JP6445388B2

JP6445388B2 - 軸封装置

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Publication number: JP6445388B2
Application number: JP2015099475A
Authority: JP
Inventors: 崇人福本; 優記冨田
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2015-05-14
Filing date: 2015-05-14
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2035-05-14
Also published as: JP2016217372A

Description

本発明は、ポンプ、攪拌機等の回転機器に装備される軸封装置であって、特に、端面接触形メカニカルシールである一次シール及び二次シールにより、当該回転機器の機内領域と機外領域とを両シール間に形成された封液領域を介して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として、例えば、特許文献１又は特許文献２に開示される如く、回転機器の軸封部ハウジングに取り付けられたシールケースとこれを洞貫する当該回転機器の回転軸との間に端面接触形メカニカルシールである一次シール及び二次シールを軸線方向に縦列配置して、当該回転機器の機内領域と機外領域とを両シール（メカニカルシール）間に形成された封液領域を介してシールするように構成したものが公知である。

而して、一次シール及び二次シールである端面接触形メカニカルシールは、回転軸及びシールケースの一方に設けた可動密封環とその他方に設けた固定密封環との相対回転摺接作用によりシール機能を発揮するものであるから、両密封環の相対回転摺接部分であるシール部分が摩擦熱により異常摩耗や歪を発生したり、極端な場合には密封環が熱損（熱割れ）する等のトラブルを生じ、長期に亘って良好なシール機能を発揮し得ないといった問題が生じる。このため、特許文献１の図１に開示された軸封装置（以下「第１従来軸封装置」という）及び特許文献２の図６に開示された軸封装置（以下「第２従来軸封装置」という）では、シールケースに封液の給排路（封液供給路及び封液排出路）を設けて封液領域に封液を循環供給させ、この封液により一次シールのシール部分（以下「一次シール部分」という）及び二次シールのシール部分（以下「二次シール部分」という）を潤滑、冷却することにより上記した問題の発生を防止するようにしている。

特開２００２−２３５８５８公報ＷＯ２００９／１０７６４０公報

ところで、端面接触形メカニカルシールはシールケースと回転軸との間に装填されるものであるから、二つのメカニカルシール（一次シール及び二次シール）を縦列配置してなる軸封装置では、当然のことながら、単一のメカニカルシールで構成される軸封装置に比してシールケースの軸線方向長さが長くなる。而して、第２従来軸封装置では、シールケースをその全体を軸封部ハウジング外に位置させた状態で当該ハウジングに取り付けているため、シールケースが軸封部ハウジング外に大きくはみ出して、回転機器に占める軸封装置の設置スペース（軸線方向のスペースであり、以下「軸封装置設置スペース」という）が大きくなり、軸封装置を含めた回転機器全体が大型化するといった問題がある。

一方、第１従来軸封装置は、シールケースの基端部分をその先端部分を軸封部ハウジングに突入させた状態で当該ハウジングに取り付け、シールケースの先端部分と回転軸との間に一次シールを配置すると共にシールケースの基端部分と回転軸との間に二次シールを配置し、つまり二つのメカニカルシールのうち一次シールであるメカニカルシールが軸封部ハウジング内に位置する状態で回転機器に組み込むように構成されたものであり、軸封部ハウジング外にはみだすシールケース部分（基端部分）の軸線方向長さを小さくできるものであるから、第２従来軸封装置に比して、回転機器に占める軸封装置設置スペースを大幅に小さく（略半減）することができ、軸封装置を含めた回転機器全体の可及的なコンパクト化を実現することができる。

しかし、第１従来軸封装置にあっては、封液を給排させる封液供給路及び封液排出路は配管を接続する等のため軸封部ハウジング外のシールケース部分（基端部分）に形成しておく必要があるため、封液の給排箇所（封液供給路の下流側開口部及び封液排出路の上流側開口部）が軸封部ハウジング内に位置する一次シールのシール部分（一次シール部分）から遠くなり、一次シール部分との距離が極めて長くなる。このため、封液供給路から供給された封液が一次シール部分へと円滑に流動し難く、その結果、封液による潤滑、冷却機能が二次シール部分については効果的に発揮されても、一次シール部分については十分に発揮されず、一次シールによるシール機能が良好に発揮されないといった問題が生じ、特に高負荷条件下（高ＰＶ値条件下）では安定したシール機能を期待できない。

