JP2005083501A

JP2005083501A - 非接触シール装置

Info

Publication number: JP2005083501A
Application number: JP2003317171A
Authority: JP
Inventors: Noritoshi Asai; 伯紀浅井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】開口孔に挿通された貫通体と該貫通体に遊嵌されたシール部材とが接触するおそれを皆無とし、また、シール部材を移動させるための装置等を備えることなく、簡易な構造において、効果的に液相から気相への液体の漏出を抑止することのできる、非接触シール装置を提案する。
【解決手段】液相を構成する液体１４を保持する液槽１６に形成された開口孔１６ａに挿通される貫通体１３に、シール部材１１を間隙１９を有して遊嵌するとともに、該開口孔１６ａの気相側に該シール部材１１を支持させ、シール部材１１を昇温するための加熱手段１２を備えた。シール部材の内周径は液相側から気相側に徐々に大きくなる形状とし、その最小径部と、貫通体１３との間隙１９の大きさＨは、貫通体１３に付着する液体１４の水滴より小さいものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液相と気相とを連通させる開口孔の内周と、該開口孔を貫通する貫通体の外周との間に形成された間隙からの、流体の漏れを制限する非接触シール装置に関する。

図４は従来の非接触シール装置の一例を示す図である。ここでは、従来の非接触シール装置９６として、軸体９１と、シール部材９７との間隙からの液体の漏れを制限するための構造を示している。
軸体９１が図示しない軸受けにより回転可能に軸支されており、該軸体９１の軸シールとして非接触シール装置９６が軸体９１上の複数箇所に配設されている。
非接触シール装置９６においては、円環状のシール部材９７が、軸体９１の外周面との間に間隙を有する状態に嵌合されている。
そして、シール部材９７が軸体９１の軸方向に移動するための間隙を有した状態で、該シール部材９７を外側から包囲するように、支持部材９８が配設されている。
シール部材９７が流体差圧によって高圧側から低圧側へ軸体９１の軸方向に移動すると、支持部材９８の端面９９にシール部材９７が当接して支持部材９８によりシール部材９７が支持され、これにより、液体が高圧側から低圧側へ移動しないようにシールが為される。

しかし、上述のような従来の非接触シール装置では、液体の漏れ量を少なくするために、軸体とシール部材との間隙がなるべく小さいことが好ましいが、間隙が小さい場合には軸体とシール部材との温度差や、熱膨張差によって、間隙がなくなる状態が発生し、シール部材が損傷することがあった。
また、シール部材と軸体の温度が過渡的に変化するため、間隙が小さくなる場合があり、回転体の外周面とシール部材の潤滑面が接触しやすいという不具合があった。

特許文献１に記載の技術では、シール部材に加熱手段と、該加熱手段の加熱量を制御する制御部とを備え、シール部材の熱膨張量を制御することによって、シール部材の損傷を防止するとともに、流体の漏れ量を少なくすることができる、回転機械の非接触シール装置が提案されている。

また、特許文献２に記載の技術では、シール部材を軸方向に移動させるアクチュエータと、該アクチュエータを制御する制御部とを備え、シール部材の移動量を制御することによって、シール面に局部的な変形が生じてもシール面での接触を回避することができる非接触シール装置が提案されている。

特開２００１−１９３８４４号公報特開平８−１２１６１２号公報

上記特許文献１及び特許文献２のいずれの技術においても、シール部材を軸方向に移動させることによって、シール機能を保持する構成としている。そのために、熱膨張等の原因によって軸体とシール部材とが接触するおそれを回避するための構造が必要となっている。これらの接触によりシール部材や軸体の破損が発生するという不具合がある。
本発明では、開口孔に挿通された貫通体と該貫通体に遊嵌されたシール部材とが接触するおそれを皆無とし、また、シール部材を移動させるための装置等を備えることなく、簡易な構造において、効果的に液相から気相への液体の漏出を抑止することのできる、非接触シール装置を提案する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、液相と気相とを連通させる開口孔の内周と、該開口孔を貫通する貫通体との間に形成される間隙を閉塞する非接触シール装置において、シール部材を、貫通体の外周に間隙を有して遊嵌した状態で、開口孔の周縁に固定し、シール部材はその内径が液相側から気相側へ向けて徐々に小さくなる内周形状とし、シール部材に加熱手段を備えるものである。

