JP2019105291A - 軸封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機内領域の液体が固形微粒子等の異物を含む場合にも、良好なメカニカルシール機能を発揮させるようにする。【解決手段】液体領域である機内領域Ａと大気領域である機外領域Ｂとの間を、機内領域Ａと同圧又はこれより高圧のバッファガスＧ２を供給したバッファ領域Ｃを介してシールする。機内領域Ａとバッファ領域Ｃとの間をシールする第１メカニカルシール３は、密封端面８ａ，９ａ間にバッファガスＧ１より高圧のシールガスＧ１を供給することにより静圧を発生させるように構成された静圧形の非接触シールである。バッファ領域Ｃと機外領域Ｂとの間をシールする第２メカニカルシール４は、密封端面１６ａ，１７ａ間にバッファガスＧ２による動圧を発生させるように構成された動圧形の非接触シールである。【選択図】図１

Description

本発明は、液体を扱うポンプ、攪拌機、ブロワやタービン等の回転機器に使用される軸封装置に関するものである。

従来のこの種の軸封装置として、例えば、特許文献１に開示されるように、二つのメカニカルシールを軸方向に縦列配置して、液体領域（液化ガス領域）である機内領域と大気領域である機外領域とを両メカニカルシール間に形成されたバッファ領域を介してシールするように構成されたタンデムダブルシール（以下「従来軸封装置」という）が周知である。

従来軸封装置にあって、各メカニカルシールは、回転軸に固定された軸側密封環とシールケースにＯリングを介して軸方向移動可能に保持され且つ軸側密封環へと押圧附勢されたケース側密封環とが接触状態で相対回転することによりシール機能を発揮するように構成された接触シールであり、バッファ領域にバッファ液を供給することにより、各メカニカルシールにおける両密封環の接触部分を液体により潤滑すると共に、機内領域側メカニカルシールから機内領域の液体が大気領域に漏れるのを阻止するように工夫している。

特開平０８−０８２３７３号公報

しかし、従来軸封装置では、機内領域の液体に固形微粒子等の異物が混入していると、機内側メカニカルシールにおいて、両密封環の接触部分やケース側密封環とＯリングとの接触部分に固形微粒子等の異物が侵入して、メカニカルシール機能が低下、喪失する虞れがある。

本発明は、このような問題を生じることなく、機内領域の液体をこれが固形微粒子等の異物を含むものである場合にも良好にシールすることができる軸封装置を提供することを目的とするものである。

この課題を解決した本発明は、上記の目的を達成すべく、第１に、液体領域である機内領域と大気領域である機外領域との間を、シールケースに設けたケース側密封環と回転軸に設けた軸側密封環とを具備する機内領域側の第１メカニカルシール及び機外領域側の第２メカニカルシールによりシールするように構成されており、両メカニカルシール間に形成されたバッファ領域に機内領域と同圧又はこれより高圧のバッファガスを供給し、第１メカニカルシールを、両密封環の対向端面である密封端面間にバッファ領域より高圧のシールガスを供給することにより当該密封端面を非接触状態で相対回転させる静圧形の非接触シールに構成すると共に、第２メカニカルシールを、両密封環の対向端面である密封端面間に前記バッファガスによる動圧を発生させることにより当該密封端面を非接触状態で相対回転させる動圧形の非接触シールに構成してあることを特徴とする軸封装置（以下「第１軸封装置」という）を提案するものであり、第２に、液体領域である機内領域と大気領域である機外領域との間を、シールケースに設けたケース側密封環と回転軸に設けた軸側密封環とを具備する機内領域側の第１メカニカルシール、機外領域側の第３メカニカルシール及び当該両メカニカルシール間に設けた第２メカニカルシールによりシールするように構成されており、第１及び第２メカニカルシール間に形成されたバッファ領域に機内領域と同圧又はこれより高圧のバッファガスを供給すると共に、第２及び第３メカニカルシール間に形成された二次シール領域にバッファガス領域より高圧の二次シールガスを供給し、第１メカニカルシールを、両密封環の対向端面である密封端面間にバッファ領域より高圧のシールガスを供給することにより当該密封端面を非接触状態で相対回転させる静圧形の非接触シールに構成すると共に、第２及び第３メカニカルシールを、夫々、両密封環の対向端面である密封端面間に前記二次シールガスによる動圧を発生させることにより当該密封端面を非接触状態で相対回転させる動圧形の非接触シールに構成してあることを特徴とする軸封装置（以下「第２軸封装置」という）を提案するものである。

本発明の第１軸封装置及び第２軸封装置にあっては、第１メカニカルシールが、その密封端面間からシールガスを機内領域に噴出させることにより、密封端面間を非接触に保持した状態で機内領域をシールする静圧形の非接触シールに構成されているから、機内領域の液体が固形微粒子等の異物を含む場合にも、当該異物が密封端面間に侵入する等、メカニカルシール機能を低下、喪失させるような事態が発生せず、良好且つ安定したメカニカルシール機能が発揮される。また、本発明の第１軸封装置及び第２軸封装置によれば、第１メカニカルシールと第２メカニカルシールとでシールされたバッファ領域が機内領域と同圧又はこれより高圧とされていることから、機内領域の液体が気化ガスを発生し易い液体アンモニア等の低沸点液である場合にも、当該気化ガスが第１メカニカルシールの密封端面間からバッファ領域に侵入することがなく、機内領域を確実にシールすることができる。さらに、本発明の第２軸封装置によれば、バッファ領域と機外領域との間に第２メカニカルシールと第３メカニカルシールとでシールされた二次シール領域を形成して、当該二次シール領域をバッファ領域より高圧としたから、機内領域の液体が低沸点液や高圧液体である場合にも機内領域をより確実にシールすることができる。

