(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シール要素（２）と、
前記シール要素（２）と同軸に取り付けられた回転シール部（４）であって、前記シール要素（２）と当該回転シール部（４）との対向面どうしの間に、前記シール要素（２）と共に非接触型の１次シールを形成し、この１次シールを通る半径方向高圧側から半径方向低圧側への流体の流れを実質的に阻止する回転シール部（４）と、
シールハウジング（８）と、
前記シール要素（２）と同軸にかつ前記シール要素（２）に接触して設けられるとともに、前記シールハウジング（８）と前記シール要素（２）との間に配置されたプッシャースリーブ（９）であって、当該プッシャースリーブ（９）が内側プッシャースリーブ要素（２３）と外側プッシャーディスク（２２）とを備えており、これらの内側プッシャースリーブ要素（２３）と外側プッシャーディスク（２２）とが、互いに接触を保つ半径方向の表面（２３’、２２’）をそれぞれ有している、プッシャースリーブ（９）と、
プッシャースリーブ（９）の周囲に同軸に配置されるとともに、内側補助スリーブ要素（２４）と外側環状補助ディスク（２５）とを有する補助スリーブ（２０）であって、前記内側補助スリーブ要素および前記外側環状補助ディスクが、互いに接触を保つ半径方向の表面（２４’、２５’）をそれぞれ有しており、当該補助スリーブ（２０）が、半径方向高圧側に作用する流体圧によって軸線方向に付勢されて、前記補助スリーブ（２０）と前記シールハウジング（８）との間に３次シール（１６）を形成するように配置されている、補助スリーブ（２０）と、
前記外側プッシャーディスク（２２）と前記外側環状補助ディスク（２５）との間に配置され、前記外側プッシャーディスク（２２）を前記内側プッシャースリーブ要素（２３）に対して付勢して、これによって前記内側プッシャースリーブ要素（２３）を前記シール要素（２）に押し付けて前記シール要素（２）を前記回転シール部（４）に向けて付勢する付勢手段（１０）と、
前記プッシャースリーブ（９）の周囲に、半径方向高圧側と連通して、溝（１４）内に配置され、前記プッシャースリーブ（９）に対して、半径方向高圧側と半径方向低圧側との間に２次シールを提供する、第１のシール部材（１２）と、
を備えたことを特徴とするシャフトシール。
【請求項２】
前記第１のシール部材（１２）が配置された、前記溝（１４）が、前記プッシャースリーブ（９）に形成されている、請求項１記載のシャフトシール。
【請求項３】
前記第１のシール部材（１２）が配置された、前記溝（１４）が、前記補助スリーブ（２０）に形成されている、請求項１記載のシャフトシール。
【請求項４】
付勢手段（１０）が、前記外側プッシャーディスク（２２）と前記補助スリーブ（２０）との間に作用する、請求項１から３のいずれか１つに記載のシャフトシール。
【請求項５】
シャフトシールの使用の際、前記補助スリーブと前記シールハウジングとの各横断方向の面どうしが向き合って接触することにより、前記３次シール（１６）が提供される、請求項１から４のいずれか１つに記載のシャフトシール。
【請求項６】
前記３次シール（１６）が、前記補助スリーブ（２０）の横断方向端面に形成された溝（１８）内に配置されたＯリング（１６’）を備える、請求項１から４のいずれか１つに記載のシャフトシール。
【請求項７】
前記３次シール（１６）が、前記シールハウジング（８）の横断方向端面に形成された溝（１８）内に配置されたＯリングを備える、請求項１から４のいずれか１つに記載のシャフトシール。
【請求項８】
前記３次シール（１６）が、ばね付勢されたＵ字シールである、請求項１から４のいずれか１つに記載のシャフトシール。
【請求項９】
前記３次シール（１６）が、ばね付勢されたＹ字シールである、請求項１から４のいずれか１つに記載のシャフトシール。
【請求項１０】
前記プッシャースリーブ（９）が、軸線方向に延びる主スリーブ部分（９ａ）を含み、この主スリーブ部分（９ａ）が一方の端部に、前記シール要素（２）と向き合って接触する半径方向のフランジ（９ｂ）を備え、
前記補助スリーブ（２０）もまた、軸線方向に延びる主スリーブ部分（２０ａ）を含み、この主スリーブ部分（２０ａ）が一方の端部に、前記プッシャースリーブ（９）のフランジ（９ｂ）に面する半径方向のフランジ（２０ｂ）を備える、請求項１から９のいずれか１つに記載のシャフトシール。
【請求項１１】
前記プッシャースリーブ（９）が、軸線方向に延びる主スリーブ部分（９ａ）を含み、この主スリーブ部分（９ａ）が一方の端部に、前記シール要素（２）と向き合って接触する半径方向のフランジ（９ｂ）を備え、
前記補助スリーブ（２０）は、その全長にわたって１つのスリーブの形態をなす、請求項１から９のいずれか１つに記載のシャフトシール。
【請求項１２】
前記シールリング（２）と前記プッシャースリーブ（９）との隣り合う半径方向の表面どうしの間に、前記２次シール（１２）とは別の２次シール（１３）を更に含む、請求項１から１１のいずれか１つに記載のシャフトシール。
【請求項１３】
前記シールハウジング（８）と前記補助スリーブ（２０）のうちの一方に一体化形成されてそこから突き出たリップ（８ｃ）によって前記３次シール（１６）が提供され、このリップが、前記シールハウジング（８）と前記補助スリーブ（２０）のうちの他方と密封的に接触している、請求項１から４のいずれか１つに記載のシャフトシール。
【請求項１４】