請求項２においては、前記加熱手段は、シール部材を、液相を構成する液体が膜沸騰可能な温度に保持するものとするものである。

請求項３においては、前記シール部材において内径が最小となる部分と、貫通体との間に形成される間隙が、液相を構成する液体が貫通体に付着したときの水滴の大きさよりも小さいものとするものである。

請求項４においては、少なくとも連続鋳造装置と冷却水槽とを備える連続鋳造システムにおいて、連続鋳造装置より冷却水槽内へ送られる鋳造品を、連続的に冷却水槽より搬出させるために形成された開口孔と、該開口孔を通過する鋳造品との間に形成される間隙を閉塞するために備える前記非接触シール装置である。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、開口孔を通過して液相から気相へ漏れ出ようとする液体は、シール部材の内周において沸騰して蒸気となり、該蒸気の圧によって、液体を液相側へ押しやることができ、開口孔からの液体の流出を抑止することができる。これにより、シール部材が直接貫通体に接触することがなく、接触によるシール部材の破損を防止することができ、また、安価な構造にて確実に液体の漏れを抑止することができる。

請求項２においては、シール部材の内周において発生した気体を、効率的に液相側へ移動させることができる。

請求項３においては、貫通体の移動に伴って液相側から気相側へ漏れ出ようとする液体を抑止することができる。

請求項４においては、鋳造品の移動に伴って冷却水槽より冷却水が漏出することを抑止し、設備の水濡れや結露を防止することができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係る非接触シール装置の構成を示す図、図２は非接触シール装置の別形態を示す図である。

先ず、本実施例に係る非接触シール装置１０の構造について説明する。
図１に示す如く、非接触シール装置１０は、液相と気相との間に介在する部材に形成された開口孔１６ａから、液相を構成する液体１４が気相側へ漏出しないようにシールするための装置である。すなわち、液相と気相との間に介在する部材に形成された開口孔１６ａにおいて、直接周縁部材に接触することなく、高圧側である液相側から低圧側である気相側へ、液体１４が移動しないように、開口孔１６ａを封するための非接触シール装置１０である。

なお、本実施例において、液相と気相との間に介在する部材は、液相を構成する液体１４を保持している液槽１６であって、シール部材１１によりシールされる開口は、液槽１６の底面に形成された開口孔１６ａと、該開口孔１６ａに接触しない状態に挿通された貫通体１３との間に形成された間隙１９としているが、非接触シール装置１０の採用される開口は本実施例に限定されるものではない。そして、必ずしも開口に貫通体１３が存在する必要はなく、非接触シール装置１０にて開口孔１６ａそのものを閉塞するものとすることができる。

また、開口孔１６ａを貫通している貫通体１３は、図面において棒状に描かれているが、貫通体１３の形状はこれに限定されるものではなく、角棒体、丸棒体や球体等、様々な形状のものとすることができる。そして、貫通体１３は、開口孔１６ａを通過する方向に移動するものであったり、或いは、開口孔１６ａに挿通された状態で停止したり回転したりするものであっても構わない。

液槽１６の開口孔１６ａの気体側において、該開口孔１６ａを包囲する形状のシール部材１１が固設されている。すなわち、開口孔１６ａが円形であれば、シール部材１１は環状であり、開口孔１６ａが四角形であれば、シール部材１１は四角枠状に形成されて、開口孔１６ａの開口縁に取り付けられ開口孔１６ａを縁取る形状とされている。

そして、シール部材１１は、その内周径が液相側から気相側へ向かって小さくなるように内周側にテーパが形成されて、すなわち、シール部材１１に形成された孔は開口孔１６ａ側から窄まる形状となるように形成されている。このシール部材１１の内周の形状により、シール部材１１の内周において発生した気体は、積極的に液相側へ移動しようとする。

