JP4928029B2

JP4928029B2 - 軸封装置

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Publication number: JP4928029B2
Application number: JP2001238708A
Authority: JP
Inventors: 良次村木
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2021-08-07
Also published as: JP2002235858A; US6454268B1; EP1231419A2; US20020109302A1; EP1231419A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばポンプなどの流体機械に用いられる軸封装置に係り、さらに詳しくは、被密封流体がスラリーなどを含む流体、または高粘度液体である場合に好適な軸封装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポンプなどの流体機械では、ケーシング内にシャフトが回転自在に設けられ、ケーシング内の流体がシャフトとケーシングとの隙間から外部に漏洩することを防止するために、軸封装置が具備される。
【０００３】
このような流体機械に用いられる軸封装置としては、メカニカルシールが知られている。回転するシャフトと、シャフトを回転自在に保持するケーシングとの間をシールするためには、シャフトと共に回転する回転シールリングと、ケーシングに固定してある非回転シールリングとをシール面において接触させる必要がある。シール面では、回転シールリングと非回転シールリングとの摩耗が問題になる。このため、最近では、たとえば米国特許第５４２１５９３号明細書、米国特許第４２９０６１１号明細書および独国特許出願公開第３８３４２１４号明細書に示すように、回転シールリングのシール面に、動圧発生溝を設け、シャフトの回転と共に、両シール面相互が非接触状態となる非接触型メカニカルシールが提案されている。
【０００４】
また、非接触型メカニカルシールの動圧発生溝の形状としては、米国特許第５０７１１４１号明細書に示すように、渦巻き形状のものや、米国特許第５０９２６１２号明細書に示すように、Ｔ字形状のものも知られている。
【０００５】
しかしながら、従来の非接触型メカニカルシールの動圧発生溝は、回転シールリングの外径側に形成してある。このために、この非接触型メカニカルシールを、被密封流体領域とパージガス領域との間のシール構造として用いた場合に、被密封流体が動圧発生溝に入り込み易く、シール面が被密封流体によって誘発されて種々の不具合を惹起している。特に、被密封流体が、スラリー液体または高粘度の液体である場合に、特にシール面が摩耗するのでシールが不完全になりやすいという課題を有する。
【０００６】
なお、前記米国特許第５０９２６１２号明細書に示すように、回転シールリングの外径側に動圧発生溝を設けた上に、内径側にも動圧発生溝を具備させた非接触型メカニカルシール自体は知られている。しかしながら、複数のメカニカルシールをパージ領域を介しシステムとして組み合わせた構成において、回転シールリングの内径側のみに動圧発生溝が形成してあるメカニカルシールを、被密封流体領域とパージガス領域との間のシール構造として用いることは、本発明者等により初めて提案されたものである。
【０００７】
また、前記米国特許第５４２１５９３号明細書では、被密封流体領域とパージガス領域との間のシール構造として接触型メカニカルシールを用い、しかも、パージガス領域の圧力を、被密封流体領域の圧力よりも低圧にしたシール構造を提案している。しかしながら、被密封流体領域とパージガス領域との間のシール構造として接触型メカニカルシールを用いる場合には、シール面に偏摩耗を惹起し、耐久性に劣る。特に、被密封流体として、スラリー液などを用いた場合には、特にシール面での摩耗が問題になり、被密封流体が低圧なパージガス領域まで漏れ、結果として、ケーシング外部に漏れるおそれがある。また、被密封流体が腐食性液体である場合には、パージガス領域に配置されるシール構成部品を腐食させ、シール装置の耐久性を著しく低下させるおそれがある。
【０００８】
この明細書に記載のシール構造において、接触型メカニカルシールを、従来の非接触型メカニカルシールに置き換えたのみでは、変動する被密封流体の圧力が背圧として直接シールリングに作用する。また、シールリングの外径側に形成してある動圧発生溝内に被密封流体が入り込み、それが低圧のパージ領域へ流入するおそれを誘発する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、シール面での摩耗が少なく、耐久性に優れ、且つ、被密封流体がパージ領域に入り込みにくく、シール性に優れた軸封装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る軸封装置は、
