JPWO2009066664A1 - メカニカルシール及びタンデムシール - Google Patents

Abstract

本発明は、シールの圧力が低い場合や高い場合等どのような条件でも適切な摺動特性が得られるメカニカルシールを提供する。本発明においては、固定環４６の摺動面４６２に、外部と連通しておらず回転軸が回転した場合に動圧作用により摺動面の接触抵抗を低減するように作用する第１の溝４６３と、外部から圧力が導入されて常に静圧作用により摺動面の接触抵抗を低減するように作用する第２の溝４６４とをともに形成しているので、どのような状態でも摺動面の負荷が低減された適切なドライ接触状態での封止流体の封止が可能なメカニカルシールを提供することができる。

Description

本発明は、通常の状態ではドライ接触（ドライコンタクト）状態で使用されるメカニカルシールに関する。また、例えば石油化学プラント等において使用されるポンプのような液化ガス等を封止対象とする装置の軸封装置として用いられて好適なタンデムシールに関する。

メカニカルシールを軸方向二段に同じ向きに配置したタンデムシールは、流体の圧力を二分して摺動面の圧力負荷を軽減できるため高圧シールに有効である。また、封止流体側（機内側）のシール（一次側シール）に漏れが発生した場合でも大気側のシール（二次側シール）がバックアップとなり、２組のシールで確実に流体の漏れを防止することができる。そのためタンデムシールは、例えば石油化学プラント等において使用されるポンプのような液化ガス等を封止対象とする装置の軸封装置として用いられている。

そのようなポンプ用のタンデムシールの二次シールに使用されるメカニカルシールにおいて、特に通常の使用状態においてドライ接触状態で使用されるメカニカルシールにおいては、その摺動特性が非常に重要である。

従来、そのようなメカニカルシールの摺動特性を改善するためには、例えば、潤滑油を含浸した摺動材（例えば多孔質カーボン等）を用いたり、摺動材の摺動面に溝を形成して摺動により生じる動圧により摺動面間に浮上力を作用させて非接触とする等の方法がしばしば採られている。また、摺動面に形成した全周溝に貫通孔を介して一時シール側の圧力を導入し、この圧力によって摺動面の接触面圧を下げて負荷を減らし、ドライ接触状態での摺動特性を向上する方法も提案されている（例えば、日本国特許出願公開２００６−８３８８９号公報（特許文献１）及び日本国特許出願公開２００６−８３８９３号公報（引用文献２）参照）。
特開２００６−８３８８９号公報 特開２００６−８３８９３号公報

しかしながら、潤滑油を含浸した摺動材を使用するメカニカルシールにおいては、使用時の温度が比較的低い低温用途では粘性が高くなり、反対に使用時の温度が比較的高い高温用途では油が抜けてしまう場合があるという課題がある。また、油がプロセス液と反応する可能性があるためにその使用条件には制限があり、適用可能な対象が限られるという課題もある。

また、摺動材の摺動面に溝を形成して摺動による動圧により摺動面の負荷を低減する方法では、摺動面の速度が遅い時には摺動面に浮力が十分に働かず、接触摺動により性能の低下を招いたり、また、通常運転時には、隙間を有するため漏れが生じるという課題がある。

また、摺動面に形成した全周溝に一次シール側の圧力を導入する形態のメカニカルシールにおいても、一次シールに高圧が加わった場合には浮上力が過度に大きくなって摺動面の面開きを起こす可能性があり、また反対に、一次シールの圧力が低過ぎる場合には摺動面への負荷低減作用が無くなり過負荷状態となって早期に摩耗が進むという課題がある。

