JP7482578B2 - 多段メカニカルシール装置およびこれを備えるポンプ - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の周囲を軸封する軸封部を有する機器に用いられるメカニカルシール装置に係り、特に、一の軸封部に配置される複数のメカニカルシール部（摺動部の組）を有する多段メカニカルシール装置に関する。

多段メカニカルシール装置としては、複数のメカニカルシール部を軸方向に沿って直列に配置（以下、「タンデム配置」ともいう）したものが知られている（たとえば特許文献１参照）。この種の多段メカニカルシール装置によれば、例えば、シングル型のメカニカルシール装置ではシールが困難なスラリー液であっても高い信頼性をもってシールできる。

特開２０１２－１９７９０７号公報（段落００１５－００１６）

しかし、タンデム配置型の多段メカニカルシール装置は、２組以上の摺動部の組を軸方向に沿って直列に配置するので、シングル型のメカニカルシールと比較して軸方向に大型化するという問題がある。そのため、関連機器のレイアウトによっては、軸方向の設置スペースを確保することが難しいという問題がある。
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、軸方向に省スペース化できる多段メカニカルシール装置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多段メカニカルシール装置は、回転軸の周囲を軸封する軸封部を有する機器に用いられる多段型のメカニカルシール装置であって、前記機器の一の軸封部でのシール部位が径方向に並ぶ複数のメカニカルシール部を有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る多段メカニカルシール装置によれば、機器の一の軸封部に対して、複数のメカニカルシール部を有するので、機器の一の軸封部での多段シールが可能である。そのため、例えば、シングル型のメカニカルシール装置ではシールが困難なスラリー液であっても高い信頼性をもってシールできる。
そして、本発明の一態様に係る多段メカニカルシール装置によれば、タンデム配置ではなく、各段のメカニカルシール部の摺動部の組が径方向に並ぶように配置されるので、軸方向に対してコンパクトな構成によってシールできる。そのため、例えば、関連機器のレイアウトによっては、シングル型のメカニカルシール装置同様の軸方向レイアウトを採用し得て軸方向に省スペース化できる。

上述のように、本発明によれば、高い信頼性をもってシール可能とし、軸方向に省スペース化できる。

本発明の一態様に係る多段メカニカルシール装置を備える機器の一実施形態である遠心ポンプの説明図であり、同図では軸線に沿った断面を示している。 図１に示す多段メカニカルシール装置の部分の要部拡大図である。 本発明の一態様に係る多段メカニカルシール装置の他の実施形態を説明する図である。 従来の多段シール装置を備えるポンプの一例の説明図であり、同図では、軸線に沿った断面を示している。

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。

本実施形態の遠心ポンプは、図１に示すように、前面が吸込側１ｉｎとされたケーシング１と、ケーシング１内の空間に片持ち支持されたインペラ３と、インペラ３を回転させるシャフト２と、シャフト２を水平に且つ回転自在に支持するハウジング４と、を備える。
ケーシング１は、シャフト２と直交する面に沿って略中央で二分割可能に構成され、上部中央が吐出側１ｏｕｔとされている。本実施形態のケーシング１は、その内周面の接液部を覆うように、耐摩耗に優れたゴム製のライナ５が装着される。

シャフト２は、ハウジング４の後端から後方に突設され、この突設部が不図示のモータの出力軸に駆動力を伝達可能に連結される。インペラ３は、自身の前面に複数枚の羽根３ａが設けられるとともに、背面に複数枚の裏羽根３ｂが設けられている。
ケーシング１には、その背面側に軸封装置３０が設けられている。本実施形態の軸封装置３０は、径方向内側に設けられた一次側メカニカルシール部１０と、径方向外側に設けられた二次側メカニカルシール部２０と、を備える。

各メカニカルシール部１０、２０は、図２に要部を拡大図示するように、機器の一の軸封部に対し、それぞれの摺動部の組によるシール部位ＭＳ１、ＭＳ２でのシール機能を径方向の内外で同時に発揮する。
特に、本実施形態では、各メカニカルシール部１０、２０は、ゴム弾性を利用したスプリングパッキンにより摺動部の組によるシール部位ＭＳ１、ＭＳ２に押圧力を加えるメカニカルシール機構を備えて構成されている。

