JP2014088956A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】強制冷却するための熱交換室およびクーリング部材を簡素化し、組立時やメンテナンス時の作業性を向上する。
【解決手段】メカニカルシール１０は、回転軸２を貫通させたハウジング１１と、回転軸２と一体的に回転する回転環（従動リング１７）と、摺動面２２を形成する固定環（シートリング２０）と、回転環１７の外周部に形成された封止液室２３と、封止液室２３の外周部に形成された熱交換室２６と、封止液流入路２９および封止液流出路３０と、冷却液流入路３２および冷却液流出路３４と、熱交換室２６内の封止液と冷却液とを区画して流動させる略円筒状のクーリング部材３５と、封止液を循環させる循環手段（ポンピングリング２４）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボイラー給水等の高温流体を扱う流体機械に使用するメカニカルシールにおいて、強制冷却を必要とするものに関する。

メカニカルシールは、ポンプ等の流体機械の回転軸が貫通されるハウジングを備えている。ハウジング内には、回転軸に固定されて一体的に回転する従動リング（回転環）が配設されるとともに、この従動リングが軸方向に沿って押し付けられるシートリング（固定環）が配設されている。これらの外周部には、従動リングとシートリングとの摩擦熱を除去するための封止液（揚水）が充填された封止液室が形成されている。

このメカニカルシールでは、流体機械により給水する揚水温度が高い場合、揚水からなる封止液を強制的に冷却して循環させ、従動リングとシートリングとの摩擦熱を除去する必要がある。そのため、特許文献１では、封止液室の外周に熱交換室を設け、この熱交換室内にハウジング外から冷却液を循環供給する。また、熱交換室内にクーリングチューブを配設し、このクーリングチューブを通して封止液室内の封止液を循環させることにより、封止液を強制冷却している。

しかしながら、特許文献１のメカニカルシールの熱交換室は、封止液室から径方向に延びて開口した封止液流入路と、軸方向に延びて開口した封止液流出路とを形成し、更に冷却液を循環させるための冷却液流入路と冷却液流出路を、ハウジングの径方向外側から延びるように形成した複雑な構成である。その結果、この熱交換室の内部に配設するクーリングチューブは、螺旋状をなすようにパイプを巻回し、その内側に更に第２巻回部を設けた複雑な形状をなすため、加工性が悪いという問題がある。しかも、複雑な形状の熱交換室に複雑な形状のクーリングチューブを配設する必要があるため、組立時やメンテナンス時の作業性が悪いという問題がある。

特開平１１−８２７５４号公報

本発明は、強制冷却するための熱交換室およびクーリング部材を簡素化し、組立時やメンテナンス時の作業性を向上可能なメカニカルシールを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明のメカニカルシールは、流体機械のケーシングに固定され、前記流体機械の回転軸を貫通させたハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に配設され、前記回転軸と一体的に回転する回転環と、前記ハウジング内に回転不可能に配設され、前記回転環が当接して摺動面を形成する固定環と、前記回転環の外周部に形成された封止液室と、前記封止液室の外周部に形成された環状の熱交換室と、前記封止液室と前記熱交換室とを連通させる封止液流入路および封止液流出路と、前記熱交換室に連通され、前記ハウジング外の冷却液を循環供給するための冷却液流入路および冷却液流出路と、前記熱交換室内に配設され、前記封止液流入路からの封止液と前記冷却液流入路からの冷却液とを区画して流動させる略円筒状のクーリング部材と、前記封止液流入路から前記クーリング部材および前記封止液流出路を経て前記封止液室内へ封止液を循環させる循環手段と、を備える構成としている。

このメカニカルシールは、封止液と冷却液とが熱交換室内で略円筒状のクーリング部材によって区画されて流動される。これにより、高温の封止液を冷却液によって冷却する。しかも、冷却した封止液が封止液室に供給されるため、封止液により回転環および固定環の摩擦熱を確実に除去することができる。また、熱交換室が簡素化された構成であるため、熱交換室内に配設するクーリング部材も簡素化できる。よって、組立時やメンテナンス時の作業性も向上できる。

このメカニカルシールでは、前記封止液流入路および前記封止液流出路を、前記熱交換室の軸方向および径方向のいずれか一方の一端側と他端側とで開口させるとともに、前記冷却液流入路および前記冷却液流出路を、前記熱交換室の軸方向および径方向のいずれか他方の一端側と他端側とで開口させることが好ましい。ここで、径方向の一端側と他端側とは、環状をなす熱交換室において、半径の両端である内周部と外周部、および、直径の両端である各外周部の両方を含む。このようにすれば、熱交換室内を確実に簡素化し、封止液と冷却液とが交差するように確実に流動させることができる。

前記封止液流入路を前記封止液室の前記摺動面と離れた位置に開口させるとともに、前記封止液流出路を前記封止液室の前記摺動面と近接した位置に開口させることが好ましい。このようにすれば、熱交換室を通して冷却した封止液を摩擦熱が最も生じている摺動面に供給し、効率的に冷却できる。
また、前記固定環の外周部に、前記冷却液流入路に連通する冷却液室を更に設けることが好ましい。このようにすれば、冷却液を兼用して、ハウジングと固定環とを確実に冷却することができる。

