JP3933469B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メカニカルシール装置のシール能力を向上すると共に、スリーブの組立を容易にしたメカニカルシール装置に関する。更に詳しくは、被密封流体室内と、中間室内と、バッファ流体室内との流体圧力に圧力差を設けてシール能力を向上させたメカニカルシール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に関する従来技術には、特公平７−６９０１８号公報が存在する。図３は、この軸封装置の半断面図である。
図３に於いて、ハウジング１６０の内周面と回転軸１５０の外周面との間には軸封装置１００が配置されている。この軸封装置１００は、タンデム形メカニカルシールである。このタンデム形メカニカルシールは、被密封流体側に接触形メカニカルシール１０１が配置されている。又、大気側には非接触形メカニカルシール１１０が配置されている。
【０００３】
接触形メカニカルシール１０１は、第２スリーブ１４１の１方の分割部品に固着された回転用密封環１０２と、第１シールカバー１３１に固着された静止用密封環１０３の両シール面１０４、１０５が密接している。このシール面１０４、１０５は、静止用密封環１０３の背面１０６に設けられたスプリング１０７により弾発に押圧されて密接している。更に、背面１０６に被密封流体の圧力が作用してシール面１０４を対向するシール面１０５に押圧している。静止用密封環１０３の内周面にはＯリング１０８が配置されて背面１０６の受圧面積を決定している。
【０００４】
非接触形メカニカルシール１１０は、第２回転用密封環１１１と第２静止用密封環１１５とが螺旋溝付き第２シール面１０９と第２シール面１１２とが密接している。この螺旋溝付き第２シール面１０９と第２シール面１１２との密接は、スプリング１１６と共に、静止用密封環１１５の背面１１７に作用するパージガスの圧力により押圧されている。この背面１１７の受圧面積は、背面１１７の内周側に配置されたＯリング１１９の位置により決められる。そして、この第２静止用密封環１１５は、スプリング１１６により押圧されて第２シール面１１２が螺旋溝付き第２シール面１０９と密接するように、第１シールカバー１３２に対して軸方向移動自在に保持されている。又、回転用密封環１１１は第１スリーブ１４０に嵌着すると共に、第３スリーブ１４２により第２スリーブ１４１の分割された他方の部品との間に保持されている。
【０００５】
第１スリーブ１４０のフランジ部は、回転軸１５０の段部に係止している。この第１スリーブ１４０は、第２スリーブ１４１と第２回転用密封環１１１とを第３スリーブ１４２を介して固定している。更に、第１スリーブ１４０と第３スリーブ１４２が移動しないように回転軸１５０に設けられたねじ部１４４にロックナット１４３を締め付けて固定している。この第１，２，３のスリーブ１４０、１４１、１４２、は分割されているために、５個のＯリング１４６によりシールされている。
【０００６】
ハウジング１６０に嵌着したシールカバーは、第１シールカバー１３１と第２シールカバー１３２とに分割されている。そして、このシールカバ１３１、１３２は、ハウジング１６０の段部と押さえリング１３３により挟持されて固定されている。シールカバー１３１、１３２にはパージガス供給用通路１２１が設けられて、中間室Ｃのパージガスを供給している。この供給ガスの圧力は被密封流体の圧力よりも低圧に構成されている。
【０００７】
このように構成された軸封装置１００は、第１回転用密封環１０２と第２回転用密封環１１１を回転するように保持しなければならないので、第１、第２、第３スリーブ１４０、１４１、１４２が大型になると共に、３分割にしなければならない。更に、３分割にされているから、Ｏリング１４６も５個設けなければならない。このために、第１、第２、第３スリーブは重量が増すので、高速回転させるためには、回転軸１５０を大径にしなければならない。更に、タンデム形メカニカルシールであるために、軸方向にも長くなる。
