特許 6881882 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】6881882

(24)【登録日】2021年5月10日

(45)【発行日】2021年6月2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 20060101AFI20210524BHJP

【ＦＩ】

   F16J15/34 G

   F16J15/34 K

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2018-539652(P2018-539652)

(86)(22)【出願日】2017年9月7日

(86)【国際出願番号】JP2017032182

(87)【国際公開番号】WO2018051867

(87)【国際公開日】20180322

【審査請求日】2020年3月19日

(31)【優先権主張番号】特願2016-179060(P2016-179060)

(32)【優先日】2016年9月14日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000101879

【氏名又は名称】イーグル工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100201259

【弁理士】

【氏名又は名称】天坂 康種

(74)【代理人】

【識別番号】100116506

【弁理士】

【氏名又は名称】櫻井 義宏

(72)【発明者】

【氏名】香取 一光

(72)【発明者】

【氏名】千葉 啓一

(72)【発明者】

【氏名】板谷 壮敏

(72)【発明者】

【氏名】木村 忠弘

(72)【発明者】

【氏名】吉野 顯

【審査官】 大谷 謙仁

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１４／１０３６３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 実開昭６０−１２０２３２（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】

互いに相対摺動する一対の密封環を備え、一方の密封環はハウジングに非回転状態で、かつ、軸方向移動可能な状態で設けられる固定側密封環であり、他方の密封環は回転軸に固定される回転側密封環であり、これらの密封環は半径方向に形成された摺動面を有し、被密封流体が漏洩するのをシールするものであって、前記回転側密封環の摺動面には、前記摺動面の内周側の周縁に連通し、外周側の周縁には連通しないように構成された動圧発生溝が設けられ、前記固定側密封環の背面側には前記固定側密封環を前記回転側密封環の摺動面に向けて押圧するためのスプリングが配設され、前記固定側密封環の背面側と前記スプリングとの間にはスプリングホルダーが設けられ，
前記固定側密封環の背面側は、外径側が内径側に比較して軸方向に短い段部を有し、前記スプリングホルダーは略Ｌ字状をなしており、前記段部の軸方向表面及び径方向表面に沿うように略Ｌ字状の前記スプリングホルダーが配設されることを特徴とするメカニカルシール。

【請求項2】

前記ハウジングに対して交換可能なカートリッジが設けられ、前記固定側密封環は前記カートリッジの高圧流体側に前記スプリング及び前記スプリングホルダーを介して軸方向に移動可能に保持されており、前記固定側密封環の摺動面の内径は前記カートリッジの内筒部の径より小さく設定されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。

【請求項3】

前記固定側密封環の外周部と前記カートリッジの外筒部との間に前記固定側密封環の廻り止め手段が設けられ、前記カートリッジの外筒部に設けられた廻り止め部は前記固定側密封環の材質より耐摩耗性の大きい材料から形成され、その軸方向の幅は前記固定側密封環が軸方向に移動した場合でも前記固定側密封環の外周部が前記廻り止め部の両端より内側に位置するように設定されることを特徴とする請求項２に記載のメカニカルシール。

【請求項4】

前記スプリングは、コイルドウェーブスプリングであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のメカニカルシール。

【請求項5】

前記回転側密封環の摺動面の前記動圧発生溝より高圧流体側には、流体導入溝が設けられることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のメカニカルシール。

【請求項6】

前記回転側密封環は、前記回転軸に形成された段部と前記回転軸に装着されるスリーブの端面との間に挟着されて固定されており、前記回転側密封環の前記摺動面側には前記回転軸の段部の外径の位置をまたぐ径方向の幅を備えた環状溝が設けられ、前記回転側密封環の反摺動面側には前記スリーブの端面の外径の位置をまたぐ径方向の幅を備えた環状溝が設けられ、前記両環状溝の内径は略同一に設定されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項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、摺動面から流体が漏洩するのを防止する必要のある密封環、例えば、スーパーチャージャー、ターボチャージャー用あるいは航空エンジン用のギアボックス等に使用されるメカニカルシールに関する。

【背景技術】

【0002】

メカニカルシールにおいて、その性能は、漏れ量、摩耗量、及びトルクによって評価される。従来技術ではメカニカルシールの摺動材質や摺動面粗さを最適化することにより性能を高め、低漏れ、高寿命、低トルクを実現している。しかし、近年の環境問題に対する意識の高まりから、メカニカルシールの更なる性能向上が求められており、従来技術の枠を超える技術開発が必要となっている。

