JPH0574750B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、各種の流体機器の軸封装置として適
用される非接触式メカニカルシールに関する。

（従来の技術） この種の非接触式メカニカルシールとして、例
えば本出願人が先に提案した特開昭60−222667号
公報などに開示されている構成のものが知られて
いる。その基本的な構成を第７図にもとづいて説
明する。第７図において、Ａは回転軸（回転側）
で、Ｘは機内側（高圧側）、Ｙは機外側（低圧側）
を示し、ケーシング（固定側）Ｂの中心部に回転
軸Ａが回転自在に設けられて、この回転軸Ａとケ
ーシングＢとの環状空間に非接触式メカニカルシ
ールが装着されている。

このメカニカルシールは、回転軸Ａに固設した
回転密封環Ｄと、背面側に密接して位置するリテ
ーナＥを介して軸移動可能かつ回転不能にケーシ
ングＢに保持され、さらにスプリングＦにより回
転密封環Ｄ側に付勢される静止密封環Ｇを有し、
両者Ｄ，Ｇの間で軸心に垂直なシール面ｄ，ｇを
構成し、このシール面ｄ，ｇ間に機内Ｘに密封さ
れている密封流体圧を動圧として負荷させる第１
密封流体導入用グルーブＨを形成した構成、即ち
回転密封環Ｄ側にスパイラルグルーブを形成した
構成になつている。

（発明が解決しようとする課題） ところで、非接触式メカニカルシールは、シー
ル面ｄ，ｇの摩擦がなく、したがつて、両密封環
Ｄ，Ｇの摩耗に起因するシール破壊が起らないか
ら、シール部の寿命が半永久的であるとともに、
トルク、動力損失が無視できるほど小さく、しか
も高い密封性を得ることができる等のすぐれた特
性を有している。そして、高い密封性は密封流体
圧および諸寸法によつて設定されるシール面ｄ，
ｇの隙間の大きさを径方向にわたつて一様な大き
さに保持することで得られる。そして、シール面
ｄ，ｇの隙間を径方向にわたつて一様な大きさに
保持するためには、シール面ｄ，ｇが平坦である
こと、即ち密封流体圧による圧力歪および密封流
体熱による熱歪等が影響したとしても、シール面
ｄ，ｇがともに軸心に垂直であることが要請され
る。

一方、非接触式メカニカルシールでは、一般に
回転密封環Ｄをセラミツクス等の超硬質材で形成
し、リテーナＥはステンレス鋼等の硬質材で形成
するとともに、静止密封環Ｇはカーボンを主成分
とする比較的軟質材で形成している。即ち、三者
Ｄ，Ｅ，Ｇの圧力歪および熱歪特性が相異してい
る。しかも、圧力歪量および熱歪量が互いに異な
るリテーナＥと静止密封環Ｇが軸方向に密接して
いる構成、つまり静止密封環Ｇの背面にリテーナ
Ｅが密接している構成では、密封流体圧が静止密
封環Ｇのシール面ｇとリテーナＥのフランジ部ｅ
に負荷されて両者Ｇ，Ｅが強く押し付けられるこ
とになる。したがつて、静止密封環Ｇにはシール
面ｇに負荷されるリテーナ側への偏つた密封流体
圧により圧力歪を生じてシール面ｇの平坦度が損
なわれるとともに、リテーナＥにはフランジ部ｅ
に負荷される静止密封環への偏つた密封流体圧に
より静止密封環Ｇの圧力歪量よりも小さい歪量で
圧力歪を生じ、このリテーナＥの圧力歪が静止密
封環Ｇに影響して、静止密封環Ｇの歪量をさらに
増大させ、シール面ｇの平坦度が大きく損なわれ
ることになる。その結果、シール面ｄ，ｇの隙間
を径方向にわたつて一様な大きさに保持できなく
なつて、密封性が損なわれ、場合によつてはシー
ル面ｄ，ｇ間に接触トラブルが起こるおそれを有
してい。