中空部を持つケーシングと、
前記ケーシングの中空部を被密封流体領域から外部領域にまで届く回転自在なシャフトと、
前記被密封流体領域と前記外部領域との間に位置するパージ領域と、前記被密封流体領域とを仕切ると共に、前記ケーシングと前記シャフトとの間に具備される非接触型の第１メカニカルシールと、
前記パージ領域と前記外部領域とを仕切ると共に、前記ケーシングと前記シャフトとの間に具備される第２メカニカルシールと、を有し、
前記第１メカニカルシールは、前記シャフトと共に回転する第１回転シール面を持つ第１回転シールリングと、前記第１回転シール面に対して軸方向に押し付けられて摺動可能な第１非回転シール面を持ち前記ケーシングに保持された第１非回転シールリングとを有し、
前記第１回転シール面または前記第１非回転シール面には、前記パージ領域と連通している、シール面の内周縁から外方に向けて第１動圧発生溝が形成され、且つ、
前記パージ領域内には、前記被密封流体の圧力よりも高圧のパージ流体が注入されることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る軸封装置では、被密封流体の圧力よりも高圧のパージ流体と、シール面の内周縁のみに開口する第１動圧発生溝が形成してある第１メカニカルシールとの協働作用により、被密封流体がパージ領域に侵入することを有効に防止できる。すなわち、第１メカニカルシールを構成する第１回転シールリングと第１非回転シールリングとの間には、第１動圧発生溝の作用により、摺動面隙間が形成される。第１動圧発生溝は、シール面の内周縁のみに開口しているために、その第１動圧発生溝には、パージ領域中のパージ流体が遠心力により引き込まれる。そのため、摺動面隙間には、パージ流体によるバリア層が形成され、被密封流体が第１メカニカルシールの外径側からパージ領域へと侵入することを有効に防止することができる。
【００１２】
また、本発明では、第１メカニカルシールが、非接触型シール構造であるために、シールリングの摩耗が少なく、耐久性に優れている。また、被密封流体領域側へパージ流体が吹き出す作用などにより、被密封流体がスラリー液などであっても、有効にシールすることができる。
【００１３】
好ましくは、前記第１非回転シール面と反対側に位置する前記第１非回転シールリングの背面には、前記パージ領域内のパージ流体の圧力が背圧として作用すると共に、前記第１非回転シールリングの内周面側の内径中空部を介して前記パージ領域と前記第１動圧発生溝とを連通させている。
第１非回転シールリングの背面にパージ流体の背圧が作用することで、第１非回転シールリングの第１非回転シール面は、第１回転シールリングの第１回転シール面に対して軸方向に押し付けられる。その結果、シャフトが回転しない状態でも、両シール面間のシール特性が向上する。
また、第１非回転シールリングの内周面にパージ流体が作用するので、第１動圧発生溝内にパージ流体が導入されやすい構成にできる。
【００１４】
好ましくは、前記第１回転シールリングと前記第１非回転シールリングとは、カーボンよりも硬度が高い硬質材で構成してある。硬質材としては、特に限定されないが、ＳｉＣ、超硬合金（たとえばタングステンカーバイト）、セラミックコーティング材などが例示される。
第１非回転シールリングを硬質材で構成することにより、第１非回転シールリングの機械的強度が向上し、その内周側からパージ流体が作用してもシール面に変形が惹起しない。また、第１回転シールリングと第１非回転シールリングとを、硬質材で構成することにより、シールリングの変形を防止することができると共に、シールリングの摩耗をさらに低減することができ、耐久性を向上させることができる。特に、被密封流体がスラリー流体であったとしても、シールリングの摩耗をさらに低減することができる。
【００１５】
好ましくは、前記各第１動圧発生溝は、シール面側から見てＬ字形状を持ち、前記パージ領域に直接に連通する第１放射状部分と、前記第１放射状部分の外径部分に連通して円周方向に延在する第１円周状部分とを有し、
相互に隣接する前記第１動圧発生溝が、線対称に配列してある。
【００１６】
相互に隣接する前記第１動圧発生溝を、線対称に配列させることで、シャフトの回転方向が反対方向になったとしても、線対称に配列された何れかの第１動圧発生溝が機能し、シール面相互の間に良好なシール用摺動隙間を形成する。
