JP6423291B2 - 多分割型メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は多分割型メカニカルシールに関する。さらに詳しくは、例えば水力発電用水車等の被軸封機器における回転軸とケーシングとの間を、回転環のシール面と静止環のシール面とを接触させてシールするメカニカルシールであって、回転環及び静止環が周方向に多数に分割されている多分割型メカニカルシールに関する。

回転環のシール面と静止環のシール面とを接触させてシールするメカニカルシールが、各種産業用ポンプ、撹拌機、コンプレッサ、ブロワ等の種々の被軸封機器における回転軸とケーシングとの間をシールするために採用されている。

メカニカルシールが適用される被軸封機器のうち、例えば水力発電用の水車は非常に大型であり、これに伴いメカニカルシールを構成する回転環及び静止環も、例えば外径が９００ｍｍ程度とかなり大型のものが使用されている。かかる大型の回転環及び静止環を含むメカニカルシールを被軸封機器に組み付ける作業、及び、機器のメンテナンス時に当該メカニカルシールを分解したり組み立てたりする作業は、多大な労力とかなりの熟練度とを必要としていた。

そこで、メカニカルシールの分解及び組立作業を容易に行うことができるように、大型の静止環及び回転環を周方向に多数に分割した多分割型のメカニカルシールが、従来、種々提案されている（例えば、特許文献１〜２参照）。例えば、特許文献１に記載されている軸封装置では、図６に示されるように、被軸封機器の回転軸５１側に設けられた回転環５２と、同じく被軸封機器のケーシング５３側に設けられた静止環５３を備えている。回転環５２は、ねじスリーブ５５により回転軸５１に固定された回転リングハウジング５６に押え板５７によって保持されており、静止環５４は、回転軸５１にスライド可能に嵌合された静止リングハウジング５８に押え板５９によって保持されている。回転環５２における、シール面５２ａと反対側の背面側には、ゴムリングからなる弾性体６０が配設されており、回転環５２は、この弾性体６０により静止環５４に向かって付勢されている。また、静止環５４における、シール面５４ａと反対側の背面側には、ゴムリングからなる弾性体６１が配設されており、静止環５４は、この弾性体６１により回転環５２に向かって付勢されている。そして、静止環５４及び回転環５２は、それぞれ複数（実施例では８つ）の分割ピースからなっている。

このような多分割タイプの静止環及び回転環の各ピース又はセグメント（以下、これらを総称して「セグメント」という）は、通常、環状の部材の切削加工により作製されている。多分割型のメカニカルシールでは、静止環又は回転環を構成する複数のセグメントの周方向の端面である分割面又は接合面（以下、これらを総称して「分割面」という）同士を互いに当接させた状態で当該複数のセグメントをメカニカルシールの所定位置に配設している。

実公平７−５０６０６号公報 実公平７−２６６１２号公報

切削加工により作製される前記複数のセグメントは、所定の公差内のものが製品として出荷され被軸封機器に組み付けられて使用されるが、各セグメントのサイズや平坦度を実質的に完全に一致させることは難しい。このため、隣接するセグメント間で軸方向のサイズないし厚さが異なることがあり、この場合、対向するセグメントのシール面との接触圧にバラツキが生じてしまう。

セグメントの背面側（シール面と反対側）には、当該セグメントを、対向するセグメント側に押圧するゴムリング等の弾性部材が配設されている。そして、かかる弾性部材によってセグメントには押圧力が付与されるが、例えば、軸方向のサイズが大きいセグメント間に軸方向のサイズが小さいセグメントが挟まれているような場合、前記弾性部材は単一の部材であるので、両側のサイズ大のセグメントによって与えられる弾性部材の変形の影響が真ん中のサイズ小の背面に存在する弾性部材にも及び、当該真ん中のセグメントの接触圧は小さくなってしまう。

このような状態で被軸封機器が運転されると、セグメントのシール面で発生する摩擦熱がセグメント間で相違してしまう。セグメント間の発熱量が異なると、セグメント間で熱膨張差が生じ、熱膨張量が小さいセグメントのシール部から流体が漏れる等シール性が低下してしまう虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、多分割タイプの回転環及び静止環における各セグメントを均熱にし、当該セグメント間に熱膨張差が生じるのを緩和することでシール部からの流体漏れを防止又は抑制することができる多分割型メカニカルシールを提供することを目的としている。

