JP4699946B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents
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Description
0.1 ≦ α/β ≦ 35 …(3)
但し、αは、前記摺動面内の溝角度、
βは、前記摺動面内の溝と溝との間隔の角度
である。
1.4 < A/B < 2.0 …(4)
但し、A=(Do2−Db2)/(Do2−Di2)×100、
B=(Dg2−Db2)/(Dg2−Di2)×100、
Doは、前記摺動面の外径、
Diは、前記摺動面の内径、
Dbは、バランス径、
Dgは、前記溝の内径
である。
また、請求項3に係る本発明によれば、前記複数の溝における溝と溝との間隔は、1mm以上である。
図1は、本発明の一実施形態のメカニカルシール装置1の構成を示す図である。
また、図2は、図1に示したメカニカルシール装置1の、本発明に係る固定環40の摺動面41の形態を示す図である。
メカニカルシール装置1は、回転軸20が通過する開口が形成されたハウジング10と、ハウジング10のその開口を通過する回転軸20との間隙において、被密封流体Lをシールする装置である。
メカニカルシール装置1においては、ハウジング10のその開口部に、シールハウジング12が取り付けられている。シールハウジング12は、回転軸20の近傍までハウジング10の開口を塞ぐとともに、メカニカルシール装置1の固定側シール部31を取り付け易くするための部材である。シールハウジング12は、ハウジング10との間にOリング11を介在させてボルト13によりハウジング10に取り付けられている。
なお、固定環40はいわゆるカーボンにより形成する。
これら、回転環60を含む回転側シール部32は回転軸20と一体的に回転され、これにより回転環60の摺動面61は、固定側シール部31の固定環40の摺動面41と互いに摺接される。
なお、回転環60は、セラミックや超硬質鋼等により形成する。
溝44は、図2に示すように、固定環40の摺動面41に、円周方向に沿って同一半径上に、一定幅で、同一間隔で、複数配置されている。
図2に示す本実施形態において、固定環40の摺動面41の内径Diは65.3mmであり、摺動面41の外径Doは86mmであり、溝44の内径Dgは75mmである。また、溝44の幅は3mmであり、溝44の深さは1mmで均一の深さである。さらにまた、1つの溝44が形成されている角度αは20°であり、1つのダム部(溝と溝との間部分)が形成されている角度βは10°であり、摺動面41には図示のごとく12個の溝44が形成されているものである。
また、被密封流体Lは、固定環40と回転環60との間の摺動部33に侵入し、固定環40の摺動面41に設けられた溝44に導かれる。そして、溝44の内部で、被密封流体は圧縮されて、圧力が発生する。そして、この圧力により、固定環40と回転環60との押圧は減少され、固定環40の摺動面41と回転環60の摺動面61とはわずかに接触したような状態となる。すなわち、完全に接触した状態でもなく、また、完全に非接触な状態でもなく、準接触状態とでも言うべき微接触な状態となる。そして、この状態において、固定環40の摺動面41と回転環60の摺動面61との間、すなわち摺動部33にはわずかな流体膜が形成される。
なお、軟質材たるカーボン製の固定環40に溝44を形成したとしても、固定環40と回転環60とは非常に低い押圧でわずかに接触する程度なので、その磨耗は非常にわずかであり、メカニカルシール装置1の寿命を短くする等の不利益を生ずることは無い。
前述したような作用効果を発揮させるための固定環40の摺動面41及び溝44の形状について説明する。
0.1 ≦ α/β ≦ 35 …(5)
また、α/βの値が35より大きい場合は、複数の溝44を形成しようとするとダム部の幅が著しく狭くなり、加工上問題が生じる。ダム部の実際の長さは、加工上1mm以上有するのが好ましい。
また、ダム部の長さを確保した上で溝44のα/βの値が35より大きくなる場合として、溝44の数が極端に少なくなるような場合、具体的には全周にわたって溝が形成されているような場合が考えられる。そのような場合も、十分な作用効果が得られない。
被密封流体として窒素ガスを用いてメカニカルシール装置1の回転軸20を毎分3000回転で回転させて図3(B)に示すような流体圧力を印加した場合、固定環40の温度は図3(A)に示すようになる。
図3(A)において、グラフaは、摺動面41の全周にわたって溝を形成した場合の温度を示す図であり、グラフbは、摺動面41の円周に沿って複数の長円形状の溝を形成した場合の温度を示す図であり、グラフcは室温を示す図である。
