特許 7570968 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】

(24)【登録日】2024-10-11

(45)【発行日】2024-10-22

(54)【発明の名称】メカニカルシール

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/34 20060101AFI20241015BHJP

   G01L 5/00 20060101ALI20241015BHJP

【ＦＩ】

F16J15/34 Z

F16J15/34 L

G01L5/00 G

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021071937

(22)【出願日】2021-04-21

(65)【公開番号】P2022166613

(43)【公開日】2022-11-02

【審査請求日】2023-11-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000229737

【氏名又は名称】株式会社ＰＩＬＬＡＲ

(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】足立 一磨

(72)【発明者】

【氏名】原 勇気

【審査官】久米 伸一

(56)【参考文献】

【文献】特公昭３６－００５４９８（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特表平０５－５０８６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１３８３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５２９６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０４－０７３６６２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許出願公開第２００５／００１６３０３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１０６４２９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｊ １５／３４

Ｇ０１Ｌ ５／００

(57)【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、
前記回転密封環が摺接する静止密封環を有する静止ユニットと、
前記静止ユニットを、前記回転軸の回転方向となる周方向の変位を許容して支持するケースと、
前記静止ユニットと一体となって周方向に変位可能である変位部材と、
前記ケースに設けられ前記変位部材から受ける前記周方向の荷重を検出するセンサと、
を備え、
前記ケースは、
前記静止ユニットの径方向外方に設けられ機器に固定される筒状のケース本体と、
前記ケース本体と前記静止ユニットとの間に形成される環状空間に設けられ当該ケース本体に対して当該静止ユニットを回転可能に支持する転がり軸受と、
を有し、
前記静止ユニットは、
環状のリテーナと、
前記静止密封環を保持する保持体と、
前記リテーナと前記保持体との間に設けられ前記静止密封環を前記回転密封環側へ付勢する弾性部材と、
前記リテーナと前記保持体との間で回転力を伝達可能であって前記リテーナに対する前記保持体の前記軸方向の変位を許容する連結部材と、
前記リテーナ及び前記保持体の径方向外方に設けられ当該リテーナと一体であって当該保持体とは非接触である筒体と、
を有し、
前記筒体に前記変位部材が取り付けられていて、前記筒体が前記転がり軸受によって支持されている、メカニカルシール。

【請求項2】

前記静止ユニットのうち軸方向一方側である第一部分が、前記転がり軸受によって支持されていて、
前記静止ユニットのうち軸方向他方側である第二部分が、前記ケース本体よりも軸方向他方側に突出していて、
前記変位部材は、前記第二部分に取り付けられている、請求項１に記載のメカニカルシール。

【請求項3】

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、
前記回転密封環が摺接する静止密封環を有する静止ユニットと、
前記静止ユニットを、前記回転軸の回転方向となる周方向の変位を許容して支持するケースと、
前記静止ユニットと一体となって周方向に変位可能である変位部材と、
前記ケースに設けられ前記変位部材から受ける前記周方向の荷重を検出するセンサと、
を備え、
前記ケースは、前記静止ユニットの径方向外方に設けられている筒状のケース本体を有し、
前記ケース本体に、前記変位部材を隙間を有して貫通させる貫通孔が形成されている、メカニカルシール。

【請求項4】

前記ケースは、更に、前記静止ユニットに対して軸方向に接触可能である位置決め部材を有し、
前記ケース本体は、当該ケース本体の内周側に、前記静止ユニットの一部に対して径方向に接触可能であって当該一部を滑り接触させる周方向ガイド面を有する、請求項３に記載のメカニカルシール。

【請求項5】

前記静止ユニットは、
環状のリテーナと、
前記静止密封環を保持する保持体と、
前記リテーナと前記保持体との間に設けられ前記静止密封環を前記回転密封環側へ付勢する弾性部材と、
前記リテーナと前記保持体との間で回転力を伝達可能であって前記リテーナに対する前記保持体の前記軸方向の変位を許容する連結部材と、
を有し、
前記ケース本体は、前記保持体とは非接触であって、前記リテーナの外周面に滑り接触する前記周方向ガイド面を有し、
前記リテーナに前記変位部材が取り付けられている、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】

ポンプ又はブロア等の回転機器において、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、回転軸と一体回転する回転密封環と、機器ケーシング側に設けられていて前記回転密封環が摺接する静止密封環とを備えるメカニカルシールが知られている。このメカニカルシールでは、回転密封環と静止密封環との摺接面の状態が、密封性能に大きな影響を与えるため、前記摺接面の状態を監視する必要がある。そこで、前記摺接面における摩擦力に基づくパラメータを検出する機構が付加されているメカニカルシールが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特表２０１２－５２９６０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示のメカニカルシールでは、静止密封環（固定シールリング）に孔（凹所）が形成されていて、その孔にビームが接触して設けられている。そのビームは、機器ケーシングに固定のセンサハウジングに片持ち梁状となって支持されていて、そのビームに歪みセンサが取り付けられている。

