(57)【要約】【課題】高温、高圧、高回転ポンプ用の軸シールとして好適に用いられるメカニカルシール装置を提供する。【解決手段】  回転軸１２と一体に回転する回転環１６と、ケーシング２２に対して相対回転不可に取り付けられる静止環２０と、前記回転軸の軸方向に沿って前記回転環と前記静止環に挟まれて、前記回転環および前記静止環と摺動し、前記回転環および前記静止環に対して相対回転可能に設置される中間リング１８と、を有し、被密封流体の圧力によって前記静止環が前記回転軸に対して傾いた場合に、前記中間リングおよび前記回転環は、当該静止環の前記回転軸に対する傾きと前記中間リングおよび前記回転環の前記回転軸に対する傾きとを略一致させるように、前記回転軸に対して傾くことができることを特徴とするメカニカルシール装置。【選択図】図１
2010270865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と一体に回転する回転環と、
ケーシングに対して相対回転不可に取り付けられる静止環と、
前記回転軸の軸方向に沿って前記回転環と前記静止環に挟まれて、前記回転環および前記静止環と摺動し、前記回転環および前記静止環に対して相対回転可能に設置される中間リングと、を有し、
被密封流体の圧力によって前記静止環が前記回転軸に対して傾いた場合に、前記中間リングおよび前記回転環は、当該静止環の前記回転軸に対する傾きと前記中間リングおよび前記回転環の前記回転軸に対する傾きとを略一致させるように、前記回転軸に対して傾くことができることを特徴とするメカニカルシール装置。
【請求項２】
前記回転環は、前記軸方向に沿って、前記回転軸と一体に回転するスリーブカラーと前記中間リングとに挟まれており、
当該回転環は、前記スリーブカラーに接触する第１表面と、前記スリーブカラーに対して間隔を空けて対向しており、前記第１表面より前記回転軸に近接する位置に配置される第２表面とを有することを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
【請求項３】
前記回転環には、前記第１表面と前記第２表面との間に段差が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のメカニカルシール装置。
【請求項４】
前記中間リングは、前記回転軸を含む縦断面が略矩形形状を有する単純リング形状であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載のメカニカルシール装置。
【請求項５】
前記回転環と前記中間リングは、前記回転環の第１軸方向側端面と前記中間リングの第２軸方向側端面とが摺動する第１摺動面を介して摺動し、
前記中間リングと前記静止環は、前記中間リングの第１軸方向側端面と静止環の第２軸方向側端面とが摺動する第２摺動面を介して摺動し、
前記第１摺動面は、前記中間リングの第２軸方向側端面における内径側に形成され、前記第２摺動面は、前記中間リングの第１軸方向側端面における内径側に形成されることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれかに記載のメカニカルシール装置。
【請求項６】
前記スリーブカラーと前記回転環は、前記スリーブカラーの第１軸方向側端面と前記回転環の第２軸方向側端面とが接触して形成される第１接触面を介して接触しており、
前記静止環と前記ケーシングは、前記静止環の第２軸方向側外周部と前記ケーシングの第２軸方向側内周部とが接触して形成される第１周接触部と、前記第１周接触部より第１軸方向側に配置されており前記静止環の第１軸方向側外周部と前記ケーシングの第１軸方向側内周部とが接触して形成される第２周接触部とを介して接触しており、
前記第１接触面における外径側端部の径をＤＡ１とし、前記第１接触面における内径側端部の径をＤＡ２とし、
前記第１摺動面における外径側端部の径をＤＢ１とし、前記第１摺動面における内径側端部の径をＤＢ２とし、
前記第２摺動面における外径側端部の径をＤＣ１とし、前記第２摺動面における内径側端部の径をＤＣ２とし、