（１）本発明の多分割型メカニカルシールは、被軸封機器のケーシングに設けられた静止環と、前記静止環と軸方向に対向して配設され、前記被軸封機器の回転軸に設けられた回転環と、前記回転環と静止環との対面するシール面同士を接触させるべく当該回転環及び静止環のそれぞれにおける、前記シール面と反対側の面である背面に圧縮状態で配設される弾性部材と、を備え、
前記回転環及び静止環のそれぞれが、周方向に分割された、５以上の複数個のセグメントから構成されており、
前記セグメントは、ＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、且つ、
前記セグメントの分割面にダイヤモンド膜が形成されている。

本発明の多分割型メカニカルシールでは、回転環及び静止環のそれぞれが、周方向に分割された、５以上の複数個のセグメントから構成されており、且つ、前記セグメントの分割面にダイヤモンド膜が形成されている。ダイヤモンド膜は１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという大きな熱伝導率を有している。このため、静止環及び回転環の各セグメントの摺動面であるシール面で発生した摩擦熱を速やかに当該セグメントの分割面に形成されたダイヤモンド膜を経由して隣接するセグメントに伝えることができる。このため、或るセグメントのシール面での発熱量が隣接する他のセグメントのシール面での発熱量より大きい場合でも、当該或るセグメントの熱を他のセグメントに伝えることで両セグメントの温度の均一化ないし均熱化を図ることができる。当該他のセグメントに伝えられた熱は、当該他のセグメントの分割面に形成されたダイヤモンド膜を介して、前記或るセグメントとは反対側の別のセグメントに伝えることができる。このようにして、複数のセグメントの均熱化を図ることにより、セグメント間で熱膨張差が生じてセグメントのシール面に隙間ができ、この隙間を介して流体が漏れるのを防止又は抑制することができる。その結果、良好なシール性を維持することができる。

（２）前記（１）の多分割型メカニカルシールにおいて、回転環及び静止環の各セグメントのシール面に、前記分割面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されていることが好ましい。この場合、シール面に形成されたダイヤモンド膜を介しても摩擦熱を隣接するセグメントに伝えることができ、複数のセグメントの温度の均一化をさらに図ることができる。

（３）前記（１）又は（２）の多分割型メカニカルシールにおいて、回転環及び静止環の各セグメントの外周面及び内周面の少なくとも一方の面に、前記分割面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されていることが好ましい。この場合、外周面及び／又は内周面に形成されたダイヤモンド膜を介しても摩擦熱を隣接するセグメントに伝えることができ、複数のセグメントの温度の均一化をさらに図ることができる。

（４）前記（１）〜（３）の多分割型メカニカルシールにおいて、回転環及び静止環の各セグメントの背面に、前記分割面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されていることが好ましい。この場合、背面に形成されたダイヤモンド膜を介しても摩擦熱を隣接するセグメントに伝えることができ、複数のセグメントの温度の均一化をさらに図ることができる。

（５）前記（１）〜（４）の多分割型メカニカルシールにおいて、前記ダイヤモンド膜の熱伝導率を１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋとすることができる。

本発明の多分割型メカニカルシールによれば、多分割タイプの回転環及び静止環における各セグメントを均熱にし、当該セグメント間に熱膨張差が生じるのを緩和することでシール部からの流体漏れを防止又は抑制することができる。

本発明の多分割型メカニカルシールの一実施形態の縦断面説明図である。 図１に示される多分割型メカニカルシールの要部拡大説明図である。 （ａ）は図１に示される静止環の平面説明図であり、（ｂ）は同回転環の平面説明図である。 図３に示される静止環を構成するセグメントの斜視説明図である。 図１に示される多分割型メカニカルシールの他の変形例の要部拡大説明図である。 従来の多分割型メカニカルシールの一実施形態の縦断面説明図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の多分割型メカニカルシールの実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る多分割型メカニカルシールＭの縦断面説明図であり、図２は、図１に示される多分割型メカニカルシールＭの要部拡大説明図である。なお、図１〜２及び後出する図５においては、分かりやすくするために、ダイヤモンド膜の膜厚を誇張して描いている。