【0005】

回転軸と共に回転密封環が回転すると、静止密封環との摺接面に摩擦力が生じ、静止密封環を回転させようとする回転力が発生する。その回転力が、前記孔で接触する前記ビームを撓ませ、ビームの歪がセンサによって検出される。前記摩擦力が大きくなると、前記回転力も大きくなり、ビームの歪みが大きく変化する。以上の構成により、前記摺接面の状態が監視される。

【0006】

特許文献１に開示の構成は、前記摺接面の摩擦力に起因する回転力が検出されるのではなく、その回転力によるビームの歪みがセンサによって検出される。前記摺接面の状態とビームの歪みとに相関はあるものの、精度良く前記摺接面の状態を監視することは困難になる場合があり、そのために特別なセンサが必要となる可能性がある。

【0007】

本発明は、回転密封環と静止密封環との摺接面の状態を汎用的なセンサを用いて測定することが可能となる新たな技術的手段を備えた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、前記回転密封環が摺接する静止密封環を有する静止ユニットと、前記静止ユニットを、前記回転軸の回転方向となる周方向の変位を許容して支持するケースと、前記静止ユニットと一体となって周方向に変位可能である変位部材と、前記ケースに設けられ前記変位部材から受ける前記周方向の荷重を検出するセンサと、を備える。

【0009】

前記メカニカルシールによれば、回転密封環と静止密封環との摺接面における摩擦に起因する回転力が、静止ユニットに作用し、静止ユニットが変位部材を伴ってケースに対して回転しようとする。ケースに設けられているセンサが、前記変位部材から受ける周方向の荷重を検出する。前記摩擦に起因する回転力が、変位部材から受ける周方向の荷重として検出されることから、前記摺接面の状態を汎用的なセンサを用いて測定することが可能となる。

【0010】

（２）また、好ましくは、前記ケースは、前記静止ユニットの径方向外方に設けられ機器に固定される筒状のケース本体と、前記ケース本体と前記静止ユニットとの間に形成される環状空間に設けられ当該ケース本体に対して当該静止ユニットを回転可能に支持する転がり軸受と、を有する。
この場合、機器に固定されるケース本体に対して静止ユニットが転がり軸受によって回転し易くなる。つまり、静止ユニットの回転抵抗が低減される。このため、前記摺接面における摩擦に起因して静止ユニットから変位部材に伝わる回転力が、静止ユニットにおける回転抵抗の影響を受け難くなり、センサの検出の感度が高まる。

【0011】

また、好ましくは、前記転がり軸受は、深溝玉軸受である。この場合、転がり軸受が１列であっても、静止ユニットを、周方向の変位を許容して支持すると共に、軸方向の変位を不能として支持することが可能となる。

【0012】

（３）また、前記（２）に記載のメカニカルシールにおいて、好ましくは、前記静止ユニットのうち軸方向一方側である第一部分が、前記転がり軸受によって支持されていて、前記静止ユニットのうち軸方向他方側である第二部分が、前記ケース本体よりも軸方向他方側に突出していて、前記変位部材は、前記第二部分に取り付けられている。この場合、変位部材はケースの軸方向他方側に露出した状態で設けられ、変位部材の管理が容易となる。

【0013】

（４）また、前記（２）または（３）に記載のメカニカルシールにおいて、好ましくは、前記静止ユニットは、環状のリテーナと、前記静止密封環を保持する保持体と、前記リテーナと前記保持体との間に設けられ前記静止密封環を前記回転密封環側へ付勢する弾性部材と、前記リテーナと前記保持体との間で回転力を伝達可能であって前記リテーナに対する前記保持体の前記軸方向の変位を許容する連結部材と、前記リテーナ及び前記保持体の径方向外方に設けられ当該リテーナと一体であって当該保持体とは非接触である筒体と、を有し、前記筒体に前記変位部材が取り付けられていて、前記筒体が前記転がり軸受によって支持されている。
この場合、転がり軸受によって筒体は支持されていて、その挙動が安定する。その筒体に変位部材が取り付けられていることから、センサによって正確な検出が可能となる。

