JP3017954B2 - 非接触形メカニカルシール - 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、第１密封環とその
構成材より軟質のカーボンからなる第２密封環とを、第
２密封環に被密封流体により弾性限度内の圧力歪が生じ
る高圧条件下で相対回転させることにより、両密封環の
対向端面たる第１及び第２密封端面間にてその内外周側
領域である被密封流体領域と非密封流体領域とをシール
するように構成された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】この種の非接触形メカニカルシールは、
一般に、両密封端面をその間に作用する動圧により非接
触状態に保持させるように構成された動圧形シールと両
密封端面をその間に作用する静圧により非接触状態に保
持させるように構成された静圧形シールとに大別され
る。一般に、動圧形シールは、タービン，ブロワ，遠心
圧縮機等の高圧気体を扱う回転機器に使用され、静圧形
シールは、ポンプ等の高圧液を扱う回転機器に使用され
ている。

【０００３】而して、従来の動圧形シールｍ₁ は、例え
ば図８に示す如く、回転軸１１に固定された第１密封環
１２と、シールケース１３に保持環１５及びＯリング１
６を介して軸線方向摺動可能に保持されたカーボン製の
第２密封環１４と、第２密封環１４を第１密封環１２へ
と押圧附勢するスプリング１７とを具備してなり、両密
封環１２，１４の対向端面である第１及び第２密封端面
１２ａ，１４ａをその間に動圧を発生させることにより
非接触状態に保持して、両密封端面１２ａ，１４ａ間に
てその外周側領域である被密封流体領域Ａ₁ と内周側領
域である非密封流体領域Ａ₂ とをシールするように構成
されている。第１密封環１２の密封端面たる第１密封端
面１２ａには、被密封流体領域Ａ₁ に開口する動圧発生
溝１２ｂが形成されていて、密封環１２，１４の相対回
転により密封端面１２ａ，１４ａに被密封流体による動
圧を発生させるようになっている。両密封端面１２ａ，
１４ａは、その間に発生された動圧と第２密封環１４に
作用する被密封流体による背圧及びスプリング１７の附
勢力とがバランスすることにより、図９（Ａ）に示す如
く、微小間隔を隔てた非接触状態に保持される。

【０００４】また、従来の静圧形シールｍ₂ は、所謂テ
ーパフェースシールと称されるもので、例えば図１０に
示す如く、回転軸２１に固定された第１密封環２２と、
シールケース２３にＯリング２５を介して軸線方向摺動
可能に保持されたカーボン製の第２密封環２４と、第２
密封環２４を第１密封環２２へと押圧附勢するスプリン
グ２６とを具備して、両密封環２２，２４の対向端面で
ある第１及び第２密封端面２２ａ，２４ａ間にてその外
周側領域である被密封流体領域Ａ₁ と内周側領域である
非密封流体領域Ａ₂ とをシールするように構成されてい
る。第１密封環２２の密封端面である第１密封端面２２
ａは、動圧形シールｍ₁ における第１密封端面１２ａと
同様に、軸線に直交する環状平面とされているが、第２
密封端面２４ａは、第１密封端面２２ａとの間に内周方
向（非密封流体領域Ａ₂ 方向）に漸次窄まる断面楔状の
環状空間２７を形成しうる環状テーパ面（凸状の截頭円
錐面）とされている。なお、以下の説明において、被密
封流体領域Ａ₁ の被密封流体圧力Ｐは、非密封流体領域
Ａ₂ の非密封流体圧力を基準とするものとする。各シー
ルｍ₁ ，ｍ₂ において、非密封流体領域Ａ₂ は大気領域
であることが多いが、かかる場合には、被密封流体圧力
Ｐは大気圧を基準とするゲージ圧を意味することにな
る。

【０００５】かかる静圧形シールたるテーパフェースシ
ールｍ₂ にあっては、密封端面２２ａ，２４ａ間に被密
封流体の漏れ方向（非密封流体領域Ａ₂ 方向）に漸次狭
まる断面楔状の環状空間２７が形成されることから、被
密封流体圧力Ｐにより、軸線方向に移動可能な第２密封
環２４には図１１に示す如き圧力分布をなす閉力Ｆ_Cと
開力Ｆ_O とが作用して、密封端面２２ａ，２４ａ間に隙
間Ｓが形成される。そして、この隙間Ｓは、閉力Ｆ_C と
開力Ｆ_O とがバランスされた状態で安定し、一定の微小
隙間（以下「平衡隙間Ｓ₀ 」という）に保持される。こ
こに、閉力Ｆ_Cは第２密封環２４に作用する背圧によっ
て（より正確には、被密封流体圧力による背圧及びスプ
リング２６による附勢力によって）生じるものであり、
開力Ｆ_Oは環状空間７に侵入した被密封流体の圧力（静
圧）によって生じるものである。ところで、閉力Ｆ_C は
背圧（及びスプリング２６）によるものであるから、図
１２に鎖線で示す如く、被密封流体圧力Ｐが変動しない
限り一定であるが、開力Ｆ _O は環状空間２７に作用する
静圧によるものであるから、同図に破線で示す如く、隙
間Ｓの変動によって反比例的に変化する。つまり、開力
Ｆ_O は隙間Ｓが大きくなるに従って減少し、小さくなる
に従って増大することになる。したがって、隙間Ｓが平
衡隙間Ｓ₀ より大きくなると、開力Ｆ_O が閉力Ｆ_C より
小さくなって密封端面２２ａ，２４ａ間が閉じられ、逆
に隙間Ｓが平衡隙間Ｓ₀ より小さくなると、開力Ｆ_O が
閉力Ｆ_C より大きくなって密封端面２２ａ，２４ａ間が
開かれて、何れの場合にも、隙間Ｓは閉力Ｆ_C と開力Ｆ
_O とがバランスされた平衡隙間Ｓ₀ に復帰，保持される
ことになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
の非接触形メカニカルシールｍ₁ ，ｍ₂ にあっては、そ
の何れにおいても、カーボン製の第２密封環１４，２４
に生じる圧力歪により第２密封端面１４ａ，２４ａが弾
性変形するため、高圧条件下では良好なシール機能を期
待し得ないといった問題があった。

