JP2012031896A - ノンメタル構造のメカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】機内領域の汚染を確実に回避することができ、高度のコンタミレスが要求される竪型回転機器の軸封手段としても好適に使用することができるようにする。
【解決手段】機内領域Ａの被密封流体と接触する部材、部分又はそれらの表面を金属成分を含有しないノンメタル材料で構成してあるノンメタル構造のメカニカルシールにおいて、金属製のシールケース２に、その内周部から回転軸方向に張り出す環状の底壁２１とその内周端部から密封環３，６と回転軸４との対向周面間を上方へと延びて密封環３，６の相対回転摺接部分３ａ，６ａより上方位に至る筒状の周壁２２とからなるドレン回収樋９を一体形成し、シールケース２における少なくとも被密封流体と接触する表面及びドレン回収樋９の全表面に前記ノンメタル材料による一連の被覆層２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ，２３ｇ，２３ｈを形成してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属表面が被密封流体と接触することによるコンタミネーションの発生を回避することが要求される竪型回転機器（例えば、医薬品，薬品，食品，半導体等の分野で使用される攪拌機等）の軸封手段として好適に使用されるノンメタル構造のメカニカルシールに関するものである。

医薬品，食品，半導体等の分野で使用される攪拌機等、高度のコンタミネーション防止策を講じておくことが要求される竪型回転機器にあっては、その軸封手段として、被密封流体（機内領域の流体）との接触による金属腐食等を防止できる構造のものを使用する必要がある。

従来からも、このような竪型回転機器の軸封手段として、回転機器のハウジングに取付けた筒状のシールケースと、その内周部に設けたケース側密封環と、シールケースを上下方向に洞貫する当該回転機器の回転軸に設けた軸側密封環とを具備して、両密封環の上下対向端面である密封端面の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の内周側領域である機内領域とその外周側領域である機外領域とをシールするように構成すると共に、機内領域の流体である被密封流体と接触する部材、部分又はそれらの表面を金属成分を含有しないノンメタル材料で構成したノンメタル構造のメカニカルシールが提案されている。例えば、特許文献１に開示されるメカニカルシールにあっては、被密封流体と接触する各密封環についてはカーボンやアルミナ等のセラミックスで構成すると共に、シールケースについては、被密封流体と接触する部分と接触しない部分とに分割して、前者をノンメタル材料であるセラミックスで構成してある。

特開２００５−１３３８５２公報

しかし、このようなノンメタル構造のメカニカルシールにあっては、被密封流体と接触する部材、部品又はそれらの表面がノンメタル材料で構成されていることから、被密封流体との接触による金属腐食等を防止することはできるものの、密封環の相対回転摺接部分から摩耗粉等のドレンが発生することがある。このような場合、発生したドレンが機内領域へと落下侵入する虞れがあり、機内領域の汚染を完全に回避することは困難であった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、密封環の相対回転摺接部分から摩耗粉等のドレンが発生するような条件下においても、機内領域の汚染を確実に回避することができ、高度のコンタミレスが要求される竪型回転機器の軸封手段としても好適に使用することができるノンメタル構造の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、竪型回転機器のハウジングに取付けた筒状のシールケースと、その内周部に設けたケース側密封環と、シールケースを上下方向に洞貫する当該回転機器の回転軸に設けた軸側密封環とを具備して、両密封環の上下対向端面である密封端面の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の内周側領域である機内領域とその外周側領域である機外領域とをシールするように構成すると共に、機内領域の流体である被密封流体と接触する部材、部分又はそれらの表面を金属成分を含有しないノンメタル材料で構成してあるノンメタル構造の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、シールケースを金属材料で構成し、シールケースに、その内周部から回転軸方向に張り出す環状の底壁とその内周端部から密封環と回転軸との対向周面間を上方へと延びて前記相対回転摺接部分より上方位に至る筒状の周壁とからなるドレン回収樋を一体形成し、シールケースにおける少なくとも被密封流体と接触する表面及びドレン回収樋の全表面に前記ノンメタル材料による一連の被覆層を形成しておくことを提案するものである。

