(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、
前記シールハウジング（８）における前方へ延びるスリーブ部分（８ａ）の周囲で、前記シール要素（２）と同軸に配置された環状のプッシャーディスク（９）と、
前記前方へ延びるスリーブ部分（８ａ）の周囲で当該スリーブ部分（８ａ）と同軸に、かつ前記シール要素（２）と前記シールハウジング（８）との間に配置された補助スリーブ（２０）であって、前記シール要素（２）と係合するとともに比較的高い圧力の存在に対応して撓むリップ（２０ａ）を有している補助スリーブ（２０）と、
前記補助スリーブ（２０）と前記前方へ延びるスリーブ部分（８ａ）との間に形成されたギャップであって、比較的高い圧力が半径方向高圧側に存在したとしても維持されるギャップと、
前記プッシャーディスク（９）に作用して、前記補助スリーブ（２０）を前記シール要素（２）に対して付勢するとともに前記回転シール部（４）に向けて軸線方向に付勢する付勢手段（１０）と、
前記補助スリーブ（２０）と前記前方へ延びるスリーブ部分（８ａ）との間に、半径方向高圧側と連通して配置され、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、
前記補助スリーブ（２０）が、前記スリーブ部分（８ａ）と前記第１のシール部材（１２″）によるシール接触を保つと共に、シール要素（２）ともシール接触を保つように構成されている、ことを特徴とするシャフトシール。
【請求項２】
前記補助スリーブ（２０）と前記シール要素（２）との間のシール接触は、前記補助スリーブ（２０）と前記シール要素（２）との直接接触によってなされる、請求項１記載のシャフトシール。
【請求項３】
前記補助スリーブ（２０）は、第２のシール部材（１２′）によって、前記シール要素（２）とシール接触をなす、請求項１記載のシャフトシール。
【請求項４】
前記第１のシール部材（１２″）は、前記補助スリーブ（２０）に形成された溝（１４）内に配置されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシャフトシール。
【請求項５】
前記第１のシール部材（１２″）は、前記ハウジングにおける前記前方へ延びるスリーブ部分（８ａ）に形成された溝内に配置されている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシャフトシール。
【請求項６】
前記付勢手段（１０）は、前記ハウジング（８）のフランジ部分（８ｂ）と前記プッシャーディスク（９）との間に作用する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシャフトシール。
【請求項７】
前記補助スリーブ（２０）と前記ハウジングとが同じ材料で出来ている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシャフトシール。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項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、公知のシャフトシールの形態と共通して、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、シールハウジングにおける前方に延びるスリーブ部分の周囲にシール要素と同軸に配置されたプッシャーディスクと、プッシャーディスクに作用して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、プッシャーディスクと前方へ延びるスリーブ部分との間に、半径方向高圧側と連通して配置され、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。
【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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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及び図１ａを参照しながら、以下に説明する。
【００１３】
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公知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。
【００１４】
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。
【００１５】
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部分８ｂとシールリング２との間に配置されたプッシャーディスク９とを有する。このプッシャーディスク９は、シールハウジング８における前方に延びるスリーブ部分８ａの周囲に緩く取り付けられている。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部分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、プッシャーディスク９に対して、これをシールリング２に向かって付勢するように作用する。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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。プッシャーディスク９の前面において当該ディスクの内周に隣接して形成された段付き溝１４内に、２次シール１２が配置されている。この２次シール１２は、シールリング２と、ハウジング８における前方に延びるスリーブ部分８ａとの両者に対するシールをなす。この２次シールは、シール要素２の後面の周囲やプッシャーディスク９の背後から、半径方向低圧（大気圧）側への高圧の通気を阻止するのに役立つ。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。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。
【００２０】
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、プッシャーディスク９の前面おいて、シールリング２に対する２次シール１２の円形のシールラインに至る高さまで作用する。高圧流体はまた、プッシャーディスク９の後面に、釣合直径に至る高さまで作用する。２次シール１２は、与えられた高圧を、半径方向低圧側からシールする。半径方向低圧側は、シャフトシールを単一で使用する場合には大気圧にあり、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。プッシャーディスク９の後面に釣合直径の高さまで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）がプッシャーディスク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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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は、プッシャーディスク９およびシールリング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。
【００２４】
図１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を参照しながら、その理由を述べる。
【００２５】
この図１ａ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。この図に示されたように、ハウジング８の前方に延びるスリーブ部分８ａの外側面において、そのフランジ部分８ｂとの接合部とシール１２との間に作用する高圧が、フランジ部分を内向きに変形させる。このときの偏向は、フランジ部分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、半径方向フランジ部分８ｂの内側（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、シールリング２の内側面と、ハウジング８における前方に延びるスリーブ部分８ａの外側面との間に通常存在する極めて小さなギャップが、拡大する。
【００２６】
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、そしてハウジング８における前方に延びるスリーブ部分８ａとシールリング２との間のギャップが広がるのに伴い、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、プッシャーディスク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ディスク９が前方に延びるスリーブ部分８ａと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。
【００２７】
