(57)【要約】【課題】本発明は、摺動部に作用する負荷を小さくして寿命を長くするとともに、機内流体の大気漏れがなく、機内流体の回収を不要にすることができる軸封装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の軸封装置は、第１に、シールケースとその内周に挿通された回転軸との間に軸方向に３段のシールを配置し、前記３段のシールのうち機内側の第１段シールおよび機外側の第３段シールは回転側密封要素と静止側密封要素が互いに密接摺動される接触式メカニカルシール構造であり、前記３段のシールのうち中間の第２段シールは回転側密封要素と静止側密封要素とが動圧により互いに非接触状態になる非接触式メカニカルシール構造であり、前記第１段シールから第２段シールに至るシールケースで囲われた環状空間に機内流体の圧力より高圧のシール液を供給することを特徴としている。【選択図】図１
2009107440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールケースとその内周に挿通された回転軸との間に軸方向に３段のシールを配置し、前記３段のシールのうち機内側の第１段シールおよび機外側の第３段シールは回転側密封要素と静止側密封要素が互いに密接摺動される接触式メカニカルシール構造であり、前記３段のシールのうち中間の第２段シールは回転側密封要素と静止側密封要素とが動圧により互いに非接触状態になる非接触式メカニカルシール構造であることを特徴とする軸封装置。
【請求項２】
前記第１段シールから第２段シールに至るシールケースで囲われた第１環状空間に機内流体の圧力より高圧のシール液を供給す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】
第１環状空間に供給されるシール液の圧力をｐ２、機内流体の圧力をｐ１とすると、該シール液の圧力ｐ２は、
ｐ１＋０．０５ＭＰａ≦ｐ２≦ｐ１＋０．５ＭＰａ
の範囲に設定されることを特徴とする請求項２に記載の軸封装置。
【請求項４】
前記第２段シールの内周空間に連通する前記第３段シール外周のシールケースで囲われた第２環状空間に冷却液を循環させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の軸封装置。
【請求項５】
冷却液の圧力をｐ３とすると、該冷却液の圧力ｐ３は、
大気圧＜ｐ３＜０．２ＭＰａ
の範囲に設定され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】
前記回転軸の外面と該回転軸に嵌合固定されるスリーブの内面との間に機内流体の圧力より高圧の前記シール液を供給することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の軸封装置。
【請求項７】
前記第１環状空間と、回転軸の外面とスリーブの内面との間に、シール液の導通孔が穿設されていることを特徴とする請求項６に記載の軸封装置。
【請求項８】
前記回転軸の外面とスリーブの内面との間において、導通孔と機内側との間に位置してＯリングが配置されていることを特徴とする請求項７に記載の軸封装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧流体を確実に密封するために使用される軸封装置、例えば超臨界流体、特に二酸化炭素の超臨界流体を扱う装置にも適応可能な軸封装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から最も一般的に使われる形式の軸封装置として、例えば図７に示すような接触摺動面を１つ有する接触シングル形メカニカルシールが知られている（以下「従来技術１」という。）。この接触シングル形メカニカルシールは、回転軸１と一体的に回転可能な状態でかつ軸方向に移動可能な状態で設けられた回転側密封要素２と、シールケース３側に非回転状態で設けられた静止側密封要素４が、回転側密封要素２を軸方向に付勢するスプリング５によって、互いの対向端面同士で密接摺動するようになっている。
ところが、この接触シングル形メカニカルシールを、高圧流体の軸封装置として用いると、摺動部６に作用する負荷が大となり、摺動部６の摩耗が大きく、良好な密封性能を維持できる期間が短いという問題があった。また、機内の流体圧力の方が機外の圧力よりも高いことから機内の流体が機外に漏れ出す危険性を有していた。【０００３】
