JP2007327633A

JP2007327633A - メカニカルシール装置

Info

Publication number: JP2007327633A
Application number: JP2006161382A
Authority: JP
Inventors: Yoji Oshii; 要二押井; Koji Akiyama; 浩二秋山; Atsushi Kaneko; 敦金子; Koji Watanabe; 浩二渡邉
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: JP4699946B2

Abstract

【課題】寿命がより長く被密封流体の漏洩をより適切に防ぐことのできるメカニカルシール装置を提供する。
【解決手段】ハウジングに固定された固定環と回転軸に装着された回転環とが摺動してその摺動面で被密封流体をシールするメカニカルシール装置において、固定環の摺動面又は回転環の摺動面のいずれかカーボン等の軟質材で形成されている方に、摺動面の円周方向に沿って、外部から圧力が導入されない独立した溝であって、その形状が所定の条件を満たす形状の複数の溝を形成する。その結果、固定環と回転環とはわずかに接触をした準接触状態に維持され、完全接触よりも少ない磨耗で、完全非接触よりも少ない被密封流体の漏洩でシールできる。
【選択図】図２

Description

本発明は、メカニカルシール装置に関し、特に、寿命が長く被密封流体の漏洩を適切に防ぐことのできるメカニカルシール装置に関する。

回転軸等に沿って所望の流体を密封する軸封装置としてのメカニカルシール装置としては種々の形態のものが知られているが、ハウジング等に固定される固定環と回転軸に装着される回転環との接触状態に着目した場合には、固定環と回転環とが完全に接触して被密封流体をシールする完全接触型のシール装置と、固定環と回転環とが完全に非接触な状態で被密封流体をシールするいわゆるガスシールと言われるタイプのシール装置とに大別することができる。完全接触型のメカニカルシール装置は、被密封流体の漏洩が少ないという長所を有する反面、摺動面の磨耗があって寿命が短いと言う短所がある。また、ガスシールタイプ（完全非接触型）のメカニカルシール装置は、摺動面の磨耗が無いため寿命が長いという長所を有する反面、被密封流体の漏洩が比較的多いという短所がある。そこで近年では、接触型のメカニカルシール装置において、摺動面に被密封流体を導入することにより摺接面に動圧を作用させ、摺動面の押圧力を軽減して磨耗を防止し、寿命を長くするようにしたメカニカルシール装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２２８３４号公報

しかしながら、前述したような動圧の導入機構を具備するメカニカルシール装置は、構造が複雑で製造工程も複雑になり、シール装置の容積が大きくなり価格も高価になるという問題がある。すなわち、メカニカルシール装置は種々の装置において種々の場面で使用されるが、コストや容積の制限がある場合が多く、より低価格で小型のメカニカルシール装置が要望される場合が少なくない。そしてそのような比較的安価で簡単な構成のシール装置においても、従来の完全接触型の長所と完全非接触型の長所を合わせもった性能のメカニカルシール装置が要望されている。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、寿命がより長く被密封流体の漏洩をより適切に防ぐことのできるメカニカルシール装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１に係る本発明のメカニカルシール装置は、回転軸を囲むハウジングに固定された固定環と前記回転軸に装着された回転環とが接して摺動することにより当該摺動面において被密封流体をシールするメカニカルシール装置であって、前記固定環の前記回転環との摺動面、又は、前記回転環の前記固定環との摺動面のいずれか一方に、当該摺動面の円周方向に沿って複数の溝が形成されており、前記溝の各々は、前記摺動面以外の外部から圧力が導入されない独立した溝であって、その形状が式（３）及び式（４）の条件を満たす形状であることを特徴とする。

