JP7219837B1 - メカニカルシールおよびこれを備える槽外撹拌機 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動軸の軸方向での熱膨張への追従性および軸振れに対する径方向への移動の追従性により優れたメカニカルシールを提供する。【解決手段】メカニカルシール２０Ａ、２０Ｂは、ケーシングを構成する１２Ａ、１２Ｂ内に回転可能に支承された駆動軸１４を備える機器での駆動軸１４とケーシングとの軸封部に用いられ、駆動軸１４とともに回転する回転環３０と、回転環３０に対して駆動軸１４の軸方向に対向配置されて回転環３０の摺接面３１に摺接する摺接面４１を有する固定環４０と、固定環４０とケーシングとの間に介装されて固定環４０とケーシングとの間を封止するとともに回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１に面圧を与える第一の弾性部材５０と、固定環４０とケーシングとの間に介装されて回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１に面圧を与える第二の弾性部材５６と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、流体機器のケーシングに付設されるとともにケーシング内に駆動軸を回転可能に支承する軸支ハウジングに用いられるメカニカルシールに係り、特に、流体機器としての槽外撹拌機の駆動軸用軸封装置として好適なメカニカルシールに関する。

流体機器として、例えば消化槽の槽外に付設される撹拌機として、両持ちされる駆動軸の軸方向中央にインペラが設けられ、駆動軸の正転・逆転の切替で管路のどちらからでも吸い込みと吐き出しができる槽外撹拌機が知られている。この種の槽外撹拌機において、駆動軸の両端は、軸封装置でシールされるとともに軸受によって回転自在に支持される（例えば特許文献１参照）。

特開２００５－３１５１２１号公報

ここで、この種の槽外撹拌機は、消化槽に付設されて用いられるため、撹拌液が消化汚泥であり、撹拌液の温度が４０℃程度の中温に管理される。一方、駆動軸は、消化汚泥に対する耐食性に鑑みて、例えばオーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４）製とされ、鉄よりも熱線膨張係数が高い材料で製作される。
また、従来、軸封装置には、例えばマルチスプリング形のメカニカルシールが採用される。そのため、この種の槽外撹拌機においては、駆動軸の軸方向の熱膨張量が比較的に大きくなり、メカニカルシールの適正面圧を広い範囲で安定して保持することが難しくなる。

また、メカニカルシールには、回転環と固定環との間の摺接部での微小摺動すきまに撹拌液が介在する。よって、摺接部の面圧が小さすぎれば微小摺動すきまから液漏れが生じるし、摺接部の面圧が高すぎれば微小摺動すきまが無くなって焼き付くおそれがある。
特に、マルチスプリング形のメカニカルシールは、コイルバネによる押圧力によって摺接部での摺動面圧を確保しているため、駆動軸の軸方向での熱膨張に対し、軸方向の移動に広い範囲で安定して追従することは困難である。

さらに、この種の槽外撹拌機においては、駆動軸が両持ち構造であるものの、駆動軸の中央に配置されたインペラが重い上、駆動軸が比較的に長尺である。そのため、駆動軸の軸振れが生じるところ、従来のメカニカルシールであると、軸振れに対する径方向への移動に広い範囲で安定して追従することもまた困難である。

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、流体機器における駆動軸の軸方向での熱膨張への追従性および軸振れに対する径方向への移動の追従性により優れたメカニカルシールおよびこれを備える槽外撹拌機を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るメカニカルシールは、流体機器のケーシングに付設されるとともにケーシング内に駆動軸を回転可能に支承する軸支ハウジングに用いられるメカニカルシールであって、前記駆動軸とともに回転するように前記駆動軸の外周に固定される環状の回転環と、前記回転環に対して前記駆動軸の軸方向に対向配置されて前記回転環の摺接面に摺接する摺接面を有するとともに前記軸支ハウジング側の部材に固定される固定環と、前記固定環と前記軸支ハウジングとの間に介装されて自身の弾性力により前記固定環と前記軸支ハウジングとの間を封止するとともに自身の弾性力により前記回転環と前記固定環相互の摺接面に面圧を与えるエラストマ製の第一の弾性部材と、前記固定環若しくは第一の弾性部材と前記軸支ハウジング側の部材との間に介装されて自身の弾性力により前記回転環と前記固定環相互の摺接面に面圧を与える金属若しくはエラストマ製の第二の弾性部材と、を備えることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る槽外撹拌機は、ケーシングと、該ケーシングに付設されるとともにケーシング内に軸方向中央にインペラが設けられた駆動軸を両持ちされた状態で回転可能に支承する一対の軸支ハウジングと、を備え、前記駆動軸の正転・逆転の切替に応じて撹拌液を前記ケーシングの送液方向の一方から吸い込み他方に吐き出す２つの吸込吐出口のどちら向きにも送出できる槽外撹拌機であって、前記駆動軸の両端が、前記一対の軸支ハウジングに内蔵されるメカニカルシールでシールされるとともに軸受によって回転自在に支持されており、前記内蔵されるメカニカルシールとして、本発明の一態様に係るメカニカルシールを備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係るメカニカルシールによれば、第一の弾性部材および第二の弾性部材の、二つの弾性部材の協働によって、回転環と固定環相互の摺接面に面圧を与え、必要な摺接面圧を確保する。
これにより、軸方向においては、駆動軸の軸方向の熱膨張を見越して、回転環と固定環との間の摺接部での面圧を高く確保した場合であっても、二つの弾性体の柔軟性（例えば相互に異なるばね定数の設定）によって摺接部への押圧力を加減できる。そのため、上述した、「面圧が高い⇒微小すきまが無くなり⇒焼き付く」という問題を回避できる（以下、「軸方向追従性」ともいう）。

