JP2010216489A - メカニカルシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、長時間の運転において、漏出した被密封流体が密封面近傍の部材表面に付着して団子状になるような場合においても、密封要素の正常な動作が妨げられないようにした静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置は、静止側密封要素の外周部には、密封面側に回転軸の軸と直交するように撥水性の材料で形成された円板を、シールカバー側にシールカバー側面に弾性的に押圧するリップシールを設け、シールカバーの内周面と対峙するように延びた静止側密封要素の円環部分に軸方向に摺動して作動する作動用Ｏリングを設け、リップシールと作動用Ｏリングとで遮蔽された空間内に位置して、静止側密封要素を密封面側に付勢する付勢部材および静止側密封要素の軸方向移動のみを許容する係止ピンを設けることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高粘度の被密封流体または大気に接触すると粘度が増して固化する被密封流体を扱う機器、たとえば、ポンプ等の密封に使用される静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置に関する。

ギヤポンプやスクリューポンプなどで扱われる酢酸ドープ、磁性塗料、溶融樹脂、キャラメルなどの高粘度の被密封流体や大気中に出ると粘度が増して固化する被密封流体の軸封部には、図２に示すような静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置が使用されている。
ここで、静止形というのは、スプリングなどを内蔵するシールリングが回転しない形式をいい、また、アウトサイド（形）というのは、摺動面（密封面）の内周から外周方向へ向かって漏れようとする流体をシールする形式をいう。

図２に示す従来の静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置は、シールカバー５０とその内周に挿通された回転軸５１との間に静止側密封要素５２と回転側密封要素５３とが互いに密接摺動される接触式メカニカルシール構造を有し、機内側の液体が摺動面（密封面）５４の内周から外周方向（大気側）へ向かって漏れようとする流体をシールするようになっている。
静止側密封要素５２は、シールカバー５０にドライブピン５５により軸方向にのみ移動可能に支持されており、スプリング５６で回転側密封要素５３側に押圧されている。
回転側密封要素５３は、カラー５７にノックピン５８を介して保持され、カラー５７はセットスクリュー５９で回転軸５１に固定されている。

機内側において、例えば、酢酸ドープが扱われている場合、酢酸ドープは水と反応して固形化したり、溶剤でも洗浄できないため、水や溶剤のクエンチによる洗浄ができず、ノークエンチで使用されることが多い。この場合、運転時間の経過とともに、機内側から摺動面５４を介して大気側に漏出した被密封流体が大気中で粘度が増して付着性が増大し、摺動面５４近傍の部材表面に付着して団子状になり、さらに、その塊が大きくなって、遂には静止側密封要素５２のドライブピン５５およびスプリング５６に付着し、静止側密封要素５２の軸方向の作動性が低下して摺動面５４からの漏れが増加したり、また、さらに塊が大きくなると、遂には静止側密封要素５２がシールカバー５０と完全に固着してシール機能を果たすことができず、多量漏れに至るという問題があった。

高粘度の被密封流体やスラリーを含む被密封流体をシールするのに適し、被密封流体の固形物が付着したり、構成部品間に目詰まりしたりしないようにしたカートリッジ型のメカニカルシール装置として、特開２００３−７４７１３号公報に記載の発明が知られている（以下、「従来技術１」いう。）。
この従来技術１は、静止側密封要素の内周面と回転軸の外周面との間隙を大きくして、スラリーを含む被密封流体が固形化して静止側密封要素の内周面に付着しても洗浄により洗い落とすことを可能にすることで固形物の目詰まりを防止するというものである。

また、高粘度スラリ流体のシール等に供しうるメカニカルシールとして、特開２００１−１７３８００号公報に記載の発明が知られている（以下、「従来技術２」いう。）。
この従来技術２では、回転側密封要素の密封端面の径方向幅（密封端面幅）を０．２〜１．０ｍｍの程度の微小としておくことにより、両密封端面の接触圧（面圧）が高くなることと相俟って、密封端面間への高粘度，凝固性流体や微粒固形成分の侵入，噛み込みを防止することができるようにしたものである。

