JPH0814401A

JPH0814401A - メカニカルシール

Info

Publication number: JPH0814401A
Application number: JP16757294A
Authority: JP
Inventors: Keiwa Ri; 継和李; Shoji Mizoe; 章二溝江; Tentei Chin; 典廷陳; Takashi Yanagisawa; 隆柳澤; Yoichi Ogata; 洋一尾形
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 1994-06-28
Filing date: 1994-06-28
Publication date: 1996-01-16

Abstract

(57)【要約】【目的】ガスＧを密封対象とした場合のメカニカルシ
ールのシール性及び耐久性を向上させる。【構成】密封対象ガスＧが回転環１５と固定環１３に
よる互いの摺動面の内周側に達する外流型のメカニカル
シールであって、摺動面の外周に達する反密封側空間Ａ
に潤滑液Ｏを充填し、回転環１５と固定環１３のうち一
方の摺動面１５１に、環状溝１５２及びこの環状溝１５
２と反密封側空間Ａとを連通する潤滑液通路１５３から
なる潤滑液導入部を設ける。また、他の手段としては、
回転環１５を密封対象ガスＧの圧力及び摺動発熱で摺動
面１５１の外周側が開くように変形させることによって
潤滑液Ｏを摺動面１５１に介入させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば撹拌機の回転軸
の軸周に装着されてガスを密封対象とするメカニカルシ
ールに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、図７に示すような撹拌機におい
て、撹拌缶１内の撹拌羽根２を回転させるためのほぼ垂
直な回転軸３に設けられる軸封装置４は、撹拌缶１内上
部のガスＧを密封対象としているため、このような軸封
装置４には、殆どの場合、２組のメカニカルシールを軸
方向（上下）に並べて配置すると共に両メカニカルシー
ルの間に潤滑液（シーラント）を供給してなるダブルメ
カニカルシールが用いられる。しかし、このようなダブ
ルメカニカルシールは、２組のメカニカルシールが必要
であるばかりでなく、これを装着する軸周のハウジング
の構造も複雑になって、装置が全体的に複雑かつ大型化
し、高価格になってしまう問題がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】また、装置の簡素化及
び低価格化を図るために、上記軸封装置４として単一の
メカニカルシールを用いた場合には、その密封摺動面が
ドライ摺動状態になってしまうので、顕著な例ではガス
Ｇの漏洩量が２０００ｃｃ／ｈｒにも達する場合があ
る。これは、液体を密封対象とする場合に比較してガス
は微小隙間を通過する際の粘性が極めて小さいからであ
る。しかも、液体潤滑されている場合と比較して、ドラ
イ摺動条件では摺動面の摩耗が著しく、シール可能なガ
ス圧力も、せいぜい２．５ｋｇ／ｃｍ² 程度が上限であ
る。

【０００４】本発明は、上記のような事情のもとになさ
れたもので、その技術的課題とするところは、単一のメ
カニカルシールでガスを密封対象とした場合のシール性
及び耐久性の向上を図ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述の技術的課題を有効
に解決するための手段として、本発明は、密封対象ガス
が回転環と固定環による互いの摺動面の内周側に達する
外流型のメカニカルシールであって、前記摺動面の外周
に達する反密封側空間に潤滑液を充填し、前記回転環と
固定環のうちの一方の摺動面に、前記反密封側空間に開
放された潤滑液導入部を形成したものであり、好ましく
は、前記潤滑液導入部が、円周方向に連続した環状溝及
びこの環状溝と前記反密封側空間とを連通する潤滑液通
路からなるものである。

【０００６】また、上述の技術的課題を有効に解決する
ための他の手段として、本発明は、密封対象ガスが回転
環と固定環による互いの密封摺動面の内周側に達する外
流型のメカニカルシールであって、前記密封摺動面の外
周に達する反密封側空間に潤滑液を充填し、前記回転環
と回転軸側との間に介在させるパッキンを、前記回転環
の内周面に前記摺動面と反対側の端部側に偏在して配置
したものであり、この場合、前記回転環の物性値を、ヤング率；５００ｋｇｆ／ｍｍ² 以下熱膨張係数；９×１０^-5１／℃ 以上熱伝導度；５×１０^-6ｋｃａｌ／ｓ・℃・ｍｍ以下とするものである。

【０００７】なお、一般にメカニカルシールは、密封対
象とする流体が反密封側へ漏洩するのを防止するもので
あるから、当然ながら、本発明においても密封対象ガス
は反密封側空間に充填した潤滑液よりも高圧である。

