JP2018025249A - ダブル型メカニカルシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】封液の圧力変化に起因して機外側のメカニカルシールのシール性能が低下するのを抑制することができるダブル型メカニカルシール装置を提供する。【解決手段】ダブル型メカニカルシール装置１の機外側の第２メカニカルシール４は、回転軸５２側に一体回転可能に取り付けられシール面１４ａを有する回転環１４と、ケーシング５１側に取り付けられた静止環１３と、回転環１４と静止環１３との間において静止環１３に対する回転が規制された状態で挟圧保持され、回転環１４のシール面１４ａが摺接するシール面１５ｃ１を有する遊動環１５と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ダブル型メカニカルシール装置に関する。

例えば、毒性、可燃性または爆発性などを有する液化ガスのケミカル流体である被密封流体を扱うポンプ等の回転機器の軸封装置として、被密封流体が大気側へ漏洩するのを防止するために、２組のメカニカルシールが前記回転機器の回転軸の軸方向に所定間隔をあけて互いに並列に配置されたダブル型メカニカルシール装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、従来のダブル型メカニカルシール装置を示す断面図である。図４に示すように、従来のダブル型メカニカルシール装置は、回転機器のケーシング１０１と回転軸１０２との間に配置された機内側の第１メカニカルシール１１０と、機外側（大気側）の第２メカニカルシール１２０とを備えている。

第１及び第２メカニカルシール１１０，１２０は、ケーシング１０１側に取り付けられた静止環１１１，１２１と、回転軸１０２側に一体回転可能に取り付けられた回転環１１２，１２２とを有している。回転環１１２，１２２は、そのシール面１１２ａ，１２２ａと反対側の背面１１２ｂ，１２２ｂ、および外周面がリテーナ１０４，１０５に焼嵌めして固定されており、リテーナ１０４，１０５は回転軸１０２と一体回転可能なスリーブ１０３に嵌合して取り付けられている。両リテーナ１０４，１０５は、回り止めピン１０６，１０７によりスリーブ１０３との相対回転が規制されている。

これにより、回転環１１２，１２２のシール面１１２ａ，１２２ａは、対応する静止環１１１，１２１のシール面１１１ａ，１２１ａに摺接するようになっている。第１メカニカルシール１１０と第２メカニカルシール１２０との間には、封液（緩衝液）を導入する環状の封液室１３０が形成されており、回転機器の運転中に封液室１３０で封液を循環させることで、メカニカルシール１１０，１２０が冷却されるようになっている。

特開２００５−１４０２５８号公報

上記ダブル型メカニカルシール装置では、機内側の被密封流体が封液室１３０に漏洩しないように、封液室１３０内の封液の圧力を機内側の被密封流体の圧力よりも高くしている。このため、回転機器の運転中に機外側（大気側）と封液室との圧力差が大きくなり、機外側の第２メカニカルシール１２０は高負荷条件下で使用されることになる。このような高負荷条件下で回転機器の起動と停止が繰り返し行われた場合、第２メカニカルシール１２０は、封液室１３０内の封液の大きな圧力変動に対応できなくなり、静止環１２１と回転環１２２との接触面であるシール面１２１ａ，１２２ａ同士の平行性が損なわれ、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、封液の圧力変動に起因して機外側のメカニカルシールのシール性能が低下するのを抑制することができるダブル型メカニカルシールを提供することを目的とする。

本発明のダブル型メカニカルシール装置は、回転機器の機内領域と機外領域とを区画する区画領域に設けられるケーシングと、このケーシングを貫通する回転軸との間に、機内側の第１メカニカルシール及び機外側の第２メカニカルシールが前記回転軸の軸方向に並列して配置され、これら両メカニカルシールの間に封液が導入される環状の封液室が形成されているダブル型メカニカルシール装置であって、前記第２メカニカルシールは、前記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環と、前記ケーシング側に取り付けられた静止環と、前記回転環と前記静止環との間において当該静止環に対する回転が規制された状態で挟圧保持され、前記回転環のシール面が摺接するシール面を有する遊動環と、を備える。

