特許 6266376 静圧形の非接触形メカニカルシール

(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】6266376

(24)【登録日】2018年1月5日

(45)【発行日】2018年1月24日

(54)【発明の名称】静圧形の非接触形メカニカルシール

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/34 20060101AFI20180115BHJP

【ＦＩ】

   F16J15/34 C

   F16J15/34 K

【請求項の数】8

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-29971(P2014-29971)

(22)【出願日】2014年2月19日

(65)【公開番号】特開2015-155707(P2015-155707A)

(43)【公開日】2015年8月27日

【審査請求日】2016年9月2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】100084342

【弁理士】

【氏名又は名称】三木 久巳

(72)【発明者】

【氏名】坂倉 博之

(72)【発明者】

【氏名】大賀 光治

【審査官】 山田 康孝

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−１０５３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−１４６３７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６３−０５３０７４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平１１−２８７３３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６０−０２８６５５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開平０１−１６８０６４（ＪＰ，Ｕ）

(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】

回転軸に固定された回転密封環と、シールケースに軸線方向移動可能に保持され且つ回転密封環の先端面である回転側密封端面に対向する先端面たる静止側密封端面に静圧発生溝を形成した静止密封環と、シールケースと静止密封環との間に介装されて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、シールケース及び静止密封環を貫通して静圧発生溝に至るシールガス供給路とを具備して、シールガス供給路からこれに配設したオリフィスを経て静圧発生溝にシールガスを供給することにより、静止密封環を密封端面間が接近する方向に押圧する閉力と静止密封環を密封端面間が離間する方向に押圧する開力とをバランスさせることにより、両密封環の密封端面間を非接触状態に保持しつつ被密封流体領域と非密封流体領域とをシールするように構成された静圧形の非接触形メカニカルシールにおいて、
静止密封環とシールケースとの対向周面間に一対のＯリングでシールされたポケット圧導入空間を形成し、静止密封環又はシールケースにシールガス供給路におけるオリフィスより下流側の部分とポケット圧導入空間とを連通接続するポケット圧導入路を形成すると共に、ポケット圧導入空間内に臨む静止密封環部分にポケット圧導入空間内の圧力が作用することにより静止密封環を回転密封環から離間する方向へと押圧する軸線方向推力を発生させるポケット圧受圧面を形成して、前記開力が静圧発生溝から密封端面間に流出させたシールガスによって発生する第一開力に前記ポケット圧受圧面によって発生する前記軸線方向推力である第二開力を加重したものとなるように構成したことを特徴とする静圧形の非接触形メカニカルシール。

【請求項2】

前記オリフィスが静止密封環に形成されたシールガス供給路部分に配設されると共に、ポケット圧導入路が静止密封環に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載する静圧形の非接触形メカニカルシール。

【請求項3】

前記オリフィスがシールケースに形成されたシールガス供給路部分に配設されると共に、ポケット圧導入路がシールケースに形成されていることを特徴とする、請求項１に記載する静圧形の非接触形メカニカルシール。

【請求項4】

シールガス供給路が、シールケースと静止密封環との対向周面間に形成された環状空間であって当該対向周面間に装填された第一及び第二Ｏリングによりシールされた連通空間と、シールケースに形成されて連通空間に連通するケース側通路と、静止密封環に形成されて静圧発生溝と連通空間とを連通接続する密封環側通路とからなることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れかに記載する静圧形の非接触形メカニカルシール。

【請求項5】

ポケット圧導入空間が、シールケースと静止密封環との対向周面間に形成された環状空間であって当該対向周面間に装填された第三及び第四Ｏリングによりシールされていることを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れかに記載する静圧形の非接触形メカニカルシール。

【請求項6】

前記連通空間及びポケット圧導入空間がシールケースの内周面と静止密封環の外周面との間に形成されており、第二Ｏリングと第三Ｏリングとが兼用されていることを特徴とする、請求項４及び請求項５に記載する静圧形の非接触形メカニカルシール。

【請求項7】

前記ポケット圧導入空間が静止密封環の内周面とこれに径方向に対向するシールケース部分の外周面との間に形成されていることを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載する静圧形の非接触形メカニカルシール。

【請求項8】

静止密封環の基端部とこれに軸線方向に対向するシールケース部分との間にＯリングでシールされた背圧室を形成すると共に、静止密封環に被密封流体領域と背圧室とを連通する背圧導入路を形成して、背圧室に導入された被密封流体領域の圧力により静止密封環を密封端面間が接近する方向に押圧する軸線方向推力を発生させることにより、前記閉力がスプリングによるものに当該軸線方向推力を加重したものとなるように構成したことを特徴とする、請求項１〜請求項７の何れかに記載する静圧形の非接触形メカニカルシール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスを扱うブロワー、圧縮機、攪拌機等の回転機器の軸封手段として使用される静圧形の非接触形メカニカルシールに関するものである。

【背景技術】

【0002】

この種の静圧形の非接触形メカニカルシールとしては、回転軸に固定された回転密封環と、シールケースに軸線方向移動可能に保持され且つ回転密封環の先端面である回転側密封端面に対向する先端面たる静止側密封端面に静圧発生溝を形成した静止密封環と、シールケースと静止密封環との間に介装されて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、シールケース及び静止密封環を貫通して静圧発生溝に至るシールガス供給路とを具備して、シールガス供給路からこれに配設したオリフィスを経て静圧発生溝にシールガスを供給することにより、両密封環の密封端面間を非接触状態に保持しつつ被密封流体領域と非密封流体領域とをシールするように構成されたものが周知である（例えば、特許文献１を参照）。

【0003】

かかる非接触形メカニカルシールにあっては、静圧発生溝から密封端面間に導入されたシールガスにより密封端面間にこれを開く方向に作用する開力（密封端面間に導入されたシールガスによって発生する静圧によるもの）が発生し、この開力とスプリングにより密封端面間を閉じる方向に作用する閉力とがバランスすることにより、密封端面間に適正な隙間（一般に５〜１５μｍであり、以下「適正隙間」という）が形成される。

