JP5367423B2

JP5367423B2 - シール装置

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Publication number: JP5367423B2
Application number: JP2009064968A
Authority: JP
Inventors: 秀和高橋
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2013-12-11
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Description

本発明は、例えば粉砕機や分散機等の高濃度スラリー液や高粘度溶液を扱う流体機械に用いて好適なシール装置に関する。

粉砕機や分散機等の高濃度スラリーあるいは高粘度溶液を扱う流体機械のシール装置としては、非接触シール同士を組み合わせたダブルメカニカルシールがしばしば用いられる。この種の装置においては、通常、大気側シールと機内側シールとの間の中間室に循環流体（液体又は流体）を機内側流体よりも高い圧力で加圧循環させることにより、機内側メカニカルシールの漏れ方向を中間室から機内側方向とし、被密封流体を機外へ漏出させないようにしている。

また、非接触式シールを大気側、機内側の両方に設置し、被密封流体が中間室に入りにくい構造とした軸封装置（例えば、特許文献１）や、同じく非接触式シールを大気側、機内側の両方に設置し、機内側シールの被密封流体側に複数のシール室を設け、機内側シールに被密封流体が接触するまでに液体をガス化させる構造の液化ガス用軸封装置（例えば、特許文献２）等も開示されている。

特開２００２−２３５８５８号公報特許３５１７７１０号公報

しかしながら、例えば特許文献１に開示されているような従来のシール装置においては、機内側シールが故障したり損傷したりすると、中間室の循環流体が大量に機内に流入することとなり、循環流体が液体の場合には製品となる媒体を希釈させるという問題があり、また、循環流体が気体の場合には粉砕能力や分散能力を低下させる場合がある。
また機内側シールの二次シールに機内側の媒体が固着すると、作動特性が変化し作動不良等が発生する可能性がある。
また、非接触シールを大気側、機内側の両方に用いると、中間室に循環流体を多量に供給する必要がある。

また、特許文献２に開示されている液化ガス用軸封装置においては、機内側シールの漏れ方向が機内側から中間室方向であるとともに大気側シールの漏れ方向は中間室から大気側方向なので、被密封流体が機外に漏れる可能性があるという問題もある。

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、高濃度スラリーや高粘度溶液等の流体に対しても良好なシール特性を得ることができ、循環流体が機内に侵入することを防止でき、また、被密封流体が機外に流出することを防止でき、被密封流体が二次シールに固着しても二次シールの作動性を阻害することなく、さらに、循環流体を多量に必要としない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、請求項１に係る本発明のシール装置は、ハウジングの孔と、当該ハウジングの前記孔を貫通する回転軸との間をシールするシール装置であって、前記回転軸に設置され当該回転軸の軸方向の一方の端部にシール面を有する回転環と、前記ハウジングに設置され前記回転環の前記シール面に対向配置されるシール面を有する静止環とを有し、前記回転環の前記シール面及び前記静止環の前記シール面のいずれか一方又は両方に動圧発生溝が形成されており、前記回転軸の回転によって前記回転環の前記シール面と前記静止環の前記シール面とが相互に非接触状態となる機内側非接触シールと、前記機内側非接触シールより機外側に設置され、前記回転軸に設置され当該回転軸の軸方向の一方の端部にシール面を有する回転環と、前記ハウジングに設置され前記回転環の前記シール面に対向配置されるシール面を有する静止環とを有し、前記回転環の前記シール面と前記静止環の前記シール面とが密接摺動する機外側接触シールと、前記非接触シールと前記接触シールとの間の空間であって、バッファガスが流される中間室と、前記ハウジングの内部の前記機内側非接触シールの機内側に設置され、前記回転軸の周囲空間を軸方向に区分し前記機内側非接触シールとの間に第１のガス室を形成する第１の仕切り壁と、前記ハウジングの内部の前記第１の仕切り壁のさらに機内側に設置され、前記回転軸の周囲空間を軸方向に区分し前記第１の仕切り壁との間に第２のガス室を形成する第２の仕切り壁とを有し、前記第２のガス室には排気口が形成されており、前記中間室、前記第１のガス室、前記第２のガス室及び機内空間の各圧力が、前記中間室の圧力、前記第１のガス室の圧力、前記第２のガス室の圧力、前記機内空間の圧力の順に低くなるように構成されていることを特徴とする。

また、請求項２に係る本発明のシール装置は、前記第１の仕切り壁及び前記第２の仕切り壁のいずれか一方又は両方の内周部に、前記回転軸の外周面と微少間隙を形成して遊合し、流体を前記第２のガス室方向に流すフローティングリングが設置されていることを特徴とする。

また、請求項３に係る本発明のシール装置は、前記接触シールは、前記回転環の前記シール面及び前記静止環の前記シール面のいずれか一方又は両方に、周方向に沿って所定の範囲で凹部に形成された外部と連通していない第１の溝と、周方向に沿って所定の範囲で凹部に形成されるとともに外部から圧力を導入可能に当該外部と連通している第２の溝とが、各々１つ以上形成されていることを特徴とする。

