JP5637518B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、シール面近傍に冷却流体を循環させるパーシャルインペラ付きのメカニカルシールに関する。

発熱する摺動シール面の周囲に冷却流体（主に冷却水）を効率的に送り込んでシール面を冷却するパーシャルインペラ付きのメカニカルシールとしては、従来より、例えば、図１２に示すようなメカニカルシールが知られている（米国特許第４，２９０，６１１号（特許文献１）、日本国特許第３７８２６９０号（特許文献２）参照）。

図１２に示すメカニカルシールは、シール面Ｓ１を有する回転環９４１とシール面Ｓ２を有する固定環９４２とを有するシール部９４０を具備し、回転軸９０２に嵌着したスリーブ９１０の機内側にパーシャルインペラ９２０が形成されている。また、ケーシング９３０には、シール部９４０の近傍に貫通する冷却液流入孔９３１、及び、パーシャルインペラ９２０の近傍から外方に貫通する冷却液流出孔９３２が形成されている。これら冷却液流入孔９３１と冷却液流出孔９３２とは、機外で冷却器９５０に連通する配管により接続されており、冷却液流入孔９３１からシール部９４０近傍に流入された冷却液は、シール部９４０を冷却して冷却液流出孔９３２から流出し、冷却器９５０により再冷却されて循環されるように構成されている。

このようなパーシャルインペラ９２０の主要な機能は、シール部９４０で発生する熱を冷却することであり、要求される性能は、冷却液を必要な流量で供給することである。
なお、パーシャルインペラ９２０の形状としては、略半円形の断面形状の溝、略半円形の断面形状の円錐状の溝、矩形の断面形状の溝等がある（例えば、日本国実用新案登録平０４−１７５６９号（特許文献３）参照）。
また、パーシャルインペラ９２０の機内側の溝先端９２０ａは、ケーシング９３０の冷却液流出孔９３２につながる溝９３３の機内側の端部９３３ａと略一致している。

米国特許第４，２９０，６１１号 日本国特許第３７８２６９０号 日本国実用新案登録平０４−１７５６９号

前述したように、従来のパーシャルインペラは、溝（パーシャルインペラ溝）の形状が矩形あるいは略半円形状であるとともに、溝先端がケーシング側の溝の縁に略一致する構成であり、このような形状及び配置により、シール部の冷却に必要な流量を得るようにしていた。しかしながら、このような構成では、ケーシング側の溝に形成される堰部分にエロージョンが発生し、堰が破壊されてしまう場合があった。堰が破壊されてしまうと、冷却に必要な流量の冷却液を供給することができなくなり、その結果、運転初期においては冷却のために必要な流量を得ることができるものの、運転時にケーシング側の堰部に発生するエロージョンにより堰部が損傷を受け、比較的短期間のうちに必要な流量が得られなくなる場合があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、摺動シール面の冷却に必要な冷却流体の流量を確保するとともに、エロージョンの発生を防ぐことができるパーシャルインペラ付きのメカニカルシールを提供することにある。

前記課題を解決するために本願発明者は、エロージョンが発生するケースについて計算流体力学に基づくシミュレーションを重ねて流体の挙動を解析し、断面形状が半円形や矩形の溝を持つパーシャルインペラが回転する際、ケーシングの堰の箇所において、密封流体圧力が蒸気圧以下から蒸気圧以上へ急激に変化することを見出した。そしてこのことから、流体が蒸気圧以下となる箇所でキャビテーションが発生し、蒸気圧以上となった箇所でキャビテーションが消滅すると考察した。

また、実験により、被密封流体の圧力が０．１ＭＰａから０．４ＭＰａの範囲において運転されるケーシングの堰の箇所にエロージョンが発生し易くなっていることを検知し、上記のシミュレーションによる解析を行った結果、被密封流体の圧力が０．１ＭＰａより小さい場合は、堰の箇所においては流体の圧力が蒸気圧以下となるが堰の近辺では蒸気圧以上にならないことを見出した。また、被密封流体の圧力が０．４ＭＰａより大きい場合には、堰の箇所で圧力が蒸気圧以下にならないことを見出した。そしていずれの場合もキャビテーションが堰の近傍で消滅しないことが示唆されていると考察した。そして、キャビテーションエロージョンは、キャビテーションが消滅する際に衝撃的な圧力変化が発生し材料が浸食されていると考察し、これに基づいてパーシャルインペラ溝の断面形状を特定の形状に規定することで、必要な流量が確保可能になるとともに、エロージョンの発生を防ぐことができることを見出し、本願発明に係るパーシャルインペラ付きのメカニカルシールに想到した。

具体的には、本願発明者は、パーシャルインペラを構成する溝の深さ（Ｌｇｄ）に対する溝の幅（Ｌｇｗ）の割合（Ｌｇｗ／Ｌｇｄ）が小さい場合に、堰の箇所で被密封流体の蒸気圧以下から蒸気圧以上への変化が発生し易くなりエロージョンが発生し、これが大きい場合には必要な流量の確保が難しくなり、この割合（Ｌｇｗ／Ｌｇｄ）が好ましい範囲となるような構成が望ましいことを見出した。

また、ケーシングの堰の幅（Ｌｄｗ）に対するパーシャルインペラの溝間の距離（Ｌｒｗ）の割合（Ｌｒｗ／Ｌｄｗ）が大きい場合に、堰の箇所で被密封流体の蒸気圧以下から蒸気圧以上への変化が発生し易くなりエロージョンが発生し、この割合（Ｌｒｗ／Ｌｄｗ）が小さい場合には必要な流量の確保が難しくなり、この割合（Ｌｇｗ／Ｌｇｄ）が好ましい範囲となるような構成が望ましいことを見出した。

さらに、パーシャルインペラの溝が形成されている周面の全長（２πｒ）に対する溝の幅の合計長（ｎＬｇｗ）の割合（ｎＬｇｗ／２πｒ）が小さい場合に、堰の箇所で被密封流体の蒸気圧以下から蒸気圧以上への変化が発生し易くなりエロージョンが発生し、この割合（ｎＬｇｗ／２πｒ）が大きい場合には必要な流量の確保が難しくなり、この割合（ｎＬｇｗ／２πｒ）が好ましい範囲となるような構成が望ましいことを見出した。

