JP7303085B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプなどの回転流体機械に用いられるメカニカルシール装置に関する。

例えば、ポンプなどの回転流体機械で扱われる被密封流体（シール流体）の軸封部には、軸封装置（メカニカルシール）が使用されている。これらの軸封装置は、回転軸が貫通するハウジング内に装着され、回転軸とハウジングとの間に固定環（静止側密接要素）と回転環（回転側密接要素）とが互いに密接摺接されることで軸封を行っている。

また、内部に回転軸の一部が収容される空間を形成するハウジングに設けられた軸孔と回転軸との隙間からシール流体が漏れ出ることを抑制する軸封装置に加えて、シール性を向上させるため環状のリップシールを備えたものも知られている（特許文献１～３参照）。
例えば、特許文献３に記載されたリップシールは、回転軸を有する回転軸側部材およびハウジングを有するハウジング側部材のいずれか一方に固定されて、他方に接触可能に配置される。このリップシールは、軸封装置の構造に応じて、軸封装置よりもシール流体の漏れ方向の上流側又は下流側に配置される。

特開２０１０－２１６４８９号公報 特開２０１５－０５９６１２号公報 特開２０１６－１５１３１１号公報

しかしながら、上述した特許文献１～３に記載の軸封装置のように、軸封装置に組付けられたリップシールは、リップシールの止め方が軸封装置の構造に依存したものである。そのため、リップシールを取り付けるスペースが制限されるとともに、軸封装置の構造を変えにくいという問題がある。更に、リップシールがメカニカルシールの摺動面やスプリングの近傍にあるため、シール流体中の異物が摺動面などに侵入する可能性が高い。
また、回転軸が貫通するスタッフィングボックス（ボックス）内に装着される軸封装置には、スタッフィングボックスにフラッシング流体（シール流体やエクスターナル流体）を注入してメカニカルシール側からポンプケーシング等の取付機器内へフラッシング流体を送出するフラッシングを行うものが知られている。そこで、上述した特許文献３に記載の軸封装置において、軸封装置の近傍に設けられたリップシールが、軸封装置よりもシール流体の漏れ方向の上流側に配置される場合には、軸封装置側からフラッシング流体を多量に流すと、リップシールが外れてしまい、耐久性が低下する可能性がある。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、その目的は、メカニカルシールの構造に係わらずリップシールを確実に固定することができるとともに、メカニカルシールの摺動面に異物を侵入し難くして、耐久性を高めることができるメカニカルシール装置を提供することにある。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 回転軸が貫通するボックス内に装着されるとともに、前記回転軸と前記ボックスとの間の流体をシールするメカニカルシールと、
前記メカニカルシールの機内側に配置され、基端部から機内側に向かって突出するリップ部を有するリップシールと、を備えることを特徴とするメカニカルシール装置。

上記（１）の構成のメカニカルシール装置によれば、リップシールに対して流体が機外側から機内側へ流れる際にはリップ部が開く方向に弾性変形するリップシールを介して、流体がリップシールの機内側に送出される。そして、このリップシールは、リップシールに対して流体が機内側から機外側へ流れる際にはリップ部が閉じる方向に弾性変形する。そこで、機内側から機外側へ流れる流体（漏れ流体）が抑制され、メカニカルシールの摺動面に異物が到達するのを防止できる。
また、リップシールとメカニカルシールとは、別体構造となっている。そのため、リップシールは、どんな構造のメカニカルシールとも組み合わせてボックスに取り付けることができる。また、リップシールは、メカニカルシールの摺動面やスプリングから離して取り付けることができ、流体中の異物が摺動面などに侵入する可能性が低い。

（２） 前記ボックス内のシールされる領域に導入されるフラッシング流体の流れ方向上流側に前記メカニカルシールが配置され、流れ方向下流側に前記リップシールが配置されることを特徴とする上記（１）に記載のメカニカルシール装置。

上記（２）の構成のメカニカルシール装置によれば、フラッシング流体がシールされる領域に導入され、メカニカルシールが上流側に配置されていることで、メカニカルシールの摺動面に異物が侵入する可能性が低い。また、リップ部が機内側に向かって突出していることで、メカニカルシールからリップシールに向かって流れたフラッシング流体がリップ部に溜まった異物を流すことができ、リップシールの摺動面に異物が溜まることなくシールすることができる。

