JP2011163417A - メカニカルシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸、塩類等を含む腐食性のケミカル流体をシールするために好適に用いられるメカニカルシール装置を提供する。
【解決手段】機内側を向く面に回転環摺動面１６が形成される回転環１４と、機外側を向く面に固定環摺動面５８が形成される固定環５６と、内周側に第１Ｏリング９０を介して固定環が取り付けられる設置面８１を有するシールケース７０と、シールケースを内周側に収納しており、シールケースを機外側から係止するシールカバー４６とを有し、シールケースは、金属材料によって構成されるリング状の第１ケース部材７２と、セラミック材料によって構成されるリング状の第２ケース部材８０とを有し、第１ケース部材は、ケース係止面と接触する接触面７６を有し、第２ケース部材は、第１ケース部材の内周側に配置されるケース内周部８６と、第１ケース部材に対して機内側から接触するケース底部８４とを有するメカニカルシール装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸、塩類等を含む腐食性のケミカル流体をシールするために好適に用いられるメカニカルシール装置に関する。

酸、塩類等を含み、腐食性を有するケミカル流体をシールするシール装置としては、例えば腐食性流体と接触する回転環、固定環およびその周辺の部材の表面を、フッ素樹脂コーティングしたメカニカルシール装置が提案されている（特許文献１等参照）。また、固定環を回転環に向かって押圧する耐腐食材製のパッキンを備えるメカニカルシール装置も提案されている（特許文献２等参照）。

しかしながら、フッ素樹脂等によって各部材をコーティングしたシール装置は、各部材の熱膨張などの影響によりコーティングが剥離するという問題や、コーティングの境界部分から剥離や腐食が進行するという問題を有している。また、耐腐食材製のパッキンを備えるメカニカルシール装置は、パッキンを収納するためのスペースが必要であるため、小型化が難しいという課題を有している。

特開２００７−１９８５５６号公報 特開２００５−１２１１３０号公報

シール装置の腐食を防ぐ方法としては、コーティングの他に、耐食性流体と接触する部材を、アルミナセラミック又はシリコンカーバイドなどのセラミックで構成する方法が考えられる。しかし、アルミナセラミックやシリコンカーバイドなどのセラミック材料は、耐食性は高いものの、脆性物質であるため、靱性が乏しく割れやすいという問題を有している。また、アルミナセラミックやシリコンカーバイドなどのセラミック材料は、硬い材質であり、加工性に問題がある。

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、酸、塩類等を含む腐食性のケミカル流体をシールするために好適に用いられるメカニカルシール装置を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明に係るメカニカルシール装置は、
回転軸と一体に回転するように、回転環設置部を介して前記回転軸に設置されており、機内側を向く面に回転環摺動面が形成される回転環と、
機外側を向く面に前記回転環摺動面と摺動する固定環摺動面が形成される固定環と、
内周側に第１Ｏリングを介して前記固定環が取り付けられる設置面を有するシールケースと、
前記シールケースを内周側に収納しており、前記シールケースを機外側から係止するケース係止面を有するシールカバーとを有し、
前記シールケースは、金属材料によって構成されるリング状の第１ケース部材と、セラミック材料によって構成されるリング状の第２ケース部材とを有し、
前記第１ケース部材は、前記ケース係止面と接触する接触面を有し、
前記第２ケース部材は、前記第１ケース部材の内周側に配置されており前記設置面を有するケース内周部と、前記第１ケース部材に対して機内側から接触するケース底部とを有する。

本発明に係るメカニカルシール装置においては、固定環を保持するシールケースが、金属材料で構成される第１ケース部材と、セラミック材料で構成される第２ケース部材を含む。シールケースは、腐食性流体と接触するケース内周部およびケース底部がセラミック材料で構成され、当該シールケースがシールカバーに係止される接触面は金属材料で構成される。したがって、本発明に係るメカニカルシール装置は、耐食性が高く、しかもセラミック材料の靱性不足を、これと接触する金属材料が補うため、シールケースの一部に加重が集中してシールケースが破損することを防止できる。また、金属材料は、セラミック材料よりも大きく弾性および塑性変形することができるため、両者を組み合わせてシールケースとすることによって、セラミック材料に要求される加工精度を抑制し、第２ケース部材の加工性を向上させることができる。また、本発明に係るメカニカルシール装置は、パッキン等を用いるシール装置に比べて、軸方向の長さを短縮することが可能であり、また、より高い圧力を有する流体をシールするシール装置に適用することが可能である。

