高温流体用軸封装置
【課題】高温流体を扱う場合にもメカニカルシール構成部材の冷却を効果的に行うことができる高温流体用軸封装置を提供する。
【解決手段】シールケース２を、本体部２ａと第１及び第２保持部２ｄ，２eと第１及び第２仕切部２ｆ，２ｈと回転軸１の外周面との間に微小な環状通路２７を形成する通路形成部２ｇとＯリング保持部２ｉとからなる金属製の円筒状一体構造物に構成して、第１及び第２Ｏリング２ｍ，２ｎを介して機器ハウジング８に取り付ける。本体部２ａとＯリング保持部２ｉとの間に形成され且つ機器ハウジング８で閉塞された冷却室２８には、機器ハウジング８の冷却液給排路８０，８１により冷却液８２が給排される。メカニカルシール３の密封環３１，３２が配置されたシールケース内領域Ａ１と機器ハウジング内領域Ａである高温流体領域とは、冷却室２８の内周側部分２ｂにより区画されている。
【解決手段】シールケース２を、本体部２ａと第１及び第２保持部２ｄ，２eと第１及び第２仕切部２ｆ，２ｈと回転軸１の外周面との間に微小な環状通路２７を形成する通路形成部２ｇとＯリング保持部２ｉとからなる金属製の円筒状一体構造物に構成して、第１及び第２Ｏリング２ｍ，２ｎを介して機器ハウジング８に取り付ける。本体部２ａとＯリング保持部２ｉとの間に形成され且つ機器ハウジング８で閉塞された冷却室２８には、機器ハウジング８の冷却液給排路８０，８１により冷却液８２が給排される。メカニカルシール３の密封環３１，３２が配置されたシールケース内領域Ａ１と機器ハウジング内領域Ａである高温流体領域とは、冷却室２８の内周側部分２ｂにより区画されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温蒸気，ボイラ水等の高温流体を扱う回転機器（例えば、原子力発電システム等において使用される蒸気圧縮機，コンプレッサ，ブロワ，ポンプ，攪拌機等）に使用される高温流体用軸封装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の軸封装置にあっては、シール手段として回転軸に固定した回転密封環とシールケースにＯリングを介して軸線方向移動可能に保持させた静止密封環との対向端面たる密封端面の相対回転作用によりシール機能を発揮するメカニカルシールが使用されているが、メカニカルシール構成部材の熱損等を防止するために、一般に、シールケースに水冷ジャケットやフラッシング通路等を設けて、密封環等のメカニカルシール構成部材を冷却するように工夫している（例えば、特許文献１〜３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３４９４４３号公報
【特許文献２】ＷＯ２００８／１３２９５８公報
【特許文献３】ＷＯ２００８／１４２９４５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、シールケースと静止密封環との間に二次シールするための密封環用Ｏリングやシールケースとこれが取り付けられる回転機器のハウジングとの間に介在されるケース用Ｏリング等のように被密封流体である高温流体が直接に接触するメカニカルシール部材については、上記したような冷却手段によっては十分に冷却することができず、種々のトラブルが発生しているのが実情である。例えば、密封環用Ｏリングに高温流体が接触すると、それがフッ素樹脂等の耐熱性材で構成されているものであっても、当該Ｏリングが劣化して静止密封環の二次シール機能や追従性が低下して、メカニカルシール機能が低下，喪失する虞れがある。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、高温流体を扱う回転機器においてもメカニカルシール構成部材の冷却を効果的に行うことができ、良好なメカニカルシール機能を発揮することができる高温流体用軸封装置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】
【０００６】
本発明は、第１に、機器ハウジングに取り付けられたシールケース内に、これを洞貫する回転軸に固定した固定密封環とこれに対向してシールケースにＯリングを介して軸線方向移動可能に内嵌保持された静止密封環との対向端面である密封端面の相対回転作用によりシール機能を発揮するように構成されたメカニカルシールを配置してある高温流体用軸封装置において、シールケースを、厚肉円筒体である本体部と、その端部の内周縁部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体である第１保持部と、その端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２保持部と、その内周端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第１仕切部と、その内周端部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体であって回転軸の外周面との間に微小な環状通路を形成する通路形成部と、その端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２仕切部と、その外周端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板であって外径が本体部と一致するＯリング保持部とを具備する金属製構造物に構成して、Ｏリング保持部の内外周端部と機器ハウジングのシール部との間に第１及び第２Ｏリングを介在した状態で、機器ハウジングに取り付けてあり、その本体部とＯリング保持部との間に形成される凹部を機器ハウジングに設けた給排路形成部で閉塞された冷却室として、この冷却室に当該給排路形成部に形成された冷却液給排路により冷却液を給排させるようにすると共に、当該冷却室の内周側部分であって両仕切部及び通路形成部で囲繞形成される冷却室部分により前記密封環が配置されたシールケース内領域と機器ハウジング内領域である高温流体領域とを区画するように構成してあることをしたことを特徴とする高温流体用軸封装置（以下「第１発明軸封装置」という）を提案する。
【０００７】
また、本発明は、第２に、機器ハウジングに取り付けられたシールケース内に、これを洞貫する回転軸に固定した固定密封環とシールケースにＯリングを介して軸線方向移動可能に内嵌保持された静止密封環との対向端面である密封端面の相対回転作用によりシール機能を発揮するメカニカルシールに構成された一次シール、二次シール及び三次シールを並列配置し、二次シールと三次シールとの間に形成されたシール空間に、機器ハウジング内領域の流体圧力より低圧の封水を循環供給するように構成された高温流体用軸封装置であって、
シールケースを、厚肉円筒体である本体部と、その端部の内周縁部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体である第１保持部と、その端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２保持部と、その内周端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第１仕切部と、その内周端部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体であって回転軸の外周面との間に微小な環状通路を形成する通路形成部と、その端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２仕切部と、その外周端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板であって外径が本体部と一致するＯリング保持部とを具備する金属製構造物に構成して、Ｏリング保持部の内外周端部と機器ハウジングのシール部との間に第１及び第２Ｏリングを介在した状態で、機器ハウジングに取り付けてあり、その本体部とＯリング保持部との間に形成される凹部を機器ハウジングに設けた給排路形成部で閉塞された冷却室として、この冷却室に当該給排路形成部に形成された冷却液給排路により冷却液を給排させるようにすると共に、当該冷却室の内周側部分であって両仕切部及び通路形成部で囲繞形成される冷却室部分により前記一次シールの密封環が配置されたシールケース内領域と機器ハウジング内領域である高温流体領域とを区画するように構成し、シール空間に封水を循環供給する給排水手段を、シールケースの本体部に形成された給水通路と、当該本体部に形成された排水通路と、当該本体部の内周面に形成されて給水通路に連通する環状の給水溝と、当該本体部の内周面に形成されて排水通路に連通する環状の排水溝と、これら給排水溝の開口部を閉塞シールすべく当該本体部の内周面に取り付けられたシャワーリングと、シャワーリングに形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって給水溝に連通する給水孔と、シャワーリングに形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって排水溝に連通する排水孔とを具備して、給水通路から給水溝に供給された封水を全給水孔からシール空間に供給すると共にシール空間内の封水を全排水孔から排水溝を経て排水通路へと排出することによって、シール空間における循環供給に伴う封水の脈動現象を抑制するように構成したことを特徴とする高温流体用軸封装置（以下「第２発明軸封装置」という）を提案する。
【０００８】
第２発明軸封装置の好ましい実施の形態にあっては、給水孔が三次シールにおける回転密封環の外周面に対向して配置されると共に排水孔が三次シールにおける静止密封環の外周面に対向して配置されるか、或いは給水孔が三次シールにおける静止密封環の外周面に対向して配置されると共に排水孔が三次シールにおける回転密封環の外周面に対向して配置される。何れの場合においても、給水通路が、給水ラインに連通する環状の給水ヘッダ室と、給水ヘッダ室とシャワーリングで閉塞された給水溝内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の給水連絡通路とを具備するものであり、排水通路が、排水ラインに連通する環状の排水ヘッダ室と、排水ヘッダ室とシャワーリングで閉塞された排水溝内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の排水連絡通路とを具備するものであることが好ましい。このような複数の給排水連絡通路を設ける場合においては、回転軸の軸線を通過する断面において給水連絡通路と排水連絡通路とがＸ字状にクロスした形態で形成されていることが好ましい。
【０００９】
また、第１発明軸封装置及び第２発明軸封装置にあっては、特に第２発明軸封装置にあっては、シールケース内の回転軸部分を軸本体とこれに嵌挿固定されるスリーブとで構成すると共に、前記給排路形成部がシールケースを囲繞する状態で内嵌する筒状体に構成し、回転密封環を含む回転側要素を取り付けたスリーブと静止密封環を含む静止側要素を取り付けたシールケースとを、着脱自在なセット爪により一体連結して、スリーブを回転軸に嵌挿固定させると共にシールケースを給排路形成部に嵌挿させた上、シールケースをその端部に取り付けた周方向に分割状の環状リングを給排路形成部の端部内周に形成した環状凹部に係合させることにより機器ハウジングに取り付けるように構成したカートリッジ構造のものとしておくことが好ましい。
【００１０】
さらに、第１及び第２発明軸封装置にあっては、シールケースの本体部とＯリング保持部との対向端面間に、その周方向に等間隔を隔てて並列する複数の金属製補強杆を溶着しておくことが好ましい。また、シールケースの第１保持部及びＯリング保持部の内周面に多数の凸状フィンを一体形成してあることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
第１及び第２発明軸封装置にあっては、メカニカルシール（第２発明軸封装置にあっては一次シール）の密封環が配置されたシールケース内領域と機器ハウジング内領域である高温流体領域とが冷却室によって区画されており、この冷却室の外壁を構成するシールケース部分（第１及び第２保持部、第１及び第２仕切部、通路形成部並びにＯリング保持部）が薄肉円筒体又は薄肉円環状板であるから、冷却室内の冷却液によってシールケース内領域に配置されるメカニカルシール構成部材が効果的に冷却される。しかも、冷却室の内周部分は回転軸に近接しており、シールケース内領域と機器ハウジング内領域とはシールケースの通路形成部と回転軸との対向周面間に形成される微小な環状通路を介して連通されているから、機器ハウジング内の高温流体は当該環状通路を通過する間に冷却室内の冷却液によって（更には当該環状通路を通過することによる圧力損失が生じることによって）効果的に冷却されることになり、シールケース内領域における流体温度は機器ハウジング内の温度に比して大幅に低下することになる。したがって、機器ハウジング内の流体が直接に接触するメカニカルシール部材（静止密封環とシールケースとの間に介在されるＯリング等）についても、これが高温に晒されることがなく、熱劣化，熱損失するようなことがない。また、シールケースが、そのＯリング保持部の内外周端部と機器ハウジングのシール部との間に第１及び第２Ｏリングを介在した状態で、機器ハウジングに取り付けられているから、仮に、当該保持部の内周端部側のＯリング（第１Ｏリング）が高温流体に接触することにより劣化，熱損するようなことがあっても、当該第１Ｏリングから漏洩した高温流体は冷却室の薄肉外壁であるＯリング保持部と機器ハウジングのシール部との間を通過して第２Ｏリングに到達する前に十分に冷却されることから、シールケースと機器ハウジングとの間は第２Ｏリングにより確実にシールされることになる。これらのことから、第１及び第２発明軸封装置によれば、高温流体を扱う回転機器においても極めて良好なメカニカルシール機能を発揮することができる。
【００１２】
ところで、シールケース内に一対の端面接触形メカニカルシールを並列配置して、両メカニカルシール間に形成されるシール空間に、シールケースに形成した給排液路により、封液を循環供給するように構成されたダブルシール（例えば実開昭６３−１１９９６９号公報を参照）は、シール空間に機器ハウジング内領域の流体圧力より高圧の封液を供給することにより、機器ハウジング内領域の流体が高圧流体である場合にもシール空間を介して良好にシールすることができるものであり、さらに端面接触形メカニカルシールにおける密封環の相対回転摺接部分を封液により潤滑すると共に当該相対回転摺接部分の発熱等を封液によるフラッシング作用により抑制して、回転軸が高速回転する場合にも良好なシール機能を発揮することができるものである。しかし、給液路及び排液路が夫々シールケース内周部の一箇所に開口されていることから、つまりシールケース内周部の一箇所に設けられた給液口から封液がシール空間に供給されると共にシール空間の封液がシール内周部の一箇所に設けられた排液口から排出されることから、回転軸が高速回転される場合には次のような問題が生じていた。すなわち、回転軸には端面接触形メカニカルシールの回転密封環等の回転側要素が取り付けられているが、このような回転側要素が高速回転することにより、回転側要素周辺の封液が回転側要素の回転によりポンピングされ或いは回転側要素の回転に伴って回転する連れ回り現象が生じることになるため、シール空間内の封液が一箇所の排液口へと流れ込む状況下においては、シール空間内の封液が激しく脈動することになる。そして、このような脈動が生じると、回転軸及びこれに取り付けられた回転側要素が振動し、更には回転機器全体が振動することになり、軸封装置によるシール機能が低下する等、大きなトラブルが生じる。このような脈動に起因するトラブルの発生は、特に回転軸の周速が２０ｍ／ｓ以上である場合において顕著である。