前記プッシャースリーブ（９）と前記シールリング（２）のうちの一方に一体化形成されてそこから突き出たリップ（９ｃ）によって、前記シールリング（２）と前記プッシャースリーブ（９）との間の前記２次シール（１３）が提供され、このリップが、前記プッシャースリーブ（９）と前記シールリング（２）のうちの他方と密封的に接触を保っている、請求項１から１０のいずれか１つに従属する請求項１２、または請求項１３に記載のシャフトシール。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１つに記載のシャフトシールを組み込んだ、ターボ機械ないしは他の圧力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ターボ機械や他の圧力装置の回転シャフト用のシャフトシールに関する。本発明は特に、ＷＯ-Ａ-９６/３３３５７と共通して、シール要素と、このシール要素と同軸に取り付けられた回転シール部であって、シール要素と当該回転シール部との対向面どうしの間に非接触型の１次シールを形成し、この１次シールを通る半径方向高圧側から半径方向低圧側への流体の流れを実質的に阻止する回転シール部と、シールハウジングと、シール要素と同軸に、かつシール要素に接触しながら、シールハウジングとシール要素との間に配置されたプッシャースリーブと、プッシャースリーブをシールハウジングから遠ざけてシール要素に対して付勢することによって、このシール要素を回転シール部に向けて軸線方向に付勢する付勢手段と、プッシャースリーブの周囲に、半径方向高圧側と連通して、溝内に配置され、プッシャースリーブに対して、半径方向高圧側と半径方向低圧側との間に２次シールを提供する第１のシール部材とを備えたシャフトシールを提供するものである。このようなシャフトシールは、ＷＯ-Ａ-９６/３３３５７に開示されている。
【０００２】
ガス（水素、天然ガス、空気、その他）の圧縮・膨張用の機械において、シャフト沿いのガスの移動を阻止すべき場合、非接触形シャフトシールがしばしば使用される。通常利用される機械は高圧高速であるため、シール内の熱の発生やシール部の摩耗を抑え、および/または、オイルシールやその付属システムが複雑化しないように、シャフトシールは非接触形タイプのものが選択される。
【０００３】
またシャフトが、リフトオフ（lift-off）速度としばしば称される、ある最小速度を越えるような速度で回転するとき、非接触運転をすることによって、望ましからぬ面接触を避けることができる。
【０００４】
非接触形シャフトシールは、シール面がたがいに接触しあうようなシールに比べ、摩耗が少なく、熱の発生が低いということで、有利である。Gabriel, Ralph P.による”Fundamentals of Spiral Groove Non-contacting Face Seals（らせん溝を用いた非接触形面シールの原理）”という記事（Journal of American Society of Lubrication Engineers の３５巻、７号、３６７〜３７５頁）、そしてSedy, Josephによる”Improved Performance of Film-Riding Gas Seals Through Enhancement of Hydrodynamic Effects（流体力学上の効果を強めることによるフィルムライディングガスシールの性能向上）”という記事（Transaction of the American Society of Lubrication Engineers の２３巻、１号、３５〜４４頁）に、非接触形シール技法およびその設計基準について、述べられている。これらの記事の内容は、書誌的事項を参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０００５】
普通のメカニカルシールでは、非接触形面シールは、２つの１次シール要素から成る。これらのシール要素の少なくとも１つの表面に浅い窪みがある。
【０００６】
これらの窪みは、回転軸に対して垂直な面上で斜めの形状になっており、かつ回転軸と同心状に配され、この斜めの形状の傾きの方向はシャフトの回転方向と反対になっている。公知の非接触形面シールでは、どちらのシール要素も、リング状で、互いに隣接しあって配置されており、これらのシール面は、圧力差がゼロで回転速度がゼロのときは、接触するようになっている。これらのシールリングのうち一方は通常、シャフトスリーブによって回転シャフトに固定されて、他方はシールハウジング構造体内に配置されて、軸線方向に動くことができるようになっている。シャフトシールは、このシールリングを軸線方向に動かすように、しかも密封された流体の漏れを防止ないしは実質的に最小化するように設計されている。このために、シール部材が、リングとハウジングとの間に配される。
【０００７】
上記したように、２つのシール面のうち一方の面に、浅い窪みが設けられて、これらの窪みが、２つのシール面を引き離す圧力場を生成するべく作用することによって、シールの非接触運転が行われる。実際には、これらの圧力場から生じる力の大きさが、シール面どうしが閉じるように付勢する力を克服するほど十分に大きければ、このシール面どうしは離間して隙間を形成し、その結果、非接触形運転ができるようになる。
【０００８】
上述の記事に詳しく説明されているように、離間力は、面どうしの間の離間が大きくなるにつれ、その大きさが小さくなっていくような特性になっている。一方、離間力と反対の力、すなわち閉じる力は、シール圧レベルによって決まるもので、面どうしがどのように離間しているかとは無関係である。つまり閉じる力は、シール圧と、軸線方向に可動なシールリングの後面に作用するばね力とから、生じるものである。離間力、すなわち開く力は、シールの運転中、ないしは十分な圧が与えられたときの、シール面どうしの間の離間距離に応じて決まるものであるから、両方のシール面どうしの間に特異的な釣合い離間（differential equilibrium separation）が成り立つのである。このような状態は、閉じる力と開く力とが、釣り合って互いに等しいとき起こるものである。また釣合い離間は、いろいろなギャップの範囲を有して常に変動する。この範囲の最小値をゼロより大きくすることがひとつの目標となる。そして、この範囲の最大値で面どうしが離間するとシールの漏れが増加するため、この範囲をできる限り狭くすることが、もうひとつの目標である。非接触形シールは、シール面どうしに隙間を有したうえで運転するものなので、同様の構造の接触形シールの漏れよりも大きい漏れとなる。しかしその一方で、接触がないということは、シール面の摩耗がゼロということであり、したがってシール面どうしの間の熱の発生は比較的低くなる。このように、発生熱が低いこと、そして摩耗が小さいことによって、非接触形シールが、シールされる流体がガスである高速ターボ機械や他の圧力装置（pressure machine）に適用できるようになったのである。ターボコンプレッサーは、この流体を圧縮するのに用いられ、ガスが比較的少量なので、通常、非常に高速でしかも多数の圧縮段を連続的に経て運転される。
