JP2021092259A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

【課題】摺動面に被密封流体を十分に保持可能な凹凸を確実に形成することで、高い潤滑性を得ることができるメカニカルシールを提供する。【解決手段】互いに相対摺動する摺動面１１，２１を備える一対の密封環１０，２０を有し、被密封流体Ｆを封止するメカニカルシール１であって、一方の密封環１０には、背面側から摺動面１１側に延びる溝部１３が周方向に複数形成され、溝部１３は、背面側の周方向の幅Ｌ１に比べて摺動面１１側の周方向の幅が小さくなるように形成されている。【選択図】図６

Description

本発明は、メカニカルシールに関する。

被密封流体の漏れを防止するためにメカニカルシールが用いられている。メカニカルシールは、相対回転して摺動面同士が摺動する一対の密封環を備えている。このようなメカニカルシールにおいては、近年、摺動により失われるエネルギーの低減が望まれており、摺動面間の潤滑性向上を図るメカニカルシールが開発されている。

例えば、特許文献１に示されるメカニカルシールは、回転軸とともに回転する第１の密封環と、ハウジングに固定される第２の密封環と、を備え、これら密封環の摺動面同士を摺動させることで外径側の空間に密封される被密封流体が内径側の空間へ漏れることを防止している。また、第２の密封環の外径側には、内径方向の切欠きとして形成された第１歪制御用凹部が周方向に複数配置されているとともに、第２の密封環における摺動面と反対側には、軸方向のザグリ穴として形成された第２歪制御用凹部が周方向に複数配置されている。被密封流体の圧力が第２の密封環に作用したときには、第１歪制御用凹部及び第２歪制御用凹部を基点として第２の密封環を変形させ、歪みを生じさせることにより、第２の密封環の摺動面に凹凸が形成されるようになっている。

特開２００９−７９６３４号公報（第７頁、第３図）

特許文献１のメカニカルシールによれば、第１の密封環及び第２の密封環の相対回転時には、第２の密封環の摺動面に形成される凸部が第１の密封環の摺動面に摺動する実質的な摺動面として機能し、第２の密封環の摺動面に形成される凹部に被密封流体を導入し且つ摺動面間に排出することで摺動面間に動圧を発生させ、その動圧により摺動面同士を離間させ、該摺動面間に被密封流体を介在させることで潤滑性が向上し、低摩擦化を実現している。しかしながら、特許文献１のメカニカルシールにあっては、被密封流体の圧力が第２の密封環に作用したときに、第１歪制御用凹部及び第２歪制御用凹部を基点として変形されることで、第２の密封環は全体に分散されるようにして歪みが生じるようになっているため、摺動面に十分な凹凸が形成されず、高い潤滑性を得られない虞があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、摺動面に被密封流体を十分に保持可能な凹凸を確実に形成することで、高い潤滑性を得ることができるメカニカルシールを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のメカニカルシールは、
互いに相対摺動する摺動面を備える一対の密封環を有し、被密封流体を封止するメカニカルシールであって、
一方の密封環には、背面側から前記摺動面側に延びる溝部が周方向に複数形成され、
前記溝部は、前記背面側の周方向の幅に比べて前記摺動面側の周方向の幅が小さくなるように形成されている。
これによれば、溝部における背面側の周方向の幅が大きく、一方の密封環の背面側の部位の変形代が大きく確保されているので、一方の密封環が内径方向に被密封流体の圧力を受けたときには、周方向に溝部を挟んで対向する背面側の部分が、摺動面側の部分よりも互いに近づくように縮径するとともに、溝部における摺動面側の周方向の幅が背面側に比べ小さいので、縮径により生じる内部応力を摺動面側まで有効に伝達させ、摺動面を局所的に大きく膨出させて摺動面に凹凸を確実に形成することができる。

前記溝部は、前記背面側から前記摺動面側に向けて周方向の幅が漸次小さくなるように形成されていてもよい。
これによれば、一方の密封環の変形代を確保しつつ、溝部の空間容積をできるだけ小さくして強度を確保できる。

