(57)【要約】【課題】軸封装置において、被密封流体の高温・高圧によりケーシングが熱変形してもメカニカルシールのシール能力を発揮させることにある。【解決手段】軸封装置はシールハウジングに保持される固定用密封環と固定用密封環のシール面に密接する対向シール面を有して回転軸と回動する回転用密封環とを有するメカニカルシールを備えている。そして、シールハウジングとケーシングとの連結が回転軸及びケーシングの変位に応じて変形する可撓連結部に形成されているものである。【選択図】        図１
2005016538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に貫通孔を有するシールハウジングと前記シールハウジングの前記貫通孔に嵌設された回転軸との間に配置されてシール面を有すると共に前記シールハウジングに保持される固定用密封環と、前記固定用密封環のシール面に密接する対向シール面を有して前記回転軸と回動する回転用密封環とを有するメカニカルシールを備え、前記シールハウジングの前記貫通孔とケーシングの内部とを被密封流体が連通可能に連結すると共に前記回転軸叉は前記ケーシングの変位に応じて変形する環状の可撓連結部を有すること、を特徴とする軸封装置。
【請求項２】
内部に貫通孔を有するシールハウジングと前記シールハウジングの前記貫通孔に嵌設された回転軸との間に配置されてシール面を有すると共に前記シールハウジングに保持される固定用密封環と前記固定用密封環のシール面に密接する対向シール面を有して前記回転軸と回動する回転用密封環とを有するメカニカルシールを備え、前記シールハウジングの前記貫通孔とケーシングの内部とを被密封流体が連通可能に連結する筒状の第１ベローズを有すると共に前記第１べローズに被嵌する少なくとも１つのべローズを有し、前記各ベローズの嵌設間に流体室を有し、且つ前記流体室に連通する流体供給用の連通路を有すること、を特徴とする軸封装置。
【請求項３】
前記可撓連結部は筒状体叉はベローズに形成されていると共に前記筒状体叉は前記ベローズが弾性変形するように構成されてい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】
前記可撓連結部は、超弾性合金又は超塑性合金材で形成されていることを特徴とする請求項１叉は請求項３に記載の軸封装置。
【請求項５】
前記メカニカルシールと被密封流体側との間にシール部を設け、前記シール部と前記メカニカルシールとの間の流体通路に連通するバッファーガス用供給通路を有することが特徴である請求項１叉は請求項２叉は請求項３叉は請求項４に記載の軸封装置。
【請求項６】
前記流体室に連通する連通路から被密封流体より低圧の流体を前記流体室に供給することを特徴とする請求項２叉は請求項５に記載の軸封装置。
【請求項７】
前記メカニカルシールの密封環のシール面に動圧発生溝が形成されていることを特徴とする請求項１叉は請求項２叉は請求項３叉は請求項４叉は請求項５叉は請求項６に記載の軸封装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温及び高圧の被密封流体をシールする軸封装置に係わる。更に詳しくは、例えば、工業用燃料電池、ガスタービン、ターボ機械等のシールに於いて、高温で高圧の被密封流体をシールする軸封装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に係わる関連技術には、高温・高圧の被密封流体をシールする軸封装置が存在する。この軸封装置は、ラビリンスシールとカーボンシールリングを回転軸の廻りに軸方向へ多数個を並列した構成のものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１０８２０１号公報（２頁−３頁、図１）
【０００４】
この特許文献１に代表される軸封装置１００は、図６の断面図に示すように構成されている。図６に於いて、ケーシング１２０の孔にはフランジ１０５Ｃ付きのシールハウジング１０５が嵌合されている。このシールハウジング１０５の穴内にはインぺラー１５５と一体の回転軸１５０が嵌挿されている。
【０００５】
この回転軸１５０の廻りにシールハウジング１０５に嵌着した２個の第１ラビリンスシール１１０及び第２ラビリンスシール１１３が並列に配置されている。この第１ラビリンスシール１１０と第２ラビリンスシール１１３の内周には回転軸１５０の外周面と近接する凹凸状のラビリンス片１１０Ａ、１１３Ａが形成されている。叉、第１ラビリンスシール１１０と第２ラビリンスシール１１３の間には、外部と連通する流体排出孔１０２Ｂ、１２０Ｂが設けられている。更に、第２ラビリンスシール１１３の軸方向における一方側の内周部に２個の環状溝１１３Ａ、１１３Ｂが並列に設けられており、この環状溝１１３Ａ、１１３Ｂに各カーボンシールリング１１１、１１１が回転軸１５０の径方向へ移動自在に配置されている。叉、シールハウジング１０５のフランジ１０５Ｃにはラビリンス片を設けた第３ラビリンスシール１０５Ｄが形成されており、このラビリンスシール１０５Ｄはインぺラー１５５と近接して被密封流体をシールする。そして、第１ラビリンスシール１１０と第３ラビリンスシール１０５Ｄから漏洩した被密封流体は、流体排出孔１０２Ｂ、１２０Ｂから流出される。
