(57)【要約】【課題】密封端面間に潤滑油膜を安定した状態で形成、維持して、ポンプ室と油室との間を良好にシールする。【解決手段】隔壁３に保持した金属製の静止側保持環１２と、静止側保持環１２にＯリング１８，１９を介在した非接触状態で嵌合固定したセラミックス製の静止密封環１３と、インペラ軸６に固定した金属製の回転側保持環１４と、回転側保持環１４にＯリング２３，２４を介在した非接触状態で嵌合固定したセラミックス製の回転密封環１５と、静止密封環１３を回転密封環１５に押圧附勢するスプリング部材とを具備して、両密封環１３，１５の相対回転摺接部分Ｓの外周側領域であるポンプ室１とその内周側領域である油室５とをシールする。両密封環１３，１５の内径は同一であり、その先端部分１３ｂ，１５ｂの内周面は密封端面１３ａ，１５ａの内周縁から漸次縮径するテーパ面１３ｇ，１５ｇに形成されている。【選択図】図１
2016050653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ室と油室とを仕切る隔壁とこの隔壁を貫通してモータ室から油室を経てポンプ室へと延びるインペラ軸との間に装填された水中ポンプ用メカニカルシールにおいて、
前記隔壁にＯリングを介して軸線方向移動可能に保持された金属製の静止側保持環と、静止側保持環に固定された硬質材製の静止密封環と、インペラ軸に固定された金属製の回転側保持環と、回転側保持環に固定された硬質材製の回転密封環と、静止密封環を回転密封環へと押圧接触させるべく附勢するスプリング部材とを具備して、両密封環の先端面たる密封端面の相対回転摺接作用によりその相対回転摺接部分の外周側領域であるポンプ室とその内周側領域である油室とを遮蔽シールするように構成されており、
静止密封環の基端部分が、静止側保持環の先端部に形成した凹部に、当該凹部内における静止密封環と静止側保持環との対向周面間及び対向端面間に夫々Ｏリングを介在した状態で嵌合固定されており、
回転密封環の基端部分が、回転側保持環の先端部に形成した凹部に、当該凹部内における回転密封環と回転側保持環との対向周面間及び対向端面間に夫々Ｏリングを介在した状態で嵌合固定されており、
両密封環の密封端面の内径を同一とすると共に、各密封環の先端部分の内周面を、その密封端面の内周縁から当該密封環の基端方向へと漸次縮径するテーパ面に形成してあることを特徴とする水中ポンプ用メカニカルシール。
【請求項２】
バランス径Ｄ０が前記相対回転摺接部分の内外径Ｄ１，Ｄ２に対してＤ１≦Ｄ０≦Ｄ２となるように設定されたバランス型メカニカルシールに構成されていることを特徴とする、請求項１に記載する水中ポンプ用メカニカルシール。
【請求項３】
両密封環がセラミックス又は超硬合金で構成されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する水中ポンプ用メカニカルシール。
【請求項４】
両密封環が、その断面を前記相対回転摺接部分に対して対称形状をなすものに構成されており、両密封環の密封端面の内外径が前記相対回転摺接部分の内外径に一致していることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載する水中ポンプ用メカニカルシール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中ポンプのポンプ室と油室との間をシールするための水中ポンプ用メカニカルシールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水中ポンプにあっては、特許文献１の図１に開示される如く、ポンプ室とモータ室との間に油室を形成して、ポンプ室と油室との間をメカニカルシールでシールしている。而して、かかるメカニカルシールとしては、例えば特許文献１の図２に開示される如く、ポンプ室と油室とを仕切る隔壁に設けた静止密封環とこの隔壁を貫通してモータ室からポンプ室へと延びるインペラ軸に設けた回転密封環との対向端面である密封端面の相対回転摺接作用によりポンプ室と油室との間を遮蔽シールするように構成された端面接触形のものが周知である。