前記溝部は、径方向において前記被密封流体とは反対側に開口されていてもよい。
これによれば、溝部が径方向において被密封流体とは反対側に開口されているので、一方の密封環の摺動面側が膨出しやすい。

前記溝部は、周方向の幅が径方向に一定となっている箇所を有してもよい。
これによれば、加工性良く溝部を形成することができる。

前記一方の密封環の他方の密封環側には軸方向に段状に突出し、前記摺動面を具えるノーズ部が周方向に亘って環状に設けられていてもよい。
これによれば、ノーズ部により一方の密封環の強度が向上するので、一方の密封環における溝部の摺動面側を薄く形成することができる。また、ノーズ部が被密封流体の圧力を受けるので、一方の密封環が縮径しやすい。

前記一方の密封環は一体形成されていてもよい。
これによれば、一方の密封環は一体形成されており、一方の密封環の単位体積当たりの強度が一定であるため、一方の密封環における他方の密封環側の部位を確実に変形させることができ、且つ加工しやすい。

本発明の実施例１におけるメカニカルシールの一例を示す側断面図である。 静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 静止密封環の背面を軸方向から見た図である。 （ａ）は図３のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図３のＢ矢視図である。 静止密封環がハウジング及びシールカバーに取付けられた状態を示す側断面図である。 （ａ）は静止密封環に被密封流体の圧力が作用する受圧部を示す概略図、（ｂ）は（ａ）の状態から被密封流体の圧力により静止密封環が縮径した状態を示す概略図である。 静止密封環の薄板部の膨出量を示す概略図である。 図６のＣ矢視図である。 本発明の実施例２における静止密封環を示す図である。 本発明の実施例３における静止密封環を示す図である。 本発明の実施例４における静止密封環を示す図である。

本発明に係るメカニカルシールを実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係る摺動部品につき、図１から図８を参照して説明する。尚、本実施例においては、メカニカルシールを構成する密封環の外径側を被密封液体側（高圧側）、内径側を漏れ側としての大気側（低圧側）として説明する。さらに尚、静止密封環の摺動面側を正面側として説明する。

図１に示される一般産業機械用のメカニカルシール１は、互いに対向する摺動面１１，２１の外径側から内径側（すなわち大気Ａ側）に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するインサイド型のものであって、被取付機器を構成するハウジング４に固定されたシールカバー５に、回転が規制された状態で設けられた円環状の一方の密封環としての静止密封環１０と、回転軸３に固定スリーブ２を介して回転軸３と一体的に回転可能な状態で設けられた円環状の他方の密封環としての回転密封環２０と、から主に構成されている。回転密封環２０は、固定スリーブ２に対して軸方向に移動可能な状態で取付けられており、図示しないスプリングによって回転密封環２０が静止密封環１０に向けて軸方向に付勢された状態で、回転軸３に伴い回転することにより、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１とが互いに密接摺動するようになっている。尚、後述するが、静止密封環１０の摺動面１１は、回転密封環２０側（以下、正面側ということもある）の端面１０ａよりも軸方向に突出して形成されるノーズ部１２の端面であり、この摺動面１１は、後述する被密封液体Ｆによる圧力が負荷される前の自然状態では、その全面にわたり軸方向に対して直交する平坦面である。また回転密封環２０の摺動面２１は、全面にわたり軸方向に対して直交する平坦面である。

静止密封環１０及び回転密封環２０は、代表的にはＳｉＣ（すなわち硬質材料）同士またはＳｉＣ（すなわち硬質材料）とカーボン（すなわち軟質材料）の組み合わせで形成されるが、これに限らず、摺動材料はメカニカルシール用摺動材料として使用されているものであれば適用可能である。尚、ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボン等を焼結助剤とした焼結体をはじめ、成分、組成の異なる２種類以上の相からなる材料、例えば、黒鉛粒子の分散したＳｉＣ、ＳｉＣとＳｉからなる反応焼結ＳｉＣ、ＳｉＣ−ＴｉＣ、ＳｉＣ−ＴｉＮ等があり、カーボンとしては、炭素質と黒鉛質の混合したカーボンをはじめ、樹脂成形カーボン、焼結カーボン等が利用できる。また、上記摺動材料以外では、金属材料、樹脂材料、表面改質材料（例えばコーティング材料）、複合材料等も適用可能である。

