JPH10220594A - シール - Google Patents

シール

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JPH10220594A
JPH10220594A JP9300644A JP30064497A JPH10220594A JP H10220594 A JPH10220594 A JP H10220594A JP 9300644 A JP9300644 A JP 9300644A JP 30064497 A JP30064497 A JP 30064497A JP H10220594 A JPH10220594 A JP H10220594A
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seal
ring
section
radius
sealing
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Gregory E Klostermann
イー クロスターマン グリゴリー
James R Wasser
アール ウオッサー ジェームス
Wei-Tang Lai
ライ ウェイ−タング
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John Crane Inc
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    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mechanical Sealing (AREA)
  • Gasket Seals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シールリング磨耗が実質上最小に保たれ、シ
ャフト回転の始動又は停止の間にのみ起こるようになし
た非接触型シールを提供する。 【解決手段】 非接触型式の機械的端面シールが後セク
ション５０と、シール面セクションと、シール面３０と
後セクション間の中間セクション５６をもつ主シールリ
ングを含み、各主リングセクションが前記夫々のセクシ
ョンの最外半径と最内半径間の差として定義される半径
寸法をもち、後セクションの半径寸法は中間セクション
に対して約1.5 乃至約3.1 間、更に好適には約1.9 乃至
約2,5 間、最も好適には約2,0 乃至約2,3 間の比をも
つ。番いシールリング１８は一方のシールリング周囲か
ら他方の周囲に向かって延在しかつ半径Rgでダム３４に
隣接して終端する溝を含み、好適には溝間に境界をも
ち、ダムが中間セクションの外半径より約10％以内で僅
かに大きいか又は小さい半径Rgをもつ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は同時係属する１９９
６年１１月１日出願の米国特許出願第０８／７４３，０
１２号の一部係属出願に係わるものである。本発明は非
接触型端面シールに関し、詳細にはかかるシールの外径
と内径間の高圧力差に順応できるシールに関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】非接触型式の機械的端面シールは色々な
工業に利用できる高度の技術品目である。この型式のシ
ールは構成部品の材料、形状、寸法及び公差に大きな注
意や配慮を払って設計される。設計の細目に対するかか
る注意は多くの特性に適応するために必要である。その
何れの特性もこの型式のシールの効率又は作動に影響を
与え易い。シール、その構成部品又はそのシール作用環
境の約１０個の物理的特徴のうちの何れか１つに対する
変化又は改変は多くの場合、シール特性、シール作用能
力、磨耗、耐久性、完全性に変化をもたらす。多くの場
合、この型式のシールでは、数年のオーダーの長期間に
わたって手入れやトラブル無しで作用するのが望まし
い。このシールは、例えば大きな化学プラント又は精製
所の作業や効率をあまり損なうことなく、長期間にわた
って運転を停止することのできない機械に使用される。
【０００３】この種のシールは時には複式又は二重式シ
ールとして使用され、これは２つのシールをハウジング
中の開口を通るシャフトに沿って軸方向に離間させてい
る。一般に二重シールはハウジングによって画成されか
つ２つのシールによって包囲された中間チャンバ内に緩
衝流体を含む。二重シールの色々な装置は共有の米国特
許第４，２９０，６１１号及び第５，３７５，８５３号
に記載されており、これら両者は本文において参考とな
るものである。
【０００４】米国特許第５，３７５，８５３号は特に、
ハウジング内のシールされる液体の圧力を超過する高圧
の緩衝流体として窒素の如き比較的不活性のガスをもつ
二重非接触型式のシールを示す。
【０００５】米国特許第５，３７５，８５３号に記載し
た型式のシールは殆どの条件で良好に作動することが分
かっている。しかし、米国特許第５，３７５，８５３号
によって作ったシール装置は特定圧力に対して開発され
