JPH07224949A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シールリング５３が温度差等によって変形し
ても、流体の漏れが少なく、シール面の異常摩耗が生じ
ないようにする。 【構成】 回転側シールリング３３のシール面を弾性変
位可能な弾性シール面３４とし、静止側シールリング５
３とリングリテーナ５２との間に高周波電圧の印加によ
り軸方向に高周波伸縮する圧電振動子７５を介挿した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、回転流体機械の回転
軸がケーシングを貫通する箇所に設けられて流体の漏れ
を阻止するメカニカルシールに係り、特に、シールリン
グが変形したときでも漏れや摩耗が増加することを防止
する手段に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来のメカニカルシールを示す。
回転軸３１にはＯリング３９を介挿して回転側シールリ
ング３３が固着されている。ケーシング５１にはリング
リテーナ５２がＯリング５９を介挿して軸方向に移動可
能に装着され、リングリテーナ５２には静止側シールリ
ング５３が一体的に嵌着されている。リングリテーナ５
２とケーシング５１との間には圧縮ばね５５が装着され
ている。回転側シールリング３３及び静止側シールリン
グ５３のシール面は、回転軸３１の軸心線に正確に垂直
な平滑面になるように仕上げられ組み付けられている。
圧縮ばね５５によりリングリテーナ５２及び静止側シー
ルリング５３が図の左方へ押され、静止側シールリング
５３のシール面が回転側シールリング３３のシール面に
圧接することにより、回転軸３１とケーシング５１との
間が密封され、この機器内外間のガスなどの流体の漏れ
が阻止される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のメカニカルシー
ルは上記のようであるが、運転中に、流体圧力やシール
部材の温度分布の不均一等によって、例えば静止側シー
ルリング５３が変形してシール面が密接不良となって漏
れるようになるとか、漏れを少なくするためシール面の
接触圧力を大きくすれば、変形によってシール面の当り
が強くなった部分の摩耗が大きくなる、いわゆる異常摩
耗が生じるというような課題があった。

【０００４】この発明は上記課題を解消するためになさ
れたもので、シールリングが温度分布の不均一等によっ
て変形しても、流体の漏れが増加することなく、シール
面に異常摩耗が生じることがないメカニカルシールを得
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明に係るメカニカ
ルシールは、いずれかのシールリングのシール面を軸方
向に弾性変位可能な弾性シール面としたものである。ま
た、静止側シールリングとリングリテーナとの間に高周
波電圧の印加により軸方向に高周波伸縮する圧電振動子
を介挿したものである。また、回転側シールリングのシ
ール面を弾性シール面とし、静止側シールリングとリン
グリテーナとの間に軸方向に高周波伸縮する圧電振動子
を介挿したものである。

【０００６】

【作用】この発明におけるメカニカルシールの弾性シー
ル面は、対面するシール面が変形したとき、接触圧力に
応じて軸方向に弾性変位するので、シール面間の接触圧
力及び隙間が均一化され、漏れ及び摩耗が少なくなる。
また、静止側シールリングとリングリテーナとの間に介
挿した圧電振動子が高周波伸縮すれば、静止側シールリ
ングが高周波振動をしてシール面間の狭い隙間の箇所の
流体にスクイズ効果により高い圧力が発生するので、シ
ール面間の狭い箇所が反発離間させられ、その部分の異
常摩耗が少なくなる。また、回転側シールリングのシー
ル面を弾性シール面とし、静止側シールリングとリング
リテーナとの間に圧電振動子を介挿すれば、静止側シー
ルリングのシール面が変形したとき、弾性シール面は接
触圧力に応じて軸方向に弾性変位してシール面間の接触
圧力及び隙間が均一化され、圧電振動子はシール面間の
狭い隙間の箇所の流体に高い圧力を発生させてシール面
の接触が阻止され、漏れ及び摩耗が少なくなる。

