JP2011163448A - 軸周シール - Google Patents

Abstract

【目的】回転軸１の回転停止時においても良好なシール機能を発揮することができ、一次シールとしても二次シールとしても好適に使用することができる軸周シールを提供する。
【構成】軸周シールは、回転軸１にその外周面１ｆとの間に微小隙間５ａを有する同心状態で嵌挿されたシールリング１７をシールケースに設けてなる。シールリング１７は、相互に軸線方向に密着された第１リング１７Ａと第２リング１７Ｂとからなる。第１リング１７Ａの内周面は凹溝１９を形成した第１シール面１７ａに構成されている。凹溝１９は、軸線方向において被密封流体領域Ｃに向かって回転軸１の回転方向Ｄに螺旋状に延びる螺旋溝である。第２リング１７Ｂは、周方向に複数のセグメントに分割され且つガータスプリング１７ｃで円環状体に緊縛されたものであり、その内周面は凹溝を有しない第２シール面１７ｂに構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸にその外周面との間に微小隙間を有する同心状態で嵌挿されたシールリングをシールケースに設けてなる軸周シールに関するものである。

軸周シールは、従来から、軸封装置（例えば、高度のシール機能を有するメカニカルシール等を一次シールとする軸封装置）の二次シールとして或いはある程度の漏れを許容する軸封装置の一次シールとして多用されており、回転軸にこれとの間に微小隙間を有する状態で嵌挿されたシールリングを使用するもの（例えば、特許文献１を参照）や内周面にネジ溝等の凹溝を形成したシールリングを使用したもの（例えば、特許文献２を参照）が周知である。

而して、前者の軸周シール（以下「第１従来シール」という）は、シールリングの内周面と回転軸の外周面との間に形成される微小隙間において減圧効果を発揮させることによって、当該隙間からの流体漏れを抑制するように構成されたものである。

また、後者の軸周シール（以下「第２従来シール」という）は、シールリングの内周面に形成した凹溝により、回転軸の回転に伴ってシールリングの内周面と回転軸の外周面との隙間に動圧を発生させて、高圧側から低圧側への圧力流れに対して抵抗を与えることにより当該隙間からの漏れを抑制するように構成されたものである（例えば、特許文献２の段落番号［００１７］を参照）。

実開平０５−０４０６５６号公報 特開平１０−０３０７３０号公報

しかし、第１従来シールでは、微小隙間による減圧効果によって漏れを抑制するにすぎないことからシール性が低く、一次シールとしては勿論、二次シールとしても満足し得るものではなかった。

一方、第２従来シールは、シールリングと回転軸との隙間に発生する動圧により当該隙間への流体侵入を抑制するものであるから、第１従来シールに比してシール性は高い。しかし、第１従来シールが回転軸が回転しないことによってはシール機能が低下しないものであるのに対し、第２従来シールでは、回転軸が回転しない状態では上記動圧が発生しないことから、シール機能が十分に発揮されない。したがって、第２従来シールは、回転軸が回転しない運転停止時や緊急停止時においてもシール機能を必要とする回転機器には使用できないものであり、その用途が限定されるものであった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、第２従来シールと同等又はそれ以上のシール性を有すると共に、第１従来シールと同様に回転軸の回転停止時においても良好なシール機能を発揮することができ、一次シールとしても二次シールとしても好適に使用することができる軸周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、回転軸にその外周面との間に微小隙間を有する同心状態で嵌挿されたシールリングをシールケースに設けてなる軸周シールにおいて、上記の目的を達成すべく、特に、シールリングの内周面を軸線方向において凹溝を形成した第１シール面と凹溝を有しない第２シール面とに区画し、当該凹溝を軸線方向において被密封流体領域に向かって回転軸の回転方向に螺旋状に延びる螺旋溝としておくことを提案するものである。

かかる軸周シールにあっては、凹溝を角ネジ溝形状をなすものとしておくことが好ましい。また、第１シール面をシールリングの内周面における被密封流体領域側部分で構成し、第２シール面をシールリングの内周面における非密封流体領域側部分で構成しておくことが好ましい。また、シールリングは、相互に軸線方向に密着された第１リングと第２リングとに分割されたものであり、第１リングが内周面を第１シール面に構成したものであり、第２リングが内周面を第２シール面に構成したものであることが好ましい。この場合において、両リングのうち少なくとも第２リングは、周方向に複数のセグメントに分割されたものであって、ガータスプリングで円環状体に緊縛されたものとしておくことができる。

