特許 6247072 メカニカルシール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6247072

(24)【登録日】2017年11月24日

(45)【発行日】2017年12月13日

(54)【発明の名称】メカニカルシール

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/34 20060101AFI20171204BHJP

【ＦＩ】

   F16J15/34 H

   F16J15/34 K

【請求項の数】3

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-223425(P2013-223425)

(22)【出願日】2013年10月28日

(65)【公開番号】特開2015-86889(P2015-86889A)

(43)【公開日】2015年5月7日

【審査請求日】2016年5月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000229737

【氏名又は名称】日本ピラー工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000280

【氏名又は名称】特許業務法人サンクレスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】福本 崇人

(72)【発明者】

【氏名】木久山 貴規

【審査官】 杉山 悟史

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭６２−０２８９６８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００２−１４７６１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｊ １５／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸とケーシングとの間に形成される環状空間に存在する流体が外部へ漏れるのを防止するためのメカニカルシールであって、
環状の第一シール面を軸方向の一方側に有する第一密封環と、
前記第一シール面に摺接する環状の第二シール面を有する第二密封環と、
前記第一密封環に沿って周方向に複数設けられ当該第一密封環に軸方向力を与えて前記第一シール面を前記第二シール面に対して押し付ける複数の弾性部材と、
を備え、
前記複数の弾性部材は、周方向に連続して並ぶ所定数の前記弾性部材により構成されるグループに複数区分され、前記第一密封環には、前記グループに属する前記弾性部材の軸方向力によって生じるひずみが大きくなる第一領域と、前記第一領域よりもひずみが小さくなる第二領域とが、周方向に沿って交互に存在し、
周方向で隣り合う前記グループの間には、前記弾性部材が存在しない不存在区間が介在することにより、前記第一領域と前記第二領域とが、前記第一密封環において周方向に沿って交互に存在し、
前記各グループに属する前記弾性部材の周方向ピッチは、前記複数の弾性部材を周方向に沿って等間隔で配置したと仮定した場合における当該弾性部材の周方向ピッチよりも小さく設定されていることを特徴とするメカニカルシール。

【請求項2】

前記各グループに含まれる前記弾性部材の数は同じである請求項１に記載のメカニカルシール。

【請求項3】

前記複数の弾性部材は、２以上４以下のグループに区分されている請求項１又は２に記載のメカニカルシール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、メカニカルシールに関するものである。

【背景技術】

【0002】

軸とケーシングとの間に形成される環状空間に存在する流体が外部へ漏れるのを防止するためのメカニカルシールとして、例えば図１０に示すものがある。このメカニカルシール９０は、ケーシング９１に対して軸９２が回転する機器に適用されており、軸９２と一体回転する回転密封環９３と、ケーシング９１側に取り付けられた静止密封環９５と、静止密封環９５に対して回転密封環９３を押し付けるためのコイルスプリング（ばね）９７とを備えている。回転密封環９３は、軸方向の一方側にシール面９４を有しており、静止密封環９５は、このシール面９４に対面するシール面９６を有している。

【0003】

軸９２の外周側には環状の取付部材９８が外嵌し固定されており、コイルスプリング９７はこの取付部材９８と回転密封環９３との間に圧縮された状態で設けられている。
図１１は、コイルスプリング９７の配置を説明する説明図であり、メカニカルシールを軸方向から見た場合の図である。この図１１に示すように、従来のメカニカルシールでは、コイルスプリング９７は周方向に沿って等間隔で配置されており、これら全てのばね９７の特性（ばね定数）は同じとされている。
これにより、複数のコイルスプリング９７が協働して、周方向に均等な力で回転密封環９３（図１０参照）を静止密封環９５に向かって押し付けることができ、回転密封環９３のシール面９４と静止密封環９５のシール面９６との間に生じる面圧は、周方向に変化せず均等となる。

【0004】

そして、軸９２とケーシング９１との間の機内領域Ａに存在する密封対象となる流体の一部が、これらシール面９４，９６間に浸入することができ、この流体によってシール面９４，９６間に潤滑膜が形成され、メカニカルシール９０の潤滑性能を確保している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００２−１４７６１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

前記のとおり、従来のメカニカルシール９０では、コイルスプリング９７を周方向に沿って等間隔に配置することで、静止密封環９５に対して回転密封環９３を軸方向に向かって直線的に押すことができ、また、軸９２の振動（振れ）やケーシング９１と軸９２との直角度（平行度）のずれ等によって発生する回転密封環９３と静止密封環９５との相対的な位置変動を吸収することができる。また、周方向に沿って等間隔に配置した複数のコイルスプリング９７が、周方向に均等となる力で回転密封環９３を静止密封環９５に対して押し付けることで、これら密封環９３，９５に偏った変形が発生しにくくなり、シール面９４，９６間の精度を維持してシール性能を確保するようにしている。

【0007】

しかし、このようなメカニカルシール９０を、例えば、高温、高圧、高周速等の高負荷条件で使用する場合、シール面９４，９６間に介在すべき前記潤滑膜が気化しやすく潤滑不足となる場合がある。この場合、このメカニカルシール９０を長時間使用しているとシール面９４，９６に異常摩耗や面荒れ等が発生し、機内領域Ａの流体が機外領域Ｂへ漏れやすくなってしまうという問題点がある。特にメカニカルシール９０に対する冷却性能が低い場合、前記潤滑膜の気化がより一層生じやすく、多くの流体が漏れるおそれがある。