また、請求項４に係る本発明のシール装置は、前記非接触シールは、二次シールとしてラバースプリングを具備していることを特徴とする。

請求項１に係る本発明のシール装置によれば、機内側シールを非接触シールとして中間室から機内側に循環流体が流されているため、高濃度スラリーや高粘度溶液等の流体に対しても良好なシール特性を得ることができ、一方で、大気側シールを接触シールで構成しているので、被密封流体が機外に流出することを防止できる。また、両方が非接触シール構成のシール装置と比較して、循環流体の量を大幅に少なくすることができる。

また、請求項１に係る本発明のシール装置によれば、第１の仕切り壁及び第２の仕切り壁により被密封流体が機内側非接触シール方向に流れる可能性を低くすることができるので、高濃度スラリーや高粘度溶液等の流体に対しても常に良好なシール特性を得ることができ、また、被密封流体が機外に流出することを確実に防止できる。また、機内側非接触シールを通過した機内側に流れるバッファガス（循環流体）は、第２のガス室から排出されるので、循環流体が機内に侵入することを防止できる。

また、請求項２に係る本発明のシール装置によれば、フローティングリングを設置したことにより、被密封流体が機内側非接触シール方向に流れる可能性をさらに低くすることができるので、高濃度スラリーや高粘度溶液等の流体に対しても常に良好なシール特性を得ることができ、被密封流体が機外に流出することをほぼ確実に防止でき、機内側非接触シールを通過して機内側に流れるバッファガス（循環流体）を確実に第２のガス室から排出し循環流体が機内に侵入することを防止できる。

また、請求項３に係る本発明のシール装置によれば、接触シールとして形成されている機外側接触シール３００においても、摺動負荷を低減することができ、耐摩耗性の高い耐久性の高いシール装置を提供することができる。

また、請求項４に係る本発明のシール装置によれば、被密封流体が二次シールに固着しても二次シールの作動性を阻害することのないシール装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態のシール装置の構成を示す図であって、シール装置を軸心を通る平面で切断した断面図である。図２は、図１に示したシール装置の、機内側非接触シール及び機外側接触シール付近の拡大図である。図３は、機内側非接触シールの回転環の構造を示す図であって、図３（Ａ）は回転環の正面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の動圧発生溝の円周方向の断面構造を示す図である。図４は、機外側接触シールの静止環の構造を示す図であって、図４（Ａ）は静止環の正面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＡ−Ｏ−Ａ’に沿った断面図である。

本発明のシール装置の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
本実施形態においては、高濃度のスラリーや高粘度の溶液等を取り扱う粉砕機や分散機等の機器において回転軸と機器本体のハウジングとの間隙をシールするシール装置について説明する。

まず、シール装置１０の概略構成について図１を参照して説明する。
シール装置１０は、第１〜第３のシールハウジング１６１〜１６３、機内側非接触シール２００、機外側接触シール３００、第１及び第２の仕切り壁５１０、５３０、及び、フローティングリング５２０、５４０を有する。
また、シール装置１０においては、機外側接触シール３００と機内側非接触シール２００との間に中間室４００が、機内側非接触シール２００と第１の仕切り壁５１０との間に第１のガス室４１０が、第１の仕切り壁５１０と第２の仕切り壁５３０との間に第２のガス室４２０が形成されている。
なお、本実施形態において、機外側空間Ａは大気領域である。

回転軸２は、機器本体のハウジング４に形成された孔５を通過して、スラリー液等が収容される機内側空間Ｑと機外側空間Ａとを貫通しており、シール装置１０は、ハウジング４と回転軸２との間に配設され、機内側空間Ｑからの機外側空間Ａへの被密封流体の漏洩を防止する。

また、シール装置１０においては、機内側空間Ｑの流体圧力に対して、第２のガス室４２０の圧力、第１のガス室４１０の圧力、及び、中間室４００の圧力が、順に高圧となるように各空間の圧力を設定する。これにより、被密封流体を適切にシールできるとともに、機内側のスラリーや高粘度流体が機内側非接触シール２００側に流れ難くし、機内側非接触シール２００及びその二次シールのラバースプリング２４０にスラリーや高粘度流体が接触し固着することを防止し、良好なシール特性を持続させる構成となっている。

また、シール装置１０においては、第１の仕切り壁５１０及び第２の仕切り壁５３０の内周側にフローティングリング５２０、５４０を設けることにより、流体が第２のガス室４２０方向に流れるようにする。また、第２のガス室４２０に流入した流体は排気口４２１を通して回収するようにする。これにより、機内側の流体が機内側非接触シール２００に接触することを一層難くするとともに、バッファガス（循環流体）が機内側空間Ｑに流入して製品流体を希釈したり、機器本体の粉砕、分散等の処理能力を低下させることのない構成となっている。
本実施形態のシール装置１０はこのような概略構成のシール装置である。

