(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（１１）と回転シャフト（１２）との間に流体封止を提供する非接触式のスプリットメカニカルシールであって、
少なくとも二つのスプリットシールリング区分と、半径方向に延びる第一シール面（１８）とを有する第一シールリング（１４）と、
少なくとも二つのスプリットシールリング区分と、半径方向に延びる第二シール面（２０Ａ，２０Ｂ）とを有する第二シールリング（１６）であって、前記第一及び第二シール面が相互に対向する、第二シールリング（１６）と
を含み、前記第一シールリング（１４）及び前記第二シールリング（１６）の一方は前記回転シャフト（１２）に接続して一緒に回転し、前記第一シールリング及び前記第二シールリングの他方は前記ハウジング（１１）に接続し、さらに
防壁流体を前記第一シール面及び前記第二シール面に導入すると共に、前記第一シール面（１８）の少なくとも一部分を前記第二シール面（２０Ａ，２０Ｂ）の少なくとも一部分から分離するための静水力学的力を生じる手段（２２８）を含み、
前記第二シールリング（１６）の前記シールリング区分を、シールリング及びホルダアセンブリの外側表面（１５４）にかかる流体圧力が、シールリング及びホルダアセンブリの内側表面（１５２）にかかる流体圧力、又はシール面に導入される流体圧力よりも小さい圧力状態で封止関係に流体的に保持する手段（１８３，１８５）をさらに含む、スプリットメカニカルシール。
【請求項２】
前記静水力学的力を生じる手段（２２８）すなわち防壁流体を導入する手段が、前記第二シール面（２０）に形成された溝（１８０）を含む請求項１に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項３】
前記溝（１８０）が前記第二シール面の周りに連続している請求項２に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項４】
前記溝が、二つの同心円上シール面（２０Ａ，２０Ｂ）を前記第二シール面上に形成するよう配置されたことで、前記第一シール面と前記第二シール面との間に二重の封止を提供する、請求項３に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項５】
前記溝が前記第二シール面上に位置することで前記半径方向の溝（１８０）の両側に陸地（２０Ａ，２０Ｂ））を形成する、請求項２〜４に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項６】
前記防壁流体が気体又は液体あるいはこれらの組合せを含む請求項１、２に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項７】
前記第一及び第二シール面に流体を導入する前記手段が、前記第一シールリング（１４）を貫通して形成された流体導管（２２８）を含む、請求項１〜６に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項８】
前記流体導管（２２８）が、前記第一シール面（１８）で開放すると共に、前記第一シールリングを貫通して軸方向に延びる第一端部を有する請求項7記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項９】
前記流体導管（２２８）が、前記第一シールリング（１４）の外側表面（２０６）で開放する第二端部を有する、請求項８に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項１０】
前記第一（１８）及び第二シール面（２０）に流体を導入する前記手段が、
前記第二シール面に形成された、連続した、周囲上の溝（１８０）と、
前記第二シールリング（１６）を貫通して形成された流体導管（１８３）であって、前記流体導管と前記溝との間に流体連絡を提供するために、前記第二シール面に開口を有する、流体導管（１８３）と
を含む、請求項１に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項１１】
閉鎖流体を前記第一シールリング（１４）の背面（２１４）に導入して閉鎖力を前記第一シールリングに提供する手段（２４０，２４２）をさらに含み、前記閉鎖力が、前記第一及び第二シール面を相互に向かって付勢する、請求項１〜１０に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項１２】
前記閉鎖流体が、前記第一シールリング（１４）の周囲に配置された少なくとも二つの弾性部材（２２６，２２４）により形成された環状チャンバ（２４２）に導入される、請求項１０に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項１３】
前記第一シールリングの前記シールリング区分を封止関係に流体的に保持する前記手段が、流体を前記第一シールリングの外側表面（１５４）に供給するために前記第一シールリングに形成された流体導管（１８３）を含む、請求項１２に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項１４】
前記流体導管（１８３）が第一及び第二端部を含み、前記第一端部が、前記第一シール面に開放すると共に、前記第一及び第二シール面に流体を導入する前記手段（２２８）と流体連絡した状態に配置される、請求項１３に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項１５】
