JP3815547B2 - 軸封装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、攪拌機器等の流体機器の貫通軸部分での漏洩を防止するための軸封装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば攪拌機器、混合機器、反応機器等の流体機器の貫通軸部分では、軸振れによって内部の流体が漏洩することがあった。このため、従来は図５に示すような軸振れ追随機能を有する軸封装置が一般的に用いられている。この軸封装置４１は、図５に示すようにグランドパッキン４２を内装したパッキンボックス４３と封液側フランジ４４との間に、両端面が平面に形成された摺動リング４５が設けられている。また、この摺動リング４５の両端面にＯリング４６が設けられている。そして、ばねを用いた押圧機構４７によってパッキンボックス４３は、摺動リング４５を介して封液側フランジ４４に所定の圧力で弾性的に押圧されている。このような構成で、軸の径方向への軸振れに対しては摺動リング４５と、封液側フランジ４４とが摺動することにより、軸の長手方向への軸振れに対しては押圧機構４７により、それぞれパッキンボックス４３が追随できるようになっている。
【０００３】
また、図６に示すような１次シール部と２次シール部を有する軸封装置も用いられている。この軸封装置５１は、封液側の１次シール部５２と、大気側の２次シール部５３との間に両端面が平面に形成された摺動リング５４を設けている。また、この摺動リング５４の両端面にＯリング５５を設けている。そして、押圧機構５６によって２次シール部５３は、摺動リング５４を介して１次シール部５２に所定の圧力で弾性的に押圧されている。また、ガス封入口５７より１次シール部５２と２次シール部５３との間にパージガスを供給し、１次シール部５２の軸摺動面に内部流体が侵入しないようにしている。この場合も上記同様に、軸の径方向への軸振れに対しては摺動リング５４と、１次シール部５２とが摺動することにより、軸の長手方向への軸振れに対しては押圧機構５６により、それぞれ２次シール部５３が追随できるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のような軸封装置４１では、軸の径方向および軸の長手方向への変位には追随できる。しかしながら、実際の軸振れでは、軸の径方向および長手方向への変位だけでなく、３次元的な複雑な変位が発生している。このような３次元的な複雑な変位が発生した場合には、軸振れに対する追随性が不充分となって、グランドパッキン４２が軸と片当たりして過摺動状態となり、グランドパッキン４２に早期摩耗を生じたり、グランドパッキン４２とパッキンボックス４３との間に隙間を生じて、内部流体の漏れを生じていた。また、摺動リング４５とＯリング４６との間に隙間ができるため、この摺動リング４５部分より内部流体の漏洩が起こり易くなっていた。
【０００５】
加えて、上記のような１次シール部と２次シール部を有する軸封装置５１では、上記のように摺動リング５４とＯリング５５との間に隙間ができると、この摺動リング５４部分よりパージガスの漏洩が起こり、１次シール部５２の軸摺動面への内部流体の侵入を許すため、グランドパッキンに摩耗や損傷が発生し、密封性が低下して内部流体の漏洩が起こり易くなっていた。また、グランドパッキンに摩耗や損傷が発生することで短寿命となっていた。
本発明は上記の事情に鑑みて提案されたものであって、３次元的な変位の軸振れに対しても追随でき、内部流体の漏洩を防止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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するための以下の手段を採用している。すなわち、少なくとも１本のグランドパッキンを内装したパッキンボックスが、封液側フランジにねじ込まれた締め付けボルトと、この締め付けボルトに装着された圧縮コイルスプリング、スプリングカラーおよび締め付けナットとにより構成されている押圧機構によって当該封液側フランジに、両端面にＯリングが設けられている摺動リングを介して所定の圧力で弾性的に押圧されている軸封装置において、上記摺動リングの一端面を球面に形成するとともに、この摺動リングの球面の端面に当接される上記パッキンボックスまたは上記封液側フランジの端面を、上記摺動リングの球面に対応した球面を形成し、上記摺動リングの他端面を平面に形成するとともに、この摺動リングの平面形状の端面と、上記パッキンボックスまたは上記封液側フランジの平面形状の端面とが、軸の径方向へ相対的に摺動することができるという手段を採用している（請求項１）。
