JPS583149B2 - メカニカルシ−ル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転機械の内部流体の流出を防止するメカニ
カルシール、更に詳しくは圧縮機やポンプにおいて内部
流体圧力と外部流体圧力との差圧が正負逆に入り変わる
場合でも密封性能を発揮するメカニカルシールに関する
ものである。

第１図は従来の静止バランス形メカニカルシールを示す
もので、図において、１はケーシング、２は回転軸、３
は回転軸２に固定したシートリング、４はシートリング
３と共に密封面５を形成する従動リングで、この従動リ
ング４はその内周面においてリテーナ６によって軸方向
移動可能に保持されている。

７は従動リング４の背端面に設けられたばねで、従動リ
ング４をシートリングに押圧させる働きをする。

８は従動リング４の回り止めピン、９はリテーナ６と従
動リング４の内周面との間に設けられた二次シールであ
る。

この形式のメカニカルシールは、内部流体１０の圧力Ｐ
１と外部流体１１の圧力Ｐ２との間に、Ｐ１＞Ｐ２の関
係が成立するとき有効である。

この密封原理を第２図について説明する。

従動リング４の背端面に作用するばね７の力をＦａ、従
動リング４に作用する内部流体圧による押付け力をＦｆ
、密封面５に浸入した内部流体１０の流体膜反力をＦｈ
とすると、密封面５の外径Ｄａおよび内径Ｄｉ，従動リ
ング４の背端面側内径Ｄａは、内部流体１０の圧力が高
圧力になることを考慮してつぎの（１）式すなわち Ｆｆ＋Ｆａ＞Ｆｈ……（１） を満足するように定められている。

この結果、高い圧力の内部流体１０は密封面５から低圧
の外部流体１１側に漏洩することがない。

ところが、上述した圧力関係とは逆に、内部流体１０の
圧力Ｐ１が外部流体１１の圧力Ｐ２よりも小さくなった
場合には、第３図に示すように押付け力ＦｆはＦｆ’に
、また流体膜反力ＦｈはＦｈ’になり、これらの間には
、 Ｆｆ’＋Ｆａ＜Ｆｈ……（２） の関係が生ずる。

すなわち、押付け力Ｆｆ’＋Ｆａは流体膜反力Ｆｈ’よ
りも小さくなるので、密封面５には間隙ができ、この間
隙を通って外部流体口が内部流体１０内に浸入する。

このため、シール機能を発揮できない憾みがあった。

この対策としてばね７のばね力Ｆａを大きくすることが
考えられるが、このようにすると従動リング４の密封面
５への押付け力Ｆｆ＋Ｆａが高くなり密封面５を傷付け
ることになり、良い対策手段ではない。

本発明は上記の点にかんがみ密封しようとする内部流体
の圧力が外部圧力よりも高い場合はもちろん、低い場合
でもシール性能を発揮することができるメカニカルシー
ルを提供することを目的とする。

本発明の特徴とするところは、シートリングと従動リン
グとによって従動リングの外周面側の内部流体と内周面
側の外部流体とを密封する密封面を形成し、従動リング
の周面とこれに対向する従動リングの軸方向移動を案内
する案内部材との間に、二次シールを備えるメカニカル
シールにおいて、従動リングの二次シール側の周面と従
動リングの案内部材とに、それぞれ二次シールが軸方向
に移動し得る幅を有する段差部を設け、この段差部によ
って形成される空間内に、二次シールを軸方向移動可能
に圧縮挿入して、前記空間内を内部流体作用室および外
部流体作用室に区画形成したものである。

以下本発明の実施例を図面について説明する。

第４図は本発明のメカニカルシールの一実施例を示すも
ので、図において第１図と同符号のものは同一または相
当する部分である。

この実施例は従動リング４を静止側に設けた静止形のも
のを示してある。

従動リング４の内周面とリテーナ６の外周面には、それ
ぞれ二次シール９が軸方向に移動し得る幅を有する段差
部４ａ，６ａが形成されている。

この段差部４ａ，６ａによって形成される空間内には、
二次シール９が軸方向に移動できるように圧縮挿入され
ている。

この二次シール９１のシール面は従動リング４の内周面
との接触面Ｓ１とリテーナ６の外周面との接触面Ｓ２と
の２個所を有している。

二次シール９は段差部４ａ，６ａによって形成される空
間内への挿入により、この空間における密封面５側を外
部流体作用室１２に、従動リング４の背端面側を内部流
体作用室１３に区画形成している。

内部流体作用室１３は従動リング４の背端面側の内周面
とリテーナ６の外周面との間の間隙を通して内部流体側
に連通している。

外部流体作用室１２は従動リング４に少なくとも１つ設
けた通孔１４を通して外部流体作用室１２に連通してい
る。

次に上述した本発明の一実施例の動作を説明する。

内部流体１０の圧力Ｐ１が外部流体１１の圧力Ｐ２より
も大きい場合には、内部流体１０は従動リング４の背端
面部および従動リング４の背端面側の内周面とリテーナ
６の外周面との間の間隙を通って内部流体作用室１３に
流入し、二次シール９を従動リング４の段差部４ａに押
付ける。

