JP5396615B2

JP5396615B2 - メカニカルシール装置

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Publication number: JP5396615B2
Application number: JP2011534150A
Authority: JP
Inventors: 嘉博末藤
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2030-08-30
Also published as: US8783691B2; US20120187636A1; EP2484943A1; EP2484943A4; CN102369375A; EP2484943B1; JPWO2011040163A1; CN102369375B; WO2011040163A1

Description

本発明は、遠心ポンプや攪拌機等の軸シールとして好適なメカニカルシール装置に関する。

高粘度の流体等をシールするメカニカルシール装置は、機内側に存在する流体の圧力が、作動中において頻繁に変動するという条件の下で用いられるものが存在する。このような条件の下で使用されるメカニカルシール装置としては、例えば、段部が形成された静止環を、ハウジングに形成された段部との間に１つの二次シール用Ｏリングを挟んだ状態で設置するダブルメカニカルシール装置が知られている（特許文献１等参照）。

静止環の段部とハウジングの段部の間に二次シール用Ｏリングを挟む従来技術に係るメカニカルシール装置は、機内側に存在する流体の圧力が変動した場合でも、機内側に存在する流体をシールすることができる。すなわち、このような構造を有するメカニカルシール装置は、機内側に存在する流体の圧力が機外側に存在する流体の圧力より高い正圧の場合でも、機外側に存在する流体の圧力より低い逆圧の場合でも、静止環を回転環に押しつける力を作用させることができる。

しかしながら、静止環の段部とハウジングの段部の間にＯリングを挟むメカニカルシール装置では、流体の圧力が正圧と逆圧の間で変化した際に、静止環の段部とハウジングの段部に囲まれた部屋の中を、Ｏリングが移動する現象がみられる。すなわち、流体の圧力が正圧の場合には、Ｏリングが機外側に移動し、流体の圧力が逆圧の場合には、Ｏリングが機内側に移動するという現象がみられる。

そのため、従来技術に係るメカニカルシール装置では、Ｏリング自体や、Ｏリングが接している静止環やハウジングの段部が、Ｏリングの移動によって摩耗し、メカニカルシール装置の寿命が低下するという問題が発生している。特に、流体の圧力が正圧と逆圧との間で頻繁に切り替わる条件下で用いられると、従来技術に係るメカニカルシール装置は、ＯリングおよびＯリングとの接触部が急速に摩耗し、漏れや寿命低下等の問題が発生し易くなる。

特開２００３−９７７２８号公報

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、流体の圧力が正圧と逆圧との間で頻繁に切り替わる条件下においても、好適に用いられるメカニカルシール装置を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明に係るメカニカルシール装置は、
回転軸と一体に回転するように当該回転軸に設置され、機内側に存在する第１流体と機外側に存在する第２流体との間を動的にシールする動的シール面の一方の面を構成する回転環側摺動面が形成される回転環と、
前記回転環側摺動面と摺動して前記動的シール面の他方の面を構成する静止環側摺動面が形成される静止環組立体と、
前記静止環組立体を内径側に収納しており、前記静止環組立体を前記回転軸の軸方向に移動自在に支持するシールカバーと、
前記シールカバーと前記静止環組立体によって前記回転軸の径方向に挟持され、前記第１流体をシールする第１のＯリングと、
前記第１のＯリングより機外側に設置されており、前記シールカバーと前記静止環組立体によって前記径方向に挟持され、前記第２流体をシールする第２のＯリングと、を含み、
前記第１のＯリングと前記第２のＯリングの間には、前記第１のＯリングと前記第２のＯリングによって前記第１流体および前記第２流体からシールされ、前記第１流体および前記第２流体の圧力より常に低い圧力に維持される低圧力室が形成され、
前記第１流体が前記静止環側摺動面を除く前記静止環組立体に対して圧力を及ぼす領域と及ぼさない領域との境界によって形成される第１圧力作用径は、前記径方向でみて、前記動的シール面の前記第１流体側の端部である第１シール端部に対して、前記動的シール面の前記第２流体側の端部である第２シール端部の側に位置し、
前記第２流体が前記静止環側摺動面を除く前記静止環組立体に対して圧力を及ぼす領域と及ぼさない領域との境界によって形成される第２圧力作用径は、前記径方向でみて、前記第２シール端部に対して、前記第１シール端部の側に位置する。

本発明に係るメカニカルシール装置には、第１のＯリングと第２のＯリングからなる２つのＯリングを介してシールカバーに取り付けられている静止環組立体が設置されており、また、２つのＯリングの間には低圧力室が形成される。低圧力室の圧力は、第１流体および第２流体の圧力より低い圧力に維持されるため、２つのＯリングは、流体の圧力状態が正圧であっても逆圧であっても、低圧力室へ向かって押圧される力を受ける。これにより、本発明に係るメカニカルシール装置は、流体の圧力状態が正圧と逆圧の間で切り替わる際に、流体の二次シールであるＯリングが移動する現象を防止することができる。したがって、本発明に係るメカニカルシール装置は、Ｏリング自体やＯリングの接触部分が摩耗する現象を防止することができ、耐久性が高い。なお、シールカバーには、シールカバーの外周表面に開口を有しており低圧力室まで貫通している連通路が形成されていてもよい。

また、本発明に係るメカニカルシール装置において、第１圧力作用径は、径方向でみて、第１シール端部に対して第２シール端部の側に位置し、第２圧力作用径は、第２シール端部に対して第１シール端部の側に位置する。これによって、本発明に係るメカニカルシール装置は、流体の圧力状態が正圧の場合であっても、逆圧の場合であっても、静止環組立体を回転環に押しつける力を作用させることができる。

