数を調整し、流量を変化させることで循環オイル圧を調整する。すなわちフローティングリング7のスキマ8が一定なので流量を変えれば圧力調整が出来るものである。
尚、モータ22はインバータモータで構成したがサーボモータ又は他の可変速モータでも良い。
さらに、油圧装置5の吐出側に、容器内圧17と予め設定された差圧で制御される可変リリーフ弁500を配置することで、軸シール圧力の異常上昇時における制御が可能となる。
【0020】
また、第1シール3は高圧容器1内に封入したシール液11によって循環オイル6の高圧容器1側への進入を防止しており、このため、第1シール3の圧力を容器内圧17より高くし、また循環オイル6の圧力より高く設定している。
また、シール室4の圧力は第1、第2シール部3a、3bからの漏れ分を高圧小型ポンプ13で供給して保っている。
また、高圧小型ポンプ13はシール液11を間欠供給することができる。また、少量連続供給してもよい。
さらに、高圧になると回転軸2のスラストが大きく回転軸2が圧縮されて変形することがあるが、この変形により図示しないロータや回転軸2が振れ回りになり振動が生じ易くなるが、この振動でフローティングリング7のスキマ8が変化しシール室4圧力が脈動し、運転不能になることがあったが、このため本発明では2個のラジアル軸受18a、18bを設置してこの課題を解決し、振れまわり防止をした。そのため、シール寿命が長くなる効果も得られる。
【0021】
従って、高圧容器1と外部大気圧の圧力差は高圧容器1内の容器内圧17を圧力センサ23で検出し、容器内圧17に相当する循環オイル6の圧力を油圧装置5により第1シール3に隣接するシールオイル室20に発生させ、回転軸2と軸外周に配置する回転しないフローティングリング7のスキマ8に循環オイル6を流し、この循環オイル6の流れ抵抗で圧力差をつけて減圧し、減圧した循環オイル6(出口21)をシール24(メカニカルシールまたはパッキンシール)でシールすることができる。
また、第1シール3は二重にしてその各シール部3a、3b間のシール室4に高圧容器1に混入しても安全なシール液11を注入し、このシール液11の圧力は高圧容器1の容器内圧に対して同等または高くし、またシール液11の圧力は油圧装置5の循環オイル6に対して同等または高くしてあり、このシール液11の圧力はポンプ13で昇圧している。
また、シール液11は逆止弁15を介して高圧小型ポンプ13で外部に設けたシール液タンク14から漏れ分をシール室4へ補給、注入している。
【0022】
また、高圧容器1は食品、医薬品等用途の製造容器であり、高圧容器1の容器内圧17は10MPa以上でも対応することができ、油圧装置5の循環オイル6のモータ22の回転速度を変えて流量可変できるようにインバータモータまたはサーボモータを用い、高圧容器1の容器内圧17を圧力センサ23で検出して循環オイル6の圧力を高圧容器1の容器内圧17に追従させ高圧軸シールを行っている。
尚、フローティングリング7のスキマ8に接する内面は円周方向にラビリンス(図示せず)又は溝7a(図3に示す)が設けられている。
また、図2に示されるように、第1シール3は高圧容器側を第1シール部3a、反容器側を第2シール部3bからなる二重にし、そのいずれかをリップ型シールにし、各シール部1a、1b間のシール室4に高圧容器1に混入しても安全なシール液11を逆止弁15を介して高圧小型ポンプ13で注入して、高圧容器1内の原料が外部にリークするのを防止することができる。
従って、第1シール3の一部を前述のようにリップ型シールにするとシール液11の過大な圧力上昇が防止され、ポンプ13を間欠注入または連続少量注入運転するのみで図1の例に示す様に高圧用のシール効果が得られる。
この場合、第1シール部3aをリップシールにして第2シール部3bはブロック型のシールにすることにより、循環オイル圧力を高圧容器1の容器内圧17より低くなり、シール液11は隣接する部屋の圧力より高くなり、シール性が保たれる。
また、シール液11の圧力は高圧小型ポンプ13で定期的にシール液を注入しているので循環オイル6の入口圧力より高く保たれている。
【0023】
また、他の形態としては高圧容器1内を洗浄する酸やアルカリの洗浄剤(CIP時)など耐薬品に対して第1シール3をメカンカルシールにすることで、SiCなどの耐久性のある材料が使用できる。
また、シール液11の圧力は図示しないが、両ロッドシリンダのロッド径を変えて増圧する方式、すなわち、ピストン缶を使用して循環オイル6の圧力から増圧してもよい。また、図示しない2個の片ロッド型油圧シリンダをロッド側で連結し、ピストン缶として構成してもよい。
また、循環オイル6の圧力は油圧装置5のモータ22のモータ回転数で調整したが、図示していない他の可変リリーフ弁や可変圧力調整ポンプモータを使用してもよい。
【0024】
【発明の効果】
本発明による高圧軸シール方法は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。すなわち、
