JP7577607B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシールに関する。

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、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との間でシールするための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（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－１３８３３４号公報

回転機器では、例えば各部の組み立て精度が原因となって、機器ケーシングに対して回転軸が傾く場合がある。この場合、回転軸の傾きに合わせてメカニカルシールを回転機器に装着する必要がある。前記特許文献１に開示のメカニカルシールでは、静止ユニットが、内周に凹曲面を有する外側リングと、前記凹曲面に接触する凸曲面を外周に有する内側リングとを備えていて、固定状態となる外側リングに対して内側リングを傾けることが可能となる。そこで、メカニカルシールを回転機器に装着する際、回転軸の傾きに合わせて、内側リング及びその内側リングと一体である静止密封環を傾け、これにより、静止密封環と回転密封環との間のシール性能が確保される。

前記特許文献１に開示のメカニカルシールでは、組み立て当初の傾斜角度を維持したまま回転軸が回転する場合、シール性能は維持される。しかし、回転軸が、回転しながら、その傾斜角度を変化させる場合、その回転軸に静止ユニットは追従できず、シール性能を維持することが困難になる可能性がある。

そこで、本発明は、回転軸が、回転しながら、その傾斜角度を変化させる場合であってもシール性能を維持す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。

（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、前記静止ユニットを支持する支持ユニットと、を備え、前記支持ユニットは、当該支持ユニットの軸線上に中心点を有する仮想球面に沿った形状の凹曲面を内周に有する外側リングを有し、前記静止ユニットは、前記外側リングに対する回転が規制されていると共に前記凹曲面に面接触する凸曲面を外周に有する球面リングと、前記球面リングと一体であって前記静止密封環を保持する保持リングと、前記回転軸の傾きに前記球面リングを追従させるために前記球面リングと一体であって当該球面リングと前記回転軸または前記回転ユニットとの間に介在する軸受ブロックと、を有する。

前記メカニカルシールによれば、回転軸が、回転しながら、その回転軸の軸線の傾斜角度が変化すると、軸受ブロックによって球面リングがその傾斜角度に追従し、球面リングの軸線の傾斜角度も変化する。球面リングの傾斜角度が変化しても、外側リングによって、その変化を前記凹曲面により許容して球面リングは支持される。球面リングの傾斜角度の変化に合わせて、その球面リングと一体である保持リングに保持される静止密封環も傾斜角度が変化する。その結果、回転軸が、回転しながら、その傾斜角度を変化させる場合であっても、回転密封環と静止密封環との相対的な姿勢変化が生じず、シール性能は維持される。

（２）回転軸が振れ回る場合、回転軸は、傾斜角度を変化させると共に、径方向に変位（偏心）する。そこで、好ましくは、前記支持ユニットは、前記外側リングを径方向に変位可能として支持するガイド溝が設けられている支持ブロックを有する。
この構成によれば、回転軸が、傾斜角度を変化させると共に、径方向に変位する場合であっても、球面リングを支持する外側リングが径方向に変位することで、その回転軸に静止ユニットは追従する。その結果、回転密封環と静止密封環との相対的な姿勢変化が生じず、シール性能は維持される。

（３）また、特にメカニカルシールよりも軸方向一方側または軸方向他方側の位置が基点となって傾斜角度が変化するように回転軸が傾く際、その回転軸及び回転ユニットと、静止ユニットとの間で軸方向の変位成分が生じる。そこで、好ましくは、前記軸受ブロックは、複数のローラを有していて、前記ローラと当該ローラが転がり接触する軌道面との間で軸方向の変位を許容する転がり軸受と、前記転がり軸受を保持すると共に前記球面リングと連結される軸受ケースと、を有する。
前記構成によれば、静止ユニットの軸受ブロックに対して、回転軸及び回転ユニットは回転自在であり、また、軸受ブロックと回転軸及び回転ユニットとの間で軸方向の変位が許容される。つまり、ローラと軌道面との間で軸方向について滑りが生じ、回転軸及び回転ユニットと、静止ユニットとの間で生じる軸方向の変位成分は、前記転がり軸受によって吸収される。その結果、メカニカルシールにおける回転軸の追従がスムーズとなる。

（４）また、前記メカニカルシールは、前記外側リングに対する前記球面リングの回転を規制する回り止め機構として、前記外側リングは、前記球面リング側に突出するピンを有し、前記球面リングに、前記ピンの先部を収容する凹部が設けられている。
前記構成によれば、回転軸が回転ユニットと共に回転し、回転密封環から静止密封環が回転力を受けて、静止ユニットの球面リングが回転しようとしても、外側リングが有するピンの先部が、球面リングに設けられている凹部の内面に接触し、球面リングが回り止めされる。