また、本発明の第１軸封装置及び第２軸封装置にあっては、バッファ領域及び二次シール領域がガス領域であるから、バッファ領域をシールする第２メカニカルシール及び二次シール領域をシールする第３メカニカルシールとして密封端面が接触しない動圧形の非接触シールを使用することができる。すなわち、第１メカニカルシールを含むすべてのメカニカルシールを密封端面が非接触状態で相対回転する非接触シールに構成しておくことができるから、密封端面が接触状態で相対回転する接触シールを使用する従来軸封装置に比して、回転軸に作用するトルクが小さくなり、また従来軸封装置のように密封端面を冷却するためのフラッシング手段等を必要としない。したがって、第１軸封装置及び第２軸封装置によれば、従来軸封装置に比して、回転軸の動力費を含むランニングコストやイニシャルコストを大幅に削減することができる。

図１は本発明に係る第１軸封装置の一例を示す断面図である。 図２は図１の要部を拡大して示す断面図である。 図３は図２と異なる図１の要部を拡大して示す断面図である。 図４は本発明に係る第２軸封装置の一例を示す断面図である。 図５は図４の要部を拡大して示す断面図である。 図６は図５と異なる図４の要部を拡大して示す断面図である。

まず、本発明の第１軸封装置について図１〜図３を参照して具体的に説明する。図１は第１軸封装置の一例を示す断面図であり、図２は図１の要部を拡大して示す断面図であり、図３は図２と異なる図１の要部を拡大して示す断面図である。

第１軸封装置Ｍ１は、図１に示す如く、低沸点液（液体アンモニア、ＬＰＧ等の液化ガス等）等の液体を扱うポンプ等の回転機器のハウジング１と回転軸２との間に装備されるもので、液体領域である機内領域Ａと大気領域である機外領域Ｂとの間を、機内領域Ａ側の第１メカニカルシール３及び機外領域Ｂ側の第２メカニカルシール４によって両メカニカルシール３，４間に形成されたバッファ領域Ｃを介してシールするように構成されている。なお、第１軸封装置Ｍ１の説明において、前後とは図１〜図３における左右を意味するものとし、軸線とは回転軸２の中心線をいい、軸線方向とは当該軸線に平行する方向をいうものとする。

第１メカニカルシール３は、図１に示す如く、ハウジング１に取り付けられたシールケース６と、回転軸２に固定されたスリーブ７と、回転軸２に設けられた軸側密封環８と、軸側密封環８に直対向した状態でシールケース６に設けられたケース側密封環９と、ケース側密封環９を軸側密封環８へと押圧附勢するスプリング１０と、両密封環８，９の対向端面たる密封端面８ａ，９ａ間にシールガスＧ１を供給するシールガス供給通路１１とを具備して、密封端面８ａ，９ａ間にシールガス供給通路１１から供給したシールガスＧ１により静圧を発生させて、密封端面８ａ，９ａを非接触状態に保持しつつ相対回転させることにより、密封端面８ａ，９ａの内周側領域である機内領域Ａとその外周側領域であるバッファ領域Ｃとを遮蔽シールするように構成された静圧形の非接触シールである。

シールケース６は、図１に示す如く、ハウジング１の基端部（前端部）に取り付けられたフランジ部６ａと、フランジ部６ａの内周部から突出してハウジング１の内周部に嵌合された本体部６ｂと、本体部６ｂの先端部（後端部）の内周部に形成された第１リテーナ部６ｃと、本体部６ｂの基端部（前端部）の内周部に形成された第２リテーナ部６ｄとからなる円筒構造体である。

スリーブ７は、図１に示す如く、回転軸２に挿通された本体部７ａと、本体部７ａの軸線方向中央部に形成された密封環保持部７ｂと、本体部７ａの両端部分に嵌合された位置決め部７ｃ，７ｄとからなる円筒構造体であり、回転軸２にキー７ｅ，７ｆ及び固定環７ｇを介して固定されている。

軸側密封環８は、図１及び図２に示す如く、回転軸２にスリーブ７を介して固定された円環状体である。軸側密封環８は、スリーブ７の密封環保持部７ｂの先端面（後端面）に当接する状態でスリーブ７の本体部７ａに固定されている。軸側密封環８の先端面（後端面）は軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面８ａに構成されている。

ケース側密封環９は、図１及び図２に示す如く、軸側密封環８の機内領域Ａ側に配置された円環状体であって、第１〜第３Ｏリング１２，１３，１４を介してシールケース６に軸線方向に移動可能に保持されている。第１Ｏリング１２は、図２に示す如く、ケース側密封環９とシールケース６の第１リテーナ部６ｃとの対向周面間に装填されていて、当該対向周面間をシールした状態でケース側密封環９をシールケース６に軸線方向に移動可能に保持している。第２及び第３Ｏリング１３，１４は、図２に示す如く、ケース側密封環９とシールケース６の本体部６ｂとの対向周面間に装填されていて、当該対向周面間をシールする。ケース側密封環９の先端面（前端面）は、軸側密封環８の密封端面８ａに直対向する円環状の平滑面である密封端面９ａに形成されている。なお、ケース側密封環９は、図１に示す如く、その基端部（後端部）に形成した係合孔９ｂにシールケース６の第１リテーナ部６ｃに取り付けたドライブピン１５を係合させることによって、所定範囲での軸線方向移動が許容された状態で、シールケース６に対する相対回転が阻止されている。また、ケース側密封環９には、その基端部とシールケース６との間に形成された空間であって第１及び第３Ｏリング１２，１４によってシールされた閉塞空間をバッファ領域Ｃに連通させる連通路９ｃが形成されている。

