特開 2023-47451 メカニカルシール、及びメカニカルシールの流体圧調整方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023047451

(43)【公開日】2023-04-06

(54)【発明の名称】メカニカルシール、及びメカニカルシールの流体圧調整方法

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/34 20060101AFI20230330BHJP

【ＦＩ】

F16J15/34 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021156372

(22)【出願日】2021-09-27

(71)【出願人】

【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】弁理士法人サンクレスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】冨田 優記

(72)【発明者】

【氏名】奥村 淳矢

【テーマコード（参考）】

3J041

【Ｆターム（参考）】

3J041AA02

3J041BA03

3J041BA04

3J041BB02

3J041DA05

3J041DA12

(57)【要約】

【課題】回転密封環及び静止密封環の両シール面間からの被密封流体の漏れ量を調整することができるメカニカルシール、及びメカニカルシールの流体圧調整方法を提供する。
【解決手段】メカニカルシール１の静止側ユニット３は、ケーシング７２側に対して軸方向に移動可能に取り付けられ、静止密封環３５を保持しているリテーナ３４と、被密封流体が導入され当該被密封流体の流体圧Ｐ１によりリテーナ３４を軸方向一方側に押圧するように機内領域７３と連通して形成された第１流体室６１と、シール流体が導入され、当該シール流体の流体圧Ｐ２によりリテーナ３４を軸方向他方側に押圧するように機内領域７３及び第１流体室６１とは独立して形成された第２流体室６２と、シール流体の流体圧Ｐ２を調整可能な圧力調整弁４と、を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸側に一体回転可能に設けられ、軸方向一方側にシール面が形成された回転密封環と、
前記回転軸を包囲したケーシングに設けられ、前記回転密封環のシール面に対向するシール面が軸方向他方側に形成された静止密封環を有する静止側ユニットと、を備え、
前記回転密封環及び前記静止密封環により被密封流体を機内領域に密封するメカニカルシールであって、
前記静止側ユニットは、
前記ケーシング側に対して軸方向に移動可能に取り付けられ、前記静止密封環を保持しているリテーナと、
前記被密封流体が導入され、当該被密封流体の流体圧により前記リテーナを前記軸方向一方側に押圧するように、前記機内領域と連通して形成された第１流体室と、
シール流体が導入され、当該シール流体の流体圧により前記リテーナを前記軸方向他方側に押圧するように、前記機内領域及び前記第１流体室とは独立して形成された第２流体室と、
前記被密封流体及び前記シール流体のうち少なくとも一方の流体圧を調整可能な圧力調整弁と、を有する、メカニカルシール。

【請求項2】

前記静止側ユニットは、前記回転密封環及び前記静止密封環の両シール面を冷却するためのフラッシング流体の一部を、前記シール流体として前記第２流体室に導入する導入流路をさらに有する、請求項１に記載のメカニカルシール。

【請求項3】

前記機内領域は、前記回転密封環及び前記静止密封環の両シール面よりも径方向外側に形成されており、
前記リテーナは、前記静止密封環の前記軸方向一方側の端面における径方向内側の部分だけを前記軸方向他方側に押圧する押圧面を有し、
前記圧力調整弁は、前記シール流体の流体圧を調整可能である、請求項１又は請求項２に記載のメカニカルシール。

【請求項4】

前記リテーナは、
前記第１流体室内の前記被密封流体の流体圧を前記軸方向他方側から受ける第１受圧面と、
前記第２流体室内の前記シール流体の流体圧を前記軸方向一方側から受ける第２受圧面と、を有し、
前記第１受圧面の面積は、前記第２受圧面の面積以上である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のメカニカルシール。

【請求項5】

請求項１に記載のメカニカルシールにおいて、次式の関係を満たすように、前記圧力調整弁により前記少なくとも一方の流体圧を調整する、メカニカルシールの流体圧調整方法。
Ｐ１×Ｂ１＜Ｐ２×Ｂ２
ただし、上記式の各変数の定義は次の通りである。
Ｐ１：第１流体室内の被密封流体の流体圧
Ｂ１：リテーナにおいて第１流体室内の被密封流体の流体圧を軸方向他方側から受ける第１受圧面の面積
Ｐ２：第２流体室内のシール流体の流体圧
Ｂ２：リテーナにおいて第２流体室内のシール流体の流体圧を軸方向一方側から受ける第２受圧面の面積

【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、及びメカニカルシールの流体圧調整方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、高負荷用のメカニカルシールでは、高圧及び高周速の条件に対応するために、バランス比（静止密封環及び回転密封環の両シール面間を閉じようとする力と、両シール面間を開こうとする力との比率）を通常よりも小さい値（０．６～０．７５）に設定し、両シール面間から被密封流体が一定量だけ漏れるのを許容している。これにより、両シール面間において被密封流体による潤滑膜が形成されるので、両シール面間の潤滑を確保することができる（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０－１０１３６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のようにバランス比を小さくした場合、被密封流体の流体圧によりシール面同士を押し付ける押付力が小さくなる。前記押付力が小さくなると、メカニカルシールの運転中に、外乱により静止密封環の追従性が低下し易くなる。静止密封環の追従性が低下した場合、例えば両シール面間に異物が噛み込むことで、両シール面間から被密封流体が前記一定量を超えて多量に漏れるおそれがある。