特開２００３−７４７１３号公報 特開２００１−１７３８００号公報

上記した従来技術１は、酢酸ドープのように水分に反応して固形化したり、溶剤でも洗浄できない被密封流体に適用することができないという問題があった。
また、従来技術２は、いわゆるナイフエッジシールといわれるもので、密封端面幅を微小としておくことにより、両密封端面の面圧が高くなり、密封端面間への高粘度，凝固性流体や微粒固形成分の侵入，噛み込みを防止する効果が期待できるものの、密封端面に漏出した被密封流体が付着し易く、かつ、摺動による熱が発散しにくいという構造上の問題、および、長時間の運転において、漏出した被密封流体が密封端面近傍の部材表面に付着して団子状になった場合の対策がなされていないという問題があった。

本発明は、長時間の運転において、漏出した被密封流体が密封面近傍の部材表面に付着して団子状になるような場合においても、密封要素の正常な動作が妨げられないようにした静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、密封面周辺から漏出した被密封流体を落ち易くするとともに摺動熱の発散を良好にした静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、高面圧での密封方式とすることにより密封端面間の液膜を薄くして漏出量を少なくした静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置を提供することを目的とする。
さらにまた、本発明は、静止側密封要素とシールカバーのシール部に漏出した被密封流体が付着しにくくした静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置は、第１に、シールカバーとその内周に挿通された回転軸との間に静止側密封要素と回転側密封要素とが互いに密接摺動される接触式メカニカルシール構造を有する静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置において、静止側密封要素の外周部には、密封面側に回転軸の軸と直交するように撥水性の材料で形成された円板を、シールカバー側にシールカバー側面に弾性的に押圧するリップシールを設け、シールカバーの内周面と対峙するように延びた静止側密封要素の円環部分に軸方向に摺動して作動する作動用Ｏリングを設け、リップシールと作動用Ｏリングとで遮蔽された空間内に位置して、静止側密封要素を密封面側に付勢する付勢部材および静止側密封要素の軸方向移動のみを許容する係止ピンを設けることを特徴としている。
第１の特徴により、密封面から漏出する被密封流体は、静止側密封要素の外周部の密封面側に位置する円板により遮られるので係止ピンおよび付勢部材のところまでは回り込みにくくなり、漏出した被密封流体が円板を回り込んだとしても、リップシールでシールされるので、係止ピンおよび付勢部材のところに浸入することが防止される。したがって、長時間の運転において、漏出した被密封流体が密封面近傍の部材表面に付着して団子状になるような場合においても、密封要素の正常な動作が妨げられることはない。

また、本発明の静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置は、第２に、第１の特徴において、静止側密封要素を密封面側に付勢する付勢部材をスプリングにより形成し、該スプリングをシールカバーに形成されたスプリング穴内に装着し、静止側密封要素の軸方向移動のみを許容する係止ピンをシールカバーにねじ込みまたは打ち込みにより固定することを特徴としている。

また、本発明の静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置は、第３に、第１または第２の特徴において、静止側密封要素または回転側密封要素の密封面側に形成されるノーズの高さが３〜６ｍｍであることを特徴としている。
第３の特徴により、密封面における摺動熱の発散を良好にすることができる。

また、本発明の静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置は、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、静止側密封要素と回転側密封要素との密封面の幅が０．５±０．２ｍｍの範囲内に形成されていることを特徴としている。
第４の特徴により、密封面の液膜の厚さがごく小さくなり、漏出する被密封流体の量を少なく抑えることができる。

また、本発明の静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置は、第５に、第１ないし第４のいずれかの特徴において、静止側密封要素および回転側密封要素の密封面側の外周側にそれぞれテーパ面を形成し、各テーパ面の角度を密封面を基準として３０〜４５°の範囲に形成することを特徴としている。
第５の特徴により、密封面の外周側部分に大きな開口空間を形成することができ、密封面から漏出した被密封流体が下方に落下し易くなる。

また、本発明の静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置は、第６に、第５の特徴において、静止側密封要素および回転側密封要素の密封面側の外周側にそれぞれ形成された各テーパ面に撥水性材料のコーティングを施すことを特徴としている。
第６の特徴により、密封面から漏出した被密封流体はメイティングリングおよびシールリングの密封面近傍に付着しにくくなる。

また、本発明の静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置は、第７に、第１ないし第６のいずれかの特徴において、静止側密封要素の円環部分に設けられた作動用Ｏリングの表面または作動用Ｏリングと摺接するシールカバー内周面に撥水性材料のコーティングを施すことを特徴としている。
第７の特徴により、作動用Ｏリング近傍において漏出した被密封流体の付着がしにくくなり、漏出した被密封流体の固着による作動性の低下を防止できるので、密封性の低下も防止できることとなる。

