(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力機械の回転軸又はこの回転軸の外周に設けたスリーブと前記水力機械のケーシングとの間のシールを行う水力機械の軸封装置において、前記回転軸又はスリーブの外周部に径方向に接触し、摺動するように配設された摺動部材と、この摺動部材の外周側に圧力室を形成しつつ該摺動部材を収納する収納部材と、前記圧力室と前記水力機械の密封側とを連通させる連通手段と、前記圧力室と前記水力機械の大気側との遮断を図る遮断手段と、前記摺動部材の内周部に形成され、前記水力機械の密封側と連通せず前記水力機械の大気側と連通する溝とを備えたことを特徴とする水力機械の軸封装置。
【請求項２】
水力機械の回転軸又はこの回転軸の外周に設けたスリーブと前記水力機械のケーシングとの間のシールを行う水力機械の軸封装置において、前記回転軸又はスリーブの外周部に径方向に接触し、摺動するように配設された摺動部材と、この摺動部材の外周側に圧力室を形成しつつ該摺動部材を収納する収納部材と、前記圧力室と前記水力機械の密封側とを連通させるように、前記摺動部材又は収納部材に径方向に設けられた溝を有する連通手段と、前記圧力室と前記水力機械の大気側との遮断を図る遮断手段とを備えたことを特徴とする水力機械の軸封装置。
【請求項３】
水力機械の回転軸又はこの回転軸の外周に設けたスリーブと前記水力機械のケーシングとの間のシールを行う水力機械の軸封装置において、前記回転軸又はスリーブの外周部に径方向に接触し、摺動するように配設された摺動部材と、この摺動部材の外周側に圧力室を形成しつつ該摺動部材を収納する収納部材と、前記圧力室と前記水力機械の密封側とを連通させるように、前記収納部材に設けられた連通孔を有する連通手段と、前記圧力室と前記水力機械の大気側との遮断を図る遮断手段とを備えたことを特徴とする水力機械の軸封装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばポンプ回転軸とその回転軸のケーシング貫通部との隙間をシールする軸封装置に係わり、特に、負圧運転を行うのに好適な水力機械の軸封装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水力機械の回転軸とその回転軸がケーシングを貫通する貫通部との隙間をシールする軸封装置は、用途に応じて種々の類型のものが存在する。
例えば、河川水（土砂等の硬い粒子を含んだ水）を排水する立軸形排水ポンプの軸封装置としては、一般的に、シール材として紐状のパッキンを使用したグランドパッキン構造を備えた軸封装置が使用されている。この軸封装置では、正圧運転（水力機械内部の密封側が外部の大気側よりも高圧となる場合）・負圧運転（密封側が大気側よりも低圧となる場合）のいずれの場合でも使用できるように、摺動面へ潤滑水を供給している。通常、この潤滑水の供給圧力は、密封側の圧力よりも約０．１ＭＰａ高くしている。
【０００３】
一方、他の軸封装置の類型としては、回転軸に例えばリング状の回転側摺動部材を連結し、かつケーシングにも固定側摺動部材を連結し、それら２つの摺動部材を互いに摺動させることで機械構造的にシールを行ういわゆるメカニカルシールを備えた軸封装置がある。この軸封装置においては、近年、機械設計第３２巻第２号（１９８８年２月号）に記載のように、摺動部材を耐摩耗性に優れたセラミックスで構成したメカニカルシールが提唱されている。
メカニカルシールを備えた軸封装置では、正圧運転の場合は、密封側からの揚水液が２つの摺動部材が摺動するシール部に導入されその揚水液で潤滑されるため、外部からの給水は不要となる。しかしながら、負圧運転の場合は、シール部がドライ状態となって摩擦により温度が上昇するため、これに対応するために、例えば特開平２−１５４８６９号公報に開示のように、ポンプの外部から潤滑水を導入して潤滑を行っている。
【０００４】
また、さらに他の軸封装置の類型としては、例えば実開昭６２−１４７７６６号公報に開示のように、回転軸と固定側部材との間に予めギャップを設定して非接触状態でシールするいわゆるブッシュシールを備えた軸封装置が提唱されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術には、以下の課題が存在する。
すなわち、グランドパッキン構造を備えた軸封装置では、正圧運転・負圧運転を問わず常に潤滑水の供給が必要となる。またメカニカルシールを備えた軸封装置でも、負圧運転の場合には潤滑水の供給が必要となる。そのため、負圧運転を長時間行う場合には、多量の潤滑水が必要となり、コスト高となる。