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、シールリング２とプッシャーディスク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、シャフトシールが運転状態にないとき、プッシャーディスク９は、限定的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、スリーブ部分８ａ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）シャフトの位置決めスリーブ７と接触するほどには、当該スリーブ部分の偏向が進まないようにしなければならない。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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バール以上になっている。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。この補助スリーブは、スリーブ部分の周囲に同軸に配置され、付勢手段の作用で、プッシャーディスクが補助スリーブに対して付勢される。そして、補助スリーブは、スリーブ部分と第１のシール部材によるシール接触を保つと共に、シール要素ともシール接触を保つように構成されている。
【００３１】
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、装置のハウジングにおける前方に延びるスリーブ部分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及び図１ａ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のシール部材と前方に延びるスリーブ部分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。
【００３２】
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、前方に延びるスリーブ部分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。
【００３３】
補助スリーブとシール要素との間のシールは、それら２つの構成要素どうしの間の直接接触によってなされ得る。この実施形態においては、補助スリーブ上に、シール要素とシール接触させるためのリップが形成されていることが好ましい。別体のシールを設けないため、構造の単純性と低コストとが得られる。
【００３４】
好ましくは、前記第１のシール部材は、シールハウジングにおける前方へ延びるスリーブ部分に形成された溝内に配置される。これに代えて、内部に前記第１のシール部材の配置される溝を、補助スリーブに形成してもよい。好ましくは、付勢手段は、前記ハウジングのフランジ部分とプッシャーディスクとの間に作用する。
【００３５】
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及び図１ａ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。
【００３６】
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。
【００３７】
図２及び図２ａに示されたシャフトシールは、図１及び図１ａ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。
【００３８】
シャフトシール１は補助スリーブ（ないしリング）２０を追加して備えている。この補助スリーブ２０は、スリーブ部分８ａの周囲に同軸に、当該スリーブ部分８ａとの間を半径方向に離間する小さなギャップを有して、配置されている。補助スリーブは、その外面上に半径方向フランジ２０ｂを有し、このフランジ２０ｂに対してプッシャーディスク９が付勢ばね１０によって押圧されている。この実施形態においては、図１、図１ａのシャフトシールにおける単一の２次シールによる組み合わせシール作用（combined sealing functions）が、２次シール１２′及び２次シール１２″によってもたらされる。前者の２次シール１２′は、外側フランジ２０ｂ前部の段付き溝内に配置されて、シールリング２の後面に対してシールされている。また後者の２次シール１２″は、補助スリーブ２０の内側面に形成された通路状の溝内に配置されて、ハウジング８におけるスリーブ部分８ａの外側面に対して作用している。これらの２次シール１２′，１２″は、Ｏリング１６′や、ばね付勢されたＵ字シールないしＹ字シールのような任意の適当な形状とすることができる。
【００３９】
図３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。
【００４０】
シャフトシールの使用に際しては、図１及び図１ａ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、プッシャーディスク９に対して、高圧流体が作用し、前方に延びるスリーブ部分８ａを、半径方向内向きに偏向させる。この前方に延びるスリーブ部分８ａのねじれは、それに作用する内側圧と外側圧との間の圧力差のために、当該スリーブ部分８ａとフランジ部分８ｂとの接合部から次第に増大してゆく。そしてフランジ部分８ｂは、その端部域において、スリーブ部分８ａ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（前端部）で最大となる。
【００４１】
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内側へねじれさせる。したがって、スリーブ部分８ａ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。また、シール１２′は、補助スリーブ２０の前面とシールリング２の後面との間の十分なシールを維持する。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、プッシャーディスク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。
【００４２】
前方に延びるスリーブ部分８ａと補助スリーブ２０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、前方に延びるスリーブ部分８ａと補助スリーブ２０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とプッシャーディスク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、スリーブ部分８ａのそれらと同じであると好ましい。補助スリーブ２０とハウジング８、特にそのスリーブ部分８ａとの作られる材料が同じで、その結果、補助スリーブ２０とプッシャーディスク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。
【００４３】
図４及び図４ａによる実施形態は、１つの可能な変更態様を示しており、この変更態様は単に、２次シール部材１２″を、補助スリーブ２０内に形成された溝１４ではなく、スリーブ部分８ａ内に形成された溝１４に、受け入れさせるものである。
【００４４】
上記実施形態において、２次シール１２′によって、シールリング２と補助スリーブ２０との間に、実質的に液密のシールがもたらされる。しかし、図５の実施形態においては、そのような別体のシール部材は設けられていない。その代わり、補助スリーブ２０上に形成された平坦なリップ２０ａと、シールリング２の後面との間が直接接触するようになっている。これにより、構造が単純化され、従ってコストが低くなる。
【００４５】
図６に示す実施形態においては、リップ２０ａが補助スリーブから外周方向へ突出している。これにより、当該リップが僅かに弾性的に撓めるようになる。この「柔軟な」リップ構造により、補助スリーブとシールリング２との間のシール品質が、図４の実施形態に比べて改善される。
【００４６】
図５及び図６による非接触型シャフトシールの場合も、ちょうど図４及び図４ａの実施形態の場合のように、補助スリーブではなく、スリーブ部分８ａの方に溝１４を形成することができる。
【００４７】
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）で出来た、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、ハウジング８のフランジ部分８ｂとプッシャーディスク９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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、図１に対応した図。
【図２】  本発明の第１実施形態についての、図１に対応する図。
【図２ａ】  本発明の第１実施形態についての、図１ａに対応する図。
【図３】  第１実施形態によるシャフトシールの分解図。
【図４】  本発明の第２実施形態についての、図２に対応する図。
【図４ａ】  本発明の第２実施形態についての、図２ａに対応する図。
【図５】  本発明の第３実施形態についての、図２ａに対応する拡大図。
【図６】  本発明の第４実施形態についての、図２ａに対応する拡大図。
【図１】
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【図１ａ】
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【図２】
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【図２ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図４ａ】
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【図５】
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【図６】
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