JP2023183450A - メカニカルシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】循環ポンプ機構のスプリングがロータに接触して摩耗するのを抑制することができるメカニカルシール装置を提供する。【解決手段】メカニカルシール装置１は、封液室８内の封液を循環させる循環ポンプ機構３０を備える。循環ポンプ機構３０は、回転軸５１に一体回転可能に設けられ外周面３１ｂで開口する取付溝３１ｃが形成されたロータ３１と、取付溝３１ｃに設けられロータ３１の外周面３１ｂに対して出没自在な複数のベーン３２と、取付溝３１ｃにおいてベーン３２よりも奥側に設けられベーン３２をロータ３１の外周面３１ｂから突出させる方向に付勢するスプリング３３と、取付溝３１ｃにおいてベーン３２よりも奥側に設けられスプリング３３が挿入される挿入孔４２ａが形成された保持部材４２と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、メカニカルシール装置に関する。

回転機器に設置されるメカニカルシール装置は、回転密封環及び固定密封環のシール面同士の潤滑性を高めるとともに、前記シール面同士の間で発生した摺動熱を除去するために、封液を循環させる循環ポンプ機構を備えている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１のメカニカルシール装置は、ベーンポンプとして機能する循環ポンプ機構を備えている。循環ポンプ機構は、回転機器の回転軸と一体回転するロータと、ロータの外周面から出没自在な複数のベーンと、ベーンを突出させる方向に付勢する円筒状のスプリングと、隣り合うベーン同士の間に区画される複数のポンプ室と、を備えている。この循環ポンプ機構は、ロータの１回転毎に一定容積の封液を循環させることができるので、撹拌機等の低速回転する回転機器であっても必要流量の封液を循環させることができる。

特開２０２２－１８０７３号公報

特許文献１の循環ポンプ機構では、ロータにベーンが挿入される取付溝が形成され、その取付溝内のベーンよりも奥側にスプリングが配置されている。スプリングは、その長手方向の両端が取付溝の底面とベーンの背面にそれぞれ当接した状態で取付溝内に配置されているだけである。このため、スプリングの長手方向の中間部が挫屈すると、その中間部が取付溝の側面に接触し易い。したがって、循環ポンプ機構を長期間使用すると、スプリングの中間部と取付溝の側面との接触によりスプリングの摩耗が進行し、スプリングが破損するおそれがある。

本開示はこのような事情に鑑みてなされたものであり、循環ポンプ機構のスプリングがロータに接触して摩耗するのを抑制することができるメカニカルシール装置を提供することを目的とする。

（１）本開示は、回転機器の回転軸を包囲し、前記回転機器の機内領域と機外領域とを区画するシールケースと、前記シールケースと前記回転軸との間に配置された少なくとも１つのメカニカルシールと、前記シールケース内に形成され、前記メカニカルシールの摺動部を潤滑する封液が導入される封液室と、前記封液室内の前記封液を循環させる循環ポンプ機構と、を備え、前記循環ポンプ機構は、前記回転軸側に一体回転可能に設けられ、外周面で開口する取付溝が形成された環状のロータと、前記取付溝に設けられ、前記ロータの外周面に対して出没自在なベーンと、前記取付溝において前記ベーンよりも奥側に設けられ、前記ベーンを前記ロータの外周面から突出させる方向に付勢するスプリングと、前記取付溝において前記ベーンよりも奥側に設けられ、前記スプリングが挿入される挿入孔が形成された保持部材と、を備える、メカニカルシール装置である。

本開示のメカニカルシール装置によれば、循環ポンプ機構のロータの取付溝において、ベーンよりも奥側に設けられた保持部材の挿入孔にスプリングが挿入される。このため、スプリングの長手方向の中間部は、保持部材によって保持される。これにより、スプリングの中間部が挫屈して取付溝の側面に当接するのを抑制することができる。その結果、スプリングがロータに接触して摩耗するのを抑制することができる。

（２）前記（１）のメカニカルシール装置において、前記スプリングは、円錐コイルばねであり、前記円錐コイルばねの小径端側が、前記保持部材から前記ベーン側に露出しているのが好ましい。
この場合、円錐コイルばねの保持部材から露出している部分は、円錐コイルばねの他の部分よりも小径となる。このため、円錐コイルばねの前記露出している部分が取付溝の側面に当接するのをさらに抑制することができる。その結果、スプリング（円錐コイルばね）がロータに接触して摩耗するのをさらに抑制することができる。

（３）前記（１）又は（２）のメカニカルシール装置において、前記循環ポンプ機構は、前記取付溝に設けられた複数の前記スプリングを備え、前記保持部材には、複数の前記スプリングが個別に挿入される複数の前記挿入孔が形成されているのが好ましい。
この場合、複数のスプリングは、保持部材の複数の挿入孔に個別に挿入されるので、スプリング同士が接触して摩耗するのを抑制することができる。

（４）前記（１）から（３）のいずれかのメカニカルシール装置において、前記スプリングは、前記保持部材から前記ベーン側に露出する露出部を有し、前記ベーンには、前記露出部が挿入される凹部が形成されているのが好ましい。
この場合、スプリングの保持部材から露出する露出部がベーンの凹部に挿入されるので、スプリングの露出部が取付溝の側面に当接するのをさらに抑制することができる。その結果、スプリングがロータに接触して摩耗するのをさらに抑制することができる。