たので、処理流体又は緩衝ガス圧力がシールの定格仕様
圧力を超えて増大する場合、制限が生じる。他のファク
ターを同じに保てば、シールリングの内径と外径間に２
００psi を超える圧力差を受けるシールはシール作用能
力に影響を与える複雑化に遭遇する。２００乃至２５０
psi を超える圧力差では横断面で見たとき、重心として
知られる点の回りにおけるシールリングの著しい角度的
回転があることが認められた。この回転は事実、円筒形
から円錐形へのシールリング形状の変化が大きいけれど
も、その現象はシールリングが横断面で示され、シール
横断面が事実上、実際にその重心の回りを回転するとし
て示されるので、ずっと簡単に考えられる。ここで図示
と説明を簡単化するため、この手法は以下の説明と図示
において採用される。
【０００６】不均一な加熱はシールリングの熱的歪みを
もたらし、シールリングの内径と外径間の高圧力差が圧
力歪みをもたらすことが認められている。かかる歪みは
望ましくない。というのは、それらが通常リングの平ら
な対向する番いシール面をシールリング面間の通常のシ
ール作用掛合状態から逸脱させるからである。非接触型
シールでは、シールリングの歪みは通常、各シールリン
グ面の外径をシールリングの中心線に向かって重心の回
りに回転させて、シール間隙をシールリング界面の内径
でより広くしかつ外径でより狭くする。シールリング間
隙の軸方向のこの歪みはシールの作用能力に影響しな
い。というのは、もしダムが対向する番いのシールの作
用面に隣接しないならば、ダムに対してガスをポンプ送
りする螺旋状溝ポンプ送りの効果が消失するからであ
る。外径の間隙を狭めることは非接触型シールには望ま
しくない。というのは、より小さい間隙はシール面が望
ましくない接触をなし易く、その結果シール面を早期に
磨耗させるからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】非接触型シールの主目
的は、シールリング磨耗が実質上最小に保たれ、理想的
にはシャフト回転の始動又は停止の間にのみ起こるよう
になすことにある。接触は望ましくない。というのは、
かかる接触により生じる摩擦熱はシールリングに不均一
な熱分配を生ぜしめ、かくしてリングの熱歪みを生ぜし
めるからである。シール界面の外径における過度の接触
を回避するために、米国特許第５，３７５，８５３号に
より作られたシールの主シールリングは外径により短い
肩部をもつことができる。シールの外径におけるシール
接触を回避するもう１つの方法は一般譲渡された米国特
許第３，４９９，６５３号に記載されており、これは主
シールリングの凸面を利用するものである。
【０００８】一般譲渡された米国特許第４，４０７，５
１２号には、アスペクト比、シール面の半径方向外方部
分にある半円形の浅い凹所（ハイドロパッド）及びシー
ルが作動しているときの重心の回りの正味の負のモーメ
ントの如き特定のパラメータがシールの外径の高圧に順
応するために使用される構成のシール構造が記載されて
いる。しかし、この特許に記載されているシールは接触
型シールであり、従ってシール面の摩擦接触によって発
生する熱が熱歪みを生ぜしめる。このシールはこれらの
熱歪みがシール面を横切る高圧力差から生じる歪みを或
る程度補償するよう設計されている。
【０００９】非接触型シールに関連して、一般譲渡され
た米国特許第３，８０４，４２４号には熱及び圧力歪み
を補償するガスシールが記載されている。このシール
は、圧力差が低下しないようシール界面の圧力を増大さ
せるために１つのリングを貫通している多数のオリフィ
スに依存しており、オリフィスはシールの外径でシール
されている圧力流体と主リングの内径及び外径ダム間の
チャンバとの間を連絡している。
【００１０】
【課題を解決するための手段】従って、上記目的を達成
するため、シールが、回転可能のシャフトを包囲するハ
ウジング内で回転する回転可能のシャフトと、前記ハウ
ジング内にある加圧された処理流体のために流体密のシ
ールを提供するために前記ハウジングをシールする手段
と、前記シャフトの回りに環状に配置されかつ前記シャ
フト又は前記ハウジングのうちの一方に流体密に定着し
た軸方向に可動の第１のシールリングを備え、前記軸方
向に可動の第１シールリングは半径方向の第１シール面
を含むシール面セクションと、前記シール面に軸方向で
対向する後面を含む後セクションと、前記後セクション
に前記シール面セクションを接合する中間セクションを
もち、前記シールは更に、前記シャフトの回りに角度的
に配置されかつ前記シャフト又は前記ハウジングのうち
の他方に流体密状に定着した第２シールリングを備え、
前記第２シールリングは前記第１シール面に対向する関
係で半径方向の第２シール面を含み、前記シール面の前
記対向する番い部分はシール界面を形成し、前記第２シ
ール面は前記界面を横切って流体をポンプ送りする手段
を含み、前記シールは更に、直面して番い関係に互いに
向かって前記リングシール面を押圧する偏倚手段を備
え、前記中間セクションは約1.5 乃至約3.1 間、更に好
