JP6857054B2 - スラリ流体用メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、スラリ流体用メカニカルシールに関する。

従来より、回転機器の内部の被密封流体であるスラリ流体をシールするものとして、図４に示すように、回転軸１０１側に一体回転可能に設けられた回転密封環１０２と、ケーシング１０３側に設けられた金属製の環状のリテーナ１０４と、回転密封環１０２と軸方向に対向した状態でリテーナに保持された静止密封環１０５と、リテーナ１０４を介して静止密封環１０５を回転密封環１０２側に押圧する弾性ベローズ１０６とを備えたメカニカルシール１１０が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このようなメカニカルシール１１０を備えた回転機器には、静止密封環１０５、リテーナ１０４及び弾性ベローズ１０６の内周側に、スラリ流体を密封する機内領域１０７が形成されており、この機内領域１０７には、リテーナ１０４をケーシング１０３に対して調心（リテーナ１０４の振れ回りを一定範囲に抑制する振れ止め）する筒状のバッフル１０８が配置されている。すなわち、リテーナ１０４の内周面をバッフル１０８の外周面に接近させることによって、リテーナ１０４を調心している。バッフル１０８は、ケーシング１０３側のシールケース１０９に固定されている。

特開２０１６−１２５５９７号公報

上記メカニカルシール１１０では、機内領域１０７のスラリ流体に硬質のスラッジが含まれていると、このスラッジがリテーナ１０４の内周面とバッフル１０８の外周面との間に形成された隙間に噛み込む場合がある。このようにスラッジの噛み込みが発生すると、リテーナ１０４及びバッフル１０８が摩耗することで、バッフル１０８によるリテーナ１０４の調心機能が徐々に低下する。そして、リテーナ１０４の調心機能が低下すると、メカニカルシール１１０の背面側部材に振れや振動が発生し、それに起因して背面側部材（例えば弾性ベローズ１０６）が破損し、スラリ流体が外部に漏洩するおそれがあるという問題があった。

そこで、リテーナ１０４の外径を大きくして、その外周面をシールケース１０９の内周面に接近させることによって、リテーナ１０４を調心することが考えられる。しかし、この場合には、リテーナ１０４がシールケース１０９に接触することによってシールケース１０９が損傷し易くなる。このようにシールケース１０９が損傷すると、リテーナ１０４の調心機能が低下することによってメカニカルシール１１０の背面側部材（例えば弾性ベローズ１０６）が破損し、多量のスラリ流体が外部に漏洩するおそれがあるため、結果的に上記問題を解消することはできない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、スラリ流体を密封する静止密封環を保持しているリテーナの調心機能が低下するのを防止できるスラリ流体用メカニカルシールを提供することを目的とする。

本発明のスラリ流体用メカニカルシールは、回転軸側に一体回転可能に取り付けられた回転密封環と、前記回転軸を包囲しているケーシング側に取り付けられた環状のリテーナと、前記リテーナに保持され、前記回転密封環が摺接することでスラリ流体を密封する静止密封環と、前記リテーナを介して前記静止密封環を前記回転密封環側へ押圧する弾性ベローズと、前記リテーナの外周面および内周面のうち、前記スラリ流体が密封された機内領域に面していない周面との間に微小隙間をあけた状態で前記ケーシング側に取り付けられているリング部材と、を備える。

本発明によれば、静止密封環を保持するリテーナの外周面および内周面のうち、スラリ流体が密封された機内領域に面していない周面との間に微小隙間をあけてリング部材を配置し、このリング部材によってリテーナをケーシング側に対して調心しているので、スラリ流体に含まれる硬質のスラッジがリテーナとリング部材との間に噛み込むことはない。これにより、スラッジの噛み込みに起因してリテーナの調心機能が低下するのを防止できる。また、リテーナは、ケーシング側に取り付けられたリング部材に接触して調心されるので、リテーナがケーシング側に接触することはない。このため、ケーシング側の破損に起因してリテーナの調心機能が低下することも防止できる。

