JP2009079634A - 非接触形メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【目的】高圧条件下においても密封端面間を適正な非接触状態に保持することができ、シール機能を長期に亘って良好且つ安定して発揮させるようにする。
【構成】第１密封環（３）とこれより軟質のカーボンで構成された第２密封環（６）とを相対回転させることにより、両密封環（３，６）の対向端面である密封端面（３ａ，６ａ）間を非接触状態に保持させつつ被密封流体をシールし、被密封流体の圧力により第２密封環（６）の密封端面（６ａ）に圧力歪が生じる高圧条件下で使用される非接触形メカニカルシールにおいて、第２密封環（６）における密封端面（６ａ）を除く表面部分に、周方向に並列する複数の歪制御用凹部（１１）を形成して、当該密封端面（６ａ）に生じる圧力歪を、同一又は略同一の凹凸パターンが当該密封端面（６ａ）の周方向に連続するうねり波形をなすように、制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばコンプレッサ，スチームタービン，ブロワ等の回転機器における軸封手段として使用されるものであって、第１密封環とこれより軟質の材料で構成された第２密封環とを相対回転させることにより、両密封環の対向端面である密封端面間を非接触状態に保持させつつ被密封流体をシールするように構成された非接触形メカニカルシールに関するものであり、特に、被密封流体の圧力により第２密封環の密封端面に圧力歪が生じる高圧条件下で使用される非接触形メカニカルシールに関するものである。

従来の非接触形メカニカルシールとしては、図２０に示す如く、回転軸１０１に固定された第１密封環１０３と、シールケース１０２に軸線方向移動可能に保持された保持環１０４と、シールケース１０２と保持環１０４との間に介装されたスプリング部材１０５と、このスプリング部材１０５により保持環１０４を介して第１密封環１０３へと押圧附勢された第２密封環１０６とを具備し、両密封環１０３，１０６の対向端面たる密封端面１０３ａ，１０６ａ間を、第１密封環１０３の密封端面１０３ａに形成した動圧発生溝１０３ｂにより動圧を発生させることによって流体膜を介在させた非接触状態に保持しつつ、この流体膜形成部分において密封端面１０３ａ，１０６ａの外周側領域である高圧の被密封流体領域Ｈとその内周側領域である低圧の非密封流体領域（一般に、大気領域）Ｌとをシールしうるように構成された動圧形のもの（以下「従来シール」という）が周知である（例えば、特許文献１の図４参照）。かかる従来シールにあっては、一般に、第１密封環１０３はＷＣ，ＳｉＣ等の硬質材で、第２密封環１０６は第１密封環１０３の構成材に比して軟質のカーボンで構成されている。

実開平４−１３４９６３号公報

ところで、従来シールにあっては、密封端面１０３ａ，１０６ａの相対回転により発生された被密封流体（被密封流体領域Ｈの流体）による動圧と第２密封環１０６を第１密封環１０３へと押圧するスプリング力（スプリング部材１０５による附勢力）及び第２密封環１０６に作用する背圧（被密封流体の圧力により第２密封環１０６を第１密封環１０３へと押圧する推力）とがバランスされることにより、密封端面１０３ａ，１０６ａ間が被密封流体による流体膜を介在させた非接触状態に保持されることになる（図２１（Ａ）参照）。

しかし、被密封流体の圧力が高い場合、耐圧縮性に優れるセラミックス等の硬質材で構成され且つ回転軸１に固定されている第１密封環１０３については、その密封端面１０３ａに悪影響を及ぼすような圧力歪が生じることはないが、カーボンのような軟質で変形抵抗性の低い材料で構成されている第２密封環１０４については、それがシールケース１０２に保持環１０４を介して軸線方向移動可能に保持されていることとも相俟って、被密封流体の圧力によって大きく変形し、密封端面１０６ａに、その平滑度（平面度）や相手密封端面１０３ａに対する平行度，同心度を損なうような大きな圧力歪が生じる虞れがあった。

すなわち、被密封流体の圧力により、当該密封端面１０６ａには、図２２に示す如く、大きな圧力歪（うねり）１１２が生じることになり、その歪量Ｄは密封端面１０６ａ全体で一様ではなく、局部的に大きなものとなる。

その結果、図２１（Ｂ）に示す如く、密封端面１０６ａが相手密封端面１０３ａに対して外開き状態に変形して、その内周側端縁部が相手密封端面１０３ａに接触したり、これとは逆に、同図（Ｃ）に示す如く、密封端面１０６ａが相手密封端面１０３ａに対して内開き状態に変形して、その外周側端縁部が相手密封端面１０３ａに接触する虞れがあり、密封端面１０６ａの平滑度や相手密封端面１０３ａに対する平行度，同心度が損なわれることになる。

したがって、両密封環が押圧接触する端面接触形メカニカルシールにおいてはともかく、両密封環１０３ａ，１０６ａが非接触状態で相対回転する非接触形メカニカルシールである従来シールにあっては、密封端面１０３ａ，１０６ａ間を適正な非接触状態に保持することができず、シール機能が低下し、極端な場合にはシール機能が喪失することになる。また、上記した外開き状態（図２１（Ｂ））や内開き状態（同図（Ｃ））において密封端面１０６ａの内周側端縁部や外周側端縁部が相手密封端面１０３ａに強く接触することになり、その結果、第１密封環１０３に比して軟質のカーボンで構成される第２密封環１０６が短期間のうちに損傷することになり、長期に亘って良好且つ安定したシール機能を発揮させることが困難となる。

