JPH083763Y2 - 非接触型メカニカルシール - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、例えばタービン，ブロ
ワ，遠心圧縮機等の主として気体（窒素，アルゴン，水
素，天然ガス，空気等）を扱う回転機器において好適に
使用される非接触型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型メカニカルシー
ルとしては、シールケースを貫通する回転軸に固定され
た回転密封環と、シールケースにＯリングを介して軸線
方向移動可能に且つ径方向変位不能に保持された保持環
と、保持環に焼嵌め，プレスイン等の手法により内嵌固
定された静止密封環と、シールケースと保持環との間に
介装されて、静止密封環を保持環を介して回転密封環へ
と押圧附勢するスプリングとを具備し、両密封環の対向
端面たる密封端面間を、回転側密封端面に設けた動圧発
生溝により動圧を発生させることによって、流体膜を介
在させた非接触状態に保持して、流体膜形成部分におい
て高圧流体領域と低圧流体領域（大気領域）とをシール
しうるように構成されたもの（以下「従来シール」とい
う）がよく知られている。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】ところで、回転密封
環，静止密封環，保持環は、その機能の違いから、夫
々、熱膨張係数，ヤング率の異なる異質材で構成されて
いる。例えば、回転密封環はＷＣ，ＳｉＣ等の超硬質材
で、静止密封環はカーボン等の比較的軟質材で、保持環
はＳＵＳ３０４，Ｔｉ等の金属材で構成されている。一
方、回転密封環，静止密封環，保持環には運転に伴う発
熱や機器のシステム圧によって熱歪や圧力歪が生じる
が、これらの歪量や歪状態は、構成材質の違いから相異
する。特に、構成材質上、保持環の歪量は極めて大き
い。

【０００４】したがって、上記した如く静止密封環が保
持環に嵌合一体化されている従来シールにあっては、静
止密封環と保持環との接触部分においてそれらの歪が相
互に干渉することになる。このため、静止密封環につい
ては、保持環歪の影響を強く受けて、それ自身の歪とは
全く異なる歪状態を呈することなる。

【０００５】しかも、静止密封環のシールケースに対す
る径方向保持が、直接的にはシールケースと保持環との
間に介在させた弾性部材たるＯリングによって行なわれ
ていることから、甚だ不安定であり、圧力変動等によっ
て静止密封環が径方向に変位する等の虞れがある。ま
た、シールケースと保持環との間に介在させたＯリング
が、流体圧力により、両者への圧接力を増大するように
圧縮変形されることから、高圧条件下では、保持環の軸
線方向移動、延いては静止密封環の追従性が損なわれる
虞れがある。

【０００６】これらのことから、従来シールでは、静止
側密封端面の平滑度，追従性及び回転側密封端面に対す
る同心度，平行度が損なわれて、密封端面間に発生する
動圧が不均一となったり、極端な場合には、動圧発生不
良や密封端面の局部的接触といった不測の事態を生じ
て、長期に亘って良好なシール機能を発揮し得ないとい
った問題がある。かかる問題は、特に高圧，高速条件下
において顕著となる。したがって、従来シールは、かか
る高圧，高速条件下では到底使用することができない。

【０００７】本考案は、かかる点に鑑みてなされたもの
で、静止密封環における密封端面の平滑度，追従性及び
回転側密封端面に対する同心度，平行度を適正に維持し
得て、高圧，高速条件下においても長期に亘って良好な
シール機能を発揮しうる非接触型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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本考案は、回転軸に固定
された回転密封環と、シールケースにこれとの間をＯリ
ングによりシールさせた状態で軸線方向移動可能に嵌挿
保持された保持環と、シールケースと保持環との間に介
装されたスプリングと、このスプリングにより保持環を
介して回転密封環へと押圧附勢された静止密封環とを具
備して、両密封環の対向端面間に動圧を発生させるよう
に構成されており、且つ両密封環及び保持環が夫々熱膨
張係数及びヤング率の異なる異質材で構成されている非
接触型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、静止密封環を、シールケースに、両者間に
流体の通過を許容する極く微小な隙間が形成されるすき
間ばめ程度の寸法公差をもって、軸線方向移動可能に且
つ径方向変位不能に直接的に嵌合保持させると共に、静
止密封環と保持環とを、その軸線方向における対向面間
にＯリングを介在させることにより、シールされた非接
触状態に保持させておくことを提案するものである。

【０００９】

【作用】静止密封環と保持環とはスプリング及び流体圧
力によって強く押圧し合う状態に保持されているが、そ
の押圧は弾性材たるＯリングを介して行われており、両
環の直接的な接触により行われているものでない。した
がって、両環の押圧部分においては各環の歪がＯリング
により吸収されて相手環の歪と干渉することがないか
ら、両環の熱歪量，圧力歪量が異なるとしても、静止密
封環の歪分布が保持環の歪による影響を受けるようなこ
とがない。