また、前記シールカバーは、前記第１のＯリングを前記軸方向に係止して、前記第１のＯリングの前記軸方向の動きを規制するカバー側係合突起を有し、
前記静止環組立体は、前記第２のＯリングを前記軸方向に係止して、前記第２のＯリングの前記軸方向の動きを規制する静止環側係合突起を有し、
前記第１圧力作用径は、前記第１のＯリングと前記静止環組立体の前記径方向の接触面によって形成される第１流体二次シール内周と一致しており、当該第１流体二次シール内周の径は、前記第１シール端部の径より小さく、
前記第２圧力作用径は、前記第２のＯリングと前記シールカバーの前記径方向の接触面によって形成される第２流体二次シール外周と一致しており、当該第２流体二次シール外周の径は、前記第２シール端部の径より大きくてもよい。

第１のＯリングをカバー側係合突起によって係止し、第２のＯリングを静止環側係合突起によって係止することによって、本発明に係るメカニカルシール装置は、第１のＯリングと第２のＯリングの形状を略同一形状とすることができる。したがって、このような構成を有するメカニカルシール装置は、構成部品の種類を減少させ、組立を容易にできる。また、シールカバーによって第１のＯリングを係止し、静止環組立体によって第２のＯリングを係止する構造とすることによって、低圧力室およびシールカバーの形状を単純化することができる。

また、前記静止環組立体は、前記静止環側摺動面が形成され前記第１のＯリングと接触している静止環摺動部と、少なくとも一部が当該静止環摺動部より機外側に配置されており前記第２のＯリングと接触しているアダプタ部とからなり、前記静止環摺動部と前記アダプタ部とは、別体に形成されており、前記静止環摺動部の機外側端面である摺動部機外側端面は、前記アダプタ部と接触していてもよい。静止環摺動部とアダプタ部を別体とすることにより、メカニカルシール装置の組立を容易にし、シールカバーの形状を単純化することができる。

また、前記カバー側係合突起は、前記アダプタ部が前記軸方向に抜け落ちることを防止するストッパーを兼ねていてもよい。このような構成を有するメカニカルシール装置は、組立・分解時にアダプタ部が抜け落ちることを防止できるため、容易に組立・分解を行うことができる。

前記静止環摺動部は、前記静止環側摺動面が形成される摺動リングと、前記第１のＯリングと接触しているリテーナーとからなり、前記摺動リングと前記リテーナーとは、別体に形成されており、前記摺動リングは前記リテーナーに固定されていてもよい。摺動リングとリテーナーとを別体とすることにより、静止環側摺動面が形成されている摺動リングを小型化し、摺動リングに割れ等が発生することを防止できる。なお、前記摺動リングは、前記リテーナーに対して焼き嵌めによって固定されていてもよく、前記リテーナーに対して第３のＯリングを介して固定されていてもよい。

図１は、本発明の第１実施形態に係るメカニカルシール装置の縦断面図である。図２は、図１に示すメカニカルシール装置に含まれる機内側動的シール面の周辺を拡大して表示した拡大断面図である。図３は、本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置を表す縦断面図である。図４は、本発明の第３実施形態に係るメカニカルシール装置を表す縦断面図である。

図１は、本発明の一実施形態に係るメカニカルシール装置１０を表す縦断面図である。本実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、例えばポンプ・攪拌機・ロータリージョイント等の軸封装置として用いることができる。特に、メカニカルシール装置１０は、ギヤポンプやスクリューポンプのような高粘度の流体を搬送するポンプの軸封装置として好適に用いることができるが、メカニカルシール装置１０の用途はこれに限定されない。

図１は、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０を、回転軸１１３が貫通する装置のハウジング１６に装着した状態を表している。図１に示すように、ハウジング１６には軸孔２０が形成されており、回転軸１１３が、軸孔２０を貫通している。メカニカルシール装置１０は、軸孔２０を貫通する回転軸１１３と、ハウジング１６との隙間を封止するように、ハウジング１６および回転軸１１３に対して設置される。

メカニカルシール装置１０は、機内側動的シール面１７３と、機外側動的シール面１７１とからなる２つの動的シール面を内部に形成することができる。すなわち、メカニカルシール装置１０は、機内側動的シール面１７３および機外側動的シール面１７１を形成する２つのメカニカルシールが回転軸１１３に沿って並べられているダブルメカニカルシールである。

機内側動的シール面１７３は、機内側動的シール面１７３より機内側（図１において左側）の機内室１９９に存在する移送流体Ａと、機内側動的シール面１７３より機外側（図１において右側）の供給流体室１９１に存在する供給流体Ｂとの間をシールする。また、機外側動的シール面１７１は、機外側動的シール面１７１より機内側の供給流体室１９１に存在する供給流体Ｂと、機外側動的シール面１７１より機外側の第３流体Ｃ（外気）との間をシールする。

メカニカルシール装置１０は、機内側回転環１３７、機外側回転環１５９、機内側静止環組立体５２、機外側静止環７８、シールカバー２２、第１のＯリング９２、第２のＯリング９６を有する。さらに、メカニカルシール装置１０は、スリーブ１１５、機内側スリーブカラー１３１、機外側スリーブカラー１５１、セットスクリュー１５５、Ｏリング８８等を有する。

まず、メカニカルシール装置１０のうち、ハウジング１６等に取り付けられており、回転軸１１３と一緒に回転しない静止部分について説明する。シールカバー２２は、第１カバー部材２４、第２カバー部材２８、第３カバー部材３４および第４カバー部材４２からなる。第１カバー部材２４、第２カバー部材２８、第３カバー部材３４および第４カバー部材４２は、回転止め機構によって相対移動が防止され、Ｏリングによって各部材間の隙間が封止された状態で、互いに連結されている。

第１〜第４カバー部材２４，２８，３４，４２からなるシールカバー２２は、ハウジング１６における機外側の端面である外面１８に、Ｏリング１９７を介して設置される。シールカバー２２は、ハウジング１６の外面１８に形成されたボルト穴（不図示）にボルト１４を締め付けることにより、ハウジング１６に固定される。図１に示すように、ボルト１４は、ナット１２を介して、シールカバー２２をハウジング１６に固定している。

