(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス流体圧のプロセス流体に露呈されるハウジング（１１）と回転軸（１２）との間に流体シールを設定するためのメカニカルフェースシール（１０）であって、
第１圧力の第１流体に露呈される第１表面（１７２）と第２表面（１６４）の間に延長した、第１部分（２０ａ）及び第２部分（２０ｂ）を有する第１シール面（２０）を備えた第１シールリング（１６）と、
前記第１流体に露呈される第１表面（２０６）と第２表面（２１２）の間に延長しており、組み立てられた状態では前記第１シール面（２０）に対向する第２シール面（１８）を備えた第２シールリング（１４）と、
前記第１シール面（２０）と第２シール面（１８）の間に第２圧力の第２流体を導入し、前記第１圧力と第２圧力の差によって該第１シール面と第２シール面（１８）の間に開放力を醸成するための第２流体導入手段（２２８）と、
該シールに結合されている圧力調整システム（４００）にして、可動弁によって入力流体チャンバーと出力流体チャンバーとに分割され、入力流体チャンバー内のプロセス流体が可動弁に対し前記第１圧力に対応する力を及ぼし、出力流体チャンバー内のバリヤー流体が可動弁に対し前記第２圧力に対応する反対方向の力を及ぼし、これにより、前記開放力を前記第１流体の圧力と第２流体の圧力の間の差の関数として調整するための圧力調整システム（４００）と、
から成り、前記第１シールリング（１６）と第２シールリング（１４）の一方が前記軸と共に回転し、他方が回転しないように固定されていることを特徴とするメカニカルシール。
【請求項２】
前記第１流体はプロセス流体であり、前記第２流体はバリヤー流体であ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。
【請求項３】
前記第１シールリング（１６）の前記第１表面（１７２）は、外側半径方向表面であり、前記第２シールリング（１４）の前記第１表面（２０６）は、外側半径方向表面であることを特徴とする請求項１又は２に記載のメカニカルシール。
【請求項４】
前記第１シールリング（１６）と第２シールリング（１４）の一方に作用する閉鎖力を醸成するための閉鎖力醸成手段（２４０）を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のメカニカルシール。
【請求項５】
前記圧力調整システム（４００）は、前記両シール面の接触を阻止し、前記ハウジングと回転軸との間に流体シールを維持するために前記閉鎖力に対する前記開放力の比を前記第１流体と第２流体の間の圧力差の関数として調節することを特徴とする請求項４に記載のメカニカルシール。
【請求項６】
前記軸の回転中前記第１シール面（２０）の一部分と第２シール面（１８）の一部分とを分離させる流体動力学的流体力を該第１シール面（２０）の前記第２部分（２０ｂ）の少くとも一部分と第２シール面（１８）との間に創生するための流体動力学的流体力創生手段（１８０）を含むことを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
【請求項７】
前記第１圧力と第２圧力の差が、前記第１シール面（２０）の少くとも一部分と第２シール面（１８）の間に流体静力学的流体力を創生し、前記圧力調整システム（４００）は、前記第２流体の圧力を調節することによって前記第１及び第２シール面（１８）に作用する前記流体静力学的流体力を調節することを特徴とする請求項６に記載のメカニカルシール。
【請求項８】
前記第２シールリング（１４）に閉鎖流体力を作用させるために該第２シールリング（１４）の後面（２２０）に閉鎖流体圧の閉鎖用流体を導入するための閉鎖用流体導入手段（２４０）を含むことを特徴とする請求項７に記載のメカニカルシール。
【請求項９】
第２シールリング（１４）に閉鎖用流体を導入するための前記閉鎖用流体導入手段（２４０）は、該閉鎖用流体が、前記第２シール面（１８）の、前記第１シール面（２０）の前記第２部分（２０ｂ）にオーバーラップする部分に作用するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載のメカニカルシール。
【請求項１０】
第２シールリング（１４）に閉鎖用流体を導入するための前記閉鎖用流体導入手段（２４０）は、該閉鎖用流体が、前記第２シール面（１８）の、前記第１シール面（２０）の前記第１部分（２０ａ）にオーバーラップする部分に作用しないように構成されていることを特徴とする請求項９に記載のメカニカルシール。
【請求項１１】
前記圧力調整システム（４００）は、前記閉鎖用流体圧を調節することによって前記閉鎖力を調整することを特徴とする請求項９に記載のメカニカルシール。
【請求項１２】
前記圧力調整システム（４００）は、動作中前記両シール面の接触を阻止し、前記ハウジングと回転軸との間に流体シールを維持するために前記閉鎖力を前記流体静力学的流体力と前記流体動力学的流体力の和とバランスさせることを特徴とする請求項１１に記載のメカニカルシール。
【請求項１３】
前記圧力調整システム（４００）は、前記第２流体の圧力を調節することによって前記第１及び第２シール面に作用する流体静力学的流体力を調整するか、又は、前記閉鎖用流体の圧力を調節することによって前記閉鎖力を調整することを特徴とする請求項９に記載のメカニカルシール。
【請求項１４】
前記第２シールリング（１４）を前記ハウジング（１１）に連結するために該第２シールリング（１４）に結合されたグランド組立体（３０）を含み、該グランド組立体は、軸方向内側グランドプレート（３４）と、軸方向外側グランドプレート（３６）を含み、前記閉鎖用流体導入手段は、前記外側グランドプレート（３６）に形成された流体導管（２４０）を含み、該流体導管は、一端において前記第２シールリング（１４）の前記後面（２２０）近傍に開口し、他端において流体供給源に連通していることを特徴とする請求項８に記載のメカニカルシール。
【請求項１５】
第１シール面（２０）の第２部分（２０ｂ）の少くとも一部分と第２シール面（１８）との間に流体動力学的流体力を創生するための前記流体動力学的流体力創生手段（１８０）は、該第１シール面（２０）の第２部分（２０ｂ）に形成された複数のポンプ作用溝（１８０）を含むことを特徴とする請求項７に記載のメカニカルシール。
【請求項１６】
第１シール面と第２シール面の間に第２流体を導入するための前記第２流体導入手段（２２８）は、該第２流体を前記複数のポンプ作用溝（１８０）へ導入し、前記軸の回転中該ポンプ作用溝と該第２流体とが協同して前記第１シール面（２０）の一部分と第２シール面（１８）の一部分とを分離させる前記流体動力学的流体力を創生することを特徴とする請求項１５に記載のメカニカルシール。
【請求項１７】
第２流体を導入するための前記第２流体導入手段は、前記第２シールリング（１４）に形成された複数の軸方向通路（２２８）を含み、該各軸方向通路は、一端において前記第２シール面（１８）上に開口し、他端において流体供給源に連通していることを特徴とする請求項１６に記載のメカニカルシール。
【請求項１８】
第２流体を導入するための前記第２流体導入手段は、更に、前記第２シールリング（１４）に形成された円周溝（２３４）を含み、該円周溝は、前記軸方向通路（２２８）を該円周溝に開口させるように該第２シール面（１８）上に位置ぎめされていることを特徴とする請求項１７に記載のメカニカルシール。
【請求項１９】
前記円周溝（２３４）及び前記軸方向通路（２２８）は、前記第２流体を前記ポンプ作用溝（１８０）へ供給して前記流体動力学的流体力を創生するように、前記第１シール面（２０）の前記第２部分（２０ｂ）上に形成された前記ポンプ作用溝（１８０）の少くとも一部分と整合していることを特徴とする請求項１８に記載のメカニカルシール。
【請求項２０】
前記第１シールリング（１６）と第２シールリング（１４）の一方を前記回転軸（１２）に固定するためのスリーブ（１００）を含み、該スリーブは、該回転軸の周りにほぼ同心的に取り付けるように寸法づけされたフランジ付き端部と、該スリーブを前記回転軸と共に回転するように該軸に固定するための固定手段（１４４）を有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。
【請求項２１】
前記スリーブ（１００）を固定するための前記固定手段は、該スリーブの周りに同心的に取り付けられた環状のロックリング（１４４）を含み、該ロックリングには、前記回転軸に摩擦係合して該ロックリング及びスリーブを該回転軸に固定するための締着具（１４２）を受容するための複数の孔（１４０）が形成されていることを特徴とする請求項２０に記載のメカニカルシール。
【請求項２２】
前記軸（１２）を囲繞して前記ハウジング（１１）に取り付けるために寸法づけされており、前記第１シールリング（１６）と第２シールリング（１４）の一方を該ハウジングに連結するために該一方のシールリングに結合されたグランド組立体（３０）を含むことを特徴とする請求項２１に記載のメカニカルシール。
【請求項２３】
前記第１シールリング（１６）は、前記スリーブ（１００）と共に回転するように該スリーブに固定されており、前記第２シールリング（１４）は、前記グランド組立体（３０）に固定されていることを特徴とする請求項２２に記載のメカニカルシール。
【請求項２４】
前記第２シールリング（１４）と前記グランド組立体（３０）の間にシールを設定するために該第２シールリングとグランド組立体の間に介設された弾性部材（２３６）と、
該弾性部材を該第２シールリング及びグランド組立体に接触させるように軸方向及び半径方向に付勢するための圧縮手段（３００）を含むことを特徴とする請求項２３に記載のメカニカルシール。
【請求項２５】
前記圧縮手段は、前記弾性部材（２３６）に係合するための環状の内側フランジ付き部分を有する環状圧縮プレート（３００）から成ることを特徴とする請求項２４に記載のメカニカルシール。
【請求項２６】
前記環状の内側フランジ付き部分は、前記弾性部材（２３６）を前記第２シールリング及び前記グランド組立体に接触させるように軸方向及び半径方向に付勢するための軸方向及び半径方向に延長した角度付き表面（３１１）を含むことを特徴とする請求項２５に記載のメカニカルシール。
【請求項２７】
前記第１シールリング（１６）は、前記第１シール面（２０）の前記第１部分において半径方向に延長した第１外側シール面（２０ａ）と、該第１シール面（２０）の前記第２部分において半径方向に延長した第２内側シール面（２０ｂ）を有し、該第１外側シール面（２０ａ）と第２内側シール面（２０ｂ）とは、ほぼ同一平面内にあ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。
【請求項２８】
前記第２シール面（１８）は、前記第１シールリング（１６）の前記内側シール面（２０ｂ）と外側シール面（２０ａ）の少くとも一部分の上に重なるように寸法づけされていることを特徴とする請求項２７に記載のメカニカルシール。
【請求項２９】
前記第１外側シール面（２０ａ）は、前記第１シール面（２０）の外円周部分に沿って配置され、前記第２内側シール面（２０ｂ）は、前記第１シール面（２０）の内円周部分に沿って配置されて単一シールリング上に二重の同心シールを形成するようになされていることを特徴とする請求項２７に記載のメカニカルシール。
【請求項３０】
第１部分（２０ａ）と第２部分（２０ｂ）を有する第１シール面（２０）を備えた第１シールリング（１６）と、組み立てられたとき前記第１シール面（２０）に対向する第２シール面（１８）を備えた第２シールリング（１４）とを含む、ハウジング（１１）と回転軸（１２）の間に流体シールを設定するためのメカニカルシール（１０）の該両シール面（１４，１６）間の接触を阻止する方法であって、
前記第１シール面（２０）の少くとも一部分と前記第２シール面（１８）の少くとも一部分の間に流体静力学的流体力を創生するために該第１シール面（２０）と該第２シール面（１８）の間に流体を導入する工程と、
前記軸の高速回転中前記第１シール面（２０）と第２シール面（１８）を分離させる働きをする流体動力学的流体力を該第１シール面（２０）の前記第２部分（２０ｂ）の少くとも一部分と該第２シール面（１８）の少くとも一部分の間に創生する工程と、
前記軸の低速回転中前記第１シール面（２０）の前記第１部分（２０ａ）の少くとも一部分と前記第２シール面（１８）の少くとも一部分の間の接触を阻止するために該第１シール面（２０）の該第１部分（２０ａ）と該第２シール面（１８）の間の前記流体静力学的流体力を増大させる工程と、
から成る方法。
【請求項３１】
第１シール面（２０）の該第１部分（２０ａ）と第２シール面（１８）の間の流体静力学的流体力を増大させる前記工程は、該第１シール面の該第１部分と該第２シール面に作用する流体静力学的流体力を増大させるために該第１シール面の該第１部分と第２シール面の間に導入された前記流体の圧力を増大させる工程を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第２シール面（１８）の、前記第１シール面（２０）の前記第２部分（２０ｂ）にオーバーラップする部分に作用させるために閉鎖流体力を前記第２シールリング（１４）の後面（２２０）に創生する工程を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
動作中前記第１シール面と前記第２シール面の間の接触を阻止するために前記主として流体静力学的な流体力と閉鎖流体力の一方を調節する工程を含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記軸の低速回転中前記第１シール面（２０）の前記第１部分（２０ａ）の少くとも一部分を前記第２シール面（１８）の少くとも一部分から分離させるために該第１シール面（２０）の該第１部分（２０ａ）と該第２シール面（１８）の間の前記流体静力学的流体力を増大させる工程を含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１シール面（２０）と第２シール面（１８）へ導入される、前記プロセス流体とは別個のバリヤー流体を受け取るために該第１シール面（２０）に形成された複数の溝（１８０）と、
該第１シール面（２０）に形成された該複数の溝（１８０）へバリヤー流体を導入するために前記第２シール面（１８）に形成された円周溝（２３４）とを更に備え、
前記複数の溝（１８０）は、前記第１シール面（２０）上に２つの同心シール面（２０ａ，２０ｂ）を形成するように該第１シール面（２０）の外側ランドと内側ランドの間に配置されており、前記第２シール面（１８）は、組み立てられた状態では該溝（１８０）と、該内側ランドの少くとも一部分と、該外側ランドの少くとも一部分を覆って座着するように寸法づけされてい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。
【請求項３６】
前記第２シールリング（１４）内に形成された複数の軸方向通路（２３４）を含み、該各軸方向通路は、一端において前記第２シール面上に開口し、他端において流体供給源に連通していることを特徴とする請求項３５に記載のメカニカルシール。
【請求項３７】
前記円周溝（２３４）及び前記軸方向通路（２２８）は、該軸方向通路と該円周溝が前記第１シール面（２０）に形成された前記複数の溝（１８０）に流体を供給するように、該複数の溝の少くとも一部分と整合していることを特徴とする請求項３６に記載のメカニカルシール。
【請求項３８】
前記第１シールリング（１６）と前記第２シールリング（１４）の一方を前記回転軸（１２）に固定するためのスリーブ（１００）を含み、該スリーブ（１００）は、フランジ付き端部を有し、該回転軸（１２）の周りにほぼ同心的に取り付けるように寸法づけされており、該スリーブを該回転軸と共に回転するように該軸に固定するための固定手段（１４４）を含むことを特徴とする請求項３５に記載のメカニカルシール。
【請求項３９】
スリーブ（１００）を回転軸（１２）に固定するための前記固定手段（１４４）は、該スリーブの周りに同心的に取り付けられた環状のロックリング（１４４）を含み、該ロックリングには、前記回転軸に摩擦係合して該ロックリング及びスリーブを該回転軸に固定するための締着具（１４２）を受容するための複数の孔（１４０）が形成されていることを特徴とする請求項３８に記載のメカニカルシール。
【請求項４０】
前記軸（１２）を囲繞して前記ハウジング（１１）に取り付けるために寸法づけされており、前記第１シールリング（１６）と第２シールリング（１４）の一方を該ハウジングに連結するために該一方のシールリングに結合されたグランド組立体（３０）を含むことを特徴とする請求項３５に記載のメカニカルシール。
【請求項４１】
前記グランド組立体（３０）は、軸方向内側グランドプレート（３４）と、軸方向外側グランドプレート（３６）を含むことを特徴とする請求項４０に記載のメカニカルシール。
【請求項４２】
