JP2005249131A - Floating ring type mechanical seal - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a floating ring type mechanical seal capable of properly securing the parallelism of a seal face even under a condition of high pressure and large pressure fluctuation, and free from abnormal abrasion and abnormal leakage of the seal face. <P>SOLUTION: A floating ring 8 is pressed and held between a rotational ring 6 at a rotating shaft 2 side and a stationary ring 4 at a seal case 3 side. The rotational ring 6 is relatively unrotatably held by a sleeve mounted on a rotating shaft 2 in a state of being displaceable in the axial direction and the radial direction within an elastic deformation range of a first O-ring 17 and a second O-ring 18 functioned as a secondary seal. The first O-ring 18 slid to the radial displacement of the rotary ring 2 with respect to the rotary ring 2 is composed of polytetrafluoro ethylene. A contact face 4a with the floating ring 8 of the stationary ring 4 is coated with a polytetrafluoro ethylene film 41 having a ten point average height of 2μm or less and a film thickness of 10-20 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、火力発電所の缶水循環ポンプ等の軸封手段として高圧条件下で好適に使用されるメカニカルシールであって、回転軸に設けられた回転環とシールケースに軸線方向移動可能に且つ回転環方向に附勢された状態で設けられた静止環との間に、遊動環を静止環に対する相対回転が阻止された状態で挟圧保持させてなる遊動環形メカニカルシールに関するものである。   The present invention is a mechanical seal that is suitably used under high pressure conditions as a shaft sealing means such as a canned water circulation pump of a thermal power plant, and is capable of moving in an axial direction between a rotary ring provided on a rotary shaft and a seal case, and The present invention relates to a floating ring type mechanical seal in which a floating ring is clamped and held in a state in which relative rotation with respect to the stationary ring is prevented between a stationary ring provided in a state of being biased in the direction of the rotating ring.

従来の遊動環形メカニカルシールとしては、図3及び図4に示す如く、回転軸に固定された回転環6とシールケーシングに軸線方向移動可能に保持され且つスプリングにより回転環方向に押圧附勢された静止環4との間に、両端側部分がほぼ対称形状をなす遊動環8を挟圧保持させて、回転環6と遊動環8との接触面であるシール面6a,83a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被密封流体領域Aとその内周側領域である非密封流体領域(大気領域)Bとを遮蔽シールするように構成されたもの(以下「従来シール」という)が周知である(例えば、特許文献1参照)。なお、静止環4と遊動環8とは相対回転不能に連結されていて、両環4,8の接触面である押圧面4a,82aは相対回転しない。   As shown in FIGS. 3 and 4, the conventional floating ring type mechanical seal is held by the rotary ring 6 fixed to the rotary shaft and the seal casing so as to be movable in the axial direction and is urged by a spring in the direction of the rotary ring. Relative rotational sliding contact of the seal surfaces 6a and 83a, which are contact surfaces between the rotating ring 6 and the floating ring 8, is held between the stationary ring 4 by holding and holding the floating ring 8 whose both end portions are substantially symmetrical. By the action, the sealed fluid region A which is the outer peripheral side region of the relative rotational sliding contact portion and the non-sealed fluid region (atmospheric region) B which is the inner peripheral side region are shield-sealed (hereinafter referred to as “the sealed fluid region A”). "Conventional seal" is well known (see, for example, Patent Document 1). The stationary ring 4 and the idle ring 8 are connected so as not to rotate relative to each other, and the pressing surfaces 4a and 82a that are contact surfaces of the rings 4 and 8 do not rotate relative to each other.

ところで、遊動環8を介在させることなく回転環と静止環とを直接に接触させて、回転環と静止環との相対回転摺接作用により被密封流体をシールさせるように構成された一般的なメカニカルシールにあっては、これを高圧条件下で使用した場合、回転環と静止環との接触面たるシール面の平行性が損なわれ、良好なシール機能を発揮できない。すなわち、静止環は回転環に追従できるようにシールケーシングに軸線方向移動可能に保持されたものであるから、シールケースで保持されている静止環の基端側部分では被密封流体領域の流体圧力による影響を殆ど受けないが、回転環に追従するためフリーな状態にある静止環の先端側部分つまりシール面側部分ではその影響(圧力歪)が大きい。したがって、静止環における軸線方向の圧力歪分布が不均一となり、つまり圧力歪が静止環における基端側部分と先端側部分とで大きく異なり、静止環が軸線に対して大きく歪むことになる。その結果、静止環のシール面が傾いて、回転環のシール面との平行性が著しく損なわれることになる。   By the way, a general configuration is adopted in which a rotating ring and a stationary ring are brought into direct contact without interposing the idle ring 8 and a sealed fluid is sealed by a relative rotational sliding contact between the rotating ring and the stationary ring. In the case of a mechanical seal, when it is used under high pressure conditions, the parallelism of the seal surface, which is the contact surface between the rotating ring and the stationary ring, is impaired, and a good sealing function cannot be exhibited. That is, since the stationary ring is held in the seal casing so as to be movable in the axial direction so as to follow the rotating ring, the fluid pressure in the sealed fluid region is maintained at the proximal end portion of the stationary ring held by the seal case. However, the influence (pressure strain) is large at the distal end side portion of the stationary ring, that is, the seal surface side portion which is free because it follows the rotating ring. Therefore, the pressure strain distribution in the axial direction in the stationary ring becomes non-uniform, that is, the pressure strain is greatly different between the proximal end portion and the distal end side portion in the stationary ring, and the stationary ring is greatly distorted with respect to the axis. As a result, the sealing surface of the stationary ring is inclined, and the parallelism with the sealing surface of the rotating ring is significantly impaired.

これに対して、従来シールにおいては、回転環6との相対回転摺接作用によりシール機能を発揮するための遊動環8が、回転環6と静止環4との間に挟圧保持されたものであり且つ両端側部分がほぼ対称形状をなすものであるから、被密封流体領域Aの流体圧力(以下、単に「流体圧力」という)による影響を軸線方向においてバランスよく受けることなる。すなわち、遊動環8に生じる圧力歪は両端側部分でほぼ同一となり、軸線に対して大きく歪むことがない。したがって、高圧条件下においても、遊動環8のシール面83aが回転環6のシール面6aに対して傾くようなことがなく、シール面6a,83aの平行性が確保され、良好なシール機能を発揮することができる。
特開昭50−149860号公報(第4図)
On the other hand, in the conventional seal, an idle ring 8 for exerting a sealing function by a relative rotational sliding contact with the rotary ring 6 is held between the rotary ring 6 and the stationary ring 4 with a pressure. Since both end portions are substantially symmetrical, the influence of the fluid pressure in the sealed fluid region A (hereinafter simply referred to as “fluid pressure”) is received in a balanced manner in the axial direction. That is, the pressure strain generated in the idle ring 8 is substantially the same at both end portions, and is not greatly distorted with respect to the axis. Therefore, the seal surface 83a of the idle ring 8 is not inclined with respect to the seal surface 6a of the rotary ring 6 even under high pressure conditions, and the parallelism of the seal surfaces 6a and 83a is ensured, and a good sealing function is achieved. It can be demonstrated.
Japanese Patent Laid-Open No. 50-149860 (FIG. 4)

しかし、従来シールによれば、これを流体圧力が極めて高く且つ大きな圧力変動が生じる回転機器(例えば、火力発電所の缶水循環ポンプ)の軸封手段として使用する場合には、つまり静止環と回転環とによる遊動環8の挟圧力が極めて高くなる高圧条件下で使用する場合には、以下に述べる如く、シール面6a,83aの平行性が損なわれて、シール面6a,83a間からの異常漏れや異常摩耗を生じ、良好なシール機能を発揮し得ない。   However, according to the conventional seal, when this is used as a shaft sealing means of a rotating device (for example, a canned water circulation pump of a thermal power plant) where the fluid pressure is extremely high and a large pressure fluctuation occurs, that is, it rotates with a stationary ring. When used under a high pressure condition in which the pinching force of the idle ring 8 by the ring is extremely high, the parallelism of the seal surfaces 6a and 83a is impaired as described below, and an abnormality from between the seal surfaces 6a and 83a occurs. Leakage and abnormal wear occur, and a good sealing function cannot be achieved.

すなわち、遊動環8は、流体圧力の上昇に伴って径方向に収縮変形し、その収縮変形(弾性変形)は流体圧力の降下に伴って解消,回復されることになるが、遊動環8と回転環6等との材質や保持構造等の相違(例えば、遊動環8は、一般に回転環6等に比して変形し易いカーボン等の軟質材で構成されており、また流体圧力による径方向変形を、回転軸に嵌合保持された回転環6等と異なって、阻止,抑制するような保持手段を有しないから、遊動環8の収縮変形は回転環6や静止環4に比して著しく大きくなる。   That is, the idle ring 8 contracts and deforms in the radial direction as the fluid pressure increases, and the contraction deformation (elastic deformation) is eliminated and recovered as the fluid pressure decreases. Difference in material and holding structure from the rotating ring 6 and the like (for example, the idle ring 8 is generally made of a soft material such as carbon that is more easily deformed than the rotating ring 6 and the like, and the radial direction due to fluid pressure. Unlike the rotating ring 6 and the like that are fitted and held on the rotating shaft, there is no holding means to prevent or suppress the deformation, so the contraction deformation of the floating ring 8 is smaller than that of the rotating ring 6 or the stationary ring 4. Remarkably larger.