次に、機内側非接触シール２００、機外側接触シール３００及びその周辺の構成について、主に図２を参照して詳細に説明する。

機内側非接触シール２００は、回転環２１０と静止環２２０とを有する。回転環２１０は、第１のシールハウジング１６１の内周に配置されて、第１のスリーブ１１１により回転軸２に固定されて回転軸２とともに回転する。静止環２２０は、ラバースプリング２４０及びノックピン２５３により第１のシールハウジング１６１及び第２のシールハウジング１６２の内周に非回転に保持される。回転環２１０と静止環２２０とは、圧縮スプリング２５１の軸方向付勢力によって対向端面（シール面）２１１、２２１同士が押し付けられシール面２００Ｓを形成するが、回転環２１０のシール面２１１には動圧発生溝２１２（図３参照）が形成されており、回転軸２の回転に伴って回転環２１０のシール面２１１と静止環２２０のシール面２２１とは非接触な状態となる。このように機内側非接触シール２００は、シール面２１１、２２１が非接触な状態でシール面の内外周の空間を封止分離する非接触シールである。

機外側接触シール３００は、回転環３１０と静止環３２０とを有する。回転環３１０は、第３のシールハウジング１６３の機内側の内周に配置されて、第１のスリーブ１１１、第２のスリーブ１３１及びスリーブカラー１４７により回転軸２に固定されて回転軸２とともに回転する。静止環３２０は、第３のシールハウジング１６３の機外側の内周に非回転に設置される。回転環３１０と静止環３２０とは、圧縮スプリング３５１の軸方向付勢力によって対向端面（シール面）３１１、３２１同士が密接し、摺動シール面３００Ｓを形成する。このように機外側シール３００は、シール面３１１、３２１が密接摺動してシール面の内外周の空間を封止分離する接触シールである。

回転軸２の外周には、第１のスリーブ１１１が回転軸２と一体的に回転可能に嵌合固着されている。第１のスリーブ１１１の機内側の端部には、フランジ１１３が一体形成されている。第１のスリーブ１１１のフランジ１１３が形成されている領域の内周面にはＯリング溝１１５が形成され、これにＯリング１１７が装着されている。このＯリング１１７により、被密封流体が第１のスリーブ１１１と回転軸２との間の隙間に流入することが防止される。Ｏリング１１７の材質は、被密封流体の種類等に応じて選択されるが、例えば合成ゴムである。

第１のスリーブ１１１のフランジ１１３の外周には、ラビリンスシールリング１１９が装着されている。ラビリンスシールリング１１９は、外周面に軸方向に沿って凸部及び凹部（溝）が交互に形成してある部材であり、その凸部を第１のシールハウジング１６１の内周面に近接して配置することにより、第１のスリーブ１１１のフランジ１１３の外周面と第１のシールハウジング１６１の内周面との間からスラリーが機内側非接触シール２００のシール面付近に侵入することを防止している。ラビリンスシールリング１１９は、例えばＰＴＦＥなどのフッ素樹脂で構成される。

第１のスリーブ１１１のフランジ１１３の機外側には、機内側非接触シール２００を構成する回転環２１０が配置されている。フランジ１１３の回転環２１０側の面にはＯリング溝１２３が形成されＯリング１２５が装着されている。Ｏリング１２５は、回転環２１０の裏面に圧接され、回転環２１０とフランジ１１３との間をシールしている。Ｏリング１２５は、Ｏリング１１７と同様に合成ゴム等で構成されている。

回転環２１０の内周面にはキー溝１２７が形成されている。このキー溝１２７には、第１のスリーブ１１１に形成されているキー１２９が係止し、これにより回転環２１０は、第１のスリーブ１１１に固着され、回転軸２と共に回転可能となっている。

機内側非接触シール２００の回転環２１０のシール面２１１には、図３（Ａ）に示すように、複数の動圧発生溝２１２が円周方向に形成してある。動圧発生溝２１２は、平面側から見てＬ字形状を持ち、中間室４００に直接に連通する放射状部分２１３と、放射状部分２１３の外径部分に連通して円周方向に延在する円周状部分２１４とを具備する。また相互に隣接する一対の動圧発生溝２１２は、線対称に配列してある。本実施態様では、相互に対称に配置された６対の動圧発生溝２１２の組が、回転環２１０のシール面２１１に円周方向に沿って略等間隔に配置してある。

図３（Ｂ）に示すように、各動圧発生溝２１２の溝深さＴ１は、回転環２１０の円周方向に沿って均一な深さではなく、放射状部分２１３と交差する位置において最大限に深く形成してあり、その周方向に沿って反対側端部において最も浅くなるようにしてある。このように不均一な溝深さとすることにより、回転環２１０が静止環２２０に対して相対回転する際に、溝深さが浅い部分において圧力が上昇する。その結果、回転環２１０のシール面２１１と静止環２２０のシール面２２１との間に隙間Ｃ１が形成される。動圧発生溝２１２は、中間室４００に連通しているため、中間室４００のバッファガスは、動圧発生溝２１２内に引き込まれ、隙間Ｃ１は、バッファガスによるバリア層２１５となる。