また、例えば、前記第１ケース部材は、略矩形の断面形状を有するリング状のリング本体部と、当該リング本体部における機外側の端部において外周側に向かって鍔状に突出しており前記接触面を有する鍔部とを有していてもよく、
前記第２ケース部材には、前記リング本体部を機内側から収納する管状溝が形成されていてもよく、
前記管状溝の壁面は、前記リング本体部の外周側に配置されるケース外周部と、前記ケース内周部と、前記ケース底部とによって構成されていてもよい。

第１ケース部材を鍔付きのリング形状とし、第２ケース部材にリング本体部を収納する管状溝を形成することによって、シールケースが機内側から受ける力を、シールカバーのケース係止面に対して、バランス良く伝えることができる。このような構造とすることによって、第１ケース部材と第２ケース部材との接触が、点接触またはエッジ接触になることを効果的に防止できるからである。また、接触面を有する鍔部は、第２ケース部材に収納されるリング本体部より変形しやすい。したがって、このようなメカニカルシール装置は、セラミック材料で構成される第２ケース部材の一部分に応力が集中し、第２ケース部材に割れ等が発生することを効果的に防止することができる。

また、本実施形態に係るメカニカルシール装置において、前記回転環設置部は、
前記回転環を挿通するスリーブ側挿通部と、前記回転環を機外側から係止する機外側係止面を有し、セットスクリューを介して前記回転軸に固定されているスリーブと、
前記回転環を挿通するストッパ側挿通部と、前記回転環を機内側から係止する機内側係止面を有し、セラミック材料によって構成されており、第２Ｏリングを介して前記回転軸に外嵌されているストッパと、
前記スリーブ側挿通部に形成されたスリーブ貫通孔と、前記ストッパ側挿通部に形成されたストッパ貫通孔とを挿通しており、前記回転環に形成された回転環ピン係合溝に係合されている回転環係止ピンと、
前記回転環と前記ストッパの間に配置される第３Ｏリングと、を有していてもよく、
前記第２Ｏリングおよび前記第３Ｏリングは、前記ストッパ貫通孔より機内側に配置されていてもよい。

回転環設置部をこのような構成とすることによって、メカニカルシール装置は、回転環を設置するために要する部品数を抑制しつつ、コンパクト且つ容易に固定環を回転軸に対して設置することができる。また、第２Ｏリングおよび第３Ｏリングを、ストッパ貫通孔より機内側に配置することによって、ストッパ貫通孔を挿通する回転環係止ピンは、被密封流体からシールされる。したがって、回転環係止ピンは、被密封流体に対する耐食性を考慮する必要がなく、例えばステンレス等の金属材料によって構成することができる。

前記ストッパ側挿通部は、前記スリーブ側挿通部の少なくとも一部より、内周側に配置されていてもよい。前記ストッパ側挿通部を、前記スリーブ側挿通部より内周側に配置することによって、第２Ｏリングを設置できるスペースが広がるため、ストッパを小型化し、ストッパの割れおよび破損を防止することができる。

また、本実施形態に係るメカニカルシール装置は、前記シールカバーを外周側から内周側に貫通する第１シールカバー貫通孔を挿通し、前記固定環に形成された固定環ピン係合溝に係合されている固定環係止ピンを有してもよく、前記シールカバーを外周側から内周側に貫通する第２シールカバー貫通孔を挿通し、前記シールケースに形成されたシールケースピン係合溝に係合されているシールケース係止ピンを有しても良い。

固定環やシールケースを、シールカバーに形成された貫通孔を挿通する固定環係止ピンやシールケース係止ピン等によって回転止めすることにより、メカニカルシール装置は、軸方向の長さが小さくなり、小型化に適している。

図１は、本発明の一実施形態に係るメカニカルシール装置の縦断面図である。 図２は、図１に示すメカニカルシール装置に含まれる回転環の周辺を表した部分縦断面図である。 図３は、図１に示すメカニカルシール装置に含まれるシールケースの周辺を表した部分縦断面図である。 図４は、図１に示すメカニカルシール装置に含まれる第１ケース部材の平面図である。 図５は、図１に示すメカニカルシール装置に含まれるシールカバーの平面図である。

図１は、本発明の一実施形態に係るメカニカルシール装置１１の縦断面図である。本実施形態に係るメカニカルシール装置１１は、例えばポンプ・攪拌機・ロータリージョイント等の軸封装置として用いることができる。特に、メカニカルシール装置１１は、酸、塩類等を含み、腐食性を有するケミカル流体（腐食性流体）を用いるポンプ等の軸封装置として好適に用いることができるが、メカニカルシール装置１１の用途はこれに限定されない。