（５）前記（４）のメカニカルシール装置において、前記循環ポンプ機構は、前記取付溝に配置された複数の前記スプリングを備え、前記ベーンには、複数の前記スプリングの前記露出部が個別に挿入される複数の前記凹部が形成されているのが好ましい。
この場合、複数のスプリングの露出部は、ベーンの複数の凹部に個別に挿入されるので、スプリングの露出部同士が接触して摩耗するのを抑制することができる。

（６）他の観点から見た本開示は、回転機器の回転軸を包囲し、前記回転機器の機内領域と機外領域とを区画するシールケースと、前記シールケースと前記回転軸との間に配置された少なくとも１つのメカニカルシールと、前記シールケース内に形成され、前記メカニカルシールの摺動部を潤滑する封液が導入される封液室と、前記封液室内の前記封液を循環させる循環ポンプ機構と、を備え、前記循環ポンプ機構は、前記回転軸側に一体回転可能に設けられ、外周面で開口する取付溝が形成された環状のロータと、前記取付溝に設けられ、前記ロータの外周面に対して出没自在なベーンと、前記取付溝において前記ベーンよりも奥側に設けられ、前記ベーンを前記ロータの外周面から突出させる方向に付勢するスプリングと、を備え、前記スプリングは、円錐コイルばねである、メカニカルシール装置である。

本開示のメカニカルシール装置によれば、循環ポンプ機構のロータの取付溝において、ベーンよりも奥側には、ベーンを付勢するスプリングとして円錐コイルばねが設けられる。これにより、円錐コイルばねの大径端の外径を、従来の円筒状のスプリングの外径以下にすることで、円錐コイルばねの長手方向の中間部が取付溝の側面に当接するのを抑制することができる。その結果、スプリング（円錐コイルばね）がロータに接触して摩耗するのを抑制することができる。

本開示のメカニカルシール装置によれば、循環ポンプ機構のスプリングがロータに接触して摩耗するのを抑制することができる。

本開示の第１実施形態に係るメカニカルシール装置を示す断面図である。 図１のＩ－Ｉ矢視断面図である。 循環ポンプ機構における図２の６時付近を示す拡大断面図である。 保持部材を示す斜視図である。 ベーンを示す斜視図である。 ハウジングの第１外側板を機外側から見た側面図である。 ハウジングの第２外側板を機外側から見た側面図である。 ロータの切欠溝付近を示す拡大斜視図である。 本開示の第２実施形態に係るメカニカルシール装置の循環ポンプ機構を示す断面図である。 第２実施形態の循環ポンプ機構における図９の６時付近を示す拡大断面図である。 第２実施形態のロータの取付溝付近を示す拡大斜視図である。

次に、本開示の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
＜第１実施形態＞
［メカニカルシール装置］
図１は、本開示の第１実施形態に係るメカニカルシール装置１を示す断面図である。メカニカルシール装置１は、被密封流体を取り扱うポンプや撹拌機等の回転機器５０に設けられている。メカニカルシール装置１は、シールケース２、第１メカニカルシール６、第２メカニカルシール７、封液室８、及び循環ポンプ機構３０を備えている。

シールケース２は、回転機器５０のケーシング（図示省略）に固定されており、回転機器５０の機内領域Ａと機外領域Ｂとを区画している。本実施形態のシールケース２は、機外領域Ｂ側から機内領域Ａ側へ向かって順に、第１ケース体３、第２ケース体４、及び第３ケース体５を有している。第１ケース体３、第２ケース体４、及び第３ケース体５は、それぞれ環状に形成されており、回転機器５０の回転軸５１を包囲している。以下、本明細書において、機内領域Ａ側を機内側といい、機外領域Ｂ側を機外側という。

第１メカニカルシール６及び第２メカニカルシール７は、ダブル型メカニカルシールを構成しており、シールケース２と回転軸５１との間において、回転軸５１の軸方向（以下、単に「軸方向」という）に所定間隔をあけて配置されている。第１メカニカルシール６は機内側に配置され、機内領域Ａと封液室８（後述）との間をシールしている。第２メカニカルシール７は機外側に配置され、機外領域Ｂと封液室８との間をシールしている。

第１メカニカルシール６は、スプリングリテーナ１１、スプリング１２、ドライブピン１３、ドライブカラー１４、リテーナ１５、回転密封環１６、静止密封環１７、セットスクリュー１８、ピン１９、Ｏリング２０、及びＯリング２１を備えている。

スプリングリテーナ１１は、環状に形成されており、回転軸５１の外周側においてスリーブ９を介して固定されている。スプリングリテーナ１１には、径方向に貫通する複数のねじ孔１１ａ（図１では１つのみ図示）が周方向に所定間隔をあけて形成されている。各ねじ孔１１ａにはセットスクリュー１８が螺合されており、セットスクリュー１８の先端部はスリーブ９の外周面を押し付けている。これにより、スプリングリテーナ１１は、セットスクリュー１８によって回転軸５１側に固定されている。