また、遊動環8の押圧面82a及びシール面83aには、図3(A)に示す如く、軸線方向の接面荷重W,W及び径方向の摩擦力F,Fが作用することになる。ここに、押圧面82aに作用する接面荷重(以下「第一接面荷重」という)Wは、静止環4を回転環方向に押圧するスプリングの附勢力(バネ力)と静止環4の背面に作用する流体圧力(背圧)とによるものであり、シール面83aに作用する接面荷重(以下「第二接面荷重」という)Wは、第一接面荷重Wによる回転環6への押圧反力とシール面6a,83a間に形成される流体膜によるシール面間開放力(シール面6a,83a間を押し拡げようとする流体膜圧)とによるもの(バランス比及び臨界バランスを考慮する)である。したがって、両接面荷重W,Wは、図5(A)に示す如く、ほぼ流体圧力に比例して増減し且つW>Wの関係にある。なお、遊動環8の両端面に作用する流体圧力は、遊動環8の両端側部分がほぼ対称形状をなすことから、方向逆向きにして大きさがほぼ同一であり、互いに相殺されることになる。また、押圧面82aに作用する摩擦力(以下「第一摩擦力」という)F及びシール面83aに作用する摩擦力(以下「第二摩擦力」という)Fは、流体圧力の変動に伴う遊動環8の径方向変形によって静止環4及び回転環6との接触部分に生じる滑りを阻止すべく作用する摩擦抵抗力であり、押圧面4a,82a間及びシール面6a,83a間の最大静止摩擦力の値を上限値として、接面荷重W,Wと同様に、ほぼ流体圧力に比例して増減する。したがって、遊動環8の回転環6及び静止環4に対する静止摩擦係数をμとすると、押圧面4a,82a間の最大静止摩擦力(以下「第一最大静止摩擦力」という)はμ・Wで与えられ、シール面6a,83a間の最大静止摩擦力(以下「第二最大静止摩擦力」という)はμ・Wで与えられることになる。 Further, as shown in FIG. 3A, axial contact surface loads W 1 and W 2 and radial frictional forces F 1 and F 2 act on the pressing surface 82a and the seal surface 83a of the idle ring 8. It will be. Here, the contact surface load (hereinafter referred to as “first contact surface load”) W 1 acting on the pressing surface 82 a is the spring urging force (spring force) that presses the stationary ring 4 in the direction of the rotating ring and the stationary ring 4. is due to the fluid pressure acting on the back (back pressure), the surface-load acting on the sealing surface 83a (hereinafter "second contact surface load" referred to) W 2 is rotary ring by the first contact surface load W 1 6 due to the pressing reaction force on the sealing member 6 and the opening force between the sealing surfaces by the fluid film formed between the sealing surfaces 6a and 83a (the fluid film pressure that tries to expand the sealing surfaces 6a and 83a) (balance ratio and criticality) Balance). Therefore, the both-contact surface loads W 1 and W 2 increase or decrease substantially in proportion to the fluid pressure and have a relationship of W 1 > W 2 as shown in FIG. It should be noted that the fluid pressure acting on both end faces of the idle ring 8 is substantially the same in the opposite direction because the both end portions of the idle ring 8 are substantially symmetrical, and cancel each other out. Become. Further, the frictional force acting on the pressing surface 82a (hereinafter "first frictional force" hereinafter) frictional force (hereinafter "second friction force" hereinafter) F 2 acting on F 1 and the sealing surface 83a is the change in fluid pressure It is a frictional resistance force that acts to prevent slippage that occurs at the contact portion between the stationary ring 4 and the rotating ring 6 due to the radial deformation of the idle ring 8, and the maximum between the pressing surfaces 4a and 82a and between the sealing surfaces 6a and 83a. With the value of the static frictional force as the upper limit value, it increases and decreases substantially in proportion to the fluid pressure, as with the contact loads W 1 and W 2 . Therefore, if the static friction coefficient of the idle ring 8 with respect to the rotating ring 6 and the stationary ring 4 is μ, the maximum static friction force between the pressing surfaces 4a and 82a (hereinafter referred to as “first maximum static friction force”) is μ · W 1. The maximum static friction force between the seal surfaces 6a and 83a (hereinafter referred to as “second maximum static friction force”) is given by μ · W 2 .

而して、回転機器の運転状況の変化や運転開始等により流体圧力が上昇する昇圧状況下においては、図3(A)に示す如く、遊動環8の押圧面82a及びシール面83aに接面荷重W,Wと外径方向の摩擦力F,Fとが作用することになり、これらの接面荷重W,W及び摩擦力F,Fは流体圧力の上昇に伴って増大していく。そして、各摩擦力F,Fが各々最大静止摩擦力μ・W,μ・Wに達すると、遊動環8と静止環4又は回転環6との間で径方向の滑りが生じることになる。 Thus, in a pressure increasing situation where the fluid pressure increases due to a change in the operating condition of the rotating device, the start of operation, etc., as shown in FIG. 3A, the pressing surface 82a and the sealing surface 83a of the idle ring 8 are in contact with The loads W 1 and W 2 and the frictional forces F 1 and F 2 in the outer diameter direction act, and these contact surface loads W 1 and W 2 and the frictional forces F 1 and F 2 increase the fluid pressure. It increases with it. When the frictional forces F 1 and F 2 reach the maximum static frictional forces μ · W 1 and μ · W 2 , radial slip occurs between the idle ring 8 and the stationary ring 4 or the rotating ring 6. It will be.

しかし、上記した如くW>Wであって、μ・W>μ・Wであることから、流体圧力の上昇過程において、まず、第二摩擦力Fが第二最大静止摩擦力μ・Wに達して、シール面6a,83a間で滑りが生じることになる。一方、第一摩擦力FはF<μ・Wの範囲にあり、押圧面4a,82a間では滑りを生じない。したがって、図3(B)に示す如く、遊動環8のシール面83aが回転環6のシール面6aに対して内径方向に滑って、シール面6a,83aが内径側(大気領域B側)に開くような状態(以下「外径当たり状態」という)に遊動環8が傾くことなる。 However, since W 1 > W 2 and μ · W 1 > μ · W 2 as described above, first, in the process of increasing the fluid pressure, first, the second friction force F 2 is the second maximum static friction force. When μ · W 2 is reached, slip occurs between the seal surfaces 6a and 83a. On the other hand, the first frictional force F 1 is in the range of F 1 <μ · W 1 , and no slip occurs between the pressing surfaces 4a and 82a. Therefore, as shown in FIG. 3B, the seal surface 83a of the idle ring 8 slides in the inner diameter direction with respect to the seal surface 6a of the rotary ring 6, and the seal surfaces 6a and 83a are moved to the inner diameter side (atmosphere region B side). The idle ring 8 is tilted in such a state that it is opened (hereinafter referred to as “periphery of outer diameter”).

そして、この状態から更に昇圧されていくと、第一摩擦力Fが第一最大静止摩擦力μ・Wに達して、押圧面4a,82a間において滑りを生じることになる。その結果、図3(C)に示す如く、遊動環8の傾きが解消されて、シール面6a,83aが平行状態(以下「全面当たり状態」という)に復帰することになる。 When going further boosted from this state, the first frictional force F 1 reaches the first maximum static friction force mu · W 1, slippage pressing surface 4a, between 82a. As a result, as shown in FIG. 3C, the inclination of the idle ring 8 is eliminated, and the seal surfaces 6a and 83a are returned to the parallel state (hereinafter referred to as the “whole surface contact state”).

ところで、第二摩擦力Fは、第二最大静止摩擦力μ・Wに達すると、シール面6a,83a間で滑りが生じることにより、一時的にF≒0となるまで低下することになる。そして、爾後、第二摩擦力Fは、流体圧力の上昇に伴ってF≒0から増大していき、再び第二最大静止摩擦力μ・Wに達して滑りを生じて、F≒0まで減少する。すなわち、第二摩擦力Fは、図5(B)に実線で示す如く、流体圧力の上昇に伴いF≒0とF=μ・Wとの間を鋸刃状にスティックスリップしながら増加することになる。また、第一摩擦力Fも、同様に、第一最大静止摩擦力μ・Wに達すると、押圧面4a,82a間で滑りが生じることにより、第一摩擦力Fは一時的にF≒0となるまで低下することになる。そして、爾後、第一摩擦力Fは、流体圧力の上昇に伴ってF≒0から増大していき、再び第一最大静止摩擦力μ・Wに達して滑りを生じて、F≒0まで減少する。すなわち、第一摩擦力Fは、図5(A)に実線で示す如く、第二摩擦力Fと同様に、流体圧力の上昇に伴いF≒0とF=μ・Wとの間を鋸刃状にスティックスリップしながら増加することになる。ここに、スティックスリップのサイクル(ピッチ)は、第二摩擦力Fについては小さく、第一摩擦力Fについては大きい。 By the way, when the second frictional force F 2 reaches the second maximum static frictional force μ · W 2 , slippage occurs between the seal surfaces 6 a and 83 a, so that the second frictional force F 2 temporarily decreases until F 2 ≈0. become. Thereafter, the second friction force F 2 increases from F 2 ≈0 as the fluid pressure increases, reaches the second maximum static friction force μ · W 2 again, and causes slipping, and F 2 It decreases to ≈0. That is, as shown by the solid line in FIG. 5B, the second frictional force F 2 sticks and slips between F 2 ≈0 and F 2 = μ · W 2 like a saw blade as the fluid pressure increases. Will increase. The first frictional force F 1 is likewise reaches the first maximum static friction force mu · W 1, by the pressing surface 4a, a slip between 82a occurs, the first frictional force F 1 is temporarily It will decrease until F 1 ≈0. Thereafter, the first friction force F 1 increases from F 1 ≈0 as the fluid pressure increases, reaches the first maximum static friction force μ · W 1 again, and causes slipping, and F 1 It decreases to ≈0. That is, as indicated by the solid line in FIG. 5A, the first friction force F 1 is F 1 ≈0 and F 1 = μ · W 1 as the fluid pressure increases, as with the second friction force F 2. It increases while stick-slip in the shape of a saw blade. Here, the stick-slip cycle (pitch) is small for the second friction force F 2 and large for the first friction force F 1 .

したがって、流体圧力が所定の最高圧に達するまでの昇圧過程において、シール面6a,83a間での滑りと押圧面4a,82a間での滑りとが、交互に繰り返されることになり、シール面6a,83aの相対運動状態が、流体圧力如何で、外径当たり状態(例えば図3(B)に示す状態)となったり、全面当たり状態(例えば図3(C)に示す状態)となったり、安定しないことになる。   Therefore, in the pressure increasing process until the fluid pressure reaches a predetermined maximum pressure, the slip between the seal surfaces 6a and 83a and the slip between the pressing surfaces 4a and 82a are alternately repeated, and the seal surface 6a. , 83a, depending on the fluid pressure, the outer diameter contact state (for example, the state shown in FIG. 3B), the entire surface contact state (for example, the state shown in FIG. 3C), It will not be stable.

さらに、このようにシール面6a,83aの相対運動状態が安定しない点は、運転状況の変化や運転停止等により流体圧力が最高圧から下降していく降圧状況下においても、同様である。   Furthermore, the relative movement state of the seal surfaces 6a and 83a is not stable in this way even in a pressure-decreasing situation where the fluid pressure drops from the maximum pressure due to a change in the operating condition, operation stop, or the like.