第１カバー部材２４は、シールカバー２２の機外側部分を構成する。第１カバー部材２４の内周面である第１カバー内周面２６には、機外側静止環７８が設置されている。機外側静止環７８は、機外側静止環７８の外周面である機外側静止環外周面８０と、第１カバー内周面２６との間に、Ｏリング８８を径方向に挟んで配置される。

なお、本実施形態において、軸方向とは、回転軸１１３の軸方向を意味し、回転軸１１３の中心軸Ｌと平行である方向を意味する。また、径方向とは、回転軸１１３の径方向を意味し、回転軸１１３の中心軸Ｌから回転軸１１３の外周面に向かう方向を意味する。

機外側静止環７８は、外径側に向かって突出している腕部８２を有する。機外側静止環７８は、腕部８２と第１カバー部材２４の両方に係合している回転止めピン８４によって、シールカバー２２に対して回転しないように係止されている。また、腕部８２と第１カバー部材２４の間には、機外側スプリング８６が設置されている。機外側静止環７８は、機外側スプリング８６によって、機外側静止環７８の機外側に設置される機外側回転環１５９に向かって付勢されている。機外側静止環７８における機外側の端面には、機外側動的シール面１７１の一方の面に対して摺動する他方の面が形成される。

第２カバー部材２８は、シールカバー２２の機内側部分における外径側部分を構成する。第２カバー部材２８は、第１カバー部材２４とハウジング１６の間に配置される。また、第２カバー部材２８の内径側には、第３カバー部材３４と第４カバー部材４２とが配置される。

第２カバー部材２８には、メカニカルシール装置１０内部への供給流体Ｂの入口である供給導入流路３０が形成されている。第２カバー部材２８の外周面には、供給導入流路３０の開口が形成されており、供給導入流路３０の開口には、供給流体Ｂを供給するための外部配管（不図示）が接続される。

供給導入流路３０は、第３カバー部材３４に形成されている供給連通流路３６に連通しており、供給流体Ｂは、供給導入流路３０および供給連通流路３６を通って供給流体室１９１に導入される。供給流体Ｂとしては、特に限定されないが、例えば水等が用いられる。供給流体室１９１に供給される供給流体Ｂの供給圧力としては、特に限定されないが、例えば移送流体Ａの圧力より０．２ＭＰＡ程度高い値に設定することができる。

なお、第２カバー部材２８および第３カバー部材３４には、供給流体Ｂを排出するための流路も形成されている。供給流体Ｂを排出するための流路は、供給流体Ｂを供給するための流路に対して、周方向に異なる位置に形成されている。しかし、供給流体Ｂを排出するための流路は、供給導入流路３０および供給連通流路３６によって構成される供給流路と同様の形状を有しているため、説明を省略する。

第２カバー部材２８には、メカニカルシール装置１０の内部に形成されている低圧力室１９３に低圧流体Ｄ（図２参照）を導入する低圧導入流路３２が形成されている。低圧導入流路３２は、第４カバー部材４２に形成されている低圧連通流路３８に連通しており、低圧流体Ｄは、低圧導入流路３２および低圧連通流路３８を通って低圧力室１９３に導入される。低圧力室１９３に導入される低圧流体Ｄは、特に限定されないが、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０においては、外気（大気）を用いている。したがって、第２カバー部材２８の外周面には、低圧導入流路３２の開口が形成されており、低圧導入流路３２の開口から、低圧導入流路３２の内部に外気が導入される。

第３カバー部材３４は、シールカバー２２の機内側部分における内径側部分の一部を構成する。第３カバー部材３４は、第１カバー部材２４の機内側であって、第２カバー部材２８の内径側に配置される。また、第３カバー部材３４の機内側には、第４カバー部材４２が配置される。

第３カバー部材３４には、供給流体室１９１に供給流体Ｂを供給するための供給連通流路３６が形成されている。供給連通流路３６の一方の開口は、第２カバー部材２８に形成されている供給導入流路３０に接続されており、供給連通流路３６の他方の開口は、供給流体室１９１に接続されている。

第４カバー部材４２は、シールカバー２２の機内側部分における内径側の一部を構成する。第４カバー部材４２は、第２カバー部材２８の内径側であって、第３カバー部材３４の機内側に配置される。

第４カバー部材４２には、低圧力室１９３に低圧流体Ｄを導入するための低圧連通流路３８が形成されている。低圧連通流路３８の一方の開口は、第２カバー部材２８に形成されている低圧導入流路３２に接続されており、低圧連通流路３８の他方の開口は、低圧力室１９３に接続されている。

第３カバー部材３４および第４カバー部材４２の内径側には、機内側静止環組立体５２が収納されている。機内側静止環組立体５２は、機内側静止環組立体５２の外周面と、第４カバー部材４２の内周面との間に、第１のＯリング９２および第２のＯリング９６を径方向に挟んで配置される。

機内側静止環組立体５２は、静止環摺動部５６とアダプタ部６２からなる。拡大図である図２に示すように、静止環摺動部５６とアダプタ部６２とは、別体に形成されており、静止環摺動部５６の機外側の端面である摺動部機外側端面５８は、アダプタ部６２と接触している。アダプタ部６２が受ける軸方向の力は、摺動部機外側端面５８を介して静止環摺動部５６に伝えられる。また、静止環摺動部５６とアダプタ部６２の間には、回転止めのためのピン２１３が配置されている。静止環摺動部５６の機内側端面には、静止環側摺動面５４が形成されている。また、静止環摺動部５６は、第１のＯリング９２と接触している。

図１に示すように、アダプタ部６２は、肉薄部７４と肉厚部６４とクラッチ部６５とからなり、アダプタ部６２を構成する各部分のうち、肉厚部６４およびクラッチ部６５は、静止環摺動部５６より機外側に配置されている。アダプタ部６２の肉薄部７４は、図２に示すように、静止環摺動部５６の内径側に挿入されている。静止環摺動部５６の内周面と肉薄部７４の外周面の間には、Ｏリング７６（図２）が配置されており、静止環摺動部５６と肉薄部７４の間をシールしている。