本発明のメカニカルシールにあっては、シールケースは、被密封流体に接触する表面を有する一体構造物である第１ケース部分とこれ以外の部分であって密封流体流体に接触する表面を有しない第２ケース部分とに分割構成された円筒構造体であり、ドレン回収樋は第１ケース部分の内周部に一体形成されており、第１ケース部分における被密封流体と接触する表面及びドレン回収樋の全表面には、合成樹脂材料による一連の被覆層が形成されていることが好ましい。この場合、シールケースは、夫々が一体構造物である第１ケース部分とその上端部に取付けられた第２ケース部分とに分割構成されており、第２ケース部分の内周部にはケース側密封環が第１及び第２Ｏリングを介して嵌合固定されており、第１ケース部分には、上下方向においてケース側密封環との間で第２Ｏリングを挟圧するＯリング押圧部が形成されており、このＯリング押圧部における第２Ｏリングとの接触面に、前記一連の被覆層に連なる同材質の被覆層を形成してあることが好ましい。

また、本発明のメカニカルシールにあっては、シールケースに、これとドレン回収樋との間に形成されるドレン回収空間の下部に開口するドレン回収路を形成して、このドレン回収路の内周面に前記一連の被覆層に連なる同材質の被覆層を形成しておくことが好ましい。また、シールケースを、その下端部に形成した環状の取付部を前記ハウジングの上端部にガスケットを介して衝合させた状態で当該ハウジングに取付けて、当該取付部の表面に前記一連の被覆層に連なる同材質の被覆層を形成しておくことが好ましい。

さらに、本発明のノンメタル構造のメカニカルシールは、被密封流体が腐食性流体等である場合にも好適に使用することができる耐蝕性ベローズ型メカニカルシールに構成しておくことができる。すなわち、この耐蝕性ベローズ型メカニカルシールは、シールケースに固定されたセラミックス製のケース側密封環と、上端部を回転軸に嵌合固定した軸線方向伸縮可能なＰＴＦＥ製のベローズと、ベローズの下端部に連結されてケース側密封環に対向する、耐蝕性及びケース側密封環との摺動特性に優れた硬質樹脂材で構成された軸側密封環と、ベローズの下端部及び軸側密封環に相対回転不能且つケース側密封環方向への相対変位不能に係合されたスプリングリテーナと、スプリングリテーナをケース側密封環方向に押圧附勢すべくベローズの外周側領域に配設されたスプリング部材とを具備して、両密封環の対向端面たる密封端面の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の内周側領域である被密封流体領域とその外周側領域である非密封流体領域とをシールするように構成されたものであり、スプリングリテーナを熱膨張係数がベローズと同等又は近似する樹脂材で構成してある。かかるメカニカルシールにあっては、軸側密封環がＰＴＦＥを主成分とする複合樹脂材で構成されていることが好ましく、スプリングリテーナがＰＴＦＥを主成分とする複合樹脂材で構成されていることが好ましい。

本発明のノンメタル構造のメカニカルシールは、密封環の相対回転摺接部分から発生する摩耗粉等のドレンをドレン回収樋で回収することができるから、被密封流体と接触する部材、部分又はそれらの表面をノンメタル材料で構成していることとも相俟って、機内領域の汚染を確実に回避することができ、コンタミネーション防止に万全を期すことができるものである。したがって、本発明によれば、高度のコンタミレスが要求される竪型回転機器の軸封手段としても好適に使用することができる、極めて実用的価値大なるノンメタル構造のメカニカルシールを提供することができる。

図１は本発明に係るノンメタル構造のメカニカルシールの一例を示す縦断正面図である。 図２は図１の要部を拡大して示す詳細図である。 図３は当該メカニカルシールの変形例を示す縦断正面図である。 図４は図３の要部を拡大して示す詳細図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１は本発明のノンメタル構造のメカニカルシールの一例を示す縦断正面図であり、図２はその要部を拡大して示す詳細図であるが、図１に示すメカニカルシール（以下「第１シールＭ１」という）は、腐食性流体を扱う攪拌機等の竪型回転機器に軸封手段として好適に使用できる耐蝕性ベローズ型メカニカルシールであり、回転機器のハウジング１に取り付けられたシールケース２と、シールケース２に固定されたケース側密封環３と、シールケース２を上下方向に同心状に洞貫する回転機器の回転軸（鉛直軸）４にベローズ５を介して軸線方向移動可能（上下方向移動可能）に保持された軸側密封環６と、軸側密封環６をスプリングリテーナ７を介してケース側密封環３へと押圧接触させるスプリング部材８とを具備して、両密封環３，６の対向端面たる密封端面３ａ，６ａの相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分３ａ，６ａの内周側領域である機内領域（被密封流体領域）Ａとその外周側領域である機外領域（非密封流体領域）Ｂとを遮蔽シールするように構成された端面接触形メカニカルシールであり、後述する如く、機内領域Ａの流体（プロセス流体）である被密封流体と接触する部材、部分又はそれらの表面を金属成分を含有しないノンメタル材料で構成すると共に、シールケース２にドレン樋９を一体形成してある。なお、被密封流体は腐食性を有する気体又は液体であり、機外領域Ｂは大気領域である。また、当該回転機器にあっては、ハウジング１や回転軸２の表面であって少なくとも被密封流体と接触する部分にはグラスライニングやフッ素樹脂ライニング（一般に、ポリテトラフルオロエチレン樹脂ライニング）が施されている。

