JP2013096568A - メカニカルシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中間リングを安定して回転させることが可能であり、異常な摩耗が少なく、しかも漏れが少ないメカニカルシール装置を提供すること。
【解決手段】回転軸１２と当該回転軸１２を覆うケーシング１４との間の被密封流体を密封するメカニカルシール装置１０である。この装置１０は、回転軸１２の軸方向に沿って回転密封環２２と静止密封環１８に挟まれて、回転密封環２２および静止密封環１８の双方と摺動し、回転密封環２２および静止密封環１８の双方に対して相対回転可能に配置される中間リング２０と、中間リング２０に連結され、回転密封環２２の回転速度βよりも遅い回転速度αで中間リング２０を回転密封環２２と同じ方向に強制回転させるギア歯車６６，６８，７０，７２と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、メカニカルシール装置に係り、さらに詳しくは、中間リングを用いたメカニカルシール装置の改良に関する。

たとえばボイラ供給用ポンプ（ＢＦＰ）用の軸シール等に代表される高温高速回転ポンプ用の軸シールでは、熱水等からなる被密封流体の温度が低下することを防ぐために、メカニカルシール装置の冷却を行わないシステムが求められる。

しかし、高温、高圧、高回転ポンプ用のメカニカルシール装置において、摺動面を冷却しないシステムを採用した場合、摺動面を構成する部材の温度・圧力による変形量が増大し、摺動面の当たり面の状況が、エッジ状の当たりとなり、漏れが発生するという問題を有する。また、摺動面流体が摺動発熱で蒸発し、摺動面において固体接触が発生し、異常摩耗や破損に繋がる場合がある。

このような問題を解決するための従来技術としては、たとえば、摺動面の変形を抑制するために、回転密封環と静止密封環との間に中間リングを配置したものが知られている（例えば、特許文献１等参照）。

また、他の従来技術としては、中間リングと回転密封環および静止密封環との摺動面に羽根列を設置して、中間リングと回転密封環および静止密封環との摺動トルクを軽減させるものが知られている（例えば、特許文献２等参照）。

しかし、回転密封環と静止密封環との間に中間リングを配置した従来技術では、中間リングが静止密封環に対して回転することができなかったり、あるいは、回転密封環と共に同じ回転速度で回転してしまったり、あるいは、これらの状態を繰り返したりすることがあった。すなわち、従来の技術では、中間リングを、たとえば回転密封環の回転速度の約１／２で安定して回転させることが困難であった。

また、摺動面に羽根列を設置した従来技術では、中間リングと静止密封環および回転密封環に対する摺動トルクの制御が難しいため、中間リングの静止密封環に対する回転速度を最適値に保持することが困難であるという問題や、摺動面から漏れが発生するという問題を有している。

なお、特許文献３に示すように、中間リングの外周に羽根状溝付きの保持リングを取り付け、保持リングの外周に流体を吹き付ける（噴出流体）ことにより、中間リングを回転させようとする構造も提案されている。しかしながら、このような構造においては、回転体の回転により加圧された内部流体を噴出流体として用いているため、内部流体の圧力変化に中間リングの回転速度（単位時間当たりの回転数）が影響する。このため、中間リングを安定して回転させることが困難であり、摺動面の摩擦係数が安定しない。

特許第４１４７２１６号公報 特公昭６１−５８７０４号公報 特開平９−２２９２０４号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、中間リングを安定して回転させることが可能であり、異常な摩耗が少なく、しかも漏れが少ないメカニカルシール装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るメカニカルシール装置は、
回転軸と当該回転軸を覆うケーシングとの間の被密封流体を密封するメカニカルシール装置であって、
前記回転軸と一体的に回転する回転密封環と、
前記ケーシングに対して相対回転不可に取り付けられる静止密封環と、
前記回転軸の軸方向に沿って前記回転密封環と前記静止密封環に挟まれて、前記回転密封環および前記静止密封環の双方と摺動し、前記回転密封環および前記静止密封環の双方に対して相対回転可能に配置される中間リングと、
前記中間リングに連結され、前記回転密封環の回転速度よりも遅い回転速度で前記中間リングを前記回転密封環と同じ方向に強制回転させる機械式回転伝達機構と、を有する。

本発明に係るメカニカルシール装置では、中間リングが機械式回転伝達機構により回転密封環の回転速度よりも遅い回転速度で回転密封環と同じ方向に強制回転させられる。そのため、中間リングが静止密封環に対して回転することができなくなる状態を避けることができ、中間リングを、安定して強制的に所定の回転速度（α）で回転させることが可能になる。

