JP5124784B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、特殊な被密封流体のプロセス流体によって、シール面の摩耗が早い場合でも、確実にシールできるように、特殊なシール構造をしたメカニカルシール装置に関する。特に、プロセス流体が高粘度の被密封流体、スラリーを含む被密封流体、腐食性のケミカル液の被密封流体などの各種の被密封流体によって密封環の摺動するシール面が早期に摩耗しても、外部側のシール手段が作動してシールを確実にするとともに、シール手段を発揮させるために、カートリッジ型にしたメカニカルシール装置に関する。

自動車のような大量生産や化学装置のようにプロセス流体を大量に処理する装置においては、メカニカルシール装置は、取付が簡単であると共に、組立・分解・点検が容易でなければならない。さらに、メカニカルシール装置は、生産コストを低減できる構造でなければならない。また、メカニカルシール装置は、油や、ケミカル液のような被密封流体をシールするために、その被密封流体である液体の固形化により密封環の摺動面が摩耗して被密封流体が漏洩するのを防止しなければならない。近年、このような技術的背景の基にメカニカルシール装置の構造を単純化すると共に、シール摺動面から漏洩する被密封流体を確実にシールすることが求められている。

そこで、本発明に係わる先行技術には、図５に示すメカニカルシール装置が存在する（特許文献１を参照又は特許文献１に類似する摺動部Ｘおよび軸周シール９を開示した特許文献２を参照）。図５は、ケーシング１６０に取り付けたメカニカルシール装置１００の全断面図である。このメカニカルシール装置１００は、ケミカル液等を圧送るポンプの軸封装置として利用されている。

まず、このメカニカルシール装置１００の構造を簡単に説明する。図５において、メカニカルシール装置１００は、ケーシング１６０の軸用の孔周面１６０Ａ内（機内Ａ）に貫通する回転軸１５０と、その孔周面１６０Ａとの間をシールする。そして、メカニカルシール装置１００には、ケーシング１６０の孔周面１６０Ａ内に被密封流体をシールする固定密封環１０２と回転密封環１１２とを設けたメカニカルシールがある。さらに、固定密封環１０２用の保持体１０６を取り付けたケース本体１３０と、回転軸１５０と孔周面１６０Ａとの間の狭い間隙に回転密封環１１２を保持するためのスリーブ１２５もメカニカルシール装置１００の主要な構成部品である。

この回転密封環１１２は、ケーシング１６０の孔周面１６０Ａ内における機内Ａの奥に配置するために、長いスリーブ１２５の挿入端部に装着されている。また、スリーブ１２５の機外Ｂ側の他端部には、保持部１２７を嵌着すると共に、保持部１２７にスクリューソケット１２８を螺合して保持部１２７とスリーブ１２５と回転軸１５０とを結合している。そして、回転密封環１１２とスリーブ１２５との連結は、連結部品１２６を介して結合されている。この回転軸１５０とスリーブ１２５、及びスリーブ１２５と連結部品１２６との各嵌合間には、この嵌合間をシールする各Ｏリング１４２，１４２が配置されている。また、スリーブ１２５と連結部品１２６とは、ドライブピン１２９を介して共に回動するように連結している。さらに、連結部品１２６と回転密封環１１２とは、互いの嵌合内で符号が付いていないドライブピンと、切り欠いたＵ形状の溝１１２Ａが係止して共に回動可能に連結されている。さらに、連結部品１２６と回転密封環１１２との嵌合間はＯリング１４１によりシールしている。

一方、固定密封環１０２は、円筒状の保持体１０６の一端部に設けられた段付きの環状面１０６Ｄに嵌着して保持されている。また、ケース本体１３０に設けられた固定ピン１３７と保持体１０６に設けられた長溝１０６Ｇとが係合して保持体１０６を回転不能に保持するとともに、軸方向へは移動自在に嵌合している。この保持体１０６とケース本体１３０との移動自在の嵌合間は、保持体１０６の外周の第１段付面１０６Ａとケース本体１３０の第２段付面１３０Ａとの間のＯリング１４３によりシールされている。そして、保持体１０６の他端部の溝には、リング状のばね受部が嵌め込まれて固定されている。

ケース本体１３０は、端部１３０Ｆをケーシング１６０の端面１６０Ｂに接合すると共に、ケーシング１６０に結合された植え込みボルト１２８Ｂにナット１２８Ａを螺合してケース本体１３０をケーシング１６０に固定している。このケース本体１３０の機外Ｂ側の側面には、図１に示す環状を成す段付き面が設けられている。この段付き面にばね座体１０７が止めねじ部により取り付けられている。また、ばね座体１０７に支持されたばね１２０は、ばね受部と連結してばね受部と保持体１０６とを介して固定密封環１０２を弾発に押圧している。このばね１２０により押圧された固定密封環１０２のシール面１０２Ｆは回転密封環１１２のシール面１１２Ｆと密接して被密封流体をシールする。また、ばね座体１０７の内周には、シール取付溝１０７Ｇが設けられている。このシール取付溝１０７Ｇには螺旋状に巻かれたガスケット（又はグランドパッキン）１４６が配置されている。このガスケット１４６のシール面はスリーブ１２６の外周面に密接している。

そして、回転密封環１１２と固定密封環１０２との摺動面を冷却するために、この回転密封環１１２と固定密封環１０２との外周面側を通るフラッシング通路１３６と、回転密封環１１２と固定密封環１０２との内周面側を通るクエンチング通路１３５がそれぞれケース本体１３０の外周面から内周面に向かって貫通している。そして、フラッシング通路１３６をフラッシング流体が流れて付着物を洗浄すると共に、クエンチング通路１３５をクエンチング流体が流れて摺動面を冷却する。

