JP5004988B2

JP5004988B2 - 端面接触形メカニカルシール

Info

Publication number: JP5004988B2
Application number: JP2009075657A
Authority: JP
Inventors: 祐樹前田; 定光山内; 英二奥町
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: JP2010230032A

Description

本発明は、食品，医薬品等の分野で使用され定期的又は不定期に洗浄又は滅菌を行う必要のある回転機器であって、機内領域Ａを運転時においては機外領域Ｂより低圧に保持すると共に機内の洗浄時ないし滅菌時においては機外領域Ｂより高圧に保持するようにした竪型の回転機器（例えば、真空乳化装置等）の軸封手段として使用される端面接触形メカニカルシールに関する。

この種の回転機器にあっては、衛生管理上又は品質管理上、定期的又は不定期に機内をスチーム等の洗浄，滅菌流体を注入して、洗浄処理又は滅菌処理をすることが行われている。この場合、機内と機外とをシールする軸封手段についても洗浄，滅菌を行うことが必要である。

しかし軸封手段として両密封環の対向端面たる密封端面が接触状態にある端面接触形メカニカルシールを使用している場合には、密封端面間を洗浄流体，滅菌流体が通過することができず、密封端面の洗浄，滅菌を十分に行うことができない。

そこで、一般に、洗浄，滅菌時にメカニカルシールを分解するか、機外から密封端面に向けて洗浄，滅菌流体を直接噴射することにより、メカニカルシールの洗浄，滅菌をすることが行われている。

しかし、前者の場合には、洗浄，滅菌作業が極めて面倒であり、作業効率が頗る悪い。また、後者の場合には、密封端面同士が密に接触しているため、これに洗浄，滅菌流体を噴射させても、密封端面の洗浄を十分に行い得ないし、運転時に両密封端面の接触により発生した摩耗粉が洗浄，滅菌流体の噴射によって機内に侵入する虞れがある。

そこで、従来からも、一方の密封環をシリンダにより進退可能として、洗浄，滅菌時には当該密封環を他方の密封環から離間させて密封端面間を開くことにより、機内に注入された洗浄，滅菌流体が密封端面間を通過できるように工夫されたメカニカルシールが提案されている（例えば、特許文献１参照。）

特開２００１−２１０４５号公報

しかし、このようなメカニカルシールでは、シリンダ及びこれに付随する部材が必要となり、メカニカルシール構成がいたずらに複雑化，大型化することになり、メカニカルシール本来の機能も不安定となる。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、メカニカルシール本来の機能を損なうことなく、一般的なメカニカルシールと変わりない構造により密封端面の洗浄，滅菌を良好に行いうる端面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。

本発明は、機内領域を運転時においては機外領域より低圧に保持すると共に機内の洗浄時ないし滅菌時においては機外領域より高圧に保持するようにした竪型の回転機器に軸封手段として使用されるメカニカルシールであって、当該回転機器の軸封部にシールケースを取り付け、このシールケースに静止密封環を固定し、軸封部から上下方向に延びてシールケース及び静止密封環を同心状に貫通する当該回転機器の回転軸に静止密封環の上位に配してスプリングリテーナを嵌合固定し、このスプリングリテーナの密封環保持部に回転密封環をＯリングを介した二次シール状態で軸線方向移動可能に嵌合保持し、回転密封環をこれとスプリングリテーナとの間に介装したスプリング部材により静止密封環へと押圧附勢して、両密封環の対向端面たる密封端面の相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の内周側領域である機内領域とその外周側領域である大気領域たる機外領域とを遮蔽シールするように構成された端面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Ｏリングを回転密封環の内周部に形成した環状の凹溝に係合保持させると共に、両密封環が摺接している環状面であるシール面の内径Ｄ４をスプリングリテーナの密封環保持部の外径であるＯリングの滑動面の径Ｄ３より大きく設定することにより、機内領域が機外領域より低圧とされた場合において回転密封環にこれを静止密封環へと押圧する閉力が作用し且つ機内領域が機外領域より高圧とされた場合において回転密封環にこれをスプリング部材の附勢力に抗して静止密封環から離間させる開力が作用するように構成しておくことを提案するものである。
かかる端面接触形メカニカルシールの好ましい実施の形態にあっては、回転密封環が、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とする複合材で構成された、前記凹溝を形成した本体部及びその下端に突設された密封端面形成部と、本体部にその上端面及び外周面に衝合させた状態で嵌合固定された金属材製の補強部とからなる円環状体に構成されている。

