JP4797090B2 - ダブルメカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、回転軸とハウジングとに亘って構成されるプロセス側の第１メカニカルシールと、回転軸とハウジングとに亘って構成される大気側の第２メカニカルシールとを有するダブルメカニカルシールに関するものである。

この種のダブルメカニカルシールは、漏れ条件の厳しい箇所に用いられるものであり、シングルのメカニカルシールに比べて大なる配置スペースが必要ではあるが、二組のメカニカルシールによってほぼ完全に漏れ防止を行うことができる利点がある。プロセス側に用いられるシール対象液がアスファルト、ナフサ等の漏れたときに環境に悪影響を及ぼし易い場合に好適なシールである。

プロセス側の第１メカニカルシールとして、シール対象液をシンプル構造でシールすべく、ハウジング側に支持される静止密封環を弾性機構で回転密封環に対して押圧付勢する構造を採る場合、シール対象液の静止密封環側からの侵入を効果的に阻止できるよう弾性機構をベローズで構成すると好都合である。このような構造を持つメカニカルシールの例としては、特許文献１において開示されるものが知られている。

そこで、高機能なシール性能を得るべく、ベローズを有する第１メカニカルシールを持つ構造のダブルメカニカルシールを新たに設計するに当り、特許文献１に示される従来の構成では、場合によっては問題が出ると予測される箇所がある。それは、第１メカニカルシールの静止密封環周りの構成である。即ち、図５に示すように、環状の静止密封環３７は、ベローズ６の力を受けるリテーナ３８に焼き嵌め内嵌されて一体化されているので、静止密封環３７の外周面３７ｂとリテーナ３８の内周面３８ｃとの間は密封されているに対して、静止密封環３７のリテーナ側外端周面３７ｃとリテーナ３８の静止密封環側内端周面３８ｅとは単に付き合わされているだけであり、それら両者３７ｃ，３８ｅ間には間隙が存在している。

つまり、静止密封環３７のリテーナ側外端周面３７ｃとリテーナ３８の静止密封環側内端周面３８ｅとの間隙をシリンダ室とする液圧シリンダＣｋとして機能可能な状態となっており、ベローズ６の内側を通って静止密封環３７と回転密封環（図示省略）とが接触する部分であるシール部Ｓに供給されるシール液ｅの圧がある程度高いと、焼き嵌め内嵌されている静止密封環３７がリテーナ３８から軸心方向に押出されてしまうおそれがある、という不都合である。

特開平１１−０１３８９４号公報

本発明の目的は、ベローズで押圧付勢される静止密封環がリテーナに焼き嵌めされている構成が採られる第１メカニカルシールを有するダブルメカニカルシールを新設計するに当り、シール液の圧によっては静止密封環がリテーナから押出される不都合が回避されるように改善された状態として提供できるようにする点にある。

請求項１に係る発明は、回転軸１とハウジング２とに亘って構成されるプロセス側の第１メカニカルシールＭ１と、前記回転軸と１前記ハウジング２とに亘って構成される大気側の第２メカニカルシールＭ２とを有するダブルメカニカルシールにおいて、
前記第１メカニカルシールＭ１が、前記回転軸１と一体回転する回転密封環５と、前記回転軸１の軸心Ｐ方向への移動が可能に前記ハウジング側に支持され、かつ、前記軸心Ｐを中心とする弾性材製ベローズ６によって前記軸心Ｐ方向において前記回転密封環５に押圧付勢される環状のリテーナ８に嵌装される静止密封環７と、前記プロセス側のプロセス液ｔより高圧なシール液ｅを前記ベローズ６の内側を通して前記回転密封環５と前記静止密封環７とが接触するシール部Ｓ１に供給すべく前記ハウジング２に形成されるシール液供給路１６と、を有して構成されており、
前記リテーナ８が、前記静止密封環７が密内嵌される外周部８ａと、前記ベローズ６を受止めるべく前記外周部８ａから径内側に延設されるフランジ部８ｂとを有して形成されるとともに、前記静止密封環７と前記フランジ部８ｂとの前記軸心Ｐ方向の隙間部１４に、この隙間部１４を前記ベローズ６の有効径Ｆ以下の径ＸでシールするＯリング３が装備されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のダブルメカニカルシールにおいて、前記隙間部１４における前記Ｏリング３の内径側にスナップリング９が装着されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のダブルメカニカルシールにおいて、前記ベローズ６の内側にて前記回転軸１に遊外嵌される状態で前記ハウジング２に一体化されるバッフル筒１３が装備されており、前記シール液供給路１６から供給されてくるシール液ｅが前記バッフル筒１３の径外側を通って前記シール部に導かれる状態に構成されていることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載のダブルメカニカルシールにおいて、前記シール部Ｓ１に導かれたシール液ｅが、前記バッフル筒１３と前記回転軸１との間を通って前記第２メカニカルシールＭ２における回転密封環２３と前記静止密封環２４とが接触するシール部Ｓ２に供給されるように、前記ハウジング２及び前記バッフル筒１３が形状設定されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、詳しくは実施形態の項にて説明するが、隙間部にＯリングを装填したことにより、隙間部をシリンダ室として機能することになる液圧シリンダの最大径をＯリングの有効シール径とすることが可能になるから、ベローズの有効径よりも液圧シリンダの最大径を小にすることができる。おれにより、プロセス液より高圧なシール液が供給されても、液圧シリンダによる押圧力がベローズの有効径による押圧力よりも弱くなり、静止密封環のリテーナからの抜出しが生じないようになる。その結果、ベローズで押圧付勢される静止密封環がリテーナに焼き嵌めされている構成が採られる第１メカニカルシールを有するダブルメカニカルシールを新設計するに当り、シール液の圧によっては静止密封環がリテーナから押出される不都合が回避される改善されたものとして提供することができる。

