JP2838012B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一方が静止、他方が回
転状態にあって互いに作用しあっている面状の密封端面
間に、密封された流体が用いられることで、流体静力学
的（ハイドロスタティック）−流体動力学的（ハイドロ
ダイナミック）な力、或いはエアロスタティック−エア
ロダイナミックな力を発生させる回転シャフト用のメカ
ニカルシール装置に関する。上記の力は上記密封端面間
に僅かな間隙を提供し、また非接触の作用を提供するこ
とで、密封端面の磨耗と摩擦によるエネルギー損失を低
減し、また流体のリークを低く抑えることができる。

【０００２】

【従来の技術】回転流体膜面シールは、非接触式面シー
ルとも呼ばれ、一般に高速で高圧の回転装置に適用され
る。そのような高速で高圧の回転装置では、通常の面接
触を伴うメカニカル面シールを用いたのでは、過度の熱
や磨耗をもたらすからである。この望ましからざる面接
触は、シャフトが或るミニマムスピードを越えて回転し
ている時に、非接触作用が発生することで回避される。
上記非接触作用を達成する方法は種々あるが、その中
で、最も成功した１つは密封端面の一方に浅いスパイラ
ル溝のパターンを適用することである。この溝を設けた
密封端面と対向する密封端面は相対的に平坦で且つ滑ら
かとする。これら２つの密封端面がシーリング間隙を確
定する密封領域はシーリングインターフェイスと呼ばれ
ている。

【０００３】上記した密封端面の一方に設けられたスパ
イラル溝は、通常は外周縁から内向きに延設され、溝直
径と呼ばれるある特定の直径の位置で終わる。スパイラ
ル溝パターンが密封領域（シーリングインターフェイ
ス）の内直径よりも大きい溝直径の位置で終了すること
は重要なことである。溝直径と密封領域の内直径との間
に存在する、溝のない領域は流体の漏出に対する抑止部
として役に立つ。スパイラル溝パターンから運ばれた流
体がこの抑止部を通り抜けるのは、一対の密封端面が開
いたときだけであり、そしてこれは圧力が上昇すること
によってなされる。密封端面が接触状態に保たれると、
流体は前記抑止部の直前で圧縮され、圧力上昇する。こ
の圧力は分離力を発生させ、そしてその分離力は最後に
は２つの密封端面の接触状態維持力を上回る。そしてそ
の時点で密封状態の２つの密封端面が分離し、流体の漏
出を許す。密封動作中は、スパイラル溝のポンプ作用に
よる流体の流入と密封端面の分離による漏出との平衡が
確立している。それゆえ、密封端面の分離は密封動作を
行っている限り、即ち一方の密封端面がそれに対向する
密封端面に対して回転している限り存在する。しかしな
がらスパイラル溝によるポンプ作用は密封端面間の分離
程度を決定する唯一のファクターではない。丁度スパイ
ラル溝が、流体を溝直径を越えて密封領域の溝のない領
域に送り込むことができるのと同様に、圧力差も又その
様な効果を発揮する。若し密封領域における溝の終端部
と溝なし部の端部との間に十分な圧力差があれば、流体
はやはり溝から密封領域の溝なし部へ押し入れられ、そ
れによって対向面が分離され、間隙が形成される。

【０００４】密封端面間に間隙が形成され得る２つのケ
ースとして、１つは回転スピードによるものであり、も
う一つは圧力差によるものであるが、それらは、密封動
作中は２つの効果が組み合わされて出現するものの、互
いに別ものである。もし圧力差がなく、密封端面間の分
離が厳密に回転によってのみ生じるなら、その流体によ
る力は、密封流体が液体ならば水力学的（ハイドロダイ
ナミック）力として知られ、また密封流体が気体であれ
ば空気力学的（エアロダイナミック）力として知られて
いる。

【０００５】他方、もし２つの密封端面間に相対的な回
転がなく、密封端面の分離が厳密に密封領域における前
記溝の終端部と溝なし部の端部との間の２つの終端部間
の圧力差の結果による場合には、その流体による力は、
密封流体が液体なら静水力学的（ハイドロスタティッ
ク）力と呼ばれ、また密封流体が気体なら静空気力学的
（エアロスタティック）力と呼ばれている。以下におい
ては、ハイドロスタティックとハイドロダイナミックと
言う用語を液体の場合も気体の場合にも使うものとし、
流体静力学的、流体動力学的と言う語を使用する。

【０００６】スパイラル溝を用いた流体密封に要求され
ることは、それが漏出に関して満足すべき性能を示すこ
と及び密封作用の全動作中において密封端面間の接触が
ないことである。このことは回転速度及び圧力が最高の
ときだけでなく、静止時、起動時、加速時、装置の慣ら
し運転期間や装置の停止期間においても達成されなけれ
ばならない。正常な運転コンデションにおいては、圧力
と回転速度は一定の割合で変化し、その結果、運転中の
密封端面間隙はコンスタントに調節される。これらの調
節は自動的に行われる。即ち、スパイラル溝による流体
密封の重要な特性はそれらの自己調節能力であり、回転
速度または圧力の変化により、面間隙は新しい条件に対
応するよう自動的に調節される。そしてこの調節は流体
静力学的な力と流体動力学的な力とによりなされる。

【０００７】回転速度と圧力に関する運転条件の範囲は
通常非常に広く、流体密封の設計は必然的に妥協が要求
される。回転速度ないし圧力がゼロに近い状態で許容さ
れる性能は、通常運転時の回転速度と圧力における最適
状態よりも低下する。このことは、要するに回転と圧力
の両方に関して言えば、流体密封が速度と圧力差がゼロ
の状態から運転中までカバーされなければならないとい
うことである。流体密封の作用において特に問題となる
のは運転開始時である。遠心式気体圧縮器での流体密封
の場合、気体吸引の全圧力差が、シャフト回転開始前に
おいて、密封機構にそのままに加わることが多い。この
ため対向する密封端面が摩擦のために互いにロックされ
るという危険性が生じる。この密封端面のロックは、流
体静力学的な力が対向する密封端面を接触させんとする
圧力に十分対抗し得ない時に生じる。密封端面のロック
は流体密封の破壊をまねくことがあり、その場合には接
触した密封端面がひどい磨耗を引き起こし、或いは内部
の密封流体の漏出をもたらすことがある。

【０００８】そこで先ず、スパイラル溝は、全速非接触
運転を保証すべく、流体動力学的に密封端面間を分離さ
せ得るものであることが要求される。このためには、通
常、かなり短くて且つ比較的深いスパイラル溝が必要と
なる。次に、スパイラル溝は、運転の開始時と停止時に
おいて密封端面がロックされないように、密封端面にか
かる負荷を流体静力学的に解除し得るものであることが
要求される。このためには、スパイラル溝は長く延びて
いなければならない。しかし長く延びたスパイラル溝
は、全速運転中において密封端面の分離及びそれによる
漏出を助長する。

