JP7455451B1 - 回転軸シール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧下での使用にも対応でき、長期間メンテナンスの必要がない回転軸シール構造を提供する。【解決手段】回転体２３とケーシング２１の間をシールする第１シール部材２５と、第１シール部材２５の外側に位置し、回転軸２４とケーシング２１の間をシールする第２シール部材２６と、蒸気投入口２１１からの蒸気が投入される蒸気投入空間２１２と、冷媒投入口２１４からの冷媒により冷却される凝縮減圧室２１６とを備え、蒸気投入口２１１から蒸気投入空間２１２に蒸気が投入されることにより、蒸気投入空間２１２を加圧空間２２と同圧以上にして、加圧空間２２の原料及び蒸気が蒸気投入空間２１２側へ移動するのを防ぎ、かつ、第２シール部材２６から漏れた漏れ蒸気を凝縮減圧室２１６で凝縮させ減圧させることにより、ケーシング２１外への蒸気の漏出を防止する。【選択図】図２

Description

本発明は、蒸気により加圧される加圧空間内に、回転軸と一体に回転する回転体を有する装置の回転軸シール構造に関する。

従来、原料を加圧蒸煮装置の投入口へ移送するロータリーバルブが知られている（例えば下記特許文献１）。ロータリーバルブは気密性が高いため、加圧蒸煮装置内の圧力を維持しながら原料を投入口へ移送できる。ロータリーバルブは、ケーシング内を回転体（羽根及びサイドウォール）が回転軸と一体に回転する。また、加圧蒸煮装置の本体部として、原料を搬送するスクリュー装置を採用した装置では、同装置のケーシング内を回転体（スクリュー羽根）が回転軸と一体に回転する。

ロータリーバルブ及びスクリュー装置のいずれにおいても、回転軸はケーシングを貫通し、ケーシングと回転軸との間はグランドパッキン等のシール部材でシールされ、気密性を確保するようにしている。より具体的には、シール部材でシールすることにより、ロータリーバルブ内及びスクリュー装置内の原料及び蒸気が、ケーシング外へ漏出することを防止している。このため、ロータリーバルブ及びスクリュー装置のいずれにおいても、ケーシングと回転軸との間のシールは不可欠であった。

特許第５９３２３８７号公報

しかしながら、グランドパッキン等のシール部材は一定期間を経過すると硬化してシール性能が低下するため、定期的なシール部材の交換が必要であった。このため、高圧蒸気で蒸煮を行う加圧蒸煮装置においては、メンテナンスの頻度も高くなる。また、前記のようなケーシングと回転軸との間にシール部材を介在させるシール構造のみでは、シール性能の向上には限界があった。

本発明は、前記のような従来の課題を解決するものであり、加圧下での使用に対応し、特に高圧下での使用にも対応でき、長期間メンテナンスの必要がない回転軸シール構造を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明の回転軸シール構造は、蒸気により加圧される加圧空間内に、回転軸と一体に回転する回転体を有する装置の回転軸シール構造であって、前記回転軸と、前記回転体と、前記回転軸が貫通するケーシングと、前記回転軸又は前記回転体と前記ケーシングの間をシールする第１シール部材と、前記回転軸の軸方向において、前記第１シール部材の外側に位置し、前記回転軸又は前記回転体と前記ケーシングの間をシールする第２シール部材と、前記ケーシングに設けた蒸気投入口と、前記回転軸の軸方向において、前記第１シール部材と前記第２シール部材の間に位置し、前記ケーシング内において、前記回転軸又は前記回転体を囲むように設け、前記蒸気投入口からの蒸気が投入される蒸気投入空間と、前記ケーシングに設けた冷媒投入口と、前記回転軸の軸方向において、前記第２シール部材の外側に位置し、前記ケーシング内において、前記回転軸又は前記回転体を囲むように設け、前記冷媒投入口からの冷媒により冷却される凝縮減圧室とを備え、前記蒸気投入口から前記蒸気投入空間に蒸気が投入されることにより、前記蒸気投入空間を前記加圧空間と同圧以上にして、前記加圧空間の原料及び蒸気が前記蒸気投入空間側へ移動するのを防ぎ、かつ、前記第２シール部材から漏れた漏れ蒸気を前記凝縮減圧室で凝縮させ、減圧させることにより、前記ケーシング外への蒸気の漏出を防止することを特徴とする。