【0008】

そこで、本発明の目的は、シール面間の潤滑膜不良によって流体が漏れるのを抑制することが可能となるメカニカルシールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

（１）本発明は、軸とケーシングとの間に形成される環状空間に存在する流体が外部へ漏れるのを防止するためのメカニカルシールであって、環状の第一シール面を軸方向の一方側に有する第一密封環と、前記第一シール面に摺接する環状の第二シール面を有する第二密封環と、前記第一密封環に沿って周方向に複数設けられ当該第一密封環に軸方向力を与えて前記第一シール面を前記第二シール面に対して押し付ける複数の弾性部材と、を備え、前記複数の弾性部材は、周方向に連続して並ぶ所定数の前記弾性部材により構成されるグループに複数区分され、前記第一密封環には、当該グループに属する前記弾性部材の軸方向力によって生じるひずみが大きくなる第一領域と、前記第一領域よりもひずみが小さくなる第二領域とが、周方向に沿って交互に存在していることを特徴とする。

【0010】

本発明によれば、使用状態の第一密封環において、周方向に連続して並ぶ所定数の弾性部材の軸方向力によって生じるひずみが大きくなる第一領域と、この第一領域よりもひずみが小さくなる第二領域とが、周方向に沿って交互に存在していることから、第一密封環の第一シール面に微小な凹凸が形成され（第一シール面が適度に波打ち）、第一密封環の第一シール面と第二密封環の第二シール面との間に僅かな隙間が部分的に生じ、その隙間に流体が浸入することで潤滑膜が形成されやすくなり、潤滑性能が向上する。このため、シール面に異常摩耗や面荒れ等が発生しにくくなり、シール面間における流体の漏れの発生を抑制することが可能となる。

【0011】

（２）また、前記（１）のメカニカルシールにおいて、周方向で隣り合う前記グループの間には、前記弾性部材が存在しない不存在区間が介在することにより、前記第一領域と前記第二領域とが、前記第一密封環において周方向に沿って交互に存在しているのが好ましい。
この場合、各グループに属する弾性部材の軸方向力によって第一密封環の第一領域でひずみを大きくさせ、弾性部材が存在していない不存在区間によって第一密封環の第二領域でひずみを小さくさせる（ひずみをほとんど生じさせないようにする）ことができる。
（３）更に、前記（２）のメカニカルシールにおいて、前記各グループに属する前記弾性部材の周方向ピッチは、前記複数の弾性部材を周方向に沿って等間隔で配置したと仮定した場合における当該弾性部材の周方向ピッチよりも小さく設定されているのが好ましい。
この場合、各グループにおいて弾性部材を集中して配置することができ、弾性部材が存在するグループの区間と、弾性部材が存在しない不存在区間とを明確に区分けすることができる。つまり、第一領域と第二領域とを明確にして前記潤滑膜が形成されやすい構成をより一層効果的に得ることが可能となる。

【0012】

（４）また、前記（１）のメカニカルシールにおいて、前記複数の弾性部材は周方向に沿って等間隔で配置されており、前記所定数の弾性部材による総軸方向力が強い前記グループと、前記所定数の弾性部材による総軸方向力が弱い前記グループと、が周方向に沿って交互に配置されていることにより、前記第一領域と前記第二領域とが、前記第一密封環において周方向に沿って交互に存在しているのが好ましい。
この場合、総軸方向力が強いグループに属する弾性部材によって第一密封環の第一領域でひずみを大きくさせ、総軸方向力が弱いグループに属する弾性部材によって第一密封環の第二領域でひずみを小さくさせることができる。

【0013】

（５）また、前記の各メカニカルシールによれば、複数の弾性部材によって生じる第二密封環（第二シール面）に対する第一密封環（第一シール面）の押し付け力は周方向に不均一となる。しかし、前記第一領域と前記第二領域とが、第一密封環において周方向に沿って交互に存在していると共に、前記各グループに含まれる前記弾性部材の数は同じであることから、全体として力のバランスがとれたメカニカルシールが得られる。

【0014】

（６）また、前記複数の弾性部材は、２以上４以下のグループに区分されているのが好ましい。グループの数が４を超えると、ひずみが大きくなる第一領域の影響が、ひずみが小さくなるべき第二領域へ及んで第二領域でのひずみが大きくなる傾向にあり、第一密封環の第一シール面に微小な凹凸が形成されにくく（第一シール面が波打ち形状となりにくく）、第一密封環の第一シール面と第二密封環の第二シール面との間に、効果的な隙間（部分隙間）が生じ難くなる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、第一密封環の第一シール面と第二密封環の第二シール面との間に僅かな隙間が部分的に生じ、その隙間に流体が浸入することで潤滑膜が形成されやすくなり、潤滑性能が向上する。このため、シール面に異常摩耗や面荒れ等が発生しにくくなり、シール面間における流体の漏れの発生を抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明のメカニカルシールを備えている軸封装置を示す縦断面図である。

