特許 5865908 シャフトシール装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5865908

(24)【登録日】2016年1月8日

(45)【発行日】2016年2月17日

(54)【発明の名称】シャフトシール装置

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/34 20060101AFI20160204BHJP

【ＦＩ】

   F16J15/34 H

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-522526(P2013-522526)

(86)(22)【出願日】2012年5月18日

(86)【国際出願番号】JP2012062815

(87)【国際公開番号】WO2013001935

(87)【国際公開日】20130103

【審査請求日】2014年11月14日

(31)【優先権主張番号】特願2011-146217(P2011-146217)

(32)【優先日】2011年6月30日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000101879

【氏名又は名称】イーグル工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】503227553

【氏名又は名称】イーグルブルグマンジャパン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001494

【氏名又は名称】前田・鈴木国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】瀧ヶ平 宜昭

(72)【発明者】

【氏名】押井 要二

(72)【発明者】

【氏名】金子 敦

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 徹也

【審査官】 杉山 悟史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−０７４７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５９−０６８８６６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０２１２５０３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 実開平０４−１０６５６５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭４９−１１３０６２（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｊ １５／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

静止部材に固定される静止環と、
前記静止部材に対して回転する回転体に固定されて前記回転体と共に回転し、前記静止環の静止摺動面に摺動する回転摺動面を持つ回転環と、を有するシャフトシール装置であって、
前記静止摺動面と前記回転摺動面とが摺動することで密封される密封流体の密封空間が、前記回転環の外周に形成されるように、前記静止部材が前記回転体の外周を覆っており、
前記密封空間に位置する前記密封流体が前記回転体の軸心方向に沿って流れるように前記密封流体に軸方向流れを生じさせるポンピングリングが、前記回転環と異なる軸方向位置で前記回転体に固定してあり、
前記ポンピングリングの回転による前記密封流体の軸方向流れの下流側に位置する前記静止部材の内周面には、排出孔が形成してあり、
前記排出孔が形成してある前記静止部材の内周面には、前記回転体の回転方向に沿う前記密封流体の流れを堰き止めて前記排出孔へと向かわせる整流部材が、半径方向の内側に突出するように具備してあり、
前記排出孔が、前記回転環の外周に位置する前記静止部材の内周面に形成してあり、前記排出孔が、前記回転体の回転方向に沿う前記密封流体の流れを向かい入れる方向に、前記静止部材の内周面に対して傾斜していることを特徴とするシャフトシール装置。

【請求項2】

前記ポンピングリングの回転による前記密封流体の軸方向流れの上流側に位置する前記静止部材の内周面には、流入孔が形成してあり、
前記排出孔から排出された密封流体が前記流入孔から前記密封空間の内部に戻るように構成してある請求項１に記載のシャフトシール装置。

【請求項3】

前記整流部材が、前記回転環または前記回転環を保持するリテーナの外周に所定の間隔を有して配置され、
前記回転環または前記リテーナの外周には、前記回転体の回転方向に沿う前記密封流体の流れを増大させる凸部が形成してある請求項１または２に記載のシャフトシール装置。

【請求項4】

前記整流部材は、前記静止部材に対して着脱自在に取り付けてある請求項１〜３のいずれかに記載のシャフトシール装置。

【請求項5】

静止部材に固定される静止環と、
前記静止部材に対して回転する回転体に固定されて前記回転体と共に回転し、前記静止環の静止摺動面に摺動する回転摺動面を持つ回転環と、を有するシャフトシール装置であって、
前記静止摺動面と前記回転摺動面とが摺動することで密封される密封流体の密封空間が、前記回転環の外周に形成されるように、前記静止部材が前記回転体の外周を覆っており、
前記密封空間に位置する前記密封流体が前記回転体の軸心方向に沿って流れるように前記密封流体に軸方向流れを生じさせるポンピングリングが、前記回転環と異なる軸方向位置で前記回転体に固定され、
前記ポンピングリングの回転による前記密封流体の軸方向流れの下流側であって前記回転環の外周に位置する前記静止部材の内周面には、排出孔が、前記回転体の回転方向に沿う前記密封流体の流れを向かい入れる方向に、前記静止部材の内周面に対して傾斜して形成され、
前記ポンピングリングの回転による前記密封流体の軸方向流れの上流側に位置する前記静止部材の内周面には、流入孔が形成され、
前記排出孔が形成してある前記静止部材の内周面には、前記回転体の回転方向に沿う前記密封流体の流れを堰き止めて前記排出孔へと向かわせる整流部材が、半径方向の内側に突出するように具備され、
前記排出孔から排出された密封流体が前記流入孔から前記密封空間の内部に戻るように構成してあることを特徴とするシャフトシール装置。

