(57)【要約】  本発明は、回転軸が貫通する容器の軸貫通部から液体が漏洩するのを防止する軸封装置に関する。  本発明の軸封装置（３０）は、高圧流体と低圧流体を分離する容器（２）に固定され、該容器（２）を貫通して延びる回転軸（６）の軸貫通部をシールする。この軸封装置（３０）は、回転軸（６）が貫通する貫通孔（３５ａ）と、貫通孔（３５ａ）に連通するとともに、高圧流体が流入するシール室（３３ａ）とを有するシールケーシング（３３）と、シール室（３３ａ）内に収容され、回転軸（６）と一体に回転し、回転軸（６）の軸心に垂直な環状面（３１ａ）を有する円板状のシール体（３１）と、を備える。シール体（３１）の環状面（３１ａ）に対向し、かつシール室（３３ａ）を形成するシールケーシング（３３）の内面は、前記回転軸の軸心に垂直な平面である。
2017022851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧流体と低圧流体を分離する容器に固定され、該容器を貫通して延びる回転軸の軸貫通部をシールする軸封装置であって、
前記回転軸が貫通する貫通孔と、前記貫通孔に連通するとともに、前記高圧流体が流入するシール室とを有するシールケーシングと、
前記シール室内に収容され、前記回転軸と一体に回転し、前記回転軸の軸心に垂直な環状面を有する円板状のシール体と、を備え、
前記シール体の前記環状面に対向し、かつ前記シール室を形成する前記シールケーシングの内面は、前記回転軸の軸心に垂直な平面であることを特徴とする軸封装置。
【請求項２】
前記シール体の前記環状面には、放射状に延びる複数の溝が形成され、
前記溝の幅は、前記溝の内端から外端まで一定であることを特徴とする請求項１に記載の軸封装置。
【請求項３】
前記シール体の前記環状面には、放射状に延びる複数の溝が形成され、
前記溝の幅は、前記溝の外端に向かって徐々に大きくなることを特徴とする請求項１に記載の軸封装置。
【請求項４】
前記シール体の上方には、前記回転軸と前記貫通孔との隙間を封止する非接触式の上側シール構造体がさらに設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の軸封装置。
【請求項５】
前記上側シール構造体は、ラビリンスシールまたはフラットシールであり、
前記上側シール構造体を取り囲むように前記シールケーシングの上部に固定される漏液カバーが設けられ、
前記漏液カバーには、前記漏液カバーの内部空間と前記漏液カバーの外部とを連通する開口が設けられ、
前記開口には、漏液管が接続されていることを特徴とする請求項４に記載の軸封装置。
【請求項６】
前記シール体の下方には、前記回転軸と前記シールケーシングの前記貫通孔との隙間を封止する非接触式の下側シール構造体がさらに設けられており、
前記下側シール構造体は、ラビンリンスシールまたはフラットシールであり、
前記シールケーシングには、前記シール室と前記シールケーシングの外部とを連通する少なくとも１つの開口が設けられ、
前記開口には、ドレイン管が接続されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の軸封装置。
【請求項７】
高圧流体と低圧流体を分離する容器に固定され、該容器を貫通して延びる回転軸の軸貫通部をシールする軸封装置であって、
前記回転軸が貫通する貫通孔と、前記貫通孔に連通するとともに、前記高圧流体が流入するシール室とを有するシールケーシングと、
前記シール室内に収容され、前記回転軸と一体に回転する円板状のシール体と、を備え、
前記シール体は、前記回転軸の軸心と垂直な面に対して下方に傾斜する上面を有しており、
前記シール体の前記上面に対向し、かつ前記シール室を形成する前記シールケーシングの内面は、前記シール体の前記上面に沿って延びることを特徴とする軸封装置。
【請求項８】
前記シール体の前記上面は、湾曲していることを特徴とする請求項７に記載の軸封装置。
【請求項９】
羽根車と、
前記羽根車が固定された回転軸と、
前記羽根車を収容し、かつ前記回転軸が貫通する軸貫通部を有するポンプケーシングと、
前記軸貫通部をシールするための軸封装置と、を備え、
前記軸封装置は、
前記回転軸が貫通する貫通孔と、前記貫通孔に連通するシール室とを有するシールケーシングと、
前記シール室内に収容され、前記回転軸と一体に回転し、前記回転軸の軸心に垂直な環状面を有する円板状のシール体と、を備え、
前記シール体の前記環状面に対向し、かつ前記シール室を形成する前記シールケーシングの内面は、前記回転軸の軸心に垂直な平面であることを特徴とする立軸ポンプ。
【請求項１０】
羽根車と、
前記羽根車が固定された回転軸と、
前記羽根車を収容し、かつ前記回転軸が貫通する軸貫通部を有するポンプケーシングと、
前記軸貫通部をシールするための軸封装置と、を備え、
前記軸封装置は、
前記回転軸が貫通する貫通孔と、前記貫通孔に連通するシール室とを有するシールケーシングと、
前記シール室内に収容され、前記回転軸と一体に回転する円板状のシール体と、を備え、
前記シール体は、前記回転軸の軸心と垂直な面に対して下方に傾斜する上面を有しており、
前記シール体の前記環状面に対向し、かつ前記シール室を形成する前記シールケーシングの内面は、前記シール体の前記上面に沿って延びることを特徴とする立軸ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸が貫通する容器の軸貫通部から液体が漏洩するのを防止する軸封装置に関する。また、本発明は、この軸封装置を備えた立軸ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、高圧流体と低圧流体を分離する容器に固定され、該容器を貫通して延びる回転軸の軸貫通部をシールする軸封装置が知られている。例えば、立軸ポンプの羽根車を回転させる回転軸は、ポンプケーシングを貫通して延びており、回転軸が貫通する軸貫通部から液体が漏れないように、該軸貫通部は、軸封装置によってシールされる。立軸ポンプでは、容器は、ポンプケーシングであり、高圧流体はポンプケーシングの内部を流れる液体であり、低圧流体は、ポンプケーシングの外部の大気である。このような軸封装置は、一般に、グランドパッキン、メカニカルシール、またはフローティングシールなどのシール機構を採用している。【０００３】
グランドパッキンは、回転軸の外周面に接触して、その接触圧力で液体の漏洩を防止する。メカニカルシールは、回転軸と一体に回転する回転リングと、ハウジングなどの静止部材に固定された固定リングとを有し、回転リングと固定リングとが互いに接触を保つことで、液体の漏洩を防止する。フローティングシールは、回転軸の外周面に固定されたスリーブと、該スリーブに対向するシールリングとを有する。シールリングとスリーブとの間には極めて微小な隙間が構成されており、微量な液体の漏洩のみを許容する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
グランドパッキンは、回転する回転軸に常に接触している（この接触状態を、「摺接する」と称する）ので、グランドパッキンが徐々に摩耗する。したがって、グランドパッキンの定期的なメンテナンスまたは交換が必要となる。また、グランドパッキンには、回転軸との摺接に伴い摩擦熱が発生するため、グランドパッキンの冷却が必要となる。取り扱う液体が清水であれば、その液体でグランドパッキンを冷却できるが、液体がスラリーなどの固体を含む場合には、グランドパッキンと回転軸との間に固体が噛み込まないように、別途設けた注水装置からグランドパッキンに液体を供給するか、または固体の侵入を防ぐための保護管で回転軸を囲む必要がある。【０００５】
メカニカルシールの回転リングは、固定リングに常に摺接するので、回転リングおよび固定リングは徐々に摩耗する。したがって、回転リングおよび固定リングの定期的なメンテナンスまたは交換が必要となる。また、回転リングと固定リングの摺接により摩擦熱が発生するために、メカニカルシールには、冷却用のフラッシング液を注入するための付帯設備が必要である。さらに、回転リングと固定リングとの接触面は精密に仕上げ加工されているため、回転リングおよび固定リングをメンテナンスまたは交換するときには、回転リングおよび固定リングの正確な組立が要求される。【０００６】