適には約1,9 乃至約2,5 間、最も好適には約2.0 乃至約
2.3 間の前記後セクションの前記半径方向寸法に対する
比をもつ半径方向寸法をもち、各セクションの半径方向
寸法は前記夫々のセクションの最外半径と、最内半径間
の差として規定されることを特徴とするシールが提供さ
れる。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の特徴は単一又は二重シー
ル装置に使用することができる。大部分につき、単一又
は二重シールを使用しても、シール装置の他の素子は米
国特許第４，２１２，４７５号及び第５，３７５，８５
３号に記載され、請求された慣例のシールの素子に類似
しており、その主なものは本文の説明の参考となるもの
である。従って、他のシール素子は詳述しない。シール
装置と実施例の実質上異なったものについてのみ以下に
詳述する。
【００１２】図１には本発明のシール実施例が単一シー
ル装置１０として示される。シール装置１０は非接触シ
ール装置中のシールを横切る高圧差で流体をシールする
ものであり、図に示す如くガス又は液体の何れかの流体
をシールリングの外径から内径に向かってポンプ送りす
る手段をもつ。米国特許第４，２１２，４７５号及び第
５，３７５，８５３号に記載する如く、ポンプ送り手段
は番いリングに螺旋状溝をもつが、Ｔスロット又は螺旋
状でない溝の如き手段もまた使用できる。
【００１３】大部分の機械的シールでは、シール装置１
０はハウジング１２によって画成したチャンバ１１内の
流体をシールする。ハウジング１２はシャフト１６が貫
通する開口１４をもつ。シャフト１６はハウジング１２
に対して相対的に回転し、チャンバ１１内の処理流体の
漏れを防止又は抑制するための手段を備えなければなら
ない。
【００１４】機械的面シール装置１０はピン２２によっ
てパッキン押さえプレート２０に対して非回転状に固定
した番いリング１８を含む。パッキン押さえプレート２
０はボルト２４によってハウジング１２に取付け、Ｏリ
ング２６によってハウジングにシールする。
【００１５】第２のＯリング２８はシールリング１８を
パッキン押さえプレート２０に対してシールし、これら
の連結部を通して漏れは起こらない。番いリングとも称
されるシールリング１８はシール面３０をもつ。図２に
示す如く、シール面３０は複数の螺旋状溝３２をもち、
これは図１のシール面に仮想線で示す。シール面３０の
縁から延びる溝３２はシール装置１０の外の大気又は環
境Ｅに向かってチャンバ１１から流体をポンプ送りす
る。シールリング３０はダム３４と称される溝無し領域
をもち、これは溝３２とシール面３０の他方の縁の間に
配置される。溝３２の終端とダム３４の間の境界は各溝
のものと同じであり、Ｒｇとして示される特定半径の箇
所にある。他方のリングの対向したシール面に隣接した
各シール面１８の領域はシール界面領域又は単にシール
界面と称される。
【００１６】軸線方向に可動の主リング３８はスリーブ
・リテーナ組立体４０内に保持され、複数の一様に離間
したばねの如き偏倚手段によって軸線方向に偏倚され
る。その１つのばね４２を図１に示す。偏倚手段は主リ
ング３８を番いリング１８に向かって偏倚させ、主リン
グのシール面４４を番いリング１８のシール面３０と接
触させる。
【００１７】当業者には理解できるように、シャフトの
回転時に確実に起こる螺旋状溝３２のポンプ送り作用は
シール面間に流体圧を発生させて、シール面間の界面領
域に小さい間隙を開口させる。
【００１８】半径寸法Ｒｇとして規定される溝３２が終
端する点は形状の重要な点である。溝３２はシール界面
の１縁でチャンバ１１内の加圧した処理流体に曝され
る。ハウジング１２中の開口１４内でシャフト１６が回
転するとき、溝３２はチャンバ１１からの流体を界面に
ポンプ送りして、シール面３０、４４間の流体圧力を増
す傾向をもつ。流体圧は半径Ｒg の箇所又はそれにすぐ
隣接した“圧力ピーク”に到達するまで、ポンプ送り作
用の結果として増す。勿論、ガスからなる流体では、こ
の効果は極めて明白となる。というのは、ガスは圧縮可
能だからである。しかし、液状処理流体の一様なポンプ
送りは圧力を増大させ、溝３２の形状と深さを適切に設
計するよう注意が払われる。
【００１９】シール界面とＲｇのピークにおける圧力増
大は面３０、４４間に間隙を比較的一定に維持する圧力
“ばね”力を提供するものとして説明することができ
る。混乱した状態が生じ、圧力がシール界面の１点で減
少すると、シール面は互いに接近し、その点でガスを更
に圧縮する。かかる圧力圧縮は分離力を増大させ、間隙
分離を増大させる。逆に、もし１点で間隙が広すぎるよ
うになると、圧縮力と圧力が減少し、シール面２０、４
４間の分離力が増大し、それによってシール面をその点
で更に接近させる。
【００２０】かくして、圧力分離力間に平衡が生じて、
一定間隙を維持する傾向となる。また、米国特許第４，
２１２，４７５号に記載する如く、特定のシールパラメ
ータを選択して、シールがシール間隙を最小化する一
方、同時にシール面３０、４４間の接触を阻止するよう
