| 【発明の名称】 |
非接触形メカニカルシール |
| 【発明者】 |
【氏名】岩本 康孝
【氏名】古谷 勝昭
【氏名】池原 正親
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| 【要約】 |
【課題】油分等の異物を含有するガスについても、長期に亘って良好なシール機能を発揮，維持しうる静圧形のガスシールを提供する。
【解決手段】シールケース２と回転軸１２との間に、複数の環状溝７１とこれに突入する複数の環状板７２とからなるラビリンスシール７が設けられている。このラビリンスシール７により、シールケース２内における密封端面３１，４１の外径側領域Ｃを機内領域Ａとが区画されている。シールケース２には、環状溝７１…の底部に連通し且つ機内領域Ａに開口する返戻通路８と、外径側領域Ｃに機内領域Ａより高圧のパージガスを供給するパージガス供給路と、外径側領域Ｃに開口すると共に該領域Ｃと同圧に保持された異物回収タンク１０３に連通する異物回収路１０１とが設けられている。 |
【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水平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を発生させる静圧発生機構とを具備する非接触形メカニカルシールにおいて、シールケースと回転軸との間に、シールケースの一端部の内周部に軸線方向に並列状に設けた複数の環状溝と回転軸の外周部に軸線方向に並列し且つ各環状溝に突入する状態で設けた複数の環状板とで構成されるラビリンスシールを設けて、このラビリンスシールによりシールケース内における密封端面の外径側領域を機内領域と区画するように構成したことを特徴とする非接触形メカニカルシール。
【請求項２】 シールケースに、前記環状溝の底部に連通し且つ機内領域に開口する返戻通路を設けると共に、返戻通路の下面が、その機内領域への開口部に向かって下り傾斜するテーパ面に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載する非接触形メカニカルシール。
【請求項３】 シールケースに、前記外径側領域に機内領域より高圧のパージガスを供給するパージガス供給路を設けたことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する非接触形メカニカルシール。
【請求項４】 シールケースに前記外径側領域に開口する異物回収路を設けると共に、この異物回収路に当該外径側領域と同圧に保持された異物回収タンクを接続したことを特徴とする、請求項３に記載する非接触形メカニカルシール。
【請求項５】 回転軸が水平である場合において、前記返戻通路が当該回転軸の下方に配置されていると共に、前記異物回収路が当該回転軸の直下位置において前記外径側領域に開口していることを特徴とする、請求項４に記載する非接触形メカニカルシール。
【請求項６】 液状又は固体状の異物を含有するガスを扱う回転機器に装備されるものであることを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５に記載する非接触形メカニカルシール。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液状又は固体状の異物（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としては、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ように構成されたものが公知である。かかる非接触形メカニカルシールは、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されるものである。
【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体状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水平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を発生させる静圧発生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、機シールケースと回転軸との間に、シールケースの一端部の内周部に軸線方向に並列状に設けた複数の環状溝と回転軸の外周部に軸線方向に並列し且つ各環状溝に突入する状態で設けた複数の環状板とで構成されるラビリンスシールを設けて、このラビリンスシールによりシールケース内における密封端面の外径側領域を機内領域と区画するように構成しておくことを提案する。
【０００６】かかる非接触形メカニカルシールにあっては、シールケースに、前記環状溝の底部に連通し且つ機内領域に開口する返戻通路を設けると共に、返戻通路の下面を、その機内領域への開口部に向かって下り傾斜するテーパ面に構成しておくことが好ましい。また、シールケースには、前記外径側領域に機内領域より高圧のパージガスを供給するパージガス供給路を設けておくことが好ましい。また、シールケースに前記外径側領域に開口する異物回収路を設けると共に、この異物回収路に当該外径側領域と同圧に保持された異物回収タンクを接続しておくことが好ましい。また、回転軸が水平である場合においては、前記返戻通路を当該回転軸の下方に配置すると共に、前記異物回収路を当該回転軸の直下位置において前記外径側領域に開口させておくことが好ましい。本発明の非接触形メカニカルシールは、特に、液状又は固体状の異物（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好適するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて具体的に説明する。
