JPWO2017188060A1 - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

中間環の摺動面と回転環の摺動面における面摺接を確実に維持して、摺動面位置のレイアウト調整自由度を拡張できる中間環介在タイプのメカニカルシールを提供する。回転環２１と静止環３０との間に中間環４０を介在させ、被密封流体をシールするメカニカルシール２０であって、前記回転環２１と前記中間環４０とが摺接する回転環側の第１環状実効シール部Ｓ１と、前記静止環３０と前記中間環４０とが接する静止環側の第２環状実効シール部Ｓ２と、を有し、前記第１環状実効シール部Ｓ１の被密封流体の圧力がかかる領域の半径距離Ｒ１と前記第２環状実効シール部Ｓ２の被密封流体の圧力がかかる領域の半径距離Ｒ２とが互いに異なる態様で、前記回転環２１、前記中間環４０、そして前記静止環３０が同心に配置されており、前記中間環４０と前記静止環３０との間には、前記静止環側の前記第２環状実効シール部Ｓ２の被密封流体とは径方向反対側に荷重受け部５０が配設されてなる。

Description

本発明は、回転機械の軸封手段として使用される回転環、中間環及び静止環を用いたメカニカルシールに関する。

メカニカルシールは、回転軸とともに回転する回転環と、シールハウジングに回転不能に保持された静止環との摺接により軸封するものである。高圧・高温下において使用される場合に、回転機械のシールハウジング内の狭い空間に配置する必要があるため静止環のレイアウトや取り付けには制約があり、被密封流体からの圧力により静止環に不均一な内部応力が作用したり、被密封流体の熱や摺動発熱により静止環に不均一な内部応力が作用することがあり、この不均一な内部応力による影響を受けないように、回転環と静止環との間に中間環を介在させた中間環介在タイプのメカニカルシールが使用されている。

中間環介在タイプのメカニカルシールは、例えば、特許文献１に示されるように、回転軸に固定され回転軸とともに回転する回転環と、軸方向に移動可能にシールハウジングに保持されスプリングにより回転環側に付勢される静止環と、回転環と静止環との間に配置され、静止環から突出されたピンに遊嵌して、軸線方向及び径方向に所定範囲での相対変位が許容された状態で、相対回転不能に保持されている中間環とから主に構成されている。中間環の両側面には略対称に環状突起が形成されており、回転環側の環状突起の先端には回転環の側面と摺接する摺動面が設けられており、静止環側の環状突起の先端には静止環の側面と接触して径方向内外を密封する密封面が設けられた構造とされている。

特開２００５−２４９１３１号公報（図２）

上述した、中間環介在タイプのメカニカルシールは、回転環の側面と中間環の摺動面とが摺接する回転側の実効シール部と、静止環の側面と中間環の密封面とが接する静止側の実効シール部により、被密封流体を密封しており、中間環の両側面に略対称に環状突起を形成することで、回転環側の実効シール部の面摺接が維持されるようにされている。このように、中間環の両側面に設けられる両実効シール部を中間環の径方向に対し略対称に配置する場合には生じ得ないが、その他の配置を選択した場合には実効シール部の密封性に問題が生じることが判明した。

被密封流体の圧力の値等に応じてこの配置を調整・設計しており、この配置によって中間環に作用する軸方向における被密封流体の面積が変化し、その結果被密封流体から中間環に作用する力が変わり、回転環側の実効シール部が開いてしまう虞がある。例えば、摺動面内径側よりも外径側の圧力が高い場合、静止環側の実効シール部の摺動径を外径側に設定する必要があり、逆に、摺動面内径側よりも外径側の圧力が低い場合、静止環側の実効シール部の摺動径を内径側に設定する必要がある。

このように、両実効シール部を異なる径方向距離に配置すると、中間環は両側面の両実効シール面から軸方向の押力を受けるが、この押力の作用箇所は各側面（表裏）において径方向にずれているため、中間環には押力の作用箇所のずれによるモーメントから生じる変形応力が作用する。そして、中間環がこの変形応力により過剰に傾くと、摺動環側の実効シール部は面摺接を維持できなくなり、中間環の摺動面と回転環の摺動面が過剰に摩耗し密封性が維持されなくなる虞がある。そのため、中間環を利用した中間環の摺動面のレイアウト調整には、限界があった。

この発明は、上述した課題を解決するためになされたものであって、中間環の摺動面と回転環の摺動面における面摺接を確実に維持して、摺動面位置のレイアウト調整自由度を拡張できる中間環介在タイプのメカニカルシールを提供することを目的とする。

