JP2024019026A - 密封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被密封流体空間にシールガスが混入することを防止できる密封装置を提供する。【解決手段】被密封流体空間Ｓ１とシールガス空間Ｓ３を区画する機内側メカニカルシール１０と、シールガス空間Ｓ３と該シールガス空間Ｓ３よりも機外側に位置する機外側空間Ｓ２を区画する機外側シール手段３０を有する密封装置１であって、被密封流体Ｆは、液体又は液体を含む流体であり、シールガスＧの圧力Ｐ１は、被密封流体Ｆの圧力Ｐ２よりも低く設定されており、機外側空間Ｓ２の圧力は、シールガスＧの圧力Ｐ２よりも低く設定されており、機内側メカニカルシール１０の機内側静止密封環１１の摺動面１２には、シールガス空間Ｓ３側と連通するシールガス空間側動圧溝１６が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、回転機器に適用され、回転軸を軸封する密封装置に関する。

従来、回転機器の回転軸を軸封する密封装置として、軸方向に複数のシールを配置し、これらシール間に形成される空間に被密封流体よりも高圧のシールガスを介在させることにより、被密封流体が収容される機内側の空間と機外側の空間を隔絶し、被密封流体の機外側の空間への漏洩を厳しく規制したものが知られている。

例えば、特許文献１の密封装置は、被密封流体である液体が収容される機内側の空間と大気領域である機外側の空間との間を、回転軸と共に回転する回転密封環と該回転密封環に対向配置される静止密封環を備える２つの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る空間に被密封流体の圧力と同圧又は高圧のシールガスを供給するとともに、摺動面間にも高圧のシールガスを供給することで被密封流体の漏れを防いでいる。

特開２０１９－１０５２９１号公報（第４頁～第８頁、第１図）

しかしながら、特許文献１においては、被密封流体の圧力よりも高圧のシールガスがメカニカルシールの摺動面間を通過して被密封流体中に混入しやすくなっているため、密封装置の使用用途が制限されるだけでなく、被密封流体中に混入したシールガスを定期的に除去する作業が必要となり保守管理が煩雑になってしまうという問題があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、被密封流体空間にシールガスが混入することを防止できる密封装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の密封装置は、
ハウジングと前記ハウジングに対して相対回転する回転軸との間に配置され、前記ハウジング側に固定される機内側静止密封環と、前記回転軸側に固定される機内側回転密封環と、を備え、前記機内側静止密封環と前記機内側回転密封環とが互いに相対回転により摺動し、被密封流体空間とシールガス空間を区画する機内側メカニカルシールと、前記シールガス空間と前記シールガス空間よりも機外側に位置する機外側空間を区画する機外側シール手段を有する密封装置であって、
被密封流体は、液体又は液体を含む流体であり、
シールガスの圧力は、前記被密封流体の圧力よりも低く設定されており、
前記機外側空間の圧力は、前記シールガスの圧力よりも低く設定されており、
機内側メカニカルシールの前記機内側回転密封環及び前記機内側静止密封環の少なくとも一方の摺動面には、前記シールガス空間側と連通するシールガス空間側動圧溝が設けられている。
これによれば、シールガスが被密封流体空間に混入することを防止できる。加えて、摺動面間において、被密封流体がシールガス空間に漏れることを防止できる。

前記シールガス空間側動圧溝は、前記シールガス空間側から前記被密封流体空間側に向かって相対回転方向下流側に傾斜する傾斜溝であってもよい。
これによれば、シールガス空間側動圧溝を簡素に構成しつつ、シールガスの吸い込み能力を調整しやすい。

前記機内側回転密封環及び前記機内側静止密封環の少なくとも一方の摺動面には、前記シールガス空間側動圧溝よりも前記被密封流体空間側に保液溝が設けられていてもよい。
これによれば、保液溝に保持される被密封流体によって摺動面同士を液体潤滑させることにより、摩擦を低減できる。また、一時的にシールガスの圧力が被密封流体の圧力よりも高い状態となっても、摺動面間に被密封流体とシールガスとの境界を維持することができる。

前記保液溝は、前記被密封流体空間側と連通する被密封流体空間側動圧溝であってもよい。
これによれば、動圧により摺動面同士を離間させることにより、摺動面間に液膜が確実に形成されるため、摩擦をさらに低減できる。

前記機外側シール手段は、前記回転軸側に固定され前記回転軸と共に回転する機外側回転密封環と、前記機外側回転密封環に対向配置され前記ハウジング側に固定される機外側静止密封環と、を備えた機外側メカニカルシールであってもよい。
これによれば、シールガスが機外側空間に漏れる量を抑制し、シールガスの圧力を安定させることができる。

前記機外側メカニカルシールの前記機外側回転密封環及び前記機外側静止密封環の少なくとも一方の摺動面には、前記シールガス空間側に動圧発生機構が設けられていてもよい。
これによれば、動圧により摺動面同士を離間させ、シールガスによって摺動面同士を気体潤滑させることにより、摩擦を低減できる。

前記機外側メカニカルシールよりも前記被密封流体空間側に前記回転軸側と前記ハウジング側との間に設けた凹凸からなるラビリンスシールが設けられ、
前記ラビリンスシールよりも前記被密封流体空間側に機外に連通可能なドレン排出ポートが設けられていてもよい。
これによれば、被密封流体がシールガス中に混入しても、ラビリンスシールにより機外側メカニカルシールへの被密封流体の進入を防止できるとともに、ドレン排出ポートにより混入した被密封流体を外部に排出することができる。

