JP2002235858A - 軸封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 シール面での摩耗が少なく、耐久性に優れ、
且つ、被密封流体がパージ領域に入り込みにくく、シー
ル性に優れた軸封装置を提供すること。 【解決手段】 中空部を持つケーシング６と、ケーシン
グの中空部を被密封流体領域Ａ１から外部領域Ａ３にま
で届く回転自在なシャフト４と、被密封流体領域Ａ１と
外部領域Ａ３との間に位置するパージ領域Ａ２と、被密
封流体領域Ａ１とを仕切る非接触型の第１メカニカルシ
ール２ａと、パージ領域Ａ２と外部領域Ａ３とを仕切る
第２メカニカルシール２ｂと、を有し、第１メカニカル
シールは、シャフトと共に回転する第１回転シール面を
持つ第１回転シールリング２０と、第１回転シール面に
対して軸方向に押し付けられて摺動可能な第１非回転シ
ール面を持ちケーシングに保持された第１非回転シール
リング６０とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえばポンプな
どの流体機械に用いられる軸封装置に係り、さらに詳し
くは、被密封流体がスラリーなどを含む流体、または高
粘度液体である場合に好適な軸封装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ポンプなどの流体機械では、ケーシング
内にシャフトが回転自在に設けられ、ケーシング内の流
体がシャフトとケーシングとの隙間から外部に漏洩する
ことを防止するために、軸封装置が具備される。

【０００３】このような流体機械に用いられる軸封装置
としては、メカニカルシールが知られている。回転する
シャフトと、シャフトを回転自在に保持するケーシング
との間をシールするためには、シャフトと共に回転する
回転シールリングと、ケーシングに固定してある非回転
シールリングとをシール面において接触させる必要があ
る。シール面では、回転シールリングと非回転シールリ
ングとの摩耗が問題になる。このため、最近では、たと
えば米国特許第５４２１５９３号明細書、米国特許第４
２９０６１１号明細書および独国特許出願公開第３８３
４２１４号明細書に示すように、回転シールリングのシ
ール面に、動圧発生溝を設け、シャフトの回転と共に、
両シール面相互が非接触状態となる非接触型メカニカル
シールが提案されている。

【０００４】また、非接触型メカニカルシールの動圧発
生溝の形状としては、米国特許第５０７１１４１号明細
書に示すように、渦巻き形状のものや、米国特許第５０
９２６１２号明細書に示すように、Ｔ字形状のものも知
られている。

【０００５】しかしながら、従来の非接触型メカニカル
シールの動圧発生溝は、回転シールリングの外径側に形
成してある。このために、この非接触型メカニカルシー
ルを、被密封流体領域とパージガス領域との間のシール
構造として用いた場合に、被密封流体が動圧発生溝に入
り込み易く、シール面が被密封流体によって誘発されて
種々の不具合を惹起している。特に、被密封流体が、ス
ラリー液体または高粘度の液体である場合に、特にシー
ル面が摩耗するのでシールが不完全になりやすいという
課題を有する。

【０００６】なお、前記米国特許第５０９２６１２号明
細書に示すように、回転シールリングの外径側に動圧発
生溝を設けた上に、内径側にも動圧発生溝を具備させた
非接触型メカニカルシール自体は知られている。しかし
ながら、複数のメカニカルシールをパージ領域を介しシ
ステムとして組み合わせた構成において、回転シールリ
ングの内径側のみに動圧発生溝が形成してあるメカニカ
ルシールを、被密封流体領域とパージガス領域との間の
シール構造として用いることは、本発明者等により初め
て提案されたものである。

【０００７】また、前記米国特許第５４２１５９３号明
細書では、被密封流体領域とパージガス領域との間のシ
ール構造として接触型メカニカルシールを用い、しか
も、パージガス領域の圧力を、被密封流体領域の圧力よ
りも低圧にしたシール構造を提案している。しかしなが
ら、被密封流体領域とパージガス領域との間のシール構
造として接触型メカニカルシールを用いる場合には、シ
ール面に偏摩耗を惹起し、耐久性に劣る。特に、被密封
流体として、スラリー液などを用いた場合には、特にシ
ール面での摩耗が問題になり、被密封流体が低圧なパー
ジガス領域まで漏れ、結果として、ケーシング外部に漏
れるおそれがある。また、被密封流体が腐食性液体であ
る場合には、パージガス領域に配置されるシール構成部
品を腐食させ、シール装置の耐久性を著しく低下させる
おそれがある。

