JPWO2017013922A1 - 非接触環状シール及びこれを備える回転機械 - Google Patents

Abstract

回転軸の周方向の旋回流に起因する不安定振動の抑制効果の向上を図りつつ、シール内部を通過する流体の漏れ量の増加を抑制する。本発明によれば、回転機械の回転部に設けられる回転体と、前記回転機械の固定部に設けられる固定体と、を有し、前記回転体と前記固定体との隙間を流れる流体をシールするように構成された非接触環状シールが提供される。非接触環状シールは、前記隙間を形成する前記回転体の表面及び前記固定体の表面の少なくとも一方に設けられるネジ溝を有し、前記ネジ溝は、前記回転体の軸方向に直交する平面に対する前記ネジ溝のリード角を画定し、シール入口側の前記ネジ溝の前記リード角は、シール出口側の前記ネジ溝の前記リード角よりも大きい。

Description

本発明は、非接触環状シール及びこれを備える回転機械に関し、特に、非圧縮性流体を扱う回転機械における、羽根車等とケーシングとの間の流体の漏洩量を低減し且つ振動を少なくし、安定した軸封特性を発揮する非接触環状シール及びこれを備える回転機械に関する。

液体を移送する回転機械（以下、「ポンプ」という）は、発電、化学プロセス、下水道、上水道等を目的とするプラント又は設備に幅広く使用されている。ポンプは、ケーシングと、羽根車を装着した回転軸とを有する。回転軸は、ケーシング内部に配置され、軸受により回転可能に支持される。ケーシングの吸込口から吸い込まれた液体は、羽根車の回転により昇圧され、ケーシングの吐出口から吐出される。即ち、ポンプ内部の流路においては、高圧の領域と低圧の領域とが形成され、高圧領域から低圧領域へと流体が流れる。ここで、ケーシング（固定部）と回転軸（回転部）との僅かな隙間において、高圧の領域からこの隙間を介して低圧の領域へと流体が移動（漏洩）すると、ポンプ効率が低下する。このため、ケーシングと回転軸との隙間は非接触環状シールによりシールされる。これにより、昇圧された液体が低圧側へ漏洩することが抑制される。

例えば、図１に示す典型的な多段遠心ポンプ（ＪＩＳハンドブック ポンプ 第１版 第７４頁から引用）では、非接触環状シールは、図中丸で囲まれた部位に用いられる。即ち、羽根車の入口部、前段の羽根車と後段の羽根車との間、最後段の羽根車出口部と低圧側（ポンプ入口圧力）との間等に用いられる。特に、羽根車出口部と低圧側との間は差圧が大きく、流体の漏洩が大きいので、この部分における流体の漏洩はポンプ性能に与える影響が大きい。このため、流体の漏洩量を減らすことができる様々な構造の非接触環状シールが知られている。

最も基本的な非接触環状シールとしては、平滑シールが知られている。平滑シールは、平滑な面を有する円筒を二重に配置して形成されたシールである。平滑シールのような非接触環状シールの漏れ量を低減するためには、非接触環状シールの回転側と静止側の径方向の隙間を小さくすることが効果的である。しかしながら、回転軸の振動やたわみ等の実用上の問題から、径方向の隙間を極端に小さくすることはできない。このため、径方向の隙間を小さくすることなく漏れ量を低減する非接触環状シールが必要とされる。このような非接触環状シールとして、平行溝シール、ダンパーシール、ネジ溝シール等が知られている。以下、従来の非接触環状シールの例を説明する。

図１８は、従来の平行溝シールの部分断面図である。図１８においては、固定体１３１を断面図で示し、回転軸１２１を側面図で示している。平行溝シール１１１は、外周面が平滑な回転体である回転軸１２１と、回転軸１２１と対向する面に同心円状の溝１４１が複数設けられた固定体１３１とを有する。この平行溝シール１１１は、回転軸１２１と固定体１３１との隙間を流れる流体が溝１４１を通過する際に発生する渦によるエネルギー損失や、流路の急拡大及び急縮小により発生する圧力損失等により、流体の漏洩量（移動量）を低減することができる。

図１９及び図２０は、従来のダンパーシールの部分断面図である。図１９はダンパー構造としてハニカムパターンを採用したダンパーシールを示す。図１９においては、固定体１３２を断面図で示し、回転軸１２２を側面図で示している。ダンパーシール１１２は、外周面が平滑な回転体である回転軸１２２と、回転軸１２２と対向する面に複数の凹部１４２が設けられた固定体１３２とを有する。図示の例では、凹部１４２として六角形状のハニカムパターンが用いられている。このダンパーシール１１２は、回転軸１２２と固定体１３２との隙間を流れる流体が凹部１４２を流れる際に発生する流体の圧力損失により、流体の漏洩量を低減することができる。

図２０はダンパー構造としてホールパターンを採用したダンパーシールを示す。図２０においては、固定体１３３を断面図で示し、回転軸１２３を側面図で示している。このダンパーシール１１３は、外周面が平滑な回転体である回転軸１２３と、回転軸１２３と対向する面に複数の凹部１４３が設けられた固定体１３３とを有する。図示の例では、凹部１４３として円形凹状のホールパターンが用いられている。このダンパーシール１１３は、回転軸１２３と固定体１３３との隙間を流れる流体が凹部１４３を流れる際に発生する流体の圧力損失により、流体の漏洩量を低減することができる。

図２１は、従来のネジ溝シールの部分断面図である。図２１においては、固定体１３４を断面図で示し、回転軸１２４を側面図で示している。ネジ溝シール１１４は、内周面が平滑な円筒状の固定体１３４と、固定体１３４と対向する面にネジ溝１４４が形成された回転軸１２４とを有する。ネジ溝シール１１４は、回転軸１２４が回転すると、回転方向に応じてポンピング効果により流体を高圧側に押し戻し、漏洩量を低減させる効果がある。ネジ溝１４４はシール入口側（高圧側）からシール出口側（低圧側）までの連続した溝である。ネジ溝シール１１４の入口側と出口側との圧力差が大きい場合は圧力差による漏れ流れが大きくなるので、リード角を小さくした方が漏れ量を小さくできる場合が多い。

