JP5944852B2 - 密封構造 - Google Patents

Description

本発明は、タンデム型のメカニカルシールを備える密封構造に関するものである。

メカニカルシールを２個用いる方式で、シール端面が二つあり、各々のメカニカルシールが同じ方向を向いているタンデム形のメカニカルシールが知られている。かかるメカニカルシールにおいて、医薬や食品用途については、一般的に、回転環側のシール端面と固定環側のシール端面との摺動部分を定期的に洗浄する必要がある。しかしながら、メカニカルシールの場合には、スプリング等によって回転環と固定環とが押し付けられた構造であることから、摺動部分を洗浄する際には、通常、装置を分解する必要がある。従って、洗浄作業に手間がかかってしまう。また、装置を分解する手間を省くために、回転環と固定環とを離間させる機構を備える技術も知られているが、構造が複雑化してしまう短所がある（特許文献１参照）。更に、このような技術においては、洗浄用の流体が回転環と固定環との間に残ってしまった場合に排出され難く、シール性に悪影響を及ぼす可能性もある。なお、その他関連する技術として特許文献２に開示された技術がある。ただし、この文献には、洗浄については何ら記載されていない。

特開２０１０−６５７５５号公報 特開平６−１７９４１号公報

本発明の目的は、簡易な構造で、簡単に洗浄作業を行うことを可能とする密封構造を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の密封構造は、
各々同じ方向を向いている第１メカニカルシールと第２メカニカルシールとを備え、動作時には、これら第１メカニカルシールと第２メカニカルシールとの間の領域にパージガスが供給され、かつ動作していない時には当該領域に洗浄用流体が供給可能に構成されたタンデム形のメカニカルシールを備える密封構造であって、
第１メカニカルシールにおける回転環のシール端面のうち、前記領域側である内周面側には、回転環の回転に伴って動圧を発生させることで第１メカニカルシールにおける固定環のシール端面との間に隙間を発生させる第１螺旋形溝が周方向に間隔を空けて複数設けられ、かつ隣り合う第１螺旋形溝のそれぞれの間は、第１螺旋形溝よりも溝深さが浅い第２螺旋形溝により構成されると共に、
第２メカニカルシールにおける回転環のシール端面のうち、前記領域側である外周面側には、回転環の回転に伴って動圧を発生させることで第２メカニカルシールにおける固定環のシール端面との間に隙間を発生させる第３螺旋形溝が周方向に間隔を空けて複数設けられ、かつ隣り合う第３螺旋形溝のそれぞれの間は、第３螺旋形溝よりも溝深さが浅い第４螺旋形溝により構成されることを特徴とする。

本発明によれば、第１メカニカルシールにおける回転環のシール端面のうち内周面側は
、第１螺旋形溝と第２螺旋形溝によって構成されている。また、第２メカニカルシールにおける回転環のシール端面のうち外周面側は、第３螺旋形溝と第４螺旋形溝によって構成されている。これにより、第１メカニカルシールと第２メカニカルシールとの間の領域に洗浄用流体を供給することによって、これらの螺旋形溝を介して、各メカニカルシールにおけるシール端面に洗浄用流体を送り込むことが可能となる。従って、メカニカルシールを分解することなく、シール端面の洗浄が可能となる。

また、各メカニカルシールには、動圧発生用の溝（第１螺旋形溝及び第３螺旋形溝）だけでなく、それよりも溝深さの浅い溝（第２螺旋形溝及び第４螺旋形溝）が設けられている。そのため、洗浄用流体の排出性を高めることができる。これにより、洗浄時において、洗浄用流体を各メカニカルシールのシール端面に供給し易くすることができる。また、仮に螺旋形溝内に洗浄用流体が残ってしまった場合でも、その後の動作時に回転環が回転することで、直ちに螺旋形溝から洗浄用流体を排出させることができる。

以上説明したように、本発明によれば、簡易な構造で、簡単に洗浄作業を行うことができる。

図１は本発明の実施例に係る密封構造の模式的断面図である。 図２は本発明の実施例に係る第１メカニカルシールの回転環におけるシール端面の正面図である。 図３は本発明の実施例に係る第１メカニカルシールの回転環の一部破断断面図である。 図４は本発明の実施例に係る第２メカニカルシールの回転環におけるシール端面の正面図である。 図５は本発明の実施例に係る第２メカニカルシールの回転環の一部破断断面図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１〜図５を参照して、本発明の実施例に係る密封構造について説明する。なお、本実施例においては、攪拌機において、撹拌用の撹拌翼を回転させる回転軸と、ハウジングとの間の環状隙間を密封する密封構造を例にして説明する。