本実施形態に係る多分割型メカニカルシールＭは、各種産業用ポンプ、特に水力発電用の水車等の大型の被軸封機器に好適に用いることができる。多分割型メカニカルシールＭは、被軸封機器の回転軸１側の設けられた回転環２と、同じく被軸封機器のケーシング３側に設けられた静止環４とを備えている、静止環４は、回転環２と軸方向に対向して配置されている。

回転環２は、ネジスリーブ５により回転軸１に固定された回転リングハウジング６に環状の押え板７によって保持されている。回転リングハウジング６は、半円状の一対のハウジングエレメントをボルト８により着脱可能に結合して構成されている。押え板７の外縁部には環状の凸部７ａが形成されており、この凸部７ａが回転リングハウジング６の、同じく外縁部に形成された段部６ａと係合している。

静止環４は、回転軸１にスライド可能に嵌合されている静止リングハウジング９に環状の押え板１０によって保持されている。静止リングハウジング９は、回転リングハウジング６に対し軸方向に対向する位置に配置されている。静止リングハウジング９は、半円状の一対のハウジングエレメントをボルト１１により着脱可能に結合して構成されている。押え板１０の内縁部には環状の凸部１０ａが形成されており、この凸部１０ａが静止リングハウジング９の、同じく内縁部に形成された段部９ａと係合している。静止リングハウジング９の軸方向一端（回転環２と対向する側と反対側の端部）には円盤状の嵌合挿入部９ｂが形成されており、この嵌合挿入部９ｂはケーシング３の凹部３ａ内に挿入されている。嵌合挿入部９ｂの外周面と凹部３ａの内周面は、Ｏリング１２によりシールされている。また、静止リングハウジング９は、嵌合挿入部９ｂに形成された穴１３内に配設されたスプリング１４によって回転リングハウジング６側に付勢されている。

回転環２における、シール面と反対側の背面側には、弾性部材であるクッションシート１５が配設されており、回転環２は、このクッションシート１５により静止環４に向かって付勢されている。また、静止環４における、シール面と反対側の背面側には、弾性部材であるクッションシート１６が配設されており、静止環４は、このクッションシート１６により回転環２に向かって付勢されている。クッションシート１５、１６は、例えばニトリルゴム（ＮＢＲ）などの弾性材料で作製することができる。クッションシート１５、１６は、圧縮された状態で回転環２及び静止環４の各背面側に配設されている。

クッションシート１５により付勢された回転環２及びクッションシート１６により付勢された静止環４の対向する端面であるシール面の相対回転摺接作用により当該相対回転摺接部分の外周側領域である被密封流体領域と、その内周側領域である非密封流体領域とを遮断するように構成されている。

静止環４は、図３の（ａ）に示されるように、周方向に分割された１０個のセグメント１７から構成されている。一方、回転環２は、図３の（ｂ）に示されるように、周方向に分割された１２個のセグメント１８から構成されている。静止環４を構成するセグメント１７及び回転環２を構成するセグメント１８は、いずれも、周方向の端面である分割面１７ａ，１８ａ同士を互いに当接させた状態で分割型メカニカルシールＭの所定位置に配設される。本実施形態では、静止環４のセグメント間の分割面１７ａの方向は、当該静止環４の中心に向かう方向であるが、回転環２のセグメント間の分割面１８ａの方向は、当該回転環２の中心に向かう方向に対して傾斜した方向である。なお、図３の（ｂ）において、矢印Ｒは回転環２の回転方向を示している。

静止環４又は回転環２を構成するセグメントの数は、５以上の複数であり、当該静止環４及び回転環２が適用される被軸封機器のサイズ等により異なり、本発明において特に限定されるものではないが、通常、５〜１２個の範囲内である。セグメント１７、１８は、ＳｉＣの焼結体で作製されており、この焼結体は、例えばＳｉＣの常温焼結又は反応焼結により得ることができる。また、セグメント１７、１８は超硬合金（ＷＣ）で作製してもよい。セグメント１７，１８は、環状のＳｉＣの焼結体又は超硬合金の切削加工により作製することができる。