フローティングシールは、摺接するグランドパッキンやメカニカルシールと異なり、シールリングとスリーブとの間に微小な隙間が形成されているので、摺接する構成部材を含まない非接触の軸封装置とされる。したがって、グランドパッキンまたはメカニカルシールで必要とされるメンテナンスは原則的に不要である。しかしながら、回転軸に振れ回りや振動が発生すると、シールリングはスリーブと接触することがある。このため、このような接触を許容するために、シールリングおよび／またはスリーブに耐摩耗性の高い高硬度材料を用いる必要があり、フローティングシールは高価になりやすい。また、フローティングシールは、液体のある程度の通過を許容するため、スラリーなどの固体を含む液体の漏洩防止には適さない。また、フローティングシールでは、取り扱う液体が海水である場合には、その腐食性のために高硬度材料が使用できないことが多い。【０００７】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、メンテナンス頻度を大幅に低減させるとともに、冷却水などの液体を供給するための付帯設備を別途設ける必要がなく、さらに構成部品の特殊な仕上げ加工が不要な軸封装置を提供することを目的とする。また、本発明は、この軸封装置を備えた立軸ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、高圧流体と低圧流体を分離する容器に固定され、該容器を貫通して延びる回転軸の軸貫通部をシールする軸封装置であって、前記回転軸が貫通する貫通孔と、前記貫通孔に連通するとともに、前記高圧流体が流入するシール室とを有するシールケーシングと、前記シール室内に収容され、前記回転軸と一体に回転し、前記回転軸の軸心に垂直な環状面を有する円板状のシール体と、を備え、前記シール体の前記環状面に対向し、かつ前記シール室を形成する前記シールケーシングの内面は、前記回転軸の軸心に垂直な平面であることを特徴とする軸封装置である。【０００９】
本発明の好ましい態様は、前記シール体の前記環状面には、放射状に延びる複数の溝が形成され、前記溝の幅は、前記溝の内端から外端まで一定であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記シール体の前記環状面には、放射状に延びる複数の溝が形成され、前記溝の幅は、前記溝の外端に向かって徐々に大きくなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記シール体の上方には、前記回転軸と前記貫通孔との隙間を封止する非接触式の上側シール構造体がさらに設けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記上側シール構造体は、ラビリンスシールまたはフラットシールであり、前記上側シール構造体を取り囲むように前記シールケーシングの上部に固定される漏液カバーが設けられ、前記漏液カバーには、前記漏液カバーの内部空間と前記漏液カバーの外部とを連通する開口が設けられ、前記開口には、漏液管が接続されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記シール体の下方には、前記回転軸と前記シールケーシングの前記貫通孔との隙間を封止する非接触式の下側シール構造体がさらに設けられており、前記下側シール構造体は、ラビンリンスシールまたはフラットシールであり、前記シールケーシングには、前記シール室と前記シールケーシングの外部とを連通する少なくとも１つの開口が設けられ、前記開口には、ドレイン管が接続されていることを特徴とする。【００１０】
本発明の他の態様は、高圧流体と低圧流体を分離する容器に固定され、該容器を貫通して延びる回転軸の軸貫通部をシールする軸封装置であって、前記回転軸が貫通する貫通孔と、前記貫通孔に連通するとともに、前記高圧流体が流入するシール室とを有するシールケーシングと、前記シール室内に収容され、前記回転軸と一体に回転する円板状のシール体と、を備え、前記シール体は、前記回転軸の軸心と垂直な面に対して下方に傾斜する上面を有しており、前記シール体の前記上面に対向し、かつ前記シール室を形成する前記シールケーシングの内面は、前記シール体の前記上面に沿って延びることを特徴とする軸封装置である。
本発明の好ましい態様は、前記シール体の前記上面は、湾曲していることを特徴とする。【００１１】
本発明の他の態様は、羽根車と、前記羽根車が固定された回転軸と、前記羽根車を収容し、かつ前記回転軸が貫通する軸貫通部を有するポンプケーシングと、前記軸貫通部をシールするための軸封装置と、を備え、前記軸封装置は、前記回転軸が貫通する貫通孔と、前記貫通孔に連通するシール室とを有するシールケーシングと、前記シール室内に収容され、前記回転軸と一体に回転し、前記回転軸の軸心に垂直な環状面を有する円板状のシール体と、を備え、前記シール体の前記環状面に対向し、かつ前記シール室を形成する前記シールケーシングの内面は、前記回転軸の軸心に垂直な平面であることを特徴とする立軸ポンプである。【００１２】
本発明の他の態様は、羽根車と、前記羽根車が固定された回転軸と、前記羽根車を収容し、かつ前記回転軸が貫通する軸貫通部を有するポンプケーシングと、前記軸貫通部をシールするための軸封装置と、を備え、前記軸封装置は、前記回転軸が貫通する貫通孔と、前記貫通孔に連通するシール室とを有するシールケーシングと、前記シール室内に収容され、前記回転軸と一体に回転する円板状のシール体と、を備え、前記シール体は、前記回転軸の軸心と垂直な面に対して下方に傾斜する上面を有しており、前記シール体の前記環状面に対向し、かつ前記シール室を形成する前記シールケーシングの内面は、前記シール体の前記上面に沿って延びることを特徴とする立軸ポンプである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の軸封装置は、シール体が他の部材に摺接しない非接触の軸封装置であるため、シール体が摩耗しない。したがって、軸封装置のメンテナンス頻度を大幅に低減させることができる。また、シール体は、非接触でシール機能を発揮するので、互いに摺接する構成部材を含む軸封装置と比較して、シール体上を流動する液体に生じる摩擦熱は極く僅かであり、冷却水、もしくはフラッシング液などの液体を軸封装置に供給するための付帯設備を別途設ける必要がない。さらに、メカニカルシールのように、回転リングと固定リング等の構成部材の表面を精密に仕上げ加工する必要がなく、正確な組立が要求されることもない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る軸封装置が設けられた立軸ポンプを示す模式図である。
【図２】図１に示される軸封装置の断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、シール体の一実施形態を示す上面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ線断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、シール体の別の実施形態を示す上面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４ＡのＢ−Ｂ線断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、シール体のさらに別の実施形態を示す上面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５ＡのＣ−Ｃ線断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、シール体のさらに別の実施形態を示す上面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６ＡのＤ−Ｄ線断面図である。
【図７】図７は、別の実施形態に係る軸封装置の断面図である。
【図８】図８は、図７に示される軸封装置の変形例を示す断面図である。
【図９】図９は、さらに別の実施形態に係る軸封装置の断面図である。
【図１０】図１０は、さらに別の実施形態に係る軸封装置の断面図である。
【図１１】図１１は、さらに別の実施形態に係る軸封装置の断面図である。
【図１２】図１２は、圧力Ｐ１を有する水が貯められたタンクに軸封装置を取り付けて、回転軸を回転させたときの通過量を示すグラフである。
【図１３】図１３は、圧力Ｐ２を有する水が貯められたタンクに軸封装置を取り付けて、回転軸を回転させたときの通過量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る軸封装置３０が設けられた立軸ポンプを示す模式図である。図１に示すように、立軸ポンプは、吸込ベルマウス１ａ及び吐出ボウル１ｂを有するインペラケーシング１と、インペラケーシング１を吸込水槽５内に吊り下げる揚水管３と、揚水管３の上端に接続される吐出エルボ管４と、インペラケーシング１内に収容される羽根車１０と、羽根車１０が固定される回転軸６とを備えている。揚水管３は、吸込水槽５の上部のポンプ据付床２２に形成された挿通口２４を通して下方に延び、揚水管３の上端に設けられた据付用ベース２３を介してポンプ据付床２２に固定される。回転軸６は、吐出エルボ管４、揚水管３、及びインペラケーシング１内を通って鉛直方向に延びている。ポンプケーシング２は、インペラケーシング１、揚水管３、及び吐出エルボ管４により構成される。
