JP5153731B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、本発明は、各種回転機器（コンプレッサ、ブロワ、ポンプ、攪拌機や電子，医療，産業機器分野で使用される回転機器）に軸封装置として使用されるメカニカルシールであって、特に高圧流体領域が負圧になる等により高圧流体領域と低圧流体領域との圧力関係が逆転することがあるような条件下においても好適に使用することができるメカニカルシールに関するものである。

従来のメカニカルシールとして、例えば特許文献１の図１、特許文献２の図６又は特許文献３の第４図に開示される如く、回転軸及びこれが洞貫するシールケースの何れか一方の部材に固定保持された固定密封環と、回転軸及びシールケースの何れか他方の部材に二次シール用Ｏリングを介して軸線方向に移動可能に嵌合保持された保持環と、保持環の先端部に連結されており、保持環を介して固定密封環へと押圧附勢された可動密封環とを具備して、両密封環の対向端面である密封端面の相対回転により、当該相対回転部分の外周側流体領域である高圧流体領域とその内周側流体領域である低圧流体領域とをシールするように構成されたものが周知である。

かかるメカニカルシールにあっては、二次シール用Ｏリングが、保持環とこれを嵌合保持する前記他方の部材との対向周面で形成される二次シール面間に流体圧により軸線方向に移動される状態で装填されているが、高圧流体領域と低圧流体領域との圧力関係が正常である場合（高圧流体領域が低圧流体領域より高圧に維持されている場合であって、以下「正常運転状態」という）のみならず当該圧力関係が逆転する場合（低圧流体領域が高圧流体領域より高圧になる場合（例えば、低圧流体領域が大気領域である場合において高圧流体領域が負圧となる場合）であって、以下「逆圧作用状態」という）においても所定のシール機能が発揮されるように、二次シール用Ｏリングの装填構造に次のような逆圧対策構造となしている。すなわち、二次シール用Ｏリングの装填構造を、正常運転状態では当該二次シール面間から低圧流体領域への二次シール用Ｏリングの飛び出しが前記他方の部材の二次シール面に突設した環状の第１係止部で阻止され、逆圧作用状態では当該二次シール面間から高圧流体領域への二次シール用Ｏリングの飛び出しが保持環の二次シール面に突設した環状の第２係止部で阻止されるように構成している（特許文献１の図１、特許文献２の図６及び特許文献３の図４を参照）。

例えば、特許文献１の図１に開示されたメカニカルシール（以下「第１従来シール」という）又は特許文献２の図６に開示されたメカニカルシール（タンデムシールを構成する各メカニカルシールであり、以下「第２従来シール」という）は、固定密封環を回転軸（前記一方の部材）に固定し、保持環をシールケース（前記他の部材）に内嵌保持し、可動密封環と保持環とを、これらの間がクリアランス用Ｏリングを介して非接触状態に保持されるように連結したものであって、固定密封環の密封端面に形成した動圧発生溝により密封端面間に動圧を発生させることにより、両密封端面を非接触状態に保持しつつ高圧流体領域と低圧流体領域との間をシールするように構成された動圧形の非接触形メカニカルシールであるが、第１係止部をシールケース（前記他の部材）側に設けると共に第２係止部を保持環側に設けておくと、正常運転状態及び逆圧作用状態の何れにおいても、流体圧力により保持環にこれを可動密封環へと押圧する推力が作用するように構成することができるため、両流体領域の圧力関係に拘わらず可動密封環と保持環とを適正な連結状態に保持して良好なシール機能を発揮させうる（例えば、特許文献１の図３，図４又は特許文献２の図５を参照）。なお、第１及び第２係止部を共にシールケース側に設けた場合には、正常運転状態において上記推力が発生するような構成とすると、逆圧作用状態においては上記推力と逆方向の推力が作用することになり、可動密封環と保持環との間が開いて両者を適正な連結状態に保持できず、シール機能が損なわれる虞れがある（例えば、特許文献１の図７，図８又は特許文献２の図４を参照）。

