JP2843973B2 - 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、回転軸２に固定
された回転密封環３と、回転軸２に遊嵌されており、シ
ールケース１にケース側Ｏリング７を介して二次シール
された状態で軸線方向移動自在に挿通保持された筒状の
被保持部５ａとその前端部に形成された環状の押圧部５
ｂとからなる断面Ｌ字形の保持環５と、シールケース１
と保持環５の押圧部５ｂとの間に介装されたスプリング
６と、回転密封環３と保持環５との間に配して回転軸２
に遊嵌されており、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、押
圧部５ｂの前面に形成した断面矩形状又は蟻溝形状の環
状溝１１に保持されており、該押圧部５ｂの前面５ｄと
静止密封環４の背面４ｄとの間を二次シールされた非接
触状態に保持する保持環側Ｏリング１０と、を具備し
て、回転密封環３と静止密封環４との対向端面である密
封端面３ａ，４ａにおいて、その相対回転作用及び一方
の密封端面３ａに形成した動圧発生溝３ｂの作用によ
り、密封端面３ａ，４ａを非接触状態に保持させつつ、
密封端面３ａ，４ａの外周側領域である被密封流体領域
Ｈと内周側領域である非密封流体領域Ｌとをシールさせ
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伝統的な非接触形メカニ
カルシールでは、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，４
ａ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、保持環側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との間に微小なクリアランス１２が
形成されるように構成し、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とが保持環側Ｏリン
グ１０を介して間接的に接触しているのみであるから、
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、それらの歪みは保持環側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、保持環側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、伝統的な非接触形メカニカルシールのように静止密
封環４と保持環５とが一体化されていないために、両環
４，５が相対的に偏心した状態で組み込まれる虞れがあ
る。ところで、静止密封環４と保持環５との間に介装さ
れた保持環側Ｏリング１０は上記した如く高摩擦材で構
成されていて、両環４，５と保持環側Ｏリング１０との
接触箇所においては滑りが生じ難いことから、一旦、両
環４，５が相対的に偏心した位置関係で組み込まれる
と、その位置関係の変動は保持環側Ｏリング１０の弾性
変形により許容されるにすぎない。一方、保持環側Ｏリ
ング１０が静止密封環４と保持環５とに滑りを生じない
状態で接触していること及び保持環側Ｏリング１０が上
記した如く非圧縮性材で構成されていることから、保持
環側Ｏリング１０の弾性変形限度量は極めて小さい。し
たがって、組み込み時における両環４，５の相対偏心量
が大きい場合には、これを保持環側Ｏリング１０の弾性
変形により吸収することができず、つまり両環４，５が
適正な位置関係に修正されることがなく、静止密封環４
の密封端面４ａが回転密封環３の密封端面３ａに対して
大きく傾いた状態で運転されることになり、密封環３，
４による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。極端な場合には、両密封端面４ａ，５ａが局
部的に接触して異常発熱し、静止密封環４と保持環５と
の歪み干渉を保持環側Ｏリング１０により防止するよう
にした意義が消失するばかりか、回転密封環３に比して
軟質である静止密封環４が破損する虞れがある。