また、静止密封環ＧとリテーナＥには、密封流
体熱による熱歪が生じる、この熱歪も前述の圧力
歪と同様に干渉し合つて悪影響を及ぼし、シール
面ｇの平坦度を損なわせることになる。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもの
で、静止密封環およびリテーナに対して密封流体
圧をバランスよく軸方向両側から負荷させて互い
に相手側に干渉する圧力歪が発生するのを防止
し、かつ軟質の静止密封環に圧力歪を生じたとし
てもこの圧力歪と両者の熱歪が静止密封環に悪影
響を及ぼす不都合を回避して、静止密封環シール
面の平坦度を確保し、回転密封環のシール面と静
止密封環のシール面の隙間が径方向にわたつて一
様な大きさに保持されて、長期にわたり高い密封
性を確保することができる非接触式メカニカルシ
ールを提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するために、本発明は、回転側
に固設した回転密封環との間に回転軸心に対し垂
直なシール面を形成し、かつ流体圧を動圧として
負荷させる第１密封流体導入用グルーブを形成し
ている静止密封環と、該静止密封環の背面側に位
置するリテーナとの間に前記流体圧を静止密封環
に背圧として負荷させる第２密封流体導入用グル
ーブを、前記リテーナの静止密封環の背面に対向
するリテーナ表面に形成したものである。

（作用） 本発明によれば、第１および第２密封流体導入
用グルーブに流体を導入して静止密封環にその軸
方向の両側から流体圧をバランスよく負荷させる
ことができるから、圧力歪によつて静止密封環が
リテーナに干渉することがない。

また、第２密封流体導入用グルーブに導入され
た流体圧によつて、静止密封環の背面とリテーナ
の表面に〓間が形成され、しかもリテーナにもそ
の軸方向から流体圧をバランスよく負荷させるこ
とができるから、圧力歪によつてリテーナが静止
密封環に干渉することもない。したがつて、静止
密封環のシール面の垂直度が損なわれることがな
く、両密封環間のシール面の〓間が径方向にわた
つて一様な大きさに保持されて、高い密封性が保
持される。また、流体熱による熱歪で静止密封環
のシール面の平坦度が損なわれることもない。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基いて説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示す半截断面図で
あり、図において１は回転軸（回転側）で、Ｘは
機内側（高圧側）、Ｙは機外側（低圧側）を示し、
ケーシング２の中心部に回転軸１が回転自在に設
けられ、この回転軸１とケーシング２との環状空
間に非接触式メカニカルシールが装着されてい
る。

このメカニカルシールは、回転密封環３、静止
密封環４およびリテーナ５を有し、回転密封環３
は例えば超硬単体および超硬コーテイング、セラ
ミツクスのような超硬質材で形成され回転軸１に
同時回転可能に固設されている。そして、内周部
に形成した環状溝にＯリング６を回転軸１の外周
に圧接させることで両者１，３間のシール性を確
保している。

静止密封環４は、例えばカーボンを主成分とす
る軟質材によつて形成されケーシング２内に軸移
動のみ可能に嵌合保持されている。即ち静止密封
環４の背面には、例えばステンレス鋼のような非
発錆性の硬質材で形成したリテーナ５が軸移動の
み可能に配置されており、このリテーナ５と静止
密封環４とが円周方向に等間隔で設けられた複数
の回り止めピン７（但し、図面には１つの回り止
めピン７のみが示されている）によつて相対回転
不能に結合されるとともに、リテーナ５とケーシ
ング２とが円周方向に等間隔で設けられた複数の
回り止めピン８（但し、図面には１つの回り止め
ピン８のみが示されている）によつて相対回転不
能に結合されている。そして、圧縮コイルスプリ
ング９によりリテーナ５を介して静止密封環４を
回転密封環３側に付勢している。また、ケーシン
グ２の内周部に形成した環状溝にＯリング１０を
嵌合し、このＯリング１０をリテーナ５の筒状部
５Ａの外周に圧接させることで、両者２，５間の
シール性を確保している。

回転密封環３と静止密封環４の間で軸心Ｃに垂
直なシール面３ａ，４ａを構成し、このシール面
３ａ，４ａ間に機内側Ｘに密封されている密封流
体圧を動圧として負荷させる第１密封流体導入用
グルーブ１１を形成している。即ち、本実施例で
は、第１密封流体導入用グルーブ１１を、第２Ａ
図および第２Ｂ図で示すように、回転密封環３の
シール面３ａに形成した複数のスパイラルグルー
ブ１１Ａによつて構成している。

