JPS6138104A - ビスコシ−ルを用いた軸封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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°Ｃ付近）や高？１．ｌ　（たと
えば、６００°Ｃ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℃以ドとな
っており、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ｉｉｆ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テす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＃きをなす、また本発
明の軸封装置は、このビスコシールに加えて、該ビスコ
シールの反被密封流体側に接触式のシール部材または非
接触式の磁性流体シールを配し、さらに前記ビスコシー
ル内に、適宜圧力の密封流体を送給することとした。

Ｌ記構成を備えた本発明の軸封装置は、ビスコシールと
、接触式のシール部材または非接触式の磁性流体シール
と、密封流体の３者の作用が相俟って、以下に述べるよ
うに、優れた密封性能を発揮するようになる。

〔実　施　例〕

以下、本発明の実施例を図面にしたがって説明すると、
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）ないしく０は該
回転軸、（りを挿通ずる軸孔を備えた第１ないし第３の
ハウジングであって、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（
８）　（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（８）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）へ向けての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１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ｒｌ１ＭＩワ）嶋（〃醋七鉛　益も右寄りの遮蔽室（
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、核部を流れる流体の種類や温度等に応じ
て１ｍ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（８）　（７）間
の対向室（５）に対して一定の水頭（ｈ）を与える液槽
であって、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。　（１Ｇ）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、ｐｆ４２の経路（１Ｂ）から液槽（
１４）へ向けて第４の経路（１８）が設けられている。

Ｌ記構成になる軸封装置は、被密封流体たる前記蕪偲に
対１１．該蒸値と同一物質で、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。

１８、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（８）　（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（ＩＢ）を経て、遮蔽流体たる不活性ガス
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（１０内の密封流体（１８）の液面の高さく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Ｃ口）から外部へ排出させることに
より行ない、両級路（１Ｂ）（１？）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。ｔＡ整
後の圧力は経路（１８）を介し液槽（１０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（８Ｎ？）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って軸方向に移動す
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
泡となって対向室（５）へ移送され、液槽（１４）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（１０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）（２２）から放出されるおそれ
がある。これを防ぐため、当Ｍ装置は、既述のとうり、
液槽（１４）から左側のビスコシール（８）途中へいた
る経路（１５）を設け、密ＭＭｔ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
、１８）と同じ物質であり、このため、左側の気液界面
（２１）で気泡となって巻き込まれても、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（２
２）から気泡となって巻き込まれた遮蔽流体（不活性ガ
ス）は、対向室（５）までいたった段階で、密封流体（
１８）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（Ｉ４）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）で自然蒸発した密封流体（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（８
）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（θ）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
ことはあっても、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（８）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
（８）内の遮蔽流体は、同じ理由から第３の遮蔽室（ｌ
Ｏ）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）の潤滑油の油溜りと
なるもので、漏入した該潤滑油および第２の遮蔽室（８
）・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（１７）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（１８）とが同じ物質であり、どスコシール（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、ｒ４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（１８
）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図にしたがって上記第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、ターど
ン（３１）を吸気孔（３２）から給気したカリウム蒸気
によっ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（！“）を伝わって
大気側へ漏れようとするカリウム遍気は１図上Ｘにて示
す当該軸封装置によって密封され、外部へは無漏洩とな
る。軸（１′）は軸受（３４）によって支えられており
、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（円が片持ち支持されているが
、５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図に当該軸對装Ｈ（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°
）によって密封される。このとき、液体力リウムには、
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）たるアルゴンカスで満た
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。

−・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、液体カリウムは該ビス
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（９ＦＪ）　（４０）により被密封流体の圧力と関連
して調整される。−・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な供給孔（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発
するカリウム蒸気は、セグメントシール（＋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°）によりターピノ側へは漏洩しない。他
方、セグメントシール（１２’）を通過して第３の遮蔽
室（１０”）にいたったアルゴンガスはメカニカルシー
ル（１３’）によって密封される。また潤滑油室（４１
）にはメカニカルシール（＋、３°）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
〜般的な特性図である。同図の３点を境にして、Ａ点は
漏洩を、０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（ａ成）
で被″ＩＥ＃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
（８）（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０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）（１８）を吸い込み液ｍ　（
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じて密封が行なわれ
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、左１
１１セー７トのビスコシール（６）（７）はηニいにそ
のポンプ圧力を対向させ、両シール（８）　（７）中間
の対向室（５）に向ける。同様に右側１セツトのビスコ
シール（ｌ（）（７）のポンプ圧力をその中間の対向室
（５）に向ける。密−Ｍ流体（１８）の一部を各セット
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（８１）（８１）を設ける。該各経路（
１５０１５）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。したがっ
て、この両流体は異質であっても支障はない。

第８図は、本発明の第４実施例として、−・の液槽（１
４）から左右のビスコシール（ｆｔ）　（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（８）　（？）の中央上部に設けた液
槽（１４）と両ビスコシール（８）（７）を結ぶ経路（
７１）（７２）を設け、両ビスコシール（８）　（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。

１・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（、ｓ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１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し）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−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。

■ビスコシールの県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、県側の圧
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、かつ遮蔽流体の県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〕

本発明の、ビスコシールを用いた軸封装置は、以上説明
したような構成になり、密封性能がきわめてよく、被密
封流体に直接波するのが非接触シールのビスコシールで
あるために、被密封流体の温度、圧力、種類に関係なく
使用でき、かつ、かかる条件下で安定して運転でき、か
つ長寿命で、圧力および温度変動に追随できる等の特徴
を有する。

【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）　
（８２）ハウジング（５）対向室　　　（８）（８°）
（７）（７°）ビスコシール（８）（８’）（９）（１
１°）（１０）（１０°）　（８３）遮蔽室（１１）（
１１’）（１２）（１２°）セグメントシール（１３０
１３°）（４２）メカニカルシール（１４）液槽 （１５）（ｌｆｌ）（１７）（１８）（２３）（２４）
（５１）（６１）（７１）（７２）経路（１８）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. 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
   封流体に近い側にビスコシールを配し、該ビスコシール
   の反被密封流体側に接触式のシール部材または非接触式
   の磁性流体シールを配するとともに、前記ビスコシール
   内に適宜圧力の密封流体を送給することを特徴とするビ
   スコシールを用いた軸封装置。