さらに、前記クーリング部材は、前記熱交換室内において、封止液および冷却液のうち一方を径方向に流動させるとともに他方を軸方向に流動させることが好ましい。
具体的には、前記クーリング部材は、前記熱交換室内に液密に配設される円筒形状であり、軸方向に延びて封止液および冷却液のいずれか一方が流動される第１流路と、径方向に延びて封止液および冷却液のいずれか他方が流動される第２流路とを有することが好ましい。このクーリング部材は、軸方向および径方向に貫通する直線状の孔を設けるだけであるため、製造が容易である。しかも、第１および第２流路内の清掃も可能であるため、メンテナンス性を向上できる。
または、前記クーリング部材は、扇形形状をなす複数の分割ユニットによって構成される円筒形状であり、前記各分割ユニットは、前記熱交換室の軸方向の一端側で開口する前記封止液流入路または前記冷却液流入路と、前記熱交換室の軸方向の他端側で開口する前記封止液流出路または前記冷却液流出路とを接続し、封止液または冷却液を前記各分割ユニットの内部を流動させ、冷却液または封止液を隣接する前記分割ユニットの間を流動させることが好ましい。

そして、前記ハウジングは、前記ケーシングに固定されるハウジング本体と、前記ハウジング本体の前記ケーシングと逆側端部を閉塞するカバーと、を備え、前記封止液流入路および前記封止液流出路からなる封止液流路の一部と、前記冷却液流入路および前記冷却液流出路からなる冷却液流路の一部とを、前記カバーに形成することが好ましい。このようにすれば、カバー内でも封止液と冷却液の熱交換作用を得ることができる。よって、クーリング部材を含むハウジング本体の径方向の大きさを小さくすることができる。

本発明のメカニカルシールでは、各一対の流入路および流出路の形成位置を含めた熱交換室の構成が簡素であるため、クーリング部材を簡素化できるとともに、組立時やメンテナンス時の作業性を向上できる。

本発明の第１実施形態のメカニカルシールを示す断面図である。 図１を所定位置で切断した断面図である。 クーリング部材を示す斜視図である。 第２実施形態のメカニカルシールを示す断面図である。 第３実施形態のメカニカルシールを示す断面図である。 第４実施形態のクーリング部材の用いたメカニカルシールを示す断面図である。 第４実施形態のクーリング部材を示す斜視図である。 第４実施形態のクーリング部材の変形例を示す断面図である。 第４実施形態のクーリング部材の他の変形例を示す断面図である。 第５実施形態のメカニカルシールを示す断面図である。 図１０を所定位置で切断した断面図である。 図１０を他の位置で切断した断面図である。 メカニカルシールの変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明に係る第１実施形態のメカニカルシール１０を示す。このメカニカルシール１０は、流体機械（例えば高温流体を扱うボイラー給水用のポンプ）のケーシング１に固定されるハウジング１１を備える。このハウジング１１には、ケーシング１に配設した回転軸２が貫通され、その周囲に回転環である従動リング１７と固定環であるシートリング２０とが配設されている。本実施形態のメカニカルシール１０は、ハウジング１１内の封止液を循環させて冷却液によって冷却することにより、従動リング１７とシートリング２０の摩擦熱を除去（強制冷却）する構成としている。

ハウジング１１は、ケーシング１にボルトで固定されるハウジング本体１２と、ハウジング本体１２の大気側（ケーシング１の逆側）端部を閉塞するカバー１３とを備える。ハウジング本体１２は、ケーシング１に接するように配設され、これらの間がシールパッキンにより封止されている。カバー１３は、ハウジング本体１２に図示しないボルトで固定され、これらの間がシールパッキンにより封止されている。

ハウジング１１内に位置するように、回転軸２にはスリーブ１４が嵌められている。このスリーブ１４は、回転軸２と一体的に回転するように、固定部材１５によって回転軸２に固定されている。スリーブ１４と回転軸２との間は、シールパッキンにより封止されている。スリーブ１４には、ケーシング１の側にホルダ１６が一体的に回転するように固定されている。このホルダ１６内には、従動リング１７の一部が収容されている。この従動リング１７は、ホルダ１６に対して回転不可能であるが、回転軸２の軸線に沿った方向（軸方向）には移動可能である。従動リング１７の内周部にはシールパッキンが配設されている。また、ホルダ１６と従動リング１７との間にはコンプレッションリング１８が配設されている。このコンプレッションリング１８とホルダ１６との間には、従動リング１７を回転軸２の軸線に沿って外側へ弾性的に付勢するためのスプリング１９が配設されている。