【０００６】
叉、第２ラビリンスシール１１３と並列にシールユニット１１５が回転軸１５０の廻りでシールハウジング１０５に嵌着している。このシールユニット１１５の内周部には、３個の環状溝１１５Ａが形成されている。この各環状溝１１５Ａにも各々カーボンシールリング１１２、１１２、１１２が径方向へ移動自在に嵌挿されている。そして、第２ラビリンスシール１１３とシールユニット１１５の間に外部と連通するパージガス用の導入孔１０２Ａ、１２０Ａが設けられている。
この導入孔１０２Ａ、１２０Ａからは、ガスが供給されて被密封流体が軸の周りから外部に流出するのを封止している。
【０００７】
このように構成された軸封装置１００は、高温の被密封流体によりケーシング１２０と回転軸１５０が熱変形して一部が互いに接近すると、第１ラビリンスシール１１０及び第２ラビリンスシール１１３の各ラビリンス片１１０Ａ、１１３Ａが回転軸の外周面に当接して損傷する。又、ラビリンス片１１０Ａ、１１３Ａが回転軸１５０に当接するのを防止するために、ラビリンス片１１０Ａ、１１３Ａと回転軸１５０の間隔を大きくすると、シール能力が悪化して、被密封流体が流体排出孔１０２Ｂ、１２０Ｂや外部へ漏洩する。又、カーボンシールリング１１２、１１５は、環状溝１１３Ａ、１１３Ｂ、１１５Ａに出没自在に嵌挿されている構成のために、耐圧能力を向上させることができないので、高圧の被密封流体がカーボンシールリング１１２、１１５に作用すると、シール能力が低下する。叉、カーボンシールリング１１２、１１５は、径方向へ出没自在に構成されているために、導入孔１０２Ａ、１２０Ａから高圧のガスを導入してカーボンシールリング１１２、１１５のシール能力を向上させることも実際問題として困難になる。
【０００８】
次に、高温・高圧の被密封流体用軸封装置としてシールハウジングと回転軸との間にメカニカルシールを設けた関連技術が存在する（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献２】
特開平１１−３５１４０７号公報。
【００１０】
この軸封装置は、回転軸とシールハウジングとの間隙を仕切るように２つの第１メカニカルシールと第２メカニカルシールが軸方向へ並列に配置されている。この第１メカニカルシールと第２メカニカルシールとの間には、中間室が存在する。そして、中間室に連通するバッファー流入通路が外部と連通している。この中間室に被密封流体の圧力より高圧のバッファーガスを供給し、このバッファーガスが各メカニカルシールと協働して各メカニカルシールのシール能力を向上させるものである。そして、被密封流体が大気側へ漏洩するのを防止する。
【００１１】
この構成による軸封装置においても、シールハウジングと回転軸とが被密封流体の高温の影響を受けて熱変形すると、熱変形に応じてメカニカルシールに於ける固定用密封環と回転用密封環の相対するシール面が径方向へずれたり又は傾斜方向へ離れたりするので、密封能力が低下する。叉、密封環のシール面に動圧発生溝が設けられている非接触形ガスシールは、シールハウジング叉は回転軸が熱変形を受けると、位置ずれや相反する方向へ傾斜するので、動圧発生力を小さくしてシール面が摺動して摩耗する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述のような問題点に鑑み成されたものであって、その発明が解決しようとする課題は、被密封流体が高温且つ高圧であっても、軸封装置により被密封流体を確実にシールできるようにすることにある。叉、軸封装置に於ける密封環の摺動面の損傷を防止してシール能力を長期に渡り保持することにある。更に、被密封流体が有害なガスであっても、確実にシールできるようにすることにある。叉、軸封装置の故障を効果的に防止すると共に、軸封装置の製作コストを低減することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述のような技術的課題を解決するために成されたものであって、その技術的解決手段は以下のように構成されている。
【００１４】
請求項１に係わる本発明の軸封装置は、内部に貫通孔を有するシールハウジングとシールハウジングの貫通孔に嵌設された回転軸との間に配置されてシール面を有すると共にシールハウジングに保持される固定用密封環と、固定用密封環のシール面に密接する対向シール面を有して回転軸と回動する回転用密封環とを有するメカニカルシールを備え、シールハウジングの貫通孔とケーシングの内部とを被密封流体が連通可能に連結すると共に回転軸叉はケーシングの変位に応じて変形する環状の可撓連結部を有するものである。
【００１５】
