JP2021042842A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【目的】密封環の接触による摩耗粉が機内領域の流体を汚染させないようにする。【構成】上下方向に延びる回転軸２に設けた上位の第１密封環３と回転軸２が貫通するシールケース１に設けた下位の第２密封環４とが接触状態で相対回転することにより、当該接触部分３ａ，４ａにおいて機内領域Ａと機外大気領域Ｂとを区画して機内領域Ａのガスをシールするように構成されたメカニカルシールにおいて、第１密封環３が第２密封環４の構成材より摩耗し易い磁性材料で構成されており、機内領域Ａの適所であって第２密封環４の基端部分４２の近傍部位に、シールケース１の内周面１ａから回転軸２の外周面２ａの近傍へと軸方向に直交して延びる円環状の摩耗粉回収皿９を設けると共に、当該摩耗粉回収皿９に永久磁石１０を取り付けてある。【選択図】図１

Description

本発明は、医薬、食品、化学品、半導体等の各種分野で使用される攪拌機、ブロワー、乾燥機等の回転機器に軸封手段として装備されるメカニカルシールに関するものである。

従来のメカニカルシールとして、例えば、特許文献１に開示されるように、ケーシングに固定した密封環とケーシングを貫通する回転軸に軸方向移動可能に且つ相対回転不能に保持された密封環とが接触状態で相対回転することにより、被密封流体領域である機内領域と非密封流体領域である機外大気領域とを区画して被密封流体領域の流体（被密封流体）をシールするように構成された端面接触形のものがある。

実開平５−２７４３３号公報

このような接触形のメカニカルシールにあっては、両密封環が接触状態で相対回転することから、その接触部分において密封環が摩耗して、その摩耗粉が被密封流体領域に侵入し、被密封流体が汚染される虞れがある。特に、特許文献１に開示されるようなドライコンタクトシールにあっては、被密封流体がガスであるため両密封環が液体潤滑されないドライ条件下で接触することから、当該摩耗粉の発生量が多くなり、被密封流体の汚染度が高くなる。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、両密封環が接触状態で相対回転することにより発生する摩耗粉を回収して、被密封流体領域の流体の汚染を可及的に防止しうるメカニカルシールを提供することを目的とするものである。

本発明は、上記の目的を達成すべく、シールケース及びこれを貫通する回転軸の一方に設けた第１密封環とその他方に設けた第２密封環とが接触状態で相対回転することにより、被密封流体領域と非密封流体領域とを区画して当該被密封流体領域の流体をシールするように構成されたメカニカルシールであって、前記第２密封環が前記第１密封環の被密封流体領域側に位置しており、 前記両密封環の少なくとも一方が磁性材料で構成されており、前記被密封流体領域であって、第２密封環の基端部分側に、前記シールケースの内周面から前記回転軸の外周面近傍へと或いは前記回転軸の外周面から前記シールケースの内周面近傍へと延びる円環状の摩耗粉回収皿を設けると共に、当該摩耗粉回収皿に磁石を取り付けてある メカニカルシールを提案する。

かかるメカニカルシールの好ましい実施の形態にあっては、前記被密封流体領域の流体がガスであり、相対回転する前記両密封環がドライ条件下で接触する。また、前記回転軸が上下方向に延びており、前記第２密封環が第１密封環の下位に位置している。また、前記摩耗粉回収皿が、回転軸の外周面に近接する状態で、シールケースの内周面に設けられているか、或いはシールケースの内周面に近接する状態で、回転軸の外周面に設けられている。また、前記磁性材料が、ポリテトラフルオロエチレン又はカーボンを基材としてフェライトを配合してなる複合材料である。

本発明のメカニカルシールにあっては、両密封環の少なくとも一方が磁性材料で構成されていることから、両密封環が接触状態で相対回転することにより生じる摩耗粉はその大半又は全てが磁性粉となり、かかる磁性粉は被密封流体側に位置する第２密封環の近傍領域において磁石に引き寄せられて摩耗粉回収皿に回収されることになる。したがって、被密封流体領域の流体への摩耗粉の混入及びこれによる当該流体の汚染を防止される。

