JP5695531B2 - 端面接触形メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置，攪拌機，医療用機器，食品用機器等の各種回転機器に軸封手段として装備されるものであり、２つの密封環の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の内周側領域である第１流体領域と外周側領域である第２流体領域とを一次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って、特に、両流体領域の圧力関係が逆転する条件下において使用される端面接触形メカニカルシールに関するものである。

端面接触形メカニカルシールは、シールケース（又は回転軸）にＯリングを介して軸線方向移動可能に保持された可動密封環と回転軸（又はシールケース）に固定された固定密封環と、可動密封環を固定密封環へと押圧附勢するスプリング部材とを具備して、両密封環の対向端面である密封端面の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の内周側領域である第１流体領域とその外周側領域である第２流体領域とを一次シールするように構成されたものであり、例えば、特許文献１に開示されたもの（以下「第１従来シール」という）及び特許文献２に開示されたもの（以下「第２従来シール」という）が周知である。これらは、何れも、可動密封環をシールケースに保持すると共に固定密封環を回転軸に固定し且つ第２流体領域を機内領域とするインサイド形のものであるが、第１従来シールでは、前記Ｏリングをシールケースの内周部に形成した環状のＯリング溝に係合させることにより機内領域及び機外領域への飛び出しを阻止するように構成しており、第２従来シールでは、前記Ｏリングの機内領域への飛び出しを可動密封環に形成した係止面で阻止すると共に当該Ｏリングの機外領域への飛び出しをシールケースに形成した係止面で阻止するように構成している。

特開２００６−２５０３０６公報 特開２００５−０４８８１８公報

而して、第１従来シールは、機内領域（第２流体領域）が機外領域（第１流体領域）より高圧である正常運転時（正圧状態で運転することを正常運転とする）には、両領域の差圧により可動密封環にこれを固定密封環へと押圧する軸線方向推力が作用して、これとスプリング部材による附勢力とによって可動密封環に作用する閉力（可動密封環を固定密封環へと押圧する軸線方向推力）と密封端面間に作用する開力（機内領域の圧力によって可動密封環を固定密封環から離間させる方向へと作用する軸線方向推力）とがバランスして両密封端面の接触圧（シール面圧）が適正となり（両密封端面が適正圧で相対回転摺接し）、これにより所定のシール機能が発揮されるものである。

しかし、第１従来シールは、機内領域と機外領域との圧力関係が逆転する逆圧運転時（例えば、機外領域が大気領域である場合において機内領域が負圧となるような場合）には、上記差圧による軸線方向推力が不足するため、適正なシール面圧が得られず、シール機能が良好に発揮されない虞れがある。

一方、第２従来シールは、正常運転時においては勿論、逆圧運転時においても、上記差圧による軸線方向推力が可動密封環に作用する逆圧対策構造をとっている。すなわち、正常運転時においては、両流体領域の差圧により前記Ｏリングがシールケースに形成された係止面に係止されて、第１従来シールと同様に、可動密封環にはこれを固定密封環へと押圧する軸線方向推力が作用する。また、逆圧運転時においては、両領域の差圧により前記Ｏリングが可動密封環に形成された係止面に係止されて、可動密封環に正常運転時と同様の軸線方向推力が作用することになる。

したがって、両領域の圧力関係が逆転するような条件下において使用される端面接触形メカニカルシールとしては、一般に、第１従来シールを採用せず、第２従来シールが実用されている。

ところで、端面接触形メカニカルシールにあっては、高圧条件下（両領域の差圧が大きい条件下）においても良好なシール機能が発揮されるためにはバランス比が０．６〜０．９となるように設計されるが、上記したような逆圧対策構造をとる第２従来シールにおいては、一般に、正常運転時のバランス比が０．７５程度となるように設計されている。なお、この点は、逆圧対策構造をとらない第１従来シールにあっても同様である。

しかし、第２従来シールでは、逆圧運転時のバランス比については特に配慮されておらず、逆圧運転時のバランス比が０．６〜０．９の範囲から逸脱しているため、逆圧運転時には適正なシール面圧が得られず、良好なシール機能を発揮できない虞れがあった。かかる虞れは、特に、逆圧運転時における両領域の差圧が大きい場合において顕著である。