また、特許文献３の図４に開示されたメカニカルシール（以下「第３従来シール」という）は、固定密封環をシールケース（前記一方の部材）に固定し、保持環を回転軸（前記他方の部材）に外嵌保持し、可動密封環と保持環とを嵌合密着させて連結したものであって、両密封端面の相対回転摺接作用により高圧流体領域と低圧流体領域との間を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であるが、第１係止部を回転軸（前記他方の部材）側に設けると共に第２係止部を保持環側に設けておくと、正常運転時及び逆圧作用時の何れにおいても、流体圧力により保持環つまり可動密封環にこれを固定密封環に近接する方向に押圧する推力が作用するように構成することができるため、正常運転状態及び逆転作用状態の何れにおいても両密封端面を適正な接触状態に保持して良好なシール機能を発揮させうる（例えば、特許文献１の図３，図４又は特許文献２の図５を参照）。なお、第１及び第２係止部を共にシールケース側に設けた場合には、正常運転状態において上記推力が発生するような構成とすると、逆圧作用状態では上記推力と逆方向の推力が作用することになり、両密封端面が適性に接触せずシール機能が損なわれる虞れがある（例えば、特許文献１の図７，図８又は特許文献２の図４を参照）。

特開平８−３３４１７５号公報 特開２００６−３１６８５５公報 実開昭５９−１５３７６７号公報

ところで、第１〜第３従来シールのように、第２係止部を保持環側に設けると共に第１係止部を保持環を嵌合保持する部材（シールケース又は回転軸）側に設けて、両流体領域の圧力関係が正常運転状態と逆圧作用状態との間で変動した場合にも良好なシール機能を発揮することができるように工夫したメカニカルシールにあって、かかる逆圧対策構造が良好に機能するためには、正常運転状態から逆圧作用状態に変化した場合又は逆圧作用状態から正常運転状態に復帰した場合にこの圧力変化に応じて二次シール用Ｏリングが次のように作動（移動）されることが必要である。すなわち、二次シール用Ｏリングは、正常運転状態においては高圧流体領域の流体圧力（正確には、低圧流体領域の流体圧力との差圧）により第１係止部に押し付けられているが、圧力関係が逆転して逆圧作用状態に変化すると、低圧流体領域の流体圧力（正確には、低圧流体領域の流体圧力との差圧）により第１係止部から離間する方向に移動されて第２係止部に押し付けられ、更に正常運転状態に復帰すると、流体圧力により第２係止部から離間する方向に移動されて第１係止部に押し付けられるように作動することが必要である。

しかし、正常運転状態又は逆圧作用状態においては二次シール用Ｏリングが一方の係止部（第１又は第２係止部）や二次シール面に強く押し付けられた状態にあるため、シール条件によっては、例えば高温条件下や高圧条件下では、二次シール用Ｏリングが当該係止部に固着されている虞れがある。また、二次シール用Ｏリングの装填構造上、その圧力変化時における受圧面積は極めて小さい。すなわち、正常運転状態においては二次シール用Ｏリングの内径部分が第１係止部から低圧流体領域に僅かに露出しているにすぎず（当該Ｏリングの低圧流体領域側の面はその大部分が第１係止部に接着，隠蔽されている）、また逆圧作用状態においては二次シール用Ｏリングの外径部分が第２係止部から高圧流体領域に僅かに露出しているにすぎない（当該Ｏリングの高圧流体領域側の面はその大部分が第２係止部に接着，隠蔽されている）。

したがって、逆圧作用状態に変化した場合又は正常運転状態に復帰した場合に、上記した固着や受圧面積の僅少によって二次シール用Ｏリングが適正に移動しなかったり（作動不良）、移動が圧力関係の変化に即応して迅速に行われない（作動遅延）ことがあり、上記した逆圧対策構造が十分に機能されない虞れがあった。

