JP6019511B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシールに関し、より詳細には、多孔質部材を用いた静圧形非接触式メカニカルシールに関する。

ポンプ等の回転軸回り等の機械装置の回転部分からの漏れを封じる機械要素としてメカニカルシールが使用される。メカニカルシールでは、回転軸側に固定された回転側の回転環と、ポンプ本体等の静止側に固定された静止側の固定環とを摺動接触させ、回転部分の周囲に存在する流体(シール流体)のシールを行っている。

摺動接触によって回転環と固定環の間の摺動面には摩擦摩耗、摩擦熱が発生する。液体をシールするメカニカルシールでは、シール流体である液体が摺動面に流入し、この部分で潤滑、冷却を行うが、シール流体が気体等である場合には、シール流体による潤滑、冷却が行われないため、摺動部において、摩耗、発熱、さらには摺動音が発生することになる。

このような問題に対処するため、固定環と回転環とを離間させ、両者間にシール流体とは別のバリア用流体(例えば、バリアガス)を供給して流体膜を形成し、この流体膜の圧力で固定環と回転環の間(すなわち密封端面の間)に間隙を確保し且つ密封端面の間をシールする静圧形非接触式メカニカルシールが提案されている(特許文献１、２)。

この静圧形非接触式メカニカルシールでは、固定環と回転環の間に流体を供給するために、配管に設けられた絞りと、この絞りを経て供給された流体を摺動面全体に行き渡らせるために固定環に設けられた溝とを組み合わせた構成が用いられている。

ＷＯ９９／２７２８１号 特開２０１１−２２０５２８号公報

しかしながら、上述したような従来技術の静圧形非接触式メカニカルシールは、バリアガス等の流体の量が多くなるため間隙が広くなり、さらに、バリアガス等の流体による流体膜の圧力分布が不均一になるため、高いシール性が得られないという問題があった。

さらに、絞りおよび溝の加工が容易ではなく、製造に費用と手間がかかるという問題もあった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、高いシール性が得られ、安価で且つ容易に製造が可能なメカニカルシールを提供することを目的とする。

本発明によれば、
メカニカルシールであって、
回転軸に固定された回転環と、
該回転軸が貫通する機体側部材に連結され密封端面を介して前記回転環と回転シールを形成するように対向配置された固定環であって、前記回転環と対向する前記固定環の面の少なくとも一部が多孔質部材で構成されている固定環と、
前記多孔質部材に加圧されたバリア流体を供給する手段と、を備え、
前記バリア流体は、前記固定環を通り抜けて前記回転環の密封端面に対向する前記固定環の密封端面から噴出するように前記固定環の多孔質部材に供給される、
ことを特徴とするメカニカルシールが提供される。

このような構成によれば、回転環と対向する固定環の面、すなわち静止側の密封端面の少なくとも一部が多孔質部材で構成され、この多孔質部材に加圧されたバリア流体が供給される。この結果、多孔質部材を介して、静止側の密封端面から加圧されたバリア流体が流出し、回転側の密封端面との間にバリア流体による流体膜が形成され、密封端面間の距離が維持され且つ密封端面間がシールされる。
このように、複雑な機構を用いることなく密封端面間にバリア流体による流体膜を形成できる。さらに、静止側の密封端面から加圧されたバリア流体が流出する構成であるので、均一な流体膜が形成可能である。

本発明の他の好ましい態様によれば、
前記回転環と対向する前記固定環の面の全体が多孔質部材で構成されている。

このような構成によれば、静止側の密封端面全体から加圧されたバリア流体が流出する構成であるので、より均一な流体膜の形成が可能である。

本発明の他の好ましい態様によれば、
前記固定環が多孔質部材で構成され、
前記固定環が、環状の凹部を有する固定環バックメタルの凹部の上部に嵌合され、
前記バリア流体が、前記固定環バックメタルの凹部の下部空間に供給される。

このような構成によれば、固定環には、回転環と対向する面（静止側の密封端面）とは反対側に位置する面の全体にバリア流体が供給されるので、静止側の密封端面の全体からバリア流体を流出させ、更に均一な流体膜の形成が可能である。

