(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも二組の回転環と静止環とによる摺接面により流体機器内の密封流体が密封される複数の密封領域と、
前記密封領域間を連通するように設けられる減圧流路と、
前記減圧流路に設けられ、高圧側である一次圧領域の一次圧を低圧側である二次圧領域の二次圧に減圧する減圧装置と、を備え、
前記減圧装置は、
前記一次圧領域からつながる流入口と、前記二次圧領域へとつながる流出口とを有するハウジングと、
前記ハウジング内の固定座と、
前記固定座に対して近接又は離間可能に設けられ、前記固定座とともに絞り部を形成する絞り体と、を備え、
前記絞り体には前記固定座に向けて上流側から狭まる傾斜面が形成されていることを特徴するメカニカルシール。
【請求項２】
前記絞り体は、前記一次圧領域内に、前記傾斜面の反対側に前記密封流体の圧力を受ける受圧面を有し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。
【請求項３】
前記ハウジングは、前記一次圧領域への流入口が前記傾斜面に向けて設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のメカニカルシール。
【請求項４】
前記絞り体は、前記二次圧領域内に、前記傾斜面の反対側に前記密封流体の圧力を受ける受圧面を有していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のメカニカルシール。
【請求項５】
前記絞り体は、中空状のリング状部材であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のメカニカルシール。
【請求項６】
前記絞り体はセラミクスで形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のメカニカルシール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体機器の駆動軸等の軸封部品として用いられるメカニカルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
メカニカルシールは、流体機器のハウジングと、ハウジングを貫通するように配置される回転軸との間に装着して使用されるものであり、流体機器のケースに固定される静止環と、回転軸とともに回転する回転環とを、付勢手段により軸方向に付勢することで摺接面を形成し、流体機器の内部から外部又は外部から内部への流体の漏れを防ぐものである。
【０００３】
これらのメカニカルシールの内、高圧流体を密封するものとして、いわゆるタンデム式と呼ばれる二組の静止環と回転環とを同じ方向に直列に配置し、二つの摺接面の間に形成される中間領域を、密封流体の略中間圧に維持することで、それぞれの摺接面にかかる圧力を分担し、密封性を確保するメカニカルシールが知られている。
【０００４】
このような中間領域を、密封流体の略中間圧に維持する方法として例えば特許文献１には、高圧領域及び中間領域の間、中間領域及び低圧領域の間に、オリフィスを用いた減圧機構をそれぞれ設けたタンデム式メカニカルシールが開示されている。
また、特許文献２には、高圧領域及び中間領域の間、中間領域及び低圧領域の間に、バネを有する逆止弁を用いた減圧機構をそれぞれ設けたタンデム式メカニカルシールが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１９０６５１号公報（図３）
【特許文献２】特開平３−１６４５９７号公報（図２）
【０００６】
ここで、特許文献１のタンデム式メカニカルシールにおいては、オリフィスにより常に同じ流下断面積の隘路を形成し、密封流体がこの隘路を流下する際に、絞り効果による圧力損失によって密封流体を減圧する減圧機構を採用している。しかし、流量が常に同じ流下断面積に依存するため、流体機器を高圧・高流量で用いると、オリフィスを通過する流量や流速が大きくなり、オリフィス周辺においてキャビテーションやエロージョンが発生し、これにより流路が損傷する虞があった。
また、他の減圧機構として、特許文献２のタンデム式メカニカルシールにおいては、バネで付勢された弁体と接触する密封流体の一次圧が増加すると、弁体が開放し、これにより一次圧と二次圧とをバネの付勢力に応じた差圧として、密封流体を減圧させる減圧機構が採用されている。
