WO2010113932A1 - ベローズ型メカニカルシール - Google Patents

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WO2010113932A1
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bellows
seal
annular member
peripheral surface
type mechanical
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高橋秀和
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イーグル工業株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/36—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member connected by a diaphragm or bellow to the other member
    • F16J15/363—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member connected by a diaphragm or bellow to the other member the diaphragm or bellow being made of metal

Definitions

  • the present invention relates to a bellows type mechanical seal.
  • Non-Patent Document 1 Mechanical seals equipped with bellows as shaft seals for pumps that handle fluids with a high solid content, such as asphalt, tar, pitch, etc. Is known (see Non-Patent Document 1).
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a bellows type mechanical seal according to a conventional example.
  • 7 is a view taken in the direction of arrow X in FIG.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a bellows mechanical seal according to another conventional example.
  • the mechanical seal 100 shown in FIG. 6 includes a seal ring 102 elastically supported by the housing 200 via a retainer 104, a bellows 101, a collar 105, a seal cover 202, and the like, and a mating ring 103 fixed to the rotary shaft 300. And slidably contact each other, and the annular gap between the housing 200 and the rotating shaft 300 is sealed.
  • the seal ring 102 is shrink-fitted or press-fitted into a retainer 104 welded to one end of the bellows 101.
  • a collar 105 is welded to the other end of the bellows 101.
  • the collar 105 is fixed to a seal cover 202 attached to the opening of the shaft hole 201 of the housing 200.
  • the mating ring 103 is fixed to a sleeve 301 fixed to the outer peripheral surface of the rotating shaft 300.
  • the seal ring 102 and the mating ring 103 are arranged in the axial direction so that end faces perpendicular to the shaft are in contact with each other. It is configured to slide.
  • the seal ring 102 has improved followability with respect to the mating ring 103 when the bellows 101 elastically receives a sliding torque generated by sliding with the mating ring 103.
  • a baffle sleeve 203 is provided for inducing a quench fluid such as steam to the seal end face to allow for cleaning of leaking leakage liquid from the seal end face and cooling and lubrication of the seal end face.
  • the baffle sleeve 203 is attached to the seal cover 202, and has a cylindrical portion 203a extending in the axial direction on the inner diameter side of the seal ring 102 and the mating ring 103.
  • a damper 104 a composed of a plurality of protruding portions protruding in the inner diameter direction is provided on the inner peripheral surface of the retainer 104.
  • the damper 104a protrudes so as to partially narrow the gap between the inner peripheral surface of the retainer 104 and the outer peripheral surface of the cylindrical portion 203a of the baffle sleeve 203 within a range that does not hinder the movement of the retainer 104 in the axial direction. .
  • the movement of the retainer 104 in the direction perpendicular to the axis is restricted, for example, the occurrence of high-cycle circumferential fine vibration (stick slip) on the seal end surface due to insufficient lubrication of the seal end surface is suppressed, Damage to the welded portion of the bellows 101 due to vibration is prevented.
  • the seal ring 102 ′ is not fixed to the retainer 104 ′, but is brought into contact with the lapped (surface polished) surfaces.
  • the influence of the difference in thermal expansion coefficient is reduced, sealing performance can be maintained even during high temperature use, and damage due to the influence of thermal deformation or the like can be suppressed.
  • special processes such as shrink fitting, press fitting, and subsequent heat treatment are not necessary, and the manufacturing cost can be reduced.
  • the convex portion 203b provided at the tip of the cylindrical portion 203a of the baffle sleeve 203 ′ is loosely fitted into the notch 102a provided on the inner peripheral surface of the seal ring 102 ′.
  • a baffle sleeve 203 ' is configured to clutch the seal ring 102'. As a result, the sliding torque is not transmitted to the bellows 101.
  • dampers 104 a ′ that are a plurality of projecting portions projecting in the inner diameter direction are provided.
  • the damper 104a ′ is similar to the damper 104a of the mechanical seal 100 shown in FIG. 6 described above, so that the movement of the retainer 104 ′ in a direction perpendicular to the axis of the retainer 104 ′ is restricted and the vibration of the bellows 11 is suppressed.
  • the plurality of portions protrude in the inner diameter direction so as to partially narrow the gap between the retainer 104 ′ and the cylindrical portion 203a of the baffle sleeve 203 ′.
  • annular recess is formed by the stepped portion 102b and the stepped portion 104b that partially reduce the outer diameter on the outer peripheral surface of the seal ring 102 ′ and the outer peripheral surface of the retainer 104 ′.
  • a centering case 106 for centering between the 102 ′ and the retainer 104 ′ is mounted.
  • the centering case 106 is fitted with a minute gap in consideration of a change in dimensions due to thermal expansion, if a fluid such as tar or pitch enters into the gap and is fixed, vibration is applied to the bellows 101. In some cases, the bellows 101 may be damaged.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to provide a bellows type mechanical seal capable of reducing the influence of vibration on the bellows.
  • the bellows type mechanical seal in the present invention is: A bellows type mechanical seal that seals an annular gap between a shaft hole provided in a housing and a rotating shaft inserted through the shaft hole, A first annular member fixed to the rotating shaft; A second annular member elastically supported via a bellows with respect to the housing at a position closer to the opening of the shaft hole than the first annular member; A seal ring having a first seal end face perpendicular to an axis that slidably contacts the first annular member and a second seal end face perpendicular to the axis that contacts the second annular member; In the bellows type mechanical seal with Centering the shaft center of the seal ring and the second annular member in contact with the inner peripheral surface of the seal ring and the inner peripheral surface of the second annular member facing the unsealed region in the annular gap, respectively. A member is provided.
