特開 2023-91263 メカニカルシール

(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】P2023091263

(43)【公開日】2023-06-30

(54)【発明の名称】メカニカルシール

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/38 20060101AFI20230623BHJP

   F16J 15/36 20060101ALI20230623BHJP

【ＦＩ】

F16J15/38

F16J15/36

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021205915

(22)【出願日】2021-12-20

(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】福井 宏起

(72)【発明者】

【氏名】原 勇気

(72)【発明者】

【氏名】冨田 優記

【テーマコード（参考）】

3J041

【Ｆターム（参考）】

3J041AA01

3J041BB02

3J041BB03

3J041DA10

(57)【要約】

【課題】回転軸が傾斜しても、シール性能の低下を抑えることが可能となるメカニカルシールを提供する。
【解決手段】メカニカルシール１０は、回転密封環１６を有する回転ユニット１１と、静止密封環１７を有する静止ユニット１２と、回転ユニット１１に取り付けられる軸受１３とを備える。静止ユニット１２は、回転機器７に取り付けられる第一ブロック３１と、静止密封環１７を含む第二ブロック３２と、第二ブロック３２の回転を防止するとともに径方向変位を許容して第一ブロック３１と第二ブロック３２とを連結する連結部３３と、密封流体が第一ブロック３１と第二ブロック３２との間を通じて機外側へ漏れるのを防ぐ弾性シール部材３４と、弾性シール部材３４が機内側から機外側に押される力に抗する対抗部３５とを有する。軸受１３は、第二ブロック３２に対して回転ユニット１１を回転自在に支持する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転密封環を有し回転軸と一体回転可能である回転ユニットと、
前記回転密封環との間でシールするための静止密封環を有する静止ユニットと、
前記回転ユニットまたは前記回転軸に取り付けられる軸受と、
を備え、
前記静止ユニットは、
回転機器に取り付けられる第一ブロックと、
前記静止密封環を含む第二ブロックと、
前記第一ブロックに対する前記第二ブロックの回転を防止するとともに径方向変位を許容して前記第一ブロックと前記第二ブロックとを連結する連結部と、
前記第一ブロックと前記第二ブロックとの間に設けられ前記回転機器の機内側の密封流体が前記第一ブロックと前記第二ブロックとの間を通じて機外側へ漏れるのを防ぐ弾性シール部材と、
前記弾性シール部材が前記回転機器の機内側から機外側に押される力に抗する対抗部と、
を有し、
前記軸受は、前記回転ユニットまたは前記回転軸に取り付けられ前記第二ブロックに対して前記回転ユニットまたは前記回転軸を回転自在に支持する、
メカニカルシール。

【請求項2】

前記弾性シール部材は、径方向に伸縮可能とするベローズ形状を有する、請求項１に記載のメカニカルシール。

【請求項3】

前記対抗部は、前記静止ユニットの一部と前記弾性シール部材との間に介在する環状の空気ばねである、請求項１または請求項２に記載のメカニカルシール。

【請求項4】

前記弾性シール部材を第一弾性シール部材とした場合に、
前記対抗部は、
前記第一ブロックと前記第二ブロックとの間であって、前記第一弾性シール部材よりも機外側に前記第一弾性シール部材と間隔をあけて設けられている第二弾性シール部材と、
前記第一弾性シール部材と前記第二弾性シール部材との間に形成され加圧流体が供給される流体室と、を有して構成される、請求項１または請求項２に記載のメカニカルシール。

【請求項5】

前記第一ブロックと前記第二ブロックとのうちの一方のブロックが、前記弾性シール部材を取り付ける取り付け部を有し、
前記第一ブロックと前記第二ブロックとのうちの他方のブロックが、前記弾性シール部材が接触するシール面を有し、
前記他方のブロックは、前記シール面として、前記弾性シール部材の一部が前記回転機器の機外側から機内側に向かって接触する第一シール面を有する、
請求項３に記載のメカニカルシール。

【請求項6】

前記第一ブロックと前記第二ブロックとのうちの一方のブロックが、前記第一弾性シール部材および前記第二弾性シール部材を取り付ける取り付け部を有し、
前記第一ブロックと前記第二ブロックとのうちの他方のブロックが、前記第一弾性シール部材および前記第二弾性シール部材が接触するシール面を有し、
前記第一弾性シール部材および前記第二弾性シール部材は、径方向に弾性圧縮変形した状態となって設けられており、
前記他方のブロックは、前記シール面として、
前記第一弾性シール部材が前記回転機器の機外側から機内側に向かって接触する第一シール面と、
前記第一弾性シール部材および前記第二弾性シール部材が径方向に接触する第二シール面と、を有する、
請求項４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。

【背景技術】

【0002】

各種回転機器において、その機器ケーシングと回転軸との間で内部の流体をシールする装置として、メカニカルシールが知られている（例えば、特許文献１参照）。メカニカルシールは、回転軸と一体回転する回転密封環と、前記回転密封環との間でシールするための静止密封環とを備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】実公平６－２５７４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