【0005】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、回転密封環及び静止密封環の両シール面間からの被密封流体の漏れ量を調整することができるメカニカルシール、及びメカニカルシールの流体圧調整方法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】

【0006】

（１）本発明は、回転軸側に一体回転可能に設けられ、軸方向一方側にシール面が形成された回転密封環と、前記回転軸を包囲したケーシングに設けられ、前記回転密封環のシール面に対向するシール面が軸方向他方側に形成された静止密封環を有する静止側ユニットと、を備え、前記回転密封環及び前記静止密封環により被密封流体を機内領域に密封するメカニカルシールであって、前記静止側ユニットは、前記ケーシング側に対して軸方向に移動可能に取り付けられ、前記静止密封環を保持しているリテーナと、前記被密封流体が導入され、当該被密封流体の流体圧により前記リテーナを前記軸方向一方側に押圧するように、前記機内領域と連通して形成された第１流体室と、シール流体が導入され、当該シール流体の流体圧により前記リテーナを前記軸方向他方側に押圧するように、前記機内領域及び前記第１流体室とは独立して形成された第２流体室と、前記被密封流体及び前記シール流体のうち少なくとも一方の流体圧を調整可能な圧力調整弁と、を有する、メカニカルシールである。

【0007】

本発明によれば、第１流体室に導入される被密封流体及び第２流体室に導入されるシール流体のうち少なくとも一方の流体圧を圧力調整弁により調整することで、リテーナを軸方向他方側に押圧する力を調整することができる。これにより、リテーナに保持されている静止密封環のシール面が回転密封環のシール面を押し付ける押付力を調整できるので、回転密封環及び静止密封環の両シール面間からの被密封流体の漏れ量を調整することができる。

【0008】

（２）前記静止側ユニットは、前記回転密封環及び前記静止密封環の両シール面を冷却するためのフラッシング流体の一部を、前記シール流体として前記第２流体室に導入する導入流路をさらに有するのが好ましい。
この場合、両シール面を冷却するフラッシング流体の一部をシール流体として用いることができるので、メカニカルシールの構成を簡素化することができる。

【0009】

（３）前記機内領域は、前記回転密封環及び前記静止密封環の両シール面よりも径方向外側に形成されており、前記リテーナは、前記静止密封環の前記軸方向一方側の端面における径方向内側の部分だけを前記軸方向他方側に押圧する押圧面を有し、前記圧力調整弁は、前記シール流体の流体圧を調整可能であるのが好ましい。
この場合、静止密封環の軸方向他方側におけるシール面よりも径方向外側の部分が、機内領域の被密封流体の流体圧により押圧されても、その流体圧に対抗するように、静止密封環の軸方向一方側の端面における径方向内側の部分がリテーナの押圧面により押圧される。したがって、圧力調整弁によりシール流体の流体圧を調整し、リテーナの押圧面による静止密封環の押圧力を調整することで、静止密封環のシール面を、回転密封環のシール面に対して径方向に均一に押し付けることができる。これにより、被密封流体の流体圧に起因して、静止密封環のシール面が径方向に不均一に摩耗するのを抑制できるので、メカニカルシールのシール性能が低下するのを抑制することができる。

【0010】

（４）前記リテーナは、前記第１流体室内の前記被密封流体の流体圧を前記軸方向他方側から受ける第１受圧面と、前記第２流体室内の前記シール流体の流体圧を前記軸方向一方側から受ける第２受圧面と、を有し、前記第１受圧面の面積は、前記第２受圧面の面積以上であるのが好ましい。
この場合、リテーナにおける第１受圧面の面積を第２受圧面の面積以上にすることで、第１受圧面の面積を第２受圧面の面積よりも小さくする場合と比較して、静止密封環のバランス径を小さくすることができる。これにより、リテーナの押圧面による静止密封環の押圧力、及び押圧面の周速を低減することができる。特に、高圧及び高周速の条件で使用される高負荷用のメカニカルシールにおいて有効となる。

【0011】

（５）前記（１）のメカニカルシールの流体圧調整方法は、次式の関係を満たすように、前記圧力調整弁により前記少なくとも一方の流体圧を調整する。
Ｐ１×Ｂ１＜Ｐ２×Ｂ２
ただし、上記式の各変数の定義は次の通りである。
Ｐ１：第１流体室内の被密封流体の流体圧
Ｂ１：リテーナにおいて第１流体室内の被密封流体の流体圧を軸方向他方側から受ける第１受圧面の面積
Ｐ２：第２流体室内のシール流体の流体圧
Ｂ２：リテーナにおいて第２流体室内のシール流体の流体圧を軸方向一方側から受ける第２受圧面の面積

【0012】

この場合、上記式の力関係が維持されるので、リテーナには常に軸方向他方側に押圧する力が作用する。これにより、リテーナが軸方向一方側に移動するのを抑制しつつ、リテーナを軸方向他方側に押圧する力を調整することができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明のメカニカルシールによれば、回転密封環及び静止密封環の両シール面間からの被密封流体の漏れ量を調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。

