JP2899261B2 - シール装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体機械，空気機
械の軸封部やかかる軸封部に装備されるメカニカルシー
ルの二次シール部等に使用される簡易なシール装置に関
するものであって、特に、円柱面状の第１被シール面と
その軸線に直交して相対運動する平面状の第２被シール
面との間をシールするためのシール装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】流体機械，空気機械の軸封部やかかる軸
封部に装備されるメカニカルシールの二次シール部等に
おいては、円柱状又は円筒状の第１被シール部材とこれ
が嵌合又は係合する円形孔又は円形凹部を有する第２被
シール部材との間を、両被シール部材の相対運動（第１
被シール部材の軸線方向又は径方向における相対運動）
を許容した状態で、シールさせる必要がある場合があ
る。例えば、回転軸側の回転密封環とシールケース側の
静止密封環とで構成されるメカニカルシールにあって
は、第２被シール部材である静止密封環をシールケース
に形成された第１被シール部材である円筒状壁部に軸線
方向移動可能に嵌合保持させるようにする場合がある
が、かかる場合、静止密封環と円筒状壁部との間を、回
転密封環への追従性を確保すべく静止密封環の軸線方向
変位を許容した状態で、シール（二次シール）させてお
く必要がある。

【０００３】このような相対運動する第１被シール部材
と第２被シール部材との間のシール装置としては、一般
に、被シール面として両被シール部材の対向面（第１被
シール部材の外周面とこれが嵌合，係合する第２被シー
ル部材の孔，凹部の内周面）を選択して、この被シール
面間にエラストマ材製のリング状シール（以下「エラス
トマシール」という）を装填させたものが周知である。
例えば、上記したメカニカルシールにあっては、静止密
封環の内周面と円筒状壁部の外周面との間にエラストマ
シールたるゴム製のＯリングを装填させて、静止密封環
とシールケースとの間を二次シールさせるようにしてい
る。

【０００４】而して、かかるエラストマシールを使用し
たシール装置によれば、エラストマシールはそれ自身の
弾性（エントロピ弾性）により第１又は第２被シール部
材の変位に追従して、両被シール部材の相対運動を許容
しつつ両被シール部材間を良好にシールすることができ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなシ
ール装置は、構造簡単にして簡易にシールを行いうると
いった利点がある反面、エラストマシールの性質上、適
用できるシール条件が極めて限定されるといった問題が
ある。例えば、ゴム等のエラストマ材は耐熱性に劣るた
め、高温条件下でのシールには適しない。また、被シー
ル面の変位に対する追従性をエラストマシール自身の弾
性によって確保しているため、エラストマ材が著しい膨
張を生じるような高温雰囲気では、エラストマシールの
膨張によりシールリングの移動が阻害され、被シール面
の変位に対する追従性が良好に発揮されず、シール面の
接触による発熱によりエラストマシールが破損し、適正
なシールを行い得ない。

【０００６】本発明は、第２被シール部材の被シール面
として、上記した如く第１被シール部材の外周面に対向
する面（第２被シール部材の孔，凹部の内周面）が選択
される他、第２被シール部材の側端面（例えば静止密封
環の後端面）を選択することができることに着目して、
このような円柱面状の第１被シール面とその軸線に直交
して相対運動する平面状の第２被シール面との間を、上
記した問題を生じることなく、良好にシールすることが
でき、シール条件に応じた適正なシール機能を発揮しう
るシール装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この課題を解決した本発
明のシール装置は、上記した如く、円柱面状の第１被シ
ール面とその軸線に直交して相対運動する平面状の第２
被シール面との間をシールするためのものであって、特
に、次のようなシールリング部材と保持リング部材と緊
縛部材と附勢部材とを具備するものである。

【０００８】すなわち、シールリング部材は、周方向に
おける少なくとも一箇所を切離した複数のシールリング
をそれらの切離箇所が周方向に齟齬する状態で軸線方向
に並列させてなるものである。各シールリングの内周面
は、切離箇所で衝合する完全リング形態において、第１
被シール面にその全周に亘って接触する第１シール面に
構成されており、各シールリングとこれに隣接する他の
シールシングとの軸線方向における対向端面は相互に全
面的に接触する第３シール面に構成されており、軸線方
向におけるシールリング部材の一端面を構成するシール
リングの端面は、第２被シール面に接触する平面状の第
２シール面に構成されている。また、保持リング部材
は、周方向における少なくとも一箇所であって各シール
リングの切離箇所と周方向において齟齬する箇所を切離
してなるもので、第１〜第３シール面を除くシールリン
グ部材の全周面部分に接触した状態でシールリング部材
を内嵌保持している。なお、シールリング部材及び保持
リング部材における各対向切離端面を、互いに密に係合
する凹凸面に形成しておくことが好ましい。また、緊縛
部材は、保持リング部材及びこれに内嵌されたシールリ
ング部材を切離箇所で衝合する完全リング形態に附勢保
持すべく、保持リング部材を緊縛するものである。ま
た、附勢部材は、第２シール面を第２被シール面へと押
圧させると共に第３シール面同士を相互に押圧させるべ
く、保持リング部材を軸線方向に押圧附勢するものであ
る。