この発明に係るメカニカルシールは、
回転環と静止環との間に中間環を介在させ、被密封流体をシールするメカニカルシールであって、
前記回転環と前記中間環とが摺接する回転環側の第１環状実効シール部と、前記静止環と前記中間環とが接する静止環側の第２環状実効シール部と、を有し、前記第１環状実効シール部の被密封流体の圧力がかかる領域の半径距離と前記第２環状実効シール部の被密封流体の圧力がかかる領域の半径距離とが互いに異なる態様で、前記回転環、前記中間環、そして前記静止環が同心に配置されており、前記中間環と前記静止環との間には、前記静止環側の前記第２環状実効シール部の被密封流体とは径方向反対側に荷重受け部が配設されてなることを特徴としている。
この特徴によれば、第１環状実効シール部の被密封流体の圧力がかかる領域の半径距離と第２環状実効シール部の被密封流体の圧力がかかる領域の半径距離とが互いに異なる態様で、回転環、中間環、そして静止環が同心に配置されても、荷重受け部を中間環と静止環との間に設けているため、回転環の回転を妨げることなく、中間環を径方向に傾けるモーメントを荷重受け部により抑制でき、中間環の摺動面と回転環の摺動面における面摺接を確実に維持できることになる。

前記荷重受け部は、前記径方向内外を連通する連通路を有することを特徴としている。
この特徴によれば、荷重受け部が圧力保持機能を有さず、傾きに対する力を受ける部材として機能させることが出来る。

前記荷重受け部は、環状体であることを特徴としている。
この特徴によれば、少ない部品点数でかつバランスの良い荷重受け部を構成できる。

前記荷重受け部は、等配に配置される複数の凸部材から構成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、荷重受け部により中間環を周方向にわたり安定して支持することができる。

前記荷重受け部は、前記静止環又は前記中間環に移動不能に配置されていることを特徴としている。
この特徴によれば、荷重受け部の径方向の配置位置が安定するため、精度よく中間環の傾きを抑制できる。

前記荷重受け部は前記静止環又は前記中間環と同一の線熱膨張係数を有する材料で形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、温度変化が生じても、荷重受け部は静止環又は中間環との熱による変形の差が少ないため、静止環や中間環に対して傾きを生じることなく、安定して中間環の傾きを防止することができる。

実施例１におけるメカニカルシールの断面図である。 図１の一部を拡大して示す断面図である。 中間環の側面図である。 中間環、静止環に作用する圧力を説明する概念図である。 比較例におけるスペーサを用いないメカニカルシールを示す斜視図である。 実施例２における中間環及び荷重受け部を拡大して示す断面図である。 荷重受け部の斜視図である。 実施例３におけるメカニカルシールの断面図である。

本発明に係るメカニカルシールを実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係るメカニカルシールにつき、図１から図５を参照して説明する。実施例１では中間環４０の外径側を高圧側Ｈ、内径側を低圧側Ｌとして説明する。

メカニカルシール２０は、回転環２１と静止環３０との間に中間環４０を介在させた中間環介在タイプのメカニカルシールであり、同心に配置される回転環２１、静止環３０及び中間環４０から主に構成されている。回転環２１の摺動面２４と中間環４０の摺動面４２から構成される実効シール部Ｓ１（回転環側の第１環状実効シール部）による密封、及び静止環３０の側面である密封面３４と中間環４０の密封面４４から構成される実効シール部Ｓ２（静止環側の第２環状実効シール部）による密封により、機内の被密封領域Ｍである高圧側Ｈと機外の大気領域Ａである低圧側Ｌとの間を密封している。

ここで、実効シール部Ｓ１は、摺動面２４と摺動面４２とが面接触する部分、実効シール部Ｓ２は、密封面３４と密封面４４とが面接触する部分を意味する。荷重受け部５０は中間環４０から静止環３０に向かって突出するように中間環と一体的に形成され、静止環３０と中間環４０との軸方向距離を保つことにより、中間環４０に加わるモーメントから生じる変形応力を規制することにより中間環４０の径方向に対する傾きを抑制する機能を有する。

回転環２１、静止環３０及び中間環４０は、ＳｉＣ（炭化珪素）等のセラミックス、カーボン、超硬合金等から形成されており、密封用の摺動部材として一般的に要求される機械的強度、自己潤滑性、耐摩耗性を有するものであればよい。また、荷重受け部５０は、被密封流体による入熱や摺動発熱等による温度変化に起因する摺動面の傾き（変形）を考慮し、中間環４０と同一材料であることが好ましい。以下、回転環２１、静止環３０、中間環４０、荷重受け部５０について詳細に説明する。

