JP6577329B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、静止形・アウトサイド形のメカニカルシールに関する。

従来、ポンプ、ブロアやコンプレッサ等の回転機器に適用され得る静止形・アウトサイド形のメカニカルシールが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種のメカニカルシールは、前述のような回転機器のケーシングと回転軸との間に設けられ、前記回転機器の機内領域と機外領域と遮蔽するために一次シール及び二次シールを形成するようになっている。

一例では、図５に示すように、メカニカルシール７１は、回転機器７２のケーシング７３と回転軸７４との間に設けられるものであり、筒状の取付部材８１と、静止側リテーナリング８２と、静止側密封環８３と、ストッパリング８４と、回転側密封環８５と、付勢部材８７とを備える。前記メカニカルシール７１は、静止側シールリング８８と、回転側シールリング８９とを更に備える。

前記取付部材８１、前記静止側リテーナリング８２、前記静止側密封環８３及び前記回転側密封環８５は、それぞれ前記ケーシング７３の内部７６に直接又は間接的に連通する被密封流体領域７７の一部を前記回転軸７４との間に形成すべく、前記回転軸７４から離れた状態で当該回転軸７４を囲むように同心状に配置される。

前記取付部材８１は、前記ケーシング７３に取付可能に構成される。前記静止側リテーナリング８２は、筒状部８２ａ及び環状部８２ｂを有する。前記筒状部８２ａは前記取付部材８１に軸方向に移動可能に嵌め込まれ、前記環状部８２ｂは前記筒状部８１ａの軸方向一方側に一体的に連結され且つ前記取付部材８１外に配置される。

前記静止側密封環８３は、静止側密封端面８３ａを有する。前記静止側密封環８３は、前記環状部８２ｂと隣り合うようにその軸方向一方に配置され、前記静止側リテーナリング８２と共に軸方向に移動可能に構成される。前記ストッパリング８４は、前記静止側密封環８３よりも軸方向一方に配置され、前記回転軸７４に外嵌されて一体回転可能に取り付けられる。

前記回転側密封環８５は、前記静止側密封環８３と前記ストッパリング８４との間に配置される。前記回転側密封環８５は、回転側密封端面８５ａを有する。この回転側密封端面８５ａは、前記静止側密封環８３の静止側密封端面８３ａと対向するように配置される。そして、前記回転側密封環８５は、前記回転軸７４と一体回転すべく前記ストッパリング８４に連結される。

前記付勢部材８７は、スプリング９６等からなるものであり、前記静止側リテーナリング８２の環状部８２ｂに保持される。前記付勢部材８７は、前記静止側密封環８３の静止側密封端面８３ａが前記回転側密封環８５の回転側密封端面８５ａに圧接されるように、前記静止側密封環８３を軸方向一方へ付勢するように構成される。

前記静止側シールリング８８は、前記回転機器７２の機内領域（前記ケーシング７３の内部７６及び被密封流体領域７７）と機外領域（非密封流体領域７８）との間を遮蔽するためのシールを形成可能なものである。前記静止側シールリング８８は、互いに径方向に対向する前記取付部材８１と前記静止側リテーナリング８２の筒状部８２ａとの間に設けられる。

前記回転側シールリング８９は、機内領域と機外領域との間を遮蔽するためのシールを形成可能なものである。前記回転側シールリング８９は、前記回転機器７２への前記メカニカルシール７１の適用時に、前記回転軸７４に直接外嵌されて、互いに径方向に対向する前記回転軸７４と前記回転側密封環８５との間に設けられる。

よって、前記メカニカルシール７１の使用時に、前記回転機器７２の機内領域と機外領域との間を遮蔽するために、前記静止側密封環８３及び前記回転側密封環８５を用いて一次シールを形成し、且つ、前記静止側シールリング８８及び前記回転側シールリング８９を用いて二次シールを形成し、前記回転機器７２で扱われる流体が前記ケーシング７３と前記回転軸７４との間を通じて機内領域から機外領域へ漏れることを防止できる。

特開２０１３−０５０１４１号公報

静止形・アウトサイド形のメカニカルシール１においては、通常、一次シールのシール性能を考慮して、回転側密封環８５は、静止側密封環８３の静止側密封端面８３ａに対する当該回転側密封環８５の回転側密封端面８５ａの圧接状態（平行度）を適切に維持するために、回転軸７４に一体回転可能に取り付けられるストッパリング８４にあまり強固に連結されない。

この連結には、例えば図５に示すように、前記ストッパリング８４の周方向に適宜の間隔で設けられた複数のボルト９８が用いられる。具体的には、前記各ボルト９８がその頭部９８ａと前記ストッパリング８４との間に隙間９９が生じるように余裕をもって締め付けられ、この状態で前記ストッパリング８４への前記回転側密封環８５の連結が完了とされる。

そのうえで、静止形・アウトサイド形の前記メカニカルシール１においては、二次シールを形成するための静止側シールリング８８及び回転側シールリング８９が、互いに異なる最外径を有するものとされ、回転機器７２への当該メカニカルシール１の適用時、最外径位置が径方向に関して前記回転軸７４から異なる距離離れた状態で前記回転軸７４を囲むように同心状に設けられる。

すなわち、前記回転側シールリング８９が、前記静止側シールリング８８のバランス径と異なる最外径を有し、前記回転軸７４に外嵌される。そのため、前記静止側シールリング８８が最外径位置を径方向に関して前記回転軸７４から所定距離離した状態で配置される一方、前記回転側シールリング８９が最外径位置を前記回転軸７４に近接させた状態で配置される（図５参照）。

なお、前記静止側シールリング８８のバランス径とは、前記取付部材８１に接触する前記静止側シールリング８８の接触面の径（即ち、最外径）のことを指す。

このことから、前記メカニカルシール１は、前記回転機器７２への適用時にその内側の圧力（ケーシング７３の内部７６の圧力）に基づき負荷荷重を受ける当該メカニカルシール１における受圧領域に関して、軸方向一方向きの負荷荷重を受ける受圧領域の受圧面積と、軸方向他方向きの負荷荷重を受ける受圧領域の受圧面積との間に差異が生じる構造をとらざるを得ない。