（５）また、前記（２）に記載のメカニカルシールの場合、外側リングがガイド溝によって径方向に変位可能であり、外側リングについても、回り止めが必要となる場合がある。そこで、前記支持ブロックに対する前記外側リングの回転を規制する第二回り止め機構として、前記外側リングは、前記支持ブロック側に突出する第二のピンを有し、前記支持ブロックに、前記第二のピンの先部を収容する第二の凹部が設けられている。
前記構成によれば、回転軸が回転ユニットと共に回転し、回転密封環から静止密封環が回転力を受けて、静止ユニットの球面リングに連れられて外側リングが回転しようとしても、外側リングが有する第二のピンの先部が、支持ブロックに設けられている第二の凹部の内面に接触し、外側リングが回り止めされる。

（６）また、好ましくは、前記ガイド溝、及び、当該ガイド溝と滑り接触する前記外側リングの摺動面の一方または双方に、摩擦係数を低減するためのコーティングが設けられている。
前記構成によれば、支持ブロックのガイド溝に対する外側リングの径方向の変位が滑らかとなる。

（７）また、好ましくは、前記外側リングの前記凹曲面、及び、前記球面リングの前記凸曲面の一方または双方に、摩擦抵抗を低減するためのコーティングが設けられている。
前記構成によれば、外側リングに対する球面リングの姿勢変化が滑らかとなる。

（８）また、好ましくは、前記静止ユニットは、前記球面リングと前記保持リングとの間をシールする第一環状シール部材と、前記第一環状シール部材よりも摩擦抵抗が小さく前記球面リングと前記外側リングとの間をシールする第二環状シール部材と、を有する。
前記構成によれば、球面リングと保持リングとは摺動しないので、これらの間の摩擦抵抗を考慮する必要がなく、これらの間をシールするために、一般的なＯリングなどの第一環状シール部材が用いられる。これに対して、球面リングと外側リングとは摺動するので、これらの間をシールするために、摩擦抵抗の小さいＯリングなどの第二環状シール部材が用いられる。

本発明によれば、回転軸が、回転しながら、その傾斜角度を変化させる場合であってもシール性能を維持することが可能となる。

第一実施形態に係るメカニカルシールの断面図である。 メカニカルシールの機外側の一部を拡大して示す断面図である。 第二実施形態に係るメカニカルシールの断面図である。 回転軸が振れ回りしている状態を示すメカニカルシールの断面図である。

〔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の断面図である。メカニカルシール１０は、ポンプ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。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。

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の外部側（図１の左側）が軸方向一方側であり、これを「機外側」と称する。これに対して、回転機器７の内部側（図１の右側）が軸方向他方側であり、これを「機内側」と称する。前記軸線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。

図１では、回転軸８の軸線Ｌが、機器ケーシング９の軸線と一致した状態を示している。後述するが、回転軸８は回転しながらその軸線Ｌの傾斜角度が変化する。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Ｌが、機器ケーシング９の軸線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。

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、一つの回転密封環１６と、二つの静止密封環１７－１，１７－２とを備える。回転密封環１６と第一静止密封環１７－１との間、及び、回転密封環１６と第二静止密封環１７－２との間それぞれが、流体の漏洩を防ぐシール部となる。第一実施形態に係るメカニカルシール１０は、二つのシール部を有するダブルシール型である。

回転密封環１６の機外側の第一シール面１６ａと第一静止密封環１７－１のシール面１７ａとが対向する（接触する）シール部の径方向内側及び軸方向一方側が、機外側の領域となる。回転密封環１６の機内側の第二シール面１６ｂと第二静止密封環１７－２のシール面１７ｂとが対向する（接触する）シール部の径方向内側及び軸方向他方側が、機内側の領域となる。回転密封環１６と二つの静止密封環１７－１，１７－２それぞれとの間のシール部の径方向外側の空間が、例えばクエンチ用のオイルなどの流体が充填される第三の領域Ｋ３となる。

メカニカルシール１０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回転ユニット１１と、回転ユニット１１の径方向外側に設けられ全体として環状または筒状である静止ユニット１２と、静止ユニット１２を支持する全体として環状または筒状である支持ユニット１３とを備える。

〔回転ユニット１１について〕
回転ユニット１１は、環状である回転密封環１６、スリーブ３１、及び、ストッパリング３２を有する。回転密封環１６は、機外側に環状の第一シール面１６ａを有し、機内側に環状の第二シール面１６ｂを有する。スリーブ３１は、筒状の部材であり、回転軸８に外嵌して設けられていて、セットスクリュ３６により固定される。回転密封環１６は、スリーブ３１の一部に外嵌して取り付けられている。