【請求項6】

シールカバーを介してケーシングに固定される静止環と、前記ケーシングに対して回転する回転軸に固定されて前記回転軸と共に回転し、前記静止環の静止摺動面に摺動する回転摺動面を持つ回転環、を有するメカニカルシール装置を具備するシャフトシール装置であって、
前記静止摺動面と前記回転摺動面とが摺動することで密封される密封流体の密封空間が、前記回転環の外周に形成されるように、前記シールカバーが前記回転軸の外周を覆っており、
前記回転軸の回転に伴って前記密封空間に位置する前記密封流体が前記回転軸の軸心方向に沿って流れるように前記密封流体に軸方向流れを生じさせるポンピングリングが、前記回転環と異なる軸方向位置で前記回転体に固定され、
前記ポンピングリングの回転による前記密封流体の軸方向流れの上流側に位置する前記シールカバーの内周面には、流入孔が形成され、
前記ポンピングリングの回転による前記密封流体の軸方向流れの下流側に位置する前記シールカバーの内周面には、排出孔が形成されるとともに、前記回転軸の回転方向に沿う前記密封流体の流れを堰き止めて前記排出孔方向へ案内する流れ案内部を有する整流部材が半径方向の内側に突出するように具備され、
前記排出孔は、前記回転環の外周位置において、前記回転軸の回転方向に沿う前記密封流体の流れを向かい入れる方向に、前記シールカバーの内周面に対して傾斜して形成され、
前記排出孔から外部配管に排出された密封流体が前記外部配管を経て前記流入孔から前記密封空間の内部に戻されることを特徴とするとするシャフトシール装置。

【請求項7】

前記回転環は筒状部を有するリテーナの半径方向内側に保持され、前記整流部材は前記リテーナ外周との間に径方向隙間を設けて配置され、
前記リテーナの外周面には前記回転軸の回転方向に沿う前記密封流体の流れを増大させる凸部が設けられ、
前記整流部材には前記シールカバーに装着する基板部と該基板部に対して垂直あるいは鋭角度で突出する前記流れ案内部とが形成される、請求項５または６に記載のシャフトシール装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シャフトシール装置に係り、さらに詳しくは、相互に摺動する回転環と静止環とを効率的に冷却することができるシャフトシール装置に関する。

【背景技術】

【0002】

たとえば下記の特許文献１に示すメカニカルシールからなるシャフトシールでは、流体をポンピングして自己循環させるためのパーシャルインペラが回転軸に取り付けてある。また、回転軸の外周に位置するスタッフィングボックスの内周面には、軸方向に異なる位置で、流入孔と排出孔とが設けられている。そのため、回転軸の回転により、流入孔から排出孔へと向かう軸方向流れを作り出し、回転環と静止環とから成るメカニカルシールを冷却することができるように構成してある。

【0003】

しかしながら、従来のシャフトシール装置では、排出孔から密封流体を排出しようとする推力が、パーシャルインペラによるポンピング作用のみであるために、流体の排出は十分で無く、ポンピング機能による流体の循環が十分に行われなく、効率的な冷却が困難であった。特に、軸方向に延びる排出孔ではなく径方向に延びる排出孔を形成せざるを得ない場合には、流体の排出力は十分で無い。そのため、排出孔と流入孔とを結ぶ外部配管の途中に、冷却用熱交換器などを取り付けると、流路抵抗が増すために、外部配管の途中に別途ポンプなどを具備させる必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】実公平５−４５８３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、密封流体を効率的に循環させ、相互に摺動する回転環と静止環とを効率的に冷却することができるシャフトシール装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、本発明に係るシャフトシール装置は、
静止部材に固定される静止環と、
前記静止部材に対して回転する回転体に固定されて前記回転体と共に回転し、前記静止環の静止摺動面に摺動する回転摺動面を持つ回転環と、を有するシャフトシール装置であって、
前記静止摺動面と前記回転摺動面とが摺動することで密封される密封流体の密封空間が、
前記回転環の外周に形成されるように、前記静止部材が前記回転体の外周を覆っており、
前記密封空間に位置する密封流体が前記回転体の軸心方向に沿って流れるように前記密封流体に軸方向流れを生じさせるポンピングリングが、前記回転環と異なる軸方向位置で前記回転体に固定してあり、
前記ポンピングリングの回転による前記密封流体の軸方向流れの下流側に位置する前記静止部材の内周面には、排出孔が形成してあり、
前記排出孔が形成してある前記静止部材の内周面には、前記回転体の回転方向に沿う前記密封流体の流れを堰き止めて前記排出孔へと向かわせる整流部材が、半径方向の内側に突出するように具備してあることを特徴とする。

【0007】

本発明に係るシャフトシール装置では、ポンピングリングにより密封流体に軸方向流れを発生させ、ポンピングリングの下流側（または上流側）に設置された回転環および静止環に流体を向かわせ、これらの摺動環を冷却することができる。

【0008】

また、ポンピングリングの下流側の流体には、回転する回転体により発生する周方向流れによって遠心力、即ち、径方向外側に向かう力が作用し、密封流体は排出孔より排出される。さらに、流体の周方向流れを排出孔に向かわせるように整流部材が設けられていることで、排出孔から排出される流体の流量を増大させることができ、また、排出孔からの排出圧を向上させることができる。