前記第１周接触部の径をＤＤ１とし、前記第２周接触部の径をＤＤ２としたとき、
ＤＡ１〜ＤＤ１およびＤＡ２〜ＤＤ２は、下記の数式（１）および数式（２）で表す条件を満たすことを特徴とする請求項５に記載のメカニカルシール装置。
（数１）
ＤＡ１≒ＤＢ１≒ＤＣ１≒ＤＤ１      ・・・数式（１）
（数２）
ＤＡ２≒ＤＢ２≒ＤＣ２≒ＤＤ２      ・・・数式（２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、装置本体の外側に装着するアウトサイドカートリッジ型のシール装置として好適に用いられるメカニカルシール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラ供給用ポンプ（ＢＦＰ）用の軸シール等に代表される高温高速回転ポンプ用の軸シールでは、熱水等からなる被密封流体の温度が低下することを防ぐために、メカニカルシール装置の冷却を行わないシステムが求められる。しかし、高温、高圧、高回転ポンプ用のメカニカルシール装置において、摺動面を冷却しないシステムを採用した場合、摺動面を構成する部材の温度・圧力による変形量が増大し、摺動面の当たり面の状況が、エッジ状の当たりとなり、漏れが発生するという問題を有する。また、摺動面流体が摺動発熱で蒸発し、摺動面において固体接触が発生し、異常摩耗や破損に繋がる場合がある。
【０００３】
このような問題を解決するための従来技術としては、例えば、摺動面の変形を抑制するために、回転環と静止環との間に中間リングを配置したものが知られている（例えば、特許文献１等参照）。また、他の従来技術としては、中間リングと回転環および静止環との摺動面に羽根列を設置して、中間リングと回転環および静止環との摺動トルクを軽減させるものが知られている（例えば、特許文献２等参照）。
【０００４】
しかし、回転環と静止環との間に中間リングを配置した従来技術では、中間リングが静止環に対して回転することができないため、回転軸の高速回転化に対する対応能力に問題がある。また、摺動面に羽根列を設置した従来技術では、中間リングと静止環および回転環に対する摺動トルクの制御が難しいため、中間リングの静止環に対する回転数を最適値に保持することが困難であるという問題や、摺動面から漏れが発生するという問題を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１４７２１６号公報
【特許文献２】特許公告昭６１−５８７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、高温、高圧、高回転ポンプ用の軸シールとして好適に用いられるメカニカル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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係るメカニカルシール装置は、
回転軸と一体に回転する回転環と、
ケーシングに対して相対回転不可に取り付けられる静止環と、
前記回転軸の軸方向に沿って前記回転環と前記静止環に挟まれて、前記回転環および前記静止環と摺動し、前記回転環および前記静止環に対して相対回転可能に設置される中間リングと、を有し、
被密封流体の圧力によって前記静止環が前記回転軸に対して傾いた場合に、前記中間リングおよび前記回転環は、当該静止環の前記回転軸に対する傾きと前記中間リングおよび前記回転環の前記回転軸に対する傾きとを略一致させるように、前記回転軸に対して傾くことができることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るメカニカルシール装置は、静止環、回転環および中間リングの圧力等による傾きを略一致させることにより、これらの部材が圧力・熱等による変形を受けた場合でも、摺動面の平行性を保つことができる。また、摺動面の平行性を保つことにより、中間リングにおける静止環側および回転環側の摩擦力の変化を抑制し、中間リングの回転数を最適値近傍に保つことができる。中間リングの回転数を最適値近傍に保つことによって、本発明に係るメカニカルシール装置は、回転軸の高回転化に対する対応能力が高く、高温、高圧、高回転の軸シールとして好適である。
