(57)【要約】【課題】外部からの注水を不要とするとともに、押込圧力が変動する場合であっても、シール性能を安定させて、十分なシール面圧を確保し得る遠心ポンプを提供する。【解決手段】軸封部１０は、ケーシング１内でのエキスペラ４の回転領域を画成する壁面のうち、エキスペラ４の背面側且つ内周側の部分に設けられて押込圧力に応じて弾性変形する円環状壁面部２０と、回転軸３に装着されて円環状壁面部２０に対向配置される軸封用筒体１２とを備え、円環状壁面部２０は、自身の背面側且つ内周側に環状のシール部４０を有し、軸封用筒体１２の円環状壁面部２０側を向く端面が環状のシール部４０に対し所定の対向隙間Ｓを隔てて装着されている。【選択図】図１
2015059487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面に吸込口を有するケーシングと、該ケーシング内に設けられるインペラおよびエキスペラと、前記インペラおよびエキスペラを回転させる回転軸と、前記エキスペラの背面側に設けられる軸封部とを備える遠心ポンプであって、
前記軸封部は、前記ケーシング内での前記エキスペラの回転領域を画成する壁面のうち前記エキスペラの背面側且つ内周側の部分として設けられて押込圧力に応じて軸方向に弾性変形する円環状壁面部と、前記回転軸に装着されて前記円環状壁面部の背面側に対向配置される軸封用筒体とを備え、
前記円環状壁面部は、自身の背面側且つ内周側に、前記軸封用筒体の前記円環状壁面部側を向く端面との間をシールする環状のシール部を有することを特徴とする遠心ポンプ。
【請求項２】
前記軸封用筒体は、自身の前記円環状壁面部側を向く端面が、前記円環状壁面部が押込圧力を受けていないときには、前記環状のシール部に対し非接触となるまたは前記円環状壁面部が押込圧力を受けたときよりも弱い面圧で前記環状のシール部に対し接触する所定の対向位置に装着されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
【請求項３】
前記軸封部は、
当該遠心ポンプが停止中にあっては、前記ケーシング内で前記吸込口から前記軸封部まで均一に掛かる押込圧力によって前記円環状壁面部が背面側に向けて弾性変形し、前記環状のシール部と前記軸封用筒体が接触することで前記軸封部からの液漏れが防止され、
当該遠心ポンプが運転中にあっては、前記エキスペラによる減圧効果が十分に得られている場合には、前記軸封部からの液漏れは発生せず、且つ、前記円環状壁面部に液圧が作用しないことにより前記環状のシール部と前記軸封用筒体との間に所定の対向隙間が保たれて非接触となり、前記エキスペラによる減圧効果が不十分であり前記円環状壁面部に一様な液圧が作用する場合には、前記環状のシール部と前記軸封用筒体との間にシール面圧が確保されるようになっていることを特徴とする請求項２に記載の遠心ポンプ。
【請求項４】
前記軸封部は、前記円環状壁面部の前記エキスペラ側への所定距離以上の移動を拘束する一方、前記円環状壁面部の前記軸封用筒体側への移動は許容する壁面位置規制部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
【請求項５】
前記円環状壁面部は、その内周側且つ前面側を向く面に、前記エキスペラ側に張り出すつば部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
【請求項６】
前記環状のシール部または前記軸封用筒体は、前記環状のシール部と前記軸封用筒体とが互いに接触するシール面に、円周方向に沿った環状溝または凸条部若しくは凹条部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、清水、汚泥液、パルプ液、微細な粒子を含むスラリー液、サンド等といった種々の液体（被送流体）を移送する遠心ポンプに係り、特に、エキスペラの背面側に設けられる軸封部からの液漏れを防止する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の遠心ポンプの軸封部は、グランドパッキンシールやメカニカルシールの他、エラストマ等を材料とするシールパッキンを用いたシール構造を有するものが知られている。軸封部の従来のシール構造の例を図６および図７に示す。なお、各図において、回転軸（駆動軸）の中心線から上側はポンプ停止時の状態を表し、下側は運転時の状態を表す。
図６および図７に示すように、この種の遠心ポンプは、前面が吸込み側とされたケーシング１と、ケーシング１内に設けられたインペラ（羽根車）２と、インペラ２を回転させる回転軸３と、回転軸３にインペラ２の背面側（駆動側）の位置に装着されたエキスペラ（補助羽根車）４とを備えている。インペラ２は自身の前面に複数枚の羽根５が設けられるとともに、背面に複数枚の裏羽根６が設けられている。エキスペラ４は自身の前面に平滑な面を有するとともに、背面に複数枚の羽根７を有している。ここで、本明細書では、インペラ２およびエキスペラ４の各々において、ケーシング１の吸込み側を「前面」、駆動側を「背面」とも呼ぶ。
【０００３】
図６に示す例では、ケーシング１には、エキスペラ４の背面側に軸封部１００が設けられている。この軸封部１００は、ケーシング１の背面側に回転軸３を囲繞するように軸方向に延設されたスタフィングボックス１０１を有する。同図に示す例では、回転軸３には、軸封部１００の対向位置にスリーブ１１０が取り付けられている。スタフィングボックス１０１の内周面には、エラストマ等を材料とする複数のシールパッキン１０２が軸方向に離隔して配設されている。各シールパッキン１０２のリップ部１０２ａは、スリーブ１１０の外周面と摺接されている。回転軸３が回転すると、スリーブ１１０、インペラ２およびエキスペラ４がともに回転し、インペラ２で被送流体を昇圧し移送することができる。なお、ケーシング１、スタフィングボックス１０１および各シールパッキン１０２は静止状態のままである。