この請求項１に係わる本発明の軸封装置では、高温の被密封流体によりケーシングが熱変形したり、回転軸が熱変形したりする。このケーシングと回転軸との間の軸芯のずれは±２ｍｍ以上にも達する。このような状態では、従来、ケーシングと回転軸との間に熱による相対的な寸法の変位が生じると、ラビリンスシールと回転軸とが当接し、更には、メカニカルシールの回転用密封環と固定用密封環との摺動する相対面がずれることになる。本発明のように、シールハウジングとケーシングとが可撓連結部により連結されているので、この熱変形に応じて可撓連結部が弾性変形し、回転軸に対してシールハウジングがずれないように応動する。そして、回転軸とシールハウジングとの相対位置寸法が保持されるので、シールハウジングと回転軸との間に保持されるメカニカルシール及びラビリンスシール等は、被密封流体の高温による変形の影響を受けることなく、シール能力を発揮する。叉、回転軸とシールハウジングとの相対位置寸法が保持されるので、メカニカルシール間にバッファーガスを供給してシール能力を高めると共に、バッファーガスによりメカニカルシールを冷却して耐久能力を向上させることが可能になる。
【００１６】
請求項２に係わる本発明の軸封装置は、内部に貫通孔を有するシールハウジングとシールハウジングの貫通孔に嵌設された回転軸との間に配置されてシール面を有すると共にシールハウジングに保持される固定用密封環と固定用密封環のシール面に密接する対向シール面を有して前記回転軸と回動する回転用密封環とを有するメカニカルシールを備え、前記シールハウジングの前記貫通孔と前記ケーシングの内部とを被密封流体が連通可能に連結する筒状の第１ベローズを有すると共に前記第１べローズに被嵌する少なくとも１つのべローズを有し、前記各ベローズの嵌設間に流体室を有し、且つ前記流体室に連通する流体供給用の連通路を有するものである。
【００１７】
請求項２に係わる本発明の軸封装置は、大小異なる径のベローズを嵌設して複数のベローズ間に流体室が形成されている。この流体室に流体圧力が供給されるから、複数の嵌設されたベローズの負荷が圧力流体を介して軽減されることになる。この為に、ベローズの山数を多くできる。叉、ベローズの板厚を薄肉に構成できるので、可撓性が向上する。その上、供給された流体によりベローズが冷却されて耐久能力が向上する。更に、可撓連結部に連結したシールハウジング内のメカニカルシールにおけるシール面の位置関係が保持されるのでシール面のシール能力が発揮される。叉、ベローズの可撓性が向上することにより、ベローズの作動による亀裂や損傷が効果的に防止される。
【００１８】
請求項３に係わる本発明の軸封装置は、可撓連結部が筒状体叉はベローズに形成されていると共に筒状体叉はベローズが弾性変形するように構成されているものである。
【００１９】
この請求項３に係わる本発明の軸封装置では、筒状体の板厚の厚さを薄くしたものを嵌設して可撓連結部に可撓性を持たせることができる。叉、ベローズ状に形成して可撓連結部に可撓性を持たせることもできる。その結果、ケーシングに熱変形が生じても、ケーシングの変位に左右されることなく、可撓連結部によりシールハウジングを回転軸に対して変位しない寸法関係に保持することが可能になる。そのために、メカニカルシールの相対するシール面の寸法関係が正常に保持されるのでシール面のシール能力が発揮される。この為に、可撓連結部の構造が簡単になり、加工や製作が容易になる。
【００２０】
請求項４に係わる本発明の軸封装置は、可撓連結部が超弾性合金叉は超塑性合金材で形成されているものである。
【００２１】
この請求項４に係わる本発明の軸封装置では、可撓連結部が超弾性合金叉は超塑性合金材で形成されているから、ゴム状弾性のように変形させることが可能になる。この為に、可撓連結部はベローズのような複雑な形状にすることなく弾性変形するので、連結構造を容易にすることが可能になる。この為に、可撓連結部の製作コストが低減できる。更に、可撓連結部はゴム状弾性変形するので、可撓連結部に局部的な応力が作用しても、異常な歪みの発生が防止できる。この為に、可撓連結部の損傷が防止でき、耐久能力が向上する。
【００２２】
請求項５に係わる本発明の軸封装置は、メカニカルシールと被密封流体側との間にシール部を設け、このシール部とメカニカルシールとの間の流体通路に連通するバッファーガス供給通路を有するものである。
【００２３】
この請求項５に係わる本発明の軸封装置では、シール部とメカニカルシールとの間の流体通路に連通するバッファーガス供給用の通路から供給されたガスにより、メカニカルシールと協働して被密封流体のシール能力を向上させる。更に、バッファーガスによりメカニカルシールや回転軸を冷却して密封環のシール面の異常発熱や摩耗を防止すると共に、シール能力を向上させることができる。これらの効果は、可撓連結部によりケーシングの熱変形に対してシールハウジングと回転軸との寸法を正常に保持することにより可能になる。
【００２４】
請求項６に係わる本発明の軸封装置は、流体室に連通する連通路から被密封流体より低圧の流体を流体室に供給するものである。
【００２５】
この請求項６に係わる本発明の軸封装置では、流体室に被密封流体より低圧の流体を供給することにより、被密封流体の圧力と流体室の圧力との差を利用して可撓連結部の可撓性を向上させることが可能になる。しかも、流体室へ供給する流体により可撓連結部を冷却して可撓連結部の耐久能力を向上させることが可能になる。叉、連通路から流体室に流体を供給し、回転軸やメカニカルシールを冷却して熱変形を防止することが期待できる。そして、可撓連結部によりシールハウジングと回転軸との寸法関係を、ケーシングの熱変形に係わらず、正確に保持することを可能にする。
【００２６】
請求項７に係わる本発明の軸封装置は、メカニカルシールの密封環に動圧発生溝が形成されているものである。