【０００９】
また、中間リングが回転することにより、摺動面の摺動速度を抑制することができるため、本発明に係るメカニカルシール装置は、摺動面付近の部材を冷却するシステムを必要としない。したがって、本発明に係るメカニカルシール装置をボイラ給水ポンプ等に用いた場合、搬送流体である熱水が冷却水による影響によって冷却されることがないため、冷却水を使用するシールを用いる場合よりも、ボイラ給水ポンプの熱効率を高めることができる。また、摺動面付記を冷却する補助設備が不要であるため、装置の小型化に適している。さらに、本発明に係るメカニカルシール装置では、高圧でも摺動面の平行性を保つことができるため、圧力・温度条件が変化した場合でも、摺動面の状態が安定しており、圧力・温度が変化する過渡状態においても、漏洩量を抑制できる。
【００１０】
また、例えば、前記回転環は、前記軸方向に沿って、前記回転軸と一体に回転するスリーブカラーと前記中間リングとに挟まれていてもよく、
当該回転環は、前記スリーブカラーに接触する第１表面と、前記スリーブカラーに対して間隔を空けて対向しており、前記第１表面より前記回転軸に近接する位置に配置される第２表面とを有してもよい。
また、例えば、前記回転環には、前記第１表面と前記第２表面との間に段差が形成されていてもよい。
【００１１】
回転環が、スリーブカラーに接触する第１表面と、スリーブカラーに対して間隔を空けて対向する第２表面とを有しているメカニカルシール装置は、静止環の傾きにあわせて、中間リングおよび回転環を容易に傾かせることができる。第１表面および第２表面は、周方向に沿って形成される段差を、スリーブカラーに設けることによって形成されてもよく、回転環に設けることによって形成されてもよい。回転環、中間リングおよび静止環は、段差部を支点にして傾くことによって、それぞれの部材の回転軸に対する傾きを、容易に略一致させることができる。
【００１２】
また、例えば、前記中間リングは、前記回転軸を含む縦断面が略矩形形状を有する単純リング形状であってもよい。
また、例えば、前記回転環と前記中間リングは、前記回転環の第１軸方向側端面と前記中間リングの第２軸方向側端面とが摺動する第１摺動面を介して摺動し、
前記中間リングと前記静止環は、前記中間リングの第１軸方向側端面と静止環の第２軸方向側端面とが摺動する第２摺動面を介して摺動するメカニカルシール装置において、
前記第１摺動面は、前記中間リングの第２軸方向側端面における内径側に形成されてもよく、
前記第２摺動面は、前記中間リングの第１軸方向側端面における内径側に形成されてもよい。
【００１３】
中間リングを単純リング形状とすることによって、中間リングがノーズを有する従来のメカニカルシール装置にくらべて、静止環の傾きを回転環に確実に伝えることができる。したがって、中間リングを単純リング形状とすることは、静止環、回転環および中間リングの傾きを揃える効果がある。
【００１４】
また、例えば、本発明に係るメカニカルシール装置は、前記スリーブカラーと前記回転環は、前記スリーブカラーの第１軸方向側端面と前記回転環の第２軸方向側端面とが接触して形成される第１接触面を介して接触しており、
前記静止環と前記ケーシングは、前記静止環の第２軸方向側外周部と前記ケーシングの第２軸方向側内周部とが接触して形成される第１周接触部と、前記第１周接触部より第１軸方向側に位置しており前記静止環の第１軸方向側外周部と前記ケーシングの第１軸方向側内周部とが接触して形成される第２周接触部とを介して接触しており、
前記第１接触面における外径側端部の径をＤＡ１とし、前記第１接触面における内径側端部の径をＤＡ２とし、
前記第１摺動面における外径側端部の径をＤＢ１とし、前記第１摺動面における内径側端部の径をＤＢ２とし、
前記第２摺動面における外径側端部の径をＤＣ１とし、前記第２摺動面における内径側端部の径をＤＣ２とし、
前記第１周接触部の径をＤＤ１とし、前記第２周接触部の径をＤＤ２としたとき、