【図2】図１の要部拡大断面図である。

【図3】静止密封環の周辺を示す拡大断面図である。

【図4】リテーナの押圧面を変更した参考例において静止密封環のシール面の摩耗状況を説明する断面図である。

【図5】図４の参考例において静止密封環のシール面の摩耗状況を説明する断面図である。

【図6】本発明の第２実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。

【図7】図２の要部拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。図１において、メカニカルシール１は、ポンプ、撹拌機等の回転機器に用いられ、回転機器の内部において被密封流体（溶剤、水又は油等）を密封するものである。メカニカルシール１は、回転機器の回転軸７１と、回転軸７１を包囲しているケーシング７２との間において、回転軸７１の軸方向（以下、単に「軸方向」という）に沿って配置されている。

【0016】

本実施形態のメカニカルシール１は、高圧及び高周速等の高負荷条件で使用されるものであり、回転軸７１に一体回転可能に設けられた回転側ユニット２と、ケーシング７２に設けられた静止側ユニット３と、を備えている。なお、本明細書では、便宜上、図１の左側を軸方向一方側といい、図１の右側を軸方向他方側という（図２～図７についても同様）。

【0017】

＜回転側ユニット＞
回転側ユニット２は、スリーブ１１、ストッパリング１２、回転密封環１３、及びリテーナ１４を備えている。スリーブ１１は、回転軸７１の外周に嵌合して固定された円筒状のスリーブ本体１１ａと、スリーブ本体１１ａの軸方向他端部から径方向外側に延びる円環部１１ｂと、円環部１１ｂの径方向外端から軸方向一方側に延びる円筒部１１ｃと、を有している。

【0018】

スリーブ本体１１ａの軸方向一端部の内周には、その周方向の所定箇所にキー溝１１ｄが形成されている。キー溝１１ｄと回転軸７１の外周面と間にはキー部材１５が挿入されている。スリーブ本体１１ａの軸方向一方側における回転軸７１の外周には、キー部材１５が軸方向一方側に抜け出さないようにストッパリング１２が嵌め込まれている。ストッパリング１２の軸方向他端部は、スリーブ本体１１ａの軸方向一端部の外周に嵌合されており、その嵌合部分にはセットスクリュー１６が径方向に締め込まれている。以上により、スリーブ１１は回転軸７１に固定されている。スリーブ本体１１ａの軸方向他端部の内周面と回転軸７１の外周面との間は、Ｏリング１７によりシール（二次シール）されている。

【0019】

スリーブ本体１１ａと円筒部１１ｃとの間には、回転密封環１３が配置されている。回転密封環１３の軸方向一方側の端面にはシール面１３ａが形成されている。回転密封環１３は、円筒状のリテーナ１４を介して円筒部１１ｃに同心状に取り付けられている。具体的には、回転密封環１３の外周面は、リテーナ１４の内周面に嵌合して固定されており、リテーナ１４の外周面は、円筒部１１ｃの内周面に嵌合されている。リテーナ１４の外周面における周方向の一部には、径方向外側に突出する凸部１４ａ（図２参照）が一体に形成されている。凸部１４ａは、円筒部１１ｃの内周面において周方向の一部に形成された凹溝１１ｅ（図２参照）に挿入されている。これにより、スリーブ１１に対するリテーナ１４及び回転密封環１３の回転が規制されている。リテーナ１４の軸方向他方側にはＯリング１８が配置されている。Ｏリング１８は、円筒部１１ｃの内周面と回転密封環１３の外周面との間をシール（二次シール）している。

【0020】

＜静止側ユニット＞
静止側ユニット３は、シールケース３０、リテーナ３４、及び静止密封環３５を備えている。シールケース３０は、ケーシング７２に固定された円環状の第１ケース体３１と、第１ケース体３１に固定された円環状の第２ケース体３２と、第２ケース体３２に固定された円筒状の第３ケース体３３と、を有している。

【0021】

第１ケース体３１の径方向外側部は、ケーシング７２の軸方向一方側の側面に当接した状態で、ボルト３６によりケーシング７２に固定されている。第１ケース体３１の径方向内側には、環状溝３１ａが形成されている。第１ケース体３１の軸方向他方側の側面とケーシング７２の軸方向一方側の側面との間は、Ｏリング３８によりシール（二次シール）されている。

【0022】

第２ケース体３２は、第１ケース体３１の環状溝３１ａに嵌め込まれた状態で、ボルト３９により第１ケース体３１に固定されている。第２ケース体３２の外周面と環状溝３１ａの内周面との間は、Ｏリング４０によりシール（二次シール）されている。

【0023】

図２は、図１の要部拡大断面図である。図２に示すように、第３ケース体３３は、ケース本体３３ａと、ケース本体３３ａから軸方向一方側に延びる連結筒部３３ｂと、を有している。ケース本体３３ａの外周面は、ケーシング７２の内周面に嵌合されている。ケース本体３３ａの外周面の軸方向両側それぞれとケーシング７２の内周面との間は、Ｏリング４１及びＯリング４２によりシール（二次シール）されている。

【0024】

連結筒部３３ｂは、円筒状に形成されており、ケース本体３３ａの外周面よりも小径に形成されている。連結筒部３３ｂの軸方向一方側は、その内周面が第２ケース体３２の外周面に嵌合された状態で、ビス４３により固定されている。また、連結筒部３３ｂの軸方向一方側は、第２ケース体３２に固定された状態で、第１ケース体３１の環状溝３１ａに嵌め込まれている。