【0009】

好ましくは、前記ポンピングリングの回転による前記密封流体の軸方向流れの上流側に位置する前記静止部材の内周面には、流入孔が形成してあり、
前記排出孔から排出された密封流体が前記流入孔から前記密封空間の内部に戻るように構成してある。
このように構成することで、排出孔から流入孔に向かう外部配管の途中に、ポンプ機能を設ける必要がなくなる。外部配管が長くなれば長くなるほど圧力損失が大きいため、流体を流すのに高い排出圧を要するが、本発明では、排出圧を向上させることができるため、従来の流量と同じ流量ならば、従来の配管よりもより長い配管を設けることが出来、装置の取り付けや配置について、柔軟な対応が可能となる。

【0010】

さらにまた、より高い冷却能力を有するクーラー（冷却能力が高いものは配管の表面積が大きく、その配管の表面積が大きい分、圧力損失が大きくなってしまう）を外部配管の途中に設けることが可能になり、冷却能力が向上する。

【0011】

好ましくは、前記整流部材が、前記回転環または前記回転環を保持するリテーナの外周に所定の隙間を有して配置され、前記回転環またはリテーナの外周には、前記回転体の回転方向に沿う前記密封流体の流れを増大させる凸部が形成してある。

【0012】

整流部材を、回転環またはリテーナの外周に、径方向隙間を設けて設置することで、回転軸が振れ回りを起こした際でも、隙間を有するため、整流部材が回転環またはリテーナに接触することが無く、回転体の幾何公差（軸振れ、同心度、直角度）を大きく設計することができ、また、運転時に回転軸の精度が大きく低下した場合でも（例えばベアリングの劣化・損傷等の影響）、整流部材と回転環またはリテーナとの接触を避けることができる。さらに、径方向隙間があることで、回転環の全周に流体が接することができるため、全周で冷却を行うことができる。

【0013】

また、回転環またはリテーナの外周面に凸部を設けることで、回転環またはリテーナの表面積を大きくし、流体が接する面積を増やすことで、冷却し易くできる。さらに、回転環およびリテーナは回転する部材であるため、溝により流体を撹拌し、より強い周方向流れを発生させることができ、排出孔からの流体の排出量を増大させることができる。

【0014】

好ましくは、前記排出孔が、前記回転環の外周に位置する前記静止部材の内周面に形成してあり、
前記排出孔が、前記回転体の回転方向に沿う前記密封流体の流れを向かい入れる方向に、前記静止部材の内周面に対して傾斜している。

【0015】

排出孔を傾斜させることで、整流部材に当たった周方向流れの流体がより排出され易く、排出孔から排出される流体の流量が増大し、排出圧が上がる。なお、流体の流れは周方向流れと周方向流れにより作用する遠心力により、流体は外径側へと移動する周方向流れとなるため、周方向に対して傾斜している場合、排出孔に向かう流れとなるため、より流体が排出され易い。

【0016】

本発明では、整流部材の排出孔側の面を排出孔に向かって傾斜させても良い。その場合には、周方向に流れている流体が排出孔に流れ易くなり排出流量が増大すると共に、排出圧が上がる。すなわち、排出圧の低下が回避されることで流量が増大する。また本発明では、排出孔を軸方向に対して傾斜させてもよい。その場合には、流体の軸方向流れに対して排出孔を設けることになるため、より流体が排出され易い。

【0017】

好ましくは、前記整流部材は、前記静止部材に対して着脱自在に取り付けてある。整流部材が取り外し可能に設けてあると、使用条件により整流部材を適宜選択することができ、また、メンテナンス等の際に整流部材のみを交換することも可能となる。

【0018】

また、整流部材が取り外し可能なため、整流部材のみで加工することが可能であるため、より複雑な形状も加工することが可能である。さらに、シールハウジングと異なる材質、かつ、回転環よりも軟質な材質、例えばプラスチックなどの軟質材で、整流部材を構成することもできる。この場合、回転軸の振れ回りが過大で万が一、整流部材と回転環が接触した際にも、回転環の損傷を防ぐことが可能であり、メカニカルシールとしての重大な機能損失、即ち流体の漏れ等を回避できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は本発明の一実施形態に係るシャフトシール装置の要部断面図である。

【図2】図２は図１に示すII−II線に沿うシールカバーおよび整流部材の要部断面図である。

【図3】図３（Ａ）は図１および図２に示す整流部材の斜視図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示す整流部材の変形例を示す斜視図である。

【図4】図４は図１に示すリテーナの正面図である。

【図5】図５は図１に示すリテーナ、回転環および整流部材を含む要部の断面斜視図である。

【図6】図６は図１〜図５に示す実施形態に係るシャフトシールの効果を示すグラフである。

【図7】図７は本発明の他の実施形態に係るシャフトシール装置の要部断面図である。

【図8】図８は本発明のさらに他の実施形態に係るシャフトシール装置の要部断面図である。

【図9】図９は図８に示すIX−IX線に沿うシールカバーおよび整流部材の要部断面図である。

【図10】図１０は図９に示すシールカバーおよび整流部材の変形例を示す要部断面図である。

【図11】図１１は図１に示すポンピングリングの変形例を示す要部斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
第１実施形態

【0021】

図１に示すように、本発明の一実施形態に係るシャフトシール装置２は、たとえばポンプ、コンプレッサなどの流体機械におけるケーシング（静止部材）４と回転軸（回転体）６との間の流体の密封を図る装置である。