前記スラリ流体用メカニカルシールにおいて、前記リング部材は、前記リテーナよりも弾性率が小さい材質からなり、前記ケーシング側に対して着脱自在に取り付けられているのが好ましい。
この場合、リング部材はリテーナよりも柔らかい材質からなるため、リテーナがリング部材に接触して摩耗するのを抑制することができる。また、リング部材はケーシング側に着脱自在に取り付けられているため、リング部材がリテーナとの接触により摩耗しても、容易に新しいリング部材と交換することができる。

前記スラリ流体用メカニカルシールは、機内側および機外側に配置された一対のメカニカルシールの間に封液が導入される封液領域を形成してなるダブル型メカニカルシールにおける機内側のメカニカルシールであり、前記リング部材は、前記リテーナの前記封液領域に面する外周面との間に微小隙間をあけた状態で前記ケーシング側に取り付けられ、前記リング部材の周方向の少なくとも１箇所に、前記封液が通過する封液通路が軸方向に貫通して形成されているのが好ましい。

この場合、ダブル型メカニカルシールの機内側のメカニカルシールにおいて、リテーナをケーシングに対して調心するリング部材は、封液が導入される封液領域に配置されるが、リング部材の周方向の少なくとも１箇所には、封液が通過する封液通路が形成されているので、リング部材によって封液の流通が阻害されることはない。したがって、リテーナ及び弾性ベローズに対する背圧の付与を阻害することなく、リテーナの調心機能が低下するのを防止できる。

本発明によれば、スラリ流体を密封する静止密封環を保持しているリテーナの調心機能が低下するのを防止できる。

本発明の一実施形態に係るスラリ流体用メカニカルシールを備えたダブル型メカニカルシール装置の断面図である。 機内側の第２メカニカルシールの拡大断面図である。 リング部材の正面図である。 従来のメカニカルシールの断面図である。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
［全体構成］
図１は、本発明の一実施形態に係るスラリ流体用メカニカルシールを備えたダブル型メカニカルシール装置の断面図である。このダブル型メカニカルシール装置１は、スラリ流体（被密封流体）を取り扱うポンプ等の回転機器において、ケーシング５１に取り付けられたシールケース５２と、その回転機器の回転軸６１との間に設けられている。シールケース５２は、機外領域Ａと機内領域Ｃとを区画する区画領域に配置されている。

ダブル型メカニカルシール装置１は、回転軸６１の軸方向（以下、単に「軸方向」という）に所定間隔をあけて互いに並列に配置された機外側の第１メカニカルシール２及び機内側の第２メカニカルシール３を備えている。第１メカニカルシール２と第２メカニカルシール３との間には、密封及び冷却用の封液が導入される環状の封液領域Ｂが形成されている。第１メカニカルシール２は、機外領域Ａと封液領域Ｂとの間をシールするものであり、第２メカニカルシール３は、封液領域Ｂと機内領域Ｃとの間をシールするものである。

シールケース５２は、円環状に形成されたケース円環部５３と、このケース円環部５３から機内側に延びる円筒状のケース円筒部５４とを有している。ケース円環部５３は、ケーシング５１の外側面とフランジ５５との間に挟持された状態で、ボルト５６によりケーシング５１に固定されている。ケース円筒部５４の外周面は、ケーシング５１の内周面に嵌合されている。

ケース円環部５３には、封液領域Ｂに封液を供給する供給路５３ａと、封液領域Ｂ内の封液を外部に排出する排出路５３ｂとが形成されており、回転機器の運転中に供給路５３ａから封液領域Ｂに供給された封液により、第１及び第２メカニカルシール２，３を冷却することができる。また、第１及び第２メカニカルシール２，３を冷却した封液は、排出路５３ｂから外部に排出される。封液領域Ｂ内の封液の圧力は、機内領域Ｃ内のスラリ流体の圧力よりも高く設定されており、機内領域Ｃのスラリ流体が封液領域Ｂに漏洩するのを防止している。

［第１メカニカルシール］
機外側の第１メカニカルシール２は、回転軸６１側に一体回転可能に取り付けられた回転密封環５と、ケーシング５１側に取り付けられた静止密封環６とを備えている。回転密封環５は、例えばＳｉＣ焼結体からなり、その機外側の端部にはシール面５ａが形成されている。回転密封環５は、その外周側がＯリング７によりシールされた状態でドライブリング８に嵌合して固定されている。ドライブリング８には、機外側に突出するピン８ａが周方向に所定間隔をあけて複数（図１では１個のみ図示）突設されている。各ピン８ａは、回転密封環５に形成された係合孔５ｂに係合している。これにより、回転密封環５は、ドライブリング８に対する相対回転が規制されている。