【0003】

そのような中で、例えば、航空宇宙用ガスタービンにおける圧縮機／駆動シール、タービンシール、及びギアボックスシールのように、回転側リングの外径側に作動流体（例えば、油）が存在し、内径側に空気が存在する環境において、複数のハイドロパッドが回転側リングの面に形成されており、回転側リングに形成された各ハイドロパッドの内端部は回転軸から実質的に等距離である内周を規定し、外端部は偏心して外周を規定し、回転側リングの面で偏心状態の揚力を生じさせるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第５２５６５２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記の特許文献１に記載の従来技術においては、回転側リングに表面テクスチャ加工を施し、固定側リングはＳｉＣより安価なカーボンにより製作することは可能ではあるが、固定側リングの背後には金属ベローが設けられ、該金属ベローにより固定側リングが軸方向に押圧される構造であるため、仮に、固定側リングをカーボン製とした場合、固定側リングと金属ベローとの溶着が困難であるという問題があった。
そのため、上記の特許文献１に記載の従来技術においては固定側リングをカーボン製とすることができず、高価なＳｉＣや金属などにより製作せざるを得ないという問題があった。
また、回転側リングをＳｉＣにより、固定側リングを金属により製作した場合には、摺動面同士が直接接触した際に火花が散るという問題もあった。
また、上記の特許文献１に記載の従来技術においては、固定側リングを軸方向に押圧する際に固定側リングを周方向において均等に押圧することについての工夫がなされていないため、固定側リングをカーボン製とした場合、その摺動面の摩耗による変形を防止することができないという問題もあった。

【0006】

本発明は、回転側リングに表面テクスチャ加工を施し、固定側リングは安価な摺動材により製作し、前記固定側リングを回転側リングの摺動面に向けて周方向において均等な力で押圧することにより、長期間にわたり摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を両立させることのできるメカニカルシールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するため本発明のメカニカルシールは、第１に、
互いに相対摺動する一対の密封環を備え、一方の密封環はハウジングに非回転状態で、かつ、軸方向移動可能な状態で設けられる固定側密封環であり、他方の密封環は回転軸に固定される回転側密封環であり、これらの密封環は半径方向に形成された摺動面を有し、被密封流体が漏洩するのをシールするものであって、前記回転側密封環の摺動面には、前記摺動面の内周側の周縁に連通し、外周側の周縁には連通しないように構成された動圧発生溝が設けられ、前記固定側密封環の背面側には前記固定側密封環を前記回転側密封環の摺動面に向けて押圧するためのスプリングが配設され、前記固定側密封環の背面側と前記スプリングとの間にはスプリングホルダーが設けられ，
前記固定側密封環の背面側は、外径側が内径側に比較して軸方向に短い段部を有し、前記スプリングホルダーは略Ｌ字状をなしており、前記段部の軸方向表面及び径方向表面に沿うように略Ｌ字状の前記スプリングホルダーが配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、回転側密封環と固定側密封環との摺動面に僅かな間隙が形成され、摺動面は気体潤滑の状態となり非常に低摩擦となると同時に、動圧発生溝により内周側の気体が外周側に向けてポンピングされるため、外周側の流体が内周側へ漏洩することが防止される。
また、固定側密封環をカーボンのような比較的安価な摺動材により製作することができると共に、固定側密封環の背面側を幅広い面積で、かつ、周方向において均等な力で押圧することができ、固定側密封環が比較的摩耗しやすいカーボン製である場合にも、摺動面の変形を防止することができ、固定側密封環を安定して支持することができ、固定側密封環の径方向の偏り、あるいは、振動を防止することができる。これにより、長期間にわたり摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を両立させることのできるメカニカルシールを提供することができる。

【0009】

また、本発明のメカニカルシールは、第２に、第１の特徴において、
前記ハウジングに対して交換可能なカートリッジが設けられ、前記固定側密封環は前記カートリッジの高圧流体側に前記スプリング及び前記スプリングホルダーを介して軸方向に移動可能に保持されており、前記固定側密封環の摺動面の内径は前記カートリッジの内筒部の径より小さく設定されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面積が大きくなり、バランス比が下げられてバランス形となり、圧力による摺動面圧の増加量は小さくなり、従来に比べて摺動面の膜厚が厚くなり、摺動面の損傷を防止することができる。

【0010】

また、本発明のメカニカルシールは、第３に、第２の特徴において、
前記固定側密封環の外周部と前記カートリッジの外筒部との間に前記固定側密封環の廻り止め手段が設けられ、前記カートリッジの外筒部に設けられた廻り止め部は前記固定側密封環の材質より耐摩耗性の大きい材料から形成され、その軸方向の幅は前記固定側密封環が軸方向に移動した場合でも前記固定側密封環の外周部が前記廻り止め部の両端より内側に位置するように設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、廻り止め部と固定側密封環との相対摺動によりカーボン製の固定側密封環側が摩耗する場合でも、固定側密封環の摩耗は軸方向の全長において発生し段差がないことから、廻り止め部と固定側密封環との間における軸方向の相対移動をスムースに行うことができる。

【0011】

また、本発明のメカニカルシールは、第４に、第１ないし第３のいずれかの特徴において、
前記スプリングは、コイルドウェーブスプリングであることを特徴としている。
この特徴によれば、安定した撓みを得ることができ、限られた空間で強力なばね力を発揮することができるため、固定側密封環を安定し多状態で付勢することができると共に、装置を小型化することができる。

【0012】

また、本発明のメカニカルシールは、第５に、第１ないし第４のいずれかの特徴において、
前記回転側密封環の摺動面の前記動圧発生溝より高圧流体側には、流体導入溝が設けられることを特徴としている。
この特徴によれば、低速回転時には外周側の流体を摺動面に導入して摺動面を非接触状態にし、高速回転時には遠心力により摺動面の流体を吹き飛ばして流体の影響を無効にすることができる。

