JP5939901B2 - 回転流体機器のシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転流体機器のシール装置に関する。

従来、ポンプ等の回転流体機器の内部の被密封流体をシールするものとして、ケーシング側に取り付けられた静止環と、回転軸側に取り付けられた回転環とを備え、静止環に形成された静止側シール端面と回転環に形成された回転側シール端面とを摺接させるメカニカルシールが多用されている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、従来（特許文献１）のメカニカルシールの一例を示す断面図である。
回転流体機器１１０は、回転軸１１２と、この回転軸１１２が貫通されたケーシング１１１とを備え、回転軸１１２とケーシング１１１との間には収容室１１５が形成されている。そして、この収容室１１５と回転流体機器１１０の機外領域（大気領域）とがメカニカルシール１１６によってシールされている。ケーシング１１１には、収容室１１５に連通するフラッシング孔１３１が形成され、このフラッシング孔１３１を介して収容室１１５内にフラッシング液が導入される。フラッシング液は、メカニカルシール１１６における回転環１２２及び静止環１２０のシール面の潤滑や冷却等を行う。

回転流体機器１１０の機内領域が負圧である場合、収容室１１５内のフラッシング液が機内側へ引き込まれると、収容室１１５内の圧力が大気圧よりも低下する可能性がある。この場合、大気側から回転環１２２及び静止環１２０のシール面にエアが入り込み、シール性の低下を招くおそれがある。また、回転流体機器１１０によって扱われる流体の沸点が低い場合には、収容室１１５内の圧力が低下することによって、回転環１２２及び静止環１２０のシール面付近でフラッシング液が蒸発してガスが溜まり、その結果、シール性の低下を招くおそれがある。従来、このようなシール性の低下を防止するために、収容室１１５と機内領域との間にはフローティングリング２００が設けられている。

このフローティングリング２００は、メカニカルシール１１６よりも機内側に配置されるとともに、ケーシング１１１に対してＯリング２０１を介して装着されている。そして、フローティングリング２００の内周面と、回転軸１１２の外周面に取り付けられたスリーブ２０２との間には、オリフィスとして機能する環状の隙間（絞り流路）２０３が形成され、この隙間２０３が収容室１１５から機内側に流入するフラッシング液の流量を制限し、収容室１１５内の圧力を大気圧及び機内領域の圧力よりも高い適正な圧力に保持している。

実開平３−１２０５８号公報

図６に示されるフローティングリング２００は、回転するスリーブ２０２との間に僅かな隙間２０３しか形成されていないので、長期の使用によって次第に摩耗する可能性がある。すなわち、回転流体機器１１０によって扱われる流体がスラリーのような異物を含む流体である場合、フローティングリング２００とスリーブ２０２との狭い隙間２０３に異物を噛み込み、フローティングリング２００が摩耗してしまう可能性がある。フローティングリング２００が摩耗すると、スリーブ２０２との隙間２０３が拡がって収容室１１５内の圧力を適正に保持することができなくなり、メカニカルシール１１６のシール性の低下を防止することが困難となる。

特に、フローティングリング２００は、その内周面がカーボン等の軟質材で形成されることが多いため、より摩耗しやすくなっている。また、フローティングリング２００は、自重等の要因によって回転軸１１２と若干軸心がずれるため、フローティングリング２００とスリーブ２０２との隙間２０３が部分的により小さくなり、フローティングリング２００の摩耗が促進されるおそれがある。

本発明は、上記のような実情に鑑みてなされたものであり、ケーシングと回転軸との間に設けられた収容室内の圧力を適切に保持することができる回転流体機器のシール装置を提供することを目的とする。

本発明は、回転流体機器におけるケーシングと回転軸との間に形成されるとともに、フラッシング液が供給される収容室と、
前記収容室と前記回転流体機器の機外領域との間をシールする第１メカニカルシールと、
前記第１メカニカルシールよりも前記回転流体機器の機内側に設けられ、前記収容室と前記機内領域との間をシールする第２メカニカルシールと、を備えており、
前記第２メカニカルシールは、前記回転軸に一体回転可能に設けられた回転環と、前記ケーシングに設けられ、前記回転環に対して軸方向に当接する静止環と、を備え、
前記回転環は、硬質材で形成され、
前記静止環は、軟質材で形成され、前記回転環のシール面に当接するシール環と、硬質材で形成され、前記シール環を保持する保持環とを備え、
前記保持環に、前記収容室と前記機内領域との間の流体の流通を、流量を絞った状態で許容する孔形状の絞り流路が貫通して形成されていることを特徴とする。