【０００８】

【作用】本発明によれば、回転環と固定環の互いの摺動
面のうちの一方には、潤滑液が充填された外周の反密封
側空間へ開放された潤滑液導入部が形成されていること
から、潤滑液がこの潤滑液導入部を通じて摺動面間に介
入されやすくなる。特に前記潤滑液導入部が、摺動面に
円周方向に連続した環状溝及び環状溝と前記反密封側空
間とを連通する潤滑液通路を形成したものである場合
は、摺動面の内周側に達する密封対象ガスに対する密封
は、前記摺動面のうち、環状溝よりも内径側部分におい
て行われ、摺動面外周の反密封側空間から潤滑液通路を
通じて環状溝内に導入された潤滑液は、その内周側の摺
動面間に潤滑液膜として介入されると共に、潤滑液膜に
よって前記密封対象ガスに対する密封作用が向上され
る。

【０００９】また、回転環と回転軸側との間に介在させ
るパッキンが、回転環の摺動面と反対側の端部内周面に
配置され、特に、前記回転環は、ヤング率が５００ｋｇ
ｆ／ｍｍ² 以下であり、熱膨張係数が９×１０^-5１／℃
以上であり、熱伝導度が５×１０^-6ｋｃａｌ／ｓ・℃
・ｍｍ以下であるものとすることによって、回転環はパ
ッキンよりも摺動面側の内周面に作用する密封対象ガス
の圧力及び摺動発熱による熱歪によって、摺動面側が大
径となるようにテーパ状に変形され、固定環との摺動面
が外周側で開かれる。このため、摺動面外周の反密封側
空間の潤滑液が摺動面間に液膜として介入されるように
なって、摺動面が潤滑されると共に前記ガスに対する密
封作用が向上される。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の好ましい一実施例を示すも
のである。この実施例のメカニカルシールは、先に述べ
た図７に示すような撹拌機のほぼ垂直な回転軸３の軸周
において撹拌缶１内上部のガスＧを密封するための軸封
装置４として装着されており、すなわち前記撹拌缶１の
上部で回転軸３の軸周を包囲するように設けられた軸封
部ハウジング１１の内周にパッキン１２を介して固定さ
れた固定環であるメイティングリング１３と、回転軸３
の外周面にパッキン１４を介して軸方向（上下）移動自
在に設けられ下端面がメイティングリング１３の上端面
に摺接された回転環であるシールリング１５とを有す
る。シールリング１５は、その上方で回転軸３の外周面
にセットスクリュ１７で固定されたカラー１６に上端を
押さえられたコイルスプリング（図示省略）によって、
コンプレッションリング１８を介して下方へ付勢され、
メイティングリング１３の上端面に押し付けられている
と共に、前記カラー１６に設けたノックピン１９が、シ
ールリング１５の背面外径部に形成した係合切欠１５ａ
と係合することによって、回転軸３と一体回転されるよ
うになっている。

【００１１】軸封部ハウジング１１の内周であってメイ
ティングリング１３とシールリング１５の互いの摺動面
の外周に達する反密封側空間Ａには、潤滑液Ｏ（例えば
潤滑油）が充填され貯留されている。シールリング１５
の下端にはノーズとも呼ばれる環状の摺動突起１５０が
突設されており、この摺動突起１５０の下端面がメイテ
ィングリング１３に対する摺動面１５１となっている。
この摺動面１５１には図２にも示すように、潤滑液導入
部として、円周方向に連続した環状溝１５２と、この環
状溝１５２と摺動面１５１の外周の反密封側空間Ａとを
連通する潤滑液通路である所要数の切欠１５３が形成さ
れている。

【００１２】シールリング１５と回転軸３との間に介在
されたパッキン１４は、摺動面１５１に対して軸方向へ
１０ｍｍ以上離れた位置にあって、密封対象ガスＧの圧
力による上方への移動及びこれによるシールリング１５
の内周面からの逸脱を、カラー１６の内径部からシール
リング１５の内周へ向けて突出された筒状部１６ａによ
って阻止されている。また、メイティングリング１３の
材料としてはセラミックが用いられており、シールリン
グ１５の材料としては、次に列挙する物性値を有するＰ
ＴＦＥ樹脂が用いられている。ヤング率；５００ｋｇｆ／ｍｍ² 以下熱膨張係数；９×１０^-5１／℃ 以上熱伝導度；５×１０^-6ｋｃａｌ／ｓ・℃・ｍｍ以下

