JP4864995B2

JP4864995B2 - メカニカルシール

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Publication number: JP4864995B2
Application number: JP2009053889A
Authority: JP
Inventors: 正樹宮本; 良太松本
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: JP2010209940A

Description

本発明は、ポンプ、撹拌機、ミル、粉砕機等の回転機器の軸封部に用いられるメカニカルシールに関する。

従来より、この種メカニカルシールとしては、図４に示すように、ケーシング７１に取り付けられた静止密封環７２と、回転軸７３に取り付けられた回転密封環７４とを備え、前記両密封環７２，７４の互いに相対回転可能に摺接するシール面７２１，７４１によって密封空間Ｘ側に密封された被密封流体を非密封空間Ｙ側に対してシールするようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このメカニカルシールにおいて、前記静止密封環７２は、前記ケーシング７１の端部（図３では右端）に設けられた支持リング７６によって回転軸７３の軸方向に摺動自在にかつ相対回転不能に支持されている。また、前記静止密封環７２には、回転軸７３に沿って非密封空間Ｙ側に延びる筒状の延出端７２２が設けられ、この延出端７２２と支持リング７６の内周の環状溝７７１との間に設けられたＯリング７７によって、前記静止密封環７２（延出端７２２）と支持リング７６との間をシールして、前記シール面７２１，７４１の外周外方の環状空間Ｋを密封するようにしている。更に、前記静止密封環７２と支持リング７６との間には圧縮スプリング７８を介在し、この圧縮スプリング７８の付勢力によって、静止密封環７２を前記回転密封環７４に押し付けている。

特開平７−２２４９４７号公報

ところで、ケーシング７１の密封空間Ｘ側に密封される被密封流体として、スラリ流体（固形成分，凝固成分等のスラリ成分を含む液体又は気体であり、例えば、粉体、薬液、汚泥水、ＣＭＰ用研磨液、粉塵ガス、液状食品等）が密封されることがある。しかし、このような被密封流体にはスラリが含まれているため、前記両密封環７２，７４のシール面７２１，７４１にスラリが堆積したり、Ｏリング７７を収容する環状溝７７１にスラリが堆積して、静止密封環７２に対するＯリング７７の追従性に悪影響を与えたりして、メカニカルシールのシール性が悪化するおそれがある。

その場合、前記両密封環７２，７４のシール面７２１，７４１や前記Ｏリング７７の環状溝７７１に堆積したスラリを洗浄できればよいのであるが、当該部位は、ケーシング７１と回転軸７３との間に位置するため、容易に洗浄することができない。
そこで、一定の周期毎、例えば回転機器のバッジ毎または長期停止時などに、メカニカルシールを分解して、前記スラリが堆積した部位を洗浄することが行われている。

しかしながら、メカニカルシールを分解したり、組み立てたりする作業が非常に煩わしい上、その作業にかなりの時間を要し、メンテナンスコストが嵩むことになる。しかも、スラリの堆積量によっては、分解作業の頻度も要求されて更にメンテナンスコストが嵩むという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、分解作業を行わなくともケーシング内のスラリが堆積した部分の洗浄を可能とし、メンテナンスコストを抑えることができるメカニカルシールを提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明では、ケーシングに取り付けられた静止密封環と、前記ケーシングを貫通する回転軸に一体回転可能に取り付けられる回転密封環とが互いに相対回転可能に摺接するシール面によって回転機器の内部の被密封流体をシールするメカニカルシールであって、前記ケーシングに設けられ、前記シール面の外周外方の環状空間に対し洗浄液を供給する洗浄液供給路と、前記洗浄液供給路を開閉する開閉手段とを備え、前記開閉手段は、シリンダと、作動流体を導入する第１室および第２室に前記シリンダ内を仕切るピストンとを有する流体圧シリンダと、前記ピストンの進退動作に伴って前記洗浄液供給路を開閉する弁体とを備え、前記第１室が前記洗浄液供給路に連通し、前記第２室が前記ピストンを進出させるための作動流体を流通させる作動流体通路に連通し、前記ピストンが、前記洗浄液の流体圧と前記作動流体の流体圧との差圧によって進退動作するとともに、その進出に伴って前記洗浄液供給路を閉塞可能に前記弁体を取り付けたピストンロッドを備え、前記作動流体通路を流通する作動流体が、前記回転機器の内部で当該回転機器の稼働によって、前記洗浄液の流体圧よりも高い流体圧に加圧された被密封流体であることを特徴としている。

