JP6111096B2 - 静圧形ノンコンタクトガスシール - Google Patents

Description

本発明は、ガスを扱うタービン，ブロワ，コンプレッサ，攪拌機，ロータリバルブ等の回転機器において軸封装置として好適に使用される静圧形ノンコンタクトガスシールに関するものである。

従来の静圧形ノンコンタクトガスシールとして、筒状のシールケースと、シールケースを洞貫する回転軸に固定された回転密封環と、シールケースに回転密封環と直対向する状態で軸線方向移動可能に保持された静止密封環と、当該ノンコンタクトガスシール外に別途設けた外部シールガス供給設備によりシールガスを両密封環の対向端面である密封端面間に供給することにより、静止密封環に密封端面間を離間させる方向への軸線方向推力である開力を作用させる開力発生手段と、スプリングにより静止密封環に密封端面間を接近させる方向への軸線方向推力である閉力を作用させる閉力発生手段とを具備して、この開力と閉力とをバランスさせることにより、密封端面間を非接触状態に保持させつつ密封端面の外周側領域である高圧の被密封ガス領域と当該密封端面の内周側領域である低圧の非密封ガス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（特許文献１を参照）。

かかる周知の静圧形ノンコンタクトガスシール（以下「従来ガスシール」という）にあっては、例えば、特許文献１に示される如く、静止密封環の密封端面に形成した静圧発生溝とシールケース及び静止密封環に形成されて静圧発生溝に連通する一連の連通路とで構成されるシールガス供給路により、外部シールガス供給設備からシールガスを密封端面間に供給するようになっており、密封端面間は、開力（密封端面間に導入されたシールガスの圧力（静圧）によるもの）と閉力（静止密封環を回転密封環に向けて押圧附勢するスプリングによるもの）とがバランスする非接触状態に保持される。

このように、従来ガスシールは、密封端面間を非接触状態に保持するようにしたものであるから、密封端面の焼き付きを生じることなく、被密封ガス領域のシールを長期に亘って良好に行うことができるものであり、ガスを扱う回転機器の軸封装置として好適するものである。

特開２００７−２１１９３９公報

しかし、従来ガスシールにあっては、開力を発生させるためのシールガスが外部シールガス供給設備によって密封端面間に供給されていたため、次のような問題があった。

すなわち、外部シールガス供給設備は、その機能，構造上、供給圧力つまり密封端面間に供給できるシールガスの圧力に上限があるため、従来ガスシールは、シールガスを被密封ガス領域のガス（以下「被密封ガス」という）の圧力より高圧としておくこととも相俟って、被密封ガスの圧力が外部シールガス供給設備によるシールガスの供給圧力を超えるような高圧条件下では使用することができない。また、シールガスの圧力は被密封ガスの圧力に応じて設定されるが、被密封ガスの圧力が変動する条件下においては、シールガスの圧力が被密封ガスの圧力に比して過大となったり、逆に被密封ガスの圧力より低圧となる虞れがあり、適正なシール機能を発揮できない虞れがある。したがって、従来ガスシールは、一定圧以上の高圧ガスを扱う回転機器や圧力変動の大きな回転機器の軸封装置としては使用することができず、その用途が大幅に制限されていた。また、従来ガスシールは、外部シールガス供給設備が必要となるため、当然に、軸封装置全体の大型化や構造の複雑化を招き、イニシャルコスト及びランニングコスト等の経済的負担も大きいといった問題があった。

また、従来ガスシールでは、シールガスの圧力を被密封ガスの圧力より高く設定しているため、シールガスが密封端面間から非密封ガス領域のみならず被密封ガス領域へも漏洩することになる。したがって、シールガスとしては両密封ガス領域に漏洩しても支障のない窒素ガス等が使用されているものの、圧力が変動する条件下において被密封ガス領域の圧力がシールガスの圧力に比して大きく低下するような状況下では、被密封ガス領域にシールガスが大量に漏洩して被密封ガス領域の圧力が必要以上に上昇し、回転機器の運転機能等に悪影響を及ぼす虞れがあった。