【０００３】
このような端面接触形のメカニカルシールは、密封環の構成材上、両密封環の一方をＳｉＣ等のセラミックスや超硬合金等の硬質材で構成すると共に他方をカーボン等の軟質材で構成したもの（以下「硬質材／軟質材シール」という）と、両密封環を上記した硬質材で構成したもの（以下「硬質材／硬質材シール」という）とに大別されるが、水中ポンプにあっては、泥水等の固形成分を含むスラリ液を扱うことが多いため、硬質材／軟質材シールを使用した場合には、密封端面がスラリ液により摩耗、損傷し易く耐久性に問題があり、長期に亘って良好なシール機能を発揮できない。したがって、水中ポンプのように泥水等のスラリ液を扱うことの多い回転機器においては、一般に、硬質材／軟質材シールは使用されず、両密封環を耐摩耗性に優れるセラミックスや超硬合金等の硬質材で構成した硬質材／硬質材シールが使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３３４０９８号公報
【特許文献２】特開２０１４−１７５８号公報
【特許文献３】実公平１−２１２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、セラミックスや超硬合金等の硬質材はカーボン等のような自己潤滑性を有しないものであり、摩擦係数が高いものであることから、硬質材／硬質材シールにあっては、相手密封環との摺接による発熱や摩耗が激しく、長期に亘って良好なシール機能を発揮できない。また、密封端面間には油室に貯留された油により潤滑油膜が形成されるが、セラミックス等の硬質材は親油性に乏しいため、密封端面間に安定した潤滑油膜を形成、維持しておくことができず、相手密封環との摺接による発熱をさほど抑制することができない。そして、かかる発熱により油室の油温が上昇して油の粘度が低下し、密封端面全体に潤滑油膜が形成されなくなり、所謂油切れの半ドライ状態となって、密封端面の摩耗や密封端面間からの漏れを生じる虞れがある。さらには、密封端面間に高温による油の分解物が堆積して、漏れを増大させる虞れがある。かかる問題は、食品衛生上や環境汚染上から油室に封入する油として潤滑性に乏しい流動パラフィン等を使用せざるを得ない場合や油室が小さく貯留油量が少ない場合には、更に顕著に生じることになる。
【０００６】
ところで、硬質材／硬質材シールでは、セラミックス等の硬質材が加工上単純形状にせざるを得ないところから、密封環を金属製の保持環に連結して、保持環を隔壁やインペラ軸に固定ないし保持するように工夫している。而して、密封環を保持環に連結する手段として、一般には焼嵌めが採用されており、特許文献２の段落番号［００２８］又は特許文献３の第１図に記載されるように、密封環を保持環に形成した凹部に焼嵌めにより嵌合一体化している。
【０００７】
しかし、密封環を保持環に焼嵌めにより一体化させた場合、密封環の外周に作用する圧縮応力により密封端面に経時歪が生じ、両密封端面が適正に接触せず、密封端面の相対回転摺接作用によるシール機能が低下する虞れがあった。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、両密封環を硬質材で構成する場合にも、上記した問題を生ずることがなく、密封端面間に適正な潤滑油膜を安定した状態で形成、維持することができ、相手密封環との摺接による発熱や摩耗を可及的に抑制し得て、ポンプ室と油室との間を長期に亘って良好にシールすることができる水中ポンプ用メカニカルシールを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ポンプ室と油室とを仕切る隔壁とこの隔壁を貫通してモータ室から油室を経てポンプ室へと延びるインペラ軸との間に装填された水中ポンプ用メカニカルシールにおいて、上記の目的を達成すべく、特に、前記隔壁にＯリングを介して軸線方向移動可能に保持された金属製の静止側保持環と、静止側保持環に固定された硬質材製の静止密封環と、インペラ軸に固定された金属製