  • the centering member for aligning the axial centers of the seal ring and the second annular member is disposed in the non-sealing target region, the propagation of vibration to the bellows due to the fixing of the sealing target fluid as in the prior art. Is suppressed. That is, according to the present invention, the fluid to be sealed, which is fluid at high temperatures, such as tar and pitch, but solidifies when the temperature is reduced, includes the centering member, the seal ring, and the second annular member. It will not be stuck in the gap between the two. Therefore, it is possible to suppress the vibration due to the sliding between the first annular member and the seal ring from being transmitted to the bellows, and to prevent the bellows from being damaged.
  • An axial direction extends between the outer peripheral surface of the rotating shaft and the inner peripheral surface of the second annular member and the seal ring, and on the inner peripheral side of the seal surface between the second annular member and the seal ring.
  • a baffle sleeve having a cylindrical portion for guiding the quench fluid and fixed to the housing may be provided.
  • the elastic member can buffer the vibration generated in the second annular member due to the sliding between the first annular member fixed to the rotating shaft and the seal ring, and the propagation of the vibration to the bellows can be suppressed.
  • the elastic member is between the outer peripheral surface of the cylindrical portion of the baffle sleeve and the inner peripheral surface of the centering member, or the outer peripheral surface of the cylindrical portion of the baffle sleeve and the inner peripheral surface of the second annular member. It is good to install between.
  • the elastic member may be a leaf spring configured in an annular shape.
  • the influence of vibration on the bellows can be reduced.
  • FIG. 7 is a view taken in the direction of arrow X in FIG. It is a typical sectional view explaining composition of a bellows type mechanical seal concerning other conventional examples.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a bellows type mechanical seal according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the bellows type mechanical seal 1 is a pump for handling a fluid containing a large amount of solids at a high temperature exceeding 200 ° C. such as asphalt, tar, and pitch in an oil refinery, a petrochemical plant, an iron manufacturing chemical plant, or the like. Used as a shaft seal device.
  • the bellows type mechanical seal 1 generally includes a mating ring 13 in which a seal ring 12 is fixed to a rotary shaft 30, and a retainer that is elastically supported by a housing 20 via a bellows 11, a collar 15, a seal cover 22, and the like. 14, the annular clearance between the shaft hole 21 of the housing 20 and the rotary shaft 30 is sealed. Thereby, the sealing target fluid such as tar and pitch is prevented from leaking from the sealing target region (O) in the machine to the non-sealing target region (A) on the atmosphere side.
  • the bellows type mechanical seal 1 includes a baffle sleeve 23 for inducing quench fluid such as steam for cleaning the seal surface of the seal ring 12 and the retainer 14.
  • the baffle sleeve 23 has a cylindrical portion 23 a that extends in the axial direction between the inner peripheral surface of the seal ring 12, the retainer 14, and the like and the outer peripheral surface of the rotary shaft 30.
  • the baffle sleeve 23 is made of a metal material such as SUS630.
  • the mating ring 13 as the first annular member is made of a metal material having a low thermal expansion coefficient of about 5 ⁇ 10 ⁇ 6 1 / ° C., such as 42% Ni—Fe, on the sleeve 31 fixed to the outer peripheral surface of the rotating shaft 30.
  • the retainer 32 is fixed.
  • the mating ring 13 has an end surface 13 a perpendicular to the axis at the end of the shaft hole 21 on the opening side.
  • the retainer 14 as a second annular member is an annular member made of a metal such as Inconel 625 or a different material whose thermal expansion coefficient is approximately similar to the material of the bellows 11, and the bellows 11 at the end of the shaft hole 21 on the opening side. One end is welded.
  • the bellows 11 is a metal bellows-like member such as Inconel 625. As shown in FIG. 1, the bellows 11 connects the inner peripheral part or outer peripheral part of the some metal disk (metal diaphragm board) shape
  • the bellows 11 shown in FIG. 1 is merely an example of a specific configuration of the welding bellows, and the configuration of the bellows used in each embodiment of the present invention is limited to the configuration shown in FIG. It is not a thing. 2, 5, 6, and 8, the specific shape of the bellows 11 is not shown.
  • a collar 15 is welded to the other end of the bellows 11.
  • the collar 15 is a metal annular member such as SUS304, and is fixed to a seal cover 22 attached to the opening of the shaft hole 21 of the housing 20.
  • the three members, the retainer 14, the bellows 11, and the collar 15, which are welded to each other, can be assembled to the housing 20 (seal cover 22) as one unit (bellows assembly).
  • the retainer 14 has an end surface 14a perpendicular to the shaft at the end of the shaft hole 21 on the side opposite to the opening.
  • the retainer 14 is a damper that includes protrusions that protrude in the inner diameter direction at a plurality of locations on the inner peripheral surface and partially narrow the gap between the inner peripheral surface of the retainer 14 and the outer peripheral surface of the cylindrical portion 23a of the baffle sleeve 23. 14b is provided.
  • the specific configuration of the damper 14b is the same as the damper 104a of the mechanical seal 100 shown in FIG. 6 (see FIG. 7) and the damper 104a ′ of the mechanical seal 100 ′ shown in FIG.
  • the gap between the retainer 14 and the cylindrical portion 23a of the baffle sleeve 23 is an enlarged region between adjacent projecting portions, and the quench fluid supplied from the quench hole 22a of the seal cover 22 is transferred to the baffle sleeve 23.
  • An enlarged flow path that facilitates guidance to the seal end face side along the outer periphery of the cylindrical portion 23a is formed.
