JP2018003961A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシングとシールケースとの間を密封するガスケットのシール性能が低下するのを抑制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】ケーシングＣに静止密封環１５を取り付けるシールケース１１は、回転密封環６及び静止密封環１５の両シール面６ａ，１５ａ間に、当該両シール面６ａ，１５ａ間を非接触状態に保持するシールガスを供給する供給路３１を有する第１リング１２と、第１リング１２に当接する当接面１３ａ、ケーシングＣ内の被密封流体と接触する接触面１３ｄ、及びガスケット１６の密封面１６ｃに接触する被密封面１３ｃを有し、静止密封環１５の外周部を第１リング１２との間に挟み込んで固定する第２リング１３とを備える。第２リング１３の接触面１３ｄを除く面には、当接面１３ａから被密封面１３ｃに亘ってダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ３が形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、メカニカルシールに関する。

従来より、回転機器の内部の被密封流体をシール（一次シール）するものとして、図３に示すように、ケーシング１０１側のシールケース１００に固定された静止密封環１０３と、回転軸１０２側に一体回転可能に取り付けられた回転密封環１０４とを備え、静止密封環１０３と回転密封環１０４との対向するシール面１０３ａ，１０４ａ間にシールガスを供給することによって当該シール面１０３ａ，１０４ａ同士を非接触状態に保持する非接触メカニカルシールが知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる非接触メカニカルシールでは、両シール面１０３ａ，１０４ａ間で摩耗粉がほとんど発生しないのでコンタミネーションを抑制することができる。

前記非接触メカニカルシールでは、半導体や医薬品等の分野において、高温条件下で腐食性が高い流体を被密封流体としてシールする場合がある。この場合には、静止密封環１０３の外周部を支持するシールケース１００のリング部材１０５の機内側端面１０５ａと、この機内側端面１０５ａに対向するケーシング１０１の対向面１０１ａとの間をシール（二次シール）する部材として、耐食性とコスト面において優れた、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）包みガスケット１０６が用いられている。

特開平１０−１５３２６４号公報

従来の非接触メカニカルシールでは、リング部材１０５の内周面１０５ｂにケーシング１０１内の高温の被密封流体と接触するため、リング部材１０５の機内側端面１０５ａは前記内周面１０５ｂからの伝熱によって温度が上昇し易い。このため、前記機内側端面１０５ａに接触するＰＴＦＥ包みガスケット１０６の密封面１０６ａにおいて温度変化によるクリープが生じ、ＰＴＦＥ包みガスケット１０６のシール性能が低下するという問題があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ケーシングとシールケースとの間を密封するガスケットのシール性能が低下するのを抑制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。

本発明のメカニカルシールは、回転軸側に一体回転可能に取り付けられ、シール面を有する回転密封環と、前記回転密封環のシール面に対向するシール面を有する静止密封環と、前記静止密封環の径方向外方に配置され、前記回転軸を包囲しているケーシングに前記静止密封環を取り付けるシールケースと、前記シールケースと前記ケーシングとの間を密封する樹脂製の密封面を有するガスケットと、を備え、前記シールケースは、前記回転密封環及び前記静止密封環の両シール面間に、当該両シール面間を非接触状態に保持するシールガスを供給する供給路を内部に有する第１リングと、前記第１リングに当接する当接面、前記ケーシング内の被密封流体と接触する接触面、及び前記ガスケットの密封面に接触する被密封面を有し、前記静止密封環の外周部を前記第１リングとの間に挟み込んで固定する第２リングと、を備え、前記第２リングの前記接触面を除く面には、前記当接面の少なくとも一部から前記被密封面の少なくとも一部に亘ってダイヤモンド膜が形成されている。

上記のように構成されたメカニカルシールによれば、第２リングにおける、ケーシング内の被密封流体と接触する接触面を除く面には、第１リングに当接する当接面の少なくとも一部から、ガスケットに接触する被密封面の少なくとも一部に亘って、大きな熱伝導率を有するダイヤモンド膜が形成されている。このため、第１リングの供給路を通過するシールガスの温度を被密封流体の温度よりも低くしておけば、第１リングは供給路を通過するシールガスによって低温に維持されるので、第２リングの当接面もダイヤモンド膜を介して低温に維持することができる。

