JP4001594B2

JP4001594B2 - タンデム型ドライコンタクト軸封装置

Info

Publication number: JP4001594B2
Application number: JP2004266886A
Authority: JP
Inventors: 正樹宮本
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2024-09-14
Also published as: JP2006083893A

Description

本発明は、２組のメカニカルシールが回転軸の軸方向に沿って並列配置されており、ポンプやミキサー等の回転機器に使用されるタンデム型ドライコンタクト軸封装置に関する。

従来より、揮発性の液体を扱う産業用プロセスポンプやミキサー等の回転機器の軸封装置として、２組のメカニカルシールが前記回転機器の回転軸の軸方向に沿って並列配置されたタンデム型軸封装置が用いられている。このような軸封装置では、プロセス液が気化することにより発生した気体が大気側に漏れるのを抑制するために、例えば両メカニカルシール間に画成された軸封空間に潤滑油等のサーキュレーション液を充填し、このサーキュレーション液を、大気側のメカニカルシールに設けられたパーシャルインペラによって、軸封装置の外周に配設されたリザーバタンクとの間で強制循環させることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、サーキュレーション液を強制循環させる方式では、リザーバタンクを別途設ける必要があり、そのためのスペースを要するのでシステムのコンパクト化を図ることができず、またコストアップの要因となっていた。さらに、良好なシール効果を得るためには、サーキュレーション液の品質劣化等を常時管理する必要があり、また、使用済のサーキュレーション液を処分しなければならず、手間がかかっていた。

そこで、このようなサーキュレーション液循環方式における問題点を解決するために、二次側（大気側）にドライコンタクトシールを配置したタンデム型軸封装置が提案されている。この軸封装置では、図４に示されるように、回転機器の回転軸５０の廻りに配設された軸封部ケーシング５１に形成された供給路５２を介してパージガスが二次側シール５３の外周の領域Ｆに供給される。このパージガスは、前記軸封ケーシング５１の内周面に形成された環状凸部５５の先端面５５ａと、二次側シール５３の回転密封環６０が固定されるスリーブ５０ａの環状鍔部６２の外周面６２ａとの間の狭路５６を通って回転密封環６０の背部の領域Ｇに至り、ついで軸封ケーシング５１に形成された排出路５８を通って装置外に排出される。その際、前記狭路５６を高速で通過するパージガスの流れによって、プロセス液が気化することにより発生した気体が大気側領域Ｈに漏れるのを防止している。

特開平７−１２２３８号公報

しかしながら、パージガスの供給口は１箇所であるため、前記二次側シール５３の外周全体において均一なガスの流れを作ることは困難であり、そのため前記回転密封環６０の密封端面と静止密封環５９の密封端面とで形成されるシール面から、前記気化した気体とパージガスとの混合ガスが大気側領域Ｈに漏れる惧れがある。プロセス液が気化した気体の中には、有害なものがあり、かかる気体の大気中への漏れは好ましくない。

本発明は、このような従来技術の有する問題点を解消するためになされたものであり、プロセス液が気化した気体の大気中への漏れを抑制することができるタンデム型ドライコンタクト軸封装置を提供することを目的としている。

本発明のタンデム型ドライコンタクト軸封装置は、回転機器の機内領域と機外領域とを区画する軸封部ケーシングと、この軸封部ケーシングを洞貫する回転軸との間に、当該回転軸の軸線方向に並列する、機内側の第１メカニカルシール及び機外側の第２メカニカルシールが配置されているタンデム型ドライコンタクト軸封装置であって、
前記第１及び第２メカニカルシールは、それぞれ、前記回転軸に設けられた回転密封環と、前記軸封部ケーシングに設けられた静止密封環と、一方の密封環を他方の密封環へと押圧付勢するスプリングとを備えており、
前記第２メカニカルシールの静止密封環の背部には、当該静止密封環の背面にパージガスを供給する複数の供給ポートが周方向に所定間隔で配設されており、
前記第２メカニカルシールの静止密封環は、この静止密封環の背部領域と、当該静止密封環の密封端面に形成された環状凹溝とを連通する複数の連通路を有しており、且つ
前記環状凹溝の外周壁に複数の切欠又は孔が形成されていることを特徴としている。