【0025】

リテーナ３４は、円環状に形成されたリテーナ本体３４０と、リテーナ本体３４０の内周端部から軸方向他方側に延びる第１円筒部３４１と、リテーナ本体３４０の内周端部から軸方向一方側に延びる第２円筒部３４２と、を有している。リテーナ本体３４０は、第３ケース体３３の内周側において軸方向に移動可能に配置されている。リテーナ本体３４０の外周面と第３ケース体３３の内周面との間は、Ｏリング４４によりシール（二次シール）されている。

【0026】

リテーナ本体３４０の軸方向他方側の第１側面３４０ａには、ピン４５が軸方向他方側に突出して固定されている。リテーナ本体３４０の軸方向一方側の第２側面３４０ｂには、ピン４６が軸方向一方側に突出して固定されている。ピン４６は、第２ケース体３２に形成されたピン溝３２ａに挿入されている。これにより、リテーナ３４は、ケーシング７２側であるシールケース３０に対して軸方向へ移動可能に取り付けられるとともに、シールケース３０に対する相対回転が規制されている。

【0027】

図１に示すように、第２ケース体３２とリテーナ本体３４０との間には、スプリング４７が周方向に所定間隔をあけて複数（図１では１個のみ図示）設けられている。スプリング４７は、第２ケース体３２に対してリテーナ本体３４０を軸方向他方側へ付勢している。

【0028】

図２に示すように、第１円筒部３４１の外径は、第２円筒部３４２の外径よりも大きい。これにより、リテーナ本体３４０における第１側面３４０ａの面積Ｂ１は、第２側面３４０ｂの面積Ｂ２よりも小さい。第２円筒部３４２は、第２ケース体３２の内周側に挿入されている。第２円筒部３４２の外周面と第２ケース体３２の内周面との間は、Ｏリング４８によりシール（二次シール）されている。

【0029】

静止密封環３５は、リテーナ３４の軸方向他方側に配置されている。静止密封環３５の軸方向他端部における径方向内側には、軸方向他方側に突出する円環状のノーズ部３５ａが形成されている。ノーズ部３５ａの軸方向他方側の端面は、回転密封環１３のシール面１３ａに対向して接触しうるシール面３５ｂとされている。これにより、ケーシング７２内における回転密封環１３及び静止密封環３５の両シール面１３ａ，３５ｂよりも径方向外側に、被密封流体が密封される機内領域７３が形成されている。

【0030】

本実施形態のメカニカルシール１は、上記のように高負荷条件で使用されるため、バランス比（回転密封環１３及び静止密封環３５の両シール面１３ａ，３５ｂ間を閉じようとする力と、両シール面１３ａ，３５ｂ間を開こうとする力との比率）が小さい値（例えば、０．６～０．７５）となるように、静止密封環３５の形状が定められている。したがって、本実施形態のメカニカルシール１は、バランス比を小さくすることで、両シール面１３ａ，３５ｂ間から被密封流体が一定量だけ漏れるのを許容している。これにより、両シール面１３ａ，３５ｂ間において被密封流体による潤滑膜が形成されるので、両シール面１３ａ，３５ｂ間の潤滑を確保することができる。

【0031】

静止密封環３５の軸方向一端部における径方向外側には、ピン溝３５ｃが形成されている。ピン溝３５ｃには、リテーナ本体３４０に固定されたピン４５が挿入されている。これにより、静止密封環３５は、リテーナ３４により保持され、リテーナ３４に対する相対回転が規制されている。

【0032】

図３は、静止密封環３５の周辺を示す拡大断面図である。図３に示すように、静止密封環３５の軸方向一方側の端面３５ｄは、径方向内側から径方向外側へ向かって順に形成された、第１端面３５ｄ１、第２端面３５ｄ２、及び第３端面３５ｄ３からなる。第１端面３５ｄ１には、リテーナ３４の第１円筒部３４１における軸方向他方側の端面３４１ａが当接している。第２端面３５ｄ２は、第１端面３５ｄ１よりも軸方向一方側に突出して形成されている。第１端面３５ｄ１と第２端面３５ｄ２との間には、第１円周面３５ｅが形成されている。第１円周面３５ｅの内周側には、第１円筒部３４１の軸方向他端部が挿入されている。

【0033】

第３端面３５ｄ３は、第２端面３５ｄ２よりも軸方向一方側に突出して形成されている。第２端面３５ｄ２と第３端面３５ｄ３との間には、第２円周面３５ｆが形成されている。第２円周面３５ｆの内周面と第１円筒部３４１の外周面との間は、Ｏリング４９によりシール（二次シール）されている。第３端面３５ｄ３は、リテーナ本体３４０の第１側面３４０ａに対して軸方向他方側に隙間をあけて配置されている。以上の構成により、静止密封環３５の軸方向一方側の端面３５ｄにおける径方向内側の部分（第１端面２５ｄ１）だけに、リテーナ３４（第１円筒部３４１の端面３４１ａ）が当接している。