【００１７】
好ましくは、前記第２メカニカルシールが、前記シャフトと共に回転する第２回転シール面を持つ第２回転シールリングと、前記第２回転シール面に対して軸方向に押し付けられて摺動可能な第２非回転シール面を持ち前記ケーシングに保持された第２非回転シールリングとを有し、前記第２回転シール面または前記第２非回転シール面には、第２動圧発生溝が形成してある。
【００１８】
パージ領域の圧力は、外部領域の圧力よりも高いので、パージ領域内のパージ流体は第２動圧発生溝内に入り込み、シャフトの回転と共に、シール面相互間に、摺動隙間を形成し、パージ流体から成るバリア層を形成する。そのバリア層により、パージ領域と外部領域との密封を行うことができる。
【００１９】
好ましくは、前記第２非回転シール面と反対側に位置する前記第２非回転シールリングの背面には、前記パージ領域内のパージ流体の圧力が背圧として作用するように、前記第２非回転シールリングが構成されている。
【００２０】
第２非回転シールリングの背面にパージ流体の背圧が作用することで、第２非回転シールリングの第２非回転シール面は、第２回転シールリングの第２回転シール面に対して軸方向に押し付けられる。その結果、シャフトが回転しない状態でも、両シール面間のシール特性が向上する。
【００２１】
好ましくは、前記第２回転シールリングおよび第２非回転シールリングのいずれか一方が、カーボンを主材とする材料で構成してある。相互に摺動する何れかの部材を、摺動性に優れたカーボン製にすることにより、シール特性が、さらに向上する。
【００２２】
好ましくは、前記各第２動圧発生溝が、Ｌ字形状を持ち、前記パージ領域に直接に連通する第２放射状部分と、前記第２放射状部分の内径部分に連通して円周方向に延在する第２円周状部分とを有し、
相互に隣接する前記第２動圧発生溝が、線対称に配列してある。
【００２３】
相互に隣接する前記第２動圧発生溝を、線対称に配列させることで、シャフトの回転方向が反対方向になったとしても、線対称に配列された何れかの第２動圧発生溝が機能し、シール面相互の間に良好なシール用摺動隙間を形成する。なお、第２動圧溝は、Ｌ字形状に限らず、Ｔ字形状、あるいはスパイラル形状でも良い。
また、第２動圧発生溝は、シール面の外周縁から内方に向けて形成しても良く、シール面の内周縁から外方に向けて形成しても良い。シール面の内周縁から外方に向けて形成する場合には、パージ領域内の圧力を長期にわたり保持することができる。
【００２４】
被密封流体が液体の場合には、前記第２動圧発生溝の最大深さよりも、前記第１動圧発生溝の最大深さが大きくすると良い。これらの溝の深さは、共に深さの単位としてμｍを使用して表される範囲内である。
被密封流体が液体であり、パージ流体を窒素ガスなどの不活性ガスとする場合においては、第１メカニカルシールでは、液体と気体とのシールとなり、第２メカニカルシールでは、気体と気体とのシールとなる。このような場合において、第２動圧発生溝の最大深さよりも、第１動圧発生溝の最大深さを大きくすることで、第１メカニカルシールにおける気体と液体とのシール特性を向上させることができる。
【００２５】
本発明では、前記被密封流体としては、特に限定されず、スラリーを含む液体、または高粘度液体であっても良い。具体的には、被密封流体としては、メッキ液、クリーニング用塩素液などの腐食性液体でも良く、さらには、ホットモノマーなどでも良い。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面に示す実施態様に基づき説明する。ここにおいて、
図１は本発明の好ましい実施態様に係る軸封装置の半断面図、
図２は図１に示す第１回転シールリングに形成する複数の第１動圧発生溝の平面図、
図３は図１に示す第２回転シールリングに形成する複数の第２動圧発生溝の部分平面図、
図４は図２のIV−IV線に沿う部分断面図である。
【００２７】
図１に示すように、この実施態様に係る軸封装置２は、たとえばポンプなどの流体機械の回転可能なシャフト４とケーシング６との間の隙間を密封するための装置である。シャフト４は、ケーシング６の内部を被密封流体領域Ａ１から外部領域Ａ３にまで貫通している。ケーシング６内の被密封流体領域Ａ１には、たとえばスラリー液などが収容してある。外部領域Ａ３は、本実施態様では、大気領域である。
【００２８】
軸封装置２は、シャフト４に沿って被密封流体領域Ａ１と外部領域Ａ３との間に、パージ領域Ａ２を形成するように配置された非接触型の第１メカニカルシール２ａおよび第２メカニカルシール２ｂを有する。第１メカニカルシール２ａが、被密封流体領域Ａ１側に配置してあり、第２メカニカルシール２ｂが、外部領域Ａ３側に配置してある。
