JP2016205508A - 静圧型メカニカルシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧力流体の給源側の圧力変化による影響が小さく、かつ各種仕様に対応できる静圧型メカニカルシール装置を提供する。
【解決手段】 ハウジング30と回転軸1との間を密封し、摺動面間に圧力流体60を導入・噴出させる静圧型メカニカルシール装置100であって、前記回転軸1とともに回転する回転側密封環10と、前記回転側密封環10に対向して設けられ、前記摺動面間に前記圧力流体60を供給する供給路62を有する静止側密封環20と、前記ハウジング30と前記静止側密封環20とにより当該静止側密封環20の摺動面とは反対側に形成され、圧力流体60が供給される背圧室49と、前記背圧室49の圧力流体60を外部64に流出させて当該背圧室49の圧力を調整する圧力調整部52とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、装置外部から摺動面間に圧力流体を導入・噴出させることで摺動面間に隙間を生じさせ非接触状態で摺動させる静圧型メカニカルシール装置に関する。

従来、メカニカルシール装置において、機内の被密封流体の機外への漏洩を抑制するため、又はコンタミネーションの発生を抑制するために静圧型メカニカルシール装置が用いられている。

例えば、静止側密封環の摺動面に高圧のシールガスを導入し摺動面間に噴出させることにより対向する摺動面同士を離す方向に作用する力（離間力）と、静止側密封環の背面の背圧室に加圧された流体を導くことにより摺動面同士を近づける方向に作用する力（接近力）をバランスさせて、対向する摺動面間に隙間を生じさせ、摺動面同士を非接触として、被密封流体が機外に漏洩することを防止する静圧型メカニカルシール装置が提案されている。

さらに、機内の被密封流体を静止側密封環の背圧室に導入し、この被密封流体の圧力により、当該接近力を得ることが提案されている。（例えば、特許文献１の［0009］、図１を参照。）

また、静止側密封環の背圧室にシールガスを導入し、このシールガスの圧力により、当該接近力を得ること、及び静止側密封環の形状、ハウジングの形状、Ｏリングの配置位置等を変更することにより、背圧室の形状を変えて、当該接近力を変更することが提案されている。（例えば、特許文献２の［0032］、図１、図２を参照。）

特開平４−２２４３７３号公報（［0009］、図１） 特開２００６−１０５３６５号公報（［0032］、図１、図２）

特許文献１にあっては、静止側密封環の背圧室に導かれる流体として機内の被密封流体を用いるため、背圧室を形成するハウジング等の部材にも被密封流体が接触することとなり、被密封流体が接触する部材の全てを被密封流体に対応する材質、例えば耐腐食性の材質とする必要があった。

一方、特許文献２にあっては、静止側密封環の背圧室に導かれる流体としてシールガスを用いるため、上述のような背圧室を形成するハウジング等の部材に材質の問題は生じない。

しかしながら、特許文献２にあっては、接近力を変更するために、静止側密封環の形状、ハウジングの形状、Ｏリングの配置位置等を変更する必要があるため、仕様に応じて静止側密封環、ハウジングを用意する必要がある。また、背圧室はＯリングにより密閉された空間であるため、シールガスの供給側が異常により高圧になると、背圧室は供給側の圧力に応じて圧力が高くなる、一方摺動面間に導入されるシールガスの大部分は外部に逃がされるため摺動面間の圧力はさほど上昇しない。このことから、シールガスの供給側が異常により高圧になると、静止側密封環に作用する接近力が相対的に高くなりシール性に悪影響を及ぼすおそれがあった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、圧力流体の給源側の圧力変化による影響が小さく、かつ各種仕様に対応できる静圧型メカニカルシール装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の静圧型メカニカルシール装置は、
ハウジングと回転軸との間を密封し、摺動面間に圧力流体を導入・噴出させる静圧型メカニカルシール装置であって、
前記回転軸とともに回転する回転側密封環と、
前記回転側密封環に対向して設けられ、前記摺動面間に前記圧力流体を供給する供給路を有する静止側密封環と、
前記ハウジングと前記静止側密封環とにより当該静止側密封環の摺動面とは反対側に形成され、圧力流体が流入孔から供給される背圧室と、
前記背圧室の圧力流体を外部に流出させて当該背圧室の圧力を調整する圧力調整部と
を備えたことを特徴としている。
この特徴によれば、圧力調整部により背圧室の圧力流体を外部に流出させて所期の圧力を得ることができ、密封環背面の圧力による摺動面への押付け力を所期の力に調整することができる。また、圧力流体の供給側の圧力が高圧となってもその影響が小さい。更に、圧力調整部を調整・変更することにより各種仕様に対応することができる。

