(57)【要約】【課題】シリケートなど、熱による化学反応を起こし易い成分を含有する流体中でメカニカルシールを使用しても、液中に含まれる物質の堆積を減少して、該堆積物による摺動面の損傷を抑制することができるとともに、鳴き等の異音の発生を防止することができるメカニカルシールを提供すること。【解決手段】回転軸側に固定された回転環１１と、回転環２１に対向するようにハウジング３側に配置された固定環２１と、を備え、回転環１１と固定環２１との対向端面である密封端面間Ｓを相対回転させつつ被密封流体をシールするように構成されたメカニカルシールであって、回転環１１、固定環１２のうち少なくとも一方に密封端面間Ｓよりも高圧流体側に撥水処理された撥水部を備える。【選択図】図１
2018071606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸側に固定された回転環と、前記回転環に対向するようにハウジング側に配置された固定環と、を備え、
前記回転環と前記固定環との対向端面である密封端面間を相対回転させつつ被密封流体をシールするように構成されたメカニカルシールであって、
前記回転環、前記固定環のうち少なくとも一方に前記密封端面間よりも高圧流体側に撥水処理された撥水部を備えることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】
前記密封端面間よりも高圧流体側に間隙部を備え、該間隙部の軸方向間隙ｕは少なくとも０＜ｕ＜ｋＴ／Ｐの範囲に設定され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。
ただし、ｕは、間隙部の軸方向間隙、Ｐは被密封流体の圧力、Ｔは前記撥水部と被密封流体との表面張力、ｋは０＜ｋ≦２の範囲の係数である。
【請求項３】
前記間隙部の内半径及び外半径は、ｒ２２−ｒ１２＝２Ｐ／ρｎ２ω２により設定され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。
ただし、ｒ１は前記間隙部の内半径寸法、ｒ２は前記間隙部の外半径寸法、Ｐは被密封流体圧力、ρは被密封流体密度、ωは前記回転環の角速度、ｎは０＜ｎ＜１の範囲の係数である。
【請求項４】
前記間隙部の前記軸方向間隙は、前記密封端面に向かって漸次狭くなることを特徴とする請求項２又は３に記載のメカニカルシール。
【請求項５】
前記撥水部と被密封流体との接触角は９０°より大きいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のメカニカルシール。
【請求項６】
前記密封端面は、前記回転環と前記固定環との相対回転により動圧を発生する動圧発生機構を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のメカニカルシール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸側に固定された回転環と、前記回転環に対向するようにハウジング側に配置された固定環と、を備え、前記回転環と前記固定環との対向端面である密封端面間を相対回転させつつ被密封流体をシールするように構成されたメカニカルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からメカニカルシールの一種として、図８に示すように、ポンプのインペラ（図示省略）を駆動させる回転軸７０側にスリーブ７１及びカップガスケット７２を介してこの回転軸７０と一体的に回転可能な状態に設けられた回転環としてのメイティングリング７３と、ポンプのハウジング７９に非回転状態かつ軸方向移動可能な状態でカートリッジ７６内のベローズ７７を介して設けられた固定環としてのシールリング７５と、を備え、メイティングリング７３とシールリング７５との対向端面である摺動面同士を相対回転させつつ被密封流体をシールするものが知られている（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００３】
通常、メイティングリング７３として、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素、アルミナ等の疎水性材料であるセラミクスが使用され、シールリング７５として自己潤滑性に優れた疎水性材料であるカーボンなどが使用されている。しかし疎水性材料同士が摺動する場合には、摺動面同士が密着しすぎて摺動面に水の進入が不足して「鳴き」という現象を生じる場合がある。そこで、「鳴き」を防ぐために、疎水性材料であるセラミクスの摺動面及び外周部エリアに親水性素材のコーティングを施し、摺動面を親水性材料と疎水性材料との組合せにすることによって、摺動性を改善するものがある（たとえば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−７４２２６号公報（第３ページ、図２）