本発明の端面接触形メカニカルシールにあっては、スチーム等の洗浄流体，滅菌流体の機内への注入により機内領域が機外領域より高圧となる洗浄，滅菌時において密封端面間が開くため、機内領域に供給された洗浄流体，滅菌流体が密封端面をも効果的に洗浄，滅菌することができ、高度の洗浄，殺菌を必要とする回転機器の軸封手段として好適に使用できる。すなわち、本発明によれば、Ｏリングを回転密封環の内周部に形成した環状の凹溝に係合保持させるといった極めて簡単な改良を施すのみによって、密封端面が閉じているため密封端面の洗浄，滅菌を十分に行うことができないといった端面接触形メカニカルシールに宿命的，不可避的な問題を解決することができる。

図１は、本発明に係る端面接触形メカニカルシールの一例を示す縦断正面図である。図２は、同メカニカルシールの縦断側面図である。図３は、図１の要部を拡大して示す詳細図であって、機内領域が機外領域より低圧に保持された運転時の状態を示す。図４は、図３相当の縦断正面図であって、機内領域が機外領域より高圧に保持された洗浄，滅菌時の状態を示す。図５は、本発明に係る端面接触形メカニカルシールの変形例を示す要部の縦断正面図である。図６は、本発明に係る端面接触形メカニカルシールの他の変形例を示す要部の縦断正面図である。

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。図１はは本発明に係る端面接触形メカニカルシールの実施の形態を示す縦断正面図であり、図２は当該メカニカルシールの縦断側面図であり、図３及び図４は図１の要部を拡大して示す詳細図であって、図３は機内領域が機外領域より低圧に保持された運転時の状態を示すものであり、図４は機内領域が機外領域より高圧に保持された洗浄，滅菌時の状態を示すものである。

この実施の形態における端面接触形メカニカルシールは、運転時においては機内領域Ａを真空として機外領域Ｂである大気領域より低圧に保持した状態で食品，医薬品等の攪拌（乳化処理等）を行い、運転停止時においてスチーム等の洗浄流体又は滅菌流体を機内に注入することによって機内領域Ａを大気領域（機外領域）Ｂより高圧に保持した状態で機内の洗浄ないし滅菌を行う竪型の回転機器（真空乳化装置等）の軸封手段として使用されるものであり、本発明に従って、次のように構成されている。なお、以下の説明において、上下とは図１及び図２における上下を意味するものとする。

すなわち、端面接触形メカニカルシールは、図１及び図２に示す如く、当該回転機器のハウジング１の上端部である軸封部１ａにシールケース２を取り付け、このシールケース２に静止密封環３を固定し、静止密封環３を同心状に貫通する当該回転機器の回転軸（攪拌軸等）４に回転密封環５をＯリング６を介した二次シール状態で軸線方向移動可能に嵌合保持し、回転密封環５をこれと回転軸４との間に介装したスプリング部材７により静止密封環３へと押圧附勢して、運転時においては、両密封環３，５の対向端面たる密封端面３ａ，５ａの相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の内周側領域である機内領域Ａとその外周側領域である大気領域たる機外領域Ｂとを遮蔽シールするように構成されている。

シールケース２は、図１及び図２に示す如く、軸封部１ａに衝合する本体部２ａとその上端外周部に衝合するフランジ部２ｂとに分離構成された円筒体であり、ステンレス鋼等の金属材（例えば、ＳＵＳ３０４等）で構成されている。

静止密封環３は、図１及び図２に示す如く、セラミックス等の硬質材（例えば、炭化珪素等）で構成された円環状体であり、シールケース２の内周部（正確にはフランジ部２ｂの内周部）にＯリング（或いはシート状ガスケット）８，８を介して同心状に内嵌固定されている。静止密封環３の先端面たる上端面は、軸線に直交する円環状の平滑平面である密封端面（以下「静止側密封端面」という）３ａに構成されている。なお、静止密封環３の下端側内周面は、下方に拡径する円錐面とされている。

