JPWO2017014215A1 - 軸封装置及び水中ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】構成が簡単で装置の小型化が可能であり、長期間にわたりメンテナンスフリーで使用することができる軸封装置及び水中ポンプを提供する。【解決手段】メカニカルシール３０の機内空間Ａ側に蒸発室４０を形成する。蒸発室４０には、メカニカルシール３０側の吸気口７１と、モータ１２側に排気口８１が形成され、排気口８１は、モータ１２の近傍を通過する排気通路８２を介して外気空間に連通する。メカニカルシール３０から漏洩した封止液体は一時的に蒸発室４０に貯溜され、モータ１２及びメカニカルシール３０の排熱により加熱され蒸発（気化）され、排気口８１から排気通路８２を介して外気空間に排出される。これにより、漏洩した封止液体がベアリング１４やモータ１２へ浸入することが防止される。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばポンプや発電機などに用いられる軸封装置、及び、その軸封装置を用いた水中ポンプに関する。

水中ポンプや水中発電機等においては、一般的に、電動機（モータ）又は発電機に密封液（封止液体）や発電流体が浸入しないように、軸封装置としてメカニカルシールが使用されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示の軸封装置及びポンプ装置を含む従来のこの種の装置においては、密封液や発電流体とモータ又は発電機との間にオイル室を設けオイルを封入することにより、メカニカルシールの潤滑とともに、密封液等がオイル室に浸水してもモータ又は発電機まで浸入するのは防ぐ構成としている場合が多い。封入オイルは、通常、密封液等と比較してモータ又は発電機内に浸入しても装置に故障が発生する可能性が低く、このような構成が幅広く使用されている。

このような従来の軸封装置及びポンプ装置においては、オイル室を設けるためにメカニカルシールを軸方向に２つ、各々の摺動面が逆方向に向くように設けたダブル型メカニカルシールが通常使用されているが、ダブル型メカニカルシールは構成が複雑で大型のシールのため装置を小型化する場合の支障となる場合があり、改善が望まれている。また、このような従来の軸封装置及びポンプ装置においては、オイルを封入するため、あるいは封入したオイルを維持するための作業が必要でメンテナンスが面倒であり、その点においても改善が望まれている。

そこで、オイル室を設けずにシングル型のメカニカルシールを用いて軸封装置あるいはポンプ装置を構成することも考えられるが、密封液等がモータ又は発電機等へ浸入する恐れがあり、長期のメンテナンスフリー運転が難しい。

特開２０１４−１４２０５１号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、構成が簡単で装置の小型化が可能であり、長期間にわたりメンテナンスフリーで使用することができる軸封装置及び水中ポンプを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る軸封装置は、ハウジング内に設置された回転機械の回転軸に沿って、封止液体空間と前記ハウジング内の機内空間との間を封止する軸封装置であって、
前記回転軸の一端に設置されるメカニカルシールと、
前記メカニカルシールの前記機内空間に形成され、前記メカニカルシールから漏洩した封止液体を一時的に貯溜可能な蒸発室と、
前記蒸発室に形成され、外気空間に連通する吸気口と、
前記蒸発室に形成され、外気空間に連通する排気口とを有し、
前記排気口から前記外気空間に連通する通路と前記蒸発室とが、前記回転機械及び前記メカニカルシールの発熱により昇温されることを特徴とする。

このような構成の本発明の軸封装置によれば、メカニカルシールから漏洩した封止液体を一時的に蒸発室に貯溜し、蒸発させて排気口を介して外部空間に排出することができるので、漏洩した封止液体が回転機械へ浸入することを防ぎ、長期間にわたりメンテナンスフリーで使用することができる。

好ましくは、前記吸気口は、前記回転軸の軸方向において前記排気口より前記メカニカルシール側に形成され、前記排気口は、前記軸方向において前記吸気口より前記回転機械側に形成される。

また好ましくは、本発明に係る軸封装置は、前記吸気口から吸気され前記蒸発室を通過し前記排気口から排気される気流を強制的に生成するように前記回転軸と一体に回転する羽根車をさらに有する。
前記羽根車は、前記蒸発室に設置されていてもよいし、前記蒸発室に前記ハウジング内の中間通路を通して連通する補助蒸発室に設置されていてもよい。

このような構成の本発明の軸封装置によれば、メカニカルシールから漏洩し蒸発室に貯溜した封止液体を、一層効率的に排気口を介して外部空間に排出することができる。

また本発明に係る軸封装置は、前記メカニカルシールと前記排気口との間に配置され、前記漏洩した前記封止液体を吸収する吸水材をさらに有してもよい。

このような構成の本発明の軸封装置によれば、メカニカルシールから漏洩する封止液体の量が一時的に増大した場合においても、漏洩した封止液体が回転機械へ浸入することを適切に防ぐことができる。

好ましくは、本発明に係る軸封装置は、一端が前記吸気口に接続され他端は前記外気空間に配置されている吸気管と、一端が前記排気口に接続され他端は前記外気空間に配置される排気管とをさらに有し、前記吸気口及び前記排気口は前記吸気管及び前記排気管を介して各々前記外気空間に連通されている。

また好ましくは、本発明に係る軸封装置は、前記吸気管に設置され外気を前記吸気管に供給する送風機、又は、前記排気管に設置され外気を前記排気管から排出する送風機の少なくともいずれか一方を有する。

