JP3280344B2 - メカニカルシール - Google Patents
メカニカルシールInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、シールケース及び
回転軸の一方に固定した固定密封環とその他方に二次シ
ールされた状態で軸線方向摺動可能に保持した可動密封
環とを具備し、可動密封環の先端側部分と固定密封環と
の対向端面たる密封端面間にて、その内外周側領域の一
方である被密封流体領域とその他方である非密封流体領
域とをシールするように構成されたメカニカルシールで
あって、主として、ポンプ等において高負荷条件下で液
体を軸封させる必要のある場合に使用されるメカニカル
シールに関するものである。
回転軸の一方に固定した固定密封環とその他方に二次シ
ールされた状態で軸線方向摺動可能に保持した可動密封
環とを具備し、可動密封環の先端側部分と固定密封環と
の対向端面たる密封端面間にて、その内外周側領域の一
方である被密封流体領域とその他方である非密封流体領
域とをシールするように構成されたメカニカルシールで
あって、主として、ポンプ等において高負荷条件下で液
体を軸封させる必要のある場合に使用されるメカニカル
シールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】この種のメカニカルシールとしては、一
般に、両密封環の対向端面である密封端面を軸線に直交
する平滑な環状平面として、両密封端面を相対回転摺接
させることにより、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させるように構成され
たもの（以下「通常シール」という）が周知であるが、
このような通常シールは、密封端面間の潤滑機能が低い
ため、許容ＰＶ値が低く、高負荷条件（高圧，高速，高
温条件）下では使用できないものであった。通常シール
では、密封端面間に被密封流体による潤滑膜が形成され
るが、かかる潤滑膜による潤滑機能は高負荷条件では充
分に発揮されず、密封端面が焼き付いたりする等の問題
が生じるからである。
般に、両密封環の対向端面である密封端面を軸線に直交
する平滑な環状平面として、両密封端面を相対回転摺接
させることにより、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させるように構成され
たもの（以下「通常シール」という）が周知であるが、
このような通常シールは、密封端面間の潤滑機能が低い
ため、許容ＰＶ値が低く、高負荷条件（高圧，高速，高
温条件）下では使用できないものであった。通常シール
では、密封端面間に被密封流体による潤滑膜が形成され
るが、かかる潤滑膜による潤滑機能は高負荷条件では充
分に発揮されず、密封端面が焼き付いたりする等の問題
が生じるからである。
【０００３】このため、近時、図６に示す如く、回転軸
１に固定された固定密封環２と、固定密封環２に直対向
し且つＯリング５を介して二次シールさせた状態で、シ
ールケース３に軸線方向摺動可能に保持された可動密封
環４と、可動密封環４を固定密封環２へと押圧附勢する
スプリング６とを具備して、固定密封環２の密封端面２
ａを軸線に直交する環状平面となすと共に可動密封環４
の密封端面４ａを凸状の環状テーパ面（截頭円錐面）と
なすことによって、密封端面２ａ，４ａ間を、被密封流
体（液体）の漏れを一定の微小範囲で許容する非接触状
態ないし高潤滑状態に保持させつつ、その外周側領域で
ある被密封流体領域Ａ1 とその内周側領域である非密封
流体領域（大気領域）Ａ2 とをシールさせるように構成
されたメカニカルシール（以下「テーパフェースシー
ル」という）が提案されている。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
し、例えば、上記の如く非密封流体領域Ａ2 が大気領域
である場合には、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。
１に固定された固定密封環２と、固定密封環２に直対向
し且つＯリング５を介して二次シールさせた状態で、シ
ールケース３に軸線方向摺動可能に保持された可動密封
環４と、可動密封環４を固定密封環２へと押圧附勢する
スプリング６とを具備して、固定密封環２の密封端面２
ａを軸線に直交する環状平面となすと共に可動密封環４
の密封端面４ａを凸状の環状テーパ面（截頭円錐面）と
なすことによって、密封端面２ａ，４ａ間を、被密封流
体（液体）の漏れを一定の微小範囲で許容する非接触状
態ないし高潤滑状態に保持させつつ、その外周側領域で
ある被密封流体領域Ａ1 とその内周側領域である非密封
流体領域（大気領域）Ａ2 とをシールさせるように構成
されたメカニカルシール（以下「テーパフェースシー
ル」という）が提案されている。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
し、例えば、上記の如く非密封流体領域Ａ2 が大気領域
である場合には、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。
【０００４】而して、かかるテーパフェースシールにあ
っては、密封端面２ａ，４ａ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７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可動密封環４には図８に示す
如き圧力分布をなす閉力ＦC と開力ＦO とが作用して、
密封端面２ａ，４ａ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ＦO 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ＦC は可動密封環
４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６による附勢力によっ
て）生じるものであり、開力ＦO 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ＦC は背圧（及びスプリング６）に
よるものであるから、図９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ＦO は環
状空間７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ＦO 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
ＦO が閉力ＦC より小さくなって密封端面２ａ，４ａ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ＦO が閉力ＦC より大きくなって密封端面２
ａ，４ａ間が開かれて、何れの場合にも、隙間Ｓは閉力
ＦC と開力ＦO 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。
っては、密封端面２ａ，４ａ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７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可動密封環４には図８に示す
如き圧力分布をなす閉力ＦC と開力ＦO とが作用して、
密封端面２ａ，４ａ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ＦO 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ＦC は可動密封環
４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６による附勢力によっ
て）生じるものであり、開力ＦO 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ＦC は背圧（及びスプリング６）に
よるものであるから、図９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ＦO は環
状空間７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ＦO 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
ＦO が閉力ＦC より小さくなって密封端面２ａ，４ａ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ＦO が閉力ＦC より大きくなって密封端面２
ａ，４ａ間が開かれて、何れの場合にも、隙間Ｓは閉力