このように、第１従来シールにあっては勿論、第２従来シールにあっても、逆圧運転時においては良好なシール機能を発揮することができず、特に、正常運転と逆圧運転とが交互に行われるような条件下では好適に使用することができない。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、機内領域と機外領域との圧力関係が逆転する条件下で使用される場合において、正常運転時及び逆圧運転時の何れにおいても良好なシール機能を発揮し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、シールケースに固定された固定密封環と、シールケースを洞貫する回転軸に固定されたスプリング保持環と、スプリング保持環にＯリングを介して軸線方向移動可能に保持された可動密封環と、スプリング保持環と可動密封環との間に介装されて可動密封環を固定密封環へと押圧附勢するスプリング部材とを具備して、両密封環の対向端面である密封端面の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の内周側領域である第１流体領域とその外周側領域である第２流体領域とを一次シールするように構成されており、両流体領域の圧力関係が逆転する条件下で使用される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、
固定密封環が、先端面を軸線に直交する平滑環状面である固定密封端面に構成した断面方形の固定密封環本体と、シールケースの内周部に嵌合固定されると共に固定密封環本体をその先端部を突出させた状態で先端内周部に嵌合した固定密封環保持体とからなる回転体形状をなすものであり、
スプリング保持環が、第１保持環部分と外周面を第１保持環部分の外周面より小径の円柱面として第１保持環部分の先端部から突出する第２保持環部分と外周面を第２保持環部分の外周面より小径の円柱面として第２保持環部分の先端部から突出する第３保持環部分とからなる回転体形状に一体構成されたものであり、
可動密封環（６）が、先端面を軸線に直交する平滑環状面である可動密封端面に構成した断面方形の可動密封環本体とこれを固着する可動密封環保持体とで構成された回転体形状をなすものであり、可動密封環保持体は、可動密封環本体をその先端部を突出させた状態で先端内周部に嵌合した第１保持体部分とその基端部に連なっており内周面を第１保持体部分の内周面より大径の円柱面として前記第３保持環部分に軸線方向移動可能に嵌合保持させた第２保持体部分とその基端部に連なっており内周面を第２保持体部分の内周面より大径の円柱面として第２保持環部分に軸線方向移動可能に嵌合保持させた第３保持体部分とからなる回転体形状に一体構成されたものであり、
前記Ｏリングが、第３保持環部分の外周面である第１シール面と第３保持体部分の内周面である第２シール面との間に、当該両シール面間を二次シールすべく、第１流体領域が第２流体領域より高圧となる場合において第２及び第３保持環部分の外周面間を連結する環状面である第１係止面に衝合係止されると共に第２流体領域が第１流体領域より高圧となる場合において第２及び第３保持体部分の内周面間を連結する環状面である第２係止面に衝合係止される状態で軸線方向相対移動可能に装填されており、
両密封端面（２１ａ，６１ａ）の相対回転摺接部分の内径Ｄ１及び外径Ｄ２と第１シール面の径ｄ１及び第２シール面の径ｄ２との間に、
（１）ｄ１＜Ｄ２
（２）ｄ２＞Ｄ１
（３）０．１５≦（ｄ２−ｄ１）／（Ｄ２−Ｄ１）≦０．８５
（４）０．９５≦（ｄ１＋ｄ２）／（Ｄ１＋Ｄ２）≦１．０５
の関係を有して、第１流体領域が第２流体領域より高圧である場合及び第２流体領域が第１流体領域より高圧である場合の何れにおいてもバランス比が０．６〜０．９となるように構成しておくことを提案するものである。

ところで、Ｏリングが装填される環状空間（両シール面と両係止面とで囲繞される環状空間であって、以下「装填空間」という）の径方向幅（以下「装填空間幅」という）Ｓは両シール面の径方向間隔であり、Ｓ＝（ｄ２−ｄ１）／２で与えられる。また、両密封端面の相対回転摺接部分（以下「シール端面」という）の径方向幅（以下「シール端面幅」という）Ｗはシール端面の内外径Ｄ１，Ｄ２により与えられ、Ｗ＝（Ｄ２−Ｄ１）／２となる。したがって、（３）式は０．１５≦Ｓ／Ｗ≦０．８５と置き換えることができ、装填空間幅Ｓをシール端面幅Ｗの１５〜８５％としておくことを意味するものである。なお、可動密封端面と固定密封端面との径方向寸法関係は適宜に変更することができ、例えば可動密封端面の内径を固定密封端面の内径より小径とし且つ可動密封端面の外径を固定密封端面の外径より大径とすることも、逆に可動密封端面の内径を固定密封端面の内径より大径とし且つ可動密封端面の外径を固定密封端面の外径より小径とすることも可能であり、シール端面の内外径Ｄ１，Ｄ２は、前者の場合には固定密封端面の内外径となり、後者の場合には可動密封端面の内外径となる。