本発明に係る実施例１の密封装置を示す縦断面図である。 実施例１における機内側メカニカルシールを構成する静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 実施例１における機外側メカニカルシールを構成する回転密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 本発明に係る実施例２の密封装置を示す断面図である。 本発明に係る実施例３の密封装置を示す断面図である。

本発明に係る密封装置を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係る密封装置につき、図１から図３を参照して説明する。尚、本実施例においては、密封装置によって回転軸２が軸封される回転装置における被密封流体空間としての機内空間Ｓ１に被密封流体Ｆが存在し、機外側空間としての機外空間Ｓ２に大気Ａが存在し、機内空間Ｓ１と機外空間Ｓ２の間のシールガス空間Ｓ３にシールガスＧが存在している。また、本実施例では、被密封流体Ｆは、液体又は液体を含む流体（例えばミスト状流体）である。また、説明の便宜上、図面において、摺動面に形成される溝等にドットを付している。

図１に示されるように、密封装置１は、機内空間Ｓ１側に配置される機内側メカニカルシールとしてのメカニカルシール１０と、機外空間Ｓ２側に配置される機外側シール手段である機外側メカニカルシールとしてのメカニカルシール３０と、を備え、メカニカルシール１０，３０の間にシールガスＧが供給されるシールガス空間Ｓ３が形成されている。

本実施例において、シールガスＧは、ハウジング５に設けられるシールガス供給ポート５０からシールガス空間Ｓ３に供給される。詳しくは、シールガスＧは、メカニカルシール３０の外径側に位置するシールガス供給ポート５０から供給され、シールガス空間Ｓ３全体に充填される。また、ハウジング５には、ラビリンスシール６０よりも機内空間Ｓ１側に機外に連通可能なドレン排出ポート５１が設けられている。尚、ドレン排出ポート５１は、通常は閉じられているが、ドレン排出ポート５１を開くことにより、シールガス空間Ｓ３に混入した被密封流体ＦをシールガスＧと共に機外に排出できるようになっている。

ラビリンスシール６０は、ハウジング５の内周面におけるドレン排出ポート５１よりも機外空間Ｓ２側の位置に内嵌され、後述する外径側スリーブ４におけるフランジ部４ａの外周面との間でシール構造を形成している。詳しくは、ラビリンスシール６０の内周面から内径側に突出する複数の凸部と外径側スリーブ４におけるフランジ部４ａの外周面との間に形成される絞りと、隣接する凸部の間に形成される凹部とからなる凹凸によって、シール構造が形成されている。尚、ラビリンスシール６０の外周面とハウジング５の内周面との間には、二次シールであるＯリング５５が径方向に挟持されている。また、ラビリンスシール６０は、外周面に設けられる凹凸によって、ハウジング５の内周面との間でシール構造を形成していてもよい。この場合、Ｏリングは、ラビリンスシール６０の内周面と外径側スリーブ４におけるフランジ部４ａの外周面との間に径方向に挟持されることとなる。さらに、ラビリンスシール６０の内周面と外径側スリーブ４におけるフランジ部４ａの外周面の両方から凸部が突出していてもよい。このとき、ラビリンスシール６０の内周面から突出する凸部と外径側スリーブ４におけるフランジ部４ａの外周面から突出する凸部は、径方向に対向するように配置されてもよいし、互い違いとなるように配置されてもよい。

シールガスＧは、機内空間Ｓ１の被密封流体Ｆと混合しても問題がなく、かつ機外空間Ｓ２に漏れ出しても問題がない不活性ガスが使用される。シールガスＧは、例えば窒素ガスである。

また、シールガス空間Ｓ３におけるシールガスＧの圧力Ｐ２は、機内空間Ｓ１における被密封流体Ｆの圧力Ｐ１よりも低く、かつ機外空間Ｓ２における大気Ａの圧力よりも高く設定されている（Ｐ１＞Ｐ２＞大気圧）。

図１に示されるように、メカニカルシール３０は、機外空間Ｓ２とシールガス空間Ｓ３を区画しており、外径側のシールガス空間Ｓ３から内径側の機外空間Ｓ２に向けて漏れようとするシールガスＧを密封するインサイド型のメカニカルシールである。

本実施例のメカニカルシール３０は、機外側静止密封環としての静止密封環３１と、回転軸２と共に回転する機外側回転密封環としての回転密封環４１と、から主に構成されている。尚、本実施例において、静止密封環３１の摺動面３２は平坦面となっており、図３に示されるように、回転密封環４１の摺動面４２には、外径側すなわちシールガス空間Ｓ３側に動圧発生機構としての動圧発生用テクスチャ４３が設けられる。動圧発生用テクスチャ４３は、レイリーステップに限らず、スパイラル溝、ヘリングボーン形状等が適宜付与されてよい。また、動圧発生用テクスチャ４３は、回転密封環４１の摺動面４２に設けられるものに限らず、静止密封環３１の摺動面３２に動圧発生用テクスチャ４３が設けられ、回転密封環４１の摺動面４２が平坦面となっていてもよい。

また、静止密封環３１の摺動面３２は、後述するメカニカルシール１０を構成する静止密封環１１の摺動面１２と比べて、回転密封環４１との摺動部分、すなわち径方向における摺動面積が大きく構成されている。これにより、メカニカルシール３０によってシールガス空間Ｓ３から機外空間Ｓ２に向けて漏れようとするシールガスＧを確実に密封できる。

静止密封環３１には、基部３１ａの外周面の軸方向略中央から外径側に突出する凸部３１ｂが形成されている。静止密封環３１は、回転軸２の軸方向移動に伴い、ハウジング５の内周面におけるシールガス供給ポート５０の位置に取り付けられるストッパ５３の規制片５３ａに凸部３１ｂが当接することにより、回転密封環４１側への移動が規制されうるようになっている。