ストッパリング３２は、筒状の部材であり、スリーブ３１の機内側に固定される。ストッパリング３２の内周に雌ねじが形成されていて、スリーブ３１の外周に雄ねじが形成されていて、これらが螺合することでストッパリング３２はスリーブ３１に固定される。ストッパリング３２は、スリーブ３１の一部との間で回転密封環１６を軸方向について挟み、回転密封環１６が機内側に脱落するのを防ぐ。スリーブ３１の前記一部と回転密封環１６との間には、樹脂製のクッションシート５１が介在する。スリーブ３１は、回転密封環１６側に突出するピン３３を有する。回転密封環１６の内周に孔が設けられている。ピン３３がその孔に嵌ることで、回転密封環１６は、スリーブ３１及びストッパリング３２と共に回転軸８と一体回転する。スリーブ３１と回転軸８との間はＯリング３４によってシールされている。スリーブ３１と回転密封環１６との間はＯリング３５によってシールされている。

〔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第一静止密封環１７－１及び第二静止密封環１７－２を有する。第一静止密封環１７－１は、機内側に環状の第一シール面１７ａを有する。第二静止密封環１７－２は、機外側に環状の第二シール面１７ｂを有する。静止ユニット１２は、二つの静止密封環１７－１，１７－２の他に、球面リング１８と、球面リング１８と一体であって第一静止密封環１７－１を保持する環状である第一保持リング１９－１と、球面リング１８と一体であって第二静止密封環１７－２を保持する環状の第二保持リング１９－２と、球面リング１８と一体である軸受ブロック２１とを有する。

図１に示す形態では、球面リング１８は二分割構造を有する。つまり、球面リング１８は、機外側の第一球面リング１８－１と、機内側の第二球面リング１８－２とを有する。第一球面リング１８－１と第二球面リング１８－２とは、ボルト２２によって連結されていて、一体となる。第二球面リング１８－２に、前記第三の領域Ｋ３の一部を形成するための径方向に貫通する流路２３が設けられている。

球面リング１８は、その外周に、球面リング１８（静止ユニット１２）の軸線上に中心点を有する仮想球面に沿った形状の凸曲面２４を有する。前記基準状態で、球面リング１８の軸線は、回転軸８の軸線Ｌと一致する。凸曲面２４は、後述する外側リング６０の凹曲面６１に面接触する。凸曲面２４の一部に、径方向外側に開口する孔により構成されている凹部２５が設けられている。

後に説明する第一回り止め機構７１（図２参照）が有するピン７３の先部７３ｃが、凹部２５に収容された状態にある。本実施形態では、凹部２５に、転がり軸受２９が取り付けられている。ピン７３は、凹部２５の転がり軸受２９の内周側に収容された状態にある。この構成により、外側リング６０に対する、球面リング１８の回転が規制される。

図１において、第一保持リング１９－１は、第一球面リング１８－１の内周側に設けられている。第一保持リング１９－１の内周に凹溝が形成されていて、その凹溝に第一静止密封環１７－１が密着嵌合して取り付けられている。第一球面リング１８－１に周方向に沿って複数の連結ボルト２６が取り付けられている。第一保持リング１９－１に、連結ボルト２６を貫通させる孔が設けられている。この構成により、第一保持リング１９－１は、第一球面リング１８－１との関係で、相対回転不能であるが軸方向に変位可能となって、取り付けられる。第一保持リング１９－１と第一球面リング１８－１との間はＯリング３８－１によってシールされている。

第二保持リング１９－２は、第二球面リング１８－２の内周側に設けられている。第二保持リング１９－２の内周に凹溝が形成されていて、その凹溝に第二静止密封環１７－２が密着嵌合して取り付けられている。第二球面リング１８－２に周方向に沿って複数の有底孔２７が設けられている。有底孔２７に弾性部材（圧縮コイルばね２８）が設けられている。圧縮コイルばね２８の機外側の端部は、第二保持リング１９－２に接触している。圧縮コイルばね２８の弾性復元力によって、第二静止密封環１７－２は回転密封環１６に押し付けられ、回転密封環１６は第一静止密封環１７－１に押し付けられる。回転軸８が回転ユニット１１と共に回転すると、回転密封環１６は、静止密封環１７－１，１７－２それぞれに対して滑り接触する。第二保持リング１９－２と第二球面リング１８－２との間はＯリング３８－２によってシールされている。

〔軸受ブロック２１について〕
図２は、図１に示すメカニカルシール１０の機外側の一部を拡大して示す断面図である。軸受ブロック２１は、転がり軸受４３と、転がり軸受４３を保持する筒状の軸受ケース４１とを有する。軸受ケース４１は、ボルト３９によって球面リング１８の機外側に連結されている。軸受ケース４１の内周側であって転がり軸受４３の軸方向両側に、異物の侵入を防ぐシール４２が取り付けられている。軸受ケース４１と第一球面リング１８－１との間はＯリング３７によってシールされている。

