(57)【要約】【課題】分解せず滅菌することが可能であって、簡素且つコンパクトな構成のメカニカルシールを提供する。【解決手段】回転密封環３の停止時に、機内流体領域Ｈに所定圧のスチームを供給し、シール流体領域Ｓを排気の状態とした場合において、静止密封環４にシール面が開くバランス比を構成しておき、二次シールを構成するＯリング１４をシールケース２のフランジ部２２に形成された凹溝２２ａに保持させることにより、機内流体領域Ｈにスチームを供給してもＯリング１４にかかる力が静止密封環４に及ばないようにする。【選択図】      図５
2004263802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を有する機器のハウジングと当該回転軸との間に設けられ、機内流体領域を機外流体領域に対して密封するメカニカルシールであって、
前記回転軸に取り付けられる回転密封環と、
前記回転密封環に対して軸方向から対向配置され、当該回転密封環との間に形成されるシール面により、前記機内流体領域と機外流体領域とを互いにシールする一次シール部を構成する静止密封環と、
前記ハウジングに取り付けられ、前記静止密封環を軸方向へ移動可能に保持するとともに、前記静止密封環と近接対向する部位の周方向に凹溝を有するシールケースと、
前記シールケースに保持され、前記静止密封環を前記回転密封環側に移動付勢する弾性体と、
前記凹溝に装着され、前記静止密封環とシールケースとの間において、前記機内流体領域と機外流体領域とを互いにシールする二次シール部を構成するシール部材とを備え、
前記回転密封環の停止時における前記静止密封環には、前記機内流体領域に所定圧のスチームを供給し、前記機外流体領域を排気の状態とすることにより、前記シール面が開くバランス比が構成されていることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】
前記機外流体領域に面する前記静止密封環の表面に結露した水滴が、落下する位置の近傍に、前記シールケースを貫通する排気孔の一端が開口している請求項１記載のメカニカルシール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸封用のメカニカルシールに関し、特に、定期的な滅菌を必要とする機器に使用されるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
食品や医薬品等の製造に使用される機器は衛生上定期的な滅菌工程が必要である。この場合、機器の回転軸の軸封用に使用されているメカニカルシールも滅菌処理の対象となる。かかるメカニカルシールは、シール部を有する構造上、滅菌のための流体を通しにくいので、分解して滅菌処理が行われている。一方、分解せずに滅菌が可能な、いわゆる定置滅菌対応のメカニカルシールとして、静止密封環を支持する支持部材をシリンダのピストンにより後退させて回転密封環との間に隙間を設け、この隙間に高温スチームを通すことによりメカニカルシール内を滅菌するようにした装置も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この装置では、支持部材とケーシングとの間にベローズ等の遮蔽体が設けられており、これにより、シリンダ側に流体が入り込むことを防止している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２１０４５号公報（第６頁、図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のメカニカルシールにおいて、滅菌処理のためにその都度分解を要するとなると、滅菌工程の能率が非常に悪い。一方、特許文献１のような構成を採用すると、シリンダ及びこれに付随する部材が必要となり、メカニカルシールの装置全体が複雑で大型なものとなる。
【０００５】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、分解せず滅菌することが可能であって、簡素且つコンパクトな構成のメカニカルシールを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転軸を有する機器のハウジングと当該回転軸との間に設けられ、機内流体領域を機外流体領域に対して密封するメカニカルシールであって、前記回転軸に取り付けられる回転密封環と、前記回転密封環に対して軸方向から対向配置され、当該回転密封環との間に形成されるシール面により、前記機内流体領域と機外流体領域とを互いにシールする一次シール部を構成する静止密封環と、前記ハウジングに取り付けられ、前記静止密封環を軸方向へ移動可能に保持するとともに、前記静止密封環と近接対向する部位の周方向に凹溝を有するシールケースと、前記シールケースに保持され、前記静止密封環を前記回転密封環側に移動付勢する弾性体と、前記凹溝に装着され、前記静止密封環とシールケースとの間において、前記機内流体領域と機外流体領域とを互いにシールする二次シール部を構成するシール部材とを備え、前記回転密封環の停止時における前記静止密封環には、前記機内流体領域に所定圧のスチームを供給し、前記機外流体領域を排気の状態とすることにより、前記シール面が開くバランス比が構成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