【0014】

（５）前記（１）に記載のメカニカルシールにおいて、好ましくは、前記ケースは、前記静止ユニットの径方向外方に設けられている筒状のケース本体を有し、前記ケース本体に、前記変位部材を隙間を有して貫通させる貫通孔が形成されている。
この場合、ケース本体に貫通孔を形成することで、変位部材及びセンサを配置することができる。このため、従来の構成を大きく変更しなくても済む場合がある。

【0015】

（６）また、前記（５）に記載のメカニカルシールにおいて、好ましくは、前記ケースは、更に、前記静止ユニットに対して軸方向に接触可能である位置決め部材を有し、前記ケース本体は、当該ケース本体の内周側に、前記静止ユニットの一部に対して径方向に接触可能であって当該一部を滑り接触させる周方向ガイド面を有する。
この場合、静止ユニットを、周方向ガイド面に滑り接触させて周方向について変位可能とし、その静止ユニットを位置決め部材によって、軸方向について変位不能とする構成が得られる。

【0016】

（７）また、前記（６）に記載のメカニカルシールにおいて、好ましくは、前記静止ユニットは、環状のリテーナと、前記静止密封環を保持する保持体と、前記リテーナと前記保持体との間に設けられ前記静止密封環を前記回転密封環側へ付勢する弾性部材と、前記リテーナと前記保持体との間で回転力を伝達可能であって前記リテーナに対する前記保持体の前記軸方向の変位を許容する連結部材と、を有し、前記ケース本体は、前記保持体とは非接触であって、前記リテーナの外周面に滑り接触する前記周方向ガイド面を有し、前記リテーナに前記変位部材が取り付けられている。

【0017】

この場合、回転密封環と静止密封環との摺接面における摩擦に起因する回転力が、静止ユニットの静止密封環及び保持体から連結部材を介してリテーナに伝わる。ケース本体は、保持体と非接触であるのに対して、リテーナを周方向ガイド面で滑り接触させる。つまり、リテーナは、ケース本体に支持されていて挙動が安定するのに対して、保持体は、ケース本体に支持されておらずリテーナと比較して不安定な状態にある。前記回転力は保持体にも伝わるが、その保持体ではなく、挙動が安定するリテーナに、変位部材が取り付けられる。このため、センサによって正確な検出が可能となる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、回転密封環と静止密封環との摺接面の状態を汎用的なセンサを用いて測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第一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】第一実施形態に係るメカニカルシールを機外側から見た図である。

【図3】回転ユニット及び静止ユニットの説明図である。

【図4】第二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5】第二実施形態に係るメカニカルシールを機外側から見た図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

〔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、ブロア、または撹拌機等の回転機器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の内部の流体をシールする。

【0021】

本開示の発明における方向について定義する。回転軸８の軸線Ｌに沿った方向及びその軸線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。前記中心線Ｌに直交する方向を「径方向」と定義する。回転軸８の軸線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。

【0022】

メカニカルシール１０は、機内側の被密封流体（溶剤、水又は油等）が機外側へ漏洩するのを防ぐ。そのために、メカニカルシール１０は、後述するが、回転密封環１６と静止密封環１７とを有し、回転密封環１６が静止密封環１７に摺接する。図１に示す形態では、回転密封環１６と静止密封環１７との摺接部分１８の径方向外側及び軸方向一方側が機内側の領域となり、その摺接部分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。

【0023】

メカニカルシール１０は、回転ユニット１１と、静止ユニット１２と、ケース１３とを備える。回転ユニット１１は、回転密封環１６を有するユニットであり、回転軸８と一体回転可能となる。静止ユニット１２は、静止密封環１７を有するユニットであり、ケース１３に支持される。回転ユニット１１及び静止ユニット１２の具体的構成については後に説明する。

【0024】

ケース１３は、静止ユニット１２を、周方向の変位を許容して支持する。更に、ケース１３は、静止ユニット１２を、軸方向の変位を不能として支持する。ケース１３が静止ユニット１２を支持するための具体的構成については後に説明する。ケース１３は、機器ケーシング９の機外側の端部に固定されている。ケース１３は全体として筒形状を有する。

【0025】

メカニカルシール１０は、更に、変位部材１４と、荷重を検出するセンサ１５とを備える。変位部材１４は、静止ユニット１２の一部に固定されていて、静止ユニット１２と一体となって周方向に変位可能である。本実施形態では、変位部材１４はピン状の部材である。センサ１５は、ロードセルであり、変位部材１４から受ける周方向の荷重を検出する。このために、センサ１５の受圧面１５ａが周方向に向くようにして（図２参照）、センサ１５はブラケット１９を介してケース１３に取り付けられている。図２は、第一実施形態に係るメカニカルシール１０を機外側から見た図である。

