JP2013190059A - シール構造及び回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体と、回転体の径方向に対向して配された静止体との間に設けられ、回転体の軸方向一方側の高温流体と他方側の低温流体との間を封止するシール構造において、温度揺らぎ現象の発生を防いで、シール構造の信頼性向上を図れるようにする。
【解決手段】回転体２０の軸方向一方側と他方側との間において回転体２０の周面に対向するように静止体１０に設けられ、凹部と凸部１２Ａとが軸方向に交互に形成されたラビリンス部１２と、ラビリンス部１２の背部に設けられ、軸方向一方側に連通して高温流体が導入され、ラビリンス部１２と回転体２０との間の第一隙間３１に流通する流体と熱交換を行う第一の熱交換流路１５Ａと、を備えるシール構造を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、シール構造及びこれを備える回転機械に関する。

周知のように、各種プラントには、高温流体を圧送するための回転機械が用いられている。例えば、原子力プラントにおいては、原子炉で発生した熱エネルギーを蒸気発生器へと導くために、高温水である一次冷却材（高温流体）を強制循環させる一次冷却材ポンプ（例えばＲＣＰ、ＰＬＲポンプ等）が設けられている（例えば特許文献１参照）。このような回転機械では、ケーシング内に羽根車が設けられており、該羽根車の回転により、吸引口からケーシング内に吸引された高温流体を昇圧して吐出口から吐出するように構成されている。

また、特許文献１記載の回転機械には、高温流体が羽根車を取り付けた主軸の周面とケーシングとの間隙からケーシング外に漏れ出さないように、シール構造が設けられている。このシール構造は、主軸の周面に狭い隙間を介して対向するケーシングの部分に、凹部と凸部とを軸方向に交互に配列したラビリンス部を形成して構成されている。このラビリンス部の凹凸形状によって、ラビリンス部の近傍を流れる高温流体に圧力損失を生じさせることで、高温流体の漏れを減少させている。
さらに、このシール構造では、高温流体をラビリンス部よりも主軸の軸方向の一方側に保持・封止すると共に、主軸やラビリンス部を冷却するために、低温流体（低温水）を軸方向の他方側から主軸とラビリンス部との間隙に流入させている。

特開２００４−１２４８０３号公報

このように構成されるシール構造では、主軸とラビリンス部との間隙において、軸方向一方側から流入する高温流体と、軸方向他方側から流入する低温流体とが衝突して熱境界層が形成される。この熱境界層においては、主軸とラビリンス部との間隙に流通する流体の軸方向の温度勾配が急峻となる。
そして、このような熱境界層が形成されている状態で主軸が回転すると、間隙に流通する流体が軸方向に周期的に流動し、熱境界層が軸方向に周期的に移動する所謂「温度揺らぎ」と呼ばれる現象が発生してしまう。この場合、ラビリンス部や主軸等に熱疲労を与え、回転機械の信頼性が低下する虞がある。
従来では、種々工夫を施して温度揺らぎ発生の抑制を図っているが、回転機械の信頼性向上のために、さらなる工夫が求められている。

本発明は、上述した事情に鑑みたものであって、信頼性の向上をさらに図ることが可能なシール構造及び回転機械を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明のシール構造は、回転体と、当該回転体の径方向に対向して配された静止体との間に設けられ、前記回転体の軸方向一方側の高温流体と、他方側の低温流体との間を封止するためのシール構造であって、前記軸方向一方側と他方側との間において前記回転体の周面に対向するように前記静止体に設けられ、凹部と凸部とが軸方向に交互に形成されたラビリンス部と、前記ラビリンス部の背部に設けられ、軸方向一方側または他方側に連通して高温流体または低温流体が導入され、前記ラビリンス部と前記回転体との間に流通する流体と熱交換を行う第一の熱交換流路と、を備えることを特徴とする。
なお、上記シール構造において、前記ラビリンス部と前記回転体との間（隙間）に流通する流体は、前記軸方向一方側から隙間に流入する高温流体、及び、前記軸方向他方側から隙間に流入する低温流体である。

