JP2017096373A - 端面接触形メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】回転密封環と保持環との嵌合部分をシールするＯリングが劣化してシール機能を維持し得なくなった場合にも適正なメカニカルシールシール機能を維持する。【解決手段】回転軸２に固定した保持環４にＯリング８を介して嵌合された回転密封環５とシールケース３に軸線方向移動可能に保持された静止密封環６との相対回転摺接作用により被密封流体領域Ａと非密封流体領域Ｂとをシールするように構成されており、回転軸２に、保持環４に対する回転密封環５の静止密封環方向への軸線方向移動を規制すべく回転密封環５を係止するスナップリング１１を取り付けると共に、回転密封環５と保持環４との軸線方向における対向端面４４ａ，５３ａ間に、回転密封環５がスナップリング１１に係止される位置まで軸線方向に移動したときにも当該対向端面４４ａ，５３ａ間の間隙を埋める弾性材製のシート部材９を装填する。【選択図】図１

Description

本発明は、各種産業用ポンプ、ブロワ、圧縮機、攪拌機等の回転機器に装備される軸封手段として使用される端面接触形メカニカルシールに関するものである。

この種の端面接触形メカニカルシールとして、特許文献１及び特許文献２に開示される如く、回転軸に固定された環状体であって先端部分に環状凹部を形成した保持環と、基端部分をその外周面と保持環の先端部分の内周面との径方向における対向周面間に装填したＯリングにより当該対向周面間をシールさせた状態で前記環状凹部に嵌合固定された回転密封環と、先端面を回転密封環の先端面に対向させた状態で回転軸が洞貫するシールケースに相対回転不能で且つ軸線方向移動可能に保持された静止密封環と、シールケースと静止密封環との間に介装されて静止密封環を回転密封環へと押圧附勢するスプリング部材とを具備して、両密封環の先端面の相対回転摺接作用により当該相対回転摺接部分の外周側領域である高圧の被密封流体領域とその内周側領域である低圧の非密封流体領域とを遮蔽シールするように構成された静止形のものが周知である。

かかるメカニカルシールにあっては、特許文献１の図１又は特許文献２の図１に示されるように、保持環の先端部分に先端側及び内周側に開口する環状凹部を形成し、回転密封環の基端部分をその外周面と保持環の先端部分の内周面との径方向における対向周面間にＯリングを装填させることにより当該対向周面間をシールさせた状態で当該環状凹部に嵌合固定しており、回転密封環を保持環に固定する手段として静止密封環の押圧力を利用している。すなわち、静止密封環にはスプリング部材による附勢力及び被密封流体領域の流体（被密封流体）の圧力（背圧）によって回転密封環方向への押圧力が作用し、この押圧力による回転密封環の軸線方向への変位を、特許文献１に開示されたメカニカルシール（以下「第１従来シール」という）では、当該文献１の図１に示す如く、保持環の環状凹部の底面で受け止めることにより、また特許文献２に開示されたメカニカルシール（以下「第２従来シール」という）では、当該文献２の図３に示す如く、前記Ｏリング（保持環と回転密封環との間に軸線方向に挟圧されたＯリング）で受け止めることにより、夫々回転密封環の軸線方向位置を固定している。

特開２０１１−０８０５７８公報 特開２００１−１４１０７６公報

ところで、回転密封環と保持環との間をシールするＯリングは高温に晒される（例えば、Ｏリングに接触する被密封流体が高温であったり、フラッシング手段による密封環の冷却が不十分である等により、Ｏリングが過度に加熱されることがある）ことにより及び／又はケミカルアタック（Ｏリングに接触する被密封流体が当該Ｏリングの材質に対してダメージを与え易い強い腐食性等を有するものである場合（例えば、Ｏリングがフロロシリコンゴム製のものである場合において、これに接触する流体がアクリル酸エチル、アクリロニトリル、アセトアルデヒド、アセトフェノン、アセトン、アンモニア液、酢酸エチル、ニトロベンゼン、ブチルアミン又はメチルエチルケトン等である場合））により劣化（例えば、軟化又は硬化）して所定の弾性力を維持できなくなる虞れがある。

而して、このようにＯリングが所定の弾性力を維持できなくなると、当該Ｏリングによる回転密封環と保持環との嵌合部分を適正にシール（二次シール）できなくなり、被密封流体が両環の嵌合部分から非密封流体領域へと漏れることになり、メカニカルシール機能が低下することになり、極端な場合にはメカニカルシール機能が喪失することになる。