【０００８】この明細書に記載のシール構造において、
接触型メカニカルシールを、従来の非接触型メカニカル
シールに置き換えたのみでは、変動する被密封流体の圧
力が背圧として直接シールリングに作用する。また、シ
ールリングの外径側に形成してある動圧発生溝内に被密
封流体が入り込み、それが低圧のパージ領域へ流入する
おそれを誘発する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
実状に鑑みてなされ、シール面での摩耗が少なく、耐久
性に優れ、且つ、被密封流体がパージ領域に入り込みに
くく、シール性に優れた軸封装置を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る軸封装置は、中空部を持つケーシング
と、前記ケーシングの中空部を被密封流体領域から外部
領域にまで届く回転自在なシャフトと、前記被密封流体
領域と前記外部領域との間に位置するパージ領域と、前
記被密封流体領域とを仕切ると共に、前記ケーシングと
前記シャフトとの間に具備される非接触型の第１メカニ
カルシールと、前記パージ領域と前記外部領域とを仕切
ると共に、前記ケーシングと前記シャフトとの間に具備
される第２メカニカルシールと、を有し、前記第１メカ
ニカルシールは、前記シャフトと共に回転する第１回転
シール面を持つ第１回転シールリングと、前記第１回転
シール面に対して軸方向に押し付けられて摺動可能な第
１非回転シール面を持ち前記ケーシングに保持された第
１非回転シールリングとを有し、前記第１回転シール面
または前記第１非回転シール面には、前記パージ領域と
連通している、シール面の内周縁から外方に向けて第１
動圧発生溝が形成され、且つ、前記パージ領域内には、
前記被密封流体の圧力よりも高圧のパージ流体が注入さ
れることを特徴とする。

【００１１】本発明に係る軸封装置では、被密封流体の
圧力よりも高圧のパージ流体と、シール面の内周縁のみ
に開口する第１動圧発生溝が形成してある第１メカニカ
ルシールとの協働作用により、被密封流体がパージ領域
に侵入することを有効に防止できる。すなわち、第１メ
カニカルシールを構成する第１回転シールリングと第１
非回転シールリングとの間には、第１動圧発生溝の作用
により、摺動面隙間が形成される。第１動圧発生溝は、
シール面の内周縁のみに開口しているために、その第１
動圧発生溝には、パージ領域中のパージ流体が遠心力に
より引き込まれる。そのため、摺動面隙間には、パージ
流体によるバリア層が形成され、被密封流体が第１メカ
ニカルシールの外径側からパージ領域へと侵入すること
を有効に防止することができる。

【００１２】また、本発明では、第１メカニカルシール
が、非接触型シール構造であるために、シールリングの
摩耗が少なく、耐久性に優れている。また、被密封流体
領域側へパージ流体が吹き出す作用などにより、被密封
流体がスラリー液などであっても、有効にシールするこ
とができる。

【００１３】好ましくは、前記第１非回転シール面と反
対側に位置する前記第１非回転シールリングの背面に
は、前記パージ領域内のパージ流体の圧力が背圧として
作用すると共に、前記第１非回転シールリングの内周面
側の内径中空部を介して前記パージ領域と前記第１動圧
発生溝とを連通させている。第１非回転シールリングの
背面にパージ流体の背圧が作用することで、第１非回転
シールリングの第１非回転シール面は、第１回転シール
リングの第１回転シール面に対して軸方向に押し付けら
れる。その結果、シャフトが回転しない状態でも、両シ
ール面間のシール特性が向上する。また、第１非回転シ
ールリングの内周面にパージ流体が作用するので、第１
動圧発生溝内にパージ流体が導入されやすい構成にでき
る。

【００１４】好ましくは、前記第１回転シールリングと
前記第１非回転シールリングとは、カーボンよりも硬度
が高い硬質材で構成してある。硬質材としては、特に限
定されないが、ＳｉＣ、超硬合金（たとえばタングステ
ンカーバイト）、セラミックコーティング材などが例示
される。第１非回転シールリングを硬質材で構成するこ
とにより、第１非回転シールリングの機械的強度が向上
し、その内周側からパージ流体が作用してもシール面に
変形が惹起しない。また、第１回転シールリングと第１
非回転シールリングとを、硬質材で構成することによ
り、シールリングの変形を防止することができると共
に、シールリングの摩耗をさらに低減することができ、
耐久性を向上させることができる。特に、被密封流体が
スラリー流体であったとしても、シールリングの摩耗を
さらに低減することができる。

【００１５】好ましくは、前記各第１動圧発生溝は、シ
ール面側から見てＬ字形状を持ち、前記パージ領域に直
接に連通する第１放射状部分と、前記第１放射状部分の
外径部分に連通して円周方向に延在する第１円周状部分
とを有し、相互に隣接する前記第１動圧発生溝が、線対
称に配列してある。

【００１６】相互に隣接する前記第１動圧発生溝を、線
対称に配列させることで、シャフトの回転方向が反対方
向になったとしても、線対称に配列された何れかの第１
動圧発生溝が機能し、シール面相互の間に良好なシール
用摺動隙間を形成する。なお、第１動圧溝は、Ｌ字形状
に限らず、Ｔ字形状、あるいはスパイラル形状でも良
い。

【００１７】好ましくは、前記第２メカニカルシール
が、前記シャフトと共に回転する第２回転シール面を持
つ第２回転シールリングと、前記第２回転シール面に対
して軸方向に押し付けられて摺動可能な第２非回転シー
ル面を持ち前記ケーシングに保持された第２非回転シー
ルリングとを有し、前記第２回転シール面または前記第
２非回転シール面には、第２動圧発生溝が形成してあ
る。

