JP6744160B2 - mechanical seal - Google Patents
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Description
本発明は、メカニカルシールに関する。 The present invention relates to mechanical seals.
医薬品や食品等の製造に使用される回転機器は、衛生上の観点から、定期的に運転を停止して滅菌処理を行う必要がある。この場合、回転機器の回転軸の軸封用に使用されているメカニカルシールも滅菌処理の対象となる。かかるメカニカルシールの滅菌処理では、通常、メカニカルシールが取り付けられているシールケースの内部に、約110〜130℃のスチームを所定時間供給することで、メカニカルシールの各構成部品を所定の滅菌温度まで昇温させて滅菌するようになっている(例えば、特許文献1参照)。 From the viewpoint of hygiene, it is necessary to periodically stop the operation of rotary equipment used for manufacturing pharmaceuticals, foods, etc. to perform sterilization. In this case, the mechanical seal used for sealing the rotating shaft of the rotating device is also the target of the sterilization process. In such a mechanical seal sterilization process, steam is usually supplied at a temperature of about 110 to 130° C. for a predetermined time into a seal case to which the mechanical seal is attached, so that each component of the mechanical seal is heated to a predetermined sterilization temperature. The temperature is raised to sterilize (see, for example, Patent Document 1).
上記メカニカルシールは、シール部を有する複雑な構造上、構成部品によってはスチームの熱が伝わりにくいため、全ての構成部品を滅菌温度まで昇温させるのに多大な時間を要し、食品等の生産効率が低下するという問題があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、滅菌処理を迅速に行うことができるメカニカルシールを提供することを目的とする。
Since the mechanical seal has a complicated structure with a seal portion, the heat of steam is difficult to be transferred depending on the component parts, so it takes a lot of time to raise all the component parts to the sterilization temperature, and the production of food etc. There was a problem of reduced efficiency.
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a mechanical seal that can rapidly perform a sterilization process.
本発明のメカニカルシールは、回転機器におけるケーシングと回転軸との間に設けられ、機内流体領域を機外流体領域に対して密封するメカニカルシールであって、前記回転軸側に一体回転可能に取り付けられ、シール面を有する回転密封環と、前記ケーシング側に取り付けられ、前記回転密封環のシール面に対向するシール面を有する静止密封環と、前記機外流体領域に滅菌流体を供給するための供給路と、を備え、前記回転密封環および前記静止密封環のうち少なくとも一方には、前記供給路から前記機外流体領域に供給された滅菌流体により昇温しやすい面の少なくとも一部から、当該滅菌流体が供給されても昇温しにくい面の少なくとも一部に亘って、ダイヤモンド膜が連続して形成されている。 A mechanical seal of the present invention is a mechanical seal that is provided between a casing and a rotating shaft of a rotating device and seals an in-machine fluid region against an out-of-machine fluid region, and is attached to the rotating shaft side so as to be integrally rotatable. A rotary seal ring having a seal surface, a stationary seal ring attached to the casing side and having a seal surface opposite to the seal surface of the rotary seal ring, and for supplying sterile fluid to the external fluid region. A supply path is provided, and at least one of the rotary seal ring and the stationary seal ring is provided with at least a part of a surface easily heated by the sterilizing fluid supplied from the supply path to the external fluid region, A diamond film is continuously formed on at least a part of the surface where the temperature is hard to rise even when the sterilizing fluid is supplied.
上記のように構成されたメカニカルシールによれば、回転密封環および静止密封環のうち少なくとも一方には、前記昇温しやすい面の少なくとも一部から、前記昇温しにくい面の少なくとも一部に亘って、大きな熱伝導率を有するダイヤモンド膜が連続して形成されている。このため、前記昇温しやすい面において高温の滅菌流体により昇温した熱を、ダイヤモンド膜により非接触面に伝熱させることができる。これにより、前記昇温しにくい面を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、メカニカルシールの滅菌処理を迅速に行うことができる。 According to the mechanical seal configured as described above, in at least one of the rotary seal ring and the stationary seal ring, from at least a part of the surface that easily raises the temperature to at least a part of the surface that hardly heats up. A diamond film having a large thermal conductivity is continuously formed over the entire area. For this reason, the heat raised by the high temperature sterilizing fluid on the surface where the temperature is easily raised can be transferred to the non-contact surface by the diamond film. As a result, it is possible to quickly raise the temperature-increasing surface to the sterilization temperature, so that the mechanical seal can be rapidly sterilized.
前記メカニカルシールにおいて、前記機外流体領域は、前記回転密封環および前記静止密封環の両シール面間を非接触状態に保持するためのシールガスが導入されるシールガス領域であるのが好ましい。
この場合、シールガス領域に導入されたシールガスによりメカニカルシールに雑菌が発生しても、上記のように昇温しにくい面を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、シールガスを用いるメカニカルシールの滅菌処理を迅速に行うことができる。
In the mechanical seal, it is preferable that the out-of-machine fluid region is a seal gas region into which a seal gas for keeping the seal surfaces of the rotary seal ring and the stationary seal ring in a non-contact state is introduced.
In this case, even if bacteria are generated in the mechanical seal due to the seal gas introduced into the seal gas region, the surface that is difficult to heat up can be quickly heated to the sterilization temperature as described above. The seal can be rapidly sterilized.
前記メカニカルシールにおいて、前記昇温しにくい面は、前記機内流体領域に面する領域面を含んでおり、前記領域面の少なくとも一部に前記ダイヤモンド膜が形成されているのが好ましい。
この場合、機内流体領域の流体により前記領域面に雑菌が発生しても、ダイヤモンド膜により前記領域面を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、前記領域面を迅速に滅菌処理することができる。
In the mechanical seal, it is preferable that the surface that is hard to heat up includes an area surface that faces the in-machine fluid area, and that the diamond film is formed on at least a part of the area surface.
In this case, even if bacteria are generated on the area surface due to the fluid in the in-machine fluid area, the area surface can be quickly raised to the sterilization temperature by the diamond film, so that the area surface can be rapidly sterilized. it can.