【0004】

而して、非接触形メカニカルシールを構成する静止側構成要素（シールケース及びこれに保持された静止密封環等）と回転側構成要素（回転密封環及びこれを回転軸に固定するスリーブ等）との軸線方向における相対位置（以下「構成要素相対位置」という）は上記開閉力がバランスされて密封端面間が適正隙間となるように設定され、静圧形の非接触形メカニカルシールはこのように設定された構成要素相対位置（以下「適正構成要素相対位置」という）が担保されるように組立てられる。

【0005】

ところで、回転機器の振動等により構成要素相対位置が変化して、密封端面間の隙間が適正隙間とならない場合があるが、かかる場合には、シールガス供給路にオリフィスが配設されていることから、オリフィスの効果により密封端面間の隙間が適正隙間に自動調整される（特許文献１の段落番号［００２２］を参照）。すなわち、密封端面間の隙間が適正隙間より狭くなると、静圧発生溝から密封端面間に流出するシールガス量が減少して当該シールガスの流出量がオリフィスを通って静圧発生溝に供給されるシールガスの供給量より少なくなる。このように静圧発生溝におけるシールガスの流出量と供給量とが不均衡となるため、静圧発生溝内のシールガス圧（以下「ポケット圧」という）が、適正隙間が保持されているときのポケット圧（以下「適正ポケット圧」という）より上昇して、静圧発生溝から密封端面間に流出するシールガスによる開力がスプリングによる閉力より大きくなる。その結果、密封端面間の隙間が大きくなるように変化して、その隙間が適正隙間に調整される。また、密封端面間の隙間が適正隙間より広くなったときは、上記の場合とは逆に、静圧発生溝から密封端面間へのシールガスの流出量がオリフィスを通って静圧発生溝に供給されるシールガスの供給量より多くなって、ポケット圧が適正ポケット圧より下降して、静圧発生溝から密封端面間に流出するシールガスによる開力がスプリングによる閉力より小さくなる。その結果、密封端面間の隙間が小さくなるように変化して、その隙間が適正隙間に調整される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７−２１１９３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、構成要素相対位置が適正構成要素相対位置となるようにメカニカルシールを組立てるには高度の熟練が必要であるため、組み立て精度不良により構成要素相対位置が適正構成要素相対位置と異なる場合がある。また、適正構成要素相対位置に組み立てられたときにも、被密封流体が高温又は低温であるときにおいて常温の組み立て時と運転時とで温度条件が大きく変化することにより部品相互間に熱膨張差や熱収縮差によるギャップが生じて、構成要素相対位置が適正構成要素相対位置と異なる場合もある。このような組み立て精度不良や温度条件の変化（以下「組み立て精度不良等」という）によって構成要素相対位置が適正構成要素相対位置から偏倚した場合において、その偏倚量（ズレ量）が微小であるときには、上記したオリフィス効果による自動調整により密封端面間を適正隙間に保持させておくことができるが、当該偏倚量がこのような自動調整でカバーできない程度に大きい場合には、当該非接触形メカニカルシールによるシール機能（以下「非接触シール機能」という）が適正に発揮されず、メカニカルシール破損や大量漏れ等の大事故を招くことになる。

【0008】

すなわち、回転側構成要素の軸線方向位置が適正構成要素相対位置の場合より静止密封環を押圧する方向に偏倚しているとき又は静止側構成要素の軸線方向位置が適正構成要素相対位置の場合より回転密封環を押圧する方向に偏倚しているときは、適正構成要素相対位置にある場合に比してスプリングが圧縮されて（スプリングの圧縮量が増加されて）、スプリング荷重が増大することになる。したがって、スプリング荷重（閉力）が静圧発生溝から密封端面間に供給されたシールガスによる開力より大きくなって、密封端面間が殆ど開かないか、極端な場合は密封端面が接触した状態で相対回転することになる。その結果、非接触シール機能が適正に発揮されず、密封端面が焼き付く等の問題が生じる。

【0009】

上記とは逆に、回転側構成要素又は静止側構成要素の軸線方向位置が適正構成要素相対位置の場合より両密封環が離間する方向に偏倚しているときは、適正構成要素相対位置にある場合に比してスプリングが伸張して（スプリングの圧縮量が減少して）、スプリング荷重が減少することになる。したがって、スプリング荷重（閉力）が静圧発生溝から密封端面間に供給されたシールガスによる開力より小さくなって、密封端面間が適正隙間より大きく開いてしまうことになる。その結果、適正な非接触シール機能が発揮されず、シールガスが密封端面間から大量に流出したり、被密封流体の漏れを生じる。

【0010】

本発明は、上記した点に鑑みてなされたもので、組み立て精度不良等により構成要素相対位置が適正構成要素相対位置と異なる場合にも適正な非接触形シール機能を発揮しうる静圧形の非接触形メカニカルシールを提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、回転軸に固定された回転密封環と、シールケースに軸線方向移動可能に保持され且つ回転密封環の先端面である回転側密封端面に対向する先端面たる静止側密封端面に静圧発生溝を形成した静止密封環と、シールケースと静止密封環との間に介装されて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、シールケース及び静止密封環を貫通して静圧発生溝に至るシールガス供給路とを具備して、シールガス供給路からこれに配設したオリフィスを経て静圧発生溝にシールガスを供給することにより、静止密封環を密封端面間が接近する方向に押圧する閉力と静止密封環を密封端面間が離間する方向に押圧する開力とをバランスさせることにより、両密封環の密封端面間を非接触状態に保持しつつ被密封流体領域と非密封流体領域とをシールするように構成された静圧形の非接触形メカニカルシールにおいて、上記の目的を達成すべく、特に、静止密封環とシールケースとの対向周面間に一対のＯリングでシールされたポケット圧導入空間を形成し、静止密封環又はシールケースにシールガス供給路におけるオリフィスより下流側の部分とポケット圧導入空間とを連通接続するポケット圧導入路を形成すると共に、ポケット圧導入空間内に臨む静止密封環部分にポケット圧導入空間内の圧力が作用することにより静止密封環を回転密封環から離間する方向へと押圧する軸線方向推力を発生させるポケット圧受圧面を形成して、前記開力が静圧発生溝から密封端面間に流出させたシールガスによって発生する第一開力に前記ポケット圧受圧面によって発生する前記軸線方向推力である第二開力を加重したものとなるように構成しておくことを提案するものである。

