JP2006300302A - シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体用メカニカルシールの回転側と固定側の圧接されている摺動面に起る磨耗、発熱による変形、ポンピング作用等による液漏れを防ぐ事。
【解決手段】複数個の磁歪型振動子１０のフォーン部分を接合してその表面を同一平面、外周を円形にしたものを振動体とする。回転軸に９にシール円板２０を取り付け、これと振動体のフォーン表面を接触させてシール作用を行わせる。振動体の振動方向をシール円板に直角になるようにし、振動体の振動数を２０Ｋｃ程度にしておくと振動面に於ける摩擦が殆どなくなる。従って磨耗、発熱による変形がない。亦摺動面に入り込んだ液にキャビテーション気泡を発生させる事によりポンピング作用による液漏れを防止し得る。両面は圧接させる必要がないので接触面を広くしても動力損失はない。即ちシール面の磨耗、ポンピング作用等による液漏れを防ぎ、シール効果を上げると共に動力損失も防いでいるという効果が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明はシール装置のシール面の固定側を高周波振動体としたシール装置に関する。

従来のメカニカルシールは回転側と固定側をスプリング等で常時強力な力で圧接させる事によりこの摺動面でシールする構造となっている。この構造ではシール面の摺動による磨耗、発熱による変形等が起こり隙間が出来るがスプリングの圧力ではこの隙間を確実に埋める事が出来ず液漏れが生じている。亦対象液が高温、高圧力、腐食性のある液では液漏れを防ぐ事は更に難しくなる。これに対し冷却装置及び材質の改良等が試みられているが完全解決には到っていない。又シール隙間に磁性流体を充填させてシール面を直接摺動させない様にした、いわゆる磁性流体シールがあるが磁性流体の蒸発等が起こると言う問題がある。亦シール隙間に強大な圧力のエャー又はガスを圧送して非接触の状態にする、いわゆるガスシール装置が最近開発されているようであるが装置の複雑さ、精密を要する事から汎用性はないようである。

メカニカルシールのシール隙間には極めて薄い流体膜が連続して存在しておりこの流体膜にてシールがなされていると云われている。運転中は回転側、固定側共に不規則な軸方向の振動が起こりその為液膜の厚みが変化している。即ちシール面への液の吸い込み及び押し出しが繰り返される。いわゆるポンピング作用が起こっている。液は非圧縮性であるので液が圧縮を受ける時は強大な押し出し力を受けて周囲に押し出される、この押し出される液が液漏れの原因の１つともなっている。亦、発熱による変形、磨耗による傷跡が液の通路となりこれも液漏れの大きな要因ともなっている。即ち液漏れを防ぐ為にはこの連続液膜を何らかの作用によって分断する事が必要でありシール隙間に入り込んだ液にキャビテーションを起させる事によってもこの液膜を遮断しうるともいわれている。又ポンピング作用の影響をなくする事及び磨耗による傷跡を作らないようにする事である。その為シール面の回転側、固定側は接触はさせても、圧接はしないようにしておく事が必要である。

基本的手段としてシール面の固定側を高周波振動体（周波数１０ｋｃ以上）とし、シール隙間（ｇ_０）の液膜中にキャビテーション気泡を発生させ、液膜に圧縮性を持たせる事によってポンピング作用の影響を少なくし得る。又キャビテーション気泡は連続液膜を遮断しうるとも云われている。キャビテーション気泡内の圧力は負であるので通常は短時間で消滅する。液中に浮上してくる気泡もあるが、これは気泡溜りの残留空気に触れると消滅し、負荷側に流れる事はない。又高周波で振動している振動体表面と回転体のシール面と接触したとしても両者間の摩擦は極めて小さい。亦圧接ではないのでその摩擦は更に少なくなる。

前項の基本的考えにもとずいた本発明によるシール装置を以下図によって説明する。図１は本発明による装置（以下本装置と記す）の全体断面図で、これにテスト時の機器を付帯させた図である。本装置の部分は、Ｚ１−Ｚ１ラインとＺ２−Ｚ２ラインの間で両側はテスト時の機器である。装置の据え付け位置としては、図の左側が下側で右側が上側となる。本装置は１つの鋼管（１）内に振動子（１０）を複数接合組み合わせた振動体を固定側とし、これと回転軸（９）に取り付けられたシール円板（２０）とを対応させたシール装置である。本管（１）は点検蓋（２）を有し、これに気泡枝管（３−１）、気泡溜まり（３）、開閉弁（３−２）を取り付ける。
図２は本管のこの部分の断面図である。亦本管のＺ１−Ｚ１側は負荷側と接触し、Ｚ２−Ｚ２側は開放しておいても差し支えない。亦本管はベース（５−４）に支持具（５−１、５−２）で取り付け排液弁（５−３）を取り付けておく。

