JP2010025201A - 静圧形の非接触メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】被処理物に対する摩耗粉等の異物の混入を防止することができ、しかも一対の密封環の対向端面からの被処理物の漏洩を防止することが可能な静圧形の非接触メカニカルシールを提供する。
【解決手段】処理容器１２の底部１３に設けられる静止密封環３０と、静止密封環３０の上側に軸方向に対向するように回転軸１５に固定される回転密封環４０とを備えた静圧形の非接触型メカニカルシール１０である。静止密封環３０と回転密封環４０の対向端面３０ａ，４０ａは、下方開放状の内部空間Ｒを有するリテーナ４１によって上方および径方向外側から覆われ、リテーナ４１の内部空間Ｒに配置されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、静圧形の非接触メカニカルシールに関する。

液体や粉体等の各種被処理物を処理する回転機器、例えば、被処理物の攪拌を行う攪拌機には、処理容器の底部に攪拌羽根を有する回転軸を貫通させたものがある。このような回転機器においては、処理容器と回転軸との間に被処理物の漏れを防止するためのシール装置を設けることが必須となる。
処理容器と回転軸との間に設けられるシール装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、処理容器の回転軸貫通部に設けられた静止密封環と、回転軸に設けられた回転密封環とを軸方向に接触させることによってシールを行う端面接触型のメカニカルシールが従来から知られている。

しかし、このような端面接触型のメカニカルシールは、静止密封環と回転密封環との接触により摩耗粉が発生するため、食品や医薬品の製造のようにコンタミネーションの発生が厳しく制限される分野では採用し難い。
また、静止密封環および回転密封環の一方は、シールケースに対してＯリングを介して軸方向移動可能に設けられるが、このＯリングに、例えばスラリー状の被処理物が付着すると、その粘性や固化によって当該一方の密封環の円滑な軸方向移動が阻害され、対向端面から被処理物が漏れる可能性が高くなる。また、Ｏリングに付着した被処理物が腐食して不衛生な状態になるという問題も生じる。

一方、シール装置としては、特許文献２に開示されているように、静止密封環と回転密封環の対向端面にシールガス（パージガス）を供給することによって当該対向端面を非接触状態にする静圧形の非接触メカニカルシールも知られており、かかる非接触メカニカルシールの場合、摩耗粉の発生が極微であることからコンタミネーションの抑制に好都合である。しかし、静止密封環と回転密封環の対向端面が非接触となることから被処理物の漏れが問題となり、特に液体の漏洩防止には不適である。また、シールケースと密封環との間のＯリングに対する被処理物の付着は、接触型のメカニカルシールと同様に防止することができない。

実開平５−２７４３３号公報 特開２０００−１４５９７６号公報

本発明は、被処理物に対する摩耗粉等の異物の混入を防止することができ、しかも一対の密封環の対向端面からの被処理物の漏洩を防止することが可能な静圧形の非接触メカニカルシールを提供することを目的とする。

本発明は、被処理物を収容する容器と、この容器の底部を上下方向に貫通する回転軸との間をシールする、静圧形の非接触メカニカルシールであって、互いに軸方向に対向するように前記容器の底部と前記回転軸とにそれぞれ設けられ、いずれか一方が軸方向に移動可能とされている一対の密封環と、軸方向に移動可能な一方の密封環を他方の密封環へ向けて軸方向に付勢する付勢手段と、前記一対の密封環の対向端面にシールガスを供給し、前記付勢手段の付勢力に抗して前記対向端面に隙間を形成するシールガス供給手段と、下方開放状の内部空間を有し、前記一対の密封環の対向端面を上方および径方向外側から覆う被覆部材と、を備えていることを特徴とする。

この構成によれば、一対の密封環の対向端面にシールガスを供給することによって、当該対向端面に隙間を形成し、一対の密封環を非接触にした状態で容器と回転軸との間をシールすることができる。これによって一対の密封環の接触に伴う摩耗粉の発生を抑制し、当該摩耗粉が被処理物へ混入するのを防止することができる。
また、被覆部材は、下方開放状の内部空間を有しているので、容器内に液体の被処理物を入れた状態でも内部空間に気体相を形成することができ、しかも一対の密封環の対向端面から内部空間に流入するシールガスによって気体相を良好に維持することができる。そのため、被覆部材によって覆われてその内部空間に配置された一対の密封環の対向端面に被処理物が到達することはほとんど無く、当該対向端面からの被処理物の漏れを防止することができる。