本発明に係るシール装置の第１メカニカルシールは、収容室と機外領域との間をシールすることによって、機外領域から収容室内への外気の浸入、及び収容室から機外領域への流体の漏れ等を防止することができる。また、第１メカニカルシールは、収容室に供給されたフラッシング液によって潤滑、冷却される。一方、第２メカニカルシールは、収容室と機内領域との間をシールすると同時に、絞り流路を介して流量を絞った状態で両者間の流体の流通が許容される。この絞り流路によって、収容室内と機内領域との間を大流量の流体が流通することがなく、収容室内の圧力が適切に保持される。したがって、第１メカニカルシールのシール性の低下を好適に抑制することができる。
ここで、絞り流路は第２メカニカルシールを貫通する孔形状に形成されるので、回転軸の回転に伴って摩耗することはほとんどない。また、本発明の絞り流路は、従来の絞り流路である環状の隙間と同等の開口面積を確保する場合、当該隙間の径方向寸法よりも大きな径の孔とすることができるため、異物が詰まってしまうのを抑制することができ、収容室内を適切な圧力に保持することができる。

前記第２メカニカルシールは、前記回転軸に一体回転可能に設けられた回転環と、前記ケーシングに設けられ、前記回転環に対して軸方向に当接する静止環と、を備えており、前記絞り流路は、前記静止環に設けられている。
第２メカニカルシールが回転環と静止環とを備えている場合、仮に絞り流路を回転環に形成すると、回転環の回転に伴って絞り流路を流通する流体に乱れが生じ、収容室内の圧力制御が困難となる。本発明は、静止環に対して絞り流路を形成することによって、このような不都合が生じるのを防止することができる。

前記絞り流路は、前記第２メカニカルシールを構成する硬質材に形成されている。
一般に、メカニカルシールの回転環や静止環は、ステンレス、チタン、ＳｉＣ（炭化珪素）、超硬合金等の硬質材や、カーボン等の軟質材によって形成されるが、このうち軟質材に対して絞り流路の流路を形成すると、強度の低下や摩耗の発生が問題となる。そのため、本発明では、硬質材に絞り流路を形成することによって強度低下を抑制し、摩耗の発生を抑制することができる。

本発明によれば、ケーシングと回転軸との間に設けられた収容室内の圧力を適切に保持することができる。

本発明の第１の実施形態に係るシール装置を適用した回転流体機器の断面図である。 シール装置の要部（第２メカニカルシール）を拡大して示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るシール装置の要部（第２メカニカルシール）を拡大して示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るシール装置の要部（第２メカニカルシール）を拡大して示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係るシール装置の要部（第２メカニカルシール）を拡大して示す断面図である。 従来のシール構造を適用した回転流体機器の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るシール装置を適用した回転流体機器の断面図である。回転流体機器１０は、例えば、ポンプ、ブロワ、圧縮機、タービン、撹拌機であり、ケーシング１１と回転軸１２とを備えている。回転軸１２は、ケーシング１１に形成された開口１１Ａを貫通し、図示しない軸受によってケーシング１１に回転自在に支持されている。

シール装置１４は、ケーシング１１と回転軸１２との間に形成された収容室（保圧室）１５と、この収容室１５に配置された第１，第２メカニカルシール１６，１７とを備えている。第１メカニカルシール１６は、収容室１５と回転流体機器１０の機外領域（大気領域）との間をシールし、第２メカニカルシール１７は、収容室１５と回転流体機器１０の機内領域との間をシールしている。回転流体機器１０の機内領域は収容室１５の圧力や大気圧よりも圧力が低い状態とされている。

