JPH0524389B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (イ) 産業上の利用分野 本発明は、例えば液体ロータリポンプの軸に沿
う漏れのような回転軸に沿う液体の制御されない
漏れを阻止するために造られかつ使用される高圧
メカニカルシール組立体の改良に関する。

(ロ) 従来技術 本発明は、核反応器冷媒ポンプ、ボイラ再循環
ポンプ、ボイラ供給ポンプおよびパイプラインに
使用するのに特に開発されかつこれらの使用にお
いて遭遇する圧力および温度の極端にかつ広範囲
に変化する条件に合う。勿論本発明はより緩やか
な条件にも適合する。広く変化する圧力および温
度の例として、例えば、加圧された水反応器内の
正常な動作圧力は約154.7Kg／cm²（2200psig）で
あり、かつ始動時には圧力は約1.4Kg／cm²
（30psig）の低さになる。このような反応器にお
いて、冷媒ループ内の水は約315.6℃（600〓）に
もなり、一方シール区域に入る水は約26.7℃（80
〓）の低さになる。これらのポンプにおいて、ポ
ンプ軸は軸方向に動くかもしれないしかつ半径方
向にぐらつき或いはゆがむ。このような応用のシ
ールに対する別の厳しい運転条件は、大きな直径
の部品に起因する高い圧力又は高い表面速度であ
る。従つてこれらの運転条件の下で動作可能なメ
カニカルシール組立体をつくることが必要であ
る。

メカニカルシール組立体は、通常、回転軸と共
に回転するように回転軸に接続された回転シール
リングと、ハウジングのフランジに接続された非
回転すなわち静止シールリングとを備えている。
各シールリングは半径方向シール面を有し、その
シール面は互いに向い合つている。通常シール面
の一方の回転に対して潤滑を与えるためにそのシ
ール面間に流体のフイルムがあるので、シール面
が互いに係合しているか否かについては議論があ
る。多くのシール組立体において、一つ又はそれ
以上のコイルばねが一方のシールリングを他方に
偏倚し、その結果、実際には一方又は両方のシー
ルリングは、通常「回転可能」又は「静止」と言
われているが、限られた軸方向移動が可能であ
る。複数のシール組立体を含む多段シール組立体
は技術的に知られている。

米国特許第4272084号において、多段メカニカ
ルシール組立体が記載されている。各段の回転可
能シールリングはスリーブのフランジに軸方向ピ
ンによつて接続され、そのスリーブは回転可能な
軸に接続されている。各段は各々のスリーブを有
している。各ステージの静止シールリングは保持
リングおよびスナツプリングによつて閉じ込めら
れた包囲している段性Ｏリングによつてハウジン
グに接続されたキヤリヤに対してシールされてい
る。各段において複数のコイルばねが静止リング
が回転可能リングに向つて偏倚している。各ばね
はばねポケツト内に受けられ、そのばねポケツト
の一部はキヤリア内にあり、他の一部はハウジン
グ内にある。ばね保持具は使用されていない。

米国特許第2444713号、第2498739号、第
2559964号、および第2653837号は、メカニカルシ
ール組立体において、シールリングの一方を軸又
はハウジングのどちらかに接続するために弾性リ
ングを使用することを示している。

米国特許第4094513号および第4202553号は、中
にばねポケツトのある軸を囲む固定の従つて静止
した円筒状部材を含み、そのポケツトのいくつか
は同じ方向に向き、他は逆に向いている多段メカ
ニカルシール組立体を示している。同じ方向に向
いている各ばねは一つの段の一つのシールリング
を同じ段の他のシールリングに向つて偏倚してい
る。

(ハ) 発明が解決しようとする問題点 本発明が解決しようとする問題は、メカニカル
シール組立体を、広範囲の苛酷な運転条件の下で
意図された機能を発揮できかつ一段又は多段に使
用でき、しかも前述の形式の水平又は垂直ポンプ
に使用できるようにすることである。