本発明は、第１従来軸封装置と同様に回転機器に占める軸封装置設置スペースを小さくできるものでありながら、一次シール及び二次シールのシール部分を封液により効果的に潤滑、冷却することができ、高負荷条件下でも良好且つ安定したシール機能を発揮す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、先端部分を回転機器の軸封部ハウジング内に突入させた状態で当該ハウジングに取り付けたシールケースとこれを洞貫する当該回転機器の回転軸との間に、各々が可動密封環と固定密封環との相対回転摺接作用によりシール機能を発揮する端面接触形メカニカルシールであって当該ハウジング内に位置する一次シールと当該ハウジング外に位置する二次シールとを軸線方向に縦列配置して、機内領域と機外領域とを当該両シール間に形成された封液領域を介してシールするように構成すると共に、軸封部ハウジング外に位置するシールケースの基端部分に形成した封液供給路及び封液排出路により封液領域に封液を循環供給するように構成した軸封装置において、上記の課題を解決すべく、特に、シールケースの内周面に封液排出路に連通する環状凹部を形成すると共に、回転軸に一次シールと二次シールとの間に位置して外周面が当該環状凹部に近接対向する封液導入リングを固定し、封液導入リングに当該リングより一次シール側の封液領域部分（以下「一次側封液領域部分」という）と二次シール側の封液領域部分（以下「二次側封液領域部分」という）とを連通する連通孔を形成すると共に、封液導入リングの外周面に当該リングの一次シール側の端面に開口する複数個の凹溝を形成し、シールケースの内周面に、一次シールにおける両密封環の相対回転摺接部分に対向する位置から前記環状凹部へと漸次拡径する截頭円錐状のテーパ面を形成しておくことを提案するものである。

かかる軸封装置にあっては、前記環状凹部の周方向一箇所に当該環状凹部内の封液流動を阻止する堰を設けて、環状凹部における堰の近傍位であって当該堰より回転軸の回転方向と逆方向に偏倚した位置において封液排出路を連通させておくことが好ましい。

また、シールケースの内周面に前記環状凹部の二次シール側に位置して当該環状凹部に連通する第２の環状凹部を形成すると共に、封液導入リングの外周部に当該第２の環状凹部に近接対向する円筒状の突起部を形成し、この突起部に第２の環状凹部と前記二次側封液領域部分とを連通する導入孔を形成しておくことが好ましい。この場合において、第２の環状凹部の周方向一箇所であって前記環状凹部の堰から回転軸の回転方向に所定量隔たった位置に第２の環状凹部内の封液流動を阻止する第２の堰を設けると共に、シールケースの内周面に突設されて前記環状凹部と第２の環状凹部とを区画する環状壁に、前記両堰間において当該両環状凹部を連通する連通口を形成しておくことが好ましい。

さらには、一次シールの可動密封環と二次シールの可動密封環とが、前記封液導入リングの両側に位置して回転軸に軸線方向移動可能に保持されており、両可動密封環が封液導入リングに形成された前記連通孔に挿通保持された共通のスプリングによりシールケースに設けられた各シールの固定密封環へと押圧附勢されるように構成しておくことが好ましい。

本発明の軸封装置は、一次シールを軸封部ハウジング内に位置させることにより軸封装置を含めた回転機器全体のコンパクト化を実現できるといった第１従来軸封装置と同様の利点を有するものでありながら、一次シール部分（一次シールにおける固定密封環と可動密封環との相対回転摺接部分）の封液による潤滑、冷却が不十分ないし不良であるといった第１従来軸封装置が有していた問題を解決したものであり、当該シール部分を良好に潤滑、冷却し得て、高負荷条件下においても良好なシール機能を発揮させることができる、極めて実用的価値大なるものである。

すなわち、本発明の軸封装置にあっては、回転する凹溝により一次側封液領域部分の当該凹溝近傍部分において一次側封液領域部分から凹溝を経て環状凹部への封液流れが生じ、この封液流れによって、一次側封液領域部分においては一次シール部分の周辺からテーパ面に沿って凹溝に向かう封液流れが生じる。そして、この封液流れによって、封液導入リングの連通孔から一次側封液領域部分へと流入した封液が一次シール部分へと導かれることになる。したがって、本発明の軸封装置によれば、封液供給路から二次側封液領域部分に供給された封液が、二次側封液領域部分に位置する二次シール部分（二次シールにおける固定密封環と可動密封環との相対回転摺接部分）を潤滑、冷却した上で、連通孔から一次側封液領域部分へと流入して一次シール部分へと流動して、一次シール部分を潤滑、冷却し、更にテーパ面に沿って凹溝へと流動して、凹溝から環状凹部を経て封液排出路へと流出されることになり、二次シール部分については勿論、封液給排口（封液供給路の下流開口部及び封液排出路の上流開口部）から遠距離に位置する一次シール部分についても、封液による潤滑、冷却を良好に行うことができ、高負荷条件下においても良好且つ安定したシール機能を発揮させることができる。

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は図１と異なる位置で断面した図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１のIV−IV線に沿う断面図である。図５は図１のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。図６は本発明に係る軸封装置の変形例を示す図３対応の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面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は図１と異なる位置で断面した図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１のIV−IV線に沿う断面図であり、図５は図１のＶ−Ｖ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における左右を意味するものとする。

図１に示す軸封装置Ｍは、ポンプ、攪拌機等の回転機器の軸封部ハウジング（スタフィンボックス）１に取り付けたシールケース２とこれを同心状に洞貫する水平軸である当該回転機器の回転軸３との間に一次シール４及び二次シール５を回転軸３の軸線方向（以下、単に「軸線方向」という）に縦列配置して、当該回転機器の内部領域である機内領域Ａとその外部領域である機外領域（この例では大気領域）Ｂとを両シール４，５間に形成された封液領域Ｃを介してシールするように構成したものであって、封液領域Ｃに封液６を循環供給させる封液循環供給手段７を設けたものである。