図１に示されるように、第１メカニカルシール１６は、ケーシング１１の一部を構成する環状のシールケース１９に固定された静止環２０と、回転軸１２に一体回転可能に設けられた弾性機構２１及び回転環２２と、を備えている。この第１メカニカルシール１６は、回転環２２が軸方向に移動可能に構成された回転型メカニカルシールとされている。

静止環２０の外周側かつ機外側には凹溝２４が形成され、この凹溝２４には、シールケース１９との間をシールするＯリング２５が嵌合されている。このＯリング２５は、フッ素ゴム等の弾性材料を用いて形成される。静止環２０の機内側の端部には、静止側シール面２０ａが形成されている。また、静止環２０の機外側の端部には係止凹部２０ｂが形成され、この係止凹部２０ｂには、シールケース１９に設けられた回り止めピン２６が係止されている。

弾性機構２１は、回転環２２を機外側へ向けて軸方向に付勢するものであり、回転軸１２の外周面に図示しない固定ネジ等で固定された固定環２８と、この固定環２８よりも機外側に配置され、軸方向に移動可能に回転軸１２に嵌合された作用環２９と、固定環２８と作用環２９との間に介装されたコイルバネ等の弾性部材３０と、作用環２９を固定環２８に対して相対回転不能かつ軸方向移動可能に連結する連結ピン３６とを有する。弾性部材３０は、周方向に間隔をあけて複数設けられている。

回転環２２は、シール環３２と、保持環３３とを備えている。シール環３２は、機外側の端部に回転側シール面２２ａを備えており、この回転側シール面２２ａが静止環２０の静止側シール面２０ａに摺動可能に当接している。また、シール環３２は、保持環３３に嵌合されることによって保持されている。保持環３３は、弾性機構２１の作用環２９に固定ネジ等によって固定されている。保持環３３の内周面には凹溝３４が形成され、この凹溝３４には回転軸１２との間をシールするＯリング３５が嵌合されている。回転環２２は、弾性機構２１によって機外側へ付勢され、その回転側シール面２２ａが静止環２０の静止側シール面２０ａに圧接されるようになっている。

静止環２０及び回転環２２の構成材料は、シール条件等に応じて適宜設定される。例えば、静止環２０は、自己潤滑性を有するカーボン等の軟質材によって形成することができる。回転環２２における保持環３３は、例えば、ステンレスやチタン等の硬質材（金属材）によって形成することができ、シール環３２は、例えば、耐摩耗性に優れたＳｉＣ等のセラミックスや超硬合金等の硬質材によって形成することができる。そして、シール環３２を保持環３３に焼き嵌めすることによって両者を一体化することができる。又は、金属材のシール側面にセラミックス層を溶射等により形成したものを回転環２２として用いてもよい。

また、シールケース１９には、フラッシング液を収容室１５内に供給するためのフラッシング孔３１が形成されている。このフラッシング孔３１を介して収容室１５に供給されたフラッシング液によって、回転側シール面２２ａ及び静止側シール面２０ａの潤滑や冷却等が行われる。

図２は、第２メカニカルシール１７を拡大して示す断面図である。
図１及び図２に示されるように、第２メカニカルシール１７は、ケーシング１１に固定された静止環４１と、回転軸１２に一体回転可能に設けられた弾性機構４２及び回転環４３とを備えている。この第２メカニカルシール１７は、回転環４３が軸方向に移動可能に構成された、回転型メカニカルシールとされている。

静止環４１は、シール環４５と保持環４６とから構成されている。保持環４６は、ケーシング１１の開口１１Ａの内面に対して回り止めされた状態で嵌合されている。保持環４６の外周側かつ機内側には略Ｌ字状に凹む凹溝４７が形成され、この凹溝４７には、ケーシング１１と保持環４６との間をシールするＯリング４８が嵌合されている。このＯリング４８は、フッ素ゴム等の弾性材料を用いて形成される。シール環４５は、保持環４６の機外側の端部に嵌合されることによって保持環４６に保持されている。シール環４５の機外側の端面には、静止側シール面４１ａが形成されている。