前記ケーシング７３の内部７６は前記回転機器７２の運転状況に応じて正圧状態又は負圧状態に変化し、前記被密封流体領域７７は前記ケーシング７３の内部７６と同一の圧力状態となる。前記ケーシング３の内部６が負圧状態になった場合、前記被密封流体領域７７も負圧状態となり、これに対応する負荷荷重を前記メカニカルシール１における受圧領域が受けることとなる。

前記被密封流体領域７７が負圧状態となった場合、前記メカニカルシール１においては、前述の構造（前記静止側シールリング８８及び前記回転側シールリング８９の各々の設置状態）上、軸方向他方向きの負荷荷重を受ける受圧領域Ｒ１２（１２Ａ・１２Ｂ）の受圧面積が、軸方向一方向きの負荷荷重を受ける受圧領域Ｒ１１（１１Ａ・１１Ｂ）の受圧面積よりも大きくなる。

前記回転側密封環８５における受圧領域においては、軸方向他方向きの負荷荷重を受ける受圧領域Ｒ１２Ａが、軸方向他一方向きの負荷荷重を受ける受圧領域Ｒ１１Ａよりも大きくなる。そのため、前記回転側密封環８５に対して当該回転側密封環８５を軸方向他方に（前記ケーシング７３の内部７６に向かって）引っ張る負荷荷重Ｆ１０が作用することとなる。

この状態において、前記回転側密封環８５は、付勢部材８７の付勢荷重により軸方向一方へ付勢される前記静止側密封環８３と圧接状態にあるので、この静止側密封環８３により軸方向他方への移動をある程度阻止され得る。しかし、前記負荷荷重Ｆ１０は、前記回転機器７２の運転状況に変化が生じれば、前記付勢荷重を超えるように増大する可能性がある。

前記負荷荷重Ｆ１０が前記付勢部材８７の付勢荷重を超えた場合、前記回転側密封環８５の一部又は全部が、この負荷荷重Ｆ１０により引っ張られて、軸方向他方への位置ずれを起こす。

そしてこの位置ずれが発生すると、前記静止側密封端面８３ａに対する前記回転側密封端面８５ａの平行度の狂い、前記付勢部材８７の付勢荷重の変化、一次シール部分や二次シール部分への異物の噛み込み等が引き起こされて、シール性能が低下する。特に、前記ケーシング７３の内部７６（前記被密封流体領域７７）の圧力状態が正圧と負圧との間で頻繁に切り替えられるように前記回転機器７２の運転が行われる状況で発生しやすい。このようなことから、従来のメカニカルシールでは、適用対象（回転機器）の運転状況に応じてシール性能が大きく損なわれる可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、良好なシール性能を発揮し且つ安定的に維持できる、静止形・アウトサイド形のメカニカルシールの提供を目的とする。

請求項１に係る発明は、
被密封流体領域と非密封流体領域とを遮蔽するために、ケーシングとその開口部から突出する回転軸との間に設けられる静止形・アウトサイド形のメカニカルシールにおいて、
前記ケーシングの開口部に嵌込可能な筒状の嵌込部を有し、この嵌込部が前記開口部に嵌め込まれた状態で前記ケーシングに取り付けられるように構成された取付部材と、
前記取付部材の嵌込部に軸方向に移動可能に嵌め込まれた筒状部、及び、この筒状部の軸方向一方側に連結された環状部を有する静止側リテーナリングと、
静止側密封端面を有し、前記静止側リテーナリングの環状部の軸方向一方に配置されるとともに、前記静止側リテーナリングと共に軸方向に移動可能に構成された静止側密封環と、
前記静止側密封環よりも軸方向一方に配置され、前記回転軸に一体回転可能に外嵌固定され得るストッパリングと、
前記静止側密封環と前記ストッパリングとの間に配置される回転側密封環であって、前記静止側密封端面と対向する回転側密封端面、及び、前記ストッパリング側に形成された環状凹部を有し、前記回転軸と一体回転すべく前記ストッパリングに連結された回転側密封環と、
前記回転側密封環の環状凹部に挿入嵌合可能に且つ前記回転軸に外嵌可能に形成され、前記回転軸と一体回転すべく前記ストッパリングに連結された環状の嵌合部材と、
前記静止側リテーナリングの環状部に保持され、前記静止側密封端面が前記回転側密封端面に圧接されるように前記静止側密封環を軸方向へ付勢する付勢部材とを備え、
前記取付部材の嵌込部、前記静止側リテーナリング、前記静止側密封環及び前記回転側密封環は、それぞれ前記ケーシングの内部に直接又は間接的に連通する被密封流体領域の一部を前記回転軸との間に形成すべく、前記回転軸から離れた状態で当該回転軸を囲むように同心状に配置され、
前記取付部材の嵌込部と当該嵌込部の径方向内方に配置された前記静止側リテーナリングの筒状部との間に、被密封流体領域と非密封流体領域との間を遮蔽するためのシールを形成可能な静止側シールリングが設けられ、
前記回転側密封環と当該回転側密封環の径方向内方に配置された前記嵌合部材との間に、被密封流体領域と非密封流体領域との間を遮蔽するめのシールを形成可能な回転側シールリングが設けられ、
前記静止側シールリング及び前記回転側シールリングが、同一の最外径を有して、前記回転軸を囲むように同心状に配置される構成とされているものである。

この構成によれば、前記メカニカルシールの使用状態において、被密封流体領域と非密封流体機外領域との間を遮蔽するために、前記静止側密封環及び前記回転側密封環を用いて一次シールを形成するとともに、前記静止側シールリング及び前記回転側シールリングを用いて二次シールを形成し、流体が前記ケーシングと前記回転軸との間を通じて漏れることを防止できる。

また、静止形・アウトサイド形の前記メカニカルシールにおいては、その使用時に前記静止側リテーナリング、前記静止側密封環及び前記回転側密封環等の各部材に前記ケーシング内部の圧力に起因する負荷荷重が付与されるが、前述の前記静止側シールリング及び前記回転側シールリングの各々の設置状態に応じて前記各部材の受圧領域が規定されることとなる。

前記各部材の受圧領域としては、軸方向に関して互いに相反する向きの受圧領域、即ち軸方向一方向きの負荷荷重を受ける受圧領域と、軸方向他方向きの負荷荷重を受ける受圧領域とがあるが、前述のシールリング設置状態により、前記メカニカルシールは、必然的に、これら双方の受圧領域の受圧面積が同程度になる構造をとるものとなる。