図１において、本実施形態に係るメカニカルシール装置１１は、回転軸１２が貫通する装置のハウジング１０に装着されている。図１に示すように、ハウジング１０には軸孔１０ａが形成されている。回転軸１２は、軸孔１０ａを貫通している。メカニカルシール装置１１は、軸孔１０ａの空間を利用しないで、回転軸１２とハウジング１０との隙間を封止するように、ハウジング１０および回転軸１２に対して設置される。

メカニカルシール装置１１では、回転環１４を挟んで第１固定環５６と第２固定環１１１が配置される。したがって、メカニカルシール装置１１では、回転環１４と第１固定環５６による機内側動的シール面と、回転環１４と第２固定環１１１による機外側動的シール面とからなる２つの動的シール面を、内部に形成することができる。すなわち、メカニカルシール装置１１は、機内側動的シール面および機外側動的シール面を形成する２つのメカニカルシールが回転軸１２に沿って並べられているダブルメカニカルシールである。

機内側動的シール面は、回転環１４の第１回転環摺動面１６と、第１固定環５６の第１固定環摺動面５８とが摺動することによって形成される。機内側動的シール面は、機内側空間Ａと中間室９６の間を動的にシールする。機内側空間Ａには、酸または塩基等を含む腐食性流体が存在する。中間室９６には、フラッシング流路１３７を介してフラッシング用流体が供給される。

これに対して、機外側動的シール面は、回転環１４の第２回転環摺動面１８と、第２固定環１１１の第２固定環摺動面１１３が摺動することによって形成される。機外側動的シール面は、中間室９６と機外側空間Ｂの間を動的にシールする。機外側空間Ｂには大気が存在する。なお、本実施形態では、ダブルメカニカルシールを例に挙げて本発明を説明するが、本発明を適用するメカニカルシール装置としてはダブルメカニカルシールに限定されない。本発明は、インサイドアウト型の動的シールを有する任意のメカニカルシール装置に適用することができる。

メカニカルシール装置１１は、回転環１４、回転環設置部２４、第１固定環５６、第２固定環１１１、シールケース７０およびシールカバー４６を含む。

回転環１４は、回転環設置部２４を介して回転軸１２に設置される。回転環１４は、回転環設置部２４を介して回転軸１２に固定されており、回転軸１２と一体に回転する。回転環１４には、第１回転環摺動面１６と第２回転環摺動面１８が形成される。第１回転環摺動面１６は、回転環１４が有する面のうち、機内側を向く面に形成される。第２回転環摺動面１８は、回転環１４が有する面のうち、機外側を向く面に形成される。本実施形態に係る回転環１４は、セラミック材料で構成される。回転環１４は、耐食性を有するセラミック材料等によって構成されるが、シリコンカーバイドによって構成されることが好ましい。

回転環１４を固定するための回転環設置部２４は、スリーブ２６、ストッパ３２、回転環係止ピン４０、スリーブカラー４４およびセットスクリュー４２等を含む。スリーブ２６は、無底の円筒形状を有しており、回転軸１２によって挿通された状態で、回転軸１２に対して固定される。

スリーブ２６は、スリーブカラー４４を介して、セットスクリュー４２によって回転軸１２に固定される。スリーブカラー４４には、スリーブカラー４４を径方向に貫通するねじ孔が形成されている。スリーブカラー４４は、ねじ孔にセットスクリュー４２をねじ込むことによって、回転軸１２に対して固定される。スリーブカラー４４の機内側端部は、スリーブ２６の機外側端部と係合している。したがって、スリーブ２６は、スリーブカラー４４とともに、セットスクリュー４２によって、回転軸１２に対して固定される。

図２は、図１に示すメカニカルシール装置１１に含まれる回転環１４の周辺を拡大して表した部分断面図である。スリーブ２６は、回転環１４を機外側から係止する機外側係止面３０を有する。機外側係止面３０は、回転環１４の機外側の端面に接触する（図１参照）。なお、図２に示すように、回転環１４の機外側の端面には、回転環１４の内周面および機外側の端面に開く回転環ピン係合溝２０が形成されている。そのため、機外側係止面３０は、回転環１４に接触しない部分を有する。しかし、回転環１４の機外側の端面のうち、回転環ピン係合溝２０が形成されている部分以外の部分は、機外側係止面３０に接触する。したがって、回転環１４は、機外側係止面３０によって、機外側から係止される。スリーブ２６は、ステンレス等の金属材料によって構成されるが、特に限定されない。