【０００９】現行のスパイラル溝のデザインを導く先行
技術は、バレット等に与えられた米国特許第３１０９６
５８号に遡る。その技術は対立する２つのスパイラル溝
が互いにオイルを供給し、これよって気体を密封するこ
とのできる液体バリアーを作り出すものである。しかし
そのような構成では、気体の密封に液体の力を使用して
いるため、回転速度や圧力に制限があった。次に重要な
先行技術は、ガーナーに与えられた米国特許第３４９９
６５３号に見られる。ガーナーは、現在広く行われてい
る、部分的なスパイラル溝を持った密封端面の構造を採
用する一方で、流体静力学的な効果を期待して、スパイ
ラル溝の幅を溝なし端部側へ向けて狭くしたテーパ状と
している。しかしながらこの場合には、広い溝部を越え
てのポンピング作用はその能力が低下するので、流体動
力学的な力は低下する。このことは密封の安定性に影響
を及ぼし、また最高圧力と回転速度にも制限を与える。
以上に次ぐ主要な先行技術は、セディに対する米国特許
４２１２４７５号である。この技術では、スパイラル溝
それ自体が流体動力学的に有効なパターンとしてだけで
はなく、流体静力学的にも有効なパターンとしても作用
するという事実を利用し、溝の幅をテーパ状にする必要
をなくし、これによりスパイラル溝の流体動力学的な力
のかなりの部分を密封端面に自己整列性を付与するのに
用いることができるようにしている。この自己整列性
は、運転中に密封端面の平行性が半径方向や接線方向に
ずれても、その密封端面を平行な位置に戻すもので、そ
の結果、密封作用の安定性を全面的に改善すると共に圧
力と回転速度に対する制限を大幅に改善することができ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上で
説明した従来におけるスパイラル溝を用いたメカニカル
シール装置においては、未だ圧力と回転速度における制
限が大きく、即ち運転開始時や運転停止時における密封
作用と高速運転中での密封作用とを共に安定して満足さ
せることが不十分であった。

【００１１】そこで本発明は上記従来のメカニカルシー
ル装置における欠点を解消し、従来のスパイラル溝を用
いたメカニカルシール装置における圧力と回転速度にお
ける適用範囲をより増大せしめることができると共にス
パイラル溝を用いた密封性能を向上させ、密封領域、密
封端面のロックや被密封流体の漏出をより広範囲の運転
条件下において確実に防止することができ、安定した密
封状態での高速、高圧運転ができるメカニカルシール装
置の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のメカニカルシール装置は、ハウジング１０
と回転シャフト１２との間に被密封流体をシールするた
め、前記回転シャフト１２に取り付けられ、平坦な第１
の密封端面２１を持つ第１のシールリング２０と、前記
ハウジング１０側にあって、前記第１のシールリング２
０と同軸に配置され、前記第１の密封端面２１に対して
軸方向に対向して隣接配置される平坦な第２の密封端面
１９を持つ第２のシールリング１８とを有し、前記第１
のシールリング２０又は第２のシールリング１８のいず
れか一方を軸方向に可動とし、この可動なシールリング
を弾性付与手段３０で他方のシールリングに向けて付勢
するようにしており、前記互いに向き合った第１、第２
の密封端面２１、１９により該密封端面２１、１９の外
周縁と内周縁の間に環状の密封領域を形成するようにし
たメカニカルシール装置であって、前記第１と第２の密
封端面２１、１９のいずれか一方２１に、前記被密封流
体と接触する側の外周縁から内方へスパイラル状に延設
され且つ円周方向に相互に間隔をおいて複数個形成され
た第１の溝２２と、同じ第１の密封端面２１に複数個形
成された複数の第２の溝２４、２５とを設けており、前
記第１の溝２２と第２の溝２４、２５とは、前記被密封
流体と接触する外周縁から開始される第１の溝２２に対
してその終端に第２の溝２４、２５を接続して開始させ
ると共に更に内方へ前記内周縁に到ることなく延設する
ことで、前記被密封流体が接触する外周縁から内方へ向
かう１本の溝パターンを形成するようにし、且つ第１の
溝２２と第２の溝２４、２５とは段部２６を介して接続
させ、またこの段部２６によって第１の溝２２を流体動
力学的な流体軸受けを形成するのに十分な深い溝とする
と共に第２の溝２４、２５を流体静力学的な流体軸受け
を形成するのに十分な浅い溝としたことを第１の特徴と
している。また本発明のメカニカルシール装置は、上記
第１の特徴に加えて、第１の溝２２の深さは、０．０２
５４ｍｍを越えないことを第２の特徴としている。また
本発明のメカニカルシール装置は、上記第１または第２
の特徴に加えて、第１の溝２２の深さは、０．００２５
４ｍｍ〜０．００７６２ｍｍの範囲とすることを第３の
特徴としている。また本発明のメカニカルシール装置
は、上記第１〜３のいずれかの特徴に加えて、第２の溝
２４、２５の深さは、０．０００２５４ｍｍ〜０．００
１７７８ｍｍの範囲とすることを第４の特徴としてい
る。また本発明のメカニカルシール装置は、上記第１〜
４のいずれかの特徴に加えて、第２の溝２４、２５と第
１の溝２２との深さの比は０．０５〜０．２５の範囲と
することを第５の特徴としている。また本発明のメカニ
カルシール装置は、上記第１〜５のいずれかの特徴に加
えて、第２の溝２４は、第１の溝２２に連続して内方へ
スパイラル状に延設されていることを第６の特徴として
いる。また本発明のメカニカルシール装置は、上記第１
〜５のいずれかの特徴に加えて、第２の溝２５は、内周
縁に向けて半径方向に延設されていることを第７の特徴
としている。また本発明のメカニカルシール装置は、上
記第１〜７のいずれかの特徴に加えて、第１の溝２２と
第２の溝２４、２５はそれぞれを一定の深さとしたこと
を第８の特徴としている。また本発明のメカニカルシー
ル装置は、上記第１〜７のいずれかの特徴に加えて、第
１の溝２２と第２の溝２４、２５の少なくとも１つはそ
の深さを外周縁側から内方へ徐々に浅くなるようにテー
パ状としていることを第９の特徴としている。

