JP2013249888A

JP2013249888A - メカニカルシール

Info

Publication number: JP2013249888A
Application number: JP2012124654A
Authority: JP
Inventors: Yukio Tanaka; 幸雄田中; Toshiaki Kameoka; 俊明亀岡
Original assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: JP5921958B2

Abstract

【課題】メカニカルシールのシートリングの冷却効率向上を大型化を招くことなく実現する。
【解決手段】シートリング２１の外周面２１ｃ、溝５ｃの底壁、主環状部５ａの内側面、及び副環状部５ｂの内側面により、環状の冷却水室２５が形成されている。シールパッキン７Ｄは、主環状部５ａと内側面とシートリング２１の背面２１ｅとにより回転軸１０の軸線方向に圧縮され、封止水室１１を大気側に対して密封している。シートリング２１の背面２１ｅと主環状部５ａと内側面との間にシールパッキン７Ｄが配置されることで、隙間２６が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明はメカニカルシールに関する。

ボイラー吸水等の高温流体を扱う流体機械でメカニカルシールを使用する場合、強制冷却が必要となる場合がある。メカニカルシールの強制冷却の方式の一つとして、シートリング（固定環）の周囲に冷却液を供給して冷却することより、メカニカルシール端面で発生した摩擦熱を間接的に除去することが知られている（例えば非特許文献１参照）。

押田良輝他３名著、「渦巻ポンプ歯車ポンプ遠心ファン」、第１版、オーム社、１９８９年２月２５日、ｐ４８

従来知られているシートリングの周囲に冷却液を供給する強制冷却では、シートリング（固定環）の外周部のみが冷却液と接液しているため、冷却効率が低い。冷却効率向上のために外周部の接液面積を増やすには、シートリングの軸方向の寸法を大きくする必要がある。軸方向寸法を大きくしてシートリングの大型化することは、材料費等のコスト面で好ましくない。また、シートリングの大型化は、冷却効率の観点からも好ましくない。

本発明は、メカニカルシールの固定環（シートリング）の冷却効率向上を、固定環を大型化させることなく実現することを課題としている。

本発明は、回転軸が貫通するハウジングと、前記ハウジング内に配置され、前記回転軸と共に回転する回転環と、回転不能、かつ、前記回転軸の軸線方向に移動可能に前記ハウジング内に配置され、前記回転環と摺動面を形成する固定環と、前記ハウジングの一部であって、前記回転軸に向けて延びる第１環状部と、前記ハウジングの一部であって、前記第１環状部に対して前記回転軸の軸線方向に間隔をあけて対向し、前記第１環状部よりも前記摺動面に近接している、前記回転軸に向けて延び、前記第１環状部との間に前記固定環が配置されている第２環状部と、前記第１環状部と、前記第２環状部と、前記固定環と、前記ハウジングとの間に形成された冷却液室と、前記固定環と前記第１環状部との間に配置され、前記冷却液室を前記大気側に対して密封すると共に、前記固定環と前記第１環状部との間に間隙を形成する前記第１密封手段と、前記固定環と前記第２環状部との間に配置され、前記摺動面が配置された封止液室を前記冷却液室に対して密封する第２密封手段と、前記冷却液室に冷却液を供給するための冷却液入口と、前記冷却液室から前記冷却液を排出するための冷却液出口とを備える、メカニカルシールを提供する。

固定環とハウジングの一部である第１環状部との間には、隙間が形成されている。そのため、固定環の外周面だけでなく固定環の背面（摺動面と反対側の面）も、冷却液入口から冷却液室に供給された冷却液と接液する。外周面だけでなく背面が接液することで、固定環の冷却液に対する接液面積が大幅に増加するので、固定環を大型化することなく、冷却液によって固定環を高効率で冷却できる。

