JPWO2014192761A1

JPWO2014192761A1 - メカニカルシール装置

Info

Publication number: JPWO2014192761A1
Application number: JP2015519878A
Authority: JP
Inventors: 嘉博末藤
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2017-02-23
Also published as: CN104995440A; EP3006789A1; EP3006789A4; US9400054B2; WO2014192761A1; US20160003362A1

Abstract

回転軸（３００）に固定される回転環（７）と、回転環（７）に摺動自在に接触して環状のシール面（Ｓ）を形成する固定環（４）と、固定環（４）を回転環（７）に対して付勢するように支持するベローズ（５）と、固定環（４）を回転環（７）に対して付勢するスプリング（６）と、ハウジング（２００）に取り付けられ、ベローズ（５）を、その外周面がシール面（Ｓ）に対してハウジング（２００）の内部Ａ側となるように支持するとともに、スプリング（６）を、シール面（Ｓ）に対してハウジング（２００）の外部Ｂ側かつベローズ（５）に対して軸方向に並んだ位置で支持するシールカバー（２）と、を備える。

Description

本発明は、メカニカルシール装置に関する。

従来、特殊な高温ポンプやＯリングが使えない化学薬品等の特殊な液体をシールするためのメカニカルシール装置として、金属ベローズを備えたものが知られている。そして、組み付け性の向上やコンパクト化等を図るためにカートリッジ式に構成したものが知られている（特許文献１、２）。

図５を参照して、従来のカートリッジ式メカニカルシール装置について説明する。図５は、従来例に係るメカニカルシール装置の構成を説明する模式的断面図である。

図５に示すメカニカルシール装置１００は、ポンプのケーシング等のハウジング２００と回転軸３００と間に設けられ、ハウジング２００の内部Ａを外部（大気側）Ｂに対して密封する。メカニカルシール装置１００は、ハウジング２００に取り付けられるシールカバー１０２と、回転軸３００に嵌着されるスリーブ１０３と、を有する。シールカバー１０２には、環状部材である固定環１０４と、ベローズ１０５と、スプリング１０６が設けられている。スリーブ１０３には、環状部材である回転環１０７が設けられている。

シールカバー１０２とスリーブ１０３は、固定環１０４と回転環１０７とが接触するように、ハウジング２００と回転軸３００にそれぞれ取り付けられる。固定環１０４と回転環１０７とが互いに摺動自在に接触して環状のシール面Ｓを形成することにより、上記密封状態が形成される。ベローズ１０５とスプリング１０６は、軸方向に伸縮自在に設けられており、固定環１０４を回転環１０７に向けて付勢し、上記シール面Ｓの密着性を高めている。

ここで、上述のようなカートリッジ式のメカニカルシール装置１００においては、製造コストの高い金属製のベローズ１０５の山数を減らすことでコスト削減及びコンパクト化を図る一方、不足する付勢力をスプリング１０６で補う構成となっている。また、スプリング１０６は、流体にさらされるのを避けるために、ベローズ１０５の外周側に配置される。

しかしながら、上述のようなベローズ１０５とスプリング１０６を径方向に並べたカートリッジ構成では、径方向寸法のコンパクト化に限界があるため、装着スペースに制約が生じ、適用可能な装着相手装置の範囲が限定されてしまう。また、密封対象流体に含まれる密度の高いスラリーは、回転軸３００の回転による遠心力によって外側に押し出され、ベローズ１０５の内周側の山と山との間の谷間に押し込められる。使用が長期にわたると、谷間に堆積したスラリーがベローズ１０５の伸縮性に影響を与える可能性がある。

国際公開ＷＯ２０１０／００４８０９号公報国際公開ＷＯ２０１０／１２３０２５号公報

本発明の目的は、適用範囲の拡大を図るとともに、長期の使用における性能の維持を図ることができるメカニカルシール装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明におけるメカニカルシール装置は、
ハウジングに設けられた軸孔と該軸孔に挿通された回転軸との間を密封して前記ハウジング内の流体をシールするメカニカルシール装置であって、
前記回転軸に固定される第１環状部材と、
前記第１環状部材に摺動自在に接触して環状のシール面を形成する第２環状部材と、
前記第２環状部材を前記第１環状部材に対して付勢するように支持するベローズと、
前記第２環状部材を前記第１環状部材に対して付勢する付勢部材と、
前記ハウジングに取り付けられ、前記ベローズを、その外周面が前記シール面に対して前記ハウジングの内部側となるように支持するとともに、前記付勢部材を、前記シール面に対して前記ハウジングの外部側かつ前記ベローズに対して軸方向に並んだ位置で支持するシールカバーと、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ベローズと付勢部材が径方向に並ばない配置となるので、装置の径方向寸法のコンパクト化を図ることができる。また、密封対象流体がベローズの外周側に封止される構成なので、密封対象流体内のスラリー等がベローズの谷間に堆積することがない。

