JP2700868B2 - 非接触形メカニカルシール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばタービン，ブロ
ワ，遠心圧縮機等の主として気体（窒素，アルゴン，水
素，天然ガス，空気等）を扱う回転機器において好適に
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。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の非接触形メカニカルシー
ルとしては、図７及び図８に示す如く、シールケース１
を貫通する回転軸２に固定された回転密封環３と、シー
ルケース１にＯリング７を介して軸線方向移動可能に保
持された断面Ｌ字形の保持環５と、シールケース１と保
持環５との間に介装されたスプリング６と、このスプリ
ング６により保持環５を介して回転密封環３へと押圧附
勢された静止密封環４と、保持環５の前面５ｄに形成し
た断面矩形状又は蟻溝形状の環状溝１１に係合保持され
て、静止密封環４の背面４ｄと保持環５の前面５ｄとの
間を二次シールするＯリング１０とを具備し、両密封環
３，４の対向端面たる密封端面３ａ，４ａ間を、回転側
密封端面３ａに設けた動圧発生溝３ｂ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
持して、この流体膜形成部分において密封端面３ａ，４
ａの外周側領域である高圧流体領域Ｈとその内周側領域
である低圧流体領域Ｌとをシールしうるように構成され
たもの（以下「従来シール」という）がよく知られてい
る。

【０００３】ところで、回転密封環３、静止密封環４及
び保持環５は、その機能の違いから、夫々、熱膨張係
数，ヤング率の異なる異質材で構成されている。例え
ば、回転密封環３はＷＣ，ＳｉＣ等の超硬質材で、静止
密封環４は回転密封環３の構成材に比して軟質のカーボ
ン等で、保持環５はＳＵＳ３０４，Ｔｉ等の金属材で構
成されている。一方、回転密封環３、静止密封環４及び
保持環５には運転に伴う発熱や機器のシステム圧によっ
て熱歪みや圧力歪み（以下「歪み」というときは、これ
らの歪みをいうものとする）が生じるが、これらの歪み
量や歪み状態は同一ではなく、構成材質の違いから相異
する。特に、構成材質上、保持環５の歪み量は回転密封
環３及び静止密封環４のそれに比して極めて大きい。

【０００４】したがって、静止密封環４と保持環５とが
嵌合等により一体化されている場合には、両環４，５の
接触部分においてそれらの歪みが相互に干渉することに
なり、その結果、静止密封環４については、保持環５の
歪みの影響を強く受けて、それ自身の歪みとは全く異な
る歪み状態を呈することなる。このため、静止側密封端
面４ａの平滑度や回転側密封端面３ａに対する同心度，
平行度が損なわれて、密封端面３ａ，４ａ間に発生する
動圧が不均一となったり、極端な場合には、動圧発生不
良や密封端面３ａ，４ａの局部的接触といった不測の事
態を生じて、長期に亘って良好なシール機能を発揮し得
ないといった問題が生じる。特に、かかる問題は高圧，
高速条件下において顕著に生じ、かかるシール条件下で
の使用をより困難とする。

【０００５】そこで、従来シールでは、図７及び図８に
示す如く、環状溝１１の溝深さをＯリング１０の断面径
よりも所定量小さく設定して、Ｏリング１０の一部を環
状溝１１から突出させることによって、静止密封環４の
背面４ｄと保持環５の前面５ｄとの間をＯリング１０を
介してシールされた非接触状態に保持させておき、静止
密封環４が保持環５の歪みによる悪影響を受けることが
ないように図っている。すなわち、静止密封環４と保持
環５とがＯリング１０を介して間接的に接触しているに
すぎないから、圧力変動，温度変化等により両環４，５
に異なる歪みが生じた場合にも、それらの歪みはＯリン
グ１０の弾性変形により吸収されて相互に干渉せず、静
止密封環４が保持環５の歪みによる悪影響を受けること
がない。なお、Ｏリング１０は、一般に、非圧縮性且つ
高摩擦性を有するゴム等で構成されており、径方向にず
れたりすることなく両環４，５が軸線方向に相対変位し
た場合にもこれに追随変形して両環４，５間を良好に二
次シールしうるように、図８に示す如く、環状溝１１の
外径側壁面１４との間に適当な余裕をもった状態で内径
側壁面１３に支持されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来シールで
は、図８に示す如く、環状溝１１が断面矩形状のもの
（同図（Ａ））又は蟻溝形状のもの（同図（Ｂ））であ
るために、両環４，５の歪みをＯリング１０の弾性変形
によって吸収できない場合があり、これらの歪みの相互
干渉を完全に排除することができないでいた。

