JP6022385B2

JP6022385B2 - メカニカルシール

Info

Publication number: JP6022385B2
Application number: JP2013050852A
Authority: JP
Inventors: 三浦　直人; 直人三浦; 博之坂倉; 良太松本
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2033-03-13
Also published as: JP2014177965A

Description

本発明は、メカニカルシールに関する。

従来より、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、ケーシング側に固定された静止密封環と、回転軸側に一体回転可能に取り付けられた回転密封環とを備え、静止密封環に形成された静止側密封端面と回転密封環に形成された回転側密封端面とが摺接するメカニカルシールが多用されている。このようなメカニカルシールとして、図３に示すように、ケーシング１０１に固定されたリテーナ１０２のボス部１０２ａに、静止密封環１０３が軸方向（図中の左右方向）に移動可能に外嵌され、静止密封環１０３の軸方向一端部の内周に形成された環状溝１０３ａに、ボス部１０２ａの外周面との間をシールするシールリング１０４が装着されているものがある（例えば、特許文献１参照）。なお、静止密封環１０３の静止側密封端面１０３ｂは、リテーナ１０２に保持されたスプリング１０５の付勢力によって、回転軸１０６に一体回転可能に取り付けられた回転密封環１０７の回転側密封端面１０７ａに押し付けられている。

特許第４０００３２４号公報

静止密封環１０３の外周面全体は、図４（ａ）に示すように、被密封流体の流体圧力により径方向内方（図中の矢印ａ方向）に押圧されている。また、静止密封環１０３の軸方向一端部の内周面には環状溝１０３ａが形成されているため、この環状溝１０３ａに被密封流体が入り込むことで、その内周面を径方向外方（図中の矢印ｂ方向）に押圧するように流体圧力が作用する。
これにより、静止密封環１０３の軸方向一端部（図中の左端部）では、径方向内方及び径方向外方にそれぞれ作用する流体圧力が互いに打ち消し合うため、静止密封環１０３には、実質的に、その軸方向他端部（図中の右端部）を径方向内方に押圧する流体圧力が作用した状態となる。

このため、被密封流体の圧力変動が大きい場合、流体圧力が急激に増加したときに、図４（ｂ）に示すように、静止密封環１０３がシールリング１０４を支点として図中の時計回り方向に回転するように変形することがある。この場合、静止密封環１０３の静止側密封端面１０３ｂが、回転密封環１０７の回転側密封端面１０７ａに対して傾くため、静止密封環１０３と回転密封環１０７と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、被密封流体の圧力変動が大きい場合でも、静止密封環と回転密封環とのシール性能が低下するのを抑制することができるメカニカルシールを提供することを目的とする。

本発明のメカニカルシールは、ケーシングに固定された環状のリテーナ本体部、及び前記リテーナ本体部の内周部から軸方向に延び且つ回転軸と同心状に配置されたボス部を有するリテーナと、前記ケーシング側において軸方向に移動可能に取り付けられ、静止側密封端面が形成された静止密封環と、前記回転軸側に一体回転可能に取り付けられ、前記静止側密封端面に摺接する回転側密封端面が形成された回転密封環と、前記リテーナ本体部に保持され、前記静止密封環を軸方向に付勢することで前記静止側密封端面を前記回転側密封端面に押し付ける弾性部材とを備えたメカニカルシールであって、前記静止密封環は、前記静止側密封端面の反対側端面に形成された環状のシール端面を有し、前記弾性部材と前記静止密封環との間において前記ボス部に対して軸方向に移動可能に外嵌され、前記ボス部の外周面に対向する環状の第１シール面及び前記静止密封環のシール端面に対向する環状の第２シール面が形成されたカラーと、前記ボス部の外周面と前記カラーの第１シール面との間をシールするとともに、前記静止密封環のシール端面と前記カラーの第２シール面との間をシールするシールリングとを備えていることを特徴としている。