シールケース２は、図１及び図２に示す如く、先端部分２１を軸封部ハウジング１内に突入させると共に回転軸３が同心状に洞貫する状態で基端部分２２，２３を当該ハウジング１に取り付けた円筒状構造物である。シールケース２の基端部分は、軸封部ハウジング１の基端部（後端部）に衝合する第１基端部分２２とその基端部（後端部）に衝合する第２基端部分２３とに分離構成されており、先端部分２１は第１基端部分２２の先端部（前端部）に一体形成されている。すなわち、シールケース２は、図１に示す如く、第１基端部分２２と第２基端部分２３とを複数個の連結ボルト２４（１個のみ図示）により一体連結すると共に先端部分２１を軸封部ハウジング１内に嵌入させた状態で、軸封部ハウジング１に植設した複数個の固定ボルト２５（１個のみ図示）にこれらを第１及び第２基端部分２２，２３のボルト孔（図示せず）に挿通させた上でナット２６を螺合、締め付けることにより、軸封部ハウジング１に取り付けられている。なお、第１基端部分２２と軸封部ハウジング１との衝合部分及び両基端部分２２，２３の衝合部分には、夫々、Ｏリング２７，２８が装填されている。

回転軸３は、図１及び図２に示す如く、軸本体にスリーブ３１を挿通固定したものである。スリーブ３１は、図１に示す如く、先端部３１ａがシールケース２の先端部分２１の基端部（後端部）２１ａに対応する位置に位置すると共に基端部３１ｂがシールケース２外に位置する状態で、固定リング３２により回転軸３に挿通固定されている。すなわち、スリーブ３１は、その基端部３１ｂに適当数のセットスクリュー３２ａにより固定リング３２を固定すると共に固定リング３２に螺合させた適当数のセットスクリュー３２ｂを回転軸３に締め付けることにより、回転軸３に固定されている。

一次シール４は、図１に示す如く、軸封部ハウジング１内に配置された機内領域側の端面接触形メカニカルシールであり、シールケース２の先端部分２１に固定された第１固定密封環４１とその機外領域側（後側）に配してスリーブ３１にＯリング４２を介して軸線方向移動可能（前後方向移動可能）に保持された第１可動密封環４３とこれを第１固定密封環４１へと押圧接触させる第１スプリング４４とを具備して、両密封環４１，４３の対向端面である密封端面４１ａ，４３ａの相対回転摺接作用によりその相対回転摺接部分であるシール部分（一次シール部分）４１ａ，４３ａの内周側領域である機内領域Ａとその外周側領域である封液領域Ｃとを遮蔽シールするように構成されている。

第１固定密封環４１は、図１に示す如く、シールケース２の先端部分２１の先端部（前端部）２１ｂにＯリング４５及びドライブピン４６を介して内嵌固定されており、その先端面（後端面）は軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面４１ａに構成されている。第１可動密封環４３は、図１に示す如く、スリーブ３１の先端部３１ａにＯリング４２を介して軸線方向移動可能に嵌合保持されており、第１スプリング４４により第１固定密封環４１に押圧接触すべく附勢されている。第１可動密封環４３の先端面（前端面）は第１固定密封環４１の密封端面４１ａに直対向しており、軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面４３ａに構成されている。第１可動密封環４３は、図２に示す如く、その基端面（後端面）にドライブリング４７をドライブピン４７ａを介して相対回転不能に衝合させると共に、図１に示す如く、ドライブリング４７に突設したドライブピン４８をスリーブ３１に固定したスプリングリテーナ７４に形成したドライブ孔７４ｅに係合させることにより、スリーブ３１つまり回転軸３に対する相対回転を阻止されている。

二次シール５は、図１に示す如く、軸封部ハウジング１外に配置された機外領域側の端面接触形メカニカルシールであり、シールケース２の第２基端部分２３に固定された第２固定密封環５１とその機内領域側（前側）に配してスリーブ３１にＯリング５２を介して軸線方向移動可能（前後方向移動可能）に保持された第２可動密封環５３とこれを第２固定密封環５１へと押圧接触させる第２スプリング５４とを具備して、両密封環５１，５３の対向端面である密封端面５１ａ，５３ａの相対回転摺接作用によりその相対回転摺接部分であるシール部分（二次シール部分）５１ａ，５３ａの内周側領域である機外領域Ｂとその外周側領域である封液領域Ｃとを遮蔽シールするように構成されている。

第２固定密封環５１は、図１に示す如く、シールケース２の第２基端部分２３の基端部（後端部）にＯリング５５及びドライブピン５６を介して内嵌固定されており、その先端面（前端面）は軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面５１ａに構成されている。第２可動密封環５３は、図１に示す如く、第１可動密封環４３と第２固定密封環５１との間に配して、スリーブ３１の中間部であってシールケース２の第１基端部分２２に対応する部分にＯリング５２を介して軸線方向移動可能に嵌合保持されており、第２スプリング５４により第２固定密封環５１に押圧接触すべく附勢されている。第２可動密封環５３の先端面（後端面）は第２固定密封環５１の密封端面５１ａに直対向しており、軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面５３ａに構成されている。第２可動密封環５３は、図２に示す如く、その基端面（前端面）にドライブリング５７をドライブピン５７ａを介して相対回転不能に衝合させると共に、ドライブリング５７に突設したドライブピン５８を前記スプリングリテーナ７４に形成したドライブ孔７４ｆに係合させることにより、スリーブ３１つまり回転軸３に対する相対回転を阻止されている。