【０００９】かかる構成のシール装置によれば、シール
リング部材を構成する複数のシールリングが、少なくと
も一箇所を切離されたフレキシブルなものであり、緊縛
部材により切離箇所で衝合する完全リング形態に附勢保
持されると共に附勢部材により第２被シール面へと押圧
附勢されているから、両被シール面が径方向，軸線方向
等に相対運動する場合にも、これに追従しつつ、第１及
び第２シール面が第１及び第２被シール面に且つ第３シ
ール面同士が適正に接触して、両被シール面間を適正に
シールさせることができる。しかも、シールリング部材
が第３シール面で相互に接触する複数のシールリングで
構成されていると共に、各シールリングの切離箇所と当
該シールリングに隣接する他のシールリングの切離箇所
及び保持リング部材の切離箇所とが齟齬されていること
から、シールすべき流体（以下「被密封流体」という）
の漏れ経路が極めて長大化すると共に複雑化（一種のラ
ビリンス構造化）することから、上記した被シール面へ
の追従変位が生じた場合を含めて、高圧条件下において
も、第１〜第３シール面により被密封流体が良好にシー
ルされることになる。かかる作用効果は、各対向切離端
面を互いに密に係合する凹凸面に形成して、上記漏れ経
路をより長大化，複雑化させるようにしておくことによ
って、より良好に発揮されることになる。また、上記し
た構造上、各構成部材の材質として、シール条件に応じ
たものを任意に選定できるから、エラストマシールのよ
うに材質上からシール条件が制限されるようなことがな
い。例えば、エラストマシールを使用できない高温条件
下においても、各構成部材を耐熱性材で構成しておくこ
とにより、良好なシール機能を発揮させることができ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図４に基づいて具体的に説明する。

【００１１】図１はタービン，ブロワ，遠心圧縮機等の
主として気体（蒸気，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使用される非接触
形メカニカルシールであって、特に、スチームタービン
の軸封を行なう非接触形メカニカルシール（ガスシー
ル）を示したもので、このメカニカルシールにあって
は、タービン軸たる回転軸１に固定された円環状の回転
密封環２とシールケース３に回転不能且つ軸線方向移動
自在に保持された円環状の静止密封環４との相対回転作
用により、被密封流体領域たる高圧流体領域（機内蒸気
領域）Ｈと非密封流体領域たる低圧流体領域（機外大気
領域）Ｌとをシールするように構成されており、この例
では、特に、シールケース３と静止密封環４との間が本
発明に係るシール装置５により二次シールされている。
なお、以下の説明においては、便宜上、前後とは図１に
おける左右を意味するものとする。

【００１２】回転密封環２は、ＷＣ，ＳｉＣ等の超硬質
材で構成されたもので、図１に示す如く、後端面たる密
封端面２ａにはＬ字状やスパイラル状等の適宜形状をな
す動圧発生溝２ｂが形成されている。

【００１３】シールケース３は、図１に示す如く、内周
部に円形のガイド面３ａを形成すると共に環状壁部３ｂ
及び円筒状壁部３ｃを同心状に一体形成してなる。な
お、回転軸１は、環状壁部３ｂ及び円筒状壁部３ｃを同
心状に貫通している。

【００１４】静止密封環４は、回転密封環２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に
示す如く、前端面たる密封端面４ａを回転密封環２の密
封端面２ａに対向させた状態で、シールケース３の円筒
状壁部３ｃに遊嵌されると共に、シールケース３のガイ
ド面３ａ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。なお、静止密封環４の後端
面側領域（背面側領域）は、ガイド面３ａとの嵌合部分
を介して高圧流体領域Ｈに連通されている。

【００１５】シール装置５は、図１〜図４に示す如く、
第１被シール部材たるシールケース３の円筒状壁部３ｃ
と第２被シール部材たる静止密封環４との間を二次シー
ルする、つまり円筒状壁部３ｃの外周面で構成される平
滑な円柱面たる第１被シール面３ｄとその軸線に直交し
て第１被シール面３ｄの径方向又は軸線方向に相対運動
可能な静止密封環４の後端面で構成される平滑な環状平
面たる第２被シール面４ｂとの間を二次シールするもの
であり、シールリング部材６及び保持リング部材７と緊
縛部材８と附勢部材９とを具備してなる。