このように構成されたメカニカルシール装置１００は、ケーシング１６０における孔周面１６０Ａの機内Ａ側の奥行Ｌに回転密封環１１２を設けなければならないので、この回転密封環１１２を固定する長いスリーブ１２５が必要となる。また、ケーシング１６０とは別体のケース本体１３０に洗浄用のフラッシング通路１３６と冷却用のクエンチング通路１３５とを設けてメカニカルシール装置１００を洗浄するとともに、冷却を行うために、メカニカルシール装置１００の構造が軸方向へ長くなって複雑になる。つまり、フラッシング通路１３６に連通する洗浄通路によって回転密封環１１２と固定密封環１０２の外周側および各外周面１０６Ｂ，１２６Ｂをフラッシング流体により洗浄する必要がある。また、クエンチング通路１３５に連通する冷却通路Ｓによって回転密封環１１２と固定密封環１０２の内周側、および保持体１０６の内周面１０６Ｃにクエンチング流体を供給してメカニカルシールを冷却する必要がある。このため、メカニカルシール装置１００が軸方向へ長い構造になるとともに、これらの洗浄通路と、冷却通路Ｓの間隔が狭くなるので、洗浄および冷却効果が低下する恐れがある。

特に、ケーシング１６０の孔周面１６０Ａ内の間隙Ｄの範囲は、構造的に大径にできない場合が多く、又は、シール能力を向上させるために回転密封環１１２と固定密封環１０２を大形にするために、回転密封環１１２と固定密封環１０２の内周側の冷却通路Ｓおよび回転密封環１１２の外周面側と固定密封環１０２の外周面側とに対する孔周面１６０Ａとの間の洗浄通路の間隙も狭くて長くなる。その結果、上述の冷却効果と洗浄効果はさらに低下する。そして、被密封流体から生起する不純物が各シール面１０２Ｆ，１１２Ｆの間や、Ｏリング１４３と第１段付面１０６Ａおよび第２段付面１３０Ａの間に付着して互いに接合して摺動する両シール面１０２Ｆ，１１２ＦやＯリング１４３のシール能力を悪化させることになる。

また、Ｏリング１４３と第１段付面１０６Ａおよび第２段付面１３０Ａとの間にケミカル液の反応物、スラリー、高粘度液などが付着すると、この付着によってＯリング１４３が圧着されるとともに、不純物が蓄積して保持体１０６の移動が困難になる。そして、保持体１０６の移動が困難になると、互い接合する両シール面１０２Ｆ，１１２Ｆのシール能力が低下する。さらに、固定密封環１０２のシール面１０２Ｆと回転密封環１１２のシール面１１２Ｆより機内Ａの内方に各Ｏリング１４１，１４２を設け、このＯリング１４１，１４２によりクエンチング通路１３５からの流体が機内Ａへ浸入するのを防止すると共に、ケーシング１６０の孔周面１６０Ａ内に存在する被密封流体がクエンチング通路１３５へ浸入するのを防止する構成にされている。このため、各Ｏリング１４１，１４２の取付構造を複雑にするとともに、被密封流体によって各Ｏリング１４１，１４２が劣化すると、被密封流体等が漏洩することになる。この漏洩した被密封流体が機外Ｂへ漏洩するのを防止するために、ばね座体１０７に設けたガスケット１４６によりシールしている。しかし、このガスケット１４６のシール面は、スリーブ１２５と強く摺動するために、メカニカルシールの各シール面１０２Ｆ，１１２Ｆよりも早く摩耗する。このため、メカニカルシール１０２，１１２より漏洩した被密封流体は、ガスケット１４６から漏洩することになる。さらに、他の公知例として、シール能力を向上させるために、複数のメカニカルシールを軸方向へ直列に配置した軸封装置が存在する。しかし、これらのメカニカルシールは、シール面の圧接状態が同じであるから、時間とともに、同時に摩耗するので、被密封流体を確実に密封することが困難になる。したがって、メカニカルシール装置は、複数のシール構造にしても、被密封流体の漏洩を防止することが困難である。

特開２０００−３５６２７０号公報。 特開平１１−１３８９４号公報。

本発明は、上述のような問題点に鑑み成されたものであって、その発明が解決しようとする技術的課題は、製紙用パルプ液、ケミカル液、高粘度液、さらには不純物を含む液等の被密封流体を確実にシールすることにある。また、メカニカルシール装置の被密封流体をシールする全体のシール部の耐久能力を向上させることにある。さらに、メカニカルシール装置の構造を簡単にしてメカニカルシール装置を安価にすることにある。

本発明は、上述のような技術的課題を解決するために成されたものであって、その技術的解決手段は以下のように構成されている。

請求項１に係わる本発明のメカニカルシール装置は、装置本体に設けた外面を貫通する内周面と、内周面に挿設された軸との嵌合間隙を密封するメカニカルシール装置であって、装置本体の外面に軸を囲んで取り付けられる取付面と、軸を囲む内周面に取付面側から機外へ向かって形成された嵌合面と環状溝面と遮断面と、取付面と反対側の端面に設けた支持面と、支持面から軸を囲んで機外へ筒状に突出した外周に案内面を設ける支持部と、環状溝面内の冷却室に連通してクエンチング流体が通る冷却用流体通路と、を有する取付部品、取付部品の嵌合面と移動自在に嵌合する外周の移動面と、軸との間に間隙を形成する流路用内周面と、押圧手段により機外方向へ押圧されるとともに先端の軸の回りに設けたシール面と、を有する第１密封環、第１密封環のシール面と軸の回りで密接するとともに摺動可能な相対シール面を有する第２密封環、取付部品の支持面と対向する押圧面を有するとともに前記押圧面と反対側の端面に遮断シール面を有し且つ支持部の案内面に対して機外から挿設されて移動可能に密封嵌合するシール内周面を有する環状の遮断シール部、遮断シール部の内方に機外側から挿設されて第２密封環を密封に保持する保持部を有するとともに遮断シール面と対向して被密封流体をシールする対向シール面を有し且つ軸に密封に取り付けられる環状のシールカラー、および冷却室から遮断シール面と対向シール面との間へ流体が流出するのを遮断するゴム又は樹脂材製のシールリングを具備し、遮断シール部の押圧面がばね手段又は／および流体圧力により押圧されて遮断シール面の面圧がシール面の面圧よりも小さな面圧で接触可能にされているものである。

