JPH09196185A - 流体機器用軸封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シングル形シールにして装置全体を小寸化し
つつ、ダブルあるいはタンデム形と何ら遜色のない確実
かつ安定よいシール機能を発揮させることができるよう
にする。 【解決手段】 ポンプケーシング１とこれを貫通する回
転軸２との間に、回転密封環５とこれに対向配置されて
ポンプケーシング１に軸線方向摺動可能に保持された静
止密封環８とからなる非接触シール４を配設し、この非
接触シール４における静止密封環８の端面にその径方向
に間隔を隔てて回転周方向に沿った複数の溝１０ａ，１
０ｂを形成し、そのうち径方向外側の周方向溝１０ａに
連通して回転密封環５の端面５ａに向けてガス圧力を供
給して両密封環５，８の端面間を非接触状態に保持する
ガス供給孔としてのオリフィス孔１１と径方向内側の周
方向溝１０ｂに連通して両密封環５，８の端面間に供給
されたガスを外部の所定箇所に排出させるガス抜き孔１
３とを静止密封環８に形成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は流体機器用軸封装置
で、詳しくは、例えば液体アンモニアやハイドロカーボ
ンなどの揮発性ないし低沸点流体あるいは化学工業で汎
用される洗浄剤や溶剤などの有害物質を含んだ流体を取
り扱うプロセスポンプや、攪拌機、コンプレッサーなど
に適用される流体機器用軸封装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の流体機器用軸封装置において
は、上述したような内部流体が機器ケーシングと回転軸
との間の微小隙間を通って大気へ漏れ出すと、それが微
量、低濃度であっても、長期間吸入すると健康に悪影響
を及ぼす恐れがあることから、その漏れ出しには厳しい
規制が要求されている。

【０００３】従来から一般的に採用されている流体機器
用軸封装置としては、機器ケーシング及び該機器ケーシ
ングを貫通する回転軸間で軸線方向に間隔を隔てた機内
側と大気側との２箇所に、上記機器ケーシングに固定保
持された静止密封環とこの静止密封環に対向配置されて
上記回転軸に軸線方向摺動可能に保持された回転密封環
とを有し、かつ、上記回転密封環を上記静止密封環側へ
押圧付勢してなる２組の接触シールを配設するととも
に、これら２組の接触シール間に形成した封液室内にオ
イルや水などの封液を注入して、上記各接触シールの両
密封環の相対回転摺接作用および上記封液室に注入され
た封液を介して機内側と大気側とを遮蔽シールするよう
にしたダブルあるいはタンデム形の接触シールから構成
された軸封装置が知られている。

【０００４】また、上記のようなダブルあるいはタンデ
ム形の接触シールから構成された軸封装置の他にも、特
公平７−６９０１８号公報や特開平５−３３８７１号公
報などでみられるように、２組のシールのうち一方を接
触シールとするとともに他方を回転密封環の端面に形成
した動圧発生溝を介して発生される動圧により両密封環
を非接触状態で相対回転させる動圧形非接触シールとし
たものや、特開平７−７１６１３号公報や特開平６−１
７４１０８号公報などでみられるように、２組のシール
を共に動圧形非接触シールとしたものも知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来技術のうち、ダブルあるいはタンデム形の接触シ
ールから構成された流体機器用軸封装置にあっては、２
組の接触シールそれぞれの両密封環の端面同志が摺接す
るために摩耗が激しくて使用寿命が非常に短いばかりで
なく、両密封環の端面間に形成される流体潤滑膜が摺動
熱によって破壊されてシール機能が低下しやすく、封液
が機内の被密封流体側へ漏れたり、大気へ漏れ出すなど
全体としてシールの信頼性が低い。加えて、摺動熱によ
って封液が次第に昇温されることを防ぐために、クーラ
ーを使用した封液循環供給システムが必要となり、装置
全体の構造が複雑化し、高コスト化するという問題があ
る。