ところで、上記したような歪量Ｄが局部的に大きな圧力歪１１２の発生は、密封環の断面形状（軸線を通過する平面上の断面形状）にも大きく関係する。例えば、第１密封環１０３は、その断面形状が断面の図心を通過する対称軸が存在するような正方形（４本の対称軸が存在する）や長方形（２本の対称軸が存在する）又はこれに近似する形状をなすことから、高圧の被密封流体が作用した場合にも上記したような圧力歪１１２を生じることは殆どない。しかし、第２密封環１０６については、それがシールケース１０２に軸線方向移動可能に保持される等の構造上の制約から、第１密封環１０３のような対称軸が存在する単純断面形状のものとなしておくことができず、図２０に示す如く、断面の図心を通過する対称軸が存在しない断面形状、つまり第２密封環１０６の表面形態が部分的に大きく変化するような断面形状のものとなる。したがって、第２密封環１０６にあっては被密封流体の圧力による圧縮力が局部的に大きく変化することになることから、第２密封環１０６の断面形状も上記したような圧力歪１１２が生じる大きな原因となっている。

本発明は、このような問題を生じることなく、高圧条件下においても密封端面間を適正な非接触状態に保持することができ、シール機能を長期に亘って良好且つ安定して発揮させることができる非接触形メカニカルシールを提供することを目的とするものである。

本発明は、第１密封環とこれより軟質の材料で構成された第２密封環とを相対回転させることにより、両密封環の対向端面である密封端面間を非接触状態に保持させつつ被密封流体をシールするように構成された非接触形メカニカルシールであって、被密封流体の圧力により第２密封環の密封端面に圧力歪が生じる高圧条件下で使用される非接触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、第２密封環における密封端面を除く表面部分に、周方向に並列する複数の歪制御用凹部を形成して、当該密封端面に生じる圧力歪を、同一又は略同一の凹凸パターンが当該密封端面の周方向に連続するうねり波形をなすように、制御することを提案するものである。

かかる非接触形メカニカルシールの好ましい実施の形態にあっては、第２密封環はカーボンで構成されており、その断面（当該密封環の軸線を通過する平面上の断面）が当該断面における図心を通過する対称軸を有しない形状をなすものである。

また、歪制御用凹部は、第２密封環の表面部分（密封端面を除く）であって被密封流体の圧力が作用する部分（以下「受圧部分」という）に形成されるが、第２密封環の形状や被密封流体の圧力等のシール条件によっては、受圧部分以外の表面部分（被密封流体の圧力が作用しない部分（以下「非受圧部分」という））にも形成することが可能である。

また、第２密封環を軸線回りで複数の分割密封環部分に等分したと仮定した場合に、各分割密封環部分に形成される歪制御用凹部とこれに隣接する分割密封環部分に形成される歪制御用凹部とを、それらの数及び配置を含めて同一の形態をなすように形成することによって、当該密封端面に生じる圧力歪を、各分割密封環部分の密封端面部分に形成される圧力歪の凹凸パターンとこれに隣接する分割密封環部分の密封端面部分に形成される圧力歪の凹凸パターンとが同一又は略同一となるように、制御することが好ましい。かかる場合にあって、各分割密封環部分の密封端面部分における圧力歪の凹凸パターンは、当該密封端面部分の外周側における歪量と当該密封端面部分の内周側における歪量とが同一又は略同一となることが好ましい。また、各分割密封環部分には１個以上の歪制御用凹部が形成されるが、その場合、形状を同一とする１種類の歪制御用凹部が形成されるか、或いは形状を異にする複数種類の歪制御用凹部が形成される。

また、本発明は、一般に、第１密封環が回転軸に固定されると共に、第２密封環がシールケースに相対回転不能に且つ軸線方向移動可能に保持されている非接触形メカニカルシールに適用されるが、特に、第２密封環が、シールケースに相対回転不能に且つ軸線方向移動可能に保持された保持環を介して、シールケースに保持されている非接触形メカニカルシールにおいて好適に適用することができる。かかる非接触形メカニカルシールとしては、一般に、第１密封環の密封端面に形成した動圧発生溝により、密封端面間に被密封流体による動圧を発生させるように構成された動圧形のものがある。また、本発明を、第２密封環に形成した係合凹部にシールケース又は保持環に設けた係合突起（ドライブピン等）を係合させることにより当該密封環のシールケース又は保持環に対する相対回転を阻止するように構成された非接触形メカニカルシールに適用する場合、第２密封環に形成される複数の歪制御用凹部の一部を当該係合凹部として使用することが好ましい。

本発明は、第２密封環の密封端面を除く表面部分に周方向に並列する歪制御用凹部を形成しておくことによって、被密封流体の圧力が作用した場合に、歪制御用凹部による切欠効果（応力集中）によって歪制御用凹部の形成部分に積極的に歪を生じさせ、当該密封端面に生じる圧力歪を、同一又は略同一の凹凸パターンが当該密封端面の周方向に連続するうねり波形をなすように、制御するものである。したがって、第２密封環の密封端面において圧力歪が局部的に生じることがなく、密封端面全体に分散されることになり、当該歪制御用凹部を形成しない場合に比して歪量が大幅に小さくなる。その結果、本発明の非接触形メカニカルシールにあっては、第１密封環に比して軟質のカーボン等で構成される第２密封環について、その密封端面が局部的に大きく変形して平滑度（平面度）や相手密封端面との平行度，同心度が損なわれるようなことがなく、高圧条件下においても、シール機能を長期に亘って良好且つ安定して発揮させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図５を参照して具体的に説明する。