【０００７】また、上記した如く、静止密封環４に対し
て保持環５の歪みが大きいことから、流体温度等のシー
ル条件によっては、静止密封環５と保持環側Ｏリング１
０との接触箇所が内径方向に大きく相対変位する場合が
ある。かかる場合、従来シールでは、保持環側Ｏリング
１０の内径方向への変位を阻止する手段が何ら設けられ
ていないため、機器の振動等とも相俟って、保持環側Ｏ
リング１０が環状溝１１から内径方向に飛び出したり、
極端な場合には、環状溝１１から脱落する虞れがある。
また、流体の性状や温度等のシール条件によっては、保
持環側Ｏリング１０が流体との接触により劣化して、そ
の弾性が低下し、保持環側Ｏリング１０が両環４，５の
相対変位に追従変形できない虞れがある。さらに、機器
の振動や圧力変動等によって、保持環側Ｏリング１０の
保持環５による静止密封環４への押圧力つまり両環４，
５による保持環側Ｏリング１０の挟圧力が低下する虞れ
がある。したがって、これらのことから、保持環側Ｏリ
ング１０による二次シール機能を長期に亘って良好に発
揮，維持させることができないといった問題がある。ま
た、従来シールでは、図８に示す如く、環状溝１１が、
内径壁面１３が軸線に平行な平面である断面矩形状のも
の（同図（Ａ））又は内径壁面１３が溝奥側に漸次小径
となる蟻溝形状のもの（同図（Ｂ）参照）であったた
め、静止密封環４及び保持環５の歪みを保持環側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。 すなわち、静止密封環４の背面４ｄにおける保
持環側Ｏリング１０の接触箇所（以下「第１接触箇所」
という）Ｃ ₁ と保持環５における保持環側Ｏリング１０
の接触箇所つまり環状溝１１の底壁面１５における保持
環側Ｏリング１０の接触箇所（以下「第２接触箇所」と
いう）Ｃ ₂ 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、保持環側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４ｄ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
Ｃ ₁ ，Ｃ ₂ においては滑りが生じ難く、接触箇所Ｃ ₁ ，
Ｃ ₂ の相対変位に伴って変形されることになる。したが
って、図 ８に鎖線で示す如く、第１接触箇所Ｃ ₁ が第２
接触箇所Ｃ ₂ に対して内径方向に相対変位した場合、第
１接触箇所Ｃ ₁ の変位に伴ってこれに接触している保持
環側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１１内の保持環側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
る保持環側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保持環側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。しかし、この溝外部分１０
ｂは極く小さなものであるから、保持環側Ｏリング１０
が第１接触箇所Ｃ ₁ 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Ｃ ₁ ，Ｃ ₂
の相対変位量が保持環側Ｏリング１０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、保持環側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保持環側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。

【０００８】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
で、シール条件に拘わらず、密封環によるシール機能及
び保持環側Ｏリングによる二次シール機能を長期に亘っ
て良好に発揮，維持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。

【０００９】

【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にケース側Ｏ
リング７を介して二次シールされた状態で軸線方向移動
可能に保持された筒状の被保持部５ａとその前端部に形
成された環状の押圧部５ｂとを有する保持環５と、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、前記押圧部５ｂの前面５ｄに形成した環状溝１
１に保持されており、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、当該両面４ｄ，１５間を二次シールさ
れた非接触状態に保持する保持環側Ｏリング１０と、を
具備して、回転密封環３と静止密封環４との対向端面で
ある密封端面３ａ，４ａを非接触状態で相対回転させる
ことにより、密封端面３ａ，４ａの外周側領域である被
密封流体領域Ｈと内周側領域である非密封流体領域Ｌと
をシールさせ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における溝奥側部分１３ｂを
溝口側部分１３ａより大径として、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に支持し、前記押圧部５ｂ
の前面５ｄに、前記溝口側部分１３ａの端部に連なり且
つ静止密封環４の内周部に形成した環状凹部４ｃに若干
の径方向隙間を有して遊嵌状に突入する環状のＯリング
保持部５ｃを突設すると共に、前記溝口側部分１３ａの
端部径ｄが前記被保持部５ａの外径Ｄに対してＤ＋０．
５ｍｍ≦ｄ≦Ｄ＋４．０ｍｍとなるように構成しておく
ことを提案するものである。

【００１０】

【作用】Ｏリング保持部５ｃは、静止密封環４の内周部
に形成した環状凹部４ｃに若干の径方向隙間を有して遊
嵌状に突入されていて、静止密封環４と保持環５との径
方向位置関係が大きく変動しないようになっているか
ら、仮令、静止密封環４と保持環５とが相対的に偏心し
た位置関係で組み込まれたとしても、両環４，５の相対
偏心量は極く僅かである。したがって、かかる両環４，
５の相対偏心は保持環側Ｏリング１０の弾性変形により
充分に吸収され得て、静止密封環４の密封端面４ａが回
転密封環３の密封端面３ａに対して大きく傾むた状態で
運転されることがなく、密封環３，４によるシール機能
が低下したり、両密封端面３ａ，４ａが局部的に接触し
たりすることがない。