【０００８】図１〜図４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）又は固体状異物（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と静圧発生機構６とラビリンスシール７と返戻通路８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、この例では、取付部２２の内周部２２ａを円筒状の別部材で構成してある。また、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」という）は、軸線に直交する平滑面とされている。
【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】静圧発生機構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４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４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。
【００１８】ラビリンスシール７は、図１及び図２に示す如く、シールケース２の一端部である取付部２２の内周部２２ａに軸線方向に並列状に形成された複数の環状溝７１…と回転軸１２の外周部１２ａに軸線方向に並列し且つ各環状溝７１に突入する状態で一体形成された複数の環状板７２…とからなり、取付部２２と回転軸１２との間に、シールケース２内における密封端面３１，４１の外径側領域（以下「パージガス領域」という）Ｃと機内領域Ａとを連通する蛇行状通路７３を形成するものである。なお、蛇行状通路７３を構成する取付部２２の内周部と回転軸１２の外周部との隙間及び環状溝７１内に形成される環状板７２との隙間は、可及的に微小となるように工夫されている。
【００１９】返戻通路８は、環状溝７１…の底部に連通し且つ機内領域Ａに開口するものである。この例では、返戻通路８は、図２及び図３に示す如く、回転軸１２の下方位において水平に延びる円形断面をなすものであり、最前位の環状溝７１ａを除く全ての環状溝７１…の底部側において蛇行状通路７３に開口されている。
【００２０】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。
【００２１】異物排出機構１０は、図１及び図２に示す如く、シールケース２に設けられた異物回収路１０１及び圧力保持路１０２と、シールケース２外に設置された密閉状の異物回収タンク１０３と、異物回収路１０１と異物回収タンク１０３とを連通接続する第１接続管１０４と、圧力保持路１０２と異物回収タンク１０３とを連通接続する第２接続管１０５と、コンプレッサ１０６と、コンプレッサ１０６の吐出口と異物回収タンク１０３とを連通接続する吐出管１０７と、異物回収タンク１０３に接続された異物排出管１０８とを具備する。
【００２２】異物回収路１０１は、図２に示す如く、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１０１ａされていて、第１接続管１０４に設けた第１開閉弁１０４ａを開操作することにより、パージガス領域Ｃに侵入した異物を異物回収タンク１０３へと排出させるようになっている。なお、シールケース２の本体部２１の内周面に、ラビリンスシール７側から異物回収路１０１の開口部１０１ａ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１０１ａへと下り傾斜することになる）テーパ面２１ａを形成して、パージガス領域Ｃに侵入した異物の異物回収路１０１への排出が円滑に行なわれるように工夫してある。圧力保持路１０２は、図２に示す如く、シールケース２に設けられて、パージガス領域Ｃに開放されている。異物回収タンク１０３は、第２接続管１０５に設けた第２開閉弁１０５ａを開操作することにより、圧力保持路１０２及び第２接続管１０５を介してパージガス領域Ｃに連通され、パージガス領域Ｃと同圧に保持されるようになっている。また、異物回収タンク１０３には、吐出管１０７に設けた第３開閉弁１０７ａを開操作すると共にコンプレッサ１０６を作動させることにより、所定圧の加圧空気が供給されるようになっている。また、異物回収路１０１及び第１接続管１０４から異物回収タンク１０３に回収された異物は、異物排出管１０８に設けた第４開閉弁１０８ａを開操作することにより、異物排出管１０８から適宜の異物処理部（図示せず）に排出されるようになっている。
【００２３】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、密封端面３１，４１の外径側領域であるパージガス領域Ｃがラビリンスシール７により機内領域Ａと区画されており、且つパージガス領域Ｃには機内領域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。