また、装填空間の平均径ｄｍは両シール面径の平均値であり、ｄｍ＝（ｄ１＋ｄ２）／２で与えられる。さらに、シール端面の平均径ＤｍはＤｍ＝（Ｄ１＋Ｄ２）／２で与えられる。したがって、（４）式は０．９５≦ｄｍ／Ｄｍ≦１．０５と置き換えることができ、装填空間平均径ｄｍをシール端面平均径Ｄｍの９５〜１０５％としておくことを意味する。

また、本発明の端面接触形メカニカルシールにあっては、第１流体領域が第２流体領域より高圧である場合におけるバランス比κ１はκ１＝（（ｄ２）²−（Ｄ１）²）／（（Ｄ２）²−（Ｄ１）²）で与えられ、第２流体領域が第１流体領域より高圧である場合におけるバランス比κ２はκ２＝（（Ｄ２）²−（ｄ１）²）／（（Ｄ２）²−（Ｄ１）²）で与えられ、０．６≦κ１≦０．９及び０．６≦κ２≦０．９となるように構成されるが、（３）式（０．１５≦Ｓ／Ｗ≦０．８５）及び（４）式（０．９５≦Ｓ／Ｗ≦１．０５）の両方又は何れか一方が満足されないときは、両バランス比κ１，κ２が０．６〜０．９となるように構成することは困難である。

本発明の端面接触形メカニカルシールは、正常運転時及び逆圧運転時の何れの場合にもバランス比が０．６〜０．９となるように構成されたものであるから、正常運転時においては勿論、逆圧作用時においても適正なシール面圧を得ることができ、良好なシール機能を発揮することができるものである。また、本発明の端面接触形メカニカルシールは、大幅な設計変更を必要とすることなく、第１流体領域を機内領域とするアウトサイド形及び第２流体領域を機内領域とするインサイド形の何れの形式をとる場合にも好適に適用することができる。したがって、本発明によれば、メカニカルシール形式（アウトサイド形又はインサイド形）に係わらず、正常運転と逆圧運転とが交互に行われるような特殊な条件下で使用する場合も含めて、第１流体領域と第２流体領域との圧力関係が逆転する条件下で使用する場合にも常に良好なシール機能を発揮することができ、広範な用途に好適に使用することができる極めて実用的な端面接触形メカニカルシールを提供することができる。

図１は本発明に係る端面接触形メカニカルシールの一例を示す縦断側面図である。 図２は図１の要部を拡大して示す詳細図であって、正常運転時の状態を示す。 図３は逆圧運転時の状態を示す図２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について、図面を参照して具体的に説明する。

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側面図であり、図２及び図３は図１の要部を拡大して示す詳細図であって、図２は正常運転時の状態を示し、図３は逆圧運転時の状態を示している。

図１に示す端面接触形メカニカルシールは、円筒状のシールケース１に固定された固定密封環２と、シールケース１を同心状に洞貫する回転軸３に固定されたスプリング保持環４と、スプリング保持環４にＯリング５を介して軸線方向移動可能に保持された可動密封環６と、可動密封環６を固定密封環２へと押圧附勢するスプリング部材７とを具備して、両密封環２，６の対向端面である密封端面２１ａ，６１ａの相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分（シール端面）の内周側領域である第１流体領域Ａとその外周側領域である第２流体領域Ｂとを一次シールするように構成されたものである。この例では、当該メカニカルシールを、第１流体領域Ａを機内領域とし且つ第２流体領域Ｂを機外領域（大気領域）とするアウトサイド形メカニカルシールとして使用している。

固定密封環２は、図１に示す如く、固定密封環本体２１とこれを先端内周部に嵌合する固定密封環保持体２２とからなる回転体形状をなすものである。

固定密封環本体２１は、先端面を軸線に直交する平滑環状面である固定密封端面２１ａに構成した断面方形の円環状体である。

固定密封環保持体２２は、先端内周部に環状凹部２２ａを形成した円環状体であり、シールケース１の内周部にＯリング２３，２３を介して嵌合固定されている。

而して、固定密封環本体２１は、その先端部（密封端面形成部分）を突出させた状態で、固定密封環保持体２２の環状凹部２２ａに嵌合されている。なお、固定密封環保持体２２の内周面は、固定密封環本体２１の内周面と同一径をなす先端部から基端部方向へと漸次拡径するテーパ面２２ｂに形成されている。

スプリング保持環４は、図１に示す如く、第１保持環部分４１とその先端部から固定密封環２方向に突出する第２保持環部分４２とその先端部から固定密封環２方向に突出する第３保持環部分４３とからなる回転体形状に一体構成されたものである。