【００１６】シールリング部材６は、図１〜図４に示す
如く、第１及び第２シールリング６ ₁ ，６₂ からなる。
両シールリング６₁ ，６₂ は、形状，材質を同一とした
もので、断面矩形の円形リング形状をなしている。第１
シールリング６₁ は、図３及び図４に示す如く、その周
方向に等間隔（１８０°）を隔てた二箇所６１₁ ，６１
₁ において切離されており、つまり二つの半円状リング
部分に分割されており、両半円状リング部分を切離箇所
６１₁ ，６１₁ で衝合させることによって、内外周面が
完全な円形をなすリング形態つまり完全リング形態とな
るように構成されている。第２シールリング６₂ も、こ
れと同様に、図３及び図４に示す如く、その周方向に等
間隔（１８０°）を隔てた二箇所６１₂ ，６１₂ におい
て切離されて、二つの半円状リング部分に分割されてお
り、両半円状リング部分を切離箇所６１₂ ，６１₂ で衝
合させることによって、内外周面が完全な円形をなすリ
ング形態つまり完全リング形態となるように構成されて
いる。ところで、この例では、各シールリング６₁ ，６
₂ を、一般的な切断加工法によるのではなく、つまり各
切離箇所６１₁ ，６１₂ における切離端面が平滑な平面
となるように切断工具（切断刃，ガスレーザ等）を使用
して切離する（或いは、各半円状リング部分を切削加工
により得る）のではなく、プレス機等により単に剪断力
を作用させて二つ割りすることにより、二つの半円状リ
ング部分に切離するようにしている。すなわち、各シー
ルリング６₁ ，６₂ を、いわゆる自然割りにより二つの
半円状リング部分に切離（分割）しているのである。し
たがって、各切離箇所６１₁ ，６１₂ における対向切離
端面６２₁ ，６２₁ 及び６２₂ ，６２₂ は、一般的な切
断加工，切削加工により得たものと異なって、図４に示
す如く、微細な凹凸を有するものであって、二つの分割
部分（半円状リング部分）を完全リング形態に衝合させ
た場合において互いに密に係合（衝合）する凹凸面とな
っている。なお、かかる自然割りを行なうに際しては、
予め、所望する被切離箇所に僅かな切線（傷）をつけて
おく等により、シールリング６₁ ，６₂ が所望する箇所
で正確に且つ欠損部が生じたりしないように適正に切離
されるように工夫しておくことが好ましい。

【００１７】シールリング部材６は、図１〜図４に示す
如く、第１シールリング６₁ の後端面６ｄと第２シール
リング６₂ の前端面６ｅとが接触された並列状態で且つ
第１シールリング６₁ の切離箇所６１₁ ，６１₁ と第２
シールリング６₂ の切離箇所６１₂ ，６１₂ とが周方向
に齟齬した状態で、後述する如く、保持リング部材７及
び緊縛部材８により回転軸１に嵌挿保持されると共に、
附勢部材９により静止密封環４へと押圧附勢されるもの
である。而して、第１シールリング６₁ の前端面６ｃ
は、軸線方向に直交する平滑な環状平面であって、前記
静止密封環４の後端面である第２被シール面４ｂに密に
接触しうる第２シール面に構成されている。また、両シ
ールリング６₁ ，６₂ の軸線方向における対向端面つま
り第１シールリング６₁ の後端面６ｄと第２シールリン
グ６₂ の前端面６ｅとは、軸線方向に直交する平滑な環
状平面であって、相互に全面的に密に接触しうる第３シ
ール面に構成されている。さらに、完全リング形態とさ
れた各シールリング６₁ ，６ ₂ の内周面６ａ，６ｂは、
平滑な円柱面であって、前記円筒状壁部３ｃの外周面で
ある第１被シール面３ｄにその全周に亘って密に接触し
うる第１シール面に構成されている。