【００１３】
第２発明軸封装置は、このような問題を解決して高速回転機器用としても好適するものである。すなわち、第２発明軸封装置にあっては、シール空間への封水循環を周方向に等間隔を隔てて並列する複数の給排水孔によって行うことから、回転軸が高速回転することにより上記したポンピング現象や連れ回り現象が生じるような場合にも、シール空間において封水の脈動現象が発生するような虞れが殆どなく、脈動に起因する振動が生じず、高速回転条件下においても良好なシール機能を発揮させることができる。しかも、複数の排水孔から封水を噴出させることにより封水によるフラッシング作用をより効果的に行うことができ、上記した封水の脈動防止効果と相俟って、高速条件下におけるシール機能を更に良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明に係る高温流体用軸封装置の一例を示す縦断側面図である。
【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、図１のIII −III 線に沿う縦断正面図である。
【図４】図４は、図１のIV−IV線に沿う縦断正面図である。
【図５】図５は、図１のＶ−Ｖ線に沿う縦断正面図である。
【図６】図６は、図１のVI−VI線に沿う縦断正面図である。
【図７】図７は、当該高温流体用軸封装置の変形例を示す縦断側面図である。
【図８】図８は、当該高温流体用軸封装置の他の変形例を示す縦断側面図である。
【図９】図９は、当該高温流体用軸封装置についての実験結果を示したもので、回転軸の回転数とその振幅との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は本発明に係る高温流体用軸封装置の一例を示す縦断側面図であり、図２はその要部の拡大図であり、図３は図１のIII −III線に沿う縦断正面図であり、図４は図１のIV−IV線に沿う縦断正面図であり、図５は図１のＶ−Ｖ線に沿う縦断正面図であり、図６は図１のVI−VI線に沿う縦断正面図である。
【００１６】
図１に示す高温流体用軸封装置は、高温流体（例えば、高圧の高温ガス）を扱う回転機器であって、特に回転軸１が高速回転（例えば、回転軸１の周速：２０ｍ／ｓ以上）する回転機器（例えば、原子力発電システム等において使用される蒸気圧縮機等）に使用される高ＰＶ値対応の第２発明軸封装置であり、回転軸１とこれを囲繞するシールケース２との対向周面間に一次シールたる第１メカニカルシール３と二次シールたる第２メカニカルシール４と三次シールたる第３メカニカルシール５とを軸線方向に並列配置し、第１メカニカルシール３と第２メカニカルシール４との間に形成されるシール空間（以下「第１シール空間」という）Ｃ及び第２メカニカルシール４と第３メカニカルシール５との間に形成されるシール空間（以下「第２シール空間」という）Ｄを介して、シールケース２が取り付けられる当該回転機器のハウジング（機器ハウジング）８内の領域（機器ハウジング内領域）である機内領域Ａと機外領域である大気領域Ｂとの間をシールするように構成されている。すなわち、第１メカニカルシール３は、機内領域Ａと第１シール空間Ｃとの間をシールする一次シールであり、第２メカニカルシール４は第１シール空間Ｃと第２シール空間Ｄとの間をシールする二次シールであり、第３メカニカルシール５は第２シール空間Ｄと大気領域Ｂとの間をシールする三次シールである。なお、以下の説明における圧力はゲージ圧力である。
【００１７】
回転軸１は、図１に示す如く、機器ハウジング８の端部であるシール部８ａから機外方向に突出してシールケース２を同心状に貫通するものであるが、シールケース２内の回転軸部分においては、軸本体１ａに円筒状のスリーブ１１，１２，１３，１４を嵌挿させた積層構造に構成されている。スリーブ１２，１３，１４は、長尺スリーブ１１に外嵌されている。また、機器ハウジング８ａのシール部８ａには、その内周部から突出する環状突起８ｂが設けられていると共に、その外周部から連なって回転軸１の軸線方向（以下、単に「軸線方向」という）に突出する給排路形成部８ｃが設けられている。給排路形成部８ｃは、後述するシールケース２より若干長尺な筒状体であり、シールケース２を囲繞する状態で内嵌しうる円形内周面を有するものである。
【００１８】
シールケース２は、図１に示す如く、厚肉円筒体である本体部２ａ，２ｂ，２ｃと、その端部の内周縁部から機器ハウジング領域Ａ方向に一体的に延びる薄肉円筒体である第１保持部２ｄと、その端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２保持部２ｅと、その内周端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第１仕切部２ｆと、その内周端部から機器ハウジング領域Ａ方向に一体的に延びる薄肉円筒体である通路形成部２ｇと、その端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２仕切部２ｈと、その外周端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板であって外径が本体部と一致するＯリング保持部２ｉとを具備する金属製構造物に構成してある。
【００１９】
本体部は、図１に示す如く、軸線方向に３つの部分に分割された外径一定の金属製円筒構造物であり、第１保持部２ｄを一体連結する第１本体部２ａと、これに適当数のボルト２ｊにより連結された第２本体部２ｂと、これに適当数のボルトのボルト２ｋにより連結された第３本体部２ｃとからなる。第１本体部２ａは、第１保持部２ｄ、第２保持部２ｅ、第１仕切部２ｆ、通路形成部２ｇ、第２仕切部２ｈ及びＯリング保持部２ｉと一体成形されたものである。
【００２０】
第１保持部２ｄ、第２保持部２ｅ、第１仕切部２ｆ、通路形成部２ｇ、第２仕切部２ｈ及びＯリング保持部２ｉは、本体部２ａ，２ｂ，２ｃの肉厚（径方向の厚み）に比して薄肉のものに構成されている。通路形成部２ｇは、回転軸１つまり軸本体１ａの外周面に近接して軸線方向に延びるものであり、軸本体１ａとの対向周面間に微小な環状通路２７を形成する。Ｏリング保持部２ｉは、その内外周端部に形成したＯリング溝に第１Ｏリング２ｍ及び第２Ｏリング２ｎを係合させるＯリング溝を形成したものであり、外径を本体部２ａ，２ｂ，２ｃと一致させてある。第１本体部２ａとＯリング保持部２ｃとの対向周面間には、その周方向に等間隔を隔てて並列する複数の金属製補強杆（例えば、金属丸棒）２ｐを溶着してあり、これによって、第１保持部２ｄ、第２保持部２ｅ、第１仕切部２ｆ、通路形成部２ｇ、第２仕切部２ｈ及びＯリング保持部２ｉで構成される薄肉構造物を補強して、それが変形しないように図っている。
【００２１】
シールケース２は、図１に示す如く、Ｏリング保持部２ｉを機器ハウジング８のシール部８ａとの間に第１及び第２Ｏリング２ｍ，２ｎを介在した状態で、機器ハウジング８に取り付けられている。すなわち、シールケース２は、Ｏリング保持部２ｉを機器ハウジング８のシール部８ａ、環状突起８ｂ及び給排路形成部８ｃで形成される環状凹部に嵌合させた状態で、つまりシール部８ａとの間をＯリング保持部２ｉの内周側の第１Ｏリング２ｍ及びその外周側の第２Ｏリング２ｎでシールさせた状態で、給排路形成部８ｃに内嵌させた上、その端部（第３本体部２ｃの端部）にボルト２ｑにより取り付けた環状リング２ｒを給排路形成部８ｃの端部内周に形成した環状凹部８ｄに係合させることにより、機器ハウジング８に取り付けられている。なお、環状リング２ｒは周方向に複数部分に分割されたものであり、各分割部分を環状凹部８ｄに係合させた上で第３本体部２ｃに取り付けることにより円環状体となるものである。
【００２２】
シールケース２には、その本体部（第１本体部２ａ）とＯリング保持部２ｊとの間に環状凹部が形成されるが、この環状凹部は、シールケース２を機器ハウジング８に取り付けることにより、給排路形成部８ｃで閉塞された冷却室２８に構成される。冷却室２８の内周側部分であって両仕切部２ｆ，２ｈ及び通路形成部２ｇで囲繞形成される冷却室部分２８ａは、被密封流体領域をメカニカルシール３の密封環３１，３２が配置されたシールケース内領域Ａ１と高温流体領域である機内領域Ａとを区画しており、両領域Ａ，Ａ１は微小な環状通路２７のみを介して連通されている。冷却室２８には、給排路形成部８ｃに形成された冷却液給排路８０，８１により冷却液８２が給排されるようになっている。すなわち、冷却液供給路８０から冷却室２８に供給された冷却液８２により、冷却室２８の外壁を構成する金属製薄肉部（第１保持部２ｄ、第２保持部２ｅ、第１仕切部２ｆ、通路形成部２ｇ、第２仕切部２ｈ及びＯリング保持部２ｉ）が冷却されて、当該金属製薄肉部に接触する部材及び流体との熱交換（冷却）が行われるようになっているのであり、冷却液８２は冷却液排出路８１から冷却液供給路８０へと循環されるようになっている。第１保持部２ｄ及びＯリング保持部２ｉの内周面には、図１に示す如く、多数の凸状フィン２ｓ，２ｔが一体形成されていて、両部２ｄ，２ｉに接触する部材及び流体の冷却をより効果的に行いうるように工夫されている。なお、冷却液８２としては水等が使用され、その循環経路には必要に応じて熱交換器等の冷却機器が配設される。
【００２３】
第１メカニカルシール３は、図１に示す如く、シールケース２に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環（以下「第１静止密封環」という）３１と、これに対向して回転軸１に固定された回転密封環（以下「第１回転密封環」という）３２と、第１静止密封環３１を第１回転密封環３２へと押圧附勢するスプリング部材３３とからなり、両密封環３１，３２の対向端面たる密封端面３１ａ，３２ａの相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の内周側領域である機内領域Ａ（より正確には、上記したシールケース内領域Ａ１）とその外周側領域である第１シール空間Ｃとの間をシールする端面接触形メカニカルシールである。
【００２４】
第３メカニカルシール５は、図１に示す如く、シールケース２に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環（以下「第３静止密封環」という）５１と、これに対向して回転軸１に固定された回転密封環（以下「第３回転密封環」という）５２と、第３静止密封環５１を第３回転密封環５２へと押圧附勢するスプリング部材５３とからなり、両密封環５１，５２の対向端面たる密封端面５１ａ，５２ａの相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の内周側領域である大気領域Ｂとその外周側領域である第２シール空間Ｄとの間をシールする端面接触形メカニカルシールである。
【００２５】
第２メカニカルシール４は、図１に示す如く、上記両メカニカルシール３，５間に配置されており、シールケース２に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環（以下「第２静止密封環」という）４１と、これに対向して回転軸１に固定された回転密封環（以下「第２回転密封環」という）４２と、第２静止密封環４１を第２回転密封環４２へと押圧附勢するスプリング部材４３とからなり、両密封環４１，４２の対向端面たる密封端面４１ａ，４２ａの相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の外周側領域である第１シール空間Ｃとその内周側領域である第２シール空間Ｄとの間をシールする端面接触形メカニカルシールである。
【００２６】
第１メカニカルシール３と第２メカニカルシール４とは軸線方向における密封環配置を逆とするダブルシールを構成しており、第２メカニカルシール４と第３メカニカルシール５とは軸線方向における密封環配置を同一とするタンデムシール（タンデムダブルシール）を構成している。第１及び第２回転密封環３２，４２は、基端面が対向する状態でスリーブ１１，１２及び保持環１５を介して回転軸１に固定されている。第１及び第２静止密封環３１，４１は、先端面（密封端面）３１ａ，４１ａが回転密封環３２，４２を挟んで対向する状態で、夫々、Ｏリング３４，４４を介してシールケース２に軸線方向移動可能に嵌合保持されている。第３メカニカルシール５の密封環５１，５２は、第２メカニカルシール４より大気領域Ｂ側において、第２メカニカルシール４の密封環４１，４２と向きを同一とする状態で配置（タンデム配置）されており、第３回転密封環５２はスリーブ１１，１３及び保持環１６を介して回転軸１に固定されており、第３静止密封環５１はＯリング５４を介してシールケース２に軸線方向移動可能に嵌合保持されている。
【００２７】
各静止密封環３１，４１，５１は、図１及び図２に示す如く、シールケース２の内周部に形成されたスプリングリテーナ部にＯリング３４，４４，５４を介して軸線方向に移動可能に嵌合保持された円環状体であり、その先端面は軸線に直交する平滑環状面である密封端面３１ａ，４１ａ，５１ａに形成されている。各静止密封環３１，４１，５１は、これに突設したドライブピン３１ｂ，４１ｂ，５１ｂをスプリングリテーナ部に形成した係合孔に係合させることにより、所定範囲での軸線移動を許容する状態でシールケース２に対する相対回転が阻止されている。なお、各静止密封環３１，４１，５１における密封端面３１ａ，４１ａ，５１ａが形成されている部分（密封端面形成部分）はカーボンで構成されている。
【００２８】
各回転密封環３２，４２，５２は、図１及び図２に示す如く、回転軸１つまり軸体１ａにスリーブ１１，１２，１３，１４及び保持環１５，１６を介して固定された円環状体であり、その先端面は軸線に直交する平滑環状面である密封端面３２ａ，４２ａ，５２ａに形成されている。第１及び第２回転密封環３２，４２の外周面（密封端面３２ａ，４２ａが形成される先端部を除く外周面部分）は保持環１５の外周面で被覆されており、両回転密封環３２，４２とシールケース２の内周部分（後述するシャワーリング６７）との対向周面間に凹凸のない封水流路（軸線方向に平行する円筒状流路）Ｃ１が形成されている。第３回転密封環５２の外周面（密封端面５２ａが形成される先端部を除く外周面部分）及び背面（基端面）は保持環１６で被覆されており、第３回転密封環５２とシールケース２の内周部分（後述するシャワーリング７７）との対向周面間に凹凸のない封水流路（軸線方向に平行する円筒状流路）Ｄ１が形成されている。なお、各回転密封環３２，４２，５２における密封端面３２ａ，４２ａ，５２ａが形成されている部分（密封端面形成部分）は静止密封環３１，４１，５１の密封端面形成部分より硬質のセラミックス（炭化珪素等）等で構成されている。
【００２９】
各スプリング部材３３，４３，５３は、図１に示す如く、静止密封環３１，４１，５１と前記スプリングリテーナ部との間に周方向に所定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３１，４１，５１を回転密封環３２，４２，５２へと押圧接触させるべく附勢するものである。
【００３０】