【0034】

リテーナ３４は、後述するように式（１）の力関係が常に維持されることで、常に軸方向他方側に押圧されている。このため、リテーナ３４の端面３４１ａは、静止密封環３５の第１端面３５ｄ１を軸方向他方側に押圧する押圧面として機能する。以下、リテーナ３４の端面３４１ａを押圧面３４１ａともいう。

【0035】

＜フラッシング流路＞
図１及び図２に示すように、ケーシング７２には、フラッシング流体が流れるフラッシング流路７４が形成されている。フラッシング流体は、機内領域７３に導入されて回転密封環１３及び静止密封環３５の両シール面１３ａ，３５ｂを冷却する流体であり、被密封流体と同じ流体からなる。

【0036】

フラッシング流路７４は、ケーシング７２の周方向の所定箇所において径方向に延びて形成されている。フラッシング流路７４の径方向外端は、ケーシング７２の外側に配置された第１配管７５に接続されている。第１配管７５は、機内領域７３内の被密封流体をフラッシング流体として、フラッシング流路７４に供給する配管である。

【0037】

シールケース３０は、フラッシング流路７４と機内領域７３とを連通する連通流路５０を有している。連通流路５０は、第３ケース体３３に形成された環状流路５１、第１供給流路５２、及び第２供給流路５３を有している。環状流路５１は、第３ケース体３３の周方向に円環状に形成されている。また、環状流路５１は、第３ケース体３３の外周で開口しており、フラッシング流路７４の径方向内端と連通している。本実施形態の環状流路５１は、例えば断面矩形状に形成されている。

【0038】

第１供給流路５２は、環状流路５１と機内領域７３とを連通し、回転密封環１３及び静止密封環３５の両シール面１３ａ，３５ｂにフラッシング流体を供給する流路である。第１供給流路５２は、第３ケース体３３の周方向に所定間隔をあけて複数形成されている。各第１供給流路５２は、両シール面１３ａ，３５ｂに向けてフラッシング流体が供給されるように、第３ケース体３３において環状流路５１から軸方向他方側かつ径方向内側に向かって傾斜するように形成されている。

【0039】

第２供給流路５３は、環状流路５１と機内領域７３とを連通し、後述する第１流体室６１にフラッシング流体を供給する流路である。第２供給流路５３は、第１供給流路５２と同様に、第３ケース体３３の周方向に所定間隔をあけて複数形成されている。各第２供給流路５３は、第１流体室６１に向けてフラッシング流体が供給されるように、第３ケース体３３において第１流体室６１の径方向外側に形成されている。

【0040】

＜第１流体室＞
図２に示すように、静止側ユニット３は、機内領域７３と連通して形成された第１流体室６１を備えている。第１流体室６１は、リテーナ３４と静止密封環３５との間に形成されている。具体的には、第１流体室６１は、リテーナ本体３４０の第１側面３４０ａと静止密封環３５の第２端面３５ｄ２及び第３端面３５ｄ３との間に形成された隙間によって構成されている。第１流体室６１の径方向内側は、上記のＯリング４９によってシールされている。

【0041】

第１流体室６１は、その径方向外側において機内領域７３と連通している。これにより、第２供給流路５３から機内領域７３に供給されたフラッシング流体（被密封流体）は、第１流体室６１に導入される。第１流体室６１に導入されたフラッシング流体は、その流体圧により、リテーナ本体３４０の第１側面３４０ａを軸方向一方側に押圧する。したがって、第１側面３４０ａは、第１流体室６１内のフラッシング流体の流体圧を軸方向他方側から受ける第１受圧面として機能する。以下、リテーナ本体３４０の第１側面３４０ａを第１受圧面３４０ａともいう。

【0042】

＜第２流体室＞
静止側ユニット３は、機内領域７３及び第１流体室６１とは独立して形成された第２流体室６２を備えている。第２流体室６２は、第２ケース体３２、第３ケース体３３、及びリテーナ３４によって区画形成されている。具体的には、第２流体室６２は、第２ケース体３２の軸方向他方側の端面とリテーナ本体３４０の第２側面３４０ｂとの間に形成された隙間、及び連結筒部３３ｂの内周面とリテーナ本体３４０の外周面との間に形成された隙間によって構成されている。

【0043】

第２流体室６２の軸方向一方側は、上記Ｏリング４０，４８によってシールされている。また、第２流体室６２の軸方向他方側は、上記Ｏリング４４によってシールされている。これにより、第２流体室６２は、機内領域７３及び第１流体室６１とは独立して形成されている。

【0044】

＜導入流路＞
図１及び図２に示すように、静止側ユニット３は、第２流体室６２にシール流体を導入する導入流路５５を備えている。本実施形態では、第１配管７５を流れるフラッシング流体の一部が、シール流体として用いられる。導入流路５５は、第１ケース体３１に形成された第１導入流路５５ａ、第１ケース体３１と第３ケース体３３との間に形成された第２導入流路５５ｂ、及び第３ケース体３３に形成された第３導入流路５５ｃを有している。