【0013】

また、本発明のメカニカルシールは、第６に、第１ないし第５のいずれかの特徴において、
前記回転側密封環は、前記回転軸に形成された段部と前記回転軸に装着されるスリーブの端面との間に挟着されて固定されており、前記回転側密封環の前記摺動面側には前記回転軸の段部の外径の位置をまたぐ径方向の幅を備えた環状溝が設けられ、前記回転側密封環の反摺動面側には前記スリーブの端面の外径の位置をまたぐ径方向の幅を備えた環状溝が設けられ、前記両環状溝の内径は略同一に設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、回転軸の大径部の外径とスリーブの外径とが異なる場合（同じ場合はもちろん）でも、回転側密封環を両側から均等な力で挟着することができ、回転側密封環の摺動面の歪みの発生を防止することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）回転側密封環の摺動面には、摺動面の内周側の周縁に連通し、外周側の周縁には連通しないように構成された動圧発生溝が設けられ、固定側密封環の背面側には固定側密封環を回転側密封環の摺動面に向けて押圧するためのスプリングが配設され、固定側密封環の背面側とスプリングとの間にはスプリングホルダーが設けられることにより、回転側密封環と固定側密封環との摺動面に僅かな間隙が形成され、摺動面は気体潤滑の状態となり非常に低摩擦となると同時に、動圧発生溝により内周側の気体が外周側に向けてポンピングされるため、外周側の流体が内周側へ漏洩することが防止される。
また、固定側密封環をカーボンのような比較的安価な摺動材により製作することができると共に、固定側密封環の背面側を幅広い面積で、かつ、周方向において均等な力で押圧することができ、固定側密封環が比較的摩耗しやすいカーボン製である場合にも、摺動面の変形を防止することができ、長期間にわたり摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を両立させることのできるメカニカルシールを提供することができる。

【0015】

（２）固定側密封環の背面側は、外径側が内径側に比較して軸方向に短い段部を有し、スプリングホルダーは略Ｌ字状をなしており、段部の軸方向表面及び径方向表面に沿うように略Ｌ字状のスプリングホルダーが配設されることにより、固定側密封環を安定して支持することができ、固定側密封環の径方向の偏り、あるいは、振動を防止することができる。

【0016】

（３）ハウジングに対して交換可能なカートリッジが設けられ、固定側密封環はカートリッジの高圧流体側にスプリング及びスプリングホルダーを介して軸方向に移動可能に保持されており、固定側密封環の摺動面の内径はカートリッジの内筒部の径より小さく設定されていることにより、摺動面積が大きくなり、バランス比が下げられてバランス形となり、圧力による摺動面圧の増加量は小さくなり、従来に比べて摺動面の膜厚が厚くなり、摺動面の損傷を防止することができる。

【0017】

（４）固定側密封環の外周部とカートリッジの外筒部との間に固定側密封環の廻り止め手段が設けられ、カートリッジの外筒部に設けられた廻り止め部は固定側密封環の材質より耐摩耗性の大きい材料から形成され、その軸方向の幅は固定側密封環が軸方向に移動した場合でも固定側密封環の外周部が廻り止め部の両端より内側に位置するように設定されることにより、廻り止め部と固定側密封環との相対摺動によりカーボン製の固定側密封環側が摩耗する場合でも、固定側密封環の摩耗は軸方向の全長において発生し段差がないことから、廻り止め部と固定側密封環との間における軸方向の相対移動をスムースに行うことができる。

【0018】

（５）スプリングは、コイルドウェーブスプリングであることにより、安定した撓みを得ることができ、限られた空間で強力なばね力を発揮することができるため、固定側密封環を安定し多状態で付勢することができると共に、装置を小型化することができる。

【0019】

（６）回転側密封環の摺動面の動圧発生溝より高圧流体側には、流体導入溝が設けられることにより、低速回転時には外周側の液体を摺動面に導入して摺動面を非接触状態にし、高速回転時には遠心力により摺動面の流体を吹き飛ばして流体の影響を無効にすることができる。

【0020】

（７）回転側密封環は、前記回転軸に形成された段部と前記回転軸に装着されるスリーブの端面との間に挟着されて固定されており、回転側密封環の前記摺動面側には回転軸の段部の外径の位置をまたぐ径方向の幅を備えた環状溝が設けられ、回転側密封環の反摺動面側には前記スリーブの端面の外径の位置をまたぐ径方向の幅を備えた環状溝が設けられ、両環状溝の内径は略同一に設定されることにより、回転軸の大径部の外径とスリーブの外径とが異なる場合（同じ場合はもちろん）でも、回転側密封環を両側から均等な力で挟着することができ、回転側密封環の摺動面の歪みの発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施例１に係るメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。

【図2】図１のＡ−Ａ矢視図である。

【図3】実施例１の摺動面の状態をわかりやすく説明した説明図である。

【図4】本発明の実施例２に係るメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。

【図5】メカニカルシールのアンバランスタイプ及びバランスタイプにおける摺動面圧を説明する説明図である。

【図6】本発明の実施例３に係るメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。

【図7】本発明の実施例４に係るメカニカルシールの一例を示す縦断面図である。

【図8】本発明の実施例４の要部を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置などは、特に明示的な記載がない限り、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