の回転側保持環と、回転側保持環に固定された硬質材製の回転密封環と、静止密封環を回転密封環へと押圧接触させるべく附勢するスプリング部材とを具備して、両密封環の先端面たる密封端面の相対回転摺接作用によりその相対回転摺接部分の外周側領域であるポンプ室とその内周側領域である油室とを遮蔽シールするように構成されており、静止密封環の基端部分が、静止側保持環の先端部に形成した凹部に、当該凹部内における静止密封環と静止側保持環との対向周面間及び対向端面間に夫々Ｏリングを介在した状態で嵌合固定されており、回転密封環の基端部分が、回転側保持環の先端部に形成した凹部に、当該凹部内における回転密封環と回転側保持環との対向周面間及び対向端面間に夫々Ｏリングを介在した状態で嵌合固定されており、両密封環の密封端面の内径を同一とすると共に、各密封環の先端部分の内周面を、その密封端面の内周縁から当該密封環の基端方向へと漸次縮径するテーパ面に形成しておくことを提案するものである。
【００１０】
かかる水中ポンプ用メカニカルシールの好ましい実施の形態にあっては、バランス径Ｄ０が前記相対回転摺接部分の内外径Ｄ１，Ｄ２に対してＤ１≦Ｄ０≦Ｄ２となるように設定されたバランス型メカニカルシールに構成されており、両密封環がセラミックス又は超硬合金で構成されている。また、両密封環を、その断面を前記相対回転摺接部分に対して対称形状をなすものに構成し、両密封環の密封端面の内外径が前記相対回転摺接部分の内外径に一致していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の水中ポンプ用メカニカルシールにあっては、両密封環の先端部分の内周面が逆方向に漸次縮径するテーパ面に形成されているから、油室の油が遠心力によりインペラ軸の外周面から回転密封環のテーパ面に沿って相対回転摺接部分へと流動され、更に油が相対回転摺接部分で反転して静止密封環のテーパ面に沿ってインペラ軸の外周面へと流動され、相対回転摺接部分の内周側において油が強制的に循環されることになる。このような油の循環によって相対回転摺接部分が継続して潤滑、冷却されることになり、密封端面間に安定した潤滑油膜が形成、維持されると共に相手密封端面との摺接による発熱が可及的に抑制される。
【００１２】
また、本発明の水中ポンプ用メカニカルシールにあっては、各密封環がＯリングを介して保持環の凹部に嵌合固定されているから、硬質材／硬質材シールにあっても、密封環を焼嵌めにより保持環に連結させた場合のように密封端面に経時的歪が生じることがなく、両密封端面を適正に接触させておくことができる。さらに、密封環に過度の軸方向推力が作用した場合や密封環と保持環とが熱膨張係数の異なる異質材で構成されていることによって両環間に熱変形量差（熱膨張量差又は熱収縮量差）が生じた場合にも、密封環に作用する負荷をこれと保持環との間に介在させたＯリングの弾性変形によるクッション作用により吸収、緩和することができ、密封端面に歪が生じたりすることがない。
【００１３】
したがって、本発明の水中ポンプ用メカニカルシールによれば、冒頭で述べたような問題を生じることなく、長期に亘って良好なシール機能を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は本発明に係る水中ポンプ用メカニカルシールの一例を示す断面図である。
【図２】図２は図１の要部を拡大して示す詳細図である。
【図３】図３は本発明に係る水中ポンプ用メカニカルシールの変形例を示す図２相当の要部の断面図である。
【図４】図４は本発明に係る水中ポンプ用メカニカルシールの他の変形例を示す図２相当の要部の断面図である。
【図５】図５は本発明に係る水中ポンプ用メカニカルシールの更に他の変形例を示す図２相当の要部の断面図である。
【図６】図６は水中ポンプの一般的構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【００１６】