すなわち、流体圧力が最高圧力から下降していくと、昇圧時に生じた遊動環8の径方向における収縮変形(弾性変形)が流体圧力の減少と共に除々に回復していき、遊動環8が径方向に拡大変形していくことになる。したがって、降圧に伴い摩擦力F,Fも次第に小さくなっていき、やがて逆向きに作用するようになる。つまり、昇圧時における摩擦力F,Fの作用方向(外径方向)を正とすると、遊動環8の押圧面82a及びシール面83aには負の摩擦力−F,−F(以下、負の第一摩擦力「−F」を「第一摩擦力f」といい、負の第二摩擦力「−F」を「第二摩擦力f」という)が作用することになり、爾後は、図4(D)に示す如く、摩擦力f,fが流体圧力の減少に伴って−μ・W≦f<0,−μ・W≦f<0の範囲で増大(負方向に増大)していく。 That is, when the fluid pressure decreases from the maximum pressure, the contraction deformation (elastic deformation) in the radial direction of the floating ring 8 generated at the time of pressure increase gradually recovers with the decrease of the fluid pressure, and the floating ring 8 moves in the radial direction. It will be expanded and deformed. Therefore, the frictional forces F 1 and F 2 are gradually reduced as the pressure is lowered, and eventually act in the opposite direction. That is, assuming that the acting direction (outer diameter direction) of the frictional forces F 1 and F 2 at the time of pressure increase is positive, the negative frictional force −F 1 , −F 2 ( Hereinafter, the negative first friction force “−F 1 ” is referred to as “first friction force f 1 ”, and the negative second friction force “−F 2 ” is referred to as “second friction force f 2 ”). After that, as shown in FIG. 4D, the frictional forces f 1 and f 2 become −μ · W 1 ≦ f 1 <0, −μ · W 2 ≦ f 2 as the fluid pressure decreases. It increases in the range of <0 (increases in the negative direction).

さらに、この状態から流体圧力が降圧していくと、まず第二摩擦力fが第二最大静止摩擦力−μWに達して、図4(E)に示す如く、遊動環8のシール面83aが回転環6のシール面6aに対して外径方向に滑って、シール面6a,83aが外径側(被密封流体領域A側)に開くような状態(以下「内径当たり状態」という)となる。 Further, when the fluid pressure is reduced from this state, first, the second frictional force f 2 reaches the second maximum static frictional force −μW 2 , and as shown in FIG. A state in which 83a slides in the outer diameter direction with respect to the seal surface 6a of the rotating ring 6 and the seal surfaces 6a and 83a open to the outer diameter side (sealed fluid region A side) (hereinafter referred to as “inner diameter contact state”). It becomes.

そして、降圧が更に進行すると、第一摩擦力fが第一最大静止摩擦力−μ・Wに達して、押圧面4a,82a間で滑りが生じ、図4(F)に示す如く、遊動環8の傾きがほぼ解消されて、シール面6a,83aがほぼ平行の全面当たり状態に復帰することになる。 When the pressure reduction further proceeds, the first friction force f 1 reaches the first maximum static friction force −μ · W 1 , and slip occurs between the pressing surfaces 4 a and 82 a, as shown in FIG. The inclination of the idle ring 8 is almost eliminated, and the seal surfaces 6a and 83a return to the substantially parallel full contact state.

ところで、降圧時においても、摩擦力f,fは、最大静止摩擦力−μ・W,−μ・Wに達すると、押圧面4a,82a間又はシール面6a,83a間で滑りが生じることにより、一時的にf≒0,f≒0となるまで低下し、爾後、流体圧力の下降に伴って増大していき、再び最大静止摩擦力−μ・W,−μ・Wに達することになり、かかる摩擦力増減が繰り返される。すなわち、摩擦力f,fは、図5(A)(B)に鎖線で示す如く、流体圧力の上昇に伴いf≒0,f≒0とf≒−μ・W,f=−μ・Wとの間を鋸刃状にスティックスリップしながら増加することになる。スティックスリップのサイクル(ピッチ)も、昇圧時におけると同様に、第二摩擦力fについては小さく、第一摩擦力fについては大きい。 By the way, even when the pressure is lowered, when the frictional forces f 1 and f 2 reach the maximum static frictional forces −μ · W 1 and −μ · W 2 , they slide between the pressing surfaces 4a and 82a or between the sealing surfaces 6a and 83a. Is temporarily reduced until f 1 ≈0 and f 2 ≈0, and then increases as the fluid pressure decreases, and again the maximum static frictional force −μ · W 1 , −μ · W will be 2 to reach, such frictional forces increase and decrease are repeated. That is, the frictional forces f 1 and f 2 are expressed as f 1 ≈0, f 2 ≈0 and f 1 ≈−μ · W 1 , as the fluid pressure increases, as indicated by chain lines in FIGS. It increases while stick-slip in a saw blade shape between f 2 = −μ · W 2 . The stick-slip cycle (pitch) is also small for the second friction force f 2 and large for the first friction force f 1 , as in the case of pressure increase.

したがって、流体圧力が所定の最低圧に達するまでの降圧過程においても、シール面6a,83a間での滑りと押圧面4a,82a間での滑りとが、交互に繰り返されることになり、シール面6a,83aの相対運動状態が、流体圧力如何で、内径当たり状態(例えば図4(E)に示す状態)となったり、全面当たり状態(例えば図4(F)に示す状態)となったり、安定しないことになる。   Therefore, even in the pressure decreasing process until the fluid pressure reaches a predetermined minimum pressure, the slip between the seal surfaces 6a and 83a and the slip between the pressing surfaces 4a and 82a are alternately repeated, and the seal surface The relative motion state of 6a, 83a is a state of contact with the inner diameter (for example, the state shown in FIG. 4E) or a state of contact with the entire surface (for example, the state shown in FIG. 4F), depending on the fluid pressure. It will not be stable.

このように、従来シールでは、押圧面4a,82a間の第一最大静止摩擦力とシール面6a,83a間の第二最大静止摩擦力とが大きく異なるために、圧力変動により遊動環8と回転環6及び静止環4との接触抵抗バランスが崩れて、昇圧状況及び降圧状況に応じて遊動環8の傾き動作とその是正動作とが繰り返されることになり、その結果、シール面6a,83aの平行性を担保することができず、遊動環シール面83aの回転環シール面6aへの接触形態が変動するのである。そして、かかる接触形態の変動により、シール面(特に、回転環シール面6aに比して軟質の遊動環シール面83a)の異常摩耗が生じるのである。また、シール面が異常摩耗すると、シール面6a,83aが適正に接触し得なくなり、シール面6a,83a間からの異常漏れが生じることになる。さらに、シール面が異常摩耗しない段階においても、シール面6a,83aが大気領域B側に開く外径当たり状態の場合はともかく、シール面6a,83aが被密封流体領域A側に開く内径当たり状態となると、シール面6a,83a間から大量漏れが生じることになる。すなわち、このような内径当たり状態では、いわゆるテーパフェース形の非接触シールにおけると同様に、シール面6a,83aが非接触となり、遊動環シール面83aの回転環シール面6aに対するテーパ量の3乗に比例した大量の漏れが生じることになる。   As described above, in the conventional seal, the first maximum static frictional force between the pressing surfaces 4a and 82a and the second maximum static frictional force between the sealing surfaces 6a and 83a are greatly different from each other. The contact resistance balance between the ring 6 and the stationary ring 4 is lost, and the tilting operation of the idle ring 8 and the correcting operation thereof are repeated according to the pressure increase state and the pressure decrease state. As a result, the seal surfaces 6a and 83a The parallelism cannot be ensured, and the contact form of the free ring seal surface 83a with the rotary ring seal surface 6a varies. Due to the variation in the contact form, abnormal wear of the seal surface (particularly, the soft ring seal surface 83a that is softer than the rotating ring seal surface 6a) occurs. Further, when the seal surface is abnormally worn, the seal surfaces 6a and 83a cannot be properly in contact with each other, and abnormal leakage occurs between the seal surfaces 6a and 83a. Further, even when the seal surface does not wear abnormally, the seal surface 6a, 83a is in a contact state with respect to the inner diameter where the seal surface 6a, 83a opens toward the sealed fluid region A side, regardless of the state where the seal surface 6a, 83a is contacted with the outer diameter. Then, a large amount of leakage occurs between the seal surfaces 6a and 83a. That is, in such a state of contact with the inner diameter, the seal surfaces 6a and 83a are not in contact with each other as in the so-called taper face type non-contact seal, and the taper amount of the free ring seal surface 83a to the rotating ring seal surface 6a is the third power of the taper amount. A large amount of leakage in proportion to will occur.

しかも、従来シールでは、流体圧力が極めて高い場合、流体圧力によって回転環6も変形することになり、これによってもシール面6a,83aの平行性が損なわれることなり、上記した如く圧力変動による遊動環8と静止環4及び回転環6との接触抵抗バランスが崩れることによってシール面6a,83aの平行性が損なわれることと相俟って、良好なシール機能を到底期待することができない。   Moreover, in the conventional seal, when the fluid pressure is extremely high, the rotary ring 6 is also deformed by the fluid pressure, and this also impairs the parallelism of the seal surfaces 6a and 83a. Combined with the fact that the contact resistance balance between the ring 8 and the stationary ring 4 and the rotating ring 6 is lost, the parallelism of the seal surfaces 6a and 83a is impaired, so that a satisfactory sealing function cannot be expected.

本発明は、このような問題を解決して、流体圧力が極めて高く且つ大きく変動する条件下においても、回転環と遊動環との接触面であるシール面の平行性を適正に確保しておくことができ、シール面の異常摩耗や異常漏れを生じさせることなく、良好なシール機能を発揮させることができる遊動環形メカニカルシールを提供するものである。   The present invention solves such problems, and ensures the parallelism of the seal surface, which is the contact surface between the rotating ring and the idle ring, even under conditions where the fluid pressure is extremely high and fluctuates greatly. It is possible to provide a floating ring type mechanical seal that can exhibit a good sealing function without causing abnormal wear or abnormal leakage of the seal surface.

本発明は、回転軸に設けられた回転環とシールケースに軸線方向移動可能に且つ回転環方向に附勢された状態で設けられた静止環との間に、遊動環を静止環に対する相対回転が阻止された状態で挟圧保持させてなる遊動環形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、回転環を、二次シールとして機能するものを含む複数のOリングを介して、これらOリングの弾性変形範囲において回転軸に軸線方向及び径方向に変位可能な状態で回転軸に保持しておくこと、及びこれらOリングのうち、少なくとも回転環との間で当該回転環の径方向変位に対して滑りを生じるOリングを低摩擦性弾性材(回転環に対して摩擦係数の低い弾性材)で構成しておくこと、を提案するものである。   In the present invention, the rotating ring is rotated relative to the stationary ring between the rotating ring provided on the rotating shaft and the stationary ring provided in the seal case so as to be axially movable and biased in the rotating ring direction. In order to achieve the above object, in the floating ring type mechanical seal that is held under pressure while being blocked, in particular, the rotating ring is connected via a plurality of O-rings including those that function as secondary seals. In the elastic deformation range of the O-ring, the rotating shaft is held on the rotating shaft so as to be displaceable in the axial direction and the radial direction, and the radial direction of the rotating ring is at least between the O-ring and the rotating ring. It is proposed that the O-ring that causes slippage with respect to the displacement is made of a low-friction elastic material (an elastic material having a low friction coefficient with respect to the rotating ring).