この請求項１に係わる本発明のメカニカルシール装置によれば、遮断シール部の押圧面がばね手段又は／および流体圧力により押圧されて遮断シール面の面圧がシール面の面圧よりも小さな面圧で密に接触する構成である。一方、相対するシール面と相対シール面は、過酷な被密封流体に接触してシールするとともに、遮断シール面より面圧を大きくして被密封流体を確実にシール構成である。このため、第１密封環のシール面と第２密封環の相対シール面からなる第１メカニカルシールは、遮断シール部の遮断シール面とシールカラーの対向シール面からなる第２メカニカルシールよりもシール面が早く摩耗して被密封流体を漏洩させることになる。また、シールリングはゴム又は樹脂材製であるから、炭化珪素等からなる第２メカニカルシールよりも早く摩耗することになる。その結果、第１メカニカルシールが故障しても、又は、シールリングが摩耗しても第２メカニカルシールにより更に被密封流体をシールすることが可能になるから、被密封流体が機外へ漏洩して問題になるのが防止できる効果を奏する。

また、メカニカルシール装置は、装置本体に取り付けられる取付部品にメカニカルシール装置のすべての部品が軸方向から簡単に組み立てられる構成になっている。つまり、第１密封環は取付部品に機外から軸方向へ挿入すると、ボルトなど使用することなく、簡単に嵌合して組み立てられる。また遮断シール部も機外から軸方向へ挿入すると、ボルトなど使用することなく、簡単に組み立てられる。そして、シールカラーに保持された第２密封環とともに、シールカラーを機外から軸方向へ挿入して軸に固定すると、全体のメカニカルシール装置は簡単に組み立てられる。また反対に、メカニカルシール装置を分解するときにも、組み立てとは逆に分解すると簡単に部品を取り外すことが可能になる。したがって、メカニカルシール装置の保守や点検が極めて容易になる。

図１は、本発明に関わるメカニカルシール装置をハウジングと軸との間に装着した全断面図である。

図２は、図１に示すメカニカルシール装置の軸方向の平面図である。

図３は、本発明に関わる実施例２のメカニカルシール装置をハウジングと軸との間に装着した全断面図である。

図４は、本発明に関わる実施例３のメカニカルシール装置を装着した片側断面図である。

図５は、本発明に関わる従来のメカニカルシール装置の全断面図である。

符号の説明

１ メカニカルシール装置
２ 第１メカニカルシール
３ 固定用密封環（第１密封環）
３Ａ シール面
３Ｂ 取付溝
３Ｃ 流路用内周面
３Ｆ フランジ部
３Ｇ 案内溝
３Ｓ 移動面
１０ 回転用密封環（第２密封環）
１０Ａ 相対シール面
１０Ｃ 嵌合用内周面
１５ 遮断シール部
１５Ａ 遮断シール面
１５Ｃ シール内周面
１５Ｃ１ 間隙形成面
１５Ｇ フランジ
１５Ｈ 押圧面
１５Ｈ１ 受圧面
１５Ｐ ばね座
１６ 第１コイルばね
２０ シールリング
２０Ａ シール部
２１ 第２コイルばね
２４ Ｏリング
２５ Ｏリング
２６ Ｏリング
２７ Ｏリング
３０ シールハウジング
３０Ａ 取付面
３０Ｂ 環状溝面
３０Ｃ 嵌合面
３０Ｄ 案内面
３０Ｇ 固定用溝
３０Ｈ 支持面
３０Ｐ 支持部
３０Ｓ 遮断面
３０Ｔ 連通路
３１ 植込ボルト
３４ ガスケット
３５ 固定ピン
４０ 冷却用流体通路
４０Ａ ドレン孔
４１ 洗浄用流体通路
４１Ａ 流体通路
５０ シールカラー
５０Ａ 嵌着面
５０Ｂ 対向シール面
５０Ｃ 内周面
５０Ｓ 段付面
５１ セットスクリュー
５２ 固定ピン
６３ ボルト
Ｒ 嵌合間隙
Ｒ１ 間隙
Ｒ２ 冷却室
Ｒ３ シール間隙
Ｒ４圧力室

以下、本発明に係わる実施の形態のメカニカルシール装置１を図面に基づいて詳述する。尚、以下に説明する各図面は、寸法関係が正確な設計図を基にしたものである。

図１は、本発明に係わるメカニカルシール装置１を装置本体（スタフィングボックスとも言う）６０と回転軸７０の嵌合間隙Ｒの外部にカートリッジの構造として装着した断面図である。又、図２は、図１のメカニカルシール装置１を回転軸７０に嵌合した軸方向の平面図である。以下、本発明の実施例１を図１と図２とを参照して説明する。

図１は、本発明に係わる実施例１のメカニカルシール装置１を示すものである。図１又は図２に示すように、装置本体６０には、外面６０を貫通る内周面６０Ｃが形成されている。この内周面６０Ｃ内に嵌合間隙Ｒを設けて回転軸７０が配置されている。そして、機内Ｉに存する被密封流体が、この嵌合間隙Ｒから機外Ｏへ漏洩するのをシールする構成が図１に示すメカニカルシール装置１である。本発明のメカニカルシール装置１は、順に、機外Ｏから軸７０に対して軸方向へ挿入して外面６０Ａに取り付ける取付部品（以下、シールハウジングと言う）３０と、機外Ｏから同方向のシールハウジング３０に嵌合する遮断シール部１５と、機外Ｏから同方向のシールハウジング３０に嵌合される静止用密封環３と、機外Ｏで同方向にシールカラー５０と嵌着する回転用密封環１０と、機外Ｏから同方向の回転軸７０に嵌着するシールカラー５０とが、この機外Ｏから軸方向へ組み立てを容易にした構成部品である。なお、被密封流体をシールする静止用密封環（第１密封環という）３のシール面と回転用密封環（第２密封環という）１０の相対シール面との組み合わせを第１メカニカルシール２と称する。