図１に示すように、アダプタ部６２と、第３カバー部材３４との間には、機内側スプリング４０が配置されている。機内側スプリング４０は、アダプタ部６２と第３カバー部材３４によって、軸方向の両側を挟まれた状態で配置されている。機内側スプリング４０は、アダプタ部６２を含む機内側静止環組立体５２全体を、機内側静止環組立体５２の機内側に配置された機内側回転環１３７に向かって付勢している。

クラッチ部６５は、第３カバー部材３４に形成されている係合溝４１に係合されている。アダプタ部６２を含む機内側静止環組立体５２は、シールカバー２２の第３カバー部材３４に対して、クラッチ部６５および係合溝４１によって構成されるクラッチ構造を用いて回転止めされている。

図２に示すように、第１のＯリング９２は、第４カバー部材４２と静止環摺動部５６によって径方向に挟持されている。第１のＯリング９２は、第１のＯリング９２より機内側の機内室１９９に存在する移送流体Ａをシールする。すなわち、第１のＯリング９２と、静止環摺動部５６および第４カバー部材４２との径方向の接触面によって、移送流体Ａをシールする移送流体二次シールが形成される。

第４カバー部材４２の内周面である第４カバー内周面４４には、当該内周面４４から内径側に突出する端部突起４６およびカバー側係合突起４８が形成されている。第１のＯリング９２は、端部突起４６とカバー側係合突起４８の間に配置されている。端部突起４６は、第４カバー内周面４４の機内側端部に形成されている。カバー側係合突起４８は、端部突起４６より機外側に形成されており、端部突起４６との間に第１のＯリング９２を軸方向に挟んでいる。

第１のＯリング９２は、機内側に存在する移送流体Ａからの圧力を受けるため、第１のＯリング９２より機外側に形成されているカバー側係合突起４８に押しつけられる。したがって、カバー側係合突起４８は、第１のＯリング９２を軸方向に係止して、第１のＯリング９２の軸方向の動きを規制する。

それに対して、第２のＯリング９６は、第１のＯリング９２より機外側に配置されており、第４カバー部材４２とアダプタ部６２によって径方向に挟持されている。第２のＯリング９６は、第２のＯリング９６より機外側の供給流体室１９１に存在する供給流体Ｂをシールする。すなわち、第２のＯリング９６とアダプタ部６２および第４カバー部材４２との径方向の接触面によって、供給流体Ｂをシールする供給流体二次シールが形成される。

アダプタ部６２における肉厚部６４の外周面である肉厚部外周面７２には、当該外周面７２から外径側に突出する静止環側係合突起６６が形成されている。第２のＯリング９６は、静止環側係合突起６６の機外側に配置される。

第２のＯリング９６は、機外側に存在する供給流体Ｂからの圧力を受けるため、第２のＯリング９６より機内側に形成されている静止環側係合突起６６に押しつけられる。したがって、静止環側係合突起６６は、第２のＯリング９６を軸方向に係止して、第２のＯリング９６の軸方向の動きを規制する。

図１に示すように、機内側静止環組立体５２の外周面と第４カバー部材４２の内周面との間であって、第１のＯリング９２と第２のＯリング９６との間には、低圧力室１９３が形成されている。低圧力室１９３は、第１のＯリング９２による移送流体二次シールによって移送流体Ａに対してシールされており、第２のＯリング９６による供給流体二次シールによって供給流体Ｂに対してシールされている。また、低圧力室１９３は、シールカバー２２に形成されている低圧導入流路３２および低圧連通流路３８によって、外気と連通されている。したがって、低圧力室１９３は、移送流体Ａや供給流体Ｂからの圧力をほとんど受けず、大気圧に保たれる。なお、低圧力室１９３は、移送流体Ａおよび供給流体Ｂの圧力より低圧に保たれればよく、例えば、低圧力室１９３には、外気以外の他の気体等が導入されてもよい。

次に、回転軸１１３に取り付けられる回転部分について説明する。機外側静止環７８に対して摺動する機外側回転環１５９と、機内側静止環組立体５２に対して摺動する機内側回転環１３７とは、スリーブ１１５、機内側スリーブカラー１３１および機外側スリーブカラー１５１等を介して、回転軸１１３に固定されている。

スリーブ１１５は、回転軸１１３を挿通させるための挿通孔を有しており、回転軸１１３は、スリーブ１１５の挿通孔を挿通している。スリーブ１１５の内周面と、回転軸１１３の外周面の間にはＯリング１１７，１１９が配置されており、スリーブ１１５と回転軸１１３の隙間を封止している。

スリーブ１１５の機外側端部には、機外側スリーブカラー１５１が、六角孔付きボルト１５３を用いて取り付けられている。機外側スリーブカラー１５１には径方向の貫通孔１５１ａが形成されており、貫通孔１５１ａには螺旋溝が形成されている。機外側スリーブカラー１５１の貫通孔１５１ａには、セットスクリュー１５５が螺合されている。セットスクリュー１５５の先端は、回転軸１１３に係合しており、セットスクリュー１５５は、機外側スリーブカラー１５１および機外側スリーブカラー１５１に連結されているスリーブ１１５を、回転軸１１３に対して固定している。なお、メカニカルシール装置１０は、機外側スリーブカラー１５１とシールカバー２２とを連結するセットプレート１５７を取り付けた状態で、回転軸１１３に設置されるが、セットプレート１５７は、メカニカルシール装置１０を使用する際には、取り外される。

機外側スリーブカラー１５１の機内側であって、スリーブ１１５の外径側には、機外側回転環１５９が設置されている。機外側回転環１５９は、Ｏリング１９５を介して、スリーブ１１５および機外側スリーブカラー１５１に対して設置されている。機外側回転環１５９は、ノックピン２１１によって、機外側スリーブカラー１５１に対する相対回転を規制されており、回転軸１１３と一体に回転する。

