JP3650954B2 - 高速用非接触型メカニカルシール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は回転環を用いたメカニカルシールに関し、特に、高速用気体用端面型非接触シールに用いられる、回転環を用いた高速用非接触型メカニカルシールに関するものである。
【０００２】
【従来技術およびその問題点】
高速用気体用端面型非接触シールに用いられる回転環は、主として炭化タングステン、炭化珪素、窒化珪素等の硬質セラミック材料から構成され、加工や解析を簡素化するために矩形又は矩形に近い左右対称の断面形状に形成されている（図８参照）。
【０００３】
そして、このような構成の回転環３１を例えば高速用気体用端面型非接触メカニカルシールの回転環３１として用い、メカニカルシールをシール箇所に装着して回転体（図示せず）を回転させると、回転体と一体に回転環３１が回転して回転環３１のシール端面３２と固定環（図示せず）のシール端面とがシール対象物（不活性ガス、危険ガス、空気、蒸気等、以下同じ）を介して相互に摺動し、シール箇所がシールされるものである。
【０００４】
この場合、シール対象物の圧力と回転環３１又は固定環を相手側方向に押圧する付勢部材（図示せず）の付勢力との協働によって、両シール端面間に作用するオープニングフォースとクロージングフォースのバランスが取られ、両シール端面間がシール対象物を介した状態で数ミクロン程度の間隔に保持されるものである。
【０００５】
上記のような構成の回転環３１は、矩形又は矩形に近い左右対称の断面形状に形成されているので、高速回転をさせても、遠心力による変形は主として径方向に生じ、軸方向にはほとんど生じないことになる。従って、両シール端面間の圧力分布に影響を及ぼす両環の変形成分は、圧力によるものと熱によるものとを考慮すればよいことになる。
【０００６】
この場合、圧力による変形は、動圧溝、静圧溝、テーパー部、段部等をシール端面３２に形成する浮力発生手段３４や回転環３１及び固定環の断面形状を調節する手段によって任意に制御することができるが、熱による変形は、皆無にできないことは勿論、高速シールである限り無視できる程度にとどめることも困難である。
【０００７】
熱は、回転部品の各表面から発生するが、シール対象物の膜と接しているシール端面３２から最も高密度に発生するので、回転環３１の内部には、シール端面３２側が高く反対端面３３側が低い温度勾配が発生し、この温度勾配によってシール端面３２は内周側が迫り出す内高変形（ｃｏｎｖｅｘ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を示すことになる。
【０００８】
多くの場合、内高変形は、両シール端面間に発生するオープニングフォースを増大させ、両シール端面間からのシール対象物の漏洩量を増加させるが、逆に動圧溝が位置する外周寄りの間隔が広くなって動圧作用が弱まり、内周部が相手側に接触する危険性が増加する場合もある。
【０００９】
動圧型非接触シールでは、回転数が高いほど動圧作用が高まり、両シール端面間の間隔が広がり、両シール端面間に安定したシール対象物の膜が形成されようとする基本特性があるが、動圧作用に対して熱による変形の影響が相対的に大きくなった場合、シール対象物の過大な漏洩や内周部の相手側への接触等の問題が生じる。
【００１０】
ここで、熱変形の影響が相対的に大きくなる場合とは、シール端面３２の幅、すなわち外径から内径を引いた寸法が大きくて僅かな傾き角度であっても内周部が相手側に接触する危険性が増加する場合や、材料の特性上、熱変形自体が大きい場合である。
【００１１】
この発明は、前記のような従来技術の問題点を解決したものであって、動圧作用に対して熱による変形の影響が相対的に大きくなった場合であっても、シール対象物の過大な漏洩や内周部の相手側への接触等の問題を確実に阻止することができる、高速用非接触型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。
【００１２】
【問題点を解決するための手段】
