JP6612092B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシールに関する。

従来より、回転流体機器の内部の被密封流体をシール（一次シール）するものとして、ケーシング側に固定された金属製の静止密封環と、回転軸側に一体回転可能に取り付けられた回転密封環とを備え、静止密封環に形成された静止側密封端面と回転密封環に形成された回転側密封端面とが摺接するメカニカルシールが多用されている。このようなメカニカルシールとして、図３に示すように、ケーシング１０１に静止密封環１０２が内嵌して固定され、ケーシング１０１の内周と静止密封環１０２の外周との間の軸方向両端部を、それぞれゴム製のＯリング１０３と熱伝導性を有するガスケット１０４とによりシール（二次シール）するものがある（例えば、特許文献１参照）。

なお、回転軸１０５には、リテーナ１０６および回転密封環１０７が一体回転可能に取り付けられている。回転密封環１０７の回転側密封端面１０７ａは、リテーナ１０６に保持されたスプリング１０８の付勢力によって、静止密封環１０２の静止側密封端面１０２ａに押し付けられることによって被密封流体をシールしている。

特開昭６４−２１２７２号公報（第１図参照）

一般に、この種のメカニカルシールでは、回転軸１０５が高速回転すると、静止密封環１０２の静止側密封端面１０２ａには、回転密封環１０７の回転側密封端面１０７ａとの摺動による摺動熱が発生する。また、高温の被密封流体をシールする場合には、被密封流体に接する静止密封環１０２も高温となる。このように静止密封環１０２が高温になると、静止側密封端面１０２ａに面荒れや異常摩耗などが発生し、一次シールとしてのシール性能が低下するおそれがある。このため、静止密封環１０２に発生する熱をケーシング１０１側へ効率的に放熱する必要がある。

しかし、上記メカニカルシールにあっては、Ｏリング１０３による二次シール部分では、ケーシング１０１と静止密封環１０２との間にゴム製のＯリング１０３が介在するため、静止密封環１０２で発生した熱をケーシング１０１側へ効率的に放熱することができない。また、ガスケット１０４による二次シール部分では、ケーシング１０１と静止密封環１０２との間に熱伝導性を有するガスケット１０４が介在するので、Ｏリング１０３に比べて放熱性能は高いが、その反面、Ｏリング１０３に比べてシール性能が劣るという問題があった。

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、シール性能を低下させることなく静止密封環からケーシングへの放熱性能を高め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。

本発明のメカニカルシールは、回転軸に一体回転可能に取り付けられる回転密封環と、前記回転軸を包囲しているケーシング側に固定されるとともに前記回転密封環が摺接する静止密封環と、を備えたメカニカルシールであって、前記ケーシング側の内周に形成された環状の第１シール面と、前記第１シール面に対向するように前記静止密封環の外周に形成された環状の第２シール面との間を密封するシール部を備え、前記シール部は、ゴム製のＯリングと、前記Ｏリングの径方向外側または径方向内側に配置され熱伝導性を有する環状のガスケットと、を備えることを特徴としている。

本発明によれば、ケーシング側の第１シール面と静止密封環の第２シール面との間を密封するシール部は、ゴム製のＯリングを有するので、第１シール面と第２シール面との間のシール性能を確保することができる。また、前記シール部は、Ｏリングの径方向外側または径方向内側に配置される熱伝導性を有するガスケットを備えるので、静止密封環で発生した熱をガスケットを介してケーシング側へ効率的に放熱することができる。したがって、シール性能を低下させることなく静止密封環からケーシングへの放熱性能を高めることができる。

前記メカニカルシールにおいて、前記ガスケットは、前記Ｏリングの径方向外側に配置されるのが好ましい。この場合、ガスケットをＯリングの径方向内側に配置する場合に比べて、シール部を容易に組み付けることができる。

前記メカニカルシールにおいて、前記第１シール面および前記第２シール面は、前記回転軸の軸方向に対向して配置されており、前記ガスケットの軸方向の一側面が前記第１シール面に直接面接触し、前記ガスケットの軸方向の他側面が前記第２シール面に直接面接触するのが好ましい。
この場合、ガスケットの軸方向の両側面が、ケーシング側の第１シール面および静止密封環の第２シール面にそれぞれ直接面接触するので、静止密封環で発生した熱をガスケットを介してケーシング側へさらに効率的に放熱することができる。

本発明のメカニカルシールによれば、シール性能を低下させることなく静止密封環からケーシングへの放熱性能を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。 従来のメカニカルシールを示す断面図である。

以下、本発明のメカニカルシールの実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。図１において、メカニカルシール１は、例えば化学プラントにおいて使用されるポンプ等の回転流体機器の内部に設けられ、圧力変動が大きい被密封流体（例えばエチレン）をシールするものである。本実施形態のメカニカルシール１は、回転軸６０と、当該回転軸６０を包囲している回転流体機器のケーシング５０との間に配置されたアウトサイド型メカニカルシールである。なお、本実施形態において、図１の左側を機外側、図１の右側を機内側という。

