接触型メカニカルシール
【課題】密封する流体が高圧となっても、密封端面全体としての平面度が低下するのを抑制することのできる接触型メカニカルシールを提供する。
【解決手段】軸封部ケーシング４の内周面４ａと回転軸２との間に形成される環状の空間部３に設けられ、回転軸２の回転によって相対回転する回転密封環２２と静止密封環２４とを備えている。回転密封環２２が有する第一密封端面２６と静止密封環２４が有する第二密封端面２７とが接触することにより流体を密封すると共に、当該流体の圧力によって静止密封環２４が回転密封環２２よりも歪みやすい構成である。静止密封環２４の内の、第二密封端面２７以外であって、周方向に連続している表面部に、集中的な歪みを生じさせ得る断面変化部３７が、周方向に均等に配置されている。
【解決手段】軸封部ケーシング４の内周面４ａと回転軸２との間に形成される環状の空間部３に設けられ、回転軸２の回転によって相対回転する回転密封環２２と静止密封環２４とを備えている。回転密封環２２が有する第一密封端面２６と静止密封環２４が有する第二密封端面２７とが接触することにより流体を密封すると共に、当該流体の圧力によって静止密封環２４が回転密封環２２よりも歪みやすい構成である。静止密封環２４の内の、第二密封端面２７以外であって、周方向に連続している表面部に、集中的な歪みを生じさせ得る断面変化部３７が、周方向に均等に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対回転する一対の密封環の密封端面同士を接触させて流体を密封する接触型メカニカルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、揮発性の液体が封入されている産業用のプロセスポンプやミキサー等の回転機器に組み込まれる密封装置として、一次側と二次側との一組のメカニカルシールを備えているものがある（特許文献１参照）。これら一次側と二次側との一組によって、回転機器内部のプロセス液が気化することにより発生した気体が大気側に漏れるのを防いでいる。
特許文献１に記載のメカニカルシールは、回転軸側に取り付けられた回転密封環と、ケーシング側に取り付けられた静止密封環とを有し、回転密封環の密封端面と静止密封環の密封端面とが接触することで気体（流体）の漏れを防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−８３８８９号公報（図１参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のメカニカルシールでは、回転密封環は、セラミックス等の硬質材によって製造されているので、密封する流体が高圧になっても、密封端面に悪影響を及ぼすほどの歪みは生じにくい。しかし、静止密封環は、カーボン等の比較的変形しやすい材質によって製造されているので、高圧になると回転密封環よりも変形しやすい。
さらに、静止密封環は、ケーシングに固定されたリテーナにスプリングを介して軸方向に移動可能として保持されている。このために、静止密封環はケーシングやリテーナに固定されておらず、回転密封環に比べて変形しやすい構造となっている。
【０００５】
このため、密封する流体の圧力が高くなると、静止密封環が変形し密封端面に大きな歪み（うねり）が生じるおそれがあり、しかもこの歪みは密封端面の周方向全体で一様でなく、局部的に大きく歪んだ部分が不連続に発生する場合がある。この場合、静止密封環の密封端面全体としての平面度や、接触する相手となる回転密封環の密封端面に対する平行度が損なわれる。
静止密封環の密封端面の平面度が損なわれると、密封端面間を適切な接触状態に維持することができず、密封機能が低下し、流体の漏れが生じるおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、密封する流体が高圧となっても、密封端面全体としての平面度が低下するのを抑制することのできる接触型メカニカルシールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の接触型メカニカルシールは、ケーシングの内周面と当該内周面と同軸にある回転軸との間に形成される環状の空間部に設けられ、当該回転軸の回転によって相対回転する第一密封環と第二密封環とを備え、前記第一密封環が有する第一密封端面と前記第二密封環が有する第二密封端面とが接触することにより前記空間部の軸方向一方側の流体を密封すると共に、当該流体の圧力によって前記第二密封環が前記第一密封環よりも歪みやすい構成である接触型メカニカルシールであって、前記第二密封環の内の、前記第二密封端面以外であって、周方向に連続している表面部に、集中的な歪みを生じさせ得る断面変化部が、周方向に均等に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、流体を密封する際に、当該流体の圧力によって第二密封環に歪みが生じると、当該第二密封環の周方向に連続している表面部に設けられている断面変化部に、集中的な歪み（集中応力）を積極的に生じさせることができ、しかも、当該断面変化部は、周方向に均等に配置されているので、集中的な歪みが生じている部分を周方向に等間隔で連続させることができる。このため、第二密封環の第二密封端面全体を、同一又はほぼ同一の凹凸歪みパターンが周方向に連続する面に矯正することができる。すなわち、第二密封端面の内の周方向の一部のみが局所的に大きく変形することを防ぐことができ、第二密封端面全体としての平面度や、相手となる第一密封端面に対する平行度が低下するのを抑制することができる。
なお、前記断面変化部としては、例えば、単一の凹部や、近接して設けられた複数の凹部からなる凹部群等とすることができる。
【０００９】
また、前記接触型メカニカルシールは、前記第二密封環の径方向内方に位置し当該第二密封環の前記第一密封環側への移動をガイドする筒状のボス部を有し、前記ケーシングに固定された環状のリテーナと、前記第二密封環を前記第一密封環側へ付勢して前記第二密封端面を前記第一密封端面へ押し付ける弾性部材と、前記第二密封環と前記ボス部との間に設けられ両者間を密封するシールリングと、を更に備え、前記第二密封環は、前記第二密封端面が形成されている先部側密封環と、前記先部側密封環と別体であり前記シールリングを収容する凹溝が内周面に形成されている基部側密封環とを有し、前記基部側密封環は、熱膨張係数が前記ボス部と同等以上である材質からなるのが好ましい。
【００１０】
この場合、第二密封端面が形成されている先部側密封環を、接触相手となる第一密封環の第一密封端面に接触させるために適した材質とし、基部側密封環を当該先部側密封環と別の材質とすることができる。そこで、基部側密封環を熱膨張係数がボス部と同等以上である材質とすることで、温度が上昇し、ボス部が径方向に膨張しても、基部側密封環は径方向にボス部と同等以上に膨張することができる。
仮に、第二密封環（基部側密封環）が径方向にボス部よりも膨張できない場合、第二密封環（基部側密封環）とボス部との間を密封するシールリングの径方向の締め代が大きくなって、基部側密封環を含む第二密封環が第一密封環側へ移動する際の抵抗が増え、当該第二密封環の移動が抑制され、密封端面同士の接触不良が生じて密封性能が低下するおそれがある。しかし、本発明の前記構成によれば、基部側密封環は径方向にボス部と同等以上に膨張することができるので、前記のような密封性能の低下を防ぐことが可能となる。
【００１１】
また、この場合において、前記シールリングは熱膨張係数が前記基部側密封環よりも大きい材質からなり、前記凹溝と、前記ボス部に外嵌し常温状態にある前記シールリングとの間に、径方向のクリアランスが形成されているのが好ましい。
前記クリアランスによれば、高温になってシールリングが膨張し拡径しても、当該シールリングが、基部側密封環の凹溝を径方向外側に強く押すことを防ぐことができ、シールリングによって基部側密封環を含む第二密封環の移動が抑制されず、第一密封端面と第二密封端面との間における密封性能を維持することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、密封する流体の圧力が高くなって第二密封環が歪んだとしても、第二密封端面全体としての平面度や、相手となる第一密封端面に対する平行度が低下するのを抑制することができるので、密封端面間を適切な接触状態に維持することができ、密封機能を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の接触型メカニカルシールを備えた密封装置の実施の一形態を示す縦断面図である。
【図２】第二メカニカルシールの縦断面図である。
【図３】第二メカニカルシールの要部を説明する説明図である。
【図４】先部側密封環の正面図である。
【図５】他の形態の先部側密封環の正面図である。
【図６】他の形態の先部側密封環の正面図である。
【図７】密封端面の凹凸パターンの説明図であり、（ａ）は外周側部分、（ｂ）は径方向中間部分、（ｃ）は内周側部分を示している。