＜密封装置全体＞
特に、図１を参照して、本発明の実施例に係る密封構造の全体構成について説明する。図１は本発明の実施例に係る密封構造の模式的断面図である。なお、図１における断面図は、メカニカルシールや回転軸の中心軸線を含む断面図である。また、本実施例に係る密封構造を構成する各種部材については、後述するスプリング１４０，２３０及びピン１５０，２５０を除き環状の部材である。

本実施例に係る密封構造は、攪拌機において、不図示の撹拌翼を回転させる回転軸３００と、回転軸３００の軸孔を有するハウジング４００との間の環状隙間を密封するために設けられる。この密封構造は、設置された状態にある撹拌窯５００の上部に設けられる。
図１中、（Ａ）は大気側であり、（Ｂ）は撹拌窯５００の内部側である。そして、不図示の撹拌翼は、回転軸３００における下方に備えられている。

本実施例に係る密封構造は、タンデム形のメカニカルシールを備えている。ここで、タンデム形とは、メカニカルシールを２個用いる方式で、シール端面が二つあり、各々のメカニカルシールが同じ方向を向いている構造（回転環、固定環が軸方向に同じ順番で設けられている構造）をいう。本実施例においては、上方側（大気側）に第１メカニカルシール１００が設けられ、下方側（窯の内部側）に第２メカニカルシール２００が設けられている。

また、本実施例においては、回転軸３００を保護するために、回転軸３００の外周には第１スリーブ３１０が取り付けられ、更に第１スリーブ３１０の外周に第２スリーブ３２０が取り付けられている。そして、これらのスリーブと、撹拌窯５００に固定されたハウジング４００との間の環状隙間が、第１メカニカルシール１００及び第２メカニカルシール２００によって密封される。

ハウジング４００は、ハウジング本体４１０と、ハウジング本体４１０と撹拌窯５００との間に固定されるフランジ４２０とを備えている。ハウジング本体４１０とフランジ４２０には、それぞれドレイン通路４１２，４２１が形成されている。また、ハウジング本体４１０には、第１メカニカルシール１００と第２メカニカルシール２００との間の領域Ｒにパージガスを供給するための供給通路４１１が形成されている。

第１メカニカルシール１００は、第１スリーブ３１０に固定される回転環１１０と、回転環１１０に対して摺動自在に設けられ、ハウジング４００の内周面に固定されたケース１３０側に設けられる固定環１２０と、固定環１２０を回転環１１０側に向かって付勢するスプリング１４０とを備えている。ここで、回転環１１０は回転軸３００に対して回転しないように構成され、固定環１２０はハウジング４００に対して回転しないように構成されている。より具体的には、回転環１１０は、第２スリーブ３２０に固定されたピン１５０によって、第２スリーブ３２０に対して回転しないように構成されることで、回転軸３００に対して回転しないようになっている。また、固定環１２０は不図示のピンによって、ハウジング本体４１０に対して回転しないように構成されることで、ハウジング４００に対して回転しないようになっている。

以上の構成により、回転軸３００の回転と共に回転環１１０が回転し、静止状態にある固定環１２０と回転する回転環１１０のシール端面同士が摺動する。また、スプリング１４０によって、固定環１２０が回転環１１０側に付勢されるため、固定環１２０と回転環１１０は摺動した状態が保たれる。

第２メカニカルシール２００は、第１スリーブ３１０に固定される回転環２１０と、回転環２１０に対して摺動自在に設けられ、ハウジング本体４１０側に設けられる固定環２２０と、固定環２２０を回転環２１０側に向かって付勢するスプリング２３０及びコンプレッションリング２４０とを備えている。ここで、回転環２１０は回転軸３００に対して回転しないように構成され、固定環２２０はハウジング４００に対して回転しないように構成されている。より具体的には、回転環２１０は、第２スリーブ３２０に固定されたピン２５０によって、第２スリーブ３２０に対して回転しないように構成されることで、回転軸３００に対して回転しないようになっている。また、固定環２２０は不図示のピンによって、ハウジング本体４１０に対して回転しないように構成されることで、ハウジング４００に対して回転しないようになっている。

