| 【発明の名称】 |
非接触形メカニカルシール |
| 【発明者】 |
【氏名】奥町 英二
【氏名】岩本 康孝
|
| 【要約】 |
【課題】機内ガスに含まれる異物の密封端面間への侵入を可及的に阻止して、液状異物や固形異物を含有するガスを扱う回転機器にあっても、長期に亘って良好なシール機能を発揮，維持させる。
【解決手段】回転軸１２には、静止密封環３より機内領域Ａ側に配して、回転密封環４が固定されている。両密封環３，４の対向端面たる密封端面３１，４１間は、シールガス６２を静圧発生溝６１に供給させることにより、非接触状態に保持される。回転密封環４の外周面は、その周速が密封端面４１側から機内領域Ａ側へと漸次大きくなるようなテーパ面４２とされている。機内ガスが油分，スラッジ等の異物を含有する場合において、回転密封環４１の外周面に付着した異物は、上記した周速差によって、テーパ面４２上を機内領域Ａ方向へと強制移動されることになり、密封端面３１，４１間に侵入することがない。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 回転機器に、その機内領域に一端部を開口させた状態で取着された筒状のシールケースと、シールケースの他端部に相対回転不能に且つ軸線方向に移動自在に保持された静止密封環と、静止密封環より機内領域側に配して、シールケース及び静止密封環を洞貫する回転軸に固定された回転密封環と、静止密封環を回転密封環へと押圧附勢する附勢部材と、両密封環の対向端面たる密封端面間に、これを非接触状態に保持すべく静圧又は動圧を発生させる非接触状態保持機構とを具備する非接触形メカニカルシールにおいて、回転密封環の外周面を、密封端面側から機内領域側へと漸次拡径するテーパ面に形成してあることを特徴とする非接触形メカニカルシール。
【請求項２】 回転機器に、その機内領域に一端部を開口させた状態で取着された筒状のシールケースと、シールケースの他端部に相対回転不能に且つ軸線方向に移動自在に保持された静止密封環と、静止密封環より機内領域側に配して、シールケース及び静止密封環を洞貫する回転軸に固定された回転密封環と、静止密封環を回転密封環へと押圧附勢する附勢部材と、両密封環の対向端面たる密封端面間に、これを非接触状態に保持すべく静圧又は動圧を発生させる非接触状態保持機構とを具備する非接触形メカニカルシールにおいて、回転密封環の外周面に、回転密封環の回転に伴って当該外周面上に密封端面側から機内領域側へと流れるガス流を生ぜしめる、複数条の凹溝を形成してあることを特徴とする非接触形メカニカルシール。
【請求項３】 回転機器に、その機内領域に一端部を開口させた状態で取着された筒状のシールケースと、シールケースの他端部に相対回転不能に且つ軸線方向に移動自在に保持された静止密封環と、静止密封環より機内領域側に配して、シールケース及び静止密封環を洞貫する回転軸に固定された回転密封環と、静止密封環を回転密封環へと押圧附勢する附勢部材と、両密封環の対向端面たる密封端面間に、これを非接触状態に保持すべく静圧又は動圧を発生させる非接触状態保持機構とを具備する非接触形メカニカルシールにおいて、回転密封環の外周面を、密封端面側から機内領域側へと漸次拡径するテーパ面に形成すると共に、当該外周面に、回転密封環の回転に伴って当該外周面上に密封端面側から機内領域側へと流れるガス流を生ぜしめる、複数条の凹溝を形成してあることを特徴とする非接触形メカニカルシール。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液状又は固形の異物（油分，水分，スラッジ等）を含有するガスを扱う湿式コンプレッサ，ミキサ，ポンプ等の回転機器に軸封装置として装備される非接触形メカニカルシールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】非接触形メカニカルシールは、回転軸側の回転密封環とシールケース側の静止密封環とを、両密封環の対向端面たる密封端面間に静圧又は動圧を発生させることにより、非接触状態に保持させつつ、回転機器の内部領域たる機内領域と外部領域たる大気領域とをシールするものである。