【０００７】すなわち、静止密封環４の背面４ｄにおけ
るＯリング１０の接触箇所（以下「第１接触箇所」とい
う）Ｃ₁ と保持環５におけるＯリング１０の接触箇所つ
まり環状溝１１の底壁面１５におけるＯリング１０の接
触箇所（以下「第２接触箇所」という）Ｃ₂ とは、両環
４，５に歪みが生じた場合、それらの歪み量が上記した
如く大きく異なることから、径方向に相対変位すること
になる。一方、Ｏリング１０は、それがゴム等の高摩擦
係数材で構成されていること及び静止密封環４の背面４
ｄと環状溝１１の底壁面１５との間に挟圧されているこ
とから、両接触箇所Ｃ₁ ，Ｃ₂ においては滑りが生じ難
く、接触箇所Ｃ₁ ，Ｃ₂ の相対変位に伴って変形される
ことになる。したがって、第１接触箇所Ｃ₁ が第２接触
箇所Ｃ₂に対して内径方向に相対変位した場合、第１接
触箇所Ｃ₁ の変位に伴ってこれに接触しているＯリング
部分が内径方向へと弾性変形しようとするが、環状溝１
１内のＯリング部分（以下「溝内部分」という）１０ａ
の内径方向への変形は環状溝１１の内径側壁面１３によ
り阻止されていることから、かかるＯリング１０の変形
は、それがゴム等の非圧縮性材で構成されていることと
も相俟って、環状溝１１から僅かに突出しているＯリン
グ部分（以下「溝外部分」という）１０ｂが弾性変形で
きる範囲において許容されるにすぎない（図８鎖線図示
参照）。

【０００８】しかし、この溝外部分１０ｂは極く小さな
ものであるから、Ｏリング１０が第１接触箇所Ｃ₁ の変
位に追従して変形できる範囲（以下「追従変形限度」と
いう）は極く僅かである。したがって、両環４，５の歪
みによる接触箇所Ｃ₁ ，Ｃ₂の相対変位量がＯリング１
０の追従変形限度を越える場合があり、かかる場合に
は、両環４，５の歪みが溝外部分１０ｂの変形によって
は吸収されず、相互に干渉する虞れがある。なお、Ｏリ
ング１０の環状溝１１からの突出量を大きくして、追従
変形限度を大きくしておくことも考えられるが、このよ
うにすることは、振動や圧力変動等によりＯリング１０
が環状溝１１から飛び出して脱落する虞れがあり、両環
４，５間の二次シール機能上からも到底採用できない。

【０００９】本発明は、従来シールにおける上記した問
題を解決して、静止密封環と保持環との間における歪み
の相互干渉を確実に防止すると共に、静止密封環と保持
環との間のＯリングによる二次シール機能を良好に維持
し得て、シール条件に拘わらず、両密封環によるシール
機能を長期に亘って良好に発揮させうる非接触形メカニ
カルシールを提供することを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転軸２に固
定された回転密封環３とシールケース１に保持環５を介
して回転密封環３へと押圧附勢された状態で保持された
静止密封環４との対向端面たる密封端面３ａ，４ａ間に
おいて、両密封端面３ａ，４ａをその一方に形成した動
圧発生溝３ｂにより発生させた動圧により非接触状態に
保持しつつ、密封端面３ａ，４ａの外周側領域である高
圧流体領域Ｈとその内周側領域である低圧流体領域Ｌと
をシールするように構成されており、保持環５の前面５
ｄに形成せる環状溝１１に保持させたＯリング１０を、
環状溝１１から若干突出した状態でその底壁面１５と静
止密封環４の背面４ｄとに挟圧させることにより、静止
密封環４の背面４ｄと保持環５の前面５ｄとの間を二次
シールされた非接触状態に保持するように構成された非
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、前記環状溝１１の内径側壁面１３における
溝口側部分１３ａを溝奥側部分１３ｂより小径として、
Ｏリング１０を、環状溝１１の外径側壁面１４及び溝口
側部分１３ａに非接触の状態で、内径側壁面１３に支持
すると共に、保持環５の前面５ｄに、前記溝口側部分１
３ｂに連なって静止密封環４の内周側空間部へと遊嵌状
に突入する環状のＯリング保持部５ｃを突設しておくこ
とを提案するものである。

