JP5871287B2

JP5871287B2 - シール装置

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Publication number: JP5871287B2
Application number: JP2013507335A
Authority: JP
Inventors: 井上　秀行; 秀行井上
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: EP2636931A1; CN103429939B; WO2012132832A1; EP2636931A4; CN103429939A; US9709174B2; US20140008873A1; EP2636931B1; JPWO2012132832A1

Description

本発明は、回転軸に使用されるシール装置に関し、特に、ポンプ等の回転軸に使用されるフローティングリングを備えたシール装置に関する。

従来、フローティングリングを備えたシール装置として、例えば、図７に示すものが知られている（以下、「従来技術１」という。例えば、特許文献１参照。）。この従来技術１は、環状に形成されたフローティングリング３５の外周に、半径方向外方へ向かう連結部３６が設けられ、この連結部３６は、円周方向に１８０度の間隔をおいて一対設けられ、ケーシング３７の溝部３８に挿入されてフローティングリング３５を回転軸３９と同心状に支持するものである。

また、フローティングリングを備えたシール装置として、図８に示すものが知られている（以下、「従来技術２」という。例えば、特許文献２参照。）。この従来技術２は、回転軸４０、ポンプ本体４１に取り付けられる筒状ケーシング４２、ポンプ本体４１及び筒状ケーシング４２を貫通するように設けられた封液供給口４３、筒状ケーシング４２の内側に設けられたリテーナ４４、このリテーナ４４の内側に配設された円環状のフローティングリング４５、このフローティングリング４５とリテーナ４４の間に設けられる回転阻止用ピン４６を備え、フローティングリング４５の内周面と回転軸４０の外周面との隙間ａに形成される水膜によってフローティングリング４５は回転軸４０との接触を回避し、更に、フローティングリング４５を軸直角方向に浮動可能に保持して自動調心するようになっている。

しかしながら、図７に示す従来技術１のフローティングリングを備えたシール装置においては、円周方向に１８０度の間隔をおいて一対設けられた連結部３６が、ケーシング３７の溝部３８に挿入されているため、フローティングリング３５が回転されることはないが、回転軸３９と同心にフローティングリング３５を組立てることが現実的には困難であるため、回転軸３９に対してフローティングリング３５が偏心状態で組立てられるという問題があった。さらに、回転軸３９の撓み等による回転軸３９の偏心に対してフローティングリング３５が柔軟に追従できないという問題もあった。
また、図８に示す従来技術２のフローティングリングを備えたシール装置においては、フローティングリング４５の内周面と回転軸４０の外周面との隙間ａに形成される水膜によって、一応、フローティングリング４５を自動調心するようになっているが、フローティングリング４５の重量よりもフローティングリング４５の内周面と回転軸４０との間の隙間の小さい部分に発生する動圧が小さい場合、フローティングリング４５の内周面と回転軸３１との間に形成される隙間ａは均一にはならず、偏心した状態で運転されることになる。

特開２００３−９７７３０号公報特開平１１−９４０９６号公報

上記の従来技術１及び従来技術２のように、フローティングリングと回転軸との中心とを一致させることができない場合、フローティングリングと回転軸との接触を防ぐためには両者の隙間を予め大きく設定する必要がある。その結果、隙間の３乗に比例して被密封流体の漏れ量が多くなるという問題があった。
本発明は、フローティングリングを備えたシール装置において、被密封流体を上流側に押し戻すように作用する逆方向の動圧発生溝をフローティングリングの内周面に設けることにより、被密封流体の漏れ量を減少させるとともに、該動圧発生溝の発生する動圧を利用して、フローティングリングと回転軸との中心を一致させることができるようにしたシール装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明のシール装置は、第１に、回転軸外周とケーシング内周との間にフローティングリングを備えたシール装置において、フローティングリングの内周面に漏出しようとする被密封流体を上流側に押し戻すように作用する逆方向の動圧発生溝を円周方向に複数設けることを特徴としている。

また、本発明のシール装置は、第２に、回転軸外周とケーシング内周との間にフローティングリングを備えたシール装置において、フローティングリングの内周面に向けてバリア流体を供給するバリア流体供給孔を設けるとともに、フローティングリングの内周面に漏出しようとする被密封流体を上流側に押し戻すように作用する逆方向の動圧発生溝を円周方向に複数設けることを特徴としている。