なお、ターボ分子ポンプ等の流体機械に用いられる非接触環状シールが、実開昭６２−９８７９８号公報（特許文献１）等に開示されている。

実開昭６２−９８７９８号公報

ところで、非接触環状シールでは、シール内部を通過する流体が回転軸の外周を旋回することにより、回転軸に不安定振動（自励振動とも呼ばれる）が発生し、回転軸に異常な振動状態が生じる場合がある。この不安定振動の発生のし難さが非接触環状シールの重要な特性の一つとなっている。この不安定振動は、シール内部の回転軸の周方向の旋回流が大きいほど発生し易くなることがわかっている。

ネジ溝シールの場合、固定体に適切な溝を設けることで、回転軸の回転に伴うシール内部の流体の旋回流を低減させることができる。このため、固定体にネジ溝を有するネジ溝シールは、不安定振動を抑制する手段としてしばしば用いられる。この固定体に設けられるネジ溝による不安定振動を抑制する作用はネジ溝のリード角が大きいほど顕著であることが分かった。しかしながら、上述したように、ネジ溝のリード角を大きくすると漏れ量が大きくなることが多く、不安定振動を抑制する作用と漏れ量を低減する作用はトレードオフの関係にあるということができる。したがって、漏れ量を低減することと不安定振動を抑制することとを高いレベルで両立させることは困難であった。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、回転軸の周方向の旋回流に起因する不安定振動の抑制効果の向上を図りつつ、シール内部を通過する流体の漏れ量の増加を抑制することである。

また、本発明の他の目的の一つは、羽根車を取付けた回転軸を回転させ、流体を移送する回転機械において、羽根車によって昇圧された流体が低圧側に漏れることを低減してポンプ効率を上げつつ、シール内部を通過する流体による不安定振動を抑制することである。

本発明者らは、上記問題点に対して鋭意検討した結果、以下の知見を得た。即ち、ネジ溝のリード角が比較的大きいネジ溝シールにおいては、低圧側（シール出口側）における不安定振動を抑制する作用よりも、高圧側（シール入口側）における不安定振動を抑制する作用が大きいことが分かった。また、ネジ溝のリード角が比較的小さいネジ溝シールは、その低圧側と高圧側とで、ほぼ同等の漏れ量を低減する効果を有することが分かった。

本発明は、上記知見に基づきなされた。本発明の一形態によれば、回転機械の回転部に設けられる回転体と、前記回転機械の固定部に設けられる固定体と、を有し、前記回転体と前記固定体との隙間を流れる流体をシールするように構成された非接触環状シールが提供される。この非接触環状シールは、前記隙間を形成する前記回転体の表面及び前記固定体の表面の少なくとも一方に設けられるネジ溝を有し、前記ネジ溝は、前記回転体の軸方向に直交する平面に対する前記ネジ溝のリード角を画定し、シール入口側の前記ネジ溝の前記リード角は、シール出口側の前記ネジ溝の前記リード角よりも大きい。これによれば、不安定化振動を抑制する作用が大きい高圧側（シール入口側）においては、ネジ溝のリード角が相対的に大きくされるので、不安定化振動を抑制する作用を向上させることができる。また、低圧側（シール出口側）においては、ネジ溝のリード角が相対的に小さくされるので、シールを通過する流体の漏れ量の増加を抑制することができる。したがって、本発明の一形態によれば、非接触環状シールの不安定振動を抑制する効果と高い軸封性能とを両立することができる。

本発明の他の一形態によれば、上記非接触環状シールの一形態において、前記ネジ溝は、前記ネジ溝のリード角がシール入口側からシール出口側に向かって段階的に小さくなるように形成される。これによれば、上記非接触環状シールは、リード角の異なるネジ溝を有する複数の非接触環状シールを互いに接合することで製造され得る。このため、上記非接触環状シールは、例えば、従来から存在する非接触環状シールを利用する等して、容易に製造することができる。

本発明の他の一形態によれば、上記非接触環状シールの一形態において、前記ネジ溝は、前記ネジ溝のリード角がシール入口側からシール出口側に向かって連続的に小さくなるように形成される。これによれば、ネジ溝のリード角を、軸方向位置に応じて適切な角度に細かく設定することができる。ひいては、非接触環状シールの不安定振動を抑制する効果と軸封性能とより向上させることができる。

本発明の他の一形態によれば、上記非接触環状シールの一形態において、シール入口側の前記ネジ溝の深さは、シール出口側の前記ネジ溝の深さよりも大きい。非接触環状シールにおいて所定の条数を有するネジ溝のリード角を大きくした場合、ネジ溝の幅を大きくせざるを得ず、ネジ溝の断面積の総和が大きくなる。また、所定の幅を有するネジ溝のリード角を大きくした場合は、条数を増加せざるを得ず、ネジ溝の断面積の総和が大きくなる。ネジ溝の断面積の総和が大きくなると、流体がシール間を流れやすくなる。本発明の一形態によれば、非接触環状シールのネジ溝の断面積の総和を小さくすることができるので、シール間を通過する流体の漏れ量をさらに低減することができる。

本発明の他の一形態によれば、上記非接触環状シールの一形態において、前記ネジ溝は、少なくとも前記固定体の前記表面に形成される。ネジ溝が少なくとも固定体の表面に形成されることにより、不安定振動を抑制する作用を向上させつつ、漏れ量の増加を抑制することができる。ところで、非接触環状シールの回転体にもネジ溝を設けた場合、回転体の回転により流体を高圧側に押し戻すポンピング効果が増加する。一方で、回転体の回転により、回転体の周囲の流体が旋回し、不安定振動が助長される可能性がある。ここで、固定体の表面に上記ネジ溝が形成されていれば、回転体の表面にネジ溝が形成されていても、回転体の回転により生じる流体の旋回を固定体の表面のネジ溝により抑制することができる。また、この場合、回転体の表面に形成されたネジ溝によるポンピング効果により、一層流体の漏れ量を低減することができる。したがって、固定体と回転体の両方に上記ネジ溝が形成されている場合は、不安定振動を抑制しつつ、漏れ量を一層抑制することができる。