【００１３】

【作用】上記本発明の第１の特徴によれば、第１の溝２
２と第２の溝２４、２５を１つの溝パターンとして組み
合わせることで、過大な流体動力学的効果に起因する過
大間隙とそれによる被密封流体の漏出の増大といった不
利益を防止し、且つ安全な運転開始と停止のための流体
静力学的な密封端面の開口力を得ることができる。深さ
が深い第１の溝２２は、流体動力学的な作用が期待さ
れ、シャフト１２の回転時に、密封流体を密封端面２
１、１９間にポンピングし、密封端面２１、１９間に好
適な小さな間隙をもたらし、密封端面２１、１９間の接
触、ロック、磨耗等を防止する。また深さが浅い第２の
溝２４、２５は、流体静力学的な作用が期待され、シャ
フト１２が回転を停止している時或いは停止に近い状態
にあるときに、密封端面２１、１９間に被密封流体を供
給することで、シャフト１２の回転開始或いは回転停止
時における密封端面２１、１９間の接触、ロック、磨耗
等を防止し、また密封端面２１、１９間の接触圧を最低
に減少して起動時等におけるトルクを十分に低減するの
に役立つ。このように本発明の第１の特徴によれば、ス
パイラル溝からなる深い第１の溝２２と浅い第２の溝２
４、２５との組み合わせにより、単純な従来の１つのス
パイラル溝では不十分であった、運転開始・停止時及び
定常運転時（全速回転時）での両条件における密封作用
を改善し、運転停止ないし低速から高速に至る広範囲に
おいて、密封端面のロックを防止すると共に被密封流体
の多量の漏出を防止し、安定した流体密封性能を得るこ
とができる。特に、第１の特徴においては、深い第１の
溝２２の終端に浅い第２の溝２４、２５を接続させる構
成としたことで、種類の異なる２つの溝を、即ち第１の
溝２２と第２の溝２４、２５とを、外周縁から内方へ向
かう１本の単一パターンとして構成しているので、構造
上において非常にシンプルな構成となり、種類の異なる
複数の溝を円周方向に寄せ集めたような複パターンのも
のに比較して、密封端面での溝の形成ないし作製が非常
に容易となり、またそれだけ不良率を減らすことができ
る。加えて、第１の特徴においては、種類の異なる第１
の溝２２と第２の溝２４、２５とを、外周縁から内方へ
向かう１本の単一パターンとして構成しているので、種
類の異なる複数の溝を円周方向に寄せ集めたような複パ
ターンのものに比較して、密封端面の円周方向により多
数の溝パターンを構成することができ、円周方向の均一
性を向上させることができる。また第１の溝２２と第２
の溝２４、２５とは溝の深さによって異なる種類の溝と
しているので、溝幅によって溝の種類を異ならしめるた
めに広い幅の溝を用いたりする必要がなく、よって円周
方向での各パターンの専有面積を小さくすることがで
き、それだけ円周方向に多数の溝パターンを構成するこ
とができ、前記と同様な円周方向の均一性を向上させる
ことができる。また第１の特徴において、外周縁から内
方へ延びる深い第１の溝２２の終端が段部２６を介して
第２の溝２４、２５に接続しているので、回転中におい
て前記段部２６が一種のダムの役割を果たし、密封流体
が深い第１の溝２２から浅い第２の溝２４、２５側に行
くのを十分に抑制し、その結果、深い第１の溝２２内に
十分に効果的な流体動力学的な圧力を効率よく発生させ
ることができる。また前記段部２６によって第１の溝２
２を流体動力学的な流体軸受けを形成するのに十分な深
さの溝とし、また第２の溝２４、２５を流体静力学的な
流体軸受けを形成するのに十分な浅い溝とに区分するこ
とができたので、十分に深い第１の溝２２による高速回
転時での十分なる流体動力学的密封作用と、十分に浅い
第２の溝２４、２５による運転停止時や起動時等での効
果的な流体静力学的密封作用とを、且つ相互の溝（２２
と２４、２５）によって互いに悪影響を与えることな
く、行うことができる。上記第２の特徴によれば、上記
第１の特徴による作用に加えて、第１の溝２２の深さを
０．０２５４ｍｍを越えないようにしているので、第１
の溝２２による流体動力学的な密封効果を大きな副作用
なく行うことができる。上記第３の特徴によれば、上記
第１または第２の特徴による作用に加えて、第１の溝２
２の深さを０．００２５４ｍｍ〜０．００７６２ｍｍの
範囲とすることで、全速回転時において、密封端面２
１、１９間のロックや高摩擦、磨耗を十分に防止して安
定した高速回転を保証すると共に被密封流体の漏出をも
十分に抑制することができる範囲の間隙を密封端面２
１、１９間に確実に導入できる流体動力学的な圧力を、
第１の溝２２に発生させることができる。上記第４の特
徴によれば、上記第１〜３のいずれかの特徴による作用
に加えて、第２の溝２４、２５の深さを０．０００２５
４ｍｍ〜０．００１７７８ｍｍの範囲とすることで、運
転停止中や運転開始・停止時の低速回転時において、密
封端面２１、１９間のロックや高摩擦、磨耗を十分に防
止すると共に被密封流体の漏出をも十分に抑制すること
ができる範囲の間隙を密封端面２１、１９間に確実に導
入できる流体動力学的な圧力を、第２の溝２４、２５に
発生させることかできる。上記第５の特徴によれば、上
記第１〜４のいずれかの特徴による作用に加えて、第２
の溝２４、２５と第１の溝２２との深さの比を０．０５
〜０．２５の範囲とすることで、第２の溝２４、２５を
第１の溝２２に比べて十分に浅く、第１の溝２２を第２
の溝２４、２５に比べて十分に深く、またその間に十分
深い段部２６が構成されることが可能となり、これによ
って相対的に深い第１の溝２２による流体動力学的な作
用と相対的に浅い第２の溝２４、２５による流体静力学
的な作用とを、相互に悪影響を及ぼすことなくそれぞれ
十分効果的に行うことができる。その他、第１の溝２２
の終端に接続して内方へ延設される第２の溝２４、２５
は、上記第６の特徴のように第１の溝２２の終端に第２
の溝２４をスパイラル状に延設してもよく、また第７の
特徴のように第１の溝２２の終端に第２の溝２５を内周
縁へ向けて半径方向に延設してもよい。第２の溝をスパ
イラル状に設ける場合は第１の溝２２と非常にスムーズ
な連続がなされる。また、第１の溝２２や第２の溝２
４、２５については、第８の特徴のように、それぞれを
一定の深さにしてもよく、また第９の特徴のように、第
１の溝２２と第２の溝２４、２５のいずれか一方、又は
両方の深さを外周縁から内方へ徐々に浅くなるようにテ
ーパ状としてもよい。

