JP2001056058A - 非接触形メカニカルシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ニューマチックハンマによる回転密封環の振
動を可及的に防止することができる静圧形の非接触形メ
カニカルシールを提供する。 【解決手段】 回転密封環６の外周面２１ａとスプリン
グリテーナ５の保持部１３の内周面１３ａとの間に一対
のＯリング２２，２２でシールされた環状空間２３を形
成し、回転密封環６に、密封端面３ａ，６ａ間と環状空
間２３とを連通するシールガス導入路２４を形成してあ
る。静圧発生溝１５に供給されたシールガス８はシール
ガス導入路２４から環状空間２３に導入されて、Ｏリン
グ２２，２２を、その上記内外周面１３ａ，２１ａへの
圧接力を高めるべく、変形させる。その結果、回転密封
環６が保持部１３にＯリング２２，２２を介して強力に
固定され、ニューマチックハンマによる回転密封環６の
振動が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、毒性ガス，可燃性
ガス，爆発性ガス，粉体混入ガス等の各種ガスを扱うタ
ービン，ブロワ，コンプレッサ，攪拌機，ロータリバル
ブ等の回転機器において好適に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。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の非接触形メカニカルシー
ルとして、シールケースに固定された静止密封環と、回
転軸に設けられたスプリングリテーナと、静止密封環と
スプリングリテーナとの間に配して、回転軸にこれとの
間をＯリングにより二次シールされた状態で軸線方向に
移動可能に嵌挿保持された回転密封環と、静止密封環を
貫通して、両密封環の対向端面である密封端面間に被密
封流体より高圧のシールガスを供給するシールガス供給
路と、回転密封環とスプリングリテーナとの間に介装さ
れて回転密封環を静止密封環へと押圧附勢するスプリン
グ部材とを具備して、両密封端面をその間に供給された
シールガスにより非接触状態に保持させつつ相対回転さ
せることによって、その相対回転部分の内外周側領域で
ある被密封流体領域と非密封流体領域（一般に、大気領
域である）とをシールするように構成されたものがあ
る。かかる構成の非接触形メカニカルシールにあって
は、密封端面間にシールガスによる静圧の流体膜が形成
され、この流体膜の存在によって、両密封端面が微小な
隙間を隔てた非接触状態に保持される。そして、密封端
面間に供給されるシールガスが被密封流体より高圧であ
るから、シールガスは相対回転する密封端面間から被密
封流体領域及び非密封流体領域へと漏洩するが、被密封
流体は密封端面間に侵入することがなく、被密封流体の
非密封流体領域への漏洩を完全に阻止することができ
る。したがって、被密封流体が毒性ガス，可燃性ガス，
爆発性 ガス等のように機外に漏洩することを回避すべ
きものである回転機器においても、好適な軸封を行うこ
とができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような静圧形の非
接触形メカニカルシールにあっては、シールガス供給路
から密封端面間に供給されるシールガスが圧縮性のもの
であることから、密封端面間に至るシールガス流動経路
には、いわゆるニューマチックハンマと称せられる自励
振動が不可避的に生じる。その結果、シールケースに固
定されている静止密封環については問題はないが、回転
軸にＯリングを介して嵌挿保持されているにすぎない回
転密封環については、上記自励振動により、密封端面間
の隙間と同程度若しくはそれ以下の微小振幅で振動する
ことになる。このような回転密封環の振動は、当該非接
触形メカニカルシールのシール機能自体には格別の悪影
響を与えるものではないが、振動音を発生するために防
止しておくことが好ましい。