【００１６】
吸込ベルマウス１ａは下方を向いて開口し、吸込ベルマウス１ａの上端は吐出ボウル１ｂの下端に接続されている。羽根車１０は回転軸６の下端に固定されており、羽根車１０と回転軸６とは一体的に回転する。この羽根車１０の上方（吐出側）には複数のガイドベーン１４が配置されている。これらのガイドベーン１４は吐出ボウル１ｂの内周面に固定されている。回転軸６は、外軸受１１、中間軸受１５、および水中軸受１２により回転自在に支持されている。水中軸受１２は吐出ボウル１ｂ内に収容されており、羽根車１０の上方に配置されている。水中軸受１２を支持する支持部材７はボウルブッシュ１３の内面に固定されており、さらに、ボウルブッシュ１３はガイドベーン１４を介してインペラケーシング１に支持されている。外軸受１１はボールベアリングなどの転がり軸受、または滑り軸受であり、水中軸受１２および中間軸受１５は、滑り軸受である。
【００１７】
回転軸６は吐出エルボ管４を貫通して上方に延び、駆動源１８に連結されている。駆動源１８は、ポンプ据付床２２に固定された架台１９上に固定されている。立軸ポンプの運転時には、羽根車１０は、吸込水槽５内の液面より下に位置している。
【００１８】
立軸ポンプは、吸込水槽５内の液体を吐出水槽１００まで移送する。すなわち、駆動源１８を運転することにより回転軸６を介して羽根車１０を回転させると、吸込水槽５内の液体が吸込ベルマウス１ａから吸い込まれ、吐出ボウル１ｂ、揚水管３、吐出エルボ管４、および吐出配管２０を通って吐出水槽１００に移送される。吐出配管２０は、吐出エルボ管４から吐出水槽１００まで延びている。吐出水槽１００の液面は、吐出エルボ管４よりも上方に位置する。吐出配管２０の途中には、仕切弁２５が配置されており、この仕切弁２５は、立軸ポンプの通常運転時には開かれている。立軸ポンプの停止時には仕切弁２５が閉じられ、液体が吐出水槽１００から吐出配管２０を通じて吸込水槽５へ逆流することを防止する。仕切弁２５の代わりに、逆止弁を設けてもよい。また、吐出配管２０の吐出末端に、フラップ弁を配置してもよい。
【００１９】
図１に示されるように、回転軸６がポンプケーシング２の吐出エルボ管４を貫通する軸貫通部には、本発明の一実施形態に係る軸封装置３０が配置されている。この軸封装置３０により、液体が立軸ポンプの外部に漏洩することが防止される。以下、図２を参照して、この軸封装置３０を説明する。
【００２０】
なお、軸封装置３０は、下方の高圧流体と上方の低圧流体を分離する容器に固定され、該容器を貫通して延びる回転軸の軸貫通部をシールする軸封装置であれば、立軸ポンプ以外にも適用することができる。立軸ポンプでは、容器は、ポンプケーシング２であり、高圧流体はポンプケーシング２の内部を流れる液体であり、低圧流体は、ポンプケーシング２の外部の大気である。
【００２１】
図２は、本発明の一実施形態に係る軸封装置３０の断面図である。図２に示されるように、軸封装置３０は、吐出エルボ管４に形成された通孔４ｂを塞ぐように、吐出エルボ管４の軸封装置取付面４ａ上に固定される。回転軸６は、通孔４ｂを通って鉛直方向に延びる。軸封装置３０は、回転軸６に固定された円板状のシール体３１と、シール体３１を収容するシール室３３ａが内部に形成されたシールケーシング３３とを備えている。回転軸６とシール体３１の内周面（後述の図３Ａ及び図３Ｂに示される貫通孔３１ｂ）とは、緊密に接触しているため、回転軸６とシール体３１の内周面との間を液体は通過しない。図示はしないが、Ｏリングなどのシール部材により、回転軸６とシール体３１の内周面との間の隙間をシールしてもよい。シール体３１の中心は、回転軸６の軸心に一致し、シール体３１は回転軸６と一体的に回転する。
【００２２】
シールケーシング３３は、回転軸６が貫通する貫通孔３５ａを有する上側ケーシング３５と、上側ケーシング３５を支持する中間ケーシング３６とを有する。貫通孔３５ａの中心線は、回転軸６の軸心に一致する。中間ケーシング３６は、円筒形状の内周面３６ａを有している。この内周面３６ａの中心線は、回転軸６の軸心およびシール体３１の中心と一致する。中間ケーシング３６は、吐出エルボ管４の軸封装置取付面４ａと上側ケーシング３５とに挟まれた状態で、該上側ケーシング３５と軸封装置取付面４ａに固定される。これにより、シール体３１が収容されるシール室３３ａがシールケーシング３３内に形成される。
【００２３】
吐出エルボ管４に形成された通孔４ｂは、中間ケーシング３６の内周面３６ａに沿って形成されている。すなわち、通孔４ｂは、中間ケーシング３６の内周面３６ａと同じ形状および同程度の大きさを有し、内周面３６ａに接続されている。シールケーシング３３のシール室３３ａは、下方に開放されており、吐出エルボ管４に形成された通孔４ｂを通じて、吐出エルボ管４の内部に連通する。
【００２４】
シール室３３ａは、シールケーシング３３の内部に形成される。より具体的には、上側ケーシング３５の下面３５ｂと、中間ケーシング３６の内周面３６ａと、によりシール室３３ａが形成される。シール体３１は、シール室３３ａにおいて回転軸６に固定される。上側ケーシング３５の下面３５ｂは、回転軸６の軸心に垂直な平面である。中間ケーシング３６の内周面３６ａは、回転軸６の外周面と同心状にある。シール室３３ａは、貫通孔３５ａに連通しており、貫通孔３５ａの下側に位置している。回転軸６は、シール室３３ａおよび貫通孔３５ａを通って鉛直方向に延びている。
【００２５】
シール体３１は、回転軸６の軸心に垂直な環状面である上面３１ａを有している。この上面３１ａは、シール体３１の回転により、該上面３１ａ上を流動する液体に対して、好適な遠心力を与えることができる表面として構成される。例えば、上面３１ａには、放射状に延びる複数の溝３７が形成されている。シール体３１の上面３１ａは、シール室３３ａを形成するシールケーシング３３の内面の１つである、上側ケーシング３５の下面３５ｂと隙間を介して対向している。
【００２６】
シール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間は、シール体３１の回転により、該隙間に必要十分な遠心力場が生じるようにシール体３１の回転速度、シール体３１の直径、および液体の動粘性を考慮して設定される。
【００２７】
図３Ａは、シール体３１の一実施形態を示す上面図であり、図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ線断面図である。図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、シール体３１の中央部には回転軸６が嵌挿される貫通孔３１ｂが形成されている。このシール体３１の上面３１ａには、シール体３１の内周面（すなわち、貫通孔３１ｂ）からシール体３１の外周面まで放射状に延びる複数の溝３７が形成される。図３Ａに示す実施形態では、溝３７は２４本形成されているが、溝３７の数は２４本よりも多くてもよいし、少なくてもよい。図３Ａおよび図３Ｂに示される実施形態では、溝３７は直線状に延びており、溝３７の幅は、その内端から外端まで一定である。言及するまでもないが、シール体３１の上面３１ａは、該上面３１ａ上を流動する液体へ遠心力を付加する目的を有するため、溝３７は、シール体３１の半径方向に対して傾斜してもよいし、直線状に延びていなくてもよい。さらに、溝３７の幅は、一定でなくてもよい。
【００２８】
吐出エルボ管４（図１参照）を吐出配管２０に向かって流れる液体の一部は、通孔４ｂを通って、シールケーシング３３のシール室３３ａに流入する。さらに、液体は、シール体３１の上面３１ａに形成された溝３７、およびシール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間を通って、シール体３１の中心に向かって（すなわち、回転軸６に向かって）、シール体３１の半径方向に流れようとする。しかしながら、回転するシール体３１の溝３７の作用により液体には周方向速度成分が生じるため、シール体３１の上面３１ａ上の液体、および溝３７内の液体には遠心力が発生する。その結果、上面３１ａ上の液体、および溝３７内の液体は、シール体３１の半径方向外側に向けて押し返される。さらに、シール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間が好適な寸法であるので、該隙間に存在する液体に遠心力を作用させることができる。その結果、シール体３１の上面３１aと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間に存在する液体、および溝３７内に存在する液体の全てに、半径方向外側への力が生じることになる。