機外側回転環１５９における機内側の端面には、機外側動的シール面１７１の一方の面が形成される。機外側動的シール面１７１は、機外側回転環１５９の機内側の端面に形成される一方の面と、機外側静止環７８の機外側の端面に形成される他方の面によって構成される。機外側動的シール面１７１は、供給流体Ｂと、第３流体Ｃである外気との間をシールする。

スリーブ１１５の機内側端部には、機内側スリーブカラー１３１が、六角孔付きボルト１３３を用いて取り付けられている。

機内側スリーブカラー１３１の機外側であって、スリーブ１１５の外径側には、機内側回転環１３７が設置されている。機内側回転環１３７は、複数のＯリングを介して、スリーブ１１５および機内側スリーブカラー１３１に対して設置されている。また、機内側回転環１３７の外周面には、機内側回転環１３７の破損を防止するための保護リング１３５が取り付けられている。

機内側回転環１３７は、ノックピン２１４によって、機内側スリーブカラー１３１に対する相対回転を規制されている。したがって、機内側回転環１３７は、機外側回転環１５９と同様に、回転軸１１３と一体に回転する。

機内側回転環１３７における機外側の端面には、回転環側摺動面１３９が形成される。回転環側摺動面１３９は、静止環摺動部５６における機内側の端面に形成される静止環側摺動面５４に対して摺動する。回転環側摺動面１３９は、機内側動的シール面１７３の一方の面を構成し、静止環側摺動面５４は、機内側動的シール面１７３の他方の面を構成する。

回転環側摺動面１３９と静止環側摺動面５４が摺動して形成される機内側動的シール面１７３は、機内側動的シール面１７３より機内側に存在する移送流体Ａと、機内側動的シール面１７３より機外側に存在する供給流体Ｂとの間を動的にシールする。

図１に示すように、スリーブ１１５の外周面と、シールカバー２２の内周面の間には、供給流体室１９１が形成される。供給流体室１９１は、供給流体室１９１の機内側に形成される機内側動的シール面１７３によって移送流体Ａに対してシールされる。また、供給流体室１９１は、供給流体室１９１の機外側に形成される機外側動的シール面１７１によって第３流体Ｃに対してシールされる。

図２は、図１に示すメカニカルシール装置１０に含まれる機内側動的シール面１７３の周辺を拡大して表示した拡大断面図である。機内側動的シール面１７３は、機内側回転環１３７に形成される回転環側摺動面１３９と、機内側静止環組立体５２に形成される静止環側摺動面５４とが摺動することによって形成される。本実施形態に係る機内側動的シール面１７３は、機内側動的シール面１７３の外径側に存在する移送流体Ａと、機内側動的シール面１７３の内径側に存在する供給流体Ｂの間をシールする。

すなわち、機内側動的シール面１７３は、移送流体Ａが、機内側動的シール面１７３の移送流体Ａ側の端部である第１シール端部１７５の側から、供給流体室１９１に浸入することを防止する。また、機内側動的シール面１７３は、供給流体Ｂが、機内側動的シール面１７３の供給流体Ｂ側の端部である第２シール端部１７７の側から、機内室１９９に浸入することを防止する。

ここで、機内側動的シール面１７３によって移送流体Ａと供給流体Ｂの間をシールするためには、機内側静止環組立体５２の静止環側摺動面５４を、回転環側摺動面１３９に向かって押圧する押圧力が必要である。なぜなら、機内側動的シール面１７３は、移送流体Ａや供給流体Ｂから、静止環側摺動面５４と回転環側摺動面１３９とを引き離す方向に力を受けるため、これに抗する力を加える必要があるからである。

本実施形態に係るメカニカルシール装置１０において、軸方向に移動自在に設置されている機内側静止環組立体５２は、機内側スプリング４０からだけでなく、移送流体Ａおよび供給流体Ｂから、機内側回転環１３７に向かう押圧力を受けることができる。

例えば、機内側静止環組立体５２は、移送流体Ａから、移送流体Ａの圧力に応じた押圧力を受けることができる。移送流体Ａは、第１のＯリング９２によって二次的にシールされている。したがって、第１のＯリング９２と静止環摺動部５６の径方向の接触面によって形成される第１流体二次シール内周１００が、移送流体Ａが存在する領域と存在しない領域の境界を形成する。ここで、移送流体Ａが静止環側摺動面５４を除く機内側静止環組立体５２に対して圧力を及ぼす領域と及ぼさない領域との境界によって形成される形状を第１圧力作用径と定義すると、本実施形態において、第１圧力作用径は、第１流体二次シール内周１００と一致する。

ここで第１流体二次シール内周１００は、図２に示すように、径方向でみて、機内側動的シール面１７３の第１シール端部１７５に対して、第２シール端部１７７の側である内径側に位置する。第１圧力作用径である第１流体二次シール内周１００が、第１シール端部１７５より内径側に位置すると、移送流体Ａから圧力を受ける表面の面積が、機内側静止環組立体５２の機内側と機外側とでアンバランスになり、機外側の面積が広くなる。したがって、機内側静止環組立体５２は、機内側回転環１３７に向かう押圧力を、移送流体Ａから受けることができる。

このように、機内側静止環組立体５２は、移送流体Ａの圧力に応じた押圧力を受けることができる。すなわち、機内側静止環組立体５２は、移送流体Ａの圧力が高い場合は、移送流体Ａから大きな押圧力を受け、移送流体Ａの圧力が低い場合は、移送流体Ａからより小さな押圧力を受ける。

ここで、図２において、移送流体Ａによる押圧力のバランスを表すバランス値ＢＶ_Ａは、第１シール端部１７５の径Ｍ_Ｏと、第２シール端部１７７の径Ｍ_Ｉと、第１圧力作用径である第１流体二次シール内周１００の径Ｏ１_Ｉを用いて、以下の数式１によって表される。