このように、従来のドライコンタクトメカニカルシールにおいては、使用温度、摺動速度あるいは一時側圧力等が変化した場合に摺動特性が影響を受けてしまい、適切な摺動特性を維持することが難しかった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、低温用途や高温用途、摺動面の速度が遅い場合や早い場合、あるいは、一次側シールの圧力が低い場合や高い場合等のいずれの条件においても、また、そのような条件が変動した場合においても、適切な摺動特性が得られる、すなわち、摺動面の負荷が低減された適切なドライ接触状態での封止流体の封止が可能なメカニカルシール及びタンデムシールを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明のメカニカルシールは、ハウジングと、当該ハウジングを通過する回転軸との間を封止するメカニカルシールであって、前記回転軸に当該回転軸と一体的に回転可能に設置され、前記回転軸の軸方向の一方の端部に摺動面を有する回転環と、前記ハウジングに設置され、前記回転環の前記摺動面に対向配置されて当該摺動面と摺動する摺動面を有する固定環とを有し、前記回転環の前記摺動面及び前記固定環の前記摺動面のいずれか一方又は両方に、周方向に沿って所定の範囲で凹部に形成され外部と連通していない第１の溝と、周方向に沿って所定の範囲で凹部に形成されるとともに外部から圧力を導入可能に当該外部と連通している第２の溝とが、各々１つ以上形成されていることを特徴とする。

このような構成の本発明のメカニカルシールによれば、摺動面に、外部と連通しておらず回転軸が回転した場合に動圧作用により摺動面の接触抵抗を低減するように作用する第１の溝と、外部から圧力が導入されて常に静圧作用により摺動面の接触抵抗を低減するように作用する第２の溝とをともに形成しているので、どのような状態でも摺動面の負荷が低減された適切なドライ接触状態での封止流体の封止が可能なメカニカルシールを提供することができる。すなわち、低温用途や高温用途、摺動面の速度が遅い場合や早い場合、あるいは、一次側シールの圧力が低い場合や高い場合等のいずれの条件においても、また、そのような条件が変動した場合においても、適切な摺動特性が得られるメカニカルシールを提供することができる。

好適には、本発明のメカニカルシールは、前記第２の溝は、当該メカニカルシールが封止する高圧側の空間と連通していることを特徴とする。

このような構成の本発明のメカニカルシールによれば、高圧側の空間と第２の溝とを連通させることにより、第２の溝において前述したような静圧作用を発揮させることができる。

また好適には、本発明のメカニカルシールは、前記第２の溝が形成されている前記回転環又は前記固定環は、前記高圧側の空間と前記第２の溝とを連通する連通孔を有することを特徴とする。

このような構成の本発明のメカニカルシールによれば、単に連通孔を形成して高圧側の空間と第２の溝とを連通させることにより、第２の溝において前述したような静圧作用を発揮させることができる。

また好適には、本発明のメカニカルシールは、前記連通孔は、直径が３ｍｍ以下にの孔であることを特徴とする。

このような構成の本発明のメカニカルシールによれば、連通孔の口径を小径にして連通孔に圧力抵抗を持たせているので、仮に高圧側の空間が高圧になり過ぎた場合においても、摺動面に過度の圧力が作用して面開き等が生じることを防ぐことができる。

また好適には、本発明のメカニカルシールは、前記連通孔に、前記第２の溝に導入される圧力を制御するオリフィスが具備されていることを特徴とする。

このような構成の本発明のメカニカルシールによれば、連通孔にオリフィスを設置することにより連通孔に圧力抵抗を持たせているので、仮に高圧側の空間が高圧になり過ぎた場合においても、摺動面に過度の圧力が作用して面開き等が生じることを防ぐことができる。

また好適には、本発明のメカニカルシールは、前記第１の溝及び前記第２の溝は、ともに前記固定環の前記摺動面に形成されていることを特徴とする。

このような構成の本発明のメカニカルシールによれば、シール内の高圧な空間の圧力を安定的に第２の溝に導入することができるとともに、簡単な構成で第１の溝及び第２の溝を有するメカニカルシールを提供することができる。

また好適には、本発明のメカニカルシールは、前記第１の溝が、前記第２の溝よりも多数形成されていることを特徴とする。

このような構成の本発明のメカニカルシールによれば、動圧溝たる第１の溝には回転軸が回転した時に動圧が作用し、その強さは摺動面の周方向の凹凸の数、すなわち溝の数に大きく影響するため、その数を増やすことにより、第１の溝による動圧を効果的に発揮させることができる。