【０００７】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明の一実施例によるメカニカルシー
ルを示す。図１（Ａ）において、３１は回転軸、５１は
ケーシングである。回転軸３１にはＯリング３９を介挿
して回転側シールリング３３が固着されており、回転側
シールリング３３の図の右側の端面には弾性支持材３５
を介して弾性シール面材３４が接着して取り付けられて
いる。弾性支持材３５は、例えばゴム質で均質な弾性率
を有し、均一な厚さで円環板状に形成されている。弾性
シール面材３４は、表面摩擦抵抗が小さく摩耗し難い材
質で、所定寸法の薄い均一な厚さで円環板状に形成され
ている。

【０００８】図１（Ａ）に示すように、ケーシング５１
にはＯリング５９を介挿してリングリテーナ５２が軸方
向に移動可能に装着され、リングリテーナ５２の図の右
側の後面とケーシング５１との間には複数個の圧縮ばね
５５が周方向等間隔に装着されている。リングリテーナ
５２の図の左側の面には圧電振動子７５が接着され、圧
電振動子７５の図の左端には静止側シールリング５３が
接着されている。すなわち、静止側シールリング５３は
圧電振動子７５を介してリングリテーナ５２に取り付け
られている。したがって、圧電振動子７５が伸縮すれ
ば、静止側シールリング５３はリングリテーナ５２に対
して軸方向に振動変位可能である。圧電振動子７５は、
複数個周方向等間隔に接着して配設する構成であればそ
の間をゴムなどの弾性変形材で塞ぐ必要がある。

【０００９】図１（Ａ）において、静止側シールリング
５３の図の左側端面であるシール面及び前記弾性シール
面材３４の図の右側端面であるシール面は、いずれも、
回転軸３１の軸心線に正確に垂直な平滑面に仕上げられ
ている。弾性シール面材３４及び静止側シールリング５
３は、従来のように鋼材等の金属の他、炭化タングステ
ン，炭化けい素，樹脂モールドカーボンとセラミックと
の組合せ等の使用条件に適合する材質とすればよい。

【００１０】図１（Ａ）において、圧電振動子７５は、
水晶，ロッシェル塩，チタン酸バリウム等の結晶体，圧
電セラミックス，圧電性高分子のような強誘電体であ
る。駆動回路７７は、電源からの電力を整流して高周波
電圧を発生する発振回路，増幅回路等からなる。圧電振
動子７５は、駆動回路７７から高周波電圧を印加される
と圧電効果により伸縮振動するものであり、回転軸３１
の軸心線方向に伸縮振動する方向に設けられている。

【００１１】次に、図１（Ａ）に示す実施例の動作につ
いて説明する。回転軸３１が回転すれば、回転軸３１に
固着されている回転側シールリング３３も一体となって
回転する。回転側シールリング３３に接着されている弾
性支持材３５及び弾性シール面材３４も共に回転する。
一方、リングリテーナ５２はケーシング５１に軸方向に
移動可能に、つれ回りは止めて設けられ、リングリテー
ナ５２には圧電振動子７５を介して静止側シールリング
５３が接着されており、圧縮ばね５５はリングリテーナ
５２を図の左方へ推進するので、回転しない静止側シー
ルリング５３のシール面は、回転する弾性シール面材３
４のシール面に押し付けられ、密接しながら摺接して流
体の漏れを阻止する。なお、Ｏリング３９は回転軸３１
と回転側シールリング３３との間の漏れを阻止し、Ｏリ
ング５９はケーシング５１とリングリテーナ５２との間
の漏れを阻止する。しかし、従来、運転中に、シール部
にかかる流体圧力やシール部の温度分布の不均一等によ
って、シール部材が変形してシール面が密接不良となっ
て流体の漏れが多くなるとか、シール面の接触圧力が強
くなると、シール面の当りの強い部分に異常摩耗が生じ
るというような不具合があった。

【００１２】これに対して、図１（Ａ）に示すメカニカ
ルシールでは、上記のような原因で例えば静止側シール
リング５３が変形した場合、回転側シールリング３３に
弾性支持材３５を介して接着されている弾性シール面材
３４は軸方向に弾性変位可能であるので、静止側シール
リング５３が弾性シール面材３４に強く当たる箇所は押
されて凹むので、弾性シール面材３４は静止側シールリ
ング５３の変形に対応する形状に変形する傾向となり、
静止側シールリング５３の変形に起因してある箇所は強
く当り、他のある箇所は隙間が大きくなるというよう
な、当りの不均一が緩和され、漏れの増加が防止され、
シール面の局部的摩耗が防止される。