【００２９】
このように、溝３７を有するシール体３１の回転により、シール体３１と上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間に遠心力場が形成されるため、この隙間に存在する液体の静圧は、シール体３１の上面３１ａの半径方向外側へ向かって上昇する。以下に、シール体３１の回転により発生した周方向速度成分（角速度成分）を持つ単位質量の液体に生じる慣性力（加速度ａ）を表す式（１）を示す。
ａ＝ｒω２      ・・・（１）
ただし、ｒはシール体３１の半径であり、ωはシール体３１の角速度である。
【００３０】
液体がシールケーシング３３の貫通孔３５ａを通過すること、すなわち液体がシールケーシング３３の外部に漏洩することを防止するためには、回転するシール体３１によってシール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間に発生する液体の静圧が、シール室３３ａ内に存在する液体の静圧と均衡するか、もしくはそれよりも大きければよい。シール体３１を、このような条件を満たす形状・寸法に設計することにより本発明の目的を達成することが可能である。シール体３１の回転速度はポンプの運転条件に依存するため、シール体３１の半径をポンプの仕様および運転条件に対して好適に設計し、さらに、液体がシール体３１の回転に伴って回転しやすい表面形状を上面３１ａに形成することにより、様々なポンプ、および使用条件に対応することが可能である。
【００３１】
シール体３１の上面３１ａは、該シール体３１の回転により、シール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間を流動する液体に遠心力を与えることができる表面として構成される。したがって、様々なポンプおよび運転条件に応じて、シール体３１の半径、およびシール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間が好適な寸法に設定されている場合には、シール体３１の上面３１ａは、溝３７がない平面であってもよい。
【００３２】
回転するシール体３１によって、シール体３１よりも下側に存在する液体にも周方向速度成分が生じるので、シール室３３ａ内に存在する液体に遠心力が作用し、液体の静圧が上昇する。シール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間に発生する液体の静圧と、シール室３３ａ内に存在する液体の静圧との差が小さくなると、液体がシールケーシング３３の外部に漏洩しやすくなる。本実施形態では、吐出エルボ管４に形成された通孔４ｂが中間ケーシング３６の内周面３６ａに沿って形成されているため、シール室３３ａは、吐出エルボ管４の内部に開放されている。したがって、シール体３１よりも下側に存在する液体の体積は、シール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂにより形成された隙間の体積に対して十分に大きいとみなすことができ、シール体３１の下側に存在する液体の周方向速度成分を十分に小さくすることができる。その結果、シール室３３ａに存在する液体は、シール体３１の回転によって影響を受けないか、もしくは極めて僅かに影響を受けると仮定することが可能である。
【００３３】
本実施形態の軸封装置３０は、シール体３１が他の部材に摺接しない非接触の軸封装置であるため、シール体３１が摩耗しない。したがって、軸封装置３０のメンテナンス頻度を大幅に低減させることができる。また、シール体３１は、非接触でシール機能を発揮するので、流体せん断力による熱のみが軸封装置３０で発生する。したがって、互いに摺接する構成部材を含む軸封装置と比較して、軸封装置３０で発生する熱量は極く僅かであり、冷却水、もしくはフラッシング液などの液体を軸封装置に供給するための付帯設備を別途設ける必要がない。さらに、メカニカルシールのように、回転リングと固定リング等の構成部材の表面を精密に仕上げ加工する必要がなく、正確な組立が要求されることもない。
【００３４】
図４Ａは、シール体３１の別の実施形態を示す上面図であり、図４Ｂは、図４ＡのＢ−Ｂ線断面図である。図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、シール体３１の上面３１ａには、シール体３１の内周面（すなわち、貫通孔３１ｂ）からシール体３１の外周面まで放射状に延びる複数の溝３７が形成される。図４Ａに示す実施形態では、溝３７は２４本形成されているが、溝３７の数は２４本よりも多くてもよいし、少なくてもよい。溝３７は、放射状に延びており、溝３７の幅は、シール体３１の半径方向外側へ向かうほど徐々に大きくなっている。このような溝３７が形成されたシール体３１も、該シール体３１の回転により上側ケーシング３５の下面３５ｂとシール体３１の上面３１ａとの間の隙間に存在する液体に効率的に遠心力を与え、該隙間に大きな遠心力場を形成することができる。言及するまでもないが、シール体３１の上面３１ａは、該上面３１ａ上を流動する液体へ遠心力を付加する目的を有するため、溝３７は、シール体３１の半径方向に対して傾斜してもよいし、直線状に延びていなくてもよい。さらに、溝３７の幅は、半径方向外側へ向かって徐々に大きくならなくてもよい。
【００３５】
図５Ａは、シール体３１のさらに別の実施形態を示す上面図であり、図５Ｂは、図５ＡのＣ−Ｃ線断面図である。本実施形態で特に説明しない構成は、図３Ａおよび図３Ｂに示すシール体３１の構成と同一であるため、その重複する説明を省略する。本実施形態でも、放射状に延びる複数の溝３７がシール体３１の上面３１ａに形成されるが、該溝３７の内端３７ａは、シール体３１の内周面（すなわち、貫通孔３１ｂ）に到達していない。すなわち、本実施形態の溝３７の内端３７ａは、シール体３１の内周面と外周面との間に位置する。溝３７の幅は、その内端３７ａから外端まで一定である。このような溝３７が形成されたシール体３１も、該シール体３１の回転により上側ケーシング３５の下面３５ｂとシール体３１の上面３１ａとの間の隙間に存在する液体に効率的に遠心力を与え、該隙間に大きな遠心力場を形成することができる。言及するまでもないが、シール体３１の上面３１ａは、該上面３１ａ上を流動する液体へ遠心力を付加する目的を有するため、溝３７は、シール体３１の半径方向に対して傾斜してもよいし、直線状に延びていなくてもよい。さらに、溝３７の幅は、一定でなくてもよい。
【００３６】
図６Ａは、シール体３１のさらに別の実施形態を示す上面図であり、図６Ｂは、図６ＡのＤ−Ｄ線断面図である。本実施形態で特に説明しない構成は、図４Ａおよび図４Ｂに示すシール体３１の構成と同一であるため、その重複する説明を省略する。本実施形態でも、放射状に延びる複数の溝３７がシール体３１の上面３１ａに形成されるが、該溝３７の内端３７ａは、シール体３１の内周面（すなわち、貫通孔３１ｂ）に到達していない。すなわち、本実施形態の溝３７の内端３７ａは、シール体３１の内周面と外周面との間に位置する。溝３７の幅は、シール体３１の半径方向外側へ向かうほど徐々に大きくなっている。このような溝３７が形成されたシール体３１も、該シール体３１の回転により上側ケーシング３５の下面３５ｂとシール体３１の上面３１ａとの間の隙間に存在する液体に効率的に遠心力を与え、該隙間に大きな遠心力場を形成することができる。言及するまでもないが、シール体３１の上面３１ａは、該上面３１ａ上を流動する液体へ遠心力を付加する目的を有するため、溝３７は、シール体３１の半径方向に対して傾斜してもよいし、直線状に延びていなくてもよい。さらに、溝３７の幅は、半径方向外側へ向かって徐々に大きくならなくてもよい。
【００３７】
図７は、別の実施形態に係る軸封装置３０を示す断面図である。本実施形態で特に説明しない構成は、図２に示す軸封装置３０の構成と同一であるため、その重複する説明を省略する。図７に示される軸封装置３０のシール体３１は、該シール体３１の半径方向外側に向かって下方に傾斜する上面（環状面）３１ａを有する。すなわち、シール体３１の上面３１ａは、回転軸６の軸心に垂直な面に対して下方に傾斜する。
【００３８】
