JP5514107B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、カートリッジ型のメカニカルシール装置に関する。

従来のメカニカルシール装置としては、下記の特許文献１にも示すように、シールカバーとその内周側に配置された第１密封環とがＯリングを介して接合するカートリッジ式のものがある。このような構造のメカニカルシール装置では、化学薬品等の特殊な液体をシールするときに、Ｏリングが腐食し、耐久能力に問題が生じる。さらに、Ｏリングが腐食すると、腐食した接合面間から被密封流体が漏洩する原因にもなる。

また、下記の特許文献２にも示すように、装置本体の内周側に位置するスタフィンボックスの内部に密封環と金属ベローズとコイルスプリングを配置したメカニカルシール装置がある。このような構造のメカニカルシール装置では、化学薬品等の特殊な液体をシールすることができるが、メカニカルシール装置をスタフィンボックス内部に配置する必要があるために、スタフィンボックスおよびポンプの特殊な設計が必要になるという課題を有する。

また、金属ベローズに必要なバネ定数を持たせるために、金属ベローズの山数を回転軸方向に８山以上とする必要があり、上記特許文献１に示すような構造のメカニカルシール装置と比較して生産コストが嵩むという問題があった。一方、金属ベローズの山数を８山以下とすると、金属ベローズのバネ定数が大きくなり、回転軸のわずかなズレでシール押し付け圧が大きく変化する。これは、シール性能に大きく影響し、漏れ等の不具合の原因となる。

特開２００３−７４７１３号公報 実用登録２５５６９８３号公報

本発明は、このような問題点に鑑みてなされ、その目的は、化学薬品等の特殊な液体をシールすることができ、しかも、装置への取り付けが容易でコンパクトなメカニカルシール装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るメカニカルシール装置は、
回転軸が挿通する内周を持つ装置本体における前記回転軸の軸方向外面に取り付けられるシールカバーと、
前記シールカバーの内周側に軸方向移動自在に配置される第１密封環と、
前記回転軸に固着される第２密封環と、
前記シールカバーの内周側に配置され、前記第１密封環を前記第２密封環の方向に押圧するスプリングと、
前記シールカバーの内周側に取り付けられ、前記シールカバーと前記第１密封環との間に軸方向伸縮自在に取り付けられるベローズと、を具備し、
前記ベローズが伸縮する軸方向に沿って、前記スプリングが前記シールカバーに取り付けられる。

本発明に係るメカニカルシール装置では、ベローズが伸縮する軸方向に沿って、スプリングをシールカバーに取り付ける。このような構成とすることで、第１密封環に対する押圧力をスプリングの押圧力で確保することができる。そのため、ベローズを自由長近傍でメカニカルシール装置内に配置することができる。したがって、従来のベローズよりも軸方向の寸法を小さくすることができる（ベローズの山数を少なくすることができる）ために、ベローズの生産コストを低減すると共に、メカニカルシール装置をコンパクトにすることができる。

本発明において、好ましくは、ベローズは金属製である。このような構成とすることで、化学薬品等の特殊な液体に対してベローズが腐食することを防止することができる。ベローズを構成する金属は特に限定されないが、たとえば、ステンレス、インコネル、ハステロイ、カーペンター等の合金及びチタン等のいずれかの材料から製作されている。

本発明において、好ましくは、スプリングが、ベローズの外周側に配置される。また、好ましくは、シールカバーの内周側に、第１密封環と第２密封環とスプリングとベローズとがカートリッジ式に一体的に組み合わされている。このような構成とすることで、装置本体側に特別な設計変更を行うことなく、メカニカルシール装置を簡単に装置本体に取り付けることができる。また、メカニカルシール装置がカートリッジ式に一体化されているため、第１密封環と第２密封環とを精度よく組み立てることができる。

本発明によれば、化学薬品等の特殊な液体をシールすることができ、しかも、装置への取り付けが容易でコンパクトなメカニカルシール装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るメカニカルシール装置を回転軸に取り付けた要部断面図である。 図１に示すメカニカルシール装置におけるシールカバーの平面図である。 図１に示すベローズと摺動面との関係を示す要部拡大図である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。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を回転軸に取り付けた要部断面図、図２は図１に示すメカニカルシール装置におけるシールカバーの平面図、図３は図１に示すベローズと摺動面との関係を示す要部拡大図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るメカニカルシール装置１は、装置本体（たとえば遠心ポンプのケーシング）６０の機内Ａを大気Ｂに対して密封するために、装置本体６０の外面で回転軸７０の外周面７１にカートリッジとして装着される。