本発明の他の好ましい態様によれば、
前記回転環と対向する前記固定環の面の複数箇所が多孔質部材で構成され、
前記多孔質部材が、前記回転環と対向する前記固定環の面において、円周方向に略等間隔に配置されている。

このような構成によれば、静止側の密封端面上の一定間隔をおいた位置から加圧されたバリア流体が流出するので、より均一な流体膜の形成が可能である。

本発明の他の好ましい態様によれば、
前記多孔質部材が、前記回転環と対向する前記固定環の面の全周にわたって延びるように配置されている。

このような構成によれば、静止側の密封端面で周方向に均一に加圧されたバリア流体が流出するので、より均一な流体膜の形成が可能である。

このような構成を有する本発明によれば、高いシール性が得られ、安価で且つ容易に製造が可能なメカニカルシールが提供される。

本発明の第１の実施形態のメカニカルシールの要部を示す概略的な断面図である。 図１のメカニカルシールの固定環と固定環バックメタルの分解斜視図である。 図１のメカニカルシールの固定環と固定環バックメタルの組立て状態の縦断面図である。 第１の実施態様のメカニカルシールの変形例のメカニカルシールの要部を示す図１と同様の概略的な断面図である。 第２の実施形態のメカニカルシールの変形例の固定環付近の構成を示す断面図である。 第２の実施形態のメカニカルシールのもう一つの変形例の固定環付近の構成を示す断面図である。 第２の実施形態のメカニカルシールのもう一つの変形例の固定環付近の構成を示す断面図である。 本発明の他の実施形態の固定環の平面図である。 本発明のもう一つの実施形態の固定環の平面図である。 本発明のもう一つの実施形態の固定環の平面図である。 本発明のもう一つの実施形態の固定環の平面図である。

以下、本発明の第１の実施形態のメカニカルシール１の構成を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態のメカニカルシールの要部を示す概略的な断面図である。

本実施形態のメカニカルシール１は、図示しないボルトによってポンプ等の回転軸Ｓに固定された円筒状のスリーブ２を備えている。図１において左側に示されている、スリーブ２の機内側の端部には、径方向外方に延びる肉厚のフランジ状の立ち上がり部２ａが形成されている。立ち上がり部２ａの軸線方向中央の径方向内端には、円周方向の延びる環状溝２ｂが形成され、この環状溝２ｂ内には、Ｏリング４が配置され、回転軸Ｓとスリーブ２との間にシールを形成している。

スリーブ２の立ち上がり部２ａの軸線方向外方(大気側)には、環状の回転環バックメタル６を介して回転環８が配置されている。回転環バックメタル６は、回転環８を支持する部材であり、軸線方向に延びる本体部分６ａと、本体部分６ａの軸線方向略中央位置から径方向内方に向かって延びる垂下部分６ｂとを備えている。

図１に示されているように、回転環バックメタル６は、本体部分６ａの機内側の端部がスリーブ２の立ち上がり部２ａの径方向外端に当接し、垂下部分６ｂがスリーブ２の立ち上がり部２ａの大気側に位置するように配置されている。
また、スリーブ２の立ち上がり部２ａの径方向外端には、環状溝２ｃが形成され、この環状溝２ｃ内には、Ｏリング１０が配置され、スリーブ２と回転環バックメタル６との間にシールを形成している。

さらに、スリーブ２の立ち上がり部２ａの大気側面には、軸線方向に延びる凹部２ｄが形成され、この凹部２ｄ内には、先端が回転環バックメタル６の垂下部分６ｂを大気側に押圧するスプリング１２が収容され、回転環バックメタル６を回転環８に向けて付勢している。

回転環８は、固定環１４との間に回転シールを形成する部材であり、本実施形態のメカニカルシール１では、超硬合金で形成されている。

一方、固定環１４は、通気性を有する多孔質カーボンで形成されている。そして、固定環１４の大気側には、環状の固定環バックメタル１６が配置され、固定環１４を大気側から支持している。

