JP4137068B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、被密封流体が高粘度流体であるメカニカルシールであって、被密封流体の性状等のシール条件に応じてスチーム等のクエンチ流体を供給するように構成されたメカニカルシールに関するものである。

ボンプ，ミキサー等の回転機器に軸封手段として装備されるメカニカルシールは、一般に、回転機器のハウジングに取り付けられた筒状のシールケースと、回転機器の回転軸に固定された回転密封環と、シールケースの内周部にＯリングを介して軸線方向に移動可能に保持された静止密封環と、静止密封環を回転密封環へと押圧接触させるべくシールケースに設けたスプリングリテーナと静止密封環との間に装填されたスプリングとを具備して、両密封環の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の外周側領域である被密封流体領域（機内領域）と内周側領域である非密封流体領域（機外領域である大気領域）とを遮蔽するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

而して、かかる従来のメカニカルシールにあっては、シールケースにその内周面の一箇所に開口するクエンチ流体供給路（例えば、特許文献１の図１及び段落番号［００３１］に記載される慣用ねじ５３）を形成して、シールすべき機内領域の流体である被密封流体の性状等のシール条件に応じて、前記Ｏリングによって被密封流体領域との間を二次シールされた非密封流体領域部分であって前記スプリングが配置されたスプリング配設空間に清水，スチーム等のクエンチ流体を供給することにより、シール部分（両密封環の相対回転摺接部分）の周辺雰囲気温度を管理することが行われている。

例えば、被密封流体が高粘度流体である場合には、シールケースと静止密封環との間の二次シール部分であるＯリング装填部分に侵入した高粘度流体が固化して静止密封環の追従性を阻害する虞れがあるが、かかる場合には、クエンチ流体としてスチーム等の高温流体をスプリング配設空間に供給することにより、シール部分の周辺雰囲気温度を一定以上の高温に保持して、高粘度流体の固化を防止すると共に、シール部分から非密封流体領域に漏洩した高粘度流体をクエンチ流体により洗い流して、高粘度流体がシール部分に固化，堆積するのを防止する。

特開２００３−３１４７０３

しかし、クエンチ流体供給路からスプリング配設空間にクエンチ流体を供給させるのみでは、クエンチ流体による加熱効果が不十分であり、シール部分の周辺雰囲気温度を適正に管理することができず、高粘度流体の固化現象を効果的に防止することができないといった問題があった。

本発明は、このような問題を生じず、良好なクエンチング機能を発揮することができ、シール部分の周辺雰囲気温度をシール条件に応じた適正温度に管理することができるメカニカルシールを提供することを目的とするものである。

本発明は、ポンプ，ミキサー等の回転機器のハウジングに取り付けられた筒状のシールケースと、回転機器の回転軸に固定された回転密封環と、シールケースの内周部にＯリングを介して軸線方向に移動可能に保持された静止密封環と、静止密封環を回転密封環へと押圧接触させるべくシールケースに設けたスプリングリテーナと静止密封環との間に装填されたスプリングと、前記Ｏリングによって高粘度流体領域である被密封流体領域との間を二次シールされた非密封流体領域部分であって前記スプリングが配置されたスプリング配設空間に高温流体であるクエンチ流体を供給すべくシールケースに形成されたクエンチ流体供給路と、を具備するメカニカルシールにおいて、上記の目的を達成すべく、特に、クエンチ流体供給路を、シールケースの内周面に沿う環状空間であって、軸線方向において少なくとも前記Ｏリングの配設位置から両密封環の接触位置又はその近傍位置まで延びるクエンチ流体室と、クエンチ流体をクエンチ流体室に供給するクエンチ流体供給通路と、クエンチ流体をクエンチ流体室からスプリング配設空間に噴出するクエンチ流体噴出通路と、からなるものとしておくことを提案するものである。クエンチ流体供給路の中間部を上記したクエンチ流体室に構成しておくことにより、クエンチ流体室内のクエンチ流体とシール部分周辺における高粘度流体である被密封流体及び密封環との熱交換が効果的に行われることになり、スプリング配設空間にクエンチ流体を供給させるのみである場合に比して、クエンチ流体によるシール部分の周辺雰囲気温度をシール条件に応じた適正温度に管理することができる。

