JPH0220803B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、軸封装置に係り、とくに、ビスコシ
ールを用いて、カリウム蒸気等の化学的に活性な
流体や、極低温（たとえば、−273℃付近）や高温
（たとえば、600℃以上）の流体を密封可能な軸封
装置を提供するものである。

〔従来の技術〕

従来から、たとえば溶融金属等の高温流体を密
封するものとして竪型のナトリウムポンプの軸封
装置が実用化されているが、該装置の許容流体温
度は600℃以下となつており、この温度を超える
高温の溶融金属シールに関しては、宇宙工学等特
殊分野の限定された条件下における設例が散見さ
れる程度で、一般産業レベルでの長期間安定稼動
はこれまで不可能とされてきた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の軸封装置は、このような高温流体や、
極低温流体さらに化学的に活性な流体を密封する
ことを主な目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段ならびにその作用〕

本発明は、上記目的を達成するため、基本的に
密封部にビスコシールを用いる構成とした。ここ
にビスコシールとは、非接触式シールの一種であ
るネジ式粘性シールをいい、各種回転機器の回転
軸周面および該回転軸を挿通するハウジングの軸
孔内壁面の一方または双方にネジを刻設してな
り、回転軸の回転方向に応じて軸方向の一方から
他方へ向けて流体を移送する働きをなす。このよ
うなビスコシールを被密封流体に近い側に軸方向
に並べて一対配し、この一対のビスコシールの中
間（対向部）に向つて加圧作用が行われるように
構成し、さらに液槽から適宜圧力の密封流体を送
給したので、被密封流体の温度や化学的性質にか
かわらず十分なシール効果を期待できる。そし
て、液槽の上部空間を遮蔽流体の回収手段が設け
られているビスコシールの反被密封流体側と接続
したので、気体の巻き込み現象が生じてもこれに
よつてシール機能が破壊されることはない。さら
に、一対のビスコシールの反被密封流体側に接触
式のシール部材または磁性流体シールを配したの
で、密封流体の蒸気が大気側に漏れるのを防止で
きる。また、一対のビスコシールの反被密封流体
側、すなわち一対のビスコシールと接触式のシー
ル部材または磁性流体シールとの間に遮蔽流体を
送給し回収するので、密封流体の蒸気が接触式の
シール部材等に直接触れることはない。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面にしたがつて説明
すると、第１図は第１の実施例を示している。

同図において、１は回転軸、２ないし４は該回
転軸１を挿通する軸孔を備えた第１ないし第３の
ハウジングであつて、当該軸封装置は、図上左側
の第１のハウジング２内にある被密封流体たる蒸
気またはガス（以下、単に蒸気という）が図上右
方向へ漏洩しないように働くものである。

前記第２のハウジング３の軸孔内壁面には、そ
の軸方向中央に設けられた対向室５を境として、
左右対称に、互いに逆廻りになる一対のビスコシ
ール６，７が設けられており、回転軸１が一定の
方向に回転した場合、図上左側のビスコシール６
は第１のハウジング２から対向室５へ向けて、ま
た図上右側のビスコシール７は第３のハウジング
４から対向室５へ向けてポンプ圧力を生じるよう
になる。第３のハウジング４の軸孔内周には、図
上左から右へ、第１ないし第３の遮蔽室８，９，
１０が設けられ、該各遮蔽室８，９，１０を仕切
るべく接触式のシール部材たるセグメントシール
１１，１２が配設され、最も右寄りの遮蔽室１０
の大気側には、同じく接触式のシール部材たるメ
カニカルシール１３が配設されている。このセグ
メントシール１１，１２とメカニカルシール１３
については、該部を流れる流体の種類や温度等に
応じて、磁性流体シールに置換してもよい。

１４は、前記一対のビスコシール６，７間の対
向室５に対して一定の水頭ｈを与える液槽であつ
て、図上左側のビスコシール６の途中に開口する
経路１５が併設されている。１６および１７は外
部と第１の遮蔽室８を結ぶ第２および第３の経路
であり、第２の経路１６から液槽１４へ向けて第
４の経路１８が設けられている。

上記構成になる軸封装置は、被密封流体たる前
記蒸気に対し、該蒸気と同一物質で、かつそれら
を冷却すると液化する物質たる密封流体（液体、
１９、シーラントともいう）を、前記液槽１４内
に入れるもので、両ビスコシール６，７は外部よ
り冷却可能とし、かつ経路１５の途中には冷却機
構２０が設けられている。また前記第１の遮蔽室
８には、経路１６を経て、遮蔽流体たる不活性ボ
スが注入される。