（３） 前記リップシールの機内側にブッシュを有することを特徴とする上記（２）に記載のメカニカルシール装置。

上記（３）の構成のメカニカルシール装置によれば、機内側からリップシールへ流れる流体の流路をブッシュによって絞ることができる。そこで、リップシールのリップ部に対して異物を侵入させ難く、また、より異物をメカニカルシールの摺動面に到達させ難くすることができる。

（４） 前記リップシールを前記ブッシュとの間に挟む取付部材を有することを特徴とする上記（３）に記載のメカニカルシール装置。

上記（４）の構成のメカニカルシール装置によれば、ボックスに固定される取付部材によって、リップシールをブッシュとの間に挟んでボックスに固定することができる。そこで、リップシールを回転軸とボックスとの間に確実に配置し、リップシールに対し流体が機内側に流れる流れであってもリップシールに対し流体が機外側に流れる流れであっても、リップシールを動くことなく固定することできる。従って、リップシールが移動してしまうことで、異物がボックス内に侵入してしまう虞がない。
また、取付部材としては、１箇所割りのカラーとテーパプラグを用いることで、ボックスに対する取付け部寸法の自由度を高めることができる。

本発明に係るメカニカルシール装置によれば、メカニカルシールの構造に係わらずリップシールを確実に固定することができるとともに、メカニカルシールの摺動面に異物を侵入し難くして、耐久性を高めることができる。
ことができる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

本発明の一実施形態に係るメカニカルシール装置の概略断面図である。 （ａ）は図１に示したリップシールの取付方法を説明する要部分解断面図、（ｂ）はリップシールをボックスに固定している取付部材の正面図、（ｃ）はボックスに固定されたリップシールの断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は図１に示したリップシールの作用を説明する要部拡大断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るメカニカルシール装置１０の概略断面図である。
本実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、図１に示すように、例えばポンプのポンプハウジング５に形成されたスタッフィングボックス（ボックス）４内に装着され、スタッフィングボックス４を貫通して回転羽根（図示せず）を駆動させる回転軸１の軸周をシールする軸封装置に好適に用いられる。

スタッフィングボックス４は、ポンプハウジング５と、ポンプハウジング５の外端面に取り付けられたメカニカルシール３０のシールカバー１２とにより区画形成されている。ポンプハウジング５の軸孔６を貫通した回転軸１の右側端は図示しないポンプケーシング内の回転羽根に連結され、回転軸１の左側端は図示しないモータの回動軸に連結されている。

本実施形態のメカニカルシール装置１０は、メカニカルシール３０と、リップシール４０とを備えている。
メカニカルシール３０は、回転軸１のモータ側（機外側）における外周面とスタッフィングボックス４の内周面であるポンプハウジング５の内壁５ａとの間の隙間をシールする。リップシール４０は、メカニカルシール３０の機内側に配置され、回転軸１のポンプ側（機内側）における外周面とスタッフィングボックス４の内周面であるポンプハウジング５の内壁５ａとの間の隙間をシールする。

なお、本実施形態に係るメカニカルシール３０及びリップシール４０は、回転軸１の外周面とポンプハウジング５の内壁５ａとの間の流体を直接シールするものではなく、回転軸１の外周に嵌着されたスリーブ２０の外周面とポンプハウジング５の内壁５ａとの間の流体をシールするものである。勿論、回転軸１の外周にスリーブ２０が嵌着されない場合には、メカニカルシール３０及びリップシール４０は、回転軸１の外周面とポンプハウジング５の内壁５ａとの間の流体を直接シールすることになる。

本実施形態に係るメカニカルシール３０は、シールカバー１２とその内周に挿通された回転軸１との間に固定環１６と回転環１８とが互いに密接摺動される接触式メカニカルシール構造を有し、機内側であるポンプ側のシール流体が摺動面の外周から内周方向（機外であるモータ側）へ向かって漏れようとするシール流体をシールするように構成されている。