【００１８】パージ領域の圧力は、外部領域の圧力より
も高いので、パージ領域内のパージ流体は第２動圧発生
溝内に入り込み、シャフトの回転と共に、シール面相互
間に、摺動隙間を形成し、パージ流体から成るバリア層
を形成する。そのバリア層により、パージ領域と外部領
域との密封を行うことができる。

【００１９】好ましくは、前記第２非回転シール面と反
対側に位置する前記第２非回転シールリングの背面に
は、前記パージ領域内のパージ流体の圧力が背圧として
作用するように、前記第２非回転シールリングが構成さ
れている。

【００２０】第２非回転シールリングの背面にパージ流
体の背圧が作用することで、第２非回転シールリングの
第２非回転シール面は、第２回転シールリングの第２回
転シール面に対して軸方向に押し付けられる。その結
果、シャフトが回転しない状態でも、両シール面間のシ
ール特性が向上する。

【００２１】好ましくは、前記第２回転シールリングお
よび第２非回転シールリングのいずれか一方が、カーボ
ンを主材とする材料で構成してある。相互に摺動する何
れかの部材を、摺動性に優れたカーボン製にすることに
より、シール特性が、さらに向上する。

【００２２】好ましくは、前記各第２動圧発生溝が、Ｌ
字形状を持ち、前記パージ領域に直接に連通する第２放
射状部分と、前記第２放射状部分の内径部分に連通して
円周方向に延在する第２円周状部分とを有し、相互に隣
接する前記第２動圧発生溝が、線対称に配列してある。

【００２３】相互に隣接する前記第２動圧発生溝を、線
対称に配列させることで、シャフトの回転方向が反対方
向になったとしても、線対称に配列された何れかの第２
動圧発生溝が機能し、シール面相互の間に良好なシール
用摺動隙間を形成する。なお、第２動圧溝は、Ｌ字形状
に限らず、Ｔ字形状、あるいはスパイラル形状でも良
い。また、第２動圧発生溝は、シール面の外周縁から内
方に向けて形成しても良く、シール面の内周縁から外方
に向けて形成しても良い。シール面の内周縁から外方に
向けて形成する場合には、パージ領域内の圧力を長期に
わたり保持することができる。

【００２４】被密封流体が液体の場合には、前記第２動
圧発生溝の最大深さよりも、前記第１動圧発生溝の最大
深さが大きくすると良い。これらの溝の深さは、共に深
さの単位としてμｍを使用して表される範囲内である。
被密封流体が液体であり、パージ流体を窒素ガスなどの
不活性ガスとする場合においては、第１メカニカルシー
ルでは、液体と気体とのシールとなり、第２メカニカル
シールでは、気体と気体とのシールとなる。このような
場合において、第２動圧発生溝の最大深さよりも、第１
動圧発生溝の最大深さを大きくすることで、第１メカニ
カルシールにおける気体と液体とのシール特性を向上さ
せることができる。

【００２５】本発明では、前記被密封流体としては、特
に限定されず、スラリーを含む液体、または高粘度液体
であっても良い。具体的には、被密封流体としては、メ
ッキ液、クリーニング用塩素液などの腐食性液体でも良
く、さらには、ホットモノマーなどでも良い。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面に示す実施
態様に基づき説明する。ここにおいて、図１は本発明の
好ましい実施態様に係る軸封装置の半断面図、図２は図
１に示す第１回転シールリングに形成する複数の第１動
圧発生溝の平面図、図３は図１に示す第２回転シールリ
ングに形成する複数の第２動圧発生溝の部分平面図、図
４は図２のIV−IV線に沿う部分断面図である。

【００２７】図１に示すように、この実施態様に係る軸
封装置２は、たとえばポンプなどの流体機械の回転可能
なシャフト４とケーシング６との間の隙間を密封するた
めの装置である。シャフト４は、ケーシング６の内部を
被密封流体領域Ａ１から外部領域Ａ３にまで貫通してい
る。ケーシング６内の被密封流体領域Ａ１には、たとえ
ばスラリー液などが収容してある。外部領域Ａ３は、本
実施態様では、大気領域である。

【００２８】軸封装置２は、シャフト４に沿って被密封
流体領域Ａ１と外部領域Ａ３との間に、パージ領域Ａ２
を形成するように配置された非接触型の第１メカニカル
シール２ａおよび第２メカニカルシール２ｂを有する。
第１メカニカルシール２ａが、被密封流体領域Ａ１側に
配置してあり、第２メカニカルシール２ｂが、外部領域
Ａ３側に配置してある。

【００２９】シャフト４の外周には、第１スリーブ８が
嵌合して固着してあり、スリーブ８は、シャフト４と共
に、その軸芯回りに回転可能になっている。スリーブ８
における軸方向の被密封流体領域Ａ１側には、フランジ
１０が一体形成してある。フランジ１０の内周面には、
Ｏリング溝が形成してあり、そこにＯリング１２が収容
してある。そして、被密封流体領域Ａ１内の液体がスリ
ーブ８とシャフト４との間の隙間に流入することを防止
している。Ｏリング１２の材質は、被密封流体領域Ａ１
内の液体の種類などに応じて選択され、たとえば合成ゴ
ムなどで形成される。