【００１８】保持リング部材７は、図１及び図２に示す
如く、第１〜第３シール面６ａ〜６ｅを除くシールリン
グ部材６の全周面部分（つまり軸線方向に並列して密接
するシールリング６₁ ，６₂ の外周面及び第２シールリ
ング６₂ の後端面）に接触する状態で、シールリング部
材６に外嵌しうる断面Ｌ字形状の円形リング形状をなす
ものである。而して、この保持リング部材７は、図３に
示す如く、周方向に等間隔（１８０°）を隔てた二箇所
７１，７１において切離されており、つまり二つの半円
状リング部分に分割されており、両半円状リング部分を
切離箇所７１，７１で衝合させることによって、内外周
面が完全な円形をなすリング形態つまり完全リング形態
となるように構成されている。この例では、保持リング
部材７の切離は、前記したシールリング６₁ ，６₂ と同
様に、自然割りの手法により行なわれており、各切離箇
所７１における対向端面７２，７２は、図４に示す如
く、微細な凹凸を有するものであって、二つの分割部分
（半円状リング部分）を完全リング形態に衝合させた場
合において互いに密に係合（衝合）する凹凸面となって
いる。さらに、この例では、保持リング部材７の最小径
内周面７ｂを、平滑な円柱面であって、第１被シール面
３ｄにその全周に亘って密に接触しうる第１補助シール
面に構成すると共に、その前端面７ｃを、軸線方向に直
交する平滑な環状平面であって、第２被シール面４ｂに
密に接触しうる第２補助シール面に構成してある。すな
わち、第１補助シール面７ｂ又は第２補助シール面７ｃ
は、シールリング部材６の第１シール面６ａ，６ｂ又は
第２シール面６ｃと面一状をなして、第１被シール面３
ｄ又は第２被シール面４ｂに密接しうるものである。ま
た、保持リング部材７は、その各切離箇所７１がシール
リング部材６の切離箇所つまり両シールリング６₁ ，６
₂ の切離箇所６１₁ …，６１₂ …（４箇所）と周方向に
おいて齟齬する状態（図３参照）で、且つ最小径内周面
たる第１補助シール面７ｂ及び前端面たる第２補助シー
ル面７ｃが夫々第１被シール面３ｄ及び第２被シール面
４ｂに密接する状態（図２参照）で、シールリング部材
６に密に外嵌されている。

【００１９】ところで、各シールリング６₁ ，６₂ 及び
保持リング部材７の構成材としては、使用条件等に応じ
たものを任意に選定することができる。例えば、高温条
件下で使用される場合には耐熱性に富むものが選定され
る。この例では、上記した自然割りを容易に行いうる性
質の材料を使用する必要がある（靱性に富む材料は除外
される）ことから、被シール面３ｄ，４ｂとの摺動性等
のシール機能をも考慮して、各シールリング６₁ ，６₂
及び保持リング部材７をカーボンで構成してある。

【００２０】緊縛部材８は、図１〜図４に示す如く、保
持リング部材７の外周面に形成した環状凹部７ｄに係合
された環状のガータスプリングである。この緊縛部材た
るガータスプリング８は、保持リング部材７を縮径方向
に押圧しつつ完全リング形態に緊縛するものであり、保
持リング部材７の各対向切離端面７２，７２を衝合状態
（凹凸係合状態）に附勢保持するものである。このよう
に保持リング部材７がガータスプリング８により緊縛さ
れる結果、シールリング部材６を構成する各シールリン
グ６₁ ，６₂ も保持リング部材７を介して縮径方向に緊
縛されることになり、各対向切離端面６１₁ ，６１₁ 及
び６１₂ ，６１₂ が衝合状態（凹凸係合状態）に附勢保
持されることになる。

【００２１】附勢部材９は、図１及び図２に示す如く、
保持リング部材７とシールケース３の環状壁部３ｂとの
間に介装された複数のコイルスプリング９ａ…（一個の
み図示）で構成されており、第２シール面６ｃを第２被
シール面４ｂへと押圧接触させると共に第３シール面６
ｄ，６ｅを相互に押圧接触させるべく、保持リング部材
７を軸線方向に押圧附勢するものである。すなわち、コ
イルスプリング９ａ…は、シールケース３の円筒状壁部
３ｃに遊嵌させた金属環状板たるスプリング受け９ａを
介して、保持リング部材７を静止密封環４へと押圧附勢
させると共に、更に、保持リング部材７を介して、静止
密封環４を回転密封環２へと押圧附勢させるものであ
る。なお、コイルスプリング９ａ…は、シールケース３
の円筒状壁部３ｃを囲繞する環状領域において、周方向
に等間隔を隔てて配置されている。

【００２２】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、回転軸１の回転による両密封環
２，４の相対回転に伴い、動圧発生溝２ｂの作用により
密封端面２ａ，４ａ間には動圧が発生する。その結果、
この動圧と静止密封環４に作用する背圧（高圧流体領域
Ｈにおける被密封流体の圧力（蒸気圧）による）及びコ
イルスプリング９ａ…による附勢力とがバランスされ
て、密封端面２ａ，４ａ間が被密封流体（蒸気）による
流体膜を介在形成させた非接触状態に保持されつつ、こ
の流体膜形成部分において高圧流体領域Ｈと低圧流体領
域Ｌとがシールされる。