前記流体導管の前記第二端部が、前記シールリングの前記外側表面（１５４）で開放する、請求項１４に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項１６】
前記第一及び第二シール面に流体を導入する前記手段（２２８）が、
前記第一シール面に形成された、連続する円周溝（１８０）と、
前記第二シールリング（１６）を貫通して形成された第二流体導管（１８３）であって、前記第二流体導管と前記溝との間に流体連絡を提供するために、前記第二シール面に開口を有する、第二流体導管（１８３）と
を含む、請求項１５に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項１７】
前記第一シールリング（１４）に形成された前記流体導管（２２８）が、前記溝（１８０）及び前記第二流体導管（１８３）と流体連絡した状態に配置され、それにより、前記第一及び第二シール面（１８、２０）に、前記溝（１８０）及び前記第二流体導管（１８３）を通じて導入される前記防壁流体が、前記第一シールリングの前記外側表面に、前記第一導管を通じて連絡される、請求項１６に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項１８】
前記シールリング区分を流体的に保持する前記防壁流体が、前記第一シールリングの前記外側表面に配置された少なくとも二つの弾性部材（１７２，１７０）により形成された環状チャンバ（１８５）に導入される、請求項１７に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項１９】
前記負圧状態が、前記第二シールリング（１６）の前記外側表面（１５４）での流体圧力が、前記第二シールリング（１６）の前記内側表面（１５２）での流体圧力よりも小さい状態を含む、請求項１に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項２０】
前記第一シール面（１８）及び前記第二シール面（２０Ａ，２０Ｂ）の共平面アライメントを維持する手段（１７２）をさらに含む、請求項１〜１９のいずれかに記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項２１】
前記シール面の共平面アライメントを維持する前記手段が、前記第二シールリングの背面（１６８）に隣接する、前記第二シールリング（１６）の周囲に配置されたスプリット弾性部材（１７２）を含み、それにより前記第二シールリングの前記スプリット弾性部材周りの揺動が可能である、請求項２０に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項２２】
前記第一シールリングを前記ハウジング（１１）に接続するために、前記第一シールリング（１４）の外側表面（２０６）に接続された少なくとも二つのグランド区分（３４Ａ，３４Ｂ）を有するスプリットグランドアセンブリ（３０）とを含む、請求項１に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項２３】
前記第一シールリングに弾性的に係合することで、前記第一シールリングの前記シールリング区分の半径方向の分離を防止すると共に、その間で封止を形成するために、前記スプリットグランドアセンブリ（３０）と前記第一シールリングの前記外側表面（２０６）との間に介在する第一スプリット弾性部材（２２２，２２４）とを含む、請求項２２に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項２４】
前記第二シールリングを前記回転シャフトに接続するために前記第二シールリング（１６）の外側表面（１５４）に接続した少なくとも二つのホルダ区分（１０４Ａ，１０４Ｂ）を有するスプリットホルダアセンブリ（１００）とを含む、請求項１に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項２５】
前記第二シールリングの前記シールリング区分の半径方向の分離を防止するために、前記スプリットホルダアセンブリ（１００）と前記第二シールリングの外側表面との間に介在する第二スプリット弾性部材（１７０，１７２）とにより前記第二シールリングに弾性的に係合する、請求項２４に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項２６】
前記第二スプリット弾性部材（１７２）が、前記第二スプリット弾性部材周りの前記第二シールリングの揺動を可能とするよう配置された、請求項２２に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項２７】
前記第二シールリングに弾性的に係合することで前記第二シールリングの前記シールリング区分の半径方向の分離を防止すると共にその間で封止を形成するために、前記スプリットホルダアセンブリ（１００）と前記第二シールリングの前記外側表面（１５４）との間に介在する第三スプリット弾性部材（１７０）をさらに含む、請求項２６に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項２８】
前記第三スプリット弾性部材（１７０）が、前記第二シールリング（１６）の前記外側表面（１５４）、及び、前記ホルダアセンブリの内側表面の一方に選択的に当接する、請求項２７に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項２９】
