JP2002540361A - シャフトシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 シャフトシールは、シール要素（２）と、このシール要素（２）と同軸に取り付けられた回転シール部（４）であって、シール要素（２）と当該回転シール部（４）との対向面どうしの間に、シール要素（２）と共に非接触型の１次シールを形成し、この１次シールを通る半径方向高圧側から半径方向低圧側への流体の流れを実質的に阻止する回転シール部（４）と、シールハウジング（８）と、シールハウジング（８）における前方へ延びるスリーブ部分（８ａ）の周囲で、シール要素（２）と同軸に配置されたプッシャーディスク（９）と、このプッシャーディスク（９）に作用して、シール要素（２）を回転シール部（４）に向けて軸線方向に付勢する付勢手段（１０）と、プッシャーディスク（９）と前方へ延びるスリーブ部分（８ａ）との間に、半径方向高圧側と連通して配置され、半径方向高圧側と半径方向低圧側との間に２次シールを提供する第１のシール部材（１２″）とを備えている。補助スリーブ（２０）が、スリーブ部分（８ａ）の周囲に同軸に配置され、付勢手段（１０）の作用で、プッシャーディスク（９）が補助スリーブ（２０）に対して付勢される。このスリーブは、スリーブ部分（８ａ）と第１のシール部材（１２″）によるシール接触を保つと共に、直接接触によって、或いは第２のシール部材（１２′）によって、シール要素（２）ともシール接触を保つ。補助スリーブ（２０）は、高い運転流体圧のもとで、スリーブ部分（８ａ）の変形と適合するように変形され、これによって、シール部材（１２）が膨出するおそれが少なくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、ターボ機械や他の圧力装置の回転シャフト用のシャフトシールに関
する。本発明は特に、公知のシャフトシールの形態と共通して、シール要素と、
このシール要素と同軸に取り付けられた回転シール部であって、シール要素と当
該回転シール部との対向面どうしの間に非接触型の１次シールを形成し、この１
次シールを通る半径方向高圧側から半径方向低圧側への流体の流れを実質的に阻
止する回転シール部と、シールハウジングにおける前方に延びるスリーブ部分の
周囲にシール要素と同軸に配置されたプッシャーディスクと、プッシャーディス
クに作用してシール要素を回転シール部に向けて軸線方向に付勢する付勢手段と
、プッシャーディスクと前方へ延びるスリーブ部分との間に、半径方向高圧側と
連通して配置され、半径方向高圧側と半径方向低圧側との間に２次シールを提供
する第１のシール部材とを備えたシャフトシールを提供するものである。

【０００２】 ガス（水素、天然ガス、空気、その他）の圧縮・膨張用の機械において、シャ
フト沿いのガスの移動を阻止すべき場合、非接触形シャフトシールがしばしば使
用される。通常利用される機械は高圧高速であるため、シール内の熱の発生やシ
ール部の摩耗を抑え、および/または、オイルシールやその付属システムが複雑
化しないように、シャフトシールは非接触形タイプのものが選択される。

【０００３】 またシャフトが、リフトオフ（lift-off）速度としばしば称される、ある最小
速度を越えるような速度で回転するとき、非接触運転をすることによって、望ま
しからぬ面接触を避けることができる。

【０００４】 非接触形シャフトシールは、シール面がたがいに接触しあうようなシールに比
べ、摩耗が少なく、熱の発生が低いということで、有利である。Gabriel, Ralph
P.による”Fundamentals of Spiral Groove Non-contacting Face Seals（らせ
ん溝を用いた非接触形面シールの原理）”という記事（Journal of American So
ciety of Lubrication Engineers の３５巻、７号、３６７〜３７５頁）、そし
てSedy, Josephによる”Improved Performance of Film-Riding Gas Seals Thro
ugh Enhancement of Hydrodynamic Effects（流体力学上の効果を強めることに
よるフィルムライディングガスシールの性能向上）”という記事（Transaction
of the American Society of Lubrication Engineers の２３巻、１号、３５〜
４４頁）に、非接触形シール技法およびその設計基準について、述べられている
。これらの記事の内容は、書誌的事項を参照することにより本明細書に組み込ま
れる。

