WO1999027281A1 - Joint a gaz sans contact a pression statique - Google Patents

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WO1999027281A1
WO1999027281A1 PCT/JP1997/004279 JP9704279W WO9927281A1 WO 1999027281 A1 WO1999027281 A1 WO 1999027281A1 JP 9704279 W JP9704279 W JP 9704279W WO 9927281 A1 WO9927281 A1 WO 9927281A1
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ring
seal
stationary
gas
static pressure
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PCT/JP1997/004279
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Toshihiko Fuse
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Nippon Pillar Packing Co., Ltd.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3404—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal
    • F16J15/3408—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface
    • F16J15/3412—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface with cavities
    • F16J15/342—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface with cavities with means for feeding fluid directly to the face
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3436—Pressing means
    • F16J15/3448—Pressing means the pressing force resulting from fluid pressure

Definitions

  • the present invention relates to a static pressure type preferably used in rotating equipment such as a turbine, a blower, a compressor, a stirrer, and a rotary valve which handles various gases such as a toxic gas, a combustible gas, an explosive gas, and a powder mixed gas. It concerns non-contact gas seals.
  • the conventional seal 101 has a rotating seal ring 102 fixed to the rotating shaft 110 and a pair of O-rings on a circular inner peripheral portion of the seal case 103.
  • a stationary sealing ring 104 held movably in the axial direction via 106, 106, and a rear casing of the stationary sealing ring 104 and a seal case 103 interposed therebetween.
  • the inside and outside of the annular region between the sealed end faces 120 and 140 is a fluid region to be sealed on the outer peripheral side thereof. It is configured to seal the area F and the outside area (atmosphere area) A which is a non-sealed fluid area on the inner peripheral side.
  • the static pressure generating groove 109 which is a shallow concave groove formed on the sealed end face 140 of the stationary sealing ring 104.
  • a higher pressure seal gas 108 such as nitrogen gas
  • a static pressure is generated to keep the sealed end faces 120 and 140 in a non-contact state. That is, the sealing gas 108 introduced into the static pressure generating groove 109 forms a static pressure fluid film between the sealing end faces 120 and 140, and the presence of the fluid film causes the sealing. While keeping the end faces 120 and 140 in a non-contact state, the inside area F and outside area A are sealed.
  • the sealing gas 108 has a higher pressure than the internal pressure, the sealing gas 108 leaks from the sealing end faces 120 and 140 to the internal area F and the external area A, and the sealing force of the internal area F
  • the gas inside the machine which is a sealed fluid, does not enter between the sealed end faces 120 and 140, and does not leak into the outside area A at all.
  • the supply of the seal gas 108 to the static pressure generating groove 109 is performed by a series of seal gas supply passages 18 formed in the seal case 103 and the stationary sealing ring 104. Done through 0.
  • the seal gas supply passage 180 is formed between the inner peripheral portion of the seal case 103 and the outer peripheral portion of the stationary sealing ring 104, and has a pair of O-rings 106, A first passage 1 which is formed in an annular closed space 17 1 sealed by 106 and a seal case 103 to supply the seal gas 108 to the closed space ⁇ 71 8 1, and a second passage formed in the stationary sealing ring 104, and for introducing the sealing gas 108 supplied to the sealed space 170 1 into the static pressure generating groove 109 via the orifice 183.
  • the seal gas 108 introduced into the static pressure generating groove 109 flows out of the static pressure generating groove 109 between the sealing end faces 120 and 140 to the in-machine area F and the out-of-machine area A.
  • the gap between the sealed end faces 120 and 140 is kept in a non-contact state with a fluid film interposed by static pressure.
  • the opening force acting in the direction of opening between the sealing end faces 120 and 140 (the sealing gas introduced into the static pressure generating groove 109) is applied between the sealing end faces 120 and 140.
  • the pressure of the seal gas 108 introduced into the static pressure generating groove 109 is set higher than this according to the internal pressure, and the panel force (spring load) of the spring 105 that determines closing is It is set according to the pressure of the sealing gas 108 so that the gap between the sealing end faces 120 and 140 is appropriate (generally, 5 to 15 m).
  • Si Since the gas 108 is throttled by the orifice 183 and introduced into the static pressure generating groove 109, even if the gap between the sealed end faces 120 and 140 fluctuates, Is automatically adjusted and properly maintained. In other words, when the clearance between the sealing end faces 120 and 140 becomes large due to vibration of the rotating device or the like, the sealing gas flowing out from the static pressure generating groove 109 to the sealing end faces 120 and 140.
  • the amount of gas and the amount of sealing gas supplied to the static pressure generating groove 109 via the orifice 183 become imbalanced, the pressure in the static pressure generating groove 109 decreases, and the opening force closes. Since the gap becomes smaller, the gap between the sealed end faces 120 and 140 changes so as to be smaller, and the gap is adjusted to an appropriate gap. Conversely, when the gap between the sealed end faces 120 and 140 becomes smaller, the pressure in the static pressure generating groove 109 increases due to the orifice function similar to that described above, and the opening force closes. Force, and the gap between the sealed end faces 120 and 140 changes so as to increase, and the gap is adjusted to an appropriate one.
  • the conventional seal 101 keeps the sealed end faces 120 and 140 in a non-contact state, and burns in the sealed end faces 120 and 140.
  • the gas inside the machine can be sealed well over a long period of time without any generation.
  • the conventional seal 101 can effectively seal a gas that cannot be sealed by a dynamic pressure type non-contact gas seal. It can be used for a wider range of applications.
  • a dynamic pressure type non-contact gas seal forms a dynamic pressure generating groove on one of the sealing end faces that rotate relative to each other, and the action of the dynamic pressure generating groove generates a dynamic pressure due to in-machine gas between the sealing end faces.
  • the gap between the sealed end faces is kept in a non-contact state, and basically allows the in-machine gas to leak out of the machine from between the sealed end faces. Therefore, if the in-flight gas has a property that does not allow it to leak out of the machine, such as toxic gas, flammable gas, explosive gas, etc., use a hydrostatic non-contact gas seal. Can not do it.
  • static pressure type non-contact As described above, the conventional seal 101, which is a gas seal, supplies the seal gas 108 higher than the internal pressure between the sealed end faces 120 and 140, thereby preventing the leakage of the internal gas to the outside as described above. Since the structure is completely blocked, it can be suitably used in rotating equipment that handles gases such as toxic gas, flammable gas, and explosive gas.
  • the conventional seal 101 is superior to the dynamic pressure type non-contact gas seal as described above, but has the following problems under high pressure conditions where the internal pressure is high. It could not be used suitably for rotating equipment operated under high pressure conditions.
  • the pressure of the seal gas 108 is set to be higher than the internal pressure in order to prevent leakage of the internal gas, so that the opening force becomes extremely large under high pressure conditions.
  • the panel force of the spring 105 must be reduced under low pressure conditions. Must be set higher than
  • the operation is stopped and the supply of the sealing gas 108 is stopped, the balance between the opening force and the closing force is lost, and the stationary sealing ring 104 is pressed in the direction of the rotating sealing ring by the spring 105. After being moved, the sealed end faces 120 and 140 are closed.
  • the stationary sealing ring 104 collides violently with the rotating sealing ring 102 simultaneously with the stoppage of the supply of the sealing gas 108, and the sealing ring 102 , 104 or the sealed end faces 120, 140 may be damaged or broken.
  • the closing force is given only by the spring load and is constant, so that a good sealing function cannot be exerted under the condition where the internal pressure fluctuates. It cannot be used suitably for rotating equipment operated underneath.
  • the closing force due to the spring load and the opening force due to the pressure of the seal gas 108 introduced into the static pressure generating groove 109 and the outer peripheral portion 1 at the sealing end face 1 The sealing end faces 120 and 140 are kept in a non-contact state by balancing the opening force due to the in-machine pressure acting on 48, but the spring load and the pressure of the sealing gas 108 remain constant. Therefore, if the opening force due to the above-mentioned internal pressure fluctuates with the fluctuation of the internal pressure, the balance between the opening force and the closing force is lost, and the gap between the sealed end faces 120 and 140 must be properly maintained. Gas cannot be sealed properly.
  • the in-machine pressure becomes higher than the design pressure used to set the seal gas pressure and the spring load, the closing force will be insufficient and the gap between the sealed end faces 120 and 140 will open more than necessary. As a result, there is a risk that the in-flight gas may leak to the outside area A. Conversely, if the internal pressure falls below the design pressure, the opening force will be insufficient and the sealed end faces 120 and 140 may come into contact.
  • the pressure of the seal gas 108 may be adjusted and controlled according to the fluctuation of the internal pressure.However, with the conventional seal 101, the closing force is secured only by the spring load. However, such a method cannot be adopted because it is constant. That is, if the opening force is changed by controlling the pressure of the seal gas 108, the closing force becomes excessively large or small due to the balance with the opening force. The same problem occurs when the pressure of the air is constant.
  • the conventional seal 101 cannot exert a good sealing function under high-pressure conditions or pressure fluctuation conditions, and its use has been extremely limited.
  • An object of the present invention is to provide a static pressure type non-contact gas seal capable of sealing a sealed fluid satisfactorily irrespective of the pressure conditions in the sealed fluid region.
  • the seal case connects the cylindrical case inner cylinder portion and the circular case inner peripheral portion surrounding the cylinder case concentrically and these two portions. And an annular case wall.
  • a rotary seal ring is fixed to a rotary shaft that penetrates the case inner cylindrical portion concentrically.
  • a stationary sealing ring is held via first and second O-rings so as to be movable in the axial direction so as to face the rotating sealing ring.
  • the first and second O-rings are interposed between the outer peripheral portion of the stationary sealing ring and the inner peripheral portion of the case in a state of being juxtaposed at a predetermined interval in the axial direction. Next, it is held movably in the axial direction on the inner peripheral part of the case with the seal.
  • the first O-ring is located closer to the rotary seal ring than the second O-ring.
  • the third O-ring is interposed between the inner peripheral portion of the stationary sealing ring and the case inner cylinder, and is movable in the axial direction on the case inner cylinder with the stationary sealing ring being secondarily sealed. keeping.
  • a rotating-side sealing end surface and a stationary-side sealing end surface having the same inner and outer diameters are formed at opposite ends of both sealing rings.
  • a spring is interposed between the stationary sealing ring and the case wall to press and bias the stationary sealing ring to the rotating sealing ring.
  • the annular space formed between the inner peripheral portion of the case and the outer peripheral portion of the stationary sealing ring is a first sealed space sealed by first and second O-rings.
