JP6097570B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシール装置に関する。

特許文献１には、インペラの回転により発生する流体の周方向流れを利用して、流体を循環させる技術が開示されている。しかしながら、従来では、排出孔に導かれる流体の一部が、インペラとハウジングとの間の軸方向隙間から漏れ出してしまうことにより、流体を効率良く循環させることができない可能性があった。

特開２００２−９８２３７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、流体を効率良く循環させて、相互に摺動する回転環と固定環とを好適に冷却することができる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、ハウジングと、当該ハウジングに形成された開口を貫通する回転軸との間をシールし、前記回転軸の回転によりハウジング内の被密封流体を循環させるメカニカルシール装置であって、前記回転軸に設置され、前記回転軸の軸方向の一方の端部にシール面を有する回転環と、前記ハウジングに設置され、前記シール面に対向配置される対向面を有する固定環と、前記シール面と前記対向面とが互いに前記回転軸の軸方向に押し付けられて、前記ハウジング内の被密封流体が密封される密封空間と、前記ハウジングに設けられ、外部空間と前記密封空間とを連通する排出孔と、を有するメカニカルシール装置であって、前記排出孔に連通し、前記回転軸の回転方向に沿って、前記回転軸の径方向に徐々に大きくなる案内流路が形成されていることを特徴とする。

このように構成されるメカニカルシール装置では、排出孔に連通する案内流路が回転軸の回転方向に沿って形成されているので、回転軸の回転による被密封流体の周方向流れを案内通路に沿って排出孔に好適に導くことができる。さらに、案内流路が回転軸の径方向に徐々に大きくなるように形成されているので、被密封流体の遠心力による圧力上昇を抑制することができる。その結果、排出孔から排出される流体の流量が増大し、排出孔からの排出圧が上がる。

好ましくは、前記ハウジングの内周面に、前記回転軸の回転方向に沿って、前記排出孔に連通する流路溝が形成されており、前記流路溝が、前記排出孔に向かって前記回転軸の径方向に幅が徐々に大きくなるように形成され、前記流路溝と前記回転軸との間に前記案内流路が形成される。

上記のように構成されるメカニカルシール装置では、ハウジングの内周面に流路溝を設けるため、回転軸側に案内流路を形成するのに比べ、回転の際に軸ぶれが起こり難い。

好ましくは、前記流路溝の径方向幅が前記回転軸の回転方向に沿って最大となる箇所と最小となる箇所との間に前記ハウジングから前記回転軸の径方向内側へと突出する突出部を設ける。この突出部は、流路溝を流れる被密封流体の周方向流れを堰き止めて排出孔へと向かわせるので、被密封流体を好適に排出孔に導くことができる。

好ましくは、前記排出孔は、前記流路溝の径方向幅が最大になる箇所に形成されている。排出孔が、流路溝の径方向幅が最大になる箇所に形成されているので、排出孔付近での被密封流体の圧力上昇が抑制される。その結果、ハウジングと軸との間の軸方向隙間から、被密封流体が漏れ出すことを抑制することができるので、被密封流体を好適に排出孔に導くことができる。

好ましくは、前記回転軸に固定され、前記回転軸の径方向外側に流体を誘導するインペラ要素が、前記案内流路に対向するように配置されている。

このように構成されるメカニカルシール装置では、案内流路に対向する位置にインペラ要素が配置されているので、インペラ要素による被密封流体の周方向流れを案内流路に好適に導くことができる。

好ましくは、前記排出孔の前記回転軸に対して径方向内側から外側が、前記回転軸の径方向に対して、前記回転軸の回転方向側に傾斜している。

このように排出孔を傾斜させることで、周方向流れの流体がより排出され易く、排出孔から排出される流体の流量が増大し、排出孔からの排出圧が上がる。なお、流体の流れは周方向流れと周方向流れにより作用する遠心力により、流体は外径側へと移動する周方向流れとなるため、周方向に対して傾斜している場合、排出孔に向かう流れとなるため、より流体が排出され易い。

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要部断面図である。 図２（Ａ）は図１に示すパーシャルインペラの要部断面図、図２（Ｂ）は該パーシャルインペラの部分正面図である。 図３は図１に示すIII−III線に沿う断面図である。 図４は図１および図３に示すハウジングに流路溝を形成する工程の一例を示す。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
第１実施形態