第１スプリング４４及び第２スプリング５４は、図１及び図４に示す如く、ドライブリング４７，５７間に周方向に等間隔を隔てて装填させた複数個のコイルスプリング４４ａで構成された共通部材とされていて、図１及び図３に示す如く、当該コイルスプリング４４ａをスプリングリテーナ７４に周方向に等間隔を隔てて軸線方向に貫通形成された複数個のスプリング保持孔７４ｃに挿通保持させることにより、両可動密封環４３，５３を各固定密封環４１，５１へと押圧附勢している。

封液循環供給手段７は、図１に示す如く、シールケース２の基端部分２２，２３に形成された封液供給路７１及び封液排出路７２と、シールケース２の内周面に形成された環状凹部７３と、一次シール４と二次シール５との間に位置して回転軸３に固定された封液導入リング７４と、シールケース２の先端部分２１の内周面に形成されたテーパ面７５とを具備して、機内領域Ａ（及び大気領域Ｂ）より高圧の封液６を封液領域Ｃにおいて循環流動させるように構成されている。

封液供給路７１は、図１に示す如く、シールケース２の第２基端部分２３にこれを径方向に貫通して形成されていて、その上流端に接続された適宜の封液供給装置（図示せず）により封液６が供給されるようになっている。封液供給路７１の下流端は、図１に示す如く、シールケース２の第２基端部分２３の内周面において二次シール５における両密封環５１，５３の相対回転摺接部分５１ａ，５３ａつまり第２シール部分５１ａ，５３ａに対向する位置に開口されており、封液６を後述する封液導入リング７４より二次シール５側の封液領域部分（二次側封液領域部分）Ｃ２へと供給する。

封液排出路７２は、図１に示す如く、シールケース２の第１基端部分２２にこれを径方向に貫通して形成されていて、その下流端から前記封液供給装置へと封液６を排出するようになっている。

環状凹部７３は、図１〜図３に示す如く、シールケース２の第１基端部分２２の先端部内周面（前端部内周面）に形成されている。この例では、シールケース２の内周面に、当該環状凹部（以下「第１環状凹部」という）７３に加えて、第１環状凹部７３の二次シール側（後側）に隣接して第２の環状凹部（以下「第２環状凹部」という）７６を形成してある。すなわち、シールケース２の第１基端部分２２の基端部内周面（後端部内周面）に、図１〜図３に示す如く、第１環状凹部７３に隣接して第２環状凹部７６を形成してある。両環状凹部７３，７６間は、シールケース２の基端部分２２の内周面に突設した環状壁７７で仕切られている。なお、第１環状凹部７３の深さ（径方向厚み）及び幅（軸線方向長さ）は第２環状凹部７６の深さ（径方向厚み）及び幅（軸線方向長さ）より大きく設定されている。

第１環状凹部７３の周方向一箇所には、図４及び図５に示す如く、当該環状凹部７３内における流体流動（封液流動）を阻止する堰（以下「第１堰」という）７３ａが設けられている。第１堰７３ａの近傍位であって回転軸３の回転方向（以下、単に「回転方向」という）Ｒと反対方向側の位置において、図４に示す如く、封液排出路７２の上流端が連通接続されている。第２環状凹部７６の周方向一箇所であって回転方向Ｒにおいて第１堰７３ａから所定距離（例えば、第１堰７３ａが設けられた円周部分の１／４〜１／８程度の距離）離れた箇所には、図５に示す如く、当該環状凹部７６内における流体流動（封液流動）を阻止する第２の堰（以下「第２堰」という）７６ａが設けられている。環状壁７７には、図４及び図５に示す如く、第１環状凹部７３における第１堰７３ａより回転方向Ｒ側の部分と第２環状凹部７６における第２堰７６ａより回転方向Ｒと反対方向側の部分とを連通する連通口７７ａが切欠形成されている。すなわち、連通口７７ａは、回転方向Ｒにおける環状壁７７の第１堰７３ａから第２堰７６ａに至る部分を切欠くことによって形成されている。なお、両環状凹部７３，７６の内周開口面及び環状壁７７の内周面の径は同一とされている。

封液導入リング７４は、図１〜図３に示す如く、前記スプリングリテーナ７４として兼用されており、両シール４，５間つまりドライブリング４７，５７間に位置して回転軸３に固定された断面方形状の円環状体である。封液導入リング７４の外周部には、図１〜図３に示す如く、二次シール部分５１ａ，５３ａ方向（後方）に突出して第２可動密封環５３（及びドライブリング５７）を囲繞する円筒状の突起部７４ａが一体形成されている。封液導入リング７４は、図４に示す如く、径方向に螺合させた複数個のセットスクリュー７８をスリーブ３１に締め付けることにより回転軸３に固定されている。突起部７４ａを含む封液導入リング７４の外周面は、環状凹部７３，７６に近接対向していて、環状凹部７３，７６の開口面を全面的に閉塞している。封液導入リング７４の軸線方向長さは、その外周面が第１環状凹部７３の開口面における一次シール４側の部分を閉塞するように設定されており、突起部７４ａの軸線方向長さは、その外周面が第１環状凹部７３の開口面における当該一次シール４側の部分を除く部分及び第２環状凹部７６の開口面を閉塞するように設定されている。すなわち、封液領域Ｃは、シールケース２の内周面における環状凹部７３，７６が形成された部分に外周面が近接対向する封液導入リング７４（突起部７４ａを含む）により、一次側封液領域部分（当該リング７４より一次シール側の封液領域部分）Ｃ１と二次側封液領域部分Ｃ２とに区画されている。