【０００５】 普通のメカニカルシールでは、非接触形面シールは、２つの１次シール要素か
ら成る。これらのシール要素の少なくとも１つの表面に浅い窪みがある。

【０００６】 これらの窪みは、回転軸に対して垂直な面上で斜めの形状になっており、かつ
回転軸と同心状に配され、この斜めの形状の傾きの方向はシャフトの回転方向と
反対になっている。公知の非接触形面シールでは、どちらのシール要素も、リン
グ状で、互いに隣接しあって配置されており、これらのシール面は、圧力差がゼ
ロで回転速度がゼロのときは、接触するようになっている。これらのシールリン
グのうち一方は通常、シャフトスリーブによって回転シャフトに固定されて、他
方はシールハウジング構造体内に配置されて、軸線方向に動くことができるよう
になっている。シャフトシールは、このシールリングを軸線方向に動かすように
、しかも密封された流体の漏れを防止ないしは実質的に最小化するように設計さ
れている。このために、シール部材が、リングとハウジングとの間に配される。

【０００７】 上記したように、２つのシール面のうち一方の面に、浅い窪みが設けられて、
これらの窪みが、２つのシール面を引き離す圧力場を生成するべく作用すること
によって、シールの非接触運転が行われる。実際には、これらの圧力場から生じ
る力の大きさが、シール面どうしが閉じるように付勢する力を克服するほど十分
に大きければ、このシール面どうしは離間して隙間を形成し、その結果、非接触
形運転ができるようになる。

【０００８】 上述の記事に詳しく説明されているように、離間力は、面どうしの間の離間が
大きくなるにつれ、その大きさが小さくなっていくような特性になっている。一
方、離間力と反対の力、すなわち閉じる力は、シール圧レベルによって決まるも
ので、面どうしがどのように離間しているかとは無関係である。つまり閉じる力
は、シール圧と、軸線方向に可動なシールリングの後面に作用するばね力とから
、生じるものである。離間力、すなわち開く力は、シールの運転中、ないしは十
分な圧が与えられたときの、シール面どうしの間の離間距離に応じて決まるもの
であるから、両方のシール面どうしの間に特異的な釣合い離間（differential e
quilibrium separation）が成り立つのである。このような状態は、閉じる力と
開く力とが、釣り合って互いに等しいとき起こるものである。また釣合い離間は
、いろいろなギャップの範囲を有して常に変動する。この範囲の最小値をゼロよ
り大きくすることがひとつの目標となる。そして、この範囲の最大値で面どうし
が離間するとシールの漏れが増加するため、この範囲をできる限り狭くすること
が、もうひとつの目標である。

【０００９】 非接触形シールは、シール面どうしに隙間を有したうえで運転するものなので
、同様の構造の接触形シールの漏れよりも大きい漏れとなる。しかしその一方で
、接触がないということは、シール面の摩耗がゼロということであり、したがっ
てシール面どうしの間の熱の発生は比較的低くなる。このように、発生熱が低い
こと、そして摩耗が小さいことによって、非接触形シールが、シールされる流体
がガスである高速ターボ機械や他の圧力装置（pressure machine）に適用できる
ようになったのである。ターボコンプレッサーは、この流体を圧縮するのに用い
られ、ガスが比較的少量なので、通常、非常に高速でしかも多数の圧縮段を連続
的に経て運転される。

【００１０】 上記で言及した記事のなかで説明されているように、シール効果はシールのい
わゆる釣合直径（balance diameter）に大きく依存する。これは、接触形シール
についても通用することである。

【００１１】 シールの外径から圧が作用すると、この釣合直径が小さくなる。その結果、２
つのシール面を合わせて押さえる力が大きくなり、面どうしの間のギャップが小
さくなる。かくして、システムからのガスの漏れが少なくなるのである。

【００１２】 公知のコンプレッサーは、２００バール前後の入口圧でガスを圧縮して５００
バール前後の吐出圧にするのに用いられてきた。このとき、普通、上記で述べた
ような種類の非接触形シャフトシールが、コンプレッサーの入口圧に対してシー
ルするのに用いられる。昨今のコンプレッサーでは、入口圧も吐出圧も高くする
ことが必要とされる傾向にある。しかしこのように圧力レベルが高いと、上記の
ような非接触形シャフトシールでは、問題を引き起こす。これについて、図１及
び図１ａを参照しながら、以下に説明する。

