JP2017067135A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】静止環及び回転環の摺動端面を効果的に冷却することができるメカニカルシールを提供する。【解決手段】 摺動端面２ｓを備え、流体機器の回転軸１０に固定され、回転軸１０とともに回転する回転環２と、摺動端面４ｓを備え、流体機器のハウジング９に保持される静止環４と、静止環４を流体機器のハウジング９に保持するシールケース６と、を有するメカニカルシール１において、シールケース６は、冷却液を供給する供給孔６ｃと、冷却液を排出する排出孔６ｄとを有し、供給孔６ｃには、回転環２に向けて冷却液を噴射するノズル８が設けられていることを特徴とするメカニカルシール。【選択図】図１

Description

本発明は、流体機器の駆動軸等の軸封部品として用いられるメカニカルシールに関する。

メカニカルシールは、流体機器のハウジングと、ハウジングを貫通するように配置される回転軸との間に装着して使用されるものであり、流体機器のハウジングに固定される静止環と、回転軸とともに回転する回転環とを、付勢手段により軸方向に付勢することで摺接させ、流体機器の内部から外部又は外部から内部への流体の漏れを防ぐものである。

これらのメカニカルシールとして、例えば特許文献１には、静止環と回転環の摺動端面同士が摺接に伴う発熱により、これらの環が変形又は損傷することで摺動端面間のシール性が低下することを防ぐため、冷却液を静止環、回転環及び回転軸により囲まれた空間であるシール内部に流入及び排出する冷却流路を形成することで、摺接に伴う発熱を抑えるメカニカルシールが開示されている。

ＷＯ２００９／００８２８９号公報（図１）

このようなメカニカルシールにおいては、冷却流路を形成するため静止環を保持するシールカバーに、バッフルスリーブと呼ばれる回転軸よりも大径の筒状体の部材を、回転軸に沿って溶接し取付け又は機械加工により予め形成し、これにより冷却液の供給用及び排出用の流路を形成している。

しかしながら、当該メカニカルシールにおいては、バッフルスリーブを回転軸の外周面に沿って回転軸を囲むように配置し、回転軸の外周面とバッフルスリーブの内周面の間に、流入された冷却液が周方向に一様に供給される供給用流路を形成し、バッフルスリーブの先端には、その外周側が静止環、回転環及び回転軸により囲まれ、冷却液が静止環及び回転環の近傍と接触することで、それらを冷却しながら方向転させる方向転換路を形成し、バッフルスリーブの外周面とシールケースの間には、方向転換した冷却液が排出される排出用流路を形成していた。このため、方向転換路の内周側を流下する冷却液は、静止環及び回転環と接触することがなく、供給用流路から排出用流路に流れるため、冷却液の一部は冷却に寄与できずに排出されており、静止環及び回転環の摺動端面を効果的に冷却することが難しかった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、静止環及び回転環の摺動端面を効果的に冷却することができるメカニカルシール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、本発明のメカニカルシールは、
摺動端面を備え、流体機器の回転軸に固定され、前記回転軸とともに回転する回転環と、
摺動端面を備え、前記流体機器のハウジングに保持される静止環と、
前記静止環を前記流体機器のハウジングに保持するシールケースと、を有するメカニカルシールにおいて、
前記シールケースは、冷却液を供給する供給孔と、前記冷却液を排出する排出孔とを有し、
前記供給孔には、前記回転環に向けて前記冷却液を噴射するノズル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、供給孔から供給された冷却液はノズルから噴射され、多くの冷却液が回転環にあたるため、効果的に回転環及び静止環の摺動端面を冷却することができる。

前記ノズルは、前記回転軸と前記静止環と前記回転環とで囲まれる密封空間内で、前記回転環に向けて配置されていることを特徴としている。
この特徴によれば、冷却液は、回転軸の遠心力を受け摺動面近傍に導かれるため、効果的に回転環の冷却を行うことができる。