本発明のメカニカルシールによれば、ケーシングの洗浄液供給路が開閉手段により開放されると、シール面の外周外方の環状空間に洗浄液が供給されるので、この環状空間に連通する例えばシール面やＯリング用の環状溝に堆積したスラリが洗浄液によって洗浄されて除去される。このため、回転機器のバッジ毎または長期停止時などの一定の周期毎のメカニカルシールの分解作業を不要にして、メカニカルシールのメンテナンスコストを抑えることができる。

また、前記開閉手段は、シリンダと、作動流体を導入する第１室および第２室に前記シリンダ内を仕切るピストンとを有する流体圧シリンダと、前記ピストンの進退動作に伴って前記洗浄液供給路を開閉する弁体とを備えているのが好ましい。
この場合には、シリンダ内の第１室および第２室に導入される作動流体によるピストンの進退動作に伴って洗浄液供給路の開閉が行えるので、流体圧シリンダを用いた非常に簡単な構成で洗浄液供給路を開閉させることができる。

また、前記第１室が前記洗浄液供給路に連通し、前記第２室が前記ピストンを進出させるための作動流体を流通させる作動流体通路に連通し、前記ピストンが、その進出に伴って前記洗浄液供給路を閉塞可能に前記弁体を取り付けたピストンロッドを備えることが好ましい。
この場合には、シリンダ内の第１室に導入する作動流体として、洗浄液供給路からの洗浄液を用いることができ、この洗浄液の流体圧よりも第２室に導入される作動流体通路からの作動流体の流体圧が高いときにピストンを進出させて、そのピストンと共に進出するピストンロッドに取り付けた弁体によって洗浄液供給路が閉塞される。また、洗浄液供給路からの洗浄液の流体圧が作動流体通路からの作動流体の流体圧よりも高くなったときにピストンが後退して前記洗浄液供給路が開放される。したがって、洗浄液と作動流体との差圧によってシール面の外周外方の環状空間に対する洗浄液の供給と供給停止とを簡単に制御することができる。

また、前記洗浄液供給路の下流端には、前記環状空間に対し洗浄液を噴射する噴射ポートが、前記環状空間の周方向に沿って所定間隔毎に設けられていることが好ましい。
このように、洗浄液供給路の下流端に、環状空間の周方向に沿って所定間隔毎に噴射ポートが設けられていると、シール面の外周外方の環状空間に対し洗浄液が周方向から満遍なく噴射されて、シール面やＯリングの環状溝が効果的に洗浄され、メカニカルシールのシール性を円滑に保つことができる。

また、前記シリンダの内部空間は、前記ケーシング内において前記静止密封環と同心に設けられた環状の空間よりなるとともに、前記ピストンは、前記シリンダの内部空間に嵌装される円筒形状を呈しており、前記弁体は、前記複数の噴射ポートを開閉可能に設けられていることが好ましい。
このように、ケーシング内において静止密封環と同心に設けられた環状の空間よりなるシリンダの内部空間に、円筒形状のピストンが嵌装されているので、単一のピストンの進退動作に伴って各洗浄液供給路が弁体により開閉され、環状空間の周方向に沿って所定間隔毎に設けられた複数の噴射ポートからの洗浄液の噴射と噴射停止とを単一のピストンによって簡単かつ効率よく行うことができる。

更に、前記作動流体通路を流通する作動流体が、前記回転機器外で加圧された外部流体であることが好ましい。
この場合には、回転機器外で加圧された外部流体が作動流体として用いられるので、回転機器の稼働中および停止中に係わらずピストンの進退動作を行え、いつでも洗浄することができる。

また、前記作動流体通路を流通する作動流体が、前記回転機器の内部で加圧された被密封流体であってもよい。
この場合には、回転機器の内部で加圧された被密封流体によって作動流体が賄えるので、作動流体を加圧するためのポンプが不要となる。

