JP6271369B2

JP6271369B2 - 軸封装置

Info

Publication number: JP6271369B2
Application number: JP2014169948A
Authority: JP
Inventors: 博之坂倉; 光治大賀
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: JP2016044760A

Description

本発明は、各種産業用のブロワ，ファン，圧縮機，攪拌機等の回転機器において好適に使用される軸封装置であって、回転機器の機内領域を静圧形の非接触形メカニカルシールによりシールするように構成された軸封装置に関するものである。

従来のこの種の軸封装置にあって、静圧形の非接触形メカニカルシールは、例えば特許文献１に開示されるように、回転軸に固定された回転密封環と、回転機器のハウジングに取り付けられたシールケースに軸線方向移動可能に保持された静止密封環と、回転密封環を静止密封環へと押圧附勢するスプリングとを具備して、シールケース及び静止密封環を貫通するシールガス供給路から両密封環の対向端面たる密封端面間に機内領域（及び大気領域である機外領域）より高圧のシールガスを供給することにより、密封端面間を非接触状態に保持しつつシール機能を発揮するように構成されている。

而して、かかる軸封装置にあって、メカニカルシールの静止側密封環と回転密封環との軸線方向における相対位置（以下「密封環相対位置」という）はスプリングによる押圧附勢力が適正に作用するように設定されている（以下、このように設定された密封環相対位置を「適正密封環相対位置」という）。すなわち、適正密封環相対位置は、密封端面間に導入されたシールガスにより密封端面間にこれを開く方向に作用する開力（密封端面間に導入されたシールガスによって発生する静圧によるもの）とスプリングの押圧附勢力により密封端面間を閉じる方向に作用する閉力とがバランスして密封端面間が適正な隙間（一般に５〜１５μｍ）に保持されるように設定されている。

特開２０００−３２９２３８号公報

ところで、このような軸封装置にあっては、回転軸が熱膨張したり或いは回転軸の軸受が長期使用のうちに摩耗損傷すること等によって、回転軸における一定位置（以下「回転軸基準位置」という）が適正なメカニカルシール組み立て状態における位置（以下「適正回転軸基準位置」という）から軸線方向に変位すると、これに伴って回転軸に設けられた回転密封環の位置が軸線方向に変位して密封環相対位置が適正密封環相対位置から変化する。また、メカニカルシールの組立ないし再組立において、回転密封環の回転軸への取付位置の精度不良により当該取付位置が適正なメカニカルシール組立状態における回転密封環取付位置から偏倚している場合や回転軸の軸受位置の精度不良により回転軸基準位置が適正回転軸基準位置から偏倚している場合にも、密封環相対位置が適正密封環相対位置から変位する。

而して、このように密封環相対位置が適正密封環相対位置と異なる状態となると、スプリングによる押圧附勢力が必要以上に高くなったり或いは低くなったりして、良好なメカニカルシール機能を発揮できなくなる。

すなわち、静圧形の非接触形メカニカルシールにあって、回転軸基準位置が回転密封環を静止密封環に近づく方向に移動させる方向に変位したり或いは回転密封環の回転軸への設置位置（回転密封環の回転軸への取付位置ないしスプリングリテーナの回転軸への取付位置）が適正密封環相対位置より静止密封環に近づく方向に変位していると、スプリングが適正密封環相対位置の場合より圧縮されて当該スプリングによる閉力が開力より大きくなって、開力と閉力とのバランスが崩れ、その結果、密封端面が相手密封端面と接触して摩耗損傷する等、メカニカルシール機能が低下或いは喪失する虞れがある。また、逆に、回転軸基準位置が回転密封環を静止密封環から離れる方向に移動させる方向に変位したり或いは回転密封環の回転軸への設置位置が適正密封環相対位置より静止密封環から遠ざかる方向に変位していると、スプリングが適正密封環相対位置の場合より伸張されてスプリングによる閉力が開力より小さくなって、密封端面間が必要以上に開き、その結果、適正なメカニカルシール機能が発揮されず、密封端面間から被密封流体が漏洩する虞れがある。

本発明は、このように回転軸が熱膨張する等により回転軸基準位置が適正回転軸基準位置から変位したり或いはメカニカルシールの組立精度不良により回転密封環の回転軸への設置位置が不適正となった場合にも、静圧形の非接触形メカニカルシールにおける静止密封環と回転密封環との軸線方向相対位置（密封環相対位置）を適正密封環相対位置に自動的に修正、保持させておくことができ、当該メカニカルシールによるシール機能を良好に発揮させることができる軸封装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、回転機器の機内領域を静圧形の非接触形メカニカルシールによりシールするように構成された軸封装置において、上記の目的を達成すべく、特に、当該非接触形メカニカルシールである第一メカニカルシールに加えて、その機外領域側に静圧形の非接触形メカニカルシールである第二メカニカルシールを配置してあり、第一メカニカルシールが第一静止密封環及び第一回転密封環を具備しており、第二メカニカルシールが第二静止密封環及び第二回転密封環を具備しており、回転機器に取り付けられたシールケースに、第一及び第二静止密封環が軸線方向に所定間隔を隔てて固定保持されており、当該回転機器の回転軸に、両静止密封環間に配した筒状スプリングリテーナが、回転軸に対する相対回転を阻止された状態で回転軸に軸線方向に相対移動自在に挿通されており、スプリングリテーナにおける機内領域側の端部に、第一回転密封環が、回転軸との間を第一Ｏリングにより二次シールされ且つ回転軸に対して軸線方向に相対移動可能な状態で、軸線方向に相対移動可能に且つ相対回転不能に保持されており、スプリングリテーナにおける機外領域側の端部に、第二回転密封環が、回転軸との間を第二Ｏリングにより二次シールされ且つ回転軸に対して軸線方向に相対移動可能な状態で、軸線方向に相対移動可能に且つ相対回転不能に保持されており、スプリングリテーナと第一回転密封環との間に、第一回転密封環を第一静止密封環へと押圧附勢する第一スプリングが装填されており、スプリングリテーナと第二回転密封環との間に、第二回転密封環を第二静止密封環へと押圧附勢する第二スプリングが装填されており、両メカニカルシール間におけるシールケース内の領域が、大気圧又は略大気圧に保持されており、シールケース及び第一静止密封環に、第一静止密封環と第一回転密封環との対向端面たる第一密封端面間に機内領域及び前記シールケース内の領域より高圧の第一シールガスを供給する第一シールガス供給路が形成されており、シールケース及び第二静止密封環に、第二静止密封環と第二回転密封環との対向端面たる第二密封端面間に機外領域及び前記シールケース内の領域より高圧の第二シールガスを供給する第二シールガス供給路が形成されており、第二密封端面間をこれに供給された第二シールガスにより非接触状態に保持した状態で、第一メカニカルシールにより第一密封端面間をこれに供給された第一シールガスにより非接触状態に保持しつつ第一密封端面の内周側領域である機内領域をシールするように構成しておくことを提案するものである。