  • the annular space formed between the case wall and the back surface of the stationary sealing ring is a second sealed space sealed by the second and third O-rings.
  • the stationary sealing end face which is the sealing end face of the stationary sealing ring, is formed with a plurality of static pressure generating grooves which are concentric with the stationary sealing end face and are arranged in parallel.
  • the seal case and the stationary sealing ring are provided with a series of sealing gas supplies communicating with the static pressure generating groove.
  • a supply channel is formed.
  • the seal gas supply path supplies a seal gas having a higher pressure than the pressure in the sealed fluid region on the outer peripheral side of both sealed end faces to the static pressure generating groove via the first sealed space.
  • the diameter of the second outer peripheral portion with which the inner peripheral portion of the second O-ring contacts is smaller than the diameter of the first outer peripheral portion with which the inner peripheral portion of the first O-ring contacts. It is. Since there is a diameter difference between the first and second outer peripheral portions, the stationary sealing ring is rotated by the pressure of the sealing gas supplied to the first sealed space between the first ring and the second O-ring. A pressing force in the direction of the sealing ring acts. This pressing force functions as a closing force acting in a direction to close the sealing end face. As a result, the spring load can be reduced as compared with the case where the closing required for balancing with the opening force is obtained only by the spring load.
  • the sealed fluid region and the second sealed space are communicated with each other by a back pressure introducing passage, and the pressure of the sealed fluid region acts as a back pressure on the stationary sealing ring. Due to this back pressure, a pressing force acts on the stationary sealing ring in the direction of the rotating sealing ring. This pressing force acts as a closing force, further reducing the spring load. Therefore, even under high pressure conditions where the pressure of the sealed fluid region is high, the spring panel force can be set as small as possible. Thus, there is no danger that the sealed end face will violently collide and break or be damaged. In addition, since the closing force changes in proportion to the pressure fluctuation in the sealed fluid region, even when the pressure in the sealed fluid region fluctuates, the closing force and the opening force are balanced to provide a good seal. Functions can be demonstrated.
  • an appropriate hydrostatic fluid film can be formed between the sealed end faces by the seal gas, and a good sealing function can be exhibited.
  • the groove width ratio b ZB of the groove width b of the static pressure generating groove formed on the stationary-side sealed end face to the seal surface width B which is the radial width of the sealed end face, is 0.05 5 ⁇ b Z Set so that B ⁇ 0.3.
  • the radial distance Bo from the static pressure generating groove to the outer peripheral edge of the stationary sealing end face or the radial distance Bi to the inner peripheral edge of the sealing end face is defined as B-b between the groove width b and the sealing surface width B. Assuming that there is a relationship of two Bo + Bi, set so that 0.3 B ⁇ Bo ⁇ 0.7 B-b or 0.3B ⁇ Bi ⁇ 0.7 B-b.
  • the depth L of the static pressure generating groove is set to 0.3 to 1.0 mm. Further, the distance between the static pressure generating grooves in the radial direction of the stationary sealing end face is set to a size corresponding to the groove width of the static pressure generating grooves.
  • the pressure of the seal gas introduced into the static pressure generation groove that is, the pressure of the seal gas in the static pressure generation groove is set to be 0.5 to 5 bar higher than the pressure of the sealed fluid region. Furthermore, when the third ring engaging portion is formed as a stationary sealing ring, the diameter of the seal case portion with which the inner peripheral portion of the third ring contacts, or the third 0 ring engaging portion is formed in the case inner cylindrical portion.
  • the third O-ring locking portion is for preventing the third O-ring from moving in the direction of the rotary sealing ring due to the pressure of the sealed fluid introduced into the second sealed space.
  • FIG. 1 is a half cut longitudinal side view showing an example of a non-contact gas seal according to the present invention.
  • FIG. 2 is a half-sectional longitudinal side view of the non-contact gas seal taken along a section different from that of FIG. 1 in a circumferential direction.
  • FIG. 3 is an enlarged detail view showing a main part of FIG.
  • FIG. 4 shows the sealing end face of the stationary sealing ring in the non-contact gas seal.
  • FIG. 5 is a vertical sectional side view corresponding to FIG. 3 showing a modified example of the non-contact gas seal according to the present invention.
  • FIG. 6 is a vertical sectional side view corresponding to FIG. 3 showing another modification of the non-contact gas seal according to the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the balance ratio, the pocket pressure (the pressure of the seal gas in the static pressure generating groove) and the in-machine pressure (the pressure in the sealed fluid region) in the non-contact gas seal according to the present invention. It is.
  • FIG. 8 is a half cut longitudinal side view showing a conventional seal.
  • FIG. 1 to 4 show a preferred embodiment of a static pressure type non-contact gas seal according to the present invention.
  • front and rear refer to left and right in FIG. 1 or FIG.
  • the static pressure type non-contact gas seal 1 shown in FIGS. 1 to 4 has the same basic principle of the sealing function as that of the conventional seal 101, and has a rotary seal ring 2 fixed to the rotary shaft 10. While maintaining the stationary sealing ring 4 held in the seal case 3 in a non-contact state with a fluid film interposed by static pressure, the sealed fluid that is the outer peripheral area of the opposed annular area of the sealing rings 2 and 4 is maintained. It is configured to seal the region F and the unsealed fluid region A which is the inner peripheral region thereof.
  • the sealed fluid region F is a high-pressure gas region that communicates with the inside of the rotating device in which the non-contact gas seal 1 is installed.
  • the region F is referred to as an “in-machine region”.
  • the sealed fluid is called “in-machine gas” and its pressure P f is called “in-machine pressure”.
  • the unsealed fluid region A is an atmospheric region that communicates with the outside of the rotating device, and the region A is hereinafter referred to as an “outside machine region”.
  • all pressures mean gauge pressure (bar) with respect to atmospheric pressure.
  • the seal case 3 concentrically surrounds the cylindrical case ⁇ cylindrical portion 3 1 It has a circular case inner peripheral portion 32 and an annular case wall portion 33 connecting these two portions 31, 32.
  • the rotating shaft 10 extends in the front-rear direction while penetrating the case inner tube 31 concentrically, and the rotary seal ring 2 is located in front of the case inner tube 31 and has a sleeve-like solid state. It is fixed to the rotating shaft 10 by fixed members 11 and 12.
  • the stationary sealing ring 4 is disposed in the annular space formed between the case inner cylindrical portion 31 and the case inner peripheral portion 32 in the rear direction of the rotary sealing ring 2 in the first direction. In addition, it is held movably in the axial direction via a second ring 61, 62 and a third ring 63. That is, the outer peripheral portion of the stationary sealing ring 4 is connected to the inner peripheral portion 3 2 of the case via the front first ring 61 and the rear second ring 62 arranged in parallel at a predetermined interval in the axial direction. The inner peripheral portion of the stationary sealing ring 4 is retained on the outer peripheral portion of the case inner cylinder portion 31 via the third ⁇ ring 63.
  • the stationary sealing ring 4 is fixed within a certain range by engaging a locking pin planted in the case wall 33 with an engaging recess formed in the rear end thereof. The relative rotation with respect to the seal case 3 is prevented in a state where the movement in the axial direction is allowed.
  • the opposite ends of the two seal rings 2, 4, respectively, inner and outer diameter D], D 2 rotary side sealing end face 2 0 and the stationary side sealing end face 4 0 to equalize the is formed.
  • the inner and outer diameters D 1, D 2 of the sealed end faces 20, 40 are appropriately set according to sealing conditions such as the diameter of the rotating shaft 10.
  • the rotating side sealing end face 20 which is the sealing end face of the rotating sealing ring 2 and the stationary side sealing end face 40 which is the sealing end face of the stationary sealing ring 4 are formed in a smooth annular plane orthogonal to the axis.
  • the constituent materials of the sealing rings 2 and 4 are appropriately selected according to sealing conditions and the like.
  • the stationary sealing ring 4 is constituted by a pressure belt.
  • the rotary seal ring 2 is composed of SUS 3 1 6, in particular, the rotary side sealing end face 2 0, as shown in FIG. 3, is composed of a cell Ramikkuko one coating layer 2 1, such as C r 0 2 ing.
  • the first and second rings 61, 62 are stationary sealing rings. It is inserted between the outer periphery of 4 and the inner periphery 32 of the case in an appropriately compressed state, allowing the stationary sealing ring 4 to move in the front-rear direction (moving in the axial direction), and at the same time the stationary sealing ring.
  • a secondary seal is provided between the outer peripheral portion of 4 and the inner peripheral portion 32 of the case. Therefore, between the outer peripheral portion of the stationary sealing ring 4 and the inner peripheral portion 32 of the case, an annular first sealed space 71 sealed by the first and second O-rings 61, 62 is formed. It is formed
  • annular ring On the outer periphery of the stationary sealing ring 4, an annular ring is located between the two O-rings 61, 62 and regulates the backward movement of the first ring 61 and the forward movement of the second ring 62.
  • the locking portion 43 is protruded.
  • the case inner peripheral portion 32 has an annular first ring engaging portion 34 that regulates the forward movement of the first ring 61 and an annular second ring that regulates the backward movement of the second O ring 62.
  • a ring locking portion 35 is formed.
  • the two rings 61 and 62 ensure a certain range of mutual spacing without approaching or separating more than a certain distance. That is, the double rings 61 and 62 can be moved in the axial direction by the pressure difference between the inside and outside of the first sealed space 71 even when the first and second passages 81 and 62 described later are used. , 82, the movement range thereof is regulated so that the opening to the first closed space 71 can be positioned on both front and rear sides of the opening without being closed.
  • the diameter of the outer peripheral portion of the stationary sealing ring 4 is not constant, and the inner peripheral portion of the second ring 62 comes into contact with the portion behind the 0-ring engaging portion 43 (case wall side).
  • the diameter d is set smaller. That is, by setting d 2 ⁇ d, when the sealing gas 8 described later is supplied to the first sealed space 71, the pressure (hereinafter referred to as “seal gas pressure”) P s is applied to the stationary sealing ring 4.
  • the third O-ring 63 is inserted between the inner peripheral portion of the stationary sealing ring 4 and the outer peripheral portion of the case inner cylinder portion 31 in an appropriately compressed state as shown in FIGS.
  • the secondary seal is provided between the inner peripheral part of the stationary seal ring 4 and the outer peripheral part of the case inner peripheral part 32 while allowing the stationary seal ring 4 to move in the front-rear direction (axial movement). . Therefore, between the rear surface, which is the rear surface of the stationary sealing ring 4, and the case wall 33, an annular second ring sealed by the third O-ring 63 and the second O-ring 62 described above. Two closed spaces 72 are formed.