【０００６】また、接触シールと動圧形非接触シールと
を組み合わせたり、２組のシールを共に動圧形非接触シ
ールとした流体機器用軸封装置にあっては、ダブルある
いはタンデム形の接触シールを用いるものに比べて、少
なくとも一方が非接触シールであることから、全体の摩
耗度合を低減して使用寿命を改善できるものの、その非
接触シールが動圧形であるから、ポンプなどの流体機器
の起動時や停止時に必要なトルクが大きく、そのために
従来から設置されている小動力源をもつポンプなどの流
体機器の場合には動力源の取替えなどを要し、そのまま
適用することができない。また、動圧形非接触シールは
主に機器の起動時に密封環の端面を破損したり、損耗し
たりしてシール性能を低下しやすく、したがって、２組
の動圧形非接触シールをダブルに配設したとしても、そ
れら両者のシール性能が早期のうちに低下することにな
り、長期間使用に際して安定したシール機能を発揮させ
ることができず、シールの信頼性が不十分で、近年の厳
しい漏れ規制には対応させることができない。

【０００７】加えて、上記した従来の流体機器用軸封装
置は、いずれも機器ケーシング及び該機器ケーシングを
貫通する回転軸間の軸線方向に間隔を隔てた機内側と大
気側との２箇所にそれぞれ接触シールおよび／または動
圧形非接触シールをダブルあるいはタンデム形に配設し
たものであるから、全体が回転軸の軸線方向で大寸化し
やすくて、特にプラントなどに既に組付けられている流
体機器に対してはそのまま適用することができず、適用
しようとすれば、プラント全体を大幅に改造しなければ
ならないという難問があった。

【０００８】そこで本発明は上記のような実情に鑑みて
なされたもので、摩耗度合の低減による使用寿命の改善
およびトルクの軽減による省エネルギー化、適用範囲の
拡大化を図ることができるとともに、シングル形シール
にして装置全体を小寸化しつつ、ダブルあるいはタンデ
ム形と何ら遜色のない確実かつ安定よいシール機能を発
揮させることができる流体機器用軸封装置を提供するこ
とを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のうち請求項１に係る流体機器用軸封装置
は、機器ケーシングと該機器用ケーシングを貫通する回
転軸との間に、上記回転軸とともに回転する回転密封環
と、この回転密封環に対向配置されて上記機器用ケーシ
ングに軸線方向摺動可能に保持された静止密封環とを有
し、かつ、上記静止密封環を上記回転密封環側へ押圧付
勢してなる非接触シールを配設して構成された流体機器
用軸封装置であって、上記非接触シールにおける静止密
封環の端面にその径方向に間隔を隔てて回転周方向に沿
った複数の溝を形成するとともに、これら周方向溝のう
ち径方向外側に位置する周方向溝に連通し上記回転密封
環の端面に向けてガス圧力を供給して両密封環の端面間
を非接触状態に保持するガス供給孔と径方向内側の周方
向溝に連通して両密封環の端面間に供給されたガスを外
部の所定箇所に排出させるガス抜き孔とを上記静止密封
環に形成していることを特徴とするものである。

【００１０】すなわち、請求項１に記載の発明に係るポ
ンプ用軸封装置によれば、静止密封環の端面に径方向に
間隔を隔てて形成された複数の回転周方向に沿う溝のう
ち径方向外側に位置する周方向溝にガス供給孔を通じて
供給されるガス圧力により両密封環の端面間を非接触状
態に保持するとともに、そのガス圧力の供給される周方
向溝よりも径外側の静止密封環の端面部分とこれに対向
する固定密封環の端面部分とにより形成されるシール面
で被密封流体の漏れ出しを阻止し、このシール面からの
万一の漏れ出しに対しては、上記周方向溝よりも径内側
およびガス抜き孔が連通されている他の周方向溝よりも
径内側の静止密封環の端面部分とこれに対向する固定密
封環の端面部分とにより形成されるシール面でシールさ
せながらガス抜き孔を通して外部の所定箇所へ排出させ
ることが可能である。したがって、静圧形の非接触シー
ルであることから、両密封環の端面の摩耗度合を低減し
て使用寿命の延長化が図れとともに摺動熱によるシール
機能の低下もなく、かつ起動トルクを半減して省エネル
ギー化が図れて全体としてシール信頼性を向上すること
が可能であり、また、クーラーを使用した封液循環供給
システムも不要で、装置全体の構造を簡単にし、低コス
ト化も図れる。