従動リング１７が付勢された外側にはシートリング２０が配設されている。このシートリング２０は、ハウジング本体１２とカバー１３との間に挟み込むように配設されている。また、シートリング２０は、カバー１３に固定されたピン２１を差し込むことで、ハウジング１１内に回転不可能に保持されている。シートリング２０は、ハウジング本体１２およびカバー１３との間がシールパッキンにより封止されている。従動リング１７およびシートリング２０は、回転軸２の軸方向に沿った対向位置が、回転軸２の軸線に対して直交する面状に形成されている。そして、シートリング２０に対して従動リング１７がスプリング１９の付勢力によって弾性的に押し付けられることにより、その当接部分が後述する封止液室２３を大気側に対して封止する摺動面２２を構成する。

本実施形態では、従動リング１７の材質はカーボンで、シートリング２０の材質はシリコンカーバイトである。ただし、従動リング１７とシートリング２０の材質はこれに限定されず、一般的には、一方にはカーボンを用い、他方にはセラミックス、超硬合金、ステンレス鉄等を用いることができる。

ハウジング１１内には、従動リング１７の外周部に位置するように、流体機械が取り扱う流体（揚水）からなる封止水（封止液）で満たされた封止液室２３が形成されている。この封止液室２３の大気側は、摺動面２２により封止されている。また、封止液室２３のケーシング１側には、封止液を循環させる循環手段を構成するポンピングリング２４が配設されている。このポンピングリング２４は、ホルダ１６の端部に位置するようにスリーブ１４に固定され、回転軸２の回転により一体的に回転可能である。ポンピングリング２４には、ハウジング本体１２の挿通部１２ａの内周面と所定間隔をもって位置する外周部に、ケーシング１内の揚水の流入を遮断するためのラビリンス２５ａが設けられている。また、ポンプリング２４の封止液室２３側の外周部には、周方向に所定間隔をもって軸方向に延びる溝が設けられている。この溝を形成していない部分により羽根部２５ｂが形成されている。この羽根部２５ｂは、封止液室２３内の封止液を径方向外向きに流動させ、封止液流入路２９からクーリング部材３５および封止液流出路３０を経て封止液室２３内へ循環させる。

ハウジング１１内には、封止液室２３の外周部に位置するように、回転軸２の軸方向から見た断面形状が円筒形状をなす熱交換室２６が形成されている。本実施形態では、ハウジング本体１２を、ケーシング１に固定する第１本体１２Ａと、カバー１３を配設する第２本体１２Ｂとで構成している。これら第１および第２本体１２Ａ，１２Ｂは、カバー部材２８の内周ネジ部で固定することにより、従動リング１７の外周に位置する封止液室２３と、封止液室２３の外周に位置する熱交換室２６とが形成される。封止液室２３と熱交換室２６とは、円筒状をなす区画部材２７により区画されている。この区画部材２７と第１および第２本体１２Ａ，１２Ｂとはシールパッキンにより封止されている。また、熱交換室２６の外周部は、円筒状をなすカバー部材２８により密閉されている。このカバー部材２８と第１および第２本体１２Ａ，１２Ｂとはシールパッキンにより封止されている。

封止液室２３と熱交換室２６とは、封止液流路を構成する封止液流入路２９と封止液流出路３０により連通されている。封止液流入路２９の一端は、摺動面２２から離れた位置であるポンピングリング２４の外周部に位置するように開口されている。封止液流入路２９の他端は、熱交換室２６の軸方向の一（右）端側に位置するように開口されている。具体的には、封止液流入路２９の他端は、熱交換室２６の軸線と同一の軸線の円環状開口部２９ａとされ、この円環状開口部２９ａが熱交換室２６の軸方向の端部で開口（連通）されている。封止液流出路３０の一端は、摺動面２２の近接位置であるシートリング２０の端部に位置するように開口されている。封止液流出路３０の他端は、熱交換室２６の他（左）端側に位置するように開口されている。具体的には、封止液流出路３０の他端は、封止液流入路２９と同様の円環状開口部３０ａとされ、この円環状開口部３０ａが熱交換室２６の軸方向の端部で開口されている。

ハウジング１１内には、シートリング２０の外周部に位置するように円環状をなす冷却液室３１が設けられている。この冷却液室３１は、ハウジング本体１２に窪みを設けることにより形成されている。冷却液室３１には、ハウジング１１の外部に配設した図示しない冷却液供給部からの冷却水（冷却液）が供給される。また、この冷却液は、熱交換室２６内にも循環供給される。

ハウジング１１には、冷却液を冷却液室３１および熱交換室２６に循環供給するために、冷却液流路を構成する冷却液流入路３２と冷却液流出路３４とが設けられている。冷却液流入路３２は、一端がハウジング１１の外周部に位置し、他端が径方向に延びて冷却液室３１に連通するように形成されている。この冷却液流入路３２は分流部３３を備え、この分流部３３が熱交換室２６の内周部に位置するように開口されている。具体的には、分流部３３の端部は、円筒状の熱交換室２６に内接する円環状開口部３３ａとされ、この円環状開口部３３ａが熱交換室２６の径方向の内周部で開口（連通）されている。冷却液流出路３４は、一端がハウジング１１におけるケーシング１側の端部近傍の外周部に位置するように形成され、他端が熱交換室２６の外周部に位置するように開口されている。具体的には、冷却液流出路３４の他端は、円筒状の熱交換室２６に外接する円環状開口部３４ａとされ、この円環状開口部３４ａが熱交換室２６の径方向の外周部で開口されている。即ち、熱交換室２６に対して、径（半径）方向の一端側で冷却液流入路３２が開口され、径方向の他端側で冷却液流出路３４が開口されている。

