JP5168662B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシール装置に関し、特に、ポンプあるいは攪拌機等に適用して好適な縦型のメカニカルシール装置であり、ドライメカニカルシールを含み、機内側への異物の混入や金属の露出を防ぐことができるメカニカルシール装置に関する。

メカニカルシール装置においては、封止流体や機内側に収容される物質の性質や用途に起因して、機内側空間に、潤滑油やシール部の摩耗粉等を含む一切の異物を混入させないことが厳密に求められる場合がある。ポンプあるいは攪拌機等に適用して好適な縦型のメカニカルシール装置であって、そのような要求に対応したもの、すなわち、シール面から機内側への液や固形物の混入を防止する構成を有するものとしては、例えば特許文献１に開示されているメカニカルシール装置が知られている。

このメカニカルシール装置においては、図３に示すように、シール面８１の外周側（機外側）にシール面８１よりも高さの高いシール溜り環８２が配設されており、これによりシール面８１の外周側に潤滑剤を溜めておく溜り空間８３が形成されている。また、シール面８１の内側（機内側）には、漏洩したオイルが案内される受け部８４が形成されている。受け部８４は、図示のごとく、ケーシング８５を加工して環状の凹部８６を形成するとともに、その凹部８６の回転軸８９側の内周面に筒状の隔壁８７を設置して形成されている。図３に示す縦型メカニカルシール装置８０は、このような構成により、シール面８１に潤滑油を介在させながら、機内側に漏洩した潤滑油等が機内空間に入るのを防止している。

同様の装置は、特許文献２にも開示されている。特許文献２に開示されている装置は、図４に示すように、２つのメカニカルシール９１、９２を上下方向に並列に配列したダブルシール形態の軸封装置９０の下部に、軸封装置９０から流れてくる異物を回収する異物回収装置９４を設置した構成を有する。図４に示す装置においては、下方のメカニカルシール９２と異物回収装置９４との間に、メカニカルシール９２から排出落下される摩耗粉等の異物を回収桶９５に誘導する環状の異物誘導路９７が形成されている。また、異物回収装置９４は、回収桶９５及び真空吸引路に接続された吸引パイプ９６を有し、回収桶９５に収容された異物は、吸引パイプ９６を介して機外に吸引排出されるようになっている。

特開平８−１５９２９６号公報 特開２００８−８２３５４号公報

例えば食品や医薬品等の用途に使用される物質を扱うポンプや攪拌機等に使用されるメカニカルシール装置においては、前述したように、潤滑油やシール部の摩耗粉等を含めて一切の異物を機内側に混入させないことが求められる。しかし、この種のメカニカルシール装置においては、さらにこれに加えて、封止流体あるいは機内側に収容される物質の性質等のために、あるいは、耐腐食性が要求されるために、機内側空間に金属を露出させない仕様（ノンメタル仕様あるいはノンメタ仕様と称する場合もある。）が求められる場合がある。

しかしながら、図３を参照して説明した従来の縦型メカニカルシール装置８０においては、潤滑油等を収容する受け部８４はケーシング８５に隔壁８７が溶接されて形成されているもので、受け部を形成するこれらの部材には金属材料が使用されており、従って金属が露出していることになり、前述したようなノンメタ仕様を満足できないという問題がある。なお、このような要求の下で金属材料を使用する場合には、ＨＡＳ（ハステロイ）等の高耐食材料を使用することも可能であるが、そのような高耐食材料は非常に高価な材料であり、ケーシングを含めてそのような材料を使用することは現実的でない。

また、図３に示す従来のメカニカルシール装置８０は、構造が複雑で、コストが高くなり、メンテナンスが難しく面倒であるという問題もある。
さらにまた、受け部８４がメカニカルシール装置８０の相当の空間を占めており、これを装着する個所には軸方向に相当の空間を確保する必要があり、装置の小型化の障害となるという問題もある。

同様に、図４を参照して説明した軸封装置９０及び異物回収装置９４を含む装置も、金属材料が使用されておりノンメタ仕様を満足していない。この場合も、このような要求の下で金属材料を使用する場合には、ＨＡＳ（ハステロイ）等の高耐食材料を使用する必要があるが、そのような高耐食材料は非常に高価な材料であり、そのような材料の使用は現実的でない。