かかる軸封装置の好ましい実施の形態においては、第一メカニカルシールと第二メカニカルシールとが、軸線方向の向きを逆に配置した同一構造をなしている。また、シールケースは、回転機器のハウジングに取り付けられて第一静止密封環を固定する第一フランジと、第二静止密封環を固定する第二フランジと、両フランジ間を連結する連結部材とを具備するものに構成される。シールケースをかかる構成となす場合にあっては、連結部材を、両メカニカルシール間におけるシールケース内の領域を大気に開放する開口部を有するものに構成しておくか、或いは、連結部材を両フランジ間を閉塞する筒状のものに構成すると共に連結部材にシールガス排出管を設けて、両メカニカルシール間におけるシールケース内の領域を大気圧又は略大気圧に保持させておく。また、スプリングリテーナは、これに軸線方向に延びる長孔を形成すると共にこの長孔に挿通させたスライドピンを回転軸に固定することにより、回転軸に対する相対回転を阻止された状態で回転軸に軸線方向に相対移動自在に挿通されていることが好ましい。また、第一メカニカルシールにおいて、第一回転密封環を軸線方向に所定間隔を隔てて並列する一対のＯリングを介してスプリングリテーナに軸線方向に相対移動可能に嵌合保持させて、第一回転密封環とスプリングリテーナとの対向周面間に前記両Ｏリングでシールされた第一環状空間を形成すると共に、第一回転密封環に第一密封端面間と第一環状空間とを連通する第一シールガス導入路を形成しておくことが好ましい。さらに、第二メカニカルシールにおいても、第二回転密封環を軸線方向に所定間隔を隔てて並列する一対のＯリングを介してスプリングリテーナに軸線方向に相対移動可能に嵌合保持させて、第二回転密封環とスプリングリテーナとの対向周面間に前記両Ｏリングでシールされた第二環状空間を形成すると共に、第二回転密封環に第二密封端面間と第二環状空間とを連通する第二シールガス導入路を形成しておくことが好ましい。

本発明の軸封装置にあっては、両メカニカルシールの回転密封環を回転軸に相対回転不能に且つ軸線方向相対移動自在に挿通させた一つのスプリングリテーナに保持させ、両回転密封環を両静止密封環間に配してスプリングリテーナとの間に装填したスプリングにより当該静止密封環へと押圧附勢させるようにすると共に第一密封端面間及び第二密封端面間にスプリングによる閉力とバランスさせる開力を発生させるべくシールガスを供給させるようにしたから、回転軸が熱膨張等により軸線方向に変形ないし変形したり或いはメカニカルシールの組立ないし再組立の精度が不良である等により密封環相対位置が適正密封環相対位置から偏倚している場合にも、第一メカニカルシールにおける密封環相対位置がスプリングリテーナの回転軸に対する軸線方向相対移動により自動的に修正されて適正密封環相対位置に保持されることになり、第一メカニカルシールによるシール機能が適正に発揮される。

したがって、本願発明の軸封装置は、機内領域をシールする第一メカニカルシールが第一密封端面間を機内領域及びメカニカルシール間におけるシールケース内の領域より高圧の第一シールガスを供給することにより非接触状態に保持する静圧形の非接触形メカニカルシールに構成されていて、第一シールガスを第一密封端面間から機内領域に噴出するものであることから、機内領域をコンタミネーションを生じることなく確実にシールすることができ、高度のコンタミレスを必要とする回転機器や機内領域からの漏れを許容しない回転機器等の軸封手段として好適に使用することができるものである。

図１は本発明に係る軸封装置の一例を示す断面図である。図２は当該軸封装置の図１と異なる断面を示す図１対応の断面図である。図３は図１の要部を拡大して示す詳細図である。図４は図３のIV−IV線に沿う断面図である。図５は本発明に係る軸封装置の変形例を示す図１相当の断面図である。図６は本発明に係る軸封装置の他の変形例を示す図１相当の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて具体的に説明する。

図１は本発明に係る軸封装置の一例を示す断面図であり、図２は当該軸封装置の図１と異なる断面を示す図１対応の断面図であり、図３は図１の要部を拡大して示す詳細図であり、図４は図３のIV−IV線に沿う断面図である。なお、以下の説明において、前後とは図１〜図３における左右をいうものとする。

本発明に係る軸封装置は、図１及び図２に示す如く、横型の回転機器に装備されたもので、当該回転機器のハウジング１に取り付けられたシールケース２とこれを軸線方向に洞貫する水平軸である当該回転機器の回転軸３との間に軸線方向（前後方向）に並列する機内領域側の第一メカニカルシール４と機外領域側の第二メカニカルシール５とを配設して、機内領域Ａと大気領域である機外領域Ｂとをシールするように構成されている。

シールケース２は、図１及び図２に示す如く、回転機器のハウジング１の前端部に取り付けられた円環状の第一フランジ２ａと、第一フランジ２ａに取り付けられて機外領域Ｂ方向（前方）に延びる円筒状の連結部材２ｂと、連結部材２ｂの後端部に取り付けられた円環状の第二フランジ２ｃ，２ｄとからなる金属製の分割円筒構造をなすものである。第二フランジは、第一フランジ２ａと前後対称形状をなすフランジ本体２ｃとその前端面に取り付けられた押さえ板２ｄとからなる。連結部材２ｂには、シールケース２内を大気に開放する開口部２ｅが設けられている。