【００２３】このとき、シールケース３（円筒状壁部３
ｃ）と静止密封環４との間は、シール装置５により、静
止密封環４の変位を許容しつつ良好に二次シールされ
る。

【００２４】すなわち、シールリング部材６を構成する
シールリング６₁ ，６₂ （及び保持リング部材７）は、
何れも、二つの半円状リング部分に分割されたものであ
るが、緊縛部材たるガータスプリング８に緊縛されて完
全リング形態に附勢保持されていることから、完全リン
グ形態とされた各シールリング６₁ ，６₂ の内周面で構
成される第１シール面６ａ，６ｂ（及び保持リング部材
７の最小径内周面で構成される第１補助シール面７ｂ）
が、径方向（第１被シール面３ｄに直交する方向）への
相対運動を許容しつつ、第１被シール面３ｄにその全周
に亘って密接されることになる。同時に、シールリング
６₁ ，６₂ （及び保持リング部材７）は、附勢部材たる
複数のコイルスプリング９ａ…により、第２被シール面
４ｂへと押圧附勢されていることから、第１シールリン
グ６₁ の前端面たる第２シール面６ｃ（及び保持リング
部材７の前端面で構成される第２補助シール面７ｃ）並
びにシールリング６₁ ，６₂ の対向端面たる第３シール
面６ｄ，６ｅの軸線方向（第２被シール４ｂに直交する
方向）への相対運動を許容しつつ、第２シール面６ｃ
（及び第２補助シール面７ｃ）が第２被シール面４ｂに
密接されると共に第３シール面６ｄ，６ｅ同士が密接さ
れることになる。したがって、静止密封環４が径方向又
は軸線方向に変位したときにも、或いは機器の振動，圧
力変動等が生じたときにも、これらに良好に追従し或い
は対処することができ、被シール面３ｄ，４ｂ間つまり
シールケース３と静止密封環４との間が良好にシール
（二次シール）されることになる。

【００２５】ところで、各シールリング６₁ ，６₂ は、
保持リング部材７に比して、断面積（断面係数）が小さ
く、径方向及び軸線方向の変形性（馴染み性）が高い。
このため、保持リング部材７に作用するガータスプリン
グ８及びコイルスプリング９ａ…によるバネ力が不均一
であるときにも、かかるバネ力が均等に作用することな
り、被シール面３ｄ，４ｂに均一且つ適正に押圧接触さ
れることになる。同様に、シールリング６₁ ，６₂ の第
３シール面６ｄ，６ｅ間も均一且つ適正に押圧接触され
ることになる。したがって、被シール面３ｄ，４ｂ間
は、実質的には、第１及び第２シール面６ａ，６ｂ，６
ｃの被シール面３ｄ，４ｄへの接触及び第３シール面６
ｄ，６ｅの相互接触によって適正にシールされることに
なり、第１及び第２補助シール面７ｂ，７ｃは補助的な
シール機能を発揮するにすぎない。第１及び第２補助シ
ール面７ｂ，７ｃは、保持リング部材７のシールリング
６₁，６₂ への嵌合密着面と協働して、各シールリング
６₁ ，６₂ の切離箇所６１₁，６１₂ が開いた場合にお
ける当該切離箇所６１₁ ，６１₂ と被シール面３ｄ，４
ｂとの間に形成される被密封流体の漏れ通路を遮断する
機能を発揮するものである。