ＦC と開力ＦO 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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このように、テーパフ
ェースシールは、閉力ＦC と開力ＦO とがバランスされ
て密封端面２ａ，４ａ間を平衡隙間Ｓ0 による一定の非
接触状態ないし高潤滑状態に保持するものであるから、
理論的には、両密封端面を軸線方向に直交する平面とし
て相対回転摺接させる通常シールの許容ＰＶを超える条
件下においても、つまり通常シールの使用限界を超える
高負荷条件下においても、好適に使用できるものである
が、以下のような問題があるため、従来から実用性に乏
しいとの指摘がなされている。
ェースシールは、閉力ＦC と開力ＦO とがバランスされ
て密封端面２ａ，４ａ間を平衡隙間Ｓ0 による一定の非
接触状態ないし高潤滑状態に保持するものであるから、
理論的には、両密封端面を軸線方向に直交する平面とし
て相対回転摺接させる通常シールの許容ＰＶを超える条
件下においても、つまり通常シールの使用限界を超える
高負荷条件下においても、好適に使用できるものである
が、以下のような問題があるため、従来から実用性に乏
しいとの指摘がなされている。
【０００６】すなわち、可動密封環４は、その外周部に
一定圧以上の被密封流体圧力Ｐが作用すると、内方へと
変形（縮径変形）する。しかし、Ｏリング５による二次
シール個所より背面側の可動密封環部分（以下「基端側
部分」という）４ｃについては、その内周部側にも被密
封流体が侵入するため、図７（Ａ）に示す如く、内外周
部に被密封流体圧力Ｐが略同等に作用することになる。
すなわち、基端側部分４ｃは、被密封流体圧力Ｐの大き
さに拘わらず、外周部に作用する被密封流体Ｐによって
縮径変形されることが殆どない。したがって、可動密封
環４を内径に弾性変形（縮径変形）させる被密封流体圧
力Ｐは、図７（Ｂ）に示す如く、可動密封環４に対し
て、実質的に、基端側部分４ｃを除く密封端面側の可動
密封環部分（以下「先端側部分」という）４ｂにのみ作
用するとみなすことができる。このような被密封流体圧
力Ｐの可動密封環４への作用状態は、可動密封環４に、
これを片持形態（基端側部分４ｃを変形不能に支持した
片持形態）として、被密封流体圧力Ｐを作用させた状態
と同等であるとみなすことができる（可動密封環４の一
断面における被密封流体圧力Ｐの作用状態のみをみれ
ば、あたかも片持梁に等分布荷重を作用させたかの如く
である）。
一定圧以上の被密封流体圧力Ｐが作用すると、内方へと
変形（縮径変形）する。しかし、Ｏリング５による二次
シール個所より背面側の可動密封環部分（以下「基端側
部分」という）４ｃについては、その内周部側にも被密
封流体が侵入するため、図７（Ａ）に示す如く、内外周
部に被密封流体圧力Ｐが略同等に作用することになる。
すなわち、基端側部分４ｃは、被密封流体圧力Ｐの大き
さに拘わらず、外周部に作用する被密封流体Ｐによって
縮径変形されることが殆どない。したがって、可動密封
環４を内径に弾性変形（縮径変形）させる被密封流体圧
力Ｐは、図７（Ｂ）に示す如く、可動密封環４に対し
て、実質的に、基端側部分４ｃを除く密封端面側の可動
密封環部分（以下「先端側部分」という）４ｂにのみ作
用するとみなすことができる。このような被密封流体圧
力Ｐの可動密封環４への作用状態は、可動密封環４に、
これを片持形態（基端側部分４ｃを変形不能に支持した
片持形態）として、被密封流体圧力Ｐを作用させた状態
と同等であるとみなすことができる（可動密封環４の一
断面における被密封流体圧力Ｐの作用状態のみをみれ
ば、あたかも片持梁に等分布荷重を作用させたかの如く
である）。
【０００７】したがって、可動密封環４が被密封流体圧
力Ｐによって受ける影響（弾性変形）は、先端側部分４
ｂにおいて基端側部分４ｃから遠ざかるに従って（密封
端面４ａに近づくに従って）大きくなる。このため、被
密封流体圧力Ｐが一定圧（以下「シール上限圧」とい
う）ＰH 以下の低圧である場合には、図７（Ａ）に示す
如く、可動密封環４の外周部に作用する被密封流体圧力
Ｐによる影響を受けることなく、密封端面２ａ，４ａ間
には閉力ＦC とバランスしうる開力ＦO を確保しうる断
面楔状の環状空間７が形成，維持されるが、被密封流体
圧力Ｐがシール上限圧ＰH を超えるような高圧となる
と、同図（Ｂ）に示す如く、可動密封環４の外周部に作
用する被密封流体圧力Ｐにより、先端側部分４ｂが密封
端面２ａに近づくに従ってより大きく縮径されるように
内方に弾性変形して、密封端面４ａが、そのテーパ量
（以下、密封端面４ａにおける内外周端間の軸線方向距
離Δ（図８参照）をいうものとする）を減じる方向に傾
くことになり、テーパ量Δが減少し、更に極端な場合に
はテーパ量Δしたがって断面楔状の環状空間７が消失し
てしまうことになる。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ＦO が確保されなくなっ
て、密封端面２ａ，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る。つまり、密封端面２
ａ，４ａを非接触状態ないし高潤滑状態に保持すること
ができなくなる。
力Ｐによって受ける影響（弾性変形）は、先端側部分４
ｂにおいて基端側部分４ｃから遠ざかるに従って（密封
端面４ａに近づくに従って）大きくなる。このため、被
密封流体圧力Ｐが一定圧（以下「シール上限圧」とい
う）ＰH 以下の低圧である場合には、図７（Ａ）に示す
如く、可動密封環４の外周部に作用する被密封流体圧力
Ｐによる影響を受けることなく、密封端面２ａ，４ａ間
には閉力ＦC とバランスしうる開力ＦO を確保しうる断
面楔状の環状空間７が形成，維持されるが、被密封流体
圧力Ｐがシール上限圧ＰH を超えるような高圧となる
と、同図（Ｂ）に示す如く、可動密封環４の外周部に作
用する被密封流体圧力Ｐにより、先端側部分４ｂが密封
端面２ａに近づくに従ってより大きく縮径されるように
内方に弾性変形して、密封端面４ａが、そのテーパ量
（以下、密封端面４ａにおける内外周端間の軸線方向距
離Δ（図８参照）をいうものとする）を減じる方向に傾
くことになり、テーパ量Δが減少し、更に極端な場合に
はテーパ量Δしたがって断面楔状の環状空間７が消失し
てしまうことになる。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ＦO が確保されなくなっ
て、密封端面２ａ，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る。つまり、密封端面２
ａ，４ａを非接触状態ないし高潤滑状態に保持すること
ができなくなる。
【０００８】このように、テーパフェースシールは、上
記したように理論的には高圧条件下で使用できるもので
はあるが、実際には、シール上限圧ＰH を超える高圧条
件下では所期のシール機能を発揮することができず、実
用することができないものである。すなわち、テーパフ
ェースシールは、実際には、シール上限圧ＰH を超える
ような高圧条件下や圧力変動条件下では好適に使用する
ことができないものである。
記したように理論的には高圧条件下で使用できるもので
はあるが、実際には、シール上限圧ＰH を超える高圧条
件下では所期のシール機能を発揮することができず、実
用することができないものである。すなわち、テーパフ
ェースシールは、実際には、シール上限圧ＰH を超える
ような高圧条件下や圧力変動条件下では好適に使用する
ことができないものである。
【０００９】また、被密封流体圧力Ｐが所定圧（以下
「シール下限圧」という）ＰL （＜Ｐ H ）に達しないよ
うな低圧条件下で使用される場合や圧力変動により被密
封流体圧力Ｐがシール下限圧ＰL より低圧となった場合
においては、背圧による閉力Ｆ C が小さくなるため、開
閉力ＦO ，ＦC のバランスが崩れて、つまり開力ＦO が
閉力ＦC に比して過大となって、密封端面２ａ，４ａ間
の隙間Ｓが平衡隙間Ｓ0より大きくなり、大量漏れを生
じる虞れがある。すなわち、シール下限圧ＰL より低い
圧力条件下では、通常シールでは良好なシール機能が発
揮されるが、テーパフェースシールではシール機能が顕
著に低下することになる。
「シール下限圧」という）ＰL （＜Ｐ H ）に達しないよ
うな低圧条件下で使用される場合や圧力変動により被密
封流体圧力Ｐがシール下限圧ＰL より低圧となった場合
においては、背圧による閉力Ｆ C が小さくなるため、開
閉力ＦO ，ＦC のバランスが崩れて、つまり開力ＦO が
閉力ＦC に比して過大となって、密封端面２ａ，４ａ間
の隙間Ｓが平衡隙間Ｓ0より大きくなり、大量漏れを生
じる虞れがある。すなわち、シール下限圧ＰL より低い