  • the seal ring 12 has seal end faces 12a1 and 12a2 perpendicular to the shaft on both sides in the axial direction.
  • the seal end surface 12a1 (first seal end surface) on the side opposite to the opening of the shaft hole 21 (inner side) is in contact with the end surface 13a of the mating ring 13, and the seal end surface 12a2 (second) on the opening side of the shaft hole 21.
  • the seal end face) is in contact with the end face 14a of the retainer 14.
  • the surface width of the seal end surface 12a2 in contact with the retainer 14 is set to be substantially the same as or slightly narrower than the surface width of the seal end surface 12a1 in contact with the mating ring 13.
  • the end surface 13a of the mating ring 13 and the end surface 14a of the retainer 14 are both lapped (surface polished), and have the same surface roughness and flatness as the seal end surfaces 12a1 and 12a2 of the seal ring. These wrapping surfaces come into sealing contact with each other by the spring force of the bellows 11 and the pressing force due to the fluid pressure.
  • One or a plurality of cutouts 12b are provided on the inner peripheral surface of the seal ring 12, and the convex portion 23b provided at the tip of the cylindrical portion 23a of the baffle sleeve 23 has a minute gap with the cutout 12b. (See the broken line portion surrounded by a circle at the center of FIG. 1).
  • This clutch mechanism allows the seal ring 12 to move freely in the axial direction, but is configured to restrict circumferential movement, that is, rotational movement.
  • the seal end surface 12a1 that contacts the end surface 13a of the mating ring 13 is slidably contacted by the rotation of the rotary shaft 30, but the seal end surface 12a2 that contacts the end surface 14a of the retainer 14 is in contact with the retainer 14. Since the rotation of the seal ring 12 is restricted, it becomes a substantially stationary sealing surface that does not slide due to the rotation.
  • a step portion 12 c that expands the inner diameter of the seal ring 12 on the retainer 14 side is provided on the inner peripheral surface of the seal ring 12.
  • a step portion 14 c that expands the inner diameter of the retainer 14 on the seal ring 12 side is also provided on the inner peripheral surface of the retainer 14.
  • These step portions 12 c and 14 c are set to have substantially the same inner diameter, and form an annular recess at the boundary between the seal ring 12 and the retainer 14.
  • a centering case 16 as a centering member for centering the seal ring 12 and the retainer 14 is attached to the recess.
  • the centering case 16 is an annular member made of the same material as the seal ring 12 or a material (for example, SiC) having the same or smaller thermal expansion coefficient as that of the seal ring 12, and is small in the radial direction with respect to the recess. It is fitted with a gap.
  • the seal ring 12 is not fixed to the retainer 14 as in the prior art, and can freely slide between the mating ring 13 and the retainer 14 in a direction perpendicular to the axis. It is configured as follows. Therefore, the dimensional change in the axial direction due to the influence of thermal expansion or the like is absorbed by the expansion and contraction of the bellows 11, and the dimensional change in the direction perpendicular to the axis (radial direction) causes the seal end faces perpendicular to the axis to slide with each other ( It will be absorbed.
  • the flatness of the seal end face of the seal ring 12 that is in sliding contact with the mating ring 13 is not affected by thermal expansion even in a high temperature atmosphere, and the sealing performance is maintained. Further, the retainer 14 itself is not affected by pressure deformation or thermal deformation.
  • seal ring 12 is not fixed to the retainer 14 since the seal ring 12 is not fixed to the retainer 14, special processes such as shrink fitting, press fitting, and subsequent heat treatment are not required as in the prior art, and jigs associated therewith are also unnecessary. Therefore, cost reduction and man-hour reduction can be achieved. Also, the seal ring replacement work is facilitated.
  • a centering case 16 for centering the seal ring 12 and the retainer 14 is provided on each inner peripheral surface of the seal ring 12 and the retainer 14 on the non-sealing target region side. It is configured to be attached to. That is, since the centering case 16 fitted with a minute gap in consideration of the difference in thermal expansion coefficient is not in the fluid to be sealed, the fluid to be sealed is easily solidified and fixed at a low temperature. Even in the case of a fluid having properties or a fluid having a high solid content, the fluid to be sealed does not adhere to the gap between the centering case 16, the seal ring 12, and the retainer 14. Further, since the centering case 16 is disposed on the quench fluid side, the gap is always cleaned with the quench fluid, and the lapped end surfaces of the seal portion can always slip smoothly. .
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a bellows mechanical seal 1 ′ according to the second embodiment of the present invention.
  • 3A and 3B are schematic views illustrating the configuration of the elastic member, FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of the elastic member, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along arrow A in FIG. 3A.
  • the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and only different portions from the first embodiment are described.
  • the configuration not described is the same as that of the first embodiment.
  • the present embodiment includes an elastic member 17 that applies an elastic force to the retainer 14 in the outer diameter direction.
  • the elastic member 17 is mounted in an annular groove 16 a provided on the inner peripheral side of the centering case 16 ′, and is configured to elastically contact the cylindrical portion 23 a of the baffle sleeve 23.
  • the elastic member 17 is a very thin and elastic band member (annular leaf spring member), and a large number of R-shaped projections 17a are provided on one side in a uniform manner.
  • the elastic member 17 is annularly mounted between the cylindrical portion 23a of the baffle sleeve 23 and the centering case 16 ', and the protrusion 17a is accommodated in the annular groove 16a on the inner periphery of the centering case 16'. The movement in the axial direction is restricted.
  • the elastic member 17 has a flat surface portion (inner peripheral side) 17b in contact with the outer periphery of the cylindrical portion 23a of the baffle sleeve 23 with an extremely low surface pressure due to the elastic biasing force obtained by the deformation of the protrusion 17a in the radial direction.