また、潤滑水供給配管系が必要となるため、配管の保全管理が必要となり、そのための作業負担が増加してさらにコスト高を招く。さらに、給水配管系のトラブルが生じた場合にはポンプが起動できなくなる可能性があり、信頼性の向上のが困難であるという問題もあった。
【０００６】
一方、ブッシュシールを備えた軸封装置では、回転軸と固定側部材とが通常は非接触状態にあるため、負圧運転時においても潤滑水を用いることなく長時間の運転が可能である。しかしながら、正圧運転時には、回転軸と固定側部材との隙間を介し密封側からの揚水液が漏出するため、多量の漏水が発生し、効率が低下する。
また、負圧運転時には、正圧運転時とは逆に、回転軸と固定側部材との隙間を介し大気側からの空気を吸い込むことになるが、例えば負圧側排水ポンプでは、その空気吸込量があまり多くなるとポンプの運転自体が困難になるという問題もある。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、正圧運転時に漏水量が少なく、かつ、負圧運転時に潤滑水を供給することなく長時間運転を安定して行うことができる水力機械の軸封装置及び水力機械を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために、第１の発明は、水力機械の回転軸又はこの回転軸の外周に設けたスリーブと前記水力機械のケーシングとの間のシールを行う水力機械の軸封装置において、前記回転軸又はスリーブの外周部に径方向に接触し、摺動するように配設された摺動部材と、この摺動部材の外周側に圧力室を形成しつつ該摺動部材を収納する収納部材と、前記圧力室と前記水力機械の密封側とを連通させるように、前記摺動部材又は収納部材に径方向に設けられた溝を有する連通手段と、前記圧力室と前記水力機械の大気側との遮断を図る遮断手段とを備えたことを特徴とする。この発明によれば、負荷運転時には、水力機械の密封側が大気側の大気圧よりも低圧になる。このとき、摺動部材の内周部は、スリーブ（又は回転軸）の外周部に径方向に接触し摺動している。これにより、この摺動部材内周部は、その大気側端部が大気圧となるが、密封側端部では水力機械密封側と同じ低圧となる。一方、摺動部材の外周側に位置摺る圧力室は、連通手段を介して水力機械密封側と連通し、かつ遮断手段で水力機械大気側とは遮断されている。これにより、圧力室内は水力機械密封側と同圧まで一様に減圧される。したがって、摺動部材の内周部全体に作用する力と摺動部材の外周部全体に圧力室から作用する力とのバランスで、前者の方が大きくなるため、摺動部材の内周部を径方向外周側に押し上げる力が発生する。これにより、摺動部材内周部とスリーブ（又は回転軸）との間の摩擦力が減少して温度上昇がほとんどなくなる。したがって、潤滑水を供給しなくても、安定的に長時間負圧運転を行うことができる。
【０００９】
一方、正圧運転時には、水力機械密封側からの揚水液が摺動部材内周部とスリーブ（又は回転軸）との摺動面に導入され、その揚水液で潤滑が行われるが、このとき、上記負圧運転時と全く逆の作用で、摺動部材の内周部を径方向内周側に押しつける力が発生するので、摺動面を介した揚水液の漏出量を低減できる。
またこのとき、水力機械密封側からの揚水液は、連通手段を介して圧力室にも導入されるが、圧力室と水力機械大気側とは遮断手段によって遮断されることにより、圧力室からの揚水液の漏水を防止できる。以上のようにして、正圧運転時における全体としての揚水液の漏出量を十分に少なくすることができる。
【００１６】
また、第２の発明は、水力機械の回転軸又はこの回転軸の外周に設けたスリーブと前記水力機械のケーシングとの間のシールを行う水力機械の軸封装置において、前記回転軸又はスリーブの外周部に径方向に接触し、摺動するように配設された摺動部材と、この摺動部材の外周側に圧力室を形成しつつ該摺動部材を収納する収納部材と、前記圧力室と前記水力機械の密封側とを連通させる連通手段と、前記圧力室と前記水力機械の大気側との遮断を図る遮断手段と、前記摺動部材の内周部に形成され、前記水力機械の密封側と連通せず前記水力機械の大気側と連通する溝とを備えたことを特徴とする。この発明によれば、負圧運転時に、摺動負圧運転時に、摺動部材内周部の溝部分までが大気圧となることにより、摺動部材内周部全体に作用する力と摺動部材外周部全体に作用する力とのバランスに基づく摺動部材を外周側に押し上げる力がより大きくなる。したがって、摺動部材内周部とスリーブ（又は回転軸）との間の摩擦力がさらに減少し、さらに安定した摺動特性を得ることができる。また、溝によって摺動面の空気膜の面積が増加するので、空気膜の剛性が高くなり、スリーブ（又は回転軸）が振動した場合も摺動部材との非接触状態を確保できる。したがって、摺動部材の長寿命化を図ることができる。さらに、摺動面を通過する空気量が増大して冷却性が向上するので、水力機械の運転範囲を高周速域側に拡大することができる。