また好適には、本発明のメカニカルシールは、前記第２の溝の各々は前記第１の溝の各々よりも、前記摺動面における開口面積が広く形成されていることを特徴とする。

このような構成の本発明のメカニカルシールによれば、静圧溝たる第２の溝には、導入される圧力が作用し、その強さは作用面積すなわち溝の開口面積に大きく影響するため、その面積を広くすることにより、第２の溝による静圧を効果的に発揮させることができる。

また好適には、本発明のタンデムシールは、ハウジングと当該ハウジングを通過する回転軸との間を、機内側の一次側メカニカルシールと機外側の二次側メカニカルシールとの軸方向二段のメカニカルシールで封止するタンデムシールであって、前記二次側メカニカルシールが請求項１〜８のいずれかに記載のメカニカルシールであり、前記第２の溝は、前記一次側メカニカルシールと前記二次側メカニカルシールとの間の中間室の圧力を導入可能に当該中間室と連通していることを特徴とする。

このような構成の本発明のタンデムシールによれば、低温用途や高温用途、摺動面の速度が遅い場合や早い場合、あるいは、一次側シールの圧力が低い場合や高い場合等のいずれの条件においても、また、そのような条件が変動した場合においても、適切な摺動特性が得られるタンデムシールを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態のタンデムシールの構成を示す図であって、タンデムシールを軸心を通る平面で切断した断面図である。 図２は、図１に示したタンデムシールの二次側メカニカルシール付近の拡大図である。 図３Ａは、図２に示した二次側メカニカルシールの固定環の構造を示す図であって、固定環の正面図である。 図３Ｂは、図２に示した二次側メカニカルシールの固定環の構造を示す図であって、図３ＡのＡ−Ｏ−Ａ’に沿った断面図である。 図４Ａは、図２示した二次側メカニカルシールの固定環の他の例を示す図であって、固定環の正面図である。 図４Ｂは、図２示した二次側メカニカルシールの固定環の他の例を示す図であって、図４ＡのＡ−Ｏ−Ａ’に沿った断面図である。

本発明の一実施形態について、図１〜図３Ｂを参照して説明する。
本実施形態においては、液化ガス等を封止対象とするポンプの軸封装置として用いられるタンデムシールを例示して本発明を説明する。
図１は、そのタンデムシール１の構成を示す図であって、タンデムシール１を軸心を通る平面で切断した断面図である。
タンデムシール１は、ポンプの軸孔部１１と、ポンプ内のポンプ機構を回転させる回転軸２との間に配設され、ポンプ室からの封止流体の漏洩を防止する。本実施形態において回転軸２は、その軸心がほぼ水平になるように設置される。
なお、図１においては、図面左側が封止流体が存在するポンプ室側（機内側）であり、図面右側が大気側（機外側）である。

図１に示すように、タンデムシール１は、主な構成部として、軸封部ハウジング１０、軸スリーブ２０、一次側メカニカルシール３０及び二次側メカニカルシール４０を有する。

軸封部ハウジング１０は、回転軸２の軸封位置の外周を包囲するように設けられ、シールカバー１２〜１４を有する。軸封部ハウジング１０のシールカバー１２〜１４は、螺子部材１５，１６によって軸方向に互いに連結され、ポンプの軸孔部１１の機外側に取り付けられる。ポンプ軸孔部１１及びシールカバー１２〜１４の間は、それぞれＯリング１７〜１９によって密封される。

軸スリーブ２０は、回転軸２の一次側メカニカルシール３０及び二次側メカニカルシール４０の設置位置に、換言すれば回転軸２の軸封部ハウジング１０の内周側にあたる位置に、外挿されている。
軸スリーブ２０は、機外側の端部２１ａの外周に配置されたスリーブカラー２２と、スリーブカラー２２を機外側端部２１ａに固定するセットスクリュ２３と、このスリーブカラー２２を機外側端部２１ａに開設された固定用孔を貫通して回転軸２に固定するセットスクリュ２４とによって、回転軸２に一体的に固定されている。
また、軸スリーブ２０と回転軸２の外周面との間は、Ｏリング２５によって密封されている。

タンデムシール１の主体をなす軸方向に二段のメカニカルシール３０及び４０、すなわち機内側（封止流体側）の一次側メカニカルシール３０と、機外側（大気側）の二次側メカニカルシール４０は、軸封部ハウジング１０と軸スリーブ２０との間の軸周空間に設置される。