【実施例1】

【0023】

図１ないし図３を参照して、本発明の実施例１に係る摺動部品について説明する。
なお、以下の実施例１においては、スーパーチャージャーに用いられるメカニカルシールにおいて、摺動部品の摺動面間の空気の流れが、破線及び矢印で示すように、内周側から外周側に向けて形成されるものについて説明する。
なお、スーパーチャージャーの場合は、摺動面の外周側が空気・凝縮水などの被密封流体側（高圧側）で、内周側が漏れ側（低圧側）である。

【0024】

図１は、スーパーチャージャーに適用されるメカニカルシールの一例を示す縦断面図であって、摺動面の外周から内周方向に向かって漏れようとする空気・凝縮水などの被密封流体を密封する形式のインサイド形式のものであり、スーパーチャージャーに備えられたコンプレッサのインペラー（図示省略）を駆動させる回転軸１側にスリーブ２を介してこの回転軸１と一体的に回転可能な状態に設けられた一方の摺動部品である円環状の回転側密封環３と、ハウジング４にカートリッジ５を介して非回転状態で、かつ、軸方向移動可能な状態で設けられた他方の摺動部品である円環状の固定側密封環６とが設けられ、固定側密封環６をスプリングホルダー８を介して軸方向に付勢するコイルドウェーブスプリング７によって、ラッピング等によって鏡面仕上げされた摺動面Ｓ同士で密接摺動するようになっている。

【0025】

カートリッジ５は、例えば、金属製からなり、ハウジング４の内周に嵌入する外筒部５ａと、外筒部５ａの漏れ側（低圧側）から径方向内側に延びる円盤部５ｂと、円盤部５ｂの内径部からスリーブ２に沿って高圧流体側に延びる内筒部５ｃとを有し、略コ字状断面の高圧流体側にコイルドウェーブスプリング７及びスプリングホルダー８を介して固定側摺動環６を軸方向に移動可能に保持する。カートリッジ５は、ハウジング４に対して交換可能なカートリッジ形式に形成されている。

【0026】

すなわち、このメカニカルシールは、回転側密封環３及び固定側密封環６は半径方向に形成された摺動面Ｓを有し、互いの摺動面Ｓにおいて、被密封流体、例えば、空気・凝縮水などのミスト状の流体（以下、単に「流体」ということがある。）が摺動面Ｓの外周から内周側の漏れ側へ流出するのを防止するものである。
なお、符号９はＯリングを示しており、カートリッジ５の内筒部５ｃと固定側密封環６との間をシールするものである。
また、本例では、スリーブ２と回転側密封環３とは別体の場合について説明しているが、これに限らず、スリーブ２と回転側密封環３とを一体に形成してもよい。

【0027】

回転側密封環３及び固定側密封環６の材質は、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素（ＳｉＣ）及び自己潤滑性に優れたカーボンなどから選定されるが、本発明においては、摺動面の内周側から気体を引き込むタイプであることから、回転側密封環３の摺動面に表面テクスチャを施すことができる（液体を引き込むタイプの場合、回転側密封環３の摺動面に表面テクスチャを施すと遠心力により液体が摺動面から排出されてしまうため、固定側密封環６にしか表面テクスチャをほどこすことができない。）。このため、固定側密封環６には表面テクスチャを施す必要がないことから、固定側密封環６をＳｉＣより安価なカーボンで製作することが可能である。

【0028】

図１に示すように、回転側密封環３は、断面が一様な厚みの円環状をしており、回転軸１の小径部１ａと大径部１ｂとの間の段部１ｃと回転軸１に装着されるスリーブ２の端面２ａとの間に挟着されて固定されている。

【0029】

一方、固定側密封環６は、断面形状において、その背面側には、外径側が内径側に比較して軸方向に短い段部６ａを有した形状をしている。すなわち、背面側の外径側が略Ｌ字状に窪んだ形状をしており、段部６ａの軸方向表面６ｂ及び径方向表面６ｃが滑らかに接続された形状をしている。

【0030】

固定側密封環６の背面側の外径側が略Ｌ字状に窪んだ部分には、略Ｌ字状のスプリングホルダー８が配設されている。詳述すると、スプリングホルダー８の軸方向に延びる円筒部８ａは固定側密封環６の段部６ａの軸方向表面６ｂに沿うように、また、同じく、径方向の円盤部８ｂは固定側密封環６の段部６ａの径方向表面６ｃに沿うように配設されている。
そして、スプリングホルダー８の円盤部８ｂとカートリッジ５との間にはコイルドウェーブスプリング７が配設され、固定側密封環６をスプリングホルダー８を介して軸方向に付勢するようになっている。

【0031】

固定側密封環６はスプリングホルダー８を介して回転側密封環３の摺動面Ｓに向かって押し付けられるため、固定側密封環６の背面側は幅広い面積で、かつ、周方向において均等な力で押圧されることになる。このため、固定側密封環６が比較的摩耗しやすいカーボン製である場合にも、摺動面の変形を防止することができる。
また、固定側密封環６の背面側が略Ｌ字状の２面で支持するため、固定側密封環６を安定して支持することができ、固定側密封環６の径方向の偏り、あるいは、振動を防止することができる。