前記軸方向内側グランドプレート（３４）と軸方向外側グランドプレート（３６）の間にシールを設定するために該軸方向内側グランドプレートと軸方向外側グランドプレートの間に介設された弾性部材（５６）を含むことを特徴とする請求項４１に記載のメカニカルシール。
【請求項４３】
前記第２シールリング（１４）を前記ハウジング（１１）に連結するために該第２シールリングに結合されたグランド組立体（３０）と、
前記第１シールリング（１６）を前記回転軸（１２）に固定するためのスリーブ（１００）と、
該スリーブを前記回転軸と共に回転するように該軸に固定するためのロックリング（１４４）を含み、該スリーブは、フランジ付き端部を有し、該回転軸の周りにほぼ同心的に取り付けるように寸法づけされていることを特徴とする請求項３５に記載のメカニカルシール。
【請求項４４】
前記第２シールリング（１４）と前記グランド組立体（３０）の間にシールを設定するために該第２シールリングとグランド組立体の間に介設された弾性部材（２２６）と、
該弾性部材を該第２シールリング及びグランド組立体に接触させるように軸方向及び半径方向に付勢するための圧縮手段（３００）を含むことを特徴とする請求項４３に記載のメカニカルシール。
【請求項４５】
前記該圧縮手段（３００）は、前記弾性部材（２２６）に係合するための環状の内側フランジ付き部分を有することを特徴とする請求項４４に記載のメカニカルシール。
【請求項４６】
前記内側フランジ付き部分は、前記弾性部材（２２６）を前記第２シールリング（１４）及びグランド組立体（３０）に接触させるように軸方向及び半径方向に付勢するための軸方向及び半径方向に延長した角度付き表面（３１１）を含むことを特徴とする請求項４５に記載のメカニカルシール。
【請求項４７】
前記第２シールリング（１４）を貫通して形成された流体導管（２２８）を含み、該流体導管は、前記複数の溝（１８０）にバリヤー流体を供給するために該複数の溝に連通するための開口を前記第２シール面（１８）上に有していることを特徴とする請求項３５項に記載のメカニカルシール。
【請求項４８】
前記複数の溝（１８０）によって受け取られた前記バリヤー流体は、前記第１シール面（２０）の少くとも一部分を前記第２シール面（１８）の少くとも一部分から分離させるために該第１シール面（２０）の該少くとも一部分と該第２シール面（１８）の該少くとも一部分の間に流体動力学的流体力及び流体静力学的流体力を創生することを特徴とする請求項３５又は４７に記載のメカニカルシール。
【請求項４９】
前記バリヤー流体とプロセス流体との圧力差が、前記第１シール面（２０）の前記外側ランド部分（２０ａ）と第２シール面（１８）の少くとも一部分の間に主として流体静力学的な流体力を創生することを特徴とする請求項３５又は４８に記載のメカニカルシール。
【請求項５０】
前記両シール面へ導入された前記バリヤー流体の圧力を調節することによって該両シール面間の分離度を制御するための圧力調整システム（４００）を含むことを特徴とする請求項３５又は４９に記載のメカニカルシール。
【請求項５１】
前記第２シールリング（１４）に作用する閉鎖力を創生するために該第２シールリングの後面（２２０）へ閉鎖用流体を導入するための閉鎖用流体導入手段（２４０）を含むことを特徴とする請求項３５に記載のメカニカルシール。
【請求項５２】
前記閉鎖力は、前記第２シール面（１８）の、前記第１シール面（２０）に形成された前記複数の溝（１８０）にオーバーラップする部分に作用するように構成されていることを特徴とする請求項５１に記載のメカニカルシール。
【請求項５３】
前記閉鎖力は、前記第２シール面（１８）の、前記第１シール面（２０）の前記外側ランド部分（２０ａ）にオーバーラップする部分に作用しないように構成されていることを特徴とする請求項５２に記載のメカニカルシール。
【請求項５４】
前記第１シール面（２０）に形成された前記複数の溝（１８０）は、該第１シール面の少くとも一部分を前記第２シール面（１８）の少くとも一部分から分離させるために該第１シール面と第２シール面との間に流体動力学的流体力を創生することを特徴とする請求項３５に記載のメカニカルシール。
【請求項５５】
前記第２シールリング（１４）を貫通して形成された流体導管（２２８）を含み、該流体導管は、前記複数の溝（１８０）に前記バリヤー流体を供給するために該複数の溝に連通するための開口を前記第２シール面上に有していることを特徴とする請求項５４に記載のメカニカルシール。
【請求項５６】
前記第２シールリング（１４）を前記ハウジング（１１）に連結するために該第２シールリングに結合されたグランド組立体（３０）を含み、該グランド組立体は、軸方向内側グランドプレート（３４）と、軸方向外側グランドプレート（３６）を含むことを特徴とする請求項５５に記載のメカニカルシール。
【請求項５７】
前記外側グランドプレート（３６）に形成された第２流体導管（２４０）を含み、該第２流体導管は、一端において前記第２シールリング（１４）の前記後面近傍に開口し、他端において流体供給源に連通していることを特徴とする請求項５６に記載のメカニカルシール。
【請求項５８】
前記外側グランドプレート（３６）に形成された前記第２流体導管（２４０）は、前記流体供給源からの流体を前記第２シールリング（１４）に形成された前記流体導管（２２８）へ供給するように該流体導管（２２８）に連通していることを特徴とする請求項５７に記載のメカニカルシール。
【請求項５９】
請求項３０の方法の動作中にメカニカルシール（１０）の第２及び第１シール面（１８，２０）間の接触を阻止する方法であって、
前記第１シール面（２０）の前記第２部分（２０ｂ）の少くとも一部分と前記第２シール面（１８）の少くとも一部分の間に流体静力学的流体力を創生する工程が、前記第１シール面（２０）の前記第２部分（２０ｂ）の少くとも一部分を前記第２シール面（１８）の少くとも一部分から分離させるために該第１シール面（２０）の該第２部分の少くとも一部分と該第２シール面（１８）の少くとも一部分の間に流体動力学的流体力及び流体静力学的流体力を創生する工程を含む方法。
【請求項６０】
前記第１シールリングを前記ハウジング（１１）に連結するための、内側表面（７４，７６）を有するグランド組立体（３０）と、
前記第２シールリングとグランド組立体の間に流体シールを設定するための二次シール組立体とを更に備え、
該二次シール組立体は、
前面（３０６）と後面（３０７）を有する圧縮部材（３００）と、
該圧縮部材（３００）を軸方向に付勢するために該圧縮部材の後面（３０７）と前記グランド組立体（３０）の前記内側表面（７４，７６）の間に配置されたばね（２７０）と、
前記圧縮部材（３００）の前記前面（３０６）と前記第１シールリング（１４）の前記後面（２２０）の間に介設されたシール部材（２３６）とを備え、
前記第１シールリングの前記後面と前記圧縮部材の前記前面のうちの一方は、２つ以上の角度付き表面を有し、該角度付き表面のうちの少くとも２つの表面は、前記シール部材に密封力を付与するために該シール部材に接触しており、該少くとも２つの角度付き表面のうちの１つは、半径方向に延長していて該シール部材にほぼ軸方向の力を付与し、前記密封力は、前記第１シールリング（１４）と前記グランド組立体（３０）との間の流体漏れを防止するために前記シール部材を該第１シールリング及び該グランド組立体の前記内側表面（７１）に密封係合させることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルフェースシール。
【請求項６１】
前記圧縮部材（３００）の前記前面（３０６）は、第１表面（３１４）と、該第１表面に対して角度をなして延長した第２表面（３１２）を有することを特徴とする請求項６０に記載のメカニカルフェースシール。
【請求項６２】
前記第１表面と第２表面との間の前記角度は、鈍角であることを特徴とする請求項６１に記載のメカニカルフェースシール。
【請求項６３】
前記第１表面（３１４）は、半径方向に延長しており、前記シール部材（２３６）にほぼ軸方向の力を付与することを特徴とする請求項６２に記載のメカニカルフェースシール。
【請求項６４】
前記第２表面（３１２）は、前記シール部材（２３６）に半径方向及び軸方向の力を付与することを特徴とする請求項６３に記載のメカニカルフェースシール。
【請求項６５】
前記第１表面と第２表面との間の前記角度は、前記シール部材（２３６）に付与される半径方向の力を最少限にし、該シール部材（２３６）を前記グランド組立体（３０）の前記内側表面（７６）に密封接触した状態に維持するように選定されていることを特徴とする請求項６１に記載のメカニカルフェースシール。
【請求項６６】
前記第１シールリングの前記後面と、前記圧縮部材の前記前面とで、前記シール部材を受容するチャンバーを構成し、該チャンバーは、該シールの動作中前記圧縮部材の前記半径方向の熱膨張を可能にするように寸法づけされていることを特徴とする請求項６１に記載のメカニカルフェースシール。
【請求項６７】
前記角度付き表面の向きは、前記シール部材（２３６）と協同して他の構造体とは独立して該シール部材に作用する実質的に一定の半径方向内向き力を及ぼすように規定されていることを特徴とする請求項６１に記載のメカニカルフェースシール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、一般に、ハウジングと回転軸との間に流体シール（密封又は封止）を設定するためのシールに関し、特に、両シール面の一部分と一部分の間に流体を導入するようになされたメカニカルフェースシールに関する。
【０００２】
（従来の技術）
従来のメカニカルシールは、回転軸と静止ハウジングとの間に圧力密及び流体密のシール（封止）を設定するために広範囲な機械類で使用されている。シールは、静止ハウジング内に取り付けられ、かつ、そこから延長している回転軸の周りに配置される。シールは、典型的な例ではハウジングの軸出口にボルトによって固定され、それにより加圧されたプロセス流体がハウジングから漏出するのを防いでいる。従来のメカニカルシールには、軸の周りに同心的に、かつ、互いに軸方向に離隔して配置された１対の環状シールリングを具備した面型のメカニカルシールがある。各シールリングは、互いに物理的に接触するように付勢（偏倚）されたシール面を有する。通常は、一方のシールリングは静止し、他方のシールリングは軸に接触して軸と共に回転する。メカニカルシールは、シールリングのシール面を互いに物理的に接触させるように付勢することにより、加圧された流体が外部環境に漏れ出すことを防止している。面間が繰り返して物理的に接触する結果、シール面の摩耗が生じ、シールは、通常、望ましくない摩耗特性を示し、かつ、漏洩を生じる。
【０００３】
従来技術は、シールリング面の間に流体を介在させて摩擦による摩耗を減少させる非接触メカニカルシールを使用することにより、上記の問題点を解決することを試みている。従来の非接触メカニカルフェースシールは、代表的な例では、シールリングの一方のシール面に形成したらせん溝、又は、ローリー段溝のようなポンプ作用溝を使用して、シール面を分離する流体動力学的な持ち上げ力を生じさせている。得られる間隙は、流体がシール面間に配置されるようにして、シール面の摩擦と摩耗を防止する。
【０００４】
しかし、従来の非接触フェースシールは、ある性能面で最適とはいえない欠点を有する。例えば、シール面の流体動力学的な分離を得るために主として回転に依存するような非接触シールの設計では、始動時間、又は、軸の低速回転時間中に相当な量のシール面摩耗が起こりうる。このため、これらの従来の非接触メカニカルフェースシールは低速運転あるいは軸の頻繁な始動・停止を必要とする条件に対しては不適当である。
【０００５】
純粋に流体動力学的な非接触フェースシールに関連した問題を解決するために、流体静力学的及び流体動力学的なシールの組み合わせが設計されている。このような複合シールは、シール面の流体動力学な分離を行うために静圧力に依存することにより流体静力学的分離と回転を行っている。このような複合シールの性能はシール面間に形成される流体間隙の厚みが回転速度に依存して有意に変動するので、最適とはいえない。かかる従来の複合シールは、らせん溝により提供される実質的な大きさのポンプ力のために、流体静力学的動作（非回転）と流体動力学的動作（回転）の間で流体フィルム厚の実質的な差を生じる。高速度でシール面の間に形成される一層大きい間隙は、所望される以上の漏洩をシール面に沿って生じる。
【０００６】
かなりの数の従来型非接触フェースシールは３個以上のシールリングが軸の軸方向に配置された二重シール構造を使用している。このような二重シールは背中合わせで、あるいは向き合って、あるいは縦列構造で配置することができ、典型的にはシールリングの外径部に高圧バリヤー流体を使用する一方、シールリングの内径部にプロセス流体を維持する。バリヤー流体はシールリングの一方に形成したポンプ作用溝を介してシール面に導入される。
【０００７】
二重非接触シールは、又、多くの性能面で最適とはいえないことが分かっている。シールの内径部でプロセス流体を封じると、シール面の間にプロセス流体内の汚染物又は他の粒子が存在する結果となり、それによりシールの動作に干渉することがある。更に、バリヤー流体圧力が失われると、ある種の二重シール構造は流体密なシールを維持しなくなり、プロセス流体の漏洩を生じる。二重シール内に追加のシールリングを使用すると、過分にかさばったシールとなり、軸に沿った軸方向の空間が制限されている用途には望ましくない。更に、二重シールは通常ハウジングを修正してシールの増大した寸法を収容することを必要とし、その結果シールの設置と保守が複雑となり、かつ、費用がかさむことになる。
【０００８】
上記のように、非接触フェースシールの動作中には、シール面の分離が生じて流体が流れる間隙が形成される。封止流体の流通は避けがたいので、一般に従来のシステムではシール面に沿った流体の漏洩量は制限することが望まれる。
【０００９】
従来のメカニカルシールは、典型的な例では、静止シールの後面に二次シール組立体を取り付け、それにより静止シールリングの面を回転シール面に向けて偏倚させている。二次シール組立体は、ばねと、スペーサと、Ｏ−リングとを有する。Ｏ−リングは一般にスペーサプレートと、静止シールリングと、流体ハウジングとの間に取り付けられる。封止するＯ−リングが取り付けられる領域はＯ−リングを望ましくない程度に軸方向及び半径方向に撓ませ、かくして流体はシールリングの流体ハウジング又は他の部材に対する摩擦係合を相当に増大させる。ばね及びプレートは静止シールリングを回転シールリングに対して偏倚させることにより、リングを互いに相対移動させる軸方向の偏倚力を発生する。
【００１０】
これらの二次シールの欠点は、シール面のハングアップ（「引っ掛かり」又は「詰まり」）と呼ばれる現象のため、静止シールリングが回転シールリングを精密に追跡できないことである。これは典型的な例では動作中に発生する膨張、収縮又は他の典型的なシールリングの運動により、ロータが静止シールリングからかなり離隔したときに起きる。二次シールＯ−リングの摩擦係合は、そのシールリングが回転シールリングを追跡しないようにし、それによりこの間隙を閉鎖しないようにする。この問題はメカニカルシールが遮断されたときに悪化し、ロータはステータから軸方向に離隔する。次いでシールが始動したとき、シール面の分離が過剰なシール漏れを生じる。ある場合には、メカニカルシールはシールリングが適正な封止を行うとすることに抵抗する。そうするとシール部品の交換が必要となる。
【００１１】
（発明が解決しようとする課題）
上記の、及びその他の従来技術によるシールは最適とはいえないことが分かっているので、本発明の目的は、広範囲な動作範囲で動作しうる改良された非接触メカニカルフェースシールを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、軸速度にあまり依存しない流体密な封止を維持する非接触メカニカルフェースシールを提供することである。
【００１３】
本発明の更に他の目的は、低い軸速度でシール面の接触を極小にし、軸の頻繁な始動及び停止を要する用途に適した非接触メカニカルフェースシールを提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、小型の構造で、ハウジングの修正なしに設置できる非接触フェースシールを提供することである。
【００１５】
本発明の更に他の目的は、流体静力学的及び流体動力学的動作の利益を同時に提供できる非接触型メカニカルシールを提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、Ｏ−リングの履歴現象を緩和するシール構造を有する非接触型メカニカルシールを提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、シール部材に対して比較的低い摩擦係合をすることにより、シールリングが使用中に適正な間隙を維持できるようにする二次シール組立体を提供することである。
本発明の他の目的は、図面及び以下の説明から明らかになろう。
【００１８】
（課題を解決する手段）