また、本発明は、前記容器の回転軸貫通部に環状のシールケースが固定され、このシールケースの内周部に下側の密封環がシール部材を介して軸方向移動可能に保持され、このシール部材の少なくとも上端部が、前記被覆部材の内部空間に配置されていることが好ましい。このような構成によって、容器内の被処理物がシール部材に付着するのを防止することができ、当該付着に起因して下側の密封環の軸方向移動が阻害され、シール性能が低下してしまうのを防止することができる。

本発明によれば、被処理物に対する摩耗粉等の異物の混入を防止することができ、しかも一対の密封環の対向端面からの被処理物の漏洩を防止することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る静圧形の非接触メカニカルシールを示す断面図であり、図２は、図１の非接触メカニカルシールの左半分を拡大して示す断面図である。
この非接触メカニカルシール１０は、例えば、回転機器としての攪拌機１１において、処理容器１２と回転軸１５との間をシールするために用いられている。攪拌機１１の処理容器１２は、内部に液体や粉体等の被処理物Ｔ（点線のクロスハッチングで示す）を収容可能とされており、処理容器１２の底部１３には、回転軸１５を上下方向に貫通させるための貫通口１４が形成されている。回転軸１５は、モータ等の駆動源から動力を受けて回転し、処理容器１２内の被処理物Ｔを図示しない攪拌羽根によって攪拌するように構成されている。

非接触メカニカルシール１０は、貫通口１４に装着されたシールケース２１と、このシールケース２１に保持された静止密封環３０と、この静止密封環３０の上側に対向するように回転軸１５に固定された回転密封環４０とを備えて主構成され、静止密封環３０と回転密封環４０との間で被処理物Ｔの漏洩を防止するものとされている。
シールケース２１は、ケース本体２２と、保持部２３とから構成されている。ケース本体２２は、筒体２２ａと、この筒体２２ａの上部から径方向に延びるフランジ部２２ｂとを備え、筒体２２ａは貫通口１４に挿入され、フランジ部２２ｂは底部１３上に載置されている。筒体２２ａの内周面には軸受２９が取り付けられ、この軸受２９によって回転軸１５が回転自在に支持されている。ケース本体２２のフランジ部２２ｂは、連結ボルト２５によって底部１３に固定されている。フランジ部２２ｂと底部１３との間にはＯリングＳ１が設けられ、このＯリングＳ１によって両者間への被処理物Ｔの浸入が防止されている。また、ケース本体２２の上面には、環状の突出部２２ｃが上方突出状に形成されている。

シールケース２１の保持部２３は環状に形成され、突出部２２ｃの外周面に嵌合された状態でケース本体２２のフランジ部２２ｂに連結ボルト２７によって連結されている。フランジ部２２ｂの上面と保持部２３の下面との間にはＯリングＳ２が設けられ、両者間への被処理物Ｔの浸入が防止されている。
図２に示すように、保持部２３の中央には、静止密封環３０を保持するための保持孔２３ａが形成されている。また、保持孔２３ａの上端部には、上方および径方向内方へ向けて突出する断面Ｌ字状の突部２３ｂが形成されている。

静止密封環３０は、シールケース２１の保持孔２３ａの内側に挿入され、保持孔２３ａの内周面と静止密封環３０の外周面との間には、上下一対のＯリングＳ３，Ｓ４が設けられている。この構成により、静止密封環３０は上下方向（軸方向）に移動自在にシールケース２１に保持されている。上側のＯリングＳ３は、突部２３ｂによって上方への移動が規制され、下側のＯリングＳ４は、突出部２２ｃによって下方への移動が規制されている。
図１に示すように、静止密封環３０は、ケース本体２２に取り付けられた規制ピンによって回転が規制され、付勢手段を構成するバネ３５によって上方へ付勢されている。また、静止密封環３０の内側には隙間をあけてスリーブ２８が配置され、このスリーブ２８は回転軸１５の外周面に嵌合されている。