回転軸４は軸封部１ａから上下方向に延びてシールケース２及び静止密封環３を同心状に貫通しているが、この回転軸４には、図１及び図２に示す如く、静止密封環３の上位に配して、ステンレス鋼等の金属材（例えば、ＳＵＳ３１６等）で構成されたスプリングリテーナ９が嵌合固定されている。すなわち、スプリングリテーナ９は、円筒状の密封環保持部９ａとその上端部に一体形成された円環状のスプリング保持部９ｂとからなる断面Ｌ字状の円筒体であり、回転軸４との間にＯリング１０を介在させた状態で、図２に示す如く、適当数のセットスクリュー１１により回転軸４に固定されている。

回転密封環５は、図１〜図４に示す如く、スプリングリテーナ９の密封環保持部９ａに、当該密封環５の内周部に形成した環状の凹溝１２に係合させたＯリング６を介在させた二次シール状態で、軸線方向（上下方向）に移動可能に嵌合保持されている。

すなわち、回転密封環５は、本体部５ｂとその先端（下端）に突設された密封端面形成部５ｃと本体部５ｂにその基端面（上端面）及び外周面に衝合させた状態で嵌合固定された補強部５ｄとからなる円環状体に構成されている。補強部５ｄはステンレス鋼等の金属材（例えば、ＳＵＳ３１６等）で構成されており、本体部５ｂ及び密封端面形成部５ｃは、静止密封環３の構成材より軟質の材料である、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を主成分とする複合材で構成されている。

而して、本体部５ｂの内周部には、図３に示す如く、Ｏリング６を圧縮状態で係合保持する環状の凹溝１２が形成されている。この凹溝１２の底面（溝底面）１２ａの直径Ｄ１は、溝底面１２ａとスプリングリテーナ９の密封環保持部９ａの外周面との間に回転密封環５の軸線方向移動を許容し且つ回転密封環５とスプリングリテーナ９との間をシール（二次シール）する圧縮状態でＯリング６が装填されるように設定されており、凹溝１２の形状（溝深さ）は、機内領域Ａの圧力が負圧（真空）又は正圧の何れとなった場合にもＯリング６が当該凹溝１２外に飛び出すことなく当該Ｏリング６の軸線方向移動が溝側面１２ｂ，１２ｃによって係止規制されるように設定されている。なお、回転密封環５の内径Ｄ２は一定であり、スプリングリテーナ９の密封環保持部９ａの外径（Ｏリング６の滑動面の径）Ｄ３より若干大きく設定されている。なお、密封環保持部９ａの外径Ｄ３は一定である。また、回転密封環５は、図２に示す如く、保持部５ｄに固着したドライブピン１３をスプリングリテーナ９のスプリング保持部９ｂに形成した貫通孔９ｃに挿通させることにより、軸線方向移動を所定範囲で許容した状態で回転軸４に対する相対回転が阻止されるようになっている。

密封端面形成部５ｃの先端面（下端面）は、図３に示す如く、軸線に直交する円環状の平滑平面である密封端面（以下「回転側密封端面」という）５ａに構成されている。この回転側密封端面５ａの内径Ｄ４は、凹溝１２に係合保持されたＯリング６の滑動面（Ｏリング６が接触する回転軸部分の外周面つまりスプリングリテーナ９の密封環保持部９ａの外周面）の径Ｄ３及び当該凹溝１２の溝底面１２ａの径Ｄ１より所定量大きく設定されている。なお、回転側密封端面５ａの内径Ｄ４は静止側密封端面３ａの内径より大きく設定されており、その外径Ｄ５は静止側密封端面３ａの外径及び回転密封環５の補強部５ｄの外径Ｄ６より小さく設定されている。すなわち、この例では、両密封環３，５によるシール面（両密封環３，５が摺接している環状面）の内径及び外径が、回転側密封端面５ａの内径Ｄ４及び外径Ｄ５となっている。

スプリング部材７は、図１に示す如く、回転密封環５の補強部５ｄとスプリングリテーナ９のスプリング保持部９ｂとの間に周方向に等間隔を隔てて装填した複数本のコイルスプリング７ａで構成されており、回転密封環５を静止密封環３へと押圧附勢している。

