JP2008164059A - 非接触形メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【目的】密封端面間を適正な非接触状態に保持することができ、良好且つ安定したシール機能を発揮しうる非接触形メカニカルシールを提供する。
【構成】回転軸１に固定された回転密封環３とシールケース２に金属製の保持環５を介して軸線方向移動可能に保持された静止密封環４とを具備し、両密封環３，４の対向端面たる密封端面３ａ，４ａをその間に発生させた動圧により非接触状態に保持するように構成された、静止密封環４が回転密封環３の上方に位置する縦型の非接触形メカニカルシールにおいて、保持環５を、静止密封環４の構成材と熱膨張係数が近似する軽比重の金属材で構成する。例えば、静止密封環４がカーボンで構成されている場合、保持環５をチタンで構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばコンプレッサ，スチームタービン，ブロワ，ポンプ等の主として気体を扱う回転機器において好適に使用される非接触形メカニカルシールに関するものである。

従来のこの種の非接触形メカニカルシールとしては、図２に示す如く、回転軸１０１に固定された回転密封環１０３と、シールケース１０２にＯリング１０８を介して軸線方向移動可能に保持された保持環１０５と、シールケース１０２と保持環１０５との間に介装されたスプリング部材１０６と、このスプリング部材１０６により保持環１０５を介して回転密封環１０３へと押圧附勢された静止密封環１０４と、静止密封環１０４と保持環１０５との対向端面間に介在されて両環１０４，１０５間を二次シールするＯリング１１１とを具備し、両密封環１０３，１０４の対向端面たる密封端面１０３ａ，１０４ａ間を、回転密封環１０３の密封端面１０３ａに形成した動圧発生溝１０３ｂにより動圧を発生させることによって流体膜を介在させた非接触状態に保持しつつ、この流体膜形成部分において密封端面１０３ａ，１０４ａの外周側領域である被密封流体領域Ｈとその内周側領域である非密封流体領域(大気領域)Ｌとをシールしうるように構成されたもの（以下「従来シール」という）が周知である(例えば、特許文献１の図１参照)よく知られている。

従来シールにあって、回転密封環１０３、静止密封環１０４及び保持環１０５は、その機能や形状の違いから異質材で構成されており、一般に、回転密封環１０３はＷＣ，ＳｉＣ等の超硬質材で、静止密封環１０４は回転密封環１０３の構成材に比して軟質のカーボンで、また保持環１０５はシールケース１０２と同材質のＳＵＳ３１６等の鋼材で構成されている。

ところで、被密封流体が温度変化する条件下においては、静止密封環１０４と保持環１０５とが嵌合等により密着一体化されている場合には、両環１０４，１０５の接触部分においてそれらの熱歪が相互に干渉することになり、その結果、静止密封環４については、保持環５の熱歪の影響を強く受けて、それ自身の熱歪とは全く異なる歪状態を呈することなる。このため、静止密封環１０４の密封端面１０４ａの平滑度や相手密封端面１０３ａに対する同心度，平行度が損なわれて、密封端面１０３ａ，１０４ａ間に発生する動圧が不均一となったり、極端な場合には、動圧発生不良や密封端面１０３ａ，１０４ａの局部的接触といった不測の事態を生じて、長期に亘って良好なシール機能を発揮し得ないといった問題が生じる虞れがある。これに対して、上記した従来シールでは、図２に示す如く、静止密封環１０４がＯリング１１１を介して保持環１０５に保持させているから、両環１０４，１０５の熱歪量差はＯリング１１１の弾性変形により吸収されて相互に干渉せず、静止密封環１０４が保持環１０５の熱歪による悪影響を受けることがないと考えられる。