【図８】密封環の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の接触型メカニカルシールを備えた密封装置の実施の一形態を示す縦断面図である。この密封装置は、ポンプやミキサー等の回転機器の機内側（図１では右側）と機外側（左側）とに仕切り、機内側に存在している流体を密封するためのものである。
回転機機は、機器ケーシング１と、この機器ケーシング１の内周面と同軸に設けられた回転軸２とを備えている。そして、機器ケーシング１に、回転軸２と同軸となるようにして、密封装置が備えている軸封部ケーシング４が固定されている。
【００１５】
密封装置は、さらに、機内側の第一メカニカルシール１０と、機外側の第二メカニカルシール２０とを備えている。これらシール１０，２０は、軸封部ケーシング４の内周面４ａと回転軸２との間に形成される環状の空間部３に設けられている。第一メカニカルシール１０と第二メカニカルシール２０とは、回転軸２の軸線方向に並んで設けられている。
【００１６】
第一メカニカルシール１０は、回転軸２に外嵌固定されたスリーブ２ａの機内側に取り付けられた環状の回転側リテーナ１１と、リテーナ１１に周方向に回転不能に取り付けられた回転密封環１２と、軸封部ケーシング４に固定された環状の静止側リテーナ１３と、静止側リテーナ１３に周方向に回転不能でかつ軸線方向に移動可能に取り付けられた静止密封環１４と、静止密封環１４を回転密封環１２側へ押圧するスプリング１５とを備えている。静止密封環１４は、基部側密封環１４ａと先部側密封環１４ｂとを有している。
そして、回転密封環１２の密封端面１６と、静止密封環１４の密封端面１７とが接触した状態となることにより、機内側となる流体領域Ａと（後述する）パージガスが排出される中間領域Ｂとが仕切られ、流体領域Ａに存在している流体を密封（一次密封）している。実施形態の第一メカニカルシール１０は、接触型メカニカルシール（接触型ドライコンタクトシール）となる。
【００１７】
第二メカニカルシール２０は、前記スリーブ２ａに取り付けられた環状の回転側リテーナ２１と、リテーナ２１に周方向に回転不能に取り付けられた回転密封環（第一密封環）２２と、軸封部ケーシング４に固定された環状の静止側リテーナ２３と、静止側リテーナ２３に周方向に回転不能でかつ軸線方向に移動可能に取り付けられた静止密封環（第二密封環）２４と、静止密封環２４を回転密封環２２側へと押圧するスプリング２５とを備えている。静止密封環２４は、先部側密封環２４ｂと基部側密封環２４ａとを有している。
これにより、回転軸２が回転することによって、回転密封環２２は、静止密封環２４に対して軸線Ｃ回りに回転する。
【００１８】
そして、回転密封環２２に形成されている密封端面（第一密封端面）２６と、基部側密封環２４ａに形成されている密封端面（第二密封端面）２７とが接触した状態となることにより、前記中間領域Ｂと機外側となる大気領域Ｈとを仕切り、第一メカニカルシール１０から漏れた流体、すなわち、中間領域Ｂに存在している流体を密封（二次密封）している。第二メカニカルシール２０は、接触型メカニカルシール（接触型ドライコンタクトシール）となる。
【００１９】
図２は、第二メカニカルシール２０の縦断面図である。回転密封環２２は、回転軸２にスリーブ２ａ及び回転側リテーナ２１を介して固定されたほぼ断面方形の円環状部材である。静止密封環２４に対向する軸方向の端面は、軸線Ｃに直交する平滑な密封端面２６である。回転密封環２２の径方向外方において、回転側リテーナ２１の外周面と軸封部ケーシング４の内周面４ａとの間には隙間が設けられていて、中間領域Ｂと、（後述する）静止密封環２４の先部側となる機内側領域Ｋ２との間において流体の流れは自由である。
【００２０】
静止側リテーナ２３は、環状の部材であり、軸封部ケーシング４に固定されている円盤状の本体部２３ａと、本体部２３ａの内周側部から軸方向に延びている筒状のボス部２３ｂと、ボス部２３ｂよりも径方向外方で本体部２３ａから軸方向に延びている筒状の外筒部２３ｃとを有している。ボス部２３ｂは、先部側密封環２４ｂ及び基部側密封環２４ａを有する静止密封環２４の径方向内方に位置していて、これら先部側密封環２４ｂ及び基部側密封環２４ａが、軸線Ｃ方向に沿って回転密封環２２側へ移動可能となるようにガイドしている。
【００２１】
図３は、第二メカニカルシール２０の要部を説明する説明図である。前記のとおり、静止密封環２４は、先部側密封環２４ｂと基部側密封環２４ａとに軸方向に二分割されていて、別体である。先部側密封環２４ｂの軸方向端面に密封端面２７が形成されている。
基部側密封環２４ａの内周面の角部にＯリング２８（リングシール）を収容する凹溝２９が形成され、この凹溝２９の側壁２９ａと、この側壁２９ａに対向する先部側密封環２４ｂの内周側壁２９ｂと、当該凹溝２９の底壁２９ｃとによって、Ｏリング２８を三方から囲む収容部が構成されている。基部側密封環２４ａは、Ｏリング２８用の凹溝２９部分を除いて、断面方形である。
Ｏリング２８は、基部側密封環２４ａと静止側リテーナ２３のボス部２３ｂとの間、及び、基部側密封環２４ａと先部側密封環２４ｂとの間を同時に密封することができる。
基部側密封環２４ａは、隙間を有してボス部２３ｂに外嵌していて、スプリング２５を介して回転側リテーナ２１（図２参照）の本体部２３ａに取り付けられている。
【００２２】
先部側密封環２４ｂは、ほぼ断面方形である本体部３０と、本体部３０の外周部から径方向外方へと伸びている円環部３１とを有している。先部側密封環２４ｂの内の、回転密封環２２に対向する軸方向の端面は、軸線Ｃに直交する平滑な密封端面２７である。先部側密封環２４ｂの径方向外方において、円環部３１の外周面と外筒部２３ｃの内周面との間には隙間（絞り部３５）が設けられていて、静止密封環２４の基部側となる機外側領域Ｋ１と、先部側となる機内側領域Ｋ２との間において流体の流れは自由である。
【００２３】
先部側密封環２４ｂの円環部３１には、後に説明する凹部３７が周方向に複数形成されていて、静止側リテーナ２３から軸方向に延びているピン３２（図１参照）が、この凹部３７に嵌ることで、先部側密封環２４ｂは周方向に回転不能となる。
基部側密封環２４ａ及び先部側密封環２４ｂは、静止側リテーナ２３のボス部２３ｂと外筒部２３ｃとの間に設けられていて、径方向の移動が制限され、また、周方向に回転不能であるが、軸線方向には移動可能となっている。
【００２４】
前記スプリング２５は、周方向で等間隔に複数設けられている。スプリング２５は、取り付けられた状態で圧縮されていて、先部側密封環２４ｂの密封端面２７を回転密封環２２の密封端面２６へ押し付けるように、静止密封環２４を回転密封環２２側へ付勢している。すなわち、スプリング２５は基部側密封環２４ａを軸線方向に押し、基部側密封環２４ａはＯリング２８を介して先部側密封環２４ｂを軸線方向に押し、先部側密封環２４ｂは回転密封環２２へ押圧される。このため、先部側密封環２４ｂの密封端面２７と、回転密封環２２の密封端面２６とが面接触し、中間領域Ｂと繋がっている領域Ｋ２の流体が大気領域Ｈ側へ漏れることを防止している。
【００２５】
第二メカニカルシール２０が有するさらなる漏れ防止機能について説明する。
図２において、軸封部ケーシング４には、図外のパージガス供給手段が接続され、また、先部側密封環２４ｂの背部側となる機外側領域Ｋ１にパージガスを供給する供給路４ｂが形成されている。パージガス供給手段からパージガスが供給路４ｂを通じて機外側領域Ｋ１に供給される。さらに、基部側密封環２４の機内側領域Ｋ２からパージガス供給手段側へとパージガスを排出する排出路４ｃが形成されている。なお、パージガスは流体領域Ａ及び大気領域Ｈに漏洩しても支障のないガスが使用され、例えば、窒素ガスとすることができる。
機外側領域Ｋ１に供給されたパージガスは前記絞り部３５を通過して機内側領域Ｋ２へと流れるが、この絞り部３５を通過することで圧力損失が発生し、機内側領域Ｋ２におけるパージガスの圧力は、機外側領域Ｋ１におけるパージガスの圧力よりも小さくなる。
【００２６】
先部側密封環２４ｂの密封端面２７には環状凹溝３３が形成されていて、さらに、環状凹溝３３と機外側領域Ｋ１とを連通する連通路３４が形成されている。連通路３４は、周方向に所定の間隔（等間隔）で複数本形成されている。このため、環状凹溝３３にはパージガスが侵入することができる。
先部側密封環２４ｂの密封端面２７と、回転密封環２２の密封端面２６との面接触により密封状態が確保されていることから、環状凹溝３３からのパージガスの漏れはほとんど発生しない。このため、機外側領域Ｋ１と環状凹溝３３との内圧はほとんど同じとなる。この結果、環状凹溝３３の内圧を、機内側領域Ｋ２の内圧よりも大きく保つことができ、機内側領域Ｋ２（中間領域Ｂ）に存在している気体と、パージガスとの混合ガスが、環状凹溝３３内に、すなわち、第二メカニカルシール２０のシール面間（密封端面２６，２７間）に侵入して、大気領域Ｈ側へ漏れるのを防止することができる。また、パージガスを環状凹溝３３に供給することで、摺接する密封端面２６，２７を当該パージガスによって冷却することができる。
