JP3040727B2 - 非接触型メカニカルシール - 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、圧縮機などに適用
される非接触型メカニカルシールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧縮機などに適用される非接触型
メカニカルシール（ドライガスシール）として、図４に
示すようなものが知られている。すなわち、図４におい
て、圧縮機内部の符号Ａで示す部分（以下「Ａ部」とい
う）には圧縮機により圧縮されたガスが封入されてお
り、また後述のＢ部に対して高圧場を形成する。一方、
符号Ｂで示す部分（以下「Ｂ部」という）は圧縮機外部
の圧力と同じ低圧側を形成しており、回転環１の背面１
ａと静止環２の前面２ｂとで構成される微小隙間（シー
ル隙間）を圧力バウンダリとしていて、この隙間をガス
が通過する間に圧力が低圧場Ｂ部の圧力まで低下するよ
うになっている。

【０００３】なお、導通管（図示せず）により高圧場Ａ
部のガスが符号Ｃで示す部分（以下「Ｃ部」という）に
まで導かれている。したがって、Ａ部からＣ部までが動
圧軸受部１Ａを形成している。この動圧軸受部１Ａには
回転環１側に動圧を発生させるためのスパイラルグルー
プ１Ｂが加工されている。また、回転環１が回転軸11に
嵌合されたスリーブ12に嵌合されて、回転軸11と共に回
転するようになっている。

【０００４】符号４はケーシングを示している。ケーシ
ング４はその内径部を大径部４Ａ，中径部４Ｂ，小径部
４Ｃからなる３段状に形成され、静止環２はその外径部
とケーシング４の大径部４Ａとの間に半径方向の隙間を
介して配設されている。

【０００５】符号３はリテーナを示しており、このリテ
ーナ３は大径の本体部３Ａと小径のフランジ部３Ｂとを
そなえ、本体部３Ａの外径部がケーシング４の中径部４
Ｂに対向して配設されるとともに、中径部４Ｂに対して
軸方向に円滑に移動でき、かつフランジ部３Ｂが、ケー
シング４の小径部４Ｃとの間に生じる隙間（偏心量）が
シール性能に支障をきたさない程度に適当なしめしろで
ケーシング４の小径部４Ｃに挿入されている。

【０００６】また、リテーナ３の静止環２の背面２ａと
対向する側の前面３ｂには、背面Ｏリング31と呼ばれる
Ｏリングが取り付けられており、高圧場Ａ部と低圧場Ｂ
部との圧力バウンダリとなっている。さらに、ケーシン
グ４の小径部４ＣにＯリング溝が切られていて、このＯ
リング溝にセカンダシール41と呼ばれるＯリングが組み
込まれていて、ここが圧力バウンダリとなっている。

【０００７】符号６はケーシング４に装着された圧縮ば
ねを示しており、この圧縮ばね６はリテーナ３の背面３
ａに当接して静止環２を回転環１に押し付ける作用を行
なう。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の従来
のものでは、リテーナ３に対する静止環２の直径方向
（回転軸11の直径方向）の相対位置は、静止環２の外径
とケーシング４の対向部の半径方向に隙間によって決ま
る。したがって、メカニカルシールの直径の小さい場合
はこの隙間も小さいが、メカニカルシールの直径が大き
くなると上記の隙間も大きくなり、静止環２が回転環１
に対して偏心量が大きくなる。