本発明は、二次シール用Ｏリングの装填構造を逆圧対策構造としたメカニカルシールにおける上記した問題を解決して、当該逆圧対策構造が十分に機能されるように工夫したメカニカルシールを提供すると共に、かかるメカニカルシールを使用したタンデム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、回転軸に固定保持された固定密封環と、回転軸が洞貫するシールケースに二次シール用Ｏリングを介して軸線方向に移動可能に嵌合保持された保持環と、保持環の先端部に連結されており、保持環を介して固定密封環へと押圧附勢された可動密封環とを具備して、両密封環の対向端面である密封端面の相対回転により、当該相対回転部分の外周側領域である高圧流体領域とその内周側領域である低圧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、二次シール用Ｏリングが、保持環とこれを嵌合保持するシールケースとの対向周面で形成される二次シール面間に流体圧により軸線方向に移動される状態で装填されていて、両密封流体領域の圧力関係が正常である場合には当該二次シール面間から低圧流体領域への当該Ｏリングの飛び出しがシールケースの二次シール面に突設した環状の第１係止部で阻止されると共に当該圧力関係が逆転する場合には当該二次シール面間から高圧流体領域への当該Ｏリングの飛び出しが保持環の二次シール面に突設した環状の第２係止部で阻止されるように構成してある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、第１係止部にそのＯリング係止面に開口し且つ当該第１係止部を回転軸と平行する方向に低圧流体領域へと直線状に貫通する複数の第１流体導入孔を形成すると共に、第２係止部にそのＯリング係止面に開口し且つ当該第２係止部を回転軸と平行する方向に高圧流体領域へと直線状に貫通する複数の第２流体導入孔を形成しておくことを提案するものである。第１及び第２流体導入孔は第１及び第２係止部のＯリング係止面においてその周方向に等間隔を隔てて並列状に開口されていることが好ましい。

本発明は、好ましい実施の形態にあって、特許文献１の図１に開示される如き非接触形メカニカルシールに適用される。すなわち、可動密封環が保持環にクリアランス用Ｏリングを介して非接触状態で連結されており、両密封端面を、その一方に形成された動圧発生溝により発生させた動圧により非接触状態に保持しつつ、前記高圧流体領域と低圧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適用される。かかる非接触形メカニカルシールは、特許文献２の図６に開示される如きタンデムシールを構成する機内側メカニカルシール及び機外側メカニカルシールの一方又は両方として使用することができる。また、本発明は、上記した非接触形メカニカルシール又はこれを使用するタンデムシールの他、特許文献３の第４図に開示される如き端面接触形メカニカルシールに適用することも可能である。

本発明のメカニカルシールにあっては、第１係止部にそのＯリング係止面に開口し且つ低圧流体領域へと貫通する複数の第１流体導入孔を形成してあるから、両流体領域の圧力関係が正常運転状態から逆圧作用状態に変化した場合、第１係止部に接着している二次シール用Ｏリングはその接着部分に第１流体導入孔から流体圧力が導入されることから、当該Ｏリングが第１係止部のＯリング係止面や二次シール面に接着，固着されているときにも、当該流体圧力によって第１係止部から離間する方向に確実に移動され且つその移動も逆圧作用状態への変化に即応して迅速に行われる。また、第２係止部にそのＯリング係止面に開口し且つ高圧流体領域へと貫通する複数の第２流体導入孔を形成してあるから、両流体領域の圧力関係が逆圧作用状態から正常運転状態に復帰した場合、第２係止部に接着している二次シール用Ｏリングはその接着部分に第２流体導入孔から流体圧力が導入されることから、当該Ｏリングが第２係止部のＯリング係止面や二次シール面に接着，固着されているときにも、当該流体圧力によって第２係止部から離間する方向に確実に移動され且つその移動も正常運転状態への復帰に即応して迅速に行われる。したがって、本発明によれば、冒頭で述べた逆圧対策構造を良好且つ十分に機能させることができ、両流体領域の圧力関係が逆転するようなシール条件下においても良好なシール機能を発揮するメカニカルシールを提供することができる。

図１は本発明に係るメカニカルシールの一例を示したもので、当該メカニカルシールの上半部分を示す半截の縦断側面図である。 図２は当該メカニカルシールの下半部分を示す半截の縦断側面図である。 図３は図１の要部を拡大して示す縦断側面図である。 図４は図３と異なる圧力状態を示す図３相当の縦断側面図である。 図５は図１の要部であって図３と異なる部分を拡大して示す縦断側面図である。 図６は図５と異なる圧力状態を示す図５相当の縦断側面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図１〜図６に基づいて具体的に説明する。図１は本発明に係るメカニカルシールの一例を示したもので、当該メカニカルシールを使用するタンデムシールの上半部分を示す半截の縦断側面図であり、図２は当該タンデムシールの下半部分を示す半截の縦断側面図であり、図３は図１の要部（一次メカニカルシール）を拡大して示す縦断側面図であり、図４は図３と異なる圧力状態を示す図３相当の縦断側面図であり、図５は図１の要部であって図３と異なる部分（二次メカニカルシール）を拡大して示す縦断側面図であり、図６は図５と異なる圧力状態を示す図５相当の縦断側面図である。