【００２７】
先部側密封環２４ｂは回転密封環２２よりも軟質である材料で製造されている。例えば、先部側密封環２４ｂはカーボン製（油含浸カーボン）である。回転密封環２２は硬質材製であり、硬質材としては、例えば、ＷＣ、ＳｉＣ等のセラミックスや超硬合金等がある。したがって、密封する流体の圧力によって、静止密封環２４の先部側密封環２４ｂは、回転密封環２２よりも歪みやすい構成となっている。
【００２８】
また、図３に示しているように、先部側密封環２４ｂの断面形状（軸線Ｃを通過する平面上における断面形状）は、当該断面の図心を通過する対称軸を有していない形状である。つまり、先部側密封環２４ｂの断面形状は複雑であり部分的に大きく変化している形状である。これに対して、回転密封環２２は断面形状がほぼ方形である。
したがって、静止密封環２４の先部側密封環２４ｂは、回転密封環２２よりも複雑な形態で歪みやすい構成、すなわち、断面の図心回りに回転を伴うような歪みが生じやすい構成となっている。
【００２９】
このため、流体の圧力が高くなると、先部側密封環２４ｂは、回転密封環２２と比べて、その圧力によって生じる圧縮力により最大歪みが大きくなり、また、局部的に大きな歪みが周方向で不連続に発生するおそれがある。このように、局部的に大きな歪みが不連続に発生すると、先部側密封環２４ｂの密封端面２７における平面度や、回転密封環２２の密封端面２６に対する平行度が損なわれ、密封性能に悪影響を与えるおそれがある。
そこで、本発明では、先部側密封環２４ｂの内の、密封端面２７以外であって、周方向に連続している表面部に、流体による圧力が作用した際に集中的な歪みを生じさせる断面変化部３７が、周方向に均等に（等間隔で）配置されている。
【００３０】
図４は、先部側密封環２４ｂの正面図である。この実施形態では、断面変化部３７は凹部３７ａであり、特に、円環部３１の外周面３１ａから内周側に向かって切り欠いて形成した凹部３７ａである。この凹部３７ａでは、当該凹部３７ａと周方向で隣接する部分（凹部３７ａが形成されていない部分）と比べて断面形状が大きく変化しているため、先部側密封環２４ｂの変形に伴って、集中的な歪み（集中応力）が生じる。凹部３７ａは周方向に等間隔で配置されていて、図４では８箇所に形成されている。また、この実施形態では、凹部３７ａが形成されている表面部（外周面３１ａ）は、漏れを防止する流体が接する受圧部分（流体の圧力が作用する部分）となる。
【００３１】
凹部３７ａ（断面変化部３７）の形状、数及び配置は、流体の圧力によって密封端面２７に生じる歪みを制御することで、同一又はほぼ同一の凹凸パターンが周方向に連続するうねり波形をなすように、設定されている。
すなわち、先部側密封環２４ｂを軸線Ｃ回りで複数の分割部分Ｓに等分したと仮定すると（周方向にＮ等分したと仮定すると）、各分割部分Ｓに形成される凹部３７ａと、これに隣接する分割部分Ｓに形成される凹部３７ａとを、数、形状及び配置が同一の形態となるように形成する。これにより、周方向で等間隔に、凹部３７ａによる切り欠き効果によって応力集中が生じて、凹部３７ａの形成部分に集中的な歪みを積極的に生じさせ、図７（ａ）に示しているように、各分割部分Ｓの密封端面部分に形成される歪みの凹凸パターン（凹凸パターン部分４０ａ）と、これに隣接する分割部分Ｓの密封端面部分に形成される歪みの凹凸パターン（凹凸パターン部分４０ａ）とが同一又はほぼ同一となる。なお、図７は密封端面２６，２７の凹凸パターンの説明図であり、（ａ）は外周側部分、（ｂ）は径方向中間部分、（ｃ）は内周側部分を示している（図７では説明のために密封端面２６，２７同士を離して記載している）。
【００３２】
分割部分Ｓの数（等分数）Ｎ、つまり密封端面２７の全周にわたって形成される凹凸パターンの数（連続数）は、当該凹部３７ａを形成することによって先部側密封環２４ｂの強度が密封機能に悪影響を与えない範囲において可及的に多くなるように設定するのが好ましい。なお、図４の形態では、Ｎ＝８としているが、図５に示しているように、Ｎ＝１６等とすることもできる。
【００３３】
また、図８（ａ）に示しているように、密封端面２６，２７を、適切な接触状態とするために、各分割部分Ｓに形成する凹部３７ａ（断面変化部３７）の数、形状及び配置は、制御すべき歪み（凹部３７ａを形成しない場合において密封端面２７に生じる歪み）の程度や、先部側密封環２４ｂの断面形状等の条件に応じて設定される。
さらに、各凹凸パターンにおける凹凸形態は、凹部３７ａの位置や形状との関係で、先部側密封環２４ｂの半径方向位置によって異なることになるが、凹部３７ａの数、形状及び配置を、各凹凸パターンの半径方向における歪み量が少なくとも密封端面２７の内周側と外周側とで同一又はほぼ同一となるように設定するのが好ましい。
すなわち図７により説明すると、図７（ａ）に示している密封端面２７の外周側における凹凸パターン部分４０ａの歪み量ｆ１と、図７（ｃ）に示している内周側における凹凸パターン部分４０ｃの歪み量ｆ３とが同一となるように、さらには、図７（ｂ）に示しているように径方向中間部分における凹凸パターン部分４０ｂの歪み量ｆ２も、同一となるように、凹部３７ａ（断面変化部３７）の数、形状及び配置を、設定するのが好ましい。
【００３４】
このような設定は、軸線Ｃを中心とした第一仮想円に沿って凹部３７ａを周方向で均等に配置する場合において、この第一仮想円の半径を所定の値に設定することで実現することができる。
さらには、一つの分割部分Ｓに、複数の断面変化部３７を設けても良く、例えば、図５に示しているように、軸線Ｃを中心とした第一仮想円Ｒ１に沿って凹部（切り欠き）３７ａを周方向で等間隔に配置し、かつ、この第一仮想線Ｒ１と異なる直径を有する第二仮想線Ｒ２に沿って別の凹部（穴）３７ｂを更に周方向で等間隔に配置してもよい。なお、この場合において、第一仮想円Ｒ１に沿う凹部３７ａと、第二仮想円Ｒ２に沿う凹部３７ｂとは図５のように位相が同じであってもよいが、異なっていてもよい。
そして、図５に示しているように、各分割部分Ｓには、形状を異にする複数種類の断面変化部３７が形成されていてもよい。
【００３５】
このように、凹部３７ａの数、形状及び配置を、各凹凸パターンの半径方向における歪み量が少なくとも密封端面２７の内周側と外周側とで同一又はほぼ同一となるように、設定することで、図８（ａ）に示しているように、密封端面２６，２７を適切な接触状態とすることができる。
なお、図８（ｂ）に示しているように、静止密封環２４の密封端面２７の外周側と内周側とで歪みが一様ではなく、異なることで、密封端面２７が、回転密封環２２の密封端面２６に対して外開き状態で歪んだ場合、密封端面２７の内周側端部が、相手の密封端面２６に偏って強く接触する。また、図８（ｃ）に示しているように、静止密封環２４の密封端面２７が内開き状態に歪んだ場合、密封端面２７の外周側端部が、相手の密封端面２６に偏って強く接触する。この結果、カーボンで構成された静止密封環２４が、短期間のうちに損傷することもあり、長期にわたって良好でかつ安定した密封機能を発揮できなくなる場合がある。
しかし、前記のように凹部３７ａの数、形状及び配置を設定すれば、凹凸パターンを制御することができ、このような問題点を解消することができる。
【００３６】
断面変化部３７の具体例としては、切り欠きからなる凹部の他に、貫通穴、ザグリ穴（非貫通穴）からなる凹部とすることができる。
各分割部分Ｓに複数の断面変化部３７が形成される場合、当該断面変化部３７は、凹部のみ、ザグリ穴のみ、凹部とザグリ穴との双方であってもよい。
また、断面変化部３７は、漏れを防止する流体が接しない非受圧部分に形成されていてもよい。例えば、先部側密封環２４ｂの内周面に形成されていてもよい。
さらに、図７に示しているように、断面変化部３７を、図５のような単一の凹部３７ａからなる構成とする他に、近接して設けられた複数の凹部３７ｃからなる凹部群とすることができる。このように、凹部群とする場合、当該凹部群に含まれる凹部３７ｃの形状がそれぞれ異なっていてもよい（図示せず）。
【００３７】
また、図１において、静止側リテーナ２３に対して先部側密封環２４ｂを周方向に回転不能とするために、当該静止側リテーナ２３から軸方向に延びているピン３２が設けられている。そこで、このピン３２を、断面変化部３７としての前記凹部３７ａに係合させればよい（図４参照）。すなわち、凹部３７ａの少なくとも一部は、ピン３２による先部側密封環２４ｂの回り止め用の係合部も兼ねている。
なお、先部側密封環２４ｂの回り止め用の係合部を、断面変化部３７としての凹部３７ａとは別として設けてもよい。この場合、当該係合部の数よりも、断面変化部３７としての凹部３７ａの数を多くするのがよい。これは係合部が先部側密封環２４ｂの歪みに影響を与えることがあり、この場合、当該歪みを前記のように断面変化部３７によって制御するためには、係合部の数よりも多い数の断面変化部３７が必要となると考えられるためである。