【００１１】その上、単一の静圧形非接触シールを用い
たシングル形シールでありながら、上述したように、タ
ブルあるいはタンデム形シールと同等な機能を発揮させ
ることが可能であり、これによって、装置全体を小寸化
しつつ、被密封流体の漏れ出しを確実に阻止することが
できる。

【００１２】なお、上記構成の流体機器用軸封装置にお
いて、上記ガス供給孔およびこれに連通する周方向溝
を、請求項２に記載のように、ガス抜き孔およびこれに
連通する周方向溝を挟んで静止密封環の径方向の内外に
それぞれ形成するときは、両密封環の端面間に径方向で
少なくとも４段階のシール機能を発揮させることが可能
で被密封流体の漏れ出しを一層確実に阻止することがで
きる。

【００１３】また、上記構成の流体機器用軸封装置にお
いて、上記ガス供給孔を通して周方向溝へ供給されるガ
ス圧力としては請求項３に記載のように、流体機器の被
密封流体の圧力よりも０．５ｋｇｆ／ｃｍ² 以上高圧に
設定されていることが望ましく、さらに、請求項４のよ
うに、上記ガス抜き孔から排出されるガスは消却処理す
るように構成することによって、微量、低濃度の被密封
流体を含むガスが大気へ放出されることに伴う健康面へ
の悪影響を回避することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
にもとづいて説明する。図１は本発明に係る流体機器用
軸封装置をポンプ用軸封装置に適用した場合の半截縦断
面図である。図１において、１は例えばプロセスポンプ
などのポンプケーシングであり、このポンプケーシング
１には機内側Ｍと大気側Ｎとに亘って貫通し、その機内
側Ｍにインペラ（図示省略する）が固定された回転軸２
が回転自在に支承されており、この回転軸２には軸スリ
ーブ３が一体回転可能に外嵌されている。４は上記回転
軸２と上記ポンプケーシング１との間に配設された静圧
形の非接触シールである。

【００１５】上記静圧形非接触シール４は、上記回転軸
２に外嵌の軸スリーブ３に固定保持されて上記回転軸２
とともに回転する回転密封環５と、これら回転密封環５
に対向配置されて上記ポンプケーシング１に内嵌固定の
環状部材６に複数のＯリング７を介して軸線方向摺動可
能に保持された静止密封環８とを有し、かつ、該静止密
封環８をスプリング９を介して上記回転密封環５側へ押
圧付勢してなるものである。

【００１６】そして、上記静圧形非接触シール４におけ
る静止密封環８の端面８ａには、図２に示すように、そ
の径方向に間隔を隔てて回転周方向に沿って断続する円
弧状溝１０ａ，１０ｂが２段に形成されており、そのう
ち径方向の外側に位置する円弧状溝１０ａに連通して上
記回転密封環５の端面５ａに向けて上記機内側Ｍに封入
される被密封流体の圧力よりも０．５ｋｇｆ／ｃｍ² 以
上高い圧力のバッファーガス、例えばＮ₂ ガスを供給し
て両密封環５，８の端面５ａ，８ａ間を被接触状態に保
持するガス供給孔としてのオリフィス孔１１が静止密封
環８に貫設され、このオリフィス孔１１に接続可能なガ
ス供給孔１２が上記環状部材６およびポンプケーシング
１に形成されているとともに、径方向の内側に位置する
円弧状溝１０ｂに連通して上記両密封環５，８の端面５
ａ，８ａ間に供給されたガスをポンプケーシング１外部
の所定箇所、例えば回収消却処理部（図示省略する）に
排出させるガス抜き孔１３および１４が上記静止密封環
８および上記環状部材６、ポンプケーシング１に形成さ
れている。なお、大気側Ｎの回転軸２とポンプケーシン
グ１との間にラビリンスシールを形成してシール効果を
高めることが望ましい。