具体的には、第１及び第２密封手段は弾性材料からなる環状部材である。

また、前記ハウジングは、前記第１環状部を含む第１部材と、前記第２環状部を含み前記第１部材と互いに固定される第２部材とを備える。

前記固定環と前記第１環状部との間に配置され、前記固定環を前記第２環状部へ弾性的に付勢する弾性手段を備えてもよい。

本発明のメカニカルシールでは、固定環とハウジングの一部である第１環状部との間には隙間が形成され、固定環の外周面だけでなく背面も冷却液室に供給される冷却液に接液し、固定環の冷却液に対する接液面積が大幅に増加する。その結果、固定環の大型化を招くことなく、冷却液によって固定環を高効率で冷却でき、摺動面で発生する摩擦熱を効果的に除去できる。また、外周面だけでなく背面も接液することで固定環の接液面積が増加するので、同じ冷却効率を得るために必要な固定環の寸法を小型化し、材料費等を節減できる。

本発明の第１実施形態に係るメカニカルシールの断面図。プレート８を取り外した状態の図１の模式的な右側面図。本発明の第２実施形態に係るメカニカルシールの断面図。第１の変形例の断面図。第２の変形例の断面図。第３の変形例の断面図。

（第１実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１実施形態に係るメカニカルシール１を示す。

メカニカルシール１は、流体機械（例えば高温流体を扱うボイラー給水用のポンプ）のケーシング２に固定されるハウジング３を備える。本実施形態におけるハウジング３は、ハウジング本体４、カバー５、及び環状リテーナ６を備える。ハウジング本体４は流体機械のケーシング２に接している。ハウジング本体４とのケーシング２の接合部には、封止（後述する封止水室１１から大気側への封止水の漏れ防止）のためのシールパッキン（本実施形態では弾性材料からなるＯリング）７Ａが配置されている。カバー５はハウジング本体４の外側に図示しないボルトで固定されている。カバー５の外側にはプレート８がボルト９Ａで固定されている。環状リテーナ６は、ハウジング３の内部に配置され、ボルト９Ｂでカバー５に固定されている。環状リテーナ６は後述する副環状部５ｂと共に本発明における第２環状部を構成する。ハウジング本体４、カバー５、及び環状リテーナ６は、いずれも概ね円環状であり、これらを流体機械の回転軸１０が貫通している。ハウジング３内には、流体機械の取り扱う流体である封止水（封止液）で満たされた封止水室１１が形成されている（封止水室１１の空気抜き経路がハウジング３に設けられている）。

回転軸１０にはスリーブ１３が嵌められている。スリーブ１３は一体回転するように回転軸１０に固定されている。スリーブ１３と回転軸１０との隙間の封止（この隙間を通る封止水室１１から大気側への封止水の漏れ防止）のために、スリーブ１３の内周にシールパッキン（本実施形態では弾性材料からなるＯリング）７Ｂが装着されている。スリーブ１３にはホルダ１４が一体回転するように固定されている。ホルダ１４には、従動リング（回転環）１５の後部（図１において左側部分）が収容されている。従動リング１５は、ホルダ１４に対して回転不能であるが、回転軸１０の軸線Ｌに沿った方向（軸方向）には移動可能である。従動リング１５の後端には回転軸１０の軸方向に移動可能なコンプレッションリング１６が配置されている。コンプレッションリング１６とホルダ１４との間には、従動リング１５を後述するシートリング２１に向けて弾性的に付勢するためのスプリング１７が配置されている。従動リング１５の内周（スリーブ１３の外周に摺接する）には、シールパッキン（本実施形態では弾性材料からなるＯリング）７Ｃが装着されている。

シートリング（固定環）２１は、回転不能、かつ回転軸１０の軸線方向に移動に可能にカバー５内に保持されている。シートリング２１に対し、従動リング１５がスプリング１７の付勢力により弾性的に押し付けられている。具体的には、シートリング２１の前部（図において左側）に設けられている回転軸１０の軸線Ｌに対して直交する固定面２１ａに対し、従動リング１５の前部（図において右側）に設けられている回転軸１０の軸線Ｌに対して直交する回転面１５ａが押し付けられている。固定面２１ａと回転面１５ａは封止水室１１を大気側に対して封止する摺動面２４を構成する。

本実施形態では、従動リング１５の材質はカーボンで、シートリング２１の材質はシリコンカーバイトである。ただし、従動リング１５とシートリング２１の材質はこれに限定されず、一般的には、一方にはカーボンを用い、他方にはセラミックス、超硬合金、ステンレス鉄等を用いることができる。