高温流体用軸封装置は、図１に示す如く、回転側要素（スリーブ１２，１３，１４及び回転密封環３２，４２，５２等）を取り付けた長尺スリーブ１１と静止側要素（静止密封環３１，４１，５１等）を取り付けたシールケース２とを、着脱自在なセット爪９により一体連結して、長尺スリーブ１１を軸体１ａに嵌挿固定させると共にシールケース２を給排路形成部８ｃに嵌挿させた上、シールケース２を、環状リング２ｒを給排路形成部８ｃの環状凹部８ｄに係合させると共にシールケース２（第３本体部２ｃ）に取り付けることにより、機器ハウジング８に取り付けるように構成したカートリッジ構造のものである。すなわち、回転側要素を取り付けた長尺スリーブ１１と静止側要素を取り付けたシールケース２とをセット爪９により一体化させた形態（当該高温流体用軸封装置に組み立てた形態）のまま、軸体１ａに挿通させた上、軸体１ａに形成したネジ部１ｂにスリング兼用のストッパリング１７を螺合させると共にこのストッパリング１７をセットスクリュー１７ａにより軸体１に固定することによって、当該高温流体用軸封装置を機器ハウジング８に装着するようになっている。そして、セット爪９を取り外した上で、当該高温流体用軸封装置の運転が開始される。また、メンテナンス作業等においては、上記と逆の作業手順により当該高温流体用軸封装置を機器ハウジング８から取り外すことができる。このようなカートリッジ構造としておくことにより、軸装置の組立及び機器ハウジング８への脱着作業を正確且つ容易に行うことができる。かかる点は、特に、複数のメカニカルシール３，４，５を有する上記高温流体用軸封装置のように複雑な構造をなすものにおいては、極めて有利な利点である。
【００３１】
第１シール空間Ｃには第１給排水手段により機内領域Ａの流体圧力より高圧の封水６が循環供給されると共に、第２シール空間Ｄには、第２給排水手段により、第２メカニカルシール（二次シールにおける被密封流体領域側メカニカルシール）４における密封端面４１ａ，４２ａの外径側領域である第１シール空間（二次シールによってシールされる被密封流体領域）Ｃより低圧であり且つ第３メカニカルシール（二次シールにおける大気領域側メカニカルシール）５における密封端面５１ａ，５２ａの内径側領域である大気領域Ｂより高圧である封水７が循環供給されていて、各シール空間Ｃ，Ｄを所定圧（機内領域Ａの圧力＜第１シール空間Ｃ，機外領域Ｂの圧力（大気圧）＜第２シール空間Ｄの圧力＜第１シール空間Ｃの圧力）に保持すると共に封水６，７によるフラッシング効果が発揮されるように工夫してある。なお、各回転密封環３２，４２，５２の密封端面３２ａ，４２ａ，５２ａの外周縁部には、図２〜図６に示す如く、相手密封端面（静止密封環３１，４１，５１の密封端面）３１ａ，４１ａ，５１ａの外周縁部に若干食い込む凹部（ハイドロカット）３２ｂ，４２ｂ，５２ｂが形成されていて、封水６，７を密封端面３１ａ，３２ａ、４１ａ，４２ａ及び５１ａ，５２ａ間に積極的に導入させることにより当該密封端面間の潤滑を効果的に行いうるように工夫してある。
【００３２】
第１給排水手段は、図１及び図２に示す如く、シールケース２及び機器ハウジング８の給排路形成部８ｃに形成されて給水ライン６１に接続された給水通路６２と、シールケース２及び機器ハウジング８の給排路形成部８ｃに形成されて排水ライン６３に接続された排水通路６４と、シールケース２の内周面に形成されて給水通路６２に連通する環状の給水溝６５と、シールケース２の内周面に形成されて排水通路６４に連通する環状の排水溝６６と、これら給排水溝６５，６６の開口部を閉塞シールすべくシールケース２の内周面に取り付けられたシャワーリング６７と、シャワーリング６７に形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって給水溝６５に連通する給水孔６８と、シャワーリング６７に形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって排水溝６６に連通する排水孔６９とを具備して、給水通路６２から給水溝６５に供給された封水６を全給水孔６８から第１シール空間Ｃに供給すると共に第１シール空間Ｃ内の封水６を全排水孔６９から排水溝６６を経て排水通路６４へと排出するように構成されている。給水孔６９は、図１〜図３に示す如く、第２メカニカルシール４における静止密封環（第２静止密封環）４１の外周面であって密封端面４１ａに対向して開口する形態でシャワーリング６７に穿設されている。排水孔６７は、図１、図２及び図４に示す如く、第１メカニカルシール３における静止密封環（第２静止密封環）３１の外周面であって密封端面３１ａに対向して開口する形態でシャワーリング６７に穿設されている。なお、シャワーリング６７には、給水孔６８から大気領域Ｂ側へと離間する位置に配して、第１シール空間Ｃと給水溝６５内とを連通する適当数の空気抜き孔６７ａが穿設されている。
【００３３】
給排水ライン６１，６３はプランジャポンプ等を具備する封水供給装置に接続されていて、これらと給排水通路６２，６４、給排水溝６５，６６、給排水孔６８，６９及び第１シール空間Ｃとで封水６の循環ラインが構成されている。すなわち、給水孔群６８から一定圧の封水６を一定流量で第１シール空間Ｃに供給すると共にこの供給量と同一量の封水６を第１シール空間Ｃから排水孔群６９へと排出させることにより、一定圧の封水６を第１シール空間Ｃに循環供給させるようになっている。したがって、第１シール空間Ｃは封水６によって常時充満され、一定圧に保持される。封水６の圧力及び循環量は、第１シール空間Ｃが機内領域Ａより若干（０．５ＭＰａＧ程度）高くなるように設定される。例えば、機内領域Ａの流体が７．２ＭＰａＧの高圧蒸気である場合においては、封水６の圧力を７．７ＭＰａＧとし且つ封水６の給排量（循環量）を９６Ｌ／ｍｉｎとして、第１シール空間Ｃを機内領域Ａより０．５ＭＰａＧ高圧となるように保持させるようにする。
【００３４】
第１及び第２メカニカルシール３，４における相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ及び４１ａ，４２ａは、第１シール空間Ｃに給排される封水６によってフラッシングされるが、かかる封水６によるフラッシング機能をより効果的に発揮させるべく、シャワーリング６７の内周部には、図２に示す如く、第１メカニカルシール３の相対回転摺接部分３１ａ，３２ａに対向する位置及び第２メカニカルシール４の相対回転摺接部分４１ａ，４２ａに対向する位置に夫々配して環状の第１及び第２誘導突起２１，２２が設けられていて、給水孔６８から排水孔６９への封水流動経路の途中において封水６が第１及び第２メカニカルシール３，４の相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ及び４１ａ，４２ａに向かうべく誘導されるように工夫してある。すなわち、給水孔６８から封水流路Ｃ１へと流動する封水６は、この間において第２誘導突起２２により第２メカニカルシール４の相対回転摺接部分４１ａ，４２ａに向かうように誘導される反転流６ａとなる。さらに、封水流路Ｃ１から排水孔６９へと流動する封水６は、この間において第１誘導突起２１により第１メカニカルシール３の相対回転摺接部分３１ａ，３２ａに向かうように誘導される反転流６ｂとなる。したがって、かかる反転流６ａ，６ｂによって、相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ及び４１ａ，４２ａの周辺においても封水６が停滞することなく流動され、相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ及び４１ａ，４２ａを含む密封環３１，３２及び４１，４２に対するフラッシング効果が良好に発揮されることになる。
【００３５】
第２給排水手段は、図１及び図２に示す如く、シールケース２及び機器ハウジング８の給排路形成部８ｃに形成されて給水ライン７１に接続された給水通路７２と、シールケース２及び機器ハウジング８の給排路形成部８ｃに形成されて排水ライン７３に接続された排水通路７４と、シールケース２の内周面に形成されて給水通路７２に連通する環状の給水溝７５と、シールケース２の内周面に形成されて排水通路７４に連通する環状の排水溝７６と、これら給排水溝７５，７６の開口部を閉塞シールすべくシールケース２の内周面に取り付けられたシャワーリング７７と、シャワーリング７７に形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって給水溝７５に連通する給水孔７８と、シャワーリング７７に形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって排水溝７６に連通する排水孔７９とを具備して、給水通路７２から給水溝７５に供給された封水７を全給水孔７８から第２シール空間Ｄに供給すると共に第２シール空間Ｄ内の封水７を全排水孔７９から排水溝７６を経て排水通路７４へと排出するように構成されている。給水孔７８は、図１、図２及び図５に示す如く、第３メカニカルシール５における回転密封環（第３回転密封環）５２の外周面であってこれを覆っている保持環１６の大径部と小径部との境界部分つまり封水流路Ｄ１の機内領域Ａ側の端部に対向して開口する形態でシャワーリング６７に穿設されている。排水孔７９は、図１、図２及び図６に示す如く、第３メカニカルシール５における静止密封環（第３静止密封環）５１の外周面であって密封端面５１ａに対向して開口する形態でシャワーリング６７に穿設されている。給水通路７２は、図１、図２及び図５に示す如く、給水ライン７１に連通する環状の給水ヘッダ室７２ａと、給水ヘッダ室７２ａとシャワーリング７７で閉塞された給水溝７５内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の給水連絡通路７２ｂとを具備して、給水ライン７１から給水ヘッダ室７２ａに供給された封水７を給水連絡通路群７６から給水溝７５に供給するようになっている。排水通路７４は、図１、図２及び図６に示す如く、排水ライン７３に連通する環状の排水ヘッダ室７４ａと、排水ヘッダ室７４ａとシャワーリング７７で閉塞された排水溝７６内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の排水連絡通路７４ｂとを具備して、排水孔群７９から排水溝７６に流入した第２シール室Ｄ内の封水７を排水連絡通路群７４ｂから排水ヘッダ室７４ａを介して排水ライン７３に排水するようになっている。給水連絡通路７２ｂと排水連絡通路７４ｂとは、回転軸１の軸線に対して逆方向に傾斜する傾斜通路となっている。すなわち、図１及び図２に示す如く、給排水ヘッダ室７２ａ，７４ａの軸線方向位置関係と給排水溝７５，７６の軸線方向位置関係とが逆になるようにして、回転軸１の軸線を通過する断面において給水連絡通路７２ｂと排水連絡通路７４ｂとがＸ字状にクロスした形態となるように工夫してある。各連絡通路７２ｂ，７４ｂの上記軸線に対する傾斜角度は４５度又は略４５度に設定されている。給排水連絡通路７２ｂ，７４ｂ及び給排水孔７８，７９の数及び形状（断面積（水流方向に直交する断面の面積））は、全給排水連絡通路７２ｂ，７４ｂの合計断面積が全給排水孔７８，７９の合計断面積と同一か又は全給排水孔７８，７９の合計断面積より若干大きくなる条件において、適宜に設定される。なお、シャワーリング７７には、排水孔７９から大気領域Ｂ側へと離間する位置に配して、第２シール空間Ｄと排水溝７６内とを連通する適当数の空気抜き孔７７ａが穿設されている。
【００３６】
給排水ライン７１，７３はプランジャポンプ等を具備する封水供給装置に接続されていて、これらと給排水通路７２，７４、給排水溝７５，７６、給排水孔７８，７９及び第２シール空間Ｄとで封水７の循環ラインが構成されている。すなわち、給水通路７２から一定圧の封水７を一定流量で第２シール空間Ｄに供給すると共にこの供給量と同一量の封水７を第２シール空間Ｄから排水通路７４へと排出させることにより、一定圧の封水７を第２シール空間Ｄに循環供給させるようになっている。したがって、第２シール空間Ｄは封水７によって常時充満され、一定圧に保持される。封水７の圧力及び循環量は、第２シール空間Ｄがこれに隣接する機内領域Ａ側のシール空間つまり第１シール空間Ｃより低圧で且つ大気領域Ｂより高圧に保持されるように設定される。例えば、前記した如く機内領域Ａの流体が７．２ＭＰａＧの高圧蒸気であり、封水６の圧力を７．７ＭＰａＧとし且つ封水６の給排量（循環量）を９６Ｌ／ｍｉｎとした場合においては、封水７の圧力を３．５ＭＰａＧとし且つ封水７の給排量（循環量）を６１Ｌ／ｍｉｎとする。
【００３７】
第３メカニカルシール５における相対回転摺接部分５１ａ，５２ａは、第２シール空間Ｄに給排される封水７によってフラッシングされるが、かかる封水７によるフラッシング機能をより効果的に発揮させるべく、シャワーリング７７の内周部には、図２に示す如く、第３メカニカルシール５の相対回転摺接部分５１ａ，５２ａに対向する位置に配して環状の第３誘導突起２３が設けられている。したがって、封水７は給水孔７８から封水流路Ｄ１を通過して排水孔７９に向かうが、この間において、上記した第１シール空間Ｃにおける反転流６ａ，６ｂと同様の反転流７ａが生じることになる。すなわち、第３メカニカルシール５の相対回転摺接部分５１ａ，５２ａの周辺において、封水７は第３誘導突起２３により当該相対回転摺接部分５１ａ，５２ａへと向かうように誘導された反転流７ａとなる。かかる反転流７ａによって、相対回転摺接部分５１ａ，５２ａの周辺においても封水７が停滞することなく流動され、相対回転摺接部分５１ａ，５２ａを含む密封環５１，５２に対するフラッシング効果が良好に発揮されることになる。
【００３８】
なお、この例では第２静止密封環４２が軸線方向に長尺なものであるため、第２シール空間Ｄにおいては、当該密封環４２と回転軸１（スリーブ１２）との対向周面間に軸線方向に延びる長尺な円筒状領域Ｄ２が生じるが、この円筒状領域における回転軸１の回転に伴う封水７の連れ回り現象を可及的に防止すべく、当該対向周面を表面研磨（電解研磨，バフ研磨等）して封水７との摩擦係数が小さくなるように工夫すると共に当該対向周面の間隔（円筒状領域Ｄ２の径方向幅）を可能な範囲で最大限大きく設定してある。
【００３９】
以上のように構成された高温流体用軸封装置にあっては、シールケース内領域Ａ１と機内領域である高温流体領域Ａとが冷却室２８によって区画されており、この冷却室２８の外壁を構成するシールケース部分（第１保持部２ｄ、第２保持部２ｅ、第１仕切部２ｆ、通路形成部２ｇ、第２仕切部２ｈ及びＯリング保持部２ｉ）が薄肉円筒体又は薄肉円環状板であるから、冷却室２８内の冷却液８２によってシールケース内領域Ａ１に配置されるメカニカルシール構成部材が効果的に冷却される。しかも、冷却室２８の内周側部分は回転軸１（軸体１ａ）に近接しており、シールケース内領域Ａ１と高温流体領域Ａとはシールケース２の通路形成部２ｇと回転軸１との対向周面間に形成される微小な環状通路２７を介して連通されているから、機器ハウジング８内の高温流体は当該環状通路２７を通過する間に冷却室２８内の冷却液８２によって（更には当該環状通路２７を通過することによる圧力損失が生じることによって）効果的に冷却されることになり、シールケース内領域Ａ１における流体温度は機器ハウジング内の流体温度に比して大幅に低下することになる。したがって、機器ハウジング８内の高温流体が直接に接触するメカニカルシール部材（静止密封環３１とシールケース２との間に介在されるＯリング３４等）についても、これが高温に晒されることがなく、熱劣化，熱損失するようなことがない。また、シールケース２が、そのＯリング保持部２ｉの内外周端部と機器ハウジング８のシール部８ａとの間に第１及び第２Ｏリング２ｍ，２ｎを介在した状態で、機器ハウジング８に取り付けられているから、仮に、当該保持部３ｉの内周端部側のＯリング（第１Ｏリング）２ｍが高温流体に接触することにより劣化，熱損するようなことがあっても、当該第１Ｏリング２ｍから漏洩した高温流体は冷却室２８の薄肉外壁であるＯリング保持部２ｉと機器ハウジング８のシール部８ａとの間を通過して第２Ｏリング２ｎに到達する前に十分に冷却されることから、シールケース２と機器ハウジング８との間は第２Ｏリング２ｎにより確実にシールされることになる。このような冷却機能は、フィン２ｓ，２ｔの存在によってより効果的に発揮されることになる。これらのことから、当該高温流体用軸封装置によれば、高温流体を扱う回転機器においても極めて良好なメカニカルシール機能を発揮することができる。
【００４０】