【特許文献２】特開２００４−１８３８１０号公報（第６ページ、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のメカニカルシールにあっては、シールリング７５の材料としてカーボンが使用されている。カーボンは自己潤滑性に加えて、その表面に適度な凹凸を有することから、メイティングリング７３の摺動面との間に被密封流体による液膜を保持することができ、優れた潤滑特性を発揮する。しかしながら、カーボンは優れた摺動性を発揮する反面、シリケートなどの密封液の構成成分が摺動発熱によって化学変化を起こし、カーボン表面の凹凸に堆積し、該堆積物が剥離して摺動面に進入し、摺動面を傷つけシール機能を低下させる場合がある。また、メイティングリング７３も、炭化ケイ素等のセラミクスを焼結して成形するので、その表面に微小な凹凸を有し、該凹凸に液中に含まれる物質が堆積し、該堆積物による枢動面の傷つき、シール機能の低下を生じさせる場合がある。
【０００６】
特許文献２のメカニカルシールにおいても、回転側摺動部材として疎水性のカーボンを使用しているため、シリケートなどの密封液の構成成分が摺動発熱によって化学変化を起こし、カーボン表面の凹凸に堆積し、該堆積物によって摺動面が傷付けられる虞がある。また、固定側摺動部材の摺動面及び摺動面の外径側に親水性被膜をコーティングすると、親水性被膜によって被密封流体と濡れやすくなるため、その表面に液中に含まれる物質が堆積しやすくなり、該堆積物が摺動面を傷つけてシール機能を低下させる虞がある。
【０００７】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、シリケートなど、熱による化学変化を起こし易い成分を含有する密封液中でメカニカルシールを使用しても、液中に含まれる物質の堆積を減少して、回転環と固定環との対向端面である密封端面が堆積物によって損傷することを防ぐことができるとともに、鳴き等の異音の発生を防止することができる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】
【０００８】
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、
回転軸側に固定された回転環と、前記回転環に対向するようにハウジング側に配置された固定環と、を備え、
前記回転環と前記固定環との対向端面である密封端面間を相対回転させつつ被密封流体をシールするように構成されたメカニカルシールであって、
前記回転環、前記固定環のうち少なくとも一方に前記密封端面間よりも高圧流体側に撥水処理された撥水部を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、密封端面間よりも高圧流体側に撥水処理された撥水部によって、被密封流体中に含まれる物質が密封端面間へ流入することを防ぐことができ、密封端面の損傷を防止することができる。
【０００９】
本発明のメカニカルシールは、
前記密封端面間よりも高圧流体側に間隙部を備え、該間隙部の軸方向間隙ｕは少なくとも０＜ｕ＜ｋＴ／Ｐの範囲に設定されることを特徴としている。
ただし、ｕは、間隙部の軸方向間隙、Ｐは被密封流体の圧力、Ｔは撥水部と被密封流体との表面張力である。
この特徴によれば、間隙部の軸方向間隙を制限して、密封端面間への被密封流体の進入を制限できるので、被密封流体中に含まれる物質によって密封端面が損傷することを防ぐことができる。
【００１０】
本発明のメカニカルシールは、
前記間隙部の内半径及び外半径は、ｒ２２−ｒ１２＝２Ｐ／ρｎ２ω２により設定されることを特徴とする。
ただし、ｒ１は間隙部の内半径寸法、ｒ２はの外半径寸法、Ｐは被密封流体圧力、ρは被密封流体密度、ωは回転環の角速度、ｎは０＜ｎ＜１の範囲の係数である。
この特徴によれば、間隙部の径寸法を制限して、密封端面間への被密封流体の進入を制限できるので、被密封流体中に含まれる物質によって密封端面が損傷することを防ぐことができる。
【００１１】
本発明のメカニカルシールは、
前記間隙部の前記軸方向間隙は、前記密封端面に向かって漸次狭くなることを特徴としている。
この特徴によれば、回転環と固定環との間に微小な軸方向間隙を有する間隙部を容易に形成することができる。
【００１２】
本発明のメカニカルシールは、
前記撥水部は、被密封流体との接触角が９０°より大きいことを特徴としている。
この特徴によれば、被密封流体との接触角が９０°より大きくして、密封端面間への被密封流体の進入を制限できるので、被密封流体中に含まれる物質が付着しにくくなり、傷つき、剥がれ等による撥水性の低下を防止でき、耐久性を向上できる。
【００１３】
本発明のメカニカルシールは、
前記密封端面は、前記回転環と前記固定環との相対回転により動圧を発生する動圧発生機構を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、密封端面間よりも高圧流体側に撥水処理された撥水部によって、被密封流体中が密封端面間へ流入することが妨げられても、密封端面は、回転環と固定環との間に正圧を発生させて流体膜を形成できるので、鳴き等の異音の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１に係るメカニカルシールを示す縦断面図である。
【図２】実施例１のメイティングリングとシールリングとの対向端面である密封端面と該密封端面よりも高圧流体側に形成された撥水部を示す縦断面図である。