実開平４−１３４９６３号公報

しかし、従来シールにおいても、静止密封環１０４と保持環１０５との熱歪量差による上記した問題が十分に解消されておらず、その対策に苦慮しているのが実情である。

すなわち、保持環１０５の構成材である鋼材（ＳＵＳ３１６等）の熱膨張係数（線膨張係数であり、以下において同じ）は静止密封環１０４の構成材であるカーボンに比して極めて大きい（カーボンが４×１０−６ｍｍ／℃であるのに対し、例えばＳＵＳ３１６は１６×１０−６ｍｍ／℃である）ため、被密封流体が昇温された場合、図３（Ａ）に示す如く、保持環１０５の径方向熱歪量(熱膨張量)ｅ１は静止密封環１０４の径方向熱歪量（熱膨張量）Ｅ１に比して大きい。したがって、両環１０４，１０５とＯリング１１１との接触部分が相対的に逆方向に変位することになり、Ｏリング１１１には、その断面において図３（Ａ）に示す方向の回転力が付与されることになる。その結果、静止密封環１０４には、保持環１０５に対して図３（Ａ）に示す方向のモーメントＭ１が作用することになり、静止密封環１０４の密封端面１０４ａが相手密封端面（回転密封環１０３の密封端面１０３ａ）に対して外開き状態に傾くことになる。また、逆に被密封流体が降温された場合、図３（Ｂ）に示す如く、保持環１０５の径方向熱歪量(熱収縮量)ｅ２は静止密封環１０４の径方向熱歪量（熱収縮量）Ｅ２に比して大きいため、Ｏリング１１１には、その断面において上記降温時とは逆方向の回転力が付与されることになり、その結果、静止密封環１０４には、上記降温時とは逆方向のモーメントＭ２が作用して、静止密封環１０４の密封端面１０４ａが相手密封端面）に対して内開き状態に傾くことになる。

而して、このように静止密封環１０４の密封端面１０４ａが傾いて両密封端面１０３ａ，１０４ａの平行度が損なわれると、密封端面１０３ａ，１０４ａ間に発生する動圧が不均一となったり、極端な場合には、動圧発生不良や密封端面１０３ａ，１０４ａの局部的接触といった不測の事態を生じて、良好なシール機能を期待し得ない。

また、従来シールにあっては、上記したような温度変化が生じない条件下においても、次のような問題が生じる。

例えば、保持環１０５が比重の大きなＳＵＳ３１６等の鋼材で構成されているため、保持環１０５の重量は相当なものとなっている。したがって、回転軸１０１が低速回転されるような条件下や機器振動等の外乱要因の強い条件下においては、密封端面１０３ａ，１０４ａ間に発生する動圧による開力（密封端面１０３ａ，１０４ａ間を開く方向に作用する推力）とのバランス上、保持環１０５の軸線方向移動が円滑に行われず、静止密封環１０４の追従不良を招来して、密封端面１０３ａ，１０４ａ間を適正な非接触状態に保持し得ない虞れが生じる。特に、静止密封環１０４が回転密封環１０３の上方に位置する縦型の非接触形メカニカルシールとして使用される場合には、保持環１０５の重量が密封端面１０３ａ，１０４ａ間を閉じる方向に作用する閉力として機能することになるため、密封端面１０３ａ，１０４ａ間を適正な非接触状態に保持し得ない虞れがより強くなる。

本発明は、このような問題を生じることなく、密封端面間を適正な非接触状態に保持することができ、良好且つ安定したシール機能を発揮しうる非接触形メカニカルシールを提供することを目的とするものである。

本発明は、回転軸に固定された回転密封環とシールケースに金属製の保持環を介して軸線方向移動可能に保持された静止密封環とを具備し、両密封環の対向端面たる密封端面をその間に発生させた動圧により非接触状態に保持するように構成された非接触形メカニカルシールにおいて、上記の目的を達成すべく、特に、保持環を、静止密封環の構成材と熱膨張係数が近似する軽比重の金属材で構成しておくことを提案するものである。

好ましい実施の形態にあって、静止密封環はカーボンで構成されるが、かかる場合においては、保持環をチタンで構成しておくことが好ましい。また、本発明は、静止密封環が回転密封環の上方に位置する縦型の非接触形メカニカルシールとして使用される場合に好適する。

本発明の非接触形メカニカルシールにあっては、保持環を静止密封環の構成材と熱膨張係数が近似する軽比重の金属材で構成する（例えば、静止密封環がカーボン製のものである場合、保持環をチタン製のものとする）ため、被密封流体が温度変化する場合においても、静止密封環と保持環との間に大きな熱歪量差が生じず、静止密封環に冒頭で述べたような大きなモーメントＭ１，Ｍ２が作用しない。したがって、静止密封環が傾いて密封端面の平行度が損なわれる虞れがなく、被密封流体が温度変化する条件下においても、密封端面間を動圧とバランスする適正な非接触状態に保持することができ、良好且つ安定したシール機能を発揮させることができる。

また、保持環を、これがＳＵＳ３１６等の鋼材で構成される場合に比して、大幅に軽量化することができるから、回転軸が低速回転となる条件や機器振動等の外乱要因がある条件下においても、保持環を介しての静止密封環の軸線方向移動が円滑に行われて、密封端面間を動圧とバランスする適正な非接触状態に保持することができ、良好且つ安定したシール機能を発揮させることができる。

また、静止密封環が回転密封環の上方に位置する縦型の非接触形メカニカルシールとして使用される場合にも、保持環の重量による閉力増加が少ないことから、回転軸が低速回転される等により密封端面間に発生する動圧が低い場合にも、密封端面間を動圧とバランスする適正な非接触状態に保持することができ、良好且つ安定したシール機能を発揮させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１を参照して具体的に説明する。図１は本発明に係る非接触形メカニカルシールの一例を示す縦断側面図である。なお、以下の説明において、上下とは、図１における上下を意味するものとする。