スプリング１０は、図１に示す如く、ケース側密封環９とシールケース６の第１リテーナ部６ｃとの対向端部間に装填されたコイルスプリングであり、ケース側密封環９を軸側密封環８へと押圧附勢している。

シールガス供給通路１１は、図１及び図２に示す如く、シールケース６及びケース側密封環９に形成された一連のものであり、シールケース６の本体部６ｂとケース側密封環９との対向周面に形成された環状空間であって第２Ｏリング１３と第３Ｏリング１４とでシールされた接続空間１１ａと、シールケース６の本体部６ｂを貫通して接続空間１１ａに連通するケース側通路１１ｂと、ケース側密封環９の密封端面９ａに形成した静圧発生溝１１ｃと、ケース側密封環９を貫通して接続空間１１ａと静圧発生溝１１ｃとを連通する密封環側通路１１ｄとを具備して、シールガスＧ１をケース側通路１１ｂ、接続空間１１ａ及び密封環側通路１１ｄを経て、静圧発生溝１１ｃから両密封環８，９の密封端面８ａ，９ａ間に供給するように構成されている。静圧発生溝１１ｃは、ケース側密封環９の密封端面９ａの径方向における中央部又は略中央部に形成されており、当該密封端面９ａと同心状の環状をなして連続又は断続する断面三角形状の浅い凹溝である。密封環側通路１１ｄの上流側部分にはオリフィス１１ｅが配設されている。なお、静圧発生溝１１ｃが環状をなして断続するものである場合、つまり当該密封端面９ａの円周方向に並列する複数の円弧状溝で構成されている場合、密封環側通路１１ｄにおけるオリフィス１１ｅより下流側の部分を分岐して、各分岐部分を当該各円弧状溝に連通させておく。

而して、第１メカニカルシール３にあっては、密封端面８ａ，９ａ間にシールガス供給通路１１から供給されたシールガスＧ１により静圧が発生し、この静圧により密封端面８ａ，９ａを離間させる方向に作用する開力とスプリング１０の附勢力により密封端面８ａ，９ａを接近させる方向に作用する閉力とがバランスされて、密封端面８ａ，９ａ間が非接触状態に保持される。

第２メカニカルシール４は、図１に示す如く、シールケース６及びスリーブ７と、回転軸２に設けられた軸側密封環１６と、軸側密封環１６に直対向した状態でシールケース６に設けられたケース側密封環１７と、ケース側密封環１７を軸側密封環１６へと押圧附勢するスプリング１８とを具備し、両密封環１６，１７の対向端面である密封端面１６ａ，１７ａを、当該密封端面１６ａ，１７ａ間にその一方に形成した動圧発生溝１９により動圧を発生させて、非接触状態で相対回転させることにより、密封端面１６ａ，１７ａの外周側領域であるバッファ領域Ｃとその内周側領域である機外領域Ｂとを遮蔽シールするように構成された動圧形の非接触シールである。

軸側密封環１６は、図１及び図３に示す如く、第１メカニカルシール３の軸側密封環８の機外領域Ｂ側に配して、回転軸２にスリーブ７を介して固定された円環状体である。軸側密封環１６は、スリーブ７の密封環保持部７ｂの基端面（前端面）に当接する状態でスリーブ７の本体部７ａに固定されている。本実施形態において、軸側密封環１６は、円環状の摺動材に円環状の補強材が外嵌されたものであり、当該補強材の基端面（後端面）の周方向数箇所に設けられた凸部とスリーブ７の密封環保持部７ｂの基端面（前端面）の対応する箇所に設けられた凹部とが係合することにより、軸側密封環１６は、スリーブ７に対して回り止めされている。軸側密封環１６の先端面（前端面）は軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面１６ａに構成されている。軸側密封環１６の密封端面１６ａには、バッファ領域Ｃに開口するスパイラル状等の適宜形状の動圧発生溝１９が形成されている。

ケース側密封環１７は、図１及び図３に示す如く、軸側密封環１６の機外領域Ｂ側に配置された円環状体であって、保持環２０を介してシールケース６の第２リテーナ部６ｄに軸線方向に移動可能に保持されている。保持環２０は、図３に示す如く、断面Ｌ字形状の円筒体であり、シールケース６の第２リテーナ部６ｄにＯリング２１及びドライブピン２２を介して軸線方向に移動可能に保持されている。ケース側密封環１７は、図３に示す如く、保持環２０にＯリング２３及びドライブピン２４を介して連結されており、保持環２０を介してシールケース６の第２リテーナ部６ｄに軸線方向に移動可能に保持されている。ケース側密封環１７の先端面（後端面）は、軸側密封環１６の密封端面１６ａに直対向する円環状の平滑面である密封端面１７ａに構成されている。