【0026】

〔ケース１３〕
図１において、ケース１３は、ケース本体２１と、転がり軸受２２とを有する。ケース本体２１は、機器ケーシング９にボルト２３によって固定される。ケース本体２１は、筒状であり、静止ユニット１２の径方向外方に設けられる。ケース本体２１は、機器ケーシング９に取り付けられる筒状部２４と、筒状部２４に止めねじ２６（図２参照）によって取り付けられる環状のフランジ部２５とを有する。センサ１５はブラケット１９を介してフランジ部２５に取り付けられている。

【0027】

筒状部２４は、その内周に段付き形状を有する。つまり、筒状部２４は、第一内周面２７と、第一内周面２７よりも内径が大きい第二内周面２８と、第一内周面２７と第二内周面２８との間であって機外側に向く環状の段付き面２９とを有する。第二内周面２８に転がり軸受２２の外輪３１が取り付けられている。外輪３１が、段付き面２９とフランジ部２５とによって軸方向について挟まれた状態となり、筒状部２４に固定される。

【0028】

転がり軸受２２は、外輪３１と、内輪３２と、これら外輪３１と内輪３２との間に介在する複数の玉３３とを有する。外輪３１は、その内周側に断面凹円弧形状の溝を軌道面として有する。内輪３２は、その外周側に断面凹円弧形状の溝を軌道面として有する。玉３３は、外輪３１の前記軌道面及び内輪３２の前記軌道面を転がり接触する。このように、本実施形態の転がり軸受２２は、深溝玉軸受である。

【0029】

静止ユニット１２が有する後述の筒体５６の外周側に内輪３２が取り付けられている。転がり軸受２２は、ケース本体２１の筒状部２４と、静止ユニット１２の筒体５６との間に形成される環状空間３５に設けられている。転がり軸受２２は、ケース本体２１に対して静止ユニット１２を回転可能に支持することができる。前記のとおり、転がり軸受２２は深溝玉軸受である。このため、転がり軸受２２は径方向の荷重を支持すると共に、軸方向の荷重についても支持する。よって、転がり軸受２２は、１列であっても、静止ユニット１２を、周方向の変位を許容して支持すると共に、軸方向の変位を不能として支持することが可能となる。

【0030】

〔回転ユニット１１〕
図３は、回転ユニット１１及び静止ユニット１２の説明図である。回転ユニット１１は、筒状のスリーブ４１と、円環状のドライブリング４２と、円環状の回転密封環１６とを備える。スリーブ４１は、回転軸８の外周面に嵌合して固定されていて、回転軸８と一体回転する。ドライブリング４２は、スリーブ４１の外周側であって機内側にセットスクリュー４４によって取り付けられる。これにより、ドライブリング４２とスリーブ４１とは回転軸８と共に一体回転する。ドライブリング４２の内周面とスリーブ４１の外周面との間は、Ｏリング４５によりシールされている。ドライブリング４２の内周側であって機外側に周溝４６が設けられている。周溝４６の内周側に、機外側へ突出するピン４７が取り付けられている。

【0031】

回転密封環１６の内周側であって機内側に凹部４８が形成されている。凹部４８とピン４７とは、周方向に一つまたは周方向に間隔をあけて複数設けられている。回転密封環１６が周溝４６に嵌った状態で、凹部４８にピン４７が嵌る。これにより、回転密封環１６とドライブリング４２とは相対回転が不能となり、回転密封環１６は、ドライブリング４２と一体回転する。回転密封環１６は、その機外側の端面に、円環状となる第一のシール面１６ａを有する。回転密封環１６と周溝４６との間は、Ｏリング４９によりシールされている。

【0032】

〔静止ユニット１２〕
静止ユニット１２は、環状の静止密封環１７と、静止密封環１７を保持する保持体５２と、環状のリテーナ５３と、複数の弾性部材５４と、複数の連結部材５５と、リテーナ５３及び保持体５２の径方向外方に設けられている筒体５６とを備える。弾性部材５４及び連結部材５５は、リテーナ５３と保持体５２との間に設けられている。

【0033】

保持体５２は、筒状の保持部材５７と、環状のドライブカラー５８とを含んで構成されている。保持部材５７とドライブカラー５８とは、ピン６０によって結合されていて、相互間で回転力の伝達が可能となる。保持部材５７の内周側であって機内側に周溝５９が設けられている。

【0034】

静止密封環１７は、その機内側の端面に、円環状となる第二のシール面１７ａを有する。静止密封環１７は、周溝５９に密着して嵌合することで保持部材５７に固定される。このため、静止密封環１７と保持部材５７とは相互間で回転力の伝達が可能となる。静止密封環１７は周溝５９に例えば焼き嵌めによって取り付けられる。