流体を前記第一及び第二シール面に導入する前記手段が、前記第一及び第二シール面の間に所定の幅を有する間隙を確立し、前記シールが、作動中に前記間隙の幅を調節するための調節手段（２４０，２４２）をさらに含む、請求項１又は２２に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項３０】
前記調節手段が、前記第一シールリング（１４）の背面（２１４）に閉鎖流体を導入することで、作動中の前記間隙の幅を調節するために前記第一シールリングに選択的に可変の閉鎖力を提供する流体導入手段を含む、請求項２９に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項３１】
閉鎖流体を導入する前記手段が、前記第一シールリング（１４）の背面に閉鎖流体を導入することで、前記第一シールリングに閉鎖力を提供する、前記スプリットグランドアセンブリ（３０）に形成された流体導管（２４０）を含み、前記流体導管が、前記閉鎖流体の前記背面への導入を容易とするために、前記第一シールリングの前記背面に近接した開口を有する、請求項２２に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項３２】
前記閉鎖流体が、前記第一シールリングの周囲に配置された、少なくとも二つの弾性部材（２２４，２２６）により形成された環状チャンバ（２４２）に導入される、請求項３１に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項３３】
前記スプリットメカニカルシールが非接触式シールである、請求項１乃至３２のいずれかに記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項３４】
前記シールリング区分を流体的に一緒に保持する前記手段が、半径方向で内向きの力を印加することにより、前記シールリング区分の半径方向の分離を防止するよう適合されている、請求項１に記載のスプリットメカニカルシール。
【請求項３５】
導入する前記手段により生ずる前記静水力学的力が、前記第二シール面の少なくとも一部分からの前記第一シール面の軸方向の分離を維持するよう適合されている、請求項１に記載のスプリットメカニカルシール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
本発明は、概略的には、ハウジングと回転シャフトとの間に流体封止を提供するシールに関するものである。より具体的には、本発明は、当該シールのうちのシール面の部分間に流体を導入する面シールに関するものである。
【０００２】
従来のメカニカルシールは、回転シャフトと定置ハウジングとの間に圧力封止及び流体封止を提供するために、幅広い機械的な装置に利用されてきた。このシールは通常、定置ハウジング内に取り付けられると共にそこから突出する回転シャフトの周囲に配置される。シールは多くの場合、ハウジングのシャフト出口の位置にボルト止めされることで、加圧された処理流体がハウジングから失われないようにする。従来のスプリットメカニカルシールには面型メカニカルシールが含まれるが、この面型メカニカルシールには、シャフトの周囲に同心円上に配置されると共に軸方向で相互に間隔を置いた一対の環状のシールリングが含まれる。このシールリングはそれぞれ、相互に物理的に接触するよう付勢された封止表面を有する。通常、一方のシールリングは定置したままで、他方のリングがシャフトと接触してそれと一緒に回転する。このメカニカルシールは、加圧された処理流体が外部環境に漏れ出すことを、シールリングの封止表面を相互に物理的に接触するよう付勢することにより、防止する。表面間で物理的接触が繰り返される結果、シール面が摩耗し、そして典型的にはシールが望ましくない疲労という特徴や漏出を呈したりする。
【０００３】
これらの従来の機械的面シールの疲労特性が芳しくないことから、シール部品、特にシールリングを頻繁に監視及び取り替えする必要がある。損傷したシールの取り替え及び修理は、メカニカルシールの構成部品の一部を区分化又はスプリット型にしたようなシールデザインにより、容易にされてきた。スプリット又は部分的にスプリットにしたシール部品の据付は、当該機械的装置を全体的に分解したり、そして環状シールをシャフトの端部上を通過させる必要なく、行うことができる。しかしながら、スプリット型シールデザインにおいても、シール部品を取り替えるためにはかなりの時間を要するため、シールを伴った機械的装置のダウンタイムを頻繁に長時間とらねばならない。
【０００４】
従来技術は、上記の問題を、摩擦による疲労を減らすためにシールリング表面同士の間に介在する流体を用いた非接触式機械的封止を利用することにより、克服しようと試みてきた。従来の機械的非接触式面シールは、典型的には、シールリングの硬質表面に形成された螺旋状の溝を用いることにより、シール面を分離する流体力学的揚力を生じさせている。その結果生じる隙間により、この隙間内に流体が位置することができ、封止表面の摩耗が防がれる。この種類のシールの用途には限界があるが、それはなぜなら、このシールは一方向の態様のみで働くように設計されているからである。シールを反対方向に駆動すると、多くの場合、シールリングは分離せず、お互いに向かって引っ張られるか又は吸引されてしまい、疲労を増加させ、最終的にはシールが破壊されてしまう。その他の従来のデザインは特別に設計された、両方向で働くことができる螺旋状の溝（二方向溝）を利用するものである。しかしながら、これらの溝は多くの場合、シール面を分離する点では効率が低い。
【０００５】