また、ドライブリング８には、径方向に貫通するネジ孔８ｂが周方向に所定間隔をあけて複数（図１では１個のみ図示）形成されており、各ネジ孔８ｂにはセットスクリュー９が螺合されている。このセットスクリュー９を締め付けることで、その先端部がスリーブ１０の外周面を押し付けている。スリーブ１０は、その機外側の端部に配置されたストッパリング１６に螺合されているセットスクリュー１７を締め付けることで、回転軸６１の外周面に一体回転可能に嵌合されている。これにより、ドライブリング８は、回転軸６１側に固定されている。なお、ドライブリング８の内周面とスリーブ１０の外周面との間はＯリング１１によりシールされている。また、スリーブ１０の内周面の軸方向両端部と回転軸６１の外周面との間はＯリング１８，１９によりシールされている。

静止密封環６は、例えばＳｉＣ焼結体からなり、その機内側の端部には、回転密封環５のシール面５ａが摺接するシール面６ａが形成されている。静止密封環６は、保持リング１２に焼き嵌めにより固定されている。保持リング１２には、軸方向に貫通する挿通孔１２ａが周方向に所定間隔をあけて複数（図１では１個のみ図示）形成されており、各挿通孔１２ａには、ドライブピン１３が挿通されてフランジ５５の側面に固定されている。これにより、保持リング１２は、静止密封環６と共にフランジ５５に対して軸方向へ移動可能に保持されながら、フランジ５５に対する相対回転が規制されている。

保持リング１２とフランジ５５との間には、保持リング１２を機内側へ押圧するスプリング１４が周方向に所定間隔をあけて複数（図１では１個のみ図示）設けられている。これにより、静止密封環６は、スプリング１４により回転密封環５側へ押圧されている。なお、保持リング１２の外周面とフランジ５５の内周面との間はＯリング１５によりシールされている。

［第２メカニカルシール］
機内側の第２メカニカルシール（スラリ流体用メカニカルシール）３は、回転軸６１側に一体回転可能に取り付けられた回転密封環２１と、ケーシング５１側に取り付けられた環状のリテーナ２２と、リテーナ２２に保持された静止密封環２３と、リテーナ２２に一端部が取り付けられた弾性ベローズ２４と、弾性ベローズ２４の他端部が取り付けられた環状のアダプタ２５とを備えている。

回転密封環２１は、例えばＳｉＣ焼結体からなり、その機内側の端部にはシール面２１ａが形成されている。回転密封環２１は、その外周側が金属製の保持リング２６に焼き嵌めにより固定されている。保持リング２６には、外周側を開口した環状溝２６ａが形成されており、この環状溝２６ａに環状のカラー２７が挿入されている。カラー２７には、図示を省略するが、軸方向に貫通するネジ孔が周方向に所定間隔をあけて複数形成されており、これらのネジ孔には、スリーブ１０の鍔部１０ａ及び保持リング２６を軸方向に貫通したボルト２８の先端部が螺合されている。これにより、保持リング２６は、スリーブ１０に対する相対回転が規制されている。なお、保持リング２６と鍔部１０ａとの間はガスケット３４によりシールされている。

図２は、第２メカニカルシール３の拡大断面図である。第２メカニカルシール３の静止密封環２３は、例えばＳｉＣ焼結体からなり、その機外側の端部には、回転密封環２１のシール面２１ａが摺接することで機内領域Ｃのスラリ流体を密封するシール面２３ａが形成されている。静止密封環２３の外周は、金属製のリテーナ２２に焼き嵌めにより固定されている。

弾性ベローズ２４は蛇腹筒状に形成されており、一端部はリテーナ２２の機内側（軸方向においてシール面２３ａと反対側）の端面に溶接により固定され、他端部はアダプタ２５の機外側（軸方向においてシール面２３ａ側）の端面に溶接により固定されている。すなわち、リテーナ２２、弾性ベローズ２４及びアダプタ２５は、一体化されており、広義のベローズの構成要素である。ケース円筒部５４の機内側の端部には、径方向内方に延びる環状の屈曲部５４ａが形成されており、この屈曲部５４ａの機外側の側面には、アダプタ２５の機内側の端面が当接した状態でボルト２９（図１参照）により屈曲部５４ａに固定されている。