封液導入リング７４の外周面には、図１〜図４に示す如く、当該リング７４の一次シール側の端面（前端面）に開口する複数個の凹溝７４ｂが形成されている。すなわち、封液導入リング７４の外周面には、軸線方向において一次側封液領域部分Ｃ１に向けて開口する（図３参照）と共に径方向において第１環状凹部７３に向けて開口する複数個の断面方形状の凹溝７４ｂが周方向に等間隔を隔てて形成されている。

また、封液導入リング７４には、図１、図３及び図４に示す如く、径方向において凹溝７４ｂよりリング内周側に位置して、当該リング７４を軸線方向に貫通して一次側封液領域部分Ｃ１と二次側封液領域部分Ｃ２とを連通する複数個の連通孔７４ｃが形成されている。この例では、各連通孔７４ｃを、コイルスプリング４４ａを挿通保持させるスプリング保持孔７４ｃで兼用している。また、封液導入リング７４に形成された突起部７４ａには、図１、図３及び図５に示す如く、第２環状凹部７６に対応する位置に配して、当該突起部７４ａを径方向に貫通して第２環状凹部７６と二次側封液領域部分Ｃ２とを連通する複数個の導入孔７４ｄが周方向に等間隔を隔てて形成されている。なお、前記連通孔７４ｃ及び導入孔７４ｄの個数ないし孔径は、二次側封液領域部分Ｃ２から全連通孔７４ｃを通過して一次側封液領域部分Ｃ１へと流入する封液量が二次側封液領域部分Ｃ２から全導入孔７４ｄを通過して第２環状凹部７６へと流入する封液量より小さくなるように設定されている。

また、シールケース２の先端部分２１の内周面であって一次シール４のシール部分（一次シール部分）４１ａ，４３ａに対応する位置から第１環状凹部７３に至る部分は、図１及び図２に示す如く、第１環状凹部７３へと漸次拡径する截頭円錐状のテーパ面７５に形成されている。

ところで、この例では、シールケース２の基端部（第２基端部分２３の後端部）にスリーブ３１に近接して嵌合するブッシュシール８を固定して、二次シール５のシール部分（二次シール部分）５１ａ，５３ａの内周側領域をシールケース２外の領域（機外領域Ｂ）と区画するクエンチング室に形成してある。このクエンチング室には、図２に示す如く、シールケース２の第２基端部分２３に形成したクエンチング液通路９ａから適宜のクエンチング液が供給されるようになっている。また、シールケース２の第２基端部分２３には、図１に示す如く、上記クエンチング室に開口するドレン通路９ｂが形成されている。

さらに、この例では、軸封装置Ｍを、シールケース２並びにこれに設けられる両メカニカルシール４，５の構成部材群（第１及び第２固定密封環４１，５１等）からなる静止側密封要素とスリーブ３１並びにこれに設けられる両メカニカルシール４，５の構成部材群（第１及び第２可動密封環４３，５３等）からなる回転側密封要素とを、図１に鎖線図示する如く、複数個（１個のみ図示）のセットプレート１０の基端部をボルト１０ａによりシールケース２の外端面（第２基端部分２３の後端面）に取り付けると共に当該セットプレート１０の先端部をスリーブ３１の基端部３１ｂに形成した環状凹部３１ｃに係合させることによって、当該軸封装置の使用形態（図１及び図２に示す運転状態における形態）と同一の形態に一体連結しうるカートリッジ形のものに構成してある。したがって、静止側密封要素と回転側密封要素とをセットプレート１０で一体連結した形態で、つまり当該軸封装置を使用形態に組立てた状態のまま、回転機器への組み込み及び回転機器からの取り外しを行うことができる。すなわち、セットプレート１０の脱着操作、セットスクリュー３２ｂによるスリーブ３１の回転軸３への脱着操作及びナット２６によるシールケース２の軸封部ハウジング１への脱着操作により、当該軸封装置の組み込み作業及び取り外し作業を容易に行いうるように工夫されている。

以上のように構成された軸封装置Ｍにあっては、図３に示す如く、封液供給路７１から封液領域Ｃに供給された封液６が、シールケース２に形成された環状凹部７３，７６及びテーパ面７５並びに回転軸３に設けられた封液導入リング７４によって、封液領域Ｃの全域を二次側封液領域部分Ｃ２から一次側封液領域部分Ｃ１へと停滞することなく円滑に流動し、二次側封液領域部分Ｃ２における二次シール部分５１ａ，５３ａ及び一次側封液領域部分Ｃ１における一次シール部分４１ａ，４３ａを良好に潤滑、冷却した上で封液排出路７２から排出される。