図１に示すように、本発明の一実施形態に係るメカニカルシール装置２は、一般産業用ポンプ等に装着されるシール装置であり、ハウジング（静止部材）４と回転軸８との間の流体を密封する。図１において、軸方向外側（矢印Ａ１方向）とは、回転軸８に沿ってハウジング４から離れる方向であり、本実施形態では、大気側である。また、矢印Ａ１と反対方向の軸方向内側とは、回転軸８に沿ってハウジング４に近づく方向であり、被密封流体側である。

ハウジング４の内部には、回転軸８が伸びている。回転軸８の軸方向内側には、図示省略してある羽根車などが装着してある。ハウジング４の内部の流体が、ハウジング４と回転軸８との間の隙間から外側に漏れないように、本実施形態のメカニカルシール装置２が設けられている。図１では、回転軸８に沿ってハウジング４の一方の端部に装着してあるメカニカルシール装置２のみが図示してあるが、回転軸８に沿ってハウジング４の他方の端部にも同様なメカニカルシール装置２が装着される場合もある。

本実施形態のメカニカルシール装置２は、少なくとも固定環４０と回転環５０とを有する。固定環４０はシールケース（静止部材）７０に取り付けられ、回転環５０は回転軸８に取り付けられる。

ハウジング４は、その軸方向外側に延びるハウジングフランジ５を有し、ハウジングフランジ５の軸方向外側端部には、シールカバー７２とフランジカバー７４とで構成されるシールケース７０がボルト１０によって着脱自在に取り付けられる。シールケース７０とハウジング４との間には、ガスケット等のシール部材（不図示）が装着してあり、これらの間が密封されている。シールケース７０を構成するシールカバー７２とフランジカバー７４とは、ソケットボルト７６により固定されている。なお、シールカバー７２とフランジカバー７４との間に、Ｏリングなどのシール部材を配置しても良い。また、シールカバー７２及びフランジカバー７４は一体に形成されていてもよく、更には、ハウジング４、シールケース７０も一体に形成されていてもよい。

シールカバー７２の内周側には、固定環４０が配置されている。固定環４０は、フランジカバー７４の軸方向内側に取り付けられており、具体的には、フランジカバー７４は、その軸方向内側に突出する固定ピン７５を備え、当該固定ピン７５が、固定環４０に形成される案内溝４２に挿入されている。また、フランジカバー７４の軸方向内側には、周方向に複数のバネ座が設けられており、バネ座と固定環４０の対向面との間に複数のコイルスプリング７８を保持している。コイルスプリング７８により、固定環４０が回転環５０の方向に押圧され、固定環４０の摺動面が回転環５０の摺動面に押しつけられる。なお、固定環４０とフランジカバー７４との間には、Ｏリング等のシール部材４４が介在してあり、これらの間を密封している。

回転軸８には、スリーブ６０が嵌合してある。回転軸８とスリーブ６０との間には、Ｏリング等のシール部材６６が備えられ、これらの間を密封している。スリーブ６０の軸方向外側（矢印Ａ１方向）端部には、カラー６２がセットスクリュー６４により連結されている。カラー６２は、セットプレート６５により位置決めされた状態で、セットスクリュー６４により回転軸８に対して固定される。なお、セットプレート６５は、メカニカルシール装置２の組立後に取り外される。スリーブ６０およびカラー６２は、回転軸８と共に矢印Ｒ方向に回転可能になっている。また、回転環５０とスリーブ６０との間には、Ｏリング等のシール部材５２が介在してあり、これらの間を密封し、更には、回転環５０とスリーブ６０との間に回転止めのための固定ピン５４も設けられる。

スリーブ６０には、スリーブフランジ６８が形成してある。スリーブフランジ６８の軸方向外側（矢印Ａ１方向）の端部には、回転環５０が取り付けられる。回転環５０の先端（矢印Ａ１方向）に形成してある回転摺動面５１は、固定環４０の後端（矢印Ａ１と反対方向）に形成してある静止摺動面４１に対して摺動可能になっている。上記のように、固定環４０は、コイルスプリング７８によって回転環５０の方向に押圧されており、その結果、静止摺動面４１が回転摺動面５１に押しつけられている。

回転環５０と固定環４０の材質は、特に限定されず、カーボン、炭化珪素、超硬合金、アルミナセラミック、エンジニアリングプラスチックまたは前記材料同士の複合材などで構成される。図１に示すメカニカルシール装置２を構成するその他の部材は、合成樹脂やゴムなどで構成されるシール部材を除き、金属あるいはその他の材質で構成される。なお、シール部材としてのガスケットは、合成樹脂やゴム以外で、金属製薄板やグラファイトで構成される場合もある。