【0022】

ケーシング４の内部には、回転軸６が伸びており、回転軸６には、図示省略してある羽根車などが装着してあり、ケーシング４の内部で処理流体の圧力を制御している。ケーシング４の内部の処理流体が、回転軸６に沿ってケーシング４の端部で回転軸６との間の隙間から外部に漏れないように、本実施形態のシャフトシール装置２が設けられている。図１では、回転軸６に沿ってケーシング４の一方の端部に装着してあるシャフトシール装置２のみが図示してあるが、回転軸６に沿ってケーシング４の他方の端部にも同様なシャフトシール装置２が装着される場合もある。

【0023】

本実施形態のシャフトシール装置２は、メカニカルシール装置３５を有する。メカニカルシール装置３５は、少なくとも静止環４０と回転環５６とを有し、以下に示すように、静止環４０はケーシング４に取り付けられ、回転環５６は、回転軸６に取り付けられる。

【0024】

回転軸６に沿ってケーシング４の一方の端部には、円筒状のシールカバー（静止部材）８がボルト１０等によって着脱自在に取り付けられ、シールカバー８とケーシング４との間には、ガスケット等のシール部材１２が装着してあり、これらの間の密封を図っている。なお、図１に示すボルト１０は、図２に示すシールカバー８のボルト孔９に通される。

【0025】

図１に示すように、シールカバー８の主内周面３２と回転軸６との間には、密封空間３３が形成されている。密封空間３３は、ケーシング４の内部と連通しており、ケーシング内部の処理流体と同じ流体が、メカニカルシール装置３５により密封流体として密封されている。

【0026】

回転軸６に沿ってシールカバー８の外側軸端部には、半径方向の内側に突出する内方凸部３７が一体的に形成してあり、その凸部３７の内周面には、軸方向の内側から順に、第１取付内周面３４および第２取付内周面３６が形成してある。第１取付内周面３４の内径は、主内周面３２の内径よりも小さく、第２取付内周面３６の内径は、第１取付内周面３６の内径よりも小さい。なお、図１において、回転軸６に沿って外側（矢印Ａ１方向／前方とも称する）とは、ケーシング４から離れる方向であり、この実施形態では、大気側である。また、矢印Ａ１と反対方向の内側は、ケーシング４に近づく方向であり、密封流体側になり、後方とも称する。

【0027】

内方凸部３７における第１取付内周面３４および第２取付内周面３６には、静止環４０が着脱自在に装着してある。静止環４０と第１取付内周面３４および第２取付内周面３６との間には、Ｏリング等のシール部材４２が介在してあり、これらの間を密封している。

【0028】

図５に示すように、静止環４０の静止摺動面４１に対して回転環５６の回転摺動面５７を摺動可能に保持して、これらの摺動面で流体のシールを行うために、図１に示すように、回転軸６には、メカニカルシール装置３５の回転部分が組み付けられている。具体的には、以下のように構成してある。

【0029】

回転軸６には、スリーブ４５が嵌合してあり、スリーブ４５の外側（矢印Ａ１）軸端部には、カラー４３がボルト４４により連結され、カラー４３がセットスクリュー４６により回転軸６に固定してあり、スリーブ４５およびカラー４３は、回転軸６と共に矢印Ｒ方向に回転可能になっている。

【0030】

スリーブ４５の内側軸端部の外周には、セットスクリュー４７によりポンピングリング４６の内側端部が固定してある。ポンピングリング４６の内側端部には、回転軸６に沿って外側方向Ａ１に延在する筒状部が一体に形成してある。筒状部の外周面には、らせん状突起４８が形成してあり、回転軸６と共にポンピングリング４６が矢印Ｒ方向に回転することで、シールカバー８の主内周面３２との隙間に矢印Ａ１方向の流れを作り出すようになっている。

【0031】

ポンピングリング４６のらせん状突起４８が形成してある筒状部の径方向内側には、アダプタ４９がポンピングリング４６の内側端部に対してボルトなどで固定してある。アダプタ４９とポンピングリング４６とスリーブ４５との間には、Ｏリングなどのシール部材が介在してあり、これらの間を密封している。

【0032】

アダプタ４９の外側方向（前方向）Ａ１には、ベローズ５０の後端（内側端）が接続してある。ベローズ５０の前端（外側方向Ａ１）には、リテーナ５２が接続してあり、ベローズ５０の軸方向のスプリング力によりリテーナ５２を静止環４０方向に押圧し、結果として回転環５６を静止環４０の摺動面に押し付けている。ベローズ５０の内周と外周とはベローズ５０自体により流体の流通が遮断される。リテーナ５２は、図５に示すように、一体的に形成してある円盤状部分５３と筒状部分５５とを有する。

【0033】

リテーナ５２における筒状部５５の半径方向内側には、メンテナンス時などに交換可能なように回転環５６が着脱自在に保持してある。回転環５６の先端（矢印Ａ１方向）に形成してある回転摺動面５７は、前述した静止環４０の後端（矢印Ａ１と反対方向）に形成してある静止摺動面４１に対して矢印Ｒ方向に回転して摺動可能になっている。回転環５６の回転摺動面５７は、リテーナ５２の先端よりもさらに先端側に飛び出している。