(ニ) 問題点を解決するための手段 本発明の技術的手段は、高圧流体と低圧流体を
分離するためのかつ回転可能軸１２および静止ハ
ウジングに取り付けられるメカニカルシール組立
体において、前記軸に接続された回転可能シール
リングと、制限された軸方向移動するように前記
ハウジングに接続された非回転シールリングと、
複数のコイルばねと、前面および後面を有するリ
ング状のばねホルダと、前記ホルダ内の複数のば
ねポケツトであつて、そのいくつかが前記前面に
開口しかつ他が前面後面に開口している複数のば
ねポケツトと、前記ばねが前記非回転シールリン
グを前記回転可能シールリングに向つて軸方向に
弾力的偏倚するように前記ばねホルダを前記非回
転シールリングに関して支持するための、前記ハ
ウジング内の装置とを備えて構成されている。

本発明のシール組立体は、対向する表面を有す
る静止シールリングと回転可能シールリングとを
備え、一方のリングが他方のリングに偏倚されて
いる。静止シールリングは通常炭素でつくられか
つ回転可能シールリングは炭化チタン、酸化アル
ミニウム等のような硬い材料でつくられている。
完全なシール組立体は軸スリーブに取り付けら
れ、その結果シール組立体は予め組立てることが
でき且つ適切な運転位置に軸に位置決めされる。

炭素の静止シールリングは、包囲している金属
保持部材すなわちリテーナに対して隔てられたＯ
リングによつて密封されている。リングの少なく
とも一部分はリテーナの半径方向内方に向けられ
たフランジによつて被われている。静止フイール
ドリング（field ring）の内径が低い圧力の流体
に露され且つリテーナが高い圧力の流体に露され
ているので、リテーナは炭素シールリングの厳し
い半径方向ゆがみをかなり除去する。その半径方
向ゆがみはリングの内側と外側の極端な圧力差に
よつて引起される。静止シールリングは軸スリー
ブを囲みかつそれから隔てられた「釣合」スリー
ブ装置によつて支持されている。釣合スリーブ
は、前述の形式のポンプでしばしば起る軸不整合
の悪い影響を除去するように、軸の傾き又は動揺
を許容する。

メカニカルシール組立体の回転するシールリン
グは横に配置された弾性キーによつて回転軸（或
いは場合によつてはスリーブ）に弾性的に接続さ
れ、そのキーはシールリングに形成された横の外
側表面および円筒状ロツクリングの内側に切られ
た横溝によつて形成されるポケツト内に嵌つてい
る。溝は回転シールリングを囲んでいるロツクリ
ングの軸方向に伸びている部分にある。回転シー
ルリングに平面を形成することは切欠きの形成を
防止し、かつこのようにして普通の駆動ピンを受
けるシールリングを弱くするのを防止する。ロツ
クリングは回転シールリングが破損したとき飛び
散るのを防止する。

新規なばねホルダが、静止シールリングを回転
可能シールリングに向つて弾性的に偏倚する複数
のばねを位置決めするために使用されている。ば
ねホルダがポンプハウジング内の環状空間内、特
にシールフランジとして知られているハウジング
の部分内に配置されている。ばねホルダは半径方
向前面と各々がコイルばねを受けるための軸方向
に並べられたポケツトのある半径方向後面とを有
している。いくつかのばねポケツトは前面に開口
しかついくつかのばねポケツト後面に開口してい
る。通常等しい数の前ポケツトと後ポケツトとが
ある。ばねのこの配列は静止シールリングにほぼ
等しいばね荷重を与え、かつばねがシール組立体
の機能に影響を与えることなく一方向に作用する
普通のばね装置によつて許容されるポンプ軸の軸
方向移動の２倍の移動を許容する。本発明による
ばね装置はシール組立体を比較的短く（軸方向長
さにおいて）かつコンパクトにできる。

(ホ) 実施例 以下図面を参照して本発明の実施例について説
明する。

第１図は、回転可能軸１２およびハウジング１
６のシールフランジ１４と共に使用するための一
段メカニカルシール組立体１０を示し、そのメカ
ニカルシール組立体は軸スリーブ１８と、回転可
能シールリングと、静止シールリング２２とを有
し、そのシールリングの一方は他方に対して弾性
的に偏倚されている。シールリング２０，２２は
相対的に回転する対向した平らな表面２４，２６
を有し、その表面を横切つてハウジング１６内の
の高圧流体が低圧区域（第１図で左側）に流れる
のを防止する。