また、リテーナ５と静止密封環４の間に、密封
流体圧を静止密封環４に背圧として負荷させる第
２密封流体導入用グルーブ１２を形成している。
即ち、第２密封流体導入用グルーブ１２を、第３
Ａ図および第３Ｂ図で示すように、リテーナ５の
静止密封環４の背面に対向する環状表面５Ｂに形
成した深さ0.1〜0.3mmの深い環状溝１２Ａと、円
周方向に等間隔で複数形成されて環状溝１２Ａを
リテーナ５の外周に連通させる深さ２〜15μmの
浅い放射溝１２Ｂによつて構成している。尚、第
１図の１３はスリーブを示している。

前記構成において、回転軸１が回転し、これと
ともに回転密封環３が回転すれば、この回転密封
環３のシール面３ａに形成されたスパイラルグル
ーブ１１Ａで構成される第１密封流体導入用グル
ーブ１１に流体が導入され、回転密封環３と静止
密封環４のシール面３ａ，４ａ間に動圧が負荷さ
れ、この圧力によつて両者３，４が非接触状態に
保たれる。同時に静止密封環４とリテーナ５の間
に形成している第２密封流体導入用グルーブ１２
に流体が導入される。即ち第２密封流体導入用グ
ルーブ１２を構成するために、リテーナ５の静止
密封環４の背面に対向する環状表面５Ｂに形成し
た浅い放射状の溝１２Ｂを通つて深い環状溝１２
Ａに流体が導入され、静止密封環４の背面とリテ
ーナ５の正面間に静圧が負荷され、この圧力によ
つて両者４，５が非接触状態に保たれる。そして
リテーナ５の筒状部５Ａを除いたフランジ部５Ｃ
の背面にも、元々密封流体圧が静圧として負荷さ
れているから、静止密封環４とリテーナ５には、
第４Ａ図および第４Ｂ図において矢印Pfで示す
圧力分布で流体圧がバランスよく軸方向両側から
負荷されることになる。

したがつて、静止密封環４のシール面４ａの垂
直度が損なわれず、その結果シール面３ａ，４ａ
の隙間を径方向にわたつて一様な大きさに保持で
きるから、この隙間に導入された密封流体圧によ
つて高い密封性を確保することができる。また、
軟質の静止密封環４に対して軸方向両側から流体
圧が負荷されることで、たとえ軸方向の寸法（厚
さ）を若干縮小させる圧力歪が生じたとしても、
前記シール面４ａの垂直度を損なうことがない。

また、静止密封環４の背面とリテーナ５の静止
密封環４の背面に対向する環状表面５Ｂの垂直度
も損なわれることがない。したがつて、前記静止
密封環４の背面とリテーナ５の環状表面５Ｂの隙
間を径方向にわたつて一様な大きさに保持できる
から、ここでも、この隙間に導入された密封流体
圧によつて高い密封性を確保することができると
ともに、該隙間によつてリテーナ５と静止密封環
４とが互いに干渉しなくなり、かつ、リテーナ４
の筒状部５Ａを除くフランジ部５Ｃに圧力歪が生
じないから、リテーナ５が静止密封環４に干渉し
て静止密封環４のシール面４ａの平坦度を損なわ
せることがない。さらに、密封流体熱によつて、
熱膨張率が互いに異なる静止密封環４とリテーナ
５に熱歪を生じたとしても、これらの熱歪は互い
に干渉し合うことがなくなるので、静止密封環４
のシール面４ａの平坦度を保持できる。

前記実施例では、第２密封流体導入用グルーブ
１２を、第３Ａ図および第３Ｂ図で示すように、
リテーナ５の正面、つまり静止密封環４の背面に
対向する環状表面５Ｂに形成した深い環状溝１２
Ａと、この環状溝１２Ａをリテーナ５の外周に連
通させる複数の浅い放射溝１２Ｂによつて構成し
て説明しているが、第５図に示すように、複数の
欠円部１２ａを設けて、円周上、複数に分割され
た浅い円弧溝１２Ｄに、それぞれ浅い放射溝１２
Ｂを連通させることによつて、第２密封流体導入
用グルーブ１２を構成してもよい。