【００１１】ところで、保持環５には被密封流体領域Ｈ
の流体圧が等分布をなして作用し、その結果、保持環５
の前面５ｄには、これを静止密封環４から引き離そうと
する押圧力が作用し、保持環５の背面には、これを静止
密封環４へと押し付けようとする押圧力が作用する。そ
して、前面５ｄに作用する押圧力は、保持環５の外径と
保持環側Ｏリング１０による二次シール箇所（つまり保
持環側Ｏリング１０と静止密封環４ないし保持環５とが
接触する環状領域）の直径（以下「第１シール径」とい
う）とで特定される受圧面積によって決定され、背面に
作用する押圧力は、保持環５の外径とケース側Ｏリング
７による二次シール箇所（つまりケース側Ｏリング７と
保持環５の被保持部５ａとが接触する環状領域）の直径
（以下「第２シール径」という）とで特定される受圧面
積によって決定されるから、両押圧力の大小関係は第１
シール径と第２シール径の大小関係に反比例することに
なる。一方、第２シール径は常に一定であり、被保持部
５ａの外径Ｄに一致することになるが、第１シール径は
静止密封環４と保持環５との相対変位等による保持環側
Ｏリング１０の変形，変位によって変動する。しかし、
かかる変形，変位は、後述する如く、Ｏリング保持部５
ｃにより環状溝１１内の範囲に規制されることから、第
１シール径は、Ｏリング保持部５ｃが連なる溝口側部分
１３ａの端部径（以下「溝口内径」という）ｄよりも小
さくなることはない。換言すれば、第１シール径が溝口
内径ｄに一致するときに、保持環５の前面５ｄにおける
流体圧の受圧面積が最大となり、前面５ｄに作用する押
圧力が最大となるのである。 したがって、上記した如
く、溝口内径ｄを被保持部５ａの外径Ｄよりも所定量大
きく（Ｄ＋０．５ｍｍ≦ｄ≦Ｄ＋４．０ｍｍ）設計して
おくと、第１シール径の変動に拘わらず、常に、保持環
５の前面５ｄに作用する押圧力が背面に作用する押圧力
よりも小さくなり、保持環５が静止密封環４へと押し付
けられることになる。その結果、保持環側Ｏリング１０
が常に静止密封環４と保持環５との間に挟圧された状態
に維持されることになり、Ｏリング保持部５ｃによる作
用とも相俟って、保持環側Ｏリング１０による二次シー
ル機能が良好に発揮，維持されることになる。