本発明のメカニカルシールによれば、シール面の外周外方の環状空間に洗浄液が供給されるので、例えばシール面やＯリングの環状溝に堆積したスラリが洗浄液によって円滑に除去され、一定の周期毎のメカニカルシールの分解作業を不要にしてメンテナンスコストを抑えることができる。

参考例に係るメカニカルシールの断面図である。ピストンを移動した状態を示すメカニカルシールの断面図である。本発明の実施形態に係るメカニカルシールの断面図である。従来例に係わるメカニカルシールの断面図である。

図１および図２は、参考例に係るスラリポンプなどの回転機器に用いられるダブル型メカニカルシール（以下、単にメカニカルシールという）の断面図を示している。このメカニカルシールＺは、回転機器１の機内領域と機外領域とを区画するケーシング１１と、このケーシング１１を貫通する回転軸２との間に配置されている。そして、メカニカルシールＺは、機内側（図１および図２では右側）の第１軸封部３と、機外側（図１および図２では左側）の第２軸封部４とを備えている。また、回転軸２は、ホロセットボルト２０によって一体回転可能に取り付けられたスリーブ２１を備えている。

機内側の第１軸封部３は、スリーブ２１に一体回転可能に取り付けられた回転密封環３１と、ケーシング１１の内周面にＯリング１２によりシールした状態で回転軸２の軸線方向に摺動自在にかつ相対回転不能に取り付けられた静止密封環３２と、この静止密封環３２を回転密封環３１へ押し付ける圧縮スプリング３３とを備えている。この第１軸封部３では、両密封環３１，３２の対抗端面である密封端面３１１，３２１（シール面）での相対回転に伴う摺接作用により、被密封流体領域Ａと、後述する封液領域Ｂとをシールしている。前記ケーシング１１は、回転機器１のハウジング１０の取付面１０１にボルト１０２により締結されている。この場合、静止密封環３２および回転密封環３１はセラミックスや超硬合金などの硬質材で作製される。但し、これに限らず、回転密封環３１が静止密封環３２より比較的軟質の材料、例えばカーボンなどで作製される場合もある。

また、Ｏリング１２は、静止密封環３２とケーシング１１の内周面に凹設された環状溝１１１との間に設けられ、その環状溝１１１内において静止密封環３２の軸線方向への摺動に応じて移動するようになっている。そして、Ｏリング１２によって、静止密封環３２とケーシング１１の内周面との間をシールして、両密封環３１，３２の密封端面３１１，３２１の外周外方の環状空間Ａ１を密封するようにしている。この環状空間Ａ１は、被密封流体領域Ａと連通し、Ｏリング１２用の環状溝１１１にも連通している。この場合、被密封流体領域Ａには、回転機器１の稼働時に該回転機器１の内部で加圧されたスラリ流体が導入される。

機外側の第２軸封部４は、前記第１軸封部３の機外側に配置されており、回転軸２のスリーブ２１にＯリング２３でシールした状態で回転軸２の軸線方向に摺動自在にかつ相対回転不能に取り付けられた回転密封環４１と、ケーシング１１の内周面にＯリング１３によりシールした状態で取り付けられた静止密封環４２と、前記回転密封環４１を静止密封環４２へ押し付ける圧縮スプリング４３とを備えている。この第２軸封部４では、両密封環４１，４２の対抗端面である密封端面４１１，４２１の相対回転に伴う摺接作用により、封液領域Ｂと大気領域Ｃとをシールしている。

そして、第１および第２軸封部３，４により密封された封液領域Ｂには、ケーシング１１に設けられた給排路（図示せず）を介して液体が給排される。この場合、液体としては、被密封流体領域Ａまたは大気領域Ｃに漏洩しても支障のない液体が使用される。

また、前記第１軸封部３は、前記環状空間Ａ１に対し洗浄液（水や蒸気であってもよい）を供給する洗浄液供給路５と、その洗浄液供給路５を開閉する開閉手段１９とを備えている。洗浄液供給路５は、その上流側から順に第１洗浄液流通路５１、第２洗浄液流通路５２、第３洗浄液流通路５３を備えている。また、開閉手段１９は、シリンダ１６とこのシリンダ１６内を第１室１６１および第２室１６２に仕切るピストン１８とを有する流体圧シリンダ１６０と、前記ピストン１８の進退動作に伴って前記洗浄液供給路５を開閉する弁体１８１とを備えている。

