JP5707639B2 - 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係り、さらに詳しくは、中間リングを用いたメカニカルシール装置の改良に関する。

たとえばボイラ供給用ポンプ（ＢＦＰ）用の軸シール等に代表される高温高速回転ポンプ用の軸シールでは、熱水等からなる被密封流体の温度が低下することを防ぐために、メカニカルシール装置の冷却を行わないシステムが求められる。

しかし、高温、高圧、高回転ポンプ用のメカニカルシール装置において、摺動面を冷却しないシステムを採用した場合、摺動面を構成する部材の温度・圧力による変形量が増大し、摺動面の当たり面の状況が、エッジ状の当たりとなり、漏れが発生するという問題を有する。また、摺動面流体が摺動発熱で蒸発し、摺動面において固体接触が発生し、異常摩耗や破損に繋がる場合がある。

このような問題を解決するための従来技術としては、たとえば、摺動面の変形を抑制するために、回転密封環と静止密封環との間に中間リングを配置したものが知られている（例えば、特許文献１等参照）。

また、他の従来技術としては、中間リングと回転密封環および静止密封環との摺動面に羽根列を設置して、中間リングと回転密封環および静止密封環との摺動トルクを軽減させるものが知られている（例えば、特許文献２等参照）。

しかし、回転密封環と静止密封環との間に中間リングを配置した従来技術では、中間リングが静止密封環に対して回転することができなかったり、あるいは、回転密封環と共に同じ回転速度で回転してしまったり、あるいは、これらの状態を繰り返したりすることがあった。すなわち、従来の技術では、中間リングを、たとえば回転密封環の回転速度の約１／２で安定して回転させることが困難であった。

また、摺動面に羽根列を設置した従来技術では、中間リングと静止密封環および回転密封環に対する摺動トルクの制御が難しいため、中間リングの静止密封環に対する回転速度を最適値に保持することが困難であるという問題や、摺動面から漏れが発生するという問題を有している。

特許第４１４７２１６号公報 特公昭６１−５８７０４号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、中間リングを安定して回転させることが可能であり、異常な摩耗が少なく、しかも漏れが少ない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、
回転軸と当該回転軸を覆うケーシングとの間の被密封流体を密封するメカニカルシール装置であって、
前記回転軸と一体的に回転する回転密封環と、
前記ケーシングに対して相対回転不可に取り付けられる静止密封環と、
前記回転軸の軸方向に沿って前記回転密封環と前記静止密封環に挟まれて、前記回転密封環および前記静止密封環の双方と摺動し、前記回転密封環および前記静止密封環の双方に対して相対回転可能に配置される中間リングと、
前記回転軸と一体的に回転するように前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸と交差するように前記中間リングに形成してある第１受動面に対して所定の第１流体隙間で向き合って配置される第１能動面を持つ回転ディスクと、を有する。

本発明に係るメカニカルシール装置では、中間リングに形成してある第１受動面に対して、回転ディスクの第１能動面が、所定の第１流体隙間で向き合って配置される。第１流体隙間は、その流体隙間を流通する流体の粘性力により、第１能動面の回転力が、第１受動面に伝わり、中間リングを、静止密封環に対して所定の回転速度（α）で回転させるように決定される。

所定の回転速度（α）は、回転軸の回転速度および回転密封環の回転速度（β）よりも小さい速度であり、たとえば第１流体隙間の幅を小さく、対向面積を大きくするほど、αはβに近づく傾向にあり、逆に、第１流体隙間の幅を大きく、対向面積を小さくするほど、回転ディスクの回転力の影響は、中間リングの回転に影響を及ぼしにくくなる。

すなわち、本発明に係るメカニカルシール装置では、第１流体隙間の幅や対向面積などを調整することで、回転ディスクの回転により、その回転力が、第１流体隙間に存在する流体の粘性力として、中間リングに伝わり、中間リングは、強制的に所定の回転速度（α）で回転させられる。そのため、中間リングが静止密封環に対して回転することができなくなる状態を避けることができ、中間リングを、安定して強制的に所定の回転速度（α）で回転させることが可能になる。