本発明によれば、弾性部材と静止密封環との間にカラーを配置し、シールリングにより、リテーナのボス部の外周面とカラーの第１シール面との間、及び静止密封環のシール端面とカラーの第２シール面との間を、それぞれシールするようにしたので、静止密封環の内周側に被密封流体が入り込むのを防止することができる。これにより、従来のように、静止密封環の内周面に作用する流体圧力に起因して、静止密封環の外周面に作用する流体圧力の一部が打ち消されるのを防止することができる。すなわち、静止密封環には、その外周面の全体に亘って、径方向内方に押圧する流体圧力が一様に作用することになる。したがって、被密封流体の流体圧力が急激に増大したときに、静止密封環に流体圧力が作用しても、静止密封環の静止側密封端面が回転密封環の回転側密封端面に対して傾くように変形するのを抑制することができる。その結果、静止密封環と回転密封環とのシール性能が低下するのを抑制することができる。

前記メカニカルシールにおいて、前記静止密封環のシール端面は、前記反対側端面から前記カラーに向けて軸方向に突出する環状凸部の先端に形成されており、前記環状凸部の外径が、前記第１シール端面の直径よりも小さく設定され、前記環状凸部の軸方向への突出長さは、前記シールリングの弾性変形により当該環状凸部が前記カラーに向けて軸方向に移動したときに、前記反対側端面がこれに対向する前記カラーの端面に当接しない長さに設定されていることが好ましい。

一般に、静止密封環のシール端面又は反対側端面と、これに対向するカラーの端面とが当接して面接触した場合、これら両端面は互いの摩擦抵抗によって固着し易くなる。そして、このような固着が生じると、静止密封環が流体圧力や熱膨張により変形する際に、前記固着した部分は変形しにくいため、静止密封環の全体が一様に変形するのを妨げ、静止側密封端面が回転側密封端面に対して傾斜するように変形する場合がある。
これに対して、本発明のメカニカルシールでは、静止密封環がシールリングの弾性変形によりカラー側に向けて軸方向に移動したときに、静止密封環のシール端面及び反対側端面は、カラーの端面に当接しないように形成されているため、これらの端面同士が固着するのを防止することができる。これにより、静止側密封端面が回転側密封端面に対して傾斜するように静止密封環が変形するのを防止することができるため、静止密封環と回転密封環とのシール性能が低下するのをさらに抑制することができる。

本発明のメカニカルシールによれば、被密封流体の圧力変動が大きい場合でも、静止密封環と回転密封環と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メカニカルシールを示す断面図である。上記メカニカルシールの要部を示す拡大断面図である。従来のメカニカルシールを示す断面図である。従来のメカニカルシールの要部を示す断面図であり、（ａ）は静止密封環の変形前の状態を示し、（ｂ）は静止密封環の変形後の状態を示している。

以下、本発明のメカニカルシールの実施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メカニカルシールを示す断面図である。図１において、本実施形態のメカニカルシール１は、例えば化学プラントにおいて使用されるポンプ等の回転流体機器の内部に設けられ、圧力変動が大きい被密封流体（例えばエチレン）をシールするものである。メカニカルシール１は、回転流体機器のケーシングＣと、当該ケーシングＣを貫通する回転軸Ｓ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。

メカニカルシール１は、回転側ユニットとして、回転軸Ｓに一体回転可能に取り付けられたスリーブ２と、スリーブ２に一体回転可能に取り付けられた環状の回転密封環３とを備えている。スリーブ２は、回転軸Ｓの外周面に嵌合された内スリーブ部２ａと、内スリーブ部２ａの外周面に嵌合された外スリーブ部２ｂとによって構成されている。

内スリーブ部２ａ及び外スリーブ部２ｂの各機外側の端部は、ケーシングＣよりも機外側に配置されており、周方向に複数配置された第１セットスクリュ２１及び第２セットスクリュ２２により、回転軸Ｓの外周面に固定されている。また、外スリーブ部２ｂの機内側の端部の内周面には、内スリーブ部２ａの外周面との間をシールするＯリング３１が配置されている。

回転密封環３は、耐摩耗性及びシール性能に優れたセラミックスや超硬合金等の硬質材からなり、外スリーブ部２ｂにＯリング３２でシールされた状態で固定されている。回転密封環３の機外側の端部には、後述する静止側密封端面６ａに摺接する回転側密封端面３ａが形成されている。回転側密封端面３ａと静止側密封端面６ａとの摺接部分は、ケーシングＣに形成された供給路２３を介して供給されるフラッシング液によって冷却されるようになっている。なお、ケーシングＣ内に供給されたフラッシング液は、ケーシングＣに形成された排出路２４を介して外部に排出される。