【００１４】

【実施例】図１は本発明に基づいて作製されたメカニカ
ルシール装置の縦断方向の構成を示す一部断面構成図
で、シャフト回転時の各部の相対的位置を示している。
図２は図１の２−２断面図、 図３は図２における３−
３断面図である。図４は比較例を示す図で、密封領域と
シールリング及びそれに働く軸方向力を表した模式的側
面図である。図５は圧力−間隙図で、４つの異なるスパ
イラル溝パターンに対する流体静力学的にもたらされる
間隙と流体動力学的にもたらされる間隙を示す。図６は
接触する２つの平坦面の例を示す拡大図である。図７は
図２と同様な他の実施例を示す図である。図８は図３と
同様な他の実施例を示す図である。図９は図８と同様な
更に他の実施例を示す図である。

【００１５】先ず図１〜図３を参照して、本発明のメカ
ニカルシール装置の第１の実施例を説明する。図１に
は、本発明部分とその付属部分が示されている。この付
属部分にはハウジング１０と、そのハウジング１０を貫
通する回転シャフト１２が含まれる。この発明は環状の
空間１４内部に液体からなる被密封流体をシールし、そ
の被密封流体が周囲環境部１６に漏出するのを防止する
のに適用される。発明の基本的構成要素は軸方向に可動
な環状の第２のシールリング１８を含み、該第２のシー
ルリング１８は半径方向への延長された平坦な第２の密
封端面１９を持ち、該第２の密封端面１９と、回転可能
な環状の第１のシールリング２０の半径方向への延長さ
れた平坦な第１の密封端面２１とで、その間に外周縁か
ら内周縁に至るまでの環状の密封領域を構成している。
第２のシールリング１８はハウジング１０のキャビティ
１５内に位置し、前記回転可能な第１のシールリング２
０と同芯に保持されている。ハウジング１０と軸方向に
可動な第２のシールリング１８との間に複数のスプリン
グ３０が弾性付与手段として設けられており、該複数の
スプリング３０はハウジング１０のキャビティ１５の回
りに等間隔で配置されている。スプリング３０は第２の
シールリング１８を第１のシールリング２０に向けて接
触させるように付勢する。Ｏリング３８は第２のシール
リング１８とハウジング１０との間をシールする。第１
のシールリング２０はスリーブ３２によって軸方向の一
定位置に保持される。スリーブ３２はシャフト１２に同
芯的にロックナット３４で固定されている。ロックナッ
ト３４はシャフト１２上に螺合されている。Ｏリングシ
ール３６は第１のシールリング２０とシャフト１２との
間の漏出を防止する。

【００１６】前記第１の密封端面２１と第２の密封端面
１９とは、その作用として被密封流体の密封作用を行う
ために、非常に狭い間隙を密封領域として構成する。そ
して前記非常に狭い間隙は、前記第１の密封端面２１と
第２の密封端面１９との何れか一方として選択された第
１の密封端面２１に形成された２種類の溝２２、２４、
即ち第１の溝２２と第２の溝２４との組み合わせによっ
てもたらされる。第１の溝２２は被密封流体と接触する
側の外周縁から内方へスパイラル状に延設されて形成さ
れ、その第１の溝２２が円周方向に一定の間隔で複数形
成されている。また第２の溝２４も本実施例ではスパイ
ラル状の溝とされている。前記第１の溝２２と第２の溝
２４とは、第１の溝２２の終端に第２の溝２４が接続さ
れて開始すると共にそこから第２の溝２４がさらに内方
へ向けて延設されて構成されている。これにより第１の
溝２２と第２の溝２４との２つの異なる種類の溝が１本
の単一パターンとして構成される。前記第２の溝２４の
終端はやはり段部２８を形成して内周縁に至ることな
く、途中で終端となる。これにより第２の溝２４は外周
縁と内周縁との間の中央付近に位置することになってい
る。前記各段部２６、及び各段部２８はそれぞれ同芯円
周の一部を構成している。前記第１の溝２２の終端は段
部２６として形成され、この段部２６を介して第２の溝
２４が接続せられている。前記段部２６により、第１の
溝２２は流体動力学的な流体軸受けを形成するのに十分
な深い溝とされ、第２の溝２４は流体静力学的な流体軸
受けを形成するのに十分な浅い溝とされている。この実
施例では、図３に示すように第１の溝２２も第２の溝２
４もそれぞれが一定の深さの底、即ちそれぞれが平坦と
されている。なおこの実施例では、第１の溝２２と第２
の溝２４とが共にスパイラル溝に構成されることで非常
にスムーズなカーブを持って連続している。前記スパイ
ラルに形成された第１、第２の溝２２、２４はシャフト
１２のある特定の回転方向に対しては反時計方向で且つ
内向きに向いており、シャフト１２の前記とは反対の回
転方向に対しては時計方向で且つ内向きである。前記第
１の溝２２と第２の溝２４は第１のシールリング２０の
第１の密封端面２１に化学的エッチングによってそのパ
ターンを描くことができる。前記第１の溝２２と第２の
溝２４のパターンは第２のシールリング１８の第２の密
封端面１９に施してもよい。

【００１７】前記深く形成された第１の溝２２は、回転
中において、流体動力学的な圧力をもたらし、これによ
って密封端面２１、１９間に僅かな間隙を導入し、流体
軸受けを構成すると共に被密封流体の密封を維持する。
即ち、回転中においては、被密封流体側に接触している
外周縁から第１の溝２２内へ密封流体が流入せられるこ
とで、該第１の溝２２内に流体動力学的な圧力が生じ、
この圧力が密封端面２１、１９間を閉止しようとする圧
力を越えることで、密封端面２１、１９間に流体による
間隙が導入される。前記両方の圧力が均衡するところで
前記間隙の大きさが決まる。前記第１の溝２２による流
体動力学的な圧力により導入された間隙は流体軸受けを
構成し、密封端面２１、１９間のロックや大きな摩擦、
磨耗を防止することになるが、その一方、前記間隙が大
きくなればなるほど被密封流体の漏出が大となる。よっ
て、前記間隙の大きさは密封端面２１、１９間にロック
や大きな摩擦等が生じない最低の大きさを必要とすると
共に大きすぎる間隙であってもならない。このため、密
封端面２１、１９間に間隙を生じせしめる流体動力学的
な圧力をもたらす第１の溝２２の深さが問題となる。前
記第１の溝２２の深さとしては、０．００２５４ｍｍ
（０．０００１インチ）〜０．００７６２ｍｍ（０．０
００３インチ）が最も望ましい。この範囲に第１の溝２
２の深さを構成することで、全速回転時において、密封
端面２１、１９間のロックや高摩擦、磨耗を十分に防止
して安定した高速回転を保証すると共に被密封流体の漏
出をも十分に抑制することができる範囲の間隙を密封端
面２１、１９間に確実に導入することができる。また、
第１の溝２２の深さは０．０２５４ｍｍ（０．００１イ
ンチ）を越えることがないようにする。第１の溝２２を
０．０２５４ｍｍを越える深さとする場合には種々の悪
影響が生じる。