本実施形態では、シール体３１の上面３１ａは、直線状に傾斜している。より具体的には、上側ケーシング３５の下面３５ｂは、回転軸６の軸心と平行な断面で見たときに、直線状に傾斜する。シール体３１の上面３１ａと隙間を介して対向する上側ケーシング３５の下面３５ｂは、シール体３１の上面３１ａに沿って延びている。より具体的には、上側ケーシング３５の下面３５ｂは、回転軸６の軸心と平行な断面で見たときに、シール体３１の上面３１ａと平行であり、同一の傾斜角度を有する。したがって、シール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間に形成される隙間の大きさ（すなわち、シール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の距離）は一定である。
【００３９】
図７に示されるように、シール体３１の上面３１ａには、複数の溝３７が形成される。図７に示される溝３７は、シール体３１の内周面（すなわち、貫通孔３１ｂ）からシール体３１の外周面まで放射状に延びる。図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明されたように、溝３７の幅はその内端から外端まで一定であってもよいし、図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明されたように、シール体３１の半径方向外側へ向かうほど徐々に大きくなってもよい。あるいは、図５Ａおよび図５Ｂ、または図６Ａおよび図６Ｂを参照して説明されたように、溝３７の内端３７ａがシール体３１の内周面と外周面との間に位置していてもよい。
【００４０】
本実施形態でも、シール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間は、シール体３１の回転により、該隙間に必要十分な遠心力場が生じるようにシール体３１の回転速度、シール体３１の直径、および液体の動粘性を考慮して設定される。
【００４１】
本実施形態では、回転するシール体３１の溝３７の作用により液体には周方向速度成分が生じるため、シール体３１の上面３１ａ上の液体、および溝３７内の液体には遠心力が発生する。さらに、シール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間が好適な寸法に設定されているので、該隙間に存在する液体に遠心力を作用させることができる。
【００４２】
上述したように、シール体３１の半径、およびシール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間が好適な寸法に設定されている場合には、シール体３１の上面３１ａには、溝３７が形成されなくてもよい。
【００４３】
図８は、図７に示される軸封装置３０の変形例を示す断面図である。本実施形態で特に説明しない構成は、図７に示す軸封装置３０の構成と同一であるため、その重複する説明を省略する。図８に示される軸封装置３０のシール体３１も、該シール体３１の半径方向外側に向かって下方に傾斜する上面（環状面）３１ａを有するが、この上面３１ａは、湾曲している。より具体的には、シール体３１の上面３１ａは、回転軸６の軸心と平行な断面で見たときに、曲線状に傾斜する。
【００４４】
上面３１ａの曲率は一定であってもよいし、徐々に変化してもよい。上面３１ａの曲率が一定である場合は、上面３１ａは円弧状に延びる。上面３１ａの曲率が徐々に変化する場合は、上面３１ａの曲率は、シール体３１の内周面（すなわち、貫通孔３１ｂ）からシール体３１の外周面まで徐々に大きくなってもよいし、徐々に小さくなってもよい。シール体３１の上面３１ａと隙間を介して対向する上側ケーシング３５の下面３５ｂは、シール体３１の上面３１ａに沿って延びている。すなわち、シール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間に形成される隙間の大きさ（すなわち、シール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の距離）が一定となるように、上側ケーシング３５の下面３５ｂは形成される。
【００４５】
図７または図８に示される軸封装置３０も、シール体３１が他の部材に摺接しない非接触の軸封装置であるため、シール体３１が摩耗しない。したがって、軸封装置３０のメンテナンス頻度を大幅に低減させることができる。また、シール体３１は、非接触でシール機能を発揮するので、流体せん断力による熱のみが軸封装置３０で発生する。したがって、互いに摺接する構成部材を含む軸封装置と比較して、軸封装置３０で発生する熱量は極く僅かであり、冷却水、もしくはフラッシング液などの液体を軸封装置に供給するための付帯設備を別途設ける必要がない。さらに、メカニカルシールのように、回転リングと固定リング等の構成部材の表面を精密に仕上げ加工する必要がなく、正確な組立が要求されることもない。
【００４６】
図９は、さらに別の実施形態に係る軸封装置３０を示す断面図である。本実施形態で特に説明しない構成は、図２に示す軸封装置３０の構成と同一であるため、その重複する説明を省略する。図９に示される軸封装置３０は、シール体３１の上方に設けられた、回転軸６と貫通孔３５ａとの間の隙間を封止する非接触式の上側シール構造体４５をさらに備えている。
【００４７】
図９に示されるように、上側ケーシング３５は、回転軸６の長手方向に沿って上方に延びる延長部３５ｃを有する。延長部３５ｃは、円筒形状を有しており、回転軸６を取り囲んでいる。回転軸６が貫通する貫通孔３５ａは、延長部３５ｃを含む上側ケーシング３５の内周面全体によって形成される。回転軸６の外周面にはスリーブ４７が固定されており、このスリーブ４７は、上側ケーシング３５の貫通孔３５ａを通って鉛直方向に延びている。スリーブ４７の外周面と貫通孔３５ａとの間には、隙間が形成される。
【００４８】
本実施形態の非接触式の上側シール構造体４５は、上側ケーシング３５の延長部３５ｃとスリーブ４７とで構成されるラビリンスシールである。非接触式の上側シール構造体４５は、ラビリンス構造を有しないフラットシールであってもよい。
【００４９】
ラビリンスシールのラビリンス構造は、例えば、貫通孔３５ａに形成された複数の平行溝（図示せず）である。ラビリンス構造を構成する複数の平行溝は、スリーブ４７の外周面に形成されてもよいし、貫通孔３５ａおよびスリーブ４７の外周面の両方に形成されてもよい。複数の平行溝は、互いに平行であり、各平行溝は、貫通孔３５ａおよび／またはスリーブ４７の外周面上で回転軸６の軸心と垂直な面内を延びる。隣接する平行溝の間の間隔は、等しくてもよいし、異なっていてもよい。さらに、平行溝の頂部の断面形状は任意である。例えば、平行溝の頂部は、三角形の断面形状を有していてもよいし、四角形の断面形状を有していてもよいし、台形の断面形状を有していてもよい。あるいは、平行溝の頂部は、丸められた断面形状（例えば、半球の断面形状）を有していてもよい。
【００５０】
ラビリンス構造を構成する溝は、貫通孔３５ａおよび／またはスリーブ４７の外周面上で螺旋状に延びるねじ溝であってもよい。螺旋状に延びるねじ溝の回転方向は、好ましくは、回転軸６を回転させたときに、液体をシール室３３ａに押し返すポンプ作用を発揮する方向である。すなわち、ねじ溝は、回転軸６の回転方向とは反対方向に螺旋状に延びるのが好ましい。ねじ溝のピッチ、および条数は任意である。例えば、１本のねじ溝を貫通孔３５ａおよび／またはスリーブ４７の外周面上に不等ピッチで形成してもよいし、多条のねじ溝を貫通孔３５ａおよび／またはスリーブ４７の外周面上に形成してもよい。ねじ溝の頂部の形状は任意である。例えば、ねじ溝の頂部は、三角形の断面形状を有していてもよいし、四角形の断面形状を有していてもよいし、台形の断面形状を有していてもよい。あるいは、ねじ溝の頂部は、丸められた断面形状（例えば、半球の断面形状）を有していてもよい。
【００５１】
さらに、軸封装置３０は、上側シール構造体４５を取り囲む漏液カバー４８を有する。漏液カバー４８は、上側ケーシング３５の上面に固定される。漏液カバー４８の側壁には、該漏液カバー４８の内部空間４８ａを外部に連通させる開口４８ｂが設けられ、この開口４８ｂによって、内部空間４８ａと漏液カバー４８の外部とが連通する。さらに、この開口４８ｂには、漏液管４９が接続される。漏液管４９は、吸込水槽５（図１参照）内にまで延びており、漏液管４９の先端は吸込水槽５内の液面の上方に位置している。一実施形態では、漏液管４９の先端はポンプ据付床２２（図１参照）に形成された側溝（図示せず）の上方に位置していてもよい。漏液管４９から側溝に流れた液体は、該側溝を介して吸込水槽５に戻されてもよいし、図示しないタンクなどの回収容器に回収されてもよい。漏液カバー４８に、複数の開口４８ｂを設けてもよい。この場合、各開口４８ｂに漏液管４９が接続される。
【００５２】
