JP6542105B2 - 密封装置 - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシールを備える密封装置に関する。

従来、回転軸とハウジングとの間の環状隙間を密封するために、メカニカルシールを備える密封装置が知られている。また、密封対象流体の漏れを低減させる目的で、２つのメカニカルシールを用いたダブル型の密封装置も知られている（特許文献１，２参照）。このダブル型のメカニカルシールを備える密封装置においては、メカニカルシールを構成する回転環と固定環との摺動部位の冷却や洗浄を行うために、摺動部位に対して、エクスターナル流体を流し込むように構成されるのが一般的である。しかしながら、従来例に係るメカニカルシールを用いたダブル型の密封装置の場合には、エクスターナル流体を供給するために、ポンプなどを必要としていた。

特開２０１２−１０７６０９号公報 国際公開第２０１０／００１６８３号

本発明の目的は、２つのメカニカルシールを用いたダブル型の密封装置において、ポンプなどを必要とすることなくエクスターナル流体を自己循環可能とする密封装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の密封装置は、
回転軸と、該回転軸の軸孔を有するハウジングとの間の環状隙間を密封する密封装置であって、
前記回転軸と共に回転する回転環と、
前記ハウジングに対して固定され、かつ前記回転環における密封対象流体側の端面に対して摺動する第１固定環と、
前記ハウジングに対して固定され、かつ前記回転環における密封対象流体側とは反対側の端面に対して摺動する第２固定環と、
前記回転環の外周面に固定され、該回転環と共に回転することで、密封対象流体側及び密封対象流体側とは反対側の双方の領域内のエクスターナル流体を径方向外側に導くパーシャルインペラーと、
を備えることを特徴とする。

本発明は、回転環の両端面に対してそれぞれ摺動する第１固定環と第２固定環を備えている。すなわち、本発明は、２つのメカニカルシールを用いたダブル型の密封装置である。そして、本発明においては、回転環と共に回転するパーシャルインペラーを備えているため、ポンプなどを必要とすることなくエクスターナル流体を自己循環させることができる。また、パーシャルインペラーは、回転環の外周面に固定されている。そのため、回転環と第１固定環との摺動部位、及び回転環と第２固定環との摺動部位の近くにパーシャルインペラーが存在するため、各摺動部位に対して効果的にエクスターナル流体を供給させ
ることができる。

前記ハウジングに対して固定され、かつその内周面側に前記回転環と第１固定環と第２固定環が配置されるシールカバーを備え、
前記シールカバーには、
第１固定環と前記回転環との摺動面に向けて、第１固定環及び前記回転環の外周面よりも径方向外側からエクスターナル流体を流入させる第１流入孔と、
第２固定環と前記回転環との摺動面に向けて、第２固定環及び前記回転環の外周面よりも径方向外側からエクスターナル流体を流入させる第２流入孔と、
前記パーシャルインペラーの外周面と対向する位置に、エクスターナル流体を導く導入口を有する流出孔と、が形成されると共に、
第１固定環と前記回転環との摺動面は、軸線方向において第１流入孔における先端の開口部の位置と前記導入口の位置との間に位置し、
第２固定環と前記回転環との摺動面は、軸線方向において第２流入孔における先端の開口部の位置と前記導入口の位置との間に位置するとよい。

これにより、回転環と第１固定環との摺動部位、及び回転環と第２固定環との摺動部位の双方に対して、より確実にエクスターナル流体を供給することができる。また、回転環と第１固定環との摺動部位に送り込まれた後のエクスターナル流体と、回転環と第２固定環との摺動部位に送り込まれた後のエクスターナル流体のいずれも共通の流出孔に導かれる。従って、流路の構成が複雑化してしまうことを抑制できる。これにより、密封装置内におけるエクスターナル流体の流路が長くなってしまうことを抑制することができる。更に、本発明においては、回転環と第１固定環との摺動部位に送り込まれた後のエクスターナル流体と、回転環と第２固定環との摺動部位に送り込まれた後のエクスターナル流体のいずれも共通のパーシャルインペラーを用いて流出孔に導くように構成されている。従って、部品点数の増加も抑制できる。