所定の回転速度（α）は、回転密封環の回転速度（β）よりも小さい速度であり、中間リングと静止密封環との間の摺動面で発生する発熱は、回転密封環を直接に静止密封環に接触させる場合に摺動面に発生する摺動面の発熱よりも小さくなる。

そのため、本発明のメカニカルシール装置では、仮に高温、高圧および／または高速回転の環境下で使用されても、回転密封環、静止密封環および中間リングの異常な摩耗が少なくなり、これらの耐久性が向上する。さらに、本発明のメカニカルシール装置では、従来技術と異なり、回転密封環、中間リングおよび静止密封環の摺動面に羽根列を形成する必要がないと共に、噴出流体を摺動面に吹き付けることが無いので、摺動面からの被密封流体の漏れも少ない。

好ましくは、前記機械式回転伝達機構が、前記回転軸の回転数を減速して前記中間リングに伝達する減速機構である。中間リングには、機械式回転伝達機構を介して、回転軸の回転とは関係の無い別の駆動力（たとえばモータなどの回転駆動力）を伝達させても良いが、回転軸の回転力を用いることで、別に動力源を必要とすることなく、中間リングを強制的に回転させることが可能になる。

好ましくは、前記機械式回転伝達機構が、少なくとも二つ以上のギア歯車の組合せである。機械式回転伝達機構としては、プーリーなども考えられるが、ギア歯車を用いることで、装置の構造がシンプルになる。

好ましくは、前記中間リングが外周側スリーブに固定してあり、当該外周側スリーブが軸受けを介して内周側スリーブに対して回転自在に装着してあり、前記内周側スリーブが、前記回転軸に固定してある。このような構成を採用することで、中間リングを、回転軸、回転密封環および静止密封環に対して、独立して所定の回転速度で中間リングを回転させることが容易になる。

好ましくは、前記内周側スリーブには、駆動側ギア歯車が固定してあり、
前記外周側スリーブには、受動側ギア歯車が固定してあり、
前記駆動側ギア歯車と受動側ギア歯車が、その他のギア歯車で連結され、
これらのギア歯車が、前記機械式回転伝達機構を構成している。このような構成を採用することで、回転軸の回転力を利用して、中間リングを所定の回転速度（α）で強制的に回転させることができる。

図１は本発明の一実施形態に係るメカニカルシール装置の上側半分を示す概略縦断面図である。 図２は図１に示すメカニカルシール装置の下側半分を示す概略縦断面図であり、図１とは異なる縦断面である。 図３は図１に示すメカニカルシール装置の要部拡大断面図である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１〜図３に示す本発明の一実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、たとえばボイラ給水ポンプ（ＢＦＰ）用の軸シールに用いられるが、ボイラ給水ポンプに限定されず、その他の高温、高圧および／または高速回転の装置のための軸シールとして、好適に用いることができる。

メカニカルシール装置１０は、軸中心Ｚを中心として回転する回転軸１２と、ポンプなどのケーシング１４との間の内部隙間３０を流通する被密封流体が、ケーシングの外部３１に漏洩することを防止するための装置であり、シールカバー１６の内部に取り付けられる。

シールカバー１６は、フランジカバー１５を介してケーシング１４の軸端部に着脱自在に取り付けられ、それらの取付面は、Ｏリング２４ａ〜２４ｃにより密封されている。なお、シールカバー１６は、フランジカバー１５を含むケーシング１４の一部を構成しており、フランジカバー１５を含むケーシング１４と一体的に形成してあっても良い。ただし、メカニカルシール装置１０のメンテナンスを容易にするためには、シールカバー１６は、フランジカバー１５を介して、あるいは介さずにケーシング１４に対して着脱自在に固定することが好ましい。

シールカバー１６の内側には、内部隙間３０からケーシング外部３１に向けて回転軸１２に沿って、回転密封環２２、中間リング２０および静止密封環１８が、この順で配置してある。本実施形態において、静止密封環１８、中間リング２０および回転密封環２２の材質は、特に限定されず、たとえばＳｉＣ、Ｃ、ＳｉＮ、Ａｌ_２ Ｏ_３ 、ジルコニアなどで構成され、静止密封環１８、中間リング２０および回転密封環２２を全て同じ材質で構成しても良く、異ならせても良い。好ましくは、静止密封環１８および回転密封環２２を、中間リング２０よりも柔らかい材質で構成する。

図３に示すように、静止密封環１８における中間リング側の軸端（左側軸端）に形成してある先端摺動面１８ａは、中間リング２０の第１摺動面２０ａに回転摺動するようになっている。また、中間リング２０の第１摺動面２０ａと反対側の第２摺動面２０ｂは、回転密封環２２における中間リング側の軸端（右側軸端）に形成してある先端摺動面２２ａに回転摺動するようになっている。

