JPWO2008013147A1 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Abstract

メカニカルシール装置は、シールカバーに密封に取り付けられたシール面を有する固定密封環と、シール面に密接する対向シール面を有する回転密封環と、回転密封環を保持する第１固定環と、回転軸と密封に嵌着する第２固定環とを有し、且つ回転軸を囲んで一端が第１固定環と連結するとともに他端が第２固定環と連結するベローズを有する固定部と、を具備し、シール面と対向シール面とのうちの一方面の被密封流体側に被密封流体をシール面に導入する流体導入口を有するとともに、他方のシール面にディンプルを有し、または一方のシール面に流体導入口とディンプルとを有し、ディンプルがシール面の中心からの放射方向に複数に配列されているものである。

Description

本発明は、特に、圧縮機、ポンプなどで使用される液体にガスが混在する流体をシールする接触型のメカニカルシール装置の技術分野に関するものである。

従来のメカニカルシール装置は、ケミカル流体、特に冷凍機油、冷媒などを使用する装置の回転部品間をシールするときに、被密封流体によって種々の問題が惹起する。例えば、カーエアコン、冷凍機用圧縮機などで冷凍機油、アンモニア冷媒を供給する供給装置（ポンプ）や化学装置などの回転軸の周りに介在する被密封流体（作動流体）をシールするときに、被密封流体によってメカニカルシール装置のシール面に潤滑作用を欠如させるなどの種々の問題が判明してきた。特に、メカニカルシール装置は、ケミカル液のような被密封流体をシールするときに、相対摺動する一対の密封環の摺動シール面にケミカル液の反応物または揮発したガスが介在して摺動発熱する場合がある。そして、メカニカルシール装置のシール面の鳴き現象によって周囲に対して不快な騒音となる。更には、摺動シール面の発熱によるシール面のシール能力が低下して被密封流体を漏洩させる問題が惹起する、或いは、被密封流体によってメカニカルシール装置の摺動部品が摩耗して損傷する問題も存する。これらの問題の改善が急務となっている。また、メカニカルシール装置は、揮発したガスが含まれる被密封流体をシールするために、ダブル型メカニカルシール装置など、より複雑な構造となる。このため、製作コストが上昇する問題も存する。

本発明に係わる類似技術には、図８に示すメカニカルシール装置が存在する。図８に示すメカニカルシール装置１００は、所謂、ダブル型シール装置である。このダブル型シール装置には種々の構造が存在するが、基本的には二つの固定用密封環１１２、１１３が第１および第２回転用密封環１０２，１０３からなる回転密封装置１０１を挟んで互いに対向する構造の配置である（段落番号０００８に記載の特許文献１又は特許文献２又は特許文献３を参照）。この図８のメカニカルシール装置について説明する。シールハウジング１７０は、メカニカルシール装置１００を内部に組み立てるために、一方のシールハウジング１６０と他方のシールハウジング１７０とに分割されている。

そして、回転密封装置１０１は、止めねじ１０４により回転軸１５０に固定された固定環１０５の両側に背面を対向して第１回転用密封環１０２と第２回転用密封環１０３が配置されている。なお、この第１回転用密封環１０２の軸方向への相対移動面間は、第１Ｏリング１０２Ｓによりシールされている。また、第２回転用密封環１０３の軸方向への相対移動面間は、第２Ｏリング１０３Ｓによりシールされている。さらに、第１固定用密封環１１２は、一方のシールハウジング１６０に保持されているとともに、第２固定用密封環１１３は他方のシールハウジング１７０に保持されている。なお、この第１固定用密封環１１２の軸方向への相対移動面間は、第３Ｏリング１１２Ｓによりシールされている。また、第２固定用密封環１１３の軸方向への相対移動面間は、第４Ｏリング１１３Ｓによりシールされている。そして、第１回転用密封環１０２の第１シール面１０２Ａと第１固定用密封環１１２の第２シール面１１２Ａとが密接する。また、第２回転用密封環１０３の第３シール面１０３Ａと第２固定用密封環１１３の第４シール面１１３Ａとが密接する。

このように構成されたメカニカルシール装置１００は、シールハウジング１６０，１７０の内部に設けた空室に配置されて回転密封装置１０１の外周側に密封流体室Ｃが形成されている。この密封流体室Ｃには、図示省略のポンプにより潤滑流体Ｏが第１通路１２１から供給されて第２通路１２２から流出する。この潤滑流体Ｏの流れはポンプにより循環される。この密封流体室Ｃには、供給された潤滑流体Ｏ、例えば、潤滑液が満たされている。そして、第１シール面１０２Ａと第２シール面１１２Ａとが密接して密封流体室Ｃとプロセス流体室Ｌｐとを遮断する。また、第３シール面１０３Ａと第４シール面１１３Ａとが密接して密封流体室Ｃと大気側Ａとを遮断する。