このように構成することにより、摺動リングの球面の端面と、封液側フランジまたはパッキンボックスの球面の端面とが球面に沿って全ての方向へ摺動することができる。また、摺動リングの平面形状の端面と、パッキンボックス（封液側フランジの端面に球面を形成した場合）または封液側フランジ（パッキンボックスの端面に球面を形成した場合）の平面形状の端面とが、軸の径方向へ相対的に摺動することができる。これによって、３次元的な変位の軸振れに対してもパッキンボックスが追随でき、内部流体の漏洩を防止することができる。
【０００７】
また、少なくとも１本のグランドパッキンを内装した２次シール部が、封液側に設けられた１次シール部に摺動リングを介して所定の圧力で弾性的に押圧されている軸封装置において、上記摺動リングの一端面を球面に形成するとともに、この摺動リングの球面の端面に当接される上記１次シール部または上記２次シール部の端面を、上記摺動リングの球面に対応した球面に形成するという手段も採用している（請求項２）。
このように構成することにより、摺動リングの球面の端面と、１次シール部または２次シール部の球面の端面とが球面に沿って全ての方向へ摺動することができる。また、摺動リングの平面形状の端面と、２次シール部（１次シール部の端面に球面を形成した場合）または１次シール部（２次シール部の端面に球面を形成した場合）の平面形状の端面とが、軸の径方向へ相対的に摺動することができる。これによって、３次元的な変位の軸振れに対しても２次シール部が追随でき、グランドパッキンの早期摩耗や、パッキンボックスとの間のシール圧が低下することも生じない。また、摺動リング部分よりパージガスの漏洩が起こり難くなる。したがって、１次シール部の軸摺動面に内部流体が侵入し難くなるため、グランドパッキンの摩耗や損傷の発生が少なく、密封性の低下による内部流体の漏洩も起こり難くなる。また、グランドパッキンに摩耗や損傷の発生が少ないので、長寿命とすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明に係る軸封装置の一実施の形態を示す概略断面図であり、以下、図に基づいてこの軸封装置の構成について説明する。
図１に示すように軸封装置１は、主に、機器本体に固定されているフランジ２、グランドパッキン７等が内装されるパッキンボックス３、グランドパッキン７等を固定するためのパッキン押え４、摺動リング５、ガスを供給するガス供給手段１６等を備えている。
パッキンボックス３には、複数の上記グランドパッキン７、これらグランドパッキン７の内で最封液側のグランドパッキン７ｄの封液側にブッシュ８、グランドパッキン７ｂ、７ｃの間にランタンリング９、および最大気側のグランドパッキン７ａの大気側にスペーサリング１５がそれぞれ内装されている。また、パッキンボックス３には、ブッシュ８へガスを導入するためのガス封入口１２が貫通形成されている。
【０００９】
上記グランドパッキン７、ブッシュ８、ランタンリング９およびスペーサリング１５は、押圧機構１１によってパッキン押え４を介して所定の圧力で弾性的に押圧されている。この圧力によって、グランドパッキン７を軸１０の長手方向へ押し潰すように変形させて、このグランドパッキン７と軸１０との間に押圧力を生じさせている。押圧機構１１は、パッキンボックス３にねじ込まれたパッキン押え４を挿通させた締め付けボルト１１ａと、この締め付けボルト１１ａに装着された圧縮コイルスプリング１１ｂ、スプリングカラー１１ｃおよび締め付けナット１１ｄとにより構成されており、上記圧縮コイルスプリング１１ｂの付勢力によりパッキン押え４を図において左方向に付勢している。
【００１０】