ところで、上記した構成の端面接触形メカニカルシールにあっては、前記した如くＯリング６を回転密封環５の内周部に形成した環状の凹溝１２に係合保持させてあるから、機内領域Ａの圧力（以下『機内圧力』という）Ｐａと機外領域Ｂの圧力（以下『機外圧力』という）Ｐｂとの差圧Ｐ（＝｜Ｐａ−Ｐｂ｜）によって回転密封環５には次のような推力（軸線方向の作用力）が作用することになる。なお、以下の説明において各圧力Ｐ，Ｐａ，Ｐｂは絶対圧力である。

すなわち、回転機器の運転時においては機内圧力Ｐａが真空となる（機内圧力Ｐａが機外圧力Ｐｂより低圧となる）ことから、回転密封環５には、図３に示す如く、差圧Ｐによる推力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５が作用する。ここに、推力Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３は回転密封環５を静止密封環３から離間させる方向に作用する離間力であって密封端面３ａ，５ａ間を開く開力であり、推力Ｆ４，Ｆ５は回転密封環５を静止密封環３へと接触させる方向に作用する押圧力であって密封端面３ａ，５ａ間を閉じる閉力である。すなわち、開力Ｆ１は密封環３，５の相対回転によって密封端面３ａ，３ｂ間に生じるものであり、Ｆ１＝（Ｐ／２）・（π／４）・（（Ｄ５）^２−（Ｄ４）^２）で与えられる。開力Ｆ２は密封端面形成部５ｂの外周側における本体部５ａ及び保持部５ｂの先端面に作用するものであり、Ｆ２＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ６）^２−（Ｄ５）^２）で与えられる。推力Ｆ３は上位の溝側面１２ｂに作用するものであり、Ｆ３＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ２）^２）で与えられる。閉力Ｆ４は回転密封環５の背面（保持部５ｂの背面）に作用する背圧によるものであり、Ｆ４＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ６）^２−（Ｄ２）^２）＝Ｐ・（π／４）・（（（Ｄ６）^２−（Ｄ５）^２）＋（（Ｄ５）^２−（Ｄ４）^２）＋（（Ｄ４）^２−（Ｄ１）^２）＋（（Ｄ１）^２−（Ｄ２）^２））で与えられる。閉力Ｆ５はＯリング６を下位の溝側面１２ｃへと押圧すべく作用するものであり、Ｆ５＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ３）^２）で与えられる。これらのことから、Ｆ４＋Ｆ５−（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３）＝Ｐ・（π／４）・（（（（Ｄ５）^２−（Ｄ４）^２）／２）＋（（Ｄ４）^２−（Ｄ３）^２））＞０となり、回転機器の運転時においては差圧Ｐにより回転密封環５にはこれを静止密封環３へと押圧する閉力Ｆｃ（＝Ｆ４＋Ｆ５−（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３））が作用することになる。したがって、スプリング部材７による押圧附勢力つまり閉力であるスプリング力Ｓをさほど大きく設定しておかずとも、密封端面３ａ，５ａが常に相対回転摺接し、これにより良好な端面接触形メカニカルシール機能が発揮される。