【０００４】
ここで、この種の遠心ポンプの軸封部は、図６を参照しつつ説明すると、ポンプ運転中において、ケーシング１の吸込み側では吸込圧力Ｐｓが作用し、インペラ２の外周部では、インペラ２前面の羽根５が回転することによるポンプ圧力Ｐｉが作用する。また、インペラ２の背面に裏羽根６がある場合、その周囲の液体には裏羽根６の回転によって遠心力が加わる。そのため、ポンプ圧力Ｐｉに対する減圧Ｐｂが生じる。
【０００５】
一方、エキスペラ４は、エキスペラ背面では自身の羽根７の回転によって液体に遠心力が加わり、エキスペラ前面の圧力に対する減圧Ｐｅを生じる。エキスペラ背面の軸中心付近において、大気圧をＰａとすると、ポンプ運転中のこれらの圧力の関係は、以下の（式１）で表わされる。
（Ｐｓ＋Ｐｉ）−（Ｐｂ＋Ｐｅ）＝Ｐａ………（式１）
（式１）が成り立つとき、エキスペラ４の背面では、図６に示すように、液体と空気との境界面が形成される。ポンプの使用条件や回転速度の変動によって吸込圧力Ｐｓ、ポンプ圧力Ｐｉ、インペラ２の裏羽根６による減圧Ｐｂの大きさが変わると、上記の境界面は径方向に移動すると共に、エキスペラ４の作用による減圧Ｐｅは変動し、境界面がエキスペラ４の羽根７の外縁から内縁の間にある範囲で（式１）は成り立つ。
【０００６】
これに対し、ポンプ停止時には、インペラ２もエキスペラ４も回転しない。そのため、上記（式１）は成り立たず、Ｐｉ＝０、Ｐｂ＝０、Ｐｅ＝０であり、ポンプの吸込み側から軸封部にかけて吸込圧力Ｐｓが均一に加わる。
ポンプの吸込み側の水位がポンプ中心高さよりも下にある場合、吸込み側から軸封部にかけて液体が存在しないため、吸込圧力Ｐｓ＝０となる。一方、吸込み側の水位がポンプ中心高さよりも上にある場合、その水位に相当する押込圧力Ｐｏが吸込み側から軸封部にかけて均一に作用する。このため、本原理に基づく軸封部においては、この押込圧力Ｐｏによるポンプ停止時の液漏れを防止することを目的として、図６や図７に示すような構造の軸封部が従来から用いられてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１１５０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、図６に示す軸封部１００では、エラストマ等を材料とする複数のシールパッキン１０２を用いている。そのため、その先端の柔軟なリップ部１０２ａがスリーブ１１０に対して必要十分な締め代で接していれば、ポンプ運転中、停止時に係わらず、液体をシールすることができる。しかし、ポンプ運転中は、リップ部１０２ａは静止しているのに対してスリーブ１１０は回転軸３と共に高速で回転している。そのため、リップ部１０２ａやスリーブ１１０には摩耗が進行し、やがてはシール性能が損なわれてポンプ停止時に液漏れが生じるという問題がある。
【０００９】
また、微細な粒子を含むスラリー液やサンドを輸送する遠心ポンプでは、流体中の固形物が軸封部内に浸入し、シール部材を早期に摩耗させたり、または発熱を生じさせたりすることを防止するために、運転中は常時、軸封部のスタフィングボックス内部スペースに内へ外部から注水する軸封部も用いられている（例えば、同図に符号１０３で示す注水口から注水する。）。
しかし、外部からの注水が揚液中に混じることが許されない薬液等の製造ラインも多く、そのような場合には、軸封部内へ外部から注水する仕様のものを採用することができない。また、連続運転操業をしているような現場では、外部注水の使用量が運転コストを高める要因となるという問題もある。
【００１０】
これに対し、図７に示す軸封部２００おいては、スタフィングボックス２０１の背面側の端面に、円環板状をなすエラストマ製のシール部材２０２を設けるとともに、このシール部材２０２に対向して円筒状のセットリング２１０を回転軸３に設けている。シール部材２０２は、セットリング２１０に対して適正に管理された対向隙間を有して装着されている（例えば特許文献１参照）。
【００１１】
そのため、シール部材２０２は、ポンプ運転中、上記の式（１）が成り立つ状況においては、上述の押込圧力Ｐｏが作用しないのでセットリング２１０と接触しない（同図下側参照）。一方、ポンプ停止時に押込圧力Ｐｏが加わるとシール部材２０２が背面側に向けて弾性変形し、これにより、セットリング２１０との対向面にシール部材２０２が密着して液漏れを防ぐようになっている（同図上側参照）。この原理に基づく軸封部のシールは、運転中においてセットリング２１０とシール部材２０２が非接触であるため、図６の例と比較して長寿命が期待される。また、運転中は非接触であるため、注水を前提としておらず且つ不要である。
【００１２】
しかしながら、図７に示す軸封部２００においては、（１）固形粒子が含まれる液または析出・固着するような液を移送する場合、ポンプ停止中にエキスペラ４からシール部材２０２までのスタフィングボックス２０１内部スペースに固形物が堆積してしまい、円環板状のシール部材２０２の形状復元が阻害される場合があるという問題がある。
また、（２）ポンプ停止時にシール部材２０２がセットリング２１０と密着した際に、軸封部２００のスタフィングボックス２０１内部に空気だまりが形成されると密着状態がシール部材２０２の周方向で均一な状態とならず、シール性能が安定しないという問題がある。
【００１３】
また、（３）ポンプ停止時の押込圧力Ｐｏが小さい場合、シール部材２０２が背面側に向けて十分に弾性変形しないと、十分なシール面圧が確保されないため、液漏れが生じるという問題がある。