また、図８に示すような接触摺動面を２つ有する接触ダブル形メカニカルシールが知られている（以下「従来技術２」という。）。この接触ダブル形メカニカルシールは、回転軸１と一体的に回転可能な状態で軸方向外向きに設けられた２つの回転側密封要素２と、シールケース３側に非回転状態でかつ軸方向に移動可能な状態で前記２つの回転側密封要素２のそれぞれに対向するように設けられた２つの静止側密封要素４が、静止側密封要素４を軸方向に付勢するスプリング５によって、互いの対向端面同士で密接摺動するようになっている。また、機内の流体の漏れを防止するため２つの摺動部６の中間には機内の流体の圧力よりも高圧のシール液が充填されている。
この接触ダブル形メカニカルシールにおいては、２つの摺動部６の中間に機内の流体の圧力より高圧のシール液を充填することから、機内側の摺動部６に作用する負荷はシール液と機内の流体との圧力差の分だけで小さいが、機外側の摺動部７に作用する負荷は従来技術１のそれよりも大きくなる。このため、摺動部７の摩耗が大きく、良好な密封性能を維持できる期間が短いという問題があった。また、シール液が多量に機外に放出される可能性があり、好ましいものではなかった。【０００４】
さらに、図９に示すような接触摺動面を２つ有し、各々のシールが同じ方向を向いた接触タンデム形メカニカルシールが知られている（以下「従来技術３」という。）。この接触タンデム形メカニカルシールは、回転軸１と一体的に回転可能な状態で設けられた２つの回転側密封要素２と、シールケース３側に非回転状態でかつ軸方向に移動可能な状態で前記２つの回転側密封要素２に同じ方向で対向するように設けられた２つの静止側密封要素４が、静止側密封要素４を軸方向に付勢するスプリング５によって、互いの対向端面同士で密接摺動するようになっている。
この接触タンデム形メカニカルシールは、一般に高圧用または機内流体回収用として用いられるもので、高圧用の場合には、機内側のシールと機外側のシールとで機内流体の圧力を二分して、個々の摺動部６に作用する負荷を低減するようになっている。
しかし、機内の流体の圧力が一番高く設定されることから、機内の流体として液化二酸化炭素が用いられた場合など、該二酸化炭素が大気に漏れる可能性を有しており、長期間使用された場合など摺動部６の損耗による影響が顕著となる。また、機内側のシールと機外側のシールとの間に漏洩した二酸化炭素を回収する必要がある。【０００５】
さらにまた、図１０に示すように接触形メカニカルシールと非接触形メカニカルシールとを組合わせた接触・非接触形メカニカルシールが知られている（以下「従来技術４」という。例えば特許文献１参照。）。この接触・非接触形メカニカルシールは、機外側において、回転軸１と一体的に回転可能な状態で設けられた回転側密封要素２と、シールケース３側に非回転状態でかつ軸方向に移動可能な状態で設けられた静止側密封要素４が、静止側密封要素４を軸方向に付勢するスプリング５によって、互いの対向端面同士で密接摺動するようになっている接触形メカニカルシールと、機内側において、回転軸１と一体的に回転可能な状態で設けられた回転側密封要素７と、シールケース３側に非回転状態でかつ軸方向に移動可能な状態で設けられた静止側密封要素８が、互いの対向端面同士が動圧により非接触状態になる非接触形メカニカルシールとからなっている。
この接触・非接触形メカニカルシールにおいては、機内の流体圧力が高い場合でも、機内側に非接触形メカニカルシールを配置していることからシール部分に作用する負荷は小さく、また、非接触形メカニカルシールにより大きな圧力降下を生じさせることができるから、機外側に配置された接触形メカニカルシールの摺動部６に作用する負荷を小さくすることができる。
しかし、機内側に配置された非接触形メカニカルシールは、動圧により回転側密封要素７と静止側密封要素８はスプリング５による押付け力に抗して僅かに離れ、回転側密封要素７と静止側密封要素８との端面間に微少な隙間が形成され、この隙間において機内の流体を漏洩しながらシール機能を果たすものであるから、機内の流体は２つのメカニカルシールの間に充満し、その一部は機外側の接触形メカニカルシールから大気中に漏洩する可能性がある。超臨界二酸化炭素を扱う装置においては致命的な問題となる。また、機内側のメカニカルシールと機外側のメカニカルシールとの間に充満する二酸化炭素の回収を図る必要がある。【０００６】