詳しくは、本実施形態の軸封装置３０は、ケーシング１の背面に固定される略円筒状の固定側ベース３３と、固定側ベース３３に軸方向で対向して配置される、略円筒状の一次側回転環支持ベース３１および略円筒状の二次側回転環支持ベース３２と、を備える。
一次側回転環支持ベース３１は、シャフト２のスリーブ６に対して支持ベース固定ねじ３６によって一体回転するように固定される。二次側回転環支持ベース３２は、一次側回転環支持ベース３１の外周面に、略円筒状のすべり軸受（水中軸受）３４を介して回転自在に支持される。

一次側回転環支持ベース３１と二次側回転環支持ベース３２との間は、円環状の端部シール３５によりシールされている。本実施形態の端部シール３５は、すべり軸受３４よりも後方の位置に介装されて、その円環状の基端部が二次側回転環支持ベース３２の凹の段部に固定されるとともに、基端部先端から径方向内側に張り出すリップ部が一次側回転環支持ベース３１の外周面に摺接するように配置される。

二次側メカニカルシール部２０の回転環２１は、二次側回転環支持ベース３２がすべり軸受３４を介して回転可能に支持されている。これにより、本実施形態では、二次側メカニカルシール部２０の回転環２１は、二次側回転環支持ベース３２が、すべり軸受３４を介して一次側回転環支持ベース３１上に支持されてフリクション等の条件を含むつれまわり状態に応じて回転する。本実施形態の構成によれば、すべり軸受３４を採用したので、スラリー混入時に弱い構造の玉軸受に比べて、スラリーポンプ用の軸受け構造として好ましい。

一次側メカニカルシール部１０は、軸方向で略対向する固定側ベース３３の円環状凹部３３ａと一次側回転環支持ベース３１の円環状凹部３１ｄとの間の位置に設けられる。二次側メカニカルシール部２０は、一次側メカニカルシール部１０よりも径方向の外側であって、軸方向で略対向する固定側ベース３３の円環状凹部３３ｂと二次側回転環支持ベース３２の円環状凹部３２ｄとの間の位置に設けられる。

径方向内側の一次側メカニカルシール部１０は、シャフト２側の一次側回転環支持ベース３１に配置される円環状の回転環１１と、ポンプのケーシング１側となる固定側ベース３３に配置されて回転環１１の摺接面に対して軸方向に対向する摺接面を有する円環状の静止環１２と、ポンプのケーシング１側となる固定側ベース３３に配置されて静止環１２を回転環１１の方向に押圧付勢する円環状のゴムスプリングパッキン１３と、を備える。

一次側メカニカルシール部１０の回転環１１は、略円環状に形成されて耐摩性に優れた金属またはセラミック製で縦断面視が略Ｌ字状の部材であり、軸方向前端面がシール部位ＭＳ１を構成する一方の摺接面とされている。
回転環１１は、軸方向に沿ったすり割り部１１ｓに、回転環支持ピン１５が軸方向後方からスライド移動可能に嵌合された状態で、回転環１１の基端部が円環状凹部３１ｄに嵌合されることで、一次側回転環支持ベース３１と一体で回転するとともに、軸方向の所定範囲でのスライド移動が可能に保持されている。

また、一次側メカニカルシール部１０の静止環１２は、略円環状に形成されて耐摩性に優れた金属またはセラミック製で縦断面視が略Ｌ字状の部材であり、軸方向後端面がシール部位ＭＳ１を構成する他方の摺接面とされている。
静止環１２は、軸方向に沿ったすり割り部１２ｓに、静止環支持ピン１６が軸直方向外側からスライド移動可能に嵌合されるとともにゴムスプリングパッキン１３で軸方向後方に押圧され且つ径方向の位置が保持された状態で固定側ベース３３の円環状凹部３３ａに支持されている。

また、径方向外側の二次側メカニカルシール部２０は、シャフト２側の二次側回転環支持ベース３２に配置される円環状の回転環２１と、ポンプのケーシング１側となる固定側ベース３３に配置されて回転環２１の摺接面に対して軸方向に対向する摺接面を有する円環状の静止環２２と、ポンプのケーシング１側となる固定側ベース３３に配置されて静止環２２を回転環２１の方向に押圧付勢する円環状のゴムスプリングパッキン２３と、を備える。