また、本発明の静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置は、第８に、第１ないし第７のいずれかの特徴において、密封面の外周側には遮蔽物を設けないことを特徴としている。
第８の特徴により、密封面からの漏出した被密封流体が付近に付着して固着するのを防止することができる。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）静止側密封要素の外周部には、密封面側に回転軸の軸と直交するように撥水性の材料で形成された円板を、シールカバー側にシールカバー側面に弾性的に押圧するリップシールを設け、シールカバーの内周面と対峙するように延びた静止側密封要素の円環部分に軸方向に摺動して作動する作動用Ｏリングを設け、リップシールと作動用Ｏリングとで遮蔽された空間内に位置して、静止側密封要素を密封面側に付勢する付勢部材および静止側密封要素の軸方向移動のみを許容する係止ピンを設けることにより、長時間の運転において、漏出した被密封流体が密封面近傍の部材表面に付着して団子状になるような場合においても、密封要素の正常な動作が妨げられることはないので、軸方向振動の追随性が優れ、密封面の摩耗を抑えることができ、密封面の面幅の拡大も防止することができ、長期間にわたる密封性を保持することができる。
（２）静止側密封要素または回転側密封要素の密封面側に形成されるノーズの高さを３〜６ｍｍとすることにより、密封面における摺動熱の発散を良好にすることができる。
（３）静止側密封要素と回転側密封要素との密封面の幅が０．５±０．２ｍｍの範囲内に形成することにより、密封面の液膜の厚さがごく小さくなり、漏出する被密封流体の量を少なく抑えることができる。

（４）静止側密封要素および回転側密封要素の密封面側の外周側にそれぞれテーパ面を形成し、各テーパ面の角度を密封面を基準として３０〜４５°の範囲に形成することにより、密封面の外周側部分に大きな開口空間を形成することができ、密封面から漏出した被密封流体の下方への落下を容易にすることができる。
（５）静止側密封要素および回転側密封要素の密封面側の外周側にそれぞれ形成された各テーパ面に撥水性材料のコーティングを施すことにより、密封面から漏出した被密封流体がメイティングリングおよびシールリングの密封面近傍に付着することを防止することができる。
（６）静止側密封要素の円環部分に設けられた作動用Ｏリングの表面または作動用Ｏリングと摺接するシールカバー内周面に撥水性材料のコーティングを施すことにより、作動用Ｏリング近傍において漏出した被密封流体の付着がしにくくなり、漏出した被密封流体の固着による作動性の低下を防止できるので、密封性の低下も防止できる。
（７）密封面の外周側には遮蔽物を設けないことにより、密封面から漏出した被密封流体が付近に付着して固着するのを防止することができる。

本発明の実施の形態に係る静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置の全体を説明する正面断面図である。 従来の静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置を示す正面断面図である。

本発明に係る静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。

図１は、本発明の実施の形態に係る静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置の全体を説明する正面断面図である。
図１において、参照符号１は、高粘度の被密封流体または大気に接触すると粘度が増して固化する被密封流体を扱う機器、例えば、ポンプ等における軸封部のハウジング、参照符号２はハウジング１に装着されるシールカバーで、図中左側が機内側、図中右側が大気側（機外側）である。

シールカバー２は、金属からなる環状体の形状をしており、ボルト３でハウジング１に固定され、シールカバー２の内周には機内の回転部材を回転駆動させる回転軸４が、その軸心Ｏの周りに回転可能な状態で挿通されている。ハウジング１とシールカバー２との接合面にはＯリング５が装着され、両者の間が密封されている。

シールカバー２と回転軸４との軸周空間には、回転側密封要素６と静止側密封要素７の密封面８が互いに密接摺動される接触式メカニカルシールとしての構造を有する静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置が装着されている。
回転軸４の外周面には断面Ｌ字状をした円環状のカラー９がそのフランジ部１０に螺合したセットスクリュー１１により固定されている。回転軸４の外周面とカラー９の外周面との間にはＯリング１２が装着されている。