【０００４】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、ニューマチックハンマによる回転密封環の振動
を可及的に防止することができ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。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、シールケース
に固定された静止密封環と、回転軸に設けられたスプリ
ングリテーナと、静止密封環とスプリングリテーナとの
間に配して、回転軸にこれとの間を二次シールされた状
態で軸線方向に移動可能に嵌挿保持された回転密封環
と、静止密封環を貫通するシールガス供給路から両密封
環の対向端面である密封端面間へと被密封流体より高圧
のシールガスを供給するシールガス供給機構と、回転密
封環とスプリングリテーナとの間に介装されて回転密封
環を静止密封環へと押圧附勢するスプリング部材とを具
備して、両密封端面をその間に供給されたシールガスに
より非接触状態に保持させつつ相対回転させることによ
って、その相対回転部分の内外周側領域である被密封流
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、スプリングリテーナに、回転密封環の
外周部を囲繞する円筒状の保持部を形成し、回転密封環
の外周部に形成した環状溝に、軸線方向に並列する一対
のＯリングを係合保持して、回転密封環とスプリングリ
テーナの保持部との対向周面間に両Ｏリングでシールさ
れた環状空間を形成し、回転密封環に、密封端面間と前
記環状空間とを連通するシールガス導入路を形成してお
くことを提案する。なお、環状空間をシールするＯリン
グとしては、天然ゴム，合成ゴム等の非圧縮性弾性材で
構成されたものを使用される。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図４に基づいて具体的に説明する。なお、以下の説明
において、前後とは図１における左右をいうものとす
る。

【０００７】この実施の形態における非接触形メカニカ
ルシール１は、図１に示す如く、シールケース２に固定
された静止密封環３と、回転機器の回転軸４に嵌合固着
されたスプリングリテーナ５と、回転軸４に軸線方向
（前後方向）に移動可能に嵌挿保持された回転密封環６
と、回転密封環６を静止密封環３へと押圧附勢するスプ
リング部材７と、両密封環３，６の対向端面である密封
端面３ａ，６ａ間にシールガス８を供給するシールガス
供給機構９と、回転密封環５の振動を防止する防振機構
１０とを具備して、両密封環３，６の対向端面たる密封
端面３ａ，６ａを非接触状態で相対回転させることによ
り、その相対回転部分の内周側領域である被密封流体領
域Ｇと外周側領域である非密封流体領域Ａとをシールす
るようになっている。なお、被密封流体領域Ｇは回転機
器内に連通する機内領域であり、密封すべき機内ガス
（被密封流体）が充満している。また、非密封流体領域
Ａは回転機器外の大気領域である。

【０００８】シールケース２は円筒状のものであり、回
転軸４が同心状に貫通する状態で、その後端部を回転機
器のハウジング（図示せず）に取付けたものである。

【０００９】静止密封環３は円環状体であり、図１に示
す如く、回転軸４に同心状に遊嵌された状態でシールケ
ース２の内周部に嵌合固定されている。静止密封環３の
前端面である密封端面（以下「静止密封端面」という）
３ａは、軸線に直交する環状平滑面に構成されている。
静止密封環３の後端部と回転軸４との間には周知のラビ
リンスシール１１が設けられている。このラビリンスシ
ール１１は、図１に示す如く、静止密封環３の内周面に
回転軸４の外周面に近接した状態で軸線方向に並列する
複数の環状突起１１ａ…を突設してなる。

【００１０】スプリングリテーナ５は円環状体であり、
図１に示す如く、静止密封環３の前方位に配して回転軸
４に嵌合固着されている。このスプリングリテーナ５の
内外周縁部には、円筒状のＯリング係止部１２及び円筒
状の保持部１３が後方に向けて同心状に突出形成されて
いる。

【００１１】回転密封環６は、図１に示す如く、その後
端面たる密封端面（以下「回転密封端面」という）６ａ
を軸線に直交する環状平滑面に形成した円環状体であ
り、静止密封環３とスプリングリテーナ５との間に配し
て、回転密封環６の内周面と回転軸４の外周面との間に
Ｏリング１４を装填した二次シール状態で、回転軸４に
軸線方向移動可能に嵌挿保持されている。また、回転密
封環６は、その前端部に突設した回り止めピン１５をス
プリングリテーナ５に穿設した係合孔１６に挿通係合さ
せることにより、一定範囲での軸線方向移動が許容され
た状態で、回転軸４ないしスプリングリテーナ５に対す
る相対回転を阻止されている。