【００１７】上記のように構成されたポンプ用軸封装置
においては、ポンプケーシング１と回転軸２との間に配
設されたシールが静圧形の非接触シール４であるため
に、該非接触シール４の回転密封環５と静止密封環８の
端面５ａ，８ａの摩耗度合が低減されて使用寿命の延長
化が図れるのみならず、摺動熱によるシール機能の低下
もなく、全体としてシール信頼性を向上することが可能
であるとともに、ポンプ起動時にも停止時にも回転及び
静止両密封環５，８の端面５ａ，８ａ間を非接触状態に
して起動トルクを半減し省エネルギー化が図れる。ま
た、クーラーを使用した封液循環供給システムなども不
要で、装置全体の構造を簡単にし、低コスト化も図れ
る。

【００１８】その上、ガス供給孔１２およびオリフィス
孔１１を経て高圧のバッファーガスが供給される円弧状
溝１０ａよりも径外側の静止密封環８の端面部分とこれ
に対向する固定密封環５の端面部分とにより形成される
シール面Ａで被密封流体の漏れ出しを阻止し、このシー
ル面Ａからの万一の漏れ出しに対しては、上記円弧状溝
１０ａよりも径内側およびガス抜き孔１３が連通されて
いる他の円弧状溝１０ｂよりも径内側の静止密封環８の
端面部分とこれに対向する固定密封環５の端面部分とに
より形成されるシール面Ｂ，Ｃでシールさせながら、極
く微少な漏れ流体を含むガスはガス抜き孔１３，１４を
通して外部の回収消却処理部へ排出させて消却処理する
ことが可能であり、シングル形シールを用いながらもダ
ブルあるいはタンデム形シールとほぼ同等なシール性能
を発揮させることができるとともに、微少な漏れ流体も
大気へ放出させないで、健康面への悪影響を回避するこ
とができる。

【００１９】図３は請求項２記載の発明に係る流体機器
用軸封装置をポンプ用軸封装置に適用した場合の半截縦
断面図であって、図１の軸封装置と相違するのは、静止
密封環８の端面８ａに、図４に示すように、その径方向
に間隔を隔てて３段に回転周方向に沿って断続する円弧
状溝１０ａ，１０ｂ，１０ｃが形成されており、そのう
ち径方向の最も外側に位置する円弧状溝１０ａおよび最
も内側に位置する円弧状溝１０ｃにそれぞれ開口連通さ
せて上記回転密封環５の端面５ａに向けてバッファーガ
ス、例えばＮ₂ ガスを供給して両密封環５，８の端面５
ａ，８ａ間を被接触状態に保持するオリフィス孔１１が
静止密封環８に貫設されている一方、径方向の中間に位
置する円弧状溝１０ｂに開口連通させて上記両密封環
５，８の端面５ａ，８ａ間に供給されたガスをポンプケ
ーシング１外部の所定箇所、例えば回収消却処理部（図
示省略する）に排出させるガス抜き孔１３が上記静止密
封環８に形成されている点であり、その他の構成は図１
と同一であるため、該当部分には同一の符号を付して、
それらの詳しい説明を省略する。

【００２０】上記図３及び図４のように構成されたポン
プ用軸封装置においても、上述した図１及び図２に示す
構成のポンプ用軸封装置と同様に、使用寿命の延長化、
起動トルク半減による省エネルギー化、クーラーを使用
した封液循環供給システムなどが不要で装置全体構造の
簡単化、低コスト化が図れるのはもちろん、両密封環
５，８の端面５ａ，８ａ間に径方向に沿って４つのシー
ル面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを形成させて、機内側Ｍの被密封流
体の漏れ出し阻止を一層信頼性の高いものとすることが
可能である。