今、回転軸１を一定の回転速度で回転させ、か
つ液槽１４内の密封流体１９の液面の高さｈが一
定に保たれるようにし、また第１のハウジング２
内の被密封流体の圧力と第１の遮蔽室８内の遮蔽
流体（不活性ガス）の圧力が一定の圧力差となる
ように該遮蔽室８内の圧力を調整する。この調整
は、外部から経路１６を経て該遮蔽室８内へ送給
された遮蔽流体の一部を、経路１７から外部へ排
出させることにより行ない、両経路１６，１７に
は、このための圧力調整バルブ（図示せず）が設
けられている。調整後の圧力は経路１８を介し液
槽１４内の液面Ｄにも加わることになる。

回転軸１の回転により、既述のように、左右の
ビスコシール６，７には、そのポンプ圧力が、対
向室５に加圧するように働く。このため、図上左
側のビスコシール６内には、液槽１４の水頭ｈと
遮蔽流体圧力の和が、該ビスコシール６のポンプ
圧力と被密封流体圧力の和に釣り合うように気液
界面２１ができる。また図上右側のビスコシール
７内には、水頭ｈとビスコシール７のポンプ圧力
が釣り合うように、今ひとつの気液界面２２がで
きる。前者左側の気液界面２１は、被密封流体圧
力と遮蔽流体圧力の圧力差いかんによつて軸方向
に移動するが、後者右側の気液界面２２は遮蔽流
体圧力に関係なく、一定位置に停留するようにな
る。

この気液界面２１，２２では、それぞれ気体の
巻き込み現象が生じる。すなわち被密封流体は左
側の気液界面２１で、また遮蔽流体は右側の気液
界面２２で、それぞれ、密封流体１９内に巻き込
まれ、気泡となつて対向室５へ移送され、液槽１
４内の界面（液面、Ｄ）で放出される。このと
き、それぞれの気泡は必ずしも液槽１４へ行くと
は限らず、互いに反対の方向、すなわち右側の気
液界面２２で巻き込んだ気泡（遮蔽流体）が対向
室５を通過して左側の気液界面２１へ、また左側
の気液界面２１で巻き込んだ気泡（被密封流体）
が右側の気液界面２２にいたり、各界面２１，２
２から放出されるおそれがある。これを防ぐた
め、当該装置は、既述のとうり、液槽１４から左
側のビスコシール６途中へいたる経路１５を設
け、密封流体の一部を循環させている。すなわ
ち、被密封流体（気体）は密封流体（液体、１
９）と同じ物質であり、このため、左側の気液界
面２１で気泡となつて巻き込まれても、ビスコシ
ール６内で冷却されて液化し、液槽１４界面Ｄに
到達するまでに消滅し、該流体（気体）が遮蔽室
８側へ漏洩することはない。他方、右側の気液界
面２２から気泡となつて巻き込まれた遮蔽流体
（不活性ガス）は、対向室５までいたつた段階で、
密封流体１９の前記循環回流に乗るようになり、
左側の気液界面２１へ達することなく液槽１４内
の界面（液面、Ｄ）から開放される。またこの遮
蔽室８の遮蔽流体は、右側の気液界面２２または
液槽１４の界面（液面、Ｄ）で自然蒸気した密封
流体１９の微量の蒸気を、送給経路１６から排出
経路１７への流れに乗せて外部へ移送する働きも
なす。

第３のハウジング４に設けられた第２の遮蔽室
９内には、第５の経路２３から、前記遮蔽流体と
同じ流体が、同一または異なる流体源より送給さ
れる。ただし、該第２の遮蔽室９の圧力は、第１
の遮蔽室８の圧力および大気圧より高く維持され
る。これにより該第２の遮蔽室９内の遮蔽流体が
セグメントシール１１を通過して第１の遮蔽室８
内へ漏入することはあつても、逆に、第１の遮蔽
室８の遮蔽流体および自然蒸発した密封流体１９
が、該第２の遮蔽室９内へ漏出することはなく、
後者流体の大気側への漏洩を完全に遮断すること
ができる。該第２の遮蔽室９内の遮蔽流体は、同
じ理由から第３の遮蔽室１０側へも漏出し、大気
側流体の機内漏入を防止する。第３の遮蔽室１０
は、大気側にあるメカニカルシール１３および軸
受（図示せず）の潤滑油の漏溜りとなるもので、
漏入した該潤滑油および第２の遮蔽室９からの遮
蔽流体は、第５の経路２４から外部へ排出され
る。この第５の経路２４および前記第３の経路１
７から外部へ排出された各流体は、該排出の後、
それぞれ分離回収される。

以上に説明した第１実施例装置は、被密封流体
と密封流体１９とが同じ物質であり、ビスコシー
ル６内において、被密封流体が密封流体に巻き込
まれるのを可とする場合である。これに対し、両
流体が異質で、かつその分離が容易であれば、遮
蔽室８内の遮蔽流体圧力を高めて左側の気液界面
２１を図上左方向に移行させ、第１のハウジング
２側へ密封流体１９を漏洩させるようにすれば、
該界面２１での気体の巻き込みをなくすことがで
きる。