メカニカルシールでは、回転密封環の回転シール面と静止密封環の静止シール面とが、相互で所望の姿勢に保たれることで、安定したシール性能が得られる。

【0005】

例えば回転軸が振れ回りするなどして、回転軸が設計回転中心線に対して傾斜する場合、回転密封環は回転軸と一体となって傾斜する。回転軸の傾斜角度が許容範囲を越えて大きくなると、固定状態にある静止密封環に対して回転密封環が追従できず、静止シール面と回転シール面との開きが大きくなる。その結果、回転機器の機内側の密封流体が機外側へ漏れる可能性がある。特に回転軸が高速回転する条件で、許容範囲を越えて傾斜する場合、漏れが生じやすい。

【0006】

なお、前記特許文献１に開示のメカニカルシールの場合、回転ユニットと静止ユニットとの間に深溝玉軸受が設けられている。この深溝玉軸受によって、静止ユニットに対して回転ユニットおよび回転軸は傾斜不能となる。その結果、回転軸が大きく傾斜するような力がメカニカルシールに作用すると、静止シール面と回転シール面との間の接触力（押し付け力）が周方向に不均一となることなどが原因で、回転抵抗が極めて高くなって発熱が生じたり、想定外の箇所で回転ユニットの一部が静止ユニットに接触したりする可能性がある。

【0007】

そこで、本発明は、回転軸が傾斜しても、シール性能の低下を抑えることが可能とな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】

【0008】

（１）本発明のメカニカルシールは、回転密封環を有し回転軸と一体回転可能である回転ユニットと、前記回転密封環との間でシールするための静止密封環を有する静止ユニットと、前記回転ユニットまたは前記回転軸に取り付けられる軸受と、を備え、前記静止ユニットは、回転機器に取り付けられる第一ブロックと、前記静止密封環を含む第二ブロックと、前記第一ブロックに対する前記第二ブロックの回転を防止するとともに径方向変位を許容して前記第一ブロックと前記第二ブロックとを連結する連結部と、前記第一ブロックと前記第二ブロックとの間に設けられ前記回転機器の機内側の密封流体が前記第一ブロックと前記第二ブロックとの間を通じて機外側へ漏れるのを防ぐ弾性シール部材と、前記弾性シール部材が前記回転機器の機内側から機外側に押される力に抗する対抗部と、を有し、前記軸受は、前記回転ユニットまたは前記回転軸に取り付けられ前記第二ブロックに対して前記回転ユニットまたは前記回転軸を回転自在に支持する。

【0009】

前記メカニカルシールによれば、回転軸が設計回転中心線に対して傾斜して回転すると、その回転軸と一緒に回転ユニットが傾斜する他に、前記軸受によって静止ユニットのうちの第二ブロックも傾斜する。つまり、回転軸が傾斜すると、回転ユニットの回転密封環と静止ユニットが有する第二ブロックの静止密封環とが共に傾斜する。このため、回転密封環と静止密封環との相対的な姿勢が維持され、回転密封環と静止密封環との間の開きを防ぐことが可能となる。よって、シール性能の低下が抑えられる。

【0010】

さらに、静止ユニットが第一ブロックと第二ブロックとに別れているが、これらの間を通じて回転機器の機内側の密封流体が漏れるのを、弾性シール部材が防ぐ。機内側の密封流体の圧力が比較的高い場合であっても、対抗部が弾性シール部材を支え、弾性シール部材の機能が維持される。

【0011】

（２）好ましくは、前記弾性シール部材は、径方向に伸縮可能とするベローズ形状を有する。この構成により、回転軸の傾斜によって静止ユニットの第二ブロックが径方向の成分を有して変位しても、弾性シール部材は前記変位に追従しやすく、弾性シール部材の機能が維持される。

【0012】

（３）好ましくは、前記対抗部は、前記静止ユニットの一部と前記弾性シール部材との間に介在する環状の空気ばねである。前記空気ばねによって、回転機器の機内側の密封流体によって弾性シール部材が機外側に押される力に抗する構成が得られる。回転軸が傾斜すると、第一ブロックと第二ブロックとの間であって、前記対抗部が設けられる空間の体積が変化する。空気ばねは前記体積の変化に追従しやすく、弾性シール部材を支え、弾性シール部材の機能が維持される。

【0013】

（４）または、好ましくは、前記弾性シール部材を第一弾性シール部材とした場合に、前記対抗部は、前記第一ブロックと前記第二ブロックとの間であって、前記第一弾性シール部材よりも機外側に前記第一弾性シール部材と間隔をあけて設けられている第二弾性シール部材と、前記第一弾性シール部材と前記第二弾性シール部材との間に形成され加圧流体が供給される流体室と、を有して構成される。前記流体室に加圧流体が供給されることで、回転機器の機内側の密封流体によって第一弾性シール部材が機外側に押される力に抗する構成が得られる。

【0014】

（５）前記（３）のメカニカルシールにおいて、好ましくは、前記第一ブロックと前記第二ブロックとのうちの一方のブロックが、前記弾性シール部材を取り付ける取り付け部を有し、前記第一ブロックと前記第二ブロックとのうちの他方のブロックが、前記弾性シール部材が接触するシール面を有し、前記他方のブロックは、前記シール面として、前記弾性シール部材の一部が前記回転機器の機外側から機内側に向かって接触する第一シール面を有する。
回転機器の機内側の密封流体によって弾性シール部材が機外側に押されると、その弾性シール部材に対して前記空気ばねは機外側から機内側に向かって押し返す作用が生じる。このため、前記第一シール面の構成によれば、空気ばねの前記作用によって弾性シール部材と第一シール面との間のシール性能が維持され、密封流体の漏れを効果的に防止することが可能となる。

