(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械部分と非回転機械部分（１，２）の間の空隙をシールするように配置されていて相互に押圧する少なくとも二つの摺動面と、通常の作動状態で前記摺動面を冷却する連続的なシール流体の流れを提供する手段とを含むメカニカルシールに関連した装置において、
冷却シール流体の流れを提供する前記手段と接続した弁手段（８）が配置され、前記弁手段の前記シール流体の流れを提供する作動は形状記憶合金要素に基づいており、該形状記憶合金要素は前記シールの温度に反応しかつそのシールの冷却の必要性に応じて前記シール流体の流れを開閉するように配置されていることを特徴とするメカニカルシールに関連した装置。
【請求項２】
前記弁手段（８）が形状記憶合金でつくられた部分（１１）を含み、シール流体の温度が前記弁手段（８）における形状記憶合金が付勢される温度限界まで上昇すると開き、対応してシール流体の温度が下がると閉鎖するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記弁手段（８）がシート弁（１３）を含み、該シート弁（１３）は、前記の形状記憶合金でつくられた部分（１１）がゆるみバネ（１２）および／またはシール流体の圧力によって加えられる力に抗して閉鎖部分（１３ａ）を移動するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記閉鎖部分（１３ａ）が球であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記弁手段（８）がメカニカルシールの外側に装着されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記弁手段がメカニカルシールの一部分として構成されそのメカニカルシールと一体とされていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相互に押圧し、回転機械部分と非回転機械部分との間の空隙をシールするように配置されている二つの摺動面と、該摺動面を冷却するシール流体（ｓｅａｌｉｎｇ  ｆｌｕｉｄ）の流れを提供する手段とを含むメカニカルシールに関連した装置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ  ｉｎ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ａ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｅａｌ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
メカニカルシールは回転機械部分と非回転機械部分との間の空隙をシールするために、種々の技術分野で一般に使用されている。そのような回転機械部分および非回転機械部分並びにそれらの間の空隙の例としては、例えばプロセスポンプであるポンプの本体とシャフト、並びに汲み上げられたプロセス流体がポンプシャフトとポンプ本体との間の空隙を通って漏出しないようにシールしておく必要のあるポンプシャフトとポンプ本体との間の空隙を含む。シールは相互に対して回転している２個の正確に対向した摺動面の間で行われる。通常の使用において、メカニカルシールも当然熱くなるが、その場合シールに対して反対側を流れている流体によって冷却される。冷却剤としては、例えば水が使用される。大気へのシール流体の漏洩をシールするために、メカニカルシールはまた、大気側において、すなわち、外側において第二の対の摺動面を含むことが多い。
【０００３】
回転軸のメカニカルシールの作動における重要な作動値（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｖａｌｕｅｓ）は、圧力、温度およびその他の若干の要素を含む。圧力とは、シールされた製品の圧力、シール内の圧力、すなわちシール流体の圧力、前述した圧力の相互に対する比、および前記圧力において発生する何らかの変動を含む。
【０００４】
温度に関しては、関連する事項はシールされた製品の温度、シール流体の温度、環境の温度、シールの部材の、特に摺動面の温度および前記温度における何らかの変動を含む。
【０００５】
その他の要素としては、シールされたシャフトの回転速度、プロセスの開始および停止ならびに発生する可能性のある故障を含む。
【０００６】