転がり軸受４３は、外輪４４と、周方向に並ぶ複数のローラ４５とを有し、本実施形態の転がり軸受４３はニードル軸受である。外輪４４は、軸受ケース４１に嵌合して固定されている。外輪４４は、その内周側にローラ４５が転がり接触する外軌道面４６と、その外軌道面４６の軸方向両側に径方向内方に突出する一対の鍔部４７，４７とを有する。一対の鍔部４７，４７によって、ローラ４５は軸方向について位置が規制される（つまり、軸方向の変位が制限される）。回転軸８に対するメカニカルシール１０の組み立て完了状態で、ローラ４５には径方向の荷重（与圧）が付与されている。

図２に示す形態では、転がり軸受４３は、内輪を有しておらず、スリーブ３１の外周面の一部が、ローラ４５が転がり接触する内軌道面４８となる。内輪として機能するスリーブ３１の一部は、ローラ４５の軸方向両側に鍔部を有しておらず、内軌道面４８と、その内軌道面４８が軸方向両側それぞれに延長された円筒面４９とを有する。この構成により、ローラ４５と内軌道面４８との間で軸方向について滑りが生じる構成が得られる。つまり、ローラ４５と、内軌道面４８との間で軸方向の変位が許容される。

このように、軸受ブロック２１は、球面リング１８（第一球面リング１８－１）と、回転ユニット１１（スリーブ３１）との間に介在する。このため、回転軸８及び回転ユニット１１の傾斜角度が変化すると、軸受ブロック２１もその変化に追従するようにして傾斜角度が変化し、軸受ブロック２１は、球面リング１８をその傾斜角度で傾斜させる。つまり、軸受ブロック２１は、球面リング１８とボルト３９によって連結されていて一体であり、回転軸８の傾きに球面リング１８を追従させる。

なお、図示しないが、転がり軸受４３のローラ４５は、回転軸８の外周面の一部を転がり接触してもよい。この場合、軸受ブロック２１は、球面リング１８（第一球面リング１８－１）と、回転軸８との間に介在する。
また、図示しないが、転がり軸受４３は、ローラ４５が転がり接触する内輪を有していてもよい。この場合、その内輪は、回転ユニット１１に含まれる。
これらの場合においても、軸受ブロック２１は、回転軸８の傾きに球面リング１８を追従させる。また、ローラ４５と、内軌道面との間で軸方向の変位が許容される。

〔支持ユニット１３について〕
図１において、支持ユニット１３は、静止ユニット１２を支持する。そのために、支持ユニット１３は、外側リング６０と、外側リング６０を支持する支持ブロック６２とを有する。外側リング６０は、その内周側に、球面リング１８の凸曲面２４に面接触する凹曲面６１を有する。凹曲面６１は、支持ユニット１３の軸線上に中心点を有する仮想球面に沿った形状である。前記基準状態で、支持ユニット１３の軸線は、回転軸８の軸線Ｌと一致する。

図１に示す形態では、外側リング６０は、第一球面リング１８－１の凸曲面２４に面接触する機外側の第一外側リング６０－１と、第二球面リング１８－２の凸曲面２４に面接触する機内側の第二外側リング６０－２とを有する。第一外側リング６０－１と第二外側リング６０－２とは連結されておらず、後述する支持ブロック６２のガイド溝６５－１、６５－２において、それぞれが独立して保持されている。第一外側リング６０－１と第二外側リング６０－２との間に、前記第三の領域Ｋ３の一部が形成されている。

後に説明するが、回転軸８が傾斜角度を変えると、凸曲面２４は、凹曲面６１に対して滑り接触する。そこで、凹曲面６１に、摩擦係数を低減するためのコーティング８１が設けられている。なお、凸曲面２４にコーティング８１が設けられていてもよい。つまり、凹曲面６１及び凸曲面２４の一方または双方に、コーティング８１が設けられていればよい。

支持ブロック６２は、機内側から機外側に向かって複数の環状ブロック６２ａを有し、複数の環状ブロック６２ａはボルト６３によって一体となるように連結されている。支持ブロック６２は、取り付けボルト５９によって機器ケーシング９に固定されている。支持ブロック６２の軸方向の中央に、前記第三の領域Ｋ３の一部を構成する貫通孔６４が設けられている。貫通孔６４に、図示しないが、クエンチ用のオイルなどの流体が流れる配管が接続される。

支持ブロック６２の機外側に第一ガイド溝６５－１が設けられていて、支持ブロック６２の機内側に第二ガイド溝６５－２が設けられている。第一ガイド溝６５－１及び第二ガイド溝６５－２それぞれは、径方向内側に開口する凹周溝により構成されている。第一ガイド溝６５－１に、第一外側リング６０－１が径方向に変位可能となって支持されている。第二ガイド溝６５－２に、第二外側リング６０－２が径方向に変位可能となって支持されている。

