JP2021188663A - 軸封装置およびこれを備える遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】軸封装置のメンテナンス頻度を低減できる遠心ポンプを提供する。【解決手段】この遠心ポンプのシャフト２の周囲を軸封する軸封装置５０は、機器の一の軸封部でのシール部位Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が互いに相違する複数のシール部１０、２０、３０を有し、複数のシール部１０、２０、３０は、遠心ポンプの稼働に伴うシール部位Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の経時的摩耗状態の変化に応じて、いずれか一のシール部１０がそのシール部位Ｓ１でのシール機能を発揮している状態から、シール機能を発揮している状態が他のシール部２０に移行するように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、軸封装置およびこれを備える遠心ポンプに関する。

ポンプの軸封装置としてメカニカルシールが使用されている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１記載の技術では、回転軸の外周を囲繞するハウジング内の空間に、静止環が固定されるとともに、静止環に対して軸方向に対向するように回転環が取り付けられ、静止環と回転環とは、互いの対向面同士が摺接している。
回転軸の外周にはコイルスプリングが取り付けられ、コイルスプリングが回転環を静止環の方向に押圧付勢している。かかる構成のポンプの軸封装置では、静止環と回転環との間の摺接面によって、ポンプの被送流体がケーシング外に漏れ出すことを防止している。

実公平２−２９３１６号公報（第２図）

しかし、特許文献１記載の技術では、ポンプの被送流体がスラリである場合には、軸封装置のハウジング内に浸入したスラリ中の成分がコイルスプリングに固着して作動不良が発生するという問題がある。
特に、高濃度の固形物を液体中に含むスラリを移送するポンプは、軸封装置のシール部が、スラリとの接触によって摩耗・腐食するため部品交換の頻度が高い。そのため、この種の遠心ポンプでは、軸封装置の分解・組立作業の時間短縮がメンテナンス性に大きく影響する。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、メンテナンス頻度を低減し得る軸封装置およびこれを備える遠心ポンプを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る軸封装置は、回転軸の周囲を軸封する軸封部を有する機器に用いられる軸封装置であって、前記機器の一の軸封部でのシール部位が互いに相違する複数のシール部を有し、前記複数のシール部は、前記機器の稼働に伴う前記シール部位の経時的摩耗状態の変化に応じて、前記シール部位でのシール機能を発揮している状態が、いずれか一のシール部から他のシール部に移行するように構成されていることを特徴とする。
また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る遠心ポンプは、ポンプの回転軸の周囲を軸封する軸封装置として、本発明の一態様に係る軸封装置を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る軸封装置によれば、機器の一の軸封部でのシール部位が互いに相違する複数のシール部を有し、複数のシール部は、機器の稼働に伴うシール部位の経時的摩耗状態の変化に応じて、いずれか一のシール部がシール部位に対するシール機能を発揮している状態から、シール部位に対するシール機能を発揮している状態が他のシール部に移行する。
これにより、本発明の一態様に係る軸封装置によれば、スラリとの接触によっていずれか一のシール部が摩耗・腐食した場合には、機器の稼働に伴うシール部位の経時的摩耗状態の変化に応じ、シール機能を発揮している状態を他のシール部に移行させることができる。そのため、軸封装置の分解・組立作業のメンテナンス頻度を低減できる。

上述のように、本発明によれば、軸封装置のメンテナンス頻度を低減できる。

本発明の一態様に係る遠心ポンプの一実施形態の説明図であり、同図では、軸線に沿った断面を示している。 本発明の一態様に係る軸封装置の第一実施形態の要部拡大図である。 本発明の一態様に係る軸封装置の第二実施形態の説明図である。 本発明の一態様に係る軸封装置の第三実施形態の説明図である。 本発明の一態様に係る軸封装置の第四実施形態の説明図である。 従来の軸封装置を備える遠心ポンプの一実施例の説明図であり、同図では、軸線に沿った断面を示している。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。

本実施形態の遠心ポンプは、図１に示すように、前面が吸込側１ｉｎとされたケーシング１と、ケーシング１内の空間に片持ち支持されたインペラ３と、インペラ３を回転させるシャフト２と、シャフト２を水平に且つ回転自在に支持するハウジング４と、を備える。
ケーシング１は、シャフト２と直交する面に沿って略中央で二分割可能に構成され、上部中央が吐出側１ｏｕｔとされている。本実施形態のケーシング１は、その内周面の接液部を覆うように、耐摩耗に優れたゴム製のライナ５が装着される。
シャフト２は、ハウジング４の後端から後方に突設され、この突設部が不図示のモータの出力軸に駆動力を伝達可能に連結される。インペラ３は、自身の前面に複数枚の羽根３ａが設けられるとともに、背面に複数枚の裏羽根３ｂが設けられている。