本発明に係るメカニカルシールの一例を示す断面図である。 本発明に係るメカニカルシールの変形例を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。

図１は本発明に係るメカニカルシールの一例を示す断面図であり、図１に示すメカニカルシールは、医薬、食品、化学、半導体等の分野において使用される攪拌機、ブロワー、乾燥機等の回転機器に使用する軸封手段である。このメカニカルシールは、例えばガスを扱う竪型回転機器の軸封手段として使用される。メカニカルシールは、回転機器の機内領域である被密封流体領域Ａと当該回転機器の機外大気領域である非密封流体領域Ｂとを区画して、被密封流体領域Ａの流体（被密封流体であるガス）をシールするように構成されている。

すなわち、メカニカルシールは、当該回転機器のハウジング（図示せず）の上部に取り付けた上下方向に延びる円筒状のシールケース１と、シールケース１を上下方向に同心状に貫通する当該回転機器の回転軸２に設けた第１密封環３と、第１密封環３の被密封流体領域Ａ側（第１密封環３の下位）に配して、シールケース１に設けた第２密封環４とを具備する。メカニカルシールは、第１密封環３，第２密封環４の対向端面である密封端面３ａ，密封端面４ａがドライ条件下で接触しつつ相対回転することにより、被密封流体（ガス）をシールするように構成されたドライコンタクトシールである。

シールケース１は、前記回転機器のハウジングに取り付けられた第１ケース体１１と、その上端部に取り付けられた第２ケース体１２とからなる円筒構造体である。

第１密封環３は、シールケース１の上方に配して、回転軸２にＯリング５を介して嵌合された状態で軸方向（上下方向）に移動可能に保持された円環状体であり、その先端面（下端面）は軸方向に直交する平滑な環状平面である密封端面３ａとされている。第１密封環３は、その基端部（上端部）に固定された断面Ｌ字状の保護環６と回転軸２に固定されたスプリングリテーナ７との間に装填されたスプリング８により、後述する第２密封環４へと押圧、附勢されている。

また、第１密封環３は、保護環６に設けたドライブピン６ａをスプリングリテーナ７に形成した貫通孔７ａに貫通させることにより、所定範囲での軸方向移動を許容された状態で回転軸２に対する相対回転が阻止されている。

第２密封環４は、内周面４１ａを回転軸２に近接する円柱面とする先端部分４１と、内周面４２ａを内周面４１ａから下方に漸次広がる円錐面とする基端部分４２とからなる円環状体である。第２密封環４は、基端部分４２をシールケース１の第２ケース体１２にＯリング４３，Ｏリング４４を介して嵌合させた状態で、シールケース１に固定されている。第２密封環４の先端部分４１の先端面（上端面）は軸方向に直交する平滑な環状平面である密封端面４ａとされている。

上記両密封環３，４のうち、少なくとも第１密封環３は磁性材料を含んでおり、第２密封環４は非磁性材料である一般的な密封環材料で構成されている。第１密封環３に含まれる磁性材料としては、両密封環３，４の接触部分である密封端面３ａ，４ａにおいて第１密封環３の密封端面３ａが第２密封環４の密封端面４ａよりも早く優先的に摩耗するように、第２密封環４の構成材料より軟質のものが使用される。第１密封環３は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）又はカーボンを基材として、例えば磁性材料としてフェライトが配合された耐食性及び摺動特性に優れた複合材料である。具体的に混合するフェライトとしては、マグネタイト、マンガンフェライト、マグネシウムフェライト、ストロンチウムフェライト等であり、ＰＴＦＥ又はカーボンとフェライトとの配合比率は、９０〜３０：１０〜７０の間で適宜設定されるが、好ましいＰＴＦＥ又はカーボンとフェライトとの配合比率は、５０：５０である。

また、第２密封環４の構成材料としては、第１密封環３を構成する材料よりも硬質であり、第１密封環３と接触状態で相対回転することによって第１密封環３よりも摩耗することが少ない一般的な密封環材料（例えば、酸化アルミニウム、炭化珪素等のセラミックスや超硬合金等）が使用されており、この例ではセラミックスが使用されている。