各保持環部分４１，４２，４３は断面方形の円筒形状をなすものであり、これらの内周面は同一径であって回転軸３に嵌合固定されている。一方、第２保持環部分４２の外周面４２ａは第１保持環部分４１の外周面より小径とされており、第３保持環部分４３の外周面４３ａは第２保持環部分４２の外周面４２ａより小径とされている。第２保持環部分４２の外周面４２ａと第３保持環部分４３の外周面４３ａとは軸線に直交する環状平面である第１係止面４４で連結されており、第１保持環部分４１の外周面と第２保持環部分４２の外周面４２ａとは軸線に直交する環状平面で連結されている。

可動密封環６は、図１に示す如く、可動密封環本体６１とこれを先端内周部に固着する可動密封環保持体６２とで構成された回転体形状をなすものであり、可動密封環本体６１を固定密封環本体２１に直対向させた状態で固定密封環本体２１とスプリング保持環４の第１保持環部分４１との間に配置されている。

可動密封環本体６１は、先端面を軸線に直交する平滑環状面である可動密封端面６１ａに構成した断面方形の円環状体である。この例では、可動密封端面６１ａの内径は固定密封端面２１ａの内径より小径とされており、可動密封端面６１ａの外径は固定密封端面２１ａの外径より大径とされている。したがって、密封端面２１ａ，６１ａの相対回転摺接部分であるシール端面の内外径Ｄ１，Ｄ２は固定密封端面２１ａの内外径に一致し、シール端面の径方向幅であるシール面幅ＷはＷ＝（Ｄ１＋Ｄ２）／２で与えられる。

可動密封環保持体６２は、図１に示す如く、第１保持体部分６３とその基端部に連なる第２保持体部分６４とその基端部に連なる第３保持体部分６５とからなる回転体形状に一体構成されている。

第１保持体部分６３の先端内周部には環状の凹部６３ａが形成されていて、この環状凹部６３ａに可動密封環本体６１がその先端部（密封端面形成部分）を突出させた状態で嵌合されている。なお、第１保持体部分６３の内径は可動密封環本体６１の内径と一致しており、回転軸３の外径より大きく設定されている。

第２保持体部分６４は、図１に示す如く、その内周面６４ａを第１保持体部分６３の内周面より大径であり且つスプリング保持環４の第３保持環部分４３の外周面４３ａより僅かに大径となる円柱面に形成したもので、当該第３保持環部分４３に軸線方向移動可能に嵌合保持されている。

第３保持体部分６５は、図１に示す如く、その内周面６５ａを第２保持体部分６４の内周面６４ａより大径であり且つスプリング保持環４の第２保持環部分４２の外周面４２ａより僅かに大径となる円柱面に形成したもので、当該第２保持環部分４２に軸線方向移動可能に嵌合保持されている。そして、第３保持体部分６５の内周面６５ａと第２保持体部分６４の内周面６４ａとは、軸線に直交する円環状平面である第２係止面６６で連結されている。

而して、可動密封環６は、図１に示す如く、上記した如く第２保持体部分６４及び第３保持体部分６５を夫々スプリング保持環４の第３保持環部分４３及び第２保持環部分４２に軸線方向移動可能に嵌合保持させた状態で且つ第３保持環部分４３と第３保持体部分６５との対向周面４３ａ，６５ａ間をＯリング５により二次シールさせた状態で、スプリング保持環４に軸線方向移動可能に保持されている。すなわち、Ｏリング５は、第３保持環部分４３の外周面である第１シール面４３ａと第３保持体部分６５の内周面である第２シール面６５ａと第１及び第２係止面４４，６６とで囲繞される環状空間である装填空間５ａに、両シール面４３ａ，６５ａ間を二次シールすべく、機内領域（第１流体領域）Ａが機外領域（第２流体領域）Ｂより高圧となる場合（機内領域Ａが正圧である場合）において第１係止面４４に衝合係止される状態で（図２参照）且つ機外領域Ｂが機内領域Ａより高圧となる場合（機内領域Ａが負圧となる場合）において第２係止面６６に衝合係止される状態で（図３参照）、軸線方向相対移動可能に装填されている。なお、可動密封環６は、スプリング保持環４の第１保持環部分４１に突設した軸線方向に延びる適当本数（１本のみ図示）のドライブピン８を第３保持体部分６５に形成した係合孔６５ｂに係合させることにより、所定範囲の軸線方向移動が許容された状態でスプリング保持環４に対する相対回転を阻止されている。

