JP3970270B2 - 非接触型シールおよび流体機械 - Google Patents

Description

この発明は、非接触型シールおよび流体機械に関し、さらに詳しくは、シール特性の変化を効果的に抑制できる非接触型シール、および、かかる非接触型シールを有する流体機械に関する。

従来の非接触型シールには、特許文献１に記載される技術が知られている。非接触型シールは、シールランナおよびシールリングから成り、これらのシール部が絶縁性のセラミックスを材料としたフェースプレート面を対向させて配置されることにより構成される。また、これらのシール部のフェースプレート面間には狭い隙間が形成され、この隙間によってシール水の流路が設けられる。また、非接触型シールは、フェースプレート面間の隙間が流路に沿って徐々に狭まるように構成されている。かかる非接触型シールでは、フェースプレート面間にシール水が流れると、流体の圧力が徐々に減圧される。これにより、シール機構が構成される。

しかしながら、従来の非接触型シールでは、シール特性の変化が十分に抑制されていないという課題がある。従来の非接触型シールでは、シール水中に含まれる金属イオンがシール面に析出、付着してシール特性が変化すると考えられており、かかる金属イオンの付着を防止することにより課題の解決を図っている。

特開平６−１７７９０号公報

この発明は、上記とは異なる新規な視点から課題を解決するものであり、シール特性の変化を効果的に抑制できる非接触型シール、および、かかる非接触型シールを有する流体機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる非接触型シールは、シール水の流路となる隙間を開けつつ対向して配置された一対のフェースプレートを有すると共に、これらのフェースプレートの隙間がシール水の流路に沿って狭められて成る非接触型シールにおいて、前記フェースプレートは、絶縁性セラミックス材料から成ると共に、シール水が流通して前記フェースプレート表面に電荷が蓄積することにより電荷同士の反発力によって生ずる前記フェースプレートの変形を抑制する変形抑制構造を有し、且つ、前記変形抑制構造は、前記フェースプレートがシール面のゼータ電位を上昇させるゼータ電位上昇剤料を含有していることにより構成されることを特徴とする。

この非接触型シールでは、フェースプレートがセラミックス材料から成るので、シール水が流通して前記フェースプレート表面に負の電荷が蓄積する。フェースプレートに接するシール水中には、正のイオン（電荷）が存在し電荷はバランスがとれている。しかし、シール水は高速で流れているので、シール水面の正の電荷は押し流されてしまう。すると、負の電荷同士の反発力により前記フェースプレートに変形が発生する。そして、この非接触型シールでは、フェースプレートが、かかる変形を抑制する変形抑制構造を有するので、フェースプレートの変形が効果的に抑制されてシール特性の変化が効果的に抑制される利点がある。なお、かかるフェースプレート表面に電荷が蓄積することによりフェースプレートが変形する現象は、発明者らの独自の研究により判明したものであり、新規である。
また、この非接触型シールでは、フェースプレートが、シール面のゼータ電位を上昇させるゼータ電位上昇剤料（ゼータ電位上昇元素）を含有する。かかるゼータ電位上昇剤料には、例えば、マグネシウム、カルシウム、イットリウムが該当する。かかる構成では、ゼータ電位上昇剤料により、フェースプレートに生ずるゼータ電位が上昇する。これにより、フェースプレートの変形が低減されるので、シール特性の変化が抑制される利点がある。

この非接触型シールでは、フェースプレートが、酸化アルミニウム、窒化珪素、ジルコニア、炭化ホウ素もしくは炭化珪素の少なくとも１つを含むセラミックスから成る。かかる構成では、アルミナ製もしくはシリコンナイトライド製のフェースプレートと比較して、フェースプレートの剛性が高い。これにより、フェースプレートの変形（湾曲）が低減されるので、シール特性の変化が効果的に抑制される利点がある。

また、この発明にかかる非接触型シールでは、前記変形抑制構造は、前記フェースプレートの厚みが増加されていることにより構成される。

この非接触型シールでは、フェースプレートの厚みが増加されることにより、フェースプレートの剛性が増加されている。これにより、フェースプレート２１、３１の変形がさらに低減されるので、シール特性の変化がより効果的に抑制される利点がある。