【００１１】

【作用】Ｏリング１０が、環状溝１１の内径側壁面１３
においては、溝口側部分１３ａに非接触の状態で支持さ
れているから、環状溝１１外のＯリング部分である溝外
部分１０ｂのみならず、環状溝１１内のＯリング部分で
ある溝内部分１０ａにおける溝口側部分１３ａに対応す
る部分（以下「見掛け上の溝外部分」という）１０´ｂ
も内径方向への変形が可能となる。すなわち、Ｏリング
１０の内径側壁面１３による支持形態上、環状溝１１の
内径側壁面１３が実質的に溝奥側部分１３ｂのみによっ
て構成されることになり、内径側壁面１３によっては実
質的に変形を規制されない変形自在部分が、環状溝１１
から突出する溝外部分１０ｂとこれに連なる見掛け上の
溝外部分１０´ｂとで構成されることなる。したがっ
て、静止密封環４及び保持環５の歪みにより、第１接触
箇所Ｃ ₁ （静止密封環４の背面４ｄにおけるＯリング１
０の接触箇所）が第２接触箇所Ｃ ₂ （環状溝１１の底壁
面１５におけるＯリング１０の接触箇所）に対して内径
方向に大きく相対変位した場合にも、つまり溝外部分１
０ｂの変形のみでは吸収できないような相対変位が生じ
た場合にも、変形自在部分が第１接触箇所Ｃ ₁ の変位に
追従して容易に弾性変形することができ、その結果、静
止密封環４及び保持環５の歪みが変形自在部分の変形に
より吸収されて相互に干渉することがなく、静止密封環
４が保持環５の歪みにより悪影響を受けることがない。

【００１２】一方、変形自在部分が大きいと、接触箇所
Ｃ ₁ ，Ｃ ₂ の相対変位に容易に追従できる反面、変形自
在部分が内径方向に必要以上に変形して、機器の振動等
による影響と相俟って、Ｏリング１０が環状溝１１から
内径方向に飛び出して脱落する虞れがある。しかし、変
形自在部分の内径方向への変形や変位は、保持環５の前
面から静止密封環４の内周側空間部へと延びるＯリング
保持部５ｃによって、一定範囲内に規制されることか
ら、上記したような虞れはない。しかも、Ｏリング保持
部５ｃは溝口側部分１３ａに連なっているから、変形自
在部分の内径方向への変形や変位は環状溝１１の溝口に
対応する範囲内に規制されることから、変形自在部分の
一部（主として見掛け上の溝外部分１０´ｂ）の環状溝
１１内への復帰も容易であり、静止密封環４と保持環５
とが歪みや振動等の影響により相対運動した場合にも、
Ｏリング１０がこれに良好に追従変形し得て、Ｏリング
１０による二次シール機能が良好に発揮，維持される。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の構成を図１〜図４に示す実施
例に基づいて具体的に説明する。

【００１４】この実施例の非接触形メカニカルシール
は、図１に示す如く、シールケース１と、シールケース
１を洞貫するタービン軸等の回転軸２に固定された円環
状の回転密封環３と、回転密封環３に軸線方向において
直対向する円環状の静止密封環４と、静止密封環４の背
面側においてシールケース１に保持された保持環５と、
シールケース１と保持環５との間に介装された複数のコ
イル状のスプリング６（一のみ図示）と、を具備する。

【００１５】シールケース１は、図１に示す如く、円筒
状のガイド部１ａ及び円環状のリテーナ部１ｂとを有す
る。回転軸２は、ガイド部１ａ及びリテーナ部１ｂを同
心状に貫通する。