【００１２】スプリング部材７は、図１に示す如く、ス
プリングリテーナ５と回転密封環６との間に介挿された
複数のコイルスプリング（一個のみ図示）で構成されて
いて、回転密封環６を静止密封環３へと押圧附勢するも
のであり、密封端面３ａ，６ａ間を閉じる方向に作用す
る閉力を発生させるものである。

【００１３】シールガス供給機構９は、図１〜図３に示
す如く、シールケース２及び静止密封環３に形成された
一連のシールガス供給路１５，１６，１７，１８とその
適所に配設した絞り器１９とを具備して、被密封流体の
圧力Ｐｇより高圧のシールガス８を密封端面３ａ，６ａ
間に供給させることにより、密封端面３ａ，６ａ間にこ
れを開く方向に作用する静圧（開力）を発生させるよう
になっている。

【００１４】シールガス供給路は、静止密封端面３ａに
形成された静圧発生溝１５と、静止密封環３の外周面と
シールケース３の内周面との間に形成される環状の連通
空間１６と、シールケース２を貫通して連通空間１６に
至るケース側通路１７と、静止密封環３を貫通して連通
空間１６から静圧発生溝１５に至る密封環側通路１８と
からなる。静圧発生溝１５は、静止密封端面３ａと同心
状の環状をなして連続又は断続する浅い凹溝であり、こ
の例では後者を採用している。すなわち、静圧発生溝１
５は、図３に示す如く、静止密封端面３ａと同心環状を
なして並列する複数の円弧状凹溝１５ａ…で構成されて
いる。より具体的には、静止密封端面３ａに同一形状を
なす４つの円弧状１５ａ…を等間隔Ｌを隔てて形成して
あり、隣接する各円弧状凹溝１５ａ，１５ａ相互間の静
止密封端面部分（以下「溝間ランド部分」という）１５
ｂの周方向長さＬは静圧発生溝１５の溝幅Ｗと同一又は
略同一の寸法に設定されている。連通空間１６は、シー
ルケース２と静止密封環３との対向周面間に装填したＯ
リング２０，２０によってシールされている。密封環側
通路１８の下流端部は分岐されていて、その各分岐部
を、図３に示す如く、静圧発生溝１５を構成する各円弧
状凹溝１５ａに開口１８ａさせてある。ケース側通路１
７の上流端部は所定のシールガス供給源（図示せず）に
接続されていて、シールガス８をケース側通路１７、連
通空間１６及び密封環側通路１８から静圧発生溝１５に
供給するようになっている。シールガス８としては、各
領域Ｇ，Ａに流出しても無害であり且つ機内ガスたる被
密封流体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窒素ガス
が使用されている。なお、シールガス８は、回転機器の
運転中（回転軸４の駆動中）においてのみ供給され、運
転停止後には供給を停止される。回転機器の運転は、シ
ールガス８の供給が開始された後であって、密封端面３
ａ，６ａ間が適正な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８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４が完全に停止した後に行な
われる。

【００１５】絞り器１９は、オリフィス，毛細管，多孔
質部材等の絞り機能を有するものであり、図１に示す如
く、密封環側通路１８の適所（円弧状凹溝１５ａ…に連
通する分岐部分より上流側の部分）に配設されている。