スプリングリテーナ１１には、軸方向に貫通する複数の貫通孔１１ｂ（図１では１つのみ図示）が周方向に所定間隔をあけて形成されている。各貫通孔１１ｂにはドライブピン１３が挿入されており、ドライブピン１３は、スプリングリテーナ１１に対して軸方向の所定範囲で移動可能に保持されている。

ドライブピン１３の機内側の端部は、スプリングリテーナ１１よりも機内側において、スリーブ９の外周面に対して軸方向に移動可能に取り付けられた環状のドライブカラー１４に固定されている。具体的には、ドライブカラー１４には、軸方向に貫通する複数のねじ孔１４ａ（図１では１つのみ図示）が周方向に所定間隔をあけて形成されている。各ねじ孔１４ａには、各ドライブピン１３の機内側の端部に形成された雄ねじ部１３ａが螺合されている。これにより、ドライブカラー１４は、ドライブピン１３を介してスプリングリテーナ１１に対して軸方向に移動可能に保持されながら、スプリングリテーナ１１に対する相対回転が規制されている。

スプリングリテーナ１１は、周方向に所定間隔をあけて複数のスプリング１２（図１では１つのみ図示）の一端部を保持している。スプリング１２の他端部は、ドライブカラー１４の機外側の端面に当接している。これにより、ドライブカラー１４は、スプリング１２の付勢力によって機内側に付勢されている。

ドライブカラー１４よりも機内側には、環状のリテーナ１５が隣接して配置されている。リテーナ１５は、スリーブ９の外周面に対して軸方向に移動可能に取り付けられている。リテーナ１５の機外側の端面には、機外側に突出する複数の係合ピン１５ａ（図１では１つのみ図示）が周方向に所定間隔をあけて設けられている。

各係合ピン１５ａは、ドライブカラー１４に形成された係合孔１４ｂに係合されている。これにより、リテーナ１５は、ドライブカラー１４と共に回転軸５１に対して軸方向に移動可能に保持されながら、ドライブカラー１４に対する相対回転が規制されている。リテーナ１５の内周には、スリーブ９の外周面との間をシール（二次シール）するゴム製のＯリング２０が設けられている。

リテーナ１５の機内側には、環状の回転密封環１６が嵌合して固定されている。回転密封環１６の機内側の端面は、シール面１６ａとされている。回転密封環１６よりも機内側には、静止密封環１７が隣接して配置されている。静止密封環１７は、第３ケース体５の内周側に嵌合して固定されている。静止密封環１７の機外側の端面は、回転密封環１６のシール面１６ａが摺動するシール面１７ａとされている。

静止密封環１７の機内側には、複数のピン溝１７ｂ（図１では１つのみ図示）が周方向に所定間隔をあけて形成されている。各ピン溝１７ｂには、第３ケース体５の内周側において機外側に突出して固定されたピン１９が挿入されている。これにより、静止密封環１７は、第３ケース体５に対する相対回転が規制されている。静止密封環１７の外周には、第３ケース体５の内周面との間をシール（二次シール）するゴム製のＯリング２１が設けられている。

第２メカニカルシール７は、第１メカニカルシール６と同様に、スプリングリテーナ１１、スプリング１２、ドライブピン１３、ドライブカラー１４、リテーナ１５、回転密封環１６、静止密封環１７、セットスクリュー１８、ピン１９、Ｏリング２０、及びＯリング２１を備えている。第２メカニカルシール７の構成部材であるスプリングリテーナ１１～Ｏリング２１は、循環ポンプ機構３０を挟んで、第１メカニカルシール６の構成部材であるスプリングリテーナ１１～Ｏリング２１と軸方向に対称に配置されている。

第２メカニカルシール７のピン１９は、第１ケース体３の内周側において機内側に突出して固定されている。第２メカニカルシール７のＯリング２１は、静止密封環１７と第１ケース体３との間をシール（二次シール）している。第２メカニカルシール７の他の構成は、第１メカニカルシール６と同様の構成であるため、説明を省略する。

封液室８は、シールケース２内に形成された環状の空間である。封液室８には、第１メカニカルシール６のシール面１６ａ，１７ａ同士の摺動部、及び第２メカニカルシール７のシール面１６ａ，１７ａ同士の摺動部を潤滑及び冷却する封液が導入される。封液としては、被密封流体に応じて、被密封流体内に混入しても支障のない水，油，溶剤等が使用される。

第２ケース体４には、外部から封液室８に封液を供給する供給路４ａが形成されている。第１ケース体３には、封液室８から外部に封液を排出する排出路３ａが形成されている。これにより、回転機器５０の運転中に供給路４ａから封液室８に供給された封液は、第１及び第２メカニカルシール６，７の各摺動部を潤滑及び冷却し、排出路３ａから外部に排出される。