次に、装置本体６０に取り付けられるシールハウジング３０は、図２に示すように、環状体を成すと共に、外周の周方向に沿って４等配に固定溝３０Ｇを設ける。そして、シールハウジング３０の取付面３０Ａは、固定溝３０Ｇを機外Ｏの軸方向から装置本体６０に設けた植え込みボルト６３に挿入しながら、外面６０Ａに取り付ける。このシールハウジング３０の内周面は、機内Ｉから機外Ｏに向かって嵌合面３０Ｃと、環状溝面３０Ｂと、遮断面３０Ｓとに形成する。この環状溝面３０Ｂ内は冷却室Ｒ２に形成する。又、シールハウジング３０には、外周面の周方向へ向かって２〜３個の冷却用流体通路４０と１個のドレン孔（図１では冷却用流体通路４０と周方向に異なる位置）４０Ａとを外部から内周面へ貫通状態に設ける。この冷却用流体通路４０のクエンチングポートには、図示省略する機外Ｏの配管に設けた継手部と接続可能な管用ねじが設けられている。そして、配管から供給されるクエンチング液（クエンチング冷却気体の場合も含む）が、図１の流れ線で示すように、冷却用流体通路４０を流れて冷却室Ｒ２に流入し、冷却室Ｒ２に内在するシール面３Ａと相対シール面１０Ａが相対摺動するときに発生する熱をクエンチング液によって冷却する。なお、図２に示すシールハウジング３０の下部又は側部に設けたドレン孔４０Ａは、冷却用流体通路４０から供給された流体を冷却室Ｒ２内で循環させた後に排出させるものである。このドレン孔４０Ａの管用ねじには図示省略の絞り弁を螺合して取り付ける。この絞り弁を調節して冷却室Ｒ２内のクエンチング液を必要なだけ循環させる。同時に、圧力室Ｒ４の圧力を調節して後述する受圧面１５Ｈ１に作用する力とともに遮断シール面１５Ａの面圧を制御する。

また、シールハウジング３０の外周面に沿って設けた１個又は複数個の洗浄用流体通路４１は、図示省略した機外Ｏの配管と接続可能な管用ねじを入口に設けてフラッシングポートに構成するとともに、内周面へ貫通する孔状の流体通路４１Ａを設ける。つまり、流体通路４１Ａは、洗浄用流体通路４１の一部である。そして、機外Ｏの配管から供給されるフラッシング流体は、図１に示すフラッシング流体の流れ線のごとく、洗浄用流体通路４１を流れて流体通路４１Ａで速度を増し、間隙Ｒ１を通って直接に各シール面３Ａ、１０Ａの内周側へ噴射される。このフラッシング流体は、断続的に噴射されて固定用密封環３の内周面３Ｃや両シール面３Ａ、１０Ａなどの被密封流体と接する周面を洗浄する。このフラッシング流体は、被密封流体と同じ流体の場合もあれば、清水などの場合もある。いずれにせよ、機内Ｉの被密封流体に混入しても問題にならない流体を用いる。

シールハウジング３０の嵌合面３０Ｃには、固定用密封環（第１密封環）３の外周の移動面３Ｓが軸方向へ移動自在に嵌合する。この固定用密封環３の移動面３Ｓには、嵌合面３０Ｃとの間をシールするＯリング用の取付溝３Ｂを形成する。この移動面３Ｓは取付溝３Ｂの両側の直径を同一径に形成しても良いが、一実施例としては、移動面３Ｓの取付溝３Ｂより流体通路４１Ａ側の直径を微少だけ小径の移動面３Ｓに形成すると良い。そして、この取付溝３Ｂには、シール用の弾性のＯリング（シールリング）２４を取り付ける。この小径の移動面３Ｓと嵌合面３０Ｃとの間隙から、フラッシング流体が直接にＯリング２４へ作用してＯリング２４の表面に着きやすい付着物を洗浄できるようにしている。Ｏリング２４の材質は、ＨＮＢＲ，フッ素ゴム、ニトリルゴム、ＥＰＤＭ、パーフロロエラストマなどが用いられる。

更に、固定用密封環３には、取付溝３Ｂと反対側の先端面にシール面３Ａを形成する。又、筒部の移動面３Ｓとシール面３Ａとの中間の外周面には、リング状に突出したフランジ部３Ｆに形成する。このフランジ部３Ｆには２等配又は３等配等のＵ型に凹んだ案内溝３Ｇを形成する。そして、各案内溝３Ｇには、環状溝面３０Ｂの側面に形成された取付穴に嵌着した固定ピン３５を係合する。この固定ピン３５と案内溝３Ｇとの係合は、軸方向へ相対移動すると共に、周方向へは係止する。又、このフランジ部３Ｆの側面には、周方向へ等配にした複数のばね座を設ける。また、このばね座とシールハウジング３０に設けた取付穴との間に複数個のうちの図１に示す一個の第１コイルばね（押圧手段の一種）１６が着座して固定用密封環３を相対シール面１０Ａの方向へ押圧する。更に、固定用密封環３の通路用内周面３Ｃは、回転軸７０の外周面７０Ａに対してフラッシング流体が抵抗なく流通できるように大きな間隙Ｒ１に形成し、パルプ液等のスラリーを含む被密封流体が固形化しても目詰まりすることなく流通できるようにしている。この固定用密封環３は、炭化珪素、カーボンその他、硬質合金、セラミックスなどから製作されている。なお、固定用密封環３は、被密封流体の圧力でもシール面３Ａ側へ押圧される。