本実施形態では、回転環２を構成するセグメント１７の分割面１７ａ，シール面１７ｂ、及び外周面１７ｃにダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ３がそれぞれ形成されている。また、静止環４を構成するセグメント１８の分割面１８ａ，シール面１８ｂ、及び外周面１８ｃにダイヤモンド膜ｄ１１，ｄ１２，ｄ１３がそれぞれ形成されている。ダイヤモンド膜は１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋという大きな熱伝導率を有している。このため、静止環４及び回転環２の各セグメントの摺動面であるシール面で発生した摩擦熱を速やかに当該セグメントの分割面、シール面及び外周面に形成されたダイヤモンド膜を経由して隣接するセグメントに伝えることができる。このため、或るセグメントのシール面での発熱量が隣接する他のセグメントのシール面での発熱量より大きい場合でも、当該或るセグメントの熱を他のセグメントに伝えることで両セグメントの温度の均一化ないし均熱化を図ることができる。当該他のセグメントに伝えられた熱は、当該他のセグメントの分割面に形成されたダイヤモンド膜を介して、前記或るセグメントとは反対側の別のセグメントに伝えることができる。このようにして、複数のセグメントの均熱化を図ることにより、各々のセグメントの間で熱膨張差が生じて当該セグメントのシール面に隙間ができ、この隙間を介して流体が漏れるのを防止又は抑制することができる。その結果、良好なシール性を維持することができる。

ダイヤモンド膜は、例えばマイクロ波ＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法等の一般的な製造技術を用いて作製することができる。また、ダイヤモンド膜の厚さは、本発明において特に限定されるものではないが、通常、３〜２０μｍ、好ましくは３〜１０μｍである。セグメント各々の間の熱移動を効率よく行うという観点からは、３μｍ以上の厚さであることが望ましい。また、分割面の膜の厚さが大きくなると膜の平滑度及び平面度の維持が難しくなるため、各々のセグメントの分割面の平行平面を保つことが難しいのに加えてダイヤモンド膜の残留応力を極力小さくするという観点からは、１０μｍ以下であることが望ましい。

ダイヤモンド膜ｄ１とダイヤモンド膜ｄ２、ｄ３とは同じ厚さであってもよいが、互いに異なる厚さであってもよい。摺動発熱を効率よく移動させ均熱化するという観点からは、ｄ２＞ｄ１又はｄ３であることが望ましい。

図５は、図１〜２に示される分割型メカニカルシールＭの変形例の要部拡大説明図である。この変形例は、回転環２を構成するセグメント１７の内周面１７ｄ及び背面１７ａにもダイヤモンド膜ｄ４、ｄ５が更に形成されており、また、静止環４を構成するセグメント１８の内周面１８ｄ及び背面１８ａにもダイヤモンド膜ｄ１４、ｄ１５が更に形成されている点が前記分割型メカニカルシールＭと異なっている。すなわち、図５に示される変形例では、セグメント１７及びセグメント１８の全ての面にダイヤモンド膜が形成されている点が、部分的にダイヤモンド膜が形成されている前記分割型メカニカルシールＭと異なっている。したがって、分割型メカニカルシールＭと共通する構成要素には同一の参照符号を付し、簡単のため、それらについての説明は省略する。

この変形例では、回転環２を構成するセグメント１７の全ての面、すなわち分割面１７ａ，シール面１７ｂ、外周面１７ｃ、内周面１７ｄ及び背面１７ｅにダイヤモンド膜ｄ１，ｄ２，ｄ３、ｄ４、ｄ５がそれぞれ形成されている。また、静止環４を構成するセグメント１８の全ての面、すなわち分割面１８ａ，シール面１８ｂ、外周面１８ｃ、内周面１８ｄ及び背面１８ｅにダイヤモンド膜ｄ１１，ｄ１２，ｄ１３、ｄ１４、ｄ１５がそれぞれ形成されている。静止環４及び回転環２の各セグメントの摺動面であるシール面で発生した摩擦熱は、当該セグメントの分割面、シール面、外周面、内周面及び背面に形成されたダイヤモンド膜を経由して速やかに隣接するセグメントに伝えることができる。このため、或るセグメントのシール面での発熱量が隣接する他のセグメントのシール面での発熱量より大きい場合でも、当該或るセグメントの熱を他のセグメントに伝えることで両セグメントの温度の均一化ないし均熱化を図ることができる。当該他のセグメントに伝えられた熱は、当該他のセグメントの分割面に形成されたダイヤモンド膜を介して、前記或るセグメントとは反対側の別のセグメントに伝えることができる。このようにして、複数のセグメントの均熱化を図ることにより、セグメントの間で熱膨張差が生じて当該セグメントのシール面に隙間ができ、この隙間を介して流体が漏れるのを防止又は抑制することができる。その結果、良好なシール性を維持することができる。