基部３１ａの内周面には、外径側に凹み背面３１ｄ側かつ内径側に開放する第１凹部３１ｃが形成されている。

基部３１ａの背面３１ｄには、摺動面３２側に凹み内径側かつ背面側に開放する第２凹部３１ｅが形成されている。

また、静止密封環３１は、リテーナ３３を介して弾性部材３４により回転密封環４１側に付勢されている。尚、リテーナ３３の内径部には、二次シールであるＯリング３５が保持されており、Ｏリング３５は、静止密封環３１の第２凹部３１ｅに軸方向から当接するとともに、後述するハウジング５のガイド部５２に径方向から当接している。

リテーナ３３の外周面には、内径側に凹み静止密封環３１側かつ外径側に開放する凹部３３ａが形成されており、凹部３３ａには、静止密封環３１の背面３１ｄが軸方向から当接し、リテーナ３３と静止密封環３１が係合している。すなわち、リテーナ３３と静止密封環３１は、径方向に一部が重畳して配置されている。

また、ハウジング５の機外空間Ｓ２側の内径部には、シールガス空間Ｓ３側に向かって延び、静止密封環３１の第１凹部３１ｃに沿って配置されるガイド部５２が形成されている。ガイド部５２は、静止密封環３１の第１凹部３１ｃとリテーナ３３に保持されるＯリング３５と摺接することにより、静止密封環３１及びリテーナ３３の動きをガイドしている。

回転密封環４１は、回転軸２に外嵌される内径側スリーブ３にさらに外嵌される外径側スリーブ４のフランジ部４ａに形成される凹部４ｂに内嵌されることにより保持されている。尚、外径側スリーブ４の凹部４ｂと回転密封環４１との間には、二次シールであるＯリング３７が軸方向に挟持されている。また、内径側スリーブ３の外周面と外径側スリーブ４の内周面との間には、二次シールであるＯリング３６が径方向に挟持されている。

また、回転密封環４１は、内径側スリーブ３の機外空間Ｓ２側の端部に外嵌される断面Ｌ字状のストッパ６の端部と外径側スリーブ４の凹部４ｂとの間で挟持されることにより、軸方向への抜け出しが防止されている。

図１に示されるように、メカニカルシール１０は、機内空間Ｓ１とシールガス空間Ｓ３を区画しており、外径側の機内空間Ｓ１から内径側のシールガス空間Ｓ３に向けて漏れようとする被密封流体Ｆを密封するインサイド型のメカニカルシールである。

本実施例のメカニカルシール１０は、機内側静止密封環としての静止密封環１１と、回転軸２と共に回転する機内側回転密封環としての回転密封環２１と、から主に構成されている。

静止密封環１１には、基部１１ａから回転密封環２１側に突出する凸部１１ｂが形成されている。凸部１１ｂの端面には、摺動面１２が形成されている。

また、静止密封環１１の摺動面１２は、上述したメカニカルシール３０を構成する静止密封環３１の摺動面３２と比べて、回転密封環２１との摺動部分、すなわち摺動面積が小さく構成されている。

静止密封環１１は、回転軸２の軸方向移動に伴い、ハウジング５の内周面に取り付けられるストッパ５４の規制片５４ａに基部１１ａの外径部が当接することにより、回転密封環２１側への移動が規制されている。

基部１１ａの背面１１ｄには、シールガス空間Ｓ３側に軸方向に突出する凸部１１ｅが形成されている。

また、静止密封環１１は、リテーナ１８を介して弾性部材７により回転密封環２１側に付勢されている。尚、リテーナ１８の静止密封環１１側には、二次シールであるＯリング３９が保持されており、Ｏリング３９は、静止密封環１１の凸部１１ｅに軸方向から当接している。

リテーナ１８の静止密封環１１側の端面には、シールガス空間Ｓ３側に軸方向に凹み内径側かつ軸方向に開放する凹部１８ａが形成されており、静止密封環１１の凸部１１ｅに外径側から係合している。

また、リテーナ１８の内径部には、シールガス空間Ｓ３側に軸方向に延び、ハウジング５の凸部５７に沿って配置されるガイド部１８ｂが形成されている。ガイド部１８ｂは、ハウジング５の凸部５７の内周面との間に径方向に挟持されるＯリング５６と摺接することにより、リテーナ１８の動きをガイドしている。

回転密封環２１は、回転軸２に外嵌される内径側スリーブ３のフランジ部３ａに形成される凹部３ｂに内嵌されることにより保持されている。尚、内径側スリーブ３の凹部３ｂと回転密封環２１との間には、二次シールであるＯリング３８が軸方向に挟持されている。

また、回転密封環２１は、内径側スリーブ３に外嵌される外径側スリーブ４の端部と内径側スリーブ３の凹部３ｂとの間で挟持されることにより、軸方向への抜け出しが防止されている。

図２に示されるように、静止密封環１１に対して回転密封環２１が実線矢印で示すように反時計周りに相対摺動するようになっている。

静止密封環１１の摺動面１２には、外径側すなわち機内空間Ｓ１側に複数の深溝１３（本実施例では４個）と、該深溝１３からそれぞれ周方向に延びるレイリーステップ１４と、から構成される保液溝としての被密封流体空間側動圧溝１５が設けられている。また、静止密封環１１の摺動面１２には、内径側すなわちシールガス空間Ｓ３側にシールガス空間側動圧溝としての複数の傾斜溝１６（本実施例では１６個）が設けられている。