上記のように構成されたダブル型メカニカルシール装置によれば、機外側の第２メカニカルシールの回転環と静止環との間に、外部の圧力変動に対して強い遊動環が挟圧保持され、遊動環のシール面に回転環のシール面が摺接するため、封液室内の封液の圧力が大きく変動しても、回転環および遊動環のシール面同士の平行性が損なわれるのを抑制することができる。したがって、封液の圧力変動に起因して機外側の第２メカニカルシールのシール性能が低下するのを抑制することができる。

前記ダブル型メカニカルシール装置は、前記回転環の外周面のみを内嵌した状態で前記回転軸側に一体回転可能に取り付けられた円筒状のリテーナをさらに備えるのが好ましい。
この場合、回転環は、その外周面のみがリテーナに内嵌されているため、従来のように回転環のシール面と反対側の背面がリテーナの平坦度が低い面に接触するのを防止することができる。これにより、回転環のシール面の平坦度が低下するのを抑制することができるので、第２メカニカルシールのシール性能が低下するのをさらに抑制することができる。

前記ダブル型メカニカルシール装置は、前記回転軸の外周面に一体回転可能に取り付けられた円筒状の本体部、前記本体部から径方向外方に延びる円環部、および前記円環部の外周端部から機外側に延び前記リテーナが同心状に取り付けられた円筒部を有するスリーブをさらに備え、前記円筒部及び前記リテーナのうち、一方に形成された凸部と、他方に形成された凹部とを係合させることで、前記円筒部と前記リテーナとの相対回転が規制されているのが好ましい。
この場合、従来のように、スリーブとリテーナとの相対回転を規制する回り止めピンを用いる必要がないので、装置の構成を簡素化することができる。

本発明のダブル型メカニカルシール装置によれば、封液の圧力変化に起因して機外側のメカニカルシールのシール性能が低下するのを抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るダブル型メカニカルシール装置を示す断面図である。 第１及び第２メカニカルシールの回転環の取付構造を示す拡大断面図である。 リテーナを示す正面図である。 従来のダブル型メカニカルシール装置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、本発明の一実施形態に係るダブル型メカニカルシール装置を示す断面図である。図１において、このダブル型メカニカルシール装置１は、被密封流体が内部に存在するポンプ等の回転機器における機内領域Ａと機外領域（大気領域）Ｃとを区画する区画領域に設けられるシールケースとしてのケーシング５１と、その回転機器の回転軸５２との間に設けられている。

ダブル型メカニカルシール装置１は、回転軸５２の軸方向（以下、単に「軸方向」という）に所定間隔をあけて互いに並列に配置された機内側の第１メカニカルシール３及び機外側の第２メカニカルシール４を備えている。これら第１メカニカルシール３と第２メカニカルシール４との間には、冷却用の封液が導入される環状の封液室Ｂが形成されている。第１メカニカルシール３は、前記封液室Ｂと機内領域Ａとの間をシールするものであり、第２メカニカルシール４は、前記封液室Ｂと機外領域Ｃとの間をシールするものである。

ケーシング５１には、封液室Ｂに封液を供給する供給路５１ａ，５１ｂと、封液室Ｂ内の封液を外部に排出する排出路５１ｃとが形成されており、回転機器の運転中に供給路５１ａ，５１ｂから封液室Ｂに供給された封液により、第１及び第２メカニカルシール３，４を冷却することができる。また、第１及び第２メカニカルシール３，４を冷却した封液は排出路５１ｃから外部に排出される。封液室Ｂ内の封液の圧力は、機内領域Ａの被密封流体の圧力よりも高く設定されており、機内領域Ａの被密封流体が封液室Ｂに漏洩するのを防止している。

［第１メカニカルシール］
機内側の第１メカニカルシール３は、ケーシング５１側に取り付けられた静止環５と、回転軸５２側に一体回転可能に取り付けられた回転環６とを備えている。回転環６は、例えばＳｉＣ焼結体からなり、その機内側の端部にはシール面６ａが形成されている。静止環５は、例えばカーボンからなり、その外周面がＯリング７，８によりシールされた状態で保持リング９に嵌合して固定されている。

保持リング９には、機外側に突出するピン９ａ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。各ピン９ａは、静止環５に形成された係合孔５ｂに係合している。これにより、静止環５は保持リング９に対する相対回転が規制されている。