【０００７】すなわち、静圧形シールｍ₁ にあっては、
両密封端面１２ａ，１４ａを、その間に発生させた動圧
により、流体膜が介在する非接触状態に保持させること
から、良好なシール機能を発揮させるためには、図９
（Ａ）に示す如く、両密封端面１２ａ，１４ａを平行状
態に維持させておくことが必要である。しかし、第２密
封環１４が第１密封環１２より軟質のカーボンからなる
ものであるため、高圧条件下では、第２密封環１４に被
密封流体による圧力歪（弾性歪）が生じて、第２密封端
面１４ａが、図９（Ｂ）に示す如く、両密封端面１２
ａ，１４ａの間隔が内周方向に漸次拡大するような状態
（以下「外高状態」という）に弾性変形する虞れがあ
る。

【０００８】ところで、動圧発生溝１２ｂは密封端面１
２ａ，１４ａの外周側（被密封流体領域Ａ₁ ）に開口さ
れたものであり、密封端面１２ａ，１４ａの相対回転に
より被密封流体をその開口部から密封端面１２ａ，１４
ａ間に導入させて内周側（非密封流体領域Ａ₂ ）へとポ
ンピングさせる形状のものとされていることから、第２
密封端面１２ａが歪んで両密封端面１２ａ，１４ａの平
行性が損なわれた場合、両密封端面１２ａ，１４ａが平
行状態にある場合に比して、両密封端面１２ａ，１４ａ
間の動圧が、外周側において小さく且つ内周側において
大きくなるように変化する。その結果、第２密封端面１
２ａには第１密封端面１４ａとの間隔を外周側において
狭めようとする方向のモーメントが作用することにな
る。

【０００９】したがって、第２密封端面１２ａが、仮
に、図９（Ｃ）に示す如く、両密封端面１２ａ，１４ａ
の間隔が外周方向に漸次拡大するような状態（以下「内
高状態」という）に歪んだ場合には、上記モーメントの
作用によって、内高状態から平行状態に自動的に復元修
正されることになるが、第２密封端面１４ａが外高状態
に歪むと、上記モーメントが第２密封端面１４ａの歪を
却って増大させるべく作用することになる。すなわち、
このモーメントによって、両密封端面１２ａ，１４ａの
間隔が内周側においては更に拡大され、外周側において
両密封端面１２ａ，１４ａが接触せしめられることにな
る。その結果、シール機能が大幅に低下し、特に、外周
側においては密封端面１２ａ，１４ａ同士が接触破損し
て、シール機能が停止する虞れがある。

【００１０】一方、テーパフェースシールｍ₂ において
も、高圧条件下では、カーボン製の第２密封環２４に圧
力歪（弾性歪）に生じて、第２密封端面２４ａが、その
テーパ量（密封端面２４ａにおける内外周端間の軸線方
向距離）Δを減じる方向に弾性変形する虞れがあり、極
端な場合には断面楔状の環状空間７が消失してしまう虞
れがある。これは、動圧形シールｍ₁ において第２密封
端面１４ａが外高状態に弾性変形する現象と同一である
が、このような状態となると、閉力Ｆ_C にバランスしう
るに足る開力Ｆ_O が確保されなくなって、密封端面２
ａ，４ａ間に所定の平衡隙間Ｓ₀ を確保，維持すること
ができなくなり、シール機能が大幅に低下することにな
る。

【００１１】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、カーボン材製の第２密封環に圧力歪が生じるよ
うな高圧条件下においても、第２密封端面を適正な状態
に維持させて良好なシール機能を発揮しうる非接触形メ
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。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１密封環と
その構成材より軟質のカーボン材からなる第２密封環と
を、第２密封環に被密封流体により弾性限度内の圧力歪
が生じる高圧力条件下で相対回転させることにより、両
密封環の対向端面たる第１及び第２密封端面間にてその
内外周側領域である被密封流体領域と非密封流体領域と
をシール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、次のように構成
しておくことを提案するものである。

【００１３】すなわち、請求項１に記載された本発明の
非接触形メカニカルシール（以下「第１シール」とい
う）においては、特に、第２密封環をカーボン製の密封
環本体とその一部分であって第２密封端面を形成すべき
部分に被覆形成された炭化珪素膜とで構成して、その膜
表面を、上記圧力歪が生じない低圧条件下において第１
密封端面に平行する環状平面をなす第２密封端面に構成
すると共に、その膜厚を、上記高圧条件下において、第
２密封端面が上記した低圧条件下での形状を維持すべ
く、当該炭化珪素膜が前記密封環本体に生じる圧力歪と
バランスする弾性歪を生じるように、設定しておくこと
を提案する。このように構成しておくことによって、第
２密封環に圧力歪が生じる高圧条件下においても、第２
密封端面を第１密封端面に平行する適正状態に維持し得
て、良好なシール機能を発揮させることができる。