シールリング２０は環状フランジ２８が設けら
れ、その内側を限定する表面３０はアダプタ３４
のフランジ３２上に受けられている。フランジ２
８の後部はアダプタのフランジ３２を囲んでいる
Ｏリング３６によつて軸方向に支持され、シール
リング２０およびフランジ３２がつくられた材質
の相違による運転条件からそれらの異なる運転条
件の好ましくない影響を取り除く。押えねじ３８
がアダプタ３４内にねじ込められかつその押えね
じの端部は軸スリーブ１８の切欠き４０内に受け
られ、このようにして軸スリーブ１８とアダプタ
３４との間の駆動接続を形成している。

ロツクリング４２はアダプタ３４およびフラン
ジ２８を囲み、かつシールリングのフランジ２８
にある平面４８およびロツクリング４２の溝５０
によつて形成される横ポケツト内に受けられた弾
性キー（第３図参照）によつてそこに接続されて
いる。キー４４はロツクリング４２、フランジ３
４、スリーブ１８およびシールリング１８の間の
駆動接続を形成しかつそれらの間の駆動を緩衝す
る。弾性接続は組立中シールリング２０およびロ
ツクリング４２を軸方向に位置決めする。押えね
じ３８はリング４２によつて囲まれている。リン
グ４２はシールリング２０を囲むことによつて、
シールリング２０が破損したときに飛び散るのを
防止する。

シールリング２２は釣合いスリーブ装置５４を
部分的に囲んでいる、後方に延びた減径した内側
フランジ５２を有している。シールリング２２は
リング２２とスリーブ５４との間に置かれたＯリ
ング５６によつてスリーブ装置５４上で心合せさ
れている。この配置は構成材料の相違による運転
条件からのリング２２とスリーブ５４の異なる半
径方向ゆがみの好ましからざる影響を条去する。
シールリング２２の外周はＯリング５９および６
０によつて囲まれかつリテーナ５８に対して密封
されている。ばねホルダすなわちリテーナ（以下
リテーナ）５８はシールリング２２の前の部分を
越えて伸びる半径方向内側に向けられたフランジ
６１を有している。リテーナ５８はシールリング
２２のひどい半径方向ゆがみを除去し、その半径
方向ゆがみはリング２２の内側と外側の極端な圧
力差に起因する。リテーナ５８の後部はノツチす
なわちスロツト６６を有する半径方向外方に伸び
るフランジ６４を有している。押えねじ６８は囲
んでいるキー７０と共にノツチ６６内に滑動可能
に受けられ、押えねじはシールフランジ１４のね
じ付き開口７２内に受けられ、このようにしてシ
ールリング２２をフランジ１４に接続しかつシー
ルリング２２がフランジ１４に関して回転するの
を阻止している。キー７０は、シールリング２２
およびリテーナ５８とシールフランジ１４と組立
てる間シールリング２２およびリテーナ５８の軸
方向移動を制限するために、外端にフランジが形
成されている。

リテーナ５８およびシールリング２２は、複数
の通常同じようなコイルばね７４によつて第１図
で右側に偏倚され、そのばねの各々はばねリテー
ナ７８（第２図参照）のポケツト７６内に受けら
れている。ばねリテーナ７８はフランジ１４の環
状空洞８０内に配置されかつ半径方向前面および
半径方向後面を有している。いくつかのポケツト
７６は前面に開口し、他のポケツトは後面に開口
する。ばね７４からのばね力は押えねじ８４によ
つてリテーナ５８に接続された環状のフランジ部
材８２に加えられる。ばね７４の装置は全ての運
転条件の下でリング２２にほぼ均一のばね荷重を
与えかつ全てのばねが同じ方向に向いている普通
のばね装置に比較してポンプ軸の２倍の軸方向移
動を許容している。Ｏリング８６は釣合スリーブ
装置５４とフランジ１４との間に配置されしてい
る。押えねじ８８はフランジ１４に螺合されかつ
スリーブの大きくされたスロツト９０内において
スリーブ５４をフランジ１４に関して軸方向およ
び半径方向に位置決めしている。Ｏリング８６は
スリーブ装置５４とフランジ１４との間で液体シ
ールを形成している。スリーブ装置５４がスリー
ブ１８から隔てられかつ軸１２からも隔てられて
いるので、軸のぐらつき又は不整合は静止シール
リングおよびそれに関連した部品の整合に何ら影
響しない。

シールリング２０は好ましくは炭素でつくられ
且つ静止シールリング２２は好ましくは炭化チタ
ン、炭化シリコン等のような硬い材料でつくられ
る。シール組立体の残りの部分は弾性のＯリング
およびキー４４を除いて、シール組立体が使用さ
れる環境に応じて適当な材料でつくられる。