【0034】

回転環５６と静止環４０の材質は、特に限定されず、カーボン、炭化珪素、超硬合金、アルミナセラミック、エンジニアリングプラスチックまたは前記材料同士の複合材などで構成される。図１に示すメカニカルシール装置３５を構成するその他の部材は、合成樹脂やゴムなどで構成されるシール部材を除き、金属あるいはその他の材質で構成される。なお、シール部材としてのガスケットは、合成樹脂やゴム以外で、金属製薄板やグラファイトで構成される場合もある。

【0035】

図４に示すように、筒状部分５５の外周面には、凸部５４が円周方向に沿って所定間隔に軸心方向に沿って形成してある。凸部５４の形状および間隔などは、特に限定されないが、この実施形態では、図４に示すように、凸部５４の横断面が四角形状であり、円周方向に沿って、１０〜４０等間隔で形成してある。図１に示す回転軸６の回転により凸部５４が密封流体に円周方向の流れを作り出すような凸部５４の形状および配置であれば、図示する実施形態に限定されない。なお、凸部５４は、リテーナ５２の外周面に形成されることが好ましいが、形成されなくとも、リテーナ５２の回転による密封流体の回転方向の流れは多少形成される。

【0036】

図１および図２に示すように、シールカバー８の主内周面３２で、第１取付内周面３４との段差部には、排出孔１４が形成してあり、密封空間３３に連通している。排出孔１４は、ポンピングリング４６の回転による密封流体の軸方向流れの下流側に位置する回転環５６の外周位置で、本実施形態では、円周方向の一カ所に形成してある。

【0037】

また、排出孔１４は、図２に示すように、回転軸の回転方向Ｒに沿う密封流体の流れを向かい入れる方向に、シールカバー８の主内周面３２に対して傾斜（直角ではない）している。排出孔１４の主内周面３２に対する傾斜角度θは、好ましくは０〜６０度である。本実施形態では、図１に示すように、排出孔１４は、回転軸６の軸心に対しては、傾斜せずに垂直であるが、図７に示す実施形態のシャフトシール装置２ａでは、排出孔１４ａは、回転軸６の軸心に対しても傾斜してあり、回転軸６の軸心方向に沿って流れる密封流体の流れを向かい入れるように構成しても良い。

【0038】

図１〜図３および図５に示すように、シールカバー８の主内周面３２で、排出孔１４の近くで、排出孔１４における回転方向Ｒの下流位置には、整流部材１８が、シールカバー８に対して、ボルト２０などにより着脱自在に装着してある。図３（Ａ）に示すように、整流部材１８は、基板部２２と、その基板部２２に対して略垂直方向に突出する流れ案内部２４とを有し、基板部２２には、取付孔２６が形成してあり、その取付孔２６にボルトなどを通すことで、整流部材１８をシールカバー８に対して着脱自在に装着可能になっている。

【0039】

整流部材１８における流れ案内部２４の側面２８は、図２に示す回転方向Ｒの流れに沿って流れてくる密封流体の流れを堰き止めて排出孔１４方向に案内するための案内面である。また、整流部材１８におけるＬ字形状の側面３０は、図５に示すように、リテーナ５２の外周面に形成してある凸部５４に向き合う面であり、その形状に合わせた円弧状曲面であることが好ましいが、平面形状であっても良い。

【0040】

整流部材１８におけるＬ字形状の側面３０と凸部５４との間の隙間Ｃ３は、図１に示す凸部５４とシールカバー８の主内周面３２との隙間Ｃ２から、図３（Ａ）に示す整流部材１８の幅Ｗ１を引いた値に等しい。この図５に示す隙間Ｃ３は、好ましくは０．５〜３．０ｍｍである。また、図１に示すように、凸部５４の外周とシールカバー８の内周面との間の隙間Ｃ２に対して、ポンピングリング４６のらせん状突起４８と内周面３２との隙間Ｃ１は狭く構成してあり、その隙間Ｃ１は、好ましくは０．５〜１．５ｍｍである。

【0041】

なお、本実施形態では、図３（Ａ）に示すように、整流部材１８における側面２８と側面３０とを略垂直に構成したが、図２および図３（Ｂ）に示すように、排出孔１４の傾斜角度θに合わせて、鋭角度に傾斜させても良い。その場合には、回転方向Ｒに沿って流れてくる密封流体は、側面２８ａに当たり、排出孔１４の方向にさらに向かいやすくなる。

【0042】

排出孔１４は、シールカバー８の外部に形成してある排出接続口１６に連通してある。排出接続口１６には、図１に示す外部配管１９の一方の接続端が接続される。外部配管１９の他方の接続端は、シールカバー８における流入接続口１７に接続される。外部配管１９には、圧力計Ｐ１およびＰ２、流量計Ｑ、バルブＶなどが装着してあっても良い。あるいは、外部配管１９には、図示省略してある熱交換器が接続してあり、外部配管を流れる流体を冷却するように構成してあっても良い。