図１に示されるように、弾性機構４２は、回転軸１２の外周面に図示しない固定ネジ等で固定された固定環５１と、この固定環５１よりも機内側に配置され、軸方向に移動可能に回転軸１２に嵌合された作用環５２と、固定環５１と作用環５２との間に介装されたコイルバネ等の弾性部材５３と、作用環５２を固定環５１に対して相対回転不能かつ軸方向移動可能に連結する連結ピン５４と、を有する。弾性部材５３は、周方向に間隔をあけて複数設けられている。

回転環４３は、シール環５５と保持環５６とを備えている。シール環５５は、機内側の端部に回転側シール面４３ａを備えており、この回転側シール面４３ａが静止環４１の静止側シール面４１ａに摺動可能に当接している。また、シール環５５は、保持環５６に嵌合されることによって保持されている。保持環５６は、弾性機構４２の作用環５２に固定ネジ等によって固定されている。保持環５６の内周側には凹溝５７が形成され、この凹溝５７には回転軸１２との間をシールするＯリング５８が嵌合されている。回転環４３は、弾性機構４２によって機内側へ付勢され、その回転側シール面４３ａが静止環４１の静止側シール面４１ａに圧接されるようになっている。

静止環４１及び回転環４３の構成材料は、シール条件等に応じて適宜設定される。例えば、静止環４１におけるシール環４５は、自己潤滑性を有するカーボン等の軟質材によって形成することができる。静止環４１及び回転環４３における保持環４６，５６は、例えば、ステンレスやチタン等の硬質材（金属材）によって形成することができる。また、回転環４３におけるシール環５５は、例えば、耐摩耗性に優れたＳｉＣ等のセラミックスや超硬合金等の硬質材によって形成することができる。そして、シール環４５，５５をそれぞれ保持環４６，５６に焼き嵌めすることによって両者を一体化することができる。又は、金属材のシール側面にセラミックス層を溶射等により形成したものを回転環４３として用いてもよい。

静止環４１における保持環４６には、径方向に貫通する孔形状の絞り流路６０が形成されている。この絞り流路６０は、収容室１５とケーシング１１の機内領域とを連通するものであり、収容室１５内のフラッシング液を負圧側である機内領域に流入させることができる。また、絞り流路６０は、機内領域へ流入するフラッシング液の流量を制限することによって、収容室１５内の圧力（液圧）を所定の圧力、具体的には、機内領域及び機外領域（大気領域）よりも高い圧力に保持するようになっている。

以上のように、絞り流路６０によって収容室１５内の圧力が所定に保持されるので、第１メカニカルシール１６における回転側シール面２２ａと静止側シール面２０ａとの間に大気側からエアが入り込むのを防止することができる。また、フラッシング液が低沸点の流体である場合には、フラッシング液の蒸発によって回転側シール面２２ａ及び静止側シール面２０ａの近傍にエアがたまるのを防止することができる。したがって、第１メカニカルシール１６のシール性を好適に維持することができる。

絞り流路６０は、静止環４１に対して１本だけ形成されていてもよいし、周方向に間隔をあけて２本以上形成されていてもよい。いずれにおいても、絞り流路６０の開口面積の総和は、従来（図６参照）における環状の隙間２０３の開口面積と同等とされ、従来と同様の絞り効果を奏するようになっている。従来の隙間２０３は周方向全周に形成されるのに対して、本実施形態の絞り流路６０は周方向に関して部分的に形成されるものであるため、同一の開口面積（総和）であれば、従来の隙間２０３の径方向寸法ｓよりも絞り流路６０の孔径ｄを大きく形成することができる。そのため、回転流体機器１０が、スラリーのような異物を含む流体を扱う場合であっても、絞り流路６０に異物が詰まってしまうのを防止することができる。逆に言うと、本実施形態の絞り流路６０は、異物が詰まらない程度に孔径ｄを設定したうえで、所定の絞り効果を得ることができる開口面積となるように、本数を設定することができる。

また、絞り流路６０は、静止環４１を貫通する孔によって構成され、回転軸１２や回転環等の運動体が直接的に作用することもないので、絞り流路６０を流れる流体の影響以外の要因で摩耗が生じることはほとんどない。
絞り流路６０は、静止環４１のうち、カーボン（軟質材）等からなるシール環４５よりも強度の高い、金属材（硬質材）からなる保持環４６に形成されている。そのため、絞り流路６０を形成することに伴う静止環４１の強度低下を抑制することができ、絞り流路６０を流れる流体による静止環４１の摩耗も抑制することができる。