【００１３】 図１は、シャフトシールの部分縦断面図で、上記で述べたタイプの公知の非接
触形シャフトシールの関連構造要素を示したものである。シャフトシールは、こ
の実例では、コンプレッサーのようなターボ機械（図示せず）に組み込まれてい
る。ここで示されたシャフトシール１は、シャフト軸線（参照符号３）と同軸に
取り付けられた（回転しない）シール要素ないしシールリング２と、このシール
リング２と同軸に配置された、したがってシャフト軸線３とも同軸に配置された
、回転シール部ないしは回転シールリング４とを有する。図１の縦断面図では、
わかりやすいように、シャフト軸線より上に配置されたシャフトシールの部分だ
けを示していることが認識できよう。

【００１４】 シールリング４は、半径方向のフランジ５ａを有する内側スリーブ５に取り付
けられている。そしてこの半径方向のフランジ５ａに、回転シールリング４が当
接している。そして内側スリーブ５はシャフト６に取り付けられ、シャフト６、
内側スリーブ５および回転シールリング４が、一体化された回転要素として共に
回転している。さらに位置決めスリーブ７が、内側スリーブ５にボルト付けされ
ている。これらの組立構成要素４、５、および７は、位置決めリング２１によっ
て軸線方向の一側向きに変位しないようになっており、コンプレッサーの内側に
作用する高圧によってこれと反対向きの軸線方向にも変位しないようになってい
る。

【００１５】 シャフトシールはまた、シールハウジング８と、このシールハウジング８の半
径方向内向きのフランジ部分８ｂとシールリング２との間に配置されたプッシャ
ーディスク９とを有する。このプッシャーディスク９は、シールハウジング８に
おける前方に延びるスリーブ部分８ａの周囲に緩く取り付けられている。そして
複数の付勢ばね（これら付勢ばねのうちの１つであるばね１０が図１に示されて
いる）が、軸上の同位置で、半径方向内向きのフランジ部分８ｂの各めくら穴１
１内に配置され、シャフト軸線のまわりに配分されている。これら複数の付勢ば
ねが、プッシャーディスク９に対して、これをシールリング２に向かって付勢す
るように作用する。そして、ターボ機械（または圧力装置）の運転中、（回転し
ない）シールリング２と回転シールリング４とが合わさって、非接触形１次シー
ルを形成する。これによって、１次シールのシール面どうしの間で、高圧の半径
方向外側から低圧の半径方向内側への流体の流れを阻止する。シールリング２の
シール面は、前面内に切り込まれた浅い溝を有して、シールリング２と回転シー
ルリング４とのシール面どうしに必要な離間を生成している。あるいは、回転シ
ールリング４のほうに、これらの溝を形成してもよい。

【００１６】 溝の好適な設計について、Dresser-Rand 社の国際出願ＷＯ-Ａ-９６/１５３９
７号にさらに詳細に述べられている。溝の好適な設計に関するこの内容は、この
公報番号を参照することにより、本明細書に組み込まれる。なお、シール要素２
は通常、カーボンや他の適切な材料からできている。

【００１７】 図１に示されたように、シール要素２は、ばね１０の付勢力に対して、軸線方
向の限定範囲内の動きをとることができる。こうして、付勢ばねが提供する正味
の付勢力は相対的に小さくなるため、シャフトが通常の速度で回転しているとき
、生成された離間力によって、シールリング４はシールリング２から離間する。
シールリングどうしの間のギャップは、一方で生成された開く力と、他方で生成
された閉じる力とばねの付勢力とを合わせた力とが互いに等しくなるように、自
己調節する。ただしシャフトが静止しているときは、ばねが、シールリング２に
作用して、回転シールリング４と接触するようにしている。

【００１８】 シールリング２および４の、半径方向外側縁部に、高圧ガスを供給する。この
ガスは通常、装置の作動流体から得られるものである。しかしこのガスが、作動
流体でなく、大気中に排気しても問題のない清浄ガスから得られたものでもよい
。この場合、排気されたガスは可燃性ガスとして、輸送して燃焼（発火）させる
こともできる。