  • annular third ring locking portion 44 that regulates the relative movement of the third 0 ring 63 3 forward with respect to the stationary sealing ring 4,
  • the case inner cylinder portion 31 is formed with an annular locking portion 36 that regulates the rearward movement of the third O-ring 61.
  • the stationary sealing ring 4 is formed with a back pressure introducing path 45 that communicates the in-machine area F with the second sealed space 72. That is, one end of the back pressure introduction path 45 is opened to the outer peripheral portion of the stationary sealing ring 4 on the sealing end surface side (annular portion on the outer peripheral side of the sealing end surface 40 at the front end of the stationary sealing ring 4) 48. At the same time, the other end is opened to the back of the static seal ring 4, and the in-machine gas is introduced from the in-machine area F into the second closed space 72, and the same pressure as the internal pressure is applied to the static seal ring 4. It acts as back pressure P f (two P f ).
  • Thrust force by the back pressure p f, to press and it is the stationary seal ring 4 in the forward direction (rotary seal ring direction) Works.
  • This thrust force acts as a closure (hereinafter referred to as “back pressure closure”) T, acting in a direction to close the sealing end faces 20 and 40.
  • back pressure closure a closure
  • the third O-ring locking portion 4 4 that prevents the third O-ring 6 3 from moving forward relative to the stationary sealing ring 4 is formed on the stationary sealing ring 4, the back pressure closing cap T, inner diameter of the annular pressure reception area acts vector back pressure p f of Generating an third 0-ring 6 diameter of the inner peripheral portion is the outer peripheral portion of the seal case part clogging casing cylindrical portion 3 1 which is in contact of the 3 0 1 a ".
  • the back pressure introduction path 45 Similarly, the formation position of the stationary seal ring 4 is devised so as not to intersect with a second passage 81 described later.
  • the second closed space 72 is provided with a plurality of springs 5 (only one is shown) for urging the stationary sealing ring 4 in the direction of the rotating sealing ring.
  • These springs 5 are arranged between the back surface of the stationary sealing ring 4 and the case wall 33 in a state of being arranged in parallel with a predetermined distance in an annular area centered on the rotation axis 10. It has been done.
  • the panel force of each spring 5 is set to a necessary minimum within a range satisfying the following first and second conditions.
  • the second condition is that, when the operation of the device is stopped and the supply of the sealing gas 8 is stopped, the stationary sealing ring 4 is brought into contact with the rotating sealing ring 2 by the spring closure 3 ( (2) In the position where the closed end faces 20 and 40 are closed so that gas does not leak inside the machine), ⁇ Smoothly and favorably move and hold by overcoming the sliding resistance force of rings 61, 62 and 63 Can be let Is Rukoto.
  • the first condition is ⁇ Ka, from being included in the second condition in relation to T 2, panel force of the spring 5 is set to a minimum in within range satisfying the second condition It should be left.
  • a plurality of static pressure generating grooves 9 which are concentric with and parallel to the sealing end face 40 are formed on the stationary sealing end face 40.
  • the seal case 3 and the stationary seal ring 4 a series of seal gas supply channel 8 0 and supplies high-pressure sea Rugasu 8 to the static pressure generating grooves 9 ... has been formed than cabin pressure P f,
  • the seal gas 8 introduced into the static pressure generating grooves 9 keeps the sealed end faces 20 and 40 in a non-contact state while maintaining the in-machine region F and the atmospheric region A. Between the seals.
  • the seal gas supply passage 80 is formed by a first passage 81 formed in the seal case 3 and a second passage 82 formed in the stationary sealing ring 4 in a first sealed space. It is a series of things that are connected by 7 1.
  • the first passage 81 is connected to a sealing gas supply source (not shown), and is open to the first sealed space 71 in the inner peripheral portion 32 of the case. The opening is disposed at a position directly opposed to the O-ring locking portion 43 for restricting the approach of the first and second O-rings 61, 62.
  • One end of the second passageway 8 2 penetrates through the 0-ring locking portion 43 and opens into the first closed space 71, and the other end branches off and the center of each static pressure generating groove 9 in the longitudinal direction. It is open to the part.
  • an appropriate restricting mechanism disposed at the appropriate position upstream of the branch to each static pressure generating groove 9) to exhibit the same function as the orifice 18 83 described at the beginning In this example, an orifice 83 is provided.
  • Seal gas 8 that is harmless even if it flows into each area F and A (for example, a gas that does not adversely affect the properties, components, quality, etc. of the in-machine gas and is harmless to the human body) is sealed under the sealing conditions (in-machine gas). And the like).
  • the seal gas 8 is supplied only during the operation of the rotating device on which the seal 1 is installed, and is stopped after the operation of the device is stopped.
  • the operation of the device driving of the rotating shaft 10
  • the supply of the seal gas 8 is stopped after the operation of the device is stopped and after the rotary shaft 10 is completely stopped.
  • the sealing gas pressure P s supplied from the sealing gas supply source (not shown) to the first passage 81 is transmitted from the second passage 82 to the respective static pressure generating grooves 9 through the orifice 83 for the following reasons.
  • the pressure that is the pressure definitive in each static pressure generating grooves 9 (hereinafter referred to as "Boke' preparative pressure")
  • p s of the seal gas 8 is introduced is increased 0. 5 ⁇ 1. 5 bar than cabin pressure ⁇ ⁇ , control Have been.
  • the circumferential length R of the sealing end face portion between the static pressure generating grooves 9 and 9 formed on the stationary sealing end face 40 (hereinafter referred to as the “land portion between grooves”) 49 is the static pressure It is set to the same or almost the same size as the groove width b of the generating groove 9, but if p s ⁇ P f +0.5 bar, the sealing gas 8 formed between the sealing end faces 20 and 40 Pressure distribution of the fluid film fluctuates greatly at the portion corresponding to the land portion 49 between the grooves, and the fluid film pressure at the portion corresponding to the land portion 49 between the grooves drops below the in-machine pressure P f , and the There is a possibility that the gas inside the machine leaks to the outside area A from between the land portion 49 and the rotation-side sealed end face 20.
  • the seal gas pressure P s is set to I ⁇ +1.5 bar ⁇ It is controlled so that Ps ⁇ P f + 2.5 bar.
  • the seal gas pressure P s if the variation width varies and when cabin pressure P f is not changed in (during the rotation of the rotary shaft 1 0) in the device driver is small (eg, cabin pressure P f the width of variation is from 0 to 0.3 in the case of a bar), the condition (P t + 0. 5 bar ⁇ p s ⁇ P f + 1. 5 bar or P f + 1. 5 bar ⁇ P S ⁇ P f + 2.5 bar) is kept constant.
  • the fluctuation range of the internal pressure P f during operation is large (for example, the internal pressure P f In the case the width of the fluctuation exceeding 0.
  • sealed gas pressure P for s in that the retained constant a situation that does not satisfy the above condition occurs cabin pressure P airplane pressure P f
  • cabin pressure P airplane pressure P f It is preferable to perform the adjustment control so as to satisfy the above condition in accordance with the fluctuation of.
  • Such adjustment control can be easily performed by a well-known control system using a differential pressure control valve or the like.
  • the sealing pressure P s may be adjusted and controlled according to the fluctuation of the in-machine pressure P f. .
  • U 2 ( ⁇ / 4) ((di) 2 one (D 2) 2) P f .
  • another spring ⁇ Ka T 3 by the spring load as ⁇ Ka since the back pressure closing mosquito T, and the seal gas ⁇ Ka T 2 is weighted, the total closing force is obtained only by the scan pulling load in comparison with the conventional seal 1 0 1, opening force U, it is possible to significantly reduce the spring load required to U 2 and balance, setting the panel force of each spring 5 to a minimum as described above Can o
  • the first sealed space 71 which is the rear area of the stationary sealing ring 4 is communicated with the in-machine area F through the back pressure introduction path 45.
  • the seal 1 in balanced seal suitable for use under high pressure conditions Becomes Ie
  • the balance ratio K of the seal 1 can be set to 1 or less.
  • the balance ratio K is as in the known balance-type seals, the inner and outer diameter D of the seal end faces 2 0, 4 0, the annular pressure receiving area back pressure p f acts at D 2 and the stationary seal ring 4 It can be specified by the diameter D ra of the inner peripheral contact surface of the third O-ring 63, which is the inner diameter.
  • K ((D 2 ) 2- (D m ) / ((D 2 ) 2 (DO 2 ).
  • the balance ratio K (two ((D 2 ) 2 — (D m ) 2 ) / ((D 2 ) 2 — (D!) 2 )) is set to 0.8 ⁇ K ⁇ 0.9.
  • Each of the static pressure generating grooves 9 has an arc shape centered on the axis of the stationary sealing ring 4, and all the static pressure generating grooves 9 have the same shape.
  • Shape forming the number of static pressure generating grooves 9, generally, sealing conditions at 3-1 two ranges (inner and outer diameters of the stationary seal end face 4 0, D 2, etc.) are set appropriately in accordance with.
  • four static pressure generating grooves 9 are formed at regular intervals R in the circumferential direction of the stationary sealing end face 40.
  • the groove depth L of the static pressure generating groove 9 is constant, and is set to 0.3 mm ⁇ L ⁇ 1.0 mm for the following reasons. That is, if L> 1.0 mm, the volume in the groove 9 increases, so that an unstable phenomenon depending on the compressibility of the seal gas 8 easily occurs. For example, variation pocket pressure p f, the stationary seal ring 2 there is a risk that vibrates. This is because while the orifice 83 has a constant throttle function (pressure drop) of the seal gas 8, the seal gas 8 has a throttle function of the seal end faces 20 and 40 and the gap between the seal end faces 20 and 40 changes.
  • the pressure of the seal gas 8 does not fluctuate due to the change in the gap between the sealing end faces 20, 40, but in the downstream part of the orifice 83 (inside the static pressure generating groove 9), the gap changes. This causes pressure fluctuations of the seal gas 8 due to the occurrence of a kind of self-excited vibration phenomenon. If L ⁇ 0.3 mm, the pressure distribution of the pocket pressure p s in the longitudinal direction of the static pressure generating groove 9 tends to be uneven. For example, when the seal gas 8 is introduced from the second passageway 82 into the central portion of the static pressure generating groove 9, the introduced seal gas 8 does not sufficiently reach both ends of the static pressure generating groove 9 in the longitudinal direction. There is a possibility that the gas leaks out of the stationary generation groove 9 on the way.
  • the groove width b of the static pressure generating groove 9 is fixed.
  • the sealing surface width B ( (D 2 —
  • the groove width ratio bZB which is a ratio to bZB, is 0.05 ⁇ bZB ⁇ 0.3.
  • a sufficient seal gas opening force U corresponding to the pocket pressure p s cannot be obtained, and the seal gas The force U, becomes too small.
  • the groove width b is larger than 0.3 B and b / B> 0.3, the seal gas opening force U, becomes excessive.
  • it is necessary to increase the closing force more than necessary for example, by increasing the panel force of the spring 5.
  • the mutual interval between the static pressure generating grooves 9, that is, the circumferential length R of each inter-groove land portion 49 is determined by the pressure fluctuation (pressure drop) of the seal gas 8 at the portion corresponding to the inter-groove land portion 49.
  • the position of the static pressure generating groove 9 in the radial direction of the sealing end face 40 is determined by the radial distance from the outer peripheral edge of the stationary sealing end face 40 to the static generating groove 9 (hereinafter referred to as “outside run”).
  • B) or the radial distance from the inner peripheral edge of the stationary-side sealed end face 40 to the stationary groove 9 (hereinafter referred to as the “inner land width”).
  • the width B 0 or the inner land width B i is assumed to have a relationship of B ⁇ b2 Bo + Bi between the groove width b and the seal surface width B for the following reasons. 3 B ⁇ Bo ⁇ 0.7 B-b or 0.3 B ⁇ Bi ⁇ 0.7 B-b.
  • the outer land width B0 or the inner land width Bi it is possible to arbitrarily adjust the amount of leakage of the seal gas to each of the regions F and A. For example, to reduce the amount of seal gas leakage to the in-machine area F, the outer land width B o may be increased, and to reduce the amount of seal gas leakage to the in-machine area A, the inner land width B It is sufficient to increase i.
  • the groove width b, the groove depth L, the circumferential length R of the land portion 49 between the grooves, the outer land width B o, and the inner land width B i of the static pressure generating groove 9 should be set as described above.
  • the sealing end faces 20, 40 can be kept in an appropriate non-contact state while minimizing the amount of leakage of the seal gas to each of the regions F, A, thereby exhibiting a good sealing function. be able to.
  • static pressure type non-contact gas seal 1 is not limited to the above-described configuration, but may be used without departing from the basic principle of the present invention. They can be changed and improved as needed.
  • the third 0-ring engaging portion 44 may be formed in the case inner tubular portion 31. That is, as shown in FIG. 5, the third ring 63 is engaged and held in an annular groove 37 formed in the outer peripheral portion of the case inner cylindrical portion 31. The front end of the annular groove 37 is The third ⁇ ring engaging portion 4 4 is used.
  • Dra for determining the back pressure closing force and the balance ratio K is the diameter of the stationary sealing ring portion with which the outer peripheral portion of the third O-ring 63 contacts, that is, the inner peripheral surface.
  • the ring locking portion 43 for restricting the axial movement of the first and second ring 61, 62 may be formed on the inner peripheral portion 32 of the case as shown in FIG. Good.
  • the first passage 81 penetrates the O-ring locking portion 43 and opens to the first closed space 71.
  • the back pressure introduction passage 45 has a through hole 45 a formed in the seal case portion corresponding to the in-machine area F and a seal case portion corresponding to the second sealed space 72 (see FIG. 6).
  • a configuration may be made by connecting the through hole 45 b formed in the case wall 33) with an appropriate external pipe 45 c disposed outside the seal case 3.

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Description

明 細 書
静圧形ノンコンタクトガスシール
技術分野
本発明は、 毒性ガス， 可燃性ガス， 爆発性ガス， 粉体混入ガス等の各種ガ スを扱うタービン， ブロワ， コンプレッサ， 攪拌機， ロータリバルブ等の回 転機器において好適に使用される静圧形ノンコンタクトガスシールに関する ものである。
背景技術
従来の静圧形ノンコンタクトガスシール 1 0 1 としては、 図 8に示す如く 構成されたもの （以下 「従来シール」 という） が周知である。
かかる従来シール 1 0 1は、 図 8に示す如く、 回転軸 1 1 0に固定された 回転密封環 1 0 2と、 シールケース 1 0 3の円形内周部に一対の 0リング
1 0 6 , 1 0 6を介して軸線方向に移動可能に保持された静止密封環 1 0 4 と、 静止密封環 1 0 4の背面部とシールケース 1 0 3との間に介装されて、 静止密封環 1 0 4を回転密封環 1 0 2に向けて押圧附勢するスプリ ング 1 0 5とを具備し、 両密封環 1 0 2， 1 0 4の対向端部に形成される密封端面 1
2 0 , 1 4 0を、 その間に静圧を作用させることにより非接触状態に保持し つつ、 密封端面 1 2 0 , 1 4 0間の環状領域において、 その外周側の被密封 流体領域たる機内領域 Fとその内周側の非密封流体領域たる機外領域 （大気 領域） Aとをシールするように構成されている。
密封端面 1 2 0 , 1 4 0間の環状領域には、 静止密封環 1 0 4の密封端面 1 4 0に形成した浅い凹溝である静圧発生溝 1 0 9に機内領域 Fの圧力 （機 内圧力） より高圧の窒素ガス等のシールガス 1 0 8を導入することによつ て、 密封端面 1 2 0 , 1 4 0間を非接触状態に保持する静圧が生じる。 すな わち、 静圧発生溝 1 0 9に導入されたシールガス 1 0 8は密封端面 1 2 0， 1 4 0間に静圧の流体膜を形成し、 この流体膜の存在によって、 密封端面 1 2 0， 1 4 0を非接触状態に保持しつつ、 機内領域 Fと機外領域 Aとをシー ルする。 シールガス 1 0 8が機内圧力より高圧であるから、 シールガス 1 0 8は密封端面 1 2 0， 1 4 0間から機内領域 F及び機外領域 Aへと漏洩する 力、 機内領域 Fの被密封流体である機内ガスは密封端面 1 2 0 , 1 4 0間に 侵入することがなく、 機外領域 Aへと漏洩することは全くない。
シールガス 1 0 8の静圧発生溝 1 0 9への供給は、 図 8に示す如く、 シー ルケ一ス 1 0 3及び静止密封環 1 0 4に形成された一連のシールガス供給路 1 8 0を介して行なわれる。 シールガス供給路 1 8 0は、 シールケース 1 0 3の内周部と静止密封環 1 0 4の外周部との間に形成されており、 軸線方向 に並列する一対の 0リング 1 0 6， 1 0 6によりシールされた環状の密閉空 間 1 7 1 と、 シ一ルケ一ス 1 0 3に形成されており、 シールガス 1 0 8を密 閉空間〖 7 1に供給する第一通路 1 8 1 と、 静止密封環 1 0 4に形成されて おり、 密閉空間 1 7 1に供給されたシールガス 1 0 8をオリフィス 1 8 3を 経て静圧発生溝 1 0 9に導入する第二通路 1 8 2とからなる。 静圧発生溝 1 0 9に導入されたシールガス 1 0 8は、 静圧発生溝 1 0 9から密封端面 1 2 0 , 1 4 0間を通って機内領域 F及び機外領域 Aに流出し、 密封端面 1 2 0， 1 4 0間を、 静圧による流体膜を介在させた非接触状態に保持する。 密 封端面 1 2 0， 1 4 0間は、 密封端面 1 2 0 , 1 4 0間を開く方向に作用す る開力 （静圧発生溝 1 0 9に導入されたシールガス 1 0 8の圧力 （静圧） に よるもの及び静止密封環 1 0 4の密封端面側外周部分 （密封端面 1 4 0の形 成端部における密封端面 1 4 0より外周側の環状部分） 1 4 8に作用する機 内圧力によるもの） と密封端面 1 2 0 , 1 4 0間を閉じる方向に作用する閉 力 （静止密封環 1 0 4を回転密封環 1 0 2に向けて押圧附勢するスプリング 1 0 5によるもの） とがバランスする非接触状態に保持される。 静圧発生溝 1 0 9に導入されるシールガス 1 0 8の圧力は機内圧力に応じてこれより高 く設定されており、 閉カを決定するスプリング 1 0 5のパネ力 （スプリング 荷重） は、 密封端面 1 2 0 , 1 4 0間の隙間が適正 （一般に、 5〜1 5 m である） となるように、 シールガス 1 0 8の圧力に応じて設定される。 シ一 ルガス 1 0 8はオリフィス 1 8 3で絞られた上で静圧発生溝 1 0 9に導入さ れることから、 密封端面 1 2 0 , 1 4 0の隙間が変動した場合にも、 その隙 間が自動的に調整されて適正に保持される。 すなわち、 当該回転機器の振動 等により密封端面 1 2 0 , 1 4 0の隙間が大きくなつたときは、 静圧発生溝 1 0 9から密封端面 1 2 0， 1 4 0間に流出するシールガス量とオリフィス 1 8 3を通って静圧発生溝 1 0 9に供給されるシールガス量とが不均衡と なり、 静圧発生溝 1 0 9内の圧力が低下して、 開力が閉力より小さくなるた め、 密封端面 1 2 0 , 1 4 0間の隙間が小さくなるように変化して、 その隙 間が適正なものに調整される。 逆に、 密封端面 1 2 0， 1 4 0間の隙間が小 さくなつたときは、 上記したと同様のオリフィス機能により静圧発生溝 1 0 9内の圧力が上昇して、 開力が閉力より大きくなり、 密封端面 1 2 0 , 1 4 0間の隙間が大きくなるように変化して、 その隙間が適正なものに調整され o
従来シール 1 0 1は、 動圧形ノンコンタクトガスシールと同様に、 密封端 面 1 2 0 , 1 4 0間を非接触状態に保持させて、 密封端面 1 2 0， 1 4 0に 焼き付きを生じることなく、 機内ガスを長期に亘つて良好にシールすること ができるものである。 しかも、 従来シール 1 0 1は、 動圧形ノンコンタクト ガスシールによってはシールすることができないガスに対しても、 これを良 好にシールすることができるものであり、 動圧形ノンコンタクトガスシール に比して広範な用途に供しうるものである。 すなわち、 動圧形ノンコンタク トガスシールは、 周知のように、 相対回転する密封端面の一方に動圧発生溝 を形成して、 この動圧発生溝の作用により密封端面間に機内ガスによる動圧 を発生させて、 密封端面間を非接触状態に保持するものであり、 基本的には 機内ガスが密封端面間から機外に漏洩することを許容するものである。 した がって、 機内ガスが毒性ガス， 可燃性ガス， 爆発性ガス等のように機外に漏 洩することを許容しない性状のものである場合には、 動圧形ノンコンタク ト ガスシールは使用することができない。 これに対して、 静圧形ノンコンタク トガスシールである従来シール 1 0 1は、 密封端面 1 2 0， 1 4 0間に機内 圧力より高いシールガス 1 0 8を供給することによって、 上述した如く、 機 内ガスの機外への漏洩を完全に阻止する構造となしたものであるから、 毒性 ガス， 可燃性ガス， 爆発性ガス等のようなガスを扱う回転機器においても好 適に使用することができる。
しかし、 従来シール 1 0 1は、 このように動圧形ノンコンタクトガスシ一 ルに比して優れたものであるが、 機内圧力が高い高圧条件下においては、 次 のような問題があり、 高圧条件下で運転される回転機器には好適に使用する ことができないものであった。
すなわち、 従来シール 1 0 1では、 機内ガスの洩れを阻止するためにシー ルガス 1 0 8の圧力を機内圧力より高く設定するため、 高圧条件下では開力 が極めて大きくなる。 そして、 この開力をスプリング荷重による閉力とバラ ンスさせて、 密封端面 1 2 0 , 1 4 0間の隙間を適正に維持するためには、 スプリング 1 0 5のパネ力を低圧条件下におけるよりも大きく設定しておく 必要がある。 一方、 運転が停止されてシールガス 1 0 8の供給が停止される と、 開力と閉力とのバランスが崩れて、 スプリング 1 0 5により静止密封環 1 0 4が回転密封環方向に押圧移動せしめられて、 密封端面 1 2 0 , 1 4 0 が閉じられる。 したがって、 スプリング 1 0 5のパネ力が大きい場合には、 シールガス 1 0 8の供給停止と同時に、 静止密封環 1 0 4が回転密封環 1 0 2に激しく衝突して、 密封環 1 0 2， 1 0 4ないし密封端面 1 2 0 , 1 4 0 が損傷， 破損する虞れがある。
また、 従来シール 1 0 1では、 閉力がスプリング荷重のみによって与えら れていて、 一定であるため、 機内圧力が変動する条件下では良好なシール機 能を発揮させることができず、 かかる条件下で運転される回転機器には好適 に使用することができない。
すなわち、 前述した如く、 スプリング荷重による閉力と静圧発生溝 1 0 9 に導入されたシールガス 1 0 8の圧力による開力及び密封端面側外周部分 1 4 8に作用する機内圧力による開力とがバランスすることによって密封端面 1 2 0 , 1 4 0が非接触状態に保持されるが、 スプリング荷重及びシ一ルガ ス 1 0 8の圧力が一定であるため、 機内圧力の変動に伴い上記した機内圧力 による開力が変動すると、 開力と閉力とのバランスが崩れて、 密封端面 1 2 0 , 1 4 0間の隙間を適正に保持することができず、 機内ガスのシールを良 好に行なうことができない。 例えば、 機内圧力が、 シールガスの圧力及びス プリング荷重を設定する上で基準とした設計圧力より高くなると、 閉力が不 足して、 密封端面 1 2 0 , 1 4 0間が必要以上に開いて、 機内ガスが機外領 域 Aに漏洩する虞れがある。 逆に、 機内圧力が設計圧力より低下すると、 開 力が不足して、 密封端面 1 2 0 , 1 4 0が接触する虞れがある。
なお、 機内圧力が変動する場合、 シールガス 1 0 8の圧力を機内圧力の変 動に応じて調整制御することも考えられるが、 従来シール 1 0 1では、 閉カ がスプリング荷重のみによって確保されていて、 一定であるため、 かかる手 法を採用することはできない。 すなわち、 シールガス 1 0 8の圧力制御によ り開力を変化させると、 開力とのバランス上、 閉力が過大となったり過小と なったりすることから、 上記した如くシールガス 1 0 8の圧力が一定である 場合と同様の問題を生じる。
このように、 従来シール 1 0 1では、 高圧条件下や圧力変動条件下におい ては良好なシール機能を発揮することができず、 その用途が極めて制限され ていた。
発明の開示
本発明の目的は、 被密封流体領域の圧力条件に拘わらず、 被密封流体を良 好にシールすることができる静圧形ノンコンタクトガスシールを提供するこ とにある。
本発明の他の目的は、 必要とされるスプリング荷重を可及的に減少させ得 て、 運転停止時における密封端面の衝突による破損や損傷を生じることのな ぃ静圧形ノンコンタクトガスシールを提供することにある。 本発明の更に他の目的は、 広範な圧力範囲において使用することができる 静圧形ノンコンタクトガスシールを提供することにある。
かかる目的は、 次のように構成された静圧形ノンコンタクトガスシールに よって達成される。
すなわち、 本発明の静圧形ノンコンタクトガスシールにあっては、 シール ケースが、 円筒状のケース内筒部とこれを同心状に囲繞する円形のケース内 周部とこれら両部間を連結する環状のケース壁部とを有する。 ケース内筒部 を同心状に貫通する回転軸には、 回転密封環が固定されている。 シールケ一 スには、 静止密封環が、 第一及び第二 0リングを介して、 回転密封環に対向 する状態で軸線方向に移動可能に保持されている。
第一及び第二 0リングは、 軸線方向において所定間隔を隔てて並列する状 態で、 静止密封環の外周部とケース内周部との間に介装されていて、 静止密 封環を二次シールさせた状態でケース内周部に軸線方向に移動可能に保持し ている。 なお、 第一 0リングは、 第二 0リングより回転密封環寄りに位置し ている。
第三 0リングは、 静止密封環の内周部とケース内筒部との間に介装されて いて、 静止密封環を二次シールさせた状態でケース内筒部に軸線方向に移動 可能に保持している。 両密封環の対向端部には、 内外径を同一とする回転側 密封端面及び静止側密封端面が形成されている。
静止密封環とケース壁部との間には、 静止密封環を回転密封環へと押圧附 勢するスプリングが介装されている。 ケース内周部と静止密封環の外周部と の間に形成された環状空間は、 第一及び第二 0リングによりシールされた第 一密閉空間とされている。 ケース壁部と静止密封環の背面部との間に形成さ れた環状空間は、 第二及び第三 0リングによりシールされた第二密閉空間と されている。 静止密封環の密封端面である静止側密封端面には、 静止側密封 端面と同心の環状をなして並列する複数の静圧発生溝が形成されている。 シ 一ルケ一ス及び静止密封環には、 静圧発生溝に連通する一連のシールガス供 給路が形成されている。 シールガス供給路は、 両密封端面の外周側の被密封 流体領域における圧力よりも高圧のシールガスを第一密閉空間を介して静圧 発生溝に供給する。
そして、 静止密封環にあっては、 第二 0リングの内周部が接触する第二外 周部分の直径を、 第一〇リングの内周部が接触する第一外周部分の直径より 小さくしてある。 かかる第一及び第二外周部分に径差があることから、 第一 〇リングと第二 0リングとの間の第一密閉空間に供給されたシールガスの圧 力によって、 静止密封環には回転密封環方向への押圧力が作用する。 この押 圧力は、 密封端面を閉じる方向に作用する閉力として機能する。 その結果、 開力とバランスさせるに必要な閉カを、 スプリング荷重のみによって得る場 合に比して、 スプリング荷重を低減させることができる。
さらに、 被密封流体領域と第二密閉空間とは、 背圧導入路により連通され ていて、 被密封流体領域の圧力が静止密封環に背圧として作用するようにェ 夫されている。 この背圧によって、 静止密封環には回転密封環方向への押圧 力が作用する。 この押圧力は閉力として機能し、 スプリング荷重を更に低減 させる。 したがって、 被密封流体領域の圧力が高い高圧条件下においても、 スプリングのパネ力を可及的に小さく設定しておくことできるから、 シール ガスの供給が停止された運転停止時においても、 スプリング荷重により密封 端面が激しく衝突して破損， 損傷するような虞れがない。 しかも、 この閉カ は被密封流体領域の圧力変動に比例して変化することから、 被密封流体領域 の圧力が変動する条件下においても、 閉力と開力とがバランスして、 良好な シール機能を発揮させることができる。
また、 次のような構成としておくことによって、 後述する如く、 密封端面 間にシールガスによる適正な静圧流体膜を形成させることができ、 良好なシ —ル機能を発揮させることができる。
すなわち、 静止側密封端面に形成される静圧発生溝の溝幅 bを、 当該密封 端面の径方向幅であるシール面幅 Bに対する溝幅比 b Z Bが 0 . 0 5≤b Z B≤ 0. 3となるように、 設定する。 また、 静圧発生溝から静止側密封端面 の外周縁に至る径方向距離 Bo又は当該密封端面の内周縁に至る径方向距離 Bi を、 溝幅 b及びシール面幅 Bとの間に B - b二 Bo +Bi の関係を有す ることを前提として、 0. 3 B≤Bo ≤ 0. 7 B— b又は 0. 3B≤Bi ≤ 0. 7 B— bとなるように設定する。 また、 静圧発生溝の溝深さ Lを 0. 3 〜1. 0 mmとする。 さらに、 静止側密封端面の径方向における静圧発生溝 相互の間隔を、 静圧発生溝の溝幅に相当する寸法に設定する。
さらに、 次のように構成しておくことにより、 後述する如く、 適用できる 圧力範囲を大幅に拡大することができる。
すなわち、 静圧発生溝に導入されるシールガスの圧力つまり静圧発生溝内 におけるシールガスの圧力が、 被密封流体領域の圧力より 0. 5〜し 5 b a r高くなるようにする。 さらに、 第三〇リング係止部を静止密封環に形成 した場合における第三〇リングの内周部が接触するシールケース部分の直径 又は当該第三 0リング係止部をケース内筒部に形成した場合における第三〇 リングの外周部が接触する静止密封環部分の直径 Dm と静止側密封端面の内 径0 及び外径 D2 とで特定されるバランス比 K二 （ （D2)2 — (Dm )2) Z ( (D2)2 — (D )2 ) を、 0. 8≤K≤ 0. 9となるように設定する。 ここに、 第三 0リング係止部は、 第二密閉空間に導入された被密封流体の圧 力による第三 0リングの回転密封環方向への移動を阻止するためのものであ る。
図面の簡単な説明
図 1は、 本発明に係るノンコンタクトガスシールの一例を示す半截の縦断 側面図である。
図 2は、 周方向において図 1と異なる箇所において断面した当該ノンコン タクトガスシールの半截の縦断側面図である。
図 3は、 図 1の要部を拡大して示す詳細図である。
図 4は、 当該ノンコンタクトガスシールにおける静止密封環の密封端面を 示す正面図である。
図 5は、 本発明に係るノンコンタクトガスシールの変形例を示す第 3図相 当の縦断側面図である。
図 6は、 本発明に係るノンコンタクトガスシールの他の変形例を示す第 3 図相当の縦断側面図である。
図 7は、 本発明に係るノンコンタクトガスシールにおけるバランス比とポ ケッ ト圧力 （静圧発生溝内におけるシールガスの圧力） 及び機内圧力 （被密 封流体領域の圧力） との関係を示すグラフである。
図 8は、 従来シールを示す半截の縦断側面図である。
発明を実施するための最良の形態
図 1〜図 4は、 本発明の静圧形ノンコンタクトガスシールの好ましい実施 の形態を示している。 なお、 以下の説明においては、 便宜上、 前後とは図 1 又は図 2における左右をいうものとする。
図 1〜図 4に示す静圧形ノンコンタクトガスシール 1は、 従来シール 1 0 1 とシール機能の基本原理を同一とするものであって、 回転軸 1 0に固定し た回転密封環 2とシールケース 3に保持した静止密封環 4とを、 静圧による 流体膜を介在させた非接触状態に保持しつつ、 両密封環 2， 4の対向環状領 域の外周側領域である被密封流体領域 Fとその内周側領域である非密封流体 領域 Aとをシールするように構成されたものである。 この例では、 被密封流 体領域 Fは、 当該ノンコンタクトガスシール 1が装置された回転機器の機内 に連通する高圧ガス領域であり、 以下、 当該領域 Fを 「機内領域」 といい、 当該領域の被密封流体を 「機内ガス」 といい、 その圧力 P f を 「機内圧力」 という。 一方、 非密封流体領域 Aは、 当該回転機器の機外に連通する大気領 域であり、 以下、 当該領域 Aを 「機外領域」 という。 なお、 以下の説明にお ける圧力は、 すべて、 大気圧に対するゲージ圧 （b a r ) を意味するものと する。
シールケース 3は、 円筒状のケース內筒部 3 1 とこれを同心状に囲繞する 円形のケース内周部 3 2とこれら両部 3 1 , 3 2間を連結する環状のケース 壁部 3 3とを具備する。
回転軸 1 0は、 ケース内筒部 3 1を同心状に貫通して前後方向に延びてお り、 回転密封環 2は、 ケース内筒部 3 1の前方に位置して、 スリーブ状の固 定部材 1 1 , 1 2により回転軸 1 0に固定されている。
静止密封環 4は、 図 1及び図 2に示す如く、 ケース内筒部 3 1 とケース内 周部 3 2との間に形成された環状空間に、 回転密封環 2の後方位において、 第一及び第二〇リング 6 1 , 6 2並びに第三 0リング 6 3を介して軸線方向 に移動可能に保持されている。 すなわち、 静止密封環 4の外周部は、 軸線方 向において所定間隔を隔てて並列する前位の第一〇リング 6 1及び後位の第 二 0リング 6 2を介してケース内周部 3 2に保持されており、 静止密封環 4 の内周部は、 第三◦リング 6 3を介してケース内筒部 3 1の外周部に保持さ れている。 なお、 図示していないが、 静止密封環 4は、 その後端部に穿設し た係合凹部にケース壁部 3 3に植設した回り止めピンを係合させることによ つて、 一定範囲での軸線方向移動を許容した状態で、 シールケース 3に対す る相対回転を阻止されている。
両密封環 2 , 4の対向端部には、 夫々、 内外径 D】 ， D 2 を同一とする回 転側密封端面 2 0及び静止側密封端面 4 0が形成されている。 各密封端面 2 0 , 4 0の内外径 D , ， D 2 は、 回転軸 1 0の径等のシール条件に応じて適 宜に設定されている。 回転密封環 2の密封端面である回転側密封端面 2 0及 び静止密封環 4の密封端面である静止側密封端面 4 0は、 軸線に直交する平 滑な環状平面に構成されている。 各密封環 2 , 4の構成材料は、 周知のよう に、 シール条件等に応じて適宜に選定される。 この例では、 静止密封環 4は 力一ボンで構成されている。 また、 回転密封環 2は S U S 3 1 6で構成され ているが、 特に、 回転側密封端面 2 0は、 図 3に示す如く、 C r 0 2 等のセ ラミックコ一ティング層 2 1で構成されている。
第一及び第二〇リング 6 1 , 6 2は、 図 1〜図 3に示す如く、 静止密封環 4の外周部とケース内周部 3 2との間に適当に圧縮された状態で介挿されて おり、 静止密封環 4の前後方向移動 （軸線方向移動） を許容しつつ、 静止密 封環 4の外周部とケース内周部 3 2との間を二次シールしている。 したがつ て、 静止密封環 4の外周部とケース内周部 3 2との間には、 第一及び第二 0 リング 6 1， 6 2によってシールされた環状の第一密閉空間 7 1が形成され る
静止密封環 4の外周部には、 両 0リング 6 1 , 6 2間に位置して第一〇リ ング 6 1の後方移動及び第二〇リング 6 2の前方移動を規制する環状の〇リ ング係止部 4 3が突設されている。 ケース内周部 3 2には、 第一〇リング 6 1の前方移動を規制する環状の第一〇リング係止部 3 4及び第二 0リング 6 2の後方移動を規制する環状の第二〇リング係止部 3 5が形成されている。 これらの係止部 3 4 , 3 5 , 4 3の存在によって、 第一密閉空間 7 1の内外 の圧力差によって第一及び第二 0リング 6 1， 6 2が前後方向に移動される 場合にも、 両◦リング 6 1 , 6 2は一定以上に接近したり離間したりする ことなく一定範囲の相互間隔を確保する。 すなわち、 両〇リング 6 1， 6 2 は、 それらが第一密閉空間 7 1の内外の圧力差により軸線方向に移動するよ うなことがある場合にも、 後述する第一及び第二通路 8 1 , 8 2の第一密閉 空間 7 1への開口部を閉塞することなく、 当該開口部の前後両側に位置せし められるように、 その移動範囲を規制されているのである。
静止密封環 4の外周部の直径は一定ではなく、 0リング係止部 4 3より後 側 （ケース壁部側） の部分であって第二〇リング 6 2の内周部が接触する 第二外周部分 4 2の直径 d 2 を、 〇リング係止部 4 3より前側 （回転密封環 側） の部分であって第一〇リング 6 1の内周部が接触する第一外周部分 4 1 の直径 d , より小さく設定してある。 すなわち、 d 2 < d , としておくこと によって、 第一密閉空間 7 1に後述するシールガス 8が供給された場合に、 その圧力 （以下 「シールガス圧力」 という） P s により静止密封環 4に回転 密封環方向 （前方向） へのスラスト力が作用するように工夫されている。 こ のスラスト力は密封端面 2 0, 4 0を閉じる方向に作用する閉カ （以下 「シ 一ルガス閉力」 という） T2 として機能し、 Τ2 二 in/A ) ( (d 2 - (d2)2 ) Ps で与えられる。
ところで、 両外周部分 4 1 , 4 2の半径差 A r (=d , /2 - d2 /2) は、 回転軸 1 0の径ゃ密封端面 1 2 0, 1 4 0の径 D： , D2 等の構造上の 条件を配慮しつつ、 シールガス閉カ T2 及び後述する閉カ Τ, ， Τ3 と後述 する開力 , U2 とのバランスないしシール機能を考慮して、 適宜に設定 される。 一般には、 0mmく Δ r≤ 5mmの範囲において決定することが好 ましい。
第三 0リング 6 3は、 図 1〜図 3に示す如く、 静止密封環 4の内周部とケ 一ス内筒部 3 1の外周部との間に適当に圧縮された状態で介挿されていて、 静止密封環 4の前後方向移動 （軸線方向移動） を許容しつつ、 静止密封環 4 の内周部とケース内周部 3 2の外周部との間を二次シールしている。 したが つて、 静止密封環 4の後面部たる背面部とケース壁部 3 3との間には、 この 第三〇リング 6 3と前記した第二 0リング 6 2とによってシールされた環状 の第二密閉空間 7 2が形成される。 静止密封環 4の内周部には、 第三 0リン グ 6 3の静止密封環 4に対する前方への相対移動を規制する環状の第三〇リ ング係止部 4 4が形成されており、 ケース内筒部 3 1には、 第三 0リング 6 1の後方移動を規制する環状の係止部 3 6が形成されている。
静止密封環 4には、 図 2に示す如く、 機内領域 Fと第二密閉空間 7 2とを 連通する背圧導入路 4 5が形成されている。 すなわち、 背圧導入路 4 5は、 一端部を静止密封環 4の密封端面側外周部分 （静止密封環 4の前端部におけ る密封端面 4 0より外周側の環状部分） 4 8に開口させると共に他端部を静 止密封環 4の背面部に開口させたもので、 機内ガスを機内領域 Fから第二密 閉空間 7 2へと導入させ、 機内圧力 と同一圧力を静止密封環 4に背圧 P f (二 Pf ) として作用させるようになつている。 この背圧 p f により、 静止密封環 4にはこれを前方向 （回転密封環方向） へと押圧するスラスト力 が作用する。 このスラスト力は密封端面 2 0, 4 0を閉じる方向に作用する 閉カ （以下 「背圧閉カ」 という） T, として機能する。 ところで、 静止密封 環 4に対する第三 0リング 6 3の前方への相対移動を阻止する第三〇リング 係止部 4 4が静止密封環 4に形成されていることから、 背圧閉カ T, を発 生させるベく背圧 p f が作用する環状受圧領域の内径は第三 0リング 6 3 の内周部が接触するシールケース部分つまりケース内筒部 3 1の外周部の直 径01„ となる。 したがって、 上記環状受圧領域の外径が第二外周部分 4 2の 直径 d2 であることから、 背圧 p f によって生じる背圧閉カ T, は、 T, = ( ΤΓ/4) ( (d2)2 - (Dm )2) P f で与えられ、 機内領域 Fの圧力変動 に応じて比例的に変化することになる。 なお、 背圧導入路 4 5は、 これと同 様に静止密封環 4に形成される後述の第二通路 8 1 と交差しないように、 そ の形成位置を工夫してある。
第二密閉空間 72には、 静止密封環 4を回転密封環方向に押圧附勢する複 数個のスプリング 5··· (—個のみ図示） が設けられている。 これらのスプリ ング 5…は、 回転軸 1 0を中心とする環状領域に所定間隔を隔てて並列さ せた状態で、 静止密封環 4の背面部とケース壁部 3 3との間に配設されてい る。 各スプリング 5のパネ力は、 次の第 1及び第 2の条件を満足する範囲内 で必要最小限に設定されている。
すなわち、 第 1の条件は、 全スプリング 5…のパネ力 （スプリング荷重） によって得られる閉カ （以下 「スプリング閉カ」 とレヽう） T3 が、 後述する 開力 ， U2 とバランスするに必要な閉カを確保する上で、 前述した閉カ Ti , T2 によっては不足する分を補いうるに必要且つ充分なものとなるこ とである。 また、 第 2の条件は、 機器運転が停止され、 シールガス 8の供 給が停止されたときにおいて、 スプリング閉カ Τ3 によって、 静止密封環 4 を、 これが回転密封環 2に接触する状態 （密封端面 2 0， 4 0間を機内ガス が洩れないように閉じる状態） となる位置に、 〇リング 6 1 , 6 2， 6 3の 摺動抵抗力に勝つて円滑且つ良好に移動させ且つ保持させておくことができ ることである。 一般には、 第 1の条件は、 閉カ , T 2 との関係で第 2の 条件に含まれることから、 スプリング 5のパネ力は第 2の条件を満足する範 囲内で必要最小限に設定しておけばよい。
静止側密封端面 4 0には、 図 3及び図 4に示す如く、 当該密封端面 4 0と 同心の環状をなして並列する複数の静圧発生溝 9…が形成されている。 そし て、 シールケース 3及び静止密封環 4には、 機内圧力 P f よりも高圧のシー ルガス 8を静圧発生溝 9…に供給する一連のシールガス供給路 8 0が形成さ れていて、 従来シール 1 0 1におけると同様に、 静圧発生溝 9…に導入され たシールガス 8により密封端面 2 0 , 4 0間を非接触状態に保持しつつ、 機 内領域 Fと大気領域 Aとの間をシールするようになっている。
シールガス供給路 8 0は、 図 1、 図 3及び図 4に示す如く、 シールケース 3に形成した第一通路 8 1 と静止密封環 4に形成した第二通路 8 2とを第一 密閉空間 7 1により連通接続してなる一連のものである。 第一通路 8 1は、 図示しないシールガス供給源に接続されると共に、 ケース内周部 3 2におい て第一密閉空間 7 1に開口されている。 この開口部は、 第一及び第二 0リン グ 6 1 , 6 2の接近を規制する 0リング係止部 4 3に直対向する位置に配置 されている。 第二通路 8 2の一端部は 0リング係止部 4 3を貫通して第一密 閉空間 7 1に開口されており、 その他端部は分岐して各静圧発生溝 9の長手 方向中央部に開口されている。 第二供給路 8 2には、 各静圧発生溝 9への分 岐部分より上流側の適所に配して、 冒頭で述べたオリフィス 1 8 3と同様の 機能を発揮させる適宜の絞り機構 （この例では、 オリフィス） 8 3が設けら れている。 シールガス 8としては、 各領域 F， Aに流出しても無害なもの (例えば、 機内ガスの性状， 成分， 品質等に悪影響を及ぼさず、 人体に無害 なもの） を、 シール条件 （機内ガスの性状等） に応じて適宜に選定する。 一 般には、 各種ガスに対して不活性であり且つ人体に無害である窒素ガスが使 用される。 なお、 シールガス 8は、 当該シール 1が装置された回転機器の運 転中においてのみ供給され、 当該機器の運転停止後には供給を停止される。 一般には、 当該機器の運転 （回転軸 1 0の駆動） は、 シールガス 8の供給が 開始された後であって、 密封端面 20, 4 0間が非接触状態に保持された後 において開始され、 シールガス 8の供給停止は、 当該機器の運転停止後であ つて回転軸 1 0が完全に停止した後に行なわれる。
図示しないシールガス供給源から第一通路 8 1に供給されるシールガス圧 力 Ps は、 次のような理由から、 オリフィス 8 3を通って第二通路 8 2から 各静圧発生溝 9に導入されるシールガス 8の圧力つまり各静圧発生溝 9内に おける圧力 （以下 「ボケッ ト圧力」 という） ps が機内圧力 ί\ より 0. 5 〜 1. 5 b a r高くなるように、 制御されている。 すなわち、 静止密封端面 4 0に形成される静圧発生溝 9, 9相互間の密封端面部分 （以下 「溝間ラン ド部分」 という） 4 9の周方向長さ Rは後述するように静圧発生溝 9の溝幅 bと同一又は略同一の寸法に設定されるが、 ps < Pf + 0. 5 b a rであ ると、 密封端面 2 0， 4 0間に形成されるシールガス 8による流体膜の圧力 分布が溝間ランド部分 4 9に対応する部分で大きく変動して、 溝間ランド部 分 4 9に対応する部分における流体膜圧力が機内圧力 Pf より低下して、 溝 間ランド部分 4 9と回転側密封端面 20との間から機内ガスが機外領域 Aに 漏洩する虞れがある。 また、 ps > Pf + 1. 5 b a rであると、 密封端面 2 0, 4 0から機内領域 Fへのシールガス洩れ量が必要以上に増大する。 この例では、 ポケッ ト圧力 p s を上記した如く Pf + 0. 5 b a r≤ps ≤Pi + 1. 5 b a rに維持するために、 シールガス圧力 Ps を I\ + 1. 5 b a r≤ Ps ≤ P f + 2. 5 b a rとなるように制御している。 ところで シールガス圧力 Ps は、 当該機器の運転中 （回転軸 1 0の回転中） において 機内圧力 Pf が変動しない場合や変動してもその変動幅が小さい場合 （例え ば、 機内圧力 Pf の変動幅が 0〜0. 3 b a rである場合） には、 上記条件 (P t + 0. 5 b a r≤ps ≤Pf + 1. 5 b a r又は Pf + 1. 5 b a r ≤PS ≤Pf + 2. 5 b a r ) を満足する範囲で一定に保持しておく。 一方 運転中における機内圧力 Pf の変動幅が大きい場合 （例えば、 機内圧力 Pf の変動幅が 0. 3 b a rを超えるような場合） には、 シールガス圧力 Ps を 一定に保持していたのでは上記条件を満足しない事態が発生するため、 機内 圧力 Pを機内圧力 P f の変動に応じて上記条件を満足するように調整制御す るようにしておくことが好ましい。 かかる調整制御は、 差圧制御弁等を使用 する周知の制御システムによって容易に行なうことができる。 勿論、 機内圧 力 Pf の変動幅が小さい （例えば、 0. 3 b a r以下） 場合にも、 シ一ルガ ス圧力 Ps を機内圧力 Pf の変動に応じて調整制御するようにしてもよい。 而して、 各静圧発生溝 9にシールガス供給路 8 0からシールガス 8を導入 させて、 上記した静圧たるポケッ ト圧力 ps を作用させると、 冒頭で述べた 従来シール 1 0 1におけると同様に、 密封端面 2 0， 4 0間にこれを離間さ せる開力 （以下 「シールガス開力」 という） U, が作用し、 このシールガス 開力 U, 及び密封端面側外周部分 4 8に作用する機内圧力 Pf によって静止 密封環 4を後方へと押圧するスラスト力による開力 （以下 「機内ガス開力」 という） U2 と前記した閉カ T, ， T2 , T3 とがバランスして、 密封端面 2 0, 4 0間が非接触状態に保持されることになる。 なお、 機内ガス開力 U2 は、 U2 = (ττ/4) ( (d i)2 一 (D2)2 ) Pf で与えられる。 このように、 閉カとしてスプリング荷重によるスプリング閉カ T3 の他、 背圧閉カ Τ, とシールガス閉カ Τ2 とが加重されることから、 全閉力がス プリング荷重のみによって得られる従来シール 1 0 1に比して、 開力 U, ， U2 とバランスさせるために必要なスプリング荷重を大幅に低減することが でき、 各スプリング 5のパネ力を前述した如く最小限に設定することができ o
ところで、 本発明の静圧形ノンコンタクトガスシール 1にあっては、 前述 した如く、 静止密封環 4の背面領域である第一密閉空間 7 1を背圧導入路 4 5により機内領域 Fと連通させて、 機内圧力 Pf を静止密封環 4に背圧 p f として作用させるように構成されていることから、 当該シール 1を高圧条件 下で使用に適したバランス形シールに構成することが可能となる。 すなわち 当該シール 1におけるバランス比 Kを 1以下とすることが可能である。 ここ に、 バランス比 Kは、 周知のバランス形シールにおけると同様に、 密封端面 2 0， 4 0の内外径 D, , D2 と静止密封環 4において背圧 p f が作用する 環状受圧領域の内径である第三 0リング 6 3の内周部接触面の直径 Dra とで 特定することができ、 設計上、 K= ( (D2)2 - (Dm ） / ( (D2)2 一 (DO2 ) とすることができる。
一方、 本発明の静圧形ノンコンタクトガスシール 1にあって、 ポケッ ト圧 P 5 を前述した如く Pf + 0. 5 b a r≤ps ≤Pf + 1. 5 b a rに維持 する場合には、 図 7に示す如く、 Kく 0. 8又は 0. 9く K≤ l とすると、 適用可能な機内圧力 Pf の範囲が狭くなる。
かかる理由から、 Pf + 0. 5 b a r≤ps ≤Pf + 1. 5 b a rの条件 を満足させつつ、 広い圧力範囲について適用するために、 バランス比 K (二 ( (D2)2 — （Dm )2) / ( (D2)2 — （D!)2 ) ) は 0. 8≤K≤ 0. 9 に設定されている。
各静圧発生溝 9は静止密封環 4の軸心を中心とする円弧形状をなすもので あり、 すべての静圧発生溝 9…は同一形状とされている。 静圧発生溝 9の形 成数は、 一般に、 3〜1 2個の範囲においてシール条件 （静止側密封端面 4 0の内外径 , D2 等） に応じて適宜に設定される。 この例では、 4個の 静圧発生溝 9…が静止密封端面 4 0の周方向に等間隔 Rを隔てて形成されて いる。
静圧発生溝 9の溝深さ Lは一定であり、 次の理由から、 0. 3mm≤L≤ 1. 0 mmに設定してある。 すなわち、 L > 1. 0mmであると、 溝 9内の 容積が大きくなるため、 シールガス 8の圧縮性に依存する不安定現象が生じ 易くなる。 例えば、 ポケッ ト圧力 p f が変動して、 静止密封環 2が振動する 虞れがある。 これは、 オリフィス 8 3によるシールガス 8の絞り機能 （圧力 降下） が一定であるのに対し、 密封端面 20, 4 0によるシールガス 8の絞 り機能が密封端面 2 0， 4 0の間隔変化により変動するためであり、 オリフ イス 8 3の上流側部分では密封端面 2 0, 4 0の間隔変化によるシールガス 8の圧力変動は生じないが、 オリフィス 8 3の下流側部分 （静圧発生溝 9の 内部） では当該間隔変化によるシールガス 8の圧力変動が生じて、 一種の自 励振動現象が生じるためである。 また、 L < 0. 3 mmであると、 静圧発生 溝 9の長手方向におけるポケッ ト圧力 p s の圧力分布が不均一となり易い。 例えば、 シールガス 8が第二通路 8 2から静圧発生溝 9の中央部に導入され た場合、 導入されたシールガス 8が静止発生溝 9の長手方向両端部にまで充 分に行き渡らず、 途中で静止発生溝 9外に洩れてしまう虞れがある。
静圧発生溝 9の溝幅 bは一定とされており、 特に、 次のような理由から、 密封端面 2 0， 4 0の径方向幅であるシール面幅 B (= (D2 —
に対する比率 である溝幅比 bZBが 0. 0 5≤bZB≤ 0. 3となるよう に、 設定されている。 すなわち、 溝幅 bが 0. 0 5 Bより小さく、 bZBく 0. 0 5であると、 ポケッ ト圧力 ps に見合った充分なシールガス開力 U, を得ることができず、 シールガス開力 U, が過小となる。 その結果、 開力 と閉力とをバランスさせるために、 ポケッ ト圧力 p s ないしシールガス圧力 Ps を必要以上に高くする必要がある。 また、 溝幅 bが 0. 3 Bより大きく b/B > 0. 3であると、 シールガス開力 U, が過大となる。 その結果、 開 力と閉力とをバランスさせるために、 スプリング 5のパネ力を大きくする等 により閉カを必要以上に高くする必要がある。
また、 静圧発生溝 9…の相互間隔つまり各溝間ランド部分 4 9の周方向長 さ Rは、 溝間ランド部分 4 9に対応する部分でのシールガス 8の圧力変動 (圧力低下） を可及的に防止して、 密封端面 2 0， 4 0間における流体膜の 周方向圧力分布を均一に保持するために、 前記溝幅 bと同一寸法に設定され ている。 具体的には、 密封端面 2 0, 4 0の内外径寸法等にもよるが、 一般 に R= 1〜4 mmに設定される。
また、 密封端面 4 0の径方向における静圧発生溝 9の形成位置は、 静止側 密封端面 4 0の外周縁から静止発生溝 9に至る径方向距離 （以下 「外側ラン ド幅」 という） B o又は静止側密封端面 4 0の内周縁から静止発生溝 9に至 る径方向距離 （以下 「内側ランド幅」 という） B iによって特定することが できるが、 かかる外側ランド幅 B 0又は内側ランド幅 B iは、 次のような理 由から、 溝幅 b及びシール面幅 Bとの間に B— b二 Bo +Bi の関係を有す ることを前提として、 0. 3 B≤Bo ≤ 0. 7 B— b又は 0. 3 B≤Bi ≤ 0. 7 B— bとなるように設定されている。 すなわち、 Bo く 0. 3 B又は Bi > 0. 7 B— bとすると、 他の条件に拘わらず、 機内領域 Fへのシール ガス洩れ量が増大する共に、 密封端面 2 0, 4 0間における流体膜の径方向 圧力分布が不均一となって、 密封端面 2 0, 4 0の平行度が損なわれ、 密封 端面 2 0， 4 0を適正な非接触状態に維持し得なくなるからである。 また、 Bi < 0. 3 B又は Bo > 0. 7 B— bとすると、 他の条件に拘わらず、 機 外領域 Aへのシールガス洩れ量が増大する共に、 密封端面 20， 4 0間にお ける流体膜の径方向圧力分布が不均一となって、 密封端面 20, 4 0の平行 度が損なわれ、 密封端面 20， 4 0を適正な非接触状態に維持し得なくなる からである。 なお、 上記した範囲において、 外側ランド幅 B 0又は内側ラン ド幅 B iを変更することによって、 各領域 F, Aへのシールガス洩れ量を任 意に調整することができる。 例えば、 機内領域 Fへのシールガス洩れ量を少 なく したい場合には、 外側ランド幅 B oを大きくすればよく、 機内領域 Aへ のシールガス洩れ量を少なく したい場合には、 内側ランド幅 B iを大きくす ればよい。
したがって、 静圧発生溝 9の溝幅 b, 溝深さ L， 溝間ランド部分 4 9の周 方向長さ R， 外側ランド幅 B o， 内側ランド幅 B iを上記した如く設定して おくことにより、 各領域 F, Aへのシールガス洩れ量を可及的に少なく しつ つ密封端面 20， 4 0を適正な非接触状態に保持させることができ、 良好な シ一ル機能を発揮させることができる。
なお、 本発明にかかる静圧形ノンコンタクトガスシール 1は、 上記した構 成に限定されるものではなく、 本発明の基本原理を逸脱しない範囲において 適宜に変更， 改良することができる。
例えば、 第三 0リング係止部 4 4は、 ケース内筒部 3 1に形成するように してもよい。 すなわち、 第三〇リング 6 3を、 図 5に示す如く、 ケース内筒 部 3 1の外周部に形成した環状溝 3 7に係合保持させるのであり、 当該環状 溝 3 7の前側端部を第三◦リング係止部 4 4とするのである。 この場合、 背 圧閉カ 及びバランス比 Kを決定する D ra は、 第三 0リング 6 3の外周部 が接触する静止密封環部分つまり内周面の直径である。
また、 第一及び第二〇リング 6 1， 6 2の軸線方向移動を規制する〇リン グ係止部 4 3を、 図 6に示す如く、 ケース内周部 3 2に形成するようにして もよい。 この場合、 第一通路 8 1は 0リング係止部 4 3を貫通して第一密閉 空間 7 1に開口させる。
また、 背圧導入路 4 5は、 図 6に示す如く、 機内領域 Fに対応するシール ケース部分に形成した貫通孔 4 5 aと第二密閉空間 7 2に対応するシ一ルケ —ス部分 （ケース壁部 3 3 ) に形成した貫通孔 4 5 bとを、 シールケース 3 外に配置した適宜の外部配管 4 5 cで接続することによって、 構成するよう にしてもよい。

Claims

請 求 の 範 囲
円筒状のケース内筒部とこれを同心状に囲繞する円形のケース内周 部とこれら両部間を連結する環状のケース壁部とを有するシールケース と、
ケース内筒部を同心状に貫通する回転軸に固定された回転密封環と、 外周部を軸線方向において所定間隔を隔てて並列する第一及び第二〇リ ングを介してケース内周部に保持させると共に内周部を第三〇リングを 介してケース内筒部に保持させることにより、 シールケースに回転密封 環に対向する状態で軸線方向に移動可能に保持された静止密封環であつ て、 第二〇リングの内周部が接触する第二外周部分の直径を、 第二〇リ ングより回転密封環寄りに位置する第一 0リングの内周部が接触する第 一外周部分の直径より小さくしてある静止密封環と、
静止密封環とケース壁部との間に介装されており、 静止密封環を回転 密封環へと押圧附勢するスプリングと、
両密封環の対向端部に夫々形成された、 内外径を同一とする回転側密 封端面及び静止側密封端面と、
静止密封環の密封端面である静止側密封端面に形成されており、 静止 側密封端面と同心の環状をなして並列する複数の静圧発生溝と、 ケース内周部と静止密封環の外周部との間に形成された環状空間であ つて、 第一及び第二〇リングによりシールされた第一密閉空間と、 ケース壁部と静止密封環の背面部との間に形成された環状空間であつ て、 第二及び第三◦リングによりシールされた第二密閉空間と、 シールケース及び静止密封環に形成されており、 両密封端面の外周側 の被密封流体領域における圧力よりも高圧のシールガスを第一密閉空間 を介して静圧発生溝に供給する一連のシールガス供給路と、
被密封流体領域と第二密閉空間とを連通する背圧導入路と、 を具備す ることを特徴とする静止形ノンコンタクトガスシール。 静止側密封端面に形成される静圧発生溝の溝幅 bを、 当該密封端面の 径方向幅であるシール面幅 Bに対する溝幅比 bZBが 0. 0 5≤b/B ≤ 0. 3となるように、 設定してあることを特徴とする、 請求項 1に記 載する静圧形ノンコンタクトガスシール。
静圧発生溝から静止側密封端面の外周縁に至る径方向距離 Bo 又は当 該密封端面の内周縁に至る径方向距離 Bi を、 溝幅 b及びシール面幅 B との間に B— b二 Bo +Bi の関係を有することを前提として、 0. 3 B≤ Bo ≤ 0. 78— 又は0. 3 B≤Bi ≤ 0. 7 B— bとなるよう に設定してあることを特徴とする、 請求項 2に記載する静圧形ノンコン 夕ク トガスシール。
静圧発生溝の溝深さ Lを 0. 3〜 1. 0mmとしてあることを特徴と する、 請求項 1、 請求項 2又は請求項 3に記載する静圧形ノンコンタク トガスシール。
静止側密封端面の径方向における静圧発生溝相互の間隔を、 静圧発生 溝の溝幅と同一寸法に設定してあることを特徴とする、 請求項 2、 請求 項 3又は請求項 4に記載する静圧形ノンコンタクトガスシール。
静圧発生溝に導入されるシールガスの圧力が、 被密封流体領域の圧力 より 0. 5〜 1. 5 b a r高くなるように構成したことを特徴とする、 請求項 1、 請求項 2、 請求項 3、 請求項 4又は請求項 5に記載する静圧 形ノ ンコンタク トガスシール。
第二密閉空間に導入された被密封流体の圧力による第三 0リングの回 転密封環方向への移動を阻止する第三 0リング係止部が静止密封環又 はケース内筒部に形成されており、 当該第三 0リング係止部を静止密 封環に形成した場合における第三〇リングの内周部が接触するシール ケース部分の直径又は当該第三〇リング係止部をケース内筒部に形成 した場合における第三 0リングの外周部が接触する静止密封環部分の直 径0„ と密封端面の内径 及び外径 D2 とで特定されるバランス比 K 二 ( (D2)2 - (Dm )2) Z ( (D2)2 — (D,)2 ) を、 0. 8≤K≤ 0. 9となるように設定してあることを特徴とする、 請求項 1、 請求項 2、 請求項 3、 請求項 4、 請求項 5又は請求項 6に記載する静圧形ノ ン コンタク トガスシール。
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