前記回転軸は前記密封空間内に、縮径された縮径部を有していることを特徴としている。
この特徴によれば、回転軸の縮径部周辺で冷却液の流下断面積が大きくなり、流下抵抗が小さくなるため、密封空間内の冷却液が流下抵抗の小さい回転軸側に流下しやすく、冷却液の流れをつくることで効果的な冷却を行うことができる。

前記ノズルは、前記供給孔に挿入されている中空部材であって、前記静止環の前記シールケースに対する回り止めのピンであることを特徴としている。
この特徴によれば、静止環の回り止めのピンを、冷却流路を形成する中空部材として用いることで、簡易な構成でノズルによる冷却流路を形成することができる。

前記ノズルの中空部は、前記供給孔より断面積が小さいことを特徴としている。
この特徴によれば、冷却液の流下速度を中空部で上げることができるため、速い速度で冷却液をノズルから噴射することができ、効果的に冷却を行うことができる。

前記静止環は、前記ノズルが係合する切欠き部を有することを特徴としている。
この特徴によれば、前記ノズルを径方向外側に配置することができ、これにより冷却液を摺動端面の近くに噴射できるため、効果的に冷却を行うことができる。

実施例１における本発明に係るメカニカルシールの正面断面図である。 実施例１におけるメカニカルシールの静止環を流体機器側から見た側面図である。 実施例１におけるメカニカルシールのシールケースを流体機器側から見た側面図である。 実施例１におけるメカニカルシールの内部に流れる冷却液の流れを示す正面断面図である。 実施例１におけるメカニカルシールの内部に流れる冷却液の流れを示す図１におけるＡ−Ａ断面図である。 実施例１におけるメカニカルシールの図１における排出孔周辺の拡大断面図である。

本発明に係るメカニカルシール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。なお、以下の説明において、図１における左右方向をメカニカルシールの軸方向、上下方向をメカニカルシールの径方向と定義する。

まず、実施例１に係るメカニカルシールの構造について、図１から図３を参照して説明する。
図１に示されるように、本発明に係るメカニカルシール１は主に、回転環２、静止環４、マルチスプリング５、シールケース６、Ｏリング７及び中空ピン８から構成されている。回転環２の軸方向端面の一方に形成される摺動端面２ｓと、これと対向して配置される静止環４の摺動端面４ｓとが摺接することで、メカニカルシール１が取付けられた流体機器のハウジング９と回転軸１０まわりのシール性を確保するものである。

回転軸１０は、左から順に直径の異なる大径部１０ａ、中径部１０ｂ、小径部１０ｃから構成されており、大径部１０ａと中径部１０ｂの間には段部１０ｄが形成されている。
また、回転環２は一方の軸方向端面に周方向に複数のノッチ部２ｂが設けられた摺動端面２ｓを備え、回転軸１０の小径部１０ｃに固定されたスリーブ３に、周方向に複数箇所配置される回り止め部材２ａにより固定されている。これにより回転環２は、回転軸１０と相対回転不能に配置されている。ここで、回転軸１０の小径部１０ｃとスリーブ３の間には二次シールとしてのＯリング７Ａが、スリーブ３と回転環２の間には同じく二次シールとしてのＯリング７Ｂがそれぞれ介挿されており、これにより回転環２及びスリーブ３周辺の密封性を確保している。

次に、静止環４は摺動端面４ｓを有し、パッキン１１に保持されながら、マルチスプリング５により軸方向に付勢され、回転軸１０の中径部１０ｂの径方向外側に位置する箇所で、回転環２の摺動端面２ｓと摺接している。
また、静止環４には周方向の内側に１２０°等配にて軸方向に延びる切欠き部４ａが３箇所設けられており（図２参照）、切欠き部４ａには後述するシールケース６と静止環４の周方向の位置を固定するための中空ピン８が回転軸１０に沿って係合されている。
また、回転環２、静止環４及び回転軸１０の中径部１０ｂにより囲まれた空間には、クエンチ液（冷却液）が充満される密封空間Ｆａが形成されている。
なお、密封空間Ｆａとは、回転環２及び静止環４の摺接により、大気側に対し密封された空間であることを意味しており、密封空間Ｆａ自体が完全に閉塞された空間であることを意味するものではない。