図１は本発明に係る非接触形メカニカルシールの一例を示す縦断側面図であり、図２は図１のII−II線に沿う縦断正面図であり、図３は図２の要部の拡大図であり、図４は図１の要部を取り出して示す作用説明図である。また、図５は当該メカニカルシールにおける両密封環の対向端面部分を軸線回りで切断して周方向に展開した断面図であって、第２密封環の密封端面に生じる圧力歪の周方向における凹凸パターンを模式的に示すものであり、同図（Ａ）は図３及び図４のVa−Va線に沿う断面の展開図であり、同図（Ｂ）は図３及び図４のVb−Vb線に沿う断面の展開図であり、同図（Ｃ）は図３及び図４のVc−Vc線に沿う断面の展開図である。

この実施の形態における非接触形メカニカルシールＭは、図１に示す如く、回転機器（コンプレッサ，ブロワ，攪拌機等）の回転軸１に固定された第１密封環たる回転密封環３と、回転機器ハウジングに取り付けられたシールケース２と、シールケース２に軸線方向移動可能に保持された保持環４と、シールケース２と保持環４との間に介装されたスプリング部材５と、シールケース２に保持環４を介して軸線方向移動可能に保持された第２密封環たる静止密封環６とを具備して、両密封環３，６の対向端面たる密封端面３ａ，６ａを、その間に発生させた動圧により非接触状態に保持しつつ、プロセス流体領域である被密封流体領域（例えば、回転機器ハウジング内の高圧ガス領域）Ｈと非密封流体領域（例えば、回転機器ハウジング外の大気領域）Ｌとを遮蔽シールするように構成された動圧形のノンコンタクトガスシールである。

シールケース２は、図１に示す如く、筒状のケース本体２ａとその内周部に突設された環状のリテーナ部２ｂとを具備する金属製（一般に、ＳＵＳ４０３等のステンレス鋼）の円筒構造体であって、回転軸１が同心状に貫通する状態で回転機器ハウジングに取り付けられている。

回転密封環３は、図１に示す如く、スリーブ１ａ，１ｂを介して回転軸１に固定された断面方形状の円環状体であり、先端面（静止密封環４に対向する端面）を軸線に直交する平滑面である密封端面（以下「回転側密封端面」という）３ａに構成した硬質材（ＷＣ，ＳｉＣ等のセラミックスや超硬合金等）製のものである。回転側密封端面３ａには、被密封流体領域Ｈに望む外周部へと開口するスパイラル状等の適宜形状をなす動圧発生溝３ｂが形成されている。この動圧発生溝３ｂの作用により、冒頭で述べた従来シールと同様に、両密封環３，６の相対回転に伴い密封端面３ａ，６ａ間に動圧を発生せしめて、密封端面３ａ，６ａ間を被密封流体（被密封流体領域Ｈの流体たるプロセス流体）による流体膜を介在形成させた非接触状態（図５（Ａ）参照）に保持し、この流体膜の形成部分において、密封端面３ａ，６ａの外周側領域である被密封流体領域Ｈとその内周側領域である非密封流体領域Ｌとの間をシールするようになっている。なお、回転密封環３の先端面における内周側部分にはスリーブ１ｂが衝合しているが、このスリーブ１ｂが衝合する当該内周側部分は回転側密封端面３ａを構成しない。

保持環４は、図１に示す如く、円筒状の被保持部４ａとその外周部に突設した円環状の押圧部４ｂとを備えた断面Ｔ字形状の円筒構造体であり、シールケース２と同様の金属材で構成されている。保持環４は、図１に示す如く、被保持部４ａをシールケース２のリテーナ部２ｂの内周部にＯリング７を介して嵌挿保持させることによって、シールケース２にこれとの間を二次シールさせた状態で、軸線方向に移動可能に保持されている。また、保持環４は、図１に示す如く、押圧部４ｂに突設した係合突起たるドライブピン８をシールケース２のリテーナ部２ｂに形成した係合凹部２ｃに係合させることにより、所定範囲での軸線方向移動が許容され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。

スプリング部材５は、図１に示す如く、適当数のコイルスプリング（１個のみ図示）をシールケース２のリテーナ部２ｂと保持環４の押圧部４ｂとの間に軸線周りに等間隔を隔てた状態で介装してなり、保持環４を回転密封環３に向かう方向に押圧附勢する。

静止密封環６は、図１に示す如く、外周面の基端部に環状凸部６ｂを形成すると共に内周面の基端部に環状凹部６ｃを形成した円環状体であって、その断面（軸線を通過する平面上における断面）を当該断面の図心を通過する対称軸を有しない形状とするものである。静止密封環６の先端面（回転密封環３に対向する端面）は、軸線に直交する平滑面である密封端面（以下「静止側密封端面」という）６ａに構成されている。静止密封環６の先端側部分（環状凸部６ｂ及び環状凹部６ｃが形成されていない部分）の内外径つまり静止側密封端面６ａの内径及び外径は、その内径が回転側密封端面３ａの内径より大きく且つその外径が回転側密封端面３ａの外径より小さくなるように、設定されている。