上記シール構造において、前記第一の熱交換流路が、例えば、前記軸方向一方側から高温流体を導入するように構成されている場合には、前記軸方向他方側から隙間に流入した低温流体が温められるため、前記軸方向一方側から隙間に流入した高温流体との温度差が小さくなる。
一方、前記第一の熱交換流路が、例えば、前記軸方向他方側から低温流体を導入するように構成されている場合には、前記軸方向一方側から隙間に流入した高温流体が冷やされるため、前記軸方向他方側から隙間に流入した低温流体との温度差が小さくなる。

このように隙間に流入した高温流体と低温流体との温度差が小さくなることで、隙間に流通する流体の軸方向の温度勾配が緩やかになる、すなわち、従来のような熱境界層が発生しない。その結果、隙間における流体が回転体の回転などによって軸方向に周期的に流動しても、従来のような温度揺らぎは発生しないため、静止体のラビリンス部や、ラビリンス部に対向する回転体の部分に熱疲労が生じることを防止できる。

そして、前記シール構造においては、前記第一の熱交換流路が、前記ラビリンス部の凸部と対応する位置に設けられたキャビティを有しているとよい。

この構成では、第一の熱交換流路に導入された高温流体あるいは低温流体がキャビティ内に入り込むように流れ、これによって、キャビティ内には渦が発生する。
そして、上記キャビティが形成されている場合には、キャビティが形成されていない場合と比較して、第一の熱交換流路の内面の面積が拡大されるため、第一の熱交換流路に導入された高温流体あるいは低温流体と静止体との間での熱交換が高い効率で行われることになる。

さらに、上記構成では、ラビリンス部の凸部と対応する位置にキャビティが設けられているため、第一の熱交換流路に導入された高温流体あるいは低温流体と、前記軸方向他方側から隙間に流入した低温流体あるいは前記軸方向一方側から隙間に流入した高温流体との熱交換を高い効率で行うことができる。すなわち、隙間に流入した高温流体と低温流体との温度差がさらに小さくすることができ、隙間に流通する流体の軸方向の温度勾配がさらに緩やかになる。したがって、ラビリンス部やこれに対向する回転体の部分に熱疲労が生じることをより確実に防止できる。

さらに、前記シール構造は、前記ラビリンス部の背部に設けられ、前記軸方向一方側または他方側に連通して高温流体または低温流体が導入され、前記軸方向他方側または一方側の低温流体または高温流体と熱交換を行う第二の熱交換流路を備えることが、より好ましい。

上記シール構造において、前記第二の熱交換流路が、例えば、前記軸方向一方側から高温流体を導入するように構成されている場合には、ラビリンス部と回転体との隙間よりも軸方向他方側の低温流体が温められることになる。このため、低温流体は、高温流体との温度差が小さくなった状態で隙間に流入することになる。一方、前記第二の熱交換流路が、例えば、前記軸方向他方側から低温流体を導入するように構成されている場合には、ラビリンス部と回転体との隙間よりも軸方向一方側の高温流体が冷やされることになる。このため、高温流体は、低温流体との温度差が小さくなった状態で隙間に流入することになる。
すなわち、上記シール構造によれば、隙間に流入した高温流体と低温流体との温度差がさらに小さくすることができ、隙間に流通する流体の軸方向の温度勾配がさらに緩やかになる。したがって、ラビリンス部やこれに対向する回転体の部分に熱疲労が生じることをより確実に防止できる。

また、前記シール構造においては、前記第一の熱交換流路の両端が、共に前記軸方向の一方側または他方側に開口し、前記両端の開口が、前記回転体の径方向に間隔をあけて配列されているとよい。

上記構成のシール構造によれば、回転体の回転を利用して、前記第一の熱交換流路に高温流体または低温流体を導入することができる。
具体的に説明すれば、回転体が回転すると、軸方向一方側の高温流体や軸方向他方側の低温流体には周方向の流れが誘起されるが、高温流体や低温流体の周方向の流速は、回転体の周面近傍において大きく、回転体の周面から径方向に離れるにしたがって小さくなっていく。このため、高温流体や低温流体の静圧分布は、回転体の周面から径方向に離れるにしたがって高くなる。