また、この発明にかかる非接触型シールでは、前記変形抑制構造は、ゼータ電位を上昇させるゼータ電位上昇剤料が前記フェースプレートのシール面にコーティングもしくは注入されていることにより構成される。

この非接触型シールでは、ゼータ電位を上昇させるゼータ電位上昇剤料がフェースプレートの表面（シール面）にコーティングもしくは注入される。ここで、コーティングされるゼータ電位上昇剤料には、例えば、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、カルシウムアルメイト（ＣａＡｌ₂Ｏ₄）等が該当する。かかる構成では、コーティングもしくは注入されたゼータ電位上昇剤料の作用により、フェースプレートに生ずるゼータ電位が上昇する。これにより、フェースプレートの変形が低減されるので、シール特性の変化が抑制される利点がある。

また、この発明にかかる非接触型シールの前記変形抑制構造は、前記フェースプレートがシール面に凹凸を有することにより構成される。

また、この非接触型シールでは、フェースプレートのシール面に凹凸が形成される。かかる構成では、フェースプレート表面の凹み部分に帯電した正の電荷が、シール水によって押し流され難い。したがって、フェースプレート表面が平滑な構成と比較して、フェースプレート表面から押し流される正の電荷量が低減される。これにより、フェースプレートの変形が低減されるので、シール特性の変化が抑制される利点がある。

また、この発明にかかる流体機械は、上記の非接触型シールにより流体がシールされている。

また、この発明にかかる流体機械は、前記非接触型シールのシール水には、そのｐＨ値を降下させるｐＨ値降下剤が添加されている。

この非接触型シールを有する流体機械では、ｐＨ値を降下させるｐＨ値降下剤がシール水に添加される。かかるｐＨ値降下剤には、例えば、ホウ酸が該当する。かかる構成では、ｐＨ値降下剤の添加によってシール水のｐＨ値が降下する（酸性側に変化する）。一方、ゼータ電位は、ｐＨ値が小さいほど高い。したがって、ｐＨ値が降下するほどフェースプレート表面のゼータ電位が上昇してプラス側に近づく。これにより、フェースプレートの変形が低減されるので、シール特性の変化が抑制される利点がある。

また、この発明にかかる流体機械は、前記非接触型シールのシール水には、その導電率を上昇させる導電率上昇剤が添加されている。

この非接触型シールを有する流体機械では、非接触型シールのシール水に、その導電率を上昇させる導電率上昇剤が添加される。かかる導電率上昇剤には、例えば、水酸化リチウムおよびホウ酸が該当する。かかる構成では、導電率上昇剤の添加によってシール水の導電率が上昇する。一方、ゼータ電位は、導電率が大きいほど高い。したがって、導電率が上昇するほどフェースプレート表面のゼータ電位が上昇して、プラス側に近づく。これにより、フェースプレートの変形が低減されるので、シール特性の変化が抑制される利点がある。

この発明にかかる非接触型シールによれば、フェースプレートが、電荷の蓄積による変形を抑制する変形抑制構造を有するので、フェースプレートの変形が効果的に抑制されて、シール特性の変化が効果的に抑制される利点がある。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施例の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的同一のものが含まれる。

図１は、この発明の実施例１にかかる非接触型シールを示す断面図である。図２は、図１に記載した非接触型シールのフェースプレートを示す説明図である。図３〜図６は、図２に記載したフェースプレートの変形例を示す説明図である。図７は、図１に記載した非接触型シールの適用例を示す説明図である。図８は、非接触型シールの変形の原理を示す説明図である。

この非接触型シール１は、例えば、原子力一次系の主冷却材ポンプ１００に用いられる（図７参照）。主冷却材ポンプ１００は、モータ１０１と、ポンプ軸１０２と、インペラ１０３とを含み構成される。この主冷却材ポンプ１００では、モータ１０１が駆動されるとポンプ軸１０２を介して動力が伝達され、インペラ１０３が回転して冷却水が供給される。ここで、非接触型シール１は、この主冷却材ポンプ１００のＮｏ．１シールとして用いられる。このＮＯ．１シールは、インペラ１０３に流れる高温水を押し戻す役割を有する封水をシールする機能を有する。