一次側メカニカルシール３０は、軸スリーブ２０の機内側の端部外周に固定され回転軸２とともに回転する回転環３１と、軸封部ハウジング１０の最も機内側のシールカバー１２の内周に配置された非回転の固定環３３とを有する。回転環３１と固定環３３とは、スプリング３７の軸方向付勢力によって対向端面同士で密接し、摺動面３０Ｓを形成する。

回転環３１は、軸スリーブ２０の機内側の端部に形成されたフランジ部２１ｂに背面を支持され、軸スリーブ２０との間をＯリング３２により封止され、さらにノックピン２１ｃにより軸スリーブ２０と円周方向に係合されて回転軸２と一体的に回転する。

シールカバー１２の内周凹部には、環状ケース３４がＯリング３５を介して嵌合されるとともにノックピン１２ａにより回り止めされている。固定環３３は、この環状ケース３４にＯリング３６を介して軸方向に移動可能な状態に支持される。固定環３３は、ノックピン３４ａにより回り止めされ、環状ケース３４に円周方向に複数配置されたスプリング３７によって回転環３１側へ付勢される。

このような構成の一次側メカニカルシール３０に対して、機内のポンプ室の被送流体（封止流体）の一部は、一次側メカニカルシール３０の外周空間Ａに送られる。外周空間Ａに送られた封止流体は、環状ケース３４の外周部に開設された通液孔３４ｂ及びシールカバー１２に設けられたフラッシング排出孔５１を通過してポンプ室へ還流され、これによりフラッシングが行われる。すなわち、本実施形態のタンデムシール１においては、封止流体の一部が一次側メカニカルシール３０の回転環３１と固定環３３の外周を経由して流れることによって、摺動面３０Ｓを潤滑するとともに、摺動熱を有効に除去する。

二次側メカニカルシール４０は、軸封部ハウジング１０の中間のシールカバー１３の内周に配置されて軸スリーブ２０に固定され回転軸２とともに回転する回転環４１と、軸封部ハウジング１０の最も機外側のシールカバー１４の内周に配置された非回転の固定環４６とを有する。回転環４１と固定環４６とは、スプリング４８の軸方向付勢力によって対向端面同士で密接し、摺動面４０Ｓを形成する。

本発明のメカニカルシールに係る二次側メカニカルシール４０について、さらに図２、図３Ａ及び図３Ｂを参照して詳細に説明する。
図２は、図１に示したタンデムシール１の二次側メカニカルシール４０付近の拡大図であり、図３Ａ及び図３Ｂは、二次側メカニカルシール４０の固定環４６の構造を示す図であって、図３Ａは固定環４６の正面図であり、図３Ｂは図３ＡのＡ−Ｏ−Ａ’に沿った断面図である。

図１及び図２に示すように、回転環４１は、軸スリーブ２０における軸方向中間位置にＯリング４３を介して外挿されてセットスクリュ４４により固定されたカラー４２にＯリング４５を介して支持され、さらにノックピン４２ａにより円周方向に係合され、回転軸２と一体的に回転する。

固定環４６は、シールカバー１４の内周凹部にＯリング４７を介して軸方向移動可能な状態に嵌合されるとともにノックピン１４ａにより回り止めされており、シールカバー１４に円周方向に複数配置されたスプリング４８によって回転環４１側へ付勢されている。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、固定環４６の摺動面４６２上には、単なる凹部として形成された溝（第１の溝又は動圧溝と称する場合もある。）４６３と、固定環４６の摺動面４６２の背面に貫通する細孔４６５が形成された溝（第２の溝又は静圧溝と称する場合もある。）４６４とが形成されている。第１の溝４６３は、換言すれば、固定環４６の背面と連結していない溝である。
第２の溝４６４に形成されている細孔４６５は、直径が３ｍｍ以下の小径の管であって、固定環４６の摺動面４６２側に形成される第２の溝４６４の底部と、固定環４６の背面とを貫通する。