回転側密封要素６であるところのメイティングリング１３が、カラー９に外挿されるともにカラー９のフランジ部１０に背面を支持され、フランジ部１０に固着されたノックピン１４によりカラー９に保持されている。カラー９の外周面とメイティングリング１３の内周面との間はＯリング１５により密封されている。

一方、静止側密封要素７であるところのシールリング１６がメイティングリング１３に対向するようにして回転軸４の外周面と間隙を有して外挿され、シールカバー２に固着された係止ピン１７を介して回り止めされ軸方向に移動可能な状態でシールカバー２に装着されている。シールリング１６は、シールカバー２の側面に等配に複数個設けられたスプリング穴１８に装着されたコイルスプリング１９によって軸方向に付勢され、メイティングリング１３と互いに密接摺動する密封面８を構成している。係止ピン１７は、シールリング１６の回り止めを行うものであって、本例においては図１に示すようなノックピンを使用している。
密封面８と反対側に位置するシールリング１６の後部には、図１に示すようにシールカバー２の内周面と対峙するように延びた円環部分２０が設けられ、該円環部分２０には、シールカバー２の内周面と円環部分２０の外周面との間で軸方向に摺動して作動する作動用Ｏリング２１が設けられている。

メイティングリング１３は、例えば、超硬合金、炭化珪素、カーボン、その他のセラミックスなどの材料で環状に形成されたものであり、その外側に嵌合する金属製のリテーナ２２により保持されている。メイティングリング１３の密封端面２３は回転軸Ｏに直交する環状面をしており、その外周側はリテーナ２２の一端まで続くテーパ面２４を形成している。テーパ面２４の角度θｍは密封面８を基準として３０〜４５°の範囲に形成されている。

シールリング１６は、例えば、超硬合金、炭化珪素、カーボン、その他のセラミックスなどの材料で環状に形成されたものであり、その外側に嵌合した金属製のリテーナ２５により保持されている。シールリング１６の密封面側には、先端側にいくにつれ幅の狭い断面形状を有する環状のノーズ２６が突出形成されており、該ノーズ２６の高さは３〜６ｍｍの範囲に設定されている。このように、ノーズ２６を設けその高さを３〜６ｍｍと高くすることにより、密封面における摺動熱の発散を良好にしている。そのため、密封面を冷却するためのフラッシングが不要となる。
また、ノーズ２６はメイティングリングとの密封面に向けて断面積が小さくなっていき、密封端面２７の幅は０．５±０．２ｍｍの範囲に設定している。そのため、密封面８の面圧を高くすることができ、例えば、面圧を１ＭＰａを越える高面圧にすることも可能である。このように、密封面８の面圧を高圧とすることにより、密封面８の液膜の厚さがごく小さくなり、漏出した被密封流体の量を少なく抑えることができる。

シールリング１６のノーズ２６の外周側には、ノーズ２６の基端部からリテーナ２５の一端まで続くテーパ面２８が形成されている。テーパ面２８の角度θｓは密封面８を基準として３０〜４５°の範囲に形成される。
このように、シールリング１６のテーパ面２８とメイティングリング１３のテーパ面２４とは密封面８を基準として対称に位置することから、テーパ面２４とテーパ面２８とにより形成される密封面８の外周側部分の開口部は６０〜９０°の大きな開口空間を形成することになる。このため、密封面８からの漏出した被密封流体は下方に落下し易くなる。
また、メイティングリング１３のテーパ面２４およびシールリング１６のテーパ面２８には、ＰＴＦＥなどの撥水性のある材料をコーティングする。これにより、密封面８からの漏出した被密封流体がメイティングリング１３およびシールリング１６の密封面８近傍に付着しにくくなる。
さらに、密封面８の外周側にはメカニカルシール部品の遮蔽物を一切設けず、全周にわたって開口させることが望ましい。

シールリング１６を保持するリテーナ２５の外周部には、密封面８側に位置して環状溝２９が形成され、該環状溝２９に回転軸４の軸Ｏと直交するようにＰＴＦＥなどの撥水性の材料で形成された円板３０を装着されている。また、リテーナ２５の外周部のシールカバー２側に位置してシールカバー２側面に弾性的に押圧するリップシール３１を装着する。リップシール３１は、例えば、エラストマあるいは樹脂材料から製作され、その断面形状はＶ字型をした公知のものが用いられている。