上記のように構成されたメカニカルシールでは、スチームの供給によりシール面が開くようにバランス比が構成されており、このときシール部材はスチームの圧力を受けるが、凹溝の軸方向端面に受け止められるため、静止密封環のバランス比には影響を与えない。従って、シール面は確実に開き、メカニカルシール内にスチームを通気させて滅菌を行うことができる。このようにして、分解せず滅菌することが可能なメカニカルシールを提供することができる。また、シール面を開かせるためのシリンダ等を必要としないので、簡素且つコンパクトな構成のメカニカルシールを提供することができる。
【０００８】
また、上記メカニカルシールにおいて、機外流体領域に面する静止密封環の表面に結露した水滴が、落下する位置の近傍に、シールケースを貫通する排気孔の一端が開口しているようにしてもよい。
この場合、水滴を排気孔から排出することができるので、スチームの通気後にドライエアを通気してメカニカルシール内を迅速に乾燥させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態によるメカニカルシールの断面図である。このメカニカルシール１は、被密封流体が内部に存在する装置のハウジング５１と、その装置の回転軸５２との間に設けられるものであって、シールケース２内に、回転密封環３と、第１静止密封環４及び第２静止密封環５とによって構成される２組の回転シール構造を備えている。回転密封環３と第１静止密封環４とによって構成される第１の回転シール構造により、ハウジング５１内の機内流体領域Ｈと、シールガス等の流体が存在するシール流体領域（機外流体領域）Ｓとが互いにシールされる。また、回転密封環３と第２静止密封環５とによって構成される第２の回転シール構造により、シール流体領域Ｓと、大気に開放された大気領域Ｌが互いにシールされる。上記装置は、例えば食品、医薬品等の攪拌装置であり、メカニカルシール１は、ほぼ図示の姿勢で取り付けられる。
【００１０】
図２は、図１の右半分の拡大図である。図２において（図１も参照。）、シールケース２は、円筒状のケース本体部２１と、このケース本体部２１の軸方向両端にボルト２４，２５により締結されるフランジ部（リテーナ）２２，２３とにより構成されている。一方、攪拌装置の回転軸５２には、第１スリーブ６が外嵌され、この第１スリーブ６の先端側に形成された円筒部６ａに環状の回転密封環３が外嵌されている。回転密封環３の上下の密封端面３ｓは、回転軸５２の軸方向に直交する平面である。但し、この密封端面３ｓの外周寄りには、径方向に延びる浅い（数μｍ）溝３ｇが、例えば放射状に複数条形成されている。
【００１１】
上方の第２スリーブ８は、回転密封環３を円筒部６ａに外嵌した後に回転軸５２に外嵌されるものであり、下方の第１スリーブ６と互いに嵌め合わされ、かつ、ボルト９により締結される。上記回転密封環３は、各スリーブ６，８の外周側にそれぞれ膨らんで形成された支持部６ｂ，８ｂ間にＯリング１０，１１を介して挟持されている。また、円筒部６ａに形成された溝６ａ１にＯリング１２が装着され、このＯリング１２は回転密封環３と接している。上記第２スリーブ８は、複数本（１本のみ図示）のねじ１３（図１）により、回転軸５２に対して固定されている。
【００１２】
一方、環状体である第１静止密封環４及び第２静止密封環５はそれぞれ、回転軸５２の軸方向に直交する密封端面４ｓ，５ｓを有し、回転密封環３に対して軸方向の両側から対向している。また、回転密封環３と各静止密封環４，５との間に形成されるシール面により、機内流体領域Ｈとシール流体領域Ｓとの間、及び、シール流体領域Ｓと大気領域Ｌとの間に、それぞれ一次シール部が構成されている。
各静止密封環４，５の、密封端面４ｓ，５ｓと反対側に延伸された円筒状の基部４ａ，５ａは、それぞれフランジ部２２，２３に対して軸方向に移動可能に、内挿されている。基部４ａ，５ａと近接対向するフランジ部２２，２３の周方向には、凹溝２２ａ，２３ａが形成され、これらの凹溝２２ａ，２３ａには、それぞれＯリング１４，１５が装着されている。これにより、機内流体領域Ｈとシール流体領域Ｓとの間、及び、シール流体領域Ｓと大気領域Ｌとの間に、それぞれ二次シール部が構成されている。
【００１３】