このような形態の軸封装置においては、例えば水没される水中ポンプに適用した場合にも、メカニカルシールから漏洩した封止液体を確実に外気空間に排出することができる。

好ましくは、前記メカニカルシールは、シングル型メカニカルシールである。

このような形態の軸封装置においては、装置の構成を簡単にし、メンテナンスを容易にし、小型化し、コストを低減することができる。

また、本発明の軸封装置は、前記回転軸の前記一端は水中のインペラーに接続され、前記回転軸はベアリングにより回転可能に保持されている水中ポンプの軸封装置であって、
前記蒸発室は、前記回転軸に設置された前記メカニカルシールと、前記ベアリングとの間に形成されていてもよい。

このような形態の軸封装置を用いれば、メカニカルシールから漏洩した水がベアリングに浸入するのを適切に防ぐことができ、構成が簡単で装置の小型化が可能であり、長期間にわたりメンテナンスフリーで使用することができる水中ポンプを提供することができる。

また、本発明に係る水中ポンプは、前述のいずれかの軸封装置を有することを特徴とするものである。

図１は、本発明の第１実施形態の軸封装置を有する水中ポンプの構成を示す概略断面図である。 図２は、本発明の第２実施形態の軸封装置を有する水中ポンプの構成を示す概略断面図である。 図３は、本発明の第３実施形態の軸封装置を有する水中ポンプの構成を示す概略断面図である。 図４は、図３に示す水中ポンプが具備する吸水材の構造を示す図であり、図４（Ａ）は吸水材の構造を示す平面図であり、図４（Ｂ）は吸水材の他の構造を示す平面図であり、図４（Ｃ）は吸水材の構造を示す断面図であって図４（Ａ）のＶ−Ｖの箇所における断面図である。 図５は、図３に示す吸水材の設置方法を説明するための図であり、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、各々、吸水材の水中ポンプのハウジングへの設置形態を示す図である。 図６は、本発明の第４実施形態の軸封装置を有する水中ポンプの構成を示す概略断面図である。 図７は、本発明の第５実施形態の軸封装置を有する水中ポンプの構成を示す概略断面図である。 図８は、本発明の第６実施形態の軸封装置を有する水中ポンプの構成を示す概略断面図である。

本発明の実施形態について図１〜図８を参照して説明する。
以下に説明する第１〜第６実施形態は、いずれも、本発明に係る軸封装置を、ポンプ本体を水没させて使用する水中ポンプに適用したものである。各実施形態において、本発明の軸封装置は、モータの回転軸に沿って、インペラーが配置された水中空間（封止液体空間）と、水中ポンプのモータ側機内空間との間を封止するために設置されている。

第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る水中ポンプ１のモータ側の構成を示す概略断面図であり、水中ポンプ１のインペラー側の図示は省略してある。

図１に示すように、水中ポンプ１は、ハウジング１０を有する。ハウジング１０は、主としてモータ１２のケーシングを構成する第１ハウジング部材１０ａと、水中ポンプ１のポンプ本体を構成する第２ハウジング部材１０ｂとを有する。第１ハウジング部材１０ａと第２ハウジング部材１０ｂとは、Ｏリング１１を介在させて嵌合され、一体化されている。

第１ハウジング部材１０ａは、内部に、モータ１２等を収容するモータ側機内空間Ａ（以後、単に機内空間Ａと称する場合もある）が形成されている。また、第２ハウジング部材１０ｂは、図示しないが、封止液体空間Ｗにおいて回転軸１５の一端に設置されたインペラーを収容するケーシングを構成する。封止液体空間Ｗは、水中ポンプ１のモータ側機内空間Ａが気密性を維持する必要のある空間であり、本実施形態の水中ポンプ１においては、水中ポンプ１が投入される水中空間に連通する空間である。水中ポンプ１の図示せぬインペラーは、封止液体空間Ｗの封止液体に推力を加え、水中ポンプ１にポンプとしての機能を発揮させる。

また、ハウジング１０には、水中ポンプ１のモータ側機内空間Ａと封止液体空間Ｗとを連通するとともに、モータ１２の回転軸１５が貫通する孔１０ｃが形成されている。

ハウジング１０の機内空間Ａにはモータ１２が固定設置されている。モータ１２は、ケーブル１９を介して外部から入力される電力や制御信号等に基づいて制御される。モータ１２の回転軸１５はベアリング１４により回転可能に保持されており、その自由端側は、ハウジング１０の孔１０ｃを貫通して封止液体空間（水中空間）Ｗに達し、その端部には前述した図示せぬインペラーが設置されている。

回転軸１５のハウジング１０の孔１０ｃを通過する箇所には、メカニカルシール３０が設置されている。メカニカルシール３０は、回転軸１５に沿って、封止液体空間Ｗと機内空間Ａとの間を封止する。換言すれば、メカニカルシール３０は、回転軸１５の外周面とハウジング１０の孔１０ｃの内周面との間の隙間を封止する。

メカニカルシール３０は、回転側摺動面３１ｓを有する回転密封環３１、回転側摺動面３１ｓと密接摺動する静止側摺動面３２ｓを有する静止密封環３２、静止密封環３２とハウジング１０との間に取り付けられるカップガスケット３３、回転密封環３１が設置されるベローズ３４、ベローズ３４を回転軸１５に装着するための締め付けリング３５、回転密封環３１を静止密封環３２方向に付勢するスプリング３７、回転密封環３１とベローズ３４とを結合する取り付け金具３８、及び、スプリング３７の一端が当接されるカラー３９を有する。

ベローズ３４は、回転軸１５の外周面に密着して取り付けられる円筒部３４ａと、円筒部３４ａの機内空間Ａ側の一端に一体に成形されるベロー部３４ｂとを有する。ベローズ３４の円筒部３４ａを回転軸１５の外周面に密着させるために、円筒部３４ａの外周面には締め付けリング３５が配置してあり、円筒部３４ａを回転軸１５の外周面に締め付けている。