スリーブ２６は、回転環１４を挿通するスリーブ側挿通部２８を有する。図１に示すように、スリーブ側挿通部２８は、回転環１４の内周側に位置する。スリーブ側挿通部２８は、回転軸１２と回転環１４の間に、機外側から挿入される。図２に示すように、スリーブ側挿通部２８には、スリーブ貫通孔２８ａが形成されている。

図２に示すように、ストッパ３２は、回転環１４を機内側から係止する機内側係止面３６を有する。機内側係止面３６は、回転環１４の機内側の端面に接触する。回転環１４は、機内側係止面３６と機外側係止面３０の間に挟まれることによって、回転軸１２に対して固定される。ストッパ３２は、被密封流体と直接接触するため、耐食性を有するセラミック材料等によって構成され、アルミナセラミックによって構成されることが好ましい。

図１に示すように、ストッパ３２は、リング状の形状を有しており、スリーブ２６と同様に、回転軸１２によって挿通された状態で、回転軸１２に対して固定される。ストッパ３２は、回転環係止ピン４０によって、スリーブ２６に対して連結される。ストッパ３２は、回転環１４を挿通するストッパ側挿通部３４を有する。ストッパ側挿通部３４は、スリーブ側挿通部２８と同様に、回転環１４の内周側に位置する。ストッパ側挿通部３４は、回転軸１２と回転環１４の間に、機内側から挿入される。

本実施形態において、ストッパ側挿通部３４は、スリーブ側挿通部２８より内周側に配置されている。すなわち、ストッパ側挿通部３４は、ストッパ３２より機外側に位置するスリーブ２６のスリーブ側挿通部２８の内周側に、機内側から挿入される。ストッパ側挿通部３４は、スリーブ側挿通部２８と回転軸１２の間に配置される。

図２に示すように、ストッパ側挿通部３４には、ストッパ貫通孔３４ａが形成されている。ストッパ貫通孔３４ａは、スリーブ貫通孔２８ａと連通するように配置される。ストッパ貫通孔３４ａおよびスリーブ貫通孔２８ａには、回転軸１２側（内周側）から、回転環係止ピン４０が挿入される。

回転環係止ピン４０は、スリーブ貫通孔２８ａとストッパ貫通孔３４ａとを挿通しており、回転環係止ピン４０の内周側端部は、回転環１４に形成された回転環ピン係合溝２０に係合している。回転環係止ピン４０は、ストッパ側挿通部３４およびスリーブ側挿通部２８に係合して、ストッパ３２とスリーブ２６とを連結する。また、回転環係止ピン４０は、ストッパ側挿通部３４およびスリーブ側挿通部２８に加えて、回転環ピン係合溝２０に係合することによって、回転環１４が回転環設置部２４や回転軸１２に対して相対回転することを防止する。

ストッパ３２と回転軸１２との間には、第２Ｏリング３８が配置されており、ストッパ３２は、第２Ｏリング３８を介して、回転軸１２に外嵌されている。第２Ｏリング３８は、回転軸１２とストッパ３２の間を封止する。第２Ｏリング３８は、ストッパ貫通孔３４ａより機内側に配置される。回転環１４とストッパ３２の間には、第３Ｏリング９４が配置される。第３Ｏリングは、回転環１４の内周面と、ストッパ側挿通部３４の外周面に接触し、これらの間をシールする。第３Ｏリング９４は、第２Ｏリング３８と同様に、ストッパ貫通孔３４ａおよび回転環係止ピン４０より機内側に配置され、ストッパ３２の外周面と回転環１４の内周面の間を封止する。これによって、回転環係止ピン４０は、ストッパ３２および回転環１４より機内側に存在する被密封流体に曝されないように保護される。第２Ｏリング３８および第３Ｏリング９４は、弾性に富む樹脂材料によって構成されるが、パーフロロエラストマのような耐食性の高い樹脂材料によって構成されることが好ましい。

図１に示すように、シールカバー４６は、不図示のボルト等によって、ハウジング１０に固定される。シールカバー４６は、回転軸１２を挿通させるための貫通孔を有しており、シールカバー４６は、回転軸１２に挿通された状態で、装置のハウジング１０に固定される。シールカバー４６と回転軸１２の間には、メカニカルシールを構成する回転環１４、第１固定環５６および第２固定環１１１等が配置される。また、シールカバー４６の内周側には、シールケース７０、第１固定環５６および第２固定環１１１等が収納される。シールカバー４６は、例えばステンレス等の金属材料によって構成される。