二次側メカニカルシール部２０の回転環２１は、略円環状に形成されて耐摩性に優れた金属またはセラミック製で縦断面視が略Ｌ字状の部材であり、軸方向前端面がシール部位ＭＳ２を構成する一方の摺接面とされている。
回転環２１は、軸方向に沿ったすり割り部２１ｓに、回転環支持ピン２５が軸方向後方からスライド移動可能にされた状態で、回転環２１の基端部が円環状凹部３２ｄに嵌合されることで、二次側回転環支持ベース３２と一体で回転するとともに、軸方向の所定範囲でのスライド移動が可能に保持されている。

また、二次側メカニカルシール部２０の静止環２２は、略円環状に形成されて耐摩性に優れた金属またはセラミック製で縦断面視が略Ｌ字状の部材であり、軸方向後端面がシール部位ＭＳ２を構成する他方の摺接面とされている。
静止環２２は、軸方向に沿ったすり割り部２２ｓに、静止環支持ピン２６が軸直方向外側からスライド移動可能に嵌合されるとともにゴムスプリングパッキン２３で軸方向後方に押圧され且つ径方向の位置が保持された状態で固定側ベース３３の円環状凹部３３ｂに支持されている。

なお、上述の、一次側メカニカルシール部１０と二次側メカニカルシール部２０とは、内外の径寸法が相違する以外は、摺動部自体の基本構成は同様なので、以下、共通する構成については併記するかたちで同時に説明する。
内外の各メカニカルシール部１０、２０のゴムスプリングパッキン１３、２３は、円環状に形成されたゴム製の部材であり、静止環支持ベース３３の液室内面側に形成された円環状凹部３３ａ，３３ｂに嵌め込まれる円環状の固定部１３ａ、２３ａと、この固定部１３ａ、２３ａを基端側として各静止環１２、２２を押圧付勢する部分に向けて斜めに張り出す円錐面部１３ｂ、２３ｂと、この円錐面部１３ｂ、２３ｂの先端の位置から液室内面側に向けて径方向に延びる円筒状の押圧部１３ｃ、２３ｃと、を有する。押圧部１３ｃ、２３ｃの内部には金属製の心金が埋入されている。

また、本実施形態では、内外の各メカニカルシール部１０、２０は、ゴムスプリングパッキン１３、２３の劣化による永久ひずみを回避するために、ゴムスプリングパッキン１３、２３の押圧部１３ｃ、２３ｃを軸方向裏側から支持する、機械的な押圧部材として皿バネ１４、２４が設置されている。
つまり、各メカニカルシール部１０、２０は、ゴムスプリングパッキン１３、２３の円錐面部１３ｂ、２３ｂの裏側（押圧部１３ｃ、２３ｃの懐部分）に、静止環１２、２２への押圧付勢力を補助する押圧部材として皿バネ１４、２４が、ポンプのケーシング１側の部材である静止環支持ベース３３の円環状凹部３３ａ，３３ｂの対向面との間に介装されている。

本実施形態の場合、一次側メカニカルシール部１０と二次側メカニカルシール部２０との間に中間室５０を設けており、中間室５０は、静止環支持ベース３３に形成された注水路５１から、クエンチング（洗浄注水も合わせることがある）を行えるように構成されている。
なお、本実施形態の例では、注水路５１は、注水口が形成された上部横穴５１ａと、上部横穴５１ａに連通する竪穴５１ｂと、竪穴５１ｂに連通して中間室５０内に開口する下部横穴５１ｃと、を有し、上部横穴５１ａの注水口からクエンチング用の液体を注水して中間室５０に満たすことが可能になっている。また、静止環支持ベース３３の内周面に「洗浄水入口」を形成することができる。

次に、本実施形態の遠心ポンプの動作および作用効果について説明する。
本実施形態の遠心ポンプは、インペラ３を回転させることにより被送流体を昇圧して、ケーシング１の吸込側１ｉｎから吐出側１ｏｕｔに被送流体が移送される。
このとき、シャフト２が回転すると、インペラ３と共に、スリーブ６上に固定された一次側メカニカルシール部１０の回転環１１が一体で回転するとともに、一次側回転環支持ベース３１に対してすべり軸受３４を介して装着された二次側回転環支持ベース３２がつれまわり、これにより、二次側メカニカルシール部２０の回転環２１が回転する。
そして、各メカニカルシール部１０、２０の内外の回転環１１、２１は、軸方向で対向する静止環１２、２２との協働により、軸封装置３０の二段のメカニカルシール部１０、２０から被送流体が外部へ漏れるのを防止する。