機内側非接触シール２００においては、動圧発生溝２１２は、バッファガスのガス圧が第１のガス室４１０の流体圧よりも高く形成された中間室４００に連通している。また、機内側非接触シール２００の外周側が第１のガス室４１０であり、動圧発生溝２１２には遠心力が作用する。その結果、このバリア層２１５により、機内側の流体が中間室４００に侵入することを効果的に阻止することができる。
また、本実施形態においては、図３（Ａ）に示すように、相互に対称な形状に形成された動圧発生溝２１２の組が回転環２１０のシール面２１１に形成されているため、回転環２１０の回転方向がどちらになったとしても、動圧発生溝２１２は同様な作用を有する。

機内側非接触シール２００の回転環２１０は、ＳｉＣ、超硬合金又はセラミックコーティング材などの硬質材料で構成される。

図２に戻り、第１のスリーブ１１１の軸方向中央部の外周には、第２のスリーブ１３１が嵌合固着されている。第２のスリーブ１３１は、第１スリーブ１１１に形成されているキー１２９に係止され、両者は回転軸２と共に一体的に回転するようになっている。第２のスリーブ１３１の大気側の端部には、フランジ１３３が一体成形してある。
第１のスリーブ１１１の外周面の第２のスリーブ１３１が嵌合されている領域には、Ｏリング溝１３５が形成されており、Ｏリング１３７が装着されている。これにより、第１のスリーブ１１１と第２のスリーブ１１３との間がシールされ、中間室４００に流されるバッファガスあるいは機外側空間Ａに存在する流体が第１のスリーブ１１１と第２のスリーブ１１３との間に流入することを防止している。Ｏリング１３７の材質は、Ｏリング１１７と同様に例えば合成ゴム等で構成するものとするが、Ｏリング１３７は、中間室４００に配置され、通常状態では被密封流体には接触しないので、前述したＯリング１１７、１２５よりは安価な材質にすることもできる。

フランジ１３３の大気側には、機外側接触シール３００を構成する回転環３１０が配置されている。フランジ１３３の回転環３１０側の面にはＯリング溝１３９が形成されＯリング１４１が装着されている。Ｏリング１４１は、機外側接触シール３００の回転環３１０の裏面に圧接され、回転環３１０とフランジ１３３との間をシールしている。Ｏリング１４１は、Ｏリング１３７と同様の材質でよい。

機外側接触シール３００の回転環３１０の内周面にはキー溝１４３が形成してあり、そのキー溝１４３に対して、第１のスリーブ１１１に固着してあるキー１４５が係止する。これにより、回転環３１０は、第１のスリーブ１１１に固着されて回転軸２と共に回転可能となる。
機外側接触シール３００の回転環３１０も、ＳｉＣ、超硬合金、セラミックコーティング材などの硬質材料で構成される。

第１のスリーブ１１１の大気側端部の外周には、スリーブカラー１４７がセットスクリュー１４９により固定されている。また、スリーブカラー１４７の大気側端部には、固着用フランジ１５１が一体成形してある。

機器本体のハウジング４の大気側端部には、第１のシールハウジング１６１、第２のシールハウジング１６２及び第３のシールハウジング１６３が、ボルト１６５により着脱自在に固定してある。第１のシールハウジング１６１及び第２のシールハウジング１６２は、第３のシールハウジング１６３とハウジング４との間に挟み込まれて固定される。

第３のシールハウジング１６３には、バッファガスを供給するためのガス加圧供給口１６７が形成されており、そこから中間室４００に高圧なバッファガスを供給可能になっている。ガス加圧供給口１６７には、図示せぬバッファガス供給装置が接続されており、ガス加圧供給口１６７を通して中間室４００内に、機内側空間Ｑに収容される被密封流体の流体圧よりも高圧のバッファガスを流し込むようになっている。なお、バッファガスとしては、特に限定されないが、例えば窒素ガスなどの不活性ガスが好ましい。供給されるバッファガスの圧力は、被密封流体の圧力に応じて設定されるが、例えば中間室４００内において、被密封流体の圧力よりも、好ましくは０．２〜０．３ＭＰａ程度高い圧力である。

第１のシールハウジング１６１の外周面には、Ｏリング溝１６９が形成してあり、Ｏリング１７１が装着されている。Ｏリング１７１は、ハウジング４の孔５の内周面に押し付けられて、第１のシールハウジング１６１とハウジング４との間の隙間をシールしている。
また、第２のシールハウジング１６２の機内側の外周面には、Ｏリング溝１７３が形成してあり、Ｏリング１７５が装着されている。Ｏリング１７５は、第１のシールハウジング１６１の内周面に押し付けられて、第１のシールハウジング１６１と第２のシールハウジング１６２との間の隙間をシールしている。
さらにまた、第２のシールハウジング１６２の機外側の外周面には、Ｏリング溝１７７が形成してあり、Ｏリング１７９が装着されている。Ｏリング１７９は、第３のシールハウジング１６３の内周面に押し付けられて、第２のシールハウジング１６２と第３のシールハウジング１６３との間の隙間をシールしている。