本実施形態に係るメカニカルシール３０は、ポンプハウジング５の外端面に取り付けられるシールカバー１２と、回転軸１の外周に嵌着されるスリーブ２０と、を備える。シールカバー１２の内周には、ケース１４、固定環１６、コイルスプリング（スプリング）３１などが取り付けられている。スリーブ２０の外周には、回転環１８が取り付けられている。

シールカバー１２は、フラッシング流路９１及びクエンチング流路９２を有するモータ側の第１シールカバー１２ａと、ポンプ側の第２シールカバー１２ｂとが、ボルト８５によって一体に結合されている。第１シールカバー１２ａと第２シールカバー１２ｂとの間には、Ｏリング６０ｃが装着されており、両者の間の隙間をシールしている。そして、第１シールカバー１２ａと第２シールカバー１２ｂにそれぞれ設けた貫通孔に、ポンプハウジング５の外端面に設けたスタッドボルト８７を通してナット８１を締結することにより、両者がポンプハウジング５に対して固定されている。ポンプハウジング５の外端面と第２シールカバー１２ｂとの間には、Ｏリング６０ｄが装着されており、両者の間の隙間をシールしている。

第１シールカバー１２ａに形成されたフラッシング流路９１は、スタッフィングボックス４にフラッシング流体（シール流体やエクスターナル流体）を注入してメカニカルシール３０側からポンプ側へフラッシング流体を送出するフラッシングを行う為のものである。従って、本実施形態においては、スタッフィングボックス４内のシールされる領域に導入されるフラッシング流体の流れ方向上流側が、図１中左側のモータ側となり、フラッシング流体の流れ方向下流側が、図１中右側のポンプ側となる。

スリーブ２０は、ポンプ側端部の内周面に環状の突出部２５が形成され、中間部の外周面に環状のフランジ部２３が形成されている。回転軸１は、ポンプ側が小径の段付き形状となっており、突出部２５の外端面に対向する段部１aを有する構成となっている。
そして、スリーブ２０は、回転軸１がスリーブ２０のモータ側を入口として小径側を先頭に挿通されることにより、回転軸１の外周に嵌着される。また、突出部２５の内周面には、キー溝２７が形成されており、対応する回転軸１の外周にもキー溝３（図２参照）が形成されている。そこで、これらキー溝２７及びキー溝３にキー６０を挿入することで、スリーブ２０は回転軸１に対して相対回転不能に固定され、回転軸１と一体に回転する。突出部２５の外端面と回転軸１の段部１aとの間には、ガスケット５５が介装され、スリーブ２０と回転軸１との間の隙間がシールされている。

回転環１８は、スリーブ２０のフランジ部２３の外周に設けられた凹部に外嵌されており、ノックピン７３によって回転軸１に対して相対回転不能に固定され、回転軸１と一体に回転する。フランジ部２３の外周面と回転環１８の内周面との間には、Ｏリング６０ｅが径方向に圧縮されて装着されている。回転環１８は、超硬質材料が用いられ、例えば、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、カーボン、その他のセラミックスなどが挙げられるが、これらに限定されない。

回転環１８の軸方向におけるモータ側の側面は、環状の摺動面１９となっており、固定環１６の摺動面１７と接触することにより、環状のシール面が形成される。回転環１８は、回転軸１の回転によって回転し、第１シールカバー１２ａに取り付けられた固定環１６の摺動面１７に対し、摺動面１９が摺動する。

第１シールカバー１２ａの内周に設けられた凹部には、ケース１４が内嵌されている。ケース１４は、ボルト８３により第１シールカバー１２ａに固定されている。ケース１４の外周面と第１シールカバー１２ａの内周面との間には、Ｏリング６０ａが径方向に圧縮されて装着され、これらの間の隙間を封止している。

固定環１６は、ケース１４の外周に設けられた凹部に外嵌されており、ノックピン７１によってケース１４に対し相対回転不能及び軸方向変位可能とされている。ケース１４の外周面と固定環１６の内周面との間には、Ｏリング６０ｂが装着され、これらの間の隙間を封止している。