カバー５は内側に回転軸１０に向けて突出する主環状部（第１環状部）５ａを備える。また、カバー５は主環状部５ａに対して回転軸１０の軸線方向に間隔をあけて対向する副環状部５ｂを備える。副環状部５ｂは主環状部５ａよりも摺動面２４側に位置している。副環状部５ｂの回転軸１０側への突出量は主環状部５ａの突出量よりも少ない。主環状部５ａと副環状部５ｂとの間には溝５ｃが形成されている。

環状リテーナ６は副環状部５ｂの溝５ｃとは反対側（摺動面２４側）に隣接するように、カバー５に固定されている。環状リテーナ６の先端部６ａは副環状部５ｂの先端部５ｄよりも回転軸１０側へ突出している。

以下、シートリング２１及びその周辺構造の詳細を説明する。

シートリング２１には、固定面２１ａを含む前面（図において左側の面）２１ｂと外周面２１ｃとの接合部に環状切欠２１ｄが形成されている。また、シートリング２１には、背面（図において右側の面）２１ｅと外周面２１ｃとの接合部に窪み２１ｆが形成されている。

シートリング２１は、副環状部５ｂの先端部５ｄで形成される円形開口５ｅから差し込まれた状態でカバー５内に配置されている。シートリング２１の外周面２１ｃは溝５ｃの底壁と間隔をあけて対向している。シートリング２１の外周面２１ｃ、溝５ｃの底壁、主環状部５ａの内側面、及び副環状部５ｂの内側面により、環状の冷却水室（冷却液室）２５が形成されている。カバー５には、それぞれ回転軸１０の径方向に延びる流路５ｆ，５ｇを介して冷却水室２５と連通する冷却水入口（冷却液入口）５ｈと冷却水出口（冷却液出口）５ｉとが設けられている。

シートリング２１の背面２１ｅと対向する主環状部５ａの内側面には環状溝５ｊが形成され、この環状溝５ｊには本実施形態では弾性材料からなるＯリングであるシールパッキン（第１密封手段）７Ｄが配置されている。シートリング２１の前面２１ｂ側の環状切欠２１ｄと、副環状部５ｂの先端部５ｂと、環状リテーナ６の先端部６ａとにより画定される空間にも、本実施形態では弾性材料からなるＯリングであるシールパッキン（第２密封手段）７Ｅが配置されている。シートリング２１の前後に配置されたシールパッキン７Ｄ，７Ｅは、それぞれ主環状部５ａの内側面と副環状部５ｂに先端部５ｄとにより回転軸１０の軸線方向に圧縮されている。

シールパッキン７Ｄは、主環状部５ａと内側面とシートリング２１の背面２１ｅとにより回転軸１０の軸線方向に圧縮され、封止水室１１を大気側に対して密封している。また、シートリング２１の背面２１ｅと主環状部５ａと内側面との間にシールパッキン７Ｄが配置されることで、隙間２６が形成されている。つまり、弾性的に圧縮されたシールパッキン７Ｄによりシートリング２１が摺動面２４側に付勢されることで、隙間２６が維持されている。主環状部５ａの内側面に固定されたピン２７を背面２１ｅの窪み２１ｆに差し込むことで、シートリング２１は回転不可に保持されている。

シールパッキン７Ｅは、副環状部５ｂの先端部５ｄとシートリング２１の環状切欠２１ｄとにより回転軸１０の径方向に圧縮され、封止水室１１を冷却水室２５に対して密封している。

シートリング２１の回転軸１０の軸線方向の位置は、シールパッキン７Ｄ，７Ｅで挟み込まれることで保持されている。また、シートリング２１の回転軸１０の径方向の位置は、副環状部５ｂの先端部５ｄとの間に圧縮された状態のシールパッキン７Ｅが介在することで保持されている。つまり、シートリング２１は、一種のフローティング状態でハウジング３内に保持されている。特に、シートリング２１はシールパッキン７Ｄが介在することで、主環状部５ａの内側面に対して隙間２６を隔てて対向している。

