JP6446294B2 - ダブルメカニカルシール - Google Patents

Description

本発明はダブルメカニカルシールに関する。さらに詳しくは、各種産業用ポンプ、撹拌機、コンプレッサ、ブロワ等の被軸封機器のうち、例えば環境上の理由により機内側の流体を外部に漏出させたくない場合等に好適に用いることができるダブル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、例えば遠心ポンプ等のポンプでは外部に漏出させたくない液体（可燃性の液体等）を扱うことがある。かかる場合に、ポンプの回転軸に設けられた回転環の両側面をシール面とする、いわゆるダブルメカニカルシールが用いられている（例えば、特許文献１参照）。このダブルメカニカルシールでは、前記回転環外方の閉鎖空間に機内側の液体よりも高圧の封液を供給し、機内側の液体が外部に漏出するのを防止している。

国際公開第２０１４／０３０４２３号公報

ダブルメカニカルシールでは、例えば図５に示されるように、被軸封機器の回転軸５１に設けられた回転環５２の軸方向一方側の側面が機内側のシール面５２ａとされ、軸方向他方側の側面が機外側のシール面５２ｂとされている。そして、回転環５２を挟んで軸方向に一対の静止環５３，５４が配設されており、機内側の静止環（第１静止環）５３のシール面５３ａが前記回転環５２の機内側のシール面５２ａと摺接し、機外側の静止環（第２静止環）５４のシール面５４ａが前記回転環５２の機外側のシール面５２ｂと摺接することで、それぞれ機内側のシール部（第１シール部）及び機外側のシール部（第２シール部）を構成している。そして、回転環５２の外方の閉鎖空間Ｃに供給孔５５を開して封液Ｓが供給される。

ところで、ダブルメカニカルシールでは、回転環のシール面と静止環のシール面とが摺接する速度は、第１シール部と第２シール部とで同じであるが、当該第１シール部と第２シール部とで圧力及び／又は温度が大きく異なる場合がある。すなわち、機内側の流体の圧力をＰとすると封液Ｓの圧力は、これよりも高いＰ＋αに設定されている。このため、機内側の第１シール部に作用する差圧はＰ＋α−Ｐ＝αであるが、機外側の第２シール部に作用する差圧は、Ｐ＋α−０（大気）＝Ｐ＋αとなり、機内側液体の圧力Ｐが大きい場合には、両シール部の差圧の差も大きくなる。

また、機内側の液体の温度が高温である場合には、第１シール部の温度は第２シール部の温度よりも高くなる。逆に、機内側の液体の温度が大気よりも低い場合には、第１シール部の温度は第２シール部の温度よりも低くなる。

シール部に作用する差圧が大きい場合、シール性を確保するためには、当該差圧に応じてシール部の接触圧も大きくする必要がある。したがって、機内側液体の圧力Ｐが大きい場合、機外側の第２シール部の差圧も大きくなるので当該第２シール部の接触圧を第１シール部の接触圧よりも大きくする必要がある。その結果、第２シール部のシール面で発生する摩擦熱が、第１シール部のシール面で発生する摩擦熱よりも大きくなり、回転環のうち、機外側部分の温度が機内側部分の温度よりも高くなる。そして、特に機内側の液体の温度が大気温度よりも低い状態で、このような回転環の温度差が生じると、当該回転環の両シール面で熱膨張差が生じる虞がある。熱膨張差が生じると、回転環に熱歪が生じ、その結果、回転環のシール面と静止環のシール面との平行性を保つことができなくなり、シール性が低下するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ダブルメカニカルシールにおける回転環の両シール面で熱膨張差が生じ、当該熱膨張差に起因してシール性が低下するのを防止又は抑制することができるダブルメカニカルシールを提供することを目的としている。

（１）本発明のダブルメカニカルシールは、被軸封機器の回転軸に設けられ、軸方向一方側の第１シール面及び軸方向他方側の第２シール面を有する回転環と、
前記被軸封機器のケーシングに設けられ、前記第１シール面と対向するシール面を有する第１静止環と、
前記被軸封機器のケーシングに設けられ、前記第２シール面と対向するシール面を有する第２静止環と、
前記第１静止環を回転環側に押す第１弾性部材と、
前記第２静止環を回転環側に押す第２弾性部材と
を備えた、ダブルメカニカルシールであって、
前記回転環はＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、
前記第１シール面及び第２シール面にダイヤモンド膜が形成されており、且つ、
前記回転環の外周面及び内周面の少なくとも一方に前記第１シール面及び第２シール面に形成された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。