次に、静止環４を保持するパッキン１１は、シールケース６により保持されており、シールケース６は流体機器のハウジング９に、回転軸１０の大径部１０ａの径方向外側に位置する箇所に固定されている。また、回転軸１０の大径部１０ａとシールケース６には隙間δが設けられている。シールケース６とハウジング９の間には、密封性を確保するためにＯリング７Ｃ，７Ｄ，７Ｅが介挿されている。
また、シールケース６は回転軸１０の段部１０ｄと径方向に略面一に配置され、流体機器側の軸方向端面に円周溝６ａが設けられ、外周面には外周溝６ｂが設けられている。円周溝６ａは流体機器のハウジング９に設けられた流入口９ａと連通し（図３参照）、外周溝６ｂは同じく流体機器のハウジング９に設けられた流出口９ｂと連通している。

また、シールケース６には、円周溝６ａと密封空間Ｆａとを連通させるために、供給孔としてのマルチクエンチングポート６ｃが円周溝６ａの底部と連通するように、円周溝６ａから回転軸１０に近づくように傾斜して軸方向に設けられている。更に、外周溝６ｂと密封空間Ｆａとを連通させるために、排出孔としてのマルチドレンポート６ｄが外周溝６ｂの底部と連通するように径方向に設けられている。これらのマルチクエンチングポート６ｃとマルチドレンポート６ｄは、それぞれ周方向に１２０°等配で設けられおり、マルチクエンチングポート６ｃとマルチドレンポート６ｄは互いに周方向に６０°の位相差を隔てて設けられている（図５参照）。
更にマルチクエンチングポート６ｃと静止環４の切欠き部４ａは周方向に同一位相に、軸方向に対向して配置されている。

次に、マルチクエンチングポート６ｃには、前述の静止環４の切欠き部４ａに係合し、密封空間Ｆａの一部を成す回転軸１０の中径部１０ｂの断面積及びマルチクエンチングポート６ｃの断面積よりも小さい流下断面を有する中空部８ｂを有する中空ピン８が、液密に挿入されている。この中空ピン８の外筒部８ａにより静止環４をシールケース６の周方向に回転不能に固定するとともに、中空ピン８は中空部８ｂの一端がマルチクエンチングポート６ｃと連通し、他端が回転環２に向かって延設されている。
中空ピン８がこのように配置されることで、流入口９ａ、円周溝６ａ、マルチクエンチングポート６ｃ、中空ピン８は中空部８ｂが連通し、密封空間Ｆａ内にクエンチ液を供給することができる構造となっている。

次に、クエンチ液について説明する。クエンチ液は摺動端面２ｓ，４ｓ間の摺接による発熱による損傷や変形を抑え、シール性を長期間維持することを主な目的とし、副次的には摺動端面２ｓ，４ｓ間の洗浄を目的として、静止環４、回転環２及び回転軸１０により囲まれた空間であるメカニカルシール１の内部に流入される液体である。
その成分としては例えば、不凍液としてのエチレングリコールと、防錆剤としてのリン酸塩系物質に少量の水を加えたものを使用することができる。

次に、クエンチ液の流入及び排出における流れについて図４及び図５を用いて説明する。なお、図５においては理解を助けるために、摺動端面４ｓをクロスハッチングして示している。
図４に示されるように、クエンチ液は流体機器のハウジング９に１つ設けられた流入口９ａから円周溝６ａに流入され（Ｆ０）、その後に円周溝６ａに１２０°等配で設けられたマルチクエンチングポート６ｃからメカニカルシールの内部に流入する（Ｆ１）。ここで、マルチクエンチングポート６ｃの端部には中空ピン８が挿入されているため、クエンチ液は中空ピン８の中空部８ｂを流下し（Ｆ２）、中空ピン８の先端から回転環２に向けて噴射されることで密封空間Ｆａに流出する（Ｆ３）。
なお、以降の説明においては、クエンチ液の主な流れについて説明するが、この流れに従わないランダムな流れも存在するものとする。