〔数３〕
０．１ ≦ α／β ≦ ３５ …（３）
但し、αは、前記摺動面内の溝角度、
βは、前記摺動面内の溝と溝との間隔の角度
である。

〔数４〕
１．４＜Ａ／Ｂ＜２．０ …（４）
但し、Ａ＝（Ｄｏ^２−Ｄｂ^２）／（Ｄｏ^２−Ｄｉ^２）×１００、
Ｂ＝（Ｄｇ^２−Ｄｂ^２）／（Ｄｇ^２−Ｄｉ^２）×１００、
Ｄｏは、前記摺動面の外径、
Ｄｉは、前記摺動面の内径、
Ｄｂは、バランス径、
Ｄｇは、前記溝の内径
である。

請求項２に係る本発明によれば、好適には、前記溝は、前記固定環又は前記回転環の、いずれかより軟質な材料で構成してある側に形成されている。
また、請求項３に係る本発明によれば、前記複数の溝における溝と溝との間隔は、１ｍｍ以上である。

請求項１に係る本発明のメカニカルシール装置によれば、寿命がより長く被密封流体の漏洩をより適切に防ぐことのできるメカニカルシール装置を提供することができる。

また、請求項２に係る本発明のメカニカルシール装置によれば、軟質な材料に容易な加工をすることにより、寿命がより長く被密封流体の漏洩をより適切に防ぐことのできるメカニカルシール装置を提供することができる。

また、請求項３に係る本発明のメカニカルシール装置によれば、簡単な加工を行うことで、寿命がより長く被密封流体の漏洩をより適切に防ぐことのできるメカニカルシール装置を提供することができる。

本発明の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態のメカニカルシール装置１の構成を示す図である。
また、図２は、図１に示したメカニカルシール装置１の、本発明に係る固定環４０の摺動面４１の形態を示す図である。

まず、図１を参照してメカニカルシール装置１の全体構成について説明する。
メカニカルシール装置１は、回転軸２０が通過する開口が形成されたハウジング１０と、ハウジング１０のその開口を通過する回転軸２０との間隙において、被密封流体Ｌをシールする装置である。
メカニカルシール装置１においては、ハウジング１０のその開口部に、シールハウジング１２が取り付けられている。シールハウジング１２は、回転軸２０の近傍までハウジング１０の開口を塞ぐとともに、メカニカルシール装置１の固定側シール部３１を取り付け易くするための部材である。シールハウジング１２は、ハウジング１０との間にＯリング１１を介在させてボルト１３によりハウジング１０に取り付けられている。

シールハウジング１２の回転軸２０側には、シール部３０の固定側シール部３１が装着されている。固定側シール部３１は、固定環４０、スプリング５１及び保持部５２を有する。固定環４０と保持部５２とは一体的に形成されてシールハウジング１２の内周面に嵌入されており、また、スプリング５１は、一方の端部がシールハウジング１２に固着されて他方の端部が保持部５２に固着されて、回転軸２０の軸方向にその弾性力を発揮するように設置されている。スプリング５１とシールハウジング１２の内壁部１４との間には、Ｏリング５３が介在されている。

このような構成により、固定側シール部３１においては、保持部５２及び固定環４０は、回転軸２０の軸方向に沿って、回転側シール部３２の回転環６０の方向に、スプリング５１の弾性力により押圧される。すなわち、固定環４０の摺動面４１が、回転側シール部３２の回転環６０の摺動面６１に押圧される。
なお、固定環４０はいわゆるカーボンにより形成する。

また、シール部３０の回転側シール部３２においては、回転軸２０に嵌着されたスリーブ２１に、回転環固定部７１が、スリーブ２１との間にＯリング７４を介在させて、ねじ７５により取り付けられている。そして、この回転環固定部７１の段部に、回転環６０が取り付けられている。回転環６０と回転環固定部７１との間にはＯリング７３が介在されている。
これら、回転環６０を含む回転側シール部３２は回転軸２０と一体的に回転され、これにより回転環６０の摺動面６１は、固定側シール部３１の固定環４０の摺動面４１と互いに摺接される。
なお、回転環６０は、セラミックや超硬質鋼等により形成する。