ＤＡ１〜ＤＤ１およびＤＡ２〜ＤＤ２は、下記の数式（１）および数式（２）で表す条件を満たしてもよい。
（数１）
Ａ１≒Ｂ１≒Ｃ１≒Ｄ１      ・・・数式（１）
（数２）
Ａ２≒Ｂ２≒Ｃ２≒Ｄ２      ・・・数式（２）
【００１５】
回転環、静止環および中間リングを、上述のように支持する構造とすることによって、本発明に係るメカニカルシール装置では、静止環の傾きが、中間リングおよび回転環に伝わり易くなる。したがって、回転環、静止環および中間リングを、上述のように支持する構造とすることは、中間リングおよび回転環の傾きを、静止環の傾きと略一致させるために効果を有する。特に、回転環、中間リングおよび静止環は、第１接触面の内径側端部を支点にして、回転環、中間リングおよび静止環が連動して傾くことができるため、それぞれの部材の回転軸に対する傾きを、容易に略一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るメカニカルシール装置の断面図である。
【図２】図２は、図１に示すメカニカルシール装置の要部拡大図である。
【図３】図３は、図１に示すメカニカルシール装置について行ったシミュレーション結果を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
第１実施形態
本発明の一実施形態に係るシール装置について、図１から図３を参照して説明する。本実施形態においては、ボイラ給水ポンプ（ＢＦＰ）用の軸シールに用いるアウトサイドカートリッジシールを例に説明するが、本発明に係るメカニカルシール装置を適用する装置としては、ボイラ給水ポンプに限定されない。本発明に係るメカニカルシール装置は、ボイラ給水ポンプ以外であっても、高速回転ポンプ等の軸シールとして、好適に用いることができる。
【００１８】
図１は、実施形態に係るメカニカルシール装置１０の構成を示す断面図であり、メカニカルシール装置１０を、ＢＦＰ本体５６の外面にカートリッジとして装着した状態を表している。メカニカルシール装置１０は、軸中心Ｚを中心として回転する回転軸１２を抱きかかえる状態で、ＢＦＰ本体５６に取り付けられる。メカニカルシール装置１０は、被密封流体が存在する高圧側７０と、大気等が存在する低圧側８０とをシールする。
【００１９】
メカニカルシール装置１０は、スリーブ５０、スリーブカラー１４、回転環１６、中間リング１８、静止環２０およびケーシング２２等からなる。スリーブ５０は、Ｏリング４２を介して回転軸１２に外嵌される。スリーブカラー１４は、スリーブ５０を抱き込むように、低圧側から挿入される。
【００２０】
スリーブカラー１４およびスリーブ５０は、セットスクリュー１５によって、回転軸１２に固定される。したがって、スリーブカラー１４およびスリーブ５０は、回転軸１２が回転する際には、回転軸１２と一体となって回転する。なお、セットプレート５２は、メカニカルシール装置１０をＢＦＰ本体５６に組み付けた後に取りはずされる。
【００２１】
メカニカルシール装置１０の外径側表面は、ケーシング２２によって囲まれている。ケーシング２２は、Ｏリング４８を介して、固定用ボルト５４によってＢＦＰ本体５６に対して回転不可に固定されている。スリーブカラー１４とケーシング２２および回転軸１２に囲まれる空間には、回転環１６、中間リング１８、および静止環２０等が配置される。
【００２２】
本実施形態に係るシール装置では、回転軸１２の第１軸方向Ｚ１に沿って、スリーブカラー１４、回転環１６、中間リング１８、静止環２０の順番に配置される。なお、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０の説明においては、回転軸１２の軸中心Ｚに沿って、低圧側から高圧側に向かう方向を、第１軸方向Ｚ１とし、高圧側から低圧側に向かう方向を第２軸方向Ｚ２として説明を行う。
【００２３】
