JP3066367B1 - 軸封装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 高粘度流体の漏れを完全に阻止することがで
き、且つシール寿命の大幅な向上を図りうる軸封装置を
提供する。 【解決手段】 回転軸２に設けた回転密封環６とその機
内領域側端面９に対向してシールケース５に設けられた
第一静止密封環７とが非接触状態で相対回転するように
構成された第一非接触形メカニカルシール３と、回転密
封環６とその機外領域側端面１０に対向してシールケー
ス５に設けられた第二静止密封環８とが非接触状態で相
対回転するように構成された第二非接触形メカニカルシ
ール４とからなる。シールケース５内には、機内領域Ｈ
との間を第一非接触形メカニカルシール３によりシール
され且つ機外領域Ｌとの間を第二非接触形メカニカルシ
ール４によりシールされたシール領域Ｓが形成されてい
る。このシール領域Ｓには、所定圧のシール液５２が充
満される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高粘度流体を扱う
回転機器（ラテックスポンプ，高粘度流体ポンプ等）に
使用される軸封装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高粘度流体を扱うラテックスポンプ等の
回転機器における軸封手段としては、一般に、グランド
パッキン、接触形メカニカルシールやナイフエッジシー
ルが使用されている。

【０００３】しかし、グランドパッキンを使用した場合
には、機内流体の漏れを完全に阻止することができな
い。また、接触形メカニカルシールは、回転軸に設けた
回転密封環とシールケースに設けた静止密封環との相対
回転摺接作用によりシールするように構成されたもので
あり、グランドパッキンに比して優れたシール機能を発
揮するが、機内流体がラテックス等の高粘度流体である
ために、両密封環間にラテックス等が付着，凝固して、
両密封環が接触不良となる虞れがあり、機内流体の漏れ
を完全に阻止することはできない。また、ナイフエッジ
シールは、両密封環の対向端部の一方を尖端形状をなす
ナイフエッジに形成して、このナイフエッジにより両密
封環間に付着するラテックス等を削り取るように工夫さ
れた接触形メカニカルシールであり、ラテックス等の高
粘度流体を良好にシールしうるものであるが、ナイフエ
ッジが摩耗し易く、長期に亘って良好なシール機能を発
揮することができず、シール寿命が短い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
点に鑑みてなされたもので、ラテックス等の高粘度流体
を長期に亘って良好にシールすることができる軸封装置
を提供することを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成すべく、シールケースを洞貫する回転軸に設けた回
転密封環とその機内領域側端面に対向してシールケース
に設けられた第一静止密封環とが非接触状態で相対回転
するように構成された第一非接触形メカニカルシール
と、前記回転密封環とその機外領域側端面に対向してシ
ールケースに設けられた第二静止密封環とが非接触状態
で相対回転するように構成された第二非接触形メカニカ
ルシールとからなる軸封装置を提案する。そして、かか
る軸封装置においては、シールケース内に、回転密封環
の外周側領域であって、機内領域との間を第一非接触形
メカニカルシールによりシールされ且つ機外領域との間
を第二非接触形メカニカルシールによりシールされたシ
ール領域を形成して、このシール領域に所定圧のシール
液を充満させてあり、且つ第一非接触形メカニカルシー
ルが、回転密封環の機内領域側端面である密封端面の外
周側部分に回転密封環の外周面に開口する動圧発生溝を
形成して、回転密封環と第一静止密封環との対向端面間
を非接触状態に保持すべく、当該対向端面間に動圧発生
溝によりシール液による動圧を発生させるように構成さ
れている。シール領域の圧力は、一般に、機内領域より
高圧若しくは同圧となるように設定される。シール液と
しては、機内領域の流体（以下「機内流体」という）の
性状等に応じて機内領域に漏洩しても問題のないもの、
つまり機内流体の組成の一部と同質の低粘性・非凝固性
液が使用される。一般には、機内流体たる高粘度液の溶
媒と同一成分の液体、例えば機内流体が高粘度水溶液で
ある場合には清水がシール液として使用される。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１〜図４は本発明に係る軸封装
置の実施の形態を示したもので、この実施の形態におけ
る軸封装置は、ラテックスポンプ等の高粘度流体を扱う
回転機器のハウジング（以下「機器ハウジング」とい
う）１とポンプ軸等の回転軸２との間に介装されてお
り、回転軸２の軸線方向に並列する第一及び第二非接触
形メカニカルシール３，４により、両メカニカルシール
３，４間に形成されたシール領域Ｓを介して高粘度流体
領域である機内領域Ｈと大気領域である機外領域Ｌとを
遮蔽シールするように構成されている。なお、以下の説
明において左右とは図１（又は図５）における左右を意
味するものとする。