図１及び図２に示すように、固定環４６がタンデムシール１の二次側メカニカルシール４０に組み込まれた場合、二次側メカニカルシール４０の摺動面４０Ｓの外周側はタンデムシール１の後述する中間室Ｂとなり、摺動面４０Ｓの内周側が機外側大気空間となる。そして図示のごとく固定環４６の背面側空間は、中間室Ｂに連通している。なお、通常中間室Ｂの圧力は機外側の大気圧より高圧である。

このような構成の固定環４６においては、中間室Ｂの圧力が細孔４６５を介して摺動面４６２側に形成された第２の溝４６４に導入され、固定環４６と回転環４１との接触負荷を下げるように作用する。この状態は、回転軸２が回転しているか否かに関わらず中間室Ｂの圧力が大気圧よりも高ければ常に作用するものであり、従って第２の溝４６４は、常に中間室Ｂの圧力が接触負荷を低減するように作用する静圧溝として作用する。

一方で、固定環４６の摺動面４６２に形成された第１の溝４６３、すなわち中間室Ｂ等の高圧な空間と連通していない溝４６３は（図３Ａ及び図３Ｂ参照）、回転軸２が回転した場合に、溝内に浸入した流体（本実施形態においては後述する中間液ＣＬ）による摺動面４０Ｓの相対摺動による動圧が、固定環４６と回転環４１との接触負荷を下げるように作用する。従って第１の溝４６３は、回転軸２が回転した場合に接触負荷を低減するように作用する動圧溝として作用する。

なお、第１の溝４６３及び第２の溝４６４の数、第１の溝４６３及び第２の溝４６４の各々の長さ、幅、内径（外径）、及び、１つの第２の溝４６４に対する細孔４６５の数等は、中間室Ｂの圧力や圧力変動、回転軸２の回転速度、要求される摺動面４０Ｓの面圧や摩耗性能等々によって適切な形態に設定される。

図１に戻って、タンデムシール１においては、軸封部ハウジング１０と軸スリーブ２０との間の軸周空間が一次側メカニカルシール３０と二次側メカニカルシール４０とで仕切られることによって、一次側メカニカルシール３０の摺動面３０Ｓの内周空間から二次側メカニカルシール４０の摺動面４０Ｓの外周空間にかけて中間室Ｂが形成される。

本実施形態のタンデムシール１においては、中間室Ｂには、Ｎ_２ ガス等の不活性ガスを供給するか、大気の状態である。

また、本実施形態のタンデムシール１においては、軸封部ハウジング１０のシールカバー１３には、中間室Ｂの円周方向上端位置に開口した第１ガスベントライン５２が開設されている。この第１ガスベントライン５２は、図示されていない漏洩ガス回収部へ接続されている。

また、タンデムシール１において、封止流体が一次側メカニカルシール３０から中間室Ｂへ漏洩した場合、この封止流体は、この中間室Ｂが機内のポンプ室よりも低圧であることによって気化する。気化したガスは、二次側メカニカルシール４０によって機外への漏洩は防止され、気化により発生したガス（漏洩ガス）は、中間室Ｂの上端位置に開口した第１ガスベントライン５２から効率良く排出される。

また、本実施形態のタンデムシール１においては、中間室Ｂの一次側メカニカルシール３０と二次側メカニカルシール４０との間には、環状の仕切板５４が配置され、軸封部ハウジング１０におけるシールカバー１２にボルト５５を介して固定されている。この仕切板５４の内周縁は、回転軸２の軸スリーブ２０の外周面に径方向の微小隙間Ｇを介して近接対向している。
また、軸封部ハウジング１０のシールカバー１２には、中間室Ｂの仕切板５４よりも一次側メカニカルシール３０側に開口した第２ガスベントライン５７が開設されており、この第２ガスベントライン５７は、図示しない漏洩ガス回収部へ接続されている。

中間室ＢへＮ_２ ガスを供給すれば中間室の漏洩ガス濃度は低減され、漏洩ガスの大部分は、一次側メカニカルシール３０側に開口した第２ガスベントライン５７へ誘導されて排出され、機外の図示されていない漏洩ガス回収部へ回収される。
従って、このような構成は、封止流体が高圧であって、一次側メカニカルシール３０からの漏れが発生するおそれがあるような場合に極めて有効である。