図１に示す回転環１６は、第１軸方向Ｚ１に沿って、スリーブカラー１４と中間リング１８に挟まれて配置される。回転環１６は、スリーブカラー１４に対して、第１接触面３０を介して接触している。回転環１６は、回転環側ノックピン２７によって、スリーブカラー１４に対する回転方向の動きを規制されている。したがって、回転環１６は、回転軸１２と一体に、軸中心Ｚの周りを回転する。なお、回転環１６は、Ｏリング４２を介してスリーブ５０に対して、外嵌されている。
【００２４】
すなわち、メカニカルシール装置１０において、スリーブ５０、スリーブカラー１４および回転環１６は、回転軸１２と一体となって、軸中心Ｚの周りを回転する。なお、回転環１６を、スリーブカラー１４に対して係止している回転環側ノックピン２７には、回転環側ケース２６が係合されている。回転環側ケース２６は、略Ｌ字状の縦断面を有している。回転環側ケース２６の端部は、中間リング１８の外周側面に接触し、中間リング１８の中心が、軸中心Ｚからずれる動きを規制する。
【００２５】
中間リング１８は、回転軸１２の第１軸方向Ｚ１に沿って、回転環１６と静止環２０に挟まれて配置される。中間リング１８は、軸方向の動きを回転環１６および静止環２０によって規制される。また、中間リング１８は、中間リング１８の中心が、軸中心Ｚからずれる動きを、回転環側ケース２６および静止環側ケース２４によって規制される。本実施形態に係るシール装置において、中間リング１８は、回転軸１２の軸中心Ｚを含む縦断面が略矩形形状を有する単純リング形状である。
【００２６】
中間リング１８は、回転軸１２が回転した際、回転環１６と摺動して第１摺動面３２を形成する。また、中間リング１８は、回転軸１２が回転した際、静止環２０と摺動して第２摺動面３４を形成する。中間リング１８は、回転軸１２が回転した際、回転軸１２の回転数より低い回転数で、軸中心Ｚの周りを回転して、摺動面の摺動速度を低減することができる。本実施形態におけるメカニカルシール装置１０において、中間リング１８は、回転軸１２の回転数の略２分の１の回転数で回転することが、摺動面の摺動速度を低減する観点から好ましい。
【００２７】
中間リング１８の第１軸方向Ｚ１側には、静止環２０が配置されている。静止環２０は、静止環側ノックピン２５によって、ケーシング２２に対する回転方向の動きを規制されている。したがって、静止環２０は、回転軸１２が回転している際にも、ケーシング２２と一体となっており、回転軸１２とともに回転することはない。
【００２８】
また、静止環２０とケーシング２２の間には、コイルスプリング４０が配置されている。コイルスプリング４０は、静止環２０を、中間リング１８が配置されている第２軸方向Ｚ２側に向かって付勢している。すなわち、メカニカルシール装置１０では、静止環２０を第２軸方向Ｚ２側に付勢することによって、中間リング１８を、回転環１６と静止環２０の間に挟み込んで保持している。なお、静止環側ノックピン２５には、略Ｌ字状の静止環側ケース２４が係合されている。静止環側ケース２４の端部は、中間リング１８の外周面に接触し、中間リング１８の中心が、軸中心Ｚからずれる動きを規制する。静止環側ケース２４は、中間リング１８を通過する横断面を対称面として、回転環側ケース２７と略対称に配置されている。
【００２９】
静止環２０は、Ｏリング４６を介して、ケーシング２２に抱き込まれる状態で保持されている。静止環２０は、互いに径の異なる２つの外周部２０ｃ，２０ｄ（図２参照）を介して、ケーシング２２に接触・保持される。
【００３０】
回転環１６、中間リング１８および静止環２０を構成する材料としては、ＳｉＣ等を用いることができるが、回転軸１２の回転数や、被密封流体の温度および圧力等に応じて、適切な材料を選択することができる。スリーブカラー１４、ケーシング２２、およびスリーブ５０の材質は、特に限定されないが、例えばステンレス鋼材等を用いることができる。
【００３１】
図２は、図１に示すメカニカルシール装置の要部拡大図である。スリーブカラー１４と回転環１６とは、スリーブカラー１４の第１軸方向側端面１４ａと回転環１６の第２軸方向側端面１６ｂとが接触して形成される第１接触面３０を介して接触している。
【００３２】