【０００９】つまり従来のものでは、メカニカルシール
が大型化すると静止環２の重量が大きくなり、リテーナ
３と静止環２とを同心に保持してもセカンダリシール41
がこの重量に相当する力で半径方向に押し付けられるた
め、偏心するとともにリテーナ３とケーシング４とが接
触し、ここでの摩擦が大となるという問題点がある。そ
ればかりか、長時間の運転でリテーナ３の面荒れや摩耗
が生じセカンダリシール41の機能（軸方向に対する静止
環２の摩擦の少ない円滑な移動とこれによる漏れ量の低
減）が失われるおそれがあるという問題点もある。本発
明は、これらの問題点を解消しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、 (1) 内径部を大径部，中径部，小径部の３段状に形成さ
れたケーシングと、同ケーシングに回転可能に支持され
る回転軸と、同回転軸に嵌合されて同回転軸と共に回転
する回転環と、上記ケーシングの大径部に外径部を半径
方向の隙間を介して配設されるとともに上記回転環に対
向して設けられ、同回転環の側面に対する対向面をそな
え同対向面と上記回転環の側面との間でシール面となる
微小隙間を形成する静止環と、同静止環上の上記回転環
の側面に対する面の反対側の面としての背面から背面Ｏ
リングを介して上記ケーシングに装着された圧縮ばねに
より押し当てられるリテーナとをそなえ、同リテーナが
大径の本体部と小径のフランジ部とをそなえて形成さ
れ、上記リテーナの本体部の外径部が上記ケーシングの
中径部に配設されるとともに、その外径部寸法を同リテ
ーナの軸方向への円滑な移動を許容可能な程度に大きな
寸法に形成され、上記リテーナのフランジ部が上記ケー
シングの小径部に配設されるとともに、同リテーナとの
間に生じる偏心量が上記ケーシングの小径部と上記フラ
ンジ部との間のシール性能に支障をきたさない程度に小
さなはめ合い隙間をもつ内径寸法に形成され、上記ケー
シングの小径部にＯリング溝が形成され、同Ｏリング溝
に組み込まれたセカンダリーシールとしてのＯリングに
よる上記リテーナのフランジ部に対する軸封可能な非接
触型メカニカルシールにおいて、平面状の内周面とフラ
ンジ部とで断面Ｌ字形に形成された同心保持環を、上記
内周面を嵌合による過大な荷重が作用しない程度のしめ
しろで、かつ上記リテーナとの間に偏心が発生しない程
度に同リテーナの本体部に嵌合すると同時に、上記フラ
ンジ部の内端面を嵌合による過大な荷重が作用しない程
度のしめしろで、かつ上記静止環との間に偏心が発生し
ない程度に同静止環に嵌合して課題解決の手段としてい
る。

【００１１】(2) 上記(1)項のメカニカルシールにおい
て、自重に抗して上記静止環を支持して同静止環と上記
回転環との同心を保持するための同心保持器を上記回転
軸の下方に設け、同同心保持器を、上記ケーシングの上
記静止環の外周部に対向する部分において、同ケーシン
グ内に形成された穴にねじにより固定された固定部と、
上記穴の内部にあって、上記回転軸の直径方向に円滑に
移動可能な隙間を介して上記固定部の内部に挿入され、
一方の端部が上記静止環の外周部と摺接し他方の端部が
後記の押付けばねに接触する可動部と、上記の固定部と
可動部との間にあって、一方の端部を上記固定部に他方
の端部を上記可動部にそれぞれ接し、同可動部を適当な
押付力で上記静止環の外周部に押し当てるための支持ば
ねとにより構成して課題解決の手段としている。

【００１２】(3) 上記(2)項のメカニカルシールにおい
て、上記同心保持器を構成する押付けばねに、上記静止
環の重量に相当する力で上記可動部を上記静止環の外周
部に押し付けうる押付力をそなえさせて課題解決の手段
としている。

【００１３】本発明の非接触型メカニカルシールでは、
同心保持環が、嵌合による過大な荷重が作用しない程度
のしめしろで、かつ、リテーナとの間に偏心が発生しな
い程度にリテーナに嵌合され、同時に静止環に対しても
嵌合による過大な荷重が作用したい程度のしめしろで、
かつ静止環との間に偏心が発生しない程度に静止環に嵌
合されているため、静止環とリテーナとは同心保持環を
介して互いの同心が保たれることになる。

【００１４】さらに、同心保持器の可動部を支持ばねに
よって支持することで、静止環に作用する自重を補償し
ており、これによりリテーナと静止環との間の偏心の発
生と、リテーナとケーシングとの接触による摩擦の増加
を防ぐことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の一実施
形態としての非接触型メカニカルシールについて説明す
ると、図１はその上半部を示す縦断面図、図２はその変
形例の下半部を示す縦断面図、図３は図２のＤ矢部拡大
縦断面図である。なお図１〜３中図４と同じ符号はほぼ
同一の部材を示している。

【００１６】この実施形態の非接触型メカニカルシール
においても、回転環１は回転軸11に嵌合されたスリーブ
12に嵌合されていて、回転軸11と共に回転可能となって
いる。

【００１７】リテーナ３はそのフランジ部３Ｂをケーシ
ング４の小径部４Ｃに適当なしめしろで挿入されてい
て、軸方向（図１の左右方向）に移動可能となってい
る。また、リテーナ３のフランジ部３Ｂとケーシング４
の小径部４Ｃとの間に、セカンダリーシール41と呼ばれ
るＯリングが取り付けられており、高圧場Ａ部と低圧場
Ｂ部との圧力バウンダリとなっている。