図１は高圧ガスを扱う高速回転機器（コンプレッサ、ブロワ等）の軸封手段として使用されるタンデムシールに本発明を適用した例を示したもので、このタンデムシールは、機内領域（ガス領域）Ａ０と機外領域（大気領域）Ａ４との間を軸線方向にタンデム配置した機内側の一次メカニカルシールＭ１及び機外側の二次メカニカルシールＭ２によりシールするように構成されたものであり、各メカニカルシールＭ１，Ｍ２は本発明に従って次のように構成されている。

すなわち、機内側の一次メカニカルシールＭ１は、図１及び図２に示す如く、回転機器の回転軸１に固定された回転密封環２と、回転軸１が洞貫するシールケース３に軸線方向移動可能に嵌合保持された保持環４と、スプリング部材５（図１参照）により保持環４を介して回転密封環２へと押圧附勢された静止密封環６とを具備して、両密封環２，６の対向端面である密封端面２ａ，６ａをその間に発生させた動圧により非接触状態に保持した状態で相対回転させることにより、密封端面２ａ，６ａの外周側領域である高圧流体領域（以下「第１流体領域」という）Ａ１とその内周側領域である低圧流体領域（以下「第２流体領域」）Ａ２とをシールするように構成された動圧形の非接触形メカニカルシールである。なお、第１流体領域Ａ１は、図１及び図２に示す如く、当該回転機器内の領域である機内領域Ａ０に連通しており、両領域Ａ０，Ａ１間はシールケース３の一端部に設けたラビリンスシール３ａによって区画されている。

機外側の二次メカニカルシールＭ２は、図１及び図２に示す如く、一次メカニカルシールＭ１と同一構造をなすものであって、一次メカニカルシールＭ１とは軸線方向における向きを同一とした形態で配置（タンデム配置）されており、回転軸１に固定された回転密封環７と、シールケース３に軸線方向移動可能に嵌合保持された保持環８と、スプリング部材９（図２参照）により保持環８を介して回転密封環７へと押圧附勢された静止密封環１０とを具備して、両密封環７，１０の対向端面である密封端面７ａ，１０ａを非接触状態で相対回転させることにより、密封端面７ａ，１０ａの外周側領域である高圧流体領域Ａ２とその内周側領域である低圧流体領域Ａ３とをシールするように構成された動圧形の非接触形メカニカルシールである。なお、密封端面７ａ，１０ａの外周側領域である高圧流体領域Ａ２は、両メカニカルシールＭ１，Ｍ２間に形成される領域であって一次メカニカルシールＭ１の密封端面２ａ，６ａの内周側領域である第２流体領域Ａ２であるから、以下、両者を区別することなく「第２流体領域Ａ２」という。また、密封端面７ａ，１０ａの内周側領域である低圧流体領域（以下「第３流体領域」という）Ａ３は、図１及び図２に示す如く、当該回転機器外の領域である機外領域（大気領域）Ａ４に連通しており、両領域Ａ３，Ａ４間はシールケース３の他端部に設けた一対のラビリンスシール３ｂ，３ｃによって区画されている。

各回転密封環２，７はＷＣ，ＳｉＣ等の超硬質材で構成されたもので、図３及び図５に示す如く、密封端面２ａ，７ａにはスパイラル状等の適宜形状をなす動圧発生溝２ｂ，７ｂが形成されている。この動圧発生溝２ｂ，７ｂの作用により、両密封環２，６又は７，１０の相対回転に伴い動圧を発生せしめて、密封端面２ａ，６ａ間又は７ａ，１０ａ間を非接触状態に保持する。