【図３】（ａ）は図２のＡ−Ａ矢視図であって、メイティングリングの密封端面及び撥水部を示す図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面を示す図である。
【図４】（ａ）は図２のＢ−Ｂ矢視図であって、シールリングの密封端面及び撥水部を示す図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面を示す図である。
【図５】実施例１に係るメカニカルシールの変形例を示す図で、（ａ）はシールリングの密封端面の外径側を平坦な環状傾斜面としたものであり、（ｂ）はシールリングの密封端面の外径側を凸曲面からなる環状傾斜面としたものである。
【図６】実施例１に係るメカニカルシールの構成を示す図で、（ａ）は図２のＣ部の拡大図、（ｂ）は（ａ）においてシール面が撥水処理された場合のシール作用を示す図、（ｃ）は（ａ）においてシール面が撥水処理されていない状態を示す図である。
【図７】実施例２に係るメカニカルシールのメイティングリングを示す図であり、メイティングリングの密封端面に設けられ動正圧発生機構を示す図である。
【図８】従来技術１のメカニカルシールを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係るメカニカルシールを実施するための形態を実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１から図６を参照して実施例１に係るメカニカルシールを説明する。なお、実施例１において、密封端面Ｓの外周から内周方向へ向かって漏れようとする流体をシールするインサイド形のメカニカルシールを例として説明するが、本発明はインサイド形、アウトサイド形のいずれの形式のメカニカルシールに対しても適用可能である。また、実施例１において、メイティングリング１１を回転環、シールリング２１を固定環として説明しているが、メイティングリング１１を固定環、シールリング２１を回転環としてもよい。図１おいて、密封端面Ｓの外周側を高圧流体側、内周側を低圧流体側（たとえば大気側）として説明する。
【００１７】
図１は、メカニカルシールの一例を示す縦断面図であって、高圧流体側の回転体（例えば、ポンプ インペラ。図示省略）を駆動させる回転軸２側に一体的に回転可能な状態に設けられた回転側カートリッジ１０と、ハウジング３に非回転状態で固定される固定側カートリッジ２０とからなる。回転側カートリッジ１０に配設されるメイティングリング１１と、固定側カートリッジ２０に配設されるシールリング２１が互いに密封端面Ｓにて相対回転することにより、被密封流体が回転軸２の外周から大気側へ流出するのを防止するものである。また、図２に示すように、メイティングリング１１の密封端面Ｓの高圧流体側には撥水部Ｈｒが設けられ、またシールリング２１の密封端面Ｓの高圧流体側には撥水部Ｈｓが設けられ、メイティングリング１１の撥水部Ｈｒとシールリング２１の撥水部Ｈｓとの間には環状の間隙部Ｎｃｓが形成されている。以下、回転側カートリッジ１０、固定側カートリッジ２０の構成について説明する。
【００１８】
回転側カートリッジ１０は、回転軸２に固定される回転側スリーブ１２と、該回転側スリーブ１２とともに回転するカップガスケット１３及びメイティングリング１１から主に構成される。
【００１９】
図１に示すように、回転側スリーブ１２は、断面略コ字状をなす環状部材で、回転軸２に圧入固定される内筒部１２ａ、該内筒部１２ａの一端から径方向外側に延設される壁部１２ｂ、及び該壁部１２ｂの外径側端部から内筒部１２ａ側の軸方向に延設される外筒部１２ｃから構成される。回転側スリーブ１２の開口部は、固定側カートリッジ２０側に向くように回転軸に固定される。
【００２０】
図２及び図３に示すように、メイティングリング１１は、断面略矩形の環状部材からなり、メイティングリング１１は、機械強度が高く、耐摩耗性に優れた炭化ケイ素、アルミナ等の各種セラミクスや、超硬合金等から構成される。シールリング２１と対向するメイティングリング１１の前面側には、平滑に仕上げられ、密封端面Ｓとして機能するシール面Ｒｓが設けられている。なお、メイティングリング１１とシールリング２１の回転中心が厳密に一致していない場合にも対応できるように、後述するシールリング２１の密封端面Ｓの径方向幅より大きくなるように、シール面Ｒｓの外径を大きく、かつ、内径を小さくして密封端面余裕代が形成されている。また、本実施例においては、メイティングリング１１のシール面Ｒｓの径方向幅は、シールリング２１の密封端面Ｓの径方向幅より大きく形成されているが、本発明はこれに限定されることなく、逆の場合においても適用出来ることはもちろんである。さらに、図３に示されるようにメイティングリング１１の外周部には２カ所の切り欠き凹部１９が形成され、該切り欠き凹部１９に前述の回転側スリーブ１２が係合され、メイティングリング１１と回転側スリーブ１２とは、一体に回転する。
【００２１】