さらに、本発明の一態様に係る槽外撹拌機によれば、駆動軸に軸振れが生じるところ、本実施形態のメカニカルシールは、径方向においては、第一の弾性部材の部分で径方向にも弾性変形して径方向への移動にも広い範囲で安定して追従可能なので、軸振れに応じた径方向への追従性にも優れている（以下、「径方向追従性」ともいう）。

上述のように、本発明によれば、流体機器における駆動軸の軸方向での熱膨張への追従性および軸振れに対する径方向への移動の追従性により優れている。

本発明の一態様に係る槽外撹拌機の一実施形態を備える消化槽の説明図であり、同図（ａ）はその模式的縦断面図、（ｂ）は模式的横断面図（（ａ）でのＺ－Ｚ断面）である。 実施形態の槽外撹拌機の説明図であり、同図では駆動軸の軸線に沿った断面を示している。 図２の槽外撹拌機の軸支ハウジングに内蔵されるメカニカルシールの第一実施形態を説明する要部拡大図である。 図２の槽外撹拌機の軸支ハウジングに内蔵されるメカニカルシールの第二実施形態を説明する要部拡大図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。

［消化槽］
まず、本発明の一態様に係る槽外撹拌機の一実施形態を備える消化槽について説明する。
図１に示すように、本実施形態の槽外撹拌機１０は、下水処理場の消化槽１００の槽外に設置される。消化槽１００には汚泥が貯留され、この汚泥が槽外撹拌機１０の被送液体となる。
同図の例では、消化槽１００には、槽外から２本の送液パイプ１１０Ａ、１１０Ｂが挿入され、送液パイプ１１０Ａの一端が消化槽１００の汚泥の液面よりもやや下方に開口し、送液パイプ１１０Ａの他端が槽外撹拌機１０の一方の吸込吐出口１３Ａに接続される。また、送液パイプ１１０Ｂの一端は、消化槽１００の底面よりもやや上方に開口し、送液パイプ１１０Ｂの他端が槽外撹拌機１０の他方の吸込吐出口１３Ｂに接続される。

［槽外撹拌機］
次に、本発明の一態様に係る槽外撹拌機の一実施形態である槽外撹拌機１０について説明する。
図２に示すように、本実施形態の槽外撹拌機１０は、両持ちされた駆動軸１４の中央にインペラ１５が設けられた流体機器である。本実施形態の槽外撹拌機１０は、駆動軸１４の正転・逆転の切替で、ケーシング本体１１の両端に開口する２つの吸込吐出管１３Ａ、１３Ｂのどちらからでも吐出可能になっている。

詳しくは、本実施形態の槽外撹拌機１０は、図２及び図３に示すように、中空円筒状のケーシング本体１１と、ケーシング本体１１内で正逆両方向に回転可能な駆動軸１４と、駆動軸１４の軸方向中央に固定されたインペラ１５と、ケーシング本体１１の両端に接続される２つの吸込吐出管１２Ａ、１２Ｂと、を備える。

本実施形態の槽外撹拌機１０では、ケーシング本体１１と、ケーシング本体１１の両端に接続される２つの吸込吐出管１２Ａ、１２Ｂと、によって、略Ｕ字状の「ケーシング」が構成される。２つの吸込吐出管１２Ａ、１２Ｂには、横断面円形の吸込吐出口１３Ａ、１３Ｂが端面に開口している。駆動軸１４の一端（図２及び図３に示す例では右側）に不図示のモータが接続され、駆動軸１４を正逆両方向に回転させるようになっている。

