(57)【要約】【課題】摺動面で生成した劣化物が堆積しないメカニカルシールを提供する。【解決手段】軸２と共に回転するスリーブ４と、ハウジング３に固定されるシールカバー５と、スリーブ４に取り付けられた回転環６と、シールカバー５に取り付けられ、回転環６と軸に直角な摺動面９で摺接する固定環７とを有するメカニカルシール１に、摺動面９の内縁部から劣化物を除去するために、摺動面９の内縁部に近接する掻き取り部材１１をスリーブ４に設け、スリーブ４に付着した流体を、スリーブ４の回転によってシールカバー５の外側に送り出す排出形状を形成し、或いは、スリーブ４、回転環６、固定環７およびシールカバー５で形成される空間に、溶媒または不活性ガスを満たす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸と共に回転するスリーブと、
前記軸が貫通するハウジングに固定されるシールカバーと、
前記スリーブに取り付けられた回転環と、
前記シールカバーに取り付けられ、前記回転環と前記軸に直角な摺動面で摺接する固定環とを有し、
前記スリーブまたは前記回転環に、前記摺動面の内縁部に近接する掻き取り部材を設けたことを特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】
軸と共に回転するスリーブと、
前記軸が貫通するハウジングに固定されるシールカバーと、
前記スリーブに取り付けられた回転環と、
前記シールカバーに取り付けられ、前記回転環と前記軸に直角な摺動面で摺接する、固定環とを有し、
前記スリーブの外周に、前記スリーブに付着した流体を、前記スリーブの回転によって前記シールカバーの外側に送り出す排出形状を形成したことを特徴とするメカニカルシール。
【請求項３】
前記排出形状は、螺旋状の突起であることを特徴とする請求項２に記載のメカニカルシール。
【請求項４】
前記排出形状は、前記シールカバーの外側に向かって拡径するテーパ形状であることを特徴とする請求項２に記載のメカニカルシール。
るメカニカルシール。
【請求項５】
軸と共に回転するスリーブと、
前記軸が貫通するハウジングに固定されるシールカバーと、
前記スリーブに取り付けられた回転環と、
前記シールカバーに取り付けられ、前記回転環と前記軸に直角な摺動面で摺接する、固定環とを有し、
前記スリーブ、前記回転環、前記固定環および前記シールカバーで形成される空間に、溶媒または不活性ガスを満たしたことを特徴とするメカニカルシール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メカニカルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転軸とハウジングとの隙間を封止するメカニカルシールは、ＪＩＳ−Ｂ２４０５にその通則が定められている。メカニカルシールは、回転軸の外周に嵌合して、回転軸と共に回転するスリーブに気密に取り付けられ、スリーブと共に回転する回転環と、ハウジングに固定されるシールカバーに気密に取り付けられ、回転しない固定環とを有する。回転環と固定環とは、軸に直角な摺動面で互いに摺接し、いずれか一方が軸方向に不動のメイティングリングであり、他方が軸方向に移動可能でばね付勢されてメイティングリングに圧接されるシールリングである。
【０００３】
メカニカルシールは、摺動面に潤滑油などの軸封流体が存在することで、摺動面の隙間が完全に封止される。回転環と固定環との摩擦によって摺動面の温度が上昇すると、軸封流体が劣化したり、軸封流体に溶解したプロセスガスなどの不純物が変性して、固形の劣化物を生じることがある。このような劣化物は、摺動面に付着すると摺動面にブリスタリングと呼ばれる損傷を引き起こす。また、劣化物は、摺動面の周囲に付着すると擬似的に摺動面を拡げる２次摺動面を形成して回転環と固定環との当接圧力を減少させ、メカニカルシールの封止能力を損なうという問題がある。
【０００４】
劣化物の生成を防止するには、回転環と固定環との圧接力を小さくしたり、回転環と固定環との摺接面積を小さくすることで発熱量を小さくすることが有効であるが、これによって軸封能力が低くなるという問題がある。
【０００５】