【００２１】図５は上記図１及び図２に示したポンプ用
軸封装置の他の実施態様を示す半截縦断面図であり、上
記静圧形非接触シール４における静止密封環８の端面８
ａに、その径方向に間隔を隔てて内外２段に形成された
円弧状溝１０ａ，１０ｂを、互いに径方向で直線状に重
ならないように回転周方向に交互に配置させ、そのうち
径方向の外側に位置する円弧状溝１０ａに連通させてオ
リフィス孔１１を貫設するとともに、径方向の内側に位
置する円弧状溝１０ｂに連通させてガス抜き孔１３を形
成させたものであり、また、図６は上記図３及び図４に
示したポンプ用軸封装置の他の実施態様を示す半截縦断
面図であり、上記静圧形非接触シール４における静止密
封環８の端面８ａに、その径方向に間隔を隔てて３段に
形成された円弧状溝１０ａ，１０ｂ，１０ｃを、それら
が互いに径方向で直線状に重ならないように回転周方向
に交互に配置させ、そのうちの最も外側に位置する円弧
状溝１０ａおよび最も内側に位置する円弧状溝１０ｃに
それぞれ開口連通させてオリフィス孔１１を貫設すると
ともに、径方向の内側に位置する円弧状溝１０ｂに連通
させてガス抜き孔１３を形成させたものであり、その他
の構成は図２及び図４と同一であるため、該当部分には
同一の符号を付して、それらの詳しい説明を省略する。

【００２２】上記図５や図６のように構成されたポンプ
用軸封装置においては、オリフィス孔１１とガス抜き孔
１３とが径方向で直線状に重ならないので、両密封環
５，８の端面５ａ，８ａ間に供給されたガスが直ちにポ
ンプケーシング１外部の回収消却処理部（図示省略す
る）に排出回収されることがなくなり、そのガスによる
被密封流体に対するバリヤーとしての機能が一層有効に
発揮される。また、万一、漏洩した流体は、ガス抜き孔
１３のある領域から漏れやすくなり、漏洩流体の排出回
収が確実なものとなる。

【００２３】さらに、図７は上記図１及び図２に示した
ポンプ用軸封装置のもう一つの実施態様を示す縦断面図
であり、上記静圧形非接触シール４における静止密封環
８の端面８ａにその径方向に間隔を隔てて内外２段に形
成される溝１０ａ，１０ｂのうち、ガス抜き孔１３が連
通形成される内側の溝１０ｂを円周状にしたものであ
り、また、図８は上記図３及び図４に示したポンプ用軸
封装置のもう一つの実施態様を示す縦断面図であり、上
記静圧形非接触シール４における静止密封環８の端面８
ａにその径方向に間隔を隔てて内外３段に形成される溝
１０ａ，１０ｂ，１０ｃのうち、ガス抜き孔１３が連通
形成される径方向中段の溝１０ｂを円周状にしたもので
あり、その他の構成は図２及び図４と同一であるため、
該当部分には同一の符号を付して、それらの詳しい説明
を省略する。

【００２４】上記図７や図８のように構成されたポンプ
用軸封装置においては、ガス抜き孔１３を連通形成する
溝１０ｂが円周状に形成されているので、径方向に漏洩
する被密封流体が全てその円周状溝１０ｂの領域を通過
することになり、漏洩流体の排出回収が一層確実なもの
となる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、請求項１〜３に記載の発
明によれば、静圧形の非接触シールを用いることによ
り、両密封環の端面の摩耗度合を低減して使用寿命の延
長化、起動トルクを半減して省エネルギー化を図れるの
みならず、摺動熱によるシール機能の低下もなく、全体
としてシール信頼性を向上することができるとともに、
クーラーを使用した封液循環供給システムも不要で、装
置全体の構造を簡単にし、低コスト化を図ることができ
る。