本発明の回転軸シール構造によれば、第１シール部材及び第２シール部材に加え、蒸気投入空間及び凝縮減圧室を備えたことにより、原料及び蒸気のケーシング外への漏出を防止することができる。このことにより、本発明の回転軸シール構造は、高圧下での使用にも対応できるとともに、長期間メンテナンスの必要がなくなる。

具体的には、蒸気投入口から蒸気投入空間に蒸気を投入することにより、蒸気投入空間を加圧空間と同圧以上にして、加圧空間の原料及び蒸気が蒸気投入空間側へ移動するのを防止することができる。また、第２シール部材から蒸気が漏れても、この漏れ蒸気は凝縮減圧室で凝縮、減圧されて蒸気凝縮ドレンとなって排出されるため、直接蒸気がケーシング外へ漏出することを防止できる。

本発明の一実施形態に係る回転軸シール構造の採用対象となる加圧蒸煮装置の構成図。 本発明の一実施形態に係る回転軸シール構造を示す断面図。 回転軸シール構造の他の実施形態を示す断面図。 本発明の回転軸シール構造の別の実施形態を示す断面図。 図４に示した回転軸シール構造の要部の拡大図。

本発明は、蒸気により加圧される加圧空間内に、回転軸と一体に回転する回転体を有する装置の回転軸シール構造に係るものである。この回転軸シール構造を採用する装置の種類には、特に限定はない。例えば、同構造を採用する装置として、原料を加圧蒸煮装置の投入口へ移送するロータリーバルブや、蒸煮原料を搬送するスクリュー装置、コンベヤ装置等が挙げられる。

本実施形態では、最初に、図１、図２及び図３を参照して本発明に係る回転軸シール構造をロータリーバルブに採用した実施形態を説明し、次に、図４及び図５を参照して本発明に係る回転軸シール構造をスクリュー装置に採用した実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転軸シール構造の採用対象となる加圧蒸煮装置１の構成図を示している。加圧蒸煮装置１は、加圧下において原料（例えば穀物原料）を水蒸気雰囲気中で蒸煮処理するものである。加圧蒸煮装置１には、スクリュー装置１２の原料の投入口１２１に投入ロータリーバルブ１３が取り付けられており、原料の排出口１２２に排出ロータリーバルブ１４が取り付けられている。

投入ロータリーバルブ１３は、ケーシング１３１内に回転軸２４、羽根２３１及びサイドウォール２３２（図２参照）から構成されるローター１３２とローター１３２で形成される複数のポケット１３３を備え、ローター１３２はケーシング１３１内を回転する。排出ロータリーバルブ１４についても同様の構成であり、ケーシング１４１、ローター１４２及びポケット１４３を備えている。

スクリュー装置１２は、ケーシング１２３内に、原料を搬送するスクリュー１２４を備えている。スクリュー１２４は、回転軸１２４２にスクリュー羽根１２４１が取り付けられたものである。回転軸１２４２のジョイント部１２４２ａには、継手（図示せず）を介して動力源であるモータ（図示せず）に接続されている。スクリュー装置１２には、加圧蒸気供給口１２５を設けており、加圧蒸気供給口１２５から加圧蒸気がケーシング１２３内に噴射される（矢印ｂ）。このことにより、原料はケーシング１２３内において水蒸気雰囲気中で加圧蒸煮される。

図１において、原料は投入ロータリーバルブ１３に向けて供給され（矢印ａ）、投入ロータリーバルブ１３に供給された原料は、開口したポケット１３３へ供給される。続いて、ローター１３２の回転により投入口１２１に向けて移送され、投入口１２１を通過しスクリュー１２４に向けて投入される。スクリュー１２４の回転により原料は水平方向に搬送され、排出口１２２に投入された後、排出ロータリーバルブ１４で移送することにより排出される。