【０００９】
上記で言及した記事のなかで説明されているように、シール効果はシールのいわゆる釣合直径（balance diameter）に大きく依存する。これは、接触形シールについても通用することである。
【００１０】
シールの外径から圧が作用すると、この釣合直径が小さくなる。その結果、２つのシール面を合わせて押さえる力が大きくなり、面どうしの間のギャップが小さくなる。かくして、システムからのガスの漏れが少なくなるのである。
【００１１】
公知のコンプレッサーは、２００バール前後の入口圧でガスを圧縮して５００バール前後の吐出圧にするのに用いられてきた。このとき、普通、上記で述べたような種類の非接触形シャフトシールが、コンプレッサーの入口圧に対してシールするのに用いられる。昨今のコンプレッサーでは、入口圧も吐出圧も高くすることが必要とされる傾向にある。しかしこのように圧力レベルが高いと、上記のような非接触形シャフトシールでは、問題を引き起こす。これについて、図１、１ａ、２、２ａを参照しながら、以下に説明する。
【００１２】
図１は、シャフトシールの部分縦断面図で、上記で述べたタイプの非接触形シャフトシールの関連構造要素を示したものである。シャフトシールは、この実例では、コンプレッサーのようなターボ機械（図示せず）に組み込まれている。ここで示されたシャフトシール１は、シャフト軸線（参照符号３）と同軸に取り付けられた（回転しない）シール要素ないしシールリング２と、このシールリング２と同軸に配置された、したがってシャフト軸線３とも同軸に配置された、回転シール部ないしは回転シールリング４とを有する。図１の縦断面図では、わかりやすいように、シャフト軸線より上に配置されたシャフトシールの部分だけを示していることが認識できよう。
【００１３】
シールリング４は、半径方向のフランジ５ａを有する内側スリーブ５に取り付けられている。そしてこの半径方向のフランジ５ａに、回転シールリング４が当接している。そして内側スリーブ５はシャフト６に取り付けられ、シャフト６、内側スリーブ５および回転シールリング４が、一体化された回転要素として共に回転している。さらに位置決めスリーブ７が、内側スリーブ５にボルト付けされている。これらの組立構成要素４、５、および７は、位置決めリング２１によって軸線方向の一側向きに変位しないようになっており、コンプレッサーの内側に作用する高圧によってこれと反対向きの軸線方向にも変位しないようになっている。
【００１４】
シャフトシールはまた、シールハウジング８と、このシールハウジング８の半径方向内向きのフランジ８ｂとシールリング２との間に配置されたプッシャースリーブ９とを有する。このプッシャースリーブ９は、半径方向のフランジ９ｂを有する。そして複数の付勢ばね（これら付勢ばねのうちの１つであるばね１０が図１に示されている）が、軸上の同位置で、半径方向内向きのフランジ８ｂの各めくら穴１１内に配置され、シャフト軸線のまわりに配分されている。これら複数の付勢ばねが、半径方向のフランジ９ｂに作用することによって、プッシャースリーブ９を、シールリング２に対して付勢する。そして、ターボ機械（または圧力装置）の運転中、（回転しない）シールリング２と回転シールリング４とが合わさって、非接触形１次シールを形成する。これによって、１次シールのシール面どうしの間で、高圧の半径方向外側から低圧の半径方向内側への流体の流れを阻止する。シールリング２のシール面は、前面内に切り込まれた浅い溝を有して、シールリング２と回転シールリング４とのシール面どうしに必要な離間を生成している。あるいは、回転シールリング４のほうに、これらの溝を形成してもよい。
【００１５】
溝の好適な設計について、Dresser-Rand 社の国際出願ＷＯ-Ａ-９６/１５３９７号にさらに詳細に述べられている。溝の好適な設計に関するこの内容は、この公報番号を参照することにより、本明細書に組み込まれる。なお、シール要素２は通常、カーボンや他の適切な材料からできている。
【００１６】
図１に示されたように、シール要素２は、ばね１０の付勢力に対して、軸線方向の限定範囲内の動きをとることができる。こうして、付勢ばねが提供する正味の付勢力は相対的に小さくなるため、シャフトが通常の速度で回転しているとき、生成された離間力によって、シールリング４はシールリング２から離間する。シールリングどうしの間のギャップは、一方で生成された開く力と、他方で生成された閉じる力とばねの付勢力とを合わせた力とが互いに等しくなるように、自己調節する。ただしシャフトが静止しているときは、ばねが、シールリング２に作用して、回転シールリング４と接触するようにしている。
【００１７】
シールリング２および４の、半径方向外側縁部に、高圧ガスを供給する。このガスは通常、装置の作動流体から得られるものである。しかしこのガスが、作動流体でなく、大気中に排気しても問題のない清浄ガスから得られたものでもよい。この場合、排気されたガスは可燃性ガスとして、輸送して燃焼（発火）させることもできる。
【００１８】
半径方向高圧側の高圧は、シール要素２の後面の周囲に、いわゆる釣合直径に至る高さまで作用する。２次シール１２、１３が設けられているため、シール要素２の後面の周囲に、高圧が、半径方向低圧（大気圧）側まで通気することを阻止している。釣合直径は本質的には、２次シール１２とシールハウジング８との接触ラインで定められる。
【００１９】
第１の２次シール１２は、プッシャースリーブ９とシールハウジング８の半径方向内向きのフランジ８ｂとの間に設けられている。２次シール１２は、従来のＯリングや図示のばね付勢されたＵ字シールのような適切形状であればいずれでもよい。他形状のシールでもよく、選定された厳密な形状は重要ではない。第１の２次シール１２は、図１および１ａに示したように、プッシャースリーブ９の軸線方向に延びる主スリーブ部分９ａに形成された溝１４内に配置されている。この２次シール１２は、軸線方向に延びる主スリーブ部分９ａに形成された溝１４の底部に対して、密封的に圧接している。そして２次シール１２はまた、半径方向内向きのフランジ８ｂの軸線方向に延びる半径方向内側面に対しても、密封的に圧接して、釣り合いモードで運転中に、シャフトシール用の釣り合った釣合直径を定める。
【００２０】