【００１９】 半径方向高圧側の高圧は、シール要素２の後面の周囲に、いわゆる釣合直径に
至る高さまで作用する。プッシャーディスク９の前面において当該ディスクの内
周に隣接して形成された段付き溝１４内に、２次シール１２が配置されている。
この２次シール１２は、シールリング２と、ハウジング８における前方に延びる
スリーブ部分８ａとの両者に対するシールをなす。この２次シールは、シール要
素２の後面の周囲やプッシャーディスク９の背後から、半径方向低圧（大気圧）
側への高圧の通気を阻止するのに役立つ。釣合直径は本質的には、２次シール１
２とシールハウジング８との接触ラインで定められる。２次シール１２は、従来
のＯリングや図示のばね付勢されたＵ字シールのような適切形状であればいずれ
でもよい。他形状のシールでもよく、選定された厳密な形状は重要ではない。

【００２０】 シャフトシール１の使用の際、コンプレッサーの高圧作動流体を、１次シール
の半径方向高圧側に入れる。この高圧が、プッシャーディスク９の前面おいて、
シールリング２に対する２次シール１２の円形のシールラインに至る高さまで作
用する。高圧流体はまた、プッシャーディスク９の後面に、釣合直径に至る高さ
まで作用する。２次シール１２は、与えられた高圧を、半径方向低圧側からシー
ルする。半径方向低圧側は、シャフトシールを単一で使用する場合には大気圧に
あり、複数のシャフトシールをカスケード式に使用する場合にはシールされる圧
より低い圧となる。プッシャーディスク９の後面に釣合直径の高さまで作用する
差圧によって、常に、シールリング２に対する正味の閉じる力（図１においては
左向き）がプッシャーディスク９に作用する。この閉じる力は、付勢ばね１０の
作用によって補助され、シールリング２に対して、閉じる方向に、これらの力が
かかる。

【００２１】 加えて、シールリング２の前面に作用する高圧流体が、開く力を生成し、その
一方で、２次シール１３のシール径の高さまでの、シールリング２の後面に作用
する高圧流体が、閉じる力を生成する。さらに、シールリング２の前面（または
シールリング４の後面）に切り込まれた斜めの形状の表面窪みないしは溝が、シ
ールリング２とシールリング４との間に作用する離間圧力場を形成する。この圧
力場の大きさは、コンプレッサーシャフトの回転速度に依存する。シールする高
圧、窪みないしは溝の深さ、そしてシールリング２および４の間のギャップのサ
イズもまた、圧力場の大きさに影響を与える。シャフトシールのシールリング２
および４が接触するか離間するかは、生成された閉じる力と開く力との大きさと
、ばねの正味の付勢力とに依存する。

【００２２】 コンプレッサーが始動すると、シャフトの回転速度が、最初に上がっていく間
は、シールリング２とシールリング４との間のシール接触によって、１次シール
は、半径方向高圧側と半径方向低圧側との間で、流体を実質的に密封したシール
を保つ。このような状態のもとで、１次シールによって生成される正味の離間力
は、高圧が作用しているため、ばねの付勢力と１次シールに作用する正味の閉じ
る力との合計を越えるほど大きくない。

【００２３】 しかし、コンプレッサーのシャフトの回転速度が十分高くなって、与えられた
流体圧力が、シールリング２に作用する正味の閉じる力を越えるような離間力を
生成できるようになったとき、シールリング２は、シールリング４から遠ざかり
始め、釣り合ったところまでいく。ここでは、回転しないシールリング２と回転
シールリング４との間に、非接触形シールが保たれる。上記で述べたように、２
次シール１２は、プッシャーディスク９およびシールリング２の後面を通って高
圧流体が漏れるのを阻止するべく常に機能している。

【００２４】 図１を参照しながら上記で述べたタイプのシャフトシールは、これまで製造さ
れてきたコンプレッサーの一般的なシール圧で、十分に運転できる。このような
コンプレッサーは普通、通常およそ２００バールからおよそ５００バールでガス
を圧縮するものとして、製造されてきた。しかし昨今の実務上では、３００バー
ル以上から、８００バール以上までの圧で、ガスを圧縮する運転が望まれるよう
になってきた。しかし現存のシャフトシールは、そのような入口圧の値に耐える
のに適した設計ではない。以下に図１ａを参照しながら、その理由を述べる。