また、本発明のシール装置は、第３に、第２の特徴において、バリア流体供給孔を円周方向に複数設け、該複数のバリア流体供給孔を接続するようにフローティングリングの内周面に内周溝を設け、該内周溝に接続して動圧発生溝が配設されることを特徴としている。

また、本発明のシール装置は、第４に、第３の特徴において、動圧発生溝が内周溝より被密封流体側に設けられることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第５に、第３の特徴において、動圧発生溝が内周溝より大気側に設けられることを特徴としている。
また、本発明のシール装置は、第６に、第３の特徴において、動圧発生溝が内周溝の被密封流体側及び大気側に設けられることを特徴としている。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）フローティングリングを備えたシール装置において、被密封流体を上流側に押し戻すように作用する逆方向の動圧発生溝をフローティングリングの内周面に設けることにより、被密封流体の漏れ量を減少させるとともに、動圧発生溝の発生する動圧を利用して、フローティングリングと回転軸との中心を一致させることができる。
また、起動時の動的安定性を良好にすることができる。
（２）回転軸の回転中においてフローティングリングと回転軸の中心を一致させることができるため、フローティングリングの内周面と回転軸の外周面との隙間を小さく設定することができ、シール装置のシール性の向上を図ることができる。また、流体膜厚さを平均に増加させることができるため、フローティングリングの内周面と回転軸の外周面との接触の危険性を低減することができる。
（３）上記（１）に加えて、フローティングリングの内周面に向けてバリア流体を供給するバリア流体供給孔を設けることにより、バリア流体が逆方向の動圧発生溝と相乗的に作用し、漏出しようとする被密封流体をより効率よく上流側に押し戻すため、被密封流体の漏れ量を一層減少させることができる。

本発明の実施の形態１に係るシール装置を模式的に示した正面断面図であって、回転軸の回転によりフローティングリングが上方に持ち上げられた状態にある。本発明の実施の形態１に係るシール装置を模式的に示した側面図であって、回転軸が回転を始めた状態を示している。実施の形態１に係るフローティングリングの内周面に設けられた動圧発生溝の例を示した図である。本発明の実施の形態２に係るシール装置を模式的に示した正面断面図であって、回転軸の回転によりフローティングリングが上方に持ち上げられた状態にある。実施の形態２におけるフローティングリングの内周面に設けられた動圧発生溝の例を示した図である。回転軸とフローティングリングの同軸度を示したもので、（ａ）は本発明に係る逆方向の動圧発生溝を設けたフローティングリングの半径方向の移動履歴、（ｂ）は本発明の動圧発生溝とは反対方向の順方向の動圧発生溝を設けたフローティングリングの半径方向の移動履歴を示すものである。従来技術１を示す正面断面図である。従来技術２を示す側面断面図である。

本発明に係るシール装置を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。

〔実施の形態１〕
図１は、本発明の実施の形態１に係るシール装置を模式的に示した正面断面図であって、回転軸の回転によりフローティングリングが上方に持ち上げられた状態にある。
図１において、ケーシング１の孔２内を貫通するようにしてポンプ等の回転軸３が配設されており、右側が被密封流体側（高圧側）、左側が大気側（低圧側）である。ケーシング１の内周面と回転軸３の外周面との間には半径方向の隙間δが設けられており、この隙間δをシールするため、回転軸３の外周を囲むように中空円筒状のフローティングリング５が設けられる。また、ケーシング１内には、前記フローティングリング５を収容する円筒状の空間４が設けられており、この空間４の径及び幅は、フローティングリング５の外径及び幅よりも大きい。さらに、フローティングリング５の内径は回転軸３の外径よりもわずかに大きく設定されており、フローティングリング５が半径方向に一定の範囲で移動可能となっている。フローティングリング５の内周面９には、後述するように、被密封流体を上流側に押し戻すように作用する逆方向の動圧発生溝８が設けられている。

