JP5973940B2 - タンデム型メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、タンデム型メカニカルシール装置に関する。

従来より、低沸点液体である被密封液体を扱うポンプ等の回転機器の軸封装置として、被密封液体が大気へ漏洩するのを抑えるために、２組のメカニカルシールが前記回転機器の回転軸の軸方向に所定間隔離して互いに並列に配置されたタンデム型メカニカルシール装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
図５は、従来のタンデム型メカニカルシール装置を示す断面図である。図５に示すように、従来のタンデム型メカニカルシール装置は、回転機器のケーシング１０１と回転軸１０２との間に配置された機内側（図中の右側）の第１メカニカルシール１０３と、機外側（図中の左側）の第２メカニカルシール１０４とを備えている。

第１及び第２メカニカルシール１０３，１０４は、ケーシング１０１側に取り付けられた静止密封環１０３ａ，１０４ａと、回転軸１０２側に一体回転可能に取り付けられた回転密封環１０３ｂ，１０４ｂとを有しており、回転密封環１０３ｂ，１０４ｂが対応する静止密封環１０３ａ，１０４ａに摺接するようになっている。第１メカニカルシール１０３と第２メカニカルシール１０４との間には、封液（緩衝液）を溜め込む環状の封液室１２０が形成されている。

ケーシング１０１には、封液を封液室１２０に供給する供給路１０１ａ、及び封液室１２０から封液を外部に排出する排出路１０１ｂが形成されている。供給路１０１ａから封液室１２０に供給された封液は、回転軸１０２に一体回転可能に取り付けられた循環リング１０５により循環され、排出路１０１ｂから外部に排出される。このように封液室１２０で封液を循環させることにより、第１及び第２メカニカルシール１０３，１０４が冷却されるようになっている。

特許第４０００３２４号公報

ところが、上記従来のタンデム型メカニカルシール装置にあっては、第１及び第２メカニカルシールの静止密封環が激しく摩耗したり回転側密封環が割れたりすることで、第１及び第２メカニカルシールのシール性能が低下するという問題があった。
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、メカニカルシールのシール性能が低下するのを抑制することができるタンデム型メカニカルシール装置を提供することを目的とする。

本願発明者は、メカニカルシールのシール性能が低下する原因について究明したところ、第１メカニカルシールから封液室に漏洩した被密封液体が気化し、この気化したガスが封液室内に充満するためであることを突き止めた。具体的には、封液室に漏洩した被密封液体が気化すると、この気化したガスと封液とが封液室に混在する。しかし、両者には比重差があるため、比重の大きい封液は回転軸の回転に伴う遠心力により径方向外側に移動して排出路から排出されるが、比重の小さいガスは径方向内側、つまり回転軸の外周近傍に滞留し易い。このため、封液室にガスが充満されて封液が不足することにより、第１及び第２メカニカルシールの静止密封環及び回転密封環は互いの摩擦熱によって高温となる。これにより、回転側密封環よりも軟質の材料（カーボン等）からなる静止側密封環が激しく摩耗する。また、その後、何らかの理由で被密封液体の漏洩が止まった場合、封液が封液室に充満することで、第１及び第２メカニカルシールの回転密封環は高温の状態から急冷される。これにより、回転密封環の素材（炭化ケイ素等）が激しい温度差によって割れることが判明した。