【0012】

かかる静圧形の非接触形メカニカルシールの好ましい実施の形態にあっては、前記オリフィスは静止密封環に形成されるシールガス供給路部分に配設されると、ポケット圧導入路が静止密封環に形成される。或いは、前記オリフィスはシールケースに形成されるシールガス供給路部分に配設されると、ポケット圧導入路がシールケースに形成される。また、シールガス供給路は、シールケースと静止密封環との対向周面間に形成された環状空間であって当該対向周面間に装填された第一及び第二Ｏリングによりシールされた連通空間と、シールケースに形成されて連通空間に連通するケース側通路と、静止密封環に形成されて静圧発生溝と連通空間とを連通接続する密封環側通路とからなる。また、ポケット圧導入空間は、シールケースと静止密封環との対向周面間に形成された環状空間であって当該対向周面間に装填された第三及び第四Ｏリングによりシールされる。この場合、前記連通空間及びポケット圧導入空間がシールケースの内周面と静止密封環の外周面との間に形成されており、第二Ｏリングと第三Ｏリングとが兼用されていることが好ましい。また、シールケースが静止密封環の内周面に径方向に対向する部分を有するものである場合には、前記ポケット圧導入空間は静止密封環の内周面と当該シールケース部分の外周面との間に形成しておくこともできる。また、被密封流体領域が圧力変動する場合には、静止密封環の基端部とこれに軸線方向に対向するシールケース部分との間にＯリングでシールされた背圧室を形成すると共に、静止密封環に被密封流体領域と背圧室とを連通する背圧導入路を形成して、背圧室に導入された被密封流体領域の圧力により静止密封環を密封端面間が接近する方向に押圧する軸線方向推力を発生させることにより、前記閉力がスプリングによるものに当該軸線方向推力を加重したものとなるように構成しておくことが好ましい。

【発明の効果】

【0013】

本発明の静圧形の非接触形メカニカルシールは、静圧発生溝から密封端面間に流出するシールガスの圧力による第一開力と静圧発生溝内のシールガスの圧力（ポケット圧）がポケット圧受圧面に作用することによって発生する第二開力とが開力として作用する構成となし、構成要素相対位置の適正構成要素相対位置からの偏倚によってスプリング荷重が増減変化した場合にこれに伴って第二開力も増減変化するように構成したものであるから、スプリング荷重の増減変化によって閉力が増減した場合にも、適正構成要素相対位置にある場合と同様に開力と閉力とをバランスさせることができ、適正構成要素相対位置にある場合と同等の非接触シール機能を発揮させることができる。

【0014】

このように、本発明の静圧形の非接触形メカニカルシールは、組み立て精度不良等により構成要素相対位置が適正構成要素相対位置から偏倚している場合にも、構成要素相対位置が適正構成要素相対位置である場合と同様に良好な非接触シール機能を発揮させることができるものであるから、組み立てを高度の熟練を必要とすることなく未熟練者でも容易に行うことができ、また組み立て時と運転時とで温度条件が大幅に異なる用途にも好適に使用することができる、実用的価値極めて大なるものである。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は本発明に係る静圧形の非接触形メカニカルシールの一例を示す断面図である。

【図2】図２は図１の要部を拡大して示す詳細断面図である。

【図3】図３は図１のIII−III線に沿う断面図である。

【図4】図４は本発明に係る静圧形の非接触形メカニカルシールの変形例を示す図１対応の断面図である。

【図5】図５は本発明に係る静圧形の非接触形メカニカルシールの他の変形例を示す図１対応の断面図である。

【図6】図６は本発明に係る静圧形の非接触形メカニカルシールの更に他の変形例を示す図１対応の断面図である。

【図7】図７は本発明に係る静圧形の非接触形メカニカルシールの更に他の変形例を示す図１対応の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。

【0017】

図１は本発明に係る静圧形の非接触形メカニカルシールの一例を示す断面図であり、図２は図１の要部を拡大して示す詳細断面図であり、図３は図１のIII−III線に沿う断面図である。

【0018】

図１に示す静圧形の非接触形メカニカルシールＭ１は、被密封流体領域である機内ガス領域Ｈと非密封流体領域である機外ガス領域（この例では大気領域）Ｌとを遮蔽シールするものであり、回転機器のハウジング（機器ハウジング）１に取り付けられた筒状のシールケース２と、シールケース２を同心状に洞貫する当該回転機器の回転軸３に挿通固定されたスリーブ４と、シールケース２に軸線方向移動可能に保持された静止密封環５と、静止密封環５より機内ガス領域Ｈ側に位置して静止密封環５に直対向した状態で回転軸３に固定された回転密封環６と、シールケース２と静止密封環５との間に介装されて静止密封環５を回転密封環６へと押圧附勢するスプリング７と、第一開力Ｆｏ１を発生させる第一開力発生手段８と、第二開力Ｆｏ２を発生させる第二開力発生手段９とを具備して、スプリング荷重Ｆｃ１による閉力Ｆｃ（＝Ｆｃ１）と開力Ｆｏ（＝Ｆｏ１＋Ｆｏ２）とをバランスさせることにより両密封環５，６の対向端面間である密封端面５ａ，６ａ間を非接触状態に保持しつつ、両密封端面５ａ，６ａの相対回転部分においてその外周側領域である機内ガス領域Ｈとその内周側領域である機外大気領域Ｌとの間をシールするように構成されている。なお、以下の説明において、前後とは図１及び図２における左右を意味するものとする。

【0019】

シールケース２は、図１に示す如く、機器ハウジング１の外部端（前端部）１ａに水平をなして取り付けられた円筒状のケース本体２ａとその基端部（前端部）に取り付けられた円環状のフランジ体２ｂとを適当数の取付ボルト２ｃにより連結してなり、両体２ａ，２ｂを貫通する適当数の取付ボルト２ｄにより機器フランジ１に取り付けられている。