さらに、パーシャルインペラの溝の先端がケーシング側の溝の端部と略一致している場合に、堰の箇所で被密封流体の蒸気圧以下から蒸気圧以上への変化が発生し易くなりエロージョンが発生し、ケーシング側の溝の幅（Ｌｄｌ）に対するパーシャルインペラの溝の先端部の飛び出し距離（Ｌｇｓ）の割合（Ｌｇｓ／Ｌｄｌ）を増加させていくと、堰の箇所の近傍で流体の流れを摺動方向と平行な方向に整流させる効果が生じ、エロージョンの発生を抑えられることを見出し、この割合（Ｌｇｓ／Ｌｄｌ）が好ましい範囲となるような構成が望ましいことを見出した。

従って、本発明のメカニカルシールは、装置のハウジングと当該ハウジングに形成される孔を貫通する回転軸との間をシールするメカニカルシールであって、前記回転軸に設置され、軸方向の少なくとも一方の面にシール面が形成されている回転環と、前記回転環の前記シール面に密接摺動するシール面が形成されている固定環と、前記回転軸に装着される環状体の外周部に形成され、当該環状体の一方の端面から外周面に至るパーシャルインペラ溝が、当該環状体の外周部に周方向に沿って複数等配に形成されているパーシャルインペラとを有し、前記パーシャルインペラを構成する前記パーシャルインペラ溝の深さ（Ｌｇｄ）に対する当該パーシャルインペラ溝の幅（Ｌｇｗ）の割合（Ｌｇｗ／Ｌｇｄ）が、２．０以上５．０以下であることを特徴とする。

また、本発明の他のメカニカルシールは、装置のハウジングと当該ハウジングに形成される孔を貫通する回転軸との間をシールするメカニカルシールであって、前記回転軸に設置され、軸方向の少なくとも一方の面にシール面が形成されている回転環と、前記回転環の前記シール面に密接摺動するシール面が形成されている固定環と、前記固定環が設置されるとともに、前記回転環を内部空間に収容し、前記ハウジングの前記孔の周囲に装着されるケーシングと、前記ケーシングの外周部と前記内部空間との間を貫通し、前記ケーシングの外部から前記内部空間に冷却流体を供給する冷却流体流入孔と、前記ケーシングの外周部と前記内部空間との間を貫通し、前記内部空間から前記冷却流体を外部に排出する冷却流体流出孔と、前記回転軸に装着される環状体の外周部に形成され、当該環状体の一方の端面から外周面に至るパーシャルインペラ溝が、当該環状体の外周部に周方向に沿って複数等配に形成されているパーシャルインペラと、前記ケーシングの内周の前記パーシャルインペラに対向する面に周方向に沿って形成される環状の溝であって、一部に当該溝を幅方向に埋める所定幅の堰が形成されており、前記回転軸の回転方向に沿った当該堰の直前に前記冷却流体流出孔の前記内部空間側の開口が形成されている冷却液流出孔とを有し、前記ケーシングの前記堰の幅（Ｌｄｗ）に対する前記パーシャルインペラを構成する前記パーシャルインペラ溝の溝間の距離（Ｌｒｗ）の割合（Ｌｒｗ／Ｌｄｗ）が、０．５以上３．１以下であることを特徴とする。

また、本発明のさらに他のメカニカルシールは、装置のハウジングと当該ハウジングに形成される孔を貫通する回転軸との間をシールするメカニカルシールであって、前記回転軸に設置され、軸方向の少なくとも一方の面にシール面が形成されている回転環と、前記回転環の前記シール面に密接摺動するシール面が形成されている固定環と、前記回転軸に装着される環状体の外周部に形成され、当該環状体の一方の端面から外周面に至るパーシャルインペラ溝が、当該環状体の外周部に周方向に沿って複数等配に形成されているパーシャルインペラとを有し、前記パーシャルインペラの前記パーシャルインペラ溝が形成されている周面の全長（２πｒ）に対する当該パーシャルインペラ溝の幅の合計長（ｎＬｇｗ）の割合（ｎＬｇｗ／２πｒ）が、０．２８以上０．８以下であることを特徴とする。

また、本発明のさらに他のメカニカルシールは、装置のハウジングと当該ハウジングに形成される孔を貫通する回転軸との間をシールするメカニカルシールであって、前記回転軸に設置され、軸方向の少なくとも一方の面にシール面が形成されている回転環と、前記回転環の前記シール面に密接摺動するシール面が形成されている固定環と、前記固定環が設置されるとともに、前記回転環を内部空間に収容し、前記ハウジングの前記孔の周囲に装着されるケーシングと、前記ケーシングの外周部と前記内部空間との間を貫通し、前記ケーシングの外部から前記内部空間に冷却流体を供給する冷却流体流入孔と、前記ケーシングの外周部と前記内部空間との間を貫通し、前記内部空間から前記冷却流体を外部に排出する冷却流体流出孔と、前記回転軸に装着される環状体の外周部に形成され、当該環状体の一方の端面から外周面に至るパーシャルインペラ溝が、当該環状体の外周部に周方向に沿って複数等配に形成されているパーシャルインペラと、前記ケーシングの内周の前記パーシャルインペラに対向する面に周方向に沿って形成される環状の溝であって、一部に当該溝を幅方向に埋める所定幅の堰が形成されており、前記回転軸の回転方向に沿った当該堰の直前に前記冷却流体流出孔の前記内部空間側の開口が形成されている冷却液流出孔とを有し、前記ケーシングの前記冷却液流出孔の幅（Ｌｄｌ）に対する前記パーシャルインペラの前記パーシャルインペラ溝の先端部の飛び出し距離（Ｌｇｓ）の割合（Ｌｇｓ／Ｌｄｌ）が、０より大きく０．６５以下であることを特徴とする。