シールケース３は、図３及び図５に示す如く、内周部に、ラビリンスシール３ａ，３ｂ間に配して、第１リテーナ３ｄ，３ｅ及び第２リテーナ３ｆ，３ｇを形成したものであり、当該回転機器のハウジングに取り付けられている。各リテーナは、図３又は図５に示す如く、回転軸１と同心をなす円筒状のガイド部３ｄ，３ｆ及び保持部３ｅ，３ｇからなり、保持部３ｅ，３ｇの内径はガイド部３ｄ，３ｆより小さく設定されている。シールケース３には、図１に示す如く、バッファガスＧ１の給排気路３ｈ，３ｉ及びパージガスＧ２の給排気路３ｊ，３ｋが設けられていて、各ガスＧ１，Ｇ２の給排気量を制御することにより、第１流体領域Ａ１、第２流体領域Ａ２及び第３流体領域Ａ３をその順に漸次減圧されるように所定圧に保持するようになっている。すなわち、第１流体領域Ａ１は、給気路３ｈからバッファガス（機内領域Ａ０に漏洩して支障のないガスであって、一般に窒素ガスが使用される）Ｇ１を供給，制御することによって、機内領域Ａ０の圧力に応じた所定圧のガス領域に保持される。第２流体領域Ａ２においては一次メカニカルシールＭ１の密封端面２ａ，６ａから漏洩したバッファガスを排気路３ｉから排出させるようになっており、その排出量を制御することにより、正常運転状態では第２流体領域Ａ２が第１流体領域Ａ１より低圧に保持される。第３流体領域Ａ３においては、給気路３ｊからラビリンス３ｂ，３ｃ間に供給されたパージガスＧ２（大気領域Ａ４に漏洩して支障のないガスであって、一般に窒素ガスが使用される）の一部が導入され（残部は機外領域Ａ４に放出される）、これが二次メカニカルシールＭ２の密封端面７ａ，１０ａからの漏洩ガスを同伴して排気路３ｋから排出されるようになっており、その給排気量を制御することにより、正常運転状態では第３流体領域Ａ３を第２流体領域Ａ２より低圧に保持する。

各保持環４，８はＳＵＳ３０４，Ｔｉ等の金属材で構成されたもので、図３又は図５に示す如く、被保持部４ａ，８ａとこれより大径の円環状の押圧部４ｂ，８ｂとを備えた断面Ｌ字形状の円筒体に構成されている。各保持環４，８は、図３又は図５に示す如く、被保持部４ａ，８ａをシールケース３の保持部３ｅ，３ｇに非圧縮性の弾性材製（ゴム等）の二次シール用Ｏリング１１，１２を介して挿通保持させることによって、シールケース３の内周部にこれとの間を二次シールさせた状態で軸線方向移動可能に内嵌保持されている。

各二次シール用Ｏリング１１，１２は、図３〜図６に示す如く、シールケース３と保持環４，８との対向周面で形成される二次シール面３ｍ，４ｃ間又は３ｎ，８ｃ間（シールケース３の保持部３ｅ，３ｇの内周面３ｍ，３ｎとこれに対向する保持環４，８の被保持部４ａ，８ａの外周面４ｃ，８ｃとの間）の環状空間であるＯリング装填空間１１ａ，１２ａに装填されていて、保持環４，８をシールケース３にシール（二次シール）された状態で軸線方向移動可能に嵌合保持する。

而して、各二次シール用Ｏリング１１，１２は、Ｏリング装填空間１１ａ，１２ａに作用する流体圧力によって軸線方向に変位可能であり、流体領域Ｏリング装填空間１１ａ，１２ａ外への飛び出しを次のような逆圧対策構造によって阻止されている。

すなわち、一次メカニカルシールＭ１の逆圧対策構造にあっては、二次シール用Ｏリング１１が、第１流体領域Ａ１が第２流体領域Ａ２より高圧である正常運転状態においては、図３に示す如く、Ｏリング装填空間１１ａから第２流体領域Ａ２への飛び出しをシールケース３側の二次シール面３ｍに突設した環状の第１係止部３ｐで阻止されると共に、両流体領域Ａ１，Ａ２の圧力関係が逆転して第２流体領域Ａ２が第１流体領域Ａ１より高圧となる逆圧作用状態においては、図４に示す如く、保持環４側の二次シール面４ｃに突設した環状の第２係止部４ｄで阻止されるように構成してある。なお、両係止部３ｐ，４ｄの高さは、その対向端面であるＯリング係止面が二次シール用Ｏリング１１のＯリング装填空間１１ａからの飛び出しを確実に阻止（係止）できる大きさとなるように設定されている。すなわち、第１係止部３ｐの高さについては、図３に示す如く、これが保持環４の二次シール面４ｃに干渉しない範囲で、その内径が少なくともＯリング装填空間１１ａに装填された状態の二次シールＯリング１１の中心径よりも小さくなるように設定されている。また、第２係止部４ｄの高さについては、図４に示す如く、これがシールケース３の二次シール面３ｍに干渉しない範囲で、その外径が少なくともＯリング装填空間１１ａに装填された状態の二次シールＯリング１１の中心径よりも大きくなるように設定されている。