したがって、前記メカニカルシールの使用時に、これに作用する負荷荷重のうち前記回転側密封環に対して軸方向他方向きに付与される負荷荷重が増大することを抑えて、この負荷荷重による前記回転側密封環の軸方向他方への位置ずれの発生を阻止しやすくなる。よって、前記メカニカルシールにおいて、良好なシール性能を発揮させ且つ安定的に維持できる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のメカニカルシールにおいて、
前記静止側リテーナリング及び／又は前記静止側密封環が、
軸方向に作用する負荷荷重を受ける第１静止側受圧領域、及び、
前記第１静止側受圧領域が受ける負荷荷重とは反対方向の負荷荷重を受ける第２静止側受圧領域
を含み、
前記第１静止側受圧領域が、前記第２静止側受圧領域よりも大きい受圧面積を有し、
前記回転側密封環が、
前記第１静止側受圧領域が受ける負荷荷重と同方向に作用する負荷荷重を受ける第１回転側受圧領域、及び、
前記第１回転側受圧領域が受ける負荷荷重とは反対方向の負荷荷重を受ける第２回転側受圧領域
を含み、
前記第１回転側受圧領域が、前記第２回転側受圧領域よりも小さい受圧面積を有し、
前記被密封流体領域の圧力状態が変化したとき、前記第１静止側受圧領域の受圧面積と前記第２静止側受圧領域の受圧面積との差に起因して、前記静止側リテーナリング及び前記静止側密封環に軸方向の負荷荷重が作用するとともに、前記第１回転側受圧領域の受圧面積と前記第２回転側受圧領域の受圧面積との差に起因して、前記静止側リテーナリング及び前記静止側密封環に作用する負荷荷重とは反対方向の負荷荷重が前記回転側密封環に作用するように構成されているものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載のメカニカルシールにおいて、
前記第２回転側受圧領域の受圧面積から前記第１回転側受圧領域の受圧面積を差し引いた面積が、前記第１静止側受圧領域の受圧面積から前記第２静止側受圧領域の受圧面積を差し引いた面積と等しいものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載のメカニカルシールにおいて、
前記第１回転側受圧領域の受圧面積から前記第２回転側受圧領域の受圧面積を差し引いた面積が、前記第１静止側受圧領域の受圧面積から前記第２静止側受圧領域の受圧面積を差し引いた面積と等しいものである。

この構成によれば、被密封流体領域が正圧状態になった場合に、前記第１負荷荷重の大きさを前記第２負荷荷重の大きさと一致させて、前記負荷荷重の全部を前記負荷荷重と確実に相殺できる。したがって、この場合であっても前記回転側密封環の軸方向他方への位置ずれを阻止して、前記静止側密封環と前記回転側密封環との間のシール性能を更に安定させることができる。

本発明によれば、良好なシール性能を発揮し且つ安定的に維持できる、静止形・アウトサイド形のメカニカルシールを提供できる。

本発明の一実施形態に係る静止形・アウトサイド形のメカニカルシールの使用状態を示す断面図である。 図１の一部拡大図である。 図１のメカニカルシールの内側が正圧になっている状態を示す一部拡大図である。 図１のメカニカルシールの内側が負圧になっている状態を示す一部拡大図である。 従来の静止形・アウトサイド形のメカニカルシールの一例の使用状態を示すとともに、このメカニカルシールの内側が負圧になっている状態を示す断面図である。

本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係るメカニカルシール１の使用状態の断面図を示す。図２に、図１の一部拡大図を示す。

図１及び図２に示すように、前記メカニカルシール１は、静止形・アウトサイド形のものであり、流体を扱うポンプ、ブロアやコンプレッサ等の回転機器（適用対象）２に適用可能なものである。ここで、前記回転機器２は、前記メカニカルシール１を適用した状態で、当該回転機器２内側の圧力を正圧又は負圧に切り替えながら運転を行うようになっている。

前記メカニカルシール１は、前記回転機器２のケーシング３とその開口部３ａから突出する回転軸４との間に設けられて、機内領域（前記ケーシング３の内部６及び後述の被密封流体領域７）と機外領域（非密封流体領域８）との間を遮蔽すべくシールを形成し、前記回転機器２で扱われる流体が前記ケーシング３と前記回転軸４との間から漏れることを防止できるようになっている。

詳しくは、前記メカニカルシール１は、筒状の嵌込部１１ａを有する取付部材１１と、静止側リテーナリング１２と、静止側密封環１３と、ストッパリング１４と、回転側密封環１５と、環状の嵌合部材１６と、付勢部材１７とを備えている。前記メカニカルシール１は、静止側シールリング１８と、回転側シールリング１９とを更に備えている。

前記取付部材１１の嵌込部１１ａ、前記静止側リテーナリング１２、前記静止側密封環１３及び前記回転側密封環１５は、それぞれ前記ケーシング３の内部６に直接又は間接的に連通する被密封流体領域７の一部を前記回転軸４との間に形成すべく、内周面が前記回転軸４の外周面から離れた状態で前記回転軸４を囲むように同心状に配置される。

ここで、前記取付部材１１の嵌込部１１ａ、前記静止側リテーナリング１２、前記静止側密封環１３及び前記回転側密封環１５は、丸棒状の前記回転軸４の外周形状に合わせた形状、即ち略断面円形の内周形状を有している。

被密封流体領域７は、前記回転軸４と前記メカニカルシール１の部材１１・１２・１３・１４との間にそれぞれ形成された環状の第１空間２１、第２空間２２、第３空間２３及び第４空間２４からなり、これらの空間２１・２２・２３・２４により前記回転機器２で扱われる流体が前記ケーシング３の内部６から流れ込むことを許容し且つその流体を収容できるように構成される。

被密封流体領域７においては、後述の前記静止側シールリング１８及び前記回転側シールリング１９の設置状態に起因して、前記第１空間２１、前記第２空間２２、前記第３空間２３及び前記第４空間２４のうち、前記第１空間２１が最も大きな径方向幅を有するものとなり、前記第４空間２４（後述の環状凹部１５ｂの内部空間を除いたもの）が最も小さな径方向幅を有するものとなる。