また、図４に示す装置は、図３に示すメカニカルシール装置８０と比してもさらに構造が複雑となっており、コストが高くなりメンテナンスが難しく面倒であるという問題がある。具体的には、例えば図４に示す異物回収装置９４は、ネジ状の固定金具９８により回収桶９５を回転軸９９に装着しており、本体（回収桶９５）以外にこのような金具９８を使用する必要が生じることからも、構造が複雑であることが明らかである。もちろん、このような金具９８を使用しないで単に回収桶９５を回転軸９９に嵌挿する等して設置することも考えられるが、異物の重みや回転軸の駆動により回収桶９５が機内側に落下する危険性があり、図４に示す装置構成においては、回収桶９５は固定金具９８により設置する必要があると言わざるを得ない。そして、このような金具９８を使用することは、同時に、図４に示す装置がノンメタ仕様を満足できない構成であるという問題も示している。

さらにまた、図４に示す装置は、ダブルシールを有する軸封装置９０の下方に異物回収装置９４を設置した構成であり、この点においても、図３に示すメカニカルシール装置８０と比してさらに軸方向に相当の空間を確保する必要があり、装置の小型化の障害となるという問題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、機内側空間に潤滑油や摩耗粉等の異物が混入することを防止するとともに、機内側に金属部材を露出させること無く、すなわち、ノンメタ仕様に適合し、また構成が簡単でメンテナンス等も容易でコストも低減でき、さらに異物回収のための構成を小型にできて装置全体の小型化にも寄与することのできる、ポンプや攪拌機等に適用して好適な縦型のメカニカルシール装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１に係る本発明のメカニカルシール装置は、軸方向が略鉛直方向である回転軸（２）の外周面とハウジングとの間をシールするメカニカルシール装置（１）であって、上向きに形成された静止側シール面（１１）と、内周面の下縁近傍に内方向に突出するように形成された凸状部（１３）とを有する静止環（１０）と、下向きに形成された回転側シール面（２２）を有し、回転軸（２）と一体的に回転するように回転軸（２）に設置可能で、回転軸（２）に設置された場合に回転側シール面（２２）が静止環（１０）の静止側シール面（１１）と密接摺動するように配置される回転環（２１）と、静止環（１０）の内側に挿入可能な筒状部（３１）と、筒状部（３１）の下縁近傍において当該部（３１）から外径方向に円環状に突出した鍔部（３２）と、鍔部（３２）と所定の間隔を隔てて筒状部（３１）の中段から外径方向に突出し、筒状部（３１）を静止環（１０）の内側に挿入した場合に静止環（１０）の凸状部（１３）と係合する凸状部（３３）とを有し、筒状部（３１）を静止環（１０）の内側に挿入した場合に、筒状部（３１）の外周面と静止環（１０）の内周面との間に異物を収容可能な間隙（３５）が形成される異物受け装置（３０）とを有することを特徴とする。

また、請求項２に係る本発明のメカニカルシール装置は、異物受け装置（３０）の筒状部（３１）の上縁部（３４）が、静止側シール面（１１）と回転側シール面（２２）が密接摺動する面よりも上方に配置されることを特徴とする。

また、請求項３に係る本発明のメカニカルシール装置は、静止環（１０）の機内側端部に装着される円環状部材（１８）をさらに有し、異物受け装置（３０）の鍔部（３２）の外径は前記円環材（１８）の内径よりも大きく形成されており、円環状部材（１８）は異物受け装置（３０）の鍔部（３２）の外縁部の少なくとも一部を静止環（１０）との間で挟持するように静止環（１０）の機内側端部に装着されることを特徴とする。

また、請求項４に係る本発明のメカニカルシール装置は 前記円環状部材（１８）がガスケットであることを特徴とする。

また、請求項５に係る本発明のメカニカルシール装置は 前記異物受け装置（３０）が樹脂製であることを特徴とする。

また、請求項６に係る本発明のメカニカルシール装置は 前記静止環（１０）がセラミック製であることを特徴とする。

なお、特許請求の範囲及び本明細書の課題を解決するための手段の欄に記載した符号は、理解を容易にするために、本願の実施の形態として示す具体例における対応する構成の符号を参考に記載したものであって、本発明の内容を本願の実施の形態の態様に限定するものではない。

請求項１に係る本発明のメカニカルシール装置によれば、機内側空間に潤滑油や摩耗粉等の異物が混入することを防止するとともに、構成が簡単でメンテナンス等も容易でコストも低減でき、さらに異物回収のための構成を小型にできて装置全体の小型化にも寄与することのできる、ポンプや攪拌機等に適用して好適な縦型のメカニカルシール装置を提供することができる。

また、請求項２に係る本発明のメカニカルシールによれば、異物を確実に収容することができ、よりいっそう確実に機内側空間に潤滑油や摩耗粉等の異物が混入することを防止することができる。