【0020】

スリーブ４は、図１に示す如く、回転軸３に挿通された円筒状の本体部４ａとその先端部（後端部）に膨出形成された円環状の受止部４ｂとで一体構成された第一スリーブ部分と、回転軸３に挿通された厚肉円筒状の固定部４ｃとその先端外周部（後端外周部）から軸線方向に延びて本体部４ａに外嵌された薄肉円筒状の押圧部４ｄとで一体構成された第二スリーブ部分とに分割構成されている。而して、スリーブ４は、図１に示す如く、固定部４ｃに挿通させた適当数の連結ボルト４ｅを本体部４ａに螺着することにより第一スリーブ部分４ａ，４ｂと第二スリーブ部分４ｃ，４ｄとを一体連結してなるものである。而して、スリーブ４は、固定部４ｃにおけるシールケース２から大気領域Ｌ側に突出する部分に螺合させた適当数のセットスクリュー４ｆを回転軸３へと締付けることにより、回転軸３に挿脱可能に固定される。なお、スリーブ４の外径は受止部４ｂにおいて最大となっており、受止部４ｂより大気領域Ｌ側における外径は同一（一定）である。

【0021】

静止密封環５は、スリーブ４の押圧部４ｄに同心状に遊嵌された状態で、シールケース２に軸線方向（前後方向）移動可能に且つ相対回転不能に保持されている。すなわち、静止密封環５は、図１に示す如く、その外周面とシールケース２のケース本体２ａの内周面との間に軸線方向に所定間隔を隔てて並列する前後一対の第一及び第二Ｏリング１０，１１を介在させた二次シール状態でシールケース２に軸線方向に移動可能に保持されている。また静止密封環５は、図１に示す如く、その基端部（前端部）に穿設した適当数の係合凹部５ｂにシールケース２のフランジ体２ｂに植設したドライブピン１２を係合させることによって、一定範囲での軸線方向移動が許容された状態で、シールケース２に対する相対回転が阻止されている。この例では、静止密封環５がカーボン製の環状体であり、その先端面（後端面）は軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面（静止側密封端面）５ａに構成されている。なお、静止密封環５の外周面には第一及び第二Ｏリング１０，１１間に位置して両Ｏリング１０，１１の相互接近方向への移動を規制する環状突起５ｃが形成されており、フランジ体２ｂにはケース本体２ａと静止密封環５との対向周面間に突出して第一Ｏリング１０の第二Ｏリング１１から離間する方向への移動を規制する円筒状突起２ｅが形成されており、ケース本体２ａの内周面には第二Ｏリング１１の第一Ｏリング１０から離間する方向への移動を規制する環状段部２ｆが形成されている。また、環状突起５ｃは、シールケース２を機器ハウジング１から取り外した場合において、第二Ｏリング１１に衝合することにより、スプリング７の附勢力による静止密封環５のシールケース２（ケース本体２ａ）からの脱落を防止するものである。

【0022】

回転密封環６は、静止密封環５より機内ガス領域Ｈ側（後方側）に配して、回転軸３にスリーブ４を介して固定されている。すなわち、回転密封環６は、図１に示す如く、シールケース２のケース本体２ａ内に配して、静止密封環５と直対向した状態でスリーブ４の本体部４ａに嵌合されると共に連結ボルト４ｅを締付けてスリーブ４の受止部４ｂと押圧部４ｄとの間に挟圧させることにより、スリーブ４に固定されている。回転密封環６の先端面（前端面）は軸線に直交する平滑な環状平面である密封端面（回転側密封端面）６ａに構成されている。この例では、回転密封環６がステンレス鋼等の金属製の円環状体であり、その先端面にはセラミックス層６ｂが被覆形成されており、このセラミックス層６ｂで回転側密封端面６ａが構成されている。また、回転密封環６は、その基端部（後端部）に形成した係合凹部６ｃにスリーブ４の受止部４ｂに植設したドライブピン１３を係合させることによって、スリーブ４つまり回転軸３に対する相対回転が阻止されている。

【0023】

スプリング７は、図１に示す如く、静止密封環５とシールケース２のフランジ体２ｂとの間に周方向に等間隔を隔てて介装された複数個のコイルスプリング（一個のみ図示）で構成されていて、静止密封環５を回転密封環６へと押圧附勢するものであり、静止密封環５を密封端面５ａ，６ａ間が接近する方向に押圧附勢する軸線方向推力、つまり密封端面５ａ，６ａを閉じる方向に作用する閉力Ｆｃを発生させるものである。

【0024】

第一開力発生手段８は、図１に示す如く、静止側密封端面５ａに形成した静圧発生溝８１と、シールケース２及び静止密封環５に形成されてシールガスＳを静圧発生溝８１に供給するシールガス供給路８２と、シールガス供給路８２に配設されたオリフィス８３とを具備して、静圧発生溝８１から密封端面５ａ，６ａ間に流出させたシールガスＳにより静止密封環５を密封端面５ａ，６ａ間が離間する方向に押圧する軸線方向推力、つまり密封端面５ａ，６ａ間を開く方向に作用する第一開力Ｆｏ１を発生させるものである。

【0025】

静圧発生溝８１は、図１〜図３に示す如く、静止側密封端面５ａの径方向における中央部又は略中央部に形成されており、静止側密封端面５ａと同心状の環状をなして連続又は断続する断面三角形状の浅い凹溝であり、この例では後者を採用している。すなわち、静圧発生溝８１は、図３に示す如く、静止側密封端面５ａと同心環状をなして並列する複数の円弧状凹溝８１ａで構成されている。

【0026】

シールガス供給路８２は、図１に示す如く、シールケース２及び静止密封環５に形成された一連のものであり、シールケース２と静止密封環５との対向周面間に形成された連通空間８２ａと、シールケース２のケース本体２ａを貫通して連通空間８２ａに連通するケース側通路８２ｂと、静止密封環５を貫通して連通空間８２ａから静圧発生溝８１に至る密封環側通路８２ｃとからなる。