【００２７】
この請求項７に係わる本発明の軸封装置は、可撓連結部が弾性変形してシールハウジングを回転軸に対応して正常な位置に保持するから、ケーシングに熱変形が生じても、メカニカルシールの回転用密封環の対向シール面と固定用密封環のシール面をシール能力が発揮するように回動させることが可能になる。この為に、動圧発生溝はシール面に対し、正確な間隙と位置を保持してシール能力を発揮することが可能になる。その結果、メカニカルシールの密封環に設けられた動圧発生溝により、従来不可能であった高温・高圧の被密封流体をシールすると共に、高温・高圧によるシール面の摩耗・損傷を効果的に防止することが可能になる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる好ましい実施の形態の軸封装置を、その図面に基づいて詳述する。尚、以下に説明する各図面は、正確な設計図を基にした図面である。
【００２９】
図１は本発明に係わる好ましい実施の形態を示す軸封装置１の断面図である。この軸封装置１は、燃料電池用のブロワなどに用いられる高圧・高温の被密封流体をシールするものである。図１に於いて、ブロワのケーシング７０に設けられた図示省略の軸受部に回転軸５０が回転自在に支持されている。そして、回転軸５０は外部Ｂの動力で回動されるために、ケーシング７０の外部に貫通状態に突出してモータ等に連結している。この為に、ケーシング７０と回転軸５０との間の内部Ａと外部Ｂとの間を軸封装置１によりシールする。このブロワに於ける被密封流体は、６４０°Ｃに達する高温で、且つ１から２ＭＰａの高圧状態である。しかも、有害又は爆発性のガス（Ｈ２，ＣＯ，ＣＨ４）が用いられる場合もある。
【００３０】
この回転軸５０が貫通したケーシング７０には、取付部６０のフランジが金属製のＣ形シールリング６５を介してボルト４７により接合されている。このＣ形シールリング６５は断面がＣ形を成して高温の被密封流体の圧力を内周に受けてシールするように一部が開口した構成である。更に、この取付部６０にＣ形シールリング２０Ａ１を介してシールハウジング２０の連結部２０Ａがボルト４６により取り付けられている。シールハウジング２０は、全体が筒状体に形成されている。このシールハウジング２０は連結部２０Ａに設けられた可撓連結部２とシールハウジング本体を結合した構成である。このシールハウジング本体は、第１ハウジング２０Ｂと、第２ハウジング２０Ｃと、第３ハウジング２０Ｄと、スペーサ２０Ｍと、エンドカバー２０Ｋとから構成されている。この第１ハウジング２０Ｂと、第２ハウジング２０Ｃと、第３ハウジング２０Ｄと、スペーサ２０Ｍと、エンドカバー２０Ｋは、ボルト４５を介して互いに結合され、シールハウジング本体に組み立てられる。
【００３１】
可撓連結部２には、連結部２０Ａに一体の第２ベローズ２Ｂが形成されている。この第２ベローズ２Ｂのベロー部は断面が波形に形成されている。この第２ベローズ２Ｂはケーシング７０と回転軸５０との軸芯ずれが±４ｍｍ位まで変位しても対応できるように構成される。この為に、べロー部の長さと、そのべロー部の山数が芯ずれに対応して弾性変形するように設計する。この第２ベローズ２Ｂの材質は、７６％Ｎｉ、１６％Ｃｒ、８％Ｆｅの合金インコネルを採用している。このインコネル材のように、加工性に富み、耐食性に優れ、高温度でも酸化しない金属であれば他の材料も採用できる。この材料として、例えば、ステンレススチール、ニッケル合金材などがある。
【００３２】
次に、第１ハウジング２０Ｂの一端には第２ベローズ２Ｂより小径の第１ベローズ２Ａが設けられている。第１ベローズ２Ａの内周面２Ａ１は回転軸５０との間に間隙を設けて回転軸５０と接触しない寸法に設計されている。この第１ベローズ２Ａの材質も第２ベローズ２Ｂと同一のインコネル材製である。更に、第１ベローズ２Ａの材質は、加工性に富み、耐食性に優れ、高温度でも酸化しない金属、例えばステンレススチール、ニッケル合金材などが採用されている。この第１ベローズ２Ａは、第２ベローズ２Ｂの内周面２Ｂ１に挿嵌され、自由端の結合部２５Ａが連結部２０Ａに溶接されている。叉、第２ベローズ２Ｂの自由端の結合部２５Ｂが第１ハウジング２０Ｂに溶接される。この第１ベローズ２Ａの外周面と第２ベローズ２Ｂの内周面２Ｂ１との空間は流体室４に形成される。
【００３３】
各ベローズ２Ａ、２Ｂのべロー部の山数は数多くすればするほど、可撓性に富んだ変形をするが、山数を多くすれば高圧力の被密封流体に耐えられなくなる。叉、べロー部の板厚を薄肉に構成すれば可撓性に富むが、薄肉では被密封流体の圧力に耐えられなくなる。このような課題に対し、第１ベローズ２Ａと第２ベローズ２Ｂの間に流体室４を設けることにより、流体室に介在する圧力流体により第１ベローズ２Ａと第２ベローズ２Ｂが空力弾性的に支持されるので、可撓連結部２の耐圧能力と撓み能力が飛躍的に向上する。又、耐熱性については、流体室４へ被密封流体の温度より低温の流体を循環させることにより可撓連結部２の耐熱性が増すと共に、耐久能力が向上する。この実施例では、第１ベローズ２Ａと第２ベローズ２Ｂを設けた構成であるが、第３、第４、第５ベローズを嵌挿して各間に流体室を形成しながら多層構造にすることもできる。このように、各間隔に流体室を設けた多層環状構造体にすることにより被密封流体に対する耐熱と共に耐圧能力が向上する。
