JPH09112707A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 高圧回転機械の軸封部において、回転軸が軸
方向に大きく移動しても漏洩量が増大し、シール性が劣
化することのないメカニカルシールを提供する。 【解決手段】 固定リング１６を設けるシールハウジン
グ１９と固着され、ケーシング８の内周面を軸方向に移
動自在にされた軸受支持リング２３と、回転リング１０
を回転軸５に取付ける軸スリーブ１３に固着され、外周
縁を回転軸５外周面から突出させた軸受スリーブ２１
と、軸受支持リング２３と軸受スリーブ２１との間に介
装され、回転軸５の軸方向の移動に伴い移動する軸受ス
リーブ２１の移動量と、ほぼ同じ移動量だけ軸受支持リ
ング２３を移動させるスラスト軸受２０とからなるスラ
スト軸受装置３０を、回転軸５とシールハウジング１９
の間に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転軸の軸封部か
らの高圧流体の漏洩を防止するメカニカルシール、特
に、ガス圧縮機、ポンプなどの高圧回転機械の軸封部に
使用されるメカニカルシールに関する。

【０００２】

【従来の技術】図２に、従来のガス圧縮機、ポンプ等の
高圧回転機械に適用される回転軸両端部の構造例を示
す。図に示すように、回転軸５を支持するためのジャー
ナル軸受１が回転軸５の両軸端に配置され、また、機内
（高圧室）３の高圧流体による軸方向の流体力（スラス
ト力）を支持するためのスラスト軸受２が、回転軸５の
いずれか一方のジャーナル軸受１より機内側の軸端部に
配置されている。また、高圧室３の高圧流体が機外（低
圧室）４に流出しないように、回転軸５に軸スリーブ１
２，１３で固定された回転リング１０と、回転軸５を囲
繞するケーシング８の内周面に嵌入された、シールハウ
ジング９に取付けられた固定リング１６とからなるメカ
ニカルシール６，７が、ジャーナル軸受１、スラスト軸
受２より内側の高圧室３の両側に配置されている。

【０００３】図３は、このメカニカルシール６，７の一
例を示す縦断面図、図４は、その回転リング１０の軸封
面１１（摺動面）を示す部分正面図である。これらの図
に示すように、メカニカルシール６，７は、回転軸５の
外周面とケーシング８の内周面で形成される、高圧室
（機内）３と低圧室（機外）４の間を、回転軸５の外周
面に一対の軸スリーブ１２，１３で固定された、回転リ
ング１０の後端に形成された軸封面と、ケーシング８の
内周面に嵌挿されたシールハウジング９、および後端が
シールハウジング９の前端と、ばね１４を介装して取付
けられ、シールハウジング９の内周を前後動できるよう
にした支持リング１５の前端に取付けられ、ばね１４の
弾性力で回転リング１０の軸封面に向けて押圧される、
固定リング１６の前端の軸封面との間で形成される円環
状の軸封部１１で、高圧室３からの高圧流体の漏洩をシ
ールするようにしている。

【０００４】このシールは、図４に示す如く、回転リン
グ１０の軸封面には、その外周部から内周方向へ向け
て、円周方向に複数個のらせん溝１７が設けられてお
り、回転軸５の回転により、回転リング１０外周部の高
圧流体を軸封部１１の内周方向へ移送して行うようにし
ている。すなわち、回転軸５の回転により、回転リング
１０の軸封面に設けられた複数個のらせん溝１７によっ
て、回転リング１０の外周の高圧室３側の流体を内周方
向に移送することにより、軸封部１１に発生する流体の
圧力が、回転リング１０と固定リング１６との間の軸封
部１１に作用し、回転リング１０の軸封面と固定リング
２の軸封面の接触を防止するようにしている。

【０００５】一方、この回転リング１０のらせん溝１７
の効果により、軸封部１１に発生する流体圧力の大きさ
は、回転リング１０の軸封面と固定リング１６の軸封面
の間のすきまの大きさによって変化するため、固定リン
グ１６の背面に作用する流体圧力と、支持リング１５を
介して押圧するばね１４の力の和と、前述した軸封部１
１に発生する流体圧力により、固定リング１６の軸封面
に作用する力の和が等しくなるように、固定リング１６
は軸方向に移動して、回転リング１０の軸封面と固定リ
ング１６の軸封面との間に、軸方向の適正なすきまが形
成され、軸封部１１のすきまが保持されるようにしてい
る。