さらに、（４）押込圧力Ｐｏが非常に高い場合、またはインペラ２やエキスペラ４の回転速度が遅くて十分な減圧効果が得られない場合、上記式（１）が成り立たないので（つまり、（左辺）＞（右辺）となる）、所望のシール性能が発揮できないという問題がある。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、外部からの注水を不要とするとともに、押込圧力が変動する場合であっても、シール性能を可及的に安定させて、十分なシール面圧を確保し得る遠心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】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る遠心ポンプは、前面に吸込口を有するケーシングと、該ケーシング内に設けられるインペラおよびエキスペラと、前記インペラおよびエキスペラを回転させる回転軸と、前記エキスペラの背面側に設けられる軸封部とを備える遠心ポンプであって、前記軸封部は、前記ケーシング内での前記エキスペラの回転領域を画成する壁面のうち前記エキスペラの背面側且つ内周側の部分として設けられて押込圧力に応じて軸方向に弾性変形する円環状壁面部と、前記回転軸に装着されて前記円環状壁面部の背面側に対向配置される軸封用筒体とを備え、前記円環状壁面部は、自身の背面側且つ内周側に、前記軸封用筒体の前記円環状壁面部側を向く端面との間をシールする環状のシール部を有することを特徴とする。なお、前記円環状壁面部が、可撓性をもつエラストマ製であれば、押込圧力に応じて軸方向に弾性変形する素材として好適である。
【００１５】
本発明の一態様に係る遠心ポンプによれば、軸封部は、ケーシング内でのエキスペラの回転領域を画成する壁面のうち、エキスペラの背面側且つ内周側の部分に設けられて押込圧力に応じて軸方向に弾性変形する円環状壁面部と、回転軸に装着されて円環状壁面部の背面側に対向配置される軸封用筒体とを備え、円環状壁面部は、自身の背面側且つ内周側に、軸封用筒体の円環状壁面部側を向く端面との間をシールする環状のシール部を有する構成なので、従来のようなスタフィングボックス自体を有しない軸封部となっている。
【００１６】
よって、スタフィングボックスの内部スペースに固形物が堆積したり、スタフィングボックス内部に空気だまりが形成されたりするという問題自体が根本的に解消される。これにより、上記図６、図７を参照して説明した従来例と比べて、円環状壁面部のシール部と軸封用筒体の端面とを円周に亘って均一に密着させることができる。そのため、押込圧力が変動する場合であっても、シール性能を可及的に安定化させて、十分なシール面圧を確保することができる。
【００１７】
ここで、本発明の一態様に係る遠心ポンプにおいて、前記軸封用筒体は、自身の前記円環状壁面部側を向く端面が、前記円環状壁面部が押込圧力を受けていないときには、前記環状のシール部に対し非接触となるまたは前記円環状壁面部が押込圧力を受けたときよりも弱い面圧で前記環状のシール部に対し接触する所定の対向位置に装着されていることは好ましい。
【００１８】
このような構成であれば、円環状壁面部のシール部は、ポンプ運転中には、上記の式（１）が成り立つ状況においては押込圧力が作用しないので軸封用筒体の端面に対して、非接触または円環状壁面部が押込圧力を受けたときよりも弱い面圧で接触する一方、ポンプ停止時には、押込圧力が加わると円環状壁面部が背面側に向けて弾性変形し、これにより、軸封用筒体の端面にシール部を密着させて液漏れを防止する上で好適である。
特に、円環状壁面部のバネ定数や、軸封用筒体の所定の対向位置を最適化することにより、遠心ポンプが停止中にあっては、ケーシング内で吸込口から軸封部まで均一に掛かる押込圧力によって円環状壁面部が背面側に向けて弾性変形し、環状のシール部と軸封用筒体の端面が接触することで軸封部からの液漏れを防止することができる。
【００１９】
また、遠心ポンプが運転中にあっては、エキスペラによる減圧効果が十分に得られている場合には、その効果により、軸封部からの液漏れは発生せず、且つ、円環状壁面部に液圧が作用しないことにより環状のシール部と軸封用筒体との間に所定の対向隙間が保たれて非接触となるので、シール部の摩耗が防止される。さらに、エキスペラによる減圧効果が不十分であっても、円環状壁面部に一様な液圧が作用する場合には、環状のシール部と軸封用筒体との間に適正なシール面圧を確保することができる。したがって、シール部の早期摩耗や摺動による発熱が抑えられるため、外部からの注水が不要となる。
【００２０】
また、本発明の一態様に係る遠心ポンプおいて、前記軸封部は、前記円環状壁面部の前記エキスペラ側への所定距離以上の移動を拘束する一方、前記円環状壁面部の前記軸封用筒体側への移動は許容する壁面位置規制部を有することは好ましい。
壁面位置規制部が、円環状壁面部にその内周側の位置に設けられるとともに背面側に向けて張り出した第一のつば部と、該第一のつば部に係合するように前記ケーシング側に固定された係合凸部とを有することは好適である。
このような構成であれば、ポンプ内圧が脈動して円環状壁面部が負圧にさらされた場合であっても、壁面位置規制部によって円環状壁面部の位置が規制され、円環状壁面部のエキスペラ側への所定距離以上の移動が拘束されるので、エキスペラと円環状壁面部との接触を確実に防止することができる。
【００２１】
また、本発明の一態様に係る遠心ポンプにおいて、前記円環状壁面部は、その内周側且つ前面側を向く面に、前記エキスペラ側に張り出す第二のつば部を有することは好ましい。