図２は、本発明の実施の形態１に係るシール装置を模式的に示した側面図であって、回転軸が回転を始めた状態を示している。
図２において、フローティングリング５の外周面の左側面には回止ピン６が半径方向外方に突出するように設けられ、該回止ピン６は、ケーシング１の円筒状の空間４から半径方向外方に設けられた溝７内に遊嵌され、フローティングリング５の回転を防止するようになっている。回止ピン６はフローティングリング５の円周方向において１個所設けられる。回止ピン６の位置は、回転軸３の回転方向を反時計方向にあるとき、回転軸３の中心Ｏを原点とするＸ−Ｙ座標系において、第２及び第３象限に位置しておればよく、特に図２の位置に限定されるものではない。また、回り止め手段としてはピンに限らず、要は、ケーシング１に係止されてフローティングリング５の回転を防止する機能を有するものであればよい。

図２に示すように、回転軸３が反時計方向に回転している状態にあるとき、回転軸３とフローティングリング５との間に介在する被密封流体の隙間Ｓにおけるくさび効果によりフローティングリング５を持ち上げる力が発生する。このとき、フローティングリングの重量＞回転軸３とフローティングリング５とのくさび効果によりフローティングリング５を持ち上げる力、の関係にある場合、フローティングリング５の中心は回転軸３の中心より下方にある。
逆に、フローティングリングの重量＜回転軸とフローティングリングとのくさび効果でフローティングリングを持ち上げる力、の関係にある場合には、フローティングリング５の中心は回転軸３の中心より上方にある。
このような状態においては、回転軸外周とフローティングリング内周との間に介在する流体膜が局所的に薄くなるため、回転軸３の異常振動など不安定な挙動を起こしたときにフローティングリング５の内周面と回転軸３の外周面とが接触する危険がある。このような危険を避けるためには、フローティングリング５の内周面と回転軸３の外周面との隙間を予め大きく設定する必要がある。しかし、この隙間を大きくすると、この隙間からの被密封流体の漏れ量が隙間の３乗に比例して多くなるという問題がある。

本発明は、図１及び図２に示すように、回転軸３の回転時において、被密封流体を上流側に押し戻すように作用する逆方向の動圧発生溝８をフローティングリング５の内周面９に設けることにより、被密封流体の漏れ量を減少させるとともに、該動圧発生溝８の発生する動圧を利用して、フローティングリング５と回転軸３との中心を一致させることができるようにしたものである。

図３は、実施の形態１に係るフローティングリング５の内周面９に設けられた動圧発生溝の例を示した図である。
図３（ａ）（ｂ）において、フローティングリング５の右側が被密封流体側（高圧側）、左側が大気側（低圧側）であり、回転軸３は矢印の方向に回転する。
図３（ａ）では、フローティングリング５の内周面９の被密封流体側（高圧側）の約半分に、大気側（低圧側）に漏出しようとする被密封流体を上流側に押し戻すように作用する動圧発生溝８（以下、「逆方向の動圧発生溝」といい、これと逆の場合を「順方向の動圧発生溝」という。）が円周方向の全周にわたって複数設けられている。
また、図３（ｂ）では、フローティングリング５の内周面９の全幅にわたって、大気側（低圧側）に漏出しようとする被密封流体を上流側に押し戻すように作用する逆方向の動圧発生溝８が円周方向の全周に複数設けられている。
本例では、逆方向の動圧発生溝８は、回転軸３の回転方向に沿うように大気側から被密封流体側に向かって約４５°で傾斜した形状をなし、円周上に等配で設けられている。
なお、動圧発生溝７は、円周方向に非等配でもよく、その角度、数、幅及び深さも適宜設定されればよい。