また、保持リング９には、機内側に突出するピン９ｂ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。各ピン９ｂは、ケーシング５１の機内側のリテーナ１０に形成された挿入穴１０ａに挿入されている。これにより、保持リング９は、静止環５と共にリテーナ１０に対して軸方向へ移動可能に保持されながら、リテーナ１０に対する相対回転が規制されている。なお、保持リング９の内周面とリテーナ１０との間はＯリング１１によりシール（二次シール）されている。

保持リング９とリテーナ１０との間には、静止環５を回転環６へと押圧付勢するスプリング１２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）設けられている。静止環５の機外側の端部には、回転環６のシール面６ａが摺接するシール面５ａが形成されている。

［第２メカニカルシール］
機外側の第２メカニカルシール４は、ケーシング５１側に取り付けられた静止環１３と、回転軸５２側に一体回転可能に取り付けられた回転環１４と、静止環１３と回転環１４との間に挟圧保持された遊動環１５とを備えている。回転環１４は、例えばＳｉＣ焼結体からなり、その機外側の端部にはシール面１４ａが形成されている。静止環１３は、例えばカーボンからなり、その機内側の端部には押圧面１３ａが形成されている。

静止環１３には、機外側に突出するピン１３ｂ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。各ピン１３ｂは、ケーシング５１の機外側のリテーナ１６に形成された挿入穴１６ａに挿入されている。これにより、静止環１３は、リテーナ１６に対して軸方向へ移動可能に保持されながら、リテーナ１６に対する相対回転が規制されている。なお、静止環１３の内周面とリテーナ１６との間はＯリング１７によりシール（二次シール）されている。

静止環１３とリテーナ１６との間には、静止環１３及び遊動環１５を回転環１４へと押圧付勢するスプリング１８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）設けられている。このスプリング１８の付勢力により、遊動環１５は静止環１３と回転環１４と間に挟圧保持されている。

［遊動環］
遊動環１５は、例えばカーボンからなり、遊動環本体１５ａと、その遊動環本体１５ａの軸方向両側面に一体形成された押圧部１５ｂ及びシール部１５ｃとを有している。遊動環本体１５ａの球面状の外周面は、リテーナ１６の外周端部に固定された円筒状の支持リング１９の内周面に嵌合されて支持されている。なお、支持リング１９の外周面とケーシング５１の内周面との間はＯリング２０によりシール（二次シール）されている。

遊動環１５の押圧部１５ｂにおける機外側の端面は、静止環１３の押圧面１３ａに接触する押圧面１５ｂ１とされている。遊動環１５のシール部１５ｃにおける機内側の端面は、回転環１４のシール面１４ａが摺接するシール面１５ｃ１とされている。

遊動環１５は、軸方向両側がほぼ対称形状を呈する。具体的には、押圧部１５ｂ及びシール部１５ｃを含む遊動環１５全体が、軸方向にほぼ対称に形成されている。特に、遊動環１５における封液が接液する側面、すなわち、押圧部１５ｂ及びシール部１５ｃよりも外周側の側面（遊動環本体１５ａの側面）がほぼ対称に形成されていることが重要である。これにより、封液室Ｂの封液の圧力による影響を軸方向においてバランスよく受けることができる。すなわち、遊動環１５が封液から軸方向に受ける圧力が軸方向両側でほぼ同一であるため、遊動環１５が軸線に対して傾くような圧力歪みが生じにくい。従って、封液の圧力変動が大きい高負荷条件下においても、遊動環１５のシール面１５ｃ１が回転環１４のシール面１４ａに対して傾くようなことがなく、各シール面１５ｃ１，１４ａの平行性が維持されて良好なシール機能を発揮することができる。

静止環１３には、機内側に突出するピン１３ｃ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。各ピン１３ｃは、遊動環本体１５ａに軸方向に貫通して形成された貫通孔１５ｄに挿入されている。これにより、遊動環１５は、静止環１３に対して軸方向へ移動可能に保持されながら、静止環１３に対する相対回転が規制されている。

静止環１３の押圧面１３ａと遊動環本体１５ａの機外側の側面との間には、これら両面間をシール（二次シール）するＯリング２１が介在している。また、遊動環本体１５ａには、軸方向に貫通する連通孔１５ｅ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）形成されている。この連通孔１５ｅに封液が流通することで、遊動環１５を内部から冷却するとともに、回転環１４と遊動環１５の両シール面１４ａ，１５ｃ１間に封液を導くことができる。