  • the vibration of the seal ring 12 and the retainer 14 is buffered through the case 16 '.
  • the planar portion (inner peripheral side) 17b of the elastic member 17 and the outer periphery of the cylindrical portion 23a of the baffle sleeve 23 can freely slide in the axial direction.
  • each part of the elastic member 17 the size of the surface pressure (elastic force) applied to the inner peripheral surface of the centering case 16 ′ and the outer peripheral surface of the cylindrical portion 23 a of the baffle sleeve 23, etc.
  • Vibration generated by sliding between the seal ring 12 and the mating ring 13 can be sufficiently buffered by deformation of the projection 17a, and the flat portion 17b can be freely displaced in the axial direction of the seal ring 12 and the retainer 14 (bellows).
  • 11 is suitably set so as to contact at a low surface pressure that does not hinder the expansion and contraction.
  • the stick slip of the seal end face propagates to the retainer 14 and tries to vibrate. Since it is buffered by 17, the propagation of vibration to the bellows 11 is suppressed, and the welded portion of the bellows 11 is prevented from being damaged.
  • the elastic member 17 is housed in the inner periphery of the centering case 16 ′ and the centering case 16 ′ is independent, it can be easily fitted into the cylindrical portion 23 a of the baffle sleeve 23 and can be easily assembled.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a bellows mechanical seal 1 ′′ according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the same components as those in the above embodiments are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and only the portions different from those in the above embodiments will be described.
  • the configuration not described is the same as that in each of the above embodiments.
  • an annular groove 14d is provided on the inner peripheral side of the retainer 14 ', and an elastic member 17 is attached to the annular groove 14d. That is, the second embodiment is configured so as to buffer the vibration of the seal ring 12 and the retainer 14 through the centering case 16 ', whereas in the present embodiment, the vibration of the retainer 14' is elastic member. 17 is configured to buffer directly.
  • FIG. 5 is a schematic perspective view illustrating another configuration of the elastic member.
  • the elastic member 17 ′ shown in FIG. 5 is configured by forming a plurality of convex portions 17 a ′ by press molding on a thin strip plate material made of stainless steel or the like and bending it in an annular shape.
  • the circumferential cross-sectional shape (cross-sectional shape seen from the axial direction) is corrugated by the plurality of convex portions 17 a ′, and the plurality of convex portions 17 a ′ are arranged in the centering case 16 ′ and the retainer.