駆動軸１４は、「ケーシング」を貫通するとともに「ケーシング」の外に突出する両端の突出部分が「ケーシング」に付設された一対の軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂに両持ちで支持される。
本実施形態では、「ケーシング」を構成する一方の吸込吐出管１２Ａの側部に一方の軸支ハウジング１６Ａが付設されている。また、「ケーシング」を構成する他方の吸込吐出口１２Ｂの側部に他方の軸支ハウジング１６Ｂが付設されている。駆動軸１４の両端は、２つの吸込吐出管１２Ａ、１２Ｂを駆動軸１４の軸方向に沿って貫通し、各吸込吐出管１２Ａ、１２Ｂの外部に突出した突出部分が２つの軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂによってそれぞれ支持される。

本実施形態では、駆動軸１４両端の突出部分は、各軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂにそれぞれ、軸受１７Ａ、１７Ｂで回転自在に支承される。さらに、一方の軸支ハウジング１６Ａの端部には軸封装置としてメカニカルシール２０Ａが装着され、他方の軸支ハウジング１６Ｂの端部には軸封装置としてメカニカルシール２０Ｂが装着されている。

なお、同図の例では、駆動軸１４の両端は、同図右側の軸受１７Ａが、駆動軸１４の軸方向の移動を拘束する固定端とされ、左側の軸受１７Ｂが駆動軸１４の軸方向の移動を許容する自由端とされている。これにより、比較的に長尺な駆動軸１４が熱膨張した際、熱膨張による駆動軸１４の伸び量を自由端側で吸収可能になっている。

各メカニカルシール２０Ａ、２０Ｂは、各軸受１７Ａ、１７Ｂよりも軸方向内側の「ケーシング」との連通部分である、駆動軸１４の突出部分と吸込吐出管１２Ａ、１２Ｂとの間をシールしている。なお、第一実施形態のメカニカルシール２０Ａ、２０Ｂは注水型のメカニカルシールの例であるが、後述する第二実施形態に示すように、無注水型のメカニカルシールを採用することもできる。

このような構成により、本実施形態の槽外撹拌機１０では、駆動軸１４の両端が、軸封装置としてのメカニカルシール２０Ａ、２０Ｂで軸封されるとともに軸受１７Ａ、１７Ｂによって回転自在に支持される。
これにより、本実施形態の槽外撹拌機１０は、インペラ１５が正方向に回転すると、一方の吸込吐出口１３Ａから吸い込まれた被送液体を他方の吸込吐出口１３Ｂから吐出し、インペラ１５が逆方向に回転すると、他方の吸込吐出口１３Ｂから吸い込まれた被送液体を一方の吸込吐出口１３Ａから吐出し、消化槽１００の汚泥を撹拌できる。

［メカニカルシール］
以下、上記メカニカルシール２０Ａ、２０Ｂについてより詳しく説明する。
なお、一方のメカニカルシール２０Ａと、他方のメカニカルシール２０Ｂとは、同様の構成を有する。そのため、ここでは図３に要部を拡大図示するように、図２左側のメカニカルシール２０Ｂについて説明し、メカニカルシール２０Ａ側の拡大図示およびその説明は省略する。また、本明細書では、駆動軸１４の軸方向においてインペラ１５の側を「前側」若しくは「前方」ともよびインペラ１５とは反対の側を「後側」若しくは「後方」ともよぶ。

各メカニカルシール２０Ａ、２０Ｂは、図３に示すように、駆動軸１４の外周に直接若しくは他の部材を介して固定される環状の回転環３０と、回転環３０に対して駆動軸１４の軸方向での後側に対向配置されて回転環３０の摺接面３１に摺接する摺接面４１を有するとともにケーシング本体１１側に固定される固定環４０と、を備える。

ここで、第一実施形態のメカニカルシール２０Ａ、２０Ｂは、２個の弾性部材５０、５６で摺動面圧を確保する「多段弾性体押圧型」のメカニカルシール構造を有する。
詳しくは、各メカニカルシール２０Ａ、２０Ｂは、固定環４０と各軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂとの間に介装されて自身の弾性力により固定環４０と各軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂとの間を封止するとともに自身の弾性力により回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１に面圧を与える環状をなすエラストマ製の第一の弾性部材５０と、固定環４０若しくは第一の弾性部材５０と軸支ハウジング１６Ｂ側の部材との間に介装されて自身の弾性力により回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１に面圧を与える金属若しくはエラストマ製の第二の弾性部材５６と、を有する。

本実施形態では、軸支ハウジング１６Ｂの端面に、駆動軸１４と同軸をなす凹の環状段部によって連結ブロック装着部１６ｄが設けられるとともに、連結ブロック装着部１６ｄよりも内周側に形成されたインロー連結部１６ｅが設けられ、連結ブロック７０が連結ブロック装着部１６ｄに固定されている。軸支ハウジング１６Ｂと連結ブロック７０とのインロー嵌合部間には、ブロックＯリング７２が介装されている。