ケーシング１には、その背面側に軸封装置５０が設けられている。本実施形態の軸封装置５０は、ケーシング１の背面の前側画成空間５０ａにエキスペラ７が配置されている。
更に、本実施形態の軸封装置５０は、このエキスペラ７の背面側に、シャフト２に装着されたスリーブ６の外周部分を囲繞するように支持ベース５１が設けられることで、この支持ベース５１の内部に、後側画成空間５０ｂが設けられている。

本実施形態の後側画成空間５０ｂには、径方向外側に設けられた一次シール部１０と、一次シール部１０の径方向内側に設けられた二次シール部２０と、二次シール部２０の径方向内側に設けられた三次シール部３０と、が設けられている。
詳しくは、図２に要部を拡大図示するように、本実施形態の軸封装置５０は、ケーシング１の背面に固定される固定ベース５３と、固定ベース５３に軸方向で対向して配置される、支持ベース５１およびシールベース５２と、摺接盤５５と、を備える。

支持ベース５１の内面には、シールベース５２が固定されている。シールベース５２には、各シール部１０、２０、３０それぞれに、エラストマ等を材料とする円環状のシール本体１０ｔ、２０ｔ、３０ｔが摩耗側摺接部として配設されている。
各シール本体１０ｔ、２０ｔ、３０ｔは、シャフト２と同軸に配置され、軸方向前側に張り出すリップ先端が、対向する円盤状の摺接盤５５の背面に摺接している。本実施形態の例では、摺接盤５５の摺接部は、非摩耗側摺接部として機能する。

より詳しくは、支持ベース５１の後端とスリーブ６との間は、端部シール３５によりシールされている。本実施形態の端部シール３５は、各シール部１０、２０、３０よりも後方の位置に装着され、その基端部が支持ベース５１に固定されるとともに、先端のリップ部がスリーブ６の外周面に摺接するように配置される。

摺接盤５５は、シャフト２のスリーブ６と固定スリーブ５６との間に挟持されてシャフト２と一体回転するように固定される。シールベース５２は、支持ベース５１の内側に配置され摺接盤５５と対向する位置に固定され、各シール部１０、２０、３０を所定位置に支持する。
各シール部１０、２０、３０は、先端にリップ部が設けられたシール本体１０ｔ、２０ｔ、３０ｔと、各シール本体１０ｔ、２０ｔ、３０ｔをシールベース５２に固定する固定板１０ｋ、２０ｋ、３０ｋと、を有する。なお、各シール部１０、２０、３０は、配置位置が異なる以外、摺動部自体の基本構成は同様なので、以下、共通する構成については併記するかたちで同時に説明する。

一次シール部１０は、シール本体１０ｔ先端のリップ部と摺接盤５５との軸方向での摩耗前における対向距離が最も近い位置に配置される。二次シール部２０は、シール本体２０ｔ先端のリップ部と摺接盤５５との軸方向での摩耗前における対向距離が一次シール部１０に次いで近い位置に配置される。三次シール部３０は、シール本体３０ｔ先端のリップ部と摺接盤５５との軸方向での摩耗前における対向距離が最も遠い位置に配置される。
支持ベース５１の外周端近傍には、押圧力付与機構６０が設けられている。押圧力付与機構６０は、中空円筒状のスライドカバー６１と、スライドカバー６１の内部に同軸に収容される円筒コイルバネ６２と、押圧力調整ボルト６３と、押圧力調整ナット６４と、を備える。

押圧力調整ボルト６３は、支持ベース５１の挿通穴にスライド移動可能に挿入される。さらに、押圧力調整ボルト６３は、自身先端の雄ねじが、固定ベース５３の後端面に形成された雌ねじに螺合されることで固定される。
スライドカバー６１は、内部に円筒コイルバネ６２を収容した状態で押圧力調整ボルト６３の後端から挿入される。さらに、押圧力調整ナット６４が押圧力調整ボルト６３の後端側雄ねじに締めこまれることで軸方向の位置が保持される。

押圧力調整ナット６４の締め込み量を加減することにより、支持ベース５１への軸方向に向けた押圧力が調整可能になっている。同図に示す例では、押圧力調整ボルト６３の軸線の上側に示す状態が、押圧力調整ナット６４を最も前方まで締めこんだ最大押圧力付与状態を示し、押圧力調整ボルト６３の軸線の下側に示す状態が、押圧力調整ナット６４を最も後方の位置で締めこんだ最小押圧力付与状態を示している。