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Abstract

　ベローズに対する振動の影響を低減することができるベローズ型メカニカルシールを提供する。回転軸３０に固定された第１環状部材１３と、第１環状部材１３よりも軸孔２１の開口部側の位置において、ハウジング２０にベローズ１１を介して弾性的に支持された第２環状部材１４と、第１環状部材１３と摺動自在に接触する軸に垂直な第１のシール端面１２ａ１と第２環状部材１４と接触する軸に垂直な第２のシール端面１２ａ２とを有するシールリング１２と、を備えたベローズ型メカニカルシール１において、環状隙間における非密封対象領域に面したシールリング１２の内周面及び第２環状部材１４の内周面にそれぞれ当接して、シールリング１２と第２環状部材１４の軸中心を合わせる芯出し部材１６を備える。

Description

ベローズ型メカニカルシール
　本発明は、ベローズ型メカニカルシールに関するものである。
　石油精製、石油化学プラントや製鉄化学プラント等において、アスファルトやタール、ピッチ等の２００℃を超える高温で、かつ固形分が多く含まれる流体を扱うポンプの軸封装置として、ベローズを備えたメカニカルシールが知られている（非特許文献１参照）。
　図６～図８を参照して、ベローズ型メカニカルシールについて説明する。図６は、従来例に係るベローズ型メカニカルシールの構成を説明する模式的断面図である。図７は、図６のＸ矢視図である。図８は、他の従来例に係るベローズ型メカニカルシールの構成を説明する模式的断面図である。
　図６に示すメカニカルシール１００は、リテーナ１０４、ベローズ１０１、カラー１０５、シールカバー２０２等を介してハウジング２００に弾性的に支持されたシールリング１０２と、回転軸３００に固定されたメイティングリング１０３と、が互いに摺動自在に接触し、ハウジング２００と回転軸３００との間の環状隙間を封止する構成となっている。
　シールリング１０２は、ベローズ１０１の一端に溶接されたリテーナ１０４に焼嵌め又は圧入されている。ベローズ１０１の他端にはカラー１０５が溶接されている。カラー１０５は、ハウジング２００の軸孔２０１の開口部に取り付けられたシールカバー２０２に固定されている。一方、メイティングリング１０３は、回転軸３００の外周面に固定されたスリーブ３０１に固定されている。
　シールリング１０２とメイティングリング１０３は、軸に垂直な端面同士が接触するように軸方向に並んだ配置となっており、回転軸３００がハウジング２００に対して回転することにより、互いに周方向に摺動する構成となっている。シールリング１０２は、メイティングリング１０３との摺動によって発生する摺動トルクをベローズ１０１が弾性的に受けとめることにより、メイティングリング１０３に対する追随性が高められている。
　また、シール端面にスチーム等のクエンチ流体を誘導し、シール端面からの滲み漏れ液の洗浄、シール端面の冷却と潤滑を可能にするためのバッフルスリーブ２０３が設けられている。バッフルスリーブ２０３は、シールカバー２０２に取り付けられており、また、シールリング１０２及びメイティングリング１０３の内径側を軸方向に延びる円筒部２０３ａを有している。
　図７に示すように、リテーナ１０４の内周面には、内径方向に突出する複数の突出部で構成されたダンパー１０４ａが設けられている。このダンパー１０４ａは、リテーナ１０４の軸方向の移動を妨げない範囲で、リテーナ１０４の内周面とバッフルスリーブ２０３の円筒部２０３ａの外周面との間の隙間を部分的に狭めるように突出している。これにより、リテーナ１０４における軸に垂直な方向の移動が規制され、例えば、シール端面の潤滑不足等によってシール端面に高サイクルの円周方向の微振動（スティックスリップ）が発生するのが抑制され、振動によるベローズ１０１の溶接部分の破損が防止されるようになっている。
　しかしながら、上述のようにシールリング１０２がリテーナ１０４に焼嵌め又は圧入されて一体された構成においては、高温使用時において、ベローズ１０１、シールリング１０２及びリテーナ１０４の熱膨張係数の差の影響により、密封性の低下やシール端面における局部接触による損傷等が生じるという課題を有していた。
　そこで、図８に示すメカニカルシール１００´では、シールリング１０２´をリテーナ１０４´に固定せずに、ラッピング（表面研磨）した面同士で当接させた構成としている。これにより、熱膨張係数の差の影響が低減され、高温使用時においても密封性を保つことができ、熱変形の影響等による損傷を抑制することが可能となる。また、焼嵌めや圧入、その後の熱処理等の特殊な工程が不要となり、製造コストの低減も図ることが可能となる。
　また、このメカニカルシール１００´においては、シールリング１０２´の内周面に設けられた切り欠き１０２ａに、バッフルスリーブ２０３´の円筒部２０３ａの先端に設けられた凸部２０３ｂが遊嵌して、バッフルスリーブ２０３´がシールリング１０２´をクラッチする構成となっている。これにより、ベローズ１０１に摺動トルクが伝わらないようになっている。
　また、リテーナ１０４´の内周面には、内径方向に突出する複数の突出部であるダンパー１０４ａ´が設けられている。ダンパー１０４ａ´は、上記図６に示すメカニカルシール１００のダンパー１０４ａと同様、リテーナ１０４´の軸に垂直な方向における移動を規制してベローズ１１の揺れを抑制すべく、リテーナ１０４´内周面の複数の箇所においてリテーナ１０４´とバッフルスリーブ２０３´の円筒部２０３ａとの間の隙間を部分的に狭めるように内径方向に突出している。
　さらに、シールリング１０２´の外周面及びリテーナ１０４´の外周面において外径を部分的に縮径する段差部１０２ｂ及び段差部１０４ｂにより、環状の凹部が形成されており、この凹部に、シールリング１０２´とリテーナ１０４´との間の芯出しをするための芯出しケース１０６が装着されている。
　しかしながら、芯出しケース１０６は熱膨張による寸法の変化を考慮した微小隙間を有して嵌められているため、タールやピッチ等の流体が隙間に入り込んで固着してしまうと、振動がベローズ１０１に伝わり、ベローズ１０１の損傷を引き起こすことがある。