更に、タンデム形メカニカルシールの間の中間室Ｃは被密封流体の圧力よりも低圧であるから、被密封流体が中間室側に漏洩する問題がある。更に、大気側のメカニカルシール１１０は、非接触形シールであるためにパージガスが大気側に漏洩する問題がある。従って、この軸封装置１００はシール能力に問題が存する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述のような問題点に鑑み成されたものであって、その発明が解決しようとする技術的課題は、大気側のシール部の密封能力を向上することにより、被密封流体が大気側に漏洩することなく回収できるようにすることにある。
しかも、中間室内の圧力を被密封流体領域側の圧力よりも低圧にすると共に、バッファ流体室内の圧力よりも低圧にして、漏洩した流体は全て中間室に回収し、外部に漏洩するのを防止することにある。
更に、スリーブを取付部品等で保持することなく固定し、スリーブ及びその取付部品の軽量化を図ることにある。又、回転軸の高速回転を可能にする。更に、スリーブ等の軽量化により、部品を少なくしてコストを低減することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述のような技術的課題を解決するために成されたものであって、
その技術的解決手段は以下のように構成されている。
請求項１に係わる本発明のメカニカルシール装置は、ハウジングの内周面と前記内周面内に収容された回転軸との間で被密封流体をシールするメカニカルシール装置であって、前記ハウジングに一体に固着されたシールカバーと密封に嵌合して摺動可能な第２内周面を有するとともに一端にシール面を有し且つ前記シール面と反対面に被密封流体の圧力が作用する受圧周面を有する静止用密封環と、
前記回転軸と密封に嵌合可能な第１内周面を有するとともに前記回転軸の段部と係止可能で被密封流体の圧力が作用する端面を有するスリーブと、
前記静止用密封環より被密封流体領域側に配置されて前記スリーブに密封に嵌着するとともに前記シール面と密接する対向シール面を有する回転用密封環とを具備し、
前記スリーブの前記第１内周面の直径が前記静止用密封環の第２内周面の直径より大径に形成されて被密封流体の圧力が前記端面に作用して前記静止用密封環の方向へ生じる力よりも被密封流体の圧力が前記受圧周面に作用して前記回転用密封環の方向へ生じる力が大きくなる構成に成されているものである。
【００１０】
この請求項１に係わる本発明のメカニカルシール装置では、被密封流体がスリーブ４０の端面４２に作用する作用力よりも静止用密封環３の背面５に作用する作用力が大きいから、スリーブ４０を回転軸５０の段部５２に固定することが可能になる。このために、スリーブ４０は取付部品を用いて固定する必要もなく、スリーブ４０を薄肉にして軽量化することが可能になる。その結果、取付部品を省略し、軽量化されたスリーブ４０により、メカニカルシール装置全体も小型できる。さらに、質量が軽減されているので、メカニカルシール装置を高速に回転することが可能になる。
【００１１】
請求項２に係わる本発明のメカニカルシール装置は、前記スリーブの静止用密封環より大気側に前記シールカバーと前記回転軸の間に形成されてバッファ流体通路を設けたバッファ流体室と、前記バッファ流体室内の前記回転軸の軸方向の両側の前記回転軸と前記シールカバーとの間隙をシールするシール部と、前記静止用密封環と前記シール部との間に形成されるドレン通路と連通する中間室を有し、前記バッファ流体室内のバッファ流体の圧力が中間室内の流体圧力よりも高圧に設定されている
【００１２】
この請求項２に係わる本発明のメカニカルシール装置では、バッファ流体室内の圧力が中間室内の圧力よりも高圧であるから中間室内の有害な被密封流体であっても大気領域へ漏洩するのが防止できる。
【００１３】
請求項３に係わる本発明のメカニカルシール装置は、被密封流体室内の流体圧力より前記中間室の流体圧力を低圧にすると共に、前記中間室内の流体圧力よりも前記バッファ流体室内の流体圧力を高圧に構成したものである。
