JP6886859B2 - 軸封装置 - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシールを備える軸封装置に関する。

従来、ポンプ等のケーシングと当該ケーシングに回転自在に支持された回転軸との間をシールするためのメカニカルシールを備えた軸封装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の軸封装置のメカニカルシールは、当該軸封装置が適用された機器のケーシングに取り付けられた静止環と、回転軸に取り付けられた回転環とを有している。

そして、前記メカニカルシールは、前記静止環と前記回転環との間に摺動部が形成されるように前記静止環の第１シール面と前記回転環の第２シール面とを摺接させて、前記機器で取り扱われる流体（被密封流体）が前記ケーシングの内部空間から外部空間へ前記ケーシングと前記回転軸との間を経て漏れることを防止できるように構成されている。

ここで、前記回転軸の回転により前記静止環と前記回転環とは互いに摺動するので、前記第１シール面と前記第２シール面とが互いに摺接した部分（前記静止環と前記回転環との間の摺動部）において熱が生じる。これにより前記摺動部の温度が上昇しつづけた場合、前記シール面の摩耗量が増加して、前記メカニカルシールが比較的早期に実用に耐えなくなる。

そのため、前記軸封装置においては、前記メカニカルシールにおける前記静止環と前記回転環との間の摺動部を冷却するための冷却手段として、前記被密封流体を摺動部付近に注入するフラッシング（セルフフラッシング）が採用されることがある。また、前記機器の種類によっては、前記被密封流体が高温であって前記摺動部に熱影響を与えることになるので、そのままの状態ではフラッシングに用いることができないこともある。

そこで、前記摺動部への熱影響を除去してフラッシングに用いることができるように、高温の被密封流体を冷却するためのクーラを設置することがある。また、セルフフラッシングではなく、被密封流体とは別の冷却用流体を機器の外部から導入する設備を設けて、当該冷却用流体を摺動部に注入するフラッシング（エキスターナルフラッシング）が採用されることがある。

しかしながら、これらの場合には、クーラや冷却用流体の導入設備等の付帯設備の設置によって前記機器への前記軸封装置の適用にかかるコストが増大したり、前記機器の熱効率の上で不利となったりするという問題があった。

特開２０１３−２４９８８８

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、メカニカルシールにおける静止環と回転環との間の摺動部の冷却を低コストで実現でき、かつ、適用される機器の熱効率を損なわないものにできる軸封装置の提供を目的とする。

本発明は、
ケーシングに取り付けられて軸方向機外側に配置されている静止環と、前記ケーシングに貫設された回転軸に取り付けられて軸方向機内側に配置されている回転環との摺動により被密封流体を機内領域に密封するメカニカルシールを備える軸封装置において、
前記機内領域のうちの前記メカニカルシールの軸方向機内側の側方を含む後方領域と、
前記機内領域のうちの前記静止環と前記回転環との間の摺動部の径方向外方を含む前方領域と、
前記前方領域と前記後方領域との間に形成され、被密封流体が流れる第１導入流路、第２導入流路および導出流路と、
前記後方領域において前記ケーシングの内周部に設けられており、冷却用流体が流入する冷却ジャケットと、
を有し、
前記第１導入流路は、前記後方領域に開口し、かつ、前記第２導入流路と接続され、
前記第２導入流路は、前記第１導入流路と接続され、かつ、前記前方領域に開口し、
前記導出流路は、前記前方領域に開口し、かつ、前記後方領域に開口している、ものである。

この構成によれば、被密封流体を前記後方領域と前記前方領域との間に溜めこみつつ、循環させることが可能となる。

そして、その被密封流体が、前記前方領域を流動する際に、前記摺動部において発生した熱を吸収することにより、前記摺動部が冷却される。

また、前記後方領域において、被密封流体は前記前方領域において吸収した熱を前記冷却ジャケットを介して前記冷却用流体に放出することにより、前被密封流体が冷却される。これにより、前記前方領域に向かって流れる前の段階にある被密封流体の温度を所定の温度以下にした状態で維持できる。したがって、前記前方領域において、被密封流体と前記摺動部とで熱交換を確実に行わせ、前記摺動部を継続して冷却できる。

そのため、前記摺動部を冷却するために、当該摺動部において発生する熱を除去するための付帯設備を別途設置する必要があるフラッシング等の従来の冷却手段を採用せずに済む。よって、前記摺動部の冷却を低コストで実現できる。

さらに、前記軸封装置によれば、被密封流体を前記後方領域と前記前方領域との間で循環させて、熱交換を行わせ、前記摺動部を冷却することとなる。つまり、主として前記前方領域と前記後方領域との間で閉じた熱サイクルを回すことができるので、前記軸封装置が適用された機器熱効率を損なわないものにできる。

本発明の別の態様によれば、
前記第１導入流路は、前記回転環の軸方向機内側に形成され、または、前記回転環の軸方向機内側の側方に当該回転環と連結して設けられている背面側環状部材に形成された、径方向に延びる放射状の孔から構成される。

この構成によれば、前記回転軸の回転により前記第１導入流路にポンピング作用が生じて、被密封流体を前記後方領域から前記前方領域へ強力に流動させることができる。そのため、被密封流体を前記後方領域と前記前方領域との間で円滑に循環させることができる。