さらに、連結ブロック７０の端面には、駆動軸１４と同軸をなす凹の環状段部が形成され、この凹の環状段部にインロー装着部８６がインロー嵌合する、固定環支持ブロック８０が、ブロック固定ボルト７４によって軸支ハウジング１６Ｂの端面に固定されている。インロー装着部８６の外周面の適所に形成されたＯリング溝に接液側Ｏリング７３が装着されている。

固定環支持ブロック８０には、上下に貫通する注水管路８１が内部に貫通形成され、注水管路８１の上部に開口する注水口には注水口プラグ８２が螺着されている。固定環支持ブロック８０の後端側は、駆動軸１４の外周面との間が注水部シール９０でシールされている。注水管路８１は、下端の注水端８３が、回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１の部分に連通して内部の空洞部に向けて注水口から注水可能になっている。

固定環支持ブロック８０の前側の内周部には、駆動軸１４と同軸をなす凹の環状段部により移動規制面８４が形成されており、また、インロー装着部８６の内周面の中央近傍に、径方向に形成された凹の円環溝からなる弾性部材固定溝８５が形成されている。

さらに、固定環支持ブロック８０には、インロー装着部８６の外周面の中央近傍に、径方向に貫通する支持ピン固定穴８７が形成されており、支持ピン固定穴８７に支持ピン４５の基端側端部が固定されている。なお、相互の対向面の間には調整シム７１が介装されており、調整シム７１の介装枚数によって、回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１の面圧を調整可能になっている。

駆動軸１４の外周面に、円筒状の回転環支持スリーブ６０がスリーブ固定ねじ６１で固定されている。回転環支持スリーブ６０の内周面には、Ｏリング溝が形成され、このＯリング溝にスリーブＯリング６２が装着されている。
回転環支持スリーブ６０の後端は、回転環３０の軸方向規制面６４とされ、また、回転環支持スリーブ６０の内周面の後端側には、駆動軸１４と同軸をなす凹の環状段部によって回転環装着環状段部６６が形成されることで、回転環３０の径方向規制面６５とされている。

さらに、回転環装着環状段部６６の円筒状側面の適所に形成されたＯリング溝に接液側Ｏリング６３が装着され、回転環装着環状段部６６の底面部分に、駆動軸１４の軸方向に沿って支持ピン固定穴６７が形成され、支持ピン固定穴６７に支持ピン３５の基端側端部が固定されている。

特に、本実施形態の固定環４０は、外周面の端部に形成されて縦断面がＬ字状の段部４３を有する。Ｌ字状の段部４３は、軸方向とは交差する段部縦面４３ａおよび軸方向に沿った段部横面４３ｂを有する。
第一の弾性部材５０は、内周端５１、前面端５２および後端面５４を有する。第一の弾性部材５０の内周端は、Ｌ字状の段部４３の二つの面４３ａ、４３ｂにそれぞれ当接している。これにより、第一の弾性部材５０は、固定環４０の径方向への移動および軸方向への移動のそれぞれに対して弾性力で押圧支持可能になっている。

このような構成により、回転環３０は、駆動軸１４若しくは駆動軸１４側に固定された部材に、軸方向での所定範囲の移動を許容する支持ピン３５によって支持される。また、固定環４０は、「ケーシング」側に付設された軸支ハウジング１６Ｂに固定された部材に、軸方向および径方向での所定範囲の移動を許容する支持ピン４５によって支持される。

また、回転環３０は、その内周面３２と駆動軸１４の外周面１４ｇとの間に、第一の対向隙間Ｔ１を確保するように駆動軸１４若しくは駆動軸１４側に固定された部材に装着され、固定環４０は、その内周面４２と駆動軸１４の外周面１４ｇとの間に、第一の対向隙間Ｔ１よりも広い第二の対向隙間Ｔ２を確保するように軸支ハウジング１６Ｂ側に固定された部材に装着される。

さらに、本実施形態では、回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１に面圧を与える複数の弾性部材として、上記第一の弾性部材５０に加え、第二の弾性部材５６を更に介装して複数の環状弾性部材を配置している。

第二の弾性部材５６は、固定環４０若しくは第一の弾性部材５０と軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂ側の部材との間に介装されて自身の弾性力により回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１に面圧を与える金属若しくはエラストマ製の弾性部材とすることができる。

本実施形態では、第二の弾性部材５６は、固定環４０および第一の弾性部材５０と軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂ側の部材との間に介装されて自身の弾性力により回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１に面圧を与える金属若しくはエラストマ製の弾性部材によって構成される。但し、第二の弾性部材５６は、固定環４０に対して固定環自体を直接押圧可能に配置されることが好ましく、第一の弾性部材５０の後部を支える機能を設けない若しくは補助的に有することができる。