ＢＶ_Ａ＝Ｓ１／Ｓ０ × １００・・・（数式１）
ただし、Ｓ１＝π（Ｍ_Ｏ ^２−Ｏ１_Ｉ ^２）／４
Ｓ０＝π（Ｍ_Ｏ ^２−Ｍ_Ｉ ^２）／４

バランス値ＢＶ_Ａは、メカニカルシール装置１０が使用される条件に応じて適切に設定されるが、高粘度の流体を搬送するポンプの軸封装置に用いられるメカニカルシール装置の場合、例えば７０％〜１３０％とすることが好ましい。

また、機内側静止環組立体５２は、供給流体Ｂから、供給流体Ｂの圧力に応じた押圧力を受けることができる。供給流体Ｂは、第２のＯリング９６によって二次的にシールされている。したがって、第２のＯリング９６と第４カバー部材４２の径方向の接触面によって形成される第２流体二次シール外周１１１が、供給流体Ｂが存在する領域と存在しない領域の境界を形成する。また、第２のＯリング９６は、静止環側係合突起６６に係止されているため、第２のＯリング９６が供給流体Ｂから受ける軸方向の力は、アダプタ部６２に伝達される。ここで、供給流体Ｂが静止環側摺動面５４を除く機内側静止環組立体５２に対して圧力を及ぼす領域と及ぼさない領域との境界によって形成される形状を第２圧力作用径と定義すると、本実施形態において、第２圧力作用径は、第２流体二次シール外周１１１と一致する。

ここで第２流体二次シール外周１１１は、図２に示すように、径方向でみて、機内側動的シール面１７３の第２シール端部１７７に対して、第１シール端部１７５の側である外径側に位置する。第２圧力作用径である第２流体二次シール外周１１１が、第２シール端部１７７より外径側に位置すると、供給流体Ｂから圧力を受ける表面の面積が、機内側静止環組立体５２の機内側と機外側とでアンバランスになり、機外側の面積が広くなる。したがって、機内側静止環組立体５２は、機内側回転環１３７に向かう押圧力を、供給流体Ｂから受けることができる。

このように、機内側静止環組立体５２は、移送流体Ａだけでなく、供給流体Ｂからも、供給流体Ｂの圧力に応じた押圧力を受けることができる。また、機内側静止環組立体５２は、移送流体Ａと供給流体Ｂの両方から、機内側回転環１３７に向かう押圧力を受けることができるから、移送流体Ａの圧力が供給流体Ｂの圧力より高い正圧の場合であっても、供給流体Ｂの圧力が移送流体Ａの圧力より高い逆圧の場合であっても、適切な押圧力を受けることができる。したがって、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、移送流体Ａの圧力が周期的に変化し、移送流体Ａと供給流体Ｂの圧力状態が正圧と逆圧の間で頻繁に変化するような場合であっても、移送流体Ａと供給流体Ｂの間を好適にシールすることができる。

ここで、図２において、供給流体Ｂによる押圧力のバランスを表すバランス値ＢＶ_Ｂは、第１シール端部１７５の径Ｍ_Ｏと、第２シール端部１７７の径Ｍ_Ｉと、第２圧力作用径である第２流体二次シール外周１１１の径Ｏ２_Ｏを用いて、以下の数式２によって表される。

ＢＶ_Ｂ＝Ｓ２／Ｓ０ × １００・・・（数式２）
ただし、Ｓ２＝π（Ｏ２_Ｏ ^２−Ｍ_Ｉ ^２）／４
Ｓ０＝π（Ｍ_Ｏ ^２−Ｍ_Ｉ ^２）／４

バランス値ＢＶ_Ｂは、バランス値ＢＶ_Ａと同様に、メカニカルシール装置１０が使用される条件に応じて適切に設定される。

また、供給流体Ｂによる押圧力のバランスを表すバランス値ＢＶ_Ｂは、移送流体Ａによる押圧力のバランスを表すバランス値ＢＶ_Ａと略同一の値とすることが好ましい。バランス値ＢＶ_Ａとバランス値ＢＶ_Ｂを略同一の値とすることによって、移送流体Ａと供給流体Ｂの圧力状態が正圧と逆圧の間で頻繁に変化するような場合であっても、機内側静止環組立体５２は、安定した押圧力を受けることができる。

バランス値ＢＶ_Ａとバランス値ＢＶ_Ｂを略同一の値とする場合において、第１のＯリング９２をカバー側係合突起４８によって係止し、第２のＯリング９６を静止環側係合突起６６によって係止することによって、第１のＯリング９２と第２のＯリング９６の形状を略同一形状とすることができる。したがって、このような構成を有するメカニカルシール装置１０は、第１のＯリング９２と第２のＯリング９６を共通部品とすることによって構成部品の種類を減少させ、組立を容易にできる。また、第４カバー部材４２によって第１のＯリング９２を係止し、機内側静止環組立体５２によって第２のＯリング９６を係止する構造とすることによって、低圧力室１９３および第４カバー部材４２の形状を単純化することができる。

また、カバー側係合突起４８は、アダプタ部６２が軸方向に抜け落ちることを防止するストッパーを兼ねている。そのため、メカニカルシール装置１０は、組立・分解時にアダプタ部６２が抜け落ちることを防止できるため、容易に組立・分解を行うことができる。

なお、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０において、第１のＯリング９２の内周面と接触する摺動部外周面６０の径と、第２のＯリング９６の内周面と接触する肉厚部外周面７２の径とは、略同一の大きさに形成されている。また、第４カバー部材４２の内周面である第４カバー内周面４４において、第１のＯリング９２の外周面と接触する部分の径と、第２のＯリング９６と接触する部分の径とは、略同一の大きさに形成されている。

図２に示すように、第１のＯリング９２と第２のＯリング９６との間には、低圧力室１９３が形成されている。低圧力室１９３は外気と連通しているため、ポンプで搬送される液体等によって構成される移送流体Ａや、供給流体室１９１に対して供給・排出される液体等によって構成される供給流体Ｂの圧力より、低い圧力に保たれる。