本発明の更なる態様によれば、
前記第２導入流路は、前記回転環または前記背面側環状部材の径方向外方に当該回転環または当該背面側環状部材と連結して設けられている筒状部材の内周面と当該回転環または当該背面側環状部材の外周面との間に形成された、軸方向に延びる環状の間隙から構成される。

この構成によれば、低コストかつ簡易に前記第２導入流路を形成することができる。

本発明のまた別の態様によれば、
前記回転軸の外周面と前記冷却ジャケットの内周面との間にラビリンスシールが設けられる。

この構成によれば、被密封流体を、前記所定の温度以下に保持しつつ、前記後方領域および前記前方領域に溜めこむことが可能となる。そして、概ねこれらの後方領域および前方領域中に溜めこまれた被密封流体のみを用いて、前記静止環と前記回転環との間の摺動部を冷却できる。よって、前記後方領域において冷却された被密封流体が軸封部よりも機内側の領域に流入して、前記軸封装置が適用された機器の熱効率に悪影響が生じることを抑制できる。また、軸封部よりも機内側の領域に存在する高温の被密封流体が前記後方領域に流入して、当該後方領域における冷却作用に悪影響が生じることを抑制できる。
できる。

本発明によれば、メカニカルシールにおける静止環と回転環との間の摺動部の冷却を低コストで実現でき、かつ、適用される機器の熱効率を損なわないものにできる軸封装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る軸封装置の断面図である。 図１の部分拡大図である。 図１の別の部分拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る軸封装置の断面図である。 図４の部分拡大図である。

本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１に、本発明の第１実施形態に係る軸封装置１の断面図を示す。図２に、図１の部分拡大図を示す。

以下の説明において、軸方向機内側、軸方向機外側とは、それぞれ、図１に示す機内領域Ａの側、機外領域Ｂの側を指す。つまり、図１において、前者は右側であり、後者は左側である。

軸封装置１は、ポンプ、ブロワ、圧縮機、攪拌機を含む回転機器等の機器に適用されるものである。軸封装置１は、例えば、約２００℃以上の高温の流体を扱うボイラー給水用ポンプに適用され得る。図１および図２に示すように、軸封装置１は、所定の機器に適用され、ケーシング２と当該ケーシング２に貫設された回転軸３との間をシールできるように構成されている。

本実施形態において、ケーシング２は、本体ケース（機器のケース）５と、シールケース７とを有している。

本体ケース５は筒状に形成されており、その内部には、本体ケース５に対して回転自在に支持された状態の回転軸３が貫設されている。

シールケース７は、ケーシング２および回転軸３に対して用いられる後述のメカニカルシール１０を含む軸封部を収容するためのもの（スタフィングボックス）である。シールケース７は、筒状の部材の軸方向機外側の端面に底部４９が取り付けられることにより、有底の筒状に形成されている。シールケース７は、メカニカルシール１０を収容した状態で回転軸３を包囲しかつ本体ケース５の軸方向機外側の開口部を閉塞するように、本体ケース５にＯリング８を介して連結されている。

なお、シールケース７が別途設けられておらず、本体ケース５の軸方向機外側の端部がスタフィングボックスとなっていてもよい。また、シールケース７と底部４９は、別体ではなく、一体であってもよい。

回転軸３は、ケーシング２の内部空間（本体ケース５およびシールケース７の各々の内部空間）を通ってケーシング２の外部空間へ突出するように配置されている。回転軸３の外周面とケーシング２の内周面との間には、環状空間が形成されている。

回転軸３には、ケーシング２の内部空間と外部空間との間にわたって回転軸３を包囲するように、スリーブ２１がＯリング２３を介して外嵌されている。スリーブ２１の軸方向機外側の端部には、回転軸３の径方向に螺進可能なセットスクリュー２４が螺合されている。スリーブ２１は、セットスクリュー２４が締め付けられてその先端が回転軸３の外周面に当接することにより、回転軸３に対して相対回転不能に固定されている。

軸封装置１は、メカニカルシール１０を備えている。メカニカルシール１０は、静止環１１と、回転環１２とを有している。メカニカルシール１０は、ケーシング２と回転軸３との間をシールするために、静止環１１と回転環１２とを相対摺動可能に接触させるように構成されている。メカニカルシール１０は、静止環１１と回転環１２との摺動により、被密封流体を機内領域Ａ（ケーシング２の内部）に密封し、被密封流体が機外領域Ｂ（ケーシング２の外部）に漏れることを防止する。ここで、静止環１１と回転環１２とが互いに接触する部分が、摺動部１３である。

メカニカルシール１０は、当該メカニカルシール１０が適用された前記所定の機器において取り扱われる流体を被密封流体として、この被密封流体が、回転軸３の径方向に関して、静止環１１と回転環１２との間の摺動部１３の外周側（機内領域Ａの側）から内周側（機外領域Ｂの側）へ漏れることを防止できるインサイド形のメカニカルシールである。