所定の回転速度（α）は、回転密封環の回転速度（β）よりも小さい速度であり、中間リングと静止密封環との間の摺動面で発生する発熱は、回転密封環を直接に静止密封環に接触させる場合に摺動面に発生する摺動面の発熱よりも小さくなる。

そのため、本発明のメカニカルシール装置では、仮に高温、高圧および／または高速回転の環境下で使用されても、回転密封環、静止密封環および中間リングの異常な摩耗が少なくなり、これらの耐久性が向上する。さらに、本発明のメカニカルシール装置では、従来技術と異なり、回転密封環、中間リングおよび静止密封環の摺動面に羽根列を形成する必要がないことから、摺動面からの被密封流体の漏れも少ない。

好ましくは、前記第１流体隙間に前記被密封流体が存在するように、前記回転ディスクが、前記回転軸の軸方向に沿って前記回転密封環と前記静止密封環との間で、前記中間リングの内周または外周に位置して配置される。被密封流体を、第１流体隙間に存在させる流体として用いることで、被密封流体とは別の流体を第１流体隙間に存在させる必要がなく、密封構造がシンプルになる。

前記中間リングの内周側または外周側には、少なくとも一つの凸板部が形成してあれば良く、当該凸板部の表面に前記第１受動面が形成してあれば、本発明の作用効果を奏することができる。

好ましくは、前記中間リングの内周側または外周側には、前記回転軸の軸方向に沿って離れた少なくとも二つの凸板部が形成してあり、これらの二つの凸板部の間には、リング状の凹溝が形成され、当該凹溝の内部に前記回転ディスクの少なくとも一部が入り込み、
前記凹溝の対向する内壁面の内の一方が前記第１受動面となり、他方が第２受動面となり、前記回転ディスクの前記第１能動面の反対側の面が第２能動面となり、
前記第２受動面に対して、前記第２能動面が、所定の第２流体隙間で向き合って配置される。

第１流体隙間のみで無く、第２流体隙間を介して、回転ディスクの第１および第２能動面と、中間リングの第１および第２受動面とが、それぞれ対向することで、これらの隙間に存在する流体の粘性力を介しての回転力の伝達が安定し、中間リングを、より安定的に回転させることが可能になる。

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の上側半分を示す概略縦断面図である。 図２は図１に示すメカニカルシール装置のII−II線に沿う中間リング、回転ディスクおよびスリーブの横断面図である。 図１に示すメカニカルシール装置の回転密封環、静止密封環、中間リング、回転ディスクおよびスリーブの要部拡大断面図である。

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に示す本発明の一実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、たとえばボイラ給水ポンプ（ＢＦＰ）用の軸シールに用いられるが、ボイラ給水ポンプに限定されず、その他の高温、高圧および／または高速回転の装置のための軸シールとして、好適に用いることができる。

メカニカルシール装置１０は、軸中心Ｚを中心として回転する回転軸１２と、ポンプなどのケーシング１４との間の内部隙間３０を流通する被密封流体が、ケーシングの外部３１に漏洩することを防止するための装置であり、シールカバー１６の内部に取り付けられる。

シールカバー１６は、ケーシング１４の軸端部に着脱自在に取り付けられ、その取付面は、Ｏリング２４により密封されている。なお、シールカバー１６は、ケーシング１４の一部を構成しており、ケーシング１４と一体的に形成してあっても良いが、メカニカルシール装置１０のメンテナンスを容易にするためには、ケーシング１４に対して着脱自在に固定することが好ましい。

シールカバー１６の内側には、内部隙間３０からケーシング外部３１に向けて回転軸１２に沿って、静止密封環１８、中間リング２０および回転密封環２２が、この順で配置してある。本実施形態において、静止密封環１８、中間リング２０および回転密封環２２の材質は、特に限定されず、たとえばＳｉＣ、Ｃ、ＳｉＮ、Ａｌ_２ Ｏ_３ 、ジルコニアなどで構成され、静止密封環１８、中間リング２０および回転密封環２２を全て同じ材質で構成しても良く、異ならせても良い。好ましくは、静止密封環１８および回転密封環２２を、中間リング２０よりも柔らかい材質で構成する。