【００１９】
更に、第３の発明は、水力機械の回転軸又はこの回転軸の外周に設けたスリーブと前記水力機械のケーシングとの間のシールを行う水力機械の軸封装置において、前記回転軸又はスリーブの外周部に径方向に接触し、摺動するように配設された摺動部材と、この摺動部材の外周側に圧力室を形成しつつ該摺動部材を収納する収納部材と、前記圧力室と前記水力機械の密封側とを連通させるように、前記収納部材に設けられた連通孔（図１２の１１５）を有する連通手段と、前記圧力室と前記水力機械の大気側との遮断を図る遮断手段とを備えたことを特徴とする。この発明によれば、更に、収納部材は摺動部材のように他部材と摺動せず、通常の金属部材で製造することができるため、摺動部材に溝を形成する場合よりも連通手段作成のためのコストを低減することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００２２】
まず、本発明の適用対象となる水力機械の一例として、横軸排水ポンプを例にとって説明する。この横軸排水ポンプの全体構造を表す縦断面図を図２に示す。
図２において、ポンプ１は、ケーシング２と、回転軸であるポンプ主軸３と、このポンプ主軸３の中央部に固定された羽根車（ランナ）４と、ポンプ主軸３がケーシング２を貫通する貫通部に設けられ、ポンプ主軸３の外周に設けたスリーブ５とケーシング２との間のシールを行う軸封機構６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆとを有している。このとき、ポンプ主軸３は、その両端部をころがり軸受８によって回転自在に支持されており、また一端（図示右端）にカップリング９が固定されている。
【００２３】
このポンプ１において、ケーシング２の図示しない吸込口より吸い込まれた水（例えば雨水）は、その吸込口から吸い込み通路１０に導入される。その後、ポンプ主軸３と共に回転するランナ４によって昇圧されて吐き出し通路１１に吐出され、ケーシング２の図示しない排出口からポンプ外に排出される。
【００２４】
本発明の一実施形態による軸封装置を図１〜図４により説明する。
本実施形態によるポンプ軸封装置１００の全体構造を表す縦断面図を図１に示す。
図１において、軸封装置１００は、例えば図２中の上記軸封機構６ａ〜ｆとして適用されるものであり、回転軸１０１（図２のポンプ主軸３に相当）に固定されたスリーブ１０２（図２のスリーブ５に相当）の外周部に径方向に接触し、摺動するように配設された摺動部材としてのシール材１０３と、このシール材１０３の外周側に圧力室１０４を形成しつつシール材１０３を収納する収納部材としてのシールケース１０５及びカバー１０６と、ポンプケーシング（図示せず、図２のケーシング２に相当）に固定された略円筒形状のシールケーシング１０８とを備えている。
【００２５】
スリーブ１０２は、金属製であり、例えばＳＵＳ４０３で構成されている。またスリーブ１０２は、回転軸１０１に六角穴付き止めネジ等（図示せず）あるいは、接着剤等を塗布して固定されている。
【００２６】
シール材１０３は、略円筒形状を備えており、例えばカーボン材で構成されている。またシール材１０３は、セグメント状に周方向に複数個（この実施形態では２個）に分割された構造となっており、シールケース１０５とスリーブ１０２との間に周方向に沿って配設されている。
このシール材１０３の詳細構造を表す図１中III−III断面図（但し回り止めピン１１１は除く）を図３に示す。
この図３において、シール材１０３は、合わせ目１０９，１０９を境に、シール材セグメント１０３Ａとシール材セグメント１０３Ｂとから構成されている。これらシール材セグメント１０３Ａ，１０３Ｂは、その外周側にガータスプリング１１０（図１参照）が装着されておりこれによって１つのリング状形状をなすように保持されている。
また、シール材１０３は、そのポンプ密封側（図１中Ｐ側で示す）の端面に、周方向に形成された１つの円周溝１０３ａと、この円周溝１０３ａに交差するように内周から外周に至るように径方向に形成された４つの放射溝１０３ｂと、円周溝１０３ａから外周に至るように径方向に形成された２つの回り止め用溝１０３ｃとを備えている。
各回り止め用溝１０３ｃには、シールケース１０５の凹溝１０５ａに挿入固定された回り止めピン１１１が挿入され、これによって、シール材１０３がスリーブ１０２とともに回転するのを防止している。この回り止め用溝１０３ｃは、図３に示すように、２分割されたシール材セグメント１０３Ａ，１０３Ｂそれぞれの周方向中央部に設けている。