また、上記した高温流体用軸封装置にあっては、機内領域Ａと機外領域（大気領域）Ｂとの間を機外領域側へと段階的に減圧された封水充填空間である第１及び第２シール空間Ｃ，Ｄを介してシールするように構成されているから、機内領域Ａの流体が高圧蒸気等の高圧流体である場合にも、機内領域Ａを確実にシールすることができ、しかも回転軸１が高速回転される場合においても、タンデムシールである二次シールにおける封水循環に伴う封水７の脈動を可及的に防止することができ、回転軸１延いては回転機器の振動を大幅に低減することができる。
【００４１】
すなわち、第２シール空間Ｄ内の封水７をシールケース２の周方向に等間隔を隔てて並列する複数の給排水孔７８，７９から給排水させるため、第２シール空間Ｄ内に位置する回転密封環（第３回転密封環）５２の回転によってその周辺の封水７にポンピング，連れ回り現象が生じている場合にも、冒頭で述べた従来のタンデムシールにおける如く一箇所から封水を給排させる場合に比して、封水７の脈動が防止され或いは振動を生じさせない程度にまで抑制される。また、全給排水孔７８，７９と給排水ライン７１，７３との間に、第１環状室（給排水溝７５，７６）と第２環状室（ヘッダ室７２ａ，７４ａ）と両環状室間を連結する複数の給排水連絡通路７２ｂ，７４ｂとを介して、連結していることから、第２シール空間Ｄへの給排水経路において急激な圧力変動が生じず、これによって脈動の発生をより効果的に抑制することができる。このような効果を発揮させる上で、給排水連絡通路７２ｂ，７４ｂを前記した如く４５度前後の傾斜角度でＸ状にクロスさせておくことも有効となる。さらに、周方向に均等配置された複数の給水孔７８から第２シール空間Ｄ内に位置する回転密封環（第３回転密封環）５２の外周面に向けて放射状に給水させるようにしたことによって、当該回転密封環５２の回転によるポンピング，連れ回り現象が、回転密封環外周の封水流路Ｄ１を給水孔７９へと流動する封水７によって緩和されることになり、これによって脈動の発生が更に効果的に抑制されることになる。また、第２静止密封環４２と回転軸１（スリーブ１２）との対向周面間（円筒状領域Ｄ２）を、前記した如く、表面研磨により封水７との摩擦係数を低減し且つ最大限拡げるようにしておくことによっても、封水７の連れ回りによる脈動発生を有効に抑制することができる。
【００４２】
また、封水６，７を周方向に均等配置された複数の給水孔６８，７８からシール空間Ｃ，Ｄに供給（噴出）させるようにしたことによって、実開昭６３−１１９９６９号公報に開示されるような公知のタンデムシールにおける如くシールケース内周部の一箇所から封水を供給させる場合に比して、封水６，７によるフラッシング機能がより効果的に発揮され、更に誘導突起２４，２５，２６による反転流６ａ，６ｂ，７ａを生じさせることにより、密封環の相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ、４１ａ，４２ａ及び５１ａ，５２ａに対するフラッシング機能が更に効果的に発揮されることになる。したがって、上記した高温流体用軸封装置によれば、高温条件に加えて高速，高圧の高ＰＶ値条件下においても、格別のトラブルを生じることなく、極めて良好なシール機能を発揮することができる。
【００４３】
ところで、本発明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。
【００４４】
例えば、上記した冷却室２８を有するシールケース構造は、シールケース２内に一つの端面接触形メカニカルシール又は非接触形メカニカルシールを配置するようにしたシングルメカニカルシール構造の軸封装置、二つのメカニカルシールを並列配置するようにしたダブルシール構造又はタンデムシール構造の軸封装置や４つ以上のメカニカルシールを並列配置するようにした軸封装置にも、上記高温流体用軸封装置と同様に適用することができ、これと同様の作用効果を奏しうる。
【００４５】
また、上記した高温流体用軸封装置にあっては、図７に示す如く、第２シール空間Ｄに開口する給排水口７８，７９の軸線方向位置関係を図１に示す高温流体用軸封装置（以下「第１実施例装置」という）とは逆にして、給水孔７８が大気領域側メカニカルシール５における静止密封環（第３静止密封環）５１の外周面に対向して配置されると共に、排水孔７９が当該メカニカルシール５における回転密封環（第３回転密封環）５２の外周面に対向して配置されるようにしておくことも可能である。すなわち、図７に示す高温流体用軸封装置（以下「第２実施例装置」という）では、第１実施例装置の給水孔及び給水溝を排水孔７９及び排水溝７６として使用すると共に第１実施例装置の排水孔及び排水溝を給水孔７８及び給水溝７５として使用し、さらに第１実施例装置の給水用ヘッダ室及び排水用ヘッダ室はそのまま給水用ヘッダ室７２ａ及び排水用ヘッダ室７４ａとして使用し、給排水溝７５，７６と給排水用ヘッダ室７２ａ，７４ａとを夫々クロスしない複数の給排水連絡通路７２ａ，７４ａで接続してある。
【００４６】
第２実施例装置は、第１実施例装置に比しては脈動防止効果が多少劣るものの、従来のタンデムシールに比しては大幅な脈抑制効果を発揮しうるものである。この点については、実験により確認された。すなわち、第１及び第２実施例装置と第２シール空間Ｄに開口する給排水孔を夫々一個とし且つ給排水孔を夫々給排水ラインに一本の給排水通路で連結した点を除いて第２実施例装置と同一構造をなく軸封装置（以下「比較例装置」という）とを使用して、同一条件下で回転軸１の回転数を変えながら、回転軸１の振幅を測定した。その結果は、図９に示す通りであった。すなわち、図９においては、回転軸１の回転数（ｒ．ｐ．ｍ．）と振幅（μｍ ｐ−ｐ）との関係を、第１実施例装置については実線で、第２実施例装置については破線で、また比較例装置については鎖線で示してあるが、この実験結果からも、比較例装置では高速回転になるに従い振幅が増大して良好な運転が困難となるが、第１及び第２実施例装置では高速回転条件下でも回転軸１の振動が効果的に抑制されており、特に、第１実施例装置では回転軸１の振動が大幅に抑制されていることが理解される。
【００４７】
また、第２シール空間Ｄにおける回転密封環５２による封水７のポンピングないし連れ回り現象を抑制するために、第１又は第２実施例装置における当該回転密封環５２の形状を工夫しておくことも有効と考えられる。例えば、図８は第１実施例装置において、回転密封環５２の背面つまり保持環１６の背面を機内領域Ａ側へと漸次縮径する傾斜面１６ａに形成して、当該回転密封環５２の回転に伴う封水７のポンピングないし連れ回り現象の発生を可及的に抑制しうるように工夫してある。
【００４８】
また、本発明に係る高温流体用軸封装置は、上記した軸封装置における二次シールとして使用する他、それ単独のタンデムシールとして或いは３個以上のメカニカルシールが並列配置される軸封装置における一次シールとしても好適に使用することができることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００４９】
１ 回転軸
１ａ 軸体
２ シールケース
２ａ 第１本体部（本体部）
２ｂ 第２本体部（本体部）
２ｃ 第３本体部（本体部）
２ｄ 第１保持部
２ｅ 第２保持部
２ｆ 第１仕切部
２ｇ 通路形成部
２ｈ 第２仕切部
２ｉ Ｏリング保持部
２ｍ 第１Ｏリング
２ｎ 第２Ｏリング
２ｐ 補強杆
２ｒ 環状リング
２ｓ フィン
２ｔ フィン
３ 第１メカニカルシール（一次シール）
４ 第２メカニカルシール（二次シール）
５ 第３メカニカルシール（三次シール）
６ 封水
７ 封水
８ 機器ハウジング
８ａ シール部
８ｃ 給排路形成部
８ｄ 環状凹部
２７ 環状通路
２８ 冷却室
２８ａ 冷却室部分
３１ 第１静止密封環（静止密封環）
３１ａ 密封端面
３２ 第１回転密封環（回転密封環）
３２ａ 密封端面
４１ 第２静止密封環
４１ａ 密封端面
４２ 第２回転密封環
４２ａ 密封端面
５１ 第３静止密封環
５１ａ 密封端面
５２ 第３回転密封環
５２ａ 密封端面
７１ 給水ライン
７２ 給水通路
７２ａ ヘッダ室
７２ｂ 給水連絡通路
７３ 排水ライン
７４ 排水通路
７４ａ ヘッダ室
７４ｂ 排水連絡通路
７５ 給水溝
７６ 排水溝
７７ シャワーリング
７８ 給水孔
７９ 排水孔
８０ 冷却液供給路
８１ 冷却液排出路
８２ 冷却液
Ａ 機内領域（機器ハウジング内領域）
Ａ１ シールケース内領域
Ｂ 大気領域
Ｃ 第１シール空間（シール空間）
Ｄ 第２シール空間（シール空間）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温蒸気，ボイラ水等の高温流体を扱う回転機器（例えば、原子力発電システム等において使用される蒸気圧縮機，コンプレッサ，ブロワ，ポンプ，攪拌機等）に使用される高温流体用軸封装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の軸封装置にあっては、シール手段として回転軸に固定した回転密封環とシールケースにＯリングを介して軸線方向移動可能に保持させた静止密封環との対向端面たる密封端面の相対回転作用によりシール機能を発揮するメカニカルシールが使用されているが、メカニカルシール構成部材の熱損等を防止するために、一般に、シールケースに水冷ジャケットやフラッシング通路等を設けて、密封環等のメカニカルシール構成部材を冷却するように工夫している（例えば、特許文献１〜３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３４９４４３号公報
【特許文献２】ＷＯ２００８／１３２９５８公報
【特許文献３】ＷＯ２００８／１４２９４５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、シールケースと静止密封環との間に二次シールするための密封環用Ｏリングやシールケースとこれが取り付けられる回転機器のハウジングとの間に介在されるケース用Ｏリング等のように被密封流体である高温流体が直接に接触するメカニカルシール部材については、上記したような冷却手段によっては十分に冷却することができず、種々のトラブルが発生しているのが実情である。例えば、密封環用Ｏリングに高温流体が接触すると、それがフッ素樹脂等の耐熱性材で構成されているものであっても、当該Ｏリングが劣化して静止密封環の二次シール機能や追従性が低下して、メカニカルシール機能が低下，喪失する虞れがある。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、高温流体を扱う回転機器においてもメカニカルシール構成部材の冷却を効果的に行うことができ、良好なメカニカルシール機能を発揮することができる高温流体用軸封装置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】
【０００６】
本発明は、第１に、機器ハウジングに取り付けられたシールケース内に、これを洞貫する回転軸に固定した固定密封環とこれに対向してシールケースにＯリングを介して軸線方向移動可能に内嵌保持された静止密封環との対向端面である密封端面の相対回転作用によりシール機能を発揮するように構成されたメカニカルシールを配置してある高温流体用軸封装置において、シールケースを、厚肉円筒体である本体部と、その端部の内周縁部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体である第１保持部と、その端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２保持部と、その内周端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第１仕切部と、その内周端部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体であって回転軸の外周面との間に微小な環状通路を形成する通路形成部と、その端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２仕切部と、その外周端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板であって外径が本体部と一致するＯリング保持部とを具備する金属製構造物に構成して、Ｏリング保持部の内外周端部と機器ハウジングのシール部との間に第１及び第２Ｏリングを介在した状態で、機器ハウジングに取り付けてあり、その本体部とＯリング保持部との間に形成される凹部を機器ハウジングに設けた給排路形成部で閉塞された冷却室として、この冷却室に当該給排路形成部に形成された冷却液給排路により冷却液を給排させるようにすると共に、当該冷却室の内周側部分であって両仕切部及び通路形成部で囲繞形成される冷却室部分により前記密封環が配置されたシールケース内領域と機器ハウジング内領域である高温流体領域とを区画するように構成してあることをしたことを特徴とする高温流体用軸封装置（以下「第１発明軸封装置」という）を提案する。
【０００７】
また、本発明は、第２に、機器ハウジングに取り付けられたシールケース内に、これを洞貫する回転軸に固定した固定密封環とシールケースにＯリングを介して軸線方向移動可能に内嵌保持された静止密封環との対向端面である密封端面の相対回転作用によりシール機能を発揮するメカニカルシールに構成された一次シール、二次シール及び三次シールを並列配置し、二次シールと三次シールとの間に形成されたシール空間に、機器ハウジング内領域の流体圧力より低圧の封水を循環供給するように構成された高温流体用軸封装置であって、
シールケースを、厚肉円筒体である本体部と、その端部の内周縁部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体である第１保持部と、その端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２保持部と、その内周端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第１仕切部と、その内周端部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体であって回転軸の外周面との間に微小な環状通路を形成する通路形成部と、その端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２仕切部と、その外周端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板であって外径が本体部と一致するＯリング保持部とを具備する金属製構造物に構成して、Ｏリング保持部の内外周端部と機器ハウジングのシール部との間に第１及び第２Ｏリングを介在した状態で、機器ハウジングに取り付けてあり、その本体部とＯリング保持部との間に形成される凹部を機器ハウジングに設けた給排路形成部で閉塞された冷却室として、この冷却室に当該給排路形成部に形成された冷却液給排路により冷却液を給排させるようにすると共に、当該冷却室の内周側部分であって両仕切部及び通路形成部で囲繞形成される冷却室部分により前記一次シールの密封環が配置されたシールケース内領域と機器ハウジング内領域である高温流体領域とを区画するように構成し、シール空間に封水を循環供給する給排水手段を、シールケースの本体部に形成された給水通路と、当該本体部に形成された排水通路と、当該本体部の内周面に形成されて給水通路に連通する環状の給水溝と、当該本体部の内周面に形成されて排水通路に連通する環状の排水溝と、これら給排水溝の開口部を閉塞シールすべく当該本体部の内周面に取り付けられたシャワーリングと、シャワーリングに形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって給水溝に連通する給水孔と、シャワーリングに形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって排水溝に連通する排水孔とを具備して、給水通路から給水溝に供給された封水を全給水孔からシール空間に供給すると共にシール空間内の封水を全排水孔から排水溝を経て排水通路へと排出することによって、シール空間における循環供給に伴う封水の脈動現象を抑制するように構成したことを特徴とする高温流体用軸封装置（以下「第２発明軸封装置」という）を提案する。