本発明の他の一形態によれば、回転機械が提供される。この回転機械は、電動機と、前記電動機と連結されて回転可能に構成される主軸と、前記主軸に嵌合され、該主軸とともに回転可能に構成される羽根車と、前記羽根車を収容するケーシングと、前記ケーシングに取り付けられ、前記主軸を回転可能に支持する軸受と、を備え、前記主軸は回転部を有し、前記ケーシングは固定部を有し、前記回転部及び前記固定部は、上記非接触環状シールを有する。

本発明の一つによれば、回転軸の周方向の旋回流に起因する不安定振動の抑制効果の向上を図りつつ、シール内部を通過する流体の漏れ量の増加を抑制することができる。

また、本発明の一つによれば、羽根車を取付けた回転軸を回転させ、流体を移送する回転機械において、羽根車によって昇圧された流体が低圧側に漏れることを低減してポンプ効率を上げつつ、シール内部を通過する流体による不安定振動を抑制することができる。

本実施形態に係る非接触環状シールを適用することができる高圧ポンプの断面図を示す。 図１に示した高圧ポンプの１段目羽根車の拡大断面図である。 図２に示した非接触環状シールに適用可能な本実施形態の非接触環状シールを示す部分断面図である。 固定体に形成されるネジ溝の断面形状の他の例を示す図である。 固定体に形成されるネジ溝の断面形状の他の例を示す図である。 固定体に形成されるネジ溝の断面形状の他の例を示す図である。 図３に示した固定体の、中心軸を含む平面で切断した場合の断面図である。 図３に示した非接触環状シールに使用される固定体の他の例を示す断面図である。 図３に示した非接触環状シールに使用される固定体のさらに他の例を示す断面図である。 図３に示した非接触環状シールに使用される固定体のさらに他の例を示す断面図である。 図３に示した非接触環状シールに使用される固定体のさらに他の例を示す断面図である。 図３に示した非接触環状シールに使用される固定体のさらに他の例を示す断面図である。 図３に示した非接触環状シールに使用される固定体のさらに他の例を示す断面図である。 図３に示した非接触環状シールに使用される固定体のさらに他の例を示す断面図である。 図２に示した非接触環状シールに適用可能な他の実施形態の非接触環状シールを示す部分断面図である。 図２に示した非接触環状シールに適用可能な他の実施形態の非接触環状シールを示す部分断面図である。 図２に示した非接触環状シールに適用可能な他の実施形態の非接触環状シールを示す部分断面図である。 図２に示した非接触環状シールに適用可能な他の実施形態の非接触環状シールを示す部分断面図である。 評価試験の結果を示すグラフである。 従来の平行溝シールの部分断面図である。 従来のダンパーシールの部分断面図である。 従来のダンパーシールの部分断面図である。 従来のネジ溝シールの部分断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下で説明する図面において、同一の又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。なお、以下で説明する実施形態では、本発明の回転機械の一例として高圧ポンプが説明される。

図１は、本実施形態に係る非接触環状シールを適用することができる高圧ポンプ（多段遠心ポンプ）の断面図を示す。この高圧ポンプ１は、図示しない電動機に連結されて回転する主軸１１と、主軸１１に嵌合された羽根車２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、羽根車２１ａ，２１ｂ，２１ｃを収容するケーシング３１と、ケーシング３１に取り付けられた軸受４５ａ，４５ｂとを備える。軸受４５ａ，４５ｂは、主軸１１を回転可能に支持する。高圧ポンプ１を回転駆動するための図示しない電動機は、主軸１１の左端に嵌合されたカップリング１３を介して主軸１１に連結される。

ケーシング３１は水等の非圧縮性流体（以下、単に流体という）を外部から吸い込むための吸込口３３と、吸い込んだ流体を吐出するための吐出口３７を有する。主軸１１に嵌合された１段目羽根車２１ａは、主軸１１の回転に伴って回転し、吸込口３３から流体をケーシング３１内に吸い込む。１段目羽根車２１ａにより吸い込まれ、昇圧された流体は、第１流路３５ａを通過し、２段目羽根車２１ｂへ到達する。２段目羽根車２１ｂによって昇圧された流体は、第２流路３５ｂを通過し、３段目羽根車２１ｃへ到達する。流体は、３段目羽根車２１ｃでさらに昇圧され、吐出口３７より吐出され、図示しない配管を通じて移送される。即ち、流体は、１段目羽根車２１ａ、２段目羽根車２１ｂ、及び３段目羽根車２１ｃによって昇圧される。

流体には、各羽根車２１ａ，２１ｂ，２１ｃの吸込側と吐出側との間に圧力差が生じる。即ち、吸込側が低圧側になり、吐出側が高圧側になる。この圧力差が生じると、僅かな隙間を通じて、高圧側の流体の一部は低圧側へ漏洩する。本実施形態の非接触環状シールは、その漏洩を低減する。図１に示した高圧ポンプ１では、円で囲んだ部位に本実施形態の非接触環状シールが設けられる。図１に示した高圧ポンプ１は多段遠心ポンプであるので、流体の圧力が単段遠心ポンプに比べて高くなり、流体の漏洩量は必然的に多くなる。漏洩量が多ければ、ポンプ効率は低下する。