なお、シールケース１０５とシールケーシング１０８との間にも、図示しない回り止めのための固定手段が設けられている。
【００２７】
さらに、シール材１０３の大気側（図１中Ｐo側で示す）端面とカバー１０６とが接する部分には、圧力室１０４とポンプ大気側Ｐoとの遮断を図る遮断手段として、ゴム等の弾性体、例えば、Ｏリング１１２が設けられている。このＯリング１１２は、カバー１０６のシール材１０３の対向面に周方向に形成された円周溝１０６ａ内に、シール材１０３を弾性的に押圧するようにして挿入配置されている。
【００２８】
シールケース１０５は、スリーブ１０２の外周側に径方向に間隙をもって配置されており、その軸方向位置はカバー１０６によって位置決めされる。
【００２９】
なお、上記の構成においては、１つの円周溝１０３ａ、及び４つの放射溝１０３ｂが、圧力室１０４とポンプ密封側（Ｐ側）とを連通させる連通手段を構成する。
【００３０】
以上のように構成した本実施形態の作用を以下に説明する。
【００３１】
（１）負圧運転時における長時間安定運転
この作用を比較例と比較しつつ、図４及び図５（ａ）（ｂ）を用いて説明する。
図４は、本実施形態の構造から連通手段としての円周溝１０３ａ及び放射溝１０３ｂと遮断手段としてのＯリング１１２とを省略した構造（第１の比較例；図５（ｂ）参照）と、連通手段としての円周溝１０３ａ及び放射溝１０３ｂのみを省略し、遮断手段としてのＯリング１１２は設けた構造（第２の比較例；図５（ｃ）参照）と、本実施形態の構造（図５（ａ）参照）の３つについて、負圧運転時におけるシール材１０３の温度の挙動を測定した実験結果を比較して示した図である。
このとき、横軸には運転開始後の経過時間をとり、縦軸にはシール材１０３の温度上昇をとって表している。なお、実験条件は、スリーブ１０２の外径を１００ｍｍ、シール材１０３の内径を１００．０８ｍｍとしており、またシール材１０３の温度は、摺動面から１ｍｍの位置にセンサを埋め込んで測定した。また、シール材の温度上昇値はシール材の温度−気温で規定している。
【００３２】
まず、連通手段・遮断手段のない第１の比較例において、負圧運転を開始するとポンプ密封側（Ｐ側）が大気側（Ｐo側）の大気圧（図５ではこれを基準値０で表す）よりも低圧の−Ｐとなるが、シール材１０３の内周部は、スリーブ１０２の外周部に径方向に接触し摺動している。これにより、摺動部であるシール材１０３の内周部は、図５（ｂ）の下部に概念的に示すように、その大気側端部が大気圧０となる一方、密封側端部に向かうほど減圧されて密封側端部では−Ｐとなる。したがって、単位周方向長さ当たりの摺動面（シール材１０３内周面）に作用するシール材１０３を径方向外側に持ち上げる力は、シール材１０３の軸方向の幅をＬとすると、（−１／２）ＬＰとなる。
またこのとき、ポンプ密封側（Ｐ側）が大気側（Ｐo側）より低圧となっていることからシール材１０３はポンプ密封側に向かって押圧され、シール材１０３の大気側端面とカバー１０６のポンプ密封側端面との間には微小な間隙１１３が生じる。そのため、シール材１０３の外周部に位置する圧力室１０４は、この間隙１１３を介し大気側（Ｐo側）と連通し、図５（ｂ）の上部に概念的に示すように、その圧力は一様に大気圧０となる。したがって、単位周方向長さ当たりのシール材１０３外周面に作用するシール材１０３を径方向内側に押しつける力は、０となる。
以上により、シール材１０３には、単位周方向長さ当たり（１／２）ＬＰの大きさの径方向内側に押し付ける力が作用することとなるので、シール材１０３の内周面がスリーブ１０２に押し付けられる。そのため、シール材１０３とスリーブ１０２との摩擦力が増大し、図４に示すように３時間で２０℃以上の著しい温度上昇が生じるので、そのままでは長時間の運転は困難であり、長時間運転を行う場合には潤滑水供給が必要であることがわかった。
【００３３】
次に、遮断手段のみを設けた第２の比較例では、負圧運転を開始すると、上記第１の比較例と同様の原理で、図５（ｃ）の下部に概念的に示すように、単位周方向長さ当たりの摺動面（シール材１０３内周面）に作用するシール材１０３を径方向外側に持ち上げる力は（−１／２）ＬＰとなる。
このとき一方、上記第１の比較例同様、ポンプ密封側（Ｐ側）が大気側（Ｐo側）より低圧となっていることに基づきシール材１０３の大気側端面とカバー１０６のポンプ密封側端面との間に微小な間隙１１３が生じるが、遮断手段としてＯリング１１２が設けられていることにより、圧力室１０４と大気側（Ｐo側）とは遮断されている。しかしながら、シール材１０３はポンプ密封側に向かって押圧されていることから、シール材１０３のポンプ密封側端面とシールケース１０５の大気側端面との間隙はほとんどなくなり、圧力室１０４内の圧力は、図５（ｃ）の上部左側に概念的に示すように、運転開始前の大気圧０に近い圧力に保たれる。