図６は水中ポンプの一般的構成を概略断面図であるが、水中ポンプは、一般に、図６に示す如く、ポンプ室１とモータ室２との間に、ポンプ室１及びモータ室２との間が夫々隔壁３，４により仕切られた油室５を形成して、隔壁３，４を貫通してモータ室１からポンプ室２へと延びるインペラ軸６と隔壁３，４との間に夫々メカニカルシール７，８を配設してなる。なお、モータ室２には、インペラ軸６を回転駆動するためのモータ９及びインペラ軸６の軸受（図示せず）が配置されており、ポンプ室１には、インペラ軸６に取付けたインペラ１０が配置されると共に吸込口１ａ及び吐出口１ｂが形成されている。
【００１７】
而して、図１は本発明に係る水中ポンプ用メカニカルシールの一例を示す断面図であり、図２は図１の要部を拡大して示す詳細図であり、ポンプ室１と油室５との間をシールする上記メカニカルシール７は、図１及び図２に示す如く、本発明に従って次のように構成されている。なお、以下の説明において、上下とは図１及び図２における上下を意味するものとする。
【００１８】
すなわち、本発明に係る水中ポンプ用メカニカルシール７は、図１に示す如く、ポンプ室１と油室５とを仕切る隔壁３とこれを貫通するインペラ軸６との間に装填されており、隔壁３にＯリング１１を介して軸線方向移動可能に保持された金属製の静止側保持環１２と、静止側保持環１２に固定された硬質材製の静止密封環１３と、インペラ軸６に固定された金属製の回転側保持環１４と、回転側保持環１４に固定された硬質材製の回転密封環１５と、静止密封環１３を回転密封環１５へと押圧接触させるべく附勢するスプリング部材１６とを具備して、両密封環１３，１５の先端面たる密封端面１３ａ，１５ａの相対回転摺接作用によりその相対回転摺接部分Ｓの外周側領域であるポンプ室１とその内周側領域である油室５とを遮蔽シールするように構成された端面接触形の硬質材／硬質材シールである。この例では、ポンプ室１の流体（被密封流体）が泥水等のスラリ液であり、油室５は加圧されておらず、油が貯留されている。なお、密封端面１３ａ，１５ａの相対回転摺接部分Ｓとは、図２に示す如く、両密封端面１３ａ，１５ａが接触している部分であり、その内径Ｄ１は両密封端面１３ａ，１５ａの内径のうち大きなものであり、その外径Ｄ２は両密封端面１３ａ，１５ａの外径のうち小さなものである。
【００１９】
隔壁３は、図１に示す如く、インペラ軸６の貫通孔を形成した板状のもので、厚み方向におけるポンプ室側部分（下側部分）３ａに形成される貫通孔部分を油室側部分（上側部分）３ｂに形成される貫通孔部分より大径としている。
【００２０】
静止側保持環１２は、図１に示す如く、円筒状の本体部１２ａとその先端外周面（下端外周面）から外方に突出する円環状の鍔部１２ｂとその外周部から本体部１２ａと逆方向（下方向）に突出する円筒状の保持部１２ｃとからなる回転体形状にステンレス鋼等の金属材で一体構成されたものである。この例では、静止側保持環１２はステンレス鋼で構成されている。
【００２１】
而して、静止側保持環１２は、図１に示す如く、その本体部１２ａを隔壁３のポンプ室側部分３ａにＯリング１１を介して軸線方向（上下方向）に移動可能に嵌合保持させることにより、隔壁３にこれとの間がＯリング１１でシール（二次シール）された状態で軸線方向移動可能に保持されている。Ｏリング１１は、図１に示す如く、静止側保持環１２の本体部１２ａの外周面に圧接した状態で隔壁３のポンプ室側部分３ａの貫通孔部分の内周部に形成したＯリング溝３ｃに係合保持されている。静止側保持環１２の本体部１２ａの先端面（下端面）と鍔部１２ｂの先端面（下端面）とは、図１及び図２に示す如く、面一に連なっており、軸線に直交する円環状平面である受け止め面１２ｄに形成されている。静止側密封環１２の保持部１２ｃの内周面は、図１及び図２に示す如く、軸線に平行する円柱面であって受け止め面１２ｄに直交する保持面１２ｅに形成されている。静止側保持環１２は、図１に示す如く、その基端面（上端面）から突出するドライブピン１７を隔壁３の油室側部分３ｂに形成した係合孔３ｄに係合させることにより、軸線方向移動が所定範囲で許容されつつ隔壁３に対する相対回転を阻止されている。
【００２２】