メカニカルシール１は、回転側ユニットとして、回転軸６０に一体回転可能に取り付けられたリテーナ２と、回転軸６０に対して一体回転可能かつ軸方向（図中の左右方向）に移動可能に嵌合された環状の回転密封環３と、回転密封環３を機内側に付勢する弾性部材４とを備えている。

リテーナ２は、円筒状に形成された小径の第１保持部２１と、その機外側において円環状に一体形成された大径の第２保持部２２とからなる断面Ｌ字状の円筒体である。第１保持部２１及び第２保持部２２は、周方向に複数配置された弾性部材４を保持するものである。第２保持部２２は、周方向に配置された所定数のセットスクリュ１１により回転軸６０に固定されている。

回転密封環３は、耐摩耗性及びシール性能に優れたセラミックスや超硬合金等の硬質材からなる。回転密封環３は、本体部３１と、本体部３１の機外側に一体形成された連結部３２と、連結部３２の機外側に端面に取り付けられたドライブカラーである補強部３３とにより構成されている。

本体部３１の内径は、回転軸６０の外径よりも若干大きく設定されている。本体部３１の機内側の端部には回転側密封端面３１ａが形成されている。
連結部３２の内径は、リテーナ２の第１保持部２１の外径よりも若干大きく設定されている。連結部３２は、その機内側の内周面が回転軸６０の外周面に対してＯリング１２によりシール（二次シール）された状態で、本体部３１及び補強部３３と共に軸方向に移動可能に保持されている。

補強部３３は、ステンレス鋼等の金属材（例えば、ＳＵＳ３１６等）で構成されたドライブカラーである。補強部３３には、機内側に突出するドライブピン１３が固着されており、このドライブピン１３は、連結部３２の機外側の端部に形成された係合孔３２ａに係合されている。これにより、補強部３３が本体部３１及び連結部３２に対して相対回転するのを阻止している。

弾性部材４は、例えば圧縮コイルばねからなり、リテーナ２の第２保持部２２に保持されている。弾性部材４の機内側の端部は、補強部３３の機外側の端面に当接しており、弾性部材４の付勢力によって回転密封環３を軸方向の機内側に付勢している。これにより、回転密封環３の回転側密封端面３１ａは、弾性部材４の付勢力により後述する静止側密封端面６ａに押し付けられている。

ケーシング５０は、ケーシング本体５１と、ケーシング本体５１の機外側の側面に固定されたシールケース５２とを有している。メカニカルシール１は、静止側ユニットとして、シールケース５２に内嵌された環状の静止密封環６と、シールケース５２の内周と静止密封環６の外周との間を密封する一対のシール部７，８とを備えている。

静止密封環６は、カーボン、又はその他の材料を主成分として形成された部材であり、その外周面６ｂはシールケース５２の内周面５２ａに嵌合して固定されている。静止密封環６の機外側の端面は、回転密封環３の回転側密封端面３１ａが摺接する静止側密封端面６ａとされている。なお、静止密封環６の内周面には、軸方向の機外側から機内側へ向かうに従って漸次拡径する円錐面６ｃが形成されている。

シールケース５２の内周部の機外側には、径方向に延びる環状のシール面（第１シール面）５２ｂが形成されている。静止密封環６の外周部の機外側には、シールケース５２のシール面５２ｂに対して軸方向に対向する環状のシール面（第２シール面）６ｄが形成されている。シール部７は、シールケース５２のシール面５２ｂと静止密封環６のシール面６ｄとの間を密封している。

シール部７は、ゴム製（例えばニトリルゴム又はフッ素ゴム等の合成ゴム製）のＯリング７ａと、このＯリング７ａの径方向外側に配置され熱伝導性を有する材料（銅、アルミニウム、ＳＵＳ等の金属、又は膨張黒鉛等）からなる環状のガスケット７ｂとを備えている。ここで、本願発明における「ガスケット」とは、その径方向内側に配置されるＯリングよりも熱伝導率が高い材料からなるものをいう。本実施形態のガスケット７ｂは、例えばブリネル硬さ（ＨＢ）が５０であって、熱伝導率が４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の銅からなる。

Ｏリング７ａは、断面楕円状に形成されており、その軸方向の寸法は、ガスケット７ｂの軸方向の寸法よりも長く設定されている。これにより、Ｏリング７ａのつぶし代は、ガスケット７ｂのつぶし代よりも大きく設定されている。
ガスケット７ｂの軸方向の一側面７ｂ１は、シールケース５２のシール面５２ｂに直接面接触している。また、ガスケット７ｂの軸方向の他側面７ｂ２は、静止密封環６のシール面６ｄに直接面接触している。