【００３０】フランジ１０の外周には、ラビリンスシー
ルリング１６が装着してある。ラビリンスシールリング
１６は、その外周面の軸方向へ沿って複数の凸部および
溝が交互に形成してある。そして、それらの凸部が、ケ
ーシング６の内周面に固定してある第１シールハウジン
グ４０の内周面に近接し、それらの隙間からスラリーが
侵入することを防止している。ラビリンスシールリング
１６は、たとえばＰＴＦＥなどのフッ素樹脂で構成され
る。なお、本発明の他の実施形態では、このラビリンス
シール１６を使用しないものもある。

【００３１】フランジ１０の被密封流体領域Ａ１と反対
の面には、Ｏリング溝が形成してあり、そこにＯリング
１４が装着してある。Ｏリング１４は、第１メカニカル
シール２ａを構成する第１回転シールリング２０の裏側
端面に圧接し、第１回転シールリング２０とフランジ１
０との間をシールしている。Ｏリング１４は、たとえば
Ｏリング１２と同様な材質で構成してある。

【００３２】第１回転シールリング２０の内周面にはキ
ー溝が形成してあり、そのキー溝に対して、スリーブ８
に固着してあるキー１８が係止する。そのため、第１回
転シールリング２０は、スリーブ８に対して固着され
て、シャフト４と共に回転可能になっている。第１回転
シールリングの表側端面には、第１動圧発生溝２２が形
成してある。第１動圧発生溝２２の詳細は、図２に基づ
き、後で詳細に説明する。第１回転シールリング２０
は、ＳｉＣ、超硬合金またはセラミックコーティング材
などの硬質材料で構成される。

【００３３】第１スリーブ８の軸方向中央部の外周に
は、第２スリーブ２４が嵌合して固着してある。第２ス
リーブ２４は、第１スリーブ８に装着してあるキー１８
に係止し、両者は、シャフト４と共に、一緒に回転する
ようになっている。第２スリーブ２４における外部領域
Ａ３側の軸方向端部には、フランジ２６が一体成形して
ある。フランジ２６の端面にはＯリング溝が形成してあ
り、そこにＯリング２８が装着してある。Ｏリング２８
は、第２メカニカルシール２ｂを構成する第２回転シー
ルリング３０の裏面に圧接し、それらの隙間をシールし
ている。

【００３４】Ｏリング２８は、Ｏリング１２と同様な材
質で構成されている。Ｏリング２８は、パージ領域Ａ２
内に配置され、通常状態では、被密封流体領域Ａ１の液
体には接触しないので、Ｏリング１２およびＯリング１
４よりは安価な材質にすることもできる。

【００３５】第２回転シールリング３０の内周面にはキ
ー溝が形成してあり、そのキー溝に対して、スリーブ８
に固着してあるキー３４が係止する。そのため、第２回
転シールリング３０は、スリーブ８に固着されて、シャ
フト４と共に回転可能になっている。第２回転シールリ
ング３０の表面側端面には、第２動圧発生溝３２が形成
してある。第２動圧発生溝３２の詳細は、図３に基づ
き、後で詳細に説明する。第２回転シールリング３０
は、ＳｉＣ、超硬合金、セラミックコーティング材など
の硬質材料で構成される。

【００３６】第１スリーブ８における外部領域Ａ３側の
外周には、スリーブカラー３６が、セットスクリュー３
８により固定されて、シャフト４と共に回転可能になっ
ている。スリーブカラー３６における外部領域Ａ３側の
軸方向端には、固着用フランジ３７が一体成形してあ
る。

【００３７】ケーシング６の外部領域側の端部には、第
１シールハウジング４０と第２シールハウジング４２と
が、ボルト４６により着脱自在に固定してある。第１シ
ールハウジング４０は、第２シールハウジング４２とケ
ーシング６との間に挟み込まれて固定される。第２シー
ルハウジング４２には、パージガス（パージ流体）を供
給するための接続口４４が形成され、そこから、パージ
領域Ａ２内にパージガスを供給可能になっている。パー
ジガスのための接続口４４には、パージガス供給装置４
８が接続される。

【００３８】パージガス供給装置４８は、たとえばパー
ジガス供給源と、粉塵除去用フィルタと、減圧装置と、
圧力計と、流量計と、チェッキバルブなどを含む。この
パージガス供給装置４８は、接続口４４を通して、パー
ジ領域Ａ２内に、被密封流体領域Ａ１の液体圧よりも高
圧のパージガスを流し込むようになっている。なお、パ
ージガスとしては、特に限定されないが、たとえば窒素
ガスなどの不活性ガスが好ましいが、空気でも良い。パ
ージガスの圧力は、パージ領域Ａ２内において、被密封
流体領域Ａ１の液体圧よりも、好ましくは０．２〜０．
３ＭＰａ程度高い。このパージガスの圧力は、被密封流
体の圧力に応じて設定される。

【００３９】また、図示省略してあるが、パージ領域Ａ
２には、必要に応じて、一定圧のパージガスを供給でき
るように、流体供給制御装置が設けられていても良い。

【００４０】第１シールハウジング４０の外周には、２
つのＯリング溝が形成してあり、一方のＯリング溝に装
着してあるＯリング５２は、ケーシング６の端面に押し
付けられて、第１シールハウジング４０とケーシング６
との間の隙間をシールしている。また、他方のＯリング
溝に装着してあるＯリング５４は、第２シールハウジン
グ４２の内周面に押し付けられ、これらの間をシールし
ている。