回転環８は、固定環１４の機内側面１４ａと対向する大気側面８ａを備えている。回転環８の大気側面８ａが回転側の密封端面となり、固定環１４の機内側面１４ａが静止側の密封端面となる。
上述したように、回転環８を支持する回転環バックメタル６がスプリング１２によって回転環８に向けて付勢されているので、回転環８は、回転環バックメタル６を介してスプリング１２で大気方向すなわち固定環１４に向けて付勢されることにある。

固定環バックメタル１６は、径方向外側でケーシング１８に連結されている。ケーシング１８は、図１に示されているように、略Ｌ字型の断面形状を有し、固定環バックメタル１６の径方向外方側および大気側に配置されている。
固定環バックメタル１６とケーシング１８の間には、２本のＯリング２０、２２が配置されシールを形成している。
ケーシング１８の機内側には、環状の機内側ケーシング２４が配置されている。

本実施形態のメカニカルシール１は、ケーシング１８、機内側ケーシング２４等を貫通するボルト２６、およびナット２８等によって、ポンプ、タンク等の気体側部材に取付けられる。

スリーブ２の大気側の端部分には、セットカラー３０がセットスクリュー３２によって取付けられている。

固定環バックメタル１６、およびケーシング１８には、バリアガス供給通路１６ａ、１８ａがそれぞれ形成されている。これら固定環バックメタル１６のバリアガス供給通路１６ａとケーシング１８のバリアガス供給通路１８ａは互いに接続され、メカニカルシール１の外部に配置されて図示しないバリアガス供給装置からの加圧されたバリアガスを、固定環１４に導く（供給する）ことが出来るように構成されている。

次に、固定環１４近傍の構成について、詳細に説明する。
図２は、本実施形態のメカニカルシール１の固定環１４と固定環バックメタル１６の分解斜視図であり、図３は、固定環１４と固定環バックメタル１６の縦断面図である。

図２及び図３に示されているように、ＳＵＳ等の合金鋼で形成された固定環バックメタル１６は、肉厚の環状材であり、軸線方向一方側の面に向かって開口する環状凹部３４が形成されている。

環状凹部３４は、開口端側(上部側)の断面矩形の幅広部３４ａと、幅広部３４ａの底に一体的に設けられた断面矩形の幅狭部３４ｂとを備えている。幅広部３４ａは、断面が固定環１４の断面と略等しい寸法形状とされ、この幅広部３４ａに、固定環１４が密封端面となる軸線方向一方側の面を突出させた状態で嵌合している。固定環１４と幅広部３４ａの側壁との間は気密状態となるように、固定環１４は、焼結接着等によって幅広部３４ａに取付け固定されている。

幅狭部３４ｂには、固定環バックメタル１６のバリアガス供給通路１６ａが連通されている。

このような構成によって、環状凹部３４の開口端側の上方部分が固定環１４によって閉鎖され、固定環１４の下方に幅狭部３４ｂによる環状の密閉空間が形成される。さらに、この幅狭部３４ｂによる環状の密閉空間すなわち固定環１４の裏側に位置する環状の密閉空間内に、固定環バックメタル１６のバリアガス供給通路１６ａ、およびケーシング１８のバリアガス供給通路１８ａを介して、矢印Ａ、Ｂで示されるように、外部のバリアガス供給装置(図示せず)からの加圧バリアガスが供給されることになる。

本実施形態のメカニカルシール１では、固定環１４が通気性を有する多孔質カーボンで形成されているので、裏側(大気側)に存在する環状の密閉空間３４ｂ内に加圧バリアガスが供給されると、加圧バリアガスは、矢印Ｃで示すように固定環１４を通り抜けて、固定環１４の機内側面（静止側の密封端面）１４ａから噴出する。

この結果、回転環８の大気側面８ａと固定環１４の機内側面１４ａとの間に、加圧バリアガスが流入し、回転環８および回転環バックメタル６がスプリング１２の付勢力に抗しながら機内側に後退する。そして、回転環８の大気側面（回転側の密封端面）８ａと固定環１４の機内側面（静止側の密封端面）１４ａとの間に加圧バリアガスによる厚さ数μｍの流体膜Ｍが形成される。この流体膜Ｍによって、回転環８の大気側面８ａと、固定環１４の機内側面１４ａとの間にシールが形成されることになる。