ここで、第一の熱交換流路の両端の開口は、前述したように径方向に間隔をあけて配列されているため、第一の熱交換流路の両端の開口の間には静圧差が生じることになり、この静圧差を利用して第一の熱交換流路に高温流体や低温流体を導入することができる。具体的には、高温流体や低温流体は、回転体の周面から離れて位置する一方の開口から第一の熱交換流路内に導入され、回転体の周面の近くに位置する他方の開口から第一の熱交換流路外に流出することになる。
以上のように、上記構成では、ポンプ等の余分な動力を用いることなく、回転体の回転のみを利用して、第一の熱交換流路に高温流体または低温流体を導入することができるため、シール構造を簡素に構成することが可能となる。

そして、本発明の回転機械は、前記シール構造を備えることを特徴とする。

本発明によれば、静止体に設けられた熱交換流路に高温流体や低温流体が導入されることで、静止体のラビリンス部や、ラビリンス部に対向する回転体の部分に熱疲労が生じることを防止できるため、シール構造や回転機械の信頼性向上を図ることが可能となる。

本発明の第一実施形態に係る一次冷却材ポンプの要部を模式的に示す縦断面図である。 図１に示す一次冷却材ポンプのうち、熱交換流路及びその近傍を示す拡大断面図である。 図１，２に示す一次冷却材ポンプにおいて、第一隙間における軸方向の温度分布を示すグラフである。 本発明の第二実施形態に係る一次冷却材ポンプのうち、熱交換流路及びその近傍を示す拡大断面図である。

〔第一実施形態〕
以下、図１〜３を参照して本発明の第一実施形態について説明する。なお、本実施形態では、本発明の回転機械の一例である一次冷却材ポンプについて説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る一次冷却材ポンプ（回転機械）は、ケーシング１１内に設けられた羽根車（不図示）が回転することにより、例えば３２０℃の一次冷却材（高温流体）を外部からケーシング１１内に吸引し、さらに一次冷却材を昇圧してケーシング１１外に吐出するように構成されている。なお、以下の説明では、一次冷却材のことを高温水と呼ぶ。

この一次冷却材ポンプにおいて、羽根車が取り付けられる主軸２１には、回転円板（裏羽根）２２も取り付けられている。
回転円板２２は、前述の羽根車よりも主軸２１の軸方向上側に配され、主軸２１の軸線Ｌ１を中心とした円板状に形成されている。この回転円板２２はキー２３を介して主軸２１に固定されている。これにより、回転円板２２は主軸２１と一体に回転することになる。本実施形態では、これら主軸２１及び回転円板２２によって回転体２０が構成されている。

なお、キー２３は、平板状に形成されており、キー２３の主面（キー２３の板厚方向に直交する面）が主軸２１の軸方向及び径方向に沿うように、また、主軸２１の周面から径方向外側に突出するように、回転円板２２の軸方向上側に配されている。さらに、キー２３のうち主軸２１の軸方向下側の部分は、キーカバー２４によって覆われている。このキー２３は、例えば、主軸２１の周方向に間隔をあけて複数配列されてもよいし、一つだけ設けられてもよい。
また、図示例の構成では、キー２３よりも軸方向上側に位置する主軸２１の周面に、主軸２１の周面を保護するサーマルスリーブ２５が取り付けられているが、特に取り付けられなくてもよい。

一方、一次冷却材ポンプを構成するケーシング１１は、キー２３よりも主軸２１の軸方向上側に間隔をあけた位置において、径方向内側に突出して、主軸２１の周面に対して径方向に対向するように形成されている。すなわち、ケーシング１１の突出部分の先端と主軸２１の周面との間には、軸方向に延びる第一隙間３１が画成されている。
さらに、ケーシング１１の突出部分は、主軸２１の周方向全体にわたって形成されている。これにより、前述の第一隙間３１は、主軸２１の軸線Ｌ１を中心とした平面視環状を呈している。
また、ケーシング１１の突出部分は、回転円板２２と軸方向に対向するように形成されている。