本発明のこれら及び他の目的は、ハウジングと回転軸の間に流体シールを行う本発明のメカニカルシールにより達成されるもので、本発明のシールは低い軸速度での動作を含めて広範囲な動作に適している。このシールはシール面の間に流体、好ましくはバリヤー流体を導入するための備えを有する非接触型シールであることが好ましい。本発明のシールは第１シール面を有する第１シールリングと、第２シール面を有する第２シールリングとを含んでいる。第１シールリングの第１の表面と第２シールリングの第２の表面はプロセス流体のような第１流体に露出される。両シール面間の接触を阻止する開放力が第１シール面と第２シール面の間に発生する。シールは更に、両シール面に作用する開放力を、両シール面間に導入される流体の圧力と第１流体の圧力の間の差の関数として調整するための手段を有する。
【００１９】
好ましい実施例では、第１シールリングの第１の表面及び第２シールリングの第２の表面はシールの半径方向外側表面である。このようにして、第１流体はシールの半径方向外側の表面で保持される。別法として、第１流体はシールの半径方向内側の表面により維持されても良い。
【００２０】
本発明のシールは、又、シールリングの一つの上に閉鎖力を生じさせる手段を含むことができる。好ましくは、シールは更に開放力の閉鎖力に対する比を、シール面の間に導入される流体と第１流体との間の圧力差の関数として調整する手段を含む。
【００２１】
本発明のメカニカルシールは、好ましくは、第１シール面の第２の部分に形成された複数のポンプ作用溝を使用して、第１シール面の少なくとも一部と第２シール面の少なくとも一部との間に流体動力学的な流体力を与える。バリヤー流体が第１シール面に形成されたポンプ作用溝に導入され、ポンプ作用溝と流体とにより、第１及び第２シール面の間に、第１シール面の少なくとも一部と第２シール面の少なくとも一部を選択的に分離する流体静力学的及び流体動力学的流体力を発生する。
【００２２】
好ましい実施例では、複数の通路を第２シールリングの内部に形成して第１シール面に形成されたポンプ作用溝にバリヤー流体を導入することができる。各通路は一端で第２シール面に開口し、他端で流体供給源に連通することができる。第２シール面には円周方向の溝を形成して、これらの通路が第２シール面上の円周方向の溝に開口するように位置づけても良い。円周方向溝及び通路は好ましくは第１シール面に形成されたポンプ作用溝の少なくとも一部に連通し、それによりこれらの通路及び円周方向溝が流体をポンプ作用溝に供給して流体動力学的流体力を発生するようにする。
【００２３】
好ましい実施例では、本発明のシールは、更に、溝に導入されるバリヤー流体の圧力を調整することによりシール面の分離を制御する流体制御手段を含むことができる。好ましくは、流体制御手段はシールの作動中にプロセス流体圧力を超えてバリヤー流体の圧力を調整することにより、シール面間に形成される間隙の厚さを調整する。
【００２４】
本発明のメカニカルシールは、第１シールリングを回転軸に固定するためのスリーブを含むことができる。スリーブはフランジ付き端部を有し、回転軸の回りにほぼ同心的に取り付けられるような寸法を有する。シールは更にスリーブ（従って第１シールリング）を回転軸に固定するためにスリーブの周りに同心的に取り付けられた環状ロックリングを含むことができる。ロックリングは回転軸に摩擦係合するファスナーを受けるためにその中に形成された複数の開口を有し、それによりロックリングとスリーブを軸に固定することができる。
【００２５】
本発明のメカニカルシールは、軸の周りでハウジングに取り付けられる寸法を有するグランド（パッキン押さえ）組立体を含むことができる。グランド組立体は第２シールリングに結合されていて、第２シールリングをハウジングに結合し、そして、これにより第２シールリングの回転を抑制する。グランド組立体は軸方向の内外側グランドプレートを有することができる。Ｏ−リングのような弾性部材が内側グランドプレートと外側グランドプレートとの間に介在されて両者間に封止を形成する。
【００２６】
Ｏ−リングのような弾性部材を第２シールリングとグランド組立体との間に挿入して第２シールリングとグランド組立体との間を封止することができる。弾性部材を第２シールリングとグランド組立体に接触させるように軸方向及び半径方向に偏倚させるために圧縮部材を使用してもよい。圧縮部材は好ましくは弾性部材に係合する環状内側フランジ部を有する環状圧縮プレートである。内側フランジ部は弾性部材を第２シールリング及びグランド組立体と接触させるように半径方向及び軸方向に偏倚させるための軸方向及び半径方向に延びる傾斜表面を備えることができる。
【００２７】
本発明のメカニカルシールは、随意選択として、閉鎖用流体を第２シールリングの後面に導入して第２シールリングに閉鎖力を与える手段を有してもよい。閉鎖力は好ましくは第２シール面が第１シール面に重畳（オーバーラップ）する部分に作用する。この閉鎖用流体手段は外側グランドプレート内に形成された流体管路であって、一端が第２シールリングの後面近くに開口し、他端で流体供給源に連絡している流体管路を含む。好ましくは、共通の流体供給源が閉鎖用流体手段への閉鎖用流体と、シール面に導入するバリヤー流体との両者を供給する。
【００２８】
本発明は、又、第１シールリング、第２シールリング、及びグランド組立体と共に使用するための、本発明の二次シール組立体を具備することができる。二次シール組立体は前面と後面とを有する圧縮部材と、圧縮部材の後面とグランド組立体の内表面との間に介在されて圧縮プレートを軸方向に偏倚させる弾性部材と、圧縮部材の前面と第１シールリングの後面との間に介在するシール部材とを含む。圧縮部材の前面はシール部材に軸方向及び半径方向のシール力を付与するように構成されている。この軸方向及び半径方向のシール力は、シール部材を第１シールリング及びグランド組立体の内表面と密封係合させることにより第１シールリング及びグランド組立体との間の流体漏れを防ぐ。
【００２９】
圧縮部材の前面は、任意に第１表面及びそれに対して傾斜する第２表面を有してもよい。好ましい実施例では、第１表面と第２表面の角度は鈍角をなし、そのため、第２表面が半径方向と軸方向の力をシール部材に及ぼす。又、第１及び第２表面間の角度は、シール部材に加わる半径方向の力を最小にし、同時にシール部材をグランド部材の内側表面に接触させておくように選択されることが好ましい。このようにして、シール部材と第１シールリング、及びグランド組立体の間の摩擦力が最小になる一方で、第２シールリングとグランド組立体の間の流体密封をを維持することができる。摩擦力を最小にすることにより、シール部材による第１シールリングのハングアップが阻止される。
【００３０】
好ましい実施例では、第１シールリングの後面及び圧縮部材の前面はシール部材を受けるチャンバーを形成する。チャンバーと二次シール組立体はシールの動作中にシール部材の軸方向の熱膨張を許容する。このようにして、シール部材と第１シールリングの間に増大した摩擦力を生じるチャンバー内でのシール部材の望ましくない圧縮は防止される。
【００３１】
本発明は、又、低い軸速度を含む広範囲の動作条件で動作するのに適したメカニカルシールを提供する。シールは好ましくはシール面の一つの一部に流体静力学的な動作を与え、シール面の他の部分に静流体及び流体動力学的な動作を与える非接触シールであることが好ましい。従って、本発明のメカニカルシールは、流体静力学的な流体力にのみ露呈されるシール面の部分を有する事により、軸速度とは独立して、シール面の部分的な、又は、完全な分離を可能にする。このようにして、始動時又は低軸速度におけるシール面間の接触は最低限に抑制されるか、又は完全に無くなり、シール面の摩擦が減じる。更に、本発明のメカニカルシールは高軸速度において流体動力学的な動作の利点を提供し、それによりシールに対する有利な動作条件の範囲を拡大する。
【００３２】
好ましい実施例では、本発明のメカニカルシールは第１シール面を有する第１シールリングと、第２シール面を有する第２シールリングとを含んでいる。第一シール面は更に第１部分と第２部分を有する。第１及び第２シールリングは組み付けられると互いに対向する。シールリングの一方は回転軸と共に回転するように適合し、他方のシールリングは回転を抑制される。両シール面は主として第１シール面の第１部分の少なくとも一部と第２シール面の少なくとも一部との間に流体静力学的流体力を生じる。更に、シール面は第１シール面の第２部分の少なくとも一部と第２シール面の少なくとも一部との間に流体動力学的流体力と流体静力学的流体力とを生じる。
【００３３】
好ましくは、第１シールリングは、第１の半径方向に延びる外側シール面を第１シール面の第１部分に有し、又、第２の半径方向に延びる内側シール面を第１シール面の第２部分に有する。これら第１外側シール面と第２シール面はほぼ同一平面内にある。好ましくは、第２シール面は第１シールリングの内側及び外側シール面の一部にオーバーラップ（重畳）し、これにより両シールリングは流体静力学的流体力と流体動力学的流体力を、シール面のオーバーラップによりダム部分が形成される結果として発生することができる。第１外側シール面は第１シール面の外側円周部分に沿って配置され、第２内側シール面は第１シール面の内側円周部分に沿って配置され、それにより単一シールリングの面に二重同心シールを形成することができる。
【００３４】
本発明のメカニカルシールは、好ましくは、第１シール面の第２の部分に形成された複数のポンプ作用溝を使用して、第１シール面の少なくとも一部と第２シール面の少なくとも一部との間に流体動力学的な流体力を与える。バリヤー流体が第１シール面に形成されたポンプ作用溝に導入され、ポンプ作用溝と流体とにより、第１及び第２シール面の間に、第１シール面の少なくとも一部と第２シール面の少なくとも一部を選択的に分離する流体静力学的及び流体動力学的流体力を発生する。
【００３５】
好ましい実施例では、複数の通路を第２シールリングの内部に形成して第１シール面に形成されたポンプ作用溝にバリヤー流体を導入することができる。各通路は一端で第２シール面に開口し、他端で流体供給源に連通することができる。第２シール面には円周方向の溝を形成して、これらの通路が第２シール面上の円周方向の溝に開口するように位置づけても良い。円周方向溝及び通路は好ましくは第１シール面に形成されたポンプ作用溝の少なくとも一部に連通し、それによりこれらの通路及び円周方向溝が流体をポンプ作用溝に供給して流体動力学的流体力を発生するようにする。
【００３６】
好ましい実施例では、本発明のシールは更に溝に導入されるバリヤー流体の圧力を調整することによりシール面の分離を制御する流体制御手段を含むことができる。好ましくは、流体制御手段はシールの作動中にプロセス流体圧力を超えてバリヤー流体の圧力を調整することにより、シール面間に形成される間隙の厚さを調整する。
【００３７】
本発明のメカニカルシールは、第１シールリングを回転軸に固定するためのスリーブを含むことができる。スリーブはフランジ付き端部を有し、回転軸の回りにほぼ同心的に取り付けられるような寸法を有する。シールは更にスリーブ（従って第１シールリング）を回転軸に固定するためにスリーブの周りに同心的に取り付けられた環状ロックリングを含むことができる。ロックリングは回転軸に摩擦係合するファスナーを受けるためにその中に形成された複数の開口を有し、それによりロックリングとスリーブを軸に固定することができる。
【００３８】
本発明のメカニカルシールは、軸の周りでハウジングに取り付けられる寸法を有するグランド（パッキン押さえ）組立体を含むことができる。グランド組立体は第２シールリングに結合されていて、第２シールリングをハウジングに結合し、そして、これにより第２シールリングの回転を抑制する。グランド組立体は軸方向の内外側グランドプレートを有することができる。Ｏ−リングのような弾性部材が内側グランドプレートと外側グランドプレートとの間に介在されて両者間に封止を形成する。
【００３９】
Ｏ−リングのような弾性部材を第２シールリングとグランド組立体との間に挿入して第２シールリングとグランド組立体との間を封止することができる。弾性部材を第２シールリングとグランド組立体に接触させるように軸方向及び半径方向に偏倚させるために圧縮部材を使用しても良い。圧縮部材は好ましくは弾性部材に係合する環状内側フランジ部を有する環状圧縮プレートである。内側フランジ部は弾性部材を第２シールリング及びグランド組立体と接触させるように半径方向及び軸方向に偏倚させるための軸方向及び半径方向に延びる傾斜表面を備えることができる。
【００４０】
本発明のメカニカルシールは、随意選択として、閉鎖用流体を第２シールリングの後面に導入して第２シールリングに閉鎖力を与える手段を有してもよい。閉鎖力は好ましくは第２シール面が第１シール面にオーバーラップする部分に作用する。この閉鎖用流体手段は外側グランドプレート内に形成された流体管路であって、一端が第２シールリングの後面近くに開口し、他端で流体供給源に連絡している流体管路を含む。好ましくは共通の流体供給源が閉鎖用流体手段への閉鎖用流体と、シール面に導入するバリヤー流体との両者を供給する。
【００４１】
本発明は、又、第１シールリング、第２シールリング、及びグランド組立体と共に使用するための、本発明の二次シール組立体を具備することができる。二次シール組立体は前面と後面とを有する圧縮部材と、圧縮部材の後面とグランド組立体の内表面との間に介在されて圧縮プレートを軸方向に偏倚させる弾性部材と、圧縮部材の前面と第１シールリングの後面との間に介在するシール部材とを含む。圧縮部材の前面はシール部材に軸方向及び半径方向のシール力を付与するように構成されている。この軸方向及び半径方向のシール力は、シール部材を第１シールリング及びグランド組立体の内表面と密封係合させることにより第１シールリング及びグランド組立体との間の流体漏れを防ぐ。
【００４２】
圧縮部材の前面は、随意選択として、第１表面及びそれに対して傾斜する第２表面を有してもよい。好ましい実施例では、第１表面と第２表面の角度は鈍角をなし、そのため、第２表面が半径方向と軸方向の力をシール部材に及ぼす。又、第１及び第２表面間の角度は、シール部材に加わる半径方向の力を最小にし、同時にシール部材をグランド部材の内側表面に接触させておくように選択されることが好ましい。このようにして、シール部材と第１シールリング、及びグランド組立体の間の摩擦力が最小になる一方で、第２シールリングとグランド組立体の間の流体密封をを維持することができる。摩擦力を最小にすることにより、シール部材による第１シールリングのハングアップが阻止される。
【００４３】
好ましい実施例では、第１シールリングの後面及び圧縮部材の前面はシール部材を受けるチャンバーを形成する。チャンバーと二次シール組立体はシールの動作中にシール部材の軸方向の熱膨張を許容する。このようにして、シール部材と第１シールリングの間に増大した摩擦力を生じるチャンバー内でのシール部材の望ましくない圧縮は防止される。
本発明のこれらの及び他の特徴と利点は、添付図面に関連した次の詳細な説明からより完全に理解できるであろう。これらの図で同じ参照符号はすべての図面で同様な部材を示す。図面は本発明の原理を例示するものであって、一般に、又は、場合により寸法通りではないが、相対的な寸法の場合がある。
【００４４】
（実施形態の説明）
本発明によるメカニカルフェースシール１０（以下、「メカニカルシール」又は単に「シール」とも称する）は、図１、２及び３に示されている。図示のメカニカルフェースシール１０は、軸１２の周りに同心的に装着され、ポンプ等の流体ハウジング１１の外壁に固定される。軸１２は、軸線１３に沿って延長し、少くとも部分的にハウジング１１内に取り付けられる。シール１０は、ハウジング１１と軸１２の間に流体密封を設定し、それによってプロセス媒体又はプロセス流体がハウジング１１から逃出するのを防止するように構成されている。流体密封は、図７及び８に示されるように、それぞれ半径方向の円弧状シール面（シール面）１８，２０を有する静止シールリング（「第１シールリング」とも称する）１４と回転シールリング１６（「第２シールリング」とも称する）によって設定される。静止シールリング１４のシール面１８は、以下に詳述するように、シールリング１６のシール面２０と密封関係をなすように付勢（偏倚）されている。従って、これらの個々のシール面は、以下に詳述するように、広範囲の動作条件下で、かつ、広範囲の稼働時間に亘って動作可能な流体シールを形成する。
【００４５】
ここでいう「プロセス媒体」及び「プロセス流体」とは、一般に、ハウジング１１を通して移送される媒体又は流体のことをいう。例えばポンプ用例の場合は、プロセス媒体は、ポンプハウジングを通して移送される流体である。
ここでいう「軸方向の」及び「軸方向に」という用語は、軸の軸線１３に対してほぼ平行な方向を意味し、「半径方向の」及び「半径方向に」という用語は、軸の軸線１３に対してほぼ垂直な方向を意味する。
【００４６】