静止密封環６は、回転密封環３の構成材より軟質の材料（この例では、カーボン）で構成されており、シールケース２に保持環４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、静止密封環６は、図１に示す如く、スプリング部材５により、保持環４と静止密封環６との対向端面４ｃ，６ｄ間にＯリング９を挟圧させた状態で保持環４に保持されており、保持環５の押圧部に突設した適当数（１個のみ図示）の係合突起たるドライブピン１０を静止密封環６に形成した係合凹部６ｅに突入係合させることにより、保持環４に対する相対回転が阻止されている。なお、静止密封環５の環状凸部５ｂは、例えばＪＩＳ−Ｂ０４０１にいう「すき間ばめ」程度の寸法公差をもってシールケース２のケース本体２ａに嵌合されていて、両者２ａ，５ｂの対向周面間に、静止密封環５の径方向変位を可及的に阻止するも軸線方向移動並びに流体の通過を許容する微小隙間が形成されるようになっている。また、保持環４には、図１に示す如く、Ｏリング９を内径側部分を保持するＯリング保持筒４ｄが形成されており、このＯリング保持筒４ｄは静止密封環６の環状凹部６ｃに微小隙間を有して嵌合されている。

而して、静止密封環６における密封端面６ａを除く表面部分には、図１〜図４に示す如く、静止側密封端面６ａの周方向に並列する複数の歪制御用凹部１１が形成されている。

この歪制御用凹部１１の形状，数，配置は、図５に示す如く、被密封流体（被密封流体領域Ｈの流体）の圧力によって静止側密封端面６ａに生じる圧力歪を同一又は略同一の凹凸パターン１２が当該密封端面５ａの周方向に連続するうねり波形をなすように制御しうるべく設定されている。

すなわち、図２に示す如く、静止密封環６を軸線回りでＮ等分したと仮定した場合に、各分割密封環部分Ｓに形成される歪制御用凹部１１とこれに隣接する分割密封環部分Ｓに形成される歪制御用凹部１１とを、それらの数及び配置を含めて同一の形態をなすように形成し、切欠効果による応力集中により、歪制御用凹部１１の形成部分に積極的に圧力歪を生じさせることにより、図４に示す如く、各分割密封環部分Ｓの密封端面部分に形成される圧力歪の凹凸パターン１２とこれに隣接する分割密封環部分Ｓの密封端面部分に形成される圧力歪の凹凸パターン１２とが同一又は略同一となるように制御するのである。なお、分割密封環部分Ｓの数Ｎ、つまり静止側密封端面６ａの全周に亘って形成される凹凸パターン１２の数（連続数）は、当該歪制御用凹部１１を形成することによって静止密封環６の強度がシール機能に悪影響を与える程度にまで低下しない範囲において可及的に多くなるように設定しておくことが好ましく、この例では、図２に示す如く、Ｎ＝８としてある。

各分割密封環部分Ｓに形成する歪制御用凹部１１の数，形状，配置は、制御すべき圧力歪（歪制御用凹部１１を形成しない場合において静止側密封端面６ａに生じる圧力歪）の程度や静止密封環６の形状等のシール条件に応じて、図５に示す如く、各分割密封環部分Ｓの密封端面部分に生じる圧力歪の凹凸パターン１２が同一又は略同一となるように設定されている。ところで、各凹凸パターン１２における凹凸形態は、歪制御用凹部１１の位置や形状との関係で、静止側密封環６ａの半径方向位置によって異なることになるが、上記歪制御用凹部１１の数，形状，配置を、各凹凸パターン１２の半径方向における歪量が少なくとも静止側密封端面６ａの内外周側で同一又は略同一となるように設定しておくことが好ましい。この例では、図５に示す如く、静止側密封端面６ａの外周側における凹凸パターン部分（以下「外周側凹凸パターン部分」という）１２ａの歪量（最大歪量）Ｄ１と当該密封端面６ｂの内周側における凹凸パターン部分（以下「内周側凹凸パターン部分」という）１２ｃの歪量（最大歪量）Ｄ３とが同一又は略同一となるように、更には当該密封端面６ｂの径方向中間部分における凹凸パターン部分（以下「中間凹凸パターン部分」という）１２ｂの歪量（最大歪量）Ｄ２もこれらの歪量Ｄ１，Ｄ２と同一又は略同一となるように、各分割密封環部分Ｓにおける歪制御用凹部１１の数，形状，配置を設定してある。

すなわち、各分割密封環部分Ｓには１個以上の歪制御用凹部１１が形成されるが、この例では、形状の異なる複数種類の歪制御用凹部１１が形成されている。すなわち、各分割密封環部分Ｓには、図２及び図３に示す如く、Ｎ１個の第１歪制御用凹部１１ａとＮ２個の第２歪制御用凹部１１ｂとが形成されており、何れも静止密封環６における密封端面６ａの表面部分であって被密封流体の圧力が作用する受圧部分に形成されている。