ここで、従来の遠心ポンプにおいて、例えばスラリーポンプでは、図４に示す遠心ポンプのように、ケーシング１０１の背面側の軸封装置１３０として、ケーシング背面の画成空間１３１にエキスペラ１０７が配置され、エキスペラ１０７の背面側にスタフィングボックス１３２を有するものがある。

スタフィングボックス１３２は、シャフト１０２に装着されたスリーブ１０６の外周部分を囲繞するように形成され、その内面には、エラストマー等を材料とする複数のシール１１１を有するシール部１１０が配設される。シール部１１０の内周側に張り出すシール１１１のリップ先端はスリーブ１０６の外周面に摺接している。
エキスペラ１０７は、シャフト１０３の回転によって回転し、インペラ１０３の背面側圧力を低減して、被送流体がスタフィングボックス１３２のシール部１１０を通って外部へ漏れるのを防止する。

しかし、同図に示す遠心ポンプにおいては、軸封装置１３０が、軸方向に直列に配置された「エキスペラ＋軸方向多段シール」により構成される。そのため、軸封装置１３０が軸方向に大型化し、関連機器のレイアウトによっては軸方向の設置スペースを確保することが難しいという点において、特許文献１に例示したような、タンデム配置型の多段メカニカルシール装置と同様の解決課題を有するといえる。

これに対し、本実施形態の多段メカニカルシール装置によれば、上述したように、径方向の内外に設けた二段のメカニカルシール部１０、２０は、摺動部の組によるシール部位ＭＳ１、ＭＳ２が径方向に配置されることで、機器の一の軸封部での径方向の多段シールが可能である。そのため、例えば、シングル型のメカニカルシール装置ではシールが困難なスラリー液であっても高い信頼性をもってシールできる。
そして、本実施形態の多段メカニカルシール装置によれば、径方向の内外に設けた二段のメカニカルシール部１０、２０がタンデム配置ではなく、内外のメカニカルシール部１０、２０の摺動部の組によるシール部位ＭＳ１、ＭＳ２が径方向に並んで配置されるので、図１に示したようなエキスペラを有しない構成として、軸方向に省スペース化を図ることができる。

また、タンデム配置の多段メカニカルシール装置は、シール部位を一か所有する通常のシングルメカニカルシール装置に比べて高価になるのに対し、本実施形態の多段メカニカルシール装置によれば、軸方向に省スペース化を図ることにより、機器の関連部材の構成によっては、機器側の設計変更を少なくすることができるため、安価に多段メカニカルシール装置を提供することが可能となる。
特に、本実施形態の場合、一次側メカニカルシール部１０と二次側メカニカルシール部２０との間に中間室５０を設けており、中間室５０は、静止環支持ベース３３に形成された注水路５１からクエンチングを行えるので、スラリー液用の軸封装置として優れた構成といえる。

以上説明したように、本実施形態の多段メカニカルシール装置によれば、高い信頼性をもってシール可能としつつも軸方向に省スペース化することができる。なお、本発明に係る多段メカニカルシール装置およびこれを備えるポンプは、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、本発明に係る多段メカニカルシール装置が、遠心ポンプの軸封部に装備された例を示したが、これに限らず、本発明に係る多段メカニカルシール装置は、回転軸の周囲を軸封する軸封部を有する機器において、当該機器の一の軸封部に装備することができる。

また、上記実施形態では、一次側回転環支持ベース３１の周囲で二次側回転環支持ベース３２がつれ回りする構成例を示したが、これに限定されない。
例えば、図３に示すように、各メカニカルシール部１０、２０は、摺動部の組を径方向に離隔配置したことにより、一次側メカニカルシール部１０に比べ、二次側メカニカルシール部２０の周速が高くなる。そのため、回転速度の追従性に鑑みて、二次側メカニカルシール部２０に、マグネットカップリングによる変速機構を付加することは好ましい。

図３に示す例では、マグネットカップリング４０として直交マイタ型を採用した例であり、多極着磁がなされた円盤状の従動マグネット４１と、これに非接触で直交配置されて多極着磁がなされた円筒状の駆動マグネット４２と、を備える。なお、非接触配置のギャップは１ｍｍ以下が好ましい。
従動マグネット４１は、二次側回転環支持ベース３２に同軸に外嵌され、駆動マグネット４２は、従動マグネット４１の軸線に対して自身の駆動軸４２ｍの軸線が直交配置される。駆動マグネット４２は、駆動軸４２ｍを駆動する動力を、ポンプを駆動するシャフト２から、例えばＶベルト等の動力伝達手段を介して得るように設けることができる。