【００３８】
以上の実施形態による第二メカニカルシール２０によれば、流体を密封する際に、当該流体の圧力によって先部側密封環２４ｂに歪みが生じると、例えば図４において、先部側密封環２４ｂの外周面３１ａに設けられている断面変化部３７（凹部３７ａ）に、集中的な歪み（集中応力）を積極的に生じさせることができ、しかも、この断面変化部３７は、周方向に均等に配置されているので、集中的な歪みが生じている部分を周方向に等間隔で連続させることができる。
このため先部側密封環２４ｂの密封端面２７を、同一又はほぼ同一の凹凸歪みパターンが周方向に連続する面に矯正することができる。すなわち、密封端面２７の内の周方向の一部のみが局所的に大きく変形することを防ぎ、密封端面２７全体としての平面度や、相手となる回転密封環２２の密封端面２６に対する平行度が低下するのを抑制することができる。
【００３９】
特に、先部側密封環２４ｂの断面が図３に示しているような形状であり、外周面側から流体の圧力が作用する場合、先部側密封環２４ｂは径方向に圧縮され、凹部３７ａが形成されていない場合では、図８（ｃ）に示しているような形態で先部側密封環２４ｂは変形する。なお、この場合、回転密封環２２の密封端面２６では外径部に接触痕が見られる。
しかし、先部側密封環２４ｂの外周側部分（円環部３１）に、断面変化部３７として凹部３７ａのような欠損部を設けることで、当該欠損部で集中応力（集中圧縮応力）が発生する他に、先部側密封環２４ｂは当該欠損部において周方向に弾性変形し易くなることから、作用するはずの周方向の圧縮応力が開放され、先部側密封環２４ｂの外周側部分の歪み（軸線方向の変形）が小さくなると考えられる。このため、図８（ａ）に示しているように、密封端面２６，２７は、適切な接触状態が得られる。
【００４０】
さらに、断面変化部３７によって、先部側密封環２４ｂに集中的な歪み（集中応力）を積極的に生じさせることで、先部側密封環２４ｂ全体に生じる歪みを、密封端面２７全体に分散させ、断面変化部３７を形成しない場合に比べて、最大歪み量を大幅に小さくすることが可能となる。
この結果、回転密封環２２に比して軟質である先部側密封環２４ｂの密封端面２７が、局部的に大きく変形し、しかもその変形が周方向で不連続となることで、平滑度（平面度）、相手となる密封端面２６との平行度、同心度が損なわれるのを抑制することができ、高圧条件下においても、密封機能を長期にわたって良好かつ安定して発揮させることができる。
【００４１】
また、図３において、静止密封環２４は、基部側密封環２４ａと先部側密封環２４ｂとに分割され別体となっていることから、先部側密封環２４ｂを、密封端面２７を構成するために適した材質（カーボン製）とすることができ、先部側密封環２４ｂをこのような材質（カーボン製）に選定しても、基部側密封環２４ａを先部側密封環２４ｂと別の材質とすることができる。そこで、基部側密封環２４ａを、熱膨張係数（線膨張係数）が静止側リテーナ２３のボス部２３ｂと同等以上である材質とすることができる。具体的には、静止側リテーナ２３（ボス部２３ｂ）は、ステンレス鋼製であることから、基部側密封環２４ａも同じステンレス鋼製としている。
【００４２】
このように、基部側密封環２４ａをボス部２３ｂと同じステンレス鋼製とすることで、高温の使用環境で温度が上昇し、ボス部２３ｂが径方向に膨張しても、基部側密封環２４ａは径方向にボス部２３ｂと同等に膨張することができる。
仮に、基部側密封環２４ａが径方向にボス部２３ｂよりも膨張できない場合、基部側密封環２４ａとボス部２３ｂとの間を密封するＯリング２８の径方向の締め代が大きくなって、基部側密封環２４ａが軸線方向に移動する際の抵抗が増える。このため、基部側密封環２４ａを含む静止密封環２４の移動（回転密封環２２に対する追従）が抑制され、密封端面２６，２７同士の接触不良によって密封性能が低下するおそれがある。
しかし、本発明の前記構成によれば、基部側密封環２４ａは径方向にボス部２３ｂと同等に膨張することができるので、前記のような密封性能の低下を防ぐことが可能となる。
【００４３】
さらに、Ｏリング２８はゴム製であるため、当該Ｏリング２８は熱膨張係数が基部側密封環２４ａよりも大きい。このため、高温の環境では、ボス部２３ｂ及び先部側密封環２４ｂは径方向に同様に膨張すると共に、Ｏリング２８は径方向にさらに大きく膨張する。
この場合、Ｏリング２８と基部側密封環２４ａとの間の締め代が大きくなることが考えられる。しかし、これを防止するために、図３に示しているように、基部側密封環２４ｂの内周面に形成されている凹溝２９の径方向外側の壁（底壁）２９ｃと、ボス部２３ｂに外嵌していて常温状態にあるＯリング２８との間に、径方向のクリアランスｅが形成されている。すなわち、凹溝２９の底壁２９ｃの直径Ｄは、ボス部２３ｂに外嵌していて常温状態にあるＯリング２８の外径ｄよりも大きくなる（Ｄ＞ｄ）ように、凹溝２９は設定されている。
このクリアランスｅによれば、高温になってＯリング２８が膨張し拡径しても、当該Ｏリング２８が凹溝２９を径方向外側に強く押すのを防ぐことができ、Ｏリング２８によって基部側密封環２４ａを含む静止密封環２４の軸方向の移動が抑制されず、密封端面２６，２７間における密封性能を維持することが可能となる。
【００４４】
以上の実施形態による第二メカニカルシール２０によれば、密封する流体が高温（例えば１７０℃）高圧（例えば４ＭＰａ）となる環境下において、当該流体の圧力及び温度変化によって先部側密封環２４ｂが歪んだとしても、その密封端面２７全体としての平面度や、相手となる密封端面２６に対する平行度が低下するのを抑制することができる。このため、密封端面２６，２７間を適切な接触状態に維持することができ、密封機能を維持することが可能となり、流体の漏れを長期にわたって防止することができる。
また、密封端面２６，２７同士は、適切な接触状態（図８（ａ）の状態）となって、偏った接触状態（図８（ｂ）（ｃ）の状態）とならないことから、密封端面２６，２７において、異常摩耗の発生、異常発熱の発生を防止することができる。
【００４５】
また、図１において、流体領域Ａは高圧であり、第二メカニカルシール２０は、第一メカニカルシール１０から漏れた流体を補助的に密封する必要があることから、第一メカニカルシール１０と同等の密封性能を有している。そこで、第二メカニカルシール２０の前記各構成を、第一メカニカルシール１０に適用することができる。
また、本発明の接触型メカニカルシールは、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであっても良い。例えば、接触型メカニカルシール（密封装置）は、ポンプやミキサー等以外に、コンプレッサ、ブロワ等の回転機器に適用することができ、さらには、電子や医療分野における回転機器にも適用することができる。また、第一メカニカルシール１０は、密封端面同士が非接触となる非接触型であってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
２ 回転軸
３ 空間部
４ 軸封部ケーシング
４ａ 内周面
２２ 回転密封環（第一密封環）
２３ 静止側リテーナ
２３ｂ ボス部
２４ 静止密封環（第二密封環）
２４ａ 基部側密封環（基部側密封環）
２４ｂ 先部側密封環（先部側密封環）
２５ スプリング（弾性部材）
２６ 密封端面（第一密封端面）
２７ 密封端面（第二密封端面）
２８ Ｏリング（シールリング）
２９ 凹溝
３７ 断面変化部
ｅ クリアランス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対回転する一対の密封環の密封端面同士を接触させて流体を密封する接触型メカニカルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、揮発性の液体が封入されている産業用のプロセスポンプやミキサー等の回転機器に組み込まれる密封装置として、一次側と二次側との一組のメカニカルシールを備えているものがある（特許文献１参照）。これら一次側と二次側との一組によって、回転機器内部のプロセス液が気化することにより発生した気体が大気側に漏れるのを防いでいる。
特許文献１に記載のメカニカルシールは、回転軸側に取り付けられた回転密封環と、ケーシング側に取り付けられた静止密封環とを有し、回転密封環の密封端面と静止密封環の密封端面とが接触することで気体（流体）の漏れを防いでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−８３８８９号公報（図１参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のメカニカルシールでは、回転密封環は、セラミックス等の硬質材によって製造されているので、密封する流体が高圧になっても、密封端面に悪影響を及ぼすほどの歪みは生じにくい。しかし、静止密封環は、カーボン等の比較的変形しやすい材質によって製造されているので、高圧になると回転密封環よりも変形しやすい。