一方、回転機器の運転停止時において機内にスチーム等の洗浄流体又は滅菌流体を注入する洗浄時又は滅菌時においては、機内圧力Ｐａが機外圧力（大気圧）Ｐｂより高圧となることから、回転密封環５には、図４に示す如く、差圧Ｐによる推力Ｆ６，Ｆ７，Ｆ８が作用する。ここに、推力Ｆ６は密封端面形成部５ｂの内周側における本体部５ａの先端面に作用する開力であり、Ｆ６＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ４）^２−（Ｄ２）^２）で与えられる。推力Ｆ７はＯリング６を上位の溝側面１２ｂへと押圧すべく作用する開力であり、Ｆ７＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ３）^２）で与えられる。一方、推力Ｆ８は下位の溝側面１２ｃに作用する閉力であり、Ｆ８＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ２）^２）で与えられる。これらのことから、Ｆ６＋Ｆ７−Ｆ８＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ４）^２−（Ｄ３）^２）＞０となり、洗浄作業時又は滅菌作業時には差圧Ｐにより回転密封環５にはこれを静止密封環３から離間する方向に作用する開力Ｆｏ（＝Ｆ６＋Ｆ７−Ｆ８）が作用することになる。したがって、スプリング部材７のスプリング力Ｓを当該開力Ｆｏ(＝Ｆ６＋Ｆ７−Ｆ８＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ４）^２−（Ｄ３）^２）)より小さくなる（Ｓ＜Ｆｏ）ように設定しておけば、密封端面３ａ，５ａ間が開くことになり、機内に注入されたスチーム等の洗浄流体，滅菌流体が密封端面３ａ，５ａ間を通過して機外領域Ｂに流出することになる。その結果、洗浄流体，滅菌流体により機内のみならず密封端面３ａ，５ａが洗浄，滅菌されることになる。しかも、洗浄流体，滅菌流体が密封端面３ａ，５ａを通過して機外領域Ｂに流出するため、密封端面３ａ，５ａの接触により生じた摩耗粉が機外領域Ｂに放出され、機内領域Ａを汚染することがない。なお、洗浄流体，滅菌流体が密封端面３ａ，５ａ間を通過するようになると、図４に示す如く、回転側密封端面５ａにも差圧Ｐによる開力Ｆ９（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ５）^２−（Ｄ４）^２））が作用することになり、密封端面３ａ，５ａ間が更に開いて密封端面３ａ，５ａの洗浄，滅菌がより効果的に行われることになる。ところで、上記した如く運転時において差圧Ｐによる閉力Ｆｃが作用することから、つまりスプリング力Ｓを可及的に小さく設定しても当該端面接触形メカニカルシールのシール機能を発揮させることが可能であることから、スプリング部材７のスプリング力ＳをＳ＜Ｆoとなるように設定しておくことは、格別の困難を伴うことなく、容易に行うことができ、運転時におけるメカニカルシール機能に悪影響を及ぼすことがない。ちなみに、スプリング力Ｓは、コイルスプリング７ａの本数ｎ、そのバネ定数ｋ（Ｎ／ｍ）及びその自由長からの圧縮量ｘ（ｍ）からＳ＝ｋ・ｘ・ｎ（Ｎ）で与えられる。

以上のように構成された端面接触形メカニカルシールによれば、機内領域Ａが機外領域Ｂより低圧とされた場合（運転時）において回転密封環５にこれを静止密封環３へと押圧する閉力Ｆｃが作用し且つ機内領域Ａが機外領域Ｂより高圧とされた場合（洗浄，滅菌時）において回転密封環５にこれを静止密封環３から離間させる開力Ｆｏが作用するように構成したから、スプリング力Ｓを洗浄，滅菌時における両領域Ａ，Ｂの差圧Ｐによって回転密封環５に作用する開力Ｆｏより小さくなるように設定しておくことにより、運転時における端面接触形メカニカルシールによるシール機能に何らの悪影響を及ぼすことなく、機内のみならず密封端面３ａ，５ａの洗浄，滅菌を良好に行うことができる。

なお、本発明に係る端面接触形メカニカルシールの構成は上記の実施の形態に限定されるものでなく、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、上記の実施の形態においてはシール面（密封端面３ａ，５ａの接触部分）の内径（上記の例では回転側密封端面５ａの内径）Ｄ４を溝底面１２ａの径Ｄ１より大きくしたが、Ｄ４＜Ｄ１又はＤ４＝Ｄ１としてもよく、何れの場合にも、当該実施の形態と同様に、差圧Ｐにより、運転時における閉力Ｆｃ及び洗浄，滅菌時における開力Ｆｏが生じることになる。