前記第２環状部材に固定されるとともに、該固定端から前記ベローズの内周側を軸方向に延びる筒状部と、前記筒状部の前記固定端とは反対側の端部から外径方向に延びて前記付勢部材の付勢力を受けるフランジ部と、を有するリテーナを備えるとよい。

このようなリテーナを設けることにより、密封対象流体をベローズの外周側に封止し、かつベローズと付勢部材を軸方向に並べた構成を、簡易に実現することができる。

本発明によれば、適用範囲の拡大を図るとともに、長期の使用における性能の維持を図ることができる。

本発明の実施例に係るメカニカルシール装置の模式的断面図シールカバーを軸方向から見た模式図本発明の変形例１に係るメカニカルシール装置の模式的断面図本発明の変形例２に係るメカニカルシール装置の模式的断面図従来例に係るメカニカルシール装置の模式的断面図

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、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。

（実施例）
図１及び図２を参照して、本発明の実施例に係るメカニカルシール装置について説明する。図１は、本実施例に係るメカニカルシール装置の構成を示す模式的断面図である。図２は、本実施例に係るメカニカルシール装置におけるシールカバーを軸方向から見た模式図である。

本実施例に係るメカニカルシール装置は、例えば、石油精製、化学、鉄鋼、薬品、製紙等の産業分野に用いられるポンプ、攪拌機、ジョイント、ミル等における軸封装置として用いられる。密封対象流体としては、特に、石油精製、石油化学プラント、ケミカル関係等で使用される場合には、高温（２００℃以上）、固形分が多く含まれる流体等特殊液体をとなることが多い。具体例としては、アスファルト、タール、ピッチ（樹脂）等が挙げられる。ただし、高温でなく固形分が多くない流体でも使用される場合もある。

＜全体構成＞
図１に示すように、本実施例に係るメカニカルシール装置１は、ポンプのケーシング等であるハウジング２００と、該ハウジング２００の軸孔２０１内に挿通される回転軸３００と間に取り付けられる。メカニカルシール装置によって、機内であるハウジング２００内部Ａは、機外である外部（大気側）Ｂに対して密封される。メカニカルシール装置１は、カートリッジ式のメカニカルシール装置であり、概略、ハウジング２００に取り付けられるシールカバー２と、回転軸３００に嵌着されるスリーブ３と、で構成される。シールカバー２には、第２環状部材である固定環４、ベローズ５、スプリング６、リテーナ８などが設けられている。スリーブ３には、第１環状部材である回転環７などが設けられている。

シールカバー２とスリーブ３は、スリーブ３の外周面に取り付けられたセットプレート１０により位置決めされてハウジング２００に取り付けられる。セットプレート１０は、ソケットボルト１１によりスリーブ３の外周面に固定されている。セットプレート１０は、シールカバー２とスリーブ３の組み付けが終了すると取り外される。

＜スリーブ３＞
スリーブ３は、機外Ｂ側の端部外周面にスリーブカラー３０が取り付けられている。スリーブ３は、スリーブカラー３０とともにセットスクリュー３１によって回転軸３００に固定され、回転軸３００とともに回転する。スリーブカラー３０は、スリーブ３に対してノックピン３２により回り止めされており、回転軸３００とともに回転する。スリーブ３の内周面と回転軸３００の外周面との間にはＯリング３３が設けられており、Ｏリング３３によって両者の間の隙間がシールされる。スリーブ３は、機内Ａ側の端部外周面に回転環７が嵌合されている。

＜回転環７＞
回転環７は、内周側の一部に凹部７０を有し、スリーブ３に取り付けられたノックピン３４が嵌め込まれている。このノックピン３４により、回転環７は、スリーブ３に対して回り止めされ、回転軸３００とともに回転する。また、回転環７の内周面とスリーブ３の外周面との間にはＯリング３５が設けられており、Ｏリング３５によって両者の間の隙間がシールされている。

回転環７の機外Ｂ側の側面は、摺動面７１となっており、固定環４の摺動面４１と密着するとともに回転軸３００の回転により摺動面４１に対して摺動する。回転環７には超硬質材料が用いられ、例えば、シリコンカーバイド、タングステンカーバイト、カーボン、その他のセラミックスなどが挙げられる。ただし、これらに限定されない。

＜シールカバー２＞
図２に示すように、シールカバー２には、外周面に沿って複数のフラッシング通路２０と、ドレン孔２１と、が等間隔で設けられている。複数のフラッシング通路２０は、必要な数だけ使用され、使用されない通路はプラグ止めされる。また、シールカバー２には、複数の固定溝２２が周方向に等間隔で設けられている。これら固定溝２２に不図示のボルトが嵌め込まれることで、シールカバー２はハウジング２００の外面（軸孔開口部外周の端面）に取り付けられる。