前記ケーシング１１の被密封流体領域Ａ側端面の径方向略中央部には、静止密封環３２と同心の環状の凹部１４が凹設されている。また、ケーシング１１には、凹部１４を被密封流体領域Ａ側から密閉する環状の密閉部材１５が取り付けられており、この密閉部材１５で密封された凹部１４によって、ケーシング１１内において静止密封環３２と同心の環状の空間よりなるシリンダ１６の内部空間Ｄが構成されている。また、密封部材１５は、回転機器１のハウジング１０の取付面１０１、ケーシング１１の被密封流体領域Ａ側端面、および環状凹部１４の内周面に対しそれぞれＯリング１７によってシールされている。

また、ピストン１８は、前記シリンダ１６の内部空間Ｄに嵌装される円筒形状を呈している。このピストン１８により区画されるシリンダ１６の第１室１６１（図１および図２では右側）の半径方向外方側には、洗浄液供給路５の第１洗浄液流通路５１の下流端が接続されている。また、第１室１６１の半径方向内方側には、洗浄液供給路５の第３洗浄液流通路５３の上流端が接続されている。この第３洗浄液流通路５３は、密封部材１５の周方向所定間隔おきにそれぞれ半径方向に貫通して複数設けられている。そして、前記複数の第３洗浄液流通路５３の下流端は、前記環状空間Ａ１に対し洗浄液を噴射する噴射ポート５３１として構成されている。この洗浄液供給路５の第２洗浄液流通路５２は、第１洗浄液流通路５１の下流端と第３洗浄液流通路５３の上流端との間に位置する第１室１６１によって構成されている。また、前記シリンダ１６の第２室１６２（図１および図２では左側）には、ピストン１８を進出させるための作動流体としての外部流体を流通させる外部流体通路６１（作動流体通路）が連通している。この場合、外部流体としては、封液領域Ｂまたは大気領域Ｃに漏洩しても支障のない液体または気体が使用されている。また、外部流体通路６１内を流通する外部流体は、回転機器１と別個に設置されたポンプＰの稼動時に加圧される。

そして、ピストン１８の第１室１６１側面には、そのピストン１８の進出方向（図１および図２では右方向）に向かって延びる円筒形のピストンロッド１８０が凸設されている。また、ピストンロッド１８０の突出端面には、前記弁体１８１が取り付けられている。この弁体１８１は、複数の噴射ポート５３１に対応して設けられ、ピストン１８と共にピストンロッド１８０が進出して密封部材１５の開口面１５１（後述する）に当接した際に第３洗浄液流通路５３の上流端を閉塞するようにしている。そして、第３洗浄液流通路５３の上流端が開口する密封部材１５の開口面１５１（シリンダ１６の第１室１６１側面）は、回転軸２の軸線に対し略４５度傾斜する円錐状の傾斜面に形成されており、前記弁体１８１も、前記密封部材１５の開口面１５１に倣って傾斜する円錐状の傾斜面に形成されている。また、弁体１８１には、ゴムなどからなるパッキン１８２が取り付けられており、弁体１８１による第３洗浄液流通路５３の上流端の閉塞を確実に行えるようにしている。