第４Ａ図および第４Ｂ図は、縦に置かれたと
き、１００で示される多段メカニカルシール組立
体を示し、各段は個々のシール組立体Ａ，Ｂおよ
びＣを備えている。各段は基本的に構造が同じで
ある。もし相違があるとすればその段が取付けら
れているハウジング部分にある。スリーブ１０２
は連続しかつシール組立体１００の長さにわたつ
て伸びている。複数の部分を有するハウジング１
０４は、ほぼ中央に置かれたフランジ１１０のあ
るほぼ円筒状の部品１０８と、別個のエンドフラ
ンジ１１２とを有している。フランジ１１４は押
えねじ１１８によりプラグ１０６に接続され且つ
プラグ１０６の機能は前述のシールフランジ１４
と基本的に同じである。フランジ１１０および１
１２はシールフランジ１４と同じ機能をする。

部品の残りの部分は、各ステージにおいて次の
点を除いて第１図のシール組立体と同じである。
すなわち各静止シールリングが、シールリング２
２Ａ，２２Ｂおよび２２Ｃとそれらのリテーナ５
８Ａ，５８Ｂおよび５８Ｃ内への流体のあるゆる
しみ出しを許容してシールの低圧側に流すよう
に、半径方向通路１１６が設けられている点であ
る。これはシールリング２２Ａ，２２Ｂおよび２
２Ｃとリテーナ５８Ａ，５８Ｂおよび５８Ｃの間
の、リング２２を破損させる圧力の生起を防止す
る。一般に、１１６のような通路は一段のシール
では必要ないが、もし望まれるならば使用しても
よい。第４Ａ図および第４Ｂ図の同じ部品は同じ
参照番号に接尾語Ａ，Ｂ又はＣを付けて示されて
いる。一段のシール組立体の基本的特徴は多段シ
ール組立体の各段に与えられている。

上記実施例では特定の構造について説明した
が、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変形
が可能である。