このようなメカニカルシール装置１００において、被密封流体（プロセス流体Ｌｐ１）がケミカル液の場合には、特に、第１Ｏリング１０２Ｓ，第２Ｏリング１０３Ｓ，第３Ｏリング１１２Ｓおよび第４Ｏリング１１３Ｓのような摺動する個所をシールするＯリングは、ケミカル液により早期に損傷する場合が多い。このため、メカニカルシール装置１００の耐久能力が低下する。また、メカニカルシール装置１００のシール能力が低下するので、新規なメカニカルシール装置１００との交換する頻度が多くなるので、メカニカルシール装置を維持するためのコストが上昇する。

また、密封流体室Ｃ内の圧力をプロセス流体室Ｌｐ内の圧力よりも高くしても、第１シール面１０２Ａと第２シール面１１２Ａとの摺動面間に潤滑流体Ｏが供給されないことも判明してきた。これは、第１シール面１０２Ａと第２シール面１１２Ａとの摺動面間に介在する流体が密封流体室Ｃに向かって遠心力により押し出されるためと考えられる。さらに、密封流体室Ｃにケミカル液のプロセス流体Ｌｐ１を供給すると、第１シール面１０２Ａと第２シール面１１２Ａとの摺動面は、潤滑作用がなくなる場合があるので、摺動して発熱する。特に、第１シール面１０２Ａと第２シール面１１２Ａとの摺動面に冷凍機油などの潤滑油を介在しても、プロセス流体Ｌｐ１が冷媒または揮発性流体の場合には、潤滑油に冷媒または揮発したガスが混在するので、第１シール面１０２Ａと第２シール面１１２Ａとの摺動面が摺動して発熱し、さらには、摺動して惹起する騒音、つまり、鳴き現象を惹起する。この鳴き現象は、相対摺動する両シール面１０２Ａ、１１２Ａのうちの一方のシール面が、その密封環の背面をばねにより支持されていて微小に変動（固有振動数が小さいとき）するとき、又は、摺動面に潤滑不足が生じるときなどに、発生することが判明してきた。

さらに、一対のシール面が相対摺動して発熱すると、両シール面１０２Ａ，１１２Ａの摺動面が熱変形してシール能力を低下させる恐れがあることも判明した。同時に、第３シール面１０３Ａと第４シール面１１３Ａとの摺動面においても、同様な問題を惹起する。そして、メカニカルシール装置１００の耐久能力が低下する。なお、第１シール面１０２Ａと第２シール面１１２Ａとの摺動面にポーラス状の独立気孔を設けても、この問題を解決することは不可能であった（例えば、この独立気孔を設けた密封環は、特許文献４を参照）。また、特許文献１および特許文献２に示すように、摺動するシール面に動圧発生溝を設けると、シール面は非接触状態になるから、摺動発熱は低下できるが、プロセス流体Ｌｐ１や潤滑流体Ｏが摺動するシール面間から反対側へ漏洩する問題が生じる。更には、ケミカル液をシールするためには、シール構造が複雑になるため、製作コストが上昇する。

特許第２９５４１２５号公報 特許第３０６６３６７号公報 米国特許第５２１３３４０号明細書 特公平５−６９０６６号公報

本発明は、上述のような問題点に鑑み成されたものであって、その発明が解決しようとする技術的課題は、ケミカル流体のような被密封流体をシールするときに発生するシール面の摺動騒音を防止することにある。さらに、シール面が摺動発熱により摩耗し、更には損傷するのを防止することにある。また、一対のシール面を密接させてシール能力を向上させることにある。さらにまた、メカニカルシール装置の構造を簡単にして製作コストを低減することにある。

本発明は、上述のような技術的課題を解決するために成されたものであって、その技術的解決手段は以下のように構成されている。

本発明に係わるメカニカルシール装置は、シールハウジングと回転軸との間隙のプロセス流体をシールするメカニカルシール装置であって、
前記シールハウジングに接合するシールカバーの内周面に密封に取り付けられて前記回転軸を囲む一端面にシール面を有する固定密封環と、前記シール面と密接して摺動可能な環状の対向シール面を有する回転密封環と、 前記回転密封環を密封に嵌着して前記回転軸を囲む第１固定環と、前記回転軸と密封に嵌着可能な第２固定環とを有し、且つ前記回転軸を囲んで一端部が前記第１固定環と密封に連結するとともに他端部が前記第２固定環と密封に連結する金属または樹脂材製の弾性ベローズを有する固定部と、を具備し、前記シール面と前記対向シール面とのうちの一方のシール面の被密封流体側の周面に前記被密封流体を前記シール面に導入する形の流体導入口を有するとともに、他方のシール面に長手のディンプルを有し、または一方のシール面に前記流体導入口と前記ディンプルとを有し、前記ディンプルが環状の前記シール面の中心からの放射線上の前記シール面に複数個が配置されているものである。

本発明に係わるメカニカルシール装置では、従来のように回転密封環を回転軸に移動自在にして移動する面間に圧着されたＯリングのより移動が困難になる構成ではなく、伸縮自在の弾性力のある金属または樹脂材のベローズにより回転密封環と回転軸との間が密封されているから、被密封流体がケミカル液であっても、ベローズの材質が劣化するのを防止できるとともに、回転密封環の対向シール面のシール面に対する密接に応動する能力が優れる。このため、ベローズに押圧された対向シール面をシール面に常に密接させてシール能力を発揮させることができる。同時に、劣化しないベローズにより耐久能力も発揮される。また、ベローズにより応動可能にされた回転密封環は、固定密封環とシール面が摺動するときに鳴き現象も発生させるが、シール面に設けた流体導入口とディンプルとの協働作用により、摺動するシール面に被密封流体を導入するとともに、シール面の潤滑作用を長期に渡り発揮して不快な鳴き現象が防止される。そして、シール面の摺動時の潤滑作用により、シール面のシール能力を向上させるとともに、シール面の摺動時の発熱と摩耗が防止できる。

図１は、本発明の第１実施例に係わるメカニカルシール装置の片側の断面図である。

図２は、図１に示す固定密封環の正面図である。

図３は、他の実施態様に係わる固定密封環の中心からシール面の放射線上に配置した一部のディンプル付シール面を示す正面図である。

図４は、図１における回転密封環の流体導入口を設けた対向シール面を示す正面図である。

図５は、図１の回転密封環用固定部を拡大した片側の断面図である。

図６は、他の実施態様に係わる回転密封環の対向シール面を示す正面図である。

図７は、本発明の第２実施例に係わるメカニカルシール装置の全断面図である。

図８は、本発明に関連する先行技術のメカニカルシール装置の片側の断面図である。

符号の説明

１ メカニカルシール装置
３ 回転密封環
３Ａ 対向シール面
３Ｂ 外周面
３Ｃ 内周面
４ 流体導入口
４Ａ 第２流体導入口
１０ 回転密封環用固定部（固定部）
１０Ａ 第１固定環
１０Ａ１ 嵌着面
１０Ｂ ベローズ
１０Ｃ 結合面
１０Ｄ 第２固定環
１０Ｎ 雌ねじ
１１ 止めねじ
２０ 固定密封環
２０Ａ シール面
２０Ｂ ディンプル付シール面（ディンプル付平面）
２０Ｃ 通路面
２０Ｄ ピン用溝
２１ ディンプル
２２ 嵌合周面
３０ スリーブ
３０Ａ 外周面
３１ ナット
４５ シール部品（オイルシール）
６０ シールハウジング
６０C 内面
７０ シールカバー
７０C 内周面
７５ 供給孔
７６ 導入孔
Ａ 機外部
Ｃ 通路
Ｄ 流体室
Ｌｐ 機内部

以下、本発明に係わる実施の形態のメカニカルシール装置を図面に基づいて詳述する。尚、以下に説明する各図は、設計図を基にした図面である。

図１は、本発明に係わるメカニカルシール装置１をシールハウジング６０と回転軸５０との間でシールするために、この両部品の間に装着した片側の断面図である。又、図２は、図１のメカニカルシール装置１に設けられた固定密封環２０のシール面２０Ａの正面図である。更に、図３は、他の実施例のディンプル付シール面２０Ｂにおける一部を示す正面図である。

図１は、本発明に係わる第１実施例を示すメカニカルシール装置１である。シールハウジング６０の軸用の孔を形成する内面６０Ｃ内には、回転軸５０が貫通している。このメカニカルシール装置１は、シールカバー７０の内周面７０Ｃと、回転軸５０に嵌着したスリーブ３０の外周面３０Ａとの間に取り付ける。このシールカバー７０は、シールハウジング６０の外端面６０Ａに接合する。また、回転軸５０はシールハウジング６０の内面６０Ｃ内に装着されて図示省略の軸受けにより回転可能に支持されている。なお、シールハウジング６０の内面６０Ｃ内が機内部Ｌｐであり、メカニカルシール装置１のシールカバー７０側の外方が機外部Ａである。また、シールカバー７０は、メカニカルシール装置１を取り付けるために分割されているが、一体に形成することも可能である。また、回転軸５０にスリーブ３０を設けることなく、固定部１０を直接に回転軸５０に取り付けることも可能である。

さらに、図１とともに図２および図３に基づいてメカニカルシール装置１の詳細な構成を説明する。シールハウジング６０に取り付けられるシールカバー７０は、四角形状又は円形状に形成する。このシールカバー７０には、図示は省略されているが、周面に沿って四等配の位置であって、外方が突抜けのＵ形状の固定溝を設ける。このシールカバー７０の固定溝を外端面６０Ａに設けた植え込みボルトに通してから植え込みボルトにナット３１を締め付ける。そして、シールハウジング６０の外端面６０Ａにシールカバー７０の取付面７０Ａを接合して固定する。このシールカバー７０の内部には、シールハウジング６０の内面６０Ｃと同心の内周面７０Ｃを設ける。

このシールカバー７０の内周面７０Ｃには、機外部Ａ側にシール部品４５が取り付けられる嵌着面７３を形成する。この嵌着面７３に潤滑液または封止液を封止するシール部品４５を装着する。このシール部品４５は、例えば、シールリング、Ｏリングなどを用いると良い。また、シールカバー７０の内周面７０Ｃのシール部品４５より機内部Ｌｐ側には、固定密封環２０の嵌合面２０Ｂと嵌着する段付周面を設ける。また、この段付周面の機内部Ｌｐ側には外部から貫通する導入孔７６を設ける。この導入孔７６からはフラッシング液Ｒがシール面２０Ａと対向シール面３Ａとの接合間の流体導入口４側の位置へフラッシングされる。次に、内周面７０Ｃにおける固定密封環２０の背面側に周面に沿って等配に複数個の固定ピン７２を径方向の位置に植え込む。なお、シールカバー７０における固定密封環２０とシール部品４５との中間の流体室Ｄには、外部から流体室Ｄに貫通する供給孔７５を設けることもできる。この供給孔７５を設けた場合は、図示を省略するタンクより導入された冷却液または潤滑液を流体室Ｄへ供給できるようにする。また、タンクを設けることなく、流体室Ｄに清水や潤滑液などを蓄えても良い。

前述したシールカバー７０の内周面７０Ｃと嵌合する固定密封環２０の嵌合面２０Ｂには、段付の接合周面２２を形成する。この接合周面２２は、内周面７０Ｃの段付周面との間にシール用のＯリング４１を装着できるようにする。また、固定密封環２０の機内部Ｌｐ側の先端にはシール面２０Ａを設ける。さらに、固定密封環２０のシール面２０Ａと反対側の背面には、周面に沿って複数個の固定ピン７２と係止する各々のＵ形状をしたピン用溝２０Ｄを設ける。また、固定密封環２０の内周には通路面２０Ｃを形成する。この通路面２０Ｃの内周側はスリーブ３０の外周面３０Ａとの間に機内部Ｌｐ側の流体室Ｄの一部を形成する。この固定密封環２０は炭化珪素、超硬質鋼、セラミック等の材質により形成する。

図２は、固定密封環２０におけるシール面２０Ａ側の正面図である。シール面２０Ａには、図に示すように固定密封環２０の中心を通る多数の放射線（径方向線）上に点在する多数個のディンプル２１を設ける。このディンプル２１は、傾斜方向へ細長い形状に形成する。ディンプル２１の形状は、回転方向Ｎの外方へ長手に傾斜した凹形状のものを実施例として採用した。また、放射線上に沿って長方形に凹形成したものも実施例として採用した。ディンプル２１は細長く形成されているが、凹んだ長方形、楕円形、放射方向へＺ形状および放射方向へＶ形状にしても良い。しかし、ディンプル２１は、長手方向が放射方向または回転方向に対して外方へ傾斜した形状が好ましい。さらに、シール面２０Ａの径方向の幅（ｒｈ−ｒＬ）におけるディンプル付シール面２０Ｂの範囲は、図２に示すように内周線ｒ２と外周線ｒ１との中間に形成する。または、シール面２０Ａの幅（ｒｈ−ｒＬ）の全面にディンプル付シール面２０Ｂを形成しても良い。

図３は、他の実施例のディンプル付シール面２０Ｂの一部を示す正面図である。この図３に示す凹んだ長方形状のディンプル２１を固定密封環２０（図１と同様な形状の固定密封環２０）の円環状のディンプル付シール面２０Ｂにおける放射線上に点在する実施例である。このディンプル２１は、縦の長さがＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４であり、横の幅がＴである。この幅は種々の形状に形成できる。また、ディンプル２１の径方向のピッチはＰ１である。そして、ディンプル付シール面２０Ｂの径方向の幅がＬ（図１のｒ１−ｒ２の幅と同じ）である。図３の各ディンプル２１の径方向の寸法関係は、（Ｌ１＋Ｌ２）／２×１．５＝ほぼＰ１になるように形成されている。また、１／３×Ｌ４＝ほぼＴになるように形成されている。この凹状のディンプル２１の縦の長さは、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３およびＬ４は、０．１mmから０．６mmの寸法の範囲に形成する。さらに好ましくは、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３およびＬ４を０．２mmから０．４mmの寸法にすると良い。また、ディンプル２１の横の幅Ｔは、０．０２mmから０．２mmの寸法の範囲に形成する。さらに好ましくは、Ｔを０．０５mmから０．１mmの寸法にすると良い。なお、凹状のディンプル２１の深さは、０．００１mmから０．０１mmの範囲にすると良い。この寸法関係は、実施例であり、固定密封環２０が大きくなる場合は、その大きさに応じてディンプル２１の形状も、相似にして大きな寸法に変更されることもある。これらのディンプル２１の形状は、ディンプル付シール面２０Ｂに示すように、エッチング加工して容易に形成できる。

図４は、図１に示す回転密封環３の対向シール面３Ａの正面図である。また、図５は、回転密封環３を取り付けた回転密封環用固定部（以下、固定部という）１０の片側の拡大した断面図である。以下に、回転密封環３とともに、固定部１０を図１、図４および図５を参照して説明する。この回転密封環３は、円筒形状に形成する。この回転密封環３の材質は、カーボン、例えば、高強度緻密質カーボンである。つまり、無含浸カーボンである。この回転密封環３は、一端の正面に対向シール面３Ａを設ける。さらに、回転密封環３の対向シール面３Ａの外周側には、周面に沿って６等配の位置に円弧状に切り込んだ流体導入口４を形成する。この流体導入口４は、実施例として、軸方向の長さ寸法が１mmから４mmの範囲に形成している。また、径方向の長さ寸法は０．３mmから２mmに形成している。なお、流体導入口４は、円弧状とは限らず、長方形状溝、螺線溝、Ｓ型溝、Ｕ型口等に形成して流体（導入孔７６からのフラッシング液Ｒまたはプロセス流体Ｌｐ１）をシール面２０Ａと対向シール面３Ａとの摺動面間に導入できるものであれば良い。さらに、回転密封環３の内周面３Ｃとスリーブ３０の外周面３０Ａとの間隙は、機内部Ｌｐ側とシール面３Ａ，２０Ａで遮断されて流体室Ｄと連通している。

回転軸５０の外周面には、スリーブ３０の内周面３０Ｂを嵌着する。このスリーブ３０は、図示省略する端部側の取付部を止めねじにより回転軸５０に固定する。また、スリーブ３０は、外周面３０Ａに段付面を設けて大径部と小径部とに形成する。スリーブ３０の外周面３０Ａとシールハウジング６０の内面６０Ｃとの間は機内部Ｌｐと連通する通路Ｃに形成されてプロセス流体Ｌｐ１が流入する。なお、スリーブ３０は、ステンレス鋼、黄銅、鉄等の材質により形成する。

また、回転密封環３の対向シール面３Ａの反対側の背面と外周面３Ｂとは、第１固定環１０Ａの孔付有底円筒状の嵌着面１０Ａ１に嵌着して結合する。第１固定環１０Ａは、回転軸５０側（スリーブ３０）に保持される固定部１０のうちの機外部Ａ側の先端部に設ける。この固定部１０のうちの第１固定環１０Ａより機内部側Ｌｐ側は第２固定環１０Ｄに形成する。そして、第１固定環１０Ａと第２固定環１０Ｄとの間は金属製の弾性ベローズ１０Ｂにより密封に連結する。この円筒状のべローズ１０Ｂは、スリーブ３０を囲んで、一端部を第１固定環１０Ａに結合するとともに、他端部を第２固定環１０Ｄに結合する。そして、この弾性力を有するべローズ１０Ｂは、ばね力により回転密封環３の対向シール面３Ａを固定密封環２０のシール面２０Ａへ弾発に押圧するとともに、プロセス流体Ｌｐ１が流体室Ｄ側へ流出するのを密接するシール面３Ａ，２０Ａにより遮断する。また、第２固定環１０Ｄは、内周の結合面１０Ｃをスリーブ３０の外周面３０Ａに嵌着する。この結合面１０Ｃとスリーブ３０との嵌合間は、結合面１０Ｃに設けたＯリング取付溝１０Ｅ（図５を参照）にＯリング４２を嵌合してＯリング４２により嵌合面の軸方向両側を遮断する。さらに、第２固定環１０Ｄには、雌ねじ１０Ｎを径方向（内外周面）へ貫通して設ける。この雌ねじ１０Ｎに止めねじ１１を螺合して第２固定環１０Ｄをスリーブ３０に固定する。なお、固定部１０は、ステンレス鋼、黄銅等の材質により形成する。また、固定部１０に用いるＯリング４２と固定密封環２０に用いるＯリング４１は、ゴム状弾性樹脂、又は耐ケミカル液用のゴム材、例えば、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）等により形成すると良い。

図６は、実施例２の回転密封環３である。この回転密封環３は、シール面３Ａの内周側に流体導入口４を設ける。また、流体導入口４は、形状の異なる第２流体導入口４Ａと組み合わせに配置しても良い。そして、このメカニカルシール装置１においては、図１のメカニカルシール装置１の構造とは相違し、この回転密封環３は対向シール面３Ａの内周側から外周方向へ向かって漏れようとする被密封流体をシールするアウトサイド型メカニカルシール装置に用いられる（回転密封環３の内周面内にプロセス流体等の被密封流体が介在する場合）。そして、機内部Ｌｐと回転密封環３の内周側の間隙が連通している構成である。このメカニカルシール装置は、図１の供給孔７５から回転密封環３の内周側へフラッシング液（またはクエンチング液）が導入されて、回転密封環３の流体導入口４付の対向シール面３Ａと固定密封環２０のディンプル２１付のシール面２０Ａとの間の摺動面に流体導入口４、４Ａから潤滑液として導入される。このメカニカルシール装置１においては、実施例として、供給孔７５から清水や潤滑油などが導入される。なお、固定密封環０のシール面２０Ａには、図２または図３と同様なディンプル２１が形成されている。

さらに、全体の図は省略するが、実施例３として、図１のメカニカルシール装置１おいて、図６に示す回転密封環３を取り付けたものがある。この場合は、供給孔７５からフラッシング液（例えば、清水）を供給して回転密封環３の流体導入口４付の対向シール面３Ａとディンプル２１付の固定密封環２０のシール面２０Ａとの間の摺動面に流体導入口４からフラッシング液（潤滑液）を介在させる。特に、回転密封環３の対向シール面３Ａと固定密封環２０のシール面２０Ａとの間の摺動面にプロセス流体Ｌｐ１が、直接に介在すると不具合となる特殊なケミカル流体のときなどに採用すると優れた効果が発揮できる。なお、シール面３Ａ，２０Ａにおける流体導入口４とディンプル２１の配置は図２，図３，図４および図６と同様である。

図７は実施例４のメカニカルシール装置１の全断面図である。図７のメカニカルシール装置１において、図１のメカニカルシール装置１と相違する点は、回転軸５０の外周面にスリーブ３０を設けない場合である。また、シールカバー７０に供給孔７５を設けない場合である。その他の構成は、図１と同一の符号で示すように、図１とほぼ同様な構成である。この場合も、導入孔７６からフラッシング液Ｒが回転密封環３の対向シール面３Ａと固定密封環２０のシール面２０Ａとの一方に設けた流体導入口４に供給される。そして、この対向シール面３Ａに設けた流体導入口４から対向シール面３Ａとシール面２０Ａとの間の摺動面にフラッシング液Ｒを導入し、摺動するシール面３Ａ，２０Ａの潤滑作用とともに、シール面３Ａ，２０Ａの摩耗を防止する。同時に、この対向シール面３Ａとシール面２０Ａとの間の摺動面に発生する発熱とともに、摺動するときの騒音、つまり、メカニカルシールの鳴き現象を防止する。

このメカニカルシール装置１は、回転軸５０に第２固定環１０Ｄを嵌着して両部品を固定する。また、第２固定環１０ＤのＯリング取付溝１０Ｅ（図５を参照）にＯリング４２を嵌め込むとともに、第２固定環１０Ｄを回転軸５０の外周面に嵌着する。そして、止めねじ１１により第２固定環１０Ｄを回転軸５０に固定する。このようにして組み立てることにより、回転密封環３を設けた固定部１０は、回転軸５０に取り付けられる。一方、固定密封環２０は、Ｏリング４１を接合面２２（図１を参照）に嵌合してシールカバー７０の内周面７０Ｃ（図１を参照）に嵌着する。このとき、ピン用溝２０Ｄを固定ピン７２に挿入して固定密封環２０が回転用密封環３との相対回転中に回動しないように係止する。そして、シールカバー７０をシールハウジング６０の外端面６０Ａにナット３１を介して取り付ける（図１を参照）。このようにして固定密封環２０のディンプル２１を設けたシール面２０Ａと回転用密封環３の流体導入口４を設けた対向シール面３Ａとは密接して摺動する。その結果、メカニカルシール装置１の構造が簡単になるとともに、部品の組み立てが容易になる。

そして、通路Ｃには、プロセス流体Ｌｐ１（被密封流体）が流入する。しかし、プロセス流体Ｌｐ１は、固定部１０の金属または樹脂材質のベローズ１０Ｂによって機外部Ａに流出するのをシールされる（符号は図１も参照）。このため、回転密封環３を保持する固定部１０における可動する部分（第１固定部１０Ａと回転密封環３）は、プロセス流体Ｌｐ１（ケミカル流体）によって作動不良になるのが防止される。また、ベローズ１０Ｂにより回転密封環３を弾発に押圧して固定密封環２０のシール面３Ａと最適に密接させてシール効果を発揮する。また、導入孔７６からフラッシング液Ｒが回転密封環３の対向シール面３Ａと固定密封環２０のシール面２０Ａとの間の摺動面にフラッシングされる。このフラッシング液Ｒは、流体導入口４から摺動面に供給されるとともに、ディンプル２１の機能により回転密封環３の対向シール面３Ａと固定密封環２０のシール面２０Ａとの摺動面の潤滑作用を促進する。さらに、回転密封環３は、弾性のベローズ１０Ｂに弾発に保持されていても、摺動する対向シール面３Ａの摺動時の発熱と摩耗を防止できる。同時に、ベローズ１０Ｂに弾発に保持された回転密封環３の摺動面に発生する鳴き現象も効果的に防止できる。なお、ベローズ１０Ｂは被密封流体をシールする点と耐ケミカル液に優れているが、ベローズ１０Ｂにより弾発に保持された回転密封環３は、摺動時に小さい固有振動数を伴うので、鳴き現象の発生、摺動発熱の発生、シール能力の低下の原因となるが、本発明のように構成することにより、これらの問題が防止できる効果を奏する。

従来のシール面に動圧発生溝を設けて被密封流体の漏れをある程度許容する非接触型メカニカルシール装置では、このプロセス流体Ｌｐ１を確実にシールすることは不可能である。しかし、本発明の接触型のメカニカルシール装置１では、対向シール面３Ａとシール面２０Ａが常に接触状態であるから、被密封流体（プロセス流体Ｌｐ１）を確実にシールすることが可能となる。そして、接触型メカニカルシール装置１におけるケミカル液（プロセス流体Ｌｐ１）にガスが混在するような被密封流体により摺動面に惹起する種々の問題をシール面２０Ａに設けたディンプル２１と相対する対向シール面３Ａに設けた流体導入口４との組み合わせによって効果的に解決する。

上述のように構成されたメカニカルシール装置１は、以下のように作用する。導入孔７６から供給されるフラッシング液Ｒは回転密封環３の対向シール面３Ａと固定密封環２０のシール面２０Ａとの間の外周にフラッシングされる。そして、介在するプロセス流体Ｌｐ１またはフラッシングされたフラッシング液Ｒは、流体導入口４から回転密封環３の対向シール面３Ａと固定密封環２０のシール面２０Ａとの摺動面に供給される。そして、一方のシール面２０Ａに配置されたディンプル２１の機能により、フラッシング液Ｒは、摺動するシール面３Ａ，２０Ａに介在されて対向シール面３Ａとシール面２０Ａとの摺動面が発熱しないように冷却するとともに、摩耗しないように潤滑する。同時に、この対向シール面３Ａとシール面２０Ａとの間に介在するフラッシング液Ｒは、ディンプル２１に貯蔵されて対向シール面３Ａとシール面２０Ａとの摺動時の発熱を防止するとともに、発熱に伴う鳴き現象が防止できる効果を奏する。さらに、回転密封環３を構成する高強度緻密質カーボンにより自己潤滑作用が発揮されるから、相対するシール面３Ａ，２０Ａの摺動時の発熱も防止できる。このため、被密封流体が摺動熱により炭化して固形化し、各シール面３Ａ，２０Ａが炭化物によりむしり取られるブリスタ現象も防止することができる。

以下に、本発明のメカニカルシール装置に係わる他の実施の形態の発明について、その構成と作用効果を説明する。

本発明に係わる第１発明のメカニカルシール装置は、固定密封環が炭化珪素材で形成されているとともに回転密封環がカーボン材で形成され、固定密封環のシール面にディンプルを有し、且つ回転密封環の対向シール面に流体導入口を有するものである。

この第１発明に係わるメカニカルシール装置では、炭化珪素材製の固定密封環は、摺動材としての耐摩耗能力を有するとともに、耐久能力を発揮する。このため、シール面のディンプルの損傷を防止するとともに、ディンプルに潤滑液を長期に蓄えることができる。また、カーボン材製の回転密封環は炭化珪素材製の固定密封環に対してカーボンとして潤滑作用を発揮する。同時に、この潤滑作用は、流体導入口から導入された流体を摺動するシール面に導入して摺動するシール面の摩耗を防止できる効果がある。

本発明に係わる第２発明のメカニカルシール装置は、シールカバーにフラッシング流体通路を有するとともにフラッシング流体通路から注入されるフラッシング流体が固定密封環のシール面と回転密封環の対向シール面との間の流体導入口側へ流れる形に構成したものである。

この第２発明に係わるメカニカルシール装置では、プロセス流体に潤滑作用がない場合でも、フラッシング流体通路から流体導入口へ流れ、このフラッシング流体を流体導入口からシール面に導入して効果的に潤滑作用を発揮させる。同時に、摺動時の発熱を防止するとともに、摺動するシール面の鳴き現象を効果的に防止する。また、シール面をフラッシング流体により洗浄してシール面がケミカル液により摩耗するのも防止する。

本発明に係わる第３発明のメカニカルシール装置は、ベローズが金属材製または樹脂材製で回転密封環の対向シール面を固定密封環のシール面に弾発して密接させるばね手段に構成されているものである。

この第３発明に係わるメカニカルシール装置では、ベローズの一端部に設けた固定部により回転軸に固定するとともに、自由端部に設けた回転密封環を固定密封環に対して軸方向に応動しながら密接させることが可能になる。このため、回転密封環を押圧するばねを不用にするとともに、ベローズは金属材製または樹脂材製を可能にしてケミカル液のような被密封流体によりベローズが劣化することもなく、回転密封環の対向シール面を固定密封環のシール面に対して長期にわたり応動して密接させることができる効果を奏する。

以上に説明したように、本発明は、プロセス流体などの被密封流体により各シール面が摩耗するのを防止できる有用なメカニカルシール装置である。さらに、各シール面の摺動発熱を防止して鳴き現象を効果的に防止できる有用なメカニカルシール装置である。

Claims (4)

1. シールハウジングと回転軸との間隙のプロセス流体をシールするメカニカルシール装置であって、
   前記シールハウジングに接合するシールカバーの内周面に密封に取り付けられて前記回転軸を囲む一端面にシール面を有する固定密封環と、
   前記シール面と密接して摺動可能な環状の対向シール面を有する回転密封環と、
   前記回転密封環を密封に嵌着して前記回転軸を囲む第１固定環と、前記回転軸と密封に嵌着可能な第２固定環とを有し、且つ前記回転軸を囲んで一端部が前記第１固定環と密封に連結するとともに他端部が前記第２固定環と密封に連結する金属または樹脂材製の弾性ベローズを有する固定部と、を具備し、
   前記シール面と前記対向シール面とのうちの一方のシール面の被密封流体側の周面に前記被密封流体を前記シール面に導入する流体導入口を有するとともに、他方のシール面に長手のディンプルを有し、
   または一方のシール面に前記流体導入口と前記ディンプルとを有し、前記ディンプルが環状の前記シール面の中心からの放射線上の前記シール面に複数個が配置されていることを特徴とするメカニカルシール装置。
2. 前記固定密封環が炭化珪素材で形成されているとともに前記回転密封環がカーボン材で形成され、前記固定密封環の前記シール面にディンプルを有し、且つ前記回転密封環の前記対向シール面に流体導入口を有す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装置。
3. 前記シールカバーにフラッシング流体通路を有するとともに前記フラッシング流体通路から注入されるフラッシング流体が前記固定密封環の前記シール面と前記回転密封環の前記対向シール面との間の流体導入口側へ流れる構成に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装置。
4. 前記ベローズが金属材製または樹脂材製で前記回転密封環の対向シール面を前記固定密封環のシール面に対して弾発して密接させるばね手段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装置。

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