【００４１】第１シールハウジング４０の内周面には、
第２スリーブ２４のフランジ部２６の近くにおいて、第
２スリーブ２４とは直接に接触しないように、リング状
のリテーナ５６が止めリングにより着脱自在に固定して
ある。リテーナ５６の軸方向凹部には、圧縮スプリング
の基端が保持してある。圧縮スプリング５８の先端は、
リング状の押圧プレート５９に対して接触し、この押圧
プレート５９を、リテーナ５６から離れる軸方向に押圧
している。

【００４２】押圧プレート５９は、スプリング５８の押
圧力により、第１メカニカルシール２ａを構成する第１
非回転シールリング６０を、第１回転シールリング２０
の第１回転シール面２０ａに対して押し付けるようにな
っている。第１非回転シールリング６０は、第１シール
ハウジング４０の内周側中空部内に配置され、ノックピ
ン５０により、第１シールハウジング４０に対して相対
回転不能に止められている。この第１非回転シールリン
グ６０は、その外周に形成してある長孔の軸方向長さの
分だけ、ケーシング６に対して、軸方向移動自在に連結
されている。第１シールハウジング４０と第１非回転シ
ールリング６０との間には、Ｏリング６４が装着してあ
り、これらの隙間をシールするようになっている。Ｏリ
ング６４の材質は、たとえばＯリング１２と同様な材質
で構成してある。第１非回転シールリング６０の材質
は、カーボン材にする場合もあるが、本実施態様では、
第１回転シールリング２０と同様なＳｉＣ、超硬合金、
セラミックコーティング材などの硬質材で構成してあ
る。なお、第１回転シールリング２０の第１回転シール
面２０ａは、シャフト４の軸芯に対して略垂直になって
いるが、必要に応じて傾斜面にしても良い。本実施形態
では、第１非回転シールリング６０の第１非回転シール
面６０ａと反対側の背面には、Ｏリング６４が配置さ
れ、そのシールリング６０の背面とＯリング６４とに
は、バッファガスのガス圧力が作用し、そのシールリン
グ６０を、第１回転シールリング２０のシール面２０ａ
に押し付けている。

【００４３】第２シールハウジング４２の内周部には、
リテーナ６６が一体に形成してある。リテーナ６６に
は、圧縮スプリング６８が着座してある。圧縮スプリン
グ６８の先端は、押圧リング６９に対して圧接し、この
押圧リング６９を、第１非回転シールリング３０に向け
て軸方向に押圧している。

【００４４】押圧リング６９は、スプリング６８のスプ
リング力により、第２メカニカルシール２ｂを構成する
第２非回転シールリング７０を、第２回転シールリング
３０の第１回転シール面３０ａに対して押し付けるよう
になっている。第２非回転シールリング７０は、第２シ
ールハウジング４２の内周側中空部内に配置されてお
り、図示省略してあるノックピンなどにより、第２シー
ルハウジング４２に対して回転不能に、しかも軸方向に
は移動自在に保持している。押圧リング６９、第２非回
転シールリング７０およびリテーナ６６の間には、Ｏリ
ング７２が装着してあり、これらの隙間をシールするよ
うになっている。Ｏリング７２の材質は、たとえばＯリ
ング２８と同様な材質で構成してある。第２非回転シー
ルリング７０の材質は、本実施態様では、たとえば潤滑
性に優れたカーボンで構成してある。

【００４５】本実施形態では、第２非回転シールリング
７０における第２非回転シール面７０ａと反対側の背面
にはＯリング７２が配置され、そのシールリング７０の
背面とＯリング７２には、パージガスの圧力が背圧とし
て作用し、第２非回転シールリング７０を第２回転シー
ルリング３０のシール面３０ａに押し付けている。

【００４６】本実施態様では、図１に示すように、第１
メカニカルシール２ａおよび第２メカニカルシール２ｂ
において、第１および第２回転シールリング２０および
３０に対して、第１および第２非回転シールリング６０
および７０が、同じ方向（外部領域Ａ３から被密封流体
領域Ａ１の方向）に押し付けられている。このような構
成をタンデムシール構造と称する。第１メカニカルシー
ル２ａでは、その外周側の一部が、被密封流体領域Ａ１
となり、その内周側が、パージ領域Ａ２の一部である内
径側中空部Ａ２Ｉとなる。また、第２メカニカルシール
２ｂでは、その外周側および背面側が、パージ領域Ａ２
の一部である外径側中空部Ａ２Ｏとなり、その内周側
が、外部領域Ａ３の一部となる。

