JP6924060B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、攪拌機等の産業機器の軸封手段として使用されるメカニカルシールに関するものである。

攪拌機等の軸封手段として使用されるメカニカルシールとしては、シールケースに設けられた静止密封環と回転軸に設けられた回転密封環との接触部分が相対回転することにより、当該接触部分の外周側流体領域と内周側流体領域とを遮蔽シールするように構成されたものが知られている。

而して、かかるメカニカルシールにあっては、両密封環の接触部分が相対回転することにより摩擦熱が発生し、その摩擦熱が過大となることによって当該接触部分が焼き付いたり、異常摩耗や歪を発生したりする等のトラブルを生じる虞れがある。

そこで、従来のメカニカルシールにあっては、特許文献１に開示されるように、外部から冷却流体を両密封環の接触部分に供給して、当該接触部分を冷却するように工夫している。

ＷＯ２００６／０２２３７８号公報

しかし、特許文献１に開示されるメカニカルシールは、冷却流体の供給源や供給設備が必要となるため、その設備費や設置工事費が発生し、ランニングコスト等の維持管理費も高額となる。

本発明は、このような冷却流体の供給源や供給設備を必要とすることなく、両密封環の接触部分を効率的に冷却する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ものである。

本発明は、上記の目的を達成すべく、回転軸に設けられた回転密封環が、本体部と、当該本体部より小径であり、当該本体部の先端面から突出する密封端面形成部とを具備しており、回転密封環の密封端面形成部とシールケースに設けられた静止密封環との接触部分が相対回転することにより、当該接触部分の外周側流体領域とその内周側領域とを遮蔽シールするように構成されており、回転密封環の本体部には、その外周面に開口する入口部からその先端面における密封端面形成部の近傍部に開口する出口部へと貫通する冷却通路が形成されるメカニカルシールを提案する。

かかるメカニカルシールにあって、回転密封環の本体部には、静止密封環に近接し、前記密封端面形成部の外周領域を囲繞する円筒状のカバー体が設けられること、又は前記シールケースには、回転密封環の本体部に近接し、前記密封端面形成部の外周領域を囲繞する円筒状のカバー体が設けられることが好ましい。さらに、前記静止密封環の先端面には、前記冷却通路の出口部に対向し、前記接触部分の外周領域に環状の凹部が形成されることが好ましい。

本発明のメカニカルシールによれば、両密封環の接触部分の外周側流体領域の流体が、回転密封環の回転に伴って、冷却通路の出口部から当該接触部分に向けて排出されることから、その排出流体により、冷却流体の供給源や供給設備を必要とすることなく、当該接触部分を効果的に冷却することができる。特に、回転密封環の本体部又はシールケースに前記カバー体を設けておくこと及び／又は静止密封環の先端面に前記環状の凹部を形成しておくことにより、前記放出流体が当該カバー体内又は環状の凹部内で積極的に循環せしめられるから、両密封環の接触部分と前記放出流体との熱交換が十分に行われて、当該接触部分の冷却がより効果的に行われる。

本発明に係るメカニカルシールの一例を示す断面図である。 図１の要部を拡大して示す詳細図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う要部の断面図である。 本発明に係るメカニカルシールの変形例を示す図２相当の要部の断面図である。 本発明に係るメカニカルシールの他の変形例を示す図２相当の要部の断面図である。 本発明に係るメカニカルシールの更に他の変形例を示す図２相当の要部の断面図である。 本発明に係るメカニカルシールの更に他の変形例を示す図２相当の要部の断面図である。 本発明に係るメカニカルシールの更に他の変形例を示す図２相当の要部の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。

図１は本発明に係るメカニカルシールの一例を示す断面図であり、図２は図１の要部を拡大して示す詳細図であり、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う要部の断面図である。

図１に示すメカニカルシールは、攪拌機等の回転機器の軸封手段として使用されるものであり、当該回転機器の軸封部ハウジング１に取り付けられた環状のシールケース２と、シールケース２に設けられた静止密封環３と、シールケース２を同心状に貫通する当該回転機器の回転軸４に固定されたスプリングリテーナ５と、静止密封環３とスプリングリテーナ５との間に配して回転軸４に軸線方向に移動可能に設けられた回転密封環６と、スプリングリテーナ５と回転密封環６との間に装填されて回転密封環６を静止密封環３へと押圧、接触すべく軸線方向に附勢するスプリング部材７とを具備している。