【００１８】前記浅く形成された第２の溝２４は、回転
停止中や回転起動時や回転停止時における低回転中にお
いて、流体静力学的な圧力をもたらし、これによって密
封端面２１、１９間に僅かな間隙を導入し、流体軸受け
を構成すると共に被密封流体の密封を維持する。即ち、
回転停止中或いは運転開始・停止時の低回転時において
は、被密封流体側に接触している外周縁に続く第２の溝
２４内に存在する被密封流体により流体静力学的な圧力
が生じ、この圧力が密封端面２１、１９間を閉止しよう
とする圧力を越えることで、密封端面２１、１９間に流
体による間隙が導入される。前記両方の圧力が均衡する
ところで前記間隙の大きさが決まる。前記第２の溝２４
による流体静力学的な圧力により導入された間隙は流体
軸受けを構成し、特に回転起動時や回転が停止されんと
する際における密封端面２１、１９間のロックや大きな
摩擦、磨耗を防止することになるが、その一方、前記間
隙が大きくなればなるほど被密封流体の漏出が大とな
る。よって、前記間隙の大きさは密封端面２１、１９間
にロックや大きな摩擦等が生じない最低の大きさを必要
とすると共に大きすぎる間隙であってもならない。この
ため、密封端面２１、１９間に間隙を生じせしめる流体
静力学的な圧力をもたらす第２の溝２４の深さも問題と
なる。前記第２の溝２４の深さとしては、０．０００２
５４ｍｍ（０．００００１インチ）〜０．００１７７８
ｍｍ（０．００００７インチ）が最も望ましい。この範
囲に第２の溝２４の深さを構成することで、回転停止時
や起動時や回転が停止されんとする低回転時において、
密封端面２１、１９間のロックや高摩擦、磨耗を十分に
防止すると共に被密封流体の漏出をも十分に抑制するこ
とができる範囲の間隙を密封端面２１、１９間に確実に
導入することができる。さらに、前記第２の溝２４と第
１の溝２２との深さの比は０．０５〜０．２５の範囲と
するのが好ましい。この範囲の深さの比にすることで、
第１の溝２２により適切な間隙を密封端面２１、１９間
に流体動力学的に導入することができ且つ第２の溝２４
により適切な間隙を密封端面２１、１９間に流体静力学
的に導入することが可能となる。また第１の溝２２と第
２の溝２４との段部２６を十分に大きくすることがで
き、第１の溝２２による流体動力学的作用が行われる際
における第２の溝２４による悪影響をなくし、また第２
の溝２４による流体静力学的作用が行われる際における
第１の溝２２による悪影響をなくすことができる。尚、
図２に示す例では、第２の溝２４を第１の溝２２と同じ
くスパイラル溝としたが、スパイラル溝に限定されるも
のではない。第２の溝２４は第１の溝２２の終端の段部
２６から内方に延設されたものであればよい。図７に示
す例では、第２の溝２５を第１の溝２２の終端である段
部２６から開始すると共に内周縁に向けて半径方向に延
設して構成している。そして第２の溝２５も内周縁に至
る手前の途中位置で段部２８からなる終端とされること
で、この第２の溝２５も外周縁と内周縁の間の中央付近
に位置することになる。また段部２６で接続される第１
の溝２２と第２の溝２４とは、第３図に示す例では、第
１の溝２２も第２の溝２４も、それぞれが一定の深さを
持つ底に構成しているが、これに限定されるものではな
い。段部２６を介した第１の溝２２と、第２の溝２４と
は、それらの一方、若しくは両方かそれぞれ、外周縁側
から内方に向けて深さが徐々に浅くなるようにテーパ状
として構成してもよい。図８に示す例では、第１の溝２
２の深さが一定で、第２の溝２４の深さをテーパ状とし
ている。また図９に示す例では、第１の溝２２、第２の
溝２４ともに深さをテーパ状としている。これらの点は
第２の溝２４が図７に示す第２の溝２５の場合も同様で
ある。

【００１９】図４は軸方向に可動のシールリングと、そ
れに対向したもう一つの現行の単純なスパイラル溝を持
つシールリングを示し、両シールリングは間隙Ｃをもっ
て隔てられている。そこに示されたスパイラル溝は寸法
がＡとＢである。軸方向に可動な両シールリングの両側
に、平衡状態にある軸方向の力が描かれている。この軸
方向の力は、示されたシールリングの前後方向の圧力分
布の範囲内で、多数の矢で示されている。これらの圧力
分布が変化すれば、力のバランスも変化し、その結果生
じる力の差が面間隔を再調整するようにシールリングを
動かし、これにより力の平衡状態が再び回復する。シー
ル作用が行われる広範な時点の中で、最も重要な時点は
シャフトが回転し始める時点である。通常はその時点に
おいて、シールは既に圧力差を保持している。そしてシ
ャフトの回転を開始させるために必要なことは、正に密
封端面間が開かんとする時に、間隙を閉止しようとする
力と開こうとする力とがほぼ等しくなるという条件にお
いて、僅かな間隙Ｃ若しくはゼロ間隙を有することであ
る。一方、避けなければならないことは、多量の漏出を
伴う大きな密封端面間隙である。また開こうとする力よ
りも格段に大きい閉止力を伴ったゼロ間隙である。この
場合には密封端面が摩擦によって互いにロックされ、シ
ャフトが回転されるとシールが損傷することになる。

【００２０】密封端面間が正に開口しようとするときに
ゼロ間隙になるというコンデションは好ましいコンデシ
ョンであり、本発明によれば広い範囲のシール圧に対し
てこれを達成することが可能である。このコンデション
において、装置は、完全に圧力のかかった状態で、殆ど
漏出もなく、また生産ロスも無く、いつでも運転を開始
することができる状態で、待機することができるのであ
る。スタートアップコンデション、即ち起動時での状態
は、シャフトが未だ回転していないことから流体静力学
的な原理に支配される。そしてスパイラル溝は密封端面
間に間隙を導入する導入手段として働く。図４によれ
ば、この間隙は溝領域でより大きく、溝のない領域でよ
り狭くなり、また溝によって内側の間隙に対する外側の
間隙の比が決まる。ここで流体静力学的原理が教えるこ
とは、スパイラル溝がより深く或いはより浅くされるこ
と、即ち図４の寸法Ｂが変更されることで前記内側の間
隙に対する外側の間隙の比が変更されると、その結果と
して間隙Ｃが変化するということである。その変化は、
寸法Ｂが増加すれば間隙Ｃが増加し、反対の場合には縮
小するという変化である。同様なことは、スパイラル溝
の深さが外周縁から内側への途中で減少する場合に起こ
る。即ち、外周縁での溝の深さが深い程、また溝の深さ
が内に向けて急に減少する程、平衡間隙Ｃは大きくな
る。反対の場合は平衡間隙Ｃが狭くなる。