【0015】

（６）前記（４）のメカニカルシールにおいて、好ましくは、前記第一ブロックと前記第二ブロックとのうちの一方のブロックが、前記第一弾性シール部材および前記第二弾性シール部材を取り付ける取り付け部を有し、前記第一ブロックと前記第二ブロックとのうちの他方のブロックが、前記第一弾性シール部材および前記第二弾性シール部材が接触するシール面を有し、前記第一弾性シール部材および前記第二弾性シール部材は、径方向に弾性圧縮変形した状態となって設けられており、前記他方のブロックは、前記シール面として、前記第一弾性シール部材が前記回転機器の機外側から機内側に向かって接触する第一シール面と、前記第一弾性シール部材および前記第二弾性シール部材が径方向に接触する第二シール面と、を有する。

【0016】

回転機器の機内側の密封流体によって第一弾性シール部材が機外側に押されると、その第一弾性シール部材を、前記流体室の加圧流体により機外側から機内側に向かって押し返す作用が生じる。このため、前記第一シール面によれば、前記流体室による前記作用によって第一弾性シール部材と第一シール面との間のシール性能が維持され、密封流体の漏れを効果的に防止することが可能となる。
さらに、回転軸が傾斜すると、静止ユニットの第二ブロックも傾斜し、第一ブロックとの径方向の距離が僅かに大きくなる領域が生じる。その領域においても、前記構成によれば、第一弾性シール部材および第二弾性シール部材は径方向の接触力を残して第二シール面に接触することが可能となる。このため、流体室の加圧流体が機内側および機外側に流出することを防ぐことが可能となる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、回転軸が傾斜しても、メカニカルシールのシール性能が低下するのを抑えることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第一実施形態に係るメカニカルシールの断面図である。

【図2】図１に示すメカニカルシールの一部を拡大して示す断面図である。

【図3】連結部およびその周囲を軸方向から見た説明図である。

【図4】図１に示すメカニカルシールの断面図である（回転軸が傾斜した状態）。

【図5】第二実施形態に係るメカニカルシールの断面図である。

【図6】図５に示すメカニカルシールの断面図である（回転軸が傾斜した状態）。

【発明を実施するための形態】

【0019】

〔メカニカルシール全体について〕
図１は、第一実施形態に係るメカニカルシール１０を示す断面図である。メカニカルシール１０は、ポンプなどの回転機器７に用いられる。回転機器７は、回転軸８と、その回転軸８を包囲する機器ケーシング９とを備える。メカニカルシール１０は、回転軸８と機器ケーシング９との間において、回転機器７の内部の密封流体をシールする。回転軸８は、回転機器７が有する図外の軸受によって回転可能に支持されているが、例えばその軸受の劣化などによって、設計回転中心線となる後述の基準軸線Ｌに対して傾斜して回転することがある（図４参照）。図４は、回転軸８が傾斜した状態を示すメカニカルシール１０の断面図である。

【0020】

本開示の発明における方向について定義する。図１では、回転軸８の軸線が、機器ケーシング９の中心線となる基準軸線Ｌと一致した状態を示している。基準軸線Ｌに沿った方向及びその基準軸線Ｌに平行な方向を「軸方向」と定義する。その軸方向に関して、回転機器７の内部側（図１の右側）が軸方向一方側であり、これを「機内側」と称する。これに対して、回転機器７の外部側（図１の左側）が軸方向他方側であり、これを「機外側」と称する。

【0021】

基準軸線Ｌに直交する方向を「径方向」と定義する。基準軸線Ｌを中心とする円に沿った方向を「周方向」と定義する。つまり、回転軸８の回転方向が周方向となる。本開示の発明が備える各構成についての方向は、特に説明しない限り、回転軸８の軸線が、機器ケーシング９の基準軸線Ｌと一致した状態として定義される。また、この一致した状態を基準状態と称する。

【0022】

メカニカルシール１０は、機器ケーシング９および回転軸８に取り付けられる。メカニカルシール１０は、機内側の密封流体が機外側へ流出することを防ぐ。そのために、メカニカルシール１０は、回転密封環１６と静止密封環１７とを備える。図２は、図１に示すメカニカルシール１０の一部を拡大して示す断面図である。回転密封環１６と静止密封環１７との間が、密封流体の漏洩を防ぐシール部１８となる。

【0023】

図２において、回転密封環１６は、機外側に環状の回転シール面１６ａを有する。静止密封環１７は、機内側に環状の静止シール面１７ａを有する。本実施形態では、回転シール面１６ａと静止シール面１７ａとが対向する（接触する）シール部１８の径方向外側及び軸方向一方側が、機内側の領域となる。シール部１８の径方向内側及び軸方向他方側が、機外側の領域となる。なお、本開示の発明の範囲内で、メカニカルシール１０は他の型式であってもよい。

【0024】

図１および図２に示すように、メカニカルシール１０は、回転密封環１６を有する回転ユニット１１と、静止密封環１７を有する静止ユニット１２と、軸受１３とを備える。回転ユニット１１は、回転軸８と一体回転可能であり、全体として環状または筒状である。静止ユニット１２は、回転機器７（機器ケーシング９）に取り付けられる。静止ユニット１２は、回転ユニット１１の径方向外側に設けられており、全体として環状または筒状である。