【００２５】 この図１ａは、わかりやすくするために故意に誇張して、このような高圧の値
のもとで運転したときの結果を示している。この図に示されたように、ハウジン
グ８の前方に延びるスリーブ部分８ａの外側面において、そのフランジ部分８ｂ
との接合部とシール１２との間に作用する高圧が、フランジ部分を内向きに変形
させる。このときの偏向は、フランジ部分から軸線方向に遠ざかる距離が長くな
るほど大きくなる。このねじれ変形は図１ａでは、文字Ａで示されている。これ
に対応して、半径方向フランジ部分８ｂの内側（前）面にも高圧が作用して、矢
印Ｂで示されたように、このフランジが、後ろ向きにねじれ変形する。この結果
、図１ａおよび２ａに示されたように、シールリング２の内側面と、ハウジング
８における前方に延びるスリーブ部分８ａの外側面との間に通常存在する極めて
小さなギャップが、拡大する。

【００２６】 ２次シール１２に対して作用する高圧が大きくなるのに伴い、そしてハウジン
グ８における前方に延びるスリーブ部分８ａとシールリング２との間のギャップ
が広がるのに伴い、２次シール１２が、広がるギャップを通って押し出され始め
、ビード１２ｂの形成が始まる。２次シールにこのようなビードがないうちは、
２次シールには、プッシャーディスク９の軸線方向後ろ向きのスライドに対する
摩擦抵抗が、ほとんどない。しかしビード１２ｂの形成が始まるとこの摩擦抵抗
が大きくなり、ビードによって、スライドを行いにくくなったプッシャーディス
ク９が前方に延びるスリーブ部分８ａとつながってしまうところまで実際に成り
うる。さらに、ビード１２が大きくなっていくにつれて、不安定状況が高まり、
それによって、ビードの押し出しが続くために２次シール１２のシール性が顕著
に下がって、やがて、２次シール１２がギャップを通って抜け出したり抜け落ち
たりするほどの不安定状況に達することとなり、シャフトシールの破損という結
果になってしまう。ビード１２ｂは通常、２次シール１２の後方周囲全部を覆っ
て形成されるのではなく、一般に、２次シール１２の周囲附近の１つの角の部分
だけに形成されることを、述べておく。

【００２７】 この問題を解決しうる１つの方法として、シャフトシールを使用していないと
きに、シールリング２とプッシャーディスク９との間に存在するギャップを最小
化することが検討されてきた。しかし、シャフトシールが運転状態にないとき、
プッシャーディスク９は、限定的であっても軸線方向の動きが自由にできるよう
にしておくために、このキャップをどれほど小さくできるかということには限界
がある。また、スリーブ部分８ａが半径方向内向きに偏向するのは避けられない
が、それでもなお、運転圧が十分に高くなったとき、（回転する）シャフトの位
置決めスリーブ７と接触するほどには、当該スリーブ部分の偏向が進まないよう
にしなければならない。

【００２８】 もうひとつの解決方法として、２次シール１２のシール部の材料として、より
硬いものを使用することが検討されてきた。しかし、材料を選択するにあたって
その硬度を高めることにも限界があり、特に、材料が硬くなると結果的に必要な
シール効果を提供しにくく、さらにまた、発生する摩擦力も高まることになる。

【００２９】 さらに、ばね付勢されたポリマーシールが提案されているが、このようなポリ
マーシールの場合、運転圧がおよそ２００から２５０バールで、ビード形成が始
まってしまう。

【００３０】 本発明が提供しようとするシャフトシールはしたがって、上記の点に関して改
良されたものであり、高い運転圧にも耐えられ、その範囲はゼロバールから３０
０バール以上になっている。本発明は、本明細書の最初に定義したようなシャフ
トシールに関するもので、補助スリーブを設けたことを特徴とする。この補助ス
リーブは、スリーブ部分の周囲に同軸に配置され、付勢手段の作用で、プッシャ
ーディスクが補助スリーブに対して付勢される。そして、補助スリーブは、スリ
ーブ部分と第１のシール部材によるシール接触を保つと共に、シール要素ともシ
ール接触を保つように構成されている。

【００３１】 この補助スリーブに高い流体圧力が作用すると、正味の半径方向内向きの力が
生じるため、シャフトシールに流体圧力が作用していないときに、装置のハウジ
ングにおける前方に延びるスリーブ部分と補助スリーブとの間に存在していた小
さいギャップが、図１及び図１ａを参照して開示されたような従来技術のときほ
ど、大きくなることはない。したがって、第１のシール部材と前方に延びるスリ
ーブ部分との間に起こりうる摩擦抵抗は増大しにくく、また第１のシール部材が
高い運転圧のもとで抜け出すようなことも起こりにくくなる。