図２は、図１に示した高圧ポンプ１の１段目羽根車２１ａの拡大断面図である。図示のように、１段目羽根車２１ａは流体を吸い込む吸込口２３と、流体を吐出する吐出口２５とを有する。ここで、流体の圧力は、吸込口２３側が低圧になり、吐出口２５側が高圧となる。即ち、吸込口２３は低圧部３６であり、吐出口２５は高圧部３８である。ここで、高圧ポンプ１における流体の漏洩箇所は主に、吸込口２３の外周面とケーシング３１ａとの対向部位Ｘと、羽根車２１ａの背面の外周面とケーシング３１ｂとの対向部位Ｙである。これら各対向部位Ｘ，Ｙに形成される隙間に、本実施形態に係る非接触環状シール４１，４３が設けられる。

非接触環状シール４１，４３は、高圧ポンプ１の回転部である羽根車２１ａに設けられる回転体４１ａ，４３ａと、固定部であるケーシング３１ａ，３１ｂに設けられる固定体４１ｂ，４３ｂと、を有する。なお、図示の例では回転体４１ａ，４３ａが羽根車２１ａとは別の部材として設けられているが、回転体４１ａ，４３ａは羽根車２１ａと一体に形成されていてもよい。同様に、図示の例では固定体４１ｂ，４３ｂがケーシング３１ａ，３１ｂとは別の部材として設けられているが、固定体４１ｂ，４３ｂはケーシング３１ａ，３１ｂと一体に形成されていてもよい。

図３は、図２に示した非接触環状シール４１，４３に適用可能な本実施形態の非接触環状シールを示す部分断面図である。図３においては、固定体７１を断面図で示し、回転体６１を側面図で示している。

図示のように、本実施形態の非接触環状シール５１は、図２に示した回転部である羽根車２１ａに設けられる回転体６１と、図２に示した固定部であるケーシング３１ａ，３１ｂに設けられる固定体７１とを備える。回転体６１は、羽根車２１ａとともに回転可能に構成される。回転体６１は、中心軸１５１を中心として所定の方向に回転する。なお、中心軸１５１は、例えば、図１及び図２に示した主軸１１の軸心と一致する。

また、固定体７１は、その内表面にらせん状に形成されたネジ溝８１を備える。即ち、本実施形態の非接触環状シール５１はネジ溝シールである。固定体７１は略円筒状に形成される。回転体６１は、固定体７１の内径よりも小さい外径を有する略円筒状の部材である。回転体６１は、固定体７１の内面に対して所定の隙間を有するように、固定体７１の内部に配置される。

非接触環状シール５１が図１に示した高圧ポンプ１に適用されるとき、流体は、固定体７１と回転体６１との隙間を、高圧側１５５（シール入口側）から低圧側１５６（シール出口側）に向かって、即ち図中矢印Ａの方向に向かって漏洩する。

図３に示すように、固定体７１に形成されるネジ溝８１の断面形状は略矩形である。しかしながら、これに限らず、図４Ａに示すようにネジ溝８１の断面形状は略三角形であってもよい。また、図４Ｂに示すように、ネジ溝８１の断面形状は略Ｕ字形であってもよい。さらに、図４Ｃに示すように、ネジ溝８１の断面形状は略半円形であってもよい。なお、ネジ溝８１の断面形状としては、図３及び図４Ａ−４Ｃに示した断面形状以外の任意の断面形状を採用することもできる。

上述したように、本発明者らは、鋭意検討により以下の知見を得た。即ち、ネジ溝のリード角が比較的大きいネジ溝シールにおいては、低圧側（シール出口側）における不安定振動を抑制する作用よりも、高圧側（シール入口側）における不安定振動を抑制する作用が大きいことが分かった。また、ネジ溝のリード角が比較的小さいネジ溝シールは、その低圧側と高圧側とで、ほぼ同等の漏れ量を低減する効果を有することが分かった。

このため、図３に示した本実施形態に係る非接触環状シール５１では、高圧側１５５（シール入口側）のネジ溝８１のリード角が、低圧側１５６（シール出口側）のネジ溝８１のリード角よりも大きくなるように、ネジ溝８１が形成される。即ち、本実施形態に係る非接触環状シール５１では、高圧側におけるネジ溝８１により不安定振動を効率よく抑制し、且つ低圧側におけるネジ溝８１により漏れ量を低減する。したがって、本実施形態に係る非接触環状シール５１は、不安定振動を抑制する効果と高い軸封性能とを両立することができる。

図５は、図３に示した固定体７１の、中心軸１５１を含む平面で切断した場合の断面図である。図示のように固定体７１は、高圧側１５５（シール入口側）に位置するネジ溝８１Ａと、低圧側１５６（シール出口側）に位置するネジ溝８１Ｃと、ネジ溝８１Ａとネジ溝８１Ｃとの間に位置するネジ溝８１Ｂとを有する。ここでは、ネジ溝８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃの全体の総称としてネジ溝８１と呼ぶ。ネジ溝８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃは、それぞれ、回転体６１（図３参照）の軸方向（中心軸１５１の軸方向）に直交する平面に対するリード角θ１Ａ，θ１Ｂ，θ１Ｃを画定する。また、ネジ溝８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃは、それぞれ、幅Ｗ１Ａ，Ｗ１Ｂ，Ｗ１Ｃを有する。ここで、幅Ｗ１Ａ，Ｗ１Ｂ，Ｗ１Ｃは、ネジ溝８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃの側面の任意の点からの幅方向の最短距離を示す。なお、ネジ溝８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃの深さは全て同一である。

ネジ溝８１は、ネジ溝８１のリード角が変化する境界部１６１，１６２を有する。具体的には、ネジ溝８１Ａのリード角θ１Ａは、境界部１６１においてネジ溝８１Ｂのリード角θ１Ｂに変化する。また、ネジ溝８１Ｂのリード角θ１Ｂは、境界部１６２においてネジ溝８１Ｃのリード角θ１Ｃに変化する。境界部１６１，１６２は実質的な幅を有していないので、ネジ溝８１は、固定体７１の表面に連続的に形成される。なお、本実施形態では、境界部１６１，１６２は、中心軸１５１に直交する平面と平行に形成される。しかしながら、この境界部１６１，１６２は、平面状又は直線状に形成される場合に限らず、任意の形状であってもよい。また、後述するように、境界部１６１，１６２の数は、２つに限らず、１又は３以上であってもよい（図１０及び図１１参照）。