第１接触面３０は、リング状の形状を有している。第１接触面３０の内径側端部Ａ２は、スリーブカラー１４の第１軸方向側端面１４ａにおける内径側端部によって規定されている。スリーブカラー１４の第１軸方向側端面１４ａにおける内径側端部には、段差部１４ｂが周方向に連続して形成されている。スリーブカラー１４の段差部１４ｂの内径側には、スリーブカラー１４の第１軸方向側端面１４ａと略平行であって、スリーブカラー１４の第１軸方向側端面１４ａより、第２軸方向Ｚ２側に配置されるスリーブカラー内周面１４ｃが形成されている。
【００３３】
第１接触面３０の外径側端部Ａ１は、回転環１６の第２軸方向側端面１６ｂにおける外径側端部によって規定されている。回転環の第２軸方向側端面１６ｂは、スリーブカラー１４に接触する回転環側第１表面１６ｂａと、スリーブカラー１４に対して間隔を空けて対向する回転環側第２表面１６ｂｂとを有する。回転環側第１表面１６ｂａと回転環側第２表面１６ｂｂは、回転環１６の第２軸方向側端面１６ｂの径方向に沿って形成されており、回転環側第１表面１６ｂａは、回転環側第２表面１６ｂｂの外径側に形成されている。
【００３４】
すなわち、回転環１６の第２軸方向側端面１６ｂにおける回転環側第１表面１６ｂａは、スリーブカラー１４の第１軸方向側端面１４ａと接触して、第１接触面３０を形成している。それに対して、回転環１６の第２軸方向側端面１６ｂにおける回転環側第２表面１６ｂｂは、スリーブカラー１４のスリーブカラー内周面１４ｃに対向している。
【００３５】
スリーブカラー１４に段差部１４ｂが設けてあり、回転環１６の第１軸方向側端面１６ｂが、スリーブカラー１４に対して間隔を空けて対向する回転環側第２表面１６ｂｂを有するため、回転環１６は、回転軸１２に対して容易に傾くことができる。特に回転環１６は、スリーブカラー内周面１４ｃと回転環側第２表面１６ｂｂとの間の間隔を利用して、回転環１６の内径側が、回転環１６の外径側に対して第２軸方向Ｚ２側に傾く変形を、容易に起こすことができる。
【００３６】
回転環１６と中間リング１８とは、回転軸１２が回転する際に、回転環１６の第１軸方向側端面１６ａと、中間リング１８の第２軸方向側端面１８ｂとが摺動する第１摺動面３２を介して摺動する。第１摺動面３２の内径側端部Ｂ２は、中間リング１８の第２軸方向側端面１８ｂにおける内径側端部によって規定される。また、第１摺動面３２の外径側端部Ｂ１は、回転環１６の第１軸方向側端面１６ａにおける外径側端部によって規定される。
【００３７】
中間リング１８と静止環２０とは、回転軸１２が回転する際に、中間リングの第１軸方向側端面１８ａと、静止環２０の第２軸方向側端面２０ｂとが摺動する第２摺動面３４を介して摺動する。第２摺動面３４の内径側端部Ｃ２は、中間リング１８の第１軸方向側端面１８ａにおける内径側端部によって規定される。また、第２摺動面３４の外径側端部Ｃ１は、静止環２０の第２軸方向側端面２０ｂにおける外径側端部によって規定される。
【００３８】
なお、中間リング１８は、回転軸１２の軸中心Ｚを含む縦断面が略矩形形状を有する単純リング形状であるため、第１摺動面３２の内径側端部Ｂ２と、第２摺動面３４の内径側端部Ｃ２の直径は、略同一である。また、中間リング１８は、単純リング形状であるため、被密封流体の圧力によって静止環２０が回転軸１２に対して傾いた場合でも、静止環２０と連動して傾きやすい。また、中間リング１８は、静止環２０の傾きを回転環１６に伝えることによって、回転環１６を、静止環２０および中間リング１８と連動させて傾かせることができる。
【００３９】
静止環２０とケーシング２２は、第１周接触部Ｄ１と、第１周接触部Ｄ１より第１軸方向Ｚ１側に位置し、第１周接触部Ｄ１より小さい直径を有する第２周接触部Ｄ２を介して接触している。第１周接触部Ｄ１は、静止環２０の第２軸方向側外周部２０ｄとケーシング２２の第２軸方向側内周部２２ｄとが接触して形成される。第２周接触部Ｄ２は、静止環２０の第１軸方向側外周部２０ｃとケーシング２２の第１軸方向側内周部２２ｃとが接触して形成される。
【００４０】