本発明に係るこれらのいずれのメカニカルシールにおいても、摺動シール面の冷却に必要な冷却流体の流量を確保するとともに、エロージョンの発生を防ぐことができるパーシャルインペラ付きのメカニカルシールを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態のメカニカルシール装置の全体構成を示す図である。 図２は、図１に示したメカニカルシール装置のパーシャルインペラの形状を示す斜視図である。 図３は、図１に示したメカニカルシール装置のパーシャルインペラ、冷却液排出溝、堰及び冷却液流出孔の構成及び配置を示す径方向断面図である。 図４Ａは、図４Ｂ及び図４Ｃとともに図２及び図３に示したパーシャルインペラ及び冷却液流路部の寸法及び配置を説明をするための図であり、冷却液排出溝、堰及び冷却液流出孔の開口の配置、及び、冷却液排出溝とパーシャルインペラ溝との軸方向の配置を説明するための図であって、ケーシングの内周面の冷却液排出溝の堰付近を平面的に示した図である。 図４Ｂは、図４Ａ及び図４Ｃとともに図２及び図３に示したパーシャルインペラ及び冷却液流路部の寸法及び配置を説明をするための図であり、パーシャルインペラ溝の大気側端部の径方向の形状を示した図である。 図４Ｃは、図４Ａ及び図４Ｂとともに図２及び図３に示したパーシャルインペラ及び冷却液流路部の寸法及び配置を説明をするための図であり、冷却液排出溝及びパーシャルインペラ溝の深さ方向の断面を示す図である。 図５は、パーシャルインペラ溝の幅と深さとの比と流量との関係を示す図である。 図６Ａは、パーシャルインペラ溝の幅と深さとの比と単位時間当たりのエロージョン深さを示す図であって、軟質鋼のケーシングを用いた加速試験におけるエロージョンの深さを示す図である。 図６Ｂは、パーシャルインペラ溝の幅と深さとの比と単位時間当たりのエロージョン深さを示す図であって、通常使用される金属材料のケーシングを用いた試験におけるエロージョンの深さを示す図である。 図７は、パーシャルインペラの溝間の距離とケーシング側の堰の幅との比と流量との関係を示す図である。 図８Ａは、パーシャルインペラの溝間の距離とケーシング側の堰の幅との比と単位時間当たりのエロージョン深さを示す図であって、軟質鋼のケーシングを用いた加速試験におけるエロージョンの深さを示す図である。 図８Ｂは、パーシャルインペラの溝間の距離とケーシング側の堰の幅との比と単位時間当たりのエロージョン深さを示す図であって、通常使用される金属材料のケーシングを用いた試験におけるエロージョンの深さを示す図である。 図９は、パーシャルインペラの周面長さに対するパーシャルインペラの溝の合計長の割合と流量との関係を示す図である。 図１０Ａは、パーシャルインペラの周面長さに対するパーシャルインペラの溝の合計長さの割合と単位時間当たりのエロージョン深さを示す図であって、軟質鋼のケーシングを用いた加速試験におけるエロージョンの深さを示す図である。 図１０Ｂは、パーシャルインペラの周面長さに対するパーシャルインペラの溝の合計長さの割合と単位時間当たりのエロージョン深さを示す図であって、通常使用される金属材料のケーシングを用いた試験におけるエロージョンの深さを示す図である。 図１１Ａは、ケーシング側の冷却液排出溝の幅に対するパーシャルインペラの溝の先端の飛び出し距離の比と単位時間当たりのエロージョン深さを示す図であって、軟質鋼のケーシングを用いた加速試験におけるエロージョンの深さを示す図である。 図１１Ｂは、ケーシング側の冷却液排出溝の幅に対するパーシャルインペラの溝の先端の飛び出し距離の比と単位時間当たりのエロージョン深さを示す図であって、通常使用される金属材料のケーシングを用いた試験におけるエロージョンの深さを示す図である。 図１２は、従来のパーシャルインペラ付きのメカニカルシールの構成を示す図である。

本発明の一実施形態のメカニカルシール装置について、図１〜図４Ｃを参照して説明する。
本実施形態においては、例えばポンプ等の回転軸が貫通する装置の本体外面にカートリッジ形式で装着されるメカニカルシール装置を例示して本発明を説明する。本実施形態のメカニカルシール装置は、摺動シール面の周囲に冷却流体が流されて摺動シール面の発熱を冷却するように構成されており、その冷却流体の循環のために摺動シール面の近傍にパーシャルインペラが設置されているメカニカルシール装置である。

まず、メカニカルシール装置１００の全体構成について図１を参照して説明する。
図１は、その本実施形態のメカニカルシール装置１００の構成を示す断面図であり、メカニカルシール装置１００を装置ハウジング６００の外面６０１に装着した状態を示す図である。

図１に示すように、装置ハウジング６００には回転軸２００が貫通する軸孔６０２が形成されており、メカニカルシール装置１００は、この軸孔６０２の周囲の外面６０１に設置される。
なお、図１においては、軸孔６０２側（図面右側）が機内側空間Ａであり、その軸方向反対側（図面左側）が機外側空間であって大気空間Ｂである。

メカニカルシール装置１００は、主な構成部として、ケーシング１１０、固定環取付部１２１、固定環支持部１２２、固定環１３０、スリーブ１４１、シールカラー１４３、回転環１５０、パーシャルインペラ１６０及び冷却液流路部１７０を有する。

ケーシング１１０は、機内側に配置される第１のケーシング１１１と機外側に配置される第２のケーシング１１２とを有する。第１のケーシング１１１は、装置ハウジング６００の軸孔６０２に嵌挿される筒状部１１１ａと、筒状部１１１ａの機内側の端部に内径方向に形成される機内側フランジ部１１１ｂと、筒状部の機外側の端部に外形方向に形成される機外側フランジ部１１１ｃとを有する。第２のケーシング１１２は、円環状の部材であって、第１のケーシング１１１の機外側に配置され第１のケーシング１１１の機外側フランジ部１１１ｃの機外側端面に密接に固定設置される。これら第１のケーシング１１１及び第２のケーシング１１２は、同軸に一体化されて、第１のケーシング１１１の筒状部１１１ａが装置ハウジング６００の軸孔６０２に嵌合され、第１のケーシング１１１の機外側フランジ部１１１ｃが装置ハウジング６００の外面６０１に密接され、ボルト１１４により装置ハウジング６００に固定設置される。

