JPWO2010116844A1 - ベローズ型メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】使用材料を制約されることなく、リテーナ、ベローズ及びカラーが一体的に溶接固定されたベローズ組立体の耐食性を高め得るベローズ型メカニカルシールを提供する。【解決手段】シールリング３０と、メイティングリング４０と、を備え、シールリング３０及びメイティングリング４０の一方がハウジング５０に支持され、他方が回転軸６０に支持されて回転軸６０とともに回転する構成で、シールリング３０はベローズ２１を介して支持され、ベローズ２１は、その一端にシールリング３０を保持するためのリテーナ２２が溶接固定され、他端にカラー２３が溶接固定された一体構造のベローズ組立体２０として構成されるベローズ型メカニカルシールにおいて、前記ベローズ２１、リテーナ２２及びカラー２３が溶接された後のベローズ組立体２０の全表面が、イオンプレーティング等の物理的蒸着法により生成された耐食被膜によって被覆されていることを特徴とする。

Description

本発明は、石油精製、石油化学、製鉄化学、ケミカル、食品、一般産業機械の各種分野に広く適用可能なメカニカルシールに関し、特に二次シールとしてベローズを用いたベローズ型メカニカルシールに関する。

従来のこの種のベローズ型メカニカルシールは、静止形を例にとると、ベローズに保持されたシールリングと、シールリングに対向摺接するメイティングリングと、を備え、シールリングがハウジングに支持され、メイティングリングが回転軸に支持され回転軸とともに回転する構成となっている（特許文献１参照）。
ベローズは、その一端にシールリングを保持するためのリテーナが溶接固定され、他端にハウジングに固定されるカラーが溶接固定された一体構造物となっている。

シールリングはカーボンなどの摺動材で作られ、リテーナに密封的に焼嵌めまたは圧入されている。リテーナ材としては、カーボン等の熱膨張係数と近似する、５×１０^−６ 1／℃前後の低熱膨張係数の金属材料、たとえば４２％Ｎｉ−Ｆｅ等が用いられている。シールリングとリテーナの熱膨張係数を近似させることにより、高温になっても焼嵌め代の変化を少なくし、焼嵌め応力の変化を少なくしてシール端面の平面度を保持している。
一方、ベローズにはインコネル７１８やインコネル６２５（インコネルは登録商標）、ＡＭ３５０等のばね性のある金属が使用されている。

特開２０００−９７３４９号公報

しかしながら、好適なリテーナ材である４２％Ｎｉ−Ｆｅは、硫黄や硫化水素などの腐食因子が混入している密封液の場合、ベローズ材であるインコネル等に比較して腐食が著しい。腐食を防止するためには、リテーナの表面および溶接部に耐食メッキを施せばよいが、メッキ後にベローズに溶接すると、溶接部のメッキが剥がれたり、巣などのメッキ不良部が発生したりして溶接部が腐食するおそれがある。
一方、溶接後にリテーナおよび溶接部にメッキする場合、ベローズにメッキされると特性が変化するために、マスキングしなければならないが、マスキング作業は大変であり、またマスキングが不十分でベローズまでメッキされてしまったり、溶接部がメッキされなかったりして、十分な耐食効果が得られない。そのため、腐食性の高い環境下ではリテーナ材として４２％Ｎｉ−Ｆｅは使用できず、使用材料が制約されてしまう。

本発明は上記した従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、使用材料を制約されることなく、リテーナ、ベローズ及びカラーが一体的に溶接固定されたベローズ組立体の耐食性を高め得るベローズ型メカニカルシールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、回転軸とハウジングとの間をシールするメカニカルシールであって、
シールリングと、該シールリングに対向摺接するメイティングリングと、を備え、前記シールリング及びメイティングリングの一方がハウジングに支持され、他方が回転軸に支持され回転軸とともに回転する構成で、
前記シールリングはベローズを介して支持されるもので、前記ベローズは、その一端にシールリングを保持するためのリテーナが溶接固定され、他端に回転軸に固定されるカラーが溶接固定された一体構造のベローズ組立体として構成されているベローズ型メカニカルシールにおいて、
前記ベローズ、リテーナ及びカラーが溶接された後のベローズ組立体の全表面が、物理的蒸着法（ＰＶＤ処理）により生成された耐食被膜によって被覆されていることを特徴とする。