自己修正する間隙分離を提供することができる。
【００２１】しかし高圧では、シールリングは引き裂け
て歪み、回転する。外径で加圧されるシールでは、回転
が各シール面の外径からシャフト１６の中心線ＣＬに向
かって内方に起こる。図３に示す如く、処理流体圧力に
よって生じる回転（矢印で示す）は結果として、慣例の
シールリング対３０、１８Ｃ、３８Ｃのシール面の外径
縁を互いに接近させる一方、内径縁のシール面を分離さ
せる。この回転は図３に拡大して示すが、歪みは間隙に
影響を与え、シール面３０、４４を所望の平行方位から
逸脱させる。平行でないシール面によって作られる間隙
は望ましくない。というのは、Ｒｇ半径でシール面３
０、４４間の分離が増大し、それによって処理流体圧縮
によって与えられる分離力が減少するからである。これ
は結果として、外径の間隙が一緒に現れ、それによって
処理流体をシール界面領域にポンプ送りするために螺旋
状溝３２Ｃに利用可能な処理流体の量を限定し、これは
更に、間隙の分離を維持するために利用可能な圧縮力を
減少する。更に、外径の間隙分離の減少もまた望ましく
ない。というのは、微小な混乱条件でさえ、結果として
夫々の外径におけるシール面間の接触を起こし、過剰の
磨耗と摩擦熱を生じ、これらがシールリングを一層歪ま
せる。
【００２２】図１を参照すれば、主シールリング３８は
高圧によって起こるシールリング歪みを補償し、克服す
るために計算されたシール特性を提供して、シールリン
グ面間に平行関係を維持するという特徴をもつ。これに
つき説明するために、主シールリングは３つのセクショ
ンをもつ。第１又はシール面セクション４６はシール面
４４と、半径方向に延在する面４８までほぼ突出する主
リング３８の軸方向部分をもつ。第２又は後セクション
５０は、後面５２からほぼ半径方向に延在する面５４ま
でシール面から軸方向に除去された主リング３８の部分
を含む。
【００２３】第３又は中間セクション５６はシール面４
６を後セクション５０に接合する主リング３８の部分を
含む。中間セクション５６は更に、半径方向に延在する
面４８、５４間の軸方向長さによって限定され、それは
少なくとも一部分に外径又は半径をもち、前記外径又は
半径は後セクション５０の、又は後セクション５０とシ
ール面セクション４６の両方の外径よりかなり小さい。
【００２４】図１、４を参照すれば、主リング３８のこ
の形状は、シール面４４がその半径方向方位を変えて対
応する番いリング１８の歪みを補償することができると
いう特徴を与える。理想的には、中間セクション５６は
半径方向寸法、即ち後セクション５０の及びシール面セ
クション４６の対応する半径方向寸法よりかなり小さい
中間セクション５６の外径と内径間の差をもつ。
【００２５】主リング形状はリングを一層可撓性となし
かつ処理圧力に対してより敏感性となすより大きい可撓
性を与える。中間セクション５６のより薄い半径方向寸
法はシールリングにより大きい可撓性を与え、後部分５
０の“重心”５８回りの回転を起こさせるシールリング
の歪みがシール面部分４６を重心の回りに回転させない
ようになす。中間セクション５６は追加の歪みを受け
て、中間セクション５６と面セクション４６を図４に示
す矢印の夫々の方向に変位させ、シール面４４、３０に
再び実質上平行方位をとらせる。この追加の歪みは、半
径方向に延在する面４８から反対にシール面４４に作用
する溝３２のポンプ送り作用によって起こされるシール
界面に発生する圧力によって生じ、この場合圧力は面セ
クション４６に軸方向に及ぼされる。
【００２６】番い及び主リングシール面の両者の角度は
処理流体圧力の増大に伴って歪む。更に、各シールリン
グのシール面の逸れは前記面に同時にかなり大きな圧力
範囲にわたって、特に３００p.s.i.乃至６００p.s.i.の
上側圧力範囲内に所望の相対的角度を保持させるべく発
生する。図５、６を参照すれば、本発明の特徴を用いる
別の実施例又は主リングが示されている。図５に示す主
リング６０はシール面６２から後面６４まで測定して、
ずっと短い軸方向長さ寸法をもつ。この特定の実施例で
は、それはシール面セクション７０の半径方向に延在す
る後壁６８と後セクション７４の半径方向に延在する壁
７２によって限定されたより短い対応する中間セクショ
ン６６に変換する。
【００２７】逆に、図６の実施例の主リング８０は主リ
ング６０からずっと長い軸方向寸法をもつ（図５）。主
リングの相対的軸方向寸法は特定の用途に又はチャンバ
１１中の有効スぺースに依存する。
【００２８】更に主シールリングはリング６０の場合よ
りもリング８０の軸方向長さに関しては軸方向にずっと
小さい中間セクション８６を含む。前セクション９０を
画成する半径方向に延在する壁８８及び後セクション９
４を画成する半径方向に延在する壁９２は面８２と後面
８４間の軸方向寸法に関して互いにずっと接近してい
る。しかし、各主リング実施例６０、８０の実際の距離
は壁６８、７２及び８８、９２間で測定して同じにする
ことができる。
【００２９】主リングの各実施例に含まれる本発明の重
要な特徴は、主リング３８、６０、８０又は図７乃至９