圧力条件下では、通常シールでは良好なシール機能が発
揮されるが、テーパフェースシールではシール機能が顕
著に低下することになる。
【００１０】このように、テーパフェースシールは、極
く限られた圧力範囲（ＰL ≦Ｐ≦Ｐ H ）でおいてのみ、
有効なシール機能を発揮させることができるものにすぎ
ず、さほど実用的なものではない。
く限られた圧力範囲（ＰL ≦Ｐ≦Ｐ H ）でおいてのみ、
有効なシール機能を発揮させることができるものにすぎ
ず、さほど実用的なものではない。
【００１１】また、可動密封環４の密封端面４ａは当然
に平滑面でなければならないが、その適正なテーパ量Δ
は微小である（回転軸２ないし密封環２，４の径等の条
件にもよるが、一般にはΔ＝３μｍ〜５０μｍ程度であ
る）から、このような密封端面４ａの加工は極めて困難
であり、加工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。このことも、テーパフェー
スシールが実用性に乏しいとされる一因である。
に平滑面でなければならないが、その適正なテーパ量Δ
は微小である（回転軸２ないし密封環２，４の径等の条
件にもよるが、一般にはΔ＝３μｍ〜５０μｍ程度であ
る）から、このような密封端面４ａの加工は極めて困難
であり、加工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。このことも、テーパフェー
スシールが実用性に乏しいとされる一因である。
【００１２】本発明は、このような問題を生じることな
く、通常シールの使用限界を超える高負荷条件下や被密
封流体領域が大きく圧力変動するような条件下において
も、被密封流体圧力に応じて可動密封環の密封端面形状
が自動調整されて、良好なシール機能を発揮しうる新規
な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。
く、通常シールの使用限界を超える高負荷条件下や被密
封流体領域が大きく圧力変動するような条件下において
も、被密封流体圧力に応じて可動密封環の密封端面形状
が自動調整されて、良好なシール機能を発揮しうる新規
な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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、シールケース
及び回転軸の一方に固定した固定密封環とその他方に二
次シールされた状態で軸線方向摺動可能に保持した可動
密封環とを具備し、両密封環の対向端面たる密封端面間
にて、その内外周側領域の一方である被密封流体領域と
その他方である非密封流体領域とをシールするように構
成された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、次のように構成しておくことを提案する
ものである。
及び回転軸の一方に固定した固定密封環とその他方に二
次シールされた状態で軸線方向摺動可能に保持した可動
密封環とを具備し、両密封環の対向端面たる密封端面間
にて、その内外周側領域の一方である被密封流体領域と
その他方である非密封流体領域とをシールするように構
成された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、次のように構成しておくことを提案する
ものである。
【００１４】すなわち、本発明のメカニカルシールにあ
っては、両密封端面を軸線方向に直交する環状平面に構
成すると共に、可動密封環の軸線方向における中間部分
であって二次シール個所より密封端面寄りの部分である
被変形部分を、その径方向厚さが当該被変形部分の両側
部分である密封端面側の先端側部分及び二次シール箇所
側の基端側部分の径方向厚さより小さく且つ先端側部分
の径方向厚さの４０％程度以下となる薄肉円筒形状とな
して、被密封流体領域における被密封流体圧力が一定以
上の高圧となったときにおいて、当該被密封流体圧力に
よる被変形部分の弾性変形により、可動密封環が、その
密封端面が固定密封環の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
状テーパ面となるべく、弾性変形せしめられるように構
成してある。
っては、両密封端面を軸線方向に直交する環状平面に構
成すると共に、可動密封環の軸線方向における中間部分
であって二次シール個所より密封端面寄りの部分である
被変形部分を、その径方向厚さが当該被変形部分の両側
部分である密封端面側の先端側部分及び二次シール箇所
側の基端側部分の径方向厚さより小さく且つ先端側部分
の径方向厚さの４０％程度以下となる薄肉円筒形状とな
して、被密封流体領域における被密封流体圧力が一定以
上の高圧となったときにおいて、当該被密封流体圧力に
よる被変形部分の弾性変形により、可動密封環が、その
密封端面が固定密封環の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
状テーパ面となるべく、弾性変形せしめられるように構
成してある。
【００１５】このように構成されたメカニカルシール
は、一定圧以上の高圧条件下では、被密封流体圧力によ
り可動密封環の密封端面が固定密封環の密封端面との間
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て、テーパフ
ェースシールと同一構造（以下「テーパフェースシール
構造」）となり、テーパフェースシールと同一のシール
機能（以下「テーパフェースシール機能」）を発揮す
る。そして、かかるテーパフェースシール構造は被密封
流体圧力による可動密封環の弾性変形によって得られる
ものであり、可動密封環の密封端面のテーパ量は被密封
流体圧力に応じて比例的に増減変化する。したがって、
テーパフェースシールの機能が被密封流体圧力の影響に
より低下，喪失されるような高圧条件下（例えば、上限
圧ＰH を超えるような高圧条件下）においても、テーパ
フェースシール構造は維持され、良好なテーパフェース
シール機能が発揮される。一方、上記した一定圧に達し
ない低圧条件下では、被密封流体圧力による可動密封環
の弾性変形は生じないか或いは消失して、可動密封環の
密封端面は軸線方向に直交する環状平面となり、通常シ
ールと同一構造（以下「通常シール構造」）となり、通
常シールと同一のシール機能（以下「通常シール機
能」）を発揮する。このように、圧力条件に応じた最適
のシール構造に自動的に変化して、被密封流体圧力の大
きさに拘らず、常に、良好なシール機能を発揮すること
ができる。
は、一定圧以上の高圧条件下では、被密封流体圧力によ
り可動密封環の密封端面が固定密封環の密封端面との間
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て、テーパフ
ェースシールと同一構造（以下「テーパフェースシール
構造」）となり、テーパフェースシールと同一のシール
機能（以下「テーパフェースシール機能」）を発揮す
る。そして、かかるテーパフェースシール構造は被密封
流体圧力による可動密封環の弾性変形によって得られる
ものであり、可動密封環の密封端面のテーパ量は被密封
流体圧力に応じて比例的に増減変化する。したがって、
テーパフェースシールの機能が被密封流体圧力の影響に
より低下，喪失されるような高圧条件下（例えば、上限
圧ＰH を超えるような高圧条件下）においても、テーパ
フェースシール構造は維持され、良好なテーパフェース
シール機能が発揮される。一方、上記した一定圧に達し
ない低圧条件下では、被密封流体圧力による可動密封環
の弾性変形は生じないか或いは消失して、可動密封環の
密封端面は軸線方向に直交する環状平面となり、通常シ
ールと同一構造（以下「通常シール構造」）となり、通
常シールと同一のシール機能（以下「通常シール機
能」）を発揮する。このように、圧力条件に応じた最適
のシール構造に自動的に変化して、被密封流体圧力の大
きさに拘らず、常に、良好なシール機能を発揮すること
ができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図５に基づいて説明する。なお、以下の説明におい
て、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。
〜図５に基づいて説明する。なお、以下の説明におい
て、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。
【００１７】すなわち、この実施の形態における本発明
のメカニカルシールＭは、図１〜図３に示す如く、回転
軸（例えば、インペラ軸）１に固定された固定密封環２
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）３に保持された可動密封環４とを具備して、両