図２及び図３に示されるように、静止密封環１０は、軸方向視で円環状を成す短筒状に形成されており、該静止密封環１０における正面側の端面１０ａには、回転密封環２０側に径方向の一部が突出するノーズ部１２が環状に形成されている。また、静止密封環１０における摺動面１１の背面側（すなわち回転密封環２０とは反対側）には、該背面側と内径側に開口して軸方向に延びる溝部としての切欠溝１３が周方向に複数等配に形成されている。なお本実施例では切欠溝１３が周方向に８箇所形成されているが、切欠溝１３の数は本実施例に限らない。

言い換えれば、静止密封環１０には、周方向に離間して複数配設される切欠溝１３の間に、離間して複数配設される肉厚部としての厚板部１４と、厚板部１４同士の正面側の部位を連結し、厚板部１４よりも軸方向に肉薄の薄板部１５と、薄板部１５から軸方向に延び隣り合う厚板部１４同士の高圧側の部位を連結し、厚板部１４よりも径方向に肉薄の側板部１６と、が形成されている。また側板部１６の薄板部１５側には、径方向に段差を成す段差部１６ａが形成されており、この段差部１６ａとシールカバー５の前面部に縮径された縮径部５ａ（図１参照。）とが軸方向に係合することで、静止密封環１０が抜け止めされている。尚、厚板部１４における回転密封環２０側の面である正面、及び薄板部１５における回転密封環２０側の面である正面が面一に形成されており、静止密封環１０の端面１０ａを構成している。また、厚板部１４における外周面、及び側板部１６における外周面が面一に形成されており、静止密封環１０の外周面を構成している。段差部１６ａ、縮径部５ａは、静止密封環１０が他の手段で抜け止めされていれば、無くてもよく、その場合、静止密封環１０は一様の周面でもよく、また、他の凹凸形状となっていてもよい。

図３及び図４に示されるように、切欠溝１３は、背面視で矩形状を成し、内径方向から見て二等辺三角形状を成している。具体的には、この切欠溝１３を挟んで周方向に離間する一対の厚板部１４の側面１４ａは、これらの背面側の辺１４ｂが周方向に寸法Ｌ１分離間しており、摺動面１１側に向かうにつれて漸次先細りするように軸方向に延び、静止密封環１０の端面１０ａよりも若干背面側の位置で交差して切欠溝１３の先端部１３ａを構成している。この先端部１３ａは静止密封環１０の軸に対して直交するように径方向に延びている。また、一対の厚板部１４の側面１４ａの背面側の辺１４ｂは、背面側から見て径方向に延びる先端部１３ａに平行に延びている。すなわち、切欠溝１３は、軸方向に直交する断面の周方向の寸法が径方向に亘って一定、言い換えれば、周方向の幅が径方向に亘って一定となっている。また、切欠溝１３の背面側における被密封液体Ｆ（図５参照）とは径方向反対側の端部１３ｃの周方向の寸法Ｌ１、言い換えれば一対の辺１４ｂの内径端をつなぐ円弧線は、隣り合う切欠溝１３同士の被密封液体Ｆ（図５参照）とは径方向反対側かつ背面側の端部１４ｃの周方向の離間寸法Ｌ２、言い換えれば厚板部１４の内径側且つ背面側端部の周方向に延びる円弧線の寸法Ｌ２よりも短くなっている（Ｌ１＜Ｌ２）。尚、切欠溝１３の形状は切欠溝１３の周方向中央部を通るように静止密封環１０の中心から放射状に延びる面Ｓ（以下単に基準面Ｓという。）を基準として面対称に形成されていればよく、これにより、後述のように、静止密封環１０が被密封液体Ｆの圧力を受けたときに、変形が基準面Ｓを中心対称に生じ、切欠溝１３を区画する薄板部１５の周方向中央部にその変形応力が集中し、また、その変形の向きは摺動面１１側に向かうため、変形応力は摺動面１１に伝達され、後述する摺動面１１の膨出が効率よく生じる。