【0032】

図１に示すように、固定側密封環６の外周部６ｄとカートリッジ５の外筒部５ａとの間に固定側密封環６の廻り止め手段１２が設けられている。廻り止め手段１２におけるカートリッジ５の外筒部５ａに設けられた廻り止め部５ｄは固定側密封環６の材質より耐摩耗性の大きい金属材料から形成され、その軸方向の幅Ｂ５は固定側密封環６が軸方向に移動した場合でも固定側密封環６の外周部６ｄが廻り止め部５ｄの両端より内側に位置するように設定されている。

【0033】

廻り止め手段１２としては、例えば、固定側密封環６の外周部６ｄに切り欠き溝６ｅを設け、この切り欠き溝６ｅにカートリッジ５の外筒部５ａに設けられた廻り止め部５ｄが嵌入されるように構成される。廻り止め部５ｄの軸方向の幅Ｂ５は固定側密封環６の外周部６ｄの軸方向の幅より十分大きく設定されているので、固定側密封環６が軸方向に移動した場合でも固定側密封環６の外周部６ｄは廻り止め部５ｄの両端より内側に位置する。 このため、廻り止め部５ｄと切り欠き溝６ｅとの相対摺動によりカーボン製の固定側密封環６の切り欠き溝６ｅ側が摩耗する場合でも、切り欠き溝６ｅの摩耗は軸方向の全長において発生し段差がないことから、廻り止め部５ｄと切り欠き溝６ｅとの間における軸方向の相対移動はスムースに行われる。

【0034】

また、図１に示すように、回転側密封環３の摺動面Ｓの背面側には外径側が内径側に比べて軸方向の長さが小さい段差３ｃが設けられている。この段差３ｃは、既存の装置に本メカニカルシールを装着する際、既存の装置側における大きな変更を必要としないためのものである。

【0035】

次に、図２を参照しながら、本発明の実施例１に係る回転側密封環３の摺動面Ｓの摺動面について説明する。
本例では、回転側密封環３の摺動面Ｓに流体導入溝１０および動圧発生溝１１が設けられている。
回転側密封環３の摺動面に流体導入溝１０および動圧発生溝１１の加工が行われるため、回転側密封環３は炭化ケイ素（ＳｉＣ）から形成され、固定側密封環６はカーボンから形成されている。

【0036】

図２において、回転側密封環３の摺動面Ｓの外周側が被密封流体側であり、また、内周側が漏れ側、例えば気体側であり、回転側密封環３は矢印に示すように時計方向に回転するものとする。
回転側密封環３の摺動面Ｓには、該摺動面Ｓの被密封流体側、すなわち、外周側の周縁に連通し、漏れ側、すなわち、内周側の周縁には連通しないように構成された流体導入溝１０が設けられると共に、摺動面Ｓの内周側の周縁に連通し、外周側の周縁には連通しないように構成された動圧発生溝１１が設けられている。

【0037】

図２において、流体導入溝１０は、外周側の周縁にのみ開口する開口部１０ａを有し、開口部１０ａがもっとも大きく、径方向の内方に向けて先細形状に形成されている。このため、起動時などの回転側密封環３の低速回転状態において摺動面Ｓの外周側に存在する流体が、摺動面に容易に入りやすくなり、摺動面Ｓの潤滑に寄与することができる。また、流体導入溝１０は、回転時における上流側に先細部が位置し、下流側に外周側の周縁に開口する開口部１０ａが位置するように径方向に傾斜した形状とされている。このため、回転側密封環３が定常運転等の高速回転状態において、流体導入溝１０から摺動面に導入された流体は遠心力により、外周側に排出されやすくなり、漏れ側である内周側に流体が漏洩することはない。
本例では、流体導入溝１０は、周方向に６等配に設けられているが、１以上あればよく、また、等配に限らない。

【0038】

一方、動圧発生溝１１は、摺動面Ｓの内周側の周縁に連通し、外周側の周縁には連通しないように構成され、内周側を基点として反時計方向に傾斜したスパイラル形状をしている。動圧発生溝１１は、定常運転等の回転側密封環３の高速回転状態において、内周側の入口１１ａから気体を吸い込み、外周側の端部１１ｂ付近で動圧（正圧）を発生する。このため、回転側密封環３と固定側密封環６との摺動面Ｓに僅かな間隙が形成され、摺動面Ｓは気体潤滑の状態となり非常に低摩擦となる。同時に、スパイラル形状の動圧発生溝１１により内周側の気体が外周側に向けてポンピングされるため、外周側の液体が内周側へ漏洩することが防止される。また、スパイラル形状の動圧発生溝１１は外周側とはランド部Ｒにより隔離されているため、静止時において漏れが発生することがない。
本例では、スパイラル形状の動圧発生溝１１は、流体導入溝１０に干渉しない位置において周方向に多数配設されているが、この配設形態は運転条件等を考慮して設計的に決められるものである。

【0039】

流体導入溝１０は、動圧発生溝１１による動圧発生を邪魔しない範囲で外周側（液体側）に大きく開口され、流体の導入を促進する形状、例えば、略直角三角形状、三日月形状など、底辺に相当する部分が外周側に開口され、底辺から直交する短辺が回転時における上流側に位置して径方向の内方に延び、斜辺が回転時における下流側に向かって外周側に傾斜するように設定されるのが望ましい。
なお、流体導入溝１０の深さは、動圧発生溝１１の深さに比較して十分に深く設定され、例えば、２５μｍ〜５００μｍ程度に設定される。

