JP2011058517A - ドライコンタクトメカニカルシール - Google Patents

Abstract

【目的】静止密封環の発熱，温度上昇を効果的に抑制し得て、良好なメカニカルシール機能を発揮することができるドライコンタクトメカニカルシールを提供する。
【構成】ドライコンタクトメカニカルシールは、回転軸４に軸線方向移動可能に保持された回転密封環５と金属製のシールケース２の内周面に一対のＯリング８，９を介して嵌合固定された静止密封環３との相対回転摺接作用により機内ガス領域Ａと機外ガス領域Ｂとをシールするように構成されている。シールケース２と静止密封環３との対向周面間には、Ｏリング８，９でシールされた環状空間１４が形成されている。環状空間１４には、熱膨張係数が空気より高い熱媒体油（シリコンオイル・グリース等）１５が充填封入されており、回転密封環５との摺接により静止密封環３に発生する熱は当該熱媒体油１５を介してシールケース２に放熱される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスを扱う攪拌機等の回転機器に軸封装置として装備されるドライコンタクトメカニカルシールに関するものである。

従来のドライコンタクトメカニカルシールとして、回転軸に軸線方向移動可能に保持された回転密封環と金属製のシールケースの内周面に一対のＯリングを介して嵌合固定された静止密封環との相対回転摺接作用により機内ガス領域と機外ガス領域（大気領域）とをシールするように構成されたものが周知である。

このようなドライコンタクトメカニカルシールにあっては、両密封環の相対回転摺接部分が液体潤滑されないドライ雰囲気（ガス雰囲気）で運転されることから、両密封環の摺接面（密封端面）には摩擦熱が発生する。而して、回転密封環については、これが回転軸によって回転されることから、その回転作用により発生熱は効果的に放熱（一種の空冷作用）されることになる。しかし、静止密封環については、それがガス領域内に静止するものであることから、回転密封環との摩擦による発生熱はこれが放熱されず蓄熱されることになり、静止密封環の温度上昇による異常摩耗や熱歪による密封端面の変形による多量漏れを生じる等、良好なメカニカルシール機能を発揮できない虞れがある。ところで、静止密封環を嵌合保持するシールケースは熱伝導率の高い金属材で構成されているが、静止密封環とシールケースとの間には、当該メカニカルシールの組み立て上、前記一対のＯリングで閉塞された空間が必然的に形成されることから、つまり静止密封環とシールケースとの間には熱伝導率の低い空気層が形成されることから、静止密封環からシールケースへの放熱は期待することができない。静止密封環とシールケースとの間には空気に比して熱伝導率の高いゴム材で構成されるＯリングが介装されていることから、Ｏリングを介して静止密封環からシールケースへと放熱される可能性はあるが、Ｏリングと静止密封環及びシールケースとの接触面積（放熱面積）は極く僅かであるから、かかるＯリングを介しての放熱による効果は殆ど期待できない。

従来からも、このような静止密封環の発熱，温度上昇を防止，回避するために、静止密封環とシールケースとの間に前記一対のＯリングでシールされた環状の冷却空間を形成して、これに冷却水を循環供給するようにすることが提案されている（例えば、特許文献１の第２図を参照）。

実開平２−９８２７１号公報

しかし、このような冷却水の循環供給を行う場合には、これに要する設備が別途必要となることから、メカニカルシール構成が必要以上に大型化，複雑化し、イニシャルコスト，ランニングコストも高騰するといった問題がある。

本発明は、このような問題を生じることなく、静止密封環の発熱，温度上昇を効果的に抑制し得て、良好なメカニカルシール機能を発揮することができるドライコンタクトメカニカルシールを提供することを目的とするものである。

本発明は、回転軸に軸線方向移動可能に保持された回転密封環と金属製のシールケースの内周面に一対のＯリングを介して嵌合固定された静止密封環との相対回転摺接作用により機内ガス領域と機外ガス領域とをシールするように構成されたドライコンタクトメカニカルシールにおいて、上記の目的を達成すべく、特に、シールケースと静止密封環との対向周面間に前記一対のＯリングでシールされた環状空間を形成し、この環状空間に流動性を有し且つ熱膨張係数が空気より高い熱媒体を充填封入させることにより、回転密封環との摺接により静止密封環に発生する熱を当該熱媒体を介してシールケースに放熱させるように構成しておくことを提案するものである。かかるドライコンタクトメカニカルシールにあっては、静止密封環が前記一対のＯリングを介してシールケースの内周面にこれと非接触状態で嵌合固定されていることが好ましい。また熱媒体としては、流動性を有し且つ熱膨張係数が空気より高い水等を使用することができるが、一般には、加熱に対する安定性，不揮発性を有する熱媒体油（シリコンオイル・グリース等）を使用するのが最適である。