すなわち、封液供給路７１から二次側封液領域部分Ｃ２に供給された封液６は、図３に矢印６ａで示す如く、二次シール部分５１ａ，５３ａを潤滑、冷却した上で、封液導入リング７４方向（前方）へと流動する。そして、その封液６の一部は、図３に矢印６ｂで示す如く、封液導入リング７４の突起部７４ａに形成された導入孔７４ｄから第２環状凹部７３へと流入し、その残部は、同図に矢印６ｃで示す如く、封液導入リング７４の連通孔７４ｃから一次側封液領域部分Ｃ１に流入する。なお、連通孔７４ｃから一次側封液領域部分Ｃ１に流入する封液量は、導入孔７４ｄから第２環状凹部７３に流入する封液量より少なくなる。

このとき、回転軸３により回転される封液導入リング７４の外周面に一次側封液領域部分Ｃ１及び第１環状凹部７６に向けて開口する複数個の凹溝７４ｂが形成されていることから、一次側封液領域部分Ｃ１における凹溝７４ｂ付近の封液６が、回転する凹溝７４ｂによって第１環状凹部７３へと強制導入されることになる。すなわち、凹溝７４ｂの近傍においては、図３に矢印６ｉで示す如く、一次側封液領域部分Ｃ１から凹溝７４ｂを通過して第１環状凹部７３へと向かう封液６の強制的な流れが発生する。そして、シールケース２の内周面における一次シール部分４１ａ，４３ａに対応する位置から第１環状凹部７３に至る部分が第１環状凹部７３へと漸次拡径するテーパ面７５に形成されていることから、一次側封液領域部分Ｃ１においては、上記の封液流れ６ｉ及び封液６に働く遠心力の分力（テーパ面７５と平行する分力）によって、図３に矢印６ｈで示す如く、一次シール部分４１ａ，５１ａ周辺からテーパ面７５に沿って凹溝７４ｂへと向かう封液流れが生じる。

したがって、連通孔７４ｃから一次側封液領域Ｃ１に流入した封液６は、上記の封液流れ６ｈによって、図３に矢印６ｅ，６ｆで示す如く、第１可動密封環４３の外周面に沿って一次シール部分４１ａ，４３ａへと導かれて、一次シール部分４１ａ，４３ａを潤滑、冷却する。さらに、一次シール部分４１ａ，４３ａを潤滑、冷却した封液６は、上記の封液流れ６ｈにより、図３に矢印６ｇで示す如く、シールケース２の先端部分２１の内周面へと向かい、当該内周面における一次シール部分４１ａ，４３ａに対応する位置から第１環状凹部７３に至る部分が第１環状凹部７３へと漸次拡径するテーパ面７５に形成されていることから、上記した如く凹溝７４ｂから第１環状凹部７３に向かう封液６の強制的な流れ６ｉによって、テーパ面７５に沿って凹溝７４ｂへと流動することになる。すなわち、一次側封液領域部分Ｃ１においては、連通孔７４ｃから一次シール部分４１ａ，５１ａへと向かい、更に一次シール部分４１ａ，５１からテーパ面７５に沿って凹溝７４ｂへと流動する封液流れが形成され、封液６が一次側封液領域部分Ｃ１６の全域を停滞することなく流動することになる。

そして、凹溝７４ｂから第１環状凹部７３に流入した封液６は、図４に矢印６ｊで示す如く、環状凹部７３内を回転方向（凹溝７４ｂの回転方向）Ｒに流動し、その流動を第１環状凹部７３に設けられた第１堰７３ａに阻止されて、同図に矢印６ｋで示す如く、第１堰７３ａの近傍に連通された封液排出路７２へと排出される。また、導入孔７４ｄから第２環状凹部７６に流入した封液６は、図５に矢印６ｂで示す如く、第２環状凹部７６内を導入孔７ｄの回転方向Ｒに流動し、図３〜図５に矢印６ｄで示す如く、その流動を第２環状凹部７６に設けられた第２堰７６ａに阻止されて環状壁７７の連通口７７ａから第１環状凹部７３へと流入し、第１環状凹部７３から封液排出路７２へと直接に排出されることなく、上記の封液流れ６ｉ，６ｊと合流して第１環状凹部７３内を回転方向Ｒに流動した上で当該第１環状凹部７３から封液排出路７２へと排出される。

このように、封液供給路７１から封液領域Ｃに供給された封液６は、二次側封液領域部分Ｃ２から一次側封液領域部分Ｃ１を経て封液排出路７２へと封液領域Ｃ全体に亘って停滞することなく円滑に流動されるから、軸封部ハウジング１外（シールケース２の基端部分２２，２３内）に位置する二次シール部分５１ａ，５３ａについては勿論、軸封部ハウジング１内（シールケース２の先端部分２１内）に位置する一次シール部分４１ａ，４３ａについても封液６による潤滑、冷却が良好に行われる。なお、一次側封液領域部分Ｃ１においては、封液６が回転する連通孔７４ｃから流入すると共に回転する凹溝７４ｂから流出することから、封液６が攪拌されつつ一次シール部分４１ａ，４３ａの全周に亘って流動することになり、封液排出路７２の上流端がシールケース２の周方向一箇所で開口されているにも拘らず、封液６による潤滑、冷却が当該シール部分４１ａ，４３ａの全周に亘って均一且つ良好に行われることになる。また、二次側封液領域部分Ｃ２においても、封液６が回転する連通孔７４ｃ及び導入孔７４ｄへと流出することから、封液６が攪拌されつつ流動することになり、封液供給路７１の下流端がシールケース２の周方向一箇所で開口されているにも拘らず、封液６による二次シール部分５１ａ，５３ａの潤滑、冷却が当該シール部分５１ａ，５３ａの全周に亘って均一且つ良好に行われることになる。

