JP7249232B2 - カートリッジ型のメカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、プロセスポンプ、ブロワ、圧縮機、タービンや攪拌機等の回転機器に軸封手段として装着されるメカニカルシール装置であって、回転機器への組み込み及び回転機器からの取り外しを容易に行うことができるカートリッジ型のメカニカルシール装置に関するものである。

メカニカルシール装置は多くのメカニカルシール構成部材で構成されているため、回転機器への組み込み作業及び回転機器からの取り外しや再組み込みを必要とするメンテナンス作業が極めて困難なものである。

そこで、従来からも、例えば特許文献１～３に開示される如く、シールケース及びこれに取り付けられた静止側メカニカルシール構成部材からなる静止側密封要素と回転軸に取外し可能に固定されたスリーブ及びこれに取り付けられた回転側メカニカルシール構成部材からなる回転側密封要素とを、適宜の連結手段により、両密封要素で構成されるメカニカルシール装置の使用形態と同一形態（組み立て形態）に一時的に連結して、組み立て形態のままで回転機器への組み込み、取外しを行いうるように構成されたカートリッジ型のメカニカルシール装置が提案されている。

すなわち、特許文献１に開示されたメカニカルシール装置（以下「第１従来シール装置」という）の連結手段は、複数個の連結体を夫々シールケースとスリーブとに取り付けることにより、両密封要素を連結するように構成されており、特許文献２に開示されたメカニカルシール装置（以下「第２従来シール装置」という）の連結手段は、シールケースに環状の係合突起を設け、この係合突起にスリーブに取り付けた複数個の連結体を夫々係合させることにより、両密封要素を連結するように構成されており、特許文献３に開示されたメカニカルシール装置（以下「第３従来シール装置」という）の連結手段は、シールケースに取り付けた複数個の連結体を夫々スリーブに形成した環状溝に係合させることにより、両密封要素を連結するように構成されている。

特開平７－４５２８号公報 特開２００６－７０９４２号公報 特開２０１３－７４７７号公報

しかし、第１～第３従来シール装置の連結手段は、何れも、複数個の連結体を夫々シールケース及び／又はスリーブにボルト等のネジ具で取り付けることにより両密封要素を連結するものであるから、メカニカルシール装置の組み込み時や取外し時において、更にメカニカルシール装置の組み込み後や取外し後において、多くのネジ具をレンチ、ドライバー等の工具により締め付け、取り外して連結体をシールケース等に着脱させる必要がある。したがって、メカニカルシール装置の組込み作業やメンテナンス作業が極めて面倒であり、これらの作業を効率よく行うことができず、労働負担も大きい。また、連結体はシールケース等に正確に取り付ける必要があるが、複数個の連結体をすべて正確に取り付けるには相当の熟練度が必要となり、作業者が未熟練者である場合には両密封要素を適正な組み立て形態に連結しておくことが困難である。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、静止側密封要素と回転側密封環要素とを容易に連結、連結解除することができ、回転機器への組み込み作業やメンテナンス作業を効率よく容易に行いうるカートリッジ型のメカニカルシール装置を提供することを目的とする。

この課題を解決した本発明は、シールケース及びこれに取り付けられた静止側メカニカルシール構成部材からなる静止側密封要素と回転軸に取外し可能に固定されたスリーブ及びこれに取り付けられた回転側メカニカルシール構成部材からなる回転側密封要素とを、連結手段により、両密封要素で構成されるメカニカルシール装置の使用形態と同一形態で一時的に連結しておくように構成されたカートリッジ型のメカニカルシール装置であって、前記連結手段が、シールケース外においてスリーブに設けた回転側連結リング体と、当該リング体の外周面に回転軸と同心をなして形成された円環状の回転側凹溝と、当該リング体の外周面に対向する状態でシールケースに設けた複数個の静止側連結体と、各静止側連結体に前記回転側凹溝と対向する状態で形成された静止側凹溝と、前記回転側凹溝及び各静止側凹溝に係合する状態で当該両凹溝間に形成される連結空間に抜き差し可能な連結棒とを具備して、当該連結空間に連結体を差し込むことによりシールケースとスリーブとを相対運動不能に連結するように構成されていることを特徴とするカートリッジ型のメカニカルシール装置を提案する。