スプリング部材７は、図１に示す如く、可動密封環６の第３保持体部分６５とスプリング保持環４の第１保持環部分４１との間に装填されていて、可動密封環本体６１を固定密封環本体２１に押圧接触させるべく、可動密封環６を固定密封環２に向かう方向に押圧附勢する。

なお、シールケース１、スプリング保持環４、固定密封環保持体２２及び可動密封環保持体６２はステンレス鋼等の金属材で構成されている。また各密封環本体２１，６１の構成材はシール条件に応じて適宜に選定されるが、一般には、固定密封環本体２１はセラミックス，超硬合金等の硬質材で構成され、可動密封環本体６１は固定密封環本体２１より軟質で自己潤滑性を有するカーボン等で構成される。

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あっては、固定密封端面２１ａ（シール端面）の内外径Ｄ１，Ｄ２、第１シール面４３ａの径ｄ１及び第２シール面６５ａの径ｄ２は、これらの間に（１）〜（４）の関係が成立することを前提として、機内領域Ａが機外領域（大気領域）Ｂより高圧である正常運転時及び両領域Ａ，Ｂの圧力関係が逆転する（機内領域Ａが機外領域Ｂより低圧（負圧）となる）逆圧運転時の何れにおいてもバランス比が０．６〜０．９となるように設定されている。

（１）ｄ１＜Ｄ２
（２）ｄ２＞Ｄ１
（３）０．１５≦Ｓ／Ｗ≦０．８５（０．１５≦（ｄ２−ｄ１）／（Ｄ２−Ｄ１）≦０．８５）
（４）０．９５≦ｄｍ／Ｄｍ≦１．０５（０．９５≦（ｄ１＋ｄ２）／（Ｄ１＋Ｄ２）≦１．０５）
なお、（３）式において、ＳはＯリング５が装填される装填空間５ａの径方向幅（装填空間幅）であってＳ＝（ｄ２−ｄ１）／２であり、Ｗは両密封端面２１ａ，６１ａの相対回転摺接部分であるシール端面の径方向幅（シール端面幅）であってＷ＝（Ｄ２−Ｄ１）／２である。また、（４）式において、ｄｍは装填空間５ａの平均径つまり両シール面４３ａ，６５ａの径の平均値であってｄｍ＝（ｄ１＋ｄ２）／２であり、Ｄｍはシール端面の平均径（シール端面の内外径（この例では固定密封端面の内外径）Ｄ１，Ｄ２の平均値）であってＤｍ＝（Ｄ１＋Ｄ２）／２である。

而して、Ｏリング５が、上記した如く、機内領域Ａが機内領域Ｂより高圧（正圧）となる正常運転時において回転軸３に固定せるスプリング保持環４に形成された第１係止面４４に衝合係止される状態で且つ機内領域Ａが機外領域Ｂより低圧（負圧）となる逆圧運転時においてスプリング保持環４に軸線方向相対移動可能に保持された可動密封環６に形成された第２係止面６６に衝合係止される状態で装填空間５ａに装填されていること、可動密封端面６１ａの内径が固定密封端面２１ａの内径Ｄ１より小径であり且つ可動密封端面６１ａの外径が固定密封端面２１ａの外径Ｄ２より大径であること、及びシール端面の内外径（固定密封端面２１ａの内外径）Ｄ１，Ｄ２とシール面４３ａ，６５ａの径ｄ１，ｄ２との間に上記（１）（２）の関係があることから、正常運転時においては、図２に示す如く、両流体領域Ａ，Ｂの差圧Ｐ１により可動密封環６にはこれを固定密封環２へと押圧させる軸線方向推力Ｆ１が作用し、また両領域Ａ，Ｂの圧力関係が逆転する逆圧運転時においても、両流体領域Ａ，Ｂの差圧Ｐ２により可動密封環６にはこれを固定密封環２へと押圧させる軸線方向推力Ｆ２が作用することになる。すなわち、正常運転時及び逆圧運転時の何れにおいても、可動密封環６にはこれに作用する上記差圧Ｐ１，Ｐ２による背圧により軸線方向推力Ｆ１＝Ｐ１（π／４）（（ｄ２）²−（Ｄ１）²）），Ｆ２＝Ｐ２（π／４）（（Ｄ２）²−（ｄ１）²））が作用することになる。

そして、正常運転時のバランス比κ１はκ１＝（（ｄ２）²−（Ｄ１）²）／（（Ｄ２）²−（Ｄ１）²）で与えられ、逆圧運転時のバランス比κ２はκ２＝（（Ｄ２）²−（ｄ１）²）／（（Ｄ２）²−（Ｄ１）²）で与えられるが、上記した構成をなすアウトサイド形の端面接触形メカニカルシールにあっては、上記（１）〜（４）の関係が成立することを前提として、各バランス比κ１，κ２が０．６≦κ１≦０．９，０．６≦κ２≦０．９となるように構成されている。