而して、かかるメカニカルシールにあっては、複数のクエンチ流体噴出通路を、スプリング配設空間に臨むシールケースの内周面部分にその周方向に等間隔を隔てて開口するように、放射状に設けておくことが好ましい。すなわち、このようにしておけば、従来のメカニカルシールのようにシールケースの内周面における一箇所に設けた開口部からスプリング配設空間にクエンチ流体を供給させるようにした場合と異なって、スプリング配設空間の全周からクエンチ流体が供給（噴出）されることから、つまりスプリング配設空間にクエンチ流体がシャワーリングされることから、上記したクエンチ流体室の存在と相俟って、クエンチ流体による温度管理がより効果的に行われる。

さらに、シールケースと回転軸との対向周面間に、スプリングリテーナの背面側においてシールケースと回転軸との間をシールする二次シール部材を設けると共に、シールケースに、二次シール部材とスプリングリテーナとの間に形成されるクエンチ流体排出空間に連通するクエンチ流体排出通路を形成し、且つスプリングリテーナの内周部に、静止密封環と回転軸との対向周面間を通過して両密封環の接触位置又はその近傍位置まで延びる筒状のバッフルを突設して、スプリング配設空間に供給されたクエンチ流体が、バッフルと静止密封環との間に形成される第１流動通路及びバッフルと回転軸との間に形成される第２流動通路を順次流動してクエンチ流体排出空間からクエンチ流体排出通路へと排出されるように構成しておくことが好ましい。

本発明のメカニカルシールによれば、シールケースに形成されるクエンチ流体供給路の中間部に上記したようなクエンチ流体室を設けたことによって、回転機器のハウジングに加熱用のジャケットを設けることができない場合にも、クエンチ流体による伝熱効率を向上させ得て、シール部分及びその周辺雰囲気の温度管理を効果的に行うことができる。また、クエンチ流体供給路の下流部分を複数のクエンチ流体噴出通路で構成して、クエンチ流体をスプリング配設空間にシャワーリングするようにしておくことにより、更には静止密封環と回転軸との間に上記した第１及び第２流動通路を設けておくことにより、かかる温度管理をより効果的に行うことができる。

図１は本発明に係るメカニカルシールの一例を示す縦断側面図であり、図２はその要部の拡大図であり、図３は図１のIII −III 線に沿う縦断正面図である。なお、以下の説明において、前後とは図１又は図２における左右を意味するものとする。

図１に示すメカニカルシールは、回転機器（ポンプ，ミキサー等）のハウジング１に取り付けられた筒状のシールケース２と、回転機器の回転軸３に固定された回転密封環４と、シールケース２の内周部にＯリング５を介して軸線方向（前後方向）に移動可能に保持された静止密封環６と、静止密封環６を回転密封環４へと押圧接触させるべく、静止密封環６とシールケース２に設けたスプリングリテーナ７との間に装填されたスプリング８と、シールケース２に形成したクエンチ流体供給路９及びクエンチ流体排出路１０と、シールケース２と回転軸３との間に形成されたクエンチ流体流動路１１とを具備して、両密封環４，６の対向端面たる密封端面４ａ，６ａの相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分（シール部分）４ａ，６ａの外周側領域を含む高粘度流体領域である被密封流体領域（回転機器の機内領域）Ａと内周側領域を含む非密封流体領域（回転機器の機外領域）Ｂとを遮蔽シールするように構成された端面接触形のメカニカルシールである。

シールケース２は、図１に示す如く、回転軸３が同心状に洞貫する円筒構造をなす金属製のもので、ハウジング１の後端部に取り付けられた円筒状の本体部１２と、本体部１２の前端部に突設されてハウジング１の後端内周部に嵌合された円筒状の突部１３と、本体部１２の後端部に衝合する状態で本体部１２と共に適当数のボルト・ナット１４によりハウジング１に取り付けられた円筒状のシール部１５とからなる。