また、軸封部ハウジング１０のシールカバー１４の内周部には、円周方向に連続した冷却水ジャケットＣが形成されており、この冷却水ジャケットＣには、外部からの冷却水が通水孔５８を通じて流通させることができるようになっている。なお、この冷却水による冷却は、漏洩ガスの発火点の高低を考慮して行われる場合があり、必須なものではない。
この冷却水ジャケットＣに通水孔５８を通じて外部から冷却水を流通させることによって、シールカバー１４の内周壁を介して中間室Ｂの冷却を行うことができる。その結果、二次側メカニカルシール４０の摺動面４０Ｓの摺動発熱を有効に除去することができる。

本実施形態のタンデムシール１は、このような構成を有するが、そのタンデムシール１は、セッティング治具６０によりポンプの軸孔部１１に組み付けられる。
セッティング治具６０は、それぞれボルト６１を介して、軸封部ハウジング１０のシールカバー１４の機外側の端部に複数取付可能になっている。また、その内周部は、スリーブカラー２２の外周面に形成された係合突起２２ａと軸方向に係合されるようになっている。

タンデムシール１の組み付けの際には、セッティング治具６０の内周部をスリーブカラー２２の係合突起２２ａと係合させるとともに、シールカバー１２〜１４をボルト６１で軸封部ハウジング１０に固定することによって、セッティング治具６０及びスリーブカラー２２を介して、軸封部ハウジング１０に対する軸スリーブ２０の軸方向相対位置が規定されることになる。

また、一次側メカニカルシール３０における回転環３１は、軸スリーブ２０におけるフランジ部２１ｂに固定され、二次側メカニカルシール４０における回転環４１は、軸スリーブ２０における段差部２１ｄにカラー４２を介して固定されるものであるため、セッティング治具６０で軸封部ハウジング１０に対する軸スリーブ２０の軸方向相対位置が規定されることによって、これら回転環３１，４１の軸方向取付位置も規定されることになる。

またこれにより、軸封部ハウジング１０側に保持される両メカニカルシール３０及び４０の固定環３３，４６の背面側のコイルスプリング３７，４８が所定の軸方向長さに圧縮され、これによって、両メカニカルシール３０及び４０の摺動面３０Ｓ，４０Ｓに所定の密接荷重が与えられる。
タンデムシールが図１に示される状態に組み立てられた後は、セッティング治具６０は取り外される。

以上説明したように、本実施形態のタンデムシール１においては、二次側メカニカルシール４０の固定環４６の摺動面４６２に、相対的に高圧な中間室Ｂと細孔４６５を介して連通する第２の溝４６４と、そのような連通孔が形成されていない第１の溝４６３とを混在配置している。また、その細孔４６５は、直径が３ｍｍ以下の小径に構成されている。

従って、一次側メカニカルシール３０における機内側と中間室Ｂとの圧力条件等により結果的に中間室Ｂの圧力が高圧となる場合には、細孔４６５を介して第２の溝４６４に圧力が導入され、第２の溝４６４を介して回転環４１と固定環４６との間の摺動面４０Ｓに高圧が作用する。その結果、摺動面４０Ｓの接触負荷は下げられ、極低い面圧の接触摺動状態となり、望ましいドライ運転状態をすることができる。

一方、中間室Ｂの圧力が高くなり過ぎたとしても、細孔４６５の径は所定の小径に制限しているため、細孔４６５を介しての第２の溝４６４における中間室Ｂの圧力の作用には圧損が生じる。その結果、摺動面４０Ｓに作用する過度な浮上力は低減され、面開きや過度な中間液Ｂの漏洩等は防止できる。

また、中間室Ｂの圧力が大気圧とほぼ同じ程度の低圧状態の場合には、第２の溝４６４による上述のような摺動面の負荷低減効果はほぼ得られないが、固定環４６の摺動面４６２には、他の空間と連通していない第１の溝４６３が形成されているため、回転軸２が回転した場合には動圧が発生し、これにより摺動面の負荷が低減される。従って、このような場合にも良好なドライ接触運運転が可能である。
なお、このような作用効果は、固定環４６の摺動面４６２に全周にわたる溝を形成した場合には得られないものであり、本実施形態のタンデムシール１のように、周方向に沿って所定の長さに規定された溝によって初めて奏されるものである。