【００１８】また、回転環１との背面１ａと、この背面
１ａに対向する静止環２の前面２ｂとによりμｍオーダ
の微小シール隙間が形成されており、高圧場Ａ部のガス
がこのシール隙間を通過する間に、圧力が低圧場Ｂ部の
圧力まで低下するようになっている。

【００１９】符号１Ａは動圧軸受部を示している。この
動圧軸受部１Ａは導通管（図示せず）により高圧場Ａ部
のガスがＣ部にまで導かれるようになっており、したが
って、Ｃ部までは高圧場となっている。また、動圧軸受
部１Ａには回転環１側に動圧を発生するためのスパイラ
ルグループ１Ｂが加工されている。

【００２０】リテーナ３はケーシング４に組み込まれた
圧縮ばね６により図１における左方に押し付けられてお
り、静止状態では、静止環２もこの圧縮ばね６によって
与えられる押付力により回転環１に押し付けられて密着
状態となっている。

【００２１】なお、静止環２に対向する側のリテーナ３
の前面３ｂには、背面Ｏリング31と呼ばれるＯリングが
取り付けられており、高圧場Ａ部と低圧場Ｂ部との圧力
バウンダリとなっている。

【００２２】ここで、図１に示すごとく、平面状の内周
面Ｅとフランジ部とで断面Ｌ字形に形成された同心保持
環５が、その内周面Ｅをリテーナ３の外周面に嵌合され
ると同時に、フランジ部５ｂの内端面Ｆが静止環２の切
り欠き部２Ａの外周にも嵌合されて取り付けられてい
る。

【００２３】このとき、同心保持環５のＥ面とＦ面とは
互いに同心となるように加工されているため、静止環２
とリテーナ３とは、同心保持環５を介して静止環２とリ
テーナ３の直径方向の動きが拘束されることとなり、両
者の同心位置関係が保持されることになる。

【００２４】このような取付け構造で、同心保持環５を
取り付けることにより、メカニカルシールの大径化に伴
う回転環１と静止環２との偏心を最小限に抑えることが
できる。

【００２５】図２，３に示した変形例では、回転軸11の
下方に同心保持器７が設けられている。同心保持器７
は、図３に示すようにケーシング４に形成された直径方
向の穴４Ｄ内にあって同ケーシング４に対してねじで固
定された固定部70と、穴４Ｄ内に摺動可能に配設され、
背面から押し付ける押付けばね72で静止環２の外周部に
摺接可能に押し付けられる可動部71とによって構成され
る。

【００２６】押付けばね72は静止環２の重量に相当する
力で可動部71を静止環２の外周部に押し付けうる押付力
をそなえている。

【００２７】この図２，３に示したものでは、ケーシン
グ４の下半分の円周上に複数の同心保持器７を配して静
止環２の重量を分担して支持する構成となっている。符
号71Ａは押付けばね72の係合段部を、また符号73はＯリ
ングをそれぞれ示している。また符号70Ａはレンチ係合
孔を示している。

【００２８】また、回転軸11の熱膨張などに起因する回
転環１の軸方向の移動に伴い、静止環２はケーシング４
に対して軸方向に左右に移動することが要求されるた
め、この動きを阻害しないために可動部71には静止環２
との摩擦を低減するためのコーティング（例えばポリテ
トラフロロエチレンの皮膜）が施されている。あるいは
コーティングによらず可動部71自体を摺動材料（例えば
充填材入りポリテトラフロロエチレン）で製作すること
も可能である。

【００２９】同心保持器７を設けて静止環２の自重を支
持する構成とすることで、回転環１と静止環２との偏心
の発生を防ぐ一方、リテーナ３とケーシング４との接触
による摩擦の増加、リテーナ３の摺動面の面荒れの発生
を防ぐことができる。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の非接触型
メカニカルシールによれば次のような効果ないし利点が
得られる。 (1) 同心保持環が嵌合による過大な荷重が作用しない程
度のしめしろで、かつ、リテーナとの間に偏心が発生し
ない程度にリテーナに嵌合され、同時に静止環に対して
も嵌合による過大な荷重が作用したい程度のしめしろ
で、かつ静止環との間に偏心が発生しない程度に静止環
に嵌合されているため、静止環とリテーナとは同心保持
環を介して互いの同心が保たれることになる。 (2) 同心保持器の可動部を支持ばねによって支持するこ
とで、静止環に作用する自重を補償しており、これによ
りリテーナと静止環との間の偏心の発生と、リテーナと
ケーシングとの接触による摩擦の増加を防ぐことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態としての非接触型メカニカ
ルシールの上半部を示す縦断面図。