そして、主軸２１の周面に対向するケーシング１１の突出部分の先端には、凸部１２Ａと凹部とを主軸２１の軸方向に交互に形成したラビリンス部１２が設けられている。ここで、図示例におけるラビリンス部１２の凸部１２Ａ及び凹部は、断面視で鋭角に尖った断面Ｖ字状の山部及び谷部となっているが、任意の断面形状を呈してよく、例えば、断面視矩形状の山部及び谷部となっていてもよい。
なお、前述したサーマルスリーブ２５を主軸２１の周面に設ける場合、サーマルスリーブ２５は、図示例のようにキー２３の軸方向上側からラビリンス部１２に対向する位置まで、軸方向に延びて形成されているとよい。

また、ケーシング１１には、前述した突出部分から軸方向下側に延出する円筒状の仕切りリング１３が一体に設けられている。この仕切りリング１３は、その延出方向の先端部が回転円板２２の外周縁に対して径方向に対向するように配されている。これにより、仕切りリング１３の延出方向の先端と回転円板２２の外周縁との間には、軸方向に延びる第二隙間３２が画成されている。そして、仕切りリング１３は主軸２１の軸線Ｌ１を中心とする円筒状に形成されている。これにより、第二隙間３２は、第一隙間３１と同様に、主軸２１の軸線Ｌ１を中心とした平面視環状を呈している。
本実施形態では、これらケーシング１１及び仕切りリング１３によって静止体１０が構成されている。

そして、上記のように仕切りリング１３が設けられていることで、回転円板２２とケーシング１１の突出部分との間（ケーシング１１の突出部分よりも軸方向下側（軸方向一方側））には、チャンバ３３が画成されている。このチャンバ３３は、回転円板２２の軸方向下側から高温水（一次冷却材）が流入する空間である。
また、本実施形態の一次冷却材ポンプでは、ケーシング１１に、ラビリンス部１２を形成したケーシング１１の突出部分よりも軸方向上側（軸方向他方側）の領域に冷却水室３４が形成されている。この冷却水室３４には、高温水よりも低い温度（例えば１５０℃）の低温水（封水）が外部から導入されるようになっている。この低温水は、主軸２１やラビリンス部１２を冷却する役割を果たす。

以上のように構成される一次冷却ポンプにおいて、ケーシング１１のラビリンス部１２は、その凹凸形状によってチャンバ３３から第一隙間３１に流入する高温水に圧力損失を生じさせて、当該高温水を冷却水室３４に到達させないようにしている。また、冷却水室３４に導入される低温水も、ラビリンス部１２と同様に、高温水を冷却水室３４に到達させない役割を果たしている。
すなわち、本実施形態の一次冷却材ポンプでは、前述したラビリンス部１２及び低温水によって、チャンバ３３内の高温水が主軸２１の周面とケーシング１１との第一隙間３１から主軸２１の軸方向上側に漏れ出さないようにする（高温水をチャンバ３３内に封止する）シール構造が構成されている。

さらに、本実施形態の一次冷却材ポンプでは、図１，２に示すように、ケーシング１１の突出部分のうちラビリンス部１２の背部（ラビリンス部１２の径方向外側）に、前述したチャンバ３３に連通する熱交換流路１５が形成されている。
熱交換流路１５は、ラビリンス部１２の近傍において主軸２１の軸方向に延びる第一の熱交換流路１５Ａと、冷却水室３４の近傍において径方向に延びる第二の熱交換流路１５Ｂと、第一の熱交換流路１５Ａよりも主軸２１の径方向外側において軸方向に延びる流体導入流路１５Ｃとを有している。

第一の熱交換流路１５Ａ及び流体導入流路１５Ｃの延在方向の下端（一端）は、いずれもチャンバ３３に開口している。また、第一の熱交換流路１５Ａ及び流体導入流路１５Ｃの上端（他端）は、第二の熱交換流路１５Ｂの両端に連通している。すなわち、熱交換流路１５は、断面コ字状に形成され、熱交換流路１５の両端がチャンバ３３に開口している。また、熱交換流路１５の両端の開口が、主軸２１の径方向に間隔をあけて配列されている。