【００１６】回転密封環３はＷＣ，ＳｉＣ等の超硬質材
で構成されたもので、図１及び図２に示す如く、静止密
封環４に軸線方向において対向する端面３ａには、高圧
流体領域Ｈに臨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、両密封環３，４の相対回
転に伴い動圧を発生せしめて、両密封環３，４の対向端
面たる密封端面３ａ，４ａ間を、流体膜を介在形成させ
た非接触状態に保持する。而して、この流体膜の形成部
分において、密封端面３ａ，４ａの外周側領域である高
圧流体領域（例えば、タービン等の機内である高圧ガス
領域）Ｈとその内周側領域である低圧流体領域（例え
ば、タービン等の機外である大気領域）Ｌとの間をシー
ルするようになっている。

【００１７】静止密封環４は回転密封環３の構成材より
比較的軟質のカーボン等で構成されたもので、図１及び
図２に示す如く、シールケース１のガイド部１ａに極く
微小な隙間を有する状態で軸線方向移動自在に内嵌保持
されている。すなわち、静止密封環４の背面側における
外周部分及び内周部分には密封端面４ａの外径及び内径
より大径とした環状凸部４ｂ及び環状凹部４ｃが形成さ
れていて、環状凸部４ｂを、例えばＪＩＳ−Ｂ０４０１
にいうすき間ばめ程度の寸法公差をもってガイド部１ａ
に嵌合させることによって、環状凸部４ｂの外周面とガ
イド部１ａの内周面との間に、静止密封環４の径方向変
位を可及的に阻止するも、その軸線方向移動並びに流体
の通過を許容する、極く微小な隙間が形成されるように
構成されている。なお、この隙間は静止密封環４の径や
シール条件等に応じて適宜に設定されるが、一般には、
環状凸部４ｂの外径寸法とガイド部１ａの内径寸法との
差を１０〜１００μｍ程度としておくことが好ましい。

【００１８】保持環５はＳＵＳ３０４，Ｔｉ等の金属材
で構成されたもので、図１及び図２に示す如く、円筒状
の被保持部５ａとその前端に形成された円環状の押圧部
５ｂとを備えた断面Ｌ字形状に成形されている。この保
持環５は、図２に示す如く、被保持部５ａをシールケー
ス１のリテーナ部１ｂの内周部にゴム製の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１
に、これとの間を二次シールさせた状態で、軸線方向移
動可能に保持されている。

【００１９】なお、静止密封環４は、図２に示す如く、
これに保持環５の押圧部５ｂに植設せる適当数の回り止
めピン（一のみ図示）８を突入係合させておくことによ
り、保持環５に対して相対回転不能とされている。ま
た、保持環５は、図２に示す如く、これに植設せる適当
数の回り止めピン（一のみ図示）９をシールケース１の
リテーナ部１ｂに突入係合させておくことにより、シー
ルケース１に対して相対回転不能とされている。これら
の回り止めピン８，９は共通のものとしてもよい。例え
ば、一方の回り止めピン８を廃して、他方の回り止めピ
ン９を保持環５に貫通状に支持させて、その両端部をリ
テーナ部１ｂ及び静止密封環４に突入係合させておくよ
うにしてもよい。

【００２０】各スプリング６は、図１及び図２に示す如
く、シールケース１のリテーナ部１ｂと保持環５の押圧
部５ｂとの間に介装されており、保持環５を軸線方向に
おいて回転密封環３に向かう方向に押圧附勢する。

【００２１】而して、静止密封環４と保持環５との間
は、図１〜図３に示す如く、両環４，５の軸線方向にお
ける対向端面４ｄ，５ｄ間にＯリング１０を介在させる
ことによって、二次シールされた非接触状態に保持され
ている。

【００２２】すなわち、保持環５の前面つまり押圧部５
ｂの前面５ｄに同心の環状溝１１を形成し、この環状溝
１１にゴム製のＯリング１０を若干突出させた状態で嵌
合保持させることによって、静止密封環４を、スプリン
グ６による附勢作用と相俟って、保持環５との間に適当
なクリアランス１２を有したシール状態で、回転密封環
３へと押圧させるべく附勢保持せしめている。なお、Ｏ
リング１０は、環状溝１１の外径側壁面１４に非接触の
状態で保持されている。