以上により、上記実施形態とほぼ同様に、シール材１０３には、単位周方向長さ当たり（１／２）ＬＰに近い力が径方向内側に押し付けるように作用するので、図４のア部分に示すように、運転開始後の３時間弱の間に約９℃の温度上昇が生じる。
【００３４】
ところで、このように温度上昇が進んでくるとシール材１０３が熱膨張し、分割構造のシール材セグメント１０３Ａ，１０３Ｂ間の合わせ目１０９，１０９が開いて隙間が生じる（このこと自体は第１の比較例も同様）。ここで、この第２の比較例では、第１の比較例と異なりシール材１０３の大気側端面とカバー１０６のポンプ密封側端面との間に遮断手段としてＯリング１１２が設けられていることにより、圧力室１０４は、大気側よりも主としてポンプ密封側と連通するようになる。これにより、圧力室１０４内の圧力は急激に低下し、図５（ｃ）の上部右側に概念的に示すように、−Ｐに近い圧力となる。したがって、単位周方向長さ当たりのシール材１０３外周面に作用するシール材１０３を径方向内側に押しつける力は、−（１／２）ＬＰとなる。
以上により、シール材１０３には、単位周方向長さ当たり（１／２）ＬＰの大きさの径方向外側に持ち上げる力が作用することとなるので、シール材１０３とスリーブ１０２との摩擦力が減少し、図４のイ部分に示すように、急激な温度降下が生じる。
【００３５】
そして、このように温度降下が進んでくると、シール材１０３が熱膨張状態から収縮してくるので、再びシール材セグメント１０３Ａ，１０３Ｂ間の合わせ目１０９，１０９が閉じる。これにより、再び運転開始直後の状態と同じになってシール材１０３とスリーブ１０２との摩擦力が増大し、最初に説明したような著しい温度上昇が再び生じ、以降、図４に示すように温度上昇と温度降下を繰り返す極めて不安定な挙動となることがわかった。
【００３６】
以上のような第１及び第２の比較例に対し、本実施形態においては、以下のような挙動となる。
すなわち、単位周方向長さ当たりの摺動面（シール材１０３内周面）に作用する力については、第１及び第２の比較例同様、負圧運転の開始とともに、図５（ａ）の下部に概念的に示すように、シール材１０３を径方向外側に持ち上げる力は（−１／２）ＬＰとなる。
そしてこのとき、シール材１０３の外周側に位置する圧力室１０４は、遮断手段であるＯリング１０６で大気側（Ｐo側）と遮断される一方、連通手段である円周溝１０３ａ及び放射溝１０３ｂを介しポンプ密封側（Ｐ側）と常時連通していることにより、ポンプ密封側と同圧の−Ｐまで一様に減圧される。したがって、単位周方向長さ当たりのシール材１０３外周面に作用するシール材１０３を径方向内側に押しつける力は、−（１／２）ＬＰとなる。
以上により、シール材１０３には、単位周方向長さ当たり（１／２）ＬＰの大きさの径方向外側に持ち上げる力が常時作用することとなるので、シール材１０３とスリーブ１０２との摩擦力が常に減少し、図４に示すように、温度上昇は極めて少なくかつ時間経過と共に次第に緩やかになり、７時間経過後あたりで飽和してほぼ一定値になる。そして、温度上昇の最大値は、９時間経過後において３℃程度であり、その後は時間の経過に関係なくほぼ一定値で推移した。したがって、潤滑水を供給しなくても、安定的に長時間負圧運転を行うことができることがわかった。
【００３７】
（２）正圧運転時における漏水量低減
一方、正圧運転時には、本実施形態では、ポンプ密封側（Ｐ側）からの揚水液（例えば雨水）がシール材１０３内周部とスリーブ１０２との摺動面に導入され、その揚水液で潤滑が行われるが、このとき、上記負圧運転時と全く逆の作用で、シール材１０３の内周部を径方向内周側に押しつける力が発生するので、その摺動面を介した揚水液の漏出量を低減できる。
またこのとき、ポンプ密封側からの揚水液は、連通手段である円周溝１０３ａ及び放射溝１０３ｂを介し圧力室１０４にも導入されるが、圧力室１０４と大気側とは遮断手段であるＯリング１１２によって遮断されることにより、圧力室１０４からの揚水液の漏水を防止できる。
なお、通常、この種の軸封装置からの漏水はこのＯリング１１２が設置される間隙１１３からの方が上記シール材１０３内周部とスリーブ１０２との摺動面よりも多いことから、本実施形態の構造は特に有効である。
以上のようにして、正圧運転時における全体としての揚水液の漏出量を十分に少なくすることができる。したがって、ポンプ効率の低下を防止できる。
【００３８】
（３）その他
なお、上記２つの主たる作用以外にも、以下のような作用がある。
【００３９】
▲１▼シール材振動抑制