大気側に漏出しようとする被密封流体は、逆方向の動圧発生溝８に流入し、該動圧発生溝８の傾斜にしたがい上流側に押し出されるようにして一部の流体が矢印のように戻されるため、大気側に漏出する量は減少する。その際、逆方向の動圧発生溝８により発生される動圧がフローティングリング５を回転軸３の中心と同心になるように作用する。すなわち、フローティングリング５の内周面９と回転軸３の外周面との間に発生する動圧は、隙間の小さい部分において高く、隙間の大きい部分では低いため、隙間を均一にするように作用し、その結果、フローティングリング５の中心を回転軸３の軸心と同心にするものである。
今、フローティングリング５の重量をＷ、回転軸３とフローティングリング５との隙間Ｓのくさび効果によりフローティングリング５を持ち上げる力をＦ１、及び、逆方向の動圧発生溝８で発生する動圧によりフローティングリング５を移動させる力をＦ２とし、それぞれの作用点における回止ピン６からのＸ方向の距離をＬ１、Ｌ２、Ｌ３とした場合、
Ｗ・Ｌ１＝Ｆ１・Ｌ２＋Ｆ２・Ｌ３
となるように逆方向の動圧発生溝８で発生する動圧による力Ｆ２を設定すれば、フローティングリング５の中心と回転軸３の中心とは一致する。したがって、フローティングリング５の内周面と回転軸３の外周面との隙間を小さく設定することができ、シール装置のシール性を向上させることができる。また、流体膜厚さを平均に増加させることができるため、フローティングリング５の内周面と回転軸３の外周面との接触の危険性を低減することができる。

例えば、フローティングリング５の重量が大きくそのモーメントＷ・Ｌ１が、回転軸３とフローティングリング５との隙間Ｓのくさび効果によりフローティングリング５を持ち上げる力によるモーメントＦ１・Ｌ２及び動圧発生溝８で発生する動圧によりフローティングリング５を移動させる力によるモーメントＦ２・Ｌ３を上回る場合は、回転軸３の中心Ｏを原点とするＸ−Ｙ座標系において、フローティングリング５の内周面９の第１象限、または、第１及び第２象限に位置する動圧発生溝８を深くしたり、密にしたりしてＦ２を上方に向けて生じるようにすればよい。
逆に、回転軸３とフローティングリング５との隙間Ｓのくさび効果によりフローティングリング５を持ち上げる力によるモーメントＦ１・Ｌ２及び動圧発生溝８で発生する動圧によりフローティングリング５を移動させる力によるモーメントＦ２・Ｌ３がフローティングリング５の重量によるモーメントＷ・Ｌ１を上回る場合は、フローティングリング５の内周面９の第４象限、または、第３及び第４象限に位置する動圧発生溝８を深くしたり、密にしたりしてＦ２を下向きに作用するようにすればよい。

〔実施の形態２〕
図４は、本発明の実施の形態２に係るシール装置を模式的に示した正面断面図であって、回転軸の回転によりフローティングリングが上方に持ち上げられた状態にある。
図４において、ポンプ本体１０と回転軸１１との間には円筒状のケーシング１２が配設され、円筒状のケーシング１２はポンプ本体１０との間にＯリング１３を介してボルト１４により固定されている。円筒状のケーシング１２の内周面と回転軸１１の外周面との間に隙間δが設けられる。円筒状のケーシング１２の内周面側には、中空円筒状の空間１５が形成されており、該空間１５の軸方向の中心に位置してケーシング１２の半径方向の外方から内方に向かってバリア流体Ａを供給するバリア流体供給孔１６が設けられている。
中空円筒状の空間１５内の両側にはリテーナリング１７、１７が設けられ、その間に位置してフローティングリング１８が配設されている。
図４において、右側が被密封流体側、左側が大気側であり、圧力関係は、バリア流体Ａの圧力＞被密封流体の圧力＞大気の圧力、という関係にある。

フローティングリング１８にはバリア流体供給孔２０が半径方向の外方から内方に向かって円周方向に複数設けられ、フローティングリング１８の内周面１９に設けられた内周溝２１に接続されている。また、フローティングリング１８の内周面１９には、後述するように、被密封流体をより効率よく上流側に押し戻すように作用する逆方向の動圧発生溝８が設けられている。
フローティングリング１８は、例えば、円周方向に二つ割りに構成し、図示しないボルトにより一体的に固定するようにしてもよい。また、フローティングリング１８には、実施の形態１の場合と同様に、回止めピンが設けられ、回止めピンがケーシング１２の溝に遊嵌してフローティングリング１８の回転を防止するようになっている。