【００２４】また、機内ガスはラビリンスシール７の蛇行状通路７３を通過する間において環状板７２…の回転による遠心力の作用を受け、機内ガスに含まれる異物は環状溝７１…の底部から返戻通路８へと排出され、返戻通路８から機内領域Ａに排出されることになる。すなわち、機内領域Ａとパージガス領域Ｃとの境界部分においては、機内ガスが蛇行状通路７３と返戻通路８との間で循環され、機内ガスに含まれる異物が蛇行状通路７３を通過してパージガス領域Ｃに侵入することが殆どない。
【００２５】さらに、異物がラビリンスシール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２１ａによる開口部１０１ａへの流下作用とも相俟って、異物排出機構１０により、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、パージガス領域Ｃに異物が堆積して当該メカニカルシールの機能を損なうことがない。しかも、第１〜第４開閉弁１０４ａ，１０５ａ，１０７ａ，１０８ａを開閉操作させるだけで、当該メカニカルシールの運転を停止することなく大量の異物処理を行なうことができる。
【００２６】すなわち、当該メカニカルシールの運転時においては、第１及び第２開閉弁１０４ａ，１０５ａを開放すると共に第３及び第４開閉弁１０７ａ，１０８ａを閉塞して、異物回収タンク１０３をパージガス領域Ｃと同圧に保持しておく。この状態において、パージガス領域Ｃに異物が侵入すると、当該異物は異物回収路１０１及び第１接続管１０４から異物回収タンク１０３に回収される。このとき、パージガス領域Ｃと異物回収タンク１０３とが同圧であるから、異物の異物回収タンク１０３への排出が速やかに行なわれ、異物がパージガス領域Ｃに堆積して密封環３，４によるシール機能に悪影響を及ぼすようなことがない。そして、異物回収タンク１０３に所定量の異物が回収されると、第１及び第２開閉弁１０４ａ，１０５ａを閉じた上、第３及び第４開閉弁１０７ａ，１０８ａを開くと共にコンプレッサ１０６を作動させ、異物回収タンク１０３内の異物を異物排出管１０８から排出させる。このとき、第１及び第２開閉弁１０４ａ，１０５ａを閉じることにより、パージガス領域Ｃの圧力は低下せず、パージガス領域Ｃないし機内領域Ａの圧力は変動しないから、異物回収タンク１０３からの異物排出を当該メカニカルシールの運転を停止することなく行なうことができる。而して、異物回収タンク１０３内の異物が排出されると、第４開閉弁１０８ａを閉じた上、コンプレッサ１０６からの加圧空気供給により異物回収タンク１０３の圧力がパージガス領域Ｃと同圧若しくは略同圧となった時点で、第３開閉弁１０７ａを閉じると共にコンプレッサ１０６を停止する。しかる後、第１及び第２開閉弁１０４ａ，１０５ａを開いて、異物回収タンク１０３をパージガス領域Ｃに連通させ、異物回収タンク１０３からの異物排出を行なう前の状態に復帰させる。このような操作を繰り返すことにより、パージガス領域Ｃへの異物侵入が大量である場合にも、パージガス領域Ｃからの異物排出を当該メカニカルシールの運転を継続した状態で良好に行なうことができる。
【００２７】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。
【００２８】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。例えば、返戻通路８の設置数，形状等は、ラビリンスシール７による機能を損なわないことを条件として、任意である。特に、回転軸１２の下方に配して設けられる返戻通路８にあっては、図５に示す如く、当該通路８内における異物の機内領域Ａ方向への移動（流下）を促進させるべく、当該通路８の下面を開口部（機内領域Ａへの開口部）に向かって下り傾斜するような形状としておくことができる。
【００２９】
【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発明によれば、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、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（静圧形のガスシール）を提供することができる。
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| 【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
【識別番号】０００００２０６０
【氏名又は名称】信越化学工業株式会社
【識別番号】０００１４８３５７
【氏名又は名称】株式会社前川製作所
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| 【出願日】 |
平成１１年５月２１日（１９９９．５．２１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８２４７４
【弁理士】
【氏名又は名称】杉本 丈夫
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３２９２３８（Ｐ２０００−３２９２３８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１１月３０日（２０００．１１．３０） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１４０９７０ |
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