第１メカニカルシール２を構成する他方の回転用密封環（第２密封環）１０は、回転軸７０に嵌着したシールカラー５０の大径のフランジ基部に設けた対向シール面５０Ｂから内径側へ多段段（図１では３段）の段付部に突出した先端側の保持部に嵌着して保持されている。また、シールカラー５０は、回転軸７０に対してＯリング２６を介して密封に嵌着すると共に、フランジ基部に設けた貫通したねじにセットスクリュー５１を螺合して回転軸７０と固定する。そして、回転用密封環１０の内周面１０Ｃは、シールカラー５０の嵌着面５０ＡにＯリング２５を介して密封嵌合すると共に、回転用密封環１０の外周面に等配で複数個に切り欠いた凹部とシールカラー５０の対応する位置の取付穴に各々嵌着した複数個の固定ピン５２とは、互いに周り止めになるように係止している。

また、回転用密封環１０の一端には相対シール面１０Ａを形成する。この相対シール面１０Ａは、固定用密封環３のシール面３Ａと密封に接触して相対に摺動可能にする。更に、回転用密封環１０の外周面は、シールハウジング３０の冷却室Ｒ２より軸方向へ円筒状に突出した支持部３０Ｐを設けるとともに、支持部３０Ｐの内周面に設けた遮断面３０Ｓと間隙を設けて対面させる。そして、シールカラー５０の段付部に設けた段付面５０Ｓと回転用密封環１０の端面との間にシールリング２０の取付基部を狭持する。そして、取付基部から冷却室Ｒ２側へ鈍角に曲げられたシール部２０Ａは、遮断面３０Ｓと密接して冷却用のクエンチング液が冷却室Ｒ２から遮断シール面１５Ａ側へ漏洩するのをシールする。このシールリング２０は弾性を有する樹脂材、ＨＮＢＲ、またはＯリング２４と同じ材質のゴム材製にすると良い。また、回転用密封環１０は、炭化珪素、カーボン、その他、硬質合金、セラミックスなどの材質から製作する。なお、シールリング２０は、図示は省略するが、間隙形成面１５Ｃ１又は間隙形成面１５Ｃ１と対向するシールカラー５０の周面に環状溝を設けるとともに、この環状溝にシールリング２０を取り付けてシール間隙Ｒ３を遮断しても良い。このシールリング２０は、上記の形状の他に断面がＯ形、断面が方形等のリングにすることもできる。

次に、シールハウジング３０の取付面３０Ａと、装置本体６０の外面６０Ａとの間には、ガスケット３４を設ける。このガスケット３４によりシールハウジング３０と装置本体６０との両部品の取付間をシールする。なお、このガスケット３４の内周面３４Ａは、図示状態より小径にして回転軸７０に対して０．５から１．５ｍｍ位の近接状態に嵌合すると良い。そして、ガスケット３４は、ゴム、樹脂又はアルミニウム、銅等の弾性板にする。また、洗浄用流体通路４１から射出されたフラッシング流体は、図１に流れ線で示すように固定用密封環３と回転軸７０との間の間隙Ｒ１を通過させてシール面３Ａ側へ流す。同様に、ガスケット３４の内径が小径に形成されて回転軸７０と近接状態に嵌合している場合には、洗浄用流体通路４１から射出されたフラッシング流体がガスケット３４に当接して乱流し、取付溝３Ｂの機内Ｉ側の開口間隙及びＯリング２４の被密封流体と接する表面を洗浄するとともに、間隙Ｒ１を通過して内周面３Ｃに付着する固形物を洗浄する。同時に、両密封環３，１０の各シール面３Ａ、１０Ａ間に摺動により摩耗粉が発生しても摺動時の両シール面３Ａ、１０Ａ間に内方から巻き込まれた微量なフラッシング流体によって冷却室Ｒ２内へ排出される。

さらに、シールハウジング３０は、環状溝面３０Ｂを両シール面３Ａ、１０Ａに対して軸方向両側へ大きく離れる形に形成して冷却容積を大きくする。この環状溝面３０Ｂの一方の側面は、固定用密封環３の外周の取付溝３Ｂとフランジ部３Ｆとの中間まで大きく形成する。更に、他方の側面は回転用密封環１０の相対シール面１０Ａを越えるまで広く形成すると良い。そして、冷却用流体通路４０から供給されるクエンチング液は、直接に摺動する両シール面３Ａ、１０Ａへ射出できるようにする。同時に、冷却室Ｒ２内を循環して両シール面３Ａ、１０Ａの外周側を強力に洗浄する。そして、固定用密封環３と回転用密封環１０との大半を覆うように大きく形成した冷却室Ｒ２は、両密封環３、１０が相対摺動して摩擦により発熱しても、この大きな冷却室Ｒ２の容積に蓄えられたクエンチング液により急速に冷却する効果が発揮できる。

また、前述した支持部３０Ｐの外周面に設けた案内面３０Ｄには、Ｏリング用の環状溝を形成する。この環状溝には、前述したゴム又は樹脂等のＯリング２４と同じ材質で製造した弾性Ｏリング２７を嵌合する。そして、この支持部３０Ｐの案内面３０Ｄに摺動自在に嵌合するシール内周面１５Ｃを設けた遮断シール部１５は、環状に形成する。この遮断シール部１５は外周の機内Ｉ側にフランジ１５Ｇを設ける。このフランジ１５Ｇには図２に示すように径方向線上の軸対称の２個所に案内溝を形成する。そして、シールハウジング３０に設けた植え込みボルト３１は、遮断シール部１５が回動しないように案内溝と係止させる。また、遮断シール部１５は機外Ｏ側の先端に直接に遮断シール面１５Ａを設ける。この遮断シール面１５Ａは、図１に示すように、樹脂リングを接着又はコーティングして端面を遮断シール面１５Ａに構成しても良い。また、遮断シール部１５にはシール内周面１５Ｃより遮断シール面１５Ａ側に間隙形成面１５Ｃ１を形成してシールカラー５０の外周面との間にシール間隙Ｒ３を設ける。このシール間隙Ｒ３は狭い間隙にすると良い。なお、遮断シール部１５の材質は、ＬＢＣ３などを用いているが、固定用密封環３の材質と同じ材質にしても良い。例えば、カーボン、炭化珪素、セラミック、硬質合金などである。