【００１６】而して、シールガス８を静圧発生溝１５に
供給すると、静圧発生溝１５に導入されたシールガス８
により、密封端面３ａ，６ａ間にこれを開く方向に作用
する開力が発生する。この開力は、密封端面３ａ，６ａ
間に導入されたシールガス８によって発生する静圧によ
るものである。したがって、密封端面３ａ，６ａは、こ
の開力と密封端面３ａ，６ａ間を閉じる方向に作用する
スプリング部材７による閉力（スプリング荷重）とがバ
ランスする非接触状態に保持される。すなわち、静圧発
生溝１５に導入されたシールガス８は密封端面３ａ，６
ａ間に静圧の流体膜を形成し、この流体膜の存在によっ
て、密封端面３ａ，６ａの内外周側領域Ｇ，Ａ間が遮蔽
シールされる。シールガス８の圧力及びスプリング部材
７のバネ力（スプリング荷重）は、密封端面３ａ，６ａ
間の隙間が適正（一般に、５〜１５μｍである）となる
ように、シール条件に応じて適宜に設定される。ところ
で、シールガス８は絞り器１９で絞られた上で静圧発生
溝１５に導入されることから、密封端面３ａ，６ａの隙
間が変動した場合にも、その隙間が自動的に調整されて
適正に保持される。すなわち、回転機器の振動等により
密封端面３ａ，６ａの隙間が大きくなったときは、静圧
発生溝１５から密封端面３ａ，６ａ間に流出するシール
ガス量と絞り器１９を通って静圧発生溝１５に供給され
るシールガス量とが不均衡となり、静圧発生溝１５内の
圧力が低下して、開力が閉力より小さくなるため、密封
端面３ａ，６ａ間の隙間が小さくなるように変化して、
その隙間が適正なものに調整される。逆に、密封端面３
ａ，６ａ間の隙間が小さくなったときは、上記したと同
様の絞り器１９による絞り機能により静圧発生溝１５内
の圧力が上昇して、開力が閉力より大きくなり、密封端
面３ａ，６ａ間の隙間が大きくなるように変化して、そ
の隙間が適正なものに調整される。

【００１７】ところで、シールガス供給源からケース側
通路１７に供給されるシールガス８の圧力（以下「シー
ルガス圧力」という）Ｐｓは、次のような理由から、絞
り器１９を通って密封環側通路１８から静圧発生溝１５
に導入されたシールガス８の圧力（各円弧状凹溝１５ａ
内における圧力であり、以下「ポケット圧力」という）
Ｐｐが被密封流体圧力Ｐｇより０．５〜１．５ｂａｒ高
くなる（Ｐｇ＋０．５ｂａｒ≦Ｐｐ≦Ｐｇ＋１．５ｂａ
ｒ）ように、制御しておくことが好ましい。すなわち、
静止密封端面３ａにおける各溝間ランド部分１５ｂの周
方向長さＬは前述したように静圧発生溝９の溝幅（円弧
状凹溝１５ａの溝幅）Ｗと同一又は略同一の寸法に設定
されるが、Ｐｐ＜Ｐｇ＋０．５ｂａｒであると、密封端
面３ａ，６ａ間に形成されるシールガス８による流体膜
の圧力分布が溝間ランド部分１５ｂに対応する部分で大
きく変動して、溝間ランド部分１５ｂに対応する部分に
おける流体膜圧力が被密封流体圧力Ｐｇより低下して、
溝間ランド部分１５ｂと回転密封端面６ａとの間から機
内ガスが非密封流体領域（大気領域）Ａに漏洩する虞れ
がある。また、Ｐｐ＞Ｐｇ＋１．５ｂａｒであると、密
封端面３ａ，６ａから被密封流体領域Ｇへのシールガス
洩れ量が必要以上に増大する。したがって、この例で
は、ポケット圧力Ｐｐを上記した如くＰｇ＋０．５ｂａ
ｒ≦Ｐｐ≦Ｐｇ＋１．５ｂａｒに維持するために、シー
ルガス圧力Ｐｓを被密封流体圧力Ｐｇより１〜３ｂａｒ
高くなる（Ｐｇ＋１ｂａｒ≦Ｐｓ≦Ｐｇ＋３ｂａｒ）よ
うに設定してある。このシールガス圧力Ｐｓは、当該回
転機器の運転中（回転軸４の回転中）において機内圧力
たる被密封流体圧力Ｐｇが変動しない場合や変動しても
その変動幅が小さい場合には、上記条件（Ｐｇ＋０．５
ｂａｒ≦Ｐｐ≦Ｐｇ＋１．５ｂａｒ，Ｐｇ＋１ｂａｒ≦
Ｐｓ≦Ｐｇ＋３ｂａｒ）を満足する範囲で一定に保持さ
れる。一方、運転中における被密封流体圧力Ｐｇの変動
幅が大きい場合には、シールガス圧力Ｐｓを一定に保持
していたのでは上記条件を満足しない事態が発生するた
め、被密封流体圧力Ｐｇの変動に応じて上記条件を満足
するようにシールガス圧力Ｐｓを調整制御するようにし
ておくことが好ましい。かかる調整制御は、差圧制御弁
等を使用する周知の制御システムによって容易に行なう
ことができる。勿論、被密封流体圧力Ｐｇの変動幅が小
さい場合にも、シールガス圧力Ｐｓを被密封流体圧力Ｐ
ｇの変動に応じて調整制御するようにしてもよい。な
お、上記した圧力Ｐｇ，Ｐｐ，Ｐｓは、何れも、大気圧
に対するゲージ圧（ｂａｒ）である。