本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、ケーシングと当該ケーシングを貫通する回転軸との間において当該回転軸の軸方向に所定間隔離して互いに並列に配置された一対のメカニカルシールと、これら両メカニカルシールの間に形成された環状の封液室と、前記封液室において前記回転軸側に一体回転可能に外嵌され、前記封液室内の封液を循環させる循環リングとを備え、前記ケーシングに、前記循環リングの外周近傍で開口しており前記封液室に封液を供給する供給口を有する供給路と、前記循環リングの外周近傍で開口しており前記封液室の封液を外部に排出する排出口を有する排出路とが形成されたタンデム型メカニカルシール装置であって、前記ケーシングには、一端が前記封液室内の前記回転軸の外周近傍で開口し、他端が前記排出口の近傍で開口する吐出孔と、一端が前記封液室内の前記回転軸の外周近傍で開口し、他端が前記供給口の近傍で開口する導入孔とが形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、被密封液体が封液室に漏洩して気化したガスを、封液と共に回転軸の外周近傍から吐出孔を通じて排出路の排出口に導くことができる。これにより、封液室で気化したガスを外部へ排出することができる。また、供給路の供給口から循環リングの外周近傍に供給された封液を、導入孔を通じて封液室内の回転軸の外周近傍に、前記吐出口から排出された分だけ補充することができる。これにより、封液室内で封液が不足することに起因してメカニカルシールの温度が上昇するのを抑制することができる。その結果、メカニカルシールが激しく摩耗したり割れたりするのを抑制することができ、ひいてはメカニカルシールのシール性能が低下するのを抑制することができる。

前記吐出孔は、前記他端から前記一端側に向かって、前記循環リングの外周に沿って封液が流れる方向と逆方向に延びる逆方向孔部を有していることが好ましい。
この場合、吐出孔の逆方向孔部では封液による動圧が発生し易くなるため、吐出孔の他端（排出口の近傍）における封液の圧力は、吐出孔の一端（回転軸の外周近傍）における封液の圧力よりも低くなる。これにより、封液室で気化したガスは、封液と共に回転軸の外周近傍から吐出孔を通じて排出口に流れ易くなるため、気化したガスを効果的に排出することができる。

前記導入孔は、前記他端から前記一端側に向かって、前記循環リングの外周に沿って封液が流れる方向と同じ方向に延びる順方向孔部を有していることが好ましい。
この場合、循環リングの外周に沿って流れる封液は、導入孔に入り易くなるため、供給口から供給された封液を、循環リングの外周から導入孔を通じて回転軸の外周近傍に効果的に補充することができる。

前記タンデム型メカニカルシール装置において、前記供給口が、前記循環リングよりも軸方向一方側に形成され、前記導入孔の前記一端の開口が、前記循環リングよりも軸方向他方側に形成されており、前記循環リングの外周には、軸方向全長に亘って切欠溝が形成されていることが好ましい。
この場合、循環リングよりも軸方向一方側において供給口から供給された封液を、循環リングの切欠溝を通過して循環リングよりも軸方向他方側に導入することができるため、封液室の循環リングよりも軸方向他方側において封液が不足するのを効果的に抑制することができる。

本発明のタンデム型メカニカルシール装置によれば、メカニカルシールのシール性能が低下するのを抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るタンデム型メカニカルシール装置を示す断面図である。 循環リングを示す機外側の側面図である。 固定リングを示す拡大断面図である。 固定リングを示す機外側の側面図である。 従来のタンデム型メカニカルシール装置を示す断面図である。

以下、本発明のタンデム型メカニカルシール装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るタンデム型メカニカルシール装置を示す側断面図である。図１において、このタンデム型メカニカルシール装置Ｔは、ポンプ等の回転機器の内部に設けられ、低沸点液体である被密封液体（例えば−３５℃のエチレン）をシールするものである。タンデム型メカニカルシール装置Ｔは、回転機器のケーシング１と、当該ケーシング１を貫通する回転軸２との間に配置されている。なお、本明細書において、図１の左側を機外側、図１の右側を機内側という。

図１に示すように、タンデム型メカニカルシール装置Ｔは、回転軸２の軸方向に所定間隔離して互いに並列に配置された機内側の第１メカニカルシール３及び機外側の第２メカニカルシール４を備えている。これら第１メカニカルシール３と第２メカニカルシール４との間には、冷却用の封液（例えば６０℃のメタノール）を収容する環状の封液室Ｂが形成されている。第１メカニカルシール３は、前記封液室Ｂと被密封液体領域Ａとの間をシール（一次シール）するものであり、第２メカニカルシール４は、前記封液室Ｂと大気領域Ｃとの間をシール（二次次シール）するものである。