【００４７】図２に示すように、第１回転シールリング
２０のシール面２０ａには、複数の第１動圧発生溝２２
が円周方向に形成してある。各第１動圧発生溝２２は、
平面側から見てＬ字形状を持ち、図１に示すパージ領域
Ａ２の一部である内径側中空部Ａ２Ｉに直接に連通する
第１放射状部分２２ａと、第１放射状部分２２ａの外径
部分に連通して円周方向に延在する第１円周状部分２２
ｂとを具備する。しかも、相互に隣接する一対の第１動
圧発生溝２２は、線対称に配列してある。本実施態様で
は、相互に対称に配置された６対の第１動圧発生溝２２
が、リング２０の円周方向に沿って略等間隔に配置して
ある。

【００４８】図４に示すように、各第１動圧発生溝２２
の溝深さＴ１は、リング２０の円周方向に沿って均一な
深さではなく、第１放射状部分２２ａと交差する位置に
おいて最大限に深く形成してあり、その周方向に沿って
反対側端部において最も浅くなるようにしてある。この
ように不均一な溝深さとすることにより、回転シールリ
ング２０が非回転シールリング６０に対して相対回転す
る際に、溝深さが浅い部分において圧力が上昇する。そ
の結果、回転シールリング２０のシール面２０ａと非回
転シールリング６０のシール面６０ａとの間に隙間Ｃ１
が形成される。第１動圧発生溝２２は、パージ領域Ａ２
の内径側中空部Ａ２Ｉに連通してあるため、パージ領域
Ａ２内のパージガスは、第１動圧発生溝２２内に引き込
まれ、隙間Ｃ１は、パージ流体によるバリア層となる。

【００４９】このバリア層により、被密封流体領域Ａ１
内のスラリー液または高粘度液体などがパージ領域Ａ２
内に侵入することを効果的に阻止することができる。こ
れは、次の点に基づくものと考えられる。第１には、第
１動圧発生溝２２がパージ領域Ａ２の内径側中空部Ａ２
Ｉに連通し、パージ領域Ａ２のガス圧が、被密封流体領
域Ａ１の液体圧よりも高いためである。また、第２に
は、第１メカニカルシール２ａの外周側に被密封流体領
域Ａ１が位置し、遠心力に基づき、シール面内に被密封
流体が入り込み難いためである。なお、回転方向Ｒ１が
逆の場合には、図２に示す対称に配置された動圧発生溝
２２の内の別の動圧発生溝２２が同様な作用を奏する。

【００５０】図３に示すように、第２回転シールリング
３０の第２シール面３０ａには、複数の第２動圧発生溝
３２が円周方向に形成してある。各第２動圧発生溝３２
は、平面側から見てＬ字形状を持ち、図１に示すパージ
空間Ａ２の外径側中空部Ａ２Ｏに直接に連通する第２放
射状部分３２ａと、第２放射状部分３２ａの外径部分に
連通して円周方向に延在する第２円周状部分３２ｂとを
有する。しかも、相互に隣接する一対の第２動圧発生溝
３２は、線対称に配列してある。本実施態様では、相互
に対称に配置された６対の第２動圧発生溝３２が、リン
グ３０の円周方向に沿って略等間隔に配置してある。

【００５１】各第２動圧発生溝３２の構成は、次の点を
除き、第１動圧発生溝２２の構成と同様である。第１の
相違点は、第１動圧発生溝２２の第１放射状部分２２ａ
が内径側中空部に連通しているのに対して、第２動圧発
生溝３２の第２放射状部分３２ａが外径側中空部に連通
している点である。第２の相違点は、第２動圧発生溝３
２の最大深さよりも、第１動圧発生溝２２の最大深さが
大きいことである。第２動圧発生溝３２の最大深さより
も、第１動圧発生溝２２の最大深さを大きくした理由
は、液体−気体兼用を考慮した設計からである。ただ
し、本発明では、第２動圧発生溝３２の最大深さは、第
１動圧発生溝２２の最大深さと同じにしても良く、これ
は、作動流体に対する設計に応じて種々に決定される。

【００５２】第２メカニカルシール２ｂを構成する第２
回転シールリング３０が第２非回転シールリング７０に
対して回転することで、それらの間のシール面３０ａに
は、第１メカニカルシール２ａと同様なバリア層が形成
され、効果的にシールされる。

【００５３】本実施態様に係る軸封装置２では、被密封
流体の圧力よりも高圧のパージ流体と、内径側中空部Ａ
２Ｉのみに連通する複数の第１動圧発生溝２２が形成し
てある第１メカニカルシール２ａとの協働作用により、
被密封流体がパージ領域Ａ２に侵入することを有効に防
止できる。すなわち、第１メカニカルシール２ａを構成
する第１回転シールリング２０と第１非回転シールリン
グ６０との間には、第１動圧発生溝２２の作用により、
摺動面隙間Ｃ１が形成される。第１動圧発生溝２２は、
内径側中空部Ａ２Ｉのみに連通しているために、その第
１動圧発生溝２２には、パージ領域Ａ２中のパージ流体
が遠心力により引き込まれる。そのため、摺動面隙間Ｃ
１には、パージ流体によるバリア層が形成され、被密封
流体が第１メカニカルシール２ａの外径側からパージ領
域へと侵入することを有効に防止することができる。