第２の２次シール１３は、シールリング２の後面と、プッシャースリーブ９の半径方向のフランジ９ｂとの間に設けられている。そしてこの２次シール１３もやはり、Ｏリング形状や図示のばね付勢されたＵ字シール、Ｙ字シールでよい。この２次シール１３は、プッシャースリーブ９に形成された溝１５内に配置されている。あるいはこの溝１５は、シール要素２のほうに形成されていてもよい。
【００２１】
シャフトシール１の使用の際、コンプレッサーの高圧作動流体を、１次シールの半径方向高圧側に入れる。この高圧が、プッシャースリーブ９の半径方向のフランジ９ｂにおける前面の外側環状域に作用する。この外側環状域は、シールリング２に対する第２の２次シール１３のシールラインで定められる内径と、半径方向のフランジ９ｂの半径方向外側の直径とを有する。高圧流体はまた、プッシャースリーブ９の後面に、釣合直径に至る高さまで作用する。第１の２次シール１２と第２の２次シール１３とは、与えられた高圧を、半径方向低圧側からシールする。半径方向低圧とは、シャフトシールを単一で使用する場合には大気圧であり、複数のシャフトシールをカスケード式に使用する場合にはシールされる圧より低い圧となる。半径方向のフランジ９ｂの後面において、シール１３のシール径から釣合直径の高さにまで至る領域に作用する差圧によって、常に、シールリング２に対する正味の閉じる力（図１においては左向き）がプッシャースリーブ９に作用する。この閉じる力は、付勢ばね１０の作用によって補助され、シールリング２に対して、閉じる方向に、これらの力がかかる。
【００２２】
加えて、シールリング２の前面に作用する高圧流体が、開く力を生成し、その一方で、２次シール１３のシール径の高さまでの、シールリング２の後面に作用する高圧流体が、閉じる力を生成する。さらに、シールリング２の前面（またはシールリング４の後面）に切り込まれた斜めの形状の表面窪みないしは溝が、シールリング２とシールリング４との間に作用する離間圧力場を形成する。この圧力場の大きさは、コンプレッサーシャフトの回転速度に依存する。シールする高圧、窪みないしは溝の深さ、そしてシールリング２および４の間のギャップのサイズもまた、圧力場の大きさに影響を与える。シャフトシールのシールリング２および４が接触するか離間するかは、生成された閉じる力と開く力との大きさと、ばねの正味の付勢力とに依存する。
【００２３】
コンプレッサーが始動すると、シャフトの回転速度が、最初に上がっていく間は、シールリング２とシールリング４との間のシール接触によって、１次シールは、半径方向高圧側と半径方向低圧側との間で、流体を実質的に密封したシールを保つ。このような状態のもとで、１次シールによって生成される正味の離間力は、高圧が作用しているため、ばねの付勢力と１次シールに作用する正味の閉じる力との合計を越えるほど大きくない。
【００２４】
しかし、コンプレッサーのシャフトの回転速度が十分高くなって、与えられた流体圧力が、シールリング２に作用する正味の閉じる力を越えるような離間力を生成できるようになったとき、シールリング２は、シールリング４から遠ざかり始め、釣り合ったところまでいく。ここでは、回転しないシールリング２と回転シールリング４との間に、非接触形シールが保たれる。上記で述べたように、２次シール１２、１３は、それぞれ、プッシャースリーブ９、シールリング２の後面を通って、高圧流体が漏れるのを阻止するべく常に機能している。
【００２５】
前記したシャフトシールの実例が、本出願人の属するDresser-Rand社のＷＯ-Ａ-９６/３３３５８号に開示されている。
【００２６】
図２に、図１に示された実例の公知の変更例が示されている。これによれば、溝１４が、プッシャースリーブ９でなく、シールハウジング８のほうに形成されている。このような構造については、（単なる例として）Nippon Pillar Packing 社のＥＰ-Ａ-０５９１５８６号および同社によるＵＳ-Ａ-５４２１５９３号に開示されている。
【００２７】
図１および２を参照しながら上記で述べたタイプのシャフトシールは、これまで製造されてきたコンプレッサーの一般的なシール圧で、十分に運転できる。このようなコンプレッサーは普通、通常およそ２００バールからおよそ５００バールでガスを圧縮するものとして、製造されてきた。しかし昨今の実務上では、３００バール以上から、８００バール以上までの圧で、ガスを圧縮する運転が望まれるようになってきた。しかし現存のシャフトシールは、そのような入口圧の値に耐えるのに適した設計ではない。以下に図１ａおよび２ａを参照しながら、その理由を述べる。
【００２８】
図１ａおよび２ａは、わかりやすくするために故意に誇張して、このような高圧の値のもとで運転したときの結果を示している。これらの図に示されたように、プッシャースリーブ９の軸線方向に延びる主スリーブ部分９ａの外側面に高圧が作用して、シール１２と、半径方向部分９ｂの後面との接合部との間で、この軸線方向に延びる主スリーブ部分９ａを内向きに変形させ、このときの偏向は、軸線方向に延びる主スリーブ部分９ａと半径方向のフランジ９ｂとの間の接合部から、軸線方向に遠ざかる距離が長くなるほど、大きくなる。このねじれ変形は図１ａでは、文字Aで示されている。これに対応して、半径方向内側フランジ８ｂの中側（前）面にも高圧が作用して、矢印Bで示されたように、このフランジが、後ろ向きにねじれ変形する。この結果、図１ａおよび２ａに示されたように、シールハウジング８の半径方向内側フランジ８ｂの内側面と、プッシャースリーブ９の軸線方向に延びる主スリーブ部分９ａの外側面との間に存在していた通常は極めて小さなギャップが、大きくなる。
【００２９】
２次シール１２に対して作用する高圧が大きくなるのに伴い、そして半径方向のフランジ８ｂとプッシャースリーブ９の主スリーブ部分９ａとの間のギャップがますます広がるのに伴い、２次シール１２が、広がるギャップを通って押し出され始め、ビード１２ｂの形成が始まる。２次シールにこのようなビードがないうちは、２次シールには、プッシャースリーブ９の軸線方向後ろ向きのスライドに対する摩擦抵抗が、ほとんどない。しかしビード１２ｂの形成が始まるとこの摩擦抵抗が大きくなり、ビードによって、スライドを行いにくくなったプッシャースリーブ９とハウジング８とがつながってしまうところまで実際に成りうる。さらに、ビード１２が大きくなっていくにつれて、不安定状況が高まり、それによって、ビードの押し出しが続くために２次シール１２のシール性が顕著に下がって、やがて、２次シール１２がギャップを通って抜け出したり抜け落ちたりするほどの不安定状況に達することとなり、シャフトシールの破損という結果になってしまう。ビード１２ｂは通常、２次シール１２の後方周囲全部を覆って形成されるのではなく、一般に、２次シール１２の周囲附近の１つの角の部分だけに形成されることを、述べておく。