高橋秀和、「破損防止機構付き高温用ベローズシール」、「産業機械　Ｎｏ．６８２　２００７年７月号」、社団法人日本産業機械工業会、平成１９年７月２０日、ｐ．３８－４０
　本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ベローズに対する振動の影響を低減することができるベローズ型メカニカルシールを提供することにある。
　上記目的を達成するために本発明におけるベローズ型メカニカルシールは、
　ハウジングに設けられた軸孔と該軸孔に挿通された回転軸との間の環状隙間をシールするベローズ型メカニカルシールであって、
　前記回転軸に固定された第１環状部材と、
　前記第１環状部材よりも前記軸孔の開口部側の位置において、前記ハウジングに対してベローズを介して弾性的に支持された第２環状部材と、
　前記第１環状部材と摺動自在に接触する軸に垂直な第１のシール端面と前記第２環状部材と接触する軸に垂直な第２のシール端面とを有するシールリングと、
を備えたベローズ型メカニカルシールにおいて、
　前記環状隙間における非密封対象領域に面した前記シールリングの内周面及び前記第２環状部材の内周面にそれぞれ当接して、前記シールリングと前記第２環状部材の軸中心を合わせる芯出し部材を備えることを特徴とする。
　本発明によれば、シールリングと第２環状部材との軸中心を合わせる芯出し部材が非密封対象領域に配置されているので、従来のような密封対象流体の固着によるベローズへの振動の伝播が抑制される。すなわち、本発明によれば、タールやピッチ等のように高温時は流動性のある液体だが、温度が下がると固化する性状の密封対象流体が、芯出し部材とシールリング及び第２環状部材との間の隙間に入り込んで固着してしまうことがなくなる。したがって、第１環状部材とシールリングとの摺動による振動がベローズに伝わることが抑制され、ベローズが損傷を生じるのを抑制することができる。
　前記回転軸の外周面と前記第２環状部材及び前記シールリングの内周面との間を軸方向に延びて、前記第２環状部材と前記シールリングとの間のシール面の内周側にクエンチ流体を導くための円筒部を有し、前記ハウジングに固定されるバッフルスリーブを備えるとよい。
　これにより、芯出し部材とシールリング及び第２環状部材との間の隙間がクエンチ流体で洗浄され、シールリングと第２環状部材との間のシール面の接触状態を良好に保つことが可能となる。
　前記第２環状部材に対して外径方向に弾性力を作用させる弾性部材を備えるとよい。
　これにより、回転軸に固定された第１環状部材とシールリングとの摺動により第２環状部材に生じる振動を弾性部材が緩衝し、ベローズに振動が伝播するのを抑制することができる。
　前記弾性部材は、前記バッフルスリーブの前記円筒部の外周面と前記芯出し部材の内周面との間、あるいは、前記バッフルスリーブの前記円筒部の外周面と前記第２環状部材の内周面との間に装着されるとよい。
　また、前記弾性部材は、環状に構成された板ばねであるとよい。
　これにより、ベローズの振動を抑制する構成を簡易に形成することができる。
　本発明によれば、ベローズに対する振動の影響を低減することができる。
本発明の実施例１に係るベローズ型メカニカルシールの構成を説明する模式的断面図である。 本発明の実施例２に係るベローズ型メカニカルシールの構成を説明する模式的断面図である。 弾性部材の模式的断面図である。 図３ＡのＡ矢視断面図である。 本発明の実施例３に係るベローズ型メカニカルシールの構成を説明する模式的断面図である。 弾性部材の他の構成を説明する模式的斜視図である。 従来例に係るベローズ型メカニカルシールの構成を説明する模式的断面図である。 図６のＸ矢視図である。 他の従来例に係るベローズ型メカニカルシールの構成を説明する模式的断面図である。
　以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
　（実施例１）
　図１を参照して、本発明の実施例１に係るベローズ型メカニカルシールについて説明する。図１は、本発明の実施例１に係るベローズ型メカニカルシールの構成を説明する模式的断面図である。
　本実施例に係るベローズ型メカニカルシール１は、石油精製、石油化学プラントや製鉄化学プラント等において、アスファルトやタール、ピッチ等の２００℃を超える高温で、かつ固形分が多く含まれる流体を扱うポンプの軸封装置として用いられる。
　ベローズ型メカニカルシール１は、概略、シールリング１２が、回転軸３０に固定されたメイティングリング１３と、ベローズ１１、カラー１５、シールカバー２２等を介してハウジング２０に弾性的に支持されたリテーナ１４と、にそれぞれ密封的に接触することにより、ハウジング２０の軸孔２１と回転軸３０との間の環状隙間を封止する構成となっている。これにより、機内である密封対象領域（Ｏ）からタールやピッチ等の密封対象流体が、大気側である非密封対象領域（Ａ）に漏れを生じるのを防いでいる。
　また、ベローズ型メカニカルシール１は、シールリング１２とリテーナ１４とのシール面を洗浄等するためのスチーム等のクエンチ流体を誘導するためのバッフルスリーブ２３を備えている。バッフルスリーブ２３は、シールリング１２やリテーナ１４等の内周面と回転軸３０の外周面との間を軸方向に延びる円筒部２３ａを有している。バッフルスリーブ２３は、ＳＵＳ６３０等の金属材からなる。
　第１環状部材としてのメイティングリング１３は、回転軸３０の外周面に固定されたスリーブ３１に、４２％Ｎｉ－Ｆｅ等の５×１０－６　１／℃前後の低熱膨張係数の金属材料からなるリテーナ３２によって固定されている。メイティングリング１３は、軸孔２１の開口部側の端部に軸に垂直な端面１３ａを有している。
　第２環状部材としてのリテーナ１４は、インコネル６２５等の金属やベローズ１１の材料と熱膨張係数がほぼ近似した異種材からなる環状部材であり、軸孔２１の開口部側の端部にベローズ１１の一端が溶接されている。
　ベローズ１１は、インコネル６２５等の金属製の蛇腹状部材である。図１に示すように、ベローズ１１は、波形断面に成形された複数の金属円盤（金属製のダイヤフラム板）の内周部または外周部同士を互いに溶接等で連結し、全体が蛇腹筒状となるように構成されたものである。なお、図１に示すベローズ１１は、あくまで溶接ベローズの具体的な構成の一例を示したものであり、本発明の各実施例において用いられるベローズの構成は、図１に示す構成に限定されるものではない。また、図２、図５、図６、図８では、ベローズ１１の具体的な形状の図示を省略している。