［循環ポンプ機構］
図２は、図１のＩ－Ｉ矢視断面図である。図１及び図２において、循環ポンプ機構３０は、封液室８内の封液を循環させるものであり、シールケース２内において第１メカニカルシール６と第２メカニカルシール７との間に配置されている。循環ポンプ機構３０は、ロータ３１、複数のベーン３２、複数のスプリング（付勢部材）３３、ハウジング３４、複数のポンプ室３８、及び保持部材４２を備えている。なお、図２では、回転軸５１、ベーン３２、及び保持部材４２の断面は省略している。

ロータ３１は、例えばステンレス等の金属製の環状の部材からなる。ロータ３１は、スリーブ９の外周側に固定されている。具体的には、スリーブ９の外周に固定されたキー３９が、ロータ３１の内周側に形成されたキー溝３１ａに係合することで、スリーブ９の外周側にロータ３１が固定されている。これにより、ロータ３１は、回転軸５１側に一体回転可能に取り付けられ、回転軸５１の回転トルクは、スリーブ９を介してロータ３１に伝達される。

［取付溝］
図３は、循環ポンプ機構３０における図２の６時付近を示す拡大断面図である。図２及び図３において、ロータ３１には、その外周面３１ｂで開口する取付溝３１ｃが、周方向に所定間隔をあけて複数（図２では４つ）形成されている。各取付溝３１ｃは、ロータ３１の軸方向（図３の紙面垂直方向）全体にわたって形成されている。

各取付溝３１ｃは、第１溝部３１ｄと、第２溝部３１ｅと、を有している。第１溝部３１ｄは、取付溝３１ｃの底部側（奥側）に形成されている。第２溝部３１ｅは、取付溝３１ｃの開口側に形成されている。第１溝部３１ｄの溝幅Ｗ１は、第２溝部３１ｅの溝幅Ｗ２よりも大きい。第１溝部３１ｄの深さは、第２溝部３１ｅの深さよりも浅い。

［保持部材］
各取付溝３１ｃの第１溝部３１ｄには、その軸方向外側から保持部材４２が嵌め込まれている。図４は、保持部材４２を示す斜視図である。図３及び図４において、保持部材４２は、合成樹脂製の直方体状の部材からなる。本実施形態の保持部材４２は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂からなる。保持部材４２は、第１溝部３１ｄの一対の側面３１ｄ１に締め代をもって嵌め込まれている。これにより、保持部材４２は、第１溝部３１ｄに固定されている。

保持部材４２には、スプリング３３が挿入される挿入孔４２ａが形成されている。挿入孔４２ａは、保持部材４２において、ロータ３１の軸方向に並んで複数（図４では２つ）形成されている。各挿入孔４２ａは、保持部材４２を第１溝部３１ｄの深さ方向に貫通して形成されている。各挿入孔４２ａは、第２溝部３１ｅと連通している。

［スプリング］
各取付溝３１ｃには、複数のスプリング３３が設けられている。具体的には、各第１溝部３１ｄに固定された保持部材４２の複数の挿入孔４２ａに、複数（ここでは２つ）のスプリング３３が個別に挿入されている。スプリング３３は、例えばステンレス等の金属製の円錐コイルばねである。円錐コイルばね３３は、その大径端が奥側に配置されるように取付溝３１ｃに挿入されている。円錐コイルばね３３の大径端は、挿入孔４２ａを貫通して第１溝部３１ｄの底面に当接している。

円錐コイルばね３３の最収縮状態（図３に示す状態）での長手方向の長さは、第１溝部３１ｄの深さよりも長い。このため、円錐コイルばね３３は、保持部材４２の挿入孔４２ａから第２溝部３１ｅ内に常に露出する露出部３３ａを有している。本実施形態では、円錐コイルばね３３の小径端側が露出部３３ａとなっている。

［ベーン］
図２及び図３において、各取付溝３１ｃの第２溝部３１ｅには、ベーン３２が挿入されている。ベーン３２は、例えばカーボン製の平板状の部材からなる。ベーン３２の軸方向（図３の紙面垂直方向）の長さは、取付溝３１ｃの軸方向の長さと略同一である。ベーン３２は、第２溝部３１ｅの一対の側面３１ｅ１に対して摺動可能である。これにより、ベーン３２は、第２溝部３１ｅにおいてロータ３１の外周面３１ｂに対して出没自在である。

図５は、ベーン３２を示す斜視図である。図３及び図５において、ベーン３２の背面３２ｂ（第２溝部３１ｅの奥側に配置される面）には、凹部３２ｃが形成されている。凹部３２ｃは、ベーン３２において、ロータ３１の軸方向に並んで複数（図５では２つ）形成されている。

各凹部３２ｃは、露出部３３ａの先端（小径端）側の一部が挿入される大きさに形成されている。これにより、複数の凹部３２ｃには、保持部材４２からベーン３２側に露出している複数の円錐コイルばね３３における露出部３３ａの先端側が個別に挿入されている。

凹部３２ｃに挿入された露出部３３ａの先端は、凹部３２ｃの底面に当接している。これにより、各取付溝３１ｃ内の複数の円錐コイルばね３３は、ベーン３２をロータ３１の外周面３１ｂから突出させる方向に付勢している。各円錐コイルばね３３の露出部３３ａの他部は、第２溝部３１ｅの空間Ｓ１において露出している。