請求項２の発明によれば、これも実施形態の項にて説明するが、隙間部にＯリングを設けることにより、隙間部におけるいＯリングの外周側に静止密封環とリテーナとＯリングとの三者で囲まれる密閉部が形成される。その密閉部に存在する空気が、ダブルメカニカルシールの運転に伴う機器の昇温によって体積膨張し、その圧によってＯリングが径内側へ食み出すおそれがある。そこで、Ｏリングの径内側にスナップリングを配置することにより、Ｏリングの径内側への食み出しを未然に防ぎ、シール部の良好な接触圧を維持することができる。つまり、隙間部にＯリングを設ける構成によって生じる新たな不都合も解決することができている。

請求項３の発明によれば、回転軸とベローズとの径方向間に設けられたバッフル筒がシール液のガイド部材として機能し、シール液を円滑に第１メカニカルシールのシール部に導き、そのシール部を効率良く潤滑並びに冷却することができる。

請求項４の発明によれば、バッフル筒と回転軸との径方向間に設けられた筒状の通路が、第１メカニカルシールのシール部を経たシール液を淀ませることなく円滑で効率よく第２メカニカルシールに向けて移動させることができる利点がある。

ダブルメカニカルシール全体の断面図（実施例１） 第１メカニカルシール要部の拡大断面図 静止密封環とリテーナとの嵌合構造部分を示す要部の拡大断面図 静止密封環関連部分の構成寸法図 従来の静止密封環関連部分の構成寸法図

以下に、本発明によるダブルメカニカルシールの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

〔実施例１〕
実施例１によるダブルメカニカルシールＡは、図１に示すように、回転軸１とハウジング２とに亘って構成されるプロセス側（内側）の第１メカニカルシールＭ１と、回転軸１とハウジング２とに亘って構成される大気側（外側）の第２メカニカルシールＭ２とを有して構成されている。回転軸１を囲繞するハウジング２は、シール液供給路１６が形成される主ケース部２Ａと、シール液出口路１７が形成されるカバーケース部２Ｂとを有して構成されている。回転軸１には、そのプロセス側軸部１ａに咬合外嵌して一体回転する回転支持部４が設けられている。

ダブルメカニカルシールＡの機能を簡単に説明する。このダブルメカニカルシールＡには、シール液供給路１６から入ってくる高圧のシール液ｅが、第１メカニカルシールＭ１の第１シール部Ｓ１に供給されてから回転軸１の外周部を通って第２メカニカルシールＭ２のシール部Ｓ２に導かれ、それからシール液出口路１７から排出される状態で満たされている。プロセス側にあるアスファルト、ナフサ等のシール対象ｔは、シール対象ｔより高圧のシール液ｅを用いて第１メカニカルシールＭ１にて確実にシールされ、そのシール液ｅは第２メカニカルシールＭ２により、大気側に対してシールされる。従って、シール液ｅが大気側やプロセス側に僅かに漏れ出る可能性はあっても、シール対象ｔが大気側に漏れ出ることは生じない。