本発明のダブルメカニカルシールでは、回転環の第１シール面及び第２シール面にダイヤモンド膜が形成されるとともに、当該回転環の外周面及び内周面の少なくとも一方に前記第１シール面及び第２シール面に形成された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。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、回転環の一方のシール面の温度が他方のシール面の温度よりも高くなる状況においても、当該回転環の両シール面と、外周面及び／又は内周面とに形成された高熱伝導率のダイヤモンド膜を介して、温度が高い方の回転環部分の熱を温度が低い方の回転環部分に伝えることができる。これにより、回転環の機内側部分の温度と機外側部分の温度との均一化ないし均熱化を図ることができる。その結果、回転環の両シール面で温度差が生じて当該両シール面で熱膨張差が生じるのを防止又は抑制することができる。これにより、回転環のシール面と静止環のシール面との平行性を保ち、シール性を維持することができる。

（２）前記（１）のダブル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。

本発明のダブルメカニカルシールによれば、ダブルメカニカルシールにおける回転環の両シール面で熱膨張差が生じ、当該熱膨張差に起因してシール性が低下するのを防止又は抑制することができる。

本発明のダブル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に示されるダブルメカニカルシールの要部拡大説明図である。 図１に示されるダブルメカニカルシールの変形例の要部拡大説明図である。 図１に示されるダブル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。 従来のダブルメカニカルシールの一例の縦断面説明図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明のダブル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ダブルメカニカルシールＭの縦断面説明図であり、図２は、図１に示されるダブルメカニカルシールＭの要部拡大説明図である。なお、図１〜２及び後出する図３〜４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。

本実施形態に係るダブルメカニカルシールＭは、各種産業用ポンプ、特に環境上の理由等により機内側の流体を外部に漏出させたくないポンプ等の被軸封機器に好適に用いることができ、当該被軸封機器のケーシング１と、このケーシング１に挿入される回転軸２との間に配設されている。ダブルメカニカルシールＭは、回転軸２に設けられる回転環３と、ケーシング１に設けられる第１静止環４及び第２静止環５と、第１静止環４を回転環３側に押す第１弾性部材である第１金属ベローズ６と、第２静止環５を回転環３側に押す第２弾性部材である第２金属ベローズ７とを備えている。

シールケース８は、いずれも略環状である基部８ａ、中央部８ｂ及び先端部８ｃの３つの部分から構成されている。これら３つの部分は、いずれも例えばステンレス等で作製されており、ボルト９によりケーシング１に固定されている。基部８ａと中央部８ｂとの間、及び、中央部８ｂと先端部８ｃとの間には、それぞれガスケット１０，１１が配設されている。また、ケーシング１と基部８ａとの間にもガスケット１２が配設されている。シールケース８の中央部８ｂには、回転環３外方の閉鎖空間Ｃに封液を供給するための供給孔３０が形成されている。

シールケース８の基部８ａには、ボルト１３によって円筒形状の第１アウターホルダ１４が固定されており、この第１アウターホルダ１４の内縁部に環状の第１インナーホルダ１５が嵌合されている。シールケース８の基部８ａと第１アウターホルダ１４との間にはガスケット１６が配設されている。
一方、シールケース８の先端部８ｃには、ボルト１７によって円筒形状の第２アウターホルダ１８が固定されており、この第２アウターホルダ１８の内縁部に環状の第２インナーホルダ１９が嵌合されている。シールケース８の先端部８ｃと第２アウターホルダ１８との間にはガスケット２０が配設されている。

回転環３は、回転軸２の小径部２ａの機内側（図１において左側）の端部にＯリング２１を介して外嵌されている。回転環３の機内側の側面と，回転軸２の大径部２ｂと小径部２ａの境界の端面２ｃとの間には膨張黒鉛からなるガスケット２２が配設されている。回転軸２の小径部２ａの周面にはピン２３が突設されており、このピン２３は、回転環３の内周部に形成された凹所２４と係合している。かかるピン２３により、回転環３と回転軸２との相対回転が規制されている。回転環３の外周面にはチタン等の金属で作製された環状のストッパ２５が嵌められている。このストッパ２５によって、万一回転環３にクラックが発生したとしても当該回転環３が破損して外方に飛散するのが防止される。

回転環３は２つのシール面、すなわち軸方向一方側の第１シール面３ａ及び軸方向他方側の第２シール面３ｂを有している。機内側の第１シール面３ａは、第１静止環４のシール面４ａと対向しており、第１シール面３ａとシール面４ａとの相対回転摺接作用により当該相対回転摺接部分の内周側領域である被密封流体領域Ａと、その外周側の閉鎖空間Ｃに前記供給孔３０から供給された封液Ｓとを遮断している。一方、機外側の第２シール面３ｂは、第２静止環５のシール面５ａと対向しており、第２シール面３ｂとシール面５ａとの相対回転摺接作用により当該相対回転摺接部分の内周側領域である非密封流体領域Ｂと、その外周側の閉鎖空間Ｃに前記供給孔３０から供給された封液Ｓとを遮断している。