密封環２，４の対向端面たる密封端面２ａ，４ａ間にお
いて、その外周側領域であって被密封流体（例えば、水
等の液体）が封入される被密封流体領域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３
外に連通する大気領域）Ａ2 とを、被密封流体圧力Ｐに
応じた通常シール構造ないしテーパフェースシール構造
をなしてシールしうるするように構成されている。
のメカニカルシールＭは、図１〜図３に示す如く、回転
軸（例えば、インペラ軸）１に固定された固定密封環２
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）３に保持された可動密封環４とを具備して、両
密封環２，４の対向端面たる密封端面２ａ，４ａ間にお
いて、その外周側領域であって被密封流体（例えば、水
等の液体）が封入される被密封流体領域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３
外に連通する大気領域）Ａ2 とを、被密封流体圧力Ｐに
応じた通常シール構造ないしテーパフェースシール構造
をなしてシールしうるするように構成されている。
【００１８】固定密封環２は、図１に示す如く、ＷＣ，
ＳｉＣ，カーボン，金属材料（例えば、ハステロイ，ス
テンレス鋼，チタン等やこれらに適宜の表面硬化処理
（窒化処理，Ｃｒ2 Ｏ3 等のセラミックコーティング処
理等）を施したもの）等の超硬質材で一体成形されたも
ので、後端面を軸線に直交する平滑な環状平面とした密
封端面２ａに構成してある。
ＳｉＣ，カーボン，金属材料（例えば、ハステロイ，ス
テンレス鋼，チタン等やこれらに適宜の表面硬化処理
（窒化処理，Ｃｒ2 Ｏ3 等のセラミックコーティング処
理等）を施したもの）等の超硬質材で一体成形されたも
ので、後端面を軸線に直交する平滑な環状平面とした密
封端面２ａに構成してある。
【００１９】シールケース３は内周面部を円形としたも
ので、図１に示す如く、内周面部に環状壁部３ａを介し
て筒状保持部３ｂを同心状に設けている。回転軸１は、
筒状保持部３ｂを洞貫している。
ので、図１に示す如く、内周面部に環状壁部３ａを介し
て筒状保持部３ｂを同心状に設けている。回転軸１は、
筒状保持部３ｂを洞貫している。
【００２０】可動密封環４は、図１に示す如く、前端面
を軸線方向に直交する平滑な環状平面とした密封端面４
ａに構成すると共に、軸線方向における中間部分であっ
てＯリング５による二次シール個所より密封端面４ａ寄
りの部分である被変形部分４３を、軸線方向に所定の長
さＬ1 を有し且つ径方向厚さＴ1 をその両側部分４１，
４２の径方向厚さより小さくした薄肉円筒形状となした
ものである。すなわち、可動密封環４は、被変形部分４
３の前側部分である先端側部分４１を固定密封環２に直
対向させた状態で、被変形部分４３の後側部分である基
端側部分４２をＯリング５を介して筒状保持部３ｂに嵌
挿保持させることにより、シールケース３に二次シール
された状態で軸線方向に摺動可能に保持されている。ま
た、基端側部分４２と環状壁部３ａとの間にはドライブ
ピン等の適宜の回り止め手段（図示せず）が介装されて
いて、可動密封環４をその軸線方向移動を許容しつつ回
転不能に保持させている。また、基端側部分４２と環状
壁部３ａとの間にはスプリング６が介装されていて、可
動密封環４を固定密封環２へと押圧附勢させている。な
お、可動密封環４は、カーボンや金属材料（例えば、ハ
ステロイ，ステンレス鋼，チタン等やこれらに適宜の表
面硬化処理（窒化処理，Ｃｒ2 Ｏ3 等のセラミックコー
ティング処理等）を施したもの）等の硬質材で一体成形
されている。また、Ｏリング５は、基端側部分４２の内
周面に圧接した状態で、筒状保持部３ｂの外周部に形成
した環状のＯリング溝３ｃに保持されている。
を軸線方向に直交する平滑な環状平面とした密封端面４
ａに構成すると共に、軸線方向における中間部分であっ
てＯリング５による二次シール個所より密封端面４ａ寄
りの部分である被変形部分４３を、軸線方向に所定の長
さＬ1 を有し且つ径方向厚さＴ1 をその両側部分４１，
４２の径方向厚さより小さくした薄肉円筒形状となした
ものである。すなわち、可動密封環４は、被変形部分４
３の前側部分である先端側部分４１を固定密封環２に直
対向させた状態で、被変形部分４３の後側部分である基
端側部分４２をＯリング５を介して筒状保持部３ｂに嵌
挿保持させることにより、シールケース３に二次シール
された状態で軸線方向に摺動可能に保持されている。ま
た、基端側部分４２と環状壁部３ａとの間にはドライブ
ピン等の適宜の回り止め手段（図示せず）が介装されて
いて、可動密封環４をその軸線方向移動を許容しつつ回
転不能に保持させている。また、基端側部分４２と環状
壁部３ａとの間にはスプリング６が介装されていて、可
動密封環４を固定密封環２へと押圧附勢させている。な
お、可動密封環４は、カーボンや金属材料（例えば、ハ
ステロイ，ステンレス鋼，チタン等やこれらに適宜の表
面硬化処理（窒化処理，Ｃｒ2 Ｏ3 等のセラミックコー
ティング処理等）を施したもの）等の硬質材で一体成形
されている。また、Ｏリング５は、基端側部分４２の内
周面に圧接した状態で、筒状保持部３ｂの外周部に形成
した環状のＯリング溝３ｃに保持されている。
【００２１】而して、可動密封環４の先端側部分４１
は、図１及び図３（Ａ）に示す如く、その内外径ｄ2 ，
Ｄ2 を固定密封環２の内外径に応じた寸法に設定した厚
肉円筒形状をなす。また、基端側部分４２は、図１及び
図３（Ａ）に示す如く、外径を先端側部分４１の外径Ｄ
2 と同一にし且つ内径を先端側部分４１の内径ｄ2 より
やや大きくした厚肉円筒形状をなす。そして、被変形部
分４３は、図１及び図３（Ａ）に示す如く、二次シール
個所（Ｏリング５と基端側部分４２の内周面との接触個
所）より密封端面４ａ寄りの部分であって、所定の軸線
方向長さＬ1 を有し、外径Ｄ1 を先端側部分４１及び基
端側部分４２の外径Ｄ2 より小さくし且つ内径ｄ1 を基
端側部分４２の内径と同一にした薄肉円筒形状をなす。
は、図１及び図３（Ａ）に示す如く、その内外径ｄ2 ，
Ｄ2 を固定密封環２の内外径に応じた寸法に設定した厚
肉円筒形状をなす。また、基端側部分４２は、図１及び
図３（Ａ）に示す如く、外径を先端側部分４１の外径Ｄ
2 と同一にし且つ内径を先端側部分４１の内径ｄ2 より
やや大きくした厚肉円筒形状をなす。そして、被変形部
分４３は、図１及び図３（Ａ）に示す如く、二次シール
個所（Ｏリング５と基端側部分４２の内周面との接触個
所）より密封端面４ａ寄りの部分であって、所定の軸線
方向長さＬ1 を有し、外径Ｄ1 を先端側部分４１及び基
端側部分４２の外径Ｄ2 より小さくし且つ内径ｄ1 を基
端側部分４２の内径と同一にした薄肉円筒形状をなす。
【００２２】ところで、被変形部分４３の径方向厚さＴ
1 ，軸線方向長さＬ1 は、 被密封流体領域Ａ1 における被密封流体圧力Ｐが一
定圧（以下「変形臨界圧」という）ＰK 以上の高圧とな
ったときにおいて、可動密封環４の外周部に作用する被
密封流体圧力Ｐによって被変形部分４３が先端側部分４
１及び基端側部分４２より大きく径方向に弾性変形（縮
径変形）され、 その結果、可動密封環４が、その密封端面４ａが固
定密封環２の密封端面２ａとの間に非密封流体領域Ａ2
方向に漸次窄まる断面楔状の環状空間７を形成しうる環
状テーパ面（凸状の截頭円錐面）となるべく、弾性変形
せしめられる、ように、先端側部分４１及び基端側部分
４２の形状（径方向厚さ及び軸線方向長さ）並びに変形
臨界圧ＰK 及び可動密封環４の材質等を考慮して適宜に
設定される。本発明者が実験により確認したところで
は、の条件は、一般に、被変形部分４３の径方向厚
さＴ1 （＝（Ｄ1 −ｄ1 ）／２）が先端側部分４１及び
基端側部分４２の径方向厚さより小さく、特に、先端側
部分４１の径方向厚さの４０％程度以下となるようにし
ておくことにより、満足されることが判明した。また、
の条件が満足されるためには、被変形部分４３の径
方向厚さＴ1 を先端側部分４１の径方向厚さの４０％程
度以下としておくことに加えて、更に被変形部分４３の
軸線方向長さＬ1 を先端側部分４１の軸線方向長さＬ2
と同程度以上に設定しておくことが好ましい。勿論、被
変形部分４３の径方向厚さＴ1 又は軸線方向長さＬ1 を
決定するに当たっては、軸線方向に作用する被密封流体
圧力Ｐないしスプリング力のみによって可動密封環６が
弾性変形されるようなことがないように配慮しておく。
なお、変形臨界圧ＰK は、通常シール及びテーパフェー
スシールの何れによっても良好なシール機能を行なうこ
とができる圧力範囲において適宜に設定されるものであ
る。例えば、冒頭で述べたシール下限圧ＰL 程度に設定
しておく。但し、変形臨界圧ＰK は特定圧力値そのもの