したがって、第２リングの接触面において被密封流体に接触して発生した熱が第２リングの被密封面に伝熱しても、その熱をダイヤモンド膜の被密封面側から低温側となる当接面側に伝熱させて第１リングに逃がすことができる。これにより、第２リングの被密封面が高温になるのを抑制することができ、この被密封面に接触するガスケットの密封面にクリープが生じにくくなるので、ガスケットのシール性能が低下するのを効果的に抑制することができる。

本発明のメカニカルシールによれば、ケーシングとシールケースとの間を密封するガスケットのシール性能が低下するのを抑制することができる。

本発明におけるメカニカルシールの一実施形態に係る非接触メカニカルシールを示す断面図である。 上記非接触メカニカルシールの要部を示す拡大断面図である。 従来の非接触メカニカルシールを示す断面図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
［全体構成］
図１は、本発明におけるメカニカルシールの一実施形態に係る非接触メカニカルシールを示す断面図である。図１において、この非接触メカニカルシール１は、高温条件下で腐食性流体を扱う攪拌機等の回転機器の軸封装置として用いられる静圧型の非接触メカニカルシールである。

非接触メカニカルシール１は、回転軸Ｓと、この回転軸Ｓを包囲している回転機器のケーシングＣとの間に配置されている。ケーシングＣの内周面及び回転軸Ｓの外周面には、耐食性を確保するためにグラスライニング（又はポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂ライニング）が施されている。なお、本明細書において、図１の左側を機外側、図１の右側を機内側という（図２についても同様）。

［回転側ユニット］
非接触メカニカルシール１は、回転側ユニットとして、リテーナ２、ドライブカラー３、ドライブピン４、弾性部材５、及び回転密封環６を備えている。
リテーナ２は、例えばステンレス鋼等の金属材（例えば、ＳＵＳ３０４等）からなり、環状部２ａと、環状部２ａの内周部から機内側に突出する円筒状の係止部２ｂと、環状部２ａの外周部から機内側に突出する円筒状の保持部２ｃと、を有する。

リテーナ２の環状部２ａ及び係止部２ｂは、回転軸Ｓの外周面に嵌合されており、環状部２ａに螺合させたセットスクリュー７を締め付けることにより、回転軸Ｓに固定されている。なお、回転軸Ｓの外周面におけるグラスライニングが施されたライニング層ｓ１の機外側の端部は、セットスクリュー７が回転軸Ｓに当接する箇所よりも若干機内側に位置している。

回転密封環６は、例えばセラミックからなり、機内側の端部にはシール面６ａが形成されている。回転密封環６の内周面は、回転軸Ｓの外周面（ライニング層ｓ１）に対して軸方向に移動可能に取り付けられている。回転密封環６の内周には回転軸Ｓの外周面との間をシール（二次シール）するＯリング８が設けられている。本実施形態のＯリング８は、例えば耐食性，耐熱性に優れたパーフロロエラストマーで構成されている。

Ｏリング８は、回転密封環６の内周部に形成された環状の係止面６ｂによって機内側への移動が規制されるとともに、リテーナ２の係止部２ｂの端面によって機外側への移動が規制されている。なお、係止部２ｂの端面は、軸方向に対して直交する平坦面とされており、係止面６ｂは、機内側から機外側へ向かうに従って漸次拡径するテーパ面とされている。

回転密封環６の外周面は、リテーナ２の保持部２ｃの内周面に対して軸方向に移動可能に嵌合された状態で保持されている。そして、回転密封環６における外周の軸方向の二箇所には、当該回転密封環６の外周面とリテーナ２の保持部２ｃの内周面との間をシール（二次シール）するＯリング９，１０が設けられている。本実施形態のＯリング９，１０は、例えば耐食性，耐熱性に優れたフッ素系ゴムで構成されている。