静止環１１は、ケーシング２に取り付けられており、軸方向機外側に配置されている。本実施形態において、静止環１１は、環状の摺動部材１１ａおよび筒状の補強部材１１ｂから構成されている。摺動部材１１ａの材質は、カーボンやＳｉＣであり、補強部材１１ｂの材質は、チタン等の金属である。摺動部材１１ａは、その後端側（軸方向機外側）が補強部材１１ｂに焼嵌め等によって内嵌固定されている。

静止環１１は、補強部材１１ｂを介してシールケース７に取り付けられている。静止環１１は、シールケース７内において、回転軸３に外嵌固定されたスリーブ２１と隙間を有する状態でスリーブ２１を包囲し、シールケース７にＯリング１６を介して連結（内嵌）されている。

静止環１１は、補強部材１１ｂを介してシールケース７に取り付けられている。静止環１１は、シールケース７内において、回転軸３に外嵌固定されたスリーブ２１と隙間を有する状態でスリーブ２１を包囲し、シールケース７にＯリング１６を介して連結（内嵌）されている。

静止環１１は、軸方向において回転環１２と対向するように軸方向機外側に配置されている。静止環１１は、第１シール面（摺動面）１７を有している。より具体的には、摺動部材１１ａの先端面（軸方向機内側の端面）が第１シール面１７となる。

静止環１１は、固定ピン１９により、シールケース７に対して回り止めされている。本実施形態において、補強部材１１ｂは、ピン孔１８を有している。ピン孔１８には、底部４９の内壁に固定された固定ピン１９が挿通されている。

静止環１１は、付勢部材３０により、軸方向において回転環12の側に押圧されている。つまり、付勢部材３０は、静止環１１と回転環１２との間に摺動部１３が形成されるように、静止環１１を回転環１２に接近する方向に付勢するものである。本実施形態において、付勢部材３０は、コイルスプリングであり、その伸縮方向が回転軸３の軸方向となるように底部４９の内壁に形成された軸方向に延びるスプリング穴に保持されている。そして、付勢部材３０は、補強部材１１ｂの背面（軸方向機外側の側面）を押圧している。こうして、静止環１１（補強部材１１ｂおよびこれに内嵌固定された摺動部材１１ａ）が、シールケース７に対して、相対回転不能とされるとともに、回転軸３の軸方向へ相対移動可能とされている。

回転環１２は、スリーブ２１を介して回転軸３に取り付けられており、軸方向機内側に配置されている。本実施形態において、回転環１２は、環状の摺動部材１２ａおよび筒状の補強部材１２ｂから構成されている。摺動部材１２ａの材質は、カーボンやＳｉＣであり、補強部材１２ｂの材質は、チタン等の金属である。摺動部材１２ａは、その後端側（軸方向機内側）が補強部材１２ｂに焼嵌め等によって内嵌固定されている。

回転環１２は、筒状の取付部材であるスリーブ２１を介して、回転軸３に取り付けられている。回転環１２は、シールケース７内において、回転軸３に外嵌固定されたスリーブ２１を包囲するように、スリーブ２１にＯリング２５を介して連結（外嵌）されている。

回転環１２は、軸方向において静止環１１と対向するように軸方向機内側に配置されている。回転環１２は、第１シール面１７に対応する第２シール面（摺動面）２６を有している。より具体的には、摺動部材１２ａの先端面（軸方向機外側の端面）が第２シール面２６となる。

回転環１２の第２シール面２６は、第１シール面１７と摺接可能な形状とされている。第２シール面２６は、付勢部材３０によって回転環12の側に軸方向に押圧されている静止環１１の第１シール面１７と対向しかつ接触するように配置されている。このように第２シール面２６が第１シール面１７と接触した状態で回転軸３が回転することにより、静止環１１と回転環１２との間に摺動部１３が形成される。

回転環１２は、固定ピン２８により、スリーブ21に対して回り止めされている。本実施形態において、補強部材１２ｂは、ピン孔２７を有している。ピン孔２７には、スリーブ２１の外周壁に固定された固定ピン２８が挿通されている。こうして、回転環１２（補強部材１２ｂおよびこれに内嵌固定された摺動部材１２ａ）が、スリーブ２１（回転軸３）に対して、回転軸３の軸方向に相対移動不能とされるとともに、一体的に回転可能とされている。

これにより、メカニカルシール１０は、回転軸３の回転に伴って静止環１１の第１シール面１７を回転環１２の第２シール面２６に摺接させて、静止環１１と回転環１２との間の摺動部１３を生じさせる。したがって、被密封流体を機内領域Ａに密封し、被密封流体が機外領域Ｂへ漏れることを防止できる。

図３に、図１の別の部分拡大図を示す。

図１、図２および図３に示すように、軸封装置１は、メカニカルシール１０のほか、冷却機構４０を備えている。冷却機構４０は、メカニカルシール１０における静止環１１と回転環１２との間の摺動部１３を冷却するためのものである。冷却機構４０は、導入流路５１と、導出流路５６とを有している。導入流路５１は、第１導入流路４３と第２導入流路５５とから構成される。

本実施形態において、冷却機構４０は、静止環１１と回転環１２との間の摺動部１３を冷却するために、機内領域Ａに存在する被密封流体を用いる。被密封流体は、例えば水であり、被密封流体はスタフィングボックス内の環状空間に溜めこまれた状態でケーシング２内に存在し得るものである。