ここで、リード角θ１Ａは、リード角θ１Ｂよりも大きい。また、リード角θ１Ｂは、リード角θ１Ｃよりも大きい。したがって、ネジ溝８１のリード角は、高圧側１５５から低圧側１５６に向かって段階的に小さくなるように形成される。即ち、不安定化振動を抑制する作用が大きい高圧側１５５においては、ネジ溝８１Ａのリード角θ１Ａが相対的に大きくされるので、不安定化振動を抑制する作用を向上させることができる。また、低圧側１５６においては、ネジ溝８１Ｂのリード角θ１Ｂ及びネジ溝８１Ｃのリード角θ１Ｃが相対的に小さくされるので、非接触環状シール５１を通過する流体の漏れ量の増加を抑制することができる。

また、ネジ溝８１は、そのリード角が高圧側１５５から低圧側１５６に向かって段階的に小さくなるように形成されるので、この固定体７１にネジ溝８１を容易に加工することができる。具体的には、ネジ溝８１は、固定体７１の内周面に、一定幅のネジ溝８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃをそれぞれ加工することで形成することができる。又は、例えばネジ溝８１Ａを有する固定体と、ネジ溝８１Ｂを有する固定体と、ネジ溝８１Ｃを有する固定体とそれぞれ製造し、これらの固定体を組み合わせることで固定体７１を容易に製造することができる。

ネジ溝８１Ａの条数と、ネジ溝８１Ｂの条数と、ネジ溝８１Ｃの条数は、それぞれ同一である。ネジ溝８１は、条数が一定の場合、リード角が小さくなるに従って、ネジ溝８１の幅が小さくなる。このため、境界部１６１よりも高圧側１５５のネジ溝８１Ａの幅Ｗ１Ａは、境界部１６１よりも低圧側１５６のネジ溝８１Ｂの幅Ｗ１Ｂよりも大きい。また、境界部１６２よりも高圧側１５５のネジ溝８１Ｂの幅Ｗ１Ｂは、境界部１６２よりも低圧側１５６のネジ溝８１Ｃの幅Ｗ１Ｃよりも大きい。即ち、ネジ溝８１の幅は、高圧側１５５から低圧側１５６に向かって段階的に小さくなるように形成される。なお、後述するように、ネジ溝８１Ａの条数と、ネジ溝８１Ｂの条数と、ネジ溝８１Ｃの条数は、それぞれ異なっていてもよい（図７参照）。また、後述するように、幅Ｗ１Ａと、幅Ｗ１Ｂと、幅Ｗ１Ｃとは、互いに同一の大きさであってもよい（図７参照）。

図示のように、境界部１６１において、高圧側１５５のネジ溝８１Ａの断面積は、低圧側１５６のネジ溝８１Ｂの断面積と同一である。同様に、境界部１６２において、高圧側１５５のネジ溝８１Ｂの断面積は、低圧側１５６のネジ溝８１Ｃの断面積と同一である。なお、後述するように、境界部１６１，１６２における高圧側１５５のネジ溝８１の断面積は、低圧側１５６のネジ溝８１の断面積と異なっていてもよい（図７参照）。

また、図示のように、境界部１６１，１６２において、高圧側１５５のネジ溝８１は、低圧側１５６のネジ溝８１に連続して形成される。言い換えれば、境界部１６１，１６２において、高圧側１５５のネジ溝８１の断面が、低圧側１５６のネジ溝８１の断面と一致する。具体的には、境界部１６１において、高圧側１５５のネジ溝８１Ａの断面は、低圧側１５６のネジ溝８１Ｂの断面と一致する。また、境界部１６２において、高圧側１５５のネジ溝８１Ｂの断面は、低圧側１５６のネジ溝８１Ｃの断面と一致する。これにより、ポンピング効果が境界部１６１，１６２におけるネジ溝８１によって阻害されることを抑制することができる。なお、後述するように、境界部１６１，１６２において、高圧側１５５のネジ溝８１は、低圧側１５６のネジ溝８１に連続しないように形成されてもよい（図６、図７参照）。

以上で説明したように、図３に示した非接触環状シール５１は、高圧側１５５のネジ溝８１のリード角が低圧側１５６のネジ溝８１のリード角よりも大きい固定体７１を有する。この非接触環状シール５１は、例えば以下で説明するような他の固定体を備えることもできる。

図６は、図３に示した非接触環状シール５１に使用される固定体の他の例を示す断面図である。図６においては、図３に示した中心軸１５１を含む平面で切断した場合の固定体の断面図を示す。図６に示す固定体７２は、図５に示した固定体７１に比べて、境界部１６１，１６２においてネジ溝８１が不連続である点が異なる。固定体７２の他の部分については、図５に示した固定体７１と同一であり、その効果も同一であるので、詳細な説明は省略する。

図示のように、境界部１６１，１６２において、高圧側１５５のネジ溝８１の断面は、低圧側１５６のネジ溝８１の断面と一致しないように形成される。具体的には、境界部１６１において、高圧側１５５のネジ溝８１Ａの断面は、低圧側１５６のネジ溝８１Ｂの断面と一致しない。また、境界部１６２において、高圧側１５５のネジ溝８１Ｂの断面は、低圧側１５６のネジ溝８１Ｃの断面と一致しない。

図７は、図３に示した非接触環状シール５１に使用される固定体のさらに他の例を示す断面図である。図７においては、図３に示した中心軸１５１を含む平面で切断した場合の固定体の断面図を示す。図７に示す固定体７３は、図５に示した固定体７１に比べて、高圧側１５５のネジ溝８１の断面積が低圧側１５６に比べて異なる点、境界部１６１，１６２においてネジ溝８１が不連続である点、及びネジ溝８１の幅が一定である点が異なる。
固定体７３の他の部分については、図５に示した固定体７１と同一であり、その効果も同一であるので、詳細な説明は省略する。