ベローズ３４のベロー部３４ｂは、回転軸１５の軸方向に沿って弾性変形可能であり、ベロー部３４ｂの外周部には、回転密封環３１の背面が凹凸嵌合してある。ベロー部３４ｂのリング状外周部と回転密封環３１の外周部とは、取り付け金具３８の図示せぬカシメ部により一体化してある。また、取り付け金具３８のカシメ部の内周面に形成される図示せぬ凸部と、回転密封環３１の外周面に形成してある図示せぬ切り欠きが係合することにより、回転密封環３１の回り止めが成されている。

ベローズ３４の外周側にはスプリング３７が配置される。スプリング３７の軸方向の一端は、取り付け金具３８の背面に当接し、スプリング３７の軸方向の他端は、回転軸１５に固設されたカラー３９に当接されている。このスプリング３７のバネ力により、回転密封環３１は取り付け金具３８を介して静止密封環３２方向に付勢され、回転密封環３１の回転側摺動面３１ｓは静止密封環３２の静止側摺動面３２ｓに密接される。

静止密封環３２とハウジング１０との間には、カップガスケット３３が配置される。カップガスケット３３は、静止密封環３２の外周面と、ハウジング１０の孔１０ｃに形成してある段差面との間で圧縮状態に保持される。カップガスケット３３と静止密封環３２との接合面には図示せぬ係合部が構成されており、静止密封環３２が回転密封環３１とともに回転することが抑制されている。

本実施形態の水中ポンプ１において、回転密封環３１及び静止密封環３２は、例えばカーボン、ＳｉＣ、セラミックあるいは超硬合金などの金属などで構成される。また、ベローズ３４は、例えばゴムや合成樹脂、あるいはバネ材などの弾性変形が可能な材料で構成してあり、締め付けリング３５及び取り付け金具３８は、例えば金属などで構成してある。また、カップガスケット３３は、弾力性に優れたゴム材料、あるいは合成樹脂などで構成される。

このように本実施形態の水中ポンプ１のメカニカルシール３０は、密接摺動するシール面（回転側摺動面３１ｓ、静止側摺動面３２ｓ）が１つのシングル型のメカニカルシールであり、封止液体空間Ｗがシール面の外周側となるインサイド形のメカニカルシールである。そしてこのような構成のメカニカルシール３０により、封止液体空間（水中空間）Ｗと機内空間Ａとの間が封止される。

回転軸１５の外周面とハウジング１０（第１ハウジング部材１０ａ）の内周面との間の空間であって、軸方向において第１ハウジング部材１０ａの封止液体空間Ｗ側の端面と第２ハウジング部材１０ｂの機内空間Ａ側の端面との間には、図示のごとく、蒸発室４０としての空洞部分が形成されている。蒸発室４０は、水中ポンプ１の機内空間Ａのメカニカルシール３０のモータ１２側に隣接して形成されている。

蒸発室４０は、メカニカルシール３０から封止液体が漏洩した場合に、漏洩した封止液体を一時的に貯溜する空間である。

蒸発室４０の周面を形成するハウジング１０の内周面には、ハウジング１０内を貫通する吸気通路７２を介してハウジング１０の外面に形成された吸気ポート７５に連通する吸気口７１が形成されている。吸気口７１は、蒸発室４０の周面のメカニカルシール３０近傍であって、少なくとも後述する排気口８１よりもメカニカルシール３０側に形成されている。吸気口７１に連通する吸気通路７２は、図示のごとくハウジング１０を径方向に貫通する通路に形成され、比較的短い経路を経て吸気ポート７５に達している。

水中ポンプ１を水没させて使用する際には、吸気ポート７５には、他端が外気空間に開口した図示せぬ吸気管の一端が装着される。これにより、吸気口７１は、外気空間に連通することとなり、蒸発室４０は吸気口７１を介して外気空間と通気可能となる。なお、吸気口７１、吸気通路７２及び吸気ポート７５は、蒸発室４０に対する吸気系７０を構成する。

また、同じく蒸発室４０の周面を形成するハウジング１０の内周面には、ハウジング１０内を貫通する排気通路８２を介してハウジング１０の外面に形成された排気ポート８５に連通する排気口８１が形成されている。排気口８１は、蒸発室４０のモータ１２側であって、少なくとも前述した吸気口７１よりもモータ１２側に形成される。排気口８１に連通する排気通路８２は、図示のごとく、ハウジング１０の内部のモータ１２の近傍を軸方向に貫通する通路部分を有し、比較的長い経路を経て水中ポンプ１のモータ１２側の端部に形成された排気ポート８５に達している。

水中ポンプ１を水没させて使用する際には、排気ポート８５には、他端が外気空間に開口した図示せぬ排気管の一端が装着される。これにより、排気口８１は、外気空間に連通することとなり、蒸発室４０は排気口８１を介して外気空間と通気可能となる。なお、排気口８１、排気通路８２及び排気ポート８５は、蒸発室４０に対する排気系８０を構成する。

なお、図１には、吸気口７１を含む吸気系７０及び排気口８１を含む排気系８０を各々１系統しか図示していないが、水中ポンプ１においてこれらは各々複数系統具備されていてよい。

このような構成の水中ポンプ１において、モータ１２及びメカニカルシール３０は、（或いは、ベアリング１４は、）回転軸１５の回転により発熱する。これらモータ１２及びメカニカルシール３０等の発熱（排熱）は、ハウジング１０を伝わりモータ１２とメカニカルシール３０との間に配置される蒸発室４０、吸気系７０及び排気系８０の各部を昇温させる。その結果、蒸発室４０にメカニカルシール３０から漏洩した封止液体が貯溜されていた場合、蒸発室４０が昇温されることにより封止液体は加熱され蒸発（気化）される。