【図２】同変形例の下半部を示す縦断面図。

【図３】図２のＤ矢部を拡大して示す縦断面図

【図４】従来の非接触型メカニカルシールの上半部を示
す縦断面図。

【符号の説明】

１ 回転環 １Ａ 動圧軸受部 １Ｂ スパイラルグループ ２ 静止環 ２Ａ 切り欠き部 ３ リテーナ ３Ａ 本体 ３Ｂ フランジ部 ４ ケーシング ４Ａ 大径部 ４Ｂ 中径部 ４Ｃ 小径部 ４Ｄ 穴 ５ 同心保持環 ６ 圧縮ばね ７ 同心保持器 ７Ａ 可動部 ７Ｂ 押し付けばね ７Ｃ 固定部 11 回転軸 12 スリーブ 31 背面リング 41 セカンダリーシール 70 固定部 71 可動部 72 押付けばね 73 Ｏリング Ａ 高圧場 Ｂ 低圧場 Ｅ 同心保持環５の平面状の内周面 Ｆ 同心保持環５のフランジ部の内端面

フロントページの続き (72)発明者 山脇 敏彦 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社 高砂製作所内 (72)発明者 松岡 一末 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目８番19号 高菱エンジニアリング株式会社内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16J 15/34

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内径部を大径部，中径部，小径部の３段
   状に形成されたケーシングと、 同ケーシングに回転可能に支持される回転軸と、 同回転軸に嵌合されて同回転軸と共に回転する回転環
   と、 上記ケーシングの大径部に外径部を半径方向の隙間を介
   して配設されるとともに、上記回転環に対向して設けら
   れ、同回転環の側面に対する対向面をそなえ同対向面と
   上記回転環の側面との間でシール面となる微小隙間を形
   成する静止環と、 同静止環上の上記回転環の側面に対する面の反対側の面
   としての背面から背面Ｏリングを介して上記ケーシング
   に装着された圧縮ばねにより押し当てられるリテーナと
   をそなえ、 同リテーナが大径の本体部と小径のフランジ部とをそな
   えて形成され、 上記リテーナの本体部の外径部が上記ケーシングの中径
   部に配設されるとともに、その外径部寸法を同リテーナ
   の軸方向への円滑な移動を許容可能な程度に大きな寸法
   に形成され、 上記リテーナのフランジ部が上記ケーシングの小径部に
   配設されるとともに、同リテーナとの間に生じる偏心量
   が上記ケーシングの小径部と上記フランジ部との間のシ
   ール性能に支障をきたさない程度に小さなはめ合い隙間
   をもつ内径寸法に形成され、 上記ケーシングの小径部にＯリング溝が形成され、同Ｏ
   リング溝に組み込まれたセカンダリーシールとしてのＯ
   リングによる上記リテーナのフランジ部に対する軸封可
   能な非接触型メカニカルシールにおいて、 平面状の内周面とフランジ部とで断面Ｌ字形に形成され
   た同心保持環が、上記内周面を嵌合による過大な荷重が
   作用しない程度のしめしろで、かつ上記リテーナとの間
   に偏心が発生しない程度に同リテーナの本体部に嵌合さ
   れると同時に、上記フランジ部の内端面を嵌合による過
   大な荷重が作用しない程度のしめしろで、かつ上記静止
   環との間に偏心が発生しない程度に同静止環に嵌合され
   ていることを特徴とする、非接触型メカニカルシール。
2. 【請求項２】 自重に抗して上記静止環を支持して同静
   止環と上記回転環との同心を保持するための同心保持器
   が上記回転軸の下方に設けられ、 同同心保持器が、上記ケーシングの上記静止環の外周部
   に対向する部分において、同ケーシング内に形成された
   穴にねじにより固定された固定部と、 上記穴の内部にあって、上記回転軸の直径方向に円滑に
   移動可能な隙間を介して上記固定部の内部に挿入され、
   一方の端部が上記静止環の外周部と摺接し他方の端部が
   後記の押付けばねに接触する可動部と、 上記の固定部と可動部との間にあって、一方の端部を上
   記固定部に他方の端部を上記可動部にそれぞれ接し、同
   可動部を適当な押付力で上記静止環の外周部に押し当て
   るための支持ばねとにより構成されることを特徴とす
   る、請求項１に記載の非接触型メカニカルシール。
3. 【請求項３】 上記同心保持器を構成する押付けばね
   が、上記静止環の重量に相当する力で上記可動部を上記
   静止環の外周部に押し付けうる押付力をそなえているこ
   とを特徴とする、請求項２に記載の非接触型メカニカル
   シール。