【００１０】しかも、静止密封環のシールケースへの嵌
合保持を、保持環やＯリングを介することなく、上記し
たすき間ばめ程度の寸法公差をもって直接的に行なって
いるから、圧力変動等に拘わらず静止密封環が径方向に
変位することがない。また、静止密封環がシールケース
に直接に嵌合保持されていて、両者の嵌合部分にその軸
線方向における相対運動を妨げるＯリング等が一切介在
していないことから、静止密封環の軸線方向における移
動が円滑に行われ、密封流体や発生動圧の圧力変動に対
する追従性が良好となる。さらに、保持環は、シールケ
ースにＯリングを介して保持されたものであり且つスプ
リングによる押圧力を直接受けるものであるから、圧力
変動等により軸線方向及び径方向において変位し易い不
安定なものであるが、かかる保持環の軸線方向及び径方
向における変位は、静止密封環と保持環との間に介在さ
れたＯリングによって吸収され、静止密封環に悪影響を
及ぼすようなことがない。すなわち、静止密封環と保持
環との相対運動は、両環間に介在されたＯリングの弾性
変形によって吸収されて相互に影響し合うことがない。
これらのことから、静止密封環は、圧力変動等に拘わら
ず、回転密封環に対する同心度，平滑度，追従性が適正
に維持されることになる。

【００１１】したがって、静止側密封端面の平滑度，追
従性や回転側密封端面に対する同心度，平行度が損なわ
れたりすることがなく、高圧，高速条件下においても良
好なシール機能を発揮しうる。

【００１２】なお、静止密封環と保持環との間はＯリン
グにより良好に二次シールされることになる。また、ス
プリングによる押圧力は保持環からＯリングを介して静
止密封環に与えられることから、静止密封環の回転密封
環への押圧力は適正に維持され、シール機能に何らの悪
影響も及ぼさない。

【００１３】

【実施例】以下、本考案の構成を図１及び図２に示す実
施例に基づいて具体的に説明する。

【００１４】この実施例の非接触型メカニカルシール
は、図１に示す如く、シールケース１と、シールケース
１を洞貫するタービン軸等の回転軸２に固定された回転
密封環３と、シールケース１に保持された保持環４と、
シールケース１と保持環４との間に介装された複数のス
プリング５と、回転密封環３に対向配置された静止密封
環６とを具備する。

【００１５】シールケース１は、図１に示す如く、円筒
状のガイド部１ａ及び円環状のリテーナ部１ｂとを有す
る。回転軸２は、ガイド部１ａ及びリテーナ部１ｂを同
心状に貫通する。

【００１６】回転密封環３はＷＣ，ＳｉＣ等の超硬質材
で構成されたもので、図２に示す如く、静止密封環６に
対向する端面３ａにはスパイラル状等の適宜形状をなす
動圧発生溝３ｂが形成されている。この動圧発生溝３ｂ
の作用により、両密封環３，６の相対回転に伴い動圧を
発生せしめて、両密封環３，６の対向端面たる密封端面
３ａ，６ａ間を流体膜を介在形成させた非接触状態に保
持する。この流体膜の形成部分において、高圧側密封流
体領域（例えば、タービン等の機内である高圧ガス領
域）Ｈと低圧側密封流体領域（例えば、タービン等の機
外である大気領域）Ｌとの間をシールする。

【００１７】保持環４はＳＵＳ３０４，Ｔｉ等の金属材
で構成されたもので、図１に示す如く、円筒状の被保持
部４ａと円環状の押圧部４ｂとを備えた断面Ｌ字形状に
成形されている。この保持環４は、図２に示す如く、被
保持部４ａをシールケース１のリテーナ部１ｂの内周部
に第一Ｏリング７を介して嵌挿保持させることによっ
て、シールケース１に、これとの間を二次シールさせた
状態で、軸線方向移動可能に且つ径方向変位不能に保持
されている。なお、保持環４は、これに植設せる適当数
の回り止めピン８をシールケース１のリテーナ部１ｂに
係合させておくことにより、シールケース１に対して相
対回転不能とされている。

【００１８】各スプリング５は、図１及び図２に示す如
く、シールケース１のリテーナ部１ｂと保持環４の押圧
部４ｂとの間に介装されており、保持環４を軸線方向に
おいて回転密封環３に向かう方向に押圧附勢する。