而して、前記被密封流体領域（前記両密封環３，４の接触部分３ａ，４ａの内周側領域）Ａの適所であって第２密封環４の基端部分４２の近傍部位には、前記シールケース１の内周面１ａと回転軸２の外周面２ａの一方から内周面１ａ，外周面２ａの他方の近傍へと延びる円環状の摩耗粉回収皿９が設けられている。

この例では、摩耗粉回収皿９が、シールケース１の内周面１ａに回転軸２の外周面１ａに近接する状態で設けられており、シールケース１の内周面１ａに設けられた円環状盤の本体部９ａとその内周縁部に一体形成された円筒状の縁部９ｂとからなる。本体部９ａは、第２密封環４の基端部分４２の下方近傍部位において軸方向に直交し且つ回転軸２の外周面２ａにこれと同心をなして近接する状態で、シールケース１の内周面（第１ケース体１１の内周面）１ａに一体形成されている。縁部９ｂは、本体部９ａの上面から上方に僅かに突出する円筒状突起である。なお、この例では、摩耗粉回収皿９をシールケース１の内周面１ａに一体形成したが、摩耗粉回収皿９はシールケース１（第１及び第２ケース体１１，１２）と別体に構成して、溶接手段やボルト等の取付手段によりシールケース１の内周面１ａに取り付けるようにしてもよい。

そして、摩耗粉回収皿９の本体部９ａの上面には、これを全面的又は略全面的に被覆する状態で円環状板の磁石１０が接着剤等により取り付けられている。 この例では、磁石１０として永久磁石が使用されている。なお、被密封流体が腐食性流体である等の場合にあって磁石１０が腐食する虞れがある場合には、当該磁石１０に耐食性プラスチック（例えば、ふっ素樹脂）によるコーティングを施しておくことが好ましい。また、コーティングを施さない場合には、磁石１０として耐食性を有するプラスチック磁石を使用することも可能である。

以上のように構成されたメカニカルシールにあっては、両密封環３，４の接触部分である密封端面３ａ，４ａがドライ条件で相対回転することにより、磁性材料で構成された第１密封環３の密封端面３ａが優先的に摩耗して、摩耗粉Ｐが発生する。すなわち、両密封環３，４の接触部分である密封端面３ａ，４ａでは、磁性材料の摩耗粉Ｐのみが発生する。

そして、この摩耗粉Ｐは、両密封環３，４の密封端面３ａ，４ａから第２密封環４の内周面４１ａと回転軸２の外周面２ａとの隙間Ｃ１、内周面４２ａと回転軸２の外周面２ａとの隙間Ｃ２を通過して落下し、第２密封環４の基端部分４２の下方近傍部位に設けられた摩耗粉回収皿９の磁石１０側に引き寄せられ、摩耗粉回収皿９上に回収される。

このとき、摩耗粉Ｐは、第２密封環４の先端部分４１の内周面４１ａと回転軸２の外周面２ａとの間に形成される狭い円筒状の隙間Ｃ１を通過した後、第２密封環４の基端部分４２の内周面４２ａと回転軸２の外周面２ａとの間に形成される広い隙間であって円筒状の隙間Ｃ１から下方へと漸次広がる円錐状の隙間Ｃ２へと落下する。そして、摩耗粉Ｐは、隙間Ｃ２において拡散されつつ、且つ回転軸２の遠心力により第２密封環４の基端部分４２の円錐状の内周面４２ａに沿って回転軸２から遠ざかる方向に誘導されつつ、摩耗粉回収皿９の本体部９ａ上に落下することになる。