この実施の形態における非接触形メカニカルシールは、図１に示す如く、回転軸１が上下方向に延びる回転機器（攪拌機等）の軸封手段として使用される縦型のもので、回転機器ハウジングの軸封部（図示せず）に取り付けられたシールケース２と、回転軸１に固定された回転密封環３と、回転密封環３の上位に配して当該密封環３に直対向する静止密封環４と、静止密封環４の上位に配してシールケース２に保持された保持環５と、シールケース２と保持環５との間に介装されたスプリング部材６とを具備して、両密封環３，４の上下対向端面たる密封端面３ａ，４ａを、その間に発生させた動圧により非接触状態に保持しつつ、当該回転機器の機内領域である被密封流体領域（機内ガス領域）Ｈと機外領域である非密封流体領域（大気領域）Ｌとを遮蔽するように構成された動圧型のノンコンタクトガスシールである。

シールケース２は、図１に示す如く、円筒状のガイド部２ａと円環状のリテーナ部２ｂとを有する円筒構造体であって、ＳＵＳ３１６等の金属材で構成されている。回転軸１は、ガイド部２ａ及びリテーナ部２ｂを上下方向に同心状に貫通する。

回転密封環３はＷＣ，ＳｉＣ等のセラミックスや超硬合金等の超硬質材で構成されたもので、図１に示す如く、上端面たる密封端面３ａには、被密封流体領域Ｈに臨む外周部へと開口するスパイラル状等の適宜形状をなす動圧発生溝３ｂが形成されている。この動圧発生溝３ｂの作用により、両密封環３，４の相対回転に伴い密封端面３ａ，４ａ間に動圧を発生せしめて、密封端面３ａ，４ａ間を流体膜を介在形成させた非接触状態に保持する。而して、この流体膜の形成部分において、密封端面３ａ，４ａの外周側領域である被密封流体領域（例えば、タービン等の機内である高圧ガス領域）Ｈとその内周側領域である非密封流体領域たる大気領域Ｌとの間をシールするようになっている。

静止密封環４は回転密封環３の構成材より軟質の材料（この例では、カーボン）で構成されたもので、図１に示す如く、シールケース２のガイド部２ａに極く微小な隙間を有する状態で軸線方向移動自在に内嵌保持されている。すなわち、静止密封環４の背面側（上面側）における外周部分及び内周部分には、夫々、密封端面４ａの外径及び内径より大径とした環状凸部４ｂ及び環状凹部４ｃが形成されていて、環状凸部４ｂを、例えばＪＩＳ−Ｂ０４０１にいう「すき間ばめ」程度の寸法公差をもってガイド部２ａに嵌合させることによって、環状凸部４ｂの外周面とガイド部２ａの内周面との間に、静止密封環４の径方向変位を可及的に阻止するも、その軸線方向移動並びに流体の通過を許容する、極く微小な隙間７が形成されるようになっている。

保持環５は、図１に示す如く、円筒状の被保持部５ａとその先端側（下端側）に形成された円環状の押圧部５ｂとを備えた断面Ｌ字形状に成形されている。この保持環５は、図１に示す如く、被保持部５ａをシールケース２のリテーナ部２ｂの内周部にゴム製のＯリング８を介して嵌挿保持させることによって、シールケース２に、これとの間を二次シールさせた状態で、軸線方向（上下方向）に移動可能に保持されている。保持環５は、静止密封環４の構成材と熱膨張係数が近似し且つ一般的な保持環構成材である鋼材より軽比重の金属材で構成されている。この例では、カーボン製の静止密封環４に対して、カーボンと熱膨張係数が近似し且つ鋼材より比重の小さなチタン（熱膨張係数：８．２×１０−６ｍｍ／℃，比重：４．５１）で保持環５を構成してある。

なお、静止密封環４は、図１に示す如く、これに形成した凹部４ｄに保持環５の押圧部５ｂに植設せる適当数の回り止めピン（一つのみ図示）９を突入係合させておくことにより、保持環５に対して相対回転不能とされている。また、保持環５は、図１に示す如く、これに植設せる適当数の回り止めピン（一つのみ図示）１０をシールケース２のリテーナ部２ｂに形成した凹部２ｃに突入係合させておくことにより、シールケース２に対して相対回転不能とされている。
スプリング部材６は、図１に示す如く、適当数のコイルスプリング（一つのみ図示）をシールケース２のリテーナ部２ｂと保持環５の押圧部５ｂとの間に介装してなり、保持環５を軸線方向において回転密封環３に向かう方向に押圧附勢する。