ところで、封液領域Ｃの圧力Ｐ１、機内領域Ａの圧力Ｐ２及び機外領域（大気領域）の圧力Ｐ３はＰ１＞Ｐ２＞Ｐ３となっているから、一次シール部分４１ａ，４３ａに作用する負荷（Ｐ１−Ｐ２）は二次シール部分５１ａ，５３ａに作用する負荷（Ｐ１−Ｐ３）より小さくなり、その結果、密封環の相対回転摺接による一次シール部分４１ａ，４３ａの発熱量は二次シール部分５１ａ，５３ａの発熱量より小さくなり、一次シール部分４１ａ，４３ａを潤滑、冷却するに必要な封液量は二次シール部分５１ａ，５３ａを潤滑、冷却するに必要な封液量より少なくて足りる。したがって、二次側封液領域部分Ｃ２から連通孔７４ｃを経て一次側封液領域部分Ｃ１に流入する封液量を、上記した如く、二次側封液領域部分Ｃ２から導入孔７４ｄを経て環状凹部７２，７３に流入する封液量より少なくなるように設定しておくことにより、一次シール部分４１ａ，４３ａ及び二次シール部分５１ａ，５３ａにそれらの発熱量に応じた封液量が供給されることになり、一次シール部分４１ａ，４３ａ及び二次シール部分５１ａ，５３ａの封液６による潤滑、冷却がより効率良く且つ効果的に行われることになる。

したがって、上記した軸封装置Ｍにあっては、シールケース２の先端部分２１を軸封部ハウジング１内に突入させて一次シール４を軸封部ハウジング１内に配置していることから、第１従来軸封装置と同様に、第２従来軸封装置に比して回転機器に占める軸封装置設置スペースを大幅に小さく（略半減）することができ、軸封装置を含めた回転機器全体の可及的なコンパクト化を実現することができる。しかも、封液６を封液領域Ｃ全体に停滞させることなく円滑に流動させ得て、封液領域Ｃにおいて封液供給路７１及び封液排出路７２の開口部から遠距離に位置する一次シール部分４１ａ，４３ａの封液６による潤滑、冷却を効果的に行い得て、第１従来軸封装置と異なって、高負荷条件下においてもシール機能を良好且つ安定して発揮させることができる。

なお、本発明に係る軸封装置の構成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において適宜に改良，変更することができる。

例えば、第１及び第２スプリング４４，５４は、これらを兼用せず独立部材として、図６に示す如く、封液導入リング７４として兼用されるスプリングリテーナ７４とドライブリング４７，５７との間に各別に装填するようにしてもよい。かかる場合、封液導入リング７４には、その周方向に等間隔を隔てて並列する適当数の連通孔７４ｃが形成される。また、第１及び第２スプリング４４，５４を上記した如く兼用する場合にあって、スプリング保持孔を連通孔７４ｃとして兼用するのみでは二次側封液領域部分Ｃ２から当該連通孔７４ｃを通過して一次側封液領域部分Ｃ１へ流入する封液量が不足する場合には、スプリング保持孔として兼用する連通孔７４ｃに加えて、スプリング保持孔として兼用しない連通孔７４ｃを適当数形成しておく。

また、上記した例では、第１及び第２固定密封環４１，５１をシールケース２に設けると共に第１及び第２可動密封環４３，５３を回転軸３（スリーブ３１）に設け、封液循環リング７４をスプリングリテーナと兼用するようにしたが、両固定密封環４１，５１の両方又は何れか一方を回転軸３に設けると共に両可動密封環４３，５３の両方又は一方をシールケース２に設けておくことができ、封液導入リング７４をスプリングリテーナと兼用しない独立部材としておくことも可能である。例えば、両固定密封環４１，５１を回転軸３に設けるときは、当該両固定密封環４１，５１間に配してスプリングリテーナとして兼用しない封液導入リング７４を回転軸３（スリーブ３１）に固定しておく。かかる場合にあっては、各可動密封環４３，５３をシールケース２に軸線方向移動可能に保持させると共に、各可動密封環４３，５３とシールケース２に形成した各スプリングリテーナとの間に各々スプリング４４，５４を装填しておく。