したがって、摩耗粉回収皿９の本体部９ａがシールケース１の内周面１ａから軸方向に直交して回転軸２方向に延びて回転軸２の外周面２ａに近接する円環状盤であり、且つ磁石１０が当該本体部９ａの上面を全面的又は略全面的に被覆する円環状板であることから、摩耗粉Ｐは、摩耗粉回収皿９と回転軸２との間をすり抜けて当該摩耗粉回収皿９の下方へと落下することなく磁石１０により引き寄せられ、両密封環３，４の密封端面３ａ，４ａで発生した摩耗粉Ｐが摩耗粉回収皿９によって確実に回収されることになる。

このように、両密封環３，４の密封端面３ａ，４ａで発生した摩耗粉（磁性材料で構成された第１密封環３の密封端面３ａが摩耗することによって発生する摩耗粉）Ｐは、摩耗粉回収皿９の上方領域、つまり被密封流体領域Ａのシール側端部領域Ａ１で確実に回収されることから、被密封流体（ガス）に混入して、これを汚染することがない。したがって、上記したメカニカルシールによれば、摩耗粉Ｐが発生し易いドライコンタクトシールであっても、被密封流体が摩耗粉によって汚染されることがなく、被密封流体を良好にシールすることができる。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良，変更することができる。

図２は、メカニカルシールの変形例を示す断面図である。同図に示すように、本変形例では、摩耗粉回収皿１０９を回転軸２の外周面２ａに設けた点で上記実施例と異なる。

すなわち、図２に示す如く、第２密封環４ の下方近傍部位において、摩耗粉回収皿１０９を回転軸２の外周面２ａにシールケース１の内周面１ａに近接する状態で設けておくことができる。

摩耗粉回収皿１０９は、回転軸２の外周面２ａに取り付けられた本体部１０９ａと、その内周部に一体形成された磁石取付部１０９ｂと、本体部１０９ａの外周部に一体形成された縁部１０９ｃとからなる円環状体である。本体部１０９ａは、第２密封環４の基端部分４２の下方近傍部位において軸方向に直交し且つシールケース１の内周面１ａにこれと同心をなして近接する状態で、回転軸２に対してスクリュー１０９ｄにより取り付けられた円環状盤である。磁石取付部１０９ｂは、回転軸２に取り付けられた状態で、本体部１０９ａの上面から円錐状の隙間Ｃ２の上端近傍へと延びる長尺円筒体である。縁部１０９ｃは、本体部１０９ａの上面から上方に僅かに突出する円筒状突起である。

摩耗粉回収皿１０９の磁石取付部１０９ｂには、これに嵌合した 状態で、本体部１０９ａの上面から隙間Ｃ２の上端近傍まで延びる円筒状の磁石１１０が取り付けられている。磁石１１０としては前記磁石１０と同様に永久磁石が使用されている。なお、磁石１１０が腐食する虞れがある場合には、前記した場合と同様に、耐食性プラスチック（ふっ素樹脂等）によるコーティングを施しておく等が好ましい。

而して、図２に示すメカニカルシールでは、図１に示すメカニカルシールと同様に、両密封環３，４の密封端面３ａ，４ａで発生した摩耗粉Ｐが摩耗粉回収皿１０９に確実に回収される。すなわち、摩耗粉Ｐは、円筒状の隙間Ｃ１及び円錐状の隙間Ｃ２を通過して摩耗粉回収皿１０９上へと落下するが、磁石１１０が本体部１０９ａの上面から隙間Ｃ２の上端近傍まで延びているため、摩耗粉回収皿１０９とシールケース１の第１ケース体１１との対向周面間をすり抜けて摩耗粉回収皿１０９の本体部１０９ａより下方に落下するようなことなく、両密封環３，４の接触部分３ａ，４ａで発生した摩耗粉Ｐが磁石１１０に引き寄せられて摩耗粉回収皿１０９に確実に回収されることになる。なお、図２に示すメカニカルシールは、上記した摩耗粉回収皿１０９を除いて図１に示すメカニカルシールと同一構造をなすものであるから、図２において図１と同一の符号を付することにより詳細な説明は省略する。