【００２９】
シャフト４の外周には、第１スリーブ８が嵌合して固着してあり、スリーブ８は、シャフト４と共に、その軸芯回りに回転可能になっている。スリーブ８における軸方向の被密封流体領域Ａ１側には、フランジ１０が一体形成してある。フランジ１０の内周面には、Ｏリング溝が形成してあり、そこにＯリング１２が収容してある。そして、被密封流体領域Ａ１内の液体がスリーブ８とシャフト４との間の隙間に流入することを防止している。Ｏリング１２の材質は、被密封流体領域Ａ１内の液体の種類などに応じて選択され、たとえば合成ゴムなどで形成される。
【００３０】
フランジ１０の外周には、ラビリンスシールリング１６が装着してある。ラビリンスシールリング１６は、その外周面の軸方向へ沿って複数の凸部および溝が交互に形成してある。そして、それらの凸部が、ケーシング６の内周面に固定してある第１シールハウジング４０の内周面に近接し、それらの隙間からスラリーが侵入することを防止している。ラビリンスシールリング１６は、たとえばＰＴＦＥなどのフッ素樹脂で構成される。なお、本発明の他の実施形態では、このラビリンスシール１６を使用しないものもある。
【００３１】
フランジ１０の被密封流体領域Ａ１と反対の面には、Ｏリング溝が形成してあり、そこにＯリング１４が装着してある。Ｏリング１４は、第１メカニカルシール２ａを構成する第１回転シールリング２０の裏側端面に圧接し、第１回転シールリング２０とフランジ１０との間をシールしている。Ｏリング１４は、たとえばＯリング１２と同様な材質で構成してある。
【００３２】
第１回転シールリング２０の内周面にはキー溝が形成してあり、そのキー溝に対して、スリーブ８に固着してあるキー１８が係止する。そのため、第１回転シールリング２０は、スリーブ８に対して固着されて、シャフト４と共に回転可能になっている。第１回転シールリングの表側端面には、第１動圧発生溝２２が形成してある。第１動圧発生溝２２の詳細は、図２に基づき、後で詳細に説明する。第１回転シールリング２０は、ＳｉＣ、超硬合金またはセラミックコーティング材などの硬質材料で構成される。
【００３３】
第１スリーブ８の軸方向中央部の外周には、第２スリーブ２４が嵌合して固着してある。第２スリーブ２４は、第１スリーブ８に装着してあるキー１８に係止し、両者は、シャフト４と共に、一緒に回転するようになっている。第２スリーブ２４における外部領域Ａ３側の軸方向端部には、フランジ２６が一体成形してある。フランジ２６の端面にはＯリング溝が形成してあり、そこにＯリング２８が装着してある。Ｏリング２８は、第２メカニカルシール２ｂを構成する第２回転シールリング３０の裏面に圧接し、それらの隙間をシールしている。
【００３４】
Ｏリング２８は、Ｏリング１２と同様な材質で構成されている。Ｏリング２８は、パージ領域Ａ２内に配置され、通常状態では、被密封流体領域Ａ１の液体には接触しないので、Ｏリング１２およびＯリング１４よりは安価な材質にすることもできる。
【００３５】
第２回転シールリング３０の内周面にはキー溝が形成してあり、そのキー溝に対して、スリーブ８に固着してあるキー３４が係止する。そのため、第２回転シールリング３０は、スリーブ８に固着されて、シャフト４と共に回転可能になっている。第２回転シールリング３０の表面側端面には、第２動圧発生溝３２が形成してある。第２動圧発生溝３２の詳細は、図３に基づき、後で詳細に説明する。第２回転シールリング３０は、ＳｉＣ、超硬合金、セラミックコーティング材などの硬質材料で構成される。
【００３６】
第１スリーブ８における外部領域Ａ３側の外周には、スリーブカラー３６が、セットスクリュー３８により固定されて、シャフト４と共に回転可能になっている。スリーブカラー３６における外部領域Ａ３側の軸方向端には、固着用フランジ３７が一体成形してある。
【００３７】
ケーシング６の外部領域側の端部には、第１シールハウジング４０と第２シールハウジング４２とが、ボルト４６により着脱自在に固定してある。第１シールハウジング４０は、第２シールハウジング４２とケーシング６との間に挟み込まれて固定される。第２シールハウジング４２には、パージガス（パージ流体）を供給するための接続口４４が形成され、そこから、パージ領域Ａ２内にパージガスを供給可能になっている。パージガスのための接続口４４には、パージガス供給装置４８が接続される。
【００３８】