また、図１に示すように、シールカバー２とハウジング２００との間には、例えば、樹脂や金属等の材料からなるガスケット２９が設けられており、両者の間の隙間をシールしている。

図１に示すように、シールカバー２は、機外Ｂ側の端部から内径方向に延びる内向きフランジ状の支持部２３を有している。支持部２３には、ベローズ５の一端を保持するための環状の凹部２５と、スプリング６を保持するための凹部２６と、が設けられている。凹部２６は、スプリング６の数に合せて複数設けられ、凹部２５の内側に周方向に等間隔で配置される。また、複数の凹部２６の間には、リテーナ８を回り止めするためのノックピン２７が取り付けられている。

＜ベローズ５＞
ベローズ５は、蛇腹状のベローズ本体５０と、その両端に設けられた環状（筒状）の保持部５１、５２と、を有する金属製ベローズである。ベローズ５の材料としては、例えば、ステンレス、インコネル、ハステロイ、カーペンター等の合金やチタン等が挙げられるが、これらに限定されない。本実施例では、スプリング６の付勢力（弾性力）も得られる構成となっているため、ベローズ本体５０の山数は３〜５山（好適には４山）程度とすることができる。

ベローズ５は、シールカバー２の支持部２３と固定環４との間に取り付けられる。詳細には、ベローズ５は、第１の保持部５１がシールカバー２の支持部２３の環状の凹部２５に嵌め込まれ、第２の保持部５２が固定環４に軸方向に当接するように組み付けられる。また、ベローズ５は、ベローズ本体５０が回転軸３００の軸方向に沿って伸縮自在に構成され、固定環４を回転環７に対して軸方向に付勢する弾性力が働くように組み付けられる。保持部５１の外周面と凹部２５の外側周面との間にはＯリング２４が径方向に圧縮されて設けられ、保持部５２の先端面と固定環４の端面との間には、Ｏリング５４が軸方向に圧縮して設けられている。

＜スプリング６＞
スプリング６は、ベローズ５の第１の端部５１の径方向内側であって、ベローズ本体５０と軸方向に略並んだ位置に配置される。スプリング６は、円周方向に複数個配置される。その個数は特に限定されないが４〜２４個とすることができる。スプリング６は、シールカバー２の支持部２３の凹部２６とリテーナ８との間に軸方向に伸縮自在に組み付けられる。スプリング６は、リテーナ８及びベローズ５の第２端部５２を介して、固定環４を回転環７に対して軸方向に付勢する弾性力が働くように組み付けられる。

＜リテーナ８＞
リテーナ８は、筒状部８０と、筒状部８０の機外Ｂ側の端部から外径方向に延びるフランジ部８１と、を有する。リテーナ８は、ベローズ５の内側に組み付けられ、筒状部８０の外周面がベローズ５の第２の端部５２の内周面及び固定環７の内周面と当接する。また、リテーナ８は、フランジ部８１がシールカバー２の支持部２３の凹部２６との間でスプリング６を軸方向に圧縮して保持するとともに、スプリング６から軸方向に付勢力を受ける。

リテーナ８は、ノックピン８２が筒状部８０の外周面に外径方向に突出するように設けられている。ノックピン８２は、ベローズ５の第２の端部５２の内周側に設けられた凹部５３に嵌め込まれており、これにより、ベローズ５がリテーナ８に対して回り止めされている。また、リテーナ８は、フランジ部８１に孔部２８が設けられており、シールカバー２の支持部２３に設けられたノックピン２７が嵌合している。これにより、リテーナ８は、シールカバー２に対して回り止めされている。

また、リテーナ８は、筒状部８０の外周面に径方向に突出する凸部８３が設けられている。凸部８３はリテーナ８、ベローズ５の第２の端部５２、固定環４の間の軸方向の相対移動を規制し、これら３者の軸方向の一体的な移動を可能にしている。

＜固定環４＞
固定環４は、リテーナ８の筒状部８０の先端（固定端としての機内Ａ側の端部）外周に嵌め込まれている。また、固定環４は、ベローズ５の第２の端部５２の先端面（機内Ａ側の側面）と当接するように組み付けられている。固定環４には超硬質材料が用いられ、例えば、シリコンカーバイド、タングステンカーバイト、カーボン、その他のセラミックスなどが挙げられるが、これらに限定されない。

固定環４は、回転環７との対向面から回転環７に向かって突出する環状の凸部４０を有する。この凸部４０の先端の環状の摺動面４１が回転環７の摺動面７１と接触することにより、環状のシール面Ｓが形成される。また、固定環４は、内周側の一部に凹部４２を有し、ベローズ５の第２の端部５２に取り付けられたノックピン５５が嵌め込まれ、端部５２に対して回り止めされている。これにより、回転軸３００の回転によって回転する摺動面７１に対し、摺動面４０ａが回転摺動することになる。