【特許文献１】特開２００２−９８２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
最近、帯水層へ二酸化炭素を安定的に貯留する二酸化炭素地中貯留技術が研究開発されている。これは二酸化炭素の大量発生源で排出される二酸化炭素を含む排気ガスから二酸化炭素を分離・回収し、地中の帯水層へ圧入して貯留させるものである。
また、食品や医薬品の分野等において、二酸化炭素や水を超臨界流体として使用することにより有機溶媒の代替として利用する動きがあり、人にやさしく、環境にやさしい技術して注目されている。
ところが、二酸化炭素の超臨界の臨界点は３１．１℃、７．３８ＭＰａと高圧である。
また、この超臨界流体は、気体と液体が共存できる限界を超えた状態にあり、通常の気体、液体と異なる性質を示すユニークな流体で、気体の性質と同じ拡散性を持っていることから、超臨界二酸化炭素を扱う機器に上記の従来技術１〜４の軸封装置を使用した場合、従来技術１および２では摺動部の負荷が大きく良好な密封性能を維持できる期間が短いという問題があり、また、従来技術１、３、４では二酸化炭素の大気への漏洩を確実に防止することはできないという問題があった。このように、従来技術の軸封装置にあっては、密封性能を長期間良好に維持することはできず、かつ、超臨界二酸化炭素の大気への漏洩を確実に防止できるものではなかった。【０００８】
本発明は、摺動部に作用する負荷を小さくして寿命を長くするとともに、機内流体の機外（大気）への漏れがなく、機内流体の回収作業を不要にすることができる軸封装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、超臨界二酸化炭素のような高圧で拡散性の性質を持つ流体にも対応可能な軸封装置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】
【０００９】
上記目的を達成するため本発明の軸封装置は、第１に、
シールケースとその内周に挿通された回転軸との間に軸方向に３段のシールを配置し、前記３段のシールのうち機内側の第１段シールおよび機外側の第３段シールは回転側密封要素と静止側密封要素が互いに密接摺動される接触式メカニカルシール構造であり、前記３段のシールのうち中間の第２段シールは回転側密封要素と静止側密封要素とが動圧により互いに非接触状態になる非接触式メカニカルシール構造であることを特徴としている。
これにより、３段のシールそれぞれの摺動部に作用する負荷を小さくすることができる。
また、本発明の軸封装置は、第２に、上記第１の特徴において、
前記第１段シールから第２段シールに至るシールケースで囲われた第１環状空間に機内流体の圧力より高圧のシール液を供給することを特徴としている。
また、本発明の軸封装置は、第３に、上記第２の特徴において、
第１環状空間に供給されるシール液の圧力をｐ２、機内流体の圧力をｐ１とすると、該シール液の圧力ｐ２は、
ｐ１＋０．０５ＭＰａ≦ｐ２≦ｐ１＋０．５ＭＰａ
の範囲に設定されることを特徴としている。
上記第２および第３の特徴によれば、機内の流体の機外への漏洩をなくすることができる。【００１０】
また、本発明の軸封装置は、第４に、上記第１ないし第３のいずれか１つの特徴において、
前記第２段シールの内周空間に連通する前記第３段シール外周のシールケースで囲われた第２環状空間に冷却液を循環させることを特徴としている。
また、本発明の軸封装置は、第５に、上記第４の特徴において、
冷却液の圧力をｐ３とすると、該冷却液の圧力ｐ３は、
大気圧＜ｐ３＜０．２ＭＰａ
の範囲に設定されることを特徴としている。
上記第４および第５の特徴によれば、第２段シールから第３段シールに漏れたシール液を回収することができるとともに、第３段シール部周囲の機器を冷却することができる。【００１１】
また、本発明の軸封装置は、第６に、第１ないし第５のいずれか１つの特徴において、
前記回転軸の外面と該回転軸に嵌合固定されるスリーブの内面との間に機内流体の圧力より高圧の前記シール液を供給することを特徴としている。
また、本発明の軸封装置は、第７に、第６の特徴において、
前記第１環状空間と、回転軸の外面とスリーブの内面との間に、シール液の導通孔が穿設されていることを特徴としている。
