JPWO2010001683A1 - ダブルメカニカルシール装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、スタフィンボックス内の空間を使用することなく、何ら特殊な設計や改造等を行う必要なく、装置の外面に装着可能な程度に十分小型なカートリッジ式のダブルシールを提供する。シール装置１においては、シールケース４４を、シールカバー１０の設置用溝１５の奥端部から螺子溝１７を介して径方向内側にねじ込まれるセットスクリュー１８により、シールカバー１０の最も機内側の端部に固定設置する。シールケース４４を軸方向に支持固定しないため、シール装置１の厚み方向（軸方向）の厚みを薄くすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、２つのシール摺動面が背面合わせに形成されたダブルシールであって、装置本体の外側（外面）に装着されるアウトサイドカートリッジ型のダブルメカニカルシール装置に関する。

遠心ポンプ等に軸シールとして用いられるメカニカルシールは、起動する際にメカニカルシールが設置されているスタフィンボックス内が一時的に負圧になるため、メカニカルシールの摺動面に液が存在しない状態が生じ、摺動面の焼き付きや破損が生じる可能性がある。このような問題を解決するために、この種のメカニカルシールとしては、従来より、ダブルメカニカルシール（単に、ダブルシールと称する場合もある。）を搭載し、２つのシール間にクエンチング液を流すことにより、摺動面がドライになることを防ぐことが成されている。なお、ダブルシールは、機内側の流体を外部に漏出させたくない場合や、機内側の液体が乾燥すると結晶化するものである場合等においてしばしば使用されている。

遠心ポンプ等の軸シールにダブルシールを適用する方策として、従来グランドパッキンを使用していたメカニカルシールを改造する場合がある。そのような場合には、スタフィンボックス内の空間を利用してメカニカルシールを搭載することとなる（例えば、日本国実用新案公告平成７年第３０９４号公報（特許文献１）参照）。

しかしながら、ダブルシールは軸方向の長さを必要とするため、スタフィンボックス内の空間を利用しても軸方向寸法が確保できず、ダブルシールを搭載できない場合があった。従って、どうしてもダブルシールを搭載する必要がある場合には、ポンプ自体を改造して搭載するか、特殊な設計の高価なメカニカルシールを使用しなければならなかった。

また、スタフィンボックス内の空間を使用しないメカニカルシールとしては、装置の外面に装着するアウトサイドカートリッジ式のシール装置がある（例えば、日本国特許出願公開２００３年第７４７１３号公報（特許文献２）参照）。しかしながら、上述したようにダブルシールは軸方向の長さを必要とするため、ダブルシールをアウトサイドカートリッジ式のシール装置として構成した場合には、その容積が大きくなり、シール装置が大型になり、現実に使用することが難しかった。特許文献２に示す従来のアウトサイドカートリッジ式のシール装置も、シングルメカニカルシールであり、ダブルメカニカルシールではない。

日本国実用新案公告平成７年第３０９４号公報 日本国特許出願公開２００３年第７４７１３号公報

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、スタフィンボックス内の空間を使用する必要がなく、また、特殊な設計や装着装置側の改造等を行う必要なく、装置の外面に装着可能な程度に十分小型な、汎用的なダブルメカニカルシール装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明のダブルメカニカルシール装置は、回転軸と一体に回転するように当該回転軸に設置され、軸方向の両面にシール面が形成されている回転環と、前記回転環の機内側に配置され、前記回転環側の端部に、当該回転環の機内側の前記シール面に密接摺動するシール面が形成されている機内側固定環と、前記回転環の機外側に配置され、前記回転環側の端部に、当該回転環の機外側の前記シール面に密接摺動するシール面が形成されている機外側固定環と、前記機内側固定環を軸方向に移動自在に支持するシールケースと、前記回転軸が貫通されて、当該回転軸を有する装置の外面に取り付けられるシールカバーであって、前記シールケース、前記機内側固定環、前記回転環及び前記機外側固定環を収容するとともに、機外側の端部において前記機外側固定環を軸方向に移動自在に支持するシールカバーとを有し、前記シールケースは、前記シールカバーから径方向に支持されて、当該シールカバーの機内側の端部に設置されていることを特徴とする。

このような構成の本発明のダブルメカニカルシール装置によれば、従来軸方向に支持していたシールケースを径方向に支持し、これをシールカバーの機内側端部に配設することができるので、小型のダブルメカニカルシール装置を提供することができる。そしてその結果、スタフィンボックスの内部空間を使用することのない、また、何ら特殊な設計や装置の改造等を行う必要のないカートリッジ式のダブルメカニカルシール装置を提供することができる。

好適には、本発明のダブルメカニカルシール装置は、前記シールカバーが、前記回転軸が貫通されるとともに前記シールケース、前記機内側固定環、前記回転環及び前記機外側固定環を収容する内部孔と、当該シールカバーを前記装置の外面に取り付けるための部材を通過させるための溝であって、前記回転軸の外径側から内径側方向に切り込まれた溝を有するフランジ部とを有し、前記シールケースは、前記溝の内径側からさらに内径方向に前記内部孔に達するように設置される螺子部材により、前記シールカバーの機内側の端部において径方向に支持され設置されていることを特徴とする。