前記流入孔に絞りが設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、流入孔に絞りを設けたため、供給側の圧力流体の圧力が急上昇しても、背圧室に急激に圧力流体が流れ込むことがなく、背圧室の圧力が急激に上昇することがない。

前記圧力流体を前記供給路と前記流入孔に分岐させる分岐室を有することを特徴としている。
この特徴によれば、分岐室から同じ圧力流体が供給路及び背圧室に供給されるため個別の圧力流体供給源は不要となるのみならず、摺動面間に隙間を生じせしめる圧力流体と同じ圧力流体供給源からの圧力流体が供給されその圧力を圧力調整部によって圧力調整して背圧室に所期の圧力が得られるため、構造が簡単になる。

前記圧力調整部は前記ハウジング又は前記静止側密封環に着脱可能に設けられた圧力調整器であることを特徴としている。
この特徴によれば、圧力調整器はハウジング又は静止側密封環に着脱可能であるため、用途に応じた圧力調整量の圧力調整器を用いることにより、静止側密封環やハウジングの構造を変更する必要がない。このため、静止側密封環とハウジングとにより形成される背圧室の形状の設計自由度が高い。

前記摺動面間から漏れ出る流体と、前記圧力調整部から流出する圧力流体とを合流して排出する排出路を備えたことを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面間から漏れ出る流体は圧力調整部から流出する圧力流体に合流されて排出されるため、摺動面間から漏れ出る流体の流路と、圧力調整部から流出する流体の流路とを別に設ける必要が無く、流路を別に設ける場合に比べ、加工の手間を省き、また、ハウジングの強度を低下させることなく、また、流路確保のためにハウジングを大型化することも無く、更には、摺動面間から漏れ出る流体に圧力流体以外の被密封流体が含まれていてもこの被密封流体を圧力流体により希釈することができる。

実施例１における静圧型メカニカルシール装置を示す断面図である。 図１の要部を示す断面図である。 実施例２の要部を示す断面図である。

本発明に係る静圧型メカニカルシール装置を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係る静圧型メカニカルシール装置につき、図１、図２を参照して説明する。以下、図１の回転軸の中心線を軸方向、中心線から放射状に延びる方向を径方向、中心線から等距離に沿う方向を周方向として説明する。図１、図２中、断面略長円乃至スタジアム形の部材はＯリング等の二次シールである。

図１を参照して、静圧型メカニカルシール装置１００は、回転側密封環１０、静止側密封環２０、ハウジング３０、圧力流体路４０、圧力流体６０から主に構成されている。回転側密封環１０と静止側密封環２０の協働により機内側Ｍの被密封流体を密封する。

回転側密封環１０は、回転軸１にホルダ１１及びスリーブ１２により一体で回転可能となるように取り付けられている。回転側密封環１０は、ＳｉＣやＡｌ_２Ｏ_３等から形成されている。

静止側密封環２０は、回転側密封環１０に対向して配置され、ハウジング３０の凹部に収容されたスプリング２１により軸方向に押圧されている。また、静止側密封環２０の凹溝２３にハウジング３０に固定されたノックピン２２が挿入されている。これにより、静止側密封環２０は軸方向に移動可能かつ周方向に回動しないように取り付けられている。スプリング２１及びノックピン２２の個数は問わないが周方向に均等に複数設けるとよい。静止側密封環２０はＳｉＣやＣにより形成されている。スプリング２１は、機器の使用しない時、すなわち後述する背圧室４９の圧力が略大気圧になっている時に、静止側密封環２０を回転側密封環１０に密封状態に押圧する押圧力のものを選定すればよい。