静止密封環１３は、図１及び図２に示す如く、先端面（下端面）を軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面１３ａに構成した断面台形状の先端部分１３ｂと断面方形状の基端部分１３ｃとからなる断面台形状の円環状体であり、静止側保持環１２の先端部に形成された凹部１２ｆにＯリング１８，１９を介して嵌合固定されている。すなわち、静止側保持環１２の先端部には受け止め面１２ｄと保持面１２ｅとで囲繞された凹部１２ｆが形成されており、静止密封環１３が、当該凹部１２ｆ内における両環１２，１３の対向端面間つまり静止密封環１３の基端面１３ｄと静止側保持環１２の受け止め面１２ｄとの間にＯリング１８を挟圧させると共に当該凹部１２ｆ内における両環１２，１３の対向周面間つまり静止密封環１３の外周面１３ｅと静止側保持環１２の保持面１２ｅとの間にＯリング１９を挟圧させた状態で、凹部１２ｆに非接触状態で嵌合固定されている。なお、Ｏリング１８は、静止側保持環１２の受け止め面１２ｄに形成したＯリング溝に静止密封環１３の基端面１３ｄに圧接した状態で係合保持されており、Ｏリング１９は静止側保持環１２の保持面１２ｅに形成したＯリング溝に静止密封環１３の外周面１３ｅに圧接した状態で係合保持されている。
【００２３】
ところで、静止密封環１３は静止側保持環１２の凹部１２ｆにＯリング１８，１９を介在させた状態で圧入させることによって、静止側保持環１２に嵌合固定されるものであり、両環１２，１３の相対回転はＯリング１８，１９との摩擦係合力により阻止されるが、この例では、両環１２，１３の相対回転をより確実に阻止するために、図１に示す如く、静止側保持環１２の受け止め面１２ｄから突出するドライブピン２０を静止密封環１３の本体部１３ｂに形成した係合凹部１３ｆに係合させてある。
【００２４】
静止密封環１３の先端部分１３ｂの内周面１３ｇは、図２に示す如く、密封端面１３ａの内周縁から当該密封環１３の基端方向（上方向）へと漸次縮径するテーパ面（截頭円錐面）とされている。このテーパ面１３ｇの密封端面１３ａに対する傾斜角は１５°〜７５°の範囲で適宜に設定されている。静止密封環１３はセラミックス、超硬合金等の硬質材で構成されており、この例ではセラミックス（例えば炭化珪素焼結材）で構成されている。
【００２５】
回転側保持環１４は、図１に示す如く、静止密封環１３よりインペラ１０側（下側）に配置されており、円筒状の本体部１４ａとその先端面外周部（上端面外周部）から静止密封環方向（上方向）に突出する円環状の保持部１４ｂと本体部１４ｂの先端面内周部（上端面内周部）から保持部１４ｂと平行に突出する円環状の固定部１４ｃからなる回転体形状にステンレス鋼等の金属材（この例ではステンレス鋼）で一体構成されたものであり、固定部１４ｃとインペラ軸６との間にＯリング２１を介在した状態で本体部１４ａに螺合させたセットスクリュー２２をインペラ軸６に締め付けることにより、インペラ軸６に嵌合固定されている。回転側保持環１４の本体部１４ａの先端面（上端面）は軸線に直交する受け止め面１４ｄに構成されると共に、保持部１４ｂの内周面は軸線に平行して受け止め面１４ｄに直交する保持面１４ｅに構成されていて、回転側保持環１４の先端部には、図２に示す如く、受け止め面１４ｄと保持面１４ｅと保持面１４ｅに平行する固定部１４ｃの外周面とで囲繞された環状の凹部１４ｆが形成されている。なお、保持部１４ｂ及び固定部１４ｃの本体部１４ａからの突出量は同一又は略同一とされている。
【００２６】