この熱交換室２６は、封止液流入路２９および封止液流出路３０が軸方向の両端で開口しているため、循環供給される封止液が軸方向に流動される。また、冷却液流入路３２および冷却液流出路３４が径方向の両端で開口しているため、循環供給される冷却液が径方向に流動される。これら封止液と冷却液とを混合することなく区画して流動させるために、熱交換室２６内にはクーリング部材３５が配設されている。

クーリング部材３５は、銅合金等の熱伝導性に優れた材料により形成された円筒形状の部材である。このクーリング部材３５の外周部および内周部には、ハウジング本体１２との間を封止するシールパッキン３６が配設されている。これらシールパッキン３６により、クーリング部材３５が熱交換室２６内に液密に配設される。図２および図３に示すように、クーリング部材３５には、軸方向に延びて貫通する多数の第１流路３７と、径方向に延びて貫通する多数の第２流路３８とが設けられている。本実施形態の第１流路３７は、径方向に隣接するように設けた４個を１組とし、この第１流路３７の組を周方向に所定間隔をもって複数組設けている。また、第２流路３８は、軸方向に隣接するように設けた３個を１組とし、この第２流路３８の組を周方向に所定間隔をもって複数組設けている。図１に示すように、径方向に隣接する第１流路３７の組は、封止液用の円環状開口部２９ａ，３０ａ内に全て位置し、軸方向に隣接する第２流路３８の組は、冷却液用の円環状開口部３３ａ，３４ａ内に全て位置する。

このように構成したメカニカルシール１０は、封止液室２３を含む、封止液流入路２９、封止液流出路３０および第１流路３７が封止液流路を構成する。流体機械の回転軸２が回転されると、ポンピングリング２４が回転することにより、羽根部２５ｂによって封止液室２３内の封止液が封止液流入路２９から熱交換室２６内に流入する。そして、熱交換室２６内に配設したクーリング部材３５の各第１流路３７を通って軸方向に流動する。その後、封止液流出路３０を通って封止液室２３内に流入した後、ケーシング１側へ流動する。そして、ポンピングリング２４の外周部において、再び封止液流入路２９に循環される。

この際、封止液は、従動リング１７とシートリング２０とが摺接する摺動面２２により、大気側への漏れが阻止される。また、摺接により発生した従動リング１７およびシートリング２０の摩擦熱は、封止液により除去される。但し、流体機械が高温流体を扱うボイラー給水用のポンプの場合、封止液となる揚水が高温であるため、摩擦熱を十分に除去することはできない。しかし、本実施形態では、冷却液供給部から循環供給される冷却液により、封止液を強制冷却して摩擦熱を除去できるとともに、高温流体も冷却できる。

具体的には、冷却液流入路３２、冷却液流出路３４および第２流路３８が冷却液流路を構成する。冷却液供給部からメカニカルシール１０へ冷却液を供給すると、冷却液流入路３２を通して冷却液室３１に冷却液が供給される。これにより、シートリング２０で発生している摩擦熱が強制冷却される。また、分流部３３を通して冷却液が熱交換室２６の径方向の内周部に流入する。そして、熱交換室２６内に配設したクーリング部材３５の各第２流路３８を通って径方向に流動する。その後、冷却液流出路３４を通って冷却液供給部へ戻される。

即ち、クーリング部材３５には、高温の封止液が軸方向に沿って流動し、低温の冷却液が径方向に沿って交差するように流動する。そして、クーリング部材３５は熱伝導性に優れた材料により形成されているため、熱交換（平衡）作用により、封止液は冷却され、冷却液は昇温される。また、冷却した封止液は、摩擦熱が最も生じている封止液室２３の摺動面２２の近傍に供給されるため、効率的に冷却できる。

しかも、本実施形態の熱交換室２６は円筒形状をなし、その軸方向の両端と径方向の両端にそれぞれ流入路２９，３２および流出路３０，３４を開口させた簡素な構成である。そして、この熱交換室２６内に配設するクーリング部材３５は円筒状をなし、その軸方向および径方向に貫通する直線状の孔からなる流路３７，３８を設けただけの簡素な構成である。そのため、ハウジング１１およびクーリング部材３５の製造が容易であるうえ、組立時およびメンテナンス時の作業性を向上できる。さらに、クーリング部材３５はメンテナンス時には、第１および第２流路３７，３８の清掃も容易に行うことができる。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態のメカニカルシール１０を示す。この第２実施形態では、シートリング２０の外周部に冷却液室３１を形成しない構成とした点で、第１実施形態と相違する。具体的には、第２実施形態のハウジング１１内には、第１実施形態と同様に、従動リング１７の外側にシートリング２０が配設されている。シートリング２０は、カバー１３に固定されたピン２１を差し込むことで、ハウジング１１内に回転不可能に保持されている。シートリング２０とカバー１３との間はシールパッキンにより封止されている。また、シートリング２０とハウジング本体１２との間は、封止されることなく、封止液室２３の一部を構成する。