このような構成であれば、円環状壁面部の内周側且つ前面側を向く面に、エキスペラ側に張り出す第二のつば部を設けたことにより、ポンプ停止時に、エキスペラの外周から内周側に流れる液体が第二のつば部に内側から当たるため、円環状壁面部の軸方向の変位量を大きくすることができる。そのため、シール部と軸封用筒体との所定の対向隙間の適正値に対する許容範囲を広げることができ、メンテナンスの簡易化が図れると共に、シール部と軸封用筒体との密着性も高まるため、シール性能の一層の安定化につながる。
【００２２】
また、ポンプ運転中に、エキスペラによる減圧効果が不十分であって気液境界面が安定しない場合であっても、エキスペラ側に張り出す第二のつば部が、ラビリンスシールとして機能し、これにより、液体が回転軸側まで到達することを防止または抑制することができる。
また、本発明の一態様に係る遠心ポンプにおいて、前記環状のシール部または前記軸封用筒体は、前記環状のシール部と前記軸封用筒体とが互いに接触するシール面に、円周方向に沿った環状溝または凸条部若しくは凹条部を有することは好ましい。
このような構成であれば、シール面の円周方向に沿った環状溝または凸条部若しくは凹条部により接触面積を小さくして単位面積当たりのシール面圧を高められるので、低い押込み圧に対しても、円環状壁面部のシール部と軸封用筒体の端面との間に十分なシール面圧を確保する上でより好適であり、安定したシール性能に貢献する。
【発明の効果】
【００２３】
上述のように、本発明によれば、外部からの注水を不要とするとともに、押込圧力が変動する場合であっても、シール性能を可及的に安定させて、十分なシール面圧を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一態様に係る軸封部を備える遠心ポンプの一実施形態を説明する軸線に沿った縦断面図である（なお、同図において、回転軸の中心線から上側はポンプ停止時の状態を表し、下側は運転時の状態を表す。以下、他の図において同様。）。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】図２の第一変形例を示す説明図である。
【図４】図２の第二変形例を示す説明図である。
【図５】壁面位置規制部の変形例を説明する図であり、同図は図２に対応する要部拡大図を示している。
【図６】従来の遠心ポンプの軸封部の一例を説明する図である。
【図７】従来の遠心ポンプの軸封部の一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の一態様に係る軸封部を備える遠心ポンプの一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、上述した遠心ポンプと同様の構成については同一の符号を付して説明する。
図１に示すように、この遠心ポンプは、吸込み側とされた前面に吸込口９を有するケーシング１を備えている。ケーシング１内には、軸方向の前後が二つの回転領域５０，６０として区画されており、吸込み側の大きな回転領域５０にはインペラ２が配置され、インペラ２の背面側の小さな回転領域６０にエキスペラ４が配置されている。インペラ２およびエキスペラ４は、一体で回転するように一の回転軸（駆動軸）３に同軸に固定されている。インペラ２は自身の前面に複数枚の羽根５が設けられるとともに背面に複数枚の裏羽根６が設けられている。エキスペラ４は自身の前面に平滑な面を有するとともに、背面に複数枚の羽根７を有している。
【００２６】
ここで、上記エキスペラ４の回転領域６０の背面側に軸封部１０が設けられている。なお、本実施形態の軸封部１０には、上述したような、軸方向に延設されたスタフィングボックスは設けられていない。
詳しくは、この軸封部１０は、可撓性をもつエラストマ製の円環状壁面部２０と、円環状壁面部２０を固定する円環板状部材である金属製の固定カバー３０と、上記回転軸３に装着されて円環状壁面部２０の背面側に対向配置される円筒状の軸封用筒体１２とを備えている。軸封用筒体１２の材料は、金属もしくは硬質の樹脂等を用いることができる。本実施形態では、軸封用筒体１２は、フッ素樹脂製である。
【００２７】
図２に拡大図示するように、円環状壁面部２０は、ケーシング１内でのエキスペラ４の回転領域６０を画成する壁面のうち、エキスペラ４の背面側且つ内周側の部分として設けられ、内側の面２０ｎが回転領域６０に液接可能に設けられている。円環状壁面部２０は、その外周部２０ｇに、径方向の途中部分まで段部２０ｄが形成され、上記固定カバー３０によってケーシング１の背面１ｒとの間に外周部２０ｇの段部２０ｄが挟圧固定されている。円環状壁面部２０を構成するエラストマ材は、上記押込圧力に応じて軸方向に所期性能を奏する変位量だけ弾性変形する十分な可撓性（柔らかさ）を有している。なお、円環状壁面部２０の厚さは、上記押込圧力に応じた所期の弾性変形量が確保されていれば、可及的に厚くすることが好ましい。
【００２８】
固定カバー３０は、その外周部分が複数の締めねじ３２によってケーシング１の背面１ｒに直接固定されている。上記押込圧力が作用していない状態では、円環状壁面部２０の段部２０ｄにより、回転領域６０の内側の面６０ｎと円環状壁面部２０の内側の面２０ｎとが面一となっている。さらに、上記押込圧力が作用した状態では、円環状壁面部２０の内側の面２０ｎは、弾性変形によって、内径側に向けて回転領域６０の軸方向での幅が広がるように傾斜する面とされている。円環状壁面部２０の内周端面２０ｐは、回転軸３の外周面３ｇ（この例ではスリーブ８の外周面）に対して干渉しない僅かな隙間を隔てて対向している。
【００２９】
円環状壁面部２０と固定カバー３０との間には、円環状壁面部２０の段部２０ｄよりも内径側の領域に空隙Ｋが設けられている。円環状壁面部２０は、空隙Ｋが設けられている部分の面が大気に露出されている。この空隙Ｋにより、円環状壁面部２０の軸方向で必要な弾性変形時の変位量が確保されている。