また、スプリング部材による静止密封環の回転密封環方向への附勢力（押圧力）は両密封環の接触面圧が適正となるように設定されているが、Ｏリングによるシール機能が低下ないし喪失すると、高圧の被密封流体が回転密封環の基端面と保持環の環状凹部の底面との間（回転密封環の基端部分と保持環の先端部分との軸線方向における対向端面間）に侵入して、その侵入流体による圧力が回転密封環に背圧として作用することになる。したがって、この背圧による押圧力によって回転密封環がスプリング部材及び背圧による静止密封環に作用する押圧力に抗して静止密封環方向に移動することになり、その結果、両密封環の接触面圧が高くなって当該接触部分が異常摩耗したり焼き付いたりする等、適正なメカニカルシール機能が発揮できなくなる。極端な場合には、回転密封環が保持環の環状凹部から飛び出したり、スプリング部材が破損する虞れがある。

また、特許文献２の図３に示す如く、回転密封環がこれと保持環との間をシールするＯリングによって受け止められていて、回転密封環の基端面と保持環の環状凹部の底面との間に隙間が生じている第２従来シールにあっては、この隙間に非密封流体に含まれる固形成分や油等が固化した固形物が入り込むことがあるが、このような状態で当該Ｏリングの弾性機能が失われると、回転密封環に傾きが生じる虞れがある。そして、回転密封環が傾くと、これに相対回転摺接している静止密封環に首振り運動（軸線方向及び径方向にぶれる運動）が生じて、シール機能が低下ないし喪失する虞れがある。また、静止密封環を押圧附勢するスプリング部材としてベローズを使用している場合には、回転密封環が傾いて静止密封環に首振り運動が生じると、ベローズが常時伸縮動作を繰り返すことになるため、ベローズが疲労破壊する虞れがある。

本発明は、回転密封環と保持環との嵌合部分をシールするＯリングが劣化してシール機能を発揮し得なくなった場合にも上記した問題を生じることなく適正なメカニカルシールシール機能を維持しうる端面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、回転軸に固定された環状体であって先端部分に環状凹部を形成した保持環と、基端部分をその外周面と保持環の先端部分の内周面との径方向における対向周面間に装填したＯリングにより当該対向周面間をシールさせた状態で前記環状凹部に嵌合固定された回転密封環と、先端面を回転密封環の先端面に対向させた状態で回転軸が洞貫するシールケースに相対回転不能で且つ軸線方向移動可能に保持された静止密封環と、シールケースと静止密封環との間に介装されて静止密封環を回転密封環へと押圧附勢するスプリング部材とを具備して、両密封環の先端面の相対回転摺接作用により当該相対回転摺接部分の外周側領域である高圧の被密封流体領域とその内周側領域である低圧の非密封流体領域とを遮蔽シールするように構成された端面接触形メカニカルシールにおいて、上記した目的を達成すべく、特に、回転軸に、保持環に対する回転密封環の静止密封環方向への軸線方向移動を所定範囲に規制すべく回転密封環を係止する係止部材が取り付けられており、回転密封環の基端部分と保持環の先端部分との軸線方向における対向端面間に、軸線方向に弾性力を有する環状弾性部材であって、回転密封環が係止部材に係止される位置まで軸線方向に移動したときにも当該対向端面間の間隙を密に埋めるシート部材が装填されていることを提案するものである。

かかる端面接触形メカニカルシールにあっては、係止部材が回転軸に形成された環状溝に係合固定されたスナップリングであり、回転密封環の先端面における静止密封環の先端面から内周側にはみ出した内周縁部分を係止するものであることが好ましく、シート部材が膨張黒鉛製のリング状シートで構成されたものであることが好ましい。

本発明の端面接触形メカニカルシールにあっては、回転密封環と保持環との間に装填されたＯリングが劣化してシール機能不良となり、保持環と回転密封環との嵌合部分に侵入した被密封流体による背圧により回転密封環に静止密封環方向への押圧力が作用したときにも、回転密封環の静止密封環方向への大きな移動が係止部材により阻止されるから、回転密封環が静止密封環方向に移動して両密封環の接触面圧が必要以上に高くなる等の冒頭で述べたような問題が生じることがない。しかも、Ｏリングによるシール機能が損なわれて回転密封環が係止部材に係止される位置へと移動したときにも、保持環と回転密封環との軸線方向における対向端面間の間隙が弾性材製のシート部材により密に埋められている（シート部材によりシールされている）ことから、両環の嵌合部分から被密封流体が非密封流体領域に漏洩することがない。したがって、本発明に係る端面接触形メカニカルシールによれば、Ｏリングが劣化してシール機能が損なわれる虞れのある条件下においても長期に亘って良好なメカニカルシール機能を発揮させることができる。