また、絞り流路６０は、フラッシング液の流れ方向上流側が機外側に配置され、下流側が機内側に配置されるように軸方向断面視で傾斜して形成されている。そのため、収容室１５から機内側へスムーズに流体を流動させることができる。
絞り流路６０の本数は、孔径ｄと開口面積の総和を考慮して設定することができるが、開口面積の総和が同じであれば、本数が多いほど絞り効果（収容室１５内の昇圧効果）を高めることができる。これは、絞り流路６０の本数が多いほど、孔の内周面積の総和が大きくなり、流動抵抗によるフラッシング液の圧力損失が大きくなるからである。

図３は、本発明の第２の実施形態に係るシール装置の要部（第２メカニカルシール）を拡大して示す断面図である。
この第２の実施形態における第２メカニカルシール１７は、静止環４１、弾性機構４２、及び回転環４３を備えている点で第１の実施形態の第２メカニカルシール１７と同様であるが、静止環４１の構造、及び絞り流路６０の形成箇所が異なっている。弾性機構４２は、第１の実施形態と同一の構成である。

具体的に、静止環４１は、その全体が単一のカーボン等の軟質材からなり、ケーシング１１の開口１１Ａの内面に嵌合されている。静止環４１の外周面には、軸方向に２個の凹溝４７が形成され、各凹溝４７にＯリング４８が嵌合されている。
また、絞り流路６０は、回転環４３における保持環５６を径方向に貫通するように形成されている。そして、収容室１５内のフラッシング液は、回転環４３の絞り流路６０を介して流量が絞られた状態で機内領域に導入される。したがって、本実施形態においても第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。

ただし、本実施形態では、絞り流路６０が回転軸１２とともに回転する回転環４３に形成されているので、回転環４３の回転に伴う遠心力で収容室１５から機内側へフラッシング液が流入し難くなったり、絞り流路６０を流れるフラッシング液に乱れが生じ易くなることがあり、収容室１５内の圧力を所定に制御するのが困難になる。また、絞り流路６０がＯリング５８に近い位置に設けられることになるので、スラリーのような異物がＯリング５８の周辺に堆積し、回転環４３の追従移動に悪影響を及ぼすおそれもある。そのため、この点に関しては、第１の実施形態の方が有利であるといえる。

図４は、本発明の第３の実施形態に係るシール装置の要部（第２メカニカルシール）を拡大して示す断面図である。
本実施形態の第２メカニカルシール１７は、静止環４１と、弾性機構６２と、回転環４３とを備えている。また、第２メカニカルシール１７は、静止環４１が軸方向に移動可能に構成された静止型メカニカルシールとされている。

具体的に、静止環４１は、ケーシング１１の開口１１Ａの内面に対して軸方向摺動可能に嵌合されている。静止環４１は、カーボン等の軟質材からなり、その外周面には凹溝４７が形成され、この凹溝４７にＯリング４８が嵌合されている。また、静止環４１の外周面には、径方向外方に突出するフランジ部４９が形成されている。

弾性機構６２は、コイルバネ等の弾性部材６３と、この弾性部材６３の軸方向一端側（機内側）を収容するためにケーシング１１に形成された保持凹部６４とを備えている。弾性部材６３及び保持凹部６４は、周方向に複数設けられている。そして、弾性部材６３の軸方向他端側（機外側）は、静止環４１のフランジ部４９に当接している。したがって、静止環４１は、機外側へ向けて軸方向に付勢されている。

回転環４３は、シール環５５と保持環５６とからなっている。保持環５６は、ステンレスやチタン等の硬質材（金属材）からなり、固定ネジ６６によって回転軸１２に固定されている。シール環５５は、セラミックスや超硬合金等の硬質材からなり、保持環５６に嵌合されることによって保持されている。そして、弾性機構６２によって静止環４１の静止側シール面４１ａが回転環４３の回転側シール面４３ａに圧接されることによって、収容室１５と機内領域との間がシールされている。

