JP7123899B2

JP7123899B2 - シール装置

Info

Publication number: JP7123899B2
Application number: JP2019501355A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎徳永; 秀行井上; 航木村; 徹哉井口; 英俊笠原; 純弘松; 康洋黒木; 竜菊池
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2038-02-21
Also published as: JPWO2018155460A1; EP3587874A1; WO2018155460A1; US20200018400A1; EP3587874A4

Description

本発明は、ハウジングと該ハウジングを貫通する回転軸との間を封止するシール装置に関し、特に、ポンプ等の流体機械の回転軸に使用されるフローティングリングを備えたシール装置に関する。

従来、ポンプ等の回転流体機械においては、流体をシールするため、フローティングシールが使用され、例えば、図４に示すものが知られている（以下、「従来技術１」という。例えば、特許文献１参照。）。この従来技術は、流体機械の回転軸４５と、該回転軸４５の外周に取付けられ回転軸と一体に回転するスリーブ４４と、スリーブ４４とクリアランスを有して遊嵌されたシールリング４１と、該シールリング４１の外周の４箇所に設けられた板バネ４６と、シールリング４１を収納するリテーナ４２と、を備え、板バネ４６の突起４６Ａがリテーナ４２に設けた溝４２Ａに係合された状態でシールリング４１は板バネ４６によって支持されている。そして、シールリング４１の内周面と回転軸４５のスリーブ４４との間に発生するくさび効果（くさび部に発生する動圧の効果）と、ロマキン効果（シール差圧が生じた際、シールリングと軸との表面間の流体の流動損失による調心効果）とにより、シールリング４１の内周面と回転軸４５との間の隙間を一定に保つとともに、シールリング４１は高圧流体側からリテーナ４２側へ軸方向に押し付けられ、シールリング４１とリテーナ４２は密封されている。

特開昭５７－１５４５６２号公報

しかしながら、従来技術１にあっては、シールリング４１の外周と板バネ４６は常に相対変位しながら接触しているため、長時間運転するとシールリング４１の外周と板バネとの接触部Ｘには面荒れが生じて、シールリング４１と板バネが固着してしまい、シールリング４１が回転軸４５の動きに追従できなくなる場合がある。また、板バネ４６の突起４６Ａはリテーナ４２の溝４２Ａ内で摩耗や、変形が生じたりする場合もある。この結果、板バネ４６、シールリング４１は回転軸４５の動きに追従することができず、自動調心作用が失われ、回転軸とシールリングとが接触して損傷したり、クリアランスが最適値より大きくなって適正なシール作用が得られない虞がある。

さらに、従来技術１にあっては組立に手間を要していた。すなわち、板バネ４６をリテーナ４２に設け、その後リテーナ４２内にシールリング４１を挿入する場合に、一旦、板バネ４６を圧縮してシールリング４１を挿入するための隙間を確保しなければならない。逆に、先にリテーナ４２内にシールリング４１を配置した後に板バネ４６をリテーナ４２に設ける場合には、板バネ４６を圧縮して、リテーナ４２とシールリング４１との間に隙間を確保して配置しなければならず、組立に手間がかかっていた。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、長時間運転してもシールリングの自動調心作用が維持され、回転軸とシールリングのクリアランスを適正に保つことができ、シールリングによるシール作用と振動減衰機能を発揮でき、組立が容易なシール装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のシール装置は、
ハウジングと、該ハウジングを貫通する回転軸との間を封止するシール装置であって、
前記ハウジングの内周部と前記回転軸との間に配設され、軸方向の一方の端面が前記ハウジングに接触するフローティングリングと、
前記ハウジングに設けられる第１磁石及び前記フローティングリングに設けられる第２磁石によって、前記ハウジングの前記内周部に対し非接触で前記フローティングリングの位置を調心する調心手段と、を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、ハウジングに設けられる第１磁石及びフローティングリングに設けられる第２磁石を備える調心手段によって、ハウジングの内周部に対し非接触でフローティングリングの位置は調心されるので、フローティングリングはハウジングに拘束されることがなく、長時間運転してもフローティングリングの自動調心作用が維持される。これにより、回転軸とフローティングリングのクリアランスは適正に保たれ、フローティングリングの一方の端面とハウジングとの接触によるシール作用を発揮できる。また、ハウジングとフローティングリングとは非接触なので、フローティングリングをハウジング内部に挿入するだけで容易にハウジング内部に配置できる。