［スリーブ］
図２は、第１及び第２メカニカルシール３，４の回転環６，１４の取付構造を示す拡大断面図である。第１及び第２メカニカルシール３，４の回転環６，１４は、回転軸５２側のスリーブ３０に取り付けられている。スリーブ３０は、円筒状の本体部３１と、円環部３２と、円筒部３３とが一体に形成されて構成されている。なお、本体部３１、円環部３２及び円筒部３３は、互いに別体であってもよい。

本体部３１は、回転軸５２の外周面に一体回転可能に嵌合されている。本体部３１の内周面と回転軸５２の外周面との間はＯリング４１によりシール（二次シール）されている。円環部３２は、本体部３１の外周面から径方向外方に延びて形成されている。円筒部３３は、円環部３２の外周端部において本体部３１と同心状に形成されており、円環部３２から機内側に延びて形成された第１円筒部３４と、円環部３２から機外側に延びて形成された第２円筒部３５とを有している。

第１円筒部３４の内周面３４ａと、円環部３２の機内側の側面３２ａと、本体部３１の外周面のうち第１円筒部３４の内周面３４ａに対向する対向面３１ａとによって、第１メカニカルシール３の回転環６が配置される第１環状空間Ｓ１が区画形成されている。
同様に、第２円筒部３５の内周面３５ａと、円環部３２の機外側の側面３２ｂと、本体部３１の外周面のうち第２円筒部３５の内周面３５ａに対向する対向面３１ｂとによって、第２メカニカルシール４の回転環１４が配置される第２環状空間Ｓ２が区画形成されている。

［リテーナ］
第１メカニカルシール３の回転環６は、円筒状のリテーナ３６を介してスリーブ３０の第１円筒部３４に取り付けられている。リテーナ３６は、回転環６の外周面６ｂのみを内嵌した状態で、第１円筒部３４の内周面３４ａに内嵌して取り付けられている。これにより、回転環６およびリテーナ３６は、スリーブ３０の第１円筒部３４に同心状に取り付けられている。なお、回転環６の外周面６ｂは、リテーナ３６の内周面に対して、従来の焼嵌めよりも緩く嵌め込まれている。

第１環状空間Ｓ１においてリテーナ３６よりも機外側にはＯリング４２が配置されており、このＯリング４２は、第１円筒部３４の内周面３４ａと回転環６の外周面６ｂとの間をシール（二次シール）している。また、円環部３２の側面３２ａと、回転環６のシール面６ａと反対側の背面６ｃとの間は、主として緩衝材の役割でＯリング４３が設けられており、非常時（Ｏリング４２が機能不全に陥った時）にはシール（二次シール）の役割も果たす。さらに、本体部３１の対向面３１ａと回転環６の内周面との間は、逆圧（封液室Ｂの圧力＞機内領域Ａの圧力）時に回転環６が静止環５の側へ飛び出るのを抑制するために、Ｏリング４４によりシール（二次シール）されている。

第２メカニカルシール４の回転環１４は、円筒状のリテーナ３７を介してスリーブ３０の第２円筒部３５に取り付けられている。リテーナ３７は、回転環１４の外周面１４ｂのみを内嵌した状態で、第２円筒部３５の内周面３５ａに内嵌して取り付けられている。これにより、回転環１４およびリテーナ３７は、スリーブ３０の第２円筒部３５に同心状に取り付けられている。なお、回転環１４の外周面１４ｂは、リテーナ３７の内周面に対して、従来の焼嵌めよりも緩く嵌め込まれている。

第２環状空間Ｓ２においてリテーナ３７よりも機内側にはＯリング４５が配置されており、このＯリング４５は、第２円筒部３５の内周面３５ａと回転環１４の外周面１４ｂとの間をシール（二次シール）している。また、円環部３２の側面３２ｂと、回転環１４のシール面１４ａと反対側の背面１４ｃとの間は、主として緩衝材の役割でＯリング４６が設けられており、非常時（Ｏリング４５が機能不全に陥った時）にはシール（二次シール）の役割も果たす。