また、図２及び図３に示すように、メイティングリング１１のシール面Ｒｓの高圧流体側、すなわちメイティングリング１１の外径側端面１１ａ及び外周面１１ｂには、撥水処理された撥水部Ｈｒが設けられている。メイティングリング１１の外径側端面１１ａは、背面側向かってシール面Ｒｓよりも撥水部Ｈｒの厚さｔ分低く形成されている。後述するように、外径側端面１１ａにコーティング等により厚さｔ以上に撥水部Ｈｒが形成され、撥水部Ｈｒと撥水部Ｈｒを有しないシール面Ｒｓとに面一かつ平滑に仕上げられる。これにより、撥水部Ｈｒの厚さが確保され、耐久性を向上することができ、またメイティングリング１１とシールリング２１との密封端面余裕代も確保することができる。さらに、メイティングリング１１の外周面１１ｂにも、撥水部Ｈｒが配設される。なお、撥水部Ｈｒは、テフロン系（「テフロン」は登録商標）、シリコン系等の樹脂又は粉体からなり、メイティングリング１１の外径側端面１１ａ及び外周面１１ｂに、コーティングすることにより形成される。また、図２及び図３においては、撥水部Ｈｒは、メイティングリング１１の外径側端面１１ａ及び外周面１１ｂの両方に施されているが、外径側端面１１ａのみに施されていてもよい。
【００２２】
さらに、図１に示すように、カップガスケット１３は、断面Ｌ字状の環状部材であり、ゴム等の弾性体からなる。カップガスケット１３は、メイティングリング１１と回転側スリーブ１２の内筒部１２ａとの間で適切な締め代が付与され、密封性と固定力が確保される。
【００２３】
そして、メイティングリング１１は、回転側スリーブ１２の環状空間１０ａ内に、シール面Ｒｓが回転側スリーブ１２の開口部を向くように収容され、メイティングリング１１の背面側及び内周側をカップガスケット１３を介して回転側スリーブ１２に対して固定され、回転側カートリッジ１０が構成される。
【００２４】
つぎに、固定側カートリッジ２０について説明する。固定側カートリッジ２０は、ハウジング３に固定される固定側スリーブ２２と、該固定側スリーブ２２内に収容されるシールリング２１、ベローズ２３、ケース２４、ドライビングバンド２５及びスプリング２６から主に構成される。以下、固定側スリーブ２２、シールリング２１及びベローズ２３について説明する。
【００２５】
図１に示すように、固定側スリーブ２２は、断面略コ字状をなす環状部材で、ハウジング３に圧入固定される外筒部２２ｃ、該外筒部２２ｃの一端から径方向内側に延設される壁部２２ｂ、及び該壁部２２ｂの内径側端部から外筒部２２ｃ側の軸方向に延設される内筒部２２ａから構成される。固定側スリーブ２２の開口部は、回転側カートリッジ１０側の開口部に対向するようにハウジング３に固定される。
【００２６】
図２及び図４に示すように、シールリング２１は、断面略矩形の環状部材からなり、カーボン等の自己潤滑性、摺動性に優れた材料から構成される。シールリング２１には、メイティングリング１１の密封端面Ｓと対向する密封端面Ｓが形成されている。シールリング２１の密封端面Ｓは、軸方向に突出した環状部に形成され、平滑に仕上げられている。また、シールリング２１の密封端面Ｓの高圧流体側、すなわちシールリング２１の外径側端面２１ａ及び外周面２１ｂには、撥水処理された撥水部Ｈｓが設けられている。シールリング２１の外径側端面２１ａは、背面側向かって密封端面Ｓよりも低く形成されている。撥水部Ｈｓは、外径側端面２１ａにコーティング等により撥水部Ｈｓが形成され、該撥水部Ｈｓと撥水部Ｈｓを有しない密封端面Ｓとが、面一かつ平滑に仕上げられる。撥水部Ｈｓは、テフロン系（「テフロン」は登録商標）、シリコン系等の樹脂又は粉体からなり、シールリング２１の外径側端面２１ａ及び外周面２１ｂに、コーティング等により形成される。撥水部Ｈｓは、シールリング２１の外径側端面２１ａ及び外周面２１ｂの両方に施されているが、シールリング２１の外径側端面２１ａのみに施されていてもよい。なお、本実施例において、メイティングリング１１及びシールリング２１に厚さｔ以上の撥水部を設けたが、メイティングリング１１、シールリング２１の少なくとも一方に厚さｔ以上の撥水部を設け、他方をコーティング等により形成された撥水部としてもよい。
【００２７】
また、ベローズ２３は、柔軟な弾性体、たとえばゴムなどの非金属材料、または薄い金属を成形して形成される。ベローズ２３の一方の端部の外周側にはドライビングバンド２５が装着され、ベローズ２３は、ドライビングバンド２５と固定側スリーブ２２の内筒部２２ａとの間で適切な締め代が付与され、密封性と固定力が確保される。一方、ベローズ２３の他方の端部は、その外周側にケース２４が装着され、シールリング２１は、ケース２４及びベローズ２３によって密封保持される。
【００２８】
図１に示すように、固定側スリーブ２２の環状空間２０ａ内にシールリング２１の密封端面Ｓが開口部に向くように配設され、該シールリング２１はベローズ２３、ケース２４、ドライビングバンド２５、スプリング２６を介して固定側スリーブ２２内に収容固定され、固定側カートリッジ２０が構成される。これにより、シールリング２１は、柔軟なベローズ２３及びスプリング２６によって支持されるので、軸方向、径方向に移動可能に支持される。
【００２９】