図１及び図２に示すように、前記取付部材１１は、前記ケーシング２の開口部３ａに嵌込可能な筒状の前記嵌込部１１ａを有している。そして、前記取付部材１１は、前記嵌込部１１ａが前記開口部３ａに嵌め込まれた状態で前記ケーシング３に取り付けられるように構成されている。本実施形態において、前記取付部材１１は、前記嵌込部１１ａのほか、固定部１１ｂを更に有している。

前記取付部材１１は、前記回転軸４の外径よりも大きい内径を有する断面Ｌ字状の非分割型の金属製円環状体からなり、前記回転軸４を囲繞可能に形成されている。前記嵌込部１１ａは、前記ケーシング３の開口部３ａの内周形状に合わせた形状、即ち略断面円形の外周形状を有し、前記開口部３ａに略隙間なく嵌め込まれ得るように形成されている。

前記固定部１１ｂは、前記嵌込部１１ａの軸方向一方側から径方向外方に向かって突設されている。前記固定部１１ｂは、前記嵌込部１１ａと一体的に成形され、前記嵌込部１１ａが前記開口部３ａに嵌め込まれた場合に前記ケーシング３外でその外周面（前記開口部３ａの周囲）と対向する位置に配置されるようになっている。

そして、前記取付部材１１は、前記嵌込部１１ａを前記ケーシング３の開口部３ａに嵌め込み且つ前記固定部１１ｂを前記開口部３ａの周囲を機外から覆うように配置しながら、ボルト２６によりこの固定部１１ｂを前記ケーシング３に締結することで、前記ケーシング３に前記嵌込部１１ａ及び前記固定部１１ｂを密接させた状態で固定されて取り付けられるようになっている。

前記静止側リテーナリング１２は、筒状部１２ａと環状部１２ｂとを有している。前記筒状部１２ａは、前記取付部材１１の嵌込部１１ａに軸方向に移動可能に嵌め込まれている。前記環状部１２ｂは、前記筒状部１２ａの軸方向一方側に連結されている。本実施形態において、前記静止側リテーナリング１２は、押さえ部１２ｃを更に有している。

前記静止側リテーナリング１２は、前記回転軸４の外径よりも大きい内径を有する非分割型の金属製円筒体からなり、前記回転軸４を囲繞可能に形成されている。前記筒状部１２ａは、前記取付部材１１の嵌込部１１ａ内に挿入嵌合可能に形成されている。前記環状部１２ｂは、前記筒状部１２ａに対して同一の内径及び大きい外径を有している。

前記環状部１２ｂは、前記筒状部１２ａの軸方向一方に同心状に配置され、その状態で前記筒状部１２ａと一体的に成形されている。前記環状部１２ｂは、前記筒状部１２ａが前記取付部材１１の嵌込部１１ａに嵌め込まれたとき、前記取付部材１１の固定部１１ｂと軸方向に所定間隔隔てて対向する位置に配置されるようになっている。

前記筒状部１２ａは、また、静止側保持部１２ｄを有している。前記静止側保持部１２ｄは、前記筒状部１２ａの軸方向他端部に設けられ、前記静止側シールリング１８を保持可能に構成されている。ここで、前記静止側保持部１２ｄは、前記筒状部１２ａの全周にわたって延び且つ径方向外方へ開口する環状溝を含み、これに前記静止側シールリング１８を係合保持できるようになっている。

こうして、前記静止側リテーナリング１２は、前記筒状部１２ａを前記静止側シールリング１８を介して前記嵌込部１１ａに嵌め込んだ状態で、前記取付部材１１に軸方向に移動可能に保持されるようになっている。ここで、前記静止側リテーナリング１２は、図示せぬピンにより、所定範囲での軸方向への移動を許容されつつ、前記取付部材１１に対する相対回転を阻止される。

前記環状部１２ｂは、環状突起１２ｅを有している。前記環状突起１２ｅは、前記環状部１２ｂの軸方向一端部で径方向内側に設けられている。前記環状突起１２ｅの突出面には、受止保持面１２ｆが設けられている。前記受止保持面１２ｆは、前記静止側密封環１３の保持面１３ａを軸方向に関して受け止め保持可能に形成されている。

前記受止保持面１２ｆは、軸方向と略直交する平滑な環状平面から形成されている。また、前記受止保持面１２ｆには、前記静止側密封環１３の係合凹部１３ｂに係合可能なピン２７が突設されている。そしてこのピン２７が前記係合凹部１３ｂに係合されることで、前記静止側リテーナリング１２が前記静止側密封環１３との相対回転を阻止されるようになっている。

前記押さえ部１２ｃは、前記環状部１２ｂの径方向外側の軸方向一方に配置されている。前記押さえ部１２ｃは、前記環状部１２ｂとは別体であり、前記環状突起１２ｅに軸方向一方から他方に向かって移動可能に嵌合保持される環板状に形成されるとともに、前記静止側密封環１３に接触しつつこれを囲むことができるように構成されている。

こうして、前記押さえ部１２ｃは、前記静止側密封環１３を前記環状部１２ｂの径方向内側（前記環状突起１２ｅ）との間に挟むように前記環状突起１２ｅに嵌合保持され、その状態で図示せぬボルトによりに前記環状部１２ｂに締結されることで、前記静止側密封環１３を前記環状突起１２ｅとの間で締め付けて挟持できるようになっている。

前記静止側密封環１３は、静止側密封端面１３ｃを有している。前記静止側密封環１３は、前記静止側リテーナリング１２の環状部１２ｂの軸方向一方に配置されるとともに、前記静止側リテーナリング１２と共に軸方向に移動可能に設けられている。本実施形態において、前記静止側密封環１３は、前記静止側リテーナリング１２の環状突起１２ｅに隣接配置されている。

前記静止側密封環１３は、前記回転軸４の外径よりも大きい内径を有する分割型の円環状体からなり、前記回転軸４を囲繞可能に形成されている。前記静止側密封環１３は、２つの円弧状の分割体を備えた２つ割り構造を有するものであり、前記２つの円弧状分割体を組み合わせて結合することにより円環状を呈するようになっている。