回転密封環１５は、図１及び図２に示す如く、先端面（上端面）を軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面１５ａに構成した断面台形状の先端部分１５ｂと断面方形状の基端部分１５ｃとからなる断面台形状の円環状体であり、回転側保持環１４の先端部に形成された凹部１４ｆにＯリング２３，２４を介して嵌合固定されている。すなわち、回転密封環１５は、当該凹部１４ｆ内における両環１４，１５の対向端面間つまり回転密封環１５の基端面（下端面）１５ｄと回転側保持環１４の受け止め面１４ｄとの間にＯリング２３を挟圧させると共に当該凹部１４ｆ内における両環１４，１５の対向周面間つまり回転密封環１５の外周面１５ｅと回転側保持環１４の保持面１４ｅとの間にＯリング２４を挟圧させた状態で、凹部１４ｆに非接触状態で嵌合固定されている。なお、Ｏリング２３は、回転側保持環１４の受け止め面１４ｄに形成したＯリング溝に回転密封環１５の基端面１５ｄに圧接した状態で係合保持されており、Ｏリング２４は回転側保持環１４の保持面１４ｅに形成したＯリング溝に回転密封環１５の外周面１５ｅに圧接した状態で係合保持されている。
【００２７】
ところで、回転密封環１５は回転側保持環１４の凹部１４ｆにＯリング２３，２４を介在させた状態で圧入させることによって、回転側保持環１４に嵌合固定されるものであり、両環１４，１５の相対回転はＯリング２３，２４との摩擦係合力により阻止されるが、この例では、両環１４，１５の相対回転をより確実に阻止するために、図１及び図２に示す如く、回転側保持環１４の受け止め面１４ｄから突出するドライブピン２５を回転密封環１５の本体部１５ｂに形成した係合凹部１５ｆに係合させてある。
【００２８】
回転密封環１５の先端部分１５ｂの内周面１５ｇは、図２に示す如く、密封端面１５ａの内周縁から当該密封環１５の基端方向（下方向）へと漸次縮径するテーパ面（截頭円錐面）とされている。このテーパ面１５ｇの密封端面１５ａに対する傾斜角は１５°〜７５°としておくことが好ましく、この範囲で適宜に設定される。回転密封環１５はセラミックス、超硬合金等の硬質材で構成されており、この例では静止密封環１３と同質のセラミックスで構成されている。なお、回転側保持環１４における回転密封環１５より内周側の部分（固定部１４ｃ）の先端面（上端面）は、軸線方向において、回転密封環１５のテーパ面１５ｇの基端（テーパ面１５ｇと回転密封環１５の基端部分１５ｃの内周面との境界部分）と同一位置又は当該基端より密封端面１５ａ寄りの位置に位置されている。この例では、図２に示す如く、固定部１４ｃの基端は軸線方向においてテーパ面１５ｇの略中間位置に対応する位置に位置されている。
【００２９】
この例では、両密封環１３，１５が、図２に示す如く、その断面を相対回転摺接部分Ｓに対して対称形状（上下対称）をなすもの、つまり同材質の同一形状をなす共通部材とされており、両密封環１３，１５の密封端面１３ａ，１５ａの内外径は相対回転摺接部分Ｓの内外径Ｄ１，Ｄ２に一致している。
【００３０】
スプリング部材１６は、図１に示す如く、静止側保持環１２の本体部１２ａと隔壁３の油室側部分３ｂとの間に周方向に等間隔を隔てて装填された複数のコイルスプリングで構成されており、静止密封環１３を静止側保持環１２を介して回転密封環１５に押圧接触させるべく軸線方向に附勢する。
【００３１】
また、静止側保持環１２におけるＯリング１１の接触面（静止側保持環１２の本体部１２ａの外周面）の径つまりバランス径Ｄ０は、図２に示す如く、密封端面１３ａ，１５ａの相対回転摺接部分Ｓの内外径Ｄ１，Ｄ２に対してＤ１≦Ｄ０≦Ｄ２（最適にはＤ０＝（Ｄ１＋Ｄ２）／２）となるように設定されている。すなわち、メカニカルシール７は、バランス比κが１以下となるように設定されていて、静止密封環１３（つまりこれを固定する静止側保持環１２）にポンプ室５の流体（被密封流体たるスラリ液）の圧力（背圧）による軸線方向推力が可及的に作用しないバランス型メカニカルシールに構成されている。なお、モータ室２と油室５とをシールする第２メカニカルシール８としては、周知のメカニカルシール（例えば、特許文献１〜３に開示されるメカニカルシール）が使用されることから、その詳細は省略する。
【００３２】
以上のように構成された本発明に係る水中ポンプ用メカニカルシール７にあっては、両密封環１３，１５の先端部分１３ｂ，１５ｂの内周面が密封端面１３ａ，１５ａの内周縁から逆方向に漸次縮径するテーパ面（截頭円錐面）１３ｇ，１５ｇとされていることから、油室５の油が密封端面１３ａ，１５ａの相対回転摺接部分Ｓへと積極的に導かれると共に相対回転摺接部分Ｓの周辺で循環流動することになり、両密封環１３，１５がセラミックスや超硬合金等のような自己潤滑性を有さず且つ摩擦係数の高い硬質材で構成された硬質材／硬質材シールである場合にも、相対回転摺接部分Ｓの潤滑及び冷却を継続して効果的に行うことでき、良好なシール機能（メカニカルシール機能）が発揮される。