第一外側リング６０－１は、第一ガイド溝６５－１に対して滑り接触する。第二外側リング６０－２は、第二ガイド溝６５－２に対して滑り接触する。そこで、第一ガイド溝６５－１に対する第一外側リング６０－１の摺動面に、摩擦係数を低減するためのコーティング８０が設けられている。また、第二ガイド溝６５－２に対する第二外側リング６０－２の摺動面に、摩擦係数を低減するためのコーティング８０が設けられている。前記のとおり、第三の領域Ｋ３では、圧力が機内側及び機外側よりも高くなる。そこで、図１に示すように、第三の領域Ｋ３から離れている側の摺動面にのみ、コーティング８０が設けられている。

なお、第一ガイド溝６５－１及び第二ガイド溝６５－２側にコーティング８０が設けられていてもよい。つまり、ガイド溝６５－１，６５－２、及び、ガイド溝６５－１，６５－２と滑り接触する外側リング６０－１，６０－２の摺動面の一方または双方に、コーティング８０が設けられていればよい。

第一外側リング６０－１と第一ガイド溝６５－１との間はＯリング６６－１によってシールされている。第一外側リング６０－１と第一球面リング１８－１との間はＯリング６７－１によってシールされている。第二外側リング６０－２と第二ガイド溝６５－２との間はＯリング６６－２によってシールされている。第二外側リング６０－２と第二球面リング１８－２との間はＯリング６７－２によってシールされている。

〔静止ユニット１２の回り止め機構について〕
回転軸８が回転ユニット１１と共に回転すると、回転密封環１６は、静止密封環１７－１，１７－２それぞれに対して滑り接触（摺動）する。このため、静止密封環１７－１，１７－２を有する静止ユニット１２に回転力が作用する。そこで、メカニカルシール１０は、静止ユニット１２の回転を規制する回り止め機構を備える。

具体的には、図２において、外側リング６０（第一外側リング６０－１）に対して、球面リング１８（第一球面リング１８－１）が回転することを規制する第一回り止め機構７１を備える。メカニカルシール１０は、更に、支持ブロック６２に対する外側リング６０（第一外側リング６０－１）の回転を規制する第二回り止め機構７２を備える。

第一回り止め機構７１として、外側リング６０は、球面リング１８側に突出するピン（第一のピン）７３を有する。ピン７３は、外周に雄ねじを有する本体部７３ａと、本体部７３ａから突出する軸部７３ｂとを有する。本体部７３ａの雄ねじが、外側リング６０に形成されているねじ穴に取り付けられる。軸部７３ｂは、球形状の先部７３ｃを有する。

前記のとおり、球面リング１８に凹部２５が設けられている。凹部２５は、球形状の先部７３ｃの直径よりも拡大した内径を有する孔により構成されている。凹部２５はピン７３の先部７３ｃを収容した状態となる。本実施形態では、凹部２５に転がり軸受２９が取り付けられている。転がり軸受２９は、球形状の先部７３ｃの直径よりも拡大した内径を有していて、転がり軸受２９は、ピン７３の先部７３ｃを収容した状態となる。ピン７３の先部７３ｃが、転がり軸受２９の内周面に接触可能である。なお、転がり軸受２９は省略されていてもよく、この場合、ピン７３の先部７３ｃは、凹部２５の内周面に接触可能である。ピン７３が凹部２５に取り付けられている転がり軸受２９または凹部２５に接触することで、外側リング６０に対する球面リング１８の回転が規制される。

第二回り止め機構７２として、外側リング６０は、支持ブロック６２側に突出する第二のピン７４を有する。ピン７４は、外周に雄ねじを有する本体部７４ａと、本体部７４ａから突出する軸部７４ｂとを有する。本体部７４ａの雄ねじが、外側リング６０に形成されているねじ穴に取り付けられる。軸部７４ｂの先部７４ｃに転がり軸受７５が取り付けられている。

前記のとおり、支持ブロック６２は、複数の環状ブロック６２ａを有していて、そのうち、機外側の環状ブロック６２ａは、第一ガイド溝６５－１を機外側から閉じる蓋部材として機能する。その機外側の環状ブロック６２ａに、第二の凹部７６が設けられている。凹部７６は、ピン７４の先部７４ｃの外径よりも、更には、転がり軸受７５の外径よりも拡大した内径を有する孔により構成されている。凹部７６はピン７４の先部７４ｃ、更には、転がり軸受７５を収容した状態となる。ピン７４の先部７４ｃに取り付けられている転がり軸受７５が、凹部７６の内周面に接触可能である。なお、転がり軸受７５は省略されていてもよく、この場合、ピン７４の先部７４ｃが、凹部７６の内周面に接触可能である。ピン７４またはピン７４に取り付けられている転がり軸受７５が、凹部２５に接触することで、支持ブロック６２に対する外側リング６０の回転が規制される。

なお、第一回り止め機構７１において、ピン７３の先部に、第二回り止め機構７２のように転がり軸受が設けられていてもよく、また、第二回り止め機構７２において、第二の凹部７６に、第一回り止め機構７１のように転がり軸受が設けられていてもよい。