したがって、密封端面が相対回転摺接する端面接触形のメカニカルシールと異なって、ドライな条件下においても密封端面が焼き付く等の問題を生じることがなく、ガスを扱う回転機器の軸封装置として好適に使用できるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、シールすべきガスが油分等の液状異物やスラッジ等の固形異物を含有する場合には、かかる異物が非接触状態にある密封端面間に侵入したり、密封端面に付着，堆積したりする虞れがある。そして、このような事態が発生すると、密封端面間の静圧，動圧を適正にコントロールすることができなくなり、シール機能が低下，喪失する。
【０００４】本発明は、このような異物含有ガスを扱う回転機器においても、上記した問題を生じることなく、長期に亘って良好なシール機能を発揮，維持しうる非接触形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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、回転機器に、その機内領域に一端部を開口させた状態で取着された筒状のシールケースと、シールケースの他端部に相対回転不能に且つ軸線方向に移動自在に保持された静止密封環と、静止密封環より機内領域側に配して、シールケース及び静止密封環を洞貫する回転軸に固定された回転密封環と、静止密封環を回転密封環へと押圧附勢する附勢部材と、両密封環の対向端面たる密封端面間に、これを非接触状態に保持すべく静圧又は動圧を発生させる非接触状態保持機構とを具備する非接触形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、回転密封環の外周面を次のような形状に形成しておくことを提案するものである。
【０００６】すなわち、第１に、回転密封環の外周面を、密封端面側から機内領域側へと漸次拡径するテーパ面に形成しておくことを提案する。また、第２に、回転密封環の外周面に、回転密封環の回転に伴って当該外周面上に密封端面側から機内領域側へと流れるガス流を生ぜしめる、複数条の凹溝を形成しておくことを提案する。さらに、第３に、回転密封環の外周面を、密封端面側から機内領域側へと漸次拡径するテーパ面に形成すると共に、当該外周面に、回転密封環の回転に伴って当該外周面上に密封端面側から機内領域側へと流れるガス流を生ぜしめる、複数条の凹溝を形成しておくことを提案する。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１〜図１０に基づいて具体的に説明する。
【０００８】図１〜図３に示した非接触形メカニカルシールは、液状異物（水分，油分等）又は固形異物（スラッジ等）を含有するガス（以下「機内ガス」という）を扱う湿式コンプレッサ等の回転機器１の軸封部１１に装着されて、回転機器１の内部領域たる機内領域Ａと回転機器１の外部たる機外領域（大気領域）Ｂとを遮蔽シールする静圧形のガスシールであり、シールケース２と静止密封環３と回転密封環４と附勢部材５と非接触状態保持機構６とパージガス供給機構９と異物回収機構１０とを具備する。回転機器１の回転軸１２は、機外領域Ｂに設置された駆動装置（図示せず）から軸封部１１を洞貫して機内領域Ａへと水平に延びるものである。なお、以下の説明において、前，後というときは図１又は図２における左，右を意味する。
【０００９】シールケース２は、回転機器１の軸封部１１に水平に取り付けられた筒状のものである。すなわち、シールケース２は、図１及び図２に示す如く、軸封部１１の前端面に衝合取着された円筒状の本体部２１と、その後端部に一体形成されており、軸封部１１の内周面にＯリング２６を介して嵌合取着された円筒状の取付部２２と、本体部２１の前端部に固着された円筒状の第一保持部２３と、その前端部に固着された環状の第二保持部２４と、その内周部から後方に突出形成された円筒状の第三保持部２５とからなる。シールケース２の内部は、その一端部（後端部）を構成する取付部２２において機内領域Ａに開口している。なお、回転軸１２はシールケース２を同心状に洞貫しており、シールケース２内に位置する回転軸部分の外周部１２ａは円筒状の別部材（スリーブ）によって構成されている。