かかる遊動環形メカニカルシールにあって、前記滑りを生じるOリングは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)で構成しておくことが好ましい。   In such a floating ring type mechanical seal, it is preferable that the O-ring causing the slip is made of polytetrafluoroethylene (PTFE).

また、遊動環と静止環との接触面の少なくとも一方に、PTFE等による低摩擦性材膜を被覆形成しておくことが好ましく、低摩擦性材膜の表面粗さは、ラッピング等により、十点平均高さ(Rz)2μm以下(一般には0.5〜2μmであり、1μm程度が最適である)となるようにしておくことが好ましい。Rz>2μmでは、膜の材質等に拘らず、遊動環と静止環との間での円滑な滑りを期待できない。また、低摩擦性材膜(ポリテトラフルオロエチレン膜等)の膜厚は10〜20μmであることが好ましい。膜厚が20μmを超えると、相手環との接触面硬度が低下するため、相手環が低摩擦性材膜に食い込んで、遊動環との滑りが円滑に行なわれないし、逆に、膜厚が10μm未満であると、相手環との接触摩耗により低摩擦性材膜が部分的に摩滅したり剥離したりする虞れがある。   Further, it is preferable that at least one of the contact surfaces of the free ring and the stationary ring is coated with a low friction material film made of PTFE or the like, and the surface roughness of the low friction material film is sufficiently increased by lapping or the like. It is preferable that the point average height (Rz) is 2 μm or less (generally 0.5 to 2 μm, and about 1 μm is optimal). When Rz> 2 μm, smooth sliding between the free ring and the stationary ring cannot be expected regardless of the material of the film. Moreover, it is preferable that the film thickness of a low friction material film (polytetrafluoroethylene film etc.) is 10-20 micrometers. If the film thickness exceeds 20 μm, the contact surface hardness with the mating ring decreases, so the mating ring bites into the low-friction material film, and the sliding with the idle ring is not performed smoothly. If the thickness is less than 10 μm, the low-friction material film may be partially worn or peeled off due to contact wear with the other ring.

また、本発明の遊動環形メカニカルシールは、回転機器への組込及び取り外し作業を容易ならしめるように、シールケース及びこれに取り付けられる部材群からなる静止側密封要素と回転軸に挿通固定されるスリーブ及びこれに取り付けられる部材群からなる回転側密封要素とを、静止環と回転環との間に遊動環を挟圧保持させた状態で、着脱自在なセットプレートにより一体連結しうるように構成したカートリッジ形のメカニカルールとしておくことが好ましい。   Further, the idle ring type mechanical seal of the present invention is inserted and fixed to the stationary side sealing element including the seal case and a group of members attached to the rotary case and the rotary shaft so as to facilitate the assembling and detaching operations to and from the rotating device. The sleeve and the rotating side sealing element composed of a group of members attached to the sleeve can be integrally connected by a detachable set plate in a state where the idle ring is held between the stationary ring and the rotating ring. It is preferable to use a cartridge type mechanical tool.

本発明の遊動環形メカニカルシールによれば、シールすべき流体の圧力が極めて高く且つそれが大きく変動するような過酷な圧力条件下においても、流体圧力によって回転環と遊動環との接触面であるシール面の平行性が損なわれるようなことがなく、シール面の異常摩耗や異常漏れを効果的に防止して、良好なシール機能を発揮させることができる。したがって、本発明の遊動環形メカニカルシールは、火力発電所の缶水循環ポンプ等の軸封手段として好適に使用できるものであり、その実用的価値極めて大なるものである。   According to the floating ring type mechanical seal of the present invention, the contact surface between the rotating ring and the floating ring is caused by the fluid pressure even under a severe pressure condition in which the pressure of the fluid to be sealed is extremely high and greatly fluctuates. The parallelism of the seal surface is not impaired, and abnormal wear and abnormal leakage of the seal surface can be effectively prevented to exhibit a good sealing function. Therefore, the idle ring type mechanical seal of the present invention can be suitably used as a shaft seal means such as a canned water circulation pump of a thermal power plant, and its practical value is extremely large.

図1及び図2は本発明に係る遊動環形メカニカルシールの一例を示したもので、図1は当該メカニカルシールを回転機器に組み込んだ状態を示す縦断側面図であり、図2はその要部の拡大図である。   1 and 2 show an example of an idle ring type mechanical seal according to the present invention. FIG. 1 is a longitudinal side view showing a state in which the mechanical seal is incorporated in a rotating device, and FIG. It is an enlarged view.

すなわち、図1に示された本発明に係る遊動環形メカニカルシールは、シールすべき流体の圧力が極めて高く且つ運転状況により大きな圧力変動を生じる回転機器(例えば、火力発電所の缶水循環ポンプ)の軸封手段として使用されるもので、当該回転機器の軸封部ケーシング(例えば、上記缶水循環ポンプのポンプケーシング)1に取り付けられたシールケース3と、軸封部ケーシング1外にこれを貫通して突出する回転軸(例えば、上記缶水循環ポンプのインペラ軸)2に嵌挿固定されたスリーブ5と、静止環4に対向して回転軸2に設けられた回転環6と、シールケース3と静止環4との間に介装されたスプリング7と、両環4,6間に挟圧保持された遊動環8と、シールケース3とスリーブ5とを連結するセットプレート9とを具備して、回転環6と遊動環8と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被密封流体領域(当該回転機器の機内領域に連通する領域)Aと非密封流体領域(当該回転機器の機外領域である大気領域)Bとを遮蔽シールするように構成されたカートリッジ形のものである。なお、以下の説明において前後とは、図1及び図2における左右を意味するものとする。また、軸線とは回転軸2の軸線をいうものとする。   That is, the floating ring type mechanical seal according to the present invention shown in FIG. 1 is a rotary device (for example, a canned water circulation pump of a thermal power plant) in which the pressure of the fluid to be sealed is extremely high and a large pressure fluctuation occurs depending on the operation state. It is used as a shaft seal means, and passes through a seal case 3 attached to a shaft seal casing (for example, a pump casing of the above-mentioned canned water circulation pump) 1 of the rotating device and the shaft seal casing 1. A sleeve 5 fitted and fixed to a rotating shaft 2 (for example, the impeller shaft of the above-described canned water circulation pump), a rotating ring 6 provided on the rotating shaft 2 facing the stationary ring 4, and a seal case 3. A spring 7 interposed between the stationary ring 4, a floating ring 8 held between both the rings 4 and 6, and a set plate 9 connecting the seal case 3 and the sleeve 5. Thus, due to the relative rotational sliding contact between the rotating ring 6 and the idle ring 8, the sealed fluid region (region communicating with the in-machine region of the rotating device) A that is the outer peripheral side region of the relative rotational sliding contact portion is not sealed. It is of a cartridge type configured to shield and seal a fluid region (atmospheric region which is an outside region of the rotating device) B. In the following description, front and rear means the left and right in FIGS. Further, the axis refers to the axis of the rotating shaft 2.

シールケース3は、図1に示す如く、軸封部ケーシング1から後方に突出する回転軸部分2aを同心状に囲繞した状態で、軸封部ケーシング1の後端部に取り付けられた円筒体形状をなすものであり、軸封部ケーシング1に当接,係合する円筒状の本体部31と、その後端内周部に一体形成された円環状の壁部32と、壁部32の前面部に取り付けられたスプリングリテーナ33とからなる。スプリングリテーナ33は、壁部32に取り付けられた円環状のスプリング保持部33aとその内周側端部から前方に突出する円筒状の静止環保持部33bとからなる。なお、シールケース3には、クエンチング液(水)34の給排路35,36及びドレン37が形成されている。   As shown in FIG. 1, the seal case 3 has a cylindrical shape attached to the rear end portion of the shaft seal casing 1 in a state of concentrically surrounding the rotary shaft portion 2a protruding rearward from the shaft seal casing 1. A cylindrical main body 31 that contacts and engages the shaft seal casing 1, an annular wall portion 32 that is integrally formed on the inner peripheral portion of the rear end thereof, and a front surface portion of the wall portion 32. And a spring retainer 33 attached to. The spring retainer 33 includes an annular spring holding portion 33a attached to the wall portion 32 and a cylindrical stationary ring holding portion 33b protruding forward from the inner peripheral side end portion thereof. The seal case 3 is formed with supply / discharge passages 35 and 36 for the quenching liquid (water) 34 and a drain 37.

静止環4は、図1に示す如く、シールケース3にOリング10及びドライブピン11を介して軸線方向移動可能に且つ相対回転不能に保持されている。すなわち、静止環4は、その基端部分(後端部分)をスプリングリテーナ33の静止環保持部33bにOリング10を介して嵌合させることにより、シールケース3に、これとの間をOリング10によりシール(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。また、静止環4は、その基端部に軸線と平行する複数のドライブピン(一のみ図示)11を突設すると共に各ピン11をスプリングリテーナ33のスプリング保持部33aに形成した係合凹部12に係合させることによって、所定範囲での軸線方向移動が許容された状態でシールケース3に対する相対回転が阻止されている。なお、静止環4は、後述する低摩擦性材膜41との接着性等を考慮して、硬質の金属材(例えば、ステンレス鋼)で構成されている。   As shown in FIG. 1, the stationary ring 4 is held in the seal case 3 via an O-ring 10 and a drive pin 11 so as to be movable in the axial direction and not relatively rotatable. That is, the stationary ring 4 has a base end portion (rear end portion) fitted to the stationary ring holding portion 33b of the spring retainer 33 via the O-ring 10 so that the seal case 3 is O-spaced therebetween. In a state of being sealed (secondary seal) by the ring 10, it is held so as to be movable in the axial direction. In addition, the stationary ring 4 has a plurality of drive pins (only one shown) 11 projecting from the base end portion of the stationary ring 4, and each pin 11 is formed in the spring holding portion 33 a of the spring retainer 33. By engaging with, relative rotation with respect to the seal case 3 is prevented in a state in which movement in the axial direction within a predetermined range is allowed. The stationary ring 4 is made of a hard metal material (for example, stainless steel) in consideration of adhesiveness with a low-friction material film 41 to be described later.

