JP6815813B2 - 密封構造 - Google Patents

Description

本発明は、回転環と固定環とを備える密封構造に関する。

メカニカルシールにおいては、固定環と回転環との摺動により発熱する。そのため、熱による劣化を抑制するために、冷却液を流して、メカニカルシールの昇温を抑制する技術が知られている。しかしながら、単に冷却液を流すだけでは、メカニカルシールの昇温を十分に抑制することができない場合がある。

国際公開第２０１１／００７７６５号

本発明の目的は、冷却効果の向上を図ったメカニカルシール及び密封構造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。

本発明の密封構造は、
回転軸と、
該回転軸が挿通される軸孔を有するハウジングと、
前記回転軸に対して固定される回転環と、前記ハウジングに対して固定され、かつ前記回転環に対して摺動する固定環と、を有するメカニカルシールと、
を備え、前記回転環及び固定環の外周面側に、冷却液を供給する供給路と、前記冷却液を排出する排出路とが設けられることで、前記回転環及び固定環の外周面側の領域には冷却液が流れるように構成されている密封構造において、
前記固定環には、一端側端面から他端側端面に連通するように構成され、冷却液が流れる流路となる通路が形成されると共に、
前記回転軸の中心軸線に平行に見た場合に、前記供給路の前記領域への開口部の少なくとも一部と、前記固定環に設けられた前記通路内の領域の少なくとも一部とが重なっており、これらの間は他の部材により遮られていないことを特徴とする。
また、別の密封構造は、
回転軸と、
該回転軸が挿通される軸孔を有するハウジングと、
前記回転軸に対して固定される回転環と、前記ハウジングに対して固定され、かつ前記回転環に対して摺動する固定環と、を有するメカニカルシールと、
を備え、前記回転環及び固定環の外周面側に、冷却液を供給する供給路と、前記冷却液を排出する排出路とが設けられることで、前記回転環及び固定環の外周面側の領域には冷却液が流れるように構成されている密封構造において、
前記固定環には、一端側端面から他端側端面に連通するように構成され、冷却液が流れる流路となる通路が形成されると共に、
前記回転軸の中心軸線に平行に見た場合に、前記排出路の前記領域への開口部の少なくとも一部と、前記固定環に設けられた前記通路内の領域の少なくとも一部とが重なっており、これらの間は他の部材により遮られていないことを特徴とする。

これらの発明によれば、固定環には、一端側端面から他端側端面に連通するように構成された通路に冷却液が流れるため、固定環と冷却液との接触面積を広くすることができる。これにより、固定環の冷却効果を高くすることができる。

前記通路は連通溝により構成され、かつ該連通溝の内壁面全体に冷却液が接するように構成されているとよい。

また、前記通路は貫通孔により構成され、かつ該貫通孔の内壁面全体に冷却液が接する
ように構成されていることも好適である。

更に、前記回転環の外周面の中央には、環状溝が形成されているとよい。

これにより、環状溝に冷却液が流れるため、回転環と冷却液との接触面積を広くすることができる。これにより、回転環の冷却効果を高くすることができる。

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、冷却効果の向上を図ることができる。

図１は本発明の実施例に係るメカニカルシールを備える密封構造の模式的断面図である。 図２は本発明の実施例に係る固定環の側面図の一部である。 図３は本発明の実施例に係る固定環の模式的断面図である。 図４は本発明の変形例に係る固定環の側面図の一部である。 図５は本発明の変形例に係る固定環の模式的断面図である。

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５を参照して、本発明の実施例に係るメカニカルシール及び密封構造について説明する。図１は本発明の実施例に係るメカニカルシールを備える密封構造の模式的断面図である。なお、図１中のメカニカルシールは、回転軸の中心軸線を含む面で切断した断面を示している。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。また、図１においては、切断面のみを示し、奥行き線は適宜省略している。図２は本発明の実施例に係る固定環の側面図の一部である。図３は本発明の実施例に係る固定環の模式的断面図であり、図２中のＡＡ断面図である。図４は本発明の変形例に係る固定環の側面図の一部である。図５は本発明の変形例に係る固定環の模式的断面図であり、図４中のＢＢ断面図である。