ドライブカラー３は、例えばステンレス鋼等の金属材（例えば、ＳＵＳ３０４等）からなり、回転密封環６よりも機外側に配置されている。ドライブカラー３には、機内側に突出するピン３ａが周方向に所定間隔をあけて複数（図１では１個のみ図示）突設されている。ピン３ａは回転密封環６に形成された凹部６ｃに係合されており、これによりドライブカラー３は回転密封環６に対する相対回転が規制されている。

弾性部材５は、例えば圧縮コイルばねからなり、リテーナ２とドライブカラー３との間において周方向に所定間隔をあけて複数（図１では１個のみ図示）装着されている。弾性部材５の機外側の端部はリテーナ２の環状部２ａに形成された凹部（図示省略）に保持され、弾性部材５の機内側の端部はドライブカラー３に当接している。弾性部材５は、ドライブカラー３を介して回転密封環６を軸方向の機内側へ付勢しており、これにより回転密封環６のシール面６ａは、後述する静止密封環１５のシール面１５ａとの間の隙間を無くす方向に常時付勢されている。

ドライブピン４は、リテーナ２の環状部２ａに形成された軸方向に貫通する貫通孔２ｄに機外側から挿通されてドライブカラー３に螺合されている。これにより、回転密封環６は、リテーナ２に対して軸方向へ移動可能に保持されながら、リテーナ２に対する相対回転が規制されている。

［静止側ユニット］
非接触メカニカルシール１は、静止側ユニットとして、シールケース１１、静止密封環１５、ガスケット１６、及び取付リング１７を備えている。
シールケース１１は、ケーシングＣに静止密封環１５を取り付けるためのものであり、第１リング１２と、第１リング１２よりも機内側に配置された第２リング１３と、第２リング１３に外嵌された第３リング１４とによって構成されている。

第２リング１３の機外側の側面は、第１リング１２の機内側の側面に当接する当接面１３ａとされている。また、第２リング１３の外周面１３ｂには、第３リング１４の内周面が嵌合されており、当該外周面１３ｂの機内側に形成された環状凹部１３ｂ１に第３リング１４の内周面の機内側に形成された環状突起１４ａが係合されている。

第１リング１２には所定数のねじ孔１２ａが形成されており、このねじ孔１２ａには、第３リング１４に形成された貫通孔１４ｂに挿通されたボルト１８が螺合されている。これにより、第２及び第３リング１３，１４は第１リング１２の機内側の側面に密着して固定され、シールケース１１は全体として円筒状に形成されている。

取付リング１７は、シールケース１１をケーシングＣに取り付けるためのものであり、ケーシングＣに形成されたフランジｃ１の機内側の側面に係合されている。取付リング１７には、所定数の貫通孔１７ａが軸方向に貫通して形成されている。そして、第１及び第３リング１２，１４の形成された貫通孔１２ｂ，１４ｃ、および取付リング１７の貫通孔１７ａには、機外側からボルト１９が挿通され、ボルト１９の先端部にはナット２０が締結されている。これにより、シールケース１１は、取付リング１７を介してケーシングＣに固定されている。

ガスケット１６は、シールケース１１側である第２リング１３の機内側の端面と、ケーシングＣ側であるフランジｃ１の機外側の側面との間をシール（二次シール）するものである。本実施形態のガスケット１６は、例えば耐食性とコスト面において優れたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）包みガスケットからなり、芯材である環状のガスケット本体１６ａと、このガスケット本体１６ａを軸方向両側から挟み込んだＰＴＦＥからなる包み部１６ｂとを有している。なお、本実施形態の包み部１６ｂは、ガスケット本体１６ａの内周側から外周側にかけて両端面を覆って包み込み、外周側を開放しているが、外周側も含めて包み込んでもよい。

包み部１６ｂは、ガスケット本体１６ａの機外側において第２リング１３の機内側の端面である被密封面１３ｃに面接触する密封面１６ｃと、ガスケット本体１６ａの機内側においてフランジｃ１の機外側の側面ｃ２に面接触する密封面１６ｄとを有している。
以上の構成により、ボルト１９及びナット２０を締め付けて、ガスケット１６を第２リング１３の被密封面１３ｃとフランジｃ１の側面ｃ２との間で挟圧することにより、被密封面１３ｃと側面ｃ２との間を密封している。