回転密封環４０は、下端面４０ａが静止密封環３０の上端面３０ａに上下方向に対向するように配置され、回転軸１５に固定されたリテーナ４１に支持されるとともに、図示しないドライブピンによってリテーナ４１に一体回転可能に連結されている。回転密封環４０の内周面と回転軸１５の外周面との間にはＯリングＳ５が設けられている。また、回転密封環４０の下端面４０ａには、バネ３５の付勢力によって静止密封環３０の上端面３０ａが当接している。
なお、静止密封環３０は、例えばカーボン等の自己潤滑性を有する材料により形成され、回転密封環４０の下端面４０ａは、静止密封環３０よりも硬質な材料（セラミック等）から形成されている。

リテーナ４１は下向きの椀形状に形成されている。すなわち、リテーナ４１は、上壁部４１ａと、この上壁部４１ａの径方向外端から下方に延びる外周壁部４１ｂとを備え、この上壁部４１ａと外周壁部４１ｂとによって囲まれた下方開放状の内部空間Ｒとを有している。上壁部４１ａの中央には、回転軸１５を貫通させる貫通孔４１ａ１が形成され、上壁部４１ａの下面には、回転密封環４０を収容するための収容凹部４１ｃが形成されている。回転密封環４０の外周面とリテーナ４１の収容凹部４１ｃの内周面との間にはＯリングＳ６が設けられている。また、上壁部４１ａの上面と外周壁部４１ｂの外周面との境界部にはテーパー面４１ｄが形成されている。

回転密封環４０の下端面４０ａとリテーナ４１の上壁部４１ａの下面とは略面一とされている。そして、回転密封環４０の下端面４０ａと、この下端面４０ａに対向する静止密封環３０の上端面３０ａとはリテーナ４１の内部空間Ｒに収められている。これにより、リテーナ４１は、静止密封環３０および回転密封環４０の対向端面３０ａ，４０ａの上方および径方向外側を覆う被覆部材として機能している。

リテーナ４１の外周壁部４１ｂは、シールケース２１の突部２３ｂよりも径方向外側に配置され、突部２３ｂの内側に配置されたＯリングＳ３の上端よりも下方に延伸している。これにより、ＯリングＳ３の上端および突部２３ｂの上端は、リテーナ４１の内部空間Ｒ内に配置されている。また、リテーナ４１の外周壁部４１ｂは、シールケース２１の突部２３ｂの径方向外側にオーバーラップし、隙間ｔをあけて配置されている。この隙間ｔは、内部空間Ｒと処理容器１２内部とを上下方向に連通する。
また、以上の構成を言い換えると、リテーナ４１の内部空間Ｒには、シールケース２１の上部（突部２３ｂ）や静止密封環３０の上部が挿入され、これらによって内部空間Ｒの大部分が埋め尽くされた形態となっている。そして、内部空間Ｒは、シールケース２１の上面（突部２３ｂの上面）とリテーナ４１の上壁部４１ａの下面との間に環状の空所として残存している。

図２に示すように、シールケース２１にはシールガス通路２４が形成され、このシールガス通路２４の上端は上下一対のＯリングＳ３，Ｓ４の間の空間５２に連通している。また、シールガス通路２４の下端は、フランジ部２２ｂの下面に取り付けられた接続部材２６を介してシールガス供給管３６に接続されている。このシールガス供給管３６の上流側には、シールガス供給源３７（図１参照）が接続されている。

また、静止密封環３０には内部通路３１が形成されており、この内部通路３１の一端は空間５２に連通し、内部通路３１の他端は、静止密封環３０の上端面３０ａに形成された周溝３０ａ１において開口している。
シールガス供給源３７は、処理容器１２の内圧よりも高圧のシールガス（パージガス）、例えば、窒素ガスやドライガス（乾燥空気）をシールガス供給管３６、シールガス通路２４、空間５２、および内部通路３１を介して静止密封環３０と回転密封環４０との対向端面３０ａ，４０ａに供給する。静止密封環３０は、対向端面３０ａ，４０ａに供給されたシールガスによってバネ３５（図１参照）に抗して僅かに下方へ移動し、シールガスによる静圧とバネ３５の付勢力とのバランスが保たれる位置に保持される。これによって、静止密封環３０と回転密封環４０との間には微少な隙間が形成され、両者は非接触状態となる。