スプリング１８は、図１に示す如く、保持環２０とシールケース６の第２リテーナ部６ｄとの間に装填されたコイルスプリングであり、ケース側密封環１７を保持環２０を介して軸側密封環１６へと押圧附勢する。

第１メカニカルシール３と第２メカニカルシール４とでシールされたバッファ領域Ｃには、シールケース６の本体部６ｂに形成されたバッファガス供給通路２５からバッファガスＧ２が供給される。

而して、バッファガスＧ２の圧力Ｐ２は、機内領域Ａの圧力Ｐ０と同圧又はこれより高圧とされている。また、シールガスＧ１の圧力Ｐ１は、バッファガスＧ２の圧力Ｐ２より高圧とされている。すなわち、シールガスＧ１は、バッファ領域Ｃの圧力（バッファガスＧ２の圧力）Ｐ２及び機内領域Ａの圧力Ｐ０より高圧とされている。具体的には、例えば、ゲージ圧において、バッファガスＧ２の圧力Ｐ２はＰ２＝Ｐ０＋０〜０．２ＭＰａＧに設定し、シールガスＧ１の圧力Ｐ１はＰ１＝Ｐ２＋０．２ＭＰａＧ（＝Ｐ０＋０．２〜０．４ＭＰａＧ）に設定しておくことが好ましい。シールガスＧ１及びバッファガスＧ２としては、機内領域Ａの液体に混入しても支障がなく且つ機外領域Ｂに漏出しても問題がないガスが使用されるが、この例では、これらのガスＧ１，Ｇ２として不活性な安全ガスである窒素ガスを使用している。

したがって、第２メカニカルシール４にあっては、密封端面１６ａ，１７ａの相対回転により、その外周側領域であるバッファ領域ＣのバッファガスＧ２が動圧発生溝１９から密封端面１６ａ，１７ａ間に導入されて当該密封端面１６ａ，１７ａ間に動圧を発生させる。そして、この動圧により密封端面１６ａ，１７ａを離間させる方向に作用する開力とスプリング１８による附勢力により密封端面１６ａ，１７ａを接近させる方向に作用する閉力とがバランスされて、密封端面１６ａ，１７ａ間が非接触状態に保持される。

以上のように構成された第１軸封装置Ｍ１にあっては、第１メカニカルシール３により密封端面８ａ，９ａの内周側領域である機内領域Ａとその外周側領域であるバッファ領域Ｃとの間がシールされる（隔離される）。

すなわち、第１メカニカルシール３によれば、密封端面８ａ，９ａ間に供給されるシールガスＧ１の圧力Ｐ１が機内領域Ａの圧力Ｐ０及びバッファ領域Ｃの圧力Ｐ２より高圧であるから、シールガスＧ１は密封端面８ａ，９ａ間から機内領域Ａ及びバッファ領域Ｃに噴出されることになる。したがって、密封端面８ａ，９ａが非接触状態にあるにも拘わらず、機内領域Ａの液体が密封端面８ａ，９ａ間に侵入することがなく、当該液体を良好にシールする。また、シールガスＧ１が密封端面８ａ，９ａ間から機内領域Ａに噴出することから、機内領域Ａの低沸点液等の液体に固形微粒子等の異物が混入している場合にも、当該異物が密封端面８ａ，９ａ間やケース側密封環９及びシールケース６と第１Ｏリング１２との接触部分に侵入してメカニカルシール機能を低下、喪失させるようなことがなく、良好且つ安定したメカニカルシール機能が発揮される。

また、第２メカニカルシール４にあっては、密封端面１６ａ，１７ａ間に動圧発生溝１９によって発生するバッファガスＧ２の動圧により密封端面１６ａ，１７ａが非接触状態で相対回転することにより、当該密封端面１６ａ，１７ａの外周側領域であるバッファ領域Ｃとその内周側領域である機外領域（大気領域）Ｂとの間がシールされる（隔離される）。

ところで、機内領域Ａの液体が液体アンモニア等の低沸点液である場合には、その気化ガスが第１メカニカルシール３の密封端面８ａ，９ａ間からバッファ領域Ｃに侵入（蒸気漏れ）する虞れがあるが、バッファ領域Ｃの圧力Ｐ２が機内領域Ａの圧力Ｐ０と同圧又はこれより高圧となっていることから、気化ガスが密封端面８ａ，９ａ間からバッファ領域Ｃに侵入することがない。したがって、機内領域Ａの液体が気化し易い低沸点液である場合にも、当該液体を第１メカニカルシール３により確実にシールすることができる。また、機内領域Ａの液体が高圧である場合にも、上記した如く、バッファ領域Ｃの圧力Ｐ２が機内領域Ａの圧力Ｐ０と同圧又はこれより高圧であることから、当該液体を第１メカニカルシール３により良好にシールすることができる。

以上のように、第１軸封装置Ｍ１によれば、機内領域Ａの液体が固形微粒子等の異物が混入している場合や当該液体が低沸点液や高圧液体である場合にも、当該液体を機外領域Ｂに漏洩させることなく、第１及び第２メカニカルシール３，４により良好且つ確実にシールすることができる。

また、バッファ領域ＣがバッファガスＧ２によるガス領域であることから、第２メカニカルシール４として動圧形の非接触シールを使用することができる。すなわち、第１軸封装置Ｍ１を構成するすべてのメカニカルシール３，４を密封端面８ａ，９ａ、１６ａ，１７ａが非接触状態で相対回転する非接触シールとしておくことができる。したがって、軸封装置を構成するすべてのメカニカルシールを密封端面が接触状態で相対回転する接触シールとする従来軸封装置に比して、回転軸２に作用するトルクが減少し、回転軸２の動力費を含むランニングコストが大幅に削減される。