このような構成の本発明のダブルメカニカルシール装置によれば、シールカバーの埋め込みボルト用の溝の底部から螺子部材によりシールケースを固定しているので、径方向からのシールケースの支持を、空間的に効率よく、また確実に行うことができる。

また好適には、本発明のダブルメカニカルシール装置は、前記機内側固定環の前記シール面と前記回転環の機内側の前記シール面との摺動面の径方向の幅、及び、前記機外側固定環の前記シール面と前記回転環の機外側の前記シール面との摺動面の径方向の幅の少なくともいずれか一方が、３ｍｍ以下に形成されていることを特徴とする。

このような構成の本発明のダブルメカニカルシール装置によれば、シール摺動面の面幅を狭くすることで同じシール圧力を維持しながらコイルスプリングを小型にすることができ、この点においてもシール装置の小型化が可能となる。

また好適には、本発明のダブルメカニカルシール装置は、前記機内側固定環及び前記機外側固定環の少なくともいずれか一方のバランス値が、７０％〜１３０％に形成されていることを特徴とする。

このような構成の本発明のダブルメカニカルシール装置によれば、バランス値が７０％〜１３０％に形成されているシール部において、正負両圧に対して同じシール特性でシールをすることができ、汎用性の高いシール装置を実現することができる。

また好適には、本発明のダブルメカニカルシール装置は、前記機内側固定環が、当該機内側固定環の前記シール面の背面の所定箇所において、当該機内側固定環の外周面と前記シールケースの内周面との間にＯリングを介在させて、当該Ｏリングにより前記シール面の両側の空間を当該シール面の背面においてシールするように設置されており、当該機内側固定環の前記Ｏリングが配置されている前記外周面の径と、当該機内側固定環の前記シール面と前記密封環の前記シール面との摺動面の内径とがほぼ同じであり、前記シールケースの前記Ｏリングが配置されている前記内周面の径と、当該機内側固定環の前記シール面と前記密封環の前記シール面との摺動面の外径とがほぼ同じであることを特徴とする。

このような構成の本発明のダブルメカニカルシール装置によれば、機内側シールリングのバランス値を７０％〜１３０％に形成しているので、中間室の圧力を機内側流体圧力に対して高圧にした場合であっても、低圧にした場合であっても、略同一のシール特性でシールをすることができる。すなわち、ダブルシール型のシールあるいはタンデム型のシールのいずれにも形成が可能となる。

また好適には、本発明のダブルメカニカルシール装置は、前記機外側固定環が、当該機外側固定環の前記シール面の背面の所定箇所において、当該機外側固定環の外周面と前記シールカバーの内周面との間にＯリングを介在させて、当該Ｏリングにより前記シール面の両側の空間を当該シール面の背面においてシールするように設置されており、当該機外側固定環の前記Ｏリングが配置されている前記外周面の径と、当該機外側固定環の前記シール面と前記密封環の前記シール面との摺動面の内径とがほぼ同じであり、前記シールカバーの前記Ｏリングが配置されている前記内周面の径と、当該機外側固定環の前記シール面と前記密封環の前記シール面との摺動面の外径とがほぼ同じであることを特徴とする。

このような構成の本発明のダブルメカニカルシール装置によれば、機外側シールリングのバランス値を７０％〜１３０％に形成しているので、中間室の圧力を機外側の圧力に対して高圧にした場合であっても、低圧にした場合であっても、略同一のシール特性でシールをすることができる。

また好適には、前記機内側固定環の材質と前記回転環の材質との組み合わせ、及び、前記機外側固定環の材質と前記回転環の材質との組み合わせの少なくとも一方が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と炭化ケイ素（ＳｉＣ）の組み合わせ、カーボンと炭化ケイ素（ＳｉＣ）の組み合わせ、超硬合金と超硬合金の組み合わせ、あるいは、カーボンと超硬合金の組み合わせである。

このような構成の本発明のダブルメカニカルシール装置によれば、摩耗が少なく高温にも耐用可能な、汎用的で耐久性の高いシール装置を提供できる。

図１は、本発明の一実施形態のシール装置の構成を示す断面図であり、シール装置をスタフィンボックスに装着した状態を示す断面図である。 図２は、図１に示すシール装置を回転軸に嵌合した状態を示す軸方向平面図である。 図３は、図１に示すシール装置の機内側シールリングとシールケースとの嵌合設置箇所の拡大図であり、シール装置のバランス値の説明をするための図である。

本発明の一実施形態のシール装置について、図１〜図３を参照して説明する。
本実施形態においては、遠心ポンプの軸シールとして使用されるシール装置であって、２つの摺動面を背面合わせに構成したダブルシールを有し、スタフィンボックスの外面にカートリッジ形態で装着されるシール装置を例示して本発明を説明する。