【００１８】防振機構１０は、図１及び図２に示す如
く、回転密封環６の外周部を囲繞するスプリングリテー
ナ５の保持部１３と、回転密封環６の外周部に形成した
一対の環状のＯリング溝２１，２１と、各Ｏリング溝２
１に係合保持されて軸線方向に並列する一対のＯリング
２２，２２と、回転密封環６とスプリングリテーナ５の
保持部１３との対向周面間に形成され且つＯリング２
２，２２でシールされた環状空間２３と、回転密封環６
に形成された複数のシールガス導入路２４…とからな
る。

【００１９】各Ｏリング２２は、合成ゴム，天然ゴム等
の非圧縮性弾性材で構成されたものであり、Ｏリング溝
２１の底面２１ａと保持部１３の内周面１３ａとの間に
適度に圧縮された状態（回転密封環６の軸線方向移動を
妨げない状態）で充填されていて、環状空間２３の軸線
方向両端部をシールしている。この例では、各Ｏリング
２２として、上記した他のＯリング１４，２０と同様の
バイトン製のものを使用している。

【００２０】各シールガス導入路２４は、図１及び図２
に示す如く、回転密封環６を貫通しており、一端部２４
ａが回転密封端面６ａに開口すると共に他端部２４ｂが
環状空間２３に開口している。各シールガス導入路２４
の一端開口部２４ａは、図２及び図４に示す如く、静圧
発生溝１５に直対向しており、その径（より正確には回
転密封環６の径方向における長さ）Ｄは静圧発生溝１５
の溝幅（円弧状凹溝１５ａの溝幅）Ｗと同一若しくは小
さく設定されている（Ｄ≦Ｗ）。各シールガス導入路２
４の他端開口部２４ｂは、Ｏリング溝２１，２１間つま
りＯリング２２，２２間に位置されている。この例で
は、円弧状凹溝１５ａ…と同数（４つ）のシールガス導
入路２４…を回転密封環６の周方向に等間隔を隔てて設
けてある。すなわち、それらの両端部２４ａ…及び２４
ｂ…は回転密封環６の周方向に均等間隔を隔てた位置に
おいて回転密封端面６ａ及び回転密封環６の外周面に開
口されている。

【００２１】このような防振機構１０が設けられた非接
触形メカニカルシール１にあっては、静圧発生溝１５に
供給されたシールガス８により密封端面３ａ，６ａ間が
適正な非接触状態に保持されると共に、密封端面３ａ，
６ａ間に供給されたシールガス８がシールガス導入路２
４…から環状空間２３に導入されて、環状空間２３内が
密封端面３ａ，６ａ間の圧力と同一に保持される。した
がって、各Ｏリング２２は、環状空間２３内のシールガ
ス８によってＯリング溝２１の外側の壁面２１ｂへと押
圧されることになり、回転密封環６の軸線方向に圧縮さ
れる。その結果、各Ｏリング２２が非圧縮性の弾性材で
構成されたものであることから、回転密封環６の外周面
（Ｏリング溝２１の底面２１ａ）及びこれに対向するス
プリングリテーナ５の保持部１３の内周面１３ａへの各
Ｏリング２２の圧接力が増大し、回転密封環６はスプリ
ングリテーナ５の保持部１３の内周面にＯリング２２，
２２を介して強力に固定されることになる。