冷却水入口５ｈから冷却水室２５に供給された冷却水は、シートリング２１（回転軸１０の回転に伴い摺動面２４での発生する摩擦熱で昇温している）と熱交換し、冷却水出口５ｉから排出される。シートリング２１は外周面２１ｃが冷却水に接液するだけでなく、背面２１ｅも冷却水に接液しているので、シートリング２１の冷却水に対する接液面積は外周面２１ｃのみが接液している場合と比較して大幅に増加する。その結果、シートリング２１を冷却水によって高効率で冷却でき、摺動面２４で発生する摩擦熱を効果的に除去できる。また、外周面２１ｃだけでなく背面２１ｅも接液することでシートリング２１の接液面積が増加するので、同じ冷却効率を得るために必要なシートリング２１の寸法を小型化し、材料費等を節減できる。特に、本実施形態ではシートリング２１はシリコンカーバイト製（カーボンと比較して高価）であるので、小型化による材料費等の節減効果が大きい。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール１を示す。図３中の第１実施形態と同一の要素には同一の符号を付している。

メカニカルシール１のハウジング１０３は、流体機械のケーシングに接するハウジング本体１０４と、ハウジング本体１０３の大気側にボルト１０７で固定されたカバー１０５を備える。

カバー１０５は回転軸１０に向けて突出する主環状部（第１環状部）１０５ａを備え、ハウジング本体１０４は主環状部１０５ａに対して回転軸１０の軸線に間隔を開けて対向する位置で回転軸１０に向けて突出する副環状部１０４ａ（第２環状部）を備える。副環状部１０４ａは主環状部１０５ａよりも摺動面２４側に位置し、副環状部１０４ａの回転軸１０への突出量は主環状部１０５ａよりも少ない。主環状部１０５ａと副環状部１０４ａとの間には溝１０５ｂが形成されている。

シートリング２１は、副環状部１０４ａとは反対側の開口（カバー１０５で閉じられる）から差し込まれた状態でハウジング本体１０４内に配置されている。シートリング２１の外周面２１ｃは溝１０５ｂの底壁と間隔をあけて対向している。シートリング２１の外周面２１ｃ、溝１０５ｂの底壁、主環状部１０５ａの内側面、及び副環状部１０４ａの内側面により、環状の冷却水室１２５が形成されている。ハウジング本体１０４には、それぞれ回転軸１０の径方向に延びる流路１０４ｃ，１０４ｄを介して冷却水室１２５と連通する冷却水入口１０４ｅと冷却水出口１０４ｆとが設けられている。

シートリング２１の背面２１ｅと主環状部１０５ａの内側面には、本実施形態では弾性材料からなるＯリングであるシールパッキン（第１密封手段）１０７Ａ（主環状部１０５ａの内側面に形成された環状溝１０５ｃに収容されている）が配置されている。また、シートリング２１の前面２１ｂ側の環状切欠２１ｄと副環状部１０４ａの先端部１０４ｂとにより画定される空間にも、本実施形態では弾性材料からなるＯリングであるシールパッキン（第２密封手段）１０７Ｂが配置されている。シートリング２１の前後に配置されたシールパッキン１０７Ａ，１０７Ｂは、それぞれ主環状部１０５ａの内側面と副環状部１０４ａの先端部１０４ｂとにより回転軸１０の軸線方向に圧縮されている。

シートリング２１は、一種のフローティング状態でハウジング１０３内に保持されている。特に、シートリング２１はシールパッキン１０７Ａが介在することで、主環状部１０５ａの内側面に対して隙間２６を隔てて対向している。

冷却水入口１０４ｅから冷却水室１２５に供給された冷却水は、シートリング２１と熱交換し、冷却水出口１０４ｆから排出される。シートリング２１は、外周面２１ｃだけでなく背面２１ｅも冷却水に接液しているので、接液面積が大幅に増加し、冷却水によって高効率で冷却できる。また、同じ冷却効率を得るために必要なシートリング２１の寸法を小型化し、材料費等を節減できる。