さて、プロセス側に位置する第１メカニカルシールＭ１は、回転軸１と一体回転する第１回転密封環５と、回転軸１の軸心Ｐ方向への移動が可能にハウジング２側に支持され、かつ、軸心Ｐを中心とする弾性材製ベローズ６によって軸心Ｐ方向において第１回転密封環５に押圧付勢される環状のリテーナ８に嵌装される第１静止密封環７と、プロセス側のプロセス液より高圧なシール液ｅをベローズ６の内側を通して第１回転密封環５のシール面５ａと第１静止密封環７のシール面７ａとが接触して成る第１シール部Ｓ１に供給すべくハウジング２に形成されるシール液供給路１６と、を有して構成されている。

回転支持部４は、プロセス側軸部１ａに咬合外嵌する基回転環体４Ａと、これに軸心Ｐ方向に横付けされて回転軸１に対するＯリング１０を持つ支持回転体４Ｂと、これに軸心Ｐ方向で横付けされる蓋環体４Ｃとから成り、蓋環体４Ｃと支持回転体４Ｂとが共締め状態で基回転環体４Ａにボルト止めされている。ＳｉＣ製の第１回転密封環５は、Ｏリング１１を介して支持回転体４Ｂに外嵌されるとともに、蓋環体４Ｃの存在により支持回転体４Ｂから軸心Ｐ方向への抜け出しが阻止されている。尚、蓋環体４Ｃを支持回転体４Ｂから外せば、第１回転密封環５を支持回転体４Ｂから抜き出し可能である。

図１，図２に示すように、タングステンカーバイド製の第１静止密封環７は、焼き嵌めによってリテーナ８に密内嵌されて一体化されており、そのリテーナ８の側周壁であるフランジ部８ａと主ケース部２Ａのプロセス側に嵌合支持されるアダプタ１２の側周面１２ａとに亘ってインコネル（クロム・鉄・珪素等を含むニッケル合金の商標名であって弾性材の一例）製のベローズ６が架設されている。また、主ケース部２Ａの大気側には、回転軸１に対しては遊外嵌で、かつ、アダプタ１２に対しては遊内嵌される状態にバッフル筒１３が嵌合支持さえている。リテーナ８は、バッフル筒１３に軸心Ｐ方向移動可能に外嵌され、かつ、リテーナ８とバッフル筒１３との間には軸心Ｐ方向に流体の移動が可能となる通り道が形成されている。

シール液ｅは、回転支持部４のシール液供給路１６からバッフル筒１３の外周側に取り込まれ、バッフル筒１３とアダプタ１２、ベローズ６、リテーナ８、及び第１静止密封環７との間の環状通路を第２メカニカルシールＭ２側から第１メカニカルシールＭ１側に向かう方向に流れて第１シール部Ｓ１に供給される。第１シール部Ｓ１を経たシール液ｅは、バッフル筒１３と回転軸１との間の環状通路を第１メカニカルシールＭ１側から第２メカニカルシールＭ２側に向かう方向に流れ、第２メカニカルシールＭ２のスプリングリテーナ１５の背面とバッフル筒１３の側周端面１３ａとの間を径内側から径外側に向かって流れた後、第２弾性機構１８とカバーケース部２Ｂとの間の環状通路を第１メカニカルシールＭ１側から第２メカニカルシールＭ２側に向かう方向に流れる。そして、シール液ｅは第２シール部Ｓ２に供給されてから、カバーケース部２Ｂのシール液出口路１７から外部に排出される。

つまり、ベローズ６の内側にて回転軸１に遊外嵌される状態でハウジング２に一体化されるバッフル筒１３が装備されており、シール液供給路１６から供給されてくるシール液ｅがバッフル筒１３の径外側を通って第１シール部Ｓ１に導かれる状態に構成されている。そして、第１シール部Ｓ１に導かれたシール液ｅが、バッフル筒１３と回転軸１との間を通って第２メカニカルシールＭ２における第２回転密封環２３と第２静止密封環２４とが接触する第２シール部Ｓ２に供給されるように、ハウジング２及びバッフル筒１３が形状設定されている。

従って、アダプタ１２、ベローズ６、リテーナ８、及び第１静止密封環７とバッフル筒１３との径方向間に形成される円環状の往路２５により、シール液ｅがバッフル筒１３に導かれて第１シール部Ｓ１に及ぶことを促進させることができ、第１シール部Ｓ１を効率良く潤滑並びに冷却することができる。そして、バッフル筒１３と回転軸１との径方向間に形成される円環状の復路２６により、第１シール部Ｓ１を経たシール液ｅを円滑に第２メカニカルシールＭ２に導くことが可能になる。復路２６からのシール液ｅは、スプリングリテーナ１５の背面を径外側に流れてから、回転軸１上に構成される弾性機構１８とカバーケース部２Ｂとの径方向間に形成される円環状の導入路２７を進み、第２シール部Ｓ２を効率よく潤滑及び冷却した後、シール液出口路１７から排出される。