【0027】

連通空間８２ａは、図１に示す如く、シールケース２のケース本体２ａの内周面と静止密封環５の外周面との間に形成された環状空間であって、当該周面間に装填された第一及び第二Ｏリング１０，１１によってシールされている。なお、静止密封環５の外周面における第一及び第二Ｏリング１０，１１の接触面（シール面）の径は同一に設定されていて、静止密封環５に連通空間８２ａ内の圧力による軸線方向推力が発生しないように工夫されている。

【0028】

ケース側通路８２ｂは、その上流端に所定のシールガス供給源（図示せず）から導かれたシールガス供給管８４を接続したもので、機内ガス領域Ｈのガス（機内ガス）より高圧のシールガスＳを連通空間８２ａに供給する。

【0029】

密封環側通路８２ｃは、図２に示す如く、その上流端を静止密封環５の環状突起５ｃの外周面において連通空間８２ａに開口させたもので、その下流側部分は分岐されていて、各分岐部分８２ｄが静圧発生溝８１の各円弧状凹溝８１ａに連通接続されている。

【0030】

オリフィス８３は、図１及び図２に示す如く、密封環側通路８２ｃの上流側部分つまり分岐されていない密封環側通路部分の適所に配設されている。

【0031】

したがって、第一開力発生手段８によれば、ケース側通路８２ｂから連通空間８２ａに供給されたシールガスＳが密封環側通路８２ｃからオリフィス８３を経た上、各分岐部分８２ｄから静圧発生溝８１の各円弧状凹溝８１ａに供給され、静圧発生溝８１から密封端面５ａ，６ａ間に流出するシールガスＳによって、密封端面５ａ，６ａ間にこれを開く方向に作用する静圧による第一開力Ｆｏ１を発生させる。

【0032】

なお、シールガスＳとしては、大気中に放出しても無害であり且つ機内ガスに悪影響を及ぼさない性状のものを、シール条件に応じて適宜に選定する。この例では、各種物質に対して不活性であり且つ人体に無害である清浄な常温の窒素ガスが使用されている。また、シールガス供給管８４から供給されるシールガスＳの圧力（シールガス元圧）は、一般に、静圧発生溝８１内の圧力（ポケット圧）Ｐが機内ガス圧（機内ガス領域Ｈの圧力）より０．５〜１．５ｂａｒ高くなるように、機内ガス圧より１〜３ｂａｒ程度高く設定されている。また、シールガス供給路８２から静圧発生溝８１へのシールガスＳの供給は当該回転機器の運転中（回転軸３の駆動中）において行われ、運転停止後には停止される。当該回転機器の運転は、シールガスＳの供給が開始された後であって、密封端面５ａ，６ａ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Ｓの供給停止は、当該回転機器の運転停止後であって回転軸３が完全に停止した後に行なわれる。

【0033】

第二開力発生手段９は、図１及び図２に示す如く、静止密封環５とシールケース２との対向周面間に形成されたポケット圧導入空間９１と、静止密封環５に形成されたポケット圧導入路９２及びポケット圧受圧面９３とからなる。

【0034】

ポケット圧導入空間９１は、図２に示す如く、静止密封環５の外周面とこれに対向するシールケース２のケース本体２ａの内周面との間に連通空間８２ａより静止側密封端面５ａ側（後方）に位置して形成された環状空間であって、当該対向周面間に装填した第三及び第四Ｏリング９４，９５によってシールされている。この例では、第三Ｏリング９４を前記第二Ｏリング１１で兼用して、ポケット圧導入空間９１と前記連通空間８２ａとを第二Ｏリング１１（第三Ｏリング９４）を挟んで軸線方向に隣接させてある。また、第四Ｏリング９５の第三Ｏリング９４から離間する方向への移動は、ケース本体２ａの内周部に形成した環状突起２ｇによって阻止されている。また、静止密封環５の外周面における第四Ｏリング９５の接触面（シール面）の径を当該外周面における第三Ｏリング９４（第二Ｏリング１１）の接触面（シール面）の径より小さく設定して、両シール面を連結する環状段部（後述するポケット圧受圧面）９３により第四Ｏリング９５の第三Ｏリング９４に接近する方向への移動を阻止している。

【0035】

ポケット圧導入路９２は、図１及び図２に示す如く、静止密封環５に形成されてポケット圧導入空間９１と密封環側通路８２ｄにおけるオリフィス８３より下流側の部分である一つの分岐部分８２ｄとを連通接続して、当該分岐部分８２ｄから円弧状凹溝８１ａに供給されるシールガスＳの一部をポケット圧導入空間９１に導入させる、つまり静圧発生溝８１内の圧力であるポケット圧Ｐをポケット圧導入空間９１に導入させる。なお、ポケット圧導入路９２の下流端は、第三Ｏリング９４の第四Ｏリング方向への移動を阻止する環状段部２ｆと第四Ｏリング９５の第三Ｏリング方向への移動を阻止する環状段部９３との間において、第三Ｏリング９４（第二Ｏリング１１）が接触する静止密封環５の外周面部分に開口されている。

【0036】

ポケット圧受圧面９３は、図１及び図２に示す如く、ポケット圧導入空間９３内に臨む静止密封環５部分に形成された環状面であって、ポケット圧導入空間９１内の圧力（ポケット圧）Ｐが作用することにより静止密封環５を密封端面５ａ，６ａ間が離間する方向へと押圧する軸線方向推力、つまり密封端面５ａ，６ａ間を開く第二開力Ｆｏ２を発生させる。この例では、ポケット圧受圧面９３が、静止密封環５の外周面における第三Ｏリング９４が接触する大径部分と第四Ｏリング９５が接触する小径部分とを連結している、軸線方向に直交する円環状面で構成されている。なお、ポケット圧受圧面９３の面積は、ポケット圧Ｐの大きさに拘らず、第二開力Ｆｏ２が第一開力Ｆｏ１よりも小さくなるように、密封端面５ａ，６ａの面積よりも小さく設定されている。