【００３３】
すなわち、油は粘度が高いため、回転部材（インペラ軸６、回転側保持環１４及び回転密封環１５）における油との接触部分においては油が当該回転部材６，１４，１５と共に層をなして回転せしめられる。所謂、油層の供回り現象である。そして回転部材６，１４，１５と供回りする油層には、その回転に伴って遠心力が作用し、その遠心力は外周方向に漸次大きくなる。
【００３４】
したがって、相対回転摺接部分Ｓの内周側領域においては、図２に矢印Ｐで示す如く、油は遠心力によりインペラ軸６から回転側保持環１４における回転密封環１５より内周側の部分（固定部１４ｃ）の表面上を外方に流動される。さらに、遠心力により、図２に矢印Ｑで示す如く、油は回転密封環１５のテーパ面１５ｇ上を当該密封環１５の密封端面１５ａの内径部分つまり相対回転摺接部分Ｓの内径部分へと向かって流動され、当該部分Ｓの潤滑を行う。
【００３５】
そして、両密封端面１３ａ，１５ａの内径が同一であり、両密封環１３，１５の先端部分１３ｂ，１５ｂの内周面が密封端面１３ａ，１５ａの内周縁から逆方向に傾斜するテーパ面１３ｇ，１５ｇとなっていることから、回転するテーパ面１５ｇ上を相対回転摺接部分Ｓの内径部分に達した油は、図２に矢印Ｒで示す如く、当該内径部分で反転して静止密封環１３のテーパ面１３ｇへと押し出される。このテーパ面１３ｇは静止しており、遠心力が作用していないことから、油が継続して前記内径部分からテーパ面１３ｇへと押し出されることによって、油は、図２に矢印Ｔで示す如く、テーパ面１３ｇに沿ってインペラ軸６の外周面方向へと流動せしめられる。
【００３６】
このように、両密封環１３，１５の内周側においては、図２に矢印Ｑ，Ｒ，Ｔで示すような油の循環流がテーパ面１３ｇ，１５ｇに沿って発生し、この循環流によって密封端面１３ａ，１５ａつまり相対回転摺接部分Ｓの潤滑、冷却が継続して効果的に行われることになる。。
【００３７】
したがって、相対回転摺接部分Ｓには潤滑油膜が安定して形成、維持されると共に密封端面１３ａ，１５ａの接触（摺接）による発熱が可及的に抑制されることになり、長期に亘って良好なシール機能が発揮される。
【００３８】
また、静止密封環１３及び回転密封環１５が静止側保持環１２及び回転側保持環１４にＯリング１８，１９及び２３，２４を介して非接触状態で嵌合固定されているから、密封環を保持環に焼嵌めにより固定した場合のように、密封環１３，１５の外周部に圧縮応力が作用して密封環１３，１５ないし密封端面１３ａ，１５ａに経時歪が生じることがない。また、密封環１３，１５と保持環１２，１４とは熱膨張係数の異なる異質材で構成されているが、密封環１３，１５と保持環１２，１４との間に熱変形量差（熱膨張量差ないし熱収縮量差）が生じるような温度条件下においても、かかる熱変形量差がＯリング１９，２４によって吸収されて、密封環１３，１５ないし密封端面１３ａ，１５ａに歪を生じることがない。また、密封環１３，１５に過度の軸線方向圧縮力が作用した場合、すなわち静止密封環１３を回転密封環１５へと押し付ける軸方向推力が必要以上に高くなった場合、Ｏリング１８，２３の弾性変形により当該軸線方向圧縮力が吸収、緩和される。さらに、上記した構成のメカニカルシール７では、バランス径Ｄ０を相対回転摺接部分Ｓの内外径Ｄ１，Ｄ２に対してＤ１≦Ｄ０≦Ｄ２としてバランス比κが１以下となるバランス型メカニカルシールに構成されているから、静止密封環１３の回転密封環１６への接触圧がポンプ室１の圧力（背圧）によって加重されることがない。したがって、ポンプ室１の圧力が高い場合にも、密封端面１３ａ，１５ａの接触圧が過大とならず、密封端面１３ａ，１５ａの接触による発熱や摩耗が可及的に抑制される。
【００３９】