さらに、円環状壁面部２０は、エラストマ等を材料とする円環状のシール部４０を同軸に有する。本実施形態の例では、シール部４０は、円環状壁面部２０とは別個の部材から構成された軟質エラストマ（ゴム）製であり、円環状壁面部２０背面側且つ内周側の位置に接着されている。また、円環状壁面部２０には、その背面側且つ内周側の端部に、凹の段部２０ｕが形成されており、この凹の段部２０ｕに上記シール部４０が嵌め込まれている。
【００３０】
さらに、本実施形態の例では、シール部４０は、略コ字状の横断面を有し、そのコ字状断面のシール部４０の背面側を向く端面４０ｒが、上記軸封用筒体１２の前面を向く端面１２ｍと対向するリップシールとされている。また、シール部４０は、コ字状断面の凹側の面４０ｄは、回転軸３の外周面３ｇ（この例ではスリーブ８の外周面）に対して僅かな隙間を隔てて対向している。なお、本実施形態では、軸封用筒体１２の端面１２ｍは平面とされている。
【００３１】
軸封用筒体１２は、回転軸３に外嵌されたスリーブ８の外周に嵌め込まれ、押しねじ１４によってスリーブ８に固定されている。また、軸封用筒体１２の内周面には、上記シール部４０寄りの位置に環状の凹溝が形成され、この凹溝内に円環状のＯリング１６が装着されている。そして、軸封用筒体１２は、自身の円環状壁面部２０側を向く前面側の端面１２ｍが、環状のシール部４０に対し所定の対向隙間（クリアランス）Ｓを隔てた所定の対向位置になるように軸方向の位置が調整されて装着されている。なお、本実施形態では、スリーブ８の外周面を回転軸３の外周面３ｇとする例であるが、スリーブ８を用いない場合には、回転軸３、つまり駆動軸（シャフト）自体の外周面とすることもできる。
【００３２】
また、上記円環状壁面部２０は、その内周側の位置に設けられるとともに背面側に向けて張り出した円環状の第一のつば部２０ｔを大気露出側の部分に有している。一方、ケーシング１側に固定された固定カバー３０は、その内周先端部に係合凸部３０ｔが、内周全周に亘って形成されている。係合凸部３０ｔは、上記第一のつば部２０ｔに対して上記空隙Ｋ側から対向する位置に設けられることで第一のつば部２０ｔに軸方向で全周に亘って係合するようになっており、これら第一のつば部２０ｔと係合凸部３０ｔとにより壁面位置規制部が構成されている。つまり、この壁面位置規制部は、第一のつば部２０ｔとこれに係合する係合凸部３０ｔとにより、円環状壁面部２０のエキスペラ側への所定距離以上の移動を拘束する一方、円環状壁面部２０の軸封用筒体１２側への移動は許容するようになっている。なお、「所定距離」は、第一のつば部２０ｔと係合凸部３０ｔとが初めから係合状態（図２下側参照）であれば、実質的にゼロ（零）とすることができる。
【００３３】
さらに、この円環状壁面部２０には、その内周側且つ前面側を向く面に、エキスペラ４側に張り出す円環状の第二のつば部２０ｖが設けられている。第二のつば部２０ｖの張り出し高さ（軸方向の長さ）は、エキスペラ４とは干渉しない寸法に設定されている。第二のつば部２０ｖは、背面側への押込圧力を円環状壁面部２０に効果的に作用させ、シール部４０の軸方向の変位量を大きくすることができるようになっている。なお、この第二のつば部２０ｖの横断面形状は、内周端面２０ｐに傾斜面を設け、基端側が太くされ先端側に向けて肉厚が徐々に薄くなっている。
【００３４】
ここで、ポンプ停止中は、図１、図２の上側に示されるように、ケーシング１は、吸込み側の吸込口９から軸封部１０にかけて回転領域５０，６０の内部が液で満たされるため、円環状壁面部２０には背面側に向けて押込圧力が作用する。これにより、円環状壁面部２０は軸方向に沿って背面側に向けて弾性変形すると同時に環状のシール部４０が軸封用筒体１２の端面１２ｍと接触するようになっている。
【００３５】
このとき、環状のシール部４０の端面４０ｒと軸封用筒体１２の端面１２ｍが互いに接触するシール面には液漏れが生じない十分な面圧が確保されている。なお、軸封用筒体１２は径方向から押しねじ１４でスリーブ８の外周面に着脱可能に固定されるので、軸方向での所定の対向位置を調整することにより、環状のシール部４０と軸封用筒体１２との所定の対向隙間Ｓを変更することによって容易にシール面の面圧を調整できるようになっている。
【００３６】
このように、本実施形態では、上述の押込圧力が作用していない状態において、円環状壁面部２０のシール部４０の端面４０ｒと軸封用筒体１２の前面側端面１２ｍとが軸方向に所定の対向隙間Ｓを空けた状態で装着される一方、上述の押込圧力が作用した状態においては、シール部４０の端面４０ｒと軸封用筒体１２の前面側端面１２ｍとが密着するように、円環状壁面部２０が背面側に向けて弾性変形するようになっている。
【００３７】
すなわち、上記構成の軸封部１０は、円環状壁面部２０のバネ定数および軸封用筒体１２の所定の対向位置を最適化することにより、当該遠心ポンプが停止中にあっては、前記ケーシング内で前記吸込口から軸封部１０まで均一に掛かる押込圧力によって円環状壁面部２０が背面側に向けて弾性変形し、前記環状のシール部４０と前記軸封用筒体１２が接触することで軸封部１０からの液漏れが防止されるようになっている。
【００３８】
また、当該遠心ポンプが運転中にあっては、エキスペラ４による減圧効果が十分に得られている場合には、軸封部１０からの液漏れは発生せず、且つ、円環状壁面部２０に液圧が作用しないことにより環状のシール部４０と軸封用筒体１２との間に所定の対向隙間Ｓが保たれて非接触となり、さらに、エキスペラ４による減圧効果が不十分であり円環状壁面部２０に一様な液圧が作用する場合には、環状のシール部４０と軸封用筒体１２との間にシール面圧が確保されるようになっている。
【００３９】
次に、この遠心ポンプの軸封部１０の動作、および作用効果について説明する。