シールケース２は、図１に示す如く、内周面断面を円形とする金属製（ＳＵＳ３０４等）の筒状体であり、被密封流体と接触する表面を有する第１ケース部分１０とこれ以外の部分であって被密封流体と接触する表面を有しない第２ケース部分１１とに分割構成されている。各ケース部分１０，１１は、各々、金属製の一体構造物である筒状体に構成されたものであり、第１ケース部分１０はハウジング１の上端部に取り付けられており、第２ケース部分１１は第１ケース９の上端部に取り付けられている。シールケース２は、第１ケース部分１０の下端部に形成した環状の取付部１０ａをハウジング１の上端部にガスケット１２を介して衝合させた状態で、当該ハウジング１に取り付けられている。なお、ガスケット１２は耐蝕性を有するノンメタル材料で構成されたものであり、例えば、ゴム等の弾性材からなる芯体と、芯体の外周部を除く部分を被覆する耐食性樹脂材製（ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等）の袋体とからなる複合構造をなすものが使用される。

ケース側密封環３は、図１及び図２に示す如く、第２ケース部分１１の内周部に上下一対の第１及び第２Ｏリング１３，１４を介して嵌合固定された円環状体であり、上端面（先端面）は軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面３ａに構成されている。ケース側密封環３は耐蝕性に優れるノンメタル材料、例えば炭化珪素等のセラミックスで構成されており、各Ｏリング１３，１４はパーフロロゴム等の耐蝕性弾性材で構成されている。

上位の第１Ｏリング１３はケース側密封環３と第２ケース部分１１との間で軸線方向（上下方向）及び径方向（水平方向）に挟圧されると共に、下位の第２Ｏリング１５はケース側密封環３と第１及び第２ケース部分１０，１１との間で軸線方向（上下方向）及び径方向に挟圧されていて、これらのＯリング１３，１４によりケース側密封環３と各ケース部分１０，１１との間がシール（二次シール）されている。第１ケース部分１０の上端内周部は、上下方向においてケース側密封環３との間で第２Ｏリング１５を挟圧する環状のＯリング押圧部１０ｂに構成されている。

ベローズ５は、耐蝕性に優れたノンメタル材料であるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）で構成された円筒状の一体構成物であり、図１及び図２に示す如く、上下方向における中間部を上下方向に伸縮自在とされた断面蛇行状の伸縮部５ａに構成してある。ベローズ５の上端部（基端部）である固定部５ｂは、図１に示す如く、金属製(ＳＵＳ３１５等)の緊縛リング１５により緊縛させることにより回転軸４に嵌合固定されている。すなわち、緊縛リング１５は径方向に２分割されたもので、一対の締付ボルト(１本のみ図示)１５ａにより環状に連結されていて、内周部に形成した係合溝１５ｂに当該固定部５ｂに形成した環状突起５ｃを係合させた状態で締付ボルト１５ａを締め付けることにより、当該固定部５ｂを回転軸４に強固に嵌合固定するようになっている。なお、緊縛リング１５の上端面には、回転軸４に適当本数のセットスクリュー（１本のみ図示）１６ａにより回転軸４に固定されたストッパリング１６が衝合されている。また、緊縛リング１５の下端面にはドライブカラー１９が取付けられている。

軸側密封環６は、図１及び図２に示す如く、耐蝕性及びケース側密封環３との摺動特性に優れたノンメタル材料である硬質樹脂材で構成された円環状体であり、その下端面（先端面は）軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面６ａに構成されている。この例では、軸側密封環６を、ＰＴＦＥを主成分とする複合樹脂材であって、ケース側密封環３との摺動特性（低摩擦性）及び機械的強度を向上させるべくＰＴＦＥに適宜の充填剤を充填させたＰＴＦＥ複合樹脂材で構成してある。