【００５４】また、本実施態様では、第１および第２メ
カニカルシール２ａおよび２ｂが、共に非接触型シール
構造であるために、シールリングの摩耗が少なく、耐久
性に優れている。また、第１メカニカルシール２ａは、
耐摩耗性に優れていることから、被密封流体がスラリー
液などであっても、有効にシールすることができる。

【００５５】さらに、本実施態様では、第１非回転シー
ルリング６０を硬質材で構成することにより、第１非回
転シールリング６０の機械的強度が向上し、その内周側
からパージ流体の背圧を作用させる構成が可能になる。

【００５６】さらにまた、本実施態様では、相互に隣接
する第１動圧発生溝２２を、線対称に配列させること
で、シャフト４の回転方向が反対方向になったとして
も、線対称に配列された何れかの第１動圧発生溝２２が
機能し、シール面２０ａおよび６０ａ相互の間に良好な
シール用摺動隙間Ｃ１を形成する。なお、この点は、第
２動圧発生溝３２に関しても同様である。ただし、第２
メカニカルシール２ｂは、接触型シールで構成しても良
い。これは、第２メカニカルシール２ｂの第２非回転シ
ールリング７０が、パージ流体の圧力を背面に受けて、
シール面７０ａに対向するシール面３０ａを良好に圧接
し、シール性が良好に保たれるからである。

【００５７】また、本実施態様では、第２メカニカルシ
ール２ｂも、第１メカニカルシール２ａと同様な非接触
型シール構造であり、その第２動圧発生溝３２が、パー
ジ領域Ａ２の一部である外径側中空部Ａ２Ｏのみに連通
する。また、パージ領域Ａ２の圧力は、外部領域Ａ３の
圧力よりも高いので、パージ領域Ａ２内のパージ流体
は、外径側中空部Ａ２Ｏから第２動圧発生溝Ａ３内に入
り込み、シャフト４の回転と共に、シール面相互間に、
動圧により摺動隙間Ｃ１を形成し、パージ流体から成る
バリア層を形成する。そのバリア層により、パージ領域
Ａ２と外部領域Ａ３との密封を行うことができる。

【００５８】なお、一般に、外部領域Ａ３の圧力は、被
密封流体領域Ａ１の圧力よりも低い。また、前述したよ
うに、パージ領域Ａ２の圧力は、被密封流体領域Ａ１の
圧力よりも高く設定してある。したがって、パージ領域
Ａ２と外部領域Ａ３との間の差圧は、パージ領域Ａ２と
被密封流体領域Ａ１との間の差圧よりも大きい。本実施
形態では、パージ領域Ａ２と被密封流体領域Ａ１との間
に配置される第２メカニカルシール２ｂにおける第２動
圧発生溝３２を外径側に形成することで、これらの領域
間のシール性を向上させることができる。

【００５９】また本実施態様では、第２非回転シールリ
ング７０が、摺動性に優れたカーボン製であるため、シ
ール特性が、さらに向上する。

【００６０】また本実施態様では、被密封流体が液体の
場合において、第２動圧発生溝３２の最大深さよりも、
第１動圧発生溝２２の最大深さが大きくしてある。この
ため、第１メカニカルシール２ａにおけるシール面２０
ａでの動圧を高めることができ、気体と液体とのシール
特性を向上させることができる。

【００６１】なお、本発明は、上述した実施態様に限定
されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変する
ことができる。

【００６２】たとえば、上述した実施態様では、回転シ
ールリング２０および３０のシール面２０ａおよび２０
ｂに、それぞれ動圧発生溝２２および３２を形成してあ
るが、非回転シールリング６０および７０のシール面６
０ａおよび７０ａに、それぞれ動圧発生溝２２および３
２を形成しても良い。

【００６３】また、本発明では、動圧発生溝２２および
３２の形状は、Ｌ字形状に限らず、Ｔ字形状、あるいは
スパイラル形状でも良い。さらに、上述した実施態様で
は、第２メカニカルシール２ｂにおける第２動圧発生溝
３２を外径側中空部Ａ２Ｏに連通させているが、第２動
圧発生溝３２も、第１動圧発生溝２２と同様に、内径側
中空部に連通させても良い。このような構成を採用する
ことによって、シール特性を高めることができると共
に、パージ領域の圧力低下を有効に防止することができ
る。さらにまた、本発明では、被密封流体の特性に応じ
て、第１動圧発生溝２２の溝深さと第２動圧発生溝３２
の溝深さとを略同一にしても良い。

【００６４】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、被密封流体の圧力よりも高圧のパージ流体と、シー
ル面の内周縁のみに開口する第１動圧発生溝が形成して
ある第１メカニカルシールとの協働作用により、被密封
流体がパージ領域に侵入することを有効に防止できる。
すなわち、第１メカニカルシールを構成する第１回転シ
ールリングと第１非回転シールリングとの間には、第１
動圧発生溝の作用により、摺動面隙間が形成される。第
１動圧発生溝は、シール面の内周縁のみに開口している
ために、その第１動圧発生溝には、パージ領域中のパー
ジ流体が遠心力により引き込まれる。そのため、摺動面
隙間には、パージ流体によるバリア層が形成され、被密
封流体が第１メカニカルシールの外径側からパージ領域
へと侵入することを有効に防止することができる。ま
た、本発明では、第１メカニカルシールが、非接触型シ
ール構造であるために、シールリングの摩耗が少なく、
耐久性に優れている。また、被密封流体領域側へパージ
流体が吹き出す作用などにより、被密封流体がスラリー
液などであっても、有効にシールすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本発明の好ましい実施態様に係る軸封
装置の半断面図である。