したがって、正常運転時及び逆圧運転時の何れにおいても、両密封端面２１ａ，６１ａの相対回転摺接部分における接触面圧（シール面圧）が適正に保持され、良好なシール機能が発揮される。

ところで、（１）（２）の関係は０．６≦κ１≦０．９，０．６≦κ２≦０．９となるために当然に必要な条件であるが、（３）の関係及び／又は（４）の関係が成立しない場合には０．６≦κ１≦０．９，０．６≦κ２≦０．９を確保することが困難である。このことは、表１に示す具体例から容易に理解される。すなわち、表１は、（１）（２）の関係を満足し且つシール端面幅Ｗを５ｍｍとする図１に示すアウトサイド形の端面メカニカルシールにおける、シール端面幅Ｗ（ｍｍ）に対する装填空間幅Ｓ（ｍｍ）の割合（Ｓ／Ｗ）及びシール端面の平均径Ｄｍ（ｍｍ）に対する装填空間５ａの平均径ｄｍ（ｍｍ）の割合（ｄｍ／Ｄｍ）とバランス比κ１，κ２との関係を具体的に数値化したものであり、本発明に係るメカニカルシールＮｏ．１〜Ｎｏ．５では、表１に示す如く、（３）の関係（Ｓ／Ｗ＝０．１５〜０．８５）及び（４）の関係（ｄｍ／Ｄｍ＝０．９５−１．０５）の何れをも満足することから、何れのバランス比κ１，κ２も０．６〜０．９の範囲となっている。しかし、（３）の関係及び／又は（４）の関係を満足しない比較例のメカニカルシールＮｏ．６〜Ｎｏ．１０では、バランス比κ１，κ２の一方又は両方が０．６〜０．９の範囲から逸脱している。

したがって、上記した構成の端面メカニカルシールにあっては、バランス比κ１，κ２が０．６〜０．９となっていることから、正常運転時及び逆圧運転時の何れにおいても良好なメカニカルシールを発揮することができる。特に、正常運転と逆圧運転とを交互に行う回転機器（例えば、洗浄液や砥粒液等の供給と真空吸引による排出とを交互に行うような相対回転ルート間を接続するロータリジョイント等）に装備される端面メカニカルシールとして使用される場合には、両運転時において同等且つ良好なメカニカルシール機能を発揮することができ、その実用的価値は極めて高い。

また、本発明に係る端面接触形メカニカルシールは、上記したように、第１流体領域Ａが第２流体領域Ｂより高圧となる場合及び第２流体領域Ｂが第１流体領域Ａより高圧となる場合の何れにおいても同等のシール機能を発揮するものであることから、メカニカルシール自体の構造を変えることなく、上記したように第１流体領域Ａを機内領域とするアウトサイド形のものとしても、逆に第２流体領域Ｂをシールすべき機内領域とするインサイド形のものとしても、何れにも適用することができ、アウトサイド形及びインサイド形の何れの用途にも大幅な設計変更を必要とすることなく容易に対応することできる。

ところで、可動密封環６は、両シール面４３ａ，６５ａ間にＯリング５を適度に圧縮した状態で装填させておくことにより、その保持部材（スプリング保持環４）との間のシール機能（二次シール機能）を適正に確保しつつ軸線方向に円滑に移動できる追従性が担保されるものであり、この追従性が適正に担保されることにより相手密封環（固定密封環）２との相対回転摺接作用による良好なシール機能が発揮されることになる。

しかし、逆圧対策構造をとる一般的な端面接触形メカニカルシール、例えば冒頭で述べた第２従来シールでは、特許文献２に開示される如く、可動密封環（静止密封環９）が保持部材（シールケース８のケース本体１４）に軸線方向の二箇所で保持されており、その一箇所においては保持部材により直接的に保持されている（ケース本体１４の内周部に形成した環状壁部１４ａによってケース本体１４に直接的に保持されている）ものの、他の一箇所においては弾性変形可能なＯリング５により保持部材に間接的に保持されているにすぎないことから、機器振動等により、可動密封環たる静止密封環９の軸線方向における移動姿勢（追従姿勢）が安定せず、相手密封環に適正に接触しない（片当たり現象を生じる）虞れがある。例えは、Ｏリング５が弾性変形すると、静止密封環９はケース本体１４の環状壁部１４ａによる保持箇所を基点として傾動（軸線に対して傾動）して、相手密封環に均等に接触せず、内径部分のみ或いは外径部分のみが接触する片当たり現象が生じる虞れがある。このような状態となると、両密封環の相対回転摺接作用によるメカニカルシール機能が損なわれることになる。