さらに、各メカニカルシール３，４が非接触シールであるから、密封端面が接触状態により相対回転することにより発熱する接触シールのように、密封端面を冷却するためのフラッシング手段等を必要とせず、軸封装置の付帯設備を簡略化することができる。したがって、第１軸封装置にあっては、従来軸封装置に比して、イニシャルコスト、ランニングコストを大幅に削減することができる。

次に、本発明の第２軸封装置について図４〜図６を参照して具体的に説明する。図４は第２軸封装置の一例を示す断面図であり、図５は図４の要部を拡大して示す断面図であり、図６は図５と異なる図４の要部を拡大して示す断面図である。

第２軸封装置Ｍ２は、図４に示す如く、低沸点液（液体アンモニア、ＬＰＧ等の液化ガス等）等の液体を扱うポンプ等の回転機器のハウジング１０１と回転軸１０２との間に装備されるもので、液体領域である機内領域Ａと大気領域である機外領域Ｂとの間を、機内領域Ａ側に設けた第１メカニカルシール１０３、機外領域Ｂ側に設けた第３メカニカルシール１０５及び両メカニカルシール１０３，１０５間に設けた第２メカニカルシール１０４によって、第１及び第２メカニカルシール１０３，１０４間に形成されたバッファ領域Ｃ並びに第２及び第３メカニカルシール１０４，１０５間に形成された二次シール領域Ｄを介してシールするように構成されている。なお、以下の説明において、前後とは図４〜図６における左右を意味するものとし、軸線とは回転軸１０２の中心線をいい、軸線方向とは当該軸線に平行する方向をいうものとする。

第１メカニカルシール１０３は、図４及び図５に示す如く、後述するシールケース１０６及びスリーブ１０７の構成を除いて、第１軸封装置Ｍ１の第１メカニカルシール３と同一構造をなし且つ同一機能を発揮する静圧形の非接触シールである。したがって、第１メカニカルシール１０３において第１軸封装置Ｍ１の第１メカニカルシール３と同一構成をなす部材については、図４及び図５において当該第１メカニカルシール３の構成部材と同一の符号であって丸括弧を付した符号を使用することにより、その詳細な説明は省略することとする。

すなわち、第１メカニカルシール１０３は、図４及び図５に示す如く、ハウジング１０１に取り付けられたシールケース１０６と、回転軸１０２に固定されたスリーブ１０７と、回転軸１０２に設けられた軸側密封環（８）と、軸側密封環（８）に直対向した状態でシールケース１０６に設けられたケース側密封環（９）と、ケース側密封環（９）を軸側密封環（８）へと押圧附勢するスプリング（１０）と、両密封環（８），（９）の密封端面（８ａ），（９ａ）間にシールガスＧ１を供給するシールガス供給通路（１１）とを具備して、密封端面（８ａ），（９ａ）を非接触状態で相対回転させることにより、密封端面（８ａ），（９ａ）の内周側領域である機内領域Ａとその外周側領域であるバッファ領域Ｃとの間をシールするように構成されている。

シールケース１０６は、図４に示す如く、ハウジング１０１の基端部（前端部）に取り付けられたフランジ部１０６ａと、フランジ部１０６ａから突出してハウジング１０１の内周部に嵌合された本体部１０６ｂと、本体部１０６ｂの先端部（後端部）の内周部に形成された第１リテーナ部１０６ｃと、本体部１０６ｂの軸線方向中央部の内周部に形成された第２リテーナ部１０６ｄと、フランジ部１０６ａの内周部に形成された第３リテーナ部１０６ｅとからなる円筒構造体である。

スリーブ１０７は、図４に示す如く、回転軸１０２に挿通された第１本体部１０７ａと、第１本体部１０７ａの機外領域Ｂ側に配して回転軸１０２に挿通された第２本体部１０７ｂと、第１本体部１０７ａの基端側（前端側）に形成された第１密封環保持部１０７ｃと、第２本体部１０７ｂの軸線方向中央部に形成された第２密封環保持部１０７ｄと、第１及び第２本体部１０７ａ，１０７ｂに嵌合された位置決め部１０７ｅ，１０７ｆ，１０７ｇとからなる円筒構造体であり、回転軸１０２にキー１０７ｈ，１０７ｉ及び固定環１０７ｊを介して固定されている。

軸側密封環（８）は、図４及び図５に示す如く、スリーブ１０７の第１密封環保持部１０７ｃの先端面（後端面）に当接する状態でスリーブ１０７の第１本体部１０７ａに固定されている。ケース側密封環（９）は、図４及び図５に示す如く、軸側密封環（８）の機内領域Ａ側に配置された円環状体であって、第１〜第３Ｏリング（１２），（１３），（１４）及びドライブピン（１５）を介してシールケース１０６の第１リテーナ部１０６ｃに軸線方向に移動可能に且つ相対回転不能に保持されている。

スプリング（１０）は、図４に示す如く、ケース側密封環（９）とシールケース１０６の第１リテーナ部１０６ｃとの間に装填されたコイルスプリングであり、ケース側密封環（９）を軸側密封環（８）へと押圧附勢している。