メカニカルシール装置１は、装置本体６０の外面６１に取り付けられるシールカバー３０と、セットスクリュー５１により回転軸７０に嵌着されるスリーブカラー５０とを有する。

装置本体６０に取り付けられるシールカバー３０は、図２に示すように、回転軸７０に対して垂直方向から見て、外形が略矩形状に形成してある。シールカバー３０には、周方向に沿って４角に固定溝４５が設けられている。これらの固定溝４５にはボルト６３が嵌め込まれ、シールカバー３０は、装置本体６０に取り付けられる。

図１に示すように、シールカバー３０の内周側には、第１密封環３と、第２密封環１０と、スプリング９と、ベローズ５とが配置されている。ベローズ５は、ベローズ本体５Ａとベローズ端保持部５Ｂ，５Ｃとからなる。

スリーブカラー５０は、セットスクリュー５１により回転軸７０に固定され、回転軸７０と共に回転するようになっている。スリーブカラー５０と回転軸７０との間には、Ｏリング５３が取り付けられ、Ｏリング５３によりスリーブカラー５０と回転軸７０の間はシールされている。

スリーブカラー５０には、回転軸７０の軸方向Ｚに沿って機内Ａ側に延びる突起部５０Ａが形成してあり、突起部５０Ａの外周面には、Ｏリング１９を介して第２密封環１０が取り付けられ、Ｏリング１９により突起部５０Ａと第２密封環１０の間はシールされている。

第２密封環１０には、大気Ｂ側の側面に凹部１０Ｇが形成されている。凹部１０Ｇとスリーブカラー５０の間にはノックピン５２が嵌め込まれ、第２密封環１０は回り止めされ、第２密封環１０は回転軸７０と共に回転するようになっている。

第２密封環１０には、機内Ａ側の側面に摺動面１０Ａが形成されている。摺動面１０Ａは、第１密封環３の摺動面３Ａと密接されて回転摺動する。第２密封環１０は、超硬質材料であるＳｉＣ（シリコンカーバイド）あるいはＷＣ（タングステンカーバイト）、カーボン、その他のセラミックスなどいずれかの材料から製作される。

シールカバー３０の内周には、半径方向内側に向けて突出する突起部３０Ａが形成されている。突起部３０Ａの内周面と突起部３０Ａの大気Ｂ側の側面は、嵌合面３１を形成する。また、シールカバー３０の内周には、嵌合面３１の他に、冷却用環状溝３２と、絞り面３３とが形成されている。

嵌合面３１には、ベローズ端保持部５Ｂが嵌合し固定されている。ベローズ５の他方の端部であるベローズ端保持部５Ｃには、回転軸７０の軸方向Ｚに沿って大気Ｂ側に延びる突起部５Ｄが形成してあり、突起部５Ｄの外周面には、Ｏリング１３を介して第１密封環３が取り付けられ、Ｏリング１３により突起部５Ｄと第１密封環３との間はシールされている。

第１密封環３には、回転軸７０の軸方向Ｚに沿って大気Ｂ側に延びる突起部３Ｂが形成してある。突起部３Ｂは、対向する第２密封環１０の摺動面１０Ａに密接し摺動する。第１密封環３は、超硬質材料であるＳｉＣ（シリコンカーバイド）あるいはＷＣ（タングステンカーバイト）、カーボン、その他のセラミックスなどいずれかの材料から製作される。

ベローズ端保持部５Ｃには、その半径方向外側に向けて延びる突起部５Ｅが形成してあり、突起部５Ｅと第１密封環３とは、ノックピン３８により冷却用環状溝３２の機内Ａ側のシールカバー側面に回り止めされている。また、突起部５Ｅと、冷却用環状溝３２の機内Ａ側のシールカバー側面との間にはスプリング９が配置され、このスプリング９により突起部５Ｅは、回転軸７０の軸方向Ｚに押圧されており、第１密封環３は、突起部５Ｅを介して回転軸７０の軸方向Ｚに押圧される。これにより第１密封環３（突起部３Ｂ）の摺動面３Ａは、対向する第２密封環１０の摺動面１０Ａに密接し摺動する。