を指すものとしても、当該特定圧力値を含む或る程度の
圧力範囲を指すものとしても、何れでもよい。一般的に
は、変形臨界圧ＰK を一定値に特定することは困難であ
るから、後者のように設定しておくのがよい。
1 ，軸線方向長さＬ1 は、 被密封流体領域Ａ1 における被密封流体圧力Ｐが一
定圧（以下「変形臨界圧」という）ＰK 以上の高圧とな
ったときにおいて、可動密封環４の外周部に作用する被
密封流体圧力Ｐによって被変形部分４３が先端側部分４
１及び基端側部分４２より大きく径方向に弾性変形（縮
径変形）され、 その結果、可動密封環４が、その密封端面４ａが固
定密封環２の密封端面２ａとの間に非密封流体領域Ａ2
方向に漸次窄まる断面楔状の環状空間７を形成しうる環
状テーパ面（凸状の截頭円錐面）となるべく、弾性変形
せしめられる、ように、先端側部分４１及び基端側部分
４２の形状（径方向厚さ及び軸線方向長さ）並びに変形
臨界圧ＰK 及び可動密封環４の材質等を考慮して適宜に
設定される。本発明者が実験により確認したところで
は、の条件は、一般に、被変形部分４３の径方向厚
さＴ1 （＝（Ｄ1 −ｄ1 ）／２）が先端側部分４１及び
基端側部分４２の径方向厚さより小さく、特に、先端側
部分４１の径方向厚さの４０％程度以下となるようにし
ておくことにより、満足されることが判明した。また、
の条件が満足されるためには、被変形部分４３の径
方向厚さＴ1 を先端側部分４１の径方向厚さの４０％程
度以下としておくことに加えて、更に被変形部分４３の
軸線方向長さＬ1 を先端側部分４１の軸線方向長さＬ2
と同程度以上に設定しておくことが好ましい。勿論、被
変形部分４３の径方向厚さＴ1 又は軸線方向長さＬ1 を
決定するに当たっては、軸線方向に作用する被密封流体
圧力Ｐないしスプリング力のみによって可動密封環６が
弾性変形されるようなことがないように配慮しておく。
なお、変形臨界圧ＰK は、通常シール及びテーパフェー
スシールの何れによっても良好なシール機能を行なうこ
とができる圧力範囲において適宜に設定されるものであ
る。例えば、冒頭で述べたシール下限圧ＰL 程度に設定
しておく。但し、変形臨界圧ＰK は特定圧力値そのもの
を指すものとしても、当該特定圧力値を含む或る程度の
圧力範囲を指すものとしても、何れでもよい。一般的に
は、変形臨界圧ＰK を一定値に特定することは困難であ
るから、後者のように設定しておくのがよい。
【００２３】以上のように構成されたメカニカルシール
Ｍによれば、被密封流体領域Ａ1 の圧力条件に応じて可
動密封環４の密封端面４ａしたがってシール構造が自動
的に変化され、被密封流体圧力Ｐの大きさに拘らず、常
に、良好なシール機能を発揮しうる。
Ｍによれば、被密封流体領域Ａ1 の圧力条件に応じて可
動密封環４の密封端面４ａしたがってシール構造が自動
的に変化され、被密封流体圧力Ｐの大きさに拘らず、常
に、良好なシール機能を発揮しうる。
【００２４】すなわち、被密封流体圧力Ｐが変形臨界圧
ＰK 以上の高圧となると、可動密封環４はその外周部に
作用する被密封流体圧力Ｐによって内方に弾性変形つま
り縮径変形されることになるが、この弾性変形は、当然
に、厚肉の先端側部分４１及び基端側部分４２において
生じ難く、薄肉の被変形部分４３において生じ易い。な
お、先端側部分４１及び被変形部分４３については、Ｏ
リング５による二次シールにより、内周部に被密封流体
圧力Ｐが作用することはないが、基端側部分４２につい
ては、被密封流体が内周部側に侵入して、内外周部に被
密封流体圧力Ｐが略同等に作用することになるため、径
方向厚さに拘わらず、被密封流体圧力Ｐによる影響をさ
ほど受けず、外周部に作用する被密封流体Ｐによっては
殆ど縮径変形されることがない。
ＰK 以上の高圧となると、可動密封環４はその外周部に
作用する被密封流体圧力Ｐによって内方に弾性変形つま
り縮径変形されることになるが、この弾性変形は、当然
に、厚肉の先端側部分４１及び基端側部分４２において
生じ難く、薄肉の被変形部分４３において生じ易い。な
お、先端側部分４１及び被変形部分４３については、Ｏ
リング５による二次シールにより、内周部に被密封流体
圧力Ｐが作用することはないが、基端側部分４２につい
ては、被密封流体が内周部側に侵入して、内外周部に被
密封流体圧力Ｐが略同等に作用することになるため、径
方向厚さに拘わらず、被密封流体圧力Ｐによる影響をさ
ほど受けず、外周部に作用する被密封流体Ｐによっては
殆ど縮径変形されることがない。
【００２５】このように、被密封流体圧力Ｐによる弾性
変形の容易度が可動密封環４の軸線方向における全ての
部分で同等でなく、被変形部分４３とその両側部分４
１，４２とで異なる状態は、可動密封環４に、これを両
端支持した形態（先端側部分４１及び基端側部分４２を
支持した形態）として、被密封流体圧力Ｐを作用させた
状態と同等であるとみなすことができる。かかる被密封
流体圧力Ｐの作用状態を可動密封環４の一断面について
みると、あたかも両端支持梁に等分布荷重が作用するか
の如き状態ということができる。
変形の容易度が可動密封環４の軸線方向における全ての
部分で同等でなく、被変形部分４３とその両側部分４
１，４２とで異なる状態は、可動密封環４に、これを両
端支持した形態（先端側部分４１及び基端側部分４２を
支持した形態）として、被密封流体圧力Ｐを作用させた
状態と同等であるとみなすことができる。かかる被密封
流体圧力Ｐの作用状態を可動密封環４の一断面について
みると、あたかも両端支持梁に等分布荷重が作用するか
の如き状態ということができる。
【００２６】すなわち、可動密封環４の外周部に作用す
る被密封流体圧力Ｐによって、被変形部分４３は、先端
側部分４１及び基端側部分４２に比して、内方に大きく
弾性変形（縮径変形）することになり、被変形部分４３
の外周部側には軸線方向への圧縮応力が生じると共に内
周部側には軸線方向への引張応力が生じることになる
（かかる変形状態ないし応力状態は、可動密封環４の一
断面についてみれば、両端支持梁に等分布荷重が作用し
た場合に酷似する）。
る被密封流体圧力Ｐによって、被変形部分４３は、先端
側部分４１及び基端側部分４２に比して、内方に大きく
弾性変形（縮径変形）することになり、被変形部分４３
の外周部側には軸線方向への圧縮応力が生じると共に内
周部側には軸線方向への引張応力が生じることになる
（かかる変形状態ないし応力状態は、可動密封環４の一
断面についてみれば、両端支持梁に等分布荷重が作用し
た場合に酷似する）。
【００２７】したがって、先端側部分４１及び基端側部
分４２は、図３（Ｂ）に示す如く、外周部に作用する被
密封流体圧力Ｐによっては直接的には殆ど弾性変形（縮
径変形）しないが、先端側部分４１及び基端側部分４２
に連なる被変形部分４３の外周部側に生じる圧縮応力及
び外周部側に生じる引張応力によって、相対的に、対向
間隔が外周側において接近し且つ内周側において離間す
るように弾性変形せしめられることになる。かかる弾性
変形は、被変形部分４３の径方向厚さＴ1 を先端側部分
４１の径方向厚さの４０％以下としておくことにより、
確実に行われる。そして、このように被変形部分４３が
弾性変形される結果、図２に示す如く、先端側部分４１
の端面である密封端面４ａは、外周側に向かう程、固定
密封環２の密封端面２ａから離れるような形態に歪むこ
とになる。つまり、密封端面４ａは凸状の環状テーパ面
（截頭円錐面）に変形されることになる。
分４２は、図３（Ｂ）に示す如く、外周部に作用する被
密封流体圧力Ｐによっては直接的には殆ど弾性変形（縮
径変形）しないが、先端側部分４１及び基端側部分４２
に連なる被変形部分４３の外周部側に生じる圧縮応力及
び外周部側に生じる引張応力によって、相対的に、対向
間隔が外周側において接近し且つ内周側において離間す
るように弾性変形せしめられることになる。かかる弾性
変形は、被変形部分４３の径方向厚さＴ1 を先端側部分
４１の径方向厚さの４０％以下としておくことにより、
確実に行われる。そして、このように被変形部分４３が
弾性変形される結果、図２に示す如く、先端側部分４１
の端面である密封端面４ａは、外周側に向かう程、固定
密封環２の密封端面２ａから離れるような形態に歪むこ
とになる。つまり、密封端面４ａは凸状の環状テーパ面
（截頭円錐面）に変形されることになる。
【００２８】而して、当該メカニカルシールＭにおいて
は、密封端面４ａが上記した如く凸状の環状テーパ面に
変形されることから、図２に示す如く、密封端面２ａ，
４ａ間には、被密封流体の漏れ方向（非密封流体領域Ａ
2 方向）に漸次狭まる断面楔状の環状空間７が形成され
ることになり、冒頭で述べたテーパフェースシールと同
様の原理により、密封端面２ａ，４ａ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。