図３に示すように、静止密封環１８における中間リング側の軸端（右側軸端）に形成してある先端摺動面１８ａは、中間リング２０の第１摺動面２０ａに回転摺動するようになっている。また、中間リング２０の第１摺動面２０ａと反対側の第２摺動面２０ｂは、回転密封環２２における中間リング側の軸端（左側軸端）に形成してある先端摺動面２２ａに回転摺動するようになっている。

静止密封環１８における先端摺動面１８ａの外周側には、外方凸部１８ｂが形成してある。外方凸部１８ｂの外周には、断面Ｌ字形状のホルダ３６が装着してあり、ホルダ３６の筒部３６ａが、外方凸部１８ｂの外周面を覆い、筒部３６ａの軸方向先端部が中間リング２０の外周の一部を覆うようになっている。ホルダ３６の筒部３６ａに略垂直に一体成形されたリング板部３６ｂは、外方凸部１８ｂにおける背面側側面１８ｃに当接している。

図１に示すように、ホルダ３６のリング板部３６ｂには、弾性部材としてのスプリング３２の軸方向先端が当接してあり、スプリング３２の後端は、シールカバー１６に形成してあるスプリング保持孔に保持してある。スプリング３２の弾性力により、ホルダ３６および静止密封環１８が軸方向に押圧され、その押圧力は、静止密封環１８から中間リング２０および回転密封環２２に伝わり、これらの各摺動面１８ａ，２０ａおよび２０ｂ，２２ａ（図３参照）における接触を確保する。

また、スプリング３２の弾性力は、ホルダ３６と静止密封環１８とを相互に軸方向相対移動しないように保持し、図３に示すホルダ３６における筒部３６ａの軸方向先端部が、先端摺動面１８ａよりも軸方向の先端に飛び出し、中間リング２０の外周に常に位置するようになっている。ホルダ３６における筒部３６ａの軸方向先端部は、中間リング２０の外周に位置することで、中間リング２０と静止密封環１８とを同芯状態に保持する機能を有する。

図１に示すスプリング３２は、円周方向に沿って複数位置に配置される。円周方向に沿って各スプリング３２の間には、回り止めピン３４の基端部がシールカバー１６に固定してある。回り止めピン３４の先端部は、ホルダ３６のリング板部３６ｂおよび静止密封環１８の外方凸部１８ｂに形成してある回り止め溝または孔に係合し、その結果、静止密封環１８およびホルダ３６は、シールカバー１６に対して、軸方向移動自在にしかも相対回転不可に取り付けられる。静止密封環１８とシールカバー１６との間にはＯリング２６が取り付けられ、それらの間からスプリング３２方向に被密封流体が漏れることを防止している。

回転密封環２２は、回転軸１２と一体的に回転するように、回転軸１２に取り付けられる。具体的には、次のように取り付けられる。図１に示すように、回転軸１２には、スリーブカラー４４によりスリーブ４０が固定される。スリーブ４０と回転軸１２との間には、Ｏリング４２が装着してあり、これらの間から被密封流体がケーシング外部３１に漏れることを防止している。

スリーブカラー４４は、セットねじ４６などにより、スリーブ４０と共に回転軸１２に固定され、回転軸１２と共に回転するようになっている。スリーブカラー４４とスリーブ４０との間には、Ｏリング４８が装着してあり、これらの間から被密封流体がケーシング外部３１へ漏れることを防止している。

図３に示すように、回転密封環２２における先端摺動面２２ａの外周側には、外方凸部２２ｂが形成してある。外方凸部２２ｂの外周には、断面Ｌ字形状のホルダ５６が装着してあり、ホルダ５６の筒部５６ａが、外方凸部２２ｂの外周面を覆い、筒部５６ａの軸方向先端部が中間リング２０の外周の一部を覆うようになっている。ホルダ５６の筒部５６ａに略垂直に一体成形されたリング板部５６ｂは、外方凸部２２ｂにおける背面側側面２２ｃに当接している。