【図２】 図２は図１に示す第１回転シールリングに形
成する複数の第１動圧発生溝の平面図である。

【図３】 図３は図１に示す第２回転シールリングに形
成する複数の第２動圧発生溝の部分平面図である。

【図４】 図４は図２のIV−IV線に沿う部分断面図であ
る。

【符号の説明】

２… 軸封装置 ２ａ… 第１メカニカルシール ２ｂ… 第２メカニカルシール ４… シャフト４ ６… ケーシング ２０… 第１回転シールリング ２０ａ… シール面 ２２… 第１動圧発生溝 ２２ａ… 第１放射状部分 ２２ｂ… 第１円周状部分 ３０… 第２回転シールリング ３０ａ… シール面 ３２… 第２動圧発生溝 ３２ａ… 第２放射状部分 ３２ｂ… 第２円周状部分 ４４… 接続口 ４８… パージガス供給装置 ６０… 第１非回転シールリング ７０… 第２非回転シールリング Ａ１… 被密封流体領域 Ａ２… パージ領域 Ａ２Ｏ… 外径側中空部 Ａ２Ｉ… 内径側中空部 Ａ３… 外部領域

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空部を持つケーシングと、 前記ケーシングの中空部を被密封流体領域から外部領域
   にまで届く回転自在なシャフトと、 前記被密封流体領域と前記外部領域との間に位置するパ
   ージ領域と、前記被密封流体領域とを仕切ると共に、前
   記ケーシングと前記シャフトとの間に具備される非接触
   型の第１メカニカルシールと、 前記パージ領域と前記外部領域とを仕切ると共に、前記
   ケーシングと前記シャフトとの間に具備される第２メカ
   ニカルシールと、を有し、 前記第１メカニカルシールは、前記シャフトと共に回転
   する第１回転シール面を持つ第１回転シールリングと、
   前記第１回転シール面に対して軸方向に押し付けられて
   摺動可能な第１非回転シール面を持ち前記ケーシングに
   保持された第１非回転シールリングとを有し、 前記第１回転シール面または前記第１非回転シール面に
   は、前記パージ領域と連通している、シール面の内周縁
   から外方に向けて第１動圧発生溝が形成され、且つ、 前記パージ領域内には、前記被密封流体の圧力よりも高
   圧のパージ流体が注入されることを特徴とする軸封装
   置。
2. 【請求項２】 前記第１非回転シール面と反対側に位置
   する前記第１非回転シールリングの背面には、前記パー
   ジ領域内のパージ流体の圧力が背圧として作用すると共
   に、前記第１非回転シールリングの内周面側の内径中空
   部を介して前記パージ領域と前記第１動圧発生溝とを連
   通させていることを特徴とする請求項１に記載の軸封装
   置。
3. 【請求項３】 前記第１回転シールリングと前記第１非
   回転シールリングとは、カーボンよりも硬度が高い硬質
   材で構成してある請求項２に記載の軸封装置。
4. 【請求項４】 前記各第１動圧発生溝は、シール面側か
   ら見てＬ字形状を持ち、前記パージ領域に直接に連通す
   る第１放射状部分と、前記第１放射状部分の外径部分に
   連通して円周方向に延在する第１円周状部分とを有し、 相互に隣接する前記第１動圧発生溝が、線対称に配列し
   てあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
   の軸封装置。
5. 【請求項５】 前記第２メカニカルシールは、前記シャ
   フトと共に回転する第２回転シール面を持つ第２回転シ
   ールリングと、前記第２回転シール面に対して軸方向に
   押し付けられて摺動可能な第２非回転シール面を持ち前
   記ケーシングに保持された第２非回転シールリングとを
   有し、前記第２回転シール面または前記第２非回転シー
   ル面には、第２動圧発生溝が形成してあることを特徴と
   する請求項１〜４のいずれかに記載の軸封装置。
6. 【請求項６】 前記第２非回転シール面と反対側に位置
   する前記第２非回転シールリングの背面には、前記パー
   ジ領域内のパージ流体の圧力が背圧として作用するよう
   に、前記第２非回転シールリングが構成されていること
   を特徴とする請求項５に記載の軸封装置。
7. 【請求項７】 前記第２動圧発生溝は、シール面の内周
   縁から外方に向けて形成してあることを特徴とする請求
   項５または６に記載の軸封装置。
8. 【請求項８】 前記第２動圧発生溝の深さよりも、前記
   第１動圧発生溝の深さが大きいことを特徴とする請求項
   ５〜７のいずれかに記載の軸封装置。
9. 【請求項９】 前記被密封流体が、不純物を含む高粘度
   液体であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに
   記載の軸封装置。
10. 【請求項１０】 前記パージ流体が不活性ガスである請
    求項１〜９のいずれかに記載の軸封装置。