につき後述する主リング形状の何れであっても、相対的
半径方向寸法であり、これは他のセクションに比して中
間セクション５６、６６及び８６の半径方向厚さと考ら
れる。更に特に、もし主リングの半径方向厚さが内半径
Ｒ1 より小さい外半径Ｒ0 と規定されるならば、次の
式、
【数１】 によって規定される後セクション５６、６６、８６の半
径方向厚さの比は特定の用途に依存して、１．５乃至
３．１の範囲内、好適には１．９乃至２．５の範囲内、
最も好適には２．３乃至２．５の範囲内にある。親出願
の提出後に実施された最近のテストでは、半径方向寸法
の拡大範囲は或るシール作用には適しており、より高い
圧力ではずっと有効にシールできることが明らかになっ
た。
【００３０】例えば、主リング１６０（図５）は図示の
如く、後セクション１７４、中間セクション１６６及び
シール面セクション１７０を画成する環状面の各々につ
いて特定半径をもつ。後セクション１７０の半径方向寸
法（厚さ）はほぼ０．８７７インチであり、一方、中間
セクション１６６ではそれはほぼ０．２９０インチであ
り、ほぼ３．０２の比を与える。主シールリング１６０
は比の範囲の高い周縁部に近く、実際に僅かにそれを超
えている。これは主リング１６０の短い軸方向寸法の結
果である。というのは、追加の可撓性がシール面セクシ
ョン１７０の、そして特にシール面１６７の正確な方位
を与えるために中間セクション１６６を歪めることが要
求されるからである。この装置はより高い圧力差をもつ
用途に適している。
【００３１】シールリングの完全性と著しい圧力差に適
応する順応性という所望と特性を提供するために主リン
グを設計するに際して考慮すべき比の最適範囲がある。
もし中間セクションが後セクションに関して厚過ぎるよ
うに作られるならば、中間セクションの最少の順応度の
みが主リングを圧力差に不十分に応答させ、これが対応
する番いリングを歪めるが、主リングは歪めない。高圧
でのシール装置のテストにより米国特許出願第０８／７
４３，０１２号に説明されたもの以上の最適範囲内にあ
る主リングの有効な可撓性が証明された。逆に、もし中
間セクションが薄過ぎるように作られるならば、即ち
３．１より大きい比であれば、結果として、後セクショ
ンとシール面セクション間の構造的支持のロスが生じ、
その結果、中間セクションに生じる引っ張り応力が増
す。中間セクションの不十分な厚さは結果として中間セ
クションでリング破壊を生じる。というのは、特に処理
流体圧が該シールを設置しているポンプ、圧縮器等の如
き装置が、使用及び非使用の期間を通じてサイクル作用
をなすときの如き、大きな変動を受けるシール用途にお
いて、引っ張り強度が過度となるからである。かかる場
合、主リングの中間セクションの連続的撓みは割れが生
じるまで、主シールリングの完全性にネガティブな衝撃
を与える。主リング中の可撓性はまた、その製造に適し
た材料を選択する際に提供することができる。高圧シー
ルの設計と製造には強靱で丈夫な材料が必要である。非
接触シールの形状の番いリングに使用する標準材料は一
般に炭化タングステンである。図３に示すものの如き．
慣例の主シールリングの使用は炭化珪素の如き硬質材料
が必要である。これは処理流体の高圧に耐えることがで
き、接触中におけるシール面の過度の磨耗に耐えること
ができる。かかる磨耗は通常はシャフト回転が始まる時
か又は装置が停止する時に起こる。かかる期間中には、
シール面のリフト−オフを維持するために溝の十分なポ
ンプ送り作用を提供するために、シールリングはお互い
に対して相対的に回転しない。しかし炭化タングステン
対炭化珪素の如き２つの“硬い”リングの使用は、もし
接触が通常作業中に高回転速度で起こるならば破滅的破
壊をもたらす可能性がある。
【００３２】本発明構造の使用により与えられる順応性
の特徴は標準のカーボングラファイトの使用を可能に
し、これは慣例のシール用に、即ち過度の高圧で使用す
る意図のないシール用に一般に使用される主リングの材
料である。主リングは過度の圧力に順応でき、更に殆ど
の場合高回転速度でのシール面接触を回避するので、本
発明の主リング構造はカーボングラファイト材料が使用
できるという追加の特徴がある。カーボングラファイト
の使用は、もしそれを高い圧力差に耐えるよう作ること
ができれば、好適である。というのは、それは、シール
面が高回転速度のシールリング間において接触するの場
合には、更に寛大となるからである。炭化珪素主リング
で生じる可能性のあるシールリングの破断又は崩壊の代
わりに、カーボングラファイトリングはカーボンの若干
が簡単に擦り取られるが、その完全性は維持する。
【００３３】図７を参照すれば、本発明の他の態様が記
載されている。単一シール装置１１０は開口１４をもつ
ハウジング１２をシールするためのものとして示されて
おり、前記開口を通して処理流体の漏れを最少化するよ
うにシャフト１６が延びている。シール装置１１０の大
部分の素子はシール装置１０（図１）のものに類似して
いるか又は同一であり、異なる点は回転している部品と
静止している部品を置き換えている点である。シールリ