回転環４３における保持環５６には、径方向に貫通する絞り流路６０が形成されている。したがって、収容室１５内のフラッシング液は、絞り流路６０を介して流量が絞られた状態で機内側に導入される。したがって、本実施形態においても、第１，第２実施形態と同様の作用効果を奏する。ただし、本実施形態では、第２実施形態と同様に、回転環４３に対して絞り流路６０が形成されているので、回転環４３の回転に伴う遠心力でフラッシング液が絞り流路６０を流動し難くなったり絞り流路６０を流れる流体に乱れが生じやすくなるため、収容室１５内の圧力を所定に制御するのが困難になる可能性がある。また、スラリーのような異物がＯリング５８の周辺に堆積し、Ｏリング５８のシール性に悪影響を及ぼすおそれもある。そのため、この点に関しては、第１の実施形態の方がより有利であるといえる。

図５は、本発明の第４の実施形態に係るシール装置の要部（第２メカニカルシール）を拡大して示す断面図である。
本実施形態の第２メカニカルシール１７は、第３の実施形態と同様に、静止環４１と、弾性機構６２と、回転環４３とを備えており、静止環４１が軸方向に移動可能に構成された静止型メカニカルシールとされている。

本実施形態の静止環４１は、保持環４６と、シール環４５とを備えている。保持環４６は、ステンレスやチタン等の硬質材（金属材）からなり、ケーシング１１の開口１１Ａ内面に摺動可能に嵌合されている。保持環４６の外周面には、Ｏリング４８が嵌合する凹溝４７と、フランジ部４９とが形成されている。シール環４５は、カーボン等の軟質材からなり、保持環４６に嵌合されることによって保持され、機外側の端部に静止側シール面４１ａを備えている。

回転環４３は、絞り流路６０が形成されていない点を除き、上記第３実施形態の回転環４３と同一の構成である。そして、本実施形態では、絞り流路６０が静止環４１における保持環４６に形成されている。したがって、本実施形態においても、収容室１５内のフラッシング液が、絞り流路６０を介して流量が絞られた状態で機内領域に導入される。そのため、上記各実施形態と同様の作用効果を奏する。また、絞り流路６０が回転軸１２とともに回転しない静止環４１に形成されているので、回転軸１２の回転によって絞り流路６０を流れるフラッシング液に乱れが生じることはほとんどなく、収容室１５内の圧力の制御を容易に行うことができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で適宜変更できるものである。
例えば、本発明に係るシール装置１４は、回転流体機器１０の機内領域の圧力が収容室１５内の圧力よりも高い場合にも適用することができる。この場合、第２メカニカルシール１７は、収容室１５内の圧力を機内領域の圧力よりも低くした状態に保つことができる。
また、上記各実施形態では、回転環４３及び静止環４１のいずれか一方に絞り流路６０が形成されているが、双方に形成されていてもよい。

１０ ：回転流体機器
１１ ：ケーシング
１２ ：回転軸
１４ ：シール装置
１５ ：収容室
１６ ：第１メカニカルシール
１７ ：第２メカニカルシール
３１ ：フラッシング孔
４１ ：静止環
４３ ：回転環
６０ ：絞り流路

Claims (1)

1. 回転流体機器におけるケーシングと回転軸との間に形成されるとともに、フラッシング液が供給される収容室と、
   前記収容室と前記回転流体機器の機外領域との間をシールする第１メカニカルシールと、
   前記第１メカニカルシールよりも前記回転流体機器の機内側に設けられ、前記収容室と前記機内領域との間をシールする第２メカニカルシールと、を備えており、
   前記第２メカニカルシールは、前記回転軸に一体回転可能に設けられた回転環と、前記ケーシングに設けられ、前記回転環に対して軸方向に当接する静止環と、を備えており、
   前記回転環は、硬質材で形成され、
   前記静止環は、軟質材で形成されかつ前記回転環のシール面に当接するシール環と、硬質材で形成されかつ前記シール環を保持する保持環とを備え、
   前記保持環に、前記収容室と前記機内領域との間の流体の流通を、流量を絞った状態で許容する孔形状の絞り流路が貫通して形成されていることを特徴とする回転流体機器のシール装置。

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