【0025】

〔回転ユニット１１について〕
図１において、回転ユニット１１は、スリーブ２１、固定リング２２、リテーナ２３、保持リング２４、および回転密封環１６を有する。スリーブ２１は、筒状であり、回転軸８に外嵌して設けられる。固定リング２２は、環状であり、スリーブ２１に固定されている。セットスクリュ２９によって、固定リング２２およびスリーブ２１は回転軸８に固定される。

【0026】

リテーナ２３は、筒状であり、スリーブ２１に外嵌して設けられている。リテーナ２３は、移動不能となってスリーブ２１に取り付けられている。保持リング２４は、環状であり、回転密封環１６を保持する。保持リング２４は、リテーナ２３の一部と軸方向について間隔をあけてリテーナ２３の他部に外嵌して設けられている。保持リング２４とリテーナ２３との間に、周方向の複数箇所において、軸部を有する連結部材２５が設けられている。連結部材２５は、保持リング２４とリテーナ２３との間でトルク伝達可能とし、かつ、保持リング２４がリテーナ２３に対して軸方向に移動可能として、保持リング２４とリテーナ２３とを連結している。

【0027】

保持リング２４とリテーナ２３との間に、周方向の複数箇所において、ばね２６が設けられている。ばね２６は、保持リング２４および回転密封環１６を静止密封環１７側に向かって押す。スリーブ２１と回転軸８との間はＯリング２７によってシールされている。スリーブ２１とリテーナ２３との間はＯリング３０によってシールされている。保持リング２４とリテーナ２３との間はＯリング２８によってシールされている。

【0028】

以上の構成により、スリーブ２１、固定リング２２、リテーナ２３、保持リング２４、および回転密封環１６を含む回転ユニット１１は、回転軸８と一体回転可能となる。回転軸８が基準軸線Ｌに対して傾斜すると、回転密封環１６を含む回転ユニット１１は、回転軸８と一体となって同じ傾斜角度で傾く。以上のように、回転ユニット１１は、回転密封環１６を有し、回転軸８と一体回転可能である。

【0029】

〔静止ユニット１２について〕
静止ユニット１２は、回転密封環１６との間でシールするための静止密封環１７を有する。図１に示すように、静止ユニット１２は、第一ブロック３１と、第二ブロック３２と、連結部３３と、弾性シール部材３４と、対抗部３５とを有する。静止密封環１７は、第二ブロック３２に含まれる。

【0030】

第一ブロック３１は、回転機器７の機器ケーシング９に取り付けられる。第一ブロック３１は、筒状であり、機器ケーシング９に対して変位しない固定ブロックである。本実施形態では、第一ブロック３１は、機器ケーシング９に固定される第一固定部材４１と、第一固定部材４１の機外側に固定される第二固定部材４２とを有する。

【0031】

第二ブロック３２は、第一ブロック３１の径方向内側に設けられる。第二ブロック３２は、連結部３３の機能によって、第一ブロック３１に対して径方向の成分を有して変位可能である可動ブロックとなる。本実施形態では、第二ブロック３２は、静止密封環１７と、静止密封環１７を保持する環状のホルダ４３とを有する。静止密封環１７は、ホルダ４３に対して回転不能となって取り付けられている。

【0032】

連結部３３は、第一ブロック３１と第二ブロック３２とを連結する。図３は、連結部３３およびその周囲を軸方向から見た説明図である。図２および図３に示すように、連結部３３は、突出部４５とガイド部４６とを有する。突出部４５は、ホルダ４３の軸方向の端部から突出して設けられている軸状の部分である。

【0033】

ガイド部４６は、第二固定部材４２の機外側に取り付けられている。ガイド部４６は切り欠き形状部４７を有する（図３参照）。具体的に説明すると、ガイド部４６は、第二固定部材４２に取り付けられるベース部４９と、周方向で隣接する一対の爪部４８，４８を有する。一対の爪部４８，４８はベース部４９から突出している。ベース部４９と一対の爪部４８，４８とによって囲まれる範囲が、切り欠き形状部４７となる。切り欠き形状部４７に突出部４５が設けられる。

【0034】

この構成により、第二ブロック３２が周方向に回転しようとすると、突出部４５が、ガイド部４６の爪部４８と周方向について接触する。このため、第二ブロック３２の回転が規制される。なお、ガイド部４６が取り付けられている第一ブロック３１は、機器ケーシング９に固定されているため、周方向に回転しない。

【0035】

また、前記基準状態で、突出部４５とガイド部４６のベース部４９とは、径方向について離れていて非接触である。さらに、前記基準状態から回転軸８が傾斜すると、後述するが、第二ブロック３２も同様に傾斜する。第二ブロック３２が傾斜しても、突出部４５とベース部４９とは径方向について非接触である。このような連結部３３の構成により、第二ブロック３２は、第一ブロック３１に対して径方向の成分を有して変位可能となる。

【0036】

以上より、連結部３３は、第一ブロック３１に対する第二ブロック３２の回転を防止するとともに、第一ブロック３１に対する第二ブロック３２の径方向変位を許容して、第一ブロック３１と第二ブロック３２とを連結する。