また、蒸発室４０には吸気口７１及び排気口８１が形成されているが、排気口８１に連通する排気通路８２は、モータ１２の近傍を長い経路で通過しているため昇温の程度は高くなる。そして、排気通路８２が加熱されその中の空気が外気空間に排出されることにより、蒸発室４０から排気系８０に流れる気流が生成され、蒸発室４０内の気体の対流も促進され、最終的には吸気系７０から蒸発室４０を介して排気系８０に流れる気流が継続・持続的に生成される。すなわち、メカニカルシール３０から漏洩し蒸発室４０に貯溜されていた封止液体は、蒸発室４０において蒸発され、排気口８１から排気通路８２、排気ポート８５及び図示せぬ排気管を介して、外気空間（大気空間）に排出される。

このように、第１実施形態の水中ポンプ１においては、メカニカルシール３０の機内空間Ａ側に蒸発室４０を形成し、蒸発室４０に吸気口７１を含む吸気系７０及び排気口８１を含む排気系８０を接続し、蒸発室４０及び排気通路８２をメカニカルシール３０及びモータ１２の排熱により加熱することにより、メカニカルシール３０から漏洩した封止液体は効率よく蒸発され、継続、持続的に排気口８１を介して外気空間に排出される。

その結果、メカニカルシール３０から漏洩し機内空間Ａに浸入した封止液体がモータ１２あるいはベアリング１４の内部に浸入することを防ぐことができ、メカニカルシール３０から封止液体が漏洩することに起因するベアリング１４やモータ１２の故障を防止することができ、水中ポンプ１の耐久性を高めることができる。また、水中ポンプ１を長期間にわたりメンテナンスフリーで使用することができる。すなわち、水中ポンプ１の連続運用時間を長期化することができる。

また、このような構成の軸封装置を有する水中ポンプ１においては、メカニカルシール３０から漏洩した液体を適切に排出することができるため、軸封装置が備えるメカニカルシール３０として従来ダブル型メカニカルシールを使用していたものをシングル型のメカニカルシールとすることができる。その結果、メカニカルシールの構成を簡単にし小型化することができ、ひいては軸封装置あるいは水中ポンプの構成を簡単かつ小型化することができる。

なお、第１実施形態の水中ポンプ１において、本発明に係る軸封装置は、メカニカルシール３０、蒸発室４０、吸気系７０及び排気系８０を含む構成である。

第２実施形態
図２は、本発明の第２実施形態に係る水中ポンプ２のモータ側の構成を示す概略断面図であり、図１を参照して前述した第１実施形態の水中ポンプ１と同様に、水中ポンプ２のインペラー側の図示は省略してある。図２に示す水中ポンプ２において、前述した第１実施形態の水中ポンプ１と基本的に同一の構成については、前述した実施形態と同一の参照符号を付すとともにその説明は省略する。

第２実施形態の水中ポンプ２が第１実施形態の水中ポンプ１と異なる点は、排気系８０の排気口８１と排気ポート８５とを接続する排気通路８３の構成と、蒸発室４０に羽根車５１が備えられる点である。

第１実施形態の水中ポンプ１において、蒸発室４０の内周面に形成された排気口８１に連通する排気通路８２は、図１に示したように、ハウジング１０の内部のモータ１２の近傍を軸方向に貫通し比較的長い経路を経て排気ポート８５に達するものであった。これに対して第２実施形態の水中ポンプ２の排気通路８３は、図２に示すように、ハウジング１０を径方向に貫通する通路に形成され、吸気通路７２と同様に比較的短い経路に形成されている。なお、排気口８１及びこれに連通する排気通路８３が、吸気口７１及びこれに連通する吸気通路７２よりもモータ１２側に形成されていることは第１実施形態の水中ポンプ１と同じである。

そして、排気通路８３がこのように形成されていることと関連し、蒸発室４０の排気口８１が形成されている軸方向箇所には羽根車５１が設置されている。羽根車５１は、回転軸１５に装着された羽根車であり、回転軸１５と一体に回転することにより蒸発室４０内に強制的に気流を発生させることのできる部材である。水中ポンプ２においては、図２に示すように羽根車５１のすぐ外周側に排気口８１が形成されており、羽根車５１の羽根形状は、回転軸１５の所定の回転（水中ポンプ２が通常運転される際の回転方向への回転）に伴って、蒸発室４０の回転軸１５の周辺部から羽根車５１の外周方向に気流が発生するような形状に構成されている。

蒸発室４０にこのような羽根車５１を設置することにより、蒸発室４０にメカニカルシール３０から漏洩した封止液体が貯溜されていた場合、蒸発室４０が昇温されることにより封止液体が加熱され蒸発されることに加えて、羽根車５１により強制的に生成された気流により封止液体の蒸発が促進される。また、気化された封止液体は、羽根車５１により強制的に生成された蒸発室４０から排気口８１方向への気流により、排気通路８３、排気ポート８５及び図示せぬ排気管を介して外気空間（大気空間）に効率的に排出される。すなわち、メカニカルシール３０から漏洩した封止液体は効率よく蒸発され、継続、持続的に排気口８１を介して外気空間に排出される。

その結果、水中ポンプ２においては、第１実施形態の水中ポンプ１と同様に、メカニカルシール３０から漏洩した封止液体がモータ１２あるいはベアリング１４の内部に浸入することを防ぐことができ、ベアリング１４やモータ１２の故障を防止し、水中ポンプ２の耐久性を高め、水中ポンプ２を長期間にわたりメンテナンスフリーで使用することができる。また、軸封装置が備えるメカニカルシール３０をシングル型のメカニカルシールとすることができるため、メカニカルシールの構成を簡単に小型化することができ、ひいては軸封装置あるいは水中ポンプの構成を簡単かつ小型化することができる。