つぎに第２図ないし第４図にしたがつて上記第
１実施例装置をカリウムタービンに応用した具体
例を説明する。

このカリウムタービンは、第２図に示すよう
に、タービン３１を吸気孔３２から給気したカリ
ウム蒸気によつて駆動させるもので、蒸気は排気
孔３３から排出される。このとき、タービン軸
１′を伝わつて大気側へ漏れようとするカリウム
蒸気は、図上Ｘにて示す当該軸封装置によつて密
封され、外部へは無漏洩となる。軸１′は軸受３
４によつて支えられており、ギア３５を介して発
電機３６へ接続されている。この例はタービン軸
１′が片持ち支持されているが、両持ち支持軸の
場合はタービンを挾んで、対称的に、軸封装置Ｘ
および軸受３４が配置される。

第３図に当該軸封装置Ｘの詳細な内部構造を、
また第４図に当該軸封装置Ｘ全体の配管構造を示
す。

タービン３１を駆動させるカリウム蒸気は、導
入孔１５′から導入される密封流体（シーラント）
たる液体カリウムが満たされるビスコシール６′，
７′によつて密封される。このとき、液体カリウ
ムには、第４図に示した液槽１４′により適当な
水頭が与えられており、また該液槽１４′と遮蔽
室８′は同一の遮蔽流体（不活性ガス）たるアル
ゴンガスで満たされ、同一の圧力となる。このた
め右側の気液界面は安定し、遮蔽室８′への漏洩
を防ぐことができる。

一方、カリウム蒸気の圧力と左側のビスコシー
ル６′のポンプ圧力の和は、液槽１４′の水頭とア
ルゴンガスの圧力の和と釣り合い、液体カリカム
は該ビスコシール６′内に留まるようになり、カ
リウム蒸気の漏洩を防止できる結果となる。

第１の遮蔽室８′内の圧力は、第４図に示すよ
うに、差圧計３７、圧力調整器３８および圧力調
整弁３９，４０により被密封流体の圧力と関連し
て調整される。一方、該第１の遮蔽室８′の圧力
より高い圧力のアルゴンガスを供給孔２３′から
導入し、セグメントシール１１′を通して第１の
遮蔽室８′へわずかに漏洩させる。このため、右
側のビスコシール７′内に形成された気液界面か
ら蒸気するカリウム蒸気は、セグメントシール１
１′により完全に密封される。このアルゴンガス
はビスコシール６′，７′によりタービン側へは漏
洩しない。他方、セグメントシール１２′を通過
して第３の遮蔽室１０′にいたつたアルゴンガス
はメカニカルシール１３′によつて密封される。
また潤滑油室４１にはメカニカルシール１３′と
４２とにより潤滑油が封入されている。

第５図は、横軸にビスコシールの単位長さ当た
りのポンプ圧力、縦軸に密封流体（シーラント）
の流量を示した一般的な特性図である。同図のＢ
点を境にして、Ａ点は漏洩を、Ｃ点は吐出を表わ
している。本発明装置は、この圧力―流量特性を
利用してつぎのような方法（構成）で被密封流体
を密封することができる。

すなわち、第６図に示す第２実施例装置は、密
封流体１９を第１のハウジング２から左右ビスコ
シール６，７中央の対向室５へ吐出させるもので
あり、第５図の特性図におけるＣ点で運転する場
合に対応する。

すなわち第６図において、第１のハウジング２
側から密封流体（シーラント）１９を吸い込み液
槽１４へ吐出し、これを再び経路５１を通してハ
ウジング２内に戻す。この循環流により右側のビ
スコシール７の気液界面２２で巻き込まれた遮蔽
流体（不活性ガス）は第１のハウジング２側へ行
かず、液槽１４へ移送され、その液面Ｄで放出さ
れる。その結果、軸封システム全体として密封が
行なわれる。ただし、この場合、第５図に示した
ようにビスコシール６のポンプ圧力は小さくな
る。

また第７図は、本発明の第３実施例として、第
１図に示したビスコシール６，７部を２セツト対
称的に組み合わせたものである。すなわち第７図
において、右側一対のビスコシール６，７は互い
にそのポンプ圧力を対向させ、両シール６，７中
間の対向室５に向ける。本実施例では、この一対
のビスコシール６，７の左側にさらに１セツトの
ビスコシール６，７を配し、ビスコシール６，７
のポンプ圧力をその中間の対向室５に向ける。密
封流体１９の一部を各セツトにおけるビスコシー
ル７，７の途中に戻すために、それぞれ経路６
１，６１を設ける。該各経路１５，１５の循環流
は、先に述べた動作原理により、それぞれ端部ハ
ウジング６２側および遮蔽室６３側の被密封流体
および遮蔽流体を遮蔽する。したがつて、この両
流体は異質であつても支障はない。