図３，図４に示すように、リテーナ８が、第１静止密封環７が密内嵌される外周部８ｂと、ベローズ６を受止めるべく外周部８ｂから径内側に延設されるフランジ部８ａとを有して、断面形状が略Ｌ字形となる環体に形成されている。第１静止密封環７とフランジ部８ａとの軸心Ｐ方向の隙間部１４に、この隙間部１４をベローズ６の有効径Ｆ以下の径でシールする内装Ｏリング３が装備されている。

第１静止密封環７は、シール面７ａの径内側及び径外側が斜めにカットされた先細り形状に形成されており、その外周面７ｂと外周部８ｂの内周面８ｃとは焼き嵌めによって液密嵌合されている。フランジ部８ａは、第１静止密封環７の大気側端周面７ｃにおける外周側に当接可能な突出端周面８ｄと、大気側端周面７ｃと軸心Ｐ方向に離れた面である内側端周面８ｅとを有しており、大気側端周面７ｃと内側端周面８ｅとの間の環状空間部が隙間部１４に形成されている。そして、隙間部１４の径外側には内装Ｏリング３が配備され、その径内側にはスナップリング９が嵌着されている。

隙間部１４の最大径である段差内周面８ｆに接する内装Ｏリング３の有効シール径Ｘは、ベローズ６の有効径Ｆよりも小さくなるように構成されている。また、スナップリング９は内装Ｏリング３の内側にぴったりと嵌装されている。このように、リテーナ３を弾付形状として意図的に隙間部１４を作り、かつ、内装Ｏリング３とスナップリング９とを装填しているのは次のような理由による。

従来のメカニカルシールにおいては、図５に示すように、静止密封環３７が単にリテーナ３８に焼き嵌めされていただけなので、大気側端周面３７ｃと内側端周面３８ｅとの間には隙間があり、それによって外径が静止密封環３７の外径に相当する径Ｄのシリンダ室が形成されていることになってしまっていた。静止密封環３７のシール面３７ａが先窄まり断面形状となっているので、シール部Ｓにおけるシール液ｅが存在する部分の最大径は径Ｅで、プロセス液ｔの存在する部分の最小径は径Ｇであり、ベローズ６の有効径を径Ｆとすると、径Ｄ＞径Ｇ＞径Ｆ＞径Ｅとなる。

しかして、プロセス液ｔより高圧なシール液ｅが供給されてシリンダ室にも入ることにより、静止密封環３７をピストンとする径Ｄの液圧シリンダＣｋとして機能するので、プロセス液ｔが径Ｇと径Ｆとの間の面積に作用することによる押圧力と、ベローズ６による押圧力との合力よりも、シール液ｅが径Ｄと径Ｆとの間の面積に作用することによる押圧力が勝ることがある。そうなると、リテーナ３８と静止密封環３７とを互いに軸心Ｐ方向に引き離す作用が生じ、結果として、静止密封環３７がリテーナ３８から押出されてしまう不都合となる場合があったのである。

前記従来構造に対して本発明においては、図３や図４に示すように、リテーナ８に対して第１静止密封環７を焼き嵌めする点は同じであるが、第１静止密封環７との間に明確な隙間部１４が形成されるようにリテーナ８のフランジ部８ｂを意図的に段付形状とし、かつ、その環状の隙間部１４の径外側に沿う内装Ｏリング３を設けた点に特徴を有している。つまり、段差内周面８ｆの径を適宜に設定し、その段差内周面８ｆに接する内装Ｏリング３を装填したことにより、隙間部１４をシリンダ室とする液圧シリンダＣの最大径Ｘを内装Ｏリング３の有効シール径とすることが可能になる。

すると、段差内周面８ｆの径を適切に設定して液圧シリンダＣの最大径Ｘ（＝内装Ｏリング３の有効径）を、図３に示すように、ベローズ６の有効径Ｆよりも小にすることができるので、プロセス液ｔより高圧なシール液ｅが供給されても、液圧シリンダＣによる押圧力は、ベローズ６の有効径Ｆによる押圧力よりも弱くなる。従って、シール液ｅが径Ｆと径Ｘとの間の面積に作用することによる押圧力が、プロセス液ｔが径Ｇと径Ｆとの間の面積に作用することによる押圧力と、ベローズ６による押圧力との合力に加算されてリテーナ８と第１静止密封環７とが互いに押し合うこととなり、第１静止密封環７のリテーナ８から抜出しが生じないのである。