〔第一実施形態のメカニカルシール１０について〕
図１に示す第一実施形態に係るメカニカルシール１０は、一つの回転密封環１６と二つの静止密封環１７－１，１７－２とを有するダブルシール型である。静止密封環が二つであることにあわせて、球面リング１８は、機外側の第一球面リング１８－１と、機内側の第二球面リング１８－２とを有していて、外側リング６０は、機外側の第一外側リング６０－１と、機内側の第二外側リング６０－２とを有する。

〔第二実施形態のメカニカルシール１０について〕

図３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３に示すメカニカルシール１０は、一つの回転密封環１６と一つの静止密封環１７－１とを有するシングルシール型である。静止密封環１７－１が一つであることにあわせて、メカニカルシール１０は、機外側に、一つの第一球面リング１８－１と、一つの外側リング６０－１とを有する。図１に示す第一実施形態と比較して、図３に示す第二実施形態では、機内側の第二球面リング１８－２、機内側の第二外側リング６０－２、及び、第三の領域Ｋ３が省略されていて、その他については、ほぼ同じである。第一実施形態と同じ構成については、図３に示す第二実施形態においても、同じ符号を付している。なお、第二実施形態では、静止密封環１７－１と回転密封環１６との間に軸方向の付勢力を付与する圧縮コイルばねは、図示しないが、保持リング１９－１に設けられている。

〔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、第一実施形態及び第二実施形態それぞれのメカニカルシール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１７－１（１７－２）を有する静止ユニット１２と、静止ユニット１２を支持する支持ユニット１３とを備える。支持ユニット１３は、外側リング６０を有していて、外側リング６０は、支持ユニット１３の軸線上に中心点を有する仮想球面に沿った形状の凹曲面６１を内周に有する。

静止ユニット１２は、外側リング６０に対する回転が規制されている球面リング１８と、球面リング１８と一体である保持リング１９－１（１９－２）と、球面リング１８と一体である軸受ブロック２１とを有する。球面リング１８は、凹曲面６１に面接触する凸曲面２４を外周に有する。保持リング１９－１（１９－２）は、静止密封環１７－１（１７－２）を保持する。軸受ブロック２１は、球面リング１８と回転ユニット１１（または回転軸８）との間に介在していて、回転軸８の傾きに球面リング１８を追従させる。

図１及び図３は、回転軸８の軸線Ｌが、機器ケーシング９の軸線と一致した基準状態を示す。図４は、回転軸８が振れ回りしている状態を示し、基準状態から、回転軸８の軸線Ｌが傾斜し、更に、その軸線Ｌが径方向に変位する（偏心する）。図４では、基準状態からの軸線Ｌの傾斜角度が「θ」で示され、基準状態からの軸線Ｌの偏心量が「Ｅ」で示されている。回転軸８の軸線Ｌが傾斜角度θとなると、回転ユニット１１に含まれる回転密封環１６の軸線の傾斜角度も「θ」となる。

前記各実施形態のメカニカルシール１０によれば、回転軸８が、回転しながら、その回転軸８の軸線Ｌの傾斜角度θが変化すると、軸受ブロック２１によって球面リング１８がその傾斜角度θに追従し、球面リング１８の軸線の傾斜角度も変化する。球面リング１８の傾斜角度が変化しても、外側リング６０によって、その変化を凹曲面６１により許容して球面リング１８は支持される。つまり、球面リング１８の傾斜角度が「θ」となる。
球面リング１８の傾斜角度の変化に合わせて、その球面リング１８と一体である保持リング１９－１（１９－２）に保持される静止密封環１７－１（１７－２）も傾斜角度が変化する。つまり、静止密封環１７－１（１７－２）の傾斜角度が「θ」となる。
その結果、回転軸８が、回転しながら、その傾斜角度θを変化させる場合であっても、回転密封環１６と静止密封環１７－１（１７－２）との相対的な姿勢変化が生じず、シール性能は維持される。

前記のとおり、回転軸８が振れ回る場合、回転軸８は、傾斜角度θを変化させると共に、図４に示すように、径方向に変位（偏心）する。
前記各実施形態のメカニカルシール１０では、支持ユニット１３が有する支持ブロック６２に、外側リング６０を径方向に変位可能として支持するガイド溝６５－１（６５－２）が設けられている。このため、回転軸８が、傾斜角度θを変化させると共に、径方向に変位する場合であっても、球面リング１８を支持する外側リング６０が径方向に変位することで、その回転軸８に静止ユニット１２は追従する。その結果、回転密封環１６と静止密封環１７－１（１７－２）との相対的な姿勢変化が生じず、シール性能は維持される。