【0040】

ここで、図３を参照しながら、実施例１における摺動面の状態をわかりやすく説明する。
図３（ａ）は、流体導入溝及び動圧発生溝の設けられた摺動面における流体導入溝及び動圧発生溝の有する役割を説明する基本構成図である。
例えば、摺動面の外周側に被密封流体が、また、内周側の漏れ側に気体が存在するとした場合、流体導入溝は、低速回転時には外周側の流体を摺動面に導入して摺動面を非接触状態にし、高速回転時には遠心力により摺動面の流体を吹き飛ばして流体の影響を無効にする役割を担うものである。
一方、動圧発生溝は、低速回転時には外周側から内周側への漏れを防止し、高速回転時には内周側の気体を吸い込み摺動面を非接触状態にすると共にガスシール機構の役割を担うものである。

【0041】

図３（ｂ）は、低速回転時の状況を説明する図であり、流体導入溝により、外周側の流体が摺動面に導入されて流体潤滑作用により摺動面が非接触状態に保持される一方、内周側においては発生される動圧が小さいため気体は十分に取り込まれない状況にあるが、内周側への漏れは阻止される。

【0042】

図３（ｃ）は、高速回転時の状況を説明する図でありもので、摺動面に導入された流体は遠心力で外周側に吹き飛ばされるため、摺動面の流体による流体潤滑作用が無効とされる一方、内周側においては発生される動圧が大きいため気体は十分に取り込まれ、摺動面は非接触状態に維持されると共に摺動面の圧力が高められるため外周側の流体が内周側へ漏れることはない。いわゆる、ガスシールの状態にある。

【0043】

以上説明した実施例１の構成によれば、以下のような効果を奏する。
（１）回転側密封環３の摺動面Ｓには、摺動面Ｓの内周側の周縁に連通し、外周側の周縁には連通しないように構成された動圧発生溝１１が設けられ、固定側密封環６の背面側には固定側密封環６を回転側密封環３の摺動面Ｓに向けて押圧するためのスプリング７が配設され、固定側密封環６の背面側とスプリング７との間にはスプリングホルダー８が設けられることにより、回転側密封環３と固定側密封環６との摺動面Ｓに僅かな間隙が形成され、摺動面Ｓは流体潤滑の状態となり非常に低摩擦となると同時に、動圧発生溝１１により内周側の気体が外周側に向けてポンピングされるため、外周側の流体が内周側へ漏洩することが防止される。
また、固定側密封環６をカーボンのような比較的安価な摺動材により製作することができると共に、固定側密封環６の背面側を幅広い面積で、かつ、周方向において均等な力で押圧することができ、固定側密封環６が比較的摩耗しやすいカーボン製である場合にも、摺動面の変形を防止することができ、長期間にわたり摺動面の密封と潤滑との相反する両機能を両立させることのできるメカニカルシールを提供することができる。
（２）固定側密封環６の背面側は、外径側が内径側に比較して軸方向に短い段部６ａを有し、スプリングホルダー８は略Ｌ字状をなしており、段部６ａの軸方向表面６ｂ及び径方向表面６ｃに沿うように略Ｌ字状のスプリングホルダー８が配設されることにより、固定側密封環６を安定して支持することができ、固定側密封環６の径方向の偏り、あるいは、振動を防止することができる。
（３）固定側密封環６の外周部６ｄとカートリッジ５の外筒部５ａとの間に固定側密封環６の廻り止め手段１２が設けられ、カートリッジ５の外筒部５ａに設けられた廻り止め部５ｄは固定側密封環６の材質より耐摩耗性の大きい材料から形成され、その軸方向の幅Ｂ５は固定側密封環６が軸方向に移動した場合でも固定側密封環６の外周部６ｄが廻り止め部５ｄの両端より内側に位置するように設定されることにより、廻り止め部５ｄと切り欠き溝６ｅとの相対摺動によりカーボン製の固定側密封環６の切り欠き溝６ｅ側が摩耗する場合でも、切り欠き溝６ｅの摩耗は軸方向の全長において発生し段差がないことから、廻り止め部５ｄと切り欠き溝６ｅとの間における軸方向の相対移動をスムースに行うことができる。
（４）スプリングは、コイルドウェーブスプリングであることにより、安定した撓みを得ることができ、限られた空間で強力なばね力を発揮することができるため、固定側密封環６を安定し多状態で付勢することができると共に、装置を小型化することができる。
（５）回転側密封環３の摺動面Ｓの動圧発生溝１１より高圧流体側には、流体導入溝１０が設けられることにより、低速回転時には外周側の流体を摺動面Ｓに導入して摺動面Ｓを非接触状態にし、高速回転時には遠心力により摺動面Ｓの流体を吹き飛ばして流体の影響を無効にすることができる。

【実施例2】

【0044】

図４を参照して、本発明の実施例２に係る摺動部品について説明する。
実施例２に係る摺動部品は、固定側密封環６の摺動面Ｓの内径がカートリッジ５の内筒部５ｃの径より小さく設定されている点で実施例１の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例１と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