静止密封環１５は、例えばカーボンで構成されており、静止密封環１５の機外側の端部には、回転密封環６のシール面６ａに対向するシール面１５ａが形成されている。
静止密封環１５の外周面は、シールケース１１の第１リング１２の内周面に嵌合されている。具体的には、第１リング１２の機外側の内周端部には、第１リング１２の内径と同一の内径を有する環状突起１２ｃが形成されており、この環状突起１２ｃと第２リング１３の機外側の端面との間には、一対のＯリング２１，２２を介して静止密封環１５が挟み込まれた状態で固定されている。Ｏリング２１，２２は、例えば耐食性，耐熱性に優れたフッ素系ゴムで構成されている。

なお、第１リング１２、第３リング１４及び取付リング１７は、ケーシングＣ内の被密封流体（腐食性流体）に接触しないため、例えばステンレス鋼等の金属材（例えば、ＳＵＳ３０４等）で構成されている。一方、第２リング１３は、その内周面がケーシングＣ内の被密封流体と接触する接触面１３ｄとされているため、例えば耐食性，耐熱性に優れたセラミックで構成されている。

［ガス通路］
図２は、非接触メカニカルシール１の要部を示す拡大断面図である。図２において、非接触メカニカルシール１は、回転密封環６及び静止密封環１５の両シール面６ａ，１５ａ間に、当該両シール面６ａ，１５ａ間を非接触状態に保持するシールガスを外部から供給するためのガス通路３０を備えている。このガス通路３０は、ケース側供給路３１と、連絡空間３２と、密封環側通路３３と、静圧発生溝３４とによって構成されている。

ケース側供給路３１は、シールケース１１の第１リング１２の内部において径方向に貫通して形成されており（図１も参照）、一端部は第１リング１２の外周面に開口し、図示しない外部配管を介してガス供給源に接続されている。また、ケース側供給路３１の他端部は、第１リング１２の内周面に開口して連絡空間３２と連通している。
連絡空間３２は、シールケース１１の第１リング１２の内周面に形成された環状溝１２ｄと静止密封環１５の外周面とによって区画された環状の空間であり、その軸方向両側に配置されたＯリング２１，２２によってシールされている。

密封環側通路３３は、静止密封環１５を貫通して形成されており、一端部は静止密封環１５の外周面に開口して連絡空間３２と連通している。密封環側通路３３の他端部は、静止密封環１５のシール面１５ａに開口して静圧発生溝３４と連通している。
静圧発生溝３４は、静止密封環１５のシール面１５ａにおいて周方向に所定間隔をあけて円弧状に形成された複数の凹溝からなる。

以上の構成により、回転機器の運転時には、ガス供給源から所定圧力のシールガスが、ケース側供給路３１、連絡空間３２、密封環側通路３３を経て静圧発生溝３４に供給されることで、両シール面６ａ，１５ａ間を非接触状態に保持する静圧が発生する。
なお、シールガスとしては、例えば被密封流体に対して不活性なガスが使用され、本実施形態では、常温の窒素ガスを使用しているが、回転機器や被密封流体の条件によっては空気やアルゴンガス等を使用してもよい。

［ダイヤモンドコート］
図２に示すように、シールケース１１の第２リング１３には、ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ３が連続して形成されている。具体的には、ダイヤモンド膜ｄ１は、第２リング１３の機内側の端面、すなわち第１リング１２に当接する当接面１３ａの全体に形成されている。ダイヤモンド膜ｄ２は、第３リング１４に当接する第２リング１３の外周面１３ｂの全体に形成されている。

ダイヤモンド膜ｄ３は、第２リング１３の機内側の端面、すなわちガスケット１６の密封面１６ｃに面接触する被密封面１３ｃの全体に形成されている。これにより、第２リング１３には、ケーシングＣ内の被密封流体と接触する接触面１３ｄを除く面、すなわち当接面１３ａから外周面１３ｂを経て被密封面１３ｃに亘ってダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ３が連続して形成されている。なお、図２では、分かりやすいようにダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ３の膜厚を誇張して描いている。

ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ３は、１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという、カーボンやセラミックス（例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ））よりも大きな熱伝導率を有しているため、以下の作用効果を奏する。すなわち、第１リング１２は、その内部のケース側供給路３１を通過する常温のシールガスによって常温付近に維持されるので、第２リング１３の当接面１３ａもダイヤモンド膜ｄ１を介して常温付近に維持することができる。

したがって、第２リング１３の接触面１３ｄにおいて被密封流体に接触して発生した熱が第２リング１３の被密封面１３ｃに伝熱しても、その熱をダイヤモンド膜ｄ３からダイヤモンド膜ｄ２を経て低温側となるダイヤモンド膜ｄ１に伝熱させて第１リング１２に逃がすことができる。これにより、第２リング１３の被密封面１３ｃが高温になるのを抑制することができ、この被密封面１３ｃに接触するガスケット１６の密封面１６ｃにクリープが生じにくくなるので、ガスケット１６のシール性能が低下するのを効果的に抑制することができる。

ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ３は、例えばマイクロ波ＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法等の一般的な製造技術を用いて作製することができる。ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ３の厚さは、本発明において特に限定されるものではないが、好ましくは１μｍ以上であり、より好ましくは１μｍ〜２５μｍである。ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ３の厚さが１μｍ未満では上記作用効果を発揮することが困難であり、２５μｍを超えるとダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ３の強度を十分に確保することが困難である。
なお、本実施形態では、当接面１３ａの全体及び被密封面１３ｃの全体に亘ってダイヤモンド膜を形成しているが、少なくとも当接面１３ａの一部（好ましくは、第１リング１２と当接する部分を含む）から外周面１３ｂを経て被密封面１３ｃの一部に亘ってダイヤモンド膜が連続して形成されていればよい。

また、ダイヤモンド膜ｄ１〜ｄ３の厚さは、同じ厚さであってもよいし、互いに異なる厚さであってもよい。第２リング１３の被密封面１３ｃに伝熱された熱を速やかに外周面１３ｂ及び当接面１３ａに移動させるという観点からは、当接面１３ａ及び外周面１３ｂのダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２の膜厚が、被密封面１３ｃのダイヤモンド膜ｄ３の膜厚以上であることが望ましい。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。例えば、上記実施形態ではガスケット１４として、ＰＴＦＥ包みガスケットを用いているが、ＰＴＦＥシートガスケット等の樹脂製の密封面を有する他のガスケットを用いてもよい。

１ 非接触メカニカルシール（メカニカルシール）
６ 回転密封環
６ａ シール面
１１ シールケース
１２ 第１リング
１３ 第２リング
１３ａ 当接面
１３ｃ 被密封面
１３ｄ 接触面
１５ 静止密封環
１５ａ シール面
１６ ガスケット
１６ｃ，１６ｄ 密封面
３１ ケース側供給路（供給路）
Ｃ ケーシング
ｄ１〜ｄ３ ダイヤモンド膜
Ｓ 回転軸

Claims (1)

1. 回転軸側に一体回転可能に取り付けられ、シール面を有する回転密封環と、
   前記回転密封環のシール面に対向するシール面を有する静止密封環と、
   前記静止密封環の径方向外方に配置され、前記回転軸を包囲しているケーシングに前記静止密封環を取り付けるシールケースと、
   前記シールケースと前記ケーシングとの間を密封する樹脂製の密封面を有するガスケットと、を備え、
   前記シールケースは、
   前記回転密封環及び前記静止密封環の両シール面間に、当該両シール面間を非接触状態に保持するシールガスを供給する供給路を内部に有する第１リングと、
   前記第１リングに当接する当接面、前記ケーシング内の被密封流体と接触する接触面、及び前記ガスケットの密封面に接触する被密封面を有し、前記静止密封環の外周部を前記第１リングとの間に挟み込んで固定する第２リングと、を備え、
   前記第２リングの前記接触面を除く面には、前記当接面の少なくとも一部から前記被密封面の少なくとも一部に亘ってダイヤモンド膜が形成されている、メカニカルシール。

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