また、上記パッキンボックス３は、押圧機構１３によって摺動リング５介してフランジ２に所定の圧力で押圧されており、この摺動リング５の両端面には、Ｏリング６が設けられている。この押圧機構１３は、押圧機構１１と同様にフランジ２にねじ込まれた締め付けボルト１３ａと、この締め付けボルト１３ａに装着された圧縮コイルスプリング１３ｂ、スプリングカラー１３ｃおよび締め付けナット１３ｄとにより構成されている。
【００１１】
摺動リング５は、フランジ２側端面が軸１０の軸線上に中心Ｑを有する球面凸形状に、パッキンボックス３側端面が平面形状に形成されている。また、この摺動リング５の球面凸形状端面に当接されるフランジ２の端面は、この球面凸形状に対応した球面凹形状に形成されている。そして、摺動リング５の球面凸形状端面と、フランジ２の球面凹形状端面とが球面に沿う全ての方向（図１に示す断面図上においてはＬ方向）に対して摺動可能である。一方、摺動リング５の平面形状端面に当接されるパッキンボックス３の端面は、平面形状に形成されている。そして、摺動リング５の平面形状端面に対して、パッキンボックス３の平面形状端面が軸の径方向（図１上においてはＭ方向）へ摺動することが可能である。
このように、軸の傾斜方向および径方向への軸振れに対しては摺動リング５と、フランジ２およびパッキンボックス３との摺動によって、また軸の長手方向（図１上においてはＮ方向）への軸振れに対しては押圧機構１３によって、それぞれパッキンボックス３が追随できる。これによって、３次元的な変位の軸振れに対してもパッキンボックス３が追随でき、内部流体の漏洩を防止することができる。
【００１２】
パッキンボックス３に内装される環状のブッシュ８は、図２(a)に示すように対を成すパッキン側部材８ａと封液側部材８ｂとにより構成されている。このパッキン側部材８ａは、図２(a)、(b)に示すように封液側の端面が平面状に、封液側部材８ｂ側の端面がテーパ状に形成され、このテーパ状端面にパッキン摺動面（内周面）へガスを供給するための外周側と内周側とに連通する螺旋状の溝１４が形成されている。この溝１４は、溝断面積が外周側から内周側に向かうに従って減少するように形成されており、外周端がガス封入口１２に連通されている。なお、溝１４の断面形状は、図２(a)に示すような円弧状に限られるものではなく、例えば凹形状であっても構わない。一方、封液側部材８ｂは、図２(a)に示すようにパッキン側の端面が平面状に、パッキン側部材８ａ側の端面が、パッキン側部材８ａのテーパ状端面と当接するようにテーパ状に形成されている。
【００１３】
ガス供給手段１６によりガス封入口１２へ供給されたガスは、ブッシュ８の溝１４の外周端より溝１４へ導入される。そして、溝１４へ導入されたガスは、溝１４の外周側から内周側へ流速を増加させながら流れてパッキン摺動面近傍に吹き付けられ、パッキンボックス３の底部３ａの内周と軸１０との間のクリアランスＳに侵入してきた内部流体を機器内部に向かって吹き飛ばす。ここで、ガスは、螺旋状の溝１４を通過することによって軸の周方向へ慣性が付与されるので、軸の全周にわたって供給されることになる。これによって、パッキンボックス３の底部３ａの内周と軸１０との間のクリアランスＳに内部流体の成分が堆積するのを防止することができ、さらにパッキン摺動面に内部流体が侵入するのを防止することができる。
【００１４】
（実施の形態２）
図３は本発明に係る軸封装置の他の実施の形態を示す概略断面図であり、以下、図に基づいてこの軸封装置の構成について説明する。
図３に示すように軸封装置２１は、主に、封液側に１次シール部Ａ、大気側に２次シール部Ｂ、この１次シール部Ａと２次シール部Ｂとの間に摺動リング２８、ガスを供給するガス供給手段４０等を備えている。
１次シール部Ａは、グランドパッキン２３等が内装されるパッキンボックス２２、グランドパッキン２３等を固定するためのパッキン押え２５等を備えている。パッキンボックス２２には、複数のグランドパッキン２３、これらグランドパッキン２３の内で最封液側のグランドパッキン２３ｃの封液側にブッシュ２４がそれぞれ内装されている。また、パッキンボックス２２には、ブッシュ２４へガスを導入するためのガス封入口２７が、パッキン押え２５には、１次シール部Ａと２次シール部Ｂとの間に窒素等のパージガスを封入するためのガス封入口２９がそれぞれ貫通形成されている。