軸側密封環６は、図１及び図２に示す如く、ベローズ５の下端部（先端部）である連結部５ｄに一体的に連結されている。すなわち、軸側密封環６とベローズ５の連結部５ｄとの連結は、ベローズ５及び／又は軸側密封環６の成形工程時において或いはベローズ５及び軸側密封環６の成形工程後において両者５ｄ，６を一体化させるように行われるものであり、一体化された状態において両者５ｄ，６の境界２０は明瞭に現われない。なお、ベローズ５の連結部５ｄの外径は、軸側密封環６の上端部（基端部）と同一径となるように、ベローズ５の伸縮部５ａ及び固定部５ｂより若干大径とされている。

スプリングリテーナ７は、図１に示す如く、下端部（先端部）７ａがベローズ５の連結部５ｄ及び軸側密封環６に嵌合すると共に上端部（基端部）７ｂがベローズ５の伸縮部５を囲繞する円筒状のものであり、熱膨張係数がベローズ５の構成材であるＰＴＦＥと同等又は近似する樹脂材で構成してある。この例では、ＰＴＦＥを主成分とする複合樹脂材であって、ＰＴＦＥにカーボンを充填させたＰＴＦＥ複合樹脂材で構成してある。なお、スプリングリテーナ７の上端部７ａの内径はベローズ５の連結部５ｄ及び軸側密封環６に密に外嵌しうるように設定されているが、その下端部７ｂの内径はベローズ５の連結部５ｄ及び軸側密封環６の外径より小さいが、ベローズ５の伸縮部５ａの外径より若干大きく設定されていて、スプリングリテーナ７が当該伸縮部５ａに干渉しないように工夫されている。

スプリングリテーナ７の下端面（先端面）には、軸側密封環６の上端側外周面に周方向に等間隔を隔てて突出形成した複数の環状突起６ｃに係合する凹部７ｃが形成されていて、この突起６ｃと凹部７ｃとの係合により、両者６，７の相対回転が阻止されている。また、スプリングリテーナ７の内周部において上下端部７ａ，７ｂの境界に形成された環状段部７ｄは、ベローズ５の外周部において伸縮部５ａと連結部５ｄとの境界に形成される環状段部５ｆに衝合されていて、両段部５ｆ，７ｄの係合により、後述するスプリング部材８による押圧附勢力がスプリングリテーナ７を介してベローズ５に確実に作用するように工夫されている。

スプリングリテーナ７は、図１に示す如く、緊縛リング１５ないしドライブカラー１７に植設した適当数（１個のみ図示）のドライブピン１８を当該スプリングリテーナ７の上端部に形成した凹部７ｅに係合させることにより、スプリングリテーナ７の回転軸２に対する相対回転がその軸線方向移動を所定範囲で許容しつつ阻止されるようになっている。

スプリング部材８は、図１に示す如く、スプリングリテーナ７とドライブリング１７との間に周方向に等間隔を隔てて装填された複数（１個のみ図示）のコイルスプリングで構成されており、軸側密封環６をケース側密封環３へと押圧接触させるべく、スプリングリテーナ７（及びベローズ５）を下方向に附勢するものである。

ドレン回収樋９は、図１及び図２に示す如く、シールケース２における被密封流体と接触する表面を有する部分（第１ケース部分）１０に一体形成された金属製の回転体形状をなすものであり、第１ケース部分１０の内周部から回転軸方向に張り出す環状の底壁２１とその内周端部から密封環３，６と回転軸４との対向周面間を上方へと延びて密封環３，６の相対回転摺接部分（密封端面）３ａ，６ａより上方位に至る筒状の周壁２２とからなる。周壁２２の上端２２ａは、密封端面３ａ，６ａ間から放出される摩耗粉等のドレンが周壁２２と回転軸４との間に侵入することがないように、密封端面３ａ，６ａを上方に越え且つベローズ７に干渉しない範囲において適宜に設定される。一般的には、周壁２２の上端２２ａは、軸側密封環６の上端部（ベローズ５との境界部２０）に略対応する位置に位置されるように設定される。なお、周壁２２の下面は第１ケース部分１０の取付部１０ａの下面に連なっている。

而して、第１メカニカルシールＭ１にあっては、被密封流体と接触する部材（ケース側密封環３、ベローズ５、軸側密封環６、ガスケット１２及び第２Ｏリング１４）を上記した如く耐蝕性ノンメタル材料（ＰＴＦＥ等）で構成すると共に、強度，加工等の観点からノンメタル材料で構成することができない部材（ドレン回収樋）又は部分（第１ケース部分１０）については、被密封流体と接触する表面にノンメタル材料による被覆層を形成することによって、メカニカルシール全体をノンメタル構造となしている。