は、密封端面４ａが上記した如く凸状の環状テーパ面に
変形されることから、図２に示す如く、密封端面２ａ，
４ａ間には、被密封流体の漏れ方向（非密封流体領域Ａ
2 方向）に漸次狭まる断面楔状の環状空間７が形成され
ることになり、冒頭で述べたテーパフェースシールと同
様の原理により、密封端面２ａ，４ａ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。
【００２９】すなわち、当該メカニカルシールＭがテー
パフェースシール構造に変化し、図８及び図９に示す如
く、可動密封環４の基端面（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６による附勢力によって）生じる閉力ＦC 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ＦO とがバランスされることになり、密封
端面２ａ，４ａ間の隙間Ｓが一定の平衡隙間Ｓ0 に保持
されることになる。つまり、テーパフェースシール機能
が発揮されることになる。
パフェースシール構造に変化し、図８及び図９に示す如
く、可動密封環４の基端面（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６による附勢力によって）生じる閉力ＦC 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ＦO とがバランスされることになり、密封
端面２ａ，４ａ間の隙間Ｓが一定の平衡隙間Ｓ0 に保持
されることになる。つまり、テーパフェースシール機能
が発揮されることになる。
【００３０】ところで、被密封流体圧力Ｐによる密封端
面４ａの変形程度つまり環状テーパ面に変形された密封
端面４ａのテーパ量Δ（図８参照）は、被変形部分４３
の変形量つまり被密封流体圧力Ｐの大きさに比例して変
動する。つまり、テーパ量Δは、被密封流体圧力Ｐが大
きくなるに従い大きくなり、被密封流体圧力Ｐが小さく
なるに従い小さくなる。そして、被密封流体圧力Ｐが大
きくなると、当然に可動密封環に作用する背圧したがっ
て閉力ＦC が大きくなるが、同時に、テーパ量Δが大き
くなるため、開力ＦO も大きくなる。逆に、被密封流体
圧力Ｐが小さくなると、当然に可動密封環に作用する背
圧したがって閉力ＦC が小さくなるが、同時に、テーパ
量Δが小さくなるため、開力ＦO も小さくなる。
面４ａの変形程度つまり環状テーパ面に変形された密封
端面４ａのテーパ量Δ（図８参照）は、被変形部分４３
の変形量つまり被密封流体圧力Ｐの大きさに比例して変
動する。つまり、テーパ量Δは、被密封流体圧力Ｐが大
きくなるに従い大きくなり、被密封流体圧力Ｐが小さく
なるに従い小さくなる。そして、被密封流体圧力Ｐが大
きくなると、当然に可動密封環に作用する背圧したがっ
て閉力ＦC が大きくなるが、同時に、テーパ量Δが大き
くなるため、開力ＦO も大きくなる。逆に、被密封流体
圧力Ｐが小さくなると、当然に可動密封環に作用する背
圧したがって閉力ＦC が小さくなるが、同時に、テーパ
量Δが小さくなるため、開力ＦO も小さくなる。
【００３１】したがって、被密封流体圧力Ｐの増減に応
じて、閉力ＦC 及び開力ＦO が増減されることから、被
密封流体圧力Ｐが変動したときにも、常に、閉力ＦC と
開力ＦO とがバランスされて、被密封流体圧力Ｐに応じ
た適正な平衡隙間Ｓ0 が確保されることになる。すなわ
ち、被密封流体圧力Ｐが変動したときにも、当該圧力Ｐ
に応じてテーパ量Δが自動調整されて、密封端面２ａ，
４ａ間の隙間Ｓが、被密封流体圧力Ｐに応じた適正な漏
れを生じるために必要とされる平衡隙間Ｓ0 が確保され
ることになる。
じて、閉力ＦC 及び開力ＦO が増減されることから、被
密封流体圧力Ｐが変動したときにも、常に、閉力ＦC と
開力ＦO とがバランスされて、被密封流体圧力Ｐに応じ
た適正な平衡隙間Ｓ0 が確保されることになる。すなわ
ち、被密封流体圧力Ｐが変動したときにも、当該圧力Ｐ
に応じてテーパ量Δが自動調整されて、密封端面２ａ，
４ａ間の隙間Ｓが、被密封流体圧力Ｐに応じた適正な漏
れを生じるために必要とされる平衡隙間Ｓ0 が確保され
ることになる。
【００３２】その結果、当該メカニカルシールＭでは、
被密封流体領域Ａ1 に変形臨界圧Ｐ K 以上の範囲におい
て圧力変動が生じた場合にも、テーパフェースシール機
能が良好に発揮されて、密封端面２ａ，４ａ間から大量
漏れが生じたり、密封端面２ａ，４ａ間の非接触形態な
いし高潤滑状態が損なわれることがなく、良好なシール
を行なうことができる。
被密封流体領域Ａ1 に変形臨界圧Ｐ K 以上の範囲におい
て圧力変動が生じた場合にも、テーパフェースシール機
能が良好に発揮されて、密封端面２ａ，４ａ間から大量
漏れが生じたり、密封端面２ａ，４ａ間の非接触形態な
いし高潤滑状態が損なわれることがなく、良好なシール
を行なうことができる。
【００３３】一方、回転軸１の回転が開始された直後の
初期運転段階等にあって、被密封流体圧力Ｐが変形臨界
圧ＰK に達していないとき又は変形臨界圧ＰK より降圧
するような圧力変動があったときには、密封端面４ａは
変形されず又は元の状態に弾性復帰し、軸線方向に直交
する環状平面となる。すなわち、両密封端面２ａ，４ａ
が平行面形態をなす通常シール構造をとることになる。
初期運転段階等にあって、被密封流体圧力Ｐが変形臨界
圧ＰK に達していないとき又は変形臨界圧ＰK より降圧
するような圧力変動があったときには、密封端面４ａは
変形されず又は元の状態に弾性復帰し、軸線方向に直交
する環状平面となる。すなわち、両密封端面２ａ，４ａ
が平行面形態をなす通常シール構造をとることになる。
【００３４】而して、両密封端面２ａ，４ａがこのよう
な平行面形態をなす状態では、密封端面２ａ，４ａ間に
は、被密封流体により流体膜が形成されるが、密封端面
２ａ，４ａを背圧たる閉力ＦC に抗して開くだけの開力
ＦO は生じない。したがって、被密封流体圧力Ｐが変形
臨界圧ＰK より低い場合には、テーパフェースシール機
能は発揮されず、平行な密封端面２ａ，４ａの流体膜を
介しての相対回転摺接作用によるシール機能、つまり通
常シールと同等の通常シール機能が発揮されることにな
る。このように、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は、テーパフェースシール構造
から通常シール構造へと自動的に変化することから、冒
頭で述べたテーパフェースシールのように密封端面２
ａ，４ａ間から大量漏れが生じるような事態の発生は、
これが確実に防止される。
な平行面形態をなす状態では、密封端面２ａ，４ａ間に
は、被密封流体により流体膜が形成されるが、密封端面
２ａ，４ａを背圧たる閉力ＦC に抗して開くだけの開力
ＦO は生じない。したがって、被密封流体圧力Ｐが変形
臨界圧ＰK より低い場合には、テーパフェースシール機
能は発揮されず、平行な密封端面２ａ，４ａの流体膜を
介しての相対回転摺接作用によるシール機能、つまり通
常シールと同等の通常シール機能が発揮されることにな
る。このように、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は、テーパフェースシール構造
から通常シール構造へと自動的に変化することから、冒
頭で述べたテーパフェースシールのように密封端面２
ａ，４ａ間から大量漏れが生じるような事態の発生は、
これが確実に防止される。
【００３５】このように、当該メカニカルシールＭによ
れば、自動的に、被密封流体圧力Ｐの大きさに応じて可
動密封環４の密封端面４ａが調整されて、通常シールに
よる良好なシール機能が期待される低圧条件下（Ｐ＜Ｐ
K ）では通常シール構造となり、またテーパフェースシ
ールによる良好なシール機能が期待される高圧条件下
（Ｐ≧ＰK ）ではテーパフェースシール構造となるか
ら、つまり被密封流体圧力Ｐに応じた最適のシール構造
に自動的に変化するから、被密封流体圧力Ｐに拘わら
ず、常に、良好なシール機能（通常シール機能又はテー
パフェースシール機能）を発揮することができる。しか
も、変形臨界圧ＰK 以上の高圧条件下においては、被密
封流体圧力Ｐが大きくなるに従って、つまり閉力ＦC が
大きくなるに従って、可動密封環４の密封端面４ａのテ
ーパ量Δが大きくなり、冒頭で述べた如くテーパフェー
スシールによる良好なシール機能が期待できない超高圧
条件下（Ｐ＞ＰH ）においても、閉力ＦC とバランスす
るに十分な開力ＦO が確保される。したがって、テーパ
フェースシールによっても良好なシール機能が発揮され
る圧力範囲（ＰL ≦Ｐ≦ＰH ）においては勿論、これか
ら逸脱する圧力範囲（Ｐ＜ＰL ，Ｐ＞ＰH ）において
も、冒頭で述べた問題を生じることなく、被密封流体圧
力Ｐに応じた良好なシール機能を発揮させることができ