この第２実施形態のメカニカルシール１０では、回転軸２が回転されると、第１実施形態と同様に、ハウジング１１内にて封止液を循環供給する。そして、冷却液供給部から冷却液が供給されると、冷却液にて直接シートリング２０を冷却することはできないが、冷却液にて冷却した封止液にて冷却することができる。

（第３実施形態）
図５は第３実施形態のメカニカルシール１０を示す。この第３実施形態では、クーリング部材３５に対して、封止液を径方向に流動させ、冷却液を軸方向に流動させるようにした点で、第１実施形態と相違する。

具体的には、封止液流入路２９は、封止液室２３から径方向外側に向けて延びて、熱交換室２６の径方向の外周部で開口するように設けられている。封止液流出路３０は、封止液室２３から延びて熱交換室２６の径方向の内周部で開口するように設けられている。冷却液流入路３２は、ハウジング１１の外周部から熱交換室２６の軸方向の一（左）端側で開口するように設けられている。冷却液流出路３４は、ハウジング１１の外周部から熱交換室２６の軸方向の他（右）端側で開口するように設けられている。

この第３実施形態のメカニカルシール１０は、第１実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。また、この第３実施形態では、第２実施形態と同様に、冷却液室３１を設けない構成としてもよい。

（第４実施形態）
図６および図７は第４実施形態のメカニカルシール１０を示す。この第４実施形態では、クーリング部材３５を扇形形状をなす複数の分割ユニット３９によって構成される円筒形状とした点で、第１実施形態と大きく相違する。

具体的には、ハウジング１１の熱交換室２６には、４個の分割ユニット３９が配設されている。各分割ユニット３９は、扇形形状をなす中空パイプからなり、軸方向に沿った一面側の周方向の一端に第１接続部４０が設けられ、他面側の他端に第２接続部４１が設けられている。熱交換室２６の軸方向に対向する両端には、円環状開口部の代わりに第１および第２接続部４１を接続する接続孔（図示せず）が設けられている。

この分割ユニット３９を用いたメカニカルシール１０は、ポンピングリング２４の回転により、封止液室２３内の封止液が封止液流入路２９を経て分割ユニット３９内に流入する。その後、封止液流出路３０を経て封止液室２３へ循環される。

また、冷却液が冷却液流入路３２を経て熱交換室２６に対して径方向の内周部に流入する。そして、各分割ユニット３９の間を通って熱交換室２６の径方向の外周部へ流動し、冷却液流出路３４を経てハウジング１１外へ戻される。

このように、第４実施形態では、分割ユニット３９からなるクーリング部材３５により、封止液および冷却液を区画して軸方向および径方向に流動させ、高温の封止液を冷却液によって強制冷却して封止液室２３へ循環供給できる。そのため、第１実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。また、第４実施形態では、冷却液室３１を設けない第２実施形態のメカニカルシール１０にも同様に適用可能であるうえ、封止液と冷却液の通水方向を逆とした第３実施形態のメカニカルシール１０にも同様に適用可能である。

なお、第４実施形態のクーリング部材３５の分割ユニット３９は扇形形状に限られず、種々の変更が可能である。具体的には、図８に示すように長円形状とし、その一面側の一端に第１接続部４０を設け、他面側の他端に第２接続部４１を設けた構成としてもよい。また、図９に示すように、円筒状の直管パイプにより構成してもよい。これらのようにしても、第４実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。

（第５実施形態）
図１０は第５実施形態のメカニカルシール１０を示す。このメカニカルシール１０は、ハウジング１１のカバー１３に各液流路の一部を形成することにより、封止液および冷却液の熱交換機能を低下させることなく、ハウジング１１の径方向の寸法の小型化を図るようにした点で、各実施形態と相違する。

第５実施形態のハウジング１１は、第１実施形態と同様に、ケーシング１にボルトで固定されるハウジング本体１２と、ハウジング本体１２におけるケーシング１と逆側端部を閉塞するカバー１３とを備える。そのうち、ハウジング本体１２は、第１および第２本体１２Ａ，１２Ｂに分割していない点で第１実施形態と相違する。カバー１３は、各液流路の一部である封止液流出路３０と冷却液流出路３４とを形成した点で第１実施形態と相違する。

具体的には、図１０および図１１に示すように、ハウジング本体１２は、回転軸２の側に位置する径方向内側の内環部４５と、大気に露出される径方向外側の外環部４７と、内環部４５と外環部４７とを一体的に連結するリブ４９とを備える。