後方領域４１は、機内領域Ａのうち、メカニカルシール１０の軸方向機内側の側方を含む領域であり、導入流路５１の入口５１ａおよび導出流路５６の出口５６ｂが臨む領域である。

後方領域４１には、導入流路５１の入口５１ａ付近の領域であって、スリーブ２１の軸方向機内側の端部の内周面と回転軸３の外周面との間に形成された環状の領域である、冷却機構４０の入口領域４７が含まれる。

後方領域４１は、導入流路５１（第１導入流路４３および第２導入流路５５）および導出流路５６を間に挟んで、後述する前方領域４２と連通している。

後方領域４１は、その径方向の幅が軸方向機内側に向かうに従って狭くなるように形成されている。

本実施形態において、後方領域４１は、シールケース７および冷却ジャケット６１の内周面と、回転軸３の外周面との間に形成されている環状の領域である。後方領域４１は、軸方向機内側に連続して形成されている環状の隙間６６を介して、本体ケース５内の機器領域３５と連通している。こうして、前記所定の機器で取り扱われる流体が被密封流体として機器領域３５から後方領域４１に導入され得るようになっている。

前方領域４２は、機内領域Ａのうち、メカニカルシール１０の静止環１１と回転環１２との間の摺動部１３の径方向外方を含む領域であり、導入流路５１の出口５１ｂおよび導出流路５６の入口５６ａが臨む領域である。

前方領域４２には、導入流路５１の出口５１ｂ付近の領域であって、静止環１１と回転環１２との間の摺動部１３と径方向外方において対向する領域である、対向領域４８が含まれる。

前方領域４２は、導入流路５１（第１導入流路４３および第２導入流路５５）および導出流路５６を間に挟んで、後方領域４１と連通している。

本実施形態において、前方領域４２は、シールケース７内において、シールケース７の内周面とメカニカルシール１０の外周面との間に形成されている環状の領域である。

第１導入流路４３、第２導入流路５５および導出流路５６は、後方領域４１と前方領域４２との間に形成されている。

第１導入流路４３は、回転環１２（補強部材１２ｂ）に形成された、径方向に延びる放射状の孔から構成されている。第１導入流路４３は、径方向内側において後方領域４１に開口し、かつ、径方向外側において第２導入流路５５と接続されている。第１導入流路４３は、後方領域４１に存在する被密封流体を第２導入流路５５へ導くためのものである。

第１導入流路４３は、回転部材である回転環１２に形成されているため、回転軸３の回転により第２導入流路５５にポンピング作用が生じて、被密封流体は、後方領域４１から前方領域４２へ強力に流動する。

本実施形態において、第１導入流路４３は、スリーブ２１とこれに外嵌された補強部材１２ｂとにわたって設けられている。第１導入流路４３は、スリーブ２１および補強部材１２ｂに連続的に貫設された貫通孔から構成されている。

第１導入流路４３は、スリーブ２１および補強部材１２ｂの軸方向機内側において径方向に直線状に延在するように形成されている。第１導入流路４３は、その延在方向の全域にわたって略一定の流路断面積を有している。第１導入流路４３は、１つまたは複数設けられている。第１導入流路４３は、スリーブ２１および補強部材１２ｂに複数備えられる場合、周方向に所定間隔ごとに配置される。

第１導入流路４３の延在方向一端部（径方向内側の端部）は、開口部からなり、スリーブ２１の内周面に備えられている。第１導入流路４３の延在方向他端部（径方向外側の端部）は、開口部からなり、補強部材１２ｂの外周面に備えられている。そして、第１導入流路４３の一端部は、導入流路５１の入口５１ａとなり、後方領域４１と連通するとともに、第１導入流路４３の他端部は、第２導入流路５５と連通している。

第２導入流路５５は、回転環１２（補強部材１２ｂ）の径方向外方に回転環１２と連結して設けられている筒状部材としてのフローガイド４４の内周面と回転環１２の外周面との間に形成された、軸方向に延びる環状の間隙から構成されている。第２導入流路５５は、軸方向機内側において前記第１導入流路４３と接続され、かつ、軸方向機外側において前記前方領域４２に開口している。第２導入流路５５の一端部は、第１導入流路４３と連通するとともに、第２導入流路５５の他端部は、導入流路５１の出口５１ｂとなり、前方領域４２と連通している。第２導入流路５５は、第１導入流路４３を流れてきた被密封流体を前方領域４２（対向領域４８）へ導くためのものである。

第２導入流路５５は、その延在方向の全域にわたって略一定の流路断面積を有している。

第２導入流路５５は、筒状部材としてのフローガイド４４を追加するだけで、低コストかつ簡易に形成されている。

導出流路５６は、筒状部材としてのフローガイド４４の外周面とケーシング２（シールケース７）の内周面との間に形成された、軸方向に延びる環状の間隙から構成されている。導出流路５６は、軸方向機外側において前方領域４２に開口し、かつ、軸方向機内側において後方領域４１に開口している。導出流路５６の一端部は、入口５６ａとなり、前方領域４２と連通するとともに、導出流路５６の他端部は、出口５６ｂとなり、後方領域４１と連通している。導出流路５６は、前方領域４２に存在する被密封流体を後方領域４１へ導くためのものである。