本発明のシール装置は、
前記第１磁石は前記ハウジングの前記内周部に、前記第２磁石はフローティングリングの外周部に配設され、前記第１磁石及び前記第２磁石は、それぞれＮ磁極面及びＳ磁極面が径方向に向くように、かつ、前記第１磁石と前記第２磁石とは同極同士が対向するように配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、フローティングリングは磁石の磁気反発力によって押さえ付けられるので、回転軸はフローティングリングを介して動きが制限されるので、回転軸の振動を低減することができる。

本発明のシール装置は、
前記第１磁石及び前記第２磁石は、Ｎ極とＳ極とが隣接する磁極隣接面が非磁性材料によって囲まれることを特徴としている。
この特徴によれば、永久磁石の漏れ磁束を低減できるので効率よく磁力を利用することができる。

本発明の実施の形態に係るシール装置の正面断面図である。図１のＡ－Ａ断面図（側断面図）である。実施例２に係るシール装置の側断面図である。従来のシール装置の側断面図である。

本発明に係るシール装置を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。

本発明の実施例１の形態に係るシール装置１０を図１及び図２を参照して説明する。ケーシング２１を貫通するようにして流体機械の回転軸２０が配設されており、左側が高圧側、右側が低圧側である。シール装置１０は、フローティングリング１５と、該フローティングリング１５を収納するハウジング１１から主に構成される。

ハウジング１１は、ホルダ１１ａとフランジ１１ｂとから主に形成される。ホルダ１１ａは締結手段２２によってケーシング２１に固定される。ホルダ１１ａ及びフランジ１１ｂは、それぞれ回転軸２０と所定の隙間を有し、回転軸２０が貫通する孔を有する。ホルダ１１ａ、フランジ１１ｂ及びハウジング１１を貫通する回転軸２０によって囲まれた空間Ｓにフローティングリング１５が収納される。フランジ１１ｂの内周部に永久磁石１４（本発明の第１磁石）が周方向に離間して複数（本実施例では４個）設けられている。複数の永久磁石１４の間には非磁性材料からなるスペーサ１６が配置され、永久磁石１４とスぺ―サ１６は互いの周方向位置を保持している。また、永久磁石１４とスぺ―サ１６の内周面は同一内径寸法を有する円筒面に形成され、永久磁石１４とスぺ―サ１６の内周面がフランジ１１ｂの内周面を構成する。フローティングリング１５はバネなど付勢手段１９によって付勢され、シールリング１３の端面１３ｃとホルダ１１ａの端面１１ｃとが密着してシールリング１３とホルダ１１ａは密封される。以下、シールリング１３の端面１３ｃとホルダ１１ａの端面１１ｃとの密着による密封手段を二次シールと記す。

フローティングリング１５は、シールリング１３、シールリング１３の外周に嵌合されるリテーナ１２、リテーナ１２の外周に配設された永久磁石１７（本発明の第２磁石）から主に構成される。

シールリング１３は、断面略矩形の円環状の部材で、カーボンなどの摺動性の良い材料から構成される。シールリング１３の内周面１３ａは、回転軸２０の外周面２０ａに対し微小な径方向の間隙ｈ（内側間隙）を有する円筒面に形成されている。

リテーナ１２はオーステナイト系ステンレス、プラスチック等の非磁性材料からなる環状部材である。リテーナ１２はカーボン等からなるシールリング１３の外周にしまり嵌めされることによって、シールリング１３に圧縮力を付加している。これにより、シールリング１３をカーボンのような脆い材料から構成しても、回転軸２０と接触等によるシールリング１３の破損を防止することができる。リテーナ１２の外周には複数の溝部１２ａが周方向に離間して設けられ、該溝部１２ａは永久磁石１４と対向する位置に複数設けられ、該溝部１２ａには永久磁石１７（本発明の第２磁石）が固定される。リテーナ１２の外周面と永久磁石１７の外周面は同一寸法を有する円筒面に形成され、リテーナ１２の外周面と永久磁石１７の外周面がフローティングリング１５の外周面を構成する。なお、永久磁石１７は、リテーナ１２の外周にスぺーサを設けて永久磁石１４を取り付けてもよい。同じく、永久磁石１４は、永久磁石１７のようにフランジ１１ｂの内周に設けた溝に取り付けてもよい。