【0037】

なお、本実施形態では、第一ブロック３１にガイド部４６が設けられ、第二ブロック３２に突出部４５が設けられる場合について説明したが、これとは反対の構成であってもよい。つまり、連結部３３は、第一ブロック３１と第二ブロック３２とのうちの一方のブロックの一部から突出して設けられている突出部４５と、第一ブロック３１と第二ブロック３２とのうちの他方のブロックに設けられているガイド部４６とを有する。第二ブロック３２が回転しようとすると、ガイド部４６と突出部４５とは周方向について接触する。ガイド部４６と突出部４５とは径方向について非接触である。

【0038】

図２において、弾性シール部材３４は、環状であり、第一ブロック３１と第二ブロック３２との間に設けられている。弾性シール部材３４は、合成ゴムにより構成されている。弾性シール部材３４が弾性変形することで、弾性シール部材３４の径方向外側部３８と径方向内側部３９とが相対的に軸方向について変位可能である。本実施形態では、第一ブロック３１に固定されている径方向外側部３８に対して、径方向内側部３９が弾性変形によって変位可能である。径方向内側部３９が、第二ブロック３２の一部（静止密封環１７）に接触する。

【0039】

さらに、弾性シール部材３４は、径方向にも弾性変形可能である。特に、本実施形態では、弾性シール部材３４は、径方向に伸縮可能とするベローズ形状を有する。つまり、弾性シール部材３４は、その途中部５１の機内側の面５２に、軸方向に突出する形状を有するとともに、その途中部５１の機外側の面５３に、軸方向に凹む形状を有する。このベローズ形状によれば、径方向外側部３８と径方向内側部３９とは相対的に径方向に変位しやすい構成が得られる。前記基準状態で、弾性シール部材３４は、径方向に弾性圧縮変形した状態となって第一ブロック３１と第二ブロック３２との間に設けられている。

【0040】

径方向外側部３８は、第一固定部材４１の一部５５と第二固定部材４２の一部５６との間で軸方向に挟まれた状態となって、第一ブロック３１に固定されている。つまり、第一ブロック３１が、弾性シール部材３４を取り付ける取り付け部５０を有する。径方向外側部３８の外周面は、第一固定部材４１の内周面に接触した状態にある。径方向外側部３８は、第一固定部材４１の一部５５と第二固定部材４２の一部５６とに軸方向について密着した状態となって設けられている。図２に示すように断面において、弾性シール部材３４は、ベローズ形状を有する途中部５１を除いて、直線形状を有する。弾性シール部材３４は、全体として、径方向外側部３８から径方向内側部３９に向かって機内側に傾斜する傾斜形状を有する。

【0041】

図２に示す形態では、第二ブロック３２が、弾性シール部材３４が接触するシール面５８を有する。弾性シール部材３４は、第二ブロック３２のうち、静止密封環１７に接触する。静止密封環１７は、前記シール面５８として、第一シール面５８ａと第二シール面５８ｂとを有する。第一シール面５８ａは、弾性シール部材３４の径方向内側部３９が回転機器の機外側から機内側に向かって接触する環状の面である。第二シール面５８ｂは、弾性シール部材３４の径方向内側部３９が径方向に接触する円筒状の面である。以上の構成により、弾性シール部材３４は、回転機器７の機内側の密封流体が第一ブロック３１と第二ブロック３２との間を通じて機外側へ漏れるのを防ぐ。

【0042】

図２に示す形態では、前記のとおり、第一ブロック３１が弾性シール部材３４の取り付け部５０を有し、第二ブロック３２がシール面５８を有するが、これとは反対に、第二ブロック３２が取り付け部５０を有し、第一ブロック３１がシール面５８を有していてもよい。つまり、第一ブロック３１と第二ブロック３２とのうちの一方のブロックが、弾性シール部材３４を取り付ける取り付け部５０を有し、第一ブロック３１と第二ブロック３２とのうちの他方のブロックが、弾性シール部材３４が接触するシール面５８を有していればよい。そして、そのシール面５８に、弾性シール部材３４の一部が回転機器の機外側から機内側に向かって接触する。

【0043】

回転機器７において、機内側が機外側よりも圧力が高い。このため、弾性シール部材３４は、機内側の密封流体によって、機内側から機外側に押される。そこで、対抗部３５は、弾性シール部材３４が密封流体によって機内側から機外側に押される力に抗する機能を有する。第一実施形態では、対抗部３５は、第一ブロック３１の一部と弾性シール部材３４との間に介在する環状の空気ばね６０である。空気ばね６０の具体的構成および機能について、後に説明する。

【0044】

〔軸受１３について〕
軸受１３は、第二ブロック３２と回転ユニット１１との間に設けられている。軸受１３は、転がり軸受であり、内輪６６、外輪６７、内輪６６と外輪６７との間に設けられている転動体とを有する。本実施形態では、前記転動体は玉６８であり、軸受１３は深溝玉軸受である。内輪６６が回転ユニット１１（スリーブ２１）の外周面に固定されており、外輪６７が第一ブロック３１（ホルダ４３）の内周面に固定されている。

【0045】

軸受１３は、第二ブロック３２に対して回転ユニット１１を回転自在に支持することが可能となる。軸受１３では、内輪６６の中心軸と外輪６７の中心軸とが一致した状態が保たれ、内輪６６に対して外輪６７は傾いた状態となることができない。回転軸８が基準軸線Ｌに対して傾斜して回転すると、回転軸８と一緒に回転ユニット１１が傾斜する他に、軸受１３によって、その回転ユニット１１に追従して第二ブロック３２も傾斜する。第二ブロック３２は、第一ブロック３１と連結部３３によって連結されているが、連結部３３は、前記のとおり、第二ブロック３２の径方向変位を許容する。このため、第二ブロック３２は、回転軸８および回転ユニット１１と傾斜角度を同じとして傾く。