空間Ｓ１は、第２溝部３１ｅにおいてベーン３２の奥側に形成される空間である。空間Ｓ１の容積は、ベーン３２がロータ３１に対して出没することで増減する。具体的には、ベーン３２がロータ３１から突出することで空間Ｓ１の容積は増加し、ベーン３２がロータ３１内に埋没することで空間Ｓ１の容積は減少する。

［ハウジング］
図１及び図２において、循環ポンプ機構３０のハウジング３４は、シールケース２の内周側に取り付けられている。具体的には、ハウジング３４は、第１ケース体３の段差面３ｂと、第２ケース体４の突出端面４ｃとの間に配置されている。ハウジング３４は、カムリング３５と、カムリング３５の軸方向両側に配置された第１外側板３６及び第２外側板３７と、を有している。カムリング３５、第１外側板３６、及び第２外側板３７は、これらを軸方向に貫通する複数（図２では３つ）のピン４０により、シールケース２に対する相対回転が規制されている。

第１外側板３６と第２ケース体４との間には、スプリング４１が周方向に所定間隔をあけて複数（図１では１つのみ）設けられている。スプリング４１は、第２ケース体４に対して第１外側板３６を機外側へ向けて押圧している。これにより、ハウジング３４は、第１ケース体３の段差面３ｂと第２ケース体４の突出端面４ｃとの間において、機外側へ偏った状態で保持され、スプリング４１の付勢力に抗して機内側へ移動可能とされている。なお、スプリング４１は、第１ケース体３と第２外側板３７との間に配置され、第１ケース体３に対して第２外側板３７を機内側へ向けて押圧してもよい。

カムリング３５は、例えばステンレス等の金属製の環状の部材からなる。カムリング３５は、第１ケース体３とロータ３１との間に配置されている。カムリング３５の軸方向の長さは、ロータ３１の軸方向の長さと略同一である。カムリング３５の外周面３５ａは、回転軸５１の軸線Ｃ１を中心とする円周面とされている。

カムリング３５の内周面３５ｂは、回転軸５１の軸線Ｃ１に対して偏心した位置を中心Ｃ２とする円周面とされている。本実施形態では、カムリング３５の内周面３５ｂの中心Ｃ２は、回転軸５１の軸線Ｃ１に対して図２の上側に偏心している。これにより、カムリング３５の内周面３５ｂは、ロータ３１の外周面３１ｂに対して偏心している。具体的には、カムリング３５の内周面３５ｂは、図２の６時から１２時までの第１角度範囲θ１では、ロータ３１の外周面３１ｂから徐々に離れるように偏心している。また、カムリング３５の内周面３５ｂは、図２の１２時から６時までの第２角度範囲θ２では、ロータ３１の外周面３１ｂに徐々に近づくように偏心している。

カムリング３５の内周面３５ｂは、ロータ３１の回転に伴って各ベーン３２の先端３２ａが摺動する摺動面とされている。ロータ３１が矢印Ｅ方向に１回転するたびに、各ベーン３２は、カムリング３５の内周面３５ｂを摺動しながら、取付溝３１ｃから突出する突出移動と、取付溝３１ｃに埋没する埋没移動とを、交互に繰り返す。本実施形態の各ベーン３２は、第１角度範囲θ１では突出移動し、第２角度範囲θ２では埋没移動する。

第１角度範囲θ１において、各ベーン３２は、取付溝３１ｃ内に最も埋没した状態（６時の状態）から、取付溝３１ｃから最も突出した状態（１２時の状態）まで、スプリング３３の付勢力により徐々に突出移動する。第２角度範囲θ２において、各ベーン３２は、前記最も突出した状態（１２時の状態）から前記最も埋没した状態（６時の状態）まで、カムリング３５の内周面３５ｂに押し付けられることで、スプリング３３の付勢力に抗して徐々に埋没移動する。

第１外側板３６及び第２外側板３７は、例えばカーボン製の円板部材からなり、第１ケース体３とスリーブ９との間に配置されている。第１外側板３６の機外側の側面、及び第２外側板３７の機内側の側面には、ロータ３１の軸方向両側面がそれぞれ摺動するようになっている。

以上の構成により、ハウジング３４の内部におけるロータ３１の外周面３１ｂとカムリング３５の内周面３５ｂとの間には、周方向に隣り合うベーン３２，３２により区画されたポンプ室３８が複数（図２では４つ）形成されている。各ポンプ室３８は、封液が吸い込み及び吐出される空間である。

各ポンプ室３８の容積は、ロータ３１の回転に伴って変化する。本実施形態では、ロータ３１が矢印Ｅ方向に１回転するたびに、第１角度範囲θ１ではポンプ室３８の容積は徐々に増加するように変化し、第２角度範囲θ２ではポンプ室３８の容積は徐々に減少するように変化する。

図６は、ハウジング３４の第１外側板３６を機外側から見た側面図である。図１及び図６に示すように、第１外側板３６の第１角度範囲θ１には、複数（図６では３つ）の吸込口３６ａが周方向に所定間隔をあけて形成されている。これにより、ロータ３１の回転により各ポンプ室３８が第１角度範囲θ１を通過する際に、ポンプ室３８の容積が徐々に増加することで、ポンプ室３８内は正圧から負圧に変化する。このようにポンプ室３８内が負圧になることで、各吸込口３６ａからポンプ室３８に封液を吸い込む作用が発生する。これにより、封液室８の封液は、各吸込口３６ａからポンプ室３８に吸い込まれる。