【００１４】また、請求項２に記載された本発明の非接
触形メカニカルシール（以下「第２シール」という）に
おいては、特に、第２密封環をカーボン製の密封環本体
とその一部分であって第２密封端面を形成すべき部分に
被覆形成された炭化珪素膜とで構成して、その膜表面
を、上記圧力歪が生じない低圧条件下において第１密封
端面に平行する環状平面をなす第２密封端面に構成する
と共に、その膜厚を、上記高圧条件下において、当該炭
化珪素膜に生じる弾性歪と前記密封環本体に生じる圧力
歪との干渉により第２密封端面が第１密封端面との間に
非密封流体領域方向に漸次窄まる断面楔状の環状空間を
形成しうる環状テーパ面に弾性変形されるように、設定
しておくことを提案する。このように構成しておくこと
によって、第２密封環に圧力歪が生じる高圧条件下にお
いて、第２密封端面を適正な環状テーパ面に維持し得
て、良好なテーパフェースシール機能を発揮させること
ができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、第１及び第２シールの実施
の形態を、図１〜図７に基づいて具体的に説明する。

【００１６】すなわち、図１〜図４は第１シールの実施
の形態を示したものである。この実施の形態における第
１シールＭ₁ は、図１に示す如く、タービン軸等の回転
軸１１に固定された第１密封環１２と、シールケース１
３に保持環１５及びＯリング１６を介して軸線方向摺動
可能に保持された第２密封環１４と、第２密封環１４を
第１密封環１２へと押圧附勢するスプリング１７とを具
備してなり、両密封環１２，１４の対向端面である第１
及び第２密封端面１２ａ，１４ａをその間に動圧を発生
させることにより非接触状態に保持して、密封端面１２
ａ，１４ａ間にてそ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）Ａ₁
と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とをシールするように構成
されている。この第１シールＭ₁は、以下に述べる第２
密封環１４の構成を除いて、図８に示す公知の動圧形シ
ールｍ₁ と同一構造をなすものであるから、同一部材に
ついては同一の符号を付すことによって、その詳細は省
略する。なお、第１密封環１２は、その密封端面たる第
１密封端面１２ａを軸線に直交する環状平面としたもの
で、ＷＣ，ＳｉＣ等の超硬質材で構成して、カーボン製
の密封環が圧力歪を生じるような高圧条件下において
も、第１密封端面１２ａが圧力歪により変形されること
のないものである。また、第１密封端面１２ａには、被
密封流体領域Ａ₁ に開口する適宜形状の動圧発生溝１２
ｂが形成されていて、回転軸１１の回転に伴い密封端面
１２ａ，１４ａ間に被密封流体による動圧を発生させる
ようになっている。

【００１７】而して、この第１シールＭ₁ にあっては、
本発明に従って、第２密封環１４を次のように構成して
ある。

【００１８】すなわち、第２密封環１４は、図１及び図
２（Ａ）に示す如く、第１密封環２の構成材より軟質の
カーボンからなる密封環本体１４１と、第２密封端面１
４ａを形成すべき部分である密封環本体１４１のノーズ
部１４１ａに被覆形成された炭化珪素膜１４２とからな
る。密封環本体１４１は、先端部をその内外周部を切欠
して得られた環状のノーズ部１４１ａに構成した断面凸
字状のものである。炭化珪素膜１４２は、常法によりノ
ーズ部１４１ａの先端面に被覆形成された均一厚さのも
のであり、その膜表面を第１密封端面１２ａに平行する
環状平面をなす第２密封端面１４ａに構成してある。つ
まり、第２密封端面１４ａは、カーボン製の密封環本体
１４１に被密封流体による圧力歪が全く生じない又は殆
ど生じない低圧条件下（例えば、運転初期の状態）では
軸線に直交する平滑面をなすように、鏡面加工されたも
のである。

【００１９】そして、炭化珪素膜１４２の膜厚（表面を
密封端面に鏡面加工した後の膜厚）Ｔは、カーボン製の
密封環本体１４１に被密封流体による弾性限度内の圧力
歪が生じる高圧条件下（当該第１シールＭ₁ が通常運転
されている状態）において、第２密封端面１４ａが上記
した低圧条件下での形状を維持すべく、当該炭化珪素膜
１４２が上記密封環本体１４１に生じる圧力歪とバラン
スする弾性歪を生じるように、設定されている。

【００２０】すなわち、第１シールＭ₁ の運転により、
被密封流体領域Ａ₁ がカーボン製の密封環本体１４１に
圧力歪（弾性歪）を生じるような圧力にまで昇圧された
場合、炭化珪素膜１４２も当然に弾性歪を生じるが、炭
化珪素膜１４２と密封環本体１４１との剛性度に明らか
な差があることから、両者１４１，１４２の歪形態は大
きく異なる。そして、両者１４１，１４２が一体構造を
なしていることから、それらの歪は相互に干渉して、第
２密封端面１４ａはカーボン製の密封環本体１４１のみ
の歪による影響を受けた場合（例えば、ノーズ部１４１
ａの先端面を第２密封端面１４ａとした場合）と異なる
形態に変形することになる。一方、炭化珪素膜１４２の
歪形態はその膜厚Ｔによって異なり、両者１４１，１４
２の歪干渉形態及びその歪干渉による第２密封端面１４
ａへの影響も膜厚Ｔによって異なることになる。したが
って、両者１４１，１４２の歪が相互に相殺されるよう
にバランスして、それらの歪による第２密封端面１４ａ
の影響を消失させる（第２密封端面１４ａが実質的に変
形せず、第１密封端面１２ａに平行する運転開始前の形
態に維持される）ような膜厚Ｔ（以下、その寸法を「平
行状態維持値Ｔ₀ 」という）が存在するはずである。つ
まり、膜厚Ｔを特定の寸法（平行状態維持値Ｔ₀ ）に設
定しておくと、カーボン製の密封環本体１４１が圧力歪
を生じると否とに拘わらず、第２密封端面１４ａを第１
密封端面１２ａに平行する適正状態に維持しておくこと
ができると考えられる。