このように、クエンチ液は中空ピン８の先端から回転環２に向けて噴射され、回転環２に衝突すると、回転軸１０及び回転環２の回転による遠心力に案内されて径方向外側に流され（Ｆ４）、径方向外側に位置する摺動端面２ｓ、４ｓの近傍に接触する。この接触により、クエンチ液は熱発熱箇所である摺動端面２ｓ，４ｓ及びその近傍の熱を奪い、その後続のクエンチ液の流動により回転軸１０側に流下（Ｆ５）する（図４参照）。
ここで、摺動端面２ｓには周方向に複数のノッチ部２ｂが設けられているため、このノッチ部２ｂ内に進入したクエンチ液は、ノッチ部２ｂと対向することで、その一部が露出している静止環４の摺動端面４ｓと直接接触することになり、これにより顕著に摺動端面２ｓ，４ｓ及びその近傍の発熱を奪うことができる。

次に、図５に示されるように、回転軸１０と接触したクエンチ液は、回転軸１０の回転に沿って周方向に流下する（Ｆ６）。その後、マルチクエンチングポート６ｃから流下方向に６０°の位相を隔てて設けられたマルチドレンポート６ｄに吸い込まれるように、軸方向に流下した後に（Ｆ７）、径方向外側に流下する（Ｆ８）（図４参照）。
更に、マルチドレンポート６ｄの径方向外側には外周溝６ｂが設けられており、クエンチ液は、この外周溝６ｂを経て、ハウジング９に１つ設けられた流出口９ｂから流体機器の外部に排出できる構造となっている。

また、本実施例におけるメカニカルシール１において、マルチクエンチングポート６ｃ及びマルチドレンポート６ｄはそれぞれ１２０°等配にて設けられているため、それぞれのマルチクエンチングポート６ｃからクエンチ液が流入され、前述の流れを経た後に、それぞれのマルチドレンポート６ｄから排出される構造となっている。

ここで、上述のように、中空ピン８がマルチクエンチングポート６ｃから回転環２に向けて延設されていることで、クエンチ液を回転環２に向けて噴射させることができる。これにより、クエンチ液が中空ピン８から噴射されることで、多くのクエンチ液を摺動端面２ｓ、４ｓに接触させることができるため、冷却に寄与するクエンチ液の量を増やすことができ、効果的に冷却を行うことができる。

また、クエンチ液は回転環２の摺動端面２ｓよりも内周部にあたることにより、回転環２の遠心力を受け、摺動端面２ｓ、４ｓ及びその近傍に流れるため、効果的に冷却をおこなうことができる。
また、中空ピン８が回転環２、静止環４及び回転軸１０とで囲まれる密封空間Ｆａ内にクエンチ液を噴射することで、密封空間Ｆａをクエンチ液で満たすことができ、これにより効果的に摺動端面２ｓ、４ｓの冷却を行うことができる。
また、このような構成とすることで、クエンチ液の密封空間Ｆａを形成することができ、流体機器内に封入されている機内側流体が摺動面に到達することなく、機内側流体に影響しないシールとすることができる。

更にまた、密封空間Ｆａが回転軸１０の大径部１０ａから縮径された中径部１０ｂに位置していることにより、密封空間Ｆａ内の流下断面積を大きくでき、流下抵抗を小さくできる。これにより、密封空間Ｆａ内のクエンチ液が排出孔であるマルチドレンポート６ｄに向けた排出を促し、クエンチ液の流れをつくることで効果的な冷却を行うことができる。

更にまた、中空ピン８が静止環４とシールケース６の回り止めとして作用しながら、その中空部８ｂに流路を形成していることで、簡易な構成でクエンチ液の流路を成形することが可能となっている。

更にまた、中空ピン８の中空部８ｂはマルチクエンチングポート６ｃよりも小径となっているため、クエンチ液の流速が中空部８ｂにて増加するため、流速を上げて回転環２に噴射することにより、効果的に冷却をすることができる。

更にまた、静止環４には中空ピン８が係合する切欠き部４ａが設けられていることにより、クエンチ液を噴射する中空ピン８を静止環４の径方向外側、すなわち摺動端面２ｓ、４ｓ側に近づけることができる。これにより、クエンチ液を摺動端面２ｓ、４ｓの近傍で噴射することができ、効果的に冷却を行うことができる。