【図2】コイルスプリングの配置（その１）を説明する説明図であり、メカニカルシールを軸方向から見た場合の図である。

【図3】第一密封環を軸方向から見た概略図である。

【図4】コイルスプリングの配置（その１の変形例）を説明する説明図であり、メカニカルシールを軸方向から見た場合の図である。

【図5】図４の場合の第一密封環を軸方向から見た概略図である。

【図6】コイルスプリングの配置（その１の別の変形例）を説明する説明図であり、メカニカルシールを軸方向から見た場合の図である。

【図7】図６の場合の第一密封環を軸方向から見た概略図である。

【図8】コイルスプリングの配置（その２）を説明する説明図であり、メカニカルシールを軸方向から見た場合の図である。

【図9】図８の場合の第一密封環を軸方向から見た概略図である。

【図10】従来のメカニカルシールを説明するための縦断面図である。

【図11】従来のメカニカルシールが有するコイルスプリングの配置を説明する説明図であり、メカニカルシールを軸方向から見た場合の図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施の形態を説明する。
〔全体構成について〕
図１は、本発明のメカニカルシール７を備えている軸封装置１を示す縦断面図である。本実施形態では、軸封装置１は、ケーシング３に対して軸２が回転する機器に適用されている。このような機器としては、例えば、ポンプ、撹拌機、コンプレッサ、ブロワ、ロータリジョイント等がある。
そして、この軸封装置１が備えているメカニカルシール７は、ケーシング３と、このケーシング３に対して回転可能に支持されている軸２との間に形成されている環状空間（以下、機内領域Ａという。）に存在する流体が外部（機外領域Ｂ）へ漏れるのを防止するためのものである。
なお、本発明において、軸方向とは、軸封装置１の中心線に沿った方向（この中心線に平行な方向も含む）であり、ケーシング３、軸２、及びメカニカルシール７それぞれの中心線は、軸封装置１の中心線と一致するようにして構成されている。

【0018】

図１に示す軸封装置１は、更に、フランジ４、スリーブ５、及び取付部材６を備えている。フランジ４は、環状の部材であり、ケーシング３に図外のボルトによって固定されている。フランジ４は、ケーシング３に固定される円筒部４２と、この円筒部４２から径方向内側へ向かって突出している外円環部４３とを有している。
円筒部４２の軸方向側面には円周溝４０が形成されており、この円周溝４０にＯリング（シール部材）４１が設けられている。このＯリング４１によって、機内領域Ａの流体が、ケーシング３とフランジ４との間から漏れるのを防いでいる。
外円環部４３の内周面には円周溝４４が形成されており、この円周溝４４にＯリング（シール部材）４５が設けられている。このＯリング４５によって、機内領域Ａの流体が、フランジ４と後述する第一密封環１１との間から漏れるのを防いでいる。

【0019】

また、円環部４３には凹孔４６が形成されている。凹孔４６は、軸方向を孔の深さ方向とした有底孔であり、周方向に沿って複数形成されている。凹孔４６はメカニカルシール７が有するコイルスプリング１３の一部を挿入させるための孔である。したがって、凹孔４６の数とコイルスプリング１３の数とは同一であり、また、コイルスプリング１３の配置に併せて凹孔４６が形成されている。なお、コイルスプリング１３の配置については後に説明する。

【0020】

スリーブ５は、軸２に外嵌する円筒部５１と、この円筒部５１から径方向外側に向かって突出している内円環部５２とを有している。円筒部５１の内周面には円周溝５３が形成されており、この円周溝５３にＯリング（シール部材）５４が設けられている。このＯリング５４によって、機内領域Ａの流体が、スリーブ５と軸２との間から漏れるのを防いでいる。また、円筒部５１には径方向に貫通したねじ穴５７が形成されている。
また、内円環部５２には円周溝５５が形成されており、この円周溝５５にＯリング（シール部材）５６が設けられている。このＯリング５６によって、機内領域Ａの流体が、スリーブ５と後述する第二密封環１２との間から漏れるのを防いでいる。

【0021】

取付部材６は、スリーブ５の円筒部５１に外嵌する環状の部材からなる。取付部材６の一部には径方向に貫通するねじ穴６１が形成されている。このねじ穴６１とスリーブ５のねじ穴５７とに共通する止めねじ６２を螺合させ、更に、この止めねじ６２を締め付けることによって、軸２に対するスリーブ５の位置決め及び固定が行われる。

【0022】

〔メカニカルシール７について〕
メカニカルシール７は、第一密封環１１と、第二密封環１２と、弾性部材としてコイルスプリング１３とを有している。
第一密封環１１は、環状の部材からなる。第一密封環１１はケーシング３及びフランジ４と共に静止状態にある静止側部材である。フランジ４に対して第一密封環１１は、図外の止め部材によって周方向の移動が拘束されているが、軸方向の移動は許容された状態として設けられている。ただし、軸方向の移動は第二密封環１２によって制限される。
第一密封環１１は、円筒部５１に隙間を有して外嵌状となる短筒部１５と、この短筒部１５から径方向外側へ突出している環状部１６とを有している。この環状部１６の軸方向に向く一側面に第一シール面２１が形成されている。

【0023】

第二密封環１２は、環状の部材からなる。第二密封環１２は軸２及びスリーブ５と共に回転する回転側部材である。スリーブ５に対して第二密封環１２は、図外の止め部材によって周方向の移動が拘束されているが、軸方向の移動は許容された状態として設けられている。ただし、軸方向の移動はＯリング５６を介して内円環部５２によって制限される。第二密封環１２の外周側には凹溝１７が形成されており、この凹溝１７にＯリング５６が接触する。そして、第二密封環１２の軸方向に向く一側面に第二シール面２２が形成されている。第二シール面２２と前記第一シール面２１とは対面し、これらの間において機内領域Ａの流体が漏れるのを防止する。