　ベローズ１１の他端にはカラー１５が溶接されている。カラー１５は、ＳＵＳ３０４等の金属製の環状部材であり、ハウジング２０の軸孔２１の開口部に取り付けられたシールカバー２２に固定されている。
　これら互いに溶着されたリテーナ１４、ベローズ１１、カラー１５の３部材は、１つのユニット（ベローズ組立体）としてハウジング２０（シールカバー２２）に対して組み付け可能に構成されている。
　リテーナ１４は、軸孔２１の反開口部側の端部に軸に垂直な端面１４ａを有している。また、リテーナ１４は、内周面の複数箇所において内径方向に突出してリテーナ１４内周面とバッフルスリーブ２３の円筒部２３ａ外周面との間の隙間を部分的に狭める突出部で構成されたダンパー１４ｂが設けられている。ダンパー１４ｂの具体的な構成は、図６に示すメカニカルシール１００のダンパー１０４ａや（図７参照）、図８に示すメカニカルシール１００´のダンパー１０４ａ´と同様なので詳しい説明は省略する。また、リテーナ１４とバッフルスリーブ２３の円筒部２３ａとの間の隙間は、隣接する突出部間において拡大された領域が、シールカバー２２のクエンチ穴２２ａから供給されたクエンチ流体を、バッフルスリーブ２３の円筒部２３ａ外周に沿ってシール端面側まで誘導し易くする拡大された流路を形成している。
　シールリング１２は、軸方向の両側に軸に垂直なシール端面１２ａ１、１２ａ２を有している。軸孔２１の反開口部側（機内側）のシール端面１２ａ１（第１のシール端面）は、メイティングリング１３の端面１３ａと接触し、軸孔２１の開口部側のシール端面１２ａ２（第２のシール端面）は、リテーナ１４の端面１４ａと接触する。リテーナ１４と接触するシール端面１２ａ２の面幅は、メイティングリング１３と接触するシール端面１２ａ１の面幅とほぼ同じか、やや狭く設定される。
　メイティングリング１３の端面１３ａ及びリテーナ１４の端面１４ａは、いずれもラッピング仕上げ（表面研磨）されており、シールリングのシール端面１２ａ１、１２ａ２と同等の表面粗さと平面度を有している。これらラッピング面は、ベローズ１１のばね荷重と流体圧力による押し付け力によって互いに密封的に接触する。
　シールリング１２の内周面には、１個又は複数個の切り欠き１２ｂが設けられており、バッフルスリーブ２３の円筒部２３ａの先端に設けられた凸部２３ｂが、切り欠き１２ｂと微小な隙間を有して噛み合う（遊嵌する）ように構成されている（図１の中央部に円で囲って示した破線部を参照）。このクラッチ機構により、シールリング１２は、軸方向には自在に移動可能となるが、周方向の移動、すなわち回転運動が規制されるように構成されている。
　したがって、メイティングリング１３の端面１３ａと接触するシール端面１２ａ１は、回転軸３０の回転によって摺動自在に接触することになるが、リテーナ１４の端面１４ａと接触するシール端面１２ａ２は、リテーナ１４に対するシールリング１２の回転が規制されるため、回転による摺動を生じないほぼ静止の封止面となる。
　また、シールリング１２の内周面には、シールリング１２のリテーナ１４側における内径を拡径する段部１２ｃが設けられている。また、リテーナ１４の内周面にも、リテーナ１４のシールリング１２側における内径を拡径する段部１４ｃが設けられている。これら段部１２ｃ、１４ｃは、内径寸法がそれぞれ略同じに設定されており、シールリング１２とリテーナ１４との境目に環状の凹部を形成する。この凹部には、シールリング１２とリテーナ１４との芯出しをするための芯出し部材としての芯出しケース１６が装着される。芯出しケース１６は、シールリング１２と同一の材料、あるいは熱膨張係数がシールリング１２よりも同じか小さい材料（例えば、ＳｉＣ）で製造された環状部材であり、凹部に対して径方向に微小隙間を有して嵌められる。
　上述したように、本実施例では、シールリング１２が、従来のようにリテーナ１４に固定されておらず、メイティングリング１３とリテーナ１４との間で軸に垂直な方向に自由に摺動できるように構成されている。したがって、熱膨張等の影響による軸方向における寸法変化は、ベローズ１１の伸縮によって吸収され、軸に垂直な方向（径方向）における寸法変化は、軸に垂直なシール端面同士が互いに摺動する（ずれる）ことによって吸収されることになる。これにより、高温雰囲気でもメイティングリング１３と摺接するシールリング１２のシール端面の平面度は、熱膨張による影響を受けず、密封性が保たれる。また、リテーナ１４自体の圧力変形や熱変形に影響されることもない。
　さらに、シールリング１２をリテーナ１４に固定しないので、従来のように焼嵌めや圧入、その後の熱処理などの特殊工程が不要であり、また、それに伴う治具類も不要となる。したがって、コスト低減と工数低減が図れる。また、シールリング交換作業が容易となる。
　また、本実施例では、シールリング１２とリテーナ１４の芯出しをするための芯出しケース１６が、シールリング１２及びリテーナ１４における非密封対象領域側となる各内周面に設けられた段部に装着される構成となっている。すなわち、熱膨張係数の差を考慮して微小隙間を有して嵌めこまれる芯出しケース１６が、密封対象流体中にない構成となっているので、密封対象流体が低温時に固化・固着しやすい性質を有する流体や固形分が多い流体の場合でも、芯出しケース１６とシールリング１２及びリテーナ１４との間の隙間に、密封対象流体が固着することがない。さらに、芯出しケース１６は、クエンチ流体側に配置されているので、隙間がクエンチ流体で常時洗浄されることになり、シール部のラッピングされた端面同士が常時スムーズにスリップすることが可能となる。
　（実施例２）
　図２～図３Ｂを参照して、本発明の実施例２に係るベローズ型メカニカルシール１´について説明する。図２は、本発明の実施例２に係るベローズ型メカニカルシール１´の構成を説明する模式的断面図である。図３Ａ及び図３Ｂは、弾性部材の構成を説明する模式図であり、図３Ａは弾性部材の模式的断面図、図３Ｂは図３ＡのＡ矢視断面図である。ここでは、上記実施例１と同様の構成については、同じ符号を付してその詳しい説明については省略し、実施例１と異なる部分についてのみ説明するものとする。説明をしない構成は、実施例１と同様である。