【0035】

弾性部材５４は、リテーナ５３とドライブカラー５８との間に設けられていて、本実施形態では、圧縮コイルばねである。リテーナ５３に、有底の孔５３ａが周方向に沿って複数形成されていて、その孔５３ａそれぞれに弾性部材５４が収容されている。弾性部材５４の機内側の端部がドライブカラー５８に軸方向から接触する。弾性部材５４の弾性復元力によって、保持体５２を通じて静止密封環１７は回転密封環１６側へ付勢される。

【0036】

連結部材５５は、リテーナ５３から保持体５２にわたって設けられていて、本実施形態では、ボルトである。連結部材５５の機内側の第一端部５５ａが、ドライブカラー５８のボルト穴に締結されている。連結部材５５の機外側の第二端部５５ｂが、リテーナ５３の段付き貫通穴（ザグリ穴）５３ｂに設けられている。連結部材（ボルト）５５は、周方向に沿って複数設けられている。

【0037】

連結部材５５の中間部である軸部５５ｃがリテーナ５３の段付き貫通孔５３ｂの内周面に接触可能であり、これにより、リテーナ５３と保持体５２（ドライブカラー５８）との間で回転力の伝達が可能となる。連結部材５５の第二端部５５ｂが、リテーナ５３の段付き貫通孔５３ｂ内で軸方向に変位可能であり、これにより、リテーナ５３に対する保持体５２の軸方向の変位が許容される。

【0038】

筒体５６は、リテーナ５３及び保持体５２の径方向外方に設けられている筒本体部６１と、筒本体部６１の機外側に例えばボルトによって固定される環状の止め部材６２とを有する。止め部材６２の機内側に凹部６３が設けられている。リテーナ５３は、機外側に突出するピン６４を有する。凹部６３とピン６４とは、周方向に一つまたは周方向に間隔をあけて複数設けられている。凹部６３にピン６４が嵌ることで、リテーナ５３と筒体５６とは相対回転が不能となり、リテーナ５３と筒体５６とは一体回転可能となる。

【0039】

筒本体部６１は、その内周に段付き形状を有する。つまり、筒本体部６１は、第三内周面６５と、第三内周面６５よりも内径が大きい第四内周面６６と、第三内周面６５と第四内周面６６との間であって機外側に向く環状の段付き面６７とを有する。第四内周面６６にリテーナ５３が取り付けられていて、そのリテーナ５３が、段付き面６７と止め部材６２とによって軸方向について挟まれた状態となり、筒体５６に固定される。以上より、筒体５６とリテーナ５３とは一体であり、これらは一体回転可能となる。

【0040】

リテーナ５３は、筒体５６（筒本体部６１の第四内周面６６）に接触した状態にある。これに対して、保持体５２は、筒体５６と非接触である。なお、保持体５２（保持部材５７）の外周面と筒体５６（筒本体部６１）の内周面との間は、Ｏリング６８によりシールされているが、筒体５６は保持体５２を直接的に支えていない。

【0041】

筒本体部６１の外周側であって機内側に、止めナット７４が螺合するねじ部７５が設けられている。筒本体部６１は、その外周側であってねじ部７５の機外側に、段付き形状を有する。つまり、筒本体部６１は、第一外周面７１と、第一外周面７１よりも外径が大きい第二外周面７２と、第一外周面７１と第二外周面７２との間であって機内側に向く環状の段付き面７３とを有する。第一外周面７１に転がり軸受２２の内輪３２が取り付けられていて、その内輪３２が、段付き面７３と止めナット７４とによって軸方向について挟まれた状態となり、筒体５６に固定される。

【0042】

図１に示すように、静止ユニット１２が有する筒体５６のうち、軸方向一方側である機内側の第一部分８１が、転がり軸受２２によって支持されている。筒体５６のうち軸方向他方側である機外側の第二部分８２が、ケース本体２１よりも機外側に突出している。筒体５６、及びその筒体５６と一体となる静止ユニット１２は、ケース１３に対して軸線Ｌを中心として回転可能となる。筒体５６に、変位部材１４が取り付けられていて、筒体５６と変位部材１４とは一体となって回転可能となる。しかし、変位部材１４が、センサ１５の受圧面１５ａに接触することで、筒体５６及び静止ユニット１２の回転は規制される。