パージガス供給装置４８は、たとえばパージガス供給源と、粉塵除去用フィルタと、減圧装置と、圧力計と、流量計と、チェッキバルブなどを含む。このパージガス供給装置４８は、接続口４４を通して、パージ領域Ａ２内に、被密封流体領域Ａ１の液体圧よりも高圧のパージガスを流し込むようになっている。なお、パージガスとしては、特に限定されないが、たとえば窒素ガスなどの不活性ガスが好ましいが、空気でも良い。パージガスの圧力は、パージ領域Ａ２内において、被密封流体領域Ａ１の液体圧よりも、好ましくは０．２〜０．３ＭＰａ程度高い。このパージガスの圧力は、被密封流体の圧力に応じて設定される。
【００３９】
また、図示省略してあるが、パージ領域Ａ２には、必要に応じて、一定圧のパージガスを供給できるように、流体供給制御装置が設けられていても良い。
【００４０】
第１シールハウジング４０の外周には、２つのＯリング溝が形成してあり、一方のＯリング溝に装着してあるＯリング５２は、ケーシング６の端面に押し付けられて、第１シールハウジング４０とケーシング６との間の隙間をシールしている。また、他方のＯリング溝に装着してあるＯリング５４は、第２シールハウジング４２の内周面に押し付けられ、これらの間をシールしている。
【００４１】
第１シールハウジング４０の内周面には、第２スリーブ２４のフランジ部２６の近くにおいて、第２スリーブ２４とは直接に接触しないように、リング状のリテーナ５６が止めリングにより着脱自在に固定してある。リテーナ５６の軸方向凹部には、圧縮スプリングの基端が保持してある。圧縮スプリング５８の先端は、リング状の押圧プレート５９に対して接触し、この押圧プレート５９を、リテーナ５６から離れる軸方向に押圧している。
【００４２】
押圧プレート５９は、スプリング５８の押圧力により、第１メカニカルシール２ａを構成する第１非回転シールリング６０を、第１回転シールリング２０の第１回転シール面２０ａに対して押し付けるようになっている。第１非回転シールリング６０は、第１シールハウジング４０の内周側中空部内に配置され、ノックピン５０により、第１シールハウジング４０に対して相対回転不能に止められている。この第１非回転シールリング６０は、その外周に形成してある長孔の軸方向長さの分だけ、ケーシング６に対して、軸方向移動自在に連結されている。第１シールハウジング４０と第１非回転シールリング６０との間には、Ｏリング６４が装着してあり、これらの隙間をシールするようになっている。Ｏリング６４の材質は、たとえばＯリング１２と同様な材質で構成してある。第１非回転シールリング６０の材質は、カーボン材にする場合もあるが、本実施態様では、第１回転シールリング２０と同様なＳｉＣ、超硬合金、セラミックコーティング材などの硬質材で構成してある。なお、第１回転シールリング２０の第１回転シール面２０ａは、シャフト４の軸芯に対して略垂直になっているが、必要に応じて傾斜面にしても良い。
本実施形態では、第１非回転シールリング６０の第１非回転シール面６０ａと反対側の背面には、Ｏリング６４が配置され、そのシールリング６０の背面とＯリング６４とには、バッファガスのガス圧力が作用し、そのシールリング６０を、第１回転シールリング２０のシール面２０ａに押し付けている。
【００４３】
第２シールハウジング４２の内周部には、リテーナ６６が一体に形成してある。リテーナ６６には、圧縮スプリング６８が着座してある。圧縮スプリング６８の先端は、押圧リング６９に対して圧接し、この押圧リング６９を、第１非回転シールリング３０に向けて軸方向に押圧している。
【００４４】
押圧リング６９は、スプリング６８のスプリング力により、第２メカニカルシール２ｂを構成する第２非回転シールリング７０を、第２回転シールリング３０の第１回転シール面３０ａに対して押し付けるようになっている。第２非回転シールリング７０は、第２シールハウジング４２の内周側中空部内に配置されており、図示省略してあるノックピンなどにより、第２シールハウジング４２に対して回転不能に、しかも軸方向には移動自在に保持している。押圧リング６９、第２非回転シールリング７０およびリテーナ６６の間には、Ｏリング７２が装着してあり、これらの隙間をシールするようになっている。Ｏリング７２の材質は、たとえばＯリング２８と同様な材質で構成してある。第２非回転シールリング７０の材質は、本実施態様では、たとえば潤滑性に優れたカーボンで構成してある。
【００４５】
本実施形態では、第２非回転シールリング７０における第２非回転シール面７０ａと反対側の背面にはＯリング７２が配置され、そのシールリング７０の背面とＯリング７２には、パージガスの圧力が背圧として作用し、第２非回転シールリング７０を第２回転シールリング３０のシール面３０ａに押し付けている。
【００４６】