前記パーシャルインペラーは、前記回転環の外周面に焼嵌めにより固定されているとよい。

これにより、回転環がカーボンやＳｉＣなど脆性材料で構成されていても、パーシャルインペラーを固定させることが可能となる。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

以上説明したように、本発明によれば、２つのメカニカルシールを用いたダブル型の密封装置において、ポンプなどを必要とすることなくエクスターナル流体を自己循環させることができる。

図１は本発明の実施例に係る密封装置の装着状態を示す模式的断面図である。 図２は本発明の実施例に係るパーシャルインペラーの平面図である。 図３は本発明の実施例に係るパーシャルインペラーの断面図である。 図４は本発明の実施例に係るシールカバーの断面図の一部である。 図５は本発明の変形例に係るパーシャルインペラーの平面図の一部である。 図６は本発明の変形例に係るパーシャルインペラーの断面図の一部である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１〜図４を参照して、本発明の実施例に係る密封装置について説明する。図１は本発明の実施例に係る密封装置の装着状態を示す模式的断面図である。なお、図１における断面図は、密封装置の中心軸線を含む断面図である。ただし、図１においては、説明の便宜上、特徴的な部分を示すため、切断位置の位相（周方向の位置）は適宜異なっている。図２は本発明の実施例に係るパーシャルインペラーの平面図である。図３は本発明の実施例に係るパーシャルインペラーの断面図であり、図２中のＢＢ断面図である。図４は本発明の実施例に係るシールカバーの断面図の一部であり、図１中のシールカバーにおけるＡＡ線で切断した断面図に相当する。

＜密封装置全体＞
特に、図１を参照して、本発明の実施例に係る密封装置の全体構成について説明する。本実施例に係る密封装置１００は、回転軸２００と、回転軸２００の軸孔を有するハウジング３００との間の環状隙間を密封するために設けられる。本実施例に係る密封装置１００は、２つのメカニカルシールを備えるダブル型の密封装置である。本実施例においては、ハウジング３００に対して固定される第１シールカバー１１０及び第２シールカバー１２０と、回転軸２００の外周に取付けられるスリーブ１３０との間に２つのメカニカルシールが設けられている。第１シールカバー１１０及び第２シールカバー１２０は、いずれも環状の部材である。スリーブ１３０は、スリーブ１３０の外周面に取り付けられたスリーブカラー１３５がセットスクリュ１３５ａにより固定されることにより、回転軸２００に取り付けられている。また、ハウジング３００における密封対象流体側（Ｆ）とは反対側である大気側（Ａ）の端面に、第２シールカバー１２０が取り付けられている。更に、第２シールカバー１２０の大気側（Ａ）の端面に第１シールカバー１１０が取り付けられている。これら第１シールカバー１１０及び第２シールカバー１２０は、不図示のボルトによって、ハウジング３００に固定されている。

＜メカニカルシール＞
本実施例に係るメカニカルシールの構成について、より詳細に説明する。本実施例に係るメカニカルシールは、回転軸２００と共に回転する回転環１４０と、いずれもハウジング３００に対して固定される第１固定環１５０及び第２固定環１６０とを備えている。第１固定環１５０は第２シールカバー１２０に固定されることにより、ハウジング３００に対して固定されている。この第１固定環１５０は、回転環１４０における密封対象流体側（Ｆ）の端面に対して摺動するように構成されている。そして、この第１固定環１５０は、スプリング１５５によって、回転環１４０に向かって付勢されている。また、第２固定環１６０は第１シールカバー１１０に固定されることにより、ハウジング３００に対して固定されている。この第２固定環１６０は、回転環１４０における密封対象流体側とは反対側である大気側（Ａ）の端面に対して摺動するように構成されている。そして、この第２固定環１６０は、スプリング１６５によって、回転環１４０に向かって付勢されている。

そして、本実施例に係る密封装置１００においては、回転環１４０の外周面に、回転環１４０と共に回転することでエクスターナル流体を循環させる動力を発生させるパーシャルインペラー１７０が設けられている。