以上の構成により、回転軸３００の回転と共に回転環２１０が回転し、静止状態にある
固定環２２０と回転する回転環２１０のシール端面同士が摺動する。また、スプリング２３０及びコンプレッションリング２４０によって、固定環２２０が回転環２１０側に付勢されるため、固定環２２０と回転環２１０は摺動した状態が保たれる。

なお、密封構造においては、各部材同士を固定するために、ボルトやセットスクリュなどの複数の固定具（不図示）が設けられている。固定具については公知技術であるので、その説明は省略する。更に、密封構造には、各部材同士の隙間を密封するために、複数のＯリングＯが設けられている。ＯリングＯについても公知技術であるので、その説明は省略する。

＜回転環＞
特に、図２〜図５を参照して、本発明の実施例に係る回転環について、より詳細に説明する。図２は本発明の実施例に係る第１メカニカルシールの回転環におけるシール端面の正面図である。図３は本発明の実施例に係る第１メカニカルシールの回転環の一部破断断面図である。なお、図３は回転環の中心軸線を含む面で第１メカニカルシールの回転環の一部を切断した断面図である。図４は本発明の実施例に係る第２メカニカルシールの回転環におけるシール端面の正面図である。図５は本発明の実施例に係る第２メカニカルシールの回転環の一部破断断面図である。なお、図５は回転環の中心軸線を含む面で第２メカニカルシールの回転環の一部を切断した断面図である。

まず、図２及び図３を参照して、第１メカニカルシール１００における回転環１１０について説明する。この回転環１１０のシール端面のうち内周面側（領域（Ｒ）側）には、第１螺旋形溝１１１ａが周方向に間隔を空けて複数設けられている。これら複数の第１螺旋形溝１１１ａは、回転環１１０の回転方向Ｘに向かうにつれて外周面側から内周面側に伸びるように構成されている。また、隣り合う第１螺旋形溝１１１ａのそれぞれの間は、第１螺旋形溝１１１ａよりも溝深さが浅い第２螺旋形溝１１１ｂにより構成されている。つまり、回転環１１０のシール端面のうち内周面側には、第１螺旋形溝１１１ａと第２螺旋形溝１１１ｂが交互に設けられている。ここで、第１螺旋形溝１１１ａ及び第２螺旋形溝１１１ｂは、いずれも外周面側の先端付近においては、外周面側に向かうにつれて幅が徐々に狭くなるように構成されている（図２参照）。

なお、本実施例においては、回転環１１０の厚みが１０ｍｍ程度であるのに対して、第１螺旋形溝１１１ａの深さを１０μｍ以上４０μｍ以下程度、第２螺旋形溝１１１ｂの深さを２μｍ以上１０μｍ以下程度に設定している。また、回転環１１０の内周端面付近には、ピン１５０が挿入されるスリット１１２が２箇所に設けられている。

次に、図４及び図５を参照して、第２メカニカルシール２００における回転環２１０について説明する。この回転環２１０のシール端面のうち外周面側（領域（Ｒ）側）には、第３螺旋形溝２１１ａが周方向に間隔を空けて複数設けられている。これら複数の第３螺旋形溝２１１ａは、回転環２１０の回転方向Ｘに向かうにつれて内周面側から外周面側に伸びるように構成されている。また、隣り合う第３螺旋形溝２１１ａのそれぞれの間は、第３螺旋形溝２１１ａよりも溝深さが浅い第４螺旋形溝２１１ｂにより構成されている。つまり、回転環２１０のシール端面のうち外周面側には、第３螺旋形溝２１１ａと第４螺旋形溝２１１ｂが交互に設けられている。ここで、第３螺旋形溝２１１ａ及び第４螺旋形溝２１１ｂは、いずれも内周面側の先端付近においては、内周面側に向かうにつれて幅が徐々に狭くなるように構成されている（図４参照）。