薄板部１５の軸方向の厚み寸法Ｌ４は、厚板部１４の軸方向の厚み寸法Ｌ５よりも短い（Ｌ４＜Ｌ５）。

側板部１６の厚み寸法Ｌ６は、厚板部１４の径方向の厚み寸法Ｌ７よりも短い（Ｌ６＜Ｌ７）。

また、特に図４（ａ）に示されるように、ノーズ部１２は、静止密封環１０の端面１０ａの内径側に寄せて配置されている。すなわち、ノーズ部１２の内径端は、側板部１６の内径端よりも内径側に配置されている。より詳しくは、静止密封環１０の摺動面１１の内径端１１ａが側板部１６の内径端である切欠溝１３の外径端１３ｂよりも内径側に配置されている。尚、本実施例では、ノーズ部１２が側板部１６と軸方向に重畳しないようになっている形態を例示したが、少なくともノーズ部１２の内径端（すなわち被密封液体Ｆと反対側の端部）が切欠溝１３の外径端よりも内径側に配置されていれば、ノーズ部１２の外径端が側板部１６と軸方向に一部重畳していてもよい。

次に、メカニカルシール１の使用時の静止密封環１０の形態について図５〜図８に基づいて説明する。

図５に示されるように、静止密封環１０がハウジング４及びシールカバー５に取付けられた状態にあっては、ハウジング４の正面に環状に凹溝４ａが形成され、凹溝４ａに配置された無端状の二次シール６例えばＯリングが、周方向一様（すなわち周方向に同じような形状）に設けられ、静止密封環１０の背面側（すなわち回転密封環２０とは反対側）における外径側の端面に圧接されており、被密封液体Ｆは、二次シール６よりも外径側の静止密封環１０とシールカバー５との間に浸入し、二次シール６よりも内径側の切欠溝１３（すなわち大気Ａ側）への浸入は防止されている。すなわち、静止密封環１０の外周面、具体的には厚板部１４、薄板部１５、側板部１６、及びノーズ部１２の外周面は、外径から内径に向けて被密封液体Ｆの圧力を受ける受圧部１７として構成されている。つまり、二次シール６は静止密封環１０の周囲で切欠溝１３よりも被密封液体Ｆ側に配置され、切欠溝１３に被密封液体Ｆが流入しない配置であればよい。尚、被密封液体Ｆによる力は、受圧部１７以外にも薄板部１５の前面（すなわち端面１０ａ）や段差部１６ａの前面に背面側に向けて軸方向に作用するが、静止密封環１０の外周面、特に厚板部１４の外周面に支配的に作用し、後述のように静止密封環１０が縮径するようになる。また、静止密封環１０の内周面、具体的には厚板部１４、薄板部１５、側板部１６、及びノーズ部１２の内周面は、被密封液体Ｆよりも低圧の大気Ａ側に面している。