このように構成された回転側カートリッジ１０と固定側カートリッジ２０は、図１に示すようにそれぞれの開口部が対向するように取付けられ、メイティングリング１１とシールリング２１とは、密封端面Ｓにて互いに相対回転して被密封流体の漏れを制限することができる。また、シールリング２１とメイティングリング１１との間に相対変位が生じても、シールリング２１は柔軟なベローズ２３を介して径方向に支持されているので、メイティングリング１１との相対変位に追従して相対回転することができる。なお、密封端面Ｓの面圧は、ベローズ２３とスプリング２６による軸方向押圧力の合力により決定される。
【００３０】
このように構成されたメイティングリング１１の撥水部Ｈｒ及びシールリング２１のＨｓの作用について説明する。
【００３１】
撥水処理された撥水部Ｈｒ、Ｈｓは、撥水性を有し、液体に濡れにくい性質を有する。メイティングリング１１及びシールリング２１の表面の撥水性が高いと、メイティングリング１１及びシールリング２１の表面は被密封流体に濡れにくくなり、その結果、メイティングリング１１及びシールリング２１の表面には被密封流体に含まれる物質が付着しにくくなる。
【００３２】
特に、シールリング２１として一般に使用されるカーボンは、自己潤滑性に加えて、その表面に適度な凹凸を有することから、メイティングリング１１の密封端面Ｓとの間に被密封流体による潤滑膜を保持することができ、優れた潤滑特性を発揮する。しかし、カーボンは、優れた潤滑特性を発揮する反面、シリケート濃度の高い流体中で使用されると、液中に含まれる物質がカーボン表面の凹凸に堆積し、該堆積物がある程度大きくなると剥離して密封端面Ｓに流れ、密封端面Ｓを傷つけてシール機能を低下させる場合がある。
【００３３】
そこで、シールリング２１の表面に撥水性の高い撥水部Ｈｓを形成し、シールリング２１が被密封流体に濡れにくくすることにより、シールリング表面の凹凸に液中に含まれる物質の付着を防止することができる。また、撥水部Ｈｓによって、シールリング２１の表面と液中に含まれる物質との密着力も低くなるので、液中に含まれる物質がカーボンの表面に析出、堆積しても、該堆積物が大きく成長する前に剥離するので、粒の大きな堆積物が密封端面Ｓへ流入することが防止され、密封端面Ｓの損傷を防止することができる。同様に、炭化ケイ素等のセラミクスを焼結して成形されるメイティングリング１１もその表面に微小な凹凸を有する。したがって、シールリング２１だけでなく、メイティングリング１１の密封端面Ｓより外径側にも撥水部Ｈｒを設けることで、堆積物を減少させ、該堆積物が密封端面Ｓへ流入することを防止でき、密封端面Ｓの損傷を防止することができる。
【００３４】
また、撥水部Ｈｒ、Ｈｓは、少なくともメイティングリング１１の密封端面Ｓの外径側端面１１ａ及びシールリング２１の密封端面Ｓの外径側端面２１ａに設けられるが、さらに撥水部Ｈｒ、Ｈｓは、メイティングリング１１の外周面１１ｂ及びシールリング２１の外周面２１ｂにも設けられることで、さらに堆積物を減少させ、該堆積物が密封端面Ｓへ流入することを防止でき、密封端面Ｓの損傷を防止することができる。
【００３５】
本実施例において、撥水部Ｈｒ、Ｈｓは、コーティングにより形成されたが、撥水部Ｈｒ、Ｈｓの形成方法はこれに限らず、撥水性を有する板状のフッ素樹脂、シリコン樹脂等を使用して構成してもよい。たとえば、図３に示すように、メイティングリング１１の密封端面Ｓの外径側端面１１ａを、密封端面Ｓよりも深さｔだけ背面側に低く形成する。そして、深さｔだけ低く形成された外径側端面１１ａに、厚さｔ以上の撥水性の樹脂板を接着等により取付け、該撥水性樹脂板と密封端面Ｓとを面一に仕上げる。このように板状部材からなる撥水部は、撥水部の厚さを確保できるので、コーティングのように剥がれによる撥水性の低下を防止でき、コーティングによる撥水部Ｈｒ、Ｈｓよりも耐久性が向上する。
【００３６】
また、撥水部Ｈｒ、Ｈｓは、撥水性を有する材料を使用して構成したが、これに限らず、撥水性の低い材料の表面に直径数ナノメートル程度の微小な周期凹凸パターンを形成して、撥水部Ｈｒ、Ｈｓを形成してもよい。微小な周期凹凸パターンの形成方法としては、レーザ等によってメイティングリング１１、シールリング２１の表面に直接微小な周期凹凸パターンを物理的に形成する方法や、化学的に分子を積み上げて微小な周期凹凸パターンを形成する方法を使用することができる。さらに、撥水性に優れたフッ素樹脂板等の表面に微小な周期凹凸パターンを形成することで、さらに高い撥水性を得ることができる。
【００３７】
さらに、図２及び図５に示すように、メイティングリング１１の撥水部Ｈｒとシールリング２１の撥水部Ｈｓとの間には、微小な軸方向間隙ｕを有する間隙部Ｎｃｓが形成される。被密封流体の圧力によっても変化するが、たとえば、間隙部Ｎｃｓの軸方向の軸方向間隙ｕは１μｍから１ｍｍ程度に形成される。後述するように、メイティングリング１１の撥水部Ｈｒとシールリング２１の撥水部Ｈｓとの間に微小な軸方向間隙ｕを有する間隙部Ｎｃｓを形成することで、間隙部Ｎｃｓは非接触シールとして機能する。
【００３８】