また、本発明の軸封装置は、第８に、第７の特徴において、
前記回転軸の外面とスリーブの内面との間において、導通孔と機内側との間に位置してＯリングが配置されていることを特徴としている。
上記第６ないし第８の特徴により、回転軸とスリーブとの間をシールするＯリング類のエラストマー部の圧力を機内の流体圧力よりも高圧に維持することができ、回転軸周りからの機内の流体の機外へ透過漏洩をなくすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）３段のシールのうち機内側の第１段シールおよび機外側の第３段シールを回転側密封要素と静止側密封要素が互いに密接摺動される接触式メカニカルシール構造とし、中間の第２段シールを回転側密封要素と静止側密封要素とが動圧により互いに非接触状態になる非接触式メカニカルシール構造とすることにより、最も負荷の高い第２段シールが非接触式メカニカルシールであり、負荷の低い第１段および第３段シールが接触式メカニカルシールであることからすべてのメカニカルシールの長寿命化を図ることができる。また、最も負荷の高い第２段シールが非接触式メカニカルシールであるため、通常の接触ダブル形メカニカルシールに比べて消費動力を低減することができる。
（２）第１段シールから第２段シールに至るシールケースで囲われた環状空間に機内流体の圧力より高圧のシール液を供給することにより、機内の流体の機外への漏洩をなくすることができる。
（３）機外側の第３段シール外周のシールケースで囲われた環状空間にシール液を循環させることにより、第２段シールから第３段シールに漏れたシール液を回収することができるとともに、第３段シール部周囲の機器を冷却することができる。
（４）回転軸の外面と該回転軸に嵌合固定されるスリーブの内面との間に機内流体の圧力より高圧のシール液を供給することにより、回転軸とスリーブとの間をシールするＯリング類のエラストマー部の圧力を機内の流体圧力よりも高圧に維持することができ、回転軸周りからの機内の流体の機外への漏洩をなくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１に係る軸封装置の全体を説明する正面断面図である。
【図２】図１における第１段シールを拡大して示す部分断面図である。
【図３】図１における第２段シールを拡大して示す部分断面図である。
【図４】第２段シールの回転側密封要素の面に形成された動圧発生溝を説明する図である。
【図５】図１における第３段シールを拡大して示す部分断面図である。
【図６】実施例２に係る軸封装置の全体を説明する正面断面図である。
【図７】従来技術１の接触シングル形メカニカルシールを説明する図である。
【図８】従来技術２の接触ダブル形メカニカルシールを説明する図である。
【図９】従来技術３の接触タンデム形メカニカルシールを説明する図である。
【図１０】従来技術４の接触・非接触形メカニカルシールを説明する図である。
【符号の説明】
【００１４】
１０    シールケース
１１    シールケースの分割体
１２    シールケースの分割体
１３    シールケースの分割体
１４    ボルト・ナット
１５    Ｏリング
１６    Ｏリング
１７    Ｏリング
１８    Ｏリング
２０    回転軸
２１    第１スリーブ
２２    第２スリーブ
２３    カラー
２４    ナット
２５    Ｏリング
２６    Ｏリング
２７    Ｏリング
２８    キー
２９    キー
３０    第１段シール
３１    回転側密封要素であるところのメイティングリング
３２    ノックピン
３３    静止側密封要素であるところのシールリング
３４    ノックピン
３５    コイルスプリング
３６    Ｏリング
３７    Ｏリング
４０    第２段シール
４１    回転側密封要素であるところのメイティングリング
４２    静止側密封要素であるところのシールリング
４３    コイルスプリング
５０    第３段シール
５１    回転側密封要素であるところのメイティングリング
５２    ノックピン
５３    静止側密封要素であるところのシールリング
５４    コイルスプリング
５５    Ｏリング
５６    Ｏリング
６０    第１環状空間
６１    シール油供給口
６２    シール油排出口