また、請求項３及び請求項４に係る本発明のメカニカルシールによれば、異物受け装置を確実に静止環の機内側内周面に保持することができ、異物受け装置の脱落等を確実に防ぐことができる。

また、請求項４に係る本発明のメカニカルシールによれば、機内側に金属部材が露出させることの無いノンメタ仕様に適合した条件の下で、機内側空間に潤滑油や摩耗粉等の異物が混入することを適切に防止することができる。

また、請求項５に係る本発明のメカニカルシールによれば、機内側に金属部材が露出させることの無いノンメタ仕様に適合した条件の下で、適切なシール性能を得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態のメカニカルシール装置の構成を示す図である。 図２は、図１に示したメカニカルシール装置の異物受け装置の構成を示す図である。 図３は、従来の縦型のメカニカルシールの例を示す図である。 図４は、従来の縦型のメカニカルシールの他の例を示す図である。

本発明のメカニカルシール装置の一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
本実施形態においては、ポンプや攪拌機等の機器に装着されるメカニカルシール装置であって、ケーシング（容器）の上部においてケーシングを貫通して鉛直方向に配設される回転軸に対してケーシングの開口と回転軸の外周面との間を封止する縦型のメカニカルシール装置を例示して本発明を説明する。

図１は、本実施形態のメカニカルシール装置１の構成を示す断面図である。
図１に示す回転軸２は、鉛直方向が軸方向となるように、すなわち上下方向に配設されているものであり、その上端部は図示せぬケーシングの上部開口を通過して大気側Ｂに突出し、例えばモータ等の回転駆動装置に接続されている。回転軸２は、図示せぬ軸受けにより支持される一方、ケーシングの開口との間をメカニカルシール装置１により封止されており、これにより装置の機内側Ａが機外側（大気側）Ｂから隔離されている。

メカニカルシール装置１は、図示のごとく、静止環（メイティングリング）１０及び回転環２１を有する。そして、メイティングリング１０の上面に形成されるシール面１１と、回転環２１の下面に形成されるシール面２２とが密接して摺動することにより、ケーシングと回転軸２との間が、換言すれば機内側Ａと機外側Ｂとがシールされる。本実施形態において、代表的な静止環１０の材質はセラミックであり、回転環２１の材質は充填材入ＰＴＦＥである。このような静止環１０及び回転環２１で形成される本実施形態のメカニカルシールは、潤滑油等を介在させないドライメカニカルシールである。

静止環１０は、フランジ５１を介して図示せぬケーシングの開口に固定設置される。静止環１０は、フランジ５１の機内側の内周面に形成される環状凹部５２に嵌挿され、機内側の外周面の複数個所をネジ５３により固定されることにより、フランジ５１に一体的に固定される。
また、フランジ５１には、シールカバー５５が装着されている。

回転環２１は、図示のごとく、ベローズ２３及び挿嵌部２４とともに一体化されて、筒状の回転環部２０を形成している。回転環部２０は、上端部の挿嵌部２４が回転軸２と嵌合され、その外周側にクランピングリング４２が配設されて締め付けられることにより、回転軸２と一体的に回転されるように回転軸２に固定される。挿嵌部２４の上端部には径方向外側に環状に突出した係合凸状部２５が形成されており、これがクランピングリング４２の内周面に形成された係合溝部４３と係合することにより、回転環部２０とクランピングリング４２とが相対的に軸方向にずれないように一体化され、ともに回転軸２に固定される。また、回転軸２に設置される回転環部２０及びクランピングリング４２の上側には、セットスクリュー４５により回転軸２に固定されたカラー４４が配設されており、回転環部２０等が軸方向上側にずれないように係止している。

回転環２１は、回転軸２に固定されている挿嵌部２４とベローズ２３を介して接続されており、ベローズ２３の伸縮に伴って回転軸２の軸方向に移動可能に構成されている。回転環２１には、その外側の所定の複数個所において、一方の端部がスプリングアダプター４６を介してクランピングリング４２に固定され、他方の端部がスプリング受け部４０を介して回転環２１の外周縁に接続されたコイルスプリング４１が接続されている。このコイルスプリング４１により、回転環２１は静止環１０方向に付勢され、回転環２１のシール面２２と静止環１０のシール面１１とが適切な面圧で密接に接触されている。