遮断手段としてのＯリング１１２がカバー１０６と接触していることにより、シール材１０３の周方向の振動を押さえることができる。したがって、軸封装置としての信頼性を向上できる。
【００４０】
▲２▼シール材片当たり防止
シール材１０３に形成された円周溝１０３ａにより、密封側端面にシール材１０３が押し付けられる時に圧力分布を均等に保持できるので、シール材１０３の片当たりを防止できる。
【００４１】
▲３▼動圧効果の有効利用
回り止め用溝１０３ｃを、図３に示すように、２分割されたシール材セグメント１０３Ａ，１０３Ｂそれぞれの周方向中央部に設けたことにより、この回り止め用溝１０３ｃを例えばシール材セグメント１０３Ａ，１０３Ｂの周方向端部に設ける場合よりも、回転による動圧効果（回転により揚水液の粘性を利用して水膜が形成され、シール材セグメント１０３Ａ，１０３Ｂを径方向外周側に押し上げる効果）を有効に利用することができる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態によれば、負圧運転時に潤滑水を供給することなく長時間運転を安定して行うことができ、かつ、正圧運転時に漏水量の少ない軸封装置を得ることができる。
【００４３】
なお、上記実施形態では、シール段数が１段構造の場合を例にとって説明したが、シール段数は封水圧力、漏水量等により決まるものであり、特に限定されるものではない。
【００４４】
また、上記実施形態では、Ｏリング１１２を装着する円周溝１０６ａをカバー１０６側に設けたが、これに限られず、シール材１０３側に設けてもよい。この場合も、同様の効果を得る。
【００４５】
さらに、上記実施形態では、遮断手段として、Ｏリング１１２を設けたが、これに限られず、所定の圧力損失を介し圧力室１０４と大気側（Ｐo側）とを連通させる抵抗手段、例えば横断面形状が四角形の弾性体リングや、あるいはラビリンスシール等を用いてもよい。この場合も、同様の効果を得る。
【００４６】
また、上記実施形態では、回転軸１０１の外周にスリーブ１０２を設け、軸封装置１００はこのスリーブ１０２とシールケーシング１０８との間のシールを行うものであったが、これに限られない。すなわち、回転軸１０１に耐摩耗性皮膜を形成したり、回転軸１０１自体を耐摩耗性材料で構成することによってスリーブ１０２を省略し、軸封装置１００でこの回転軸１０１とシールケーシング１０８との間のシールを行うようにしてもよい。これらの場合においても、同様の効果を得る。
【００４７】
さらに、上記実施形態では、適用対象の一例として横軸排水ポンプを示したが、これに限られず、他のポンプ、例えば立軸排水ポンプに適用してもよい。このポンプの構造を表す縦断面図を図６に示す。
図６において、ポンプ５１は、ケーシング５２と、回転軸であるポンプ主軸５３と、ポンプ主軸５３の下部に固定された（羽根車）ランナ５４と、ポンプ主軸５３がケーシング５２を貫通する貫通部５２ａに設けられ、ポンプ主軸５３の外周に設けたスリーブ５７とケーシング貫通部５２ａに連結されたシールケーシング５５との間のシールを行う軸封機構５６ａ，５６ｂとを有している。
上記実施形態の軸封装置１００は、このポンプ５１に適用することもできる。
またポンプにも限られず、他の水力機械、例えば水車等にも適用することができる。これらの場合も、図２のポンプに適用した場合と同様の効果を得ることは言うまでもない。
【００４８】
また、上記実施形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の構造的変形が可能である。その変形例を、以下、順次説明する。
【００４９】
（Ａ）超硬合金の利用
本変形例によるポンプ軸封装置１００Ａの全体構造を表す縦断面図を図７に示す。
図７において、上記一実施形態の軸封装置１００と異なるのは、スリーブ１０２Ａを、金属リング１０２Ａａ及びこの金属リング１０２Ａａ外周面に設けられた超硬合金皮膜１０２Ａｂからなる筒状部材で構成したことと、シール材セグメント１０３ＡＡ，１０３ＡＢを、周方向に２分割した円筒形状の炭化珪素（あるいは四ふっ化エチレン樹脂を含浸した炭化珪素）のセラミックスで構成したことである。
スリーブ１０２Ａは、金属リング１０２Ａａ（例えば材質：ＳＵＳ３０４等）の外周面に、例えば溶射等によって超硬合金製の皮膜１０２Ａｂを形成し、その後、四ふっ化エチレン樹脂をその超硬合金製皮膜１０２Ａｂの空孔部に含浸処理することにより製造されている。なお、超硬合金製の皮膜１０２Ａｂのバインダーは耐食性の点からニッケル系が好ましい。