ここで、導出流路５６は、連続して形成された軸方向機外側の第１導出流路５６Ａと軸方向機内側の第２導出流路５６Ｂとから構成され、第１導出流路５６Ａは、その径方向の幅が軸方向機内側に向かうに従って狭くなるように形成され、第２導出流路５６Ｂは、その径方向の幅が一定に形成されている。本実施形態において、導出流路５６の外周側の流路壁は、シールケース７の内周面によって構成される。そして、第１導出流路５６Ａの径方向外方のシールケース７の内周面はテーパ内周面５３であり、第２導出流路５６Ｂの径方向外方のシールケース７の内周面は直線状内周面であることにより、第１導出流路５６Ａは、その延在方向の軸方向機内側に向かうに従って流路断面積が徐々に小さくなるように形成され、第２導出流路５６Ｂは、その延在方向の全域にわたって流路断面積が略一定となるように形成されている。つまり、導出流路５６は、軸方向機内側（後方領域４１側）が絞られるように構成されている。

導出流路５６は、回転部材であるフローガイド４４の径方向外方に形成されているため、回転軸３の回転により遠心力でシールケース７の内周面に到達した被密封流体は、テーパ内周面５３に沿って軸方向機内側（後方領域４１側）へ誘導される。

フローガイド４４は、機内領域Ａを径方向に区画することにより、第２導入流路５５および導出流路５６をそれぞれ形成すべく、回転環１２に取り付けられている。すなわち、フローガイド４４は、機内領域Ａ（前方領域４２）の一部領域を複数の領域（ここでは、第２導入流路５５および導出流路５６）に分割するためのものである。

本実施形態において、フローガイド４４は、軸方向断面視でＬ字状を呈する筒状体から構成されており、スリーブ２１とこれに外嵌された補強部材１２ｂの軸方向機内側の側方から回転環１２の径方向外方にわたって設けられている。

フローガイド４４は、連結部５７と、ガイド部５８とを有している。

連結部５７は、径方向に延在するように設けられている。連結部５７は、スリーブ２１および補強部材１２ｂの軸方向機内側の側方（後方領域４１側）においてそれらの側面に密着した状態で連結されている。

ガイド部５８は、連結部５７の径方向外側の端部を基点として軸方向機外側へ延在するように設けられている。ガイド部５８は、回転環１２の径方向外方においてその外周面と隙間を有する状態で設けられている。ガイド部５８は、回転軸３の径方向に関して、回転環１２（摺動部材１２ａおよび補強部材１２ｂ）と所定間隔隔てて配置されるとともに、シールケース７と所定間隔隔てて配置されている。

フローガイド４４は、また、屈曲部５９を有している。屈曲部５９は、ガイド部５８の軸方向機外側の端部を基点として軸方向機外側へ延在するように設けられている。屈曲部５９は、その内径が第１導入流路４３側から対向領域４８側に向かうに従って小さくなるように先端が径方向内側に倒れ込む形状の環状に形成されている。屈曲部５９は、対向領域４８の手前付近まで延びるように、ガイド部５８の軸方向機外側の端部に設けられている。屈曲部５９は、第２導入流路５５を流れる被密封流体を対向領域４８に向かって流れやすくするためのものである。

こうして、フローガイド４４によって、機内領域Ａが区画され、第２導入流路５５および導出流路５６に分割される。より具体的には、回転環１２とフローガイド４４（ガイド部５８）との間の環状の領域に第２導入流路５５が形成され、フローガイド４４（ガイド部５８）とシールケース７との間の環状の領域に導出流路５６が形成される。

熱交換部４５は、後方領域４１に存在する被密封流体を冷却するために当該被密封流体と熱交換を行うためのものである。熱交換部４５は、冷媒としての冷却用流体Ｓが流入する冷却ジャケット６１を備えており、例えば、タンクジャケット式の冷却ジャケット６１を用いることができる。冷却ジャケット６１は、後方領域４１においてケーシング２（本体ケース５）の内周部に設けられている。本実施形態において、冷却ジャケット６１は、径方向外側が開放された凹部を有する筒状のものであり、後方領域４１の少なくとも一部を包囲するように、本体ケース５の内周面にＯリングを介して内嵌されている。冷却ジャケット６１は、本体ケース５の内周部の一部として備えられていてもよいし、シールケース７の内周部に設けられていてもよい。

熱交換部４５は、冷媒としての冷却用流体Ｓ（本実施形態においては、冷却水）を冷却用流体供給路６３、冷却ジャケット６１、冷媒冷却用流体排出路６４の順に適宜流通させて、後方領域４１に接する冷却ジャケット６１中の冷却用流体Sと後方領域４１中の被密封流体とが熱交換を行うように構成されている。

このような構成により、軸封装置１においては、まず、前記所定の機器で取り扱われる流体（被密封流体）が後方領域４１と前方領域４２との間に溜めこまれる。そして、その状態が維持されたまま、前記所定の機器の運転により回転軸３と共に回転環１２（摺動部材１２ａおよび補強部材１２ｂ）が回転すると、後方領域４１の入口領域４７に存在する被密封流体に遠心力が与えられる。