更に、遮断シール部１５の遮断シール面１５Ａ側の端部外周には、突出したリング状の突出部を形成する。そして、遮断シール部１５は、遮断シール面１５Ａと反対の押圧面１５Ｈの円周に沿って等配に複数個のばね座を設ける。この各ばね座と、このばね座と対向する位置のシールハウジング３０に設けた各穴付ばね座１５Ｐとには、ステンレス鋼材製の各第２コイルばね（押圧手段）２１の両端部が各々接合し、押圧面１５Ｈを介して遮断シール部１５を第１ばね１６より小さな弾発力Ｓで軽く押圧する。この各第２コイルばね２１は、図示が省略してあるが、シールハウジング３０に設けられた雌ねじに雄ねじを螺合して取付面３０Ａ側から第２コイルばね２１の支持端部をシールカラー５０側へ押圧できるようにする。そして、雄ねじの調整により、摺動時に、固定用密封環３のシール面３Ａよりも遮断シール面１５Ａの摩耗量が少なくできるようにしても良い。また、遮断シール面１５Ａと対向シール面５０Ｂとは摩擦係数を小さくなるように軽く密接して摩耗しないようにする。

このシールカラー５０の遮断シール面１５Ａと対向する面には、対向シール面５０Ｂを形成する。この遮断シール部１５の遮断シール面１５Ａとシールカラー５０の対向シール面５０Ｂにより第２メカニカルシールを構成する。この対向シール面５０Ｂには、樹脂材等の摩擦係数の小さい材料をシール膜になるようにコーティングすると良い。このように構成すれば、遮断シール部１５は、特殊な材料でなく、安価なステンレス鋼や一般の合金鋼で製作することができる。そして、第１メカニカルシール２の両シール面３Ａ，１０Ａが摩耗して被密封流体が冷却室Ｒ２側へ漏洩した場合、又は、シールリング２０が摩耗してクエンチング流体がシール間隙Ｒ３へ漏洩した場合には、遮断シール面１５Ａと対向シール面５０Ｂが密接して漏洩した流体をシールする。なお、シールカラー５０はステンレス鋼（ＳＵＳ３１６など）を用いるが、硬質合金などでも良い。

そして、この第２メカニカルシールの遮断シール面１５Ａと対向シール面１５Ｂとの接合する面圧は、第１メカニカルシール２のシール面３Ａと相対シール面１０Ａの接合する面圧よりも小さくされている。なお、第１メカニカルシール２のシール面３Ａと相対シール面１０Ａの接合する面圧は、被密封流体の圧力よりやや大きくされている。これに対して、第２メカニカルシールの遮断シール面１５Ａと対向シール面１５Ｂとの接合する面圧は、両シール面１５Ａ，５０Ｂの摩耗を防止する意味から、第１メカニカルシール２のシール面３Ａと相対シール面１０Ａの接合する面圧よりも小さくする。一例として、第２メカニカルシールの遮断シール面１５Ａと対向シール面１５Ｂとの接合する面圧は、機内Ｉの被密封流体の圧力より低く、且つ０ＭＰa〜０．３ＭＰa以下にすると良い。このときの第１メカニカルシール２のシール面３Ａと相対シール面１０Ａとの接合する面圧は、第２メカニカルシールの面圧よりも常に大きくされており、例えば、その範囲は０．００１ＭＰa〜０．４ＭＰaである。したがって、第２メカニカルシールの被密封流体をシールするシール能力の期間は、第１メカニカルシール２の被密封流体をシールするシール能力の期間よりも長くなる。

この様に構成されたシールハウジング３０とシールカラー５０は、セットプレート５５により位置決めして取り付ける。このセットプレート５５は、正面図が円弧状で、仮想線で示すような断面に形成されており、シールカラー５０の周面に等配に複数個のセットプレート５５がソケットボルト５９により固定されている。そして、セットプレート５５に形成された係合溝５５Ａを突出部に係止させて、シールハウジング３０とシールカラー５０とを位置決めして取付る。このとき、シールハウジング３０の支持面３０Ｈと遮断シール部１５の押圧面１５Ｈとの間は間隙を設けている。そして、新設の第１メカニカルシール２のシール面３Ａと相対シール面１０Ａが摩耗しない期間、又は遮断シール部１５により被密封流体をシールしないときは、ナットＢを植え込みボルト棒３１に螺合して遮断シール面１５Ａと対向シール面５０Ｂを非接触状態にしておいても良い。そして、第２メカニカルシールは、このような状態にしておくことにより、第１メカニカルシール２に対して更なる耐久能力を発揮することが可能になる。

図３は、本発明に係わる実施例２のメカニカルシール装置１を示す断面図である。

図３に示すメカニカルシール装置１は、図１に示すメカニカルシール装置１と同一発明である。図３において、図１と同一符号は、図１の部品とほぼ同一構成である。このため、図３の部品の説明は、前述と重複するので省略する。図３のメカニカルシール装置１が図１と相違する点は、遮断シール部１５と、その遮断シール部１５とシールハウジング３０との間の対向面間に圧力室と、を設けた構成である。この遮断シール部１５は、支持面３０Ｈ側を円筒部に形成する。また、シールハウジング３０の支持面３０Ｈは、遮断シール部１５の円筒部に対応して嵌合するように軸方向に環状の溝部に形成する。そして、遮断シール部１５のシール内周面１５Ｃを支持部３０Ｐの案内面３０Ｄに摺動自在に嵌合するとともに、円筒部を上記の溝部の支持面３０Ｈ側へ嵌合する。