すなわち、第１ケース部分１０の表面であって被密封流体と接触する部分及びドレン回収樋９の表面であって被密封流体と接触する部分つまり当該回収樋９の全面には、図１及び図２に示す如く、耐蝕性を有するノンメタル材料による一連の第１〜第５被覆層２３ａ〜２３ｅが形成されている。第１被覆層２３ａは第１ケース部分１０における被密封流体と接触する表面部分である内周面に形成されたものであり、第２被覆層２３ｂは、第１被覆層２３ａから連なってドレン回収樋９の底壁２１の上面に形成されたものであり、第３被覆層２３ｃは、第２被覆層２３ｂから連なってドレン回収樋９の周壁２２の外周面に形成されたものであり、第４被覆層２３ｄは、第３被覆層２３ｃから連なって当該周壁２２の内周面に形成されたものであり、第５被覆層２３ｅは、第４被覆層２３ｄから連なって当該底壁２１の下面に形成されたものである。

ところで、第１ケース部分１０の取付部１０ａ及びＯリング押圧部１０ｂは、夫々、ガスケット１２及び第２Ｏリング１４と接触しているものであるが、この例では、これらの表面にも前記一連の被覆層２３ａ〜２３ｅに連なる被覆層２３ｆ，２４ｇを形成することによって、ノンメタル構造を更に完璧なものとしてある。すなわち、図１及び図２に示す如く、取付部１０ａの表面であってガスケット１２に接触する部分には、第５被覆層２３ｅに連なる同材質の第６被覆層２３ｆを形成してあり、Ｏリング押圧部１０ｂの表面であって第２Ｏリング１４に接触する部分には、第１被覆層２３ａに連なる同材質の第７被覆層２３ｇを形成してある。

これら一連の被覆層２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ，２３ｇは、耐蝕性を有する合成樹脂等のノンメタル材料をライニング，コーティングする等により形成されるものであり、この例では、ＰＦＡ（４フッ化エチレンパーフルオロアルコキシエチレン共重合体）をライニングしてなる。

また、シールケース２には、ドレン回収樋９とシールケース２との間に形成される環状空間であるドレン回収空間２４に開口するドレン回収路２５が形成されている。すなわち、ドレン回収路２５は、図１及び図２に示す如く、第１ケース部分１０を径方向に貫通して水平に延びる断面円形孔であり、ドレン回収樋９の底壁２１の上面に面一状に連なる状態でドレン回収空間２３の下部に開口している。

このドレン回収路２５の内周面には、図１及び図２に示す如く、ドレン回収樋９及び第１ケース部分１０に形成された被覆層２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ，２３ｇに連なる同材質の被覆層２３ｈが形成されている。すなわち、ドレン回収路２５の内周面には、第１及び第５被覆層２３ａ，２３ｅに連なるＰＦＡライニング層である第８被覆層２３ｈが形成されている。

また、ドレン回収路２５には、図１及び図２に示す如く、接続アダプタ２６及び開閉弁２７を介してドレン回収ライン２８が接続されている。接続アダプタ２６は、図１及び図２に示す如く、第８被覆層２３ｈの端部に接触する耐蝕性弾性材製（パーフロロゴム等）のＯリング２９を介してドレン回収路２５に連結された耐蝕性合成樹脂製（ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等）のものであり、ドレン回収路２５とドレン回収ライン２８とを連通する連通孔２６ａが形成されている。開閉弁２７はドレンの回収時に開放されるもので、当該メカニカルシールＭ１の運転中においては閉鎖されている。なお、ドレン回収ライン２８には、図示していないが、ドレン回収空間２４から摩耗粉等のドレンを回収するための回収手段（真空ポンプ等）が配設されている。

以上のように構成された第１メカニカルシールＭ１にあっては、密封端面３ａ，６ａの接触等により摩耗粉等のドレンが発生した場合にも、これをドレン回収樋９により回収することができ、かかるドレンにより被密封流体領域Ａが汚染されることがない。

すなわち、密封端面３ａ，６ａ間に摩耗粉等のドレンが発生した場合、このドレンはドレン回収樋９の周壁６によって被密封流体Ａへの侵入を阻止され、当該周壁６と密封環３，６との間からドレン回収空間２４へと落下回収されることになる。したがって、摩耗粉等のドレンが密封端面３ａ，６ａからハウジング１内に落下することがなく、ドレンによる機内領域Ａの汚染は確実に防止される。ドレン回収空間２４に落下回収されたドレンは、必要に応じて、ドレン回収路２６からドレン回収ラインへと排出される。