【０００７】
しかしながら、このようなバネを用いた減圧機構においては、用いられるバネのバネ定数により圧力損失の程度である減圧量が設定されるため、流体機器の使用条件の変化に伴い、密封流体の圧力が一時的に変動した場合に、変動圧に迅速に追従して減圧量を調整することができず、減圧量が過多又は不足するという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、密封流体の圧力が変動した場合において、密封流体の圧力を迅速に減圧するメカニカルシールを提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明のメカニカルシールは、
少なくとも二組の回転環と静止環とによる摺接面により流体機器内の密封流体が密封される複数の密封領域と、
前記密封領域間を連通するように設けられる減圧流路と、
前記減圧流路に設けられ、高圧側である一次圧領域の一次圧を低圧側である二次圧領域の二次圧に減圧する減圧装置と、を備え、
前記減圧装置は、
前記一次圧領域からつながる流入口と、前記二次圧領域へとつながる流出口とを有するハウジングと、
前記ハウジング内の固定座と、
前記固定座に対して近接又は離間可能に設けられ、前記固定座とともに絞り部を形成する絞り体と、を備え、
前記絞り体には前記固定座に向けて上流側から狭まる傾斜面が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、一次圧領域の圧力が変動したときに、その動圧を絞り体の傾斜面と固定座が受け、絞り体の傾斜面と固定座によるくさび効果によって、絞り体と固定座の距離が動圧の大きさに応じて瞬時に変化するため、圧力の変動に対して迅速に応答し減圧を行うことができる。
【００１０】
前記絞り体は、前記一次圧領域内に、前記傾斜面の反対側に前記密封流体の圧力を受ける受圧面を有していることを特徴としている。
この特徴によれば、一次圧領域内で傾斜面の反対側に受圧面があることで、傾斜面が受ける一次圧と対抗する力を、同じ一次圧領域内で得ることができ、一次圧領域が高圧であっても、簡単に絞り体の力のつり合いを確保できる。
【００１１】
前記ハウジングは、前記一次圧領域への流入口が前記傾斜面に向けて設けられていることを特徴としている。
この特徴によれば、流入口からハウジング内の密封流体に伝達された変動圧が傾斜面に直接伝わるため、固定座から絞り体までの距離が高い応答性を持って調整される。
【００１２】
前記絞り体は、前記二次圧領域内に、前記傾斜面の反対側に前記密封流体の圧力を受ける受圧面を有していることを特徴としている。
この特徴によれば、絞り体が一次圧と二次圧の両方の圧力を受けた状態で力のつり合い状態を維持することになるため、一次圧と二次圧のバランスを容易に調整することができる。
【００１３】
前記絞り体は、中空状のリング状部材であることを特徴としている。
この特徴によれば、絞り体の周方向に設けられた傾斜面に均一に密封流体が流下してゆくため、絞り体に周方向に均一な力がかかり、固定座に対して円滑に近接・離間させることができる。
【００１４】
前記絞り体はセラミクス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、絞り体を軽量に形成できるため、圧力変動に対して高い応答性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１における本発明に係るメカニカルシールの全体構造の断面模式図である。
【図２】実施例１における減圧装置の正面断面図である。
【図３】実施例１における減圧装置の動作の状態を表す正面断面図であり、（ａ）定常状態を表す図及びその一部拡大図、（ｂ）圧力が変動した状態を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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】
【００１７】
まず、実施例１に係るメカニカルシールの全体構造について説明する。
図１に示されるように、本発明に係るメカニカルシール１は流体機器の回転軸２に相対回転不能に取付けられる回転環４，４、流体機器のケース３に取付けられる静止環５，５及び減圧装置６により構成されている。ここで、回転環４及び静止環５は互いに対向する面に図示しない摺動端面をそれぞれ有し、図示しない付勢手段により対向付勢して取り付けられている。これにより、回転軸２と共に回転する回転環４と静止環５とにより摺接面を形成し、流体機器内の流体を密封することで、流体機器の回転軸２とケース３まわりのシール性を確保している。