図１は、本実施形態のシール装置１の構成を示す断面図であり、シール装置１を装置本体（スタフィンボックス）８０の外面８２にカートリッジとして装着した断面図である。
図２は、図１に示すシール装置１を回転軸７０に嵌合した状態を示す軸方向平面図である。
また、図３は、図１に示すシール装置１の機内側シールリング４１とシールケース４４との嵌合設置箇所の拡大図であり、シール装置１のバランス値の説明をするための図である。

図１に示すように、遠心ポンプのスタフィンボックス８０には軸孔８１が形成されており、この軸孔８１に、図示せぬ軸受けにより回転可能に支持された回転軸７０が貫通している。本発明に係るシール装置１は、スタフィンボックス８０の軸孔８１の周囲の外面８２に、当該外面８２に設置されている埋め込みボルト８３により取り付けられる。
なお、図１においてはスタフィンボックス８０の軸孔８１側（図示左側）が機内側空間Ａであり、その軸方向反対側（図示右側）が機外側空間であって大気空間Ｂである。

シール装置１は、シールカバー１０、スリーブ２０、メイティングリング３０、機内側シールリング４１とメイティングリング３０の機内側シール面３２を有する機内側シール部４０、及び、大気側シールリング５１とメイティングリング３０の機外側シール面３３を有する機外側（大気側）シール部５０を有する。

シールカバー１０は、機内側がフランジ状に形成されており、その軸方向平面形状は、図２に示すように、略正方形に形成されている。シールカバー１０の各角部には、角部外側から対角線方向内側に切り込んだ設置用溝１５が形成されている。この４箇所の設置用溝１５にスタフィンボックス８０の外面８２の対応する位置に形成された４本の埋め込みボルト８３を各々通過させて、各ボルトをナット８４により締め付けることにより、シールカバー１０は、すなわちシール装置１は、スタフィンボックス８０に設置される。

シールカバー１０の内部には、図１に示すように、シールカバー１０がスタフィンボックス８０に装着された場合にスタフィンボックス８０の軸孔８１に連続し、回転軸７０を通過させる内部孔１１が形成されている。
内部孔１１の周面（シールカバー１０の内周面）は、機内側から機外側方向に順にシールケース装着面１１ａ、第１絞り面１１ｂ、拡張面１１ｃ、第２絞り面１１ｄ、及び、第３絞り面１１ｆに形成されている。

また、シールカバー１０の機外側端部には、位置決め部１２が形成されている。位置決め部１２は、シールカバー１０の端部外周面に位置決め用溝１２ａを有する。回転軸７０に後述するスリーブ２０やメイティングリング３０等を設置する時には、この位置決め用溝１２ａにセットプレート６３の凸条部６３ａを嵌合させて、セットプレート６３を介在させた状態でスリーブカラー２１を回転軸７０に設置する。これにより、シールカバー１０とスリーブカラー２１及びスリーブ２０とが所定の位置関係に規定され、その結果、メイティングリング３０と機内側シールリング４１及び機外側シールリング５１とは各々所定の位置関係にセットされる。

また、シールカバー１０において、前述した各設置用溝１５の対角線方向内側の奥端部には、さらに対角線方向内側に向けて、また、シールカバー１０のシールケース装着面１１ａに貫通するように、螺子溝１７が形成されている。この螺子溝１７に、設置用溝１５側から内周面側にセットスクリュー１８がねじ込まれることにより、後述するシールケース４４は、シールカバー１０の内部孔１１のシールケース装着面１１ａに設置される。

また、シールカバー１０には、図２に示すように、外周面から内部孔１１につながる径方向の流体流路が４本形成されている。４本の流体流路は、３本のクエンチング液注入路１３と、１本のクエンチング液排出路１４である。各流路１３及び１４のポートには、図示しない配管と接続可能な管用螺子穴が形成されている。また、各流路１３及び１４は、シールカバー１０の内部孔１１の拡張面１１ｃに形成された開口に連通しており、機内側シール部４０、機外側シール部５０及びシールカバー１０の内部孔１１で囲まれたシール装置１の中間室１９に接続されている。
このような構成において、配管を介して注入されたクエンチング液は、クエンチング液注入路１３から中間室１９に注入され、直接に機内側シール部４０及び機外側シール部５０の外周面に流され、クエンチング液排出路１４から排出される。これにより、各シール部のシール摺動面の摺動時の発熱が冷却されると共に、各シール部に付着している不純物が洗浄される。

シールケース４４は、シールカバー１０のシールケース装着面１１ａに、前述したようにシールカバー１０の設置用溝１５の奥端部に形成された螺子溝１７にねじ込まれたセットスクリュー１８により設置されている。シールケース４４は、シールカバー１０の機内側最端部に、換言すればシール装置１の最端部に設置されている。

シールケース４４の機外側外周角部は周方向にＬ字溝が形成されており、また、これに対向するシールカバー１０の内部孔１１の第１絞り面１１ｂの機内側角部にも周方向にＬ字溝が形成されている。そして、これらの対向するＬ字溝により形成される断面矩形の環状空間にＯリング４６が配設されており、これにより、シールカバー１０とシールケース４４との間が密封されている。