【００２３】而して、環状溝１１は、図３に示す如く、
その内径側壁面１３における溝口側部分１３ａを溝奥側
部分１３ｂより小径として、内径側壁面１３においては
Ｏリング１０が溝口側部分１３ａに非接触の状態で支持
されるように構成されている。すなわち、この実施例で
は、図３に示す如く、環状溝１１の内径側壁面１３を溝
口方向に漸次縮径する傾斜面として、Ｏリング１０の溝
内部分１０ａを、溝口側部分１３ａから離間した状態
で、溝奥側部分１３ｂに支持させるように構成されてい
る。また、押圧部５ｂの前面５ｄには、図２及び図３に
示す如く、前記溝口側部分１３ａに連なって静止密封環
４の内周側空間つまり環状凹部４ｃへと遊嵌状に突入す
る円環状のＯリング保持部５ｃが突設されている。な
お、環状凹部４ｃとＯリング保持部５ｃとの隙間Ｓは、
両部４ｃ，５ｃが両環４，５の歪みによっては干渉しな
い範囲で可及的に小さく設定しておく。具体的には、両
部４ｃ，５ｃが同心状態にあるときにおいてＳ＝０．３
〜０．５ｍｍに設定しておくことが好ましい。

【００２４】ところで、静止密封環４及び保持環５の前
面及び背面には、高圧流体領域Ｈの流体による動圧及び
静圧により、図４に示す如き軸線方向の押圧力Ｆ₁ ，Ｆ
´₁，Ｆ₂ ，Ｆ´₂ ，Ｆ₃ ，Ｆ₄ が作用することにな
る。すなわち、静止密封環４の前面には、密封端面３
ａ，４ａ間に発生する動圧による押圧力Ｆ₁ 及び環状凸
部４ｂが受ける流体圧力による押圧力Ｆ´₁ が作用し、
その背面には、環状凸部４ｂが受ける流体圧力による押
圧力Ｆ´₂ 及びクリアランス１２に侵入した流体の圧力
による押圧力Ｆ₂ が作用する。ここに、静止密封環４の
環状凸部４ｂに作用する押圧力Ｆ´₁ ，Ｆ´₂ は、方向
反対にして大きさ同一のものであり、相殺されるもので
あるから、静止密封環４には、押圧力Ｆ₁ ，Ｆ₂ のみが
作用するとみなしうる。一方、保持環５の前面にはクリ
アランス１２に侵入した流体の圧力による押圧力Ｆ₃ が
作用し、その背面には、押圧部５ｂの背面が受ける流体
圧力による押圧力Ｆ₄ が作用する。而して、押圧力Ｆ₁
については当該メカニカルシールの使用条件等によって
必然的に決定されるものであり、押圧力Ｆ₄ については
Ｏリング７による二次シール部分の直径つまり被保持部
５ａの外径（以下「バランス径」という）Ｄによって一
義的に決定されるものであるが、押圧力Ｆ₂ ，Ｆ ₃ はＯ
リング１０による二次シール部分の直径（以下「シール
径」という）ｄによって或る程度自由に決定することが
できる。すなわち、シール径ｄと静止密封環４の背面４
ｄ及び保持環５の前面５ｄにおける受圧面積とは反比例
し、シール径ｄを大きくすると押圧力Ｆ₂ ，Ｆ₃ は小さ
くなり、シール径ｄを小さくすると押圧力Ｆ₂ ，Ｆ₃ は
大きくなる。そこで、この実施例では、シール径ｄをバ
ランス径Ｄより大きくして、Ｆ₁ ＞Ｆ₂ 及びＦ₃ ＜Ｆ₄
となるようにしておくことにより、Ｏリング１０による
二次シール機能が常に良好に発揮されるように工夫して
ある。すなわち、Ｆ₁ ＞Ｆ₂ 及びＦ₃ ＜Ｆ₄ となるよう
にしておくと、静止密封環４と保持環５とが接近方向に
押圧される状態となり、振動等に拘わらずＯリング１０
が両環４，５間に挟圧された状態に保持されて、Ｏリン
グ１０による二次シール機能が低下することがない。但
し、シール径ｄが一定以上大きくないと、具体的にはｄ
−Ｄ＜０．５ｍｍであると、上記効果をさほど期待でき
ない。逆に、シール径ｄが必要以上に大きくなると、具
体的にはｄ−Ｄ＞４．０ｍｍであると、静止密封環４に
作用する押圧力Ｆ₁ と押圧力Ｆ₂ とのバランスが崩れ
て、その押圧力差（Ｆ₁ −Ｆ₂ ）によるモーメントによ
り静止密封環４の捩じり歪みが大きくなって、両密封端
面３ａ，４ａの局部的接触が生じる虞れがある。したが
って、シール径ｄは、バランス径Ｄを基準として、０．
５ｍｍ≦ｄ−Ｄ≦４．０ｍｍの範囲でシール条件等に応
じて適宜に設定しておくことが好ましい。ところで、シ
ール径ｄは、実際にはＯリング１０における静止密封環
４ないし保持環５との接触箇所Ｃ₁，Ｃ₂ での直径であ
るが、かかる接触箇所Ｃ₁，Ｃ₂はＯリング構成材の性状
（ゴム硬度，ゴム劣化等）やシール条件等によって変動
し易く、特定するのが困難であるから、一般には、シー
ル径ｄを環状溝１１の内外径を基準として（例えば、図
４に示す如く、シール径ｄを環状溝１１の内径を基準と
して）設計しておくことが好ましい。なお、実際のシー
ル径ｄの変動幅は、Ｏリング１０の内径方向への変位，
変形がＯリング保持部５ｃで規制されていることとも相
俟って、最悪の状況下においても環状溝１１の内外径の
範囲より大きくなることはなく、通常は、環状溝１１の
内外径の範囲より狭小となる。