【００２１】そこで、当該第１シールＭ₁ においては、
カーボン製の密封環本体１４１が圧力歪を生じるような
高圧条件下で炭化珪素膜１４２が密封環本体１４１の圧
力歪とバランスする弾性歪を生じるような寸法（平行状
態維持値Ｔ₀ ）の膜厚Ｔを見出し、このような膜厚Ｔ₀
の炭化珪素膜１４２により第２密封端面１４ａを構成し
ておくことによって、第２密封端面１４ａが第１密封端
面１２ａに平行する適正状態に維持されるように工夫し
ているのである。

【００２２】このような条件を満足する膜厚Ｔは、具体
的には、例えば被密封流体圧力Ｐが３０ｋｇｆ／ｃｍ²
となる高圧条件下で運転される場合であって、第２密封
環１２の全長（炭化珪素膜１４２を含む軸線方向長さ）
Ｌが２１ｍｍであり且つノーズ部１４１ａの突出量（軸
線方向長さ）Ｌ₀ が５ｍｍである場合（ノーズ部１４１
ａの内外径は夫々１８７ｍｍ，１９９ｍｍ）において
は、以下の実験結果からも明らかなように０．８ｍｍ≦
Ｔ≦１．２ｍｍの範囲で設定しておけばよい。

【００２３】すなわち、上記した構成の第１シールＭ₁
を使用して、膜厚Ｔを０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．３ｍ
ｍ、０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．５ｍ
ｍ、２．０ｍｍ、２．５ｍｍ、３．０ｍｍとした各場合
について、被密封流体として窒素ガスを使用すると共に
非密封流体領域Ａ₂ を大気に開放した状態でシール運転
（被密封流体領域Ａ₁ における圧力：３０ｋｇｆ／ｃｍ
² ）を行なった。なお、Ｔ＝０ｍｍの場合とは、ノーズ
部１４１ａに炭化珪素膜を形成せず、ノーズ部１４１ａ
の先端面を第２密封端面１４ａに鏡面加工した場合であ
り、図８に示す従来の動圧形シールｍ₁ と同一構造とし
た場合である。

【００２４】そして、運転中における第２密封端面１４
ａの状態（第１密封端面１２ａに対する状態）及びシー
ル性能について確認した。その結果は、表１に示す通り
であった。なお、シール性能は、密封端面１２ａ，１４
ａからの窒素ガスの漏れ量を測定して、それが許容範囲
内であるものについてはシール性能が良好として○で示
し、許容範囲を超えるものについてはシール性能が不良
であるとして×で示した。

【００２５】

【表１】

【００２６】すなわち、炭化珪素膜１４２を有しないＴ
＝０ｍｍの場合には、第２密封端面１４ａが外高状態に
変形し（図９（Ｂ）参照）、漏れ量が許容範囲を大幅に
上回わった。このような第２密封端面１４ａの変形は、
カーボン製の密封環本体１４１の圧力歪によるものであ
る。

【００２７】これに対して、Ｔ＝０．８ｍｍ、１．０ｍ
ｍ、１．２ｍｍの炭化珪素膜１４２を有する場合には、
カーボン製の密封環本体１４１が圧力歪を生じているに
も拘わらず、第２密封端面１４ａが、図２（Ｂ）に示す
如く、第１密封端面１２ａに平行する適正状態に維持さ
れ、漏れ量も許容範囲内となって良好なシール性能が発
揮された。これは、被密封流体（窒素ガス）の圧力Ｐに
よりカーボン製の密封環本体１４１と炭化珪素膜１４２
とに異なる圧力歪が生じ、第２密封端面１４ａ上におい
ては両者１４１，１４２の圧力歪がバランスして相殺さ
れ、第２密封端面１４ａの変形を阻止するためである。

【００２８】しかし、第２密封端面１４ａを炭化珪素膜
１４２で構成した場合にも、Ｔ＝０．１ｍｍ、０．３ｍ
ｍとしたときには、炭化珪素膜１４２を有しない場合と
同様に、第２密封端面１４ａが、図３（Ａ）に示す如
く、外高状態に変形し、良好なシール機能を発揮し得な
かった。このように、第２密封端面１４ａを炭化珪素膜
１４２で構成しても、その膜厚Ｔが平行状態維持値Ｔ₀
（０．８ｍｍ≦Ｔ₀ ≦１．２ｍｍ）に満たないような薄
膜であるときには、炭化珪素膜１４２の圧力歪による第
２密封端面１４ａへの影響は炭化珪素膜１４２を設けな
い場合と変わりなく、炭化珪素膜１４２の存在意義が認
められない。一方、Ｔ＝１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、２．
５ｍｍ、３．０ｍｍとした場合には、Ｔ＝０ｍｍ、０．
１ｍｍ、０．３ｍｍとした場合とは逆に、第２密封端面
１４ａが、図３（Ｂ）に示す如く、内高状態に変形し
た。このように、炭化珪素膜１４１の膜厚Ｔを必要以上
に厚くして、平行状態維持値Ｔ₀ を超えるような寸法の
厚膜Ｔとすると、第２密封端面１４ａ上における両者１
４１，１４２の圧力歪バランスが崩れて、第２密封端面
１４ａに炭化珪素膜１４２を設けない場合と異なった変
形力が生じ、第２密封端面１４ａが内高状態に変形する
のである。なお、何れの場合においても、密封環本体１
４１及び炭化珪素膜１４２の圧力歪並びに第２密封端面
１４ａの変形は弾性限度内のものであるから、シール運
転を停止した状態では、第２密封端面１４ａは第１密封
端面１２ａに平行する状態に弾性復帰された。但し、膜
厚Ｔが平行状態維持値Ｔ₀ （０．８ｍｍ，１．０ｍｍ，
１．２ｍｍ）である場合、第２密封端面１４ａは、シー
ル運転開始から運転停止に至る間において、第１密封端
面１２ａに平行する適正状態に維持された。