第一メカニカルシール４は、図１に示す如く、第一フランジ２ａに固定された第一静止密封環６と、回転軸３に挿通された円筒状のスプリングリテーナ７と、第一静止密封環６に対向してスプリングリテーナ７の一端部たる後端部（機内領域Ａ側の端部）に軸線方向に相対移動可能に保持された第一回転密封環８と、第一回転密封環８を第一静止密封環６へと押圧附勢する第一スプリング９と、両密封環６，８の対向端面である第一密封端面６ａ，８ａ間に第一シールガスＳ１を供給する第一シールガス供給路１０と、第一回転密封環８の自励振動を防止する第一振動防止機構１１とを具備して、第一密封端面６ａ，８ａの内周側領域である機内領域Ａをシールするように構成された静圧形の非接触形メカニカルシールである。

第二メカニカルシール５は、図１に示す如く、第二フランジ２ｃ，２ｄに固定された第二静止密封環１６と、前記スプリングリテーナ７と、第二静止密封環１６に対向してスプリングリテーナ７の他端部たる前端部（機外領域Ｂ側の端部）に軸線方向に相対移動可能に保持された第二回転密封環１８と、第二回転密封環１８を第二静止密封環１６へと押圧附勢する第二スプリング１９と、両密封環１６，１８の対向端面である第二密封端面１６ａ，１８ａ間に第二シールガスＳ２を供給する第二シールガス供給路２０と、第二回転密封環１８の自励振動を防止する第二振動防止機構２１とを具備するもので、第一メカニカルシール４と同様構造の静圧形の非接触形メカニカルシールである。

而して、第一メカニカルシール４と第二メカニカルシール５とは、図１及び図２に示す如く、軸線方向の向きを逆に配置された点を除いて同一構造をなすもの、つまり前後対称構造をなすものに構成されている。

すなわち、第一及び第二静止密封環６，１６は、図１〜図３に示す如く、夫々、第一フランジ２ａの内周部及び第二フランジのフランジ本体２ｃの内周部に前後一対のＯリング２２，２２及び２３，２３を介して内嵌固定することにより、シールケース２に軸線方向に所定間隔を隔てて固定保持されている。両静止密封環６，１６は軸線方向の向きを逆にして配置される点を除いて同一形状をなすもの、つまり前後対称形状をなすものである。両静止密封環６，１６の対向端面は、軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面６ａ，１６ａに構成されている。なお、この例では、両静止密封環６，１６がカーボン製のものとされている。

スプリングリテーナ７は、図１及び図２に示す如く、両静止密封環６，１６間に配置されており、回転軸３に対する相対回転を阻止された状態で回転軸３に軸線方向に相対移動自在に挿通された金属製の円筒体である。

すなわち、スプリングリテーナ７は、図１及び図２に示す如く、円筒状の本体部７ａと、本体部７ａの一端部である後端部に構成された第一リテーナ部７ｂ，７ｃと、本体部７ａの他端部である前端部に構成された第二リテーナ部７ｄ，７ｅとからなる一体構造物である。第一及び第二リテーナ部は前後対称形状をなすもので、夫々、本体部７ａの端部内周縁から軸線方向に突出する円筒状の挿通部７ｂ，７ｄと本体部７ａの端部外周縁から軸線方向に突出する円筒状の保持部７ｃ，７ｅとで構成された二重円筒構造をなしている。スプリングリテーナ７は、挿通部７ｂ，７ｄの内径を本体部７ａの内径より小さく且つ回転軸３の外径より若干大きく設定して、回転軸３に微小隙間を有した状態で軸線方向相対移動自在に挿通されている。なお、保持部７ｃ，７ｅの軸線方向長さは挿通部７ｂ，７ｄの軸線方向長さより長く設定されており、保持部７ｃ，７ｅの外径は本体部７ａの外径と同一に設定されている。

スプリングリテーナ７の本体部７ａには、図１及び図２に示す如く、径方向に貫通し且つ軸線方向に延びる長孔７ｆが形成されていて、この長孔７ｆに回転軸３に突設したスライドピン２４を係合させることにより、スプリングリテーナ７を、スライドピン２４が長孔７ｆの一端部たる後端部に係合する第一スライド位置（図１及び図２に示す一点鎖線位置）と長孔７ｆの他端部たる前端部に係合する第二スライド位置（図１及び図２に示す二点鎖線位置）とに亘って、回転軸３に対して相対回転を阻止された状態で軸線方向に相対移動できるように構成されている。スライドピン２４は、図２に示す如く、回転軸３にその軸線に直交した状態で固着されたボルト２４ａと、このボルト２４ａに回転自在に嵌合された円筒状のスライドカラー２４ｂとで構成されており、スライドカラー２４ｂを長孔７ｆに係合させている。

スライドピン２４は、両メカニカルシール４，５が適正に組立てられた状態において両静止密封環６，１６間に位置するように回転軸３に設けられている。この例では、回転軸３におけるスライドピン２４の位置を回転軸基準位置に設定しており、両メカニカルシール４，５が適正に組立てられた状態におけるスライドピン２４の位置を適正回転軸基準位置としている。すなわち、両メカニカルシール４，５が適正に組み立てられている状態においては、図１及び図２に実線図示する如く、回転軸３がスライドピン２４の位置（回転軸基準位置）が適正回転軸基準位置に位置する状態にあり、スプリングリテーナ７が当該両静止密封環６，１６間の軸線方向中央位置（以下「適正スプリングリテーナ位置」という）に位置する状態という）にあり、静止密封環６，１６と回転密封環８，１８との軸線方向相対位置（密封環相対位置）がスプリング９，１９が適正な押圧附勢力を発揮する適正密封環相対位置にある。なお、長孔７ｆの軸線方向長さは、当該軸封装置において想定される回転軸３の軸線方向における変形量ないし変位量や適正密封環相対位置にある回転密封環８，１８の回転軸基準位置から当該回転密封環８，１８の設置位置までの軸線方向距離が組立精度不良により変化する場合における当該変化量を考慮して適宜に設定される。例えば、長孔７ｆの軸線方向長さは、スプリングリテーナ７が適正スプリングリテーナ位置に保持されているときにおいて、回転軸基準位置が適正回転軸基準位置から第一静止密封環６方向に移動するように回転軸３が軸線方向に変形ないし変位した場合及び回転軸基準位置が適正回転軸基準位置から第二静止密封環１６方向に移動するように回転軸３が軸線方向に変形ないし変位した場合、その変形量ないし変位量が想定される最大量となるときにおいてもスライドピン２４が前記第一スライド位置と第二スライド位置との間で軸線方向に相対移動できるように設定されている。