図７は、ハウジング３４の第２外側板３７を機外側から見た側面図である。図１及び図７に示すように、第２外側板３７の第２角度範囲θ２には、複数（図７では３つ）の吐出口３７ａが周方向に所定間隔をあけて形成されている。これにより、ロータ３１の回転により各ポンプ室３８が第２角度範囲θ２を通過する際に、ポンプ室３８の容積が徐々に減少することで、ポンプ室３８内は負圧から正圧に変化する。このようにポンプ室３８内が正圧になることで、各吐出口３７ａからポンプ室３８の外部へ封液を吐出する作用が発生する。これにより、ポンプ室３８の封液は、各吐出口３７ａから封液室８に吐出される。

以上の構成により、循環ポンプ機構３０は、ベーンポンプとして機能し、ロータ３１の１回転毎に一定容積の封液を循環させることができる。なお、図１では、分かり易くするために、吸込口３６ａ及び吐出口３７ａの位置を周方向にずらして示している。

［切欠溝］
図２及び図３において、ロータ３１の外周面３１ｂには、周方向に間隔をあけて複数の切欠溝３１ｆが形成されている。切欠溝３１ｆの個数は、ベーン３２の個数と同数（４つ）である。各切欠溝３１ｆは、ロータ３１の外周面３１ｂにおいて、各ベーン３２の先端３２ａよりもロータ３１の回転方向先側の少し離れた位置に形成されている。各切欠溝３１ｆは、軸方向視においてＶ字状に形成されている。

各切欠溝３１ｆは、第１側面３１ｇと、第２側面３１ｈと、を有している。第１側面３１ｇは、ロータ３１の回転方向手前側に形成されている。第２側面３１ｈは、ロータ３１の回転方向先側に形成されている。第１側面３１ｇと第２側面３１ｈとがなす角度αは、後述する連通流路４５を加工具（ドリル等）によりロータ３１に加工する際に、第１側面３１ｇに前記加工具を容易にアクセスできる大きさに設定されている。

［連通流路］
循環ポンプ機構３０は、ロータ３１に形成された複数の連通流路４５をさらに備える。連通流路４５の個数は、ベーン３２の個数と同数（４つ）である。各連通流路４５は、取付溝３１ｃの空間Ｓ１とポンプ室３８とを連通する流路である。本実施形態の各連通流路４５は、ロータ３１において、取付溝３１ｃとは独立して形成されている。

図８は、ロータ３１の切欠溝３１ｆ付近を示す拡大斜視図である。図３及び図８において、各連通流路４５は、ロータ３１の軸方向（図８の上下方向）に間隔をあけて並ぶ複数の流路部４６を有する。各流路部４６は、例えば断面円形の孔からなる。各流路部４６の長手方向の一端は、切欠溝３１ｆの第１側面（側面）３１ｇで開口している。各流路部４６の長手方向の他端は、取付溝３１ｃの第２溝部３１ｅの側面３１ｅ１で開口している。以上より、各連通流路４５の流路部４６は、各取付溝３１ｃの空間Ｓ１と、当該取付溝３１ｃに挿入されたベーン３２の先端３２ａよりもロータ３１の回転方向先側に区画されたポンプ室３８と、を連通している。

図２及び図３において、ロータ３１が第１角度範囲θ１を回転する際に、複数の流路部４６は、ポンプ室３８から取付溝３１ｃの空間Ｓ１内に封液を供給する供給流路として機能する。具体的には、第１角度範囲θ１では、第１外側板３６の吸込口３６ａからポンプ室３８に封液が吸い込まれる。これにより、ポンプ室３８内の封液は、当該ポンプ室３８に面するロータ３１の外周面３１ｂに形成された切欠溝３１ｆから、当該切欠溝３１ｆの第１側面３１ｇで開口する複数の流路部４６に流れ込む。複数の流路部４６に流れ込んだ封液は、これらの流路部４６と連通する取付溝３１ｃの空間Ｓ１に流れ込む。したがって、ロータ３１が第１角度範囲θ１を回転する際には、ベーン３２の背面３２ｂには、空間Ｓ１に流れ込んだ封液の圧力が背圧として作用する。

ロータ３１が第２角度範囲θ２を回転する際に、複数の流路部４６は、空間Ｓ１内の封液をポンプ室３８に排出する排出流路として機能する。具体的には、第２角度範囲θ２では、上述のようにベーン３２が円錐コイルばね３３の付勢力に抗して取付溝３１ｃ内に埋没移動する。これにより、空間Ｓ１内の封液は、複数の流路部４６を通過し、切欠溝３１ｆからポンプ室３８に排出される。その際、空間Ｓ１内のごみが、封液と共に複数の流路部４６を介してポンプ室３８に排出されるので、複数の流路部４６は、空間Ｓ１を洗浄するための流路としても機能する。