【００３０】
この問題を解決しうる１つの方法として、シャフトシールを使用していないときに、半径方向のフランジ８ｂとプッシャースリーブ９との間に存在するギャップを最小化することが検討されてきた。しかし、シャフトシールを運転されないとき、プッシャースリーブ９は、限定されたものであっても軸線方向の動きが自由にできるようにしておくために、このキャップをどれほど小さくできるかということには限界がある。またプッシャースリーブ９の主スリーブ部分９ａが半径方向内向きに偏向するのは避けられないが、それでもなお、運転圧が十分に高くなったとき、（回転する）シャフトの内側スリーブ５と接触するほどに、プッシャースリーブ９の偏向が進まないようにしなければならない。
【００３１】
もうひとつの解決方法として、２次シール１２のシール部の材料として、より硬いものを使用すること、あるいは、２次シールのシール部自体より硬い材料でできたバックアップリングを用いることが、検討されてきた。しかし、材料を選択するにあたってその硬度を高めることにも限界があり、特に、材料が硬くなると結果的に必要なシール効果を提供しにくく、さらにまた、発生する摩擦力も高まることになる。
【００３２】
さらに、ばね付勢されたポリマーシールが提案されているが、このようなポリマーシールの場合、運転圧がおよそ２００から２５０バールで、ビード形成が始まってしまう。
【００３３】
本発明が提供しようとするシャフトシールはしたがって、上記の点に関して改良されたものであり、高い運転圧にも耐えられ、その範囲はゼロバールから３００バールあるいはそれより高くなっている。本発明は、本明細書の最初に定義したようなシャフトシールに関するもので、補助スリーブを設けたことを特徴とする。この補助スリーブとは、プッシャースリーブの周囲に同軸に配置され、第１のシール部材によって、プッシャースリーブとのシール接触が保たれ、さらに、半径方向の高圧側に作用する流体圧力によって、軸線方向に付勢されて、３次シールを形成する構造になっている。
【００３４】
この補助スリーブに高い流体圧力が作用すると、正味の半径方向内向きの力が生じるため、シャフトシールに流体圧力が作用していないときにプッシャースリーブと補助スリーブとの間に存在していた小さいギャップが、図１、１ａ、そして２、２ａを参照して開示されたような従来技術のときほど、大きくなることはない。したがって、第１のシール部材とシールハウジングとの間に起こりうる摩擦抵抗は増大しにくく、また第１のシール部材が高い運転圧のもとで抜け出すようなことも起こりにくくなる。
【００３５】
３次シールの機能は、シールハウジングと補助スリーブとの間のシール接触を保つことだけである。そして補助スリーブの構造、材料および設計は、当該補助スリーブのねじれが、流体圧力を受けて、プッシャースリーブのねじれと実質的に適合できて、その結果、これら２つの要素間のギャップが、作用する流体圧力と無関係に一定となり、それによって、第１のシール部材にビード形成のおそれがないように、あるいはこのようなおそれを最小化するようになっていると、理想的である。
【００３６】
前記第１のシール部材の配置された前記溝が、プッシャースリーブに形成されていると好ましい。こうすると、高い流体圧力のもとで運転するときに、プッシャースリーブに作用する閉じる力を最大化できる。これは、第１のシール部材によって提供される、プッシャースリーブに対するシールが、半径方向内側に配置されるからである。あるいは、前記第１のシール部材が配置された前記溝が、補助スリーブのほうに形成されていてもよい。
【００３７】
プッシャースリーブと補助スリーブとの間に付勢手段が作用すると好ましい。このような構造により、３次シールのシール効果がいつでも確実に完全なものにでき、その結果、流体圧力がかけられたときに、補助スリーブを通って半径方向低圧側に無制限に流れることを阻止できる。しかし、これに代えて、付勢手段が、シールハウジングとプッシャースリーブとの間で作用するようにすることも可能である。というのは、高い流体圧力が半径方向高圧側にかけられたときに、補助スリーブは、３次シールの配置により、軸線方向に付勢されて、３次シールに必要とされるシール機能を確保すると考えられるからである。もっとも簡易化された形としては、シャフトシールの使用の際、補助スリーブの横断方向の面とシールハウジングの横断方向の面との間の面接触によって、３次シールが提供されている。ただし、シールの完全性を高めるには、３次シールがあらためて別に設けられていることが好ましい。
【００３８】
３次シールが、補助スリーブの横断方向の端面内に形成された溝内に配置されたＯリングを備えていると好ましい。これの変形態様では、３次シールが、シールハウジングの横断方向の端面に形成された溝内に配置されたＯリングを備えている。あるいはまた、３次シールは、ばね付勢されたＵ字型やＹ字型のシールでもよい。
【００３９】
プッシャースリーブは通常、軸線方向に延びる主スリーブ部分を有し、その主スリーブ部分の一方の端部に、シール要素と対面接触する半径方向のフランジを備えている。プッシャースリーブをこのような設計にすると、プッシャースリーブの軸線方向に延びる主スリーブ部分が、プッシャースリーブの必要な軸線方向の限定的な動きを調整するのに役立つことができ、同時に、第１のシール部材が補助スリーブとシール接触を保つことができ、そして半径方向のフランジが、付勢手段の付勢力を受けて、その付勢力をシール要素に対してかける機能を都合よく果たすことができ、好ましい。さらにこのフランジは、プッシャースリーブの一方の軸線方向の端部において、半径方向内向きのねじれに実質的に対抗する。プッシャースリーブがこのような好適な形であるとき、補助スリーブも同様に、軸線方向に延びる主スリーブ部分を有し、この主スリーブ部分の一方の端部に半径方向のフランジを備えて、このフランジがプッシャースリーブのフランジと向き合うようになっていると好ましい。補助スリーブをこのような構造にすると、圧を受けた補助スリーブのねじれが、プッシャースリーブのねじれと、確実にぴったり適合しやすくなる。