そして、第１係止部３ｐには、図３に示す如く、正常運転状態において二次シール用Ｏリング１１を受け止めるＯリング係止面に開口し且つ第２流体領域Ａ２へと貫通する複数の第１流体導入孔３ｒ（１個のみ図示）が形成されている。また、第二係止部４ｄには、図４に示す如く、逆圧作用状態において二次シール用Ｏリング１１を受け止めるＯリング係止面に開口し且つ第１流体領域Ａ１へと貫通する複数の第２流体導入孔４ｅ（１個のみ図示）が形成されている。この例では、各流体導入孔３ｒ，４ｅが、係止部３ｐ，４ｄを回転軸１に平行する方向に直線状に貫通する貫通孔とされており、且つ当該Ｏリング係止面においてその周方向に等間隔を隔てて並列するように開口されている。

また、二次メカニカルシールＭ２の逆圧対策構造にあっては、二次シール用Ｏリング１２が、第２流体領域Ａ２が第３流体領域Ａ３より高圧である正常運転状態においては、図５に示す如く、Ｏリング装填空間１２ａから第３流体領域Ａ３への飛び出しをシールケース３側の二次シール面３ｎに突設した環状の第１係止部３ｑで阻止されると共に、両流体領域Ａ２，Ａ３の圧力関係が逆転して第３流体領域Ａ３が第２流体領域Ａ２より高圧となる逆圧作用状態においては、図６に示す如く、保持環４側の二次シール面８ｃに突設した環状の第２係止部８ｄで阻止されるように構成してある。なお、両係止部３ｑ，８ｄの高さは、その対向端面であるＯリング係止面が二次シール用Ｏリング１２のＯリング装填空間１２ａからの飛び出しを確実に阻止（係止）できる大きさとなるように設定されている。すなわち、第１係止部３ｑの高さについては、図５に示す如く、これが保持環８の二次シール面８ｃに干渉しない範囲で、その内径が少なくともＯリング装填空間１２ａに装填された状態の二次シールＯリング１２の中心径よりも小さくなるように設定されている。また、第２係止部８ｄの高さについては、図６に示す如く、これがシールケース３の二次シール面３ｎに干渉しない範囲で、その外径が少なくともＯリング装填空間１２ａに装填された状態の二次シールＯリング１２の中心径よりも大きくなるように設定されている。

そして、第１係止部３ｑには、図５に示す如く、正常運転状態において二次シール用Ｏリング１２を受け止めるＯリング係止面に開口し且つ第３流体領域Ａ３へと貫通する複数の第１流体導入孔３ｓ（１個のみ図示）が形成されている。また、第二係止部４ｄには、図６に示す如く、逆圧作用状態において二次シール用Ｏリング１２を受け止めるＯリング係止面に開口し且つ第２流体領域Ａ２へと貫通する複数の第２流体導入孔８ｅ（１個のみ図示）が形成されている。この例では、各流体導入孔３ｓ，８ｅが、係止部３ｑ，８ｄを回転軸１に平行する方向に直線状に貫通する貫通孔とされており、且つ当該Ｏリング係止面においてその周方向に等間隔を隔てて並列するように開口されている。

各スプリング５，９は、図１又は図２に示す如く、シールケース３と保持環４，８との間に介装されており、可動密封環６，１０を保持環４，８を介して回転密封環３へと押圧附勢する。

各可動密封環６，１０は回転密封環２，７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３又は図５に示す如く、固定密封環２，７と保持環４，８との間に配して、シールケース３のガイド部３ｄ，３ｆ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。すなわち、各可動密封環６，１０は、図３又は図５に示す如く、例えばＪＩＳ−Ｂ０４０１にいうすき間ばめ程度の寸法公差をもってガイド部３ｄ，３ｆに嵌合させることによって、ガイド部３ｄ，３ｆの内周部との間に、可動密封環６，１０の径方向変位を可及的に阻止するも、その軸線方向移動並びに流体の通過を許容する、極く微小な隙間が形成されるように構成されている。