さらに、第一の熱交換流路１５Ａは、ラビリンス部１２の凸部１２Ａと対応する位置に設けられたキャビティ１６を有している。すなわち、キャビティ１６は、第一の熱交換流路１５Ａの内面からラビリンス部１２の凸部１２Ａ側に窪むように形成されている。また、キャビティ１６は、第一の熱交換流路１５Ａの内面とラビリンス部１２の外面とを隔てるケーシング１１の壁部の肉厚が一定となるように、凸部１２Ａの形状に対応する形状（図示例では断面Ｖ字状）に形成されている。

次に、以上のように構成される一次冷却材ポンプの動作について説明する。
主軸２１及び羽根車を回転させて一次冷却材ポンプを作動させた際には、前述したように、高温水がケーシング１１内に吸引され、さらに昇圧された上でケーシング１１外に吐出される。また、この際には、高温水が第二隙間３２を通ってチャンバ３３内に流入する。流入した高温水は、図１の矢印ａで示すようにチャンバ３３内を循環し、さらに、図１の矢印ｂで示すように第一隙間３１にも流入する。一方、冷却水室３４には低温水が導入され、この低温水は図１の矢印ｃで示すように第一隙間３１に流入する。

さらに、一次冷却材ポンプを作動させた際には、チャンバ３３内の高温水が熱交換流路１５にも導入される。
具体的に説明すれば、主軸２１が回転すると、チャンバ３３内の高温水には周方向の流れが誘起されるが、高温水の周方向の流速は、主軸２１の周面近傍において大きく、主軸２１の周面から径方向に離れるにしたがって小さくなっていく。このため、チャンバ３３内における高温水の静圧分布は、主軸２１の周面から径方向に離れるにしたがって高くなる。このため、径方向に間隔をあけて配列された熱交換流路１５の両端の開口の間には静圧差が生じ、この静圧差を利用してチャンバ３３内の高温水を熱交換流路１５に導入することができる。なお、本実施形態では、第一の熱交換流路１５Ａよりも径方向外側に位置する流体導入流路１５Ｃの開口から高温水が導入される。

このように熱交換流路１５に導入された高温水は、流体導入流路１５Ｃの上端に向けて流れた後、第二の熱交換流路１５Ｂにおいて径方向外側から内側に向けて流れ、さらに、第一の熱交換流路１５Ａの上端から下端に向けて流れてチャンバ３３内に戻る。
そして、熱交換流路１５に導入された高温水は、第一の熱交換流路１５Ａを流れることで、第一隙間３１に流通する流体との間で熱交換が行われる。なお、第一隙間３１に流通する流体は、前述したようにチャンバ３３や冷却水室３４から流入する高温水や低温水であるが、第一の熱交換流路１５Ａには高温水が流れるため、前述した熱交換は、主に冷却水室３４側から第一隙間３１に流入した低温水と、第一の熱交換流路１５Ａを流れる高温水との間で行われる。

さらに、第一の熱交換流路１５Ａにはキャビティ１６が形成されているため、上記熱交換を高い効率で行うことができる。
具体的に説明すれば、第一の熱交換流路１５Ａを流れる高温水はキャビティ１６内に入り込むように流れ、これによって、キャビティ１６内には渦が発生する。そして、キャビティ１６が形成されている場合には、キャビティ１６が形成されていない場合と比較して、第一の熱交換流路１５Ａの内面の面積が拡大されているため、第一の熱交換流路１５Ａを流れる高温水とケーシング１１との間での熱交換が高い効率で行われることになる。さらに、キャビティ１６はラビリンス部１２の凸部１２Ａと対応する位置に設けられているため、第一の熱交換流路１５Ａを流れる高温水と、冷却水室３４側から第一隙間３１に流入した低温水との熱交換を高い効率で行うことができる。
そして、冷却水室３４側から第一隙間３１に流入した低温水は、上述した熱交換によって温められるため、チャンバ３３側から第一隙間３１に流入した高温水との温度差が小さくなる。