回転環３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、回転環３は超硬合金（ＷＣ）で作製してもよい。

第１静止環４は、シール面４ａを有する先端部４ｂと、第１リテーナ２６に保持される本体部４ｃとからなる環状体である。同様に、第２静止環５は、シール面５ａを有する先端部５ｂと、第２リテーナ２７に保持される本体部５ｃとからなる環状体である。

第１金属ベローズ６は、第１リテーナ２６と第１インナーホルダ１５との間に配設されている。第１金属ベローズ６の一端は第１インナーホルダ１５の機外側端面１５ａに固定されており、他端は第１リテーナ２６の機内側端面２６ａに固定されている。また、第２金属ベローズ７は、第２リテーナ２７と第２インナーホルダ１９との間に配設されている。第２金属ベローズ７の一端は第２インナーホルダ１９の機内側端面１９ａに固定されており、他端は第２リテーナ２７の機外側端面２７ａに固定されている。

第１金属ベローズ６は、第１静止環４を回転環３側に押す弾性部材としての機能とともに、被密封流体領域Ａと封液Ｓとをシールする機能を有している。一方、第２金属ベローズ７は、第２静止環５を回転環３側に押す弾性部材としての機能とともに、非密封流体領域Ｂと封液Ｓとをシールする機能を有している。両金属ベローズ６，７は、例えばステンレス、チタン、ニッケル合金等の金属で作製することができる。封液Ｓと、被密封流体領域Ａ又は非密封流体領域ＢとをシールするためにＯリングを用いることも可能であるが、金属ベローズの場合、かかるＯリングが侵される虞がある高温又は極低温の条件下でもシールすることができるという利点がある。また、金属ベローズは、Ｏリングが侵される虞がある化学薬品等の流体を扱う場合にも適用可能である。

本実施形態では、回転環３の第１シール面３ａ、第２シール面３ｂ及び外周面３ｃに互いに連続するようにダイヤモンド膜ｄ１、ｄ２、ｄ３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。例えば、機内側領域に存在する流体の圧力Ｐが高いと、機外側のシール部に作用する差圧が機内側のシール部に作用する差圧より大きくなるため、当該機外側のシール部の接触圧を機内側のシール部の接触圧よりも大きくする必要がある。その結果、回転環３の機外側のシール面である第２シール面３ｂで発生する摩擦熱が第１シール面３ａのそれよりも大きくなり、両シール面で熱膨張差が生じることが考えられる。これに対し、本実施形態では、ダイヤモンド膜を形成することで、第２シール面３ｂで発生した摩擦熱を速やかに回転環３の外周面３ｃに形成されたダイヤモンド膜ｄ３を経由して第１シール面３ａに伝えることができ、回転環３の機内側部分の温度と機外側部分の温度との均一化ないし均熱化を図ることができる。その結果、回転環３の両シール面３ａ，３ｂで温度差が生じて当該両シール面３ａ，３ｂで熱膨張差が生じるのを防止又は抑制することができる。これにより、回転環３のシール面と静止環４，５のシール面との平行性を保ち、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。回転環３のシール面で発生した摩擦熱が当該回転環３の母材であるＳｉＣ焼結体に移動する前に外周面３ｃのダイヤモンド膜ｄ３に移動させるという観点からは、３μｍ以上の厚さであることが望ましい。また、ダイヤモンド膜が厚くなる程膜の表面粗度も大きくなり、精密な機械部品であるメカニカルシールのシール面として使用するのが困難になる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。回転環３のシール面で発生した摩擦熱を速やかに外周面３ｃのダイヤモンド膜ｄ３に移動させるという観点からは、外周面３ｃのダイヤモンド膜ｄ３の膜厚がシール面のダイヤモンド膜ｄ１、ｄ２の膜厚以上であることが望ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。