６４    誘導部材
６５    導通孔
６６    第２段シールの内周空間
７０    第２環状空間
７１    冷却液供給口
７２    冷却液排出口
７３    誘導部材
１００  軸封部のハウジング
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る軸封装置を実施するための最良の形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。
【実施例１】
【００１６】
図１は、実施例１に係る軸封装置の全体を説明する正面断面図である。
図１において、参照符号１００は、例えば超臨界二酸化炭素を扱う装置、ボイラー給水ポンプ、またはコンプレッサ等における軸封部のハウジング、参照符号１０はハウジングに装着されるシールケースで、図中左側が機内側、図中右側が機外側（たとえば大気）である。【００１７】
シールケース１０は、金属からなる複数の環状の分割体１１〜１３がボルト・ナット１４で軸方向に連結されたもので、その内周には機内の回転部材を回転駆動させる回転軸２０が、その軸心Ｏの周りに回転可能な状態で挿通されている。シールケース１０の各分割体１１〜１３間、および、分割体１１とハウジング１００との間はＯリング１５〜１８で密封されている。【００１８】
回転軸２０の外周面には金属製の第１スリーブ２１が装着されており、その機内側の端部がキー２８により回転軸２０に対して回り止めされており、第１スリーブ２１の軸方向中央部の外周面には金属製の第２スリーブ２２がキー２９で回り止めされた状態で装着されている。第１スリーブ２１および第２スリーブ２２の機外側の端部が、カラー２３およびナット２４により固定されている。また、回転軸２０と第１スリーブ２１との間は機内側寄りにおいてＯリング２５で密封され、また、中央部付近においてＯリング２６で密封され、第１スリーブ２１と第２スリーブ２２との間は機外側寄りにおいてＯリング２７で密封されている。【００１９】
シールケース１０と回転軸２０との軸周空間には、軸方向に３段のシールが３０、４０、５０、すなわち、機内側の第１段シール３０と、中間の第２段シール４０と、機外側の第３段シール５０とが配置されている。【００２０】
第１段シール３０および第３段シール５０は、回転側密封要素と静止側密封要素のシール部が互いに密接摺動される接触式メカニカルシールとしての構造を備え、第２段シール４０は、回転側密封要素と静止側密封要素間のシール部が動圧により互いに非接触状態になる非接触式メカニカルシールとしての構造を備えている。【００２１】
図２は、図１における第１段シール３０を拡大して示す部分断面図である。
機内側の第１段シール３０は、回転側密封要素であるところのメイティングリング３１が、第１スリーブ２１に外挿されるともに第１スリーブ２１のフランジ部２１ａに背面を支持されるとともにノックピン３２によりフランジ部２１ａに装着されている。一方、静止側密封要素であるところのシールリング３３がメイティングリング３１に対向するようにして第１スリーブ２１に外挿されるともにノックピン３４を介して回り止めされ軸方向に移動可能な状態でシールケース分割体１１に装着され、背面をシールケース分割体１１に設けられたコイルスプリング３５によって軸方向に押圧されている。【００２２】
第１段シール３０のメイティングリング３１およびシールリング３３は、例えばＳｉＣ等の硬質材料で環状に形成されたものである。メイティングリング３１とスリーブ２１との間はＯリング３６で密封されており、また、シールリング３３とシールケース分割体１１との間はＯリング３７で密封されている。【００２３】
上述の構成を備える第１段シール３０は、回転軸２０と共に回転するメイティングリング３１の端面３１ａに、シールリング３３の端面３３ａが、コイルスプリング３５の付勢力によって、適切な面圧を持って密封的に摺接し、その内周側の空間に存在する機内の流体に対して軸封機能を奏するものである。【００２４】
図３は、図１における第２段シール４０を拡大して示す部分断面図である。