微小な間隙を形成するために、図２に示すように平行な軸方向間隙ｕによって微小な間隙を形成してもよいが、図５に示すように、メイティングリング１１の撥水部Ｈｒとシールリング２１の撥水部Ｈｓとの間の軸方向間隙ｕは、密封端面Ｓに向かって漸次狭くすることで容易に微小な空隙を形成することができる。図５（ａ）は、シールリング３１の密封端面Ｓの外径側を一定の傾斜を有する円錐面３１ａに形成したものである。このように構成することにより、メイティングリング１１の撥水部Ｈｒとシールリング２１の撥水部Ｈｓとの間の間隙部Ｎｃｓは密封端面Ｓに向かって漸次狭くなるので、微小な間隙を容易に形成することができる。また、図５（ｂ）は、シールリング４１の密封端面Ｓの外径側を外側に凸となる湾曲面を有する弧状円錐面４１ａに形成したものである。このように構成することにより、図５（ａ）に比べ、径方向に長い距離に亘って微小な間隙を容易に形成することができる。なお、図５（ａ）、（ｂ）において、シールリングの密封端面Ｓの外径側を径方向に傾斜させたが、メイティングリングの密封端面Ｓの外径側を径方向に傾斜させてもよいし、シールリング及びメイティングリングの密封端面Ｓの外径側を径方向に傾斜させてもよい。
【００３９】
ここで、メイティングリング１１の撥水部Ｈｒとシールリング２１の撥水部Ｈｓとの間に形成される間隙部Ｎｃｓを微小な間隙に形成することで、非接触シールとして機能する理由について説明する。
【００４０】
図６に示すように、間隙部Ｎｃｓにて被密封流体がシールされる状態では、被密封流体の流体膜には、被密封流体の圧力Ｐ、メイティングリング１１の回転による生じる被密封流体に作用する遠心力Ｆｃ、密封端面Ｓと被密封流体との表面張力Ｔが主に作用する。したがって、被密封流体の流体膜作用する径方向の力Ｆｒ（軸に直交する方向）は、（式１）にて表すことができる。
【００４１】
Ｆｒ＝Ｐπｄｕ‐Ｆｃ＋２Ｔπｄｃｏｓθ      （式１）
【００４２】
ここで、ｄは、間隙部Ｎｃｓにおける被密封流体の液面位置（直径）、θは被密封流体とメイティングリング１１、シールリング２１の表面との接触角である。接触角θとは、固体表面と流体の液面端部における接線とがなす角である。（式１）において、右辺第１項は被密封流体の圧力Ｐと液面の面積との積、すなわち液面に作用する流体圧力を示し、間隙部Ｎｃｓの軸方向の軸方向間隙ｕが小さいほど液面に作用する流体圧力を小さくできる。第２項は被密封流体に作用する遠心力で、軸方向間隙ｕを小さくすることで、間隙部Ｎｃｓ内の被密封流体の周方向速度を高め、軸方向間隙ｕ内の遠心力による圧力勾配を高めることができ、さらに間隙部Ｎｃｓの径方向幅を大きくすることで、被密封流体が高圧流体側から低圧流体側へ流れるときの圧力損失を大きくすることができる。第３項は被密封流体の液面端部に作用する表面張力Ｔと液面端部周長との積、すなわち液面端部に作用する表面張力を示す。そして、Ｆｒが負であれば、被密封流体には径方向外側（高圧流体側）へ向かう力が大きくなって、間隙部Ｎｃｓによって被密封流体をシールでき、Ｆｒが正であれば、間隙部Ｎｃｓによって被密封流体をシールすることができない。
【００４３】
ここで、接触角θは、シール面Ｒｓ、Ｓｓの状態によって変化し、シール面Ｒｓ、Ｓｓが濡れにくい状態では、被密封流体と密封端面の接触面積が小さく、接触角θは大きくなる。逆に、濡れやすい状態では、被密封流体と密封端面の接触面積が大きく、接触角θは小さくなる。たとえば、図６（ｂ）に示すように撥水部Ｈｒと撥水部Ｈｓとの間に間隙部Ｎｃｓが形成される場合には、撥水部Ｈｒ、Ｈｓの表面との被密封流体との接触角θ１は９０°より大きくなり表面張力Ｔの径方向分力は高圧流体側へ向かって作用するので、被密封流体の漏れを抑制する方向に働く。逆に、図６（ｃ）に示すように撥水部を有しない壁面の間に間隙部Ｎｃｓが形成される場合には、壁面と被密封流体との接触角θ２は９０°より小さくなり表面張力Ｔの径方向分力は低圧流体側へ向かって作用するので、被密封流体の漏れを促進する方向に働く。（式１）において遠心力Ｆｃは漏れを制限する方向に作用するので、安全サイドにＦｃを零として、間隙部Ｎｃｓの表面張力Ｔのみによって被密封流体をシールするための条件は（式２）となる。
【００４４】
Ｆｒ＝Ｐπｄｕ＋２Ｔπｄｃｏｓθ＜０      （式２）
【００４５】
（式２）において、Ｐ、ｄ、ｕ、Ｔは常に正の値であるから、（式２）が成立するためには、接触角はθ＞９０°であることが必要がある。すなわち、間隙部Ｎｃｓによって被密封流体をシールするためには、接触角９０°＜θ＜１８０°（−１≦ｃｏｓθ＜０）にする必要があり、このときの軸方向間隙ｕは少なくとも（式３）の範囲に設定する必要がある。
【００４６】
ｕ＜ｋＴ／Ｐ  （０＜ｋ≦２）              （式３）
ただし、ｕは、間隙部Ｎｃｓの軸方向の間隙（μｍ）、Ｐは被密封流体の圧力（ＭＰａ）、Ｔは間隙部Ｎｃｓと被密封流体との表面張力（Ｎ／ｍ）である。なお、（式３）は遠心力によるシール効果を無視しているので、（式３）により決定されるは間隙部Ｎｃｓの軸方向の間隙ｕは最小値を示す。
【００４７】
（式３）において、ｋの値は接触角θに応じて決定されるが、メイティングリング１１とシールリング２１との間の間隙部Ｎｃｓの軸方向間隙ｕは、停止中に設定されるものであり、運転中の軸方向間隙ｕは停止中よりも大きくなる可能性がある。そこで、運転中の軸方向間隙ｕの変動を考慮して、接触角θに応じてｋの値を決定せずに、単に０＜ｋ＜２の範囲で決定して、間隙部Ｎｃｓの軸方向間隙ｕの大きさを調整して被密封流体をシールするようにしてもよい。