図６（ａ）（ｂ）に示されるように、静止密封環１０の受圧部１７が被密封液体Ｆの圧力を受けると、切欠溝１３があるため、他の箇所と比較して強度的に弱い静止密封環１０の軸方向背面側の部位が圧力により縮径するようになる。具体的には、特に図６（ｂ）に示されるように、静止密封環１０の受圧部１７が被密封液体Ｆの圧力を受けると、切欠溝１３は、内径方向から見て摺動面１１側に向けて先細りする二等辺三角形状を成しており、背面側の部位の変形代が大きく確保されているとともに、隣り合う厚板部１４の背面側の部位及び内径側の部位は互いに接続されておらず、言うなれば自由端であるので、切欠溝１３の先端部１３ａを折曲点として厚板部１４の背面側の部位、且つ内径側の部位が周方向に互いに近づくように押圧されて静止密封環１０が縮径する。このとき、薄板部１５およびノーズ部１２には切欠溝１３が無く無端環状であり、構造的強度が高いため、軸方向において摺動面１１に近いほど変形しにくい。そのため、静止密封環１０の背面側の部位が大きく縮径し、摺動面１１側の部位が小さく縮径する。そして、この押圧により生じた内部応力は、厚板部１４よりも薄い薄板部１５に集中するように伝達され、薄板部１５を軸方向に回転密封環２０側に膨出させるようになっている（図７，８参照）。ここで、側板部１６は、径方向視で二等辺三角形状を成しているので、背面側の部位が周方向に大きく、且つ摺動面１１側に向かうにつれて先細りするように外径側に膨出変形し、これにより内部応力が薄板部１５に集中しやすくなっている。また、薄板部１５が回転密封環２０側に膨出されると、薄板部１５に沿ってノーズ部１２も膨出するように変形する。尚、図６，７では、説明の便宜上、側板部１６の変形量や薄板部１５の膨出量を実際よりも大きく図示している。

また、図６（ｂ）に示されるように、切欠溝１３は外径側に側板部１６が存在し、内径側の空間に連通するように開口されているので、薄板部１５は、外径側の部位に比べて内径側の部位が変形しやすく、薄板部１５における回転密封環２０側への膨出量は内径側の部位が大きくなっている。また、ノーズ部１２は、静止密封環１０の端面１０ａの内径側に配設されているので、薄板部１５の大きな膨出を受けて変形するようになっている。また、薄板部１５は、その周方向両端よりも周方向中央部の方が回転密封環２０側への膨出量が大きくなっている。薄板部１５の膨出態様について、より詳しくは、薄板部１５を回転密封環２０側から軸方向に見た図である図７に示されるように、薄板部１５の周方向中央部かつ最内径箇所（すなわち径方向において被密封流体とは最も反対側の箇所）が最も膨出し、最内径箇所から周囲に末広がり状に膨出している。尚、図７においては、薄板部１５の膨出量を網点で概略的に図示しており、網点の濃度が高いほど軸方向への膨出量が大きいことを示している。さらに尚、図７では、説明の便宜上、ノーズ部１２の図示を省略している。

図８に示されるように、薄板部１５が回転密封環２０側に膨出されることで、摺動面１１において、薄板部１５の周方向中央部に対応する部分は凸部８として形成され、微視的には該凸部８は回転密封環２０の摺動面２１と接触する部分となるとともに、薄板部１５の周方向両端部に対応する部分および厚板部１４は、凹部７として形成され、微視的には回転密封環２０の摺動面２１と接触しない部分となる。これら、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１との間に互いに接触する部分と軸方向に離間する部分とが周方向に交互に等間隔で生じる、すなわち周方向において、凸部８同士の間に凹部７が周方向に規則的に形成される。尚、被密封液体Ｆは気体と比べ粘度が高いため、メカニカルシール１の停止時に凹部７から低圧側の空間に漏れ出すことはなく、若しくは漏れ出す量は微量である。

静止密封環１０と回転密封環２０とが相対回転したときには、凹部７の周方向終端には凸部８が形成されているため、凹部７内に流入した被密封液体Ｆが回転密封環２０の回転方向に追随移動し、凹部７において被密封液体Ｆの圧力が高められ、圧力の高められた被密封液体Ｆは凹部７の終端である凸部８近傍からその周辺に流出する。これにより、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１とは僅かに離間されるとともに、摺動面１１，２１間に存在する被密封液体Ｆにより、良好な潤滑状態を成すようになっている。特に、上記した厚板部１４同士が周方向に近づくように押圧されることで、薄板部１５には、膨出した凸部８が、周方向に離間して複数形成されるため、これらの凸部８の間に形成される凹部７内に被密封液体Ｆを保持し易く、また回転密封環２０の回転により動圧を発生させることができる。