【0045】

第１導入流路５５ａは、第１ケース体３１の周方向の所定箇所において、断面略Ｌ字状に形成されている。第１導入流路５５ａの一端は、第１ケース体３１の外周面で開口し、第１配管７５から分岐する第２配管７６に接続されている。これにより、第１配管７５を流れるフラッシング流体の一部が、シール流体として第２配管７６を通過して導入流路５５に供給されるので、メカニカルシールの構成を簡素化することができる。第１導入流路５５ａの他端は、第１ケース体３１の軸方向他方側の側面において、ケーシング７２よりも径方向内側において開口している。

【0046】

第２導入流路５５ｂは、第３ケース体３３におけるケース本体３３ａの軸方向一方側の側面と、当該側面と対向する第１ケース体３１の軸方向他方側の側面との間において円環状に形成され、第１導入流路５５ａと連通している。第２導入流路５５ｂの軸方向他方側は、上記Ｏリング４１によってシールされている。第３導入流路５５ｃは、第３ケース体３３における連結筒部３３ｂの周方向の所定箇所において径方向に貫通して形成されており、第２導入流路５５ｂと第２流体室６２とを連通している。

【0047】

以上の構成により、第２配管７６を流れるシール流体は、第１導入流路５５ａ、第２導入流路５５ｂ、及び第３導入流路５５ｃを順に通過して第２流体室６２に導入される。第２流体室６２に導入されたシール流体は、その流体圧により、リテーナ本体３４０の第２側面３４０ｂを軸方向他方側に押圧する。したがって、第２側面３４０ｂは、第２流体室６２内のシール流体の流体圧を軸方向一方側から受ける第２受圧面として機能する。以下、リテーナ本体３４０の第２側面３４０ｂを第２受圧面３４０ｂともいう。

【0048】

＜排出流路＞
図１に示すように、静止側ユニット３は、第２流体室６２に導入されたシール流体を外部に排出する排出流路５６を備えている。排出流路５６は、第１ケース体３１に形成された第１排出流路５６ａ、第１ケース体３１と第３ケース体３３との間に形成された第２排出流路５６ｂ、及び第３ケース体３３に形成された第３排出流路５６ｃを有している。

【0049】

第１排出流路５６ａは、第１ケース体３１の周方向の所定箇所（第１導入流路５５ａとは異なる箇所）において、断面略Ｌ字状に形成されている。第１排出流路５６ａの一端は、第１ケース体３１の外周面で開口し、ケーシング７２の外側に配置された第３配管７７に接続されている。第１排出流路５６ａの他端は、第１ケース体３１の軸方向他方側の側面において、ケーシング７２よりも径方向内側において開口している。

【0050】

第２排出流路５６ｂは、第１排出流路５６ａと連通する流路である。本実施形態では、第１排出流路５６ａが円環状の第２導入流路５５ｂと連通しており、その第２導入流路５５ｂが第２排出流路５６ｂを兼ねている。第３排出流路５６ｃは、第３ケース体３３における連結筒部３３ｂの周方向の所定箇所（第３導入流路５５ｃとは異なる箇所）において、径方向に貫通して形成されている。これにより、第３排出流路５６ｃは、第２排出流路５６ｂ（第２導入流路５５ｂ）と第２流体室６２とを連通している。

【0051】

以上の構成により、第２流体室６２内のシール流体は、第３排出流路５６ｃ、第２排出流路５６ｂ、及び第１排出流路５６ａを順に通過して第３配管７７に排出される。なお、第２排出流路５６ｂは、第２導入流路５５ｂとは独立して形成されていてもよい。

【0052】

＜圧力調整弁＞
メカニカルシール１は、シール流体の流体圧を調整可能な一対の圧力調整弁４と、逆止弁５と、をさらに備えている。逆止弁５は、第２配管７６に設けられ、第２配管７６内のシール流体が第１配管７５に逆流するのを防止している。一対の圧力調整弁４は、第２配管７６において逆止弁５よりも導入流路５５側に設けられた第１圧力調整弁４Ａと、第３配管７７に設けられた第２圧力調整弁４Ｂと、によって構成されている。

【0053】

第１圧力調整弁４Ａは、第２配管７６において第２流体室６２に導入されるシール流体の流体圧を手動で調整可能である。第２圧力調整弁４Ｂは、第３配管７７において第２流体室６２から排出されたシール流体の流体圧を手動で調整可能である。

【0054】

＜シール流体の流体圧の調整方法＞
図１及び図２において、リテーナ３４の第１受圧面３４０ａ及び第２受圧面３４０ｂをそれぞれ流体圧によって押圧する力は、両受圧面３４０ａ，３４０ｂの面積Ｂ１，Ｂ２を用いた次式（１）の力関係を常に維持している必要がある。
Ｐ１×Ｂ１＜Ｐ２×Ｂ２ （１）
ここで、Ｐ１は、第１流体室６１（機内領域７３）内におけるフラッシング流体（被密封流体）の流体圧であり、Ｐ２は、第２流体室６２内におけるシール流体の流体圧である。

【0055】

上記式（１）の力関係が常に維持されることで、リテーナ３４には常に軸方向他方側に押圧する力が作用するので、リテーナ３４が軸方向一方側に移動するのを防止することができる。これにより、リテーナ３４の軸方向一方側への移動に起因して、Ｏリング４９がリテーナ３４と静止密封環３５との間から脱落するのを抑制できるので、機内領域７３の被密封流体が機外に漏洩するのを抑制することができる。