シールケーシング３３のシール室３３ａ内に存在する液体の圧力が、シール体３１の回転によって上側ケーシング３５の下面３５ｂとシール体３１の上面３１ａとの間の隙間に存在する液体へ与える遠心力よりも高い場合は、液体は上側シール構造体４５まで到達する。この場合、液体は、上側シール構造体４５を通過する際に減圧され、漏液カバー４８の内部空間４８ａに流入する。
【００５３】
漏液カバー４８の内部空間４８ａは、開口４８ｂを介して漏液管４９に接続され、漏液管４９の先端は、吸込水槽５内で大気に連通しているので、内部空間４８ａに漏れた液体は、吸込水槽５に戻される。したがって、漏液カバー４８から液体が漏洩することが防止される。漏液管４９の先端がポンプ据付床２２（図１参照）に形成された側溝（図示せず）の上方に位置している場合は、漏液管４９の先端は、側溝の上方で大気に連通しているので、内部空間４８ａに漏れた液体は、側溝を介して吸込水槽５に戻されるか、または回収タンクに回収される。
【００５４】
図９に示されるように、漏液カバー４８の内部空間４８ａ内で、回転軸６に水切板５０を固定してもよい。水切板５０は上側シール構造体４５の上方に配置されている。上側シール構造体４５を通過した液体が水切板５０に衝突することにより、液体の移動方向を側方または下方に変更させることができる。
【００５５】
上側シール構造体４５は、回転軸６と一体的に回転するスリーブ４７が上側ケーシング３５に接触しない非接触型シールである。したがって、スリーブ４７および上側ケーシング３５は摩耗せず、上側シール構造体４５のメンテナンス頻度を大幅に下げることができる。さらに、上側シール構造体４５は非接触でシール機能を発揮するので、摩擦熱が発生せず、冷却水およびフラッシング液などの液体を上側シール構造体４５に供給する必要もない。
【００５６】
上側シール構造体４５は、回転するシール体３１によってシール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間に発生する液体の静圧が、シール室３３ａ内に存在する液体の静圧よりも小さい場合でも、液体が軸封装置３０の外部に漏洩することを防止する補助シールとして機能する。一実施形態では、シール体３１の形状・寸法、および／または上側シール構造体４５の形状を適切に設計することにより、上側シール構造体４５を通過する液体の量を調整してもよい。
【００５７】
図１０は、さらに別の実施形態に係る軸封装置３０を示す断面図である。本実施形態で特に説明しない構成は、図２に示す軸封装置３０の構成と同一であるため、その重複する説明を省略する。図１０に示される軸封装置３０のシールケーシング３３は、上述した上側ケーシング３５と中間ケーシング３６だけでなく、下側ケーシング３４を備える。なお、以下の説明では、上側ケーシング３５の貫通孔３５ａを上側貫通孔３５ａと称し、上側ケーシング３５の延長部３５ｃを上側延長部３５ｃと称する。
【００５８】
下側ケーシング３４は、回転軸６が貫通する下側貫通孔３４ａを有しており、下側貫通孔３４ａの中心線は、回転軸６の軸心に一致する。中間ケーシング３６は、円筒形状の内周面３６ａを有している。中間ケーシング３６は、下側ケーシング３４と上側ケーシング３５とに挟まれた状態で、該下側ケーシング３４と上側ケーシング３５に固定される。これにより、シール体３１が収容されるシール室３３ａがシールケーシング３３内に形成される。
【００５９】
本実施形態では、シール室３３ａは、上側ケーシング３５の下面３５ｂと、中間ケーシング３６の内周面３６ａと、下側ケーシング３４の上面３４ｂとにより形成される。シール体３１は、シール室３３ａの内部で回転軸６に固定される。上側ケーシング３５の下面３５ｂおよび下側ケーシング３４の上面３４ｂは、回転軸６に垂直な平面であり、中間ケーシング３６の内周面３６ａは、回転軸６の外周面と同心状にある。シール室３３ａは、下側貫通孔３４ａおよび上側貫通孔３５ａに連通しており、シール室３３ａは下側貫通孔３４ａと上側貫通孔３５ａとの間に位置している。回転軸６は、下側貫通孔３４ａ、シール室３３ａ、および上側貫通孔３５ａを通って鉛直方向に延びている。
【００６０】
本実施形態では、下側ケーシング３４は、回転軸６の長手方向に沿って下方に延びる下側延長部３４ｃを有する。下側延長部３４ｃは、円筒形状を有しており、回転軸６を取り囲んでいる。回転軸６が貫通する下側貫通孔３４ａは、延長部３４ｃを含む下側ケーシング３４の内周面全体によって形成される。
【００６１】
図１０に示されるように、軸封装置３０は、吐出エルボ管４に形成された通孔４ｂを塞ぐように、吐出エルボ管４の軸封装置取付面４ａ上に固定される。本実施形態では、下側ケーシング３４の下面が軸封装置取付面４ａに連結される。
【００６２】
さらに、回転軸６の外周面にはスリーブ４１が固定されており、このスリーブ４１は、下側ケーシング３４の下側貫通孔３４ａを通って鉛直方向に延びている。スリーブ４１の外周面と下側貫通孔３４ａとの間には、隙間が形成される。
【００６３】
本実施形態では、下側ケーシング３４の下側延長部３４ｃとスリーブ４１とで、下側シール構造体４０が構成される。下側シール構造体４０は、ラビリンス構造を有するラビリンスシールであってもよいし、ラビリンス構造を有しないフラットシールであってもよい。
【００６４】
ラビリンスシールのラビリンス構造は、例えば、下側貫通孔３４ａに形成された複数の平行溝（図示せず）である。ラビリンス構造を構成する複数の平行溝は、スリーブ４１の外周面に形成されてもよいし、下側貫通孔３４ａおよびスリーブ４１の外周面の両方に形成されてもよい。複数の平行溝は、互いに平行であり、各平行溝は、下側貫通孔３４ａおよび／またはスリーブ４１の外周面上で回転軸６の軸心と垂直な面内を延びる。隣接する平行溝の間の間隔は、等しくてもよいし、異なっていてもよい。さらに、平行溝の頂部の断面形状は任意である。例えば、平行溝の頂部は、三角形の断面形状を有していてもよいし、四角形の断面形状を有していてもよいし、台形の断面形状を有していてもよい。あるいは、平行溝の頂部は、丸められた断面形状（例えば、半球の断面形状）を有していてもよい。
【００６５】
ラビリンス構造を構成する溝は、下側貫通孔３４ａおよび／またはスリーブ４１の外周面上で螺旋状に延びるねじ溝であってもよい。螺旋状に延びるねじ溝の回転方向は、好ましくは、回転軸６を回転させたときに、液体を吐出エルボ管４に形成された通孔４ｂに押し返すポンプ作用を発揮する方向である。すなわち、ねじ溝は、回転軸６の回転方向とは反対方向に螺旋状に延びるのが好ましい。ねじ溝のピッチ、および条数は任意である。例えば、１本のねじ溝を下側貫通孔３４ａおよび／またはスリーブ４１の外周面上に不等ピッチで形成してもよいし、多条のねじ溝を下側貫通孔３４ａおよび／またはスリーブ４１の外周面上に形成してもよい。ねじ溝の頂部の形状は任意である。例えば、ねじ溝の頂部は、三角形の断面形状を有していてもよいし、四角形の断面形状を有していてもよいし、台形の断面形状を有していてもよい。あるいは、ねじ溝の頂部は、丸められた断面形状（例えば、半球の断面形状）を有していてもよい。
【００６６】
シールケーシング３３の側壁、より具体的には、中間ケーシング３６には、シール室３３ａに連通する開口３３ｂが形成されている。この開口３３ｂは、シール室３３ａからシールケーシング３３の外面（すなわち、中間ケーシング３６の外面）まで延びている。図１０に示される開口３３ｂは、回転軸６の径方向に延びている。一実施形態では、開口３３ｂは、回転軸６の径方向に対して上方または下方に延びてもよい。あるいは、開口３３ｂは、回転軸６の径方向に対して斜めに延びてもよい。この開口３３ｂによって、シール室３３ａとシールケーシング３３の外部とが連通する。開口３３ｂには、ドレイン管４３が接続されている。ドレイン管４３は、吸込水槽５（図１参照）内にまで延びており、ドレイン管４３の先端は吸込水槽５内の液面の上方に位置している。
【００６７】
一実施形態では、ドレイン管４３の先端はポンプ据付床２２（図１参照）に形成された側溝（図示せず）の上方に位置していてもよい。ドレイン管４３から側溝に流れた液体は、該側溝を介して吸込水槽５に戻されてもよいし、図示しないタンクなどの回収容器に回収されてもよい。
【００６８】
複数の開口３３ｂを設けてもよい。この場合、隣接する開口３３ｂの間の間隔は、任意である。例えば、シールケーシング３３の内周面３６ａの周方向に１８０°離れた２つの開口３３ｂをシールケーシング３３の側壁に設けてもよいし、シールケーシング３３の内周面３６ａの周方向に９０°離れた４つの開口３３ｂをシールケーシング３３の側壁に設けてもよい。複数の開口３３ｂが設けられる場合は、各開口３３ｂにドレイン管４３が接続される。
【００６９】