本発明の解決手段を例示すると、各請求項に記載の高速用非接触型メカニカルシールである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の１つの実施形態によれば、環状の回転環が、軸線方向の一端に軸線と直交するシール端面を有し、他端に軸線と直交する反対端面を有する。かつ、該シール端面がシール対象物を介して固定環のシール端面と摺動するようになっている。
【００１４】
重心が板厚の中心よりも反対端面側に位置するような断面形状に形成した手段を採用している。
【００１５】
また、外周部に段部、凹部、傾斜部等を形成して左右非対称な断面形状に形成し、板厚の中心よりも反対端面側に重心を位置させた手段を採用している。
【００１６】
さらに、金属単体、樹脂単体、又は金属材又は樹脂材の表面の少なくとも一部をコーティング、メッキ、溶射、蒸着、窒化等の手段により硬化させた材料からなる手段を採用したものである。
【００１７】
さらに、この発明の別の実施形態によれば、メカニカルシールは、回転体に取り付けられて回転体と一体に回転するとともに、軸線方向の一端に軸線と直交するシール端面を有し他端に軸線と直交する反対端面を有する環状の回転環と、固定体に取り付けられるとともに、軸線方向の一端に軸線と直交するシール端面を有し、該シール端面が前記回転環のシール端面とシール対象物を介して摺動する環状の固定環と、前記回転環又は前記固定環を相手側方向に押圧する付勢部材とを具え、シール対象物の圧力と前記付勢部材の付勢力との協働によってクロージングフォース（閉じる力）とオープニングフォース（開く力）のバランスを取ることにより、前記回転環のシール端面と前記固定環のシール端面との間を所定の間隔に保持するようになっているメカニカルシールである。
【００１８】
前記回転環を、重心が板厚の中心よりも反対端面側に位置するような断面形状に形成している。
【００１９】
さらに、前記回転環を、外周部に段部、凹部、傾斜部等を形成して左右非対称な断面形状に形成し、板厚の中心よりも反対端面側に重心を位置させた手段を採用している。そして、前記回転環は、金属単体・樹脂単体・又は金属材又は樹脂材の表面の少なくとも一部をコーティング、メッキ、溶射、蒸着、窒化等の手段により硬化させた材料からなる手段を採用している。
【００２０】
この発明は、回転環の高速回転の状態のうち、とくに動圧作用に対して熱による変形の影響が相対的に大きくなる高速回転の状態の時に、たとえば、１９５００ｒｐｍのような高速回転時に、反対端面側に大きな遠心力を作用させることができ、この遠心力によってシール端面に外高変形を生じさせることができる。したがって、シール端面に生じる熱による内高変形を外高変形によって打ち消すことができる。
【００２１】
【実施例】
以下、図面を参照して、この発明の実施例について説明する。
【００２２】
図１には、この発明による回転環の一つの実施形態が示されている。すなわち、この回転環１は、炭化タングステン、炭化珪素、窒化珪素等の硬質セラミックス材料から環状に形成されるものであって、軸線方向の一端は軸線と直交するシール端面２に形成され、他端は軸繰と直交する反対端面３に形成されている。
【００２３】
回転環１のシール端面２には、動圧溝、静圧溝、テーパー部、段差等による浮力発生手段４が設けられ、この浮力発生手段４によって固定環（図示せず）のシール端面との間が所定の間隔に保持されるようになっている。
【００２４】
回転環１の外周面の右半分は全周に亘って所定の深さで切欠され、その部分に環状の段部５が形成されるようになっている。そして、このような段部５を外周面に形成することによって断面形状が左右非対称となり、重心の位置が板厚の中心よりも反対端面３方向に所定の寸法ずれた位置に設定されることになる。
【００２５】
なお、７は回り止め用の切欠きであって、外周面の少なくとも一箇所に設けられている。
【００２６】
図２には、図１に示す回転環１を用いた高圧用気体用端面型非接触メカニカルシール１０の一つの実施形態が示されている。このメカニカルシール１０は、回転体である回転軸２５に装着される金属製のリテーナ１１と、リテーナ１１の外周側に装着される前述した回転環１と、固定体２６側に装着される金属製のカバー１６と、カバー１６の内周側に装着されるカーボン製の固定環２０と、固定環２０とカバー１６との間に装着されて、固定環２０を回転環１の方向に押圧する付勢部材であるコンプレッションスプリング２３とを具えている。
【００２７】