【0043】

本実施形態では（図２参照）回転軸８の回転方向が反時計回り方向であり、回転軸８が回転すると、回転密封環１６と静止密封環１７との摺接面（摺接部分１８）における摩擦に起因して、静止密封環１７に、回転軸８の回転方向と同方向の回転力が生じる。その回転力によって、静止ユニット１２は同方向に回転しようとする。しかし、変位部材１４が、センサ１５の受圧面１５ａに対して反時計回り方向に接触することで、静止ユニット１２は回転不能となる。この際、変位部材１４がセンサ１５に対して周方向の荷重を与える。センサ１５がその荷重を検出する。

【0044】

図１に示すように、変位部材１４は、筒体５６のうち、ケース１３から露出している第二部分８２に取り付けられている。変位部材１４は、前記のとおりピン状の部材である。変位部材１４の先端に雄ねじ１４ａが形成されていて、筒体５６（筒本体部６１）の外周にその雄ねじ１４ａが螺合する雌ねじが形成されている。これにより、筒体５６と変位部材１４とは一体となって変位可能となる。

【0045】

〔第一実施形態に係るメカニカルシール１０について〕
以上のように、図１から図３に示すメカニカルシール１０は、回転ユニット１１と、静止ユニット１２と、ケース１３と、変位部材１４と、センサ１５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って回転密封環１６を有する。静止ユニット１２は、回転密封環１６が摺接する静止密封環１７を有する。ケース１３は、静止ユニット１２を、軸方向の変位を不能として、かつ、周方向の変位（回転）を許容して支持する。変位部材１４は、静止ユニット１２と一体となって周方向に変位可能である。センサ１５は、ケース１３に設けられていて、変位部材１４から受ける周方向の荷重を検出する。

【0046】

この構成を備えるメカニカルシール１０によれば、回転軸８が回転している状態で、静止密封環１７の第二のシール面１７ａに対して、回転密封環１６の第一のシール面１６ａが滑り接触する。つまり、第一のシール面１６ａ及び第二のシール面１７ａが、回転密封環１６と静止密封環１７との摺接面となる。その摺接面における摩擦に起因する回転力は、静止ユニット１２に作用し、静止ユニット１２が変位部材１４を伴ってケース１３に対して回転しようとする。

【0047】

回転しようとする変位部材１４が、ケース１３に設けられているセンサ１５に接触し、センサ１５は、変位部材１４から受ける周方向の荷重を検出する。センサ１５は、変位部材１４の歪みを検出するのではなく、前記摩擦に起因する回転力を、変位部材１４から受ける周方向の荷重として検出する。このため、第一のシール面１６ａと第二のシール面１７ａとの間の摺接面の状態を、汎用的なセンサ（荷重センサ）を用いて測定することが可能となる。

【0048】

前記摺接面における抵抗（摺動抵抗）が大きい場合、回転密封環１６と静止密封環１７との間で接触異常が生じている可能性がある。前記抵抗（摺動抵抗）が大きくなると、前記回転力が大きくなり、センサ１５が変位部材１４から受ける周方向の荷重も大きくなる。つまり、センサ１５は大きな荷重を検出する。センサ１５の検出値が既定値よりも大きい場合、例えばセンサ１５と電気的につながる制御装置が、警報信号を出力する。このようにして、メカニカルシール１０における異常（摺接面の接触異常）が監視される。

【0049】

第一実施形態では、ケース１３は、機器ケーシング９に固定されている筒状のケース本体２１の他に、転がり軸受２２を有する。転がり軸受２２は、ケース本体２１と静止ユニット１２（筒体５６）との間に形成される環状空間３５に設けられている。転がり軸受２２は、ケース本体２１に対して静止ユニット１２を回転可能に支持する。

【0050】

ケース１３が転がり軸受２２を有するため、静止ユニット１２は回転し易くなる。つまり、静止ユニット１２の回転抵抗が低減される。このため、前記摺接面における摩擦に起因して静止ユニット１２から変位部材１４に伝わる回転力が、その静止ユニット１２における回転抵抗の影響を受け難くなり、センサ１５の検出の感度が高まる。

【0051】

静止ユニット１２は、環状のリテーナ５３と、静止密封環１７を保持する保持体５２と、圧縮コイルばねから成る弾性部材５４と、ボルトから成る連結部材５５と、筒体５６とを有する。弾性部材５４は、静止密封環１７を回転密封環１６側へ付勢する。連結部材５５は、リテーナ５３と保持体５２との間で回転力を伝達可能であって、リテーナ５３に対する保持体５２の軸方向の変位を許容する。筒体５６は、リテーナ５３及び保持体５２の径方向外方に設けられていて、リテーナ５３と接触して一体であるが、保持体５２とは非接触である。そして、筒体５６に変位部材１４が取り付けられている。筒体５６が転がり軸受２２によって支持されている。