【0046】

本実施形態では、軸受１３は、回転ユニット１１（スリーブ２１）の外周側に取り付けられているが、回転軸８に直接取り付けられていてもよい。つまり、軸受１３は、回転ユニット１１または回転軸８に取り付けられており、第二ブロック３２に対して回転ユニット１１または回転軸８を回転自在に支持する。なお、軸受１３は、回転ユニット１１に追従して第二ブロック３２を傾斜させることが可能であれば、軸受型式は他であってもよく、転動体がころである円筒ころ軸受であってもよい。

【0047】

〔空気ばね６０（対抗部３５）について〕
空気ばね６０は、全体形状が環状であり、弾性変形が自在であるゴム製の環状チューブ６１を有する。チューブ６１は中空であって断面円形であり、チューブ６１内に圧縮ガスが充填されている。空気ばね６０は、径方向および軸方向に弾性圧縮力を受けた状態となって、第一ブロック３１と第二ブロック３２との間に設けられている。

【0048】

第一ブロック３１の第二固定部材４２は、段付き形状部４４を有する。段付き形状部４４は、第一ブロック３１の外周面と径方向に対向する円筒面４４ａと、弾性シール部材３４と軸方向に対向する環状面４４ｂとを有する。基準状態で、空気ばね６０は、円筒面４４ａおよび環状面４４ｂに接触するとともに、弾性シール部材３４および第二シール面５８ｂに接触した状態にある。

【0049】

弾性シール部材３４が空気ばね６０を軸方向に押すと、空気ばね６０は軸方向に弾性変形し、その反力を弾性シール部材３４に付与する。このように、空気ばね６０は、弾性シール部材３４が密封流体によって機内側から機外側に押される力に抗する機能を有する。

【0050】

図４に示す断面の上半分に示すように、回転軸８が傾斜することで、第二ブロック３２が傾斜すると、第二ブロック３２が空気ばね６０を径方向に押す。このため、周方向の一箇所において、空気ばね６０は径方向に弾性圧縮変形する。これに対して、図４に示す断面の下半分に示すように、前記一箇所の１８０度反対側の別の箇所で、空気ばね６０は径方向に拡大するように弾性変形する。回転軸８が傾斜すると、空気ばね６０が設けられる空間の体積が変化するが、その体積の変化に空気ばね６０は追従して弾性変形することが可能である。図４では、回転軸８の傾斜角度をθで示す。

【0051】

〔対抗部３５の変形例について〕
図５は、第二実施形態に係るメカニカルシール１０の断面図である。図１に示す第一実施形態と比較して、第二実施形態は、対抗部３５の構成、および静止ユニット１２の第二固定部材４２の構成が異なる。その他の構成は同じであり、同じ構成についての説明は、ここでは省略する。なお、第一実施形態のメカニカルシール１０が有する弾性シール部材３４を、第二実施形態では「第一弾性シール部材３４」と呼ぶ。

【0052】

第二実施形態の対抗部３５は、第一弾性シール部材３４が密封流体によって機内側から機外側に押される力に抗する機能を有し、この点は、第一実施形態と同じである。第二実施形態の対抗部３５の具体的構成を説明する。対抗部３５は、第一弾性シール部材３４と間隔をあけて設けられている第二弾性シール部材７０と、第一弾性シール部材３４と第二弾性シール部材７０との間に形成されている流体室７１とを有して構成される。

【0053】

第二弾性シール部材７０は、第一ブロック３１と第二ブロック３２との間であって、第一弾性シール部材３４よりも機外側に設けられている。図５に示す形態では、第二弾性シール部材７０は、第一ブロック３１の第二固定部材４２と、第二ブロック３２の静止密封環１７との間に設けられている。第二弾性シール部材７０は、環状であり、その径方向外側部７３が、第二固定部材４２に形成されている段付き形状部７５に接触する。これにより、第二弾性シール部材７０は、機外側および径方向外側に変位不能となる。

【0054】

第二弾性シール部材７０は、第一弾性シール部材３４と同様に、合成ゴムにより構成されている。第二弾性シール部材７０の径方向内側部７４が、第二ブロック３２の一部（静止密封環１７）に接触する。以上のように、図５に示す形態では、第一ブロック３１が、第二弾性シール部材７０を取り付ける取り付け部７７を有する。第二ブロック３２が、第二弾性シール部材７０と接触するシール面（第二シール面５８ｂ）を有する。

【0055】

第二弾性シール部材７０は、径方向に弾性変形可能である。特に、本実施形態では、第二弾性シール部材７０は、径方向に伸縮可能とするベローズ形状を有する。つまり、第二弾性シール部材７０は、その途中部７２の機外側の面に、軸方向に突出する形状を有するとともに、その途中部７２の機内側の面に、軸方向に凹む形状を有する。このベローズ形状によれば、径方向外側部７３と径方向内側部７４とは相対的に径方向に変位しやすい構成が得られる。