本発明のタンデム型ドライコンタクト軸封装置は、第２メカニカルシールの静止密封環の背部において周方向に所定間隔で配設された複数の供給ポートから当該静止密封環の背部領域にパージガスが供給されるので、第２メカニカルシールの背面全体に均一にパージガスを供給することができる。また、第２メカニカルシールの静止密封環の環状凹溝の外周壁に複数の切欠又は孔が形成されているので、第２メカニカルシールの背面に供給されたパージガスは、前記静止密封環の連通路を経由して環状凹溝に至り、ついで前記複数の切欠又は孔から前記環状凹溝の外周外方領域に放射状に噴射される。このパージガスの噴射によって、プロセス液が気化することにより発生した気体が前記環状凹溝内に、すなわち第２メカニカルシールのシール面に浸入して大気領域へ漏れるのを抑制することができる。また、第２メカニカルシールのシール面の摺接作用により生じ、前記環状凹溝内に残っていた磨耗粉を、パージガスの噴射流により環状凹溝外に飛散させ、当該磨耗粉の噛み込みによるシール面の磨耗を防ぐことができる。さらに、パージガスの流れにより前記シール面を効果的に冷却して当該シール面の発熱を抑えることができ、これによりシールの寿命を延ばすことができる。

前記第２メカニカルシールの静止密封環の密封端面の外周外方領域と、当該第２メカニカルシールの回転密封環の背部領域であって前記パージガスの排出口が開口している領域とを連通する流路に絞り部が形成されているのが好ましい。この絞り部を通るパージガスの流れによって、プロセス液が気化することにより発生した気体が、静止密封環の密封端面の外周外方領域に漏れるのを抑制することができる。

また、前記パージガスの供給路が前記軸封部ケーシングに形成されており、この供給路に連通するように環状のガスヘッダーが当該軸封部ケーシングの内周部に設けられており、且つ、前記ガスヘッダーが、前記供給路に連通して接続される広路と、この広路と連通しており、当該広路よりも前記回転軸を基準とした半径方向の寸法が小さい狭路とで構成されているのが好ましい。このように広路と狭路とからなるガスヘッダーを設けると、供給路からガスヘッダーの広路に供給されたパージガスは、広路のほうが狭路よりも圧力損失が小さいので、その多くが前記広路を周方向に流れる。その結果、ガスヘッダーの全周に均等にパージガスを供給することができる。

さらに、前記環状のガスヘッダーが、前記軸封部ケーシングの内周面に形成された環状の深溝と、この深溝と並設された環状の浅溝と、両溝を覆うように前記軸封部ケーシングの内周面に当接して固定された短円筒体とで形成されており、且つ、前記短円筒体における、前記浅溝を覆う部分にパージガスを供給する複数の供給ポートが形成されているのが好ましい。このようにして、軸封部ケーシングに形成した溝とこの溝を覆う短円筒体とでガスヘッダーを構成することで、部品数を減らして構造を簡略化することができる。

本発明のタンデム型ドライコンタクト軸封装置は、第２メカニカルシールの静止密封環の環状凹溝の外周壁の切欠又は孔からパージガスを放射状に外周外方領域に噴射することができ、プロセス液が気化した気体が前記環状凹溝内に、すなわち第２メカニカルシールのシール面に浸入して大気側へ漏れるのを抑制することができる。

以下、添付図面に基づいて、本発明のタンデム型ドライコンタクト軸封装置の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係るタンデム型ドライコンタクト軸封装置Ｔ（以下、単に軸封装置ともいう）の断面説明図である。この軸封装置Ｔは、ポンプやミキサー等の回転機器の機内領域と機外領域とを区画する軸封部ケーシング１と、この軸封部ケーシング１を洞貫する回転軸２との間に、当該回転軸２の軸線方向に並列する、機内側の第１メカニカルシール３及び機外側の第２メカニカルシール４が配置されているタンデム型ドライコンタクト軸封装置である。なお、図１において、左が機外側、右が機内側である。