【００２１】図４における相対的に大きい寸法のＡと相
対的に小さい寸法のＢからなるスパイラル溝のパターン
はユニークな流体静力学的な性質をシールに対して与え
る。即ち、流体静力学的な状況での間隙Ｃが非常に狭く
なり、２つの密封端面における粗さの凹凸にもとずく平
均間隙に近づくということである。この状況は図６に寸
法Ｓによって拡大して示している。いかに平滑であると
言えども、完全に平滑な面などは存在しえない。密封端
面には必ず小さな凹凸を伴ったある程度の粗さがあり、
その様な２つの接触面は、粗さの凸部間を通って僅かな
流体の流れを生じさせる道を常に残す。寸法Ｓは粗面効
果による平均間隙を示している。

【００２２】本発明の目的は、できるだけ広範な圧力範
囲において、密封端面間を開き過ぎることなく、流体静
力学的な状況での間隙Ｃが前記の寸法Ｓに近づくように
設計することである。即ち、密封端面間は閉じられる
が、開方向の力と閉方向の力がほぼ均衡し、密封端面に
摩擦によるロックが生じない状態での閉止である。上記
のことは図５に実証表示されている。図５には、本発明
による新しい組み合わせの溝パターンのみならず個々の
スパイラル溝パターンに関して、圧力変化による密封領
域の間隙の変化が示されている。図は８個のカーブを示
しており、そのうち２つはそれぞれ３つの単独パターン
の溝に対するものであり、あとの２つはコンビネーショ
ンパターンの溝に対するものである。これらのカーブの
内、１つは縦軸と一致し、他の２つは互いに一致する。
よって図５には６個のカーブが描かれているだけであ
る。これらのカーブに対応して、スパイラル溝のパター
ンが寸法情報と共に図５の上側に断面図で示されてい
る。

【００２３】先ず、スパイラル溝パターンＡは、７６．
２ｍｍ（３インチ）の溝直径と０．０００２５４ｍｍ
（０．００００１インチ）の溝深さで、流体静力学的な
分離力をが得られる様に設計されている。このパターン
Ａが持つゼロ回転スピードでの間隙−圧力特性は線Ａ１
に示されている。これの特性は、２．８１２２７８４ｋ
ｇ・ｃｍ^−２（４０ｐｓｉｇ）の圧力において、既に密
封端面間に僅かな間隙が存在していることである。間隙
は計算によるものであり、また実際の密封端面はある程
度の表面粗さを持つであろうが、上記の僅かな間隙は必
ずしも面接触を排除する程大きくはないが、間隙閉止力
と間隙開放力とをほぼ均衡状態とするには十分であり、
密封端面のロックとシールの破損の危険性を排除するの
に十分であろう。事実、スパイラル溝パターンＡにおけ
る流体静力学的な分離力は軽い面接触の理想的な条件を
もたらし、それゆえ、密封端面粗さ間のほんのごく僅か
な流体漏出、それも面接触の程度の大小によっても余り
変化しない流体漏出で済ますことができる。密封端面
は、広範な圧力範囲において、正に開こうとする状態に
あり、そしてシャフトはこれらのどのような圧力におい
ても、シールの破損の危険なしに回転を開始することが
できる。溝パターンＡにおける深さの増加は、密封端面
を大きく分離させ、大きな漏出を招き、また長期間にわ
たって圧力下に待機せられるであろう装置にとって望ま
しくない状況とをもたらす。

【００２４】明記すべきことは、パターンＡは、その効
果を出すためにはスパイラル形状にする必要がないこと
である。図２と同様な図７に示すように、深い外側の第
１の溝２２に接続する浅い半径方向の溝２５のパターン
もまた流体静力学的に効果的である。図７の半径方向の
溝２５は、図２における溝２４のスパイラル角を増加す
ることで得られる。勿論これら２つの溝２４、２５の中
間的な溝形状もまた効果的である。上記溝パターンＡに
対する全速回転特性を線Ａ２に示す。高速シャフト回転
の力学によれば、非接触シール作用を起こすためにはあ
る最小の間隙が要求され、Ａ２に示す間隙では不十分で
ある。よって溝パターンＡそのものは不適格である。

【００２５】溝パターンＢは８６．８６８ｍｍ（３．４
２インチ）の溝直径で、０．００５０８ｍｍ（０．００
０２インチ）の溝深さを持ち、このパターンＢは全速回
転で最適になるよう設計されている。この為、溝は相対
的に深くされて、全速回転時に密封端面間を十分に分離
できるよう十分な量の流体を密封領域に供給するように
なされている。また溝は相対的に寸法が短くされ、これ
によって可能性として組み合わされるであろう他のいか
なる溝パターンによる干渉をも排除する最小限度可能な
流体静力学的効果を与えるようにしている。溝パターン
Ｂは流体静力学的には密封端面間を分離しない。それゆ
え、線Ｂ１は縦軸に一致し、すべての圧力においてゼロ
間隙である。このような溝パターンＢは殆どの圧力にお
いて密封端面のロックを引き起こす。よって溝パターン
Ｂもまたそれ自体では不適格である。なお、線Ｂ２に示
す全速回転特性は流体動力学的なシールの非接触作用に
対する十分な密封端面間隙を示している。

【００２６】溝パターンはＡＢはパターンＡにパターン
Ｂを組み合わせたものである。流体静力学的な分離特性
を示す線ＡＢ１は前記線Ａ１よりも右側によっている。
これは溝パターンのＢパターンによる効果が少し残って
いることによるものである。一方、流体動力学的な分離
特性を示す線ＡＢ２はほとんど前記線Ｂ２と一致し、Ａ
Ｂ２の間隙はＢ２の間隙よりも５％未満の小さな差だけ
大きい程度である。それ故、この溝パターンＡＢ２は、
密封端面のロックを起こさないための流体静力学的な分
離の基準と、及び漏出の少ない満足のゆく流体動力学的
な間隙の基準の両方の基準を満たしており、現行のもの
を越えた改善が成されていることを示している。