【０００８】
第２発明軸封装置の好ましい実施の形態にあっては、給水孔が三次シールにおける回転密封環の外周面に対向して配置されると共に排水孔が三次シールにおける静止密封環の外周面に対向して配置されるか、或いは給水孔が三次シールにおける静止密封環の外周面に対向して配置されると共に排水孔が三次シールにおける回転密封環の外周面に対向して配置される。何れの場合においても、給水通路が、給水ラインに連通する環状の給水ヘッダ室と、給水ヘッダ室とシャワーリングで閉塞された給水溝内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の給水連絡通路とを具備するものであり、排水通路が、排水ラインに連通する環状の排水ヘッダ室と、排水ヘッダ室とシャワーリングで閉塞された排水溝内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の排水連絡通路とを具備するものであることが好ましい。このような複数の給排水連絡通路を設ける場合においては、回転軸の軸線を通過する断面において給水連絡通路と排水連絡通路とがＸ字状にクロスした形態で形成されていることが好ましい。
【０００９】
また、第１発明軸封装置及び第２発明軸封装置にあっては、特に第２発明軸封装置にあっては、シールケース内の回転軸部分を軸本体とこれに嵌挿固定されるスリーブとで構成すると共に、前記給排路形成部がシールケースを囲繞する状態で内嵌する筒状体に構成し、回転密封環を含む回転側要素を取り付けたスリーブと静止密封環を含む静止側要素を取り付けたシールケースとを、着脱自在なセット爪により一体連結して、スリーブを回転軸に嵌挿固定させると共にシールケースを給排路形成部に嵌挿させた上、シールケースをその端部に取り付けた周方向に分割状の環状リングを給排路形成部の端部内周に形成した環状凹部に係合させることにより機器ハウジングに取り付けるように構成したカートリッジ構造のものとしておくことが好ましい。
【００１０】
さらに、第１及び第２発明軸封装置にあっては、シールケースの本体部とＯリング保持部との対向端面間に、その周方向に等間隔を隔てて並列する複数の金属製補強杆を溶着しておくことが好ましい。また、シールケースの第１保持部及びＯリング保持部の内周面に多数の凸状フィンを一体形成してあることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
第１及び第２発明軸封装置にあっては、メカニカルシール（第２発明軸封装置にあっては一次シール）の密封環が配置されたシールケース内領域と機器ハウジング内領域である高温流体領域とが冷却室によって区画されており、この冷却室の外壁を構成するシールケース部分（第１及び第２保持部、第１及び第２仕切部、通路形成部並びにＯリング保持部）が薄肉円筒体又は薄肉円環状板であるから、冷却室内の冷却液によってシールケース内領域に配置されるメカニカルシール構成部材が効果的に冷却される。しかも、冷却室の内周部分は回転軸に近接しており、シールケース内領域と機器ハウジング内領域とはシールケースの通路形成部と回転軸との対向周面間に形成される微小な環状通路を介して連通されているから、機器ハウジング内の高温流体は当該環状通路を通過する間に冷却室内の冷却液によって（更には当該環状通路を通過することによる圧力損失が生じることによって）効果的に冷却されることになり、シールケース内領域における流体温度は機器ハウジング内の温度に比して大幅に低下することになる。したがって、機器ハウジング内の流体が直接に接触するメカニカルシール部材（静止密封環とシールケースとの間に介在されるＯリング等）についても、これが高温に晒されることがなく、熱劣化，熱損失するようなことがない。また、シールケースが、そのＯリング保持部の内外周端部と機器ハウジングのシール部との間に第１及び第２Ｏリングを介在した状態で、機器ハウジングに取り付けられているから、仮に、当該保持部の内周端部側のＯリング（第１Ｏリング）が高温流体に接触することにより劣化，熱損するようなことがあっても、当該第１Ｏリングから漏洩した高温流体は冷却室の薄肉外壁であるＯリング保持部と機器ハウジングのシール部との間を通過して第２Ｏリングに到達する前に十分に冷却されることから、シールケースと機器ハウジングとの間は第２Ｏリングにより確実にシールされることになる。これらのことから、第１及び第２発明軸封装置によれば、高温流体を扱う回転機器においても極めて良好なメカニカルシール機能を発揮することができる。
【００１２】
ところで、シールケース内に一対の端面接触形メカニカルシールを並列配置して、両メカニカルシール間に形成されるシール空間に、シールケースに形成した給排液路により、封液を循環供給するように構成されたダブルシール（例えば実開昭６３−１１９９６９号公報を参照）は、シール空間に機器ハウジング内領域の流体圧力より高圧の封液を供給することにより、機器ハウジング内領域の流体が高圧流体である場合にもシール空間を介して良好にシールすることができるものであり、さらに端面接触形メカニカルシールにおける密封環の相対回転摺接部分を封液により潤滑すると共に当該相対回転摺接部分の発熱等を封液によるフラッシング作用により抑制して、回転軸が高速回転する場合にも良好なシール機能を発揮することができるものである。しかし、給液路及び排液路が夫々シールケース内周部の一箇所に開口されていることから、つまりシールケース内周部の一箇所に設けられた給液口から封液がシール空間に供給されると共にシール空間の封液がシール内周部の一箇所に設けられた排液口から排出されることから、回転軸が高速回転される場合には次のような問題が生じていた。すなわち、回転軸には端面接触形メカニカルシールの回転密封環等の回転側要素が取り付けられているが、このような回転側要素が高速回転することにより、回転側要素周辺の封液が回転側要素の回転によりポンピングされ或いは回転側要素の回転に伴って回転する連れ回り現象が生じることになるため、シール空間内の封液が一箇所の排液口へと流れ込む状況下においては、シール空間内の封液が激しく脈動することになる。そして、このような脈動が生じると、回転軸及びこれに取り付けられた回転側要素が振動し、更には回転機器全体が振動することになり、軸封装置によるシール機能が低下する等、大きなトラブルが生じる。このような脈動に起因するトラブルの発生は、特に回転軸の周速が２０ｍ／ｓ以上である場合において顕著である。
【００１３】
第２発明軸封装置は、このような問題を解決して高速回転機器用としても好適するものである。すなわち、第２発明軸封装置にあっては、シール空間への封水循環を周方向に等間隔を隔てて並列する複数の給排水孔によって行うことから、回転軸が高速回転することにより上記したポンピング現象や連れ回り現象が生じるような場合にも、シール空間において封水の脈動現象が発生するような虞れが殆どなく、脈動に起因する振動が生じず、高速回転条件下においても良好なシール機能を発揮させることができる。しかも、複数の排水孔から封水を噴出させることにより封水によるフラッシング作用をより効果的に行うことができ、上記した封水の脈動防止効果と相俟って、高速条件下におけるシール機能を更に良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明に係る高温流体用軸封装置の一例を示す縦断側面図である。
【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、図１のIII −III 線に沿う縦断正面図である。
【図４】図４は、図１のIV−IV線に沿う縦断正面図である。
【図５】図５は、図１のＶ−Ｖ線に沿う縦断正面図である。
【図６】図６は、図１のVI−VI線に沿う縦断正面図である。
【図７】図７は、当該高温流体用軸封装置の変形例を示す縦断側面図である。
【図８】図８は、当該高温流体用軸封装置の他の変形例を示す縦断側面図である。
【図９】図９は、当該高温流体用軸封装置についての実験結果を示したもので、回転軸の回転数とその振幅との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は本発明に係る高温流体用軸封装置の一例を示す縦断側面図であり、図２はその要部の拡大図であり、図３は図１のIII −III線に沿う縦断正面図であり、図４は図１のIV−IV線に沿う縦断正面図であり、図５は図１のＶ−Ｖ線に沿う縦断正面図であり、図６は図１のVI−VI線に沿う縦断正面図である。
【００１６】
図１に示す高温流体用軸封装置は、高温流体（例えば、高圧の高温ガス）を扱う回転機器であって、特に回転軸１が高速回転（例えば、回転軸１の周速：２０ｍ／ｓ以上）する回転機器（例えば、原子力発電システム等において使用される蒸気圧縮機等）に使用される高ＰＶ値対応の第２発明軸封装置であり、回転軸１とこれを囲繞するシールケース２との対向周面間に一次シールたる第１メカニカルシール３と二次シールたる第２メカニカルシール４と三次シールたる第３メカニカルシール５とを軸線方向に並列配置し、第１メカニカルシール３と第２メカニカルシール４との間に形成されるシール空間（以下「第１シール空間」という）Ｃ及び第２メカニカルシール４と第３メカニカルシール５との間に形成されるシール空間（以下「第２シール空間」という）Ｄを介して、シールケース２が取り付けられる当該回転機器のハウジング（機器ハウジング）８内の領域（機器ハウジング内領域）である機内領域Ａと機外領域である大気領域Ｂとの間をシールするように構成されている。すなわち、第１メカニカルシール３は、機内領域Ａと第１シール空間Ｃとの間をシールする一次シールであり、第２メカニカルシール４は第１シール空間Ｃと第２シール空間Ｄとの間をシールする二次シールであり、第３メカニカルシール５は第２シール空間Ｄと大気領域Ｂとの間をシールする三次シールである。なお、以下の説明における圧力はゲージ圧力である。
【００１７】
回転軸１は、図１に示す如く、機器ハウジング８の端部であるシール部８ａから機外方向に突出してシールケース２を同心状に貫通するものであるが、シールケース２内の回転軸部分においては、軸本体１ａに円筒状のスリーブ１１，１２，１３，１４を嵌挿させた積層構造に構成されている。スリーブ１２，１３，１４は、長尺スリーブ１１に外嵌されている。また、機器ハウジング８ａのシール部８ａには、その内周部から突出する環状突起８ｂが設けられていると共に、その外周部から連なって回転軸１の軸線方向（以下、単に「軸線方向」という）に突出する給排路形成部８ｃが設けられている。給排路形成部８ｃは、後述するシールケース２より若干長尺な筒状体であり、シールケース２を囲繞する状態で内嵌しうる円形内周面を有するものである。
【００１８】
シールケース２は、図１に示す如く、厚肉円筒体である本体部２ａ，２ｂ，２ｃと、その端部の内周縁部から機器ハウジング領域Ａ方向に一体的に延びる薄肉円筒体である第１保持部２ｄと、その端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２保持部２ｅと、その内周端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第１仕切部２ｆと、その内周端部から機器ハウジング領域Ａ方向に一体的に延びる薄肉円筒体である通路形成部２ｇと、その端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２仕切部２ｈと、その外周端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板であって外径が本体部と一致するＯリング保持部２ｉとを具備する金属製構造物に構成してある。
【００１９】
本体部は、図１に示す如く、軸線方向に３つの部分に分割された外径一定の金属製円筒構造物であり、第１保持部２ｄを一体連結する第１本体部２ａと、これに適当数のボルト２ｊにより連結された第２本体部２ｂと、これに適当数のボルトのボルト２ｋにより連結された第３本体部２ｃとからなる。第１本体部２ａは、第１保持部２ｄ、第２保持部２ｅ、第１仕切部２ｆ、通路形成部２ｇ、第２仕切部２ｈ及びＯリング保持部２ｉと一体成形されたものである。
【００２０】
第１保持部２ｄ、第２保持部２ｅ、第１仕切部２ｆ、通路形成部２ｇ、第２仕切部２ｈ及びＯリング保持部２ｉは、本体部２ａ，２ｂ，２ｃの肉厚（径方向の厚み）に比して薄肉のものに構成されている。通路形成部２ｇは、回転軸１つまり軸本体１ａの外周面に近接して軸線方向に延びるものであり、軸本体１ａとの対向周面間に微小な環状通路２７を形成する。Ｏリング保持部２ｉは、その内外周端部に形成したＯリング溝に第１Ｏリング２ｍ及び第２Ｏリング２ｎを係合させるＯリング溝を形成したものであり、外径を本体部２ａ，２ｂ，２ｃと一致させてある。第１本体部２ａとＯリング保持部２ｃとの対向周面間には、その周方向に等間隔を隔てて並列する複数の金属製補強杆（例えば、金属丸棒）２ｐを溶着してあり、これによって、第１保持部２ｄ、第２保持部２ｅ、第１仕切部２ｆ、通路形成部２ｇ、第２仕切部２ｈ及びＯリング保持部２ｉで構成される薄肉構造物を補強して、それが変形しないように図っている。
【００２１】
シールケース２は、図１に示す如く、Ｏリング保持部２ｉを機器ハウジング８のシール部８ａとの間に第１及び第２Ｏリング２ｍ，２ｎを介在した状態で、機器ハウジング８に取り付けられている。すなわち、シールケース２は、Ｏリング保持部２ｉを機器ハウジング８のシール部８ａ、環状突起８ｂ及び給排路形成部８ｃで形成される環状凹部に嵌合させた状態で、つまりシール部８ａとの間をＯリング保持部２ｉの内周側の第１Ｏリング２ｍ及びその外周側の第２Ｏリング２ｎでシールさせた状態で、給排路形成部８ｃに内嵌させた上、その端部（第３本体部２ｃの端部）にボルト２ｑにより取り付けた環状リング２ｒを給排路形成部８ｃの端部内周に形成した環状凹部８ｄに係合させることにより、機器ハウジング８に取り付けられている。なお、環状リング２ｒは周方向に複数部分に分割されたものであり、各分割部分を環状凹部８ｄに係合させた上で第３本体部２ｃに取り付けることにより円環状体となるものである。
【００２２】
シールケース２には、その本体部（第１本体部２ａ）とＯリング保持部２ｊとの間に環状凹部が形成されるが、この環状凹部は、シールケース２を機器ハウジング８に取り付けることにより、給排路形成部８ｃで閉塞された冷却室２８に構成される。冷却室２８の内周側部分であって両仕切部２ｆ，２ｈ及び通路形成部２ｇで囲繞形成される冷却室部分２８ａは、被密封流体領域をメカニカルシール３の密封環３１，３２が配置されたシールケース内領域Ａ１と高温流体領域である機内領域Ａとを区画しており、両領域Ａ，Ａ１は微小な環状通路２７のみを介して連通されている。冷却室２８には、給排路形成部８ｃに形成された冷却液給排路８０，８１により冷却液８２が給排されるようになっている。すなわち、冷却液供給路８０から冷却室２８に供給された冷却液８２により、冷却室２８の外壁を構成する金属製薄肉部（第１保持部２ｄ、第２保持部２ｅ、第１仕切部２ｆ、通路形成部２ｇ、第２仕切部２ｈ及びＯリング保持部２ｉ）が冷却されて、当該金属製薄肉部に接触する部材及び流体との熱交換（冷却）が行われるようになっているのであり、冷却液８２は冷却液排出路８１から冷却液供給路８０へと循環されるようになっている。第１保持部２ｄ及びＯリング保持部２ｉの内周面には、図１に示す如く、多数の凸状フィン２ｓ，２ｔが一体形成されていて、両部２ｄ，２ｉに接触する部材及び流体の冷却をより効果的に行いうるように工夫されている。なお、冷却液８２としては水等が使用され、その循環経路には必要に応じて熱交換器等の冷却機器が配設される。