【００１４】
この請求項３に係わる本発明のメカニカルシール装置では、中間室内の圧力が被密封流体室内の圧力よりも低圧であるから、メカニカルシールを漏洩しても中間室からドレン通路を介して回収装置へ流出させて、大気領域へ有害な被密封流体が流出するのを効果的に防止できる。
【００１５】
請求項４に係わる本発明のメカニカルシール装置は、前記スリーブの大気領域側の端部に前記シール部を保持して前記シールカバーと係止する着脱自在な止めリングを有し、前記止めリングは前記ハウジングへメカニカルシール装置を取り付けた後に取り外されるものである。
【００１６】
この請求項４に係わる本発明のメカニカルシール装置では、この止めリングによりスリーブ側をハウジングに一時的に保持するものであって、メカニカルシール装置の装着後はスリーブを保持する取付部品を必要としないから、スリーブ４０自体を薄肉に構成できる。更に、回転軸とスリーブとの大気領域側は嵌着する必要もないから、回転軸を小径にできることになり、軽量化を達成して高速回転を可能にする。更には、回転軸の回転動力の省エネルギーにも成る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる好ましい実施の形態のシール装置を、その図面に基づいて詳述する。尚、以下に説明する各図面は、所謂、特許用の概念図ではなく、実験データを基にした寸法関係が正確な設計図である。
【００１８】
図１は、本発明のメカニカルシール装置の半断面図である。又、図２は、図１の被密封流体領域Ｈｐ側を拡大した断面図である。
図１及び図２に於いて、ハウジング６０の内周面と回転軸５０との間には、メカニカルシール装置１が装着されている。このメカニカルシール装置１は、静止用密封環３と回転用密封環１０とから構成されたメカニカルシール２を備えている。このメカニカルシール２は、図１に示す形状に形成されている。
【００１９】
静止用密封環３は、シールカバー３０に設けられた環状凹部の嵌合面と軸方向が移動自在に保持されている。そして、静止用密封環３の背面５には、複数のスプリング４が周方向に等配に配置されている。又、環状凹部の嵌合面と、静止用密封環３の第２内周面との段付部の間には、ゴム材製のＯリング１９が配置されている。そして、図１に示すように、静止用密封環３には、シール面６の外径点から外周を廻って第２内周面の内径（Ｏリング１９の接触した内周面の径と同じ）ｄまでの被密封流体に接する全面に被密封流体の圧力がパスカルの原理にしたがって作用する。このＯリング１９により被密封流体が内方へ漏洩するのを遮断するから、静止用密封環３の外周面から内周面までの径方向の寸法Ｐに形成された受圧周面の面積に対して被密封流体の圧力がシール面５の方向へ向かって作用するようになる。この背面５側の受圧周面に被密封流体が作用する面積となって、静止用密封環３をスプリング４と共に、背面５からその面積にかかる力で前方へ押圧する。同時に、静止用密封環３には、シール面６側にも被密封流体が接するので、シール面５の外径点から外周面の外径の第２受圧周面にも背面５の方向へ向かって被密封流体の圧力が作用する。したがって、この背面５側の受圧周面と、シール面６側の第２受圧周面に作用する被密封流体の圧力は、軸方向において互いに等しい力は相殺される。そして、受圧周面から第２受圧周面を引いた残りの受圧周面に作用する力により、静止用密封環３は回転用密封環１０の方向へ押圧力が生じる。
又、この静止用密封環３は、凹部７と第１係止ピン１５とが係止して回動しないように係止されている。また、前述したように、静止用密封環３の背面５と反対の前面にはシール面６が設けられている。そして、図２に示すように、静止用密封環３において、シール面５の外径点から外周面の外径までの径方向面が第２受圧周面と称する。以上の作用は、詳しく説明するまでもなく、図２から明らかに、パスカルの原理により、理解することができる。
【００２０】