【0024】

コイルスプリング１３は、第一密封環１１（環状部１６）とフランジ４（外円環部４３）との間に、圧縮された状態で介在している。このため、コイルスプリング１３の弾性復元力によって、第一密封環１１は第二密封環１２側へ向かって軸方向に押され、第一シール面２１と第二シール面２２との間に軸方向の押し付け力が作用する。つまり、コイルスプリング１３は、第一シール面２１と第二シール面２２との間を狭めることができる。コイルスプリング１３は周方向に沿って複数設けられており、例えばその数を１２個とすることができる。なお、コイルスプリング１３の数は、メカニカルシール７の径寸法等に応じて変更自在である。

【0025】

以上より、本実施形態のメカニカルシール７は、環状の第一シール面２１を軸方向の一方側に有する第一密封環１１と、この第一シール面２１に摺接する環状の第二シール面２２を有する第二密封環１２と、複数のコイルスプリング１３とを備えている。コイルスプリング１３は、第一密封環１１に沿って周方向に複数（１２個）設けられており、これらコイルスプリング１３によって、第一密封環１１に軸方向力を与えて第一シール面２１を第二シール面２２に対して押し付けることができる。
これにより、軸２が回転すると、回転方向について静止状態にある第一密封環１１に対して、当該軸２と共に第二密封環１２は回転し、第一シール面２１と第二シール面２２とが摺接し、これらシール面２１，２２の間から機内領域Ａの流体が機外領域Ｂへ漏れるのを防ぐことができる。なお、この際、第一シール面２１と第二シール面２２との間には、前記流体が浸入することができ、この流体による潤滑膜が形成される。この潤滑膜によってシール面２１，２２間の摺接状態を良好とし、シール面２１，２２の異常摩耗や面荒れ等の不具合の発生を抑制することができる。

【0026】

〔コイルスプリング１３の配置（その１）について〕
図２は、コイルスプリング１３の配置を説明する説明図であり、メカニカルシール７を軸方向から見た場合の図である。図２に示す実施形態では、１２個のコイルスプリング１３が設けられており、これらコイルスプリング１３は同一円上に配置されている。また、これらコイルスプリング１３は、全て同じ構成であり、全て同じ素材からなり、全て同じ弾性特性（ばね定数）を有している。

【0027】

１２個のコイルスプリング１３は、複数のグループに分けられている。本実施形態では、３つのグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３に分けられており、各グループには４個のコイルスプリング１３が含まれる。これらグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３は、メカニカルシール７の中心線（密封環１１，１２の中心線）上の一点Ｃを中心として、周方向に等間隔で配置されている。つまり、グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３は、１２０度毎に配置されている。この１２０度毎の区間は、グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３それぞれに含まれる４個のコイルスプリング１３が存在している存在区間Ｍであるのに対して、周方向で隣り合うグループ（存在区間Ｍ）の間には、コイルスプリング１３が存在していない不存在区間Ｎが介在している。つまり、グループＧ１とグループＧ２との間に不存在区間Ｎが介在していて、グループＧ２とグループＧ３との間に不存在区間Ｎが介在していて、グループＧ３とグループＧ１との間に不存在区間Ｎが介在している。

【0028】

図２の場合、不存在区間Ｎの周方向範囲は、一つのグループ（Ｇ１）に属する端のコイルスプリング１３から、このコイルスプリング１３に最も近い他のグループ（Ｇ２）に属するコイルスプリング１３との間の範囲であり、この周方向範囲は、各グループに含まれる４個のコイルスプリング１３が設けられている存在区間Ｍの周方向範囲よりも広くなっている。つまり、前記一点Ｃを中心とした場合に、不存在区間Ｎに対応する角度θｎは、グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３それぞれの存在区間Ｍに対応する角度θｍよりも大きくなっている（θｎ＞θｍ）。なお、グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３それぞれにおけるコイルスプリング１３の配置は、同じであり、角度θｍは全て同じ値である。

【0029】

グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３それぞれに含まれる４個のコイルスプリング１３は、図３に示す第一密封環１１の一部となる第一領域Ｋ１に接触して軸方向に向かって直接押すことができる。これに対して、不存在区間Ｎに対応する第一密封環１１の他部となる第二領域Ｋ２は、コイルスプリング１３が接触しておらず軸方向に向かって直接押されることがない。なお、図３は、第一密封環１１を軸方向から見た概略図であり、この図３において、第一領域Ｋ１はハッチングが付されている領域であり、それ以外の領域が第二領域Ｋ２である。
そして、第一領域Ｋ１では、４個のコイルスプリング１３の軸方向力を合わせた総軸方向力を受けることによって、比較的大きなひずみが発生する。すなわち、第一シール面２１が徐々に凸形状に移行する。これに対して、第二領域Ｋ２では、コイルスプリング１３の軸方向力を直接受けないため、ひずみは（ほとんど）発生しない。すなわち、第一シール面２１の形状変化が（ほとんど）生じない。ただし、第一領域Ｋ１の第一シール面２１が凸形状に移行することに伴って、相対的に、第二領域Ｋ２の第一シール面２１は徐々に凹形状に移行する。