また、摺動面１２における深溝１３、レイリーステップ１４、傾斜溝１６以外の部分は同一平面上に配置された平坦面を成すランド１７となっている。ランド１７の平坦面が回転密封環２１の摺動面２２と実質的に摺動する摺動面として機能している。尚、回転密封環２１の摺動面２２は平坦面となっており、この平坦面には溝等の凹み部が設けられていない。また、被密封流体空間側動圧溝１５と傾斜溝１６は、静止密封環１１の摺動面１２に設けられるものに限らず、回転密封環２１の摺動面２２に被密封流体空間側動圧溝１５と傾斜溝１６が設けられ、静止密封環１１の摺動面１２が平坦面となっていてもよい。

深溝１３は、機内空間Ｓ１に連通し、摺動面１２の外縁から内径側に延びている。

レイリーステップ１４は、深溝１３の内径端部から相対回転方向下流側、すなわち反時計回りに摺動面１２と同心円状に延びている。また、レイリーステップ１４は、深溝１３よりも浅く、周方向に一定の深さとなっている。

傾斜溝１６は、シールガス空間Ｓ３に連通し、摺動面１２の内縁から外径側に延びている。詳しくは、傾斜溝１６は、内径側、すなわちシールガス空間Ｓ３側から外径側、すなわち機内空間Ｓ１側に向けて相対回転方向下流側、すなわち反時計回りの成分を持って傾斜しながら円弧状に延びている。すなわち、傾斜溝１６は、スパイラル溝である。

傾斜溝１６は、周方向に一定の深さに形成されている。この傾斜溝１６の深さは、深溝１３の深さよりも浅くなっている。尚、傾斜溝１６は、外径側にシールガスＧを導いて閉塞端部１６Ａで正圧を生じさせる機能を有しておればよく、内径側から外径側に向けて相対回転方向下流側に傾斜しながら円弧状に延びるものに限らず、直線状に延びるものであってもよい。

次いで、静止密封環１１と回転密封環２１との相対回転時の動作について説明する。

まず、回転密封環２１が回転していない停止時には、機内空間Ｓ１側に設けられる深溝１３、レイリーステップ１４内に被密封流体Ｆが流入している。また、シールガス空間Ｓ３側に設けられる傾斜溝１６内にはシールガスＧが流入している。

尚、弾性部材７（図１参照）によって静止密封環１１が回転密封環２１側に付勢されているので摺動面１２，２２同士は接触状態となっており、摺動面１２，２２間の被密封流体Ｆがシールガス空間Ｓ３に漏れ出す量はほぼない。

回転密封環２１が静止密封環１１に対して相対回転し始めた低速回転時においては、深溝１３、レイリーステップ１４内の被密封流体Ｆ、主に被密封流体Ｆの表層が摺動面２２とのせん断により回転密封環２１の回転方向に追随移動する。

これによれば、機内空間Ｓ１の被密封流体Ｆが深溝１３を通じてレイリーステップ１４内に引き込まれる。

また、レイリーステップ１４内の被密封流体Ｆは、レイリーステップ１４の閉塞端部１４Ａに向かって移動する。レイリーステップ１４の閉塞端部１４Ａに向かって移動した被密封流体Ｆは、閉塞端部１４Ａ及びその近傍から摺動面１２，２２間に流出する。

また、レイリーステップ１４内の被密封流体Ｆは、閉塞端部１４Ａ及びその近傍で圧力が高められる。すなわち、レイリーステップ１４の閉塞端部１４Ａ及びその近傍で正圧が発生する。

レイリーステップ１４の閉塞端部１４Ａ及びその近傍で発生する正圧により摺動面１２，２２間が僅かに離間され、機内空間Ｓ１から摺動面１２，２２間に被密封流体Ｆが流入するとともに、シールガス空間Ｓ３から摺動面１２，２２間にシールガスＧが流入する。

一方、傾斜溝１６内のシールガスＧは、傾斜溝１６の閉塞端部１６Ａに向かって移動する。尚、摺動面１２，２２間のシールガスＧは、傾斜溝１６の開口端部１６Ｂの周辺から傾斜溝１６内に引き込まれる。

傾斜溝１６の閉塞端部１６Ａに向かって移動したシールガスＧは、閉塞端部１６Ａ及びその近傍から摺動面１２，２２間に流出する。

尚、回転密封環２１と静止密封環１１との相対回転低速時には、シールガスＧが傾斜溝１６内において十分に密とならず高い正圧は発生せず、摺動面１２，２２間を離間させる力はほとんど作用しない。

傾斜溝１６の閉塞端部１６Ａ及びその近傍から摺動面１２，２２間に流出したシールガスＧは、外径側に移動するように誘導されるが、機内空間Ｓ１から摺動面１２，２２間に流入する高圧な被密封流体Ｆの圧力Ｐ１により内径側に押し戻されるようになっている。

また、回転密封環２１の相対回転速度が高まると、傾斜溝１６の閉塞端部１６Ａに向かって多量のシールガスＧが移動し、傾斜溝１６の閉塞端部１６Ａ及びその近傍で圧力が高められる。すなわち、傾斜溝１６の閉塞端部１６Ａ及びその近傍で正圧が発生する。

このとき、傾斜溝１６の閉塞端部１６Ａ及びその近傍で発生する正圧は、レイリーステップ１４の閉塞端部１４Ａ及びその近傍で発生する正圧よりも大きくなり、相対回転低速時と比べて摺動面１２，２２間がさらに離間する。

本実施例のメカニカルシール１０は、高速回転時において、機内空間Ｓ１から摺動面１２，２２間に流入する高圧な被密封流体Ｆの圧力Ｐ１と、レイリーステップ１４の閉塞端部１４Ａ及びその近傍で発生する正圧と、傾斜溝１６の閉塞端部１６Ａ及びその近傍で発生する正圧とがバランスされるように、レイリーステップ１４及び傾斜溝１６が設けられている。