すなわち、同図に示すように、本実施形態では、第一の弾性部材５０の軸方向後方に、環状をなす第二の弾性部材５６を有する。同図の例では、第二の弾性部材５６は、第一の第一の弾性部材５０の後端面５４と移動規制面８４との間に介装される円環状の弾性体によって構成されている。

特に、本実施形態においては、移動規制面８４は、固定環４０の後端面と対向する位置まで径方向内側に張り出している。そして、第二の弾性部材５６は、この移動規制面８４との間に介装されて、固定環４０の後端面に当接して固定環４０を第一の弾性部材５０と共に直接押圧している。同図の例では、第二の弾性部材５６の押圧方向の中央部が、丁度、固定環４０の後端面中央の位置に対向するように配置されている。

これにより、本実施形態においては、第一の弾性部材５０による押圧力に加え、第一の弾性部材５０よりも径方向内側の位置にて、第二の弾性部材５６で固定環自体の後端面を直接的に押圧可能とし、径方向の内外での二段の弾性部材５０，５６により摺接面３１，４１の面圧が規定され、摺接面３１，４１での所望の面圧を長期に亘って可及的に維持できるようになっている。

なお、第二の弾性部材５６は、摺接面３１，４１に向けた押圧方向での自由高さを長期に亘って可及的に維持できる押し代で使用するのが望ましい。この種の弾性部材として、非エラストマとして金属製のばね部材を介装できる。例えば、ウェーブワッシャを第二の弾性部材５６として介装することは好ましい。本実施形態では、第二の弾性部材５６としてウェーブワッシャを介装している。但し、金属製のばね部材はウェーブワッシャに限定されず、皿バネ等、弾性力を維持できるスプリング機能を発揮する部材を採用できる。
また、第二の弾性部材５６で摺接面３１，４１に向けて与える摺接面圧は、回転環３０および固定環４０相互の摺接面３１，４１に対して押圧力を付与する割合としては、第一の弾性部材５０による押圧力を付与する割合との比が１：１になる事が望ましい。なお、同図の例では、第一の弾性部材５０は、後端面５４がフラットな面になっている。また、第一の弾性部材５０の内周側の内部には、心金５５が埋入されている。

［動作および作用効果］
次に、本実施形態の槽外撹拌機１０の動作および作用効果について説明する。
本実施形態の槽外撹拌機１０において、駆動軸１４を正方向に回転させると、同軸上に固定されたインペラ１５がケーシング本体１１内で正方向に回転する。これにより、消化槽１００の上方にある汚泥が送液パイプ１１０Ａに吸い込まれ、一方の吸込吐出口１３Ａから吸込吐出管１２Ａを通ってケーシング本体１１に流入する。
ケーシング本体１１に流入した汚泥は、インペラ１５によって昇圧されて高圧となって他方の吸込吐出管１２Ｂに流入し、吸込吐出管１２Ｂから吸込吐出口１３Ｂを通って送液パイプ１１０Ｂに吐出され、送液パイプ１１０Ｂから消化槽１００の下方に吐出される。

また、本実施形態の槽外撹拌機１０において、駆動軸１４を逆方向に回転させると、インペラ１５がケーシング本体１１内で逆方向に回転する。これにより、消化槽１００の下方にある汚泥が送液パイプ１１０Ｂから他方の吸込吐出口１３Ｂから吸込吐出管１２Ｂを通ってケーシング本体１１に流入する。
ケーシング本体１１に流入した汚泥は、インペラ１５によって昇圧されて高圧となって一方の吸込吐出管１２Ａに流入し、吸込吐出管１２Ａから吸込吐出口１３Ａを通って送液パイプ１１０Ａに吐出され、送液パイプ１１０Ａから消化槽１００の上方に吐出される。

ここで、本実施形態の槽外撹拌機１０は、駆動軸１４が比較的に長尺なので、熱膨張による駆動軸１４の伸び量が大きく、また、駆動軸１４両端を支持する位置が離れている。そのため、軸方向中央のインペラ１５部分でのたわみ量も大きくなるため、回転力によるインペラ１５の振れ廻りも大きくなる。

これに対し、本実施形態の槽外撹拌機１０によれば、各メカニカルシール２０Ａ、２０Ｂが、駆動軸１４とともに回転するように駆動軸１４の外周に固定された環状の回転環３０と、回転環３０に対して駆動軸１４の軸方向に対向配置されて回転環３０の摺接面３１に摺接する摺接面４１を有するとともに軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂ側に固定される固定環４０と、エラストマ製の第一の弾性部材５０と、固定環と軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂとの軸方向間に介装されて自身の弾性力により回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１に面圧を与える金属若しくはエラストマ製の第二の弾性部材５６と、を備える構成を採用している［発明１］。