【００２７】比較として、現行の単純な溝パターンＣを
示す。この溝パターンＣは８０．９７５２ｍｍ（３．１
８８インチ）の溝直径と０．００５０８ｍｍ（０．００
０２インチ）の溝深さを有し、その流体静力学的な分離
特性を示す線をＣ１で、また流体動力学的な分離特性を
示す線をＣ２で、それぞれ破線で図に示す。溝パターン
Ｃは、全圧が加わった状態で運転開始が確実に行えるよ
うに、流体静力学的に十分に密封端面を分離できるよう
設計されたものである。漏出を少なくするためにこの溝
パターンＣをさらに短くしようとすると、流体静力学的
な密封端面のロックを引き起こすことになる。明記すべ
きことは、流体動力学的な作用のための深い溝が、如何
に流体静力学的な分離には不適当かということである。
線Ｃ１に示すように、密封端面は高圧のときのみ開く傾
向にあるが、間隙の開放は急激になされる。密封端面の
ロックを十分に防止するために溝パターンＣの長さを増
す必要性は、同時に流体動力学的な作用を不利にし、線
Ｃ２を線Ｂ２やＡＢ２より著しく右に偏らせてしまう。
漏出量は間隙の約３乗に従って変化するので、７０．３
０６９６ｋｇ・ｃｍ^−２（１０００ｐｓｉｇ）において
線Ｂ２（ＡＢ２）から線Ｃ２への間隙の増加は、ほぼ１
７０％の漏出の増加を意味する。

【００２８】明らかなように、本発明による溝パターン
ＡＢは、現行の溝パターンＣと比較した場合、大幅な漏
出の抑制を行うことができる。また流体動力学的側面か
らの分離特性において、溝パターンＡＢの線ＡＢ２に近
い線Ｂ２を持つ前記単純溝パターンＢは使用できない。
なぜなら溝パターンＢは十分な流体静力学的な密封端面
の分離をもたらさず、回転停止状態において密封端面の
ロックをもたらすからである。また単純な溝パターンＡ
も使用できない。なぜなら溝パターンＡは流体静力学的
に密封端面のロックを防止する（線Ａ１参照）だけで、
全圧、全回転スピードにおける流体動力学的な非接触作
用を確保することができないからである。

【００２９】

【発明の効果】本発明は以上の構成、作用よりなり、請
求項１に記載のメカニカルシール装置によれば、スパイ
ラル溝からなる深い第１の溝２２と浅い第２の溝２４、
２５とを組み合わせることで、回転停止時や運転開始・
停止時における低回転時には浅い第２の溝２４、２５に
よる流体静力学的作用により、また全速回転時には深い
第１の溝２２による流体動力学的作用により、それぞれ
密封端面２１、１９間のロック、磨耗等を防止すると共
に被密封流体の多量の漏出を防止することができる。よ
って運転停止状態から全速回転に至る広範囲の運転条件
下で安定した流体密封性能を得ることができる。特に、
請求項１に記載の構成によれば、深い第１の溝２２の終
端に浅い第２の溝２４、２５を接続させる構成としたこ
とで、種類の異なる２つの溝を、即ち第１の溝２２と第
２の溝２４、２５とを、外周縁から内方へ向かう１本の
単一パターンとして構成しているので、構造上において
非常にシンプルな構成となり、種類の異なる複数の溝を
円周方向に寄せ集めたような複パターンのものに比較し
て、密封端面での溝の形成ないし作製が非常に容易とな
り、またそれだけ不良率を減らすことができる。加え
て、請求項１に記載の構成によれば、種類の異なる第１
の溝２２と第２の溝２４、２５とを、外周縁から内方へ
向かう１本の単一パターンとして構成しているので、種
類の異なる複数の溝を円周方向に寄せ集めたような複パ
ターンのものに比較して、密封端面の円周方向にそれだ
け多数の溝パターンを構成することができ、円周方向に
おける流体軸受け作用の均一性を向上させることができ
る。更に第１の溝２２と第２の溝２４、２５とは溝の深
さによって異なる種類の溝としているので、溝幅によっ
て溝の種類を異ならしめるために広い幅の溝を用いたり
する必要がなく、よって円周方向での各パターンの専有
面積を小さくすることができ、それだけ円周方向に多数
の溝パターンを構成することができ、前記と同様な円周
方向の均一性を一層向上させることができる。また請求
項１に記載の構成によれば、外周縁から内方へ延びる深
い第１の溝２２と第２の溝２４、２５とを段部２６を介
して接続しているので、回転中において、密封流体が深
い第１の溝２２から浅い第２の溝２４、２５側に行くの
を十分に抑制することができ、その結果、深い第１の溝
２２内に十分に効果的な流体動力学的な圧力を効率よく
発生させることができる。更に前記段部２６によって第
１の溝２２を流体動力学的な流体軸受けを形成するのに
十分な深さの溝とし、また第２の溝２４、２５を流体静
力学的な流体軸受けを形成するのに十分な浅い溝とに区
分することができるので、十分に深い第１の溝２２によ
る高速回転時での効果的な流体動力学的密封作用と、十
分に浅い第２の溝２４、２５による運転停止時や起動時
等での効果的な流体静力学的密封作用とを、且つ相互の
溝（２２と２４、２５）によって互いに悪影響を与える
ことなく、正確に行うことができる。また請求項２に記
載の構成によれば、上記請求項１に記載の構成による効
果に加えて、第１の溝２２の深さを０．０２５４ｍｍを
越えないようにしているので、第１の溝２２による流体
動力学的な密封効果を大きな副作用なく行うことができ
る。また請求項３に記載の構成によれば、上記請求項１
または２に記載の構成による効果に加えて、第１の溝２
２の深さを０．００２５４ｍｍ〜０．００７６２ｍｍの
範囲とすることで、全速回転時において、密封端面２
１、１９間のロックや高摩擦、磨耗を十分に防止して安
定した高速回転を保証すると共に被密封流体の漏出をも
十分に抑制することができる範囲の間隙を密封端面２
１、１９間に確実に導入できる流体動力学的な圧力を、
第１の溝２２に発生させることができる。また請求項４
に記載の構成によれば、上記請求項１〜３のいずれかに
記載の構成による効果に加えて、第２の溝２４、２５の
深さを０．０００２５４ｍｍ〜０．００１７７８ｍｍの
範囲とすることで、運転停止中や運転開始・停止時の低
速回転時において、密封端面２１、１９間のロックや高
摩擦、磨耗を十分に防止すると共に被密封流体の漏出を
も十分に抑制することができる範囲の間隙を密封端面２
１、１９間に確実に導入できる流体動力学的な圧力を、
第２の溝２２に発生させることができる。また請求項５
に記載の構成によれば、上記請求項１〜４のいずれかに
記載の構成による効果に加えて、第２の溝２４、２５と
第１の溝２２との深さの比を０．０５〜０．２５の範囲
とすることで、第２の溝２４、２５を第１の溝２２に比
べて十分に浅く、第１の溝２２を第２の溝２４、２５に
比べて十分に深く、またその間に十分深い段部２６を構
成することが可能となり、これによって相対的に深い第
１の溝２２による流体動力学的な作用と相対的に浅い第
２の溝２４、２５による流体静力学的な作用とを、相互
に悪影響を及ぼすことなくそれぞれ十分効果的に行うこ
とができる。その他、請求項６に記載の構成によれば、
上記請求項１〜５のいずれかに記載の構成による効果に
加えて、第１の溝２２の終端に第２の溝２４をスパイラ
ル状に延設することで、スムーズに連続する一本の溝パ
ターンを得ることができる。また請求項７に記載の構成
によれば、上記請求項１〜５のいずれかに記載の構成に
よる効果を、第１の溝２２の終端に第２の溝２５を内周
縁に向けて半径方向に延設することによっても得ること
ができる。また請求項８に記載の構成によれば、上記請
求項１〜７のいずれかに記載の構成による効果を、第１
の溝２２や第２の溝２４、２５の深さをそれぞれ一定に
しても得ることができる。また請求項９に記載の構成に
よれば、上記請求項１〜７のいずれかに記載の構成によ
る効果を、第１の溝２２と第２の溝２４、２５の少なく
とも一方の溝の深さを外周縁側から内方へ徐々に浅くな
るようにテーパ状としても得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づいて作製されたメカニカルシール
装置の縦断方向の構成を示す一部断面構成図で、シャフ
ト回転時の各部の相対的位置を示している。

【図２】図１の２−２断面図である。

【図３】図２における３−３断面図である。

【図４】比較例を示す図で、密封領域とシールリング及
びそれに働く軸方向力を表した模式的側面図である。

【図５】圧力−間隙図で、４つの異なるスパイラル溝パ
ターンに対する流体静力学的にもたらされる間隙と流体
動力学的にもたらされる間隙を示す。

【図６】接触する２つの平坦面の例を示す拡大図であ
る。

【図７】図２と同様な他の実施例を示す図である。

【図８】図３と同様な他の実施例を示す図である。

【図９】図８と同様な更に他の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１０ ハウジング １２ シャフト １４ 環状の空間 １６ 周囲環境部 １８ 第２のシールリング １９ 第２の密封端面 ２０ 第１のシールリング ２１ 第１の密封端面 ２２ 第１の溝 ２４ 第２の溝 ２５ 第２の溝 ２６ 段部 ２８ 段部 ３０ スプリング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−236067（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−54382（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−54366（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−74664（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭47−48808（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭36−6305（ＪＰ，Ｂ１) 欧州特許出願公開369295（ＥＰ，Ａ) ***国特許出願公開369295（ＤＥ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16J 15/34

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジング１０と回転シャフト１２との
   間に被密封流体をシールするため、 前記回転シャフト１２に取り付けられ、平坦な第１の密
   封端面２１を持つ第１のシールリング２０と、 前記ハウジング１０側にあって、前記第１のシールリン
   グ２０と同軸に配置され、前記第１の密封端面２１に対
   して軸方向に対向して隣接配置される平坦な第２の密封
   端面１９を持つ第２のシールリング１８とを有し、 前記第１のシールリング２０又は第２のシールリング１
   ８のいずれか一方を軸方向に可動とし、この可動なシー
   ルリングを弾性付与手段３０で他方のシールリングに向
   けて付勢するようにしており、 前記互いに向き合った第１、第２の密封端面２１、１９
   により該密封端面２１、１９の外周縁と内周縁の間に環
   状の密封領域を形成するようにしたメカニカルシール装
   置であって、 前記第１と第２の密封端面２１、１９のいずれか一方２
   １に、前記被密封流体と接触する側の外周縁から内方へ
   スパイラル状に延設され且つ円周方向に相互に間隔をお
   いて複数個形成された第１の溝２２と、同じ第１の密封
   端面２１に複数個形成された複数の第２の溝２４、２５
   とを設けており、 前記第１の溝２２と第２の溝２４、２５とは、前記被密
   封流体と接触する外周縁から開始される第１の溝２２に
   対してその終端に第２の溝２４、２５を接続して開始さ
   せると共に更に内方へ前記内周縁に到ることなく延設す
   ることで、前記被密封流体が接触する外周縁から内方へ
   向かう１本の溝パターンを形成するようにし、且つ第１
   の溝２２と第２の溝２４、２５とは段部２６を介して接
   続させ、またこの段部２６によって第１の溝２２を流体
   動力学的な流体軸受けを形成するのに十分な深い溝とす
   ると共に第２の溝２４、２５を流体静力学的な流体軸受
   けを形成するのに十分な浅い溝としたことを特徴とする
   メカニカルシール装置。
2. 【請求項２】 第１の溝２２の深さは、０．０２５４ｍ
   ｍを越えない請求項１に記載のメカニカルシール装置。
3. 【請求項３】 第１の溝２２の深さは、０．００２５４
   ｍｍ〜０．００７６２ｍｍの範囲とする請求項１または
   ２に記載のメカニカルシール装置。
4. 【請求項４】 第２の溝２４、２５の深さは、０．００
   ０２５４ｍｍ〜０．００１７７８ｍｍの範囲とする請求
   項１〜３のいずれかに記載のメカニカルシール装置。
5. 【請求項５】 第２の溝２４、２５と第１の溝２２との
   深さの比は０．０５〜０．２５の範囲とする請求項１〜
   ４のいずれかに記載のメカニカルシール装置。
6. 【請求項６】 第２の溝２４は、第１の溝２２に連続し
   て内方へスパイラル状に延設されている請求項１〜５の
   いずれかに記載のメカニカルシール装置。
7. 【請求項７】 第２の溝２５は、内周縁に向けて半径方
   向に延設されている請求項１〜５のいずれかに記載のメ
   カニカルシール装置。
8. 【請求項８】 第１の溝２２と第２の溝２４、２５はそ
   れぞれを一定の深さとした請求項１〜７のいずれかに記
   載のメカニカルシール装置。
9. 【請求項９】 第１の溝２２と第２の溝２４、２５の少
   なくとも１つはその深さを外周縁側から内方へ徐々に浅
   くなるようにテーパ状としている請求項１〜７のいずれ
   かに記載のメカニカルシール装置。