また、固定環１６の軸方向におけるポンプ側の側面には、回転環１８に向かって突出する環状の凸部が形成されている。この凸部の先端が環状の摺動面１７となっており、上述したように回転環１８の摺動面１９に密着するとともに回転軸１の回転により摺動面１９に対して摺動する。固定環１６には超硬質材料が用いられ、例えば、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、カーボン、その他のセラミックスなどが挙げられるが、これらに限定されない。

固定環１６は、コイルスプリング３１から軸方向の付勢力が付加されることにより、軸方向のポンプ側に付勢され、回転環１８に対して密着している。コイルスプリング３１は、周方向に複数個配置され、ケース１４と固定環１６との間に軸方向に圧縮されて装着されている。

図２の（ａ）に示すように、本実施形態に係るリップシール４０は、例えば、エラストマー或いは樹脂材料からなり、ポンプハウジング５の内壁５ａに取付けられる箇所である基端部から機内側に向かって斜めに突出するリップ部４１を有し、リップ部４１が相手と当接する（図２（ａ）ではスリーブ２０に当接）ことで流体をシールする断面Ｖ字状に形成されたシール部材である。
リップシール４０の配置位置よりもスタッフィングボックス４内に導入されるフラッシング流体の流れ方向下流側（リップシール４０の機内側）の配置位置であるポンプハウジング５の軸孔６と回転軸１に嵌装されたスリーブ２０との間には、機内側からリップシール４０へ流れる流体であるシール流体の流路を絞るブッシュ５０が配置される。

ブッシュ５０は、図２の（ａ）に示すように、フラッシング流体の流れ方向上流側（モータ側）の外周面に突出する環状フランジ部５２を有する断面Ｌ字形状に形成されている。そして、ポンプハウジング５のポンプ側（図２中、左側）からスタッフィングボックス４内に挿入されたブッシュ５０は、軸孔６の内周面に形成された環状の突出部７に環状フランジ部５２が係止される。そこで、ブッシュ５０は、軸方向におけるフラッシング流体の流れ方向下流側（ポンプ側）への移動が規制された状態で軸孔６内に内嵌される。
ブッシュ５０は、例えば、カーボンなどの超硬質材料で形成されており、スリーブ２０との接触を避ける必要がある。そのために、ブッシュ５０とスリーブ２０との間の隙間は、リップシール４０のリップ部４１とスリーブ２０との間の隙間よりも広く設定される。

リップシール４０は、フラッシング流体の流れ方向上流側（モータ側）からリップシール４０をブッシュ５０との間に挟むようにしてポンプハウジング５の内周面に固定される取付部材４２によって、スタッフィングボックス４に固定される。リップシール４０は、リップ部４１の先端がフラッシング流体の流れ方向下流側（ポンプ側）へ突出する向きに挿着される。リップシール４０は、ノックピン７５によって取付部材４２に対し回り止めされる。

図２の（ｂ）に示すように、本実施形態に係る取付部材４２は、１箇所割りのカラー４３とテーパプラグ４４とからなる。取付部材４２は、カラー４３のスリット間に形成されたテーパねじ穴４５（図３参照）にテーパプラグ４４を締め込んでカラー４３の外周面をスタッフィングボックス４内で拡径させることで、図２の（ｃ）に示すように、ポンプハウジング５の内周面に固定される。

その後、回転軸１に嵌着されたスリーブ２０がスタッフィングボックス４内に挿入され、スリーブ２０のポンプ側がポンプハウジング５の軸孔６を貫通する。これら軸孔６とスリーブ２０の間は、ブッシュ５０が配置されることで、ブッシュ５０の内周面とスリーブ２０の外周面との間の隙間に形成されるシール流体の流路が絞られる。

次に、上記した実施形態に係るメカニカルシール装置１０の作用を説明する。
本実施形態に係るメカニカルシール装置１０によれば、メカニカルシール３０が装着されたスタッフィングボックス４内に導入されたフラッシング流体は、図３の（ａ）に示すように、リップシール４０に対して機外側から機内側へ送出される矢印Ａ方向（シール流体の漏れ方向と逆方向）にフラッシング流体が流れる際にはリップ部４１が開く方向に弾性変形するリップシール４０を介して、フラッシング流体がリップシール４０の機内側に送出される。