静止密封環１８における先端摺動面１８ａの外周側には、外方凸部１８ｂが形成してある。外方凸部１８ｂには、弾性部材としてのスプリング３２の軸方向先端が当接してあり、スプリング３２の後端は、シールカバー１６に形成してあるスプリング保持孔に保持してある。スプリング３２の弾性力により、静止密封環１８が軸方向に押圧され、その押圧力は、静止密封環１８から中間リング２０および回転密封環２２に伝わり、これらの各摺動面１８ａ，２０ａおよび２０ｂ，２２ａにおける接触を確保する。

スプリング３２は、円周方向に沿って複数位置に配置される。円周方向に沿って各スプリング３２の間には、図２に示す回り止めピン３４の基端部がシールカバー１６に固定してある。回り止めピン３４の先端部は、静止密封環１８の外方凸部１８ｂに形成してある回り止め溝または孔に係合し、その結果、静止密封環１８は、シールカバー１６に対して、軸方向移動自在にしかも相対回転不可に取り付けられる。静止密封環１８とシールカバー１６との間にはＯリング２６が取り付けられ、それらの間から被密封流体が漏れることを防止している。

回転密封環２２は、回転軸１２と一体的に回転するように、回転軸１２に取り付けられる。具体的には、次のように取り付けられる。図１〜図３に示すように、回転軸１２には、第１セットねじ４６ａなどにより第１スリーブカラー４４ａが固定される。この第１スリーブカラー４４ａにより内周側スリーブ４０ａが回転軸１２に固定され、内周側スリーブ４０ａは、回転軸１２と共に回転するようになっている。

内周側スリーブ４０ａの外周には、ニードルベアリングなどで構成してある軸受け４１を介して、外周側スリーブ４０ｂが内周側スリーブ４０ａとは独立して回転自在に装着してある。

外周側スリーブ４０ｂの一方の軸端には、中間リング２０の内方端が相対回転不可に固定してあり、中間リング２０は、外周側スリーブ４０ｂと共に回転軸１２の回りを回転自在に構成してある。外周側スリーブ４０ｂの他方の軸端には、後述する受動側ギア歯車７２が固定してあり、外周側スリーブ４０ｂと一体的に回転自在になっている。

内周側スリーブ４０ａにおける中間リング２０側の軸端には、軸受け保護リング４３および補助スリーブ４０ｃが、軸方向に沿ってこの順で配置してある。軸受け保護リング４３は、ボルトなどにより、内周側スリーブ４０ａの軸端に固定してあり、回転密封環２２の内側空間５６に漏れた被密封流体が、軸受け４１の内部に入り込むことを防止している。

補助スリーブ４０ｃは、第２スリーブカラー４４ｂにより回転軸１２に固定され、回転軸１２と一体的に回転するようになっている。補助スリーブ４０ｃと回転軸１２との間には、Ｏリング４２が装着してあり、これらの間から被密封流体が漏れることを防止している。

第２スリーブカラー４４ｂは、第２セットねじ４６ｂなどにより、補助スリーブ４０ｃと共に回転軸１２に固定され、回転軸１２と共に回転するようになっている。第２スリーブカラー４４ｂと補助スリーブ４０ｃとの間には、Ｏリング４８が装着してあり、これらの間から被密封流体が内側空間５６へ漏れることを防止している。

図３に示すように、回転密封環２２における先端摺動面２２ａの外周側には、外方凸部２２ｂが形成してある。図２に示すように、外方凸部２２ｂには、弾性部材としてのスプリング５２の軸方向先端が当接してあり、スプリング５２の後端は、第２スリーブカラー４４ｂに形成してあるスプリング保持孔に保持してある。スプリング５２の弾性力は、前述したスプリング３２の弾性力よりも弱いことが好ましく、たとえばスプリング３２の弾性力の１／４〜１／８が好ましい。あるいは、スプリング５２は、本実施形態においては、必ずしも具備させる必要はない。

図２に示すスプリング５２は、たとえば円周方向に沿って複数位置に配置される。円周方向に沿って各スプリング５２の間では、図１に示す回り止めピン５４の基端部が第２スリーブカラー４４ｂに固定してある。回り止めピン５４の先端部は、回転密封環２２の外方凸部２２ｂに形成してある回り止め溝または孔に係合し、その結果、回転密封環２２は、第２スリーブカラー４４ｂに対して、軸方向移動自在にしかも相対回転不可に取り付けられる。回転密封環２２とスリーブカラー４４との間にはＯリング５０が取り付けられ、それらの間から回転密封環２２の内側空間５６に被密封流体が漏れることを防止している。