前記静止側密封環１３は、本体部１３ｄと、突出部１３ｅを有している。前記本体部１３ｄは、前記静止側リテーナリング１２（前記環状突起１２ｅ）に当接可能な環状に形成されている。前記突出部１３ｅは、前記本体部１３ｄに対して大きい内径及び小さい外径を有する環状に形成されており、前記本体部１３ｄの軸方向一方に同心状に配置されて、前記本体部１３ｄと一体的に成形されている。

前記本体部１３ｄの軸方向他端部には、前記保持面１３ａと、前記ピン２７に係合可能な前記係合凹部１３ｂが設けられている。前記保持面１３ａは、前記本体部１３ｄの軸方向他端面に含まれるものあり、前記静止側リテーナリング１２における前記受止保持面１２ｆと当接できるように軸方向と略直交する平滑な環状平面から形成されている。

前記静止側密封環１３は、また、前記突出部１３ｅを前記本体部１３ｄの径方向中途部から軸方向一方へ突出させ、これにより当該本体部１３ｄの軸方向一端部のうち径方向内側部分が被密封流体領域７（前記第３空間２３）に臨む２段筒状に形成されている。前記本体部１３ｄの外周部には、テーパ面１３ｆ及び円筒面１３ｇが設けられている。

前記テーパ面１３ｆは、前記円筒面１３ｇの軸方向一方に配置され、軸方向一方から他方に向かって漸次拡径する截頭円錐状に形成されている。そして、前記テーパ面１３ｆは、前記静止側リテーナリング１２の押さえ部１２ｃと当接可能とされて、この押さえ部１２ｃにより軸方向一方から他方に向かって押圧され得るようになっている。

前記突出部１３ｅの突出端面には、前記静止側密封端面１３ｃが含まれている。前記静止側密封端面１３ｃは、軸方向に関して前記保持面１３ａと相反する向き（即ち、軸方向一方向き）の面であり、軸方向と略直交する平滑な環状平面から形成されている。前記静止側密封端面１３ｃの面積は、前記保持面１３ａの面積よりも小さく設定されている。

また、前記静止側密封環１３には、保持リング２９が外嵌されている。前記保持リング２９は、弾性を有するものであり、例えばガータスプリング又はＯリング（ここではガータスプリング）から構成されている。前記保持リング２９は、径方向の負荷が作用しない自然状態においては内径が前記本体部１３ｄの軸方向他方側の外径よりも小さくなる状態となる。

そして、前記保持リング２９は、径方向の負荷が作用するように前記本体部１３ｄ、詳しくはその前記円筒面１３ｇに取り付けられると、自然状態から前記本体部１３ｄの円筒面１３ｇに嵌合し得る程度以上に拡径（弾性変形）して、前記２つの円弧状の分割体を組み合わせた状態で緊縛保持し、前記静止側密封環１３を円環状に維持できるようになっている。

前記ストッパリング１４は、前記静止側密封環１３よりも軸方向一方に配置され、前記回転軸４に一体回転可能に外嵌固定され得るように構成されている。前記ストッパリング１４は、前記メカニカルシール１において最も軸方向一方に配置さる部材であり、前記回転機器２への前記メカニカルシール１の適用時、前記回転軸４に軸方向に相対移動不能に固定される。

本実施形態において、前記ストッパリング１４は、前記回転軸４の外径と略同一の内径を有する金属製円筒体からなり、前記回転軸４に略隙間なく外嵌可能に形成されている。前記ストッパリング１４は、２つの円弧状の分割体を備えた２つ割り構造を有するものであり、前記２つの円弧状分割体を組み合わせてボルト３４により結合することにより円環状を呈するようになっている。

前記ストッパリング１４には、ねじ３５が径方向に延在するように螺合されている。前記ストッパリング１４は、前記回転軸４に外嵌された場合に前記ねじ３５が前記回転軸４側へ締め込まれていくことにより、前記ねじ３５により前記回転軸４に軸方向に相対移動不能に固定されて、前記回転軸４と一体回転できるようになっている。

前記回転側密封環１５は、前記静止側密封環１３と前記ストッパリング１４との間に配置されている。前記回転側密封環１５は、前記静止側密封端面８ｃと対向する回転側密封端面１５ａと、前記ストッパリング１４側に、即ち軸方向一方側に形成された環状凹部１５ｂを有し、前記回転軸４と一体回転すべく前記ストッパリング１４に連結されている。

本実施形態において、前記回転側密封環１５は、前記回転軸４の外径よりも大きい内径を有する分割型の円環状体からなり、前記回転軸４を囲繞可能に形成されている。前記回転側密封環１５は、２つの円弧状の分割体を備えた２つ割り構造を有するものであり、前記２つの円弧状の分割体を組み合わせてボルト３６・３７により結合することにより円環状を呈するようになっている。

前記回転側密封環１５の軸方向他端面のうち径方向中途部には、前記回転側密封端面１５ａが設けられている。前記回転側密封端面１５ａは、軸方向に関して前記静止側密封端面１３ｃと相反する向き（即ち、軸方向他方向き）の面であり、この静止側密封端面１３ｃと当接可能なように軸方向と略直交する平滑な環状平面から形成されている。

前記回転側密封環１５は、また、周方向に適宜の間隔で設けられた複数のボルト３８により前記ストッパリング１４の径方向外側に締結されて、前記ストッパリング１４ひいては前記回転軸４と一体回転可能とされている。ここで、前記各ボルト３８は、従来と同様に、頭部３８ａと前記ストッパリング１４との間に隙間３９が生じるように余裕をもって締め付けられている。

前記環状凹部１５ｂは、軸方向一方及び径方向内方へ開口する環状溝を含み、この環状溝に前記嵌合部材１６を収容できるように設けられている。前記環状溝は、前記回転側密封環１５の軸心を中心とする周方向に関して略均一な径方向幅を有し、前記回転側密封環１５が前記ストッパリング１４に連結された状態で前記嵌合部材１６を略隙間なく挿入嵌合できるようになっている。

なお、前記静止側密封環１３及び前記回転側密封環１５は、シール条件等に応じて適宜に選択した材料を用いて構成可能であり、例えば、両者共に炭化珪素等のセラミックスや超合金等の硬質材で構成してもよいし、一方の密封環を炭化珪素等のセラミックスや超硬合金等の硬質材で構成し且つ他方の密封環をこれより軟質のカーボン等で構成してもよい。