また、回転環と固定環とを軸封流体で効率的に冷却するために、例えば特許文献１に記載されているように、ハイドロカットと呼ばれる軸封流体の流路を設ける方法が知られている。しかしながら、この方法では、軸封流体の低圧側への漏れ量が多くなるという問題がある。
【０００６】
また、特許文献２には、摺動面の周囲に、冷却のためにスチームなどのクエンチング流体を強制的に供給する発明が開示されている。しかしながら、クエンチング流体を供給するためには、付帯設備が必要となりコストアップが避けられない。
【特許文献１】特開２００４−２９３７６５号公報
【特許文献２】特開２００３−７４７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、前記問題点に鑑みて、本発明は、摺動面で生成した劣化物が堆積しないメカニカルシールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明によるメカニカルシールの第１の態様は、軸と共に回転するスリーブと、前記軸が貫通するハウジングに固定されるシールカバーと、前記スリーブに取り付けられた回転環と、前記シールカバーに取り付けられ、前記回転環と前記軸に直角な摺動面で摺接する固定環とを有し、前記スリーブまたは前記回転環に、前記摺動面の内縁部に近接する掻き取り部材を設けたものとする。
【０００９】
この構成によれば、摺動面の内側に堆積しようとする劣化物を、掻き取り部材が掻き落として、第２摺動面を形成させない。これによって、摺動面が高温になっても、劣化物が堆積しないので、軸封能力が低下しない。
【００１０】
また、本発明によるメカニカルシールの第２の態様は、軸と共に回転するスリーブと、前記軸が貫通するハウジングに固定されるシールカバーと、前記スリーブに取り付けられ、前記スリーブに取り付けられた回転環と、前記シールカバーに取り付けられ、前記回転環と前記軸に直角な摺動面で摺接する、固定環とを有し、前記スリーブの外周に、前記スリーブに付着した流体を、前記スリーブの回転によって、前記シールカバーの外側に送り出す排出形状を形成したものとする。
【００１１】
この構成によれば、排出形状によって、摺動面の内側に漏出した軸封流体を滞留させずに素早く外部に排出する。これによって、生成された劣化物が摺動面の内縁に固着しないので、軸封能力が低下しない。
【００１２】
また、本発明の第２の態様のメカニカルシールにおいて、前記排出形状は、螺旋状の突起または溝であってもよい。
【００１３】
この構成によれば、螺旋の圧力角によって摺動面から漏出した軸封流体を軸方向に移動させ、シールカバーの外に排出することができ、劣化物の堆積を防止できる。
【００１４】
また、本発明の第２の態様のメカニカルシールにおいて、前記排出形状は、前記シールカバーの外側に向かって拡径するテーパ形状であってもよい。
【００１５】
この構成によれば、軸封流体は、遠心力によりスリーブの大径側に移動してシールカバーの外に排出される。
【００１６】
また、本発明によるメカニカルシールの第３の態様は、軸と共に回転するスリーブと、前記軸が貫通するハウジングに固定されるシールカバーと、前記スリーブに取り付けられ、前記スリーブに取り付けられた回転環と、前記シールカバーに取り付けられ、前記回転環と前記軸に直角な摺動面で摺接する、固定環とを有し、前記スリーブ、前記回転環、前記固定環および前記シールカバーで形成される空間に、溶媒または不活性ガスを満たしたものとする。
【００１７】
この構成によれば、不活性ガスにより軸封流体や不純物の酸化などの変性を防止して、劣化物の生成を抑制でき、或いは、溶媒によって劣化物を溶解して堆積させないようにできる。これによって、摺動面の圧接力が変化せず、軸封能力が低下しない。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明は、メカニカルシールの摺動面の内縁に劣化物を堆積させないので、軸封能力が低下しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の第１実施形態のメカニカルシール１を示す。メカニカルシール１は、回転軸２と、回転軸２が貫通するハウジング３との隙間を封止している。メカニカルシール１は、回転軸２の外周に嵌合し、回転軸２と共に回転するスリーブ４と、ハウジング３に固定されて不動のシールカバー５と、スリーブ４の外周に固定され、回転軸２と共に回転する環状の回転環（メイティングリング）６と、シールカバー５に、軸方向に摺動可能ではあるが回転不能に取り付けられた固定環（シールリング）７とを有する。