ここで第１接触面３０における外径側端部Ａ１の直径をＤＡ１とし、第１接触面３０における内径側端部Ａ２の直径をＤＡ２とし、第１摺動面３２における外径側端部Ｂ１の直径をＤＢ１とし、第１摺動面３２における内径側端部Ｂ２の直径をＤＢ２とし、第２摺動面３４における外径側端部Ｃ１の直径をＤＣ１とし、第２摺動面３４における内径側端部Ｃ２の直径をＤＣ２とし、第１周接触部Ｄ１の直径をＤＤ１とし、第２周接触部Ｄ２の直径をＤＤ２としたとき、ＤＡ１〜ＤＤ１およびＤＡ２〜ＤＤ２は、下記の数式（１）および数式（２）で表す条件を満たす。
【００４１】
（数１）
Ａ１≒Ｂ１≒Ｃ１≒Ｄ１      ・・・数式（１）
（数２）
Ａ２≒Ｂ２≒Ｃ２≒Ｄ２      ・・・数式（２）
【００４２】
このように、回転環１６、静止環２０および中間リング１８は、これらの部材が、隣接する他の部材によって支持される支持位置の直径が、揃えられている。図２に示す縦断面図でみると、回転環１６、静止環２０および中間リング１８は、これらの部材が、他の部材によって支持される支持位置が、軸方向Ｚ１，Ｚ２に沿って揃えられている。回転環１６、静止環２０および中間リング１８を、このような支持構造とすることによって、メカニカルシール装置１０では、静止環２０の傾きが中間リング１８および回転環１６に伝わり易くなる。また、回転環１６、静止環２０および中間リング１８が回転軸１２に対して連動して傾きやすくなる。
【００４３】
したがって、回転環１６、静止環２０および中間リング１８を、上述のように支持する構造とすることは、中間リング１８および回転環１６の傾きを、静止環２０の傾きと略一致させる効果を有する。特に、回転環１６、中間リング１８および静止環２０は、第１接触面３０の内径側端部Ａ２を支点にして、回転環１６、中間リング１８および静止環２０が連動して傾くことができるため、それぞれの部材の回転軸１２に対する傾きを、容易に略一致させることができる。
【００４４】
このように、中間リング１８および回転環１６は、静止環２０の回転軸１２に対する傾きと略一致するように、回転軸１２に対して傾くことができる。したがって、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０では、静止環２０が回転軸１２に対して傾く高圧条件においても、第１摺動面３２および第２摺動面３４を構成する各端面１６ａ，１８ｂ，１８ａ，２０ｂの平行性を保つことができる。また、第１摺動面３２および第２摺動面３４を構成する各端面１６ａ，１８ｂ，１８ａ，２０ｂの平行性を保つことによって、第１摺動面３２および第２摺動面３４の状態がエッジ接触になりにくいため、過渡状態のときでも、漏洩量を抑制することができる。
【００４５】
さらに、第１摺動面３２および第２摺動面３４を構成する各端面１６ａ，１８ｂ，１８ａ，２０ｂの平行性を保つことによって、中間リング１８と静止環２０および回転環１６との摩擦を適正に保ち、中間リング１８の回転数を、回転環１６の回転数の略２分の１に保つことができる。したがって、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０は、高回転化に対する適応力が高く、高温、高圧、高回転においても、摺動面３２，３４を冷却するための流体を必要としないか、あるいは低減することができる。これにより、例えば本実施形態に係るメカニカルシール装置１０をボイラ給水ポンプに用いた場合は、被密封流体が冷却用の流体によって冷却されることがないため、ボイラ給水ポンプの熱効率を上げることができる。
【００４６】
実施例
図３は、図１に示すメカニカルシール装置１０について行ったシミュレーション結果を表す図である。シミュレーションの条件は、回転軸１２の回転数が（３６００）ｒｐｍ、被密封流体の温度が（１３０）℃、被密封流体の圧力が（２Ｍ）Ｐａ、低圧側が大気圧、ノークエンチングとした。
【００４７】
図３（Ａ）は、シミュレーション条件下における静止環２０、中間リング１８および回転環１６の位置を表す縦断面図である。また、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）における第１摺動面３２および第２摺動面３４の周辺を拡大した拡大断面図である。図３（Ａ）は、静止環２０，中間リング１８および回転環１６を、静止環２０，中間リング１８および回転環１６の径方向の変位量に対応させて塗り分けて表示したものである。また、図３（Ａ）および図３（Ｂ）には、組み付け状態における静止環２０、中間リング１８および回転環１６の位置を、点線で表示している。