スリーブ5は、図1に示す如く、前記回転軸部分2aに挿通される円筒状の本体部51と、本体部51の先端部(前端部)に形成された円環状の第一保持部52と、第一保持部52の外周部から後方へと突出する円筒状の第二保持部53とからなり、本体部51の基端部分(後端部分)を除いてシールケース3内に位置させた状態で、回転軸2に嵌挿固定されている。すなわち、シールケース3から後方に突出する本体部51の基端部分に、回転軸2に挿通させたストッパーリング13を適当数の第一セットスクユリュー14により嵌合固着すると共に、ストッパーリング13を適当数の第二セットスクユリュー15により回転軸2に固定することによって、スリーブ5は回転軸2に着脱可能に固定されている。なお、第一保持部52の内周部には適当数のOリング溝が形成されていて、このOリング溝に係合保持させたOリング16により、回転軸2とスリーブ5との間がシール(二次シール)されている。なお、スリーブ5の先端部(前端部)には、シールケース3との間でラビリンスシールを構成するためのラビリンスシール環54が取り付けられている。   As shown in FIG. 1, the sleeve 5 includes a cylindrical main body portion 51 inserted through the rotary shaft portion 2 a, and an annular first holding portion 52 formed at the front end portion (front end portion) of the main body portion 51. The cylindrical second holding portion 53 protrudes rearward from the outer peripheral portion of the first holding portion 52, and is located in the seal case 3 except for the base end portion (rear end portion) of the main body portion 51. In the state, it is inserted and fixed to the rotating shaft 2. That is, the stopper ring 13 inserted through the rotary shaft 2 is fitted and fixed to the base end portion of the main body 51 protruding rearward from the seal case 3 by an appropriate number of first set screws 14, and the stopper ring 13. Is fixed to the rotary shaft 2 by an appropriate number of second set screws 15, so that the sleeve 5 is detachably fixed to the rotary shaft 2. An appropriate number of O-ring grooves are formed in the inner peripheral portion of the first holding portion 52, and the space between the rotary shaft 2 and the sleeve 5 is secured by the O-ring 16 engaged and held in the O-ring groove. It is sealed (secondary seal). Note that a labyrinth seal ring 54 for constituting a labyrinth seal with the seal case 3 is attached to the distal end portion (front end portion) of the sleeve 5.

回転環6は、図1に示す如く、複数のOリング17,18を介して、これらOリング17,18の弾性変形範囲において軸線方向及び径方向(軸線方向に直交する方向)に変位可能(ないし変形可能)な状態で回転軸2に保持されている。すなわち、回転環6は、図1及び図2に示す如く、スリーブ5における本体部51と第二保持部53との対向周面間に形成される環状空間に、第一保持部52との間に介在させた第一Oリング17の弾性変形範囲で軸線方向の変位を許容された状態で且つ第二保持部53との間に介在させた第二Oリング18の弾性変形範囲で径方向の変位を許容された状態で、嵌合保持されている。なお、回転環6の内周面とこれに対向する本体部51の外周面との間には、図2に示す如く、回転環6の径方向変位,変形を許容しうるに充分な環状隙間55が形成されている。   As shown in FIG. 1, the rotary ring 6 can be displaced in the axial direction and the radial direction (direction orthogonal to the axial direction) within the elastic deformation range of the O-rings 17 and 18 via a plurality of O-rings 17 and 18. It is held on the rotating shaft 2 in a state where it can be deformed). That is, as shown in FIGS. 1 and 2, the rotating ring 6 is located between the first holding portion 52 and the annular space formed between the opposing peripheral surfaces of the main body portion 51 and the second holding portion 53 in the sleeve 5. In a state where axial displacement is allowed in the elastic deformation range of the first O-ring 17 interposed between the second O-ring 17 and the second O-ring 18 interposed between the second holding portion 53 and in the radial direction. It is fitted and held in a state where displacement is allowed. A sufficient annular gap between the inner peripheral surface of the rotating ring 6 and the outer peripheral surface of the main body 51 opposite thereto is sufficient to allow radial displacement and deformation of the rotating ring 6 as shown in FIG. 55 is formed.

すなわち、第一Oリング17は、図2に示す如く、第一保持部52の後端面に形成したOリング溝に係合保持されていて、回転環6の背面(前端面)を当該第一保持部52の後端面との間に若干の間隙を有した状態で受け止めている。第一Oリング17は、回転環6に作用する軸線方向の押圧力を吸収緩和するクッション材として機能するものであり、回転環6の径方向変位に対してはこれを妨げないように滑りを生じるものである。したがって、第一Oリング17は、回転環6の軸線方向変位に対してクッション機能を発揮しうるに充分な弾性力を有する弾性材であって、回転環6に対する摩擦係数が低く回転環6の径方向変位に対して容易に滑りを生じうる低摩擦性材で構成しておくことが必要であり、この例ではポリテトラフルオロエチレン(PTFE)で構成されている。また、第二Oリング18は、図2に示す如く、回転環6の径方向変位を許容すべく弾性変形しうる状態で、回転環6と第二保持部53との対向周面間に挟圧保持されており、回転環6の径方向変位に拘らず、スリーブ5(第二保持部53)と回転環6との間をシールする二次シールとして機能する。第二Oリング18は二次シールとして機能しうるに十分な弾性材で構成しておけばよく、この例では、二次シールとして機能する他のOリング10,16,25も含めて、フッ素ゴム(FKM)で構成してある。なお、回転環6はセラミックス等の硬質材で構成されているが、この例では、回転環6を炭化珪素で構成し、その外周部に金属材製(チタン等)の補強リング19を嵌合固着してある。補強リング19は、回転環6の外周部であって第二Oリング18が接触する基端部分(前端部分)を除く部分に焼嵌め等により嵌合固着されており、この補強リング19に形成した係合孔20に第二保持部53に螺着させたドライブピン21を係合させることによって、回転環6の回転軸2つまりスリーブ5に対する相対回転を阻止している。係合孔20は、ドライブピン21が軸線方向及び径方向に余裕をもって係合しうる大きさのものとされていて、両者20,21の係合作用によっては、第一及び第二Oリング17,18の弾性変形による回転環6の径方向及び軸線方向への変位が妨げられないように工夫されている。   That is, as shown in FIG. 2, the first O-ring 17 is engaged and held in an O-ring groove formed on the rear end surface of the first holding portion 52, and the back surface (front end surface) of the rotary ring 6 is placed on the first O-ring 17. It is received with a slight gap between it and the rear end surface of the holding portion 52. The first O-ring 17 functions as a cushioning material that absorbs and relaxes the axial pressing force acting on the rotating ring 6, and slips so as not to hinder the radial displacement of the rotating ring 6. It will occur. Accordingly, the first O-ring 17 is an elastic material having an elastic force sufficient to exhibit a cushion function against the axial displacement of the rotating ring 6, and has a low friction coefficient with respect to the rotating ring 6. It is necessary to use a low-friction material that can easily slip with respect to radial displacement, and in this example, it is made of polytetrafluoroethylene (PTFE). Further, as shown in FIG. 2, the second O-ring 18 is sandwiched between the opposed peripheral surfaces of the rotating ring 6 and the second holding portion 53 in a state where the second O-ring 18 can be elastically deformed to allow the radial displacement of the rotating ring 6. The pressure is held, and functions as a secondary seal that seals between the sleeve 5 (second holding portion 53) and the rotating ring 6 regardless of the radial displacement of the rotating ring 6. The second O-ring 18 may be made of an elastic material sufficient to function as a secondary seal, and in this example, other O-rings 10, 16, and 25 that function as secondary seals are also used as fluorine. It is made of rubber (FKM). The rotary ring 6 is made of a hard material such as ceramics. In this example, the rotary ring 6 is made of silicon carbide, and a reinforcing ring 19 made of a metal material (titanium or the like) is fitted to the outer periphery thereof. It is fixed. The reinforcing ring 19 is fitted and fixed to the outer peripheral portion of the rotating ring 6 except for the base end portion (front end portion) with which the second O-ring 18 comes into contact by shrink fitting or the like. By engaging the drive pin 21 screwed into the second holding portion 53 into the engagement hole 20, the rotation of the rotary ring 6 relative to the rotary shaft 2, that is, the sleeve 5 is prevented. The engagement hole 20 is of a size that allows the drive pin 21 to be engaged with a sufficient margin in the axial direction and the radial direction. , 18 is devised so as not to prevent displacement of the rotary ring 6 in the radial direction and the axial direction due to elastic deformation.

スプリング7は、図1に示す如く、スプリングリテーナ33のスプリング保持部33aに周方向に等間隔を隔てて形成した適当数の係合凹部22に保持されており、静止環4の背面(後端面)を回転環方向(前方)に押圧附勢するものである。   As shown in FIG. 1, the spring 7 is held by an appropriate number of engaging recesses 22 formed at equal intervals in the circumferential direction in the spring holding portion 33 a of the spring retainer 33, and the rear surface (rear end surface) of the stationary ring 4. ) In the direction of the rotating ring (forward).

遊動環8は、図1及び図2に示す如く、円環状の本体部81とその内周側の前後端部に一体形成されたほぼ同一の円環状をなす押圧部82及びシール部83とからなるもので、押圧部82の端面である押圧面82aが静止環4の先端面(前端面)である押圧面4aに接触すると共にシール部83の端面であるシール面83aが回転環6の先端面(後端面)であるシール面6aに接触する状態(図2参照)で、スプリング7による附勢力(及び後述する背圧)によって、静止環4と回転環6と間に挟圧保持されている。遊動環8は、静止環4の前端部に周方向に等間隔を隔てて突設した適当数のドライブピン23を本体部81に形成した係合孔24に係合させることにより、静止環4に、軸線方向及び径方向に所定範囲での相対変位が許容された状態で、相対回転不能に保持されている。静止環4と遊動環8の本体部81との軸線方向における対向端面間には、両環4,8間をシール(二次シール)するOリング25が挟圧状に介在されている。遊動環8の本体部81には、周方向に等間隔を隔てて軸線方向に貫通する適当数の連通孔26が形成されている。なお、遊動環8は回転環6の構成材より軟質の材料で構成されており、この例ではカーボンで構成されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the idle ring 8 includes an annular main body portion 81, a pressing portion 82 and a seal portion 83 that form a substantially identical annular shape and are integrally formed at the front and rear end portions on the inner peripheral side thereof. Thus, the pressing surface 82 a that is the end surface of the pressing portion 82 contacts the pressing surface 4 a that is the front end surface (front end surface) of the stationary ring 4, and the sealing surface 83 a that is the end surface of the sealing portion 83 is the front end of the rotating ring 6. In a state of contact with the seal surface 6a which is the surface (rear end surface) (see FIG. 2), the urging force (and back pressure described later) by the spring 7 is held between the stationary ring 4 and the rotating ring 6 by pressure. Yes. The idle ring 8 is configured such that an appropriate number of drive pins 23 projecting from the front end portion of the stationary ring 4 at equal intervals in the circumferential direction are engaged with engagement holes 24 formed in the main body 81, thereby In addition, in a state in which a relative displacement within a predetermined range is allowed in the axial direction and the radial direction, the relative rotation is maintained. An O-ring 25 that seals between the rings 4 and 8 (secondary seal) is interposed between the opposed end faces in the axial direction of the stationary ring 4 and the main body 81 of the idle ring 8 in a pinched manner. An appropriate number of communication holes 26 penetrating in the axial direction at equal intervals in the circumferential direction are formed in the main body 81 of the idle ring 8. Note that the idle ring 8 is made of a material softer than the constituent material of the rotary ring 6, and is made of carbon in this example.