非接触型シール１は、シールランナ２およびシールリング３を含み構成される（図１参照）。シールランナ２およびシールリング３は、スチール製の環状部材から成り、その一方の端部にフェースプレート２１、３１が設置されると共に、これらのフェースプレート２１、３２によってシール面が形成されている。シールランナ２は、そのシール面（フェースプレート２１）をポンプ軸１０２の軸方向に向けつつ、ポンプ軸１０２に嵌め込まれて固定設置される。一方、シールリング３は、そのシール面（フェースプレート３１）がシールランナ２のシール面に対向するように、ポンプ軸１０２に嵌め込まれて設置される。また、シールリング３は、ポンプ軸１０２に対して軸方向にスライド可能に設置される。また、シールランナ２およびシールリング３のフェース面間には所定の隙間が形成される。この隙間は、シール水の流路となる。また、シールリング３のシール面には傾斜（テーバ）が形成されており、シール面間の隙間が流路に沿って徐々に狭まるように構成されている。

この非接触型シール１では、高流速のシール水が各シール面間の隙間に流入し、この隙間が徐々に狭まることによってシール水の流体圧力が低減される。また、このとき、シールリング３のシール面の傾斜にシール水があたることによりリフティングフォースが発生して、シールリング３がポンプ軸１０２の軸方向に押し上げられる。また、シールリング３には、シール水の圧力により逆方向からシーティングフォースが作用しており、これにより、シールリング３がシールランナ２側に押し下げられる。そして、これらのリフティングフォースおよびシーティングフォースのバランスによってシール面間の隙間が調整され、シール水の流量（リーク量）が一定に維持される。

ここで、発明者らの研究によれば、シール特性（シール水の圧力や流量など）の変化は、シール面を構成するフェースプレートの変形に起因することが判明している。具体的には、フェースプレートが変形することによりシール面の傾斜が変化し、シール特性が変化することが判明している。かかる知見は発明者らの独自の研究によるものであり、未だ関連する研究はなされていない。すなわち、従来の非接触型シールでは、シール面への金属イオンの析出付着等によって、シール特性が変化すると考えられていた。このため、フェースプレートの変形に着目した課題解決手段は、未だ実施されていない。

また、発明者らの研究によれば、フェースプレートの変形は、以下のように発生することが判明している（図８参照）。まず、従来の非接触型シールでは、磨耗防止の観点からフェースプレートがセラミックス（アルミナもしくはシリコンナイトライド）により構成されている。かかるセラミックス製のフェースプレートは絶縁特性を有するため、シール水中ではフェースプレートの表面（シール面）にイオン（プラスイオン）が分離している。かかる状態において、高流速のシール水がフェースプレート間の隙間を通ると、フェースプレート表面のイオンが押し流される（図８（ａ）参照）。すると、フェースプレート表面には、マイナスの電荷が蓄積して電気的な反発力（斥力）が発生する（図８（ｂ）参照）。すると、この反発力によってフェースプレートに曲げ応力が作用し、フェースプレートが湾曲する（図８（ｃ）参照）。これにより、シール面の傾斜が変化して、シール特性が変化する。

［フェースプレートの剛性の増加］
上記観点から、この非接触型シール１では、フェースプレートの変形を抑制するために、フェースプレート２１、３１がジルコニア、炭化ホウ素、炭化珪素その他の高剛性セラミックスにより構成される（図１参照）。かかる構成では、アルミナ製もしくはシリコンナイトライド製のフェースプレート（低剛性セラミックスから成るフェースプレート）と比較して、フェースプレート２１、３１の剛性が高い。これにより、フェースプレート２１、３１の変形（湾曲）が低減されるので、シール特性の変化が効果的に抑制される利点がある。なお、フェースプレート２１、３１の剛性を高めるための材料変更は、フェースプレート２１、３１の変形に着目した課題解決手段自体が新規であるため、未だ実施されていない。この点において、この非接触型シール１は、シール特性の変化を抑制するための新規な課題解決手段を提供するものである。