なお、本実施例においては、回転環２１０の厚みが１０ｍｍ程度であるのに対して、第３螺旋形溝２１１ａの深さを１０μｍ以上４０μｍ以下程度、第４螺旋形溝２１１ｂの深さを２μｍ以上１０μｍ以下程度に設定している。また、回転環２１０の内周端面付近に
は、ピン２５０が挿入されるスリット２１２が２箇所に設けられている。

＜動作時のメカニズム＞
攪拌機が動作中は、回転軸３００と共に、第１メカニカルシール１００における回転環１１０及び第２メカニカルシール２００における回転環２１０が回転する。また、供給通路４１１から領域Ｒ内にパージガス（窒素ガスなど）が供給される。

ここで、第１メカニカルシール１００における回転環１１０のシール端面のうち内周面側には、回転環１１０の回転方向Ｘに向かうにつれて外周面側から内周面側に伸びるように構成された第１螺旋形溝１１１ａが周方向に間隔を空けて複数設けられている。これにより、回転環１１０が回転している間、第１螺旋形溝１１１ａに沿って、内周面側から外周面側に向かって流れる気流による動圧が発生する。従って、第１メカニカルシール１００における固定環１２０は、スプリング１４０による付勢力に抗して、回転環１１０から離れる方向に移動する。以上により、回転環１１０が回転している間、回転環１１０のシール端面と固定環１２０のシール端面との間には微小な隙間が形成されるため、これらのシール端面の摺動摩耗が抑制される。

また、第２メカニカルシール２００における回転環２１０のシール端面のうち外周面側には、回転環２１０の回転方向Ｘに向かうにつれて内周面側から外周面側に伸びるように構成された第３螺旋形溝２１１ａが周方向に間隔を空けて複数設けられている。これにより、回転環２１０が回転している間、第３螺旋形溝２１１ａに沿って、外周面側から内周面側に向かって流れる気流による動圧が発生する。従って、第２メカニカルシール２００における固定環２２０は、スプリング２３０による付勢力に抗して、回転環２１０から離れる方向に移動する。以上により、回転環２１０が回転している間、回転環２１０のシール端面と固定環２２０のシール端面との間には微小な隙間が形成されるため、これらのシール端面の摺動摩耗が抑制される。

＜洗浄＞
攪拌機の洗浄について説明する。攪拌機の洗浄は、攪拌機を停止させた状態（回転軸３００を静止させた状態）で、洗浄用流体としての洗浄スチームが所定圧力で各部分に吹きかけられることにより行われる。

本実施例に係る密封構造部分の洗浄においては、メカニカルシール等を分解することなく洗浄が行われる。すなわち、本実施例においては、ハウジング本体４１０に形成された供給通路４１１から上述の領域Ｒ内に、所定の圧力で洗浄スチームが供給される。これにより、領域Ｒに曝された部位だけでなく、各メカニカルシールにおけるシール端面も洗浄される。

すなわち、第１メカニカルシール１００においては、洗浄スチームが領域Ｒ側（内周面側）から第１螺旋形溝１１１ａ及び第２螺旋形溝１１１ｂを通って外周面側へと供給される。ここで、第１螺旋形溝１１１ａ及び第２螺旋形溝１１１ｂは、いずれもシール面に対し段差を有しているため、対向する固定環１２０との間に隙間を有する。従って、洗浄スチームの元の圧力がそれほど高くなくても、第１螺旋形溝１１１ａ及び第２螺旋形溝１１１ｂが設けられていない外周面側の部位にも洗浄スチームが供給される。以上により、回転環１１０のシール端面、及び固定環１２０のシール端面の全体が洗浄される。

また、第２メカニカルシール２００においては、洗浄スチームが領域Ｒ側（外周面側）から第３螺旋形溝２１１ａ及び第４螺旋形溝２１１ｂを通って内周面側へと供給される。ここで、第３螺旋形溝２１１ａ及び第４螺旋形溝２１１ｂは、いずれもシール面に対し段差を有しているため、対向する固定環２２０との間に隙間を有する。従って、洗浄スチー
ムの元の圧力がそれほど高くなくても、第３螺旋形溝２１１ａ及び第４螺旋形溝２１１ｂが設けられていない内周面側の部位にも洗浄スチームが供給される。以上により、回転環２１０のシール端面、及び固定環２２０のシール端面の全体が洗浄される。