１ ケーシング
１ｉｎ 吸込側
１ｏｕｔ 吐出側
２ シャフト（回転軸）
３ インペラ
３ａ 羽根
３ｂ 裏羽根
４ ハウジング
５ ライナ
６ スリーブ
１０ 一次側メカニカルシール部
１１ 回転環
１２ 静止環
１３ ゴムスプリングパッキン
１４ 皿バネ
１５ 回転環支持ピン
１６ 静止環支持ピン
２０ 二次側メカニカルシール部
２１ 回転環
２２ 静止環
２３ ゴムスプリングパッキン
２４ 皿バネ
２５ 回転環支持ピン
２６ 静止環支持ピン
３０ 軸封装置（軸封部）
３１ 一次側回転環支持ベース
３２ 二次側回転環支持ベース
３３ 固定側ベース
３４ すべり軸受
３５ 端部シール
３６ 支持ベース固定ねじ
４０ マグネットカップリング
４１ 従動マグネット
４２ 駆動マグネット
５０ 中間室
５１ 注水路
１０１ ケーシング
１０２ シャフト
１０３ インペラ
１０６ スリーブ
１０７ エキスペラ
１１０ シール部
１１１ シール
１３０ 軸封装置
１３１ 画成空間
１３２ スタフィングボックス

Claims (8)

1. 回転軸の周囲を軸封する軸封部を有する機器に用いられる多段型のメカニカルシール装置であって、
   前記機器の一の軸封部でのシール部位が径方向に並ぶ複数のメカニカルシール部を備え、
   各メカニカルシール部は、前記回転軸側に配置される円環状の回転環と、前記機器のケーシング側に配置されて前記回転環の摺接面に対して軸方向に対向する摺接面を有する円環状の静止環と、を有し、
   前記複数のメカニカルシール部は、前記シール部位に対するシール機能を同時に発揮する、径方向の内側の一次側メカニカルシール部と、径方向の外側の二次側メカニカルシール部と、によって構成され、
   前記一次側メカニカルシール部の回転環は、前記機器の前記回転軸側に配置される一次側回転環支持ベースに支持され、
   前記二次側メカニカルシール部の回転環は、前記一次側回転環支持ベースの外周面にすべり軸受を介して装着された二次側回転環支持ベースに支持され、
   前記二次側回転環支持ベースは、前記すべり軸受で支持された状態で回転するように構成されていることを特徴とする多段メカニカルシール装置。
2. 各メカニカルシール部は、前記機器のケーシング側に配置されて前記静止環を前記回転環の方向に押圧付勢する円環状のゴムスプリングパッキンを備える請求項１に記載の多段メカニカルシール装置。
3. 前記ゴムスプリングパッキンは、前記ケーシング側に配置される支持部材の内面に形成された円環状凹部に嵌め込まれる円環状の固定部と、該固定部を基端側として前記静止環を押圧付勢する部分に向けて斜めに張り出す円錐面部と、該円錐面部の先端の位置から前記回転軸側に向けて径方向に延びる円筒状の押圧部と、を有する請求項２に記載の多段メカニカルシール装置。
4. 各メカニカルシール部は、前記ゴムスプリングパッキンの前記円錐面部の裏側に、前記静止環への押圧付勢力を補助する押圧部材としての皿バネが、前記ケーシング側に配置されて前記静止環を支持するための固定側ベースに形成された装着面との間に介装されている請求項３に記載の多段メカニカルシール装置。
5. 前記一次側メカニカルシール部と前記二次側メカニカルシール部との間には、クエンチングが可能に構成された中間室が設けられている請求項１～４のいずれか一項に記載の多段メカニカルシール装置。
6. 前記二次側メカニカルシール部には、マグネットカップリングによる変速機構が設けられている請求項１～５のいずれか一項に記載の多段メカニカルシール装置。
7. 前記マグネットカップリングは、前記二次側メカニカルシール部の前記回転環を支持する支持部材に前記回転軸と同軸に装着される円盤状の従動マグネットと、該従動マグネットの軸線とは自身軸線が直交配置される円筒状の駆動マグネットと、を備え、
   前記駆動マグネットは、当該駆動マグネットを回転駆動する動力を前記機器の回転軸から得る動力伝達手段を介して設けられている請求項６に記載の多段メカニカルシール装置。
8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の多段メカニカルシール装置を軸封部に備えることを特徴とするポンプ。

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