シールケース４４の内周側には、機内側シールリング４１が軸方向移動自在に嵌合設置されている。
また、シールケース４４の機外側端面には、軸方向機外側に突出し、後述する機内側シールリング４１のフランジ部４２に形成された案内溝４７に嵌入される固定ピン４８が設置されている。
また、シールケース４４の同じく機外側端面には、周方向へ複数のバネ座が設けられており、後述する機内側シールリング４１のフランジ部４２の対向面との間にコイルスプリング４９を保持する構成となっている。

機内側シールリング４１は、機内側シール部４０の一方のシール面を構成するシールリングであって、前述したようにシールケース４４の内周側に軸方向移動自在に嵌合設置されている。機内側シールリング４１は、機外側端面にシール面４３が形成されており、このシール面４３が後述する回転環（メイティングリング）３１の機内側シール面３２に摺動可能に密接し、機内側シール部４０を構成している。

機内側シールリング４１の外周面には軸方向に段差となった階段部４１ａが形成されている。一方、シールケース４４の内周面には機内側シールリング４１の階段部４１ａと対向するように同じく軸方向に段差となった階段部４４ａが形成されている（図１及び図３参照）。これら階段部４１ａ及び階段部４４ａにより断面矩形の環状空間が形成されており、この環状区間にＯリング４５が配設されている。これにより、シールケース４４と機内側シールリング４１とはその間を密封されて嵌合されている。
なお、Ｏリング４５の材質は、フッ素ゴム、ニトリルゴム、ＥＰＤＭ、パーフロロエラストマなどが用いられる。

機内側シールリング４１の外周側はフランジ部４２に形成されており、フランジ部４２には軸方向に案内溝４７が形成されている。案内溝４７には、シールケース４４の機外側端面に形成された固定ピン４８が挿入される。固定ピン４８と案内溝４７は、軸方向へ相対移動可能な状態、周方向へは係止された状態となっており、これにより機内側シールリング４１は、シールケース４４すなわちシールカバー１０に対して、軸方向には移動自在であり、周方向（回転軸７０の回転方向）には回転不能に設置されている。

また、機内側シールリング４１のフランジ部４２のシールケース４４との対向面には、周方向へ複数のバネ座が設けられており、シールケース４４の機外側端面に形成されたバネ座との間にコイルスプリング４９を保持している。これにより、機内側シールリング４１は軸方向機外側に、すなわちメイティングリング３０の方向に押圧される。

また、機内側シールリング４１の内周面側は、回転軸７０の外周面との間に比較的大きな間隙が形成されており、機内側空間Ａに収容される被密封流体がスラリーを含むものであったとしても、その被密封流体が固形化して目詰まりすることなく流通できるように成されている。

本実施形態の機内側シールリング４１においては、シール面（摺動面）４３の面幅（径方向の長さ）が、３ｍｍ以下に形成されている。好適には１ｍｍ〜３ｍｍである。また、場合によってはシール面４３は、メイティングリング３０の機内側シール面３２方向に先端三角形状に突出した形態であってもよい。
このようにシール面４３の面幅を通常よりも狭くすることにより、機内側シールリング４１をメイティングリング３０方向に押圧するコイルスプリング４９の圧力が同一の場合には、シール面４３と機内側シール面３２との面圧を高めることができる。換言すれば、同じ面圧（シール面圧）を得る場合には、シール面幅を狭くしておくことにより、コイルスプリング４９の押圧力を少なくすることが可能となり、コイルスプリング４９として小型のスプリングを用いることが可能となる。その結果、シール面圧を下げることなく、小型のスプリングを用いることができ、シール装置１を小型化することが可能となる。

また、本実施形態の機内側シール部４０の機内側シールリング４１においては、図３に示すように、Ｏリング４５が配設されている環状空間に関し、機内側シールリング４１の階段部４１ａの軸周面に平行な面の径（外径）Ｂ_Ｉ 、すなわちＯリング４５が配設されている環状空間の内径Ｂ_Ｉ と、シール面４３の内径Ｄ_Ｉ とは等しくなるように構成されている。また、シールケース４４の階段部４４ａの軸周面に平行な面の径（内径）Ｂ_Ｏ 、すなわちＯリング４５が配設されている環状空間の外径Ｂ_Ｏ と、シール面４３の外径Ｄ_Ｏ とは等しくなるように構成されている。
このように構成することにより、次式（１）で表される、機内側シール部４０の機内側シールリング４１に関するバランス値ＢＶは１００％となり、機内側シール部４０のシール面のいずれの側が高圧となったとしても、同じシール性能でシール面を形成することができる。すなわち、機内側シール部４０が正負両圧に対応可能なシール部となる。なお、このバランス値は１００％でなくとも、７０％〜１３０％の範囲であれば同様の作用が得られる。