これらのことから、本発明に係る水中ポンプ用メカニカルシール７によれば、密封端面１３ａ，１５ａの発熱、摩耗、歪の発生を可及的に防止して、ポンプ室１を長期に亘って良好にシールすることができる。
【００４０】
なお、本発明に係る水中ポンプ用メカニカルシールの構成は上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良、変更することができる。
【００４１】
例えば、回転側保持環１４における回転密封環１５より内周側の部分（固定部１４ｃ）の先端面は、図３に示す如く、軸線方向において、回転密封環１５のテーパ面１５ｇの基端（テーパ面１５ｇと回転密封環１５の基端部分１５ｃの内周面との境界部分）と同一位置又は略同一位置に位置させておくことができる。この場合、図２に示す場合と同様に、図３に矢印Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｔで示すような油の循環流が生じる。また、回転側保持環１４を、図４に示す如く、固定部１４ｃを有しないものに構成しておくことができる。この場合、油は、図４に矢印Ｕで示す如く、インペラ軸６の外周面から回転密封環１５のテーパ面１５ｇへと流動し、その後は、図４に矢印Ｑ，Ｒ，Ｔで示すように流動し相対回転摺接部分Ｓの内周側に図２に示す場合と同様の循環流が発生する。矢印Ｕで示す油の流動が効果的に行われるためには、図４に示す如く、回転密封環１５の基端部分１５ｃの内周面をインペラ軸６の外周面に可及的に近接させておくことが好ましい。また、隔壁３と静止側保持環１２との間をシールするＯリング１１は、図５に示す如く、静止側保持環１２の本体部１２ａの外周部に形成したＯリング溝１３ｈに係合保持させるようにしてもよい。この場合、バランス径Ｄ０は、図５に示す如く、隔壁３におけるＯリング１１の外周面が接触する面の径であり、上記同様に、Ｄ１≦Ｄ０≦Ｄ２（最適にはＤ０＝（Ｄ１＋Ｄ２）／２）となるように設定されている。なお、図３〜図５に示すものは、上記した点を除いて図１及び図２に示すメカニカルシール７と同一構造をなすものであるから、これと同一部分については図３〜図５に図１及び図２に示す符号と同一符号を付すことによってその詳細は省略する。
【符号の説明】
【００４２】
１      ポンプ室
２      モータ室
３      隔壁
３ａ    ポンプ室側部分
３ｂ    油室側部分
３ｃ    Ｏリング溝
３ｄ    係合孔
４      隔壁
５      油室
６      インペラ軸
７      メカニカルシール（水中ポンプ用メカニカルシール）
８      メカニカルシール
９      モータ
１０    インペラ
１１    Ｏリング
１２    静止側保持環
１２ａ  本体部
１２ｂ  鍔部
１２ｃ  保持部
１２ｄ  受け止め面
１２ｅ  保持面
１２ｆ  凹部
１３    静止密封環
１３ａ  密封端面
１３ｂ  先端部分
１３ｃ  基端部分
１３ｄ  基端面
１３ｅ  外周面
１３ｆ  係合凹部
１３ｇ  テーパ面
１３ｈ    Ｏリング溝
１４    回転側保持環
１４ａ  本体部
１４ｂ  保持部
１４ｃ  固定部
１４ｄ  受け止め面
１４ｅ  保持面
１４ｆ  凹部
１５    回転密封環
１５ａ  密封端面
１５ｂ  先端部分
１５ｃ  基端部分
１５ｄ    基端面
１５ｅ  外周面
１５ｆ  係合凹部
１５ｇ  テーパ面
１６    スプリング部材
１７    ドライブピン
１８    Ｏリング
１９    Ｏリング
２０    ドライブピン
２１    Ｏリング
２２    セットスクリュー
２３    Ｏリング
２４    Ｏリング
２５    ドライブピン
Ｄ０    バランス
Ｄ１    相対回転摺接部分の内径
Ｄ２    相対回転摺接部分の外径
Ｓ      相対回転摺接部分
【図１】
2016050653.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2016050653.tif 000007
【図６】
2016050653.tif 000008