メカニカルシール１は、静止側ユニットとして、ケーシングＣに固定されたリテーナ４と、このリテーナ４に保持された複数の弾性部材５と、ケーシングＣに内嵌された環状の静止密封環６と、弾性部材５と静止密封環６との間においてリテーナ４に外嵌された環状のカラー７と、静止密封環６とカラー７との間に配置されたシールリング８とを備えている。

リテーナ４は、円環状のリテーナ本体部４ａと、円筒状のボス部４ｂとからなる。リテーナ本体部４ａは、ケーシングＣの機外側の端部にＯリング３３でシールされた状態で固定されている。リテーナ本体部４ａには、その機内側の端面に開口する有底の保持孔４ｃが周方向に複数形成されている。ボス部４ｂは、リテーナ本体部４ａの内周部から軸方向の機内側に延び、且つ外スリーブ部２ｂの径方向外方において回転軸Ｓと同心状に配置されている。

弾性部材５は、例えば圧縮コイルばねからなり、リテーナ本体部４ａの保持孔４ｃに挿入された状態で保持されている。弾性部材５は、その機外側の端部がカラー７の機外側の端面に当接しており、その付勢力によってカラー７、Ｏリング３３及び静止密封環６を軸方向の機内側に付勢している。これにより、静止密封環６の静止側密封端面６ａは、弾性部材５の付勢力により回転側密封端面３ａに押し付けられている。

カラー７は、リテーナ４のボス部４ｂの外周面に対して軸方向に移動可能に取り付けられている。カラー７には、軸方向に貫通するピン孔７ａが周方向に複数形成されており、これら複数のピン孔７ａには、リテーナ本体部４ａの機内側の端面において周方向に複数固定された第１ドライブピン９がそれぞれ挿入されている。また、カラー７には、軸方向の機内側に突出する第２ドライブピン１０が周方向に複数固定されいる。

静止密封環６は、カーボン、又はその他の材料を主成分として形成された部材であり、その外周面６ｇはケーシングＣの内周面ｃ１に対して軸方向に移動可能に嵌合されている。静止密封環６の機内側の端部には静止側密封端面６ａが形成されている。静止密封環６には、軸方向に貫通するピン孔６ｂが周方向に複数形成されており、この各ピン孔６ｂａには前記第２ドライブピン１０が挿入されている。また、静止密封環６には、前記フラッシング液を軸方向に流通させるための貫通孔６ｃが周方向に複数形成されている。

図２は、メカニカルシール１の要部を示す拡大断面図である。図２において、カラー７には、ボス部４ｂの外周面に対向する環状の第１シール面７ｂと、静止密封環６のシール端面６ｆ（後述）に対向する第２シール面７ｃとが形成されている。
シールリング８は、例えば耐食性に優れたフッ素ゴム等の弾性材料からなるＯリングからなり、ボス部４ｂの外周面とカラー７の第１シール面７ｂとの間をシールするとともに、静止密封環６のシール端面６ｆとカラー７の第２シール面７ｃとの間をシールしている。

静止密封環６の外周面６ｇには、軸方向両側に向けて下方に傾斜する一対のテーパ面６ｇ１が形成されており、外周面６ｇの軸方向中央部がケーシングＣの内周面ｃ１に当接して支持されている。静止密封環６の被密封流体に接する外面（図中のクロスハッチング部分）は、前記外周面６ｇの軸方向の中心線Ｘを挟んでほぼ対称に形成されている。

静止密封環６は、その機外側の端面、つまり静止側密封端面６ａの反対側端面６ｄから軸方向の機外側に突出する環状凸部６ｅを有している。環状凸部６ｅの先端には、シールリング８に当接するシール端面６ｆが形成されている。環状凸部６ｅの外径ｄは、第１シール面７ｂの直径Ｄよりも小さく設定されている。また、環状凸部６ｅの軸方向の突出長さｈは、シールリング８の弾性変形により環状凸部６ｅが機外側に移動したときに、反対側端面６ｄがカラー７の端面７ｄに当接しない長さに設定されている。