　本実施例は、リテーナ１４に対して外径方向に弾性力を作用させる弾性部材１７を備えている。弾性部材１７は、芯出しケース１６´の内周側に設けられた環状溝１６ａに装着され、バッフルスリーブ２３の円筒部２３ａに対して弾性的に接触するように構成されている。弾性部材１７は、ごく薄い肉厚の弾性のある帯材部材（環状の板ばね部材）であり、片面に多数かつ等配にＲ状の突起１７ａが設けられている。弾性部材１７は、バッフルスリーブ２３の円筒部２３ａと芯出しケース１６´との間に環状に装着されるとともに、突起１７ａが芯出しケース１６´内周の環状溝１６ａに収納されることで、軸方向の移動が規制されるようになっている。
　弾性部材１７は、突起１７ａが半径方向に変形することにより得られる弾性付勢力によって、平面部分（内周側）１７ｂがバッフルスリーブ２３の円筒部２３ａ外周に極めて低い面圧で接触し、芯出しケース１６´を介してシールリング１２及びリテーナ１４の振動を緩衝する。弾性部材１７の平面部分（内周側）１７ｂとバッフルスリーブ２３の円筒部２３ａ外周とは軸方向に自在に摺動することができる。
　ここで、弾性部材１７の各部の寸法や構成、芯出しケース１６´の内周面及びバッフルスリーブ２３の円筒部２３ａの外周面に対して作用させる面圧（弾性力）の大きさ等は、シールリング１２とメイティングリング１３との摺動により生じる振動を突起１７ａの変形によって十分緩衝できるものであって、かつ、平面部分１７ｂがシールリング１２及びリテーナ１４の軸方向の自由な変位（ベローズ１１の伸縮）を妨げない程度の低い面圧で接触するように適宜設定される。
　本実施例によれば、万一、ラッピングされたシール端面の接合部が固着した場合、シール端面のスティックスリップがリテーナ１４に伝播し、振動しようとすることが考えられるが、この振動は弾性部材１７によって緩衝されるので、ベローズ１１への振動の伝播が抑制され、ベローズ１１の溶着部の破損等が防止される。
　また、弾性部材１７は芯出しケース１６´内周に収納されており、芯出しケース１６´は独立しているので、バッフルスリーブ２３の円筒部２３ａに嵌合させやすく、組立が容易である。
　（実施例３）
　図４を参照して、本発明の実施例３に係るベローズ型メカニカルシール１´´について説明する。図４は、本発明の実施例３に係るベローズ型メカニカルシール１´´の構成を説明する模式的断面図である。ここでは、上記各実施例と同様の構成については、同じ符号を付してその詳しい説明については省略し、上記各実施例と異なる部分についてのみ説明するものとする。説明をしない構成は、上記各実施例と同様である。
　本実施例では、リテーナ１４´の内周側に環状溝１４ｄを設けられており、この環状溝１４ｄに弾性部材１７が装着されている。すなわち、上記実施例２が、芯出しケース１６´を介してシールリング１２及びリテーナ１４の振動を緩衝するように構成されているのに対し、本実施例は、リテーナ１４´の振動を弾性部材１７で直接緩衝するように構成されている。
　このように、他の部材を介在させずにリテーナ１４´の振動を直接緩衝するように構成することで、熱膨張等による寸法変化によって生じる緩衝特性の変化を最小限に抑えることができる。
　なお、上記実施例２及び実施例３における弾性部材１７の構成としては、上記構成に限られるものではなく、径方向に弾性力を発揮し得るものであれば適宜採用することができる。例えば、図５に示すような弾性部材１７´であってもよい。図５は、弾性部材の他の構成を説明する模式的斜視図である。
　図５に示す弾性部材１７´は、ステンレス鋼等からなる薄肉帯板材にプレス成形によって複数の凸部１７ａ´を形成し、環状に湾曲させて構成されている。この弾性部材１７´は、複数の凸部１７ａ´により周方向の断面形状（軸方向から見た断面形状）が波形を成しており、複数の凸部１７ａ´が芯出しケース１６´やリテーナ１４´に対して弾性的に接触することにより、リテーナ等の振動を緩衝してベローズ１１への振動の伝播を抑制することができる。
　１　ベローズ型メカニカルシール
　１１　ベローズ
　１２　シールリング
　１３　メイティングリング
　１４　リテーナ
　１５　カラー
　２０　ハウジング
　２１　軸孔
　２２　シールカバー
　２３　バッフルスリーブ
　３０　回転軸

Claims (6)

  1. 　ハウジングに設けられた軸孔と該軸孔に挿通された回転軸との間の環状隙間をシールするベローズ型メカニカルシールであって、
    　前記回転軸に固定された第１環状部材と、
    　前記第１環状部材よりも前記軸孔の開口部側の位置において、前記ハウジングに対してベローズを介して弾性的に支持された第２環状部材と、
    　前記第１環状部材と摺動自在に接触する軸に垂直な第１のシール端面と前記第２環状部材と接触する軸に垂直な第２のシール端面とを有するシールリングと、
    を備えたベローズ型メカニカルシールにおいて、
    　前記環状隙間における非密封対象領域に面した前記シールリングの内周面及び前記第２環状部材の内周面にそれぞれ当接して、前記シールリングと前記第２環状部材の軸中心を合わせる芯出し部材を備えることを特徴とするベローズ型メカニカルシール。
  2. 　前記回転軸の外周面と前記第２環状部材及び前記シールリングの内周面との間を軸方向に延びて、前記第２環状部材と前記シールリングとの間のシール面の内周側にクエンチ流体を導くための円筒部を有し、前記ハウジングに固定されるバッフルスリーブを備えることを特徴とする請求項１に記載のベローズ型メカニカルシール。
  3. 　前記第２環状部材に対して外径方向に弾性力を作用させる弾性部材を備えることを特徴とする請求項２に記載のベローズ型メカニカルシール。
  4. 　前記弾性部材は、前記バッフルスリーブの前記円筒部の外周面と前記芯出し部材の内周面との間に装着されることを特徴とする請求項３に記載のベローズ型メカニカルシール。
  5. 　前記弾性部材は、前記バッフルスリーブの前記円筒部の外周面と前記第２環状部材の内周面との間に装着されることを特徴とする請求項３に記載のベローズ型メカニカルシール。
  6. 　前記弾性部材は、環状に構成された板ばねであることを特徴とする請求項３～５のいずれかに記載のベローズ型メカニカルシール。
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