第２実施形態のその他の構成及び作用は、第１実施形態と同様である。

図４から図６は本発明の代案を示す。図４の代案では、シートリング２１の背面２１ｅとカバー５の内側面との間に２個のシールパッキン（この例では弾性材料からなるＯリング）２０７Ａ，２０７Ｂが介在している。図５の代案では、シートリング２１の背面２１ｅとカバー５の内側面との間に、１個のシールパッキン（これ例では弾性材料からなるＯリング）３０１とスプリング（この例ではさらばね）３０２が介在している。シートリング２１は、弾性的に圧縮されたシールパッキン３０１だけでなく、スプリング３０１によっても摺動面２４側に付勢される。図６の代案では、シールパッキン２０７Ａは薄厚円板状の本体２０７ａと、この本体２０７ａの設けた環状の突起２０７ｂを備える。このシールパッキン２０７ａは、突起２０７ｂだけでなく本体２０７ａの図のおいて左側部分もカバー５から突出している（本体２０７ａの突出量を符号２０７ｃで示す）。仮にシートリング２１が図において右側に移動して環状の突起２０７ｂが押し潰されても、この突出量２０７ｃの分はシートリング２１とカバー５との間に隙間が確保される。

本発明は前記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、従動リング１５との摺動面２４の構成等の基本的な機能を実現でき、かつハウジング３，１０３の主環状部５ａ，１０５ａの背面に対して隙間を隔てて配置される限り、シートリング２１の具体的な形状は実施形態のものに限定されない。また、ハウジング３，１０３の具体的な形状も実施形態のものに特に限定されない。

１メカニカルシール
２ケーシング
３ハウジング
４ハウジング本体
５カバー
５ａ主環状部
５ｂ副環状部
５ｃ溝
５ｄ先端部
５ｅ円形開口
５ｆ，５ｇ流路
５ｈ冷却水入口
５ｉ冷却水出口
５ｊ環状溝
６環状リテーナ
６ａ先端部
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅシールパッキン
８プレート
９Ａ，９Ｂボルト
１０回転軸
１１封止水室
１３スリーブ
１４ホルダ
１５従動リング
１５ａ回転面
１６コンプレッションリング
１７スプリング
２１シートリング
２１ａ固定面
２１ｂ前面
２１ｃ外周面
２１ｄ環状切欠
２１ｅ背面
２１ｆ窪み
２４摺動面
２５冷却水室
２６隙間
２７ピン
１０３ハウジング
１０４ハウジング本体
１０４ａ副環状部
１０４ｂ先端部
１０４ｃ，１０４ｄ流路
１０４ｅ冷却水入口
１０４ｆ冷却水出口
１０５カバー
１０５ａ主環状部
１０５ｂ溝
１０５ｃ環状溝
１０７Ａ，１０７Ｂシールパッキン
１２５冷却水室
２０７Ａ，２０７Ｂシールパッキン
３０１シールパッキン
３０２スプリング
Ｌ軸線

Claims

回転軸が貫通するハウジングと、
前記ハウジング内に配置され、前記回転軸と共に回転する回転環と、
回転不能、かつ、前記回転軸の軸線方向に移動可能に前記ハウジング内に配置され、前記回転環と摺動面を形成する固定環と、
前記ハウジングの一部であって、前記回転軸に向けて延びる第１環状部と、
前記ハウジングの一部であって、前記第１環状部に対して前記回転軸の軸線方向に間隔をあけて対向し、前記第１環状部よりも前記摺動面に近接している、前記回転軸に向けて延び、前記第１環状部との間に前記固定環が配置されている第２環状部と、
前記第１環状部と、前記第２環状部と、前記固定環と、前記ハウジングとの間に形成された冷却液室と、
前記固定環と前記第１環状部との間に配置され、前記冷却液室を前記大気側に対して密封すると共に、前記固定環と前記第１環状部との間に間隙を形成する前記第１密封手段と、
前記固定環と前記第２環状部との間に配置され、前記摺動面が配置された封止液室を前記冷却液室に対して密封する第２密封手段と、
前記冷却液室に冷却液を供給するための冷却液入口と、
前記冷却液室から前記冷却液を排出するための冷却液出口と
を備える、メカニカルシール。
第１及び第２密封手段は弾性材料からなる環状部材である、請求項１に記載のメカニカルシール。
前記ハウジングは、
前記第１環状部を含む第１部材と、
前記第２環状部を含み前記第１部材と互いに固定される第２部材と
を備える、請求項１又は請求項２に記載のメカニカルシール。
前記固定環と前記第１環状部との間に配置され、前記固定環を前記第２環状部へ弾性的に付勢する弾性手段を備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のメカニカルシール。