＜密封構造＞
特に、図１を参照して、本実施例に係るメカニカルシール１００を備える密封構造について説明する。本実施例に係るメカニカルシール１００は、回転機械のハウジング２００と、ハウジング２００の軸孔２０１に挿通される回転軸３００との間の環状隙間を封止して、回転機械内の領域である機内領域Ａ（図１中右側）内の流体を密封する。メカニカルシール１００は、ハウジング２００外の領域である機外領域Ｂ側（図１中左側）から、ハウジング２００に対してボルトによって固定されたフランジ１１０と、スタフィングボックス１２０とを備えている。メカニカルシール１００は、機外領域Ｂ側から、スタフィングボックス１２０に対してボルトによって固定されたシールカバー１３０を更に備えている。フランジ１１０、スタフィングボックス１２０及びシールカバー１３０は、何れもステンレス鋼などの金属から成る環状の部材である。シールカバー１３０の径方向内側には、回転軸３００の外周面に固定された金属製のスリーブ３１０を介して回転軸３００を軸支する軸受け１４０が固定されている。また、スリーブ３１０は、２つのセットスクリュ
ーを備えるスリーブカラー３２０によって、回転軸３００に対して固定されている。そして、スタフィングボックス１２０とスリーブ３１０との間の環状隙間は、ゴム製のオイルシール４０１によってシールされている。また、シールカバー１３０とスリーブ３１０との間の環状隙間は、ゴム製のオイルシール４０２によってシールされており、回転軸３００とスリーブ３１０との間の環状隙間はＯリングによってシールされている。

メカニカルシール１００は、フランジ１１０を介してハウジング２００に対して固定された第１固定環１５０と、スリーブ３１０を介して回転軸３００に対して固定された回転環１６０とを備えている。また、メカニカルシール１００は、スタフィングボックス１２０及びフランジ１１０を介してハウジング２００に対して固定された第２固定環１７０も備えている。第１固定環１５０、回転環１６０、第２固定環１７０（以下、これらを摺動環ともいう。）は、硬質な摺動材から構成される。例えば、第１固定環１５０と第２固定環１７０は、自己潤滑性も備えるカーボンから構成され、回転環１６０はシリコンカーバイドから構成されると好適である。

第１固定環１５０は、フランジ１１０に設けられたスプリング１１１によって、回転環１６０に向かって軸方向に付勢されている。また、第１固定環１５０のフランジ１１０に対する回り止めは、第１固定環１５０に形成された切り欠き１５１に係合する回り止めピン１１２によってなされている。切り欠き１５１は、第１固定環１５０の外周面から径方向内側に切り欠かれた形状をしている。そして、第１固定環１５０とフランジ１１０との間の環状隙間（詳細には、第１固定環１５０の機内領域Ａ側の部分の外周面と、フランジ１１０の内周面との間の環状隙間）は、Ｏリングによってシールされている。このように、第１固定環１５０は、フランジ１１０に対して、ある程度の移動が許容された状態で固定されている。

回転環１６０は、スリーブ３１０に対してボルトによって固定されたカラー３３０によって、軸方向の位置決めがなされている。また、回転環１６０のスリーブ３１０に対する回り止めは、回転環１６０に形成された切り欠き１６１に係合するノックピン３１１によってなされている。切り欠き１６１は、回転環１６０の内周面から径方向外側に切り欠かれた形状をしている。そして、回転環１６０の内周面と、スリーブ３１０の外周面との間の環状隙間は、Ｏリングによってシールされている。

第２固定環１７０は、スタフィングボックス１２０に設けられたスプリング１２１によって、回転環１６０に向かって軸方向に付勢されている。また、第２固定環１７０のスタフィングボックス１２０に対する回り止めは、第２固定環１７０に形成された切り欠き１７１に係合する回り止めピン１２２によってなされている。切り欠き１７１は、第２固定環１７０の外周面から径方向内側に切り欠かれた形状をしている。そして、第２固定環１７０とスタフィングボックス１２０との間の環状隙間（詳細には、第２固定環１７０の機外領域Ｂ側の部分の外周面と、スタフィングボックス１２０の内周面との間の環状隙間）は、Ｏリングによってシールされている。このように、第２固定環１７０は、スタフィングボックス１２０に対して、ある程度の移動が許容された状態で固定されている。

以上のように構成されるメカニカルシール１００においては、回転軸３００と共に回転環１６０が回転すると、回転環１６０における機内領域Ａ側の端面１６２と第１固定環１５０の機外領域Ｂ側の端面１５２とが摺動する。また、回転環１６０が回転すると、回転環１６０における機外領域Ｂ側の端面１６３と第２固定環１７０の機内領域Ａ側の端面１７２とが摺動する。このようにして互いに摺動する端面１５２，１６２によって、機内領域Ａ（第１固定環１５０の径方向内側の領域）と回転環１６０の径方向外側の領域である中間室Ｓ１との間がシールされる。また、互いに摺動する端面１６３，１７２によって、中間室Ｓ１と第２固定環１７０の径方向内側の領域である領域Ｓ２との間がシールされる
。

なお、第１固定環１５０の機外領域Ｂ側の端面１５２は、第１固定環１５０の本体部分から機外領域Ｂ側に向けて突出した環状凸部の先端に相当する。これにより、経時的に摺動摩耗が進んでも、端面１５２は研磨された状態が維持されて、シール性が維持されるため、寿命を延ばすことができる。同様に、第２固定環１７０の機内領域Ａ側の端面１７２は、第２固定環１７０の本体部分から機内領域Ａ側に向けて突出した環状凸部の先端に相当する。これにより、経時的に摺動摩耗が進んでも、端面１７２は研磨された状態が維持されて、シール性が維持されるため、寿命を延ばすことができる。

フランジ１１０には、その外部から中間室Ｓ１にクエンチング液（冷却液）を供給するための供給路１１３が形成されている。供給路１１３は、フランジ１１０の外部と中間室Ｓ１とを連通しており、これを通じて、メカニカルシール１００の外部に設置された不図示のクエンチング液供給装置から中間室Ｓ１にクエンチング液が供給される。一方、スタフィングボックス１２０には、中間室Ｓ１内のクエンチング液を外部に排出するための排出路１２３が形成されている。排出路１２３は、中間室Ｓ１とスタフィングボックス１２０の外部とを連通しており、これを通じて、メカニカルシール１００の外部に設置された不図示のクエンチング液排出装置によって中間室Ｓ１内のクエンチング液が排出される。このように、回転環１６０，第１固定環１５０及び第２固定環１７０の外周面側の領域（中間室Ｓ１）には冷却液が流れるように構成されている。

ここで、スタフィングボックス１２０の内周側には、中間室Ｓ１内に突出するリテイニングリング１２４が設置されている。リテイニングリング１２４によって、中間室Ｓ１内のクエンチング液の流れが適度に拡散されるため、クエンチング液による摺動環の冷却及び潤滑が促進される。また、スタフィングボックス１２０には、その外部から冷却水を供給するための供給路１２５が形成されている。供給路１２５は、上記の排出路１２３に連通している。供給路１２５を流れる冷却水は、スタフィングボックス１２０を冷却した後に排出路１２３から外部へ排出される。

＜回転環及び固定環＞
図１〜図５を参照して、本実施例に係る回転環１６０，第１固定環１５０及び第２固定環１７０について、より詳細に説明する。

第１固定環１５０には、一端側端面から他端側端面に連通するように構成され、クエンチング液（冷却液）が流れる流路となる通路が形成されている。本実施例においては、この通路は、連通溝１５３により構成されている。また、この連通溝１５３は、周方向に間隔を空けて複数設けられている。また、連通溝１５３は、ピン１１２が係合するように構成された切り欠き１５１とは異なり、連通溝１５３の内部は開放されている。つまり、連通溝１５３においては、その内壁面全体にクエンチング液が接するように構成されている。なお、クエンチング液（冷却液）が流れる流路となる通路については、連通溝１５３に限らず、図４及び図５に示す変形例のように、貫通孔１５３ａにより構成してもよい。この場合でも、貫通孔１５３ａは、周方向に間隔を空けて複数設けられ、貫通孔１５３ａの内壁面全体にクエンチング液が接するように構成される。

第２固定環１７０においても、同様に、一端側端面から他端側端面に連通するように構成され、クエンチング液（冷却液）が流れる流路となる通路が形成されている。本実施例においては、この通路は、連通溝１７３により構成されている。また、この連通溝１７３は、周方向に間隔を空けて複数設けられている。また、連通溝１７３は、ピン１２２が係合するように構成された切り欠き１７１とは異なり、連通溝１７３の内部は開放されている。つまり、連通溝１７３においては、その内壁面全体にクエンチング液が接するように
構成されている。なお、クエンチング液（冷却液）が流れる流路となる通路については、連通溝１７３に限らず、上記第１固定環１５０の場合と同様に貫通孔（不図示）により構成してもよい。この場合でも、貫通孔は、周方向に間隔を空けて複数設けられ、貫通孔の内壁面全体にクエンチング液が接するように構成される。

そして、回転環１６０の外周面の中央には、環状溝１６４が形成されている。この環状溝１６４においては、その内壁面全体にクエンチング液が接するように構成されている。

＜本実施例に係るメカニカルシール及び密封構造の優れた点＞
本実施例に係るメカニカルシール１００及び密封構造によれば、第１固定環１５０には、一端側端面から他端側端面に連通するように構成された通路（連通溝１５３または貫通孔１５３ａ）にクエンチング液が流れる。そのため、第１固定環１５０とクエンチング液との接触面積を広くすることができる。これにより、第１固定環１５０の冷却効果を高くすることができる。

また、第２固定環１７０においても、一端側端面から他端側端面に連通するように構成された通路（連通溝１７３または貫通孔）にクエンチング液が流れる。そのため、第２固定環１７０とクエンチング液との接触面積も広くすることができる。これにより、第１固定環１７０の冷却効果も高くすることができる。

更に、回転環１６０においても、環状溝１６４にクエンチング液が流れるため、回転環１６０とクエンチング液との接触面積を広くすることができる。これにより、回転環１６０の冷却効果も高くすることができる。

以上のように、メカニカルシール１００の冷却効果を高めることができ、メカニカルシール１００の昇温を十分に抑制することができる。従って、熱によるメカニカルシール１００の劣化を抑制することができる。

（その他）
上記実施例においては、回転環１６０の両面（端面１６２，１６３）がそれぞれ摺動面となり、回転環１６０の両側にそれぞれ固定環（第１固定環１５０及び第２固定環）が設けられるダブル形のメカニカルシールの場合を例にして説明した。しかしながら、本発明が適用可能なメカニカルシールは、これに限定されるものではない。本発明は、回転環と固定環とを一つずつ備えるシングル形のメカニカルシールなど、回転環と固定環とをそれぞれ一つ以上備える各種メカニカルシールに適用することができる。

１００ メカニカルシール
１１０ フランジ
１１１ スプリング
１１２ ピン
１１３ 供給路
１２０ スタフィングボックス
１２１ スプリング
１２２ ピン
１２３ 排出路
１２４ リテイニングリング
１２５ 供給路
１３０ シールカバー
１５０ 第１固定環
１５１ 切り欠き
１５２ 端面
１５３ 連通溝
１５３ａ 貫通孔
１６０ 回転環
１６１ 切り欠き
１６２，１６３ 端面
１６４ 環状溝
１７０ 第２固定環
１７２ 端面
１７３ 連通溝
２００ ハウジング
２０１ 軸孔
３００ 回転軸
３１０ スリーブ
３１１ ノックピン
３２０ スリーブカラー
３３０ カラー
４０１ オイルシール
４０２ オイルシール
Ａ 機内領域
Ｂ 機外領域
Ｓ１ 中間室

Claims (5)

1. 回転軸と、
   該回転軸が挿通される軸孔を有するハウジングと、
   前記回転軸に対して固定される回転環と、前記ハウジングに対して固定され、かつ前記回転環に対して摺動する固定環と、を有するメカニカルシールと、
   を備え、前記回転環及び固定環の外周面側に、冷却液を供給する供給路と、前記冷却液を排出する排出路とが設けられることで、前記回転環及び固定環の外周面側の領域には冷却液が流れるように構成されている密封構造において、
   前記固定環には、一端側端面から他端側端面に連通するように構成され、冷却液が流れる流路となる通路が形成されると共に、
   前記回転軸の中心軸線に平行に見た場合に、前記供給路の前記領域への開口部の少なくとも一部と、前記固定環に設けられた前記通路内の領域の少なくとも一部とが重なっており、これらの間は他の部材により遮られていないことを特徴とする密封構造。
2. 回転軸と、
   該回転軸が挿通される軸孔を有するハウジングと、
   前記回転軸に対して固定される回転環と、前記ハウジングに対して固定され、かつ前記回転環に対して摺動する固定環と、を有するメカニカルシールと、
   を備え、前記回転環及び固定環の外周面側に、冷却液を供給する供給路と、前記冷却液を排出する排出路とが設けられることで、前記回転環及び固定環の外周面側の領域には冷却液が流れるように構成されている密封構造において、
   前記固定環には、一端側端面から他端側端面に連通するように構成され、冷却液が流れる流路となる通路が形成されると共に、
   前記回転軸の中心軸線に平行に見た場合に、前記排出路の前記領域への開口部の少なくとも一部と、前記固定環に設けられた前記通路内の領域の少なくとも一部とが重なっており、これらの間は他の部材により遮られていないことを特徴とする密封構造。
3. 前記通路は連通溝により構成され、かつ該連通溝の内壁面全体に冷却液が接するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の密封構造。
4. 前記通路は貫通孔により構成され、かつ該貫通孔の内壁面全体に冷却液が接するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の密封構造。
5. 前記回転環の外周面の中央には、環状溝が形成されていることを特徴とする請求項１，２，３または４に記載の密封構造。

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