図１に示した加圧蒸煮装置１において、加圧蒸気供給口１２５から加圧蒸気がケーシング１２３内に噴射されることによって、ケーシング１２３内は、蒸気により加圧される加圧空間となる。これに伴って、スクリュー装置１２に接続された投入ロータリーバルブ１３のケーシング１３１内の一部も蒸気により加圧される加圧空間となる。同様に、排出ロータリーバルブ１４のケーシング１４１内の一部も蒸気により加圧される加圧空間となる。

図１では図示されていないが、投入ロータリーバルブ１３では、ケーシング１３１を回転軸２４（図２参照）が貫通している。排出ロータリーバルブ１４についても同様である。前記のように、スクリュー装置１２、投入ロータリーバルブ１３及び排出ロータリーバルブ１４の各ケーシング内は蒸気により加圧される加圧空間となる。このため、原料や蒸気がケーシング外に漏出するのを防止するために、回転軸又は回転体と各ケーシングとの間には、シール構造が必要となる。

具体的には、水あめ状になった原料が回転軸又は回転体とケーシングとの隙間から漏出すると、回転軸又は回転体やケーシングに原料が固着するため、原料除去のメンテナンスが必要になる。また、蒸気のケーシング外への漏出や、漏出蒸気が凝縮した凝縮水の装置外への落下は、設備周りの環境を損なうおそれがある。これらの問題は、シール部材の採用により、解決したとしても、シール部材は硬化してシール性能が低下するため、定期的な交換が必要になる。また、装置を高圧下で使用する場合は、シール性能の確保ができない場合もある。本発明に係る回転軸シール構造は、高圧下での使用にも対応でき、長期間メンテナンスの必要がない構造であり、以下、図２を参照しながら詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係る回転軸シール構造２を示す断面図であり、図１に示した投入ロータリーバルブ１３のＡＡ線における断面図（ローター１３２の中心軸方向の断面図）に相当する。回転軸シール構造２は、図１に示した投入ロータリーバルブ１３、排出ロータリーバルブ１４の構造でもあるが、説明の便宜のため、回転軸シール構造２として説明する。ただし、簡単のため、ローターは断面図としていない。以下、図２において、一対の回転軸２４のうち、一方の回転軸２４側の構造について説明するが、他方の回転軸２４側についても同様の構造である。

回転軸シール構造２は、ケーシング２１で外観を構成しており、ケーシング２１内に加圧空間２２が形成されている。ケーシング２１内には、加圧空間２２内を回転する回転体２３を備えている。回転体２３は、羽根２３１と羽根２３１の両端に設けたサイドウォール２３２で構成されている。回転体２３は回転軸２４と一体に回転する。回転軸２４は、ケーシング２１を貫通している。

サイドウォール２３２とケーシング２１との間は、第１シール部材２５でシールされている。回転軸２４とケーシング２１の間は、第２シール部材２６でシールされている。すなわち、回転軸２４の軸方向において、第１シール部材２５の外側に第２シール部材２６が位置している。

第１シール部材２５及び第２シール部材２６の材質としては、フッ素樹脂、ガラス入りフッ素樹脂、ＰＥＥＫ（Poly Ether Ether Ketone）樹脂などが挙げられる。

ケーシング２１には、蒸気投入口２１１、蒸気投入空間２１２及び蒸気ドレン排出口２１３を設けている。蒸気投入空間２１２は、回転軸２４の軸方向において、第１シール部材２５と第２シール部材２６の間に位置しており、回転軸２４を囲むように設けている。蒸気投入空間２１２には、蒸気投入口２１１からの蒸気が投入され（矢印ｅ）、凝縮した蒸気ドレンは蒸気ドレン排出口２１３から排出される（矢印ｆ）。

ケーシング２１には、水冷ジャケット２７が内蔵されている。水冷ジャケット２７は、回転軸２４の軸方向において、第２シール部材２６の外側に位置している。水冷ジャケット２７は円筒体であり、円筒体の内部に空間２７１が形成されている。空間２７１には、ケーシング２１に設けた冷媒投入口２１４からの冷媒が投入される（矢印ｇ）。空間２７１に投入された冷媒は、ケーシング２１に設けた冷媒排出口２１５から排出される（矢印ｈ）。