回転密封環４は、図１に示す如く、後端面たる密封端面４ａをシールケース２の突部１３の前端部に対応する位置に位置させた状態で、回転軸３にスリーブ１６及び密封環リテーナ１７を介して固定されている。スリーブ１６は、ハウジング１内からシールケース２外へと延びる長尺の円筒状のもので、固定環１８を介して回転軸３に挿通固定されている。固定環１８は、シールケース２外において、回転軸３及びスリーブ１６の後端部にスクリュー１９，２０により嵌合固定させることにより、スリーブ１６を回転軸３に固定する。密封環リテーナ１７は、前端部をスリーブ１６の前端部に嵌合固定した円筒状のもので、後端部にＯリング２１及びドライブピン２２を介して回転密封環４を相対回転不能に嵌合固定している。

静止密封環６は、図１及び図２に示す如く、回転密封環４の後端面たる密封端面４ａに対向して、シールケース２の内周部にＯリング５を介して軸線方向（前後方向）に移動可能に嵌合保持されている。静止密封環６は、先端面（前端面）を小幅環状面である密封端面６ａに構成した密封環本体２３と、前端部に密封環本体２３を嵌合固着する円筒状の保持体２４と、保持体２４の後端部にドライブピン２５を介して相対回転不能に嵌合された環状のスプリング受体２６とからなり、保持体２４の中間部とシールケース２の本体部１２との対向周面間にＯリング５を装填することにより、シールケース２との間を二次シールされた状態で、シールケース２（本体部１２）に軸線方向移動可能に保持されている。なお、Ｏリング５はシールケース２の本体部１２の内周部に形成したＯリング溝１２ａに係合保持されている。また、静止密封環６は、スプリング受体２６に突設したドライブピン２７を後述するスプリングリテーナ７に形成した係合孔２８に係合させることにより、所定範囲での軸線方向移動が許容される状態でシールケース２に対する相対回転を阻止されている。

スプリングリテーナ７は、図１及び図２に示す如く、環状体であり、スプリング受体２６の後端面に対向した状態且つシールケース２のシール部１５の前端部に形成した係止段部２９に衝合した状態で、シールケース２の本体部１２に嵌合保持されると共に、係止段部２９との間に介装されたドライブピン３０によりシールケース２に対する相対回転を阻止されている。

スプリング８は、図１及び図２に示す如く、静止密封環６のスプリング受体２７とスプリングリテーナ７との間に介装されており、静止密封環６を回転密封環４へと押圧附勢している。

クエンチ流体供給路９は、図１に示す如く、クエンチ流体室３１とクエンチ流体供給通路３２と複数のクエンチ流体噴出通路３３とからなり、前記Ｏリング５によって被密封流体領域Ａとの間を二次シールされた非密封流体領域Ｂ部分であって前記スプリング８が配置されたスプリング配設空間Ｂ１にスチーム等の高温流体であるクエンチ流体３４を供給する。

クエンチ流体室３１は、図１及び図２に示す如く、シールケース２の内周面に沿う環状空間であって、軸線方向（前後方向）において少なくともＯリング５の配設位置（この例では、スプリング受体２６の前端部に対応する位置）から両密封環４，６の接触位置又はその近傍位置（この例では、シール部４ａ，６ａの後方近傍位置）まで延びている。クエンチ流体室３１の前面部は機器ハウジング１の後端部で閉塞されている。また、クエンチ流体室３１の前端部は、シールケース２の突部１３と機器ハウジング１の内周部３５との間に形成されており、両部１３，３５間に介装したＯリング３６によりシールされている。なお、クエンチ流体室３１は、後述するクエンチ流体供給通路３２から供給されたクエンチ流体３４と両密封環４，６及びその周辺の高粘度流体である被密封流体との熱交換が良好に行われるに十分な容積を有するものとされている。

クエンチ流体供給通路３２は、図１に示す如く、シールケース１の本体部１２に形成されており、本体部１２の外周部からクエンチ流体室３１へと延びており、クエンチ流体３４をクエンチ流体室３１に供給する。