機内側の第１メカニカルシール３は、回転軸２のスリーブ２ａにＯリング５でシールした状態でホロセットボルト８により固定されたリテーナ３５に、Ｏリング６でシールし
た状態で軸線方向摺動可能に且つ相対回転不能に保持された回転密封環７と、前記軸封部ケーシング１にＯリング９でシールした状態でピン１０により固定された静止密封環１１と、前記回転密封環７を静止密封環１１へと押圧付勢するスプリング１２とを備えている。この第１メカニカルシール３では、両密封環７、１１の対向端面である密封端面７ａ、１１ａの相対回転摺接作用により、被密封流体領域Ａと、後述するパージガスの排出領域Ｂとをシール（一次シール）している。なお、静止密封環１１はセラミックスや超硬合金等の硬質材で作製され、一方、回転密封環７は静止密封環１１より比較的軟質の材料、例えばカーボン等で作製されている。

二次シールとして機能する機外側の第２メカニカルシール４は、前記第１メカニカルシール３の前方位置（機外側）に配置されており、当該第１メカニカルシール３と同様に、回転軸２のスリーブ２ａにＯリング１３でシールした状態でピン１４により固定された回転密封環１５と、前記軸封部ケーシング１にＯリング１６でシールした状態で軸線方向摺動可能に且つ相対回転不能に固定された静止密封環１７と、この静止密封環１７を前記回転密封環１５へと押圧付勢するスプリング１８とを備えている。この第２メカニカルシール４では、両密封環１５、１７の対向端面である密封端面１５ａ、１７ａの相対回転摺接作用により、パージガスの排出領域Ｂと、大気領域Ｃとをシール（二次シール）している。なお、回転密封環１５はセラミックスや超硬合金等の硬質材で作製され、一方、静止密封環１７は回転密封環１５より比較的軟質の材料、例えばカーボン等で作製されている。

前記第２メカニカルシール４の静止密封環１７の密封端面１７ａには環状凹溝３０（図３参照）が形成されており、また当該静止密封環１７には、この静止密封環１７の背部領域Ｄと前記環状凹溝３０とを連通する複数の連通路３１が形成されている。この連通路３１の数は、本発明において特に限定されるものではないが、通常、３〜１６本程度である。前記連通路３０は、環状凹溝３０の周方向に均一にパージガスを供給するために、静止密封環１７の周方向に等ピッチで形成するのが好ましい。

前記軸封部ケーシング１には、第２メカニカルシール４の静止密封環１７の背部領域Ｄにパージガスを供給する供給路１９、及びパージガスの排出領域Ｂからパージガスを排出する排出路２０が形成されている。パージガスとしては、被密封流体領域Ａ又は大気領域Ｃに漏洩しても支障のないガスが使用されるが、通常、被密封流体と不活性であり且つ無害な窒素ガスが使用される。

前記供給路１９は、軸封部ケーシング１の内周部に形成された環状のガスヘッダー２１に開口しており、このガスヘッダー２１によりパージガスを第２メカニカルシール４の静止密封環１７の背面全体に均一に行き渡らせることができる。前記ガスヘッダー２１は、パージガスの供給路１９が連通して開口する広路２１ａと、この広路２１ａよりも半径方向（回転軸２を基準として半径方向のことであり、図１〜２においては上下方向である）の寸法が小さい狭路２１ｂとで構成されており、前記広路２１ａと狭路２１ｂは互いに連通するように回転軸２の軸方向に沿って並設されている。本実施の形態では、前記広路２１ａ及び狭路２１ｂは、軸封部ケーシング１の内周面１ａに形成された環状の深溝と、この深溝と並設された環状の浅溝と、両溝を覆うように前記軸封部ケーシング１の内周面１ａに当接して固定された短円筒体２４とで形成されている。前記狭路２１ｂは広路２１ａよりも半径方向の寸法が小さいので、パージガスが通過する際の抵抗、すなわち圧力損失は広路２１ａを通過する際のものよりも大きくなる。したがって、供給路１９から広路２１ａに供給されたパージガスは、その多くが圧力損失の小さい広路２１ａを周方向に流れようとし、その結果、環状のガスヘッダー２１の全周において均等にパージガスを供給することができる。

パージガスは、前記短円筒体２４において、前記浅溝を覆う部分に形成された複数の供給ポート２２から静止密封環１７の背部の領域Ｄに供給される。この供給ポート２２は、短円筒体２４の周方向に沿って所定間隔で配列されており、その形状は、本発明において特に限定されるものではなく、丸孔、長孔、矩形の孔等適宜の形状を採用することができる。また、図１〜３に示される実施の形態のように、短円筒体２４の縁部に半円形や矩形の切欠を形成し、この切欠を供給ポート２２とすることもできる。図１〜３に示される実施の形態では、短円筒体２４の縁部を第２メカニカルシール４の静止密封環１７のリテーナ３４に当接させて、前記切欠とリテーナ３４の表面とで供給ポート２２を構成している。