【０００７】第一非接触形メカニカルシール３は、回転
軸２に設けられた回転密封環６とその機内領域側（右
側）に配してシールケース５に設けられた第一静止密封
環７とを、後述する如く両密封環６，７の対向端面であ
る密封端面９，２３をその間に発生させた動圧により非
接触に保持した状態で、相対回転させることにより、そ
の相対回転部分の内周側領域である機内領域Ｈとその外
周側領域であるシール領域Ｓとをシールするように構成
されている。また、第二非接触形メカニカルシール４
は、前記回転密封環６とその機外領域側（左側）に配し
て前記シールケース５に設けられた第二静止密封環８と
を、後述する如く両密封環６，８の対向端面である密封
端面１０，２７をその間に発生させた動圧により非接触
に保持した状態で、相対回転させることにより、その相
対回転部分の内周側領域である機外領域Ｌとその外周側
領域であるシール領域Ｓとをシールするように構成され
ている。

【０００８】シールケース５は円筒状をなしており、回
転軸２が同心状に洞貫する状態で機器ハウジング１に取
り付けられている。シールケース５内には、後述する密
封環６，７，８（及びＯリング２６，３０）によりシー
ルされた空間であるシール領域Ｓが形成されるが、この
シール領域Ｓには、シールケース５に設けた給液口５１
から所定圧のシール液５２が供給，充満される。シール
液５２としては、高粘度流体（機内流体）に悪影響を及
ぼすことのない液体が使用される。例えば、高粘度流体
の溶媒と同一成分の液体であって機外の大気領域Ｌに漏
洩しても問題のない清水等が使用される。シール領域Ｓ
に充満させるシール液５２の圧力は、回転機器の運転中
においてシール領域Ｓの圧力を機内領域Ｈの圧力と同一
若しくは若干高くなるように加圧，保持すべく、制御さ
れる。シール領域Ｓの加圧は回転機器の運転開始に先駆
けて行われ、シール領域Ｓの加圧解除は回転機器の運転
停止後に行われる。なお、シール液５２のシール領域Ｓ
への供給手段及び圧力制御手段は周知であり、格別のも
のではないから、その構成等についての説明は省略す
る。

【０００９】回転密封環６は、左右両側面を当該密封環
６の軸線に直交する平滑平面たる密封端面９，１０に形
成した円環状体であり、回転軸２の外周部に形成した環
状凹部１１に、径方向及び軸線方向に変位可能に遊嵌保
持されている。すなわち、回転軸２のシールケース５内
に位置する部分にはスリーブ１２が嵌合固定されてお
り、このスリーブ１２には、回転軸２と同心状の環状凹
部１１が形成されている。この環状凹部１１は、その底
面１３の径を回転密封環６の内周面１４の径より若干小
さく設定すると共にその両側面１５，１６の対向間隔
（軸線方向間隔）を回転密封環６の軸線方向長さ（厚
み）より若干大きく設定されたもので、回転密封環６を
径方向及び軸線方向に一定範囲で変位可能に遊嵌保持さ
せている。