そして、同図の例では、シャフト２の中心線よりも上側に示す状態は、一次シール部１０のシール本体１０ｔと摺接盤５５との軸方向での弾圧付勢力が押圧力付与機構６０による押圧力とバランスした位置にてシール部位Ｓ１がシール機能を発揮している状態を示している。
また、同図の例では、シャフト２の中心線よりも下側に示す状態は、一次シール部１０および二次シール部２０では、既に各シール本体１０ｔ、２０ｔのリップ部が磨滅しており、シール機能を発揮している状態が失われているまたはシール機能をほとんど発揮していない状態であるものの、三次シール部３０によって、そのシール本体３０ｔと摺接盤５５との軸方向での弾圧付勢力が押圧力付与機構６０による押圧力とバランスした位置にてシール部位Ｓ３がシール機能を発揮している状態を示している。

これにより、本実施形態の例では、各シール部１０、２０、３０は、ゴム弾性を利用したリップ構造による摩耗側摺接部により、シール部位Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に押圧力を加えるシール機構を構成している。
そして、押圧力付与機構６０による押圧力とバランスした位置にて、各シール部１０、２０、３０は、機器の一の軸封部に対し、対向する摺接盤５５によるシール部位Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３でのシール機能を、機器の稼働に伴うシール部位の経時的摩耗状態の変化に応じて、径方向の外側から内側に向けて順に発揮可能になっている。

次に、本実施形態の遠心ポンプの動作および作用効果について説明する。
本実施形態の遠心ポンプは、インペラ３を回転させることにより被送流体を昇圧して、ケーシング１の吸込側１ｉｎから吐出側１ｏｕｔに被送流体が移送される。
このとき、シャフト２が回転すると、インペラ３と共に、スリーブ６と固定スリーブ５６との間に挟持された摺接盤５５が一体で回転する。そして、本実施形態の遠心ポンプの軸封装置５０は、エキスペラ７の機能に加え、三段のシール部１０、２０、３０により被送流体が軸封装置５０から外部へ漏れるのを防止する。

特に、各シール部１０、２０、３０のシール本体１０ｔ、２０ｔ、３０ｔは、遠心ポンプの稼働に伴う経時的摩耗状態の変化に応じて、いずれか一のシール部がシール部位に対するシール機能を発揮している状態から、シール部位に対するシール機能を発揮している状態が他のシール部に移行する。

つまり、本実施形態の例では、経時的摩耗状態の変化に応じて各シール部１０、２０の軸方向への移動により、三段のシール部１０、２０、３０のうち、まず、最も外側に位置するシール部１０がそのシール部位Ｓ１に対するシール機能を発揮している状態から、遠心ポンプの稼働に伴う経時的摩耗状態の変化に応じて、シール機能を発揮している状態が一段内側のシール部２０に移行する。
このとき、複数のシール部１０、２０、３０は、シール部位でのシール機能を発揮している状態が、少なくとも一つのシール部において常に発揮されているように、シール部１０から他のシール部２０に移行する。

次いで、同様にして、シール部２０がそのシール部位Ｓ２に対するシール機能を発揮している状態から、遠心ポンプの稼働に伴う経時的摩耗状態の変化に応じて、シール機能を発揮している状態が更に一段内側のシール部３０に移行する。
このとき、複数のシール部１０、２０、３０は、シール部位でのシール機能を発揮している状態が、少なくとも一つのシール部において常に発揮されているように、シール部２０から他のシール部３０に移行する。

このように、本実施形態の遠心ポンプの軸封装置５０は、スラリとの接触によって、複数のシール部１０、２０、３０のいずれか一のシール部が摩耗・腐食した場合に、遠心ポンプの稼働に伴う経時的摩耗状態の変化に応じ、シール部位に対するシール機能を発揮している状態が他のシール部に移行する。そのため、軸封装置５０の分解・組立作業のメンテナンス頻度を低減できる。
ここで、従来の遠心ポンプにおいて、例えばスラリーポンプでは、図６に示す遠心ポンプのように、ケーシング１０１の背面側の軸封装置１３０として、ケーシング背面の画成空間１３１にエキスペラ１０７が配置され、エキスペラ１０７の背面側にスタフィングボックス１３２を有するものがある。

スタフィングボックス１３２は、シャフト１０２に装着されたスリーブ１０６の外周部分を囲繞するように形成され、その内面には、エラストマ等を材料とする複数のシール１１１を有するシール部１１０が配設される。シール部１１０の内周側に張り出すシール１１１のリップ先端はスリーブ１０６の外周面に摺接している。
エキスペラ１０７は、シャフト１０２の回転によって回転し、インペラ１０３の背面側圧力を低減して、被送流体がスタフィングボックス１３２のシール部１１０を通って外部へ漏れるのを防止できる。