【００１２】而して、溝口内径ｄをＤ＋０．５ｍｍ≦ｄ
≦Ｄ＋４．０ｍｍの範囲で設定しておく理由は、次の通
りである。すなわち、ｄ＜Ｄ＋０．５ｍｍであると、保
持環５の前面５ｄに作用する押圧力と背面に作用する押
圧力との差がさほど顕著とならず、シール条件によって
は、保持環５の静止密封環４への押し付け力つまり保持
環側Ｏリング１０の両環４，５による挟圧力が不十分と
なり、良好な二次シールを機能を発揮できない場合が生
じる。一方、静止密封環４の背面４ｄには、流体圧が等
分布をなして作用することによる押圧力（静止密封環４
を回転密封環へと押し付ける力）が作用するが、この押
圧力の大きさは第１シール径つまり溝口内径ｄによって
決定されることから、ｄ＞Ｄ＋４．０ｍｍとすると、静
止密封環４の背面４ｄに作用する押圧力が、両密封環
３，４間に発生する動圧により静止密封環４を回転密封
環３から離間させるようとする押圧力に比して必要以上
に小さくなり、両押圧力のバランスが崩れて、その押圧
力差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、両密封端面の局部的接触が生じる虞れ
がある。さらに、保持環５の前面５ｄに作用する押圧力
と背面に作用する押圧力との差つまり保持環５の静止密
封環４への押し付け力が、シール条件によっては過大と
なり、保持環側Ｏリング１０が必要以上に挟圧されて、
二次シール機能はもとより、静止密封環４と保持環５と
の相対変位に伴う追従性が悪くなる虞れがある。したが
って、保持環側Ｏリング１０の挟圧力を適正に保持し、
静止密封環４に作用する押圧力をバランスさせるために
は、溝口内径ｄをＤ＋０．５ｍｍ≦ｄ≦Ｄ＋４．０ｍｍ
の範囲でシール条件等に応じて適当に定めておくことが
必要となる。また、保持環側Ｏリング１０が、環状溝１
１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（環
状溝１１から突出する保持環側Ｏリング部分）のみなら
ず、溝内部分１０ａ（環状溝１１内の保持環側Ｏリング
部分）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
の変形が可能である。すなわち、静止密封環４の背面４
ｄにおける保持環側Ｏリング１０の接触箇所である第１
接触箇所Ｃ ₁ が、保持環５における保持環側Ｏリング１
０の接触箇所つ まり環状溝１１の底壁面１５における保
持環側Ｏリング１０の接触箇所である第２接触箇所Ｃ ₂
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Ｃ ₁ の変位に追従して変形す
ることになり、保持環側Ｏリング１０の追従変形限度
（保持環側Ｏリング１０が第１接触箇所Ｃ ₁ の変位に追
従して変形できる範囲）が図８（Ａ）（Ｂ）に示す環状
溝形態をとる場合に比して大幅に大きくなる。換言すれ
ば、保持環側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、保持環側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Ｃ ₁ が第２接触箇所Ｃ ₂ 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、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。 一方、このように変形自在部分１
０ｂ，１０´ｂ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１０ｂ，１
０´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、保持環側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へと突入する保持環側Ｏリング保持部５
ｃ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、保持環側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、保持環側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，１
０´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、保持環側Ｏリング１０がこれに良好に追従
変形し得て、保持環側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。そして、かかる二次シー
ル機能は、上述した如く溝口内径ｄをＤ＋０．５ｍｍ≦
ｄ≦Ｄ＋４．０ｍｍの範囲に設定して、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、更に良好に発揮されることになることは
いうまでもない。

【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、被密
封流体領域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
被密封流体領域（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非密封流体領域
（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ケース側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間に保持環側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。すなわち、保持環５の前面つまり押圧
部５ｂの前面５ｄに同心の環状溝１１を形成し、この環
状溝１１にゴム製の保持環側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、保持環側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。さら
に、環状溝１１の内径側壁面１３を、溝奥側部分１３ｂ
が溝口側部分１３ａより大径となるようにして、保持環
側Ｏリング１０を溝口側部分１３ａに非接触の状態で内
径側壁面１３に支持させてある。すなわち、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、保持環側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してある。

【００２２】また、押圧部５ｂの前面５ｄには、図２及
び図３に示す如く、環状溝１１の溝口側部分１３ａの端
部に連なって静止密封環４の環状凹部４ｃに若干の径方
向隙間Ｓを有して遊嵌状に突入する円環状のＯリング保
持部５ｃが突設されていて、保持環側Ｏリング１０が溝
口側部分１３ａの端部径たる溝口内径ｄつまりＯリング
保持部５ｃの外径以上に内径方向に変形，変位するのを
阻止すべく図っている。なお、この径方向隙間隙間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ことが好まし
く、一般には、両部４ｃ，５ｃが同心状態にあるときに
おいてＳ＝０．３〜０．５ｍｍとなるように設定してお
くことが好ましい。

【００２３】また、環状溝１１の内径は、従来シールを
含む公知の非接触形メカニカルシールにおけると同様
に、静止密封環４の前面及び背面に作用する圧力関係が
両密封端面３ａ，４ａを非接触状態に保持するような関
係となることを条件として設定されるが、本発明に係る
非接触形メカニカルシールでは、更に、溝口内径ｄを保
持環５の被保持部５ａの外径Ｄに対してＤ＋０．５ｍｍ
≦ｄ≦Ｄ＋４．０ｍｍとなるように設定してある。