ケーシング本体５１の機外側の側面には、機外側に突出する環状のシール面（第１シール面）５１ｂが形成されている。静止密封環６の外周部の機内側には、ケーシング本体５１のシール面５１ｂに対して軸方向に対向する環状のシール面（第２シール面）６ｅが形成されている。シール部８は、ケーシング本体５１のシール面５１ｂと静止密封環６のシール面６ｅとの間を密封している。

シール部８は、ゴム製（例えばニトリルゴム又はフッ素ゴム等の合成ゴム製）のＯリング８ａと、このＯリング８ａの径方向外側に配置され熱伝導性を有する材料（銅、アルミニウム、ＳＵＳ等の金属、又は膨張黒鉛等）からなる環状のガスケット８ｂとを備えている。本実施形態のガスケット８ｂは、例えばガスケット７ｂと同様に、ブリネル硬さ（ＨＢ）が５０であって、熱伝導率が４００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の銅からなる。

Ｏリング８ａは、断面楕円状に形成されており、その軸方向の寸法は、ガスケット８ｂの軸方向の寸法よりも長く設定されている。これにより、Ｏリング８ａのつぶし代は、ガスケット８ｂのつぶし代よりも大きく設定されている。
ガスケット８ｂの軸方向の一側面８ｂ１は、ケーシング本体５１のシール面５１ｂに直接面接触している。また、ガスケット８ｂの軸方向の他側面８ｂ２は、静止密封環６のシール面６ｅに直接面接触している。

上記のように構成された本実施形態のメカニカルシール１によれば、ケーシング５０側の第１シール面５２ｂ（５１ｂ）と静止密封環の第２シール面６ｄ（６ｅ）との間を密封するシール部７（８）は、ゴム製のＯリング７ａ（８ａ）を有するので、第１シール面５２ｂ（５１ｂ）と第２シール面６ｄ（６ｅ）との間のシール性能を確保することができる。また、シール部７（８）は、Ｏリング７ａ（８ａ）の径方向外側に配置された金属製のガスケット７ｂ（８ｂ）を有するので、静止密封環６で発生した摺動熱等の熱をガスケット７ｂ（８ｂ）を介してケーシング５０側へ効率的に放熱することができる。したがって、シール性能を低下させることなく静止密封環６からケーシング５０への放熱性能を高めることができる。そのため、メカニカルシール１は、高温の被密封流体をシールする場合やドライ運転等の大きな摺動熱が発生する場合に特に好適である。

また、ガスケット７ｂ（８ｂ）は、Ｏリング７ａ（８ａ）の径方向外側に配置されているので、ガスケット７ｂ（８ｂ）をＯリング７ａ（８ａ）の径方向内側に配置する場合に比べて、シール部７（８）を容易に組み付けることができる。

また、ガスケット７ｂ（８ｂ）の軸方向の両側面７ｂ１，７ｂ２（８ｂ１，８ｂ２）が、ケーシング５０側の第１シール面５２ｂ（５１ｂ）および静止密封環６の第２シール面６ｄ（６ｅ）にそれぞれ直接面接触しているので、静止密封環６で発生した摺動熱等をガスケット７ｂ（８ｂ）を介してケーシング５０側へさらに効率的に放熱することができる。

図２は、本発明の第２実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。本実施形態のメカニカルシール１は、インサイド型メカニカルシールである点で第１実施形態と相違する。なお、本実施形態において、図２の右側を機内側、図２の左側を機外側という。

図２において、本実施形態のメカニカルシール１は、回転側ユニットとして、回転軸６０に一体回転可能に取り付けられたリテーナ２と、回転軸６０に対して一体回転可能かつ軸方向（図中の左右方向）に移動可能に嵌合された環状の回転密封環３と、回転密封環３を機外側に付勢する弾性部材４とを備えている。

リテーナ２は、円筒状に形成されており、周方向に配置された所定数のセットスクリュ１１により回転軸６０に固定されている。また、リテーナ２は、弾性部材４を保持している。
回転密封環３は、本体部３１と、本体部３１の機内側に固定された連結部３２と、連結部３２の機内側に端面に取り付けられたドライブカラーである補強部３３とにより構成されている。

本体部３１の機外側の端面は回転側密封端面３１ａとされている。連結部３２は、その機内側の内周面が回転軸６０の外周面に対してＯリング１２によりシール（二次シール）された状態で、本体部３１及び補強部３３と共に軸方向に移動可能に保持されている。
連結部３２には、機内側に突出するドライブピン１３が固着されており、このドライブピン１３は、補強部３３に形成された係合孔３３ａに係合されている。これにより、補強部３３が本体部３１及び連結部３２に対して相対回転するのを阻止している。