【００３２】 補助スリーブの構造、材料および設計は、当該補助スリーブのねじれが、流体
圧力を受けて、前方に延びるスリーブ部分のねじれと実質的に適合できて、その
結果、これら２つの要素間のギャップが、作用する流体圧力と無関係に一定とな
り、それによって、第１のシール部材にビード形成のおそれがないように、ある
いはこのようなおそれを最小化するようになっていると、理想的である。

【００３３】 補助スリーブとシール要素との間のシールは、それら２つの構成要素どうしの
間の直接接触によってなされ得る。この実施形態においては、補助スリーブ上に
、シール要素とシール接触させるためのリップが形成されていることが好ましい
。別体のシールを設けないため、構造の単純性と低コストとが得られる。

【００３４】 好ましくは、前記第１のシール部材は、シールハウジングにおける前方へ延び
るスリーブ部分に形成された溝内に配置される。これに代えて、内部に前記第１
のシール部材の配置される溝を、補助スリーブに形成してもよい。好ましくは、
付勢手段は、前記ハウジングのフランジ部分とプッシャーディスクとの間に作用
する。

【００３５】 このシャフトシールは、ターボ機械や他の圧力装置に組み込むことができる。
ただし以下は、便宜的に、図１及び図１ａに関して述べた従来技術の実例のとき
のように、コンプレッサーという特定のケースに関した説明を行っている。

【００３６】 本発明をよりよく理解し、どのように実効されるかを示すために、例示として
、図面を参照して、以下に説明する。

【００３７】 図２及び図２ａに示されたシャフトシールは、図１及び図１ａを参照して上記
で述べられたシャフトシールと、以下の述べる点を除いては、同じものである。
構造が同一のものに対しては、同一の参照番号で示される。

【００３８】 シャフトシール１は補助スリーブ（ないしリング）２０を追加して備えている
。この補助スリーブ２０は、スリーブ部分８ａの周囲に同軸に、当該スリーブ部
分８ａとの間を半径方向に離間する小さなギャップを有して、配置されている。
補助スリーブは、その外面上に半径方向フランジ２０ｂを有し、このフランジ２
０ｂに対してプッシャーディスク９が付勢ばね１０によって押圧されている。こ
の実施形態においては、図１、図１ａのシャフトシールにおける単一の２次シー
ルによる組み合わせシール作用（combined sealing functions）が、２次シール
１２′及び２次シール１２″によってもたらされる。前者の２次シール１２′は
、外側フランジ２０ｂ前部の段付き溝内に配置されて、シールリング２の後面に
対してシールされている。また後者の２次シール１２″は、補助スリーブ２０の
内側面に形成された通路状の溝内に配置されて、ハウジング８におけるスリーブ
部分８ａの外側面に対して作用している。これらの２次シール１２′，１２″は
、Ｏリング１６′や、ばね付勢されたＵ字シールないしＹ字シールのような任意
の適当な形状とすることができる。

【００３９】 図３は、シャフトシールの分解図であり、シャフトシールのそれぞれの要素の
構造を明瞭に示すものである。

【００４０】 シャフトシールの使用に際しては、図１及び図１ａによる公知のシャフトシー
ルの場合とちょうど同じように、シールの高圧流体側で、プッシャーディスク９
に対して、高圧流体が作用し、前方に延びるスリーブ部分８ａを、半径方向内向
きに偏向させる。この前方に延びるスリーブ部分８ａのねじれは、それに作用す
る内側圧と外側圧との間の圧力差のために、当該スリーブ部分８ａとフランジ部
分８ｂとの接合部から次第に増大してゆく。そしてフランジ部分８ｂは、その端
部域において、スリーブ部分８ａのねじれに実質的に抵抗している。そこで半径
方向の内向きのねじれは、もう一方の端部（前端部）で最大となる。

【００４１】 しかしこの実施形態においては、図３ａに示されたように、高い流体圧力が補
助スリーブ２０の、特にその外側表面の周囲に作用して、補助スリーブを同様に
内側へねじれさせる。したがって、スリーブ部分８ａの外側表面と補助スリーブ
２０の内側表面との間に存在する小さなギャップが、これ以上変化するようなこ
とはなく、それによって、高圧が２次シール１２″に作用しても、シールがこの
ギャップから押し出されるようなことがなくなる、ないしは少なくとも最小化さ
れる。また、シール１２′は、補助スリーブ２０の前面とシールリング２の後面
との間の十分なシールを維持する。したがって、高圧、たとえば３００バール以
上で運転するときでさえ、２次シール１２″が、プッシャースリーブのスライド
に対して高い摩擦抵抗をもたらし始めるようなことは決してなく、プッシャーデ
ィスク９の溝１４から抜け出したり抜け落ちたりすることもない。