【００１０】静止密封環３は、回転軸１２に同心状に遊嵌された状態で、シールケース２の他端部（前端部）を構成する保持部２３，２４，２５に相対回転不能且つ軸線方向に移動自在に保持されている。すなわち、静止密封環３は、図１及び図２に示す如く、その外周面を所定間隔を隔てて並列する前後一対の第一Ｏリング２７，２７を介在させた二次シール状態で、第一保持部２３の内周面に保持させると共に、その内周面を第二Ｏリング２８を介在させた二次シール状態で第三保持部２５の外周面に保持させることにより、シールケース２に軸線方向に移動自在に保持されている。また静止密封環３は、図２に示す如く、その前端部に穿設した係合凹部３２に第二保持部２４に植設した回り止めピン２９を係合させることによって、一定範囲での前後移動が許容された状態で、シールケース２に対する相対回転が阻止されている。なお、静止密封環３の第一保持部２３による保持形態は、図１及び図２に示す如く、当該静止密封環３の外周面における密封端面側（後端縁部側）の極く僅かな部分のみが後述するパージガス領域Ｃに露出するように工夫されている。
【００１１】回転密封環４は、図１及び図２に示す如く、静止密封環３より機内領域Ａ側（後方側）に配して、回転軸１２に固定されている。すなわち、回転密封環４は、シールケース２の本体部２１内に配して、静止密封環３と直対向した状態で回転軸１２の外周部１２ａに嵌合固定されている。両密封環３，４の対向端面たる密封端面３１，４１（以下、静止密封環３の密封端面３１を「静止密封端面」といい、回転密封環４の密封端面４１を「回転密封端面」という）は、軸線に直交する平滑面とされている。而して、回転密封環４の外周面は、図１及び図２に示す如く、回転密封端面４１側から機内領域Ａ側へと（前端縁部側から後端縁部側へと）漸次直線状に拡径するテーパ面４２に形成してある。なお、回転密封端面４１の外径は静止密封端面３１の外径より所定量大きく設定されている。
【００１２】附勢部材５は、図１に示す如く、静止密封環３と第二保持部２４との間に介挿された一又は複数のコイルスプリングで構成されていて、静止密封環３を回転密封環４へと押圧附勢するものであり、密封端面３１，４１を閉じる方向に作用する閉力を発生させるものである。
【００１３】非接触状態保持機構６は、図１に示す如く、静止密封端面３１に形成された静圧発生溝６１と、静圧発生溝６１にシールガス６２を供給する一連のシールガス供給路６３，６４，６５と、シールガス供給路６３，６４，６５の適所に設けた絞り器６６とを具備して、シールガス６２を静圧発生溝６１に供給させることにより、密封端面３１，４１間にこれを開く方向に作用する静圧（開力）を発生させるようになっている。
【００１４】静圧発生溝６１は、静止密封端面３１と同心状の環状をなして連続又は断続する浅い凹溝であり、この例では後者を採用している。すなわち、静圧発生溝６１は、図３に示す如く、静止密封端面３１と同心環状をなして並列する複数の円弧状凹溝６１ａ…で構成されている。
【００１５】シールガス供給路は、図１及び図２に示す如く、シールケース２及び静止密封環３に形成された一連のものであり、静止密封環３の外周面と第一保持部２３の内周面との間に形成される環状空間であって第一Ｏリング２７，２７によってシールされた連通空間６４と、シールケース２の第一保持部２３を貫通して連通空間６４に至るケース側通路６３と、静止密封環３を貫通して連通空間６４から静圧発生溝６１に至る密封環側通路６５とからなる。密封環側通路６５の下流端部は分岐されていて、その各分岐部を、図３に示す如く、静圧発生溝６１を構成する各円弧状凹溝６１ａに開口６５ａさせてある。