このシール内周面１５Ｃと案内面３０Ｄには、図１と同様にＯリング２７を装着する。このＯリング２７によりクエンチング流体が流出するのをシールする。また、遮断シール部１５の支持面３０Ｈ側の端面には、受圧面１５Ｈ１を設ける（図１の押圧面１５Ｈを受圧面１５Ｈ１に構成する）。さらに、遮断シール部１５の外周面とシールハウジング３０の嵌合周面との間には、両部品を組み合わせたＯリング用溝３８に形成する。このＯリング用溝３８にはＯリング２８を装着してクエンチング流体をシールする。そして、支持面３０Ｈと受圧面１５Ｈ１との間に圧力室Ｒ４を形成する。さらに、冷却室Ｒ２から圧力室Ｒ４へクエンチング流体を流入可能にするために、支持部３０Ｐの付け根に、冷却室Ｒ２から圧力室Ｒ４へ連通する連通路３０Ｔを環状溝面３０Ｂの内周面に沿って複数個を設ける。なお、遮断シール部１５の先端面には、図１と同様に構成された遮断シール面１５Ａを設ける。なお、遮断シール部１５の先端面を直接に研磨して遮断シール面１５Ａに形成しても良いが、遮断シール部１５の材質によっては、低摩擦係数の樹脂材製のシールリングを接着、又は先端面に低摩擦係数の樹脂材をコーティングしても良い。

このように形成されたメカニカルシール装置１は、第１メカニカルシール２の両シール面３Ａ，１０Ａが摩耗して被密封流体が冷却室Ｒ２へ漏洩した場合には、連通路３０Ｔを介して圧力室Ｒ４の圧力が上昇するから、この圧力が受圧面１５Ｈ１に作用して軽く接触している遮断シール面１５Ａが対向シール面５０Ｂに圧力に応じて密接する。また、シールハウジング３０に冷却室Ｒ２へ貫通する図示省略の圧力センサを設ける。そして、第１メカニカルシール２から冷却室Ｒ２へ被密封流体が漏洩した場合には、冷却室Ｒ２の圧力が上昇するから、圧力センサによって検知した信号はクエンチング流体を供給するポンプの制御部に送信されてポンプの供給量が増加するようにする。そして、この供給量の増加により、冷却室Ｒ２に流れたクエンチング流体は圧力室Ｒ４に流れて圧力室Ｒ４の圧力を増加させる。同時に、冷却室Ｒ２の圧力が上昇することにより、第１メカニカルシール２から被密封流体が漏洩するのを、この圧力により防止することも可能になる。

そして、遮断シール部１５の遮断シール面１５Ａを対向シール面５０Ｂにさらに強く密接させる。このため、第１メカニカルシール２が故障して被密封流体がシール面３Ａ，１０Ａから漏洩しても遮断シール面１５Ａにより効果的にシールされる。なお、第２コイルばね２１は、図１と同様に、Ｏリング２７により遮断シール部１５が移動するときに摩擦力を生じるが、この摩擦力に応じて遮断シール面１５Ａを対向シール面５０Ｂに軽く接触するように補助的に押圧する。また、シールハウジング３０のばね座１５Ｐ（図１参照）と遮断シール部１５のばね座１５Ｐは、ともに穴付ばね座に形成する。そして、第２コイルばね２１がこの両穴付ばね座に嵌合しているので、遮断シール部１５は遮断シール面１５Ａの小さな摩擦では回動しないようにされている。また、他の実施例として、この穴付ばね座１５Ｐは周面に沿って多数個が等配に配置されているので、その一個の両穴付ばね座１５Ｐにノックピンを摺動自在に嵌合している。このため、遮断シール部１５は遮断シール面１５Ａの回動する時の摩擦力では、回動しないようになる。

図４は、本発明のメカニカルシール装置１の実施例３である。図４はメカニカルシール装置１の片側の断面図である。この図４のメカニカルシール装置１が図３と相違する点は、シールリング２０が径方向を成すリング状に形成されているものである。このシールリング２０は、外周のシール部２０Ａに向かって薄肉に形成する。また、シール部２０Ａの先端面はシール内周面１５Ｃに密接させると良い。そして、シールリング２０のシール部２０Ａは、遮断シール部１５の第２シール面１５Ｍに密接するように構成する。このシールリング２０は、ゴム又は樹脂材製である。そして、クエンチング流体をシールするとともに、被密封流体が第１メカニカルシール２から漏洩した場合は、その漏洩する増加圧力によりシールリング２０を押圧して遮断シール部１５を移動させて遮断シール面１５Ａの面圧を増加させる。また、図４も図３と同様に、図示していない支持部３０Ｐに連通路３０Ｔを設ける。

そして、第１メカニカルシール２から被密封流体が冷却室Ｒ２へ漏洩した場合には、遮断シール部１５の受圧面１５Ｈ１に冷却室Ｒ２の圧力が作用するように構成する。また、圧力室４の圧力により遮断シール部１５を押圧し、遮断シール面１５Ａを対向シール面１０Ａに密接させる。このように、遮断シール部１５は、受圧面１５Ｈ１とシールリング２０に対して冷却室Ｒ２内の増加した流体の圧力分を作用させ、第１メカニカルシール２から漏洩した流体に対して遮断シール面１５Ａの密封力を発揮させるものである。また、圧力室Ｒ４に取り付けた被密封流体の漏洩を感知する図示省略の感知手段により、被密封流体が第１メカニカルシール２から圧力室Ｒ４へ漏洩したのを感知して配管に設けたクエンチング流体用の図示省略の制御バルブを開くこともできる。この制御バルブが開くと、圧力室Ｒ４の圧力が増加するから、受圧面１５Ｈ１に作用して押圧し、遮断シール面１５Ａの対向シール面５０Ｂに対する面圧を高めて被密封流体を効果的にシールすることができる。