【0056】

一対の圧力調整弁４によりシール流体の流体圧Ｐ２を調整する際にも、上記式（１）の力関係が常に維持されている必要がある。本実施形態では、上記のように、第１受圧面（第１側面）３４０ａの面積Ｂ１は、第２受圧面（第２側面）３４０ｂの面積Ｂ２よりも小さい。このため、両面積Ｂ１，Ｂ２の大小関係に基づいて上記式（１）の力関係が常に維持されるように、一対の圧力調整弁４により、シール流体の流体圧Ｐ２は、フラッシング流体の流体圧Ｐ１よりも小さい範囲で調整される。

【0057】

なお、リテーナ３４には、上記のようにスプリング４７（図１参照）によって軸方向他方側へ付勢する力が作用しているが、本実施形態のメカニカルシール１は高負荷（高圧）条件で使用されるため、各流体圧Ｐ１，Ｐ２も高圧となる。このため、上記式（１）の右辺及び左辺それぞれの力は、スプリング４７の付勢力よりもかなり大きい値となるので、上記式（１）においてスプリング４７の付勢力を無視しても問題はない。

【0058】

上記式（１）の力関係が常に維持されるように、一対の圧力調整弁４によりシール流体の流体圧Ｐ２を調整することで、リテーナ３４の押圧面３４１ａ（図３参照）が静止密封環３５を軸方向他方側に押圧する力を調整することができる。この押圧する力を調整することで、静止密封環３５のシール面３５ｂが回転密封環１３のシール面１３ａを押し付ける押付力を調整することができる。これにより、回転密封環１３及び静止密封環３５の両シール面１３ａ，３５ｂ間からの被密封流体の漏れ量を適切に調整することができる。

【0059】

ところで、図３に示すように、静止密封環３５におけるシール面３５ｂよりも径方向外側の外周には、被密封流体の流体圧Ｐ１により軸方向一方側かつ径方向内側に向かって押圧される。このように流体圧Ｐ１が作用すると、静止密封環３５には、その断面の重心Ｇを中心として図３の時計回り方向に回転モーメントＭ１が発生する。このため、図４に示すように、例えばリテーナ３４の静止密封環３５を押圧する押圧面を、端面３４１ａの代わりに第１側面３４０ａとし、その第１側面３４０ａにより静止密封環３５の第３端面３５ｄ３を押圧するようにした場合、つまり回転モーメントＭ１の発生を助長するようにリテーナ３４が静止密封環３５を押圧するようにした場合、以下のような問題が生じる。

【0060】

図４において、回転モーメントＭ１が発生すると、静止密封環３５のシール面３５ｂにおける径方向外側部が径方向内側部よりも回転密封環１３のシール面１３ａに強く押し付けられ、当該径方向外側部が優先して摩耗する。その結果、図５に示ように、静止密封環３５のシール面３５ｂにおける径方向外側部を、回転密封環１３のシール面１３ａに押し付けることができなくなり、機内領域７３の被密封流体が多量に漏れてしまうおそれがある。

【0061】

これに対して図３に示すように、本実施形態では、シール流体の流体圧Ｐ２（図２参照）により、リテーナ３４の端面（押圧面）３４１ａが、静止密封環３５の重心Ｇよりも径方向内側に位置する第１端面３５ｄ１を軸方向他方側に押圧する。つまり、被密封流体の流体圧Ｐ１に対向するように、リテーナ３４の押圧面３４１ａが静止密封環３５の第１端面３５ｄ１を押圧する。その押圧力Ｆ１により、静止密封環３５には、重心Ｇを中心として図３の反時計回り方向に回転モーメントＭ２が発生する。これにより、静止密封環３５には、互いに逆方向となる回転モーメントＭ１，Ｍ２が発生する。

【0062】

したがって、一対の圧力調整弁４によりシール流体の流体圧Ｐ２を調整し、リテーナ３４の押圧面３４１ａによる静止密封環３５の押圧力Ｆ１を調整することで、両回転モーメントＭ１，Ｍ２を互いに打ち消し合うようにすることができる。これにより、静止密封環３５のシール面３５ｂを、回転密封環１３のシール面１３ａに対して、径方向に均一に押し付けることができる。その結果、静止密封環３５のシール面３５ｂが径方向に不均一に摩耗するのを抑制できるので、メカニカルシール１のシール性能が低下するのを抑制することができる。

【0063】

［第２実施形態］
図６は、本発明の第２実施形態に係るメカニカルシールを示す断面図である。本実施形態のメカニカルシール１は、第２配管７６、リテーナ３４における第１及び第２受圧面３４０ａ，３４０ｂの両面積Ｂ１，Ｂ２の大小関係、及びシール流体の流体圧の調整方法が、第１実施形態と異なる。

【0064】

本実施形態の第２配管７６は、第１配管７５とは独立して設けられている。第２配管７６には、第１配管７５を流れるフラッシング流体（被密封流体）と同じ流体が、シール流体として流れる。なお、第２配管７６には、フラッシング流体と異なる流体を、シール流体として流してもよい。