第一及び第二回転密封環８，１８は、図１〜図３に示す如く、夫々、内径を回転軸３の外径より若干大きくすると共に外径をスプリングリテーナ７の保持部７ｃ，７ｅの内径より若干小さくした本体部８ｂ，１８ｂと内径をスプリングリテーナ７の挿通部７ｂ，７ｄより若干大きくすると共に外径を本体部８ｂ，１８ｂの外径と同一として本体部８ｂ，１８ｂから突出する二次シール部８ｃ，１８ｃとからなる円環状の一体構造物である密封環本体と、これとは別体に構成された円環状体であって、ドライブピン８ｄ，１８ｄ（図２参照）により二次シール部８ｃ，１８ｃに相対回転不能に衝合されたドライブカラー８ｅ，１８ｅとからなり、二次シール部８ｃ，１８ｃ（及びドライブカラー８ｅ，１８ｅ）を挿通部７ｂ，７ｄと保持部７ｃ，７ｅとの間に挿入させると共に本体部８ｂ，１８ｂ及び二次シール部８ｃ，１８ｃをこれらの外周部に係合させた前後一対のＯリング２５，２５及び２６，２６を介して保持部７ｃ，７ｅに内嵌させることにより、スプリングリテーナ７に軸線方向移動可能に保持されている。また、各回転密封環８，１８は、図１に示す如く、ドライブカラー８ｅ，１８ｅに突設した回り止めピン２７，２８をスプリングリテーナ７の本体部７ａに形成した軸線方向の係合孔７ｇ，７ｈに係合させることにより、スプリングリテーナ７に対する相対回転が軸線方向移動を許容しつつ阻止されるようになっている。なお、スプリングリテーナ７の本体部７ａには、図１に示す如く、係合孔７ｇ，７ｈに連通する径方向の貫通孔７ｉ，７ｊが形成されていて、この貫通孔７ｉ，７ｊに回り止めピン２７，２８の先端部分が係合孔７ｇ，７ｈから突出している。

第一及び第二回転密封環８，１８は、図１及び図２に示す如く、夫々、当該回転密封環８，１８の本体部８ｂ，１８ｂとスプリングリテーナ７の挿通部７ｂ，７ｄとの間に配して二次シール部８ｃ，１８ｃと回転軸３との対向周面間に第一及び第二Ｏリング２９，３０を装填することにより、回転軸３との間を二次シールされた状態で回転軸３に対して軸線方向に相対移動可能とされている。

両回転密封環８，１８は、図１及び図２に示す如く、夫々、本体部８ｂ，１８ｂの端面を軸線方向に直交する平滑な環状平面である密封端面８ａ，１８ａに構成したもので、軸線方向の向きを逆にして配置される点を除いて同一形状をなす（前後対称形状をなす）ものであり、両静止密封環６，１６間に配置されている。なお、この例では、両回転密封環８，１８を炭化珪素等のセラミックス製のものとしている。

第一及び第二スプリング９，１９は、図１に示す如く、夫々、回転密封環８，１８のドライブカラー８ｅ，１８ｅとスプリングリテーナ７の本体部７ａとの間に周方向に等間隔を隔てて介装された複数個のコイルスプリング（一個のみ図示）で構成されていて、回転密封環８，１８を静止密封環６，１６へと押圧附勢するものであり、第一密封端面６ａ，８ａ及び第二密封端面１６ａ，１８ａを閉じる方向に作用する閉力を発生させるものである。両スプリング９，１９は同一の附勢力を有するもので、第一密封端面６ａ，８ａに作用する第一スプリング９による閉力と第二密封端面１６ａ，１８ａに作用する第二スプリング１９による閉力とは同一となる。スプリング９，１９の附勢力（閉力）は、後述する密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間に作用するシールガスＳ１，Ｓ２による開力とバランスされて、密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間の隙間が適正（一般に５〜１５μｍ）に保持されるように設定されている。

第一及び第二シールガス供給路１０，２０は、図１に示す如く、夫々、シールケース２のフランジ２ａ，２ｃ及びこれに保持された静止密封環６，１６に形成された一連のものであり、フランジ２ａ，２ｃと静止密封環６，１６との対向周面間に形成された連通空間１０ａ，２０ａと、フランジ２ａ，２ｃを貫通して連通空間１０ａ，２０ａに連通するケース側通路１０ｂ，２０ｂと、静止密封環６，１６の密封端面６ａ，１６ａに形成された静圧発生溝１０ｃ，２０ｃと、静止密封環６，１６を貫通して連通空間１０ａ，２０ａから静圧発生溝１０ｃ，２０ｃに至る密封環側通路１０ｄ，２０ｄと、密封環側通路１０ｄ，２０ｄに配設されたオリフィス１０ｅ，２０ｅとからなり、機内領域Ａ及び両メカニカルシール４，５間におけるシールケース２内の領域（以下「シールケース内領域」という）Ｃより高圧の第一シールガスＳ１及び機外領域Ｂ及びシールケース内領域Ｃより高圧の第二シールガスＳ２を静圧発生溝１０ｃ，２０ｃに供給させることにより、第一密封端面６ａ，８ａ及び第二密封端面１６ａ，１８ａ間にこれを開く方向に作用する静圧（開力）を発生させるものである。この例では、静圧発生溝１０ｃ，２０ｃに供給させるシールガスＳ１，Ｓ２を同圧（機内領域Ａ、機外領域Ｂ及びシールケース内領域Ｃより高圧）としてある。

各連通空間１０ａ，２０ａは、図１に示す如く、シールケース２のフランジ２ａ，２ｃの内周面と静止密封環６，１６の外周面との間に形成された環状空間であって、当該周面間に装填されたＯリング２２，２２及び２３，２３によってシールされている。

各ケース側通路１０ｂ，２０ｂは、その上流端部を所定のシールガス供給源（図示せず）に接続したもので、シールガスＳ１，Ｓ２を連通空間１０ａ，２０ａに供給する。この例では、両ケース側通路１０ｂ，２０ｂを同一のシールガス供給源に接続して、第一シールガス供給路１０から供給される第一シールガスＳ１と第二シールガス供給路２０から供給される第二シールガスＳ２とを同一圧力の同一性状ガスとしてある。シールガスＳ１，Ｓ２としては、機外領域Ｂである大気中に放出しても無害であり且つ機内領域Ａの流体に悪影響を及ぼさない性状のもの（窒素、空気等）を、シール条件に応じて適宜に選定する。この例では、各種物質に対して不活性であり且つ人体に無害である清浄な常温の窒素ガスが使用されている。また、シールガス供給源からケース側通路１０ｂ，２０ｂに供給されるシールガスＳ１，Ｓ２の圧力は、一般に、静圧発生溝１０ｃ，２０ｃ内の圧力（ポケット圧）が機内領域Ａ、機外領域（大気領域）Ｂ及びシールケース内領域Ｃの圧力より０．５〜１．５ｂａｒ高くなるように設定されている。

各静圧発生溝１０ｃ，２０ｃは、図１〜図４に示す如く、静止密封環６，１６の密封端面６ａ，１６ａの径方向における中央部又は略中央部に形成されており、当該密封端面６ａ，１６ａと同心状の環状をなして連続又は断続する断面三角形状の浅い凹溝であり、この例では後者を採用している。すなわち、第一静止密封環６の密封端面６ａに形成される静圧発生溝１０ｃは、図４に示す如く、当該密封端面６ａと同心環状をなして並列する複数の円弧状凹溝で構成されており、第二静止密封環１６の密封端面１６ａに形成される静圧発生溝２０ｃも、当該静圧発生溝１０ｃと同一形状の円弧状凹溝（当該密封端面１６ａと同心環状をなして並列する複数の円弧状凹溝）で構成されている。

各密封環側通路１０ｄ，２０ｄは、図２に示す如く、その上流端部を静止密封環６，１６の外周面において連通空間１０ａ，２０ａに開口させたもので、その下流側部分は分岐されていて、各分岐部分が静圧発生溝１０ｃ，２０ｃの各円弧状凹溝に連通接続されている。

各オリフィス１０ｅ，２０ｅは密封環側通路１０ｄ，２０ｄの上流側部分つまり分岐されていない部分の適所に配設されている。したがって、ケース側通路１０ｂ，２０ｂから連通空間１０ａ，２０ａに供給されたシールガスＳ１，Ｓ２は密封環側通路１０ｄ，２０ｄからオリフィス１０ｅ，２０ｅを経た上、当該密封環側通路１０ｄ，２０ｄの各分岐部分から静圧発生溝１０ｃ，２０ｃの各円弧状凹溝に供給される。

以上のように構成された軸封装置によれば、第一及び第二スプリング９，１９により第一密封端面６ａ，８ａ及び第二密封端面１６ａ，１８ａにこれらを閉じる方向に作用する閉力が発生すると共に、第一密封端面６ａ，８ａ及び第二密封端面１６ａ，１８ａ間に供給された第一及び第二シールガスＳ１，Ｓ２により当該密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間にこれらを開く方向に作用する開力が発生し、スプリング９，１９の附勢力及びシールガスＳ１，Ｓ２の圧力をこれらの閉力と開力とがバランスするように設定しておくことにより、第一密封端面６ａ，８ａ間及び第二密封端面１６ａ，１８ａ間が適正な隙間（一般に５〜１５μｍ）を有する非接触状態に保持される。
すなわち、第一メカニカルシール４にあっては、第一密封端面６ａ，８ａ間が非接触状態に保持されると共に、第一密封端面６ａ，８ａ間から機内領域Ａ及びシールケース内領域Ｃに第一シールガスＳ１が噴出される。したがって、、機内領域Ａのガスが機外領域（大気領域）Ｂより高圧（正圧）である場合及び機外領域Ｂより低圧（負圧）である場合の何れにおいても、機内領域Ａがコンタミネーションを生じることなく確実にシールされる。
また、第二メカニカルシール５は後述する如く機内領域Ａをシールするシール手段として機能するものではないが、第一メカニカルシール４と同様に第二密封端面１６ａ，１８ａ間が非接触状態に保持されると共に、第二密封端面１６ａ，１８ａ間から機外領域Ｂ及びシールケース内領域Ｃに第二シールガスＳ２が噴出される。このように、シールケース内領域Ｃには、第一及び第二密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間からシールガスＳ１，Ｓ２が噴出されるが、この噴出ガスＳ１，Ｓ２はシールケース２に設けられた開口部２ｅからシールケース２外の機外領域Ｂに放出される。したがって、シールケース内領域Ｃは機外領域Ｂと同一圧の大気圧に保持される。

ところで、シールガスＳ１，Ｓ２はオリフィス１０ｅ，２０ｅで絞られた上で静圧発生溝１０ｃ，２０ｃに導入されることから、密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間の隙間が変動した場合にも、その隙間が自動的に調整されて適正に保持される。すなわち、回転機器の振動等により当該隙間が大きくなったときは、静圧発生溝１０ｃ，２０ｃから密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間に流出するシールガス量とオリフィス１０ｅ，２０ｅを通って静圧発生溝１０ｃ，２０ｃに供給されるシールガス量とが不均衡となり、静圧発生溝１０ｃ，２０ｃ内の圧力が低下して、開力が閉力より小さくなるため、密封端面３ａ，６ａ間の隙間が小さくなるように変化して、その隙間が適正なものに調整される。逆に、密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間の隙間が小さくなったときは、上記したと同様のオリフィス１０ｅ，２０ｅによる絞り機能により静圧発生溝１０ｃ，２０ｃ内の圧力が上昇して、開力が閉力より大きくなり、密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間の隙間が大きくなるように変化して、その隙間が適正なものに調整される。

而して、当該軸封装置にあっては、回転軸３が熱膨張する等により軸線方向に変形ないし変位して回転軸基準位置が適正回転軸基準位置から変位した場合やメカニカルシール４，５の組立精度不良により回転密封環６，１６ないしスプリングリテーナ７の設置位置が適正でない場合（上記オリフィス１０ｅ，２０ｅの自動調整によってはカバーできない程度以上の変位ないし精度不良があった場合）にも、第一及び第二メカニカルシール４，５が前後対称構造をなしていて、
（１）シールケース２に固定された第一及び第二静止密封環６，８間に一つのスプリングリテーナ７が配置されていること、
（２）スプリングリテーナ７が長孔７ｆとスライドピン２４とを介して回転軸３に相対回転不能に且つ軸線方向相対移動自在に挿通されていること、
（３）第一及び第二回転密封環８，１８が第一及び第二静止密封環６，８間においてスプリングリテーナ７に保持されていて、同一の附勢力で第一及び第二スプリング９，１９により当該静止密封環６，１６へと押圧附勢されていること、
（４）第一密封端面６ａ，８ａ間及び第二密封端面１６ａ，１８ａ間に同一圧力の第一及び第二シールガスＳ１，Ｓ２を供給することにより第一及び第二スプリング９，１９による閉力とバランスされる開力が発生すること、
から、回転密封環８，１８の静止密封環６，１６に対する軸線方向相対位置（密封環相対位置）をスプリング９，１９による附勢力が適正となる適正密封環相対位置に自動調整し、当該適正密封環相対位置に保持させておくことができる。

例えばメカニカルシール４，５の組立ないし再組立における精度不良により、回転軸基準位置が適正回転軸基準位置から軸線方向に変位した場合や回転密封環８，１８の静止密封環６，１６に対する軸線方向相対位置である密封環相対位置が適正密封環相対位置から偏倚した場合には、（１）〜（３）のように構成されていることにより、両回転密封環８，１８を押圧附勢するスプリング９，１９によりスプリングリテーナ７が回転軸３に対して軸線方向に移動されて適正スプリングリテーナ位置（図１及び図２に実線で示す位置）に保持されて、両メカニカルシール４，５における密封環相対位置が適正密封環相対位置に自動修正される。したがって、メカニカルシール４，５の組立ないし再組立が第一メカニカルシール４における密封環相対位置が適正密封環相対位置から偏倚した状態で行われた場合にも、両メカニカルシール４，５がスプリング９，１９による附勢力が適正となる状態に組み立てられることになり、シールガスＳ１，Ｓ２が密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８間に供給されることにより、第一密封端面６ａ，８ａ及び第二密封端面１６ａ，１８ａ間が適正な隙間を有する非接触状態に保持され、第一メカニカルシール４によるシール機能が適正に発揮される。

また、メカニカルシール４，５の運転中において、回転軸３が熱膨張したり或いは回転軸３の軸受が摩耗損傷する等によって回転軸基準位置が適正回転軸基準位置から変位した場合にあって、第一メカニカルシール４における密封環相対位置が適正密封環相対位置から偏倚したときには、（１）〜（４）のように構成されていることにより、スプリング９，１９による閉力とシールガスＳ１，Ｓ２による開力とがバランスして密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間が適正な隙間を有する非接触状態を保持するようにスプリングリテーナ７が回転軸３に対して軸線方向に移動される。すなわち、回転軸基準位置が適正回転軸位置から変位した場合にも、当該変位に追随してスプリングリテーナ７が軸線方向に移動せず、適正スプリングリテーナ位置に保持される。その結果、第一メカニカルシール４における密封環相対位置が適正密封環相対位置に保持され、第一メカニカルシール４によるシール機能が適正に発揮される。

このように、上記した軸封装置にあっては、メカニカルシール４，５の組立精度が不良である場合やメカニカルシール４，５の運転中において回転軸３が不測に軸線方向に変形ないし変位した場合にも、つまり第一メカニカルシール４における密封環相対位置が適正密封環相対位置から偏倚した場合にも、第一メカニカルシール４とスプリングリテーナ７を兼用する第二メカニカルシール５の存在によって、第一メカニカルシール４を密封環相対位置が適正密封環相対位置となる適正な組立状態に修正、保持して、第一メカニカルシール４によるシール機能を適正に発揮することができる。すなわち、本発明に係る軸封装置にあっては、第一メカニカルシール４が機内領域Ａをシールするためのシール手段として機能し、第二メカニカルシールはシール手段としての機能を発揮するものではなく、専ら、第一メカニカルシール４における密封環相対位置を適正密封環相対位置に修正、保持するための補助手段として機能する。

ところで、上記した静圧形の非接触形メカニカルシール４，５にあっては、シールガス供給路１０，２０から密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間に供給されるシールガスＳ１，Ｓ２が圧縮性のものであることから、密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間に至るシールガスＳ１，Ｓ２の流動経路には、いわゆるニューマチックハンマと称せられる自励振動が不可避的に生じる。その結果、シールケース２に固定されている静止密封環６，１６については何らの問題も生じないが、回転軸３及びスプリングリテーナ７に弾性材であるＯリング２５，２９及び２６，３０を介して嵌挿保持されているにすぎない回転密封環８，１８については、上記自励振動により、密封端面６ａ，８ａ間及び１６ａ，１８ａ間の隙間と同程度若しくはそれ以下の微小振幅で振動することになる。このような回転密封環８，１８ａの振動は、第一メカニカルシール４のシール機能及び第二メカニカルシール５による上記補助手段としての機能には格別の悪影響を与えるものではないが、振動音を発生するために防止しておくことが好ましい。そこで、上記したメカニカルシール４，５においては、このような回転密封環８，１８ａの振動を次のような第一及び第二振動防止機構１１，２１により防止するように工夫している。

すなわち、第一及び第二振動防止機構１１，２１は、図１及び図３に示す如く、回転密封環８，１８とスプリングリテーナ７の保持部７ｃ，７ｅとの対向周面間に形成され且つＯリング２５，２５及び２６，２６でシールされた第一及び第二環状空間１１ａ，２１ａと、回転密封環８，１８ａに形成された一又は複数の貫通路であって、密封端面６ａ，８ａ間及び１６ａ，１８ａ間に供給されたシールガスＳ１，Ｓ２を環状空間１１ａ，２１ａに導入させる第一及び第二シールガス導入路１１ｂ，２１ｂとからなる。シールガス導入路１１ｂ，２１ｂの上流端は、図３に示す如く、回転密封環８，１８の密封端面８ａ，１８ａにおいて静圧発生溝１０ｃ，２０ｃに直対向して開口されており、その開口径（より正確には回転密封環８，１８の径方向における長さ）は静圧発生溝１０ｃ，２０ｃの溝幅（円弧状凹溝の溝幅）と同一若しくは小さく設定されている。なお、各Ｏリング２５，２６は、回転密封環８，１８とスプリングリテーナ７の保持部７ｃ，７ｅとの対向周面間に適度に圧縮された状態であって回転密封環８，１８のスプリングリテーナ７に対する軸線方向相対移動を妨げない状態で装填されており、各Ｏリング２９，３０は、回転密封環８，１８と回転軸３との対向周面間に適度に圧縮されて当該対向周面間をシール（二次シール）する状態であって回転密封環８，１８及びスプリングリテーナ７の回転軸３に対する軸線方向相対移動を妨げない状態で装填されている。

このような振動防止機構１１，２１によれば、静圧発生溝１０ｃ，２０ｃに供給されたシールガスＳ１，Ｓ２により密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間が適正な非接触状態に保持されると共に、当該密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間に供給されたシールガスＳ１，Ｓ２がシールガス導入路１１ｂ，２１ｂから環状空間１１ａ，２１ａに導入されて、環状空間１１ａ，２１ａ内が密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａ間の圧力と同一に保持される。したがって、各Ｏリング２５，２６は、環状空間１１ａ，２１ａ内のシールガスＳ１，Ｓ２によって回転密封環８，１８の軸線方向に圧縮され、回転密封環８，１８とスプリングリテーナ７の保持部７ｃ，７ｅとの対向周面への圧接力が増大する。その結果、密封端面６ａ，８ａ及び１６ａ，１８ａに至るシールガス流動経路において自励振動（ニューマチックハンマ）が発生せず、これによって回転密封環８，１８が振動するようなことがなく、一般に「鳴き」と称せられる振動音が発生することがない。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲で適宜に改良，変更することができる。

例えば、スプリングリテーナ７を回転軸３に相対回転不能に且つ軸線方向相対移動自在に保持させておく手段としては、上記した長孔７ｆとスライドピン２４とを係合させるものに限定されない。例えば、回転軸３にキーを固定すると共にスプリングリテーナ７の内周部に軸線方向に延びるキー溝を形成して、このキー溝にキーを係合させることにより、或いは回転軸３の一部をスプライン軸に構成すると共に、スプリングリテーナ７の内周部に当該スプライン軸に係合するスプライン溝を形成しておくことにより、スプリングリテーナ７を回転軸３に相対回転不能に且つ軸線方向相対移動自在に挿通させておくように構成することができる。

また、シールケース２は、静止密封環６，１６を軸線方向に所定間隔を隔てて固定でき且つシールケース内領域Ｃを大気圧又は略大気圧に保持するものであれば任意に構成することができ、例えば、連結部材を図５に示す如く第一フランジ２ａと第二フランジ２ｃ，２ｄとを連結する複数のボルト２ｂ（一個のみ図示）で構成して、シールケース内領域Ｃをボルト２ｂ間の開口部２ｅによって機外領域Ｂに開放する。また、図１及び図５に示す軸封装置では、シールケース内領域Ｃを開口部２ｅにより機外領域Ｂに開放して大気圧に保持するように構成したが、当該軸封装置及びこれが装填される回転機器が屋内に設置される場合にあって、シールガスＳ１，Ｓ２がシールケース内領域Ｃから開口部２ｅを経て機外領域Ｃに放出されることによって弊害（例えば、シールガスＳ１，Ｓ２が窒素ガスである場合において、機外領域Ｃ（軸封装置及び回転機器の設置空間）が酸欠状態となる等）が生じる場合には、図６に示す如く、連結部材２ｂを第一フランジ２ａと第二フランジ２ｃ，２ｄとの間を閉塞する筒状のものに構成して、連結部材２ｂに形成した排気口２ｆに連結したシールガス排出管２ｇから、シールケース内領域ＣのシールガスＳ１，Ｓ２を軸封装置及び回転機器の設置空間外に放出するようにすることができる。かかる場合、シールケース内領域Ｃは大気圧又は略大気圧に保持される。

また、上記した実施の形態にあっては、第一メカニカルシール４と第二メカニカルシール５とを、図１及び図２に示す如く、両メカニカルシール４，５のスプリング９，１９を同一の附勢力を有するものとすると共に両メカニカルシール４，５の静圧発生溝１０ｃ，２０ｃに同圧のシールガスＳ１，Ｓ２を供給するようにする等、軸線方向の向きを逆に配置された点を除いて同一構造をなすもの（前後対称構造をなすもの）に構成したが、両メカニカルシール４，５は、このような同一構造とせず、第１メカニカルシール４が適正なメカニカルシール機能を発揮できることを条件として、スプリング９，１９の附勢力及びシールガスＳ１，Ｓ２の圧力を含めて非同一構造としておくことも可能である。

また、本発明は、上記した如く、回転軸が水平に延びる横型の回転機器の軸封装置として適用される他、回転軸が上下方向に延びる竪型の回転機器の軸封装置（一般に、第一メカニカルシール４が上位に位置すると共に第二メカニカルシール５が下位に位置するように設置される）としても、上記した実施の形態と同様に、好適に適用することができる。また、本発明に係る軸封装置は、機内領域Ａのガスが大気領域Ｂより高圧（正圧）となる条件下及び大気領域Ｂより低圧（負圧）となる条件下の何れにおいても、第一メカニカルシール４によるシール機能を適正に発揮させることができる。