本発明のドライコンタクトメカニカルシールにあっては、シールケースと静止密封環との間に熱媒体（熱媒体油等）が介在していることから、静止密封環から熱媒体を介して金属製のシールケースへと放熱されることになり、静止密封環に摩擦による発生熱が蓄熱されることがなく、熱歪が生じて静止密封環やその密封端面が変形するようなことがない。したがって、本発明によれば、冷却水循環供給設備等を必要とすることなく、静止密封環の放熱作用を効果的に行うことができ、メカニカルシール機能を良好に発揮しうるドライコンタクトメカニカルシールを提供することができる。

図１は、本発明に係るドライコンタクトメカニカルシールの一例を示す縦断正面図である。 図２は、同メカニカルシールの縦断側面図である。 図３は、図１の要部を拡大して示す詳細図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に基づいて具体的に説明する。図１は本発明に係るドライコンタクトメカニカルシールの一例を示す縦断正面図であり、図２は当該メカニカルシールの縦断側面図であり、図３図１の要部を拡大して示す詳細図である。

この実施の形態におけるドライコンタクトメカニカルシールは、竪型の回転機器（攪拌機等）の軸封手段として使用されるものであり、本発明に従って、次のように構成されている。なお、以下の説明において、上下とは図１〜図３における上下を意味するものとする。

すなわち、ドライコンタクトメカニカルシールは、図１及び図２に示す如く、回転機器のハウジング１の上端部である軸封部１ａにシールケース２を取り付け、このシールケース２に静止密封環３を固定し、静止密封環３を同心状に貫通する当該回転機器の回転軸（攪拌軸等）４に回転密封環５をＯリング６を介して軸線方向移動可能に嵌合保持し、回転密封環５をこれと回転軸４との間に介装したスプリング部材７（図２）により静止密封環３へと押圧附勢して、両密封環３，５の対向端面たる密封端面３ａ，５ａの相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の内周側領域である機内ガス領域Ａとその外周側領域である機外ガス領域Ｂとを遮蔽シールするように構成されている。なお、この例では、機外ガス領域Ｂは大気領域であり、機内ガス領域Ａは大気領域Ｂより高圧の正圧ガス領域又は大気領域Ｂより低圧の負圧ガス領域（例えば、真空領域）である。

シールケース２は、図１及び図２に示す如く、軸封部１ａに衝合する状態でハウジング１に取り付けられた円筒体であり、ステンレス鋼等の金属材（例えば、ＳＵＳ３０４等）で構成されている。

静止密封環３は、図１及び図２に示す如く、シール条件に応じて選定された適宜の材料（カーボン，炭化珪素等のセラミックス，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を主成分とする複合材，超硬合金等）で構成された円環状体であり、シールケース２の内周部に上下一対のＯリング８，９を介して同心状に内嵌固定されている。静止密封環３の先端面たる上端面は、軸線に直交する円環状の平滑平面である密封端面（以下「静止側密封端面」という）３ａに構成されている。なお、静止密封環３の下端側内周面は、下方に拡径する円錐面３ｂとされている。

回転軸４は軸封部１ａから上下方向に延びてシールケース２及び静止密封環３を同心状に貫通しているが、この回転軸４には、図１及び図２に示す如く、静止密封環３の上位に配して、ステンレス鋼等の金属材（例えば、ＳＵＳ３１６等）で構成されたスプリングリテーナ１０が嵌合固定されている。このスプリングリテーナ１０は、円筒状の密封環保持部１０ａとその上端部に一体形成された大径の円環状のスプリング保持部１０ｂとからなる断面Ｌ字状の円筒体であり、適当数のセットスクリュー１１により回転軸４に固定されている。