すなわち、Ｄ４＜Ｄ１とした場合、回転機器の運転時においては、図５（Ａ）に示す如く、密封環３，５の相対回転によって密封端面３ａ，３ｂ間に生じる開力Ｆ１（＝（Ｐ／２）・（π／４）・（（Ｄ５）^２−（Ｄ４）^２））、密封端面形成部５ｂの外周側における本体部５ａ及び保持部５ｂの先端面に作用する開力Ｆ２（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ６）^２−（Ｄ５）^２））、上位の溝側面１２ｂに作用する開力Ｆ３（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ２）^２））及び回転密封環５の背面（保持部５ｂの背面）に作用する閉力Ｆ４（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ６）^２−（Ｄ２）^２）＝Ｐ・（π／４）・（（（Ｄ６）^２−（Ｄ５）^２）＋（（Ｄ５）^２−（Ｄ１）^２）＋（（Ｄ１）^２−（Ｄ２）^２））と、Ｏリング６を下位の溝側面１２ｃへと押圧すべく作用する閉力Ｆ５（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ３）^２）＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ４）^２）＋（（Ｄ４）^２−（Ｄ３）^２）））の合力として、回転密封環５には閉力Ｆｃ（＝Ｆ４＋Ｆ５−（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３）＝Ｐ・（π／４）・（（（（Ｄ５）^２−（Ｄ４）^２）／２）＋（（Ｄ４）^２−（Ｄ３）^２））＞０）が作用することになり、スプリング力Ｓの大小に拘らず、密封端面３ａ，５ａが接触されることになる。一方、洗浄時，滅菌時においては、図５（Ｂ）に示す如く、密封端面形成部５ｂの内周側における本体部５ａの先端面に作用する開力Ｆ６（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ４）^２−（Ｄ２）^２））、Ｏリング６を上位の溝側面１２ｂへと押圧すべく作用する開力Ｆ７（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ３）^２））及び下位の溝側面１２ｃに作用する閉力Ｆ８（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ２）^２））の合力として、回転密封環５には開力Ｆｏ（＝Ｆ６＋Ｆ７−Ｆ８＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ４）^２−（Ｄ３）^２）＞０）が作用することになる。したがって、スプリング力ＳをＳ＜Ｆｏとなるように設定することにより、密封端面３ａ，５ａ間が開くことになる。

また、Ｄ４＝Ｄ１とした場合も、Ｄ４＜Ｄ１とした場合と同様である。すなわち、回転機器の運転時においては、図６（Ａ）に示す如く、密封環３，５の相対回転によって密封端面３ａ，３ｂ間に生じる開力Ｆ１（＝（Ｐ／２）・（π／４）・（（Ｄ５）^２−（Ｄ４）^２））、密封端面形成部５ｂの外周側における本体部５ａ及び保持部５ｂの先端面に作用する開力Ｆ２（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ６）^２−（Ｄ５）^２））、上位の溝側面１２ｂに作用する開力Ｆ３（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ２）^２））及び回転密封環５の背面（保持部５ｂの背面）に作用する閉力Ｆ４（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ６）^２−（Ｄ２）^２）＝Ｐ・（π／４）・（（（Ｄ６）^２−（Ｄ５）^２）＋（（Ｄ５）^２−（Ｄ１）^２）＋（（Ｄ１）^２−（Ｄ２）^２））と、Ｏリング６を下位の溝側面１２ｃへと押圧すべく作用する閉力Ｆ５（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ３）^２）＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ４）^２）＋（（Ｄ４）^２−（Ｄ３）^２）））の合力として、回転密封環５には閉力Ｆｃ（＝Ｆ４＋Ｆ５−（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３）＝Ｐ・（π／４）・（（（（Ｄ５）^２−（Ｄ４）^２）／２）＋（（Ｄ４）^２−（Ｄ３）^２））＞０）が作用することになり、スプリング力Ｓの大小に拘らず、密封端面３ａ，５ａが接触されることになる。一方、洗浄時，滅菌時においては、図６（Ｂ）に示す如く、密封端面形成部５ｂの内周側における本体部５ａの先端面に作用する開力Ｆ６（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ４）^２−（Ｄ２）^２））、Ｏリング６を上位の溝側面１２ｂへと押圧すべく作用する開力Ｆ７（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ３）^２））及び下位の溝側面１２ｃに作用する閉力Ｆ８（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ１）^２−（Ｄ２）^２））の合力として、回転密封環５には開力Ｆｏ（＝Ｆ６＋Ｆ７−Ｆ８＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ４）^２−（Ｄ３）^２）＞０）が作用することになる。したがって、スプリング力ＳをＳ＜Ｆｏとなるように設定することにより、密封端面３ａ，５ａ間が開くことになる。