しかし、同図に示す遠心ポンプにおいては、軸封装置１３０が、軸方向に直列に配置された「エキスペラ＋軸方向多段シール」により構成される。そのため、このような軸方向多段シールであると、複数のシールの摺接が同時に行なわれる。
特に、軸方向に直列に配置された複数のシール部位の経時的摩耗状態の変化がほぼ同時に進行するので、軸封装置１３０として必要なシール機能を発揮している状態が一時に失われるおそれがあり、複数のシール全体のメンテナンスを一時に要する。また、軸封装置１３０が軸方向に大型化し、関連機器のレイアウトによっては軸方向の設置スペースを確保することが難しいという問題もある。

これに対し、本実施形態の軸封装置５０によれば、上述したように、径方向に離隔して設けた三段のシール部１０、２０、３０は、シール部位Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が径方向に離隔配置されるとともに軸方向での摩耗前における対向距離を異ならせることで、機器の一の軸封部での経時的な多段シールが可能である。そのため、例えば、シングル型のシール装置ではシールが困難なスラリ液であっても高い信頼性をもってシール可能としつつ、長期に亘ってメンテナンス頻度を低減できる。

また、軸封装置５０のメンテナンス頻度を低減できることに加え、軸封装置５０を構成する経時的な可動部を観察することにより、分解することなく、シール部の遷移状態を知ることができる。
そのため、シール機能を発揮している状態がいずれのシール部にあるかが簡単に判る上、軸封装置の分解・組立作業の時期の見極めやメンテナンス予定を容易に設定することが可能になる。なお、「経時的な可動部」としては、例えば固定ベース５３の後端と支持ベース５１前端との対向隙間を例示できる。
さらに、本実施形態の軸封装置によれば、径方向に離隔して設けた三段のシール部１０、２０、３０が軸方向のタンデム配置ではなく、シール部位Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が径方向に配置されるので軸方向に省スペース化を図ることができるという効果もある。

以上説明したように、本実施形態の軸封装置によれば、時差式の多段シール構造を採用したので、高い信頼性をもってシール可能としつつも軸封装置のメンテナンス頻度を低減できる。
なお、本発明に係る軸封装置およびこれを備えるポンプは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、本発明に係る軸封装置が、遠心ポンプの軸封部に装備された例を示したが、これに限らず、本発明に係る軸封装置は、回転軸の周囲を軸封する軸封部を有する機器において、当該機器の一の軸封部に装備することができる。
また、上記第一実施形態では、摩耗側摺接部として、各シール部１０、２０、３０に、可撓性を有するエラストマ製のシール本体１０ｔ、２０ｔ、３０ｔを設けた例を示したが、これに限定されない。

例えば、図３に第二実施形態を示すように、各シール部１０、２０、３０の摩耗側摺接部として、耐摩性の高い金属またはセラミックス製のシール本体１０ｓ、２０ｓ、３０ｓを設けることができる。
なお、第二実施形態では、回転体である摺接盤５５の摺接部は、自身軸線がシャフト２と同軸に形成された一の円錐面から構成されている。このような構成であっても、上記第一実施形態同様な作用効果を奏することができる。

ここで、第二実施形態の場合、各シール部１０、２０、３０と端部シール３５との間にクエンチング室８０を設けており、クエンチング室８０は、支持ベース５１に形成された注水路７０から、クエンチング（洗浄注水も合わせることがある）を行えるように構成されている。第二実施形態の構成であれば、各シール部１０、２０、３０と端部シール３５との間にクエンチング室８０を設け、クエンチング室８０は注水路７０からクエンチングを行えるので、スラリ液用の軸封装置として優れた構成といえる。

また、上記第一実施形態では、回転体である摺接盤５５の摺接部は、シャフト２の軸線と直交する一の平面から構成されている円盤である例を示し、さらに、第二実施形態では、回転体である摺接盤５５の摺接部は、自身軸線がシャフト２と同軸に形成された一の円錐面から構成されている例を示したが、これに限定されるものではない。

つまり、回転体の摺接部は、複数の平面や、複数の円錐面から構成することができる。例えば、図４に第三実施形態を示すように、回転体である摺接盤５５の摺接部は、各シール部１０、２０について、自身軸線がシャフト２と同軸に形成されて径方向に離隔した複数の円錐面から構成されている。このような構成であれば、各シール部１０、２０の軸方向の移動量を多く取れるため、機器の稼働に伴うシール部位の経時的摩耗状態の変化に応じた摩耗量の設定が行い易い。