かかるカートリッジ型のメカニカルシールにあっては、前記回転側凹溝及び各静止側凹溝が、方形状の断面形状をなすものであることが好ましい。また、前記各静止側連結体に形成された静止側凹溝が、前記回転側凹溝と同心をなす円弧形状のものであることが好ましい。さらに、前記連結棒が、可撓性を有するプラスチック材からなる真直状の円柱体であり、回転側凹溝及び静止側凹溝に沿って湾曲変形した状態で前記連結空間に差し込まれるものであることが好ましい。また、スリーブが、これに取り付けられたスリーブ固定用リング体を介して回転軸に取外し可能に固定されたものであり、前記回転側連結リング体が当該スリーブ固定用リング体で兼用構成されていることが好ましい。

本発明のカートリッジ型のメカニカルシール装置にあっては、両密封要素を連結する連結手段が、回転側凹溝及び各静止側凹溝に係合する状態で当該両凹溝間に形成される連結空間に抜き差しすることにより、シールケースとスリーブとを相対運動不能に連結でき、またその連結を解除できるように構成されているから、冒頭で述べた第１～第３シール装置の連結手段のように多くのボルト等のネジ具を締め付け、取り外すようにする場合に比して、レンチ等の工具を必要とせず、両密封要素の連結及び連結解除を極めて効率よく簡便に行うことができる。したがって、本発明によれば、回転機器への組み込み作業やメンテナンス作業を効率よく容易に行いうるカートリッジ型のメカニカルシール装置を提供することができる。

図１は本発明に係るカートリッジ型のメカニカルシール装置の一例を示す断面図（断面は図３のＩ－Ｉ線に沿う）である。 図２は図１の要部拡大図である。 図３は図１のIII －III 線に沿う断面図である。 図４は図３と異なる作用状態を示す図３対応の要部拡大図である。 図５は図３及び図４と異なる作用状態を示す図３対応の要部拡大図である。

以下、本発明に係るカートリッジ型のメカニカルシール装置の構成を図面に基づいて具体的に説明する。

図１は本発明に係るカートリッジ型のメカニカルシール装置の一例を示す断面図（断面は図３のＩ－Ｉ線に沿う）であり、図２は図１の要部拡大図であり、
図３は図１のIII －III 線に沿う断面図であり、図４は図３と異なる作用状態を示す図３対応の要部拡大図であり、図５は図３及び図４と異なる作用状態を示す図３対応の要部拡大図である。

図１に示すカートリッジ型のメカニカルシール装置Ｍは、１個のメカニカルシールで構成されたシングルシールである。このメカニカルシール（メカニカルシール装置）Ｍは、回転機器（プロセスポンプ、ブロワ、圧縮機、タービン、攪拌機等）の軸封部ハウジング１に取り付けられた円筒状のシールケース２と、シールケース２の内周部にＯリング３１を介して嵌合された状態で軸方向移動可能に保持された静止密封環３と、当該回転機器の回転軸４に固定されたスリーブ５と、スリーブ５に静止密封環３に直対向した状態で固定された回転密封環６と、静止密封環３を回転密封環６へと押圧附勢するスプリング７とを具備して、両密封環３，６の対向端面である密封端面３２，６１が接触状態で相対回転することにより、当該接触部分３２，６１の外周側領域である機内領域Ａとその内周側領域である大気領域Ｂとを区画して機内領域Ａの流体（被密封流体）をシールするように構成された端面接触形メカニカルシールである。なお、以下の説明において、前後とは図１における左右を意味するものとする。

シールケース２は、図１に示す如く、ケース本体２１と、その基端内周部（前端内周部）に取り付けられたスプリングリテーナ２２と、ケース本体２１の先端外周部（後端外周部）に一体形成されたフランジ２３とを具備する円筒構造体である。シールケース２は、フランジ２３をこれに押え板２４を当接させると共にフランジ２３と軸封部ハウジング１との間に当該フランジ２３と同一厚さの座金２５を介在させた状態で、軸封部ケーシング１に設けた寸切ボルトであって座金２５及び押え板２４を貫通させた複数個（１個のみ図示）の取付ボルト２６に螺合させた各ナット２７を締め付けることにより、軸封部ケーシング１に取り付けられている。すなわち、シールケース２は、各ナット２７を締め付けることにより軸封部ケーシング１に取り付けられるものであり、各ナット２７を連結ボルト２６から外すことにより軸封部ケーシング１から取り外すことができるものである。なお、スプリング７はスプリングリテーナ２２に保持されていて、静止密封環３を回転密封環６へと押圧附勢している。