シールガス供給通路（１１）は、図４及び図５に示す如く、シールケース１０６の本体部１０６ｂとケース側密封環（９）との対向周面間に形成されて第２及び第３Ｏリング（１３），（１４）でシールされた接続空間（１１ａ）と、シールケース１０６の本体部１０６ｂに形成されて接続空間（１１ａ）に連通するケース側通路（１１ｂ）と、ケース側密封環（９）の密封端面（９ａ）に形成した静圧発生溝（１１ｃ）と、ケース側密封環（９）に形成されて接続空間（１１ａ）と静圧発生溝（１１ｃ）とを連通する密封環側通路（１１ｄ）と、密封環側通路（１１ｄ）に配設されたオリフィス（１１ｅ）とを具備して、シールガスＧ１を静圧発生溝（１１ｃ）から両密封環（８），（９）の密封端面（８ａ），（９ａ）間に供給するように構成されている。

而して、第１メカニカルシール１０３にあっては、第１軸封装置Ｍ１の第１メカニカルシール３と同様に、密封端面（８ａ），（９ａ）間にシールガス供給通路（１１）から供給されたシールガスＧ１により静圧が発生し、この静圧により密封端面（８ａ），（９ａ）を離間させる方向に作用する開力とスプリング（１０）の附勢力により密封端面（８ａ），（９ａ）を接近させる方向に作用する閉力とがバランスされて、密封端面（８ａ），（９ａ）間が非接触状態に保持される。

第２メカニカルシール１０４は、図４及び図６に示す如く、シールケース１０６及びスリーブ１０７の構成並びに軸線方向における密封環配置を逆にした点を除いて、第１軸封装置Ｍ１の第２メカニカルシール４と同一構造をなし且つ同一機能を発揮する動圧形の非接触シールである。したがって、第２メカニカルシール１０４において第１軸封装置Ｍ１の第２メカニカルシール４と同一構成をなす部材については、図４及び図６において当該第２メカニカルシール４の構成部材と同一の符号であって丸括弧を付した符号を使用することにより、その詳細な説明は省略することとする。

すなわち、第２メカニカルシール１０４は、図４及び図６に示す如く、回転軸１０２に設けられた軸側密封環（１６）と、軸側密封環（１６）に直対向した状態でシールケース１０６に設けられたケース側密封環（１７）と、ケース側密封環（１７）を軸側密封環（１６）へと押圧附勢するスプリング（１８）とを具備し、両密封環（１６），（１７）の対向端面である密封端面（１６ａ），（１７ａ）を、当該密封端面（１６ａ），（１７ａ）間にその一方に形成した動圧発生溝（１９）により動圧を発生させて、非接触状態で相対回転させることにより、密封端面（１６ａ），（１７ａ）の内周側領域であるバッファ領域Ｃとその外周側領域である二次シール領域Ｄとの間をシールするように構成されている。

軸側密封環（１６）は、図４及び図６に示す如く、第１メカニカルシール１０３の機外領域Ｂ側に配して、スリーブ１０７の第２密封環保持部１０７ｄの先端面（後端面）に当接する状態でスリーブ１０７の第２本体部１０７ｂに固定されている。軸側密封環（１６）の先端面（後端面）は軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面（１６ａ）に構成されている。軸側密封環（１６）の密封端面（１６ａ）には、二次シール領域Ｄに開口するスパイラル状等の適宜形状の動圧発生溝（１９）が形成されている。

ケース側密封環（１７）は、図４に示す如く、軸側密封環（１６）の機内領域Ａ側に配して、保持環（２０）、Ｏリング（２１），（２３）及びドライブピン（２２），（２４）を介してシールケース１０６の第２リテーナ部１０６ｄに軸線方向に移動可能に且つ相対回転不能に保持されている。

スプリング（１８）は、図６に示す如く、保持環（２０）とシールケース１０６の第２リテーナ部１０６ｄとの間に装填されたコイルスプリングであり、ケース側密封環（１７）を保持環（２０）を介して軸側密封環（１６）へと押圧附勢する。

第３メカニカルシール１０５は、図４及び図６に示す如く、シールケース１０６及びスリーブ１０７の構成を除いて、第１軸封装置Ｍ１の第２メカニカルシール４と同一構造をなし且つ同一機能を発揮する動圧形の非接触シールである。したがって、第３メカニカルシール１０５において第１軸封装置Ｍ１の第２メカニカルシール４と同一構成をなす部材については、図４及び図６において当該第２メカニカルシール４の構成部材と同一の符号であって角括弧を付した符号を使用することにより、その詳細な説明は省略することとする。

すなわち、第３メカニカルシール１０５は、図４及び図６に示す如く、回転軸１０２に設けられた軸側密封環［１６］と、軸側密封環［１６］に直対向した状態でシールケース１０６に設けられたケース側密封環［１７］と、ケース側密封環［１７］を軸側密封環［１６］へと押圧附勢するスプリング［１８］とを具備し、両密封環［１６］，［１７］の対向端面である密封端面［１６ａ］，［１７ａ］を、当該密封端面［１６ａ］，［１７ａ］間にその一方に形成した動圧発生溝［１９］により動圧を発生させて、非接触状態で相対回転させることにより、密封端面［１６ａ］，［１７ａ］の外周側領域である二次シール領域Ｄとその内周側領域である機外領域（大気領域）Ｂとの間をシールするように構成されている。