【0030】

コイルスプリング１３の周方向ピッチについて説明する。
従来のメカニカルシールでは、図１１に示すようにコイルスプリング９７は周方向に沿って等間隔で配置されている。この従来例の場合のコイルスプリング９７の周方向ピッチをＰ０としている。
これに対して、本実施形態のメカニカルシール７では、図２に示すように、各グループに属する４個のコイルスプリング１３は周方向に沿って等間隔で配置されており、各グループに属する４個のコイルスプリング１３の周方向ピッチＰ１は一定であるが、１２個のコイルスプリング１３全体で見ると不等間隔となっている。
そして、本実施形態では、各グループに属するコイルスプリング１３の周方向ピッチＰ１（図２参照）は、コイルスプリング９７（図１１参照）を全て周方向に沿って等間隔で配置したと仮定した場合における当該コイルスプリング９７の周方向ピッチＰ０よりも小さく設定されている。つまり、Ｐ１＜Ｐ０となっている。

【0031】

以上のように、本実施形態では、周方向に連続して並ぶ４個のコイルスプリング１３により一つのグループが構成されており、全体で１２個のコイルスプリング１３は３つのグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３に区分されている。そして、図３に示すように、第一密封環１１において、第一領域Ｋ１と第二領域Ｋ２とが周方向に沿って交互に存在している。このうち、第一領域Ｋ１は、各グループに属するコイルスプリング１３の軸方向力（総軸方向力）によって第一密封環１１に生じるひずみが大きくなる領域である。これに対して、第二領域Ｋ２は、第一領域Ｋ１よりもひずみが小さくなる領域（ひずみがほとんと発生しない領域）である。

【0032】

特に本実施形態では、周方向で隣り合うグループの間には、コイルスプリング１３が存在しない不存在区間Ｎが介在していることによって、第一領域Ｋ１と第二領域Ｋ２とが周方向に沿って交互に存在する。このように、各グループに属するコイルスプリング１３の軸方向力（総軸方向力）によって第一密封環１１の第一領域Ｋ１でひずみを大きくさせ、コイルスプリング１３が存在していない不存在区間Ｎによって第一密封環１１の第二領域Ｋ２でひずみを小さくさせる（ひずみをほとんど生じさせないようにする）ことができる。

【0033】

このメカニカルシール７によれば、前記第一領域Ｋ１と前記第二領域Ｋ２とが、第一密封環１１において周方向に沿って交互に存在していることから、使用状態において、第一密封環１１の第一シール面２１に微小な凹凸が形成され（第一シール面２１が適度に波打ち）、第一密封環１１の第一シール面２１と第二密封環１２の第二シール面２２との間に僅かな隙間が部分的に生じることとなる。なお、この僅かな隙間は、第二領域Ｋ２に対応する部分において生じる。
そして、この隙間に、機内領域Ａに存在している流体の極一部が浸入することができ、この流体によってシール面２１，２２間に潤滑膜が形成されやすくなって、潤滑性能が向上する。このため、シール面２１，２２に異常摩耗や面荒れ等が発生しにくくなり、シール面２１，２２間における流体の漏れの発生を抑制することが可能となる。

【0034】

特に、このようなメカニカルシール７を、高温、高圧、高周速等の高負荷条件で使用する場合、従来では、シール面間に介在すべき潤滑膜が気化しやすく潤滑不足となり、これが原因となって、長時間使用しているとシール面に異常摩耗や面荒れ等が発生し、機内領域Ａの流体が機外領域Ｂへ漏れやすくなってしまうという不具合がある。特にメカニカルシール７に対する冷却性能が低い場合、前記潤滑膜の気化がより一層生じやすく、多くの流体が漏れるおそれがある。しかし、本実施形態に係るメカニカルシール７によれば、流体によってシール面２１，２２に潤滑膜が形成されやすく、このような不具合の発生を抑制することができる。

【0035】

更に、本実施形態では、各グループに属するコイルスプリング１３の周方向ピッチＰ１（図２参照）は、コイルスプリング９７（図１１参照）を全て周方向に沿って等間隔で配置したと仮定した場合における当該コイルスプリング９７の周方向ピッチＰ０よりも小さく設定されている（Ｐ１＜Ｐ０）。このため、本実施形態では、各グループにおいてコイルスプリング１３を集中して配置することができ、コイルスプリング１３が存在するグループ（存在区間Ｍ）と、コイルスプリング１３が存在しない不存在区間Ｎとを明確に区分けすることができる。このため、第一領域Ｋ１と第二領域Ｋ２とを明確にすることができ、前記潤滑膜が形成されやすい構成をより一層効果的に得ることが可能となる。

【0036】

なお、図２に示す実施形態では、一つのグループに含まれるコイルスプリング１３の数を４個としたが、一つのグループに含まれるコイルスプリング１３の数は、２個以上の所定数であればよく、この所定数は、コイルスプリング１３の全数の１／Ｙ（ただし、Ｙは２以上の整数である）とすればよい。図２の場合、全数が１２個であるのに対して、Ｙ＝３である。つまり、Ｙはグループ数となる。
また、グループの数は変更自在であり、一つのグループに含まれるコイルスプリング１３の数もグループ数に応じて変更される。コイルスプリング１３の全数をＸ個とし、区分するグループの数をＹとすると、各グループに含まれるコイルスプリング１３の数はＸ／Ｙとなる。