本発明の軸周シールは、軸封装置（例えば、メカニカルシールを一次シールとする軸封装置）の二次シールとして好適に使用することができ、ある程度の漏れが許容される軸封装置においては一次シールとして使用することも可能である。

本発明の軸周シールは、第１シール面による動圧発生作用と第２シール面による減圧作用との協働作用によりシール機能を発揮するものであることから、回転軸が回転する運転時においては第１従来シールに比しては勿論、第２従来シールに比しても同等以上のシール機能を発揮することができ、回転軸が回転しない運転停止，休止時においても第１従来シールと同等以上のシール機能を発揮するものであり、あらゆる回転機器において二次シールとしても一次シールとしても好適に使用することができる実用的価値極めて大なるものである。

図１は、本発明に係る軸周シールの一例を示す縦断側面図である。 図２は、図１の要部（シールリング）を取り出して示す詳細図である。 図３は、本発明に係る軸周シールの変形例を示す縦断側面図である。 図４は、図３の要部（シールリング）を取り出して示す詳細図である。

図１は本発明に係る軸周シールを二次シール手段として使用した軸封装置の一例を示す縦断側面図であり、図２はその要部を取り出して示す縦断側面図である。なお、以下の説明において、前後とは図１における左右を意味するものとする。

図１に示す軸封装置は、水平な回転軸１を有するポンプ等の横型回転機器に装備されたもので、当該回転機器のハウジング２に取り付けられたシールケース３と回転軸１との対向周面間に一次シールたるメカニカルシール４と二次シールたる軸流シール５を並列配設して、両シール４，５により機内領域（ハウジング１内のプロセス流体領域）Ａと機外領域（ハウジング１外の大気領域）Ｂとの間をクエンチ流体領域Ｃを介してシールするように構成されている。すなわち、後述するように、メカニカルシール４によりその被密封流体領域である機内領域Ａとクエンチ流体領域Ｃとをシール（一次シール）すると共に、軸周シール５によりクエンチ流体領域Ｃと機外領域Ｂとをシール（二次シール）するように構成されている。

回転軸１は、図１に示す如く、軸本体１ａとこれに嵌挿されたスリーブ１ｂとスリーブ１ｂを軸本体１ａに固定する固定リング１ｃとからなる。固定リング１ｃは適当数の連結スクリュー１ｄによりスリーブ１ｃの前端部に嵌合固定されており、この固定リング１ｃを適当数の固定スクリュー１ｅにより軸本体１ａに固定することにより、スリーブ１ｂを着脱可能に軸本体１ａに固定している。

メカニカルシール４は、シールケース３に固定された静止密封環６と、回転軸１にＯリング７を介して軸線方向（前後方向）に移動可能に保持された回転密封環８と、回転密封環８を静止密封環６へと押圧附勢するスプリング９と、シールケース３に形成したクエンチ流体供給路１０及びクエンチ流体排出路１１と、回転軸１とシールケース３との間に形成されたクエンチ流体流動路１２ａ，１２ｂとを具備して、両密封環６，８の対向端面たる密封端面６ａ，８ａの相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分（シール部分）６ａ，８ａの外周側領域である機内領域Ａと内周側領域であるクエンチ流体領域Ｃとを遮蔽シールするように構成された端面接触形のメカニカルシールである。

静止密封環６は、図１に示す如く、先端面（後端面）を軸線に直交する平滑環状面である密封端面６ａに構成した円環状体であり、先端部をハウジング２内に突入させた状態で、Ｏリング１３を介してシールケース３の後端内周部に嵌合固定されている。

回転密封環８は、図１に示す如く、静止密封環６の密封端面６ａに直対向する先端面（前端面）を軸線に直交する平滑環状面である密封端面８ａに構成した密封環本体８ｂと、密封環本体８ｂの後端部に嵌合固着された保持体８ｃと、保持体８ｃの後端部にドライブピン８ｄを介して相対回転不能に衝合連結されたスプリング受体８ｅとからなる円環状体であり、保持体８ｃの内周部に保持させたＯリング７を介してスリーブ１ｂに軸線方向移動可能に嵌合保持されており、スプリング受体８ｅに螺着した水平なドライブピン８ｆをスリーブ１ｂに固着したスプリングリテーナ１４に挿通係合させることにより、回転軸１に対して軸線方向移動を所定範囲で許容しつつ相対回転不能に阻止されている。