円筒体である水冷ジャケット２７の内側の空間で、回転軸２４を囲むように、凝縮減圧室２１６が形成されている。凝縮減圧室２１６内は、冷媒投入口２１４から投入された冷媒が流動する水冷ジャケット２７により、冷却される。詳細は後述するが、凝縮減圧室２１６内には第２シール部材２６から漏れた漏れ蒸気が流入し、この漏れ蒸気は、凝縮減圧室２１６内で凝縮、減圧されて、蒸気凝縮ドレン排出口２１７から排出される（矢印ｉ）。

図２には図示していないが、凝縮減圧室２１６と水冷ジャケット２７の熱交換の効率を上げるため、凝縮減圧室２１６は内部にフィンのある構造でもよい。また、図２に示した実施形態では、水冷ジャケット２７により、凝縮減圧室２１６内を冷却させる間接冷却を採用しているが、これに限るものではない。例えば、水などの冷媒を凝縮減圧室２１６に直接投入する構造でもよい。

前記のように構成された回転軸シール構造２は、原料及び蒸気がケーシング２１外へ漏出することを防止するための構造である。このことについて、以下図２を参照しながら具体的に説明する。

図２において、回転軸２４のジョイント部２４ａには、継手（図示せず）を介して動力源であるモータ（図示せず）が接続されている。モータにより回転軸２４が回転駆動されると、加圧空間２２内を回転体２３が回転する。したがって、原料は回転軸シール構造２に投入され（矢印ｃ）、回転体２３を経て、回転軸シール構造２から排出される（矢印ｄ）。

加圧空間２２内は、蒸気により加圧されている。このため、水あめ状になった原料がケーシング２１とサイドウォール２３２との隙間を経て、回転軸２４方向へ漏出する可能性がある。この漏出を、主に第１シール部材２５と蒸気投入空間２１２で防止している。

具体的には、蒸気投入口２１１から蒸気投入空間２１２に蒸気を投入することにより、蒸気投入空間２１２を加圧空間２２と同圧以上にして、加圧空間２２の原料及び蒸気が蒸気投入空間２１２側へ移動するのを防いでいる。すなわち、第１シール部材２５に加え、蒸気投入空間２１２を備えていることにより、加圧空間２２からの原料及び蒸気の漏出を防止できる。

一方、本実施形態では、蒸気投入空間２１２に蒸気が投入されるので、蒸気投入空間２１２よりも外側にシール構造が無ければ、蒸気投入空間２１２の蒸気が回転軸２４に沿って、ケーシング２１外へ漏出する。この漏出を、第２シール部材２６、凝縮減圧室２１６及びオイルシール２１８で防止している。

第２シール部材２６を備えていることにより、蒸気投入空間２１２の蒸気が第２シール部材２６より外側へ漏出することを抑制することができる。第２シール部材２６から漏れた漏れ蒸気は凝縮減圧室２１６で凝縮、減圧されて蒸気凝縮ドレンとなって、蒸気凝縮ドレン排出口２１７から排出される（矢印i）。したがって、第２シール部材２６からの漏れ蒸気がケーシング２１外へ漏出することを防止できる。

本実施形態では、凝縮減圧室２１６の外側に、オイルシール２１８を設けているが、凝縮減圧室２１６内は大気圧に近い圧力となるため、凝縮減圧室２１６の外側はオイルシール２１８などの簡易的なシールで十分シールすることができる。換言すれば、オイルシール２１８を設けなくても、漏れ蒸気がケーシング２１外へ漏出することを防止し得るため、オイルシール２１８を省いた構成であってもよい。

以上によれば、回転軸シール構造２は、第１シール部材２５、第２シール部材２６及びオイルシール２１８に加え、蒸気投入空間２１２及び凝縮減圧室２１６を備えたことにより、原料及び蒸気のケーシング２１外への漏出を防止することができる。このことにより、回転軸シール構造２は、高圧下での使用にも対応でき、長期間メンテナンスの必要がなくなる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、前記実施形態は一例であり、適宜変更したものであってもよい。図３は回転軸シール構造２の他の実施形態を示す断面図である。図２において、第１シール部材２５は、ケーシング２１と回転体２３を構成するサイドウォール２３２との間に介在しているが、図３（ａ）に示したように、第１シール部材２５は、ケーシング２１と回転軸２４との間に介在させてもよい。サイドウォール２３２の無い構造の場合も同様である。