更にまた、図６に示されるように、回転軸１０の大径部１０ａと中径部１０ｂとの間に設けられた段部１０ｄにて、径方向外側に向かう遠心力がクエンチ液に発生し、局所的に径方向に向かう流れ（Ｆ８０’）となる。このいわゆる“フリンジャー効果”により、密封空間Ｆａから軸方向に流れてきた流れ（Ｆ７’）は、径方向に向かう流れ（Ｆ８０）’が作用し、軸方向に傾きを持った流れ（Ｆ８１’）となり、その後シールケース６のマルチドレンポート６ｄの案内周壁６ｄｗに案内され、径方向外側に位置する流出口９ｂに流下する流れ（Ｆ８２’’）となる。
これにより、回転軸１０の回転力を利用してクエンチ液を排出させることができ、メカニカルシール１の密封空間Ｆａの内部でクエンチ液が滞留することなく、順次新たなクエンチ液を供給及び排出することで、効果的に冷却することが可能となっている。

ここで、段部１０ｄの周辺の構造及びその作用についてさらに詳述すると、段部１０ｄは前述の通り遠心力を発生するとともに、方向転換用の壁としても機能しており、密封空間Ｆａにおける軸方向に沿った流れ（Ｆ７’）が段部１０ｄに衝突することにより、径方向外側に向き、マルチドレンポート６ｄに向かうようになっている。
なお、段部１０ｄはクエンチ液に遠心力を効果的に発生させる目的により、径方向に立設された壁面であることが好ましいが、このような態様に限られず、軸方向に対して傾斜を有する壁面により構成されていても良いし、一様な壁面でなく、その一部に流体の流れを促す羽根が設けられていても良い。

また、マルチドレンポート６ｄの案内周壁６ｄｗは、回転軸１０の段部１０ｄと比して軸方向に密封空間Ｆａから離間する箇所に位置している。即ち、段部１０ｄより案内周壁６ｄｗは軸方向に沿った流れの下流側に位置している。これにより、密封空間Ｆａにおける軸方向に沿った流れ（Ｆ７’）が径方向の流れ（Ｆ８０’）を受けて方向転換した際に、確実に案内周壁６ｄｗによってクエンチ液を受けることができる構造となっている。
なお、案内周壁６ｄｗは、円滑にクエンチ液の方向を転換するように案内するために、軸方向に対して流れの下流側に向けて傾斜を有した壁面であることが好ましいが、径方向に立壁された壁面であっても構わない。

また、マルチドレンポート６ｄにより形成された排出領域Ｓ２は、密封空間Ｆａからマルチドレンポート６ｄにつながる中径部１０ｂと静止環４に囲まれた流下領域Ｓ１と比して大きな流下断面積を有している。これにより、流下領域Ｓ１よりも排出領域Ｓ２の流下抵抗が下がるため、段部１０ｄの周辺でクエンチ液が方向転換をした際に、流下抵抗の低い排出領域Ｓ２に流れやすく、これにより効率的にマルチドレンポート６ｄから排出することが可能となっている。

また、シールケース６と回転軸１０の大径部１０ａの間に設けられた隙間δについては、これが微小であり、クエンチ液が径方向外側の力を受けて流下してゆくことにより、充分にクエンチ液を密封することができる。これにより、流体機器の内部とクエンチ液の密封空間Ｆａ間の流体の出入りを抑えることが可能となっている。このような構成とすることでシングルシールにおいてもクエンチ液を十分に密封することができ、これによりメカニカルシール１やハウジング９のサイズを小さくすることが可能となっている。

なお、シールケース６の回転軸１０に沿った面の形状を、流体機器のハウジング９側に向かって回転軸１０に近づくような傾斜面にすることで、クエンチ液の流体機器側への漏出を一層抑えることも可能である。