このため、従動リング４の背端面および内部流体作用室
１３には、内部流体１０の圧力Ｐ１が作用する。

そして従動リング４および密封面５には第５図に示すよ
うな圧力関係が生ずるので、従動リング４はシートリン
グ３に強く押付けられ、密封面５により内部流体１０の
漏洩を防ぐことができる。

また上述とは逆に、内部流体１０の圧力Ｐ１が外部流体
１１の圧力Ｐ２よりも小さくなった場合には、外部流体
１１が従動リング４の内周面とリテーナ６の外周面との
間の間隙および通孔１４を通して外部流体作用室１２内
に流入する。

そしてこの外部流体作用室１２内に流入した外部流体１
１は第６図に示すように二次シール９をリテーナ６の段
差部６ａに押付けるとともに、従動リング４の段差部４
ａに従動リング４の密封面５への押付け力を加える。

このときの従動リング４の背端面側に作用するばね７の
力Ｆａおよび外部流体１１による押付け力Ｆｆ”と従動
リング４の密封面５の流体膜反力Ｆｈ”との間の力関係
は、第７図およびつぎの（３）式に示すようになる。

Ｆｆ”＋Ｆａ＞Ｆｈ”……（３） このため、従動リング４は内部流体１０の圧力Ｐ１の変
動に対してもシートリング３に強く押付けられ、密封面
５を維持することができる。

なお上述した第４図に示す実施例においては、通孔１４
を従動リング４に少なくとも１つ設けた場合を示したが
、外部流体１１の圧力Ｐ２を従動リング４の段差部４ａ
にすばやく伝えるために、第８図および第９図に示すよ
うに従動リング４の段差部４ａに開口する通孔１４を円
周方向に複数個設けることがよい。

また第１０図および第１１図に示すように、従動リング
４の段差部４ａに円周溝１５を設け、この円周溝１５に
複数個の通孔１４を開口させるように構成してもよい。

このように構成すると、逆圧時（Ｐ２＞Ｐ１）には外部
流体１１の圧力Ｐ２が円周溝１５に均一に作用するので
、従動リング４の密封面５への押付力Ｆｆ”をその円周
力向に一様に作用させることができる。

これによりさらに密封性を改善することができる。

第１２図は本発明のメカニカルシールの他の実施例を示
すもので、この図において第４図と同符号のものは同一
または相当する部分である。

この実施例はケーシング１に従動リング４の外周面を案
内保持させた静止形の構造を示すものである。

この実施例の場合にはケーシング１と従動リング４の外
周面との間において、ケーシング１に設けた段差部１ａ
，従動リング４の外周面に設けた段差部４ｂによって空
間を形成し、この空間内に二次シール９を軸方向移動可
能に圧縮挿入し、前述した空間を内部流体作用室１３お
よび外部流体作用室１２に区画形成したものである。

そして内部流体作用室１３はケーシング１と従動リング
４の外周面との間の間隙を通して内部流体側に、また外
部流体作用室１２はケーシング１に設けた通孔１４によ
って外部流体側に連通されている。

このように構成することにより、第４図に示した実施例
と同様に外部流体１１の圧力Ｐ２が内部流体１０の圧力
Ｐ１よりも大きくなった場合でも密封面５を維持するこ
とができる。

第１３図は本発明のメカニカルシール９のさらに他の実
施例を示すもので、第４図と同符号のものは同一または
相当する部分である。

この実施例は従動リング４を回転軸２とともに回転する
ように回転軸２側に設けた回転バランス形の場合である
。

この実施例の場合には従動リング４の内周面に設けた段
差部４ｃと回転軸２に設けた段差部２ａとによって空間
を形成し、この空間に二次シール９を圧縮挿入して、空
間を外部流体作用室１２と内部流体作用室１３とに区画
形成し、内部流体作用室１３を従動リング４の内周面と
回転軸２の外周面との間の間隙を通して内部流体側に、
また外部流体作用室１２を従動リング４に設けた通孔１
４によって外部流体側に連通させたものである。

このように構成することによって、回転バランス形の場
合において外部流体１１の圧力Ｐ２が内部流体１０の圧
力Ｐ１よりも大きくなっても、前述した実施例と同様な
作用により密封面５を維持することができる。

また本発明は第１４図に示すように従動リング４とシー
トリング３との間に中間リング１６を介在させた形式の
メカニカルシールについても、実施することができるも
のである。

第１４図において第４図と同符号のもめは同一または相
当する部分を示す。

なお、上述の実施例において、従動リング４、リテーナ
６などに設けた通孔１４によって外部流体作用室１２を
外部流体１１側に連通したが、同様な通孔を従動リング
４、リテーナ６などに設けて、内部流体作用室１３を内
部流体１０側に連通ずるようにしてもよい。