ケース側通路６３には、所定のシールガス供給源（図示せず）から導かれたシールガス供給管が接続されていて、シールガス６２をシールガス供給路６３，６４，６５から静圧発生溝６１に供給するようになっている。シールガス６２としては、各領域Ａ，Ｂに流出しても無害であり且つ機内ガスに悪影響を及ぼさない性状のものを、シール条件に応じて適宜に選定する。この例では、各種物質に対して不活性であり且つ人体に無害である清浄な窒素ガスが使用されている。なお、シールガス６２は、回転機器１の運転中（回転軸１２の駆動中）においてのみ供給され、運転停止後には供給を停止される。回転機器１の運転は、シールガス６２の供給が開始された後であって、密封端面３１，４１間が適正な非接触状態に保持された後において開始され、シールガス６２の供給停止は、当該回転機器１の運転停止後であって回転軸１２が完全に停止した後に行なわれる。
【００１６】絞り器６６は、オリフィス，毛細管，多孔質部材等の絞り機能を有するものであり、図１に示す如く、密封環側通路６５の適所（各円弧状凹溝６１ａへの分岐部分より上流側の部分）に配設されている。
【００１７】而して、シールガス６２をシールガス供給路６３，６４，６５から静圧発生溝６１に供給すると、静圧発生溝６１に導入されたシールガス６２により、密封端面３１，４１間にこれを開く方向に作用する開力が発生する。この開力は、密封端面３１，４１間に導入されたシールガス６２によって発生する静圧によるものである。したがって、密封端面３１，４１は、この開力と密封端面３１，４１間を閉じる方向に作用するスプリング荷重による閉力とがバランスする非接触状態に保持される。すなわち、静圧発生溝６１に導入されたシールガス６２は密封端面３１，４１間に静圧の流体膜を形成し、この流体膜の存在によって、密封端面３１，４１の内外径側領域間が遮蔽シールされる。シールガス６２の圧力及びスプリング５のバネ力（スプリング荷重）は、密封端面３１，４１間の隙間が適正（一般に、５〜１５μｍである）となるように、シール条件に応じて適宜に設定される。ところで、シールガス６２は絞り器６６で絞られた上で静圧発生溝６１に導入されることから、密封端面３１，４１の隙間が変動した場合にも、その隙間が自動的に調整されて適正に保持される。すなわち、回転機器１の振動等により密封端面３１，４１の隙間が大きくなったときは、静圧発生溝６１から密封端面３１，４１間に流出するシールガス量と絞り器６６を通って静圧発生溝６１に供給されるシールガス量とが不均衡となり、静圧発生溝６１内の圧力が低下して、開力が閉力より小さくなるため、密封端面３１，４１間の隙間が小さくなるように変化して、その隙間が適正なものに調整される。逆に、密封端面３１，４１間の隙間が小さくなったときは、上記したと同様の絞り器６６による絞り機能により静圧発生溝６１内の圧力が上昇して、開力が閉力より大きくなり、密封端面３１，４１間の隙間が大きくなるように変化して、その隙間が適正なものに調整される。なお、機内領域Ａとパージガス領域Ｃとの境界部分にはラビリンスシール又はネジシールが設けられていて、機内ガスに含まれる異物のパージガス領域Ｃへの侵入を可及的に阻止しうるようになっている。この例では、シールケース２の一端部である取付部２２に、回転軸１２の外周部１２ａとの間に微小な蛇行状通路を形成する周知のラビリンスシール７を設けてある。
【００１８】パージガス供給機構９は、図１に示す如く、シールケース２の本体部２１を貫通してパ−ジガス領域Ｃに開口するパージガス供給路９１と、その適所に設けたオリフィス９２とを具備して、パージガス供給路９１から機内領域Ａより高圧のパージガス９３をパージガス領域Ｃに供給，充満させるように構成されている。パージガス９３は、オリフィス９２を通過することにより、パージガス領域Ｃに噴出することなく緩慢に供給され、パージガス領域Ｃを機内領域Ａより高圧のパージガス雰囲気に保持する。パージガス９３の圧力は、一般に、機内領域Ａの圧力つまり機内ガスの圧力より２ｂａｒ程度高く設定され、シールガス６２と同一又は略同一に設定されている。また、パージガス９３の性状は、前記したシールガス６２の選定基準と同一の基準で選定され、この例では、シールガス６２と同一性状の窒素ガスを使用している。