而して、静止環4と遊動環8との接触面である押圧面4a,82aの少なくとも一方には低摩擦性材膜41が被覆形成されている。この例では、図2に示す如く、静止環4における遊動環8との接触部分にポリテトラフルオロエチレン(PTFE)からなる低摩擦性材膜(ポリテトラフルオロエチレン膜)41を形成して、この膜41の表面を押圧面4aとなしている。押圧面4aを構成する低摩擦性材膜41は、静止環4に被覆形成した上で、その表面粗さが十点平均高さ(Rz)2μm以下となるように表面処理される。低摩擦性材膜41の表面粗さつまり押圧面4aの表面粗さをRz2μm以下としておくことによって、押圧面4a,82a間における静止摩擦係数μ´を、シール面6a,83a間における静止摩擦係数μに対する比率μ´/μが前述した接面荷重の逆比W/Wと同等ないしは近似するように、可及的に小さくすることができる。Rz>2μmでは、押圧面4a,82a間での円滑な滑りを期待できず、静止摩擦係数μ´を上記した条件を満足する程度にまで小さくすることができない。ところで、低摩擦性材膜41の表面処理は一般にラッピングにより行なわれ、通常、Rz=0.5〜2μmの表面粗さとされる。この例では、低摩擦性材膜41の表面粗さをラッピングによりRz=1μmとしてある。また、低摩擦性材膜41の膜厚は10〜20μmに設定される。静止環4はポリテトラフルオロエチレン膜41との接着性を確保するためにステンレス鋼等の金属材で構成されているが、膜厚が10μm未満では金属母材(静止環4)からの剥離等を生じる虞れがあり、膜厚が20μmを超えると、膜硬度が低く遊動環8の接触部分が膜41に食い込む虞れがあるからである。膜厚が20μm以下(10μm以上)であると、金属母材の硬度が膜硬度として反映することになり、膜自体の硬度不足が補われる。なお、低摩擦性材膜41は、少なくとも、被密封流体領域Aの圧力変動により遊動環押圧面82aが径方向に相対変位する静止環押圧面4a上の環状領域を含むような範囲で形成しておくことが必要であるが、この例では、図2に示す如く、Oリング25が接触する静止環押圧面4a上の領域をも含む広範囲に亘って低摩擦性材膜41を形成してある。 Thus, the low friction material film 41 is formed on at least one of the pressing surfaces 4a and 82a which are contact surfaces between the stationary ring 4 and the idle ring 8. In this example, as shown in FIG. 2, a low-friction material film (polytetrafluoroethylene film) 41 made of polytetrafluoroethylene (PTFE) is formed at the contact portion of the stationary ring 4 with the floating ring 8. The surface of the film 41 is a pressing surface 4a. The low-friction material film 41 constituting the pressing surface 4a is coated on the stationary ring 4 and then surface-treated so that the surface roughness thereof is a 10-point average height (Rz) of 2 μm or less. By setting the surface roughness of the low friction material film 41, that is, the surface roughness of the pressing surface 4a to Rz2 μm or less, the static friction coefficient μ ′ between the pressing surfaces 4a and 82a is changed to the static friction coefficient between the sealing surfaces 6a and 83a. The ratio μ ′ / μ with respect to μ can be made as small as possible so as to be equivalent to or close to the inverse ratio W 2 / W 1 of the contact surface load described above. When Rz> 2 μm, smooth sliding between the pressing surfaces 4a and 82a cannot be expected, and the static friction coefficient μ ′ cannot be reduced to a level that satisfies the above-described conditions. Incidentally, the surface treatment of the low-friction material film 41 is generally performed by lapping, and the surface roughness is usually Rz = 0.5 to 2 μm. In this example, the surface roughness of the low friction material film 41 is set to Rz = 1 μm by lapping. The film thickness of the low friction material film 41 is set to 10 to 20 μm. The stationary ring 4 is made of a metal material such as stainless steel in order to ensure adhesion with the polytetrafluoroethylene film 41. However, when the film thickness is less than 10 μm, the stationary ring 4 is peeled off from the metal base material (stationary ring 4). This is because if the film thickness exceeds 20 μm, the film hardness is low and the contact portion of the idle ring 8 may bite into the film 41. When the film thickness is 20 μm or less (10 μm or more), the hardness of the metal base material is reflected as the film hardness, and the insufficient hardness of the film itself is compensated. The low-friction material film 41 is formed at least in a range including an annular region on the stationary ring pressing surface 4a in which the free ring pressing surface 82a is relatively displaced in the radial direction due to pressure fluctuations in the sealed fluid region A. In this example, as shown in FIG. 2, the low-friction material film 41 is formed over a wide range including the region on the stationary ring pressing surface 4a with which the O-ring 25 contacts. is there.

セットプレート9は、図1に示す如く、一端部をスリーブ5の本体部51に形成した凹部27に係合させた状態で、他端部をシールケース3の壁部32にボルト28により取り付けることにより、シールケース3とスリーブ5とを軸線方向相対移動不能に且つ相対回転不能に連結するものであり、シールケース3及びこれに取り付けられる部材群(静止環4及びスプリング7等)からなる静止側密封要素と回転軸2に挿通固定されるスリーブ5及びこれに取り付けられる部材群(回転環6等)からなる回転側密封要素とを、静止環4と回転環6との間に遊動環8を挟圧保持させた状態で、一体連結するものである。セットプレート9により連結された状態におけるシールケース3とスリーブ5との軸線方向の位置関係は、つまり遊動環8を挟圧した状態における静止環4と回転環6との軸線方向の位置関係は、当該遊動環形メカニカルシールの運転状態におけると同一となるように設定される。したがって、セットプレート9により、遊動環8を含む両密封要素を当該遊動環形メカニカルシールの使用状態と同一形態に組み立てることができる。なお、セットプレート9は、当該遊動環形メカニカルシールを軸封部ケーシング1及び回転軸2に組み込んだ後において、取り外しておくものであり、その数は適宜に設定される。   As shown in FIG. 1, the set plate 9 is attached to the wall portion 32 of the seal case 3 with a bolt 28 with one end engaged with the recess 27 formed in the main body 51 of the sleeve 5. Thus, the seal case 3 and the sleeve 5 are coupled so as not to be relatively movable in the axial direction and to be relatively non-rotatable. The stationary side includes the seal case 3 and a group of members (the stationary ring 4 and the spring 7) attached thereto. A floating ring 8 is provided between the stationary ring 4 and the rotating ring 6 with the sealing element and the sleeve 5 inserted and fixed to the rotating shaft 2 and a rotating side sealing element composed of a group of members (such as the rotating ring 6) attached thereto. They are integrally connected in a state where the pressure is held. The positional relationship in the axial direction between the seal case 3 and the sleeve 5 in a state where they are connected by the set plate 9, that is, the positional relationship in the axial direction between the stationary ring 4 and the rotating ring 6 in a state where the idle ring 8 is clamped, It is set to be the same as that in the operation state of the floating ring type mechanical seal. Therefore, the sealing plate including the floating ring 8 can be assembled by the set plate 9 in the same form as that of the floating ring-shaped mechanical seal. The set plate 9 is to be removed after the floating ring-shaped mechanical seal is incorporated in the shaft seal casing 1 and the rotary shaft 2, and the number thereof is set appropriately.

ところで、遊動環形メカニカルシールの軸封部ケーシング1及び回転軸2への取り付けは、通常、遊動環8を含む静止側密封要素及び回転側密封要素を構成する多数の構成部材を個別に一定の手順で組み込むことによって行われる。そして、これら構成部材相互の位置関係は、当該メカニカルシールの機能を決定する重要な要素であり、各構成部材の組み込みは、かかる位置関係が適正となるように行う必要がある。したがって、これらの多くの構成部材を適正な位置関係を維持した状態で回転機器に組み込む作業は極めて困難であり、組み込み不良により所定のシール機能が発揮されない場合も稀ではない。同様に、回転機器からの取り外し,再組み込みを必要とするメンテナンス作業も面倒且つ困難である。   By the way, the attachment of the free ring type mechanical seal to the shaft seal casing 1 and the rotary shaft 2 is usually performed in a fixed procedure for each of the constituent members constituting the stationary side seal element and the rotary side seal element including the idle ring 8 individually. It is done by incorporating in. The positional relationship between these structural members is an important factor that determines the function of the mechanical seal, and the incorporation of the structural members must be performed so that the positional relationship is appropriate. Therefore, it is extremely difficult to incorporate these many structural members into the rotating device while maintaining an appropriate positional relationship, and it is not rare that a predetermined sealing function is not exhibited due to poor integration. Similarly, maintenance work that requires removal and re-assembly from the rotating equipment is cumbersome and difficult.

しかし、上記した如きカートリッジ形の遊動環形メカニカルシールとしておくと、セットプレート9により当該メカニカルシールの使用形態と同一形態に組み立てた状態で回転機器に対する取り付け及び取り外しを行なうことができるから、未熟練者でも、回転機器への組み込み作業を適正且つ容易に行なうことができ、メンテンナンス作業も容易に行なうことができる。かかる点は、一般的なメカニカルシールの構成に更に遊動環8を付加した複雑な構成をなす遊動環形メカニカルシールにおいて、実用上、極めて大きなメリットとなる。   However, if the cartridge-type floating ring type mechanical seal as described above is used, the set plate 9 can be attached to and detached from the rotating device in the same state as the usage form of the mechanical seal. However, it is possible to appropriately and easily perform the assembling work into the rotating device, and the maintenance work can be easily performed. Such a point is a very significant merit in practical use in a floating ring type mechanical seal having a complicated structure in which a floating ring 8 is further added to the structure of a general mechanical seal.