【００１０】また、回転密封環６と環状凹部１１との対
向面間には、回転密封環６の径方向及び軸線方向への変
位を弾性変形のみによって許容する複数の環状の弾性部
材、この例では第一及び第二Ｏリング１７，１８が装填
されている。すなわち、第一Ｏリング１７は、回転密封
環６の内周面１４に圧接された状態で、環状凹部１１の
底面１３に形成された環状溝１９に係合保持されてお
り、回転密封環６の径方向変位を弾性変形により許容す
る。第二Ｏリング１８は、回転密封環６の機外領域側の
側面（左側面）１０の内周側部分に圧接された状態で、
環状凹部１１の機外領域側の側面（左側面）１６に形成
した環状溝２０に係合保持されており、回転密封環６の
軸線方向変位を弾性変形により許容する。なお、機内領
域Ｈ及びシール領域Ｓが加圧されない運転停止状態にお
いては、図３に示す如く、回転密封環６の機内領域側の
側面（右側面）９の内周側部分は、第二Ｏリング１８の
弾性力により環状凹部１１の機内領域側の側面（右側
面）１５に当接されている。

【００１１】また、回転密封環６の内周部には、環状凹
部１１の底面１３に突設したドライブピン２１が係合す
る係合凹部２２が形成されていて、この係合凹部２２と
ドライブピン２１との係合作用により、回転軸２（及び
スリーブ１２）に対する回転密封環６の相対回転が阻止
されている。係合凹部２２は、ドライブピン２１が余裕
をもって係合しうる大きさのものとされていて、両者２
１，２２の係合作用によっては、第一及び第二Ｏリング
１７，１８の弾性変形による回転密封環６の径方向及び
軸線方向への変位が妨げられないように工夫されてい
る。

【００１２】また、回転密封環６の密封端面９，１０の
外周側部分には、当該密封環６の外周面に開口する適宜
形状の動圧発生溝９ａ，１０ａが形成されていて、後述
する如く、静止密封環７，８の密封端面２３，２７との
間にシール液５２による動圧を発生させるようになって
いる。

【００１３】第一静止密封環７は、回転密封環６に対向
する端面（左側面）を当該密封環７の軸線に直交する平
滑平面である密封端面２３に形成した円環状体であり、
シールケース５の右端部に形成された第一リテーナ部２
４に軸線方向移動可能に内嵌保持されている。第一静止
密封環７とこれを保持する第一リテーナ部２４との間に
は、当該密封環７を回転密封環６へと押圧附勢する第一
スプリング２５と、当該密封環７の軸線方向移動を許容
しつつ両者７，２４間を二次シールするＯリング２６
と、当該密封環７の軸線方向移動を許容しつつ両者７，
２４間の相対回転を阻止するドライブピン手段（図示せ
ず）とが介装されている。

【００１４】第二静止密封環８は、第一静止密封環７と
は、配置が左右対象となっている点を除いて、同一の形
状，保持構造をなすものである。すなわち、第二静止密
封環８は、回転密封環６に対向する端面（右側面）を当
該密封環８の軸線に直交する平滑平面である密封端面２
７に形成した円環状体であり、シールケース５の左端部
に形成された第二リテーナ部２８に軸線方向移動可能に
内嵌保持されている。第二静止密封環８とこれを保持す
る第二リテーナ部２８との間には、当該密封環８を回転
密封環６へと押圧附勢する第二スプリング２９と、当該
密封環８の軸線方向移動を許容しつつ両者８，２８間を
二次シールするＯリング３０と、当該密封環８の軸線方
向移動を許容しつつ両者８，２８間の相対回転を阻止す
るドライブピン手段（図示せず）とが介装されている。

【００１５】なお、シールケース５の第一リテーナ部２
４と回転軸２のスリーブ１２との対向周面間には、当該
対向周面間を近接させると共にその一方であるスリーブ
１２の外周面に軸線方向に並列する複数の環状溝３２…
を形成してなるラビリンスシール３１が設けられてい
て、機内流体である高粘性流体の密封端面９，２３への
侵入を可及的に防止している。かかる流体侵入防止手段
としては、ラビリンスシール３１の他、ネジシールを採
用することも可能である。

