JP2004245267A - 高圧軸シール方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、回転軸のスリーブの外周に設けたフローティングリングと高圧容器との間にシール室を有する１段のシールを設けて１０ＭＰａ以上の高圧シールを行うことを目的とする。
【解決手段】本発明による高圧軸シール方法は、高圧容器（１）に設けられ回転軸（２）が貫通するシール本体（９）を設け、このシール本体（９）のフローティングリング（７）の隣りにシール液（１１）をためるシール室（４）を有する１段のシール部（３）を設け、高圧容器（１）内を１０ＭＰａ以上の高圧状態に保つことができるようにした方法である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧軸シール方法に関し、特に、高圧容器内部に動力を伝達する回転軸を有し、この回転軸と高圧容器との間のシールを行うための新規な改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、高圧容器内を外部から動力伝達して、攪拌、混練する回転軸を有し、さらには軸回転速度１００回転／分以上の高速、高圧である機器はメカニカルシールを用いて圧力をシールする方法が一般的であるが、この方式ではメカニカルシール１段では内圧１０〜１５ＭＰａ程度が限度で、それ以上の高圧になるとシールすることが不可能であるのが現状であった。
また、多段メカニカルシールでは装置が大型化し、各圧力段に応じて油圧ユニットが必要になる欠点があった。
またパッキンシールでは高圧には耐えるが前記した高速回転では軸が発熱、磨耗して実現不可能であるのが現状であった。従来例パッキンとして角型パッキン、Ｖパッキン（材料テフロン（登録商標）、樹脂繊維編み上げ材）等があった。
また、医薬品、食料品製造装置用途ではシール冷却用液体が高圧容器内に混入汚染するのを防止する必要があった。
【０００３】
すなわち図４のフローティングシールの場合、ガス圧縮機のシールに利用した例である。
圧縮機内圧よりわずかに高いシール油をシーリング内径と軸外径に囲まれた環状部分に流し圧縮機内のガスを封止する構造である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
図５の多段メカニカルシールでは容器内圧力２０ＭＰａの差圧を２段のシールで分担して１段あたりの負荷を軽減している。
従来技術では１段あたり１０ＭＰａが実用上の限界である。（通常、高圧用途に使用されるバランス型メカニカルシールを使用する例が多い）このため、中間シール室１０２の圧力は１０ＭＰａとし、この圧力は油圧装置で供給して行う。
２０ＭＰａ以上ではこのシール段数を増やせば良いが各メカニカルシール１０３、１０４の各段毎に油圧装置が必要でシール長さが大きくなり実用上３段程度が限界である（例えば、非特許文献２参照）。
また、実際には各シールに圧力を均等に振り分けることは難しく、多段のシールを実用に供することは困難であった。
【０００５】
【非特許文献１】
プロの教えるシールのごくい 発行年：昭和５５年９月発行、出版元：株式会社技術評論社
【非特許文献２】
メカニカルシールハンドブック 発行年：平成７年１０月発行、出版元：社団法人日本産業機械工業会
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来フローティングリングを利用して軸とのスキマに液体を流し、流体抵抗で圧力差をつける方法は（図４の例）知られていたがシール油が内部ガスにさらされ内部ガスの流出、シール油のガス側への流出・混入があり、適用が限られていた。
また多段メカニカルシールの図５では２０ＭＰａを示したが２０ＭＰａ以上では３〜４段のメカニカルシールが必要になり大型になる。またこれらの各段ごとに油圧を制御して供給する複雑な装置になる。そこで高圧ではあるが小型化できる高圧の軸シール方法がシール業界での課題であった。
また食品、医薬品の装置ではシール部から内部にシールオイル等がリークして悪影響を与えてはならず、また内部液が外部のシールオイル類を劣化させるのを防止する必要があつたため、このような従来の方法では十分ではなかった。
また１０ＭＰａ以上の軸シールではスラスト荷重が増大し軸がたわみ、フレ廻りや振動が生じて実用化が困難であった。