本実施形態では、この「多段弾性体押圧型」のメカニカルシール構造の採用によって、第一の弾性部材５０は、固定環４０と軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂとの間に介装されて自身の弾性力により固定環４０と軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂとの間を封止するとともに自身の弾性力により回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１に面圧を与えるので、熱膨張による駆動軸１４の伸び量を軸方向において吸収するとともに、インペラ部分でのたわみ量についても径方向において吸収できる。そのため、槽外撹拌機用メカニカルシールとして優れた構造であるといえる。

すなわち、本実施形態のメカニカルシール２０Ａ、２０Ｂは、スプリングパッキンという第一の弾性部材５０の弾性体で摺動面圧を確保するため、駆動軸１４の軸方向の熱膨張を見越して、回転環３０と固定環４０との間の摺接面３１，４１での面圧を高く確保した場合であっても、第一の弾性部材５０での押圧力の加減をソフトタッチにすることができる。これにより、前述の「面圧高⇒微小すきまが無くなり焼き付く」という問題を回避できる。

さらに、本実施形態の槽外撹拌機１０によれば、比較的に長尺な駆動軸１４に軸振れが生じるところ、各メカニカルシール２０Ａ、２０Ｂが、第一の弾性部材５０が径方向においても弾性変形して、径方向への駆動軸１４の移動に対しても広い範囲で安定して追従可能なので、軸振れに応じた径方向への追従性にも優れている。

特に、本実施形態のメカニカルシールに２０Ａ、２０Ｂよれば、回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１に面圧を与える環状弾性部材として、環状弾性部材を軸方向若しくは径方向に多段に設けている。

ここで、回転環３０および固定環４０相互の摺接面３１，４１の面圧は液の漏洩に大きく影響する重要な管理条件であり、摺接面３１，４１の面圧は、摺接面３１，４１にかかる外圧の範囲により決定される。
一方、当該槽外撹拌機１０は、駆動軸１４の正転・逆転を切り替え可能であり、その正転・逆転に応じてケーシング１１の内部では吸込圧と吐出圧とに切り替わる。そのため、駆動軸１４の両端に設置された軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂに内蔵されたメカニカルシール２０Ａ、２０Ｂには、駆動軸１４の回転方向が切り替わることにより、各メカニカルシール２０Ａ、２０Ｂに対して、軸方向にて互いに逆向きの外圧が頻繁に入れ替わる過酷な使用環境である（最短の頻度としては例えば１時間に１回程度）。

このような機序上の特殊性がある当該槽外撹拌機１０では、エラストマ製の第一の弾性部材（スプリングパッキン）５０のみでは、経年的には永久歪が生じて弾性力（摺接面圧）の低下（＝液の漏洩）が発生するおそれがある。そこで、本実施形態では、このような槽外撹拌機特有の機序を前提として、より高い吐出側圧力による外圧を基準に摺接面圧を決定するとともにその摺接面圧をより長期に亘って可及的に維持可能とすべく、第一の弾性部材５０に加え、更に、第二の弾性部材５６を介装した「多段弾性体押圧型」のメカニカルシール構造を採用している。これにより、例えば吸込側で減圧される際には第一の弾性部材５０が主に機能して必要面圧を確保しつつ、吐出側で昇圧される際には第二の弾性部材５６が主に機能して高いスラスト荷重が作用しても安定したシール性能を発揮させることが可能となる。

つまり、本実施形態の例では、第一の弾性部材５０および第二の弾性部材５６による、二つの弾性体の協働で所望の摺接面圧を確保している。そのため、軸方向においては、駆動軸の軸方向の熱膨張を見越して、回転環と固定環との間の摺接部での面圧を高く確保した場合であっても、二つの弾性体の柔軟性によって摺接部への押圧力を加減できる。

本実施形態の槽外撹拌機１０によれば、「多段弾性体押圧型」のメカニカルシール構造の採用により、各段の環状弾性部材のばね定数を変えることができるため、多段の環状弾性部材の協働効果によって、「軸方向追従性」または「径方向追従性」に対してよりきめ細かい設定が可能となる。そのため、「軸方向追従性」および「径方向追従性」に優れた槽外撹拌機用軸封装置としてより好適であり、上述した、「面圧が高い⇒微小すきまが無くなり⇒焼き付く」問題をより確実に回避できる（以下、「二段の軸方向追従性」ともいう）。

特に、本実施形態の槽外撹拌機１０によれば、第二の弾性部材は、前記固定環に当接して前記固定環を前記第一の弾性部材と共に直接押圧するように介装されているので、「二段の軸方向追従性」を奏するメカニカルシール構造を備える槽外撹拌機用軸封装置としてより好適である［発明２］。