(1)、従来のメカニカルシール10MPaより高圧で高速度の軸シールが1段で可能になった。
(2)、前記効果により、装置が小型化できる。
(3)、シール室によって高圧容器内が密閉されるため、食品、医薬品の用途の内部を汚染しない軸シールに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による高圧軸シール方法を示す断面図である。
【図2】図1の要部の他の形態を示す断面図である。
【図3】図1の要部の他の形態を示す断面図である。
【図4】従来のフローティングシール方法を示す断面図である。
【図5】従来の多段メカニカルシール方法を示す断面図である。
【符号の説明】
1 高圧容器
2 回転軸
3 第1シール
4 シール室
5 油圧装置
6 循環オイル(オイル)
7 フローティングリング
7a 溝
7A 受けリング
8 スキマ
9 シール本体
11 シール液
13 高圧小型ポンプ
14 シール液タンク
15 逆止弁
17 容器内圧
18a 第1ラジアル軸受
18b 第2ラジアル軸受
19 スラスト軸受
20 シールオイル室
21 出口
22 モータ
23 圧力センサ
24 シール
26 シール
420 ドレン室
500 可変リリーフ弁
M 駆動モータ
Claims (10)
- 高圧容器(1)の回転軸(2)に対する高圧軸シール方法であって、前記高圧容器(1)に前記回転軸(2)が貫通しフローティングリング(7)を有するシール本体(9)を設け、前記シール本体(9)の前記高圧容器(1)側に第1シール(3)を設け、前記高圧容器(1)と外部大気圧の圧力差は前記高圧容器(1)内の容器内圧(17)を圧力センサ(23)で検出し、前記容器内圧(17)に相当する循環オイル(6)の圧力を油圧装置(5)で発生させてフローティングリング(7)と前記回転軸(2)とのスキマ(8)に供給し、前記循環オイル(6)の流れを前記フローティングリング(7)の隣接位置に設けたシール(24)でシールして大気側へ回収するようにした高圧軸シール方法において、前記第1シール(3)は軸方向に沿って設けた第1、第2シール部(3a,3b)を用い、前記各シール部(3a,3b)間にシール液(11)を注入し、前記シール液(11)の圧力は前記高圧容器(1)内圧と同等または高くし、前記シール液(11)の圧力は前記循環オイル(6)の圧力と同等または高くしたことを特徴とする高圧軸シール方法。
- 前記シール液(11)の圧力は前記油圧装置(5)の循環オイル(6)に接続したピストン缶で昇圧、または容器内圧(17)の液に接続したピストン缶で昇圧することを特徴とする請求項1記載の高圧軸シール方法。
- 前記シール液(11)の漏れ分は逆止弁(15)を介して高圧小型ポンプ(13)で外部に設けたシール液タンク(14)からシール室(4)へ補給・注入することを特徴とする請求項1または2記載の高圧軸シール方法。
- 前記高圧容器(1)は食品又は医薬品用途の製造容器であり、前記高圧容器(1)内圧力は10MPa以上であることを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載の高圧軸シール方法。
- 前記回転軸(2)は、第1、第2ラジアル軸受け(18a,18b)と1個のスラスト軸受け(9)で軸受けすることを特徴とする請求項1ないし4の何れかに記載の高圧軸シール方法。
- 前記油圧装置(5)の循環オイル(6)のポンプ駆動用モータ(22)はその回転速度で流量可変できるように可変速モータを用い、前記高圧容器(1)の容器内圧(17)を圧力センサ(23)で検出して前記循環オイル(6)の圧力を前記高圧容器(1)の容器内圧(17)に追従させることを特徴とする請求項1ないし5の何れかに記載の高圧軸シール方法。
- 前記油圧装置(5)の吐出側に、前記高圧容器(1)の容器内圧(17)と予め設定された差圧で制御される可変リリーフ弁(500)を設け、前記容器内圧(17)の圧力が異常に上昇した時に前記可変リリーフ弁(500)によって差圧制御することを特徴とする請求項2ないし6の何れかに記載の高圧軸シール方法。
- 前記フローティングリング(7)のスキマ(8)に接する内面に円周方向に溝またはラビリンスが設けられていることを特徴とする請求項1ないし7の何れかに記載の高圧軸シール方法。
- 前記第1、第2シール部(3a,3b)のいずれかをリップ型シールにし、前記各シール部(3a,3b)間に前記シール液(11)を逆止弁を介して高圧小型ポンプ(13)で注入して、前記高圧容器(1)内の原料が外部にリークするのを防止することを特徴とする請求項2ないし8の何れかに記載の高圧軸シール方法。
- 前記第1シール(3)、前記シール(24)はメカニカルシールで構成したことを特徴とする請求項1ないし9の何れかに記載の高圧軸シール方法。
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