回転密封環５は、図１及び図２に示す如く、本体部５ｂとその基端（上端）に一体形成された二次シール部５ｃと二次シール部５ｃにその基端面（上端面）及び外周面に衝合させた状態で嵌合固定された補強部５ｄとからなる円環状体に構成されており、二次シール部５ｃと回転軸４との間にＯリング６を介在させた二次シール状態で回転軸４に軸線方向移動可能に嵌合保持されている。本体部５ｂ及び二次シール部５ｃは一体構造物で、静止密封環３の構成材に応じて選定された適宜の材料（カーボン，炭化珪素等のセラミックス，ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を主成分とする複合材，超硬合金等）で構成されており、本体部５ｂの先端面たる下端面は、軸線に直交する円環状の平滑平面である密封端面（以下「回転側密封端面」という）５ａに構成されている。補強部５ｄはステンレス鋼等の金属材（例えば、ＳＵＳ３１６等）で構成されたドライブカラーであり、これに固着したドライブピン１２を回転密封環５の二次シール部５ｃの基端部に形成した係合孔５ｅに係合させることにより、本体部５ｂ及び二次シール部５ｃとの相対回転が阻止されている。また補強部５ｄには、スプリングリテーナ１０のスプリング保持部１０ｂに形成した貫通孔１０ｃに挿通させたドライブピン１３が固着されていて、回転密封環５をその軸線方向移動を所定範囲で許容した状態で回転軸４に対する相対回転不能ならしめている。また、Ｏリング６の軸線方向移動は、二次シール部５ｃの内周部に突入させたスプリングリテーナ１０の密封環保持部１０ａの先端面とこれに対向する回転密封環５の本体部５ｂの内周側基端面とによって係止規制されている。

スプリング部材７は、図２に示す如く、回転密封環５の補強部５ｄとスプリングリテーナ１０のスプリング保持部１０ｂとの間に周方向に等間隔を隔てて装填した複数本のコイルスプリング７ａで構成されており、回転密封環５を静止密封環３へと押圧附勢している。

而して、以上のように構成されたドライコンタクトメカニカルシールにあっては、本発明に従って、静止密封環３における発生熱（回転密封環５との摺接による摩擦熱）を効果的に放熱させるべく、次のような工夫が施されている。

すなわち、シールケース２とこれに嵌合保持された静止密封環３との対向周面間に、図１〜図３に示す如く、Ｏリング８，９でシールされた環状空間１４を形成して、この環状空間１４に、流動性を有し且つ熱膨張係数が空気より高い熱媒体１５を充填封入してある。この例では、熱媒体１５として熱媒体油を使用している。Ｏリング８，９は、静止密封環３の外周面の両端部とシールケース２の内周面の両端部との間に、静止密封環３の外周面の中央部に突設した環状凸部３ｃとシールケース２の内周面の上端部に突設した環状突起２ａ及びハウジング１に突設された環状突起１ｂとによって軸線方向変位を規制された状態で装填されている。環状空間１４は、シールケース２の内周面に環状凸部３ｃに対向する環状凹部を形成することによって形成されており、Ｏリング８，９によってシールされている。なお、環状空間１４は、冒頭で述べたようなメカニカルシール組み立て上必然的に生じるものより大きいものであることは言うまでもない。静止密封環３とシールケース２（及びハウジング１）とは、図３に示す如く、Ｏリング８，９を介して間接的に接触しているにすぎず、直接的には完全に非接触の状態となっている。すなわち、シールケース２の内周面（環状突起２ａを含む）は静止密封環３の外周面（環状凸部３ｃを含む）に接触しておらず、またハウジング１の環状突起１ｂはシールケース２と静止密封環３との間に突入しているが、静止密封環３には接触していない。

熱媒体油１５の環状空間１４への充填封入は、例えば、次のようにして行われる。すなわち、シールケース２に、図１に示す如く、その外周部から環状空間１４へと貫通する熱媒体油供給孔１６を形成し、この熱媒体油供給孔１６から環状空間１４に熱媒体油１５を供給する。そして、環状空間１４に熱媒体油１５が充填された後において、熱媒体油供給孔１６の開口部を適宜のプラグ（メクラ栓，メクラ蓋）１７により閉塞する。なお、熱媒体油１５の充填に際しては、空気を環状空間１４から完全に排除しておく必要があるが、このような環状空間１４内の空気を熱媒体油１５に完全に置換させるために、例えば図１に鎖線図示する如く、シールケース２に環状空間１４から上方に開口する空気抜き孔１８を形成しておくことが好ましい。