特に、本発明のメカニカルシールを、液化天然ガス用ボ
イルオフガスターボ圧縮機のように、回転軸が停止する
と機内ガスが上昇する回転機械に実施すれば、機内ガス
圧（前述した外部流体圧力Ｐ２に相当する）が上昇して
も密封面が維持されて、天然ガス（外部流体１１に相当
する）を外部に漏洩させることがない。

以上説明したように、従来のメカニカルシールは内部流
体圧Ｐ，と外部流体圧Ｐ２との間に、Ｐ１＞Ｐ２の関係
が成立しているときのみ、シール機能が有効に発揮され
、前述した圧力関係が逆になると、そのままではシール
機能が発揮されないものである。

これは従動リングの背端面に作用する流体の押付け力が
常に密封面の流体膜反力よりも小さくなるためである。

しかしながら、本発明によれば内部流体圧力、外部流体
圧力の大小に関係なく、従動リングの背端面に作用する
流体の押付け力を密封面に介在する流体膜反力よりも大
きくすることができるので、常にシール性能を維持する
ことができる。

また本発明は構造が簡単であり、使用上の効果が著しい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のメカニカルシールの縦断面図、第２図お
よび第３図は第１図に示す従来のメカニカルシールの圧
力作用状態を示す説明図、第４図は本発明のメカニカル
シールの一実施例を示す縦断面図、第５図は内部流体圧
力が外部流体圧力よりも高い場合における第４図に示さ
れる本発明のメカニカルシールの圧力作用状態を示す説
明図、第６図は内部流体圧力が外部流体圧力よりも低い
場合における第４図に示すメカニカルシールの動作を示
す図、第７図はそのときの圧力作用状態を示す説明図、
第８図は本発明のメカニカルシールにおける外部流体流
通用の通孔の一例を示す縦断面図、第９図は第８図の■
−■矢視図、第１０図は本発明のメカニカルシールにお
ける外部流体流通用の通孔の他の例を示す縦断面図、第
１１図は第１０図の■−■矢視図、第１２図〜第１４図
は本発明のメカニカルシールの他の実施例を示す縦断面
図である。 １……ケーシング、１ａ……段差部、２……回転軸、３
……シートリング、４……従動リング、４ａ，４ｂ……
段差部、５……密封面、６……リテーナ、６ａ……段差
部、９……二次シール、１０……内部流体、１１……外
部流体、１２……外部流体作用室、１３……内部流体作
用室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シ一トリングと従動リングによって従動リングの外
   周面側の内部流体と内周面側の外部流体とを密封する密
   封面を形成し、従動リングの周面とこれに対向する従動
   リングの軸方向移動を案内する案内部材との間に、二次
   シールを備えるメカニカルシールにおいて、従動リング
   の二次シール側の周面と従動リングの案内部材とに、そ
   れぞれ二次シールが軸方向に移動し得る幅を有する段差
   部を設け、この段差部によって形成される空間内に、二
   次シールを軸方向移動可能に圧縮挿入して、前記空間内
   を内部流体作用室および外部流体作用室に区画形成した
   ことを特徴とするメカニカルシール。 ２ 従動リングの案内部材は従動リングの内周面に配置
   され、この従動リングの内周面と前記案内部材との間に
   おいて、段差部および二次シールによって内部流体作用
   室を従動リングの背端面側に、外部流体作用室を従動リ
   ングの密封面側に区画形成したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のメカニカルシール。 ３ 内部流体作用室は従動リングの案内部材と従動リン
   グの背端面側の内周面との間の間隙を通して内部流体側
   に、外部流体作用室は従動リングに設けた通孔を通して
   外部流体側に連通したことを特徴とする特許請求の範囲
   第２項記載のメカニカルシール。 ４ 従動リングの案内部材は従動リングの外周面に配置
   され、この従動リングの外周面と前記案内部材との間に
   おいて、段差部および二次シールによって外部流体作用
   室を従動リングの背端面側に、内部流体作用室を従動リ
   ングの密封面側に区画形成したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のメカニカルシール。 ５ 内部流体作用室は従動リングの案内部材と従動リン
   グの密封面側外周面との間の間隙を通して内部流体側に
   、外部流体作用室は従動リングの案内部材に設けた通孔
   を通して外部流体側に連通したことを特徴とする特許請
   求の範囲第４項記載のメカニカルシール。 ６ 従動リングは回転軸と共に回転するように回転軸側
   に取付けられ、回転軸の外周面と従動リングの内周面と
   の間において、段差部および二次シールによって外部流
   体作用室を従動リングの密封面側に、内部流体作用室を
   従動リングの背端面側に区画形成したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のメカニカルシール。 ７ 内部流体作用室は回転軸の外周面と従動リングの背
   端面側内周面との間の間隙を通して内部流体側に、外部
   流体作用室は従動リングに設けた通孔を通して外部流体
   側に連通したことを特徴とする特許請求の範囲第６項記
   載のメカニカルシール。