リテーナ１１は、回転軸２５に嵌合される筒状の本体部１２と、本体部１２の軸線方向の一端に一体に形成される径方向外方に環状に張り出るフランジ部１３とからなり、フランジ部１３の軸線方向の一端面には環状の溝１４が所定の深さで穿設され、この溝１４内に回転環１が調心部材つまり調心用板ばね１５を介して装着されるようになっている。
【００２８】
回転環１の回り止め用の切欠き７とリテーナ１１との間には回り止め用のピン（図示せず）が装着され、この回り止め用のピンによって回転環１がリテーナ１１に対して相対的に回動するのを防止することができるものである。
【００２９】
カバー１６は、円板状に形成されるものであって、中心部には軸線方向に貫通する回転軸２５を押通させるための孔１７が穿設されるとともに、軸線方向の一端面には、所定の深さの環状の溝１８が穿設され、この溝１８内に後述する固定環２０が軸繰方向に移動可能に装着されるようになっている。
【００３０】
固定環２０は、カーボンから形成される環状をなすものであって、軸線方向の一端は軸線と直交するシール端面２１に形成され、他端は軸線と直交する反対端面２２に形成されている。
【００３１】
固定環２０の反対端面２２とカバー１６の溝１８の底面との間には、周方向に向かって所定の間隔ごとにコンプレッションスプリング２３が装着され、これらのコンプレッションスプリング２３の付勢力によって固定環２０が回転環１の方向に押圧されるようになっている。
【００３２】
そして、上記のように構成したメカニカルシール１０を固定体２６と回転体２５（回転軸２５）との間に装着し、回転軸２５を回転させると、回転軸２５と一体にリテーナ１１及び回転環１が回転し、回転環１のシール端面２と固定環２０のシール端面２１とが、それらの間にシール対象物（不活性ガス、危険ガス、空気、蒸気等）を介して相互に摺動し、固定体２６と回転体２５との間、すなわちシール箇所がシールされるものである。
【００３３】
この場合、回転環１は左右非対称の断面形状に形成されていて、重心が板厚の中心から反対端面３側にずれた位置に設定されているので、高速回転時（とくに後述の第２段階の高速回転時）に、反対端面３側に大きな遠心力を作用させることができることになり、この遠心力によってシール端面２にシール端面２の外周側が迫り出す外高変形（ｃｏｎｃａｖｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を生じさせることができ、この外高変形によってシール端面２に生じる熱による内高変形を打ち消すことができることになる。
【００３４】
したがって、回転環１が熱によって変形しても、両シール端面２，２１間のオープニングフォース（開く力）とクロージングフォース（閉じる力）のバランスを取ることができるので、両シール端面２、２１間に安定したシール対象物の膜を形成することができる。この結果、オープニングフォース（開く力）が増大してシール対象物の漏洩量が増加したり、動圧溝等の浮力発生手段４が位置するシール端面２，２１間の外周寄りの間隔が広くなって動圧作用が弱まり、回転環１のシール端面２の内周部が相手側に接触する危険性が増加するようなことがなくなる。
【００３５】
図示した実施形態においては、遠心力による外高変形によって熱による内高変形を打ち消しているが、圧力による外高変形によって熱による内高変形を打ち消すことも原理的には可能である。しかし、圧力による外高変形が促されるシールでは、低速時や静止時に十分なオープニングフォース（開く力）が得られず、非接触シールとして機能しない場合がある。
【００３６】
ここで、圧力、熱、遠心力による変形の関係について詳細に説明する。
【００３７】
シール端面の発熱は、微小隙間におけるシール対象物の粘性剪断によるものが支配的であり、公式によりトルクは回転数に比例し、発熱は回転数の２乗に比例する。従って、結果として生じる温度勾配や熱変形も回転数の２乗に比例する。一方、回転円板や回転円筒の遠心力による変形も回転数の２乗に比例する。このように、熱変形と遠心力による変形はほぼ同じ比率で増加していくことになるので、遠心力による変形を積極的に活用することにより、広い回転数範囲に亘って熱変形による悪影響を生じさせないような変形の制御が可能となる。
【００３８】