そして、図３の（ｂ）に示すように、このリップシール４０は、リップシール４０に対して機内側から機外側へ漏れる矢印Ｂ方向にシール流体が流れる際にはリップ部４１が閉じる方向に弾性変形する。そこで、機内側から機外側へ流れるシール流体（漏れ流体）が抑制され、メカニカルシール３０の摺動面（摺動面１７及び摺動面１９）に異物が到達するのを防止できる。

また、リップシール４０とメカニカルシール３０とは、別体構造となっている。そのため、リップシール４０は、どんな構造のメカニカルシール３０とも組み合わせてスタッフィングボックス４に取り付けることができる。また、リップシール４０は、メカニカルシール３０の摺動面１７，１９やコイルスプリング３１から離して取り付けることができ、シール流体中の異物が摺動面１７，１９などに侵入する可能性が低い。

また、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０では、フラッシング流体がシールされる領域に導入され、メカニカルシール３０がフラッシング流体の流れ方向上流側に配置されていることで、メカニカルシール３０の摺動面に異物が侵入する可能性が低い。また、リップ部４１が機内側に向かって突出していることで、メカニカルシール３０からリップシール４０に向かって流れたフラッシング流体がリップ部４１に溜まった異物を流すことができ、リップシール４０の摺動面に異物が溜まることなくシールすることができる。

また、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０では、リップシール４０よりフラッシング流体の流れ方向下流側（リップシール４０の機内側）におけるスタッフィングボックス４と回転軸１（スリーブ２０）との間には、ブッシュ５０が配置されている。従って、機内側からリップシール４０へ流れるシール流体の流路をブッシュ５０によって絞ることができる。そこで、リップシール４０のリップ部４１に対して異物を侵入させ難く、また、より異物をメカニカルシール３０の摺動面１７，１９に到達させ難くすることができる。

さらに、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０によれば、スタッフィングボックス４に固定される取付部材４２によって、リップシール４０をブッシュ５０との間に挟んでスタッフィングボックス４に固定することができる。そこで、リップシール４０を回転軸１（スリーブ２０）とスタッフィングボックス４との間に確実に配置し、リップシール４０に対しフラッシング流体が機内側に流れる流れであっても、リップシール４０に対しシール流体が機外側に流れる流れ（シール流体の漏れ）であっても、リップシール４０を動くことなく固定することできる。従って、リップシール４０が移動してしまうことで、異物がスタッフィングボックス４内に侵入してしまう虞がない。
また、取付部材４２としては、１箇所割りのカラー４３とテーパプラグ４４を用いることで、スタッフィングボックス４に対する取付け部寸法の自由度を高めることができる。

従って、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０によれば、メカニカルシール３０の構造に係わらずリップシール４０を確実に固定することができるとともに、メカニカルシール３０の摺動面１７，１９に異物を侵入し難くして、耐久性を高めることができる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

１…回転軸
４…スタッフィングボックス（ボックス）
１０…メカニカルシール装置
１６…固定環
１８…回転環
２０…スリーブ
３０…メカニカルシール
４０…リップシール
４１…リップ部
４２…取付部材
５０…ブッシュ

Claims (1)

1. 回転軸が貫通するボックス内に装着されるとともに、前記回転軸と前記ボックスとの間の流体をシールし、前記ボックス内のシールされる領域に導入されるフラッシング流体の流れ方向上流側に配置されるメカニカルシールと、
   前記メカニカルシールの機内側であり且つ前記フラッシング流体の流れ方向下流側に配置され、基端部から機内側に向かって突出するリップ部を有するリップシールと、
   前記リップシールの機内側に配置されるブッシュと、
   前記リップシールを前記ブッシュとの間に挟む取付部材と、を備え、
   前記取付部材は、
   環状の形状を有するとともに周方向の１箇所において隙間をあけて分割された形状を有するカラーと、前記隙間に挿入されて前記カラーを拡径させるテーパプラグと、を有することを特徴とするメカニカルシール装置。

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