【００３４】
この流体室４には第１ハウジング２０Ｂに設けられた流体供給用の連通路１２が連通している。この連通路１２は第１ハウジング２０Ｂの周面に等配に複数個が設けられて流体を給排にすることもできる。この連通路１２から設定圧の窒素ガス、空気、その他のガスが供給される。この設定圧は、被密封流体の圧力により設計される。被密封流体の圧力が１．１ＭＰａで温度が６４０°の場合、連通路１２から供給されるガスの設定圧は、０．７ＭＰａ前後にすると良い。しかも、流体室４の温度を被密封流体の温度よりも低い温度にすると良い。例えば、流体室４の温度は、被密封流体の温度よりも５℃以下の温度にすると冷却効果が生じる。
【００３５】
第２ハウジング２０Ｃの内周面には、内周に凹凸のラビリンス片９Ａ１を設けた第１ラビリンスシール９Ａが嵌着されてボルトにより螺着している。このラビリンス片９Ａ１は、第２スリーブ５２の外周面と微小間隙を設けて嵌合し、ラビリンス片９Ａ１と第２スリーブ５２との間で被密封流体を段階的に圧力降下させてシールする。この高温・高圧の被密封流体は、第１流通路１１を介して第１ラビリンスシール９Ａまで流れ、ラビリンス片９Ａ１による被密封流体の圧力降下によりシールする。このラビリンスシール９Ａは連結部２０Ａ近傍に設けてバッファーガスにより可撓連結部２を冷却するようにしても良い。
【００３６】
叉、被密封流体の通路となる第１流通路１１に於ける第１ラビリンスシール９Ａの外部Ｂ側には、第１メカニカルシール３Ａが設けられている。第１メカニカルシール３Ａは回転用密封環５Ａと固定用密封環６Ａと、その付属部品から成る。この第１メカニカルシール３Ａは、回転用密封環５Ａと固定用密封環６Ａとを互いに密接させて第１ラビリンスシール９Ａから漏洩した被密封流体をシールする。この回転用密封環５Ａは、第２スリーブ５２の接合面５２Ａに係合すると共に、第１スリーブ５１と第２スリーブ５２との間で軸方向が固着されている。そして、第２スリーブ５２に設けられたドライブピン５２Ｄを介して回転軸５０と回動する。第２スリーブ５２は、軸方向からボルト４８を第１スリーブ５１に螺合して固定されている。この第１スリーブ５１は、回転軸５０に嵌着すると共に、一端部に留金具５５がボルト４８を介して結合されている。この留金具５５は、止めボルト４９により回転軸５０に固定されているから、留金具５５を介して第１スリーブ５１を回転軸５０に固定する。
【００３７】
そして、回転軸５０が回動すると、回転軸５０と一体の留金具５５に結合した第１スリーブ５１と、第１スリーブ５１に固定された第２スリーブ５２を介して回転用密封環５Ａが回動される。この回転用密封環５Ａの対向シール面５Ａ１には、図５の動圧発生溝５Ａ２が設けられている。この動圧発生溝５Ａ２は、対向シール面５Ａ１に、図５に示すような両回転用の溝が形成されている。この動圧発生溝５Ａ２は、メカニカルシールのうちのガスシール用として採用されている非接触形の各種の一方回転叉は両回転用の溝を利用することもできる。その例として、シール面に沿って多数個に形成された円弧状の溝に形成した動圧発生溝も利用できる。
【００３８】
固定用密封環６Ａは、第２ハウジング２０Ｃに設けられた軸方向の固定ピン２０Ｄ１により軸方向へスライド自在に係合して保持されている。叉、固定用密封環６Ａは第３ハウジング２０Ｄに支持された第１ベローズ形ばね手段７Ａにより弾発に押圧されている。そして、固定用密封環６Ａのシール面６Ａ１が回転用密封環５Ａの対向シール面５Ａ１と密接する。
【００３９】
第２ハウジング２０Ｃには、外部から第１バッファーガス通路３１が固定用密封環６Ａの外周側の第２流通路３１Ａへ連通する状態に形成されている。この第２流通路３１Ａはラビリンスシール９Ａを介して第１流通路１１と遮断されている。固定用密封環６Ａの外周のバッファーガス通路３１と第２流通路３１Ａとの間には、絞リング２０Ｒの両端部が第２ハウジング２０Ｃと第３ハウジング２０Ｄとに挟持されている。この絞リング２０Ｒには、周面に沿って等配に第１中間通路３１Ｂが複数個に設けられている。第１バッファーガス通路３１からバッファーガスが第１中間通路３１Ｂを通して第２流通路３１Ａへ供給される。バッファーガスは被密封流体の圧力より０．５ＭＰａ程度に高圧にされており、このガスの温度の範囲は、常温から５０°Ｃくらいの低温にされている。尚、バッファーガスは空気叉は窒素ガスのような不活性ガスが好ましい。
【００４０】
第３ハウジング２０Ｄには、外部の図示省略した処理装置に配管を介して連通すると共に、内部の第３流通路３５Ａに連通する第１流出通路３５が設けられている。叉、第３流通路３５Ａは、第１流出通路３５から第１ベローズ形ばね手段７Ａと第１スリーブ５１との間を通り固定用密封環６Ａの背面に達している。そして、第１メカニカルシール３Ａから漏洩した被密封流体は、第３流通路３５Ａから第１流出通路３５を通り配管を介して外部の処理装置へ排出される。この被密封流体は有害ガスも含まれているので処理装置により燃焼して処理される。
【００４１】
第３ハウジング２０Ｄにはスペーサ２０Ｍを介してエンドカバー２０Ｋが接合している。そして、スペーサ２０Ｍとエンドカバー２０Ｋとの間の空間部には第１セグメントシール８Ａが第１スリーブ５１とエンドカバー２０Ｋとの間隙をシールする。この第１セグメントシール８Ａは、被密封流体が第３流通路３５Ａから外部Ｂへ流出するのを阻止する。