スプリング９は、図１に示す如く、スプリング受体８ｅとスプリングリテーナ１４との介装されており、回転密封環８を静止密封環６に押圧接触させるべく前方へと附勢する。

クエンチ流体供給路１０は、図１に示す如く、シールケース３の下部側部分にこれを上下方向に貫通すべく形成されており、機内領域Ａと機外領域Ｂとの中間領域であるクエンチ流体領域Ｃの下部側にクエンチ流体１５を供給するようになっている。なお、クエンチ流体供給路１０の下流端である上端部は、回転軸１の下方側において静止密封環６の後端部に向けて開口されている。クエンチ流体１５としては、機外領域Ｂに漏洩しても支障のない清水等が使用される。

クエンチ流体排出路１１は、図１に示す如く、シールケース３の上部側部分にこれを上下方向に貫通すべく形成されており、クエンチ流体領域Ｃの上部側（回転軸１の上側）において当該領域Ｃに供給されたクエンチ流体１５を排出，回収するようになっている。

クエンチ流体流動路１２ａ，１２ｂは、図１に示す如く、シールケース３の内周部に回転軸１（スリーブ１ｂ）と静止密封環６との対向周面間を通過して密封端面６ａ，８ａの近傍まで伸びる円筒状のバッフル１６を設けることによりクエンチ流体領域Ｃに形成された蛇行通路であって、クエンチ流体供給路１０の上端開口部から静止密封環６とバッフル１６との間を通って後方に伸びて密封端面６ａ，８ａの内径側部分に至る第１流動路１２ａと、当該内径側部分からバッフル１６とスリーブ１ｂとの間を通って前方に伸びて軸周シール５に至る第２流動路１２ｂとからなる。なお、クエンチ流体排出路１１の下端部は、図１に示す如く、第２流路１２ｂの終端部に開口されている。

軸周シール５は、図１及び図２に示す如く、回転軸１にその外周面１ｆとの間に微小隙間５ａを有する同心状態で嵌挿されたシールリング１７をシールケース３に設けてなり、被密封流体領域であるクエンチ流体領域Ｃと非密封流体領域である機外領域（大気領域）Ｂとの間をシールするものである。

すなわち、軸周シール５は、図１及び図２に示す如く、シールリング１７を、回転軸１に相対回転不能に同心状に遊嵌させた状態で、シールケース３の前端内周部に形成された環状のシール室１８に装填してなり、シールリング１７の内周面は軸線方向において凹溝１９を形成した第１シール面１７ａと凹溝を有しない第２シール面１７ｂとに区画されている。

各シール面１７ａ，１７ｂは、その径を回転軸１の外径（スリーブ１ｂの外径）より若干大きくなるように（例えば、シール面１７ａ，１７ｂと回転軸１の外周面１ｆとの半径方向間隔が４０〜１００μｍ（好ましくは５０〜８０μｍ）となるように）設定した円柱面であり、第１シール面１７ａに形成される凹溝１９は、図２に示す如く、軸線方向においてクエンチ流体領域Ｃに向かって（後方に向かって）回転軸１の回転方向（Ｄ方向）に螺旋状に延びる螺旋溝であり、この例では角ネジ溝とされている。すなわち、凹溝１９は、前方から見た状態（機内領域Ａから機外領域Ｂを見た状態）において回転軸１が右方向に回転する場合（図２に示す場合）には右ネジ溝形状とされ、逆に当該状態において回転軸１が左方向に回転する場合には左ネジ溝形状とされる。

この例では、シールリング１７が、相互に軸線方向に密着された第１リング１７Ａと第２リング１７Ｂとに分割されており、第１リング１７Ａの内周面を第１シール面１７ａに構成すると共に、第２リング１７Ｂの内周面を第２シール面１７ｂに構成してある。第１リング１７Ａは被密封流体領域（クエンチ流体領域）Ｃ側に配置されており、第２リング１７Ｂは非密封流体領域（大気領域）Ｂ側に配置されている。すなわち、第１シール面１７ａがシールリング１７の内周面における被密封流体領域側部分（後側部分）で構成されており、第２シール面１７ｂがシールリング１７の内周面における非密封流体領域側部分（前側部分）で構成されている。