圧力による変形と、熱による変形と、遠心力による変形は、それぞれ有限要素法等によって計算が可能であるが、実際の製品において、漏洩量が予想値とずれる場合もある。静止時の漏洩量が予想通りで回転時の漏洩量が予想と異なる場合、回転環１を追加工することにより、遠心力による変形量の加減が可能となる。例えば、図３に示すように、図１の状態から外周面を追加工して段差の深さを減らしたり、図４に示すように、反対端面３側の外周部に面取りを設けたりすることによって、遠心力による外高変形を小さくできる。また、図５に示すように、シール端面２に近い部分を追加工することにより、逆に遠心力による外高変形を大きくすることができる。
【００３９】
回転環は、従来一般に行われていた普通の高速回転のときは、動圧作用に対して熱による変形の影響が相対的に小さく、遠心力による外高変形は無視できる程度にしか発生しない（以下、これを第１段階の高速回転という）。回転環は、さらに高速度（たとえば１９５００ｒｐｍ）の段階の高速回転（以下、第２段階の高速回転という）になると、動圧作用に対して熱による変形の影響が相対的に大きくなり、遠心力による外高変形が顕著になる。
【００４０】
本発明は、このような高速回転時（特に１９５００ｒｐｍのような第２段階の高速回転時）に生じる回転環の遠心力による変形を積極的に活用することにより、広い使用条件範囲に亘ってシール対象物の過大な漏洩量やシール端面の相手側への接触による損傷が発生することを防ぐものである。このことにより、端面型非接触シールが大型化、高速化、高圧化する過程での障害の一つを取り除くものとして、大きな効果を奏する。また、非接触シールに限らず、メカニカルシールでは、セラミックやカーボンが密封環として使用されてきたが、このような脆性材料を高速シールの回転環とした場合、何らかの予期せぬ事故によって回転環が破損したり、それを機に二次的な回転機械の損傷に至る虞もある。回転環を金属のような延性材料で製作することにより、破損対策とする試みが具体化しているが、金属を使用する際に克服すべき一つの問題点が熱変形の大きさである。多くの場合、金属はセラミックと比較して、熱伝導率が低く、熱膨脹係数が高いために、熱による内高変形が大きくなる。しかし、本発明によれば、熱による変形を遠心力による変形で相殺させることが可能であり、金属製回転環の実用化に寄与するものである。金属表面にシール端面として要求されるトライボロジー特性がない場合は、コーティング等の表面処理が施工されるが、本発明による効果はそのまま適用される。
【００４１】
この発明によるメカニカルシールの具体的な１つの実施例における回転環と固定環の変形状態を図６に示し、参考例のメカニカルシールにおける回転環と固定環の変形状態を図７に示す。これらは、軸径７６ｍｍ用のガス用非接触メカニカルシールの回転環１と固定環２０の変形状態を計算により求めたものである。
【００４２】
回転環１は、マルテンサイト系ステンレス製でシール端面２のみにセラミック膜を形成している。固定環２０は、カーボングラファイト製である。回転環１の厚さは９ｍｍであり、図７の参考例では、断面の図心がシール端面２から４．５０ｍｍの位置にある。図７の参考例のシールを窒素ガスでゲージ圧３．４３ＭＰａに加圧し、１９５００ｒｐｍ（第２段階の高速回転速度）で回転させた時の窒素ガス漏洩量実測値は８９Ｎ１／ｍｉｎであった。回転環１外周部を追加工した本発明の実施例（図６）では、断面の図心６がシール端面２から４．５９ｍｍのところに移動し、厚さの中央よりも反対端面３側に近づいた。固定環２０は、図７と同一である。図６の本発明の実施例のシールを窒素ガスでゲージ圧３．４３ＭＰａに加圧し、１９５００ｒｐｍ（第２段階の高速回転速度）で回転させた時の窒素ガス漏洩量実測値は４５Ｎ１／ｍｉｎであった。追加工前後ともシール端面２の接触等の異常は発生していないが、追加工により漏洩量が８９Ｎ１／ｍｉｎから４５Ｎ１／ｍｉｎへと約半分に低下した。このように、断面の図心６の位置を意図的にずらすことによって、とくに１９５００ｒｐｍのごとき第２段階の高速回転時に、シールの特性を改善できることが分かった。
【００４３】
【発明の効果】