以下に、本発明に係わる他の実施態様の発明について、その構成と作用効果を説明する。

本発明に係わる第１発明のメカニカルシール装置は、第１密封環と遮断シール部が同一材質で構成されているものである。

この本発明に係わる第１発明のメカニカルシール装置では、第１密封環と遮断シール部は同一材質で構成されている。そして、第１密封環のシール面が遮断シール部よりも過酷な使用条件の被密封流体に接触してシールするために、シール面の面圧が高くされている。そして、一般に密封環は材質が数種類に限定されるので、同一の材質では、遮断シール部の遮断シール面よりも第１密封環のシール面の方が早く摩耗する。したがって、第１密封環のシール面が摩耗しても、面圧が小さい遮断シール面は、摩耗していないから、第１密封環のシール面と相対シール面から被密封流体が漏洩しても遮断シール面によって被密封流体を効果的にシールすることが可能になる。その結果、ケミカルな被密封流体がメカニカルシール装置から漏洩し、機外において問題になるのを効果的に防止できる。

本発明に係わる第２発明のメカニカルシール装置は、取付部品の支持面と押圧面との対向間に押圧面へ流体の圧力が作用する圧力室を有するとともに圧力室と冷却室とに連通する連通路を有して冷却室の流体が圧力室へ流入可能にされているものである。

この本発明に係わる第２発明のメカニカルシール装置では、取付部品と遮断シール部との取付間に押圧面へ流体の圧力が作用する圧力室を有するとともに、圧力室と冷却室とに連通する連通路を有し、冷却室の流体が圧力室へ流入して押圧面を対向シール面側へ移動させることができる。したがって、シール面と相対シール面との間から被密封流体が漏洩して冷却室へ流れれば、冷却室の圧力は増加するから、冷却室に連通する圧力室の圧力も増加する。この増加した圧力は押圧面に作用して遮断シール面の面圧を高め、遮断シール面と対向シール面との間に被密封流体が流れてきたとしても、被密封流体に対してシール効果を発揮することが可能になる。

本発明に係わる第３発明のメカニカルシール装置は、シールリングが第２密封環とシールカラーとの接合間に密封に保持される取付部を有するとともに、取付部から冷却室側へ折り曲げられて前記遮断面と環状に密接するシール部を有し、前記シール部が前記冷却室から前記遮断シール面と対向シール面との接合間へ通じる間隙を遮断するものである。

この本発明に係わる第３発明のメカニカルシール装置では、シールリングが第２密封環とシールカラーとの接合間に保持される取付部を有するとともに、取付部から冷却室側へ折り曲げられて環状を成すシール部を有し、シール部が遮断面と環状に密接するものである。このため、ゴム又は樹脂材製のシールリングのシール部が摩耗してもシール部が損傷するまで被密封流体をシールすることが可能になる。また、シール部は冷却室側へ折り曲げられた還状のシール部に形成されているので、被密封流体の圧力を受けると、シール部は被密封流体の圧力によりシール内周面に密接する構成にされているから、被密封流体をシールするシール効果が発揮される。その結果、被密封流体の過酷な使用条件のために、シール面を有する第１メカニカルシールが損傷してもシールリングによって効果的に被密封流体をシールして機外へ流出するのが防止できる。

以上のように、本発明のメカニカルシール装置は、第１メカニカルシールが過酷な条件により耐久能力が低下しても、第２メカニカルシールにより被密封流体が機外に漏洩するのを防止できるので、パルプ液、ケミカル流体、スラリーを含む流体、高粘度の流体等をシールするのに有用である。また、構造が簡単で、分解と組み立てとが容易にして安価にしたメカニカルシール装置として有用である。

Claims (4)

1. 装置本体に設けた外面を貫通する内周面と、前記内周面内に挿設された軸との嵌合間隙を密封するメカニカルシール装置であって、
   前記装置本体の前記外面に前記軸を囲んで取り付けられる取付面と、前記軸を囲む内周面に前記取付面側から機外へ向かって形成された嵌合面と環状溝面と遮断面と、前記取付面と反対側の端面に設ける支持面と、前記支持面から前記軸を囲んで機外へ突出した外周に案内面を設ける支持部と、前記環状溝面内の冷却室に連通してクエンチング流体が通る冷却用流体通路とを有する取付部品、
   前記取付部品の前記嵌合面と移動自在に嵌合する外周の移動面と、前記軸との間に間隙を形成する流路用内周面と、押圧手段により機外側へ押圧されるとともに先端の前記軸の回りに設けたシール面と、を有する第１密封環、
   前記第１密封環のシール面と前記軸の回りで密接するとともに摺動可能な相対シール面を有する第２密封環、
   前記取付部品の前記支持面と対向する押圧面を有するとともに前記押圧面と反対側の端面に遮断シール面を有し且つ前記支持部の前記案内面に対して前記機外側から挿設されて移動可能に密封嵌合するシール内周面を有する環状の遮断シール部、
   前記遮断シール部の内方に前記機外側から挿設されて前記第２密封環を密封に保持する保持部を有するとともに前記遮断シール面と対向して被密封流体をシールする対向シール面を有し且つ前記軸に密封に取り付けられる環状のシールカラー、
   および前記冷却室から前記遮断シール面と対向シール面との接合間へ通じる間隙を遮断するゴム又は樹脂材製のシールリングを具備し、
   前記遮断シール部の前記押圧面がばね手段又は／および流体圧力により押圧されて前記遮断シール面の面圧が前記シール面の面圧よりも小さな面圧で接触可能にされていることを特徴とするメカニカルシール装置。
2. 前記第１密封環と前記遮断シール部は同一材質で構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装置。
3. 前記取付部品の前記支持面と前記押圧面との対向間に前記押圧面へ流体の圧力が作用する圧力室を有するとともに前記圧力室と前記冷却室とに連通する連通路を有して前記冷却室の流体が前記圧力室へ流入可能に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装置。
4. 前記シールリングが前記第２密封環と前記シールカラーとの接合間に密封に保持される取付部を有するとともに、前記取付部から前記冷却室側へ折り曲げられて前記遮断面と環状に密接するシール部を有し、前記冷却室から前記遮断シール面と対向シール面との接合間へ通じる間隙を遮断す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装置。

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