而して、静止密封環４と保持環５との間は、図１に示す如く、両環４，５の軸線方向における対向端面４ｅ，５ｃ間にＯリング１１を介在させることによって、二次シールされた非接触状態に保持されている。

すなわち、保持環５の前面つまり押圧部５ｂの前面５ｃに同心の環状溝５ｄを形成し、この環状溝５ｄにゴム製のＯリング１１を若干突出させた状態で嵌合保持させることによって、静止密封環４を、スプリング部材６による附勢作用と相俟って、保持環５との間に適当なクリアランス１２を有したシール状態で、回転密封環３へと押圧させるべく附勢保持せしめている。なお、押圧部５ｂの前面５ｃには、図１に示す如く、静止密封環４の内周側空間つまり環状凹部４ｃへと遊嵌状に突入する円環状のＯリング保持部５ｅが突設されている。Ｏリング１１は、径方向において、被密封流体領域Ｈの流体圧力によってＯリング保持部５ｅ（環状溝５ｄの内径側壁面部）に押圧接触された状態であって環状溝５ｄの外径側壁面部５ｆには非接触の状態で保持される。環状凹部４ｃとＯリング保持部５ｅとの径方向隙間は、両部４ｃ，５ｅが両環４，５の歪みによっては干渉しない範囲で可及的に小さく設定しておくことが好ましい。

以上のように構成された非接触形メカニカルシールにあっては、保持環５が静止密封環４の構成材たるカーボンと熱膨張係数が近似するチタンで構成されているから、被密封流体が温度変化する場合にも、両環４，５の径方向における熱歪量差が小さく、両環４，５とＯリング１１との接触点における径方向での相対変位が僅かであり、Ｏリング１１の弾性変形で吸収される程度となる。したがって、両環４，５間に挟圧されたＯリング１１に回転力を与えることがなく、昇温時及び降温時の何れにおいても図３に示す如きモーメントＭ１，Ｍ２が作用することがなく、静止密封環４が傾くようなことがない。

また、保持環５がＳＵＳ３１６等の鋼材より軽比重のチタン（例えば、ＳＵＳ３１６の比重が７．８８であるのに対し、チタンの比重は４．５１である）で構成されているから、形状を同一とした場合、チタン製の保持環５は、一般的な鋼材製の保持環に比して、大幅に軽量化される。したがって、回転軸１が低速回転する条件下や機器振動等の外乱要因がある条件下においても、保持環５の軸線方向移動が円滑に行われ、その結果、静止密封環４の追従動作が円滑に行われ、密封端面３ａ，４ａ間を適正な非接触状態に保持することができる。

また、当該メカニカルシールが、図１２に示す如く、静止密封環４が回転密封環３の上方に位置する縦型の非接触形メカニカルシールである場合、保持環５の重量が密封端面３ａ，４ａ間を閉じる方向に作用する閉力として機能することになるが、上記した如く保持環５が軽量化されているために、保持環５の重量が密封端面３ａ，４ａ間に発生する動圧とのバランスを損なうようなことがなく、密封端面３ａ，４ａ間を適正な非接触状態に保持することができる。

したがって、上記した構成の非接触形メカニカルシールによれば、温度が変化するような条件下や低速回転等により静止密封環４の回転密封環３からの動圧による離間作用（浮上作用）が困難である条件下においても、密封端面３ａ，４ａ間を適正な非接触状態に保持することができ、良好且つ安定した非接触形メカニカルシール機能を発揮することができる。

なお、本発明に係る非接触形メカニカルシールは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良，変更することができる。

本発明に係る非接触形メカニカルシールの一例を示す縦断側面図である。 従来シールを示す縦断側面図である。 図２の要部を拡大して示す作用説明図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ シールケース
３ 回転密封環
３ａ 回転密封環の密封端面
４ 静止密封環
４ａ 静止密封環の密封端面
５ 保持環
６ スプリング部材
１１ Ｏリング
Ｈ 被密封流体領域
Ｌ 非密封流体領域

Claims (2)

1. 回転軸に固定された回転密封環とシールケースに金属製の保持環を介して軸線方向移動可能に保持された静止密封環とを具備し、両密封環の対向端面たる密封端面をその間に発生させた動圧により非接触状態に保持するように構成された非接触形メカニカルシールにおいて、
   保持環を、静止密封環の構成材と熱膨張係数が近似する軽比重の金属材で構成したことを特徴とする非接触形メカニカルシール。
2. 静止密封環が回転密封環の上方に位置する縦型の非接触形メカニカルシールであることを特徴とする、請求項１に記載する非接触形メカニカルシール。

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