機内側の第１メカニカルシール３は、ケーシング１側に取り付けられた静止密封環５と、回転軸２に一体回転可能に取り付けられた回転密封環６と、静止密封環５を回転密封環６へと押圧付勢するスプリング７とを備えている。
静止密封環５は、カーボン等の軟質材で作製され、ケーシング１にＯリング８でシールした状態で軸方向に摺動自在に取り付けられた摺動リング９の機内側端部に固定されている。静止密封環５の機内側の端部には静止側密封端面５ａが形成されている。

回転密封環６は、セラミックスや超硬合金等の硬質材で作製され、回転軸２の内スリーブ２ａに外嵌された状態で固定されている。回転密封環６の機外側の端部には、前記静止側密封端面５ａに摺接する回転側密封端面６ａが形成されている。
スプリング７は、後述する固定リング２３に保持されており、摺動リング９の機外側端部に固定されたカラー１０を機内側に押圧付勢している。これにより、静止密封環５には、カラー１０及び摺動リング９を介してスプリング７の付勢力が作用するため、静止密封環５の静止側密封端面５ａは、回転密封環６の回転側密封端面６ａに押し付けられている。

機外側の第２メカニカルシール４は、ケーシング１側に取り付けられた静止密封環１１と、回転軸２に一体回転可能に取り付けられた回転密封環１２と、静止密封環１１を回転密封環１２へと押圧付勢するスプリング１３とを備えている。
静止密封環１１は、カーボン等の軟質材で作製され、その機内側の端部には静止側密封端面１１ａが形成されている。静止密封環１１は、ケーシング１のリテーナ１４に対してＯリング１５でシールした状態で軸方向に摺動自在に取り付けられている。

回転密封環１２は、セラミックスや超硬合金等の硬質材で作製され、回転軸２の外スリーブ２ｂに外嵌された状態で固定されている。回転密封環１２の機外側の端部には、前記静止側密封端面１１ａに摺接する回転側密封端面１２ａが形成されている。
スプリング１３は、前記リテーナ１４に保持されており、前記静止密封環１１を機内側に押圧付勢している。これにより、静止密封環１１の静止側密封端面１１ａは、回転密封環１２の回転側密封端面１２ａに押し付けられている。

タンデム型メカニカルシール装置Ｔは、封液室Ｂ内の封液を循環させる循環リング１８を備えている。循環リング１８は、封液室Ｂにおいて回転軸２の外スリーブ２ｂと一体に形成されており、内スリーブ２ａにＯリング１９によりシールした状態で一体回転可能に外嵌されている。循環リング１８の機外側の側面には、環状の凹溝１８ａが形成されており、この凹溝１８ａに第２メカニカルシール４の回転密封環１２がＯリング２０によりシールした状態で嵌合されている。

図２は、循環リング１８を機外側から見た側面図である。図２に示すように、循環リング１８の外周には、周方向に所定間隔をあけて複数（ここでは６個）の第１切欠溝１８ｂが形成されている。第１切欠溝１８ｂは、側面視において凹湾曲状に形成されている。また、この第１切欠溝１８ｂは、図１の断面視において、その径方向の深さが循環リング１８の機外側の側面から外周面の機内側端部に向かって漸次浅くなるように形成され、封液室Ｂの機外側の封液を径方向外方に飛ばすようになっている。

循環リング１８の外周には、周方向に所定間隔を開けて複数（ここでは２個）の第２切欠溝１８ｃがさらに形成されている。第２切欠溝１８ｃは、第１切欠溝１８ｂと同様に、図２の側面視において凹湾曲状に形成されている。また、第２切欠溝１８ｃは、図１の断面視において、その径方向の深さが循環リング１８の軸方向全長に亘って同じ深さとなるように形成され、後述する供給路２１から循環リング１８の機外側に供給された封液が、循環リング１８の機内側へ円滑に導入されるようになっている。

図１において、ケーシング１には、循環リング１８の外周近傍で開口しており封液室Ｂに封液を供給する供給口２１ａを有する供給路２１が形成されている。供給口２１ａは、循環リング１８よりも若干、機外側（軸方向一方側）にずれた位置に形成されている。
また、ケーシング１には、循環リング１８の外周近傍で開口しており封液室Ｂ内の封液を外部に排出する排出口２２ａを有する排出路２２が形成されている。この排出路２２は、供給路２１に対して周方向に約１８０℃の角度差をもって形成されている。排出口２２ａは、循環リング１８の外周の径方向外方に形成されている。