【００１５】
上記グランドパッキン２３およびブッシュ２４は、パッキン押え２５を介して押圧機構２６によって所定の圧力で弾性的に押圧されている。この圧力によって、１次シール部Ａではグランドパッキン２３を軸３９の長手方向へ押し潰すように変形させて、このグランドパッキン２３と軸３９との間に押圧力を生じさせている。押圧機構２６は、パッキンボックス２２にねじ込まれたパッキン押え２５を挿通させた締め付けボルト２６ａと、この締め付けボルト２６ａに装着された圧縮コイルスプリング２６ｂ、スプリングカラー２６ｃおよび締め付けナット２６ｄとにより構成されており、上記圧縮コイルスプリング２６ｂの付勢力によりパッキン押え２５を図において左方向に付勢している。
【００１６】
２次シール部Ｂは、グランドパッキン３１等が内装されるパッキンボックス３０、グランドパッキン３１等を固定するためのパッキン押え３４等を備えている。パッキンボックス３０には、複数のグランドパッキン３１、これらグランドパッキン３１の内で最封液側のグランドパッキン３１ｄの封液側および最大気側のグランドパッキン３１ａの大気側にスペーサリング３２、グランドパッキン３１ｂ，３１ｃの間にランタンリング３３がそれぞれ内装されている。また、パッキンボックス３０には、１次シール部Ａと２次シール部Ｂとの間に封入されたパージガスを抜くためのガスリーク口３８が設けられている。
【００１７】
上記グランドパッキン３１、スペーサリング３２およびランタンリング３３は、パッキン押え３４を介して押圧機構３５によって所定の圧力で押圧されている。この圧力によって、２次シール部Ｂではグランドパッキン３１を軸３９の長手方向へ押し潰すように変形させて、このグランドパッキン３１と軸３９との隙間を小さくすることによって流体を封止している。押圧機構３５は、押圧機構２６と同様にパッキンボックス３０にねじ込まれたパッキン押え３４を挿通させた締め付けボルト３５ａと、この締め付けボルト３５ａに装着された圧縮コイルスプリング３５ｂ、スプリングカラー３５ｃおよび締め付けナット３５ｄとにより構成されており、上記圧縮コイルスプリング３５ｂの付勢力によりパッキン押え３４を図において左方向に付勢している。
【００１８】
２次シール部Ｂのパッキンボックス３０は、押圧機構３６によって摺動リング２８介して１次シール部Ａのパッキン押え２５に所定の圧力で押圧されており、この摺動リング２８の両端面には、Ｏリング３７が設けられている。この押圧機構３６は、パッキン押え２５にねじ込まれた締め付けボルト３６ａと、この締め付けボルト３６ａに装着された圧縮コイルスプリング３６ｂおよび締め付けナット３６ｃとにより構成されている。
【００１９】
摺動リング２８は、１次シール部Ａ側端面が軸３９の軸線上に中心Ｑを有する球面凸形状に、２次シール部Ｂ側端面が平面形状に形成されている。また、この摺動リング２８の球面凸形状端面に当接される１次シール部Ａのパッキン押え２５の端面は、この球面凸形状に対応した球面凹形状に形成されている。そして、摺動リング２８の球面凸形状端面と、パッキン押え２５の球面凹形状端面とが球面に沿う全ての方向（図３に示す断面図上においてはＬ方向）に対して摺動可能である。一方、摺動リング２８の平面形状端面に当接される２次シール部Ｂのパッキンボックス３０の端面は、平面形状に形成されている。そして、摺動リング２８の平面形状端面に対して、パッキンボックス３０の平面形状端面が軸の径方向（図３上においてはＭ方向）へ摺動することが可能である。
このように、軸の傾斜方向および径方向への軸振れに対しては摺動リング２８と、パッキン押え２５およびパッキンボックス３０との摺動によって、また軸の長手方向（図３上においてはＮ方向）への軸振れに対しては押圧機構３６によって、それぞれパッキンボックス３０が追随できる。これによって、３次元的な変位の軸振れに対してもパッキンボックス３０が追随でき、内部流体の漏洩を防止することができる。
【００２０】