一般的に、メカニカルシールからの封止液体の漏れ量は回転軸の軸径の影響を受けるが、軸径が５０ｍｍ以下の場合その漏れ量は経験的に０．１ｍｌ／ｈｒ以下程度であり、この程度の漏れ量であれば、外気温等の影響はあるものの自然蒸発により漏洩した封止液体を排出することが可能である。しかしながら、本実施形態のようにポンプ本体を水没させて使用する水中ポンプにおいては、自然蒸発のみで漏洩した封止液体を排出させることが難しい場合がある。これに対して、本実施形態の水中ポンプ２のように羽根車５１を有する構成であれば、漏洩した封止液体の蒸発及び排気系８０を介した外気空間への排出を確実に効率よく行うことができる。

また、本実施形態の水中ポンプ２においては、蒸発室４０に羽根車５１を設けることにより、第１実施形態の水中ポンプ１のように排気通路８２をモータ１２の近傍に長い経路で通過させなくとも、漏洩した封止液体の蒸発及び排気系８０を介した外気空間への排出を確実に効率よく行うことができる。その結果、排気通路８３及びハウジング１０の構成を簡単にすることができ、水中ポンプの小型化やコスト低減をすることができる。

なお、水中ポンプ２において、漏洩した封止液体の可能回収排出量は、吸気系７０の吸気口７１及び吸気通路７２等の径、排気系８０の排気口８１及び排気通路８３等の径、及び羽根車５１の生成気流量を変化させることにより所望の量に制御することが可能であり、水中ポンプ２の使用環境、負荷、モータ１２の軸径等に応じて適宜好ましい性能とすることができる。

なお、第２実施形態の水中ポンプ２において、本発明に係る軸封装置は、メカニカルシール３０、蒸発室４０、羽根車５１、吸気系７０及び排気系８０を含む構成である。

第３実施形態
図３は、本発明の第３実施形態に係る水中ポンプ３のモータ側の構成を示す概略断面図であり、前述した各実施形態の水中ポンプと同様に、水中ポンプ３のインペラー側の図示は省略してある。図３に示す水中ポンプ３において、前述した各実施形態の水中ポンプと基本的に同一の構成については、前述した実施形態と同一の参照符号を付すとともにその説明は省略する。

第３実施形態の水中ポンプ３が第２実施形態の水中ポンプ２と異なる点は、蒸発室４０に吸水材６１が設置されている点である。第３実施形態の水中ポンプ３において、蒸発室４０の周面を形成するハウジング１０の内周面であって、軸方向において吸気口７１と排気口８１との間、換言すれば吸気口７１と羽根車５１との間には、吸水材設置溝４５が形成されており、この吸水材設置溝４５に環状の吸水材６１が設置されている。吸水材６１は、メカニカルシール３０から漏洩し蒸発室４０に浸入した封止液体を毛細管現象で一時的に吸収する一方、熱あるいは循環気流等により吸収した液体を蒸発（気化）により放出可能な部材である。

吸水材６１は、布あるいはスポンジ等の材料を図４（Ａ）に示すように環状に形成した部材、あるいは、帯状あるいは筒状等の長尺形状の布あるいはスポンジ等の材料を、図４（Ｂ）に示すように両端の切断面６１ｂを接面させて吸水材設置溝４５に沿って環状に設置可能に、吸水材設置溝４５の長さに対応する必要な長さに切断した部材である。いずれの場合も、蒸発室４０に形成された吸水材設置溝４５に嵌合設置されることにより、図４（Ａ）又は図４（Ｂ）に示すように、また、径方向断面を図４（Ｃ）に示すように、環状の吸水材６１として構成される。

また、吸水材６１の蒸発室４０の吸水材設置溝４５への装着は、図５（Ａ）に示すように、蒸発室４０の周面に形成された段差面４６に吸水材６１を設置し押え部材４７により吸水材６１を軸方向に挟み込み固定してもよいし、図５（Ｂ）に示すように、弾性を持たせた吸水材６１を一時的に変形させて蒸発室４０の吸水材設置溝４５に嵌め込むようにしてもよい。また、図５（Ｃ）に示すように、図５（Ｂ）に示すように蒸発室４０の吸水材設置溝４５に嵌合させた吸水材６１の内周面６１ａにさらに張リング４８を装着し、吸水材６１を径方向にハウジング１０の内周面（蒸発室４０の周面）に押し付け固定するようにしてもよい。

なお、吸水により吸水材６１が変形し吸水材設置溝４５から脱落等する可能性がある場合には、吸水材６１が脱落しないよう、布あるいはスポンジ等の吸水材の材料と樹脂あるいは金網等の弾性体とを一体成型をしたり、あるいは、例えば図５（Ｃ）に示すように弾性体と組み合わせて使用したりするのが好ましい。

また、水中ポンプ３において吸水材６１は、図３〜図５に示すように、その内周面６１ａが回転軸１５の周面と対向するように配置されるのが好ましい。これにより、メカニカルシール３０から漏洩した封止液体は、回転軸１５の回転による遠心力により径方向外側に飛ばされ吸水材６１の内周面６１ａに当接し易く、また吸水材６１に吸収され易くなる。その結果、漏洩した封止液体を吸水材６１へ吸収させることが効率よく行われる。