【００２５】以上のように構成された非接触形メカニカ
ルシールにあっては、Ｏリング１０が、環状溝１１の内
径側壁面１３においては、溝口側部分１３ａに非接触の
状態で支持されているから、溝外部分１０ｂのみなら
ず、溝内部分１０ａにおける溝口側部分１３ａに対応す
る部分つまり見掛け上の溝外部分１０´ｂも内径方向へ
の変形が可能である。すなわち、静止密封環４の背面４
ｄにおけるＯリング１０の接触箇所である第１接触箇所
Ｃ₁ が、保持環５におけるＯリング１０の接触箇所つま
り環状溝１１の底壁面１５におけるＯリング１０の接触
箇所である第２接触箇所Ｃ₂ に対して、内径方向に大き
く相対変位したときにおいては、溝外部分１０ｂ及びこ
れに連なる見掛け上の溝外部分１０´ｂが第１接触箇所
Ｃ₁ の変位に追従して変形することになり、Ｏリング１
０の追従変形限度が図８（Ａ）（Ｂ）に示す如き環状溝
形態をとる場合に比して大幅に大きくなる（図３鎖線図
示参照）。換言すれば、Ｏリング１０の内径側壁面１３
による支持形態上、環状溝１１の内径側壁面１３が実質
的に溝奥部分１３ｂのみによって構成されることにな
り、内径側壁面１３によっては実質的に変形を規制され
ない変形自在部分が、環状溝１１から突出する溝外部分
１０ｂとこれに連なる溝内部分１０ａの一部である見掛
け上の溝外部分１０´ｂとで構成されることになる。し
たがって、変形自在部分１０ｂ，１０´ｂが従来シール
におけるよりも大きくなり、Ｏリング１０の内径方向へ
の変形が容易となる。このため、両環４，５の歪みによ
り、第１接触箇所Ｃ₁ が第２接触箇所Ｃ₂ に対して内径
方向に大きく相対変位して、溝外部分１０ｂの変形によ
ってはかかる相対変位を吸収し得ない場合にも、図３に
鎖線図示する如く、変形自在部分１０ｂ，１０´ｂが第
１接触箇所Ｃ₁ の変位に追従して容易に弾性変形するこ
とができ、その結果、両環４，５の歪みが変形自在部分
１０´ａ，１０ｂの変形により吸収されて相互に干渉す
ることがなく、静止密封環４が保持環５の歪みにより悪
影響を受けることがない。