＜パーシャルインペラー＞
本実施例に係るパーシャルインペラー１７０について、より詳細に説明する。パーシャルインペラー１７０は、回転環１４０の外周面に焼嵌めにより固定されている。また、このパーシャルインペラー１７０は、回転環１４０と共に回転することで、密封対象流体側（Ｆ）及び大気側（Ａ）の双方の領域内のエクスターナル流体を径方向外側に導く役割を担っている。より具体的には、パーシャルインペラー１７０は、円環状の部材により構成されており、その両側面に、断面形状が円弧状の切り欠き１７１，１７２が複数設けられている（図２及び図３参照）。これにより、パーシャルインペラー１７０が回転すると、複数の切り欠き１７１，１７２によって、密封対象流体側（Ｆ）及び大気側（Ａ）の双方の領域内のエクスターナル流体が径方向外側に導かれる。

＜シールカバー＞
本実施例に係るシールカバーについて、より詳細に説明する。本実施例に係るシールカバー（第１シールカバー１１０及び第２シールカバー１２０）は、上記の通り、ハウジング３００に対して固定され、かつその内周面側に回転環１４０と第１固定環１５０と第２固定環１６０が配置されている。第１シールカバー１１０には、周方向の一か所に設けられる流出孔１１１と、周方向に間隔を空けて設けられる複数の流入孔１１２とが形成されている。なお、流出孔１１１と流入孔１１２は周方向の異なる位置に形成されている。

流出孔１１１は、パーシャルインペラー１７０の外周面と対向する位置に、エクスターナル流体を導く導入口１１１ａを有している。また、流出孔１１１における第１シールカバー１１０の外周面側には配管が接続される接続口１１１ｂが設けられている。更に、第１シールカバー１１０の内周面側にはブランクピース１１３が設けられている。このブランクピース１１３は、導入口１１１ａにおけるパーシャルインペラー１７０の回転方向（図４中矢印Ｙ方向）下流側の端縁近傍に設けられている。また、このブランクピース１１３は、径方向内側に突出するように設けられている。これにより、パーシャルインペラー１７０によって径方向外側に導かれるエクスターナル流体は、ブランクピース１１３により導入口１１１ａへと効率良く導かれる。

流入孔１１２は、第１シールカバー１１０の外周面側に設けられ、配管が接続される接続口１１２ｃと、この接続口１１２ｃから分岐する第１流入孔１１２ａ及び第２流入孔１１２ｂとから構成される。第１流入孔１１２ａは、第１固定環１５０と回転環１４０との摺動面に向けて、第１固定環１５０及び回転環１４０の外周面よりも径方向外側からエクスターナル流体を流入させる役割を担っている。また、第２流入孔１１２ｂは、第２固定環１６０と回転環１４０との摺動面に向けて、第２固定環１６０及び回転環１４０の外周面よりも径方向外側からエクスターナル流体を流入させる役割を担っている。

ここで、第１固定環１５０と回転環１４０との摺動面Ｓ１は、軸線方向（回転軸２００の中心軸線方向。以下同様）において第１流入孔１１２ａにおける先端の開口部１１２ａ１の位置と導入口１１１ａの位置との間に位置する。また、第２固定環１６０と回転環１４０との摺動面Ｓ２は、軸線方向において第２流入孔１１２ｂにおける先端の開口部１１２ｂ１の位置と導入口１１１ａの位置との間に位置する。

なお、密封装置１００においては、各部材間の隙間を封止するＯリングなどのシールリングＯが複数設けられている。また、密封装置１００においては、各部材に対して廻り止めを行うためのピンＰが複数設けられている。メカニカルシールを備える密封装置において、これらのシールリングＯ及びピンＰが複数設けられることについては公知技術であるので、その詳細説明は省略する。

＜密封装置の動作＞
本実施例に係る密封装置１００の動作について説明する。上記のように構成された密封
装置１００によれば、回転軸２００の回転と共に回転環１４０が回転し、静止状態にある第１固定環１５０と回転する回転環１４０の端面同士が摺動し、かつ静止状態にある第２固定環１６０と回転する回転環１４０の端面同士が摺動する。ここで、周方向に複数設けられたスプリング１５５によって、第１固定環１５０が回転環１４０側に付勢されるため、第１固定環１５０と回転環１４０は摺動した状態が保たれる。また、周方向に複数設けられたスプリング１６５によって、第２固定環１６０が回転環１４０側に付勢されるため、第２固定環１６０と回転環１４０も摺動した状態が保たれる。以上の構成により、密封対象流体側（Ｆ）の流体は、第１固定環１５０と回転環１４０との摺動部位によって、メカニカルシールの内周面側から外周面側への漏れが抑制される。なお、上記摺動部位以外からの漏れは、複数のシールリングＯによって抑制される。また、メカニカルシールの外周面側に密封対象流体が漏れてしまった場合でも、第２固定環１６０と回転環１４０との摺動部位によって、密封対象流体が大気側（Ａ）に漏れてしまうことが抑制される。