【0065】

図７は、図６の要部拡大断面図である。図７に示すように、本実施形態のリテーナ３４において、第１円筒部３４１の外径は、第２円筒部３４２の外径よりも小さい。これにより、リテーナ本体３４０における第１受圧面３４０ａの面積Ｂ１は、第２受圧面３４０ｂの面積Ｂ２よりも大きい。このため、両面積Ｂ１，Ｂ２の大小関係に基づいて上記式（１）の力関係が常に維持されるように、一対の圧力調整弁４により、シール流体の流体圧Ｐ２は、フラッシング流体の流体圧Ｐ１よりも大きい範囲で調整される。

【0066】

本実施形態では、リテーナ本体３４０における第１受圧面３４０ａの面積Ｂ１が、第２受圧面３４０ｂの面積Ｂ２よりも大きいので、面積Ｂ１が面積Ｂ２よりも小さい場合（図２参照）と比較して、静止密封環３５のバランス径Ｄ１（本実施形態では静止密封３５を押圧するリテーナ３５（第１円筒部３４１）の外径）小さくすることができる。なお、第１受圧面３４０ａの面積Ｂ１は、第２受圧面３４０ｂの面積Ｂ２以上であればよい。本実施形態の他の構成は、第１実施形態と同様であるため、同一の符号を付し、その説明を省略する。

【0067】

以上より、本実施形態においても、一対の圧力調整弁４によりシール流体の流体圧Ｐ２を調整することで、リテーナ３４の押圧面３４１ａが静止密封環３５を軸方向他方側に押圧する力を調整することができる。この押圧する力を調整することで、静止密封環３５のシール面３５ｂが回転密封環１３のシール面１３ａを押し付ける押付力を調整することができる。これにより、回転密封環１３及び静止密封環３５の両シール面１３ａ，３５ｂ間からの被密封流体の漏れ量を適切に調整することができる。

【0068】

また、リテーナ３４における第１受圧面３４０ａの面積Ｂ１が、第２受圧面３４０ｂの面積Ｂ２よりも大きいので、面積Ｂ１を面積Ｂ２よりも小さくする場合と比較して、静止密封環３５のバランス径Ｄ１を小さくすることができる。これにより、リテーナ３５の押圧面３４１ａによる静止密封環３５の押圧力、及び押圧面３４１ａの周速を低減することができる。特に、本実施形態のように高圧及び高周速の条件で使用される高負荷用のメカニカルシール１において有効となる。

【0069】

［その他］
上記各実施形態の圧力調整弁４は、手動により流体圧Ｐ２を調整可能であるが、自動で流体圧Ｐ２を調整してもよい。その場合、例えば、回転密封環１３及び静止密封環３５の両シール面１３ａ，３５ｂ間からの被密封流体の漏れ量をセンサで検知し、その検知情報を受信した制御部において前記漏れ量が所定範囲外である場合に、圧力調整弁４を制御して流体圧Ｐ２を自動で調整すればよい。

【0070】

上記各実施形態の圧力調整弁４は、シール流体の流体圧Ｐ２を調整しているが、これに加えて又はこれに代えて、第１配管７５に圧力調整弁４を設け、フラッシング流体（被密封流体）の流体圧Ｐ１を手動又は自動で調整してもよい。この場合、第１配管７５に設けられた圧力調整弁４により、第１実施形態では流体圧Ｐ１を流体圧Ｐ２よりも大きい範囲で調整し、第２実施形態では流体圧Ｐ１を流体圧Ｐ２よりも小さい範囲で調整すればよい。なお、第１実施形態において圧力調整弁４により流体圧Ｐ１を調整する際には、流体圧Ｐ１を昇圧する機構を設けるのが好ましい。例えば、回転側ユニット２よりも軸方向他方側において、回転軸７１とケーシング７２との間に、フローティングリングを設け、このフローティングリングと回転軸７１と間を流れるフラッシング流体の隙間を小さくし、流体圧Ｐ１を昇圧すればよい。

【0071】

第１実施形態の第２配管７６は、第１配管７５から分岐しているが、第２実施形態と同様に、第１配管７５とは独立して設けられていてもよい。その場合、第２配管７６を流れるシール流体は、第１配管７５を流れるフラッシング流体（被密封流体）と同じ流体であってもよいし、異なる流体であってもよい。

【0072】

第２実施形態の第２配管７６は、第１配管７５とは独立して設けられているが、第１実施形態と同様に、第１配管７５から分岐していてもよい。
本発明のメカニカルシールは、高負荷条件以外で使用される場合にも適用することができる。その場合、上記式（１）は、スプリング４７の付勢力を加味した力関係に設定すればよい。

【0073】

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0074】

１ メカニカルシール
３ 静止側ユニット
４ 圧力調整弁
１３ 回転密封環
１３ａ シール面
３４ リテーナ
３５ 静止密封環
３５ｂ シール面
３５ｄ１ 第１端面（端面）
５５ 導入流路
６１ 第１流体室
６２ 第２流体室
７１ 回転軸
７２ ケーシング
３４０ａ 第１側面（第１受圧面）
３４０ｂ 第２側面（第２受圧面）
３４１ａ 端面（押圧面）
Ｂ１ 第１受圧面の面積
Ｂ２ 第２受圧面の面積
Ｐ１ フラッシング流体（被密封流体）の流体圧
Ｐ２ シール流体の流体圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】