図１は本発明に係る端面接触形メカニカルシールの一例を示す断面図である。 図２は図１の要部を拡大して示す詳細図である。 図３は図２と異なる作用状態を示す図２相当の断面図である。 図４は図２のIV−IV線に沿う断面図である。 図５は図２のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 図６は本発明に係る端面接触形メカニカルシールの変形例を示す図２相当の断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図１〜図５に基づいて具体的に説明する。

図１は本発明に係る端面接触形メカニカルシールの一例を示す断面図であり、図２は図１の要部を拡大して示す詳細図であり、図３は図２と異なる作用状態を示す図２相当の断面図であり、図４は図２のIV−IV線に沿う断面図であり、図５は図２のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。

図１に示す端面接触形メカニカルシールＭは、各種産業用ポンプ、ブロワ、圧縮機又は攪拌機等の回転機器（例えば、石油石化プロセスラインに装備されるポンプ等）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１とこれを貫通して機器外に突出する回転軸２との間に組み込まれており、軸封部ケーシング１に回転軸２が洞貫する状態で取付けられたシールケース３と、回転軸２に固定された金属製の保持環４と、保持環４に嵌合固定された回転密封環５と、シールケース３に軸線方向移動可能に保持された静止密封環６と、静止密封環６を回転密封環５へと押圧接触させるべく軸線方向に附勢するスプリング部材７とを具備して、両密封環５，６の先端面である密封端面５１ａ，６１ａの相対回転摺接作用により当該相対回転摺接部分の外周側領域である高圧の被密封流体領域（機内領域）Ａとその内周側領域である低圧の非密封流体領域（機外領域（この例では大気領域））Ｂとの間を遮蔽シールするように構成されている。なお、以下の説明において、前後とは図１〜図３における左右を意味するものとする。

回転軸２は、図１に示す如く、シールケース３を同心状に貫通する水平軸である軸本体２１とこれに挿通固定されたスリーブ２２とからなる。スリーブ２２は、基端部（後端部）２２ａを厚肉部とする円筒体であり、基端部２２ａをシールケース３外であって軸封ケーシング１の機外側端部（前端部）内に位置させると共に先端部（前端部）２２ｂをシールケース３外に突出させた状態で、先端部２２ｂに取り付けた固定リング２３により軸本体２１に挿脱可能に固定されている。固定リング２３は、スリーブ２２の先端部２２ｂ及び軸本体２１にセットスクリュー２４，２５を締付けることによりスリーブ２２を軸本体２１に固定するものである。

シールケース３は、図１に示す如く、軸封部ケーシング１の前端部に取り付けられた円筒状のフランジ３１とその先端部（前端部）に取り付けられた円環状のプレート３２とその内周側後端部及びフランジ３１の前端側内周部に嵌合合固定された円環状のスプリングリテーナ３３とに分割構成された円筒状構造物である。なお、プレート３２の内周部には回転軸２（スリーブ２２）との間をシールするブッシュシール３２ａが取り付けられている。

保持環４は、図１に示す如く、金属材料（例えば、ＳＵＳ３１６等）で構成された外径一定の円環状体であり、先端方向（前方）及び内周方向に開口する環状凹部４１を形成した先端部分４２，４３，４４とスリーブ２２の基端部２２ａに嵌合された基端部分４５とからなり、基端部分４５に螺合させたセットスクリュー４６をスリーブ２２に締め付けることによりスリーブ２２の基端部２２ａに固定されている。

保持環４の先端部分は、図２に示す如く、内周面が基端方向（後方）に階段状に小径となる第１〜第３先端部分４２，４３，４４で構成されており、第１先端部分４２及びこれに連なる第２先端部分４３の内周面４２ａ，４３ａにより環状凹部４１の外周面が形成されると共に、第２先端部分４３と基端部分４５とを連結する第３先端部分４４の先端面（前端面）４４ａにより環状凹部４１の底面が形成されている。第１及び第２先端部分４２，４３の内周面４２ａ，４３ａは軸線に平行する円筒内周面（円柱面）であり、第２先端部分４３の先端面（前端面）４３ｂ（第１先端部分４２とこれより厚肉の第２先端部分４３との内周面４２ａ，４３ａ間を連結する環状平面）及び環状凹部４１の底面である第３先端部分４４の前端面（環状凹部４１の底面）４４ａは軸線に直交する環状平面である。