各第１歪制御用凹部１１ａは、図１〜図４に示す如く、静止密封環６の受圧部分である環状凸部６ｂを部分的に切欠してなる凹溝であり、各分割密封環部分Ｓにおける形成数はＮ１＝１である。すなわち、環状凸部６ｂには、その外周面上に等間隔θ１（＝３６０°／Ｎ＝４５°）を隔ててＮ１×Ｎ＝８個の第１歪制御用凹部１１ａが形成されている。

また、各第２歪制御用凹部１１ｂは、図１〜図４に示す如く、静止密封環６の背面部６ｄにおける受圧部分つまりＯリング９による二次シール箇所より外周側の部分に穿設されたザグリ穴であり、各分割密封環部分Ｓにおける形成数はＮ２＝１である。すなわち、背面部６ｄにおける当該二次シール箇所より外周側の部分には、軸線を中心とする同一円上に等間隔θ２（＝３６０°／Ｎ＝４５°）を隔ててＮ２×Ｎ＝８個の第２歪制御用凹部１１ｂが形成されている。

なお、この例では、図１に示す如く、第２歪制御用凹部１１ｂと前記ドライブピン１０を係合させるための係合凹部６ｅとを静止密封環６の半径方向における位置を同一に設定して、第２歪制御用凹部１１ｂ群の一部を係合凹部６ｅとして使用している。また、第１歪制御用凹部１１ａと第２歪制御用凹部１１ｂとは、図２に示す如く、静止密封環６の周方向において齟齬するように配置されており、この例では、両歪制御用凹部１１ａ，１１ｂの間隔θをθ＝θ１／２＝θ２／＝２２．５°としてある。すなわち、周方向において隣接する第１歪制御用凹部１１ａ，１１ａ間の中間に第２歪制御用凹部１１ｂが位置するように設定してある。

以上のように構成された非接触形メカニカルシールＭにあっては、静止密封環６の受圧部分に歪制御用凹部１１（第１及び第２歪制御用凹部１１ａ，１１ｂ）が形成されているから、被密封流体の圧力が作用した場合、歪制御用凹部１１による切欠効果により、各歪制御用凹部１１の形成部分に応力集中による歪が発生することになるが、各分割密封環部分Ｓにおける歪制御用凹部１１の数，形状，配置が同一であることから、各分割密封環部分Ｓにおける当該歪による凹凸パターン１２は同一又は略同一となる。すなわち、被密封流体の圧力によって静止側密封端面６ａに生じる圧力歪は、図５に示す如く、静止側密封端面６ａの周方向に同一又は略同一の凹凸パターン１２が連続するうねり波形をなすように制御される。

したがって、歪制御用凹部１１を形成しない場合において静止側密封端面６ａに局部的に圧力歪が生じる場合に比して、当該圧力歪が密封端面６ａ全体に分散されることになり、歪量も小さくなる。すなわち、図２２に示す如く局部的に圧力歪が生じる場合の歪量Ｄに比して、歪制御用凹部１１を形成した場合の歪量Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は図５に示す如く大幅に小さくなる。その結果、静止側密封端面６ａ全体としての歪量が大幅に小さくなり、当該密封端面６の平滑度（平面度）や相手密封端面たる回転側密封端面３ａに対する平行度，同心度が大きく損なわれることがなく、密封端面３ａ，６ａ間に適正な動圧を発生させることができ、図４（Ａ）に示す如く、密封端面３ａ，６ａ間を適正な非接触状態に保持することができる。

また、上記した如く静止側密封端面６ａ全体として歪量が小さくなることから、仮に、図４（Ｂ）に示す如く、静止側密封端面６ａが外開き状態に変形して、その内周側端縁部が回転側密封端面３ａに接触するようなことがある場合、或いは、同図（Ｃ）に示す如く、静止側密封端面６ａが回転側密封端面３ａに対して内開き状態に変形して、その外周側端縁部が回転側密封端面３ａに接触するようなことがある場合にも、その接触程度が極めて低くなり、静止側密封端面６ａが損傷するような虞れが少ない。

さらに、歪制御用凹部１１の数，形状，配置を工夫しておくことにより、静止側密封端面６に生じる圧力歪を、図５に示す如く、外周側凹凸パターン部分１２ａ及び内周側凹凸パターン部分１２ｃにおける歪量Ｄ１，Ｄ３が同一又は略同一となるよう凹凸パターン１２が、更には中間凹凸パターン１２ｂの歪量Ｄ２もこれらの歪量Ｄ１，Ｄ２となるような凹凸パターン１２が周方向に連続するように制御することができ、このように圧力歪を制御しておくことにより、静止側密封端面６ａ全体の変形量を極めて小さくすることができ、当該密封端面６ａの平滑度（平面度）や相手密封端面３ａに対する平行度，同心度を適正に保持することができ、上記した外開き状態（図４（Ｂ））や内開き状態（同図（Ｃ））に変形して相手密封端面３ａへの接触も可及的に回避される。

したがって、上記した如く構成された非接触形メカニカルシールＭによれば、静止密封環６に圧力歪が生じるような高圧条件下で使用した場合にも、長期に亘って良好且つ安定したシール機能を発揮させることができる。