永久磁石１７を配設したリテーナ１２と、永久磁石１４を配設したハウジング１１とによって本発明の調心手段１８が構成される。永久磁石１４と永久磁石１７は、フェライト磁石、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、プラセオジム磁石等からなり、使用される温度条件、要求される磁力によって選択される。永久磁石１４、永久磁石１７はそれぞれ径方向に磁束が流れるように着磁される。永久磁石１４はフランジ１１ｂの内周部に取付けられ、永久磁石１７はリテーナ１２の外周部にそれぞれ取付けられ、同じ磁極面同士が径方向に対向するように複数取付けられる。たとえば、図２に示すように、永久磁石１４のＳ磁極面１４Ｓが径方向内側に向くように、永久磁石１７のＳ磁極面１７Ｓが径方向外側に向くように取付け、Ｓ磁極面１４ＳとＳ磁極面１７Ｓが対面するように配置される。又は、永久磁石１４のＮ磁極面１４Ｎが径方向内側に向くように、永久磁石１７のＮ磁極面１７Ｎが径方向外側に向くように取付け、Ｎ磁極面１４ＮとＮ磁極面１７Ｎが対面するように配置してもよい。

ハウジング１１を貫通する回転軸２０の外周に遊嵌されたフローティングリング１５は、ハウジング１１の空間Ｓに配置される。これにより、フローティングリング１５の永久磁石１７とフランジ１１ｂの内周部の永久磁石１４とは、磁気反発力によって所定の間隙ｇ（外側間隙）を維持した状態で取付けられるとともに、フローティングリング１５の内周面１３ａは回転軸２０の外周面２０ａと間隙ｈ（内側間隙）を有した状態で取付けられ、ハウジング１１の空間Ｓ内に収納される。これにより、調心手段１８は、永久磁石１７と永久磁石１４の磁気反発力によって、フローティングリング１５の外周面とハウジング１１のフランジ１１ｂの内周面とは全周に亘って間隙ｇを保つことができるとともに、フローティングリング１５の内周面１３ａと回転軸２０の外周面２０ａとは全周に亘って間隙ｈを保ち、フローティングリング１５はハウジング１１と径方向に非接触で径方向位置を自立的に調心する。また、間隙ｈと間隙ｇは、０．５≦ｇ／ｈ≦２の範囲に形成される。これにより、調心手段１８の磁気反発力による調心作用に加え、間隙ｈ、ｇを出入りする流体による調芯効果、減衰効果により、回転軸２０の振動を一層低減することができる。なお、フローティングリング１５には、図示しない周方向の位置決め手段が設けられている。

永久磁石１４及び永久磁石１７において、異なる磁極が隣接する磁極隣接面１４ａ、１４ｂ、１７ａ、１７ｂは、オーステナイトステンレス、プラスチック、空気などの非磁性材料によって覆われている。永久磁石１４及び永久磁石１７の磁極隣接面１４ａ、１４ｂ、１７ａ、１７ｂは、Ｎ極とＳ極が近接しているため、磁束がＮ極からＳ極へ短絡して流れる漏れ磁束が大きい。このため、永久磁石１４及び永久磁石１７の磁極隣接面１４ａ、１４ｂ、１７ａ、１７ｂを磁気抵抗の高い非磁性材料によって覆うことにより漏れ磁束を減少でき、永久磁石１４と永久磁石１７との磁気反発力を高めることができる。なお、オーステナイトステンレスよりもプラスチック、空気の方が漏れ磁束を低減する効果は大きい。

次に前述のような構成のシール装置１０の作用を説明する。回転流体機械の停止中において、調心手段１８は、ハウジング１１のフランジ１１ｂの永久磁石１４とフローティングリング１５の永久磁石１７の磁気反発力によって、フローティングリング１５とハウジング１１のフランジ１１ｂは間隙ｇを保つように径方向に自動的に調心するとともに、フローティングリング１５のシールリング１３の内周面１３ａと回転軸２０の外周面２０ａとは間隙ｈを保つように径方向に調心する。このようにフローティングリング１５と回転軸２０との間にくさび効果が発生しない停止中であっても、フローティングリング１５の内周面１３ａと回転軸２０の外周面２０ａは微小な間隙ｈが保たれるので、回転流体機械の起動時におけるシールリング１３の摩耗を防ぐことができる。また、シールリング１３の端面１３ｃとホルダ１１ａの端面１１ｃとが密着による二次シールは、停止中においても健全に機能する。