回転密封環５は、図１に示す如く、一般的な密封環構成材料（この例では、炭化珪素）で構成された内径一定で且つ両端面（前後端面）５１ａ，５３ａが軸線に直交する円環状体であり、先端面（前端面）を平滑な環状平面である密封端面５１ａに構成した先端部分５１と保持環４に連結される基端部分５２，５３とからなる。この基端部分は、図２に示す如く、外周面５２ａを先端部分５１の外周面と同一径とする第１基端部分５２と外周面５３ｂを第１基端部分５２の外周面５２ａより小径とする第２基端部分５３とからなる。第１基端部分５２の基端面（後端面）５２ｂ（第１基端部分５２の外周面５２ａと第２基端部分５３の外周面５３ｂ間を連結する環状平面）は軸線に直交し外周面５３ｂとの境界において湾曲している。

ところで、保持環４の第１先端部分４２の内周面４２ａは回転密封環５の第１基端部分５２の外周面５２ａより、また保持環４の第２先端部分４３の内周面４３ａは回転密封環５の第２基端部分５３の外周面５３ｂより、夫々若干大径とされていて、回転密封環５の基端部分４２，４３を保持環４の環状凹部４１に嵌合させた場合において、図２に示す如く、両環４，５が非接触状態となり両環４，５間に若干の径方向隙間が形成されるようになっている。また、保持環４の第３先端部分４４の先端面（環状凹部４１の底面）４４ａの内径（第３先端部分４４の内径）は回転密封環５の基端面（第２基端部分５３の基端面）５３ａの内径（第２基端部分５３の内径）と同一又は若干小さく設定されており、当該環状凹部底面４４ａの外径は、上記した如く保持環４の第２先端部分４３の内周面４３ａが回転密封環５の第２基端部分５３の外周面５３ｂより大径とされていることから、当然に回転密封環５の基端面５３ａの外径より大きい。したがって、回転密封環５の基端面５３ａは、後述する両環４，５の嵌合状態においては、その全面が保持環４の環状凹部底面４４ａに直対向することになる。

而して、回転密封環５は、図２に示す如く、基端部分５２，５３を保持環４との間に１個のＯリング８とシート部材９とを介在させた状態で環状凹部４１に圧入させることにより、保持環４に嵌合固定される。

すなわち、回転密封環５は、図１に示す如く、第２基端部分５３の外周面５３ｂにＯリング８を嵌合させると共に当該第２基端部分５３と保持環４の第３先端部分４４との間にシート部材９を介在させた状態で、第１及び第２基端部分５２，５３を保持環４の第１及び第２先端部分４２，４３の内周部に圧入させる（つまり環状凹部４１に圧入させる）ことにより、保持環４の環状凹部４１に嵌合固定されている。なお、回転密封環５の基端内周部には凹部５３ｃが形成されていて、図２に示す如く、この凹部５３ｃに保持環４の第３先端部分４４に突設した水平なドライブピン４７を係合させることにより、回転密封環５の保持環４に対する相対回転が阻止されている。

Ｏリング８は、図２に示す如く、両環４，５の径方向対向周面４２ａ，５３ｂ間（保持環４の第１先端部分４２の内周面４２ａと回転密封環５の第２基端部分５３の外周面５３ｂとの間）に径方向に圧縮された状態で装填されており、両環４，５間をシール（二次シール）している。なお、Ｏリング８は軸線方向に圧縮されておらず、その弾性力は回転密封環５を静止密封環方向へと押圧する押圧力として作用しない。