従来技術は例えば以下の例を含む。回転軸用メカニカルシールは、もしも圧力変動がゆっくりと起こるとすれば、変動する圧力に対してシールを調整できるようにするために複式釣合い（ｄｏｕｂｌｅ  ｂａｌａｎｃｉｎｇ）を利用している。フィンランド特許出願第７７３，７２６号（ＦＩ  ７７３，７２６）がこの種の解決方法を開示している。
【０００７】
回転軸用メカニカルシールは、該シールを連続的に貫流するシール流体によって冷却される。ある場合には、流体の流量が制限される、すなわち、シールを調整している間にそこに存在している状態に対して流体の流量が十分であるような要領で流量が調整される。ある場合には、シールからの水の接続が完全に閉塞される。これらの方法は、例えばメカニカルシールのシーリング水（ｓｅａｌｉｎｇ  ｗａｔｅｒ）の流量と圧力とを調整するためにシーリング水を調整および制御する装置を使用している。当該装置は、シーリング水の流量と圧力とを調整するために流量計と何らかの必要な調整装置とを含む。前述の装置を使用することによってシーリング水の流量は決められる。シーリング水の一つの重要な役割は前述したようにメカニカルシールを冷却することである。しかしながら、流出するシーリング水の温度に応じてシーリング水の流量を最適化するように調整することは難しい。前述した方法は使用済みのシーリング水の量を検出するのには役立つが、安全を期するために水の消費量は過度に高く調整されることが多い。更に、もしもシーリング水の流量が低めに調整されるとすれば、たとえオリフィスが水に含まれる不純物を通しうるように設計されていたとしても、水中の粒子によって簡単に閉塞されるという問題がある。オリフィスの閉塞の原因となる流量の下限の警報（ｆｌｏｗ  ｌｏｗ−ｌｉｍｉｔ  ａｌｅｒｔｓ）も実際には問題である。シーリング水の流出接続部を閉栓することはメカニカルシールにとっては良好な条件を提供するが、このような配備ではシールからの熱除去は行わない。もしも温度がメカニカルシールに対する設計温度よりも高くまで上昇するとすれば、シールは損傷を受けうる。このように、この方法は、シールの温度が容易に上昇するような状況には適していない。この方法の利点は、当然のことながら、高価なシーリング水を無駄使いしないことである。
【０００８】
従来技術に関していえば、急速な圧力変動があればシールを損傷させうるということが言える。更に、連続的な流れを使用することは大量のシール流体を消費することに注目すべきである。また、連続的に流すということはシールの実際の冷却の必要性やその変動を考慮しておらず、そのことによってシールを損傷に導く可能性がある。シール流体の流量を過大にするとシールされた製品を冷却し、これも問題を発生させる。もしもシール流体の流れが完全に停止するとすれば、シール損傷の危険性は増大する。回転速度の変動はシールの冷却の必要性に影響を与えるが、既知の方法ではこれらの変動に適応しない。プロセスの開始および停止の間、圧力および温度に変動があるのが普通である。既知の方法ではこれらの変動に適応しない。プロセスが停止したとき、シールは冷却を必要としていないにもかかわらず、連続的な流れによる冷却によりシール流体を使用している。既知の方法ではプロセスや環境において発生する変動には感応せず、これもシールの損傷をもたらしうる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は従来技術の欠点を排除できるようにする装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
これは本発明による装置によって達成される。本発明の装置は、シールの温度に反応し、冷却の必要性に応じてシール流体の流れを開閉するように配置された弁手段が冷却用シール流体の流れを提供する手段と関連して配置されていることを特徴とする。
本発明の利点は、特に、シールされた製品、シール流体および環境における全ての変動、換言すれば、圧力の変動と温度の変動の双方に対して本発明によってシールが適応できるようにされることである。本発明によって、シールの冷却は実際の状況に対応するよう最適化され、それによって、著しい量のシール流体を節約することができる。別の利点は、製品が不必要に冷却されないことである。最適化によって、シールの寿命を可及的に長くすることができ、シール損傷の危険性を従来よりも低くできるような状態をシールに対して提供する。本発明は更に、これは既知の方法では不可能であるが、回転速度の変動によって起因される冷却の必要性の変化に対し反応する。本発明によると、プロセスが停止したとき、シール流体が無駄に使用されることはない。本発明によると、シールは急速に発生する変動や故障に反応することが可能である。