前記メカニカルシールにおいて、前記機外流体領域は、封液が導入される封液領域であってもよい。この場合、封液領域に導入された封液によりメカニカルシールに雑菌が発生しても、上記のように昇温しにくい面を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、封液を用いるメカニカルシールの滅菌処理を迅速に行うことができる。 In the mechanical seal, the external fluid region may be a liquid sealing region into which a liquid sealing liquid is introduced. In this case, even if germs are generated in the mechanical seal due to the sealing liquid introduced into the sealing liquid area, the surface that is difficult to heat up can be quickly heated to the sterilization temperature as described above. The seal can be rapidly sterilized.
本発明のメカニカルシールによれば、滅菌処理を迅速に行うことができる。 According to the mechanical seal of the present invention, the sterilization process can be performed quickly.
次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
[第1実施形態]
[全体構成]
図1は、本発明の第1実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。図1において、このメカニカルシール1は、被密封流体が内部に存在する回転機器のケーシング31と、その回転機器の回転軸32との間に設けられるものであって、シールケース2内に、回転密封環3および第1静止密封環4によって構成される第1の回転シール構造と、第1静止密封環4および第2静止密封環5によって構成される第2の回転シール構造を備えている。回転密封環3は例えば炭化ケイ素(SiC)焼結体からなり、第1及び第2静止密封環4,5は例えばセラミックやカーボンからなる。
Next, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[First Embodiment]
[overall structure]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a mechanical seal according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the
回転密封環3と第1静止密封環4とによって構成される第1の回転シール構造により、ケーシング31内の機内流体領域Hと、シールガスが存在するシールガス領域(機外流体領域)Sとが互いにシールされる。
また、回転密封環3と第2静止密封環5とによって構成される第2の回転シール構造により、シールガス領域Sと、大気に開放された大気領域Lが互いにシールされる。上記回転機器は、例えば食品、医薬品等の攪拌装置であり、メカニカルシール1は、縦型であって、大気領域L側が上側、機内流体領域H側が下側の状態で取り付けられる。
With the first rotary seal structure composed of the
Further, the seal gas region S and the atmospheric region L open to the atmosphere are mutually sealed by the second rotary seal structure constituted by the
図2は、図1の右半分の拡大図である。図2において(図1も参照)、シールケース2は、円筒状のケース本体部21と、このケース本体部21の軸方向両端にボルト24,25により締結されるフランジ部(リテーナ)22,23とにより構成されている。一方、攪拌装置の回転軸32には、第1スリーブ6が外嵌され、この第1スリーブ6の上端側(大気領域L側)に形成された円筒部6aに環状の回転密封環3が外嵌されている。回転密封環3の上下のシール面3s1,3s2は、回転軸32の軸方向に直交する平面である。但し、このシール面3s1,3s2の外周寄りには、径方向に延びる浅い(数μm)溝3g1,3g2が、例えば放射状に複数条形成されている。
FIG. 2 is an enlarged view of the right half of FIG. In FIG. 2 (see also FIG. 1), the
第1スリーブ6の上方(大気領域L)側に設けられる第2スリーブ8は、回転密封環3を円筒部6aに外嵌した後に回転軸32に外嵌されたものであり、下方の第1スリーブ6と互いに嵌め合わされ、かつ、ボルト9により締結されている。上記回転密封環3は、各スリーブ6,8の外周側にそれぞれ膨らんで形成された支持部6b,8b間にOリング10,11を介して挟持されている。また、円筒部6aの外周に形成された溝6a1にOリング12が装着され、このOリング12は回転密封環3と接している。上記第2スリーブ8は、複数本(1本のみ図示)のねじ13(図1)により、回転軸32に対して固定されている。
The
一方、環状体である第1静止密封環4及び第2静止密封環5はそれぞれ、回転密封環3のシール面3s1,3s2にそれぞれ対向するシール面4s,5sを有し、回転密封環3に対して軸方向の両側から対向している。回転密封環3と第1静止密封環4との間に形成される両シール面3s1,4sにより、機内流体領域Hとシールガス領域Sとの間に一次シール部が構成されている。また、回転密封環3と第2静止密封環5との間に形成される両シール面3s2,5sにより、シールガス領域Sと大気領域Lとの間に一次シール部が構成されている。
On the other hand, the first
各静止密封環4,5の、シール面4s,5sと反対側に延伸された円筒状の基部4a,5aは、それぞれフランジ部22,23に対して軸方向に移動可能に内挿されている。基部4a,5aと近接対向するフランジ部22,23の周方向には、凹溝22a,23aが形成され、これらの凹溝22a,23aには、それぞれOリング14,15が装着されている。これにより、機内流体領域Hとシールガス領域Sとの間、及びシールガス領域Sと大気領域Lとの間に、それぞれ二次シール部が構成されている。
上記第1,第2静止密封環4,5の外周側の角には、周方向へ所定間隔で切り欠き4c(図1),5cが複数箇所(本例では2箇所)形成されており、これらの切り欠き4c,5cに対向して各フランジ部22,23には複数(2個)のピン16(図1),17が突設されている。これらのピン16,17は、各静止密封環4,5が軸方向及び径方向にある程度移動可能なように、軸方向及び径方向に隙間を残した状態で切り欠き4c,5cに係合している。
A plurality of notches 4c (FIG. 1) and 5c are formed at predetermined intervals in the circumferential direction at the outer corners of the first and second
また、フランジ部22,23には、周方向においてピン16,17を避けた複数箇所(本例では6箇所)に、ばね保持孔22b,23b(図1)が形成されており、ここに装着したばね18,19(図1)により、各静止密封環4,5は回転密封環3側に移動可能に付勢されている。
Further, the