これにより、弾性ベローズ２４は、リテーナ２２を介して静止密封環２３を回転密封環２１側へ押圧している。また、上述のように、封液領域Ｂ内の封液の圧力は、機内領域Ｃ内のスラリ流体の圧力よりも高く設定されているため、リテーナ２２及び弾性ベローズ２４には背圧が作用する。したがって、静止密封環２３には、弾性ベローズ２４の押圧力に加えて、封液による背圧が作用するので、第２メカニカルシール３のシール性能を高めることができる。

［調心機構］
第２メカニカルシール３は、リテーナ２２をケーシング５１側のシールケース５２に対して調心するリング部材３２をさらに備えている。ここで、調心とは、リテーナの振れ回りを一定範囲に抑制する振れ止めを指す。リング部材３２は、金属製のリテーナ２２よりも弾性率が小さい材質、すなわち金属製のリテーナ２２よりも柔らかい材質からなる。本実施形態のリング部材３２は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる。

リング部材３２は、リテーナ２２の機内領域Ｃに面していない周面との間に微小隙間をあけて配置されている。本実施形態のリング部材３２は、その内周面３２ａと、封液領域Ｂに面する外周面２２ｂとの間に微小隙間をあけた状態で配置されている。リング部材３２の外周面は、ケース円筒部５４の内周に形成された環状の凹部５４ｂに対して着脱自在に嵌合されている。これにより、リング部材３２は、リテーナ２２の外周側をシールケース５２（ケース円筒部５４）に対して調心している。

図３は、リング部材３２の正面図である。本実施形態のリング部材３２は有端環状に形成されており、その周方向両側の端面３２ｂ，３２ｃ同士の間には、封液が軸方向（図３の紙面垂直方向）に通過する封液通路３３が形成されている。つまり、リング部材３２の周方向の１箇所には、封液が通過する封液通路３３が軸方向に貫通して形成されている。

封液通路３３の大きさは、本発明において特に限定されるものではないが、好ましくは、リング部材３２の中心点Ｘを中心とする前記端面３２ｂ，３２ｃ同士のなす角度αが１０°以上かつ２０°以下である。前記角度αは、封液の流通を阻害しないという観点では１０°以上であることが望ましい。また、前記角度αは、リング部材３２によりリテーナ２２の調心機能を効果的に発揮させるという観点では２０°以下であることが望ましい。

［作用効果］
以上、本実施形態のスラリ流体用メカニカルシール（第２メカニカルシール３）によれば、静止密封環２３を保持するリテーナ２２の機内領域Ｃに面していない外周面２２ｂとの間に微小隙間をあけてリング部材３２を配置し、このリング部材３２によってリテーナ２２をシールケース５２に対して調心しているので、スラリ流体に含まれる硬質のスラッジが、リテーナ２２とリング部材３２との間に噛み込むことはない。これにより、スラッジの噛み込みに起因してリテーナ２２の調心機能が低下するのを防止できる。また、リテーナ２２は、シールケース５２に取り付けられたリング部材３２に接触して調心されるので、リテーナ２２がシールケース５２に接触することはない。このため、シールケース５２の破損に起因してリテーナ２２の調心機能が低下することも防止できる。以上により、リテーナ２２の調心機能の低下に伴い、第２メカニカルシール３の背面側部材であるリテーナ２２、弾性ベローズ２４、アダプタ２５（広義のベローズ）に振れや振動が発生し、それに起因して背面側部材（例えば弾性ベローズ２４）が破損し、機内領域Ｃのスラリ流体が外部に漏洩するのを効果的に抑制することができる。

また、リング部材３２は、リテーナ２２よりも弾性率が小さい材質、すなわちリテーナ２２よりも柔らかい材質からなるため、リテーナ２２がリング部材３２に接触して摩耗するのを抑制することができる。また、リング部材３２はシールケース５２に着脱自在に取り付けられているため、リング部材３２がリテーナ２２との接触により摩耗しても、容易に新しいリング部材３２と交換することができる。