【００１６】以上のように構成された軸封装置によれ
ば、シール領域Ｓにシール液５２を供給，充満させた状
態で回転機器の運転（回転軸２の回転）を開始すると、
回転密封環６と第一及び第二静止密封環７，８との対向
端面である密封端面９，２３及び９，２７間に動圧発生
溝９ａ，１０ａによりシール液５２による動圧が発生し
て、密封端面９，２３及び９，２７間が非接触状態に保
持される。すなわち、密封端面９，２３及び９，２７間
に動圧によるシール液膜が形成されて、密封端面９，２
３間に形成されるシール液膜によりシール領域Ｓと機内
領域Ｈとの間がシールされると共に、密封端面１０，２
７間に形成されるシール液膜によりシール領域Ｓと機外
領域Ｌとの間がシールされる。

【００１７】このとき、機内領域Ｈと大気領域Ｌとの間
には、これらとの間を非接触形メカニカルシール４，５
でシールされるシール領域Ｓが介在していることから、
シール領域Ｓが機内領域Ｈより高圧若しくは同圧として
おくことにより、機内流体の漏れが確実に防止される。
しかも、シール液５２として機内流体の溶媒と同一成分
の清水等を使用していることから、これが機内領域Ｈに
漏洩しても、機内流体が汚染されることがない。

【００１８】ところで、密封端面９，２３及び１０，２
７は非接触状態にあるが、高速で相対回転するために密
封端面間の介在流体の剪断熱により発熱する。したがっ
て、機内領域側の密封端面９，２３及びその周辺におい
ては、かかる剪断熱によって機内流体である高粘度流体
が凝固し易く、その凝固物によりシール機能が阻害され
る虞れがある。また、密封端面９，２３及び１０，２７
の発熱により、それらに熱歪が生じる虞れがあり、かか
る熱歪によってシール機能が低下する。さらに、これら
が原因となってシール寿命も低下する。

【００１９】しかし、このような剪断熱はシール領域Ｓ
に充満するシール液５２によって効果的に冷却されるこ
とになるから、剪断熱による上記した問題は生じず、シ
ール機能及びシール寿命の低下は防止される。なお、機
内流体の漏れや汚染はシール領域Ｓに窒素ガス等のシー
ルガスを供給，充満させておくことによっても防止する
ことが可能であるが、このようなシールガスによっては
シール液５２のような効果的な冷却機能は発揮されな
い。

【００２０】また、運転停止中において、機内領域側の
密封端面９，２３間に機内流体（高粘度流体）が侵入，
凝固する場合があり、かかる場合、運転再開時における
密封端面９，２３の相対回転トルクが大きくなり、密封
端面９，２３が損傷する虞れがある。しかし、シール液
５２として高粘度流体の溶媒と同一成分の清水等を使用
して、運転再開に先駆けてシール領域Ｓを加圧させるよ
うにしておくと、シール領域Ｓの加圧と共に、密封端面
９，２３間の凝固物がシール液５２によって洗い流され
ることになり、上記した虞れは全く生じない。

【００２１】ところで、非接触形メカニカルシール３，
４にあっては、両密封端面９，２３又は１０，２７が平
行に保持されていること（以下「密封端面の平行性」と
いう）がシール機能を発揮する上で極めて重要であり、
密封端面の平行性が損なわれると、密封端面９，２３又
は１０，２７間に発生する動圧が不均一となったり、極
端な場合には、動圧発生不良や密封端面９，２３又は１
０，２７の局部的接触といった不測の事態を生じて、シ
ール機能が低下，喪失することになる。一方、かかる密
封端面の平行性は、当該メカニカルシール構成部材の加
工精度や組み立て精度が低い場合には勿論、メカニカル
シール３，４自体の精度が高い場合にも、種々の外乱的
要因によって損なわれることがある。例えば、シールケ
ース５が取り付けられる機器ハウジング１や回転密封環
６が取り付けられる回転軸２の精度が低い場合には、メ
カニカルシール３，４自体の加工精度や組み立て精度を
如何に高くしても、密封端面の平行性を確保することが
できない。また、メカニカルシール３，４及び回転機器
（機器ハウジング１や回転軸２）の精度が高い場合に
も、機内流体が高温，高圧であるときには、回転機器側
からの熱や圧力等の外乱要因により密封環等のメカニカ
ルシール構成部材や回転機器におけるメカニカルシール
取付部分が変形して、密封端面の平行性が損なわれる虞
れがある。