耐食被膜は、耐食性を有する窒化金属系の材料によって構成することが好適で、その厚みは１０μｍ以下とすることが好ましい。
シールリングを保持するリテーナの材料は、シールリングと熱膨張係数が近似しているかそれよりも低い材料とする。

またシールリングがリテーナと遊離し、上記シールリングのリテーナ側端面とリテーナのシールリング側の端面が、互いに円周方向に摺動自在に密接する連結構造となっていてもよい。

本発明によれば、リテーナ、ベローズおよびカラーを互いに溶接した後のベローズ組立体の全表面に、物理的蒸着法による耐食被膜を形成しているので、ベローズ組立体全表面が均一な耐食性を持つことになる。したがって、リテーナ、ベローズおよびカラーの材料は、耐食性を考慮することなく、熱膨張係数等を考慮して最適な材料を選定することができる。
耐食被膜を窒化クロム等の窒化金属系の材料によって構成すれば、耐食性に優れた被膜を形成することができる。
たとえば、石油精製の２００℃以上の高温のボトム液には、硫黄や硫化水素が含まれており、リテーナ材として４２％Ｎｉ−Ｆｅを用いている場合には著しく腐食する。また、ベローズに用いられる耐食性の高いインコネル７１８でも孔食が発生する場合がある。しかし、窒化クロムなどの耐食イオンプレ-ティングを施行しておけば、均一で、かつ全表面に、ステンレスの酸化被膜のような窒化クロム等の耐食被膜を成膜することができ、ベローズ組立体全部がインコネル７１８以上の耐食性を得ることができる。

また、耐食被膜によってベローズの荷重は上昇するものの、厚みを１０μｍ以下とすることにより、荷重増大を可及的に抑えることができ、また、シール性能や耐久性にも影響しない。
シールリングを保持するリテーナの材料を、４２％Ｎｉ−Ｆｅのようなシールリングと熱膨張係数が近似しているかそれよりも低い材料としておけば、シールリングとリテーナの嵌合部の応力変化は小さく、シール端面の平面度が保持され、シール性を維持しつつ耐食性を高めることができる。

シールリングをリテーナと遊離するような構成としておけば、リテーナのシール端面には、シールリングとメイティングリング間の摺動トルクはほとんど作用しない。作用したとしても、シールリングのシール端面が滑ることにより、摺動トルクを極小に押さえることができる。また、シールリングが回転しないので、スティックスリップによる円周方向の微小な振動による微小変位分だけ摺動するのみで、ほとんど静止状態に近い。したがって、摺動による発熱も無いので、シール端面間の潤滑膜が安定し、優れた密封性を保持できる。

図１は本発明の実施例１に係るベローズ型メカニカルシールの断面図である。 図２は図１のＸ方向から見た隙間の状態を誇張して示す図である。 図３は本発明の実施例２に係るベローズ型メカニカルシールの断面図である。

以下に本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明の実施例１に係るベローズ型メカニカルシールを示すもので、１０はベローズ型メカニカルシール全体を示している。
すなわち、このベローズ型メカニカルシール１０は、回転軸６０とハウジング５０との間をシールするもので、シールリング３０と、シールリング３０に対向摺接するメイティングリング４０と、を備えている。この実施例では、静止形メカニカルシールで、シールリング３０がシールカバー５２を介してハウジング５０に支持され、メイティングリング４０が回転軸６０に支持され回転軸６０と共に回転する構成となっている。また、回転軸６０には固定スリーブ８０が嵌合固定され、この固定スリーブ８０にメイティングリング４０を保持するリテーナ４１が固定されている。図において、機外側をＡ、密封対象となる機内側Ｆとすると、シールリング３０が機外側Ａ、メイティングリング４０が機内側Ｆに配置されている。また、シールカバー５２はハウジング５０の機外側の端面に固定されている。