【００４０】
別の構造では、プッシャースリーブは前記の構造と同一であるが、補助スリーブが、端部フランジを持つことなく、全長にわたって１つのスリーブとなっている。そして、シャフトシールの使用の際、補助スリーブにおける第１のシール部材のシールのところを越えて軸線方向の低圧端部の外側に作用する高い流体圧力が、この端部を内向きに偏向させ、この場合もやはり、第１のシール部材がシャフトシールから抜け落ちるおそれが少なくなる。
【００４１】
さらに、前記の２次シールとは別の２次シールを、前記シールリングと前記プッシャースリーブとの隣り合った半径方向の面どうしの間に設けても良い。
【００４２】
次に、前記シールハウジングと前記補助スリーブのうちの一方に一体形成されてそこから突き出たリップによって３次シールを設けることができる。そしてこのリップは、前記シールハウジングと前記補助スリーブのうちの他方と密封的に接触している。さらにまた、前記シールリングと前記プッシャーリングのうちの一方と一体形成されてそこから突き出たリップによって、前記シールリングと前記プッシャースリーブとの間の前記２次シールを提供してもよい。そしてこのリップは、前記シールリングと前記プッシャーリングのリップのうちの他方と密封的に接触を保っている。
【００４３】
プッシャースリーブとシールリングとの間、あるいは補助スリーブとシールハウジングとの間にそれぞれ直接接触シールを形成するためにリップを形成した好適な構造によって、別個のシール部材を使用する必要がなくなり、それゆえ、構造上の簡易化とコストの削減がはかれる。
【００４４】
１つの好適な構造では、プッシャースリーブが、内側プッシャースリーブ要素と外側環状プッシャーディスクとを備え、この内側プッシャースリーブ要素と外側環状プッシャーディスクとが、互いに接触を保つ半径方向の表面をそれぞれ有する。
【００４５】
この構造とは別に、あるいはこの構造に加えて、補助スリーブが、内側補助スリーブ要素と外側環状補助ディスクとが、互いに接触を保つ半径方向の表面をそれぞれ有する。
【００４６】
このようにすると、単一部品のプッシャースリーブと単一部品の補助スリーブのいずれの場合においても、軸線方向に延びる部分と前方の半径方向の部分との接合部域に作用していたねじれ力が、大幅に小さくなる。
【００４７】
このシャフトシールは、ターボ機械や他の圧力装置に組み込むことができる。ただし以下は、便宜的に、図１、１ａおよび２、２ａに関して述べた従来技術の実例のときのように、コンプレッサーという特定のケースに関した説明を行っている。
【００４８】
本発明をよりよく理解しどのように実効されるかを示すために、例示として、図面を参照して、以下に説明する。
【００４９】
図３および４、図５、そして図６、７および８に示されたシャフトシールは、図１を参照して上記で述べられたシャフトシールと、以下の述べる点を除いては、同じものである。構造が同一のものに対しては、同一の参照番号で示される。
【００５０】
図３、３ａは本発明の第１実施形態を示す。シャフトシール１は補助スリーブ２０を、追加して備えている。この補助スリーブ２０は、プッシャースリーブ９の周囲にこのプッシャースリーブ９と同軸状に、プッシャースリーブ９と補助スリーブ２０とを半径方向に離間する小さなギャップを有して、配置されており、半径方向内側のフランジ８ｂ内の切り欠き１７内に配置されている。この補助スリーブ２０は、軸線方向に延びる主スリーブ部分２０ａを備えている。この主スリーブ部分２０ａは、その一方の端部に、プッシャースリーブ９の半径方向のフランジ９ｂの後面と向き合う、半径方向のフランジ２０ｂを有する。付勢ばね１０は、プッシャースリーブ９の半径方向のフランジ９ｂと、補助スリーブ２０の半径方向のフランジ２０ｂとの間に作用し、それによって、補助スリーブ２０をさらにシールハウジング８の切り欠き１７内に付勢する。
【００５１】
３次シール１６によって、主スリーブ部分２０ａの後方に向いた横断方向の端面と、それに隣接するシールハウジング８の前方に向いた横断方向の環状面１９との間に、実質的に流動型のシールが提供される。図３ａに示されたように、この３次シール１６が、ばね付勢されたＹ字形のシールの形態であることが好ましい。あるいは３次シールが、主スリーブ部分２０ａに形成された溝内に配置されたＯリング１６’（図３ｂ参照）でもよく、この溝は、シールハウジング８の半径方向内側のフランジ８ｂに形成されたものでもよく、またこの場合にＯリングではなく、ばね付勢されたＵ字シール１６”（図３ｃ参照）でも、ばね付勢されたＹ字シールでもよい。第１の２次シール部材１２によって、補助スリーブ２０とプッシャースリーブ９との間に、流体を実質的に密封するシールが提供される。
【００５２】
図４は、シャフトシールの分解図であり、シャフトシールのそれぞれの要素の構造を明瞭に示すものである。この図は、斜め形状の溝が、回転しないシールリング２ではなく、回転シールリング４のほうのシール面上に形成されているという点で異なる形態を示すものでもある。
【００５３】
シャフトシールの使用に際しては、図１、１ａ、および２、２ａによる公知のシャフトシールの場合とちょうど同じように、シールの高圧流体側で、プッシャースリーブ９に対して、高圧流体が作用し、軸線方向に延びるスリーブ部分９ａを、半径方向内向きに偏向させる。軸線方向に延びる主スリーブ部分９ａのねじれは、主スリーブ部分９ａに作用する内側圧と外側圧との間の圧力差のために、２次シール１２の軸線方向の位置から、プッシャースリーブ９の長さ方向に沿って漸増する。そしてプッシャースリーブ９の半径方向のフランジ９ｂは、その端部域において、プッシャースリーブ９のねじれに実質的に抵抗している。そこで半径方向の内向きのねじれは、もう一方の端部で最大となる。
【００５４】