【0045】

図４において、固定側密封環６の摺動面Ｓの内径はカートリッジ５の内筒部５ｃの径より小さく設定されている。
これは、摺動面積を大きくして、バランス比を下げるためのものである。
バランス比Ｋは、Ｋ＝受圧面積Ｂ／摺動面積Ａで表される。
通常、Ｋ＝１．１〜１．３の場合をアンバランス形、Ｋ＝０．７〜１．０の場合をバランス形という。
なお、回転側密封環３の背面には、過給のためのインペラー１３が設けられている。

【0046】

本実施例のスーパーチャージャーにおいて、従来はアンバランス形が採用されており、バランス形と比べて流体圧力による摺動面圧の増加量が大きい。摺動面圧が大きいほど、動圧発生溝の効果は小さくなる。動圧発生溝の効果は低速回転時（摺動面の相対摺動速度が小さい状態）においても小さくなるので、摺動面に十分な流体の膜厚が確保できず摺動面が損傷する可能性がある。
これに対して、摺動面積を大きくして、バランス比を下げてバランス形とすることで、被密封流体の圧力による摺動面圧の増加量は小さくなり、従来のアンバランス形に比べて摺動面の膜厚が厚くなり、低速回転時においても膜厚が厚くなり、摺動面は損傷しにくくなる。

【0047】

摺動面積を大きくするため、図４においては、固定側密封環６の断面形状において、背面側の内径側に設けられたＯリング９を装着するための窪み６ｆのさらに内径側においてカートリッジ５の内筒部５ｃを避けるための窪み６ｇが設けられ、固定側密封環６の摺動面Ｓの内周がカートリッジ５の内筒部５ｃより内径側に突出されている。
なお、カートリッジ５の内筒部５ｃの軸方向の長さを短くできる場合は、必ずしも窪み６ｇを設ける必要はない。

【0048】

図５は、メカニカルシールのアンバランスタイプ及びバランスタイプにおける摺動面圧を説明する説明図である。
図５に示すとおり、バランス形はアンバランス形に比べて、被密封流体の圧力による摺動面圧の増加量は小さくなる。このため、摺動面の膜厚が厚くなり、低速回転時においても膜厚が厚くなり、摺動面は損傷しにくくなる。

【0049】

以上説明した実施例２の構成によれば、実施例１の効果に加えて以下の効果を奏する。
（１）ハウジング４に対して交換可能なカートリッジ５が設けられ、固定側密封環６はカートリッジ５の高圧流体側にスプリング及びスプリングホルダーを介して軸方向に移動可能に保持されており、固定側密封環６の摺動面Ｓの内径はカートリッジ５の内筒部５ａの径より小さく設定されていることにより、摺動面積が大きくなり、バランス比が下げられてバランス形となり、圧力による摺動面圧の増加量は小さくなり、従来に比べて摺動面の膜厚が厚くなり、摺動面の損傷を防止することができる。

【実施例3】

【0050】

図６を参照して、本発明の実施例３に係る摺動部品について説明する。
実施例３は、ターボチャージャーに用いられるメカニカルシールである点で実施例２の摺動部品と相違するが、その他の基本構成は実施例２と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

【0051】

ターボチャージャーの場合は、外周側がスラストベアリング等が装着されているオイルなどの液体側（低圧側）で、内周側が空気・凝縮水などを燃焼室に過給するための被密封流体側（高圧側）であり、被密封流体側において負圧が生じた場合、外周側のオイルが内周側に漏れ出すのを防止する必要がある点において実施例２と相違する。しかし、摺動部品の摺動面間の空気の流れは、破線及び矢印で示すように、内周側から外周側に向けて形成されるものであり、この点において、実施例２と共通する。

【0052】

図６において、被密封流体側にはカートリッジ５が配設され、カートリッジ５の略コ字状断面の液体側（低圧側）にコイルドウェーブスプリング７及びスプリングホルダー８を介して固定側摺動環６を軸方向に移動可能に保持する。固定側密封環６に対峙するようにして液体側（低圧側）には回転側密封環３が配設されている。
なお、被密封流体側には過給のためのインペラー１３が設けられている。

【0053】

図６において、実施例２（図４）と同じく、固定側密封環６の摺動面Ｓの内径はカートリッジ５の内筒部５ｃの径より小さく設定されている。
これは、受圧面積を大きくして、圧力による摺動面圧のアップ量を多くし、スプリングの荷重を小さくして、起動時のトルクの低減を図るものである。

【0054】

本実施例のターボチャージャーにおいて、従来は受圧面積が小さく流体の圧力による摺動面圧のアップ量が少なく、その分、スプリング荷重を大きくする必要があった。スプリング荷重が大きいと、回転時には動圧発生溝の効果で摺動トルクは下がるものの、起動時の摺動トルクが大きくなるという問題があった。
これに対して、受圧面積を大きくすれば、圧力による摺動面圧のアップ量が多くなり、スプリングの荷重を小さくすることができ、起動時のトルクの低減を図ることができるものである。

【0055】

受圧面積を大きくするため、図５においては、固定側密封環６の断面形状において、背面側の内径側に設けられたＯリング９を装着するための窪み６ｆのさらに内径側においてカートリッジ５の内筒部５ｃを避けるための窪み６ｇが設けられ、固定側密封環６の摺動面Ｓの内周がカートリッジ５の内筒部５ｃより内径側に突出されている。
なお、カートリッジ５の内筒部５ｃの軸方向の長さを短くできる場合は、必ずしも窪み６ｇを設ける必要はない。