【００４８】
間隙部Ｎｃｓの軸方向間隙ｕが、少なくとも（式３）を満たす最小間隙に決定されていれば、間隙部Ｎｃｓによって被密封流体をシールすることができる。ただし、（式３）により決定される最小間隙ｕは微小な間隙であるため、実際にメイティングリング１１とシールリング２１との間の軸方向間隙ｕを式３により決定された間隙ｕに設定するのは困難である。そこで、図５に示すメイティングリング１１の撥水部Ｈｒとシールリング２１の撥水部Ｈｓとの間の軸方向間隙ｕを漸次狭くすることによって、（式３）を満たす微小隙間を容易に形成することができるので、メイティングリング１１の撥水部Ｈｒとシールリング２１の撥水部Ｈｓとの間の間隙部Ｎｃｓを非接触シールとして機能させることができる。
【００４９】
（式３）は、間隙部Ｎｃｓの表面張力Ｔのみによって被密封流体をシールするための条件であった。しかし、間隙部Ｎｃｓの軸方向間隙ｕの大きさを調整する代わりに、間隙部Ｎｃｓの外径と内径の大きさを調整することによって、間隙部Ｎｃｓの旋回流れによる遠心力のみによって、被密封流体をシールすることもできる。
【００５０】
間隙部Ｎｃｓ内の流体は、メイティングリング１１の回転の影響で旋回流れとなっている。メイティングリング１１は周速Ｖｓで回転し、シールリング２１は静止しているから、間隙部Ｎｃｓにおける被密封流体の旋回速度Ｖｆは、メイティングリング１１の回転速度Ｖｓ＝ｒω（ｒは半径、ωはメイティングリング１１の回転角速度）とシールリング２１の速度＝０の間の速度となる。よって、間隙部Ｎｃｓにおける被密封流体の旋回速度はＶｆ＝ｎｒω（０＜ｎ＜１の係数）と表すことができる。また、間隙部Ｎｃｓ内で旋回速度Ｖｆで旋回する流れにおいて、旋回速度Ｖｆに基づく遠心力と半径方向の圧力勾配は釣り合うので、以下の式が成立する。
【００５１】
ｄｐ／ｄｒ＝ρＶｆ２／ｒ＝ｎ２ρｒω２                （式４）
ρは被密封流体の密度であり、（式４）を間隙部Ｎｃｓの内半径ｒ１（密封端面Ｓの外半径）から外半径ｒ２に亘って積分すると、式５となる。
【００５２】
Ｐｒ２−Ｐｒ１＝ρｎ２ω２（ｒ２２−ｒ１２）／２      （式５）
ここで、間隙部Ｎｃｓ外半径ｒ２においてＰｒ２＝Ｐ（被密封流体の圧力）となり、間隙部の内半径ｒ１においてＰｒ１＝０、すなわち大気圧となるように、間隙部Ｎｃｓの内半径ｒ１（密封端面Ｓの外半径）と外半径ｒ２を決定すれば、間隙部Ｎｃｓを非接触シールとして機能させることができる。通常、間隙部Ｎｃｓの内半径ｒ１（密封端面Ｓの外半径）は設計条件から決定されるので、間隙部Ｎｃｓの外半径ｒ２を（式６）にて決定することができる。
【００５３】
ｒ２２−ｒ１２＝２Ｐ／ρｎ２ω２  （０＜ｎ＜１）                  （式６）
ただし、ｒ１は間隙部Ｎｃｓの内半径寸法（ｍ）、ｒ２は間隙部Ｎｃｓの外半径寸法（ｍ）、Ｐは被密封流体圧力（Ｐａ）、ρは被密封流体密度（ｋｇ／ｍ３）、ωはメイティングリングの角速度である。なお、（式６）は間隙部Ｎｃｓの撥水部によるシール効果を無視しているので、（式６）により決定される外半径ｒ２は最大値を示す。
【００５４】
以上より、メイティングリング１１の撥水部Ｈｒとシールリング２１の撥水部Ｈｓとの間の間隙部Ｎｃｓの径方向幅Ｌｃ＝ｒ２−ｒ１を少なくとも式６を満たすように設定すれば、間隙部Ｎｃｓを非接触シールとして機能させることができる。この際、間隙部Ｎｃｓの軸方向間隙ｕの大きさによって、（式６）のｎの値は決される。なお、間隙部Ｎｃｓを非接触シール部として機能させるために、（式３）により間隙部Ｎｃｓの軸方向間隙ｕの大きさを調整して、間隙部Ｎｃｓの径方向幅Ｌｃを任意に決定してもよいし、式（６）により間隙部Ｎｃｓの径方向幅Ｌｃを調整して、間隙部Ｎｃｓの軸方向間隙ｕの大きさを任意に調整もよいし、または間隙部Ｎｃｓの軸方向間隙ｕの大きさと径方向幅Ｌｃの両方を調整してもよい。
【００５５】
本発明の効果は以下のとおりである。
【００５６】
メイティングリング１１とシールリング２１は、密封端面Ｓよりも高圧流体側に撥水処理された撥水部Ｈｒ、Ｈｓを備えることによって、メイティングリング１１とシールリング２１の高圧側は、被密封流体に濡れにくくなるとともに被密封流体中に含まれる物質が付着しにくくなり、被密封流体中に含まれる物質の析出、堆積を防ぐことができ、高圧流体側から密封端面Ｓへの堆積物の流入による密封端面Ｓの傷付きを防ぐことができる。
【００５７】
密封端面Ｓよりも高圧流体側に間隙部Ｎｃｓを備え、該間隙部Ｎｃｓの軸方向間隙ｕは少なくとも（式３）０＜ｕ＜ｋＴ／Ｐの範囲に設定されることによって、間隙部Ｎｃｓは非接触シールとして機能させることができる。これにより、密封端面間への被密封流体の進入を制限できるので、被密封流体中に含まれる物質によって密封端面Ｓが損傷することを防ぐことができる。
【００５８】
間隙部Ｎｃｓの内半径ｒ１及び外半径ｒ２は、（式６）ｒ２２−ｒ１２＝２Ｐ／ρｎ２ω２により設定されることにより、間隙部Ｎｃｓは非接触シールとして機能させることができる。これにより、密封端面間への被密封流体の進入を制限できるので、被密封流体中に含まれる物質によって密封端面Ｓが損傷することを防ぐことができる。