また、第１メカニカルシールＭ１は、被密封流体と接触する部材、部分又は表面を上記した如くノンメタル材料で構成したノンメタル構造をなすものであるから、被密封流体と金属との接触によって生じる金属イオンの発生等による汚染も生じない。

ところで、一連の被覆層を形成すべき金属部材がボルト等により連結される複数部分に分割構成されている場合、これらの連結個所において被覆層が一連に形成されず、被覆効果が損なわれる（例えば、連結箇所において被覆層が断裂したり損傷して、金属表面が露出する）虞れがある。しかし、第１メカニカルシールＭ１では、シールケース２を、被密封流体と接触する表面を有する第１ケース部分１０と当該表面を有しない第２ケース部分１１とに分割し、第１ケース部分１０及びドレン回収樋９を一体構造物としたから、つまりノンメタル材料による被覆層を形成すべき部材ないし部分９，１０の表面に一連の被覆層２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅを形成することができ、局部的に金属表面が露出するような虞れは皆無となる。さらに、この一連の被覆層２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅの両端部（第１及び第５被覆層２３ａ，２３ｅ）を延長して、その延長部分（第６及び第７被覆層２３ｆ，２３ｇ）をガスケット１２及び第２Ｏリング１４に接触させるようにしたから、金属製の部材ないし部分である第１ケース部分１０及びドレン回収樋９と被密封流体との接触が一連の被覆層２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ，２３ｇによって確実に阻止される。

これらの点から理解されるように、第１メカニカルシールＭ１は、被密封流体と金属表面との接触や密封環同士の接触等によって発生するコンタミネーション問題を確実に解決し得るものであり、厳格なコンタミレス対策が要求される竪型回転機器の軸封手段として好適に使用することができるものである。

また、第１メカニカルシールＭ１にあっては、ベローズ５に嵌合するスプリングリテーナ７をベローズ５の構成材であるＰＴＦＥと同等又は近似する熱膨張係数の樹脂材で構成してあるから、ベローズ５が熱膨張した場合にも、両者５，７の嵌合部において熱膨張量差が生じないか或いは殆ど生じないために、ベローズ５に過度の負荷（応力）が作用するようなことがない。

また、ベローズ５とこれとは異質材である軸側密封環６とが両者５，６の境界２０が明瞭に現われない状態に一体的に連結されていることから、機内領域Ａの流体（被密封流体）が液体である場合には勿論、気体である場合にも、両者５，６の連結部分２０から被密封流体が漏れるようなことが全くなく、被密封流体を良好にシールすることができる。また、被密封流体が気体である場合（ドライ運転）にも、軸側密封環６がセラミックス製のケース側密封環３との摺動特性に優れるＰＴＦＥ複合樹脂材で構成されているから、密封端面３ａ，６ａが異常摩耗，発熱することがなく、良好に相対回転摺接しうる。

したがって、ベローズと軸側密封環とを同質材の一体構造物となしている公知のベローズ型メカニカルシール（例えば、特開平８−２６１３３３号参照）と異なって、軸側密封環６をベローズ５の構成材（ＰＴＦＥ）に比して相手密封環（ケース側密封環３）との摺動特性に優れた樹脂材で構成していることとも相俟って、高温条件下においても被密封流体の性状に拘わらず良好なメカニカルシール機能を発揮することができる。

なお、本発明のノンメタル構造の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。

例えば、ベローズ５と軸側密封環６とを、各別に成形した上で接着剤により接着連結することも可能であり、又は図３及び図４に示す如く、挟圧リング３０を使用して係合連結しておくようにすることも可能である。すなわち、図３及び図４に示す本発明のノンメタル構造のメカニカルシール(以下「第２メカニカルシールＭ２」という)は、ベローズ５の先端部５ｄに環状の舌部５ｇを形成し、この舌部５ｇを軸側密封環６の基端面に突設した環状突起５ｄと挟圧リング３０とで径方向に挟圧することにより、ベローズ５と軸側密封環６とを連結したベローズ型メカニカルシールであり、挟圧リング３０はＰＴＦＥを主成分とする複合樹脂材であって炭素繊維を充填したＰＴＦＥによって構成してある。ところで、第２メカニカルシールＭ２においては、被密封流体が気体である場合、ベローズ５と軸側密封環６とを如何に強固に連結したとしてもその連結部分から被密封流体の微少漏れを阻止することができないため、気体をシールするものとしては好ましくない。この点、第１メカニカルシールＭ１では、ベローズ５と軸側密封環６とが一体的に連結されていることから、被密封流体が液体，気体の何れである場合にも、このような問題を生じず、良好なシール機能を発揮できる。なお、第２メカニカルシールＭ２は、上記したベローズ５と軸側密封環との連結構造及び下記のベローズ５の固定部５ｂの回転軸４への固定手段を除いて、図１及び図２に示す第１メカニカルシールＭ１と同一構成をなすものであるから、第１メカニカルシールＭ１と同一構成部材については、図３及び図４において図１及び図２と同一の符号を付すことにより、その詳細な説明は省略する。