また、外部流体通路６１からシリンダ１６の第２室１６２に流入する外部流体の流体圧は、ポンプＰの稼動時に外部流体が加圧されている状況下では、シリンダ１６の第１室１６１に流入する洗浄液の流体圧よりも高く、ポンプＰの稼動を停止して加圧を解除した際にはシリンダ１６の第１室１６１に流入する洗浄液の流体圧よりも低くなる。このことから、シリンダ１６の第２室１６２に流入する外部流体の流体圧と、シリンダ１６の第１室１６１に流入する洗浄液の流体圧との差圧を利用することにより、ピストン１８の進退動作が行われる。つまりポンプＰの稼動時にはシリンダ１６の第２室１６２に流入する外部流体の流体圧が第１室１６１に流入する洗浄液の流体圧よりも高いためにピストン１８が進出する。これにより、弁体１８１が密封部材１５の開口面１５１に当接して第３洗浄液流通路５３の上流端を閉塞する閉塞位置（図１に示す位置）に移動される。一方、ポンプＰの稼動を停止して外部流体の加圧を解除すると、シリンダ１６の第２室１６２に流入する外部流体の流体圧が第１室１６１に流入する洗浄液の流体圧よりも低くなってピストン１８が後退する。これにより、弁体１８１が密封部材１５の開口面１５１から離間して第３洗浄液流通路５３の上流端を開放する開放位置（図２に示す位置）に移動される。要するに、噴射ポート５３１からの洗浄液の噴射は、ポンプＰの稼動を停止して外部流体に対する加圧が解除された状況下においてのみ行われる。

前記参考例において被密封流体領域Ａと封液領域Ｂとをシールする第１軸封部３では、環状空間Ａ１の周方向に沿って所定間隔毎に設けられた複数の噴射ポート５３１から、洗浄液が環状空間Ａ１に対し周方向から満遍なく噴射され、密封端面３１１，３２１に堆積したスラリが円滑に洗浄されて除去される。さらに、この密封端面３１１，３２１付近のＯリング１２用の環状溝１１１に堆積したスラリも円滑に洗浄されて除去される。これにより、静止密封環３２に対するＯリング１２の追従性が円滑に保たれるので、第１軸封部３のシール性を円滑に保つことができる。
このように、環状空間Ａ１に噴射された洗浄液によって密封端面３１１，３２１やＯリング１２用の環状溝１１１に堆積したスラリが除去されることから、一定の周期毎、例えば回転機器１のバッジ毎または長期停止時などに回転機器１の分解作業が不要となり、メカニカルシールＺのメンテナンスコストを抑えることができる。

また、シリンダ１６の第２室１６２に流入する外部流体の流体圧が、第１室１６１に流入する洗浄液の流体圧よりも高いときに、ピストン１８がピストンロッド１８０と共に進出してその先端の弁体１８１により第３洗浄液流通路５３の上流端を閉塞する一方、シリンダ１６の第１室１６１に流入する洗浄液の流体圧が、第２室１６２に流入する外部流体の流体圧よりも低くなると、ピストン１８がピストンロッド１８０と共に後退してその先端の弁体１８１により第３洗浄液流通路５３の上流端を開放するので、環状空間Ａ１に対する洗浄液の供給と供給停止とを電磁制御弁等を用いることなく簡単に制御することができる。しかも、シリンダ１６の第２室１６２に導入される外部流体が、回転機器１外のポンプＰにより加圧されるので、回転機器１の稼働中および停止中に係わらずピストン１８の進退動作を行え、いつでも洗浄することができる。

また、円筒形状の単一のピストン１８に、ピストンロッド１８０を凸設し、ピストンロッド１８０の先端に弁体１８１を設けているので、複数の噴射ポート５３１からの洗浄液の噴射を単一のピストン１８によって簡単かつ効率よく行うことができる。

次に、本発明に係る実施の形態を図３に基づいて説明する。
本発明に係る実施の形態では、シリンダ１６の第２室１６２に流入する作動流体として、外部流体に代えて、回転機器１の内部で加圧されるスラリ流体を用いている。