また、スリーブ５は、図１に示す如く、軸封部ケーシング１内からシールケース２を貫通してシールケース２外に突出する状態で回転軸４に嵌合された円筒体であり、シールケース２外に突出する基端部分（前端部分）５１を、これに設けたスリーブ固定用リング体５２を介して固定スクリュー５３，５４により回転軸４に固定してある。すなわち、スリーブ５の基端部分５１に嵌合させたスリーブ固定用リング５２を、これに螺合させた第１固定スクリュー５３をスリーブ５に形成した係合孔５５に係合させることにより、スリーブ５に固定すると共に、当該スリーブ固定用リング体５２を、これに螺合させた第２固定スクリュー５４をスリーブ５に形成した貫通孔５６を介して回転軸４に締め付けることにより、回転軸４に固定することによって、スリーブ５を回転軸４に取外し可能に固定している。

而して、上記のメカニカルシール装置Ｍは、シールケース２及びこれに取り付けられた静止側メカニカルシール構成部材（静止密封環３及びスプリング７等）からなる静止側密封要素Ｍａと、スリーブ５及びこれに取り付けられた回転側メカニカルシール構成部材（固定密封環６等）からなる回転側密封要素Ｍｂとを、以下のような連結手段８により当該メカニカルシール装置Ｍの使用形態と同一形態（組み立て形態）に連結しておくことによって、かかる形態のまま回転機器に組み込み或いは回転機器から取り外すことができるように構成されている。

すなわち、連結手段８は、図１～図５に示す如く、シールケース２外においてスリーブ５に設けた回転側連結リング体８１と、回転側連結リング体８１の外周面８２に回転軸４と同心をなして形成された円環状の回転側凹溝８３と、回転側連結リング体８１の外周面８２に対向する状態でシールケース２に設けられた複数個の静止側連結体８４と、各静止側連結体８４に回転側凹溝８３と対向する状態で形成された静止側凹溝８５と、回転側凹溝８３及び各静止側凹溝８５に係合する状態で当該両凹溝８３，８５間に形成される連結空間８６に抜き差し可能な連結棒８７とを具備する。

回転側連結リング体８１は、シールケース２外に突出するスリーブ５の基端部分５１に設けられており、この例では、図１に示す如く、前記スリーブ固定用リング体５２で兼用構成されている。

回転側連結リング体８１の外周面８２に形成された回転側凹溝８３は、図２に示す如く、溝深さＨ１及び溝幅Ｗ１を夫々一定とする断面方形状のものである。

複数個の静止側連結体８４は、図３に示す如く、シールケース２のケース本体２１の基端面部（前端面部）に、その円周方向に等間隔を隔てて一体形成された円弧形状体である。各静止側連結体８４の内周面（回転側連結リング体８１の外周面８２に対向する面）８８は、回転軸４と同心をなす円弧面であり、回転側連結リング体８１の外周面８２に一定間隔Ｈ０を隔てて対向している。この例では、ケース本体２１に２個の静止側連結体８４，８４が一体形成されている。

各静止側凹溝８５は、図２及び図３に示す如く、各静止連結体８４の内周面８８に回転側凹溝８３に対向して円弧状に延びる円弧状の凹溝である。各静止側凹溝８５は、回転軸４の軸方向において回転側凹溝８３と一致する位置に形成されており、当該回転側凹溝８３と同一の断面形状（方形状）をなすものである。すなわち、各静止側凹溝８５の溝深さＨ２及び溝幅Ｗ２は、夫々、回転側凹溝８３の溝深さＨ１及び溝幅Ｗ１と同一とされている。したがって、回転側凹溝８３と各静止側凹溝８５との間には、図３に示す如く、回転側連結リング体８１と各静止側連結体８４との対向周面８２，８８に沿って円弧状に延びる連結空間８６が形成される。この連結空間８６は、図２に示す如く、高さＨ（＝Ｈ０＋Ｈ１＋Ｈ２）、幅Ｗ１，Ｗ２（Ｗ１＝Ｗ２）の断面方形状をなす空間であって、その中間部分（前記両体８１，８４の対向周面８２，８８間の部分（高さＨ０の部分））は軸方向に開放されている。