第１のケーシング１１１の機内側フランジ部１１１ｂ及び第２のケーシング１１２は、ともに内周部が回転軸２００の外周面に近接した位置に配置されるように第１のケーシング１１１の筒状部１１１ａの内周部よりも小径に形成されており、これにより形成される第１のケーシング１１１の筒状部１１１ａの内部空間Ｃに、後述する固定環１３０、回転環１５０及びこれにより形成される摺動シール面Ｓが配置される。

固定環取付部１２１は、固定環１３０をケーシング１１０に取り付けるための断面Ｌ字状の環状部材である。固定環取付部１２１は、フランジ状の径方向面部が第２のケーシング１１２の機内側端面内周部にボルトにより固定されることによりケーシング１１０に設置される。この状態で、固定環取付部１２１の筒状部分は第２のケーシング１１２の内周部と略同じ内径で回転軸２００の外周面に近接した位置に配置され、この筒状部分の外周側に固定環支持部１２２及び固定環１３０が嵌合設置される。固定環取付部１２１には、固定環支持部１２２を軸方向機内側（回転環１５０側）に弾発に押すスプリング１２４が周方向に沿って等配に数カ所設置されており、また、固定環支持部１２２が周方向に回転しないように回り止めするためのノックピン１２５が、１カ所あるいは複数箇所に設置されている。

固定環支持部１２２は、固定環取付部１２１の筒状部の外周に嵌合設置される環状部材であり固定環１３０を保持するための部材である。固定環支持部１２２の固定環１３０側の端面には周方向に沿って内周側が突出した段差が形成されており、この段差に、周方向に沿って外周側が突出した段差に形成されている固定環１３０の背面（シール面１３１の軸方向反対側の面）が嵌合される。
固定環支持部１２２の固定環１３０側の端面の外周側の凹面には、固定環１３０の背面の外周側の凸面に形成された切り欠きに係合する突起部が１カ所あるいは複数個所に形成されており、これにより固定環１３０が回り止めされる。
また、固定環支持部１２２の固定環１３０側とは反対側の端面には、固定環取付部１２１に設置された複数のスプリング１２４の端部が各々固定され、また、固定環支持部１２２に設置されたノックピン１２５が差し込まれるための切り欠きが形成されている。

固定環１３０は、メカニカルシール装置１００の摺動シール面Ｓを構成する固定側の密封環であり、機内側端面にシール面１３１を有する環状部材である。このシール面１３１が後述する回転環１５０のシール面１５１に摺動可能に密接し、機内側空間Ａに連通する外周側と、大気空間Ｂに連通する内周側とをシールする。
固定環１３０の背面側内周部は、摺動シール面Ｓ側よりも拡径された段差面に形成されており、この段差面に固定環取付部１２１の機内側先端部が嵌合されることにより、固定環１３０は固定環取付部１２１に同軸に保持される。

固定環１３０の、固定環取付部１２１に嵌合された背面側端部は、さらに、前述したように周方向に沿って外周側が突出した段差に形成されており、この段差が固定環支持部１２２の機内側端面の内周側が突出した段差に嵌合される。この際、固定環支持部１２２に嵌合される固定環１３０の段差面（内周面）と固定環取付部１２１の外周面との間、換言すれば、固定環支持部１２２の内周側の突出部の機内側端面とこれに対向する固定環１３０の内周側の段差部の大気側端面との間には、固定環１３０と固定環取付部１２１との間をシールするＯリングが介在される。

固定環１３０の大気側端部の外周部には、固定環支持部１２２に設置された突起部が係合する切り欠きが形成されており、この切り欠きに固定環支持部１２２の突起部が係合されることにより、固定環１３０は固定環支持部１２２に対して回り止めされる。
これにより固定環１３０は、軸方向には所定の範囲で移動自在に、また周方向には固定環取付部１２１及び固定環支持部１２２に対して回り止めされた状態でケーシング１１０に設置される。

スリーブ１４１は、Ｏリングを介在させて回転軸２００の周面に密接に嵌合される筒状部材である。スリーブ１４１は、機外側端部において、スリーブカラー１４２により回転軸２００に固定設置され、機内側端部においてシールカラー１４２とともに回転環１５０を挟持する。
スリーブカラー１４２は、スリーブ１４１及びシールカラー１４３を、回転軸２００と一体的に回動可能に回転軸２００に固定設置する。

シールカラー１４３は、スリーブ１４１と一体的に回転軸２００に固定設置され、スリーブ１４１との間で回転環１５０を挟持する。シールカラー１４３は、回転軸２００の径方向に立設される円環状のカラー部１４４と、カラー部１４４の外周部から機外側（固定環１３０側）に形成された筒状部１４５とを有する。
シールカラー１４３に対しては、回転環１５０は、その背面（軸方向においてシール面１５１とは反対側の端面、機内側端面）が当接されるように設置される。これにより、シールカラー１４３は、回転環１５０の軸方向機内側への移動を規制し、回転環１５０の軸方向の位置を規定する。

また、シールカラー１４３は、筒状部１４５の内周面に回転環１５０が嵌合され、スリーブ１４１との間で回転環１５０を挟持する。
また、シールカラー１４３の筒状部１４５の外周面には、本発明に係るパーシャルインペラ１６０が形成されている。

回転環１５０は、メカニカルシール装置１００の摺動シール面Ｓを構成する回転側の密封環であり、大気側端面にシール面１５１を有する環状部材である。回転環１５０においてシール面１５１は、環状の大気側端面１５２から周方向に沿って一段突出して形成されており、このシール面１５１が前述した固定環１３０のシール面１３１に摺動可能に密接し、機内側空間Ａに連通する外周側と、大気空間Ｂに連通する内周側とをシールする。