ングのかかる置き換えは当業者には既知であり、シール
の用途に依存して適切になされる。
【００３４】例えばシール装置１１０は回転する番いリ
ング１１８と相対的に静止した主リング１３８を含む。
パッキン押さえプレート１２０は適切な開口１２２をも
ち、前記開口は主リング１３８とばねを保持し、前記ば
ねは主リング１３８に対して軸方向偏倚力を与えて、番
いリング１１８の対向する番いシール面１３０に対して
主リングのシール面１４４を接触させ、偏倚させる傾向
をもつ。この形状では、それは番いリング１１８であ
る。スリーブ／リテーナ組み合わせ体１４０によって支
持されかつそれに対してシールされ、前記組み合わせ体
によってそれはシャフト１６と共に回転する。
【００３５】主リング１３８の構造の１つの相違点はシ
ール面セクション１５６の半径方向寸法に明白にある。
大きいシール面領域をもつシールの好適な適用例は高い
流体圧に曝されるシール用であり、比較的遅い回転速度
は過度でなく、シール面の磨耗量は減るが、更に重要な
ことには、対向する番いシール面１３０、１４４間のよ
り大きいシール界面領域が、リフト−オフを与えかつ間
隙を維持するのに十分な圧力を発生させるために必要で
ある。
【００３６】しかし、シール面領域の拡大にも拘らず、
後セクション１５０の主リング半径方向寸法の中間セク
ション１５６のそれに対する関係は維持される。主シー
ルリング１３８につき計算すると、その比はほぼ１．９
であり、上記の“厚さ”比の最適範囲の周縁部に近い。
中間セクション１５６の大きい相対的厚さは利用でき
る。というのは、シール面部分１４６の大きい半径で
は、シール界面に生じる圧力は作用する長い“レバー”
をもち、それによって圧力の力が比較的厚い中間セクシ
ョン１５６を歪められるようになすからである。
【００３７】図７に示す他の材料の特徴は対応する番い
リング１１８の溝１３２によって発生する圧力である。
当業者には明らかな如く、図２に示すのと同様な形状を
もつ溝１３２はガスをシール面１３０のダム１３４に向
かって外径からポンプ送りするとき圧力を増大させる。
圧力ピークは溝終端とダム間の境界に又はその近くにあ
りかつシール装置１１０の直ぐ外部のスぺースＥの周囲
圧力を得るべくピークから下降すると考えられる。もし
後述の如く二重シール装置を用いれば、周囲Ｅは大気圧
又は或る他の圧力となる。
【００３８】溝とダム１３４間の境界は図７に半径Ｒｇ
であるとして示す。中間セクション１５６と境界半径Ｒ
ｇ間に比較的一定の関係をもつのが望ましいことが分か
った。本発明によって作ったすべてのシールでは、その
関係は中間セクション半径Ｒ OMはほぼＲｇに等しくすべ
きであるということである。半径Ｒｇは相対的に半径Ｒ
OMより僅かに大きいか又は小さくなし、シール界面の厚
さの１０％以内とし、即ちシール界面の内径より外径の
１０％大きいか又は小さいものとする。好適にはかつ、
本文中に記載の大部分の実施例に示す如く、ＲｇはＲOM
より僅かに小さく、これは各シール面セクション４６、
７０、９０、１４６等の外径部分に最大量の軸方向力を
移転させる。Ｒｇ半径において又はその付近に加えられ
る圧力の力は、例えば夫々の中間セクションを好都合に
歪めて、シール面を平行にしようとする如く、軸方向力
を主リングに与えるので最も望ましい。
【００３９】図８、９では、米国特許第５，３７５，８
５３号に記載したものの如きシール用として２つの二重
シール装置が示されている。かかる形状では、２つのシ
ールがそれらの間に中間チャンバを画成しており、その
中間チャンバは加圧された緩衝ガス源に流体連絡してい
る。米国特許第５，３７５，８５３号では、緩衝ガスは
作業中の処理流体の予期圧力より高い圧力を維持する
が、これは本発明の特徴を使用するための一般的要件で
はない。本発明の特徴は勿論、高圧差が二重シール装置
のシールに又はその両シールを横切って発生するような
装置に最もよく適している。
【００４０】図８には、二重シール装置２１０が示さ
れ、これはハウジング１２中の開口１４を通して延びる
シャフト１６に沿って軸方向に離隔した第１内部シール
２１２と第２外部シール２１４をもつ。ハウジング１２
はチャンバ１１を包囲し、その一部が図８に見えてお
り、このチャンバは加圧された処理流体を含んでいる。
殆どの部品につき、シール装置２１０は米国特許第５，
３７５，８５３号に記載したシール装置と同様であり、
異なる点は、各シール２１２、２１４の番いリングが回
転し、主リングが一連のパッキン押さえ２１６、２１
８、２２０によって非回転静止状に保持されており、前
記パッキン押さえは図示の如くお互いに対してかつハウ
ジングに対して取付けられている点である。パッキン押
さえ２１８、２２０を貫通する通路２２２は窒素の如き
加圧した不活性緩衝ガス源への連絡を可能とし、このガ
スはシール２１２、２１４によって画成された中間チャ
ンバ２１１内に加圧されて入れられている。
【００４１】米国特許第５，３７５，８５３号のテキス
トに一般的に記載されたかかる装置の概略は本発明の特
徴の開示を上記特許には見出すことはできない点を除外