回転環２１は、その基部２２において、押さえ部材３によりスリーブ２に回転不能に取り付けられている。スリーブ２は回転軸１に固定的に取り付けられており、回転環２１は回転軸１とともに回転する構成とされている。スリーブ２と押さえ部材３との間にはＯリング４が配置されて密封性が高められている。密封の必要性に応じて、スリーブ２と回転環２１の間にＯリングを介在させてもよい。回転環２１の中間環４０側の側面は摺動面２４とされている。

静止環３０は、図示しない流体機器のハウジングに固定されるシールハウジング５に収容されて取り付けられている。静止環３０は大気領域Ａ側のベローズ接続部３１においてベローズ３２の一端が液密に溶接固定されている。このベローズ３２の他端に溶接固定されたアダプタ３３がシールハウジング５に液密に固定されている。また、静止環３０は、その径方向外側に延出して設けられたスプリング受け３６にシールハウジング５に等配されたスプリング１３が当接し、軸方向に付勢される。また、静止環３０は、その径方向に延出して設けられた断面略Ｕ字形のピン受け３７がシールハウジング５に固定的に取り付けられ軸方向に延設して設けられたピン１１と遊嵌し、軸線方向及び径方向に所定範囲での相対変位が許容された状態で、相対回転不能に保持されている。静止環３０の中間環４０側の側面は密封面３４とされている。

中間環４０は、その外周面４６が、周方向に等配されたＵスプリング１０により内径方向の付勢力を受け、径方向の移動が抑制されている。Ｕスプリング１０は、その基端がシールハウジング５から軸方向に延出する支持片６と断面Ｌ字形の保持金具８とにより挟持された状態で支持片６と保持金具８により保持されている。断面Ｌ字形の保持金具８はボルト９により支持片６及びピン１１に固定されている。

また、中間環４０は、その径方向に延出して設けられた断面略Ｕ字形のピン受け４７が上述したピン１１と遊嵌し、軸線方向及び径方向に所定範囲での相対変位が許容された状態で、相対回転不能に保持されている。すなわち、中間環４０は、静止環３０と同様に、スプリング１３により軸方向に付勢され、軸方向に移動可能かつ回転不能に取り付けられている。

中間環４０には、軸方向両側に周方向に切れ目なく連なる環状突起４１、周方向に切れ目なく連なる環状突起４３が一体成形により形成され、これら環状突起４１、環状突起４３の先端面がそれぞれ摺動面４２、密封面４４とされている。上述したように、摺動面２４と摺動面４２とが面摺接する部分が実効シール部Ｓ１であり、密封面３４と密封面４４とが面接触する部分が実効シール部Ｓ２である。図２に示されるように、中間環４０の中心軸Ｃから実効シール部Ｓ１の最内径（被密封流体の圧力がかかる領域の境界）までの半径距離Ｒ１は、中間環４０の中心軸Ｃから実効シール部Ｓ２の最内径（被密封流体の圧力がかかる領域の境界）までの半径距離Ｒ２よりも短く形成されている（Ｒ１＜Ｒ２）。すなわち、両実効シール部Ｓ１、Ｓ２は中間環４０の中心軸Ｃから異なる距離に配置（径方向にずれて配置）されている。

このような半径距離Ｒ１、Ｒ２（Ｒ１＜Ｒ２）を設定することで、静止環３０側の実効シール部Ｓ２は回転環２１側の実効シール部Ｓ１よりも径方向外側に位置し、静止環３０側の有効受圧面積は回転環２１側の有効受圧面積よりも小さくなっており、回転環２１、静止環３０及び中間環４０にかかる被密封流体の圧力の関係（図４）から、半径距離Ｒ１を半径距離Ｒ２よりも大きくする場合（Ｒ１＞Ｒ２）に比較し、各実効シール部Ｓ１、Ｓ２を閉じた状態に維持することが可能となる。また、中心軸Ｃからベローズの有効半径距離Ｒ３を半径距離Ｒ１よりも小さく（Ｒ１＞Ｒ３）設定すると、各実効シール部Ｓ１、Ｓ２を閉じた状態に維持しやすい。

次のような理由から、両実効シール部Ｓ１、Ｓ２が径方向にずれて配置されることが考えられる。例えば、摺動面圧を調整するために摺動面４２の径方向幅を変更する場合である。また、実効シール部Ｓ１を構成する摺動面２４又は摺動面４２に周知の動圧発生溝を設ける場合である。この場合には、必然的に実効シール部Ｓ１として径方向に所定の長さが必要となる。さらに、メカニカルシール２０は回転軸１とシールハウジング５の間の空間に収容して取り付けられており、当該空間は図示しない回転機械の構造により制約を受ける。静止環３０の外径側にシールハウジング５が配置されるときには、回転環２１よりも静止環３０の外径を小さくせざるを得ず、中間環４０の両側面に設けられる環状突起４１、環状突起４３を径方向にずらして配置する場合がある。