ハウジング３０は、ハウジング本体３１と、静止側密封環２０が内周に取り付けられる環状のケース３２とから主に構成されている。ハウジング本体３１及びケース３２は金属材料、例えばステンレス鋼により構成されている。ハウジング本体３１の大気側Ａの端部には、ＰＴＦＥ等からなるブッシュ３３がボルト及び取付プレート３４により取り付けられている。スリーブ１２の外周面とハウジング本体３１の内周面とにより画成される空間はブッシュ３３により大気側Ａ（図１における軸方向右側）に対し密封されている。なお、取付プレート３４とスリーブ１２とは非接触となる状態で取り付けられている。

圧力流体路４０は圧力流体６０を供給する供給側流路４１と圧力流体６０を排出する排出側流路５１とから主に構成されている。ハウジング本体３１の径方向外周には、圧力流体供給装置２（圧力流体供給源）が供給管３を介して供給側流路４１に接続されるとともに、排出側流路５１には排出管４を介して回収容器５が接続されている。圧力流体供給装置２は例えばポンプを有し、一定の圧力の圧力流体６０を吐出するものである。

図２を参照して、供給側流路４１は、ハウジング本体３１の外周から径方向内側に延びる穴４２と、ハウジング本体３１とケース３２とにより形成され穴４２に連通するハウジング３０内部に形成された分岐室４３と、ケース３２に形成され分岐室４３に連通する貫通孔４４と、静止側密封環２０に形成され貫通孔４４に連通する貫通孔４６を有する。貫通孔４６の上流側には第１絞り４５が設けられ、貫通孔４６の下流側は回転側密封環１０の摺動面に対向している。また、貫通孔４６の下流側には、貫通孔４６に連なって摺動面に沿って延びる溝が設けられている。回転側密封環１０にも当該溝に対向する位置に摺動面に沿って延びる溝が設けられている。これら摺動面に設けられた溝は周知の構成であり、形状や大きさは適宜決め得る。穴４２及び分岐室４３により形成される流路を第１流路６１という。分岐室４３、貫通孔４４及び貫通孔４６により形成される第２流路を供給路６２という。

また、供給側流路４１は、分岐室４３から分岐する第４流路である分岐路６４を有する。分岐路６４は、ケース３２に形成され分岐室４３に連通する流入孔４８と、静止側密封環２０、ハウジング本体３１、ケース３２により形成され流入孔４８に連通する背圧室４９とから形成されている。流入孔４８には第２絞り４７が設けられている。

排出側流路５１は、ハウジング本体３１に軸方向に延在して形成され背圧室４９に連通する貫通孔５３、ハウジング本体３１に径方向に延在して形成され貫通孔５３に連通する貫通孔５４を有する。貫通孔５３には第３絞り５２（圧力調整部）が設けられている。貫通孔５４の径方向外側の一端は、前述した排出管４が接続されている。また、貫通孔５４の他端は、回転側密封環１０、静止側密封環２０、スリーブ１２、ハウジング本体３１、ブッシュ３３により形成される排出室５５が連通されている。摺動面間から排出室５５に至る流路を第３流路６３、貫通孔５３を通る流路を第５流路６５、貫通孔５４を通る第６流路を排出路６６という。

ここで、圧力流体６０のハウジング３０内の流れについて簡単に説明する。第１流路６１に供給された圧力流体６０は分岐室４３で供給路６２と分岐路６４に分岐して供給される。第３流路６３と第５流路６５からの流体を合流させて排出路６６から外部に排出している。

ここで、第１絞り４５、第２絞り４７、第３絞り５２は、圧力を所定の値に調整する固定絞りであり、これらの外周はそれぞれ貫通孔４６、流入孔４８、貫通孔５３に密封状態に設けられている。
また、圧力流体６０はその圧力が機内側Ｍの被密封流体よりも少し高くされている。圧力流体６０は窒素ガスなど、人体や静圧型メカニカルシール装置１００にとって無害なものを用いることが好ましい。

機器の運転時には回転軸１が回転され、圧力流体６０が貫通孔４６から回転側密封環１０の摺動面と静止側密封環２０の摺動面との間（単に摺動面間ともいう。）に吐出され、摺動面間を離間させる離間力Ｆ１を静止側密封環２０に発生させる。一方、静止側密封環２０には、スプリング２１の押圧力と背圧室４９の圧力Ｐ_４９により生じる力の合力である接近力Ｆ２が作用する。