一般的に、メカニカルシールからの封止液体の漏れ量は常に一定とは限らず、メカニカルシールの摺動面の状態、摺動面への異物の噛み込み等で一時的に漏れ量が多くなることがある。第３実施形態の水中ポンプ３においては、蒸発室４０にこのような吸水材６１を設置することにより、一時的に封止液体の漏れ量が多くなった場合に、蒸発室４０に設置された吸水材６１に漏れた封止液体を吸収させておくことができる。

すなわち、水中ポンプ３の軸封装置の通常の動作においては、メカニカルシール３０から漏洩し蒸発室４０に浸入した封止液体は、モータ１２やメカニカルシール３０等の発熱（排熱）による蒸発室４０等の昇温（加熱）及び羽根車５１による強制的な気流の生成により蒸発（気化）され、排気口８１を介して外気空間に排出されるが、一時的に漏れ量が多くなったり、上述した作用による封止液体の外気空間への排出量を超える封止液体の漏洩が生じた場合には、多く発生した封止液体は一時的に吸水材６１に吸収させた後、漏洩する封止液体の量が減少し安定したときに通常の作用により外気空間に排出される。

その結果、メカニカルシール３０からの封止液体の漏れ量が一時的に多くなった場合においても、封止液体がモータ１２あるいはベアリング１４の内部に浸入することを防ぐことができ、ベアリング１４やモータ１２の故障を防止することができ、水中ポンプ３の耐久性を一層高め、水中ポンプ３をより一層長期間にわたりメンテナンスフリーで使用することができる。

なお、第３実施形態の水中ポンプ３において、本発明に係る軸封装置は、メカニカルシール３０、蒸発室４０、羽根車５１、吸水材６１、吸気系７０及び排気系８０を含む構成である。

第４実施形態
図６は、本発明の第４実施形態に係る水中ポンプ４のモータ側の構成を示す概略断面図であり、前述した各実施形態の水中ポンプと同様に、水中ポンプ４のインペラー側の図示は省略してある。図６に示す水中ポンプ４において、前述した各実施形態の水中ポンプと基本的に同一の構成については、前述した実施形態と同一の参照符号を付すとともにその説明は省略する。

図４に示す水中ポンプ４は、前述した第１実施形態の水中ポンプ１に対して、前述した第３実施形態の水中ポンプ３が具備する吸水材６１を装着した形態の水中ポンプである。

第４実施形態の水中ポンプ４においては、蒸発室４０の周面がそのまま吸水材設置溝４５として使用されており、この吸水材設置溝４５に吸水材６１が装着されている。また、第１実施形態の水中ポンプ１において蒸発室４０のメカニカルシール３０側に形成されていた吸気口７１を含む吸気系７０は、本実施形態の水中ポンプ４においては、蒸発室４０のモータ１２側の位置に形成されている。吸気口７１は、軸方向において排気系８０の排気口８１とほぼ同じ位置に形成されている。

このような構成の水中ポンプ４においても、蒸発室４０、吸気系７０及び排気系８０は、モータ１２及びメカニカルシール３０等の排熱（発熱）により昇温され、排気系８０の排気通路８２はモータ１２の近傍を長い経路で通過しているため昇温の程度が高くなり吸気系７０から蒸発室４０を介して排気系８０に流れる気流が生成される。また、水中ポンプ４においては、メカニカルシール３０から漏洩し蒸発室４０に浸入した封止液体は、蒸発室４０の周面の全体に配置された吸水材６１に高い割合で吸収されることとなり、蒸発室４０に貯溜される。その結果、蒸発室４０に貯溜されていた封止液体、あるいは蒸発室４０の吸水材６１に吸収されていた封止液体は、安定的に蒸発（気化）され、排気系８０を介して効率よく外気空間に排出される。
本発明において、吸水材は、このような形態で水中ポンプに適用してもよい。

なお、第４実施形態の水中ポンプ４において、本発明に係る軸封装置は、メカニカルシール３０、蒸発室４０、吸水材６１、吸気系７０及び排気系８０を含む構成である。

第５実施形態
図７は、本発明の第５実施形態に係る水中ポンプ５のモータ側の構成を示す概略断面図であり、前述した各実施形態の水中ポンプと同様に、水中ポンプ５のインペラー側の図示は省略してある。図７に示す水中ポンプ５において、前述した各実施形態の水中ポンプと基本的に同一の構成については、前述した実施形態と同一の参照符号を付すとともにその説明は省略する。

図７に示す水中ポンプ５は、図１を参照して前述した第１実施形態の水中ポンプ１に対して、モータ１２の背面側に補助蒸発室４２を設け、補助蒸発室４２に図２を参照して前述した第２実施形態の羽根車５１を設置したものである。

図７に示すように、水中ポンプ５においては、モータ１２の軸方向おいて、モータ１２の蒸発室４０とは反対側（背面側）に、回転軸１５の端部が突出した補助蒸発室４２が形成されており、回転軸１５のその端部に羽根車５１が設置されている。回転軸１５は、図示のごとく、モータ１２の軸方向の両側においてベアリング１４，１４により回転可能に保持されているが、蒸発室４０及び補助蒸発室４２は、そのベアリング１４，１４に対し、モータ１２とは反対側に各々形成される。

蒸発室４０と補助蒸発室４２とは、第１実施形態の水中ポンプ１における排気通路８２と同様の形態に形成された中間通路４１により接続されている。すなわち、中間通路４１は、ハウジング１０の内部のモータ１２の近傍を軸方向に貫通するように比較的長い経路に形成された流路であって、蒸発室４０のモータ１２側に形成された開口と補助蒸発室４２のモータ１２側に形成された開口とを接続する。すなわち、中間通路４１は、蒸発室４０と補助蒸発室４２とを連通させている。