【００２９】ところで、第２密封環１４の形状は種々で
あり、一般に、上記した形状の他、図４に示す如く、ノ
ーズ部１４１ａを外周側に設けた形状（Ａ図）、ノーズ
部１４１ａを内周側に設けた形状（Ｂ図）及びノーズ部
１４１ａを設けない形状（Ｃ図）に大別されるが、密封
環１４の形状が異なっても、図５に示す如く、膜厚Ｔを
増大するに従って、密封端面１４ａの圧力歪による変形
態様は外高状態から平行状態を経て内高状態に移行する
ことになる。すなわち、図５は、横軸に膜厚Ｔをとり、
縦軸に第２密封環１４が圧力歪を生じる高圧条件下での
第２密封端面１４ａの変形程度つまりテーパ量（図３に
示す如く、第２密封端面１４ａにおける内外周端間の軸
線方向距離であり、外高状態におけるテーパ量を正と
し、内高状態におけるテーパ量を負とする）をとって、
膜厚Ｔとテーパ量Δとの関係を示した曲線図である。

【００３０】この曲線図から理解されるように、第２密
封環１４に圧力歪が生じる高圧条件下では、その形状に
拘わらず、炭化珪素膜１４２を有しない場合（Ｔ＝０ｍ
ｍ）には第２密封端面１４ａは外高状態に変形するが、
炭化珪素膜１４２を有する場合にも、それが薄いときに
は第２密封端面１４ａは外高状態に変形することにな
る。膜厚Ｔを増大するに従って、外高状態であることに
変わりはないが、そのテーパ量Δは減少していく。そし
て、膜厚Ｔが或る値Ｔ₀ に達すると、第２密封端面１４
ａは外高状態から平行状態に移行する。更に、膜厚Ｔが
増大すると、第２密封端面１４ａが平行状態から内高状
態に移行する。このように膜厚Ｔを増大させていくと、
第２密封端面１４ａは外高状態から内高状態に移行し、
その移行途中において、必ず、第２密封端面１４ａが平
行状態となる。このときの膜厚Ｔの寸法が前記した平行
状態維持値Ｔ₀ であり、如何なる形状の密封環１４にお
いても、かかる平行状態維持値Ｔ₀ は存在する。また、
膜厚Ｔが平行状態維持値Ｔ₀を超える場合、膜厚Ｔを増
大するに従って、外高状態であることに変わりはない
が、そのテーパ量Δは増大していく。

【００３１】すなわち、膜厚Ｔと高圧条件下での第２密
封端面１４ａの形状との間には、 膜厚ＴがＴ＜Ｔ₀ の範囲にあるときは、密封端面１
４ａは外高状態に変形して、そのテーパ量Δが膜厚Ｔが
増大するに従って減少する、 膜厚ＴがＴ＝Ｔ₀ であるときは、密封端面１４ａは
圧力歪により変形されずに、平行状態に維持される、 膜厚ＴがＴ＞Ｔ₀ の範囲にあるときは、密封端面１
４ａは内高状態に変形して、そのテーパ量Δは膜厚Ｔが
増大するに従って増加する、 といった関係があり、かかる関係は、平行状態維持値Ｔ
₀ は密封環１４の形状によって異なるものの、密封環１
４の形状等のシール条件に拘わらず、常に成立すること
になる。また、密封環１４の形状が異なる場合にあって
も、当該密封環１４の基本的寸法（主として、密封環１
４の全長Ｌ及びノーズ部１４１ａの突出量Ｌ₀ ）が同等
であれば、密封端面１４ａが平行状態に維持される膜厚
寸法つまり平行状態維持値Ｔ₀ は同等となる。