また、熱交換流路１５に導入された高温水は、第二の熱交換流路１５Ｂを流れることで、冷却水室３４の低温水との間でも熱交換が行われる。すなわち、冷却水室３４の低温水が第二の熱交換流路１５Ｂを流れる高温水によって温められることになる。このため、冷却水室３４の低温水は、高温水との温度差が小さくなった状態で第一隙間３１に流入することになる。
なお、熱交換流路１５に導入された高温水は、第二の熱交換流路１５Ｂにおいて冷却水室３４の低温水によって冷やされるため、第二の熱交換流路１５Ｂを通過した後の第一の熱交換流路１５Ａにおいて流れる高温水は、チャンバ３３から第一隙間３１に流入した高温水との間でも熱交換を行う。すなわち、チャンバ３３から第一隙間３１に流入した高温水が、第一の熱交換流路１５Ａを流れる高温水によって温められることになる。
以上のようにして、第一隙間３１に流入した高温水と低温水との温度差が小さくなるため、第一隙間３１に流通する流体の軸方向の温度勾配は、例えば図３に示すように緩やかになる。すなわち、従来のように温度勾配が急峻な熱境界層は形成されない。

以上説明したように、本実施形態の一次冷却材ポンプ及びこれに備えるシール構造によれば、第一隙間３１に流通する流体の軸方向の温度勾配が緩やかになるため、第一隙間３１に流通する流体が主軸２１の回転などによって軸方向に周期的に流動したとしても、主軸２１の周面やケーシング１１のラビリンス部１２の温度変化は小さくなる。すなわち、従来のような温度揺らぎ現象が発生しないため、主軸２１の周面やケーシング１１のラビリンス部１２に熱疲労が生じることを防止して、一次冷却材ポンプの信頼性向上を図ることができる。
また、熱交換流路１５の両端がチャンバ３３に開口すると共に、これら両端の開口が主軸２１の径方向に間隔をあけて配列されていることで、ポンプ等の余分な動力を用いることなく、主軸２１の回転のみを利用して、熱交換流路１５にチャンバ３３内の高温水を導入することができるため、シール構造や一次冷却ポンプを簡素に構成することが可能となる。

〔第二実施形態〕
次に、図４を参照して本発明の第二実施形態について説明する。
この実施形態では、第一実施形態の一次冷却材ポンプと比較して、熱交換流路の構成のみが異なっており、その他の構成については第一実施形態と同様である。本実施形態では、第一実施形態と同一の構成要素について同一符号を付す等して、その説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態の一次冷却材ポンプにおいては、ケーシング１１の突出部分のうちラビリンス部１２の背部（ラビリンス部１２の径方向外側）に、冷却水室３４に連通する熱交換流路１７が形成されている。
熱交換流路１７は、ラビリンス部１２の近傍において軸方向に延びる第一の熱交換流路１７Ａと、チャンバ３３の近傍において径方向に延びる第二の熱交換流路１７Ｂと、第一の熱交換流路１７Ａよりも主軸２１の径方向外側において軸方向に延びる流体導入流路１７Ｃとを有している。

第一の熱交換流路１７Ａ及び流体導入流路１７Ｃの上端（一端）は、いずれも冷却水室３４に開口している。また、第一の熱交換流路１７Ａ及び流体導入流路１７Ｃの下端（他端）が、第二の熱交換流路１７Ｂの両端に連通している。すなわち、熱交換流路１７は、断面コ字状に形成され、熱交換流路１７の両端が冷却水室３４に開口している。また、熱交換流路１７の両端の開口が、主軸２１の径方向に間隔をあけて配列されている。
なお、第一の熱交換流路１７Ａは、第一実施形態の第一の熱交換流路１５Ａと同様に、前述したラビリンス部１２の凸部１２Ａと対応する位置に設けられたキャビティ１６を有している。このキャビティ１６は、第一実施形態の場合と同様に、凸部１２Ａの形状に対応する形状（図示例では断面Ｖ字状）に形成されている。