回転環１５０は、回転軸２００と一体的に回動可能に設置されたスリーブ１４１の外周面とシールカラー１４３の筒状部１４５の内周面との間に嵌挿され挟持される。また、回転環１５０の背面は、シールカラー１４３のカラー部１４４に当接される。前述したように、固定環１３０はスプリング１２４により弾発に回転環１５０方向に押されており、これにより回転環１５０も摺動シール面Ｓ（シール面１３１及びシール面１５１）を介して軸方向機内側に押されることになる。その結果、回転環１５０は、背面がシールカラー１４３のカラー部１４４に当接された状態に維持され、その軸方向位置が規定される。
なお、回転環１５０とスリーブ１４１及びシールカラー１４３との間には適宜Ｏリングが配設されており、これにより回転環１５０の内周側と外周側とがシールされる。

パーシャルインペラ１６０は、固定環１３０のシール面１３１と回転環１５０のシール面１５１とが密接摺動するシール面の外周側に、冷却流体を所望の流量で効率よく流すための構造である。本実施形態においてパーシャルインペラ１６０は、回転環１５０の外周側に配置されるシールカラー１４３の筒状部１４５の外周部に形成される。具体的には、パーシャルインペラ１６０は、図２に示すように、筒状部１４５の外周面に形成される複数の溝（パーシャルインペラ溝）１６１により構成される。各パーシャルインペラ溝１６１は、大気側端面の断面が略半円形状で機内側端面に向けて徐々に深さが浅くなるような、円柱を斜めにカットした形状の溝である。
なお、このパーシャルインペラ溝１６１の寸法の規定については、ケーシング１１０に形成され、冷却液流入孔１７１、筒状部材１７２、冷却液排出溝１７４及び冷却液流出孔１７６を有する後述する冷却液流路部１７０の寸法の規定とともに、後に詳述する。

冷却液流路部１７０は、ケーシング１１０等に形成される冷却液の流路構造であって、ケーシング１１０の外部に設置される図示せぬ冷却器から供給される冷却液をケーシング１１０の内部空間Ｃに供給するとともに、ケーシング１１０の内部空間Ｃの冷却液をケーシング１１０の外部に排出して冷却器に戻すための流路である。ケーシング１１０の内部空間Ｃにおいては、冷却液は、固定環１３０のシール面１３１と回転環１５０のシール面１５１との摺動シール面Ｓの外周側に供給され、摺動シール面Ｓの発熱を吸熱してシール面を冷却するように流される。

冷却液流路部１７０は、冷却液流入孔１７１、筒状部材１７２、冷却液排出溝１７４及び冷却液流出孔１７６を有する。
冷却液流入孔１７１は、ケーシング１１０の外周面から内部空間Ｃに連通する流体流路であり、図示せぬ冷却器から配管を介して供給される冷却液をケーシング１１０の内部空間Ｃに供給するための流路である。冷却液流入孔１７１のケーシング１１０の表面側端部の開口は、図示しない配管と接続可能な管用螺子孔が形成されたポートに形成されている。本実施形態において冷却液流入孔１７１は１本形成されており、後述する１本の冷却液流出孔１７６を含めた２本の流体流路が、ケーシング１１０の周方向に沿って等配に設置されている。

筒状部材１７２は、ケーシング１１０の内部空間Ｃの内周面に沿って、その内周面と僅かな間隔をおいて、回転環１５０の大気側の周囲に配置されており、冷却液流入孔１７１を介してケーシング１１０の内部空間Ｃに流入された冷却液を、摺動シール面Ｓの外周側に直接的に案内するための部材である。冷却液流入孔１７１を介してケーシング１１０の内部空間Ｃに供給された冷却液は、筒状部材１７２の外周面に当たってその外周面に沿って流れ、筒状部材１７２の摺動シール面Ｓ側に形成された冷却液導入口１７３から摺動シール面の近傍に導入される。これにより、冷却液を摺動シール面Ｓの外周部に直接的に供給することができる。なお、筒状部材１７２の摺動シール面Ｓ側に形成された冷却液導入口１７３の数は、何ら限定されるものではなく、任意の数でよい。

冷却液排出溝１７４は、ケーシング１１０の内周面の、パーシャルインペラ１６０が形成されているシールカラー１４３の筒状部１４５の外周面に対向する面に、周方向に沿って所定の幅（Ｌｄｌ（図４Ａ参照））及び深さ（Ｌｄｄ（図４Ｃ参照））で形成される溝である。
冷却液排出溝１７４及びその近傍の構成について、図３を参照して説明する。
図３は、パーシャルインペラ１６０、冷却液排出溝１７４、堰１７５及び冷却液流出孔１７６の構成及び配置を示す径方向断面図である。
図３に示すように、冷却液排出溝１７４は、ケーシング１１０の内周面に沿って、１カ所の堰１７５の箇所を除いて全周に形成されている。堰１７５は、冷却液排出溝１７４を横切るようにケーシング１１０の内周面（冷却液排出溝１７４が形成されていない箇所の内周面）と同じ高さに維持された箇所であり、冷却液排出溝１７４が周回せず分断されるようにするための構成である。

また、冷却液排出溝１７４の底面であって、回転軸２００の回転方向に沿って堰１７５の手前となる箇所には、冷却液流出孔１７６のケーシング１１０の内部空間Ｃ側の開口１７７が形成されている。
これにより、パーシャルインペラ１６０により外径方向に流れるように整流された冷却液は、冷却液排出溝１７４の内部を回転軸２００の回転方向に沿って周方向に流れる。そして、堰１７５に当たって冷却液排出溝１７４に沿った流れが規制されるも、その箇所に形成された冷却液流出孔１７６の開口１７７から冷却液流出孔１７６に案内され、冷却液流出孔１７６を介してケーシング１１０の外部に排出される。冷却液排出溝１７４、冷却液流出孔１７６及び冷却液流出孔１７６の開口１７７により、少なくとも、このような方向に流れが誘導されることになり、冷却液の流量を多くすることができる。