【0056】

流体室７１に加圧流体が供給される。加圧流体としては、加圧状態にある窒素ガスまたは大気などの気体である。静止ユニット１２の第二固定部材４２に流路７６が形成されている。流路７６は、流体室７１で開口する。流路７６を通じて流体室７１に加圧流体が供給される。第一ブロック３１と第二ブロック３２との間に形成される流体室７１は、第一弾性シール部材３４と第二弾性シール部材７０とによって、閉じた環状の空間となる。流体室７１に加圧流体が供給されると、第一弾性シール部材３４を機外側から機内側へ押す力が発生する。

【0057】

第一弾性シール部材３４および第二弾性シール部材７０は、前記基準状態で、径方向に弾性圧縮変形した状態となって、第一ブロック３１と第二ブロック３２との間に設けられている。第一弾性シール部材３４および第二弾性シール部材７０は、第二ブロック３２のうち、静止密封環１７に接触する。静止密封環１７は、シール面として、第一シール面５８ａと第二シール面５８ｂとを有する。

【0058】

第一シール面５８ａは、第一弾性シール部材３４の径方向内側部３９が回転機器の機外側から機内側に向かって接触する環状の面である。第二シール面５８ｂは、第一弾性シール部材３４の径方向内側部３９、および、第二弾性シール部材７０の径方向内側部７４が径方向に接触する円筒状の面である。以上の構成により、第一弾性シール部材３４は、回転機器７の機内側の密封流体が第一ブロック３１と第二ブロック３２との間を通じて機外側へ漏れるのを防ぐ。第二弾性シール部材７０は、流体室７１の加圧流体が機外側に漏れるのを防ぐ。

【0059】

図６に示す断面の上半分に示すように、回転軸８が傾斜することで、第二ブロック３２が傾斜すると、周方向の一箇所において、第一ブロック３１と第二ブロック３２との径方向の間隔は狭くなる。この場合であっても、第一弾性シール部材３４および第二弾性シール部材７０は、径方向に弾性的に圧縮変形し、前記間隔が狭くなることに追従する。図６に示す断面の下半分に示すように、前記一箇所の１８０度反対側の別の箇所では、第一ブロック３１と第二ブロック３２との径方向の間隔は広くなる。この場合でも、径方向に圧縮されていた第一弾性シール部材３４および第二弾性シール部材７０は、径方向に弾性的に変形し（径方向に伸長し）、第二ブロック３２（第二シール面５８ｂ）に接触した状態が維持される。図６では、回転軸８の傾斜角度をθで示す。

【0060】

図５に示す形態では、第一ブロック３１が第一弾性シール部材３４および第二弾性シール部材７０の取り付け部５０，７７を有し、第二ブロック３２がシール面５８を有するが、これとは反対に、第二ブロック３２が取り付け部５０，７７を有し、第一ブロック３１がシール面５８を有していてもよい。つまり、第一ブロック３１と第二ブロック３２とのうちの一方のブロックが、第一弾性シール部材３４および第二弾性シール部材７０を取り付ける取り付け部５０，７７を有し、第一ブロック３１と第二ブロック３２とのうちの他方のブロックが、第一弾性シール部材３４および第二弾性シール部材７０が接触するシール面５８を有していればよい。

【0061】

〔各実施形態のメカニカルシール１０について〕
以上のように、前記各実施形態（図１および図５参照）に示すメカニカルシール１０は、回転密封環１６を有し回転軸８と一体回転可能である回転ユニット１１と、回転密封環１６との間でシールするための静止密封環１７を有する静止ユニット１２と、回転ユニット１１に取り付けられている軸受１３とを備える。静止ユニット１２は、回転機器７の機器ケーシング９に取り付けられる第一ブロック３１と、静止密封環１７を含む第二ブロック３２と、第一ブロック３１と第二ブロック３２とを連結する連結部３３と、第一ブロック３１と第二ブロック３２との間に設けられている弾性シール部材３４と、対抗部３５とを有する。

【0062】

連結部３３は、第一ブロック３１に対する第二ブロック３２の回転を防止するとともに径方向変位を許容する。弾性シール部材３４は、回転機器７の機内側の密封流体が第一ブロック３１と第二ブロック３２との間を通じて機外側へ漏れるのを防ぐ。対抗部３５は、弾性シール部材３４が密封流体によって回転機器７の機内側から機外側に押される力に抗する。そして、軸受１３は、回転ユニット１１に取り付けられており、第二ブロック３２に対して回転ユニット１１を回転自在に支持する。

【0063】

このメカニカルシール１０によれば、回転軸８が基準軸線Ｌ（設計回転中心線）に対して傾斜して回転すると、その回転軸８と一緒に回転ユニット１１が傾斜する他に、軸受１３によって第二ブロック３２も傾斜する。第二ブロック３２は、回転ユニット１１に追従して、傾斜角度を同じとして傾く。つまり、回転軸８が傾斜すると、回転ユニット１１の回転密封環１６と第二ブロック３２の静止密封環１７とが共に傾斜する。このため、回転密封環１６と静止密封環１７との間のシール状態が変化するのを防ぐことが可能となる。よって、シール性能の低下が抑えられる。さらに説明すると、回転軸８が傾斜しても、回転密封環１６の回転シール面１６ａと静止密封環１７の静止シール面１７ａとが、相互で所望の姿勢に保たれ、回転シール面１６ａと静止シール面１７ａとの間の開きを防ぐことが可能となる。よって、回転密封環１６と静止密封環との間で安定したシール性能が得られる。