シート部材９は、図２に示す如く、軸線方向（前後方向）に弾性を有する円環状の弾性部材であって、回転密封環５の基端部分（第２基端部分）５３と保持環４の先端部分（第３先端部分）４４との軸線方向における対向端面５３ａ，４４ａ間つまり回転密封環５の基端面５３ａと保持環４の環状凹部４１の底面４４ａとの間に軸線方向に圧縮された状態で装填されており、両環４，５の軸線方向における対向端面４４ａ，５３ａ間に密に装填されて、当該対向端面４４ａ，５３ａ間に隙間を生じさせない、つまり当該対向端面４４ａ，５３ａ間をシールするものである。シート部材９は、図２及び図３に示す如く、回転密封環５の基端面５３ａと同一形状をなす（又は保持環４の密封環受面４４ａと同一形状をなす）厚さ一定の円環状板で構成されており、後述する静止密封環５の回転密封環方向への押圧力によって回転密封環５の基端面５３ａの全面に接触する状態で当該基端面５３ａと保持環４の環状凹部底面４４ａとの間に挟圧されている。この例では、シート部材９として、膨張黒鉛製のリング状シートで構成されたものを使用している。なお、シート部材９の内周部には、図２及び図４に示す如く、ドライブピン４７を係合させる切欠部９ａが形成されており、回転密封環５の保持環４への圧入時においてシート部材９が切欠部９ａを係合させたドライブピン４７によって支持されるようになっている。

静止密封環６は、図１に示す如く、回転密封環５の先端側（前側）に配して回転密封環５に対向する状態でシールケース３に軸線方向移動可能に保持されたもので、密封環本体６１とこれを固着する保持体６２とその基端部（前端部）に固定されたスプリング受け体６３とからなる複合構造物である。

すなわち、密封環本体６１は、先端面（後端面）を軸線に直交する密封端面６１ａに構成した円環状体であり、回転密封環５より軟質の一般的密封環材料（この例ではカーボン）で構成されている。保持体６２は、先端部（後端部）に密封環本体６１を嵌合固着した金属製（この例ではチタン製）の円筒体であり、軸線方向中間部６２ａをシールケース３のフランジ３１の軸線方向中間部における内周部にＯリング６４を介して軸線方向移動可能に嵌合保持されている。スプリング受け体６３は、金属製（この例ではＳＵＳ３１６製）の円環状体であり、保持体６２の基端部（前端部）にドライブピン６５を介して嵌合固定されている。スプリング受け体６３にはドライブピン６６が突設されており、このドライブピン６６を金属製（この例ではＳＵＳ３１６製）のスプリングリテーナ３３に軸線方向に相対移動可能に係合させることにより、静止密封環６を所定範囲の軸線方向移動を許容する状態でシールケース３に相対回転不能に保持させている。

静止密封環６の密封端面６１ａの外径は、回転密封環５の密封端面５１ａの外径より小さく、回転密封環５の基端面５３ａの外径（回転密封環５の二次シール面である第２基端部分５３の外周面５３ｂの径）と同一又は略同一に設定されている。また、静止密封環６の密封端面６１ａの内径は回転密封環５の密封端面５１ａの内径（回転密封環６の基端面５３ａの内径）より大きく設定されており、回転密封環５の先端面５１ａの内周縁部分が静止密封環６の先端面６１ａから内周側にはみ出している。また、静止密封環６におけるＯリング６４によるシール面の径（保持体６２における軸線方向中間部６２ａの外径）は密封端面６１ａの外径より小さく設定されていて、機内領域Ａの流体（被密封流体）による背圧によって静止密封環６に回転密封環５への押圧力が作用するようになっている。

スプリング部材７は、図１に示す如く、スプリング受け体６３とシールケース３のスプリングリテーナ３３との間に周方向に等間隔を隔てて介装された複数のコイルスプリング（１個のみ図示）で構成されており、静止密封環６の密封端面６１ａを回転密封環５の密封端面５１ａへと押圧接触させるべく静止密封環６を軸線方向（後方）に附勢する。

スプリング部材７の附勢力は、当該附勢力による静止密封環６の回転密封環方向への押圧力（以下「スプリング押圧力」という）及び被密封流体により静止密封環６に作用する背圧によって静止密封環６を回転密封環５へと押圧する押圧力（以下「背圧押圧力」という）とシート部材９の弾性力（軸線方向の弾性力）により回転密封環５を保持環４に対して静止密封環方向へと押圧する押圧力とがバランスされて密封端面５１ａ，６１ａが適正面圧で接触するように設定されている。すなわち、スプリング部材７の附勢力は、密封端面５１ａ，６１ａが適正面圧で接触して適正なメカニカルシール機能が発揮されるように被密封流体の圧力及びシート部材９の弾性力（軸線方向の弾性力）に応じて設定されている。

而して、回転軸２には、保持環４に対する回転密封環５の静止密封環方向（前方）への軸線方向移動を所定範囲Ｃに規制すべく回転密封環５を係止する係止部材１１を取り付けてあり、Ｏリング８によるシール機能が低下、喪失した場合にも回転密封環６の嵌合凹部４１からの飛び出しを防止してある。