【0043】

流入接続口１７は、シールカバー８の内周面に開口している流入孔１５に連通してある。流入孔１５は、排出孔１４に対して、回転軸６に沿って内側（後側）に形成してあり、ポンピングリング４６の外周面に形成してあるらせん状突起４８の上流側に位置してある。流入孔１５は、回転軸６の軸心に対して垂直に形成しても良いが、スペースがある場合には、図１に示すように、ポンピングリング４６のらせん状突起４８に向けて多少傾斜させることで、らせん状突起への流体の流入を、よりスムーズにすることができるため好ましい。

【0044】

回転軸６を矢印Ｒ方向に回転させると、ポンピングリング４６も同時に回転し、らせん状突起４８が、隙間Ｃ１間で、密封空間３３内の密封流体を矢印Ａ１方向に移動させる。その流体の流れにより、流入孔１５から流体を引き込むことになる。隙間Ｃ１を通して矢印Ａ１方向に流れた密封流体は、リテーナ５２および回転環５６および静止環４０の外周部に至り、回転環５６と静止環４０との摺動による発熱を冷却する。

【0045】

その後、あるいは同時に、密封流体は、図５に示すリテーナ５２の外周面５５に形成してある凸部５４により、回転方向Ｒに回転させられ、整流部材１８または１８ａの側面２８または２８ａに衝突し、強制的に排出孔１４に向かわさせる。排出孔１４に流入した流体は、図１に示す接続口１６および外部配管１９を通り、接続口１７および流入孔１５から密封空間３３に戻される。

【0046】

本実施形態のシャフトシール装置２では、ポンピングリング４６の下流側の流体には、回転するリテーナ５２により発生する周方向流れによって遠心力、即ち、径方向外側に向かう力が作用し、密封流体は排出孔１４より排出される。さらに、流体の周方向流れを排出孔１４に向かわせるように整流部材１８が設けられていることで、排出孔１４から排出される流体の流量を増大させることができ、また、排出孔１４からの排出圧を向上させることができる。

【0047】

たとえば、整流部材１８を取り付けない場合（比較例）には、図６に示す曲線Ｙに示すように、図１に示す外部配管１９を流れる流体の流量Ｑ（図６の横軸）が少なく、しかも、ヘッドＨ（縦軸）も小さい。これに対して、整流部材１８を有する本発明の実施例では、図６に示す曲線Ｘに示すように、比較例（整流部材無し）のものに比べ、ヘッド圧Ｈの最大値が約３．５倍、流量の最大値は約３．７倍に向上する。

【0048】

なお、流量Ｑは、図１に示す流量計Ｑにより測定することができる。また、ヘッドＨは、図１に示す圧力計Ｐ１およびＰ２の圧力差から求められ、ヘッドＨが大きいほど排出圧力が高い。図６に示す曲線ＸおよびＹは、図１に示す外部配管１９のバルブＶを完全に閉じた状態が流量Ｑ＝０で、そこから、バルブＶを少しずつ開状態にし、流量Ｑを変化させ、その時のヘッド圧Ｈ（圧力Ｐ１−Ｐ２）を測定し、その値をプロットした。

【0049】

図６中の曲線Ｚは、図１に示す外部配管１９の流路抵抗に基づく曲線であり、曲線ＸおよびＹとの交点が、実施例および比較例に係る流量とヘッドの最大値を決定する。外部配管１９の途中に熱交換器などを介在させると、流路抵抗が大きくなり、その曲線Ｚの傾きが曲線Ｚ’のように高くなり、実施例および比較例に係る流量の最大値を低下させる。比較例Ｙでは、流路抵抗が高くなるほど（曲線ＺからＺ’）、流量（冷却用）を確保することが困難になり、回転環の摺動面での冷却が不十分になる傾向にある。これに対して、本実施例Ｘでは、流路抵抗が高くなっても、十分な流量ＱとヘッドＨとを確保できるので、回転環の摺動面での冷却を十分に行うことができる。

【0050】

また、本実施形態では、図１に示す外部配管１９の途中に、ポンプ機能を設ける必要がなくなる。外部配管１９が長くなれば長くなるほど圧力損失が大きいため、流体を流すのに高い排出圧を要するが、本実施形態では、排出圧を向上させることができるため、従来の流量と同じ流量ならば、従来の配管よりもより長い配管を設けることができ、装置の取り付けや配置について、柔軟な対応が可能となる。すなわち適応性および多様性が向上する。

【0051】

さらにまた、より高い冷却能力を有するクーラー（冷却能力が高いものは配管の表面積が大きく、その配管の表面積が大きい分、圧力損失が大きくなってしまう）を外部配管１９の途中に設けることが可能になり、冷却能力が向上する。

【0052】

さらに実施形態では、整流部材１８を、回転環５６またはリテーナ５２の外周に、径方向隙間Ｃ３を設けて設置することで、回転軸６が振れ回りを起こした際でも、隙間Ｃ３を有するため、整流部材１８がリテーナ５２または回転環５６に接触することが無く、回転体の幾何公差（軸振れ、同心度、直角度）を大きく設計することができ、また、運転時に回転軸６の精度が大きく低下した場合でも（例えばベアリングの劣化・損傷等の影響）、整流部材１８とリテーナ５２または回転環５６との接触を避けることができる。さらに、径方向隙間Ｃ３があることで、リテーナ５２および回転環５６の全周に流体が接することができるため、全周で冷却を行うことができる。