本変形例においては、スリーブ超硬合金製皮膜１０２Ａｂに含浸された四ふっ化エチレン樹脂が、回転軸１０１の回転とともにスリーブ摺動面に数ミクロンの薄い四ふっ化エチレン樹脂皮膜を形成する。この形成された四ふっ化エチレン樹脂皮膜はすべりやすく摩擦係数が小さいので、より安定した摺動特性を得ることができるという効果がある。また、シール材セグメント１０３ＡＡ及びシール材セグメント１０３ＡＢを構成する炭化珪素のセラミックスは、カーボンよりも硬度が高いことから、シール材の長寿命化を図り、耐摩耗性を向上できるという効果もある。
なお、超硬合金製の皮膜１０２Ａｂは四ふっ化エチレン樹脂が含浸されていなくても高硬度でしかも酸化しやすく、摺動面の安定化を図れるので、スリーブ超硬合金製皮膜１０２Ａｂへの四ふっ化エチレン樹脂の含浸を省略してもよい。この場合も、焼き付きを防止され、軸封装置の信頼性を向上できる。
また、金属リング１０２Ａａに超硬合金製の皮膜１０２Ａｂを設けるのではなく、スリーブ１０２Ａ自体を超硬合金製の筒状ソリッド材で構成しても良い。このソリッド材による超硬合金製のスリーブ１０２Ａは、例えば粉体−成形−焼結の順で製造された後に、表面に開口する空孔部に四ふっ化エチレン樹脂を含浸して製造される。
【００５０】
（Ｂ）シール段数の多段化
本変形例によるポンプ軸封装置１００Ｂの全体構造を表す縦断面図を図８に示す。
図８において、軸封装置１００Ｂは、上記（Ａ）変形例の軸封装置１００Ａを２段シール構造としたものである。すなわち、軸封装置１００Ａを２つ併置した構造となっている（但し、ケース１０６Ｂ及びシールケーシング１０８Ｂは共通化されている）。
【００５１】
本変形例によれば、２段シール構造となっているので、各段間の差圧が上記一実施形態のような１段構造の１／２になり、負圧運転時における全体の漏気量、及び正圧運転時の全体の漏水量を減らすことができ、さらに安定した密封性能を得ることができる。
また、上記一実施形態で説明したように、１段構造でも十分な性能があることから、１段は予備シールとして機能させることができるので、万一１段が損傷しても予備シールでバックアップできる。したがって、軸封装置全体の信頼性が向上する。
【００５２】
（Ｃ）摺動面に大気圧導入溝を形成
本変形例によるポンプ軸封装置１００Ｃの全体構造を表す縦断面図を図９に示す。
図９において、軸封装置１００Ｃは、上記（Ａ）変形例の軸封装置１００Ａにおいて、シール材セグメント１０３ＡＡ，１０３ＡＢの内周部に、それぞれ密封側（Ｐ側）と連通することなく大気側（Ｐo側）と連通する大気圧導入溝１１４を形成したことである。
【００５３】
本変形例においては、負圧運転時に、上記一実施形態の図５（ａ）に相当する（但し断面位置が若干異なる）図１０に示すように、シール材セグメント１０３ＡＡ，１０３ＡＢ内周部の溝部分までが大気圧となることにより、シール材を外周側に押し上げる力がより大きくなる。したがって、シール材内周部とスリーブ１０２Ａとの間の摩擦力がさらに減少し、さらに安定した摺動特性を得ることができる。
また、大気圧導入溝１１４によって摺動面の空気膜の面積が増加するので、空気膜の剛性が高くなり、スリーブ１０２Ａが振動した場合もシール材セグメント１０３ＡＡ，１０３ＡＢとの非接触状態を確保できる。したがって、シール材の長寿命化を図ることができる。
さらに、摺動面を通過する空気量が増大して冷却性が向上するので、ポンプの運転範囲を高周速域側に拡大することができる。
【００５４】
（Ｄ）放射溝をシールケースに形成
本変形例によるポンプ軸封装置１００Ｄの全体構造を表す縦断面図を図１１に示す。
図１１において、上記一実施形態の軸封装置１００と異なるのは、連通手段の一部を構成するシール材１０３の放射溝１０３ｂの代わりに、シールケース１０５に放射溝１０５ｂを形成したことである。この放射溝１０５ｂは、シール材１０３の円周溝１０３ａに連通するようにかつシールケース１０５の内周に至るように形成される。
【００５５】
本変形例において、シールケース１０５はシール材１０３のように他部材と摺動せず、通常の金属部材で製造することができるため、シール材１０３に放射溝１０３ｂを形成する場合よりも加工が容易であり、連通手段配置のための製造コストを低減できるという効果がある。
【００５６】
（Ｅ）シールケースに連通孔を形成
本変形例によるポンプ軸封装置１００Ｅの全体構造を表す縦断面図を図１２に示す。
図１２において、上記一実施形態の軸封装置１００と異なるのは、連通手段を、シール材１０３の円周溝１０３ａ及び放射溝１０３ｂで構成する代わりに、シールケース１０５に形成した連通孔１１５で構成したことである。この連通孔１１５は、一方側端部が圧力室１０４に開口し、他方側端部がシールケース１０５内周に開口し、圧力室１０４とポンプ密封側（Ｐ側）を連通するように形成されている。
【００５７】