【００１９】静止密封環６はカーボン等の比較的軟質材
で構成されたもので、図１及び図２に示す如く、シール
ケース１のガイド部１ａに軸線方向移動可能に且つ径方
向変位不能に内嵌保持されている。すなわち、すき間ば
め程度の寸法公差（ＪＩＳ−Ｂ０４０１）をもって静止
密封環６をガイド部１ａに嵌合させてあり、静止密封環
６の外周面６ｂとガイド部１ａの内周面１ｃとの間に
は、静止密封環６の径方向変位を阻止するも、その軸線
方向移動並びに流体の通過を許容する、極く微小な隙間
が形成されている。この隙間は静止密封環６の径やシー
ル条件等に応じて適宜に設定されるが、一般には、静止
密封環６の外径寸法とガイド部１ａの内径寸法との差を
１０〜１００μｍ程度としておくことが好ましい。な
お、上記した如く、シールケース１と静止密封環６とを
すき間ばめ程度の寸法公差をもって嵌合させ、両者１，
６間に流体の通過を許容する微小な隙間を形成している
のは、静止密封環６の径方向変位を阻止しつつメカニカ
ルシール機能を妨げないようにするためである。すなわ
ち、両者１，６間にかかる隙間がない場合には、保持環
４と静止密封環６及びシールケース１との間がＯリング
７，１０で二次シールされているため、両密封端面３
ａ，６ａによる環状シール部分の外周側（図３に示すも
のでは内周側）に閉塞空間が形成され、メカニカルシー
ル機能が阻害されるからである。

【００２０】さらに、静止密封環６と保持環４との間
は、図１及び図２に示す如く、両環４，６の軸線方向に
おける対向端面４ｃ，６ｃ間に第二Ｏリング９を介在さ
せることによって、二次シールされた非接触状態に保持
されている。

【００２１】すなわち、保持環４の押圧部４ｂの端面４
ｃに環状溝１０を形成し、この環状溝１０に第二Ｏリン
グ９を若干突出させた状態で嵌合保持させることによっ
て、静止密封環６を、スプリング５による附勢作用と相
俟って、保持環４との間に適当なクリアランス１１を有
したシール状態で、回転密封環３へと押圧させるべく附
勢保持せしめている。ところで、環状溝１０は、図２に
示す如く、内周側面１０ａのみをテーパとした蟻溝形状
とされていて、装置組付時や運転中の振動発生時，圧力
変動時等において第二Ｏリング９が環状溝１０から脱落
するような不測の事態の発生を確実に防止している。勿
論、蟻溝１０は、外周側面のみをテーパとした形状で
も、内外周側面をテーパとした形状でもよい。

【００２２】また、静止密封環６は、図２に示す如く、
これに保持環４の押圧部４ｂに植設せる適当数の回り止
めピン１２を係合させておくことにより、保持環４に対
して相対回転不能とされている。なお、回り止めピン
８，１２は共通のものとすることもできる。すなわち、
回り止めピン８を延長して、その延長端を静止密封環６
に係合させておく。

【００２３】以上のように構成された非接触型メカニカ
ルシールにあっては、静止密封環６と保持環４とが直接
的には接触しておらず、第二Ｏリング９を介して相互に
押圧し合う状態に保持されているから、その押圧部分に
おいては各環４，６の熱歪，圧力歪が弾性材である第二
Ｏリング９により吸収されて相互に干渉することがな
い。すなわち、静止密封環６の歪分布が保持環４の歪に
よる影響を受けるようなことがない。

【００２４】しかも、静止密封環６は、シールケース１
のガイド部１ａに軸線方向移動可能ではあるが径方向変
位不能に嵌合保持されているから、静止側密封端面６ａ
の回転側密封端面３ａに対する同心度，平行度が圧力変
化等によって損なわれことがない。ところで、保持環４
のシールケース１に対する径方向保持は、弾性材（Ｏリ
ング７）によって行なわれる不安定なものであるから、
圧力変動等によって保持環４が径方向に変位する場合も
ありうる。しかし、かかる場合においても、保持環４と
静止密封環６とが、第二Ｏリング９を介して軸線方向に
押し合うのみで、径方向における相対的な運動を何ら制
約されない関係にあることから、保持環４の変位が静止
密封環６に影響を及ぼすようなことは全くない。また、
第一Ｏリング７が高圧側密封流体領域Ｈの流体圧力によ
り軸線方向に圧縮されて、被保持部４ａ及びリテーナ部
１ｂに強く圧接されることにより、保持環４の軸線方向
移動が円滑に行われない状況下においても、静止密封環
６の軸線方向移動はその影響を受けることなく円滑に行
われ、静止密封環６追従性が損なわれることがない。