中間の第２段シール４０は、回転側密封要素であるところのメイティングリング４１が、回転軸２０のスリーブ２１のフランジ部２１ａに背面を支持されるとともに、外周がこのフランジ部２１ａに係合部４１ｂを介して周方向に係合した状態で装着されている。一方、静止側密封要素であるところのシールリング４２がシールケース分割体１２の内周に装着されたリテーナ１２ａに、外周の係合部４２ｂにおいて回り止めされるとともに軸方向移動可能な状態で配置され、背面をリテーナ１２ａを介してコイルスプリング４３で軸方向に押圧されることにより、メイティングリング４１側へ向けて付勢されている。【００２５】
図４は、第２段シール４０の回転側密封要素の面に形成された動圧発生溝を説明する図である。この図４に示されるように、回転側密封要素であるところのメイティングリング４１における非接触シール面となる端面４１ａには、周方向に対して互いに対称な略Ｌ字型の屈曲形状を呈する動圧発生溝４１１、４１２が、周方向交互に複数形成されている。この動圧発生溝４１１、４１２は、外周面から半径方向へ延びる部分４１１ａ、４１２ａと更に周方向へ延びる部分４１１ｂ、４１２ｂからなり、周方向へ延びる部分４１１ｂ、４１２ｂは、その溝底が、半径方向へ延びる部分４１１ａ、４１２ａと反対側の端部へ向けて漸次浅くなる傾斜面をなしている。
動圧発生溝４１１、４１２の深さは、μｍ単位の微細加工によって微小深さに形成されている。【００２６】
上述の構成を備える第２段シールは、メイティングリング４１が回転軸２０と共に回転すると、その端面４１ａの動圧発生溝４１１、４１２によって、シールリング４２の端面４２ａとの間に介在する流体（機内流体）の動圧が発生する。詳しくは、動圧発生溝４１１、４１２は、その周方向へ延びる部分４１１ｂ、４１２ｂの溝底が、端部へ向けて漸次浅くなる傾斜面を有しているため、ここに入り込んだ機内流体がシールリング４２の端面４２ａとの間で相対的な移動に伴い圧縮され、スラスト方向の動圧を発生する。【００２７】
そしてこの動圧によって、シールリング４２は、コイルスプリング４３によるメイティングリング４１への押し付け力に抗してメイティングリング４１の端面４１ａから僅かに離れるので、メイティングリング４１とシールリング４２は、その端面４１ａ、４２ａ間に微小な隙間が形成され、この隙間において、機内流体の僅かな漏洩を許容しながら軸封機能を奏するものである。【００２８】
図５は、図１における第３段シール５０を拡大して示す部分断面図である。
機外側の第３段シール５０は、回転側密封要素であるところのメイティングリング５１が、第２スリーブ２２に外挿されるともに第２スリーブ２２のフランジ部２２ａに背面を支持されるとともにノックピン５２によりフランジ部２２ａに装着されている。一方、静止側密封要素であるところのシールリング５３がメイティングリング５１に対向するようにしてカラー２３に外挿されるともにその外周部５３ｂにおいて回り止めされ軸方向に移動可能な状態でシールケース分割体１３に装着され、背面をシールケース分割体１３に設けられたコイルスプリング５４によって軸方向に押圧されている。【００２９】
第３段シール５０のメイティングリング５１およびシールリング５３は、例えばＳｉＣ等の硬質材料で環状に形成されたものである。メイティングリング５１と第２スリーブ２２との間はＯリング５５で密封されており、また、シールリング５３とシールケース分割体１３との間はＯリング５６で密封されている。【００３０】
上述の構成を備える第３段シール５０は、回転軸２０と共に回転するメイティングリング５１の端面５１ａに、シールリング５３の端面５３ａが、コイルスプリング５４の付勢力によって、適切な面圧を持って密封的に摺接し、その外周側の空間に存在する流体に対して軸封機能を奏するものである。【００３１】
第１段シール３０および第２段シール４０の外周とシールケース分割体１１、１２の内周との間には第１環状空間６０が形成されており、該第１環状空間６０はシールケース分割体１２に形成されたシール油供給口６１およびシールケース分割体１１に形成されたシール油排出口６２と連通している。
第１環状空間６０の第１段シール３０の外周には、シールケース分割体１１に装着されてメイティングリング３１の端面３１ａおよびシールリング３３の端面３３ａの摺動部に積極的にシール液を導入するための環状の誘導部材６４が設けられている。
さらに、第１環状空間６０の第１段シール３０と第２段シール４０の間から軸２０外面と第１スリーブ２１内面との間を導通するように導通孔６５が第１スリーブ２１に穿設されている。軸２０外面と第１スリーブ２１内面との間において、導通孔６５と機内側との間には上記したＯリング２５が配置されており、導通孔６５と機外側との間には上記したＯリング２６が配置されている。【００３２】