また、ベローズ５の固定部５ｂの回転軸４への固定手段は、図１に示す如き２つ割りリングである緊縛リング１５を使用した構成に限定されない。例えば、ベローズ５の固定部５ｂは、図３に示す如く、夫々金属製（ＳＵＳ３１６等）のストッパリング３１、締め付けリング３２及び固定リング３３を介して回転軸４に嵌合固定するようにしてもよい。すなわち、ストッパリング３１は、これに螺合させた適当本数のセットスクリュー（１本のみ図示）３１ａを回転軸４に締め付けることにより、回転軸４に固定されている。締付リング３２は、内周面をストッパリング３１に向かって拡径する裁頭円錐状のカム面３２ａに構成したもので、ストッパリング３１に適当本数（１本のみ図示）の締付ボルト３４により取り付けられている。固定リング３３は、ベローズ５の固定部５ｂに形成した環状突起５ｃに係合された状態で、当該固定部５ｂに外嵌されており、その外周面を締付リング３２のカム面３２ａに嵌合する裁頭円錐状のカム面３３ａに構成してある。したがって、締付ボルト３４を締め付けて締付リング３２をストッパリング３１に近接する方向（上方向）に移動させることにより、カム面３２ａ，３３ａにより固定リング３３を介してベローズ５の固定部５ｂが回転軸４に強固に固定されるようになっている。なお、図３に示す第２メカニカルシールＭ２にあっては、固定リング３２に適当数（１個のみ図示）のドライブピン３５が突設されていて、これをスプリングリテーナ７の凹部７ｅに係合させることにより、スプリングリテーナ７の回転軸２に対する相対回転がその軸線方向移動を所定範囲で許容しつつ阻止されるようになっている。また、スプリング部材８を構成する各コイルスプリングは、締付リング３２に形成した貫通孔３２ｂに挿通させた状態でスプリングリテーナ７とストッパリング３１との間に装填されている。

また、本発明のノンメタル構造のメカニカルシールにあって、シールケース２は、複数部分に分割した構成としても一体構造物に構成しても、何れでもよいが、複数部分に分割する場合にあっては、被覆層の一連性を確保するために、被密封流体と接触する表面を有する部分（第１ケース部分１０）はこれを一体構造として、これにドレン回収樋９を一体形成しておくことが好ましい。一方、被密封流体と接触する表面を有しない部分（第２ケース部分１１）については、これを一体構造物としても、複数部分に分割しても、何れでもよい。

また、本発明のノンメタル構造のメカニカルシールにおいて使用するノンメタル材料は、これによって構成される部材，部分又は被覆層を形成する部材，部分の機能及びシール条件（被密封流体の性状等）を考慮して、適宜に選定することできる。

また、本発明は、第１又は第２メカニカルシールＭ１，Ｍ２のようなベローズ型メカニカルシールの他、ベローズを有しないメカニカルシールにも好適に適用することができる。

１ 竪型回転機器のハウジング
２ シールケース
３ ケース側密封環
３ａ ケース側密封環の密封端面
４ 竪型回転機器の回転軸
５ ベローズ
５ａ ベローズの固定部（上端部）
５ｂ ベローズの伸縮部（中間部）
５ｄ ベローズの連結部（下端部）
６ 軸側密封環
６ａ 軸側密封環の密封端面
７ スプリングリテーナ
８ スプリング部材
９ ドレン回収樋
１０ 第１ケース部分
１０ａ 取付部
１０ｂ Ｏリング押圧部
１１ 第２ケース部分
１２ ガスケット
１３ 第１Ｏリング
１４ 第２Ｏリング
２１ ドレン回収樋の底壁
２２ ドレン回収樋の周壁
２３ａ 第１被覆層
２３ｂ 第２被覆層
２３ｃ 第３被覆層
２３ｄ 第４被覆層
２３ｅ 第５被覆層
２３ｆ 第６被覆層
２３ｇ 第７被覆層
２３ｈ 第８被覆層
２４ ドレン回収空間
２５ ドレン回収路
Ａ 被密封流体領域（機内領域）
Ｂ 非密封流体領域（機外領域）