ここで、シールガス供給源３７や、このシールガスが流通する通路３６，２４，３１、空間５２等は、静止密封環３０と回転密封環４０の対向端面３０ａ，４０ａにシールガスを供給するシールガス供給手段を構成している。一対のＯリングＳ３，Ｓ４からなるシール部材は、空間５２内に供給されたシールガスがシールケース２１と静止密封環３０との隙間から漏出するのを防止している。

静止密封環３０と回転密封環４０の対向端面３０ａ，４０ａに供給されたシールガスは、図２に矢印ａ，ｂに示すように径方向外方および径方向内方に流出する。特に、矢印ａ方向に流出したシールガスは、リテーナ４１の内部空間Ｒを経てリテーナ４１とシールケース２１との隙間ｔを介して処理容器１２内へ流入する。

図１に示すように、シールガス供給管３６の途中には切り替えバルブ３９が設けられ、この切り替えバルブ３９には、スチーム供給管５１を介してスチーム供給源３８が接続されている。切り替えバルブ３９は、シールガス供給管３６等にシールガス供給源３７からのシールガスを流通させる態様と、スチーム供給源３８からのスチームを流通させる態様とに経路を切り替え可能に構成されている。スチーム供給源３８から供給された高温のスチームは、シールガス供給管３６、シールガス通路２４、空間５２（ＯリングＳ３，Ｓ４）、内部通路３１、対向端面３０ａ，４０ａ等を流通することによって、これらを滅菌する機能を有している。ここで、スチーム供給源３８や、スチームを流通させる通路５１，３６，２４，３１、空間５２等は、静止密封環３０と回転密封環４０の対向端面３０ａ，４０ａに滅菌ガスを供給するための滅菌ガス供給手段を構成している。

次に、攪拌機１１の作用について説明する。
攪拌機１１を使用するにあたり、まず、シールガス供給源３７からシールガスを供給することによって静止密封環３０と回転密封環４０とを非接触状態にし、その後、処理容器１２内に液体等の被処理物Ｔを流入させる。そして、回転軸１５を回転させることによって被処理物Ｔを攪拌する。
この際、静止密封環３０と回転密封環４０とは非接触状態とされるため摩耗粉はほとんど発生せず、当該摩耗粉が被処理物Ｔに混入することによるコンタミネーションの発生を防止することができる。

また、リテーナ４１は下方開放状に形成されているので、処理容器１２内に被処理物Ｔを入れても内部空間Ｒには気体が保持されたままとなる。すなわち、内部空間Ｒ内に気体相が形成され、この気体相の中に静止密封環３０および回転密封環４０の対向端面３０ａ，４０ａが配置される。また、対向端面３０ａ，４０ａから流出したシールガスが内部空間Ｒに流入することによって、内部空間Ｒ内の気体相は確実に維持される。そのため、内部空間Ｒ内に被処理物Ｔが流入することはほとんどなく、対向端面３０ａ，４０ａの隙間から被処理物Ｔが漏洩するのを好適に防止することができる。
また、ＯリングＳ３の上端も内部空間Ｒ内に配置されているので、このＯリングＳ３に被処理物Ｔが付着することもほとんど無い。そのため、ＯリングＳ３に付着した被処理物Ｔの粘性や固化によって静止密封環３０の軸方向移動が阻害されたり、ＯリングＳ３に付着した被処理物Ｔが腐食して不衛生な状態になったりすることもない。

リテーナ４１の外周壁部４１ｂとシールケース２１の突部２３ｂとの間には僅かな隙間ｔが形成され、この隙間ｔがシールとして機能することによって、内部空間Ｒへの被処理物Ｔの流入を確実に防止することが可能となっている。また、リテーナ４１の外周壁部４１ｂをより下方に延伸し、シールケース２１の保持部２３の上面との間にシール隙間を形成することによって、内部空間Ｒへの被処理物Ｔの流入をより確実に抑制することが可能となる。
また、リテーナ４１の上面には径方向外方に向けて下方へ傾斜するテーパー面４１ｄが形成されているので、攪拌処理後、処理容器１２から被処理物Ｔを排出したときにリテーナ４１の上面に被処理物Ｔが残存してしまうのを防止することができる。