本実施態様では、図１に示すように、第１メカニカルシール２ａおよび第２メカニカルシール２ｂにおいて、第１および第２回転シールリング２０および３０に対して、第１および第２非回転シールリング６０および７０が、同じ方向（外部領域Ａ３から被密封流体領域Ａ１の方向）に押し付けられている。このような構成をタンデムシール構造と称する。第１メカニカルシール２ａでは、その外周側の一部が、被密封流体領域Ａ１となり、その内周側が、パージ領域Ａ２の一部である内径側中空部Ａ２Ｉとなる。また、第２メカニカルシール２ｂでは、その外周側および背面側が、パージ領域Ａ２の一部である外径側中空部Ａ２Ｏとなり、その内周側が、外部領域Ａ３の一部となる。
【００４７】
図２に示すように、第１回転シールリング２０のシール面２０ａには、複数の第１動圧発生溝２２が円周方向に形成してある。各第１動圧発生溝２２は、シール面側から見てＬ字形状を持ち、図１に示すパージ領域Ａ２の一部である内径側中空部Ａ２Ｉに直接に連通する第１放射状部分２２ａと、第１放射状部分２２ａの外径部分に連通して円周方向に延在する第１円周状部分２２ｂとを具備する。しかも、相互に隣接する一対の第１動圧発生溝２２は、線対称に配列してある。本実施態様では、相互に対称に配置された６対の第１動圧発生溝２２が、リング２０の円周方向に沿って略等間隔に配置してある。
【００４８】
図４に示すように、各第１動圧発生溝２２の溝深さＴ１は、リング２０の円周方向に沿って均一な深さではなく、第１放射状部分２２ａと交差する位置において最大限に深く形成してあり、その周方向に沿って反対側端部において最も浅くなるようにしてある。このように不均一な溝深さとすることにより、回転シールリング２０が非回転シールリング６０に対して相対回転する際に、溝深さが浅い部分において圧力が上昇する。その結果、回転シールリング２０のシール面２０ａと非回転シールリング６０のシール面６０ａとの間に隙間Ｃ１が形成される。第１動圧発生溝２２は、パージ領域Ａ２の内径側中空部Ａ２Ｉに連通してあるため、パージ領域Ａ２内のパージガスは、第１動圧発生溝２２内に引き込まれ、隙間Ｃ１は、パージ流体によるバリア層となる。
【００４９】
このバリア層により、被密封流体領域Ａ１内のスラリー液または高粘度液体などがパージ領域Ａ２内に侵入することを効果的に阻止することができる。これは、次の点に基づくものと考えられる。第１には、第１動圧発生溝２２がパージ領域Ａ２の内径側中空部Ａ２Ｉに連通し、パージ領域Ａ２のガス圧が、被密封流体領域Ａ１の液体圧よりも高いためである。また、第２には、第１メカニカルシール２ａの外周側に被密封流体領域Ａ１が位置し、遠心力に基づき、シール面内に被密封流体が入り込み難いためである。なお、回転方向Ｒ１が逆の場合には、図２に示す対称に配置された動圧発生溝２２の内の別の動圧発生溝２２が同様な作用を奏する。
【００５０】
図３に示すように、第２回転シールリング３０の第２シール面３０ａには、複数の第２動圧発生溝３２が円周方向に形成してある。各第２動圧発生溝３２は、シール面側から見てＬ字形状を持ち、図１に示すパージ空間Ａ２の外径側中空部Ａ２Ｏに直接に連通する第２放射状部分３２ａと、第２放射状部分３２ａの内径部分に連通して円周方向に延在する第２円周状部分３２ｂとを有する。しかも、相互に隣接する一対の第２動圧発生溝３２は、線対称に配列してある。本実施態様では、相互に対称に配置された６対の第２動圧発生溝３２が、リング３０の円周方向に沿って略等間隔に配置してある。
【００５１】
各第２動圧発生溝３２の構成は、次の点を除き、第１動圧発生溝２２の構成と同様である。第１の相違点は、第１動圧発生溝２２の第１放射状部分２２ａが内径側中空部に連通しているのに対して、第２動圧発生溝３２の第２放射状部分３２ａが外径側中空部に連通している点である。第２の相違点は、第２動圧発生溝３２の最大深さよりも、第１動圧発生溝２２の最大深さが大きいことである。第２動圧発生溝３２の最大深さよりも、第１動圧発生溝２２の最大深さを大きくした理由は、液体−気体兼用を考慮した設計からである。ただし、本発明では、第２動圧発生溝３２の最大深さは、第１動圧発生溝２２の最大深さと同じにしても良く、これは、作動流体に対する設計に応じて種々に決定される。
【００５２】
第２メカニカルシール２ｂを構成する第２回転シールリング３０が第２非回転シールリング７０に対して回転することで、それらの間のシール面３０ａには、第１メカニカルシール２ａと同様なバリア層が形成され、効果的にシールされる。
【００５３】
本実施態様に係る軸封装置２では、被密封流体の圧力よりも高圧のパージ流体と、内径側中空部Ａ２Ｉのみに連通する複数の第１動圧発生溝２２が形成してある第１メカニカルシール２ａとの協働作用により、被密封流体がパージ領域Ａ２に侵入することを有効に防止できる。すなわち、第１メカニカルシール２ａを構成する第１回転シールリング２０と第１非回転シールリング６０との間には、第１動圧発生溝２２の作用により、摺動面隙間Ｃ１が形成される。第１動圧発生溝２２は、内径側中空部Ａ２Ｉのみに連通しているために、その第１動圧発生溝２２には、パージ領域Ａ２中のパージ流体が遠心力により引き込まれる。そのため、摺動面隙間Ｃ１には、パージ流体によるバリア層が形成され、被密封流体が第１メカニカルシール２ａの外径側からパージ領域へと侵入することを有効に防止することができる。