静止用密封環３と対向する回転用密封環１０には、シール面６と密接する対向シール面１６が設けられている。そして、スリーブ４０に嵌合すると共に、ドライブピン４４と係止用穴１２が回動不能に係合して回転軸５０と回転用密封環１０とが共に回転するように構成されている。また、回転用密封環１０がスリーブ４０と嵌合した嵌合面間には、第２Ｏリング４７が配置されて、この嵌合面間をシールしている。
【００２１】
回転軸５０には、被密封流体領域Ｈｐ側に段部５２が設けられている。又、この段部５２の近くに第２係止ピン５３が固着されている。そして、第２係止ピン５３が固着された周面が嵌合面５１となっている。又、回転軸５０の大気領域Ｌｐ側は小径に形成されて軽量化が図られている。
【００２２】
また、回転軸５０に嵌合するスリーブ４０は、被密封流体領域Ｈｐ側が厚肉に形成されており、回転軸５０の段部５２と係合する面に端部面（以下、端面という）４２が形成されている。
さらに、スリーブ４０の端面４２側の内周には、嵌合面５１と嵌着する第１内周面４１が形成されている。この嵌合面５１と第１内周面４１との間には、第３Ｏリング５６が配置されている。この第３Ｏリング５６により嵌合面５１と第１内周面４１との間をシールしている。更に、スリーブ４０の内周には、第１内周面と第２内周面４１Ａとの間に傾斜段部を設けられており、この傾斜段部を貫通する補助通路４５が形成されている。又、傾斜段部より大気領域Ｌｐには、スリーブ４０と回転軸５０との間に第４Ｏリング５７が装着されている。そして、第３Ｏリング５６から被密封流体が漏れた場合には、補助通路４５を介して中間室Ｂに流入するように第４Ｏリング５７により封止されている。
図２に示すことから明らかなように、スリーブ４０の端部と回転用密封環１０とは、被密封流体に接する面がパスカルの原理にしたがって、前述した静止用密封環３と同様な被密封流体の圧力を受ける。つまり、スリーブ４０の被密封流体の圧力が作用する端面４２側の受圧面によって生じる対向シール面１６側への力と、シール面６と接触する外径点から回転用密封環１０の外周面までの径方向の受圧周面に対して作用する力のうち相反する等しい力は相殺される。
そして、シール面６と対向シール面１６とは密接してシールされているから、この両面には、被密封流体の圧力が作用しない。また、スリーブ４０の第１内周面４１の内径（直径とも言う）Ｄは、静止用密封環３の内周面の内径（直径とも言う）ｄより大きく形成されているから（前記端面の内径が前記背面の受圧周面の内径より大径に形成されている）、受圧周面のうちのＤ−ｄ＝厚さ寸法Ｓの受圧周面に対して被密封流体の圧力が回転用密封環１０側へ作用する。つまり、この厚さ寸法Ｄ−ｄ＝Ｓの受圧周面に作用する力によって、スリーブ４０は回転軸５０の段部５２に押圧されて保持されている。この作用は、詳細に説明するまでもなく、図２から明らかに、パスカルの原理により、理解することができる。
【００２３】
シールカバー３０の内周面で大気領域Ｌｐのバッファ流体室Ｃ内には、対称を成す第１と第２シール部２０Ａ、２０Ｂが配置されている。この第１と第２シール部２０Ａ、２０Ｂは、セグメントシールに構成されている。又、この第１と第２シール部２０Ａ、２０Ｂの間には、周方向へ等配に配置された複数のスプリング２４が配置されており、このスプリング２４により各シール部２０Ａ、２０Ｂを互いに反対方向へ押圧している。そして、第１シール部２０Ａの第１シール面２１Ａをシールカバー面に密接させると共に、第２シール部２０Ｂの第２シール面２１Ｂを分割シールカバー３９のシールカバー面に密接させている。尚、分割シールカバー（シール部保持用のシールカバー）３９はシールカバー３０の１部である。
【００２４】
更に、この第１シール部２０Ａと第２シール部２０Ｂの外周面には、各ガータスプリング２５、２５が各々嵌合しており、周方向に分割されている各第１と第２シール部２０Ａ、２０Ｂを外周から回転軸５０に締め付けている。そして、第１シール部２０Ａの内周シール面２２Ａと第２シール部２０Ｂの内周シール面２２Ｂにより回転軸５０との嵌合間をシールしている。この第１シール部２０Ａと、第２シール部２０Ｂは、シールカバー３０に固着された両側の各固定ピン２６により保持されている。このようにして、バッファ流体室Ｃ内の軸方向の両側の回転軸５０とシールカバー３０との間隙は密閉されている。