また、上記した非接触形メカニカルシールＭにおいては、第２歪制御用凹部１１ｂ群の一部をドライブピン１０が係合する係合凹部６ｅとして使用しているが、このようにしておくことにより、上記した圧力歪の制御を適正且つ容易に行うことができる。すなわち、静止密封環６の受圧部分に歪制御用凹部１１に加えて係合凹部６ｅを別途形成しておく場合には、この係合凹部６ｅによる切欠効果をも考慮して歪制御用凹部１１の数，形状，配置を設定する必要があり、上記した圧力歪の制御を適正且つ容易に行うことが困難である。特に、係合凹部６ｅが１つである場合や複数でもあっても静止密封環６の周方向に等間隔で配置されていない場合、更には複数の係合凹部６ｅが静止密封環６の周方向に等間隔で配置されていても分割密封環部分Ｓの数より少ない場合（一又は複数の分割密封環部分Ｓとこれ以外の分割密封環部分Ｓとで当該分割密封環部分Ｓに形成される歪制御用凹部１１及び係合凹部６ｅの数が異なる場合）には、圧力歪を同一又は略同一の凹凸パターン１２が周方向に連続するうねり波形をなすように制御することが極めて困難となる。

ところで、本発明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。

例えば、上記した実施の形態における如く各分割密封環部分Ｓに第１及び第２歪制御用凹部１１ａ，１１ｂを１個づつ形成しておく場合、第１歪制御用凹部１１ａと第２歪制御用凹部１１ｂとを、図６に示す如く、静止密封環６の周方向において齟齬しないように、つまり第１及び第２歪制御用凹部１１ａ，１１ｂが同一半径線上に位置するように配置しておくようにしてによい。

また、各分割密封環部分Ｓには、図７又は図８に示す如く、第１及び第２歪制御用凹部１１ａ，１１ｂの一方のみを形成するようにしてもよい。かかる場合においても、第２歪制御用凹部１１ｂのみを形成しておく場合（図８）には、当該凹部１１ｂ群の一部をドライブピン１０を係合させる係合凹部６ｅとして使用することが好ましい。また、第１歪制御用凹部１１ａのみを形成する場合（図７）にあっても、当該凹部１１ａ群の一部を静止密封環６の保持環４又はシールケース２に対する相対回転阻止手段として利用することが好ましい。例えば、当該一部の第１歪制御用凹部１１ａを保持環４又はシールケース２に設けたドライブピン等の係合突起が係合する係合凹部として使用するのである。第１及び第２歪制御用凹部１１ａ，１１ｂの何れを当該係合凹部として使用する場合においても、歪制御用凹部１１の総数は係合凹部として兼用する数を上回るものとする。

また、図３及び図６〜図８に示す例では、各分割密封環部分Ｓに形成する第１及び／又は第２歪制御用凹部１１ａ，１１ｂの数Ｎ１，Ｎ２をＮ１＝Ｎ２＝１としたが、これらの凹部数Ｎ１，Ｎ２は、各分割密封環部分Ｓにおける歪制御用凹部１１の形態が同一となることを条件として、任意に設定することができる。例えば、図９〜図１２に示す如く、各分割密封環部分Ｓに２個以上（Ｎ１≧２，Ｎ２≧２）の第１歪制御用凹部１１ａ及び／又は第２歪制御用凹部１１ｂを設けておくことができる。この場合、各分割密封環部分Ｓに形成する第１歪制御用凹部１１ａ相互間の周方向間隔及び／又は第２歪制御用凹部１１ｂ相互間の周方向間隔は一定でなくともよく図９〜図１３に示す例では、当該周方向間隔が異なるように設定されている。また、この場合において、図９に示す如く、１個の歪制御用凹部１０（図９の例では、第２歪制御用凹部１１ｂ）が隣接する分割密封環部分Ｓ，Ｓに跨った形態で配置しておくことも可能である。また、各分割密封環部分Ｓに形成する第１歪制御用凹部１１ａの数Ｎ１と第２歪制御用凹部１１ｂの数Ｎ２とが異なるようにすることもでき、かかる場合、例えば図１４又は図１５に示す如く、第１及び第２歪制御用凹部１１ａ，１１ｂの一方は１個としておくことも可能である。

また、上記した実施の形態においては、第１歪制御用凹部１１ａ群の一部又は第２歪制御用凹部１１ｂ群の一部を係合凹部６ｅとして使用したが、本発明においてはすべての歪制御用凹部１１を相対回転阻止手段としての係合凹部として使用することを排除するものであり、第１及び第２歪制御用凹部１１ａ，１１ｂが形成される場合において、すべての第１歪制御用凹部１１ａ又はすべての第２歪制御用凹部１１ｂを当該係合凹部として使用することは排除しない。例えば、図１５に示すものにおいては、すべての第２歪制御用凹部１１ｂを係合凹部６ｅとして使用することも可能である。

また、各分割密封環部分Ｓには、図７及び図８に示す如く、形状を同一とする１種類の歪制御用凹部１１（第１及び第２歪制御用凹部１１ａ，１１ｂの何れか一方）を形成しておくことや、図３、図６及び図９〜図１５に示す如く、形状を異にする２種類の歪制御用凹部１１（第１及び第２歪制御用凹部１０ａ，１０ｂ）を形成しておくことができるが、更に、形状の異なる３種類以上の歪制御用凹部１１（後述する如く、静止密封環６における被密封流体が作用しない非受圧部分に形成するものを含む）を形成するようにすることも可能である。例えば、図１６に示す如く、第１及び第２歪制御用凹部１１ａ，１１ｂに加えて、これらと形状の異なる第３歪制御用凹部１１ｃを形成しておくようにしてもよい。