シールリング３０はベローズ２１を介してシールカバー５２に支持される構成で、ベローズ２１は、その一端にシールリング３０を保持するためのリテーナ２２が溶接固定され、他端にシールカバー５２に固定されるカラー２３が溶接固定された一体構造のベローズ組立体２０として構成されている。
シールリング３０は、カーボン等の摺動材から構成される環状部材で、メイティングリング４０に摺接する凸部３１を有し、互いのシール端面３０ａ，４０ａである摺動面は回転軸６０の中心軸に対して直交する直交面となっている。
密封流体が、タールやピッチなどのように、高温時は流動性があり、温度が下がると固化する性状の液体の場合は、ポンプ停止後、シールリング３０とメイティングリング４０のシール端面３０ａ，４０ａが固着し、起動と同時に過大なトルクが作用し、それがベローズ２１に伝播して過大なねじりトルクが作用するおそれがある。このようなタールやピッチ、アスファルトなどの熱溶融流体の場合や、固形分を多く含んだ高温流体の場合には、摺動材の組み合わせは、シリコンカーバイドや超硬合金などのカーボンよりも硬い材質同士にするのが有効である。

ベローズ２１は金属製で、軸方向に伸縮自在の蛇腹部を有する。蛇腹部の形状構造は特に限定されない。リテーナ２２は金属製の円筒状部材で、内周が段付き形状となっており、小径の内周面に、シールリング３０の外周が、圧入あるいは焼嵌めによって固定されている。一方、カラー２３も金属製の円筒状部材で、その一端にベローズ２１の一端が溶接にて固定され、他端部外周がシールカバー５２に固定されている。
シールリング３０、リテーナ２２、ベローズ２１及びカラー２３の内周側には、回転軸６０との間隙に円筒状のバッフルスリーブ７０が挿入されている。バッフルスリーブ７０は、その一端がシールカバー５２にボルト７２で固定され、他端がリテーナ２２の内周部まで延びている。バッフルスリーブ７０は、シールカバー５２に設けられたクエンチング穴５１から供給されるクエンチング液をシールリング３０とメイティングリング４０との摺動面に案内している。

シールリング３０を保持するリテーナ２２の内周部には、図２に誇張して示すように、バッフルスリーブ７０の外周に向けて突出してバッフルスリーブ７０との隙間を微小に絞る絞り部２２ａが設けられている。また、絞り部２２ａには、周方向に１個又は複数の切欠き２２ｂが設けられ、クエンチング液の通路を形成している。

本発明は、上記した溶接一体構造のベローズ組立体２０の全表面を、物理的蒸着法（ＰＶＤ）としてのイオンプレーティングによる耐食被膜によって被覆したものである。すなわち、リテーナ２２、ベローズ２１およびカラー２３が一体的に溶接された後に、イオンプレーティングが施される。物理的蒸着法としては、イオンプレーティングに限らず、真空蒸着、スパッタリング等の他の方法を採用してもよい。

本実施例では、メイティングリング４０を保持するリテーナ４１の全表面についても、イオンプレーティングによる耐食被膜によって被覆されている。バッフルスリーブ７０については、ＳＵＳ６３０などの硬質材料か硬質クロムメッキを施してもよいし、ベローズ組立体２０と同様に、耐食、耐磨耗性のイオンプレーティングを施してもよい。

イオンプレーティングで成膜される耐食被膜は、耐食性を有する特殊窒化クロムや窒化チタンなどの窒化金属系の材料によって構成される。耐食被膜の厚みは、１０μｍ以下、特に５〜６μｍ前後が好適である。ベローズ２１の荷重は増大するものの、荷重増大分は１０％程度に抑えることができ、設計面で配慮することで、シール性能や耐久性には影響しないようにできる。
シールリング３０やメイティングリング４０を保持するリテーナ２２、４１の材料は、４２％Ｎｉ−Ｆｅのように、シールリング３０やメイティングリング４０を構成するカーボンやシリコンカーバイドなどの摺動材の熱膨張係数と近似しているか、それよりも低い材料とする。

一方、ベローズ２１の材料としては、従来と同様、インコネル７１８やインコネル６２５、ＡＭ３５０などのばね性のある金属が使用される。特に、ＡＭ３５０は、インコネル７１８と比較して耐食性は無いものの、同等の高温時のばね特性と機械的強度を有し、溶接性に優れている。したがって、ＡＭ３５０をベローズ材に使用することでコストを大幅に低減できる。