この遠心ポンプは、ポンプの運転時には、回転軸３が回転し、インペラ２で被送流体を昇圧し移送することができる。回転軸３の回転に伴い、エキスペラ４および軸封用筒体１２も回転する。このとき、ケーシング１、および円環状壁面部２０はポンプ運転時、停止時に関わらず静止状態のままである。
【００４０】
エキスペラ４は、その回転によりインペラ２の背面側圧力を低減する。軸封部１０では、軸封部１０の前面側のエキスペラ４の回転により、その作用で背面圧力が低減されるので、被送流体が軸封部１０を通って外部へ漏れることが防止される。また、ポンプの運転時には、エキスペラ４の作用で背面圧力が低減されるので、シール部４０が背面側に弾性変形していない元の状態に復帰しており、シール面４０ｒが軸封用筒体１２の前面側端面１２ｍと離間状態にあるため、シール部４０の摩耗も防止される。
【００４１】
一方、回転軸３の回転が停止すると、エキスペラ４の背面側圧力を低減する効果による漏れ防止作用はなくなるが、円環状壁面部２０は、上述の押込圧力により背面側（図上右方向）への弾性変形を生じ、これにより、シール部４０が軸封用筒体１２の前面側端面１２ｍと自動的に密着するので、被送流体が軸封部１０を通って外部へ漏れることが防止される。また、このときはポンプが停止しているため、シール部４０の摩耗も生じない。
【００４２】
ここで、上述のように、微細な粒子を含むスラリー液やサンドを被送流体として移送する遠心ポンプでは、流体中の固形物が軸封部内に浸入し、シールパッキンを早期に摩耗させたり、または発熱を生じさせたりすることを防止する必要がある。そのため、微細な粒子を含む被送流体を移送する遠心ポンプでは、ポンプ運転中は常時、軸封部内に外部から注水しているものがある。しかし、外部からの注水が揚液中に混じることが許されない薬液等の製造ラインも多く、また、連続運転操業をしているような現場では、外部注水の使用量が運転コストを高める要因ともなる。このような問題に対し、本実施形態の遠心ポンプの軸封部１０であれば、外部からの注水が不要であり、無注水で使用することができる。
【００４３】
すなわち、この遠心ポンプの軸封部１０によれば、押込圧力に応じて軸方向に弾性変形する円環状壁面部２０を、ケーシング内でのエキスペラ４の回転領域６０を画成する壁面のうち、エキスペラ４の背面側且つ内周側の部分として設けたので、従来のようなスタフィングボックス自体を有しない軸封部となっているからである。
詳しくは、本実施形態（図２）と上述の従来技術（図７）とを比較すると、図７に示した従来例では、円環板状をなすエラストマ製のシール部材２０２が、スタフィングボック２０１を介することで、エキスペラ４から離れて配置されている。そのため、図７に示す従来技術の配置の場合、エキスペラ４からシール部材２０２にかけてスタフィングボック２０１内部に空気だまりや固形物の堆積が生じやすく、長期的に安定したシール性能を得るには液性などが限定されることが多いという問題がある。
【００４４】
これに対し、本実施形態では、図２に示すように、エラストマ製の円環状壁面部２０がエキスペラ４を画成する壁面として対面配置されている点において大きな構造的相違がある。つまり、本実施形態の場合、エラストマ製の円環状壁面部２０がエキスペラ４の直ぐ対面にあるので、仮に空気だまりがエキスペラ４の画成領域６０内に形成されたとしても、液よりも軽い空気はエキスペラ上部の領域に移動する。そのため、円環状壁面部２０に均一に液圧を作用させることができる。したがって、本実施形態の軸封部１０によれば、スタフィングボックスの内部スペースに固形物が堆積したり、スタフィングボックス内部に空気だまりが形成されたりするという問題自体が解消される。
【００４５】
また、円環状壁面部２０（環状のシール部４０も含む）の内周端面２０ｐとスリーブ８の外周面（３ｇ）との対向隙間は狭小なので、仮に固形物がこの空間に堆積してもその量は少なく、また、エキスペラ４の羽根７によって生じる吸引力で堆積物はポンプ内側へと吸い込まれる。そのため、本実施形態の軸封部１０によれば、軸封部１０の内部スペースに固形物が堆積することもない。
したがって、堆積した固形物等により円環状壁面部２０が不意に変形したり、所期の弾性変形が阻害されたりする可能性が極めて低いため、円環状壁面部２０のシール部４０と軸封用筒体１２の端面とを円周に亘って均一に密着させることができる。よって、押込圧力が変動する場合であっても、シール性能を可及的に安定化させ、十分なシール面圧を確保することができる。
【００４６】
また、本実施形態の遠心ポンプの軸封部１０によれば、上述の従来技術（図７）と比較すると、仮にエキスペラ４による減圧効果が不十分であっても、円環状壁面部２０に一様な液圧が作用する場合には、環状のシール部４０と軸封用筒体１２との間に均一なシール面圧を安定して確保する効果があるため、円環状壁面部２０のバネ定数や所定の対向隙間Ｓとなるような軸封用筒体１２の所定の対向位置を最適化することにより、十分なシール面圧を適正に確保することができる。また、空気と触れると固化を起こすような液質の場合、空気だまりを排気することでシール部４０の固着を防止できるため、シール寿命の長期化にも寄与する。
【００４７】
また、本実施形態の遠心ポンプの軸封部１０によれば、円環状壁面部２０のエキスペラ側への移動を拘束する一方、円環状壁面部２０の軸封用筒体１２側への移動は許容する壁面位置規制部（上記実施形態の例では、第一のつば部２０ｔと係合凸部３０ｔ）を有するので、ポンプ内圧が脈動して円環状壁面部２０が負圧にさらされた場合であっても、この壁面位置規制部によって円環状壁面部２０の位置が規制され、円環状壁面部２０のエキスペラ側への移動が拘束されるので、エキスペラ４と円環状壁面部２０との接触を確実に防止することができる。
【００４８】