［作用効果］
以上、本実施形態のメカニカルシール装置１によれば、循環ポンプ機構３０のロータ３１の取付溝３１ｃにおいて、ベーン３２よりも奥側に設けられた保持部材４２の挿入孔４２ａにスプリング３３が挿入されている。このため、スプリング３３の長手方向の中間部は、保持部材４２によって保持される。これにより、スプリング３３の中間部が挫屈して取付溝３１ｃの側面３１ｄ１，３１ｅ１に当接するのを抑制することができる。その結果、スプリング３３がロータ３１に接触して摩耗するのを抑制することができる。

また、スプリング３３は円錐コイルばねであり、円錐コイルばね３３の小径端側は、保持部材４２からベーン３２側に露出する露出部３３ａとなっている。これにより、円錐コイルばね３３の露出部３３ａは、円錐コイルばね３３の他の部分よりも小径となる。このため、円錐コイルばね３３の露出部３３ａが取付溝３１ｃの側面３１ｄ１，３１ｅ１に当接するのをさらに抑制することができる。その結果、スプリング（円錐コイルばね）３３がロータ３１に接触して摩耗するのをさらに抑制することができる。

また、保持部材４２に形成された複数の挿入孔４２ａに、複数のスプリング３３が個別に挿入されている。このため、スプリング３３同士が接触して摩耗するのを抑制することができる。

また、ベーン３２の背面３２ｂに形成された凹部３２ｃに、スプリング３３の露出部３３ａが挿入されている。このため、スプリング３３の露出部３３ａが取付溝３１ｃの側面３１ｄ１，３１ｅ１に当接するのをさらに抑制することができる。その結果、スプリング３３がロータ３１に接触して摩耗するのをさらに抑制することができる。

また、ベーン３２の背面３２ｂに形成された複数の凹部３２ｃに、複数のスプリング３３が個別に挿入されている。このため、スプリング３３の露出部３３ａ同士が接触して摩耗するのを抑制することができる。

＜第２実施形態＞
図９は、本開示の第２実施形態に係るメカニカルシール装置１の循環ポンプ機構３０を示す断面図である。図１０は、その循環ポンプ機構３０における図９の６時付近を示す拡大断面図である。本実施形態の循環ポンプ機構３０は、スプリング３３が挿入される保持部材４２（図２参照）を備えていない点と、ロータ３１の取付溝３１ｃ及び連通流路４５の各構成が異なる点で、第１実施形態と相違する。

図９及び図１０において、本実施形態の循環ポンプ機構３０におけるロータ３１の各取付溝３１ｃは、その深さ方向全体にわたって一定の溝幅Ｗ３を有している（図１１も参照）。各取付溝３１ｃは、互いに対向する第１側面３１ｉ及び第２側面３１ｊを有している。第１側面３１ｉは、ロータ３１の回転方向先側に形成されている。第２側面３１ｊは、ロータ３１の回転方向手前側に形成されている。

図１１は、ロータ３１の取付溝３１ｃ付近を示す拡大斜視図である。図１０及び図１１において、各取付溝３１ｃの第１側面３１ｉには、ロータ３１の軸方向に並ぶ複数（図１１では３つ）の小溝３１ｋが形成されている。各小溝３１ｋは、断面円弧状に形成されている。各小溝３１ｋは、取付溝３１ｃの深さ方向全体にわたって形成されている。各小溝３１ｋは、円錐コイルばね３３の大径端における周方向の一部が挿入される大きさに形成されている。

各取付溝３１ｃには、複数の小溝３１ｋそれぞれに円錐コイルばね３３の周方向の一部が配置されるように、当該円錐コイルばね３３が挿入されている。各取付溝３１ｃの円錐コイルばね３３の手前には、ベーン３２が挿入されている。ベーン３２は、取付溝３１ｃの第１側面３１ｉ及び第２側面３１ｊに対して摺動可能である。ベーン３２の背面３２ｂには、円錐コイルばね３３の小径端が当接している。

以上の構成により、各取付溝３１ｃのベーン３２よりも奥側の空間Ｓ２に、複数（ここでは３つ）の円錐コイルばね３３が軸方向に並んで設けられている。これらの円錐コイルばね３３は、ベーン３２をロータ３１の外周面３１ｂから突出させる方向に付勢している。なお、本実施形態の円錐コイルばね３３は、大径端が奥側に配置されるように取付溝３１ｃに挿入されているが、小径端が奥側に配置されるように取付溝３１ｃに挿入されていてもよい。

図９及び図１０において、各取付溝３１ｃに形成された複数の小溝３１ｋは、それぞれ当該取付溝３１ｃの奥側において空間Ｓ２と連通している。また、複数の小溝３１ｋは、それぞれロータ３１の外周面３１ｂにおいて開口している。これにより、複数の小溝３１ｋは、各取付溝３１ｃの空間Ｓ２と、当該取付溝３１ｃよりもロータ３１の回転方向先側に区画されたポンプ室３８と、を連通している。したがって、本実施形態では、各取付溝３１ｃに形成された複数の小溝３１ｋは、連通流路４５の複数の流路部４６として機能する。