【０００６】このようにして、相対的に回転する両リン
グ１０，１６の軸封面を、微小なすきまを介して非接触
で保持して、回転リング１０、および固定リング１６の
軸封面の損傷を防止するとともに、高圧室３から低圧室
４への流体の漏洩を抑えるようにしている。

【０００７】また、高圧流体によるスラスト力により、
回転軸５は軸方向へ移動する。この回転軸５の移動に伴
い、回転リング１０と固定リング１６とが、回転数、機
内圧力などの運転条件に応じて双方の軸封面の間に所定
の軸方向すきまを保つように、固定リング１６が軸方向
に移動する。しかし、この回転軸５の軸方向の移動に伴
い、固定リング１６の移動できる許容量は、支持リング
１５とシールハウジング９との軸方向の距離、及び両者
間に取付けられているばね１４の押付け力の変化により
左右される。

【０００８】特に、図２に示すスラスト軸受２に近い方
に配設されるメカニカルシール７では、回転軸５の軸方
向の移動は、スラスト軸受２により軸方向の移動が制限
され、微小であり、不具合は生じないが、スラスト軸受
２と反対側の軸端部では、ケーシング８と回転軸５との
温度差による熱膨張差により、両者の相対移動量が大き
くなり、軸端部に取付けた軸封装置６では、相対移動量
が大きくなる回転軸５およびケーシング８にそれぞれ取
付けられた回転リング１０と固定リング１６の軸封面の
軸方向すきまが、両リング１０，１６の間の軸封部１１
で発生する流体力等により、所定の軸方向すきまを保持
する調整範囲を越えることが起る。

【０００９】このため、両リング１０，１６の軸封面の
間のすきまが大きくなり、すきまからの漏洩量が急増し
たり、また、逆に両リング１０，１６の軸封面１１のす
きまが小さくなり、遂には密着して、回転リング１０の
軸封面が固定リング１６の軸封面と摺動し、両リング１
０，１６の軸封面が損傷して、シール性が悪化すると事
態が発生する不具合が生じることがある。

【００１０】なお、上述したメカニカルシール６が設け
られている軸端部にもスラスト軸受を設けることは、加
熱により回転軸５に発生する応力が増大すること、支持
機構が複雑になること、回転軸５が長大化することのほ
か、スラスト軸受を、両軸端部に設けてもメカニカルシ
ール６，７の何れかには、上述した不具合が依然として
発生することから、解決策とはならない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来のメカニカルシールの不具合を解消するため、メカニ
カルシールの回転軸取付部と、ケーシング取付部との間
に、軸方向の大きい相対的な移動が生じても、回転軸に
取付られる回転リングと、ケーシングに取付られる固定
リングとの軸封面の間隔を適正に保持でき、軸封部から
の漏洩量の急増、若しくは軸封部を形成する回転リン
グ、および固定リングの軸封面の損傷を防止し、シール
性の良好なメカニカルシールを提供することを課題とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このため、本発明のメカ
ニカルシールは、次の手段とした。回転リングを回転軸
に取付ける軸スリーブと、回転軸を囲繞するケーシング
内周面との間に、次の構成からなるスラスト軸受装置を
設けた。

【００１３】（１）ばねを介装して固定リングを前端に
取付け、ケーシングに挿嵌されてケーシングの内周に沿
って移動できるようにした、シールハウジングと固着さ
れ、シールハウジングとともに、ケーシングの内周面に
沿って、軸方向に移動できるようにした軸受支持リン
グ。なお、軸受支持リングには、軸まわりの回動を防止
する回り止めを設けることが好ましい。

【００１４】（２）固定リングとの間に軸封部を形成す
る軸封面を後端に設けた回転リングを、回転軸の外周面
に固定する軸スリーブで固定され、外周縁を回転軸の外
周面上から軸受支持リングの内周に向けて突出させた軸
受スリーブ。