詳しくは、シールガス空間Ｓ３におけるシールガスＧの圧力Ｐ２が機内空間Ｓ１における被密封流体Ｆの圧力Ｐ１よりも低く設定される回転装置の通常運転時（Ｐ１＞Ｐ２）において、被密封流体Ｆの圧力Ｐ１とシールガスＧの圧力Ｐ２の差圧Ｐ１－Ｐ２が０＜Ｐ１－Ｐ２＜５００ｋＰａの範囲であれば、摺動面１２，２２間に被密封流体Ｆの液膜とシールガスＧとの境界が維持される。

また、摺動面１２，２２間の外径側には被密封流体Ｆによる液膜が形成され、シールガスＧよりも粘性が高いことから、摺動面１２，２２間のシールガスＧは機内空間Ｓ１に進入しにくくなっている。このように、被密封流体Ｆの液膜とシールガスＧとの境界を維持すしやすくなっている。

以上説明したように、密封装置１は、シールガスＧの圧力Ｐ２が被密封流体Ｆの圧力Ｐ１よりも低く設定されていても、機内空間Ｓ１とシールガス空間Ｓ３を区画するメカニカルシール１０を構成する静止密封環１１の摺動面１２におけるシールガス空間Ｓ３側にシールガス空間側動圧溝としての複数の傾斜溝１６が設けられることにより、シールガスＧが機内空間Ｓ１に混入することを防止できるとともに、摺動面１２，２２間において、被密封流体Ｆがシールガス空間Ｓ３に漏れることを防止できる。

また、静止密封環１１の摺動面１２には、機内空間Ｓ１側に保液溝としての被密封流体空間側動圧溝１５が設けられることにより、被密封流体空間側動圧溝１５を構成する深溝１３やレイリーステップ１４内に保持される被密封流体Ｆの液膜によって摺動面１２，２２同士を液体潤滑させることができるため、摩擦を低減できる。さらに、被密封流体空間側動圧溝１５で発生する動圧により摺動面１２，２２同士を離間させ、摺動面１２，２２間に液膜を確実に形成することができるため、摩擦をさらに低減できる。

また、従来の密封装置は、シールガスＧの圧力Ｐ２が被密封流体Ｆの圧力Ｐ１よりも高圧（Ｐ１＜Ｐ２）に設定されるため、起動停止等、運転条件が安定しない状態で、一時的にでも圧力が逆転した場合、直ちに密封環の損傷等が発生する虞がある。これに対し、本実施例の密封装置１においては、一時的にシールガスＧの圧力Ｐ２が被密封流体Ｆの圧力Ｐ１よりも高い状態（Ｐ１＜Ｐ２）に逆転しても、摺動面１２，２２間に被密封流体Ｆの液膜とシールガスＧとの境界を維持することができる。詳しくは、回転装置の異常運転時（Ｐ１＜Ｐ２）においても、被密封流体Ｆの圧力Ｐ１とシールガスＧの圧力Ｐ２の差圧Ｐ１－Ｐ２が－５００ｋＰａ＜Ｐ１－Ｐ２＜０の範囲であれば、摺動面１２，２２間に被密封流体Ｆの液膜とシールガスＧとの境界が維持されるため、シールガスＧが機内空間Ｓ１に混入することを防止できるとともに、摺動面１２，２２間において、被密封流体Ｆがシールガス空間Ｓ３に漏れることを防止できる。

また、シールガス空間側動圧溝が複数の傾斜溝１６により構成されることにより、シールガス空間側動圧溝を簡素に構成することができる。また、傾斜溝１６における閉塞端部１６Ａで正圧を発生させることができるため、シールガスＧよりも高圧の被密封流体Ｆを外径側に効果的に押し戻すことができる。

また、傾斜溝１６の数、幅、長さ、深さ等を変更することにより、吸い込み機構によるシールガスＧの吸い込み能力を調整しやすい。

また、シールガス空間Ｓ３と機外空間Ｓ２の間には、静止密封環３１と、回転軸２と共に回転する回転密封環４１と、から主に構成され、図３に示されるように、回転密封環４１の摺動面４２におけるシールガス空間Ｓ３側に動圧発生機構としての動圧発生用テクスチャ４３が設けられたメカニカルシール３０が設けられることにより、大気Ａよりも高圧のシールガスＧが機外空間Ｓ２に漏れる量を抑制し、シールガス空間Ｓ３におけるシールガスＧの圧力Ｐ２を安定させることができる。また、メカニカルシール３０は、動圧発生用テクスチャ４３で発生する動圧により摺動面３２，４２同士を離間させ、シールガスＧによって摺動面３２，４２同士を気体潤滑させることにより、摩擦を低減できる。尚、メカニカルシール３０は、摺動面にテクスチャが設けられない接触式のメカニカルシールであってもよい。

また、密封装置１は、メカニカルシール３０よりも機内空間Ｓ１側にラビリンスシール６０が設けられ、該ラビリンスシール６０よりも機内空間Ｓ１側にドレン排出ポート５１が設けられることにより、メカニカルシール１０における摺動面１２，２２間での発熱により蒸発した被密封流体ＦがシールガスＧ中に混入しても、ラビリンスシール６０によりメカニカルシール３０への被密封流体Ｆの進入を防止できる。さらに、ドレン排出ポート５１を開くことによりシールガスＧに混入した被密封流体Ｆを外部に容易に排出することができる。そのため、メカニカルシール３０を用いて機内空間Ｓ１に液体又は液体を含む流体を収容する回転装置を簡素な構成とすることができる。