【００４８】
図３（Ａ）に示すように、高温、高圧、高回転数の条件において、静止環２０、中間リング１８および回転環１６は、組み付け状態における位置から傾いていることがわかる。組み付け状態において、静止環２０，中間リング１８および回転環１６は、各部材２０，１８，１６の径方向が回転軸１２に軸中心Ｚに対して直交するように整列されており、回転軸１２に対して傾いていない。
【００４９】
しかし、被密封流体をシールしている状態において、静止環２０は、回転軸１２に対向する内周面側については、全面で被密封流体の圧力を受けるが、外周面側については、第１軸方向Ｚ１側の一部分のみで被密封流体の圧力を受ける（図１等参照）。したがって、図３（Ａ）に示すように、高温、高圧、高回転数の条件下において、静止環２０は、被密封流体の圧力によって、第２軸方向Ｚ２側が外径側に倒れ込むように、回転軸１２に対して傾く。
【００５０】
このとき、本実施形態に係るメカニカルシール装置１０に備えられる中間リング１８および回転環１６は、静止環２０の回転軸１２に対する傾きと中間リング１８および回転環１６の回転軸１２に対する傾きとを略一致させるように、回転軸１２に対して傾くことができる。したがって、図３Ｂに示すように、静止環２０の第２軸方向側端面２０ｂと中間リング１８の第１軸方向側端面１８ａとの平行性を保つことができる。また、中間リング１８の第２軸方向側端面１８ｂと、回転環１６の第１軸方向側端面１６ａとの平行性を保つことができる。したがって、これらの面によって構成される第１摺動面３２および第２摺動面３４の接触状態が、エッジ接触になりにくいため、メカニカルシール装置１０の漏洩量を抑制することができる。また、中間リング１８と静止環２０および回転環１６との摩擦を適正に保ち、中間リング１８の回転数を、回転環１６の回転数の略２分の１に保つことができる。
【００５１】
その他の実施形態
図１〜図３に示す実施形態において、回転環１６、中間リング１８および静止環２０は、低圧側（第２軸方向Ｚ２側）から高圧側（第１軸方向Ｚ１側）に向かって、回転環１６、中間リング１８、静止環２０の順に配列されている。しかし、回転環１６、中間リング１８、静止環２０は、実施形態とは逆に、低圧側から高圧側に向かって、静止環２０、中間リング１８、回転環１６の順に配列されていてもよい。
【００５２】
また、図１〜図３に示す実施形態においては、スリーブカラー１４の段差部１４ｂが形成されているが、段差部は、回転環１６におけるスリーブカラー１４側の面に設けられても良い。この場合、段差部は、回転環１６における回転環側第１表面と回転環側第２表面との間に設けられる。回転環１６に段差部を設けた場合でも、上述の実施形態と同様に、回転環１６、中間リング１８および静止環２０は、段差部を支点にして傾くことによって、それぞれの部材の回転軸１２に対する傾きを、容易に略一致させることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０…  メカニカルシール装置
１２…  回転軸
１４…  スリーブカラー
１６…  回転環
１８…  中間リング
２０…  静止環
２２…  ケーシング
３０…  第１接触面
３２…  第１摺動面
３４…  第２摺動面
Ａ１…  第１接触面外径側端部
Ａ２…  第１接触面内径側端部
Ｂ１…  第１摺動面外径側端部
Ｂ２…  第１摺動面内径側端部  
Ｂ３…  第２摺動面外径側端部
Ｂ４…  第２摺動面内径側端部
Ｄ１…  第１周接触部
Ｄ２…  第２周接触部
Ｚ…  軸中心
Ｚ１…  第１軸方向
Ｚ２…  第２軸方向
【図１】
2010270865.tif 000003
【図２】
2010270865.tif 000004
【図３】
2010270865.tif 000005