る。
れば、自動的に、被密封流体圧力Ｐの大きさに応じて可
動密封環４の密封端面４ａが調整されて、通常シールに
よる良好なシール機能が期待される低圧条件下（Ｐ＜Ｐ
K ）では通常シール構造となり、またテーパフェースシ
ールによる良好なシール機能が期待される高圧条件下
（Ｐ≧ＰK ）ではテーパフェースシール構造となるか
ら、つまり被密封流体圧力Ｐに応じた最適のシール構造
に自動的に変化するから、被密封流体圧力Ｐに拘わら
ず、常に、良好なシール機能（通常シール機能又はテー
パフェースシール機能）を発揮することができる。しか
も、変形臨界圧ＰK 以上の高圧条件下においては、被密
封流体圧力Ｐが大きくなるに従って、つまり閉力ＦC が
大きくなるに従って、可動密封環４の密封端面４ａのテ
ーパ量Δが大きくなり、冒頭で述べた如くテーパフェー
スシールによる良好なシール機能が期待できない超高圧
条件下（Ｐ＞ＰH ）においても、閉力ＦC とバランスす
るに十分な開力ＦO が確保される。したがって、テーパ
フェースシールによっても良好なシール機能が発揮され
る圧力範囲（ＰL ≦Ｐ≦ＰH ）においては勿論、これか
ら逸脱する圧力範囲（Ｐ＜ＰL ，Ｐ＞ＰH ）において
も、冒頭で述べた問題を生じることなく、被密封流体圧
力Ｐに応じた良好なシール機能を発揮させることができ
る。
【００３６】なお、本発明の構成は、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。
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。
【００３７】例えば、上記した構成のメカニカルシール
Ｍは、内周側領域Ａ2 が被密封流体領域となる場合にも
使用することができ、低圧条件下（Ｐ＜ＰK ）において
上記したと同一の通常シール機能を発揮することができ
ることは勿論であるが、高圧条件下（Ｐ≧ＰK ）におい
ても、図４に示す如く、内周側領域Ａ2 の被密封流体圧
力Ｐによって可動密封環４の密封端面４ａが凹状の環状
テーパ面に変形されて、上記したと同一のテーパフェー
スシール機能を発揮することができるものである。
Ｍは、内周側領域Ａ2 が被密封流体領域となる場合にも
使用することができ、低圧条件下（Ｐ＜ＰK ）において
上記したと同一の通常シール機能を発揮することができ
ることは勿論であるが、高圧条件下（Ｐ≧ＰK ）におい
ても、図４に示す如く、内周側領域Ａ2 の被密封流体圧
力Ｐによって可動密封環４の密封端面４ａが凹状の環状
テーパ面に変形されて、上記したと同一のテーパフェー
スシール機能を発揮することができるものである。
【００３８】すなわち、図４（Ａ）に示す如く、可動密
封環４の内周部に変形臨界圧ＰK 以上の被密封流体圧力
Ｐが作用すると、被変形部分４３が外方に弾性変形（拡
径変形）して、被変形部分４３の内周部側に軸線方向へ
の圧縮応力が生じると共に外周部側に軸線方向への引張
応力が生じることになり、先端側部分４１及び基端側部
分４２が、相対的に、対向間隔が内周側において接近し
且つ外周側において離間するように弾性変形せしめられ
ることになる。その結果、図４（Ｂ）に示す如く、先端
側部分４１の端面である密封端面４ａは、内周端に向か
う程、固定密封環２の密封端面２ａから離れるような形
態に歪むことになる。
封環４の内周部に変形臨界圧ＰK 以上の被密封流体圧力
Ｐが作用すると、被変形部分４３が外方に弾性変形（拡
径変形）して、被変形部分４３の内周部側に軸線方向へ
の圧縮応力が生じると共に外周部側に軸線方向への引張
応力が生じることになり、先端側部分４１及び基端側部
分４２が、相対的に、対向間隔が内周側において接近し
且つ外周側において離間するように弾性変形せしめられ
ることになる。その結果、図４（Ｂ）に示す如く、先端
側部分４１の端面である密封端面４ａは、内周端に向か
う程、固定密封環２の密封端面２ａから離れるような形
態に歪むことになる。
【００３９】その結果、密封端面４ａは凹状の環状テー
パ面（截頭円錐面）に変形されることになり、外周側領
域である非密封流体領域Ａ1 方向に漸次窄まる断面楔状
の環状空間７´が形成されて、前述した同一のテーパフ
ェースシール機能が発揮されるのである。かかる変形の
メカニズムは、可動密封環４の外周部に被密封流体圧力
Ｐが作用する場合と同一である。なお、この場合、背圧
は、二次シール面より内周側に突出する環状壁面（つま
り、基端部分４２の内周面より内周側に突出する環状壁
面４１ａ（図４参照）である）に作用する被密封流体圧
力Ｐにより得られるが、当該環状壁面４１ａの面積（＝
π（（ｄ1 ）2 −（ｄ2 ）2 ）／４）又は４８ａ，４９
ａの合計面積（＝π（（ｄ3 ）2 −（ｄ5 ）2 ）／４）
は、スプリング圧との関係において、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 とバランスしうる閉力ＦC が確保できるように、設定
しておく必要がある。
パ面（截頭円錐面）に変形されることになり、外周側領
域である非密封流体領域Ａ1 方向に漸次窄まる断面楔状
の環状空間７´が形成されて、前述した同一のテーパフ
ェースシール機能が発揮されるのである。かかる変形の
メカニズムは、可動密封環４の外周部に被密封流体圧力
Ｐが作用する場合と同一である。なお、この場合、背圧
は、二次シール面より内周側に突出する環状壁面（つま
り、基端部分４２の内周面より内周側に突出する環状壁
面４１ａ（図４参照）である）に作用する被密封流体圧
力Ｐにより得られるが、当該環状壁面４１ａの面積（＝
π（（ｄ1 ）2 −（ｄ2 ）2 ）／４）又は４８ａ，４９
ａの合計面積（＝π（（ｄ3 ）2 −（ｄ5 ）2 ）／４）
は、スプリング圧との関係において、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 とバランスしうる閉力ＦC が確保できるように、設定
しておく必要がある。
【００４０】また、両密封端面２ａ，４ａの何れか一方
には、いわゆる動圧発生型メカニカルシールにおけると
同様に、ヘリカル状等の適当な形状の動圧発生溝を形成
しておくことができる。例えば、固定密封環２の密封端
面２ａに、図５に示す如く、被密封流体領域たる外周側
領域Ａ1 （又は被密封流体領域たる内周側領域Ａ2 ）に
開放される適当数のＬ字形の第１及び第２動圧発生溝８
1 …，８2 …を形成して、可動密封環４の密封端面４ａ
が軸線方向に直交する環状平面に保持される低圧条件下
（Ｐ＜ＰK ）において、被密封流体圧力Ｐが一定以上に
昇圧された場合に、密封端面２ａ，４ａが、その間に第
１動圧発生溝８1 …又は第２動圧発生溝８2 …により発
生された動圧により、非接触状態に保持されるように構
成しておくことができる。このようにすれば、かかる低
圧条件下におけるシール機能を更に向上させることがで
きる。なお、第１動圧発生溝８1 …はＲ1 方向に相対回
転する場合において動圧を発生させるべく機能するもの
であり、第２動圧発生溝８ 2 …はＲ2 方向に相対回転す
る場合において動圧を発生させるべく機能するものであ
り、両者８1 …，８2 …は直径線に対して対称形状をな
すが、このような動圧発生溝の形状等については特願平
５−１８１０５９号又は特願平６−５０６４２号に開示
されている。
には、いわゆる動圧発生型メカニカルシールにおけると
同様に、ヘリカル状等の適当な形状の動圧発生溝を形成
しておくことができる。例えば、固定密封環２の密封端
面２ａに、図５に示す如く、被密封流体領域たる外周側
領域Ａ1 （又は被密封流体領域たる内周側領域Ａ2 ）に
開放される適当数のＬ字形の第１及び第２動圧発生溝８
1 …，８2 …を形成して、可動密封環４の密封端面４ａ
が軸線方向に直交する環状平面に保持される低圧条件下
（Ｐ＜ＰK ）において、被密封流体圧力Ｐが一定以上に
昇圧された場合に、密封端面２ａ，４ａが、その間に第
１動圧発生溝８1 …又は第２動圧発生溝８2 …により発
生された動圧により、非接触状態に保持されるように構
成しておくことができる。このようにすれば、かかる低
圧条件下におけるシール機能を更に向上させることがで
きる。なお、第１動圧発生溝８1 …はＲ1 方向に相対回
転する場合において動圧を発生させるべく機能するもの
であり、第２動圧発生溝８ 2 …はＲ2 方向に相対回転す
る場合において動圧を発生させるべく機能するものであ
り、両者８1 …，８2 …は直径線に対して対称形状をな
すが、このような動圧発生溝の形状等については特願平
５−１８１０５９号又は特願平６−５０６４２号に開示
されている。
【００４１】また、各密封環２，４を回転軸１又はシー
ルケース３に何れに設けるかは任意事項である。勿論、
二次シール構造も特に限定されるものではない。
ルケース３に何れに設けるかは任意事項である。勿論、