また、リング部材３２は、封液が導入される封液領域Ｂに配置されているが、リング部材３２には、封液が通過する封液通路３３が形成されているので、リング部材３２によって封液の流通が阻害されることはない。したがって、リテーナ２２及び弾性ベローズ２４に対する背圧の付与を阻害することなく、リテーナ２２の調心機能が低下するのを防止できる。

［その他］
上記実施形態におけるリング部材３２は、リテーナ２２の機内領域Ｃに面していない外周面との間に微小隙間をあけて配置されているが、リテーナ２２の外周側が機内領域Ｃである場合には、リテーナ２２の内周面との間に微小隙間をあけて配置してもよい。
また、上記実施形態における封液通路３３は、有端環状のリング部材３２の周方向両側の端面３２ｂ，３２ｃ同士の間に形成されているが、リング部材３２を無端環状に形成し、その厚み方向（軸方向）に貫通した貫通孔や貫通溝を封液通路としてもよい。この場合、封液通路である貫通孔や貫通溝を周方向に複数形成してもよい。

また、上記実施形態においては、リテーナ２２の内周側にはバッフルが設けられていないが、リテーナ２２の内周面との間に微小隙間をあけた状態でバッフルを配置し、リテーナ２２の外周面に加えて内周側においても調心するようにしてもよい。この場合、リテーナ２２とバッフルとの間にスラッジが噛み込んで、リテーナ２２の内周側の調心機能が低下又は喪失した場合であっても、リテーナ２２の外周側の調心機能は維持されるため、スラッジの噛み込みに起因してリテーナ２２の調心機能が低下するのを防止できる。

また、本発明のスラリ流体用メカニカルシールは、ダブル型メカニカルシール装置の機内側のメカニカルシールとして説明したが、静止密封環を保持しているリテーナを弾性ベローズにより回転密封環側へ押圧するものであれば、シングル型のメカニカルシールにも適用することができる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ダブル型メカニカルシール装置
２ 第１メカニカルシール
３ 第２メカニカルシール（スラリ流体用メカニカルシール）
２１ 回転密封環
２２ リテーナ
２２ｂ 外周面
２３ 静止密封環
２４ 弾性ベローズ
３２ リング部材
３３ 封液通路
５１ ケーシング
６１ 回転軸
Ｂ 封液領域
Ｃ 機内領域

Claims (2)

1. 回転軸側に一体回転可能に取り付けられた回転密封環と、
   前記回転軸を包囲しているケーシング側に取り付けられた環状のリテーナと、
   前記リテーナに保持され、前記回転密封環が摺接することでスラリ流体を密封する静止密封環と、
   前記リテーナを介して前記静止密封環を前記回転密封環側へ押圧する弾性ベローズと、
   前記リテーナの外周面および内周面のうち、前記スラリ流体が密封された機内領域に面していない周面との間に、前記リテーナが振れ回ったときに前記周面が接触する程度の微小隙間をあけた状態で前記ケーシング側に取り付けられているリング部材と、を備え、
   前記リング部材は、前記リテーナよりも弾性率が小さい材質からなり、前記ケーシング側に対して着脱自在に取り付けられている、スラリ流体用メカニカルシール。
2. 機内側および機外側に配置された一対のメカニカルシールの間に封液が導入される封液領域を形成してなるダブル型メカニカルシールにおける機内側のメカニカルシールであるスラリ流体用メカニカルシールであって、
   回転軸側に一体回転可能に取り付けられた回転密封環と、
   前記回転軸を包囲しているケーシング側に取り付けられた環状のリテーナと、
   前記リテーナに保持され、前記回転密封環が摺接することでスラリ流体を密封する静止密封環と、
   前記リテーナを介して前記静止密封環を前記回転密封環側へ押圧する弾性ベローズと、
   前記封液領域に面し且つ前記スラリ流体が密封された機内領域に面していない前記リテーナの外周面との間に、前記リテーナが振れ回ったときに前記外周面が接触する程度の微小隙間をあけた状態で前記ケーシング側に取り付けられているリング部材と、を備え、
   前記リング部材の周方向の少なくとも１箇所に、前記封液が通過する封液通路が軸方向に貫通して形成されている、スラリ流体用メカニカルシール。

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