１次シール部Ａと２次シール部Ｂとの間には、ガス封入口２９からパージガスを供給しており、１次シール部Ａのパッキン摺動面に内部流体が侵入しないようにしている。また、このパージガスや機器内部から漏出したガスを、大気側に漏洩させないためにランタンリング３３を介してガスリーク口３８より回収している。なお、このパージガスのパージ圧は、機器内部圧力より０．０５〜０．１ＭＰａ程度高くすることが好ましい。例えば、パージ圧が機器内部圧力より０．０５ＭＰａ以下しか高くない場合には、パージガスの封入による内部流体の侵入防止効果が低くなる。一方、パージ圧が機器内部圧力より０．１ＭＰａ以上高い場合には、パッキンの締付圧以外に過剰な圧力がパッキンに作用するため、パッキン内周と軸外周との間の面圧が高くなりすぎて異常摺動を引き起こし、内部流体の漏洩の原因となるとともに、摺動リング２８と１次シール部Ａおよび２次シール部Ｂとの間からパージガスが漏洩することになる。
【００２１】
１次シール部Ａのパッキンボックス２２に内装される環状のブッシュ２４は、図４(a)に示すように対を成すパッキン側部材２４ａと封液側部材２４ｂとにより構成されている。このパッキン側部材２４ａの封液側部材２４ｂ側の端面には、図４(a)、(c)に示すようにパッキン摺動面へガスを供給するための溝２４１が円周等配に複数形成されている。この溝２４１は、図４(b)に示すように底面がテーパ状に形成され、外周側と内周側とに連通している。また、溝２４１は、溝断面積が外周側から内周側に向かうに従って減少するように形成されている。また、パッキン側部材２４ａの円周面には溝２４１に連通する溝２４２が形成されており、ガス封入口２７に連通されている。一方、封液側部材２４ｂは両端面が平面な環状に形成されている。
【００２２】
ガス供給手段４０によりガス封入口２７へ供給されたガスは、ブッシュ２４の溝２４２へ導入される。そして、溝２４２に導入されたガスは、この溝２４２を通って溝２４１の外周側から内周側へ流速を増加させながら流れてパッキン摺動面近傍に吹き付けられ、パッキンボックス２２の底部２２ａの内周と軸３９との間のクリアランスＳに侵入してきた内部流体を機器内部に向かって吹き飛ばす。これによって、パッキンボックス２２の底部２２ａの内周と軸３９との間のクリアランスＳに内部流体の成分が堆積するのを防止することができ、さらにパッキン摺動面に内部流体が侵入するのを防止することができる。
【００２３】
なお、上記実施の形態１では、摺動リング５は、フランジ２側端面を球面凸形状に、パッキンボックス３側端面を平面形状に形成しているが、これに限られるものではなく、パッキンボックス３側端面を球面凸形状に、フランジ２側端面を平面形状に形成しても構わない。また、摺動リング５側を球面凸形状に、フランジ２側を球面凹形状に形成しているが、これに限られるものではなく、摺動リング５側を球面凹形状に、フランジ２側を球面凸形状に形成しても構わない。また、摺動リング５は、軸振れに対して摺動しやすいように摩擦係数の低い材質、例えばフッ素樹脂系等の材質が望ましい。これらの点に関しては、上記実施の形態２での摺動リング２８等についても同様である。
【００２４】
また、上記実施の形態１では、ブッシュ８は上記のように螺旋状の溝１４を形成した構成であるが、これに限られるものではなく、実施の形態２でのブッシュ２４のような構成とすることも可能である。同様に、実施の形態２でのブッシュ２４の構成を、実施の形態１でのブッシュ８のような構成とすることも可能である。なお、ブッシュ８またはブッシュ２４からパッキン摺動面に供給されるガスの流速は、クリアランスＳに侵入してきた内部流体を機器内部に吹き飛ばすために５ｍ／ｓ以上であることが好ましい。
【００２５】
さらに、上記実施の形態１における溝１４、および上記実施の形態２における溝２４１は、それぞれ上記のように溝断面積が外周側から内周側に向かうに従って減少するように形成することが好ましいが、これに限られるものではない。