一方、逆圧対策構造をとらない第１従来シールでは、特許文献１に開示される如く、可動密封環（静止密封環６）が保持部材（シールケース２の本体部１２）にＯリング５両側の二箇所（本体部１２の内周部に形成したＯリング溝１２ａの両側壁部）で直接的に保持されているから、Ｏリング５が弾性変形した場合にも静止密封環６が安定した姿勢で軸線方向移動を行うことができて、安定した追従性が確保でき、上記した問題は生じない。

而して、本発明に係る端面接触形メカニカルシールでは、第２従来シールと同様に逆圧対策構造をとっているにも拘らず、逆圧対策構造をとっていない第１従来シールと同様に、可動密封環６をＯリング５の両側二箇所において保持部材たるスプリング保持環４に直接的に保持させている。すなわち、Ｏリング５の両側において、図１に示す如く、可動密封環６の第２保持体部分６４及び第３保持体部分６５を夫々スプリング保持環４の第３保持環部分４３及び第２保持環部分４２に軸線方向移動可能に嵌合保持させてある。このため、Ｏリング５が弾性変形するような場合にも、第１従来シールと同様に、可動密封環６の軸線方向移動が安定して行われ、良好な追従性が確保でき、上記した片当たり現象は生じない。したがって、正常運転時及び逆圧運転時の何れにおいてもバランス比κ１，κ２が０．６〜０．９となっていることも相俟って、両密封端面２１ａ，６１ａが適正に相対回転摺接して、良好なメカニカルシール機能が発揮される。すなわち、上記した如く可動密封環６がＯリング５の両側二箇所でスプリング保持環４に直接的に保持されていることによって、バランス比κ１，κ２を０．６〜０．９とすることが意義あるものとなるのである。

なお、本発明は上記した構成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、本発明に係る端面メカニカルシールは、上記したアウトサイド形のものの他、インサイド形のものにも適用することができる。また、本発明は、正常運転時及び逆圧運転時における両流体領域Ａ，Ｂが上記した圧力関係となる場合の他、両流体領域Ａ，Ｂが正常運転時及び逆圧運転時の何れにおいても正圧である場合や逆に負圧である場合等、両流体領域Ａ，Ｂの圧力関係が正常運転時と逆圧運転時とで逆になるような条件下で使用される各種の端面接触形メカニカルシールに適用できるものである。また、前記実施の形態においては、シール端面（両密封端面２１ａ，６１ａの相対回転摺接部分）の内外径Ｄ１，Ｄ２が固定密封端面２１ａの内外径となるように、可動密封端面６１ａの内径を固定密封環２１ａの内径より小径とし且つ可動密封端面６１ａの外径を固定密封端面２１ａの外径より大径にしたが、逆に、可動密封環の内径を固定密封環の内径より大径とし且つ可動密封環の外径を固定密封環の外径より小径としてもよい。この場合、シール端面の内外径Ｄ１，Ｄ２は可動密封端面６１ａの内外径となる。

１ シールケース
２ 固定密封環
３ 回転軸
４ スプリング保持環
５ Ｏリング
５ａ 装填空間
６ 可動密封環
７ スプリング部材
２１ 固定密封環本体
２１ａ 固定密封端面
２２ 固定密封環保持体
４１ 第１保持環部分
４２ 第２保持環部分
４２ａ 第２保持環部分の外周面
４３ 第３保持環部分
４３ａ 第３保持環部分の外周面（第１シール面）
４４ 第１係止面
６１ 可動密封環本体
６１ａ 可動密封端面
６２ 可動密封環保持体
６３ 第１保持体部分
６４ 第２保持体部分
６４ａ 第２保持体部分の内周面
６５ 第３保持体部分
６５ａ 第３保持体部分の内周面（第２シール面）
６６ 第２係止面
Ａ 第１流体領域
Ｂ 第２流体領域
Ｄ１ シール端面の内径（固定密封端面の内径）
Ｄ２ シール端面の外径（固定密封端面の外径）
Ｄｍ シール端面の平均径
ｄ１ 第１シール面の径
ｄ２ 第２シール面の径
ｄｍ 装填空間の平均径
Ｓ 装填空間幅
Ｗ シール端面幅
Ｆ１ 正常運転時の軸線方向推力
Ｆ２ 逆圧運転時の軸線方向推力