なお、本実施形態のメカニカルシール装置1は、前述したようにαは20°、βは10°であり、α/βは2である。また、溝44の数は12である。この条件は、メカニカルシール装置1の構成の最適な条件の1つである。
1.4 < A/B < 2.0 …(6)
但し、Aは、シール部30の全体のバランス値であって、
A=(Do2−Db2)/(Do2−Di2)×100、
Bは、溝44内径のバランス値であって、
B=(Dg2−Db2)/(Dg2−Di2)×100、
また、Doは、摺動面の外径、
Diは、摺動面の内径、
Dbは、バランス径、
Dgは、溝の内径、
である。
図4に示すように、A/B値が1.4の場合には、被密封流体圧力が0.03MPaGより大きくなると一気に漏洩量が増しており、そのようなわずかな圧力で実質的にシールが破壊された状態となることがわかる。一方で、A/B値が1.6あれば、被密封流体圧力が3.0MPaGにまでなったとしても漏洩量はほとんど無く、高い密封性能でシールが維持されていることがわかる。
例えば、図5(A)に示すように、溝の長さを若干短くした構成であってもよい。図5(A)に示す固定環40bの溝44bは、その数は12個で図2に示した本実施形態の固定環40と同じであるが、1個の溝44bの角度αは15°であり、溝と溝との間隔(ダム部)の角度βも15°である。従って、その比α/βは1.0となり式(3)の条件を満たす。
また、図5(B)に示すように、さらに溝の長さを若干短くした構成であってもよい。図5(B)に示す固定環40cの溝44cは、1個の溝44cの角度αは7.5°であり、溝と溝との間隔(ダム部)の角度βも7.5°であり、溝44cの個数は24個となっている。このような構成でも、α/βの値は1.0となり式(3)の条件を満たす。
溝の形状はこのような構成であってもよい。
しかしながら、例えば硬質材たる回転環60の摺動面61に溝を形成するようにしてもよい。
また、回転環60をカーボンで形成し、固定環40をセラミックや超硬質鋼により形成し、軟質材たるカーボン製の回転環60に溝を構成するようにしてもよい。さらにまた、そのように固定環40をセラミックや超硬質鋼により形成した場合においても、その固定環40に溝を構成するようにしてもよい。
本発明によれば、軟質材で構成された固定環又は回転環に溝を形成して長寿命なメカニカルシール装置1を実現することができるので、加工の容易性等から軟質材で形成された方に溝を形成する方が有効である。しかしながら、加工の容易性を特段に要望されない場合等には、溝はどちらに形成しても、あるいはまたどのような材料で形成された固定環又は回転環に形成してもよい。
10…ハウジング
11…Oリング
12…シールハウジング
13…ボルト
14…内壁部
20…回転軸
21…スリーブ
30…シール部
31…固定側シール部
40…固定環
41…摺動面
44…溝
51…スプリング
52…保持部
32…回転側シール部
60…回転環
61…摺動面
71…回転環固定部
73,74…Oリング
75…ねじ
Claims (3)
- 回転軸を囲むハウジングに固定された固定環と前記回転軸に装着された回転環とが接して摺動することにより当該摺動面において被密封流体をシールするメカニカルシール装置であって、
前記固定環の前記回転環との摺動面、又は、前記回転環の前記固定環との摺動面のいずれか一方に、当該摺動面の円周方向に沿って複数の溝が形成されており、
前記溝の各々は、前記摺動面以外の外部から圧力が導入されない独立した溝であって、その形状が式(1)及び式(2)の条件を満たす形状であることを特徴とするメカニカルシール装置。
〔数1〕
0.1 ≦ α/β ≦ 35 …(1)
但し、αは、前記摺動面内の溝角度、
βは、前記摺動面内の溝と溝との間隔の角度
である。
〔数2〕
1.4 < A/B < 2.0 …(2)
但し、A=(Do2−Db2)/(Do2−Di2)×100、
B=(Dg2−Db2)/(Dg2−Di2)×100、
Doは、前記摺動面の外径、
Diは、前記摺動面の内径、
Dbは、バランス径、
Dgは、前記溝の内径
である。 - 前記溝は、前記固定環又は前記回転環の、いずれかより軟質な材料で構成してある側に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のメカニカルシール。
- 前記複数の溝における溝と溝との間隔は、1mm以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のメカニカルシール。
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