第２のシールハウジング１６２の内周面には、径方向内側にリング状に突出したリテーナ部１８１が形成されている。リテーナ部１８１は、回転軸２に設置された第２のスリーブ１３１のフランジ部１３３の機内側に配置される。
リテーナ部１８１は、軸方向機内側に向けて開口した複数の凹部１８３を有する。複数の凹部１８３は、リング状のリテーナ部１８１に等配に配置されている。この凹部１８３には、圧縮スプリング２５１の基端が保持される。圧縮スプリング２５１の先端は、第１のシールハウジング１６１の内周側中空部内に配置される機内側非接触シール２００の静止環２２０の背面（大気側端面）に接触し、静止環２２０を軸方向機内側に押圧する。これにより、機内側非接触シール２００の静止環２２０は機内側非接触シール２００の回転環２１０に押し付けられる。

また、リテーナ部１８１には、軸方向機内側に向けてノックピン２５３が設置されている。ノックピン２５３は、機内側非接触シール２００の静止環２２０の背面（大気側端面）に形成される切り欠き２２３に係合される。これにより、機内側非接触シール２００の静止環２２０は、第２のシールハウジング１６２に対して相対回転不能に係止される。

第１のシールハウジング１６１と第２のシールハウジング１６２が一体的に接続されている機内側の内周角部は、ラバースプリング２４０の外周部が嵌合固定されるラバースプリング設置部１８５に構成されている。ラバースプリング２４０は、ゴム製のリング状弾性部材であって、内周部が機内側非接触シール２００の静止環２２０の背面側（大気側）細径部に嵌合されて、静止環２２０の段差部２２２に固着される。これによりラバースプリング２４０は、静止環２２０を、径方向には回転軸２と同心に維持し、軸方向には移動自在に保持する。

機内側非接触シール２００の静止環２２０は、前述したようにノックピン２５３により第２のシールハウジング１６２に回転不能に係合され、圧縮スプリング２５１により回転環２１０方向に押圧されて、第１のシールハウジング１６１の内周側中空部内に配置されている。また、前述したように、静止環２２０の機外側の外周面の段差部２２２にはラバースプリング２４０の内周側端部が固着されており、これにより静止環２２０は、第１のシールハウジング１６１との間をシールされた状態で軸方向に移動自在に保持される。

機内側非接触シール２００の静止環２２０の材質は、カーボン材にする場合もあるが、本実施態様では、回転環２１０と同様なＳｉＣ、超硬合金、セラミックコーティング材などの硬質材で構成してある。
なお、機内側非接触シール２００のシール面２００Ｓは、回転軸２の軸芯に対して略垂直になっているが、必要に応じて傾斜面にしてもよい。

第３のシールハウジング１６３の内周面には、径方向内側にリテーナ部１９１が形成されている。リテーナ部１９１は、回転軸２に設置されたスリーブカラー１４７の固着用フランジ部１５１の機内側に配置される。
リテーナ部１９１は、軸方向機内側に向けて開口した複数の凹部１９３を有する。複数の凹部１９３は、リング状のリテーナ部１９１に等配に配置されている。この凹部１９３には、圧縮スプリング３５１の基端が保持される。圧縮スプリング３５１の先端は、機外側接触シール３００の静止環３２０の背面（大気側端面）に接触し、静止環３２０を軸方向機内側に押圧する。これにより、機外側接触シール３００の静止環３２０は機外側接触シール３００の回転環３１０に押し付けられる。

また、第３のシールハウジング１６３のリテーナ部１９１の外周部には、軸方向機内側に向けてノックピン３５３が設置されている。ノックピン３５３は、機外側接触シール３００の静止環３２０の背面（大気側端面）に形成される切り欠き３３２に係合される。
また、機外側接触シール３００の静止環３２０の内周側の、第３のシールハウジング１６３のリテーナ部１９１との接触面には、Ｏリング溝３４１が形成されＯリング３４３が装着されており、第３のシールハウジング１６３のリテーナ部１９１と静止環３２０との隙間をシールするようになっている。

このような構成により、機外側接触シール３００の静止環３２０は、軸方向にはＯリング３４３を介して移動自在で、第３のシールハウジング１６３に対して相対回転不能に係止された状態に保持される。
なお、Ｏリング３４３の材質は、例えばＯリング１７１、１７５等と同様な材質でよい。
また、機外側接触シール３００の静止環３２０の材質は、本実施態様では、例えば潤滑性に優れたカーボンで構成してある。