【００１８】
また、メカニカルシール１はタンデム式メカニカルシールであり、回転環４，４及び静止環５，５はそれぞれ同じ向きに二組設けられており、これにより二つの密封領域Ａ１、Ａ２が形成されている。ここで、最も流体機器の内部に近い位置に、密封圧が最も高い高圧領域Ａ１が、二つの摺接面間に中圧領域Ａ２が、最も大気側に密封圧が最も低い低圧領域Ａ３が、それぞれ設けられている。なお、二組の回転環、静止環は異なる方向に向いて配置されるものであってもよい。
ここで、各密封領域の圧力については、高圧領域Ａ１において圧力ｐ１、中圧領域Ａ２においてｐ１の略半分の圧力ｐ２となっており、低圧領域Ａ３の圧力ｐ３は大気圧と略同一となっている。このように段階的に密封領域の圧力を下げることで、回転環４と静止環５の摺接面にかかる圧力を半分に分散し、密封性を確保している。
なお、本説明において、一次圧領域及び二次圧領域とは相対的な圧力領域を指しており、例えば減圧装置６Ａにおいては、一次圧領域が高圧側のＡ１、二次圧領域が低圧側のＡ２となり、減圧装置６Ｂにおいては、一次圧領域が高圧側のＡ２、二次圧領域が低圧側のＡ３となる。また、一次圧及び二次圧とは、それぞれの領域における圧力を指す。
【００１９】
次に、減圧装置６は、それぞれの密封領域と減圧流路１０によって繋がれて配置されている。より具体的には、高圧領域Ａ１から減圧流路１０Ａを経由して減圧装置６Ａに密封流体が流れ、その後減圧流路１０Ｂを経由して中圧領域Ａ２に流れ込むようになっている。更に中圧領域Ａ２から減圧流路１０Ｃを経由して減圧装置６Ｂに密封流体が流れ、その後減圧流路１０Ｄを経由して低圧領域Ａ３に流れ込むようになっている。
このように減圧装置６を各密封領域間に配置することで、それぞれの密封領域内の圧力を調整できる構成となっている。なお、低圧領域Ａ３にレギュレータ等の圧力調整器を設けて更に調整する構成であっても良い。
【００２０】
次に、減圧装置６の構造について説明する。なお、減圧装置６Ａ及び６Ｂについては構造が略同一であるため、以下の説明は減圧装置６Ａについて行い、６Ｂに関する説明は省略する。
図２に示されるように、減圧装置６Ａは、その側面に減圧流路１０Ａと接続される流入口７ａと、上面に減圧流路１０Ｂと接続される流出口７ｂを備えた筐体状のハウジング７により構成されている。ハウジング７は内部に密封流体が流入する内部空間を有し、その中央部から上方に向けて流出口７ｂにつながる略円筒部を備えており、略円筒部の一部を成し上下方向に延設された案内部７ｃを備えている。
【００２１】
また、ハウジング７は、その内部空間の底面に密封材であるＯリング１１Ａを介して固定されたリング状の固定座８と、ハウジング７の案内部７ｃに取り付けられた絞り体９を備えている。絞り体９は密封材であるＯリング１１Ｂを介して、上下に移動可能に案内部７ｃに取付けられており、後述する減圧装置６Ａの動作時に、必要に応じて上下に移動することができるが、図示しないピンにより回り止めがされているため、周方向に移動することはない。
この固定座８及び絞り体９は、本実施例においては共にセラミクスにより形成されているが、固定座８については、ハウジング７と一体に金属で形成されていてもよく、中空部を有さない円盤状に形成されていてもよいし、ハウジング７の底面であってもよい。
【００２２】
次に、絞り体９の下面には、上流から下流に向けて固定座８に近づく傾斜面９ａと、傾斜面９ａから水平に伸びる平坦面９ｂが形成され、固定座８の上面に水平に設けられた座面８ａと対向している。ここで、密封流体は流入口７ａから傾斜面９ａに向けて流入する構成となっている。傾斜面９ａとハウジング７の流入口７ａとの位置関係は任意であるが、同じ高さに設けられると傾斜面９ａに密封流体が流入し易くなる。
また絞り体９の上面には、傾斜面９ａの上方に第一背面９ｃが、平坦面９ｂの上方であり案内部７ｃの下方に第二背面９ｄが、それぞれ設けられている。
【００２３】