また、第１密封流体導入用グルーブ１１は、回
転密封環３のシール面３ａにスパイラルグルーブ
１１Ａを形成し、動圧を負荷させるようにした構
成で説明しているが、第６図に示すように、静止
密封環４のシール面４ａに、円周上、複数に分割
した円弧状溝１１Ｂ（但し、図面には１つの円弧
状溝１１Ｂのみが示されている）を形成し、各円
弧状溝１１Ｂにオリフイス絞り１４をもつたバイ
パス１５を介して密封流体が導入されるようにし
て第１密封流体導入用グルーブ１１を形成しても
よい。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、回転密
封環との間でシール面を形成し、かつ流体圧を負
荷させる第１の密封流体導入用グルーブを形成し
ている静止密封環の背面側に位置するリテーナの
前記静止密封環の背面に対向するリテーナ表面
に、該リテーナと静止密封環の間に流体圧を静止
密封環に背圧として負荷させる第２の密封流体導
入用グルーブを形成した構成としているので、第
１および第２密封流体導入用グルーブにそれぞれ
流体を導入して、静止密封環の軸方向両側から流
体圧をバランスよく負荷させることができるの
で、静止密封環におけるシール面の軸線に対する
平坦度が損なわれず、回転密封環のシール面と静
止密封環のシール面の隙間を径方向にわたつて一
様な大きさに保持することができ、前記両シール
面間の接触トラブルを確実に回避し、かつ高い密
封性を得ることができる。

また、軸方向両側からバランスのよい流体圧が
静止密封環に負荷されるため、この流体圧によつ
て、たとえ静止密封環に軸方向の寸法（厚さ）を
若干縮小させる圧力歪が生じたとしてもシール面
の平坦度を損なうことがない。

さらに、流体圧によつて熱膨張率が互いに異な
る静止密封環とリテーナとに熱歪を生じたとして
もこれらの熱歪は互いに干渉し合うことがないの
で、静止密封環のシール面の平坦度を保持するこ
とができる。したがつて、密封流体圧による圧力
歪および密封流体熱による熱歪が静止密封環に悪
影響を及ぼす不都合を回避でき、シール面の〓間
を径方向にわたつて一様な大きさに保持して、接
触トラブルの発生を確実に防止できるだけでな
く、長期にわたり高い密封性を確保することがで
きるという顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す半截断面図、
第２Ａ図は回転密封環のシール面の一部（円周の
１／４）を示す説明背面図、第２Ｂ図は第２Ａ図
のＢ−Ｂ線に沿う断面図、第３Ａ図はリテー
ナの一部（円周１／４）を示す説明正面図、第３
Ｂ図は第３Ａ図のＢ−Ｂ線に沿う断面図、第
４Ａ図は静止密封環に負荷される圧力分布図、第
４Ｂ図はリテーナに負荷される圧力分布図、第５
図は第２密封流体導入用グルーブを形成する溝の
他の実施例を示す正面図、第６図は第１密封流体
導入用グルーブの他の実施例を示す概略断面図、
第７図は従来例の半截断面図である。 １…回転側（回転軸）、２…固定側（ケーシン
グ）、３…回転密封環、３ａ…シール面、４…静
止密封環、４ａ…シール面、５…リテーナ、９…
スプリング、１１…第１密封流体導入用グルー
ブ、１２…第２密封流体導入用グルーブ、Ｃ…軸
心。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転側に固設した回転密封環と、背面側に位
   置するリテーナを介して軸移動可能に固定側に保
   持されかつスプリングにより前記回転密封環側に
   付勢される静止密封環とを具備し、これら両密封
   環の間に回転軸心に対し垂直なシール面が構成さ
   れ、このシール面に流体圧を動圧として負荷させ
   る第１密封流体導入用グループを形成した非接触
   式メカニカルシールにおいて、前記リテーナの静
   止密封環の背面に対向するリテーナ表面に、該リ
   テーナと静止密封環との間に前記流体圧を静止密
   封環に背圧として負荷させる第２密封流体導入用
   グループが形成されていることを特徴とする非接
   触式メカニカルシール。