図３は、図１〜２に示されるダブルメカニカルシール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３の外周面３ｃに代えて、当該回転環３の、凹所２４の表面も含めて内周面３ｄにダイヤモンド膜ｄ４が形成されている点が前記ダブルメカニカルシールＭと異なっている。したがって、ダブルメカニカルシール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３の第１シール面３ａ、第２シール面３ｂ及び内周面３ｄに互いに連続するようにダイヤモンド膜ｄ１、ｄ２、ｄ４がそれぞれ形成されている。この変形例においても、第２シール面３ｂで発生する摩擦熱が第１シール面３ａで発生する摩擦熱よりもかなり多くなるような場合でも、ダイヤモンド膜を形成することで、第２シール面３ｂで発生した摩擦熱を速やかに回転環３の内周面３ｄに形成されたダイヤモンド膜ｄ４を経由して第１シール面３ａに伝えることができ、回転環３の機内側部分の温度と機外側部分の温度との均一化ないし均熱化を図ることができる。その結果、回転環３の両シール面３ａ，３ｂで温度差が生じて当該両シール面３ａ，３ｂで熱膨張差が生じるのを防止又は抑制することができる。これにより、回転環３のシール面と静止環のシール面との平行性を保ち、シール性を維持することができる。

図４は、図１〜２に示されるダブルメカニカルシール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３の全体、すなわち当該回転環３の両シール面３ａ、３ｂ、外周面３ｃ及び内周面３ｄにダイヤモンド膜ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４が形成されている点が前記ダブルメカニカルシールＭと異なっている。したがって、ダブルメカニカルシール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３の第１シール面３ａ、第２シール面３ｂ、外周面３ｃ及び内周面３ｄに互いに連続するようにダイヤモンド膜ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４がそれぞれ形成されている。この変形例においても、第２シール面３ｂで発生する摩擦熱が第１シール面３ａで発生する摩擦熱よりもかなり多くなるような場合でも、ダイヤモンド膜を形成することで、第２シール面３ｂで発生した摩擦熱を速やかに回転環３の外周面３ｃに形成されたダイヤモンド膜ｄ３及び内周面３ｄに形成されたダイヤモンド膜ｄ４を経由して第１シール面３ａに伝えることができ、回転環３の機内側部分の温度と機外側部分の温度との均一化ないし均熱化を図ることができる。その結果、回転環３の両シール面３ａ，３ｂで温度差が生じて当該両シール面３ａ，３ｂで熱膨張差が生じるのを防止又は抑制することができる。これにより、回転環３のシール面と静止環のシール面との平行性を保ち、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。

１ ：ケーシング
２ ：回転軸
２ａ：小径部
２ｂ：大径部
２ｃ：端面
３ ：回転環
３ａ：第１シール面
３ｂ：第２シール面
４ ：第１静止環
４ａ：シール面
４ｂ：先端部
４ｃ：本体部
５ ：第２静止環
５ａ：シール面
５ｂ：先端部
５ｃ：本体部
６ ：第１金属ベローズ
７ ：第２金属ベローズ
８ ：シールケース
８ａ：基部
８ｂ：中央部
８ｃ：先端部
９ ：ボルト
１０ ：ガスケット
１１ ：ガスケット
１２ ：ガスケット
１３ ：ボルト
１４ ：第１アウターホルダ
１５ ：第１インナーホルダ
１５ａ：機外側端面
１６ ：ガスケット
１７ ：ボルト
１８ ：第２アウターホルダ
１９ ：第２インナーホルダ
１９ａ：機内側端面
２０ ：ガスケット
２１ ：Ｏリング
２２ ：ガスケット
２３ ：ピン
２４ ：凹所
２５ ：ストッパ
２６ ：第１リテーナ
２６ａ：機内側端面
２７ ：第２リテーナ
２７ａ：機外側端面
３０ ：供給孔
Ｃ ：閉鎖空間
Ｍ ：ダブルメカニカルシール
Ｓ ：封液
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

Claims (2)

1. 被軸封機器の回転軸に設けられ、軸方向一方側の第１シール面及び軸方向他方側の第２シール面を有する回転環と、
   前記被軸封機器のケーシングに設けられ、前記第１シール面と対向するシール面を有する第１静止環と、
   前記被軸封機器のケーシングに設けられ、前記第２シール面と対向するシール面を有する第２静止環と、
   前記第１静止環を回転環側に押す第１弾性部材と、
   前記第２静止環を回転環側に押す第２弾性部材と
   を備えた、ダブルメカニカルシールであって、
   前記回転環はＳｉＣの焼結体又は超硬合金で作製されており、
   前記第１シール面及び第２シール面にダイヤモンド膜が形成されており、且つ、
   前記回転環の外周面及び内周面の少なくとも一方に、前記第１シール面及び第２シール面に形成されたダイヤモンド膜と連続しており、温度が高い方の回転環部分の熱を温度が低い方の回転環部分に伝えるダイヤモンド膜が形成されている、ダブルメカニカルシール。
2. 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に記載のダブルメカニカルシール。

Images