【００２３】
第１メカニカルシール３は、図１に示す如く、シールケース２に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環（以下「第１静止密封環」という）３１と、これに対向して回転軸１に固定された回転密封環（以下「第１回転密封環」という）３２と、第１静止密封環３１を第１回転密封環３２へと押圧附勢するスプリング部材３３とからなり、両密封環３１，３２の対向端面たる密封端面３１ａ，３２ａの相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の内周側領域である機内領域Ａ（より正確には、上記したシールケース内領域Ａ１）とその外周側領域である第１シール空間Ｃとの間をシールする端面接触形メカニカルシールである。
【００２４】
第３メカニカルシール５は、図１に示す如く、シールケース２に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環（以下「第３静止密封環」という）５１と、これに対向して回転軸１に固定された回転密封環（以下「第３回転密封環」という）５２と、第３静止密封環５１を第３回転密封環５２へと押圧附勢するスプリング部材５３とからなり、両密封環５１，５２の対向端面たる密封端面５１ａ，５２ａの相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の内周側領域である大気領域Ｂとその外周側領域である第２シール空間Ｄとの間をシールする端面接触形メカニカルシールである。
【００２５】
第２メカニカルシール４は、図１に示す如く、上記両メカニカルシール３，５間に配置されており、シールケース２に軸線方向に移動可能に保持された静止密封環（以下「第２静止密封環」という）４１と、これに対向して回転軸１に固定された回転密封環（以下「第２回転密封環」という）４２と、第２静止密封環４１を第２回転密封環４２へと押圧附勢するスプリング部材４３とからなり、両密封環４１，４２の対向端面たる密封端面４１ａ，４２ａの相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の外周側領域である第１シール空間Ｃとその内周側領域である第２シール空間Ｄとの間をシールする端面接触形メカニカルシールである。
【００２６】
第１メカニカルシール３と第２メカニカルシール４とは軸線方向における密封環配置を逆とするダブルシールを構成しており、第２メカニカルシール４と第３メカニカルシール５とは軸線方向における密封環配置を同一とするタンデムシール（タンデムダブルシール）を構成している。第１及び第２回転密封環３２，４２は、基端面が対向する状態でスリーブ１１，１２及び保持環１５を介して回転軸１に固定されている。第１及び第２静止密封環３１，４１は、先端面（密封端面）３１ａ，４１ａが回転密封環３２，４２を挟んで対向する状態で、夫々、Ｏリング３４，４４を介してシールケース２に軸線方向移動可能に嵌合保持されている。第３メカニカルシール５の密封環５１，５２は、第２メカニカルシール４より大気領域Ｂ側において、第２メカニカルシール４の密封環４１，４２と向きを同一とする状態で配置（タンデム配置）されており、第３回転密封環５２はスリーブ１１，１３及び保持環１６を介して回転軸１に固定されており、第３静止密封環５１はＯリング５４を介してシールケース２に軸線方向移動可能に嵌合保持されている。
【００２７】
各静止密封環３１，４１，５１は、図１及び図２に示す如く、シールケース２の内周部に形成されたスプリングリテーナ部にＯリング３４，４４，５４を介して軸線方向に移動可能に嵌合保持された円環状体であり、その先端面は軸線に直交する平滑環状面である密封端面３１ａ，４１ａ，５１ａに形成されている。各静止密封環３１，４１，５１は、これに突設したドライブピン３１ｂ，４１ｂ，５１ｂをスプリングリテーナ部に形成した係合孔に係合させることにより、所定範囲での軸線移動を許容する状態でシールケース２に対する相対回転が阻止されている。なお、各静止密封環３１，４１，５１における密封端面３１ａ，４１ａ，５１ａが形成されている部分（密封端面形成部分）はカーボンで構成されている。
【００２８】
各回転密封環３２，４２，５２は、図１及び図２に示す如く、回転軸１つまり軸体１ａにスリーブ１１，１２，１３，１４及び保持環１５，１６を介して固定された円環状体であり、その先端面は軸線に直交する平滑環状面である密封端面３２ａ，４２ａ，５２ａに形成されている。第１及び第２回転密封環３２，４２の外周面（密封端面３２ａ，４２ａが形成される先端部を除く外周面部分）は保持環１５の外周面で被覆されており、両回転密封環３２，４２とシールケース２の内周部分（後述するシャワーリング６７）との対向周面間に凹凸のない封水流路（軸線方向に平行する円筒状流路）Ｃ１が形成されている。第３回転密封環５２の外周面（密封端面５２ａが形成される先端部を除く外周面部分）及び背面（基端面）は保持環１６で被覆されており、第３回転密封環５２とシールケース２の内周部分（後述するシャワーリング７７）との対向周面間に凹凸のない封水流路（軸線方向に平行する円筒状流路）Ｄ１が形成されている。なお、各回転密封環３２，４２，５２における密封端面３２ａ，４２ａ，５２ａが形成されている部分（密封端面形成部分）は静止密封環３１，４１，５１の密封端面形成部分より硬質のセラミックス（炭化珪素等）等で構成されている。
【００２９】
各スプリング部材３３，４３，５３は、図１に示す如く、静止密封環３１，４１，５１と前記スプリングリテーナ部との間に周方向に所定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３１，４１，５１を回転密封環３２，４２，５２へと押圧接触させるべく附勢するものである。
【００３０】
高温流体用軸封装置は、図１に示す如く、回転側要素（スリーブ１２，１３，１４及び回転密封環３２，４２，５２等）を取り付けた長尺スリーブ１１と静止側要素（静止密封環３１，４１，５１等）を取り付けたシールケース２とを、着脱自在なセット爪９により一体連結して、長尺スリーブ１１を軸体１ａに嵌挿固定させると共にシールケース２を給排路形成部８ｃに嵌挿させた上、シールケース２を、環状リング２ｒを給排路形成部８ｃの環状凹部８ｄに係合させると共にシールケース２（第３本体部２ｃ）に取り付けることにより、機器ハウジング８に取り付けるように構成したカートリッジ構造のものである。すなわち、回転側要素を取り付けた長尺スリーブ１１と静止側要素を取り付けたシールケース２とをセット爪９により一体化させた形態（当該高温流体用軸封装置に組み立てた形態）のまま、軸体１ａに挿通させた上、軸体１ａに形成したネジ部１ｂにスリング兼用のストッパリング１７を螺合させると共にこのストッパリング１７をセットスクリュー１７ａにより軸体１に固定することによって、当該高温流体用軸封装置を機器ハウジング８に装着するようになっている。そして、セット爪９を取り外した上で、当該高温流体用軸封装置の運転が開始される。また、メンテナンス作業等においては、上記と逆の作業手順により当該高温流体用軸封装置を機器ハウジング８から取り外すことができる。このようなカートリッジ構造としておくことにより、軸装置の組立及び機器ハウジング８への脱着作業を正確且つ容易に行うことができる。かかる点は、特に、複数のメカニカルシール３，４，５を有する上記高温流体用軸封装置のように複雑な構造をなすものにおいては、極めて有利な利点である。
【００３１】
第１シール空間Ｃには第１給排水手段により機内領域Ａの流体圧力より高圧の封水６が循環供給されると共に、第２シール空間Ｄには、第２給排水手段により、第２メカニカルシール（二次シールにおける被密封流体領域側メカニカルシール）４における密封端面４１ａ，４２ａの外径側領域である第１シール空間（二次シールによってシールされる被密封流体領域）Ｃより低圧であり且つ第３メカニカルシール（二次シールにおける大気領域側メカニカルシール）５における密封端面５１ａ，５２ａの内径側領域である大気領域Ｂより高圧である封水７が循環供給されていて、各シール空間Ｃ，Ｄを所定圧（機内領域Ａの圧力＜第１シール空間Ｃ，機外領域Ｂの圧力（大気圧）＜第２シール空間Ｄの圧力＜第１シール空間Ｃの圧力）に保持すると共に封水６，７によるフラッシング効果が発揮されるように工夫してある。なお、各回転密封環３２，４２，５２の密封端面３２ａ，４２ａ，５２ａの外周縁部には、図２〜図６に示す如く、相手密封端面（静止密封環３１，４１，５１の密封端面）３１ａ，４１ａ，５１ａの外周縁部に若干食い込む凹部（ハイドロカット）３２ｂ，４２ｂ，５２ｂが形成されていて、封水６，７を密封端面３１ａ，３２ａ、４１ａ，４２ａ及び５１ａ，５２ａ間に積極的に導入させることにより当該密封端面間の潤滑を効果的に行いうるように工夫してある。
【００３２】
第１給排水手段は、図１及び図２に示す如く、シールケース２及び機器ハウジング８の給排路形成部８ｃに形成されて給水ライン６１に接続された給水通路６２と、シールケース２及び機器ハウジング８の給排路形成部８ｃに形成されて排水ライン６３に接続された排水通路６４と、シールケース２の内周面に形成されて給水通路６２に連通する環状の給水溝６５と、シールケース２の内周面に形成されて排水通路６４に連通する環状の排水溝６６と、これら給排水溝６５，６６の開口部を閉塞シールすべくシールケース２の内周面に取り付けられたシャワーリング６７と、シャワーリング６７に形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって給水溝６５に連通する給水孔６８と、シャワーリング６７に形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって排水溝６６に連通する排水孔６９とを具備して、給水通路６２から給水溝６５に供給された封水６を全給水孔６８から第１シール空間Ｃに供給すると共に第１シール空間Ｃ内の封水６を全排水孔６９から排水溝６６を経て排水通路６４へと排出するように構成されている。給水孔６９は、図１〜図３に示す如く、第２メカニカルシール４における静止密封環（第２静止密封環）４１の外周面であって密封端面４１ａに対向して開口する形態でシャワーリング６７に穿設されている。排水孔６７は、図１、図２及び図４に示す如く、第１メカニカルシール３における静止密封環（第２静止密封環）３１の外周面であって密封端面３１ａに対向して開口する形態でシャワーリング６７に穿設されている。なお、シャワーリング６７には、給水孔６８から大気領域Ｂ側へと離間する位置に配して、第１シール空間Ｃと給水溝６５内とを連通する適当数の空気抜き孔６７ａが穿設されている。
【００３３】
給排水ライン６１，６３はプランジャポンプ等を具備する封水供給装置に接続されていて、これらと給排水通路６２，６４、給排水溝６５，６６、給排水孔６８，６９及び第１シール空間Ｃとで封水６の循環ラインが構成されている。すなわち、給水孔群６８から一定圧の封水６を一定流量で第１シール空間Ｃに供給すると共にこの供給量と同一量の封水６を第１シール空間Ｃから排水孔群６９へと排出させることにより、一定圧の封水６を第１シール空間Ｃに循環供給させるようになっている。したがって、第１シール空間Ｃは封水６によって常時充満され、一定圧に保持される。封水６の圧力及び循環量は、第１シール空間Ｃが機内領域Ａより若干（０．５ＭＰａＧ程度）高くなるように設定される。例えば、機内領域Ａの流体が７．２ＭＰａＧの高圧蒸気である場合においては、封水６の圧力を７．７ＭＰａＧとし且つ封水６の給排量（循環量）を９６Ｌ／ｍｉｎとして、第１シール空間Ｃを機内領域Ａより０．５ＭＰａＧ高圧となるように保持させるようにする。
【００３４】
第１及び第２メカニカルシール３，４における相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ及び４１ａ，４２ａは、第１シール空間Ｃに給排される封水６によってフラッシングされるが、かかる封水６によるフラッシング機能をより効果的に発揮させるべく、シャワーリング６７の内周部には、図２に示す如く、第１メカニカルシール３の相対回転摺接部分３１ａ，３２ａに対向する位置及び第２メカニカルシール４の相対回転摺接部分４１ａ，４２ａに対向する位置に夫々配して環状の第１及び第２誘導突起２１，２２が設けられていて、給水孔６８から排水孔６９への封水流動経路の途中において封水６が第１及び第２メカニカルシール３，４の相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ及び４１ａ，４２ａに向かうべく誘導されるように工夫してある。すなわち、給水孔６８から封水流路Ｃ１へと流動する封水６は、この間において第２誘導突起２２により第２メカニカルシール４の相対回転摺接部分４１ａ，４２ａに向かうように誘導される反転流６ａとなる。さらに、封水流路Ｃ１から排水孔６９へと流動する封水６は、この間において第１誘導突起２１により第１メカニカルシール３の相対回転摺接部分３１ａ，３２ａに向かうように誘導される反転流６ｂとなる。したがって、かかる反転流６ａ，６ｂによって、相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ及び４１ａ，４２ａの周辺においても封水６が停滞することなく流動され、相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ及び４１ａ，４２ａを含む密封環３１，３２及び４１，４２に対するフラッシング効果が良好に発揮されることになる。
【００３５】
第２給排水手段は、図１及び図２に示す如く、シールケース２及び機器ハウジング８の給排路形成部８ｃに形成されて給水ライン７１に接続された給水通路７２と、シールケース２及び機器ハウジング８の給排路形成部８ｃに形成されて排水ライン７３に接続された排水通路７４と、シールケース２の内周面に形成されて給水通路７２に連通する環状の給水溝７５と、シールケース２の内周面に形成されて排水通路７４に連通する環状の排水溝７６と、これら給排水溝７５，７６の開口部を閉塞シールすべくシールケース２の内周面に取り付けられたシャワーリング７７と、シャワーリング７７に形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって給水溝７５に連通する給水孔７８と、シャワーリング７７に形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって排水溝７６に連通する排水孔７９とを具備して、給水通路７２から給水溝７５に供給された封水７を全給水孔７８から第２シール空間Ｄに供給すると共に第２シール空間Ｄ内の封水７を全排水孔７９から排水溝７６を経て排水通路７４へと排出するように構成されている。給水孔７８は、図１、図２及び図５に示す如く、第３メカニカルシール５における回転密封環（第３回転密封環）５２の外周面であってこれを覆っている保持環１６の大径部と小径部との境界部分つまり封水流路Ｄ１の機内領域Ａ側の端部に対向して開口する形態でシャワーリング６７に穿設されている。排水孔７９は、図１、図２及び図６に示す如く、第３メカニカルシール５における静止密封環（第３静止密封環）５１の外周面であって密封端面５１ａに対向して開口する形態でシャワーリング６７に穿設されている。給水通路７２は、図１、図２及び図５に示す如く、給水ライン７１に連通する環状の給水ヘッダ室７２ａと、給水ヘッダ室７２ａとシャワーリング７７で閉塞された給水溝７５内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の給水連絡通路７２ｂとを具備して、給水ライン７１から給水ヘッダ室７２ａに供給された封水７を給水連絡通路群７６から給水溝７５に供給するようになっている。排水通路７４は、図１、図２及び図６に示す如く、排水ライン７３に連通する環状の排水ヘッダ室７４ａと、排水ヘッダ室７４ａとシャワーリング７７で閉塞された排水溝７６内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の排水連絡通路７４ｂとを具備して、排水孔群７９から排水溝７６に流入した第２シール室Ｄ内の封水７を排水連絡通路群７４ｂから排水ヘッダ室７４ａを介して排水ライン７３に排水するようになっている。給水連絡通路７２ｂと排水連絡通路７４ｂとは、回転軸１の軸線に対して逆方向に傾斜する傾斜通路となっている。すなわち、図１及び図２に示す如く、給排水ヘッダ室７２ａ，７４ａの軸線方向位置関係と給排水溝７５，７６の軸線方向位置関係とが逆になるようにして、回転軸１の軸線を通過する断面において給水連絡通路７２ｂと排水連絡通路７４ｂとがＸ字状にクロスした形態となるように工夫してある。各連絡通路７２ｂ，７４ｂの上記軸線に対する傾斜角度は４５度又は略４５度に設定されている。給排水連絡通路７２ｂ，７４ｂ及び給排水孔７８，７９の数及び形状（断面積（水流方向に直交する断面の面積））は、全給排水連絡通路７２ｂ，７４ｂの合計断面積が全給排水孔７８，７９の合計断面積と同一か又は全給排水孔７８，７９の合計断面積より若干大きくなる条件において、適宜に設定される。なお、シャワーリング７７には、排水孔７９から大気領域Ｂ側へと離間する位置に配して、第２シール空間Ｄと排水溝７６内とを連通する適当数の空気抜き孔７７ａが穿設されている。