【００２２】しかし、回転密封環６を上記した如くＯリ
ング１７，１８で軸線方向及び径方向に変位可能に保持
させておくと、回転密封環６の姿勢が静止密封環７，８
の姿勢変化に追従変化して、上記したメカニカルシール
３，４自体の精度不良やこれに直結しない外乱要因があ
る場合にも、密封端面の平行性が損なわれることがな
い。

【００２３】すなわち、運転開始（回転軸２の回転開
始）に伴って、機内領域Ｈの圧力が上昇すると、これに
伴って、回転密封環６は機内流体の圧力による押圧力に
よって第二Ｏリング１８を圧縮変形させつつ機外領域側
（左側）へと押圧移動し、図２に示す如く、回転密封環
６の右側面９と環状凹部１１の右側面１５との間に隙間
が生じ、第一及び第二Ｏリング１７，１８の弾性変形の
範囲内で回転密封環６が径方向及び軸線方向に変位でき
る状態となる。

【００２４】したがって、例えばシールケース５の機器
ハウジング１への取付精度が不良であったり、シールケ
ース５が熱変形する等により、静止密封環７，８が回転
軸２に対して傾くようなことがあると、図４に例示する
如く、かかる静止密封環７，８の傾きに追従して回転密
封環６が第一及び第二Ｏリング１７，１８を弾性変形さ
せつつ径方向及び軸線方向に変位して、その密封端面
９，１０が静止密封環７，８の密封端面２３，２７と平
行となるように傾くことになる。かかる回転密封環６の
変位は、非接触形メカニカルシール３，４の組込時にお
いては静止密封環７，８による直接的な押圧力により、
また運転中においては、発生動圧によるシール液膜を介
した静止密封環７，８による間接的な押圧力によって行
われる。このように、シール組込時又は運転時の何れに
おいても、密封端面の平行性が損なわれるような状態と
なったときは静止密封環７，８の姿勢に応じて回転密封
環６の姿勢が自動的に変更されて、密封端面の平行性が
確保されることになり、非接触形メカニカルシール３，
４によるシール機能が良好に発揮されることになる。そ
して、シールケース５等の加工精度や取付精度を必要以
上に高くしておく必要がなく、また回転機器側からシー
ルケース５等への熱的，圧力的な影響を格別配慮してお
く必要がないから、コスト的にも極めて有利となる。

【００２５】また、回転密封環６が上記した如く変位し
た場合（傾いた場合）にも、回転軸２のスリーブ１２と
回転密封環６との間は、第一及び第二Ｏリング１７，１
８の少なくとも一方により二次シールされることにな
り、回転密封環６が傾くことにより非接触形メカニカル
シール３，４によるシール機能が損なわれることもな
い。