振動体部分はフォーン（１０−１）と脚部（１０−２）よりなる磁歪型振動子を複数個組み合わせて構成させる。各振動のフォーン部分を接合し、これの外側に同じ材質の円筒（１１）を接合して１つの振動体とする。この詳細を図３、図４に示す。図３は、図１のＸ１−Ｙ１矢視平面図で４ケの振動子のフォーン（１０−１）−Ａ〜（１０−１）−Ｄを銀ロウ等で強固に接合し、その表面は同一平面状になるようにし、外周は円形になし、これに同材質の円筒（例えばフェライト）（１１）を接合し、その中央に回転軸（９）を通す孔をあけておく。円筒（１１）は振動子と一体となって振動体を形成する。図４は、図１のＸ２−Ｙ２断面図である。振動体の振幅（μ）の節（Ｐ２）の部分にて円筒（１１）と脚（１０−２）の間に脚支持具（１２）を入れ互いに接合する。脚支持具の材質は円筒と（１１）と同材質とする。亦本管（１）と円筒（１１）の間にはリング（６）を取り付けこれにて振動体を本管に固定する。亦本管に取り付けられた支持板（４）と振動子（１０）の脚（１０−２）端にもスポンジゴム（８）を詰めておく。各振動子の脚には、励磁コイルを巻きこれを夫々発信器（１４）に接続し、同時に励振する。

図５はシール円板（２０）の構造を示す断面図である。図５に於いて１つの円板（シール円板）（２０）を回転軸（９）に取り付ける。シール円板と回転軸の取付は軸の外周のネジ（９−１）にシール円板の孔内面のネジ（２０−１）をねじ込む事によって取り付ける。これは円板を軸に沿って左右に微動させ得るようにする為でこれによりシール円板と振動子のフォーン表面の接触を調整可能にする為でもある。シール円板の接触面側にリング状円板（２１）（以下対応円板と記す）を取り付ける。対応円板は内側に縁をつけシール円板との間に隙間（２０−２）を作っておき、この隙間に通ずる小孔（２０−３、２０−４）をあけ、この孔を通って外部の液がこの隙間内に流入して対応円板を冷却するようにしておく。対応円板の内側に複数のボルト（２２）を溶接し、シール円板外にてナット（２３）及びスプリング（２４）を取り付けておき、対応円板と振動子表面との接触度を微調整しうるようにしておく。その外対応円板の表面に弾性板（２１−１）を貼り付けておく。図６は、図５のＸ３−Ｙ３断面矢視図で、図７は図５のＸ４−Ｙ４矢視断面図である。

本発明により以下の効果を奏することが出来る。
１）振動体のフォーンの平面部分（１０−１）の振動方向は、シール円板（２０）の対応円板（２１）に対し直角方向であり、振動体は高振動で対応円板に接触する。対応円板は回転しているが振動体の振動数は高いので１振幅間に対応円板の移動距離は、１／１００ｍｍ以下で両者は摺動するというより接触の繰り返しを行っている状態に近い。摺動でなければ接触だけでは摩擦は起こらないし、磨耗、発熱も起こらない。即ち本シール装置のシール面即ち接触面での摩擦は極めて小さい。接触面の接触圧は振動子の振幅調整によっても微妙に調整し得る。移動している物体に高周波振動体が接触しても摩擦が極めて小さい事は知られているがこれは上記の如き現象からと思われる。本装置はこれにより磨耗による傷、発熱による変形は殆ど起こらない。
２）従来のメカニカルシールではシール効果を上げる為にシール面をなす摺動面を強力な力で圧接してある。その為摺動面での動力損失が相当大きい。これを少なくする為に振動面の幅を極力狭くしてある。これはシール効果を下げる１つの原因共なっている。本装置ではシール面を圧接する必要はないのでシール効果を上げる為の接触面を広くとっても動力損失は殆どない。
３）回転側と固定側は回転軸方向に振動が起こっているが、これは同じ周期ではないのでシール隙間に入り込んだ液によりポンピング作用が起きる。これによる液漏れが生じている。振動体の振動数は固定側、回転側の振動数よりはるかに大きいのでポンピング作用の影響は殆ど打ち消される。亦シールの接触面の片側が高周波振動体になっているのでシール隙間入り込んだ液にキャビテーションが発生する、キャビテーションが発生するとポンピング作用の影響を打ち消しうるといわれており、テストの結果はその如くなっている。
４）上記の如く本装置に於いては、シール面の磨耗を極めて少なくし得て、シール効果を上げている。但しキャビテーションによる表面の荒れは発生する事は考えられる。然し多少の荒れが発生してもキャビテーション気泡によって荒れによる隙間は埋められるし、且つ圧接ではないので接触面の損耗は少ない。亦振動子の表面は金属メッキ又は樹脂の被膜を行っても良いし、対応円板は表面に硬質ゴム等を貼り付けてあるので弾性もあり、キャビテーションによる破損は起こりにくいし、且つ取替え可能にしてある。