連結棒８７は、図３～図５に示す如く、連結空間８６に抜き差し可能な円柱体（丸棒体）であり、その径（断面径）Ｄは、図２に示す如く、凹溝８３，８５の溝幅Ｗ１，Ｗ２及び両体８１，８４の対向周面間隔Ｈ０より大きく、且つ連結空間８６の高さＨと同一又は当該高さＨより若干小さくなるように設定されている。この例では、連結棒８７の径Ｄは、連結空間８６の高さＨより若干小さく設定されており、図２に示す如く、連結棒８７が、これを連結空間８６に差し込んだ場合において、回転側凹溝８３の両縁部（当該凹溝８３の両側面と回転側連結リング体８１の外周面８２との連結部）８３ａ，８３ｂ及び静止側凹溝８５の両縁部（当該凹溝８５の両側面と静止側連結体８４の内周面８８との連結部）８５ａ，８５ｂに接触する状態で両凹溝８３，８５に係合するように設定してある。したがって、連結棒８７を連結空間８６に差し込むことによって、回転側連結リング体８１と各静止側連結体８４とをその相対運動（軸方向及び径方向への相対運動）を阻止した状態で連結することができる。なお、各静止側連結体８４の円周方向長さＬは、図３に示す如く、静止側連結体８４の両端側において連結空間８６に連結棒８７を抜き差しできるような大きさの出入り口空間が形成されることを条件として、適宜に設定される。また、このような連結空間８６の出入り口空間が形成される範囲において、両体８１，８４の対向周面８２，８８の間隔Ｈ０は適宜に設定しておくことができ、この例では、図２に示す如く、当該間隔Ｈ０を凹溝８３，８５の溝深さＨ１，Ｈ２と略同一に設定してある。

而して、連結棒８７は、図３～図５に示す如き撓み変形を可能する可撓性を有し且つ図２に示す状態（連結棒８７を連結空間８６に差し込んだ状態）において回転側連結リング体８１と静止側連結体８４とを相対運動不能に強固に連結しうる強度を有するプラスチック材で構成されている。

すなわち、連結棒８７は、図４に示す如く、真直状態で前記出入り口空間から連結空間８６に差し込んだ上、連結空間８６内へと差し込んでいくと、図５に示す如く、連結空間８６に差し込まれた連結棒８７部分が連結空間８６に沿って（凹溝８３，８５に沿って）円弧状に変形して、連結空間８６を貫通する状態まで差し込まれると、図３に示す如く、凹溝８３，８５に沿った円弧状に撓み変形する。したがって、連結棒８７は、各静止側凹溝８５及びこれに対向する回転側凹溝８３部分に全面的且つ密に係合することになる。逆に、図３の状態から連結棒８７を連結空間８６から引き抜いていくと、図５に示す如く、連結空間８６から引き抜かれた連結棒８７部分は真直形状に変形復帰し、連結棒８７は、連結空間８６から完全に引き抜かれると、図４に示す如く、真直状態に戻る。また、連結棒８７はこれを連結空間８６に差し込んでいくことにより、僅かに弾性変形しつつ、回転側連結リング体８１の回転側凹溝８３の両縁部８３ａ，８３ｂ及び静止側連結体８６の静止側凹溝８５の両縁部８５ａ，８５ｂに強く接触することになる。連結棒８７は、このような弾性変形を可能とする可撓性を有するプラスチック材で構成される。そして、連結棒８７を構成するプラスチック材としては、このような可撓性に加えて、連結棒８７が、図２に示す如く、凹溝８３，８５に密に係合された状態（回転側凹溝８３の両縁部８３ａ，８３ｂ及び静止側凹溝８５の両縁部８６ａ，８６ｂに密接する状態）では回転側連結リング体８１と静止側連結体８４との相対運動（軸線方向及び径方向の相対運動）を確実に阻止しうる程度の強度を有するものが使用される。