荷重受け部５０は、周方向に等配された三つの円弧状突部５１（凸部材）からなり、環状突起４３の低圧側（被密封流体とは逆側、図１における内径側）に間隔を有し、環状に中間環４０から静止環３０に向かって突出するように一体成形により形成されている。周方向に隣接する円弧状突部５１の間には径方向に延びる連通路５２が形成されおり、連通路５２は環状突起４３と荷重受け部５０とにより囲まれる環状空間Ｎを低圧側に連通している。連通路５２が設けられているため、荷重受け部５０は密封面として機能せず、荷重受け部５０はバランス径として機能しない、つまり、荷重受け部５０を配置しつつ中間環４０のバランス径を一定に保つことができる。さらに、荷重受け部５０は環状突起４３から径方向に距離ｈだけ離れた箇所に配置されているため、環状突起４３に接して配置される場合よりも小さな荷重に対向すればよいため、後述する中間環４０の傾きを確実かつ簡単に規制することができる。

また、荷重受け部５０の軸方向の高さｔ（図４）は側面である密封面４５と密封面３４との距離ｇ（図２）、すなわち環状突起４３の高さと略同じであり、荷重受け部５０の側面５３は、側面である密封面３４に当接している。中間環４０の径方向に対する若干の傾きを許容する場合には、許容する範囲に対応する分だけ、軸方向の高さｔを距離ｇよりも小さくするとよい。

通常の使用状態において、実効シール部Ｓ１と実効シール部Ｓ２のずれにより、実効シール部Ｓ１、実効シール部Ｓ２から作用する押力により中間環４０には左回りのモーメントが作用しこれにより生じる変形応力が生じ、中間環４０が左方向（図２の紙面）に僅かに傾き、この傾きにより実効シール部Ｓ１における接触荷重が大きくなり、シール性の向上に寄与する。なお、荷重受け部５０を配置しているため、中間環４０が過度に傾くことはなく、実効シール部Ｓ１は常時面接触を保つことができる。また、荷重受け部５０を中間環４０と静止環３０との間に設けているため、回転環２１の回転を妨げることもない。なお、荷重受け部５０の軸方向の高さｔ、材質、構造を調整し、中間環４０が実質的に傾かない構成としてもよいことは言うまでもない。

一方、荷重受け部５０を設けない場合には、図５に示されるように、実効シール部Ｓ１と実効シール部Ｓ２のずれにより、中間環４０には左回りのモーメントが作用し、中間環４０が左方向（図５の紙面）に過度に傾く虞がある。過度の傾き（この状態を図５の破線４０’で示している。）により、環状突起４１の外径側のエッジ４８が回転環２１の摺動面２４により摺動することとなり、実効シール部Ｓ１は面接触を維持できなくなり、中間環４０の環状突起４１の摺動面４２と回転環２１の側面である摺動面２４が過剰に摩耗し密封性が維持されなくなる。

また、荷重受け部５０は中間環４０に一体成形され、同じ線熱膨張係数である。そのため、温度変化が生じても、荷重受け部５０は中間環４０との熱による変形の差が少ないため、安定して中間環４０の傾きを防止することができる。

さらに、連通路５２を介して環状空間Ｎを低圧側Ｌに連通させているため、環状空間Ｎが密閉空間とはならず、環状空間Ｎの圧力が過度に高い状態や過度に低い状態となることがない。

次に、実施例２に係るメカニカルシールにつき、図６及び図７を参照して説明する。実施例２は荷重受け部５４の形状及び荷重受け部５４が中間環４０とは別体になっている点で実施例１とは異なっている。なお、実施例１と同一構成で重複する構成・効果の説明を省略する。

荷重受け部５４は、環状の一部に切欠５７（連通路）を有し略Ｃ字形状とされ、中間環４０と同一材料、或いは同一の線熱膨張係数である材料からなる。温度変化が生じても中間環４０と同様に変形を生じるため、温度変化が生じても中間環４０に応力を生じさせることが無く、温度変化しても影響なく傾き防止の機能を発揮することができる。また、切欠５７が連通路として機能し低圧側Ｌと環状空間Ｎが連通されるため、環状空間Ｎが密閉空間とはならない。更に、切欠５７があるため、径方向の変化を防止し、径方向における荷重受け箇所が変化することを抑制できる。