【００２６】一方、このように変形自在部分１０ｂ，１
０´ｂが大きいと、接触箇所Ｃ₁ ，Ｃ₂ の相対変位に容
易に追従できる反面、変形自在部分１０ｂ，１０´ｂが
内径方向に必要以上に変形して、機器の振動等による影
響と相俟って、Ｏリング１０が環状溝１１から内径方向
に飛び出して脱落する虞れがある。しかし、変形自在部
分１０ｂ，１０´ｂの内径方向への変形や変位は、溝口
側部分１３ａに連なって静止密封環４の環状凹部４ｃへ
と突入するＯリング保持部５ｃによって、一定範囲内に
規制されることから、上記したような虞れはない。すな
わち、変形自在部分１０ｂ，１０´ｂを大きくすること
による弊害が、Ｏリング保持部５ｃによって確実に排除
されるのである。しかも、Ｏリング保持部５ｃは溝口側
部分１３ａに連なっているから、変形自在部分１０ｂ，
１０´ｂの内径方向への変形や変位は環状溝１１の溝口
に対応する範囲内に規制されることから、変形自在部分
１０ｂ，１０´ｂの一部（主として見掛け上の溝外部
分）の環状溝１１内への復帰も容易となる。したがっ
て、静止密封環４と保持環５とが歪みや振動等の影響に
より相対運動した場合にも、Ｏリング１０がこれに良好
に追従変形し得て、Ｏリング１０による二次シール機能
が良好に発揮，維持される。なお、かかる二次シール機
能は、シール径ｄをバランス径Ｄを基準として上記した
範囲で適宜に設定して、静止密封環４と保持環５とが接
近方向に押圧状態となるようにしておくことによって、
更に良好となる。

【００２７】ところで、保持環５は弾性部材であるＯリ
ング７を介してシールケース１に保持されているもので
あるから、機器の振動等によって偏心する虞れがある。
そして、保持環５が静止密封環４に対して一定以上相対
的に偏心すると、Ｏリング１０の周方向における挟圧状
態が著しく不均一となり、Ｏリング１０による二次シー
ル機能が低下する虞れがある。しかし、保持環５に突設
したＯリング保持部５ｃが僅かな間隙Ｓを有して静止密
封環４の環状凹部４ｃに突入係合されていて、静止密封
環４と保持環５との相対偏心量が一定範囲に規制される
ことから、Ｏリング１０の周方向における挟圧状態が著
しく不均一となるようなことがない。

【００２８】これらのことから、本発明に係る非接触形
メカニカルシールにあっては、保持環５の歪みによる影
響を受けて、静止側密封端面４ａの平滑度及び回転側密
封端面３ａに対する同心度，平行度等が損なわれたりす
ることがなく、高圧，高速のシール条件下においても、
密封端面３ａ，４ａによるシール機能を良好に発揮させ
ることができる。

【００２９】なお、本発明に係る非接触形メカニカルシ
ールは上記実施例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。すなわち、環状溝１１の内径側壁面１
３は、Ｏリング１０が溝口側部分１３ａに非接触の状態
で支持させる形状のものであればよく、その形状は任意
であり、例えば図５に示す如き形状としておくことがで
きる。すなわち、図５（Ａ）に示すものでは、内径側壁
面１３を溝口方向に漸次縮径する円弧面として、Ｏリン
グ１０を溝口側部分１３ａに非接触の状態で溝奥側部分
１３ｂに支持させるようにしてある。また、同図（Ｂ）
又は（Ｃ）に示すものでは、内径側壁面１３を階段状と
して、Ｏリング１０を小径の溝口側部分１３ａから離し
た状態で大径の溝奥側部分１３ｂに支持させるようにし
てある。