また、このような構成のタンデムシール１（あるいはメカニカルシール）においては、摺動面の負荷は常に低い状態に保たれるため、回転環４１あるいは固定環４６として潤滑油を含浸させる等の処理、あるいは、そのような潤滑油含浸カーボン等を摺動材として用いる等の対応をする必要がない。従って、簡単で低コストのメカニカルシール及びタンデムシールを提供することができる。

また、このような構成のタンデムシール１においては、摺動面４６２に形成する溝の数、長さ、幅、内径（外径）、１つの第２の溝４６４に対する細孔４６５の数、細孔４６５の径等の圧力抵抗を調整することにより、任意の摺動特性のメカニカルシールを構成することができる。例えば、高圧になるまで極力摺動面の開きを抑制したいというような要望や、周速が速い時においても特に低い面圧を実現したいというような要望等、適用する装置ごとに要求される種々の要望に対して、適切に特性を調整して所望の性能のメカニカルシールを構成することができる。従って、極めて適用性の高いメカニカルシール、さらにはそれを用いたタンデムシールを提供することができる。

なお、前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。本実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。

例えば、前述したタンデムシール１の二次側メカニカルシール４０の固定環４６においては、細孔４６５の径を小径に制限することにより、細孔４６５に圧力抵抗を持たせ、中間室Ｂの圧力が高くなり過ぎたとしても第２の溝４６４に中間室Ｂの圧力が直接的に作用しない構成としている。しかし、細孔４６５あるいは第２の溝４６４に対する圧力抵抗の持たせ方は、他の方法でもよい。
例えば、細孔４６５の任意の位置にオリフィスを取り付け、これにより中間室Ｂの圧力が高くなり過ぎたとしても第２の溝４６４に中間室Ｂの圧力が直接的に作用することを防ぎ、摺動面４０Ｓに過度な浮上力が作用するのを防ぐようにしてもよい。

また、固定環４６の摺動面４６２に形成する第１の溝４６３及び第２の溝４６４の形状
配置等は任意である。

そのような変形の一例として、図３Ａ及び図３Ｂに示した固定環４６とは異なる構成の固定環４６ｂを図４Ａ及び図４Ｂに示す。
図４Ａ及び図４Ｂは、二次側メカニカルシール４０の固定環の他の例（４６ｂ）を示す図であって、図４Ａは固定環４６ｂの正面図であり、図４Ｂは図４ＡのＡ−Ｏ−Ａ’に沿った断面図である。

図４Ａ及び図４Ｂに示す固定環４６ｂにおいても、摺動面４６２ｂ上に、単なる凹部として形成された第１の溝４６３ｂと、背面に貫通する細孔４６５ｂが形成された第２の溝４６４ｂとが形成されている。しかし、これら第１の溝４６３ｂ及び第２の溝４６４ｂの周方向の長さ、数、及び配置が、図３Ａ及び図３Ｂに示した固定環４６とは異なる。
図４Ａ及び図４Ｂに示す固定環４６ｂは、図３Ａ及び図３Ｂに示す固定環４６と比較して、第１の溝４６３ｂについては周方向の長さを短くして数を増やし、第２の溝４６４ｂについては周方向の長さの長くして数を減らしている。

動圧溝たる第１の溝４６３ｂは、回転軸２が回転した時に動圧が発生するものであり、圧力の強さは周方向の凹凸に、すなわち溝の数に大きく影響する。一方、静圧溝たる第２の溝４６４ｂは、中間室Ｂから導入される圧力を摺動面４６２ｂに作用させるものであるから、その圧力の強さは作用面積すなわち溝の開口面積に大きく影響する。従って、動圧溝たる第１の溝４６３ｂ及び静圧溝たる第２の溝４６４ｂの性能を効果的に発揮させるためには、例えば図４Ａ及び図４Ｂに示すような固定環４６ｂの構成とするのも好適である。