尚、本実施例の密封装置１において、メカニカルシール１０は、回転装置の通常運転時（Ｐ１＞Ｐ２）において、差圧Ｐ１－Ｐ２が０＜Ｐ１－Ｐ２＜５００ｋＰａの範囲、回転装置の異常運転時（Ｐ１＜Ｐ２）において、差圧Ｐ１－Ｐ２が－５００ｋＰａ＜Ｐ１－Ｐ２＜０の範囲であれば、摺動面１２，２２間に被密封流体Ｆの液膜とシールガスＧとの境界が維持されるものとして説明したが、差圧Ｐ１－Ｐ２の許容範囲は、摺動面におけるテクスチャの構成、回転装置の運転条件、被密封流体ＦやシールガスＧの条件等により変化することは言うまでもない。

次に、実施例２に係る密封装置につき、図４を参照して説明する。尚、前記実施例１と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

本実施例２の密封装置１０１は、図４に示されるように、機内空間Ｓ１側に配置される機内側メカニカルシールとしてのメカニカルシール１１０と、機外空間Ｓ２側に配置されるメカニカルシール３０と、を備え、メカニカルシール１１０，３０の間にシールガスＧが供給されるシールガス空間Ｓ３が形成されている。

図４に示されるように、本実施例２の密封装置１０１においては、内径側スリーブ及び外径側スリーブが、機外空間Ｓ２側に取り付けられる第１内径側スリーブ１０３及び第１外径側スリーブ１０４と、機内空間Ｓ１側に取り付けられる第２内径側スリーブ１０６及び第２外径側スリーブ１０７に軸方向に２分割されている。尚、第１内径側スリーブ１０３及び第１外径側スリーブ１０４に対して取り付けられるメカニカルシール３０は、前記実施例１と同一構成であるため、詳細な説明を省略する。また、ラビリンスシール６０と第１外径側スリーブ１０４により形成されるシール構造についても、前記実施例１と同一構成であるため、詳細な説明を省略する。

メカニカルシール１１０は、機内空間Ｓ１とシールガス空間Ｓ３を区画しており、内径側の機内空間Ｓ１から外径側のシールガス空間Ｓ３に向けて漏れようとする被密封流体Ｆを密封するアウトサイド型のメカニカルシールである点で、前記実施例１と異なる。

本実施例のメカニカルシール１１０は、静止密封環１１１と、回転軸２と共に回転する回転密封環２１と、から主に構成されている。尚、説明の便宜上、図示を省略するが、メカニカルシール１１０はアウトサイド型であることから、静止密封環１１１の摺動面１１２には、内径側すなわち機内空間Ｓ１側に保液溝である被密封流体空間側動圧溝が設けられ、外径側すなわちシールガス空間Ｓ３側にシールガス空間側動圧溝が設けられている。すなわち、前記実施例１と比べて、静止密封環１１１の摺動面１１２に形成される被密封流体空間側動圧溝とシールガス空間側動圧溝の配置が内外で入れ替わった構成となっている。

静止密封環１１１には、基部１１１ａから回転密封環２１側に突出する凸部１１１ｂが形成されている。凸部１１１ｂの端面には、摺動面１１２が形成されている。

静止密封環１１１は、回転軸２の軸方向移動に伴い、ハウジング５の内周面に取り付けられるストッパ５４の規制片５４ａに基部１１１ａの外径部が当接することにより、回転密封環２１側への移動が規制されている。

基部１１１ａの背面１１１ｄには、機内空間Ｓ１側に軸方向に突出する凸部１１１ｅが形成されている。

また、静止密封環１１１は、リテーナ１８を介して弾性部材７により回転密封環２１側に付勢されている。尚、リテーナ１８の静止密封環１１１側には、二次シールであるＯリング３９が保持されており、Ｏリング３９は、静止密封環１１１の凸部１１１ｅに軸方向から当接している。

リテーナ１８の静止密封環１１１側の端面には、機内空間Ｓ１側に軸方向に凹み内径側かつ軸方向に開放する凹部１８ａが形成されており、静止密封環１１１の凸部１１１ｅに外径側から係合している。

また、リテーナ１８の内径部には、機内空間Ｓ１側に軸方向に延び、ハウジング５の凸部１５７に沿って配置されるガイド部１８ｂが形成されている。ガイド部１８ｂは、ハウジング５の凸部１５７の内周面との間に径方向に挟持されるＯリング５６と摺接することにより、リテーナ１８の動きをガイドしている。

回転密封環２１は、回転軸２に外嵌される第２内径側スリーブ１０６のフランジ部１０６ａに形成される凹部１０６ｂに内嵌されることにより保持されている。尚、第２内径側スリーブ１０６の凹部１０６ｂと回転密封環２１との間には、二次シールであるＯリング３８が軸方向に挟持されている。また、第２内径側スリーブ１０６の外周面と第２外径側スリーブ１０７の内周面との間には、二次シールであるＯリング１３６が径方向に挟持されている。

また、回転密封環２１は、第２内径側スリーブ１０６に外嵌される第２外径側スリーブ１０７の端部と第２内径側スリーブ１０６の凹部１０６ｂとの間で挟持されることにより、軸方向への抜け出しが防止されている。

尚、本実施例において、ハウジング５の内周面には、メカニカルシール１１０とラビリンスシール６０との間の位置に、内径側に延出するフランジ部１０５が形成されている。フランジ部１０５が形成されることにより、シールガス空間Ｓ３が折り返し構造となっている。

次に、実施例３に係る密封装置につき、図５を参照して説明する。尚、前記実施例１と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