【0037】

例えば、メカニカルシール７の変形例として、図４に示すように、コイルスプリング１３の全数は、図２の場合と同じ１２個であるが、グループの数を２つとしている。この場合、各グループに含まれるコイルスプリング１３の数は６個となる。そして、２つのグループＧ１，Ｇ２は、メカニカルシール７の中心線（密封環１１，１２の中心線）上の一点Ｃを中心として、周方向に等間隔で配置されている。

【0038】

そして、この図４に示す形態においても、図５に示すように、第一密封環１１において、各グループに属するコイルスプリング１３の軸方向力（総軸方向力）によって生じるひずみが大きくなる第一領域Ｋ１と、この第一領域Ｋ１よりもひずみが小さくなる（ひずみがほとんど発生しない）第二領域Ｋ２とが、周方向に沿って交互に存在する構成となる。

【0039】

更に、別の変形例として、図６に示すように、コイルスプリング１３の全数は、図２の場合と同じ１２個であるが、グループの数を４つとしている。この場合、各グループに含まれるコイルスプリング１３の数は３個となる。そして、４つのグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４は、前記一点Ｃを中心として、周方向に等間隔で配置されている。

【0040】

そして、この図６に示す形態においても、図７に示すように、第一密封環１１において、各グループに属するコイルスプリング１３の軸方向力（総軸方向力）によって生じるひずみが大きくなる第一領域Ｋ１と、この第一領域Ｋ１よりもひずみが小さくなる（ひずみがほとんど発生しない）第二領域Ｋ２とが、周方向に沿って交互に存在する構成となる。

【0041】

また、図４に示す形態、及び図６に示す形態それぞれにおいても、周方向で隣り合うグループの間には、コイルスプリング１３が存在しない不存在区間Ｎが介在していることにより、第一領域Ｋ１と第二領域Ｋ２とが、第一密封環１１において周方向に沿って交互に存在する。
また、各グループに属するコイルスプリング１３の周方向ピッチＰ１は、図１１に示すようにコイルスプリング９７を全て周方向に沿って等間隔で配置したと仮定した場合における当該コイルスプリング９７の周方向ピッチＰ０よりも小さく設定されている（Ｐ１＜Ｐ０）。

【0042】

更に、図２、図４、及び図６に示す実施形態それぞれにおいて、１２個のコイルスプリング１３によって生じる第二密封環１２に対する第一密封環１１の押し付け力は、周方向に不均一となる。このため、全体として、第一密封環１１を第二密封環１２に対して押す力のバランスが偏って、第一密封環１１を第二密封環１２に対して軸方向に沿って直線的に押すことができなくなるようにも考えられる。
しかし、前記各実施形態では、第一領域Ｋ１と第二領域Ｋ２とが、第一密封環１１において周方向に沿って交互に存在しておりかつ複数の第一領域Ｋ１及び複数の第二領域Ｋ２の周方向範囲が各々同一であると共に、各グループに属するコイルスプリング１３による軸方向力の合計（総軸方向力）を、全てのグループで同じとなるように構成されていることから、全体として前記力のバランスがとれたメカニカルシール７が得られる。つまり、第一領域Ｋ１と第二領域Ｋ２とが交互に存在していると共に、各グループに含まれるコイルスプリング１３の数は同じとされ、コイルスプリング１３は全て同じ弾性特性（ばね定数）を有している。例えば、図２の場合、一つのグループに含まれるコイルスプリング１３の数は、４個で統一されている。

【0043】

このため、一つのグループに属するコイルスプリング１３による総軸方向力が、他のグループに属するコイルスプリング１３による総軸方向力と比べて、極端に大きくなったり小さくなったりするのを防ぐことができ、全体として力のバランスがとれたメカニカルシール７が得られる。この結果、１２個のコイルスプリング１３による第二密封環１２に対する第一密封環１１の押し付け力が周方向に不均一となっていても、これらコイルスプリング１３は、第二密封環１２に対して第一密封環１１を軸方向に沿って直線的に押すことが可能となる。さらに、軸２の振動（振れ）やケーシング３と軸２との直角度（平行度）のずれ等によって発生する第一密封環１１と第二密封環１２との相対的な位置変動を吸収することができる。

【0044】

また、図２、図４、及び図６の実施形態に示すように、１２個のコイルスプリング１３は、２以上４以下のグループに区分されているが好ましい。これは、グループの数が４を超えると、ひずみが大きくなる第一領域Ｋ１の影響が、ひずみが小さくなるべき第二領域Ｋ２へ及んで、第二領域Ｋ２におけるひずみが大きくなる傾向にあるためである。この場合、第一密封環１１の第一シール面２１に微小な凹凸が形成されにくく（第一シール面２１が波打ち形状となりにくく）、第一密封環１１の第一シール面２１と第二密封環１２の第二シール面２２との間に、効果的な隙間（部分隙間）が生じ難くなる。これに対して、前記各実施形態のように、２以上４以下のグループに区分されていることで、第一領域Ｋ１と第二領域Ｋ２とが明確になり、シール面２１，２２間に部分隙間を形成しやすくなる。