以上のように構成される本実施形態の一次冷却材ポンプの動作は、第一実施形態と同様である。
ただし、本実施形態の熱交換流路１７の構成は第一実施形態の熱交換流路１５と異なっているため、一次冷却材ポンプを作動させた際には、冷却水室３４の低温水が熱交換流路１７に導入される。
具体的に説明すれば、主軸２１が回転すると、冷却水室３４の低温水には周方向の流れが誘起されるが、低温水の周方向の流速は、主軸２１の周面近傍において大きく、主軸２１の周面から径方向に離れるにしたがって小さくなっていく。このため、冷却水室３４における低温水の静圧分布は、主軸２１の周面から径方向に離れるにしたがって高くなる。このため、径方向に間隔をあけて配列された熱交換流路１７の両端の開口の間には静圧差が生じ、この静圧差を利用して冷却水室３４の低温水を熱交換流路１７に導入することができる。なお、本実施形態では、前述した第一実施形態の場合と同様に、第一の熱交換流路１７Ａよりも径方向外側に位置する流体導入流路１７Ｃの開口から低温水が導入される。

このように熱交換流路１７に導入された低温水は、第一実施形態の場合と同様に、流体導入流路１７Ｃの上端に向けて流れた後、第二の熱交換流路１７Ｂにおいて径方向外側から内側に向けて流れ、さらに、第一の熱交換流路１７Ａの上端から下端に向けて流れて冷却水室３４に戻る。
そして、熱交換流路１７に導入された低温水は、第一の熱交換流路１７Ａを流れることで、第一隙間３１に流通する流体との間で熱交換が行われる。ここで、第一隙間３１に流通する流体は高温水や低温水であるが、第一の熱交換流路１７Ａには低温水が流れるため、前述した熱交換は、主にチャンバ３３側から第一隙間３１に流入した高温水との間で行われる。また、第一の熱交換流路１７Ａにはキャビティ１６が形成されているため、第一実施形態の場合と同様に、上記熱交換を高い効率で行うことができる。
このようにチャンバ３３側から第一隙間３１に流入した高温水は、上記熱交換によって冷やされるため、冷却水室３４側から第一隙間３１に流入した低温水との温度差が小さくなる。

また、熱交換流路１７に導入された低温水は、第二の熱交換流路１７Ｂを流れることで、チャンバ３３内の高温水との間でも熱交換が行われる。すなわち、チャンバ３３内の高温水が低温水によって冷やされることになる。このため、チャンバ３３内の高温水は、低温水との温度差が小さくなった状態で第一隙間３１に流入することになる。
なお、熱交換流路１７に導入された低温水は、第二の熱交換流路１７Ｂにおいてチャンバ３３内の高温水によって温められるため、第二の熱交換流路１７Ｂを通過した後の第一の熱交換流路１７Ａにおいて流れる低温水は、冷却水室３４から第一隙間３１に流入した低温水との間でも熱交換を行う。すなわち、冷却水室３４から第一隙間３１に流入した低温水が、第一の熱交換流路１７Ａを流れる低温水によって温められることになる。
以上のようにして、第一隙間３１に流入した高温水と低温水との温度差が小さくなるため、第一隙間３１に流通する流体の軸方向の温度勾配は、第一実施形態の場合と同様に、例えば図３に示すように緩やかになる。すなわち、従来のように温度勾配が急峻な熱境界層は形成されない。

したがって、本実施形態の一次冷却材ポンプ及びこれに備えるシール構造によれば、第一実施形態と同様の効果を奏する。
また、熱交換流路１７の両端が冷却水室３４に開口すると共に、これら両端の開口が主軸２１の径方向に間隔をあけて配列されていることで、ポンプ等の余分な動力を用いることなく、主軸２１の回転のみを利用して、熱交換流路１７に冷却水室３４の低温水を導入することができるため、シール構造や一次冷却ポンプを簡素に構成することが可能となる。
なお、上記第二実施形態の熱交換流路１７は、第一実施形態の一次冷却ポンプに設けられてもよい。この場合、上記二つの実施形態の熱交換流路１５，１７は、例えば主軸２１の周方向に交互に配列されてもよいが、これに限ることもない。

以上、本発明の詳細について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、第一の熱交換流路１５Ａ，１７Ａに形成されるキャビティ１６は、凸部１２Ａの形状に対応する形状に形成されることに限らず、凸部１２Ａの形状に対応しない任意の形状に形成されていてもよい。例えば、凸部１２Ａが断面Ｖ字状に形成されていることに対し、キャビティ１６が断面矩形状に形成されていてもよい。
また、このキャビティ１６は、例えば形成されなくてもよい。