加圧バリアガスとしては、空気の他、窒素ガス、アルゴンガス等が用途に応じて適宜選択される。また、加圧バリアガスに変えて、加圧された他の加圧流体、例えば、水、油等も使用可能である。

加圧バリアガス、あるいは他の加圧流体の或る力は、機内側と大気の圧力差等の種々の条件を勘案して、回転環と固定環との間に所望のシールが形成できる圧力に設定される。

このような構成によれば、回転環８に対向する固定環１４の機内側面１４ａの全体から略均一に加圧バリアガスを噴出させることができるので、回転環８の大気側面８ａと固定環１４の機内側面１４ａとの間の流体膜Ｍの圧力を高い状態に維持することが容易となる。この結果、膜厚の均一化、膜厚すなわち回転環８の大気側面８ａと固定環１４の機内側面１４ａの間隔の最小化が実現される。

このため、シール性と向上させつつ、バリアガスの消費量が抑制できる。

さらに、固定環１４の材料として、自己潤滑性が高い多孔質カーボンを使用しているので、何らかの理由で、固定環１４が回転環８に接触した場合でも、かじり等の問題が生じにくい。

図４は、上記第１の実施態様のメカニカルシールの変形例のメカニカルシール１’の要部を示す図１と同様の概略的な断面図である。

変形例のメカニカルシール１’の基本構成は、上記第１の実施態様のメカニカルシール１と同一である。メカニカルシール１との主な相違点は、ケーシングが軸線方向に分割され、大気側に配置された第１のケーシング１８’に収容されたスプリング１２’が、固定環バックメタル１６を機内側に付勢している点である。さらに、ケーシングのバリアガス供給通路１８ａは、機内側の第２のケーシング１８”に形成されている。

この変形例のメカニカルシール１’では、回転環８の大気側面８ａと固定環１４の機内側面１４ａとの間に、加圧バリアガスが流入すると、固定環１４および固定環バックメタル１６がスプリング１２’の付勢力に抗しながら大気側に後退する。そして、回転環８の大気側面８ａと固定環１４の機内側面１４ａの間に、第１の実施形態のメカニカルシールと同様に、加圧バリアガスよる流体膜Ｍが形成され、この流体膜Ｍによって、回転環８の大気側面８ａと、固定環１４の機内側面１４ａとの間にシールが形成されることになる。

図５ないし図７は、本発明の第２の実施形態のメカニカルシールおよびその変形例のメカニカルシールの固定環付近の構成を示す断面図である。

上記第１の実施形態のメカニカルシール１は、金属製の固定環バックメタル１６に多孔質カーボン性の固定環１４が収容された構成を備えていたが、第２の実施形態のメカニカルシール４０では、メカニカルシール１の固定環バックメタル１６と固定環１４に相当する部分である固定環部材４２が、多孔質カーボンによって一体的に形成されている。

固定環部材４２の径方向外方部分には、ケーシング１８のバリアガス供給通路１８ａと連通するバリアガス供給通路４２ａが形成され、加圧バリアガスを固定環部材４２内に導入できるように構成されている。さらに、固定環部材４２には、回転環に対向し静止側の密封端面を構成する環状の機内側面４２ｂが設けられている。

本実施形態の固定環部材４２では、バリアガス供給通路４２ａの内面、および機内側面４２ｂを除く外周面全体に、一点鎖線で示す樹脂等による目詰まりMが施され、バリアガス供給通路４２ａに供給された加圧バリアガスが、機内側面４２ｂのみから噴出するように構成されている。

上記第２のメカニカルシール４０では、バリアガス供給通路４２ａが、固定環部材４２の径方向外方部分に形成されているが、図６に示されている変形例のメカニカルシール４２’のように、バリアガス供給通路４２ａ’が、固定環部材４２の径方向内方部分にまでのびるように形成された構成でもよい。