ここで、ハウジング７の内部空間の密封圧については、固定座８及び絞り体９の上流側が一次圧領域としての高圧領域Ａ１（圧力ｐ１）となり、下流側が二次圧領域としての中圧領域Ａ２（圧力ｐ２）となっている。言い換えれば固定座８及び絞り体９が高圧領域Ａ１と中圧領域Ａ２を仕切る構成となっている。そして、ハウジング７に流入してきた密封流体は、座面８ａと、傾斜面９ａ及び平坦面９ｂにより形成される隙間を流下することにより、座面８ａと平坦面９ｂにより形成される絞り部の絞り効果によって圧力損失を起こし、減圧されることとなる。また、絞り体９は中空状のリング状部材であるため、固定座８と絞り体９により形成される隙間は、周方向に一様に形成されていることになる。
【００２４】
次に、減圧装置６の動作について説明する。
図３（ａ）に示されるように、定常状態（圧力変動がない状態）において、固定座８と絞り体９は所定の隙間δ１を介して近接した状態となっている。ハウジング７内には継続して流入口７ａ（図２参照）から略一定流量の密封流体が流入し、流出口７ｂ（図２参照）から流出されている状態となっている。このため、ハウジング７の内部空間は、密封流体が充満した状態となっている。この状態における圧力状態としては、固定座８と絞り体９の上流側である高圧領域Ａ１において、ｐ１が例えば１５ＭＰａ、下流側である中圧領域Ａ２において、ｐ２が例えば７．５ＭＰａとなり、上述の通り、絞り効果による減圧作用により中圧領域Ａ２の二次圧ｐ２は、高圧領域Ａ１の一次圧ｐ１の略半分となっている。
【００２５】
ここで、この状態における圧力状態について詳述すると、平坦面９ｂには高圧領域Ａ１における圧力は隙間δ１の絞り効果により圧力損失を起こして勾配を持った圧力（ｐ１〜ｐ２）がかかっている。更に第二背面９ｄに中圧領域Ａ２の圧力（ｐ２）がかかっている。
これらの複数の圧力が絞り体９の上下にそれぞれかかり、更に絞り体９の重量及びＯリング１１Ｂの摺動抵抗が影響し、力のつり合った状態として固定座８と絞り体９の間の隙間δ１が形成されている。加えて言えば、中圧領域Ａ２が高圧領域Ａ１の略半分になるように、必要な絞り効果を奏する隙間量δ１となるように、傾斜面９ａ、平坦面９ｂ、第一背面９ｃ、第二背面９ｄの各部の長さと、傾斜面９ａの角度θ、絞り体９の重量及びＯリング１１Ｂの摺動抵抗が選択されている。
【００２６】
次に、メカニカルシール１の密封流体に圧力変動があった場合について説明する。
図３（ｂ）に示されるように、高圧領域Ａ１の圧力ｐ１がｐ１’に圧力変動により上昇した際、ハウジング内に流入口７ａ（図２参照）から伝達された変動圧が、傾斜面９ａと座面８ａの間に伝わり、この動圧を傾斜面９ａが受けることなる。この動圧によるくさび効果により瞬時に絞り体９が上方に持ち上げられ、これにより固定座８と絞り体９の間の隙間量はδ１からδ２に拡大する。この隙間の拡大により、高圧領域Ａ１の圧力が中圧領域Ａ２に迅速に伝達され、中圧領域Ａ２の圧力がｐ２からｐ２’に迅速に増加する。
【００２７】
ほぼ同時に、この時の中圧領域Ａ２の圧力増加により、下流側に位置する減圧装置６Ｂにおいても、同様に圧力の変動が発生する。すなわち、減圧装置６Ｂにおける一次圧領域Ａ２の圧力がｐ２からｐ２’に増加したことで、先ほどと同様に減圧装置６Ｂの傾斜面９ａ’（図示せず）に動圧が作用し、くさび効果により上方に持ち上げられる。これにより、中圧領域Ａ２の圧力が低圧領域Ａ３に迅速に伝達され、低圧領域Ａ３の圧力ｐ３がｐ３’に増加する。
その後に、一定期間の経過とともに、当初の定常状態に戻り、安定した圧力状態を維持できる構成となっている。
【００２８】
また、一次圧領域の圧力が低下した場合には、上記挙動と逆の現象が起き、隙間δ１が同様に変動圧に応じて調整され、先ほどとは逆に隙間が小さくなるように変化するため、これにより同様に二次圧領域の圧力が調整される。その後に最終的には定常状態に戻り、安定した圧力状態を維持できる構成となっている。
【００２９】
このように、いずれかの密封領域内の圧力が変動したときに、その動圧を高圧領域Ａ１と中圧領域Ａ２を仕切る絞り体９の傾斜面９ａと固定座８で受けることで、絞り体９の傾斜面９ａによるくさび効果により、絞り体９と固定座８の間に動圧が集中してかかる。これにより、絞り体９と固定座８の距離が動圧の大きさに応じて瞬時に変化し、一次圧を圧力の変動に対して迅速に減圧させることができる。
【００３０】
また、絞り体９の上方に第一背面９ｃが設けられていることで、傾斜面９ａが受ける一次圧と対抗する力を、同じ一次圧領域内で得ることができ、一次圧領域Ａ１が高圧であっても、簡単に絞り体９の力のつり合いを確保できる。
すなわち、動圧を集中させる目的で傾斜面９ａを設けることで、一次圧領域内の一次圧の影響を絞り体９が受けやすくなるが、このように第一背面９ｃを設けることにより、その影響をキャンセルしている。