【００３２】このことは、実験により確認された。すな
わち、第２密封環１４の形状を異にする他は上記した実
験で使用したと同一構造の第１シールを使用して、上記
した実験と同一条件で実験した。この実験においては、
第２密封環１４として図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す３
種類のものを使用した。各第２密封環１４における全長
Ｌ及びノーズ部１４１ａの突出量Ｌ₀ （図４（Ｃ）のも
のを除く）は、上記実験で使用したものと同一とした。
その結果、何れの場合にも、第２密封端面１４ａが、Ｔ
＜０．８ｍｍでは外高状態、０．８ｍｍ≦Ｔ≦１．２ｍ
ｍでは平行状態、Ｔ＞１．２ｍｍでは内高状態となっ
た。また、第２密封端面１４ａのテーパ量Δは、外高状
態では膜厚Ｔが大きくなるに従って小さくなり、逆に、
内高状態では膜厚Ｔが大きくなるに従って大きくなっ
た。また、これらの実験を含めて、同種の実験を数多く
行なった結果、第２密封環１４の形状等のシール条件に
もよるが、一般的には、平行状態維持値Ｔ₀ は、０．３
ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲において見出すことができ、ま
た第２密封環１４（ノーズ部１４１ａを有しないものを
含む）の全長Ｌを基準としてＬ／９０≦Ｔ₀ ≦Ｌ／３の
範囲若しくはノーズ部１４１ａの突出量Ｌ₀ を基準とし
てＬ₀ ／２０≦Ｔ₀ ≦２Ｌ₀ ／３の範囲で見出すことが
できることが判明した。なお、平行状態維持値Ｔ₀ は、
両密封端面１２ａ，１４ａの平行度が適正なシール機能
を発揮しうる一定の許容範囲内のものとなるような状態
に第２密封端面１４ａが維持されるときの膜厚寸法を意
味する。したがって、平行状態維持値Ｔ₀ には或る程度
の幅があり、Ｔ＝Ｔ₀ の場合にも、厳格な意味では、第
２密封端面１４ａが外高状態又は内高状態に変形するこ
とになる場合もありうるが、その場合においても、テー
パ量Δは上記平行度が許容範囲となる程度の微小なもの
である。

【００３３】したがって、上記した構成の第１シールＭ
₁ によれば、膜厚Ｔを平行状態維持値Ｔ₀ としておくこ
とによって、被密封流体領域Ａ₁ の圧力変動に拘わら
ず、第２密封端面１４ａを第１密封端面１２ａに平行す
る適正状態に維持させておくことができるのであり、カ
ーボン製の密封環本体１４１に圧力歪を生じるような高
圧条件下においても、密封端面１２ａ，１４ａ間を適正
な非接触状態に維持して、良好なシール機能を発揮する
ことができる。

【００３４】また、図６及び図７は第２シールの実施の
形態を示したものであり、この第２シールは、例えば密
封端面の外周側を被密封流体領域とする場合、テーパフ
ェースシールｍ₂ における第２密封端面２４ａの形態と
動圧形シールｍ₁ において第２密封端面１４が内高状態
に変形されたときの形態とが酷似すること、及び高圧条
件下におけるカーボン製密封環の密封端面変形と当該密
封端面を構成する炭化珪素膜の膜厚との間に上記〜
のような関係があり、膜厚を調整することによって当該
密封端面の高圧条件における形態を制御できることに着
目して、被密封流体領域が一定圧以上に昇圧された場合
に、軸線方向に直交する環状平面とされた第２密封端面
がテーパフェースシールｍ₂ におけると同様の環状テー
パ面に自動的に変形して、良好なテーパフェース機能を
発揮しうるように工夫されたものである。

【００３５】すなわち、この実施の形態における第２シ
ールＭ₂ は、図６に示す如く、回転軸（例えば、インペ
ラ軸）２１に固定された第１密封環２２とこれに直対向
してシールケース（例えば、ポンプケーシング）２３に
保持された第２密封環２４とを具備して、両密封環２
２，２４の対向端面たる密封端面２２ａ，２４ａ間に
て、その外周側領域である被密封流体領域（例えば、ポ
ンプ室）Ａ₁ とその内周側領域である非密封流体領域
（例えば、シールケース２３外に連通する大気領域）Ｌ
とを、テーパフェースシール機能によりシールするよう
に構成されている。この第２シールＭ₂ は、以下に述べ
る第２密封環２４の構成を除いて、図１０に示す公知の
テーパフェースシールｍ₂ と同一構造をなすものである
から、これと同一部材については同一の符号を付すこと
によっって、その詳細は省略する。なお、第１密封環２
２は、その密封端面たる第１密封端面２２ａを軸線に直
交する環状平面としたもので、ＷＣ，ＳｉＣ等の超硬質
材で構成して、カーボン製の密封環が圧力歪を生じるよ
うな高圧条件下においても、第１密封端面２２ａが圧力
歪により変形されることのないものである。

【００３６】而して、この第２シールＭ₂ にあっては、
本発明に従って、第２密封環２４を、図６及び図７
（Ａ）に示す如く、第１密封環２２の構成材より軟質の
カーボンからなる密封環本体２４１と、第２密封端面２
４ａを形成すべき部分である密封環本体２４１の先端部
に常法により被覆形成された炭化珪素膜２４２とで構成
してある。炭化珪素膜２４２は、その膜厚Ｔを均一とさ
れたもので、その膜表面を第１密封端面２２ａに平行す
る環状平面をなす第２密封端面２４ａに構成してある。
つまり、第２密封端面２４ａは、カーボン製の密封環本
体２４１に被密封流体による圧力歪が全く生じない又は
殆ど生じない低圧条件下（例えば、運転初期の状態）で
は軸線に直交する平滑面をなすように、鏡面加工された
ものである。

