JP6352137B2

JP6352137B2 - メカニカルシール

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Publication number: JP6352137B2
Application number: JP2014201788A
Authority: JP
Inventors: 田中　幸雄; 幸雄田中
Original assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: JP2016070420A

Description

本発明は、ボイラー給水等の高温流体を扱う流体機械に使用するメカニカルシールに関する。

メカニカルシールは、ポンプ等の流体機械の回転軸が貫通されるハウジングを備える。ハウジング内には、回転軸と一体に回転する回転環が配置されるとともに、回転環に押し付けられる固定環が固定されている。これらの外周部には、回転環と固定環との摩擦熱を除去するための封止液（揚水）を充填した封止液室が形成されている。また、メカニカルシールは、封止液を冷却するために、ハウジング外から供給した冷却液と封止液とを熱交換させる熱交換室を備える。

特許文献１には、環状の空間からなる熱交換室を設け、この熱交換室に筒状のクーリング部材を配設したメカニカルシールが記載されている。クーリング部材は、径方向に延びる複数の封止液流路と、軸方向に延びる複数の冷却液流路とを備え、これらが周方向に交互に位置するように配置されている。全ての封止液流路は、径方向の内端側と外端側でそれぞれ連通され、一方の連通部に封止液流入路が連通されるとともに他方の連通部に封止液流出路が連通されている。全ての冷却液流路は、軸方向の一端側と他端側でそれぞれ連通され、一方の連通部に冷却液流入路が連通されるとともに他方の連通部に冷却液流出路が連通されている。

しかしながら、特許文献１のメカニカルシールは、封止液および冷却液が複数の流路に対して並列に流れるため、熱交換効率の点で改良の余地がある。詳しくは、封止液および冷却液の熱伝達率は、流速が速い方が効果を向上できる。しかし、熱交換に必要な沿面距離を確保するには、クーリング部材の径方向および軸方向の全長を長くする必要があるため、メカニカルシールが大型になるという不都合がある。

特開２０１４−８８９５６号公報

本発明は、メカニカルシールの封止液と冷却液の熱交換効率の向上を課題とする。

前記課題を解決するため、本発明のメカニカルシールは、流体機械のケーシングに固定され、前記流体機械の回転軸を貫通させたハウジングと、前記回転軸と一体に回転するように、前記ハウジング内に配置された回転環と、前記ハウジング内に回転不可能に配置され、前記回転環と当接して摺動面を形成する固定環と、前記回転環および前記固定環の外周部に形成された封止液室と、前記封止液室の外周部に形成された環状の熱交換室と、前記封止液室と前記熱交換室とを連通させる封止液流入路および封止液流出路と、前記熱交換室に連通され、前記ハウジング外の冷却液が循環供給される冷却液流入路および冷却液流出路と、前記熱交換室内に配設され、径方向および軸方向の一方に延び前記封止液流入路から供給された封止液が流動する少なくとも第１から第３の封止液流路と、径方向および軸方向の他方に延び前記冷却液流入路から供給された冷却液が流動する少なくとも第１から第３の冷却液流路とを有し、前記封止液流路および前記冷却液流路を周方向に交互に位置するように隣接配置した円筒状のクーリング部材と、前記封止液流入路から前記各封止液流路および前記封止液流出路を経て前記封止液室内へ封止液を循環させる循環手段と、前記冷却液流路が延びる方向の一端側で前記第１および第２の冷却液流路を連通させ前記第３の冷却液流路を非連通状態とする第１連通部と、前記冷却液流路が延びる方向の他端側で前記第２および第３の冷却液流路を連通させ前記第１の冷却液流路を非連通状態とする第２連通部とを有し、前記冷却液流入路から前記冷却液流出路に向けて前記第１から第３の冷却液流路を直列に連通させる連通路とを備え、前記第１連通部と前記第２連通部は、前記冷却液流路が延びる方向の内側に窪むように、前記クーリング部材に形成された凹溝からなり、前記凹溝は、前記クーリング部材を軸方向から見て円弧状に形成されている。

このメカニカルシールは、軸方向または径方向に延びる第１から第３冷却液流路を一端側と他端側で交互に連通させ、冷却液を直列に通水するため、冷却液を通水させる流速を速くすることができる。よって、メカニカルシールを大型にすることなく、封止液と冷却液の熱交換効率を向上できる。また、第１連通部と第２連通部はクーリング部材に形成されているため、熱交換室の形状を簡素化でき、製造コストが高くなることを防止できる。

このメカニカルシールでは、前記冷却液流路は、前記クーリング部材の軸方向に延びるように形成されていることが好ましい。

また、前記第１から第３冷却液流路を有する通水経路を２以上設けることが好ましい。冷却液は、封止液と熱交換することで昇温するため、第１冷却液流路内での温度より下流側の第３冷却液流路での温度の方が高くなる。そのため、下流側の冷却液流路での熱交換効率は、上流側の冷却液流路での熱交換効率より低くなる。よって、冷却液を通水する経路を２以上設けることにより、熱交換効率を更に向上することができる。

なお、メカニカルシールは、前記封止液流路が延びる方向の一端側で前記第１および第２の封止液流路を連通させ前記第３の封止液流路を非連通状態とする第１連通部と、前記封止液流路が延びる方向の他端側で前記第２および第３の封止液流路を連通させ前記第１の封止液流路を非連通状態とする第２連通部とを有し、前記封止液流入路から前記封止液流出路に向けて前記第１から第３の封止液流路を直列に連通させてもよい。このようにしても、封止液と冷却液の熱交換効率を向上できる。

本発明のメカニカルシールでは、クーリング部材に形成した複数の流路に対して冷却液または封止液を直列に通水するため、冷却液または封止液を通水する流速を速くすることができる。よって、熱交換に必要な伝熱面積が同一であれば、封止液と冷却液の熱交換効率を向上できる。その結果、メカニカルシールの形状を大型にすることなく、熱交換効率を向上できる。

第１実施形態のメカニカルシールを示す断面図。図１のＩ−Ｉ線断面図。図１のII−II線断面図。図１のIII−III線断面図。図１のIV−IV線断面図。第２実施形態のメカニカルシールの第１連通部を示す断面図。第２実施形態のメカニカルシールの第２連通部を示す断面図。第３実施形態のメカニカルシールの第１連通部を示す断面図。第３実施形態のメカニカルシールの第２連通部を示す断面図。第４実施形態のメカニカルシールを示す断面図。第５実施形態のメカニカルシールを示す断面図。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明に係る第１実施形態のメカニカルシール１０を示す。このメカニカルシール１０は、流体機械（例えば高温流体を扱うボイラー給水用のポンプ）のケーシング１に固定されるハウジング１２を備える。このハウジング１２には、ケーシング１に配設した回転軸２が貫通され、その周囲に回転環２２と固定環２４とが配設されている。メカニカルシール１０は、回転環２２と固定環２４の摩擦熱を除去（強制冷却）するために、封止液（揚水）を冷却液で冷却するクーリング部材３７を備える。本実施形態のメカニカルシール１０は、クーリング部材３７に形成した複数（本実施形態では１２個）の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌに対して冷却液を直列に通水し、冷却液による封止液の熱交換効率を向上する。

詳しくは、回転軸２には、筒状のスリーブ１１が嵌められている。このスリーブ１１は、図示しない固定部材によって回転軸２に固定され、回転軸２と一体に回転する。ケーシング１には、スリーブ１１の外周部に位置するようにハウジング１２が固定されている。ハウジング１２は、回転軸２側に配置される径方向内側の内環部材１３と、内環部材１３の径方向外側に配置される外環部材１４と、これらの大気側（ケーシング１の逆側）端部を閉塞するカバー１５とを備える。内環部材１３、外環部材１４およびカバー１５はボルトで固定され、互いの間がシールパッキンによりシールされている。このハウジング１２には、スリーブ１１と内環部材１３との間に封止液が充填される環状の封止液室１６が形成されている。封止液室１６の径方向外側（外周部）である内環部材１３と外環部材１４との間には、冷却液と封止液とを熱交換させる環状の熱交換室１７が形成される。

封止液室１６は、ポンピングリング１９によってケーシング１内からの揚水の流入が阻止されている。詳しくは、スリーブ１１には、ケーシング１側の端部に径方向外向きに突出するフランジ部１８が設けられている。このフランジ部１８の外周には、ポンピングリング１９が固定されている。ポンピングリング１９は、ラビリンスを備える外周部が内環部材１３の内周部に密接する。ポンピングリング１９は、内環部材１３の内周部に沿って大気側へ軸方向に延びる羽根部２０を備え、封止液を循環させる循環手段の機能を兼ね備える。この羽根部２０には、径方向内側の封止液を径方向外側に送水する送水孔２１が設けられている。

スリーブ１１のフランジ部１８には、封止液室１６内に位置するように回転環２２が配置されている。この回転環２２は、フランジ部１８に対して周方向に回転不可能かつ軸方向に移動不可能に固定され、スリーブ１１を介して回転軸２と一体に回転する。また、カバー１５には、封止液室１６内に位置するようにホルダ２３が固定され、このホルダ２３の内部に固定環２４が配置されている。固定環２４は、回転軸２の軸線を中心として周方向に回転不可能に配置されている。本実施形態の固定環２４は、ホルダ２３内に配置された第１リング部材２５と、第１リング部材２５に連結された第２リング部材２６とを備える。第１リング部材２５は、図示しないスプリングによって回転環２２側へ付勢されている。第２リング部材２６は、第１リング部材２５に固定され、第１リング部材２５を介して付勢されることで、回転環２２に対して弾性的に押し付けられる。回転環２２と固定環２４の当接部分は、封止液室１６の内部（内環部材１３側）と外部（スリーブ１１側）をシールする摺動面２７である。即ち、スリーブ１１と内環部材１３の間において、回転環２２および固定環２４の外周部が封止液室１６である。

封止液室１６と熱交換室１７とは、内環部材１３により区画されている。また、封止液室１６と熱交換室１７とは、封止液流入路２８と封止液流出路２９により連通されている。封止液流入路２８は、内環部材１３を貫通するように設けた孔であり、ポンピングリング１９の送水孔２１の径方向外側に位置する。封止液流入路２８は、内環部材１３に対して周方向に所定間隔をあけて形成されている。封止液流出路２９は、カバー１５の径方向に延びるように設けられた孔である。詳しくは、外環部材１４の内面側（クーリング部材３７の外側）に位置するように形成された環状の第１流路部３０と、径方向内向きに延びるように形成された第２流路部３１と、内環部材１３の内面側に位置するように形成された環状の第３流路部３２とを備える。これにより封止液室１６内の封止液は、径方向外向きに流動された後、封止液流入路２８からクーリング部材３７および封止液流出路２９を経て封止液室１６内へ循環される。

熱交換室１７には、図示しない外部の冷却液供給部から冷却水（冷却液）を循環供給される。ハウジング１２には、冷却液流入路３３と冷却液流出路３４とが設けられている。冷却液流入路３３は、外環部材１４を貫通するように設けた孔であり、一端が外環部材１４の外周部に位置し、他端が径方向に延びて外環部材１４の内周部に位置する。冷却液流出路３４は、カバー１５の径方向に延びるように設けた構成である。詳しくは、熱交換室１７を画定するカバー１５のケーシング１側端面に形成された第１流路部３５Ｆと、第１流路部３５Ｆから径方向外向きに延びるように形成された第２流路部３６とを備える。図２に示すように、第１流路部３５Ｆは、所定角度で形成された円弧状の窪みである。この第１流路部３５Ｆは、周方向に所定間隔をあけて複数（本実施形態では６個）設けた第１流路部３５Ａ〜３５Ｆの１つである。第２流路部３６は、一端が第１流路部３５Ｆに位置し、他端が径方向外向きに延びて外環部材１４の外周部に位置する。これによりハウジング１２外から供給された冷却液は、冷却液流入路３３からクーリング部材３７および冷却液流出路３４を経てハウジング１２外へ排出される。なお、第１流路部３５Ａ〜３５Ｆ内の冷却液は、封止液流出路２９の第３流路部３２内の封止液と、カバー１５を介して熱交換される。

図１および図３に示すように、本実施形態の熱交換室１７には、封止液が径方向に流動され、冷却液が軸方向に流動される。これら封止液と冷却液とを混合することなく区画して流動させるために、熱交換室１７内には熱交換器であるクーリング部材３７が移動不可能に配置されている。クーリング部材３７は、円筒形状であり、銅合金等の熱伝導性に優れた材料により形成される。クーリング部材３７には、内周部に内環部材１３との間をシールするシールパッキンが配設され、外周部に外環部材１４との間をシールするシールパッキンが配設されている。

図３に最も明瞭に示されるように、クーリング部材３７は、径方向に延びて貫通する複数の封止液流路３８Ａ〜３８Ｌと、軸方向に延びて貫通する複数の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌとを備える。封止液流路３８Ａ〜３８Ｌおよび冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌは、周方向に交互に位置するように等間隔で隣接配置されている。

第１から第１２の封止液流路３８Ａ〜３８Ｌは、封止液流路３８Ａ〜３８Ｌの両端であるクーリング部材３７の径方向の内周部および外周部で連通している。詳しくは、クーリング部材３７の内周部には、環状をなすように径方向外向きに窪み、封止液流入路２８と全ての封止液流路３８Ａ〜３８Ｌを連通させる第１連通部３９が設けられている。クーリング部材３７の外周部には、環状をなすように径方向内向きに窪み、全ての封止液流路３８Ａ〜３８Ｌと封止液流出路２９を連通させる第２連通部４０が設けられている。本実施形態の外環部材１４には、第２連通部４０に連通するように、環状をなすように径方向外向きに窪む連通部４１が設けられている。この連通部４１に連通するように、封止液流出路２９の第１流路部３０が設けられている。

図４および図５に示すように、第１から第１２の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌは、冷却液流入路３３から冷却液流出路３４に向けて直列に連通されている。詳しくは、クーリング部材３７には、第１の冷却液流路４２Ａと外環部材１４の冷却液流入路３３とを連通させる流入孔４３が設けられている。また、冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌの両端であるクーリング部材３７の軸方向の両端部には、一対の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌだけを連通させ、他の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌを非連通状態とする連通部４５Ａ〜４５Ｆ，４６Ａ〜４６Ｅを有する連通路４４が一体に設けられている。

図１および図４に示すように、カバー１５側に形成した第１連通部４５Ａ〜４５Ｆは、軸方向内向きに窪む円弧状の凹溝からなる。そのうち、第１連通部４５Ａは、第１および第２の冷却液流路４２Ａ，４２Ｂを連通させ、他の冷却液流路４２Ｃ〜４２Ｌを非連通状態に区画する。第１連通部４５Ｂは、第３および第４の冷却液流路４２Ｃ，４２Ｄを連通させ、他の冷却液流路４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｅ〜４２Ｌを非連通状態に区画する。第１連通部４５Ｃは、第５および第６の冷却液流路４２Ｅ，４２Ｆを連通させ、他の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｄ，４２Ｇ〜４２Ｌを非連通状態に区画する。第１連通部４５Ｄは、第７および第８の冷却液流路４２Ｇ，４２Ｈを連通させ、他の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｆ，４２Ｉ〜４２Ｌを非連通状態に区画する。第１連通部４５Ｅは、第９および第１０の冷却液流路４２Ｉ，４２Ｊを連通させ、他の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｈ，４２Ｋ，４２Ｌを非連通状態に区画する。第１連通部４５Ｆは、第１１および第１２の冷却液流路４２Ｋ，４２Ｌを連通させ、他の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｊを非連通状態に区画する。

図１および図５に示すように、ケーシング１側に形成した第２連通部４６Ａ〜４６Ｅは、軸方向内向きに窪む円弧状の凹溝からなる。第２連通部４６Ａは、第２および第３の冷却液流路４２Ｂ，４２Ｃを連通させ、他の冷却液流路４２Ａ，４２Ｄ〜４２Ｌを非連通状態に区画する。第２連通部４６Ｂは、第４および第５の冷却液流路４２Ｄ，４２Ｅを連通させ、他の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｃ，４２Ｆ〜４２Ｌを非連通状態に区画する。第２連通部４６Ｃは、第６および第７の冷却液流路４２Ｆ，４２Ｇを連通させ、他の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｅ，４２Ｈ〜４２Ｌを非連通状態に区画する。第２連通部４６Ｄは、第８および第９の冷却液流路４２Ｈ，４２Ｉを連通させ、他の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｇ，４２Ｊ〜４２Ｌを非連通状態に区画する。第２連通部４６Ｅは、第１０および第１１の冷却液流路４２Ｊ，４２Ｋを連通させ、他の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｉ，４２Ｌを非連通状態に区画する。なお、本実施形態のクーリング部材３７には、ケーシング１側端部に第１および第１２の冷却液流路４２Ａ，４２Ｌに位置する円弧状の凹部４７Ａ，４７Ｂが形成されている。なお、連通部４５Ａ〜４５Ｆ，４６Ａ〜４６Ｅおよび凹部４７Ａ，４７Ｂ内の冷却液は、径方向の内側および外側を流動する封止液と、クーリング部材３７を介して熱交換される。

図１および図２に示すように、クーリング部材３７とカバー１５との間には第１シール部材４８が配設されている。第１シール部材４８は、クーリング部材３７の端部に一致する円環状である。第１シール部材４８には、各第１連通部４５Ａ〜４５Ｆに対応する位置に連通孔４９が設けられている。各連通孔４９の縁は、第１連通部４５Ａ〜４５Ｆの縁の内側に位置する。また、クーリング部材３７と外環部材１４との間には第２シール部材５０が配設されている。図５を参照すると、第２シール部材５０にも第２連通部４６Ａ〜４６Ｅおよび凹部４７Ａ，４７Ｂに対応する連通孔５１が設けられている。

クーリング部材３７の第１連通部４５Ａ〜４５Ｆと、カバー１５の第１流路部３５Ａ〜３５Ｆとは、各連通孔４９を通して連通している。そのため、冷却液は、冷却液流入路３３から第１の冷却液流路４２Ａ、第１連通部４５Ａ、第２の冷却液流路４２Ｂ、第２連通部４６Ａ、第３の冷却液流路４２Ｃ、第１連通部４５Ｂ、…、第１１の冷却液流路４２Ｋおよび第１連通部４５Ｆを経て、連通孔４９、第１流路部３５Ｆを通して冷却液流出路３４から外部へ排出される。なお、本実施形態の第１２の冷却液流路４２Ｌは、冷却液を流動させていないが、流動させるようにしてもよい。

図１に示すように、本実施形態のメカニカルシール１０は、流体機械の回転軸２が回転されると、スリーブ１１を介してポンピングリング１９が回転する。これにより、羽根部２０によって封止液室１６内の封止液が封止液流入路２８から熱交換室１７内に流入される。封止液は、クーリング部材３７の各封止液流路３８Ａ〜３８Ｌを通って径方向外向きに流動した後、封止液流出路２９を通って封止液室１６内に流入する。そして、回転環２２と固定環２４とを冷却し、再び封止液流入路２８に循環される。この際、封止液は、回転環２２と固定環２４とが摺接する摺動面２７により、大気側への漏れが阻止される。

一方、本実施形態のメカニカルシール１０は、冷却液供給部から冷却液を供給されると、冷却液が冷却液流入路３３から熱交換室１７内に流入される。冷却液は、流入孔４３から第１の冷却液流路４２Ａ内に流入し、連通部４５Ａ〜４５Ｆ，４６Ａ〜４６Ｅによって、第１から第１２の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌへ順番に、軸方向に流動される。そして、第１連通部４５Ｆから第１流路部３５Ｆを経て冷却液流出路３４から外部へ排出される。

このように、クーリング部材３７には、熱を吸着した封止液が径方向に流動され、冷却液が軸方向に流動される。そして、封止液流路３８Ａ〜３８Ｌと冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌは、交互に位置するように設けられているため、高温の封止液を低温の冷却液によって確実に冷却（熱交換）できる。

しかも、本実施形態では、複数の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌに対して冷却液を直列に通水するため、冷却液を通水させる流速を速くすることができる。よって、熱交換する流路の全長（伝熱面積）が同一であれば、熱伝達率を向上できる。その結果、メカニカルシール１０を大型にすることなく、封止液と冷却液の熱交換効率を向上できる。

また、環状の熱交換室１７に円筒状のクーリング部材３７を配設する簡素な構成であるため、ハウジング１２およびクーリング部材３７の製造が容易であるうえ、組立時およびメンテナンス時の作業性を向上できる。しかも、連通部４５Ａ〜４５Ｆ，４６Ａ〜４６Ｅをクーリング部材３７に一体に設けているため、熱交換室１７の形状を簡素化でき、製造コストが高くなることを防止できる。

（第２実施形態）
図６Ａ，Ｂは第２実施形態のメカニカルシール１０のクーリング部材３７を示す。この第２実施形態では、流入孔４３（第１の冷却液流路４２Ａ）から流入された冷却液を分流し、２系統（方向）の通水経路で冷却液流出路３４に連通する第７の冷却液流路４２Ｇに至るようにした点で、第１実施形態と相違する。

詳しくは、クーリング部材３７には、軸方向に延びる１２本の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌが設けられている。上側頂部に位置する第１の冷却液流路４２Ａには、冷却液流入路３３に連通する流入孔４３が設けられている。また、下側頂部に位置する第７の冷却液流路４２Ｇには、冷却液流出路３４が連通されている。

図６Ａに示すように、クーリング部材３７のカバー１５側端部には、１個の第１の冷却液流路４２Ａと両側に位置する一対の第２の冷却液流路４２Ｂ，４２Ｌを、連通させる第１連通部４５Ａが設けられている。また、一対の第３の冷却液流路４２Ｃ，４２Ｋと一対の第４の冷却液流路４２Ｄ，４２Ｊを、それぞれ連通させる一対の第１連通部４５Ｂ，４５Ｂが設けられている。また、一対の第５の冷却液流路４２Ｅ，４２Ｉと一対の第６の冷却液流路４２Ｆ，４２Ｈを、それぞれ連通させる一対の第１連通部４５Ｃ，４５Ｃが設けられている。

図６Ｂに示すように、クーリング部材３７のケーシング１側端部には、一対の第２の冷却液流路４２Ｂ，４２Ｌと一対の第３の冷却液流路４２Ｃ，４２Ｋを、それぞれ連通させる一対の第２連通部４６Ａ，４６Ａが設けられている。また、一対の第４の冷却液流路４２Ｄ，４２Ｊと一対の第５の冷却液流路４２Ｅ，４２Ｉを、それぞれ連通させる一対の第２連通部４６Ｂ，４６Ｂが設けられている。また、一対の第６の冷却液流路４２Ｆ，４２Ｈと１個の第７の冷却液流路４２Ｇを、連通させる第２連通部４６Ｃが設けられている。

この第２実施形態のメカニカルシール１０は、第１実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。しかも、分流した２系統の通水経路を設けているため、各封止液流路３８Ａ〜３８Ｌでの封止液の熱交換効率のバラツキを抑制（平均化）できる。即ち、冷却液は、封止液と熱交換することで昇温するため、最初の冷却液流路４２Ａから下流側の冷却液流路４２Ｂ…に進むに従って次第に温度が高くなる。そのため、下流側の冷却液流路４２Ｌでの熱交換効率は、上流側の冷却液流路４２Ａでの熱交換効率より低くなる。よって、冷却液を通水する経路を２以上設けることにより、熱交換効率を更に向上できる。

（第３実施形態）
図７Ａ，Ｂは第３実施形態のメカニカルシール１０のクーリング部材３７を示す。この第３実施形態では、回転軸２の軸線に対して線対称に位置するように各一対の冷却液流入路３３Ａ，３３Ｂおよび冷却液流出路３４Ａ，３４Ｂをハウジング１２に設けるとともに、クーリング部材３７に独立した２系統の通水経路を設けた点で、第１実施形態と相違する。

詳しくは、クーリング部材３７には、軸方向に延びる１２本の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌが設けられている。上側頂部と下側頂部に位置する第１の冷却液流路４２Ａ，４２Ｇには、冷却液流入路３３Ａ，３３Ｂに連通する流入孔４３Ａ，４３Ｂが設けられている。第１の冷却液流路４２Ａ，４２Ｇに隣接した第６の冷却液流路４２Ｆ，４２Ｌには、冷却液流出路３４Ａ，３４Ｂが連通されている。

図７Ａに示すように、クーリング部材３７のカバー１５側端部には、第１の冷却液流路４２Ａ，４２Ｇと第２の冷却液流路４２Ｂ，４２Ｈを、それぞれ連通させる一対の第１連通部４５Ａ，４５Ａが設けられている。また、第３の冷却液流路４２Ｃ，４２Ｉと第４の冷却液流路４２Ｄ，４２Ｊを、それぞれ連通させる一対の第１連通部４５Ｂ，４５Ｂが設けられている。また、第５の冷却液流路４２Ｅ，４２Ｋと第６の冷却液流路４２Ｆ，４２Ｌを、それぞれ連通させる一対の第１連通部４５Ｃ，４５Ｃが設けられている。

図７Ｂに示すように、クーリング部材３７のケーシング１側端部には、第２の冷却液流路４２Ｂ，４２Ｈと第３の冷却液流路４２Ｃ，４２Ｉを、それぞれ連通させる一対の第２連通部４６Ａ，４６Ａが設けられている。また、第４の冷却液流路４２Ｄ，４２Ｊと第５の冷却液流路４２Ｅ，４２Ｋを、それぞれ連通させる一対の第２連通部４６Ｂ，４６Ｂが設けられている。

この第３実施形態のメカニカルシール１０は、第２実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。しかも、別系統の通水経路を設けているため、各冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌに通水する流速を速くすることが可能になるため、熱伝達率を向上できる。よって、メカニカルシール１０を大型にすることなく、封止液と冷却液の熱交換効率を更に向上できる。

なお、この第３実施形態では、２系統の冷却液流路４２Ａ〜４２Ｆ，４２Ｇ〜４２Ｌに対して、同一周方向へ冷却液を通水するようにしたが、時計回りと反時計回り等の周方向逆向きに冷却液を通水するようにしてもよい。即ち、２以上の通水経路を設ける場合、流入孔４３の位置と第２流路部３６の位置を変更することで、通水方向は希望に応じて変更が可能である。

（第４実施形態）
図８は第４実施形態のメカニカルシール１０を示す。この第４実施形態では、各封止液流路３８および各冷却液流路４２を複数の貫通孔５９，６０で構成した点で、第１実施形態と大きく相違する。

詳しくは、ハウジング１２は、ケーシング１に固定されるベース部材５２と、大気側に固定されるハウジング本体５３と、ハウジング本体５３の端部を閉塞するカバー５４とを備える。ベース部材５２とハウジング本体５３の間には、外周側に環状のカバー部材５５が配設され、内周側に環状の区画部材５６が配設されている。ベース部材５２とハウジング本体５３は、カバー部材５５および区画部材５６を介して固定されている。このハウジング１２には、スリーブ１１と区画部材５６との間に封止液室１６が形成される。また、ベース部材５２、ハウジング本体５３、カバー部材５５および区画部材５６で囲まれた内部に、環状の熱交換室１７が形成される。

スリーブ１１には、ベース部材５２の内周部に位置するようにポンピングリング１９が配設されている。ポンピングリング１９は、ラビリンスを備える外周部がベース部材５２の内周部に密接する。本実施形態では、スリーブ１１にホルダ２３が固定され、このホルダ２３内に回転環２２の一部が収容されている。回転環２２は、ホルダ２３に対して回転不可能、かつ、回転軸２の軸方向に沿って移動可能に配置されている。また、回転環２２は、コンプレッションリングによって、回転軸２の軸方向に沿って大気側へ付勢されている。固定環２４は、ハウジング本体５３とカバー５４との間に挟み込んで配置されている。固定環２４は回転不可能に配置され、回転環２２が弾性的に押し付けられる。

封止液流入路２８は、一端がポンピングリング１９の外周部に位置し、他端がクーリング部材３７の外周部に位置するように、ベース部材５２に対して径方向に延びるように設けられている。封止液流出路２９は、一端がクーリング部材３７の内周部に位置し、他端が摺動面２７の近傍に位置するように、ハウジング本体５３の内周側に設けられている。

冷却液流入路３３は、一端がハウジング本体５３の外周部に位置し、他端が固定環２４の外周部に位置するように、ハウジング本体５３に対して径方向に延びるように設けられている。本実施形態では、冷却液流入路３３の内端である固定環２４の外周部に、環状の冷却液室５７が設けられている。また、冷却液流入路３３には、熱交換室１７内と軸方向の端部で連通するように連通孔部５８が設けられている。冷却液流出路３４は、一端が熱交換室１７の軸方向の端部に位置し、他端がベース部材５２の外周部に位置するように、ベース部材５２に対して径方向に延びるように設けられている。

クーリング部材３７は、第１実施形態と同様に、径方向に延びる封止液流路３８と、軸方向に延びる冷却液流路４２とを備える。封止液流路３８は、軸方向に間隔をあけて延びる３個の貫通孔５９を１組とし、周方向に等間隔をあけて設けられている。冷却液流路４２は、径方向に間隔をあけて延びる４個の貫通孔６０を１組とし、周方向に等間隔をあけて設けられている。そして、封止液流路３８と冷却液流路４２とは、周方向に交互に配置されている。

クーリング部材３７には、ベース部材５２側の端部に第１連通部４５が設けられ、ハウジング本体５３側の端部に第２連通部４６が設けられている。第１および第２連通部４５，４６は、第１実施形態と同様に、冷却液流入路３３から冷却液流出路３４に向けて全ての冷却液流路４２が直列に連通するように、一対の冷却液流路４２，４２だけを連通させ、他の冷却液流路４２は非連通状態になるように設けられている。また、クーリング部材３７とベース部材５２との間には第１シール部材４８が配設され、クーリング部材３７とハウジング本体５３の間には第２シール部材５０が配設されている。

このようにした第４実施形態では、第１実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。即ち、ハウジング１２の構成、封止液流路３８および冷却液流路４２の構成は、希望に応じて変更が可能である。そして、複数設けた冷却液流路４２を直列に連通させることにより、封止液と冷却液の熱交換効率を向上できる。

なお、第４実施形態のメカニカルシール１０においても、第２実施形態のように冷却液を２系統の通水経路に分流してもよいし、第３実施形態のように冷却液を別の２系統の通水経路に通水させてもよい。

（第５実施形態）
図９は第５実施形態のメカニカルシール１０を示す。この第５実施形態では、クーリング部材３７に対して、封止液を軸方向に流動させ、冷却液を径方向に流動させる。そして、クーリング部材３７には、封止液流入路２８から封止液流出路２９に向けて全ての封止液流路３８が直列に連通するように、第１および第２連通部４５，４６を設けた点で、第４実施形態と大きく相違する。

封止液流入路２８は、一端がポンピングリング１９の外周部に位置し、他端がクーリング部材３７の第１連通部４５に位置するように、ベース部材５２に対して径方向に延びるように設けられている。封止液流出路２９は、一端がクーリング部材３７の第２連通部４６に位置し、他端が摺動面２７の近傍に位置するように、ハウジング本体５３に対して径方向に延びるように設けられている。

冷却液流入路３３は、一端がハウジング本体５３の外周部に位置し、他端が冷却液室５７に位置するように、ハウジング本体５３に対して径方向に延びるように設けられている。また、冷却液流入路３３には、クーリング部材３７の内周部に位置するように連通孔部５８が設けられている。冷却液流出路３４は、一端がクーリング部材３７の外周部に位置し、他端がベース部材５２の外周部に位置するように、ベース部材５２に対して径方向に延びるように設けられている。

このようにした第５実施形態では、冷却液は、冷却液流入路３３から熱交換室１７内に流入され、クーリング部材３７の各冷却液流路４２を通って径方向外向きに流動した後、冷却液流出路３４を通って外部へ排出される。一方、封止液は、ポンピングリング１９によって封止液室１６内から封止液流入路２８を経て熱交換室１７内に流入され、全ての封止液流路３８を流動した後、封止液流出路２９を通って封止液室１６内に流入される。よって、封止液を冷却するための伝熱面積を十分に確保できるため、封止液を確実に冷却（熱交換）できる。

なお、第５実施形態のメカニカルシール１０においても、第２実施形態のように封止液を２系統の通水経路に分流してもよいし、第３実施形態のように封止液を別の２系統の通水経路に通水させてもよい。また、第１から第３実施形態のクーリング部材３７においても、封止液が全ての封止液流路３８を流動するように構成してもよい。

なお、本発明のメカニカルシール１０は、前記実施形態の構成に限定されず、種々の変更が可能である。

例えば、第１および第２連通部４５，４６は、クーリング部材３７に一体に設けたが、ハウジング１２に設けてもよい。各実施形態では、軸方向に延びる冷却液流路４２または封止液流路３８を直列に連通させたが、クーリング部材３７の外周部および内周部に位置する第１および第２連通部３９，４０により、径方向に延びる封止液流路３８または冷却液流路４２を直列に連通させてもよい。

また、クーリング部材３７には、１２個の封止液流路３８Ａ〜３８Ｌおよび冷却液流路４２Ａ〜４２Ｌを設けたが、少なくとも第１から第３の封止液流路３８Ａ〜３８Ｃおよび冷却液流路４２Ａ〜４２Ｃを設ければよい。また、回転環２２および固定環２４の具体的な形状は、摺動面２７の構成等の基本的な機能を実現できる限り、実施形態の構成に限定されない。また、封止液の循環手段もポンピングリング１９に限らず、封止液の循環を実現できる限り、実施形態の構成に限定されない。

１…ケーシング
２…回転軸
１０…メカニカルシール
１１…スリーブ
１２…ハウジング
１６…封止液室
１７…熱交換室
１９…ポンピングリング（循環手段）
２２…回転環
２４…固定環
２７…摺動面
２８…封止液流入路
２９…封止液流出路
３３，３３Ａ，３３Ｂ…冷却液流入路
３４，３４Ａ，３４Ｂ…冷却液流出路
３７…クーリング部材
３８，３８Ａ〜３８Ｌ…封止液流路
３９…第１連通部
４０…第２連通部
４２，４２Ａ〜４２Ｌ…冷却液流路
４４…連通路
４５Ａ〜４５Ｆ…第１連通部
４６Ａ〜４６Ｅ…第２連通部

Claims

流体機械のケーシングに固定され、前記流体機械の回転軸を貫通させたハウジングと、
前記回転軸と一体に回転するように、前記ハウジング内に配置された回転環と、
前記ハウジング内に回転不可能に配置され、前記回転環と当接して摺動面を形成する固定環と、
前記回転環および前記固定環の外周部に形成された封止液室と、
前記封止液室の外周部に形成された環状の熱交換室と、
前記封止液室と前記熱交換室とを連通させる封止液流入路および封止液流出路と、
前記熱交換室に連通され、前記ハウジング外の冷却液が循環供給される冷却液流入路および冷却液流出路と、
前記熱交換室内に配設され、径方向および軸方向の一方に延び前記封止液流入路から供給された封止液が流動する少なくとも第１から第３の封止液流路と、径方向および軸方向の他方に延び前記冷却液流入路から供給された冷却液が流動する少なくとも第１から第３の冷却液流路とを有し、前記封止液流路および前記冷却液流路を周方向に交互に位置するように隣接配置した円筒状のクーリング部材と、
前記封止液流入路から前記各封止液流路および前記封止液流出路を経て前記封止液室内へ封止液を循環させる循環手段と、
前記冷却液流路が延びる方向の一端側で前記第１および第２の冷却液流路を連通させ前記第３の冷却液流路を非連通状態とする第１連通部と、前記冷却液流路が延びる方向の他端側で前記第２および第３の冷却液流路を連通させ前記第１の冷却液流路を非連通状態とする第２連通部とを有し、前記冷却液流入路から前記冷却液流出路に向けて前記第１から第３の冷却液流路を直列に連通させる連通路と
を備え、
前記第１連通部と前記第２連通部は、前記冷却液流路が延びる方向の内側に窪むように、前記クーリング部材に形成された凹溝からなり、
前記凹溝は、前記クーリング部材を軸方向から見て円弧状に形成されていることを特徴とするメカニカルシール。
前記冷却液流路は、前記クーリング部材の軸方向に延びるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
前記第１から第３冷却液流路を有する通水経路を２以上設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のメカニカルシール。
流体機械のケーシングに固定され、前記流体機械の回転軸を貫通させたハウジングと、
前記回転軸と一体に回転するように、前記ハウジング内に配置された回転環と、
前記ハウジング内に回転不可能に配置され、前記回転環と当接して摺動面を形成する固定環と、
前記回転環および前記固定環の外周部に形成された封止液室と、
前記封止液室と前記熱交換室とを連通させる封止液流入路および封止液流出路と、
前記熱交換室に連通され、前記ハウジング外の冷却液が循環供給される冷却液流入路および冷却液流出路と、
前記熱交換室内に配設され、径方向および軸方向の一方に延び前記封止液流入路から供給された封止液が流動する少なくとも第１から第３の封止液流路と、径方向および軸方向の他方に延び前記冷却液流入路から供給された冷却液が流動する少なくとも第１から第３の冷却液流路とを有し、前記封止液流路および前記冷却液流路を周方向に交互に位置するように隣接配置した円筒状のクーリング部材と、
前記封止液流入路から前記各封止液流路および前記封止液流出路を経て前記封止液室内へ封止液を循環させる循環手段と、
前記封止液流路が延びる方向の一端側で前記第１および第２の封止液流路を連通させ前記第３の封止液流路を非連通状態とする第１連通部と、前記封止液流路が延びる方向の他端側で前記第２および第３の封止液流路を連通させ前記第１の封止液流路を非連通状態とする第２連通部とを有し、前記封止液流入路から前記封止液流出路に向けて前記第１から第３の封止液流路を直列に連通させる連通路と
を備え、
前記第１連通部と前記第２連通部は、前記冷却液流路が延びる方向の内側に窪むように、前記クーリング部材に形成された凹溝からなり、
前記凹溝は、前記クーリング部材を軸方向から見て円弧状に形成されていることを特徴とするメカニカルシール。