このようなメカニカルシール装置１の機内側の内周面には、本願に係る異物受け装置３０が設置されている。
異物受け装置３０の詳細な構造について図２を参照して説明する。
図２は、異物受け装置３０の構成を示す図であり、図２（Ａ）は平面図であり、図２（Ｂ）は断面図である。
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、異物受け装置３０は、断面Ｌ字形状で円環状の部材であり、回転軸２と同軸に回転軸２の周囲に配置される筒状部３１、メカニカルシール装置１の機内側端部から径方向外側に突出して円環形状をなしている鍔部（フランジ部）３２、筒状部３１の軸方向途中の外周面から径方向外側に所定の高さ突出している係合凸状部３３を有する。
この異物受け装置３０の材料は、樹脂である。

異物受け装置３０が装着される静止環１０の内周面１４には、機内側の縁部が所定の幅で円環状に凸になった凸状部１３が形成されている。すなわち、静止環１０の内周面１４には、機内側の縁部が所定の幅で小径となり機外側が太径となった段差１２が形成されている。また、静止環１０の凸状部１３の高さは、異物受け装置３０の係合凸状部３３の高さと略等しい高さである。
このような構成において異物受け装置３０を静止環１０の内周側に機内側から所定の圧力で挿入することにより、異物受け装置３０は静止環１０に対して図１に示すような形態で装着される。すなわち、異物受け装置３０の係合凸状部３３が静止環１０の凸状部１３を越えて機外側の太径部に配置されることとなる。換言すれば、異物受け装置３０の鍔部３２と係合凸状部３３との間に静止環１０の凸状部１３が配置されることとなる。

このような状態においては、異物受け装置３０の係合凸状部３３と静止環１０の凸状部１３とが十分に係合しているため、異物受け装置３０は、相当の力を与えない限り、静止環１０の内周部から抜けることは無い。従って、静止環１０及び異物受け装置３０をこのような構造とすることにより、異物受け装置３０は、何らボルト等の固定用具を使用せずに、静止環１０の機内側内周部に安定的に設置することが可能となる。

このように異物受け装置３０が静止環１０に装着された状態において、異物受け装置３０の筒状部３１の上端部３４は、静止環１０のシール面１１と回転環部２０のシール面２２との密接摺動面よりも高い位置となるように配置される。換言すれば、そのような配置となるように、異物受け装置３０の筒状部３１の長さ等が設定される。このような構成とすることにより、静止環１０のシール面１１と回転環部２０のシール面２２とが密接摺動することにより摩耗粉等の異物が生じた場合にも、生じた異物は、異物受け装置３０の筒状部３１の外周側と静止環１０の内周面１４との隙間である異物受け部３５に落下し、堆積することとなる。従って、そのような異物が機内側Ａに侵入することを防ぐことができる。

また、静止環１０の機内側の端面には、その内周側が所定の幅で円環状に凹となった段差部１５が形成されている。この段差部１５には、上述のように異物受け装置３０を静止環１０の内周面１４に装着した場合に、異物受け装置３０の鍔部３２がちょうど収容されるようになっている。

静止環１０の機内側の端面にガスケット１８が設置される。ガスケット１８は、その内周部が静止環１０の段差部１５の位置よりも内径側に配置されるように、すなわち、異物受け装置３０の鍔部３２の外周部よりも内径側となるように、静止環１０に設置される。換言すれば、ガスケット１８の内周部との位置関係がそのような関係となるように、静止環１０の段差部１５及び異物受け装置３０の鍔部３２の外形を設定する。
このような構造とすることにより、異物受け装置３０は静止環１０から脱落不可能な状態となり、異物受け装置３０が機内側Ａに抜けることを完全に防止することができる。

このような構成のメカニカルシール装置１においては、静止環１０のシール面１１と回転環部２０のシール面２２とがドライ状態で密接摺動するドライメカニカルシールなので、潤滑油等が機内側Ａに漏洩することは無い。
また、シール部材の摩耗粉等が生じる可能性があるが、これは密接摺動面よりも高い位置に上端部３４が配置される異物受け装置３０により回収されて、異物受け装置３０と静止環１０との間の異物受け部３５に収容することができる。従って、このような異物も機内側Ａに混入することを防ぐことができる。

また、その異物受け装置３０の装着は、ボルト等の固定部品を全く使用せずに、単に異物受け装置３０を静止環１０の内周側に機内側より挿入するのみである。これにより、異物受け装置３０の係合凸状部３３と静止環１０の凸状部１３とが係合して異物受け装置３０は静止環１０の内周部に固定される。従って、固定金具を使用する必要も無く、異物受け装置３０、静止環１０、回転環部２０等を含めて、メカニカルシール装置１を構成する部品を全て非金属部材とすることができる。その結果、機内側Ａに金属が露出しないことが仕様により求められている場合にも、その仕様に適合し、かつ、異物の混入を防ぐメカニカルシール装置１を提供することができる。