また、上記した実施の形態では、機外圧力Ｐｂが大気圧であり機内圧力Ｐａが運転時に負圧（真空）となる回転機器の軸封手段に本発明を適用したが、本発明は、運転時においてＰａ＜Ｐｂとなり洗浄，滅菌時にＰａ＞Ｐｂとなる回転機器であれば、機外圧力Ｐｂが大気圧でない場合や機内圧力Ｐａが運転時及び洗浄，滅菌時の何れにおいても正圧（大気圧を含む）となる場合においても、当該回転機器の軸封手段として本発明の端面接触形メカニカルシールを使用することができる。なお、回転軸４が駆動されない運転停止状態で洗浄，滅菌を行う場合には、図４、図５（Ｂ）及び図６（Ｂ）の何れの場合にも、上記開力Ｆｏ（＝Ｐ・（π／４）・（（Ｄ４）²−（Ｄ３）²））が生じるためには、つまりＦｏ＞０となるためには、Ｏリング６が滑動する面の直径（上記各実施の形態にあってはスプリングリテーナ９の密封環保持部９ａの外径））Ｄ３をシール面の内径（両密封環３，５が摺接している環状面の内径であり、上記各実施の形態にあっては回転側密封端面５ａの内径）Ｄ４より小さくしておく（Ｄ３＜Ｄ４）ことが必要である。

１回転機器のハウジング
１ａ軸封部
２シールケース
３静止密封環
３ａ静止側密封端面
４回転軸
５回転密封環
５ａ回転側密封端面
５ｂ本体部
５ｃ密封端面形成部
５ｄ補強部
６Ｏリング
７スプリング部材
９スプリングリテーナ
９ａ密封環保持部
１２凹溝
Ａ機内領域
Ｂ機外領域

Claims

機内領域（Ａ）を運転時においては機外領域（Ｂ）より低圧に保持すると共に機内の洗浄時ないし滅菌時においては機外領域（Ｂ）より高圧に保持するようにした竪型の回転機器に軸封手段として使用されるメカニカルシールであって、
当該回転機器の軸封部（１ａ）にシールケース（２）を取り付け、このシールケース（２）に静止密封環（３）を固定し、軸封部（１ａ）から上下方向に延びてシールケース（２）及び静止密封環（３）を同心状に貫通する当該回転機器の回転軸（４）に静止密封環（３）の上位に配してスプリングリテーナ（９）を嵌合固定し、このスプリングリテーナ（９）の密封環保持部（９ａ）に回転密封環（５）をＯリング（６）を介した二次シール状態で軸線方向移動可能に嵌合保持し、回転密封環（５）をこれとスプリングリテーナ（９）との間に介装したスプリング部材（７）により静止密封環（３）へと押圧附勢して、両密封環（３，５）の対向端面たる密封端面（３ａ，５ａ）の相対回転摺接作用により、当該相対回転摺接部分の内周側領域である機内領域（Ａ）とその外周側領域である大気領域たる機外領域（Ｂ）とを遮蔽シールするように構成された端面接触形メカニカルシールにおいて、
前記Ｏリング（６）を回転密封環（５）の内周部に形成した環状の凹溝（１２）に係合保持させると共に、両密封環（３，５）が摺接している環状面であるシール面の内径Ｄ４をスプリングリテーナ（７）の密封環保持部（９ａ）の外径であるＯリング（６）の滑動面の径Ｄ３より大きく設定することにより、機内領域（Ａ）が機外領域（Ｂ）より低圧とされた場合において回転密封環（５）にこれを静止密封環（３）へと押圧する閉力が作用し且つ機内領域（Ａ）が機外領域（Ｂ）より高圧とされた場合において回転密封環（５）にこれをスプリング部材（５）の附勢力に抗して静止密封環（３）から離間させる開力が作用するように構成したことを特徴とする端面接触形メカニカルシール。
回転密封環（５）が、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とする複合材で構成された、前記凹溝（１２）を形成した本体部（５ｂ）及びその下端に突設された密封端面形成部（５ｃ）と、本体部（５ｂ）にその上端面及び外周面に衝合させた状態で嵌合固定された金属材製の補強部（５ｄ）とからなる円環状体に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載する端面接触形メカニカルシール。