さらに、静止密封環は、ケーシングに固定されたリテーナにスプリングを介して軸方向に移動可能として保持されている。このために、静止密封環はケーシングやリテーナに固定されておらず、回転密封環に比べて変形しやすい構造となっている。
【０００５】
このため、密封する流体の圧力が高くなると、静止密封環が変形し密封端面に大きな歪み（うねり）が生じるおそれがあり、しかもこの歪みは密封端面の周方向全体で一様でなく、局部的に大きく歪んだ部分が不連続に発生する場合がある。この場合、静止密封環の密封端面全体としての平面度や、接触する相手となる回転密封環の密封端面に対する平行度が損なわれる。
静止密封環の密封端面の平面度が損なわれると、密封端面間を適切な接触状態に維持することができず、密封機能が低下し、流体の漏れが生じるおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、密封する流体が高圧となっても、密封端面全体としての平面度が低下するのを抑制することのできる接触型メカニカルシールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の接触型メカニカルシールは、ケーシングの内周面と当該内周面と同軸にある回転軸との間に形成される環状の空間部に設けられ、当該回転軸の回転によって相対回転する第一密封環と第二密封環とを備え、前記第一密封環が有する第一密封端面と前記第二密封環が有する第二密封端面とが接触することにより前記空間部の軸方向一方側の流体を密封すると共に、当該流体の圧力によって前記第二密封環が前記第一密封環よりも歪みやすい構成である接触型メカニカルシールであって、前記第二密封環の内の、前記第二密封端面以外であって、周方向に連続している表面部に、集中的な歪みを生じさせ得る断面変化部が、周方向に均等に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、流体を密封する際に、当該流体の圧力によって第二密封環に歪みが生じると、当該第二密封環の周方向に連続している表面部に設けられている断面変化部に、集中的な歪み（集中応力）を積極的に生じさせることができ、しかも、当該断面変化部は、周方向に均等に配置されているので、集中的な歪みが生じている部分を周方向に等間隔で連続させることができる。このため、第二密封環の第二密封端面全体を、同一又はほぼ同一の凹凸歪みパターンが周方向に連続する面に矯正することができる。すなわち、第二密封端面の内の周方向の一部のみが局所的に大きく変形することを防ぐことができ、第二密封端面全体としての平面度や、相手となる第一密封端面に対する平行度が低下するのを抑制することができる。
なお、前記断面変化部としては、例えば、単一の凹部や、近接して設けられた複数の凹部からなる凹部群等とすることができる。
【０００９】
また、前記接触型メカニカルシールは、前記第二密封環の径方向内方に位置し当該第二密封環の前記第一密封環側への移動をガイドする筒状のボス部を有し、前記ケーシングに固定された環状のリテーナと、前記第二密封環を前記第一密封環側へ付勢して前記第二密封端面を前記第一密封端面へ押し付ける弾性部材と、前記第二密封環と前記ボス部との間に設けられ両者間を密封するシールリングと、を更に備え、前記第二密封環は、前記第二密封端面が形成されている先部側密封環と、前記先部側密封環と別体であり前記シールリングを収容する凹溝が内周面に形成されている基部側密封環とを有し、前記基部側密封環は、熱膨張係数が前記ボス部と同等以上である材質からなるのが好ましい。
【００１０】
この場合、第二密封端面が形成されている先部側密封環を、接触相手となる第一密封環の第一密封端面に接触させるために適した材質とし、基部側密封環を当該先部側密封環と別の材質とすることができる。そこで、基部側密封環を熱膨張係数がボス部と同等以上である材質とすることで、温度が上昇し、ボス部が径方向に膨張しても、基部側密封環は径方向にボス部と同等以上に膨張することができる。
仮に、第二密封環（基部側密封環）が径方向にボス部よりも膨張できない場合、第二密封環（基部側密封環）とボス部との間を密封するシールリングの径方向の締め代が大きくなって、基部側密封環を含む第二密封環が第一密封環側へ移動する際の抵抗が増え、当該第二密封環の移動が抑制され、密封端面同士の接触不良が生じて密封性能が低下するおそれがある。しかし、本発明の前記構成によれば、基部側密封環は径方向にボス部と同等以上に膨張することができるので、前記のような密封性能の低下を防ぐことが可能となる。
【００１１】
また、この場合において、前記シールリングは熱膨張係数が前記基部側密封環よりも大きい材質からなり、前記凹溝と、前記ボス部に外嵌し常温状態にある前記シールリングとの間に、径方向のクリアランスが形成されているのが好ましい。
前記クリアランスによれば、高温になってシールリングが膨張し拡径しても、当該シールリングが、基部側密封環の凹溝を径方向外側に強く押すことを防ぐことができ、シールリングによって基部側密封環を含む第二密封環の移動が抑制されず、第一密封端面と第二密封端面との間における密封性能を維持することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、密封する流体の圧力が高くなって第二密封環が歪んだとしても、第二密封端面全体としての平面度や、相手となる第一密封端面に対する平行度が低下するのを抑制することができるので、密封端面間を適切な接触状態に維持することができ、密封機能を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の接触型メカニカルシールを備えた密封装置の実施の一形態を示す縦断面図である。
【図２】第二メカニカルシールの縦断面図である。
【図３】第二メカニカルシールの要部を説明する説明図である。
【図４】先部側密封環の正面図である。
【図５】他の形態の先部側密封環の正面図である。
【図６】他の形態の先部側密封環の正面図である。
【図７】密封端面の凹凸パターンの説明図であり、（ａ）は外周側部分、（ｂ）は径方向中間部分、（ｃ）は内周側部分を示している。
【図８】密封環の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の接触型メカニカルシールを備えた密封装置の実施の一形態を示す縦断面図である。この密封装置は、ポンプやミキサー等の回転機器の機内側（図１では右側）と機外側（左側）とに仕切り、機内側に存在している流体を密封するためのものである。
回転機機は、機器ケーシング１と、この機器ケーシング１の内周面と同軸に設けられた回転軸２とを備えている。そして、機器ケーシング１に、回転軸２と同軸となるようにして、密封装置が備えている軸封部ケーシング４が固定されている。
【００１５】
密封装置は、さらに、機内側の第一メカニカルシール１０と、機外側の第二メカニカルシール２０とを備えている。これらシール１０，２０は、軸封部ケーシング４の内周面４ａと回転軸２との間に形成される環状の空間部３に設けられている。第一メカニカルシール１０と第二メカニカルシール２０とは、回転軸２の軸線方向に並んで設けられている。
【００１６】
第一メカニカルシール１０は、回転軸２に外嵌固定されたスリーブ２ａの機内側に取り付けられた環状の回転側リテーナ１１と、リテーナ１１に周方向に回転不能に取り付けられた回転密封環１２と、軸封部ケーシング４に固定された環状の静止側リテーナ１３と、静止側リテーナ１３に周方向に回転不能でかつ軸線方向に移動可能に取り付けられた静止密封環１４と、静止密封環１４を回転密封環１２側へ押圧するスプリング１５とを備えている。静止密封環１４は、基部側密封環１４ａと先部側密封環１４ｂとを有している。
そして、回転密封環１２の密封端面１６と、静止密封環１４の密封端面１７とが接触した状態となることにより、機内側となる流体領域Ａと（後述する）パージガスが排出される中間領域Ｂとが仕切られ、流体領域Ａに存在している流体を密封（一次密封）している。実施形態の第一メカニカルシール１０は、接触型メカニカルシール（接触型ドライコンタクトシール）となる。
【００１７】
第二メカニカルシール２０は、前記スリーブ２ａに取り付けられた環状の回転側リテーナ２１と、リテーナ２１に周方向に回転不能に取り付けられた回転密封環（第一密封環）２２と、軸封部ケーシング４に固定された環状の静止側リテーナ２３と、静止側リテーナ２３に周方向に回転不能でかつ軸線方向に移動可能に取り付けられた静止密封環（第二密封環）２４と、静止密封環２４を回転密封環２２側へと押圧するスプリング２５とを備えている。静止密封環２４は、先部側密封環２４ｂと基部側密封環２４ａとを有している。
これにより、回転軸２が回転することによって、回転密封環２２は、静止密封環２４に対して軸線Ｃ回りに回転する。
【００１８】