さらに、従来ガスシールでは、閉力発生手段としてスプリングを使用しているため、次のような問題もあった。

すなわち、密封端面にはスプリングによる閉力が常時作用することになるから、外部シールガス供給設備に何らかのトラブルが発生してシールガスの供給が停止した場合、シールガスによる開力が消滅することにより、静止密封環がスプリングの附勢力（閉力）によって回転密封環へと急激に移動されて、回転密封環に激しく衝突し、その結果、密封端面が損傷，破損する虞れがある。かかる問題は、特に、被密封ガスの圧力が高い高圧条件下においてはより顕著に発生する。すなわち、高圧条件下では、シールガスの圧力を被密封ガスの圧力に応じて高くしておく必要があることから、シールガスによる開力とバランスさせるスプリング荷重も当然に高くしておかざるを得ず、このため、シールガスの供給停止時には、静止密封環がスプリングによる閉力により回転密封環に極めて激しく衝突して、密封端面の損傷，破損の程度がより大きくなる。また、密封端面が破損しない場合においても、スプリング荷重により密封端面が強く接触した状態で相対回転されるために、密封端面が短時間のうちに異常摩耗する虞れがある。

本発明は、このような問題を生じることなく、被密封ガス領域の圧力条件に拘わらず常に適正なシール機能を発揮できる信頼性の高い静圧形ノンコンタクトガスシールを提供することを目的とするものである。

この課題を解決した本発明は、筒状のシールケースと、シールケースを洞貫する回転軸に固定された回転密封環と、シールケースに先端部が回転密封環と直対向する状態で軸線方向移動可能に保持された静止密封環と、両密封環の対向端面である密封端面間にシールガスを供給することにより、静止密封環に密封端面間を離間させる方向への軸線方向推力である開力を作用させる開力発生手段と、静止密封環に密封端面間を接近させる方向への軸線方向推力である閉力を作用させる閉力発生手段とを具備して、この開力と閉力とをバランスさせることにより、密封端面間を非接触状態に保持させつつ高圧の被密封ガス領域と低圧の非密封ガス領域とをシールするように構成された静圧形ノンコンタクトガスシールであって、静止密封環が、その基端部の内外周面とシールケースとの間をシールする第一及び第二Ｏリングを介して、シールケースに軸線方向移動可能に保持されており、開力発生手段が、静止密封環に形成されて、被密封ガス領域のガスを密封端面間に供給するシールガス供給路と、シールガス供給路に配設されたオリフィスとを具備して、被密封ガス領域のガスをシールガス供給路から前記シールガスとしてオリフィスを経て被密封ガス領域のガスより低圧に減圧させた状態で密封端面間に供給させることにより前記開力を発生させるように構成されており、閉力発生手段が、スプリングを使用しないものであって、前記第一及び第二Ｏリングによってシールケースと静止密封環の基端部との間に密閉形成された背圧室と、静止密封環又はシールケースに形成されて背圧室と被密封ガス領域とを連通する背圧導入路とを具備して、背圧導入路から背圧室に導入された被密封ガス領域のガスによる背圧によって前記閉力を発生させるように構成されていることを特徴とする静圧形ノンコンタクトガスシールを提案する。

かかる静圧形ノンコンタクトガスシールの好ましい実施の形態にあっては、シールガス供給路が、静止密封環の密封端面にこれと同心をなす円環状に連続又は断続して形成された静圧発生溝と、静止密封環に形成されて一端部を被密封ガス領域に開口すると共に他端部を静圧発生溝に連通する連通路とを具備してなり、被密封ガス領域のガスを連通路からこれに配設したオリフィスを経て静圧発生溝に供給するように構成される。この場合において、静圧発生溝が、静止密封環の密封端面と同心をなして円環状に並列する複数の円弧状凹溝であり、各円弧状溝が、各々、オリフィスを配設した連通路を介して、被密封ガス領域に連通されていることが好ましい。また、前記第一Ｏリング及び／又は第二Ｏリングは、シールケースと静止密封環との対向周面の何れか一方に形成したＯリング溝に係合保持させておくことができる。

本発明の静圧形ノンコンタクトガスシールは、開力を発生させるためのシールガスとして被密封ガスを使用したものであるから、外部シールガス供給設備を使用した従来ガスシールのようにシールガスの供給が停止するといった不測の事態が発生することがない。さらに、本発明の静圧形ノンコンタクトガスシールは、閉力についてもスプリングを使用せず、被密封ガスによる背圧を利用して発生させるようにしていることから、開力及び閉力が被密封ガス領域の圧力に応じて自動調整される自封シールとして機能するものである。したがって、本発明によれば、被密封ガス領域が大きく圧力変動したり高圧となる条件下においても、冒頭で述べたような問題を生ずることなく長期に亘って良好且つ適正なシール機能を発揮することができる、極めて信頼性の高い静圧形ノンコンタクトガスシールを提供することができる。