【００３６】
給排水ライン７１，７３はプランジャポンプ等を具備する封水供給装置に接続されていて、これらと給排水通路７２，７４、給排水溝７５，７６、給排水孔７８，７９及び第２シール空間Ｄとで封水７の循環ラインが構成されている。すなわち、給水通路７２から一定圧の封水７を一定流量で第２シール空間Ｄに供給すると共にこの供給量と同一量の封水７を第２シール空間Ｄから排水通路７４へと排出させることにより、一定圧の封水７を第２シール空間Ｄに循環供給させるようになっている。したがって、第２シール空間Ｄは封水７によって常時充満され、一定圧に保持される。封水７の圧力及び循環量は、第２シール空間Ｄがこれに隣接する機内領域Ａ側のシール空間つまり第１シール空間Ｃより低圧で且つ大気領域Ｂより高圧に保持されるように設定される。例えば、前記した如く機内領域Ａの流体が７．２ＭＰａＧの高圧蒸気であり、封水６の圧力を７．７ＭＰａＧとし且つ封水６の給排量（循環量）を９６Ｌ／ｍｉｎとした場合においては、封水７の圧力を３．５ＭＰａＧとし且つ封水７の給排量（循環量）を６１Ｌ／ｍｉｎとする。
【００３７】
第３メカニカルシール５における相対回転摺接部分５１ａ，５２ａは、第２シール空間Ｄに給排される封水７によってフラッシングされるが、かかる封水７によるフラッシング機能をより効果的に発揮させるべく、シャワーリング７７の内周部には、図２に示す如く、第３メカニカルシール５の相対回転摺接部分５１ａ，５２ａに対向する位置に配して環状の第３誘導突起２３が設けられている。したがって、封水７は給水孔７８から封水流路Ｄ１を通過して排水孔７９に向かうが、この間において、上記した第１シール空間Ｃにおける反転流６ａ，６ｂと同様の反転流７ａが生じることになる。すなわち、第３メカニカルシール５の相対回転摺接部分５１ａ，５２ａの周辺において、封水７は第３誘導突起２３により当該相対回転摺接部分５１ａ，５２ａへと向かうように誘導された反転流７ａとなる。かかる反転流７ａによって、相対回転摺接部分５１ａ，５２ａの周辺においても封水７が停滞することなく流動され、相対回転摺接部分５１ａ，５２ａを含む密封環５１，５２に対するフラッシング効果が良好に発揮されることになる。
【００３８】
なお、この例では第２静止密封環４２が軸線方向に長尺なものであるため、第２シール空間Ｄにおいては、当該密封環４２と回転軸１（スリーブ１２）との対向周面間に軸線方向に延びる長尺な円筒状領域Ｄ２が生じるが、この円筒状領域における回転軸１の回転に伴う封水７の連れ回り現象を可及的に防止すべく、当該対向周面を表面研磨（電解研磨，バフ研磨等）して封水７との摩擦係数が小さくなるように工夫すると共に当該対向周面の間隔（円筒状領域Ｄ２の径方向幅）を可能な範囲で最大限大きく設定してある。
【００３９】
以上のように構成された高温流体用軸封装置にあっては、シールケース内領域Ａ１と機内領域である高温流体領域Ａとが冷却室２８によって区画されており、この冷却室２８の外壁を構成するシールケース部分（第１保持部２ｄ、第２保持部２ｅ、第１仕切部２ｆ、通路形成部２ｇ、第２仕切部２ｈ及びＯリング保持部２ｉ）が薄肉円筒体又は薄肉円環状板であるから、冷却室２８内の冷却液８２によってシールケース内領域Ａ１に配置されるメカニカルシール構成部材が効果的に冷却される。しかも、冷却室２８の内周側部分は回転軸１（軸体１ａ）に近接しており、シールケース内領域Ａ１と高温流体領域Ａとはシールケース２の通路形成部２ｇと回転軸１との対向周面間に形成される微小な環状通路２７を介して連通されているから、機器ハウジング８内の高温流体は当該環状通路２７を通過する間に冷却室２８内の冷却液８２によって（更には当該環状通路２７を通過することによる圧力損失が生じることによって）効果的に冷却されることになり、シールケース内領域Ａ１における流体温度は機器ハウジング内の流体温度に比して大幅に低下することになる。したがって、機器ハウジング８内の高温流体が直接に接触するメカニカルシール部材（静止密封環３１とシールケース２との間に介在されるＯリング３４等）についても、これが高温に晒されることがなく、熱劣化，熱損失するようなことがない。また、シールケース２が、そのＯリング保持部２ｉの内外周端部と機器ハウジング８のシール部８ａとの間に第１及び第２Ｏリング２ｍ，２ｎを介在した状態で、機器ハウジング８に取り付けられているから、仮に、当該保持部３ｉの内周端部側のＯリング（第１Ｏリング）２ｍが高温流体に接触することにより劣化，熱損するようなことがあっても、当該第１Ｏリング２ｍから漏洩した高温流体は冷却室２８の薄肉外壁であるＯリング保持部２ｉと機器ハウジング８のシール部８ａとの間を通過して第２Ｏリング２ｎに到達する前に十分に冷却されることから、シールケース２と機器ハウジング８との間は第２Ｏリング２ｎにより確実にシールされることになる。このような冷却機能は、フィン２ｓ，２ｔの存在によってより効果的に発揮されることになる。これらのことから、当該高温流体用軸封装置によれば、高温流体を扱う回転機器においても極めて良好なメカニカルシール機能を発揮することができる。
【００４０】
また、上記した高温流体用軸封装置にあっては、機内領域Ａと機外領域（大気領域）Ｂとの間を機外領域側へと段階的に減圧された封水充填空間である第１及び第２シール空間Ｃ，Ｄを介してシールするように構成されているから、機内領域Ａの流体が高圧蒸気等の高圧流体である場合にも、機内領域Ａを確実にシールすることができ、しかも回転軸１が高速回転される場合においても、タンデムシールである二次シールにおける封水循環に伴う封水７の脈動を可及的に防止することができ、回転軸１延いては回転機器の振動を大幅に低減することができる。
【００４１】
すなわち、第２シール空間Ｄ内の封水７をシールケース２の周方向に等間隔を隔てて並列する複数の給排水孔７８，７９から給排水させるため、第２シール空間Ｄ内に位置する回転密封環（第３回転密封環）５２の回転によってその周辺の封水７にポンピング，連れ回り現象が生じている場合にも、冒頭で述べた従来のタンデムシールにおける如く一箇所から封水を給排させる場合に比して、封水７の脈動が防止され或いは振動を生じさせない程度にまで抑制される。また、全給排水孔７８，７９と給排水ライン７１，７３との間に、第１環状室（給排水溝７５，７６）と第２環状室（ヘッダ室７２ａ，７４ａ）と両環状室間を連結する複数の給排水連絡通路７２ｂ，７４ｂとを介して、連結していることから、第２シール空間Ｄへの給排水経路において急激な圧力変動が生じず、これによって脈動の発生をより効果的に抑制することができる。このような効果を発揮させる上で、給排水連絡通路７２ｂ，７４ｂを前記した如く４５度前後の傾斜角度でＸ状にクロスさせておくことも有効となる。さらに、周方向に均等配置された複数の給水孔７８から第２シール空間Ｄ内に位置する回転密封環（第３回転密封環）５２の外周面に向けて放射状に給水させるようにしたことによって、当該回転密封環５２の回転によるポンピング，連れ回り現象が、回転密封環外周の封水流路Ｄ１を給水孔７９へと流動する封水７によって緩和されることになり、これによって脈動の発生が更に効果的に抑制されることになる。また、第２静止密封環４２と回転軸１（スリーブ１２）との対向周面間（円筒状領域Ｄ２）を、前記した如く、表面研磨により封水７との摩擦係数を低減し且つ最大限拡げるようにしておくことによっても、封水７の連れ回りによる脈動発生を有効に抑制することができる。
【００４２】
また、封水６，７を周方向に均等配置された複数の給水孔６８，７８からシール空間Ｃ，Ｄに供給（噴出）させるようにしたことによって、実開昭６３−１１９９６９号公報に開示されるような公知のタンデムシールにおける如くシールケース内周部の一箇所から封水を供給させる場合に比して、封水６，７によるフラッシング機能がより効果的に発揮され、更に誘導突起２４，２５，２６による反転流６ａ，６ｂ，７ａを生じさせることにより、密封環の相対回転摺接部分３１ａ，３２ａ、４１ａ，４２ａ及び５１ａ，５２ａに対するフラッシング機能が更に効果的に発揮されることになる。したがって、上記した高温流体用軸封装置によれば、高温条件に加えて高速，高圧の高ＰＶ値条件下においても、格別のトラブルを生じることなく、極めて良好なシール機能を発揮することができる。
【００４３】
ところで、本発明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。
【００４４】
例えば、上記した冷却室２８を有するシールケース構造は、シールケース２内に一つの端面接触形メカニカルシール又は非接触形メカニカルシールを配置するようにしたシングルメカニカルシール構造の軸封装置、二つのメカニカルシールを並列配置するようにしたダブルシール構造又はタンデムシール構造の軸封装置や４つ以上のメカニカルシールを並列配置するようにした軸封装置にも、上記高温流体用軸封装置と同様に適用することができ、これと同様の作用効果を奏しうる。
【００４５】
また、上記した高温流体用軸封装置にあっては、図７に示す如く、第２シール空間Ｄに開口する給排水口７８，７９の軸線方向位置関係を図１に示す高温流体用軸封装置（以下「第１実施例装置」という）とは逆にして、給水孔７８が大気領域側メカニカルシール５における静止密封環（第３静止密封環）５１の外周面に対向して配置されると共に、排水孔７９が当該メカニカルシール５における回転密封環（第３回転密封環）５２の外周面に対向して配置されるようにしておくことも可能である。すなわち、図７に示す高温流体用軸封装置（以下「第２実施例装置」という）では、第１実施例装置の給水孔及び給水溝を排水孔７９及び排水溝７６として使用すると共に第１実施例装置の排水孔及び排水溝を給水孔７８及び給水溝７５として使用し、さらに第１実施例装置の給水用ヘッダ室及び排水用ヘッダ室はそのまま給水用ヘッダ室７２ａ及び排水用ヘッダ室７４ａとして使用し、給排水溝７５，７６と給排水用ヘッダ室７２ａ，７４ａとを夫々クロスしない複数の給排水連絡通路７２ａ，７４ａで接続してある。
【００４６】
第２実施例装置は、第１実施例装置に比しては脈動防止効果が多少劣るものの、従来のタンデムシールに比しては大幅な脈抑制効果を発揮しうるものである。この点については、実験により確認された。すなわち、第１及び第２実施例装置と第２シール空間Ｄに開口する給排水孔を夫々一個とし且つ給排水孔を夫々給排水ラインに一本の給排水通路で連結した点を除いて第２実施例装置と同一構造をなく軸封装置（以下「比較例装置」という）とを使用して、同一条件下で回転軸１の回転数を変えながら、回転軸１の振幅を測定した。その結果は、図９に示す通りであった。すなわち、図９においては、回転軸１の回転数（ｒ．ｐ．ｍ．）と振幅（μｍ ｐ−ｐ）との関係を、第１実施例装置については実線で、第２実施例装置については破線で、また比較例装置については鎖線で示してあるが、この実験結果からも、比較例装置では高速回転になるに従い振幅が増大して良好な運転が困難となるが、第１及び第２実施例装置では高速回転条件下でも回転軸１の振動が効果的に抑制されており、特に、第１実施例装置では回転軸１の振動が大幅に抑制されていることが理解される。
【００４７】
また、第２シール空間Ｄにおける回転密封環５２による封水７のポンピングないし連れ回り現象を抑制するために、第１又は第２実施例装置における当該回転密封環５２の形状を工夫しておくことも有効と考えられる。例えば、図８は第１実施例装置において、回転密封環５２の背面つまり保持環１６の背面を機内領域Ａ側へと漸次縮径する傾斜面１６ａに形成して、当該回転密封環５２の回転に伴う封水７のポンピングないし連れ回り現象の発生を可及的に抑制しうるように工夫してある。
【００４８】
また、本発明に係る高温流体用軸封装置は、上記した軸封装置における二次シールとして使用する他、それ単独のタンデムシールとして或いは３個以上のメカニカルシールが並列配置される軸封装置における一次シールとしても好適に使用することができることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００４９】
１ 回転軸
１ａ 軸体
２ シールケース
２ａ 第１本体部（本体部）
２ｂ 第２本体部（本体部）
２ｃ 第３本体部（本体部）
２ｄ 第１保持部
２ｅ 第２保持部
２ｆ 第１仕切部
２ｇ 通路形成部
２ｈ 第２仕切部
２ｉ Ｏリング保持部
２ｍ 第１Ｏリング
２ｎ 第２Ｏリング
２ｐ 補強杆
２ｒ 環状リング
２ｓ フィン
２ｔ フィン
３ 第１メカニカルシール（一次シール）
４ 第２メカニカルシール（二次シール）
５ 第３メカニカルシール（三次シール）
６ 封水
７ 封水
８ 機器ハウジング
８ａ シール部
８ｃ 給排路形成部
８ｄ 環状凹部
２７ 環状通路
２８ 冷却室
２８ａ 冷却室部分
３１ 第１静止密封環（静止密封環）
３１ａ 密封端面
３２ 第１回転密封環（回転密封環）
３２ａ 密封端面
４１ 第２静止密封環
４１ａ 密封端面
４２ 第２回転密封環
４２ａ 密封端面
５１ 第３静止密封環
５１ａ 密封端面
５２ 第３回転密封環
５２ａ 密封端面
７１ 給水ライン
７２ 給水通路
７２ａ ヘッダ室
７２ｂ 給水連絡通路
７３ 排水ライン
７４ 排水通路
７４ａ ヘッダ室
７４ｂ 排水連絡通路
７５ 給水溝
７６ 排水溝
７７ シャワーリング
７８ 給水孔
７９ 排水孔
８０ 冷却液供給路
８１ 冷却液排出路
８２ 冷却液
Ａ 機内領域（機器ハウジング内領域）
Ａ１ シールケース内領域
Ｂ 大気領域
Ｃ 第１シール空間（シール空間）
Ｄ 第２シール空間（シール空間）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機器ハウジングに取り付けられたシールケース内に、これを洞貫する回転軸に固定した固定密封環とこれに対向してシールケースにＯリングを介して軸線方向移動可能に内嵌保持された静止密封環との対向端面である密封端面の相対回転作用によりシール機能を発揮するように構成されたメカニカルシールを配置してある高温流体用軸封装置において、