また、各歪制御用凹部１１の形状及びその静止密封環６における形成部位は、上記した実施の形態に限定に限定されず、静止密封環６の形状等のシール条件に応じて適宜に設定することができる。例えば、各歪制御用凹部１１は、図１７（Ａ）〜（Ｅ）に示す如き凹溝形状ないし陥没形状又は貫通孔形状のものとしておくことができ、これらは、一般に、静止密封環６における被密封流体が作用する受圧部分に形成されるが、同図（Ｅ）に示す如く、被密封流体が作用しない非受圧部分にも形成することが可能である。但し、各歪制御用凹部１１を、図１７（Ｆ）（Ｇ）に示す如く、当該歪制御用凹部１１の一部が静止側密封端面６ａに露出するように形成しておくことは避けるべきである。また、図１７（Ｈ）に示す如く、各歪制御用凹部１１を被密封流体Ｈと非密封流体領域Ｌとを連通するような形状とすることも、当然に避けるべきである。

また、本発明は、プロセス流体を被密封流体としてシールする非接触形メカニカルシールのみならず、プロセス流体以外の流体を被密封流体としてシールする非接触形メカニカルシールにも適用することが可能である。例えば、図１８は、第１及び第２非接触形メカニカルシールＭ１，Ｍ２を同一の向きに配置したタンデムシールであり、第１非接触形メカニカルシールＭ１はプロセス流体領域Ｈ１をシールする主シールとして機能し、第２非接触形メカニカルシールＭ２は第１非接触形メカニカルシールＭ１から中間領域Ｈ２への漏洩流体をシールする安全シールとして機能する。かかるタンデムシールはプロセス流体が極めて高圧である場合に使用するものであり、中間領域Ｈにおける流体圧力も相当以上に高圧となる。したがって、本発明を、被密封流体領域であるプロセス領域領域Ｈ１と非密封流体領域である中間領域Ｈ２とをシールする第１非接触形メカニカルシールＭ１に適用すること（カーボン製密封環６に歪制御用凹部１１を形成すること）は勿論、被密封流体領域である中間領域Ｈと大気領域である非密封流体領域Ｌとをシールする第２非接触形メカニカルシールＭ２に適用しておくこと（カーボン製密封環６に歪制御用凹部１１を形成すること）は極めて有効である。また、図１９は、第１及び第２非接触形メカニカルシールＭ１，Ｍ２を逆向きに配置したダブルシールの一例を示すものであり、中間領域Ｈ２にプロセス流体領域Ｈ１より高圧のバッファ流体（窒素ガス等）１３を供給することにより、バッファ流体１３のプロセス流体領域Ｈ１（及び非密封流体領域Ｌ）への漏洩を許容しつつプロセス流体をシールするものである。かかるダブルシールにおいても、被密封流体領域である中間領域Ｈ２と非密封流体領域であるプロセス流体領域Ｈ１とをシールする第１非接触形メカニカルシールＭ１及び被密封流体領域である中間領域Ｈ２と非密封流体領域Ｌとをシールする第２非接触形メカニカルシールＭ２の何れにも本発明を適用すること（カーボン製密封環６に歪制御用凹部１１を形成すること）ができる。なお、図１８及び図１９に示す各メカニカルシールＭ１，Ｍ２は図１に示すメカニカルシールＭと基本構造を同一とするものであるから、図１８及び図１９においてメカニカルシールＭの構成部材に対応する構成部材について図１と同一の符号を付することによって、その詳細な説明は省略する。

本発明に係る非接触形メカニカルシールの一例を示す縦断側面図である。 図１のII−II線に沿う縦断正面図である。 図２の要部の拡大図である。 図１の要部を取り出して示す作用説明図である。 図１に示すメカニカルシールにおける両密封環の対向端面部分を軸線回りで切断して周方向に展開した断面図であって、第２密封環の密封端面に生じる圧力歪の周方向における凹凸パターンを模式的に示すものである。 歪制御用凹部の変形例を示す図２相当の縦断正面図である。 歪制御用凹部の他の変形例を示す図２相当の縦断正面図である。 歪制御用凹部の更に他の変形例を示す図２相当の縦断正面図である。 歪制御用凹部の更に他の変形例を示す図２相当の縦断正面図である。 歪制御用凹部の更に他の変形例を示す図２相当の縦断正面図である。 歪制御用凹部の更に他の変形例を示す図２相当の縦断正面図である。 歪制御用凹部の更に他の変形例を示す図２相当の縦断正面図である。 歪制御用凹部の更に他の変形例を示す図２相当の縦断正面図である。 歪制御用凹部の更に他の変形例を示す図２相当の縦断正面図である。 歪制御用凹部の更に他の変形例を示す図２相当の縦断正面図である。 歪制御用凹部の更に他の変形例を示す図２相当の縦断正面図である。 歪制御用凹部の更に他の変形例を示す図５相当の縦断側面図である。 本発明に係る非接触形メカニカルシールの変形例を示す縦断側面図である。 本発明に係る非接触形メカニカルシールの他の変形例を示す縦断側面図である。 従来シールを示す縦断側面図である。 図２０の要部を取り出して示す作用説明図だある。 従来シールにおける両密封環を周方向に断面した展開したものであり、図２１のXXII−XXII線に沿う展開断面図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ シールケース
３ 回転密封環（第１密封環）
３ａ 回転側密封端面（第１密封環の密封端面）
３ｂ 動圧発生溝
４ 保持環
５ スプリング部材
６ 静止密封環（第２密封環）
６ａ 静止側密封端面（第２密封環の密封端面）
６ｅ 係合凹部
１０ ドライブピン（係合突起）
１１ 歪制御用凹部
１１ａ 第１歪制御用凹部
１１ｂ 第２歪制御用凹部
１１ｃ 第３歪制御用凹部
１２ 凹凸パターン
１２ａ 外周側凹凸パターン部分
１２ｂ 中間凹凸パターン部分
１２ｃ 内周側凹凸パターン部分
Ｄ１ 外周側凹凸パターン部分における歪量
Ｄ２ 中間凹凸パターン部分における歪量
Ｄ３ 内周側凹凸パターン部分における歪量
Ｈ 被密封流体領域
Ｈ１ 被密封流体領域
Ｈ２ 被密封流体領域
Ｌ 非密封流体領域
Ｌ１ 非密封流体領域
Ｌ２ 非密封流体領域
Ｍ 非接触形メカニカルシール
Ｍ１ 第１非接触形メカニカルシール
Ｍ２ 第２非接触形メカニカルシール
Ｓ 分割密封環部分