【００２５】
更に、シールカバー３０の大気領域Ｌｐ側に嵌着された分割シールカバー３９は、スナップリング２７によりシールカバー３０に係止されている。このスナップリング２７は、シールカバー３０に設けられた環状溝に嵌着している。又、スリーブ４０の大気領域Ｌｐ側にはめ込まれた止めリング４９は、スリーブ４０に設けられた環状溝４８に着脱自在に嵌着している。この止めリング４９は、シールカバー３０とスリーブ４０との間にメカニカルシール２と第１と第２シール部２０Ａ、２０Ｂとを保持できるように設けられているもので、装置に組み込まれた後は、スリーブ４０から取り外すものである。
【００２６】
メカニカルシール装置１は装置に組み込まれると、この止めリング４９がスリーブ４０から取り外されても静止用密封環３の背面の受圧周面の面積は、スリーブ４０の端面４２の受圧面積より大きいから、被密封流体の圧力によりスリーブ４０を回転軸５０の段部５２に圧接する。この圧接状態は、スリーブ４０の内周面４１の直径Ｄが静止用密封環３における背面５の内の受圧周面の内周面の直径（第１Ｏリングの内径）ｄより大きく形成されているので、その直径Ｄ−ｄの差に作用する背面５の受圧力となってスリーブ４０を回転軸５０の段部５２に圧着する。
【００２７】
シールカバー３０はハウジング６０の内周面にＯリング６５，６５を介して嵌着すると共に、押さえリング７０のフランジ部７１Ａをボルト７１によりハウジング６０に固定することにより押さえられている。このシールカバー３０は、図示左端面を段部に係止しなくとも、右端部を押さえリング７０により保持するのみで装着できる。それは、前述の静止用密封環３の背面５側の受圧周面に作用する受圧力と、端面４２に作用する受圧力との力関係から成り立つものである。
【００２８】
シールカバー３０の内周面のメカニカルシール２とシール部２０Ａ、２０Ｂとの間には中間室Ｂが設けられている。この中間室Ｂにはシールカバー３０に設けられたドレン通路３８が連通している。このドレン通路３８は、ハウジング６０に設けられたドレン孔６２に環状溝を介して連通している。このドレン孔６２の流出先には被密封流体に含まれるエチレンガス、プロピレンガス等の有害なガスを処理する装置が設けられている。この中間室Ｂ内の圧力は被密封流体室Ａ内の圧力よりも小さく構成されている。
【００２９】
更にシールカバー３０には、被密封流体のオイル等の流体でメカニカルシール２を冷却させながら被密封流体室Ａから循環させる循環通路３２が設けられている。この循環通路３２は、環状溝３３を介して環状孔６１に連通している。又、メカニカルシール２の外周側には堰部５８が設けられてメカニカルシール２のシール面６、１６の外周に迂回させている。更に、シールカバー３０と押さえリング７０とは、ボルト７２により結合されている。
【００３０】
バッファ流体室Ｃには、シールカバー３０に設けられたバッファ流体通路３７が連通している。更に、バッファ流体通路３７に環状溝を介してバッファ流体孔６３が連通している。そして、バッファ流体室Ｃ内の圧力は中間室Ｂ内の圧力よりも高圧に構成されている。
このように、被密封流体室Ａと、中間室Ｂと、バッファ流体室Ｃとの室内の圧力関係はＡ＞Ｂ，Ｃ＞Ｂとなっている。このために被密封流体は、バッファ流体室Ｃに設けられたシール部２０Ａ、２０Ｂから大気領域へ漏洩することなく、ドレン通路３８から排出される。
【００３１】
【発明の効果】
本発明に係わるメカニカルシールによれば、以下のような効果を奏する。