シールカバー４６の機外側端部には、絞り部４７が形成されている。絞り部４７では、回転軸１２を挿通させるための貫通孔の径が、絞り部４７より機内側の部分である大径部４９より小さい。絞り部４７の内周面には、第２固定環１１１を設置するための段差面４８が形成されている。段差面４８には、第２固定環１１１が、第６Ｏリング１３５を介して設置される。第２固定環１１１は、ケミカル流体とは直接接触しないので、カーボン等によって構成することができるが、特に限定されない。

第２固定環１１１は、軸方向に沿って延在する第２固定環筒状部１１５と、第２固定環筒状部１１５から外周側に突出する第２固定環縁部１１７とを有する。第２固定環筒状部１１５の機内側端部にある機内側を向く面には、第２固定環摺動面１１３が形成される。第２固定環摺動面１１３は、回転環１４の第２回転環摺動面１８と摺動して、中間室９６と大気空間Ｂの間を動的にシールする。

第２固定環縁部１１７は、絞り部４７の機内側に配置される。第２固定環縁部１１７と絞り部４７との間には、第２スプリング１３３が配置される。第２スプリング１３３は、絞り部４７と第２固定環縁部１１７の間に挟まれており、第２固定環１１１を、第２固定環１１１の機内側に配置される回転環１４に向かって付勢する。

第２固定環縁部１１７には、第２固定環ピン係合溝１１７ａが形成されている。第２固定環ピン係合溝１１７ａには、第２固定環１１１を回転止めするための第２固定環係止ピン１３１が係合する。第２固定環係止ピン１３１は、絞り部４７と第２固定環１１１の双方に係合し、第２固定環１１１がシールカバー４６に対して相対回転することを防止する。

シールカバー４６の大径部４９の内周面であって、回転環１４の外周側には、中間室９６が形成される。シールカバー４６の大径部４９には、シールカバー４６の外周面から中間室９６まで通じるフラッシング流路１３７が形成されている。中間室９６には、フラッシング流路１３７を介して、フラッシング流体が供給される。なお、図示されていないが、シールカバー４６には、フラッシング流体を排出するためのフラッシング排出流路も形成されている。

大径部４９の内周側には、シールケース７０を介して、第１固定環５６が設置される。大径部４９の内周面には、内周側に突出する内周突起５０が形成されている。内周突起５０は、ケース係止面５０ａを有する。ケース係止面５０ａは、内周突起５０の機内側端面に形成されている。ケース係止面５０ａは、シールケース７０を、機外側から係止する。

ケース係止面５０ａは、シールケース７０およびガスケット１５１を、ハウジング１０との間に挟む。シールケース７０は、シールカバー４６における大径部４９の機内側端部であって、大径部４９の内周側に設置される。シールケース７０は、大径部４９の内周面に、第５Ｏリング５４を介して設置される。第５Ｏリング５４は、シールケース７０の外周面と大径部４９の内周面との間を封止する。ガスケット１５１は、ハウジング１０とシールケース７０の間に配置され、メカニカルシール装置１１とハウジング１０との間を封止する。

シールケース７０は、その内周面に、設置面８１を有する。設置面８１の内周側には、第１Ｏリング９０を介して第１固定環５６が取り付けられる。第１Ｏリング９０は、シールケース７０の設置面８１と、第１固定環５６の外周面の間をシールする。設置面８１と、設置面８１に対向する第１固定環５６の外周面には、段差が形成されており、第１Ｏリング９０は、設置面８１に形成された段差と、第１固定環５６の外周面に形成された段差の間に配置される。第１Ｏリング９０は、弾性に富む樹脂材料によって構成されるが、パーフロロエラストマのような耐食性の高い樹脂材料によって構成されることが好ましい。

第１固定環５６は、軸方向に沿って延在する第１固定環筒状部６０と、第１固定環筒状部６０から外周側に突出する第１固定環縁部６２とを有する。第１固定環筒状部６０の機外側端部にある機外側を向く面には、第１固定環摺動面５８が形成される。第１固定環摺動面５８は、回転環１４の第１回転環摺動面１６と摺動して、機内側空間Ａと中間室９６との間を動的にシールする。第１固定環５６は、耐食性を有するセラミック材料等によって構成されるが、シリコンカーバイドによって構成されることが好ましい。

第１固定環縁部６２は、シールケース７０の機外側に配置される。第１固定環縁部６２とシールケース７０の間には、第１スプリング９２が配置される。第１スプリング９２は、第１固定環５６とシールケース７０の間に挟まれており、第１固定環５６を、第１固定環５６の機外側に配置される回転環１４に向かって付勢する。