各可動密封環６，１０は、図３又は図５に示す如く、非圧縮性の弾性材製（ゴム等）のクリアランス用Ｏリング１３，１４を介した非接触状態で保持環４，８に連結されている。すなわち、各保持環４，８の押圧部４ｂ，８ｂにこれと同心のアリ溝状の環状溝４ｆ，８ｆを形成し、この環状溝４ｆ，８ｆにクリアランス用Ｏリング１３，１４を若干突出させた状態で嵌合保持させることによって、図３又は図５に示す如く、保持環４，８と可動密封環６，１０とを、その対向端面間を微小なクリアランスを有したシール状態（二次シール状態）で連結している。各可動密封環６，１０は、図１又は図２に示す如く、これに保持環４，８の押圧部４ｂ，８ｂに植設せる回り止めピン１５ａ，１５ｂを突入係合させておくことにより、保持環４，８に対して相対回転不能とされている。また、各保持環４，８は、図１又は図２に示す如く、その押圧部４ｂ，８ｂに植設せる回り止めピン１６ａ，１６ｂをシールケース３に突入係合させておくことにより、シールケース３に対して相対回転不能とされている。なお、クリアランス用Ｏリング１３，１４によるシール箇所の径Ｄ３は、二次シール用Ｏリング１１，１２の内周部によるシール個所の径（保持環４，８側の二次シール面４ｃ，８ｃの径）Ｄ１及びその外周部によるシール個所の径（シールケース３側の二次シール面３ｍ，３ｎの径）Ｄ２との関係において、Ｄ１≦Ｄ３≦Ｄ２となるように設定されている。具体的には、特許文献１に開示される如く、クリアランス用Ｏリング１３，１４を嵌合保持する環状溝４ｆ，８ｆの内径ｄ１及び外径ｄ２がＤ１≦ｄ１，Ｄ２≧ｄ２となるように設定してある。

以上のように構成されたタンデムシールの各メカニカルシールＭ１，Ｍ２にあっては、密封端面２ａ，６ａ又は７ａ，１０ａの外周側流体領域である被密封流体領域（一次メカニカルシールＭ１にあっては第１流体領域Ａ１であり、二次メカニカルシールＭ２にあっては第２流体領域Ａ２である）がその内周側領域である非密封流体領域（一次メカニカルシールＭ１にあっては第２流体領域Ａ２であり、二次メカニカルシールＭ２にあっては第３流体領域Ａ３である）より高圧に保持されている正常運転状態では、図３又は図５に示す如く、二次シール用Ｏリング１１，１２は第１係止部３ｐ，３ｑに押し付けられている。そして、バファガスＧ１又はパージガスＧ２の給排気量制御にトラブルが生じる等により、被密封流体領域が非密封流体領域より低圧となる逆圧作用状態に変化すると、図３又は図５に矢印で示す如く、二次シール用Ｏリング１１，１２と第１係止部３ｐ，３ｑとの接触部分に第１流体導入孔３ｒ，３ｓから非密封流体領域の流体が導入されて、その圧力により二次シール用Ｏリング１１，１２が第１係止部３ｐ，３ｑから離間する方向に押圧移動され、図４又は図５に示す如く、第２係止部４ｄ，８ｄに押し付けられる。このとき、流体が第１流体導入孔３ｒ，３ｓから二次シール用Ｏリング１１，１２と第１係止部３ｐ，３ｑとの接触部分に導入され、その流体圧力が二次シール用Ｏリング１１，１２に直接作用し、しかも当該Ｏリング１１，１２の全周に亘って作用することから、冒頭で述べた如く第１係止部３ｐ，３ｑのＯリング係合面や二次シール面３ｍ，３ｎ，４ｃ，８ｃに強く接着，固着されている場合にも、確実に第２係止部４ｄ，８ｄ方向に移動され、その移動も迅速に行われる。

また、かかる逆圧作用状態から正常運転状態に復帰すると、図４又は図６に矢印で示す如く、二次シール用Ｏリング１１，１２と第２係止部４ｄ，８ｄとの接触部分に第２流体導入孔４ｅ，８ｅから被密封流体領域の流体が導入されることから、逆作用状態に変化した場合と同様に、当該Ｏリング１１，１２は確実且つ迅速に第１係止部３ｐ，３ｑ方向に移動されることになる。