なお、開口孔１６ａに挿通されている貫通体１３とシール部材１１の内周との間には間隙１９が存在し、貫通体１３とシール部材１１とは接しないものとされている。そして、シール部材１１の最狭部と貫通体１３との間隙１９の大きさＨは、貫通体１３の表面性状、液体１４の表面張力、貫通体１３と液体１４の濡れ性から決定され、貫通体１３の表面に液体１４が付着したときの液滴高さよりも小さいものとしている。

さらに、シール部材１１には、電熱ヒータや熱媒流通機構等の、該シール部材１１に熱量供給可能な加熱手段１２が備えられている。本実施例においては、シール部材１１の内部に加熱手段１２としての加熱ヒータが内蔵されており、該加熱手段１２にてシール部材１１を加熱し昇温するように構成されている。加熱手段１２には、作動制御や温度制御が行われる制御部１５と、加熱手段１２及び制御部１５に電気を供給する電源装置２０が備えられている。
加熱手段１２に電気が供給され、該加熱手段１２が発熱することによってシール部材１１が加熱され、シール部材１１の温度が上昇する。シール部材１１は、液体１４を膜沸騰させることの可能な温度となるまで加熱され、加熱によりその温度が保持される。

前記シール部材１１は、非接触シール装置１０にてシールする間隙１９を通過しようとする液体１４を膜沸騰させることが可能な、熱容量、熱伝達係数、熱伝導率を満足させることができる、温度、材質、体積を有する材質のものが選択される。

なお、前記シール部材１１の表面と、貫通体１３の表面との少なくとも一方に、液体の濡れ性を低下させるための撥液処理を施すことができる。これにより、貫通体１３が液槽１６から開口孔１６ａを通過して下方へ移動する形態の場合であっても、移動する貫通体１３に付着して液槽１６から漏れ出ようとする液体１４を低減させることができる。
また、図２に示す如く、開口孔１６ａにおいて、シール部材１１よりも高圧側に、可撓性を有する材質から成るパッキン１７を配設することも可能である。該パッキン１７とシール部材１１とにより二重の関を設けることとなり、より確実に間隙１９をシールすることができる。

上述の如く構成される非接触シール装置１０において、貫通体１３と液槽１６の開口孔１６ａとの間隙１９を通過して、液槽１６から漏れ出ようとする液体１４は、該液体１４が膜沸騰するために十分な温度となっているシール部材１１に接触し、瞬時に沸騰して高圧の蒸気を発生させ、間隙１９に膜沸騰雰囲気が発生する。
そして、シール部材１１内周部において発生した蒸気により生じる蒸気圧は、該シール部材１１の内周形状によって、間隙１９より漏出しようとする液体１４の流れを液槽１６内へ押し戻すように液体１４に対して作用するため、液体１４は間隙１９を通過することができず、液槽１６より漏れ出ることができない。
このように、非接触シール装置１０では液槽１６に保持され、間隙１９より漏出しようとしている液体１４を気化し、その蒸気によって液体１４が液槽１６内へ押し戻されることによって、開口孔１６ａと貫通体１３、及び、シール部材１１と貫通体１３の間に存在する間隙１９からの液漏れが抑制される。

開口孔１６ａ又はシール部材１１と、貫通体１３とは、接触しないため、貫通体１３が回転したり、移動したりするものであったとしても、シール部材１１が破損したり、貫通体１３に傷が付いたりすることがない。
また、加熱手段１２を備えたシール部材１１で非接触シール装置１０を実現することができ、シール部材１１にアクチュエータ等の移動装置や間隙の大きさの検出装置等を備える構造の非接触シール装置と比較して安価且つコンパクトに構成することができる。

次に、上記非接触シール装置１０を採用した装置の一例として、自動車の足回り部品を製造する半溶融鋳造プロセスに供される原材料である、メタルビレット１３２を連続鋳造する連続鋳造システムについて説明する。
図３は本発明に係る非接触シール装置の採用例としての連続鋳造システムの構成を示す図である。