なお、第三実施形態においても、各シール部１０、２０と端部シール３５との間にクエンチング室８０を設け、クエンチング室８０は、シールベース５２に形成された注水路７０から、クエンチングを行えるように構成されているので、各シール部１０、２０と端部シール３５との間からクエンチングを行える。
また、複数のシール部が、シール部位でのシール機能を発揮している状態が、少なくとも一つのシール部において常に発揮されているように、いずれか一のシール部から他のシール部に移行するように設定し易いという利点がある。

また、上記第一ないし第三実施形態では、回転体の側に非摩耗摺接部を設け、非回転体の側に摩耗摺接部が設けられている例を示したが、これに限定されず、回転体の側に摩耗摺接部を設け、非回転体の側に非摩耗摺接部を設けることもできる。また、これらの関係を適宜組み合わせることができる。例えば、回転体および非回転体のいずれか一方に摩耗側摺接部が設けられ、いずれか他方に非摩耗側摺接部が設けられた構成とすることができる。例えば、図５に第四実施形態を示すように、回転体（摺接盤５５）および非回転体（シールベース５２）のいずれか一方に摩耗側摺接部が設けられ、いずれか他方に非摩耗側摺接部が設けられた構成とすることができる。

１ ケーシング
１ｉｎ 吸込側
１ｏｕｔ 吐出側
２ シャフト（回転軸）
３ インペラ
３ａ 羽根
３ｂ 裏羽根
４ ハウジング
５ ライナ
６ スリーブ
７ エキスペラ
１０ 一次シール部
２０ 二次シール部
３０ 三次シール部
５０ 軸封装置（軸封部）
７０ 注水路
８０ 中間室
１０１ ケーシング
１０２ シャフト
１０３ インペラ
１０６ スリーブ
１０７ エキスペラ
１１０ シール部
１１１ シール
１３０ 軸封装置
１３１ 画成空間
１３２ スタフィングボックス

Claims (10)

1. 回転軸の周囲を軸封する軸封部を有する機器に用いられる軸封装置であって、
   前記機器の一の軸封部でのシール部位が互いに相違する複数のシール部を有し、
   前記複数のシール部は、前記機器の稼働に伴う前記シール部位の経時的摩耗状態の変化に応じて、前記シール部位でのシール機能を発揮している状態が、いずれか一のシール部から他のシール部に移行するように構成されていることを特徴とする軸封装置。
2. 前記複数のシール部は、前記シール部位でのシール機能を発揮している状態が、少なくとも一つのシール部において常に発揮されているように、いずれか一のシール部から他のシール部に移行する請求項１に記載の軸封装置。
3. 前記複数のシール部は、前記回転軸と一体で回転する回転体と、前記回転軸を囲繞するように固定された非回転体と、を備え、
   前記回転体および前記非回転体相互は、軸方向で対向して設けられたそれぞれの摺接部の組によって前記シール部位が構成されており、
   前記回転体および前記非回転体のいずれか一方の摺接部が摩耗側摺接部として設けられ、いずれか他方の摺接部が非摩耗側摺接部として設けられている請求項１または２に記載の軸封装置。
4. 前記複数のシール部は、前記回転体の摺接部が非摩耗側摺接部として設けられ、前記非回転体の摺接部が非摩耗側摺接部として設けられ、
   前記非回転体は、前記回転体の摺接部に軸方向で対向する非摩耗側摺接部として、径方向に互いに離隔して前記回転軸と同軸に配置された円環状をなす複数のシール本体を有して構成されている請求項３に記載の軸封装置。
5. 前記複数のシール本体と前記回転体との相互の摺接部の前記軸方向での摩耗前における対向距離を異ならせることにより、前記シール部位でのシール機能を発揮している状態が、いずれか一のシール部から他のシール部に移行するように構成されている請求項４に記載の軸封装置。
6. 前記シール本体は、可撓性を有するエラストマ製である請求項５に記載の軸封装置。
7. 前記シール本体は、耐摩性の高い金属またはセラミックス製である請求項５に記載の軸封装置。
8. 前記回転体の摺接部は、前記回転軸の軸線と直交する一または複数の平面から構成されている請求項３〜７のいずれか一項に記載の軸封装置。
9. 前記回転体の摺接部は、自身軸線が前記回転軸と同軸に形成された一または複数の円錐面から構成されている請求項３〜７のいずれか一項に記載の軸封装置。
10. ポンプの回転軸の周囲を軸封する軸封装置として、請求項１〜９のいずれか一項に記載の軸封装置を備えることを特徴とする遠心ポンプ。

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