このメカニカルシール１０は、第１シールリング１４のシール面１８と第２シールリング１６のシール面２０との間にバリヤー流体が導入される非接触型のメカニカルフェースシールであることが好ましい。又、本発明のシールに用いられるバリヤー流体は、ガスであることが好ましい。非接触型メカニカルフェースシールにおいては、バリヤー流体シール面１８の半径方向部分の大部分とシール面２０の半径方向部分の大部分との間の接触を最小限又は抑止又は防止する働きをし、それによってシール面１８と２０間の摩擦係合を、従って摩耗を少なくする。従って、非接触型メカニカルフェースシールには、シール面間を常時完全分離状態に維持する構成、シール面間を一定の条件下において（即ち、軸の回転中）完全分離状態に維持する構成、あるいは、シール面間を時に応じて又は部分的に分離状態に維持する構成等がある。これに対して、接触型メカニカルフェースシールには、シール面間の部分的な又は完全な接触を維持する構成等がある。いずれのタイプのシールにおいても、バリヤー流体は、シール面に及ぼされる熱応力作用を小さくするためにシール面から熱を搬出するための熱移送媒体として機能する。
【００４７】
図１〜５を参照して説明すると、図示のメカニカルシール１０は、静止シールリング１４及び回転シールリング１６の他に、シールグランド組立体３０と回転シールリングスリーブ１００を含む。シールグランド組立体３０は、１対のグランドプレート、即ち、内側グランドプレート（以下、単に「グランド」とも称する）３４と外側グランドプレート（以下、単に「グランド」とも称する）３６を含む。内側グランドプレート３４は、軸１２の周りに同心的に装着され、ハウジング１１に連結するためにハウジング１１に近接して位置づけされる。外側グランドプレート３６は、軸線１３に近接しそれに沿って軸方向に内側グランドプレート３４にほぼ平行に位置づけされる。
【００４８】
図４を参照して説明すると、内側グランドプレート３４は、内側半径方向表面３８及び外側半径方向表面４０と、内側軸方向表面４２及び外側軸方向表面４４を有する。内側軸方向表面４２は、ハウジング１１に近接して位置づけされ、図１に明示されているように内側半径方向表面３８に近接したところにハウジングガスケット溝４８を有する。溝４８は、好ましくは該溝の深さより大きい軸方向寸法を有する扁平な環状ハウジングガスケット５０を座着させ、それによってメカニカルシール１０とハウジング１１との間に圧力密及び流体密シールを設定する。ハウジングガスケット５０は、溝４８内に装着し、接着剤によって固定することが好ましい。この構成は、メカニカルシール１０とハウジング１１が組み合わされたとき、プロセス媒体が両者の合致部分に沿って漏出するのを防止する働きをする。
【００４９】
図１〜４を参照して説明すると、半径方向の表面５４を有する環状の内側グランドプレート密封部分即ちカラー５２が、外側表面４４から軸方向外方へ突設されている。内側グランドプレート密封部分５２の半径方向表面５４は、内側グランドプレート３４と外側グランドプレート３６とが合着されたとき両者間に密封を設定するようにグランドプレートＯ−リング５６に圧接するように寸法づけされている。
【００５０】
外側グランドプレート３６は、図１〜及び５Ａに示されるように、内側軸方向表面５８及び外側軸方向表面６０と、内側半径方向表面６２及び外側半径方向表面６４を有する。内側半径方向表面６２は、外側軸方向表面６０の側から順に、第１半径方向表面６８と、それから半径方向内方へ段をなした第２半径方向表面６８を含む。第２半径方向表面６８には、第１半径方向表面６８に近接した部位にグランドガスケット溝７０が形成されている。第２半径方向表面６８は、第１軸方向表面７２を介して第３内側半径方向表面７４に連接している。第３半径方向表面７４は、第２軸方向表面７６を介して第４内側半径方向表面７８に連接している。
【００５１】
図５Ａに示されるように、静止シールリング１４の第１軸方向表面７２と、第３半径方向表面７４と、第２軸方向表面７６とによって静止シールリング受容チャンバー９０が形成される。第１表面７２には、静止シールリング１４に圧接して密封するためのＯ−リングのような弾性（エラストマー）部材９４を座着させるための溝９２が形成されている。
【００５２】
グランドプレートＯ−リング５６は、外側グランドプレート３６のグランドガスケット溝７０内に座着される。グランドプレート３４と３６が組み合わされると、内側グランドプレート密封部分の半径方向表面５４がグランドプレートＯ−リング５６に当接しそれを圧縮しグランドガスケット溝７０内へ押し込む。かくして、グランドプレートＯ−リング５６は、両グランドプレート間に流体密及び圧力密シールを設定する働きをする。更に、環状カラー５２の外径は、溝７０の外径より僅かに小さい寸法とされており、それによって、組み立てられたとき、カラー５２の外表面が溝７０の半径方向外側壁に近接するか、合致するようになされている。
【００５３】
グランドプレート３４，３６は、各々、本発明のメカニカルシール１０をハウジング１１に取り付けるためのボルト（図示せず）を受容する４つのファスナー（締着具）受容凹部８０を有する。あるいは別法として、シール１０のハウジング１１に対する着脱を容易にするためにシール１０の外周縁の周りにボルト挿通耳片を設けてもよい。それに適する耳片の例は、いずれも本出願人自身の米国特許第５，２０９，４９６号及び５，５７１，２６８号（その記載内容が本明細書に編入されているものとする）に示されている。各グランドプレートは、又、内側グランドプレート３４を外側グランドプレート３６に結合するためのボルト８４を受容する２つの締着孔８４を備えている。
【００５４】
図１〜３及び６に示されるように、グランド組立体３０によって形成されるチャンバー内に回転シールリングスリーブ１００が配設される。回転シールリングスリーブ１００は、軸方向外端１０４及び軸方向内端１０６と、外側表面１０８及び内側表面１１０を有する軸方向の円筒形スリーブ本体１０２を含む。スリーブ１００の外側表面１０８は、外端１０４に近接した部位に第１外側表面１１２を有し、内端１０６に近接した部位に第１外側表面１２から半径方向外方に段をなした第２外側表面１１４を含む。好ましい実施形態では、第１外側表面１１２の外径を外側グランドプレート３６の内側軸方向表面５８の直径より小さくする。それによって得られるクリアランスにより、スリーブ１００をグランド組立体３０内に遊嵌状態で回転自在に座着させることができる。
【００５５】
スリーブ１００の内側表面１１０の直径は、図１に示されるように、スリーブ１００を装着すべき軸１２の直径より僅かに大きい径とすることが好ましい。内側表面１１０には、軸ガスケット１１８を装着するための環状チャンネル１１６が形成されている。ガスケット１１８は、チャンネル１１６内に装着されると、軸１２に密封嵌合し、スリーブと軸との界面に沿って流体密シールを設定する（図１）。
【００５６】
図１及び６を参照して説明すると、軸方向内端１０６に近接した部位でスリーブ本体１０２から半径方向外方にフランジ１２０が突設されている。フランジ１２０は、内側軸方向表面１２２と外側軸方向表面１２４を有し、内側軸方向表面１２２外側軸方向表面１２４の間に延長した外側半径方向表面１２６を有する。外側半径方向表面１２６の直径は、内側グランドプレート３４の内側半径方向表面３８の直径より小さくすることが好ましい。それによって得られるクリアランスにより、フランジ１２０をグランド組立体３０内に遊嵌状態で回転自在に座着させることができる。
【００５７】
外側表面１２４には、後述するＯ−リングのような弾性密封部材１３０を受容するための環状溝１２８が形成されている。スリーブ１００の外側表面１２４から軸方向外方へ段をなして第１外側表面１３２が形成され、環状溝１２８の半径方向外側に位置している。
【００５８】
図１及び６に示されるように、フランジ１２０には、各々駆動ピン１３６の一端を受容する複数の孔１３４が穿設されている。駆動ピン１３６の他端は、回転シールリング１６の対応するスロット１３８に受容される。駆動ピン１３６は、回転シールリング１６に回転運動を与えるためのものである。
【００５９】
スリーブ１００の軸方向外端１０４は、図２、３及び６に示されるように、ねじ１４２を装着する複数のいろいろなサイズの孔１４０を有する。それらのねじは、図１１に示されるように、ロックリング１４４を通してスリーブに装着される。ねじ１４２は、スリーブ１００を半径方向及び軸方向に固定し、それによって、回転シールリング１６を軸１２にそれと一緒に回転するように固定するためのものである。
【００６０】
回転シールリングのスリーブ１００、グランド組立体３０及びロックリング１４４は、例えばステンレス鋼又はその他の合金等の適当な剛性材料で形成することができる。
【００６１】
図１〜３、７及び７Ａを参照して説明すると、回転シールリング１６は、円弧状内側表面１６２を有する。内側表面１６２は、回転シールリング１６のシール面２０から軸方向に延長した第１軸方向表面１６４を含む。回転シールリング１６の第１表面１６４の内径は、該リングをスリーブ１００に取り付けることができるようにスリーブ１００の第２外側表面１１４の直径より大きいか、それに等しい大きさとすることが好ましい。第１表面１６４は、半径方向の連接表面１６８を介して第２表面１６６に連接されている。回転シールリング１６の第２表面１６６は、Ｏ−リングのような弾性調心部材１７０を収容するために第１表面１６４から半径方向外方に段になされている。弾性調心部材１７０は、スリーブ１００の第２外側表面１１４並びに回転シールリングの第２表面１６６及び連接壁１６８に座着して回転シールリング１６をスリーブ１００の周りに（スリーブ１００を中心として）調心する。
【００６２】
回転シールリングは、実質的に平滑な、円弧状の外側軸方向表面１７２を有している。この外側表面１７２の直径は、内側グランドプレート３４の内側表面３８の直径より小さくすることが好ましい。
【００６３】
回転シールリング１６は、外側表面１７２と内側表面１６６との間に半径方向に延長する後面１７４を有する。弾性密封部材１３０は、回転シールリング１６の外側表面１７２に密封圧接し、環状溝１２８内に座着して回転シールリング１６とスリーブ１００との間に流体密、かつ、圧力密シールを設定する。スリーブ１００の第１外側表面１３２は、又、回転シールリング１６の後面１７４にも当接する。第１外側表面１３２は、回転シールリングをスリーブ１００上に支持するのを助成し、弾性シールリング１３０の圧縮度を制限するとともに、圧力下での回転シールリングの枢動及びコーニング現象を制御する。
【００６４】
図示の実施例では、回転シールリングセグメントのシール面２０に、図７に示されるように複数のポンプ作用溝１８０が形成されている。ここで、「ポンプ作用溝」とは、流体と協同して、シール面間に流体動力学的持ち上げ力のような持ち上げ圧力界を創生する、一方又は両方のシールリングに形成された任意のタイプの表面凹部のことをいう。これらのポンプ作用溝には、使用中、流体と協同して、シール面を持ち上げてシール面同志を互いに分離させる働きをするらせん形溝又はローリー段溝のような任意の適当な凹部を形成することができる。好ましい実施形態では、溝１８０は、軸１２の回転速度に応じてシール面を流体動力学的に互いに分離させる働きをするらせん形溝である。説明の便宜上、以下の説明ではこれらの溝をらせん溝と称するが、他のタイプの溝を用いることができることは当業者には明らかであろう。好ましい実施形態では、らせん溝１８０は、回転シールリング１６の内側表面１６２と外側表面１７２との間に半径方向に設けられている。従って、らせん溝１８０は、回転シールリング１６のシール面２０を２つの同心シール面２０ａと２０ｂに分割する。かくして、単一のシールリング上に別個の同心シール面２０ａ，２０ｂを有する二重シールが形成される。図７Ａを参照して説明すると、第１同心シール面２０ａは、外側表面１７２に端を発し、らせん溝１８０の半径方向外側縁にまで延長している。第２同心シール面２０ｂは、らせん溝１８０の半径方向内側縁から回転シールリングの内側表面１６２にまで、あるいは別法として、らせん溝１８０の半径方向外側縁から回転シールリングの内側表面１６２にまで延長させる。従って、第２同心シール面２０ｂは、らせん溝１８０と、それらより半径方向内側に位置するシール面２０ｂのランド部分又はダム部分を備えたものとすることができる。好ましい実施形態では、これらの同心シールは、同一平面内に配置する。
【００６５】
静止シールリング１４と回転シールリング１６とは、組み立てられると、実質的に心合し、シール面１８が、シール面２０ａ、らせん溝１８０及びシール面２０ｂの少くとも一部分の上に重なる、即ち整合する。この構成により、らせん溝１８０のどちら側かにシール面１８，２０を通しての流体の漏れを制御又は調整する働きをするダム部分又はランドが形成される。図示の実施例では、静止シールリング１４のシール面１８は、第１同心シール面２０ａの相当大きな部分と、第２同心シール面２０ｂの相当大きな部分に重なる。
【００６６】
図１を参照して説明すると、溝１８０は、静止シールリング１４のシール面１８に連通している。後に詳述するように、通常、プロセス流体圧Ｐp及び周囲圧Ｐaより高い所定の調整された圧力のバリヤー流体が、静止シールリング１４に形成されたバリヤー流体導管２２８を通してらせん溝１８０へ導入される。このバリヤー流体は、シール面１８と２０に分離力（開放力）を及ぼす働きをする。この分離力は、シール面１８の半径方向部分と、シール面２０ａ，２０ｂの半径方向部分との間の接触を最小限にする、又は抑止又は防止する働きをし、それによってシール面１８と、２０ａ，２０ｂ間の摩擦係合を、従って摩耗を少なくする。
【００６７】
シール面間に醸成される分離力のタイプは、回転シール面２０の半径方向に沿って異なる。第１同心シール面２０ａにおいては、分離力は、主として又はほぼ完全に静水圧分離力である。ここで、「流体静力学的分離力」及び「流体静力学的流体力」とは、軸の回転速度とは独立しており、それが作用する面領域に生じる圧力差の大きさに少くとも部分的に、好ましくは著しく依存する大きさを有する力のことをいう。従って、シール面２０ａに、並びにそれに対応するシール面１８に作用する主として流体静力学的な分離力の大きさは、シール面２０ａに沿ってのバリヤー流体圧Ｐbとプロセス流体圧ＰPとの間の圧力差の大きさに少くとも部分的に依存し、軸１２、従って回転シールリング１６が回転する速度からは独立している。（ここで、「主として流体静力学的な」とは、「流体静力学的な要素が優勢である」、又は、「大部分が流体静力学的である」という意味である。）
【００６８】
回転シールリング１６の第２同心シール面２０ｂ（説明の便宜上らせん溝１８０を含むものとする）と、静止シールリング１４のシール面１８との間に醸成される分離力は、流体静力学的流体力成分と流体動力学的流体力成分の両方を含む。ここで、「流体動力学的分離力」及び「流体動力学的流体力」とは、両シール面の相対速度に依存する大きさを有する力のことをいう。従って、第２シール面２０ｂに、並びにそれに対応するシール面１８に作用する分離力の大きさは、少くとも２つの要素、即ち、シール面２０ｂに沿ってのバリヤー流体圧Ｐbと周囲圧Ｐaとの間の圧力差（流体静力学的成分）と、回転シールリングのシール面２０ｂが静止シールリング１４のシール面１８に対して回転する速度、即ち軸の回転速度（流体動力学的成分）に依存する。回転シールリングの第２シール面２０ｂに作用する分離力の流体動力学的成分は、らせん溝１８０のポンプ作用によって斯界において周知の態様で創生される圧力差によって醸成される。当業者には明らかなように、上述した力分布は反対にすることができる。即ち、主として流体静力学的な流体力を内径、例えばシール面２０ｂに沿って創生し、流体静力学的流体力と流体動力学的流体力を外径、例えばシール面２０ａに沿って創生するようにしてもよい。又、当業者には明らかなように、このような反対構成にするには、溝の構成を改変するとともに、静止シールリング１４のシール面１８上のバリヤー流体導管の半径方向の位置を変更する必要がある。この反対構成は、プロセス流体が外径に沿ってではなく、内径に沿って配される場合のシール用例に特に適している。
【００６９】
本発明のメカニカルシール１０の力分布特徴の重要な利点は、始動前に、即ち軸が回転する前に、シール面接触の調節を行うこと、従ってシール面１８と２０の間の間隙厚を調節することを可能にすることである。バリヤー流体圧Ｐbをプロセス流体圧Ｐpより高くし、従ってシール面１８，２０間の圧力差を増大させることによって回転シールリング１６の第１シール面２０ａと第２シール面２０ｂの両方に流体静力学的分離力を創生することができる。シール面２０ａに作用する閉鎖力は後述するようにプロセス流体圧Ｐpによってのみ与えられるので、シール面接触の度合、即ち、シール面間の間隙の大きさは、始動の前、又は、低速回転速度時にシール面間のバリヤー流体圧Ｐbを調節することによって制御することができる。かくして、始動時又は低速軸速度時のシール面１８と２０ａ，２０ｂ間の接触を最小限又は回避することができ、それによって、低軸速度時には流体静力学的作動の利点を享受し、しかも、流体動力学的作動の高速利点をも享受することができる。
【００７０】