離間力Ｆ１＞接近力Ｆ２となるように、スプリング２１の張力、背圧室４９に臨む静止側密封環２０の断面積（投影面積）、摺動面間に供給する圧力流体の圧力Ｐ_Ｓ、背圧室４９の圧力Ｐ_４９を設定する。これにより、離間力Ｆ１と接近力Ｆ２とがバランスし、摺動面間は所期の隙間を保った非接触状態に維持される。この状態では、摺動面間に静圧の流体膜が形成されることにより被密封流体は密封される。

供給路６２に第１絞り４５を設けているため、機器の運転時に摺動面間が狭くなると貫通孔４６内の圧力Ｐ_Ｓが高まり、摺動面間を離そうとする力が働く。逆に、摺動面間が広くなると貫通孔４６内の圧力Ｐ_Ｓが低くなり、摺動面間を近づけようとする力が働く。このようにして、摺動面間は所期の隙間が維持される。

背圧室４９の圧力流体６０は第３絞り５２を介して貫通孔５４（外部）に逃がされているため、背圧室４９を所期の圧力Ｐ_４９とすることができる。すなわち、背圧室４９の圧力Ｐ_４９が異常に高くなることが抑制できる。例えば、圧力流体供給装置２が異常となり、分岐室４３の圧力Ｐ_４３が異常に高くなる場合、背圧室４９の圧力Ｐ_４９も高くなるが、圧力流体６０は第３絞り５２を介して貫通孔５４に逃がされるため、過剰に上昇することが無く、接近力Ｆ２が過大になることが無い。これに対して、従来のように背圧室４９を密閉空間で形成すると、背圧室４９の流体が排出されることなく、溜まるため、圧力が過剰に上昇し、接近力Ｆ２が離間力Ｆ１に比較して著しく大きくなる。そのため、摺動面間を所期の隙間に保てなくなり、シール性に悪影響を与えるおそれがある。

また、第３絞り５２を変更することにより、必要に応じて第１絞り４５、第２絞り４７も変更することにより、背圧室４９に維持させる所期の圧力Ｐ_４９を変更することができ、各種仕様に対応することができる。すなわち、静止側密封環２０やハウジング本体３１、ケース３２の構造を変更する必要がなく、静止側密封環２０とハウジング本体３１、ケース３２とにより形成される背圧室４９の形状の設計自由度が高い。

また、第１絞り４５、第２絞り４７、第３絞り５２を固定絞りとしたため、圧力を所期の値に設定可能である。さらに、第１絞り４５、第２絞り４７、第３絞り５２を着脱可能な構造とすると、絞り量の変更がより簡単である。

また、分岐路６４を有し、同じ圧力流体６０が供給路６２及び背圧室４９に供給されるため個別の圧力流体供給装置２は不要となり構造が簡単になる。さらに、摺動面間に隙間を生じせしめる圧力流体６０と同じ圧力流体供給装置２からの圧力流体６０が供給され、その圧力を第３絞り５２によって圧力調整して背圧室４９に所期の圧力を得られるため構造が簡単になる。

また、摺動面間から漏れ出る流体は第３絞り５２から流出する圧力流体６０と貫通孔５４にて混合されて回収容器５に排出される。このため、摺動面間から漏れ出る流体に圧力流体６０以外の被密封流体が含まれていてもこの被密封流体を含む流体を圧力流体６０により希釈することができる。例えば、被密封流体が腐食性流体であっても、希釈により腐食性を低下させることができる。また、ブッシュ３３をハウジング本体３１の内周に配置し、排出室５５を背圧室４９及び貫通孔５４の近傍に形成しているため、ハウジング本体３１をコンパクトに構成できる。

さらに、摺動面間から被密封流体が漏れない形態で使用する場合には、摺動面間から漏れ出る流体は圧力流体６０のみであり、貫通孔５４から排出される流体も圧力流体６０のみであるため、回収された流体を圧力流体６０として再利用する構成とすることもできる。