また、本発明の静圧形ノンコンタクトガスシールにあっては、外部シールガス供給設備を必要としないことから、従来ガスシールに比して軸封装置全体の小型化及び構造の簡素化を実現でき、イニシャルコスト等の経済的負担も軽減することができる。また、シールガスとして被密封ガスを使用しているが、シールガスはオリフィスで減圧された上で密封端面間に供給され、密封端面間には常に被密封ガス領域より低圧のシールガスが供給されることになることから、被密封ガス領域の圧力が大きく降下するような状況下においても、シールガスの被密封ガス領域への大量漏れにより回転機器に悪影響を及ぼすようなことはない。

さらに、本発明の静圧形ノンコンタクトガスシールは、従来ガスシールと同様に密封端面間からの漏洩を許容しつつシールする非接触形メカニカルシールではあるが、密封端面間をこれに被密封ガスより低圧のシールガスを供給させることによって非接触形状態に保持するものであり、密封端面間においては被密封ガス領域から非密封ガス領域へのガス漏洩を許容するものであるから、被密封ガス領域の減圧シールとしても機能するものである。したがって、本発明の静圧形ノンコンタクトガスシールは、従来ガスシールと異なって、高圧対応の多段シール（複数のメカニカルシールを多段に設けるダブルシール，トリプルシール等）の一次シールとしても好適に使用することができ、上記した作用効果を有することとも相俟って、その用途が大幅に拡大するものである。

図１は本発明に係る静圧形ノンコンタクトガスシールの一例を示す断面図（断面は図２のＩ−Ｉ線に沿う）である。 図２は図１のII−II線に沿う断面図である。 図３は図１の要部を拡大して示す断面図である。 図４は図１の他の要部を拡大して示す断面図である。 図５は本発明に係る静圧形ノンコンタクトガスシールの変形例を示す図４相当の断面図である。 図６は本発明に係る静圧形ノンコンタクトガスシールの他の変形例を示す図３相当の断面図である。 図７は本発明に係る静圧形ノンコンタクトガスシールの更に他の変形例を示す図３相当の断面図である。

以下、本発明を実施する形態を図面に基づいて具体的に説明する。

図１は本発明に係る静圧形ノンコンタクトガスシールの一例を示す断面図（断面は図２のＩ−Ｉ線に沿う）であり、図２は図１のII−II線に沿う断面図であり、図３は図１の要部を拡大して示す断面図であり、図４は図１の他の要部を拡大して示す断面図である。また、図５は本発明に係る静圧形ノンコンタクトガスシールの変形例を示す図４相当の断面図であり、図６は本発明に係る静圧形ノンコンタクトガスシールの他の変形例を示す図３相当の断面図であり、図７は本発明に係る静圧形ノンコンタクトガスシールの更に他の変形例を示す図３相当の断面図である。なお、以下の説明においては、便宜上、前後とは図１及び図３〜図７における左右をいうものとする。

図１に示す静圧形ノンコンタクトガスシールは、高圧ガスを扱うタービン，ブロワ，コンプレッサ，攪拌機，ロータリバルブ等の回転機器に装備されるものであり、筒状のシールケース１と、シールケース１を洞貫する回転機器の回転軸２に固定された回転密封環３と、シールケース１に先端部４２が回転密封環３と直対向する状態で軸線方向移動可能に保持された静止密封環４と、両密封環３，４の対向端面である密封端面３１，４１間にシールガスＧ１（図３参照）を供給することにより、静止密封環４に密封端面３１，４１間を離間させる方向への軸線方向推力である開力Ｆｏ（図３参照）を作用させる開力発生手段５と、静止密封環４に密封端面３１，４１間を接近させる方向への軸線方向推力である閉力Ｆｃ（図３参照）を作用させる閉力発生手段６とを具備して、この開力Ｆｏと閉力Ｆｃとをバランスさせることにより、密封端面３１，４１間を非接触状態に保持させつつ高圧の被密封ガス領域Ｈと低圧の非密封ガス領域Ｌとをシールするように構成されている。なお、この例では、図１に示す如く、被密封ガス領域Ｈは密封端面３１，４１の外周側領域であり、当該回転機器の機内領域である。また、非密封ガス領域Ｌは密封端面３１，４１の内周側領域であり、当該回転機器の機外領域であって大気領域である。

シールケース１は、図１に示す如く、回転機器のハウジング７から水平に突出する回転軸２を同心状に囲繞する円筒形状のもので、ハウジング７の後端部に取り付けられた円筒状の取付部１１と、外周部を取付部１１の後端部に取り付けられた円環板状の壁部１２と、壁部１２の内周部に一体形成されて取付部１１内に同心状に突入する円筒状の保持部１３とからなる。