上記のように構成された本実施形態のメカニカルシール１によれば、弾性部材５と静止密封環６との間にカラー７を配置し、シールリング８により、リテーナ４のボス部４ｂの外周面とカラー７の第１シール面７ｂとの間、及び静止密封環６のシール端面６ｆとカラー７の第２シール面７ｃとの間を、それぞれシールするようにしたので、静止密封環６の内周側に被密封流体が入り込むのを防止することができる。これにより、従来のように、静止密封環６の内周面に作用する流体圧力に起因して、静止密封環６の外周面に作用する流体圧力の一部が打ち消されるのを防止することができる。すなわち、静止密封環６には、その外周面の全体に亘って、径方向内方に押圧する流体圧力が一様に作用することになる。したがって、被密封流体の流体圧力が急激に増大したときに、静止密封環６に流体圧力が作用しても、静止密封環６の静止側密封端面６ａが回転密封環３の回転側密封端面３ａに対して傾くように変形するのを抑制することができる。その結果、静止密封環６と回転密封環３と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、静止密封環６がシールリング８の弾性変形によりカラー７側に向けて軸方向に移動したときに、静止密封環６のシール端面６ｆ及び反対側端面６ｄがカラー７の端面７ｄに当接しないように形成されているため、これらの端面同士が当接して固着するのを防止することができる。これにより、静止側密封端面６ａが回転側密封端面３ａに対して傾斜するように静止密封環６が変形するのを防止することができるため、静止密封環６と回転密封環３とのシール性能が低下するのをさら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、上記実施形態における静止密封環６のシール端面６ｆは、反対側端面６ｄに対してカラー７側に突出しているが、反対側端面６ｄと同一平面状に形成されていても良い。また、上記実施形態における静止密封環６は、ケーシングＣの内周面ｃ１に内嵌されているが、リテーナ４のボス部４ｂの外周面に外嵌されていてもよい。

１メカニカルシール
３回転密封環
３ａ回転側密封端面
４リテーナ
４ａリテーナ本体部
４ｂボス部
５弾性部材
６静止密封環
６ａ静止側密封端面
６ｄ反対側端面
６ｅ環状凸部
６ｆシール端面
７カラー
７ｂ第１シール面
７ｃ第２シール面
７ｄ端面
８シールリング
Ｃケーシング
Ｄ直径
ｄ外径
ｈ突出長さ
Ｓ回転軸

Claims

ケーシングに固定された環状のリテーナ本体部、及び前記リテーナ本体部の内周部から軸方向に延び且つ回転軸と同心状に配置されたボス部を有するリテーナと、
前記ケーシング側において軸方向に移動可能に取り付けられ、静止側密封端面が形成された静止密封環と、
前記回転軸側に一体回転可能に取り付けられ、前記静止側密封端面に摺接する回転側密封端面が形成された回転密封環と、
前記リテーナ本体部に保持され、前記静止密封環を軸方向に付勢することで前記静止側密封端面を前記回転側密封端面に押し付ける弾性部材とを備えたメカニカルシールであって、
前記静止密封環は、前記静止側密封端面の反対側端面に形成された環状のシール端面を有し、
前記弾性部材と前記静止密封環との間において前記ボス部に対して軸方向に移動可能に外嵌され、前記ボス部の外周面に対向する環状の第１シール面及び前記静止密封環のシール端面に対向する環状の第２シール面が形成されたカラーと、
前記ボス部の外周面と前記カラーの第１シール面との間をシールするとともに、前記静止密封環のシール端面と前記カラーの第２シール面との間をシールするシールリングとを備え、
前記静止密封環のシール端面は、前記反対側端面から前記カラーに向けて軸方向に突出する環状凸部の先端に形成されており、
前記環状凸部の外径が、前記第１シール面の直径よりも小さく設定され、
前記環状凸部の軸方向への突出長さは、前記シールリングの弾性変形により当該環状凸部が前記カラーに向けて軸方向に移動したときに、前記反対側端面がこれに対向する前記カラーの端面に当接しない長さに設定されていることを特徴とするメカニカルシール。