そして、回転密封環２２に形成されている密封端面（第一密封端面）２６と、基部側密封環２４ａに形成されている密封端面（第二密封端面）２７とが接触した状態となることにより、前記中間領域Ｂと機外側となる大気領域Ｈとを仕切り、第一メカニカルシール１０から漏れた流体、すなわち、中間領域Ｂに存在している流体を密封（二次密封）している。第二メカニカルシール２０は、接触型メカニカルシール（接触型ドライコンタクトシール）となる。
【００１９】
図２は、第二メカニカルシール２０の縦断面図である。回転密封環２２は、回転軸２にスリーブ２ａ及び回転側リテーナ２１を介して固定されたほぼ断面方形の円環状部材である。静止密封環２４に対向する軸方向の端面は、軸線Ｃに直交する平滑な密封端面２６である。回転密封環２２の径方向外方において、回転側リテーナ２１の外周面と軸封部ケーシング４の内周面４ａとの間には隙間が設けられていて、中間領域Ｂと、（後述する）静止密封環２４の先部側となる機内側領域Ｋ２との間において流体の流れは自由である。
【００２０】
静止側リテーナ２３は、環状の部材であり、軸封部ケーシング４に固定されている円盤状の本体部２３ａと、本体部２３ａの内周側部から軸方向に延びている筒状のボス部２３ｂと、ボス部２３ｂよりも径方向外方で本体部２３ａから軸方向に延びている筒状の外筒部２３ｃとを有している。ボス部２３ｂは、先部側密封環２４ｂ及び基部側密封環２４ａを有する静止密封環２４の径方向内方に位置していて、これら先部側密封環２４ｂ及び基部側密封環２４ａが、軸線Ｃ方向に沿って回転密封環２２側へ移動可能となるようにガイドしている。
【００２１】
図３は、第二メカニカルシール２０の要部を説明する説明図である。前記のとおり、静止密封環２４は、先部側密封環２４ｂと基部側密封環２４ａとに軸方向に二分割されていて、別体である。先部側密封環２４ｂの軸方向端面に密封端面２７が形成されている。
基部側密封環２４ａの内周面の角部にＯリング２８（リングシール）を収容する凹溝２９が形成され、この凹溝２９の側壁２９ａと、この側壁２９ａに対向する先部側密封環２４ｂの内周側壁２９ｂと、当該凹溝２９の底壁２９ｃとによって、Ｏリング２８を三方から囲む収容部が構成されている。基部側密封環２４ａは、Ｏリング２８用の凹溝２９部分を除いて、断面方形である。
Ｏリング２８は、基部側密封環２４ａと静止側リテーナ２３のボス部２３ｂとの間、及び、基部側密封環２４ａと先部側密封環２４ｂとの間を同時に密封することができる。
基部側密封環２４ａは、隙間を有してボス部２３ｂに外嵌していて、スプリング２５を介して回転側リテーナ２１（図２参照）の本体部２３ａに取り付けられている。
【００２２】
先部側密封環２４ｂは、ほぼ断面方形である本体部３０と、本体部３０の外周部から径方向外方へと伸びている円環部３１とを有している。先部側密封環２４ｂの内の、回転密封環２２に対向する軸方向の端面は、軸線Ｃに直交する平滑な密封端面２７である。先部側密封環２４ｂの径方向外方において、円環部３１の外周面と外筒部２３ｃの内周面との間には隙間（絞り部３５）が設けられていて、静止密封環２４の基部側となる機外側領域Ｋ１と、先部側となる機内側領域Ｋ２との間において流体の流れは自由である。
【００２３】
先部側密封環２４ｂの円環部３１には、後に説明する凹部３７が周方向に複数形成されていて、静止側リテーナ２３から軸方向に延びているピン３２（図１参照）が、この凹部３７に嵌ることで、先部側密封環２４ｂは周方向に回転不能となる。
基部側密封環２４ａ及び先部側密封環２４ｂは、静止側リテーナ２３のボス部２３ｂと外筒部２３ｃとの間に設けられていて、径方向の移動が制限され、また、周方向に回転不能であるが、軸線方向には移動可能となっている。
【００２４】
前記スプリング２５は、周方向で等間隔に複数設けられている。スプリング２５は、取り付けられた状態で圧縮されていて、先部側密封環２４ｂの密封端面２７を回転密封環２２の密封端面２６へ押し付けるように、静止密封環２４を回転密封環２２側へ付勢している。すなわち、スプリング２５は基部側密封環２４ａを軸線方向に押し、基部側密封環２４ａはＯリング２８を介して先部側密封環２４ｂを軸線方向に押し、先部側密封環２４ｂは回転密封環２２へ押圧される。このため、先部側密封環２４ｂの密封端面２７と、回転密封環２２の密封端面２６とが面接触し、中間領域Ｂと繋がっている領域Ｋ２の流体が大気領域Ｈ側へ漏れることを防止している。
【００２５】
第二メカニカルシール２０が有するさらなる漏れ防止機能について説明する。
図２において、軸封部ケーシング４には、図外のパージガス供給手段が接続され、また、先部側密封環２４ｂの背部側となる機外側領域Ｋ１にパージガスを供給する供給路４ｂが形成されている。パージガス供給手段からパージガスが供給路４ｂを通じて機外側領域Ｋ１に供給される。さらに、基部側密封環２４の機内側領域Ｋ２からパージガス供給手段側へとパージガスを排出する排出路４ｃが形成されている。なお、パージガスは流体領域Ａ及び大気領域Ｈに漏洩しても支障のないガスが使用され、例えば、窒素ガスとすることができる。
機外側領域Ｋ１に供給されたパージガスは前記絞り部３５を通過して機内側領域Ｋ２へと流れるが、この絞り部３５を通過することで圧力損失が発生し、機内側領域Ｋ２におけるパージガスの圧力は、機外側領域Ｋ１におけるパージガスの圧力よりも小さくなる。
【００２６】
先部側密封環２４ｂの密封端面２７には環状凹溝３３が形成されていて、さらに、環状凹溝３３と機外側領域Ｋ１とを連通する連通路３４が形成されている。連通路３４は、周方向に所定の間隔（等間隔）で複数本形成されている。このため、環状凹溝３３にはパージガスが侵入することができる。
先部側密封環２４ｂの密封端面２７と、回転密封環２２の密封端面２６との面接触により密封状態が確保されていることから、環状凹溝３３からのパージガスの漏れはほとんど発生しない。このため、機外側領域Ｋ１と環状凹溝３３との内圧はほとんど同じとなる。この結果、環状凹溝３３の内圧を、機内側領域Ｋ２の内圧よりも大きく保つことができ、機内側領域Ｋ２（中間領域Ｂ）に存在している気体と、パージガスとの混合ガスが、環状凹溝３３内に、すなわち、第二メカニカルシール２０のシール面間（密封端面２６，２７間）に侵入して、大気領域Ｈ側へ漏れるのを防止することができる。また、パージガスを環状凹溝３３に供給することで、摺接する密封端面２６，２７を当該パージガスによって冷却することができる。
【００２７】
先部側密封環２４ｂは回転密封環２２よりも軟質である材料で製造されている。例えば、先部側密封環２４ｂはカーボン製（油含浸カーボン）である。回転密封環２２は硬質材製であり、硬質材としては、例えば、ＷＣ、ＳｉＣ等のセラミックスや超硬合金等がある。したがって、密封する流体の圧力によって、静止密封環２４の先部側密封環２４ｂは、回転密封環２２よりも歪みやすい構成となっている。
【００２８】
また、図３に示しているように、先部側密封環２４ｂの断面形状（軸線Ｃを通過する平面上における断面形状）は、当該断面の図心を通過する対称軸を有していない形状である。つまり、先部側密封環２４ｂの断面形状は複雑であり部分的に大きく変化している形状である。これに対して、回転密封環２２は断面形状がほぼ方形である。
したがって、静止密封環２４の先部側密封環２４ｂは、回転密封環２２よりも複雑な形態で歪みやすい構成、すなわち、断面の図心回りに回転を伴うような歪みが生じやすい構成となっている。
【００２９】
このため、流体の圧力が高くなると、先部側密封環２４ｂは、回転密封環２２と比べて、その圧力によって生じる圧縮力により最大歪みが大きくなり、また、局部的に大きな歪みが周方向で不連続に発生するおそれがある。このように、局部的に大きな歪みが不連続に発生すると、先部側密封環２４ｂの密封端面２７における平面度や、回転密封環２２の密封端面２６に対する平行度が損なわれ、密封性能に悪影響を与えるおそれがある。
そこで、本発明では、先部側密封環２４ｂの内の、密封端面２７以外であって、周方向に連続している表面部に、流体による圧力が作用した際に集中的な歪みを生じさせる断面変化部３７が、周方向に均等に（等間隔で）配置されている。
【００３０】
図４は、先部側密封環２４ｂの正面図である。この実施形態では、断面変化部３７は凹部３７ａであり、特に、円環部３１の外周面３１ａから内周側に向かって切り欠いて形成した凹部３７ａである。この凹部３７ａでは、当該凹部３７ａと周方向で隣接する部分（凹部３７ａが形成されていない部分）と比べて断面形状が大きく変化しているため、先部側密封環２４ｂの変形に伴って、集中的な歪み（集中応力）が生じる。凹部３７ａは周方向に等間隔で配置されていて、図４では８箇所に形成されている。また、この実施形態では、凹部３７ａが形成されている表面部（外周面３１ａ）は、漏れを防止する流体が接する受圧部分（流体の圧力が作用する部分）となる。
【００３１】
凹部３７ａ（断面変化部３７）の形状、数及び配置は、流体の圧力によって密封端面２７に生じる歪みを制御することで、同一又はほぼ同一の凹凸パターンが周方向に連続するうねり波形をなすように、設定されている。