［フェースプレートの厚みの増加］
また、この非接触型シール１では、フェースプレート２１、３１の厚みが増加されることにより、フェースプレート２１、３１の剛性が増加されることが好ましい（図２参照）。これにより、フェースプレート２１、３１の変形がさらに低減されるので、シール特性の変化がより効果的に抑制される利点がある。なお、材料の変形は、一般に厚さの２乗に比例する。したがって、例えば、フェースプレート２１、３１の厚みが従来の３倍となれば、その変形量が１／９に低減される。

具体的には、フェースプレート２１，３１は、厚みｔ１、ｔ２が少なくとも２０［ｍｍ］より大きいことが好ましく、４０［ｍｍ］〜１００［ｍｍ］の範囲にあることがより好ましく、５５［ｍｍ］〜６５［ｍｍ］の範囲にあることがより好ましい。これにより、より効果的にフェースプレート２１，３１の変形が抑制される利点がある。

また、フェースプレート２１，３１は、非接触型シールの設置状態にて、ポンプ軸１０２の軸方向にかかる厚みｔ１、ｔ２が、径方向にかかる厚み（幅）よりも大きいことが好ましい。これにより、より効果的にフェースプレート２１，３１の変形が抑制される利点がある。

なお、このように厚みを増加させたフェースプレート２１，３１では、その材料に限定がない。例えば、酸化アルミニウム製のフェースプレート（公知のフェースプレート）であっても、その厚みを増加させることにより、その変形が抑制される。

［ゼータ電位上昇剤料の混入］
また、上記したフェースプレートの変形は、フェースプレート表面に帯電した電荷に基づく電位（以下、ゼータ電位という。）が小さいほど電気的反発力が増大して、顕著となる。そこで、この非接触型シール１では、フェースプレート２１、３１がシール面のゼータ電位を上昇させるゼータ電位上昇剤料（ゼータ電位上昇元素）を含有する（図３参照）。かかるゼータ電位上昇剤料には、例えば、マグネシウム、カルシウム、イットリウムが該当する。かかる構成では、ゼータ電位上昇剤料により、フェースプレート２１、３１に生ずるゼータ電位が上昇する（プラスに近づく）。これにより、フェースプレート２１、３１の変形が低減されるので、シール特性の変化が抑制される利点がある。

［ゼータ電位上昇剤料のコーティングもしくは注入］
また、この非接触型シール１では、ゼータ電位を上昇させるゼータ電位上昇剤料（ゼータ電位上昇元素）がフェースプレート２１、３１の表面（シール面）にコーティングもしくは注入される。ここで、コーティングされるゼータ電位上昇剤料には、例えば、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）、カルシウムアルメイト（ＣａＡｌ₂Ｏ₄）等が該当する。また、ゼータ電位上昇剤料の注入は、例えば、イオンプランテーション、その他当業者公知の手法により行われる。かかる構成では、コーティングもしくは注入されたゼータ電位上昇剤料の作用により、フェースプレート２１、３１に生ずるゼータ電位が上昇する。これにより、フェースプレート２１、３１の変形が低減されるので、シール特性の変化が抑制される利点がある。また、かかるゼータ電位上昇剤料のコーティングもしくは注入は、フェースプレート２１、３１自体の材質を変更することなく実施できる利点がある。

［凹凸の形成］
また、この非接触型シール１では、フェースプレート２１、３１の表面（シール面）に凹凸が形成される（図４参照）。かかる構成では、フェースプレート２１、３１表面の凹み部分に帯電した正の電荷が、シール水によって押し流され難い。したがって、フェースプレート表面が平滑な構成と比較して、フェースプレート２１、３１表面から押し流される正の電荷量が低減される。これにより、フェースプレート２１、３１の変形が低減されるので、シール特性の変化が抑制される利点がある。

［適用対象］
また、この非接触型シール１は、原子力一次系の主冷却材ポンプ１００に用いられることが特に好ましい（図７参照）。かかる構成では、上記により非接触型シール１のシール特性が安定しているので、フェースプレート２１，３１間の隙間を流れるシール水の漏れ流量を一定にできる利点がある。