【００５４】
また、本実施態様では、第１および第２メカニカルシール２ａおよび２ｂが、共に非接触型シール構造であるために、シールリングの摩耗が少なく、耐久性に優れている。また、第１メカニカルシール２ａは、耐摩耗性に優れていることから、被密封流体がスラリー液などであっても、有効にシールすることができる。
【００５５】
さらに、本実施態様では、第１非回転シールリング６０を硬質材で構成することにより、第１非回転シールリング６０の機械的強度が向上し、その内周側からパージ流体の背圧を作用させる構成が可能になる。
【００５６】
さらにまた、本実施態様では、相互に隣接する第１動圧発生溝２２を、線対称に配列させることで、シャフト４の回転方向が反対方向になったとしても、線対称に配列された何れかの第１動圧発生溝２２が機能し、シール面２０ａおよび６０ａ相互の間に良好なシール用摺動隙間Ｃ１を形成する。なお、この点は、第２動圧発生溝３２に関しても同様である。ただし、第２メカニカルシール２ｂは、接触型シールで構成しても良い。これは、第２メカニカルシール２ｂの第２非回転シールリング７０が、パージ流体の圧力を背面に受けて、シール面７０ａに対向するシール面３０ａを良好に圧接し、シール性が良好に保たれるからである。
【００５７】
また、本実施態様では、第２メカニカルシール２ｂも、第１メカニカルシール２ａと同様な非接触型シール構造であり、その第２動圧発生溝３２が、パージ領域Ａ２の一部である外径側中空部Ａ２Ｏのみに連通する。また、パージ領域Ａ２の圧力は、外部領域Ａ３の圧力よりも高いので、パージ領域Ａ２内のパージ流体は、外径側中空部Ａ２Ｏから第２動圧発生溝Ａ３内に入り込み、シャフト４の回転と共に、シール面相互間に、動圧により摺動隙間Ｃ１を形成し、パージ流体から成るバリア層を形成する。そのバリア層により、パージ領域Ａ２と外部領域Ａ３との密封を行うことができる。
【００５８】
なお、一般に、外部領域Ａ３の圧力は、被密封流体領域Ａ１の圧力よりも低い。また、前述したように、パージ領域Ａ２の圧力は、被密封流体領域Ａ１の圧力よりも高く設定してある。したがって、パージ領域Ａ２と外部領域Ａ３との間の差圧は、パージ領域Ａ２と被密封流体領域Ａ１との間の差圧よりも大きい。本実施形態では、パージ領域Ａ２と被密封流体領域Ａ１との間に配置される第２メカニカルシール２ｂにおける第２動圧発生溝３２を外径側に形成することで、これらの領域間のシール性を向上させることができる。
【００５９】
また本実施態様では、第２非回転シールリング７０が、摺動性に優れたカーボン製であるため、シール特性が、さらに向上する。
【００６０】
また本実施態様では、被密封流体が液体の場合において、第２動圧発生溝３２の最大深さよりも、第１動圧発生溝２２の最大深さが大きくしてある。このため、第１メカニカルシール２ａにおけるシール面２０ａでの動圧を高めることができ、気体と液体とのシール特性を向上させることができる。
【００６１】
なお、本発明は、上述した実施態様に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
【００６２】
たとえば、上述した実施態様では、回転シールリング２０および３０のシール面２０ａおよび２０ｂに、それぞれ動圧発生溝２２および３２を形成してあるが、非回転シールリング６０および７０のシール面６０ａおよび７０ａに、それぞれ動圧発生溝２２および３２を形成しても良い。
【００６３】
また、本発明では、被密封流体の特性に応じて、第１動圧発生溝２２の溝深さと第２動圧発生溝３２の溝深さとを略同一にしても良い。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、被密封流体の圧力よりも高圧のパージ流体と、シール面の内周縁のみに開口する第１動圧発生溝が形成してある第１メカニカルシールとの協働作用により、被密封流体がパージ領域に侵入することを有効に防止できる。すなわち、第１メカニカルシールを構成する第１回転シールリングと第１非回転シールリングとの間には、第１動圧発生溝の作用により、摺動面隙間が形成される。第１動圧発生溝は、シール面の内周縁のみに開口しているために、その第１動圧発生溝には、パージ領域中のパージ流体が遠心力により引き込まれる。そのため、摺動面隙間には、パージ流体によるバリア層が形成され、被密封流体が第１メカニカルシールの外径側からパージ領域へと侵入することを有効に防止することができる。