【００２６】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。上記し
たように、非接触形メカニカルシール３，４における密
封端面の平行性を確保するために、回転密封環６と環状
凹部１１との対向面間には、回転密封環６の径方向及び
軸線方向への変位を弾性変形のみによって許容する複数
の弾性部材を装填しておくことが好ましいが、かかる弾
性部材の数は任意である。例えば、図５及び図６に示す
如く、上記した第一及び第二Ｏリング１７，１８に加え
て、第三Ｏリング３３を、回転密封環６の機内領域側の
側面（右側面）９の内周側部分に圧接させた状態で、環
状凹部１１の機内領域側の側面（右側面）１５に形成し
た環状溝３４に係合保持させて、第二及び第三Ｏリング
１８，３３の弾性変形により回転密封環６の軸線方向変
位が許容されるようにしておいてもよい。かかる構成と
した場合にも、上記した場合と同様に、図７に例示する
如く、静止密封環７，８の姿勢に追従して回転密封環６
が径方向及び軸線方向に自動的に変位されることになり
（傾くことになり）、シールケース５の精度不良等に拘
わらず、密封端面の平行性を確保することができる。ま
た、図８に示す如く、回転密封環６の内周角部に環状溝
３５を形成して、この環状溝３５に環状凹部１１の底面
１３及び側面１５に圧接するＯリング３６を保持させて
おくことができる。このようにすれば、一つのＯリング
３６により軸線方向及び径方向の両方向における弾性保
持を行うことができ、弾性部材（Ｏリング）の数を削減
することができる。また、回転密封環６と環状凹部１１
との対向面間に装填される複数の弾性部材は、その少な
くとも一つが回転密封環６と回転軸１２との間を二次シ
ールしうるＯリングであればよく、すべてをＯリングと
しておく必要はない。例えば、二次シールとして機能さ
せる少なくとも一つを除いて、回転密封環６と環状凹部
１１との対向面間に装填される弾性部材として、二次シ
ール機能を有しないトレランスリング等の金属スプリン
グ部材を使用しておくことができる。

【００２７】また、各非接触形メカニカルシール３，４
は、上記した如く、密封端面９，２３又は１０，２７間
に動圧を発生させるように構成する他、密封端面９，２
３又は１０，２７をその間に静圧を供給させることによ
り非接触状態に保持するように構成しておくこともでき
る。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明の軸封装置によれば、高粘度流体の漏れを完全に阻止
することができ、しかもシール寿命の大幅な向上を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す半截の縦断側面図で
ある。

【図２】図１の要部を拡大して示す縦断側面図である。

【図３】図２と異なる状態を示す図２相当の縦断側面図
である。

【図４】図２及び図３と異なる状態を示す図２相当の縦
断側面図である。

【図５】変形例を示す図１対応の半截の縦断側面図であ
る。

【図６】図５の要部を拡大して示す縦断側面図である。

【図７】図６と異なる状態を示す図６相当の縦断側面図
である。

【図８】他の変形例を示す図６対応の縦断側面図であ
る。

【符号の説明】 １…機器ハウジング、２…回転軸、３…第一非接触形メ
カニカルシール、４…第二非接触形メカニカルシール、
５…シールケース、６…回転密封環、７…第一静止密封
環、８…第二静止密封環、９，１０，２３，２７…密封
端面、９ａ，１０ａ…動圧発生溝、５２…シール液、Ｈ
…高粘度流体領域（機内領域）、Ｌ…大気領域（機外領
域）、Ｓ…シール領域。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールケースを洞貫する回転軸に設けた
   回転密封環とその機内領域側端面に対向してシールケー
   スに設けられた第一静止密封環とが非接触状態で相対回
   転するように構成された第一非接触形メカニカルシール
   と、前記回転密封環とその機外領域側端面に対向してシ
   ールケースに設けられた第二静止密封環とが非接触状態
   で相対回転するように構成された第二非接触形メカニカ
   ルシールとからなる軸封装置であって、 シールケース内に、回転密封環の外周側領域であって、
   機内領域との間を第一非接触形メカニカルシールにより
   シールされ且つ機外領域との間を第二非接触形メカニカ
   ルシールによりシールされたシール領域を形成して、こ
   のシール領域に所定圧のシール液を充満させてあり、 第一非接触形メカニカルシールが、回転密封環の機内領
   域側端面の外周側部分に回転密封環の外周面に開口する
   動圧発生溝を形成して、回転密封環と第一静止密封環と
   の対向端面間を非接触状態に保持すべく、当該対向端面
   間に動圧発生溝によりシール液による動圧を発生させる
   ように構成されていることを特徴とする軸封装置。