すなわち、係止部材１１は、図２に示す如く、Ｏリング８によるシール機能が適正に発揮されており且つ密封端面５１ａ，６１ａが適正面圧で接触している状態（以下「シール機能適正状態」という）における回転密封環５の先端面５１ａから静止密封環方向（前方）に所定量（若干量）Ｃ隔たった位置に配して、回転軸２に取り付けられている。この例では、係止部材１１として、図２〜図４に示す如く、スリーブ２２の外周面に形成した環状溝２２ｃに係合させた周知のスナップリングが使用されている。スナップリング１１は、その内周部を環状溝２２に係合されたものであって、環状溝２２に係合された状態においては外径が回転密封環５の先端面５１ａの内径より大きく且つ静止密封環６の先端面６１ａの内径より小さくなるものである。

ところで、冒頭で述べた如く、Ｏリング８が硬化、軟化する等により劣化して所定の弾性力を有しない状態となった場合、つまりＯリング８によるシール機能が発揮されない状態（以下「シール機能不良状態」という）となった場合、高圧の被密封流体が保持環４と回転密封環５との嵌合部分に侵入して、その侵入流体による圧力（背圧）によって回転密封環５にこれを静止密封環方向へと軸線方向に押圧する押圧力（以下「逆背圧押圧力」という）が作用して、回転密封環５が静止密封環方向へと押圧移動されることになる。すなわち、図２に示すシール機能適正状態から図３に示すシール機能不良状態に変動した場合、回転密封環５に作用する逆背圧押圧力によって、回転密封環５を静止密封環方向へと押圧する押圧力と静止密封環６を回転密封環方向に押圧するスプリング押圧力及び背圧押圧力とのバランスが崩れ、つまり回転密封環５を静止密封環方向へと押圧する押圧力が静止密封環６を回転密封環方向に押圧する押圧力より大きくなり、回転密封環５が保持環４の環状凹部４１から静止密封環方向へ大きく移動し、極端な場合には環状凹部４１から飛び出す虞れがある。

しかし、このような回転密封環５の静止密封環方向への大きな移動ないし環状凹部４１からの飛び出しは、スナップリング１１が回転密封環５の先端面５１ａを係止することによって阻止され、図３に示す如く、回転密封環５の静止密封環方向への移動はシール機能適正状態の位置から静止密封環方向に所定量Ｃ（若干）変位した位置で停止される。

而して、スナップリング１１の取り付け位置は、つまり回転密封環５がシール機能適正状態の位置（図２に示す位置）からスナップリング１１により係止される位置（図３に示す位置であり、以下「係止位置」という）への移動量Ｃが若干量となるように設定されており、回転密封環５の係止位置への移動によって増加する密封端面５１ａ，６１ａの接触面圧がメカニカルシール機能に悪影響を及ぼさないことを条件として当該移動量Ｃが必要最小限となるように設定されている。そして、シート部材９は、回転密封環５が係止位置に移動されたときにおいても回転密封環５の基端面５３ａと環状凹部４１の底面４４ａとの間を隙間なく埋める（両面４４ａ，５３ａ間をシールする）に十分な弾性力を有するものに構成されている。すなわち、シート部材９は、回転密封環５がシール機能適正状態からシール機能不良状態へと変化したとき（係止位置へと移動したとき）にも前記両面４４ａ，５３ａ間を隙間なく密に埋めうる（シールしうる）に十分な弾性力を有するものに構成されている。

なお、シールケース３には、密封端面５１ａ，６１ａ等の冷却及び洗浄を行うためのフラッシング手段及びクエンチング手段が設けられている。すなわち、フラッシング手段は、図１に示す如く、フランジ３１の前端側内周部にヘッダ蓋３４により閉塞されたヘッダ室３５を形成し、ヘッダ蓋３４に周方向に等間隔を隔てて並列する複数の噴出孔３４ａを穿設し、フランジ３１にヘッダ室３５に連通するフラッシング液Ｆの供給通路３６を形成して、供給通路３６からヘッダ室３５に供給されたフラッシング液Ｆを各噴出孔３４ａから密封端面５１ａ，６１ａに向けて噴出させるように構成されている。フラッシング液Ｆとしては、被密封流体領域Ａの流体（被密封流体）の一部又は当該被密封流体と同種の液体若しくは当該被密封流体に混合しても支障のない液体が使用される。また、クエンチング手段は、図１に示す如く、フランジ３１にスプリングリテーナ３３の後端側においてフランジ３１の内周面に開口するクエンチング液Ｑの給排液通路３７，３８を形成してなり、給液通路３７から供給されたクエンチング液Ｑにより密封環５，６等を洗浄し、洗浄後のクエンチング液Ｑは排液通路３８からドレンと共に排出されるように構成されている。クエンチング液Ｑとしては、機外領域たる大気領域Ｂに漏洩しても支障のない水等が使用される。