なお、小溝３１ｋは、円錐コイルばね３３の周方向の一部を配置する機能と、流路部４６としての機能を兼ねているが、流路部４６としてだけ機能させてもよい。その場合、円錐コイルばね３３は、取付溝３１ｃの溝幅Ｗ３内に挿入される大きさにすればよい。本実施形態の他の構成は、第１実施形態と同様であるため、同一の符号を付し、その説明を省略する。

以上、本実施形態のメカニカルシール装置１によれば、循環ポンプ機構３０のロータ３１の取付溝３１ｃにおいて、ベーン３２よりも奥側には、ベーン３２を付勢するスプリング３３として円錐コイルばねが設けられる。これにより、円錐コイルばね３３の大径端の外径を、従来の円筒状のスプリングの外径以下にすることで、円錐コイルばね３３の長手方向の中間部が取付溝３１ｃの側面３１ｄ１，３１ｅ１に当接するのを抑制することができる。その結果、スプリング（円錐コイルばね）３３がロータ３１に接触して摩耗するのを抑制することができる。

＜その他＞
本開示のメカニカルシール装置１は、ダブル型メカニカルシールを備えているが、シングル型メカニカルシールなど、少なくとも１つのメカニカルシールを備えていればよい。循環ポンプ機構３０は、スプリング３３の付勢力がポンプ室３８の封液の圧力よりも大きければ、連通流路４５を備える必要はない。

各取付溝３１ｃに設けられるスプリング３３の個数、保持部材４２に形成される挿入孔４２ａの個数、及びベーン３２に形成される凹部３２ｃの個数は、上記実施形態に限定されるものではない。第１実施形態のスプリング３３は、円錐コイルばねに限定されるものではなく、例えば円筒状のスプリングであってもよい。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ メカニカルシール装置
２ シールケース
６ 第１メカニカルシール（メカニカルシール）
７ 第２メカニカルシール（メカニカルシール）
８ 封液室
３０ 循環ポンプ機構
３１ ロータ
３１ｂ 外周面
３１ｃ 取付溝
３２ ベーン
３２ｃ 凹部
３３ スプリング（円錐コイルばね）
３３ａ 露出部
４２ 保持部材
４２ａ 挿入孔
５０ 回転機器
５１ 回転軸
Ａ 機内領域
Ｂ 機外領域

Claims (6)

1. 回転機器の回転軸を包囲し、前記回転機器の機内領域と機外領域とを区画するシールケースと、
   前記シールケースと前記回転軸との間に配置された少なくとも１つのメカニカルシールと、
   前記シールケース内に形成され、前記メカニカルシールの摺動部を潤滑する封液が導入される封液室と、
   前記封液室内の前記封液を循環させる循環ポンプ機構と、を備え、
   前記循環ポンプ機構は、
   前記回転軸側に一体回転可能に設けられ、外周面で開口する取付溝が形成された環状のロータと、
   前記取付溝に設けられ、前記ロータの外周面に対して出没自在なベーンと、
   前記取付溝において前記ベーンよりも奥側に設けられ、前記ベーンを前記ロータの外周面から突出させる方向に付勢するスプリングと、
   前記取付溝において前記ベーンよりも奥側に設けられ、前記スプリングが挿入される挿入孔が形成された保持部材と、を備える、メカニカルシール装置。
2. 前記スプリングは、円錐コイルばねであり、
   前記円錐コイルばねの小径端側が、前記保持部材から前記ベーン側に露出している、請求項１に記載のメカニカルシール装置。
3. 前記循環ポンプ機構は、前記取付溝に設けられた複数の前記スプリングを備え、
   前記保持部材には、複数の前記スプリングが個別に挿入される複数の前記挿入孔が形成されている、請求項１又は請求項２に記載のメカニカルシール装置。
4. 前記スプリングは、前記保持部材から前記ベーン側に露出する露出部を有し、
   前記ベーンには、前記露出部が挿入される凹部が形成されている、請求項１又は請求項２に記載のメカニカルシール装置。
5. 前記循環ポンプ機構は、前記取付溝に配置された複数の前記スプリングを備え、
   前記ベーンには、複数の前記スプリングの前記露出部が個別に挿入される複数の前記凹部が形成されている、請求項４に記載のメカニカルシール装置。
6. 回転機器の回転軸を包囲し、前記回転機器の機内領域と機外領域とを区画するシールケースと、
   前記シールケースと前記回転軸との間に配置された少なくとも１つのメカニカルシールと、
   前記シールケース内に形成され、前記メカニカルシールの摺動部を潤滑する封液が導入される封液室と、
   前記封液室内の前記封液を循環させる循環ポンプ機構と、を備え、
   前記循環ポンプ機構は、
   前記回転軸側に一体回転可能に設けられ、外周面で開口する取付溝が形成された環状のロータと、
   前記取付溝に設けられ、前記ロータの外周面に対して出没自在なベーンと、
   前記取付溝において前記ベーンよりも奥側に設けられ、前記ベーンを前記ロータの外周面から突出させる方向に付勢するスプリングと、を備え、
   前記スプリングは、円錐コイルばねである、メカニカルシール装置。

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