また、図４Ａ及び図４Ｂに示す固定環４６ｂにおいては、細孔４６５ｂの背面側の端部に拡径部４６６ｂが形成されている。この拡径部４６６ｂは、オリフィスを設置するために構成したものである。前述したように、オリフィス等により細孔４６５ｂの圧力抵抗を制御する場合には、例えばこのような拡径部４６６ｂにそのための部材を配設するのが好適である。

また、前述した実施形態においては、動圧溝たる第１の溝４６３及び静圧溝たる第２の溝４６４を、いずれも固定環４６の摺動面４６２に形成した。しかしながら、これらは、回転環４１の摺動面に形成してもよい。また、回転環４１の摺動面と固定環４６の摺動面の両方に形成するようにしてもよい。第１の溝４６３及び第２の溝４６４の各々が対向する面が平面であれば、第１の溝４６３及び第２の溝４６４は、回転環４１及び固定環４６のどちらに、どのような配置で設置してもよい。

また、前述した実施形態において、第２の溝４６４は細孔４６５を介してタンデムシール１の中間室と連通し、中間室の圧力を第２の溝４６４に導入する構成であった。しかしながら、第２の溝４６４に作用される圧力の圧力源はこれに限られるものではなく、任意の圧力源を用いてよい。例えば、より高圧である可能性の高い機内側の圧力を導入してもよいし、別途圧力源を設けてこれから圧力を導入するようにしてもよい。

また、前述した実施形態は、本発明に係るメカニカルシールをタンデムシール１の二次側メカニカルシール４０に適用した例であった。しかしながら、本発明の適用範囲はこれに限られるものではない。タンデムシール１の一次側メカニカルシール３０に適用してもよいし、単独のシール装置に適用してもよい。

産業上の利用分野

本発明のシール装置は、石油化学プラント等において使用するポンプ、送風機及び攪拌機等において使用することができる。

Claims (9)

1. ハウジングと、当該ハウジングを通過する回転軸との間を封止するメカニカルシールであって、
   前記回転軸に当該回転軸と一体的に回転可能に設置され、前記回転軸の軸方向の一方の端部に摺動面を有する回転環と、
   前記ハウジングに設置され、前記回転環の前記摺動面に対向配置されて当該摺動面と摺動する摺動面を有する固定環とを有し、
   前記回転環の前記摺動面及び前記固定環の前記摺動面のいずれか一方又は両方に、周方向に沿って所定の範囲で凹部に形成され外部と連通していない第１の溝と、周方向に沿って所定の範囲で凹部に形成されるとともに外部から圧力を導入可能に当該外部と連通している第２の溝とが、各々１つ以上形成されていることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記第２の溝は、当該メカニカルシールが封止する高圧側の空間と連通していることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記第２の溝が形成されている前記回転環又は前記固定環は、前記高圧側の空間と前記第２の溝とを連通する連通孔を有することを特徴とする請求項２に記載のメカニカルシール。
4. 前記連通孔は、直径が３ｍｍ以下の孔であることを特徴とする請求項３に記載のメカニカルシール。
5. 前記連通孔に、前記第２の溝に導入される圧力を制御するオリフィスが具備されていることを特徴とする請求項３に記載のメカニカルシール。
6. 前記第１の溝及び前記第２の溝は、ともに前記固定環の前記摺動面に形成されていることを特徴とする請求項１〜５に記載のメカニカルシール。
7. 前記第１の溝が、前記第２の溝よりも多数形成されていることを特徴とする請求項１〜６に記載のメカニカルシール。
8. 前記第２の溝の各々は前記第１の溝の各々よりも、前記摺動面における開口面積が広く形成されていることを特徴とする請求項１〜８に記載のメカニカルシール。
9. ハウジングと当該ハウジングを通過する回転軸との間を、機内側の一次側メカニカルシールと機外側の二次側メカニカルシールとの軸方向二段のメカニカルシールで封止するタンデムシールであって、
   前記二次側メカニカルシールが請求項１〜８のいずれかに記載のメカニカルシールであり、前記第２の溝は、前記一次側メカニカルシールと前記二次側メカニカルシールとの間の中間室の圧力を導入可能に当該中間室と連通していることを特徴とするタンデムシール。

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