内環部４５は、径方向内側に位置する封止液室２３と、径方向外側の外環部４７との間に形成される熱交換室２６とを区画する円筒形状である。内環部４５のケーシング１側には、回転軸２を回転可能に挿通する縮径した挿通部４６が設けられている。外環部４７は、径方向内側に位置する熱交換室２６と、径方向外側に位置する大気とを区画する円筒形状である。外環部４７は、ハウジング本体１２をケーシング１に固定するためのボルト孔を形成するために、径方向の肉厚が厚く形成されている。また、外環部４７には、内周部の軸方向外側に拡開部４８が設けられている。リブ４９は、周方向に所定間隔をもって複数設けられ、外環部４７から軸方向内側に突出した挿通部４６の外周部と、外環部４７の内側端部とを連結する。リブ４９には、冷却液を流通させるための流通孔５０が設けられている。

本実施形態のケーシング１には、ハウジング本体１２のリブ４９を収容配置する配設部１ａが設けられている。この配設部１ａは、回転軸２を回転可能に挿通する軸挿通部１ｂを備える。この軸挿通部１ｂの内面側に挿通部４６の先端が液密に配設される。配設部１ａ、挿通部４６および外環部４７で画定される内部は、熱交換室２６の軸方向の端部に隣接し、熱交換室２６に連通する冷却水用の円環状開口部３３ａを構成する。

図１０および図１２に示すように、カバー１３は、熱伝導性に優れた材料により形成され、ハウジング本体１２の軸方向の外側端部を閉塞する。カバー１３の外径はハウジング本体１２の外径と同一に設定される。

封止液流出路３０は、径方向外側に位置する上流（入口）側の円環状開口部３０ａと、径方向内側に位置する下流（出口）側の円環状開口部３０ｂと、これら開口部３０ａ，３０ｂを連通させる一対の連通部３０ｃとを備える。開口部３０ａは、熱交換室２６におけるクーリング部材３５の径方向外側に位置する拡開部４８に連通する。開口部３０ｂは、内環部４５の径方向内側に位置する封止液室２３に連通する。連通部３０ｃは、カバー１３の外周部から開口部３０ｂにかけて径方向に延びるように一対設けられている。下側に位置する連通部３０ｃは、開口部３０ａの外側でプラグキャップ５１により止水されている。上側に位置する連通部３０ｃは、バルブを備えるエア抜き用の配管５２が接続されている。

冷却液流出路３４は、封止液流出路３０の開口部３０ａ，３０ｂ間に位置する半円環状をなす一対の開口部３４ａ，３４ａと、冷却液供給部へ戻すための接続部３４ｂとを備える。各開口部３４ａ，３４ａは、両端部が封止液流出路３０の各連通部３０ｃ，３０ｃの近傍に位置するＣ字形状に形成されている。接続部３４ｂは、一端がカバー１３の外周部に位置するように形成され、他端が一方の開口部３４ａに連通するように開口されている。接続部３４ｂが形成された一方の開口部３４ａと、接続部３４ｂが形成されていない他方の開口部３４ａとは、クーリング部材３５とカバー１３との間に形成される円環状の隙間５３により連通される。

ハウジング１１内に位置するように、回転軸２にはスリーブ１４が一体的に回転するように嵌められている。スリーブ１４には、ケーシング１側に位置するようにフランジ部１４ａが設けられている。このフランジ部１４ａの外周部には、ケーシング１内の揚水の流入を遮断するためのラビリンス２５ａを備えたポンピングリング２４が固定されている。ポンピングリング２４の外周部は、ハウジング本体１２の内環部４５に密接している。また、ポンプリング２４には、周方向に所定間隔をもって溝が設けられ、この溝を形成していない部分により羽根部２５ｂが構成される。フランジ部１４ａおよびポンピングリング２４で囲まれた内部には、スリーブ１４を介して回転軸２と一体的に回転される従動リング１７が固定されている。

従動リング１７に対向してシートリング２０が配設されている。本実施形態のシートリング２０は、カバー１３に固定されたホルダ１６内に固定される第１リング２０Ａと、この第１リング２０Ａに連結された第２リング２０Ｂとを備える。カバー１３とシートリング２０との間には、スプリング１９が配設されている。回転軸２の軸線に沿ったスプリング１９の付勢により、シートリング２０が従動リング１７に対して弾性的に押し付けられ、その当接部分が封止液室２３を封止する摺動面２２を構成する。本実施形態の摺動面２２は、ポンプリング２４の羽根部２５ｂの径方向内側に位置する。

ハウジング１１内には、従動リング１７の外周部に位置するように封止液室２３が形成される。また、封止液室２３の外周部に位置するように、内環部４５によって区画された円筒状の熱交換室２６が形成される。封止液室２３と熱交換室２６とは、ハウジング本体１２の内環部４５に形成した封止液流入路２９と、カバー１３に形成した前述の封止液流出路３０により連通されている。封止液流入路２９は、ポンプリング２４の羽根部２５ｂの径方向外側に位置するように、内環部４５の周方向に所定間隔をあけて形成した貫通穴からなる。径方向に対向する一対の封止液流入路２９には、ポンプリング２４の外周部に向けて突出する井堰部２９ｂ（図１１参照）が設けられている。