ここで、ベローズ２１とリテーナ２２間の熱膨張係数の差が大きい場合、高温になると、ベローズ２１の熱膨張量が大きくなってリテーナ２２を引っ張ることになり、リテーナ２２が微小変形するおそれがある。リテーナ２２が微小変形すると、リテーナ２２に焼嵌め又は圧入されているシールリング３０も微小変形し、摺動面の平面度の保持ができなくなるおそれがある。
そこで、ベローズ２１とリテーナ２２について、同一材料か、ほぼ近似した熱膨張係数を有する異種金属で構成することが好ましい。材料の選定は、使用温度条件、各部の寸法によって適宜選定すればよい。たとえば、リテーナ２２としては、４２％Ｎｉ−Ｆｅまたはインコネル６２５、ベローズ２１の材料としては、インコネル６２５が好適である。

次に、本発明の実施例２について説明する。
図３は本発明の実施例２に係るベローズ型メカニカルシールを示している。以下の説明では、異なる点についてのみ説明するものとし、実施例１と同一の構成部分については同一の符号を付し、その説明は省略するものとする。
この実施例２では、シールリング３０がリテーナ２２に嵌合する構成ではなく、シールリング３０がリテーナ２２と遊離し、シールリング３０のリテーナ側端面とリテーナ２２のシールリング側の端面が、円周方向に互いに摺動自在に密接する連結構造となっている。以下、この連結部をラップジョイント部９０という。

すなわち、シールリング３０のリテーナ側端面には円環状のノーズ３２が突設され、このノーズ３２の端面がメイティングリング４０側のシール端面３０ａと同等の表面粗さの平面度までラッピング仕上げされたシール端面３２ａとなっており、対向するリテーナ２２のシールリング側の端面であるシール端面２２ｄに摺動自在に密接している。
シールリング３０のノーズ３２のシール端面３２ａの面幅は、メイティングリング４０と接するシール端面３０ａの面幅とほぼ同じとするかそれよりもやや狭くする。シールリング３０の反メイティングリング側の外周には段部３３が設けられると共に、リテーナ２２のシールリング側の外周にも段部２２ｃが設けられ、両段部３３，２２ｃにまたがるように、円筒状のアダプター９１が、径方向に微小隙間をもって嵌められており、リテーナ２２とシールリング３０の芯出しがなされている。

本実施例２では、シール端面２２ｄが形成されたリテーナ２２、ベローズ２１およびカラー２３が、互いに溶接固定された一体構造のベローズ組立体２０となっており、このベローズ組立体２０の全表面が、イオンプレーティングによる耐食被膜によって被覆されている。したがって、シールリング３０が摺接するシールリング側のシール端面２２ｄも、イオンプレーティングによる耐食被膜で被覆されている。

また、シールリング３０の内周側には、１個又は複数の切欠き３４が設けられている。一方、バッフルスリーブ７０の先端には、シールリング３０の切欠き３４と互いに微小隙間を持ち、シールリング３０が軸方向に移動自在な状態で噛み合う突起部７１が設けられ、この切欠き３４と突起部７１の噛み合いによって、シールリング３０の回転を規制している。バッフルスリーブ７０の突起部７１の側縁とシールリング２２の切欠き３４側縁は、互いにトルクを受けて摩擦し合い、摩耗しやすいので、バッフルスリーブ７０はＳＵＳ６３０のような硬質材か、硬質クロムメッキや耐摩耗性イオンプレーティングなどの表面硬化処理を施工して、摩耗を抑えることが好ましい。

シールリング３０のメイティングリング４０と摺接するシール端面３０ａは、ベローズ２１のばね荷重+流体圧力による押し付け力で互いに密封的に接触する。一方、リテーナ側のシール端面３２ａは、シールリング３０が回転しないので、回転による摺動はしないほぼ静止状態の密封面となる。

シールリング３０とメイティングリング４０のシール端面３０ａ，４０ａは潤滑性がよいときは摩擦係数が小さくなるので、シール端面間の摺動トルクは小さく、潤滑が悪くなるとブレーキがかかって摺動トルクが大きくなる。シール端面間の潤滑が不安定な条件の場合、たとえば、密封液が低沸点液や揮発性液の場合、高負荷条件でシール端面間の潤滑膜が破断して潤滑性が乏しい場合、温度や圧力変化がある使用条件では、シールリング３０のシール端面３０ａが高サイクルで円周方向に微振動し(スティックスリップ）、摺動トルクも高サイクルで変動する。この高サイクルの円周方向に微振動がリテーナ２２を経由してベローズ２１に伝播し、ベローズ２１が高サイクルで振動（ねじり−戻り）するおそれがある。