この発明は前記のように構成したことにより、回転環の高速回転のうち、とくに動圧作用に対して熱による変形の影響が相対的に大きくなる高速回転の時に、たとえば１９５００ｒｐｍのごとき第２段階の高速回転時に、反対端面側に大きな遠心力を作用させることができ、この遠心力によってシール端面にシール端面の外周側が迫り出す外高変形を生じさせることができる。したがって、熱による変形によってシール端面に内周側が迫り出す内高変形が生じようとしても、その内高変形を遠心力による外高変形によって打ち消すことができることになる。この結果、シール端面間からのシール対象物の漏洩量が増加したり、シール端面間の外周寄りの間隔が広くなってシール端面の内周部が相手側に接触する危険性が増加したりするのを阻止することができ、シール端面間に安定したシール対象物による膜を形成することができ、シール箇所を安定してシールすることができることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による回転環の一実施形態を示した断面図である。
【図２】この発明によるメカニカルシールの一実施形態を示した断面図である。
【図３】回転環の他の実施形態を示した断面図である。
【図４】回転環の他の実施形態を示した断面図である。
【図５】回転環の他の実施形態を示した断面図である。
【図６】この発明によるメカニカルシールの一実施例における回転環と固定環の変形状態を示した断面図である。
【図７】参考例のメカニカルシールにおける回転環と固定環の変形状態を示した断面図である。
【図８】従来の回転環の一例を示した断面図である。
【符号の説明】
１，３１……回転環
２，２１，３２……シール端面
３，２２，３３……反対端面
４，３４……浮力発生手段
５……段部
６……断面の図心
７…回り止め用の切欠き
１０……メカニカルシール
１１……リテーナ
１２……本体部
１３……フランジ部
１４，１８……溝
１５……調心部材（調心用板ばね）
１６……カバー
１７……孔
２０……固定環
２３……付勢部材（コンプレッションスプリング）
２５……回転体（回転軸）
２６……固定体

Claims (3)

1. （Ａ）回転シャフト（２５）が設けられており、
   （Ｂ）回転環（１）が、板形状と軸線を有し、かつ、回転シャフト（２５）に調心部材（１５）を介して装着されていて、回転シャフト（２５）と一緒に回転し、
   （Ｃ）回転環（１）が、一端にシール端面（２）を有し、他端に反対端面（３）を有し、これらのシール端面（２）と反対端面（３）が回転シャフト（２５）の軸線と直交する方向に延びており、
   （Ｄ）浮力発生手段（４）が回転環（１）のシール端面（２）に形成されており、
   （Ｅ）固定体（２６）に対して回転シャフト（２５）が回転し、
   （Ｆ）固定環（２０）は、固定体（２６）に対して軸線方向に可動でかつ回転方向に固定されており、固定環（２０）の一端に、回転シャフト（２５）の軸線と直交する方向にシール端面（２１）が設けられており、回転環（１）のシール端面（２）はシール対象物を介して固定環（２０）のシール端面（２１）に対して回転し、非接触式メカニカルシールを構成し、
   （Ｇ）付勢手段（２３）が回転シャフト（２５）の軸線に沿って回転環（１）の方に固定環（２０）を押圧し、
   （Ｈ）回転環（１）が金属で作られており、
   （Ｉ）回転環（１）の高速回転のうち、とくに動圧作用に対して熱による変形の影響が相対的に大きくなる高速回転の時に、回転環（１）が、主として熱と遠心力により変形されようとするが、熱による回転環（１）の内高変形が遠心力による外高変形により打ち消されて、熱による回転環（１）の内高変形と遠心力による外高変形のいずれの変形も生じないように、回転環（１）の重心の位置を回転環（１）の軸方向の板厚の中心線よりも反対端面（３）の方にずれた位置（６）に設定した断面形状を、回転環（１）が有する、
   （Ｊ）ことを特徴とする高速用非接触型メカニカルシール。
2. 回転環（１）の重心の位置を回転環（１）の軸方向の板厚の中心線よりも反対端面（３）の方に少なくとも０．０９ｍｍずらしたことを特徴とする請求項１に記載の高速用非接触型メカニカルシール。
3. 金属がマルテンサイト系ステンレスであり、かつ、回転環（１）のシール端面（２）にコーティングが設けられている請求項１〜２のいずれか１項に記載の高速用非接触型メカニカルシール。

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