そして本実施形態のメカニカルシール装置１においては、このような固定側シール部３１及び回転側シール部３２を有するシール部３０において、特に、固定側シール部３１の固定環４０の摺動面４１に溝４４が形成されている。
溝４４は、図２に示すように、固定環４０の摺動面４１に、円周方向に沿って同一半径上に、一定幅で、同一間隔で、複数配置されている。
図２に示す本実施形態において、固定環４０の摺動面４１の内径Ｄｉは６５．３ｍｍであり、摺動面４１の外径Ｄｏは８６ｍｍであり、溝４４の内径Ｄｇは７５ｍｍである。また、溝４４の幅は３ｍｍであり、溝４４の深さは１ｍｍで均一の深さである。さらにまた、１つの溝４４が形成されている角度αは２０°であり、１つのダム部（溝と溝との間部分）が形成されている角度βは１０°であり、摺動面４１には図示のごとく１２個の溝４４が形成されているものである。

このような構成のメカニカルシール装置１によれば、回転環６０を含む回転側シール部３２は回転軸２０とともに回転し、被密封流体Ｌは、Ｏリング７３，７４等により密封される。
また、被密封流体Ｌは、固定環４０と回転環６０との間の摺動部３３に侵入し、固定環４０の摺動面４１に設けられた溝４４に導かれる。そして、溝４４の内部で、被密封流体は圧縮されて、圧力が発生する。そして、この圧力により、固定環４０と回転環６０との押圧は減少され、固定環４０の摺動面４１と回転環６０の摺動面６１とはわずかに接触したような状態となる。すなわち、完全に接触した状態でもなく、また、完全に非接触な状態でもなく、準接触状態とでも言うべき微接触な状態となる。そして、この状態において、固定環４０の摺動面４１と回転環６０の摺動面６１との間、すなわち摺動部３３にはわずかな流体膜が形成される。

その結果、シール部３０の摺動部３３においては、被密封流体の漏洩が適切に防止され、被密封流体のシールが適切に行える。すなわち摺動部３３においては、少なくとも摺動部３３が完全に非接触な状態とされるガスシールタイプのメカニカルシール装置と比較して、被密封流体の漏洩を制限することができ、シールを適切に行うことができる。

また、シール部３０の摺動部３３においては、固定環４０の摺動面４１と回転環６０の摺動面６１とは、通常のメカニカルシールのような押圧力で完全に接触されている状態ではない。従って、完全接触型のシール装置と比較して、固定環４０あるいは回転環６０の摺動面４１又は摺動面６１の磨耗を大幅に減少させることができ、メカニカルシール装置１のメンテナンス期間を長くする、すなわちメカニカルシール装置１を長寿命化することができる。

また、本実施形態のメカニカルシール装置１は、固定環４０の摺動面４１に、図示のごとく溝４４を形成したものであるが、この溝４４は、外部から圧力等が導入されるような構成ではなく、摺動面４１の表面側のみが開口部とされて側面及び底面が閉塞された単純な溝である。また、その深さを特定の複雑な形状とする必要も無いものである。すなわち、その加工や製造に関しては、何ら特別な工程や煩雑な工程を施す必要が無く、容易に形成し得るものである。従って、このようなメカニカルシール装置１は、簡単な製造工程により前述したような作用効果を奏するものであり、その点においても非常に有効である。

また、本実施形態のメカニカルシール装置１においては、比較的軟質なカーボンにより形成される固定環４０に溝４４を形成している。従って、溝４４の加工、製造は非常に簡単であり、生産効率が上昇しコストを削減することができる。
なお、軟質材たるカーボン製の固定環４０に溝４４を形成したとしても、固定環４０と回転環６０とは非常に低い押圧でわずかに接触する程度なので、その磨耗は非常にわずかであり、メカニカルシール装置１の寿命を短くする等の不利益を生ずることは無い。