すれば、当業者の権限内にあるものである。このため、
二次的シールＯリング、偏倚ばね等の如き他の素子は本
文中では説明しない。
【００４２】シール２１２を横切る圧力差はシール２１
４を横切る圧力差よりずっと大きいにも拘らず、内部シ
ール２１２の主リング２３８と外部シール２１４の主シ
ールリング２５０は軸方向方位を除外すれば互いに同じ
である。しかし、処理流体圧力は米国特許第５，３７
５，８５３号による出願の意図したシール装置につき予
期されたものより高い。かかる場合、緩衝ガス圧力はか
かるシール装置の定格を超え、その場合外部シール２１
４の少なくとも主リング２５０の本文中の教えに従った
変更が要求される。
【００４３】上記の如く、少なくとも主リング２５０の
中間セクション２５６の外径は、シール面が大きい圧力
差にも拘らず平行性を維持できるように本発明の特徴を
含むべきである。ＲｇとＲOMの相対的半径寸法もまた図
８に示す如く維持される。
【００４４】図８の二次シールの実施例は処理又は緩衝
ガス圧力の大きい変動によるシールリングの歪みに起因
してシール面方位を調節するためかつ、色々な圧力状態
に対する主リング２３８の適応性を示す。主及び番いリ
ングの両方の歪み量はシール界面を横切る圧力差に依存
するので、処理又は緩衝流体圧の何れの突然の変動も両
シールリングに影響し、それによってシール面の平行方
位がかかる変動にも拘らず維持される。この調節によっ
て、もし内部シール２１２を横切る圧力差の如く圧力差
が非常に小さいならば、シールリングの歪みは起こら
ず、その場合シール面は慣例の製造法によって平行とな
る。
【００４５】図９には、二重シール装置３１０が示さ
れ、これには軸方向に離間したシールを挿入するために
チャンバ３１１内に小さい軸方向ルームがある。シール
装置３１０には、内部シール３１２が外部シール３１４
の半径方向外方に配置され、中間チャンバ３１１はそれ
らの間の半径方向スぺース内にある。かかる装置は少な
くともシール３１２のシールリング３３０と３３２は図
示の如くシール３１４のシールリング３５０、３５２よ
り小さい軸方向寸法をもつことが要求される。図５に示
す主リング６０に類似した主リングはかくしてシール３
１２に使用されてシールの軸方向長さを減少させる。両
シール２１２と３１４は主リング３３０、３５０を含
み、本発明の特徴を利用し、上記の如く、後セクション
３４０、３６０の半径寸法対中間セクション３３６、３
５６の半径寸法の比が１．５と３．１間となる主リング
３３０、３５０を含む。また、各番いリング３３２、３
５２の半径Ｒｇは中間セクションの対応する外半径ＲOM
より僅かに小さく示されているが、それは要件ではな
い。というのは、ＲｇはＲOMより僅かに大きくすること
ができるからである。
【００４６】シールパラメータの他の修正又は変化は主
シールリングに対して行うことができ、そして本発明の
範囲に含まれるものである。例えば、壁６８、７２、８
８、９２等は中心線から半径方向外方に延在するよう示
しているが、横の半径方向平面に対して或る収斂角度を
なして延在してもよい。同様に、各中間セクションの外
径は同じ半径で均一に示しているが、それは要件ではな
い。歪みが起こる場所を調節するため又は主リングの歪
みを一層正確に場所決めするために、中間セクションの
外半径は中心線ＣＬに対して凹面をなし又は角度をなす
ことができる。
【００４７】本発明はまた、高圧がシールリングの内径
に接触する型式の加圧シールに有用である。かかる変更
例はポンプ送り溝がそれらの内径で夫々のチャンバに曝
されるることが必要であるが、主リング中間セクション
の半径方向寸法の減少が特定の用途に依存して、リング
の内径に又は外径の何れかに起こされる。代案として、
本発明の特徴は、ポンプ送り溝が処理又は緩衝流体の何
れかの低圧に曝される構成を有する共有の米国特許第
４，２９０，６１１号に従って作ったシールにおける如
く、溝が低圧流体に曝されるシール装置に利用され、こ
の場合適切な他の修正を要することは理解すべきであ
る。
【００４８】本発明を完全に理解すれば、他の変更や修
正を成しえることは当業者には明らかであろう。従っ
て、上記実施例が例示に過ぎず、本発明を限定するもの
でないことは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の主リングをもつ単一シールを示す図で
ある。
【図２】図１の線２−２上の主リングシール面の一部切
除した断面図である。
【図３】慣例のシールリング対を示すと共に、シールが
高圧下にあるときの重心回りの“回転”を拡大して示し
た図である。
【図４】本発明の主リングをもつシールリング対をスケ
ール歪み無しの拡大図として示す図である。
【図５】本発明の主リングのもう１つの実施例を示す図
である。
【図６】本発明の主リングの更に他の実施例を示す図で
ある。
【図７】本発明のシールの更に他の実施例を示す図であ
る。
【図８】各シールの主シールリングが本発明の特徴を備
えている二重非接触型の機械的シールを示す図である。
【図９】オーバー−アンダー型配置の本発明の主リング