図示のように、境界部１６１において、高圧側１５５のネジ溝８１Ａの断面積は、低圧側１５６のネジ溝８１Ｂの断面積と異なる。また、境界部１６２において、高圧側１５５のネジ溝８１Ｂの断面積は、低圧側１５６のネジ溝８１Ｃの断面積と異なる。ネジ溝８１の断面積が境界部１６１，１６２において変化するようにネジ溝８１が形成されるので、境界部１６１，１６２の前後においてネジ溝８１の条数を変化させることができる。このため、ネジ溝８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃのリード角θ１Ａ，θ１Ｂ，θ１Ｃをより柔軟に設定することができる。

また、境界部１６１，１６２において、高圧側１５５のネジ溝８１の断面は、低圧側１５６のネジ溝８１の断面と一致しないように形成される。具体的には、境界部１６１において、高圧側１５５のネジ溝８１Ａの断面は、低圧側１５６のネジ溝８１Ｂの断面と一致しない。また、境界部１６２において、高圧側１５５のネジ溝８１Ｂの断面は、低圧側１５６のネジ溝８１Ｃの断面と一致しない。

また、図示のように、固定体７３においては、境界部１６１よりも高圧側１５５のネジ溝８１Ａの幅Ｗ１Ａが、境界部１６１よりも低圧側１５６のネジ溝８１Ｂの幅Ｗ１Ｂと同一である。また、境界部１６２よりも高圧側１５５のネジ溝８１Ｂの幅Ｗ１Ｂが、境界部１６２よりも低圧側１５６のネジ溝８１Ｃの幅Ｗ１Ｃと同一である。これにより、ネジ溝８１Ａの条数と、ネジ溝８１Ｂの条数と、ネジ溝８１Ｃの条数とが異なっている。具体的には、ネジ溝８１Ａの条数は、ネジ溝８１Ｂの条数よりも多く、ネジ溝８１Ｂの条数は、ネジ溝８１Ｃの条数よりも多い。

図８は、図３に示した非接触環状シール５１に使用される固定体のさらに他の例を示す断面図である。図８においては、図３に示した中心軸１５１を含む平面で切断した場合の固定体の断面図を示す。図８に示す固定体７４は、図５に示した固定体７１に比べて、境界部１６１，１６２が所定の幅を有する点が異なる。固定体７４の他の部分については、図５に示した固定体７１と同一であり、その効果も同一であるので、詳細な説明は省略する。

図８に示すように、ネジ溝８１Ａとネジ溝８１Ｂとの間の境界部１６１が所定の幅を有する。また、ネジ溝８１Ｂとネジ溝８１Ｃとの間の境界部１６２が所定の幅を有する。言い換えれば、ネジ溝８１は、固定体７４の表面に間欠的に形成される。このように、ネジ溝８１が固定体７４の表面に間欠的に形成されても、図５に示した固定体７１と同様の作用を奏し得る。

図９は、図３に示した非接触環状シール５１に使用される固定体のさらに他の例を示す断面図である。図９においては、図３に示した中心軸１５１を含む平面で切断した場合の固定体の断面図を示す。図９に示す固定体７５は、図５に示した固定体７１に比べて、ネジ溝８１の深さが段階的に浅くなるように形成されている点が異なる。固定体７５の他の部分については、図５に示した固定体７１と同一であり、その効果も同一であるので、詳細な説明は省略する。

図示のように、ネジ溝８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃは、それぞれ、深さＤ１Ａ，Ｄ１Ｂ，Ｄ１Ｃを有する。境界部１６１より高圧側１５５のネジ溝８１Ａの深さＤ１Ａは、境界部１６１より低圧側１５６のネジ溝８１Ｂの深さＤ１Ｂよりも大きい。また、境界部１６２より高圧側１５５のネジ溝８１Ｂの深さＤ１Ｂは、境界部１６２より低圧側１５６のネジ溝８１Ｃの深さＤ１Ｃよりも大きい。

一般的に、非接触環状シールにおいて、所定の条数を有するネジ溝のリード角を大きくする場合、ネジ溝の幅を大きくせざるを得ず、ネジ溝の断面積の総和が大きくなる。また、所定の幅を有するネジ溝のリード角を大きくする場合は、条数を増加せざるを得ず、ネジ溝の断面積の総和が大きくなる。ネジ溝の断面積の総和が大きくなると、流体がシール間を流れやすくなる。

図９に示す固定体７５のように、所定の条数を有するネジ溝８１のうち、ネジ溝８１Ａのリード角θ１Ａを相対的に大きくした場合、ネジ溝８１Ａの幅が相対的に大きくなり、ネジ溝８１の断面積の総和が大きくなる。そこで、図９に示す固定体７５のように、高圧側１５５から低圧側１５６に向かって、ネジ溝８１の深さを段階的に浅くなるように形成することにより、ネジ溝８１の断面積の総和を小さくすることができる。これにより、シール間を通過する流体の漏れ量をさらに低減することができる。

なお、図７に示した固定体７３のように、所定の幅を有するネジ溝８１のうち、ネジ溝８１Ａのリード角θ１Ａを相対的に大きくした場合、ネジ溝８１Ａの条数が相対的に多くなる。このような場合にも、シール間を通過する流体の漏れ量をさらに低減するためには、ネジ溝８１の深さを段階的に浅くなるように、ネジ溝８１を形成することが有効である。

図１０は、図３に示した非接触環状シール５１に使用される固定体のさらに他の例を示す断面図である。図１０においては、図３に示した中心軸１５１を含む平面で切断した場合の固定体の断面図を示す。図１０に示す固定体７６は、図５に示した固定体７１に比べて、リード角の変化位置（境界部）が多い点が異なる。固定体７６の他の部分については、図５に示した固定体７１と同一であり、その効果も同一であるので、詳細な説明は省略する。