固定環４は、回転環７との対向面とは反対側の面（機外Ｂ側の側面）がベローズ５の第２の端部５２と当接し、端部５２を介してベローズ５の付勢力、リテーナ８及び端部５２を介してスプリング６の付勢力をそれぞれ軸方向に受ける。これにより、固定環４と回転環７との間の軸方向の相対的な位置変動に対するシール面Ｓの密着性が高められている。

＜その他＞
Ｏリング２４、３３、３５、５４の材料としては、例えば、二トリルゴム、ＥＰＤＭ、ＦＫＭ、ＦＦＫＭが挙げられる。また、耐食性が要求される場合には、ＦＦＫＭ(カルレッツ（登録商標）等)が挙げられる。ただし、これらに限定されるわけではない。

図３及び図４は、本実施例の変形例に係るメカニカルシール装置の構成を示す模式的断面図である。固定環４とベローズ５とリテーナ８の一体構成は、上記実施例に示した構成に限られず、種々の構成を作用することができる。

図３に示す変形例１では、固定環４の内周側に凹部４３が設けられており、リテーナ８のノックピン８２の一部が、上記凹部４３に嵌め込まれる構成となっている。ノックピン８２は、ベローズ５の第２の端部５２の凹部５３にも一部が嵌め込まれており、これにより、リテーナ８はベローズ５と固定環４の両方を回り止めする構成となっている。

図４に示す変形例２では、ベローズ５に対する回り止め構成を廃した構成となっている。すなわち、上記例においてベローズ５の第２の端部５２に設けられていた凹部５３が本例では排除されている。そして、固定環４の内周側に設けられた凹部４３に、リテーナ８のノックピン８２が嵌め込まれ、固定環４がリテーナ８に対して回り止めされた構成となっている。回転軸３００の回転に対し、固定環４の回転が防止できれば、ベローズ５への回転の伝播は生じにくいため、ベローズ５に回り止め構成を設けなくても、ベローズ５に回転が生じることはほとんどない。したがって、生産コストの高い金属ベローズ５の構成をシンプルにすることができ、コスト低減を図ることができる。

＜本実施例の優れた点＞
本実施例に係るメカニカルシール装置１は、ベローズ５とスプリング６が、回転軸３００の軸方向に略並んだ配置構成となっている。すなわち、ベローズ５とスプリング６が、従来例のように径方向に並ばない配置構成となっている。これにより、従来例よりも装置全体の径方向寸法のコンパクト化を図ることができる。したがって、カートリッジ式のメカニカルシール装置において、装着スペースの制約を少なくすることができ、装着可能な相手装置の範囲を拡大することができる。

また、本実施例に係るメカニカルシール装置１は、ベローズ５の径方向外側が密封対象領域側である機内Ａ側となるように構成されている。すなわち、密封対象流体がベローズ５の外側で封止される構成となっている。これにより、密封対象流体に含まれるスラリー等が回転軸３００の回転による遠心力によって外側に移動しても、従来例のようにベローズ５の谷間に堆積することがない。したがって、従来例のようなスラリー等の堆積によるベローズ５の伸縮性への影響が生じることはなく、長期の使用における性能の維持を図ることができる。

さらに、本実施例に係るメカニカルシール装置１は、スプリング６が、機外Ｂ側に配置されている。したがって、密封対象流体による腐食や、ベローズ５と同様にスラリー等の堆積、詰まり等による性能への影響が生じることはなく、長期の使用における性能の維持を図ることができる。

１メカニカルシール装置
２００ハウジング
３００回転軸
２シールカバー
３スリーブ
４固定環
５ベローズ
６スプリング
７回転環
８リテーナ

Claims

ハウジングに設けられた軸孔と該軸孔に挿通された回転軸との間を密封して前記ハウジング内の流体をシールするメカニカルシール装置であって、
前記回転軸に固定される第１環状部材と、
前記第１環状部材に摺動自在に接触して環状のシール面を形成する第２環状部材と、
前記第２環状部材を前記第１環状部材に対して付勢するように支持するベローズと、
前記第２環状部材を前記第１環状部材に対して付勢する付勢部材と、
前記ハウジングに取り付けられ、前記ベローズを、その外周面が前記シール面に対して前記ハウジングの内部側となるように支持するとともに、前記付勢部材を、前記シール面に対して前記ハウジングの外部側かつ前記ベローズに対して軸方向に並んだ位置で支持するシールカバーと、
を備えることを特徴とするメカニカルシール装置。
前記第２環状部材に固定されるとともに、該固定端から前記ベローズの内周側を軸方向に延びる筒状部と、前記筒状部の前記固定端とは反対側の端部から外径方向に延びて前記付勢部材の付勢力を受けるフランジ部と、を有するリテーナを備えることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。