を含む二重非接触型の機械的シールを示す図である。
【符号の説明】
１０ 単一シール装置 １２ ハウジング １６ シャフト １８ シールリング又は番いリング ３０ シール面 ３２ 溝 ３８ 主リング ５０、１７０ 後セクション ５６、１５６ 中間セクション ６０、１６０ 主リング １１８ 番いリング １３０ 番いシール面 ２５０ 主リング ３１２ 内部シール ３１４ 外部シール ３３２、３５２ 番いリング
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェームス アール ウオッサー アメリカ合衆国 イリノイ州 60031 グ ルニー キングス ウエイ ウエスト 4850 (72)発明者 ウェイ−タング ライ アメリカ合衆国 イリノイ州 60195 ホ フマン エスティツ グブリュー スター ブリッジ 1195

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シールが、回転可能のシャフトを包囲す
    るハウジング内で回転する回転可能のシャフトと、前記
    ハウジング内にある加圧された処理流体のために流体密
    のシールを提供するために前記ハウジングをシールする
    手段と、前記シャフトの回りに環状に配置されかつ前記
    シャフト又は前記ハウジングのうちの一方に流体密に定
    着した軸方向に可動の第１のシールリングを備え、前記
    軸方向に可動の第１シールリングは半径方向の第１シー
    ル面を含むシール面セクションと、前記シール面に軸方
    向で対向する後面を含む後セクションと、前記後セクシ
    ョンに前記シール面セクションを接合する中間セクショ
    ンをもち、前記シールは更に、前記シャフトの回りに角
    度的に配置されかつ前記シャフト又は前記ハウジングの
    うちの他方に流体密状に定着した第２シールリングを備
    え、前記第２シールリングは前記第１シール面に対向す
    る関係で半径方向の第２シール面を含み、前記シール面
    の前記対向する番い部分はシール界面を形成し、前記第
    ２シール面は前記界面を横切って流体をポンプ送りする
    手段を含み、前記シールは更に、直面して番い関係に互
    いに向かって前記リングシール面を押圧する偏倚手段を
    備え、前記中間セクションは約1.5 乃至約3.1 間の前記
    後セクションの前記半径方向寸法に対する比をもつ半径
    方向寸法をもち、各セクションの半径方向寸法は前記夫
    々のセクションの最外半径と最内半径間の差として規定
    されることを特徴とするシール。
  2. 【請求項２】 前記中間セクションの半径寸法に対する
    後セクションの半径寸法の前記比は約1,9 乃至約2,5 間
    にあることを特徴とする請求項１に記載のシール。
  3. 【請求項３】 前記中間セクションに対する後セクショ
    ンの半径寸法の比は約2.0 乃至約2.3 間にあることを特
    徴とする請求項１に記載のシール。
  4. 【請求項４】 前記第２シール面溝は前記シール面のダ
    ム部分で終端し、前記ダム部分と前記溝半径Rg、Rgに配
    置された境界を画成する前記溝は前記中間セクションの
    最外半径にほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載
    のシール。
  5. 【請求項５】 前記第２シール面溝は前記シール面のダ
    ム部分で終端し、前記ダム部分と前記溝半径Rg、Rgに配
    置された境界を画成する前記溝は前記中間セクションの
    最外半径より僅かに小さいことを特徴とする請求項１に
    記載のシール。
  6. 【請求項６】 前記第２シール面溝は前記シール面のダ
    ム部分で終端し、前記ダム部分と前記溝半径Rg、Rgに配
    置された境界を画成する前記溝は前記中間セクションの
    最外半径より僅かに大きいことを特徴とする請求項１に
    記載のシール。
JP9300644A 1996-11-01 1997-10-31 シール Pending JPH10220594A (ja)

Applications Claiming Priority (4)

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US08/743,012 US5681047A (en) 1996-11-01 1996-11-01 Pressure responsive primary ring geometry for a non-contacting mechanical end face seal
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US08/889252 1997-07-10
US08/743012 1997-07-10

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