回転密封環３は、図１に示す如く、シールケース１の取付部１１内に配して、回転軸２に円筒状のスリーブ部材２１，２２を介して固定された円環状体であり、先端面（後端面）を軸線に直交する平滑面とする密封端面３１に構成したものである。

静止密封環４は、図３及び図４に示す如く、先端面（前端面）を軸線に直交する平滑面である密封端面（以下「静止側密封端面」ともいう）４１に構成した先端部たる密封端面形成部４２と、密封端面形成部４２の後端部に一体形成された中間部たる被保持部４３と、被保持部４３の後端部に一体形成された基端部たる二次シール部４４とからなる円環状体であり、回転密封環３と同心をなして対向した状態でシールケース１の取付部１１と保持部１３との対向周面間に第一及び第二Ｏリング８，９を介して軸線方向移動可能に保持されている。なお、回転密封環３の密封端面３１は、回転密封環３の後端面における静止側密封端面４１に対応する円環状部分である。

静止密封環４の外周部は、第一Ｏリング８を介して、シールケース１の取付部１１にシール状態（二次シール状態）で軸線方向移動可能に保持されている。すなわち、静止密封環４の二次シール部４４の外周部は、図３及び図４に示す如く、この二次シール部４４とシールケース１の取付部１１との対向周面間に装填した第一Ｏリング８により、シールされた状態で且つ軸線方向移動可能な状態でシールケース１の取付部１１の内周部に嵌合保持されている。静止密封環４に対する第一Ｏリング８の前方への相対移動（密封端面４１方向への相対移動）は、被保持部４３の外周部における後端部に形成した環状凸部４３ａの後端面によって係止規制されている。なお、静止密封環４の二次シール部４４の外径は、図３に示す如く、密封端面形成部４２の外径（密封端面３１，４１の外径）Ｄ２より大きく設定されている。

また、静止密封環４の内周部は、第二Ｏリング９を介して、シールケース１の保持部１３にシール状態（二次シール状態）で軸線方向移動可能に保持されている。すなわち、図３及び図４に示す如く、静止密封環４の被保持部４３の内周部における後端部分である環状段部４３ｂはシールケース１の保持部１３の外周部に軸線方向移動自在に外嵌されており、静止密封環４の二次シール部４４とシールケース１の保持部１３との間は、両部１３，４４の対向周面間に装填した第二Ｏリング９によりシールされている。静止密封環４に対する第二Ｏリング９の前方への相対移動（密封端面４１方向への相対移動）は、上記環状段部４３ｂの後端面によって係止規制されている。なお、シールケース１の保持部１３の外径（バランス径）Ｄ０は、図３に示す如く、静止密封環４の密封端面形成部４２の内径（密封端面３１，４１の内径）Ｄ１より大きく設定されている。また、静止密封環４にはその後端面から前方へ軸線方向に延びる適当数（この例では４個）のドライブピン係合凹部４５が形成されていて、図４に示す如く、各ドライブピン係合凹部４５にシールケース１の壁部１２から前方へ軸線方向に突出するドライブピン１４を突入係合させることにより、静止密封環４のシールケース１に対する相対回転を所定範囲での軸線方向移動を許容する状態で阻止するように構成されている。

開力発生手段５は、図３に示す如く、静止密封環４に形成されて、被密封ガス領域Ｈのガス（被密封ガス）Ｇを密封端面間３１，４１に供給するシールガス供給路５１と、シールガス供給路５１に配設されたオリフィス５２とを具備して、被密封ガスＧをシールガス供給路５１からオリフィス５２を経てシールガスＧ１として密封端面３１，４１間に供給させることにより前記開力Ｆｏを発生させるように構成されている。

シールガス供給路５１は、図２及び図３に示す如く、静止側密封端面４１に形成された静圧発生溝５３と、静止密封環４に形成されて一端部を被密封ガス領域Ｈに開口すると共に他端部を静圧発生溝５３に連通する連通路５４ａ，５４ｂとを具備してなり、被密封ガスＧを連通路５４ａ，５４ｂから静圧発生溝５３に供給するように構成されている。静圧発生溝５３は、これと同心をなす円環状に断続する浅い凹溝で構成されている。すなわち、静圧発生溝５３は、図２に示す如く、静止側密封端面４１と同心をなして円環状に並列する複数（この例では４個）の円弧状凹溝５３ａで構成されている。また、連通路５４ａ，５４ｂは、静止密封環４の環状凸部４３ａの外周面において被密封ガス領域Ｈに開口された円弧状凹溝５３ａと同数（４個）の上流側連通路５４ａと、各上流側連通路５４ａと各円弧状凹溝５３ａとを連通する下流側連通路５４ｂとで構成されている。