本発明のシールの他の利点は、特定のらせん溝形状に限定されないことである。例えば、らせん溝１８０は、単方向溝であっても、双方向溝であってもよい。周知のように、単方向溝は、一方向の軸回転においてのみシール面分離を可能にし、双方向溝は、両方向の軸回転においてシール面分離を可能にする。好適ならせん溝設計の例は、米国特許第３，４９９，３４８号、３，４８８，３４８号及び５，５２９，３１５号（それらの記載内容が本明細書に編入されているものとする）に開示されている。ここに例示したらせん溝は、バリヤー流体を静止シールリング１４の溝２３４に沿って位置する高圧プロセス領域からリングの内径に沿って位置する定圧領域へポンプ送りする単方向溝である。当業者には明らかなように、図示の実施形態のシールにも、双方向溝を用いることができる。そのような双方向溝の一般的な例は、斯界において周知である。
【００７１】
図１、８、８Ａ及び９を参照して説明すると、静止シールリング１４は、内側軸方向表面２０２及び外側軸方向表面２０４を有する。外側表面２０４は、静止シールリング１４のシール面１８から軸方向に延長した第１外側表面２０６と、第１外側表面２０６から半径方向内方へ段をなし手更に軸方向に延長した第２外側表面２０８を含む。第１外側表面２０６と第２外側表面２０８とは、協同して、両外側表面間に半径方向に延長する第１環状連接壁２１０を構成する。
【００７２】
内側表面２０２は、静止シールリング１４のシール面１８から軸方向に延長した第１内側表面２１２と、それから半径方向内方へ段をなして更に軸方向に延長した第２内側軸方向表面２１４を含む。第１内側表面２１２と第２内側表面２１４とは、協同して、両内側表面間に半径方向に延長する第１環状連接壁２１６を構成する。第２内側軸方向表面２１４から第３内側表面２１８が、半径方向内方へ段をなして後面２２０にまで軸方向に延長している。第２内側軸方向表面２１４は、第２連接壁２２２を介して第３内側表面２１８に連接しており、半径方向セクション２２４と斜切（面取り）セクション２２６を含む。
【００７３】
静止シールリング１４の第１内側表面２１２の内径は、スリーブ１００の第１外側表面１１２の直径より大きく、かつ、回転シールリング１６の第１表面１６４の直径より大きくし、それによって、静止シールリング１４に対する軸１２と、スリーブ１００及び回転シールリング１６の両方の回転を可能にする。弾性部材９４は、外側グランドプレート溝９２内に座着し、第２外側表面２０８に当接する。静止シールリング１４の連接壁２２２の斜切セクション２２６及び半径方向セクション２２４、並びに、外側グランドプレート３６の第２表面７６に当接するように第２弾性部材２３６が配置されている。第２弾性部材２３６は、後に詳述するように、静止シールリング１４の内側表面２２２及び外側グランドプレート３６の第２表面７６に密封接触するように付勢されている。弾性部材９４と２３６は、静止シールリング１４が静止シールリング受容チャンバー９０内に位置づけされたとき、外側グランドプレート３６と静止シールリング１４との間に流体密及び圧力密シールを設定する働きをする。静止シールリング１４は、炭素又はセラミック材で形成するのが好ましい。
【００７４】
図１、８、８Ａ及び９を参照して説明すると、静止シールリング１４には、複数のバリヤー流体孔２２８が形成されている。これらの孔２２８は、後面２２０から軸方向に延長した軸方向セクション２３０と、軸方向セクション２３０に連通し、そこからシール面１８に形成された連続円周溝２３４にまで延長した斜めセクション２３２を含む。バリヤー流体供給源（図示せず）からのバリヤー流体は、孔２２８及び溝２３４を通してシールリングのシール面１８，２０及びシール面２０の溝１８０へ導入される。
【００７５】
当業者には明らかなように、バリヤー流体孔２２８は、ここに図示した個数又は形状に限定されるものではない。例えば、単一のバリヤー流体孔を設けてもよい。同様に、バリヤー流体孔の位置及び配置も、ここに例示したもの限定されるものではなく、同じ結果を得るのに他のいろいろな位置及び配置を用いることが可能である。例えば、バリヤー流体孔は、静止シールリング１４にだけではなく回転シールリング１６にも形成してもよく、各シール面からシールリングのどの外側表面に延長させてもよい。更に、バリヤー流体孔は、シール面１８，２０から直線的にシールリングの外側表面へ延長させてもよい。
【００７６】
図１、５Ａ及び５Ｂに明示されているように、バリヤー流体孔２２８の各軸方向セクション２３０は、静止シールリング１４の後面２２０において開口し、孔２２８と、外側グランドプレート３６に形成された同様な半径方向のバリヤー流体孔２４０との間に流体連通（流体を通すことができる連通）を設定する。外側グランドプレート３６に形成された孔２４０は、その一端はグランド組立体３０の外側表面６０において開口し、他端は外側グランドプレート３６の第１表面７２において開口している。バリヤー流体供給源（図示せず）からのバリヤー流体は、グランドの孔２４０を通して静止シールリングセグメントの孔２２８の各々へ導入される。
【００７７】
図１に示されるように、外側グランドプレート３６内には、各々保持ピン２５０の一端を受容する複数の静止シールリング孔２５２が形成されている。各ピン２５０の他端は、静止シールリング１４のバリヤー流体孔２２８の１つの軸方向セクション２３０内に受容される。各ピン２５０の外径は、バリヤー流体が保持ピン２５０の周りを流れることができるようにバリヤー流体孔２２８の軸方向セクション２３０の内径より小さくすることが好ましい。ピン２５０は、外側グランドプレート３６内で静止シールリング１４が回転するのを防止する働きをする回り止めピンである。
【００７８】
図１、２、５Ｂ、５Ｃ、１０及び１０Ａを参照して説明すると、閉鎖用流体チャンバー２８０内で静止シールリング１４の後面に二次シール組立体３０１が装着されている。この二次シール組立体３０１は、図１に明示されているように、外側グランドプレート３６と２つの流体環境、即ち、プロセス流体チャンバー２９０と周囲流体チャンバー２９５との間に流体シールを形成する。二次シール組立体３０１は、圧力下で静止シールリング１４の軸方向の移動を可能にし、かつ、プロセス流体チャンバー２９０と周囲流体チャンバー２９５と閉鎖用流体チャンバー２８０との間の流体の漏れを防止する。二次シール組立体３０１は、１つ又はそれ以上の、好ましくは複数の機械的ばね２７０と、スペーサ又は圧縮プレート３００と、弾性部材２３６を含む。ばね２７０は、図１、５Ｂ及び５Ｃに示されるように外側グランドプレート３６内に形成されたばね受容孔２７２内に収容される。機械的ばね２７０は、圧縮プレート３００に当接し、圧縮プレート３００は弾性部材２３６に当接する。
【００７９】
機械的ばね２７０は、静止シールリング１４を弾性的に支持するための軸方向力を圧縮プレート３００及び弾性部材２３６を介して付与し、静止シールリング１４を付勢して（偏倚させて）静止シール面１８と回転シール面２０を互いに圧接する方向に付勢する。図１に示されるように、シールリング１４は、グランドプレートの剛性壁及び剛性面に対して離隔関係をなして浮動状態に非剛的に支持される。この浮動的、非剛的支持は、静止シールリング１４の、グランドに対する僅かな半径方向並びに軸方向の浮動移動を可能にし、かつ、回転シール面２０が静止シール面１８に追従し、静止シール面１８に密封状態に係合するのを可能にする。
【００８０】
圧縮プレート３００は、図５Ｂ、１０及び１０Ａに明示されているように、内側半径方向表面３０２と外側半径方向表面３０４を含む。圧縮プレート３００の外側半径方向表面３０４の直径は、外側グランドプレート３６の第１表面７２の直径より小さくすることが好ましい。又、圧縮プレート３００の内側半径方向表面３０２の直径は、外側グランドプレート３６の第２表面７６の直径より大きくすることが好ましい。圧縮プレート３００は、更に、前面３０６と後面３０７を含む。前面３０６は、半径方向の第１前面３０８を含み、第１前面３０８は、軸方向の連接壁３１０を介して多段角度を付された、又は斜切された第２前面３１１に連接されている。連接壁３１０と第１前面３０８とは、それらの間にほぼ直角を画定する。
【００８１】
図５Ｂに明示されているように、静止シールリングの半径方向セクション２２４、斜切セクション２２６及び内側セクション２１８と、圧縮プレート３００の多段角付き前面３１１と、グランドプレート３６の第２表面７６とによって弾性部材受容チャンバー９１が画定される。チャンバー９１は、弾性部材２３６を静止シールリング１４とグランド３０との間に過度に強く、又は圧縮させて嵌める必要なしに収容するように寸法ぎめされている。詳述すれば、弾性部材受容チャンバー９１は、弾性部材２３６に及ぼす圧縮力を、特に圧縮力の半径方向内向き成分をそれほど増大させることなく、弾性部材２３６の熱膨張を吸収することができるように寸法ぎめされている。好ましくは、チャンバー９１は、弾性部材２３６の圧縮前又は応力負荷前（即ち、弛緩時）の断面積より大きい寸法とする。
【００８２】
チャンバー９１を弾性部材２３６に比して過大寸法とすることにより、弾性部材２３６を過度に圧縮又は圧搾することを回避し、従って、弾性部材２３６と外側グランドプレート３６の表面７６との間に大きな摩擦力が発生するのを防止することができる。特に、チャンバー９１の寸法・形状は、シールの作動中熱応力を受けたとき、弾性部材２３６を半径方向外方へ、即ち静止シールリング１４の内側セクション２１８の方へ膨張させることができるようになされている。半径方向のこの膨張自在性は、シールの動作中、弾性部材２３６にかかる、特に半径方向の圧縮力の著しい増大を防止する。従って、弾性部材２３６を外側グランドプレート３６の表面７６に圧接して座着させる働きをする、弾性部材２３６に作用する半径方向内向き力は、シールの動作中実質的に一定のままである。又、このことにより、弾性部材２３６と外側グランドプレート３６の表面７６との間の軸方向の摩擦力も、シールの動作中実質的に一定値に維持される。なぜなら、この軸方向の摩擦力は、弾性部材２３６に作用する半径方向内向き力に依存するからである。従って、弾性部材２３６は、静止シールリング１４の摩擦作用による軸方向の”引っ掛り”（詰まり）運動に左右されるようにはなされていない。
【００８３】
引き続き図５Ｂを参照して説明すると、圧縮プレート３００の多段角付き前面３１１は、弾性部材２３６を外側グランドプレート３６及び静止シールリング１４との密封接触状態へ直接付勢する接触表面であり、複数の、好ましくは２つの角度付き表面３１２と３１４を含む。これらの角度付き表面３１２と３１４とは、互いに交差関係にあり、斜角又は直角、好ましくは鈍角を画定するように形成されている。前面３１４は、内側前面３０２と第２前面３１２の間に半径方向に延長している。好ましい実施例では、角度付き前面３１２及び３１４は、圧縮プレート３００を閉鎖用流体チャンバー２８０内に座着させたとき、弾性部材２３６に直接当接する構成とされる。圧縮プレート３００には、静止シールリング保持ピン２５０を通すための保持ピン孔３１６が形成されている。圧縮プレート３００の図示の例の組立体及び構成では、弾性部材２３６を所望の圧縮度とするために所定の方向に付勢するのを助成するための第２の弾性又は撓み部材を設ける必要性を排除する。
【００８４】
機械的ばね２７０は、図５Ｂに明示されているように、圧縮プレート３００を弾性部材２３６に接触させるように軸方向に付勢するために圧縮プレート３００の後面３０７に連結されている。ばね２７０は、プレート３００を介して、静止シールリング１４を回転シールリング１６に向けて押圧する閉鎖力を該静止シールリング１４に付与する。角度付き表面３１２と３１４とは、協同して、弾性部材２３６を静止シールリングの表面２２４，２２６，２１８と、外側グランドプレート３６の表面７６の両方に密封係合させるための所定の圧縮力Ｆを弾性部材２３６に付与する。この圧縮プレート３００の角度付き前面３１２と３１４は、弾性部材２３６を静止シールリング１４に密封接触するように付勢する働きをする軸方向成分と、弾性部材２３６を外側グランドプレート３６に密封接触するように付勢する働きをする半径方向成分を有する圧縮力Ｆを醸成する。更に、静止シールリング１４の斜切表面２２６と半径方向表面２２４によって合成圧縮力Ｆ’が弾性部材２３６に付与される。前面３１４に対する前面３１２の角度、並びに、静止シールリング１４の表面２２４に対する表面２２６の角度は、弾性部材２３６に付与される半径方向力の大きさが該弾性部材２３６を、それと外側グランドプレート３６との間に過度の軸方向摩擦又は抗力を創生することなく、外側グランドプレート３６に密封圧接させるのに十分な大きさとなるように定めることが好ましい。弾性部材２３６と外側グランドプレート３６との間の抗力を制限することにより、弾性部材２３６の機械的ヒステリシス又はＯ−リングのヒステリシスが抑止される。かくして、静止シールリング１４の軸方向の移動を不当に制限することなく、広範囲の動作条件において静止シールリング１４と外側グランドプレート３６との間に流体密及び圧力密シールを維持することができる。
【００８５】
二次シール組立体３０１の重要な利点は、弾性部材２３６が、それと外側グランドプレート３６との間に静止シールリング１４の軸方向の運動を禁止するような大きい摩擦力を醸成することなく、静止シールリング１４に座着することができ、かつ、静止シールリング１４と外側グランドプレート３６との意仇に密封を維持することである。更に、二次シール組立体３０１は、静止シールリング１４に及ぼす軸方向の付勢力を創生するのに必要とされるシール部品の個数を少なくする。例えば、二次シール組立体３０１は、Ｏ−リングを圧搾して適当な流体シールを形成するために圧縮プレートと協同する追加の撓み部品を必要としない。
【００８６】
圧縮プレート３００の変型実施形態が、図５Ｃに示されている。この変型例では、前面３１３が内側表面３０４と連接壁３１０の間に半径方向に延長している。又、この実施形態では、弾性部材２３６に主として軸方向の圧縮力を付与する。これを受けて、静止シールリング１４の斜切表面２２６と半径方向表面２２４は、弾性部材２３６を外側グランドプレート３６に密封係合させる働きをする圧縮力Ｆ”付与する。この合成圧縮力Ｆ”は、軸方向成分と、圧縮プレート３００の上述した第１実施形態の場合と同様の態様で弾性部材２３６を外側グランドプレート３６に密封接触するように付勢する働きをする半径方向成分を含む。あるいは別法として、圧縮プレートに２つの角度付き表面を設けることができ、静止シールリング１４は、弾性部材２３６に接触するための半径方向の表面を１つだけ有する構成とすることもできる。その場合、圧縮プレートの２つの角度付き表面が、弾性部材に半径方向と軸方向の両方の圧縮力を与える。
【００８７】
本発明のシール１０には、機械的ばね２７０によって与えられる機械的付勢力に加えて、追加の流体付勢システムが設けられる。図１、５Ａ及び５Ｂを参照して説明すると、この流体付勢システムは、静止シールリング１４に閉鎖力を与えるためにバリヤー流体を静止シールリング１４の後面２２０へ導入する半径方向の流体孔２４０と、弾性部材９４，２３６と、静止シールリング１４の後面２２０と、外側グランドプレート３６の第３半径方向表面７４の間に形成された流体密、圧力密の環状閉鎖用流体チャンバー２８０を含む。
【００８８】
図５Ｂ及び１４Ａに明示されているように、調整された圧力の閉鎖用流体が、流体供給源（図示せず）から入力流体孔２４０を通して閉鎖用流体チャンバー２８０へ供給される。チャンバー２８０内に導入された流体は、静止シールリング１４に流体閉鎖力ＦBを及ぼす。この流体閉鎖力ＦBは、機械的ばね閉鎖力ＦSと、プロセス流体力ＦP（プロセス流体圧は静止シールリング１４の第１環状連接壁２１０に作用する）と協同して、合計閉鎖力ＦCを創生し、シール面１８をシール面２０ａ，２０ｂに向けて密封係合させるように付勢する。流体閉鎖力ＦBと、流体閉鎖力ＦBと、機械的ばね閉鎖力ＦSと、プロセス流体力ＦPの合計が、シール面１８と２０の分離を制御するためにそれらのシール面のところに創生される総分離力即ち開放力Ｆoとバランス（平衡化）するように定めることが好ましい。かくして、過度の流体漏れを惹起する可能性がある、シール面の開きすぎ（過度の分離）を防止することができる。しかも、シール面の摩擦による摩耗を少なくするためにどのような回転速度においてもシール面の接触を最小限にすることができる。
【００８９】
流体閉鎖力Ｆbの大きさは、閉鎖用流体チャンバー２８０内の閉鎖用流体の圧力を制御することによって調節することができる。回転シールリング１６に作用する流体閉鎖力Ｆbを調節することができるということは、重要な利点を提供する。例えば、動作条件が変化した場合、シール面１８と２０の間の密封関係を維持するために流体閉鎖力Ｆbの大きさを変更することができる。ここに例示した特定の実施形態においては、バリヤー流体が閉鎖用流体として用いられるので、流体閉鎖力は、開放力（分離力）に依存する。従って、本発明のメカニカルシール１０は、フィードバックシステムと連携して、動作中の漏れ度合を制御するためにシール面１８と２０の間の流体シール及び、又は間隙を動的に調整することができる。このための適当なフィードバックシステムについては後述する。
【００９０】
軸方向の孔２２８及び溝１８０を含む、ここに例示した流体付勢システムは、シール面間の流体シールを調整するためにシール面間の分離度を制御する簡単な一体統合システムを提供する。従って、このシステムは、シール面１８，２０へ導入されたバリヤー流体によって設定される分離力即ち開放力Ｆoと協同してシール面の接触度を調節することができる。従って、本発明のメカニカルシール１０は、広範囲の動作条件において、シール面間に形成される流体シールのみならず、シール面間の分離度をも調整又は調節することができる。それによって、シールの融通性を増大し、シールをいろいろな環境下で用いることを可能にする。
【００９１】
当業者には明らかなように、本発明のメカニカルシールは、ここに例示した特定の流体閉鎖システムに限定されるものではなく、流体閉鎖システムのいろいろな変型が可能である。例えば、シール面へバリヤー流体を供給する流体供給源と、静止シールリングの後面へ流体を供給する流体供給源とを共通にせず、別々にしてもよい。又、閉鎖用流体として、バリヤー流体、プロセス流体又はその他の流体を用いることができる。更に、機械的ばね２７０又は閉鎖用流体システムも唯一の軸方向付勢力源として使用し、他の軸方向閉鎖力の必要性を排除することもできる。
【００９２】
図１４Ａ及び１４Ｂを参照して説明すると、閉鎖力Ｆcに対抗して作用する総開放力Ｆoは、２つの力、即ち、同心シール面２０ａと静止シールリング面１８との間に醸成される流体静力学的流体力に相当する力Ｆ1と、溝１８０を含むものとして定義された場合のシール面２０ｂとシール面１８との醸成される流体静力学的流体力と流体動力学的流体力に相当する力Ｆ2との合計である。好ましい実施例によれば、流体付勢システムを通してシール面１８，２０へ導入されたバリヤー流体は、第１同心シール面２０ａと、シール面１８の対応部分の両方に主として流体静力学的な持ち上げ力（分離力）Ｆ1を及ぼし、静止シールリング面１８の少くとも一部分を回転シールリング面２０ａの少くとも一部分から分離して両者の間に間隙ｈoを形成する。シール面２０ａとシール面１８に作用する、この主として流体静力学的な持ち上げ力Ｆ1の大きさは、シール面２０ａに沿ってのバリヤー流体圧Ｐbとプロセス流体圧ＰPとの間の圧力差の大きさに少くとも部分的に依存する。流体静力学的分離力Ｆ1は、シール面間の流体圧がバリヤー流体圧Ｐbに等しくなる、らせん溝１８０の外側半径方向縁における最大値から回転シールの外側半径方向縁（例えば、第１シール面２０ａと外側表面１７２との交差部）における最小値にまで減少する。この部位では、シール面間の流体圧は、プロセス流体圧Ｐpに等しくなる。力Ｆ1は、シール面の、静止シールリング１４の第１連接壁２１０にオーバーラップする部分、即ち、線Ｄから半径方向外方へ延長した環状のシール面に作用する。流体静力学的分離力Ｆ1は、軸１２の、従って回転シールリング１６の回転速度とは独立しており、従って、回転速度の関数として変化しない。
【００９３】
軸方向の孔２２８を通して溝１８０へ、従ってシール面１８，２０へ導入されたバリヤー流体は、それらの面に流体静力学的持ち上げ力（分離力）Ｆ2を及ぼす。この力Ｆ2は、溝１８０を含むものとして定義された場合の同心シール面２０ｂの少くとも一部分と、シール面１８の対応部分に作用し、静止シールリング面１８の少くとも一部分を回転シールリングの第２シール面２０ｂの少くとも一部分から分離して両者の間に間隙ｈoを形成する。この持ち上げ力Ｆ2は、流体静力学的成分と流体動力学的成分の両方を含む。第２シール面２０ｂとシール面１８に作用するこの分離力Ｆ2の大きさは、少くとも２つの要素、即ち、シール面２０ｂに沿ってのバリヤー流体圧Ｐbと周囲圧Ｐaとの間の圧力差（流体静力学的成分）と、回転シールリングの第２シール面２０ｂが静止シールリング１４のシール面１８に対して回転する速度、即ち軸１２の回転速度（流体動力学的成分）に依存する。主として流体静力学的な持ち上げ力Ｆ1と、流体静力学的及び流体動力学的流体力Ｆ2とが組合わさって、シール面１８，２０に開放力ＦOを及ぼす。
【００９４】
開放力ＦOによって形成される間隙は、図１４Ａに示されるように、シール面間の漏れを最少限にするために、かつ、摩耗を少なくするようにシール面を分離するために、所定の厚さｈoに維持されるか、あるいは、調節自在とされる。この所定の厚さｈoは、シール面１８，２０に作用する開放力ＦOを閉鎖力Ｆcによってバランスさせる本発明のメカニカルシール１０の独特のバランス（平衡化）システムによって維持される。閉鎖力Ｆcは、静止シールリング１４の第１連接壁２１０に作用するプロセス流体力Ｆpと、静止シールリング１４の後面２２０及び第２連接壁２２２に作用するバリヤー流体閉鎖力Ｆbと、静止シールリング１４の第２連接壁２２２に作用する機械的ばね閉鎖力Ｆsを含む。
【００９５】
動作中、開放力Ｆoは、間隙を好ましい標準厚さｈoに維持するように閉鎖力Ｆcによってバランスされる。間隙が好ましい厚さｈoにあるときの第２シール面２０ｂにかかる持ち上げ力Ｆ2の大きさは、図１４Ａに実線で示されている。線Ａの曲線部分は、持ち上げ力Ｆ2の流体動力学的成分を表し、溝１８０内の最高圧力領域の位置に対応する最大値を有する。動作条件の変化により間隙の厚さｈが１点鎖線Ｂで表されるように、好ましい値ｈoより低い値（ｈ＜ｈo）に低下したとすると、本発明のシール１０のバランスシステムは、間隙を好ましい値ｈoに戻すことによって補償する。この操作は、間隙厚の減小の結果として、線Ｂによって示されるように持ち上げ力Ｆ2の流体動力学的成分の増大が起こることによって自動的に行われる。即ち、持ち上げ力Ｆ2が増大した結果として、シール面をそれらの間の好ましい間隙厚ｈoが復原されるまで分離させるからである。
【００９６】
同様にして、動作条件の変化により間隙の厚さｈが好ましい値ｈoより高い値（ｈ＞ｈo）に増大したとすると、やはり、本発明のシール１０のバランスシステムは、間隙を好ましい値ｈoに戻すことによって補償する。即ち、間隙厚の増大の結果として、図１４Ａに点線Ｃによって示されるように持ち上げ力Ｆ2の流体動力学的成分が減小する。持ち上げ力Ｆ2の減小の結果として、シール面をそれらの間の好ましい間隙厚ｈoが復原されるまで引き寄せる。
【００９７】
更に、本発明のメカニカルシール１０は、所望の分離隔隙を得るためにバリヤー流体圧、従って流体静力学的持ち上げ力Ｆ1の大きさを調節することによって軸の回転速度とは独立して、シール面間の直接的摩擦接触の度合の調節又は直接的摩擦接触の回避を行うことを可能にする。
【００９８】
図１４Ｂは、開放力Ｆoを２つのシステム流体の圧力差、例えばバリヤー流体圧Ｐbとプロセス流体圧Ｐcとの差の関数として調節、調整又は変更することができることを説明する図である。更に、低速軸回転中メカニカルシール１０の静止シールリング１４に作用する閉鎖力Ｆｃの効果も図示されている。図に示されるように、バリヤー流体圧をＰb1からＰb2へ増大させると、それに対応して、静止シールリング１４の、閉鎖用流体に露呈されている部分Ｅに沿っての閉鎖力Ｆcが増大する。第１連接壁２１０に対応する静止シールリング１４の外側半径方向部分に沿っての閉鎖力部分Ｆpは増大しない。なぜなら、Ｏ−リング９４が静止シールリング１４の外側半径方向部分を閉鎖用流体から隔離しており、従って、静止シールリング１４の外側半径方向部分はプロセス流体圧にしか露呈されないからである。
【００９９】
溝１８０内の、従ってシール面１８，２０間のバリヤー流体圧がＰb1からＰb2に増大すると、初期バリヤー流体圧Ｐb1に対応する力線Ｆ11及びＦ21、及び、増大したバリヤー流体圧Ｐb2に対応する力線Ｆ12及びＦ22によって図１４Ｂに示されるように、シール面の全半径方向表面に沿って開放力Ｆoが増大する。シールの流体動力学的及び流体静力学的領域（例えば、線Ｄからシールリングの外径まで以外の領域）における開放力の増大は、閉鎖力Ｆb1からＦb2への増大に対応する。しかしながら、開放力のＦ11からＦ12への増大は、Ｆpの閉鎖力の対応する増大によって相殺されない。詳述すれば、増大した主として流体静力学的な持ち上げ力Ｆ12のうち、シール面２０ａに及ぼされる力部分と、シール面１８の、静止シールリング１４の第１連接壁２１０と半径方向に整列している部分に及ぼされる力部分は、閉鎖力の対応する増大によってバランスされない。なぜなら、静止シールリング１４の第１連接壁２１０はプロセス流体チャンバー２９０の一部を構成しているので、プロセス流体にしか露呈されず、バリヤー流体には露呈されないからである。この独特の構成は、バリヤー流体圧を増大させることによってのみ、シール面の、例えば線Ｄからシールリングの外径までの外側半径方向部分に沿ってのみ開放力Ｆoを増大させることを可能にする。この外側半径方向部分は同心シール面２０ａに沿っての流体静力学的領域に対応するので、開放力の増大は、軸の回転速度とは独立している。
【０１００】
図示のシール１０のもう１つの利点は、図１５に示されるように、たとえシール面１８に供給されたバリヤー流体圧に損失が生じたとしても、動作し続けることができることである。流体静力学的開放力Ｆoは、プロセス流体圧Ｐbと周囲圧Ｐaとの圧力差によりシール面１８と２０ａの間に発生する。この流体静力学的開放力Ｆoは、プロセス流体力成分Ｆpとばね力成分Ｆsから成る閉鎖力Ｆcによって対抗される。らせん溝１８０は、その中にはバリヤー流体が存在しないので、もはや流体静力学的持ち上げ力を創生しない。プロセス流体に露呈された外径領域と、周囲圧に露呈された内径領域との間に比較的大きい圧力差が生じるが、それによって、シール面に沿ってのプロセス流体をシールの周囲環境側への過度の量の搬出又はポンプ送り作用が起こることはない。なぜなら、流体静力学的閉鎖力によってシール面間に流体バリヤーが創生されるからである。従って、バリヤー流体の損失が生じたときは、本発明のシールは、部分接触状態の液体シールとして動作する。
【０１０１】
本発明のメカニカルシール１０には、シールリング１４，１６のシール面１８，２０のところに所望の条件を維持するために、シールに供給される閉鎖用流体の圧力とバリヤー流体の圧力の一方又は両方を調整する圧力フィードバックシステム（「圧力制御システム」とも称する）を含めることができる。この圧力制御システムは、動作中バリヤー流体圧及び閉鎖用流体圧をモニターするためにシール内又はシールの近傍に設置された圧力センサーを備えたものとすることができる。これらの圧力センサーは、動作条件の変化に起因する圧力変動に応答してバリヤー流体圧及び、又は閉鎖用流体圧を調節するための閉鎖型又は開放型フィードバックシステム中の制御装置等に接続することができる。圧力フィードバックシステムの例は、米国特許第２，８３４，６１９号及び３，０３４，７９７号（それらの記載内容が本明細書に編入されているものとする）に記載されている。
【０１０２】
あるいは別法として、圧力フィードバックシステムは、調整用流体入力としてバリヤー流体、プロセス流体又は閉鎖用流体のようなシステム流体を用いることができ、この調整された入力に基づいてバリヤー流体圧又は閉鎖力を調整することができる。かくして、圧力フィードバックシステムは、選択された特定の流体圧力間の変化を検出し、不均衡を修正することができる。そのような修正は、圧力フィードバックシステムを高圧流体供給源に接続し、システム内の圧力を上昇させるためにシステムに流体を補給するか、又は、システムの内部圧が所定値を越えたときはシステムから圧力を放出することによって実施することができる。そのような圧力フィードバックシステム４００が図１２及び１３に示されている。
【０１０３】
図１２は、本発明のメカニカルシール１０に使用するのに適した流体フィードバック式圧力調整システムの一実施形態を示す。このフィードバックシステム４００は、別のシステムの圧力に基づいてシステム流体を調整するのに用いるのに好適である。一実施例によれば、バリヤー流体圧をばね圧に対応する所定の量に応じてプロセス流体圧に対して選択された所定のレベルに初期設定し、このバリヤー流体圧を、このシステム４００に閉鎖用流体を選択的に追加するためのシステム流体センサーとして機能するシステム出力調整流体（システム出力によって調整される流体）として用いることができる。この調整された閉鎖用流体は、上述した閉鎖用流体伏石捨てないに収容された閉鎖用流体に相当する。
【０１０４】
図示のフィードバックシステム４００は、内側グランドプレート３４及び外側グランドプレート３６内に設置することができる寸法とすることが好ましい。システム４００は、上述したメカニカルシール１０に結合される。従って、メカニカルシール１０の各部品中上述したものと同様な部品は同じ参照番号を付して説明する。静止シールリング１４は、一端において静止シール面１８に連通し、他端においてバリヤー流体供給源に連通する軸方向孔２２８を有する。回転シールリング１６は、軸方向孔２２８に直接流体連通する位置に配置されたポンプ作用溝１８０を有する。溝１８０及び孔２２８は、バリヤー流体を直接シール面１８，２０へ通し、シール面間に両者を分離して両者間に間隙を形成する流体動力学的持ち上げ力を創生する。
【０１０５】
図示の流体フィードバック式圧力調整システム（フィードバックシステム）４００は、グランド３４，３６内に形成された適当な大きさのチャンバー内に配設された可動差圧弁４０８を用いる。この可動弁は、スプール又はシャットル弁、ポペット弁、針弁、ダイアフラム、ベローズ、及び、加圧流体を搬送することができる、又は加圧流体によって作動される他の同様な弁を含むいろいろな弁のうちの任意のものであってよい。このチャンバーに環状の流体マニホールド４１４を取り付ける。このマニホールドは、流体フィードバック式圧力調整システム４００の各圧力通路と孔の間に流体連通を設定することができるように形成された複数の孔を有する。詳述すれば、図示のマニホールド４１４は、可動差圧弁４０８を座着させる中央孔を有する。中央孔は、可動弁４０８を該孔内で開放位置と閉鎖位置の間で軸方向に比較的自由に移動させることができるように可動弁の最大外径より僅かに大きい寸法とされている。流体マニホールド４１４は、又、特定の加圧流体を上記グランド内のチャンバーへ選択的に連通させることができるように複数個の半径方向の流体孔４１０，４１２を有している。このチャンバーの内壁と流体マニホールド４１４の選択された部分との間に圧力密、流体密シールを形成するためにマニホールドの外表面に形成されたそれぞれの溝内にＯ−リング４２２，４２４のようなシール部材が装着されている。
【０１０６】
可動弁４０８は、チャンバーを入力流体チャンバー（「入力調整チャンバー」とも称する）４０２と出力流体チャンバー４０４とに分割し、該弁のフランジ付き両端部兼に形成された中間チャンバー４１３を有する。弁４０８は、一端を手動調節自在のねじ４０６に取り付けられた調節自在ばね４０４に結合される。図示の調節自在ねじ４０６は、オペレータがばね４０４の張力を工場出荷時の初期設定値から調節したり、いじったりするのを防止又は禁止するために制限されたアクセス位置（アクセスし難い位置）に装着されている。随意選択として、システムオペレータは、このねじ４０６に所定の態様でアクセスし、回すことによってばね張力を調節することができる。かくして、ねじ４０６及びばね４０４は、協同して、図示の圧力調整サブシステム４００のための初期圧力又は圧力設定値を規定するのを助成することができる。
【０１０７】
ねじ４０６及びばね４０４は、グランドの内表面から入力流体チャンバー４０２内へ延長している。入力流体チャンバー４０２は、シール１０のプロセス流体を該入力調整チャンバー４０２に連通させることができるようにするためにプロセス流体分配ネットワークに連通させることができる。流体フィードバック式圧力調整サブシステム４００のプロセス流体分配ネットワークは、メカニカルシール１０内又はその周りに形成された、プロセス流体チャンバー２９０及びプロセス流体孔４２１（仮想線で示されている）のような適当なプロセス流体チャンバーを備えたものとすることができる。プロセス流体孔４２１は、プロセス流体チャンバー２９０からのプロセス流体を入力流体チャンバー４０２へ連通させる。当業者には明らかなように、プロセス流体分配ネットワークは、プロセス流体を必要に応じて所定の態様で可動弁４０８に連通させることができるように、グランド内に形成された一群の内孔を備えたものとすることができる。圧力調整システム４００は、又、システム流体を該システムの特定の部分又は部品に連通させるためにグランドの外部に設けられた導管又は接続管を用いることができる。例えば、プロセス流体を流体ハウジング１１から入力流体チャンバー４０２へ移送するために外部流体導管をグランドに接続することができる。
【０１０８】
図１２を参照して説明すると、流体フィードバック式圧力調整システム４００は、又、バリヤー流体を高圧バリヤー流体供給源（図示せず）から流体マニホールド４１４へ連通させるバリヤー流体分配ネットワークを備えたものとすることができる。バリヤー流体分配ネットワークは、バリヤー流体をグランドチャンバーからシール１０の別の部分へ連通させる適当なバリヤー流体通路を備えたものとすることができる。シール１０の別の部分とは、バリヤー流体付勢システム、例えば軸方向孔２２８及び溝１８０、グランド内に設置することができる他のフィードバックシステム、及び、流体供給源４２０及びバリヤー通路４３０等の他の流体通路及び孔等である。可動弁４０８は、入力供給孔４２０及び入力チャンバー孔４１０を通してバリヤー流体供給源に連通することができる中間チャンバー又はチャンネル４１３を画定する。中間チャンバー又はチャンネル４１３は、出力バリヤー孔４１２，２４０を通してバリヤー流体分配ネットワークに流体連通するように選択的に切り換えられる。