このような構成のパーシャルインペラ１６０及び冷却液流路部１７０の寸法及び配置について、図３及び図４Ａ〜図４Ｃを参照して説明する。
図４Ａ〜図４Ｃは、パーシャルインペラ１６０及び冷却液流路部１７０の寸法及び配置について説明をするための図であり、図４Ａは、冷却液排出溝１７４、堰１７５及び冷却液流出孔１７６の開口１７７の配置、及び、冷却液排出溝１７４とパーシャルインペラ溝１６１との軸方向の配置を説明するために、ケーシング１１０の内周面の冷却液排出溝１７４の堰１７５付近を平面的に示した図であり、図４Ｂは、パーシャルインペラ溝１６１の大気側端部の径方向の形状を示した図であり、図４Ｃは、冷却液排出溝１７４及びパーシャルインペラ溝１６１の最深部の各軸方向断面を示す図である。

本実施形態のメカニカルシール装置１００においては、一例として６００Ｌ／ｈ（ｌｉｔｅｒ／ｈｏｕｒ）という流量を確保するための構成として、パーシャルインペラ１６０及び冷却液流路部１７０の寸法及び配置を次のように規定する。

まず、パーシャルインペラ１６０を構成するパーシャルインペラ溝１６１について、パーシャルインペラ溝１６１の幅Ｌｇｗと深さＬｇｄとの比Ｌｇｗ／Ｌｇｄは、最大範囲として２．０以上５．０以下の範囲とする。

また、パーシャルインペラ１６０及び冷却液排出溝１７４における溝以外の部分の幅について、パーシャルインペラ１６０の溝間の距離Ｌｒｗと冷却液排出溝１７４の堰１７５の幅Ｌｄｗとの比Ｌｒｗ／Ｌｄｗは、最大範囲として０．５以上３．１以下の範囲とする。

また、パーシャルインペラ１６０の周面長さ２πｒに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の合計長さｎＬｇｗの割合ｎＬｇｗ／２πｒは、最大範囲として０．２８以上０．８以下の範囲とする。

さらに、ケーシング１１０側の冷却液排出溝１７４の幅Ｌｄｌに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の先端の飛び出し距離Ｌｇｓの比Ｌｇｓ／Ｌｄｌは、最大範囲として０より大きく０．６５以下の範囲とする。

以下、パーシャルインペラ１６０及び冷却液流路部１７０の寸法及び配置を上述のような値に規定することが好ましい根拠について、実験例を示し、実験結果を示す図５〜図１１Ｂを参照して説明する。

実験は、パーシャルインペラ１６０及び冷却液流路部１７０の各条件ごとに、２種類のポンプＡ及びポンプＢを用い、また、２種類のケーシング材料を用い、それらポンプとケーシングの組み合わせごとに、パーシャルインペラ１６０による流量を検出するとともに、数時間〜数百時間のポンプの連続運転を行いエロージョンの状況を確認することにより行った。

ポンプＡは、被密封流体の圧力が０．２３５ＭＰａ、流体温度が２５℃、回転数３６００ｒｐｍという条件で運転を行うポンプであり、ポンプＢは、被密封流体の圧力が０．１２７ＭＰａ、流体温度が２５℃、回転数４５２０ｒｐｍという条件で運転を行うポンプである。いずれのポンプの運転条件も、被密封流体の圧力は、エロージョンが発生する０．１〜０．４ＭＰａの範囲の設定とした。

また、ケーシングとしては、通常使われる金属材料（α）を材料とするものと、軟質鋼（β）を材料とするものとを準備して、各ポンプに適用して実験を行った。軟質鋼（β）を材質とするケーシングを用いるのは、エロージョンを加速させる加速試験のためである。軟質鋼（β）のケーシングを用いた試験の試験時間は５時間とし、エロージョン深さの傾向を検証した。また、通常使用される金属材料（α）のケーシングを用いた試験の試験時間は３００時間とし、エロージョンの発生状況を検証した。
なお、いずれの条件においても、流量は６００Ｌ／ｈを得ることを目的とする。

まず、パーシャルインペラ１６０を構成する１つのパーシャルインペラ溝１６１の幅Ｌｇｗと深さＬｇｄとの比Ｌｇｗ／Ｌｇｄと、流量及び単位時間当たりのエロージョン深さとの関係を実験により検出した。なお、パーシャルインペラ溝１６１の形状は、図２に示したような円柱を斜めにカットした形状を用いた。

実験結果を図５、図６Ａ及び図６Ｂに示す。図５は、パーシャルインペラ溝１６１の幅Ｌｇｗと深さＬｇｄとの比Ｌｇｗ／Ｌｇｄと流量との関係を示す図であり、図６Ａ及び図６Ｂは、ともにパーシャルインペラ溝１６１の幅Ｌｇｗと深さＬｇｄとの比Ｌｇｗ／Ｌｇｄと単位時間当たりのエロージョン深さを示す図であって、図６Ａは、軟質鋼（β）のケーシングを用いた加速試験におけるエロージョンの深さを示す図であり、図６Ｂは、通常使用される金属材料（α）のケーシングを用いた試験におけるエロージョンの深さを示す図である。

図５から、流量に関しては、実験を行ったいずれの条件においても６００Ｌ／ｈを越えており、必要流量が確保されていることがわかる。しかしながら、近似線を見ると、パーシャルインペラ溝１６１の幅Ｌｇｗと深さＬｇｄとの比Ｌｇｗ／Ｌｇｄが大きくなるに連れて流量は減少しており、Ｌｇｗ／Ｌｇｄが５．０の時に流量が略６００Ｌ／ｈとなることがわかる。従って、必要流量を確保するためには、パーシャルインペラ溝１６１の幅Ｌｇｗと深さＬｇｄとの比Ｌｇｗ／Ｌｇｄは、５．０以下とする必要があることがわかる。

また、図６Ａから、パーシャルインペラ溝１６１の幅Ｌｇｗと深さＬｇｄとの比Ｌｇｗ／Ｌｇｄの値が大きくなるにつれて、エロージョン深さが小さくなる傾向であることがわかる。

また、図６Ｂから、エロージョンはパーシャルインペラ溝１６１の幅Ｌｇｗと深さＬｇｄとの比Ｌｇｗ／Ｌｇｄが小さい場合にも発生しており、小さいほど単位時間当たりのエロージョン深さが大きい傾向であることがわかる。従って、単位時間当たりのエロージョン深さを０（測定限界値以下）に抑えるためには、パーシャルインペラ溝１６１の幅Ｌｇｗと深さＬｇｄとの比Ｌｇｗ／Ｌｇｄは、実験結果から少なくとも２．０以上とする必要があることがわかる。