上記ケース本体部21には、シールガス領域Sにシールガスを供給するための通路孔21pが形成されており、この通路孔21pには外部管路41(図1)が接続されている。シールガスとしては窒素ガス、アルゴンガスやエア等が用いられる。本実施形態では、シールガスとして常温の窒素ガスが用いられている。シールガス領域S内の圧力は、機内流体領域H内の圧力及び大気領域Lの圧力より高くなるように、シールガスの圧力が調整されている。攪拌装置の運転中は、シールガス領域Sに常に所定圧のシールガスが供給される。
A
フランジ部22の内部には、シールガス領域Sのシールガスを外部に排出するために、縦孔22vと、これに連通した横孔22hとが形成されている。縦孔22vの上端はシールガス領域Sに面するばね受け面22cに開口している。横孔22hには外部管路42(図1)が接続されている。
なお、通路孔21pは、後述するスチームをシールガス領域Sに供給するための供給路を兼ねており、縦孔22v及び横孔22hは、シールガス領域S内のスチームを外部に排出する排出路を兼ねている。
In order to discharge the seal gas in the seal gas region S to the outside, a
The
[通常運転時の動作]
次に、上記のように構成されたメカニカルシール1について、攪拌装置の通常運転時における動作について説明する。まず、回転軸32が停止しているときは、第1、第2静止密封環4,5は共に回転密封環3に接触している。しかしながら、通路孔21pからシールガス領域Sに所定圧のシールガスを供給した状態で、回転軸32及び回転密封環3が回転すると、回転密封環3の溝3g1,3g2においてシールガスによる動圧が発生する。
[Operation during normal operation]
Next, with respect to the
前記動圧により、各静止密封環4,5が回転密封環3から軸方向に離反(数μm程度)し、回転密封環3と各静止密封環4,5はシールガスを介して相互に非接触状態に保持される。こうして、シールガスによる流体層が回転密封環3のシール面3s1,3s2と、対応する各静止密封環4,5のシール面4s,5sとの間に形成され、機内流体領域Hとシールガス領域Sとの間、及びシールガス領域Sと大気領域Lとの間がそれぞれシールされる。
Due to the dynamic pressure, the
[滅菌処理時の動作]
次に、攪拌装置を停止し、回転軸32が停止した状態で、攪拌装置の滅菌処理を実施する。具体的には、通路孔21pからシールガス領域Sに所定圧の高温(130℃程度)のスチーム(滅菌流体)を所定時間、供給する。これにより、メカニカルシール1の各構成部品は、高温のスチームに接触して所定の滅菌温度(例えば100℃)まで昇温することで滅菌される。
[Operation during sterilization]
Next, the stirring device is stopped, and the sterilization process of the stirring device is performed in a state where the rotating
その際、メカニカルシール1の各構成部品では、シールガス領域Sに面する領域面が高温のスチームに接触するので昇温しやすい面となる。したがって、各構成部品は、この昇温しやすい面から他の昇温しにくい面に伝熱し、所定の滅菌温度に達することで滅菌される。なお、本実施形態においては、減菌流体として高温のスチームを採用したが、スチームに限定されず、100℃に近い温度の液体、殺菌作用を有するアルコール系の液体、塩素系の液体等であってもよい。
At that time, in each component of the
[ダイヤモンドコート]
図2に示すように、回転密封環3には、ダイヤモンド膜d1〜d4が連続して形成されている。具体的には、ダイヤモンド膜d1は、シールガス領域Sに供給されるスチームにより昇温しやすい面となる回転密封環3の外周面3bの全体に形成されている。
ダイヤモンド膜d2は、シールガス領域Sにスチームが供給されても昇温しにくい面となる回転密封環3のシール面3s1の全体に形成されている。したがって、ダイヤモンド膜d2は、シール面3s1の一部である、機内流体領域Hに面する領域面3s3にも形成されている。
[Diamond coat]
As shown in FIG. 2, diamond films d1 to d4 are continuously formed on the
The diamond film d2 is formed on the entire sealing surface 3s1 of the
ダイヤモンド膜d3は、上記昇温しにくい面である回転密封環3の内周面3aの全体に形成されている。ダイヤモンド膜d4は、上記昇温しにくい面である回転密封環3のシール面3s2の全体に形成されている。このように、回転密封環3には、シールガス領域S内のスチームにより昇温しやすい面3bから昇温しにくい面3s1,3a,3s2に亘ってダイヤモンド膜d1〜d4が連続して形成されている。なお、図2では、分かりやすいようにダイヤモンド膜d1〜d4の膜厚を誇張して描いている。
The diamond film d3 is formed on the entire inner
ダイヤモンド膜d1〜d4は、1000〜2000W/m・kという、カーボンやセラミックス(例えば、炭化ケイ素(SiC))よりも大きな熱伝導率を有しているため、以下の作用効果を奏する。すなわち、シールガス領域Sに導入されたシールガスによりメカニカルシール1に雑菌が発生するが、前記昇温しやすい面3bにおいて高温のスチームに接触して昇温した熱を、ダイヤモンド膜d1〜d4によって前記昇温しにくい面3s1,3a,3s2に伝熱させることができる。
Since the diamond films d1 to d4 have a thermal conductivity of 1000 to 2000 W/m·k, which is higher than that of carbon or ceramics (for example, silicon carbide (SiC)), the following operational effects are exhibited. That is, although bacteria are generated in the
これにより、前記昇温しにくい面3s1,3a,3s2を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、シールガスを用いるメカニカルシール1の滅菌処理を迅速に行うことができる。その結果、食品または医薬品等の生産効率を向上させることができる。
また、機内流体領域Hの被密封流体により前記領域面3s3に雑菌が発生しても、ダイヤモンド膜d2により前記領域面3s3を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、前記領域面3s3を迅速に滅菌処理することができる。
As a result, the surfaces 3s1, 3a, 3s2 that are hard to heat up can be heated up to the sterilization temperature quickly, so that the
Even if bacteria are generated on the area surface 3s3 due to the sealed fluid in the in-machine fluid area H, the area surface 3s3 can be quickly raised to the sterilization temperature by the diamond film d2. It can be sterilized.