吐出エルボ管４（図１参照）を吐出配管２０に向かって流れる液体の一部は、通孔４ｂを通って、下側シール構造体４０に流入する。さらに、液体は、下側シール構造体４０を通過してシール室３３ａに流入する。液体は、下側シール構造体４０を通過する際に減圧される。下側シール構造体４０を通過してシール室３３ａに到達した液体は、シールケーシング３３の側壁に設けられた開口３３ｂを通ってドレイン管４３に流入し、吸込水槽５に戻される。シール室３３ａに到達した液体は、大気と連通するドレイン管４３を通って吸込水槽５に戻されるので、シールケーシング３３のシール室３３ａ内の液体の圧力は低下する。したがって、液体の漏洩を防止するためにシール体３１が発生すべき液体の圧力は、図２に示した実施形態よりも低くなる。その結果、本実施形態の軸封装置３０は、図２に示した軸封装置３０と比較して、より高圧の液体の漏洩を防止することができる。さらに、本実施形態の軸封装置３０と、図２に示した軸封装置３０とを比較すると、シール体３１の直径を小さくすることができるので、軸封装置３０の大きさ（特に、回転軸６の軸心に対して垂直な方向における軸封装置３０の大きさ）を減少させることができる。
【００７０】
本実施形態では、開口３３ｂの数、および／または開口３３ｂの直径の大きさを変更することにより、シール室３３ａ内の液体の圧力を調整することができる。したがって、シール室３３ａ内の液体の圧力が、回転するシール体３１によって該シール体３１の上面３１ａを流動する液体に与えられる遠心力よりも小さくなるように、開口３３ｂの数、および／または開口３３ｂの直径の大きさを設計することにより、液体がシールケーシング３３の上側貫通孔３５ａを通過することを防止することができる。
【００７１】
本実施形態では、回転するシール体３１によって、シール室３３ａ内でシール体３１よりも下側に存在する液体にも周方向速度成分が生じる。したがって、シール室３３ａ内でシール体３１よりも下側に存在する液体にも遠心力が作用し、シール室３３ａ内の液体の静圧が上昇する。シール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間に発生する液体の静圧と、シール室３３ａ内に存在する液体の静圧との差が小さくなると、液体がシールケーシング３３の外部に漏洩しやすくなる。したがって、シール体３１よりも下側に存在する液体の体積を、シール体３１の上面３１ａと上側ケーシング３５の下面３５ｂとの間の隙間の体積よりも十分に大きくするのが好ましい。例えば、シール体３１の下面と下側ケーシング３４の上面３４ｂとの間の距離を増加させることにより、シール体３１よりも下側に存在する液体の体積を増加させることができる。
【００７２】
下側シール構造体４０は、回転軸６と一体的に回転するスリーブ４１が下側ケーシング３４に接触しない非接触型シールである。したがって、スリーブ４１および下側ケーシング３４は摩耗せず、下側シール構造体４０のメンテナンス頻度を大幅に下げることができる。さらに、下側シール構造体４０は非接触でシール機能を発揮するので、摩擦熱が発生せず、冷却水およびフラッシング液などの液体を下側シール構造体４０に供給する必要もない。
【００７３】
図１１は、さらに別の実施形態に係る軸封装置３０を示す断面図である。本実施形態で特に説明しない構成は、図１０に示す軸封装置３０の構成と同一であるため、その重複する説明を省略する。図１１に示される軸封装置３０では、図１０に示される軸封装置３０に、図９を参照して説明された上側シール構造体４５が取り付けられている。したがって、本実施形態の上側シール構造体４５の構成は、図９に示される上側シール構造体４５の構成と同一であるため、上側シール構造体４５の詳細な説明を省略する。
【００７４】
図１１に示されるように、本実施形態の軸封装置３０のシールケーシング３０も、上側ケーシング３５、下側ケーシング３４、および上側ケーシング３５と下側ケーシング３５に挟まれる中間ケーシング３６を備える。シール体３１は、上側ケーシング３５の下面３５ｂと、中間ケーシング３６の内周面３６ａと、下側ケーシング３４の上面３４ｂとによって形成されるシール室３３ａの内部で回転軸６に固定される。
【００７５】
上側ケーシング３５は、回転軸６の長手方向に沿って上方に延びる上側延長部３５ｃを有し、回転軸６が貫通する上側貫通孔３５ａは、上側延長部３５ｃを含む上側ケーシング３５の内周面全体によって形成されている。回転軸６の外周面にはスリーブ４７が固定されており、このスリーブ４７は、上側ケーシング３５の上側貫通孔３５ａを通って鉛直方向に延びている。スリーブ４７の外周面と上側貫通孔３５ａとの間には、隙間が形成される。上述したように、本実施形態の非接触式の上側シール構造体４５は、上側ケーシング３５の上側延長部３５ｃとスリーブ４７とで構成されるラビリンスシール、またはフラットシールである。
【００７６】
下側ケーシング３４は、回転軸６の長手方向に沿って下方に延びる下側延長部３４ｃを有し、回転軸６が貫通する下側貫通孔３４ａは、下側延長部３４ｃを含む下側ケーシング３４の内周面全体によって形成されている。回転軸６の外周面にはスリーブ４１が固定されており、このスリーブ４１は、下側ケーシング３４の下側貫通孔３４ａを通って鉛直方向に延びている。スリーブ４１の外周面と下側貫通孔３４ａとの間には、隙間が形成される。上述したように、本実施形態の非接触式の下側シール構造体４０は、下側ケーシング３４の下側延長部３４ｃとスリーブ４１とで構成されるラビリンスシール、またはフラットシールである。回転軸６は、下側貫通孔３４ａ、シール室３３ａ、および上側貫通孔３５ａを通って鉛直方向に延びている。
【００７７】
本実施形態によれば、下側シール構造体４０を通過してシール室３３ａに流入した液体は、下側シール構造体４０を通過する際に減圧される。さらに、下側シール構造体４０を通過してシール室３３ａに到達した液体の一部は、シールケーシング３３の側壁に設けられた開口３３ｂを通ってドレイン管４３に流入し、吸込水槽５に戻される。シール室３３ａに到達した液体の一部が大気と連通するドレイン管４３を通って吸込水槽５に戻されるので、シールケーシング３３のシール室３３ａ内の液体の圧力は低下する。したがって、液体の漏洩を防止するためにシール体３１が発生すべき液体の圧力を低下させることができる。
【００７８】
さらに、シールケーシング３３のシール室３３ａ内に存在する減圧された液体の圧力が、シール体３１の回転によって上側ケーシング３５の下面３５ｂとシール体３１の上面３１ａとの間の隙間に存在する液体へ与える遠心力よりも高くても、液体は、上側シール構造体４５を通過する際にさらに減圧され、漏液カバー４８の内部空間４８ａに流入する。しかしながら、漏液カバー４８の内部空間４８ａに流入した液体は、漏液管４９を介して吸込水槽５に戻される。したがって、この軸封装置３０によって、該軸封装置３０から液体が漏洩することを確実に防止することができる。一実施形態では、シール体３１の形状・寸法、上側シール構造体４５の形状、および下側シール構造体４０の形状を適切に設計することにより、液体がシールケーシング３３の上側貫通孔３５ａを通過することを防止することができる。あるいは、シール体３１の形状・寸法、上側シール構造体４５の形状、および下側シール構造体４０の形状を適切に設計することにより、上側シール構造体４５を通過する液体の量を調整してもよい。
【００７９】
図示はしないが、図９、図１０、または図１１に示されるシール体３１の上面３１ａを、該シール体３１の半径方向外側に向かって下方に傾斜させてもよい（図７参照）。同様に、図９、図１０、または図１１に示されるシール体３１の上面３１ａを、該シール体３１の半径方向外側に向かって下方に傾斜させるとともに、湾曲させてもよい（図８参照）。
【００８０】
本実施形態の軸封装置３０は、シール体３１が他の部材に摺接しない非接触の軸封装置であるため、シール体３１が摩耗しない。したがって、軸封装置３０のメンテナンス頻度を大幅に低減させることができる。また、シール体３１は、非接触でシール機能を発揮するので、流体せん断力による熱のみが軸封装置３０で発生する。したがって、互いに摺接する構成部材を含む軸封装置と比較して、軸封装置３０で発生する熱量は極く僅かであり、冷却水、もしくはフラッシング液などの液体を軸封装置に供給するための付帯設備を別途設ける必要がない。さらに、メカニカルシールのように、回転リングと固定リング等の構成部材の表面を精密に仕上げ加工する必要がなく、正確な組立が要求されることもない。
【００８１】
さらに、上側シール構造体４５は、回転軸６と一体的に回転するスリーブ４７が上側ケーシング３５に接触しない非接触型シールである。同様に、下側シール構造体４０は、回転軸６と一体的に回転するスリーブ４１が下側ケーシング３４に接触しない非接触型シールである。したがって、上側シール構造体４５および下側シール構造体４０のメンテナンス頻度を大幅に下げることができる。さらに、上側シール構造体４５および下側シール構造体４０は、非接触でシール機能を発揮するので、接触による摩擦熱が発生せず、冷却水およびフラッシング液などの液体を上側シール構造体４５および下側シール構造体４０に供給する必要もない。