そして、回転軸２００の回転によって、回転環１４０及びパーシャルインペラー１７０が回転することにより、エクスターナル流体が循環する。エクスターナル流体は、上述した２か所の摺動部位の冷却、及び各種部材の洗浄を目的として、密封装置１００の内部に供給される。以下、エクスターナル流体が循環する流路構成について、より詳細に説明する。

メカニカルシールの外周面側には、上述した２か所の摺動部位によって、密封対象流体が密封されている領域と、大気に曝されている領域の双方から隔てられた空間（中間室）が存在している。この空間内にエクスターナル流体が満たされている。また、この空間は、パーシャルインペラー１７０によって、密封対象流体側（Ｆ）の領域と大気側（Ａ）の領域に隔てられている。そして、上記の通り、回転環１４０と共にパーシャルインペラー１７０が回転することで、密封対象流体側（Ｆ）及び大気側（Ａ）の双方の領域内のエクスターナル流体が流出孔１１１に導かれる。流出孔１１１から密封装置１００の外部に流出したエクスターナル流体は、密封装置１００の外部に設けられた流路４００に流れていく。

流路４００については、図１では簡略的に示している。なお、流路４００は、エクスターナル流体を溜めるタンク４１０と、エクスターナル流体を冷やすためのクーラー４２０と、複数の配管等により構成される。なお、本実施例に係るクーラー４２０は螺旋状に形成された配管により構成される。また、図１中の矢印Ｘは、エクスターナル流体が流れる向きを示している。なお、クーラーは流路中に設けられる必要は無く、密封装置に流入される際、エクスターナル流体が冷却されていればよく、例えば、タンク中にエクスターナル流体を冷却する機構を設けてもよい。

流出孔１１１から密封装置１００の外部に設けられた流路４００に流出したエクスターナル流体は、流入孔１１２に流れていく。そして、第１流入孔１１２ａと第２流入孔１１２ｂによって、パーシャルインペラー１７０により隔てられた密封対象流体側（Ｆ）の領域と大気側（Ａ）の領域に、それぞれエクスターナル流体が流入される。

以上のように、回転環１４０と共にパーシャルインペラー１７０が回転している間、エクスターナル流体は密封装置１００の内部と、密封装置１００の外部に設けられた流路４００との間を循環する。

＜本実施例に係る密封装置の優れた点＞
以上のように、本実施例に係る密封装置１００は、回転環１４０の両端面に対してそれぞれ摺動する第１固定環１５０と第２固定環１６０を備えている。すなわち、本実施例に係る密封装置１００は、２つのメカニカルシールを用いたダブル型の密封装置である。そ
して、本実施例においては、回転環１４０と共に回転するパーシャルインペラー１７０を備えているため、ポンプなどを必要とすることなくエクスターナル流体を自己循環させることができる。

また、パーシャルインペラー１７０は、回転環１４０の外周面に固定されている。そのため、回転環１４０と第１固定環１５０との摺動部位、及び回転環１４０と第２固定環１６０との摺動部位の近くにパーシャルインペラー１７０が存在するため、各摺動部位に対して効果的にエクスターナル流体を供給させることができる。