【0045】

〔コイルスプリング１３の配置（その２）について〕
図８は、コイルスプリング１３の他の配置を説明する説明図であり、メカニカルシール７を軸方向から見た場合の図である。図８に示す実施形態では、１２個のコイルスプリング１３が設けられており、これらコイルスプリング１３は同一円上に配置されており、さらに、周方向に沿って等間隔で配置されている。つまりコイルスプリング１３の周方向ピッチＰは一定である。しかし、これらコイルスプリング１３には、弾性特性（ばね特性）が異なる二種類のコイルスプリング１３が含まれている。なお、コイルスプリング１３の軸方向長さについては全て同じとしている。

【0046】

１２個のコイルスプリング１３は、複数のグループ（複数でかつ偶数のグループ）に分けられている。本実施形態では、４つのグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に分けられており、各グループには３個のコイルスプリング１３が含まれる。第一のグループＧ１に属する３個のコイルスプリング１３と、第三のグループＧ３に属する３個のコイルスプリング１３とは、すべて同じ弾性特性（ばね特性）を有している。また、第二のグループＧ２に属する３個のコイルスプリング１３と、第四のグループＧ３に属する３個のコイルスプリング１３とは、すべて同じ弾性特性（ばね特性）を有している。

【0047】

しかし、第一のグループＧ１に属するコイルスプリング１３と、第二のグループＧ２に属するコイルスプリング１３とは、異なる弾性特性（ばね定数）を有しており、第一のグループＧ１に属する各コイルスプリング１３の弾性特性（ばね定数）は、第二のグループＧ２に属する各コイルスプリング１３の弾性特性（ばね定数）よりも大きい。例えば、第一のグループＧ１に属する各コイルスプリング１３の線径は、第二のグループＧ２に属する各コイルスプリング１３の線径よりも大きくなっている。

【0048】

このため、１２個全てのコイルスプリング１３を、図１に示すように同じ長さに圧縮させた状態で第一密封環１１とフランジ４との間に設置した場合、第一のグループＧ１（第三のグループＧ３）に属する３個のコイルスプリング１３が第一密封環１１を押す軸方向力（及びその合計である総軸方向力）は、第二のグループＧ２（第四のグループＧ４）に属する３個のコイルスプリング１３が第一密封環１１を押す軸方向力（及びその合計である総軸方向力）よりも強くなる。

【0049】

このように、本実施形態では、所定数（３個）のコイルスプリング１３による総軸方向力が強いグループＧ１，Ｇ３と、所定数（同数である３個）のコイルスプリング１３による総軸方向力が弱いグループＧ２，Ｇ４と、が周方向に沿って交互に配置されている。
このため、グループＧ１，Ｇ３それぞれに含まれる３個のコイルスプリング１３は、図９に示す第一密封環１１の一部となる第一領域Ｋ１を、軸方向に向かって強く押す。これに対して、グループＧ２，Ｇ４それぞれに含まれる３個のコイルスプリング１３は、図９に示す第一密封環１１の他部となる第二領域Ｋ２を、第一領域Ｋ１の場合よりも、軸方向に向かって弱く押す。
なお、図９は、第一密封環１１を軸方向から見た図であり、この図９において、第一領域Ｋ１はハッチングが付されている領域であり、それ以外の領域が第二領域Ｋ２である。
そして、第一領域Ｋ１では、３個のコイルスプリング１３による強い軸方向力を合わせた総軸方向力を受けることによって、比較的大きなひずみが発生するのに対して、第二領域Ｋ２では、３個のコイルスプリング１３による弱い軸方向力を合わせた総軸方向力を受けることによって、第一領域Ｋ２の場合よりも、小さなひずみが発生する。すなわち、第一領域Ｋ１の第一シール面２１の方が第二領域Ｋ２の第一シール面２１よりも形状変化の度合いが大きく、相対的に、前者が凸形状に移行し、後者が凹形状に移行する。

【0050】

このように、総軸方向力が強いグループＧ１，Ｇ３に属するコイルスプリング１３によって第一密封環１１の第一領域Ｋ１でひずみを大きくさせ、総軸方向力が弱いグループＧ２，Ｇ４に属するコイルスプリング１３によって第一密封環１１の第二領域Ｋ２でひずみを小さくさせることができる。

【0051】

以上のように、本実施形態では、周方向に連続して並ぶ３個のコイルスプリング１３により一つのグループが構成されており、全体で１２個のコイルスプリング１３は４つのグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３,Ｇ４に区分されている。そして、図９に示すように、第一密封環１１において、第一領域Ｋ１と第二領域Ｋ２とが周方向に沿って交互に存在している。このうち、第一領域Ｋ１は、グループＧ１，Ｇ３それぞれに属するコイルスプリング１３の軸方向力（総軸方向力）によって第一密封環１１に生じるひずみが大きくなる領域である。これに対して、第二領域Ｋ２は、グループＧ２，Ｇ４それぞれに属するコイルスプリング１３の軸方向力（総軸方向力）によって、第一領域Ｋ１よりもひずみが小さくなる領域である。つまり、３個のコイルスプリング１３による総軸方向力が強いグループＧ１，Ｇ３と、３個のコイルスプリング１３による総軸方向力が弱いグループＧ２，Ｇ４とが周方向に沿って交互に配置されていることにより、第一領域Ｋ１と第二領域Ｋ２とが、第一密封環１１において周方向に沿って交互に存在する。