荷重受け部５４は等配されたボルト孔５５を通して皿ネジ５６により中間環４０に締結されている。中間環４０に荷重受け部５４を取り付けるため、荷重受け部５４の径方向、周方向位置が安定し、精度よく中間環４０の傾きを抑制できる。
なお、荷重受け部５４の中間環４０への取り付けは、皿ネジ５６以外による取り付けであってもよく、荷重受け部５４が中間環４０に対して相対的に移動することを規制する手段であればよい。
また、荷重受け部５４の取り付けについて、中間環４０に軸方向から皿ネジ５６取り付ける例について説明したが、他の方向から取り付けてもよい。

次に、実施例３に係るメカニカルシールにつき、図８を参照して説明する。実施例３では中間環４０の外径側を低圧側Ｌ、内径側を高圧側Ｈとして説明する。中間環４０の環状突起４１Ａ、４３Ａを設ける位置及び荷重受け部５０Ａを設ける位置が実施例１とは異なっている。なお、実施例１と同一構成で重複する構成・効果の説明を省略する。

図８に示されるように、中間環４０の中心軸Ｃから実効シール部Ｓ１の最内径（被密封流体の圧力がかかる領域の境界）までの半径距離Ｒ１は、中間環４０の中心軸Ｃから実効シール部Ｓ２の最内径（被密封流体の圧力がかかる領域の境界）までの半径距離Ｒ２よりも長く形成されている（Ｒ１＞Ｒ２）。すなわち、両実効シール部Ｓ１、Ｓ２は中間環４０の中心軸Ｃから異なる距離に配置（径方向にずれて配置）されている。また、荷重受け部５０Ａは、環状突起４３Ａよりも外径側に配置されている。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、環状突起４１、４１Ａを中間環４０に設ける例について説明したが、回転環２１に設けてもよい。同様に、環状突起４３、４３Ａを静止環３０に設けてもよい。

また、荷重受け部５０が中間環４０に設けられる場合について説明したが、静止環３０に設けてもよい。

１ 回転軸
５ シールハウジング
１３ スプリング
２０ メカニカルシール
２１ 回転環
２４ 摺動面
３０ 静止環
３２ ベローズ
３４ 密封面
４０ 中間環
４１ 環状突起
４１Ａ 環状突起
４２ 摺動面
４２Ａ 摺動面
４３ 環状突起
４３Ａ 環状突起
４４ 密封面
４４Ａ 密封面
４５ 側面
４６ 外周面
４８ エッジ
５０ 荷重受け部
５０Ａ 荷重受け部
５１ 円弧状突部（凸部材）
５２ 連通路
５４ 荷重受け部
５７ 切欠（連通路）
Ａ 大気領域
Ｍ 被密封領域
Ｃ 中心軸
Ｈ 高圧側
Ｌ 低圧側
Ｎ 環状空間
Ｓ１ 実効シール部（回転環側の第１環状実効シール部）
Ｓ２ 実効シール部（静止環側の第２環状実効シール部）
Ｒ１ 中心軸Ｃから実効シール部Ｓ１の半径距離
Ｒ２ 中心軸Ｃから実効シール部Ｓ２の半径距離
Ｒ３ 中心軸Ｃからベローズの有効半径距離

Claims (6)

1. 回転環と静止環との間に中間環を介在させ、被密封流体をシールするメカニカルシールであって、
   前記回転環と前記中間環とが摺接する回転環側の第１環状実効シール部と、前記静止環と前記中間環とが接する静止環側の第２環状実効シール部と、を有し、前記第１環状実効シール部の被密封流体の圧力がかかる領域の半径距離と前記第２環状実効シール部の被密封流体の圧力がかかる領域の半径距離とが互いに異なる態様で、前記回転環、前記中間環、そして前記静止環が同心に配置されており、前記中間環と前記静止環との間には、前記静止環側の前記第２環状実効シール部の被密封流体とは径方向反対側に荷重受け部が配設されてなることを特徴するメカニカルシール。
2. 前記荷重受け部は、前記径方向内外を連通する連通路を有す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。
3. 前記荷重受け部は、環状体であることを特徴とする請求項１又は２に記載のメカニカルシール。
4. 前記荷重受け部は、等配に配置される複数の凸部材から構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のメカニカルシール。
5. 前記荷重受け部は前記静止環又は前記中間環に移動不能に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のメカニカルシール。
6. 前記荷重受け部は前記静止環又は前記中間環と同一の線熱膨張係数を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のメカニカルシール。

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