第１固定環縁部６２には、第１固定環ピン係合溝６２ａが形成されている。第１固定環ピン係合溝６２ａには、第１固定環５６を回転止めするための第１固定環係止ピン６４が係合する。シールカバー４６には、第１固定環ピン係合溝６２ａに対向する位置に、シールカバー４６を径方向に貫通する第１シールカバー貫通孔５２が形成されている。

図５は、シールカバー４６を機外側から見た平面図である。第１固定環係止ピン６４は、シールカバー４６の外周側に形成されている固定用のＵ字溝６６の淵部６６ａから、内周側に向かって挿入される。第１固定環係止ピン６４は、シールカバー４６に形成された第１シールカバー貫通孔５２を挿通し、第１固定環係止ピン６４の内周側端部は、固定環ピン係合溝６２ａ（図１）に係合している。なお、第１シールカバー貫通孔５２にはねじ溝が形成されており、第１固定環係止ピン６４の外周側端部は、第１シールカバー貫通孔５２に螺旋止めされる。図１に示すように、第１固定環係止ピン６４は、第１固定環５６とシールカバー４６の双方と係合し、第１固定環５６がシールカバー４６に対して相対回転することを防止する。

図１に示すように、シールケース７０は、第１ケース部材７２と、第２ケース部材８０を含む。第１ケース部材７２は、金属材料で構成されており、リング状の形状を有する。第１ケース部材７２を構成する金属材料としては、特に限定されないが、例えば、ステンレス等の金属材料が挙げられる。特に、第１ケース部材７２は、鍔の付いたリング状の形状を有する。図４は、第１ケース部材７２を機外側からみた平面図である。図１および図４に示すように、第１ケース部材７２は、リング本体部７８と、リング本体部７８から外周側に向かって突出している鍔部７４とを有する。

図３は、図１に示すメカニカルシール装置１１に含まれるシールケース７０の周辺を拡大して表した部分縦断面図である。リング本体部７８は、略矩形の断面形状を有している。鍔部７４は、リング本体部７８の機外側の端部において、外周側に向かって突出している。鍔部７４は、シールカバー４６のケース係止面５０ａに接触する接触面７６を有する。また、図１および図４に示すように、リング本体部７８には、第１スプリング９２を挿通させるためのスプリング挿通孔７７が形成されている。

第２ケース部材８０は、セラミック材料で構成されており、第１ケース部材７２と同様に、リング状の形状を有する。第２ケース部材８０を構成するセラミック材料としては、例えば、アルミナセラミック、シリコンカーバイド等が挙げられる。図３に示すように、第２ケース部材８０は、第１ケース部材７２の内周側に配置されるケース内周部８６と、第１ケース部材７２に対して機内側から接触するケース底部８４とを有する。また、第２ケース部材８０は、第１ケース部材７２に含まれるリング本体部７８の外周側に配置されるケース外周部８８を有する。

図３に示すように、第２ケース部材８０には、第１ケース部材７２のリング本体部７８を収納する管状溝８２が形成されている。管状溝８２は、機外側に向かって開口しており、リング本体部７８を機内側から収納している。管状溝８２の壁面は、ケース内周部８６と、ケース底部８４と、ケース外周部８８によって構成されている。

図３に示すように、ケース内周部８６は、設置面８１を有する。設置面８１は、ケース内周部８６における内周側表面に形成されており、設置面８１の内周側には、第１Ｏリング９０を介して、第１固定環５６が取り付けられる。ケース外周部８８とシールカバー４６の間には、第５Ｏリング５４が配置されている。

ケース外周部８８には、外周側に向かって開口するシールケースピン係合溝８９が形成されている。シールケースピン係合溝８９には、シールケース係止ピン１３９が係合している。シールケース係止ピン１３９は、シールカバー４６の外周側にある固定用Ｕ字溝の淵部から内周側に向かって、シールカバー４６を径方向に貫通するように形成された第２シールカバー貫通孔５３を挿通しており、シールケース係止ピン１３９の内周側先端は、シールケースピン係合溝８９に係合している。シールケース係止ピン１３９は、シールカバー４６の外周側から、内周側に向かって挿入される。シールケース係止ピン１３９は、シールケース７０とシールカバー４６の双方と係合し、シールケース７０がシールカバー４６に対して相対回転することを防止する。

メカニカルシール装置１１においては、第１固定環５６を保持するシールケース７０が、金属材料で構成される第１ケース部材７２と、セラミック材料で構成される第２ケース部材８０を含む。メカニカルシール装置１１を小型化しようとすると、第１固定環５６だけでなく、第１固定環５６を保持するシールケース７０も、被密封流体から機外側へ向かう圧力を受ける場合がある。また、シールケース７０が被密封流体から受ける力は、シールカバー４６の内周側に形成された内周突起５０のケース係止面５０ａのように、小さい面積で受け止めることが、メカニカルシール装置１１の小型化の観点から好ましい。