【００５９】
撥水部Ｈｓ，Ｈｒは、被密封流体との接触角が９０°より大きく設定されるので、密封端面Ｓへの被密封流体の進入を制限でき、被密封流体中に含まれる物質が付着しにくくなり、傷つき、剥がれ等による撥水性の低下を防止できる。
【００６０】
間隙部Ｎｓｃの軸方向間隙ｕは、密封端面に向かって漸次狭くなるように形成されるので、回転環と固定環との間に微小な軸方向間隙を形成することができる。
【実施例２】
【００６１】
次に、図７を参照して、本発明の実施例２に係るメカニカルシールについて説明する。実施例２は、密封端面Ｓが、メイティングリング１１とシールリング２１との相対回転に動圧を発生する動圧発生機構を備える点で、実施例１と相違する。なお、前記実施例に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００６２】
実施例２においては、メイティングリング１１とシールリング２１との相対移動により正圧（動圧）を発生する動圧発生機構として、スパイラルグルーブ５８を密封端面Ｓに設けた場合を一例として説明する。
【００６３】
図７に示すように、シールリング５１の外周側には撥水部Ｈｓ（図７の薄墨部）が設けられる。シールリング５１とメイティングリング１１とが互いに相対回転する密封端面Ｓには、スパイラルグルーブ５８が複数（本実施例では６）形成されている。スパイラルグルーブ５８は、密封端面Ｓよりわずかに窪んだ底部５８ｅを有し、メイティングリング１１の回転方向の後方側に傾いたらせん状の溝で、低圧流体側に開放された内周側端部５８ａと、密封端面Ｓによって閉塞された一対のらせん壁５８ｂ、５８ｄ、密封端面Ｓによって閉塞された外周側端部壁５８ｃから構成される。
【００６４】
図７に示すようにメイティングリング１１が時計方向に回転すると、低圧流体側に開放された内周側端部５８ａより吸い込まれた低圧側流体（空気）は、一対のらせん壁５８ｂ、５８ｄ及び外周側端部壁５８ｃによって閉塞されたスパイラルグルーブ５８内で昇圧し、該昇圧された流体は、スパイラルグルーブ５８内から密封端面Ｓへ供給され、メイティングリング１１とシールリング５１は流体潤滑を維持することができる。
【００６５】
間隙部Ｎｃｓが非接触シールとして機能すると、高圧流体側から密封端面Ｓへ被密封流体の流入が妨げられるので、密封端面Ｓにおける潤滑状態は境界潤滑状態となる。しかし、高圧流体側から密封端面Ｓへ被密封流体の流入が妨げられても、密封端面Ｓに設けた複数のスパイラルグルーブ５８によって、低圧流体側から密封端面Ｓへ低圧側流体（空気）が供給されるので流体潤滑を維持することができ、鳴き等の異音の発生を防止することができる。しかも、高圧流体側から密封端面Ｓへ被密封流体の流入が妨げられるので、被密封流体中に含まれる物質が密封端面Ｓに析出、堆積することを防ぐことができ、延いては堆積物による密封端面Ｓの傷付きを防いで密封性を向上できる。
【００６６】
上記実施例において動圧発生機構をスパイラルグルーブ５８により構成したが、レイリーステップ機構又はレイリーステップ機構と逆レイリーステップとの組合せから構成してもよいし、回転方向にグルーブの深さが徐々に浅くなるテーパ状底部壁を有する動圧発生グルーブからなる変形レイリーステップ機構としてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１                メカニカルシール
２                回転軸
３                ハウジング
１０              回転側カートリッジ
１１              メイティングリング（回転環）
１１ａ            外径側端面
１２              回転側スリーブ
１３              カップガスケット
１８              回転環
２０              固定側カートリッジ
２１              シールリング（固定環）
２１ａ            外径側端面
２２              固定側スリーブ
２３              ベローズ
２４              ケース
２５              ドライビングバンド
２６              スプリング
３１              シールリング（固定環）
４１              シールリング（固定環）
５１              シールリング（固定環）
５８              正圧発生機構
Ｓ                密封端面
Ｈｒ、Ｈｓ        撥水部
Ｎｃｓ            間隙部
ｕ                軸方向間隙
ｒ１              間隙部Ｎｃｓの内半径
ｒ２              間隙部Ｎｃｓの外半径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018071606.tif 000009
【図８】
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