静止環３２０のシール面３２１には、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、単なる凹部として形成された第１の溝３２２と、静止環３２０のシール面３２１の背面に貫通する細孔３２４が形成された第２の溝３２３とが形成されている。第１の溝３２２は、換言すれば、固定環３２０の背面と連結していない溝である。
第２の溝３２３に形成されている細孔３２４は、直径が３ｍｍ以下の小径の管であって、固定環３２０の摺動面３２１側に形成される第２の溝３２３の底部と、固定環３２０の背面とを貫通する。

図１及び図２に示すように、機外側接触シール３００のシール面３００Ｓ（３２１）の外周側はシール装置１０の中間室４００となり、シール面３００Ｓ（３２１）の内周側が機外側大気空間Ａとなる。そして図示のごとく静止環３２０の背面側空間は、中間室４００に連通している。なお、中間室４００の圧力は機外側の大気圧より高圧である。

このような構成の静止環３２０においては、中間室４００の圧力が細孔３２４を介してシール面３２１に形成された第２の溝３２３に導入され、静止環３２０と回転環３１０との接触負荷を下げるように作用する。この状態は、回転軸２が回転しているか否かに関わらず中間室４００の圧力が大気圧よりも高ければ常に作用するものであり、従って第２の溝３２３は、常に中間室４００の圧力が接触負荷を低減するように作用する静圧溝として作用する。

一方で、静止環３２０のシール面３２１に形成された第１の溝３２２、すなわち中間室４００等の高圧な空間と連通していない溝３２２は（図３参照）、回転軸２が回転した場合に、溝内に浸入した流体によるシール面３００Ｓの相対摺動による動圧が、静止環３２０と回転環３１０との接触負荷を下げるように作用する。従って第１の溝３２２は、回転軸２が回転した場合に接触負荷を低減するように作用する動圧溝として作用する。

なお、第１の溝３２２及び第２の溝３２３の数、第１の溝３２２及び第２の溝３２３の各々の長さ、幅、内径（外径）、及び、１つの第２の溝３２３に対する細孔３２４の数等は、中間室４００の圧力や圧力変動、回転軸２の回転速度、要求されるシール面３００Ｓの面圧や摩耗性能等々によって適切な形態に設定される。

このような構成のシール装置１０においては、ハウジング４と回転軸２との間の軸周空間が機内側非接触シール２００と機外側接触シール３００とで仕切られることによって、機内側非接触シール２００のシール面２００Ｓの内周空間から機外側接触シール３００のシール面３００Ｓの外周空間に至る中間室４００が形成される。
中間室４００には、第３のシールハウジング１６３に形成されたバッファガス加圧供給口１６７から、Ｎ_２ガス等の不活性ガスが供給される。

次に、シール装置１０の、機内側非接触シール２００よりさらに機内側の構成について図１を参照して説明する。

シール装置１０においては、機内側非接触シール２００の機内側に第１の仕切り壁５１０が設置され、第１の仕切り壁５１０のさらに機内側に第２の仕切り壁５３０が設置される。第１の仕切り壁５１０及び第２の仕切り壁５３０は、機内側非接触シール２００の機内側において装置本体のハウジング４の内周面と回転軸２の外周面との間の軸周空間を軸方向に各々区分する円環状の部材である。すなわち、第１の仕切り壁５１０及び第２の仕切り壁５３０の設置により、機内側非接触シール２００と第１の仕切り壁５１０との間に第１のガス室４１０が形成され、第１の仕切り壁５１０と第２の仕切り壁５３０との間に第２のガス室４２０が形成される。

第１の仕切り壁５１０及び第２の仕切り壁５３０の内周部には、各々Ｏリング５１１、５１３及び５３１、５３３を介してフローティングリング５２０及びフローティングリング５４０が装着されている。
フローティングリング５２０、５４０は、各々、内周部にスパイラル溝が設けられており、回転軸２の回転に伴って第２のガス室４２０方向に流体が流れるように流体に方向性を持たせる部材である。すなわち、第１の仕切り壁５１０の内周部に設置されたフローティングリング５２０は、回転軸２の回転に伴って第１のガス室４１０の流体が第２のガス室４２０に流れるように流体の流れを形成する。また、第２の仕切り壁５３０の内周部に設置されたフローティングリング５４０は、回転軸２の回転に伴って機内側空間Ｑの流体が第２のガス室４２０に流れるように流体の流れを形成する。

第２のガス室４２０には、排気口４２１が形成されており、第２のガス室４２０に流入した流体は、外部に排気回収されるようになっている。排気口４２１からの排気は、ポンプ等により強制排気をしてもよいし、自然排気でも差し支えない。

シール装置１０においては、前述したように、中間室４００にバッファガス加圧供給口１６７を介してバッファガスを加圧流入しており、第１のガス室４１０から第２のガス室４２０に流体が流れるようにフローティングリング５２０により流体に方向性を持たせており、機内側空間Ｑから第２のガス室４２０に流体が流れるようにフローティングリング５４０により流体に方向性を持たせており、さらに、第２のガス室４２０に流入したガスは排気口４２１から排気回収している。