また、上記した端面接触形メカニカルシールＭは、図１に示す如く、軸封部ケーシング１に取り付けられる静止側密封要素Ｍ１（シールケース３及びこれに取り付けられる静止密封環６等）と、軸本体２１に取り付けられる回転側密封要素Ｍ２（スリーブ２２及びこれに取り付けられる保持環４及び回転密封環５等）とをメカニカルシールの使用形態（図１に実線で示す運転状態における形態）と同一の形態に一時的に連結させておくができるカートリッジ型のものに構成されている。すなわち、図１に鎖線図示する如く、複数個（１個のみ図示）の金属製のセットプレート１２を、スリーブ２２の前端部２２ｂに形成した環状凹部２２ｄに係合させた状態で、ボルト１３によりシールケース３のプレート３２に取り付けることによって、両密封要素Ｍ１，Ｍ２を上記形態に連結するように構成されている。したがって、セットスクリュー２５を操作することにより、当該メカニカルシールＭを組み立てた状態で軸封部ケーシング１及び軸本体２１に脱着させることができ、当該メカニカルシールＭの組み立て及び分解を容易に行うことができる。

以上のように構成された端面接触形メカニカルシールＭにあっては、Ｏリング８が劣化してシール機能不良状態となり、保持環４と回転密封環５との嵌合部分に侵入した被密封流体により回転密封環５に逆背圧押圧力が作用したときにも、回転密封環５が静止密封環方向へ若干量Ｃ移動した時点でその移動がスナップリング１１による係止作用により阻止されるから、回転密封環５が静止密封環方向に大きく移動したり回転密封環５が環状凹部４１から飛び出したりして、密封端面５１ａ，６１ａの接触面圧が異常に高くなったりする等の冒頭で述べたような問題は生じない。

しかも、Ｏリング８によるシール機能が発揮されないシール機能不良状態となり回転密封環５が係止位置へと移動したときにも、保持環４と回転密封環５との軸線方向における対向端面４４ａ，５３ａ間がこの間に密に充填されたシート部材９により隙間なく埋められることから、つまり当該対向端面４４ａ，５３ａ間がシート部材９によりシールされることから、両環４，５の嵌合部分から被密封流体が非密封流体領域Ｂに漏洩することがない。

したがって、本発明に係る端面接触形メカニカルシールＭによれば、Ｏリング８が劣化してシール機能不良状態となったときにもメカニカルシール機能が著しく損なわれることがない。

また、静止密封環６の回転密封環方向への押圧力を、従来シールのように回転密封環が保持環に直接衝合することによって受け止めておらず、シート部材９を介してその弾性力によって受け止めているため、静止密封環５に作用する背圧押圧力が変化した場合にも、その変化をシート部材９の弾性力によって吸収することができ、密封端面５１ａ，６１ａの接触面圧を適正に保持することができる。

また、保持環４と回転密封環５との軸線方向における対向端面４４ａ，５３ａが直接に接触しておらず、当該対向端面４４ａ，５３ａ間に第２従来シールと同様に隙間が存在するが、この隙間にシート部材９が密に充填されていることから、この隙間に非密封流体に含まれる固形成分や油等が固化した固形物が侵入することが可及的に防止される。したがって、両環４，５間をシールしているＯリング８の弾性機能が失われた場合にも回転密封環５が傾く虞れがなく、回転密封環５に相対回転摺接している静止密封環６に首振り運動を生じることもない。また、スナップリング１１が回転密封環５の先端面５１ａを係止することによって、仮に回転密封環５が傾くようなことがあったとしても、その傾きは極く僅かであり、静止密封環６に首振り運動を生じさせるようなものではない。