また、本実施例に係る密封装置１００においては、第１シールカバー１１０に、第１固定環１５０と回転環１４０との摺動面Ｓ１に向けて、エクスターナル流体を流入させる第１流入孔１１２ａと、第２固定環１６０と回転環１４０との摺動面Ｓ２に向けて、エクスターナル流体を流入させる第２流入孔１１２ｂが形成されている。また、第１シールカバー１１０には、パーシャルインペラー１７０の外周面と対向する位置に、エクスターナル流体を導く導入口１１１ａを有する流出孔１１１も形成されている。そして、第１固定環１５０と回転環１４０との摺動面Ｓ１は、軸線方向において第１流入孔１１２ａにおける先端の開口部１１２ａ１の位置と導入口１１１ａの位置との間に位置している。また、第２固定環１６０と回転環１４０との摺動面Ｓ２は、軸線方向において第２流入孔１１２ｂにおける先端の開口部１１２ｂ１の位置と導入口１１１ａの位置との間に位置している。

以上のように構成されることで、回転環１４０と第１固定環１５０との摺動部位、及び回転環１４０と第２固定環１６０との摺動部位の双方に対して、より確実にエクスターナル流体を供給することができる。これにより、どちらか一方だけ劣化が進んでしまうことを抑制することができる。また、摺動部位だけでなく、スプリング１５５，１６５やピンＰも洗浄されるので、異物などが堆積してしまい、これらの機能が低下してしまうことも抑制できる。

また、回転環１４０と第１固定環１５０との摺動部位に送り込まれた後のエクスターナル流体と、回転環１４０と第２固定環１６０との摺動部位に送り込まれた後のエクスターナル流体のいずれも共通の流出孔１１１に導かれる。従って、流路の構成が複雑化してしまうことを抑制できる。これにより、密封装置１００内におけるエクスターナル流体の流路が長くなってしまうことを抑制することができる。従って、パーシャルインペラー１７０による動力が小さくて済むため、パーシャルインペラー１７０を大型化する必要がない。または、密封装置１００内における流路が短くて済むため、密封装置１００の外部の流路を長くすることができる。これに伴い、クーラー４２０の管路を長くして、冷却機能を高めることもできる。

また、本実施例においては、回転環１４０と第１固定環１５０との摺動部位に送り込まれた後のエクスターナル流体と、回転環１４０と第２固定環１６０との摺動部位に送り込まれた後のエクスターナル流体のいずれも共通のパーシャルインペラー１７０を用いて流出孔１１１に導くように構成されている。従って、部品点数の増加も抑制できる。

更に、本実施例に係るパーシャルインペラー１７０は、回転環１４０の外周面に焼嵌めにより固定される。これにより、回転環１４０がカーボンやＳｉＣなど脆性材料で構成されていても、パーシャルインペラー１７０を固定させることが可能となる。

（その他）
上記実施例に係るパーシャルインペラー１７０においては、密封対象流体側（Ｆ）と大気側（Ａ）に設ける切り欠き１７１，１７２の形状及び大きさと配置個数が等しくなるように構成する場合を示している。しかしながら、切り欠き１７１，１７２の形状及び大き
さと配置個数については、装置の大きさや環境条件に応じて適宜設定することができる。つまり、密封対象領域側（Ｆ）と大気側（Ａ）とで、切り欠きの形状や大きさが異なるものを採用したり、両者の個数が異なるように設定したりすることもできる。

また、上記実施例に係るパーシャルインペラー１７０においては、密封対象流体側（Ｆ）及び大気側（Ａ）の双方の領域内のエクスターナル流体を径方向外側に導く機能を発揮させるために、両側面に切り欠き１７１，１７２を備える構成を採用している。しかしながら、本発明におけるパーシャルインペラーは、そのような構成には限られない。以下、図５及び図６を参照して、パーシャルインペラーの変形例を説明する。図５は本発明の変形例に係るパーシャルインペラーの平面図の一部である。図６は本発明の変形例に係るパーシャルインペラーの断面図の一部であり、図５中のＣＣ断面図である。

図示の変形例に係るパーシャルインペラー１７０Ｘは、円環状の部材により構成され、その内周面側に、周方向に間隔を空けて複数の断面円弧状の溝１７１Ｘが設けられている。また、それぞれの溝１７１Ｘには、溝底から外周面に貫通する貫通孔１７２Ｘが設けられている。