【0037】

また、この例では、当該メカニカルシールＭ１をカートリッジ形のものに構成してある。すなわち、回転側構成要素（スリーブ４及びこれに固定された回転密封環６）Ｍａと静止側構成要素（シールケース２及びこれに保持された静止密封環５等）Ｍｂとを、図１に鎖線図示する如く、シールケース２のフランジ体２ｂに取付ボルト１４により取り付けたセット爪１５をスリーブ４の固定部４ｃに形成した環状凹部４ｇに係合させることにより当該メカニカルシールＭ１の組立状態と同一状態に連結するように構成して、この連結状態のまま取付ボルト２ｄ及びセットスクリュー４ｆを操作することにより機器ハウジング１及び回転軸３に組み込み或いは取り外しできるように工夫してある。

【0038】

以上のように構成された静圧形の非接触形メカニカルシールＭ１にあっては、第一開力発生手段８により第一開力Ｆｏ１が発生する。すなわち、シールガスＳがケース側通路８２ｂから連通空間８２ａ及び密封環側通路８２ｃを経て静圧発生溝８１に供給されると、静圧発生溝８１から密封端面５ａ，６ａ間に流出されたシールガスＳにより、密封端面５ａ，６ａ間にこれを開く方向に作用する第一開力Ｆｏ１が発生する。この第一開力Ｆｏ１は、静圧発生溝８１から密封端面５ａ，６ａ間に流出されたシールガスＳによって発生する静圧によるものであり、この静圧は静圧発生溝８１内のシールガス圧力であるポケット圧Ｐより小さいが、両領域Ｈ，Ｌの圧力より高いことから、シールガスＳは密封端面５ａ，６ａ間から両領域Ｈ，Ｌに流出することになる。

【0039】

また、第一開力Ｆｏ１の発生と同時に、第二開力発生手段９により第二開力Ｆｏ２が発生する。すなわち、密封環側通路８２ｃにおけるオリフィス８３より下流側の部分つまり分岐部分８２ｄに接続されたポケット圧導入路９２から静圧発生溝８１（円弧状凹溝８１ａ）に供給されるシールガスＳの一部がポケット圧導入空間９１に導入されて、ポケット圧導入空間９１内のポケット受圧面９３に静圧発生溝８１内の圧力と同一の圧力（ポケット圧）Ｐが作用し、静止密封環５にこれを回転密封環６から離間させる方向の軸線方向推力が発生する。この軸線方向推力が密封端面５ａ，６ａを開く方向に作用する第二開力Ｆｏ２である。この第二開力Ｆｏ２はポケット圧Ｐとポケット圧受圧面９１の面積との積で得られる。

【0040】

一方、密封端面５ａ，６ａを接近させる方向に作用する閉力Ｆｃはスプリング７のみによって生じる。すなわち、この例では閉力Ｆｃはスプリング荷重Ｆｃ１で得られる。

【0041】

したがって、回転密封環６等の回転側構成要素Ｍａと静止密封環５等の静止側構成要素Ｍｂとの軸線方向における相対位置（構成要素相対位置）が適正な構成要素相対位置である適正構成要素相対位置にある場合において、スプリング７のバネ定数及びシールガス供給管８４から供給されるシールガスＳの圧力（シールガス元圧）を開力Ｆｏ（第一開力Ｆｏ１に第二開力Ｆｏ２を加重したものであり、Ｆｏ＝Ｆｏ１＋Ｆｏ２である）と閉力Ｆｃ（スプリング荷重Ｆｃ１）とがバランス（Ｆｏ１＋Ｆｏ２＝Ｆｃ１）するように設定しておくことによって、密封端面５ａ，６ａが適正隙間（一般に、５〜１５μｍ）の非接触状態で相対回転して、当該相対回転部分５ａ，６ａにおいて両領域Ｈ，Ｌ間が良好に遮蔽シールされる。以下、適正構成要素相対位置にある場合におけるスプリング荷重Ｆｃ１を「適正スプリング荷重」といい、適正隙間が保持されているときのポケット圧Ｐを「適正ポケット圧」という。

【0042】

ところで、回転機器の振動等により構成要素相対位置が適正構成要素相対位置から偏倚して密封端面５ａ，６ａの隙間が適正隙間から変化した場合にあって、スプリング長が殆ど変化せずスプリング荷重Ｆｃ１が適正スプリング荷重と略同一又はこれに近似するものとなるときには、冒頭で述べたと同様に、オリフィス８３の効果により当該隙間は適正隙間に自動的に調整復帰される。すなわち、密封端面５ａ，６ａの隙間が適正隙間より大きくなったときは、ポケット圧Ｐが適正ポケット圧より低下するため、開力Ｆｏ（＝Ｆｏ１＋Ｆｏ２）が閉力Ｆｃ（＝Ｆｃ１）より小さくなり、その結果、密封端面５ａ，６ａ間の隙間が小さくなるように変化して、その隙間が適正隙間に調整される。逆に、密封端面５ａ，６ａ間の隙間が適正隙間より小さくなったときは、ポケット圧Ｐが適正ポケット圧より高くなるため、開力Ｆｏが閉力Ｆｃより大きくなり、その結果、密封端面５ａ，６ａ間の隙間が大きくなるように変化して、その隙間が適正隙間に調整される。なお、このとき、密封端面５ａ，６ａ間の隙間が適正隙間に調整されることによりポケット圧Ｐも適正ポケット圧に復帰されることになる。

【0043】

而して、当該非接触形メカニカルシールＭ１にあっては、組み立て精度不良等により、構成要素相対位置が適正構成要素相対位置からオリフィス効果による自動調整によってカバーできる範囲を超えて偏倚した場合にも、構成要素相対位置が適正構成要素相対位置にある場合と同様に良好な非接触シール機能が発揮される。