各上流側連通路部分５４ａには、図３に示す如く、中心にオフィス孔を形成した円板で構成されたオリフィス５２が嵌合固着されており、このオリフィス５２により被密封ガスＧを減圧した上でシールガスＧ１として各連通路５４ａ，５４ｂから静圧発生溝５３へと供給するようになっている。なお、シールガスＧ１の圧力は、オリフィス５２によって被密封ガス領域Ｈの圧力（被密封ガスＧの圧力）より０．５〜１．５ｂａｒ程度低くなるように（減圧されるように）設定されている。

閉力発生手段６は、従来ガスシールのようなスプリングを使用しないものであって、図１及び図４に示す如く、前記第一及び第二Ｏリング８，９によってシールケース１と静止密封環４の基端部（二次シール部）４４との間に密閉形成された背圧室６１と、静止密封環４を貫通して背圧室６１と被密封ガス領域Ｈとを連通する背圧導入路６２とを具備してなり、背圧導入路６２から背圧室６１に導入された被密封ガスＧによる背圧によって前記閉力Ｆｃを発生させるように構成されている。背圧導入路６２は、図４に示す如く、一端部を静止密封環４の被保持部４３の前端において被密封ガス領域Ｈに開口すると共に他端部を静止密封環４の二次シール部４４の後端において背圧室６１に開口するものであるが、この例では、図２及び図４に示す如く、背圧導入路６２を前記ドライブピン係合凹部４５と同数（４個）設けて、各背圧導入路６２の背圧室６１への開口部をドライブピン係合凹部４５を利用して構成してある。すなわち、各背圧導入路６２の他端部を各ドライブピン係合凹部４５に連通させてある。

以上のように構成された静圧形ノンコンタクトガスシールにあっては、図３に示す如く、閉力発生手段６により被密封ガスＧが背圧導入路６２から背圧室６１に導入され、この背圧室６１に導入された被密封ガスＧの圧力（背圧）Ｐによって、静止密封環４には、両密封端面３１，４１を接近させる方向の軸線方向推力である閉力Ｆｃが作用する。この閉力Ｆｃは、図３に示す如く、密封端面４１の外径Ｄ２と第二Ｏリング９とシールケース１の保持部１３との接触面（シール面）の外径（バランス径）Ｄ０とによって決定され、Ｆｃ＝Ｐ（π／４）（（Ｄ２）²−（Ｄ０）²）で与えられる。なお、圧力は大気圧を基準とするゲージ圧力を意味するものとする。

また、上記ノンコンタクトガスシールにあっては、図３に示す如く、開力発生手段５により被密封ガスＧがシールガスＧ１として連通路５４ａ，５４ｂから静圧発生溝５３に導入されて、密封端面３１，４１間にはシールガスＧ１による静圧が発生し、これにより静止密封環４には密封端面３１，４１間を開く方向の軸線方向推力である開力Ｆｏが作用する。このとき、被密封ガスＧは上流側連通路５４ａに配設したオリフィス５２を通過することにより減圧されることから、オリフィス５２を通過して静圧発生溝５３に供給される被密封ガスつまりシールガスＧ１の圧力Ｐ１は被密封ガス領域Ｈの圧力（被密封ガスＧの圧力）Ｐより低くなっている。その結果、密封端面３１，４１間においては、図３に示す如く、被密封ガス領域Ｈに接触する密封端面３１，４１の外周縁部位から非密封ガス領域である大気領域Ｌに接触する密封端面３１，４１の内周縁部位へと漸次減少する圧力分布をなす静圧による開力Ｆｏが発生することになる。すなわち、密封端面３１，４１の外周縁部位では被密封ガス領域Ｈの圧力つまり被密封ガスＧと同一の圧力Ｐとなり、この圧力は当該外周縁部位から漸次減少してシールガスＧ１が供給される静圧発生溝５３に対応する部位ではシールガスＧ１と同一の圧力Ｐ１となり、更に密封端面３１，４１間の圧力は当該静圧発生溝対応部位から漸次減少して密封端面３１，４１の内周縁部位では略零となり、密封端面３１，４１間においては非密封ガス領域Ｌへのガス流動が生じることになる。