つまり、ポンプ運転中、諸要因によりポンプ内圧に脈動が発生して軸封部１０が瞬間的に負圧にさらされると、エラストマ製の円環状壁面部２０がエキスペラ側に引っ張られて接触するおそれがある。これに対し、本実施形態では、図２に示すように、壁面位置規制部として円環状壁面部２０に第一のつば部２０ｔが設けられ、固定カバー３０には、第一のつば部２０ｔに係合する係合凸部３０ｔが空隙Ｋ側から対向する位置に設けられエキスペラ側への所定距離以上の移動を拘束するので、仮に負圧になった場合でも、第一のつば部２０ｔが固定カバー３０の係合凸部３０ｔに当たってストッパーの役割を果たすため、円環状壁面部２０がエキスペラ４に接触することが防止される。
【００４９】
なお、本実施形態では、「壁面位置規制部」が、第一のつば部２０ｔと係合凸部３０ｔとにより構成されている例であるが、壁面位置規制部の構成はこれに限定されない。つまり、壁面位置規制部は、円環状壁面部２０のエキスペラ側への所定距離以上の移動を拘束する一方、円環状壁面部２０の軸封用筒体側への移動を許容可能であれば、種々の形態を採用できる。
【００５０】
例えば、図５に、壁面位置規制部の変形例を示す。
同図に示すように、この変形例では、上記実施形態の例での、第一のつば部２０ｔと係合凸部３０ｔを有していない。これに替えて、この変形例の壁面位置規制部では、固定カバー３０には、その周方向の適所に、軸方向に貫通する貫通穴３０ｈが複数形成されている。一方、円環状壁面部２０には、上記空隙Ｋを画成する部分の面２０ｍに、各貫通穴３０ｈと軸方向で対向する位置に、ねじ頭付きピン２１が軸方向に沿って装着されている。ねじ頭付きピン２１は、その基端部が円環状壁面部２０に埋め込まれた状態で一体に成形されている。ねじ頭付きピン２１は、先端に雄ねじを有するとともに、その雄ねじの基端部に段部２１ｄが設けられている。
【００５１】
そして、同図に示す装着状態においては、ねじ頭付きピン２１は、自身軸部が貫通穴３０ｈに挿入され、その状態で固定カバー３０の背面側から座金２３を段部２１ｄに当接させてナット２２で締め付け、座金２３の前面を固定カバー３０の背面に軸方向で対向させている。なお、固定カバー３０の貫通穴３０ｈの内径は、円環状壁面部２０が弾性変形したときの背面側に向けた移動を阻害しない寸法に設定され、貫通穴３０ｈの内周面とねじ頭付きピン２１の軸部との干渉が防止されている。
このような構成であっても、仮に負圧になった場合でも、円環状壁面部２０は、座金２３の前面と固定カバー３０の背面とが所定位置で当接することにより、エキスペラ４側への所定距離以上の移動が拘束される一方、円環状壁面部２０の軸封用筒体１２側への移動を許容することができる。
【００５２】
また、本実施形態の遠心ポンプの軸封部１０によれば、円環状壁面部２０の内周側且つ前面側を向く面に、エキスペラ側に張り出す第二のつば部２０ｖを設けたことにより、ポンプ停止時に、エキスペラ４の外周から内周側に流れる液体が第二のつば部２０ｖに内側から当たるため、円環状壁面部２０の軸方向の変位量を大きくすることができる。そのため、シール部４０と軸封用筒体１２との所定の対向隙間Ｓの適正値に対する許容範囲を広げることができ、メンテナンスの簡易化が図れると共に、シール部４０と軸封用筒体１２との密着性も高まるため、シール性能の一層の安定化につながる。
【００５３】
また、ポンプ運転中に、エキスペラ４による減圧効果が不十分であって気液境界面が安定しない場合であっても、エキスペラ側に張り出す第二のつば部２０ｖが、ラビリンスシールとして機能し、これにより、液体が回転軸３側まで到達することを防止または抑制することができる。
なお、本発明に係る遠心ポンプの軸封部は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
【００５４】
例えば、上記実施形態では、円環状壁面部２０とは別個の部品としてシール部４０を設け、このシール部４０がコ字状横断面を有し、そのコ字状断面のシール部４０の背面側端面が、軸封用筒体１２の端面（平面）と接触する例で説明したが、これに限定されず、円環状壁面部２０とシール部４０を一体に形成してもよい。また、円環状壁面部２０およびシール部４０の材質や形態、接触させる部位についても種々変形可能である。例えば、環状のシール部４０や軸封用筒体１２の材質として、各種ゴム、金属、その他の耐摩耗性の高い摺動材等を適宜選択することができる。
【００５５】
しかし、円環状壁面部２０とシール部４０とを別個の部品から構成した分離構造とすることは好ましい。分離構造とする利点は、円環状壁面部２０と環状のシール部４０とで別々の材料を選択できることにある。例えば、エラストマ製の円環状壁面部２０には押込圧力に対して適正なバネ定数を設定することができ、また、環状のシール部４０には耐食性や耐摩耗性を考慮して各種ゴムや金属など、最適な材料を選択することができるため、シール機能の長寿命化が図りやすい。さらに材料だけに限らず、シール面に円周に沿った環状溝や凸状を設けるなど、シール形状を工夫することでシール面圧をより高めることが可能となる。
【００５６】
例えば、上記実施形態に対し、図３に示す第一変形例では、円環状壁面部２０のシール部４０が矩形状横断面を有する点、および軸封用筒体１２の端面１２ｍに、円周方向に沿った環状溝（凹条部）１２ｄを有する点が異なっている。なお、環状溝（凹条部）１２ｄに替えてシール面の円周方向に沿った凸条部を設けることもできる。また、環状溝（凹条部）や凸条部の数は、一つに限らず、径方向に離隔して複数設けるなど様々な形状を選択できる。
【００５７】