すなわち、先部側密封環２４ｂを軸線Ｃ回りで複数の分割部分Ｓに等分したと仮定すると（周方向にＮ等分したと仮定すると）、各分割部分Ｓに形成される凹部３７ａと、これに隣接する分割部分Ｓに形成される凹部３７ａとを、数、形状及び配置が同一の形態となるように形成する。これにより、周方向で等間隔に、凹部３７ａによる切り欠き効果によって応力集中が生じて、凹部３７ａの形成部分に集中的な歪みを積極的に生じさせ、図７（ａ）に示しているように、各分割部分Ｓの密封端面部分に形成される歪みの凹凸パターン（凹凸パターン部分４０ａ）と、これに隣接する分割部分Ｓの密封端面部分に形成される歪みの凹凸パターン（凹凸パターン部分４０ａ）とが同一又はほぼ同一となる。なお、図７は密封端面２６，２７の凹凸パターンの説明図であり、（ａ）は外周側部分、（ｂ）は径方向中間部分、（ｃ）は内周側部分を示している（図７では説明のために密封端面２６，２７同士を離して記載している）。
【００３２】
分割部分Ｓの数（等分数）Ｎ、つまり密封端面２７の全周にわたって形成される凹凸パターンの数（連続数）は、当該凹部３７ａを形成することによって先部側密封環２４ｂの強度が密封機能に悪影響を与えない範囲において可及的に多くなるように設定するのが好ましい。なお、図４の形態では、Ｎ＝８としているが、図５に示しているように、Ｎ＝１６等とすることもできる。
【００３３】
また、図８（ａ）に示しているように、密封端面２６，２７を、適切な接触状態とするために、各分割部分Ｓに形成する凹部３７ａ（断面変化部３７）の数、形状及び配置は、制御すべき歪み（凹部３７ａを形成しない場合において密封端面２７に生じる歪み）の程度や、先部側密封環２４ｂの断面形状等の条件に応じて設定される。
さらに、各凹凸パターンにおける凹凸形態は、凹部３７ａの位置や形状との関係で、先部側密封環２４ｂの半径方向位置によって異なることになるが、凹部３７ａの数、形状及び配置を、各凹凸パターンの半径方向における歪み量が少なくとも密封端面２７の内周側と外周側とで同一又はほぼ同一となるように設定するのが好ましい。
すなわち図７により説明すると、図７（ａ）に示している密封端面２７の外周側における凹凸パターン部分４０ａの歪み量ｆ１と、図７（ｃ）に示している内周側における凹凸パターン部分４０ｃの歪み量ｆ３とが同一となるように、さらには、図７（ｂ）に示しているように径方向中間部分における凹凸パターン部分４０ｂの歪み量ｆ２も、同一となるように、凹部３７ａ（断面変化部３７）の数、形状及び配置を、設定するのが好ましい。
【００３４】
このような設定は、軸線Ｃを中心とした第一仮想円に沿って凹部３７ａを周方向で均等に配置する場合において、この第一仮想円の半径を所定の値に設定することで実現することができる。
さらには、一つの分割部分Ｓに、複数の断面変化部３７を設けても良く、例えば、図５に示しているように、軸線Ｃを中心とした第一仮想円Ｒ１に沿って凹部（切り欠き）３７ａを周方向で等間隔に配置し、かつ、この第一仮想線Ｒ１と異なる直径を有する第二仮想線Ｒ２に沿って別の凹部（穴）３７ｂを更に周方向で等間隔に配置してもよい。なお、この場合において、第一仮想円Ｒ１に沿う凹部３７ａと、第二仮想円Ｒ２に沿う凹部３７ｂとは図５のように位相が同じであってもよいが、異なっていてもよい。
そして、図５に示しているように、各分割部分Ｓには、形状を異にする複数種類の断面変化部３７が形成されていてもよい。
【００３５】
このように、凹部３７ａの数、形状及び配置を、各凹凸パターンの半径方向における歪み量が少なくとも密封端面２７の内周側と外周側とで同一又はほぼ同一となるように、設定することで、図８（ａ）に示しているように、密封端面２６，２７を適切な接触状態とすることができる。
なお、図８（ｂ）に示しているように、静止密封環２４の密封端面２７の外周側と内周側とで歪みが一様ではなく、異なることで、密封端面２７が、回転密封環２２の密封端面２６に対して外開き状態で歪んだ場合、密封端面２７の内周側端部が、相手の密封端面２６に偏って強く接触する。また、図８（ｃ）に示しているように、静止密封環２４の密封端面２７が内開き状態に歪んだ場合、密封端面２７の外周側端部が、相手の密封端面２６に偏って強く接触する。この結果、カーボンで構成された静止密封環２４が、短期間のうちに損傷することもあり、長期にわたって良好でかつ安定した密封機能を発揮できなくなる場合がある。
しかし、前記のように凹部３７ａの数、形状及び配置を設定すれば、凹凸パターンを制御することができ、このような問題点を解消することができる。
【００３６】
断面変化部３７の具体例としては、切り欠きからなる凹部の他に、貫通穴、ザグリ穴（非貫通穴）からなる凹部とすることができる。
各分割部分Ｓに複数の断面変化部３７が形成される場合、当該断面変化部３７は、凹部のみ、ザグリ穴のみ、凹部とザグリ穴との双方であってもよい。
また、断面変化部３７は、漏れを防止する流体が接しない非受圧部分に形成されていてもよい。例えば、先部側密封環２４ｂの内周面に形成されていてもよい。
さらに、図７に示しているように、断面変化部３７を、図５のような単一の凹部３７ａからなる構成とする他に、近接して設けられた複数の凹部３７ｃからなる凹部群とすることができる。このように、凹部群とする場合、当該凹部群に含まれる凹部３７ｃの形状がそれぞれ異なっていてもよい（図示せず）。
【００３７】
また、図１において、静止側リテーナ２３に対して先部側密封環２４ｂを周方向に回転不能とするために、当該静止側リテーナ２３から軸方向に延びているピン３２が設けられている。そこで、このピン３２を、断面変化部３７としての前記凹部３７ａに係合させればよい（図４参照）。すなわち、凹部３７ａの少なくとも一部は、ピン３２による先部側密封環２４ｂの回り止め用の係合部も兼ねている。
なお、先部側密封環２４ｂの回り止め用の係合部を、断面変化部３７としての凹部３７ａとは別として設けてもよい。この場合、当該係合部の数よりも、断面変化部３７としての凹部３７ａの数を多くするのがよい。これは係合部が先部側密封環２４ｂの歪みに影響を与えることがあり、この場合、当該歪みを前記のように断面変化部３７によって制御するためには、係合部の数よりも多い数の断面変化部３７が必要となると考えられるためである。
【００３８】
以上の実施形態による第二メカニカルシール２０によれば、流体を密封する際に、当該流体の圧力によって先部側密封環２４ｂに歪みが生じると、例えば図４において、先部側密封環２４ｂの外周面３１ａに設けられている断面変化部３７（凹部３７ａ）に、集中的な歪み（集中応力）を積極的に生じさせることができ、しかも、この断面変化部３７は、周方向に均等に配置されているので、集中的な歪みが生じている部分を周方向に等間隔で連続させることができる。
このため先部側密封環２４ｂの密封端面２７を、同一又はほぼ同一の凹凸歪みパターンが周方向に連続する面に矯正することができる。すなわち、密封端面２７の内の周方向の一部のみが局所的に大きく変形することを防ぎ、密封端面２７全体としての平面度や、相手となる回転密封環２２の密封端面２６に対する平行度が低下するのを抑制することができる。
【００３９】
特に、先部側密封環２４ｂの断面が図３に示しているような形状であり、外周面側から流体の圧力が作用する場合、先部側密封環２４ｂは径方向に圧縮され、凹部３７ａが形成されていない場合では、図８（ｃ）に示しているような形態で先部側密封環２４ｂは変形する。なお、この場合、回転密封環２２の密封端面２６では外径部に接触痕が見られる。
しかし、先部側密封環２４ｂの外周側部分（円環部３１）に、断面変化部３７として凹部３７ａのような欠損部を設けることで、当該欠損部で集中応力（集中圧縮応力）が発生する他に、先部側密封環２４ｂは当該欠損部において周方向に弾性変形し易くなることから、作用するはずの周方向の圧縮応力が開放され、先部側密封環２４ｂの外周側部分の歪み（軸線方向の変形）が小さくなると考えられる。このため、図８（ａ）に示しているように、密封端面２６，２７は、適切な接触状態が得られる。
【００４０】
さらに、断面変化部３７によって、先部側密封環２４ｂに集中的な歪み（集中応力）を積極的に生じさせることで、先部側密封環２４ｂ全体に生じる歪みを、密封端面２７全体に分散させ、断面変化部３７を形成しない場合に比べて、最大歪み量を大幅に小さくすることが可能となる。
この結果、回転密封環２２に比して軟質である先部側密封環２４ｂの密封端面２７が、局部的に大きく変形し、しかもその変形が周方向で不連続となることで、平滑度（平面度）、相手となる密封端面２６との平行度、同心度が損なわれるのを抑制することができ、高圧条件下においても、密封機能を長期にわたって良好かつ安定して発揮させることができる。
【００４１】
また、図３において、静止密封環２４は、基部側密封環２４ａと先部側密封環２４ｂとに分割され別体となっていることから、先部側密封環２４ｂを、密封端面２７を構成するために適した材質（カーボン製）とすることができ、先部側密封環２４ｂをこのような材質（カーボン製）に選定しても、基部側密封環２４ａを先部側密封環２４ｂと別の材質とすることができる。そこで、基部側密封環２４ａを、熱膨張係数（線膨張係数）が静止側リテーナ２３のボス部２３ｂと同等以上である材質とすることができる。具体的には、静止側リテーナ２３（ボス部２３ｂ）は、ステンレス鋼製であることから、基部側密封環２４ａも同じステンレス鋼製としている。
