JP6855353B2 - メカニカルシール及び密封構造 - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシール及び密封構造に関する。

本発明は、ポンプや攪拌機等の回転軸とハウジングとの間を、回転環のシール面と固定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に関する。当該シール面同士が相対的に回転することにより、摺接作用により密封対象領域と外部との間の流体の流通を遮断する。メカニカルシールは、固定環を回転環に押し付けるためのスプリング等の付勢部材を備える。特許文献１に記載のメカニカルシールでは、スプリングの一端はシールケースに固定され、他端は固定環のリテーナに固定されており、シールケースとリテーナとの間には軸方向に隙間があり、スプリングの伸縮を可能にしている。シールケースやリテーナにはスプリングを収容する収容室が設けられる。特許文献２には、このスプリング室に冷却水等を流通させることでシール周辺の雰囲気温度を管理する技術が記載されている。

特開２０１６−１６６６３１号公報 特開２００６−２５０３０６号公報

特許文献１のメカニカルシールでは回転軸が水平方向を向いている。ここで、回転軸が鉛直方向に向いている装置にメカニカルシールを適用する場合を考える。例えば液体の貯留槽の上部に設置され鉛直方向に伸びる回転軸を有する攪拌装置において、液体を密封するためにメカニカルシールを適用する場合が考えられる。このような場合、シール面から漏れた密封対象流体が、固定環を付勢するスプリングが収容された収容室に溜まり、作動不良の原因となる可能性があることを発明者らは見出した。以下、図面を参照して具体的にこの課題について説明する。

図２は回転軸が鉛直方向を向いている装置に適用した場合を想定したメカニカルシールを示している。図２において、軸９２は鉛直方向に向いており、鉛直下方が密封対象流体の領域Ｌであり、鉛直上方が外部の大気領域Ａであるとする。このメカニカルシール８７は、回転環９３をシールケース９９外部の大気領域Ａに配置し、回転環９３のシール面９３ａと固定環９４のシール面９４ａとが摺動接触しながら相対的に回転することにより、シール面の内周側にある密封対象流体の領域Ｌと、シール面の外周側の大気領域Ａとを遮断する。

メカニカルシール８７は、回転環ユニット７０と固定環ユニット７１から構成される。回転環ユニット７０は、回転環９３と、回転環９３を保持するホルダ９６及びリテーナ９７を有する。固定環ユニット７１は、固定環９４と、固定環９４を保持するホルダ９５及びリテーナ９８を有する。回転環ユニット７０は、ノックピン８２によりカラー８０に対し相対回転しないよう構成され、固定環ユニット７１はノックピン８６によりシールケース９９に対し相対回転しないよう構成される。カラー８０はセットスクリュー８１により軸９２に固定され、シールケース９９はボルト８８によりハウジング９１に固定される。これにより、回転環ユニット７０は軸９２とともに回転し、固定環ユニット７１はハウジング９１に対し軸９２の回転方向の相対移動が生じない。固定環ユニット７１とシールケ
ース９９との間には軸方向に隙間があり、スプリング８５の伸縮を可能にしている。

シールケース９９には収容室８９が設けられ、収容室８９内に設置されたスプリング８５が固定環ユニット７１を鉛直上方に付勢する。これにより、固定環９４は回転環９３に向かって押し付けられるように鉛直上方へ付勢される。回転環９３と固定環９４のシール面から漏洩した密封対象流体が回転環９３の回転の遠心力により外部に飛散しないように、メカニカルシール８７のシール面の径方向外側に円筒状のカバー８３がホースバンド８４により固定されている。これによりメカニカルシール８７のシール面から漏洩した流体の外部への飛散が抑制される。