以上のように構成されるパーシャルインペラー１７０Ｘにおいても、上記実施例１で示したパーシャルインペラー１７０と同様に、密封対象流体側（Ｆ）及び大気側（Ａ）の双方の領域内のエクスターナル流体を径方向外側に導く機能を発揮させることができる。また、複数の溝１７１及び貫通孔１７２を加工により形成する方が、複数の切り欠き１７１，１７２を加工により形成するよりも、加工し易いという利点もある。

１００ 密封装置
１１０ 第１シールカバー
１１１ 流出孔
１１１ａ 導入口
１１１ｂ 接続口
１１２ 流入孔
１１２ａ 第１流入孔
１１２ａ１ 開口部
１１２ｂ 第２流入孔
１１２ｂ１ 開口部
１１２ｃ 接続口
１１３ ブランクピース
１２０ 第２シールカバー
１３０ スリーブ
１３５ スリーブカラー
１３５ａ セットスクリュ
１４０ 回転環
１５０ 第１固定環
１５５ スプリング
１６０ 第２固定環
１６５ スプリング
１７０，１７０Ｘ パーシャルインペラー
１７１，１７２ 切り欠き
１７１Ｘ 溝
１７２Ｘ 貫通孔
２００ 回転軸
３００ ハウジング
４００ 流路
４１０ タンク
４２０ クーラー
Ｏ シールリング
Ｐ ピン

Claims (3)

1. 回転軸と、該回転軸の軸孔を有するハウジングとの間の環状隙間を密封する密封装置であって、
   前記回転軸と共に回転する回転環と、
   前記ハウジングに対して固定され、かつ前記回転環における密封対象流体側の端面に対して摺動する第１固定環と、
   前記ハウジングに対して固定され、かつ前記回転環における密封対象流体側とは反対側の端面に対して摺動する第２固定環と、
   前記回転環の外周面に固定され、該回転環と共に回転することで、密封対象流体側及び密封対象流体側とは反対側の双方の領域内のエクスターナル流体を径方向外側に導くパーシャルインペラーと、
   を備える密封装置において、
   前記ハウジングに対して固定され、かつその内周面側に前記回転環と第１固定環と第２固定環が配置されるシールカバーを備え、
   前記シールカバーには、
   第１固定環と前記回転環との摺動面に向けて、第１固定環及び前記回転環の外周面よりも径方向外側からエクスターナル流体を流入させる第１流入孔と、
   第２固定環と前記回転環との摺動面に向けて、第２固定環及び前記回転環の外周面よりも径方向外側からエクスターナル流体を流入させる第２流入孔と、
   前記パーシャルインペラーの外周面と対向する位置に、エクスターナル流体を導く導入口を有する流出孔と、が形成されると共に、
   第１固定環と前記回転環との摺動面は、軸線方向において第１流入孔における先端の開口部の位置と前記導入口の位置との間に位置し、
   第２固定環と前記回転環との摺動面は、軸線方向において第２流入孔における先端の開口部の位置と前記導入口の位置との間に位置することを特徴とする密封装置。
2. 回転軸と、該回転軸の軸孔を有するハウジングとの間の環状隙間を密封する密封装置であって、
   前記回転軸と共に回転する回転環と、
   前記ハウジングに対して固定され、かつ前記回転環における密封対象流体側の端面に対
   して摺動する第１固定環と、
   前記ハウジングに対して固定され、かつ前記回転環における密封対象流体側とは反対側の端面に対して摺動する第２固定環と、
   前記回転環の外周面に固定され、該回転環と共に回転することで、密封対象流体側及び密封対象流体側とは反対側の双方の領域内のエクスターナル流体を径方向外側に導くパーシャルインペラーと、
   を備える密封装置において、
   前記ハウジングに対して固定され、かつその内周面側に前記回転環と第１固定環と第２固定環が配置されるシールカバーを備え、
   前記シールカバーには、
   第１固定環と前記回転環との摺動面に向けて、第１固定環及び前記回転環の外周面よりも径方向外側からエクスターナル流体を流入させる第１流入孔と、
   第２固定環と前記回転環との摺動面に向けて、第２固定環及び前記回転環の外周面よりも径方向外側からエクスターナル流体を流入させる第２流入孔と、がそれぞれ形成されていることを特徴とする密封装置。
3. 前記パーシャルインペラーは、前記回転環の外周面に焼嵌めにより固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の密封装置。

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