このように、二次シール用Ｏリング１１，１２は、Ｏリングが作動不良，作動遅延を生じ易い高温，高圧等の条件下においても、被密封流体領域と非密封流体領域との圧力関係の逆転，復帰に即応して確実且つ迅速に作動されることから、逆圧対策構造を十分に機能させることができる。すなわち、各メカニカルシールＭ１，Ｍ２において、特許文献１の段落番号［００３５］〜［００４２］に記載される如く、正常運転状態及び逆圧作用状態の何れにおいても良好なシール機能が発揮される。

なお、本発明に係るメカニカルシール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。例えば、本発明は、可動密封環６，１０をクリアランス用Ｏリング１３，１４を介して非接触状態で保持環４，８に連結させるように構成した上記メカニカルシールＭ１，Ｍ２の如き動圧形の非接触形メカニカルシールの他、可動密封環を保持環に固着するようにした第３従来シールのような端面接触形メカニカルシールを含めて、二次シール用Ｏリングが圧力変化に応じて移動するように構成されたメカニカルシールに例外なく適用することが可能である。

１ 回転軸
２ 固定密封環
２ａ 固定密封環の密封端面（可動密封環との対向端面）
３ シールケース
３ｍ 二次シール面
３ｎ 二次シール面
３ｐ 第１係止部
３ｑ 第１係止部
３ｒ 第１流体導入孔
３ｓ 第１流体導入孔
４ 保持環
４ｃ 二次シール面
４ｄ 第２係止部
４ｅ 第２流体導入孔
５ スプリング
６ 可動密封環
６ａ 可動密封環の密封端面（固定密封環との対向端面）
７ 固定密封環
７ａ 固定密封環の密封端面（可動密封環との対向端面）
８ 保持環
８ｃ 二次シール面
８ｄ 第２係止部
８ｅ 第２流体導入孔
９ スプリング
１０ 可動密封環
１０ａ 可動密封環の密封端面（固定密封環との対向端面）
１１ 二次シール用Ｏリング
１２ 二次シール用Ｏリング
１３ クリアランス用Ｏリング
１４ クリアランス用Ｏリング
Ａ１ 第１流体領域（一次メカニカルシールにおける高圧流体領域）
Ａ２ 第２流体領域（一次メカニカルシールにおける低圧流体領域，二次メカニカルシールにおける高圧流体領域）
Ａ３ 第３流体領域（二次メカニカルシールにおける低圧流体領域）
Ｍ１ 一次メカニカルシール
Ｍ２ 二次メカニカルシール

Claims (3)

1. 回転軸に固定保持された固定密封環と、回転軸が洞貫するシールケースに二次シール用Ｏリングを介して軸線方向に移動可能に嵌合保持された保持環と、保持環の先端部に連結されており、保持環を介して固定密封環へと押圧附勢された可動密封環とを具備して、両密封環の対向端面である密封端面の相対回転により、当該相対回転部分の外周側領域である高圧流体領域とその内周側領域である低圧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、二次シール用Ｏリングが、保持環とこれを嵌合保持するシールケースとの対向周面で形成される二次シール面間に流体圧により軸線方向に移動される状態で装填されていて、両密封流体領域の圧力関係が正常である場合には当該二次シール面間から低圧流体領域への当該Ｏリングの飛び出しがシールケースの二次シール面に突設した環状の第１係止部で阻止されると共に当該圧力関係が逆転する場合には当該二次シール面間から高圧流体領域への当該Ｏリングの飛び出しが保持環の二次シール面に突設した環状の第２係止部で阻止されるように構成してあるメカニカルシールにおいて、
   第１係止部にそのＯリング係止面に開口し且つ当該第１係止部を回転軸と平行する方向に低圧流体領域へと直線状に貫通する複数の第１流体導入孔を形成すると共に、第２係止部にそのＯリング係止面に開口し且つ当該第２係止部を回転軸と平行する方向に高圧流体領域へと直線状に貫通する複数の第２流体導入孔を形成してあることを特徴とするメカニカルシール。
2. 可動密封環が保持環にクリアランス用Ｏリングを介して非接触状態で連結されており、両密封端面を、その一方に形成された動圧発生溝により発生させた動圧により非接触状態に保持しつつ、前記高圧流体領域と低圧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であることを特徴とする、請求項１に記載するメカニカルシール。
3. タンデムシールを構成する機内側の一次メカニカルシール及び機外側の二次メカニカルシールの一方又は両方として使用されるものであることを特徴とする、請求項２に記載するメカニカルシール。