ここで、カバー８３とメカニカルシール８７のシール面との間の空間Ｘには、シール面から漏洩した流体が溜まっていくことになる。空間Ｘに溜まった流体がカバー８３からあふれると、流体は矢印Ｙに示すように鉛直下方に流れ出し、シールケース９９と固定環ユニット７１の間の空間に流れ込み、さらに収容室８９に流れ込む場合がある。収容室８９に密封対象流体が溜まってしまうと、スプリング８５の動作に影響を及ぼし、ひいてはメカニカルシール８７の密封性能の低下を招く可能性がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、回転軸が鉛直方向を向いているメカニカルシールにおいて、固定環を付勢する付勢部材が収容された収容室に、シール面から漏れた密封対象流体が溜まることを抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、
鉛直方向に向いている軸と前記軸が挿入される軸孔を有するハウジングとの間に設けられ、前記軸と前記ハウジングとの間の環状隙間を密封するメカニカルシールであって、
軸方向に垂直なシール面を有し、前記軸とともに回転する回転環ユニットと、
前記回転環ユニットの鉛直下方に設けられ、軸方向に垂直かつ前記回転環ユニットのシール面と対向するシール面を有し、前記ハウジングに設けられる固定環ユニットと、
前記固定環ユニットを鉛直上方に付勢する付勢部材と、
前記付勢部材を収容する収容室を有し、前記固定環ユニットの鉛直下方で前記ハウジングに固定されるシールケースと、
を有し、
前記シールケースの径方向外側の端部は前記シール面の径方向の位置よりも外側にあり、
前記収容室は、前記シールケースの鉛直上方の面に開口し、
前記収容室の底部には、前記収容室内と前記シールケースの外部とを連通し径方向外側に向かって鉛直下方に傾いている連通路が設けられ、
前記シール面の径方向外側に、円筒状のカバーが設けられていることを特徴とするメカニカルシールである。

この発明においては、付勢部材が伸縮可能なように、固定環ユニットとシールケースとの間には軸方向に隙間がある。シールケースの径方向外側の端部がシール面の径方向の位置よりも外側にあるため、シール面から密封対象流体が漏洩した場合に、漏洩した流体がシールケースの鉛直上方の面（以下、単に上面という）に流れ落ちる可能性がある。また、前記シール面の径方向外側に、円筒状のカバーが設けられている。これにより、シール面から漏洩した流体が回転環の回転の遠心力によって外部に飛散することが抑制される。カバーの径方向の位置がシールケースの径方向外側の端部の位置よりも径方向内側の場合、カバーによって受け止められた流体がカバーを伝ってシールケース上面に流れ落ちる可能性がある。

シールケース上面に開口する付勢部材の収容室の底部には収容室内とシールケース外部とを連通する連通路が設けられており、連通路は、径方向外側に向かって鉛直下方に傾いているので、たとえ流体が収容室内に流れ込んでしまったとしても、その流体は連通路を通ってシールケース外部へ排出されるため、収容室内に流体が溜まることを抑制できる。従って、カバーを配置してもシール面から漏洩した流体が付勢部材の収容室内に溜まることを抑制できる。また、収容室内に何らかの異物が入り込んでしまった場合には、連通路から洗浄液を収容室内に流し込むことにより、収容室を洗浄することができる。連通路から流し込まれた洗浄液は、シールケース上面と固定環ユニットとの間の空間を通り、シールケース上面の開口から流出して外部へ排出される。

これらの構成から、本発明においては、付勢部材の収容室内に密封対象流体や異物が溜まることが抑制される。従って、収容室内の流体や異物によって付勢部材の動作に影響が及ぼされることが抑制され、メカニカルシールの密封性能が低下することを抑制することができる。

本発明の第２の態様は、
鉛直方向に向いている軸と、
前記軸が挿入される軸孔を有するハウジングと、
前記軸と前記ハウジングの間に設けられ、前記軸と前記ハウジングの間の環状隙間を密封するメカニカルシールと、
を有する密封構造であって、
前記メカニカルシールは、
軸方向に垂直なシール面を有し、前記軸とともに回転する回転環ユニットと、
前記回転環ユニットの鉛直下方に設けられ、軸方向に垂直かつ前記回転環ユニットのシール面と対向するシール面を有し、前記ハウジングに設けられる固定環ユニットと、
前記固定環ユニットを鉛直上方に付勢する付勢部材と、
前記付勢部材を収容する収容室を有し、前記固定環ユニットの鉛直下方で前記ハウジングに固定されるシールケースと、
を有し、
前記シールケースの径方向外側の端部は前記シール面の径方向の位置よりも外側にあり
、
前記収容室は、前記シールケースの鉛直上方の面に開口し、
前記収容室の底部には、前記収容室内と前記シールケースの外部とを連通し径方向外側に向かって鉛直下方に傾いている連通路が設けられ、
前記シール面の径方向外側に、円筒状のカバーが設けられていることを特徴とする密封構造である。

この発明の態様においても、上述した効果を得ることができる。すなわち、固定環ユニットを付勢する付勢部材が収容された収容室に、シール面から漏れた密封対象流体が溜まることを抑制することができる。従って、収容室内の流体や異物によって付勢部材の動作に影響が及ぼされることを抑制でき、密封構造の密封性能が低下することを抑制すること
ができる。

本発明によれば、回転軸が鉛直方向を向いているメカニカルシールにおいて、固定環を付勢する付勢部材が収容された収容室に、シール面から漏れた密封対象流体が溜まることを抑制することができる。

図１は本発明の実施例に係るメカニカルシールの概略構成を示す図である。 図２は参考例に係るメカニカルシールの概略構成を示す図である。

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を参照して、実施例に係るメカニカルシールについて説明する。図１は実施例に係るメカニカルシールを密封装置として備えた密封構造の一例を示す縦断面図である。鉛直方向に向いている回転軸とハウジングとの間をシールするメカニカルシールに本発明を適用した一例を示す。このメカニカルシールは、各種産業用ポンプ、河川用ポンプ、攪拌装置等に好適に用いることができる縦型のいわゆるアウトサイド型メカニカルシールである。図１においては、中心軸線を含む面で切断した断面による概略構成を示しているが、説明の便宜上、中心軸線に対して左側と右側とでは断面位置の位相をずらしている。具体的には、左側には後述するコイルスプリング１３の収容室１４が明確になる位相の断面的な構成を示し、右側には後述するボルト２３が明確になる位相の断面的な構成を示す。図１において、メカニカルシール３５は、鉛直方向に向いている軸２と、軸２が挿入される軸孔３６を有するハウジング１との間に設けられ、軸２とハウジング１の間の環状隙間を密封する。メカニカルシール３５は、回転環ユニット４１と固定環ユニット４２を有する。

回転環ユニット４１は、回転環５、ホルダ９、リテーナ７を有する。回転環５は、軸方向に垂直なシール面５ａを有する。回転環５は２つ割り構造であり、Ｏリング２６を介してホルダ９によって外周面を保持される。ホルダ９はボルト１９によってリテーナ７に固定される。リテーナ７はＯリング２７を介して回転環５を保持し、ドライブピン１１によりリテーナ７と回転環５とは相対的に回転しないようになっている。リテーナ７と軸２との間はＯリング２５によって封止される。カラー４はセットスクリュー３によって軸２に固定される。ノックピン１８によりカラー４とリテーナ７とは相対的に回転しないようになっている。以上の構造により、回転環ユニット４１は軸２に対して固定され、軸２とともに回転する。回転環ユニット４１の構成は一例である。ホルダ９やリテーナ７等の保持構造の形状や部品点数は必要に応じて変更することができる。また回転環５の分割数は２より多くてもよいし分割されない構成でもよい。

固定環ユニット４２は、固定環６、ホルダ１０、リテーナ８を有する。固定環６は、回転環５の鉛直下方に設けられ、軸方向に垂直かつ回転環５のシール面５ａと対向するシール面６ａを有する。固定環６は２つ割り構造であり、Ｏリング２９を介してホルダ１０によって外周面を保持される。ホルダ１０はボルト２０によってリテーナ８に固定される。リテーナ８はＯリング２８を介して固定環６を保持し、ドライブピン１２によりリテーナ８と固定環６とは相対的に回転しないようになっている。以上の構造により、固定環ユニット４２はハウジング１に対して回転方向へ相対的に移動しないように設けられている。
固定環ユニット４２の構成は一例である。ホルダ１０やリテーナ８等の保持構造の形状や部品点数は必要に応じて変更することができる。また、固定環６の分割数は２より多くてもよいし分割されない構成でもよい。

ハウジング１の軸孔３６にはＯリング３１を介して環状のシールケース１５がボルト２３によって固定されている。シールケース１５は、固定環ユニット４２の鉛直下方でハウジング１に固定されている。ノックピン２２により、シールケース１５と固定環ユニット４２とは相対的に回転しないようになっている。

シールケース１５には、付勢部材であるコイルスプリング１３を収容する収容室１４が設けられている。収容室１４は周方向に等間隔に複数設けられている。本実施例では周方向に等間隔に４個の収容室が設けられているものとする。各収容室１４にコイルスプリング１３が収容されている。以下の説明は各収容室１４及びコイルスプリング１３に共通である。収容室１４は鉛直上方が開口した筒状の空間であり、底面３７にコイルスプリング１３が固定されている。コイルスプリング１３は固定環ユニット４２を鉛直上方に付勢することにより、回転環５のシール面５ａと固定環６のシール面６ａとは接触した状態を維持する。シールケース１５と固定環ユニット４２との間にはコイルスプリング１３が伸縮するための軸方向の隙間がある。これにより回転環５のシール面５ａと固定環６のシール面６ａとが接触し摺動する状態が維持され、シール面５ａ、６ａが摺動しながら相対的に回転することによりシール面５ａ、６ａの内周側領域である密封対象流体の領域Ｌと、その外周側領域である大気領域Ａとが遮断される。なお、付勢部材は、固定環ユニット４２を鉛直上方に付勢する部材であればコイルスプリングに限らない。また、付勢部材の数は４個より少なくても多くてもよいし、周方向に等間隔に設けられても不等間隔に設けられてもよい。

メカニカルシール３５のシール面５ａ、６ａの径方向外側には、円筒状のカバー２４が設けられている。カバー２４はホースバンド２１により外周面を締付けられることにより、固定環ユニット４２に対し固定されている。カバー２４の内周面、ホルダ１０の上面、ホルダ９の下面及び外周面、及びリテーナ７の外周面により、鉛直上方に開口した空間３２が形成される。シール面５ａ、６ａから漏洩した密封対象流体は、回転環５の回転の遠心力により径方向外側に飛ばされるが、カバー２４の内周面により外部に飛散することが抑制される。漏洩した流体は空間３２に溜まっていく。

シールケース１５の上面は、コイルスプリング１３の収容室１４の開口部より径方向外側において、径方向の端部３８に向かって下方へ傾いた傾斜面１６となっている。傾斜面１６は、下方への傾斜を有する面であればテーパ面でも曲面でもよい。なお、傾斜面１６は、シールケース１５の上面の全周にわたって設けてもよいし、シールケース１５の上面のうち周方向で収容室１４が設けられている位置の近傍に傾斜面１６を形成してもよい。その場合、例えば図１ではボルト２３の位置においてもシールケース１５の上面を傾斜面としているが、ボルト２３の位置では傾斜面を形成しない構成としてもよい。傾斜面１６の傾斜角度は、密封対象流体の性状、シールケース１５の上面に流れ込む流体の流量、外部環境等に応じて適宜設定する。

収容室１４の底面３７には、収容室１４内とシールケース１５の外部とを連通する連通路１７が設けられている。連通路１７は、収容室１４の底面と、シールケース１５の径方向の端部３８の外周面に設けられた開口部３９とを連通する通路である。この連通路１７は、径方向外側に向かって下方に傾いている。

＜本実施例の優れた点＞
シールケース１５の径方向の端部３８は、メカニカルシール３５のシール面５ａ、６ａ
の径方向の位置よりも外側にある。また、シールケース１５の径方向の端部３８は、カバー２４の径方向の位置よりも外側にある。そのため、シール面５ａ、６ａから漏洩した流体が空間３２に溜まりカバー２４からあふれると、流体は矢印３３に示すように下方に流れ出し、シールケース１５の上面に流れ落ちる可能性がある。しかしながら、シールケース１５の上面は、収容室１４の開口部より径方向外側において径方向の端部３８に向かって下方へ傾いた傾斜面１６となっているため、シールケース１５の上面に流れ込んだ流体は、矢印３４に示すように傾斜面１６を流れてコイルスプリング１３の収容室１４がある方向とは判定方向へ流れていく。従って、流体はシールケース１５の外部へ流れていき、コイルスプリング１３の収容室１４へ流れ込むことが抑制される。

さらに、コイルスプリング１３の収容室１４には、収容室１４内とシールケース１５の外部とを連通する連通路１７が設けられているので、シールケース１５の上面に傾斜面１６が設けられているにもかかわらず、もし流体が収容室１４内に流れ込んでしまったとしても、その流体は矢印４０に示すように連通路１７を通ってシールケース１５外部に排出される。

また、収容室１４内に何らかの異物が入り込んでしまった場合には、シールケース１５の径方向の端部３８の外周面に設けられた開口部３９から連通路１７へ矢印４０とは反対方向に洗浄液を流し込むことにより、収容室１４を洗浄することができる。連通路１７から流し込まれた洗浄液は、シールケース１５の上面と固定環ユニット４２との間の空間を通り、シールケース１５の上面に形成された傾斜面１６を矢印３４に示すように流れて外部へ排出される。

これらの作用により、本実施例のメカニカルシールにおいては、コイルスプリング１３の収容室１４内に密封対象流体や異物が溜まることが抑制される。従って、収容室１４内の流体や異物によってコイルスプリング１３の動作に影響が及ぼされることを抑制され、メカニカルシール３５の密封性能が低下することを抑制できる。本実施例のメカニカルシールによれば、異物を含んだ液体やスラリーを密封対象流体とする場合でも、流体中に含まれる異物によってコイルスプリングの動作が影響を受けることを抑制できる。

１：ハウジング
２：軸
３：セットスクリュー
４：カラー
５：回転環
５ａ：シール面
６：固定環
６ａ：シール面
７：リテーナ
８：リテーナ
９：ホルダ
１０：ホルダ
１１：ドライブピン
１２：ドライブピン
１３：コイルスプリング
１４：収容室
１５：シールケース
１６：傾斜面
１７：連通路
１８：ノックピン
１９：ボルト
２０：ボルト
２１：ホースバンド
２２：ノックピン
２３：ボルト
２４：カバー
２５：Ｏリング
２６：Ｏリング
２７：Ｏリング
２８：Ｏリング
２９：Ｏリング
３０：Ｏリング
３１：Ｏリング
３２：空間
３３：矢印
３４：矢印
３５：メカニカルシール
３６：軸孔
３７：収容室の底面
３８：シールケースの端部
３９：開口部
４０：矢印

Claims (2)

1. 鉛直方向に向いている軸と前記軸が挿入される軸孔を有するハウジングとの間に設けられ、前記軸と前記ハウジングとの間の環状隙間を密封するメカニカルシールであって、
   軸方向に垂直なシール面を有し、前記軸とともに回転する回転環ユニットと、
   前記回転環ユニットの鉛直下方に設けられ、軸方向に垂直かつ前記回転環ユニットのシール面と対向するシール面を有し、前記ハウジングに設けられる固定環ユニットと、
   前記固定環ユニットを鉛直上方に付勢する付勢部材と、
   前記付勢部材を収容する収容室を有し、前記固定環ユニットの鉛直下方で前記ハウジングに固定されるシールケースと、
   を有し、
   前記シールケースの径方向外側の端部は前記シール面の径方向の位置よりも外側にあり、
   前記収容室は、前記シールケースの鉛直上方の面に開口し、
   前記収容室の底部には、前記収容室内と前記シールケースの外部とを連通し径方向外側に向かって鉛直下方に傾いている連通路が設けられ、
   前記シール面の径方向外側に、円筒状のカバーが設けられていることを特徴とするメカニカルシール。
2. 鉛直方向に向いている軸と、
   前記軸が挿入される軸孔を有するハウジングと、
   前記軸と前記ハウジングの間に設けられ、前記軸と前記ハウジングの間の環状隙間を密封するメカニカルシールと、
   を有する密封構造であって、
   前記メカニカルシールは、
   軸方向に垂直なシール面を有し、前記軸とともに回転する回転環ユニットと、
   前記回転環ユニットの鉛直下方に設けられ、軸方向に垂直かつ前記回転環ユニットのシール面と対向するシール面を有し、前記ハウジングに設けられる固定環ユニットと、
   前記固定環ユニットを鉛直上方に付勢する付勢部材と、
   前記付勢部材を収容する収容室を有し、前記固定環ユニットの鉛直下方で前記ハウジングに固定されるシールケースと、
   を有し、
   前記シールケースの径方向外側の端部は前記シール面の径方向の位置よりも外側にあり、
   前記収容室は、前記シールケースの鉛直上方の面に開口し、
   前記収容室の底部には、前記収容室内と前記シールケースの外部とを連通し径方向外側に向かって鉛直下方に傾いている連通路が設けられ、
   前記シール面の径方向外側に、円筒状のカバーが設けられていることを特徴とする密封構造。
   

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