このように、本実施形態のメカニカルシール装置１においてその構成、及び、加工や製造工程自体は簡単で容易なものであるが、一方で、シール部３０の摺動部３３において、固定環４０の摺動面４１と回転環６０の摺動面６１とを微妙な圧力関係でわずかに接触したような状態に維持するものであり、そのためには、摺動面４１に形成されている溝４４の形態が重要である。
前述したような作用効果を発揮させるための固定環４０の摺動面４１及び溝４４の形状について説明する。

まず、摺動面４１に形成する溝４４は、その１個の溝４４の角度α（図２参照）と、溝と溝との間隔（ダム部）の角度βとの関係が、次式（５）のような関係となるような平面形状に形成するのが好適である。

〔数５〕
０．１ ≦ α／β ≦ ３５ …（５）

α／βの値が０．１より小さい場合、溝４４の円周方向の長さはわずかであり十分な作用効果が得られない。
また、α／βの値が３５より大きい場合は、複数の溝４４を形成しようとするとダム部の幅が著しく狭くなり、加工上問題が生じる。ダム部の実際の長さは、加工上１ｍｍ以上有するのが好ましい。
また、ダム部の長さを確保した上で溝４４のα／βの値が３５より大きくなる場合として、溝４４の数が極端に少なくなるような場合、具体的には全周にわたって溝が形成されているような場合が考えられる。そのような場合も、十分な作用効果が得られない。

α／βの値が０．１より小さい場合、及び、３５より大きい場合でシールが不適切な場合とは、いずれも、例えば異音が発生したり、固定環４０と回転環６０とが完全接触したり、過度な押圧が加わったり、あるいは固定環４０と回転環６０との間で圧力が維持できない状態となる場合である。なお、固定環４０と回転環６０とが完全接触したり過度な押圧が加わると、固定環４０の温度が異常に上昇することになる。また、固定環４０と回転環６０との間で圧力が維持できないと、被密封流体が漏洩することになる。

固定環４０の摺動面４１の全周にわたって溝を形成した場合と、摺動面４１の円周に沿って複数の長円形状の溝を形成した場合の、時間の経過とともに流体圧力を変化させた時の固定環４０の温度上昇測定値を図３に示す。
被密封流体として窒素ガスを用いてメカニカルシール装置１の回転軸２０を毎分３０００回転で回転させて図３（Ｂ）に示すような流体圧力を印加した場合、固定環４０の温度は図３（Ａ）に示すようになる。
図３（Ａ）において、グラフａは、摺動面４１の全周にわたって溝を形成した場合の温度を示す図であり、グラフｂは、摺動面４１の円周に沿って複数の長円形状の溝を形成した場合の温度を示す図であり、グラフｃは室温を示す図である。

図３（Ａ）にグラフａで示すように、摺動面４１の全周にわたって溝を形成した場合には、例えば試験時間２００分以降において行っているように、流体圧力を変動させた場合に固定環４０の温度が乱れ、最終的に非常に高温状態となっている。このことは、固定環４０と回転環６０とが完全接触したり過度な押圧で押し付けられた状態となり、固定環４０と回転環６０とが僅かに接触するという適切なシール状態となっていないことを示している。

一方、固定環４０の摺動面４１に円周に沿って複数の長円形状の溝を形成した場合には、図３（Ａ）にグラフｂで示すように、流体圧力を高くしたり変動させたとしても、固定環４０の温度の変動は微小であり、実質的に一定温度に維持できている。すなわち、固定環４０と回転環６０は所望のわずかな接触状態に維持されていることがわかる。

このことから、α／βの値は３５以下が適切であり、また、溝４４の数もある程度必要であることがわかる。
なお、本実施形態のメカニカルシール装置１は、前述したようにαは２０°、βは１０°であり、α／βは２である。また、溝４４の数は１２である。この条件は、メカニカルシール装置１の構成の最適な条件の１つである。