【０００７】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、１０ＭＰａ以上の高圧においても十分な軸シールを可能とするようにした高圧軸シール方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による高圧軸シール方法は、高圧容器の回転軸に対する高圧軸シール方法であって、前記高圧容器に前記回転軸が貫通しフローティングリングを有するシール本体を設け、前記シール本体の前記高圧容器側に第１シールを設け、前記高圧容器と外部大気圧の圧力差は前記高圧容器内の容器内圧を圧力センサで検出し、前記容器内圧に相当する循環オイルの圧力を油圧装置で発生させてフローティングリングと前記回転軸とのスキマに供給し、前記循環オイルの流れを前記フローティングリングの隣接位置に設けたシールでシールして大気側へ回収する方法において、前記第１シールは軸方向に沿って設けた第１、第２シール部を用い、前記各シール部間にシール液を注入し、前記シール液の圧力は前記高圧容器内圧と同等または高くし、前記シール液の圧力は前記循環オイルの圧力と同等または高くする方法であり、また、前記シール液の圧力は前記油圧装置の循環オイルに接続したピストン缶で昇圧、または容器内圧の液に接続したピストン缶で昇圧する方法であり、また、前記シール液の漏れ分は逆止弁を介して高圧小型ポンプで外部に設けたシール液タンクからシール室へ補給・注入する方法であり、また、前記高圧容器は食品又は医薬品用途の製造容器であり、前記高圧容器内圧力は１０ＭＰａ以上とする方法であり、また、前記回転軸は、第１、第２ラジアル軸受けと１個のスラスト軸受けで軸受けする方法であり、また、前記油圧装置の循環オイルのポンプ駆動用モータはその回転速度で流量可変できるように可変速モータを用い、前記高圧容器の容器内圧を圧力センサで検出して前記循環オイルの圧力を前記高圧容器の容器内圧に追従させる方法であり、また、前記油圧装置の吐出側に、前記高圧容器の容器内圧と予め設定された差圧で制御される可変リリーフ弁を設け、前記容器内圧の圧力が異常に上昇した時に前記可変リリーフ弁によって差圧制御する方法であり、また、前記フローティングリングのスキマに接する内面に円周方向に溝またはラビリンスが設けられている方法であり、また、前記第１、第２シール部のいずれかをリップ型シールにし、前記各シール部間に前記シール液を逆止弁を介して高圧小型ポンプで注入して、前記高圧容器内の原料が外部にリークするのを防止する方法であり、前記第１シール、シールはメカニカルシールよりなる方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明による高圧軸シール方法の好適な実施の形態について説明する。尚、従来例と同一又は同等部分には同一符号を用いて説明する。
図１において符号１で示されるものは高圧容器であり、この高圧容器１には一端の容器壁を貫通して回転軸２が駆動モータＭによって回転可能に挿入され、側壁には高圧容器１内部を検出するための圧力センサ２３が設けられると共に図示しない制御装置に連結されている。この高圧容器１の回転軸２が貫通するためこの高圧容器１に取付ボルト２００で取付けられたシール本体９の壁部には第１、第２ラジアル軸受け１８ａ、１８ｂ及びスラスト軸受け１９が設けられ、回転軸２及び外周に嵌合されたスリーブ４００を回転自在に軸支している。
【００１０】
前記シール本体９は前述のように取付ボルト２００によって高圧容器１に固定され、このシール本体９には前記高圧容器１側から第１シール３、フローティングリング７を有する第２シール３Ａ及び第３シール３Ｂが順次軸方向に沿って配置されている。前記第１シール３は第１、第２シール部３ａ、３ｂよりなり、各シール部３ａ、３ｂ間にシール液１１を供給するシール室４が形成されている。このシール室４は逆止弁１５、高圧小型ポンプ１３を経てシール液タンク１４に連通している。
【００１１】
前記フローティングリング７はばね７ａによって隣接する受けリング７Ａに軽く当接されていると共に、このフローティングリング７のシールオイル室２０はシールオイル６を供給する孔２０ａを経て後述の油圧装置５に接続されている。このフローティングリング７はリング形をなし、その内周が前記回転軸２の外周との間に僅かなスキマ８を形成して非接触状態で配置され、このフローティングリング７に隣接して設けられた受けリング７Ａは前記シール本体９に保持されている。
【００１２】
前記シールオイル室２０はこのシール本体９のシールオイル供給用の孔２０ａから管路を経てシール本体９外のシールオイル供給装置３００に連通している。また、前記フローティングリング７の反高圧容器１側で前記受けリング７Ａの内周部にはシールオイル出口室２１が形成され、このシールオイル室出口室２１はシールオイル出口孔２１ａによりシール本体９の外周へ連通し、管路を経て前記シールオイル供給装置３００のオイルタンク３０１に連通している。