シールカバー２とシールリング１６との間隙により形成された空間は、外周側においてリップシール３１とシールカバー２の側面とで遮蔽され、内周側においてシールカバー２の内周面と作動用Ｏリング２１とで遮蔽される。この遮蔽された空間内に位置して、シールリング１６を密封面側に付勢するコイルスプリング１９およびシールリング１６を軸方向のみの移動を許容する係止ピン１７が配置されている。

密封面８から漏出した被密封流体は、シールリング１６の密封面８側に位置する円板３０により遮られて係止ピン１７およびコイルスプリング１９のところまでは回り込みにくくなる。漏出した被密封流体が円板３０を回り込んだとしても、リップシール３１でシールされるので、係止ピン１７およびコイルスプリング１９のところに漏出した被密封流体が浸入することは防止される。

シールリング１６の円環部分２０に設けられた作動用Ｏリング２１の表面または作動用Ｏリング２１と摺接するシールカバー２の内周面には、ＰＴＦＥ等の撥水性のある材料をコーティングする。このため、作動用Ｏリング２１近傍において漏出した被密封流体の付着がしにくくなり、漏出した被密封流体の固着による作動性の低下を防止できるので、密封性の低下も防止できることとなる。

上記のように構成された静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置は、漏出した被密封流体による作動部の固着が防止できるので、軸方向振動の追随性が優れているので、密封面の摩耗を抑えることができ、密封面の面幅の拡大も防止することができ、長期間にわたる密封性を保持することができる。

１ ハウジング
２ シールカバー
３ ボルト
４ 回転軸
５ Ｏリング
６ 回転側密封要素
７ 静止側密封要素
８ 密封面
９ カラー
１０ フランジ部
１１ セットスクリュー
１２ Ｏリング
１３ メイティングリング
１４ ノックピン
１５ Ｏリング
１６ シールリング
１７ 係止ピン
１８ スプリング穴
１９ コイルスプリング
２０ 円環部分
２１ 作動用Ｏリング
２２ リテーナ
２３ 密封端面
２４ テーパ面
２５ リテーナ
２６ ノーズ
２７ 密封端面
２８ テーパ面
２９ 環状溝
３０ 円板
３１ リップシール

Claims (8)

1. シールカバーとその内周に挿通された回転軸との間に静止側密封要素と回転側密封要素とが互いに密接摺動される接触式メカニカルシール構造を有する静止形アウトサイドシールに構成されたメカニカルシール装置において、静止側密封要素の外周部には、密封面側に回転軸の軸と直交するように撥水性の材料で形成された円板を、シールカバー側にシールカバー側面に弾性的に押圧するリップシールを設け、シールカバーの内周面と対峙するように延びた静止側密封要素の円環部分に軸方向に摺動して作動する作動用Ｏリングを設け、リップシールと作動用Ｏリングとで遮蔽された空間内に位置して、静止側密封要素を密封面側に付勢する付勢部材および静止側密封要素の軸方向移動のみを許容する係止ピンを設けることを特徴とするメカニカルシール装置。
2. 静止側密封要素を密封面側に付勢する付勢部材をスプリングにより形成し、該スプリングをシールカバーに形成されたスプリング穴内に装着し、静止側密封要素の軸方向移動のみを許容する係止ピンをシールカバーにねじ込みまたは打ち込みにより固定することを特徴とする請求項１記載のメカニカルシール装置。
3. 静止側密封要素または回転側密封要素の密封面側に形成されるノーズの高さが３〜６ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２記載のメカニカルシール装置。
4. 静止側密封要素と回転側密封要素との密封面の幅が０．５±０．２ｍｍの範囲内に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のメカニカルシール装置。
5. 静止側密封要素および回転側密封要素の密封面側の外周側にそれぞれテーパ面を形成し、各テーパ面の角度を密封面を基準として３０〜４５°の範囲に形成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のメカニカルシール装置。
6. 静止側密封要素および回転側密封要素の密封面側の外周側にそれぞれ形成された各テーパ面に撥水性材料のコーティングを施すことを特徴とする請求項５記載のメカニカルシール装置。
7. 静止側密封要素の円環部分に設けられた作動用Ｏリングの表面または作動用Ｏリングと摺接するシールカバー内周面に撥水性材料のコーティングを施すことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のメカニカルシール装置。
8. 密封面の外周側には遮蔽物を設けないことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のメカニカルシール装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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