【００２６】しかも、単一の静圧形非接触シールを用い
たシングル形シールでありながら、タブルあるいはタン
デム形シールと何ら遜色のないシール機能を発揮させる
ことができ、したがって、装置全体を小寸化してプラン
トなどに組込まれている流体機器に対しても大幅な改造
などを要することなく、簡単に適用することができるも
のでありながら、被密封流体の漏れ出しを確実に、かつ
安定よく阻止することができるという効果を奏する。

【００２７】特に、請求項４に記載の発明によれば、上
記効果に加えて、被密封流体に万一微少な漏れが生じた
としても、それをガス抜き孔から排出されるガスと共に
消却処理することが可能で、微量、低濃度の被密封流体
を含むガスが大気へ放出されることに伴う健康面への悪
影響をも回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る流体機器用軸封装置を適用したポ
ンプ用軸封装置の構成を示す半截縦断側面図である。

【図２】図１のＸ−Ｘ線での半截縦断正面図である。

【図３】請求項２に記載の発明に係る流体機器用軸封装
置を適用したポンプ用軸封装置の構成を示す半截縦断側
面図である。

【図４】図３のＹ−Ｙ線での半縦断正面図である。

【図５】図１及び図２におけるポンプ用軸封装置の他の
実施態様を示す半截縦断正面図である。

【図６】図３及び図４におけるポンプ用軸封装置の他の
実施態様を示す半截縦断正面図である。

【図７】図１及び図２におけるポンプ用軸封装置のもう
一つの実施態様を示す縦断正面図である。

【図８】図３及び図４におけるポンプ用軸封装置のもう
一つの実施態様を示す縦断正面図である。

【符号の説明】

１ ポンプケーシング（機器ケーシング） ２ 回転軸 ４ 非接触シール ５ 回転密封環 ８ 静止密封環 １０ａ，１０ｂ，１０ｃ 円弧状溝（周方向溝） １１ オリフィス孔（ガス供給孔） １３ ガス抜き孔 Ｍ 機内側 Ｎ 大気側

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機器ケーシングと該機器用ケーシングを
   貫通する回転軸との間に、上記回転軸とともに回転する
   回転密封環と、この回転密封環に対向配置されて上記機
   器用ケーシングに軸線方向摺動可能に保持された静止密
   封環とを有し、かつ、上記静止密封環を上記回転密封環
   側へ押圧付勢してなる非接触シールを配設して構成され
   た流体機器用軸封装置であって、 上記非接触シールにおける静止密封環の端面にその径方
   向に間隔を隔てて回転周方向に沿った複数の溝を形成す
   るとともに、これら周方向溝のうち径方向外側に位置す
   る周方向溝に連通し上記回転密封環の端面に向けてガス
   圧力を供給して両密封環の端面間を非接触状態に保持す
   るガス供給孔と径方向内側の周方向溝に連通して両密封
   環の端面間に供給されたガスを外部の所定箇所に排出さ
   せるガス抜き孔とを上記静止密封環に形成していること
   を特徴とする流体機器用軸封装置。
2. 【請求項２】 上記ガス供給孔およびこれに連通する周
   方向溝が、ガス抜き孔およびこれに連通する周方向溝を
   挟んで静止密封環の径方向の内外にそれぞれ形成されて
   いる請求項１に記載の流体機器用軸封装置。
3. 【請求項３】 上記ガス供給孔を通して周方向溝へ供給
   されるガス圧力が流体機器の被密封流体の圧力よりも
   ０．５ｋｇｆ／ｃｍ² 以上高圧に設定されている請求項
   １または２に記載の流体機器用軸封装置。
4. 【請求項４】 上記ガス抜き孔から排出されるガスは消
   却処理されるように構成されている請求項１または２に
   記載の流体機器用軸封装置。