【0052】

このように、静止ユニット１２の筒体５６が転がり軸受２２によって支持されていて、筒体５６の挙動が安定する。その筒体５６に変位部材１４が取り付けられている。このため、センサ１５によって正確な検出が可能となる。

【0053】

静止ユニット１２のうち機内側（軸方向一方側）である第一部分８１が、転がり軸受２２によって支持されている。静止ユニット１２のうち機外側（軸方向他方側）である第二部分８２が、ケース本体２１よりも軸方向他方側に突出している。変位部材１４は、前記第二部分８２に取り付けられている。変位部材１４は、ケース１３の軸方向他方側に露出した状態で設けられていて、変位部材１４及びその荷重を検出するセンサ１５の管理が容易となる。

【0054】

〔第二実施形態に係るメカニカルシール１０の構成〕
図４は、第二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。図５は、第二実施形態に係るメカニカルシール１０を機外側から見た図である。第二実施形態に係るメカニカルシール１０は、図１に示す第一実施形態と比較すると、ケース１３の構成、及び、静止ユニット１２の一部の構成が異なり、回転ユニット１１の構成は同じである。静止ユニット１２に関しても、リテーナ５３が異なるが、その他については同じである。第一実施形態における構成と同じ構成については、同じ符号が付されており、その説明を一部省略する。

【0055】

図４に示すように、ケース１３は、静止ユニット１２の径方向外方に設けられている筒状のケース本体２１を有する。ケース本体２１に、変位部材１４を隙間ｅを有して貫通させる貫通孔３７が形成されている。ケース１３は、更に、環状の位置決め部材６９を有する。位置決め部材６９はボルト３８によってケース本体２１に固定されている。位置決め部材６９は、静止ユニット１２に対して軸方向に接触可能である。具体的に説明すると、位置決め部材６９は、静止ユニット１２のリテーナ５３に機外側から接触可能である。

【0056】

静止ユニット１２は、環状のリテーナ５３と、静止密封環１７を保持する保持体５２と、リテーナ５３と保持体５２との間に設けられている弾性部材（圧縮コイルばね）５４と、連結部材（ボルト）５５とを有する。弾性部材５４は、静止密封環１７を回転密封環１６側へ付勢する。連結部材５５は、リテーナ５３と保持体５２との間で回転力を伝達可能であって、リテーナ５３に対する保持体５２の軸方向の変位を許容する。静止ユニット１２に関する以上の点は、第一実施形態と同じである。

【0057】

図１及び図３に示す第一実施形態では、リテーナ５３は、ケース１３によって直接的に支持されておらず、筒体５６及び転がり軸受２２を介して支持されている。
これに対して、図４に示す第二実施形態では、リテーナ５３は、ケース１３に直接的に接触することで支持されている。つまり、ケース本体２１は、その内周側に、周方向ガイド面８５を有する。周方向ガイド面８５は、静止ユニット１２の一部であるリテーナ５３に対して径方向に接触可能であって、リテーナ５３を滑り接触させる面である。

【0058】

ケース１３がリテーナ５３を支持する構成について更に具体的に説明する。前記のとおり、ケース本体２１は、リテーナ５３の外周面に滑り接触する第一の周方向ガイド面８５を有する。位置決め部材６９は、リテーナ５３の機外側の側面５３ｃに滑り接触する第二の周方向ガイド面８６を有する。このように、リテーナ５３は、ケース１３の各部に接触していて、軸方向及び径方向にガイドされる。そして、変位部材１４は、リテーナ５３に取り付けられている。

【0059】

これに対して、保持体５２は、ケース本体２１に非接触であり、ケース１３によって軸方向及び径方向に直接的にガイドされていない。保持体５２（保持部材５７）の外周面とケース１３（ケース本体２１）の内周面との間は、Ｏリング７８によりシールされているが、ケース１３は保持体５２を直接的に支えていない。

【0060】

第一の周方向ガイド面８５は、円筒状の面であり、第二周方向ガイド面８６は、円環状の面である。これら第一の周方向ガイド面８５及び第二周方向ガイド面８６に、摩擦抵抗を低減するためのコーティングが付されている。なお、第一の周方向ガイド面８５及び第二周方向ガイド面８６に接触するリテーナ５３側に、前記コーティングが付されていてもよい。コーティングの例としてはフッ素コーティングである。前記コーティングについては省略されていてもよい。