【0056】

以上説明した実施例３の構成によれば、実施例１の効果に加えて以下の効果を奏する。
（１）ハウジング４に対して交換可能なカートリッジ５が設けられ、固定側密封環６はカートリッジ５の高圧流体側にスプリング及びスプリングホルダーを介して軸方向に移動可能に保持されており、固定側密封環６の摺動面Ｓの内径はカートリッジ５の内筒部５ａの径より小さく設定されていることにより、受圧面積が大きくなり、圧力による摺動面圧のアップ量が多くなり、スプリングの荷重を小さくすることができ、起動時のトルクの低減を図ることができる。

【実施例4】

【0057】

図７及び図８を参照して、本発明の実施例２に係るメカニカルシールについて説明する。
実施例２に係るメカニカルシールは、回転側密封環３に環状溝が設けられた点で実施例１のメカニカルシールと相違するが、その他の基本構成は実施例１と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

【0058】

図７に示すように、回転側密封環３は、回転軸１の小径部１ａと大径部１ｂとの間の段部１ｃと回転軸１に装着されるスリーブ２の端面２ａとの間に挟着されて固定されている。回転側密封環３の摺動面Ｓ側はスリーブ２の端面２ａと対向している。
そして、回転側密封環３の摺動面Ｓ側にはスリーブ２の端面２ａの外径の位置をまたぐ径方向の幅を備えた環状溝３ａが設けられ、また、回転側密封環３の反摺動面側には回転軸１の大径部１ｂの外径の位置をまたぐ径方向の幅を備えた環状溝３ｂが設けられ、両環状溝３ａ及び３ｂの内径は略同一に設定されている。
なお、「略同一」とは、厳密な意味で同一である必要はなく、たとえば、製作上の誤差等により、完全に同一でない場合も包含する。

【0059】

回転軸１の大径部１ｂの外径とスリーブ２の外径とがメカニカルシールの装着されるポンプ装置などの関係で異なる場合がある。
今、図８（ｂ）に示すように、回転側密封環３に環状溝３ａ、３ｂが設けられていないとすると、回転側密封環３の両面には、均等な挟着力が作用しない。たとえば、回転軸１の大径部１ｂの外径に比較してスリーブ２の外径が大きい場合、回転側密封環３を回転軸１の大径部１ｂ側に曲げようとするモーメントＭが作用する。このため、回転側密封環３の摺動面Ｓが歪む恐れがある。

【0060】

これに対して、図８（ａ）に示すように、回転側密封環３の摺動面Ｓ側にはスリーブ２の端面２ａの外径の位置をまたぐ径方向の幅を備えた環状溝３ａが設けられ、また、回転側密封環３の反摺動面側には回転軸１の大径部１ｂの外径の位置をまたぐ径方向の幅を備えた環状溝３ｂが設けられ、両環状溝３ａ及び３ｂの内径が略同一に設定されていると、回転軸１の大径部１ｂの外径とスリーブ２の外径とが異なる場合（同じ場合はもちろん）でも、回転側密封環３を両側から均等な力で挟着することができ、回転側密封環３には曲げモーメントが作用しない。

【0061】

以上説明した実施例４の構成によれば、実施例１の効果に加えて、回転軸１の大径部１ｂの外径とスリーブ２の外径とが異なる場合（同じ場合はもちろん）でも、回転側密封環３を両側から均等な力で挟着することができ、回転側密封環３の摺動面Ｓの歪みの発生を防止することができる。

【0062】

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

【0063】

例えば、前記実施例１及び２では、メカニカルシールをスーパーチャージャーに適用した場合を、また、前記実施例３では、メカニカルシールをターボチャージャーに適用した場合について説明したが、本発明はこれらに限定されることなく、摺動部品の摺動面間の空気の流れが、内周側から外周側に向けて形成されるものであれば適用可能である。

【0064】

また、例えば、前記実施例では、動圧発生溝として、スパイラル形状の動圧発生溝１１について説明したが、これに限定されることなく、レイリーステップを備えたレイリーステップ機構、あるいは、ヘリングボーン溝でもよく、要は、漏れ側から流体を吸い込み正圧を発生する機構であればよい。

【符号の説明】

【0065】

１ 回転軸
１ａ 小径部
１ｂ 大径部
１ｃ 段部
２ スリーブ
２ａ 端面
３ 回転側密封環
３ａ、３ｂ 環状溝
３ｃ 段差
４ ハウジング
５ カートリッジ
５ａ 外筒部
５ｂ 円盤部
５ｃ 内筒部
５ｄ 廻り止め部
６ 回転側密封環
６ａ 段部
６ｂ 軸方向表面
６ｃ 径方向表面
６ｄ 外周部
６ｅ 切り欠き溝
６ｆ 窪み
６ｇ 窪み
７ コイルドウェーブスプリング
８ スプリングホルダー
８ａ 円筒部
８ｂ 円盤部
９ Ｏリング
１０ 流体導入溝
１０ａ 開口部
１１ 動圧発生溝
１１ａ 内周側の入口
１１ｂ 外周側の端部
１２ 廻り止め手段
１３ インペラー
Ｓ 摺動面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】