そして、補助蒸発室４２には、回転軸１５に装着した羽根車５１が配置されており、羽根車５１のすぐ外周側に排気口８１、比較的短い排気通路８３及び排気ポート８５を有する排気系８０が形成されている。羽根車５１の羽根形状は、回転軸１５の所定の回転（水中ポンプ５が通常運転される際の回転方向への回転）に伴って、補助蒸発室４２回転軸１５の周辺部から羽根車５１の外周方向に気流が発生する形状に形成される。このような構成の水中ポンプ５においては、羽根車５１が所定の回転をした場合、吸気系７０、蒸発室４０、中間通路４１、補助蒸発室４２を通過して排気系８０から外気空間に流れる気流が生成される。

従って、水中ポンプ５においては、蒸発室４０にメカニカルシール３０から漏洩した封止液体が貯溜された場合、蒸発室４０が昇温されることにより封止液体が加熱され蒸発されるとともに、補助蒸発室４２の羽根車５１により強制的に生成された気流により蒸発室４０の封止液体の蒸発が促進される。蒸発室４０において気化された封止液体は、羽根車５１により強制的に生成された気流により蒸発室４０から中間通路４１を介して補助蒸発室４２に流入され、補助蒸発室４２における排気口８１方向への気流により、排気通路８３、排気ポート８５及び図示せぬ排気管を介して外気空間（大気空間）に排出される。

本発明において、蒸発室（補助蒸発室）の形成形態、羽根車の設置形態はこのような形態であってもよい。このような形態の水中ポンプ５においても、前述した各実施形態の水中ポンプと同様に、メカニカルシール３０から漏洩した封止液体は効率よく蒸発され、継続、持続的に排気口８１を介して外気空間に排出される。

なお、第５実施形態の水中ポンプ５において、本発明に係る軸封装置は、メカニカルシール３０、蒸発室４０、中間通路４１、補助蒸発室４２、羽根車５１、吸気系７０及び排気系８０を含む構成である。

第６実施形態
図８は、本発明の第６実施形態に係る水中ポンプ６のモータ側の構成を示す概略断面図であり、前述した各実施形態の水中ポンプと同様に、水中ポンプ６のインペラー側の図示は省略してある。図７に示す水中ポンプ６において、前述した各実施形態の水中ポンプと基本的に同一の構成については、前述した実施形態と同一の参照符号を付すとともにその説明は省略する。

図８に示す水中ポンプ６は、図１を参照して前述した第１実施形態の水中ポンプ１に対して、メカニカルシール３０から漏洩し蒸発室４０に貯溜される封止液体の量を検知する漏れ感知センサー９２を蒸発室４０に設置し、吸気系７０の吸気ポート７５に接続する吸気管７６を設置し、排気系８０の排気ポート８５に接続する排気管８６を設置し、排気管８６の外気側端部に送風機９０を設置した構成である。

図８に示すように、水中ポンプ６には、吸気系７０の吸気ポート７５に一端が接続され他端が水面上の外気空間に配置された吸気管７６と、排気系８０の排気ポート８５に一端が接続され他端が水面上の外気空間に配置された排気管８６とが設置されている。また、排気管８６の外気側の端部には、排気管８６の内部から外部方向への気流を生成する可変容量送風機たる送風機９０が設置されている。

従って、送風機９０を作動させて排気管８６の内部から外気空間への強制的な気流を生成することにより、水中ポンプ６においては、吸気管７６の他端から吸い込まれ吸気管７６及び吸気系７０を介して吸気口７１から蒸発室４０に流れ、蒸発室４０を通過し、蒸発室４０に形成される排気口８１から排気系８０及び排気管８６を介して排気管８６の他端から排出される気流が生成される。

その結果、水中ポンプ６において蒸発室４０にメカニカルシール３０から漏洩した封止液体が貯溜された場合、蒸発室４０が昇温されることにより封止液体が加熱され蒸発されるとともに、排気管８６の他端に設置された送風機９０により強制的に生成された気流により蒸発室４０の封止液体の蒸発が促進される。そして、蒸発室４０において気化された封止液体は、送風機９０により強制的に生成された気流により蒸発室４０から排気口８１を介して排気系８０を通過し排気管８６に流入され、排気管８６を介して外気空間（大気空間）に排出される。

また、水中ポンプ６においては、蒸発室４０に貯溜される漏洩した封止液体の有無及びその量を感知する感知センサー９２が蒸発室４０に設置されており、漏れ感知センサー９２の感知結果に基づいて送風機９０の送風量が制御される構成となっている。従って、メカニカルシール３０から漏洩する封止液体の量が増えた場合には送風機９０の送風量を増やし、強制的に生成される気流を強くする（増やす）ことにより、蒸発室４０において蒸発され排出される封止液体の量を増やすことができる。また、メカニカルシール３０から漏洩する封止液体の量が減少した場合には、送風機９０の送風量を減らし、強制的に生成される気流を弱くする（減らす）ことにより、蒸発室４０において蒸発され排出される封止液体の量を適切な量とすることができる。

本発明の水中ポンプは、このような形態で実施してもよく、このような形態の水中ポンプ６においても、前述した各実施形態の水中ポンプと同様に、メカニカルシール３０から漏洩した封止液体は効率よく蒸発され、継続、持続的に排気口８１を介して外気空間に排出される。

また、本実施形態の水中ポンプ６においては、漏れ感知センサー９２により送風機９０の作動量を制御することができるので、漏洩する封止液体が増えた場合にも封止液体を確実に排出させることができ、水中ポンプ６の耐久性を一層高め、水中ポンプ６をより一層長期間にわたりメンテナンスフリーで使用することができる。また、漏洩する封止液体が少ない場合には送風機９０の送風量を少なくすることができるので、消費エネルギーを必要最小限にすることができ、効率のよい水中ポンプ６が達成できる。