上記第１，第２静止密封環４，５の外周側の角には、周方向へ所定間隔で切り欠き４ｃ（図１），５ｃが複数箇所（本例では２箇所）形成されており、これらの切り欠き４ｃ，５ｃに対向して各フランジ部２２，２３には複数（２個）のピン１６（図１），１７が植設されている。これらのピン１６，１７は、各静止密封環４，５が軸方向及び径方向にある程度移動可能なように、軸方向及び径方向に隙間を残した状態で切り欠き４ｃ，５ｃに係合している。また、フランジ部２２，２３には、周方向においてピン１６，１７を避けた複数（本例では６）の位置に、ばね保持孔２２ｂ，２３ｂ（図１）が形成されており、ここに装着したばね１８，１９（図１）により、各静止密封環４，５は回転密封環３側に移動付勢される。
【００１４】
上記ケース本体部２１には通路孔２１ｐが設けられており、ここに外部管路１０１（図１）及びバルブ１０２（図１）が接続されている。バルブ１０２を開くことにより、シール流体領域Ｓにシールガスが導入される。シール流体領域Ｓ内の圧力は、機内流体領域Ｈ内の圧力及び大気領域Ｌの圧力より高くなるように、シールガスの圧力が調整されている。攪拌装置の運転中は、シール流体領域Ｓに常に所定圧のシールガスが供給される。
また、フランジ部２２の内部には、縦孔２２ｖと、これに連通した横孔２２ｈとが形成されている。縦孔２２ｖ及び横孔２２ｈは、後述するスチームの通気孔を構成している。縦孔２２ｖの上端はシール流体領域Ｓに面するばね受け面２２ｃに開口している。横孔２２ｈには外部管路１０３（図１）及びバルブ１０４（図１）が接続されている。バルブ１０４を開くと、外部管路１０３は大気に開放される。
【００１５】
図３の（ａ）は、フランジ部２２の上端部（但し、ばね保持孔２２ｂとは周方向に位相が異なる位置の部分）を拡大した断面図である。また、図３の（ｂ）は、（ａ）におけるＢ矢視図である。図において、フランジ部２２には、その上面２２ｄから縦に切り込むように、径方向へ突き抜けたスリット２２ｅが形成され、その底面は外側（（ａ）の右側）に下方傾斜している。このスリット２２ｅは、凹溝２２ａ側に貯まる水を縦孔２２ｖ側へ排出するために設けられている（詳細後述）。また、スリット２２ｅは、フランジ部２２の周方向の複数箇所に設けられており、各スリット２２ｅは、ばね保持孔２２ｂとは周方向に位相が異なる位置にある。
【００１６】
次に、上記のように構成されたメカニカルシールの通常運転時における動作について説明する。まず、回転軸５２が停止しているときは、第１、第２静止密封環４，５は共に、回転密封環３に接触している。しかしながら、バルブ１０２を開、バルブ１０４を閉として、シール流体領域Ｓに所定圧のシールガスが供給された状態で、回転軸５２及び回転密封環３が回転すると、回転密封環３の溝３ｇにおいてシールガスによる動圧が発生する。この動圧により、各静止密封環４，５が回転密封環３から軸方向に離反（数μｍ程度）し、回転密封環３と各静止密封環４，５はシールガスを介して相互に非接触の状態に保持される。こうして、シールガスによる流体層が回転密封環３の密封端面３ｓと、各静止密封環４，５の密封端面４ｓ，５ｓとの間に形成され、機内流体領域Ｈとシール流体領域Ｓとの間、及び、シール流体領域Ｓと大気領域Ｌとの間がそれぞれシールされる。このとき、シールガスは、相対的に低圧な機内流体領域Ｈ及び大気領域Ｌに微量ながら流出する。この流出量は、運転中のシールガスの消費量となる。
【００１７】
図４は、上記の通常運転時における回転密封環３及び第１静止密封環４の周辺の拡大図である。このとき、Ｏリング１４は、シールガスのガス圧を受けて凹溝２２ａの下端にある。第１静止密封環４に対するバランス比Ｋ１は、構成するシール面面積をＳ１（円環状の面積を意味する。以下Ｓ２，Ｓ３についても同様。）、シール面が閉じる方向へ第１静止密封環４を押す受圧面積をＳ２とすると、Ｋ１＝Ｓ２／Ｓ１で表される。この値は、ばね１８のばね力や第１静止密封環４の自重等も考慮して、上記のような離反を生じるように設定されており、通常、０．６〜１．６が好ましい。このような値を選択することにより、基本的にはシール面が開きにくいシール本来の性質を確保しつつ、動圧により微小に開いて非接触となるシールを構成することができる。
なお、第２静止密封環５についても、同様に設計されている。
【００１８】
次に、攪拌装置を停止し、回転軸５２が停止した状態で、攪拌装置の滅菌工程を実施する。このとき、図１のバルブ１０２は閉、バルブ１０４は開とする。これにより、シール流体領域Ｓは、排気の状態となる。また、攪拌装置の内部すなわち機内流体領域Ｈには所定圧の高温（１３０℃程度）のスチームが供給される。スチームは攪拌装置の内部を滅菌するとともに、回転密封環３と第１静止密封環４との間にも入り込む。これにより、図５に示す回転密封環３から第１静止密封環４が離反し、隙間Ｇ（数十μｍ）が形成される。この隙間Ｇを高温のスチームが通過し、縦孔２２ｖ及び横孔２２ｈを抜けて外部に排気される。こうして、攪拌装置の滅菌工程においてメカニカルシールも滅菌される。なお、滅菌工程時にメカニカルシール部の温度を上げやすくするために、外部管路１０１（図１）にスチームを排出する配管を追加する場合もある。