【００１３】
前記シール本体９の受けリング７Ａの後段位置には、ドレン室４２０が形成され、このドレン室４２０の両側には一対のシール２４、２６が設けられ、このドレン室４２０はドレン２５を介して外部へ連通している。
【００１４】
前記第１ラジアル軸受け１８ａ及びスラスト軸受１９の軸受室４３１には、シール本体９に形成された潤滑オイル入口４３０から潤滑オイルを供給して潤滑オイル出口４３０ａから外部に排出されるように構成されている。尚、この場合の潤滑オイルを供給するための潤滑オイル供給装置は図示を省略している。
【００１５】
前記シールオイル供給装置３００は、大気開放状態の前記オイルタンク３０１及びポンプ駆動モータ２２により駆動される油圧装置５により構成されている。前記油圧装置５の出口側５ａにはオイル圧力検出器２８が接続されていると共に、この出口側５ａは可変リリーフ弁５００を介して前記オイルタンク３０１側へ連通されている。
尚、このポンプ駆動モータ２２はインバータモータ又はサーボモータによって速度制御し、速度可変によるシールオイルの流量調整を行うように構成されている。また、前記可変リリーフ弁５００のリリーフ圧力は、図示しない制御装置により制御される。
【００１６】
次に、動作について説明する。まず、高圧容器１内に攪拌、混練等の加工操作が行われる食品又は医薬品等の加工材料が高圧状態で挿入され、シール液供給装置６００からシール室４へシール液１１が所定圧力で供給され、シールオイル供給装置３００からシールオイル室２０へ循環オイル６が所定圧力で供給され、軸受室４３１に潤滑オイルが供給されている状態で、駆動モータＭを起動し、回転軸２を回転駆動する。この回転軸２は、第１ラジアル軸受１８ａ、第２ラジアル軸受１８ｂ、スラスト軸受１９及び他端部の軸受１８ｃに支持されて、滑らかに回転する。
【００１７】
前記フローティングリング７においては、シールオイル室２０に循環オイル６が供給され、スキマ８を通りシールオイル出口２１に流れ、このフローティングリング７は受けリング７Ａに押し付けられてシールされ循環オイル６は全量スキマ８から出口に流れる。
この循環オイル６は油圧装置５で（第１シール３に隣接するシールオイル室２０に）発生させ油圧装置５のポンプはポンプ駆動用モータ２２で駆動される。このモータ２２はインバータモータで速度可変にして流量調整できる。
前記シールオイル室２０からスキマ８を流れる抵抗で循環オイル６は出口２１では減圧され、ほぼ大気圧になって油圧装置５のオイルタンク３０１に戻る。
前記フローティングリング７は図示しない廻り止めピンでシール本体９に固定され、回転軸２はスキマ８が存在しているので１０００回転／分以上で高速回転できる。また、シール液１１の圧力は高圧小型ポンプ１３で少量のシール漏れ分の液を補給する。
【００１８】
また、高圧容器１の容器内圧１７は圧力センサ２３で検出して循環オイル６の流量を変えて循環オイル圧力を高圧容器１の容器内圧１７とほぼ一致させ、容器内圧１７に追従させることが出来る。
【００１９】
また、フローティングリング７のスキマ８の流体粘性抵抗を利用して１段で高圧シールを達成しており、差圧の調整は圧力センサ２３で圧力を検出して、循環オイル圧のオイル圧力検出器２８の圧力と比較して油圧装置５のモータ２２の回転数を調整し、流量を変化させることで循環オイル圧を調整する。すなわちフローティングリング７のスキマ８が一定なので流量を変えれば圧力調整が出来るものである。
尚、モータ２２はインバータモータで構成したがサーボモータ又は他の可変速モータでも良い。
さらに、油圧装置５の吐出側に、容器内圧１７と予め設定された差圧で制御される可変リリーフ弁５００を配置することで、軸シール圧力の異常上昇時における制御が可能となる。
【００２０】
また、第１シール３は高圧容器１内に封入したシール液１１によって循環オイル６の高圧容器１側への進入を防止しており、このため、第１シール３の圧力を容器内圧１７より高くし、また循環オイル６の圧力より高く設定している。
また、シール室４の圧力は第１、第２シール部３ａ、３ｂからの漏れ分を高圧小型ポンプ１３で供給して保っている。
また、高圧小型ポンプ１３はシール液１１を間欠供給することができる。また、少量連続供給してもよい。