【００１９】異物排出機構１０は、シールケース２にパージガス領域Ｃに開口する異物回収路１０１を設けてなる。この例では、図２に示す如く、異物回収路１０１を回転密封環４の直下位においてパージガス領域Ｃに開口１０３させると共に、シールケース２外に設置した異物回収タンク１０２に導いてある。また、シールケース２の本体部２１の内周面には、ラビリンスシール７側から異物回収路１０１の開口部１０３へと拡径する（本体部２１の内周面における下部側部分については開口部１０３へと下り傾斜することになる）テーパ面１０４が形成されている。
【００２０】以上のように構成された非接触形メカニカルシールにあっては、回転密封環４の外周面をテーパ面４２として、その周速が密封端面４１側から機内領域Ａ側へと漸次大きくなるように工夫したことによって、機内ガスが油分，スラッジ等の異物を含有する場合にも、当該異物の密封端面３１，４１への侵入を可及的に阻止することができる。
【００２１】すなわち、回転密封環４が静止密封環３の機内領域Ａ側（後側）に配置された構成の非接触形メカニカルシールにあっては、回転密封環４１の外周面に付着した異物が当該外周面を伝って密封端面３１，４１間に侵入する虞れがあり、かかる異物の侵入態様が密封端面３１，４１に侵入する場合の典型例である。しかし、回転密封環４の外周面を機内領域Ａ方向へと漸次拡径するテーパ面４２に形成しておくと、上記した周速差によって、回転密封環４１の外周面に付着した異物はテーパ面４２上を機内領域Ａ方向へと強制移動されることになる。したがって、機内ガスに含まれる異物がその性状のまま或いは凝縮，凝固して回転密封環４１の外周面に付着するような事態が発生したときにも、当該異物が回転密封環４１の回転に伴って速やかに密封端面３１，４１から遠ざかる方向に排除されて、回転密封環４１の外周面に堆積したり、密封端面３１，４１間に侵入することがない。また、上記した如く、パージガス領域Ｃに露出する静止密封環３の外周面部分が極く僅かになるように工夫しておくことにより、異物が静止密封環３の外周面に付着する虞れも殆どなく、密封端面３１，４１間への異物侵入が更に防止されることになる。
【００２２】さらに、上記した非接触形メカニカルシールにあっては、密封端面３１，４１の外径側領域であるパージガス領域Ｃに機内領域Ａより高圧のパージガス９３が充満されていることから、機内ガスのパージガス領域Ｃへの侵入が可及的に阻止されることになる。また、異物が、機内領域Ａとパージガス領域Ｃとの境界部分に設けられたラビリンスシール７を通過してパージガス領域Ｃに侵入した場合にも、その異物は、テーパ面１０４による開口部１０３への流下作用とも相俟って、異物回収路１０１からパージガス領域Ｃ外に速やかに排出され、異物回収タンク１０２に回収されることになる。
【００２３】これらのことから、機内ガスに含まれる異物の密封端面３１，４１間への侵入が極めて効果的に防止され、冒頭で述べた如き問題を生じることなく、長期に亘って良好なシール機能が発揮，維持される。
【００２４】なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良，変更することができる。
【００２５】例えば、回転密封環４の外周面は、上記した周速差を生じるようなテーパ面であればよく、図１及び図２に示す如き直線状のテーパ面４２とする他、図４に示す如き凸状に湾曲するテーパ面４３や図５に示す如き凹状に湾曲するテーパ面４４となしておいてもよい。更には、図６に示す如く、階段状をなすテーパ面４５であってもよい。これらのテーパ面４２，４３，４４，４５におけるテーパ量（軸線に対する傾斜角）は、回転密封環４の回転速度や機内ガスに含有される異物の性状等のシール条件に応じて適宜に設定される。