【0052】

このメカニカルシール７によれば、前記第一領域Ｋ１と前記第二領域Ｋ２とが、第一密封環１１において周方向に沿って交互に存在していることから、使用状態において、第一密封環１１の第一シール面２１に微小な凹凸が形成され（第一シール面２１が適度に波打ち）、第一密封環１１の第一シール面２１と第二密封環１２の第二シール面２２との間に僅かな隙間が部分的に生じることとなる。なお、この僅かな隙間は、第二領域Ｋ２に対応する部分において生じる。
そして、この隙間に、機内領域Ａに存在している流体が浸入することができ、この流体によってシール面２１，２２間に潤滑膜が形成されやすくなって、潤滑性能が向上する。このため、シール面２１，２２に異常摩耗や面荒れ等が発生しにくくなり、シール面２１，２２間における流体の漏れの発生を抑制することが可能となる。

【0053】

また、本実施形態では、１２個のコイルスプリング１３によって生じる第二密封環１２に対する第一密封環１１の押し付け力は周方向に不均一となる。このため、前記実施形態の場合と同様に、全体として、第一密封環１１を第二密封環１２に対して押す力のバランスが偏って、第一密封環１１を第二密封環１２に対して軸方向に沿って直線的に押すことができなくなるようにも考えられる。
しかし、第一領域Ｋ１と第二領域Ｋ２とが、第一密封環１１において周方向に沿って交互に存在しており、かつ、複数の第一領域Ｋ１及び複数の第二領域Ｋ２の周方向範囲が各々同一であると共に、各グループに含まれるコイルスプリング１３の数は同じ（３個）とされている。このため、全体として力のバランスがとれたメカニカルシール７が得られる。この結果、１２個のコイルスプリング１３による第二密封環１２に対する第一密封環１１の押し付け力が周方向に不均一となっていても、これらコイルスプリング１３は、第二密封環１２に対して第一密封環１１を軸方向に沿って直線的に押すことが可能となる。さらに、軸２の振動（振れ）やケーシング３と軸２との直角度（平行度）のずれ等によって発生する第一密封環１１と第二密封環１２との相対的な位置変動を吸収することができる。

【0054】

また、本実施形態においても、１２個のコイルスプリング１３は、２以上４以下のグループに区分されているが好ましい。これは、グループの数が４を超えると、ひずみが大きくなる第一領域Ｋ１の影響が、ひずみが小さくなるべき第二領域Ｋ２へ及んで、第二領域Ｋ２におけるひずみが大きくなる傾向にあるためである。この場合、第一密封環１１の第一シール面２１に微小な凹凸が形成されにくく（第一シール面２１が波打ち形状となりにくく）、第一密封環１１の第一シール面２１と第二密封環１２の第二シール面２２との間に、効果的な隙間（部分隙間）が生じ難くなる。これに対して、前記各実施形態のように、２以上４以下のグループに区分されていることで、第一領域Ｋ１と第二領域Ｋ２とが明確になり、シール面２１，２２間に部分隙間を形成しやすくなる。

【0055】

〔各実施形態について〕
前記各実施形態において、第一密封環１１、第二密封環１２の材質については特に限定されず、従来から用いられている材質を採用可能であるが、少なくとも第一密封環１１に関しては、ひずみが比較的生じ易いように、金属材と比べて剛性が低い材料とするのが好ましく、例えば、カーボンや、炭化ケイ素（Ｓ_ｉＣ）とするのが好ましい。

【0056】

また、図１に示すように、コイルスプリング１３が第一密封環１１に接触する接触部８から、シール面２１までの軸方向の寸法は小さく設定されているのが好ましい。つまり、環状部１６を薄く構成するのが好ましい。これにより、第一密封環１１のひずみを効果的に生じさせることができる。
また、複数のコイルスプリング１３それぞれの前記接触部８は、同一円上に位置するが、この同一円の直径Ｄ２と、環状のシール面２１の直径（シール面２１の径方向中央点を結ぶ円の直径）Ｄ１とを比較すると、直径Ｄ２が直径Ｄ１よりも大きくなっている（Ｄ２＞Ｄ１）。このため、シール面２１が支点となり、コイルスプリング１３から第一密封環１１が受ける力によって、第一密封環１１に曲げモーメントが作用し、これに応じたひずみが発生する。

【0057】

また、メカニカルシール７は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであってもよい。また、このメカニカルシール７を備えている軸封装置１も他の形態のものであってもよい。
前記各実施形態では、メカニカルシール７が有するコイルスプリング１３の数を１２個としたが、これに限定されず、例えば１２個よりも大きな数であってもよく、１２個よりも小さな数であってもよい。
また、軸封装置１が備えているスリーブ５やフランジ４についても、図示した形態に限らず他の構成であってもよい。

【符号の説明】

【0058】

２：軸 ３：ケーシング ７：メカニカルシール
１１：第一密封環 １２：第二密封環 １３：コイルスプリング（弾性部材）
２１：第一シール面 ２２：第二シール面 Ａ：環状空間（機内領域）
Ｂ：外部（機外領域） Ｇ１,Ｇ２,Ｇ３，Ｇ４：グループ
Ｋ１：第一領域 Ｋ２：第二領域 Ｎ：不存在区間
Ｐ１：周方向ピッチ Ｐ０：周方向ピッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】