さらに、高圧になると回転軸２のスラストが大きく回転軸２が圧縮されて変形することがあるが、この変形により図示しないロータや回転軸２が振れ回りになり振動が生じ易くなるが、この振動でフローティングリング７のスキマ８が変化しシール室４圧力が脈動し、運転不能になることがあったが、このため本発明では２個のラジアル軸受１８ａ、１８ｂを設置してこの課題を解決し、振れまわり防止をした。そのため、シール寿命が長くなる効果も得られる。
【００２１】
従って、高圧容器１と外部大気圧の圧力差は高圧容器１内の容器内圧１７を圧力センサ２３で検出し、容器内圧１７に相当する循環オイル６の圧力を油圧装置５により第１シール３に隣接するシールオイル室２０に発生させ、回転軸２と軸外周に配置する回転しないフローティングリング７のスキマ８に循環オイル６を流し、この循環オイル６の流れ抵抗で圧力差をつけて減圧し、減圧した循環オイル６（出口２１）をシール２４（メカニカルシールまたはパッキンシール）でシールすることができる。
また、第１シール３は二重にしてその各シール部３ａ、３ｂ間のシール室４に高圧容器１に混入しても安全なシール液１１を注入し、このシール液１１の圧力は高圧容器１の容器内圧に対して同等または高くし、またシール液１１の圧力は油圧装置５の循環オイル６に対して同等または高くしてあり、このシール液１１の圧力はポンプ１３で昇圧している。
また、シール液１１は逆止弁１５を介して高圧小型ポンプ１３で外部に設けたシール液タンク１４から漏れ分をシール室４へ補給、注入している。
【００２２】
また、高圧容器１は食品、医薬品等用途の製造容器であり、高圧容器１の容器内圧１７は１０ＭＰａ以上でも対応することができ、油圧装置５の循環オイル６のモータ２２の回転速度を変えて流量可変できるようにインバータモータまたはサーボモータを用い、高圧容器１の容器内圧１７を圧力センサ２３で検出して循環オイル６の圧力を高圧容器１の容器内圧１７に追従させ高圧軸シールを行っている。
尚、フローティングリング７のスキマ８に接する内面は円周方向にラビリンス（図示せず）又は溝７ａ（図３に示す）が設けられている。
また、図２に示されるように、第１シール３は高圧容器側を第１シール部３ａ、反容器側を第２シール部３ｂからなる二重にし、そのいずれかをリップ型シールにし、各シール部１ａ、１ｂ間のシール室４に高圧容器１に混入しても安全なシール液１１を逆止弁１５を介して高圧小型ポンプ１３で注入して、高圧容器１内の原料が外部にリークするのを防止することができる。
従って、第１シール３の一部を前述のようにリップ型シールにするとシール液１１の過大な圧力上昇が防止され、ポンプ１３を間欠注入または連続少量注入運転するのみで図１の例に示す様に高圧用のシール効果が得られる。
この場合、第１シール部３ａをリップシールにして第２シール部３ｂはブロック型のシールにすることにより、循環オイル圧力を高圧容器１の容器内圧１７より低くなり、シール液１１は隣接する部屋の圧力より高くなり、シール性が保たれる。
また、シール液１１の圧力は高圧小型ポンプ１３で定期的にシール液を注入しているので循環オイル６の入口圧力より高く保たれている。
【００２３】
また、他の形態としては高圧容器１内を洗浄する酸やアルカリの洗浄剤（ＣＩＰ時）など耐薬品に対して第１シール３をメカンカルシールにすることで、ＳｉＣなどの耐久性のある材料が使用できる。
また、シール液１１の圧力は図示しないが、両ロッドシリンダのロッド径を変えて増圧する方式、すなわち、ピストン缶を使用して循環オイル６の圧力から増圧してもよい。また、図示しない２個の片ロッド型油圧シリンダをロッド側で連結し、ピストン缶として構成してもよい。
また、循環オイル６の圧力は油圧装置５のモータ２２のモータ回転数で調整したが、図示していない他の可変リリーフ弁や可変圧力調整ポンプモータを使用してもよい。
【００２４】
【発明の効果】
本発明による高圧軸シール方法は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。すなわち、
（１）、従来のメカニカルシール１０ＭＰａより高圧で高速度の軸シールが１段で可能になった。
（２）、前記効果により、装置が小型化できる。
（３）、シール室によって高圧容器内が密閉されるため、食品、医薬品の用途の内部を汚染しない軸シールに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高圧軸シール方法を示す断面図である。
【図２】図１の要部の他の形態を示す断面図である。
【図３】図１の要部の他の形態を示す断面図である。
【図４】従来のフローティングシール方法を示す断面図である。