したがって、オリフィス５２による減圧度（被密封ガスＧとシールガスＧ１との差圧（Ｐ−Ｐ１））並びに密封端面３１，４１の内外径Ｄ１，Ｄ２及びバランス径Ｄ０２を、開力Ｆｏと閉力Ｆｃとがバランスされるように適宜に設定しておくことにより、密封端面３１，４１間を隙間（５〜１５μｍ）を有する非接触状態に保持させておくことができ、密封端面３１，４１から非密封ガス領域Ｌへの微少漏れを許容しつつ被密封ガス領域Ｈが良好にシールされる。

ところで、回転機器の振動等により開力Ｆｏと閉力Ｆｃとのバランスが崩れて、密封端面３１，４１間が上記適正隙間より大きくなったり、或いは逆に小さくなったりする場合があるが、被密封ガスＧがオリフィス５２で絞られた上でシールガスＧ１として静圧発生溝５３に導入されることから、密封端面３１，４１間の隙間が変動した場合にも、その隙間が自動的に調整されて適正に保持される。すなわち、密封端面３１，４１間が適正隙間より大きくなったときは、密封端面３１，４１間のガスが膨張されて（静圧発生溝５３から密封端面３１，４１間に流出するシールガス量とオリフィス５２を通って静圧発生溝５３に供給されるシールガス量とが不均衡となって）静圧発生溝５３内の圧力が低下する。その結果、開力Ｆｏが閉力Ｆｃより小さくなり、密封端面３１，４１間の隙間が小さくなるように変化して、その隙間が適正なものに調整される。逆に、密封端面３１，４１間が適正隙間より小さくなったときは、密封端面３１，４１間のガスが圧縮されて（静圧発生溝５３から密封端面３１，４１間に流出するシールガス量とオリフィス５２を通って静圧発生溝５３に供給されるシールガス量とが不均衡となって）静圧発生溝５３内の圧力が上昇する。その結果、開力Ｆｏが閉力Ｆｃより大きくなり、密封端面３１，４１間の隙間が大きくなるように変化して、その隙間が適正なものに調整される。このような密封端面３１，４１の隙間調整は瞬間的に行われ、当該隙間調整によるシール機能への影響はない。

また、運転開始時において開力Ｆｏが閉力Ｆｃに先駆けて或いは閉力Ｆｃと同時に発生した場合、密封端面３１，４１間が開力Ｆｏにより必要以上に開いて密封端面３１，４１間からの大量漏れを生じる虞れがある。しかし、運転開始時においては、背圧導入路６２から背圧室６１への被密封ガスＧの導入は、オリフィス５２を有するシールガス供給路５１から密封端面３１，４１間へのシールガスＧ１の導入に先駆けて行われることになる。すなわち、閉力Ｆｃは開力Ｆｏに先駆けて発生することになる。したがって、閉力発生手段６として常時閉力を発生するスプリングを使用していないにも拘わらず、スプリングを使用した場合と同様に、運転開始時においても、開力Ｆｏと閉力Ｆｃとのバランスによる密封端面３１，４１間の隙間維持を適正に行うことができる。

また、上記ノンコンタクトガスシールは、開力Ｆｏ及び閉力Ｆｃを被密封ガスＧにより発生させるものであり、開力Ｆｏ及び閉力Ｆｃが被密封ガス領域Ｈの圧力変動に伴って自動的に調整される自封シールとして機能するものである。したがって、従来ガスシールのように外部シールガス供給設備により開力Ｆｏを発生させる場合やスプリングにより閉力を発生させる場合と異なって、被密封ガス領域Ｈが如何なる圧力となっても、常に、開力Ｆｏと閉力Ｆｃとがバランスされて密封端面３１，４１間を適正隙間の非接触状態に保持して、良好且つ安定したシール機能を発揮することができる。

また、シールガスＧ１として被密封ガスＧを使用しているから、従来ガスシールのように外部シールガス供給設備を必要とする場合のようにシールガスの供給が停止する等の不測の事態を生じることがない。しかも、閉力をスプリングにより発生させる従来ガスシールのように、シールガスの供給停止や圧力低下等により密封端面が激しく衝突して損傷，破損するような虞れもない。したがって、上記ノンコンタクトガスシールは、従来ガスシールに比して、極めて信頼性の高いものであり、長期に亘って良好且つ安定したシール機能を発揮することできるものである。