熱媒体油１５としては、熱伝導率が空気より高い油系のもの（液状等の流動性を有するもの）であれば任意に使用することができるが、シール条件に応じて、融点ないし沸点の液相の温度範囲が広いものであること、単位体積当たりの熱容量が大きい（比熱が大きい）ものであること、接触部材（シールケース２、Ｏリング８，９等）を腐食させないものであること、環境，人体に無害であること、の条件を満足するものを使用することが好ましい。この例では、かかる条件を全て満足し且つ経済的にも有利なシリコンオイル・グリースが使用されている。

以上のように構成されたドライコンタクトメカニカルシールにあっては、密封環３，５の摺接により摩擦熱が発生した場合、回転密封環５については、冒頭で述べた如く、それが回転することによる一種の空冷作用により冷却される。一方、回転せず静止状態にある静止密封環３については、回転密封環５のような自己回転による冷却作用はないが、その発生熱は、静止密封環５から熱媒体油１５を介して金属製のシールケース２へと放熱される。すなわち、回転密封環５との摺接によって静止密封環３に摩擦熱が発生したときにも、従来シールのようにシールケース２との間に熱伝導率の低い空気層が形成される場合に比して、当該摩擦熱が熱媒体油１５を経て金属製のシールケースへと速やかに放熱されることになり、静止密封環３に蓄熱されることがなく、静止密封環３の密封端面３ａに熱歪が生じたり静止密封環３が高温化して変形したりするようなことが効果的に防止される。その結果、静止密封環３の接触領域がガス領域Ａ，Ｂであるドライ雰囲気において運転（ドライ運転）される場合にも、両密封環３，５の密封端面３ａ，５ａの相対回転摺接作用によるメカニカルシール機能が良好に発揮される。

また、熱膨張係数の異なる異種材料で構成されるシールケース２と静止密封環３とがＯリング８，９及び熱媒体油１５のみを介する非接触状態にあることから、両者２，３間に熱膨張差による相互干渉が生じず、シールケース２の熱変形により静止密封環３が変形されるようなこともない。

なお、本発明の構成は上記した実施の形態に限定されるものでなく、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，変形することができる。例えば、上記した例では回転軸が鉛直方向に延びる竪型の回転機器に装備されるドライコンタクトメカニカルシールに本発明を適用したが、本発明は回転軸が水平に延びる横型の回転機器に装備されるドライコンタクトメカニカルシールにも好適に適用することが可能である。また、熱媒体１５としては、上記した熱媒体油を使用することが好ましいが、シール条件等によっては、水等を使用することも可能である。

１ 回転機器のハウジング
１ａ 軸封部
２ シールケース
３ 静止密封環
３ａ 静止密封環の密封端面
４ 回転軸
５ 回転密封環
５ａ 回転密封環の密封端面
８ Ｏリング
９ Ｏリング
１４ 環状空間
１５ 熱媒体油（熱媒体）
Ａ 機内ガス領域
Ｂ 機外ガス領域

Claims (4)

1. 回転軸に軸線方向移動可能に保持された回転密封環と金属製のシールケースの内周面に一対のＯリングを介して嵌合固定された静止密封環との相対回転摺接作用により機内ガス領域と機外ガス領域とをシールするように構成されたドライコンタクトメカニカルシールにおいて、
   シールケースと静止密封環との対向周面間に前記一対のＯリングでシールされた環状空間を形成し、この環状空間に流動性を有し且つ熱膨張係数が空気より高い熱媒体を充填封入させることにより、回転密封環との摺接により静止密封環に発生する熱を当該熱媒体を介してシールケースに放熱させるように構成したことを特徴とするドライコンタクトメカニカルシール。
2. 静止密封環が前記一対のＯリングを介してシールケースの内周面にこれと非接触状態で嵌合固定されていることを特徴とする、請求項１に記載するドライコンタクトメカニカルシール。
3. 前記熱媒体が熱媒体油であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載するドライコンタクトメカニカルシール。
4. 前記熱媒体油がシリコンオイル・グリースであることを特徴とする、請求項３に記載するドライコンタクトメカニカルシール。