回転軸３が回転している状態にあるとき、回転軸３とフローティングリング１８との間に介在する被密封流体の隙間Ｓにおけるくさび効果によりフローティングリング１８を持ち上げる力が発生する点は実施の形態１と同じであり、本実施の形態２においても、回転軸３の回転時において、漏出しようとする被密封流体を上流側に押し戻すように作用する逆方向の動圧発生溝８をフローティングリング１８の内周面１９に設けることにより、被密封流体の漏れ量を減少させるとともに、該逆方向の動圧発生溝８の発生する動圧を利用して、フローティングリング１８と回転軸３との中心を一致させることができるようにしている。

図５は、実施の形態２に係るフローティングリングの内周面に設けられた逆方向の動圧発生溝の例を示した図である。
図５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、フローティングリング１８の内周面１９に設けられた内周溝２１より被密封流体側に内周溝２１に連続するようにして逆方向の動圧発生溝８が設けられた例を示している。本例では、逆方向の動圧発生溝８は円周方向に等配に設けられ、バリア流体供給孔２０は動圧発生溝８の近傍に設けられている。
図５（ａ）では、逆方向の動圧発生溝８は回転軸３の回転方向に沿うように大気側から被密封流体側に向かって傾斜した平行四辺形の形状をなし、円周上に等配で設けられている。
図５（ｂ）の逆方向の動圧発生溝８は、内周溝２１側から先端に向けて先細の三角形の形状している点で図５（ａ）と相違しているがその他の点は同じである。
図５（ｃ）の逆方向の動圧発生溝８は、内周溝２１側から先端側の途中まで回転軸３の回転方向に沿うように大気側から被密封流体側に向かって傾斜し、先端側は回転軸３の回転方向に並行な形状となっている。

今、回転軸３が矢印の方向に回転し、バリア流体供給孔２０からバリア流体Ａが供給されると、高圧のバリア流体Ａは内周溝２１からその両側に流れるが、その際、逆方向の動圧発生溝８に流入するバリア流体Ａは被密封流体側に向かって流され、漏出しようとする被密封流体を矢印の方向に押し戻す。同時に、漏出しようとして逆方向の動圧発生溝８に流入する被密封流体も矢印の方向に押し戻される。その際、逆方向の動圧発生溝８により発生される動圧がフローティングリング１８を回転軸３の中心と同心となるように作用する。

図５（ｄ）は、フローティングリング１８の内周面に設けられた内周溝２１より大気側に内周溝２１に連続するようにして逆方向の動圧発生溝８が設けられた例を示している。本例では、逆方向の動圧発生溝８は円周方向に等配に設けられ、バリア流体供給孔２０は動圧発生溝８の近傍に設けられている。逆方向の動圧発生溝８は回転軸３の回転方向に沿うように大気側から被密封流体側に向かって傾斜した平行四辺形の形状をなし、円周上に等配で設けられている。
本例の場合も、回転軸３が矢印の方向に回転し、バリア流体供給孔２０からバリア流体Ａが供給されると、高圧のバリア流体Ａは内周溝２１からその両側に流れるが、その際、逆方向の動圧発生溝８に流入するバリア流体Ａは被密封流体側に向かって流され、漏出しようとする被密封流体を矢印の方向に押し戻す。同時に、漏出しようとして逆方向の動圧発生溝８に流入する被密封流体も矢印の方向に押し戻される。

図５（ｅ）は、フローティングリング１８の内周面に設けられた内周溝２１の両側に内周溝２１に連続するようにして逆方向の動圧発生溝８が設けられた例を示している。本例では、逆方向の動圧発生溝８は回転軸３の回転方向に沿うように大気側から被密封流体側に向かって傾斜した平行四辺形の形状をなし、内周溝２１の被密封流体側及び大気側の動圧発生溝８は円周方向に位相をずらすようにして、それぞれ円周上に等配で設けられ、バリア流体供給孔２０は左右の動圧発生溝８の間に位置して設けられている。
本例の場合、回転軸３が矢印の方向に回転し、バリア流体供給孔２０からバリア流体Ａが供給されると、高圧のバリア流体Ａは内周溝２１からその両側に流れるが、その際、両側の逆方向の動圧発生溝８に流入するバリア流体Ａは被密封流体側に向かって流され、漏出しようとする被密封流体を矢印の方向に押し戻す。同時に、漏出しようとして逆方向の動圧発生溝８に流入する被密封流体も矢印の方向に押し戻される。