運転中においても、調心手段１８は、ハウジング１１のフランジ１１ｂの永久磁石１４とフローティングリング１５の永久磁石１７の磁気反発力によって間隙ｇを保つように調心し、さらにフローティングリング１５と回転軸２０とはくさび効果による動圧により間隙ｈを保つように調心される。このように、外周側と内周側とを保持されるフローティングリング１５は、回転軸２０の外周面２０ａとの間隙ｈを全円周に亘ってほぼ一様にすることができ、良好なシール状態が得られる。

また、運転中においては、フローティングリング１５は、付勢手段１９の押圧力に加えて、高圧流体側から低圧流体側への圧力によって、シールリング１３の端面１３ｃとホルダ１１ａの端面１１ｃとがさらに密着するので、二次シールのシール効果はさらに高まる。

また、運転中に回転軸２０が振動によって大きく振れ回っても、フローティングリング１５と回転軸２０との間に芯ずれが発生して、フローティングリング１５の外周側の間隙ｇと内周側の間隙ｈが不均一になる。しかし、偏心によって間隙ｈが小さくなっても、フローティングリング１５の内周面１３ａと回転軸２０の外周面２０ａとの間にはくさび効果による動圧によって、シールリング１３と回転軸２０との間の芯ずれを解消する力が作用し、フローティングリング１５の径方向位置は調心される。さらに、フローティングリング１５の外周側には、調心手段１８の磁気反発力も作用するのでフローティングリング１５は径方向位置が自動的に調心される。このように、回転軸２０が大きく振れ回り、フローティングリング１５が振動しても、フローティングリング１５の内周側にはくさび効果による動圧が作用し、フローティングリング１５の外周側には磁気反発力が作用して、フローティングリング１５の振動は低減され、延いてはフローティングリング１５を介して回転軸２０の振動も低減される。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。

フローティングリング１５は、その外周側から調心手段１８の磁気反発力によって非接触でクリアランスｇを保つように径方向に調心され、さらに、その内周側からくさび効果による動圧によって微小なクリアランスｈを保つように保持されるので、停止中及び運転中において良好なシール状態が得ることができ、延いてはシールリング１３の摩耗を防ぐことができる。

ハウジング１１の内径側に配置されるフローティングリング１５は、ハウジング１１に対して隙間を有し、非接触であるため、取付のための治具等が必要なく、ハウジング１１内部に挿入するだけで、簡単にハウジング内部に配置することができる。

フローティングリング１５は、その外周側を調心手段１８の磁気反発力によって保持されるとともに、その内周側をくさび効果による動圧によって保持される。すなわち、外周側と内周側とから動きを保持されるフローティングリング１５によって、回転軸２０の振動の規制され、振動を低減することができる。

調心手段１８の磁気反発力によって、フローティングリング１５はハウジング１１に対し非接触で自動調心されるので、調心手段１８はフローティングリング１５及びハウジング１１に固着することなく、長期にわたってその機能を発揮することができる。

永久磁石１４の異なる磁極が隣接する磁極隣接面１４ａ、１４ｂ及び永久磁石１７の軸方向の磁極隣接面１７ａ、１７ｂは非磁性材料によって覆われているので、漏れ磁束を低減して効率良く永久磁石１４と永久磁石１７との反発力を高めることができる。

シールリング１３は、カーボン等の自己潤滑性、摺動性に優れた材料から構成されるので、運転中にホルダ１１ａの端面１１ｃと常に相対変位しても、摩耗、面荒れ等を防止でき、長期間に亘って二次シールの機能を維持することができる。