図１０に示すように、固定体７６は、境界部１６１，１６２に加えて、高圧側１５５に境界部１６３を有する。したがって、固定体７６は、ネジ溝８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃに加えて、高圧側にネジ溝８１Ｄを有する。ネジ溝８１Ｄのリード角θ１Ｄは、ネジ溝８１Ａのリード角θ１Ａよりも大きい。このように、境界部１６１，１６２，１６３により、ネジ溝８１のリード角が、図５に示した固定体７１に比べてより多くの位置で変化する。したがって、ネジ溝８１のリード角を、軸方向位置に応じて適切な角度に細かく設定することができる。ひいては、非接触環状シール５１の不安定振動を抑制する効果と軸封性能とより向上させることができる。なお、境界部１６１，１６２，１６３の数は、３つに限らず、４以上としてもよい。

図１１は、図３に示した非接触環状シール５１に使用される固定体のさらに他の例を示す断面図である。図１１においては、図３に示した中心軸１５１を含む平面で切断した場合の固定体の断面図を示す。図１１に示す固定体７７は、図５に示した固定体７１に比べて、リード角の変化位置（境界部）が少ない点が異なる。固定体７７の他の部分については、図５に示した固定体７１と同一であり、その効果も同一であるので、詳細な説明は省略する。

図１１に示すように、固定体７７は、境界部１６１のみを有する。したがって、固定体７７は、図５に示したネジ溝８１Ｃを有さず、ネジ溝８１Ａ及びネジ溝８１Ｂのみを有する。このように、固定体７１が、少なくとも１つの境界部１６１を有し、少なくとも２つのネジ溝８１Ａ及びネジ溝８１Ｂを有していれば、図５に示した固定体７１と同様の作用を奏し得る。

図１２は、図３に示した非接触環状シール５１に使用される固定体のさらに他の例を示す断面図である。図１２においては、図３に示した中心軸１５１を含む平面で切断した場合の固定体の断面図を示す。図１２に示す固定体７８は、図５に示した固定体７１に比べて、ネジ溝８１のリード角θ１が連続的に小さくなる点が異なる。

図１２に示すように、固定体７８には、リード角θ１が高圧側１５５から低圧側１５６に向かって連続的に小さくなるようにネジ溝８１が形成される。したがって、固定体７８は、図３に示した境界部１６１，１６２のような、リード角θ１が変化する境界部は有していない。

図１２に示す固定体７８においては、高圧側１５５から低圧側１５６の間で、ネジ溝８１の条数が変化することはなく、ネジ溝８１の幅が高圧側１５５から低圧側１５６に向かって連続的に小さくなるように、ネジ溝８１が形成される。

図１２に示す固定体７８によれば、ネジ溝８１のリード角θ１が、図５に示した固定体７１に比べてより多くの位置で変化する。したがって、ネジ溝８１のリード角θ１を、軸方向位置に応じて適切な角度に細かく設定することができる。ひいては、非接触環状シール５１の不安定振動を抑制する効果と軸封性能とより向上させることができる。なお、図１２に示すネジ溝８１のようにリード角が連続的に変化する部分を、図５−図１１に示した固定体に組み込むことも可能である。

以上で説明したネジ溝８１は、固定体に設けられるものとして説明したが、これに限らず、図３に示した回転体６２の外周面に設けられてもよい。しかしながら、上記ネジ溝８１は、少なくとも固定体の表面に形成されることが好ましい。ネジ溝８１が少なくとも固定体の表面に形成されることにより、不安定振動を抑制する作用を向上させつつ、漏れ量の増加を抑制することができる。

次に、図３に示した非接触環状シール５１とは異なる非接触環状シールの例を説明する。図１３は、図２に示した非接触環状シール４１，４３に適用可能な他の実施形態の非接触環状シールを示す部分断面図である。図１３に示す非接触環状シール５２は、図３に示した非接触環状シール５１に比べて、回転体６２の構成が異なる。非接触環状シール５２の他の部分については、図３に示した非接触環状シール５１と同一であり、その効果も同一であるので、詳細な説明は省略する。なお、図１３に示す非接触環状シール５２は、固定体７１に代えて、図６ないし図１２に示した固定体７２，７３，７４，７５，７６，７７，７８のいずれかを有してもよい。

非接触環状シール５２は、その表面にネジ溝９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃが形成された回転体６２を有する。ここでは、ネジ溝９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの全体の総称としてネジ溝９１と呼ぶ。ネジ溝９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃは、固定体７１に形成されたネジ溝８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃと同様の形状を有する。即ち、ネジ溝９１は、ネジ溝９１のリード角が変化する境界部１６４，１６５を有し、ネジ溝９１のリード角は、高圧側１５５から低圧側１５６に向かって段階的に小さくなるように形成される。

非接触環状シール５２の回転体６２にネジ溝９１を設ける場合、回転体６２の回転により流体を高圧側１５５に押し戻すポンピング効果が増加する。一方で、回転体６２の回転により、回転体６２の周囲の流体が旋回し、不安定振動が助長される可能性がある。しかしながら、ネジ溝８１が固定体７１の表面に形成されることにより、回転体６２の表面にネジ溝９１が形成されていても、回転体６２の回転により生じる流体の旋回を固定体７１の表面のネジ溝９１により抑制することができる。また、この場合、回転体６２の表面に形成されたネジ溝９１によるポンピング効果により、流体の漏れ量をより低減することができる。したがって、固定体７１と回転体６２に、それぞれ、高圧側１５５のリード角が低圧側１５６リード角よりも大きいネジ溝８１，９１が形成されている場合は、不安定振動を抑制しつつ、漏れ量を一層抑制することができる。