【００２４】すなわち、静止密封環４の前面及び背面に
は、図４（Ａ）に示す如き圧力分布をなす動圧及び静圧
による押圧力Ｆ₁ ，Ｆ₂ が作用するが、押圧力Ｆ₁ は、
静止密封環４の密封端面４ａに作用するものであって、
密封端面３ａ，４ａ間に発生する動圧によるものであ
り、押圧力Ｆ₂ は、静止密封環４の背面における被密封
流体領域Ｈに臨む環状領域、つまり密封端面４ａの外周
面に対応する箇所から保持環側Ｏリング１０による二次
シール箇所に至る環状領域に等分布をなして作用する被
密封流体領域Ｈの流体圧力によるものである。なお、静
止密封環４の外径は密封端面４ａの外径より大きくなっ
ているため、その外周側の環状凸部４ｂの前面及び背面
にも押圧力Ｆ´₁ ，Ｆ´₂ が作用するが、これらの押圧
力Ｆ´₁ ，Ｆ´₂ は方向反対にして大きさ同一のもので
あって相殺されることから、静止密封環４には押圧力Ｆ
₁ ，Ｆ₂ のみが作用するものとする。そして、押圧力Ｆ
₂ は、密封端面４ａの外径と保持環側Ｏリング１０によ
る二次シール箇所の直径である第１シール径ｄ₀ とによ
って特定される受圧面積によって決定されるものであ
る。また、保持環側Ｏリング１０による二次シール箇所
は、保持環側Ｏリング１０の変形，変位により変動する
が、その内径方向への変動は上記した如くＯリング保持
部５ｃの作用により規制されることから、第１シール径
ｄ₀ はＯリング保持部５ｃが連なる溝口側部分１３ａの
端部径たる溝口内径ｄより小さくなることはなく、ｄ₀
≧ｄの範囲で変動することになる。したがって、押圧力
Ｆ₂ は、第１シール径ｄ₀ を変動範囲の下限値としたと
き、つまりｄ₀ ＝ｄとしたときに最大となり、かかる最
大となったときの押圧力Ｆ₂ が動圧による押圧力Ｆ₁ よ
り小さくなっておれば、両密封端面３ａ，４ａ間は常に
非接触状態に保持されることになる。すなわち、両密封
端面３ａ，４ａ間が非接触状態に保持されることは、非
接触形メカニカルシールにおいて必須の条件であるか
ら、第１シール径ｄ₀ の下限値に相当する溝口内径ｄ
は、当該非接触形メカニカルシールにおける一般的設計
事項として、当然に、Ｆ₁ ＞Ｆ₂ となるように設計され
るのであり、本発明に係る非接触形メカニカルシールに
おいても、そのように設計される。一方、このような条
件（Ｆ₁ ＞Ｆ₂ ）を満足する範囲内において、溝口内径
ｄをケース側Ｏリング７による二次シール箇所の直径で
ある第２シール径つまり被保持部５ａの外径Ｄに比して
一定範囲で大きくしておくことは充分に可能である。そ
こで、本発明に係る非接触形メカニカルシールにあって
は、溝口内径ｄを上記した如く０．５〜４．０ｍｍの範
囲内で被保持部５ａの外径Ｄより大きくなるように設定
してあるのである。

【００２５】

【００２６】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リング保持部５ｃが、静止密封
環４の内周部に形成した環状凹部４ｃに若干の径方向隙
間Ｓを有して遊嵌状に突入されていて、静止密封環４と
保持環５との径方向位置関係が大きく変動しないように
なっているから、仮令、両環４，５が相対的に偏心した
位置関係で組み込まれたとしても、両環４，５の相対偏
心量は極く僅かである。したがって、かかる両環４，５
の相対偏心は保持環側Ｏリング１０の弾性変形により充
分に吸収され得て、静止密封環４の密封端面４ａが回転
密封環３の密封端面３ａに対して大きく傾いた状態で運
転されることがなく、密封環３，４によるシール機能が
低下したり、両密封端面３ａ，４ａが局部的に接触した
りすることがない。