スプリング９は、ベローズ５の半径方向外側であって、シールカバー３０の内周（冷却用環状溝３２の機内Ａ側のシールカバー側面）に円周方向に複数個配置されている。スプリング９の個数は特に限定されないが４〜２４個である。

ベローズ本体５Ａは、ベローズ端保持部５Ｂ，５Ｃの間に、回転軸７０の軸方向Ｚに沿って伸縮自在に取り付けられている。ベローズ５を構成する金属は、ステンレス、インコネル、ハステロイ、カーペンター等の合金及びチタン等のいずれかの材料から製作される。

Ｏリング１３，１９，５３は、フッ素ゴム、ニトリルゴム、ＥＰＤＭ、パーフロロエラストマーなどいずれかの材料から製作される。また、Ｏリングに耐蝕性を要求する場合には、パーフロロエラストマー、好ましくはカルレッツ（登録商標）を用いて製作される。

絞り面３３は、第２密封環１０の外周面１０Ｄと近接状態に嵌合して、クエンチング通路４０から注入される液体の絞りシール機能部を構成する。

図２に示すように、シールカバー３０には、外周面に沿って等配に１〜３個のクエンチング通路４０と、ドレン孔４０Ａと、必要に応じて１個のフラッシング通路４１とが設けられる。クエンチング通路４０は、外方の配管と接続可能な管用ねじ部から冷却用環状溝３２内へ直線的に連通するように形成されている。クエンチング液が、クエンチング通路４０から直接に第１密封環３の摺動面３Ａと第２密封環１０の摺動面１０Ａとに注入されるため、両摺動面３Ａ，１０Ａの摺動時の発熱が冷却される。クエンチング通路４０から注入されたクエンチング液は、ドレン孔４０Ａから排出される。

図１に示すように、ベローズ５と回転軸７０の外周面７１との間には、間隙Ｈが形成されている。間隙Ｈの大きさは被密封流体が固形化して目詰まりすることなく流通できるように考慮されている。また、シールカバー３０と装置本体６０との間には、ガスケット３４が設けられている。ガスケット３４は、樹脂又は金属などの材料から製作されている。

シールカバー３０とスリーブカラー５０は、スリーブカラー５０の外周面に配置されるセットプレート５５により位置決めされて装置本体６０に取り付けられる。セットプレート５５は、ソケットボルト５９によりスリーブカラー５０の外周面に固定される。

このように構成されたメカニカルシール装置１において、本実施形態では、ベローズ５が伸縮する回転軸７０の軸方向Ｚに沿って、スプリング９をシールカバー３０の内周側に取り付けてある。スプリング９が、ベローズ端保持部５Ｃを介して第１密封環３に対して十分な押圧力を有するために、ベローズ５は、第１密封環３に対する押圧力をほどんど有する必要がない。そのため、ベローズ本体５Ａを自由長近傍の状態で取り付けることができる。つまり、ベローズ本体５Ａの山数を少なくすることができるために、ベローズ５の生産コストを低減することができる。また、メカニカルシール装置１をコンパクトにすることができる。ベローズ本体５Ａの山数は、３〜５山でよいが、好適には４山である。また、メカニカルシール装置１の回転軸７０に沿った軸方向Ｚの寸法は５０ｍｍ以下とすることができる。

また、ベローズ５を金属製とすることで、化学薬品等の特殊な液体に対してベローズ５が腐食することを防止することができるため、機内Ａの被密封流体の漏洩を防止することができる。

また、スプリング９が、ベローズ５の外周側に配置されており、シールカバー３０の内周側に、第１密封環３と第２密封環１０とスプリング９とベローズ５とがカートリッジ式に一体的に組み合わされた構造とすることで、装置本体６０に特別な設計変更を行うことなく、メカニカルシール装置１を簡単に装置本体６０に取り付けることができる。さらにまた、第１密封環３と第２密封環１０とを装置本体６０に取り付ける前に精度よく組み立てることができる。

メカニカルシール装置１は、スプリング９によって両摺動面３Ａ，１０Ａへの押圧力を確保しているため、図３に示すように、摺動面３Ａの半径方向の幅γで押圧力を調整することができる。摺動面３Ａの半径方向の幅γは１〜４ｍｍが好ましいが、好適には、２．５ｍｍ以下である。

また、摺動面３Ａ，１０Ａへの押圧力は、スプリング９による押圧力の他に、ベローズ本体５Ａとベローズ端保持部５Ｃとの接合部と、突起部３Ｂの内周面との半径方向の幅δにおける被密封流体の押圧力が付加される。ベローズ５の半径方向の中心Ｃ１は、摺動面３Ａの半径方向の幅γの範囲内にあることが好ましい。