【００１３】また、図１（Ａ）に示すメカニカルシール
では、駆動回路７７から高周波電圧を圧電振動子７５に
印加すれば、圧電振動子７５は圧電効果により軸方向に
高周波数で伸縮振動する。この圧電振動子７５の伸縮振
動は、リングリテーナ５２及び静止側シールリング５３
を軸方向に振動させるが、静止側シールリング５３の方
がリングリテーナ５２より質量が小さいので、上記振動
は静止側シールリング５３に大きく伝達される。静止側
シールリング５３が軸方向に高周波振動すれば、静止側
シールリング５３のシール面と弾性シール面材３４のシ
ール面との間にある流体に対して、高周波数で圧縮膨張
させる。静止側シールリング５３のシール面と弾性シー
ル面材３４のシール面との間の隙間が小さくない場合
は、高周波数で流体を圧縮膨張させても流体の平均圧力
は変わらないが、隙間が小さくなると、図４（Ａ）に示
すように、隙間の値の３乗に反比例して平均圧力が大き
くなり、隙間が非常に小さい場合は非常に大きな圧力が
発生する（スクイズ効果）。なお、高い圧力を発生させ
るためには、図４（Ｂ）に示すように、伸縮振動の周波
数はある程度高くする必要があり、数十乃至数百ｋＨz
程度とするのがよい。なお、振幅はサブミクロン程度で
ある。

【００１４】したがって、図１（Ａ）において、静止側
シールリング５３のシール面と弾性シール面材３４のシ
ール面との間の隙間が非常に狭くなった箇所では、静止
側シールリング５３の高周波数振動によるスクイズ効果
により、非常に狭い隙間の箇所の流体には非常に高い圧
力が発生し、その圧力はその箇所における静止側シール
リング５３と弾性シール面材３４とを反発離間させるよ
うに働く。したがって、図１（Ａ）に示すメカニカルシ
ールにおいては、非常に狭い隙間の箇所では、スクイズ
効果による流体圧力に押されてその箇所の弾性シール面
材３４は後退させられ、シール面間の隙間の厚さが平均
化される傾向になる。これにより、流体の漏れが少なく
なり、局部摩耗又は異常摩耗が防止される。

【００１５】図１（Ｂ）は弾性シール面材３４の第２実
施例を示す。この弾性シール面材３４は弾性材質で薄板
円板状に形成され、内周縁３４ｉで回転側シールリング
３３に固着したものである。この弾性シール面材３４は
内周縁３４ｉで支持されているので外径方になるほど弾
性変形しやすい。したがって、シール部の外径側の流体
圧力が高い場合や、静止側シールリング５３が図の反時
計回転方向に変形する傾向である場合などに適当であ
る。

【００１６】図１（Ｃ）は弾性シール面材３４の第３実
施例を示す。この弾性シール面材３４も弾性材質で薄板
円板状に形成されているが、外周縁３４ｏで回転側シー
ルリング３３に固着したものである。この弾性シール面
材３４は外周縁３４ｏで支持されているので内径方にな
るほど弾性変形しやすい。したがって、シール部の内径
側の流体圧力が高い場合や静止側シールリング５３が図
の時計回転方向に変形する傾向である場合などに適当で
ある。

【００１７】次に、図２に示す実施例について説明す
る。図２に示すメカニカルシールは、回転側シールリン
グ３３に弾性支持材３５を介して弾性シール面材３４を
接着して設けたこと以外の構成は、従来のものと同様で
ある。前述のように、流体圧力やシール部の温度分布の
不均一等によって静止側シールリング５３のシール面が
変形したとき、静止側シールリング５３から強く当てら
れる弾性シール面材３４の箇所は凹み、当りが均一化さ
れるので、漏れが少なく、シール面の局部的な異常摩耗
も少なくなる。なお、弾性シール面材３４の構造は、図
１（Ｂ）又は（Ｃ）に示すような構造としてもよい。