ＢＶ＝Ｓ_２ ／Ｓ_１ ×１００ …（１）

但し、Ｓ_１ ＝π（Ｄ_Ｏ ^２−Ｄ_Ｉ ^２ ）／４
Ｓ_２ ＝π（Ｂ_Ｏ ^２−Ｂ_Ｉ ^２ ）／４

また、図１に示すように、シールカバー１０の内部孔１１の最も機外側の内周面である第３絞り面１１ｆは、機内側に隣接する第２絞り面１１ｄに対して内径が小さくなっており、第３絞り面１１ｆの箇所は、回転軸７０方向に環状に突出した形状に形成されている。また、その段差を形成する第２絞り面１１ｄと第３絞り面１１ｆとの間には、軸方向に垂直で機内側を指向する垂直面１１ｅが形成されている。

垂直面１１ｅ及び第３絞り面１１ｆを有するこの環状の突出部の内周側に、機外側シールリング５１が軸方向移動自在に嵌合設置されている。
また、垂直面１１ｅには、軸方向機内側に突出し、後述する機外側シールリング５１のフランジ部５２に形成された案内溝５７に嵌入される固定ピン５８が設置されている。
また、垂直面１１ｅの同じく機外側端面には、周方向へ複数のバネ座が設けられており、後述する機外側シールリング５１のフランジ部５２の対向面との間にコイルスプリング５９を保持する構成となっている。

機外側シールリング５１は、機外側シール部５０の一方のシール面を構成するシールリングであって、前述したようにシールカバー１０の内部孔１１の第３絞り面１１ｆの内周側に軸方向移動自在に嵌合設置されている。機外側シールリング５１は、機内側端面にシール面５３が形成されており、このシール面５３が後述する回転環（メイティングリング）３１の機外側シール面３３に摺動可能に密接し、機外側シール部５０を構成している。

なお、本実施形態のシール装置１において、機外側シールリング５１の構成は機内側シールリング４１と同じである。すなわち、機内側シールリング４１と機外側シールリング５１とは、メイティングリング３０を対称軸として機内側及び機外側の両側に、対称に配置されるものである。

機外側シールリング５１の外周面には軸方向に段差となった階段部５１ａが形成されている。一方、シールカバー１０の内部孔１１の第３絞り面１１ｆの機内側、すなわち第３絞り面１１ｆと垂直面１１ｅとの間の角部にも、機外側シールリング５１の階段部５１ａと対向するように同じく軸方向に段差となった階段部５４ａが形成されている。これら階段部５１ａ及び階段部５４ａにより断面矩形の環状空間が形成されており、この環状区間にＯリング５５が配設されている。これにより、シールカバー１０の内部孔１１と機外側シールリング５１とは、Ｏリング５５によりその間を密封されて、軸方向に移動可能に嵌合されている。
なお、Ｏリング５５の材質は、フッ素ゴム、ニトリルゴム、ＥＰＤＭ、パーフロロエラストマなどが用いられる。

機外側シールリング５１の外周側はフランジ部５２に形成されており、フランジ部５２には軸方向に案内溝５７が形成されている。案内溝５７には、シールカバー１０の内部孔１１の垂直面１１ｅに形成された固定ピン５８が挿入される。固定ピン５８と案内溝５７は、軸方向へ相対移動可能な状態、周方向へは係止された状態とされており、これにより機外側シールリング５１は、シールカバー１０に対して、軸方向には移動自在であり、周方向（回転軸７０の回転方向）には回転不能に設置される。

また、機外側シールリング５１のフランジ部５２のシールカバー１０の内部孔１１の垂直面１１ｅとの対向面には、周方向へ複数のバネ座が設けられており、垂直面１１ｅに形成されたバネ座との間にコイルスプリング５９を保持している。これにより、機外側シールリング５１は軸方向機外側に、すなわちメイティングリング３０の方向に押圧される。

本実施形態の機外側シールリング５１においては、シール面（摺動面）５３の面幅（径方向の長さ）は、３ｍｍ以下に形成する。好適には１ｍｍ〜３ｍｍである。また、場合によってはシール面５３は、メイティングリング３０の機外側シール面３３方向に先端三角形状に突出した形態であってもよい。
このようにシール面５３の面幅を通常よりも狭くすることにより、機外側シールリング５１をメイティングリング３０方向に押圧するコイルスプリング５９の圧力が同一の場合には、シール面５３と機外側シール面３３との摺動面圧を高めることができる。換言すれば、同じ摺動面圧（シール面圧）を得る場合には、シール面幅を狭くしておくことにより、コイルスプリング５９の押圧力を少なくすることが可能となり、コイルスプリング５９として小型のスプリングを用いることが可能となる。その結果、シール面圧を下げることなく、小型のスプリングを用いることができ、シール装置１を小型化することが可能となる。