以上説明したように、切欠溝１３は、背面側の周方向の幅の寸法Ｌ１に比べて摺動面１１側の周方向の幅が小さくなるように形成されている。このように、切欠溝１３における背面側の周方向の幅（すなわち寸法Ｌ１）が摺動面１１側（すなわち先端部１３ａ側）の周方向の幅よりも大きく、静止密封環１０の背面側の部位の変形代が大きく確保されているので、被密封液体Ｆの圧力を受けたときには、周方向に切欠溝１３を挟んで対向する一対の厚板部１４の背面側の部位が摺動面１１側の部位よりも互いに近づくように静止密封環１０が縮径するとともに、切欠溝１３における摺動面１１側の周方向の幅が背面側に比べ小さいので、縮径により生じる内部応力を薄板部１５まで有効に伝達させ、摺動面１１を局所的に大きく膨出させて摺動面１１に凹凸を確実に形成することができる。

具体的には、被密封液体Ｆの圧力を受けたときには、切欠溝１３の先端部１３ａを折曲点として厚板部１４同士の背面側の部位が互いに近づくように縮径する。

また、切欠溝１３の摺動面１１側が先細りしているので、切欠溝１３の先端部１３ａ近傍に厚板部１４が配置され、静止密封環１０における摺動面１１側の部位の強度が確保される。また、切欠溝１３の先端部１３ａは、一対の厚板部１４の側面１４ａが静止密封環１０の端面１０ａよりも若干背面側の位置で交差して構成されており、薄板部１５を薄く形成することができるので、薄板部１５が応答性高く膨出することができる。これにより、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１との間に確実に凹部７を形成することができ、凹部７内に被密封液体Ｆを保持できるとともに、凹部７で生じる動圧により摺動面１１，２１間を僅かに離間させ、摺動性を向上させることができる。

また、切欠溝１３は、内径方向から見て背面側から摺動面１１側に向けて周方向の幅が漸次小さくなる二等辺三角形状に形成されているので、静止密封環１０の背面側の部位の変形代を確保しつつ、切欠溝１３の空間容積を出来るだけ小さくして、静止密封環１０の強度を確保できる。

また、側板部１６は、隣り合う厚板部１４同士の外径側の部位を連結しており、隣り合う厚板部１４同士の間の空間である切欠溝１３が被密封液体Ｆ側の空間に連通しないので、切欠溝１３と被密封液体Ｆとの圧力差を大きく確保することができ、薄板部１５の回転密封環２０側への膨出を確実に行うことができる。

また、切欠溝１３は、内径側に開口されているので、内径側に開口されていない場合に比べて静止密封環１０の端面１０ａの膨出を応答性高く行うことができる。特に静止密封環１０の端面１０ａの内径側を大きく膨出させることができる。

また、切欠溝１３は、軸方向に直交する断面が径方向に亘って一定、言い換えれば、周方向の幅が径方向に亘って一定となっている。これによれば、例えば、背面側に開口する角錐や円錐状等の複雑な形状の切欠溝に比べて、加工性良く切欠溝１３を形成することができる。

また、薄板部１５の軸方向の厚み寸法Ｌ４は、厚板部１４の軸方向の厚み寸法Ｌ５に比べて薄いため、静止密封環１０の縮径に追従して薄板部１５を応答性高く膨出させることができる。

また、側板部１６の厚み寸法Ｌ６は、厚板部１４の径方向の厚み寸法Ｌ７に比べて薄いため、静止密封環１０の縮径に追従して側板部１６を応答性高く変形させることができる。

また、薄板部１５よりも構造強度の高い厚板部１４の周方向内径側の部位の寸法Ｌ２が、切欠溝１３の周方向の寸法Ｌ１よりも長いので、静止密封環１０の強度を確保できるとともに、薄板部１５の周方向の長さが短いため、静止密封環１０が縮径したときに変形する箇所が局所的となり、集中するため、回転密封環２０への膨出量を大きくとることができる。

また、薄板部１５において、厚板部１４と薄板部１５とが周方向に等配されており、摺動面１１に等配して凹凸を形成することができるので、静止密封環１０と回転密封環２０との摺動性をより向上させることができる。