図４に示す例では、メカニカルシール１０よりも機外側の位置が基点となって傾斜角度θが変化するように回転軸８が傾く。この場合、回転軸８及び回転ユニット１１と、静止ユニット１２との間で軸方向の変位成分が生じる。そこで、前記各実施形態では、静止ユニット１２を回転ユニット１１に追従させるための軸受ブロック２１は、転がり軸受４３と、転がり軸受４３を保持すると共に球面リング１８と連結される軸受ケース４１とを有する。転がり軸受４３は、複数のローラ４５を有していて、ローラ４５と、ローラ４５が転がり接触する軌道面（内軌道面４８）との間で軸方向の変位を許容する構成を有する。

そのための構成として、図２を例として説明すると、前記のとおり、転がり軸受４３の外輪４４は、ローラ４５の軸方向両側に鍔部４７を有する。これに対して、内輪となるスリーブ３１は、ローラ４５の軸方向両側に鍔部を有していない。これにより、ローラ４５と内軌道面４８との間で軸方向について滑りが生じる構成が得られ、ローラ４５と内軌道面４８との間で軸方向の変位が許容される。

このため、回転軸８及び回転ユニット１１と、静止ユニット１２との間で生じる軸方向の変位成分は、転がり軸受４３によって吸収される。その結果、メカニカルシール１０における回転軸８の追従がスムーズとなる。なお、ローラ４５は、内軌道面４８との間で軸方向の滑りを許容する場合について説明したが、外輪４４側において軸方向の滑りを許容するように構成してもよい。

前記各実施形態のメカニカルシール１０は、前記のとおり、外側リング６０に対する球面リング１８の回転を規制する第一回り止め機構７１を備える。回転軸８が回転ユニット１１と共に回転し、回転密封環１６から静止密封環１７－１（１７－２）が回転力を受けて、球面リング１８が回転しようとしても、外側リング６０が有するピン７３の先部７３ｃが、球面リング１８に設けられている凹部２５（凹部２５に取り付けられている転がり軸受２９）の内面に接触し、球面リング１８が回り止めされる。
凹部２５（転がり軸受２９の内周側の空間）は、ピン７３の先部７３ｃよりも拡大しているので、外側リング６０に対する球面リング１８の傾斜角度の変化が妨げられない。

更に、前記各実施形態のメカニカルシール１０は、前記のとおり、支持ブロック６２に対する外側リング６０の回転を規制する第二回り止め機構７２を備える。回転軸８が回転ユニット１１と共に回転し、回転密封環１６から静止密封環１７－１（１７－２）が回転力を受けて、静止ユニット１２の球面リング１８に連れられて外側リング６０が回転しようとしても、外側リング６０が有する第二のピン７４の先部（転がり軸受７５）が、支持ブロック６２に設けられている第二の凹部７６の内面に接触し、外側リング６０が回り止めされる。
第二の凹部７６は、第二のピン７４の先部（転がり軸受７５）よりも拡大しているので、支持ブロック６２に対する外側リング６０の径方向の変位が妨げられない。

第一回り止め機構７１及び第二回り止め機構７２において、転がり軸受２９，７５が設けられている。第一のピン７３は凹部２５の内面のうち任意の位置で接触し、また、第二のピン７４は第二の凹部７６の任意の位置で接触する。転がり軸受２９，７５によれば、ピン７３，７４がどの位置で相手部材に接触しても、ピン７３，７４と相手部材との間で滑らかに相対位置が変更され、相互が適切な姿勢となり、回転が規制される。

また、前記のとおり、外側リング６０の凹曲面６１に、摩擦抵抗を低減するためのコーティング８１が設けられている。このため、外側リング６０に対する球面リング１８の姿勢変化が滑らかとなる。
また、前記のとおり、ガイド溝６５－１（６５－２）と滑り接触する外側リング６０の摺動面に、摩擦係数を低減するためのコーティング８０が設けられている。このため、ガイド溝６５－１（６５－２）に対する外側リング６０の径方向の変位が滑らかとなる。

更に、前記各実施形態では、メカニカルシール１０は、前記のとおり、複数のＯリングを有するが、複数種類（二種類）のＯリングが用いられている。複数種類のＯリングのうち、一方は、汎用性の高いゴムからなる第一環状シール部材（Ｏリング）であり、他方は、その第一環状シール部材（Ｏリング）よりも摩擦抵抗が小さい第二環状シール部材（Ｏリング）である。なお、第二環状シール部材の方が一般的に高価である。

具体的に説明すると、球面リング１８と外側リング６０との間をシールするＯリング６７－１（６７－２）は、前記第二環状シール部材に該当する。また、外側リング６０とガイド溝６５－１（６５－２）との間をシールするＯリング６６－１（６６－２，６６－２）は、前記第二環状シール部材に該当する。つまり、回転軸８が傾斜角度θを変更したり、径方向に変位したりする場合に摺動する面に用いられるＯリングは、前記第二環状シール部材に該当する。
これに対して、回転軸８が傾斜角度θを変更したり、径方向に変位しても、摺動しない面に用いられるＯリングは、前記第一環状シール部材に該当する。例えば、球面リング１８と保持リング１９－１（１９－２）との間をシールするＯリング３８－１（３８－２）は、前記第一環状シール部材に該当する。