二次シール構造も特に限定されるものではない。
【００４２】
【発明の効果】以上の説明からも容易に理解されるよう
に、本発明のメカニカルシールは、基本的に通常シール
構造をなすものであり、被密封流体圧力が一定以上の高
圧となったときにおいては、可動密封環の密封端面が被
密封流体圧力によってテーパフェースシールにおけると
同様の環状テーパ面に弾性変形して、テーパフェースシ
ール構造に自動変化するものであるから、常に、被密封
流体領域の圧力条件に最適するシール構造により良好な
シール機能を発揮することができる。したがって、テー
パフェースシール又は通常シールの何れかによって良好
なシール機能を発揮しうる圧力条件下では勿論、テーパ
フェースシール及び通常シールに何れによっても良好な
シール機能を発揮し得ない圧力条件下においても、通常
シール機能又はテーパフェースシール機能により適正且
つ良好なシールを行うことができ、圧力条件を限定され
ない極めて広範な用途に好適に使用することができる。
に、本発明のメカニカルシールは、基本的に通常シール
構造をなすものであり、被密封流体圧力が一定以上の高
圧となったときにおいては、可動密封環の密封端面が被
密封流体圧力によってテーパフェースシールにおけると
同様の環状テーパ面に弾性変形して、テーパフェースシ
ール構造に自動変化するものであるから、常に、被密封
流体領域の圧力条件に最適するシール構造により良好な
シール機能を発揮することができる。したがって、テー
パフェースシール又は通常シールの何れかによって良好
なシール機能を発揮しうる圧力条件下では勿論、テーパ
フェースシール及び通常シールに何れによっても良好な
シール機能を発揮し得ない圧力条件下においても、通常
シール機能又はテーパフェースシール機能により適正且
つ良好なシールを行うことができ、圧力条件を限定され
ない極めて広範な用途に好適に使用することができる。
【図１】本発明のメカニカルシールの実施の形態を示し
たもので、当該メカニカルシールの通常シール構造を示
す半截の縦断側面図である。
たもので、当該メカニカルシールの通常シール構造を示
す半截の縦断側面図である。
【図２】当該メカニカルシールのテーパフェースシール
構造を示す半截の縦断側面図である。
構造を示す半截の縦断側面図である。
【図３】当該メカニカルシールにおける可動密封環の弾
性変形作用を示す縦断面形状図である。
性変形作用を示す縦断面形状図である。
【図４】当該メカニカルシールにおける可動密封環の図
３とは異なる弾性変形作用を示す縦断面形状図である。
３とは異なる弾性変形作用を示す縦断面形状図である。
【図５】当該メカニカルシールにおける固定密封環の密
封端面の変形例を示す正面図である。
封端面の変形例を示す正面図である。
【図６】テーパフェースシールを示す半截の縦断側面図
である。
である。
【図７】テーパフェースシールにおける可動密封環の弾
性変形作用を示す縦断面形状図である。
性変形作用を示す縦断面形状図である。
【図８】一方の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。
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９】一方の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グラフである。
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グラフである。
１…回転軸、２…固定密封環、２ａ…固定密封環の密封
端面、３…シールケース、４…可動密封環、４ａ…可動
密封環の密封端面、５…Ｏリング、６…スプリング、
７，７´…環状空間、４１…先端側部分、４２…基端側
部分、４３…被変形部分、Ａ1 …外周側領域、Ａ2 …内
周側領域、Ｌ1 …被変形部分の軸線方向長さ、Ｍ…メカ
ニカルシール、Ｐ…被密封流体圧力、Ｔ1 …被変形部分
の径方向厚さ。
端面、３…シールケース、４…可動密封環、４ａ…可動
密封環の密封端面、５…Ｏリング、６…スプリング、
７，７´…環状空間、４１…先端側部分、４２…基端側
部分、４３…被変形部分、Ａ1 …外周側領域、Ａ2 …内
周側領域、Ｌ1 …被変形部分の軸線方向長さ、Ｍ…メカ
ニカルシール、Ｐ…被密封流体圧力、Ｔ1 …被変形部分
の径方向厚さ。
Claims (1)
- 【請求項１】 シールケース及び回転軸の一方に固定し
た固定密封環とその他方に二次シールされた状態で軸線
方向摺動可能に保持した可動密封環とを具備し、両密封
環の対向端面たる密封端面間にて、その内外周側領域の
一方である被密封流体領域とその他方である非密封流体
領域とをシールするように構成されたメカニカルシール
において、両密封端面を軸線方向に直交する環状平面に
構成すると共に、可動密封環の軸線方向における中間部
分であって二次シール個所より密封端面寄りの部分であ
る被変形部分を、その径方向厚さが当該被変形部分の両
側部分である密封端面側の先端側部分及び二次シール箇
所側の基端側部分の径方向厚さより小さく且つ先端側部
分の径方向厚さの４０％程度以下となる薄肉円筒形状と
なして、被密封流体領域における被密封流体圧力が一定
以上の高圧となったときにおいては、当該被密封流体圧
力による被変形部分の弾性変形により、可動密封環が、
その密封端面が固定密封環の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
る環状テーパ面となるべく、弾性変形せしめられて、テ
ーパフェースシールと同一構造となり、また上記した一
定圧に達しないときにおいては、被密封流体圧力による
上記弾性変形は生じないか或いは消失して、可動密封環
の密封端面は軸線方向に直交する環状平面となり、通常
シールと同一構造となるように構成したことを特徴とす
るメカニカルシール。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13371099A JP3280344B2 (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | メカニカルシール |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13371099A JP3280344B2 (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | メカニカルシール |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19497696A Division JP2999415B2 (ja) | 1996-07-24 | 1996-07-24 | メカニカルシール |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11344127A JPH11344127A (ja) | 1999-12-14 |
| JP3280344B2 true JP3280344B2 (ja) | 2002-05-13 |
Family
ID=15111093
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13371099A Expired - Fee Related JP3280344B2 (ja) | 1999-05-14 | 1999-05-14 | メカニカルシール |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3280344B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4606545B2 (ja) * | 2000-05-02 | 2011-01-05 | イーグル工業株式会社 | メカニカルシールによる圧縮機の軸封機構 |
| DE20019881U1 (de) * | 2000-11-23 | 2001-04-12 | Burgmann Dichtungswerke Gmbh | Gleitringdichtungsanordnung für hohe Drehgeschwindigkeiten |
| CN106015081A (zh) * | 2016-06-30 | 2016-10-12 | 温州市康而达实业有限公司 | 扇形空气动力分离式密封环 |
-
1999
- 1999-05-14 JP JP13371099A patent/JP3280344B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11344127A (ja) | 1999-12-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |