JPS6224663B2

JPS6224663B2 -

Info

Publication number: JPS6224663B2
Application number: JP54122520A
Authority: JP
Inventors: Andoryu Jeemuzu Sukotsuto Piita
Original assignee: Associated Engineering Ltd
Current assignee: Associated Engineering Ltd
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1979-09-22
Publication date: 1987-05-29
Also published as: US4290613A; NL187450C; LU81706A1; CH637454A5; GB2033978B; FR2436920B1; DK394279A; GB2033978A; FR2436920A1; IE49870B1; JPS5544199A; IE791796L; NL187450B; NL7907071A; DE2938477A1; BE878938A; IT7946869A0; IT1125985B

Description

【発明の詳細な説明】（発明の背景）（発明の分野）この発明は、回転軸とそのハウジングといつた
ような相対回転両部材間をシールして、相対的に
高圧な第一の側から相対的に低圧な第二の側への
流体漏れをおさえたり止めたりするための、間隔
積極保持式ラジアル面シール、にかかるものであ
る。その第二の側は負圧状態であることもあり、
その場合は大気圧部からその負圧部への漏れが生
じ得る。

（在来技術の説明）間隔積極保持式ラジアル面シールは周知であ
り、満足なシールを作り出すための技術的問題点
について記載した論文は、British Hydro−
mechanical Research Association
November1969でのJ.P.O′DonoghueとG.K.Lewis
とによる“Inherently Stable high pressure
face seals”とか同誌1972でのJ.P.O′Donoghueに
よる“Ａ review of positive clea−rance
radial face seals”とか、いろいろなものがあ
る。なんの対策も講じなければ流体漏れ通路とな
るはずの、前記第一、第二両側間の箇所、の面シ
ール部、へ緩衝流体を導入したりそこから抜出し
たり、する方式の障壁式とか緩衝式とかの面シー
ル、もすでに知られている。

そうした障壁式シールは、漏れを防ぐべき流体
を完全に分けへだてることができ、たとえば塩素
といつたような有害ガスを大気から分けへだてる
ことができるもので、それについてはASME
Paper67−PET−31（September1967）にH.
Lindeboomによる論文がある。

またイギリス特許第1193604・1263693各号明細
書にも面シール構造の記載がある。

面シールが満足に働くには十分な安定性を持つ
ものでなければならない。静圧による持ちあげ方
式で働き、両シール面のすきま寸法に安定性を持
たせるべく段付きとかテーパ付きとかの形態とさ
れた、面シール、は十分な実用性が認められてい
る。在来、そうした面の形態づけは、シール面を
精密加工して、運転条件に適合した所要の段付き
とかテーパ付きとかの形に仕あげていたものであ
る。

（発明の概要）この発明のひとつの目的は、一方のシール面を
正確な所定段付きとかテーパ付きとかの形に加工
しなくともよいようにしたラジアル面シールを提
供することである。さらにひとつの目的は、両シ
ール面間流体膜が軸方向変位に対しても傾斜性変
位に対しても強化されたステイフネスを示すこと
となるようにしたラジアル面シールを提供するこ
とである。

この発明に係るラジアル面シールは、つぎの特
質(ア)、乃至(カ)すなわち、 (ア) 対向する二つのシール面の少なくとも一方
が、そのシール面の上流側端と下流側端との間
に弾性材製か又は弾性的に負荷された圧力に応
動できる環状部材を備えている。

(イ) 前記環状部材は、初期には半径方向に実質的
に平らなシール面を与える。

(ウ) 前記環状部材は、定常運転状態では、両シー
ル面間の圧力のもとで弾性変形して前記一方の
シール面の上流側端を前記下流側端に対し軸心
方向に相対移動させて前記両シール面間にすき
まを与える。

(エ) 前記両シール面間のすきまは、前記両シール
面の下流側端それぞれの間の環状区域での最小
すきままで前記シールの下流側区域ほど半径方
向に先すぼまりになつている。

(オ) 前記弾性変形は、運転状態の変動に伴つて、
前記シールに掛る負荷が増大するにつれて前記
シールの前記下流側区域に向く半径方向の先す
ぼまりを増加させるように変化してそれによつ
て前記定常運転状態の最小すきまへ復帰するよ
うにさせる。

(カ) 前記圧力応動部材の他の面、すなわち流体漏
洩流れが発生する側の面から反対側に位置しか
つこの面に相対して対抗している面が、流体圧
を受けるとともに、この流体圧と前記流体漏洩
の平均圧力とに左右される正味負荷が、前記圧
力応動部材の弾性変形によつて発生される力に
対抗される状態である。

をすべて満たしていることを特徴とする。

この特徴構成によれば次のような作用と効果を
奏する。

このラジアル面シールは、二つのシール面のう
ち少なくとも一方が圧力応動部材を備え、それは
初期に半径方向に平らなシール面を与え、定常運
転状態では、一番下流側の区域で最小となる先す
ぼまり状の両シール面間のすきまを与えるように
圧力応動部材が弾性変形し、運転状態が変つて負
荷が増すと前記すきまの先すぼまりを増大させる
ように弾性変形して定常運転状態の最小すきまに
復帰するから、この発明による面シールは、運転
時に両シール面間に連続流体膜を作り出し、その
膜はかなり大きなステイフネスのもので、定常運
転状態で両シール面が触れ合うことを防ぐものと
なる。それら面間の圧力分布に変動が生じるとそ
れによつて一方のシール面の応動部材が応動変位
を示すということが、同じ寸法条件で一定不変の
テーパ度であるような従来構造の典型的シール面
の場合にくらべると、両シール面間流体のステイ
フネス（すなわち負荷に対する流体膜厚さの変化
率）を改善できるに至つた。

さらに、このラジアル面シールの圧力応動部材
は前記先すぼまりの両シール面のうち流体漏洩流
れが発生する側の面の反対側の面に流体圧を受け
させ、応動部材の上記両面間の圧力差に対応する
正味負荷とこの圧力応動部材の弾性変形による応
力とを対抗させるから、上述した先すぼまりのす
きまにある両シール面間流体をより良く制御する
ことができ、それによつて、上述した両シール面
間流体のステイフネスをなお一層改善できるに至
つた。

又、圧力応動部材は一方のシール面に設けられ
これ自身が弾性変形可能であるから、この側のシ
ール面を所要の段付きとかテーパ付きとかの形に
精密加工する必要がなくなり、両シール面とも径
方向に平らな加工という比較的簡単な加工で済み
シールを安価なものにできるに至つた。

さらに、この発明による面シール方式で流体圧
力負荷に応動して生じる弾性変位は、構成部品類
の熱的変形による流体力学的効果に対抗する方向
のものとさせることができ、云い換えると、熱的
変形の影響を自動補償する働きのあるシールとす
ることができるのである。

（好適実施例の説明）第１図に示された製造のハウジング１１は、回
転軸１２を差し通す丸穴が貫通しているものであ
る。この図のシール構造は、高圧な第一の側１３
から低圧な第二の側１４への流体漏れをおさえる
ことを目的としている。

軸１２と一体回転するようにそれに組付けられ
たカラー１６には径方向フランジ１７がある。そ
の一体回転用として、ピンあるいはキー１８、が
備えられており、また、軸１２とカラー１６との
あいだの流体漏れを止めるべくそのカラーの掘込
み溝内へ押し込められたしなやかな封止環１９も
備えられている。

ハウジング１１は段付き形である。軸１２まわ
りにはめ込まれた環状背板２０は円筒形部分２１
と径方向フランジ２４とからなるもので、その小
径部２１はハウジング１１の小径部分内へはめ通
されてそれとのあいだはしなやかなふたつの封止
環２３によつて封止されている。

その背板は、ハウジング１１との相対回転はピ
ン２６で防がれているが、それとの軸方向相対動
きはある限度内で可能である。（第１図での）右
側のフランジ２４面は平らであつて、それが、こ
のシールの静止シール面２５となつている。背板
２０には高圧側１３に連通している中央穴２７が
あけられていて、高圧側１３とは反対の側のその
穴２７端部径方向外方周辺が、すなわち、前記シ
ール面２５の径方向内方周辺である。

カラー１６と背板２０とは相対回転可能であ
り、軸方向の相対動きも可能である。高圧部１３
内の高圧流体は図での右側向きに背板を付勢す
る。必要によつては、その背板に、ステイフネス
の小さなばねによつて、前記と同じ向きのばね付
勢をも与えることができる。

カラー１６の、第１図での左側の、端面には、
深い広幅環状溝２８が掘込まれていて、うすい弾
性環状金属部材２９で閉じられている。その金属
部材は、そのカラーの内方小径部のはめ付け突起
へはめ付けられて、たとえばその部材外方周辺部
近くのところをねじ付けする方式で、そのカラー
へしつかりと組付けられている。こうして、その
部材２９は、すでに述べた一方の面２５と協働す
る他方のシール面３０を作りあげている。溝２８
は通路３１によつて低圧側１４に連通している。

両シール面２５，３０は平らで、剛性背板２０
の方も弾性部材２９の方も0.2ミクロンRMS程度
の平滑さにまでラツプ仕あげするのがよい。部材
２９はその加工の際にある程度の「そりかえり」
が生じて、組付け状態でのこの部材が正確には平
らでないことになつても、それはかまわない。と
もかく、こうして協働し合う１対の対向シール面
区域Ａが作り出されている。

シール部１３側の流体圧はシール部１４側より
も高いので、穴２７から面区域Ａを通つて流体が
流れ出ることとなる。その穴２７はカラー１６の
溝２８の径方向内方部分に対向するところにある
ので面３０の環状区域に高圧が働くこととなり、
また、面区域Ａでの圧力は内方側周辺部での高圧
から外方側周辺部での低圧まで変化しているので
あるから、弾性金属部材２９は第２図に示された
ような応動を示して、シール面区域Ａのところの
環状すきまは外方へ行くほど先すぼまりのテーパ
状となる。

両シール面２５，３０間のすきま、面区域Ａの
内方側周辺部から（最小のすきまである）面区域
Ａの外方側周辺部までのところ、の先すぼまり度
は10：１以下、好ましくは３：１以下とする。こ
こに云う先すぼまり度とは、対向シール面部域Ａ
での最大すきま箇所のすきま寸法と、その対向シ
ール面部域Ａでの最小すきま寸法と、の比であ
る。それら両面２５，３０間最小すきまは、運転
時に0.25mm以下、好ましくは0.02mm以下、とす
る。

したがつて、その運転時最小すきまが0.1mmで
あるとすれば、（面２５の径方向内方へり部で
の）最大すきまは、1.0mm以下、好ましくは0.3mm
以下、とする。念のために申し添えるが、穴２７
と面２５とのかど取り部はシール面に含まれるも
のではないと考え、また、面２５より大径の面３
０部分もシール面外と考える。図のようなかどと
り部のかわりに内方周辺部を段付きにしたり掘込
み形にしてもよく、いずれにしてもそれはシール
面外と考える。さらに、面３０の外方周辺部にた
とえばボルトなどをはめ収めるための掘込み部の
あることもあるが、そうしたものもシール面外と
考える。

第３図の曲線Ｐ_Fは定常状態で背板のシール面
２５に及ぼされている各箇所での圧力を示すもの
で、高圧側１３での流体圧はP₁、低圧側１４での
圧力はP₂で表わされている。この圧力による、第
１図での左の方へ背板２０を動かそうとする負荷
は、その背板の小径部分２１の左端部に及ぼされ
ている高圧側１３の流体圧や（もしも備えられて
いれば）ばねによる負荷、に対抗する逆向きのも
のである。背板２０に対するカラー１６の軸方向
相対動き（たとえば回転軸上のこのカラーの垂直
性不備のためなど）の際の両シール面２５，３０
間の流体膜のステイフネス（すなわち負荷に対す
る流体膜厚さ変動速さの割合い）が十分に大きく
て、その背板の慣性力や制動力をしのぐ、という
前提のもとで、その背板と部材２９との面区域Ａ
外方周辺部間すきまが、その背板２０とカラー１
６との相対位置関係を規制する役割りを持つもの
となる。

第４図は、両シール面２５，３０間すきまが局
部的に減少した場合の影響（すなわちカラー１６
と背板２０とがたがいに総体的に近寄り合うと
か、傾きが生じて周辺部の一点付近が近寄り合う
とか、の影響）を示すためのものである。このよ
うに先すぼまり度が増大すると、両面２５，３０
の協働シール面区域ＡでＰ_FC線として示されたよ
うに対応の圧力増大が生じる。この圧力増大が、
こんどは、弾性部材２９を溝２８内へ（第４図に
示されたように）いつそう大きく応動変位させ
て、いつそう大きな先すぼまり度のテーパ付きす
きまとする。したがつて面区域Ａでの圧力がいつ
そう高まりＰ_FD線のようになるので、負荷が強大
となつて、両シール面２５，３０を引離すように
働くことになる。一方、背板左端部に及ぼされて
いる負荷すなわちそのすきまを減少させるように
働く負荷、の方はもとのままで変わりがないの
で、結局、すきまはもとの状態に戻る方向に向か
うこととなる。このように、弾性部材２９を使つ
たことによつて両シール面のすきまの変動を自動
補償させようとする目的が達成されるのである。

第５図はひとつの改変実施形態例を示したもの
で、穴１２７あきの背板１２０の一部品を構成す
るものとして環状の弾性部材１２９があつてその
弾性部材がシール面１２５を持つものとされ、他
方、カラー１１６はそのフランジ１１７部に平ら
な径方向シール面１３０を持ち、これら１対の両
面が面区域Ａを作り出している。

背板大径部分１２４の構成要素としての径方向
フランジ１３６の外径部からシール面１３０の方
へ延び出ている円筒形部分１３７がある。環状弾
性部材１２９の外方周辺部は、この部分１３７の
自由端へしつかりと組付けられ、その部材１２９
はそこから内方へ延び出ており、圧力の及ぼされ
ないときにはその面１２５は径方向平面となるも
ので、その表面は組付け前に仕あげ加工ずみとさ
れている。しかし、運転時には、この部材１２９
はその内方周辺部が対向シール面１３０から離れ
去る方向にたわみ曲げられている。この部材１２
９のその内方周辺部は円筒形フランジ１３９部を
持つもので、その自由端部は、しなやかな封止環
１４０によつて、すでに述べたフランジ１３６の
基部と封止押し当たり状態とされている。こうし
て封止空間１４１が作り出されているが、それ
は、穴１４２によつて低圧側１４に連通してい
る。したがつて、運転時には、シール面区域Ａ間
の流体通路は、そこを流れる流体の向きに添つて
先すぼまりのテーパ状となる。この構造でも、第
１図の実施形態例の場合と同様の働きかたとな
る。面１２５の外方周辺部での最小すきまの寸法
が減少する向きに変動すると、両シール面間の圧
力が増大し、部材１２９の内方周辺部が左の方へ
変位し、背板１２０右端部に及ぼされる負荷が強
化されている。一方、背板左端部に及ぼされてい
る負荷の方はもとのままで変わりがないので、背
板は左の方へ変位し、すきまをもとの状態に戻す
ようになる。

第６図はまた別な実施形態例を示し、運転席の
その両シール面２５，５３０間の通路は、テーパ
状というよりは段付き形である。この実施形態例
の背板２０は第１図のものと同じである。カラー
５１６の径方向フランジ５１７部には一連の向幅
環状溝５２８が掘込まれていて、それら各溝内に
は、その溝にはめ込まれた各ばね５３２でばね付
勢されている各環状ピストン５２９が収め入れら
れている。このピストン５２９が応動部材として
働くものである。ばね５３２でピストン５２９の
端面が外方へ動いても、そのピストンを収め込ん
でいるフランジ５１７部の端面をはみ出すことは
ないようにされている。所望によつては機械的な
停止機構を備えてもよい。環状部材５３６はたと
えばPTFEといつたようなしなやかな材質のもの
で、ピストン端面およびそれに隣接しているフラ
ンジ５１７とカラー５１６との各端面にしつかり
と組付けられており、これによつて、流体が高圧
側１３からピストン５２９と溝５２８壁のすきま
へ、さらに連通路５３１を経て低圧側１４へ、と
漏れることを防いでいる。この封止材５３６の面
がシール面５３０となつており、このシール面区
域Ａは流体圧力のかかつていないときには平らで
ある。

運転時にはその面区域Ａで高圧側１３から低圧
側１４までの圧力勾配が生じる。封止材５３６を
介してピストン５２９の端面に及ぼされる圧力は
面全体の平均として低圧側１４の圧力より大きい
ので、ピストン５２９はばね５３２にさからつて
応動し、対向面区域Ａでの通路が段付き形とな
り、流体流れの方向に添つて先すぼまりとなる。
両シール面間の最小すきま寸法に変動が生じたと
すると、ピストン応動によつて、もとどおりの最
小すきま状態へ戻すように働く。この実施形態例
では、カラー５１６と背板２０との相対傾斜が生
じてもピストン５２９はその周辺部のある一点を
固定点として傾斜応動するということはない。し
かし、カラー５１６と背板２０とが近寄り合う箇
所では流路の先すぼまり度が大きくなり、シール
部の、それとは正反対の側の箇所では先すぼまり
度が小さくなるので、やはりその傾斜変動を補償
してもとの状態へ戻そうとする偶力が作り出され
ることに変わりはない。

第７図はさらに別な実施形態例を示し、カラー
７１６は径方向フランジ７１７があつてシール面
７３０を持つものであるが、第５図で説明したも
のとまつたく同じものとしてよい。この実施形態
例では、高圧側１３が両シール面外方周辺側に、
低圧側１４が背板７２０の中央穴７２７を介して
両シール面内方周辺側に、あるとしている。その
背板の径方向内方部分７２１を囲い込むようにそ
れに組付けられているものが環状ピストン７２９
である。いま述べた部分７２１とハウジング１１
とのあいだに封止材７２３があり、さらにピン２
６で回転不能としている。その部分７２１とピス
トン７２９とのあいだのすきま７３１は、連通路
７１５ａで中央穴７２７に連通して、低圧側１４
の圧力となつている。そのすきま７３１の両壁７
２１，７２９に一連の対向掘込みがあつてそれら
各対に各ばね７３２がはめ込まれて、環状ピスト
ン７２９を右の方へ付勢している。段付き形のピ
ストン内方周辺部は、すでに述べた部分７２１の
相手側円筒面上をすべり動くことができ、それら
の間の漏れ防止用として環状封止材７３３があ
る。環状ピストン７２９には停止板７３４が取付
けられていて、それがすでに述べた部分７２１の
突起フランジ７３５部に突き当たることによつて
そのピストン７２９の右向き動きを限定してい
る。そのように停止板７３４がフランジ７３５に
突き当たつているときには、両部分７２１，７２
９の右端面はぴつたり一致してひとつの平面とな
る。それら両端面にわたつてしつかりと組付けら
れている環状封止材７３６がシール面区域Ａの一
方の面を作り出している。運転時に、この対向面
区域Ａのあいだで、高圧側１３から低圧側１４へ
と内方へ向かう流体流れが生じる。

その面区域Ａ間で、外方周辺部での最大圧力か
ら内方周辺部での最小圧力へと変わる圧力勾配が
生じる。その外方周辺近くの高圧は、ばね７３２
を押し込みながらピストンを左の方へ動かし、封
止材７３６を段付き形にする。運転時に、その封
止材７３６がそのピストン７２９に組付けられて
いる箇所での対向面区域Ａ間のすきまは、その封
止材が背板内方部分７２１に組付けられている箇
所での面区域Ａ間すきまよりもいつも大きいよう
にされているので、いまあとに述べた方の箇所に
よつて、両シール面７２５，７３０間最小すきま
が規制される。ピストン７２９が応動部材として
働くもので、その圧力応動によつて、最小すきま
が減少変動を示すときは面区域Ａ外方部分間すき
まを増大させてその面区域での圧力を増大させ、
もとどおりのすきまへ戻すべき引き離し付勢力と
なる。停止坂７３４左端部よりも平均して弱い圧
力を受けるピストン７２９の右端部は、その左端
部との面積比関係が、そのピストン左端部内側部
分に及ぼされているすきま７３１内低圧の作用を
も考慮に入れて、それら圧力の不均衡による最終
的効果として、結局そのピストン７２９がばね７
３２にさからつて左向きに動かされることとなる
ようにされている。

こうして、この実施形態例でも両シール面７２
５，７３０のすきまが自動調整され、高圧側１３
から低圧側１４への流れが適切におさえられるの
である。

第８図はさらに別な面シール実施形態例を示
し、運転時の両シール面８２５，８３０間通路
は、これまた段付き形である。この実施形態例
での軸１２上のカラー８１６には平らな径方向フ
ランジ８１７部があり、それが一方のシール面８
３０を作り出している。

背板８２０の小径部分８２１には中央穴８２７
があり、その小径部分とハウジング１１とは封止
材８２３で封止されている。背板の大径部分８２
４は一方のシール面８２５の一部分を作り出して
いる。環状区域８２７ａが中央穴８２７につなが
つており、１対の対向シール面区域Ａはその環状
区域８２７ａの径方向外方にある。

応動部材はこれまた環状ピストン８２９として
構成されていて、一連のばね８３２で付勢されて
おり、そのピストン８２９の右端面と、すでに述
べた大径部分８２４右端面の掘込み内面と、に環
状封止材８４２がしつかりと組付けられている。
ピストン８２９は段付き形断面のもので、段付き
環状溝８２８内に収められており、背板大径部分
８２４とそのピストン８２９とに対向して掘り込
まれた一連の穴に各ばね８３２が収め込まれてい
る。PTFEで作ることが好ましい封止材８４２が
一方のシール面８２５を作り出しており、その面
は流体圧がかからないときには平らである。ピス
トン８２９上のその封止材（第８図での）右端面
８２５部分が運転時には決して背板部分８２４上
の面８２５部分よりはみ出すことのないように、
圧力とばねの力関係を適切に関連づけるなり、所
望によつては、ピストン８２９と背板大径部分８
２４とにそれぞれ備えられた協働停止部材８３
５，８３４からなる機械的停止機構を設けるな
り、の手段を講じる。

溝８２８の小径部分８３６は連通路８３７で中
央穴８２７につながつていて、ピストン８２９小
径部分左端面へは高圧側１３の圧力が及ぼされて
いる。その溝の大径部分８３９は連通路８４０で
低圧側１４につながつていて、ピストン大径部分
８４３左端面へは低圧が及ぼされている。

ピストン８２９小径部分とその相手側溝部分８
３６とのあいだに封止材８４１がはめ込まれて、
その部分８３６内から低圧側１４への漏れを防い
でいる。ピストン大径部分８４３とその相手側背
板部分８２４とのあいだの封止材８４２部分が、
それらピストン８２９とその部分８２４とのあい
だの高圧側１３からすきま８３９と連通路８４０
とを経て流体が漏れることを防いでいる。

この実施形態例では１対の対向シール面区域Ａ
が運転時には可変段付き断面で流れの方向に添つ
て先すぼまりの流体通路を作り出す。こうして、
中央穴８２７から、両面８２５，８３０の外方周
辺部低圧側１４まで、の面区域Ａにわたつて圧力
勾配が生じる。両面８２５，８３０の最小すきま
がそれらの外方周辺部間のところであるようにし
て、それら両面が自動引き離し調整されるように
する。

第９図はさらに別な実施形態例を示し、背板９
２０の径方向内方部分９２１は環状封止環２３で
ハウジング１１内面へ封止され、そのハウジング
に対してその相対回転をはばむピン２６はフラン
ジ部９２４にはめ込まれている。環９２４ａはそ
の背板の一部分を構成し、その背板中央穴９２７
外方周辺からこの環９２４ａ外へりまでにわたる
シール面９２５を作り出している。

段部９４３付きの環９１６と、それにボルト９
４６で組付けられて応動部材を構成している部材
９２９と、からなる回転ヘツド部として作り出さ
れたカラー、が軸１２で駆動されるようにするも
のとして環状隔膜９４４があり、それは、環９１
６延長部分９４５と、その軸にボルト９１８でし
つかりと組付けられて環状封止環１９でその軸に
対して封止された組付けカラー９１６Ａと、にし
つかりと組付けられている。その部材９２９は剛
性の内方・外方両環９２９Ａ，９２９Ｂを弾性部
材９２９Ｃでつないだ形のものとして広幅の環状
溝９２８のあるもので、その溝は環９１６本体９
１７で閉じられている。その部材９２９の左端面
は流体圧力のかからないときは平らなもので、一
方のシール面９３０を作り出している。その内方
環９２９Ａには円筒形部分９４７があり、それは
封止環９４１で環９１６に対して封止されてい
る。

その部分９４７にはすでに述べた中央穴９２７
につながる中央穴９２２があつて、環９１６段部
９４３も、その部分９４７の端面９４８も、隔膜
９４４も、高圧側１３の圧力にさらされている。
溝９２８は連通路９３１で低圧側１４につながつ
ている。したがつて、弾性部材９２９Ｃ右側面に
は低圧が及ぼされるだけである。環９１６は隔膜
９４４によつて組付けられており、その段部９４
３右端面とすでに述べた面９４８とが高圧にさら
されているのであるから、その環９１６は左向き
の液圧付勢を受ける。さらに、その高圧は隔膜９
４４の、環９１６とカラー９１６Ａとのあいだの
部分、にも及ぼされている。環構造体９１６，９
２９の右端面に差引き働く不均衡負荷は、面積関
係を適切なものとすることによつて、背板９２０
左端に右向きに及ぼされる負荷に等しいものとな
るようにしている。

その面積関係は、つぎのように選ぶ：協働両シール面９２５，９３０区域Ａの径方向
寸法をＬとする。

高圧側１３の圧力にさらされてシール面９２５
を右向きに付勢しようとする背板９２０正味区域
の径方向寸法をｌとする。

この発明の特徴によつて、そのｌは、シール面
９３０を左向きに付勢するように環９１６とすで
に述べた部分９４７とに力を働かせるべく高圧の
かかるようにされている等価正味区域の径方向寸
法にも一致しなければならない。ここで「等価」
ということばを使つたのは、隔膜９４４を介して
環９１６に右向きに及ぼされる力が、寸法ｌで定
義される区域に含まれていない段部９４３区域に
左向に及ぼされる力で埋合わされている、という
事実に対応できるようにするためである。

中央穴９２２内の高圧がすでに述べた部分９４
７に左向きに及ぼされるように働く端面９４８正
味区域の径方向寸法をｚとする。

このように定義した各寸法記号について、この
発明による特徴として、Ｌ＞ｌ＞ｚとし、好まし
くはｌがＬの大体2/3、ｚがＬの大体1/2、とすれ
ばシール面区域Ａ間の流体膜ステイフネスが非常
に大きいものとなるのである。

寸法ｚで表わされる正味区域に働く圧力はすで
に述べた部分９２９Ａを左向きに付勢する。ｌ＞
ｚとしているので、ｌ−ｚは正であり、協働シー
ル面区域Ａの一部を構成している外方環９２９Ｂ
部分、を付勢すべく環９１６を介して働く力が、
左向きであることを表わす。シール面区域Ａ内方
周辺の高圧側１３から、外方周辺の低圧側１４ま
で、の圧力減少があり、しかも軸方向に力のつり
合うようにしているのであるから、弾性部材９２
９Ｃには反時計回りのモーメントが及ぼされてお
り、したがつて、運転時の、外方環９２９Ｂの面
９３０と環９２４ａの面９２５とのすきまは、内
方環９２９Ａの面９３０と前記の面９２５とのす
きまよりもせまい。さらに、応動の程度は、圧力
による付勢と弾性部材９２９Ｃのステイフネスと
だけで規制されており、ばねを付加する必要はな
い。対向シール面区域Ａは、環９２４ａのシール
面９２５全面と、それにまつすぐ向き合つている
シール面９３０部分としてそのシール面９２５の
内方・外方両径よりはみ出してはいない箇所と、
で作り出されている。

第１０図の実施形態例では、やはりハウジング
１１内組込みの面シールであるが、高圧側１３か
ら低圧側１４への流れの方向が軸１２へ向かう径
方向内方向き、すなわち第９図のものとは逆なも
のである。しかし、この実施形態例は、いろいろ
な点で第９図のものと似ているところもあり、カ
ラー１１１６は、ねじ１１１８で軸１２へしつか
りと組付けられた組付け具１１１６Ａによつて、
その軸と回転は一体的であるが軸方向相対動きは
ある限度内で可能であるように、その軸に組付け
られており、背板１１２０の方はピン１１２６に
よつてハウジングとの相対回転がはばまれてい
る。その背板１１２０はハウジングに対して封止
環２３によつて封止されているが、ある限度内で
軸方向相対動き可能である。その背板１１２０の
大径部分１１２４がシール面１１２５を作り出し
ている。組付け具１１１６Ａは、封止環１９と１
１４９とによつて、軸１２とカラー１１１６延長
大径部分１１４５とに対してそれぞれ封止されて
いる。カラー１１１６に備えられた部材１１２９
は応動部材を構成するものであつてシール面１１
３０を持ち、その面は流体圧力のかからないとき
は平らなものであつて、それに対向する相手側シ
ール面１１２５部分とともに、対向両シール面区
域Ａを作り出している。その部材１１２９は、内
方・外方両剛性環１１２９Ａ，１１２９Ｂを持
ち、それらが弾性部材１１２９Ｃでつなぎ合わさ
れている。環１１２９Ａはボルト１１４６といつ
たようなものでカラーの組付け部１１１７へしつ
かりと組付けられている。弾性部材１１２９Ｃに
対向する箇所で部材１１２９に広幅環状溝１１２
８が掘り込まれており、それは連通路１１３１で
低圧側１４へつながつたもので、すでに述べたカ
ラー部分１１１７で閉じられていて、環１１２９
Ｂ円筒形部分１１４７とすでに述べたカラー部分
１１４５とのあいだにはめ込まれた封止環１１４
１によつて、高圧側１３の圧力に対して封止され
ている。

このカラー１１１６も、第９図についてすでに
説明したと同じＬ＞ｌ＞ｚの条件による負荷が与
えられているのであるが、これら寸法はシール面
区域Ａ外径を示す軸心に平行な線１１５０を基準
としている。記号ｚは環１１２９Ｂ円筒形部分１
１４７の圧力面１１４８にかかる負荷に対応し、
ｌ−ｚはカラー部分１１４５の圧力面１１４３に
かかる力に対応するもので、カラーに及ぼされる
高圧側１３の圧力によつてシール面区域Ａへ伝え
られる力はそれらに二分して考えられるものであ
る。運転時に、部材１１２９の弾性部材１１２９
Ｃは図のようは形に応動して、高圧側１３から低
圧側１４への流れ方向に添つて径方向内方へ行く
ほど先すぼまりの通路を作り出す。

第１１〜１４図は障壁式とか緩衝式とかいうシ
ール方式のものである。第１１図に見られる実施
形態例は第１図のものと大筋は同じであり、ただ
違つているところは、両封止環２３の中間部でハ
ウジング１１内の通路１５を通して緩衝流体が導
入されていることである。その緩衝流体は外部機
構によつて、（この実施例では、と云うよりも緩
衝流体を面シール部から強制排除するのではなし
にそこへ強制導入する方式全般で、）高圧側１３
よりも常にさらに高圧、したがつてもちろん低圧
側１４よりも高圧、それもかなりの圧力差でのあ
る圧力、になるように調整されている。その通路
１５は背板２０の小径部分２１内に作られた通路
２２に連通しているもので、その通路２２は通路
１５とは反対の側で、シール面２５の掘り込み環
状溝２２ａに終端しており、その環状溝は、この
実施形態例ではシール面２５の径方向外方へりよ
りも内方へりの方に近いところにある。こうし
て、この実施形態例では、環状溝２２ａよりも大
径部の対向対シール面第一区域Ａと、環状溝２２
ａよりも小径部の対向対シール面第二区域Ｂと、
がある。

通路２２を通じて溝２２ａへ供給される緩衝流
体の圧力が高圧側１３の流体圧力よりさらに高い
のであるから、背板２０とカラー１６との面区域
Ｂ部では緩衝流体が背板内すきまへと内方へ流れ
ることとなり、さらに、その緩衝流体圧力が低圧
側１４よりはうんと高いのであるから、背板２０
とカラー１６との面区域Ａ部では緩衝流体が溝２
２ａから協働両シール面２５，３０の外方周辺部
まで外方へ流れることとなる。

溝２２ａがカラーの溝２８の径方向内方側部分
に対向するところにあるので、弾性金属部材２９
の応動は、背板とその部材２９とのあいだの環状
すきまが、流体流れ方向に添つて、すなわちこの
実施例では外方へ行くほど、先すぼまりとなる、
ようにするものである。

両シール面２５，３０のすきまの先すぼまり度
は、区域Ａ内方周辺（すなわち溝２２ａ外方へ
り）から区域Ａの外方周辺（すなわち最小すきま
箇所）までは、第１図の面区域Ａについて説明し
たのと同様である。

最小すきまは、応動部材を含む方の対向対面区
域によつて規制されるものであるから、他方の対
向面区域間のすきまは、常にその最小すきまに等
しいか、好ましくはそれより大きい、寸法とな
る。

第１１図の背板２０のシール面２５に定常運転
状態で及ぼされる流体圧力は第１２図の曲線Ｐ_F
に示され、その図は両シール面２５，３０のすき
まの局部減少変動による影響をも示し、緩衝流体
導入による相違点以外は第４図と同じものであ
る。この第１２図で、溝２２ａ内緩衝流体圧力は
P₃で表わされている（シールをうまく働かせるた
めに緩衝流体供給路中に設けることが良いと在来
云われたこともある流路限定機構は無用であるこ
とに留意されたい）。これ以外の、高圧側１３と
低圧側１４との両圧力も、この緩衝式シールの働
きかたも、第３，４両図について説明したと同じ
であり、ただ違つている点は、緩衝流体が、高圧
側１３から低圧側１４への流体漏れをはばみ、さ
らに、熱膨張の影響が外方周辺部でのすきまを減
少させるという好ましい方向であるように適切な
全体設計がされていることを前提にするならば、
背板とカラー１６との内方側対向対面区域Ｂ間に
常に有限なすきまが確実に保持させるようにして
いる、ということである。こうして、溝２２ａか
ら高圧側１３へ向かう内方への緩衝流体流れが、
そういうすきまによつて自動調整作用を受ける。

第１３図は複式排除方式の緩衝式シールの定常
運転状態を示している。流体圧力のかからないと
きの応動部材２９は平らである。第１１図との違
いを見ると、シール面２５にさらにふたつの環状
溝３２，３３があり、それらは各連通路３４，３
５で（それぞれ高圧側１３・低圧側１４よりもか
なり低い各圧力の）各低圧力につながれている。
内方の溝３２は、溝２２ａと面２５内方端部との
あいだにあるもので、高圧側１３の圧力より低い
一定の圧力に調整されたところへ連通させること
が好ましい。したがつて、溝２２ａからの緩衝流
体と高圧側１３からのシール流体との混合したも
のが連通路３４を通じて流れることとなり、その
シール流体流れは対向面区域Ｂ間すきまの大小に
左右される。

外方の溝３３は、溝２２ａと協働両シール面外
方周辺とのあいだにあるもので、低圧側１４の圧
力より低い一定の圧力に調整されたところへ連通
させることが好ましい。したがつて、低圧側１４
から溝３３への流れと溝２２ａから溝３３へと外
方へ向かう緩衝流体流れが生じる。溝２２ａは系
全体の実質的に最高圧力のところにあり、溝３３
は最低のところにあるので、最大の圧力差・圧力
勾配がそれら両溝２２ａ，３３間の区域のところ
に生じ、それはこの実施形態例での対向面区域Ａ
のところである。したがつて弾性部材２９がその
区域のところにあるようにして、すでに述べたと
おりの応動によつて、それ自体とその対向面区域
Ａ径方向外方部分とのあいだのすきまを自動調整
する。それがまた、溝３２下方端と高圧側１３と
のあいだの対向対面区域Ｂ間のすきまをも、溝３
３より外方の面区域や両溝２２ａ，３２間の面区
域と、それらそれぞれに対向しているカラー１６
各部分と、のあいだのすきまをも、制御するので
ある。

第１４図はさらにまた別な実施形態を示し、こ
の構造は第７図のものと大筋は同じであり、ただ
違つているところは、ふたつの封止環７２３の中
間部へ開口している緩衝流体通路７１５が備えら
れていて、それら両封止環のうちの一方は背板７
２０円筒形延長部分の環状掘り込み溝内へ押しは
められているものであり、さらに、ひとつの環状
溝７２２ａへ終端している連通路７２２があると
いう反面、連通路７１５ａや封止材７３６がなく
なつて、その封止材のかわりに、ピストン７２９
段付き内方面とその相手方となる。背板段付き面
とのあいだに環状封止材７３３ａが備えられてい
る、ということである。この実施例では、高圧側
１３とは低圧側１４とかより高圧の流体をシール
両へり部間へ吹き込むかわりに、ハウジング内の
通路７１５は高圧側１３，低圧側１４のいずれよ
りも低い圧力のところへつながれて、両シール面
間の一環状部からそのように低圧側１４よりなお
低い圧力で流体を抜出す、ようにしている。背板
大径部分７２４がシール面７２５の一部分を作り
出し、シール面７２５の残り部分はばね付勢され
ているピストン７２９で作り出されていて、その
ピストンは応動部材を構成し、そうしたシール面
７２５は、流体圧力のかからないときには平らで
ある。

通路７１５が高圧側１３・低圧側１４のいずれ
よりも低い圧力のところへつながつているのであ
るから、高圧側１３から溝７２２ａのところの環
状部までの対向対面第一区域Ａ間の内方への流体
流れと、軸中央穴の低圧側１４から溝７２２ａへ
の対向対面第二区域Ｂ間の外方への流れとが生じ
る。

したがつて、対向対面第一区域Ａ間の段付き流
路内で、その外方周辺部での最大圧力から環状溝
７２２ａでの最小圧力までの圧力勾配が生じる。
ピストン７２９で作り出された対向対面第一区域
Ａ部分間のすきまが、溝７２２ａのすぐ外方の背
板７２０で作り出された対向対面第一区域Ａ部分
間のすきまよりも、常に大きいようにしているの
で、いま述べたあとの方の部分が、両シール面７
２５，７３０間最小すきまを規制する。最小すき
まが減少するように変動すると、ピストン７２９
とばね７３２とは、面区域Ａの外方側部分のすき
まを増大させて両面区域間全般の圧力を増大さ
せ、もとのすきま状態へ戻すべく働く引き離し力
を生じるのである。

内方周辺部と溝７２２ａとのあいだの対向対面
第二区域Ｂ間のすきまは、その溝のすぐ外方の第
一区域Ａでのすきまと同じでもよいし、あるい
は、第二区域Ｂの一方の面７２５部分をその溝の
すぐ外方のところよりひつこめてその対向対面第
二区域Ｂ間すきまを大きくするようにしてもよ
い。

ピストン７２９の右側の面は左側の面よりも平
均的に低い圧力が及ぼされているのであるが、そ
れら左右両面の寸法・面積関係を適切にして、差
し引きとしての圧力による正味の力が、ばね７３
２の力にさからつてピストン７２９を左の方へ付
勢するものとする。

こうして、この実施形態例のものでも、両シー
ル面７２５，７３０のすきまは自動調整作用を受
け、溝７２２ａ内への漏れ流れはおさえられ、高
圧側１３から低圧側１４への流れがはばまれるの
である。

この実施形態例の背板７２０とピストン７２９
とのあいだの封止材７３３ａは、必要とあれば、
第７図について説明されたような、ピストンと背
板との連続面７２５にべた張り式の封止材に変え
てもよい。

第９図及び第８〜１０各図のそれぞれの実施形
態例いずれでも、第１１図の方式に添つて、高圧
側１３よりさらに高い圧力で緩衝流体を導入する
ように改変することができることは明らかであ
る。

最小すきまとは先すぼまりとかの説明のために
いろいろな図をこれまで参照したが、それら図面
は、この流体シール方式の動作説明をわかりやす
いものとするために、実際の形を忠実に示したも
のではなくて両シール面区域間のすきまは最小寸
法も最大寸法もいずれも著しく誇張して示したも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による面シール第一実施形
態例の全体図、第２図は第１図の一部分の拡大
図、第３図は第２図の両シール面間区域での圧力
分布を示した図、第４図は両シール面間すきま減
少が圧力分布に及ぼす影響を示した図、第５図
は、この発明による面シール改変形態例の運転時
の状態を示した図、第６〜１０各図は、この発明
による面シールのさらに別ないろいろな形態例を
示した図、第１１図は、この発明による面シール
で緩衝流体を使つた形態例を示した図、第１２図
は第１１図の両シール面間区域での圧力分布、両
シール面間すきま減少がその圧力分布に及ぼす影
響とともに示した図、第１３、１４両図は第１１
図の面シール面を更に改変した各形態例の運転時
の状態を示した図、である。１１……ハウジング、１２……回転軸、１３…
…高圧側、１４……低圧側、１６……カラー、１
７……カラーの径方向フランジ、１８……キー、
１９……封止環、２０……環状背板。

Claims

【特許請求の範囲】１つぎの特質(ア)，(イ)，(ウ)，(エ)，(オ)，(カ)を
すべて
満たしていることを特徴とする間隔積極保持式ラ
ジアル面シール。 (ア) 対向する二つのシール面の少なくとも一方
が、そのシール面の上流側端と下流側端との間
に弾性材製か又は弾性的に負荷された圧力に応
動できる環状部材を備えている。 (イ) 前記環状部材は、初期には半径方向に実質的
に平らなシール面を与える。 (ウ) 前記環状部材は、定常運転状態では、両シー
ル面間の圧力のもとで弾性変形して前記一方の
シール面の上流側端を前記下流側端に対し軸心
方向に相対移動させて前記両シール面間にすき
まを与える。 (エ) 前記両シール面間のすきまは、前記両シール
面の下流側端それぞれの間の環状区域での最小
すきままで前記シールの下流側区域ほど半径方
向に先すぼまりになつている。 (オ) 前記弾性変形は、運転状態の変動に伴つて、
前記シールに掛る負荷が増大するにつれて前記
シールの前記下流側区域に向く半径方向の先す
ぼまりを増加させるように変化してそれによつ
て前記定常運転状態の最小すきまへ復帰するよ
うにさせる。 (カ) 前記圧力応動部材の他の面、すなわち流体漏
洩流れが発生する側の面から反対側に位置しか
つこの面に相対して対抗している面が、流体圧
を受けるとともに、この流体圧と前記流体漏洩
の平均圧力とに左右される正味負荷が、前記圧
力応動部材の弾性変形によつて発生される力に
対抗される状態である。２特許請求の範囲１記載の発明において、その
応動部材がしなやかな弾性材製表面部材を含み、
定常運転状態でのその表面部材の先すぼまり形態
が総体的にテーパ状であること、を特徴とするシ
ール。３特許請求の範囲１記載の発明において、その
応動部材が、シール面に作られたくぼみ内にはめ
込まれたピストン部材を含み、そのピストン部材
は弾性負荷にさからつて、両シール面間流体の圧
力によつて押し動かされて段付き状の先すぼまり
形態を作り出すことができるものとされているこ
と、を特徴とするシール。４特許請求の範囲１記載の発明において、つぎ
の特質(ア)，(イ)，(ウ)，(エ)，(オ)をすべて満たして
いる
こと、を特徴とするシール。 (ア) その応動部材はしなやかな環状部材を含んで
いる。 (イ) その環状部材は、その内外各周辺部まわり
に、その一方の面から延び出ているそれぞれの
補強剛性環状部分を持つ。 (ウ) それら両剛性環状部分の一方は相対回転可能
なシール部材の一方の端面の周辺部の一方側そ
のものなりその隣接部なりへしつかりと組付け
られている。 (エ) それら両剛性環状部分の他方はそのシール部
材周辺部の他方側に封密を保ちながら相対すべ
り動き可能とされている。 (オ) その応動部材の前記中間部のしなやかな環状
部材と、前記シール部材端面と、のあいだのす
きまは、シール部低圧側へ圧力連通されてい
る。５特許請求の範囲１記載の発明において、つぎ
の特質(ア)，(イ)，(ウ)，(エ)をすべて満たしているこ
と、を特徴とするシール。 (ア) その応動部材はカラー部材に組付け保持され
ている。 (イ) そのカラー部材は、回転軸まわりへはめつけ
られ、環状隔膜によつてその回転軸へキー付け
状に組付けられて回転すべくされている。 (ウ) そのカラー部材はさらにその環状隔膜によつ
てその回転軸の軸心方向にある限度範囲内の動
き可能とされている。 (エ) このラジアル面シール部各部材相対寸法関係
は、前記カラー部材両端面に働く流体圧力と、
前記隔膜両側面に働く流体圧力と、が定常運転
状態ではつり合うこととなるようにされてい
る。６特許請求の範囲１記載の発明において、両シ
ール面のすきまが、それら面の内方周辺のところ
で最小であるようにされていること、を特徴とす
るシール。７特許請求の範囲１記載の発明において、シー
ル部圧力側の流体よりもさらに高圧の緩衝流体
を、一方のシール面の内外両周辺部の中間の環状
部内へ、導入する手段が備えられていること、を
特徴とするシール。８特許請求の範囲１記載の発明において、一方
のシール面の内外両周辺部の中間の環状部から流
体を抽出する手段が備えられていること、を特徴
とするシール。９特許請求の範囲１記載の発明において、つぎ
の特質(ア)，(イ)，(ウ)，(エ)をすべて満たす構成とす
る
ことによつて、両シール面のすきまが、確実に、
径方向についてシールの流体流れ下流側に行くほ
ど先すぼまりとなるようにされていること、を特
徴とするシール。 (ア) その圧力応動部材は環状部材である。 (イ) その環状部材は径方向内方と径方向外方との
両環状部分が剛性であつてそれら両部分がそれ
らの中間部の弾性部材を支えるべくされてい
る。 (ウ) その応動部材前記第二面は、それら両剛性環
状部分のうちの流体流れ上流側のものの少なく
とも一部分に添う通路を経てはシール部流れ上
流側圧力作用が及ぼされるようにされていると
ともに、その上流側環状部分の残余部分とか前
記中間部弾性部材とかに添う通路を経てはシー
ル部流れ下流側圧力作用が及ぼされるようにさ
れている。 (エ) その圧力応動部材は両剛性環状部分のうちの
前記とは別の方のもののところで軸心方向動き
不能に固定組付けされている。