【００４２】
この軸封装置１は、第１ラビリンスシール９Ａと第１メカニカルシール３Ａと第１セグメントシール８Ａとにより高圧・高温の被密封流体をシールする。更には、被密封流体に含有する有害ガスもシールする。これらの各種シール９Ａ、３Ａ、８Ａは、可撓連結部２により回転軸５０とシールハウジング本体との相対位置の関係が適正に保持されているのでシール能力が発揮される。更に、スペーサ２０Ｍとエンドカバー２０Ｋとが第１スリーブ５１に近接した状態に嵌合している。このシールハウジング本体と第１スリーブ５１との相対位置がずれると、互いに当接して損傷するが、軸封装置１には可撓連結部２が設けられているので、回転軸５０とシールハウジング本体との相対位置の関係が正常に保持され、互いの当接が防止される。
【００４３】
図２は本発明に係わる第２実施の形態を示す軸封装置１の断面図である。この図２の軸封装置１は、図１の軸封装置１の第３ハウジング２０Ｄに第４ハウジング２０Ｅと第５ハウジング２０Ｆを各ボルト４５により結合すると共に、スペーサ２０Ｍとエンドカバー２０Ｋを端部に結合したものである。そして、第４ハウジング２０Ｅに第２バッファーガス通路３２と第４流通路３２Ａとを設けると共に、第５ハウジング２０Ｆに第５流通路３６Ａと第２流出通路３６を設けたものである。叉、第２バッファーガス通路３２には第２中間通路３２Ｂを設けた絞リング２０Ｒも図１と同様に挟持されている。そして、第２ラビリンスシール９Ｂは第４流通路３２Ａに第１ラビリンスシール９Ａと同様に配置されている。
【００４４】
更に、第２メカニカルシール３Ｂの部品である回転用密封環５Ｂと固定用密封環６Ｂと第２ドライブピン５３Ｄも図１の第１メカニカルシール３Ａの回転用密封環５Ａと固定用密封環６Ａと第１ドライブピン５２Ｄと同様に配置されている。更に、第２ベローズ形ばね手段７Ｂは図１の第１ベローズ形ばね手段７Ａと同様に配置され、固定用密封環６Ｂを弾発に押圧している。そして、第２メカニカルシール３Ｂの一付属部品を成している。叉、エンドカバー２０Ｋには、第３バッファーガス通路３３が設けられている。この第３バッファーガス通路３３の第１スリーブ５１側には第２セグメントシール８Ｂが第１セグメントシール８Ａと対称に配置されて被密封流体と第３バッファーガス通路３３からの窒素ガスを最終的にシールしている。第３バッファーガス通路３３から供給される窒素ガスは、第１セグメントシール８Ａと第２セグメントシール８Ｂと協働して被密封流体と窒素ガスを確実にシールする。その他の符号の部品は、図１に示す同じ符号の部品と同一であり、同一の作用効果を奏する。
【００４５】
上述のように構成された軸封装置１は、連通路１２と第１バッファーガス通路３１は、図１と同様に窒素ガスなどの圧力流体が供給される。叉、第１流出通路３５は、図１と同様にメカニカルシール３Ｂから漏洩した被密封流体及び第１バッファーガス通路３１からの窒素ガスが排出されるように成されている。そして、連通路１２と第１バッファーガス通路３１からの圧力流体の作用効果は図１について述べた通りである。叉、第２バッファーガス通路３２から第２中間通路３２Ｂを通って第４流通路３２Ａへ流れる空気叉は窒素ガスは、被密封流体の圧力より低圧であっても、第４流通路３２Ａ内で背圧の作用を成して第２ラビリンスシール９Ｂのシール効果を向上させる。叉、第２メカニカルシール３Ｂから漏洩した被密封流体及び窒素ガスは、第５流通路３６Ａを通り第２流出通路３６から配管を流れて図示省略の処理装置で処理される。
【００４６】
このように高精度のシール機能を設けた軸封装置１は、第１メカニカルシール３Ａ及び第２メカニカルシール３Ｂ、第１ラビリンスシール９Ａ及び第２ラビリンスシール９Ｂ、第１セグメントシール８Ａ及び第２セグメントシール８Ｂ等が設けられている。この軸封装置１は、回転軸５０に対してケーシング７０が変位しても、可撓連結部２が弾性変形してシールハウジング本体を保持することによりシールハウジング本体と回転軸５０の位置関係が保持されているので、各種のシール３Ａ、３Ｂ等がシール効果を発揮する。そして、可撓連結部２は、流体室４に介在する流体、叉は特殊な可撓性を有する構造、或いは超弾性合金製によりシールハウジング本体を回転軸５０に対して正常な位置に保持する働きをする。その結果、シールハウジング２０内の各メカニカルシール３Ａ、３Ｂはシール能力を発揮して高温・高圧の被密封流体をシールすると共に、有害ガスを効果的にシールする。
【００４７】
図３は、本発明に係わる第３実施の形態を示す軸封装置１の断面図である。シールハウジング本体は、筒状をした第１ハウジング２０Ｂと、同様に筒状をした第２ハウジング２０Ｃと、エンドカバー２０Ｋとが各ボルト４５を介して全体が円筒状に一体形成されている。シールハウジング本体の内部Ａ側の内周凸部には第１ラビリンスシール９Ａがボルト４４を介して取り付けられている。この第１ラビリンスシール９Ａは第２スリーブ５２の外周面に間隙を設けて嵌合し、第２スリーブ５２との間で凹凸のラビリンス片９Ａ１により被密封流体をシールする。しかし、このラビリンスシール９Ａは被密封流体の圧力を順次降下させてシールするから、被密封流体が微小量だけ漏洩する。