洗浄後の液体やごみなどは、重力により下方に流れ落ちていき、供給通路４１１やドレイン通路４２１から機外に排出される。そして、密封構造部分を洗浄した後に、撹拌窯５００の内部も洗浄スチームにより洗浄される。

＜本実施例に係る密封構造の優れた点＞
本実施例に係る密封構造によれば、第１メカニカルシール１００における回転環１１０のシール端面のうち内周面側は、第１螺旋形溝１１１ａと第２螺旋形溝１１１ｂによって構成されている。また、第２メカニカルシール２００における回転環２１０のシール端面のうち外周面側は、第３螺旋形溝２１１ａと第４螺旋形溝２１１ｂによって構成されている。これにより、第１メカニカルシール１００と第２メカニカルシール２００との間の領域Ｒに洗浄用流体（洗浄スチーム）を供給することによって、これらの螺旋形溝を介して、各メカニカルシールにおけるシール端面に洗浄用流体を送り込むことが可能となる。従って、メカニカルシールを分解することなく、シール端面の洗浄が可能となる。

また、第１メカニカルシール１００及び第２メカニカルシール２００には、動圧発生用の螺旋形溝（第１螺旋形溝１１１ａ及び第３螺旋形溝２１１ａ）だけでなく、それよりも溝深さの浅い螺旋形溝（第２螺旋形溝１１１ｂ及び第４螺旋形溝２１１ｂ）が設けられている。そのため、溝部分が洗浄用流体の通路となり、洗浄スチームの排出性を高めることができる。これにより、洗浄時において、洗浄スチームを各メカニカルシールのシール端面に供給し易くすることができる。また、仮に螺旋形溝内に洗浄後の液体が残ってしまった場合でも、その後の動作時に回転環１１０，２１０が回転することで、直ちに螺旋形溝から洗浄後の液体を排出させることができる。

また、第１メカニカルシール１００と第２メカニカルシール２００の２つのメカニカルシール間に洗浄用流体を流すため、洗浄用流体の圧力を高く設定することが可能で、より確実にシール面に洗浄用流体を行き渡らせることが可能となる。

１００ 第１メカニカルシール
１１０ 回転環
１１１ａ 第１螺旋形溝
１１１ｂ 第２螺旋形溝
１１２ スリット
１２０ 固定環
１３０ ケース
１４０ スプリング
１５０ ピン
２００ 第２メカニカルシール
２１０ 回転環
２１１ａ 第３螺旋形溝
２１１ｂ 第４螺旋形溝
２１２ スリット
２２０ 固定環
２３０ スプリング
２４０ コンプレッションリング
２５０ ピン
３００ 回転軸
３１０ 第１スリーブ
３２０ 第２スリーブ
４００ ハウジング
４１０ ハウジング本体
４１１ 供給通路
４１２ ドレイン通路
４２０ フランジ
４２１ ドレイン通路
５００ 撹拌窯
Ｏ Ｏリング
Ｒ 領域
Ｘ 回転方向

Claims (1)

1. 各々同じ方向を向いている第１メカニカルシールと第２メカニカルシールとを備え、動作時には、これら第１メカニカルシールと第２メカニカルシールとの間の領域にパージガスが供給され、かつ動作していない時に当該領域に洗浄用流体が供給可能に構成されたタンデム形のメカニカルシールを備える密封構造であって、
   第１メカニカルシールにおける回転環のシール端面のうち、前記領域側である内周面側には、回転環の回転に伴って動圧を発生させることで第１メカニカルシールにおける固定環のシール端面との間に隙間を発生させる第１螺旋形溝が周方向に間隔を空けて複数設けられ、かつ隣り合う第１螺旋形溝のそれぞれの間は、第１螺旋形溝よりも溝深さが浅い第２螺旋形溝により構成されると共に、
   第２メカニカルシールにおける回転環のシール端面のうち、前記領域側である外周面側には、回転環の回転に伴って動圧を発生させることで第２メカニカルシールにおける固定環のシール端面との間に隙間を発生させる第３螺旋形溝が周方向に間隔を空けて複数設けられ、かつ隣り合う第３螺旋形溝のそれぞれの間は、第３螺旋形溝よりも溝深さが浅い第４螺旋形溝により構成されることを特徴とする密封構造。

Images