そのため、入口領域４７に存在する被密封流体が、第１導入流路４３に径方向内側の一端部（導入流路５１の入口５１ａ）から流れ込む。この被密封流体は、第１導入流路４３を流れて、その径方向外側の他端部を経て、第２導入流路５５に送り出される。第２導入流路５５に送り出された被密封流体は、フローガイド４４に案内されつつ対向領域４８に向かって第２導入流路５５を流れる。

対向領域４８に到達した被密封流体は、静止環１１と回転環１２との間の摺動部１３に触れた後、前方領域４２の外周側を軸方向機内側へ転回するように導出流路５６に向かって流れる。導出流路５６に到達した被密封流体は、フローガイド４４に案内されつつ後方領域４１に向かって導出流路５６を流れる。

このような被密封流体の流動が、回転軸３が回転しているときに繰り返しつくりだされる。つまり、被密封流体が、後方領域４１（入口領域４７）、導入流路５１（第１導入流路４３および第２導入流路５５）、前方領域４２（対向領域４８）、導出流路５６、後方領域４１の順に、後方領域４１と前方領域４２との間を循環することとなる。そして、被密封流体の循環時、後方領域４１においては、被密封流体が、熱交換部４５（冷却ジャケット６１）と熱交換を行って、所定の温度以下となるように冷却されることとなる。

したがって、被密封流体を、略前記所定の温度以下の状態で、後方領域４１から第１導入流路４３および第２導入流路５５を介して前方領域４２の対向領域４８に到達させることが可能となる。よって、回転軸３の回転に伴って静止環１１および回転環１２が相対摺動することにより摺動部１３に熱が生じるが、対向領域４８において、被密封流体と摺動部１３とで熱交換を行って、この摺動部１３を冷却できる。

すなわち、被密封流体を後方領域４１と前方領域４２との間に溜めこみつつ、回転軸３の回転により第１導入流路４３等を用いて被密封流体の流れを引き起し、被密封流体を後方領域４１と前方領域４２との間で循環させることが可能となる。そして、その被密封流体が、前方領域４２を流動する際に、対向領域４８において摺動部１３に接触して、摺動部１３において発生した熱を吸収することにより、摺動部１３が冷却される。つまり、対向領域４８は、被密封流体が熱を吸熱する吸熱領域となる。

また、後方領域４１において、被密封流体は前方領域４２において吸収した熱を冷却ジャケット６１を介して冷却用流体Ｓに放出することにより、被密封流体が冷却される。つまり、後方領域４１は、被密封流体が熱を放熱する放熱領域となる。これにより、前方領域４２（対向領域４８）に向かって流れる前の段階にある被密封流体の温度を、前記所定の温度以下にした状態で維持できる。したがって、前方領域４２（対向領域４８）において、被密封流体と摺動部１３とで熱交換を確実に行わせ、摺動部１３を継続して冷却できる。

そのため、軸封装置１によれば、メカニカルシール１０における静止環１１と回転環１２との間の摺動部１３を冷却するために、この摺動部１３において発生する熱を除去するための付帯設備を別途設置する必要があるフラッシング等の従来の冷却手段を採用せずに済む。よって、摺動部１３の冷却を低コストで実施できる。

さらに、軸封装置１によれば、被密封流体を後方領域４１と前方領域４２との間で循環させて、熱交換を行わせ、摺動部１３を冷却することとなる。つまり、主として前方領域４２と後方領域４１との間で閉じた熱サイクルを回すことができるので、軸封装置１が適用された機器の熱効率を損なわないものにできる。

また、本実施形態においては、第１導入流路４３は、回転環１２の軸方向機内側に形成された、径方向に延びる放射状の孔から構成されている。したがって、回転軸３の回転により第１導入流路４３にポンピング作用が生じて、被密封流体を後方領域４１から前方領域４２へ強力に流動させることができる。そのため、被密封流体を後方領域４１と前方領域４２との間で円滑に循環させることができる。

また、本実施形態においては、第２導入流路５５は、回転環１２にそれと連結して設けられている筒状部材としてのフローガイド４４の内周面と回転環１２の外周面との間に形成された、軸方向に延びる環状の間隙から構成されている。したがって、低コストかつ簡易に第２導入流路５５を形成することができる。

また、本実施形態において、後方領域４１が、被密封流体を回転軸３の外周面と冷却ジャケット６１の内周面との環状の隙間６６を介して導入し得るように構成されている。

そして、図３に示すように、隙間６６には、ラビリンスシール６７が設けられている。

ラビリンスシール６７は、複数の環状凸部６８と複数の環状凹部６９とを有し、環状を呈するように構成されている。複数の環状凸部６８は、軸方向に並置され、各々が回転軸３に向かって突出するように冷却ジャケット６１の内周面に設けられている。複数の環状凹部６９は、各々が隣り合う環状凸部６８の間に位置するように冷却ジャケット６１の内周面に設けられている。このように、ラビリンスシール６７は、クランク状に曲折した断面形状を有している。つまり、冷却ジャケット６１の内周面にラビリンスシール用のフィンが設けられている。