【0061】

〔第二実施形態に係るメカニカルシール１０について〕
以上のように、図４及び図５に示す第二実施形態に係るメカニカルシール１０は、第一実施形態と同様に、回転ユニット１１と、静止ユニット１２と、ケース１３と、変位部材１４と、センサ１５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って回転密封環１６を有する。静止ユニット１２は、回転密封環１６が摺接する静止密封環１７を有する。ケース１３は、静止ユニット１２を、軸方向の変位を不能として、かつ、周方向の変位（回転）を許容して支持する。変位部材１４は、静止ユニット１２と一体となって周方向に変位可能である。センサ１５は、ケース１３に設けられていて、変位部材１４から受ける周方向の荷重を検出する。

【0062】

この構成を備えるメカニカルシール１０によれば、第一実施形態と同様に、回転軸８が回転している状態で、静止密封環１７の第二のシール面１７ａに対して、回転密封環１６の第一のシール面１６ａが滑り接触する。つまり、第一のシール面１６ａ及び第二のシール面１７ａが、回転密封環１６と静止密封環１７との摺接面となる。その摺接面における摩擦に起因する回転力は、静止ユニット１２に作用し、静止ユニット１２が変位部材１４を伴ってケース１３に対して回転しようとする。

【0063】

回転しようとする変位部材１４が、ケース１３に設けられているセンサ１５に接触し、センサ１５は、変位部材１４から受ける周方向の荷重を検出する。センサ１５は、変位部材１４の歪みを検出するのではなく、前記摩擦に起因する回転力を、変位部材１４から受ける周方向の荷重として検出する。このため、第一のシール面１６ａと第二のシール面１７ａとの間の摺接面の状態を、汎用的なセンサ（荷重センサ）を用いて測定することが可能となる。

【0064】

第二実施形態では、ケース１３は、静止ユニット１２の径方向外方に設けられている筒状のケース本体２１を有する。そのケース本体２１に、変位部材１４を隙間ｅを有して貫通させる貫通孔３７が形成されている。
なお、第一実施形態では転がり軸受２２を追加的に設ける必要があり、ケース１３及び静止ユニット１２の構成を一部、従来の構成から変更する必要がある。
これに対して、第二実施形態では、ケース本体２１に貫通孔３７を形成することで、変位部材１４及びセンサ１５を配置することができる。このため、従来の構成を大きく変更しなくても済む場合がある。

【0065】

第二実施形態では、静止ユニット１２は、環状のリテーナ５３と、静止密封環１７を保持する保持体５２と、静止密封環１７を回転密封環１６側へ付勢する弾性部材５４と、連結部材５５とを有する。連結部材５５は、リテーナ５３と保持体５２との間で回転力を伝達可能であって、リテーナ５３に対する保持体５２の軸方向の変位を許容する。ケース本体２１は、第一の周方向ガイド面８５を有する。第一の周方向ガイド面８５は、保持体５２とは非接触であって、リテーナ５３の外周面に滑り接触する。

【0066】

回転密封環１６と静止密封環１７との摺接面における摩擦に起因する回転力は、静止ユニット１２の静止密封環１７及び保持体５２から、連結部材５５を介してリテーナ５３に伝わる。ケース本体２１は、保持体５２と非接触であるのに対して、リテーナ５３を第一の周方向ガイド面８５で滑り接触させる。つまり、リテーナ５３は、ケース本体２１に支持されていて挙動が安定するのに対して、保持体５２は、ケース本体２１に支持されておらずリテーナ５３と比較して不安定な状態にある。前記回転力は保持体５２にも伝わるが、その保持体５２ではなく、挙動が安定するリテーナ５３に、変位部材１４が取り付けられる。このため、センサ１５によって正確な検出が可能となる。

【0067】

〔その他〕
前記各実施形態において、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。
前記各実施形態では、回転軸８の回転方向が一方向である。このため、変位部材１４の片側にのみセンサ１５が設けられている。
回転軸８が両方向に回転する場合、図示しないが、変位部材１４の両側にセンサ１５が設けられる。つまり、二つのセンサ１５が変位部材１４を挟むようにしてケース１３に設けられる。この構成により、変位部材１４は二つのセンサ１５のうち、いずれか一方に接触し、静止ユニット１２の回転が規制され、センサ１５が荷重を検出する。

【0068】

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】

【0069】

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 ケース
１４ 変位部材
１５ センサ
１６ 回転密封環
１７ 静止密封環
２１ ケース本体
２２ 転がり軸受
３５ 環状空間
３７ 貫通孔
５２ 保持体
５３ リテーナ
５４ 弾性部材
５５ 連結部材
５６ 筒体
６９ 位置決め部材
８１ 第一部分
８２ 第二部分
８５ 周方向ガイド面
ｅ 隙間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】