このような構成とすることで、より好適にベローズ５を自由長近傍でメカニカルシール装置１内に配置することができる。また、本実施形態では、軸径に合わせて、予め数種類のカートリッジ式メカニカルシール装置１を準備することができるので、どのような軸径にでも対応することができる。また、被密封流体が収容される機内Ａ内の圧力は２．０ＭＰａ以下で使用されるが、好適には１．５ＭＰａ以下である。

本実施形態のメカニカルシール装置１において、第１密封環３及び第２密封環１０は、前述したように、各々、超硬質材料であるＳｉＣ（シリコンカーバイド）あるいはＷＣ（タングステンカーバイト）、カーボン、その他のセラミックスの組合せにより形成されている。従って、第１密封環３がスプリング９の押圧力により第２密封環１０の方向に付勢されて第１密封環３の摺動面３Ａと第２密封環１０の摺動面１０Ａとが密接されたとしても、第１密封環３の摺動面３Ａの形状は実質的には変化しない。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することがでる。たとえば、上述した実施形態においては、第１密封環及び第２密封環は、超硬質材料であるＳｉＣ（シリコンカーバイド）あるいはＷＣ（タングステンカーバイト）、カーボン、その他のセラミックスにより形成されるとしたが、硬度の高い材料であれば、その他の任意の材料を用いてもよい。また、シールカバーの外形は円形状にすることもできる。

１ メカニカルシール装置
３ 第１密封環
３Ａ 摺動面
３Ｂ 突起部
５ ベローズ
９ スプリング
１０ 第２密封環
１０Ａ 摺動面
１３ Ｏリング
１９ Ｏリング
３０ シールカバー
３０Ａ 突起部
３２ 冷却用環状溝
３８ ノックピン
４０ クエンチング通路
４０Ａ ドレン孔
４１ フラッシング通路
５０ スリーブカラー
５１ セットスクリュー
５２ ノックピン
５３ Ｏリング
５９ ソケットボルト
６０ 装置本体
７０ 回転軸
Ａ 機内
Ｂ 大気
Ｈ 間隙

Claims (5)

1. 回転軸が挿通する内周を持つ装置本体における前記回転軸の軸方向外面に取り付けられるシールカバーと、
   前記シールカバーの内周側に軸方向移動自在に配置される第１密封環と、
   前記回転軸に固着される第２密封環と、
   前記シールカバーの内周側に配置され、前記第１密封環を前記第２密封環の方向に押圧するスプリングと、
   前記シールカバーの内周側に取り付けられ、前記シールカバーと前記第１密封環との間に軸方向伸縮自在に取り付けられるベローズと、を具備し、
   前記ベローズが伸縮する軸方向に沿って、前記スプリングが前記シールカバーに取り付けられ、
   前記ベローズは金属製のベローズ本体と、このベローズ本体の軸方向両端に接合される一対の金属製のベローズ端保持部とからなり、
   前記第１密封環に連結される一方の前記ベローズ端保持部には、半径方向外側に向けて延びる突起部が形成してあり、
   前記スプリングは、前記突起部を介して前記第１密封環を前記第２密封環の方向に押圧し、
   前記ベローズの内周面と前記回転軸の外周面との間には、被密封流体が流通する間隙が形成されており、
   前記第１密封環と前記第２密封環との摺動面への押圧力は、前記スプリングによる押圧力の他に、前記ベローズ本体とベローズ端保持部との接合部と前記摺動面の内周面との半径方向の幅における前記被密封流体の押圧力が付加され、
   前記ベローズは自由長近傍で取り付けられているメカニカルシール装置。
2. 前記ベローズ本体の山数は３〜５山である請求項１に記載のメカニカルシール装置。
3. 前記シールカバーにはクエンチング通路に連通する冷却用環状溝が形成されており、
   前記スプリングは、前記冷却用環状溝に配置してあることを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシール装置。
4. 前記スプリングが、前記ベローズの外周側に配置される請求項１〜３のいずれかに記載のメカニカルシール装置。
5. 前記シールカバーの内周側に、前記第１密封環と前記第２密封環と前記スプリングと前記ベローズとがカートリッジ式に一体的に組み合わされている請求項１〜４のいずれかに記載のメカニカルシール装置。

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