【００３０】また、図６に示す如く、シールケース１
に、リテーナ部１ｂから保持環５を貫通して静止密封環
４の内周部へと延びる円筒状のガイド部１ｃを形成し
て、静止密封環４をガイド部１ｃに外嵌させることによ
って、静止密封環４をシールケース１に軸線方向移動可
能に且つ径方向変位不能に内嵌保持させておくようにし
てもよい。この場合においても、すき間ばめ程度の寸法
公差（ＪＩＳ−Ｂ０４０１）をもって静止密封環４をガ
イド部１ｃに嵌合させておき、静止密封環４の内周面と
ガイド部１ｃの外周面との間には、静止密封環４の径方
向変位を阻止するも、その軸線方向移動並びに流体の通
過を許容する、極く微小な隙間が形成されるようにして
おく。この隙間は、上記実施例におけると同様に、静止
密封環４の径やシール条件等に応じて適宜に設定され、
一般に、静止密封環４の内径寸法とガイド部１ｃの外径
寸法との差を１０〜１００μｍ程度としておくことが好
ましい。勿論、密封端面３ａ，４ａ間に動圧を発生させ
るための手段も任意である。すなわち、動圧発生溝３ａ
の形状やこれを形成する密封端面３ａ，４ａの選択も任
意である。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から容易に理解されるよう
に、本発明の非接触形メカニカルシールにあっては、環
状溝１１の内径側壁面１３の形状を工夫して、静止密封
環４と保持環５との間を二次シールするＯリング１０の
内径方向への変形を容易ならしめるようにしたから、静
止密封環４と保持環５との歪みの相互干渉が確実に防止
されて、静止密封環４が保持環５の歪みによる悪影響を
受けることがない。しかも、Ｏリング１０の内径方向へ
の変形，変位をＯリング保持部５ｃによって一定範囲内
に規制するようにしたから、Ｏリング１０の環状溝１１
からの飛び出し，脱落が確実に防止され、Ｏリング１０
による二次シール機能が良好に発揮される。したがっ
て、本発明によれば、構造を徒に複雑化，大型化させる
ことなく、両密封環３，４によるシール機能を、シール
条件に拘わらず、常に良好に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ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る非接触形メカニカルシールの一実
施例を示す半截の縦断側面図である。

【図２】図１の要部を拡大して示す縦断側面図である。

【図３】図２の要部を拡大して示す縦断側面図である。

【図４】静止密封環及び保持環に作用する圧力分布図で
ある。

【図５】環状溝の変形例を示す図３相当の縦断側面図で
ある。

【図６】他の実施例を示す図１相当の縦断側面図であ
る。

【図７】従来シールを示す図１相当の縦断側面図であ
る。

【図８】図７の要部を拡大して示す縦断側面図である。

【符号の説明】 １…シールケース、２…回転軸、３…回転密封環、３
ａ，４ａ…密封端面、３ｂ…動圧発生溝、４…静止密封
環、４ｃ…環状凹部（内周側空間部）、４ｄ…静止密封
環の背面、５…保持環、５ｂ…押圧部、５ｃ…Ｏリング
保持部、５ｄ…押圧部の前面（保持環の前面）、６…ス
プリング、１０…Ｏリング、１１…環状溝、１３…環状
溝の内径側壁面、１３ａ…内径側壁面の溝口側部分、１
３ｂ…内径側壁面の溝奥側部分、１４…環状溝の外径側
壁面、１５…環状溝の底壁面、Ｈ…高圧流体領域、Ｌ…
低圧流体領域。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸（２）に固定された回転密封環
   （３）とシールケース（１）に保持環（５）を介して回
   転密封環（３）へと押圧附勢された状態で保持された静
   止密封環（４）との対向端面たる密封端面（３ａ，４
   ａ）間において、両密封端面（３ａ，４ａ）をその一方
   に形成した動圧発生溝（３ｂ）により発生させた動圧に
   より非接触状態に保持しつつ、密封端面（３ａ，４ａ）
   の外周側領域である高圧流体領域（Ｈ）とその内周側領
   域である低圧流体領域（Ｌ）とをシールするように構成
   されており、保持環（５）の前面（５ｄ）に形成せる環
   状溝（１１）に保持させたＯリング（１０）を、環状溝
   （１１）から若干突出した状態でその底壁面（１５）と
   静止密封環（４）の背面（４ｄ）とに挟圧させることに
   より、静止密封環（４）の背面（４ｄ）と保持環（５）
   の前面（５ｄ）との間を二次シールされた非接触状態に
   保持するように構成された非接触形メカニカルシールに
   おいて、 前記環状溝（１１）の内径側壁面（１３）における溝口
   側部分（１３ａ）を溝奥側部分（１３ｂ）より小径とし
   て、Ｏリング（１０）を、環状溝（１１）の外径側壁面
   （１４）及び溝口側部分（１３ａ）に非接触の状態で、
   内径側壁面（１３）に支持すると共に、 保持環（５）の前面（５ｄ）に、前記溝口側部分（１３
   ｂ）に連なって静止密封環（４）の内周側空間部へと遊
   嵌状に突入する環状のＯリング保持部（５ｃ）を突設し
   てあることを特徴とする非接触形メカニカルシール。