【０１０９】
動作中、ハウジング１１からのプロセス流体は、プロセス流体分配ネットワークを通して入力チャンバー４０２に連通する。一実施例によれば、プロセス流体は、プロセスチャンバー２９０から入力プロセス流体圧孔４２１を通して入力チャンバー４０２へ差し向けられる。このプロセス流体は、所定の動作圧下にある。入力流体チャンバー４０２内のプロセス流体は、可動弁４０８の入力側、即ち左側に圧力を及ぼす。それに加えて、調節自在ばね４０４も、可動弁４０８に圧力を及ぼす。これらの２つの力又は圧力の合計が入力圧力を構成し、可動弁４０８を右方へ付勢（偏倚）する初期入力軸方向力を及ぼす。
【０１１０】
バリヤー流体供給源からバリヤー流体が、バリヤー流体分配ネットワークによって流体フィードバック式圧力調整システム及びメカニカルシールへ導入される。バリヤー流体供給源からのバリヤー流体は、入力供給通路４２０を通して入力バリヤー流体孔４１０及び中間チャンバー４１３へ選択的に導入される。次いで、バリヤー流体は、可動弁４０８を開放位置と閉鎖位置の間で選択的に偏倚させることによって出力チャンバー４０４へ選択的に導入される。図では可動弁４０８は、閉鎖位置にあるところが示されている。
【０１１１】
出力流体チャンバー４０４内に収容されたバリヤー流体は、可動弁４０８の右側に反対方向の、即ち軸方向内向きの圧力を及ぼし、出力圧を創生する。このバリヤー流体によって与えられた出力圧がプロセス流体圧と、調節自在ばね圧との和より小さいときは、差圧可動弁４０８は、その開放位置へと右方へ移動する。それによって、中間チャンバー４１３を出力バリヤー孔４１２に連通させることができ、バリヤー流体供給源から流体供給導管を通して出力流体導管４１２への流体経路を設定する。次いで、バリヤー流体は、通路２４０を通って軸方向孔２２８へ、従って、バリヤー流体分配ネットワークの残りの部分へ流入する。通路２４０は、更に、閉鎖用流体チャンバー２８０をも加圧する（チャンバーに流体圧を導入する）。
【０１１２】
バリヤー流体分配ネットワークが供給源からのバリヤー流体で満たされると、出力流体チャンバー４０４内のバリヤー流体圧は、プロセス流体と調節自在ばね４０４によって及ぼされる圧力の和に等しくなるか、それを越えるまで増大する。そうすると、可動弁４０８が図示の閉鎖位置へ偏倚され、バリヤー流体供給源を出力バリヤー通路２４０から遮断する。かくして、流体フィードバック式圧力調整システム内のバリヤー流体が、プロセス圧と調節自在ばね４０４の可変圧によって及ぼされる圧力の和にほぼ等しいレベルにまで加圧される。
【０１１３】
図示のシステム４００には、更に、閉鎖用流体分配ネットワークから閉鎖用流体を放出するためのサブシステムを含めることができる。そのようなサブシステムは、プロセス流体孔４２１とバリヤー流体孔２４０を除いては、図示のシステム４００と同じ部品の大部分を備えたものとすることができる。これらのサブシステムは、シール面１８，２０に直接又は間接的に作用する特定の流体圧を制御するために、全部合わせて一緒に、又は任意の組み合わせで使用することができる。図示のシステム４００は、又、バリヤー流体システムとは独立して閉鎖用流体供給源を閉鎖用流体システム（閉鎖力付勢システム）に選択的に接続するのに用いることもできる。閉鎖用流体システムは、バリヤー流体分配ネットワーク内の圧力及び、又はバリヤー流体付勢システム、例えば軸方向孔２２８及び溝１８０内の圧力の関数として閉鎖力を静止シールの裏面に及ぼす。
【０１１４】
このサブシステムの閉鎖用流体分配ネットワーク（単に「閉鎖用流体ネットワーク」とも称する）は、閉鎖用流体の供給源を静止に接続する。このサブシステムの閉鎖用流体ネットワークは、静止シールリング１４と回転シールリング１６の間の分離度を調節又は調整するために閉鎖用軸方向付勢力をシールリング１４に及ぼす。閉鎖用流体分配ネットワークは、又、静止シールリング１４と回転シールリング１６の間の分離度を調節するために少くとも一方のリングへ閉鎖用流体を導入する任意の適当な数及び配置の流体導管及び孔を備えたものとすることができる。特に、図示のネットワークは、入力閉鎖力供給通路４２０、入力閉鎖用流体孔４１０、中間チャンネル４１３、出力閉鎖用流体孔４１２、閉鎖用流体通路２４０、及び閉鎖用流体チャンバー２８０のうちの１つ又はそれ以上を備えたものとすることができる。従って、バリヤー流体システムと閉鎖用流体分配ネットワークを同時に加圧するために別個の専用の一連の流体接続された通路を用いることができる。好ましい実施例によれば、閉鎖用流体として、任意の適当なバリヤー流体を用いることができる。
【０１１５】
図１３は、本発明の流体フィードバック式圧力調整システム４０１の別の実施形態を示す。図示のシステム４０１は、可動弁としてダイアフラムＤを用いる。一実施例によれば、システム４０１は、入力バリヤー流体圧をプロセス流体圧とばね４５４によって与えられる圧力に対して所定の選択されたレベルに設定し、かつ、閉鎖用流体をも該システムに供給することが好ましい。図示のシステム４０１の動作及び機能は、図１２のフィードバック式圧力調整システム４００と同様である。図１２及び１３において同じ参照番号は同様な部品を示す。
【０１１６】
グランドプレート３４，３６は、互いに軸方向に離隔した１対のチャンバー４７０，４７１を形成するように孔を備えている。これらのチャンバーは、互いに選択的に流体連通状態に設定される。ダイアフラムＤは、チャンバー４７０内に装着することができる寸法とされ、チャンバー４７０を入力流体チャンバー４０２と出力流体チャンバー４０４に分割する。ダイアフラムＤは、ベロー部分４８０と、両端が開口した中央孔を有する軸方向のスピンドル部分４８１を有する。図示のダイアフラムＤは、一端を手動調節自在のねじ４５６に取り付けられた調節自在ばね４５４に結合される。ねじ４５６は、アクセスし難い部位にグランドの内表面に沿って装着されるヘッド部分４５６Ａを有する。外部環境とチャンバー４７０の間に流体シールを設定するために溝内にヘッド部分４５６Ａの周りに環状Ｏ−リング４５７が装着される。ねじ４５６は、ばね４５４の張力、従って圧力を増減させるとともに、入力流体チャンバー４０２内の圧力を増大させるためにばね４５４の張力を調節することができる。かくして、ねじ４５６とばね４５４は、協同して、図示の圧力調整システム４０１内に初期圧力又は圧力設定値を規定する。ねじ４５６がアクセスし難い位置に装着されていることにより、システムオペレータがばね４５４の張力を調節するのを防止又は禁止される。ばね４５４の張力は、工場で予め設定しておくことができる。当業者には明らかなように、調節自在ねじ４５６は、グランドの外表面に沿って装着することができる。
【０１１７】
ねじ４５６及びばね４５４は、グランドプレート３４の内側軸方向表面から入力流体チャンバー４０２内へ延長している。入力流体チャンバー４０２は、シール１０のプロセス流体を該入力調整チャンバー４０２に連通させることができるようにするためにプロセス流体分配ネットワークに連通させることができる。流体フィードバック式圧力調整システムのプロセス流体分配ネットワークは、メカニカルシール１０内又はその周りに形成された、プロセス流体チャンバー２９０、及び、プロセス流体チャンバー２９０からのプロセス流体を入力流体チャンバー４０２へ連通させる入力プロセス流体通路４６２（仮想線で示されている）のような適当なプロセス流体チャンバーを備えたものとすることができる。当業者には明らかなように、プロセス流体分配ネットワークは、プロセス流体を所定の態様でダイアフラムＤに連通させることができるように、グランド内に形成された一群の内孔及び通路を備えたものとすることができる。圧力調整システムは、又、システム流体を該システムの特定の部分又は部品に連通させるためにグランドの外部に設けられた導管又は接続管を用いることができる。例えば、プロセス流体を流体ハウジング１１から入力流体チャンバー４０２へ移送するために外部流体導管をグランドに接続することができる。あるいは変型実施形態として、外部の導管又は接続管を用いることなく、プロセス流体を完全にグランド内のプロセス流体孔に連通させることができるようにグランドの内部に孔を形成することができる。
【０１１８】
チャンバー４７１は、チャンバー４７０に対して軸方向外方に形成される。チャンバー４７１は、更に、一側において入力流体供給通路４２０に連通している。チャンバー４７１には、ばね４７２を有するばね付勢組立体４６９と、断面Ｕ字形の中間プレート４７３と、固定環状シールプラグ４７４が装着される。ばね４７２の一端は、チャンバー４７１の軸方向最外方部分に座着し、他端は、プレート４７３に形成された凹部内に座着する。中間プレート４７３は、シールプラグ４７４の一端に形成された座着面４７５に当接するシール表面４７３Ａを有する。シールプラグ４７４は、チャンバー４７０と４７１の間に流体密封を設定するＯ−リング４７６を装着するための環状溝を有する。プラグ４７４は、該プラグを所定位置に固定的に座着させるために、チャンバー壁に形成された嵌合溝に座着する肩部分４７７を有することが好ましい。プラグ４７４は、ダイアフラムＤのスピンドル部分４８１を摺動自在に座着させるように寸法づけされた中央孔４７７を有する。プラグ４７４は、プレート４７３が座部４７５に密着面接触しているときは、流体通路４２０からチャンバー４７１へ供給された流体が出力チャンバー４０４に連通するのを防止する働きをする。
【０１１９】
図示の中間プレート４７３は、流体力及び機械的力を選択することによって開放位置と閉鎖位置の間で選択的に移動される。ばね付勢組立体４６９が図示の閉鎖位置におかれているときは、シール表面４７３Ａは、プラグ４７４の座着表面４７５に密封関係に接触する。この位置では、チャンバー４７１内に収容されている流体が出力チャンバーと連通するのを防止される。組立体４６９が開放位置に置かれると、プレート４７３はプラグ４７４から軸方向に離隔され、チャンバー４７１内の流体を中央孔４７４を通して出力チャンバー４０４内へ通す。
【０１２０】
図１３を参照して説明すると、軸方向スピンドル４８１は、閉鎖位置に置かれたとき、中間プレート４７３のシール表面４７３Ａに座着する外端を有する。スピンドル４８１は、開放位置に置かれると、シール表面４７３Ａから脱係合し、それによって、出力チャンバー４０４内内に流体をスピンドルの中央孔を通してチャンバー４０２に連通させる。
【０１２１】
図示のシステム４０１では、入力流体チャンバー４０２は、プロセス流体孔４６２を介してプロセス流体チャンバー２９０に流体接続されている。出力流体チャンバー４０４は、流体孔２４０を介してバリヤー流体分配ネットワーク及び閉鎖用流体ネットワークに流体接続されている。本発明の流体フィードバック式圧力調整システムは、高圧バリヤー流体供給源からのバリヤー流体をダイアフラムＤ及び、又はバリヤー流体付勢ネットワークへ連通させるバリヤー流体分配ネットワークを含む。更に、このシステムは、バリヤー流体のような閉鎖用流体を閉鎖用流体チャンバー２８０へ連通させる閉鎖用流体ネットワークを含む。
【０１２２】
動作中、流体ハウジング１１からのプロセス流体は、入力プロセス流体圧通路４６２を通し、更に、プロセス流体を入力チャンバー４０２内に流入させることができるシール及び、又はグランド内に適当に形成された通路を通して入力チャンバー４０２に連通する。プロセス流体は、所定の動作圧下にある。入力流体チャンバー４０２内のプロセス流体は、ダイアフラムＤの入力側、例えば左側に圧力を及ぼす。加えて、調節自在ばね４５４も、ダイアフラムＤに圧力を及ぼす。これらの２つ乗り気即ち圧力の組み合わせ（和）が、入力圧力を構成し、ダイアフラムＤを右方へ付勢する初期入力軸方向力を及ぼす。
【０１２３】
バリヤー／閉鎖用流体供給源（図示せず）からのバリヤー流体は、バリヤー流体分配ネットワークによって調整システム４０１及びメカニカルシール１０へ導入される。一実施例によれば、バリヤー用流体供給源からのバリヤー流体は、フィードバックシステムへ、詳述すれば、供給孔４２０を通して出力チャンバー４０４へ導入される。従って、中間プレート４７３の位置が、バリヤー流体が出力チャンバー４０４へ導入されるかどうかを決定する。出力流体チャンバー４０４内に収容された流体は、ダイアフラムＤの右側に反対方向の、即ち軸方向内向きの圧力を及ぼし、出力圧を創生する。
【０１２４】
プロセス流体とばね４５４によって及ぼされる入力圧が出力流体チャンバー４０４内の出力圧より大きいときは、ダイアフラムＤは、右へ動き、スピンドル４８１はプレート表面４７３Ａを座着表面４７５から分離させる。流体供給源からバリヤー流体がチャンバ４７１へ導入され、そこからバリヤー流体は、プラグ４７４中央孔４７７を通って出力流体チャンバー４０４へ流入する。次いで、バリヤー流体は、そこから出力通路２４０を経て軸方向孔２８０及びチャンバー２８０に流入する。
【０１２５】
バリヤー流体分配ネットワークが供給源からのバリヤー流体で満たされると、出力流体チャンバー４０４内のバリヤー流体圧は、ダイアフラムＤを反対方向に、例えば左方へ押圧するためにダイアフラムＤに及ぼす圧力を漸増させる。出力流体チャンバー４０４内のバリヤー流体圧がプロセス流体と調節自在ばね４５４によって及ぼされる圧力の和にほぼ等しくなると、ダイアフラムＤが左方へ押圧される。ばね４７２及び中間プレート４７３は、チャンバー４７１内のバリヤー流体圧と協同して、プレートのシール表面４７３Ａを座部４７５に接触すする位置へ押し戻し、それによって、バリヤー流体供給源を出力チャンバー４０４から遮断する。かくして、流体フィードバック式圧力調整システム内のバリヤー流体が、プロセス圧と調節自在ばね４５４の可変圧によって及ぼされる圧力の和にほぼ等しいレベルにまで加圧される。従って、出力流体チャンバー４０４内のバリヤー流体圧は、プロセス流体の圧力より、ばね４５４の張力即ち圧力に対応する量だけ高いレベルにまで加圧される。当業者には明らかなように、出力流体チャンバー４０４内のバリヤー流体圧のこの増大は、シール面でのバリヤー流体圧が低くなっていることを表し、従って、シール面がまさに接触しようとしていることを表す。バリヤー流体が軸方向孔２２８及び溝１８０を通してシール面に供給されると、シール面間の間隙が加圧されシール面を分離する。
【０１２６】
組み立てにおいては、回転シールリング１６の駆動スロット１３８をホルダ組立体の駆動孔１３４から突出している軸方向の駆動ピン１３６に心合させることによって回転シールリング１６をスリーブ１００に取り付ける。弾性調心部材１７０をスリーブ１００の周りに同心的に配置し、更に回転シールリング１６の内側表面１６６に接触させる。同様にして、Ｏ−リング１３０をスリーブ１００に形成された環状溝１２８内に配置し、回転シールリング１６の後面１７４に密封接触させる。
【０１２７】
機械的ばね２７０を外側グランドプレート３６のばね孔２７２内に挿入して圧縮プレート３００の後面３０７に当接させることによって静止シールリング１４と圧縮プレート３００を外側グランドプレート３６の静止シールリング受容チャンバー９０内に装着する。流体孔２２８の軸方向セクション２２８と圧縮プレート３００の孔３１６を外側グランドプレート３６に形成された孔２５２から突出した保持ピン２５０に心合させる。Ｏ−リング２３６を外側グランドプレート３６の第２表面７６の周りに同心的に装着し、静止シールリング１４の半径方向セクション２２４及び斜切セクション２２６に密封接触させる。圧縮プレート３００の表面３１２，３１４は、Ｏ−リング２３６を静止シールリング１４及び外側グランドプレート３６の両方に密封接触させるように付勢する。Ｏ−リング９４は、外側グランドプレート３６の溝９２内に装着され、静止シールリング１４の第２外側表面２０８に接触させる。Ｏ−リング９４及び２３６は、かくして、外側グランドプレート３６と静止シールリング１４の間に流体密、圧力密シールを設定する。
【０１２８】
当業者には明らかなように、機械的ばねとしては、圧縮プレート３００なしの構成を含むいろいろなな変型機械的ばねが可能である。圧縮プレート３００なしとした場合は、機械的ばねを直接静止シールリング１４の表面に接触させる。
【０１２９】
次に、グランドプレートＯ−リング５６をグランドガスケット溝７０内に装着し、外側グランドプレート３６、スリーブ１００、静止シールリング１４及び回転シールリング１６を軸１２の周りに同心的に装着する。次いで、ロックリング１４４をスリーブ１００の外端１０４の周りに同心的に装着する。ねじ１４２をロックリング１４４を通してスリーブ１００の締着具受容孔１４０に挿入し、ねじ１４２を締めつけて軸１２に摩擦係合させ、それによってスリーブ１００並びに回転シールリング１６を軸１２に固定する。
【０１３０】