【００１１】
本発明を添付図面に記載の好適実施例によって、以下に極めて詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、３で示す位置において回転部分１と非回転部分２との間の空隙をシールするために回転部分１と非回転部分２との間に配置されたメカニカルシールを有するプロセスポンプの全体図である。前記のメカニカルシールは拡大して図２に示されている。
【００１３】
このメカニカルシールは相互に押圧する２個の摺動面を有し、これらの摺動面は回転機械部分および非回転機械部分の間の空隙をシールするように配置されている。そのシールは更に、冷却用シール流体をメカニカルシールへ、あるいはそこから導くための入力装置（ｉｎｐｕｔ  ｕｎｉｔ）および出力装置（ｏｕｔｐｕｔ  ｕｎｉｔ）を含む。このシールはまた、シール流体が周囲へ漏れるのをシールするための第二の対の摺動面を含む。シールへのシール流体の入力およびそこからの出力は図２において矢印によって全体的に示されている。対のシール摺動面は図２において参照数字４ａおよび４ｂで示されている。
【００１４】
前述したことは当業者には既知であるので、この点については詳細には説明していない。シール構造は例えば、圧力に対して最適化が可能である、フィンランド特許出願第７７３，７２６号に記載のように複式釣合いの回転軸用メカニカルシールとしうる。
【００１５】
図３は本発明の基本原理を示す。参照数字５はポンプを示す。参照数字６はシ−ル流体の入力装置を、参照数字７はシール流体の出力装置を示す。本発明の基本的な概念によれば、シールの温度に反応し、シールの冷却の必要性に応じてシール流体の流れを開閉するように配置されている弁手段がシール流体の流れを提供する手段と関連して、例えばシール流体の出力装置７と関連して配置されている。このように、弁は、冷却の必要性に応じてシール流体の流れを開閉するような要領で作動するように配置されている。もしもシールが冷却を必要としないのであれば、弁は全く開かない。前述したような機能によって、本装置は変動する温度において作動する。弁の絞りが圧力の急速な変動を阻止する。
【００１６】
本解決方法は種々の方法で、例えば機械的に、あるいは電気的に実行することができる。機械的な弁手段は例えば、形状記憶合金からつくられた部分１１を内蔵することができ、それによって、弁手段８は、シール流体の温度が前記弁手段の形状記憶合金が作動する温度限界まで上昇すると開いて、シール流体の温度が下がるとそれに対応して閉鎖するように配置されている。
【００１７】
弁手段８は、図３に示す要領でシール流体の出力装置７に接続することができる。シールの温度が低いとすれば、換言すれば、熱を除去する必要がないとすれば、弁手段８は閉鎖され、シール流体は弁手段８を通って流れることができない。シールの温度が上昇すると、当然シール流体の温度も対応して上昇する。その温度がメカニカルシールの作動に対して臨界レベル近くまで上昇すると、弁手段８が開いて、シール流体は温度が再び下がるまでシールの空隙を貫流する。温度が下がってしまうと、弁手段８は閉鎖する。前述した作動は形状記憶合金の特性によって本発明において達成される。
【００１８】
前述のように、本発明による装置の基本的な概念は、本装置がシールの作動に対する臨界レベルを温度が上回って上昇するのを阻止することである。前記弁手段には形状記憶合金が使用され、シールの製造者は製造時に作動される形状記憶合金の温度限界を決定する、すなわち、前述の温度限界は前述したシールの作動に対する臨界温度に対応するように規定される。形状記憶合金は熱拡張（ｈｅａｔ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）の原理に従って直線的にではなく、図４に示すように挙動する。
【００１９】
図６から図８までは本発明による装置の弁手段の好適実施例を詳細に示す。前記図面において、参照数字９は、そこを通ってシール流体が弁手段８へ流入する、シール流体の出力装置への接続部を示す。参照数字１０は、そこを通ってシール流体が弁手段から流出する装置（ｕｎｉｔ）を示す。参照数字１１は形状記憶合金でつくられた部分を示す。参照番号１２はゆるめバネ（ｒｅｌｅａｓｅ  ｓｐｒｉｎｇ）を示し、参照数字１３はシート弁（ｓｅａｔ  ｖａｌｖｅ）を示す。参照数字１３ａはシート弁１３の閉鎖部分を示す。参照数字１４は当該装置を通気させたり、検査するために使用される手動制御弁を示す。
【００２０】