軸側密封環［１６］は、図４及び図６に示す如く、第２メカニカルシール１０４の機外領域Ｂ側に配して、スリーブ１０７の第２密封環保持部１０７ｄの基端面［前端面］に当接する状態でスリーブ１０７の第２本体部１０７ｂに固定されている。軸側密封環［１６］の先端面［前端面］は軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面［１６ａ］に構成されている。軸側密封環［１６］の密封端面［１６ａ］には、二次シール領域Ｄに開口するスパイラル状等の適宜形状の動圧発生溝［１９］が形成されている。

ケース側密封環［１７］は、図６に示す如く、軸側密封環［１６］の機外領域Ｂ側に配して、保持環［２０］、Ｏリング［２１］，［２３］及びドライブピン［２２］，［２４］を介してシールケース１０６の第３リテーナ部１０６ｅに軸線方向に移動可能に且つ相対回転不能に保持されている。

スプリング［１８］は、図４に示す如く、保持環［２０］とシールケース１０６の第３リテーナ部１０６ｅとの間に装填されたコイルスプリングであり、ケース側密封環［１７］を保持環［２０］を介して軸側密封環［１６］へと押圧附勢する。

第１メカニカルシール１０３と第２メカニカルシール１０４とでシールされたバッファ領域Ｃには、第１軸封装置Ｍ１と同様に、図４に示す如く、シールケース１０６の本体部１０６ｂに形成されたバッファガス供給通路（２５）からバッファガスＧ２が供給される。また、第２メカニカルシール１０４と第３メカニカルシール１０５とでシールされた二次シール領域Ｄには、図４及び図６に示す如く、シールケース１０６の本体部１０６ｂに形成された二次シールガス供給通路１２５から二次シールガスＧ３が供給される。

而して、第１軸封装置Ｍ１と同様に、バッファガスＧ２の圧力Ｐ２は、機内領域Ａの圧力Ｐ０と同圧又はこれより高圧とされており、シールガスＧ１の圧力Ｐ１は、バッファ領域Ｃの圧力（バッファガスＧ２の圧力）Ｐ２及び機内領域Ａの圧力Ｐ０より高圧とされている。また、二次シールガスＧ３の圧力Ｐ３は、バッファ領域Ｃの圧力（バッファガスＧ２の圧力）Ｐ２より高圧とされている。具体的には、例えば、ゲージ圧において、バッファガスＧ２の圧力Ｐ２はＰ２＝Ｐ０＋０〜０．２ＭＰａＧに設定し、シールガスＧ１の圧力Ｐ１はＰ１＝Ｐ２＋０．２ＭＰａＧ（＝Ｐ０＋０．２〜０．４ＭＰａＧ）に設定し、二次シールガスＧ３の圧力Ｐ３はＰ３＝Ｐ２＋０．２ＭＰａＧ（＝Ｐ０＋０．２〜０．４ＭＰａＧ）に設定しておくことが好ましい。シールガスＧ１、バッファガスＧ２及び二次シールガスＧ３としては、機内領域Ａの液体に混入しても支障がなく且つ機外領域Ｂに漏出しても問題がないガスが使用されるが、この例では、これらのガスＧ１，Ｇ２，Ｇ３として不活性な安全ガスである窒素ガスを使用している。

したがって、第２及び第３メカニカルシール１０４，１０５にあっては、第１軸封装置Ｍ１の第２メカニカルシール４と同様に、密封端面（１６ａ），（１７ａ）、［１６ａ］，［１７ａ］の相対回転により、その外周側領域である二次シール領域Ｄの二次シールガスＧ３が動圧発生溝（１９），［１９］から密封端面（１６ａ），（１７ａ）、［１６ａ］，［１７ａ］間に導入されて当該密封端面１６ａ），（１７ａ）、［１６ａ］，［１７ａ］間に動圧を発生させる。そして、この動圧により密封端面（１６ａ），（１７ａ）、［１６ａ］，［１７ａ］を離間させる方向に作用する開力とスプリング（１８），［１８］による附勢力により密封端面（１６ａ），（１７ａ）、［１６ａ］，［１７ａ］を接近させる方向に作用する閉力とがバランスされて、密封端面（１６ａ），（１７ａ）、［１６ａ］，［１７ａ］間が非接触状態に保持される。

以上のように構成された第２軸封装置Ｍ２にあっては、第１軸封装置Ｍ１と同様に、第１メカニカルシール１０３により機内領域Ａとバッファ領域Ｃとの間が良好にシールされる。すなわち、第１メカニカルシール１０３によれば、密封端面（８ａ），（９ａ）間に供給されるシールガスＧ１の圧力Ｐ１が機内領域Ａの圧力Ｐ０及びバッファ領域Ｃの圧力Ｐ２より高圧であるから、シールガスＧ１は密封端面（８ａ），（９ａ）間から機内領域Ａ及びバッファ領域Ｃに噴出されることになる。したがって、密封端面（８ａ），（９ａ）が非接触状態にあるにも拘わらず、機内領域Ａの液体が密封端面（８ａ），（９ａ）間に侵入することがなく、当該液体を良好にシールする。また、シールガスＧ１が密封端面（８ａ），（９ａ）間から機内領域Ａに噴出することから、機内領域Ａの低沸点液等の液体に固形微粒子等の異物が混入している場合にも、当該異物が密封端面（８ａ），（９ａ）間やケース側密封環（９）及びシールケース（６）と第１Ｏリング（１２）との接触部分に侵入してメカニカルシール機能を低下、喪失させるようなことがなく、良好且つ安定したメカニカルシール機能が発揮される。