発明を実施する為の最良の形態

ｉ）振動体はその形状からして複数の振動子を組み合わせ接合し、且つその周囲は同材質の円筒を接合する必要がある事からしてこれに適する形状に製作し得る振動子の材質を選ぶ必要がある為フェライト等の磁歪材料とする。亦、振動数は２０Ｋｃ程度でよく、振幅も大きくする必要もない。亦励磁コイルは液に濡れてもよい被覆線を使用できる等からしてフェライトの磁歪材料とする。
ｉｉ）振動体を本管に取り付ける部分は振動体の振幅の節の部分とせざるを得なく、強固に取り付けるようにし、内部に液の侵入を防ぐ事は必要条件なので振動体の外周は円筒状とし、これと本管とはリングにて固定する事としている。
又振動体の振動が周囲に伝わらない様、外周との間にスポンジを挟みこんでいる。
ｉｉｉ）接触面の接触圧を調整する為シール円板と軸の取り付けはネジにて、又振動体との対応円板の調整はスプリング付きのボルトにて取り付けてある。
ｉｖ）シール部分の点検、接触の調整をする為の点検蓋（２）を設けた。

テスト用として図１の如く本装置は、Ｚ１−Ｚ１の上側、Ｚ２−Ｚ２の下側の如き装置を取り付けてテストを行った。
振動体…磁歪型振動子４ケを接合、振幅０〜５μｍ、固有振動数２０Ｋｃ
発信器…出力１００Ｗ 出力及び振幅調整可
使用液…水道水（圧力４Ｋｇ／ｃｍ^２）
モーターの回転数３４２０ｒ．ｐ．ｍ
１週間連続運転、１日毎のシール部分を点検調査、これを約５週間続けた結果、液漏れ全くなし、５週間程度のテストではシール面の磨耗、変形、キャビテーションによる損耗はなかった。即ち目的を果たしうるものと判定した。

テスト装置を含んだ本装置の断面図である。Ｚ１〜Ｚ２の範囲外はテストの場合の装置である。 本管の断面図である。 図１のＸ１−Ｙ１線矢視図である。 図１のＸ２−Ｙ２線断面図である。 シール円板の断面図である。 図５のＸ３−Ｙ３線矢視断面図である。 図５のＸ４−Ｙ４線矢視断面図である。

符号の説明

１ 本管
２ 点検窓蓋
３ 気泡溜
３−１ 気泡枝管
３−２ 開閉弁
４ 支持板
５−１ 本管支持具
５−２ 本管支持具
５−３ 水抜き弁
５−４ 取り付けベース
６ 振動子支持リング
８ スポンジ
９ 回転軸
９−１ ネジ
１０ 振動子
１０−１ 振動子フォーン部
１０−１−Ａ 分割フォーン部
１０−１−Ｂ 分割フォーン部
１０−１−Ｃ 分割フォーン部
１０−１−Ｄ 分割フォーン部
１０−２ 振動子脚部
１０−３ 励磁巻線
１１ フェライト円筒
１２ 脚支持具
１３ 電源線
１４ 発信器
２０ シール円板
２０−１ ネジ
２０−２ 隙間
２０−３ 冷却水用孔
２０−４ 冷却水用孔
２１ シール対応リング板
２１−１ 弾性ゴム
２２ ２１の保持ボルト
２３ ２２用ナット
２４ スプリング
３０ テスト用隔壁
３１ テスト用簡易シール
３２ テスト用給水管
３３ テスト用開閉弁
３４ テスト用ベアリング
３５ テスト用駆動モーター
Ｗ シール隙間への液の侵入方向
Ｖ 振動子の振動方向
μ 振動子の振幅
Ｐ１ 振動子の振幅の腹
Ｐ２ 振動子の振幅の節
Ｚ１〜Ｚ２間 本装置の範囲

Claims (3)

1. 本シール装置は一つの円筒（以下本管と記す）円面に高周波振動体（以下振動子と記す）を固定側として取り付け、その中央を回転軸にシール面となる円板（以下シール円板と記す）を取り付け、前記振動体とシール円板にてシール作用をなさしめる構造としたシール装置。
2. 振動体の構造は次の如くする。複数のフォーンと脚部よりなる磁歪型振動子のフォーン部分を接合する。接合後の形状は、フォーン部分の表面は１つの平面を、外周は円形となる如き形状とし、中央は回転軸を通す孔を有する如くする。その接合振動子の外周に同材質の円筒を接合し、全体として１つの振動体とする。円筒部分の１部にリングを取り付け、これに本管を固定する。
   上記構造の振動体を有する請求項１記載のシール装置。
3. シール円板の構造は次の如くとする。回転軸に１枚の円板（シール円板）を取り付け、この円板の表面にリング円板（以下対応円板と記す）を取り付ける。この対応円板の表面と振動子フォーン部分の表面を軽く接触させる状態にしてシール作用をさせる。対応円板の表面には硬質ゴム膜を貼り付けておく。亦裏面には隙間を作っておきこの部分に液を導入しうるようにしておく。シール円板及び対応円板は回転軸方向の左右に微動しうる構造とする。
   上記構造のシール円板を有する請求項１記載のシール装置。

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