しかしこの実施形態においては、図３ａに示されたように、高い流体圧力が補助スリーブ２０の、特にその外側表面の周囲に作用して、補助スリーブを同様にねじれさせる。したがって、プッシャースリーブ９の外側表面と補助スリーブ２０の内側表面との間に存在する小さなギャップが、これ以上変化するようなことはなく、それによって、高圧が２次シール１２に作用しても、シールがこのギャップから押し出されるようなことがなくなる、ないしは少なくとも最小化される。したがって、高圧、たとえば３００バール以上で運転するときでさえ、２次シール１２が、プッシャースリーブ９のスライドに対して高い摩擦抵抗をもたらし始めるようなことは決してなく、プッシャースリーブ９の溝１４から抜け出したり抜け落ちたりすることもない。
【００５５】
補助スリーブ２０とプッシャースリーブ９との間のギャップが常時、半径方向高圧側で作用する圧力とは無関係なままとなるように設計されていると好ましい。このためには、補助スリーブ２０とプッシャースリーブ９との構造や相対的な寸法を適当に選択し、そしてこれら補助スリーブ２０とプッシャースリーブ９を作る材料を適切に選択することによって、達成できる。補助スリーブ２０の半径方向および周方向の剛性（toroidal stiffness）が、プッシャースリーブ９のそれらと同じであると好ましい。補助スリーブ２０とプッシャースリーブ９とを作る材料が同じで、その結果、補助スリーブ２０とプッシャースリーブ９との間のギャップが、温度変化とは無関係に実質的に不変なままとなるのも、好ましい。
【００５６】
図５による本発明の第２実施形態は、２種類の可能な変更態様を示しており、これらの変更態様は個別でもあるいは組み合わせても採用できる。
【００５７】
第１の変更態様は単に、２次シール部材１２を、プッシャースリーブ９内に形成された溝ではなく、補助スリーブ２０内に形成された溝に、適合させるものである。
【００５８】
第２の変更態様は、ばね１０が、一方の端部で、補助スリーブ２０に抗して作用するのではなく、プッシャースリーブ９をシールリング２に対して付勢するためにだけ機能するというものである。そしてこの第２変更態様のような構造を用いた場合でも、３次シール１６で適切なシール性能が提供されると考えられる。というのは、高圧流体が半径方向の高圧側に作用するとき、補助スリーブ２０における２次シール１２と３次シール１６の配置によって、補助スリーブ２０を、シールハウジング８の半径方向内側のフランジ８ｂに対して付勢するような、軸線方向の正味の力が生じるからである。
【００５９】
図５による本発明の第２実施形態において、補助スリーブ２０は図３および４の第１実施形態におけるような端部フランジを何らもつことなく、その全長にわたって軸線方向に延びた１つのスリーブとなっていることを述べておく。そして２次シール１２のシール機能のために、２次シール１２の軸線方向高圧側では、補助スリーブ２０の軸線方向の部分に作用する内側の力と外側の力とが互いに釣り合っている。一方２次シール１２の軸線方向低圧側で、補助スリーブ２０の軸線方向の部分に作用する正味の半径方向の内向きの力があり、これによって補助スリーブ２０は、プッシャースリーブ９の軸線方向に延びる主スリーブ部分９ａに向かって内向きにねじれるのである。このねじれの結果、プッシャースリーブ９と補助スリーブ２０との間のギャップが最小化され、それによってシール１２が抜け出すおそれも最小化されることになる。
【００６０】
図６は、本発明の第３実施形態を示すものである。この変更態様においては、図３ａに示したような３次シール１６が、別に設けられたシール部材として提供されているわけではない。つまり、別に設けられたシール部材としてではなく、シールハウジング８と一体的に成形されてシールハウジング８の半径方向の内向きフランジ８ｂから軸線方向で前方に突き出たリップ８ｃの前面と、補助スリーブ２０の軸線方向に延びている部分（主スリーブ部分）２０ａの後面との間の直接シール接触として、３次シールが提供されている。あるいはこのリップ８ｃが、補助スリーブ２０の軸線方向に延びている部分２０ａのほうと一体的に形成されて後ろ向きに突き出たものとして、シールハウジング８の半径方向の内向きフランジ８ｂの横断方向の前面に対してシールするようになっていてもよい。
【００６１】
同様に、図３、３ａの実施形態においては別の要素として２次シール１３が使用されているが、図６に示されたように、プッシャースリーブ９の半径方向のフランジ９ｂの前面から前方に突き出てフランジ９ｂと一体的に形成されたリップ９ｃが提供されることによって、２次シール１３を別の要素として使用するのではなく、シールリング２の後面と直接シール接触させることができる。あるいはこのリップ９ｃが、シールリング２の後面のほうと一体的に形成されて後ろ向きに突き出たものとして、プッシャースリーブ９の半径方向のフランジ９ｂの前面に対してシールするようになっていてもよい。なお図６ａは、運転状態のもとでのシャフトシールを示している。
【００６２】
図７に示された本発明の第４実施形態は、第３実施形態のプッシャースリーブ９についての変更態様である。単一部品要素であったプッシャースリーブの代わりに、この第４実施形態では、２つの部品、内側プッシャースリーブ２３と外側環状プッシャーディスク２２とを組み合わせたプッシャースリーブになっている。ここで内側プッシャースリーブ２３は、軸線方向に延びる部分２３ａとこの軸線方向に延びる部分２３ａの前端にある半径方向のフランジ２３ｂとを備えており、外側環状プッシャーディスク２２は、内側プッシャースリーブ２３の周囲に同軸状に配置されている。外側環状プッシャーディスク２２の半径方向内側部分の前面２２’は、内側プッシャースリーブ２３の半径方向のフランジ２３ｂの後面２３’と、密封的に接触を保っている。
【００６３】
そして内側プッシャースリーブ２３は、半径方向のフランジ２３ｂの前面から前方に突き出たリップ２３ｃを介して、シールリング２に対してシールしている。ここでリップ２３ｃは、半径方向のフランジ２３ｂと一体的に形成されて、シールリング２の後面と直接接触している。あるいはこのリップ２３ｃは、シールリング２の後面のほうと一体的に成形されてそこから後方に突き出て、半径方向のフランジ２３ｂの前面に対してシールするようになっていてもよい。
【００６４】
プッシャースリーブを２つの部品を組み合わせて成すことによる利点の１つは、単一要素としてのプッシャースリーブ９においては、その半径方向のフランジ９ｂと軸線方向に延びる部分９ａとの間の接合部域に生じていたねじれ力が、大いに減少することである。
【００６５】