【0064】

静止ユニット１２が第一ブロック３１と第二ブロック３２とに別れているが、これらの間を通じて回転機器７の機内側の密封流体が漏れるのを、弾性シール部材３４によって防ぐ。機内側の密封流体の圧力が比較的高い場合であっても、対抗部３５が弾性シール部材３４を支え、弾性シール部材３４の機能が維持される。

【0065】

前記各実施形態（図１および図５参照）では、弾性シール部材３４は、径方向に伸縮可能とするベローズ形状を有する。このため、回転軸８の傾斜によって第二ブロック３２が径方向の成分を有して変位しても、弾性シール部材３４は前記変位に追従しやすく、弾性シール部材３４の機能が維持される。

【0066】

図１に示す形態では、対抗部３５は環状の空気ばね６０である。回転軸８が傾斜すると、空気ばね６０が設けられる空間の体積が変化する。空気ばね６０は前記体積の変化に追従しやすく、弾性シール部材３４を支え、弾性シール部材３４の機能が維持される。

【0067】

図１に示す形態では、回転機器７の機内側の密封流体によって弾性シール部材３４が機外側に押されると、その弾性シール部材３４に対して空気ばね６０は機外側から機内側に向かって押し返す作用が生じる。第二ブロック３２は第一シール面５８ａを有し、第一シール面５８に、弾性シール部材３４の一部である径方向内側部３９が回転機器の機外側から機内側に向かって接触する。この構成により、空気ばね６０の前記作用によって弾性シール部材３４と第一シール面５８ａとの間のシール性能が維持され、密封流体の漏れを効果的に防止することが可能となる。

【0068】

図５に示す形態では、対抗部３５は、第二弾性シール部材７０と、第一弾性シール部材３４と第二弾性シール部材７０との間に形成され加圧流体が供給される流体室７１とを有して構成される。流体室７１に加圧流体が供給されることで、回転機器７の機内側の密封流体によって第一弾性シール部材３４が機外側に押される力に抗する構成が得られる。

【0069】

図５に示す形態では、回転軸８が傾斜していない基準状態で、第一弾性シール部材３４および第二弾性シール部材７０は、径方向に弾性圧縮変形した状態となって設けられている。第二ブロック３２は、第一シール面５８ａと第二シール面５８ｂとを有する。第一シール面５８ａは、第一弾性シール部材３４が回転機器７の機外側から機内側に向かって接触する面である。第二シール面５８ｂは、第一弾性シール部材３４および第二弾性シール部材７０が径方向に接触する面である。

【0070】

回転機器７の機内側の密封流体によって第一弾性シール部材３４が機外側に押されると、その第一弾性シール部材３４を、流体室７１の加圧流体により機外側から機内側に向かって押し返す作用が生じる。前記第一シール面５８ａによれば、流体室７１による前記作用によって第一弾性シール部材３４と第一シール面５８ａとの間のシール性能が維持され、密封流体の漏れを効果的に防止することが可能となる。

【0071】

さらに、回転軸８が傾斜すると、第二ブロック３２も傾斜し、図６に示す断面の下半分に示すように、第一ブロック３１と第二ブロック３２との径方向の距離が僅かに大きくなる領域が生じる。その領域においても、前記構成によれば、第一弾性シール部材３４および第二弾性シール部材７０は径方向の接触力を残して第二シール面５８ｂに接触することが可能となる。このため、流体室７１の加圧流体が機内側および機外側に流出することを防ぐことが可能となる。

【0072】

また、図１に示す形態においても、弾性シール部材３４は、径方向に弾性圧縮変形した状態となって設けられている。図４に示すように、回転軸８が傾斜すると、第二ブロック３２も傾斜し、図４に示す断面の下半分に示すように、第一ブロック３１第二ブロック３２との径方向の距離が僅かに大きくなる領域が生じる。その領域においても、前記構成によれば、弾性シール部材３４は径方向の接触力を残して第二シール面５８ｂに接触することが可能となる。その結果、回転機器７の機内側の密封流体が機外側に漏れることを効果的に防止することが可能となる。

【0073】

〔その他〕
回転ユニット１１は、回転密封環１６を有していれば、図示する形態以外であってもよく、また、静止ユニット１２は、静止密封環１７を有していれば、図示する形態以外であってもよい。
連結部３３は、周方向の一箇所に設けられていればよく、二箇所以上であってもよい。連結部３３が複数設けられる場合、それら連結部３３は周方向に間隔をあけて（等間隔で）設けられる。

【0074】

前記実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の権利範囲は、前記実施形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲に記載された構成と均等の範囲内でのすべての変更を含む。

【符号の説明】

【0075】

７ 回転機器
８ 回転軸
１０ メカニカルシール
１１ 回転ユニット
１２ 静止ユニット
１３ 軸受
１６ 回転密封環
１７ 静止密封環
３１ 第一ブロック
３２ 第二ブロック
３３ 連結部
３４ 弾性シール部材（第一弾性シール部材）
３５ 対抗部
５０ 取り付け部
５８ シール面
５８ａ 第一シール面
５８ｂ 第二シール面
６０ 空気ばね
７０ 第二弾性シール部材
７１ 流体室

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】