また、上記ノンコンタクトガスシールにあっては、開力Ｆｏを発生させるシールガスＧ１が被密封ガス領域Ｈの圧力Ｐより低いため、密封端面３１，４１間に供給されたシールガスＧ１は密封端面３１，４１から密封ガス領域Ｈに漏洩することなく、専ら非密封ガス領域Ｌに漏洩することになる。したがって、シールガスＧ１の圧力を前記した如く被密封ガス領域Ｈの圧力（被密封ガスＧの圧力）より０．５〜１．５ｂａｒ程度低圧に設定しておくことにより、シールガスが被密封ガス領域へも漏洩することによる問題、つまり従来ガスシールのようにシールガスが被密封ガス領域に侵入することにより回転機器に悪影響を及ぼすような問題は、これが生じることがない。

また、上記ノンコンタクトガスシールは、密封端面３１，４１間をこれに被密封ガスＧより低圧のシールガスＧ１を供給することにより非接触状態に保持して、密封端面３１，４１間における被密封ガス領域Ｈから非密封ガス領域Ｌへの微少漏れを許容するものであるから、被密封ガス領域Ｈの減圧シールとしても機能させ得るものである。したがって、シングルシールとして使用する他、高圧対応の多段シール（複数のメカニカルシールを多段に設けるダブルシール、トリプルシール等）の一次シール（上記非密封ガス領域Ｌを二次シールの被密封ガス領域とする）としても好適に使用することができる。

ところで、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、上記ノンコンタクトガスシールにあっては、図４に示す如く、閉力発生手段６の背圧導入路６２を静止密封環４に形成したが、この背圧導入路６２はシールケース１に形成しておくこともできる。例えば、図５に示す如く、両端部を被密封ガス領域Ｈと背圧室６１とに開口させた背圧導入路６２をシールケース１の取付部１１に形成して、背圧室６１に導入させた被密封ガスＧにより前記閉力Ｆｃを発生させるようにしてもよい。なお、シールケース１に形成する背圧導入路６２の数は任意である。

また、上記したノンコンタクトガスシールにあっては、図３に示す如く、第一及び第二Ｏリング８，９を静止密封環４の二次シール部４４の内外周面とこれに対向するシールケース１の取付部１１の内周面及び保持部１３の外周面との間にこれらと軸線方向（前後方向）に相対移動可能な状態で装填させたが、第一Ｏリング８及び／又は第二Ｏリング９はシールケース１又は静止密封環４に軸線方向に相対移動不能に保持させるようにしてもよい。例えば、第一及び／又は第二Ｏリング８，９は、図６に示す如く、静止密封環４の二次シール部４４の外周面及び／又は内周面に形成したＯリング溝４４ａ，４４ｂに係合保持させておくことができ、或いは図７に示す如く、シールケース１の取付部１１の内周面及び／又はシールケース１の保持部１３の外周面に形成したＯリング溝１１ａ，１３ａに係合保持させておくことができる。ところで、図１に示すノンコンタクトガスシールにあっては、静止密封環４の軸線方向移動に伴ってＯリング８，９にその接触面との摩擦により部分的なねじれを生じて、Ｏリング８，９によるシール性や静止密封環４の追従性が低下する虞れがあるが、図６又は図７に示す如くＯリング８，９をＯリング溝１１ａ，１３ａ，４４ａ，４４ｂに係合保持させておくと、静止密封環４の軸線方向移動によってＯリング８，９がその接触面（Ｏリング溝が形成されていない面）上を円滑に滑動して部分的なねじれるを生じるようなことがなく、Ｏリング８，９によるシール機能及び静止密封環４の軸線方向における追従性が良好に確保される。

また、図１〜図７に示すノンコンタクトガスシールは、密封端面３１，４１の外周側領域が被密封ガス領域Ｈとなり且つその内周側領域が非密封ガス領域Ｌとなる条件下で使用されたものであるが、本発明の静圧形メカニカルシールは、これとは逆に、密封端面３１，４１の内周側領域が被密封ガス領域Ｈとなり且つその外周側領域が非密封ガス領域Ｌとなる形態で使用される構成とすることもできる。

また、シールガス供給路５１に設けるオリフィス５２は、図３に示す如き円板形状のものに限定されず任意であり、例えば、毛細管構造や多孔質構造等のものとしておくこともできる。また、静圧発生溝５３は、図２に示す如く、静止側密封端面４１と同心をなす円環状に断続するもの、つまり複数の円弧状溝５３ａからなるものに構成する他、静止側密封端面４１と同心をなす円環状に連続するもの、つまり円環状の凹溝に構成してもよい。静圧発生溝５３がこのような円環状の凹溝である場合、図２及び図３に示すような複数の連通路５ａ，５ｂを設けて、下流側連通路５ｂを静圧発生溝５３の複数個所に連通させておく他、オリフィス５２を配設した一つの上流側連通路５ａに複数の下流側連通路５ｂを分岐接続して、各下流側連通路５ｂを静圧発生溝５３に連通させるようにしてもよい。