ここで、被密封流体が腐食性流体である場合、シールケース７０は、少なくとも被密封流体と接触する部分については、セラミック材料のような耐食性を有する材料によって構成する必要がある。しかし、第１固定環５６を保持するシールケース７０の全てをセラミック材料で構成すると、シールケース７０が割れやすくなるという問題が生じる。なぜなら、小型化の観点から、シールケース７０を機外側から係止する受圧面（ケース係止面５０ａ）の面積を小さくしており、小さい面積に加重が集中するからである。また、セラミック材料は靱性に乏しいため、被密封流体からの圧力が周方向で不均一になった場合などに、シールケース７０の一部分に応力が集中し、シールケース７０が割れやすくなる。

しかし、本実施形態に係るメカニカルシール装置１１は、金属材料によって構成される第１ケース部材７２と、セラミック材料によって構成される第２ケース部材８０とを組み合わせたシールケース７０を有する。メカニカルシール装置１１では、被密封流体に直接接触する部分には第２ケース部材８０を配置し、シールカバー４６と接触する部分には第１ケース部材７２を配置している。したがって、メカニカルシール装置１１は、耐食性が高く、かつ、セラミック材料の靱性不足を第１ケース部材７２が補うことにより、シールケース７０の一部に加重が集中してシールケース７０が破損することを防止できる。また、セラミック材料に要求される加工精度を抑制し、第２ケース部材８０の加工性を向上させることができる。

また、図３に示すように、メカニカルシール装置１１は、第１ケース部材７２を鍔付きのリング形状とし、第２ケース部材８０にリング本体部７８を収納する管状溝８２を形成している。このような構造とすることにより、メカニカルシール装置１１は、セラミック材料（第２ケース部材８０）と金属材料（第１ケース部材７２）との接触が、点接触またはエッジ接触になることを効果的に防止することができる。

すなわち、シールケース７０は、セラミック材料（第２ケース部材８０）と金属材料（第１ケース部材７２）の接触面積が広く、しかも、シールケース７０の外部から加えられる加重のバランスが崩れた場合にも、その接触面積が極端に狭くなることを防止できる。例えば、メカニカルシール装置１１では、シールカバー４６をボルトで固定する際などに、シールカバー４６からシールケース７０に加わる軸方向の加重を、金属材料で構成される第１ケース部材７２を介して、セラミック材料で構成される第２ケース部材８０にバランス良く伝えることができる。このように、メカニカルシール装置１１は、管状溝８２にリング本体部７８を収納することによって、シールケース７０の一部に加重が集中することを防止できる。なお、図３において、第２ケース部材８０におけるケース外周部８８の機外側端部と、第１ケース部材７２の鍔部７４との間には、隙間が設けられていることが好ましい。鍔部７４と第２ケース部材８０が接触して狭い部分に加重が集中することを防止するためである。

また、図２に示すように、メカニカルシール装置１１では、回転環１４は、ストッパ３２とスリーブ２６とを連結する回転環係止ピン４０によって回転止めされ、これらを含む回転環設置部２４によって、回転軸１２に対して設置される。これにより、本実施形態に係るメカニカルシール装置１１は、回転環１４を設置するために要する部品数を抑制しつつ、コンパクト且つ容易に回転環１４を回転軸１２に対して設置することができる。また、第２Ｏリング３８および第３Ｏリング９４を、ストッパ貫通孔３４ａより機内側に配置することによって、ストッパ貫通孔３４ａを挿通する回転環係止ピン４０は、被密封流体からシールされる。したがって、回転環係止ピン４０は、被密封流体に対する耐食性を考慮する必要がなく、例えばステンレス等の金属材料によって構成することができる。これにより、メカニカルシール装置１１は、加工が難しいセラミック材料や、高価な耐食性金属材料で構成される部品の割合を減少させることができる。

また、図２に示すように、メカニカルシール装置１１において、ストッパ側挿通部３４は、スリーブ側挿通部２８より、内周側に配置されている。ストッパ側挿通部３４を、スリーブ側挿通部２８より内周側に配置することによって、第２Ｏリング３８を設置できるスペースが広がるため、ストッパ３２を小型化し、ストッパ３２の割れおよび破損を防止することができる。なお、耐食性の観点から、ストッパ３２は、アルミナセラミックまたはシリコンカーバイド等のようなセラミック材料によって構成されることが好ましい。