【００３７】そして、かかる第２シールＭ₂ の第２密封
端面２４ａについても、炭化珪素膜２４２の膜厚Ｔとの
間に上記〜の関係が成立することから、炭化珪素膜
２４２の膜厚（表面を密封端面に鏡面加工した後の膜
厚）Ｔを平行状態維持値Ｔ₀ を超えるものに設定して、
カーボン製の密封環本体２４１に被密封流体による弾性
限度内の圧力歪が生じる高圧条件下（当該第１シールＭ
₁ が通常運転されている状態）において、当該炭化珪素
膜２４２に生じる弾性歪と前記密封環本体２４１に生じ
る圧力歪との干渉により第２密封端面２４ａが第１密封
端面２２ａとの間に非密封流体領域Ａ₁ 方向に漸次窄ま
る断面楔状の環状空間２７を形成しうる環状テーパ面に
弾性変形されるように工夫してある。なお、第２シール
Ｍ₂ の第２密封環２４についても、第１シールＭ₁ の第
２密封環１４におけると同様に、平行状態維持値Ｔ
₀ は、一般に、０．３ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲で、また
は第２密封環２４の全長（膜厚Ｔを含む軸線方向長さ）
Ｌを基準としてＬ／９０≦Ｔ₀ ≦Ｌ／３の範囲で見出す
ことできる。

【００３８】また、Ｔ＞Ｔ₀ であれば、膜厚Ｔを如何な
る値としても、第２密封端面２４ａを内高状態に弾性変
形させることができるが、その変形量つまり第２密封端
面２４ａのテーパ量Δは上記した如く膜厚Ｔの増大に従
って大きくなる。一方、テーパフェースシール機能を良
好に発揮するに最適なテーパ量Δには一定の制限があ
り、一般に、３μｍ〜５０μｍである。したがって、膜
厚Ｔを決定するに当たっては、Δ＝３μｍ〜５０μｍと
なるように配慮しておく必要があり、第２密封環２４の
形状等のシール条件にもよるが、一般には、膜厚Ｔを２
ｍｍ〜８ｍｍ程度に設定しておくことが好ましい。

【００３９】以上のように構成された第２シールＭ₂ に
よれば、被密封流体領域Ａ₁ の圧力条件に応じて第２密
封端面２４ａが自動的に弾性変形して、良好なテーパフ
ェースシール機能が発揮される。

【００４０】すなわち、第２シールＭ₂ の運転により、
被密封流体領域Ａ₁ が一定圧以上に昇圧されると、膜厚
ＴがＴ＞Ｔ₀ とされていることから、図７（Ｂ）に示す
如く、密封環本体２４１と炭化珪素膜２４２との歪干渉
により第２密封端面２４ａが内高状態に弾性変形され
て、つまり凸状の環状テーパ面に変形されて、密封端面
２２ａ，２４ａ間に被密封流体の漏れ方向（非密封流体
領域Ａ₂ 方向）に漸次狭まる断面楔状の環状空間２７が
形成されることになる。その結果、冒頭で述べたテーパ
フェースシールｍ₂ と同様の原理により、密封端面２２
ａ，２４ａ間が一定の微小隙間たる平衡隙間Ｓ₀ に保持
されることになる。

【００４１】すなわち、第２シールＭ₂ がテーパフェー
スシールｍ₂ に相当する構造に変化し、図１１及び図１
２に示す如く、第２密封環２４の背面に作用する被密封
流体圧力Ｐによる背圧によって（より正確には、背圧及
びスプリング２６による附勢力によって）生じる閉力Ｆ
_C と環状空間７に侵入した被密封流体の圧力（静圧）に
よって生じる開力Ｆ_O とがバランスされることになり、
密封端面２２ａ，２４ａ間の隙間Ｓが一定の平衡隙間Ｓ
₀ に保持されることになる。

【００４２】そして、このようなテーパフェースシール
構造となすための第２密封端面２４ａのテーパ量Δは圧
力歪によって確保されたものであるから、冒頭で述べた
テーパフェースシールｍ₂ における如く圧力歪によって
テーパ量Δが減少したり環状空間２７が消失したりする
ことがなく、良好なテーパフェースシール機能が発揮さ
れることになる。

【００４３】一方、シール運転が開始された直後等にお
いては、つまり第２密封環２４に圧力歪が生じない（回
転軸２１の停止等による圧力低下により圧力歪が消失し
た場合を含む）低圧条件下においては、第２密封端面２
４ａは変形されず又は元の状態に弾性復帰して、軸線方
向に直交する環状平面となり、密封端面２２ａ，２４ａ
が平行状態となる。このように密封端面２２ａ，２４ａ
が平行する状態では、密封端面２２ａ，２４ａ間を背圧
たる閉力Ｆ_C に抗して開くだけの開力Ｆ_O は生じない。
したがって、テーパフェースシール機能は発揮されない
が、密封端面２２ａ，２４ａが流体膜を介して相対回転
摺接することによって、所謂端面接触形シールと同一の
機能により、良好なシール機能が発揮されることにな
る。すなわち、テーパフェースシール機能が発揮されな
い低圧条件下においても、テーパフェースシール構造か
ら端面接触形メカニカルシール構造へと自動的に変化し
て、良好なシール機能を発揮し、密封端面２２ａ，２４
ａ間から大量漏れが生じるようなことはない。

【００４４】なお、テーパフェースシールｍ₂ において
は、第２密封端面２４ａをテーパ面に鏡面加工しておく
必要があるが、そのテーパ量Δは微小である（密封環２
２，２４の径等のシール条件にもよるが、一般にはΔ＝
３μｍ〜５０μｍ程度である）から、このような加工は
極めて困難であり、密封端面２４ａの加工費（ひいては
密封環２４の製作費）が徒に高騰する上、適正な加工精
度を確保することも容易ではない。しかし、第２シール
Ｍ₂ では、第２密封端面２４ａをテーパ面に加工してお
く必要がないから、このような加工上，製作上の問題は
ない。