ケーシング１は、循環リング１８の機内側に隣接して配置された固定リング２３を有している。固定リング２３は、その内周面が回転軸２（内スリーブ２ａ）の外周面に近接するように形成されている。また、固定リング２３の機外側の側面には、先端部が循環リング１８の径方向外方まで突出する環状の突出部２３ａが形成されている。

固定リング２３には、回転軸２の外周近傍の封液を排出口２２ａに導く吐出孔２４が形成されている。吐出孔２４の一端２４ａは封液室Ｂ内の回転軸２の外周近傍で開口し、吐出孔２４の他端２４ｂは前記排出口２２ａの近傍で開口している。
また、固定リング２３には、供給口２１ａから供給された封液を回転軸２の外周近傍に導く導入孔２５が形成されている。導入孔２５の一端２５ａは封液室Ｂ内の回転軸２の外周近傍で開口し、導入孔２５の他端２５ｂは前記供給口２１ａの近傍で開口している。

図３は、固定リング２３を示す拡大断面図である。また、図４は、固定リング２３を機外側（図３の左側）から見た側面図である。図３及び図４において、固定リング２３の突出部２３ａには、排出口２２ａの近傍にセキ２６が突設されており、循環リング１８の外周に沿って図中の矢印ａ方向に流れる封液を、セキ２６の周方向一方側の端面２６ａに当てることによって、循環リング１８の径方向外方に配置された排出口２２ａに案内するようになっている。前記吐出孔２４の他端２４ｂは、セキ２６の端面２６ａの近傍で開口している。

図３に示すように、前記吐出孔２４は、前記一端２４ａから径方向外側へ真っ直ぐ延びる直線孔部２４ｃと、この直線孔部２４ｃの径方向外端部から前記他端２４ｂまで固定リング２３の軸線方向に対して傾斜して延びる逆方向孔部２４ｄとからなる。この逆方向孔部２４ｄは、図４に示すように、他端２４ｂから直線孔部２４ｃに向かって、循環リング１８の外周に沿って封液が流れる方向（図中の矢印ａ方向）と逆方向に延びている。

図３に示すように、前記導入孔２５は、前記一端２５ａから径方向外側へ真っ直ぐ延びる直線孔部２５ｃと、この直線孔部２５ｃの径方向外端部から前記他端２５ｂまで固定リング２３の軸線方向に対して傾斜して延びる順方向孔部２５ｄとからなる。この順方向孔部２５ｄは、図４に示すように、他端２５ｂから直線孔部２５ｃに向かって、循環リング１８の外周に沿って封液が流れる方向（矢印ａ方向）と同じ方向に延びている。

上記のように構成された本実施形態のタンデム型メカニカルシール装置Ｔによれば、被密封液体が第１メカニカルシール３から封液室Ｂに漏洩したときに、その被密封液体が気化したガスを、封液と共に回転軸２の外周近傍から吐出孔２４を通じて排出路２２の排出口２２ａに導くことができる。これにより、封液室Ｂで気化したガスを外部へ排出することができる。また、供給路２１の供給口２１ａから循環リング１８の外周近傍に供給された封液を、導入孔２５を通じて封液室Ｂ内の回転軸２の外周近傍に、吐出口２４から排出された分だけ補充することができる。これにより、封液室Ｂ内で封液が不足することに起因して両メカニカルシール３，４の静止密封環５，１１及び回転密封環６，１２の温度が上昇するのを抑制することができる。その結果、静止密封環５，１１が激しく摩耗したり、回転密封環６，１２が割れたりするのを抑制することができ、ひいては両メカニカルシール３，４のシール性能が低下するのを抑制することができる。