本実施例３の密封装置２０１は、図５に示されるように、機内空間Ｓ１側に配置されるメカニカルシール１０と、機外空間Ｓ２側に配置される機外側シール手段である機外側メカニカルシールとしてのメカニカルシール２３０と、を備え、メカニカルシール１０，２３０の間にシールガスＧが供給されるシールガス空間Ｓ３が形成されている。

図５に示されるように、本実施例３の密封装置２０１においては、内径側スリーブ２０３の外周面に段部２０３ｃが形成されており、外径側スリーブがシールガス空間Ｓ３側に取り付けられる第１外径側スリーブ２０４と、機外空間Ｓ２側に取り付けられる第２外径側スリーブ２０５に軸方向に２分割されている。尚、メカニカルシール１０は、前記実施例１と同一構成であるため、詳細な説明を省略する。

メカニカルシール２３０は、機外空間Ｓ２とシールガス空間Ｓ３を区画しており、内径側のシールガス空間Ｓ３から外径側の機外空間Ｓ２に向けて漏れようとするシールガスＧを密封するアウトサイド型のメカニカルシールである点と、ラビリンスシール２６０を構成する凹凸形状がハウジング５の内周面に一体形成されている点で、前記実施例１と異なる。

本実施例のメカニカルシール２３０は、静止密封環３１と、回転軸２と共に回転する回転密封環２４１と、から主に構成されている。尚、説明の便宜上、図示を省略するが、メカニカルシール２３０はアウトサイド型であることから、回転密封環２４１の摺動面２４２には、内径側すなわちシールガス空間Ｓ３側に動圧発生用テクスチャが設けられている。すなわち、前記実施例１と比べて、回転密封環２４１の摺動面２４２に形成される動圧発生用テクスチャの配置が内外で入れ替わった構成となっている。

静止密封環３１には、基部３１ａの外周面の軸方向略中央から外径側に突出する凸部３１ｂが形成されている。静止密封環３１は、回転軸２の軸方向移動に伴い、ハウジング５の内周面に取り付けられるストッパ２５３の規制片２５３ａに凸部３１ｂが当接することにより、回転密封環２４１側への移動が規制されている。

基部３１ａの内周面には、外径側に凹み背面３１ｄ側かつ内径側に開放する第１凹部３１ｃが形成されている。

基部３１ａの背面３１ｄには、摺動面３２側に凹み内径側かつ背面側に開放する第２凹部３１ｅが形成されている。

また、静止密封環３１は、リテーナ３３を介して弾性部材３４により回転密封環２４１側に付勢されている。尚、リテーナ３３の内径部には、二次シールであるＯリング３５が保持されており、Ｏリング３５は、静止密封環３１の第２凹部３１ｅに軸方向から当接するとともに、ハウジング５のガイド部５２に径方向から当接している。ガイド部５２は、静止密封環３１の第１凹部３１ｃとリテーナ３３に保持されるＯリング３５と摺接することにより、静止密封環３１及びリテーナ３３の動きをガイドしている。

リテーナ３３の外周面には、内径側に凹み静止密封環３１側かつ外径側に開放する凹部３３ａが形成されており、凹部３３ａには、静止密封環３１の背面３１ｄが軸方向から当接している。すなわち、リテーナ３３と静止密封環３１は、径方向に一部が重畳して配置されている。

回転密封環２４１は、回転軸２に外嵌される内径側スリーブ２０３にさらに外嵌される第２外径側スリーブ２０５のフランジ部２０５ａに形成される凹部２０５ｂに内嵌されることにより保持されている。尚、第２外径側スリーブ２０５の凹部２０５ｂと回転密封環２４１との間には、二次シールであるＯリング３７が軸方向に挟持されている。また、内径側スリーブ２０３の外周面と第２外径側スリーブ２０５の内周面との間には、二次シールであるＯリング２３６が径方向に挟持されている。

また、回転密封環２４１は、シールガス空間Ｓ３側に取り付けられる第１外径側スリーブ２０４の端部と第２外径側スリーブ２０５の凹部２０５ｂとの間で挟持されることにより、軸方向への抜け出しが防止されている。

第１外径側スリーブ２０４は、内径側スリーブ２０３の段部２０３ｃに軸方向から当接しており、内径側スリーブ２０３の外周面と第１外径側スリーブ２０４の内周面との間には、二次シールであるＯリング３６が径方向に挟持されている。

また、第１外径側スリーブ２０４の外周面には、ハウジング５の内周面におけるラビリンスシール２６０の形成位置に対応して、外径側に延出するフランジ部２０４ａが形成されている。フランジ部２０４ａが形成されることにより、ラビリンスシール２６０の左右に形成されるシールガス空間Ｓ３がＬ字構造となっている。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、密封装置は、前記実施例２の機内空間Ｓ１側に配置されるアウトサイド型のメカニカルシール１１０（図４参照）と、機外空間Ｓ２側に配置されるアウトサイド型のメカニカルシール２３０（図５参照）と、を備えるものであってもよい。

また、前記実施例１～３において、密封装置は、メカニカルシールが軸方向に２つ配置されるものとして説明したが、これに限らず、メカニカルシールが軸方向に３つ以上配置されてもよい。

また、機内空間Ｓ１側に配置される機内側メカニカルシールを構成する静止密封環の摺動面には、シールガス空間Ｓ３側にシールガス空間側動圧溝が設けられていれば、機内空間Ｓ１側に保液溝である被密封流体空間側動圧溝が設けられなくてもよい。