また、非接触環状シール５２は、図１４に示すように、回転体６２の表面に平行溝９２を有してもよい。さらに、非接触環状シール５２は、図１５に示すように、回転体６２の表面にハニカムパターンを採用したダンパーシール９３を有してもよく、図１６に示すように、回転体６２の表面にホールパターンを採用したダンパーシール９４を有してもよい。

次に、本実施形態に係る非接触環状シールを用いたポンプにおける不安定化力と漏れ量の評価試験の結果について説明する。本評価試験では、図３に示した非接触環状シール５１を使用したポンプ（実施例）を運転したときの不安定化力（不安定振動）と、シール間を漏洩する液体量（漏れ量）を評価した。評価試験の条件は以下の通りである。なお、固定体７１の最小内径とは、固定体７１のネジ山位置における内径を意味する。
固定体７１の軸方向長さ／固定体７１の最小内径：０．８１７
固定体７１の内周面と回転体６１の外周面との隙間／固定体７１の最小内径：０．００４
ネジ条数：８
ポンプ回転数：３０００ｒｐｍ
シール入口側とシール出口側との差圧：１．０ＭＰａ

ネジ溝８１Ａと、ネジ溝８１Ｂと、ネジ溝８１Ｃの軸方向長さは同一である。即ち、固定体７１の内周面の高圧側１５５の１／３の領域にネジ溝８１Ａが、低圧側１５６の１／３の領域にネジ溝８１Ｃが、残りの１／３の中間領域にネジ溝８１Ｂが形成されている。また、固定体７１のネジ溝８１Ａのリード角θ１Ａと、ネジ溝８１Ｂのリード角θ１Ｂと、ネジ溝８１Ｃのリード角θ１Ｃの関係は、以下の通りとした。
リード角θ１Ｂ＝１／２×リード角θ１Ａ＝２×リード角θ１Ｃ

比較例として、図３に示した非接触環状シール５１のネジ溝８１のリード角を一定に形成した非接触環状シールを使用したポンプを運転したときの不安定化力と漏れ量を評価した。比較例１は、ネジ溝８１のリード角がリード角θ１Ｂである非接触環状シールを使用したポンプである。比較例２は、ネジ溝８１のリード角がリード角θ１Ａである非接触環状シールを使用したポンプである。比較例３は、ネジ溝８１のリード角がリード角θ１Ｃである非接触環状シールを使用したポンプである。

図１７は、本評価試験の結果を示すグラフである。本評価試験の結果を比較するために、比較例１の不安定化力及び漏れ量を１００％として、比較例２、比較例３、及び実施例の不安定化力及び漏れ量を示す。

図１７に示すように、相対的に大きいリード角θ１Ａの比較例２において、不安定化力は３１％に抑制されており、比較例１に比べて不安定振動が低減されているが、漏れ量が１２８％に増加している。また、相対的に小さいリード角θ１Ｃの比較例３においては、漏れ量が９２％に減少しており、比較例１に比べて漏れ量は抑制されているが、不安定化力が２００％に増加していることが分かる。

一方で、実施例においては、不安定化力が４２％であり、漏れ量が１００％である。即ち、実施例においては、不安定振動が効果的に抑制されつつ、シール内部を通過する流体の漏れ量の増加も抑制することができていることが分かる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲及び明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、又は省略が可能である。

１ 高圧ポンプ
１５５ 高圧側
１５６ 低圧側
１６１，１６２，１６３，１６４ 境界部
６１，６２ 回転体
７１,７２,７３,７４,７５,７６,７７,７８ 固定体
５１,５２ 非接触環状シール
８１，８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃ，８１Ｄ，９１，９１Ａ ネジ溝
θ１，θ１Ａ，θ１Ｂ，θ１Ｃ，θ１Ｄ リード角
Ｗ１Ａ，Ｗ１Ｂ，Ｗ１Ｃ 幅
Ｄ１Ａ，Ｄ１Ｂ，Ｄ１Ｃ 深さ
１１ 主軸
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ 羽根車
３１，３１，３１ｂ ケーシング
４５ａ，４５ｂ 軸受

Claims (6)

1. 回転機械の回転部に設けられる回転体と、前記回転機械の固定部に設けられる固定体と、を有し、前記回転体と前記固定体との隙間を流れる流体をシールするように構成された非接触環状シールであって、
   前記隙間を形成する前記回転体の表面及び前記固定体の表面の少なくとも一方に設けられるネジ溝を有し、
   前記ネジ溝は、前記回転体の軸方向に直交する平面に対する前記ネジ溝のリード角を画定し、
   シール入口側の前記ネジ溝の前記リード角は、シール出口側の前記ネジ溝の前記リード角よりも大きい、非接触環状シール。
2. 請求項１に記載された非接触環状シールにおいて、
   前記ネジ溝は、前記ネジ溝のリード角がシール入口側からシール出口側に向かって段階的に小さくなるように形成される、非接触環状シール。
3. 請求項１に記載された非接触環状シールにおいて、
   前記ネジ溝は、前記ネジ溝のリード角がシール入口側からシール出口側に向かって連続的に小さくなるように形成される、非接触環状シール。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載された非接触環状シールにおいて、
   シール入口側の前記ネジ溝の深さは、シール出口側の前記ネジ溝の深さよりも大きい、非接触環状シール。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載された非接触環状シールにおいて、
   前記ネジ溝は、少なくとも前記固定体の前記表面に形成される、非接触環状シール。
6. 電動機と、
   前記電動機と連結されて回転可能に構成される主軸と、
   前記主軸に嵌合され、該主軸とともに回転可能に構成される羽根車と、
   前記羽根車を収容するケーシングと、
   前記ケーシングに取り付けられ、前記主軸を回転可能に支持する軸受と、を備え、
   前記主軸は回転部を有し、
   前記ケーシングは固定部を有し、
   前記回転部及び前記固定部は、請求項１ないし５のいずれか一項に記載された非接触環状シールを有する、回転機械。

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