次に、実施例２に係るシール装置につき、図３を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する構成を省略する。実施例２に係るシール装置３０は、調心手段の永久磁石３４、３７を環状に形成した点で、実施例１のシール装置１０と主に相違するが、その他の基本構成は実施例１と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図３に示すように、調心手段３８は、リテーナ１２の外周部に取付けられた円環状の永久磁石３７とハウジング１１のフランジ１１ｂの内周部に配設された円環状の永久磁石３４とによって構成される。永久磁石３４と永久磁石３７は、フェライト磁石や希土類磁石を環状に形成したものや、フェライト磁石や希土類磁石の粉末をゴムやプラスチックに混ぜて成形したプラスチック磁石からなる。プラスチック磁石は、樹脂を混合しているので、複雑な形状、肉薄の形状に成形することができ、仕上げ加工をしなくても高い寸法精度が得られる。円環状に成形された永久磁石３４、永久磁石３７はそれぞれ径方向に磁束が流れるように着磁される。そして、フランジ１１ｂの内周部に配設される永久磁石３４と、リテーナ１２の外周部に配設される永久磁石３７とは、間隙ｇを介して同極同士が対向するように取付けられる。これにより、永久磁石３４と永久磁石３７は全周に亘って均一な磁気反発力を得ることができるので、リテーナ１２の外周部に取付けられた円環状の永久磁石３７の外周面と、ハウジング１１のフランジ１１ｂの内周部に取付けられた円環状の永久磁石３４の内周面とは全周に亘って間隙ｇを有し、シールリング１３の内周面１３ａと回転軸２０との間に全周に亘って間隙ｈを有した状態で取付けられ取付けられる。なお、永久磁石３４と永久磁石３７は一体で円環状に形成してもよいし、周方向に分割して構成したものをハウジング１１のフランジ１１ｂの内周部やリテーナ１２の外周部に取付けて円環状に構成してもよい。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、上記実施例において、フローティングリング１５は環状一体に構成したが、これに限らず周方向に分割して構成したものを環状に一体に組み立ててもよい。

上記実施例において、フローティングリング１５は付勢手段１９によって付勢されていたが、付勢手段１９を使用しないで、高圧流体側から低圧流体側への圧力によって、シールリング１３の端面１３ｃとホルダ１１ａの端面１１ｃとがさらに密着させて、二次シールを構成してもよい。

上記実施例において、調心手段１８はリテーナ１２の外周部に取付けられた永久磁石１７とハウジング１１のフランジ１１ｂの内周部に取付けられた永久磁石１４とによって構成されていたが、これに限らない。たとえば、リテーナ１２の外周部に永久磁石を取付け、ハウジング１１のフランジ１１ｂの内周部に電磁石を取付けて構成してもよい。

また、ポンプの作動流体が液体ヘリウムのような超低温の流体の場合には永久磁石に換えて超電導磁石としてもよい。超電導磁石はピン止め効果を有するため、フローティングリングの回り止めが不要となる効果も得られる。

また、本発明はシール装置を主目的として用いるが、軸の振動を減衰する減衰装置として用いてもよい。

１０シール装置
１１ハウジング
１１ａホルダ
１１ｂフランジ
１２リテーナ
１３シールリング
１４永久磁石（第１磁石）
１５フローティングリング
１７永久磁石（第２磁石）
１８調心手段
１９付勢手段
２０回転軸
２１ケーシング
２２締結手段
３０シール装置
３４永久磁石（第１磁石）
３７永久磁石（第２磁石）
３８調心手段
Ｓ空間
ｇ間隙（外側間隙）
ｈ間隙（内側間隙）

Claims

ハウジングと、該ハウジングを貫通する回転軸との間を封止するシール装置であって、
前記ハウジングの内周部と前記回転軸との間に配設され、軸方向の一方の端面が前記ハウジングに接触するフローティングリングと、
前記ハウジングに設けられる第１磁石及び前記フローティングリングに設けられる第２磁石によって、前記ハウジングの前記内周部に対し非接触で前記フローティングリングの位置を調心する調心手段と、を備えることを特徴とするシール装置。
前記第１磁石は前記ハウジングの前記内周部に、前記第２磁石はフローティングリングの外周部に配設され、前記第１磁石及び前記第２磁石は、それぞれＮ磁極面及びＳ磁極面が径方向に向くように、かつ、前記第１磁石と前記第２磁石とは同極同士が対向するように配設されることを特徴とする請求項１に記載のシール装置。
前記第１磁石及び前記第２磁石は、Ｎ極とＳ極が隣接する磁極隣接面が非磁性材料によって囲まれることを特徴とする請求項２に記載のシール装置。