また、溝４４の深さは、本実施形態のメカニカルシール装置１においては均一に１ｍｍの深さとし、特段に特徴的な構成とする必要は無い。実質的に流体がある程度収容される容積を確保できるような深さがあれば特に問題は無く、底面を特定の形状等にする必要は無い。

また、固定環４０の摺動面４１における溝４４の配置を示す溝４４の内径Ｄｇは、摺動面４１の内径Ｄｉ及び外径Ｄｏ、及び、シール部３０のバランス径Ｄｂとの関係において、次式（６）に示す条件を満たすような値とするのが好適である。換言すれば、固定環４０の摺動面４１の形状（内径及び外径）、その摺動面４１に形成する溝４４の配置（内径）、あるいは、シール部３０のバランス径は、式（６）に示す条件を満たすような関係となるように、すなわち下記に示すバランス比Ａ／Ｂが１．４〜２．０の範囲となるように構成するのが好適である。

〔数６〕
１．４＜Ａ／Ｂ＜２．０ …（６）
但し、Ａは、シール部３０の全体のバランス値であって、
Ａ＝（Ｄｏ^２−Ｄｂ^２）／（Ｄｏ^２−Ｄｉ^２）×１００、
Ｂは、溝４４内径のバランス値であって、
Ｂ＝（Ｄｇ^２−Ｄｂ^２）／（Ｄｇ^２−Ｄｉ^２）×１００、
また、Ｄｏは、摺動面の外径、
Ｄｉは、摺動面の内径、
Ｄｂは、バランス径、
Ｄｇは、溝の内径、
である。

この条件値（バランス比）Ａ／Ｂが１．４及び１．６の場合の、被密封流体圧力と摺動部３３での漏洩量との関係を図４に示す。
図４に示すように、Ａ／Ｂ値が１．４の場合には、被密封流体圧力が０．０３ＭＰａＧより大きくなると一気に漏洩量が増しており、そのようなわずかな圧力で実質的にシールが破壊された状態となることがわかる。一方で、Ａ／Ｂ値が１．６あれば、被密封流体圧力が３．０ＭＰａＧにまでなったとしても漏洩量はほとんど無く、高い密封性能でシールが維持されていることがわかる。

なお、Ａ／Ｂ値が１．４の場合には、回転軸２０が回転しない状態で、すなわち静圧の段階で被密封流体のシールが行えなかった。すなわち、０．３〜０．５ＭＰａＧ程度の流体圧力で１００Ｎリットル／ｍｉｎの液漏れが発生することとなった。なお、本実施形態のメカニカルシール装置１は、前述したように、固定環４０の摺動面４１の内径Ｄｉは６５．３ｍｍであり、摺動面４１の外径Ｄｏは８６ｍｍであり、溝４４の内径Ｄｇは７５ｍｍであり、バランス径Ｄｂは７０ｍｍである。従って、Ａ／Ｂ値は約１．５であり、最適な条件の一例である。

なお、前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。本実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。

例えば、固定環４０の摺動面４１に形成した固定環４０の形状、数等は、図２に示した例に限られるものではなく、前述した条件を満たす範囲で任意に変更してよい。
例えば、図５（Ａ）に示すように、溝の長さを若干短くした構成であってもよい。図５（Ａ）に示す固定環４０ｂの溝４４ｂは、その数は１２個で図２に示した本実施形態の固定環４０と同じであるが、１個の溝４４ｂの角度αは１５°であり、溝と溝との間隔（ダム部）の角度βも１５°である。従って、その比α／βは１．０となり式（３）の条件を満たす。
また、図５（Ｂ）に示すように、さらに溝の長さを若干短くした構成であってもよい。図５（Ｂ）に示す固定環４０ｃの溝４４ｃは、１個の溝４４ｃの角度αは７．５°であり、溝と溝との間隔（ダム部）の角度βも７．５°であり、溝４４ｃの個数は２４個となっている。このような構成でも、α／βの値は１．０となり式（３）の条件を満たす。
溝の形状はこのような構成であってもよい。