また、本発明では、第１メカニカルシールが、非接触型シール構造であるために、シールリングの摩耗が少なく、耐久性に優れている。また、被密封流体領域側へパージ流体が吹き出す作用などにより、被密封流体がスラリー液などであっても、有効にシールすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の好ましい実施態様に係る軸封装置の半断面図である。
【図２】図２は図１に示す第１回転シールリングに形成する複数の第１動圧発生溝の平面図である。
【図３】図３は図１に示す第２回転シールリングに形成する複数の第２動圧発生溝の部分平面図である。
【図４】図４は図２のIV−IV線に沿う部分断面図である。
【符号の説明】
２… 軸封装置
２ａ… 第１メカニカルシール
２ｂ… 第２メカニカルシール
４… シャフト４
６… ケーシング
２０… 第１回転シールリング
２０ａ… シール面
２２… 第１動圧発生溝
２２ａ… 第１放射状部分
２２ｂ… 第１円周状部分
３０… 第２回転シールリング
３０ａ… シール面
３２… 第２動圧発生溝
３２ａ… 第２放射状部分
３２ｂ… 第２円周状部分
４４… 接続口
４８… パージガス供給装置
６０… 第１非回転シールリング
７０… 第２非回転シールリング
Ａ１… 被密封流体領域
Ａ２… パージ領域
Ａ２Ｏ… 外径側中空部
Ａ２Ｉ… 内径側中空部
Ａ３… 外部領域

Claims

中空部を持つケーシングと、
前記ケーシングの中空部を被密封流体領域から外部領域にまで届く回転自在なシャフトと、
前記ケーシングと前記シャフトとの間に具備され、前記被密封流体領域と前記外部領域との間に形成されたパージ領域と、前記被密封流体領域とを仕切る非接触型の第１メカニカルシールと、
前記ケーシングと前記シャフトとの間に具備され、前記パージ領域と前記外部領域とを仕切る非接触型の第２メカニカルシールと、を有し、
前記パージ領域内には、前記被密封流体の圧力よりも高圧のパージ流体が注入されるタンデムシール構造を有する軸封装置であって、
前記第１メカニカルシールは、
その外周側の一部が前記被密封流体領域となり、その内周側が前記パージ領域の一部である内径側中空部となると共に、前記シャフトと共に回転する第１回転シール面を持つ第１回転シールリングと、前記第１回転シール面に対して軸方向に押し付けられて摺動可能な第１非回転シール面を持ち前記ケーシングに保持された第１非回転シールリングと、を有し、
前記第１回転シール面または前記第１非回転シール面には、複数の第１動圧発生溝が円周方向に形成され、
前記各第１動圧発生溝は、前記第１回転シール面及び前記第１非回転シール面からなる第１シール面側から見てＬ字形状を持ち、
前記各第１動圧発生溝は、前期第１シール面の内周縁のみに開口して前記パージ領域の一部である前記内径側中空部に直接に連通する第１放射状部分と、前記第１放射状部分の外径部分に連通して円周方向に延在する第１円周状部分とを有し、
相互に隣接する前記第１動圧発生溝が、線対称に配列すると共に、
前記第１動圧発生溝の溝深さは、前記第１円周状部分と前記第１放射状部分とが交差する位置から、前記第１放射状部分とは周方向に沿って反対側にある前記第１円周状部分の周方向端部へ向かって浅くなるように形成されていることを特徴とする軸封装置。
前記第２メカニカルシールは、
その外周側および背面側が前記パージ領域の一部である外径側中空部となり、その内周側が前記外部領域の一部となると共に、前記シャフトと共に回転する第２回転シール面を持つ第２回転シールリングと、前記第２回転シール面に対して軸方向に押し付けられて摺動可能な第２非回転シール面を持ち前記ケーシングに保持された第２非回転シールリングとを有し、
前記第２回転シール面または前記第２非回転シール面には、複数の第２動圧発生溝が円周方向に形成され、
前記各第２動圧発生溝は、前期第２回転シール面及び前記第２非回転シール面からなる第２シール面側から見てＬ字形状を持ち、
前記各第２動圧発生溝は、前記パージ領域の一部である前記外径側中空部のみに直接に連通する第２放射状部と、前記第２放射状部分の内径部分に連通して円周方向に延在する第２円周状部分とを有し、
相互に隣接する前記第２動圧発生溝が、線対称に配列すると共に、
前記第２動圧発生溝の溝深さは、前記第２円周状部分と前記第２放射状部分とが交差する位置から、前記第２放射状部分とは周方向に沿って反対側にある前記第２円周状部分の周方向端部へ向かって浅くなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸封装置。