弾性部材４は、例えば圧縮コイルばねからなり、リテーナ２に保持されている。弾性部材４の機外側の端部は、補強部３３の機内側の端面に当接しており、弾性部材４の付勢力によって回転密封環３を軸方向の機外側に付勢している。これにより、回転密封環３の回転側密封端面３１ａは、弾性部材４の付勢力により後述する静止側密封端面６ａに押し付けられている。

メカニカルシール１は、静止側ユニットとして、ケーシング５０に内嵌された環状の静止密封環６と、ケーシング５０の内周と静止密封環６の外周との間を密封するシール部９とを備えている。
静止密封環６の機外側の端部は、ケーシング５０から機内側に突出するピン１４によりケーシング５０との相対回転が阻止されている。静止密封環６の機内側の端部には、回転密封環３の回転側密封端面３１ａが摺接する静止側密封端面６ａが形成されている。

ケーシング５０の内周部には、径方向に延びる環状のシール面（第１シール面）５２ｃが形成されている。静止密封環６の外周部の機外側には、ケーシング５０のシール面５２ｃに対して軸方向に対向する環状のシール面（第２シール面）６ｆが形成されている。
シール部９は、ケーシング５０のシール面５２ｃと静止密封環６のシール面６ｆとの間を密封している。シール部９は、ゴム製のＯリング９ａと、このＯリング９ａの径方向外側に配置され熱伝導性を有する材料からなる環状のガスケット９ｂとを備えている。

Ｏリング９ａは、断面楕円状に形成されており、その軸方向の寸法は、ガスケット９ｂの軸方向の寸法よりも長く設定されている。これにより、Ｏリング９ａのつぶし代は、ガスケット９ｂのつぶし代よりも大きく設定されている。
ガスケット９ｂの軸方向の一側面９ｂ１は、ケーシング５０のシール面５２ｃに直接面接触している。また、ガスケット９ｂの軸方向の他側面９ｂ２は、静止密封環６のシール面６ｆに直接面接触している。なお、第２実施形態において説明を省略した点は、第１実施形態と同様である。

上記のように構成された本実施形態のメカニカルシール１においても、シール部９は、ゴム製のＯリング９ａを有するので、第１シール面５２ｃと第２シール面６ｆとの間のシール性能を確保することができる。また、シール部９は、Ｏリング９ａの径方向外側に配置された金属製のガスケット９ｂを有するので、静止密封環６で発生した摺動熱等の熱をガスケット９ｂを介してケーシング５０側へ効率的に放熱することができる。したがって、シール性能を低下させることなく静止密封環６からケーシング５０への放熱性能を高めることができる。

また、ガスケット９ｂは、Ｏリング９ａの径方向外側に配置されているので、ガスケット９ｂをＯリング９ａの径方向内側に配置する場合に比べて、シール部９を容易に組み付けることができる。
また、ガスケット９ｂの軸方向の両側面９ｂ１，９ｂ２が、ケーシング５０側の第１シール面５２ｃおよび静止密封環６の第２シール面６ｆにそれぞれ直接面接触しているので、静止密封環６で発生した摺動熱等をガスケット９ｂを介してケーシング５０側へさらに効率的に放熱することができる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

例えば、上記実施形態におけるシール部は、Ｏリングの径方向外側にガスケットを配置しているが、Ｏリングの径方向内側にガスケットを配置してもよい。また、上記実施形態におけるガスケットは、第１及び第２シール面に直接面接触しているが、いずれか一方のシール面に直接面接触してもよいし、両シール面とも間接的に接触していてもよい。

１ メカニカルシール
３ 回転密封環
６ 静止密封環
６ｄ〜６ｆ シール面（第２シール面）
７〜９ シール部
７ａ〜９ａ Ｏリング
７ｂ〜９ｂ ガスケット
７ｂ１〜９ｂ１ 一側面
７ｂ２〜９ｂ２ 他側面
５０ ケーシング
５１ｂ シール面（第１シール面）
５２ｂ シール面（第１シール面）
５２ｃ シール面（第１シール面）
６０ 回転軸

Claims (2)

1. 回転軸に一体回転可能に取り付けられる回転密封環と、前記回転軸を包囲しているケーシング側に固定されるとともに前記回転密封環が摺接する静止密封環と、を備えたメカニカルシールであって、
   前記ケーシング側の内周において径方向に延びて形成された環状の第１シール面と、前記第１シール面に対して環状空間を挟んで前記回転軸の軸方向に対向するように前記静止密封環の外周に形成された環状の第２シール面との間を密封するシール部を備え、
   前記シール部は、前記環状空間に配置されたゴム製のＯリングと、前記環状空間において前記Ｏリングの径方向外側に配置され熱伝導性を有する環状のガスケットと、を備えることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記ガスケットの軸方向の一側面が前記第１シール面に直接面接触し、前記ガスケットの軸方向の他側面が前記第２シール面に直接面接触する請求項１に記載のメカニカルシール。

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