シール油供給口６１から供給されるシール油は例えばタービン油のような油が用いられ、その圧力ｐ２は、機内流体の圧力をｐ１とすると、ｐ１＜ｐ２＜ｐ１＋３ＭＰａ程度に設定される。シール油の圧力ｐ２は、メイティングリング３１の端面３１ａおよびシールリング３３の端面３３ａの摺動部に作用する負荷を軽減するためにはできるだけ機内流体の圧力ｐ１に近いことが望ましいが、機内流体が第１環状空間６０に漏洩しないようにするためには、ｐ１＋０．０５ＭＰａ≦ｐ２≦ｐ１＋０．５ＭＰａの範囲に設定されることが望ましい。
このように、第１環状空間６０に機内流体より高圧のシール油が供給されることにより、第１段シール３０のメイティングリング３１の端面３１ａおよびシールリング３３の端面３３ａの摺動部から機内流体が第１環状空間６０に漏洩することはない。また、第１環状空間６０のシール油は導通孔６５から軸２０外面と第１スリーブ２１内面との間にも供給され、軸２０外面と第１スリーブ２１内面との間における導通孔６５と機内側との間に配置されＯリング２５に作用するので、機内流体が軸２０外面と第１スリーブ２１内面との間から漏洩することもない。【００３３】
第２段シール４０の内周空間６６に連通する第３段シール５０の外周とシールケース分割体１２、１３の内周との間には第２環状空間７０が形成されており、該第２環状空間７０はシールケース分割体１３に形成された冷却液供給口７１およびシールケース分割体１２に形成された冷却液排出口７２と連通している。この冷却液は、第１環状空間６０から漏洩するシール油の回収と第３段シール５０を構成する各機器の冷却とを行うためのものである。
また、第２環状空間７０の第３段シール５０の外周には、シールケース分割体１３に装着されてメイティングリング５１の端面５１ａおよびシールリング５３の端面５３ａの摺動部に積極的に冷却液を導入するための環状の誘導部材７３が設けられている。【００３４】
冷却液供給口７１から供給される冷却液は、例えば上記したシール油と同じタービン油が用いられ、その圧力ｐ３は、大気圧＜ｐ３＜０．２ＭＰａ程度である。【００３５】
上述の構成を備える軸封装置は、先に説明したように、超臨界二酸化炭素を扱う装置、ボイラー給水ポンプ、またはコンプレッサ等におけるハウジングの軸封部に装着されるものであり、したがって、機内の高圧流体を密封対象とするものである。【００３６】
機内の高圧流体の一部は、接触式メカニカルシールである第１段シール３０におけるメイティングリング３１およびシールリング３３からシール部の第１環状空間６０に侵入しようとするが、第１環状空間６０には機内の流体より高圧のシール油が供給されて機内の圧力ｐ１より高圧となっているから、機内流体の第１環状空間６０への侵入は確実に阻止される。
またその際、第１環状空間６０の圧力ｐ２は機内の流体圧力ｐ１より僅かに高圧に設定されているものであるから、メイティングリング３１およびシールリング３３の摺動部に作用する負荷を最小限に抑えることができ、第１段シール３０の長寿命化を図ることができる。【００３７】
また、第２段シール４０は非接触式メカニカルシールとしての構造を有するものであり、すなわち、メイティングリング４１が、その端面４１ａの動圧発生溝４１１、４１２によって発生する動圧によって、シールリング４２との間で微小隙間をもって回転するので、第１環状空間６０の圧力ｐ２と第２環状空間７０の圧力ｐ３との差を大とすることができ、その場合でも作用する負荷は小さく、摩耗や摺動発熱もほとんどない。【００３８】
二酸化炭素の超臨界の臨界点圧力は７．３８ＭＰａであり、機内流体の圧力として１０〜１５ＭＰａになることが想定され、その場合、第１環状空間６０の圧力ｐ２もそれ以上の高圧となるが第２環状空間７０の圧力ｐ３は最大で０．２ＭＰａ程度であるから、第２段シール４０前後の圧力差は約１０〜１５ＭＰａにも達する。
しかし、第２段シール４０におけるメイティングリング４１とシールリング４２は非接触であるため、高い圧力差による負荷も作用せず、長期間にわたって安定した軸封機能を奏することができる。【００３９】
第２段シール４０は非接触式メカニカルシールであるため、第２環状空間７０に第１環状空間６０へ供給されたシール油が僅かに漏洩するが、機外側に接触式メカニカルシール構造の第３段シールが配置されていることから、この第３段シールにおいて確実にシールされて大気へ漏洩することはない。