【００２６】また、回転密封環４の外周面に付着した異物を密封端面３１，４１から機内領域Ａ方向へと排除する手段として、当該外周面に、図７及び図８に示す如く、回転密封環４のＤ方向への回転に伴って当該外周面上に密封端面４１側から機内領域Ａ側へと流れるガス流を生ぜしめる、複数条の凹溝４６…を形成するようにしてもよい。このような凹溝４６…を形成しておけば、図７に示す如く、回転密封環４の外周面をテーパ面でなく軸線に平行な面とした場合にも、凹溝４６…による回転翼作用により、回転密封環４の回転に伴って当該外周面上に密封端面３１，４１から遠ざかる方向へのガス流が生じる。したがって、回転密封環４の外周面に異物が付着した場合にも、その異物は当該ガス流によって機内領域Ａ側へと移送排除され、外周面を上記した如きテーパ面４２，４３，４４，４５とした場合と同様に、密封端面３１，４１間への異物侵入が可及的に防止される。凹溝４６は極く浅いものでよく、上記したガス流を生ぜしめる限りにおいて、その形状は任意である。勿論、図９に示す如く、回転密封環４の外周面を上記したテーパ面４２，４３，４４，４５と同様のテーパ面（図示の例では直線状のテーパ面）４７とすると共に、このテーパ面４７に上記した凹溝４６…と同様の凹溝４８…に形成して、当該外周面に付着した異物をテーパ面４７上の周速差による異物移送作用と凹溝４８…によるガス流作用とによって、異物を密封端面３１，４１から遠ざかる方向に排除させるようにしてもよい。
【００２７】また、本発明は上記した静圧型のガスシールに適用される他、図１０に示す如く、非接触状態保持機構６を動圧発生溝６７により密封端面３１，４１間に動圧を発生させるものに構成した動圧形のガスシールにも適用することができる。すなわち、図１０に示す非接触形メカニカルシールにあっては、シールケース２の他端部を構成する保持部２０に相対回転不能且つ軸線方向に移動自在に保持した静止密封環３と回転軸１２の外周部（スリーブ）１２ａに固定した回転密封環４とを、回転密封端面４１に形成した動圧発生溝６７により発生させた動圧により、非接触状態に保持するように構成されており、回転密封環４の外周面を上記したテーパ面４２に形成してある。このような動圧形のガスシールにあっても、上記した場合と同様に、テーパ面４２により密封端面３１，４１間への異物侵入を有効に防止し得て、長期に亘って良好なシール機能を発揮，維持することができる。勿論、かかる動圧形のガスシールにあっても、回転密封環４の外周面を、図４〜図９に示す如き形状のテーパ面となしておくことができる。
【００２８】また、本発明は、ラビリンスシール７やパージガス供給機構９等を具備せず、機内ガスが密封端面３１，４１の外径側領域に充満するような構造の非接触形メカニカルシールにおいても、好適に適用することができ、回転密封環４の外周面形状（テーパ面４２，４３，４４，４５，４７又はガス流発生用の凹溝４６，４８）による異物侵入阻止効果を上記同様に発揮させることができる。
【００２９】
【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発明の非接触形メカニカルシールは、回転密封環の外周面形状を工夫することにより、機内ガスに含まれる異物の密封端面間への侵入を可及的に阻止することができるものであり、液状異物や固形異物を含有するガスを扱う回転機器にあっても、長期に亘って良好なシール機能を発揮，維持しうるものである。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００２２９７３７
【氏名又は名称】日本ピラー工業株式会社
|
| 【出願日】 |
平成１０年１０月１６日（１９９８．１０．１６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８２４７４
【弁理士】
【氏名又は名称】杉本 丈夫
|
| 【公開番号】 |
特開２０００−１２０８８０（Ｐ２０００−１２０８８０Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年４月２８日（２０００．４．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２９４８４９ |
|