図１および図２に示すように、シールカバー１６におけるケーシング１４とは反対側の軸端部には、ギアボックスカバー６０が着脱自在に取り付けられている。ギアボックスカバー６０は、ボルト１７によりフランジカバー１５に着脱自在に取り付けられ、フランジカバー１５は、ボルト１９によりケーシング１４に対して着脱自在に取り付けられる。

ギアボックスカバー６０の内部空間６１には、機械式回転伝達機構としてのギア歯車６６，６８，７０および７２が配置される。中間ギア歯車６６および７０は、ギアボックスカバー６０の端壁６０ａにボールベアリングなどの軸受け６４を介して回転自在に装着してあるギア回転軸６２に対して固定してあり、ギア回転軸６２と共に回転可能になっている。

ギア回転軸６２は、回転軸１２の軸芯Ｚと平行であり、中間ギア歯車６６および７０と共に、回転軸１２の回りの複数位置（たとえば２〜６カ所）で、ギアボックスカバー６０の端壁６０ａに対して回転自在に装着してある。外径が比較的大きい一方の中間ギア歯車６６は、内周側スリーブ４０ａに回転不可に固定してある駆動側ギア歯車６８と噛み合っており、回転軸１２の回転に伴い駆動側ギア歯車６８が回転すると、同時に、中間ギア歯車６６も回転する。

中間ギア歯車６６は、ギア回転軸６２に固定してあることから、中間ギア歯車６６の回転力は、外径が比較的に小さい中間ギア歯車７０に伝達し、中間ギア歯車７０を同時に回転させる。中間ギア歯車７０は、前述した受動側ギア歯車７２に噛み合っており、中間ギア歯車７０の回転力は、受動側ギア歯車７２に伝達され、受動側ギア歯車７２を、外周側スリーブ４０ｂと共に回転させる。外周側スリーブ４０ｂには、中間リング２０が固定してあることから、外周側スリーブ４０ｂが回転すれば中間リング２０も強制的に軸芯Ｚ回りに回転する。

これらのギア歯車６６，６８，７０，７２は、減速機構を構成しており、これらのギア歯車６６，６８，７０，７２の歯数および外径を適切に設定することで、回転軸１２の回転速度（β）よりも小さい所定の回転速度（α）で、中間リング２０を回転軸１２の回転方向と同じ方向に回転させることができる。

所定の回転速度（α）は、回転軸１２の回転速度および回転密封環２２の回転速度（β）よりも小さい速度であり、特に限定されないが、回転密封環２２の回転速度（β）に対する比率（α／β）が１未満、好ましくは１／４〜３／４、特に好ましくは１／２±１／１０以内となるように決定される。

すなわち、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０では、ギア歯車６６，６８，７０，７２の歯数および外径を適切に設定することで、中間リング２０は、強制的に所定の回転速度（α）で回転させられる。そのため、中間リング２０が静止密封環１８に対して回転することができなくなる状態を有効に避けることができ、中間リング２０を、安定して強制的に所定の回転速度（α）で回転させることが可能になる。

所定の回転速度（α）は、回転密封環２２の回転速度（β）よりも小さい速度であり、中間リング２０と静止密封環１８との間の摺動面で発生する発熱は、回転密封環２２を直接に静止密封環１８に接触させる場合に摺動面に発生する摺動面の発熱よりも小さくなる。これは中間リング２０を入れることで摺動面が２つに増えるためであり、２つの摺動面に相対速度を生じさせることで、発熱を各摺動面で発生させ、各摺動面で発熱を分散させるため、各摺動面での発熱量は、前述の回転密封環２２を直接に静止密封環１８に接触させた場合の発熱量よりも小さくすることができるためである。たとえば、α／βが約１／２であれば、中間リング２０と静止密封環１８との間の摺動面で発生する発熱は、回転密封環２２を直接に静止密封環１８に接触させる場合に摺動面に発生する摺動面の発熱に比べて約１／２となる。

そのため、本実施形態のメカニカルシール装置１０では、仮に高温、高圧および／または高速回転の環境下で使用されても、回転密封環２２、静止密封環１８および中間リング２０の異常な摩耗が少なくなり、これらの耐久性が向上する。さらに、本実施形態のメカニカルシール装置１０では、従来技術と異なり、回転密封環２２、中間リング２０および静止密封環１８の摺動面に羽根列を形成する必要がないと共に、噴出流体を摺動面に吹き付けることが無いので、摺動面からの被密封流体の漏れも少ない。