また、図２に示すメカニカルシールにあっては、図２に鎖線図示する如く、円環状板の磁石２１０を摩耗粉回収皿１０９の本体部１０９ａの上面に取り付けることも可能である。

また、上記した各実施の形態にあっては、摩耗粉回収皿９，１０９に取り付ける磁石１０，１１０，２１０として永久磁石を使用したが、摩耗粉回収皿９，１０９の設置場所やメカニカルシールの構造等によっては電磁石等、他の磁石を使用することも可能である。

また、上記した各実施の形態では、第１密封環３のみを磁性材料で構成したが、第２密封環４のみを磁性材料で構成することも可能であり、更には両密封環３，４を磁性材料で構成することも可能である。第２密封環４のみを磁性材料で構成する場合にあっては、当該磁性材料を第１密封環３の構成材料（上記した一般的な密封環材料等の非磁性材料）より軟質のものとして、両密封環３，４の密封端面３ａ，４ａにおいて第１密封環３の密封端面３ａのみが摩耗するようにしておくことが好ましい。

上記各実施の形態においては、ガスを扱う竪型の回転機器に装備されるメカニカルシール（ドライコンタクトシール）に適用したが、本発明は、液体を扱う竪型の回転機器やガス又は液体を扱う横型の回転機器に装備されるメカニカルシールにも適用することができる。また、上記各実施の形態にあっては、本発明を、第１密封環３を回転軸２に軸方向移動可能に保持すると共に第２密封環４をシールケース１に固定したメカニカルシールに適用したが、本発明は、第１密封環３を回転軸２に固定すると共に第２密封環４をシールケース１に軸方向移動可能に保持するメカニカルシール、第１密封環３をシールケース１に固定すると共に第２密封環４を回転軸２に軸方向移動可能に保持するメカニカルシール、第１密封環３をシールケース１に軸方向移動可能に保持すると共に第２密封環４を回転軸２に固定するメカニカルシールやこれらのメカニカルシールであってダブルシールやタンデムシールの一次シール（被密封流体領域側のメカニカルシール）として使用されるものにも、上記実施の形態と同様に適用することができる。

１ シールケース
１ａ シールケースの内周面
２ 回転軸
２ａ 回転軸の外周面
３ 第１密封環
４ 第２密封環
９ 摩耗粉回収皿
１０ 磁石
４２ 第２密封環の基端部分
１０９ 摩耗粉回収皿
１１０ 磁石
２１０ 磁石
Ａ 被密封流体領域（機内領域）
Ｂ 非密封流体領域（機外大気領域）

Claims (6)

1. シールケース及びこれを貫通する回転軸の一方に設けた第１密封環とその他方に設けた第２密封環とが接触状態で相対回転することにより、被密封流体領域と非密封流体領域とを区画して当該被密封流体領域の流体をシールするように構成されたメカニカルシールであって、
   前記第２密封環が前記第１密封環の被密封流体領域側に位置しており、
   前記両密封環の少なくとも一方が磁性材料で構成されており、
   前記被密封流体領域であって、第２密封環の基端部分側に、前記シールケースの内周面から前記回転軸の外周面近傍へと或いは前記回転軸の外周面から前記シールケースの内周面近傍へと延びる円環状の摩耗粉回収皿を設けると共に、当該摩耗粉回収皿に磁石を取り付けてある メカニカルシール。
2. 前記被密封流体領域の流体がガスであり、相対回転する前記両密封環がドライ条件下で接触する請求項１に記載するメカニカルシール。
3. 前記回転軸が上下方向に延びており、前記第２密封環が第１密封環の下位に位置している請求項１又は請求項２に記載するメカニカルシール。
4. 前記摩耗粉回収皿が、回転軸の外周面に近接する状態で、シールケースの内周面に設けられている請求項１〜請求項３の何れかに記載するメカニカルシール。
5. 前記摩耗粉回収皿が、シールケースの内周面に近接する状態で、回転軸の外周面に設けられている請求項１〜請求項３の何れかに記載するメカニカルシール。
6. 前記磁性材料が、ポリテトラフルオロエチレン又はカーボンを基材としてフェライトを配合してなる複合材料である請求項１〜請求項５の何れかに記載するメカニカルシール。

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