【００２５】したがって、静止側密封端面６ａの平滑
度，追従性及び回転側密封端面３ａに対する同心度，平
行度が損なわれたりすることがなく、高圧，高速の条件
下においても、長期に亘って良好なシール機能が発揮さ
れる。

【００２６】ところで、保持環４と静止密封環６とは直
接的には接触していないものの、第二Ｏリング９を介し
て相互に押圧し合う状態に保持されることから、両環
４，６間は第二Ｏリング９により確実にシールされるこ
とになる。また、回転軸２の軸振れ時や静止側密封要素
４，６の追従時においては、これに伴う静止側密封要素
４，６の軸線方向変位が第一Ｏリング７により吸収，対
処されることになり、第二Ｏリング９に負荷を与えるこ
とがない。したがって、第二Ｏリング９による保持環歪
の吸収機能は、軸振れ等によっては影響を受けることが
ない。

【００２７】なお、本考案に係る非接触型メカニカルシ
ールは上記実施例に限定されるものではなく、本考案の
基本原理を逸脱しない範囲において適宜に改良，変更す
ることができる。例えば、第二Ｏリング９を設ける径方
向位置や両環４，６間のクリアランス１１は、構成部材
の形状や流体圧力等の条件に応じて適宜に設定される。
特に、第二Ｏリング９の径方向位置は、静止密封環６に
ついての保持環歪の吸収機能や保持環４を介しての回転
密封環３への押圧機能を考慮して、適宜に設定される。
また、両密封端面３ａ，６ａ間に動圧を発生させるため
の手段も任意である。さらに、図３に示す如く、シール
ケース１に、リテーナ部１ｂから保持環４を貫通して静
止密封環６の内周部へと延びる円筒状ガイド部１ｄを形
成して、静止密封環６の内周面６ｄをこのガイド部１ｄ
の外周面１ｅに嵌合させることによって、静止密封環６
をシールケース１に軸線方向移動可能に且つ径方向変位
不能に内嵌保持させておくようにしてもよい。この場合
においても、すき間ばめ程度の寸法公差（ＪＩＳ−Ｂ０
４０１）をもって静止密封環６をガイド部１ｄに嵌合さ
せておき、静止密封環６の内周面６ｄとガイド部１ｄの
外周面１ｅとの間には、静止密封環６の径方向変位を阻
止するも、その軸線方向移動並びに流体の通過を許容す
る、極く微小な隙間が形成されるようにしておく。この
隙間は、上記実施例と同様に、静止密封環６の径やシー
ル条件等に応じて適宜に設定され、一般に、静止密封環
６の内径寸法とガイド部１ｄの外径寸法との差を１０〜
１００μｍ程度としておくことが好ましい。

【００２８】

【考案の効果】以上の説明から容易に理解されるよう
に、本考案によれば、静止側密封端面の平滑度，追従性
及び回転側密封端面に対する同心度，平行度を適正に維
持することができ、高速，高圧条件下においても、長期
に亘って良好なシール機能を発揮させる非接触型メカニ
カルシールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係る非接触型メカニカルシールの一実
施例を示す半截断面図である。

【図２】図１の要部を拡大して示す詳細図である。

【図３】 変形例を示す図１相当の半截断面図である。

【符号の説明】

１…シールケース、１ａ，１ｄ…ガイド部、１ｂ…リテ
ーナ部、２…回転軸、３…回転密封環、３ａ…回転側密
封端面（両密封環の対向端面）、４…保持環、４ｃ，６
ｂ…静止密封環と保持環との軸線方向における対向端
面、５…スプリング、６…静止密封環、６ａ…静止側密
封端面（両密封環の対向端面）、９…第二Ｏリング（Ｏ
リング）、１０…環状溝。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸に固定された回転密封環と、シー
   ルケースにこれとの間をＯリングによりシールさせた状
   態で軸線方向移動可能に嵌挿保持された保持環と、シー
   ルケースと保持環との間に介装されたスプリングと、こ
   のスプリングにより保持環を介して回転密封環へと押圧
   附勢された静止密封環とを具備して、両密封環の対向端
   面間に動圧を発生させるように構成されており、且つ両
   密封環及び保持環が夫々熱膨張係数及びヤング率の異な
   る異質材で構成されている非接触型メカニカルシールに
   おいて、 静止密封環を、シールケースに、両者間に流体の通過を
   許容する極く微小な隙間が形成されるすき間ばめ程度の
   寸法公差をもって、軸線方向移動可能に且つ径方向変位
   不能に直接的に嵌合保持させると共に、 静止密封環と保持環とを、その軸線方向における対向面
   間にＯリングを介在させることにより、シールされた非
   接触状態に保持させてあることを特徴とする非接触型メ
   カニカルシール。