また、第２環状空間７０には、冷却液供給口７１から冷却液が供給され、冷却液排出口７２から排出されるようになっているから、第２環状空間７０に漏洩したシール油は確実に回収される。【００４０】
第２環状空間７０の圧力ｐ３は機外の圧力（たとえば大気圧）より僅かに高圧に設定されているものであるから、接触式メカニカルシール構造の第３段シールのメイティングリング５１およびシールリング５３の摺動部に作用する負荷を最小限に抑えることができ、第３段シール５０の長寿命化を図ることができる。
【実施例２】
【００４１】
図６は、本実施例２に係る軸封装置の全体を説明する正面断面図である。
本実施例２に係る軸封装置は、基本構造は実施例１と同じであり、図６において、図１と同じ符号は図１の部材と同じ部材を指している。以下、実施例１と相違する部分について主に説明する。【００４２】
シールケース１０と回転軸２０との軸周空間には、軸方向に３段のシールが３０、４０、５０、すなわち、機内側の第１段シール３０と、中間の第２段シール４０および機外側の第３段シール５０が配置され、第１段シール３０および第３段シール５０は、回転側密封要素と静止側密封要素のシール部が互いに密接摺動される接触式メカニカルシールとしての構造を備え、第２段シール４０は、回転側密封要素と静止側密封要素間のシール部が動圧により互いに非接触状態になる非接触式メカニカルシールとしての構造を備えている点は実施例１と同じである。【００４３】
軸２０は比較的細く、軸封装置は機内側に配置されたナット２４により固定されるようになっている。第１段シール３０のメイティングリング３１および第３段シール５０のメイティングリング５１は、直接、軸２０に嵌挿され装着されるようになっている。
このため、回転軸２０の外周面に装着される金属製のスリーブは、第１段シール３０のメイティングリング３１を挟むようにして第１スリーブ２１の機内側スリーブ２１Ａと中央側スリーブ２１Ｂが配置され、また、中央側スリーブ２１Ｂと第３段シール５０のメイティングリング５１との間に第２スリーブ２２が配置される構造となっている。
第３段シール５０のメイティングリング５１の右端に当接するように軸２０に段差部が形成され、メイティングリング５１の左端に当接するように第２スリーブ２２が軸２０外面に装着され、第２スリーブ２２の左端と第１段シール３０のメイティングリング３１の右端に当接するように第１スリーブ２１の中央側スリーブ２１Ｂが軸２０外面に装着され、第１段シール３０のメイティングリング３１の左端に当接するように第１スリーブ２１の機内側スリーブ２１Ａが軸２０外面に装着され、ナット２４で第１スリーブ２１の機内側スリーブ２１Ａの左端から軸方向に締め付けられる構造となっている。【００４４】
回転軸２０と第１スリーブ２１との間は、第１スリーブ２１の右端と第１段シール３０のメイティングリング３１の左端との当接面に位置して設けられたＯリング２５により密封され、回転軸２０と第１スリーブ２１Ａとの間はＯリング２７で密封されている。【００４５】
第１環状空間６０に供給される高圧のシール油は、第１段シール３０のメイティングリング３１の右端と第１スリーブ２１Ａの左端との間からスリーブ２１、２１Ａ内面と軸外面との間に侵入し、上記したＯリング２５およびＯリング２７を機内流体圧力よりも高圧に維持する。
このため、超臨界二酸化炭素のように拡散性を持つ機内流体が、軸２０外面とスリーブ２１、２１Ａ内面との間に侵入し機外に漏洩しようとしても、これを確実に阻止することができる。【００４６】
図６に示した実施例２の軸封装置は、第１段シール３０のメイティングリング３１および第３段シール５０のメイティングリング５１が、スリーブに装着されるのではなく、直接、軸２０に装着される構造となっているため、スリーブの形状をシンプルにできると共に、メイティングリング３１およびメイティングリング５１とスリーブとの間の密封を行う必要がなく、Ｏリングを省略することができる。
【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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【国際調査報告】
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