【００２７】また、静止密封環４と保持環５との相対変
位や振動等による保持環側Ｏリング１０の内径方向への
変位，変形は、Ｏリング保持部５ｃによって一定範囲内
に規制される。したがって、Ｏリング保持部５ｃが環状
溝１１の内径側壁面１３に連なっていることから、保持
環側Ｏリング１０は環状溝１１から内径方向に飛び出し
たり、脱落したりすることがない。

【００２８】また、保持環５の前面及び背面には、被密
封流体領域Ｈの流体圧力Ｐによる押圧力Ｆ₃ ，Ｆ₄ が作
用するが、図４（Ｂ）に示す如く、押圧力Ｆ₃ は、保持
環５の前面における被密封流体領域Ｈに臨む環状領域、
つまり押圧部５ｂの外周箇所から保持環側Ｏリング１０
による二次シール箇所に至る環状領域に等分布をなして
作用する流体圧力Ｐによるものであり、押圧力Ｆ₄ は、
保持環５の背面における被密封流体領域Ｈに臨む環状領
域、つまり押圧部５ｂの外周箇所からケース側Ｏリング
７による二次シール箇所に至る環状領域に等分布をなし
て作用する流体圧力Ｐによるものである。そして、押圧
力Ｆ₃ は、第１シール径ｄ₀ と押圧部５ｂの外径Ｄ₁ と
で特定される受圧面積によって与えられ、Ｆ₃ ＝Ｐπ
（（Ｄ₁ ）² −（ｄ₀ ）² ）／４となる。また、押圧力
Ｆ₄ は、被押圧部５ａの外径である第２シール径Ｄと押
圧部５ｂの外径Ｄ₁ とで特定される受圧面積によって与
えられ、Ｆ₄ ＝Ｐπ（（Ｄ₁ ）² −（Ｄ）² ）／４とな
る。一方、第１シール径ｄ₀は保持環側Ｏリング１０の
変形，変位によって変動するが、上記した如く溝口内径
ｄよりも小さくなることはない。このようにｄ₀ ≧ｄで
あり、上記した如くｄ＞Ｄであるから、第１シール径ｄ
₀ が変動した場合にも、常に、Ｆ₃ ＜Ｆ₄ となり、これ
らの押圧力差（Ｆ₄ −Ｆ₃ ）により保持環５は静止密封
環４へと押し付けられることになる。したがって、上記
した如く静止密封環４の前面及び背面に作用する押圧力
Ｆ₁ ，Ｆ₂ が当然のこととしてＦ₁ ＞Ｆ₂ の関係にある
こととも相俟って、静止密封環４と保持環５とは常に押
し合う状態に保持される。その結果、保持環側Ｏリング
１０は、常に、両環４，５間に挟圧される状態に保持さ
れることから、保持環側Ｏリング１０の劣化や機器の振
動等が生じた場合にも、両環４，５間を良好に二次シー
ルする。そして、Ｄ＋０．５ｍｍ≦ｄ≦Ｄ＋４．０ｍｍ
としておくことにより、静止密封環４への押し付け力
（Ｆ₄ −Ｆ₃ ）が、シール条件（保持環側Ｏリング１０
の性状変化や圧力変動等）に拘わらず、保持環側Ｏリン
グ１０を適正に挟圧しうるに必要且つ充分な大きさに維
持させておくことができ、保持環側Ｏリング１０による
両環４，５間の二次機能及び両環４，５の相対変位に対
する追従機能が良好に発揮されることになる。また、静
止密封環４の前面及び背面に作用する押圧力Ｆ₁ ，Ｆ₂
が、Ｆ₁ ＞Ｆ₂ の条件を満足しつつ、バランスされ、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ような虞れもない。

【００２９】これらのことから、保持環側Ｏリング１０
による二次シール機能及び密封環３，４によるシール機
能が良好に発揮されて、両環４，５の組み込み形態やシ
ール条件に拘わらず、長期に亘って被密封流体領域Ｈと
非密封流体領域Ｌとのシールを良好に行うことができ
る。