ところで、図３に示されるように、内装Ｏリング３が装備された隙間部１４には、段差内周面８ｆと大気側端周面７ｃと内装Ｏリング３との三者で囲まれる環状の密閉部１９が形成される。そして、ダブルメカニカルシールＡの運転に伴う機器の昇温により、密閉部１９に存在する空気が体積膨張し、その結果、内装Ｏリング３が径内側へ食み出すおそれがある。そこで、隙間部１４における内装Ｏリング３の径内側にスナップリング９を配置することにより、内装Ｏリング３の径内側への食み出しを未然に防ぎ、第１シール部Ｓ１の良好な接触圧を維持することができる。また、図示は省略するが、スナップリング９の周方向の離れ長さを短くすることにより、その取付位置が保持される構造となる。

大気側に位置する第２メカニカルシールＭ２は、図１に示すように、スプリングリテーナ１５、複数のコイルバネ２０、第２リテーナ２１、ドライブピン２２等を備えて成る第２弾性機構１８と、第２リテーナ２１に内嵌されて第２弾性機構１８で軸心Ｐ方向に押圧付勢される第２回転密封環２３と、カバーケース部２Ｂに内嵌装着される第２静止密封環２４とを有して構成されている。第２回転密封環２３は軸心Ｐ方向に移動可能に回転軸１に外嵌されており、そのシール面２３ａと第２静止密封環２４のシール面２４ａとが接触することで第２シール部Ｓ２が形成される。

〔別実施例〕
図４に示すように、実施例１におけるスナップリング９が省略された構造でも良い。即ち、リテーナ８が、第１静止密封環７が密内嵌される外周部８ａと、ベローズ６を受止めるべく外周部８ａから径内側に延設されるフランジ部８ｂとを有して形成されるとともに、第１静止密封環７とフランジ部８ｂとの軸心Ｐ方向の隙間部１４に、この隙間部１４をベローズ６の有効径Ｆ以下の径ＸでシールするＯリング３が装備されている構造である。隙間部１４は、これをシリンダ室とする液圧シリンダＣとして機能する。

１ 回転軸
２ ハウジング
３ Ｏリング
５ 回転密封環
６ ベローズ
７ 静止密封環
８ リテーナ
８ａ 外周部
８ｂ フランジ部
９ スナップリング
１３ バッフル筒
１４ 隙間部
１６ シール液供給路
２３ 回転密封環
２４ 静止密封環
Ｆ ベローズの有効径
Ｍ１ 第１メカニカルシール
Ｍ２ 第２メカニカルシール
Ｐ 軸心
Ｓ１ シール部
Ｓ２ シール部
Ｘ ベローズの有効径以下の径
ｅ シール液
ｔ プロセス液

Claims (4)

1. 回転軸とハウジングとに亘って構成されるプロセス側の第１メカニカルシールと、前記回転軸と前記ハウジングとに亘って構成される大気側の第２メカニカルシールとを有するダブルメカニカルシールであって、
   前記第１メカニカルシールが、前記回転軸と一体回転する回転密封環と、前記回転軸の軸心方向への移動が可能に前記ハウジング側に支持され、かつ、前記軸心を中心とする弾性材製ベローズによって前記軸心方向において前記回転密封環に押圧付勢される環状のリテーナに嵌装される静止密封環と、前記プロセス側のプロセス液より高圧なシール液を前記ベローズの内側を通して前記回転密封環と前記静止密封環とが接触するシール部に供給すべく前記ハウジングに形成されるシール液供給路と、を有して構成されており、
   前記リテーナが、前記静止密封環が密内嵌される外周部と、前記ベローズを受止めるべく前記外周部から径内側に延設されるフランジ部とを有して形成されるとともに、前記静止密封環と前記フランジ部との前記軸心方向の隙間部に、この隙間部を前記ベローズの有効径以下の径でシールするＯリングが装備されているダブルメカニカルシール。
2. 前記隙間部における前記Ｏリングの内径側にスナップリングが装着されている請求項１に記載のダブルメカニカルシール。
3. 前記ベローズの内側にて前記回転軸に遊外嵌される状態で前記ハウジングに一体化されるバッフル筒が装備されており、前記シール液供給路から供給されてくるシール液が前記バッフル筒の径外側を通って前記シール部に導かれる状態に構成されている請求項１又は２に記載のダブルメカニカルシール。
4. 前記シール部に導かれたシール液が、前記バッフル筒と前記回転軸との間を通って前記第２メカニカルシールにおける回転密封環と前記静止密封環とが接触するシール部に供給されるように、前記ハウジング及び前記バッフル筒が形状設定されている請求項３に記載のダブルメカニカルシール。

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