【図５】従来の多段メカニカルシール方法を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 高圧容器
２ 回転軸
３ 第１シール
４ シール室
５ 油圧装置
６ 循環オイル（オイル）
７ フローティングリング
７ａ 溝
７Ａ 受けリング
８ スキマ
９ シール本体
１１ シール液
１３ 高圧小型ポンプ
１４ シール液タンク
１５ 逆止弁
１７ 容器内圧
１８ａ 第１ラジアル軸受
１８ｂ 第２ラジアル軸受
１９ スラスト軸受
２０ シールオイル室
２１ 出口
２２ モータ
２３ 圧力センサ
２４ シール
２６ シール
４２０ ドレン室
５００ 可変リリーフ弁
Ｍ 駆動モータ

Claims (10)

1. 高圧容器（１）の回転軸（２）に対する高圧軸シール方法であって、前記高圧容器（１）に前記回転軸（２）が貫通しフローティングリング（７）を有するシール本体（９）を設け、前記シール本体（９）の前記高圧容器（１）側に第１シール（３）を設け、前記高圧容器（１）と外部大気圧の圧力差は前記高圧容器（１）内の容器内圧（１７）を圧力センサ（２３）で検出し、前記容器内圧（１７）に相当する循環オイル（６）の圧力を油圧装置（５）で発生させてフローティングリング（７）と前記回転軸（２）とのスキマ（８）に供給し、前記循環オイル（６）の流れを前記フローティングリング（７）の隣接位置に設けたシール（２４）でシールして大気側へ回収するようにした高圧軸シール方法において、前記第１シール（３）は軸方向に沿って設けた第１、第２シール部（３ａ，３ｂ）を用い、前記各シール部（３ａ，３ｂ）間にシール液（１１）を注入し、前記シール液（１１）の圧力は前記高圧容器（１）内圧と同等または高くし、前記シール液（１１）の圧力は前記循環オイル（６）の圧力と同等または高くしたことを特徴とする高圧軸シール方法。
2. 前記シール液（１１）の圧力は前記油圧装置（５）の循環オイル（６）に接続したピストン缶で昇圧、または容器内圧（１７）の液に接続したピストン缶で昇圧することを特徴とする請求項１記載の高圧軸シール方法。
3. 前記シール液（１１）の漏れ分は逆止弁（１５）を介して高圧小型ポンプ（１３）で外部に設けたシール液タンク（１４）からシール室（４）へ補給・注入することを特徴とする請求項１または２記載の高圧軸シール方法。
4. 前記高圧容器（１）は食品又は医薬品用途の製造容器であり、前記高圧容器（１）内圧力は１０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の高圧軸シール方法。
5. 前記回転軸（２）は、第１、第２ラジアル軸受け（１８ａ，１８ｂ）と１個のスラスト軸受け（９）で軸受けすることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の高圧軸シール方法。
6. 前記油圧装置（５）の循環オイル（６）のポンプ駆動用モータ（２２）はその回転速度で流量可変できるように可変速モータを用い、前記高圧容器（１）の容器内圧（１７）を圧力センサ（２３）で検出して前記循環オイル（６）の圧力を前記高圧容器（１）の容器内圧（１７）に追従させることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の高圧軸シール方法。
7. 前記油圧装置（５）の吐出側に、前記高圧容器（１）の容器内圧（１７）と予め設定された差圧で制御される可変リリーフ弁（５００）を設け、前記容器内圧（１７）の圧力が異常に上昇した時に前記可変リリーフ弁（５００）によって差圧制御することを特徴とする請求項２ないし６の何れかに記載の高圧軸シール方法。
8. 前記フローティングリング（７）のスキマ（８）に接する内面に円周方向に溝またはラビリンスが設けられていることを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の高圧軸シール方法。
9. 前記第１、第２シール部（３ａ，３ｂ）のいずれかをリップ型シールにし、前記各シール部（３ａ，３ｂ）間に前記シール液（１１）を逆止弁を介して高圧小型ポンプ（１３）で注入して、前記高圧容器（１）内の原料が外部にリークするのを防止することを特徴とする請求項２ないし８の何れかに記載の高圧軸シール方法。
10. 前記第１シール（３）、前記シール（２４）はメカニカルシールで構成したことを特徴とする請求項１ないし９の何れかに記載の高圧軸シール方法。

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