これに対して、本実施例２のように、ラップジョイント部９０により、シールリング３０をリテーナ２２と遊離するような構成としておけば、リテーナ２２のシール端面２２ｄには、シールリング３０とメイティングリング４０間の摺動トルクはほとんど作用しない。作用したとしても、シールリング３０のシール端面３２ａが滑ることにより、摺動トルクを極小に押さえることができる。
また、ラップジョイント部９０はシールリング３０が回転しないので、スティックスリップによる円周方向の微小な振動による微小変位分だけ摺動するのみで、ほとんど静止状態に近い。したがって、摺動による発熱も無いので、シール端面間の潤滑膜が安定し、優れた密封性を保持できる。

また、ベローズ２１についても、メイティングリング４０との摺動トルクは作用しないノントルクのベローズ２１とすることができ、スティックスリップによる高サイクルの微振動は発生せず、ベローズ２１が疲労破損をするおそれがない。また、修理の際にもベローズ組立体２０の再使用率を大幅に向上できる。

仮に、メイティングリング４０と摺接するシールリング３０のシール端面が損傷しても、ベローズ組立体２０は分離しているので、交換するのはシールリング３０だけでよく、交換部品コストの削減を図ることができる。
また、シール端面３２ａ，２２ｄ間が固着してスティックスリップによる微振動がベローズ２１に伝播したり、バッフルスリーブ７０の突起部７１の摩耗でトルクを受けられなくなって、摺動トルクがベローズ２１に作用し、ベローズ２１に振動が起きたとしても、リテーナ２２内周部に設けた絞り部２２ａによってベローズ２１の振れ止めがなされるので、ベローズ２１の疲労を先延ばしでき、耐久性を確保できる。

なお、上記した各実施例では、静止形のベローズ型メカニカルシールについて説明したが、ベローズ組立体によって保持されるシールリングが回転軸に取り付けられ、回転軸と共に一体回転する回転形について適用可能であることはもちろんである。

１０ ベローズ型メカニカルシール
２０ ベローズ組立体
２１ ベローズ
２２ リテーナ
２２ａ 絞り部
２２ｂ 切欠き
２２ｃ 段部
２２ｄ シール端面
２３ カラー
３０ シールリング
３１ 凸部
３２ ノーズ
３２ シール端面
３３ 段部
３４ 切欠き
４０ メイティングリング
４１ リテーナ
５０ ハウジング
５１ クエンチング穴
５２ シールカバー
６０ 回転軸
７０ バッフルスリーブ
７２ ボルト
８０ 固定スリーブ
９０ ラップジョイント部
９１ アダプター
Ａ 機外側
Ｆ 機内側

Claims (5)

1. 回転軸とハウジングとの間をシールするメカニカルシールであって、
   シールリングと、該シールリングに対向摺接するメイティングリングと、を備え、前記シールリング及びメイティングリングの一方がハウジングに支持され、他方が回転軸に支持され回転軸と共に回転する構成で、
   前記シールリングはベローズを介して支持され、前記ベローズは、その一端にシールリングを保持するためのリテーナが溶接固定され、他端にカラーが溶接固定された一体構造のベローズ組立体として構成されているベローズ型メカニカルシールにおいて、
   前記ベローズ、リテーナ及びカラーが溶接された後のベローズ組立体の全表面が、物理的蒸着法により生成された耐食被膜によって被覆されていることを特徴とするベローズ型メカニカルシール。
2. 耐食被膜が耐食性を有する窒化金属系の材料によって構成されている請求項1に記載のべローズ型メカニカルシール。
3. 耐食被膜の厚みが１０μｍ以下である請求項１または２に記載のベローズ型メカニカルシール。
4. シールリングを保持するリテーナの材料は、シールリングと熱膨張係数が近似しているかそれよりも低い材料である請求項１乃至３のいずれかの項に記載のベローズ型メカニカルシール。
5. シールリングがリテーナと遊離し、上記シールリングのリテーナ側端面とリテーナのシールリング側の端面が、互いに円周方向に摺動自在に密接する連結構造となっていることを特徴とする請求項1乃至４のいずれかの項に記載のベローズ型メカニカルシール。

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