また、外周溝６ｂがシールケース６の外周面に設けられていることで、マルチドレンポート６ｄからの排出が容易となっている。一方、マルチクエンチングポート６ｃにつながる円周溝６ａについては、シールケース６の軸方向端面に設けられていることで、その下流である供給孔であるマルチクエンチングポート６ｃを経て中空ピン８からの噴射が容易となっており、これらのマルチクエンチングポート６ｃとマルチドレンポート６ｄを異なる面に設けることで、シールケース６をコンパクトにすることが可能となっている。

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、本発明における回転環２に向けてのクエンチ液の噴射として、上記実施例では、中空ピン８から噴射されたクエンチ液は、直接回転環２に衝突させるものについて説明したが、このような態様に限られず、クエンチ液が排出までの過程において噴射の勢いを伴い回転環２と接触するような態様であればよく、例えば静止環４に噴射した後に方向転換し、回転環２に接触するように、静止環４に向けて噴射するような態様であってもよい。

また、上記実施例では、密封空間Ｆａ内を形成する回転軸１０の中径部１０ｂは軸方向及び径方向に一様に縮径された縮径部であったが、本発明の縮径部としてはこのような態様に限らない。縮径部としては例えば、軸方向及び径方向に部分的又は局所的に縮径された窪みのような形態であってもよいし、径の一様な回転軸１０の一部の外周面にカラーを嵌装することで大径部を構成し、これにより相対的な縮径部を構成するものであってもよい。

更にまた、マルチクエンチングポート６ｃ及びマルチドレンポート６ｄは、周方向にそれぞれ１２０°等配されており、互いに６０°の位相を隔てて設けられており、これにより周方向に均一に供給及び排出することができ、効果的な冷却が可能となっているが、１２０°等配に限られず、９０°や１８０°といった任意の角度に変更でき、これに伴い、位相差についいても任意に変更可能である。
また、マルチクエンチングポート６ｃ及びマルチドレンポート６ｄをそれぞれシングルポートにすることもでき、この場合には位相差は１８０°であることが好ましい。

更にまた、上記実施例では、静止環４の切欠き部４ａは周方向に１２０°等配で３つ設けられていたが、この態様に限られず、マルチクエンチングポート６ｃの数に合わせて１つであっても良いし、２つ又は４つ以上の複数の切欠き部を非等配に設けるものであってもよい。

更にまた、上記実施例では、中空ピン８がシールケース６と静止環４の位置決め作用を有していたが、中空ピンとは別に位置決め部材を設けても良い。

１ メカニカルシール
２ 回転環
２ｓ 摺動端面
３ スリーブ
４ 静止環
４ｓ 摺動端面
５ マルチスプリング
６ シールケース
６ａ 円周溝
６ｂ 外周溝
６ｃ マルチクエンチングポート（供給孔）
６ｄ マルチドレンポート（排出孔）
８ 中空ピン（ノズル）
９ ハウジング
１０ 回転軸
１０ａ 大径部
１０ｂ 中径部（縮径部）
１０ｃ 小径部
１０ｄ 段部
Ｆａ 密封空間

Claims (6)

1. 摺動端面を備え、流体機器の回転軸に固定され、前記回転軸とともに回転する回転環と、
   摺動端面を備え、前記流体機器のハウジングに保持される静止環と、
   前記静止環を前記流体機器のハウジングに保持するシールケースと、を有するメカニカルシールにおいて、
   前記シールケースは、冷却液を供給する供給孔と、前記冷却液を排出する排出孔とを有し、
   前記供給孔には、前記回転環に向けて前記冷却液を噴射するノズルが設けられていることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記ノズルは、前記回転軸と前記静止環と前記回転環とで囲まれる密封空間内で、前記回転環に向けて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記回転軸は前記密封空間内に、縮径された縮径部を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシール。
4. 前記ノズルは、前記供給孔に挿入されている中空部材であって、前記静止環と前記シールケースに対する回り止めのピンであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のメカニカルシール。
5. 前記ノズルの中空部は、前記供給孔より断面積が小さいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のメカニカルシール。
6. 前記静止環は、前記ノズルが係合する切欠き部を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のメカニカルシール。

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