また、本実施形態の槽外撹拌機１０によれば、固定環４０は、外周面の端部に形成されて縦断面がＬ字状の段部４３を有し、第一の弾性部材５０の内周端５１、５２が、このＬ字状の段部４３の二つの面４３ａ、４３ｂにそれぞれ当接することで、固定環４０の径方向への移動および軸方向への移動、つまり、「軸方向追従性」および「径方向追従性」のそれぞれに対応して確実に設けられた面による弾性力で押圧支持できる。よって、「軸方向追従性」および「径方向追従性」に優れた槽外撹拌機用軸封装置としてより好適である［発明３］。

また、本実施形態の槽外撹拌機１０によれば、回転環３０は、駆動軸１４若しくは駆動軸１４側に固定された部材に、軸方向での所定範囲の移動を許容する支持ピン３５によって支持され、固定環４０は、軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂ側に固定された部材に、軸方向および径方向での所定範囲の移動を許容する支持ピン４５によって支持されている。そのため、回転環３０と固定環４０相互は、「軸方向追従性」および「径方向追従性」のそれぞれに対応して確実にスライド移動することができる。よって、「軸方向追従性」および「径方向追従性」に優れた槽外撹拌機用軸封装置としてより好適である［発明４］。

また、本実施形態の槽外撹拌機１０によれば、回転環３０は、その内周面３２と駆動軸１４の外周面１４ｇとの間に、第一の対向隙間Ｔ１を確保するように駆動軸１４若しくは駆動軸１４側に固定された部材に装着され、固定環４０は、その内周面４２と駆動軸１４の外周面１４ｇとの間に、第一の対向隙間Ｔ１よりも広い第二の対向隙間Ｔ２を確保するように軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂ側に固定された部材に装着されているので、「径方向追従性」に対して固定環４０との干渉をより確実に防止することができる。よって、「軸方向追従性」および「径方向追従性」に優れた槽外撹拌機用軸封装置としてより好適である［発明５］。

以上説明したように、本実施形態の槽外撹拌機１０によれば、本実施形態のメカニカルシールに２０Ａ、２０Ｂを備えるので、駆動軸１４の軸方向での熱膨張への追従性および軸振れに対する径方向への移動の追従性により優れている［発明６］。
なお、本発明に係る槽外撹拌機は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、流体機器の一例として、槽外撹拌機１０を例示したが、本発明に係るメカニカルシールを装備可能な流体機器は槽外撹拌機に限定されず、流体機器のケーシングに付設されるとともにケーシング内に駆動軸を回転可能に支承する軸支ハウジングに用いられるメカニカルシールとして、種々の流体機器に採用できる。

また、例えば上記実施形態では、メカニカルシール２０Ａ、２０Ｂは注水型のメカニカルシールの例を示したがこれに限定されず、無注水型のメカニカルシールを採用することもできる。具体例として第二実施形態を図４に示す。なお、第二実施形態では、上記第一実施形態と同じ若しくは同様の構成については同一の符号を付すとともにその説明は適宜省略する。

同図に示すように、第二実施形態では、回転環３０と固定環４０とは、駆動軸１４の軸方向に対する内外の位置が上記第一実施形態とは逆になっている点、および、固定環支持ブロック８０に注水機能が設けられていない点が相違する。

そして、第二実施形態の構成においても、メカニカルシール２０Ａ、２０Ｂは、駆動軸１４とともに回転する回転環３０と、回転環３０に対して駆動軸１４の軸方向での前側に対向配置されて回転環３０の摺接面３１に摺接する摺接面４１を有する固定環４０と、固定環４０とケーシングとの間に介装されて固定環４０と各軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂとの間を封止するとともに回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１に面圧を与える第一の弾性部材５０と、固定環４０と各軸支ハウジング１６Ａ、１６Ｂとの間に介装されて回転環３０と固定環４０相互の摺接面３１，４１に面圧を与える第二の弾性部材５６と、を備える。

よって、上記第一実施形態同様、第二実施形態の構成においても、第一の弾性部材５０および第二の弾性部材５６による、二つの弾性体の協働で所望の摺接面圧を確保しているため、多段の環状弾性部材の協働効果によって、「軸方向追従性」または「径方向追従性」に対してよりきめ細かい設定が可能となる。そのため、「軸方向追従性」および「径方向追従性」に優れた槽外撹拌機用軸封装置としてより好適である。