スリーブ６０の軸方向内側（矢印Ａ１と反対方向）には、ソケットボルト９０により流路形成ブロック８０が取り付けられている。図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、流路形成ブロック８０の外周面８４には、複数の回転羽根８２が形成してある。回転羽根８２は、軸方向外側の側面から外周面８２に向かって弧を描くように形成される。流路形成ブロック８０は、回転軸８と一体的に回転して、回転羽根８２間に存在する被密封流体を遠心力によって外周側へ送り出すと共に、この回転羽根８２における軸方向外側から被密封流体を吸入するポンプ力を発生する。なお、本実施形態では、流路形成ブロック８０の周方向に沿って、８つの回転羽根８２が形成されているが、回転羽根８２の数量は、適宜決めることができる。また、回転羽根８２は必須の構成ではなく、回転羽根８２が形成されていない場合であっても、流路形成ブロック８０とハウジングフランジ５との間に存在する被密封流体を遠心力によって外周側に送り出すことが可能である。

図１および図３に示すように、回転軸８とともに流路形成ブロック８０を回転させることにより、循環流体ＣＷが矢印の向きに流れる。すなわち、案内流路３０、排出孔３４、配管３５、熱交換器３６、配管３７、流入孔３８、循環流路２０、案内流路３０・・・の順に循環流体ＣＷが循環する。シールカバー７２の内周部には、固定環４０および回転環５０の外周に向けて延び、流体を摺動面の外周へ導く内向き鍔部が形成されており、熱交換器３６で冷却された循環流体ＣＷが摺動面に導かれ、摺動面を冷却する。本実施形態では、熱交換器３６で冷却された循環流体ＣＷが、鍔部により固定環４０および回転環５０に向けて流れているので、摺動面をより好適に冷却することができる。なお、非循環流体ＨＷは、流路形成ブロック８０よりも軸方向内側（矢印Ａ１と反対方向）に存在する流体であり、非循環流体ＨＷと循環流体ＣＷとは、温度および流れる経路が相違するのみであり、同一のものである。

流路形成ブロック８０の外周面８４は、ハウジングフランジ５の主内周面６および流路溝７に対向している。流路形成ブロック８０の外周面８４とハウジングフランジ５の主内周面６との間は、スリーブフランジ６８の外周面とハウジングフランジ５の主内周面６との間に形成される循環流路２０よりも幅狭く形成されており、好ましくは、０．５〜１．５ｍｍである。このように、流路形成ブロック８０の外周面８４とハウジングフランジ５の主内周面６との間を狭く形成することで、循環流体ＣＷと非循環流体ＨＷとの混合やこれらの熱交換を抑制することができる。

流路形成ブロック８０の外周面８４とハウジングフランジ５の流路溝７との間には、案内流路３０が形成される。流路溝７は、流路形成ブロック８０の回転羽根８２に対向する位置で回転軸８の回転方向に沿って形成されており、径方向に貫通する排出孔３４に連通している。排出孔３４は、循環流路２０における循環流体ＣＷの軸方向流れの下流側に位置し、本実施形態では、円周方向の一カ所に形成してある。

図３に示すように、案内流路３０は、回転軸８の回転方向（循環流体ＣＷの周方向流れの向き）に沿って、排出孔３４に向かって回転軸８の径方向に徐々に大きくなるように形成されている。すなわち、本実施形態では、ハウジングフランジ５の流路溝７が、回転軸８の回転方向に沿って、排出孔３４に向かって回転軸８の径方向に徐々に深くなるように形成されている。その結果、本実施形態では、案内流路３０を流れる循環流体ＣＷの周方向流れが、案内流路３０の径方向の幅が最大になる部分で排出孔３４に導かれる。このように、本実施形態では、排出孔３４が案内流路３０の径方向の幅が最大になる部分に形成されているので、排出孔３４付近において、循環流体ＣＷの遠心力による圧力上昇が抑制され、流路形成ブロック８０とハウジングフランジ５との間の軸方向隙間から、循環流体ＣＷが漏れ出すことを抑制することができる。