このような構成の下で、シール装置１０においては、中間室４００の圧力（Ｐ４）、第１のガス室４１０の圧力（Ｐ３）、第２のガス室４２０の圧力（Ｐ２）及び機内側空間Ｑの圧力（Ｐ１）は、通常の作動時において、中間室４００、第１のガス室４１０、第２のガス室４２０、機内側空間Ｑの順に低くなるように、すなわち、Ｐ４＞Ｐ３＞Ｐ２＞Ｐ１となるように調整する。

具体的には、被密封流体の圧力（機内側空間Ｑの圧力）、機内側非接触シール２００から漏洩するバッファガスの流量、あるいは、場合によっては第２のガス室４２０からガスを排出する際の流路抵抗や各フローティングリング５２０、５４０の性能等に基づいて、中間室４００に流入するバッファガスの圧力の調整、あるいは、可能であれば第２のガス室４２０からガスを排出する際の流路抵抗や各フローティングリング５２０、５４０の性能の選択や調整等を行う。

以上説明したように、本実施形態のシール装置１０においては、機内側シール２００として非接触シールを使用し、中間室４００から機内側にバッファガスが流れる構成としているため、高濃度スラリーや高粘度溶液等も適切にシールすることができ、また、例えば粉砕機等に適用した場合でも粒径の小さな粒子が中間室４００に入り込んで来ることを防ぐことができる。仮に被密封流体が機内側非接触シール２００の近傍まで流入した場合でも、機内側非接触シール２００で被密封流体を適切にシールすることができる。
また、非接触シールは摩耗が少なく耐久性に優れており、被密封流体がスラリー液などであっても、耐摩耗性に優れて有効にシールすることができるシール装置１０を提供することができる。

また、シール装置１０においては、機内側非接触シール２００の二次シールとしてラバースプリング２４０を用いているので、仮に、被密封流体が二次シールに固着しても、その作動性は阻害されず、良好なシール特性を得ることができる。従って、流体が固着し易いスラリーや高粘着性溶液等であっても、適切なシール特性を得ることができる。
また、仮に機内側非接触シール２００の機内側に被密封流体が達した場合でも、ラバースプリング２４０の作動性は何ら影響を受けず良好なシール特性を得ることができる。

また、シール装置１０においては、機内側非接触シール２００の機内側に第１の仕切り壁５１０及び第２の仕切り壁５３０という２重の仕切り壁を設置して機内側空間に第１のガス室４１０及び第２のガス室４２０を形成しており、被密封流体が機内側非接触シール２００のシール面２００Ｓに到達し難い構成となっており、被密封流体を適切にシールできるとともに耐久性のよいシール装置を提供できる。

また、各空間の圧力関係が、中間室４００の圧力（Ｐ４）＞第１のガス室４１０の圧力（Ｐ２）＞第２のガス室４２０の圧力（Ｐ３）＞機内側空間Ｑの圧力（Ｐ４）という関係となるように調整されているので、スラリーや高粘度流体等の被密封流体が機内側非接触シール２００のシール面２００Ｓに接触する可能性は一層低減され、良好なシール特性を長く維持できる耐久性のよいシール装置を提供できる。

また、前述した流体圧力の関係に加えて、第１の仕切り壁５１０及び第２の仕切り壁５３０の内周部には、機内側及び第１のガス室４１０から各々第２のガス室４２０に流体が流れこむようにするフローティングリング５２０、５４０が設置されているので、被密封流体が機内側非接触シール２００のシール面２００Ｓに到達する可能性はさらに一層低減され、被密封流体を適切にシールできるとともに耐久性のよいシール装置を提供できる。

また、第２のガス室４２０には排気口４２１が形成されており第２のガス室４２０に流入した流体は適宜排出されるので、機内側非接触シール２００から機内側に流入したバッファガスがさらに機内側に流入することは防止され、製品としての被密封流体が希釈されたり、あるいは、粉砕や分散の性能が低下することを防ぐことができる。

また、機外側（大気側）シールとしては接触シール（ドライコンタクトシール）３００を設置しているので、中間室４００に流されるバッファガスを外部に漏らすことなくシールすることができる。また、仮に機内側非接触シール２００が破損等した場合であっても、被密封流体を外部に漏らすことなくシールすることができる。
また、２つのシールをともに非接触シールを用いる場合と比較して、バッファガスの使用量を大幅に低減することができる。

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、前述した機内側非接触シール２００及び機外側接触シール３００の構成の細部は、任意に変更してよい。
また、前述した実施形態では、機内側非接触シール２００において回転環２１０に動圧発生溝２１２を形成したが、静止環２２０に形成してもよいし、回転環２１０と静止環２２０の両方に形成してもよい。
また、その動圧発生溝２１２の形状も、前述した実施形態ではＬ字形状の形態を示したが、Ｔ字形状、あるいはスパイラル形状でもよい。