次に、パーシャルインペラ１６０の溝１６１の間の距離Ｌｒｗ（図３参照）とケーシング１１０側の堰１７５の幅Ｌｄｗとの比Ｌｒｗ／Ｌｄｗと、流量及び単位時間当たりのエロージョン深さとの関係を実験により検出した。

実験結果を図７、図８Ａ及び図８Ｂに示す。図７は、パーシャルインペラ１６０の溝１６１の間の距離Ｌｒｗとケーシング１１０側の堰１７５の幅Ｌｄｗとの比Ｌｒｗ／Ｌｄｗと流量との関係を示す図であり、図８Ａ及び図８Ｂは、ともにパーシャルインペラ１６０の溝１６１の間の距離Ｌｒｗとケーシング１１０側の堰１７５の幅Ｌｄｗとの比Ｌｒｗ／Ｌｄｗと単位時間当たりのエロージョン深さを示す図であって、図８Ａは、軟質鋼（β）のケーシングを用いた加速試験におけるエロージョンの深さを示す図であり、図８Ｂは、通常使用される金属材料（α）のケーシングを用いた試験におけるエロージョンの深さを示す図である。

図７から、流量に関しては、実験を行ったいずれの条件においても６００Ｌ／ｈを越えており、必要流量が確保されていることがわかる。しかしながら、近似線を見ると、パーシャルインペラ１６０の溝１６１の間の距離Ｌｒｗとケーシング１１０側の堰１７５の幅Ｌｄｗとの比Ｌｒｗ／Ｌｄｗが小さくなるに連れて流量は減少しており、Ｌｒｗ／Ｌｄｗが０．５の時に流量が略６００Ｌ／ｈとなることがわかる。従って、必要流量を確保するためには、パーシャルインペラ１６０の溝１６１の間の距離Ｌｒｗとケーシング１１０側の堰１７５の幅Ｌｄｗとの比Ｌｒｗ／Ｌｄｗは、０．５以上とする必要があることがわかる。

また、図８Ａから、パーシャルインペラ１６０の溝１６１の間の距離Ｌｒｗとケーシング１１０側の堰１７５の幅Ｌｄｗとの比Ｌｒｗ／Ｌｄｗの値が大きくなるにつれて、エロージョン深さが大きくなる傾向であることがわかる。

また、図８Ｂから、エロージョンはパーシャルインペラ１６０の溝１６１の間の距離Ｌｒｗとケーシング１１０側の堰１７５の幅Ｌｄｗとの比Ｌｒｗ／Ｌｄｗが大きい場合に発生しており、大きいほど単位時間当たりのエロージョン深さが大きい傾向であることがわかる。従って、単位時間当たりのエロージョン深さを０（測定限界値以下）に抑えるためには、パーシャルインペラ１６０の溝１６１の間の距離Ｌｒｗとケーシング１１０側の堰１７５の幅Ｌｄｗとの比Ｌｒｗ／Ｌｄｗは、実験結果から少なくとも３．１以下とする必要があることがわかる。

次に、パーシャルインペラ１６０の大気側端面部の周面長さ２π×ｒ（２πｒ）に対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の長さの合計ｎ×Ｌｇｗ（ｎＬｇｗ）の割合（比）ｎＬｇｗ／２πｒと、流量及び単位時間当たりのエロージョン深さとの関係を実験により検出した。

実験結果を図９、図１０Ａ及び図１０Ｂに示す。図９は、パーシャルインペラ１６０の周面長さ２πｒに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の合計長さｎＬｇｗの割合ｎＬｇｗ／２πｒと流量との関係を示す図であり、図１０Ａ及び図１０Ｂは、ともにパーシャルインペラ１６０の周面長さ２πｒに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の合計長さｎＬｇｗの割合ｎＬｇｗ／２πｒと単位時間当たりのエロージョン深さを示す図であって、図１０Ａは、軟質鋼（β）のケーシングを用いた加速試験におけるエロージョンの深さを示す図であり、図１０Ｂは、通常使用される金属材料（α）のケーシングを用いた試験におけるエロージョンの深さを示す図である。

図９から、流量に関しては、実験を行ったいずれの条件においても６００Ｌ／ｈを越えており、必要流量が確保されていることがわかる。しかしながら、近似線を見ると、パーシャルインペラ１６０の周面長さ２πｒに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の合計長さｎＬｇｗの割合ｎＬｇｗ／２πｒが大きくなるに連れて流量は減少しており、ｎＬｇｗ／２πｒが０．８の時に流量が略６００Ｌ／ｈとなることがわかる。従って、必要流量を確保するためには、パーシャルインペラ１６０の周面長さ２πｒに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の合計長さｎＬｇｗの割合ｎＬｇｗ／２πｒは、０．８以下とする必要があることがわかる。

また、図１０Ａから、パーシャルインペラ１６０の周面長さ２πｒに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の合計長さｎＬｇｗの割合ｎＬｇｗ／２πｒの値が大きくなるにつれて、エロージョン深さが小さくなる傾向であることがわかる。

また、図１０Ｂから、エロージョンは、パーシャルインペラ１６０の周面長さ２πｒに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の合計長さｎＬｇｗの割合ｎＬｇｗ／２πｒが小さい場合に大きくなっており、小さいほど単位時間当たりのエロージョン深さが大きい傾向であることがわかる。従って、単位時間当たりのエロージョン深さを０（測定限界値以下）に抑えるためには、パーシャルインペラ１６０の周面長さ２πｒに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の合計長さｎＬｇｗの割合ｎＬｇｗ／２πｒは、実験結果から少なくとも０．２８以上とする必要があることがわかる。

次に、ケーシング１１０側の冷却液排出溝１７４の幅Ｌｄｌに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の先端の飛び出し距離Ｌｇｓの比Ｌｇｓ／Ｌｄｌと、単位時間当たりのエロージョン深さとの関係を実験により検出した。