【００２０】
回転軸２、スリーブ４および回転環６は、Ｏリング８によって互いに気密に固定され、ハウジング３、シールカバー５および回転環７も、Ｏリング８によって互いに気密に固定されている。回転環６と固定環７とは回転軸２に直角な摺動面９で互いに摺接している。固定環７は、ばね１０で回転環６の方向に付勢され、摺動面９で回転環６に対して所定の力で圧接している。
【００２１】
メカニカルシール１では、さらに、スリーブ４の摺動面９の内側部分に、掻き取り部材１１が固定されている。掻き取り部材１１は、例えばテフロンを略直方体に形成したものであり、軸継手のキーのように、スリーブ４に形成した溝に嵌合している。掻き取り部材１１の頂部は、回転環６および固定環７の内側に非常に小さな隙間を空けて配置され、つまり、摺動面９の内縁部に近接して設けられている。
【００２２】
続いて、以上の構成からなるメカニカルシール１の作用について説明する。
メカニカルシール１は、ハウジング３の内部（図中左側）に存在する外部よりも高圧のプロセスガスを、ハウジング３の内部に封止するものである。Ｏリング８によって、回転軸２、スリーブ４および回転環６が互いに気密であり、ハウジング３、シールカバー５および回転環７も互いに気密であるから、プロセスガスは、回転環６と固定環７との間の摺動面隙間からのみスリーブ４とシールカバー５との間の隙間を介して大気に流出可能である。ばね１０は、摺動面９の隙間が大きくならないように固定環７を回転環６に対して圧接し、さらに、摺動面９には、潤滑油のような軸封流体が供給され、摺動面９の僅かな隙間を封止する。これによって、メカニカルシール１は、軸封流体を僅かながら摺動面９からスリーブ４とシールカバー５との間の隙間に漏出させるが、ハウジング３内のプロセスガスは外部に漏出させない。
【００２３】
メカニカルシール１では、回転環６と固定環７との摺接によって摩擦熱が発生するため、潤滑流体の不純物などが熱によって変性して固形の劣化物を生じることがある。生成した劣化物は、摺動面９から軸封流体と共に、圧力の低い内側（スリーブ４とシールカバー５との間）に漏出する。劣化物は摺動面９の内縁部に付着して環状に堆積し、径方向に成長してゆく。掻き取り部材１１は、回転軸２と共に回転し、固定環７の内縁に沿って回動する。このため、固定環７の内側に堆積した劣化物は、掻き取り部材１１によって掻き落とされる。これにより、劣化物は、摺動面９から内側に向かって成長することができず、摺動面９を擬似的に拡大する２次摺動面を形成できない。このため、メカニカルシール１では、固定環７の回転環６に対する当接圧力が変化せず、軸封作用が低下することがない。
【００２４】
さらに、図２に、本発明の第２実施形態のメカニカルシール１を示す。以降の説明において、第１実施形態と同じ構成要素には、同じ符号を付して説明を省略する。
本実施形態のメカニカルシール１は、スリーブ４を貫通するピン（掻き取り部材）１２を有する。ピン１２は、固定環７の内側に突出し、先端が摺動面９の内縁に近接する円柱である。
【００２５】
このピン１２も、第１実施形態の掻き取り部材１１と同様に、摺動面９から内側に成長する劣化物の堆積を掻き落として、２次摺動面の形成を防止できる。これらの掻き取り部材１１およびピン１２は、スリーブ４に周方向に幾つ設けてもよい。
【００２６】
図３に、本発明の第３実施形態のメカニカルシール１を示す。
本実施形態のメカニカルシール１は、第２実施形態においてスリーブ４を貫通して設けたピン（掻き取り部材）１２を、スリーブ４ではなく回転環６を貫通して設けたものである。このピン１２は、回転環６から回転軸２と平行に突出し、固定環７の内側に近接する円柱であり、第１実施形態の掻き取り部材１１および第２実施形態のピン１２と同様に、摺動面９から内側に成長する劣化物の堆積を掻き落として、２次摺動面の形成を防止できる。
【００２７】