本発明は、容器（ケース、ハウジング）内で任意の流体を処理する回転機械であれば任意の装置に適用することができる。特に、高濃度スラリー液や、高粘度溶液を処理する機械に有効であり、例えば、粉砕機や、分散機等に適用して有効である。また、水中ポンプ等にも好適に適用可能である。産業分野としては、上述のような機械を使用する任意の業界において利用可能であり、例えば、建設業、土木業、し尿処理業、鉱山業、半導体製造業等において有効に利用可能である。

２…回転軸
４…ハウジング
５…孔
１０…シール装置
１１１…第１のスリーブ
１３１…第２のスリーブ
１１３、１３３…フランジ
１１５、１２３、１３５、１３９…Ｏリング溝
１１７、１２５、１３７、１４１…Ｏリング
１１９…ラビリンスシールリング
１２７、１４３…キー溝
１２９、１４５…キー
１４７…スリーブカラー
１４９…セットスクリュー
１５１…固着用フランジ
１６１…第１のシールハウジング
１６２…第２のシールハウジング
１６３…第３のシールハウジング
１６５…ボルト
１６７…バッファガス加圧供給口
１６９、１７３、１７７…Ｏリング溝
１７１、１７５、１７９…Ｏリング
１８１、１９１…リテーナ部
１８３、１９３…凹部
１８５…ラバースプリング設置部
２００…機内側非接触シール
２００Ｓ…シール面
２１０…回転環
２１１…シール面
２１２…動圧発生溝
２１３…放射状部分
２１４…円周状部分
２１５…バリア層
２２０…静止環
２２１…シール面
２２２…段差部
２２３…切り欠き
２４０…ラバースプリング
２５１…圧縮スプリング
２５３…ノックピン
３００…機外側接触シール
３００Ｓ…摺動シール面
３１０…回転環
３１１…シール面
３２０…静止環
３２１…シール面
３２２…第１の溝
３２３…第２の溝
３２４…細孔
３３２…切り欠き
３４１…Ｏリング溝
３４３…Ｏリング
３５１…圧縮スプリング
３５３…ノックピン
４００…中間室
４１０…第１のガス室
４２０…第２のガス室
４２１…排気口
５１０…第１の仕切り壁
５２０…フローティングリング
５３０…第２の仕切り壁
５４０…フローティングリング

Claims

ハウジングの孔と、当該ハウジングの前記孔を貫通する回転軸との間をシールするシール装置であって、
前記回転軸に設置され当該回転軸の軸方向の一方の端部にシール面を有する回転環と、前記ハウジングに設置され前記回転環の前記シール面に対向配置されるシール面を有する静止環とを有し、前記回転環の前記シール面及び前記静止環の前記シール面のいずれか一方又は両方に動圧発生溝が形成されており、前記回転軸の回転によって前記回転環の前記シール面と前記静止環の前記シール面とが相互に非接触状態となる機内側非接触シールと、
前記機内側非接触シールより機外側に設置され、前記回転軸に設置され当該回転軸の軸方向の一方の端部にシール面を有する回転環と、前記ハウジングに設置され前記回転環の前記シール面に対向配置されるシール面を有する静止環とを有し、前記回転環の前記シール面と前記静止環の前記シール面とが密接摺動する機外側接触シールと、
前記非接触シールと前記接触シールとの間の空間であって、バッファガスが流される中間室と、
前記ハウジングの内部の前記機内側非接触シールの機内側に設置され、前記回転軸の周囲空間を軸方向に区分し前記機内側非接触シールとの間に第１のガス室を形成する第１の仕切り壁と、
前記ハウジングの内部の前記第１の仕切り壁のさらに機内側に設置され、前記回転軸の周囲空間を軸方向に区分し前記第１の仕切り壁との間に第２のガス室を形成する第２の仕切り壁とを有し、
前記第２のガス室には排気口が形成されており、
前記中間室、前記第１のガス室、前記第２のガス室及び機内空間の各圧力が、前記中間室の圧力、前記第１のガス室の圧力、前記第２のガス室の圧力、前記機内空間の圧力の順に低くなるように構成されていることを特徴とするシール装置。
前記第１の仕切り壁及び前記第２の仕切り壁のいずれか一方又は両方の内周部に、前記回転軸の外周面と微少間隙を形成して遊合し、流体を前記第２のガス室方向に流すフローティングリングが設置されていることを特徴とする請求項１に記載のシール装置。
前記接触シールは、前記回転環の前記シール面及び前記静止環の前記シール面のいずれか一方又は両方に、周方向に沿って所定の範囲で凹部に形成された外部と連通していない第１の溝と、周方向に沿って所定の範囲で凹部に形成されるとともに外部から圧力を導入可能に当該外部と連通している第２の溝とが、各々１つ以上形成されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のシール装置。
前記非接触シールは、二次シールとしてラバースプリングを具備し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シール装置。