各請求項に係わる本発明のシール装置によれば、被密封流体がスリーブの端面に作用する作用力よりも静止用密封環の背面に作用する作用力が大きいから、スリーブを回転軸の段部に固定することが可能になる効果を奏する。又、スリーブを部品を用いて固定する必要もなく、スリーブを薄肉にして軽量化することが可能になる。その結果、取付部品を省略し、軽量化されたスリーブにより、メカニカルシール装置全体も小型する効果を奏する。さらに、質量が軽減されているのでメカニカルシール装置を高速回転が可能になる効果を奏する。
【００３２】
更に、バッファ流体室内の圧力が中間室内の圧力よりも高圧であるから中間室内の被密封流体が大気領域に漏洩するのを効果的に防止できる。
【００３３】
更に又、中間室内の圧力が被密封流体室内の圧力よりも低圧であるから、メカニカルシールを漏洩しても中間室からドレン通路を介して回収装置へ流出させて、大気領域へ有害な被密封流体が流出するのを効果的に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係わるメカニカルシール装置の半断面図である。
【図２】図１に示すメカニカルシール装置の１部を拡大した断面図である。
【図３】従来のメカニカルシール装置の半断面図である。
【符号の説明】
１ メカニカルシール装置
２ メカニカルシール
３ 静止用密封環
４ スプリング
５ 背面
６ シール面
７ 凹部
１０ 回転用密封環１０
１２ 係止用穴
１５ 第１係止ピン
１６ 対向シール面
１９ 第１Ｏリング
２０Ａ 第１シール部
２０Ｂ 第２シール部
２１Ａ 外１シール面
２０Ｂ 第２シール面
２６ 第３係止ピン
３０ シールカバー
３９ 分割シールカバー
４０ スリーブ
４１ 内周面
４２ 端面
５０ 回転軸
Ａ 被密封流体室
Ｂ 中間室
Ｃ バッファ流体室

Claims (4)

1. ハウジングの内周面と前記内周面内に収容された回転軸との間で被密封流体をシールするメカニカルシール装置であって、
   前記ハウジングに一体に固着されたシールカバーと密封に嵌合して摺動可能な第２内周面を有するとともに一端にシール面を有し且つ前記シール面と反対面に被密封流体の圧力が作用する受圧周面を有する静止用密封環と、
   前記回転軸と密封に嵌合可能な第１内周面を有するとともに前記回転軸の段部と係止可能で被密封流体の圧力が作用する端面を有するスリーブと、
   前記静止用密封環より被密封流体領域側に配置されて前記スリーブに密封に嵌着するとともに前記シール面と密接する対向シール面を有する回転用密封環とを具備し、
   前記スリーブの前記第１内周面の直径が前記静止用密封環の第２内周面の直径より大径に形成されて被密封流体の圧力が前記端面に作用して前記静止用密封環の方向へ生じる力よりも被密封流体の圧力が前記受圧周面に作用して前記回転用密封環の方向へ生じる力が大きくなる構成に成されていることを特徴とするメカニカルシール装置。
2. 前記スリーブの静止用密封環より大気側に前記シールカバーと前記回転軸の間に形成されてバッファ流体通路を設けたバッファ流体室と、前記バッファ流体室内の前記回転軸の軸方向の両側の前記回転軸と前記シールカバーとの間隙をシールするシール部と、前記静止用密封環と前記シール部との間に形成されるドレン通路と連通する中間室を有し、前記バッファ流体室内のバッファ流体の圧力が前記中間室内の流体圧力よりも高圧に設定されてい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。
3. 被密封流体室内の流体圧力より前記中間室の流体圧力を低圧にすると共に、前記中間室内の流体圧力よりも前記バッファ流体室内の流体圧力を高圧に構成したことを特徴とする請求項２に記載のメカニカルシール装置。
4. 前記スリーブの大気領域側の端部に前記シール部を保持して前記シールカバーと係止する着脱自在な止めリングを有し、前記止めリングは前記ハウジングへメカニカルシール装置を取り付けた後に取り外され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。

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