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改良、変更することができる。

例えば、係止部材は、上記スナップリング１１に限定されず、図６に示す如く、回転軸２（スリーブ２２）に挿通されスクリュー１１ｂにより固定された係止リング１１ａで構成することができる。また、シート部材９は、膨張黒鉛製の円環状シートに限定されず、膨張黒鉛以外の弾性材で構成することも可能であり、更には１個のＯリング又は径の異なる複数個のＯリングを同心状に配置したものを使用することも可能である。また、本発明は、スプリング部材７としてベローズを使用する端面接触形メカニカルシールにも適用することができる。このようにスプリング部材７としてベローズを使用する場合においても、上記したように静止密封環６の首振り運動の発生が可及的に防止されることから、ベローズが頻繁に伸縮動作することがなく、疲労破壊される虞れがない。

１ 軸封部ケーシング
２ 回転軸
３ シールケース
４ 保持環
５ 回転密封環
６ 静止密封環
７ スプリング部材
８ Ｏリング
９ シート部材
１１ スナップリング（係止部材）
１１ａ 係止リング（係止部材）
１１ｂ スクリュー
１２ セットプレート
１３ ボルト
２１ 軸本体
２２ スリーブ
２２ａ スリーブの基端部
２２ｂ スリーブの先端部
２２ｃ 環状溝
２２ｄ 環状凹部
２３ 固定リング
２４ セットスクリュー
２５ セットスクリュー
３１ フランジ
３２ プレート
３２ａ ブッシュシール
３３ スプリングリテーナ
３４ ヘッダ蓋
３４ａ 噴出孔
３５ ヘッダ室
３６ 供給通路
３７ 給液通路
３８ 排液通路
４１ 環状凹部
４２ 第１先端部分（保持環の先端部分）
４２ａ 第１先端部分の内周面
４３ 第２先端部分（保持環の先端部分）
４３ａ 第２先端部分の内周面
４３ｂ 第２先端部分の先端面
４４ 第３先端部分（保持環の先端部分）
４４ａ 第３先端部分の先端面（環状凹部の底面）
４５ 保持環の基端部分
４６ セットスクリュー
４７ ドライブピン
５１ 回転密封環の先端部分
５１ａ 密封端面（回転密封環の先端面）
５２ 第１基端部分（回転密封環の基端部分）
５２ａ 第１基端部分の外周面
５２ｂ 第１基端部分の基端面
５３ 第２基端部分（回転密封環の基端部分）
５３ａ 回転密封環の基端面
５３ｂ 第２基端部分の外周面
６１ 密封環本体
６１ａ 静止密封環の密封端面（静止密封環の先端面）
６２ 保持体
６２ａ 軸線方向中間部
６３ スプリング受け体
６４ Ｏリング
６５ ドライブピン
６６ ドライブピン
Ａ 被密封流体領域（機内領域）
Ｂ 非密封流体領域（大気領域）
Ｆ フラッシング液
Ｍ 端面接触形メカニカルシール
Ｍ１ 静止側密封要素
Ｍ２ 回転側密封要素
Ｑ クエンチング液

Claims (3)

1. 回転軸に固定された環状体であって先端部分に環状凹部を形成した保持環と、基端部分をその外周面と保持環の先端部分の内周面との径方向における対向周面間に装填したＯリングにより当該対向周面間をシールさせた状態で前記環状凹部に嵌合固定された回転密封環と、先端面を回転密封環の先端面に対向させた状態で回転軸が洞貫するシールケースに相対回転不能で且つ軸線方向移動可能に保持された静止密封環と、シールケースと静止密封環との間に介装されて静止密封環を回転密封環へと押圧附勢するスプリング部材とを具備して、両密封環の先端面の相対回転摺接作用により当該相対回転摺接部分の外周側領域である高圧の被密封流体領域とその内周側領域である低圧の非密封流体領域とを遮蔽シールするように構成された端面接触形メカニカルシールにおいて、
   回転軸に、保持環に対する回転密封環の静止密封環方向への軸線方向移動を所定範囲に規制すべく回転密封環を係止する係止部材が取り付けられており、
   回転密封環の基端部分と保持環の先端部分との軸線方向における対向端面間に、軸線方向に弾性力を有する環状弾性部材であって、回転密封環が係止部材に係止される位置まで軸線方向に移動したときにも当該対向端面間の間隙を埋めるシート部材が装填されていることを特徴とする端面接触形メカニカルシール。
2. 係止部材が回転軸に形成された環状溝に係合固定されたスナップリングであり、回転密封環の先端面における静止密封環の先端面から内周側にはみ出した内周縁部分を係止するものであることを特徴とする、請求項１に記載する端面接触形メカニカルシール。
3. シート部材が膨張黒鉛製のリング状シートで構成されたものであることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載する端面接触形メカニカルシール。
   

Images