図１に示すように、ホルダ５６のリング板部５６ｂには、弾性部材としてのスプリング５２の軸方向先端が当接してあり、スプリング５２の後端は、スリーブカラー４４に形成してあるスプリング保持孔に保持してある。スプリング５２の弾性力は、前述したスプリング３２の弾性力よりも弱いことが好ましく、たとえばスプリング３２の弾性力の１／４〜１／８が好ましい。

スプリング５２の弾性力は、ホルダ５６と回転密封環２２とを相互に軸方向相対移動しないように保持し、図３に示すホルダ５６における筒部５６ａの軸方向先端部が、先端摺動面２２ａよりも軸方向の先端に飛び出し、中間リング２０の外周に常に位置するように決定される。ホルダ５６における筒部５６ａの軸方向先端部は、中間リング２０の外周に位置することで、中間リング２０と回転密封環２２とを同芯状態に保持する機能を有する。

図１に示すスプリング５２は、円周方向に沿って複数位置に配置される。円周方向に沿って各スプリング５２の間には、回り止めピン５４の基端部がスリーブカラー４４に固定してある。回り止めピン５４の先端部は、ホルダ５６のリング板部５６ｂおよび回転密封環２２の外方凸部２２ｂに形成してある回り止め溝または孔に係合し、その結果、回転密封環２２およびホルダ５６は、スリーブカラー４４に対して、軸方向移動自在にしかも相対回転不可に取り付けられる。回転密封環２２とスリーブカラー４４との間にはＯリング５０が取り付けられ、それらの間からスプリング５２の方向に被密封流体が漏れることを防止している。

スリーブカラー４４との接合端部とは軸方向反対側のスリーブ４０の軸端部には、スリーブホルダー６２が複数のボルト６４により取り付けられ、スリーブホルダー６２とスリーブ４０との間には、回転ディスク６０の内方縁部がスリーブ４０に対して回転不可に取り付けられている。

回転ディスク６０は、図２に示すように、たとえば円周方向に３つ以上に分割されている円弧状分割体６０_１ 、６０_２ 、６０_３ で構成してあり、それらが円周方向に組み合わさることで、回転ディスク６０を構成している。各円弧状分割体６０_１ 、６０_２ 、６０_３ は、ボルト６４によりスリーブホルダー６２およびスリーブ４０（すなわち回転軸１２）に対して回転不可に取り付けられる。回転ディスク６０を３つ以上の円弧状分割体で構成するのは、中間リング２０の内周側に形成してある内側凹溝２０ｃに挿入しやすくするためである。

本実施形態では、中間リング２０の両軸端に形成してある摺動面２０ａ，２０ｂよりも内周側に、一対の凸板部２１および２３が、回転軸１２の軸方向に沿って離れて形成してあり、これらの凸部の間に、内側凹溝２０ｃが形成してある。各凸板部２１，２３における凹溝２０ｃ側の側面には、それぞれ受動面２１ａ，２３ａが形成してあり、凹溝２０ｃとは軸方向に反対側の側面には、凹部７０および７２が形成してあり、密封環１８および２２の摺動面１８ａ，２２ａに対して接触しないようになっている。

凹溝２０ｃには、回転ディスク６０の本体が接触しないように入り込み、回転ディスクの軸方向表裏面に形成してある能動面６０ａ，６０ｂが、それぞれ受動面２１ａ，２３ａに対して所定の流体隙間で配置される。回転ディスク６０の外周面６０ｃも、凹溝２０ｃの溝底面に対して所定の流体隙間をもって配置される。これらの流体隙間は、略同一であることが好ましいが、必ずしも同一では無くても良い。たとえば回転ディスク６０の外周面６０ｃと凹溝２０ｃの溝底面との流体隙間は、能動面６０ａ，６０ｂと受動面２１ａ，２３ａとの流体隙間よりも広くても良い。