【００３１】
また、ハウジング７の流入口７ａが、傾斜面９ａに向けて設けられているため、流入口７ａからハウジング７内の密封流体に伝達された変動圧が傾斜面９ａに直接伝わり、固定座８から絞り体９までの距離が高い応答性を持って、調整される。
【００３２】
また、絞り体９は、二次圧領域である中圧領域Ａ２にも、第二背面９ｄを受圧面として有しているため、絞り体９が一次圧である高圧と二次圧である中圧の両方の圧力を受けた状態で力のつり合い状態を維持することになる。これにより、一次圧と二次圧のバランスを容易に調整することができる。
【００３３】
また、絞り体９は、中空状のリング状部材であるため、固定座８と絞り体９の周方向に均一に形成された傾斜面９ａの隙間に密封流体が流下してゆき、絞り体９に周方向に均一に力がかかり、固定座８に対して円滑に近接・離間させることができる。更に、絞り体９はセラミクスで形成されているため、絞り体９を軽量に形成できる。これにより、圧力変動への追従に対して高い応答性を確保することができる構造となっている。
【００３４】
また、固定座８と絞り体９の間の隙間量が自動で調整されるため、流路面積が固定されているオリフィスのように高圧・高流量下での使用に際してキャビテーションやエロージョンを起こすことを防止することができる。更に、オリフィスが形成する隘路に異物が詰まるといったリスクを回避することができる。
【００３５】
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。
【００３６】
例えば、上記実施例においては、第一背面９ｃ及び第二背面９ｄは、傾斜面９ａと反対側に位置して高圧領域Ａ１の圧力を受ける受圧部として作用する。これにより、絞り体９の上下の力のつり合いを取る構成となっているが、第一背面９ｃを高圧領域Ａ１内に、第二背面９ｄを中圧領域Ａ２に配置せずに、代わりにバネ等の付勢手段により傾斜面９ａが受ける圧力と対抗させる構成であってもよい。なお、ここで使用するバネについては戻しバネを用いても良い。
【００３７】
また、上記実施例においては、ハウジング７の側面に流入口７ａを設け、上面に流出口７ｂを設けることで、絞り体９の外周から内周に向けて密封流体が流下する構成としているが、このような態様に限られない。例えば、ハウジング７の上面に流入口を、側面に流出口を設けたうえで、絞り体９の傾斜面を平坦面の上流側（内周側）に、下流側（外周側）に向かって固定座８との隙間が狭めるように設けることで、流入口と流出口の位置を逆にして配置することもできる。
【００３８】
また、上記実施例においては、絞り体９は変形しにくいことが求められるため、剛性を考慮してセラミクスにより形成しているが、低圧条件下で使用される場合にはその他の材料、例えば金属で形成されていてもよい。
【００３９】
また、絞り体９の傾斜面９ａについては、上記実施例で説明した直線の傾斜面９ａではなく、曲線の傾斜面であってもよいし、傾斜面９ａと固定座８の隙間については、定常状態において隙間を有さずに当接している構成であってもよい。
【００４０】
また、上記実施例では減圧機構６Ａ、６Ｂを二つ設ける構成としたが、どちらか一方をオリフィス等の他の減圧機構を用いても良いし、減圧機構６Ａ、６Ｂはタンデム式ではないメカニカルシールに採用してもよく、メカニカルシール以外に採用する構成であってもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１              メカニカルシール
２              回転軸
３              ケース
４              静止環
５              回転環
６              減圧装置
７              ハウジング
８              固定座
９              絞り体
９ａ            傾斜面
Ａ１            高圧領域
Ａ２            中圧領域
Ａ３            低圧領域
ｐ１            高圧領域の圧力
ｐ２            中圧領域の圧力
ｐ３            低圧領域の圧力
【図１】
0006502823.tif 000002
【図２】
0006502823.tif 000003
【図３】
0006502823.tif 000004