【００１３】なお、図１において参照符号２０はコンプ
レッションリング１８をカラー１６に軸方向移動自在に
係合させるドライブピンである。

【００１４】このメカニカルシールは、メイティングリ
ング１３の内周隙間Ｂを通じてシールリング１５の内周
隙間Ｃへ、パッキン１４によるシールリング１５と回転
軸３との間の密封位置まで侵入する撹拌缶１内の密封対
象ガスＧを、非回転のメイティングリング１３と、回転
軸３と共に回転しつつこのメイティングリング１３に押
し付けられるシールリング１５との互いの密接摺動によ
って軸封するもので、密封対象ガスＧが、メイティング
リング１３とシールリング１５の摺動面間において外周
側へ漏れようとする、いわゆる外流型のメカニカルシー
ルである。シールリング１５の摺動面１５１のうち、環
状溝１５２よりも外周側となる外周側摺動面１５１ｂに
は、環状溝１５２と反密封側空間Ａとを連通する切欠１
５３が形成されているので、メイティングリング１３と
の摺接による密封は、専ら環状溝１５２よりも内周側と
なる内周側摺動面１５１ａで行われる。したがって、外
周側摺動面１５１ｂにおいては、実質的にメイティング
リング１３との摺接による密封機能を奏するものではな
いが、コイルスプリングによるメイティングリング１３
との密接荷重を内周側摺動面１５１ａと分担して受ける
ため、密封機能を奏する内周側摺動面１５１ａにおける
面圧が緩和され、このため切欠１５３を通じて外周の反
密封側空間Ａから環状溝１５２内へ導入された潤滑液Ｏ
による内周側摺動面１５１ａへの潤滑液膜の形成が促さ
れる。また、この潤滑液膜の介入によって、摺動面内周
側の密封対象ガスＧに対する密封機能が格段に向上す
る。

【００１５】シールリング１５は、通常の摺動材である
カーボンや超硬合金，ＳｉＣ，銅合金等に比較してヤン
グ率が小さいため、変形しやすく、熱膨張係数は前記カ
ーボン，超硬合金，ＳｉＣ，銅合金等からなる摺動材に
比較して著しく大きい反面、熱伝導性はカーボン摺動材
よりも低いものとなっている。このため、メイティング
リング１３の内周隙間Ｂを通じてシールリング１５の内
周隙間Ｃへ、パッキン１４による密封位置まで侵入する
密封対象ガスＧの圧力によって、図３に示すように、シ
ールリング１５は摺動突起１５０側が拡大するテーパ状
に変形される。また、摺動面１５１における発熱によっ
て、この摺動面１５１側は熱膨張によって顕著に拡径さ
れるが、摺動面１５１と反対の端部１５ａ側は殆ど熱膨
張しないため、前記テーパ状の変形が促される。その結
果、摺動面１５１がその外周側においてメイティングリ
ング１３から僅かに離れ、更には、この摺動面１５１の
うちの実質的な密封摺動部である内周側摺動面１５１ａ
においても、その外周側すなわち環状溝１５２側がメイ
ティングリング１３から僅かに離れるので、反密封側空
間Ａからの潤滑液Ｏが介入され、良好な潤滑液膜が形成
される。

【００１６】発明者らが、シールリング１５を上述の物
性値を有するＰＴＦＥ樹脂製、メイティングリング１３
をセラミック製、シールリング１５の摺動面１５１とパ
ッキン１４による密封位置との軸方向距離を１０ｍｍ、
コイルスプリングの荷重による摺動面の面圧を１．７８
ｋｇ／ｃｍ² 、バランス値（摺動面の面積Ｓと、パッキ
ン１４の前面隙間Ｃにおける密封対象ガスの圧力がシー
ルリング１５をメイティングリング１３側へ押し付ける
ように作用する部分の軸方向投影面積Ｓ₀ との比率；Ｓ
₀/Ｓ×１００％）を６０とした図１に示す実施例構造の
メカニカルシールを用いて、軸回転数＝２００ｒｐｍ、
密封対象ガスの圧力＝６ｋｇ／ｃｍ² Ｇの試験条件で漏
洩試験を行ったところ、密封対象ガスの漏洩量が０．２
３ｃｃ／ｈｒと極めて少なく、優れた密封性能を実現で
きることが確認された。また、摺動面１５１の温度を計
測したところ６４℃であり、この時摺動面外周に０．１
〜２．０μｍの微小な面開きが形成されていることが確
認された。