前記嵌合部材１６は、前記回転側密封環１５の環状凹部１５ｂに挿入嵌合可能に且つ前記回転軸４に外嵌可能な環状に形成され、前記回転軸４と一体回転すべく前記ストッパリング１４に連結されている。前記嵌合部材１６は、前記回転側密封環１５の環状凹部１５ｂに挿入嵌合されて、前記ストッパリング１４と前記回転側密封環１５の間に配置されている。

本実施形態において、前記嵌合部材１６は、非分割型の環状体からなり、前記回転軸４に略隙間なく外嵌可能に形成されている。前記嵌合部材１６は、前記ストッパリング１４に対して同一の内径及び小さい外径（ここでは半分程度）を有し、前記ストッパリング１４の軸方向他方に同心状に配置された状態で、ボルト３１により前記ストッパリング１４に相対回転不能に固定されている。

前記嵌合部材１６は、また、前記環状凹部１５ｂよりも小さい軸方向幅を有し、当該嵌合部材１６の軸方向他端面と前記環状凹部１５ｂの内周面との間に環状空間４０が生じるように前記環状凹部１５ｂに挿入嵌合されている。前記嵌合部材１６の軸方向他端面及び前記環状凹部１５ｂの内周面のうち底面は、それぞれ軸方向と略直交する平滑な環状平面から形成されている。

前記環状空間４０は、前記嵌合部材１６がＯリング４２を介して前記回転軸４に外嵌された場合、前記回転側密封環１５及び前記嵌合部材１６に加え、前記回転軸４に囲まれて、前記第４空間２４と連通する隙間を形成するようになっている。こうして、前記環状空間４０は、この場合には被密封流体領域７の一部を形成するようになっている。

また、前記嵌合部材１６は、回転側保持部１６ａを有している。前記回転側保持部１６ａは、前記嵌合部材１６の外周部に設けられ、前記回転側シールリング１９を保持可能に構成されている。具体的には、前記回転側保持部１６ａは、前記嵌合部材１６の全周にわたって延び且つ径方向外方へ開口する環状溝を含み、この環状溝に前記回転側シールリング１９を係合保持できるようになっている。

前記付勢部材１７は、前記静止側リテーナリング１２の環状部１２ｂに保持されている。前記付勢部材１７は、前記静止側密封環１３の静止側密封端面１３ｃが前記回転側密封環１５の回転側密封端面１５ａに圧接されるように前記静止側密封環１３を軸方向一方へ付勢するように構成されている。

本実施形態において、前記付勢部材１７は、スプリング受体４５と、スプリング４６とを有している。前記スプリング受体４５は、前記環状部１２ｂの貫通孔１２ｇに軸方向に移動可能に嵌挿保持されている。前記スプリング４６は、前記スプリング受体４５と前記取付部材１１の固定部１１ｂとの間に介装されて、軸方向に伸縮可能とされている。

前記スプリング受体４５を挟んで前記スプリング４６と反対側には、調整ボルト４８が設けられている。前記調整ボルト４８は、前記押さえ部１２ｃに螺合されつつ前記スプリング受体４５に軸方向一方から当接しており、螺送操作されることで前記付勢部材１７による付勢荷重（前記静止側密封環１３の前記回転側密封環１５への押圧接触力）を任意に調整できるように構成されている。

前記静止側シールリング１８は、被密封流体領域７（機内領域）と非密封流体領域８（機外領域）との間を遮蔽するめのシールを形成可能なものである。前記静止側シールリング１８は、前記取付部材１１の嵌込部１１ａと当該嵌込部１１ａに嵌め込まれてその径方向内方に配置された前記静止側リテーナリング１２の筒状部１２ａとの間に設けられている。

本実施形態において、前記静止側シールリング１８は、所定の断面径を有するＯリングから構成されている。前記静止側シールリング１８は、前記筒状部１２ａにおける前記静止側保持部１２ｄの環状溝に係合保持された状態で、互いに径方向に対向する前記取付部材１１の嵌込部１１ａと前記筒状部１２ａ（前記静止側保持部１２ｄ）との間をシールするようになっている。

前記回転側シールリング１９は、被密封流体領域７と非密封流体領域８との間を遮蔽するめのシールを可能なものである。前記回転側シールリング１９は、前記回転側密封環１５とその前記環状凹部１５ｂに挿入嵌合されてその径方向内方に配置された前記嵌合部材１６との間に設けられている。

本実施形態において、前記回転側シールリング１９は、所定の断面径を有するＯリングから構成されている。前記回転側シールリング１９は、前記嵌合部材１６における前記回転側保持部１６ａの環状溝に係合保持され多状態で、互いに径方向に対向する前記回転側密封環１５（前記環状凹部１５ｂ）と前記嵌合部材１６との間をシールするようになっている。

そして、前記静止側シールリング１８及び前記回転側シールリング１９が、前略同一の最外径を有して、前記回転軸４を囲むように同心状に配置される構成とされている。言い換えれば、前記静止側シールリング１８及び前記回転側シールリング１９は、シールを形成する際、各々の最外径位置が仮想線Ｖ１上に位置するように径方向に関して前記回転軸４から略等距離離れた状態で前記回転軸４の周りに設けられるようになっている（図２参照）。

要するに、静止形・アウトサイド形の前記メカニカルシール１において、前記回転側シールリング１９の最外径が、前記静止側シールリング１８のバランス径と略同じに設定されている。なお、前記静止側シールリング１８のバランス径とは、前記取付部材１１の嵌込部１１ａに接触する前記静止側シールリング１８の接触面の径（即ち、最外径）のことを指す。

本実施形態において、前記静止側シールリング１８及び前記回転側シールリング１９は、それぞれ、最外径位置が前記静止側密封環１３の静止側密封端面１３ｃと前記回転側密封環１５の回転側密封端面１５ａとの圧接位置と径方向に関して前記回転軸４から同程度離れた状態となるように、前記静止側保持部１２ｄ及び前記回転側保持部１６ａに保持される。

また、前記静止側シールリング１８及び前記回転側シールリング１９は、それぞれ断面円形状に形成されている。そして、前記回転側シールリング１９が、前記静止側シールリング１８に対して同一又は若干小さい断面径を有しつつ、最外径位置を径方向に関して前記静止側シールリング１８の最外径位置に揃えるように前記回転側保持部１６ａに保持可能とされている。