複数のクエンチ流体噴出通路３３…は、図１〜図３に示す如く、各々がクエンチ流体室３１からシールケース１の内周方向へと放射状に延びる狭小断面積のノズル形態をなすものであり、スプリング配設空間Ｂ１に臨むシールケース１（本体部１２）の内周面部分にその周方向に等間隔を隔てて開口している。したがって、複数のクエンチ流体噴出通路３３…からは、クエンチ流体室３１に供給されたクエンチ流体３４がスプリング配設空間Ｂ１にその全周から噴出される、つまりシャワーリングされるようになっている。

クエンチ流体排出路１０は、図１及び図２に示す如く、スプリングリテーナ７の背面側（後方側）の非密封流体領域Ｂ部分であるクエンチ流体排出空間Ｂ２に開口すべく、シールケース２の本体部１２に形成されている。シールケース１と回転軸２との対向周面間には、スプリングリテーナ７の背面側（後方側）においてシールケース１と回転軸２との間を二次シールするシール部材３７が設けられていて、このシール部材３７とスプリングリテーナ７との間にクエンチ流体排出空間Ｂ２が形成されている。この例では、シール部材３７としてセグメントシールが使用されている。このセグメントシール３７は、図１に示す如く、複数の円弧状セグメントを回転軸３に接触するリング状にガータスプリング３９で緊縛してなる前後一対のシールリング３８，３８で構成されており、両シールリング３８，３８をシールケース１の本体部１２の内周部に形成された環状凹部４０に装填することにより、シールケース１と回転軸３との間を二次シールする。

クエンチ流体流動路１１は、図１及び図２に示す如く、スプリング配設空間Ｂ１とクエンチ流体排出空間Ｂ２とを連通するもので、静止密封環６と回転軸３との対向周面間に形成された第１及び第２流動通路１１ａ，１１ｂからなる蛇行状通路である。すなわち、スプリングリテーナ７の内周部に、静止密封環６と回転軸３との対向周面間を通過して両密封環４，６の接触位置又はその近傍位置まで延びる筒状のバッフル４１を一体的に突設して、このバッフル４１と静止密封環６との間にスプリング配設空間Ｂ１に連通する第１流動通路１１ａを形成すると共に、バッフル４１と回転軸３との間に第１流動通路１１ａとクエンチ流体排出空間Ｂ２とを連通する第２流動通路１１ｂを形成してある。

以上のように構成されたメカニカルシールにあっては、クエンチ流体３４がクエンチ流体供給通路３２からクエンチ流体室３１に供給され、更にクエンチ流体噴出通路３３…からスプリング配設空間Ｂ１に噴出される。したがって、クエンチ流体室３１に一時的に滞留するクエンチ流体３４とシール部分４ａ，６ａの周辺における被密封流体及び密封環４，６との熱交換が効果的に行われることになる。また、スプリング配設空間Ｂ１には、その全周に亘って、複数のクエンチ流体噴出通路３３…からクエンチ流体３４が噴出される、つまりクエンチ流体３４がシャワーリングされることから、冒頭で述べた如くスプリング配設空間に一箇所からクエンチ流体を供給させる場合に比して、クエンチ流体３４によるクエンチングがより効果的に行われる。

さらに、スプリング配設空間Ｂ１に噴出されたクエンチ流体３４は、第１流動通路１１ａから静止密封環６の内周面に沿ってシール部分４ａ，６ａへと流動し、シール部分４ａ，６ａの周辺領域で反転して第２流動通路１１ｂからクエンチ流体排出空間Ｂ２へと流動し、クエンチ流体排出路１０から排出される。したがって、第１流動通路１１ａを通過するクエンチ流体３４によってこれと静止密封環６との熱交換が良好に行われ、第１流動通路１１ａから第２流動通路１１ｂへと反転流動するクエンチ流体３４によってこれとシール部分４ａ，６ａとの熱交換ないし洗浄が効果的に行われる。