また、図３（ｂ）に示したように、第１シール部材２５、第２シール部材２６及び蒸気投入空間２１２を、ケーシング２１と回転体２３を構成するサイドウォール２３２との間に介在させてもよい。さらに、図２においては、凝縮減圧室２１６は、回転軸２４を囲むように設けているが、図３（ｃ）に示したように、回転体２３を構成するサイドウォール２３２を囲むように設けてもよい。

図４は、本発明の別の実施形態に係る回転軸シール構造２’を示す断面図である。回転軸シール構造２’は、図１に示したスクリュー装置１２の構造でもあるが、説明の便宜のため、回転軸シール構造２’として説明する。ただし、簡単のため、スクリューは断面図としていない。図４に示した回転軸シール構造２’では、図２に示した回転軸シール構造２と同一構成のものは、同一番号を付して適宜説明は省略する。

回転軸シール構造２’は、ケーシング２１で外観を構成しており、ケーシング２１内に加圧空間２２が形成されている。ケーシング２１内には、加圧空間２２内を回転する回転体２８（スクリュー羽根）を備えている。回転体２８は回転軸２９と一体に回転する。回転軸２９は、ケーシング２１を貫通している。

図４において、回転軸２９のジョイント部２９ａには、継手（図示せず）を介して動力源であるモータ（図示せず）が接続されている。モータにより回転軸２９が回転駆動されると、加圧空間２２内を回転体２８が回転する。したがって、原料は回転軸シール構造２’に投入され（矢印ｊ）、回転体２８の作用により水平方向に搬送されて、回転軸シール構造２’から排出される（矢印ｋ）。

図５は、図４に示した回転軸シール構造２’の要部の拡大図を示している。以下、回転軸２９の両端のうち、一方の端部側の構造について説明するが、他方の端部側についても同様の構造である。図５において、加圧空間２２内は、蒸気により加圧されている。このため、水あめ状になった原料がケーシング２１と回転軸２９との隙間を経て、ケーシング２１外へ漏出する可能性がある。この漏出を、主に第１シール部材２５と蒸気投入空間２１２で防止している。

具体的には、蒸気投入口２１１から蒸気投入空間２１２に蒸気を投入することにより、蒸気投入空間２１２を加圧空間２２と同圧以上にして、加圧空間２２の原料及び蒸気が蒸気投入空間２１２側へ移動するのを防いでいる。すなわち、第１シール部材２５に加え、蒸気投入空間２１２を備えていることにより、回転軸シール構造２と同様に、加圧空間２２からの原料及び蒸気の漏出を防止できる。

一方、本実施形態でも、蒸気投入空間２１２に蒸気が投入されるので、蒸気投入空間２１２よりも外側にシール構造が無ければ、蒸気投入空間２１２の蒸気が回転軸２９に沿って、ケーシング２１外へ漏出する。これらの漏出を、回転軸シール構造２と同様に、第２シール部材２６、凝縮減圧室２１６及びオイルシール２１８で防止している。

第２シール部材２６を備えていることにより、蒸気投入空間２１２の蒸気が第２シール部材２６より外側へ漏出することを抑制することができる。第２シール部材２６から漏れた漏れ蒸気は凝縮減圧室２１６で凝縮、減圧されて蒸気凝縮ドレンとなって、蒸気凝縮ドレン排出口２１７から排出される（矢印i）。したがって、第２シール部材２６からの漏れ蒸気がケーシング２１外へ漏出することを防止できる。

図２及び図３に示した前記実施形態と同様に、本実施形態では、凝縮減圧室２１６の外側に、オイルシール２１８を設けているが、凝縮減圧室２１６内は大気圧に近い圧力となるため、凝縮減圧室２１６の外側はオイルシール２１８などの簡易的なシールで十分シールすることができる。換言すれば、オイルシール２１８を設けなくても、漏れ蒸気がケーシング２１外へ漏出することを防止し得るため、オイルシール２１８を省いた構成であってもよい。