ダイヤモンド膜d1〜d4は、例えばマイクロ波CVD法、熱フィラメントCVD法等の一般的な製造技術を用いて作製することができる。ダイヤモンド膜d1〜d4の厚さは、本発明において特に限定されるものではないが、通常、3μm〜30μm、好ましくは3μm〜10μmである。 The diamond films d1 to d4 can be manufactured by using a general manufacturing technique such as a microwave CVD method or a hot filament CVD method. The thickness of the diamond films d1 to d4 is not particularly limited in the present invention, but is usually 3 μm to 30 μm, preferably 3 μm to 10 μm.
回転密封環3の昇温しやすい面3bで昇温した熱が、当該回転密封環3の母材であるSiC焼結体に移動する前に、昇温しにくい面3s1,3a,3s2に移動させるという観点からは、3μm以上の厚みであることが望ましい。
一方、ダイヤモンド膜d1〜d4の厚さが30μmを超えると、ダイヤモンド膜d1〜d4の強度を十分に確保することが困難となる。また、ダイヤモンド膜d1〜d4が厚くなるほど膜の表面粗度も大きくなり、精密な機械部品であるメカニカルシールのシール面として使用するのが困難になるのに加えて、ダイヤモンド膜の残留応力を極力小さくするという観点からは、10μm以下であることが望ましい。
Before the heat that has risen on the
On the other hand, when the thickness of the diamond films d1 to d4 exceeds 30 μm, it becomes difficult to sufficiently secure the strength of the diamond films d1 to d4. In addition, the thicker the diamond films d1 to d4, the greater the surface roughness of the film becomes, which makes it difficult to use as a sealing surface of a mechanical seal that is a precision mechanical component, and the residual stress of the diamond film is minimized. From the viewpoint of reduction, it is desirable that the thickness be 10 μm or less.
なお、ダイヤモンド膜d1〜d4の厚さは、同じ厚さであってもよいし、互いに異なる厚さであってもよい。回転密封環3の昇温しやすい面3bで昇温した熱を速やかに昇温しにくい面3s1,3a,3s2に移動させるという観点からは、昇温しやすい面3bのダイヤモンド膜d1の膜厚が、他のダイヤモンド膜d2〜d4の膜厚以上であることが望ましい。
The diamond films d1 to d4 may have the same thickness or different thicknesses. From the viewpoint of moving the heat that has risen on the
また、本実施形態では、回転密封環3の全周にダイヤモンド膜を形成しているが、少なくとも、昇温しやすい面3bの一部から、複数の昇温しにくい面のうち機内流体領域Hを機外流体領域Sに対して密封するシール面3s1の一部に亘ってダイヤモンド膜を連続して形成していればよい。好ましくは、外周面3bの全体、及びシール面3s1における外周端からOリング10との接触点P1までの間にダイヤモンド膜が連続して形成されているのがよい。その理由は、シール面3s1の接触点P1よりも内周側部分、内周面3a、及びシール面3s1には、機内流体領域H内の被密封流体と接触する可能性が低く、滅菌の必要性が低いためである。
Further, in the present embodiment, the diamond film is formed on the entire circumference of the
また、ダイヤモンド膜d2は、シール面3s1の領域面3s3の全体に形成されているが、領域面3s3の一部に形成されていてもよいし、領域面3s3を除いて形成されていてもよい。
また、本実施形態では、回転密封環3にダイヤモンド膜を形成しているが、回転密封環3に替えて又は回転密封環3に加えて、機内流体領域Hを機外流体領域Sに対して密封する第1静止密封環4に形成されていてもよい。この場合、第1静止密封環4には、少なくとも、第1静止密封環4の昇温しやすい面である外周面の一部から、昇温しにくい面であるシール面4sの一部に亘ってダイヤモンド膜を連続して形成していればよい。
Although the diamond film d2 is formed on the entire area surface 3s3 of the seal surface 3s1, it may be formed on a part of the area surface 3s3, or may be formed excluding the area surface 3s3. ..
Further, in the present embodiment, the diamond film is formed on the
[第2実施形態]
[全体構成]
図3は、本発明の第2実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。図3において、本実施形態のメカニカルシールは、通常運転時において機外流体領域に封液が収容される点で第1実施形態と相違する。
[Second Embodiment]
[overall structure]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a mechanical seal according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 3, the mechanical seal of the present embodiment differs from the mechanical seal of the first embodiment in that the sealing liquid is stored in the external fluid region during normal operation.
本実施形態のメカニカルシール51は、被密封流体が内部に存在する回転機器のケーシング(図示省略)と、その回転機器の回転軸60との間に設けられるものであって、シールケース52内に、第1回転密封環53および第1静止密封環54と、第2回転密封環55および第2静止密封環56とによって構成される2組の回転シール構造を備えている。第1及び第2回転密封環53,55と第1及び第2静止密封環54,56は、例えばSiC焼結体からなり、環状に形成されている。
The
第1回転密封環53と第1静止密封環54とによって構成される第1の回転シール構造により、ケーシング内の機内流体領域H’と、封液が存在する封液領域(機外流体領域)S’とが互いにシールされる。
また、第2回転密封環55と第2静止密封環56とによって構成される第2の回転シール構造により、封液領域S’と、大気に開放された大気領域L’が互いにシールされる。上記回転機器は、例えば食品、医薬品等の攪拌装置であり、メカニカルシール51は、縦型であって、大気領域L’側が上側、機内流体領域H’側が下側の状態で取り付けられる。
Due to the first rotary seal structure composed of the first
Further, the second rotary seal structure constituted by the second rotary seal ring 55 and the second
シールケース52は、円筒部61aと、円筒部61aの軸方向下端に形成された下側フランジ部61bと、円筒部61aの軸方向上端に形成された上側フランジ部61cとからなるケース本体部61を備えている。
また、シールケース52は、ケース本体部61の下側フランジ部61bにボルト64により締結されるフランジ部62と、ケース本体部61の上側フランジ部61cにボルト65及びナット66により締結される筒状のベアリングケース部63とにより構成されている。なお、フランジ部62はケーシング側に固定されている。
The
Further, the
攪拌装置の回転軸60には、第1スリーブ57および第2スリーブ58が外嵌され、第1スリーブ57の機内流体領域H’側である下端部と第2スリーブ58の大気領域L’側である上端部とは溶接により固定されている。また、第1スリーブ57の上端部は、回転軸60に外嵌されたストッパリング59に当接している。ストッパリング59は、セットスクリュー67により回転軸60に固定されるとともに、セットスクリュー68により第1スリーブ57の上端部を回転軸60側に固定している。これにより、第1及び第2スリーブ57,58は、ストッパリング59とセットスクリュー67,68によって、回転軸60に強固に固定されている。
The
シールケース52のフランジ部62の内周側には、封液領域S’から、第1回転密封環53と第1静止密封環54とのシール面間を通過して機内流体領域H’側に漏れた封液を一時的に溜めるための環状のドレン受け71が設けられている。
On the inner peripheral side of the
シールケース52のベアリングケース部63の内周面と第1スリーブ57の外周面との間には、回転軸60とシールケース52とを相対回転自在にかつ径方向に相対運動不能に連結するためのベアリング72が介在している。このベアリング72は、第1スリーブ57の外周側に嵌合固定された一対のスナップリング73により軸方向への移動が規制されている。
Between the inner peripheral surface of the bearing case portion 63 of the
ベアリング72の軸方向下側には、ケース本体部61の上側フランジ部61cと第1スリーブ57の外周面との間を密封するシール部材74が設けられ、ベアリング72の軸方向上側には、ベアリングケース部63の軸方向上端部と第1スリーブ57の外周面との間を密封するシール部材75が設けられている。これにより、ベアリングケース部63の内周側には、ベアリング72の潤滑剤(グリース等)が封入される潤滑領域76が形成されている。
A
第1静止密封環54の外周面は、フランジ部62の内周面に嵌合されている。第1静止密封環54の外周の軸方向下側には、フランジ部62の内周面との間をシール(二次シール)するOリング77が設けられている。
第1静止密封環54の外周の軸方向上側には、ケース本体部61の下側フランジ部61bに内嵌されたアダプタリング78が近接して配置されている。このアダプタリング78は、例えば、通常運転時とは異なる圧力関係(機内流体領域H’>封液領域S’の圧力状態)が生じた場合、第1静止密封環54が大気領域L’側に移動するスラスト力が作用するため、アダプタリング78の最内周面により第1静止密封環54の上記移動を抑制するものである。
The outer peripheral surface of the first
On the axially upper side of the outer circumference of the first
第1静止密封環54の軸方向下端部には、周方向へ所定間隔で切り欠き54aが複数(図3では1個のみ開示)形成されており、これらの切り欠き54aには、フランジ部62の内周部に突設されたピン62aが係合されている。これにより、第1静止密封環54はフランジ部62に対する相対回転が規制されている。
A plurality of
第1静止密封環54の軸方向上端には、回転軸60の軸方向に直交する平面であるシール面54sが形成されている。また、第1静止密封環54のシール面54sよりも外周側には、軸方向上側(大気領域L’側)から軸方向下側(機内流体領域H’側)に向かうに従って封液領域S’方向(図3の左右方向。以下、同様)に漸次拡径するテーパ面54tが形成されている。
A
第1回転密封環53は、第1静止密封環54のシール面54sに対向するシール面53sと、このシール面53sよりも外周側において軸方向上側から軸方向下側に向かうに従って封液領域S’方向に漸次縮径するテーパ面53tとを有している。
第1回転密封環53の内周面は、第2スリーブ58の外周面に対して軸方向に移動可能に嵌合されている。また、第1回転密封環53の内周には、第2スリーブ58の外周面との間をシール(二次シール)するOリング79が設けられている。
The first
The inner peripheral surface of the first
第1回転密封環53の軸方向上側には、ドライブカラー80が第2スリーブ58の外周面に対して軸方向に移動可能に嵌合されている。ドライブカラー80の外周側には、軸方向下側に突出する円筒状の保持環81が取り付けられており、この保持環81に対して周方向に所定間隔で固定された複数(図3では1個のみ開示)のキー81aが、第1回転密封環53の外周に形成されたキー溝53aに係合している。これにより、ドライブカラー80は第1回転密封環53に対する相対回転が規制されている。
A
ドライブカラー80の軸方向上側には、リテーナ82が第1スリーブ57の外周面に嵌合されている。リテーナ82は、セットスクリュー83により第1スリーブ57に固定されている。また、リテーナ82は、後述するリテーナ91の貫通孔91aに挿通してドライブカラー89に螺合されるドライブピン92と同様の構成により、ドライブカラー80に連結されている。これにより、ドライブカラー80は、リテーナ82に対して軸方向へ移動可能に保持されながら、リテーナ82に対する相対回転が規制されている。
A
リテーナ82とドライブカラー80との間には、周方向へ所定間隔でばね84が複数(図3では1個のみ図示)装着されている。ばね84の軸方向上側の端部はリテーナ82に形成された凹部(図示省略)に保持され、ばね84の軸方向下側の端部はドライブカラー80に当接している。ばね84は、ドライブカラー80を介して第1回転密封環53を軸方向下側へ付勢しており、これにより、第1回転密封環53のシール面53sは、第1静止密封環54のシール面54sに押し付けられている。したがって、第1回転密封環53および第1静止密封環54の両シール面53s,54sにより、機内流体領域H’と封液領域S’との間に一次シール部が構成されている。
A plurality of springs 84 (only one is shown in FIG. 3) are mounted between the
一方、第2静止密封環56の外周面は、ケース本体部61の上側フランジ部61cの内周面に嵌合されている。第2静止密封環56の外周の軸方向上側には、上側フランジ部61cの内周面との間をシール(二次シール)するOリング85が設けられている。
上側フランジ部61cの内周側の端面には環状のプレート86がボルト87により固定されており、このプレート86の内端部は第2静止密封環56の後述するテーパ面56tに当接している。これにより、第2静止密封環56は軸方向下側への移動が規制されている。
On the other hand, the outer peripheral surface of the second
An annular plate 86 is fixed to the inner peripheral end surface of the
第2静止密封環56の軸方向上端部には、周方向へ所定間隔で切り欠き56aが複数(図3では1個のみ開示)形成されており、これらの切り欠き56aには、上側フランジ部61cの内周部に突設されたピン61c1が係合されている。これにより、第2静止密封環56は上側フランジ部61cに対する相対回転が規制されている。
A plurality of
第2静止密封環56の軸方向下端には、回転軸60の軸方向に直交する平面であるシール面56sが形成されている。また、第2静止密封環56のシール面56sよりも外周側には、軸方向上側(大気領域L’側)から軸方向下側(機内流体領域H’側)に向かうに従って封液領域S’方向に漸次縮径するテーパ面56tが形成されている。
A
第2回転密封環55は、第2静止密封環56のシール面56sに対向するシール面55sと、このシール面55sよりも外周側において軸方向上側から軸方向下側に向かうに従って封液領域S’方向に漸次拡径するテーパ面55tとを有している。
第2回転密封環55の内周面は、第1スリーブ57の外周面に対して軸方向に移動可能に嵌合されている。また、第2回転密封環55の内周には、第1スリーブ57の外周面との間をシール(二次シール)するOリング88が設けられている。
The second rotary sealing ring 55 has a sealing
The inner peripheral surface of the second rotary seal ring 55 is fitted to the outer peripheral surface of the
第2回転密封環55の軸方向下側には、ドライブカラー89が第1スリーブ57の外周面に対して軸方向に移動可能に嵌合されている。ドライブカラー89の外周側には、軸方向上側に突出する円筒状の保持環90が取り付けられており、この保持環90に対して周方向に所定間隔で固定された複数(図3では1個のみ開示)のキー90aが、第2回転密封環55の外周に形成されたキー溝55aに係合している。これにより、ドライブカラー89は第2回転密封環55に対する相対回転が規制されている。
A
ドライブカラー89の軸方向下側には、リテーナ91が第1スリーブ57の外周面に嵌合されている。リテーナ91は、上述したリテーナ82と同様に、図示しないセットスクリューにより第1スリーブ57に固定されている。また、リテーナ91には軸方向に貫通する貫通孔91aが形成されており、この貫通孔91aにはドライブピン92が挿通されてドライブカラー89に螺合されている。これにより、ドライブカラー89は、リテーナ91に対して軸方向へ移動可能に保持されながら、リテーナ91に対する相対回転が規制されている。
A
リテーナ91とドライブカラー89との間には、上述したリテーナ82とドライブカラー80との間に装着されたばね84と同様に、図示しないばねが装着されている。このばねは、ドライブカラー89を介して第2回転密封環55を軸方向上側へ付勢しており、これにより、第2回転密封環55のシール面55sは、第2静止密封環56のシール面56sに押し付けられている。したがって、第2回転密封環55および第2静止密封環56の両シール面55s,56sにより、封液領域S’と大気領域L’との間に一次シール部が構成されている。
A spring (not shown) is mounted between the
ケース本体部61の下側フランジ部61bには、封液領域S’に封液を供給するための供給孔61dが形成されており、この供給孔61dには外部管路95が接続されている。封液は、回転密封環53(55)と静止密封環54(56)のシール面53s(55s),54s(56s)を冷却及び潤滑するものであり、純水やエタノール等が用いられる。本実施形態では、封液として60℃以下の純水が用いられている。封液領域S’内の圧力は、機内流体領域H’内の圧力及び大気領域L’の圧力より高くなるように、封液の圧力によって調整されている。攪拌装置の運転中は、封液領域S’に常に所定圧の封液が供給される。
A
ケース本体部61の上側フランジ部61cには、封液領域S’内の封液を排出するための排出孔61eが形成されており、この排出孔61eには外部管路96が接続されている。
なお、供給孔61dは、後述するスチームを封液領域S’に供給するための供給路を兼ねており、排出孔61eは、封液領域S’内のスチームを外部に排出する排出路を兼ねている。
A
The
[通常運転時の動作]
上記のように構成されたメカニカルシール51について、攪拌装置の通常運転時における動作について説明する。まず、供給孔61dから封液領域S’に所定圧の封液を供給し、この状態で回転軸60を回転させる。そうすると、第1回転密封環53と第1静止密封環54のシール面53s,54s同士の間、及び第2回転密封環55と第2静止密封環56のシール面55s,56s同士の間には、封液によって潤滑膜が形成される。これにより、回転密封環53(55)と静止密封環54(56)のシール面53s(55s),54s(56s)を冷却及び潤滑することができる。
[Operation during normal operation]
With respect to the
[滅菌処理時の動作]
次に、攪拌装置を停止し、回転軸60が停止した状態で、攪拌装置の滅菌処理を実施する。具体的には、供給孔61dから封液領域S’に所定圧の高温(例えば130℃程度)のスチーム(滅菌流体)を所定時間、供給する。これにより、メカニカルシール51の各構成部品は、高温のスチームに接触して所定の滅菌温度(例えば100℃)まで昇温することで滅菌される。
[Operation during sterilization]
Next, the stirring device is stopped, and the sterilization process of the stirring device is performed with the rotating
その際、メカニカルシール51の各構成部品では、封液領域S’に面する領域面が高温のスチームに接触するので昇温しやすい面となる。したがって、各構成部品は、この昇温しやすい面から他の昇温しにくい面に伝熱し、上記滅菌温度に達することで滅菌される。なお、滅菌処理時には、撹拌装置に別途設けた通路(図示省略)から機内流体領域H’にも高温のスチームが供給される。
At that time, in each component of the
[ダイヤモンドコート]
図4は、図3の下側部分の拡大図である。図3において、第1回転密封環53には、ダイヤモンド膜d11〜d15が連続して形成されている。具体的には、ダイヤモンド膜d11は、封液領域S’に供給されるスチームにより昇温しやすい面となる第1回転密封環53のテーパ面53tの全体に形成されている。ダイヤモンド膜d12〜d15は、封液領域S’にスチームが供給されても昇温しにくい面となる、第1回転密封環53の外周面53b(切り欠き54aを含む)、上端面53c、内周面53d、及びシール面53sの各全体にそれぞれ形成されている。
[Diamond coat]
FIG. 4 is an enlarged view of the lower portion of FIG. In FIG. 3, diamond films d11 to d15 are continuously formed on the first
このように、第1回転密封環53には、封液領域S’内のスチームにより昇温しやすい面53tから、昇温しにくい面53b〜53d,53sに亘ってダイヤモンド膜d11〜d15が連続して形成されている。なお、図4では、分かりやすいようにダイヤモンド膜d11〜d15の膜厚を誇張して描いている。
As described above, in the first
第1静止密封環54には、ダイヤモンド膜d21〜d25が連続して形成されている。具体的には、ダイヤモンド膜d21は、封液領域S’に供給されるスチームにより昇温しやすい面となる第1静止密封環54のテーパ面54tの全体に形成されている。ダイヤモンド膜d22〜d25は、封液領域S’にスチームが供給されても昇温しにくい面となる、第1静止密封環54の外周面54b、下端面54c(切り欠き54aを含む)、内周面54d、及びシール面54sの各全体にそれぞれ形成されている。
Diamond films d21 to d25 are continuously formed on the first
このように、第1静止密封環54には、封液領域S’内のスチームにより昇温しやすい面54tから、昇温しにくい面54b〜54d,54sに亘ってダイヤモンド膜d21〜d25が連続して形成されている。なお、図4では、分かりやすいようにダイヤモンド膜d21〜d25の膜厚を誇張して描いている。
As described above, in the first
ダイヤモンド膜d11〜d15(d21〜d25)は、1000〜2000W/m・kという、カーボンやセラミックス(例えば、炭化ケイ素(SiC))よりも極めて大きな熱伝導率を有しているため、以下の作用効果を奏する。すなわち、封液領域S’に導入された封液により第1回転密封環53(第1静止密封環54)に雑菌が発生するが、前記昇温しやすい面53t(54t)において高温のスチームに接触して昇温した熱を、ダイヤモンド膜d11〜d15(d21〜d25)によって前記昇温しにくい面53b〜53d,53s(54b〜54d,54s)に伝熱させることができる。
The diamond films d11 to d15 (d21 to d25) have a thermal conductivity of 1000 to 2000 W/m·k, which is significantly higher than that of carbon or ceramics (for example, silicon carbide (SiC)). Produce an effect. That is, bacteria are generated in the first rotary seal ring 53 (first stationary seal ring 54) due to the sealing liquid introduced into the sealing liquid region S′, but high temperature steam is generated on the
これにより、前記昇温しにくい面53b〜53d,53s(54b〜54d,54s)を滅菌温度まで早く昇温させることができるので、封液を用いるメカニカルシール51の滅菌処理を迅速に行うことができる。その結果、食品または医薬品等の生産効率を向上させることができる。
As a result, the
ダイヤモンド膜d11〜d15,d21〜d25は、例えばマイクロ波CVD法、熱フィラメントCVD法等の一般的な製造技術を用いて作製することができる。ダイヤモンド膜d11〜d15,d21〜d25の厚さは、本発明において特に限定されるものではないが、通常、3μm〜30μm、好ましくは3μm〜10μmである。 The diamond films d11 to d15 and d21 to d25 can be manufactured by using a general manufacturing technique such as a microwave CVD method or a hot filament CVD method. The thickness of the diamond films d11 to d15 and d21 to d25 is not particularly limited in the present invention, but is usually 3 μm to 30 μm, preferably 3 μm to 10 μm.
第1回転密封環53(第1静止密封環54)の昇温しやすい面で昇温した熱が、当該第1回転密封環53(第1静止密封環54)の母材であるSiC焼結体に移動する前に、昇温しにくい面に移動させるという観点からは、3μm以上の厚みであることが望ましい。
一方、ダイヤモンド膜d11〜d15,d21〜d25の厚さが30μmを超えると、ダイヤモンド膜d11〜d15,d21〜d25の強度を十分に確保することが困難となる。また、ダイヤモンド膜d11〜d15,d21〜d25が厚くなるほど膜の表面粗度も大きくなり、精密な機械部品であるメカニカルシールのシール面として使用するのが困難になるのに加えて、ダイヤモンド膜の残留応力を極力小さくするという観点からは、10μm以下であることが望ましい。
The heat that has risen on the surface of the first rotary seal ring 53 (first stationary seal ring 54) that easily heats up is the SiC sintering that is the base material of the first rotary seal ring 53 (first static seal ring 54). The thickness is preferably 3 μm or more from the viewpoint of moving to a surface where it is difficult to raise the temperature before moving to the body.
On the other hand, if the thickness of the diamond films d11 to d15 and d21 to d25 exceeds 30 μm, it becomes difficult to sufficiently secure the strength of the diamond films d11 to d15 and d21 to d25. Further, as the diamond films d11 to d15 and d21 to d25 become thicker, the surface roughness of the film also becomes larger, making it difficult to use as a sealing surface of a mechanical seal which is a precision mechanical component. From the viewpoint of minimizing the residual stress, it is preferably 10 μm or less.
なお、ダイヤモンド膜d11〜d15(d21〜d25)の厚さは、同じ厚さであってもよいし、互いに異なる厚さであってもよい。第1回転密封環53(第1静止密封環54)の昇温しやすい面53t(54t)で昇温した熱を速やかに昇温しにくい面53b〜53d,53s(54b〜54d,54s)に移動させるという観点からは、昇温しやすい面53t(54t)のダイヤモンド膜d11(d21)の膜厚が、他のダイヤモンド膜d12〜d15(d22〜d25)の膜厚以上であることが望ましい。
The diamond films d11 to d15 (d21 to d25) may have the same thickness or different thicknesses. On the
また、本実施形態では、第1回転密封環53(第1静止密封環54)の全周にダイヤモンド膜を形成しているが、少なくとも、昇温しやすい面の一部から、複数の昇温しにくい面のうちいずれかの面の一部に亘ってダイヤモンド膜を連続して形成していればよい。 Further, in the present embodiment, the diamond film is formed on the entire circumference of the first rotary seal ring 53 (first stationary seal ring 54). The diamond film may be continuously formed over a part of one of the difficult surfaces.
好ましくは、第1回転密封環53では、テーパ面53tの全体、外周面53bの全体、上端面53cの全体、および内周面53dにおける上端からOリング79との径方向の接触点P2までの間にダイヤモンド膜が連続して形成されているのがよい。また、第1静止密封環54では、テーパ面54tの全体、および外周面54bにおける上端からOリング77との径方向の接触点P3までの間にダイヤモンド膜が連続して形成されているのが好ましい。
Preferably, in the first
その理由は、第1回転密封環53の内周面53dの接触点P2よりも下側部分,シール面53s、および第1静止密封環54のシール面54s,内周面54d,下端面54c,外周面54bの接触点P3よりも下側部分は、機内流体領域H’に別途供給されたスチームと接触しやすく、当該スチームにより昇温して滅菌されるからである。
The reason is that a portion of the inner
また、ダイヤモンド膜は、第1回転密封環53および第1静止密封環54の両方に形成されているが、いずれか一方のみに形成されていてもよい。本実施形態では、供給孔61dから供給されるスチームは、アダプタリング78の存在により第1静止密封環54のほうが第1回転密封環53よりも接触しやすいので、当該スチームが接触しにくい第1静止密封環54にダイヤモンド膜を形成するのが好ましい。
The diamond film is formed on both the first
なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be considered that the embodiments disclosed this time are exemplifications in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above meaning but by the scope of the claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of the claims and all modifications within the scope.
1 メカニカルシール
3 回転密封環
3a 内周面(昇温しにくい面)
3b 外周面(昇温しやすい面)
3s1 シール面(昇温しにくい面)
3s3 領域面
3s2 シール面(昇温しにくい面)
4 第1静止密封環
4s シール面
21p 通路孔(供給路)
31 ケーシング
32 回転軸
51 メカニカルシール
53 第1回転密封環
53b 外周面(昇温しにくい面)
53c 上端面(昇温しにくい面)
53d 内周面(昇温しにくい面)
53s シール面(昇温しにくい面)
53t テーパ面(昇温しやすい面)
54 第1静止密封環
54b 外周面(昇温しにくい面)
54c 下端面(昇温しにくい面)
54d 内周面(昇温しにくい面)
54s シール面(昇温しにくい面)
54t テーパ面(昇温しやすい面)
61d 供給孔(供給路)
d1〜d4 ダイヤモンド膜
d11〜d15 ダイヤモンド膜
d21〜d25 ダイヤモンド膜
H 機内流体領域
H’ 機内流体領域
S シールガス領域(機外流体領域)
S’ 封液領域(機外流体領域)
1
3b Outer peripheral surface (surface that easily heats up)
3s1 Sealing surface (surface that does not easily heat up)
3s3 area surface 3s2 sealing surface (surface where temperature rise is difficult)
4 1st
31
53c Upper end surface (surface where temperature rise is difficult)
53d Inner surface (surface that does not easily heat up)
53s Sealed surface (surface that does not easily heat up)
53t Tapered surface (surface that easily heats up)
54 First
54c Lower end surface (surface that does not easily heat up)
54d Inner peripheral surface (surface that does not easily heat up)
54s Sealing surface (surface that does not easily heat up)
54t Tapered surface (surface that easily heats up)
61d Supply hole (supply path)
d1 to d4 diamond film d11 to d15 diamond film d21 to d25 diamond film H in-machine fluid region H′ in-machine fluid region S seal gas region (out-machine fluid region)
S'sealing area (outside machine area)
Claims (4)
前記回転軸側に一体回転可能に取り付けられ、シール面を有する回転密封環と、
前記ケーシング側に取り付けられ、前記回転密封環のシール面に対向するシール面を有する静止密封環と、
前記機外流体領域に滅菌流体を供給するための供給路と、を備え、
前記回転密封環および前記静止密封環のうち少なくとも一方には、前記供給路から前記機外流体領域に供給された滅菌流体により昇温しやすい面の少なくとも一部から、当該滅菌流体が供給されても昇温しにくい面の少なくとも一部に亘って、ダイヤモンド膜が連続して形成されており、
前記昇温しやすい面に形成された前記ダイヤモンド膜の厚さは、前記昇温しにくい面に形成された前記ダイヤモンド膜の厚さよりも厚い、メカニカルシール。 A mechanical seal that is provided between a casing and a rotating shaft in a rotating device and seals an in-machine fluid region with respect to an out-of-machine fluid region,
A rotary seal ring having a sealing surface, which is integrally rotatably attached to the rotary shaft side;
A stationary sealing ring attached to the casing side and having a sealing surface facing the sealing surface of the rotary sealing ring;
A supply path for supplying a sterilizing fluid to the external fluid region,
The sterilizing fluid is supplied to at least one of the rotary sealing ring and the stationary sealing ring from at least a part of a surface which is easily heated by the sterilizing fluid supplied from the supply passage to the external fluid region. A diamond film is continuously formed over at least a part of the surface where it is difficult to raise the temperature ,
The mechanical seal, wherein the thickness of the diamond film formed on the surface where the temperature rises easily is larger than the thickness of the diamond film formed on the surface where the temperature rises difficult .
前記領域面の少なくとも一部に前記ダイヤモンド膜が形成されている、請求項1又は2に記載のメカニカルシール。 The surface that is difficult to heat up includes a region surface that faces the in-machine fluid region,
The mechanical seal according to claim 1, wherein the diamond film is formed on at least a part of the area surface.
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