図６は、回転軸とフローティングリングの同軸度を示したもので、（ａ）は本発明に係る逆方向の動圧発生溝を設けたフローティングリングの半径方向の移動履歴、（ｂ）は本発明の動圧発生溝とは反対方向の順方向の動圧発生溝を設けたフローティングリングの半径方向の移動履歴を示すものである。
図６において、実線はＸ方向の移動量を、破線はＹ方向の移動量を示す。
図６（ｂ）の順方向の動圧発生溝を設けた場合、フローティングリングは、起動時においてＹ方向に大きく移動し、その後もＹ方向にやや大きく偏心したままの状態でいるのがわかる。定常時の偏心率は無次元数で表した場合５．１と大きい。
これに比べて、図６（ａ）の本発明に係る逆方向の動圧発生溝を設けた場合、フローティングリングは、起動時においてＸ及びＹ方向にわずかに移動するが、その後は、ほぼ中心の近傍に位置しているのがわかる。定常時の偏心率は無次元数で表した場合２．１であった。
以上の結果から、順方向の動圧発生溝を設けた場合には、偏心率が大きく、問題があるのに対し、本発明に係る逆方向の動圧発生溝を設けた場合、起動時の動的安定性がよく、偏心率も小さく、回転軸とフローティングリングの同軸度が良好であることがわかる。

１ケーシング
２孔
３回転軸
４円筒状の空間
５フローティングリング
６回止ピン
７溝
８逆方向の動圧発生溝
９フローティングリングの内周面
１０ポンプ本体
１１回転軸
１２円筒状のケーシング
１３Ｏリング
１４ボルト
１５中空円筒状の空間
１６ケーシングに設けられたバリア流体供給孔
１７リテーナリング
１８フローティングリング
１９フローティングリングの内周面
２０フローティングリングに設けられたバリア流体供給孔
２１内周溝
δ ケーシングと回転軸との隙間
Ｓ回転軸とフローティングリングとの隙間
Ｍ回転モーメント

Claims

回転軸外周とケーシング内周との間に、前記回転軸の外径より大きい内径を有し、半径方向に移動可能なフローティングリングを備えたシール装置において、前記フローティングリングは、回止め手段が円周方向の１個所に設けられ、前記回転軸の回転により前記回転軸外周と前記フローティングリング内周との間に介在する流体により前記回止め手段を支点として移動可能であり、前記フローティングリングの内周面には、漏出しようとする被密封流体を上流側に押し戻すとともに前記フローティングリングと前記回転軸との中心を一致させるように作用する逆方向の動圧発生溝が円周方向に複数設けられることを特徴とするシール装置。
回転軸外周とケーシング内周との間に、前記回転軸の外径より大きい内径を有し、半径方向に移動可能なフローティングリングを備えたシール装置において、前記フローティングリングの内周面に向けてバリア流体を供給するバリア流体供給孔を設けるとともに、前記フローティングリングは、回止め手段が円周方向の１個所に設けられ、前記回転軸の回転により前記回転軸外周と前記フローティングリング内周との間に介在する流体により前記回止め手段を支点として移動可能であり、前記フローティングリングの内周面には、漏出しようとする被密封流体を上流側に押し戻すとともに前記フローティングリングと前記回転軸との中心を一致させるように作用する逆方向の動圧発生溝が円周方向に複数設けられることを特徴とするシール装置。
前記バリア流体供給孔を円周方向に複数設け、該複数のバリア流体供給孔を接続するように前記フローティングリングの内周面に内周溝を設け、該内周溝に接続して前記逆方向の動圧発生溝が配設されることを特徴とする請求項２記載のシール装置。
前記逆方向の動圧発生溝が前記内周溝より被密封流体側のフローティングリング内周面に設けられることを特徴とする請求項３記載のシール装置。
前記逆方向の動圧発生溝が前記内周溝より大気側のフローティングリング内周面に設けられることを特徴とする請求項３記載のシール装置。
前記逆方向の動圧発生溝が前記内周溝の被密封流体側及び大気側のフローティングリング内周面に設けられることを特徴とする請求項３記載のシール装置。