なお、本発明のメカニカルシールは前述した実施の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範囲内において種々の変更が可能である。
例えば、前述した実施形態では、静止環を１０個のセグメントで構成し、回転環を１２個のセグメントで構成しているが、セグメントの数は適宜変更することができる。
また、図１〜２に示される実施形態では、セグメントの分割面及び外周面にダイヤモンド膜を形成し、図５に示される変形例ではセグメントの全ての面にダイヤモンド膜を形成しているが、分割面だけにダイヤモンド膜を形成してもよいし、分割面及び内周面にダイヤモンド膜を形成してもよい。さらに、分割面、外周面及び内周面にダイヤモンド膜を形成してもよいし、分割面、外周面又は内周面、及び背面にダイヤモンド膜を形成してもよい。

１ ：回転軸
２ ：回転環
３ ：ケーシング
３ａ：凹部
４ ：静止環
５ ：ねじスリーブ
６ ：回転リングハウジング
６ａ：段部
７ ：押え板
７ａ：凸部
８ ：ボルト
９ ：静止リングハウジング
９ａ：段部
１０ ：押え板
１０ａ：凸部
１１ ：ボルト
１２ ：Ｏリング
１３ ：穴
１４ ：スプリング
１５ ：クッションシート
１６ ：クッションシート
１７ ：セグメント
１７ａ：分割面
１７ｂ：シール面
１７ｃ：外周面
１７ｄ：内周面
１７ｅ：背面
１８ ：セグメント
１８ａ：分割面
１８ｂ：シール面
１８ｃ：外周面
１８ｄ：内周面
１８ｅ：背面
５１ ：回転軸
５２ ：回転環
５２ａ：シール面
５３ ：ケーシング
５４ ：静止環
５４ａ：シール面
５５ ：ねじスリーブ
５６ ：回転リングハウジング
５７ ：押え板
５８ ：静止リングハウジング
５９ ：押え板
６０ ：弾性体
６１ ：弾性体
Ｍ ：メカニカルシール
Ｒ ：矢印
ｄ１：ダイヤモンド膜
ｄ２：ダイヤモンド膜
ｄ３：ダイヤモンド膜
ｄ４：ダイヤモンド膜
ｄ５：ダイヤモンド膜
ｄ１１：ダイヤモンド膜
ｄ１２：ダイヤモンド膜
ｄ１３：ダイヤモンド膜
ｄ１４：ダイヤモンド膜
ｄ１５：ダイヤモンド膜

Claims (5)

1. 被軸封機器のケーシングに設けられた静止環と、前記静止環と軸方向に対向して配設され、前記被軸封機器の回転軸に設けられた回転環と、前記回転環と静止環との対面するシール面同士を接触させるべく当該回転環及び静止環のそれぞれにおける、前記シール面と反対側の面である背面に圧縮状態で配設される弾性部材と、を備え、
   前記回転環及び静止環のそれぞれが、周方向に分割された、５以上の複数個のセグメントから構成されており、
   前記セグメントは、ＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、且つ、
   前記セグメントの分割面にダイヤモンド膜が形成されている、多分割型メカニカルシール。
2. 前記回転環及び静止環の各セグメントのシール面に、前記分割面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている、請求項１に記載の多分割型メカニカルシール。
3. 前記回転環及び静止環の各セグメントの外周面及び内周面の少なくとも一方の面に、前記分割面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている、請求項１又は請求項２に記載の多分割型メカニカルシール。
4. 前記回転環及び静止環の各セグメントの背面に、前記分割面のダイヤモンド膜と連続するダイヤモンド膜が形成されている、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の多分割型メカニカルシール。
5. 前記ダイヤモンド膜の熱伝導率が１０００〜２０００Ｗ／ｍ・ｋである、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の多分割型メカニカルシール。
   
   
   
   
   

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