本変形例においても、上記（Ｄ）変形例同様、シールケース１０５が金属部材で製造でき、シール材１０３に円周溝１０３ａ及び放射溝１０３ｂを形成する場合よりも連通孔１１５の加工のほうが容易であるので、連通手段配置のための製造コストを低減できる。
なお、上記連通孔１１５の設置箇所、大きさ、個数等は軸封装置の規模・寸法できまるものであり、特に限定されるものではない。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、負圧運転時には、摺動部材の内周部全体に作用する力の方が、摺動部材の外周部全体に圧力室から作用する力より大きくなるので、摺動部材の内周部を径方向外周側に押し上げる力が発生する。したがって、摺動部材内周部とスリーブ又は回転軸との間の摩擦力が減少して温度上昇がほとんどなくなるので、潤滑水を供給することなく長時間運転を安定して行うことができる。
また、正圧運転時には、摺動部材の内周部を径方向内周側に押しつける力が発生し、かつ圧力室と水力機械大気側とは遮断手段によって遮断されているので、圧力室からの全体の漏水量を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による軸封装置の全体構造を表す縦断面図である。
【図２】本発明の適用対象となる水力機械の一例である横軸排水ポンプの全体構造を表す縦断面図である。
【図３】図１に示すシール材の詳細構造を表す図１中III−III断面図である。
【図４】第１の比較例と、第２の比較例と、実施形態の３つについて、負圧運転時におけるシール材の温度の挙動を測定した実験結果を比較して示した図である。
【図５】第１の比較例、第２の比較例、及び実施形態における圧力室及び摺動部の圧力分布を示した図である。
【図６】本発明の適用対象となる水力機械の他の例である立軸排水ポンプの全体構造を表す縦断面図である。
【図７】超硬合金を利用した変形例による軸封装置の全体構造を表す縦断面図である。
【図８】シール段数を多段化した変形例による軸封装置の全体構造を表す縦断面図である。
【図９】摺動面に大気圧導入溝を形成した変形例による軸封装置の全体構造を表す縦断面図である。
【図１０】図９の変形例における圧力室及び摺動部の圧力分布を示した図である。
【図１１】放射溝をシールケースに形成した変形例による軸封装置の全体構造を表す縦断面図である。
【図１２】シールケースに連通孔を形成した変形例による軸封装置の全体構造を表す縦断面図である。
【符号の説明】
１                横軸排水ポンプ
２                ケーシング
３                ポンプ主軸
６ａ〜ｆ          軸封機構
９                カップリング
１０              吸込通路
１１              吐き出し通路
５１              立軸排水ポンプ
５２              ケーシング
５３              ポンプ主軸
５６ａ，ｂ        軸封機構
１００            軸封装置
１００Ａ〜Ｅ      軸封装置
１０１            回転軸
１０２            スリーブ
１０２Ａ          スリーブ
１０２Ａａ        金属リング
１０２Ａｂ        超硬合金製皮膜
１０３            シール材（摺動部材）
１０３Ａ          シール材セグメント
１０３Ｂ          シール材セグメント
１０３ＡＡ        シール材セグメント
１０３ＡＢ        シール材セグメント
１０３ａ          円周溝（連通手段）
１０３ｂ          放射溝（径方向に設けられた溝、連通手段）
１０４            圧力室
１０５            シールケース（収納部材）
１０５ａ          凹溝
１０５ｂ          放射溝（径方向に設けられた溝、連通手段）
１０６            カバー（収納部材）
１０８            シールケーシング
１０９            合わせ目
１１２            Ｏリング（遮断手段）
１１４            大気圧導入溝（大気側と連通する溝）
１１５            連通孔（連通手段）
Ｐ                密封側
Ｐo               大気側
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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