［ｐＨ値降下剤の添加］
また、この非接触型シール１を有する流体機械（例えば、原子力一次系の主冷却材ポンプ１００）では、非接触型シール１のシール水に、そのｐＨ値を降下させるｐＨ値降下剤が添加される（図５参照）。かかるｐＨ値降下剤には、例えば、ホウ酸が該当する。かかる構成では、ｐＨ値降下剤の添加によってシール水のｐＨ値が降下する（酸性側に変化する）。一方、ゼータ電位は、ｐＨ値が小さいほど高い。したがって、ｐＨ値が降下するほどフェースプレート２１、３１表面のゼータ電位が上昇してプラス側に近づく。これにより、フェースプレート２１、３１の変形が低減されるので、シール特性の変化が抑制される利点がある。

［導電率上昇剤の添加］
また、この非接触型シール１を有する流体機械では、非接触型シール１のシール水に、その導電率を上昇させる導電率上昇剤が添加される（図６参照）。かかる導電率上昇剤には、例えば、水酸化リチウムおよびホウ酸が該当する。かかる構成では、導電率上昇剤の添加によってシール水の導電率が上昇する。具体的には、シール水中における水酸化リチウムおよびホウ酸の濃度が増加されることにより、シール水の導電率が上昇する。一方、ゼータ電位は、導電率が大きいほど高い。したがって、導電率が上昇するほどフェースプレート２１、３１表面のゼータ電位が上昇して、プラス側に近づく。これにより、フェースプレート２１、３１の変形が低減されるので、シール特性の変化が抑制される利点がある。

以上のように、本発明にかかる非接触型シールは、シール特性の変化を効果的に抑制できる点で有用である。

この発明の実施例１にかかる非接触型シールを示す断面図である。 非接触型シールのフェースプレートを示す説明図である。 図２に記載したフェースプレートの変形例を示す説明図である。 図２に記載したフェースプレートの変形例を示す説明図である。 図２に記載したフェースプレートの変形例を示す説明図である。 図２に記載したフェースプレートの変形例を示す説明図である。 図１に記載した非接触型シールの適用例を示す説明図である。 非接触型シールの変形の原理を示す説明図である。

符号の説明

１ 非接触型シール
２ 第一シール部
３ 第二シール部
２１、３１ フェースプレート
１００ 主冷却材ポンプ
１０１ モータ
１０２ ポンプ軸
１０３ インペラ

Claims (9)

1. シール水の流路となる隙間を開けつつ対向して配置された一対のフェースプレートを有すると共に、これらのフェースプレートの隙間がシール水の流路に沿って狭められて成る非接触型シールにおいて、
   前記フェースプレートは、絶縁性セラミックス材料から成ると共に、シール水が流通して前記フェースプレート表面に電荷が蓄積することにより電荷同士の反発力によって生ずる前記フェースプレートの変形を抑制する変形抑制構造を有し、且つ、
   前記変形抑制構造は、前記フェースプレートがシール面のゼータ電位を上昇させるゼータ電位上昇剤料を含有していることにより構成されることを特徴とする非接触型シール。
2. 前記変形抑制構造は、前記フェースプレートが窒化珪素、ジルコニア、炭化ホウ素もしくは炭化珪素のうち少なくとも１つを含むセラミックスから成ることにより構成される請求項１に記載の非接触型シール。
3. 前記変形抑制構造は、前記フェースプレートの厚みが増加されることにより構成される請求項１または２に記載の非接触型シール。
4. 前記フェースプレートは、酸化アルミニウムもしくは窒化珪素を主成分として構成されると共に、その厚みが20［mm］より大きい請求項３に記載の非接触型シール。
5. 前記変形抑制構造は、ゼータ電位を上昇させるゼータ電位上昇剤料が前記フェースプレートのシール面にコーティングもしくは注入されていることにより構成される請求項１〜４のいずれか一つに記載の非接触型シール。
6. 前記変形抑制構造は、前記フェースプレートがシール面に凹凸を有することにより構成される請求項１〜５のいずれか一つに記載の非接触型シール。
7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の非接触型シールにより、流体がシールされている流体機械。
8. 前記非接触型シールのシール水には、そのｐＨ値を降下させるｐＨ値降下剤が添加されている請求項７に記載の流体機械。
9. 前記非接触型シールのシール水には、その導電率を上昇させる導電率上昇剤が添加されている請求項７または８に記載の流体機械。

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