シールケースを、厚肉円筒体である本体部と、その端部の内周縁部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体である第１保持部と、その端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２保持部と、その内周端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第１仕切部と、その内周端部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体であって回転軸の外周面との間に微小な環状通路を形成する通路形成部と、その端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２仕切部と、その外周端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板であって外径が本体部と一致するＯリング保持部とを具備する金属製構造物に構成して、Ｏリング保持部の内外周端部と機器ハウジングのシール部との間に第１及び第２Ｏリングを介在した状態で、機器ハウジングに取り付けてあり、その本体部とＯリング保持部との間に形成される凹部を機器ハウジングに設けた給排路形成部で閉塞された冷却室として、この冷却室に当該給排路形成部に形成された冷却液給排路により冷却液を給排させるようにすると共に、当該冷却室の内周側部分であって両仕切部及び通路形成部で囲繞形成される冷却室部分により前記密封環が配置されたシールケース内領域と機器ハウジング内領域である高温流体領域とを区画するように構成してあることをしたことを特徴とする高温流体用軸封装置。
【請求項２】
機器ハウジングに取り付けられたシールケース内に、これを洞貫する回転軸に固定した固定密封環とシールケースにＯリングを介して軸線方向移動可能に内嵌保持された静止密封環との対向端面である密封端面の相対回転作用によりシール機能を発揮するメカニカルシールに構成された一次シール、二次シール及び三次シールを並列配置し、二次シールと三次シールとの間に形成されたシール空間に、機器ハウジング内領域の流体圧力より低圧の封水を循環供給するように構成された高温流体用軸封装置であって、
シールケースを、厚肉円筒体である本体部と、その端部の内周縁部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体である第１保持部と、その端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２保持部と、その内周端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第１仕切部と、その内周端部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体であって回転軸の外周面との間に微小な環状通路を形成する通路形成部と、その端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２仕切部と、その外周端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板であって外径が本体部と一致するＯリング保持部とを具備する金属製構造物に構成して、Ｏリング保持部の内外周端部と機器ハウジングのシール部との間に第１及び第２Ｏリングを介在した状態で、機器ハウジングに取り付けてあり、その本体部とＯリング保持部との間に形成される凹部を機器ハウジングに設けた給排路形成部で閉塞された冷却室として、この冷却室に当該給排路形成部に形成された冷却液給排路により冷却液を給排させるようにすると共に、当該冷却室の内周側部分であって両仕切部及び通路形成部で囲繞形成される冷却室部分により前記一次シールの密封環が配置されたシールケース内領域と機器ハウジング内領域である高温流体領域とを区画するように構成し
シール空間に封水を循環供給する給排水手段を、シールケースの本体部に形成された給水通路と、当該本体部に形成された排水通路と、当該本体部の内周面に形成されて給水通路に連通する環状の給水溝と、当該本体部の内周面に形成されて排水通路に連通する環状の排水溝と、これら給排水溝の開口部を閉塞シールすべく当該本体部の内周面に取り付けられたシャワーリングと、シャワーリングに形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって給水溝に連通する給水孔と、シャワーリングに形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって排水溝に連通する排水孔とを具備して、給水通路から給水溝に供給された封水を全給水孔からシール空間に供給すると共にシール空間内の封水を全排水孔から排水溝を経て排水通路へと排出することによって、シール空間における循環供給に伴う封水の脈動現象を抑制するように構成したことを特徴とする高温流体用軸封装置。
【請求項３】
給水孔が三次シールにおける回転密封環の外周面に対向して配置されると共に、排水孔が三次シールにおける静止密封環の外周面に対向して配置されていることを特徴とする、請求項２に記載する高温流体用軸封装置。
【請求項４】
給水孔が三次シールにおける静止密封環の外周面に対向して配置されると共に、排水孔が三次シールにおける回転密封環の外周面に対向して配置されていることを特徴とする、請求項２に記載する高温流体用軸封装置。
【請求項５】
給水通路が、給水ラインに連通する環状の給水ヘッダ室と、給水ヘッダ室とシャワーリングで閉塞された給水溝内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の給水連絡通路とを具備するものであり、排水通路が、排水ラインに連通する環状の排水ヘッダ室と、排水ヘッダ室とシャワーリングで閉塞された排水溝内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の排水連絡通路とを具備するものであることを特徴とする、請求項２〜４の何れかに記載する高温流体用軸封装置。
【請求項６】
回転軸の軸線を通過する断面において給水連絡通路と排水連絡通路とがＸ字状にクロスした形態で形成されていることを特徴とする、請求項５に記載する高温流体用軸封装置。
【請求項７】
シールケース内の回転軸部分を軸本体とこれに嵌挿固定されるスリーブとで構成すると共に、前記給排路形成部がシールケースを囲繞する状態で内嵌する筒状体に構成し、回転密封環を含む回転側要素を取り付けたスリーブと静止密封環を含む静止側要素を取り付けたシールケースとを、着脱自在なセット爪により一体連結して、スリーブを回転軸に嵌挿固定させると共にシールケースを給排路形成部に嵌挿させた上、シールケースをその端部に取り付けた周方向に分割状の環状リングを給排路形成部の端部内周に形成した環状凹部に係合させることにより機器ハウジングに取り付けるように構成したカートリッジ構造のものであることを特徴とする、請求項１〜６に記載する高温流体用軸封装置。
【請求項８】
シールケースの本体部とＯリング保持部との対向端面間に、その周方向に等間隔を隔てて並列する複数の金属製補強杆が溶着されていることを特徴とする、請求項１〜７の何れかに記載する高温流体用軸封装置。
【請求項９】
シールケースの第１保持部及びＯリング保持部の内周面に多数の凸状フィンを一体形成してあることを特徴とする、請求項１〜８の何れかに記載する高温流体用軸封装置。
【請求項１】
機器ハウジングに取り付けられたシールケース内に、これを洞貫する回転軸に固定した固定密封環とこれに対向してシールケースにＯリングを介して軸線方向移動可能に内嵌保持された静止密封環との対向端面である密封端面の相対回転作用によりシール機能を発揮するように構成されたメカニカルシールを配置してある高温流体用軸封装置において、
シールケースを、厚肉円筒体である本体部と、その端部の内周縁部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体である第１保持部と、その端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２保持部と、その内周端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第１仕切部と、その内周端部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体であって回転軸の外周面との間に微小な環状通路を形成する通路形成部と、その端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２仕切部と、その外周端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板であって外径が本体部と一致するＯリング保持部とを具備する金属製構造物に構成して、Ｏリング保持部の内外周端部と機器ハウジングのシール部との間に第１及び第２Ｏリングを介在した状態で、機器ハウジングに取り付けてあり、その本体部とＯリング保持部との間に形成される凹部を機器ハウジングに設けた給排路形成部で閉塞された冷却室として、この冷却室に当該給排路形成部に形成された冷却液給排路により冷却液を給排させるようにすると共に、当該冷却室の内周側部分であって両仕切部及び通路形成部で囲繞形成される冷却室部分により前記密封環が配置されたシールケース内領域と機器ハウジング内領域である高温流体領域とを区画するように構成してあることをしたことを特徴とする高温流体用軸封装置。
【請求項２】
機器ハウジングに取り付けられたシールケース内に、これを洞貫する回転軸に固定した固定密封環とシールケースにＯリングを介して軸線方向移動可能に内嵌保持された静止密封環との対向端面である密封端面の相対回転作用によりシール機能を発揮するメカニカルシールに構成された一次シール、二次シール及び三次シールを並列配置し、二次シールと三次シールとの間に形成されたシール空間に、機器ハウジング内領域の流体圧力より低圧の封水を循環供給するように構成された高温流体用軸封装置であって、
シールケースを、厚肉円筒体である本体部と、その端部の内周縁部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体である第１保持部と、その端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２保持部と、その内周端部から径方向内方に一体的に延びる薄肉円環状板である第１仕切部と、その内周端部から機器ハウジング領域方向に一体的に延びる薄肉円筒体であって回転軸の外周面との間に微小な環状通路を形成する通路形成部と、その端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板である第２仕切部と、その外周端部から径方向外方に一体的に延びる薄肉円環状板であって外径が本体部と一致するＯリング保持部とを具備する金属製構造物に構成して、Ｏリング保持部の内外周端部と機器ハウジングのシール部との間に第１及び第２Ｏリングを介在した状態で、機器ハウジングに取り付けてあり、その本体部とＯリング保持部との間に形成される凹部を機器ハウジングに設けた給排路形成部で閉塞された冷却室として、この冷却室に当該給排路形成部に形成された冷却液給排路により冷却液を給排させるようにすると共に、当該冷却室の内周側部分であって両仕切部及び通路形成部で囲繞形成される冷却室部分により前記一次シールの密封環が配置されたシールケース内領域と機器ハウジング内領域である高温流体領域とを区画するように構成し
シール空間に封水を循環供給する給排水手段を、シールケースの本体部に形成された給水通路と、当該本体部に形成された排水通路と、当該本体部の内周面に形成されて給水通路に連通する環状の給水溝と、当該本体部の内周面に形成されて排水通路に連通する環状の排水溝と、これら給排水溝の開口部を閉塞シールすべく当該本体部の内周面に取り付けられたシャワーリングと、シャワーリングに形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって給水溝に連通する給水孔と、シャワーリングに形成されて周方向に等間隔を隔てて並列する複数個の貫通孔であって排水溝に連通する排水孔とを具備して、給水通路から給水溝に供給された封水を全給水孔からシール空間に供給すると共にシール空間内の封水を全排水孔から排水溝を経て排水通路へと排出することによって、シール空間における循環供給に伴う封水の脈動現象を抑制するように構成したことを特徴とする高温流体用軸封装置。
【請求項３】
給水孔が三次シールにおける回転密封環の外周面に対向して配置されると共に、排水孔が三次シールにおける静止密封環の外周面に対向して配置されていることを特徴とする、請求項２に記載する高温流体用軸封装置。
【請求項４】
給水孔が三次シールにおける静止密封環の外周面に対向して配置されると共に、排水孔が三次シールにおける回転密封環の外周面に対向して配置されていることを特徴とする、請求項２に記載する高温流体用軸封装置。
【請求項５】
給水通路が、給水ラインに連通する環状の給水ヘッダ室と、給水ヘッダ室とシャワーリングで閉塞された給水溝内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の給水連絡通路とを具備するものであり、排水通路が、排水ラインに連通する環状の排水ヘッダ室と、排水ヘッダ室とシャワーリングで閉塞された排水溝内とを連通すべく周方向に等間隔を隔てて並列配置された複数の排水連絡通路とを具備するものであることを特徴とする、請求項２〜４の何れかに記載する高温流体用軸封装置。
【請求項６】
回転軸の軸線を通過する断面において給水連絡通路と排水連絡通路とがＸ字状にクロスした形態で形成されていることを特徴とする、請求項５に記載する高温流体用軸封装置。
【請求項７】
シールケース内の回転軸部分を軸本体とこれに嵌挿固定されるスリーブとで構成すると共に、前記給排路形成部がシールケースを囲繞する状態で内嵌する筒状体に構成し、回転密封環を含む回転側要素を取り付けたスリーブと静止密封環を含む静止側要素を取り付けたシールケースとを、着脱自在なセット爪により一体連結して、スリーブを回転軸に嵌挿固定させると共にシールケースを給排路形成部に嵌挿させた上、シールケースをその端部に取り付けた周方向に分割状の環状リングを給排路形成部の端部内周に形成した環状凹部に係合させることにより機器ハウジングに取り付けるように構成したカートリッジ構造のものであることを特徴とする、請求項１〜６に記載する高温流体用軸封装置。
【請求項８】
シールケースの本体部とＯリング保持部との対向端面間に、その周方向に等間隔を隔てて並列する複数の金属製補強杆が溶着されていることを特徴とする、請求項１〜７の何れかに記載する高温流体用軸封装置。
【請求項９】
シールケースの第１保持部及びＯリング保持部の内周面に多数の凸状フィンを一体形成してあることを特徴とする、請求項１〜８の何れかに記載する高温流体用軸封装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−７４７７（Ｐ２０１３−７４７７Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４２１２７（Ｐ２０１１−１４２１２７）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【出願人】（０００２２９７３７）日本ピラー工業株式会社 (337)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【出願人】（０００２２９７３７）日本ピラー工業株式会社 (337)
【Ｆターム（参考）】
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