図１に示すように、切り替えバルブ３９を切り替えてスチーム供給源３８からスチームを供給する場合、対向端面３０ａ，４０ａから流出したスチームは、内部空間Ｒに溜められた後、隙間ｔから排出されるため、対向端面３０ａ，４０ａから直接処理容器１２内にスチームが排出される場合に比べて、対向端面３０ａ，４０ａ付近のスチームの温度を高温に維持することができる。したがって、対向端面３０ａ，４０ａに対する滅菌作用を高めることが可能となる。

リテーナ４１は、回転密封環４０を支持する機能と、静止密封環３０および回転密封環４０の対向端面３０ａ，４０ａを覆う被覆部材としての機能とを兼備しているため、これらの機能を別々の部材で実現する場合に比べて部品点数を減らし、構造を簡素化することができる。しかしながら、本発明は、リテーナとは別の部材によって被覆部材を構成することも可能である。

本発明は、上記実施の形態に限定されることなく適宜設計変更可能である。例えば、上記実施の形態においてリテーナ４１によって構成されていた被覆部材は、その一部または全部を回転密封環４０と一体に形成することもできる。
本発明において、静止密封環３０を処理容器１２の底部１３に対して軸方向の移動を規制した状態で設け、回転密封環４０を回転軸１５に対して軸方向に移動可能に設けてもよい。この場合、バネ３５は回転密封環４０に対して設ければよい。

図１に示すように、静止密封環３０には、上端が内部空間Ｒに連通し、下端が静止密封環３０の下面で開口する内部通路５５を形成してもよい。この内部通路５５は、処理容器１２内の圧力が高まっている場合に、この処理容器１２内の圧力を静止密封環３０の下面側に導入し、静止密封環３０を上方へ付勢する背圧として利用するためのものであり、処理容器１２内の圧力変動が大きい場合であってもシール性能を維持することができる点で有用である。
本発明の静圧形の非接触メカニカルシールは、攪拌機に限らず容器と回転軸とを有する各種の回転機器に適用することができる。

本発明の実施の形態に係る静圧形の非接触メカニカルシールの断面図である。 図１の非接触メカニカルシールの左半分を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１０ 非接触メカニカルシール
１２ 処理容器
１３ 底部
１５ 回転軸
２１ シールケース
３０ 静止密封環
３０ａ 上端面（対向端面）
３５ バネ（付勢手段）
３７ シールガス供給源
４０ 回転密封環
４０ａ 下端面（対向端面）
４１ リテーナ（被覆部材）
Ｒ 内部空間
Ｓ３ Ｏリング（シール部材）
Ｓ４ Ｏリング（シール部材）
Ｔ 被処理物

Claims (2)

1. 被処理物を収容する容器と、この容器の底部を上下方向に貫通する回転軸との間をシールする、静圧形の非接触メカニカルシールであって、
   互いに軸方向に対向するように前記容器の底部と前記回転軸とにそれぞれ設けられ、いずれか一方が軸方向に移動可能とされている一対の密封環と、
   軸方向に移動可能な一方の密封環を他方の密封環へ向けて軸方向に付勢する付勢手段と、
   前記一対の密封環の対向端面にシールガスを供給し、前記付勢手段の付勢力に抗して前記対向端面に隙間を形成するシールガス供給手段と、
   下方開放状の内部空間を有し、前記一対の密封環の対向端面を上方および径方向外側から覆う被覆部材と、を備えていることを特徴とする静圧形の非接触メカニカルシール。
2. 前記容器の底部の回転軸貫通部に環状のシールケースが固定され、このシールケースの内周部に下側の密封環がシール部材を介して軸方向移動可能に保持され、このシール部材の少なくとも上端部が、前記被覆部材の内部空間に配置されている請求項１に記載の静圧形の非接触メカニカルシール。

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