【００２２】したがって、絞り器１９を経て静圧発生溝
１５から密封端面３ａ，６ａ間に至るシールガス流動経
路においてニューマチックハンマ（自励振動）が発生せ
ず、これによって回転密封環５が振動するようなことが
なく、一般に「鳴き」と称せられる振動音が発生するこ
とがない。

【００２３】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
囲で適宜に改良，変更することができる。例えば、本発
明は、密封端面３ａ，６ａの相対回転部分の外周側領域
が被密封流体領域となり且つその内周側領域が非密封流
体領域ないし大気領域となるような構成の非接触形メカ
ニカルシールにも、上記した場合と同様に、好適に適用
することができる。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明によれば、静圧形の非接触形メカニカルシールにおい
て不可避的に発生するニューマチックハンマによる回転
密封環の振動を効果的に防止して、その振動音の発生を
阻止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る非接触形メカニカルシールの一例
を示す縦断側面図である。

【図２】図１の要部の拡大図である。

【図３】図１のIII−III線に沿う縦断正面図である。

【図４】図１のIV−IV線に沿う縦断背面図である。

【符号の説明】

１…非接触形メカニカルシール、２…シールケース、３
…静止密封環、３ａ…静止密封端面（静止密封環の密封
端面）、４…回転軸、５…スプリングリテーナ、６…回
転密封環、６ａ…回転密封端面（回転密封環の密封端
面）、７…スプリング部材、８…シールガス、９…シー
ルガス供給機構、１０…防振機構、１３…保持部、１３
ａ…保持部の内周面、１４…Ｏリング、１５…静圧発生
溝（シールガス供給路）、１５ａ…円弧状凹溝（シール
ガス供給路）、１６…連通空間（シールガス供給路）、
１７…ケース側通路（シールガス供給路）、１８…密封
環側通路（シールガス供給路）、１９…絞り器、２１…
Ｏリング溝、２１ａ…Ｏリング溝の底面（回転密封環の
外周面）、２１ｂ…Ｏリング溝の外側の壁面、２２…Ｏ
リング、２３…環状空間、２４…シール導入路、２４ａ
…シール導入路の一端部（一端開口部）、２４ｂ…シー
ル導入路の他端部（他端開口部）、Ａ…大気領域（非密
封流体領域）、Ｇ…被密封流体領域。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールケースに固定された静止密封環
   と、回転軸に設けられたスプリングリテーナと、静止密
   封環とスプリングリテーナとの間に配して、回転軸にこ
   れとの間を二次シールされた状態で軸線方向に移動可能
   に嵌挿保持された回転密封環と、静止密封環を貫通する
   シールガス供給路から両密封環の対向端面である密封端
   面間へと被密封流体より高圧のシールガスを供給するシ
   ールガス供給機構と、回転密封環とスプリングリテーナ
   との間に介装されて回転密封環を静止密封環へと押圧附
   勢するスプリング部材とを具備して、両密封端面をその
   間に供給されたシールガスにより非接触状態に保持させ
   つつ相対回転させることによって、その相対回転部分の
   内外周側領域である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非接触形メカニカルシー
   ルにおいて、 スプリングリテーナに、回転密封環の外周部を囲繞する
   円筒状の保持部を形成し、 回転密封環の外周部に形成した環状のＯリング溝に、軸
   線方向に並列する一対のＯリングを係合保持して、回転
   密封環とスプリングリテーナの保持部との対向周面間に
   両Ｏリングでシールされた環状空間を形成し、 回転密封環に、密封端面間と前記環状空間とを連通する
   シールガス導入路を形成したことを特徴とする非接触形
   メカニカルシール。