また、本実施形態の機外側シール部５０の機外側シールリング５１においては、図３を参照して前述した機内側シールリング４１と同様に、Ｏリング５５が配設されている環状空間に関し、機外側シールリング５１の階段部５１ａの軸周面に平行な面の径（外径）（Ｂ_Ｉ ）、すなわちＯリング５５が配設されている環状空間の内径（Ｂ_Ｉ ）と、シール面５３の内径（Ｄ_Ｉ ）とは等しくなるように構成されている。また、シールカバー１０の内部孔１１の第３絞り面１１ｆの階段部５４ａの軸周面に平行な面の径（内径）（Ｂ_Ｏ ）、すなわちＯリング４５が配設されている環状空間の外径（Ｂ_Ｏ ）と、シール面５３の外径（Ｄ_Ｏ ）とは等しくなるように構成されている。
このように構成することにより、機外側シール部５０の機外側シールリング５１に関するバランス値は、１００％となる。なお、本発明においては、このバランス値は１００％でなくとも、７０％〜１３０％の範囲であれば同様の作用が得られる。

機内側シール部４０及び機外側シール部５０の各々他方のシール面３２及び３３を有するメイティングリング（回転環）３１は、回転軸７０に嵌合設置されたスリーブ２０にさらに嵌合設置されている。
スリーブ２０は、Ｏリング２３を介在させて回転軸７０の周面に密接に嵌合されており、機外側端部においてスリーブカラー２１により回転軸７０に固定設置されている。スリーブカラー２１は、スリーブ２０の機外側端部の外周面に嵌合し、セットスクリュー２２により回転軸７０に対して固定される。これにより、スリーブ２０とスリーブカラー２１とは一体的に回転軸７０に固定設置される。このスリーブ２０の機内側端部に、メイティングリング３０が嵌合される。

スリーブカラー２１の機内側端部は、メイティングリング３０を嵌合設置するメイティングリング設置部２４に形成されている。
スリーブ２０のメイティングリング設置部２４は、メイティングリング３０を当接させることによりその機外側端部の位置を規定する凸部２５、嵌合したメイティングリング３０の内周面との間に介在されるＯリング２７及びＯリング２７を介在させるための溝２６、スリーブ２０に嵌合したメイティングリング３０の抜けを防止するとともにその機内側の位置を規定するためのノックピン２９及びそのノックピン２９を嵌着するための孔２８を有する。

このように構成されたスリーブ２０及びスリーブカラー２１は、前述したように、セットプレート６３により位置決めして取り付けられる。シールカバー１０の機外側外周部には位置決め用溝１２ａが形成されており、複数のセットプレート６３が、位置決め用溝１２ａに沿って等配に、位置決め用溝１２ａにセットプレート６３の凸条部６３ａが嵌合させるように配置される。各セットプレート６３は、ソケットボルト６４により固定設置される。

このセットプレート６３に対して、スリーブカラー２１の位置を決めることによりセットプレート６３とスリーブカラー２１とが所定の位置関係とされ、セットプレート６３が装着されるシールカバー１０と、スリーブカラー２１と一体的に構成されるスリーブ２０との相対的な位置関係が所望の位置関係に設定される。その結果、スリーブ２０上に設置されるメイティングリング３０と、シールカバー１０に装着される機内側シールリング４１及び機外側シールリング５１とが所望の位置関係とされ、機内側シールリング４１のシール面４３とメイティングリング３０の機内側シール面３２、及び、機外側シールリング５１のシール面５３とメイティングリング３０の機外側シール面３３とが各々所定の位置関係で、また所定の圧力で密接摺動する機内側シール部４０及び機外側シール部５０が構成される。

メイティングリング３０は、スリーブ２０の機内側端部の上述のようなメイティングリング設置部２４に、すなわち、軸方向の両側を凸部２５及びスリーブカラー２１により規定され、また、スリーブ２０の外周面との間にＯリング２７を介在させて、スリーブ２０上の、換言すれば回転軸７０上の所定の位置に密封嵌合される。

メイティングリング３０の機内側の端面は、機内側シールリング４１のシール面４３と密接に摺動する機内側シール面３２に形成されており、機内側シール部４０の一部を構成している。
一方、メイティングリング３０の機外側の端面は、機外側シールリング５１のシール面５３と密接し摺動する機外側シール面３３に形成されており、機外側シール部５０の一部を構成している。

メイティングリング３０の外周側空間、すなわち、メイティングリング３０の外周面、機内側シール部４０の外周面、シールカバー１０の機外側端面、シールカバー１０の第１絞り面１１ｂ、拡張面１１ｃ、第２絞り面１１ｄ、及び、機外側シール部５０の外周面で囲まれる空間は、シール装置１の中間室１９を形成している。
中間室１９には、前述したようにシールカバー１０に形成されたクエンチング液注入路１３及びクエンチング液排出路１４が連通しており、クエンチング液が所定の圧力で充填されているとともに、機内側シール部４０及び機外側シール部５０の外周面をクエンチング液の流れが通過するように構成されている。これにより、各シール部のシール摺動面の摺動時の発熱が冷却されると共に、各シール部に付着している不純物が洗浄される。
なお、通常のダブルシールとして用いる場合には、中間室１９の圧力は機内側空間Ａの圧力よりも高圧に設定されるが、本実施形態のシール装置１は、中間室１９の圧力が機内側空間Ａの圧力よりも低い場合であっても対応可能なものである。中間室１９の圧力は、シール装置１の使用用途、目的、封止対象流体の種類等に応じて任意に決定してよい。