以上の構成により、前記メカニカルシール１において、前記回転機器２に適用された場合、その機内領域と機外領域との間を遮蔽するために、前記静止側密封環１３及び前記回転側密封環１５を用いて一次シールを形成するとともに、前記静止側シールリング１８及び前記回転側シールリング１９を用いて二次シールを形成し、前記回転機器２で扱われる流体が前記ケーシング３と前記回転軸４との間を通じて機内領域から機外領域へ漏れることを防止できる。

また、静止形・アウトサイド形の前記メカニカルシール１においては、その使用時に前記静止側リテーナリング１２、前記静止側密封環１３及び前記回転側密封環１５等の各部材に負荷荷重（前記回転機器２内側の圧力（前記ケーシング３の内部６の圧力）に基づくもの）が付与されるが、前述の前記静止側シールリング１８及び前記回転側シールリング１９の各々の設置状態に応じて前記各部材１２・１３・１５の受圧領域が規定されることとなる。

前記各部材１２・１３・１５の受圧領域としては、軸方向に関して互いに相反する向きの受圧領域、即ち軸方向一方向きの負荷荷重を受ける受圧領域と、軸方向他方向きの負荷荷重を受ける受圧領域とがあるが、前述のシールリング設置状態により、前記メカニカルシール１は、必然的に、これら双方の受圧領域の受圧面積が同程度になる構造をとるものとなる。

したがって、前記メカニカルシール１の使用時に、これに作用する負荷荷重のうち前記回転側密封環１５に対して軸方向他方向きに付与される負荷荷重が増大することを抑えて、この負荷荷重による前記回転側密封環の軸方向他方への位置ずれの発生を阻止しやすくなる。よって、前記メカニカルシール１において、良好なシール性能を発揮させ且つ安定的に維持できる。

本実施形態においては、図２に示すように、前記静止側リテーナリング１２及び／又は前記静止側密封環１３が、軸方向に関して相反する向きへ付与される負荷荷重を受け得る第１静止側受圧領域Ｒ１及び第２静止側受圧領域Ｒ２を含んでいる。前記第１静止側受圧領域Ｒ１は、前記第２静止側受圧領域Ｒ２よりも大きい受圧面積を有している。

前記回転側密封環１５が、軸方向に関して相反する向きへ付与される負荷荷重を受け得る第１回転側受圧領域Ｒ３及び第２回転側受圧領域Ｒ４を含んでいる。前記第１回転側受圧領域Ｒ３は、前記第２回転側受圧領域Ｒ４よりも小さい受圧面積を有している。

そして、前記メカニカルシール１は、前記被密封流体領域７の圧力状態が変化したとき、前記第１静止側受圧領域Ｒ１の受圧面積と前記第２静止側受圧領域Ｒ２の受圧面積との差に起因して、前記静止側リテーナリング１２及び前記静止側密封環１３に軸方向一方向き又は他方向きの第１負荷荷重が作用するように構成されている。

前記メカニカルシール１は、また同時に、前記第１回転側受圧領域Ｒ３の受圧面積と前記第２回転側受圧領域Ｒ４の受圧面積と差に起因して、前記回転側密封環に前記静止側リテーナリング１２及び前記静止側密封環１３と反対向きの軸方向他方向き又は一方向きの第２負荷荷重が作用するように構成されている。

詳しくは、前記第１静止側受圧領域Ｒ１、前記第２静止側受圧領域Ｒ２、前記第１回転側受圧領域Ｒ３及び前記第２回転側受圧領域Ｒ４は、それぞれ、対応する部材１２・１３・１５うち、径方向に関して被密封流体領域７と略一致するように広がる領域に位置し、被密封流体領域７の圧力状態に応じて負荷荷重を軸方向に付与されるようになっている。

なお、被密封流体領域７の圧力状態は、前記回転機器２の運転状況に応じて前記ケーシング３の内部６の圧力状態が正圧状態又は負圧状態に切り替わることで変化する。被密封流体領域７は、前記ケーシング３の内部６が正圧状態になった場合には正圧状態となり、前記ケーシング３の内部６が負圧状態になった場合には負圧状態となる。

例えば、図３に示すように、被密封流体領域７（前記ケーシング３の内部６）が正圧状態になった場合、前記第１静止側受圧領域Ｒ１及び前記第１回転側受圧領域Ｒ３に軸方向一方向きの負荷荷重が付与され、且つ、前記第２静止側受圧領域Ｒ２及び前記第２回転側受圧領域Ｒ４に軸方向他方向きの負荷荷重が付与されることとなる。

この場合、前記回転側密封環１５に対して軸方向他方向きに作用する第１負荷荷重Ｆ１ａの全部又は一部を、前記静止側リテーナリング１２及び前記静止側密封環１３に対して軸方向一方向きの作用する第２負荷荷重Ｆ２ａと相殺することが可能となる。したがって、前記回転側密封環１５が軸方向他方へ位置ずれすることを極力阻止できる。

また、図４に示すように、被密封流体領域７（前記ケーシング３の内部６）が負圧状態になった場合、前記第１静止側受圧領域Ｒ１及び前記第１回転側受圧領域Ｒ３に軸方向他方向きの負荷荷重が作用し、且つ、前記第２静止側受圧領域Ｒ２及び前記第２回転側受圧領域Ｒ４に軸方向一方向きの負荷荷重が付与されることとなる。

この場合、前記回転側密封環１５に対して軸方向一方向きの第１負荷荷重Ｆ１ｂが作用し、これにより前記回転側密封環１５を前記ストッパリング１４に向かって押し付けるようにすることが可能となる。したがって、前記回転側密封環１５を前記ストッパリング１４により支えて、この回転側密封環１５が軸方向他方へ位置ずれすることを阻止できる。

よって、前記回転機器２の運転状況に応じて被密封流体領域７（前記ケーシング３の内部６）が正圧状態に切り替わった場合であっても、また負圧状態に切り替わった場合であっても、前記回転側密封環１５の軸方向他方への位置ずれを抑制して、前記静止側密封環１３と前記回転側密封環１５との間のシール性能の安定化を図ることができる。