また、シールガス空間側動圧溝は、傾斜溝に限らず、シールガスＧの吸い込みが発生するものであれば、他のテクスチャにより構成されていてもよい。

また、保液溝は、動圧を発生しないものであってもよい。

また、前記実施例１～３において、機内空間Ｓ１側に配置される機内側メカニカルシールは、静止密封環の摺動面にシールガス空間側動圧溝や保液溝である被密封流体空間側動圧溝が設けられるものとして説明したが、これに限らず、シールガス空間側動圧溝や保液溝である被密封流体空間側動圧溝は、回転密封環の摺動面に設けられてもよいし、静止密封環と回転密封環の摺動面の両方に設けられてもよい。

尚、静止密封環及び回転密封環は、代表的にはＳｉＣ（硬質材料）同士又はＳｉＣ（硬質材料）とカーボン（軟質材料）の組み合わせで形成されるが、これに限らず、摺動材料はメカニカルシール用摺動材料として使用されているものであれば適用可能である。尚、ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボン等を焼結助剤とした焼結体をはじめ、成分、組成の異なる２種類以上の相からなる材料、例えば、黒鉛粒子の分散したＳｉＣ、ＳｉＣとＳｉからなる反応焼結ＳｉＣ、ＳｉＣ－ＴｉＣ、ＳｉＣ－ＴｉＮ等があり、カーボンとしては、炭素質と黒鉛質の混合したカーボンをはじめ、樹脂成形カーボン、焼結カーボン等が利用できる。また、上記摺動材料以外では、金属材料、樹脂材料、表面改質材料（コーティング材料）、複合材料等も適用可能である。

また、密封装置は、少なくとも機内空間Ｓ１側が機内側メカニカルシールによりシールされていれば、機外空間Ｓ２側は機外側メカニカルシールによりシールされる必要はなく、ラビリンスシール等の他の機外側シール手段によりシールされてもよい。

また、前記実施例１～３において、密封装置は、機外側メカニカルシールよりも機内空間Ｓ１側にラビリンスシール６０，２６０が設けられるものとして説明したが、これに限らず、例えば機外空間Ｓ２側に機外側メカニカルシールを用いない場合には、ラビリンスシール６０，２６０は設けられなくてもよい。

また、機外空間Ｓ２の流体は大気Ａに限られず、気体、液体又は気体と液体の混合状態（ミスト状流体）のいずれであってもよい。

１，１０１，２０１ 密封装置
２ 回転軸
５ ハウジング
７ 弾性部材
１０ メカニカルシール（機内側メカニカルシール）
１１ 静止密封環（機内側静止密封環）
１２ 摺動面
１３ 深溝
１４ レイリーステップ
１５ 被密封流体空間側動圧溝（保液溝）
１６ 傾斜溝（シールガス空間側動圧溝）
１７ ランド
２１ 回転密封環（機内側回転密封環）
２２ 摺動面
３０ メカニカルシール（機外側シール手段，機外側メカニカルシール）
３１ 静止密封環（機外側静止密封環）
３２ 摺動面
４１ 回転密封環（機外側回転密封環）
４２ 摺動面
４３ 動圧発生用テクスチャ（動圧発生機構）
５０ シールガス供給ポート
５１ ドレン排出ポート
６０ ラビリンスシール
１１０ メカニカルシール（機内側メカニカルシール）
２３０ メカニカルシール（機外側シール手段，機外側メカニカルシール）
Ａ 大気
Ｆ 被密封流体
Ｇ シールガス
Ｓ１ 機内空間（被密封流体空間）
Ｓ２ 機外空間（機外側空間）
Ｓ３ シールガス空間

Claims (7)

1. ハウジングと前記ハウジングに対して相対回転する回転軸との間に配置され、前記ハウジング側に固定される機内側静止密封環と、前記回転軸側に固定される機内側回転密封環と、を備え、前記機内側静止密封環と前記機内側回転密封環とが互いに相対回転により摺動し、被密封流体空間とシールガス空間を区画する機内側メカニカルシールと、前記シールガス空間と前記シールガス空間よりも機外側に位置する機外側空間を区画する機外側シール手段を有する密封装置であって、
   被密封流体は、液体又は液体を含む流体であり、
   シールガスの圧力は、前記被密封流体の圧力よりも低く設定されており、
   前記機外側空間の圧力は、前記シールガスの圧力よりも低く設定されており、
   前記機内側メカニカルシールの前記機内側回転密封環及び前記機内側静止密封環の少なくとも一方の摺動面には、前記シールガス空間側と連通するシールガス空間側動圧溝が設けられている密封装置。
2. 前記シールガス空間側動圧溝は、前記シールガス空間側から前記被密封流体空間側に向かって相対回転方向下流側に傾斜する傾斜溝である請求項１に記載の密封装置。
3. 前記機内側回転密封環及び前記機内側静止密封環の少なくとも一方の摺動面には、前記シールガス空間側動圧溝よりも前記被密封流体空間側に保液溝が設けられている請求項１又は２に記載の密封装置。
4. 前記保液溝は、前記被密封流体空間側と連通する被密封流体空間側動圧溝である請求項３に記載の密封装置。
5. 前記機外側シール手段は、前記回転軸側に固定され前記回転軸と共に回転する機外側回転密封環と、前記機外側回転密封環に対向配置され前記ハウジング側に固定される機外側静止密封環と、を備えた機外側メカニカルシールである請求項１に記載の密封装置。
6. 前記機外側メカニカルシールの前記機外側回転密封環及び前記機外側静止密封環の少なくとも一方の摺動面には、前記シールガス空間側に動圧発生機構が設けられている請求項５に記載の密封装置。
7. 前記機外側メカニカルシールよりも前記被密封流体空間側に前記回転軸側と前記ハウジング側との間に設けた凹凸からなるラビリンスシールが設けられ、
   前記ラビリンスシールよりも前記被密封流体空間側に機外に連通可能なドレン排出ポートが設けられている請求項６に記載の密封装置。

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