以上によれば、回転軸シール構造２’は、回転軸シール構造２と同様に、第１シール部材２５、第２シール部材２６及びオイルシール２１８に加え、蒸気投入空間２１２及び凝縮減圧室２１６を備えたことにより、原料及び蒸気のケーシング２１外への漏出を防止することができる。このことにより、回転軸シール構造２’は、高圧下での使用にも対応でき、長期間メンテナンスの必要がなくなる。

本発明に係る回転軸シール構造を備える装置は、前記のとおり加圧下に対応し、特に高圧下での使用にも対応できる。具体的には１．００ＭＰａＧ以下での使用に対応できる。一般的に０．３０～１．００ＭＰａＧの高圧下での回転軸シールは困難とされているが、本発明の回転軸シール構造によれば、このような高圧化においても、原料及び蒸気のケーシング外への漏出を防止でき、長期間メンテナンスの必要がなくなる。したがって、本発明の回転軸シール構造は０．３０～１．００ＭＰａＧの高圧下での使用で、より優位性を発揮できる。

また、本発明に係る回転軸シール構造を備える装置の回転数は、特に制限はない。一般的に高速回転装置の回転軸のシール部材にはラビリンスシールが使用されるが、ラビリンスシールは数百ｒｐｍ程度の低速回転装置には適していない。同構造を採用する装置として前述した、原料を加圧蒸煮装置の投入口へ移送するロータリーバルブや、蒸煮原料を搬送するスクリュー装置、コンベヤ装置は、５００ｒｐｍ以下の低速回転で運転する装置であり、本発明の回転軸シール構造を適応することで、より優位性を発揮できる。

１ 加圧蒸煮装置
２,２’ 回転軸シール構造
２１ ケーシング
２１１ 蒸気投入口
２１２ 蒸気投入空間
２１３ 蒸気ドレン排出口
２１４ 冷媒投入口
２１５ 冷媒排出口
２１６ 凝縮減圧室
２１７ 蒸気凝縮ドレン排出口
２１８ オイルシール
２２ 加圧空間
２３ 回転体
２３１ 羽根
２３２ サイドウォール
２４ 回転軸
２５ 第１シール部材
２６ 第２シール部材
２７ 水冷ジャケット
２８ 回転体
２９ 回転軸

Claims (1)

1. 蒸気により加圧される加圧空間内に、回転軸と一体に回転する回転体を有する装置の回転軸シール構造であって、
   前記回転軸と、
   前記回転体と、
   前記回転軸が貫通するケーシングと、
   前記回転軸又は前記回転体と前記ケーシングの間をシールする第１シール部材と、
   前記回転軸の軸方向において、前記第１シール部材の外側に位置し、前記回転軸又は前記回転体と前記ケーシングの間をシールする第２シール部材と、
   前記ケーシングに設けた蒸気投入口と、
   前記回転軸の軸方向において、前記第１シール部材と前記第２シール部材の間に位置し、前記ケーシング内において、前記回転軸又は前記回転体を囲むように設け、前記蒸気投入口からの蒸気が投入される蒸気投入空間と、
   前記ケーシングに設けた冷媒投入口と、
   前記回転軸の軸方向において、前記第２シール部材の外側に位置し、前記ケーシング内において、前記回転軸又は前記回転体を囲むように設け、前記冷媒投入口からの冷媒により冷却される凝縮減圧室とを備え、
   前記蒸気投入口から前記蒸気投入空間に蒸気が投入されることにより、前記蒸気投入空間を前記加圧空間と同圧以上にして、前記加圧空間の原料及び蒸気が前記蒸気投入空間側へ移動するのを防ぎ、かつ、前記第２シール部材から漏れた漏れ蒸気を前記凝縮減圧室で 凝縮させ、減圧させることにより、前記ケーシング外への蒸気の漏出を防止することを特徴とする回転軸シール構造。
   
   

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