【００８２】
上述した実施形態において、軸封装置３０のシール体３１は、他の部材に接触しないので、シール体３１の摩耗粉が発生しない。同様に、上側シール構造体４５および下側シール構造体４０も非接触型のシールであるため、上側シール構造体４５および下側シール構造体４０から摩耗粉が発生しない。したがって、上述した実施形態に係る軸封装置３０を、厳しい品質が要求される液体（例えば、飲料水）を移送する立軸ポンプに取り付けることができる。
【００８３】
図１１に示される軸封装置３０を用いて、上側シール構造体４５を通過する液体の量を計測する実験を行った。実験に用いた軸受装置３０は、所定の圧力に設定された水を貯めたタンクに接続され、回転軸６を回転させたときに、漏液管４９から排出される水の量を計測した。さらに、比較例１として、溝３７が上面３１ａではなく下面に形成されたシール体３１が取り付けられた回転軸６を回転させたときに、漏液管４９から排出される水の量を計測した。さらに、比較例２として、シール体３１が回転軸６に取り付けられていない軸封装置３０を用いて、漏液管４９から排出される水の量を計測した。以下の説明では、上側シール構造体４５を通過して、漏液管４９から排出された液体の量を、実験の説明の便宜上、「通過量」と称する。
【００８４】
図１２は、圧力Ｐ１を有する水が貯められたタンクに軸封装置３０を取り付けて、回転軸６を回転させたときの通過量を示すグラフであり、図１３は、圧力Ｐ２を有する水が貯められたタンクに軸封装置３０を取り付けて、回転軸６を回転させたときの通過量を示すグラフである。
【００８５】
圧力Ｐ１は圧力Ｐ２よりも小さい（Ｐ１＜Ｐ２）。図１２および図１３において、縦軸は液体の通過量（すなわち、漏液管４９から排出される水の量）を表し、横軸は回転軸６の回転速度を表す。
【００８６】
図１２および図１３において、細い実線は、溝３７が形成されていないシール体３１が回転軸６に取り付けられた軸封装置３０における液体の通過量を表し、太い実線は、溝３７が上面３１ａに形成されているシール体３１が回転軸６に取り付けられた軸封装置３０における液体の通過量を表す。シール体３１の上面３１ａに形成された溝３７は、シール体３１の内周面から外周面まで延びている。図１２および図１３において、一点鎖線は、比較例１の実験結果を表す。すなわち、一点鎖線は、溝３７が下面に形成されているシール体３１が回転軸６に取り付けられた軸封装置３０における液体の通過量を表す。シール体３１の下面に形成された溝３７は、シール体３１の内周面から外周面まで延びている。図１２および図１３において、二点鎖線は、比較例２の実験結果を表す。すなわち、二点鎖線は、シール体３１が回転軸６に取り付けられていない軸封装置３０における液体の通過量を表す。上側シール構造体４５は、上側延長部３５ｃに等間隔で形成された複数の平行溝を有するラビリンスシールであり、下側シール構造体４０は、下側延長部３４ｃに等間隔で形成された複数の平行溝を有するラビリンスシールである。
【００８７】
図１２および図１３に示されるように、シール体３１が回転軸６に取り付けられていない軸封装置３０の通過量は、溝３７が形成されていないシール体３１が回転軸６に取り付けられている軸封装置３０の通過量、溝３７が上面３１ａに形成されているシール体３１が回転軸６に取り付けられている軸封装置３０の通過量、および溝３７が下面に形成されているシール体３１が回転軸６に取り付けられている軸封装置３０の通過量よりも大きい。これらの実験結果は、回転するシール体３１によって、シール体３１の上面３１ａを流動する液体をシール体３１の半径方向外側に向けて押し返す遠心力が作用し、これにより、液体の通過量が減少することを示している。さらに、シール体３１の上面３１ａに溝３７が形成されている軸封装置３０の通過量は、シール体３１の上面３１ａに溝３７が形成されていない軸封装置３０の通過量よりも小さい。したがって、シール体３１の上面３１ａに溝３７を形成すると、回転するシール体３１によって、シール体３１の上面３１ａを流動する液体に作用する遠心力が増加し、これにより、液体の通過量が減少することが分かる。
【００８８】
図１２および図１３において、シール体３１の上面３１ａに溝３７が形成されている軸封装置３０の通過量は、シール体３１の下面に溝３７が形成されている軸封装置３０の通過量よりも小さい。このように、溝３７が上面３１ａに形成されたシール体３１は、溝３７が下面に形成されたシール体３１よりも、液体の通過量を減少させることができる。
【００８９】
回転軸６の回転速度が増加すると、液体の通過量が低下する。この理由は、回転するシール体３１によって、シール体３１の上面３１ａを流動する液体に作用する遠心力も増加するからである。特に、シール体３１の上面３１ａに溝３７が形成されている軸封装置３０の場合は、回転軸６の回転速度の増加率に対して、液体の通過量の減少率が大きい。したがって、シール体３１（特に、溝３７が上面３１ａに形成されたシール体３１）を回転軸６に取り付けることによって、回転軸６が高速で回転したときの液体の通過量を減少させることができる。さらに、図１２を参照すると、シール体３１の上面３１ａに溝３７が形成されている軸封装置３０の通過量は、回転軸６の回転速度がｒ１以上のときに０である。すなわち、シール体３１の上面３１ａに溝３７が形成されている軸封装置３０では、回転軸６の回転速度がｒ１以上のときに、液体が上側シール構造体４０を通過することが防止される。このように、シール体３１の形状・寸法を、回転軸６の回転速度などのポンプの運転条件に応じて適切に設計することにより、液体の通過量を０にすることができる。
【００９０】
図１２および図１３の比較から、タンクに貯められた水の圧力が増加すると、液体の通過量が増加することが分かる。タンクに貯められた水の圧力は、吐出エルボ管４（図１参照）を流れる液体の圧力に相当する。上述したように、シール体３１の形状・寸法、上側シール構造体４５の形状、および下側シール構造体４０の形状をポンプの運転条件に応じて適切に設計することにより、上側シール構造体４５を通過する液体の量（すなわち、液体の通過量）を調整することができる。あるいは、シール体３１の形状・寸法、上側シール構造体４５の形状、および下側シール構造体４０の形状を適切に設計することにより、液体が上側シール構造体４５を通過することを防止することができる（すなわち、液体の通過量＝０）。
【００９１】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、回転軸が貫通する容器の軸貫通部から液体が漏洩するのを防止する軸封装置に利用可能である。また、本発明は、この軸封装置を備えた立軸ポンプに利用可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１    インペラケーシング
２    ポンプケーシング
３    揚水管
４    吐出エルボ管
５    吸込水槽
６    回転軸
１０    羽根車
１１    外軸受
１２    水中軸受
１５    中間軸受
２０    吐出配管
２２    ポンプ据付床
２３    据付用ベース
２５    仕切弁
３０    軸封装置
３１    シール体
３３    シールケーシング
３４    下側ケーシング
３５    上側ケーシング
３６    中間ケーシング
３７    溝
４０    下側シール構造体
４１    スリーブ
４３    ドレイン管
４５    上側シール構造体
４７    スリーブ
４８    漏液カバー
４９    漏液管
５０    水切板
１００    吐出水槽
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
2017022851.tif 000011
【図６Ｂ】
2017022851.tif 000012
【図７】
2017022851.tif 000013
【図８】
2017022851.tif 000014
【図９】
2017022851.tif 000015
【図１０】
2017022851.tif 000016
【図１１】
2017022851.tif 000017
【図１２】
2017022851.tif 000018
【図１３】
2017022851.tif 000019
【国際調査報告】
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2017022851.tif 000021
2017022851.tif 000022
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