Claims (2)

1. シールケース（１）に固定された固定密封環（２）と、シールケース（１）を洞貫する回転軸（３）に固定されたスプリング保持環（４）と、スプリング保持環（４）にＯリング（５）を介して軸線方向移動可能に保持された可動密封環（６）と、スプリング保持環（４）と可動密封環（６）との間に介装されて可動密封環（６）を固定密封環（２）へと押圧附勢するスプリング部材（７）とを具備して、両密封環（２，６）の対向端面である密封端面（２１ａ，６１ａ）の相対回転摺接作用により、その相対回転摺接部分の内周側領域である第１流体領域（Ａ）とその外周側領域である第２流体領域（Ｂ）とを一次シールするように構成されており、両流体領域（Ａ，Ｂ）の圧力関係が逆転する条件下で使用される端面接触形メカニカルシールにおいて、
   固定密封環（２）が、先端面を軸線に直交する平滑環状面である固定密封端面（２１ａ）に構成した断面方形の固定密封環本体（２１）と、シールケース（１）の内周部に嵌合固定されると共に固定密封環本体（２１）をその先端部を突出させた状態で先端内周部に嵌合した固定密封環保持体（２２）とからなる回転体形状をなすものであり、
   スプリング保持環（４）が、第１保持環部分（４１）と外周面（４２ａ）を第１保持環部分（４１）の外周面より小径の円柱面として第１保持環部分（４１）の先端部から突出する第２保持環部分（４２）と外周面（４３ａ）を第２保持環部分（４２）の外周面（４２ａ）より小径の円柱面として第２保持環部分（４２）の先端部から突出する第３保持環部分（４３）とからなる回転体形状に一体構成されたものであり、
   可動密封環（６）が、先端面を軸線に直交する平滑環状面である可動密封端面（６１ａ）に構成した断面方形の可動密封環本体（６１）とこれを固着する可動密封環保持体（６２）とで構成された回転体形状をなすものであり、可動密封環保持体（６２）は、可動密封環本体（６１）をその先端部を突出させた状態で先端内周部に嵌合した第１保持体部分（６３）とその基端部に連なっており内周面（６４ａ）を第１保持体部分（６３）の内周面より大径の円柱面として前記第３保持環部分（４３）に軸線方向移動可能に嵌合保持させた第２保持体部分（６４）とその基端部に連なっており内周面（６５ａ）を第２保持体部分（６４）の内周面より大径の円柱面として第２保持環部分（６４）に軸線方向移動可能に嵌合保持させた第３保持体部分（６５）とからなる回転体形状に一体構成されたものであり、
   前記Ｏリング（５）が、第３保持環部分（４３）の外周面である第１シール面（４３ａ）と第３保持体部分（６５）の内周面である第２シール面（６５ａ）との間に、当該両シール面（４３ａ，６５ａ）間を二次シールすべく、第１流体領域（Ａ）が第２流体領域（Ｂ）より高圧となる場合において第２及び第３保持環部分（４２，４３）の外周面（４２ａ，４３ａ）間を連結する環状面である第１係止面（４４）に衝合係止されると共に第２流体領域（Ｂ）が第１流体領域（Ａ）より高圧となる場合において第２及び第３保持体部分（６４，６５）の内周面（６４ａ，６５ａ）間を連結する環状面である第２係止面（６６）に衝合係止される状態で軸線方向相対移動可能に装填されており、
   両密封端面（２１ａ，６１ａ）の相対回転摺接部分の内径Ｄ１及び外径Ｄ２と第１シール面（４３ａ）の径ｄ１及び第２シール面（６５ａ）の径ｄ２との間に、ｄ１＜Ｄ２、ｄ２＞Ｄ１、０．１５≦（ｄ２−ｄ１）／（Ｄ２−Ｄ１）≦０．８５及び０．９５≦（ｄ１＋ｄ２）／（Ｄ１＋Ｄ２）≦１．０５の関係を有して、第１流体領域（Ａ）が第２流体領域（Ｂ）より高圧である場合及び第２流体領域（Ｂ）が第１流体領域（Ａ）より高圧である場合の何れにおいてもバランス比が０．６〜０．９とな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。
   
2. 可動密封端面（６１ａ）の内径が固定密封端面（２１ａ）の内径より小径であり且つ可動密封端面（６１ａ）の外径が固定密封端面（２１ａ）の外径より大径であり、固定密封端面（２１ａ）の内外径が両密封端面（２１ａ，６１ａ）の相対回転摺接部分の内外径Ｄ１，Ｄ２とな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。

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