メカニカルシールは、静止密封環３と回転密封環６とが接触しつつ相対回転することにより、両密封環３，６の接触部分としての密封端面３ｂ，６ａの内周側流体領域Ｈとその外周側流体領域Ｌとを遮蔽シールするように構成されている。この例では、当該メカニカルシールが、両密封環３，６の密封端面３ｂ，６ａの内周側流体領域Ｈを機内領域とし、その外周側流体領域Ｌを大気領域とするアウトサイド型メカニカルシールとされている。

回転密封環６は、図１に示す如く、内周側流体領域Ｈの流体（以下、被密封流体ともいう）の性状等のシール条件に応じて選択された適宜の密封環材料であり、後述する静止密封環３より軟質な材質（例えば、カーボン等）で構成される。回転密封環６は、円環状の本体部９と、本体部９の先端面９ｂから本体部９と同心をなして軸方向に突出する円環状の密封端面形成部１０と、本体部９の基端面に本体部９と同心をなして連なる円環状の保持部１１とから構成される。回転密封環６は、保持部１１と回転軸４との間にＯリング１２を介在させた状態で回転軸４に対して、軸線方向に移動可能に保持されている。

回転密封環６の密封端面形成部１０は、その外径が本体部９の外径より小さく、且つ、その内径が本体部９の内径と同一又は本体部９の内径より大きく形成された円環状の部分である。密封端面形成部１０の先端に形成される密封端面６ａは、その全面が軸線方向に直交する円環状の平滑な平面に構成される。

回転密封環６の保持部１１は、その外径が本体部９の外径と同一又は本体部９の外径より小さく設定され、且つ、その内径が本体部９の内径より大きくし設定された円環状の部分である。保持部１１には、断面略Ｌ字状の保持環１３が嵌合されている。

保持環１３は、回転密封環６の保持部１１の外周面に嵌合する円筒状部１３ａと、当該保持部１１の基端部に接触する円環状板部１３ｂとからなる一体構造物である。保持環１３は、円環状板部１３ｂに取り付けられたドライブピン１４ａを当該保持部１１の基端部に形成された係合孔１１ａに係合させることにより、回転密封環６に対する相対回転が阻止されている。

静止密封環３は、図１に示す如く、例えば炭化珪素等のセラミックスや超硬合金等の回転密封環６より硬質の材料で構成された円環状体であり、シールケース２の内周側にＯリング８，８を介して嵌合、固定されている。静止密封環３の先端面３ａは、その外径が回転密封環６の密封端面６ａの外径より大きく形成され、且つ、その内径が当該密封端面６ａの内径より小さく形成される。静止密封環３の先端面３ａは、軸線方向に直交する円環状の平滑な平面に構成されている。先端面３ａには、回転密封環６の密封端面６ａが接触し、当該密封端面６ａと内外径を同一とする密封端面３ｂが形成されている。

スプリングリテーナ５は、回転軸４に対してセットスクリュー１５により固定された円環部５ａと、その内周側から突出して回転密封環６の保持部１１と回転軸４との間に挿入された円筒部５ｂとからなる円筒状の一体構成物である。前記Ｏリング１２は、回転密封環６の保持部１１と、回転軸４と回転密封環６の本体部９と、スプリングリテーナ５の円筒部５ｂとで囲繞された環状空間に装填されている。スプリングリテーナ５の円環部５ａには、保持環１３に取り付けられたドライブピン１４ｂが挿通される挿通孔５ｃが形成されている。ドライブピン１４ｂが挿通孔５ｃに挿通されることにより、回転密封環６の軸線方向への移動を所定範囲で許容する状態で、回転密封環６の回転軸４に対する相対回転を阻止している。

スプリング部材７は、スプリングリテーナ５の円環部５ａと、保持環１３の円環状板部１３ｂとの間に装填された複数のコイルスプリング（図１では１個のみ図示）であり、保持環１３を介して回転密封環６を静止密封環３へと押圧させるべく附勢して、回転密封環６の密封端面６ａを静止密封環３の密封端面３ｂに接触させている。

而して、前記回転密封環６の本体部９には、その外周面９ａにおいて開口する入口部１６ａが形成され、当該入口部１６ａからその先端面９ｂにおける密封端面形成部１０の近傍に開口する出口部１６ｂへと貫通する複数の冷却通路１６が当該本体部９の周方向に等間隔に形成されている。

各冷却通路１６は、図２に示す如く、外周側流体領域Ｌの流体Ｆが回転密封環６の回転に伴って入口部１６ａから当該冷却通路１６内に流入し、当該冷却通路１６内を出口部１６ｂに向かって移動した後、出口部１６ｂから両密封環３，６の密封端面３ｂ，６ａに向けて排出するものである。この例では、冷却通路１６は、図２及び図３に示す傾斜角度をなすように直線状に形成された断面円形の貫通孔である。円形の入口部１６ａ及び出口部１６ｂが形成されている。

すなわち、各冷却通路１６は、図２に示す如く、出口部１６ｂが入口部１６ａに対して回転密封環６の内周方向に所定の角度α偏倚する傾斜角度となるように形成され、図３に示す如く、回転密封環６の中心線を通過する面であって、出口部１６ｂを通過する面Ｘに対して入口部１６ａが回転密封環６の回転方向（回転軸４の回転方向）Ｒへ所定の角度β偏倚する傾斜角度となるように形成されている。ここで、αは５°以上、４５°以下であることが好ましい。また、βは１０°以上７５°以下であることが好ましく、より好ましくは４０°以上７５°以下である。

以上のように構成されたメカニカルシールにあっては、回転密封環６が回転することにより、外周側流体領域Ｌの流体（例えば、空気や水）Ｆが入口部１６ａから冷却通路１６に取り込まれて、出口部１６ｂから両密封環３，６の密封端面３ｂ，６ａに向けて排出される。そして、当該密封端面３ｂ，６ａは冷却通路１６の出口部１６ｂから排出された流体（以下、排出流体Ｆともいう）Ｆとの接触により熱交換され、冷却されることになる。その結果、当該密封端面３ｂ，６ａにおける摩擦熱による焼き付き、異常摩耗や歪の発生等のトラブル発生が防止される。

以下、他の実施形態について説明する。冷却通路１６の出口部１６ｂからの排出流体Ｆによる両密封環３，６の密封端面３ｂ，６ａの冷却は、例えば、図４〜図８に示す如く工夫しておくことにより、より効果的に行うことができる。

すなわち、図４に示すように、静止密封環６の先端面３ａであり、密封端面３ｂより外周側の部分に、前記冷却通路１６の出口部１６ｂに対向して両密封環３，６の密封端面３ｂ，６ａの外周領域を囲繞する環状凹部１７が形成される。このような環状凹部１７を形成しておくことにより、冷却通路１６の出口部１６ｂからの排出流体Ｆは、図４に示す如く、両密封環３，６の密封端面３ｂ，６ａから環状凹部１７内に侵入して回転密封環６に向かう循環流となり、排出流体Ｆと密封端面３ｂ，６ａとの接触時間が増大する。その結果、当該密封端面３ｂ，６ａと放出流体Ｆとの熱交換がより良好に行われ、放出流体Ｆによる当該密封端面３ｂ，６ａの冷却がより効果的に行われる。

環状凹部１７は、当該凹部１７の開口部（回転密封環６側）に向けて径が漸次拡大する内周面１７ａと、当該環状凹部１７の開口部に向けて径が漸次拡大する外周面１７ｂと、内周面１７ａ及び外周面１７ｂとを繋ぐ連結面とにより形成されることから、環状凹部１７内での排出流体Ｆの流動がより円滑に行われる。

また、図５に示すように、回転密封環６の本体部９には、静止密封環３に近接する状態で、回転密封環６の密封端面形成部１０の外周領域を囲繞する円筒状のカバー体１８が設けられる。この例では、保持環１３の円筒状部１３ａが静止密封環３の先端面３ａの近傍まで延長されており、その延長部分がカバー体１８と一体に構成されている。なお、カバー体１８には、各冷却通路１６の入口部１６ａと外周側流体領域Ｌとを繋ぐ貫通口１８ａが形成される。貫通口１８ａは、外周側流体領域Ｌの流体を取り込み、冷却通路１６に向けて流す開口である。

このようなカバー体１８を設けておくことにより、冷却通路１６の出口部１６ｂからの排出流体Ｆが、両密封環３，６の密封端面３ｂ，６ａからカバー体１８と静止密封環３との隙間１８ｂへと積極的に流動し、この流動の繰り返しにより排出流体Ｆが循環される。このことから排出流体Ｆと当該密封端面３ｂ，６ａとの接触が十分に行われて、当該密封端面３ｂ，６ａの冷却がより効果的に行われる。なお、カバー体１８は、保持環１３の円筒状部１３ａを延長したものでなく、これとは別体のものとして回転密封環６の本体部９に取り付けるようにしてもよい。この場合、カバー体１８は、２つの半円筒部材を円筒状にして回転密封環６の本体部９に取り付けるように構成された２つ割構造としておくことができる。

また、図６に示すように、シールケース２には、回転密封環６の本体部９に近接する状態で、回転密封環６の密封端面形成部１０の外周領域を囲繞する円筒状のカバー体１９が固定手段を介して取り付けられる。このようなカバー体１９を設けておくことにより、前記カバー体１８を設けた場合と同様に、冷却通路１６の出口部１６ｂからの排出流体Ｆが、両密封環３，６の密封端面３ｂ，６ａからカバー体１９と回転密封環６の本体部９との隙間１９ａへと積極的に流動し、この流動の繰り返しにより排出流体Ｆが循環される。このことから、排出流体Ｆと当該密封端面３ｂ，６ａとの接触が十分に行われて、当該密封端面３ｂ，６ａの冷却がより効果的に行われる。なお、カバー体１９は、２つの半円筒部材を円筒状にして回転密封環６の本体部９に取り付けるように構成された２つ割構造としておくことができる。

さらに、図７又は図８に示すものでは、前記環状凹部１７と前記カバー体１８又はカバー体１９とを組み合わせており、冷却通路１６の出口部１６ｂからの排出流体Ｆによる両密封環３，６の密封端面３ｂ，６ａの冷却がより効果的に行われる。

すなわち、図７に示すものでは、回転密封環６の本体部９から突出するカバー体１８と、静止密封環３の先端面３ａに形成された環状凹部１７とによって出口部１６ｂから両密封環３，６の密封端面３ｂ，６ａへと向かう排出流体Ｆの流れがより強力に行われ、排出流体Ｆによる当該密封端面３ｂ，６ａの冷却が極めて効果的に行われる。

また、図８に示すものでは、シールケース２から突出するカバー体１９と、静止密封環３の先端面３ａに形成された環状凹部１７とによって出口部１６ｂから両密封環３，６の密封端面３ｂ，６ａへと向かう排出流体Ｆの流れがより強力に行われ、排出流体Ｆによる当該密封端面３ｂ，６ａの冷却が極めて効果的に行われる。

なお、本発明の構成は上記した各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲で適宜に改良、変更することができる。

例えば、上記各実施の形態では、本発明を外周側流体領域Ｌが非密封流体領域となるアウトサイド型のメカニカルシールに適用し、非密封流体領域の流体を両密封環３，６の密封端面３ｂ，６ａの冷却流体である排出流体Ｆとして使用したが、本発明を当該密封端面３ｂ，６ａの外周側流体領域が被密封流体領域（機内領域）となるインサイド型のメカニカルシールに適用して、被密封流体（プロセス流体）を、それが気体又は液体を問わず、当該密封端面３ｂ，６ａの冷却流体である排出流体Ｆとして使用することも可能である。また、各冷却通路１６は、上記した直線形状のものに限定されない。例えば、本体部９の外周面９ａから回転軸４側に向かって開口を形成し、本体部９の先端面９ｂから保持環１３側に向かって開口を形成して、両開口の交点で連通させるようにした折れ線形状をなすものとしてもよい。このようにすることによって、各冷却通路１６の形成、加工を容易に行うことができる。

２ シールケース
３ 静止密封環
３ａ 先端面
３ｂ 密封端面
４ 回転軸
６ 回転密封環
６ａ 密封端面
９ 本体部
９ａ 外周面
９ｂ 先端面
１０ 密封端面形成部
１６ 冷却通路
１６ａ 入口部
１６ｂ 出口部
１７ 環状凹部
１８ カバー体
１９ カバー体
Ｆ 流体
Ｈ 内周側流体領域
Ｌ 外周側流体領域

Claims (1)

1. 回転軸に設けられた回転密封環が、本体部と、当該本体部より小径であり、当該本体部の先端面から突出する密封端面形成部とを具備しており、
   回転密封環の密封端面形成部とシールケースに設けられた静止密封環との接触部分が相対回転することにより、当該接触部分の外周側流体領域と内周側領域とを遮蔽シールするように構成されており、
   回転密封環の本体部には、その外周面に開口する入口部からその先端面における密封端面形成部より外周部に開口する出口部へと貫通する直線状の冷却通路が形成され、前記出口部が前記入口部に対して回転密封環の内周方向に偏倚し且つ回転密封環の回転方向と逆方向に偏倚し、
   前記本体部の外周面には、前記密封端面形成部の外周領域を囲繞する円筒状のカバー体が設けられ、
   前記静止密封環の先端面には、前記冷却通路の出口部に対向し、前記接触部分の外周領域に環状の凹部が形成されるメカニカルシール
   

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