供給ポート２２は、短円筒体２４の周方向において等ピッチで配置してもよいが、パージガスの供給路１９から離れるにしたがい徐々にピッチを小さくすると、さらに均等にパージガスを静止密封環１７の背部の領域Ｄに供給することができる。さらに、等しいピッチで供給ポート２２を配置する場合、当該供給ポート２２の大きさをすべて同一にしてもよいが、パージガスの供給路１９から離れるにしたがい徐々にサイズを大きくすると、より均等にパージガスを静止密封環１７の背部の領域Ｄに供給することができる。なお、供給ポート２２のピッチとサイズは、両方とも変化させるようにしてもよい。

前記第２メカニカルシール４の静止密封環１７の外周面１７ｂは、Ｏリング２６を介して短円筒体２４の内周面２４ａに当接されているため、当該静止密封環１７の背面に供給されたパージガスは、前述した複数の連通路３１を経て前記環状凹溝３０に至る。この環状凹溝３０の外周壁３０ａには、図３に示されるように、複数の切欠２３が周方向に均等に形成されているので、パージガスはこの切欠２３から環状凹溝３０の外周外方領域Ｅに放射状に噴射される。このパージガスの噴射によって、プロセス液が気化することにより発生した気体が前記環状凹溝３０内に、すなわち第２メカニカルシール４のシール面に浸入して大気領域へ漏れるのを防ぐことができる。また、第２メカニカルシール４のシール面の摺接作用により生じた磨耗粉が前記環状凹溝３０内に残っていたとしても、このような磨耗粉は、パージガスの噴射流により環状凹溝３０外に排出されるので、当該磨耗粉の噛み込みによるシール面の磨耗を防ぐことができる。さらに、パージガスの流れにより前記シール面を効果的に冷却して当該シール面の発熱を抑えることができ、これによりシールの寿命を延ばすことができる。なお、図１〜３に示される実施の形態では、Ｏリング２６によって静止密封環１７の外周面１７ｂと短円筒体２４の内周面２４ａとがシールされており、パージガスは静止密封環１７の連通路３１にだけ供給されるが、前記切欠２３によりパージガスの圧力を逃がすことができるので、静止密封環１７が浮き上がる、すなわち密封端面１５ａ、１７ａが互いに離間するのを防止することができる。

前記切欠２３の大きさや数は、当該切欠２３から所望の噴射流が得られるように、供給されるパージガスの圧力や当該切欠２３に至るまでの圧力損失等を考慮して選定することができる。供給路１９におけるパージガスの圧力は、例えば０．３〜０．５ｋｇ／ｃｍ^２に設定されるので、直径２ｍｍの連通路３１を４本形成する場合、１．５ｍｍ×１．５ｍｍの矩形の切欠２３を環状凹溝３０の外周壁３０ａに３〜１６箇所形成すると、所望の噴射流を得ることができる。なお、切欠に代えて孔を外周壁３０ａに形成することもできる。孔の形状としては、丸孔、長孔、矩形の孔等適宜の形状を採用することができ、またその大きさは前記切欠と同様にして選定することができる。

本実施の形態では、前記第２メカニカルシール４の静止密封環１７の密封端面１７ａの外周外方領域Ｅと、当該第２メカニカルシール４の回転密封環１７の背部領域であって前記パージガスの排出口２０ａが開口している領域、すなわちパージガスの排出領域Ｂとを連通する流路に絞り部２５が形成されている。この絞り部２５は、回転密封環１５が固定されるスリーブ２ａの環状鍔部３２の外周面３２ａと、軸封部ケーシング１の内周面に突出形成された環状リブ３３の内周面３３ａとで構成されている。前記絞り部２５を通ることでパージガスに圧力損失が発生するため、前記第２メカニカルシール４の静止密封環１７の密封端面１７ａの周辺領域Ｅにおけるパージガスの圧力Ｐ_Ｅよりも排出領域Ｂにおけるパージガスの圧力Ｐ_Ｂが小さくなる（Ｐ_Ｂ＜Ｐ_Ｅ）。この差圧とパージガスの流れによって、プロセス液が気化することにより発生した気体が、静止密封環１７の密封端面１７ａの外周外方領域Ｅに漏れるのを抑制することができる。