１ シールケース
２ 回転軸
３ 回転密封環
４ 静止密封環
５ 開力発生手段
６ 閉力発生手段
７ 回転機器のハウジング
８ 第一Ｏリング
９ 第二Ｏリング
１１ 取付部
１２ 壁部
１３ 保持部
１４ ドライブピン
２１ スリーブ部材
２２ スリーブ部材
３１ 密封端面
４１ 密封端面（静止側密封端面）
４２ 密封端面形成部（静止密封環の先端部）
４３ 被保持部
４３ａ 環状凸部
４３ｂ 環状段部
４４ 二次シール部（静止密封環の基端部）
４４ａ Ｏリング溝
４４ｂ Ｏリング溝
４５ ドライブピン係合凹部
５１ シールガス供給路
５２ オリフィス
５３ 静圧発生溝
５３ａ 円弧状凹溝
５４ａ 上流側連通路（連通路）
５４ｂ 下流側連通路（連通路）
６１ 背圧室
６２ 背圧導入路
Ｄ０ バランス径
Ｄ１ 密封端面の内径
Ｄ２ 密封端面の外径
Ｇ 被密封ガス（被密封ガス領域のガス）
Ｇ１ シールガス
Ｈ 被密封ガス領域
Ｌ 非密封ガス領域
Ｐ 被密封ガスの圧力
Ｐ１ シールガスの圧力

Claims (4)

1. 筒状のシールケースと、シールケースを洞貫する回転軸に固定された回転密封環と、シールケースに先端部が回転密封環と直対向する状態で軸線方向移動可能に保持された静止密封環と、両密封環の対向端面である密封端面間にシールガスを供給することにより、静止密封環に密封端面間を離間させる方向への軸線方向推力である開力を作用させる開力発生手段と、静止密封環に密封端面間を接近させる方向への軸線方向推力である閉力を作用させる閉力発生手段とを具備して、この開力と閉力とをバランスさせることにより、密封端面間を非接触状態に保持させつつ高圧の被密封ガス領域と低圧の非密封ガス領域とをシールするように構成された静圧形ノンコンタクトガスシールであって、
   静止密封環が、その基端部の内外周面とシールケースとの間をシールする第一及び第二Ｏリングを介して、シールケースに軸線方向移動可能に保持されており、
   開力発生手段が、静止密封環に形成されて、被密封ガス領域のガスを密封端面間に供給するシールガス供給路と、シールガス供給路に配設されたオリフィスとを具備して、被密封ガス領域のガスをシールガス供給路から前記シールガスとしてオリフィスを経て被密封ガス領域のガスより低圧に減圧させた状態で密封端面間に供給させることにより前記開力を発生させるように構成されており、
   閉力発生手段が、スプリングを使用しないものであって、前記第一及び第二Ｏリングによってシールケースと静止密封環の基端部との間に密閉形成された背圧室と、静止密封環又はシールケースに形成されて背圧室と被密封ガス領域とを連通する背圧導入路とを具備して、背圧導入路から背圧室に導入された被密封ガス領域のガスによる背圧によって前記閉力を発生させるように構成されていることを特徴とする静圧形ノンコンタクトガスシール。
2. シールガス供給路が、静止密封環の密封端面にこれと同心をなす円環状に連続又は断続して形成された静圧発生溝と、静止密封環に形成されて一端部を被密封ガス領域に開口すると共に他端部を静圧発生溝に連通する連通路とを具備してなり、被密封ガス領域のガスを連通路からこれに配設したオリフィスを経て静圧発生溝に供給するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載する静圧形ノンコンタクトガスシール。
3. 静圧発生溝が、静止密封環の密封端面と同心をなして円環状に並列する複数の円弧状凹溝であり、各円弧状溝が、各々、オリフィスを配設した連通路を介して、被密封ガス領域に連通されていることを特徴とする、請求項２に記載する静圧形ノンコンタクトガスシール。
4. 前記第一Ｏリング及び／又は第二Ｏリングが、シールケースと静止密封環との対向周面の何れか一方に形成したＯリング溝に係合保持されていることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載する静圧形ノンコンタクトガスシール。

Images