また、吐出孔２４は、他端２４ｂから一端２４ａ側に向かって、循環リング１８の外周に沿って封液が流れる方向と逆方向に延びる逆方向孔部２４ｄを有するため、この逆方向孔部２４ｄでは封液による動圧が発生し易くなる。このため、吐出孔２４の他端２４ｂ（排出口２２ａの近傍）における封液の圧力は、吐出孔２４の一端２４ａ（回転軸２の外周近傍）における封液の圧力よりも低くなる。これにより、封液室Ｂで気化したガスは、封液と共に回転軸２の外周近傍から吐出孔２４を通じて排出口２２ａに流れ易くなるため、気化したガスを効果的に排出することができる。

また、導入孔２５は、他端２５ｂから一端２５ａ側に向かって、循環リング１８の外周に沿って封液が流れる方向と同じ方向に延びる順方向孔部２５ｄを有するため、循環リング１８の外周に沿って流れる封液は、他端２５ｂから導入孔２５に入り易くなる。これにより、供給口２１ａから供給された封液を、循環リング１８の外周から導入孔２５を通じて回転軸２の外周近傍に効果的に補充することができる。
また、循環リング１８よりも機外側において供給口２１ａから供給された封液を、循環リング１８の第２切欠溝１８ｃを通過して循環リング１８よりも機内側に導入することができるため、封液室Ｂの循環リング１８よりも機内側において封液が不足するのを効果的に抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、吐出孔２４の逆方向孔部２４ｄ及び導入孔２５の順方向孔部２５ｄは、固定リング２３の軸線方向に対して傾斜しているが、当該軸線方向に対して平行に形成されていても良い。但し、逆方向孔部２４ｄは、動圧を効果的に発生させるという観点では、固定リング２３の軸線方向に対して傾斜して形成されているのが好ましい。また、循環リング１８の第１及び第２切欠溝１８ｂ，１８ｃの個数は、タンデム型メカニカルシール装置Ｔの用途及び用いられる条件に応じて、それぞれ任意に設定することができる。

１ ケーシング
２ 回転軸
３ 第１メカニカルシール
４ 第２メカニカルシール
１８ 循環リング
１８ｃ 第２切欠溝（切欠溝）
２１ 供給路
２１ａ 供給口
２２ 排出路
２２ａ 排出口
２４ 吐出孔
２４ｄ 逆方向孔部
２５ 導入孔
２５ｄ 順方向孔部
Ｂ 封液室
Ｔ タンデム型メカニカルシール装置

Claims (4)

1. ケーシングと当該ケーシングを貫通する回転軸との間において当該回転軸の軸方向に所定間隔離して互いに並列に配置された一対のメカニカルシールと、これら両メカニカルシールの間に形成された環状の封液室と、前記封液室において前記回転軸側に一体回転可能に外嵌され、前記封液室内の封液を循環させる循環リングとを備え、前記ケーシングに、前記循環リングの外周近傍で開口しており前記封液室に封液を供給する供給口を有する供給路と、前記循環リングの外周近傍で開口しており前記封液室の封液を外部に排出する排出口を有する排出路とが形成されたタンデム型メカニカルシール装置であって、
   前記ケーシングには、一端が前記封液室内の前記回転軸の外周近傍で開口し、他端が前記排出口の近傍で開口する吐出孔と、一端が前記封液室内の前記回転軸の外周近傍で開口し、他端が前記供給口の近傍で開口する導入孔とが形成されていることを特徴とするタンデム型メカニカルシール装置。
2. 前記吐出孔は、前記他端から前記一端側に向かって、前記循環リングの外周に沿って封液が流れる方向と逆方向に延びる逆方向孔部を有している請求項１に記載のタンデム型メカニカルシール装置。
3. 前記導入孔は、前記他端から前記一端側に向かって、前記循環リングの外周に沿って封液が流れる方向と同じ方向に延びる順方向孔部を有している請求項１又は２に記載のタンデム型メカニカルシール装置。
4. 前記供給口が、前記循環リングよりも軸方向一方側に形成され、前記導入孔の前記一端の開口が、前記循環リングよりも軸方向他方側に形成されており、
   前記循環リングの外周には、軸方向全長に亘って切欠溝が形成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のタンデム型メカニカルシール装置。

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