次いで、内側グランドプレート３４を軸１２の周りに同心的に装着する。次いで、回転シールリングスリーブ１００のフランジ１２０と回転シールリング１６を内側グランドプレート３４内に装着する。図１に示されるように、回転シールリング１６とスリーブ１００のフランジ１２０は、内側グランドプレート３４から離隔されており、それによって、内側グランドプレート３４に対して回転シールリング１６及びスリーブ１００のフランジ１２０の回転を可能にする。次に、グランドプレート３４，３６をそれらのグランドプレートの締着具受容孔８２によって保持されたねじ８４によって結合し固定する。グランドガスケット溝７０が、内側グランドプレート３４の半径方向表面５４に当接し、グランドプレート３４と３６の間に圧力密、流体密シールを設定する。
【０１３１】
グランド組立体３０をハウジング１１に完全に固定する前に、軸１２、スリーブ１００、静止シールリング１４及び回転シールリング１６をグランド組立体３０内に心合させる。この目的のための調心機構の１例が図１に調心クリップ１５として示されている。その他のタイプの調心機構の例は、本出願人の米国特許第５，５７１，２６８号（その記載内容が本明細書に編入されているものとする）に記載されている。
【０１３２】
シール１０を組み立て、ポンプハウジング１１に取り付けたならば、プロセス媒体を図１に示されるようにプロセス流体チャンバー２９０内に封入する。プロセス流体チャンバー２９０は、内側グランドプレート３４の内側表面３８と、外側グランドプレート３６の第２表面６８と、Ｏ−リング５６，９４と、スリーブ１００の外側表面と、回転シールリング１６の外側表面１７２と、静止シールリング１４の第１及び第２外側表面２０６，２０８及び第１連接壁２１０とによって画定される。周囲媒体、通常は空気が、プロセス流体チャンバー２９０から通常は封止されている周囲流体チャンバー２９５を満たす。プロセス流体チャンバー２９０は、静止シールリング１４の内側表面１６２と、回転シールリング１６の内側表面２０２と、Ｏ−リング１３０，２３６と、スリーブ１００の外側表面１１２，１１４によって画定されている。ここで、「周囲」及び「周囲媒体」とは、プロセス環境又はプロセス媒体以外の任意の外部環境又は媒体を意味する。
【０１３３】
引き続き図１を参照して説明すると、Ｏ−リング１１８は、プロセス流体が軸１２に沿って滲出するのを防止する。扁平なガスケット５０は、プロセス流体がハウジング１１及びシール１０の界面に沿って滲出するのを防止する。グランドプレートＯ−リング５６は、プロセス流体がグランドプレートの界面に沿って滲出するのを防止する。Ｏ−リング９４，１３０は、プロセス流体がスリーブ１００及びグランド組立体３０を経て周囲流体チャンバー２９５に侵入するのを防止する。
【０１３４】
作動において、バリヤー流体が静止シールリング１４のバリヤー流体孔２２８を通してらせん溝１８０及びシール面１８，２０ａ，２０ｂへ導入される。バリヤー流体は、これらのシール面間の間隙を満たし、それによってシール面１８と２０を分離して、プロセス流体チャンバー２９０内のプロセス媒体と周囲流体チャンバー２９５内の周囲流体との間に流体シールを形成する。この間隙は、シール面に沿っての流体漏れを最少限にし、かつ、摩耗を抑止するためにシール面を分離しておくように所定の厚さに維持されるか、あるいは、調節自在とされる。
【０１３５】
シール１０に対するバリヤー流体の作用は、二通りある。第１に、バリヤー流体は、シール面１８と２０ａ，２０ｂとの間の直接的摩擦接触の度合を軽減することによってシール面の摩耗を少なくし、その結果として、各シール部品の使用寿命を長くすることができる。第２に、バリヤー流体は、シール面間の直接的摩擦接触によって生じる熱をシール面から移送する量を最少限にし、その結果、シール１０全面の温度分布をより均一にし、従って、各シール部品が受ける熱応力を小さくすることによってシール部品の使用寿命を長くすることができる。
【０１３６】
バリヤー流体は、回転シールリング１６の第１同心シール面２０ａ並びに静止シールリングシール面１８の対応部分に主として流体静力学的な持ち上げ力を及ぼす。本発明のシール１０は、又、溝１８０に、そして内側同心シール面２０ｂに沿って混在流体動力学的及び流体静力学的流体力（流体動力学的流体力と流体静力学的流体力とが混在した力）を醸成する。又、バリヤー流体は、回転シールリング１６の第２シール面２０ｂ並びに静止シールリングシール面１８の対応部分に、静止シールリングシール面１８の少くとも一部分を回転シールリング１６の第２シール面２０ｂの少くとも一部分から分離させて両者の間に間隙を形成する働きをする持ち上げ力を及ぼす。
【０１３７】
本発明のメカニカルフェースシール１０の重要な利点は、１対の同心シール面を単一のシールリング上に、好ましくは、非接触型メカニカルフェースシールに形成することができることである。同心シールの形成は、１対だけのシールリングを用いて二重のシール設計を可能にする。（ただし、随意選択として、追加のシールリングを用いることができる。）この構造は、既存の流体機械類の既存のシールスペース内に設置することができる非常にコンパクトなメカニカルシール、好ましくは非接触型メカニカルフェースシールの構成を可能にする。従って、このメカニカルシールを収容するためにポンプハウジングや周りの構造体をほとんど改変する必要がない。
【０１３８】
回転シールリングのシール面の一部分に沿って主として流体静力学的な流体力を醸成し、該シール面の他の一部分に沿って混在流体動力学的及び静力学的流体力を醸成することのもう１つの利点は、そのメカニカルシールが、シール面の摩耗を増進させることなく比較的低速の軸速度で動作することが可能なことである。更に、シール面の一部分、好ましくは同心シール面のうちの一方のシール面に沿って純粋に流体静力学的な部分を設けることによって、バリヤー流体の放出中にもシールを維持することを可能にする。この利点が得られるのは、本発明のメカニカルシールは、主として流体静力学的なシール領域がプロセス流体環境と周囲環境との間に有効な流体シールを設定することを可能にするバランス機構を用いるからである。
【０１３９】
本発明の更に他の利点は、シール領域においてプロセス流体に対してバリヤー流体圧の増減が生じると、それに対応して、シールの流体静力学的部分に沿ってのみシール面を分離させる開放力に正味変化を起こすようにメカニカルシールを構成することができることである。この圧力構成は、システムオペレータがバリヤー流体とプロセス流体との間の圧力差を変えることによって開放力を調節することを可能にする。この圧力制御特徴は、使用中、間隙の厚さの正確な調節を可能にする。
【０１４０】
加えて、本発明のメカニカルシール１０は、バリヤー流体圧を調節することによって軸の回転速度とは独立してシール面間の接触度即ちシール面間に形成される間隙の厚さを調節することを可能にし、それによって流体静力学的な持ち上げ力Ｆ1の大きさを調節し、所望の分離隔隙を設定することができる。従って、始動時に、即ち、軸が回転していないとき、バリヤー流体圧を増大させることによってシール面を完全に又は部分的に分離をさせることが可能である。同様にして、低速軸速度においてもバリヤー流体圧を増大させることによってシール面を完全に又は部分的に分離をさせることができる。
【０１４１】
本発明の更に他の利点は、二次シール構造体がシール面のハングアップ（引っ掛かりや詰まり）又はＯ−リングのヒステリシスを防止、抑止又は最少限にすることである。従って、本発明のシールは、そのシール面の分離がシステムの限界内に維持されるので密封特性を向上させることができる。
【０１４２】
当業者には明らかなように、本発明のメカニカルシール１０は、例えばグランド組立体、スリーブ、静止シールリング、回転シールリング、Ｏ−リング等の各シール部品の一部分を分割した完全なスプリット型メカニカルシールとして構成することができる。そのようなスプリット型シールは、例えばポンプ等の関連装置を完全に分解する必要なしに、又、シールを軸の端部から外す必要なしに、割りシール部品を着脱することによって損傷したシール部品の交換又は修理を容易にすることができる。
【０１４３】
当業者には明らかなように、ここでは単一のシール構造を例示して説明したが、本発明のメカニカルシール１０は、多数個を軸に沿って軸方向に並べて配置する二重又は縦列又は多重シール構成とすることができる。
【０１４４】
以上、本発明を実施形態に関連して説明したが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形状に限定されるものではなく、いろいろな実施形態が可能であり、いろいろな変更及び改変を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明による非接触型メカニカルシールの部分断面図である。
【図２】  図２は、図１に示した本発明による非接触型メカニカルシールの分解斜視図である。
【図３】  図３は、図１に示した本発明による非接触型メカニカルシールのシール構成部材の図２とは異なる分解斜視図である。
【図４】  図４は、図１に示した本発明の非接触型メカニカルシールの内側グランド（パッキング）プレートの斜視図である。
【図５】  図５は、図１に示した本発明の非接触型メカニカルシールの外側グランド（パッキング）プレートの斜視図である。
【図５Ａ】  図５Ａは、図５の外側グランドプレートの側断面図である。
【図５Ｂ】  図５Ｂは、図５の外側グランドプレートの部分側断面図であり、外側グランドプレートの内部の静止シールリング及び外側グランドプレートの内部に座着している圧縮プレートを示す。
【図５Ｃ】  図５Ｃは、図５の外側グランドプレートの部分即断面図であり、静止シールリングと、外側グランドプレートの内部に座着している他の例の圧縮プレートを示す。
【図６】  図６は、図１の本発明の非接触型メカニカルシールの回転シールリングを支持するためのスリーブの斜視図である。
【図７】  図７は、図１の本発明の非接触型メカニカルシールの回転シールリングの斜視図である。
【図７Ａ】  図７Ａは、図７の回転シールリングの側断面図である。
【図８】  図８は、図１の本発明の非接触型メカニカルシールの静止シールリングの斜視図である。
【図８Ａ】  図８Ａは、図８の静止シールリングの側断面図である。
【図９】  図９は、図８の本発明の静止シールリングの破断斜視図である。
【図１０】  図１０は、図１の本発明の非接触型メカニカルシールの圧縮プレートの斜視図である。
【図１０Ａ】  図１０Ａは、図１０の圧縮プレートの側面図である。
【図１１】  図１１は、図１の本発明の非接触型メカニカルシールのロックリングの斜視図である。
【図１２】  図１２は、図１の本発明の非接触型メカニカルシールを、グランド内部に取り付けた圧力フィードバック手段と共に示す破断断面図である。
【図１３】  図１３は、他の実施例による圧力フィードバック手段を使用する図１２の非接触型メカニカルシールの破断図である。
【図１４Ａ】  図１４Ａは、図１の非接触型メカニカルシールの回転及び静止シールリングの概略的な側断面図であり、本発明によるシールリングに作用する各種の力を例示する。
【図１４Ｂ】  図１４Ｂは、図１の非接触型メカニカルシールの回転及び静止シールリングの概略的な側断面図であり、本発明によるシールリングに作用する各種の力を例示する。
【図１５】  図１５は、図１の非接触型メカニカルシールの回転及び静止シールリングの概略的な側断面図であり、本発明によりバリヤー流体圧力の喪失状態中にシールリングに作用する各種の力を例示する。
【符号の説明】
１０  メカニカルフェースシール、メカニカルシール、シール
１１  流体ハウジング、ポンプハウジング、ハウジング
１２  軸
１３  軸線
１４  静止シールリング、シールリング
１６  回転シールリング、シールリング
１８  シール面、静止シールリング面、静止シール面
２０  シール面、回転シールリング面、回転シール面
２０ａ，２０ｂ  同心シール面、シール面
３０  シールグランド組立体、グランド組立体、グランド、
３４  内側グランドプレート、グランドプレート
３６  外側グランドプレート、グランドプレート
３８  内側半径方向表面
４０  外側半径方向表面
４２  内側軸方向表面
４４  外側軸方向表面
４８  ハウジングガスケット溝
５０  環状ハウジングガスケット
５２  環状カラー
５２  内側グランドプレート密封部分
５４  半径方向表面
５６  リング
５８  内側軸方向表面
６０  外側軸方向表面
６２  内側半径方向表面
６４  外側半径方向表面
７０  グランドガスケット溝
７２  軸方向表面
７４  内側半径方向表面、半径方向表面
７６  軸方向表面
７８  内側半径方向表面
８０  受容凹部
８４  ボルト
８４  締着孔
９０  静止シールリング受容チャンバー
９１  弾性部材受容チャンバー
９２  外側グランドプレート溝
９４  弾性部材
１００  回転シールリングスリーブ、スリーブ
１０２  円筒形スリーブ本体
１０４  軸方向外端
１０６  軸方向内端
１０８  外側表面
１１０  内側表面
１１２  外側表面
１１４  外側表面
１１６  環状チャンネル
１１８  軸ガスケット
１２０  フランジ
１２２  内側軸方向表面
１２４  外側軸方向表面
１２６  外側半径方向表面
１２８  環状溝
１３０  弾性シールリング、弾性密封部材
１３２  外側表面
１３４  駆動孔
１３６  駆動ピン
１３８  駆動スロット
１４０  孔
１４４  ロックリング
１６２  円弧状内側表面
１６４  軸方向表面
１６６  内側表面
１６８  連接表面
１６８  連接壁
１７０  弾性調心部材
１７２  外側軸方向表面
１７４  後面
１８０  ポンプ作用溝、溝
２０２  内側軸方向表面
２０４  外側軸方向表面
２０６  外側表面
２０８  外側表面
２１０  環状連接壁
２１２  内側表面
２１４  内側軸方向表面
２１６  環状連接壁
２１８  内側セクション、内側表面
２２０  後面
２２２  内側表面、連接壁
２２４  半径方向セクション、半径方向表面
２２６  斜切セクション、斜切表面
２２８  バリヤー流体孔、バリヤー流体導管
２２８  軸方向セクション、軸方向孔、流体孔
２３０  軸方向セクション
２３２  セクション
２３４  連続円周溝
２３６  リング
２３６  弾性部材
２４０  バリヤー流体孔
２４０  出力バリヤー通路、出力通路
２４０  入力流体孔、閉鎖用流体通路、流体孔
２５０  静止シールリング保持ピン、保持ピン
２５２  静止シールリング孔
２７２  受容孔
２８０  環状閉鎖用流体チャンバー、チャンバー、軸方向孔
２９０  プロセス流体チャンバー、プロセスチャンバー
２９５  周囲流体チャンバー
３００  圧縮プレート
３０１  二次シール組立体
３０２  内側前面、内側半径方向表面
３０４  外側半径方向表面、内側表面
３０６  前面
３０７  後面
３０８  前面
３１０  連接壁
３１１  前面
３１２  前面
３１３  前面
３１４  前面
３１６  保持ピン孔
４００  流体フィードバック式圧力調整システム、圧力フィードバックシステム、フィードバックシステム、圧力調整サブシステム、圧力調整システム
４０１  流体フィードバック式圧力調整システム、圧力調整システム、調整システム
４０２  入力調整チャンバー、入力流体チャンバー、入力チャンバー
４０４  出力流体チャンバー、出力チャンバー
４０８  可動差圧弁、可動弁
４１０  入力閉鎖用流体孔、入力バリヤー流体孔、入力チャンバー孔
４１２  出力閉鎖用流体孔、出力バリヤー孔、出力流体導管
４１３  中間チャンネル、中間チャンバー
４１４  流体マニホールド
４２０  入力閉鎖力供給通路、入力流体供給通路入力供給孔、供給孔、入力供給通路
４２１  入力プロセス流体圧孔、プロセス流体孔
４３０  バリヤー通路
４５６Ａ  ヘッド部分
４５７  リング
４６２  入力プロセス流体圧通路、入力プロセス流体通路、プロセス流体孔
４６９  付勢組立体
４７０  チャンバー
４７１  チャンバー
４７３Ａ  シール表面
４７３Ａ  プレート表面
４７３  中間プレート
４７４  固定環状シールプラグ、シールプラグ
４７４  中央孔
４７５  座着表面、座着面、座部
４７６  リング
４７７  肩部分
４７７  中央孔
４８０  ベロー部分
４８１  軸方向スピンドル、スピンドル、スピンドル部分
【図１】
0004740453.tif 000002
【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５Ａ】
0004740453.tif 000007
【図５Ｂ】
0004740453.tif 000008
【図５Ｃ】
0004740453.tif 000009
【図６】
0004740453.tif 000010
【図７】
0004740453.tif 000011
【図７Ａ】
0004740453.tif 000012
【図８Ａ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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