このような構成によれば、加圧バリアガスを機内側面４２ｂ全体からより均一に噴出させることが可能となる。

一方、図７に示されている変形例のメカニカルシール４０”のように、固定環部材４２”にバリアガス供給通路を設けず、固定環部材４２”の径方向外方面に目詰まりを設けないバリアガス導入部４４を設け、このバリアガス導入部４４にケーシング１８のバリアガス供給通路１８ａを接続した構成でもよい。

このような構成によれば、固定環部材の加工が容易になる。

本発明の前記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内で種々の変更、変形が可能である。

上記実施形態では、回転環と対向する固定環の面（密封端面）全体が、多孔質カーボンで形成された構成であったが、本発明は、図８ないし図１１の固定環の平面図に示されているように密封端面の少なくとも一部が多孔質カーボン等の多孔質部材で形成された構成でもよい。

たとえば、複数の多孔質部分が、環状の密封端面の全周にわたって等間隔あるいは等しくなく間隔で配置された構成でもよい。
例えば、図８に示されている構成では、環状の密封端面５２の幅方向中央位置に、複数の円形の多孔質部分５４が等間隔に配置されている。また、図９に示されている構成では、環状の密封端面６２の幅方向中央位置に、複数の湾曲した長円形の多孔質部分６４が等間隔に配置されている。

また、多孔質部分が、環状の密封端面の一部を覆って全周にわたって延びる構成でもよい。
すなわち、図１０に示されている構成では、環状の密封端面７２の幅方向中央に、密封端面７２の幅より狭い幅の環状の多孔質部分７４が配置されている。また、図１１に示されている構成では、環状の密封端面８２の幅方向中央に、密封端面８２の幅より狭い幅の六角形の環状の多孔質部分８４が配置されている。

図８ないし図１１の構成においては、多孔質部分５４、６４、７４および８４は、固定環の密封端面(回転環と対向する固定環の面)５２、６２、７２および８２に、固定環の密封端面と同一平面(面一)となるように埋め込まれている。これら多孔質部分５４、６４、７４および８４の裏側には、加圧バリアガス等の加圧されたバリア流体が導入され、多孔質部分５４、６４、７４および８４の表面から加圧されたバリア流体が噴出し、流体膜が形成される。

また、上記実施形態では、固定環が多孔質カーボンで形成されているが、固定環を流体が流通可能な他の多孔質体、例えば、焼結金属、多孔質樹脂等で形成してもよい。

さらに、上記実施形態では、固定環バックメタル１６は、ＳＵＳ等の合金鋼で形成されているが、流体を透過しない他の材料、例えば、金属、合成樹脂、セラミックス、カーボン等で形成されていてもよい。

１：メカニカルシール
２：スリーブ
６：回転環バックメタル
８：回転環
１２：スプリング
１４：固定環
１６：固定環バックメタル
１８：ケーシング
２４：機内側ケーシング
１６ａ、１８ａ：バリアガス供給通路

Claims (5)

1. メカニカルシールであって、
   回転軸に固定された回転環と、
   該回転軸が貫通する機体側部材に連結され密封端面を介して前記回転環と回転シールを形成するように対向配置された固定環であって、前記回転環と対向する前記固定環の面の少なくとも一部が多孔質部材で構成されている固定環と、
   前記多孔質部材に加圧されたバリア流体を供給する手段と、を備え、
   前記バリア流体は、前記固定環を通り抜けて前記回転環の密封端面に対向する前記固定環の密封端面から噴出するように前記固定環の多孔質部材に供給される、
   ことを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記回転環と対向する前記固定環の面の全体が多孔質部材で構成されている、
   請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記固定環が多孔質部材で構成され、
   前記固定環が、環状の凹部を有する固定環バックメタルの凹部の上部に嵌合され、
   前記バリア流体が、前記固定環バックメタルの凹部の下部空間に供給される、
   請求項１または２に記載のメカニカルシール。
4. 前記回転環と対向する前記固定環の面の複数箇所が多孔質部材で構成され、
   前記多孔質部材が、前記回転環と対向する前記固定環の面において、円周方向に略等間隔に配置されている、
   請求項１に記載のメカニカルシール。
5. 前記多孔質部材が、前記回転環と対向する前記固定環の面の全周にわたって延びるように配置されている、
   請求項１に記載のメカニカルシール。

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