１０ 槽外撹拌機（流体機器）
１１ ケーシング
１２Ａ、１２Ｂ 吸込吐出管
１３Ａ、１３Ｂ 吸込吐出口
１４ 駆動軸
１４ｇ 外周面
１５ インペラ
１６Ａ、１６Ｂ 軸支ハウジング
１６ｄ 連結ブロック装着部
１６ｅ インロー連結部
１７Ａ、１７Ｂ 軸受
２０Ａ、２０Ｂ メカニカルシール
３０ 回転環
３１ 摺接面
３２ 内周面
３５ 支持ピン
４０ 固定環
４１ 摺接面
４２ 内周面
４３ Ｌ字状の段部
４３ａ 段部縦面
４３ｂ 段部横面
４５ 支持ピン
５０ 環状弾性部材
５１ 内周端
５２ 前面端
５３ 規制環状部
５４ 後端面
５５ 心金
５６ 第二環状弾性部材
６０ 回転環支持スリーブ
６１ スリーブ固定ねじ
６２ スリーブＯリング
６３ 接液側Ｏリング
６４ 軸方向規制面
６５ 径方向規制面
６６ 回転環装着環状段部
６７ 支持ピン固定穴
７０ 連結ブロック
７１ 調整シム
７２ ブロックＯリング
７３ 接液側Ｏリング
７４ ブロック固定ボルト
８０ 固定環支持ブロック
８１ 注水管路
８２ 注水口プラグ
８３ 注水端
８４ 移動規制面
８５ 弾性部材固定溝
８６ インロー装着部
８７ 支持ピン固定穴
９０ 注水部シール
１００ 消化槽
１１０Ａ、１１０Ｂ 送液パイプ
Ｔ１ 第一の対向隙間
Ｔ２ 第二の対向隙間

Claims (6)

1. 流体機器のケーシングに付設されるとともにケーシング内に駆動軸を回転可能に支承する軸支ハウジングに用いられるメカニカルシールであって、
   前記駆動軸とともに回転するように前記駆動軸の外周に固定される環状の回転環と、
   前記回転環に対して前記駆動軸の軸方向に対向配置されて前記回転環の摺接面に摺接する摺接面を有するとともに前記軸支ハウジング側の部材に固定される固定環と、
   前記固定環と前記軸支ハウジングとの間に介装されて自身の弾性力により前記固定環と前記軸支ハウジングとの間を封止するとともに自身の弾性力により前記回転環と前記固定環相互の摺接面に面圧を与えるエラストマ製の第一の弾性部材と、
   前記第一の弾性部材と前記軸支ハウジング側の部材との間に介装されて自身の弾性力により前記回転環と前記固定環相互の摺接面に面圧を与えるように前記第一の弾性部材に対して軸方向に積層された金属若しくはエラストマ製の第二の弾性部材と、
   を備えることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記第二の弾性部材は、前記固定環に対しても更に軸方向で当接して前記固定環を前記第一の弾性部材と共に直接押圧するように介装されている請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記固定環は、自身の外周面端部に形成されて縦断面がＬ字状をなし軸方向に沿った面および軸方向とは交差する面の二つの面をもつ段部を有し、
   前記第一の弾性部材の内周端が、前記Ｌ字状の段部の二つの面にそれぞれ当接することで、前記固定環の径方向への移動および軸方向への移動のそれぞれに対して弾性力で押圧支持可能に構成されている請求項２に記載のメカニカルシール。
4. 前記回転環は、前記駆動軸若しくは駆動軸側に固定された部材に、軸方向での所定範囲の移動を許容する支持ピンによって支持されており、
   前記固定環は、前記軸支ハウジング側に固定された部材に、軸方向および径方向での所定範囲の移動を許容する支持ピンによって支持されている請求項２に記載のメカニカルシール。
5. 前記回転環は、当該回転環の内周面と前記駆動軸の外周面との間に、第一の対向隙間を確保するように前記駆動軸若しくは駆動軸側に固定された部材に装着され、
   前記固定環は、当該固定環の内周面と前記駆動軸の外周面との間に、前記第一の対向隙間よりも広い第二の対向隙間を確保するように前記軸支ハウジング側に固定された部材に装着されている請求項１に記載のメカニカルシール。
6. ケーシングと、該ケーシングに付設されるとともにケーシング内に軸方向中央にインペラが設けられた駆動軸を両持ちされた状態で回転可能に支承する一対の軸支ハウジングと、を備え、前記駆動軸の正転・逆転の切替に応じて撹拌液を前記ケーシングの送液方向の一方から吸い込み他方に吐き出す２つの吸込吐出口のどちら向きにも送出できる槽外撹拌機であって、
   前記駆動軸の両端が、前記一対の軸支ハウジングに内蔵されるメカニカルシールでシールされるとともに軸受によって回転自在に支持されており、
   前記内蔵されるメカニカルシールとして、請求項１～５のいずれか一項に記載のメカニカルシールを備えることを特徴とする槽外撹拌機。

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