【0044】

すなわち、回転側構成要素Ｍａの軸線方向位置が適正構成要素相対位置の場合より静止密封環５を押圧する方向（前方）に偏倚しているとき又は静止側構成要素Ｍｂの軸線方向位置が適正構成要素相対位置の場合より回転密封環６を押圧する方向（後方）に偏倚しているときは、適正構成要素相対位置にある場合に比してスプリング７が圧縮されて（スプリング７の圧縮量が増加されて）、スプリング荷重Ｆｃ１が適正スプリング荷重より増大することになる。そして、スプリング荷重Ｆｃ１（閉力Ｆｃ）が適正スプリング荷重より増大すると、閉力Ｆｃが開力Ｆｏより大きくなるため密封端面５ａ，６ａ間が適正隙間となるまで開かず、静圧発生溝８１内の圧力（ポケット圧）Ｐが適正ポケット圧より高くなる。これに伴って、ポケット圧受圧面９３に作用する圧力（ポケット圧）Ｐも高くなり、第二開力Ｆｏ２が増大する。したがって、閉力Ｆｃ及び開力Ｆｏが何れも適正構成要素相対位置にある場合より増大することになる。

【0045】

また、上記とは逆に、回転側構成要素又は静止側構成要素の軸線方向位置が適正構成要素相対位置の場合より両密封環が離間する方向に偏倚（回転側構成要素については後方に、また静止側構成要素については前方に偏倚）しているときは、適正構成要素相対位置にある場合に比してスプリング７が伸張されて（スプリング７の圧縮量が減少されて）、スプリング荷重Ｆｃ１が適正スプリング荷重より減少することになる。そして、スプリング荷重Ｆｃ１（閉力Ｆｃ）が適正スプリング荷重より減少すると、開力Ｆｏが閉力Ｆｃより大きくなるため密封端面５ａ，６ａ間が適正隙間より大きく開くことになり、静圧発生溝８１内の圧力（ポケット圧）Ｐが適正ポケット圧より低くなる。これに伴って、ポケット圧受圧面９３に作用する圧力（ポケット圧）Ｐが低くなり、第二開力Ｆｏ２が減少する。したがって、閉力Ｆｃ及び開力Ｆｏが何れも適正構成要素相対位置にある場合より減少することになる。

【0046】

このように、スプリング荷重Ｆｃ１が増加する場合はこれに応じて第二開力Ｆｏ２が増加し、またスプリング荷重Ｆｃ１が減少する場合はこれに応じて第二開力Ｆｏ２も減少することから、ポケット受圧面９３の面積を適宜に設定しておくことにより、スプリング荷重Ｆｃ１の増加量と第二開力Ｆｏ２の増加量との差及びスプリング荷重Ｆｃ１の減少量と第二開力Ｆｏ２の減少量との差を極めて小さくすることができる。

【0047】

したがって、構成要素相対位置が適正構成要素相対位置から偏倚した場合にも、開力Ｆｏと閉力Ｆｃとのバランス上、スプリング荷重Ｆｃ１が実質的に大きく増減変化しないものとなり、スプリング荷重Ｆｃ１が増減変化してもその変化量は前記オリフィス８３の効果による自動調整でカバーできる程度となる。その結果、密封端面５ａ，６ａ間の隙間を適正隙間に保持することができ、適正構成要素相対位置にある場合と同様に良好な非接触シール機能を発揮させることができる。

【0048】

なお、本発明は上記した実施の形態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改良、変更することができる。

【0049】

例えば、ポケット圧導入空間９１及びポケット圧導入路９２は、図４、図５又は図６に示す如く構成しておくことができる。

【0050】

すなわち、図４に示す静圧形の非接触形メカニカルシールＭ２では、シールケース２のフランジ体２ｂにその内周部から静止密封環５の内周部へと突出する円筒状の保持体２ｈを一体形成し、静止密封環５を、その外周面とシールケース２のケース本体２ａの内周面との間に軸線方向に所定間隔を隔てて並列する前後一対の第一Ｏリング１０及び第二Ｏリング１１（第三Ｏリング９４）を介在させると共に静止密封環５の内周面とシールケース２の保持体２ｈの外周面との間に第五Ｏリング１６を介在させた二次シール状態でケース本体２ａと保持体２ｈとの間に嵌合させることにより、シールケース２に軸線方向に移動可能に保持し、第四Ｏリング９５をシールケース２のケース本体２ａの内周部に形成した環状のＯリング溝２ｉに係合保持させると共に、密封環側通路８２ｃにおけるオリフィス８３より下流側の部分（分岐部分８２ｄ）に接続させたポケット圧導入路９２の下流端を、静止密封環５の外周面であって第四Ｏリング９５が接触する面（シール面）においてポケット圧受圧面９３とＯリング溝２ｉとの間に開口させてある。なお、静止密封環５とシールケース２のフランジ体２ｂとの軸線方向対向端面間に形成される空間（スプリング７及びドライブピン１２が配置された空間）はＯリング１０，１６でシールされているが、当該空間はフランジ体２ｂに形成した開放孔２ｋにより非密封流体領域である大気領域Ｌに開放されている。

【0051】

また、図５に示す静圧形の非接触形メカニカルシールＭ３では、シールケース２のフランジ体２ｂにその内周部から静止密封環５の内周部へと突出する円筒状の保持体２ｊを一体形成し、静止密封環５を、その外周面とシールケース２のケース本体２ａの内周面との間に軸線方向に所定間隔を隔てて並列する前後一対の第一及び第二Ｏリング１０，１１を介在させると共に静止密封環５の内周面とシールケース２の保持体２ｊの外周面との間に軸線方向に所定間隔を隔てて並列する前後一対の第三及び第四Ｏリング９４，９５を介在させた二次シール状態でケース本体２ａと保持体２ｊとの間に嵌合させることにより、シールケース２に軸線方向に移動可能に保持し、静止密封環５の内周面を第三Ｏリング９４が接触する小径面５ｄと第四Ｏリング９５が接触する大径面５ｅとからなるものとして、小径面５ｄと大径面５ｅとの環状境界面をポケット圧受圧面９３とすると共に静止密封環５の内周面とこれに径方向に対向するシールケース部分である保持体２ｊの外周面との間の環状空間を第三及び第四Ｏリング９４，９５でシールされたポケット圧導入空間９１となし、密封環側通路８２ｃにおけるオリフィス８３より下流側の部分（分岐部分８２ｄ）に接続させたポケット圧導入路９２の下流端をポケット圧受圧面９３と第三Ｏリング９４（保持体２ｊの外周面に形成した環状のＯリング溝に係合保持されている）との間においてポケット圧導入空間９１に開口させてある。