Claims (14)

1. 第１密封環とこれより軟質の材料で構成された第２密封環とを相対回転させることにより、両密封環の対向端面である密封端面間を非接触状態に保持させつつ被密封流体をシールするように構成された非接触形メカニカルシールであって、被密封流体の圧力により第２密封環の密封端面に圧力歪が生じる高圧条件下で使用される非接触形メカニカルシールにおいて、
   第２密封環における密封端面を除く表面部分に、周方向に並列する複数の歪制御用凹部を形成して、当該密封端面に生じる圧力歪を、同一又は略同一の凹凸パターンが当該密封端面の周方向に連続するうねり波形をなすように、制御することを特徴とする非接触形メカニカルシール。
2. 第２密封環がカーボンで構成されたものであることを特徴とする、請求項１に記載する非接触形メカニカルシール。
3. 第２密封環の断面が、当該断面における図心を通過する対称軸を有しない形状をなすことを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する非接触形メカニカルシール
4. 歪制御用凹部が形成される第２密封環の表面部分が、被密封流体の圧力が作用する部分であることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れかに記載する非接触形メカニカルシール。
5. 歪制御用凹部が形成される第２密封環の表面部分が、被密封流体の圧力が作用しない部分であることを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れかに記載する非接触形メカニカルシール。
6. 第２密封環を軸線回りで複数の分割密封環部分に等分したと仮定した場合に、各分割密封環部分に形成される歪制御用凹部とこれに隣接する分割密封環部分に形成される歪制御用凹部とを、それらの数及び配置を含めて同一の形態をなすように形成することによって、当該密封端面に生じる圧力歪を、各分割密封環部分の密封端面部分に形成される圧力歪の凹凸パターンとこれに隣接する分割密封環部分の密封端面部分に形成される圧力歪の凹凸パターンとが同一又は略同一となるように、制御することを特徴とする、請求項１〜請求項５の何れかに記載する非接触形メカニカルシール。
7. 各分割密封環部分の密封端面部分における圧力歪の凹凸パターンは、当該密封端面部分の外周側における歪量と当該密封端面部分の内周側における歪量とが同一又は略同一となるものであることを特徴とする、請求項６に記載する非接触形メカニカルシール。
8. 各分割密封環部分には、１個以上の歪制御用凹部が形成されていることを特徴とする、請求項６又は請求項７に記載する非接触形メカニカルシール。
9. 各分割密封環部分には、形状を同一とする１種類の歪制御用凹部が形成されていることを特徴とする、請求項８に記載する非接触形メカニカルシール。
10. 各分割密封環部分には、形状を異にする複数種類の歪制御用凹部が形成されていることを特徴とする、請求項８に記載する非接触形メカニカルシール。
11. 第１密封環が回転軸に固定されると共に、第２密封環がシールケースに相対回転不能に且つ軸線方向移動可能に保持されていることを特徴とする、請求項１〜請求項１０の何れかに記載する非接触形メカニカルシール。
12. 第２密封環が、シールケースに相対回転不能に且つ軸線方向移動可能に保持された保持環を介して、シールケースに保持されていることを特徴とする、請求項１１に記載する非接触形メカニカルシール。
13. 第２密封環に形成した係合凹部にシールケース又は保持環に設けた係合突起を係合させることにより当該密封環のシールケース又は保持環に対する相対回転を阻止するように構成された非接触形メカニカルシールであって、第２密封環に形成される複数の歪制御用凹部の一部を当該係合凹部として使用することを特徴とする、請求項１１又は請求項１２に記載する非接触形メカニカルシール。
14. 第１密封環の密封端面に形成した動圧発生溝により、密封端面間に被密封流体による動圧を発生させるように構成したことを特徴とする、請求項１〜請求項１３の何れかに記載する非接触形メカニカルシール。

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