【００４８】
この為に、第１ラビリンスシール９Ａの外部Ｂ側には、第１メカニカルシール３Ａ（ガスシール）が設けられている。第１メカニカルシール３Ａは、回転用密封環５Ａと固定用密封環６Ａとを互いに密接させて第１ラビリンスシール９Ａから漏洩した被密封流体をシールする。回転用密封環５Ａは第２スリーブ５２に固着されていると共に、ドライブピン５２Ｄを介して回転軸５０と回動するようになされている。第２スリーブ５２は、軸方向からボルト４８を介して第１スリーブ５１に固定されている。この第１スリーブ５１は、回転軸５０に嵌着すると共に、一端部にボルト４８を介して留金具５５が設けられている。この留金具５５は、止めボルト４９により回転軸５０に固定されている。そして、回転軸５０が回動すると、留金具５５と第１スリーブ５１と第２スリーブ５２を介して回転用密封環５Ａも回動する。回転用密封環５Ａの対向シール面５Ａ１には動圧発生溝５Ａ２が設けられている。この動圧発生溝５Ａ２は図５に示す様な形状である。
【００４９】
連結部２０Ａと第１ハウジング２０Ｂには、一体に第３ベローズ２Ｅが形成されている。叉、第３ベローズ２Ｅのベロー部は多数のリング板の内外径の端部を連続になるように接合して波形に形成したものである。この第３ベローズ２Ｅはケーシング７０と回転軸５０との軸芯ずれが±５ｍｍ位まで変位しても対応できるように構成される。この為に、べロー部の長さと、そのべロー部の山数が芯ずれに対応し、べロー部が弾性変形するように設定する。この第３ベローズ２Ｅの材質は、Ｎｉ−Ｔｉ合金であって、５０．７％Ｎｉ−残部Ｔｉである。このＮｉ−Ｔｉ合金を１０００°Ｃで２時間保持した後に急冷して超弾性合金に構成する。このＮｉ−Ｔｉ合金は約１０％の回復可能な弾性変形をすることが可能である。この他の超弾性合金としてはＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金も適している。このＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金は約２０％の回復可能な弾性変形をすることが可能である。更に、Ｃｕ−Ｚｎ合金も採用できる。これらの超弾性合金はゴム状弾性に富み、板厚を厚肉にしても耐圧に富むと共に、耐熱性にも富む。叉、第３ベローズ２Ｅの材質は、７６％Ｎｉ、１６％Ｃｒ、８％Ｆｅの合金のインコネルを採用することができる。この他の金属材としては、加工性に富み、耐食性に優れ、高温度でも酸化しない材質も採用することができる。この材質として、例えばステンレススチール、ニッケル合金材などが適している。
【００５０】
固定用密封環６Ａは、第２ハウジング２０Ｃに軸方向へ設けられた固定ピン２０Ｄ１にスライド自在に係合して、回転軸５０との回動は停止されている。叉、固定用密封環６Ａは第２ハウジング２０Ｃのガイド部２０Ｃ１に軸方向に移動自在に嵌合している。そして、固定用密封環６Ａのシール面６Ａ１が回転用密封環５Ａの対向シール面５Ａ１と密接する。固定用密封環６Ａの背面には、第３セグメントシール８Ｃが設けられており、この第３セグメントシール８Ｃにより固定用密封環６Ａとガイド部２０Ｃ１との間がシールされる。更に、固定用密封環６Ａと第３セグメントシール８Ｃは、ばねにより対向シール面５Ａ１へ弾発に押圧されている。このばねの押圧により回転用密封環５Ａの対向シール面５Ａ１と固定用密封環６Ａのシール面６Ａ１とを密接させて被密封流体が外部Ｂ側へ漏洩するのをシールする。
【００５１】
第２ハウジング２０Ｃには第１バッファーガス通路３１が設けられており、この第１バッファーガス通路３１を通して窒素ガス叉は空気が供給される。この供給された圧力ガスにより第１ラビリンスシール９Ａと第１メカニカルシール３Ａとの間の被密封流体圧力を保つと共にそれらのシール９Ａ、３Ａを冷却し、被密封流体が外部Ｂ側へ漏洩するのを封止すると共に、耐久能力を向上させる。叉、エンドカバー２０Ｋには、第１流出通路３５が設けられており、この第１流出通路３５は、第１メカニカルシール３Ａから漏洩した有害な被密封流体を図示省略した外部の処理装置へ導入して処分するように成されている。この第１流出通路３５に於けるエンドカバー２０Ｋと回転軸５０との間をシールするために、第１セグメントシール８Ａが設けられている。この第１セグメントシール８Ａは第１流出通路３５に於けるエンドカバー２０Ｋと回転軸５０との間隙を塞ぐように配置されている。
【００５２】
被密封流体が高温であると、ケーシング７０と回転軸５０とが熱変形する。しかし、シールハウジング本体とケーシング７０とは可撓連結部２により連結されているから、ケーシング７０と回転軸５０とが熱変形しても回転軸５０とシールハウジング本体とは変位せずに第１ラビリンスシール９Ａ及び第１メカニカルシール３Ａを正確に保持し、シール能力を発揮させる。
【００５３】