さらに、第一の熱交換流路１５Ａ，１７Ａ及び第二の熱交換流路１５Ｂ，１７Ｂは、同一の熱交換流路１５，１７を構成するように連ねて形成されることに限らず、例えば別個に形成されてもよい。この場合には、上記実施形態の熱交換流路１５，１７のように、第一の熱交換流路１５Ａ，１７Ａの両端や第二の熱交換流路１５Ｂ，１７Ｂの両端が、共にチャンバ３３または冷却水室３４に開口していればよい。

さらに、上記実施形態では、主軸２１の回転を利用して、高温水や低温水がチャンバ３３や冷却水室３４から第一の熱交換流路１５Ａ，１７Ａや第二の熱交換流路１５Ｂ，１７Ｂに導入されているが、少なくとも高温水や低温水が第一の熱交換流路１５Ａ，１７Ａや第二の熱交換流路１５Ｂ，１７Ｂに導入されればよい。
したがって、第一実施形態のような構成では、例えば、羽根車で昇圧された高温水の一部を第一の熱交換流路１５Ａ，１７Ａや第二の熱交換流路１５Ｂ，１７Ｂに導入してもよい。また、第二実施形態のような構成では、例えば、冷却水室３４に導入される低温水の一部を第一の熱交換流路１５Ａ，１７Ａや第二の熱交換流路１５Ｂ，１７Ｂに導入してもよい。
また、第二の熱交換流路１５Ｂ，１７Ｂは、特に設けられなくてもよく、少なくとも第一の熱交換流路１５Ａ，１７Ａが設けられていればよい。

そして、本発明のシール構造は、上記実施形態のように主軸２１とケーシング１１との間に設けられて高温流体がチャンバ３３から冷却水室３４に漏れ出さないようにするシール構造に限らず、少なくとも回転体と、回転体の径方向に対向して配される静止体との間に設けられて、回転体の軸方向一方側の高温流体と、他方側の低温流体との間を封止するシール構造に適用することが可能である。
また、本発明の回転機械は、上記実施形態のような一次冷却材ポンプに限らず、少なくとも静止体と、静止体に対して回転する回転体と、上述したシール構造とを備える回転機械に適用することが可能である。

１０…静止体、１１…ケーシング、１２…ラビリンス部、１２Ａ…凸部、１３…仕切りリング、１５，１７…熱交換流路、１５Ａ，１７Ａ…第一の熱交換流路、１５Ｂ，１７Ｂ…第二の熱交換流路、１５Ｃ，１７Ｃ…流体導入流路、１６…キャビティ、２０…回転体、２１…主軸、２２…回転円板、３１…第一隙間、３３…チャンバ、３４…冷却水室

Claims (5)

1. 回転体と、当該回転体の径方向に対向して配された静止体との間に設けられ、前記回転体の軸方向一方側の高温流体と、他方側の低温流体との間を封止するためのシール構造であって、
   前記軸方向一方側と他方側との間において前記回転体の周面に対向するように前記静止体に設けられ、凹部と凸部とが軸方向に交互に形成されたラビリンス部と、
   前記ラビリンス部の背部に設けられ、軸方向一方側または他方側に連通して高温流体または低温流体が導入され、前記ラビリンス部と前記回転体との間に流通する流体と熱交換を行う第一の熱交換流路と、を備えることを特徴とするシール構造。
2. 前記第一の熱交換流路が、前記ラビリンス部の凸部と対応する位置に設けられたキャビティを有することを特徴とする請求項１に記載のシール構造。
3. 前記ラビリンス部の背部に設けられ、前記軸方向一方側または他方側に連通して高温流体または低温流体が導入され、前記軸方向他方側または一方側の低温流体または高温流体と熱交換を行う第二の熱交換流路を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシール構造。
4. 前記第一の熱交換流路の両端が、共に前記軸方向の一方側または他方側に開口し、
   前記両端の開口が、前記回転体の径方向に間隔をあけて配列されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のシール構造。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のシール構造を備える回転機械。

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