【００１５】（３）軸受支持リングの内周部と軸スリー
ブの外周部との間に介装され、回転軸とともに回動する
軸受スリーブと、回動が規制され軸方向にのみ移動する
軸受支持リングとを連結するスラスト軸受。

【００１６】本発明のメカニカルシールは、上述の手段
により、熱膨張差で回転軸がケーシングと相対的に軸方
向に移動するとき、回転軸に固着されている回転リング
も、同時に同方向に移動する。また、回転軸の移動に伴
い、回転リングを回転軸に固着する軸スリーブにより、
回転軸外周面に固定された軸受スリーブも軸方向に移動
する。この軸受スリーブの軸方向への移動により、スラ
スト軸受を介して軸受支持リングが軸方向に移動し、軸
受支持リングに固着されているシールハウジングも移動
する。

【００１７】このシールハウジングの軸方向への移動に
伴い、シールハウジングにばねを介して取付けられてい
る固定リングが、回転軸の軸方向への移動に伴う回転リ
ングの移動量とほぼ同じ大きさで軸方向へ移動する。こ
れにより、固定リングと回転リングの軸封面の軸方向の
相対位置を保つことができ、回転リングの後端の軸封面
と固定リングの前端の軸封面の隙間、すなわち軸封部の
形状、軸方向の長さはほぼ一定に保持でき、軸封部にお
ける漏洩量の急増、若しくは損傷は確実に防止でき、良
好なシール性が保全できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明のメカニカルシール
の実施の形態を図面にもとづき説明する。図１は、本発
明のメカニカルシールの実施の第１形態を示す縦断面図
である。なお、図１において、図３に示す部材と同一、
若しくは類似のものについては、同一符番を付して説明
は省略する。

【００１９】図に示すように、回転リング１０を回転軸
５に取付ける軸スリーブ１３の後端には、内周面を回転
軸５に嵌入するとともに、前端面を軸スリーブ１３の後
端面で、後端面を軸スリーブ１３の後方の回転軸５に嵌
入されたスラスト軸受押え２２の前端面で、それぞれ挟
持された軸受スリーブ２１が設けられている。この軸受
スリーブ２１の外周縁は、軸スリーブ１３の外径から後
述する軸受支持リング２３の内周面に向けて突出させて
ある。また、固定リング１６を、前端面の穿設した凹部
に内蔵したばね１４により、支持リング１５を介して、
回転リング１０の後端面に向けて軸方向に押付けるシー
ルハウジング１９は、図３に示すケーシング８に固定さ
れた従来のシールハウジング９とは異なり、ケーシング
８内を軸方向に摺動自在にして、ケーシング８の内周面
に挿嵌されている。

【００２０】このシールハウジング１９の背面には、シ
ールハウジング１９と同様に、軸方向に摺動自在にされ
てケーシング８の内周面に挿嵌された軸受支持リング２
３がボルト等により固着されている。また、軸受支持リ
ング２３の外周には、回り止めピン２４が突設されてお
り、この回り止めピン２４の先端が、ケーシング８の内
周面に軸方向に穿設された溝２５に挿入されることによ
り、軸受支持リング２３、および、これに固着されたシ
ールハウジング１９の軸まわりの回転を防止するように
している。

【００２１】また、軸受支持リング２３の内周部には、
軸受スリーブ２１、すなわち軸スリーブ２１の外径より
径方向に突出させた軸受スリーブ２１、の外周縁を回動
させるようにした回転子を設けたスラスト軸受２０が設
けられている。

【００２２】このように、回転軸５に取付ける軸スリー
ブ１３と密着するようにして、軸スリーブ１３とスラス
ト軸受押え２２で挟持されて、回転軸５に取付けた軸受
スリーブ２１と、固定リング１６をばね１４を介して、
回転リング１０に押付けるようにしたシールハウジング
９に固着され、軸方向に移動自在にされた軸受支持リン
グ２３と、軸受スリーブ２１と軸受支持リング２３の間
に設けられ、回転軸５とともに回動し、軸方向に移動す
る軸受スリーブと、回動が規制され、軸方向に移動する
軸受支持リング２３とを連結するスラスト軸受２０とか
らなる、スラスト軸受装置３０を設けることにより、次
の作用、効果が得られる。