【００２６】また、シールリング６₁ ，６₂ 及び保持リ
ング部材７は、上記した如く、半円状リング部分に分割
されたフレキシブルなものであるが故に、静止密封環４
に良好に追従でき且つ機器の振動，圧力変動等に良好に
対処できる反面、瞬間的に切離箇所６１₁ ，６１₂ ，７
１が開いて被密封流体の漏れ（蒸気漏れ）を生じる虞れ
がある。しかし、シールリング部材６が第３シール面６
ｄ，６ｅで相互に接触する複数のシールリング６₁ ，６
₂ で構成されていること、シールリング６₁ ，６₂ の接
触箇所６１₁ …，６１₂ …及び保持リング部材７の切離
箇所７１…が一致しておらず齟齬していること並びに各
切離箇所６１₁ ，６１₂ ，７１における対向切離端面６
２₁ ，６２₁ 、６２₂ ，６２₂ 及び７２，７２が相互に
密に係合する凹凸面に構成されていることから、シール
装置５と被シール面３ｄ，４ｂとの間に存在する被密封
流体の漏れ通路が極めて長大化すると共に複雑化（一種
のラビリンス構造化）することになる。したがって、切
離箇所６１₁ ，６１₂ ，７１が開いたときにも、両リン
グ部材６，７を貫通する一連の短い漏れ通路が形成され
ることがない。その結果、静止密封環４に良好に追従で
き且つ機器の振動，圧力変動等に良好に対処できるもの
でありながら、低圧条件下においては勿論、高圧条件下
においても、被密封流体を良好にシールすることができ
る。特に、シールリング部材６を複数のシールリング６
₁ ，６₂ で構成しておくことは、高圧条件条件下におい
て良好なシール機能を発揮させる上で、極めて重要であ
る。このことは、次のような比較実験により確認されて
いる。すなわち、この実験ではは、上記した本発明に係
るシール装置５（図１〜図４に示す如く、スチームター
ビンの軸封を行なう非接触形メカニカルシールに静止密
封環４の二次シール装置として装置されたもの）を使用
して、機内蒸気領域Ｈと機外大気領域Ｌとを異なるシー
ル条件（蒸気圧，蒸気温度）下でシールさせ、各シール
条件下における蒸気漏れ量を測定した。同時に、シール
リング部材を一個のシールリングで構成した点（このシ
ールリング部材の形状（内外径，軸線方向厚さ）及び材
質（カーボン）は本発明に係るシール装置５におけるシ
ールリング６₁ ，６₂ からなるシールリング部材６と同
一である）を除いて、当該シール装置５と全く同一とし
たシール装置（以下「比較例装置」という）を使用し
て、両領域Ｈ，Ｌを上記したと同一のシール条件下でシ
ールさせ、各シール条件下における蒸気漏れ量（凝縮水
量）を測定した。その結果、本発明に係るシール装置５
及び比較例装置の何れを使用した場合にも、蒸気圧５ｋ
ｇ／ｃｍ² 以下，蒸気圧２００℃以下の低負荷シール条
件（当該シール条件において一般に要求される許容漏れ
量は１ｋｇ／ｈ以下である）下でも、また蒸気圧１０ｋ
ｇ／ｃｍ² ，蒸気圧２５０℃の高負荷シール条件（当該
シール条件において一般に要求される許容漏れ量は２ｋ
ｇ／ｈ以下である）下でも、共に蒸気漏れ量は許容漏れ
量の範囲内であった。しかし、本発明に係るシール装置
５を使用した場合における蒸気漏れ量の測定値は、低負
荷シール条件及び高負荷シール条件の何れにおいても、
比較例装置を使用した場合における蒸気漏れ量の測定値
を大幅に下回っており、当該シール装置５のシール性能
が格段に優れていることが確認された。

【００２７】また、各構成部材の材質をシール条件に応
じて選定しておく（例えば、高温条件下においては耐熱
性材を選定しておく）ことができるから、冒頭で述べた
エラストマシールを使用できないような条件（例えば、
高温条件）下においても、好適に使用することができ、
良好なシール機能を発揮させることができる。このこと
は、上記した実験結果からも容易に理解される。

【００２８】なお、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
囲において適宜に変更，改良することができる。

【００２９】例えば、シールリング部材６を構成するシ
ールリング数は任意であり、シールリング部材６を軸線
方向に並列する３以上のシールリングで構成するように
するようにしてもよい。勿論、シールリング部材６を構
成するシールリング数に拘わらず、各シールリングの切
離箇所は当該シールリングに隣接する他のシールリング
の切離箇所及び保持リング部材７の切離箇所と周方向に
齟齬するようにしておくことが好ましい。

【００３０】また、各シールリング６₁ ，６₂ における
切離箇所６１₁ ，６１₂ の数も任意であり、各シールリ
ング６₁ ，６₂ を周方向における３箇所以上で切離した
ものに構成することは勿論、図５（Ａ）に示す如く、周
方向における一箇所６１₁ ，６１₂ のみを切離したもの
に構成しておくこともできる。このように、シールリン
グ６₁ ，６₂ を一箇所６１₁ ，６１₂ のみを切離した構
成とする場合にあっては、その構成材としてシール条件
に応じたものを選定しておくことは勿論、ガータスプリ
ング８による緊縛効果が得られる程度の弾性（エネルギ
弾性）を有するもの（例えば、カーボン，エンジニアリ
ングプラスチック等）を選定しておく必要がある。但
し、シールリングが切離されていない完全リング形状を
なすものであるときにおいて、当該シールリングが高圧
流体領域Ｈの圧力変動や回転軸１の回転に伴う振動等に
より容易に変形するような可撓性材、例えばゴム等のエ
ラストマ材や軟質プラスチック等の弾性材は、当然に、
除外される。また、保持リング部材７についても切離箇
所７１の数は任意であり、周方向における３箇所以上で
切離させるようにしても、図５（Ｂ）に示す如く、一箇
所７１のみで切離させるようにしても、何れでもよい。
一箇所７１のみを切離させた保持リング部材７の構成材
としては、シールリングにおけると同様に、ガータスプ
リング８による緊縛効果が得られる程度の弾性（エネル
ギ弾性）を有するカーボン，エンジニアリングプラスチ
ック等（高圧流体領域Ｈの圧力変動や回転軸１の回転に
伴う振動等により容易に変形するようなゴム等のエラス
トマ材や軟質プラスチック等の可撓性材ないし弾性材は
除く）を選定しておく必要がある。なお、図５（Ａ）
（Ｂ）に示す例では、シールリング６₁ ，６₂ 及び保持
リング部材７を、被シール面３ｄ，４ｂとの摺動性等を
考慮して、カーボン製のものとしてある。