【００１９】
上記滅菌工程において、図５に示すように、Ｏリング１４は、スチームの圧力で凹溝２２ａ内を移動し、上端側の軸方向端面に当接している。このときＯリング１４を押す力は、フランジ部２２によって受け止められ、第１静止密封環４には作用しない。従って、第１静止密封環４に対するバランス比Ｋ２は、構成するシール面面積Ｓ１と、シール面が閉じる方向へ第１静止密封環４を押す図示の受圧面積Ｓ３（＝Ｓ１−Ｓ２）とにより、Ｋ２＝Ｓ３／Ｓ１と表される。このバランス比Ｋ２は、Ｋ２＝１−Ｋ１となり、通常運転時とは逆に、基本的にはシール面が開き易い性質を確保し、スチームの供給により通常運転時より大きく開いて通気可能なシールを構成することができる。
【００２０】
このとき仮に、Ｏリング１４に作用する力が第１静止密封環４に作用したとすると、シール面を閉める力が増大してバランス比が上記Ｋ２より大きくなり、第１静止密封環４は離反しにくくなるが、上記のようにＯリング１４をフランジ部２２で受け止めることにより、受圧面積Ｓ３の増大を防止してバランス比への影響を排除し、第１静止密封環４を、通気に必要な程度に、確実に離反させることができる。
【００２１】
スチームの通過により、第１静止密封環４の外側には結露による水滴ができるが、この水滴は落下して縦孔２２ｖ及び横孔２２ｈから排出される。また、Ｏリング１４上に貯まろうとする水滴もスリット２２ｅを通って排出される。その後、スチームに代えてドライエアを通気させることにより、メカニカルシールに付着した水分を迅速に乾燥させることができる。
【００２２】
なお、上記実施形態では、縦孔２２ｖ及び横孔２２ｈを通してスチームを排気するようにしたが、図６に示すように回転軸５２が横向きである装置にメカニカルシールが取り付けられる場合には、フランジ部２２に排気・排水用の孔を設けることなく、バルブ１０４を外部管路１０１に接続すればよい。この場合、通常運転時はバルブ１０２が開、バルブ１０４が閉で、スチームやドライエアを通すときは、バルブ１０２が閉、バルブ１０４が開とすればよい。
【００２３】
なお、上記実施形態では、非接触のメカニカルシールとしたが、接触型のメカニカルシールの場合でも同様の構成により滅菌を行うことができる。
また、Ｏリング１４，１５に代えて他のシール部材を用いてもよい。
また、ばね１８は、上記実施形態のようなコイルばねに限らず他の弾性体でもよい。例えば、板ばねや金属ベローズを使用することも可能であり、特殊なケースではＯリングが使用されることもある。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明のメカニカルシールによれば、スチームの供給によりシール面が開くようにバランス比が構成されており、このときシール部材はスチームの圧力を受けるが、凹溝の軸方向端面に受け止められるため、静止密封環のバランス比には影響を与えない。従って、シール面は確実に開き、メカニカルシール内にスチームを通気させて滅菌を行うことができる。このようにして、分解せず滅菌することが可能なメカニカルシールを提供することができる。また、シール面を開かせるためのシリンダ等を必要としないので、簡素且つコンパクトな構成のメカニカルシールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるメカニカルシールの断面図である。
【図２】図１の右半分の拡大図である。
【図３】上記メカニカルシールにおけるフランジ部の一部を拡大した図である。
【図４】上記メカニカルシールの通常運転時における回転密封環と静止密封環の周辺の拡大図である。
【図５】上記メカニカルシールの滅菌工程における回転密封環と静止密封環の周辺の拡大図である。
【図６】図１とは排気系統が異なる構成のメカニカルシールの断面図である。
【符号の説明】
１    メカニカルシール
２    シールケース
３    回転密封環
４    第１静止密封環
５    第２静止密封環
１４    Ｏリング
１８    ばね
２２    フランジ部
２２ｖ  縦孔（排気孔）
２２ｈ  横孔（排気孔）
２２ａ  凹溝
５１    ハウジング
５２    回転軸
Ｈ    機内流体領域
Ｓ    シール流体領域（機外流体領域）
【図１】
2004263802.tif 000003
【図２】
2004263802.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2004263802.tif 000007
【図６】
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