【００１７】また、比較例として、シールリング１５が
メカニカルシール用の通常の摺動材であるカーボン（ヤ
ング率；１４００ｋｇｆ／ｍｍ² ，熱膨張係数；５×１
０^-6１／℃，熱伝導度；８Ｋｃａｌ／ｓ・℃・ｍｍ）か
らなり、摺動面１５１に環状溝１５２等を形成しないも
のを用いたメカニカルシールについても上述と同様の漏
洩試験を行ったところ、摺動面１５１には殆ど外周側の
面開きの形成が認められず、潤滑不足による温度の異常
上昇が発生した。なお、この比較例としてのカーボンよ
りも上記実施例に近似した物性値を有する材料であっ
て、メカニカルシール用摺動材として適した低摩擦・耐
熱・耐摩耗性材料は、現状では存在しない。

【００１８】図４は、本発明に係るメカニカルシールの
第二の実施例として、上記第一の実施例における切欠１
５３の代わりに、シールリング１５の摺動突起１５０の
うち環状溝１５２の外周側となる部分に、この環状溝１
５２と外周の反密封側空間Ａとを連通する潤滑液通路と
して所要数の小孔１５４を形成したもので、上記と同様
の作用・効果が得られる。

【００１９】また、潤滑液導入部としては、図５の第三
の実施例及び図６の第四の実施例に示すように、摺動面
１５１に、外周側へ開放された半月状の切欠１５５もし
くは弓形の切欠１５６を形成したものであっても良い。

【００２０】なお、本発明において、シールリング１５
の材料はＰＴＦＥ樹脂に限定されるものではなく、上述
の物性値を満足する摺動材であれば良い。

【００２１】

【発明の効果】本発明のメカニカルシールによると、摺
動面外周の反密封側空間に潤滑液を充填して、この潤滑
液が摺動面に介入される構成としたことにより、ガスを
密封対象とするものであるにも拘らず、ダブルメカニカ
ルシールとする必要がなく、密封性及び耐久性の向上が
実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るメカニカルシールの第一の実施例
を軸心を通る平面で切断して示す半断面図である。

【図２】上記実施例のメカニカルシールにおける摺動面
の一部を軸心と平行な方向から見た説明図である。

【図３】上記実施例のメカニカルシールにおけるシール
リングの変形状態を誇張して示す説明図である。

【図４】本発明に係るメカニカルシールの第二の実施例
を軸心を通る平面で切断して示す部分的な半断面図であ
る。

【図５】本発明に係るメカニカルシールの第三の実施例
における摺動面の一部を軸心と平行な方向から見た説明
図である。

【図６】本発明に係るメカニカルシールの第四の実施例
において摺動面の一部を軸心と平行な方向から見た説明
図である。

【図７】メカニカルシールが装着される撹拌機を概略的
に示す説明図である。

【符号の説明】

３回転軸１３メイティングリング（固定環）１４パッキン１５シールリング（回転環）１５１，１５１ａ摺動面１５２環状溝１５３切欠（潤滑液通路）１５４小孔（潤滑液通路）Ａ反密封側空間Ｇ密封対象ガスＯ潤滑液

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者陳典廷埼玉県坂戸市大字片柳1500番地イーグル工業株式会社埼玉工場内 (72)発明者柳澤隆埼玉県坂戸市大字片柳1500番地イーグル工業株式会社埼玉工場内 (72)発明者尾形洋一埼玉県坂戸市大字片柳1500番地イーグル工業株式会社埼玉工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】密封対象ガスが回転環と固定環による互
いの摺動面の内周側に達する外流型のメカニカルシール
であって、前記摺動面の外周に達する反密封側空間に潤
滑液を充填し、前記回転環と固定環のうちの一方の摺動
面に、前記反密封側空間に開放された潤滑液導入部を形
成したことを特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】請求項１の記載において、前記潤滑液導入部が、円周方向に連続した環状溝及びこ
の環状溝と前記反密封側空間とを連通する潤滑液通路か
らなることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項３】密封対象ガスが回転環と固定環による互
いの密封摺動面の内周側に達する外流型のメカニカルシ
ールであって、前記密封摺動面の外周に達する反密封側
空間に潤滑液を充填し、前記回転環と回転軸側との間に
介在させるパッキンを、前記回転環の内周面に前記摺動
面位置から軸方向に１０ｍｍ以上離れて配置したことを
特徴とするメカニカルシール。
【請求項４】請求項３の記載において、回転環の物性
値を、ヤング率；５００ｋｇｆ／ｍｍ² 以下熱膨張係数；９×１０^-5１／℃ 以上熱伝導度；５×１０^-6ｋｃａｌ／ｓ・℃・ｍｍ以下としたことを特徴とするメカニカルシール。