また、上記した例では、環状凹部（第１環状凹部）７３に加えて第２の環状凹部（第２環状凹部）７６を設けると共に、封液導入リング７４に形成した突起部７４ａに第２環状凹部７６と二次側封液領域部分Ｃ２とを連通する導入孔７４ｄを設けたが、第２環状凹部７６及び導入孔７４ｄを設けず第１環状凹部７３のみを設けておくことも可能である。かかる場合にあって、突起部７４ａを設けるときは当該突起部７４ａを含む封液導入リング７４の外周面により、また突起部７４ａを設けないときは当該リング７４の外周面により、第１環状凹部７３の内周開口面が全面的に閉塞されるように構成しておくことが好ましい。

１軸封部ハウジング
２シールケース
３回転軸
４一次シール（端面接触形メカニカルシール）
５二次シール（端面接触形メカニカルシール）
６封液
７封液循環供給手段
８ブッシュシール
９ａクエンチング液通路
９ｂドレン通路
１０セットプレート
１０ａボルト
２１シールケースの先端部分
２１ａ先端部分の基端部
２１ｂ先端部分の先端部
２２第１基端部分（シールケースの基端部分）
２３第２基端部分（シールケースの基端部分）
２４連結ボルト
２５固定ボルト
２６ナット
２７Ｏリング
２８Ｏリング
３１スリーブ
３１ａスリーブの先端部
３１ｂスリーブの基端部
３１ｃ環状溝
３２固定リング
３２ａセットスクリュー
３２ｂセットスクリュー
４１第１固定密封環
４１ａ密封端面
４２Ｏリング
４３第１可動密封環
４３ａ密封端面
４４第１スプリング
４５Ｏリング
４６ドライブピン
４７ドライブリング
４８ドライブピン
５１第２固定密封環
５１ａ密封端面
５２Ｏリング
５３第２可動密封環
５３ａ密封端面
５４第２スプリング
５５Ｏリング
５６ドライブピン
５７ドライブリング
５８ドライブピン
７１封液供給路
７２封液排出路
７３第１環状凹部（環状凹部）
７３ａ第１堰（堰）
７４封液導入リング
７４ａ突起部
７４ｂ凹溝
７４ｃ連通孔
７４ｄ導入孔
７４ｅドライブ孔
７４ｆドライブ孔
７５テーパ面
７６第２環状凹部（第２の環状凹部）
７６ａ第２堰（第２の堰）
７７環状壁
７７ａ連通口
７８セットスクリュー
Ａ機内領域
Ｂ機外領域
Ｃ封液領域
Ｃ１一次側封液領域部分（封液導入リングより一次シール側の封液領域部分）
Ｃ２二次側封液領域部分（封液導入リングより二次シール側の封液領域部分）
Ｍ軸封装置
Ｒ回転方向

Claims

先端部分を回転機器の軸封部ハウジング内に突入させた状態で当該ハウジングに取り付けたシールケースとこれを洞貫する当該回転機器の回転軸との間に、各々が可動密封環と固定密封環との相対回転摺接作用によりシール機能を発揮する端面接触形メカニカルシールであって当該ハウジング内に位置する一次シールと当該ハウジング外に位置する二次シールとを軸線方向に縦列配置して、機内領域と機外領域とを当該両シール間に形成された封液領域を介してシールするように構成すると共に、軸封部ハウジング外に位置するシールケースの基端部分に形成した封液供給路及び封液排出路により封液領域に封液を循環供給するように構成した軸封装置において、
シールケースの内周面に封液排出路に連通する環状凹部を形成すると共に、回転軸に一次シールと二次シールとの間に位置して外周面が当該環状凹部に近接対向する封液導入リングを固定し、
封液導入リングに当該リングより一次シール側の封液領域部分と二次シール側の封液領域部分とを連通する連通孔を形成すると共に、封液導入リングの外周面に当該リングの一次シール側の端面に開口する複数個の凹溝を形成し、
シールケースの内周面に、一次シールにおける両密封環の相対回転摺接部分に対向する位置から前記環状凹部へと漸次拡径する截頭円錐状のテーパ面を形成してあることを特徴とする軸封装置。
前記環状凹部の周方向一箇所に当該環状凹部内の封液流動を阻止する堰を設けて、環状凹部における堰の近傍位であって当該堰より回転軸の回転方向と逆方向に偏倚した位置において封液排出路を連通させてあることを特徴とする、請求項１に記載する軸封装置。
シールケースの内周面に前記環状凹部の二次シール側に位置して当該環状凹部に連通する第２の環状凹部を形成すると共に、封液導入リングの外周部に当該第２の環状凹部に近接対向する円筒状の突起部を形成し、この突起部に第２の環状凹部と前記二次シール側の封液領域部分とを連通する導入孔を形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。
第２の環状凹部の周方向一箇所であって前記環状凹部の堰から回転軸の回転方向に所定量隔たった位置に第２の環状凹部内の封液流動を阻止する第２の堰を設けると共に、シールケースの内周面に突設されて前記環状凹部と第２の環状凹部とを区画する環状壁に、前記両堰間において当該両環状凹部を連通する連通口を形成してあることを特徴とする、請求項３に記載する軸封装置。
一次シールの可動密封環と二次シールの可動密封環とが、前記封液導入リングの両側に位置して回転軸に軸線方向移動可能に保持されており、両可動密封環が封液導入リングに形成された前記連通孔に挿通保持された共通のスプリングによりシールケースに設けられた各シールの固定密封環へと押圧附勢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。