図３は、リテーナ３６（３７）を示す正面図である。図２及び図３において、リテーナ３６（３７）の外周には、周方向に所定間隔をあけて複数（図３では４個）の凹部３６ａ（３７ａ）が軸方向全長にわたって形成されている。一方、図１及び図３において、リテーナ３６（３７）が内嵌されるスリーブ３０の円筒部３４（３５）には、軸方向に突出する凸部３４ｂ（３５ｂ）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）形成されている。円筒部３４（３５）の各凸部３４ｂ（３５ｂ）は、リテーナ３６（３７）の対応する凹部３６ａ（３７ａ）に係合しており、これにより円筒部３４（３５）とリテーナ３６（３７）との相対回転が規制されている。

以上、本実施形態のダブル型メカニカルシール装置１によれば、機外側の第２メカニカルシール４の静止環１３と回転環１４との間に、外部の圧力変動に対して強い遊動環１５が挟圧保持され、遊動環１５のシール面１５ｃ１に回転環１４のシール面１４ａが摺接するため、封液室Ｂ内の封液の圧力が大きく変動しても、回転環１４および遊動環１５のシール面１４ａ，１５ｃ１同士の平行性が損なわれるのを抑制することができる。したがって、封液の圧力変動に起因して機外側の第２メカニカルシール４のシール性能が低下するのを抑制することができる。

また、第２メカニカルシール４の回転環１４は、その外周面１４ｂのみがリテーナ３７に内嵌されているため、従来のように回転環１４のシール面１４ａと反対側の背面１４ｃがリテーナ３７の平坦度が低い面に接触するのを防止することができる。これにより、回転環１４のシール面１４ａの平坦度が低下するのを抑制することができるので、第２メカニカルシール４のシール性能が低下するのをさらに抑制することができる。

また、スリーブ３０の円筒部３４（３５）の各凸部３４ｂ（３５ｂ）が、リテーナ３６（３７）の対応する凹部３６ａ（３７ａ）に係合することで、円筒部３４（３５）とリテーナ３６（３７）との相対回転が規制されているため、従来のように、スリーブとリテーナとの相対回転を規制する回り止めピンを用いる必要がないので、装置の構成を簡素化することができる。

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、第１及び第２メカニカルシールの回転環はいずれも円筒状のリテーナに内嵌されているが、少なくとも第２メカニカルシールの回転環が円筒状のリテーナに内嵌されていればよい。また、上記実施形態では、スリーブの円筒部に凸部を形成するとともにリテーナに凹部を形成しているが、スリーブの円筒部に凹部を形成するとともにリテーナに凸部を形成してもよい。

１ ダブル型メカニカルシール装置
３ 第１メカニカルシール
４ 第２メカニカルシール
１３ 静止環
１４ 回転環
１４ａ シール面
１４ｂ 外周面
１５ 遊動環
１５ｃ１ シール面
３０ スリーブ
３１ 本体部
３２ 円環部
３５ 第２円筒部（円筒部）
３５ｂ 凸部
３７ リテーナ
３７ａ 凹部
５１ ケーシング
５２ 回転軸
Ａ 機内領域
Ｂ 封液室
Ｃ 機外領域

Claims (3)

1. 回転機器の機内領域と機外領域とを区画する区画領域に設けられるケーシングと、このケーシングを貫通する回転軸との間に、機内側の第１メカニカルシール及び機外側の第２メカニカルシールが前記回転軸の軸方向に並列して配置され、これら両メカニカルシールの間に封液が導入される環状の封液室が形成されているダブル型メカニカルシール装置であって、
   前記第２メカニカルシールは、
   前記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環と、
   前記ケーシング側に取り付けられた静止環と、
   前記回転環と前記静止環との間において当該静止環に対する回転が規制された状態で挟圧保持され、前記回転環のシール面が摺接するシール面を有する遊動環と、を備えるダブル型メカニカルシール装置。
2. 前記回転環の外周面のみを内嵌した状態で前記回転軸側に一体回転可能に取り付けられた円筒状のリテーナをさらに備える請求項１に記載のダブル型メカニカルシール装置。
3. 前記回転軸の外周面に一体回転可能に取り付けられた円筒状の本体部、前記本体部から径方向外方に延びる円環部、および前記円環部の外周端部から機外側に延び前記リテーナが同心状に取り付けられた円筒部を有するスリーブをさらに備え、
   前記円筒部及び前記リテーナのうち、一方に形成された凸部と、他方に形成された凹部とを係合させることで、前記円筒部と前記リテーナとの相対回転が規制されている、請求項２に記載のダブル型メカニカルシール装置。

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