被密封流体が、隙間６６を通って、一旦本体ケース５側（機器領域３５）から後方領域４１および前方領域４２に導入されると、これら両者間で被密封流体の入れ替わりが起きるのを阻害できる（即ち、後方領域４１および前方領域４２中の被密封流体を本体ケース５側から極力隔離できる）ようになっている。つまり、機内領域Ａの軸封部の領域（スタフィングボックス内）とそれよりも機内側の領域との間での被密封流体の流動を遮ることができるようになっている。

したがって、被密封流体を、前記所定の温度以下に保持しつつ、後方領域４１および前方領域４２に溜めこむことが可能となる。そして、概ねこれらの後方領域４１および前方領域４２中に溜めこまれた被密封流体のみを用いて、静止環１１と回転環１２との間の摺動部１３を冷却できる。よって、後方領域４１において冷却された被密封流体が軸封部よりも機内側の領域に流入して、軸封装置１が適用された機器の熱効率に悪影響が生じることを抑制できる。また、軸封部よりも機内側の領域に存在する高温の被密封流体が後方領域４１に流入して、後方領域４１における冷却作用に悪影響が生じることを抑制できる。

なお、第１導入流路４３は、本実施形態においてはスリーブ２１および補強部材１２ｂに設けているが、回転軸の回転に伴い前述のような送出作用（ポンピング作用）を奏し得る回転部材に設ければよい。

次に、本発明の第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図４に、本発明の第２実施形態に係る軸封装置７１を示す。図５に、図４の部分拡大図を示す。なお、以下では、第１実施形態に係る軸封装置１と実質的に同一の構成には、同一の符号を付してその説明を適宜省略する。

本実施形態に係る軸封装置７１は、第１実施形態に係る軸封装置１に備えるメカニカルシール１０が静止形であるのに対して当該軸封装置７１に備えるメカニカルシール８０が回転形である点で、第１実施形態に係る軸封装置１と相違する。なお、軸封装置７１におけるメカニカルシール８０は、メカニカルシール１０と同様にインサイド形である。

図４および図５に示すように、メカニカルシール８０において、静止環１１は、シールケース７に固定されるように、ケーシング２に取り付けられている。回転環１２は、スリーブ２１を介して回転軸３に取り付けられている。回転環１２の軸方向機内側の側方には、環状カラー８２と、背面側環状部材としてのスプリングリテーナ８３と、付勢部材３０とが備えられている。

環状カラー８２は、シールケース７内において、スリーブ２１に外嵌固定され、かつ、回転環１２（補強部材１２ｂ）の軸方向機内側の側方においてその側面に密着した状態で連結されている。

スプリングリテーナ８３は、スリーブ２１に外嵌固定され、かつ、環状カラー８２の軸方向機内側の側方においてその側面と所定間隔離間した状態で設けられている。

付勢部材３０は、静止環１１と回転環１２との間に摺動部１３が形成されるように、回転環１２を静止環１１に接近する方向に付勢するものである。付勢部材３０は、スプリングリテーナ８３に形成された軸方向に延びるスプリング穴に保持されている。そして、付勢部材３０は、回転環１２（補強部材１２ｂ）の背面（軸方向機内側の側面）を押圧している。こうして、回転環１２（補強部材１２ｂおよびこれに内嵌固定された摺動部材１２ａ）および環状カラー８２が、スリーブ２１（回転軸３）に対して、回転軸３の軸方向に相対移動可能とされるとともに、一体的に回転可能とされている。

これにより、メカニカルシール８０は、回転軸３の回転に伴って回転環１２の第２シール面２６を静止環１１の第１シール面１７に摺接させて、静止環１１と回転環１２との間の摺動部１３を生じさせる。したがって、被密封流体を機内領域Ａに密封し、被密封流体が機外領域Ｂへ漏れることを防止できる。

そして、冷却機構４０が、導入流路５１と、導出流路５６とを有している。導入流路５１は、第１導入流路８５と第２導入流路５５とから構成される。

第１導入流路８５は、スプリングリテーナ８３に形成された、径方向に延びる放射状の孔から構成されている。第１導入流路８５は、径方向内側において後方領域４１に開口し、かつ、径方向外側において第２導入流路５５と接続されている。第１導入流路８５は、後方領域４１に存在する被密封流体を第２導入流路５５へ導くためのものである。

本実施形態において、第１導入流路８５は、スリーブ２１と、これに外嵌されたスプリングリテーナ８３とに設けられている。第１導入流路８５は、スリーブ２１とスプリングリテーナ８３とに連続的に貫設された貫通孔から構成されている。

第１導入流路８５は、スリーブ２１の軸方向機内側およびスプリングリテーナ８３の軸方向中央側において径方向に直線状に延在するように形成されている。第１導入流路８５は、その延在方向の全域にわたって略一定の流路断面積を有している。第１導入流路８５は、１つまたは複数設けられている。第１導入流路８５は、スリーブ２１およびスプリングリテーナ８３に複数備えられる場合、周方向に所定間隔ごとに配置される。