【0053】

また、リテーナ５２の外周面５５に凸部５４を設けることで、リテーナ５２の表面積を大きくし、流体が接する面積を増やすことで、冷却し易くできる。さらに、回転環５６およびリテーナ５２は回転する部材であるため、凸部５４または溝部により流体を撹拌し、より周方向流れを発生させることができ、排出孔１４からの流体の排出量を増大させることができる。

【0054】

さらに本実施形態では、図２に示すように、排出孔１４を、シールカバー８の内周面３２に対して所定角度θで傾斜させることで、整流部材１８に当たった周方向流れの流体がより排出され易く、排出孔１４から排出される流体の流量が増大し、排出圧が上がる。なお、流体の流れは周方向流れと周方向流れにより作用する遠心力により、流体は外径側へと移動する周方向流れとなるため、周方向に対して傾斜している場合、排出孔１４に向かう流れとなるため、より流体が排出され易い。

【0055】

さらに本実施形態において、図３（Ｂ）に示すように、整流部材１８ａの排出孔側の側面２８ａを排出孔１４に向かって傾斜させた場合には、周方向に流れている流体が排出孔に流れ易くなり排出流量が増大すると共に、排出圧が上がる。すなわち、排出圧の低下が回避されることで流量が増大する。また本実施形態では、図７に示すように、排出孔１４ａを軸方向に対して傾斜させてもよく、その場合には、流体の軸方向流れに対して排出孔１４ａを設けることになるため、より流体が排出され易い。

【0056】

さらに、この実施形態では、整流部材１８または１８ａは、シールカバー８に対して着脱自在に取り付けてあることから、使用条件により整流部材１８または１８ａを適宜選択することができ、また、メンテナンス等の際に整流部材１８または１８ａのみを交換することも可能となる。

【0057】

また、整流部材１８または１８ａが取り外し可能なため、整流部材１８または１８ａのみで加工することが可能であるため、より複雑な形状も加工することが可能である。さらに、シールカバー８と異なる材質、かつ、回転環よりも軟質な材質、例えばプラスチックなどの軟質材で、整流部材１８または１８ａを構成することもできる。この場合、回転軸６の振れ回りが過大で万が一、整流部材１８または１８ａとリテーナ５２または回転環５６が接触した際にも、リテーナ５２または回転環５６の損傷を防ぐことが可能であり、メカニカルシールとしての重大な機能損失、即ち、流体の漏れ等を回避できる。
第２実施形態

【0058】

図８に示す本発明の他の実施形態に係るシャフトシール装置２ｂは、図１および図７に示すシングル型メカニカルシール装置と異なり、タンデム型メカニカルシールであり、二つの第１および第２メカニカルシール装置３５ａおよび３５ｂが、軸方向に沿って装着してある。以下の説明では、図１〜図７に示す実施形態と異なる部分についてのみ詳しく説明し、共通する部分に関しては、その説明を一部省略する。

【0059】

図８に示すように、本実施形態では、ケーシング４の外側（矢印Ａ１方向）端部に、第１シールカバー８ａが、第２シールカバー８ｂを介して、ボルト１０により着脱可能に装着固定してある。第１シールカバー８ａと第２シールカバー８ｂとの間には、ガスケットなどの第１シール部材１２ａが介在してあり、第２シールカバー８ｂとケーシング４との間には、第２シール部材１２ｂが介在してあり、これらの間を密封している。

【0060】

第１シールカバー８ａの内周側には、第１実施形態のメカニカルシール装置３５と同様なメカニカルシール装置３５ａが装着してある。第１実施形態のメカニカルシール装置３５における静止環４０、回転環５６、リテーナ５２、ベローズ５０、アダプタ４９、およびポンピングリング４６は、本実施形態の静止環４０ａ、回転環５６ａ、リテーナ５２ａ、ベローズ５０ａ、アダプタ４９ａ、およびポンピングリング４６ａと同じである。

【0061】

ただし、この実施形態では、第１実施形態における整流部材１８，１８ａの代わりに、板状整流部材１８ｂが、第１シールカバー８ａの内周面に、排出孔１４およびリテーナ５２などに対して整流部材１８，１８ａと同じ位置関係で、溶接などで固定して形成してある。あるいは、図１０に示すように、整流部材１８ｂと同様な位置関係で、凸状整流部材１８ｃが、第１シールカバー８ａと一体に形成してあってもよい。

【0062】

本実施形態では、図８に示すように、回転軸６の外周に装着してあるスリーブ４５ａが、第１実施形態のスリーブ４５よりも軸方向に長く形成してあり、スリーブ４５ａの後端が、ケーシング４の端部内側に形成してある密封空間３３ｂにまで入り込むようになっている。