これらのことから、クエンチ流体３４による加熱効果（クエンチ流体３４としてスチーム等の高温流体を使用する場合）が良好に発揮され、シール部分４ａ，６ａ及びその周辺雰囲気温度を適正に管理することができ、高粘度流体の固化現象を効果的に防止することができる。したがって、長期に亘って良好なメカニカルシール機能を発揮させることができる。

本発明に係るメカニカルシールの一例を示す縦断側面図である。 図１の要部の拡大図である。 図１のIII −III 線に沿う縦断正面図である。

符号の説明

１ 回転機器のハウジング
２ シールケース
３ 回転軸
４ 回転密封環
４ａ 回転密封環の密封端面
５ Ｏリング
６ 静止密封環
６ａ 静止密封環の密封端面
７ スプリングリテーナ
８ スプリング
９ クエンチ流体供給路
１０ クエンチ流体排出路
１１ クエンチ流体流動路
１１ａ 第１流動通路
１１ｂ 第２流動通路
３１ クエンチ流体室
３２ クエンチ流体供給通路
３３ クエンチ流体噴出通路
３４ クエンチ流体
３７ シール部材（セグメントシール）
４１ バッフル
Ａ 被密封流体領域
Ｂ 非密封流体領域
Ｂ１ スプリング配設空間
Ｂ２ クエンチ流体排出空間

Claims (1)

1. 回転機器のハウジング（１）に取り付けられた筒状のシールケース（２）と、回転機器の回転軸（３）に固定された回転密封環（４）と、シールケース（２）の内周部にＯリング（５）を介して軸線方向に移動可能に保持された静止密封環（６）と、静止密封環（６）を回転密封環（４）へと押圧接触させるべく、シールケース（２）に設けたスプリングリテーナ（７）と静止密封環（６）との間に装填されたスプリング（８）と、前記Ｏリング（５）によって高粘度流体領域である被密封流体領域（Ａ）との間を二次シールされた非密封流体領域（Ｂ）部分であって前記スプリング（８）が配置されたスプリング配設空間（Ｂ１）に高温流体であるクエンチ流体（３４）を供給すべくシールケース（２）に形成されたクエンチ流体供給路（９）と、を具備するメカニカルシールにおいて、
   クエンチ流体供給路（９）が、シールケース（２）の内周面に沿う環状空間であって、軸線方向において少なくとも前記Ｏリング（５）の配設位置から両密封環（４，６）の接触位置又はその近傍位置まで延びるクエンチ流体室（３１）と、クエンチ流体（３４）をクエンチ流体室（３１）に供給するクエンチ流体供給通路（３２）と、クエンチ流体（３４）をクエンチ流体室（３１）からスプリング配設空間（Ｂ１）に噴出する複数のクエンチ流体噴出通路（３３）と、からなり、
   複数のクエンチ流体噴出通路（３３）は、スプリング配設空間（Ｂ１）に臨むシールケース（２）の内周面部分にその周方向に等間隔を隔てて開口するように、放射状に設けられており、
   シールケース（２）と回転軸（３）との対向周面間に、スプリングリテーナ（７）の背面側においてシールケース（２）と回転軸（３）との間を二次シールする二次シール部材（３７）を設けると共に、シールケース（２）に、当該二次シール部材（３７）とスプリングリテーナ（７）との間に形成される非密封流体領域（Ｂ）部分たるクエンチ流体排出空間（Ｂ２）に連通するクエンチ流体排出路（１０）を形成し、且つスプリングリテーナ（７）の内周部に、静止密封環（６）と回転軸（３）との対向周面間を通過して両密封環（４，６）の接触位置又はその近傍位置まで延びる筒状のバッフル（４１）を突設して、スプリング配設空間（Ｂ１）に供給されたクエンチ流体（３４）が、バッフル（４１）と静止密封環（６）との間に形成される第１流動通路（１１ａ）及びバッフル（４１）と回転軸（３）との間に形成される第２流動通路（１１ｂ）を順次流動してクエンチ流体排出空間（Ｂ２）からクエンチ流体排出路（１０）へと排出されるように構成したことを特徴とするメカニカルシール。