第１のＯリング９２は、移送流体Ａと低圧流体Ｄの間をシールしているため、移送流体Ａと低圧流体Ｄとの圧力差によって、第１のＯリング９２の低圧力室１９３側に配置されているカバー側係合突起４８に押しつけられる。また、第２のＯリング９６は、供給流体Ｂと低圧流体Ｄの間をシールしているため、供給流体Ｂと低圧流体Ｄとの圧力差によって、第２のＯリング９６の低圧力室１９３側に配置されている静止環側係合突起６６に押しつけられる。

移送流体Ａの圧力が変動する場合や、移送流体Ａと供給流体Ｂの圧力状態が正圧と逆圧の間で頻繁に変化するような場合であっても、外気と連通している低圧力室１９３の圧力は、移送流体Ａや供給流体Ｂより充分に低い圧力に維持される。したがって、第１のＯリング９２と第２のＯリング９６は、移送流体Ａの圧力が変動する場合や、移送流体Ａと供給流体Ｂの圧力状態が正圧と逆圧の間で頻繁に変化するような場合であっても、低圧力室１９３側の突起４８，６６に押しつけられた状態に維持される。

このように、メカニカルシール装置１０は、移送流体Ａおよび供給流体Ｂの二次シールである第１のＯリング９２および第２のＯリング９６が、移送流体Ａの圧力変動等によって移動することを防止できる。また、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、第１および第２のＯリング９２，９６自体や、第１および第２のＯリング９２，９６が接触する第４カバー部材４２および機内側静止環組立体５２が摩耗する現象を防止することができ、耐久性が高い。

本実施形態に係るメカニカルシール装置１０では、静止環摺動部５６とアダプタ部６２が別体であるため、第４カバー部材４２の形状が単純である。しかし、機内側静止環組立体５２は、静止環摺動部５６とアダプタ部６２が一体的に形成された一部材であってもよい。例えば、機内側静止環組立体５２を一部材とした場合には、第４カバー部材４２を、回転軸に沿う断面によって分割される分割型としても良いが、特に限定されない。

なお、メカニカルシール装置１０において、静止環摺動部５６および機内側回転環１３７は、各々、炭化ケイ素（シリコンカーバイト、ＳｉＣ）、カーボン、超硬合金等の材質で製作される。また、メカニカルシール装置１０の第１のＯリング９２および第２のＯリング９６の材料としては、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。

第２実施形態
図３は、本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置１０ａを表す縦断面図である。第２実施形態に係るメカニカルシール装置１０ａは、機内側静止環組立体２３１および機内側回転環２３９が、それぞれ別体に形成されたリテーナーと摺動リングとを有する点で異なるが、その他の点は第１実施形態に係るメカニカルシール装置１０と同様である。図３に示すメカニカルシール装置１０ａにおいて、第１実施形態に係るメカニカルシール装置１０と同様である部分については、同様の符号を付して説明を省略する。

メカニカルシール装置１０ａにおける機内側静止環組立体２３１は、第１実施形態に係る機内側静止環組立体５２と同様に、静止環摺動部２３３とアダプタ部６２からなる。静止環摺動部２３３は、互いに別体に形成されている静止摺動リング２３５と静止側リテーナー２３７からなる。静止摺動リング２３５の機内側の端部には、機内側動的シール面１７３の一方の面を構成する回転環側摺動面１３９と摺動して、機内側動的シール面１７３の他方の面を構成する静止環側摺動面５４が形成される。静止側リテーナー２３７は、第１のＯリング９２と接触している。静止摺動リング２３５は、静止側リテーナー２３７に対して焼き嵌めによって固定されている。

また、メカニカルシール装置１０ａにおける機内側回転環２３９は、互いに別体に形成されている回転摺動リング２５１と回転側リテーナー２５３からなる。回転摺動リング２５１の機内側の端部には、機内側動的シール面１７３の一方の面を構成する回転環側摺動面１３９が形成される。回転摺動リング２５１は、静止摺動リング２３５と同様に、回転側リテーナー２５３に対して焼き嵌めによって固定されている。

メカニカルシール装置１０ａは、摺動リング２３５，２５１とリテーナー２３７，２５３とが別体であるため、静止環側摺動面５４または回転環側摺動面１３９が形成されている摺動リング２３５，２５１を小型化し、摺動リング２３５，２５１に割れ等が発生することを防止できる。また、摺動リング２３５，２５１を小型化し、摺動リング２３５，２５１の形状を単純化することによって、メカニカルシール装置１０ａの製造コストを抑制することができる。さらに、摺動リング２３５，２５１をリテーナー２３７，２５３に対して焼き嵌めによって固定することにより、摺動リング２３５，２５１の一部がリテーナー２３７，２５３によってガードされるため、組立・分解の際等に、摺動リング２３５，２５１が破損することを防止できる。なお、第２実施形態に係るメカニカルシール装置１０ａは、第１実施形態に係るメカニカルシール装置１０と同様の効果を有する。

第３実施形態
図４は、本発明の第３実施形態に係るメカニカルシール装置１０ｂを表す縦断面図である。第３実施形態に係るメカニカルシール装置１０ｂは、静止摺動リング２５９および回転摺動リング２７５が、静止側リテーナー２７１または回転側リテーナー２７７に対して、第３のＯリング２７９または第４のＯリング２９１を介して固定されている点を除き、第２実施形態に係るメカニカルシール装置１０ａと同様である。図４に示すメカニカルシール装置１０ｂにおいて、第１実施形態に係るメカニカルシール装置１０または第２実施形態に係るメカニカルシール装置１０ａと同様である部分については、同様の符号を付して説明を省略する。