【００３０】

【００３１】

【００３２】

【００３３】また、保持環側Ｏリング１０が、環状溝１
１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（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である。すなわち、静止
密封環４の背面４ｄにおける保持環側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における保
持環側Ｏリング１０の接触箇所つまり環状溝１１の底壁
面１５における保持環側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、保持環側Ｏリング１０
の追従変形限度が図８（Ａ）（Ｂ）に示す環状溝形態を
とる場合に比して大幅に大きくなる。換言すれば、保持
環側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、保持環側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、両環４，５の歪みが変形自在部分１０´ａ，１
０ｂ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。

【００３４】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、保持環側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へと突入する保持環側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、保持環側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、保
持環側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、保持環側Ｏリング１０がこれに良好に追従変形し得
て、保持環側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。そして、かかる二次シール機能
は、溝口内径ｄを上記した範囲（Ｄ＋０．５ｍｍ≦ｄ≦
Ｄ＋４．０ｍｍ）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、更に良好に発揮されることになることはい
うまでもない。

【００３５】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。例えば、静止密封環４と保持環５との
歪み干渉をより確実に回避するための環状溝１１の内径
側壁面１３の形状は、保持環側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ものである限り、
図５に例示する如く任意である。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、保持環側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、保持環側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。

【００３６】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、両密封端面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３
ａ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。

【００３７】

【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は、静止密封環
４と保持環５との組み込み時の形態や保持環側Ｏリング
１０の性状変化等のシール条件に拘わらず、密封環３，
４によるシール機能及び保持環側Ｏリング１０による二
次シール機能を良好に発揮，維持させることができ、長
期に亘って被密封流体領域Ｈと非密封流体領域Ｌとのシ
ールを良好に行うことができるものである。

【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、４ｄ…静止密封環の背面、５…保
持環、５ａ…保持環の被保持部、５ｂ…保持環の押圧
部、５ｃ…保持環のＯリング保持部、５ｄ…押圧部の前
面、６…スプリング、７…ケース側Ｏリング、１０…保
持環側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、１３ｂ…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、ｄ…溝口内径（溝口側部分の端部
径）、Ｄ…被保持部の外径、Ｈ…被密封流体領域、Ｌ…
非密封流体領域。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16J 15/34 F16J 15/06 F16J 15/10

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）にケース側Ｏリング
   （７）を介して二次シールされた状態で軸線方向移動可
   能に保持された筒状の被保持部（５ａ）とその前端部に
   形成された環状の押圧部（５ｂ）とを有する保持環
   （５）と、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、前記押圧部（５
   ｂ）の前面（５ｄ）に形成した環状溝（１１）に保持さ
   れており、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、当該両面（４ｄ，１５）間を二
   次シールされた非接触状態に保持する保持環側Ｏリング
   （１０）と、を具備して、回転密封環（３）と静止密封
   環（４）との対向端面である密封端面（３ａ，４ａ）を
   非接触状態で相対回転させることにより、密封端面（３
   ａ，４ａ）の外周側領域である被密封流体領域（Ｈ）と
   内周側領域である非密封流体領域（Ｌ）とをシールさせ
   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）における溝奥
   側部分（１３ｂ）を溝口側部分（１３ａ）より大径とし
   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）に支持し、 前記押圧部（５ｂ）の前面（５ｄ）に、前記溝口側部分
   （１３ａ）の端部に連なり且つ静止密封環（４）の内周
   部に形成した環状凹部（４ｃ）に若干の径方向隙間を有
   して遊嵌状に突入する環状のＯリング保持部（５ｃ）を
   突設すると共に、 前記溝口側部分（１３ａ）の端部径ｄが前記被保持部
   （５ａ）の外径Ｄに対してＤ＋０．５ｍｍ≦ｄ≦Ｄ＋
   ４．０ｍｍとなるように構成したことを特徴とする非接
   触形メカニカルシール。