【００４２】 前方に延びるスリーブ部分８ａと補助スリーブ２０との間のギャップが常時、
半径方向高圧側で作用する圧力とは無関係なままとなるように設計されていると
好ましい。このためには、前方に延びるスリーブ部分８ａと補助スリーブ２０と
の構造や相対的な寸法を適当に選択し、そしてこれら補助スリーブ２０とプッシ
ャーディスク９を作る材料を適切に選択することによって、達成できる。補助ス
リーブ２０の半径方向および周方向の剛性（toroidal stiffness）が、スリーブ
部分８ａのそれらと同じであると好ましい。補助スリーブ２０とハウジング８、
特にそのスリーブ部分８ａとの作られる材料が同じで、その結果、補助スリーブ
２０とプッシャーディスク９との間のギャップが、温度変化とは無関係に実質的
に不変なままとなるのも、好ましい。

【００４３】 図４及び図４ａによる実施形態は、１つの可能な変更態様を示しており、この
変更態様は単に、２次シール部材１２″を、補助スリーブ２０内に形成された溝
１４ではなく、スリーブ部分８ａ内に形成された溝１４に、受け入れさせるもの
である。

【００４４】 上記実施形態において、２次シール１２′によって、シールリング２と補助ス
リーブ２０との間に、実質的に液密のシールがもたらされる。しかし、図５の実
施形態においては、そのような別体のシール部材は設けられていない。その代わ
り、補助スリーブ２０上に形成された平坦なリップ２０ａと、シールリング２の
後面との間が直接接触するようになっている。これにより、構造が単純化され、
従ってコストが低くなる。

【００４５】 図６に示す実施形態においては、リップ２０ａが補助スリーブから外周方向へ
突出している。これにより、当該リップが僅かに弾性的に撓めるようになる。こ
の「柔軟な」リップ構造により、補助スリーブとシールリング２との間のシール
品質が、図４の実施形態に比べて改善される。

【００４６】 図５及び図６による非接触型シャフトシールの場合も、ちょうど図４及び図４
ａの実施形態の場合のように、補助スリーブではなく、スリーブ部分８ａの方に
溝１４を形成することができる。

【００４７】 また付勢ばね１０の変形態様では、金属のような適当なシート材料（若しくは
、それらの積層体）で出来た、例えば単一の環を、その軸線の周囲で角度をずら
していった種々のところで波打ちを連続的に起こすように変形させた波形ばねで
もよい。変形した環は、ハウジング８のフランジ部分８ｂとプッシャーディスク
９との間で圧縮され、それによって、板ばねによるような、本発明で必要とされ
る付勢作用が提供できる。

【００４８】 これまで説明してきた実施形態では、高圧流体は、コンプレッサーの作動流体
を源としており、この圧はしたがって、コンプレッサーの運転速度の上昇に伴い
高くなる。コンプレッサーの作動流体とは別の源からの流体を使用した場合、そ
の流体の圧は通常、その流体の吐出圧に維持されることになる。コンプレッサー
が静止中は、１次シールに作用する正味の力はシールリング２を回転シールリン
グ４に対して保持しておくように閉じる力であるのが好ましい。しかし、コンプ
レッサーが十分に速度を上げたとき、一方のシールリングの斜めの形状の溝や窪
みによって生成された離間力、すなわち１次シールの別の力（開く力）が十分に
大きくなって、２つのシールリングを離間させる。

【００４９】 したがって、コンプレッサーの作動流体とは別の源からの流体を使用した場合
でも、コンプレッサーの作動流体が高圧流体の源である場合と本質的に同じ運転
である。コンプレッサーの作動流体とは別の源からの流体を使用したこの実施形
態においては、コンプレッサーが静止中は、シールリング２を回転シールリング
４に対して保持しておくのが好ましいが、静止状態のもとでシャフトシールをわ
ずかに開いておくことも可能である。というのは、コンプレッサーを通常の運転
速度で運転しているときに、シャフトシールが非接触形運転を提供することだけ
が、本質的に必要とされることだからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 シールの関連構造要素を示す、第１の公知のシャフトシールの部分縦断面図。