また、薄板部１５および厚板部１４の摺動面１１側には軸方向に突出したノーズ部１２が周方向に亘って環状に設けられている。これによると、ノーズ部１２により静止密封環１０の強度が向上するので、薄板部１５を薄く形成することができる。

また、ノーズ部１２は、側板部１６よりも内径側に寄せて配置されており、薄板部１５の軸方向への膨出をノーズ部１２に好適に伝達できる。

また、静止密封環１０は、厚板部１４、薄板部１５、側板部１６、ノーズ部１２が一体形成されているので、各部位が別素材や別部材で形成されている静止密封環に比べて、薄板部１５及び側板部１６を確実に変形させることができる。また、環状の部材に切欠溝１３を切欠き形成すればよいので、静止密封環１０を加工しやすい。

次に、実施例２に係るメカニカルシールにつき、図９を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図９（ａ）に示されるように、実施例２における静止密封環１００は、切欠溝１３１が背面側と内径側に開口するように形成されている。この切欠溝１３１は、径方向視略凸形状をなし、静止密封環１００の背面側から摺動面１１１側に向かって軸方向に延びる内径方向から見て矩形状の第１溝部１３１ａと、第１溝部１３１ａからさらに摺動面１１１側に向かって軸方向に延びる内径方向から見て矩形状の第２溝部１３１ｂと、を備えており、第１溝部１３１ａと第２溝部１３１ｂとは軸方向に連通している。また、第２溝部１３１ｂにおける周方向の幅寸法Ｌ１１は、第１溝部１３１ａにおける周方向の幅寸法Ｌ１０よりも短く形成されており（Ｌ１０＜Ｌ１１）、一対の厚板部１４１における第１溝部１３１ａと第２溝部１３１ｂとの連通部近傍には段部１４１ａが形成されている。

図９（ｂ）に示されるように、静止密封環１００が被密封液体Ｆの圧力を受けたときには、厚板部１４１同士の背面側の部位が近接し、これに伴って段部１４１ａ同士が近接し、薄板部１５１に内部応力が伝達され、摺動面１１１側に膨出する。これにより、摺動面１１１に凹部７０と凸部８０とが形成される。図９（ｃ）に示されるように、切欠溝１３１は内径側に開口されているので、薄板部１５１の周方向中央部かつ最内径箇所（すなわち径方向において被密封流体とは最も反対側の箇所）が最も膨出し、最内径箇所から周囲に末広がり状に膨出する。

次に、実施例３に係るメカニカルシールにつき、図１０を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図１０に示されるように、実施例３における静止密封環２００は、内径方向から見て背面側から摺動面２１１に向けて漸次先細りする台形形状を成す切欠溝２３１を有している。すなわち、切欠溝２３１は、背面側の部位の周方向の幅寸法Ｌ２０に比べて摺動面２１１側の部位の周方向の幅寸法Ｌ２１が小さい（Ｌ２０＜Ｌ２１）。実施例３における切欠溝２３１は、摺動面２１１側の部位に周方向の幅寸法Ｌ２１を有しているので、実施例１の切欠溝１３に比べて薄板部２１５を軸方向に大きく膨出させることができる。また、切欠溝２３１は、摺動面２１１に向けて漸次先細りするので、実施例２における切欠溝１３１よりも空間容積を小さくして強度を確保できる。