さらに本実施形態では、中間リング２０が外周側スリーブ４０ｂに固定してあり、外周側スリーブ４０ｂが軸受け４１を介して内周側スリーブ４０ａに対して回転自在に装着してあり、内周側スリーブ４０ａが、回転軸１２に固定してある。このような構成を採用することで、中間リング２０を、回転軸１２、回転密封環２２および静止密封環１８に対して、独立して所定の回転速度αで中間リング２０を強制回転させることが容易になる。

さらに本実施形態では、内周側スリーブ４０ａには、駆動側ギア歯車６８が固定してあり、外周側スリーブ４０ｂには、受動側ギア歯車７２が固定してあり、駆動側ギア歯車６８と受動側ギア歯車７２が、その他の中間ギア歯車６６および７０で連結してある。このような構成を採用することで、回転軸１２の回転力を利用して、中間リング２０を所定の回転速度（α）で強制的に回転させることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

たとえば、中間リング６６と駆動ギア歯車６８とを設けることなく、ギア回転軸６２を、その他の駆動回転手段（たとえばモータなどの回転手段）により独立して所定の回転速度αで回転させても良い。

また、上述した実施形態では、機械式回転伝達機構が、少なくとも二つ以上のギア歯車の組合せであるが、機械式回転伝達機構としては、プーリーなどを採用しても良い。ただし、上述した実施形態のように、ギア歯車を用いることで、装置の構造がシンプルになる。

さらに、上述した図１〜図３に示す実施形態において、中間リング２０における摺動面１８ａ，２０ａおよび２２ａ，２２ｂ（図３参照）の内側位置に、ドレン孔２０ｃを設けて、回転密封環２２の内側空間５６に漏れた被密封流体を、ギアボックスカバー６０の内部空間６１方向に排出するようにしても良い。また、ギアボックスカバー６０の内部空間６１には、ギア歯車６６，６８，７０，７２および軸受け４１および６４を潤滑するための潤滑油供給室を設けても良い。

さらに上述した実施形態では、密封環１８および２２の外周側に被密封流体が位置するインサイド型メカニカルシール装置について説明したが、本発明の構造は、密封環１８および２２の内周側に被密封流体が位置するアウトサイド型メカニカルシール装置にも適用することができる。

１０… メカニカルシール装置
１２… 回転軸
１４… ケーシング
１５… フランジカバー
１６… シールカバー
１８… 静止密封環
１８ａ… 摺動面
２０… 中間リング
２０ａ，２０ｂ… 摺動面
２０ｃ… ドレン孔
２２… 回転密封環
２２ａ… 摺動面
３２，５２… スプリング
４０ａ… 内周側スリーブ
４０ｂ… 外周側スリーブ
４１… 軸受け
６０… ギアボックスカバ
６２… ギア回転軸
６４… 軸受け
６６，７０… 中間ギア歯車
６８… 駆動側ギア歯車
７２… 受動側ギア歯車

Claims (5)

1. 回転軸と当該回転軸を覆うケーシングとの間の被密封流体を密封するメカニカルシール装置であって、
   前記回転軸と一体的に回転する回転密封環と、
   前記ケーシングに対して相対回転不可に取り付けられる静止密封環と、
   前記回転軸の軸方向に沿って前記回転密封環と前記静止密封環に挟まれて、前記回転密封環および前記静止密封環の双方と摺動し、前記回転密封環および前記静止密封環の双方に対して相対回転可能に配置される中間リングと、
   前記中間リングに連結され、前記回転密封環の回転速度よりも遅い回転速度で前記中間リングを前記回転密封環と同じ方向に回転させる機械式回転伝達機構と、を有するメカニカルシール装置。
2. 前記機械式回転伝達機構が、前記回転軸の回転数を減速して前記中間リングに伝達する減速機構である請求項１に記載のメカニカルシール装置。
3. 前記機械式回転伝達機構が、少なくとも二つ以上のギア歯車の組合せである請求項１または２に記載のメカニカルシール装置。
4. 前記中間リングが外周側スリーブに固定してあり、当該外周側スリーブが軸受けを介して内周側スリーブに対して回転自在に装着してあり、前記内周側スリーブが、前記回転軸に固定してある請求項１〜３のいずれかに記載のメカニカルシール装置。
5. 前記内周側スリーブには、駆動側ギア歯車が固定してあり、
   前記外周側スリーブには、受動側ギア歯車が固定してあり、
   前記駆動側ギア歯車と受動側ギア歯車が、その他のギア歯車で連結され、
   これらのギア歯車が、前記機械式回転伝達機構を構成している請求項４に記載のメカニカルシール装置。

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