ハウジング１１は、冷却液を熱交換室２６に循環供給するために、ハウジング本体１２に設けた冷却液流入路３２と、ハウジング本体１２およびケーシング１の間に形成した前述の円環状開口部３３ａと、カバー１３に形成した前述の冷却液流出路３４とからなる冷却液通路を備える。冷却液流入路３２は、一端がハウジング本体１２の外環部４７の外面中央に位置し、他端がリブ４９の近傍に位置するように傾斜して延びる。

第５実施形態の熱交換室２６は、封止液の入口である封止液流入路２９が軸方向の中心で径方向内側に設けられ、封止液の出口である封止液流出路３０の開口部３０ａが軸方向の外側で径方向外側に設けられている。また、冷却液の入口である円環状開口部３３ａが軸方向の内側に設けられ、冷却液の出口である冷却液流出路３４の開口部３４ａが軸方向の外側に設けられている。そして、熱交換室２６内には、各実施形態と同様に、封止液および冷却液を混合させることなく区画し、一方を径方向に流動させるとともに他方を軸方向に流動させるクーリング部材３５が配設されている。

図１０および図１１に示すように、クーリング部材３５は、熱伝導性に優れた材料により形成された円筒形状の部材である。クーリング部材３５の外周部および内周部には、ハウジング本体１２との間を封止するシールパッキン３６が配設されている。クーリング部材３５には、軸方向に延びて貫通する第１流路３７が、周方向に所定角度をあけて複数設けられている。全ての第１流路３７がカバー１３の開口部３４ａに位置するように組み付けられる。また、クーリング部材３５には、径方向に延びて貫通する第２流路３８が、隣接する第１流路３７，３７間に位置するように周方向に所定角度をあけて複数設けられている。全ての第２流路３８が外環部４７の拡開部４８に位置するように組み付けられる。

このように構成したメカニカルシール１０は、封止液室２３を含む、封止液流入路２９、封止液流出路３０および第２流路３８が封止液流路を構成する。流体機械の回転軸２が回転されると、スリーブ１４を介してポンプリング２４がハウジング１１内で回転する。すると、封止液室２３内の封止液が羽根部２５ｂにより周方向かつ径方向外向きに掻き回される。ポンピングリング２４の外周部の封止液は、井堰部２９ｂによる堰き止め作用により、内環部４５の封止液流入路２９を通って熱交換室２６内へ流動する。そして、熱交換室２６内に配設したクーリング部材３５の各第２流路３８を通って径方向外側へ流動する。その後、熱交換室２６の拡開部４８に流入した後、封止液流出路３０の外側の開口部３０ａから連通部３０ｃを経て、内側の開口部３０ｂから封止液室２３へ循環される。

また、メカニカルシール１０は、冷却液流入路３２、円環状開口部３３ａ冷却液流出路３４および第１流路３７が冷却液流路を構成する。冷却液供給部からメカニカルシール１０へ冷却液を供給すると、冷却液流入路３２を通して円環状開口部３３ａに流入する。その後、熱交換室２６内に配設したクーリング部材３５の各第１流路３７を通って軸方向に流動した後、冷却液流出路３４を通って冷却液供給部へ戻される。

クーリング部材３５では、高温の封止液が第２通路３８を通って径方向に流動し、低温の冷却液が第１通路３７と通って軸方向に流動する。また、カバー１３では、低温の冷却液が開口部３４ａを通って接続部３４ｂへ向けて周方向に流動し、高温の封止液が開口部３４ａの外側に位置する開口部３０ａから内側に位置する開口部３０ｂへ向けて流動する。そして、カバー１３およびクーリング部材３５は熱伝導性に優れた材料により形成されているため、熱交換（平衡）作用により、封止液は冷却され、冷却液は昇温される。

第５実施形態のメカニカルシール１０は、各実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。しかも、第５実施形態では、クーリング部材３５によって区画した熱交換室２６内だけでなく、カバー１３内でも封止液と冷却液の熱交換作用を得ることができる。よって、クーリング部材３５を含む熱交換室２６を小さくしても、カバー１３内にて熱交換効率を補うことができる。よって、クーリング部材３５を含むハウジング本体１２の径方向の大きさを小さくすることができる。

なお、本発明のメカニカルシール１０は、前記実施形態の構成に限定されず、種々の変更が可能である。

例えば、第１から第４実施形態では、流入路２９，３２および流出路３０，３４を、熱交換室２６の半径の両端である内周部と外周部とに開口させたが、直径の両端である外周部の対向位置に開口させてもよい。また、第５実施形態のように、一方を径方向の内側または外側で開口させ、他方を軸方向の一端で開口させてもよい。

また、第１〜３，５実施形態では、円筒形状としたクーリング部材３５に、軸方向に貫通する第１流路３７と、径方向に貫通する第２流路３８とを設けたが、図１３に示すように、径方向から流入して軸方向に流出する第１流路５５と、軸方向から流入して径方向に流出する第２流路５６とを設け、一方に封止液を流動させ、他方に冷却液を流動させる構成としてもよい。なお、この変形例では、封止液と冷却液とが混合することを防止するために、クーリング部材３５の冷却液流出路３４の部分にはパッキン（Ｏリング）５７が配設されている。このようにしても、各実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。