【００４２】
このように、基部側密封環２４ａをボス部２３ｂと同じステンレス鋼製とすることで、高温の使用環境で温度が上昇し、ボス部２３ｂが径方向に膨張しても、基部側密封環２４ａは径方向にボス部２３ｂと同等に膨張することができる。
仮に、基部側密封環２４ａが径方向にボス部２３ｂよりも膨張できない場合、基部側密封環２４ａとボス部２３ｂとの間を密封するＯリング２８の径方向の締め代が大きくなって、基部側密封環２４ａが軸線方向に移動する際の抵抗が増える。このため、基部側密封環２４ａを含む静止密封環２４の移動（回転密封環２２に対する追従）が抑制され、密封端面２６，２７同士の接触不良によって密封性能が低下するおそれがある。
しかし、本発明の前記構成によれば、基部側密封環２４ａは径方向にボス部２３ｂと同等に膨張することができるので、前記のような密封性能の低下を防ぐことが可能となる。
【００４３】
さらに、Ｏリング２８はゴム製であるため、当該Ｏリング２８は熱膨張係数が基部側密封環２４ａよりも大きい。このため、高温の環境では、ボス部２３ｂ及び先部側密封環２４ｂは径方向に同様に膨張すると共に、Ｏリング２８は径方向にさらに大きく膨張する。
この場合、Ｏリング２８と基部側密封環２４ａとの間の締め代が大きくなることが考えられる。しかし、これを防止するために、図３に示しているように、基部側密封環２４ｂの内周面に形成されている凹溝２９の径方向外側の壁（底壁）２９ｃと、ボス部２３ｂに外嵌していて常温状態にあるＯリング２８との間に、径方向のクリアランスｅが形成されている。すなわち、凹溝２９の底壁２９ｃの直径Ｄは、ボス部２３ｂに外嵌していて常温状態にあるＯリング２８の外径ｄよりも大きくなる（Ｄ＞ｄ）ように、凹溝２９は設定されている。
このクリアランスｅによれば、高温になってＯリング２８が膨張し拡径しても、当該Ｏリング２８が凹溝２９を径方向外側に強く押すのを防ぐことができ、Ｏリング２８によって基部側密封環２４ａを含む静止密封環２４の軸方向の移動が抑制されず、密封端面２６，２７間における密封性能を維持することが可能となる。
【００４４】
以上の実施形態による第二メカニカルシール２０によれば、密封する流体が高温（例えば１７０℃）高圧（例えば４ＭＰａ）となる環境下において、当該流体の圧力及び温度変化によって先部側密封環２４ｂが歪んだとしても、その密封端面２７全体としての平面度や、相手となる密封端面２６に対する平行度が低下するのを抑制することができる。このため、密封端面２６，２７間を適切な接触状態に維持することができ、密封機能を維持することが可能となり、流体の漏れを長期にわたって防止することができる。
また、密封端面２６，２７同士は、適切な接触状態（図８（ａ）の状態）となって、偏った接触状態（図８（ｂ）（ｃ）の状態）とならないことから、密封端面２６，２７において、異常摩耗の発生、異常発熱の発生を防止することができる。
【００４５】
また、図１において、流体領域Ａは高圧であり、第二メカニカルシール２０は、第一メカニカルシール１０から漏れた流体を補助的に密封する必要があることから、第一メカニカルシール１０と同等の密封性能を有している。そこで、第二メカニカルシール２０の前記各構成を、第一メカニカルシール１０に適用することができる。
また、本発明の接触型メカニカルシールは、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであっても良い。例えば、接触型メカニカルシール（密封装置）は、ポンプやミキサー等以外に、コンプレッサ、ブロワ等の回転機器に適用することができ、さらには、電子や医療分野における回転機器にも適用することができる。また、第一メカニカルシール１０は、密封端面同士が非接触となる非接触型であってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
２ 回転軸
３ 空間部
４ 軸封部ケーシング
４ａ 内周面
２２ 回転密封環（第一密封環）
２３ 静止側リテーナ
２３ｂ ボス部
２４ 静止密封環（第二密封環）
２４ａ 基部側密封環（基部側密封環）
２４ｂ 先部側密封環（先部側密封環）
２５ スプリング（弾性部材）
２６ 密封端面（第一密封端面）
２７ 密封端面（第二密封端面）
２８ Ｏリング（シールリング）
２９ 凹溝
３７ 断面変化部
ｅ クリアランス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングの内周面と当該内周面と同軸にある回転軸との間に形成される環状の空間部に設けられ、当該回転軸の回転によって相対回転する第一密封環と第二密封環とを備え、前記第一密封環が有する第一密封端面と前記第二密封環が有する第二密封端面とが接触することにより前記空間部の軸方向一方側の流体を密封すると共に、当該流体の圧力によって前記第二密封環が前記第一密封環よりも歪みやすい構成である接触型メカニカルシールであって、
前記第二密封環の内の、前記第二密封端面以外であって、周方向に連続している表面部に、集中的な歪みを生じさせ得る断面変化部が、周方向に均等に配置されていることを特徴とする接触型メカニカルシール。
【請求項２】
前記第二密封環の径方向内方に位置し当該第二密封環の前記第一密封環側への移動をガイドする筒状のボス部を有し、前記ケーシングに固定された環状のリテーナと、
前記第二密封環を前記第一密封環側へ付勢して前記第二密封端面を前記第一密封端面へ押し付ける弾性部材と、
前記第二密封環と前記ボス部との間に設けられ両者間を密封するシールリングと、
を更に備え、
前記第二密封環は、前記第二密封端面が形成されている先部側密封環と、前記先部側密封環と別体であり前記シールリングを収容する凹溝が内周面に形成されている基部側密封環とを有し、
前記基部側密封環は、熱膨張係数が前記ボス部と同等以上である材質からなる請求項１に記載の接触型メカニカルシール。
【請求項３】
前記シールリングは熱膨張係数が前記基部側密封環よりも大きい材質からなり、
前記凹溝と、前記ボス部に外嵌し常温状態にある前記シールリングとの間に、径方向のクリアランスが形成されている請求項２に記載の接触型メカニカルシール。
【請求項１】
ケーシングの内周面と当該内周面と同軸にある回転軸との間に形成される環状の空間部に設けられ、当該回転軸の回転によって相対回転する第一密封環と第二密封環とを備え、前記第一密封環が有する第一密封端面と前記第二密封環が有する第二密封端面とが接触することにより前記空間部の軸方向一方側の流体を密封すると共に、当該流体の圧力によって前記第二密封環が前記第一密封環よりも歪みやすい構成である接触型メカニカルシールであって、
前記第二密封環の内の、前記第二密封端面以外であって、周方向に連続している表面部に、集中的な歪みを生じさせ得る断面変化部が、周方向に均等に配置されていることを特徴とする接触型メカニカルシール。
【請求項２】
前記第二密封環の径方向内方に位置し当該第二密封環の前記第一密封環側への移動をガイドする筒状のボス部を有し、前記ケーシングに固定された環状のリテーナと、
前記第二密封環を前記第一密封環側へ付勢して前記第二密封端面を前記第一密封端面へ押し付ける弾性部材と、
前記第二密封環と前記ボス部との間に設けられ両者間を密封するシールリングと、
を更に備え、
前記第二密封環は、前記第二密封端面が形成されている先部側密封環と、前記先部側密封環と別体であり前記シールリングを収容する凹溝が内周面に形成されている基部側密封環とを有し、
前記基部側密封環は、熱膨張係数が前記ボス部と同等以上である材質からなる請求項１に記載の接触型メカニカルシール。
【請求項３】
前記シールリングは熱膨張係数が前記基部側密封環よりも大きい材質からなり、
前記凹溝と、前記ボス部に外嵌し常温状態にある前記シールリングとの間に、径方向のクリアランスが形成されている請求項２に記載の接触型メカニカルシール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２０９９３７（Ｐ２０１０−２０９９３７Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３７５３（Ｐ２００９−５３７５３）
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【出願人】（０００２２９７３７）日本ピラー工業株式会社 (337)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【出願人】（０００２２９７３７）日本ピラー工業株式会社 (337)
【Ｆターム（参考）】
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