１回転機器のハウジング
２シールケース
２ａ第一フランジ
２ｂ連結部材
２ｃ第二フランジ（フランジ本体）
２ｄ第二フランジ（押さえ板）
２ｅ開口部
２ｆ排気口
２ｇシールガス排出管
３回転軸
４第一メカニカルシール
５第二メカニカルシール
６第一静止密封環
６ａ第一密封端面
７スプリングリテーナ
７ａ本体部
７ｂ挿通部
７ｃ保持部
７ｄ挿通部
７ｅ保持部
７ｆ長孔
７ｇ係合孔
７ｈ係合孔
７ｉ貫通孔
７ｊ貫通孔
８第一回転密封環
８ａ第一密封端面
８ｂ本体部
８ｃ二次シール部
８ｄドライブピン
８ｅドライブカラー
９第一スプリング
１０第一シールガス供給路
１０ａ連通空間
１０ｂケース側通路
１０ｃ静圧発生溝
１０ｄ密封環側通路
１０ｅオリフィス
１１第一振動防止機構
１１ａ第一環状空間
１１ｂ第一シールガス導入路
１６第二静止密封環
１６ａ第二密封端面
１８第二回転密封環
１８ａ第二密封端面
１８ｂ本体部
１８ｃ二次シール部
１８ｄドライブピン
１８ｅドライブカラー
１９第一スプリング
２０第二シールガス供給路
２０ａ連通空間
２０ｂケース側通路
２０ｃ静圧発生溝
２０ｄ密封環側通路
２０ｅオリフィス
２１第一振動防止機構
２１ａ第二環状空間
２１ｂ第二シールガス導入路
２２Ｏリング
２３Ｏリング
２４スライドピン
２４ａボルト
２４ｂスライドカラー
２５Ｏリング
２６Ｏリング
２７回り止めピン
２８回り止めピン
２９第一Ｏリング
３０第二Ｏリング
Ａ機内領域
Ｂ機外領域
Ｃシールケース内領域

Claims

回転機器の機内領域を静圧形の非接触形メカニカルシールによりシールするように構成された軸封装置において、
当該非接触形メカニカルシールである第一メカニカルシールに加えて、その機外領域側に静圧形の非接触形メカニカルシールである第二メカニカルシールを配置してあり、
第一メカニカルシールが第一静止密封環及び第一回転密封環を具備しており、第二メカニカルシールが第二静止密封環及び第二回転密封環を具備しており、
回転機器に取り付けられたシールケースに、第一及び第二静止密封環が軸線方向に所定間隔を隔てて固定保持されており、
当該回転機器の回転軸に、両静止密封環間に配した筒状スプリングリテーナが、回転軸に対する相対回転を阻止された状態で回転軸に軸線方向に相対移動自在に挿通されており、
スプリングリテーナにおける機内領域側の端部に、第一回転密封環が、回転軸との間を第一Ｏリングにより二次シールされ且つ回転軸に対して軸線方向に相対移動可能な状態で、軸線方向に相対移動可能に且つ相対回転不能に保持されており、
スプリングリテーナにおける機外領域側の端部に、第二回転密封環が、回転軸との間を第二Ｏリングにより二次シールされ且つ回転軸に対して軸線方向に相対移動可能な状態で、軸線方向に相対移動可能に且つ相対回転不能に保持されており、
スプリングリテーナと第一回転密封環との間に、第一回転密封環を第一静止密封環へと押圧附勢する第一スプリングが装填されており、
スプリングリテーナと第二回転密封環との間に、第二回転密封環を第二静止密封環へと押圧附勢する第二スプリングが装填されており、
両メカニカルシール間におけるシールケース内の領域が、大気圧又は略大気圧に保持されており、
シールケース及び第一静止密封環に、第一静止密封環と第一回転密封環との対向端面たる第一密封端面間に機内領域及び前記シールケース内の領域より高圧の第一シールガスを供給する第一シールガス供給路が形成されており、
シールケース及び第二静止密封環に、第二静止密封環と第二回転密封環との対向端面たる第二密封端面間に機外領域及び前記シールケース内の領域より高圧の第二シールガスを供給する第二シールガス供給路が形成されており、
第二密封端面間をこれに供給された第二シールガスにより非接触状態に保持した状態で、第一メカニカルシールにより第一密封端面間をこれに供給された第一シールガスにより非接触状態に保持しつつ第一密封端面の内周側領域である機内領域をシールするように構成したことを特徴とする軸封装置。
第一メカニカルシールと第二メカニカルシールとが、軸線方向の向きを逆に配置した同一構造をなしていることを特徴とする、請求項１に記載する軸封装置。
シールケースが、回転機器のハウジングに取り付けられて第一静止密封環を固定する第一フランジと、第二静止密封環を固定する第二フランジと、両フランジ間を連結する連結部材とを具備するものであり、連結部材を、両メカニカルシール間におけるシールケース内の領域を大気に開放する開口部を有するものに構成してあることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する軸封装置。
シールケースが、回転機器のハウジングに取り付けられて第一静止密封環を固定する第一フランジと、第二静止密封環を固定する第二フランジと、両フランジ間を連結する連結部材とを具備するものであり、連結部材を両フランジ間を閉塞する筒状のものに構成すると共に連結部材にシールガス排出管を設けて、両メカニカルシール間におけるシールケース内の領域を大気圧又は略大気圧に保持するように構成したことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する軸封装置。
スプリングリテーナに軸線方向に延びる長孔を形成すると共に、この長孔に挿通させたスライドピンを回転軸に固定することにより、スプリングリテーナが回転軸に対する相対回転を阻止された状態で回転軸に軸線方向に相対移動自在に挿通されていることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載する軸封装置。
第一メカニカルシールにおいて、第一回転密封環を軸線方向に所定間隔を隔てて並列する一対のＯリングを介してスプリングリテーナに軸線方向に相対移動可能に嵌合保持させて、第一回転密封環とスプリングリテーナとの対向周面間に前記両Ｏリングでシールされた第一環状空間を形成すると共に、第一回転密封環に第一密封端面間と第一環状空間とを連通する第一シールガス導入路を形成したことを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載する軸封装置。
第二メカニカルシールにおいて、第二回転密封環を軸線方向に所定間隔を隔てて並列する一対のＯリングを介してスプリングリテーナに軸線方向に相対移動可能に嵌合保持させて、第二回転密封環とスプリングリテーナとの対向周面間に前記両Ｏリングでシールされた第二環状空間を形成すると共に、第二回転密封環に第二密封端面間と第二環状空間とを連通する第二シールガス導入路を形成したことを特徴とする、請求項１〜６の何れかに記載する軸封装置。