案内流路３０において、回転軸８の回転方向に沿って径方向の幅が最大になる部分と最小になる部分との間には、整流ガイド３２が形成されている。すなわち、整流ガイド３２は、案内流路３０の流路幅が最大になる部分から、回転軸８の径方向内側に突出し、案内流路３０の流路幅が最小になる部分まで延びている。整流ガイド３２は、排出孔３４から回転軸８の径方向内側に突出するように形成されており、流路溝７を流れる循環流体ＣＷの周方向流れを、略径方向に伸びる排出孔３４に強制的に向かわせる。すなわち、整流ガイド３２は、循環流体ＣＷの周方向流れを堰き止めて排出孔３４へと向かわせる。

なお、案内流路３０は、排出孔３４に向かって、回転軸８の軸方向に徐々に大きくなるように（軸方向から見て螺線状に）形成してもよい。このように、案内流路３０を回転軸８の軸方向に徐々に大きくなるように螺線状に形成することでも、案内流路３０内の圧力上昇を抑えることができる。さらに、案内流路３０を軸方向に沿って徐々に大きくなるように形成することにより、循環流体ＣＷの軸方向の流れを好適に排出孔３４に導くことが可能である。

本実施形態の案内流路３０を構成する流路溝７は、たとえば、図４に示すように形成される。すなわち、図４（Ａ）に示すように、ハウジングフランジ５の主内周面６を、円形の回転工具Ｍにて、排出孔３４に向かって、径方向に徐々に深くなるように加工する。円形の回転工具Ｍで加工した後、図４（Ｂ）に示す未加工部Ｎを後加工により除去する。このように、本実施形態では、ハウジングフランジ５の主内周面６に、排出孔３４に向かって徐々に深くなる流路溝７を形成するのみで、図３に示す案内流路３０および整流ガイド３２を形成することができる。このため、加工が極めて容易であり、しかも別部材を溶接等することにより整流ガイドを構成する工程を省略することができる。さらに、別部材を溶接することによる案内流路の歪み、溶接時の入熱等による溶接部の腐食、部品脱落の可能性等を低減することができる。

なお、図１および図３に示す排出孔３４は、回転軸８の回転方向Ｒに沿う被密封流体の流れを迎え入れる方向に、ハウジングフランジ５の内周面に対して傾斜（直角ではない）している。すなわち、排出孔３４は、回転軸８の径方向に対して、回転軸８の回転方向Ｒ側に傾斜している。排出孔３４の内周面に対する傾斜角度θは、好ましくは０〜６０度である。排出孔３４は、図１に示すように、回転軸８の軸心に対しては、傾斜せずに垂直であるが、回転軸８の軸心に対して傾斜させて、回転軸８の軸心方向に沿って流れる循環流体ＣＷの流れを迎え入れるように構成しても良い。

本実施形態のメカニカルシール装置２では、回転軸８の回転により発生する循環流体ＣＷの周方向流れによって遠心力、即ち、径方向外側に向かう力が作用し、循環流体ＣＷが排出孔３４から排出される。本実施形態では、案内流路３０が排出孔３４に向かって回転軸８の径方向に徐々に大きくなるように形成されているので、排出孔３４付近での循環流体ＣＷの遠心力による圧力上昇を抑制することができる。その結果、案内流路３０に導入した流体を軸方向の隙間から逃がすことなく排出孔３４に導くことができる。さらに、循環流体ＣＷの周方向流れを排出孔３４に向かわせる整流ガイド３２が設けられていることで、排出孔３４から排出される流体の流量を増大させることができ、また、排出孔３４からの排出圧を向上させることができる。

また、本実施形態では、図１に示す配管３５又は配管３７の途中に、ポンプ手段を設ける必要がなくなる。本実施形態では、排出孔３４からの排出圧を向上させることができるため、従来の流量と同じ流量ならば、従来の配管よりもより長い配管を設けることができ、装置の取り付けや配置について、柔軟な対応が可能となる。すなわち適応性および多様性が向上する。

さらにまた、より高い冷却能力を有する熱交換器３６（冷却能力が高いものは配管の表面積が大きく、その配管の表面積が大きい分、圧力損失が大きくなってしまう）を選択することが可能になり、冷却能力が向上する。

さらに本実施形態では、排出孔３４（および整流ガイド３２）を、ハウジングフランジ５の主内周面６に対して所定角度θで傾斜させることで、周方向流れの循環流体ＣＷがより排出され易く、その結果、排出孔３４から排出される流体の流量が増大し、排出圧が上がる。なお、循環流体ＣＷの流れは周方向流れと周方向流れにより作用する遠心力により、循環流体ＣＷは外径側へと移動する周方向流れとなるため、周方向に対して傾斜している場合、排出孔３４に向かう流れとなるため、より流体が排出され易い。