図８に示された本発明の第５実施形態は、第４実施形態の補助スリーブ２０についての変更態様である。単一部品要素であったプッシャースリーブ２０の代わりに、この第５実施形態では、２つの部品、内側補助スリーブ要素２４と外側環状補助ディスク２５とを組み合わせた補助スリーブになっている。この外側環状補助ディスク２５は、内側補助スリーブ要素２４の前端において、その周囲に同軸状に配置されている。内側補助スリーブ要素２４の前方の半径方向面２４’と、外側環状補助ディスク２５の後方の半径方向面２５’とは、互いに密封的に接触を保っている。
【００６６】
さらに別の実施形態として、プッシャースリーブのほうが（図６、６ａを参照して述べた第３実施形態の場合のような）単一部品要素で、補助スリーブだけが（図８に示された第５実施形態の場合のような）２つの部品を組み合わせた構造でもよい。
【００６７】
本発明の第４実施形態の２つの部品を組み合わせたプッシャースリーブの場合と同様に、単一部品要素の補助スリーブの代わりに、第５実施形態のような２つの部品を組み合わせた補助スリーブにすることによる利点は、（単一要素としての補助スリーブ２０においては、シャフトシールの運転中に、その半径方向のフランジ２０ｂと軸線方向に延びる部分２０ａとの間の接合部域に生じていた）ねじれ力が、大いに減少することである。さらにまた２つの部品を組み合わせた補助スリーブは、運転中に、プッシャースリーブの変形に応じた変形をすることもできる。
【００６８】
図６ａ、７および８に示されたような通常の運転状態のもとでは、コンプレッサー内で作用する極めて高い流体圧力によって、フランジ８のリップシール８ｃやプッシャースリーブ２３のリップ２３ｃに作用する力は、これらリップシール８ｃや２３ｃの接触面積が比較的小さいため、大変大きくなり、かくして実質的に流体を漏らさないようなシールが保たれるのである。
【００６９】
図６、６ａ、７および８に示されたような実施形態で使用されたリップシール構造によって、図３、３ａに示されたような第１実施形態による２次シール１３および３次シール１６として機能するシール部材を、別に改めて設ける必要がなくなる。これによって、構造上の簡易化ひいては低コストがはかれる。
【００７０】
また付勢ばね１０の変形態様では、金属のような適当なシート材料（若しくは、それらの積層体）でできた例えば単一の環を、その軸線の周囲で角度をずらしていった種々のところで波打ちを連続的に起こすように変形させた波形ばねでもよい。変形した環は、シールリング２と補助スリーブ２０との間で、（場合によっては）シールリング２とシールハウジング８の半径方向内側のフランジ８ｂとの間で圧縮され、それによって、板ばねによるような、本発明で必要とされる付勢作用が提供できる。
【００７１】
これまで説明してきた実施形態では、高圧流体は、コンプレッサーの作動流体を源としており、この圧はしたがって、コンプレッサーの運転速度の上昇に伴い高くなる。コンプレッサーの作動流体とは別の源からの流体を使用した場合、その流体の圧は通常、その流体の吐出圧に維持されることになる。コンプレッサーが静止中は、１次シールに作用する正味の力はシールリング２を回転シールリング４に対して保持しておくように閉じる力であるのが好ましい。しかし、コンプレッサーが十分に速度を上げたとき、一方のシールリングの斜めの形状の溝や窪みによって生成された離間力、すなわち１次シールの別の力（開く力）が十分に大きくなって、２つのシールリングを離間させる。
【００７２】
したがって、コンプレッサーの作動流体とは別の源からの流体を使用した場合でも、コンプレッサーの作動流体が高圧流体の源である場合と本質的に同じ運転である。コンプレッサーの作動流体とは別の源からの流体を使用したこの実施形態においては、コンプレッサーが静止中は、シールリング２を回転シールリング４に対して保持しておくのが好ましいが、静止状態のもとでシャフトシールをわずかに開いておくことも可能である。というのは、コンプレッサーを通常の運転速度で運転しているときに、シャフトシールが非接触形運転を提供することだけが、本質的に必要とされることだからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  シールの関連構造要素を示す、第１の公知のシャフトシールの部分縦断面図。
【図１ａ】  分かりやすくするために誇張して、特定の構造要素のねじれを示す、シールの部分拡大図。
【図２】  公知の変形構造についての、図１に対応する図。
【図２ａ】  公知の変形構造についての、図１ａに対応する図。
【図３】  本発明の第１実施形態についての、図１に対応する図。
【図３ａ】  本発明の第１実施形態についての、図１ａに対応する図。
【図３ｂ】  図３による実施形態に組み込まれた３次シールの別の形態を拡大して示す。
【図３ｃ】  図３ａによる実施形態に組み込まれた３次シールの別の形態を拡大して示す。
【図４】  第１実施形態によるシャフトシールの分解図。
【図５】  本発明の第２実施形態についての、図３に対応する図。
【図５ａ】  本発明の第２実施形態についての、図３ａに対応する図。
【図６】  本発明の第３実施形態についての、図３に対応する図。
【図６ａ】  本発明の第３実施形態についての、図３ａに対応する図。
【図７】  本発明の第４実施形態を示す、図３ａに対応する図。
【図８】  本発明の第５実施形態を示す、図３ａに対応する図。
【図１】
0004684420.tif 000002
【図１ａ】
0004684420.tif 000003
【図２】
0004684420.tif 000004
【図２ａ】
0004684420.tif 000005
【図３】
0004684420.tif 000006
【図３ａ】
0004684420.tif 000007
【図３ｂ】
0004684420.tif 000008
【図３ｃ】
0004684420.tif 000009
【図４】
0004684420.tif 000010
【図５】
0004684420.tif 000011
【図５ａ】
0004684420.tif 000012
【図６】
0004684420.tif 000013
【図６ａ】
0004684420.tif 000014
【図７】
0004684420.tif 000015
【図８】
0004684420.tif 000016