【図１ａ】 分かりやすくするために誇張して特定の構造要素のねじれを示す、図１に対応
した図。

【図２】 本発明の第１実施形態についての、図１に対応する図。

【図２ａ】 本発明の第１実施形態についての、図１ａに対応する図。

【図３】 第１実施形態によるシャフトシールの分解図。

【図４】 本発明の第２実施形態についての、図２に対応する図。

【図４ａ】 本発明の第２実施形態についての、図２ａに対応する図。

【図５】 本発明の第３実施形態についての、図２ａに対応する拡大図。

【図６】 本発明の第４実施形態についての、図２ａに対応する拡大図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ 【要約の続き】 リーブ（２０）に対して付勢される。このスリーブは、 スリーブ部分（８ａ）と第１のシール部材（１２″）に よるシール接触を保つと共に、直接接触によって、或い は第２のシール部材（１２′）によって、シール要素 （２）ともシール接触を保つ。補助スリーブ（２０） は、高い運転流体圧のもとで、スリーブ部分（８ａ）の 変形と適合するように変形され、これによって、シール 部材（１２）が膨出するおそれが少なくなる。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シール要素（２）と、 このシール要素（２）と同軸に取り付けられた回転シール部（４）であって、
   シール要素（２）と当該回転シール部（４）との対向面どうしの間に、シール要
   素（２）と共に非接触型の１次シールを形成し、この１次シールを通る半径方向
   高圧側から半径方向低圧側への流体の流れを実質的に阻止する回転シール部（４
   ）と、 シールハウジング（８）と、 シールハウジング（８）における前方へ延びるスリーブ部分（８ａ）の周囲で
   、シール要素（２）と同軸に配置されたプッシャーディスク（９）と、 このプッシャーディスク（９）に作用して、シール要素（２）を回転シール部
   （４）に向けて軸線方向に付勢する付勢手段（１０）と、 プッシャーディスク（９）と前方へ延びるスリーブ部分（８ａ）との間に、半
   径方向高圧側と連通して配置され、半径方向高圧側と半径方向低圧側との間に２
   次シールを提供する、第１のシール部材（１２″）と を備えたシャフトシールにおいて、 スリーブ部分（８ａ）の周囲に同軸に配置された補助スリーブ（２０）を更に
   備え、 付勢手段（１０）の作用で、プッシャーディスク（９）が補助スリーブ（２０
   ）に対して付勢され、 補助スリーブ（２０）が、スリーブ部分（８ａ）と第１のシール部材（１２″
   ）によるシール接触を保つと共に、シール要素（２）ともシール接触を保つよう
   に構成されている、ことを特徴とするシャフトシール。
2. 【請求項２】 補助スリーブ（２０）とシール要素（２）との間のシール接触は、それら２つ
   の構成要素（２，２０）どうしの間の直接接触によってなされる、請求項１記載
   のシャフトシール。
3. 【請求項３】 補助スリーブ上に、シール要素（２）とシール接触させるためのリップ（２０
   ａ）が形成されている、請求項２記載のシャフトシール。
4. 【請求項４】 補助スリーブ（２０）は、第２のシール部材（１２′）によって、シール要素
   （２）とシール接触をなす、請求項１記載のシャフトシール。
5. 【請求項５】 前記第１のシール部材（１２″）は、補助スリーブ（２０）に形成された溝（
   １４）内に配置されている、請求項１乃至４のいずれかに記載のシャフトシール
   。
6. 【請求項６】 前記第１のシール部材（１２″）は、前記ハウジングにおける前方へ延びるス
   リーブ部分（８ａ）に形成された溝内に配置されている、請求項１乃至４のいず
   れかに記載のシャフトシール。
7. 【請求項７】 付勢手段（１０）は、前記ハウジング（８）のフランジ部分（８ｂ）とプッシ
   ャーディスク（９）との間に作用する、請求項１乃至６のいずれかに記載のシャ
   フトシール。
8. 【請求項８】 補助スリーブ（２０）とハウジングとが同じ材料で出来ている、請求項１乃至
   ７のいずれかに記載のシャフトシール。
9. 【請求項９】 請求項１乃至８のいずれかに記載のシャフトシールを組み込んだターボ機械な
   いしは他の圧力装置。