【００３１】また、切離箇所数は、シールリング部材６
を構成するすべてのシールリング及び保持リング部材７
において同一とする（例えば、図３，図５（Ｂ）参
照）、すべてのシールリング及び保持リング部材７にお
いて異なる、シールリングと保持リング部材７とで異な
る（例えば、図５（Ａ）参照）、の何れでもよい。勿
論、何れの場合においても、各シールリングにおける切
離箇所と保持リング部材の切離箇所とが周方向に齟齬す
るようにしておくこと、及び少なくとも軸線方向に隣接
するシールリングにおける切離箇所が周方向に齟齬する
ようにしておくことが好ましい。

【００３２】また、各シールリング６₁ ，６₂ の形状
は、保持リング部材７が第１〜第３シール面６ａ〜６ｅ
を除く全周面部分に接触した状態でシールリング部材６
に密接外嵌すること、軸線方向における各隣接シールリ
ング６₁ ，６₂ の対向端面６ｄ，６ｃが相互の全面的に
接触しうる第３シール面に構成されること及び円柱面状
の第１被シール面３ｄと平面状の第２被シール面４ｂと
に接触して両面３ｄ，４ｂ間をシールできるものである
ことを条件として、任意に設定することができる。この
ような条件を満足する限り、例えば、各シールリング６
₁ ，６₂ の外周面や隣接するシールリング６₁ ，６₂ の
対向端面６ｄ，６ｃを截頭円錐面等の非円柱面をなす回
転面形状とすることも可能である。特に、各シールリン
グ６₁ ，６ ₂ の外周面及びこれに外嵌する保持リング部
材７の内周面を第２被シール面に向かう方向に拡大する
一連の截頭円錐面としておくと、第１被シール面と第２
被シール面との間におけるシール機能が上記した例と同
様に良好に発揮される上、ガータスプリング８による保
持リング部材７の緊縛力が、第２シール面の第２被シー
ル面への押圧力（両リング部材６，７の嵌合面に作用す
る径方向力（緊縛力）の軸線方向分力）としても作用す
ることになる。

【００３３】また、本発明に係るシール装置５は、円柱
面状の第１被シール面とその軸線に直交して第１被シー
ル面の径方向又は軸線方向に相対運動可能な平面状の第
２被シール面とが存在し且つ両被シール面間をシールさ
せる必要があることを条件として、流体機械，空気機械
の軸封部やかかる軸封部に装備されるメカニカルシール
（上記した非接触形メカニカルシールや接触形メカニカ
ルシール）の二次シール部等に使用することができるも
のであり、各リング部材６，７の構成材及び各被シール
面の選定は、シール条件に応じて適宜に行なうことがで
きる。例えば、シール装置５は、図６に示す如く、シー
ルケース３とこれを貫通する回転軸１との間をシールす
る場合にも好適に使用することができる。すなわち、図
６に示すシール装置５にあっては、回転軸１の外周面で
構成される円柱面たる第１被シール面１ａとシールケー
ス３の壁面で構成される環状平面たる第２被シール面３
ｅとの間を、複数のシールリング６₁ ，６₂ からなるシ
ールリング部材６及び保持リング部材７によりシール
（一次シール）させるように構成されている。この場
合、各シールリング６₁ ，６₂ 及び保持リング部材７
を、適宜の回り止め手段（ドライブピン等）により、シ
ールケース３側に相対回転不能に保持させてあり、第１
シール面６ａ，６ｂ及び第１補助シール面７ｂと第１被
シール面１ａとが周方向に相対滑動するように工夫して
ある。なお、附勢部材９は、シールケース３に設けたス
プリングリテーナ部３ｆと保持リング部材７との間に複
数のコイルスプリング９ａ…（一個のみ図示）を介装し
てなり、保持リング部材７を第２被シール面３ｅへと押
圧附勢する。なお、上記した点以外の構成は、図１に示
すものと同様であり、同一の構成部材については図１に
おけると同一の符号を付してある。

【００３４】さらに、保持リング部材７における各被シ
ール面との対向面７ｂ，７ｃは、前述した如く、シール
リング６₁ ，６₂ への嵌合密着面と相俟ってシールリン
グ６ ₁ ，６₂ の各切離箇所６１₁ ，６１₂ からの流体漏
れを阻止すべく機能するものであればよく、第１及び第
２シール面６ａ，６ｂ，６ｃのようなシール機能を発揮
するものとしておく必要は必ずしもない。但し、前述し
た如く、第１及び第２シール面６ａ，６ｂ，６ｃと共に
シール作用を行ないうる補助シール面７ｂ，７ｃに構成
しておくことにより、より良好なシール機能を発揮させ
ることができる。