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、排出孔３４は、整流ガイド３２と共に、円周方向の複数個所に形成しても良い。流入孔３８に関しても同様である。

また、上述した実施形態において静止部材に流路溝７を形成する代わりに、その他の別部材を静止部材に設けて案内流路３０を構成しても良い。また、回転軸に加工を施すことにより案内流路を構成することも可能であり、回転軸にその他の別部材を設けることにより案内流路を構成することも可能である。

また、上述した実施形態において、流入孔３８と排出孔３４との位置関係を逆にしても良い。この場合には、排出孔となる流入孔３８側に案内流路が形成される。

さらに、上述した実施形態において用いられた流路形成ブロック８０の代わりに、その他の流路形成要素を用いても良い。流路形成要素としては、回転軸８の径方向および／または軸方向の流れを作り出す形状および／または構造であれば良い。このような形状および／または構造は、回転軸８、回転環５０に形成することもできる。

２… メカニカルシール装置
４… ハウジング
５… ハウジングフランジ
８… 回転軸
３０… 案内流路
３２… 整流ガイド
３４… 排出孔
３８… 流入孔
４０… 固定環
５０… 回転環
６０… スリーブ
７０… シールケース
７２… シールカバー
７４… フランジカバー
８０… 流路形成ブロック
８２… 回転羽根
８４… 外周面
ＣＷ… 循環流体
ＨＷ… 非循環流体

Claims (4)

1. ハウジングと、当該ハウジングに形成された開口を貫通する回転軸との間をシールし、前記回転軸の回転によりハウジング内の被密封流体を循環させるメカニカルシール装置であって、
   前記回転軸に嵌合されたスリーブに形成されたスリーブフランジの軸方向大気側に設置され、前記回転軸の軸方向の一方の端部に回転摺動面を有する回転環と、
   前記ハウジングの軸方向大気側に延びるハウジングフランジの内周側に設置され、前記回転摺動面に対向配置される静止摺動面を有する固定環と、
   前記回転摺動面と前記静止摺動面とが互いに前記回転軸の軸方向に押し付けられて、前記ハウジング内の被密封流体が密封される密封空間と、
   前記スリーブに取付けられ、前記回転軸の回転に伴い前記被密封流体に循環流体を発生させる流路形成ブロックと、
   前記スリーブフランジの外周面と前記ハウジングフランジの内周面との間に形成される循環流路と、
   前記循環流路における循環流体の軸方向流れの下流側位置において 前記ハウジングフランジに設けられ、前記循環流体を排出する排出孔と、
   前記ハウジングフランジの内周面に設けられ、前記循環流体の周方向の流れを堰き止めて前記排出孔へ向かわせる整流ガイドと、
   前記ハウジングフランジの内周面に設けられ、前記排出孔に向かって、径方向に徐々に深くなる流路溝と、
   を有するメカニカルシール装置であって、
   前記流路形成ブロックの外周面は、前記ハウジングフランジの内周面および前記流路溝に対向しており、
   該外周面と前記ハウジングフランジの内周面との間は、前記スリーブフランジの外周面と前記ハウジングフランジの内周面との間に形成される循環流路よりも幅狭く形成されており、
   前記流路形成ブロックの外周面には、複数の回転羽根が形成されており、該流路形成ブロックは前記回転軸と一体的に回転して、該回転羽根に存在する被密封流体を遠心力によって外周側へ送り出すと共に、この回転羽根における軸方向外側から被密封流体を吸入するポンプ力を発生し、
   前記流路溝は、前記流路形成ブロックの前記回転羽根に対向する位置で、前記回転軸の回転方向に沿って前記排出孔に向かって前記回転軸の径方向に幅が徐々に大きくなるように形成されており、径方向に貫通する前記排出孔に連通しており、
   前記流路溝と前記流路形成ブロックの外周面との間に、前記排出孔に向かって、前記循環流体の周方向流れが流れる案内流路が形成されていることを特徴とするメカニカルシール装置。
2. 前記整流ガイドは、前記案内流路の径方向幅が前記回転軸の回転方向に沿って最大となる箇所から径方向内側に突出し、前記案内流路の径方向幅が最小となる箇所まで延びていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
3. 前記排出孔は、前記流路溝の径方向幅が最大になる箇所に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシール装置。
4. 前記排出孔の前記回転軸に対して径方向内側から外側が、前記回転軸の径方向に対して、前記回転軸の回転方向側に傾斜していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のメカニカルシール装置。

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