すなわち、本実施の形態では、図３に示すように、シリンダ１６の第２室１６２には、ピストン１８を進出させるための作動流体としてのスラリ流体（被密封流体）を流通させるスラリ流体通路６２（作動流体通路）が連通している。
また、スラリ流体通路６２からシリンダ１６の第２室１６２に流入するスラリ流体の流体圧は、回転機器１の稼動時に内部で加圧されたスラリ流体が被密封流体領域Ａに供給されている状況下では、シリンダ１６の第１室１６１に流入する洗浄液の流体圧よりも高く、回転機器１の稼動を停止して被密封流体領域Ａからスラリ流体を排出した際にはシリンダ１６の第１室１６１に流入する洗浄液の流体圧よりも自ずと低くなる。このことから、被密封流体領域Ａからシリンダ１６の第２室１６２に流入するスラリ流体の流体圧と、シリンダ１６の第１室１６１に流入する洗浄液の流体圧との差圧を利用することにより、ピストン１８の進退動作が行われる。つまり回転機器１の稼動時にはシリンダ１６の第２室１６２に流入するスラリ流体の流体圧が第１室１６１に流入する洗浄液の流体圧よりも高いためにピストン１８が進出する。一方、回転機器１の稼動を停止して被密封流体領域Ａからスラリ流体を排出すると、シリンダ１６の第２室１６２に流入するスラリ流体の流体圧が第１室１６１に流入する洗浄液の流体圧よりも低くなってピストン１８が後退する。要するに、噴射ポート５３１からの洗浄液の噴射は、回転機器１の稼動を停止して被密封流体領域Ａからスラリ流体が排出された状況下においてのみ行われる。この場合、スラリ流体通路６２には、必要によりシリンダ１６の第２室１６２へのスラリの浸入を防止する濾過器（図示せず）を介在する。

前記実施の形態の場合、シリンダ１６の第２室１６２に導入される作動流体が、回転機器１の内部で加圧されたスラリ流体によって賄えるので、第２室１６２への作動流体として新たな流体を加圧するポンプを不要にし、既存のスラリ流体の流体圧を利用した安価な開閉手段１９を構成することができる。
また、環状空間Ａ１に対する洗浄液の供給が回転機器１の稼動を停止してスラリ流体を被密封流体領域Ａから排出した状況下でのみ行われるので、被密封流体領域Ａでのスラリ流体と洗浄液との混合を回避することができる。

１回転機器
１１ケーシング
１６シリンダ
１６０流体圧シリンダ
１６１第１室
１６２第２室
１８ピストン
１８０ピストンロッド
１８１弁体
１９開閉手段
２回転軸
３１回転密封環
３１１密封端面（シール面）
３２静止密封環
３２１密封端面（シール面）
５洗浄液供給路
５３１噴射ポート
６１外部流体通路（作動流体通路）
６２スラリ流体通路（作動流体通路）
Ａ１環状空間
Ｄ内部空間
Ｚタブル型メカニカルシール（メカニカルシール）

Claims

ケーシングに取り付けられた静止密封環と、前記ケーシングを貫通する回転軸に一体回転可能に取り付けられる回転密封環とが互いに相対回転可能に摺接するシール面によって回転機器の内部の被密封流体をシールするメカニカルシールであって、
前記ケーシングに設けられ、前記シール面の外周外方の環状空間に対し洗浄液を供給する洗浄液供給路と、
前記洗浄液供給路を開閉する開閉手段とを備え、
前記開閉手段は、
シリンダと、作動流体を導入する第１室および第２室に前記シリンダ内を仕切るピストンとを有する流体圧シリンダと、
前記ピストンの進退動作に伴って前記洗浄液供給路を開閉する弁体とを備え、
前記第１室が前記洗浄液供給路に連通し、
前記第２室が前記ピストンを進出させるための作動流体を流通させる作動流体通路に連通し、
前記ピストンが、前記洗浄液の流体圧と前記作動流体の流体圧との差圧によって進退動作するとともに、その進出に伴って前記洗浄液供給路を閉塞可能に前記弁体を取り付けたピストンロッドを備え、
前記作動流体通路を流通する作動流体が、前記回転機器の内部で当該回転機器の稼働によって、前記洗浄液の流体圧よりも高い流体圧に加圧された被密封流体であることを特徴とするメカニカルシール。
前記洗浄液供給路の下流端には、前記環状空間に対し洗浄液を噴射する噴射ポートが、前記環状空間の周方向に沿って所定間隔毎に設けられている請求項１に記載のメカニカルシール。
前記シリンダの内部空間は、前記ケーシング内において前記静止密封環と同心に設けられた環状の空間よりなるとともに、
前記ピストンは、前記シリンダの内部空間に嵌装される円筒形状を呈しており、
前記弁体は、前記複数の噴射ポートを開閉可能に設けられている請求項２に記載のメカニカルシール。