また、第１実施形態のクーリング部材３５は、円筒形状をなす本体に第１流路３７を径方向に隣接させて４個１組として設け、第２流路３８を軸方向に隣接させて３個１組として設けたが、第５実施形態のように、連続する長円形状の１個のみとし、それぞれ周方向に所定間隔をもって設けるようにしてもよい。

また、第５実施形態では、カバー１３に液流路の一部である封止液流出路３０と冷却液流出路３４とを設けたが、封止液流入路２９と冷却液流入路３２とを設けてもよい。また、封止液流入路２９と冷却液流出路３４とを設けてもよいうえ、封止液流出路３０と冷却液流入路３２とを設けてもよい。

また、カバー１３に液流路の一部を形成する第５実施形態も第１実施形態と同様に、冷却液によってシートリング２０を直接冷却する構成としてもよい。また、第５実施形態でも、封止液を軸方向に流動させ、冷却液を径方向に流動させる構成としてもよい。

また、従動リング１７およびシートリング２０の具体的な形状は、摺動面２２の構成等の基本的な機能を実現できる限り、実施形態の構成に限定されない。循環手段もポンピングリング２４に限られず、封止液の循環を実現できる限り、実施形態の構成に限定されない。

１…ケーシング
２…回転軸
１０…メカニカルシール
１１…ハウジング
１２…ハウジング本体
１４…スリーブ
１７…従動リング（回転環）
２０…シートリング（固定環）
２２…摺動面
２３…封止液室
２４…ポンピングリング（循環手段）
２６…熱交換室
２９…封止液流入路
３０…封止液流出路
３１…冷却液室
３２…冷却液流入路
３３…分流部
３４…冷却液流出路
３５…クーリング部材
３７…第１流路
３８…第２流路
３９…分割ユニット

Claims (8)

1. 流体機械のケーシングに固定され、前記流体機械の回転軸を貫通させたハウジングと、
   前記ハウジング内に回転可能に配設され、前記回転軸と一体的に回転する回転環と、
   前記ハウジング内に回転不可能に配設され、前記回転環が当接して摺動面を形成する固定環と、
   前記回転環の外周部に形成された封止液室と、
   前記封止液室の外周部に形成された環状の熱交換室と、
   前記封止液室と前記熱交換室とを連通させる封止液流入路および封止液流出路と、
   前記熱交換室に連通され、前記ハウジング外の冷却液を循環供給するための冷却液流入路および冷却液流出路と、
   前記熱交換室内に配設され、前記封止液流入路からの封止液と前記冷却液流入路からの冷却液とを区画して流動させる略円筒状のクーリング部材と、
   前記封止液流入路から前記クーリング部材および前記封止液流出路を経て前記封止液室内へ封止液を循環させる循環手段と、
   を備えることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記封止液流入路および前記封止液流出路を、前記熱交換室の軸方向および径方向のいずれか一方の一端側と他端側とで開口させるとともに、
   前記冷却液流入路および前記冷却液流出路を、前記熱交換室の軸方向および径方向のいずれか他方の一端側と他端側とで開口させたことを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記封止液流入路を前記封止液室の前記摺動面と離れた位置に開口させるとともに、前記封止液流出路を前記封止液室の前記摺動面と近接した位置に開口させたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のメカニカルシール。
4. 前記固定環の外周部に、前記冷却液流入路に連通する冷却液室を更に設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のメカニカルシール。
5. 前記クーリング部材は、前記熱交換室内において、封止液および冷却液のうち一方を径方向に流動させるとともに他方を軸方向に流動させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のメカニカルシール。
6. 前記クーリング部材は、前記熱交換室内に液密に配設される円筒形状であり、軸方向に延びて封止液および冷却液のいずれか一方が流動される第１流路と、径方向に延びて封止液および冷却液のいずれか他方が流動される第２流路とを有することを特徴とする請求項５に記載のメカニカルシール。
7. 前記クーリング部材は、扇形形状をなす複数の分割ユニットによって構成される略円筒形状であり、前記各分割ユニットは、前記熱交換室の軸方向の一端側で開口する前記封止液流入路または前記冷却液流入路と、前記熱交換室の軸方向の他端側で開口する前記封止液流出路または前記冷却液流出路とを接続し、封止液または冷却液を前記各分割ユニットの内部を流動させ、冷却液または封止液を隣接する前記分割ユニットの間を流動させることを特徴とする請求項５に記載のメカニカルシール。
8. 前記ハウジングは、前記ケーシングに固定されるハウジング本体と、前記ハウジング本体の前記ケーシングと逆側端部を閉塞するカバーと、を備え、
   前記封止液流入路および前記封止液流出路からなる封止液流路の一部と、前記冷却液流入路および前記冷却液流出路からなる冷却液流路の一部とを、前記カバーに形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のメカニカルシール。

Images