連結棒８７は、このような可撓性及び強度を有するプラスチック材で構成されており、具体的には、ナイロン系樹脂、フッソ素系径樹脂、ポリプロピレン等で構成しておくことが好ましい。この例では、連結棒８７をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で構成してある。

以上のように構成されたカートリッジ型のメカニカルシール装置Ｍにあっては、回転側連結リング体８１の回転側凹溝８３と各静止側連結体８４の静止側凹溝８５との間に形成された各連結空間８６に、図３に示す如く、各々連結棒８７を差し込んで、回転側連結リング体８１と複数個（２個）の静止側連結体８４とを相対運動不能に連結することにより、静止側密封要素Ｍａと回転側密封要素Ｍｂとを当該メカニカルシール装置Ｍの使用形態と同一形態（組み立て形態）に連結しておくことができる。特に、各連結空間８６に差し込まれた連結棒８７は、図３に示す如く、円弧状に変形して各静止側凹溝８５及びこれに対向する回転側凹溝８３部分に全面的且つ密に係合するため、回転側連結リング体８１と静止側連結体８４，８４とが強固に連結され、両密封要素Ｍａ，Ｍｂが適正且つ確実に連結される。

このように、回転側連結リング体８１と各静止側連結体８４との間に形成される複数個（２個）の連結空間８６に連結棒８７を人為的に差し込むことによって両密封要素Ｍａ，Ｍｂを適正な組み立て形態に連結することができるから、第１～第３従来シール装置の連結手段のようにレンチ等の工具を使用して複数個のネジ具を締め付ける場合に比して、当該メカニカルシール装置Ｍの回転機器への組み込み時或いは回転機器からの取外し時における両密封要素Ｍａ，Ｍｂの連結作業を極めて容易且つ効率よく行うことができる。

しかも、各連結空間８６に連結棒８７を差し込むだけの極めて簡単な作業により、両密封要素Ｍａ，Ｍｂを適正な組み立て形態に連結することができるから、第１～第３従来シール装置の連結手段による連結作業を行う場合のような熟練度は必要とされず、熟練者は勿論、未熟練者でも、両密封要素Ｍａ，Ｍｂの適正な連結を簡単且つ正確に行うことができる。

また、メカニカルシール装置Ｍを回転機器に組み込んだ後に当該回転機器の運転を開始する場合や、メカニカルシール装置Ｍを回転機器から取り外してメンテナンス作業を行う場合には、両密封要素Ｍａ，Ｍｂの連結を解除するが、このような連結解除も各連結空間８６から連結棒８７を人為的に引き抜くだけて行うことできる。したがって、第１～第３従来メカニカルシール装置の連結手段のように複数個のネジ具をレンチ等の工具を使用して各別に取り外すといった面倒で手間のかかる作業を必要とせず、両密封要素Ｍａ，Ｍｂの連結解除を容易且つ迅速に行うことができる。

したがって、上記したメカニカルシール装置Ｍによれば、回転機器への組み込み作業及び再組み込みを含むメンテナンス作業を、作業者に必要以上の労働負担を強いることなく、また高度の熟練度を必要とすることなく、極めて容易且つ効率よく行うことができる。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良、変更することができる。

例えば、上記した実施の形態では、回転側凹溝８３及び各静止側凹溝８５を溝幅Ｗ１，Ｗ２及び溝深さＨ１，Ｈ２を夫々同一とする断面方形状のものとしたが、回転側凹溝８３の溝幅Ｗ１及び／溝深さＨ１と各静止側凹溝８５の溝幅Ｗ２及び／溝深さＨ２とは異なる寸法とすることも可能である。また、各凹溝８３，８５の断面形状も方形の他、半円形、台形等、任意に設定することができる。また、連結棒８７の断面形状も、円形に限定されず、各凹溝８３，８５の断面形状に応じて、当該凹溝８３，８５に適正に係合することを条件として、方形、台形等、任意に設定することができる。