このように、二種類のＯリングが用いられることで、次の作用効果を奏することが可能とである。
回転軸８が傾斜角度θを変更したり、径方向に変位したりしても、例えば、球面リング１８と保持リング１９－１（１９－２）とは摺動しないので、これらの間の摩擦抵抗を考慮する必要がなく、これらの間をシールするために、一般的なＯリングなどの第一環状シール部材が用いられる。これに対して、球面リング１８と外側リング６０とは摺動するので、また、外側リング６０とガイド溝６５－１（６５－２）とは摺動するので、これらの間をシールするために、摩擦抵抗の小さいＯリングなどの第二環状シール部材が用いられる。これにより、例えば、外側リング６０に対する球面リング１８の姿勢変化が滑らかとなり、回転軸８の傾きに静止ユニット１２は追従しやすくなる。

以上より、前記各実施形態に係るメカニカルシール１０によれば、回転する回転軸８が姿勢を変化させても、回転密封環１６と静止密封環１７－１（１７－２）シール性能を維持することが可能となる。

〔その他〕
前記実施形態において、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。

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 支持ユニット
１６ 回転密封環
１７－１，１７－２ 静止密封環
１８ 球面リング
１８－１ 第一球面リング
１８－２ 第二球面リング
１９－１ 第一保持リング
１９－２ 第二保持リング
２１ 軸受ブロック
２４ 凸曲面
２５ 凹部
３７ Ｏリング（第一環状シール部材）
３８－１ Ｏリング（第一環状シール部材）
３８－２ Ｏリング（第一環状シール部材）
４１ 軸受ケース
４３ 転がり軸受
４５ ローラ
４８ 内軌道面（軌道面）
６０ 外側リング
６０－１ 第一外側リング
６０－２ 第二外側リング
６１ 凹曲面
６２ 支持ブロック
６５－１ 第一ガイド溝
６５－２ 第二ガイド溝
６６－１ Ｏリング（第二環状シール部材）
６６－２ Ｏリング（第二環状シール部材）
６７－１ Ｏリング（第二環状シール部材）
６７－２ Ｏリング（第二環状シール部材）
７１ 回り止め機構
７２ 第二回り止め機構
７３ ピン
７３ｃ 先部
７４ 第二のピン
７４ｃ 先部
７６ 第二の凹部
８０ コーティング
８１ コーティング
Ｌ 軸線

Claims (6)

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、
   前記静止ユニットを支持する支持ユニットと、
   を備え、
   前記支持ユニットは、当該支持ユニットの軸線上に中心点を有する仮想球面に沿った形状の凹曲面を内周に有する外側リングを有し、
   前記静止ユニットは、
   前記外側リングに対する回転が規制されていると共に前記凹曲面に面接触する凸曲面を外周に有する球面リングと、
   前記球面リングと一体であって前記静止密封環を保持する保持リングと、
   前記回転軸の傾きに前記球面リングを追従させるために前記球面リングと一体であって当該球面リングと前記回転軸または前記回転ユニットとの間に介在する軸受ブロックと、
   を有し、
   前記支持ユニットは、前記外側リングを径方向に変位可能として支持するガイド溝が設けられている支持ブロックを有し、
   前記軸受ブロックは、
   複数のローラを有していて、前記ローラと当該ローラが転がり接触する軌道面との間で軸方向の変位を許容する転がり軸受と、
   前記転がり軸受を保持すると共に前記球面リングと連結される軸受ケースと、を有する、
   メカニカルシール。
2. 前記外側リングに対する前記球面リングの回転を規制する回り止め機構として、前記外側リングは、前記球面リング側に突出するピンを有し、
   前記球面リングに、前記ピンの先部を収容する凹部が設けられている、請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記支持ブロックに対する前記外側リングの回転を規制する第二回り止め機構として、前記外側リングは、前記支持ブロック側に突出する第二のピンを有し、
   前記支持ブロックに、前記第二のピンの先部を収容する第二の凹部が設けられている、請求項１に記載のメカニカルシール。
4. 前記ガイド溝、及び、当該ガイド溝と滑り接触する前記外側リングの摺動面の一方または双方に、摩擦係数を低減するためのコーティングが設けられている、請求項１または請求項３に記載のメカニカルシール。
5. 前記外側リングの前記凹曲面、及び、前記球面リングの前記凸曲面の一方または双方に、摩擦抵抗を低減するためのコーティングが設けられている、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のメカニカルシール。
6. 前記静止ユニットは、
   前記球面リングと前記保持リングとの間をシールする第一環状シール部材と、
   前記第一環状シール部材よりも摩擦抵抗が小さく前記球面リングと前記外側リングとの間をシールする第二環状シール部材と、
   を有する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のメカニカルシール。

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