以上のように構成された遊動環形メカニカルシールでは、回転環6が第一及び第二Oリング17,18を介して軸線方向及び径方向への変位を許容された状態で回転軸2(スリーブ5)に保持されているから、流体圧力(被密封流体領域Aの流体圧力)が極めて高く且つ大きな圧力変動を生じる場合にも、回転環6と遊動環8との接触面であるシール面6a,83aの平行性を確保して、良好なシール機能を発揮することができる。   In the floating ring type mechanical seal configured as described above, the rotary shaft 2 (sleeve 5) in a state where the rotary ring 6 is allowed to be displaced in the axial direction and the radial direction via the first and second O-rings 17 and 18. Therefore, even when the fluid pressure (fluid pressure in the sealed fluid region A) is extremely high and a large pressure fluctuation occurs, the seal surfaces 6a, which are contact surfaces between the rotating ring 6 and the idle ring 8, are provided. The parallelism of 83a can be ensured and a good sealing function can be exhibited.

すなわち、流体圧力が極めて高い場合、回転環6は流体圧力によって径方向及び/又は軸線方向に変形(歪)を生じて、シール面6aが不適正な形態となる虞れがあるが、かかる変形は第一Oリング17及び/又は第二Oリング18の弾性によって吸収されることになり、回転環6のシール面6aの変形により遊動環8のシール面83aとの平行性が損なわれるようなことがない。ところで、回転環6に作用する大きな軸線方向力(回転環6に直接に作用する流体圧力並びに静止環4の背圧及びスプリング圧による)によって、回転環6と第一Oリング17との接触圧が高く両者6,17間の摩擦力が大きくなるため、第二Oリング18による回転環6の径方向変形の吸収緩和作用が円滑に行なわれず、シール面6a,83aの平行性が損なわれる虞れがあるが、このような虞れは、第一Oリング17を低摩擦性材(この例では、PTFE)で構成しておくことによって全く生じない。すなわち、第一Oリング17がPTFEの如き低摩擦性材で構成されているため、回転環6は、これに径方向力が作用した場合、第一Oリング17との間で滑りを生じて容易に径方向へと変位,変形し、その変位,変形は第二Oリング18の弾性変形によって吸収緩和されることになる。したがって、回転環6にこれを変形させるような軸線方向力及び/又は径方向力が作用したときにも、シール面6a,83aの平行性が損なわれることがない。   That is, when the fluid pressure is extremely high, the rotating ring 6 may be deformed (distorted) in the radial direction and / or the axial direction due to the fluid pressure, and the seal surface 6a may be in an inappropriate shape. Is absorbed by the elasticity of the first O-ring 17 and / or the second O-ring 18, and the parallelism with the seal surface 83a of the idle ring 8 is lost due to the deformation of the seal surface 6a of the rotary ring 6. There is nothing. By the way, the contact pressure between the rotating ring 6 and the first O-ring 17 due to a large axial force acting on the rotating ring 6 (due to the fluid pressure acting directly on the rotating ring 6 and the back pressure and spring pressure of the stationary ring 4). And the frictional force between the two 6 and 17 is increased, and the second O-ring 18 does not smoothly absorb the radial deformation of the rotating ring 6 and the parallelism of the seal surfaces 6a and 83a may be impaired. However, such a fear does not occur at all by configuring the first O-ring 17 with a low friction material (in this example, PTFE). That is, since the first O-ring 17 is made of a low-friction material such as PTFE, the rotary ring 6 slips between the first O-ring 17 when a radial force is applied thereto. It is easily displaced and deformed in the radial direction, and the displacement and deformation are absorbed and relaxed by the elastic deformation of the second O-ring 18. Therefore, even when an axial force and / or a radial force that deforms the rotating ring 6 is applied, the parallelism of the seal surfaces 6a and 83a is not impaired.

さらに、回転環6が、従来シールのように回転軸2に固定されておらず、第一Oリング17の弾性変形範囲で軸線方向変位が許容される状態で回転軸2に保持されていることから、流体圧力が極めて高く静止環4に作用する背圧が高い場合にも、冒頭で述べた接面荷重W,Wが、第一Oリング17の弾性変形によって吸収される分、小さくなり、従来シールのように回転環6が回転軸2固定されている場合に比して大幅に減少することになる。その結果、押圧面4a,82a間及びシール面6a,83a間の最大静止摩擦力が小さくなって、流体圧力が高く且つ大きく変動する条件下においても、冒頭で述べた如く遊動環8が傾いてシール面6a,83aが外径当たり状態(例えば図3(B)に示す状態)や内径当たり状態(例えば図4(E)に示す状態)になったりすることがなく、シール面6a,83aの平行性が維持されて良好なシール機能が発揮されることになる。 Further, the rotating ring 6 is not fixed to the rotating shaft 2 as in the case of the conventional seal, and is held on the rotating shaft 2 in a state where axial displacement is allowed within the elastic deformation range of the first O-ring 17. Therefore, even when the fluid pressure is extremely high and the back pressure acting on the stationary ring 4 is high, the contact loads W 1 and W 2 described at the beginning are small because they are absorbed by the elastic deformation of the first O-ring 17. Thus, the number of rotation rings 6 is greatly reduced as compared with the case where the rotation ring 6 is fixed to the rotation shaft 2 as in the case of a conventional seal. As a result, the maximum static frictional force between the pressing surfaces 4a and 82a and between the sealing surfaces 6a and 83a is reduced, and the idle ring 8 tilts as described at the beginning even under conditions where the fluid pressure is high and greatly fluctuates. The seal surfaces 6a and 83a are not brought into contact with the outer diameter (for example, the state shown in FIG. 3B) or the inner diameter contact (for example, the state shown in FIG. 4E). Parallelism is maintained and a good sealing function is exhibited.

すなわち、遊動環8と静止環4及び回転環6との接触部分における最大静止摩擦力は接面荷重W,Wと静止摩擦係数との積で与えられるから、接面荷重W,Wが小さい場合には、静止環4の押圧面4aを上記した低摩擦性材膜41で構成しておくことにより押圧面4a,82間の静摩擦係数(μ´)がシール面6a,83a間の静摩擦係数(μ)より小さくなることとも相俟って、押圧面4a,82a間の第一最大静止摩擦力μ´・Wとシール面6a,83a間の第二最大静止摩擦力μ・Wとが、その間に大きな差を生じず、同等ないし近似することになる。したがって、被密封流体領域Aが昇圧状況下にある場合においては、流体圧力の上昇により、遊動環シール面83aに作用する第二摩擦力Fが第二最大静止摩擦力μ・Wに達して、シール面6a,83a間に滑りを生じたときには、これと同時に或いは僅かな時間差をもって、遊動環押圧面82aに作用する第一摩擦力Fも第一最大静止摩擦力μ´・Wに達して、押圧面4a,82a間に滑りが生じることになる。その結果、遊動環8が全く傾かないか、傾いたとしても直ちに復元されることになり、シール面6a,83aが図3(B)に示す如き内径当たり状態とならない。すなわち、遊動環1と静止環4及び回転環6との相対位置が、例えば図3(A)に示す全面当たり状態から同図(C)に示す全面当たり状態へと変化するにすぎず、シール面6a,83aの平行性が維持されることになる。また、被密封流体領域Aが降圧状況下にある場合においても、同様に、流体圧力の下降により、遊動環シール面83aに作用する第二摩擦力fが第二最大静止摩擦力−μ・Wに達して、シール面6a,83a間に滑りを生じたときには、これと同時に或いは僅かな時間差をもって、遊動環押圧面82aに作用する第一摩擦力fも第一最大静止摩擦力−μ´・Wに達して、押圧面4a,82a間に滑りが生じることになる。したがって、上記した昇圧状況下におけると同様に、遊動環8が全く傾かないか、傾いたとしても直ちに復元されることになり、シール面6a,83aが図4(E)に示す如き外径当たり状態とならず、シール面6a,83aの平行性が維持されることになる。すなわち、遊動環1と静止環4及び回転1との相対位置が、例えば図4(D)に示す全面当たり状態から同図(F)に示す全面当たり状態へと変位するにすぎない。換言すれば、圧力変動によって生じる第一摩擦力F,fについてのスティックスリップサイクル(ピッチ)と第二摩擦力F,fについてのスティックスリップサイクル(ピッチ)とが同等ないし近似することによって、遊動環8と静止環4及び回転環6との接触抵抗バランスが保持されることになり、これによってシール面6a,83aの平行性が圧力変動に拘わらず維持されて、シール面の異常摩耗や異常漏れが防止されるのである。したがって、上記した如く回転環6を第一Oリング17を介して軸線方向に弾性変位可能な状態に保持した遊動環形メカニカルシールによれば、流体圧力が極めて高く且つ圧力変動が大きい条件下においても、良好なシール機能が発揮されることになる。 That is, since the maximum static frictional force at the contact portion between the idle ring 8 and the stationary ring 4 and the rotating ring 6 is given by the product of the contact load W 1 , W 2 and the static friction coefficient, the contact load W 1 , W When 2 is small, the static friction coefficient (μ ′) between the pressing surfaces 4a and 82 is between the sealing surfaces 6a and 83a by configuring the pressing surface 4a of the stationary ring 4 with the low friction material film 41 described above. The first maximum static friction force μ ′ · W 1 between the pressing surfaces 4a and 82a and the second maximum static friction force μ · between the seal surfaces 6a and 83a in combination with the static friction coefficient (μ) of W 2 does not produce a large difference between them, and is equivalent or approximate. Therefore, in the case where the sealed fluid region A is under the boost status, by increasing the fluid pressure, the second frictional force F 2 acting on the floating ring seal surface 83a reaches the second maximum static friction force mu · W 2 Te, when the slippage between the sealing surfaces 6a, 83a may have the same time or a short time difference, the floating ring first frictional force acting on the pressing surface 82a F 1 also first maximum static friction force μ'· W 1 Thus, slip occurs between the pressing surfaces 4a and 82a. As a result, the idle ring 8 is not tilted at all, or even if it is tilted, it is immediately restored, and the seal surfaces 6a and 83a are not brought into contact with the inner diameter as shown in FIG. That is, the relative positions of the idle ring 1 and the stationary ring 4 and the rotating ring 6 only change from, for example, the entire contact state shown in FIG. 3A to the entire contact state shown in FIG. The parallelism of the surfaces 6a and 83a is maintained. Further, even when the sealed fluid region A is under the step-down situation, as well, by the lowering of the fluid pressure, the second frictional force f 2 is and second maximum static friction force -μ acting on the floating ring seal surface 83a It reached W 2, when the slippage sealing surface 6a, between 83a is, at the same time or with a slight time difference, the first frictional force acting on the floating ring pressing surface 82a f 1 be the first maximum static friction force - μ ′ · W 1 is reached, and slip occurs between the pressing surfaces 4a and 82a. Therefore, as in the above-described pressure increase situation, the idle ring 8 is not tilted at all, or even if it is tilted, it is immediately restored, so that the seal surfaces 6a and 83a are brought into contact with the outer diameter as shown in FIG. Thus, the parallelism of the seal surfaces 6a and 83a is maintained. That is, the relative positions of the idle ring 1, the stationary ring 4, and the rotation 1 are merely displaced from, for example, the entire contact state shown in FIG. 4D to the entire contact state shown in FIG. In other words, the stick-slip cycle (pitch) for the first frictional force F 1 , f 1 generated by pressure fluctuation and the stick-slip cycle (pitch) for the second frictional force F 2 , f 2 are equivalent or approximate. This maintains the contact resistance balance between the idle ring 8 and the stationary ring 4 and the rotating ring 6, whereby the parallelism of the seal surfaces 6a and 83a is maintained regardless of pressure fluctuations, resulting in abnormal seal surfaces. Wear and abnormal leakage are prevented. Therefore, according to the idle ring type mechanical seal in which the rotary ring 6 is held in an axially displaceable state via the first O-ring 17 as described above, even under conditions where the fluid pressure is extremely high and the pressure fluctuation is large. A good sealing function will be exhibited.