なお、被密封流体領域７が負圧状態になった場合、前記静止側リテーナリング１２及び前記静止側密封環１３に対して軸方向他方向きの第２負荷荷重Ｆ２ｂが作用するが、前記静止側リテーナリング１２及び前記静止側密封環１３の位置ずれは前記付勢部材１７の付勢荷重が前記第２負荷荷重Ｆ２ｂよりも高く設定することで阻止できるようになっている。

また、本実施形態においては、前記第２回転側受圧領域Ｒ４の受圧面積から前記第１回転側受圧領域Ｒ３の受圧面積を差し引いた面積が、前記第１静止側受圧領域Ｒ１の受圧面積から前記第２静止側受圧領域Ｒ２の受圧面積を差し引いた面積と略等しくなるように設定されている。

したがって、被密封流体領域７が正圧状態になった場合に、前記第１負荷荷重Ｆ１ａの大きさを前記第２負荷荷重Ｆ２ａの大きさと実質的に一致させて、前記第１負荷荷重Ｆ１ａの全部を前記第２負荷荷重Ｆ２ａと略確実に相殺することが可能となる。よって、この場合であっても前記回転側密封環１５の軸方向他方への位置ずれを阻止して、前記静止側密封環１３と前記回転側密封環１５との間のシール性能を更に安定させることができる。

１ メカニカルシール
３ ケーシング
４ 回転軸
６ ケーシングの内部
７ 被密封流体領域
８ 非密封流体領域
１１ 取付部材
１１ａ 嵌込部
１２ 静止側リテーナリング
１２ａ 筒状部
１２ｂ 環状部
１３ 静止側密封環
１３ｃ 静止側密封端面
１４ ストッパリング
１５ 回転側密封環
１５ａ 回転側密封端面
１５ｂ 環状凹部
１６ 嵌合部材
１７ 付勢部材
１８ 静止側シールリング
１９ 回転側シールリング
Ｒ１ 第１静止側受圧領域
Ｒ２ 第２静止側受圧領域
Ｒ３ 第１回転側受圧領域
Ｒ４ 第２回転側受圧領域

Claims (3)

1. 被密封流体領域と非密封流体領域とを遮蔽するために、ケーシングとその開口部から突出する回転軸との間に設けられる静止形・アウトサイド形のメカニカルシールにおいて、
   前記ケーシングの開口部に嵌込可能な筒状の嵌込部を有し、この嵌込部が前記開口部に嵌め込まれた状態で前記ケーシングに取り付けられるように構成された取付部材と、
   前記取付部材の嵌込部に軸方向に移動可能に嵌め込まれた筒状部、及び、この筒状部の軸方向一方側に連結された環状部を有する静止側リテーナリングと、
   静止側密封端面を有し、前記静止側リテーナリングの環状部の軸方向一方に配置されるとともに、前記静止側リテーナリングと共に軸方向に移動可能に構成された静止側密封環と、
   前記静止側密封環よりも軸方向一方に配置され、前記回転軸に一体回転可能に外嵌固定され得るストッパリングと、
   前記静止側密封環と前記ストッパリングとの間に配置される回転側密封環であって、前記静止側密封端面と対向する回転側密封端面、及び、前記ストッパリング側に形成された環状凹部を有し、前記回転軸と一体回転すべく前記ストッパリングに連結された回転側密封環と、
   前記回転側密封環の環状凹部に挿入嵌合可能に且つ前記回転軸に外嵌可能に形成され、前記回転軸と一体回転すべく前記ストッパリングに連結された環状の嵌合部材と、
   前記静止側リテーナリングの環状部に保持され、前記静止側密封端面が前記回転側密封端面に圧接されるように前記静止側密封環を軸方向へ付勢する付勢部材とを備え、
   前記取付部材の嵌込部、前記静止側リテーナリング、前記静止側密封環及び前記回転側密封環は、それぞれ前記ケーシングの内部に直接又は間接的に連通する被密封流体領域の一部を前記回転軸との間に形成すべく、前記回転軸から離れた状態で当該回転軸を囲むように同心状に配置され、
   前記取付部材の嵌込部と当該嵌込部の径方向内方に配置された前記静止側リテーナリングの筒状部との間に、被密封流体領域と非密封流体領域との間を遮蔽するためのシールを形成可能な静止側シールリングが設けられ、
   前記回転側密封環と当該回転側密封環の環状凹部の径方向内方に配置された前記嵌合部材との間に、被密封流体領域と非密封流体領域との間を遮蔽するめのシールを形成可能な回転側シールリングが設けられ、
   前記静止側シールリング及び前記回転側シールリングが、同一の最外径を有して、前記回転軸を囲むように同心状に配置される構成とされていることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記静止側リテーナリング及び／又は前記静止側密封環が、
   軸方向に作用する負荷荷重を受ける第１静止側受圧領域、及び、
   前記第１静止側受圧領域が受ける負荷荷重とは反対方向の負荷荷重を受ける第２静止側受圧領域
   を含み、
   前記第１静止側受圧領域が、前記第２静止側受圧領域よりも大きい受圧面積を有し、
   前記回転側密封環が、
   前記第１静止側受圧領域が受ける負荷荷重と同方向に作用する負荷荷重を受ける第１回転側受圧領域、及び、
   前記第１回転側受圧領域が受ける負荷荷重とは反対方向の負荷荷重を受ける第２回転側受圧領域
   を含み、
   前記第１回転側受圧領域が、前記第２回転側受圧領域よりも小さい受圧面積を有し、
   前記被密封流体領域の圧力状態が変化したとき、前記第１静止側受圧領域の受圧面積と前記第２静止側受圧領域の受圧面積との差に起因して、前記静止側リテーナリング及び前記静止側密封環に軸方向の負荷荷重が作用するとともに、前記第１回転側受圧領域の受圧面積と前記第２回転側受圧領域の受圧面積との差に起因して、前記静止側リテーナリング及び前記静止側密封環に作用する負荷荷重とは反対方向の負荷荷重が前記回転側密封環に作用するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記第２回転側受圧領域の受圧面積から前記第１回転側受圧領域の受圧面積を差し引いた面積が、前記第１静止側受圧領域の受圧面積から前記第２静止側受圧領域の受圧面積を差し引いた面積と等しいことを特徴とする請求項２に記載のメカニカルシール。

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