図４は本発明の第４実施の形態を示す軸封装置１の断面図である。図４に示す軸封装置１は、連結部２０Ａに設けられた可撓連結部２とシールハウジング本体とが一体にされている。この可撓連結部２は第１可撓管２Ｃと第２可撓管２Ｄが中間に流体室４を形成して嵌挿状態に形成されている。この流体室４には、側周面に設けた複数の連通路１２から被密封流体より低圧の空気叉は窒素ガスが循環するように供給される。この可撓連結部２は、超弾性合金叉は超塑性合金で製作されているから、流体室４に流体を供給しなくとも弾性変形させることができる。流体室４に窒素ガス、空気を供給するのは、可撓連結部２の強度を増すと共に、被密封流体の高温度に対し、可撓連結部２を冷却して耐久能力を向上させることができるからである。その他の構造は、図３の軸封装置１と略同一である。
【００５４】
この第１可撓管２Ｃと第２可撓管２Ｄの材質は、超弾性合金、叉は超塑性合金である。超弾性合金としてのＮｉ−Ｔｉ合金は、５０．７％Ｎｉ−残部Ｔｉである。このＮｉ−Ｔｉ合金を１０００°Ｃで２時間保持した後に急冷して超弾性合金に構成する。このＮｉ−Ｔｉ合金は約１０％の回復可能な弾性変形をすることが可能である。この他の超弾性合金としてはＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金も適している。このＣｕ−Ａｌ−Ｎｉ合金は約２０％の回復可能な弾性変形をすることが可能である。更に、Ｃｕ−Ｚｎ合金も採用できる。これらの超弾性合金はゴム状弾性に富み、板厚を厚肉にしても耐圧に富むと共に、耐熱性にも富む。叉、超塑性合金はＡｌ−２５Ｃｕ−７Ｍｇ合金、Ａｌ−６Ｃｕ−０．５Ｚｒ合金、Ａｌ−１１Ｚｎ−１Ｍｇ−０．４Ｚｒ合金、Ｍｇ−３２Ａｌ合金等が適材である。
【００５５】
【発明の効果】
本発明に係わる軸封装置によれば、高温・高圧の被密封流体によりケーシングと回転軸との間に熱膨張による相対的な位置の変位が生じても、シールハウジングとケーシングとが可撓連結部により連結されているので、この熱変形に応じて可撓連結部が弾性変形し、回転軸に対してシールハウジング本体がずれないように対応する。そして、回転軸とシールハウジングとの相対位置寸法が保持されるので、シールハウジングと回転軸との間に保持されるメカニカルシール及びラビリンスシール、セグメントシール等は、被密封流体の高温による変形の影響を受けることなく、シール能力を発揮する。
【００５６】
また、高温・高圧、更には有害ガスのシールに於いては、確実に被密封流体をシールするために、軸封装置はシール構造が複雑になる。しかし、シールハウジング本体に可撓連結部を設けてケーシングに連結することにより、ケーシングからの熱変形の影響を防止することが可能になる。この為に、軸封装置内に設けられたメカニカルシール等のシール能力を発揮させる効果が期待できる。特に、一対の密封環に動圧発生溝を設けたガスシールに於いては、対向するシール面に対して動圧発生溝を設けたシール面がずれるとシール能力が急速に低下するが、本発明のように可撓連結部を設けたシールハウジング本体は回転軸に対して変位が生じないから、高温・高圧の被密封流体に対してガスシールとして優れたシール効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる第１実施の形態を示す軸封装置の断面図である。
【図２】本発明に係わる第２実施の形態を示す軸封装置の断面図である。
【図３】本発明に係わる第３実施の形態を示す軸封装置の断面図である。
【図４】本発明に係わる第４実施の形態を示す軸封装置の断面図である。
【図５】本発明に係わる実施の形態を示す相対シール面に設けた動圧発生溝の一部平面図である。
【図６】本発明の関連技術である軸封装置の断面図である。
【符号の説明】
１  軸封装置
２  可撓連結部
２Ａ  第１ベローズ
２Ａ１  第１内周面
２Ｂ  第２ベローズ
２Ｂ１  第２内周面
２Ｅ  第３ベローズ
２Ｅ１  内周面
３  メカニカルシール
３Ａ  第１メカニカルシール
３Ｂ  第２メカニカルシール
４  流体室
５  密封環
５Ａ  回転用密封環
５Ａ１  対向シール面
６Ａ  固定用密封環
６Ａ１  シール面
７Ａ  第１ベローズ形ばね手段
７Ｂ  第２ベローズ形ばね手段
８Ａ  第１セグメントシール
８Ｂ  第２セグメントシール
８Ｃ  第３セグメントシール
９Ａ  第１ラビリンスシール
９Ｂ  第２ラビリンスシール
１１  第１流通路
１２  連通路
２０  シールハウジング
２０Ａ  連結部
２０Ｂ  第１ハウジング
２０Ｃ  第２ハウジング
２０Ｄ  第３ハウジング
２０Ｅ  第４ハウジング
２０Ｆ  第５ハウジング
２０Ｋ  エンドカバー
２０Ｍ  スペーサ
２０Ｒ  絞リング
２５  結合部
３１  第１バッファーガス通路
３１Ａ  第２流通路
３１Ｂ  第１中間通路
３２  第２バッファーガス通路
３２Ａ  第４流通路
３２Ｂ  第２中間通路
３３  第３バッファーガス通路
３５  第１流出通路
３５Ａ  第３流通路
３６  第２流出通路
３６Ａ  第５流通路
５０  回転軸
５１  第１スリーブ
５２  第２スリーブ
５２Ａ  接合面
５２Ｄ  第１ドライブピン
５３Ｄ  第２ドライブピン
５５  留金具
６０  取付部
７０  ケーシング
Ａ  内部
Ｂ  外部
【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】
2005016538.tif 000007
【図６】
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