連続鋳造システムでは、鋳造装置１３０において、連続した柱状のメタルビレット柱１１３が鋳造され、連続的に該鋳造装置１３０の下方に配設された液槽１６に搬送され、該液槽１６に充填された液体１４としての冷却水内を通過するうちに冷却される。
前記液槽１６の底面には、貫通体１３としてのメタルビレット柱１１３を下方へ移動させるための開口孔１６ａが形成されており、メタルビレット柱１１３は該開口孔１６ａの中を通過して、液槽１６の下方に配設されたビレット切断装置１３１に連続的に搬送される。
すなわち、鋳造装置１３０にて鋳造されたメタルビレット柱１１３は、冷却水の充填された液槽１６を通過してビレット切断装置１３１に送られる。
ビレット切断装置１３１では、メタルビレット柱１１３が切断されてメタルビレット１３２・１３２・・・とされて、コンベヤ等の搬送装置１３４によって搬出される。

上記連続鋳造システムにおいて、図１及び図３に示すように、非接触シール装置１０は、冷却水を充填する液槽１６に形成された開口孔１６ａと、メタルビレット柱１１３との間隙１９を閉塞するために用いられる。この非接触シール装置１０にて、メタルビレット柱１１３が貫通している開口孔１６ａから、液槽１６に充填されている液体１４としての冷却水の漏洩が防止され、該液槽１６の下方に位置するビレット切断装置１３１が液槽１６からの水漏れにより錆びたり故障したりすること防止される。

上記非接触シール装置１０において、内部に加熱手段１２としての電熱ヒータを内蔵し、環状に形成された銅製のシール部材１１が用いられる。加熱手段１２としての電熱ヒータは、シール部材１１の温度を、液体１４としての冷却水が膜沸騰する温度（例えば、４００℃）以上に維持できる出力を有している。液体１４の膜沸騰を維持することにより、液体１４とシール部材１１との間の熱伝達を阻害し、加熱手段１２としての電熱ヒータの負荷を低減させることができる。

メタルビレット柱１１３の下方への運動と、重力とにより、開口孔１６ａから下方に漏れようとする液体１４は、高温に保持されているシール部材１１に触れると瞬時に蒸発し、高圧の蒸気となって、シール部材１１の内部形状に導かれて、開口孔１６ａより漏れ出てくる液体１４を液槽１６内へ押し戻す。この際に、メタルビレット柱１１３とシール部材１１との間隙１９から蒸気が漏れ出るが、液槽１６とビレット切断装置１３１との間に配設された換気装置１３３による送風にて、ビレット切断装置１３１上方より蒸気が除去され、システムに備えられた設備の結露が防止される。

また、本発明に係る非接触シール装置１０の他の実施例として、圧縮機、送風機、回転式ポンプ、タービン等の回転機械において、回転軸を貫通体１３とし該回転軸の軸シールとして採用することができる。

本発明に係る非接触シール装置の構成を示す図。非接触シール装置の別形態を示す図。本発明に係る非接触シール装置の採用例としての連続鋳造システムの構成を示す図。従来の非接触シール装置の一例を示す図。

符号の説明

１０非接触シール装置
１１シール部材
１２加熱手段
１３貫通体
１４液体
１５制御部
１６液槽
１６ａ開口孔
１７パッキン
１９間隙
２０電源装置

Claims

液相と気相とを連通させる開口孔の内周と、該開口孔を貫通する貫通体との間に形成される間隙を閉塞する非接触シール装置において、
シール部材を、貫通体の外周に間隙を有して遊嵌した状態で、開口孔の周縁に固定し、
シール部材はその内径が液相側から気相側へ向けて徐々に小さくなる内周形状とし、
シール部材に加熱手段を備えることを特徴とする非接触シール装置。
前記加熱手段は、シール部材を、液相を構成する液体が膜沸騰可能な温度に保持するものとする、請求項１に記載の非接触シール装置。
前記シール部材において内径が最小となる部分と、貫通体との間に形成される間隙が、液相を構成する液体が貫通体に付着したときの水滴の大きさよりも小さいものとする、請求項１又は請求項２に記載の非接触シール装置。
少なくとも連続鋳造装置と冷却水槽とを備える連続鋳造システムにおいて、連続鋳造装置より冷却水槽内へ送られる鋳造品を、連続的に冷却水槽より搬出させるために形成された開口孔と、該開口孔を通過する鋳造品との間に形成される間隙を閉塞するために備える、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の非接触シール装置。