次に、実施例２に係る静圧型メカニカルシール装置につき、図３を参照して説明する。実施例２では、第２絞り４７が設けられていない点が実施例１と主に相違する。なお、実施例１と同一構成で重複する構成を省略する。

図３に示されるように、供給側流路４１の分岐路６４は、分岐室４３から、ケース３２に形成され分岐室４３に連通する流入孔４８’、静止側密封環２０、ハウジング本体３１、ケース３２により形成され流入孔４８’に連通する背圧室４９により形成されている。分岐室４３と背圧室４９は絞りを有しない流入孔４８’により接続されているため、分岐室４３の圧力Ｐ_４３と背圧室４９の圧力Ｐ_４９とは略等しくされている。このように構成することで、機器を使用する時に背圧室４９に高い圧力Ｐ_４９を確保できるため、大きな接近力Ｆ２を得ることができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、第１絞り４５、第２絞り４７、第３絞り５２を固定絞りとするとよい。固定絞りとすることにより圧力を所期の値に設定可能である。また、固定絞りとしては、絞り器であっても、貫通孔や流入孔自体を細径としたものでもよい。

また、背圧室４９の圧力Ｐ_４９を調整する圧力調整部として、第３絞り５２を例に説明したが、背圧室４９の圧力流体６０を外部に流出させて圧力を調整するものであれば絞り以外、例えば、所定以上の圧力で圧力流体６０を外部に流出させるリリーフ弁であってもよい。第２絞り４７及び第３絞り５２をリリーフ弁とし、機器を使用しない時に静止側密封環２０を回転側密封環１０に密封状態で押圧する圧力を背圧室４９に発生させ得る構成とすれば、必ずしもスプリング２１は必要ではない。

また、第３絞り５２をハウジング本体３１に設ける例について説明したが、静止側密封環２０又はケース３２に設けてもよい。

また、圧力流体供給装置２から供給される圧力流体６０を分岐室４３により分岐させて背圧室４９に供給する例について説明したが、分岐室４３を用いることなく、摺動面間及び背圧室に圧力流体を直接供給する圧力流体供給装置を個別に設けてもよい。

１ 回転軸
２ 圧力流体供給装置（圧力流体供給源）
５ 回収容器
１０ 回転側密封環
２０ 静止側密封環
３０ ハウジング
３１ ハウジング本体
３２ ケース
３３ ブッシュ
４０ 圧力流体路
４３ 分岐室
４５ 第１絞り
４６ 貫通孔
４７ 第２絞り
４８ 流入孔
４８’ 流入孔
４９ 背圧室
５１ 排出側流路
５２ 第３絞り（圧力調整部）
５３ 貫通孔（外部）
５４ 貫通孔
５５ 排出室
６０ 圧力流体
６２ 供給路
６４ 分岐路
６６ 排出路
１００ 静圧型メカニカルシール装置
Ａ 大気側
Ｍ 機内側
Ｆ１ 離間力
Ｆ２ 接近力
Ｐ_４３ 分岐室の圧力
Ｐ_４９ 背圧室の圧力

Claims (5)

1. ハウジングと回転軸との間を密封し、摺動面間に圧力流体を導入・噴出させる静圧型メカニカルシール装置であって、
   前記回転軸とともに回転する回転側密封環と、
   前記回転側密封環に対向して設けられ、前記摺動面間に前記圧力流体を供給する供給路を有する静止側密封環と、
   前記ハウジングと前記静止側密封環とにより当該静止側密封環の摺動面とは反対側に形成され、圧力流体が流入孔から供給される背圧室と、
   前記背圧室の圧力流体を外部に流出させて当該背圧室の圧力を調整する圧力調整部と
   を備えたことを特徴とする静圧型メカニカルシール装置。
2. 前記流入孔に絞りが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静圧型メカニカルシール装置。
3. 前記圧力流体を前記供給路と前記流入孔に分岐させる分岐室を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の静圧型メカニカルシール装置。
4. 前記圧力調整部は前記ハウジング又は前記静止側密封環に着脱可能に設けられた圧力調整器であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の静圧型メカニカルシール装置。
5. 前記摺動面間から漏れ出る流体と、前記圧力調整部から流出する圧力流体とを合流して排出する排出路を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の静圧型メカニカルシール装置。

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