また、この例では、第２リング１７Ｂを、周方向に複数部分（円弧状セグメント）に分割された一つのセグメントリングをガータスプリング１７ｃで円環状体に緊縛してなるセグメントシール構造に構成してある。一方、第１リング１７Ａは非分割の円環状体をなしており、シール室１８の対向周壁１８ａ，１８ｂの一方である被密封流体領域Ｃ側の第１周壁１８ａとの間に介装した適当数のコイルスプリング２０により他方の周壁（非密封流体領域Ｂ側の第２周壁）１８ｂへと押圧附勢されている。すなわち、このコイルリング２０の附勢力により、第２リング１７ｂが第２周壁１８ｂに密着されると共に両リング１７Ａ，１７Ｂが相互に密着されている。両リング１７Ａ，１７ｂは、第１周壁１８ａに突設した水平なドライブピン２１を第１リング１７Ａに形成した貫通孔１７ｄ及び第２リング１７Ｂに形成した凹部１７ｅに挿通係合させることにより、シールケース３に相対回転不能に保持されている。なお、第１周壁１８ａはバッフル１６の前端部に一体形成された円環状板で構成されており、バッフル１６及び第１周壁１８ａを構成する断面Ｌ字状の円筒部材は、シールケース３の内周部にドライブピン２２を介して相対回転不能に嵌合固定されている。また、第２周壁１８ｂはシールケース３の前端面に固着された円環状板で構成されている。

なお、各リング１７Ａ，１７Ｂは一般にカーボン等で構成されるが、これらのシール面１７ａ，１７ｂに対向する回転軸１の外周面（スリーブ１ｂの外周面）１ｆには超硬合金等の硬質層を溶射等によりコーティングしておくことが好ましい。

以上のように構成された軸封装置にあっては、クエンチ流体供給路１０からクエンチ流体領域Ｃに供給されたクエンチ流体１５が第１流動路１２ａから静止密封環６の内周面の全面に沿ってシール部分６ａ，８ａへと流動し、シール部分６ａ，８ａの周辺領域で反転して第２流動路１２ｂを通過して、クエンチ流体領域Ｃからクエンチ流体排出路１２へと排出される。したがって、第１流動路１２ａを通過するクエンチ流体１５によってこれと静止密封環６との熱交換が良好に行われ、第１流動路１２ａから第２流動路１２ｂへと反転流動するクエンチ流体１５によってこれとシール部分６ａ，８ａとの熱交換ないし洗浄が効果的に行われる。しかも、クエンチ流体１５がクエンチ流体供給路１０の上端開口部からクエンチ流体領域Ｃの下部つまり環状をなす第１流動路１２ａの下部に供給されると共にクエンチ流体領域Ｃの上部つまり環状をなす第２流動路１２ｂの上部から排出され、各流動路１２ａ，１２ｂ内を均一に流動することになることから、上記したクエンチ流体１５による熱交換及び洗浄が良好且つ効率的に行われることになる。したがって、クエンチ流体１５によるシール部分６ａ，８ａの洗浄効果や冷却効果（例えば、クエンチ流体１５として常温水又は低温水を使用する場合）又は加熱効果（例えば、クエンチ流体１５として高温水を使用する場合）が良好に発揮され、密封環６，８の摺動によって発生する摩耗粉のシール部分６ａ，８ａへの侵入を確実に防止すると共にシール部分６ａ，８ａやその周辺の温度管理を適正に制御することができ、長期に亘って良好なメカニカルシール機能（一次シール機能）を発揮させることができる。

而して、上記したクエンチ流体１５による洗浄，熱交換機能が良好に発揮されるためにはクエンチ流体領域Ｃと大気領域Ｂとの間を良好にシール（二次シール）しておく必要があるが、かかるシールは上記した構成の軸周シール５によって良好に行われる。

すなわち、クエンチ流体領域Ｃ内のクエンチ流体１５は第２流動路１２ｂからシールリング１７の内周面であるシール面１７ａ，１７ｂと回転軸１の外周面（スリーブ１ｂの外周面）１ｆとの間に形成される隙間５ａから大気領域Ｂへと漏洩するが、この隙間５ａが微小であることから、クエンチ流体１５は当該隙間５ａを通過する間において圧力降下して大気領域Ｂへの漏洩量が減少する。このような圧力降下による漏洩減少は第２シール面１７ｂによって行われ、凹溝１９が形成された第１シール面１７ａによってはかかる圧力降下による漏洩減少はさほど期待できない。しかし、第１シール面１７ａと回転軸１の外周面１ｆとの間においては、第１シール面１７ａに螺旋状の凹溝１９が形成されていることから、両面１ｆ，１７ａ間においては回転軸１の回転に伴って動圧が発生する。そして、凹溝１９が回転軸１ａのクエンチ流体領域Ｃに向かって回転方向Ｄに螺旋状に伸びる螺旋溝（角ネジ溝）とされていることから、第２流動路１２ｂから両面１ｆ，１７ａ間へのクエンチ流体１５の流れが抵抗を受けることになり、両面１ｆ，１７ａ間へのクエンチ流体１５の侵入が可及的に抑制されることになる。