図４に、本発明の第４実施形態のメカニカルシール１を示す。
本実施形態のメカニカルシール１は、劣化物を掻き取る部材を有していないが、スリーブ４の外周に螺旋状の突起からなる排出ねじ１３が形成されている。本実施形態の回転軸２は、シールカバー５側（図中右側）から見て右回りに回転する。
【００２８】
排出ねじ１３は、圧力角によって回転力を軸方向の力に変換することができ、摺動面９から漏出した潤滑流体を、スリーブ４の回転によってハウジング３の外部に、スリーブ４に沿ってねじ送りして排出することができる排出形状である。本実施形態では、摺動面９から漏出した潤滑流体が摺動面９の内縁部に滞留せず、迅速に外部に排出される。このため、潤滑流体に含まれる劣化物は、回転環６や固定環７に固着する前に排出ねじ１３によって外部に排出され、２次摺動面を形成して軸封能力を低下させることがない。
【００２９】
突出した排出ねじ１３に代えて、螺旋状の溝を形成してもよく、同様に、傾斜したフィンなどを排出形状として設けてもよい。
【００３０】
図５に、本発明の第５実施形態のメカニカルシール１を示す。
本実施形態のメカニカルシール１は、スリーブ４の外周に、排出形状としてシールカバー５の外側に向かって拡径するテーパ部１４が形成されている。スリーブ４に付着した軸封流体は、遠心力によって径が大きくなる方向、つまり、シールカバー５の外側に向かって、テーパ部１４の表面をつたいながら移動してゆく。これによって、劣化物を、回転環６や固定環７に固着する前に外部に排出し、軸封能力を低下を防止できる。
【００３１】
さらに、図６に、本発明の第６実施形態のメカニカルシール１を示す。
本実施形態のメカニカルシール１は、シールカバー５の外側をスリーブ４を取り囲むように延伸する外部カバー１５が設けられ、外部カバー１５とスリーブ４との間にリップシール１６が配置されている。外部カバー１５は、スリーブ４、回転環６、固定環７およびシールカバー５が形成する空間を封止して密閉空間１７を形成しており、この密閉空間１７には、溶媒（例えばアルコール系溶液）が封入されている。
【００３２】
摺動面９で生成した劣化物は、溶媒によって溶解されるので２次摺動面を形成せず、軸封能力を低下させない。リップシール１６は、摺動面９のように、強い封止能力を有しておらず、溶媒は、少しずつリップシール１６から外部に漏れ出すので、溶媒を適宜、継ぎ足す必要がある。
【００３３】
リップシール１６に代えて、セグメントシールなどの他のシール方法を用いてもよい。また、溶媒を循環させる装置を設けてもよい。
【００３４】
さらに、図７に、本発明の第７実施形態のメカニカルシール１を示す。
本実施形態のメカニカルシール１は、外部カバー１５で封止した密閉空間１７に、不活性ガス（例えば窒素）が供給される。不活性ガスは、スリーブ４と外部カバー１５との隙間から大気に放出される。
【００３５】
本実施形態では、摺動面９の軸封流体に対する酸素の供給を遮断し、不純物の酸化を防止して劣化物の生成を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態のメカニカルシールの断面図。
【図２】本発明の第２実施形態のメカニカルシールの断面図。
【図３】本発明の第３実施形態のメカニカルシールの断面図。
【図４】本発明の第４実施形態のメカニカルシールの断面図。
【図５】本発明の第５実施形態のメカニカルシールの断面図。
【図６】本発明の第６実施形態のメカニカルシールの断面図。
【図７】本発明の第７実施形態のメカニカルシールの断面図。
【符号の説明】
【００３７】
１  メカニカルシール
２  回転軸
３  ハウジング
４  スリーブ
５  シールカバー
６  固定環（メイティングリング）
７  回転環（シールリング）
８  Ｏリング
９  摺動面
１０  ばね
１１  掻き取り部材
１２  ピン（掻き取り部材）
１３  排出ねじ（排出形状）
１４  テーパ部（排出形状）
１５  外部カバー
１６  リップシール
１７  密閉空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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