これらの流体隙間は、その流体隙間を流通する流体の粘性力により、能動面６０ａ，６０ｂの回転力が、対向する各受動面２１ａ，２３ａに伝わり、中間リング２０を、静止密封環１８に対して所定の回転速度（α）で回転させるように決定される。

所定の回転速度（α）は、回転軸１２の回転速度および回転密封環２２の回転速度（β）よりも小さい速度であり、流体隙間の幅や対向面積、あるいは、表面の凹凸形状、表面粗さ、親水性物質塗布などを調整することで、制御することができる。たとえば流体隙間の幅を小さく、対向面積を大きくするほど、αはβに近づく傾向にあり、逆に、流体隙間の幅を大きく、対向面積を小さくするほど、回転ディスク６０の回転力の影響は、中間リング２０の回転に影響を及ぼしにくくなる。

すなわち、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０では、流体隙間の幅や対向面積などを調整することで、回転ディスク６０の回転により、その回転力が、流体隙間に存在する流体の粘性力として、中間リング２０に伝わり、中間リング２０は、強制的に所定の回転速度（α）で回転させられる。そのため、中間リング２０が静止密封環１８に対して回転することができなくなる状態を避けることができ、中間リング２０を、安定して強制的に所定の回転速度（α）で回転させることが可能になる。

所定の回転速度（α）は、回転密封環２２の回転速度（β）よりも小さい速度であり、中間リング２０と静止密封環１８との間の摺動面で発生する発熱は、回転密封環２２を直接に静止密封環１８に接触させる場合に摺動面に発生する摺動面の発熱よりも小さくなる。

そのため、本実施形態のメカニカルシール装置１０では、仮に高温、高圧および／または高速回転の環境下で使用されても、回転密封環２２、静止密封環１８および中間リング２０の異常な摩耗が少なくなり、これらの耐久性が向上する。さらに、本実施形態のメカニカルシール装置１０では、従来技術と異なり、回転密封環２２、中間リング２０および静止密封環１８の摺動面に羽根列を形成する必要がないことから、摺動面からの被密封流体の漏れも少ない。

なお、前述した中間リング２０の所定の回転速度（α）は、回転密封環２２の回転速度（β）に対する比率（α／β）が１未満、好ましくは１／４〜３／４、特に好ましくは１／２±１／１０以内となるように決定される。

流体隙間の具体的な値は、回転密封環２２、静止密封環１８および中間リング２０の摺動面積、材質、凸板部２１，２１の面積、流体の粘度、回転速度、流体温度、流体密度、などにより決定され、特に限定されないが、好ましくは０．１〜０．５ｍｍ程度が好ましい。

本実施形態では、回転ディスクと６０と中間リング２０との間の流体隙間には、内部隙間３０に存在する被密封流体が導入されるように、回転ディスク６０が、回転軸１２の軸方向に沿って回転密封環２２と静止密封環１８との間で、中間リング２０の内周に位置して配置される。被密封流体を、流体隙間に導入させることで、被密封流体とは別の流体を流体隙間に存在させる必要がなく、密封構造がシンプルになる。

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きる。

たとえば、中間リング２０の内周側には、一対の凸板部２１および２３以外に、さらに軸方向に離れて他の凸板部を設けても良く、それらの凸板部の間の各凹溝に、回転リング６０をそれぞれ所定の流体隙間で２以上配置するようにしても良い。あるいは、中間リング２０の内周側には、少なくとも一つの凸板部２１または２３が形成してあれば良く、当該凸板部２１または２３の表面に単一の受動面２１ａまたは２３ａが形成してあれば、本発明の作用効果を奏することができる。なお、単一の受動面２１ａまたは２３ａの内、いずれが第１受動面であっても良く、それに対向する回転ディスク６０の表面が第１能動面となる。

ただし、前述した実施形態に示すように、回転ディスク６０の軸方向の両側に形成してある能動面６０ａ，６０ｂと、中間リング２０の一対の凸板部２１および２３間の凹溝２０ｃの側面に形成してある受動面２１ａ，２３ａとが、それぞれ対向することが好ましい。このように構成することで、これらの流体隙間に存在する流体の粘性力を介しての回転力の伝達が安定し、中間リング２０を、より安定的に回転させることが可能になる。