実験結果を図１１Ａ及び図１１Ｂに示す。図１１Ａ及び図１１Ｂは、ともにケーシング１１０側の冷却液排出溝１７４の幅Ｌｄｌに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の先端の飛び出し距離Ｌｇｓの比Ｌｇｓ／Ｌｄｌと単位時間当たりのエロージョン深さを示す図であって、図１１Ａは、軟質鋼（β）のケーシングを用いた加速試験におけるエロージョンの深さを示す図であり、図１１Ｂは、通常使用される金属材料（α）のケーシングを用いた試験におけるエロージョンの深さを示す図である。

図１１Ａから、ケーシング１１０側の冷却液排出溝１７４の幅Ｌｄｌに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の先端の飛び出し距離Ｌｇｓの比Ｌｇｓ／Ｌｄｌの数値が大きくなるにつれて、エロージョン深さは小さくなるが、Ｌｇｓ／Ｌｄｌの数値がある一定の数値以上になると、エロージョン深さが大きくなることがわかる。

また、図１１Ｂから、エロージョンは、ケーシング１１０側の冷却液排出溝１７４の幅Ｌｄｌに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の先端の飛び出し距離Ｌｇｓの比Ｌｇｓ／Ｌｄｌが小さい場合及び大きい場合にともに大きくなっていることがわかる。従って、単位時間当たりのエロージョン深さを０（測定限界値以下）に抑えるためには、ケーシング１１０側の冷却液排出溝１７４の幅Ｌｄｌに対するパーシャルインペラ１６０の溝１６１の先端の飛び出し距離Ｌｇｓの比Ｌｇｓ／Ｌｄｌは、実験結果から少なくとも０より大きく０．６５以下とする必要があることがわかる。

このように、本実施形態のメカニカルシール装置１００においては、パーシャルインペラ１６０及び冷却液流路部１７０の寸法及び配置を上述のように規定することにより、摺動シール面の冷却に必要な冷却流体の流量を確保するとともに、エロージョンの発生を防ぐことができる。

なお、前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。本実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。

例えば、パーシャルインペラを構成する溝は、前述した実施形態等においては図２に示すような円柱を斜めにカットした形状の溝を例示した。しかしながら、溝の形状はこれに限られるものではなく、円柱状の溝、円錐状の溝も同様に適用することができる。また、溝の断面形状も半円形状に限られるものではなく、二次曲線等を適用することもできる。

また、前述した実施形態においては、冷却液排出溝１７４に対して堰１７５は１カ所にのみ設けられており、また、冷却液流出孔１７６もケーシング１１０に対して１本のみ形成されていた。しかしながら、これらは複数具備するようにしてもよい。

また、前述した実施形態においては、冷却流体は水としたが、必要に応じて任意の流体を冷却用に用いてよい。

産業上の利用分野

本発明は、回転軸に対してシールを行う任意のメカニカルシールに適用することが可能であり、特に、冷却液を循環させる必要があり、またそのためにパーシャルインペラを具備するメカニカルシールに適用することができる。

Claims (5)

1. 装置のハウジングと当該ハウジングに形成される孔を貫通する回転軸との間をシールするメカニカルシールであって、
   前記回転軸に設置され、軸方向の大気側端面にシール面が形成されている回転環と、
   前記回転環の前記シール面に密接摺動するシール面が機内側端面に形成されている固定環と、
   前記固定環が設置されるとともに、前記回転環を内部空間に収容し、前記ハウジングの前記孔の周囲に装着されるケーシングと、
   前記ケーシングの外周面と前記内部空間との間を貫通し、前記ケーシングの外部から前記内部空間に冷却流体を供給する冷却流体流入孔と、
   前記ケーシングの外周面と前記内部空間との間を貫通し、前記内部空間から前記冷却流体を外部に排出する冷却流体流出孔と、
   前記回転軸に装着され、前記回転環の背面に当接して当該回転環の軸方向への移動を規制する環状体のシールカラーと、
   前記シールカラーの外周部の一方の端面から外周面に至るパーシャルインペラ溝が、前記固定環のシール面と前記回転環のシール面とが密接摺動するシール面の外周側に冷却流体を流すように、当該シールカラーの外周部に周方向に沿って形成されているパーシャルインペラと、
   前記ケーシングの内周の前記パーシャルインペラに対向する面に周方向に沿って形成される環状の冷却流体排出溝と、を有し、
   前記パーシャルインペラ溝は、大気側端面の断面が略半円形状で機内側端面に向けて徐々に深さが浅くなり、円柱を斜めにカットした形状の溝に形成されており、
   前記冷却流体排出溝は、幅方向に埋める所定幅の堰によって当該冷却流体排出溝が周回せずに分断される構成を有するとともに、当該冷却流体排出溝の底面であって、前記回転軸の回転方向に沿って当該堰の手前となる箇所には、前記冷却流体流出孔の前記内部空間側の開口が形成されていることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記パーシャルインペラを構成する前記パーシャルインペラ溝の深さ（Ｌｇｄ）に対する当該パーシャルインペラ溝の幅（Ｌｇｗ）の割合（Ｌｇｗ／Ｌｇｄ）が、２．０以上５．０以下であることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記ケーシングの前記堰の幅（Ｌｄｗ）に対する前記パーシャルインペラを構成する前記パーシャルインペラ溝の溝間の距離（Ｌｒｗ）の割合（Ｌｒｗ／Ｌｄｗ）が、０．５以上３．１以下であることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
4. 前記パーシャルインペラの前記パーシャルインペラ溝が形成されている周面の全長（２πｒ）に対する当該パーシャルインペラ溝の幅の合計長（ｎＬｇｗ）の割合（ｎＬｇｗ／２πｒ）が、０．２８以上０．８以下であることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
5. 前記ケーシングの前記冷却流体排出溝の幅（Ｌｄｌ）に対する前記パーシャルインペラの前記パーシャルインペラ溝の先端部の飛び出し距離（Ｌｇｓ）の割合（Ｌｇｓ／Ｌｄｌ）が、０より大きく０．６５以下であることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。

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