Claims (8)

1. 竪型回転機器のハウジングに取付けた筒状のシールケースと、その内周部に設けたケース側密封環と、シールケースを上下方向に洞貫する当該回転機器の回転軸に設けた軸側密封環とを具備して、両密封環の上下対向端面である密封端面の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の内周側領域である機内領域とその外周側領域である機外領域とをシールするように構成すると共に、機内領域の流体である被密封流体と接触する部材、部分又はそれらの表面を金属成分を含有しないノンメタル材料で構成してあるノンメタル構造のメカニカルシールにおいて、
   シールケースを金属材料で構成し、シールケースに、その内周部から回転軸方向に張り出す環状の底壁とその内周端部から密封環と回転軸との対向周面間を上方へと延びて前記相対回転摺接部分より上方位に至る筒状の周壁とからなるドレン回収樋を一体形成し、シールケースにおける少なくとも被密封流体と接触する表面及びドレン回収樋の全表面に前記ノンメタル材料による一連の被覆層を形成してあることを特徴とするノンメタル構造のメカニカルシール。
2. シールケースは、被密封流体に接触する表面を有する一体構造物である第１ケース部分とこれ以外の部分であって密封流体流体に接触する表面を有しない第２ケース部分とに分割構成された円筒構造体であり、ドレン回収樋は第１ケース部分の内周部に一体形成されており、第１ケース部分における被密封流体と接触する表面及びドレン回収樋の全表面には、合成樹脂材料による一連の被覆層が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載するノンメタル構造のメカニカルシール。
3. シールケースは、夫々が一体構造物である第１ケース部分とその上端部に取付けられた第２ケース部分とに分割構成されており、第２ケース部分の内周部にはケース側密封環が第１及び第２Ｏリングを介して嵌合固定されており、第１ケース部分には、上下方向においてケース側密封環との間で第２Ｏリングを挟圧するＯリング押圧部が形成されており、このＯリング押圧部における第２Ｏリングとの接触面に、前記一連の被覆層に連なる同材質の被覆層を形成してあることを特徴とする、請求項２に記載するノンメタル構造のメカニカルシール。
4. シールケースには、これとドレン回収樋との間に形成されるドレン回収空間の下部に開口するドレン回収路が形成されており、このドレン回収路の内周面に前記一連の被覆層に連なる同材質の被覆層を形成してあることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載するノンメタル構造のメカニカルシール。
5. シールケースはその下端部に形成した環状の取付部を前記ハウジングの上端部にガスケットを介して衝合させた状態で当該ハウジングに取付けられており、当該取付部の表面には前記一連の被覆層に連なる同材質の被覆層が形成されていることを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れかに記載するノンメタル構造のメカニカルシール。
6. シールケースに固定されたセラミックス製のケース側密封環と、上端部を回転軸に嵌合固定した軸線方向伸縮可能なＰＴＦＥ製のベローズと、ベローズの下端部に連結されてケース側密封環に対向する、耐蝕性及びケース側密封環との摺動特性に優れた硬質樹脂材で構成された軸側密封環と、ベローズの下端部及び軸側密封環に相対回転不能且つケース側密封環方向への相対変位不能に係合されたスプリングリテーナと、スプリングリテーナをケース側密封環方向に押圧附勢すべくベローズの外周側領域に配設されたスプリング部材とを具備して、両密封環の対向端面たる密封端面の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の内周側領域である被密封流体領域とその外周側領域である非密封流体領域とをシールするように構成された耐蝕性ベローズ型メカニカルシールであって、スプリングリテーナを熱膨張係数がベローズと同等又は近似する樹脂材で構成してあることを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載するノンメタル構造のメカニカルシール。
7. 軸側密封環がＰＴＦＥを主成分とする複合樹脂材で構成されていることを特徴とする、請求項６に記載するノンメタル構造のメカニカルシール。
8. スプリングリテーナがＰＴＦＥを主成分とする複合樹脂材で構成されていることを特徴する、請求項６又は請求項７に記載するノンメタル構造のメカニカルシール。