このように、本発明に係る軸周シールは第１従来シール及び第２従来シールのシール機能を併せ持つものであり、第１シール面１２ａによる螺旋溝効果と第２シール面１２ｂによる減圧効果との相乗効果によってクエンチ流体１５のクエンチ流体領域Ｃから大気領域Ｂへの漏洩が効果的に抑制され、クエンチ流体領域Ｃの二次シールが極めて良好に行われる。

また、回転軸１が停止している場合においては、第１シール面１７ａの凹溝１９による動圧効果は発揮されないものの、第２シール面１７ｂによる減圧効果が発揮されることから、第１従来シールと同様に、回転機器の運転停止時，休止時においても軸周シール５によるシール機能が喪失することはない。かかる点は、軸周シール５を一次シールとして使用する場合において、特に有益である。

なお、本発明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変更，改良することができる。

例えば、上記した実施の形態においては、第２リング１７Ｂのみをセグメントシール構造としたが、第１リング１７Ａもこれと同様のセグメントシール構造とすることができる。逆に、第２シール１７Ｂをセグメントシール構造とせずに、第１シール１７Ａと同様に非分割の円環状体とすることもできる。また、シールリング１７を、上記した実施の形態では、第１リング１７Ａと第２リング１７Ｂとに分離したが、図３及び図４に示す如く、一体構造のリングとしておくこともできる。この場合において、シールリング１７をセグメントシール構造とすることも可能である。さらに、凹溝１９を形成した第１シール面１７ａは、凹溝を形成しない第２シール面１７ｂの被密封流体領域Ｃ側に配置しておくことが好ましいが、必要に応じて、第２シール面１７ｂの非密封流体領域Ｂ側に配置しておくことも可能である。また、軸周シール５は、メカニカルシール４等を一次シールとする軸封装置の二次シールとして使用する他、ある程度の漏れが許容される軸封装置の一次シールとして使用することも可能である。

１ 回転機器の回転軸
１ｆ 回転軸の外周面
２ 回転機器のハウジング
３ シールケース
４ メカニカルシール（一次シール）
５ 軸周シール（二次シール）
５ａ 微小隙間
６ 静止密封環
６ａ 静止密封環の密封端面
８ 回転密封環
８ａ 回転密封環の密封端面
１７ シールリング
１７Ａ 第１リング
１７ａ 第１シール面
１７Ｂ 第２リング
１７ｂ 第２シール面
１８ シール室
１９ 凹溝
Ａ 機内領域
Ｂ 機外領域（非密封流体領域）
Ｃ クエンチ流体領域（被密封流体領域）
Ｄ 回転軸の回転方向

Claims (6)

1. 回転軸にその外周面との間に微小隙間を有する同心状態で嵌挿されたシールリングをシールケースに設けてなる軸周シールにおいて、シールリングの内周面が軸線方向において凹溝を形成した第１シール面と凹溝を有しない第２シール面とに区画されており、当該凹溝が軸線方向において被密封流体領域に向かって回転軸の回転方向に螺旋状に延びる螺旋溝であることを特徴とする軸周シール。
2. 凹溝が角ネジ溝形状をなすものであることを特徴とする、請求項１に記載する軸周シール。
3. 第１シール面がシールリングの内周面における被密封流体領域側部分で構成されており、第２シール面がシールリングの内周面における非密封流体領域側部分で構成されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する軸周シール。
4. シールリングが、相互に軸線方向に密着された第１リングと第２リングとに分割されたものであり、第１リングが内周面を第１シール面に構成したものであり、第２リングが内周面を第２シール面に構成したものであることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載する軸周シール。
5. 両リングのうち少なくとも第２リングが、周方向に複数のセグメントに分割されたものであって、ガータスプリングで円環状体に緊縛されたものであることを特徴とする、請求項４に記載する軸周シール。
6. 軸封装置の二次シールとして使用されるものであることを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載する軸周シール。