メカニカルシール装置１０ｂにおける機内側静止環組立体２５５は、第１実施形態に係る機内側静止環組立体５２と同様に、静止環摺動部２５７とアダプタ部６２からなる。静止環摺動部２５７は、第２実施形態と同様に、互いに別体に形成されている静止摺動リング２５９と静止側リテーナー２７１からなる。静止摺動リング２５９は、静止側リテーナー２７１に対して、第３のＯリング２７９を介するＯリングマウントによって固定されている。

メカニカルシール装置１０ｂにおける機内側回転環２７３は、第２実施形態に係る機内側回転環２３９（図３）と同様に、回転摺動リング２７５と回転側リテーナー２７７からなる。回転摺動リング２７５は、回転側リテーナー２７７に対して、第４のＯリング２９１を介するＯリングマウントによって固定されている。

メカニカルシール装置１０ｂは、摺動リング２５９，２７５とリテーナー２７１，２７７とが別体であるため、静止環側摺動面５４または回転環側摺動面１３９が形成されている摺動リング２５９，２７５を小型化し、摺動リング２５９，２７５に割れ等が発生することを防止できる。また、摺動リング２５９，２７５を小型化し、摺動リング２５９，２７５の形状を単純化することによって、メカニカルシール装置１０ｂの製造コストを抑制することができる。さらに、メカニカルシール装置１０ｂにおいて、摺動リング２５９，２７５は、リテーナー２７１，２７７に対してＯリングマウントによって固定されている。したがって、メカニカルシール装置１０ｂは、摺動リング２５９，２７５のみを交換することが可能であり交換部品のコストを抑制できる。なお、第３実施形態に係るメカニカルシール装置１０ｂは、第１実施形態に係るメカニカルシール装置１０と同様の効果を有する。

なお、メカニカルシール装置１０ａ,１０ｂにおいて、静止摺動リング２３５,２５９および回転摺動リング２５１，２７５は、各々、炭化ケイ素（シリコンカーバイト、ＳｉＣ）、カーボン、超硬合金等の材質で製作される。この場合、静止側リテーナー２３７，２７１および回転側リテーナー２５３，２７７は、ＳＵＳ等の金属を用いて作製することができる。また、メカニカルシール装置１０ｂの第３のＯリング２７９および第４のＯリング２９１の材料としては、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。

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。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。

Claims

回転軸と一体に回転するように当該回転軸に設置され、機内側に存在する第１流体と機外側に存在する第２流体との間を動的にシールする動的シール面の一方の面を構成する回転環側摺動面が形成される回転環と、
前記回転環側摺動面と摺動して前記動的シール面の他方の面を構成する静止環側摺動面が形成される静止環組立体と、
前記静止環組立体を内径側に収納しており、前記静止環組立体を前記回転軸の軸方向に移動自在に支持するシールカバーと、
前記シールカバーと前記静止環組立体によって前記回転軸の径方向に挟持され、前記第１流体をシールする第１のＯリングと、
前記第１のＯリングより機外側に設置されており、前記シールカバーと前記静止環組立体によって前記径方向に挟持され、前記第２流体をシールする第２のＯリングと、を含み、
前記第１のＯリングと前記第２のＯリングの間には、前記第１のＯリングと前記第２のＯリングによって前記第１流体および前記第２流体からシールされ、前記第１流体および前記第２流体の圧力より常に低い圧力に維持される低圧力室が形成され、
前記第１流体が前記静止環側摺動面を除く前記静止環組立体に対して圧力を及ぼす領域と及ぼさない領域との境界によって形成される第１圧力作用径は、前記径方向でみて、前記動的シール面の前記第１流体側の端部である第１シール端部に対して、前記動的シール面の前記第２流体側の端部である第２シール端部の側に位置し、
前記第２流体が前記静止環側摺動面を除く前記静止環組立体に対して圧力を及ぼす領域と及ぼさない領域との境界によって形成される第２圧力作用径は、前記径方向でみて、前記第２シール端部に対して、前記第１シール端部の側に位置することを特徴とするメカニカルシール装置。
前記シールカバーは、前記第１のＯリングを前記軸方向に係止して、前記第１のＯリングの前記軸方向の動きを規制するカバー側係合突起を有し、
前記静止環組立体は、前記第２のＯリングを前記軸方向に係止して、前記第２のＯリングの前記軸方向の動きを規制する静止環側係合突起を有し、
前記第１圧力作用径は、前記第１のＯリングと前記静止環組立体の前記径方向の接触面によって形成される第１流体二次シール内周と一致しており、当該第１流体二次シール内周の径は、前記第１シール端部の径より小さく、
前記第２圧力作用径は、前記第２のＯリングと前記シールカバーの前記径方向の接触面によって形成される第２流体二次シール外周と一致しており、当該第２流体二次シール外周の径は、前記第２シール端部の径より大きい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。
前記静止環組立体は、前記静止環側摺動面が形成され前記第１のＯリングと接触している静止環摺動部と、少なくとも一部が当該静止環摺動部より機外側に配置されており前記第２のＯリングと接触しているアダプタ部とからなり、
前記静止環摺動部と前記アダプタ部とは、別体に形成されており、前記静止環摺動部の機外側端面である摺動部機外側端面は、前記アダプタ部と接触し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。
前記カバー側係合突起は、前記アダプタ部が前記軸方向に抜け落ちることを防止するストッパーを兼ねてい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。
前記静止環摺動部は、前記静止環側摺動面が形成される摺動リングと、前記第１のＯリングと接触しているリテーナーとからなり、
前記摺動リングと前記リテーナーとは、別体に形成されており、前記摺動リングは前記リテーナーに固定されてい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。
前記摺動リングは、前記リテーナーに対して焼き嵌めによって固定されていることを特徴とする請求項５に記載のメカニカルシール装置。
前記摺動リングは、前記リテーナーに対して第３のＯリングを介して固定されていることを特徴とする請求項５に記載のメカニカルシール装置。
前記シールカバーには、前記シールカバーの外周表面に開口を有しており前記低圧力室まで貫通している連通路が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装置。