また本発明では、流体隙間を構成する能動面６０ａ，６０ｂと、受動面２１ａ，２３ａとの少なくともいずれか一方に、流体の粘性力を増大させるための溝、凹凸などを形成しても良い。また本発明では、中間リング２０に形成する凹溝２０ｃの溝深さは、特に限定されず、中間リング２０の外周面近くにまで位置させても良い。その場合には、回転ディスク６０の外径も、溝深さに応じて大きくすることができ、流体隙間における能動面６０ａ，６０ｂと、受動面２１ａ，２３ａとの対向面積が増大する。

さらに本発明では、回転ディスク６０に形成してある能動面６０ａ，６０ｂは、回転軸１２の軸芯Ｚに対して交差していれば良いが、中間リング２０を軸方向に可能な限り移動させない観点からは、能動面６０ａ，６０ｂおよび受動面２１ａ，２３ａは、軸芯Ｚに対して略垂直であることが好ましい。

さらに上述した実施形態では、アウトサイド側メカニカルシール装置について説明したが、本発明の構造は、インサイド型メカニカルシール装置にも適用することができる。また上述した実施形態では、中間リング２０の内周側に、凸部２１および／または２３と凹溝２０ｃとを形成したが、これらの凸部および／または凹溝は、中間リング２０の外周側に形成しても良い。その場合には、前述した回転リング６０は、中間リング２０の外周側に配置される。

１０… メカニカルシール装置
１２… 回転軸
１４… ケーシング
１６… シールカバー
１８… 静止密封環
１８ａ… 摺動面
２０… 中間リング
２０ａ，２０ｂ… 摺動面
２０ｃ… 凹溝
２１，２３… 凸板部
２１ａ，２３ａ… 受動面（いずれか一方が第１受動面、他方が第２受動面）
２２… 回転密封環
２２ａ… 摺動面
３２，５２… スプリング
３６，５６… ホルダ
６０… 回転ディスク
６０ａ，６０ｂ… 能動面（いずれか一方が第１能動面、他方が第２能動面）
６０ｃ… 外周面

Claims (4)

1. 回転軸と当該回転軸を覆うケーシングとの間の被密封流体を密封するメカニカルシール装置であって、
   前記回転軸と一体的に回転する回転密封環と、
   前記ケーシングに対して相対回転不可に取り付けられる静止密封環と、
   前記回転軸の軸方向に沿って前記回転密封環と前記静止密封環に挟まれて、前記回転密封環および前記静止密封環の双方と摺動し、前記回転密封環および前記静止密封環の双方に対して相対回転可能に配置される中間リングと、
   前記回転軸と一体的に回転するように前記回転軸に取り付けられ、前記回転軸と交差するように前記中間リングに形成してある第１受動面に対して所定の第１流体隙間で向き合って配置される第１能動面を持つ回転ディスクと、を有するメカニカルシール装置。
2. 前記第１流体隙間に前記被密封流体が存在するように、前記回転ディスクが、前記回転軸の軸方向に沿って前記回転密封環と前記静止密封環との間で、前記中間リングの内周または外周に位置して配置される請求項１に記載のメカニカルシール装置。
3. 前記中間リングの内周側または外周側には、少なくとも一つの凸板部が形成してあり、当該凸板部の表面に前記第１受動面が形成してある請求項１または２に記載のメカニカルシール装置。
4. 前記中間リングの内周側または外周側には、前記回転軸の軸方向に沿って離れた少なくとも二つの凸板部が形成してあり、これらの二つの凸板部の間には、リング状の凹溝が形成され、当該凹溝の内部に前記回転ディスクの少なくとも一部が入り込み、
   前記凹溝の対向する内壁面の内の一方が前記第１受動面となり、他方が第２受動面となり、前記回転ディスクの前記第１能動面の反対側の面が第２能動面となり、
   前記第２受動面に対して、前記第２能動面が、所定の第２流体隙間で向き合って配置される請求項１〜３のいずれかに記載のメカニカルシール装置。

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