また、本実施形態においては、固定環４０がカーボンで形成されるものとし、回転環６０がセラミックや超硬質鋼により形成されるものとし、軟質材たるカーボン製の固定環４０に溝４４を構成するようにした。
しかしながら、例えば硬質材たる回転環６０の摺動面６１に溝を形成するようにしてもよい。
また、回転環６０をカーボンで形成し、固定環４０をセラミックや超硬質鋼により形成し、軟質材たるカーボン製の回転環６０に溝を構成するようにしてもよい。さらにまた、そのように固定環４０をセラミックや超硬質鋼により形成した場合においても、その固定環４０に溝を構成するようにしてもよい。
本発明によれば、軟質材で構成された固定環又は回転環に溝を形成して長寿命なメカニカルシール装置１を実現することができるので、加工の容易性等から軟質材で形成された方に溝を形成する方が有効である。しかしながら、加工の容易性を特段に要望されない場合等には、溝はどちらに形成しても、あるいはまたどのような材料で形成された固定環又は回転環に形成してもよい。

産業上の利用分野

以上説明したように、本発明は、例えば石油精製、化学等のポンプ、コンプレッサー、ブロワー等に用いられて任意の液体やガス等の被密封流体をシールするメカニカルシール装置に有用である。また、固定環又は回転環の磨耗を防止して長寿命化したメカニカルシール装置に有用である。さらにまた、製作が容易で製造コストが安価なメカニカルシール装置に有用である。

図１は、本発明の一実施形態のメカニカルシール装置の構成を示す図である。図２は、図１に示したメカニカルシール装置の固定環の摺動面の形態を示す図である。図３は、固定環に形成した溝の形態と、時間の経過とともに流体圧力を変化させた時の固定環の温度上昇測定値を示す図である。図４は、シール部全体のバランス値と溝のバランス値の比に対する、被密封流体の圧力と漏洩量との関係を示す図である。図５は、固定環の摺動面の他の形態を示す図である。

符号の説明

１…メカニカルシール装置
１０…ハウジング
１１…Ｏリング
１２…シールハウジング
１３…ボルト
１４…内壁部
２０…回転軸
２１…スリーブ
３０…シール部
３１…固定側シール部
４０…固定環
４１…摺動面
４４…溝
５１…スプリング
５２…保持部
３２…回転側シール部
６０…回転環
６１…摺動面
７１…回転環固定部
７３，７４…Ｏリング
７５…ねじ

Claims

回転軸を囲むハウジングに固定された固定環と前記回転軸に装着された回転環とが接して摺動することにより当該摺動面において被密封流体をシールするメカニカルシール装置であって、
前記固定環の前記回転環との摺動面、又は、前記回転環の前記固定環との摺動面のいずれか一方に、当該摺動面の円周方向に沿って複数の溝が形成されており、
前記溝の各々は、前記摺動面以外の外部から圧力が導入されない独立した溝であって、その形状が式（１）及び式（２）の条件を満たす形状であることを特徴とするメカニカルシール装置。
〔数１〕
０．１ ≦ α／β ≦ ３５ …（１）
但し、αは、前記摺動面内の溝角度、
βは、前記摺動面内の溝と溝との間隔の角度
である。
〔数２〕
１．４＜Ａ／Ｂ＜２．０ …（２）
但し、Ａ＝（Ｄｏ^２−Ｄｂ^２）／（Ｄｏ^２−Ｄｉ^２）×１００、
Ｂ＝（Ｄｇ^２−Ｄｂ^２）／（Ｄｇ^２−Ｄｉ^２）×１００、
Ｄｏは、前記摺動面の外径、
Ｄｉは、前記摺動面の内径、
Ｄｂは、バランス径、
Ｄｇは、前記溝の内径
である。
前記溝は、前記固定環又は前記回転環の、いずれかより軟質な材料で構成してある側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
前記複数の溝における溝と溝との間隔は、１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のメカニカルシール。