第８図は、本発明の第４実施例として、一の液
槽１４から左右のビスコシール６，７に循環回路
を設けたものを示す。すなわち同図において、対
向させたビスコシール６，７の中央上部に設けた
液槽１４と両ビスコシール６，７を結ぶ経路７
１，７２を設け、両ビスコシール６，７のポンプ
圧力を対向室５に向ける。左右の各循環流は上記
動作原理により、それぞれ第１のハウジング２お
よび遮蔽室８側の被密封流体および遮蔽流体を遮
蔽する。

上記各実施例に述べた軸封装置は、以下のよう
な改良点を有するものとなる。

密封流体の化学的性質がきわめて活性であ
り、かつ与えられた条件が高温、極低温または
高速等であることにより、安定して使用に供せ
られる軸封装置部材の材質が得られないか、ま
たは著しく限定される場合でもビスコシールを
用いることにより密封できるようにした。

ビスコシールだけでは、回転停止時およびビ
スコシールの設定条件をはずれた過渡状態にお
いては、密封が完全でないこと、またガスの巻
き込み、シールのブレイクダウン等ビスコシー
ル特有の漏れにいたる現象があること等から接
触式のシール部材（軸封装置）を併用し、被密
封流体が大気側へ漏れないこと、大気側流体が
機内（系内）に流入しないことの双方の目的が
果たせる構造とした。

ビスコシールについては密封性能をさらに向
上させるために、ビスコシール１個による一方
向のみのポンプ圧力だけではなく、あと１個の
ビスコシールを同軸上に対向して併設し、二つ
のビスコシールの対向部に向けて密封流体（シ
ーラント）を加圧させる構造にした。

ビスコシールから万一漏れた被密封流体は、
これと化学的に反応し難い流体で満たされてい
る遮蔽室が設けられており、この室を通して回
収できる系統を設けた。

ビスコシールの系側およびその反対側の遮蔽
室ならびに対向部の各部に通じる圧力制御系統
を設け、系側の圧力変動に対応させて遮蔽室お
よび対向部の圧力を制御し、被密封流体がビス
コシールから遮蔽室へ漏れるのを抑え、かつ遮
蔽流体の系側への流入を防ぐ補助システムを設
けた。

密封流体（シーラント）内に浸入した被密封
流体の排除および密封流体の冷却を行なう目的
で、密封流体を軸方向に流動させる機構を設け
た。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば被密封流
体の温度や化学的性質にかかわらず、十分なシー
ル効果が期待でき、さらにこのシール効果は安定
したものとなる。そして、密封流体の蒸気が大気
側に漏れるのを防止できる効果があり、さらに密
封流体の蒸気が接触式のシール部材等に直接触れ
ないので、密封流体がどのような物質であつても
この効果を十分維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る軸封装置の
断面図、第２図はカリウムタービンの概略図、第
３図は同カリウムタービンに装備した軸封装置の
半裁断面図、第４図は同配管図、第５図はビスコ
シールのポンプ圧力と密封流体の流量の関係を示
した一般的な特性図、第６図ないし第８図は本発
明の第２ないし第４実施例に係る軸封装置の断面
図である。 １，１′……回転軸、２，３，４，６２……ハ
ウジング、５……対向室、６，６′，７，７′……
ビスコシール、８，８′，９，９′，１０，１０′，
６３……遮蔽室、１１，１１′，１２，１２′……
セグメントシール、１３，１３′，４２……メカ
ニカルシール、１４……液槽、１５，１６，１
７，１８，２３，２４，５１，６１，７１，７２
……経路、１９……密封流体、２１，２２……気
液界面、３１……タービン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ タービン等各種回転機器の回転軸と該回転軸
   を挿通したハウジングとの隙間を密封する軸封装
   置において、被密封流体に近い側に軸方向一対の
   ビスコシールを配して該一対のビスコシールの中
   間に向つて加圧作用が行われるように構成し、該
   一対のビスコシールの反被密封流体側に接触式の
   シール部材または磁性流体シールを配するととも
   に、前記一対のビスコシール内に液槽から適宜圧
   力の密封流体を送給し、前記一対のビスコシール
   の反被密封流体側と前記液槽の上部空間とを接続
   して前記一対のビスコシールの反被密封流体側に
   遮蔽流体を送給するとともに、前記一対のビスコ
   シールの反被密封流体側に前記遮蔽流体の回収手
   段を設けたことを特徴とするビスコシールを用い
   た軸封装置。