また、第２メカニカルシール１０４によりバッファ領域Ｃと二次シール領域Ｄとの間がシールされ（隔離され）、第３メカニカルシール１０５により二次シール領域Ｄと機外領域Ｂとの間がシールされる（隔離される）。そしてバッファ領域Ｃの圧力Ｐ２が機内領域Ａの圧力Ｐ０と同圧又はこれより高圧であり、二次シール領域Ｄの圧力Ｐ３がバッファ領域Ｃの圧力Ｐ２より高圧であることから、機内領域Ａからバッファ領域Ｃへの漏洩が阻止され、万一バッファ領域Ｃに漏洩することがあっても、バッファ領域Ｃからこれより高圧の二次シール領域Ｄへの漏洩は確実に阻止される。したがって、機内領域Ａの液体が高圧である場合にもこれを良好且つ確実にシールすることができ、当該液体が気化し易い液体アンモニア等の低沸点液である場合にも、その気化ガスの二次シール領域Ｄへの侵入を阻止し、機外領域Ｂへの漏洩を確実に阻止することができる。したがって、第２軸封装置Ｍ２によれば、第１軸封装置Ｍ１と同等以上のシール機能が発揮される。

また、バッファ領域Ｃ及び二次シール領域ＤがバッファガスＧ２及び二次シールガスＧ３によるガス領域であることから、第２及び第３メカニカルシール１０４，１０５として動圧形の非接触シールを使用することができる。したがって、第２軸封装置Ｍ２を構成するすべてのメカニカルシール１０３，１０４，１０５を密封端面（８ａ），（９ａ）、（１６ａ），（１７ａ）、［１６ａ］，［１７ａ］が非接触状態で相対回転する非接触シールとしておくことができるから、第１軸封装置Ｍ１と同様に、従来軸封装置に比して、回転軸１０２の動力費を含むランニングコストや付帯設備を含めた軸封装置のイニシャルコストを大幅に削減することができる。

なお、本発明の構成は上記した各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で適宜に改良、変更することができる。例えば、第２メカニカルシール４，１０４及び第３メカニカルシール１０５を、ケース側密封環１７，（１７），［１７］を保持環２０，（２０），［２０］を介することなくシールケース６，１０６に保持させるように構成しておくことも可能である。

２ 回転軸
３ 第１メカニカルシール
４ 第２メカニカルシール
６ シールケース
８ 軸側密封環
（８） 軸側密封環
８ａ 密封端面
（８ａ） 密封端面
９ ケース側密封環
（９） ケース側密封環
９ａ 密封端面
（９ａ） 密封端面
１６ 軸側密封環
（１６） 軸側密封環
［１６］ 軸側密封環
１６ａ 密封端面
（１６ａ） 密封端面
［１６ａ］ 密封端面
１７ ケース側密封環
（１７） ケース側密封環
［１７］ ケース側密封環
１７ａ 密封端面
（１７ａ） 密封端面
［１７ａ］ 密封端面
１０２ 回転軸
１０３ 第１メカニカルシール
１０４ 第２メカニカルシール
１０５ 第３メカニカルシール
１０６ シールケース
Ａ 機内領域
Ｂ 機外領域
Ｃ バッファ領域
Ｄ 二次シール領域
Ｍ１ 第１軸封装置
Ｍ２ 第２軸封装置
Ｇ１ シールガス
Ｇ２ バッファガス
Ｇ３ 二次シールガス

Claims (2)

1. 液体領域である機内領域と大気領域である機外領域との間を、シールケースに設けたケース側密封環と回転軸に設けた軸側密封環とを具備する機内領域側の第１メカニカルシール及び機外領域側の第２メカニカルシールによりシールするように構成されており、
   両メカニカルシール間に形成されたバッファ領域に機内領域と同圧又はこれより高圧のバッファガスを供給し、
   第１メカニカルシールを、両密封環の対向端面である密封端面間にバッファ領域より高圧のシールガスを供給することにより当該密封端面を非接触状態で相対回転させる静圧形の非接触シールに構成すると共に、
   第２メカニカルシールを、両密封環の対向端面である密封端面間に前記バッファガスによる動圧を発生させることにより当該密封端面を非接触状態で相対回転させる動圧形の非接触シールに構成してあることを特徴とする軸封装置。
2. 液体領域である機内領域と大気領域である機外領域との間を、シールケースに設けたケース側密封環と回転軸に設けた軸側密封環とを具備する機内領域側の第１メカニカルシール、機外領域側の第３メカニカルシール及び当該両メカニカルシール間に設けた第２メカニカルシールによりシールするように構成されており、
   第１及び第２メカニカルシール間に形成されたバッファ領域に機内領域と同圧又はこれより高圧のバッファガスを供給すると共に、第２及び第３メカニカルシール間に形成された二次シール領域にバッファガス領域より高圧の二次シールガスを供給し、
   第１メカニカルシールを、両密封環の対向端面である密封端面間にバッファ領域より高圧のシールガスを供給することにより当該密封端面を非接触状態で相対回転させる静圧形の非接触シールに構成すると共に、
   第２及び第３メカニカルシールを、夫々、両密封環の対向端面である密封端面間に前記二次シールガスによる動圧を発生させることにより当該密封端面を非接触状態で相対回転させる動圧形の非接触シールに構成してあることを特徴とする軸封装置。

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