【００４５】ところで、第１及び第２シールＭ₁ ，Ｍ₂
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。

【００４６】例えば、前記した構成の第１及び第２シー
ルＭ₁ ，Ｍ₂ は、何れも、密封端面の内周側領域が被密
封流体領域Ａ₁ となり且つ外周側領域が非密封流体領域
Ａ₂となる場合にも使用することができる。但し、この
場合、第２密封端面１４ａ，２４ａにおける外高状態と
内高状態との関係は、前記した場合と逆になる。例え
ば、第２シールＭ₂ においてＴ＞Ｔ₀ とすると、高圧条
件下では、第２密封端面２４ａが外高状態に変形して、
テーパフェースシール機能を発揮する。また、第１密封
環１２，２２をシールケース１３，２３側に設け、第２
密封環１４，２４を回転軸１１，２１側に設けるように
することも可能である。

【００４７】

【発明の効果】以上の説明からも容易に理解されるよう
に、本発明によれば、カーボン製の第２密封環を使用し
た非接触形メカニカルシールにおいて不可避的に発生す
る第２密封端面の圧力歪によるシール機能低下を、第２
密封端面を特定の膜厚とした炭化珪素膜で構成すること
によって、確実に防止し得て、第２密封環に圧力歪が生
じる高圧条件下においても、良好なシール機能を発揮す
る非接触形メカニカルシールを提供することができる。
しかも、膜厚の調整により、高圧条件下における第２密
封端面の形状を自由に制御することができるから、シー
ル構造を含むシール条件に応じて、良好なシール機能を
発揮しうる非接触形メカニカルシールを容易に設計，製
作することができ、設計通りの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】第１シール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作用説明図である。

【図３】膜厚が不適正な場合における第２密封端面の変
形状態を示す図２相当図である。

【図４】第１シールにおける第２密封環の変形例を示す
縦断側面図である。

【図５】膜厚Ｔと第２密封端面のテーパ量Δとの関係を
示した曲線図である。

【図６】第２シールの一例を示す半截の縦断側面図であ
る。

【図７】図６の要部を拡大して示す作用説明図である。

【図８】従来の動圧形シールを示す半截の縦断側面図で
ある。

【図９】図８の要部を拡大して示す作用説明図である。

【図１０】従来のテーパフェースシールを示す半截の縦
断側面図である。

【図１１】第２密封端面が加工された又は弾性変形され
た環状テーパ面である場合において両密封端面間に作用
する圧力分布ないし開閉力を示す説明図である。

【図１２】第２密封端面が加工された又は弾性変形され
た環状テーパ面である場合における両密封端面間の隙間
と開閉力との関係を示す曲線図である。

【符号の説明】 １１，２１…回転軸、１２，２２…第１密封環、１２
ａ，２２ａ…第１密封端面、１３，２３…シールケー
ス、１４，２４…第２密封環、１４ａ，２４ａ…第２密
封端面、１４１，２４１…密封環本体、１４１ａ…ノー
ズ部（密封環本体の一部分であって第２密封端面を形成
すべき部分）、１４２，２４２…炭化珪素膜、２７…環
状空間、Ａ₁ …被密封流体領域、Ａ₂ …非密封流体領
域、Ｍ₁ …第１シール（非接触形メカニカルシール）、
Ｍ₂ …第２シール（非接触形メカニカルシール）、Ｔ…
膜厚、Δ…テーパ量。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16J 15/34 - 15/38

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１密封環とその構成材より軟質のカー
   ボンからなる第２密封環とを、第２密封環に被密封流体
   により弾性限度内の圧力歪が生じる高圧条件下で相対回
   転させることにより、両密封環の対向端面たる第１及び
   第２密封端面間にてその内外周側領域である被密封流体
   領域と非密封流体領域とをシール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、 第２密封環をカーボン製の密封環本体とその一部分であ
   って第２密封端面を形成すべき部分に被覆形成された炭
   化珪素膜とで構成して、 その膜表面を、上記圧力歪が生じない低圧条件下におい
   て第１密封端面に平行する環状平面をなす第２密封端面
   に構成すると共に、 その膜厚を、上記高圧条件下において、第２密封端面が
   上記した低圧条件下での形状を維持すべく、当該炭化珪
   素膜が前記密封環本体に生じる圧力歪とバランスする弾
   性歪を生じるように、設定したことを特徴とする非接触
   形メカニカルシール。
2. 【請求項２】 第１密封環とその構成材より軟質のカー
   ボンからなる第２密封環とを、第２密封環に被密封流体
   により弾性限度内の圧力歪が生じる高圧条件下で相対回
   転させることにより、両密封環の対向端面たる第１及び
   第２密封端面間にてその内外周側領域である被密封流体
   領域と非密封流体領域とをシール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、 第２密封環をカーボン製の密封環本体とその一部分であ
   って第２密封端面を形成すべき部分に被覆形成された炭
   化珪素膜とで構成して、 その膜表面を、上記圧力歪が生じない低圧条件下におい
   て第１密封端面に平行する環状平面をなす第２密封端面
   に構成すると共に、 その膜厚を、上記高圧条件下において、当該炭化珪素膜
   に生じる弾性歪と前記密封環本体に生じる圧力歪との干
   渉により第２密封端面が第１密封端面との間に非密封流
   体領域方向に漸次窄まる断面楔状の環状空間を形成しう
   る環状テーパ面に弾性変形されるように、設定したこと
   を特徴とする非接触形メカニカルシール。