また、上記各実施の形態では、パッキンボックスに複数のグランドパッキンを内装した構成であるが、これに限られるものではなく、少なくとも１本のグランドパッキンが内装されていればよい。また、上記実施の形態２における１次シール部Ａは、パッキンボックス２２にグランドパッキン２３を内装した構成であるが、これに限られるものではなく、例えばオイルシール等であっても構わない。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る軸封装置では、摺動リングの一端面を球面に、パッキンボックスまたは封液側フランジの端面を、摺動リングの球面に対応した球面に形成しているので、摺動リングの球面の端面と、封液側フランジまたはパッキンボックスの球面の端面とが球面に沿って全ての方向へ摺動することができる。また、摺動リングの平面形状の端面と、パッキンボックスまたは封液側フランジの平面形状の端面とが、軸の径方向へ相対的に摺動することができる。これによって、３次元的な変位の軸振れに対してもパッキンボックスが追随でき、内部流体の漏洩を防止することができる。
【００２７】
また、１次シール部および２次シール部を備えた軸封装置の場合は、摺動リングの一端面を球面に、１次シール部または２次シール部の端面を、摺動リングの球面に対応した球面に形成しているので、摺動リングの球面の端面と、１次シール部または２次シール部の球面の端面とが球面に沿って全ての方向へ摺動することができる。また、摺動リングの平面形状の端面と、２次シール部または１次シール部の平面形状の端面とが、軸の径方向へ相対的に摺動することができる。これによって、３次元的な変位の軸振れに対しても２次シール部が追随でき、摺動リング部分よりパージガスの漏洩が起こり難くなる。したがって、１次シール部の軸摺動面に内部流体が侵入し難くなるため、グランドパッキンの摩耗や損傷の発生が少なく、密封性の低下による内部流体の漏洩も起こり難くなる。また、グランドパッキンに摩耗や損傷の発生が少ないので、長寿命とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る軸封装置の一実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る軸封装置の一実施の形態に用いるブッシュを示す図であり、(a)はその断面図、(b)はその正面図である。
【図３】本発明に係る軸封装置の他の実施の形態を示す概略断面図である。
【図４】本発明に係る軸封装置の他の実施の形態に用いるブッシュを示す図であり、(a)はその側面図、(b)はその断面図、(c)はその正面図である。
【図５】従来の軸封装置を示す概略断面図である。
【図６】従来の１次シール部と２次シール部を有する軸封装置を示す概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ １次シール部
Ｂ ２次シール部
１ 軸封装置
２ フランジ
３、２２、３０ パッキンボックス
４、２５、３４ パッキン押え
５、２８ 摺動リング
７、２３、３１ グランドパッキン
８、２４ ブッシュ
１２、２７、２９ ガス封入口

Claims (2)

1. 少なくとも１本のグランドパッキンを内装したパッキンボックスが、封液側フランジにねじ込まれた締め付けボルトと、この締め付けボルトに装着された圧縮コイルスプリング、スプリングカラーおよび締め付けナットとにより構成されている押圧機構によって当該封液側フランジに、両端面にＯリングが設けられている摺動リングを介して所定の圧力で弾性的に押圧されている軸封装置において、
   上記摺動リングの一端面を球面に形成するとともに、この摺動リングの球面の端面に当接される上記パッキンボックスまたは上記封液側フランジの端面を、上記摺動リングの球面に対応した球面を形成し、
   上記摺動リングの他端面を平面に形成するとともに、この摺動リングの平面形状の端面と、上記パッキンボックスまたは上記封液側フランジの平面形状の端面とが、軸の径方向へ相対的に摺動することができることを特徴とする軸封装置。
2. 少なくとも１本のグランドパッキンを内装した２次シール部が、封液側に設けられた１次シール部に摺動リングを介して所定の圧力で弾性的に押圧されている軸封装置において、
   上記摺動リングの一端面を球面に形成するとともに、この摺動リングの球面の端面に当接される上記１次シール部または上記２次シール部の端面を、上記摺動リングの球面に対応した球面に形成したことを特徴とする軸封装置。

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