このような構成であると、シール面の円周方向に沿った環状溝（または凸条部若しくは凹条部）１２ｄを設けたので、シール面の接触面積を小さくして単位面積当たりのシール面圧を高められる。そのため、低い押込み圧に対しても、円環状壁面部２０のシール部４０と軸封用筒体１２の端面１２ｍとの間に十分なシール面圧を確保する上でより好適であり、安定したシール性能に貢献する。特に、凸条部をシール面とすれば、接触面積を小さくして単位面積当たりの面圧を高められるため、低い押込み圧に対してもシール部４０と軸封用筒体１２の端面１２ｍとの間に十分なシール面圧を確保する上で好適である。
【００５８】
また、図３に示す第一変形例では、軸封用筒体１２の構造も異なっている。つまり、上述の例では、押しねじ１４によって軸封用筒体１２を固定する例であったが、この変形例では、軸封用筒体１２は、軟質エラストマ（ゴム）製の筒本体１２ａと、筒本体１２ａを抱き締め可能に囲繞する環状の抱き締め部材１２ｂから構成されている点が異なっている。抱き締め部材１２ｂは、周方向で二分割されており、上下の装着ねじ１４により周方向で締め込み可能とされ、抱き締め部材１２ｂの装着ねじ１４を上下から締めこむことにより、抱き締め部材１２ｂを径方向に縮径させて筒本体１２ａを抱き締めて固定可能になっている。また、この第一変形例では、環状のシール部４０が金属もしくは硬質の樹脂（例えばフッ素樹脂）製である点が異なっている。なお、抱き締め部材１２ｂとして一般的なホースバンドを用いることもできる。
このような構成であると、軸封用筒体１２を抱き締めで固定しているので、押しねじによって軸封用筒体１２を固定する場合と比べて、スリーブ表面の押し傷が防止される。そのため、軸封用筒体１２の固定位置を長期に亘って繰返し調整するような場合に好適である。
【００５９】
また、上記実施形態（図２）では、円環状壁面部２０のリップシールとして、環状のシール部４０が軟質エラストマ（ゴム）製であり、軸封用筒体１２が金属もしくは硬質の樹脂（例えばフッ素樹脂）製とした組み合わせ例を示したが、第一変形例（図３）に示したように、上記実施形態（図２）とは逆の組み合わせ（つまり、環状のシール部４０が金属もしくは硬質の樹脂（例えばフッ素樹脂）製であり、軸封用筒体１２が軟質エラストマ（ゴム）製）としてもよい。
【００６０】
また、円環状壁面部２０のバネ定数や、環状のシール部４０と軸封用筒体１２の端面との所定の対向隙間（クリアランス）Ｓは、必要に応じて適宜設定可能であり、円環状壁面部２０のバネ定数や所定の対向隙間Ｓを最適化することにより、環状のシール部４０と軸封用筒体１２との間に適正なシール面圧を確保することができる。
例えば、前述の式（１）においてインペラ２背面での減圧Ｐｂおよびエキスペラ４背面での減圧Ｐｅに対して押込圧力Ｐｓが比較的大きい場合、またはインペラ２やエキスペラ４の回転速度が低くＰｂやＰｅが小さい場合（すなわち、（Ｐｓ＋Ｐｉ）−（Ｐｂ＋Ｐｅ）＞Ｐａとなる場合）、エキスペラ４背面には液体と空気の境界面は存在しておらず、エキスペラ４の回転領域６０全体は液体で満たされる。
【００６１】
このとき、エラストマ製の円環状壁面部２０には、式（１）において左辺第１項と第２項との差に比例した液圧が作用するので、シール面圧もその液圧に応じて増減する。また、軸封用筒体１２の装着位置を回転軸３の軸方向に移動することによってもシール面圧を調整できる。つまり、液性や運転条件に合わせて円環状壁面部２０、環状のシール部４０、軸封用筒体１２の材料を適宜選定すると共に、環状のシール部４０と軸封用筒体１２の端面との所定の対向隙間（クリアランス）Ｓを適正に設定することによって、ポンプ運転中のシール面の非接触もしくは接触状態を任意に選択できる。
【００６２】
例えば、図４に第二変形例を示す。同図に示す変形例では、軸封用筒体１２は、金属製の筒本体１２ａと、筒本体１２ａの前面側内周面の環状凹部に嵌め込まれたＬ字状横断面をなすゴムパッキン１２ｃと、ゴムパッキン１２ｃのＬ字状凹部に嵌め込まれた環状の第二シール部１２ｆとを有し、これらが焼嵌め等により一体をなして構成されている。この軸封用筒体１２は、筒本体１２ａが押しねじ１４によって回転軸３の外周面３ｇに固定される。ここで、同図に示す第二変形例では、（第一の）シール部４０および軸封用筒体１２の第二シール部１２ｆに耐摩耗性の高い摺動材（例えばＳｉＣ、超硬合金など）をそれぞれ採用している。これにより、この第二変形例では、上記所定の対向隙間（クリアランス）Ｓについて、図４下側に示すように、必ずしも摺動材同士（つまり、環状のシール部４０と軸封用筒体１２の第二シール部１２ｆ相互）が非接触である必要はなく、同図上側に示すように、接触しながらの回転摺動も許容することができる。
【００６３】
すなわち、本発明にあっては、軸封用筒体１２の上記所定の対向位置は、所定の対向隙間（クリアランス）Ｓを有して、軸封用筒体１２の端面１２ｍと環状のシール部４０とが非接触の場合に限らず、円環状壁面部２０が押込圧力を受けていないときに相互が接触する位置に装着してもよい。例えば、円環状壁面部２０が押込圧力を受けたときよりも弱い面圧で摺動可能に接触するような所定の対向位置に装着することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１    ケーシング
２    インペラ
３    回転軸
４    エキスペラ
５    （インペラ前面の）羽根
６    （インペラの）裏羽根
７  （エキスペラの）羽根
８  スリーブ
１０    軸封部
１２    軸封用筒体
２０    円環状壁面部
３０    固定カバー
４０    シール部
５０    （インペラの）回転領域
６０    （エキスペラの）回転領域
Ｓ    所定の対向隙間
【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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