第１導入流路８５の延在方向一端部（径方向内側の端部）は、開口部からなり、スリーブ２１の内周面に備えられている。第１導入流路８５の延在方向他端部（径方向外側の端部）は、開口部からなり、スプリングリテーナ８３の外周面に備えられている。そして、第１導入流路８５の一端部９１は、導入流路５１の入口５１ａとなり、後方領域４１と連通するとともに、第１導入流路８５の他端部は、第２導入流路５５と連通している。

フローガイド８６は、軸方向断面視でＬ字状を呈する筒状体から構成されており、スリーブ２１とこれに外嵌されたスプリングリテーナ８３の軸方向機内側の側方から回転環１２の径方向外方にわたって設けられている。

フローガイド８６は、連結部９５と、ガイド部９６とを有している。

連結部９５は、径方向に延在するように設けられている。連結部９５は、スリーブ２１およびスプリングリテーナ８３の軸方向機内側の側方（後方領域４１側）においてそれらの側面に密着した状態で連結されている。

ガイド部９６は、連結部９５の径方向外側の端部を基点として軸方向機外側へ延在するように設けられている。ガイド部９６は、回転環１２の径方向外方においてその外周面と隙間を有する状態で設けられている。ガイド部９６は、回転軸３の径方向に関して、回転環１２（摺動部材１２ａおよび補強部材１２ｂ）と所定間隔隔てて配置されるとともに、シールケース７と所定間隔隔てて配置されている。

こうして、フローガイド８６によって、機内領域Ａが区画され、第２導入流路５５および導出流路５６に分割される。より具体的には、回転環１２とフローガイド８６（ガイド部９６）との間の環状の領域に第２導入流路５５が形成され、フローガイド８６（ガイド部９６）とシールケース７との間の環状の領域に導出流路５６が形成される。

このような構成により、第１実施形態による作用効果と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、第２実施形態においても、メカニカルシール８０における静止環１１と回転環１２との間の摺動部１３の冷却を低コストで実施できる。さらに、軸封装置７１が適用された機器の熱効率を損なわないものにできる。

なお、上述の教示を考慮すれば、本発明が多くの変更形態および変形形態をとり得ることは明らかである。したがって、本発明が、添付の特許請求の範囲内において、本明細書に記載された以外の方法で実施され得ることを理解されたい。

例えば、第１導入流路４３または８５は、回転環１２やスプリングリテーナ８３に形成されていなくてもよく、回転環１２の軸方向機内側の側方に設けられている他の背面側環状部材（例えば環状カラー８２）に形成されていてもよい。また、軸封装置１または７１において、スリーブ２１が設けられていなくてもよく、メカニカルシール１０または８０の回転部材がスリーブ２１を介することなく回転軸３に直接取り付けられていてもよい。また、ラビリンスシール用のフィンは、冷却ジャケット６１の内周面ではなく回転軸３の外周面に設けられていてもよいし、冷却ジャケット６１の内周面および回転軸３の外周面の双方に設けられていてもよい。

１ 軸封装置
２ ケーシング
３ 回転軸
１０ メカニカルシール
１１ 静止環
１２ 回転環
１３ 摺動部
４１ 後方領域
４２ 前方領域
４３ 第１導入流路
４４ フローガイド（筒状部材）
５５ 第２導入流路
５６ 導出流路
６１ 冷却ジャケット
６７ ラビリンスシール
８０ メカニカルシール
８３ スプリングリテーナ（背面側環状部材）
８５ 第１導入流路
８６ フローガイド（筒状部材）

Claims (4)

1. ケーシングに取り付けられて軸方向機外側に配置されている静止環と、前記ケーシングに貫設された回転軸に取り付けられて軸方向機内側に配置されている回転環との摺動により被密封流体を機内領域に密封するメカニカルシールを備える軸封装置において、
   前記機内領域のうちの前記メカニカルシールの軸方向機内側の側方を含む後方領域と、
   前記機内領域のうちの前記静止環と前記回転環との間の摺動部の径方向外方を含む前方領域と、
   前記後方領域に開口している一端を含み、前記回転軸に対して垂直に延在し、前記回転軸と共に回転することにより、前記後方領域から被密封流体を導入する第１導入流路と、
   一端が前記第１導入流路の他端に接続され、他端が前記前方領域に開口しており、前記第１導入流路から流入する被密封流体を前記前方領域へ導く第２導入流路と、
   一端が前記前方領域に開口し、他端が前記後方領域に開口しており、被密封流体を前記前方領域から前記後方領域へ導く導出流路と、
   前記後方領域において前記ケーシングの内周部に設けられており、冷却用流体が流入する冷却ジャケットと、
   を有する軸封装置。
2. 前記第１導入流路は、前記回転環の軸方向機内側に形成され、または、前記回転環の軸方向機内側の側方に当該回転環と連結して設けられている背面側環状部材に形成された、径方向に延びる放射状の孔から構成されている、請求項１に記載の軸封装置。
3. 前記第２導入流路は、前記回転環または前記背面側環状部材の径方向外方に当該回転環または当該背面側環状部材と連結して設けられている筒状部材の内周面と当該回転環または当該背面側環状部材の外周面との間に形成された、軸方向に延びる環状の間隙から構成されている、請求項２に記載の軸封装置。
4. 前記回転軸の外周面と前記冷却ジャケットの内周面との間にラビリンスシールが設けられている、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の軸封装置。

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