【００３５】また、緊縛部材８としてはガータスプリン
グが好適するが、これに限定されるものではない。勿
論、ガータスプリング等の緊縛部材８で緊縛する箇所
は、保持リング部材７の軸線方向における一箇所であっ
ても複数箇所（複数本のガータスプリング等を使用す
る）であっても何れでもよいが、各シールリング６₁ ，
６₂を切離箇所６１₁ ，６１₂ で適正に衝合する完全リ
ング形態に附勢保持できることを条件として、設定して
おくことが望ましい。

【００３６】また、本発明は、円柱状又は円筒状の第１
被シール部材とこれが嵌合又は係合する円形孔又は円形
凹部を有する第２被シール部材との間を、両被シール部
材の相対運動（第１被シール部材の軸線方向又は径方向
における相対運動）を許容した状態でシールさせる必要
があるあらゆる場合に、好適に適用することができるこ
とはいうまでもない。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から容易に理解されるよう
に、本発明によれば、円柱面状の第１被シール面とその
軸線に直交して相対運動する平面状の第２被シール面と
の間を良好にシールすることができ、メカニカルシール
の二次シール部等における実用的且つ簡易なシール装置
を提供することができる。しかも、一般的なエラストマ
シールを使用した場合と異なって、構成部材の材質をシ
ール条件に応じて任意に選定することができるから、如
何なるシール条件下においても適正なシール機能を発揮
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシール装置の一例を示す半截の縦
断側面図である。

【図２】図１の要部を拡大して示す詳細図である。

【図３】図１のIII−III線に沿う縦断背面図である。

【図４】図３の要部を拡大して示す詳細図である。

【図５】変形例を示す図３相当の縦断背面図である。

【図６】他の変形例を示す半截の縦断側面図である。

【符号の説明】

１…回転軸、１ａ，３ｄ…第１被シール面、２…回転密
封環、３…シールケース、３ｃ…円筒状壁部、３ｅ，４
ｂ…第２被シール面、４…静止密封環、５…シール装
置、６…シールリング部材、６ａ，６ｂ…第１シール
面、６ｃ…第２シール面、６ｄ，６ｅ…第３シール面、
６₁ ，６₂ …シールリング、６１₁ ，６１₂，７１…切
離箇所、６２₁ ，６２₂ ，７２…切離端面、７…保持リ
ング部材、７ｂ…第１補助シール面、７ｃ…第２補助シ
ール面、８…ガータスプリング（緊縛部材）、９…附勢
部材、９ａ…コイルスプリング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 得竹 良勝 兵庫県三田市下内神字打場541番地の１ 日本ピラー工業株式会社 三田工場内 (56)参考文献 特開 平９−303572（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−260008（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−101765（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−111043（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−166223（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−6067（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−60999（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16J 15/34

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円柱面状の第１被シール面とその軸線に
   直交して相対運動する平面状の第２被シール面との間を
   シールするためのシール装置であって、 シールリング部材と保持リング部材と緊縛部材と附勢部
   材とを具備しており、 シールリング部材は、周方向における少なくとも一箇所
   を切離した複数のシールリングをそれらの切離箇所が周
   方向に齟齬する状態で軸線方向に並列させてなるもので
   あり、各シールリングの内周面は、切離箇所で衝合する
   完全リング形態において、第１被シール面にその全周に
   亘って接触する第１シール面に構成されており、各シー
   ルリングとこれに隣接する他のシールリングとの軸線方
   向における対向端面は相互に全面的に接触する第３シー
   ル面に構成されており、軸線方向におけるシールリング
   部材の一端面を構成するシールリングの端面は、第２被
   シール面に接触する平面状の第２シール面に構成されて
   おり、 保持リング部材は、周方向における少なくとも一箇所で
   あって各シールリングの切離箇所と周方向において齟齬
   する箇所を切離してなるもので、第１〜第３シール面を
   除くシールリング部材の全周面部分に接触した状態でシ
   ールリング部材を内嵌保持しており、 緊縛部材は、保持リング部材及びこれに内嵌されたシー
   ルリング部材を切離箇所で衝合する完全リング形態に附
   勢保持すべく、保持リング部材を緊縛するものであり、
   附勢部材は、第２シール面を第２被シール面へと押圧
   させると共に第３シール面同士を相互に押圧させるべ
   く、保持リング部材を軸線方向に押圧附勢するものであ
   ることを特徴とするシール装置。
2. 【請求項２】 シールリング部材及び保持リング部材に
   おける各対向切離端面が、互いに密に係合する凹凸面に
   形成されていることを特徴とする、請求項１に記載する
   シール装置。