図５から図８までに示す弁手段８は以下のように作動する。前記接続部９における温度が形状記憶合金１１の作動する温度限界まで上昇すると、閉鎖部分１３ａが開く、すなわち、形状記憶合金でつくられた部分１１が急速に拡張し、ゆるめバネ１２の力に抗してシート弁１３を押し開ける。そうすれば、シール流体は弁手段８を貫流し、更に装置１０を通って図３に示す出力装置７まで流れる。シート弁１３の貫流開口はシール流体中の不純物が弁を閉塞しないようにするに十分な大きさに設計されている。シート弁は極めて急速に開いて、不純物が弁に残留しないようにする。弁は閉鎖されるか、あるいは完全に開かれる。弁の急速な作動は、図４に示すような、温度が変動するときの形状記憶合金の挙動に基づいている。シール流体の温度が下がると、形状記憶合金で作られた部分１１が収縮し、シート弁を開いている力が弱くなり、ゆるみバネ１２がシート弁１３を閉鎖させる。
【００２１】
図９から図１１までは機械的な応用の第二の例を示す。図９から図１１までに示す実施例は図６から図８までに示すものと類似のタイプである。図９から図１１までにおいて、図６から図８までにおけるものと対応する細部については同じ参照数字が使用されている。
【００２２】
図９から図１１までに示す実施例は原則として以下のように作動する。受け入れられると、弁は通気され、以下のように検査される。ホース１４が矢印Ａで指示する方向に押圧されメカニカルシールの水空間（ｗａｔｅｒ  ｓｐａｃｅ）１５から空気を抜き、水は矢印Ｂで指示する方向に弁を通って流れる。ホース１４が解放されると、弁はシーリング水の圧力とゆるみバネ１２とによって閉鎖する。通気機構の構造と作動は当業者には既知なので、ここでは詳しく説明しない。
【００２３】
シールにおける温度が最高作動温度近くまで上昇すると、例えばばねのような、形状記憶合金からつくられた前記部分１１が付勢され、シール弁１３を開く。次いで、冷たい水がシールの水空間１５まで流れ、温度が下がり、形状記憶合金からつくられたばね１１のスプリングバック力が減少し、弁が閉鎖する、すなわち弁はその常態の位置まで復帰し、その位置において、シーリング水の圧力およびゆるみバネ１２が閉鎖部分１３ａとして作用する球によって弁を閉鎖する。
【００２４】
電気的な応用は、例えば温度センサによって制御される電動ソレノイド弁を使用することによって実行可能である。ソレノイド弁は、センサがシール流体の温度を測定し、必要に応じてソレノイド弁を開くような要領で回転軸用メカニカルシールの外側で装着されている。
【００２５】
前述の全ての代替的な方法は同じ機能を提供する、すなわちメカニカルシールの作動温度を最適化する。先に述べたように、フィンランド特許出願第７７３，７２６号に記載の複式釣合いシール（ｄｏｕｂｌｅ−ｂａｌａｎｃｅｄ  ｓｅａｌ）による方法は例えば温度の最適化のために使用可能である。
【００２６】
前述した実施例は本発明を何ら限定する意図のものでなく、本発明は特許請求の範囲内で自在に修正可能である。このように、本発明による装置あるいはその細部は必ずしも正確に図示するようなものでなくてもよく、その他の種類の方法も可能であることは明らかである。例えば、弁手段は図示するように個別の要素である必要はなく、メカニカルシールと一体化することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】プロセスポンプの全体図である。
【図２】図１の細部を拡大して示す全体図である。
【図３】本発明による装置の基本原理を示す全体図である。
【図４】形状記憶合金の熱拡張（ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）の原理を示す概略図である。
【図５】本発明による装置の基本的な部分の側面図である。(実施例１)
【図６】流れ方向から見た図５の一部を示す。
【図７】ＶＩＩ−ＶＩＩに沿って矢印で示す図５の一部の断面図である。
【図８】図７の細部を拡大して示す図である。
【図９】本発明による装置の第二の実施例を種々の作動局面において見た側断面図である。（実施例２）
【図１０】本発明による装置の第二の実施例を種々の作動局面において見た側断面図である。（実施例２）
【図１１】本発明による装置の第二の実施例を種々の作動局面において見た側断面図である。（実施例２）
【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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