また、上記した実施の形態では、静止側凹溝８５を回転側凹溝８３の円周方向に沿って延びる円弧状とすると共に、連結棒８７を可撓性プラスチック製の真直棒で構成して、連結棒８７が凹溝８３，８５に沿って円弧状に変形した状態で当該凹溝８３，８５に係合するように構成したが、連結棒８７は真直形状ではなく凹溝８３，８５に沿う円弧形状に成形されたものでもよい。この場合、連結棒８７の連結空間８６への抜き差しを容易に行うために、各静止側凹溝８５とこれに隣接する静止側凹溝８５との間隔は連結棒８７の長さと同程度又はこれより大きく設定しておくことが好ましい。また、このように連結棒８７を円弧形状に成形しておく場合、連結棒８７の構成材として前記した可撓性を有するプラスチックの他、可撓性を有しない硬質プラスチックや金属を使用することも可能である。

また、上記した実施の形態では、各静止側連結体８４の内周面８８及び静止側凹溝８５を回転側連結リング体８１の外周面８２及び回転側凹溝８３に沿う円弧形状としたが、各静止側連結体８４の内周面８８及び静止側凹溝８５は回転側連結リング体８１の外周面８２の接線方向に平行する直線形状とすることも可能である。

また、上記した実施の形態では、１個のメカニカルシールＭで構成されるメカニカルシール装置（シングルシール）に本発明を適用したが、本発明は、例えば第３従来シール装置のように複数個のメカニカルシールを軸方向に縦列配置してなるメカニカルシール装置（ダブルシール、タンデムシール等）にも適用することができ、静止側密封要素と回転側密封要素との連結及び連結解除を上記実施の形態と同様に効率よく簡便に行うことができる。

２ シールケース
４ 回転軸
５ スリーブ
８ 連結手段
５２ スリーブ固定リング体（回転側連結リング体）
８１ 回転側連結リング体
８２ 回転側連結リング体の外周面
８３ 回転側凹溝
８４ 静止側連結体
８５ 静止側凹溝
８６ 連結空間
８７ 連結棒
Ｍ メカニカルシール装置
Ｍａ 静止側密封要素
Ｍｂ 回転側密封要素

Claims (5)

1. シールケース及びこれに取り付けられた静止側メカニカルシール構成部材からなる静止側密封要素と回転軸に取外し可能に固定されたスリーブ及びこれに取り付けられた回転側メカニカルシール構成部材からなる回転側密封要素とを、連結手段により、両密封要素で構成されるメカニカルシール装置の使用形態と同一形態で一時的に連結しておくように構成されたカートリッジ型のメカニカルシール装置において、
   前記連結手段が、シールケース外においてスリーブに設けた回転側連結リング体と、当該リング体の外周面に回転軸と同心をなして形成された円環状の回転側凹溝と、当該リング体の外周面に対向する状態でシールケースに設けた複数個の静止側連結体と、各静止側連結体に前記回転側凹溝と対向する状態で形成された静止側凹溝と、前記回転側凹溝及び各静止側凹溝に係合する状態で当該両凹溝間に形成される連結空間に抜き差し可能な連結棒とを具備して、当該連結空間にこの連結棒を差し込むことによりシールケースとスリーブとを相対運動不能に連結するように構成されていることを特徴とするカートリッジ型のメカニカルシール装置。
2. 前記回転側凹溝及び各静止側凹溝が、方形状の断面形状をなすものであることを特徴とする、請求項１に記載するカートリッジ型のメカニカルシール装置。
3. 前記各静止側連結体に形成された静止側凹溝が、前記回転側凹溝と同心をなす円弧形状のものであることを特徴とする、請求項１又は２に記載するカートリッジ型のメカニカルシール装置。
4. 前記連結棒が、可撓性を有するプラスチック材からなる真直状の円柱体であり、回転側凹溝及び静止側凹溝に沿って湾曲変形した状態で前記連結空間に差し込まれるものであることを特徴とする、請求項３に記載するカートリッジ型のメカニカルシール装置。
5. スリーブが、これに取り付けられたスリーブ固定用リング体を介して回転軸に取外し可能に固定されたものであり、前記回転側連結リング体が当該スリーブ固定用リング体で兼用構成されていることを特徴とする、請求項１～４の何れかに記載するカートリッジ型のメカニカルシール装置。
   

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