(ヘ) 効果 従来のメカニカルシールに比べて軸を約２倍
軸方向移動を許容できる。

軸の僅かな傾き、動揺を許容できる。

回転シールリングが破損した場合に破片が飛
び散るのを防止できる。

軸方向長さを短くコンパクトにできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づいてつくられた単段メカ
ニカルシール組立体の部分断面図、第１Ａ図は第
１図の線Ａに沿つた部分断面図、第２図は本発明
にしたがつてつくられたシール組立体に使用され
るばねリテーナであつていくつかのばねポケツト
内にばねが入つた状態を示す図、第３図は回転シ
ールリング、ロツクリングおよびそれらの間の弾
性接続を示す展開図、第４Ａ図および第４Ｂ図は
本発明に従つてつくられた多段メカニカルシール
の断面図である。 １０，１００：メカニカルシール組立体、１
４：シールフランジ、１６：ハウジング、１８：
軸スリーブ、２０，２２：シールリング、２４，
２６：表面、２８：フランジ、３４：アダプタ、
７４：コイルばね、７８：ばねホルダ、７６：ば
ねポケツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高圧流体と低圧流体とを分離するためのかつ
   回転可能な軸１２及び静止ハウジングに取り付け
   られたメカニカルシール組立体１０又は１００に
   おいて、 前記軸に接続された回転可能シールリング２０
   と、 制限された軸方向移動を行うように前記ハウジ
   ングに接続された非回転シールリングと、 複数のコイルばね７４と、 前面及び後面を有するリング状のばねホルダ７
   ８と、 前記ばねホルダの複数のばねポケツトであつて
   （７６）、その幾つかが前記前面に開口しかつ他が
   前面後面に開口している複数のばねポケツトと、 前記ばねが前記非回転シールリングを前記回転
   可能シールリングに向かつて軸方向に弾力的に偏
   倚するように前記ばねホルダを前記非回転シール
   リングに関して支持するための、前記ハウジング
   内の装置と、 を備えたメカニカルシール組立体。 ２ 前記ばねホルダ及び前記ばねポケツト内の前
   記ばねを受けるための環状空洞を前記ハウジング
   内に限定するための装置を備えている特許請求の
   範囲１に記載のメカニカルシール組立体。 ３ 前記回転可能シールリングを前記軸に接続す
   る弾性装置を有する特許請求の範囲１に記載のメ
   カニカルシール組立体。 ４ 前記弾性装置４４，４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ
   が弾性キーから成る特許請求の範囲３に記載のメ
   カニカルシール組立体。 ５ 前記回転可能シールリングを囲んでいる円筒
   状のリング４２，４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃを備
   え、前記円筒状のリング及び前記回転可能シール
   リングがそれぞれ前記弾性キーを受けるための複
   数の横溝４８，５０，４８Ａ，５０Ａ，４８Ｂ，
   ５０Ｂ，４８Ｃ，５０Ｃを限定している特許請求
   の範囲４に記載のメカニカルシール組立体。 ６ 前記非回転シールリングを囲みかつその非回
   転シールリングに密封されたほぼ円筒状の保護リ
   テーナ５８，５８Ａ，５８Ｂ，５８Ｃを備えてい
   る特許請求の範囲５に記載のメカニカルシール組
   立体。 ７ 前記保護リテーナと前記非回転シールリング
   とに接している環状部材８２，８２Ａ，８２Ｂ，
   ８２Ｃを備え、前記環状部材がばねの力を前記非
   回転シールリングに伝えるようにつくられかつ配
   置されている特許請求の範囲６に記載のメカニカ
   ルシール組立体。 ８ 前記メカニカルシール組立体を前記軸に配置
   するために前記シールリングと前記軸との間に配
   置された軸スリーブ１８又は１０２を備えた特許
   請求の範囲７に記載のメカニカルシール組立体。 ９ 同じ構造の別のメカニカルシール組立体を組
   み合わせて備えている特許請求の範囲８に記載の
   メカニカルシール組立体。 １０ 各段のメカニカルシール組立体が特許請求
   の範囲８に記載のメカニカルシール組立体である
   多段メカニカルシール組立体。 １１ 非回転シールリングと前記リテーナとの間
   から流体の流れを許容してそれらの間の圧力の生
   起を阻止するように前記非回転シールリングに半
   径方向通路１１６を有する特許請求の範囲１０に
   記載の多段メカニカルシール組立体。 １２ 軸方向及び半径方向ゆがみを受けるポンプ
   軸と共に使用するためのかつ前記軸の少なくとも
   一部分に沿う流体の流れを阻止するためのメカニ
   カルシール組立体において、各々が互いに対抗す
   るシール面を有する一対の相対回転可能なシール
   リングと、一方のシールリングを他方のシールリ
   ングに向かつて軸方向に弾力的に偏倚してそれら
   のシールリングをのシール面を密に対向させてお
   くように協働する第１のばねの組と第２のばねの
   組とを限定するばね７４と、前記一方のシールリ
   ングを支持している前記軸を囲みかつその軸から
   隔てられたスリーブ装置５４，５４Ａ，５４Ｂ，
   ５４Ｃと、前記一方のシールリングと前記スリー
   ブ装置との間に配置されかつ前記スリーブ装置に
   関する前記一方のシールリングの制限された軸方
   向移動を許容する弾性密封装置５６，５６Ａ，５
   ６Ｂ，５６Ｃとを備え、第１のばねの組を限定す
   るばね７４は、そのばねの該シールリングと反対
   側に向く端部が、第２のばねの組を限定するばね
   の該シールリング側に向く端部が係合する第２の
   表面から軸方向に隔てられた第１の表面と係合
   し、かつ第１のばねセツト及び第２のばねセツト
   のばねが互いに円周方向に隔てて並べられるよう
   に、取り付けられているメカニカルシール組立
   体。 １３ 前記シール組立体を前記軸に位置決めする
   ための軸スリーブ１８又は１０２を備え、前記軸
   スリーブが前記軸と前記スリーブ装置との間に挟
   まれている特許請求の範囲１２に記載のメカニカ
   ルシール組立体。 １４ 前記スリーブ装置が前記軸スリーブから隔
   てられて前記一方のシールリングの半径方向の配
   置に影響を及ぼすことなく前記軸スリーブ及び前
   記軸の半径方向ゆがみを許容する特許請求の範囲
   １２に記載のメカニカルシール組立体。 １５ 各段のメカニカルシール組立体が特許請求
   の範囲１４に記載のメカニカルシール組立体であ
   る多段メカニカルシール組立体。