メカニカルシール装置１１は、第１固定環５６やシールケース７０を、シールカバー４６に形成された貫通孔５２，５３を挿通する第１固定環係止ピン６４と、シールケース係止ピン１３９によって回転止めしている。これにより、メカニカルシール装置１１は、軸方向の長さが小さくなり、小型化に適している。

１０…ハウジング
１１…メカニカルシール装置
１２…回転軸
１４…回転環
１６…第１回転環摺動面
２０…回転環ピン係合溝
２４…回転環設置部
２６…スリーブ
２８…スリーブ側挿通部
２８ａ…スリーブ貫通孔
３０…機外側係止面
３２…ストッパ
３４…ストッパ側挿通部
３４ａ…ストッパ貫通孔
３６…機内側係止面
３８…第２Ｏリング
４０…回転環係止ピン
４６…シールカバー
５０…内周突起
５０ａ…ケース係止面
５２…第１シールカバー貫通孔
５３…第２シールカバー貫通孔
５６…第１固定環
５８…第１固定環摺動面
６０…第１固定環筒状部
６２…第１固定環縁部
６２ａ…固定環ピン係合溝
６４…固定環係止ピン
７０…シールケース
７２…第１ケース部材
７４…鍔部
７６…接触面
７７…スプリング挿通孔
７８…リング本体部
８０…第２ケース部材
８１…設置面
８２…管状溝
８４…ケース底部
８６…ケース内周部
８８…ケース外周部
８９…シールケースピン係合溝
９０…第１Ｏリング
９２…第１スプリング
９４…第３Ｏリング
９６…中間室
１３９…シールケース係止ピン
１５１…ガスケット

Claims (6)

1. 回転軸と一体に回転するように、回転環設置部を介して前記回転軸に設置されており、機内側を向く面に回転環摺動面が形成される回転環と、
   機外側を向く面に前記回転環摺動面と摺動する固定環摺動面が形成される固定環と、
   内周側に第１Ｏリングを介して前記固定環が取り付けられる設置面を有するシールケースと、
   前記シールケースを内周側に収納しており、前記シールケースを機外側から係止するケース係止面を有するシールカバーとを有し、
   前記シールケースは、金属材料によって構成されるリング状の第１ケース部材と、セラミック材料によって構成されるリング状の第２ケース部材とを有し、
   前記第１ケース部材は、前記ケース係止面と接触する接触面を有し、
   前記第２ケース部材は、前記第１ケース部材の内周側に配置されており前記設置面を有するケース内周部と、前記第１ケース部材に対して機内側から接触するケース底部とを有するメカニカルシール装置。
2. 前記第１ケース部材は、略矩形の断面形状を有するリング本体部と、当該リング本体部における機外側の端部において外周側に向かって鍔状に突出しており前記接触面を有する鍔部とを有し、
   前記第２ケース部材には、前記リング本体部を機内側から収納する管状溝が形成されており、
   前記管状溝の壁面は、前記リング本体部の外周側に配置されるケース外周部と、前記ケース内周部と、前記ケース底部とによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載されたメカニカルシール装置。
3. 前記回転環設置部は、
   前記回転環を挿通するスリーブ側挿通部と、前記回転環を機外側から係止する機外側係止面を有し、セットスクリューを介して前記回転軸に固定されているスリーブと、
   前記回転環を挿通するストッパ側挿通部と、前記回転環を機内側から係止する機内側係止面を有し、セラミック材料によって構成されており、第２Ｏリングを介して前記回転軸に外嵌されているストッパと、
   前記スリーブ側挿通部に形成されたスリーブ貫通孔と、前記ストッパ側挿通部に形成されたストッパ貫通孔とを挿通しており、前記回転環に形成された回転環ピン係合溝に係合されている回転環係止ピンと、
   前記回転環と前記ストッパの間に配置される第３Ｏリングと、を有し、
   前記第２Ｏリングおよび前記第３Ｏリングは、前記ストッパ貫通孔より機内側に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたメカニカルシール装置。
4. 前記ストッパ側挿通部は、前記スリーブ側挿通部の少なくとも一部より、内周側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載されたメカニカルシール装置。
5. 前記シールカバーに形成された第１シールカバー貫通孔を挿通し、前記固定環に形成された固定環ピン係合溝に係合する固定環係止ピンを有する請求項１から請求項４までのいずれかに記載されたメカニカルシール装置。
6. 前記シールカバーに形成された第２シールカバー貫通孔を挿通し、前記シールケースに形成されたシールケースピン係合溝に係合するシールケース係止ピンを有する請求項１から請求項５までのいずれかに記載されたメカニカルシール装置。

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