【0063】

密封空間３３ｂは、ケーシング４の内部と連通しており、その内部の処理流体が密封流体として入り込むようになっている。なお、第１シールカバー８ａおよび第２シールカバー８ｂの内周側には、中間密封空間３３ａが形成してあり、中間密封空間３３ａと密封空間３３ｂとは、第２メカニカルシール装置３５ｂにより密封されている。

【0064】

第２メカニカルシール装置３５ｂにおける静止環４０ｂは、第２シールカバー８ｂの半径方向内側端部に着脱自在に固定され、第１メカニカルシール装置３５ａの静止環４０ａと同様な構成である。静止環４０ｂに対して摺動する回転環５６ｂは、第１メカニカルシール装置３５ａの回転環５６ａと同様な構成である。回転環５６ｂを保持するリテーナ５２ｂは、第１メカニカルシール装置３５ａのリテーナ５２ａと同様な構成であるが、その外周面には、必ずしも図５に示す凸部５４を設ける必要はない。

【0065】

第２メカニカルシール装置３５ｂにおけるベローズ５０ｂ、アダプタ４９ｂは、第１メカニカルシール装置３５ａにおける対応する部品と同様である。第２メカニカルシール装置３５ｂには、第１メカニカルシール装置３５ａのポンピングリング４６ａは、具備させる必要がない。第２メカニカルシール装置３５ｂにより、密封空間３３ｂと中間密封空間３３ａとが密封され、第１メカニカルシール装置３５ａにより、中間密封空間３３ａとケーシング４の外部（大気）とが密封される。

【0066】

中間密封空間３３ａの密封流体は、第１実施形態の場合と同様にして、ポンピングリング４６ａの回転により、矢印Ａ１方向に移動させられる。その流体の流れにより、第２シールカバー８ｂに形成してある流入孔１５から流体を引き込むことになる。矢印Ａ１方向に流れた密封流体は、リテーナ５２ａおよび回転環５６ａおよび静止環４０ａの外周部に至り、回転環５６ａと静止環４０ａとの摺動による発熱を冷却する。

【0067】

その後、あるいは同時に、密封流体は、リテーナ５２ａの外周により回転方向Ｒに回転させられ、板状整流部材１８ｂまたは凸状整流部材１８ｃに衝突し、強制的に排出孔１４に向かわさせる。排出孔１４に流入した流体は、接続口１６および図１に示す外部配管１９を通り、接続口１７および流入孔１５から中間密封空間３３ａに戻される。

【0068】

本実施形態のシャフトシール装置２ｂでは、ケーシング４内部の処理流体とは異なる冷却専用の流体を、中間密封空間３３ａ内に封入しておくことが可能であり、その封入された密封流体を、排出孔１４から排出して流入孔１５から中間密封空間３３ａに戻すことができる。そのため、ケーシング４の内部の処理流体の圧力変動や、流れの変動による影響を受けずに冷却用流体の循環を行うことができる。その他の構成および作用効果は、前述した第１実施形態と同様である。

【0069】

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。

【0070】

たとえば、排出孔１４は、整流部材１８，１８ａ，１８ｂまたは１８ｃと共に、円周方向の複数個所に形成しても良い。流入孔１５に関しても同様である。

【0071】

また、上述した実施形態において、流入孔１５と排出孔１４との位置関係を逆にしても良い。ただし、整流部材１８，１８ａ，１８ｂまたは１８ｃは、常に排出孔１４の近くに位置させる。この場合には、ポンピングリング４６，４６ａによる密封流体の軸方向流れを軸方向外側Ａ１とは逆の方向にする必要がある。この実施形態の場合には、流入孔から流入する冷却済みの密封流体により回転環と静止環とを効率的に冷却することができる。

【0072】

さらに、上述した実施形態において用いられたポンピングリング４６の代わりに、その他のポンピングリングを用いても良い。ポンピングリングとしては、回転軸６の軸方向の流れを作り出す形状および／または構造であれば何でも良く、たとえば図１１に示すポンピングリング４６ｂでは、リングのフランジ部に、回転軸の軸線Ａ２に対して所定角度で傾斜している貫通孔４８ｂを、周方向に所定間隔で形成してある。このような貫通孔４８ｂを設けることでも、回転軸６の軸方向の流れを作り出すことができる。このポンピングリング４６ｂでは、ポンピングリングの外径を小さくしたい場合や、軸方向長さを小さくしたい場合に有利である。

【符号の説明】

【0073】

２，２ａ，２ｂ… シャフトシール装置
４… ケーシング
６… 回転軸
８… シールカバー
８ａ… 第１シールカバー
８ｂ… 第２シールカバー
１４，１４ａ… 排出孔
１５… 流入孔
１８，１８ａ… 整流部材
１８ｂ… 板状整流部材
１８ｃ… 凸状整流部材
３２… 主内周面
３３，３３ｂ… 密封空間
３３ａ… 中間密封空間
３４… 第１取付内周面
３６… 第２取付内周面
４０，４０ａ… 静止環
４６，４６ａ，４６ｂ… ポンピングリング
４８… らせん状突起
４８ｂ… 貫通孔
５２，５２ａ… リテーナ
５６，５６ａ… 回転環

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】