【0052】

また、図６に示す静圧形の非接触形メカニカルシールＭ４では、オリフィス８３をケース側通路８２ｂに配設して、ポケット圧導入路９２をシールケース２（ケース本体２ａ）に形成してある。すなわち、ポケット圧導入路９２の上流端をケース側通路８２ｂにおけるオリフィス８３より下流側の部分に接続すると共に、その下流端をケース本体２ａの内周面であって第四Ｏリング９５が接触している部分において第三Ｏリング９４（第二Ｏリング１１）と第四Ｏリング９５とでシールされたポケット圧導入空間９１に開口させてある。なお、図４〜図６に示す非接触形メカニカルシールＭ２，Ｍ３，Ｍ４の構成は上記した点を除いて図１に示す非接触形メカニカルシールＭ１と同様であるから、この非接触形メカニカルシールＭ１の構成に対応する部分については、図４〜図６において図１と同一の符号を使用することによって、その詳細な説明は省略する。

【0053】

また、本発明の静圧形の非接触形メカニカルシールは、機内ガス領域Ｈが圧力変動する条件下でも好適に使用することができるが、かかる条件下で使用する場合には図７に示す如く構成しておくことが好ましい。

【0054】

すなわち、図７に示す静圧形の非接触形メカニカルシールＭ５では、静止密封環５の基端部５ｆとこれに軸線方向に対向するシールケース部分であるフランジ体２ｂとの間に第一及び第五Ｏリング１０，１６でシールされた背圧室１７を形成すると共に、静止密封環５に被密封流体領域（機内ガス領域）Ｈと背圧室１７とを連通する背圧導入路１８を形成して、背圧室１７に背圧導入路１８から導入された機内ガス（被密封流体）の圧力によって静止密封環５の基端部５ｆに第二閉力Ｆｃ２としての推力が作用するように構成されている。かかる構成によれば、閉力Ｆｃがスプリング荷重Ｆｃ１に上記第二閉力Ｆｃ２が加重されたものとなって機内ガス領域Ｈの圧力変動に応じて変化することから、機内ガス領域Ｈの圧力変動に拘らず、開力Ｆｏ（＝Ｆｏ１＋Ｆｏ２）と閉力Ｆｃ（＝Ｆｃ１＋Ｆｃ２）とがバランスされて密封端面５ａ，６ａが適正な非接触状態に保持される。この静圧形の非接触形メカニカルシールＭ５においても、取り付け精度不良等により構成要素相対位置が適正構成要素相対位置から偏倚して、スプリング荷重Ｆｃ１が増加又は減少した場合、上記したと同様に、スプリング荷重Ｆｃ１の増加量又は減少量に応じて第二開力Ｆｏ２が増加又は減少することにより、開閉力Ｆｏ，Ｆｃのバランス上、スプリング荷重Ｆｃ１が実質的に適正スプリング荷重と略同一又は近似するものとなり、適正構成要素相対位置にある場合と同等の非接触シール機能が発揮されることになる。なお、図７に示す非接触形メカニカルシールＭ４の構成は上記した点を除いて図４に示す非接触形メカニカルシールＭ２と同一であるから、この非接触形メカニカルシールＭ２の構成に対応する部分については、図７において図４と同一の符号を使用することによって、その詳細な説明は省略する。

【符号の説明】

【0055】

１ 機器ハウジング（ハウジング）
１ａ 機器ハウジングの外部端
２ シールケース
２ａ ケース本体
２ｂ フランジ体
２ｃ 取付ボルト
２ｄ 取付ボルト
２ｅ 円筒状突起
２ｆ 環状段部
２ｇ 環状突起
２ｈ 保持体
２ｉ Ｏリング溝
２ｊ 保持体
２ｋ 開放孔
３ 回転軸
４ スリーブ
４ａ 本体部
４ｂ 受止部
４ｃ 固定部
４ｄ 押圧部
４ｅ 連結ボルト
４ｆ セットスクリュー
４ｇ 環状凹部
５ 静止密封環
５ａ 静止側密封端面
５ｂ 係合凹部
５ｃ 環状突起
５ｄ 小径面
５ｅ 大径面
５ｆ 静止密封環の基端部
６ 回転密封環
６ａ 回転側密封端面
６ｂ セラミックス層
６ｃ 係合凹部
７ スプリング
８ 第一開力発生手段
９ 第二開力発生手段
１０ 第一Ｏリング
１１ 第二Ｏリング
１２ ドライブピン
１３ ドライブピン
１４ 取付ボルト
１５ セット爪
１６ 第五Ｏリング
１７ 背圧室
１８ 背圧導入路
８１ 静圧発生溝
８１ａ 円弧状凹溝
８２ シールガス供給路
８２ａ 連通空間
８２ｂ ケース側通路
８２ｃ 密封環側通路
８２ｄ 分岐部分
８３ オリフィス
８４ シールガス供給管
９１ ポケット圧導入空間
９２ ポケット圧導入路
９３ ポケット圧受圧面（環状段部）
９４ 第三Ｏリング
９５ 第四Ｏリング
Ｈ 機内ガス領域（被密封流体領域）
Ｌ 大気領域（非密封流体領域）
Ｍ１ 静圧形の非接触形メカニカルシール
Ｍ２ 静圧形の非接触形メカニカルシール
Ｍ３ 静圧形の非接触形メカニカルシール
Ｍ４ 静圧形の非接触形メカニカルシール
Ｍ５ 静圧形の非接触形メカニカルシール

Ｍａ 回転側構成要素
Ｍａ 静止側構成要素
Ｓ シールガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】