さらに、静止環4の押圧面4aを低摩擦性材膜41で構成すると共に、その表面をRz≦2μmとなるようにラッピングしているから、押圧面4a,82a間における静止摩擦係数μ´を、シール面6a,83a間における静止摩擦係数μに対する比率μ´/μが接面荷重の逆比W/Wと同等ないしは近似するように、可及的に小さくすることができる。その結果、上記した遊動環8と静止環4及び回転環6との接触抵抗バランス保持によるシール面6a,83aの平行性維持が更に効果的に行なわれて、シール面6a,83aの異常摩耗や異常漏れをより確実に防止することができる。 Furthermore, since the pressing surface 4a of the stationary ring 4 is composed of the low friction material film 41 and the surface thereof is wrapped so that Rz ≦ 2 μm, the static friction coefficient μ ′ between the pressing surfaces 4a and 82a is The ratio μ ′ / μ to the static friction coefficient μ between the seal surfaces 6a and 83a can be made as small as possible so as to be equivalent to or approximate to the inverse ratio W 2 / W 1 of the contact surface load. As a result, the parallelism of the seal surfaces 6a and 83a is maintained more effectively by maintaining the contact resistance balance between the idle ring 8 and the stationary ring 4 and the rotary ring 6, and abnormal wear of the seal surfaces 6a and 83a is reduced. Abnormal leakage can be prevented more reliably.

また、回転環6が取り付けられる回転軸2又はスリーブ5の加工精度や組立精度が低いことや回転機器側からの熱によりスリーブ5が変形すること等により、回転環姿勢が不適正となって、シール面6a,83aの平行性が損なわれることがある。しかし、回転環6を上記した如くOリング17,18で軸線方向及び径方向に変位可能に保持させておくと、回転環6の姿勢が遊動環8による押圧力によって是正されることなり、上記した精度不良等によってシール面6a,83aの平行性が損なわれるようなことがない。   In addition, due to the low processing accuracy and assembly accuracy of the rotary shaft 2 or the sleeve 5 to which the rotary ring 6 is attached and the deformation of the sleeve 5 due to heat from the rotary device side, the rotary ring posture becomes inappropriate, The parallelism of the seal surfaces 6a and 83a may be impaired. However, if the rotating ring 6 is held by the O-rings 17 and 18 so as to be displaceable in the axial direction and the radial direction as described above, the posture of the rotating ring 6 is corrected by the pressing force by the idle ring 8, and The parallelism of the seal surfaces 6a and 83a is not impaired by the accuracy failure.

なお、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変更,改良することができる。例えば、回転環6を保持するOリング17,18の数及び配置も、当該メカニカルシールの構成及びシール条件に応じて適宜に変更することができる。また、回転環6との間で滑りを生じるOリング(第一Oリング17)又は低摩擦性材膜41の構成材も、PTFEに限定されず、各環4,6,8の構成材との関係を考慮して、適宜に選定することができる。例えば、低摩擦性材膜41の構成材として、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)を使用することができる。   The configuration of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed and improved without departing from the basic principle of the present invention. For example, the number and arrangement of the O-rings 17 and 18 that hold the rotary ring 6 can also be changed as appropriate according to the configuration of the mechanical seal and the sealing conditions. Further, the constituent material of the O-ring (first O-ring 17) or the low friction material film 41 that causes slipping between the rotary rings 6 is not limited to PTFE, and the constituent materials of the respective rings 4, 6, and 8 In consideration of this relationship, it can be selected appropriately. For example, polyether ether ketone (PEEK) can be used as a constituent material of the low friction material film 41.

本考案に係る遊動環形メカニカルシールの一例を示した縦断側面図である。It is the vertical side view which showed an example of the idle ring type mechanical seal which concerns on this invention. 図1の要部を拡大して示す詳細図である。FIG. 2 is an enlarged detailed view showing a main part of FIG. 1. 昇圧時における遊動環と回転環及び静止環との相対変位を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relative displacement of the idle ring at the time of pressure | voltage rise, a rotation ring, and a stationary ring. 降圧時における遊動環と回転環及び静止環との相対変位を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relative displacement of the idle ring at the time of pressure reduction, a rotation ring, and a stationary ring. 遊動環の回転環及び静止環との接触面に作用する接面荷重及び摩擦力と流体圧力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the contact surface load and friction force which act on the contact surface with the rotation ring of a free ring, and a stationary ring, and fluid pressure.

符号の説明Explanation of symbols

1…軸封部ケーシング、2…回転軸、3…シールケース、4…静止環、4a,82a…押圧面(静止環と遊動環との接触面)、5…スリーブ、6…回転環、6a,83a…シール面(回転環と遊動環との接触面)、7…スプリング、8…遊動環、9…セットプレート、10…Oリング、17…第一Oリング(回転環の径方向変位に対して滑りを生じるOリング)、18…第二Oリング(二次シールとして機能するOリング)、41…低摩擦性材膜、A…被密封流体領域、B…非密封流体領域(大気領域)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Shaft seal casing, 2 ... Rotating shaft, 3 ... Seal case, 4 ... Stationary ring, 4a, 82a ... Pressing surface (contact surface of stationary ring and free ring), 5 ... Sleeve, 6 ... Rotating ring, 6a 83a ... sealing surface (contact surface between the rotating ring and the free ring), 7 ... spring, 8 ... free ring, 9 ... set plate, 10 ... O ring, 17 ... first O ring (in the radial displacement of the rotating ring) 18 ... second O-ring (O-ring that functions as a secondary seal), 41 ... low friction material film, A ... sealed fluid region, B ... non-sealed fluid region (atmospheric region) ).

Claims (7)

回転軸に設けられた回転環とシールケースに軸線方向移動可能に且つ回転環方向に附勢された状態で設けられた静止環との間に、遊動環を静止環に対する相対回転が阻止された状態で挟圧保持させてなる遊動環形メカニカルシールにおいて、
回転環が、二次シールとして機能するものを含む複数のOリングを介して、これらOリングの弾性変形範囲において軸線方向及び径方向に変位可能な状態で回転軸に保持されており、且つこれらOリングのうち、少なくとも回転環との間で当該回転環の径方向変位に対して滑りを生じるOリングが低摩擦性弾性材で構成されていることを特徴とする遊動環形メカニカルシール。
Relative rotation of the floating ring with respect to the stationary ring is prevented between the rotating ring provided on the rotating shaft and the stationary ring that is axially movable on the seal case and biased in the rotating ring direction. In the floating ring type mechanical seal that is held under pressure in the state,
The rotating ring is held on the rotating shaft through a plurality of O-rings including those functioning as secondary seals in a state in which they can be displaced in the axial direction and the radial direction within the elastic deformation range of these O-rings, and these An idle ring type mechanical seal characterized in that an O-ring that causes slippage at least with respect to a radial displacement of the rotating ring is made of a low-friction elastic material.
前記滑りを生じるOリングがポリテトラフルオロエチレン製のものであることを特徴とする、請求項1に記載する遊動環形メカニカルシール。 The free-ring-type mechanical seal according to claim 1, wherein the O-ring that causes the slip is made of polytetrafluoroethylene. 遊動環と静止環との接触面の少なくとも一方に低摩擦性材膜が被覆形成されていることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載する遊動環形メカニカルシール。 The idle ring type mechanical seal according to claim 1, wherein a low friction material film is formed on at least one of contact surfaces of the idle ring and the stationary ring. 低摩擦性材膜がポリテトラフルオロエチレン膜であることを特徴とする、請求項3に記載する遊動環形メカニカルシール。 The idle ring type mechanical seal according to claim 3, wherein the low friction material film is a polytetrafluoroethylene film. 低摩擦性材膜の表面粗さが十点平均高さ2μm以下であることを特徴とする、請求項3又は請求項4に記載する遊動環形メカニカルシール。 The idle ring type mechanical seal according to claim 3 or 4, wherein the surface roughness of the low-friction material film is 10-point average height of 2 µm or less. 低摩擦性材膜の膜厚が10〜20μmであることを特徴とする、請求項3、請求項4又は請求項5に記載する遊動環形メカニカルシール。 The idle ring type mechanical seal according to claim 3, 4 or 5, wherein the film thickness of the low friction material film is 10 to 20 µm. シールケース及びこれに取り付けられる部材群からなる静止側密封要素と回転軸に挿通固定されるスリーブ及びこれに取り付けられる部材群からなる回転側密封要素とを、静止環と回転環との間に遊動環を挟圧保持させた状態で、着脱自在なセットプレートにより一体連結しうるように構成したカートリッジ形のメカニカルールであることを特徴とする、請求項1、請求項2、請求項3、請求項4、請求項5又は請求項6に記載する遊動環形メカニカルシール。 A stationary side sealing element consisting of a seal case and a group of members attached thereto, a sleeve inserted through and fixed to the rotary shaft, and a rotational side sealing element consisting of a group of members attached thereto are allowed to float between the stationary ring and the rotary ring. A cartridge-type mechanical tool constructed so that it can be integrally connected by a detachable set plate in a state where the ring is held under pressure. Claims 1, 2, 3, and 3 The floating ring-shaped mechanical seal according to claim 4, claim 5, or claim 6.
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