また、本実施形態のシール装置１は、シールカバー１０をスタフィンボックス８０に設置する場合にスタフィンボックス８０の外面８２とシールカバー１０の機内側端面との間に介在されるガスケット６０を有する。ガスケット６０は、樹脂製又は金属製であり、シールカバー１０とスタフィンボックス８０との間から機内側空間Ａの被密封流体が漏洩するのを防止する。

本実施形態のシール装置１において、メイティングリング３０、機内側シールリング４１、及び、機外側シールリング５１は、各々、炭化ケイ素（シリコンカーバイト、ＳｉＣ）、カーボン、超硬合金等の材質で製作される。好適には、機内側シールリング４１あるいは機外側シールリング５１とメイティングリング３０との組み合わせは、各々、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と炭化ケイ素（ＳｉＣ）の組み合わせ、カーボンと炭化ケイ素（ＳｉＣ）の組み合わせ、超硬合金と超硬合金の組み合わせ、あるいは、カーボンと超硬合金の組み合わせが好適である。

このように、本実施形態のシール装置１においては、スタフィンボックス８０の内部空間を使用することなく、カートリッジ式のシール装置においてダブルメカニカルシール装置を実現することができる。従って、本実施形態のシール装置１によれば、スタフィンボックス８０の大きさによらず、特殊な設計やポンプ等の装置側の改造を行うことなしに、所望の装置に対して容易にダブルシールを搭載することができる。

具体的には、シール装置１においては、シールケース４４は、シールカバー１０の設置用溝１５の奥端部から螺子溝１７を介して径方向内側にねじ込まれるセットスクリュー１８により、シールカバー１０の最も機内側の端部において固定設置されている。従来のシール装置では、機内側シールリング４１の軸方向位置を規定することになるシールケース４４は、その取り付け位置を明確にするために、軸方向に支持され固定されており、そのために長さ方向にある程度の長さを必要とすることになっていた。しかし、本実施形態のシール装置１においては、このようにシールケース４４を径方向から支持し固定する構成としたので、シール装置１の厚み方向（軸方向）の厚みを薄くすることができた。

また、本実施形態のシール装置１においては、機内側シールリング４１及び機外側シールリング５１のシール面４３及びシール面５３の面幅を３ｍｍ以下に、より好適には１〜３ｍｍに形成している。従って、コイルスプリング４９及びコイルスプリング５９として小型のスプリングを使用したとしても、シール摺動面の面圧を適切に維持することができる。従って、この点においても、シール性能を落とすことなく装置の小型化が可能となる。

より具体的には、本実施形態のシール装置１は、スタフィンボックス８０内の空間を使用しておらず、また内部に機内側シール部４０及び機外側シール部５０からなるダブルシールを収容した構成であるにも係わらず、その軸方向の厚みを５０ｍｍ以下とすることができるようになった。
なお、回転軸７０の対応軸径は、特定の値に限定されず任意の軸径に対応可能であるが、少なくとも２０ｍｍ〜１００ｍｍの間であれば、同一の構成により厚み５０ｍｍ以下でシール装置１を実現することができる。
また、その場合の各シール装置１の使用圧力は、２ＭＰａ以下であることが好ましく、より好ましくは、例えば１．５ＭＰａ以下の使用圧力が好適である。

また、本実施形態のシール装置１は、図３を参照して前述したように、機内側シール部４０の機内側シールリング４１において、Ｏリング４５が配設されている環状空間の内径Ｂ_Ｉ とシール面４３の内径Ｄ_Ｉ とが等しくなるように構成し、また、Ｏリング４５が配設されている環状空間の外径Ｂ_Ｏ とシール面４３の外径Ｄ_Ｏ とが等しくなるように構成し、これにより機内側シールリング４１に関するバランス値（バランス比）が略１００％となるように構成している。従って、機内側シール部４０のシール面のいずれの側が高圧となったとしても、同じシール性能でシール面を形成することができる。すなわち、正負両圧、さらに換言すれば、クエンチング液の圧力が機内側空間Ａの流体圧力と比較して大きい場合、あるいは、小さい場合のいずれの使用形態に対しても、略同一のシール性能で使用することができ、非常に汎用性の高いダブルシールを実現することができる。

すなわち、本実施形態のシール装置１においては、スタフィンボックス８０の内部空間を使用することなく、また、装置側に何ら特殊な設計や改造等を行う必要なく、装置の外面に装着可能な程度に十分小型な、カートリッジ式のダブルシールを実現することができた。

なお、前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。本実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。

例えば、機内側シールリング４１及び機外側シールリング５１の形状や設置構成等は任意に変更してよい。
例えば、これらのバランス値は略１００％としたが、若干の変更を行ってもよい。例えば、バランス値７０％〜１３０％の範囲であれば、実質的に前述した実施形態の作用と同じ作用効果が得られるものであり、本願発明をそのような形態で実施しても何ら差し支えない。