なお、前述した実施の形態では、溝と短円筒体を用いてパージガスを周方向に供給しているが、これ以外に、例えば前記供給路１９に連通して接続された環状のダクト（このダクトの内周面には複数の供給ポートが形成されている）を用いることもできる。
また、第２メカニカルシール４の静止密封環１７の外周面１７ｂと、短円筒体２４の内周面２４ａとをＯリング２６を介して当接させているが、前記切欠２３から放射状にパージガスが噴射できるだけの差圧を、環状凹溝３０内と当該環状凹溝３０の外周外方領域Ｅとの間に確保できるかぎり、Ｏリングを省略して外周面１７ｂと内周面２４ａとの間に若干の隙間を設けることもできる。この隙間を通ることでパージガスに圧力損失が発生するが、この圧力損失よりも、前記供給ポート２２から環状凹溝３０に至る圧力損失が小さくなるように、前記隙間の大きさや供給ポート２２の数等を選定すればよい。

本発明の軸封装置の一実施の形態の断面説明図である。図１に示される軸封装置の要部断面説明図である。静止密封環の環状凹溝の外周壁に形成された切欠の例を示す図である。従来のタンデム型軸封装置の断面説明図である。

符号の説明

１軸封部ケーシング
２回転軸
３第１メカニカルシール
４第２メカニカルシール
７回転密封環（第１メカニカルシール）
１１静止密封環（第１メカニカルシール）
１２スプリング（第１メカニカルシール）
１５回転密封環（第２メカニカルシール）
１７静止密封環（第２メカニカルシール）
１８スプリング（第２メカニカルシール）
２２供給ポート
２３切欠
２５絞り部
Ａ被密封流体領域
Ｂパージガスの排出領域
Ｃ大気領域

Claims

回転機器の機内領域と機外領域とを区画する軸封部ケーシングと、この軸封部ケーシングを洞貫する回転軸との間に、当該回転軸の軸線方向に並列する、機内側の第１メカニカルシール及び機外側の第２メカニカルシールが配置されているタンデム型ドライコンタクト軸封装置であって、
前記第１及び第２メカニカルシールは、それぞれ、前記回転軸に設けられた回転密封環と、前記軸封部ケーシングに設けられた静止密封環と、一方の密封環を他方の密封環へと押圧付勢するスプリングとを備えており、
前記第２メカニカルシールの静止密封環の背部には、当該静止密封環の背面にパージガスを供給する複数の供給ポートが周方向に所定間隔で配設されており、
前記第２メカニカルシールの静止密封環は、この静止密封環の背部領域と、当該静止密封環の密封端面に形成された環状凹溝とを連通する複数の連通路を有しており、且つ
前記環状凹溝の外周壁に複数の切欠又は孔が形成されていることを特徴とするタンデム型ドライコンタクト軸封装置。
前記第２メカニカルシールの静止密封環の密封端面の外周外方領域と、当該第２メカニカルシールの回転密封環の背部領域であって前記パージガスの排出口が開口している領域とを連通する流路に絞り部が形成されている請求項１に記載のタンデム型ドライコンタクト軸封装置。
前記パージガスの供給路が前記軸封部ケーシングに形成されており、この供給路に連通するように環状のガスヘッダーが当該軸封部ケーシングの内周部に設けられており、且つ、前記ガスヘッダーが、前記供給路に連通して接続される広路と、この広路と連通しており、当該広路よりも前記回転軸を基準とした半径方向の寸法が小さい狭路とで構成されている請求項１〜２のいずれかに記載のタンデム型ドライコンタクト軸封装置。
前記環状のガスヘッダーが、前記軸封部ケーシングの内周面に形成された環状の深溝と、この深溝と並設された環状の浅溝と、両溝を覆うように前記軸封部ケーシングの内周面に当接して固定された短円筒体とで形成されており、且つ、前記短円筒体における、前記浅溝を覆う部分にパージガスを供給する複数の供給ポートが形成されている請求項３に記載のタンデム型ドライコンタクト軸封装置。