一方で、異物受け装置３０の鍔部３２は、静止環１０とガスケット１８とにより完全に挟持されているので、異物受け装置３０が脱落することは略完全に防止することができ、安全で信頼性の高いメカニカルシール装置１を提供することができる。

さらに、異物受け装置３０の装着設置は、非常に簡単であるし、異物受け装置３０の構造自体も簡単である。従って、メカニカルシール装置１の構造を複雑にすること無く、簡単な構造で、メンテナンスが容易で、安価なメカニカルシール装置１を提供することができる。

また、異物を収容するための空間（異物受け部３５）を必要最小限にしているので、過大な収容空間を準備するために装置の容積が大きくなる等の問題を防ぐことができる。すなわち、小型のメカニカルシール装置１を提供することができる。

なお、前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。本実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。

本発明は、ポンプや攪拌機等の回転軸の軸封装置に適用可能であるとともに、その他任意の装置の軸封装置に使用可能である。特に、縦型のメカニカルシールについては、特に好適に適用可能である。

１…メカニカルシール装置
１０…メイティングリング（静止環）
１１…シール面
１２…段差（内周面段差）
１３…凸状部
１４…内周面
１５…段差部（下面段差）
１８…ガスケット（円環状部材）
２０…回転環部
２１…回転環
２２…シール面
２３…ベローズ
２４…挿嵌部
２５…係合凸状部
３０…異物受け装置
３１…筒状部
３２…鍔部
３３…係合凸状部
３４…筒状部上端部
３５…異物受け部（間隙）
４０…スプリング受け部
４１…コイルスプリング
４２…クランピングリング
４３…係合溝部
４４…カラー
４５…セットスクリュー
４６…スプリングアダプター
５１…フランジ
５２…環状凹部
５３…ネジ
５５…シールカバー
２…回転軸

Claims (6)

1. 軸方向が略鉛直方向である回転軸（２）の外周面とハウジングとの間をシールするメカニカルシール装置（１）であって、
   上向きに形成された静止側シール面（１１）と、内周面の下縁近傍に内方向に突出するように形成された凸状部（１３）とを有する静止環（１０）と、
   下向きに形成された回転側シール面（２２）を有し、回転軸（２）と一体的に回転するように当該回転軸（２）に設置可能で、前記回転軸（２）に設置された場合に当該回転側シール面（２２）が前記静止環（１０）の前記静止側シール面（１１）と密接摺動するように配置される回転環（２１）と、
   前記静止環（１０）の内側に挿入可能な筒状部（３１）と、前記筒状部（３１）の下縁近傍において当該筒状部（３１）から外径方向に円環状に突出した鍔部（３２）と、前記鍔部（３２）と所定の間隔を隔てて前記筒状部（３１）の中段から外径方向に突出し、前記筒状部（３１）を前記静止環（１０）の内側に挿入した場合に前記静止環（１０）の前記凸状部（１３）と係合する凸状部（３３）とを有し、前記筒状部（３１）を前記静止環（１０）の内側に挿入した場合に、前記筒状部（３１）の外周面と前記静止環（１０）の内周面との間に異物を収容可能な間隙（３５）が形成される異物受け装置（３０）と
   を有するメカニカルシール装置。
2. 前記異物受け装置（３０）の前記筒状部（３１）の上縁部（３４）は、前記静止側シール面（１１）と前記回転側シール面（２２）が密接摺動する面よりも上方に配置され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. 前記静止環（１０）の機内側端部に装着される円環状部材（１８）をさらに有し、前記異物受け装置（３０）の前記鍔部（３２）の外径は前記円環状部材（１８）の内径よりも大きく形成されており、前記円環状部材（１８）は前記異物受け装置（３０）の前記鍔部（３２）の外縁部の少なくとも一部を前記静止環（１０）との間で挟持するように前記静止環（１０）の機内側端部に装着されることを特徴とする請求項１及び２に記載のメカニカルシール装置。
4. 前記円環状部材（１８）は、ガスケットであることを特徴とする請求項３に記載のメカニカルシール装置。
5. 前記異物受け装置（３０）は樹脂製であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のメカニカルシール装置。
6. 前記静止環（１０）はセラミック製であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のメカニカルシール装置。

Images