なお、第６実施形態の水中ポンプ６において、本発明に係る軸封装置は、メカニカルシール３０、蒸発室４０、吸気系７０、吸気管７６、排気系８０、排気管８６及び送風機９０等を含む構成である。

他の実施形態
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

例えば、前述した実施形態はいずれも、本発明に係る軸封装置をポンプ本体を水没させて使用する水中ポンプに適用した例であったが、本発明に係る軸封装置の適用形態はこれに限られるものではない。例えば、モータに代わる回転機械として発電機を具備し、水流等によりインペラーが回転され発電を行う発電装置に適用してもよい。

また、前述した実施形態において軸封装置が備えるメカニカルシールは、いずれもシングル型のメカニカルシールとしたが、ダブル型のメカニカルシールを用いてもよい。シングル型のメカニカルシールは前述したように装置の小型化等に対して有効であるが、装置を小型化する必要の無い場合や、メカニカルシールからの液体の漏れ量を少なくし、軸封装置あるいは水中ポンプの連続使用時間や耐久性を一層向上させたい場合には、ダブル型メカニカルシールを用いるのも有効である。

また、第６実施形態として例示した水中ポンプ６において、送風機９０は、排気管８６の他端（大気側端部）に設置するものとした。しかしながら、送風機９０は、吸気管７６の他端（大気側端部）に設置するようにしてもよい。

その他、メカニカルシールの具体的な構成や、各構成部分の材質等は、任意好適に変更してよい。例えば、前述した実施形態のメカニカルシールはインサイド形のメカニカルシールであったが、アウトサイド形のメカニカルシールで構成してもよい。

１〜６…水中ポンプ
１０…ハウジング
１０ａ…第１ハウジング部材
１０ｂ…第２ハウジング部材
１０ｃ…孔
１１…Ｏリング
１２…モータ（回転機械）
１４…ベアリング
１５…回転軸
１９…ケーブル
３０…メカニカルシール
３１…回転密封環
３１ｓ…回転側摺動面
３２…静止密封環
３２ｓ…静止側摺動面
３３…カップガスケット
３４…ベローズ
３４ａ…円筒部
３４ｂ…ベロー部
３５…締め付けリング
３７…スプリング
３８…取り付け金具
３９…カラー
４０…蒸発室（空洞部）
４１…中間通路
４２…補助蒸発室
４５…吸水材設置溝
４６…段差面
４７…押え部材
４８…張リング
５１…羽根車
６１…吸水材
６１ａ…吸水材内周面
６１ｂ…吸水材切断面
７０…吸気系
７１…吸気口
７２…吸気通路
７５…吸気ポート
７６…吸気管
８０…排気系
８１…排気口
８２，８３…排気通路
８５…排気ポート
８６…排気管
９０…送風機
９２…漏れ感知センサー
Ａ…機内空間（モータ側機内空間）
Ｗ…封止液体空間（水中空間）

Claims (11)

1. ハウジング内に設置された回転機械の回転軸に沿って、封止液体空間と前記ハウジング内の機内空間との間を封止する軸封装置であって、
   前記回転軸の一端に設置されるメカニカルシールと、
   前記メカニカルシールの前記機内空間に形成され、前記メカニカルシールから漏洩した封止液体を一時的に貯溜可能な蒸発室と、
   前記蒸発室に形成され、外気空間に連通する吸気口と、
   前記蒸発室に形成され、外気空間に連通する排気口とを有し、
   前記排気口から前記外気空間に連通する通路と前記蒸発室とが、前記回転機械及び前記メカニカルシールの発熱により昇温されることを特徴とする軸封装置。
2. 前記吸気口から吸気され前記蒸発室を通過し前記排気口から排気される気流を強制的に生成するように、前記回転軸と一体に回転する羽根車をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の軸封装置。
3. 前記羽根車は、前記蒸発室に設置されることを特徴とする請求項２に記載の軸封装置。
4. 前記羽根車は、前記蒸発室に前記ハウジング内の中間通路を通して連通する補助蒸発室に設置されることを特徴とする請求項２に記載の軸封装置。
5. 前記メカニカルシールと前記排気口との間に配置され、前記漏洩した前記封止液体を吸収する吸水材をさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の軸封装置。
6. 前記吸気口は、前記回転軸の軸方向において前記排気口より前記メカニカルシール側に形成され、前記排気口は、前記軸方向において前記吸気口より前記回転機械側に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の軸封装置。
7. 一端が前記吸気口に接続され他端は前記外気空間に配置されている吸気管と、一端が前記排気口に接続され他端は前記外気空間に配置される排気管とをさらに有し、前記吸気口及び前記排気口は前記吸気管及び前記排気管を介して各々前記外気空間に連通されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の軸封装置。
8. 前記吸気管に設置され外気を前記吸気管に供給する送風機、又は、前記排気管に設置され外気を前記排気管から排出する送風機の少なくともいずれか一方を有することを特徴とする請求項７に記載の軸封装置。
9. 前記メカニカルシールは、シングル型メカニカルシールであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の軸封装置。
10. 前記回転軸の前記一端は水中のインペラーに接続され、前記回転軸はベアリングにより回転可能に保持されている水中ポンプの軸封装置であって、
    前記蒸発室は、前記回転軸に設置された前記メカニカルシールと、前記ベアリングとの間に形成されている
    ことを特徴とすることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の軸封装置。
11. 請求項１０に記載の軸封装置を有することを特徴とする水中ポンプ。

Images