【００１８】次に、図３に示す実施例について説明す
る。図３に示すメカニカルシールは、回転側シールリン
グ３３は従来と同様であるが、リングリテーナ５２と静
止側シールリング５３との間に圧電振動子７５を介挿接
着して設け、圧電振動子７５を駆動する駆動回路７７を
設けている。駆動回路７７から高周波電圧を圧電振動子
７５に印加すれば、圧電振動子７５は軸方向に伸縮振動
して、静止側シールリング５３を軸方向に高周波数で振
動させる。すると、静止側シールリング５３のシール面
と回転側シールリング３３のシール面との間の非常に狭
い隙間の箇所では、流体にスクイズ効果による高圧力が
発生し、静止側シールリング５３と回転側シールリング
３３との間の非常に狭い隙間の部分を反発離間させるよ
うに働く。したがって、非常に狭い隙間の部分はそれ以
上に近寄ることが阻止され、シール面の局部的な異常摩
耗の発生が防止される。

【００１９】なお、以上説明した実施例は一例を示すも
のであり、例えば、メカニカルシールの形式を別の形式
にするとか、弾性シール面材３４を静止側シールリング
５３側に設けるとか、圧電振動子７５を回転側シールリ
ング３３側に設けるとかしてもよい。また、弾性シール
面材３４に弾性を付与する構造等も適宜に設計変更が可
能である。また、各部材の形状等も図示のような形状に
とらわれることなく適宜に設計変更をすることができ
る。

【００２０】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、シー
ルリングのシール面が変形したとき、弾性シール面は接
触圧力に応じて軸方向に弾性変位して、シール面間の接
触圧力及び隙間が均一化されるので、漏れ及びシール面
の摩耗が少なくなる。また、圧電振動子は静止側シール
リングを軸方向に高周波振動させ、狭い隙間の箇所では
流体に高い圧力が発生してシール面の接触を防止するの
で、シール面の異常摩耗が防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例によるメカニカルシール
を示し、（Ａ）は半縦断面図、（Ｂ）は弾性シール面材
の第２実施例を示す部分図、（Ｃ）は弾性シール面材の
第３実施例を示す部分図である。

【図２】この発明の第２実施例によるメカニカルシール
の半縦断面図である。

【図３】この発明の第３実施例によるメカニカルシール
の半縦断面図である。

【図４】圧電振動子によるスクイズ効果を示し、（Ａ）
は隙間と圧力との関係を示す線図、（Ｂ）は周波数と圧
力との関係を示す線図である。

【図５】従来のメカニカルシールの半縦断面図である。

【符号の説明】

３１：回転軸、 ３３：回転側シールリング、３４：弾
性シール面材、 ３５：弾性支持材、５１：ケーシン
グ、 ５２：リングリテーナ、５３：静止側シールリン
グ、 ５５：圧縮ばね、７５：圧電振動子、 ７７：駆
動回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転側シールリングのシール面と静止側
   シールリングのシール面とを圧接させて流体の漏れを阻
   止するメカニカルシールにおいて、いずれかのシール面
   を軸方向に弾性変位可能な弾性シール面としたことを特
   徴とするメカニカルシール。
2. 【請求項２】 回転側シールリングのシール面と静止側
   シールリングのシール面とを圧接させて流体の漏れを阻
   止するメカニカルシールにおいて、前記静止側シールリ
   ングとこの静止側シールリングを支持するリングリテー
   ナとの間に高周波電圧の印加により軸方向に高周波伸縮
   する圧電振動子を介挿したことを特徴とするメカニカル
   シール。
3. 【請求項３】 回転側シールリングのシール面と静止側
   シールリングのシール面とを圧接させて流体の漏れを阻
   止するメカニカルシールにおいて、前記回転側シールリ
   ングのシール面を軸方向に弾性変位可能な弾性シール面
   とし、前記静止側シールリングとこの静止側シールリン
   グを支持するリングリテーナとの間に高周波電圧の印加
   により軸方向に高周波伸縮する圧電振動子を介挿したこ
   とを特徴とするメカニカルシール。