また、バランス値を変更する場合の方法は、Ｏリング４５あるいはＯリング５５の設置箇所の構造を変更してもよいし、シール面４３あるいはシール面５３の面幅や径方向の設置場所の位置を変更してもよい。

また、前述した実施形態においては、機内側シール部４０の機内側シールリング４１と機外側シール部５０の機外側シールリング５１とは同一の構成のシールリングを、メイティングリング３０を対称軸として軸方向に対象に配置したものであった。しかしながら、機内側シールリング４１と機外側シールリング５１との構成は異なるものであってもよい。例えば、シール装置１を大気中で使用する場合には、機外側シールリング５１については、中間室１９側が常に高圧となると考えられ、機外側シール部５０については正負両圧に対応する必要はないものとして、バランス値を１００％から変更してもよい。

産業上の利用分野

本発明は、遠心ポンプの軸シール等に利用することができる。その他、回転軸を有する任意の装置において、その回転軸の軸封装置として利用することができる。

Claims (7)

1. 回転軸と一体に回転するように当該回転軸に設置され、軸方向の両面にシール面が形成されている回転環と、
   前記回転環の機内側に配置され、前記回転環側の端部に、当該回転環の機内側の前記シール面に密接摺動するシール面が形成されている機内側固定環と、
   前記回転環の機外側に配置され、前記回転環側の端部に、当該回転環の機外側の前記シール面に密接摺動するシール面が形成されている機外側固定環と、
   前記機内側固定環を軸方向に移動自在に支持するシールケースと、
   前記回転軸が貫通されて、当該回転軸を有する装置の外面に取り付けられるシールカバーであって、前記シールケース、前記機内側固定環、前記回転環及び前記機外側固定環を収容するとともに、機外側の端部において前記機外側固定環を軸方向に移動自在に支持するシールカバーとを有し、
   前記シールケースは、前記シールカバーから径方向に支持されて、当該シールカバーの機内側の端部に設置されていることを特徴とするダブルメカニカルシール装置。
2. 前記シールカバーは、
   前記回転軸が貫通されるとともに前記シールケース、前記機内側固定環、前記回転環及び前記機外側固定環を収容する内部孔と、
   当該シールカバーを前記装置の外面に取り付けるための部材を通過させるための溝であって、前記回転軸の外径側から内径側方向に切り込まれた溝を有するフランジ部と
   を有し、
   前記シールケースは、前記溝の内径側からさらに内径方向に前記内部孔に達するように設置される螺子部材により、前記シールカバーの機内側の端部において径方向に支持され設置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のダブルメカニカルシール装置。
3. 前記機内側固定環の前記シール面と前記回転環の機内側の前記シール面との摺動面の径方向の幅、及び、前記機外側固定環の前記シール面と前記回転環の機外側の前記シール面との摺動面の径方向の幅の少なくともいずれか一方が、３ｍｍ以下に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のダブルメカニカルシール装置。
4. 前記機内側固定環及び前記機外側固定環の少なくともいずれか一方のバランス値が、７０％〜１３０％に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のダブルメカニカルシール装置。
5. 前記機内側固定環は、当該機内側固定環の前記シール面の背面の所定箇所において、当該機内側固定環の外周面と前記シールケースの内周面との間にＯリングを介在させて、当該Ｏリングにより前記シール面の両側の空間を当該シール面の背面においてシールするように設置されており、
   当該機内側固定環の前記Ｏリングが配置されている前記外周面の径と、当該機内側固定環の前記シール面と前記密封環の前記シール面との摺動面の内径とがほぼ同じであり、
   前記シールケースの前記Ｏリングが配置されている前記内周面の径と、当該機内側固定環の前記シール面と前記密封環の前記シール面との摺動面の外径とがほぼ同じであることを特徴とする請求項４に記載のダブルメカニカルシール装置。
6. 前記機外側固定環は、当該機外側固定環の前記シール面の背面の所定箇所において、当該機外側固定環の外周面と前記シールカバーの内周面との間にＯリングを介在させて、当該Ｏリングにより前記シール面の両側の空間を当該シール面の背面においてシールするように設置されており、
   当該機外側固定環の前記Ｏリングが配置されている前記外周面の径と、当該機外側固定環の前記シール面と前記密封環の前記シール面との摺動面の内径とがほぼ同じであり、
   前記シールカバーの前記Ｏリングが配置されている前記内周面の径と、当該機外側固定環の前記シール面と前記密封環の前記シール面との摺動面の外径とがほぼ同じであることを特徴とする請求項４に記載のダブルメカニカルシール装置。
7. 前記機内側固定環の材質と前記回転環の材質との組み合わせ、及び、前記機外側固定環の材質と前記回転環の材質との組み合わせの少なくとも一方が、炭化ケイ素（ＳｉＣ）と炭化ケイ素（ＳｉＣ）の組み合わせ、カーボンと炭化ケイ素（ＳｉＣ）の組み合わせ、超硬合金と超硬合金の組み合わせ、あるいは、カーボンと超硬合金の組み合わせであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のダブルメカニカルシール装置。

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