次に、実施例４に係るメカニカルシールにつき、図１１を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図１１に示されるように、実施例４における静止密封環３００は、内径方向から見て背面側から摺動面３１１に向けて延びる半楕円形状を成す切欠溝３３１を有している。この切欠溝３３１は、背面側の部位の周方向の幅寸法Ｌ３０に比べて摺動面３１１側の部位が先細りするように円弧状を成しているので、静止密封環３００が被密封液体Ｆの圧力を受けたときに、薄板部３５１を確実に摺動面３１１側に膨出させることができる。また、切欠溝３３１の形状が簡素なので、切欠溝３３１の加工性がよい。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、薄板部１５の外径側に側板部１６が形成されている形態を例示したが、これに限られず、例えば、側板部が薄板部の内径側に形成されていてもよいし、薄板部の径方向両側に形成されていてもよい。内径側から外径側（すなわち大気側）に向かって漏れようとする被密封流体を密封するアウトサイド型のメカニカルシールの場合には、側板部が薄板部の内径側に形成され、側板部の背面側や内径側に二次シール部材が配置され被密封流体が大気側に漏れることを防止し、かつ、切欠溝内に被密封流体が侵入しなければよい。また、側板部が薄板部の径方向両側に形成されている場合には、被密封流体側の側板部に二次シール部材が配置されていればよい。

また、前記実施例では、切欠溝１３の周方向の寸法Ｌ１が厚板部１４の周方向内径側の部位の寸法Ｌ２よりも短く形成されている形態を例示したが、切欠溝は厚板部の周方向よりも長く形成されていてもよい。この場合、静止密封環が縮径されたときに摺動面間に生じる凹部の周方向の寸法を大きく取ることができる。

また、前記実施例では、厚板部１４が周方向に等配されている形態を例示されたが、厚板部の周方向の長さや数量は自由に変更することができる。

また、前記実施例では、静止密封環１０に切欠溝１３が形成されている形態を例示したが、回転密封環２０に切欠溝１３が形成されていてもよいし、両方に切欠溝１３が形成されていてもよい。

また、前記実施例では、被密封流体が液体である形態を例示したが、被密封流体は、気体であってもよいし、液体と気体が混合したミスト状であってもよい。

また、前記実施例では、二次シール部材が静止密封環の背面側に配設される形態を例示したが、これに限られず、例えば、静止密封環の外径側に配置されていてもよい。つまり、側板部の被密封流体側の面、例えば実施例１では側板部１６の外周面に高い圧力がかかる状態であればよい。

１ メカニカルシール
３ 回転軸
６ 二次シール
７ 凹部
１０，１０’ 静止密封環（一方の密封環）
１１，１１’ 摺動面
１２ ノーズ部
１３，１３’ 切欠溝
１４，１４’ 厚板部（肉厚部）
１５，１５’ 薄板部
１６，１６’ 側板部
１７ 受圧部
２０ 回転密封環（他方の密封環）
２１ 摺動面
１００ 静止密封環
１２１ ノーズ部
１３１ 切欠溝
１４１ 厚板部（肉厚部）
１５１ 薄板部
１６１ 側板部
１７１ 受圧部
２００ 静止密封環
２３１ 切欠溝
２４１ 厚板部（肉厚部）
２１５ 薄板部
２６１，２６２ 側板部
Ａ 大気
Ｆ 被密封液体（被密封流体）

Claims (7)

1. 互いに相対摺動する摺動面を備える一対の密封環を有し、被密封流体を封止するメカニカルシールであって、
   一方の密封環には、背面側から前記摺動面側に延びる溝部が周方向に複数形成され、
   前記溝部は、前記背面側の周方向の幅に比べて前記摺動面側の周方向の幅が小さくなるように形成されているメカニカルシール。
2. 前記溝部は、前記背面側から前記摺動面側に向けて周方向の幅が漸次小さくなるように形成されている請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 各前記切欠溝は、前記一方の密封環の中心から放射状に延びる基準面を基準として周方向に面対称を成している請求項２に記載のメカニカルシール。
4. 前記溝部は、径方向において前記被密封流体とは反対側に開口されている請求項１ないし３のいずれかに記載のメカニカルシール。
5. 前記溝部は、周方向の幅が径方向に一定となっている箇所を有する請求項１ないし４のいずれかに記載のメカニカルシール。
6. 前記一方の密封環の他方の密封環側には軸方向に段状に突出し、前記摺動面を具えるノーズ部が周方向に亘って環状に設けられている請求項１ないし５のいずれかに記載のメカニカルシール。
7. 前記一方の密封環は一体形成されている請求項１ないし６のいずれかに記載のメカニカルシール。

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