【００２３】特に、図２に示すスラスト軸受から遠い方
に配設されるメカニカルシール７では、ケーシング８と
回転軸５との温度差による熱膨張差による、回転軸５の
軸方向の移動に対して回転リングも同様に大きく軸方向
に移動する。しかし、回転軸５の軸方向の移動につれ
て、スラスト軸受装置３０を介して、シールハウジング
１９も同時に軸方向へ移動するので、このシールハウジ
ング１９からばね１４を介して押付けられている支持リ
ング１５が軸方向に移動し、支持リング１５の前端に固
着されている固定リング１６も、回転リング１０の軸方
向への移動量と、ほぼ同じだけ軸方向へ移動し、結局、
固定リング１６も回転リング１０との軸方向の相対位置
を保つことができる。

【００２４】従って、ケーシング８との間に大きな温度
差が生じ、熱膨張差により、ケーシング８との間に、大
きな相対移動が起る部分の回転軸５の外周に設けられる
メカニカルシール７においても、軸封面１１を形成する
回転リング１０の後端面と固定リング１６の前端面との
間のすき間を、常に適正な間隔に保持することが、軸封
部１１からの高圧流体の急激な漏洩を防止できるととも
に、接触による破損を防止でシール性を良好に保つこと
ができる。

【００２５】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明のメカニカ
ルシールによれば、特許請求の範囲に示す構成により、
回転軸とシールハウジングとの軸方向の位置決めのため
に設けたスラスト軸受装置により、回転軸に取付けられ
た回転リングと、シールハウジングに、ばね、支持リン
グを介して取付けられ、回転リングに向けて軸方向に押
付けられる固定リングとの間の、軸方向の相対位置を適
正に保持することができる。

【００２６】これにより、ケーシングと回転軸との熱伸
び差により生じる回転リング、および固定リング、それ
ぞれの軸封面の間の軸方向のすきまの変位が大きく変わ
ることを防止することができ、高圧流体の急激な漏洩が
抑制されるとともに、軸封面の接触によって生じる損傷
が回避でき、常にシール性の良好なメカニカルシールと
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のメカニカルシールの実施の第１形態を
示す縦断面図、

【図２】従来のメカニカルシール取付状態を示す高圧回
転機械の部分縦断面図、

【図３】従来のメカニカルシールの縦断面図、

【図４】メカニカルシールの回転リングの摺動面を示す
正面図である。

【符号の説明】

１ ジャーナル軸受 ２ スラスト軸受 ３ 機内（高圧室） ４ 機外（低圧室） ５ 回転軸 ６，７ メカニカルシール ８ ケーシング ９ シールハウジング １０ 回転リング １１ 軸封部 １２，１３ 軸スリーブ １４ ばね １５ 支持リング １６ 固定リング １７ らせん溝 １９ シールハウジング ２０ スラスト軸受 ２１ 軸受スリーブ ２２ スラスト軸受押え ２３ 軸受支持リング ２４ 回り止めピン ２５ 溝 ３０ スラスト軸受装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸の外周面に軸スリーブを介して固
   定され、軸封面を設けた固定リングと、前記回転軸を囲
   繞するケーシングの内周面に挿嵌されたシールハウジン
   グの前端にばねを介装して取付けられ、前記回転リング
   の軸封面に対向する軸封面を設けた固定リングにより円
   環状の軸封部を形成して、前記回転軸の外周の高圧室と
   低圧室との間をシールするメカニカルシールにおいて、
   前記シールハウジングを固着し、前記ケーシングの内周
   面を軸方向に移動自在にした軸受支持リングと、前記軸
   スリーブに固着され、前記回転軸の外周面上に突出した
   外周縁を設けた軸受スリーブと、前記軸受支持リングと
   前記軸受スリーブとの間に介装したスラスト軸受とから
   なるスラスト軸受装置を設けたことを特徴とするメカニ
   カルシール。