機械的非接触式シールデザインにおいても、何らかの量のシール面の摩耗が、特に起動時や、又はシャフトが比較的に低速で回転するような期間に起きる。シール部品の疲労を引き起こすこのような摩耗の結果、最終的にはシール部品の交換が必要となる。
【０００６】
非接触式シール用のスプリット・シールデザインが提案されたことは、たとえいくつかあるとしてもほとんどない。このようなシールデザインの設計を開発するには、スプリットシールデザインではシール面の数が増えることと、シール面同士の間に流体が存在することとが原因で、いくつかの困難が生じている。シール部品のスプリット区分のそれぞれの間に、そして特にシールリング区分同士の間にシール面がさらに加わることで、スプリット・シール全体の流体封止を維持することが困難になる。さらに、シール面間に介在する流体が、スプリット・シール部品に対して分離力を加えることがあり、その結果スプリット部品の分離、さらには流体の漏出が起きる場合がある。これらの理由から、流体封止を提供できると同時に、従来のスプリット・シールデザインの長所をも提供するようなスプリット型の非接触式メカニカルシールデザインが当業において求められている。
【０００７】
上記の、そしてその他の従来技術のシールが最適とは言えないことが判明しているため、本発明の目的の一つは、流体をシール面間に導入することができると共に相対的に流体封止を維持するような優れたスプリットメカニカルシールを提供することである。
【０００８】
本発明のもう一つの目的は、幅広い用途に向けた幅広い作用条件下で作用可能なスプリットメカニカルシールの提供である。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、組み立て及び分解が比較的に容易なスプリットメカニカルシールを提供することである。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、シール面に流体を利用することで、シール性能又は一体性を損なうことなく、疲労を軽減すると同時に、その他の面での漏れを防ぐ又は最小限にするスプリットメカニカルシールを提供することである。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、スプリットシール部品があらゆる作用条件にわたって封止関係に一緒に保たれるスプリットメカニカルシールを提供することである。
【００１２】
本発明のその他の一般的及びより具体的な目的は、部分的に自明であり、また図面及び以下の説明から部分的に明白となることであろう。
【００１３】
発明の概要
これらの及びその他の目的は、シールのそれぞれの部品をスプリットとすることができ、また防壁流体を定置及び回転シールリングのシール面に導入することができる、本発明のスプリットメカニカル面シールにより達成可能である。本発明のスプリットメカニカルシールは、例えばシール面の疲労の軽減などの非接触式シールデザインの長所を提供すると共に、例えば据付及び保守が容易であるなど、スプリットメカニカルシールデザインの長所をも提供し、と同時にシール面全体にわたって処理流体の漏れを防ぐ。加えて、本発明のスプリットメカニカルシールは、シール面の部分同士の間の接触の程度の調節を可能とし、気体又は液体といった防壁流体の用途や、複数の環境に適しているという柔軟性及び利点をも提供するものである。
【００１４】
本発明は、ハウジングと回転シャフトとの間に流体封止を提供するスプリットメカニカル面シールを提供し、このスプリットメカニカル面シールは、それぞれが少なくとも二つのシールリング区分と、半径方向に延びるシール面とを有する第一及び第二のシールリングを含む。このシールリングのシールリング面は相互に対向する。シールリングの一方は回転シャフトに接続し、かつ回転シャフトと一緒に回転するが、他方のシールリングはハウジングに接続されている。本スプリットメカニカルシールは、流体を第一及び第二のシールリングのシール面に導入する手段をさらに含む。
【００１５】
流体を第一及び第二のシールリングのシール面に導入する手段により、液体又は気体のいずれかあるいは両方の組合せを含む冷却又は防壁流体のシール面への導入が可能となる。液体をシール面に導入する場合、このシールは接触面シールとして作用し、このとき、このシール面の少なくとも何らかの部分が作用中に接触したままとなる。反対に、気体をシール面に導入する場合には、このシールは非接触式面シールとして作用し、このときこのシール面は部分的又は完全に分離される。このように、流体をシール面に導入する手段により、本発明のスプリットシールメカニカルシールは、非接触式及び接触式の作用形態の両方で都合に合わせて作用できるのである。
【００１６】
防壁流体を導入する手段は第一シール面に形成された溝であってもよい。この溝は第一シール面の周囲に連続するものであってもよく、また第一シール面上に二つの同心円上のシール面を形成するような位置にあることで、二重のシールを提供するものとなっていてもよい。連続した、周辺上の溝が、この周辺上の溝の両側に陸地を形成するよう、第一のシール面上に位置していてもよい。防壁流体は気体でも、液体でも、又はこれらの組合せでもよい。溝内の防壁流体がおおむね主に静水学的力を第一及び第二のシール面に提供することにより、第一のシール面の少なくとも一部分が、第二のシール面の少なくとも一部分から分離するよう、防壁流体の圧力など、その他の因子と関連させて溝の寸法を決定することができる。
【００１７】
防壁流体を第一及び第二のシール面に導入するこの手段には、第一シールリングを貫通して形成された流体導管を含めることができる。この流体導管は、第一シール面に開口部を有していてもよく、また第一シールリングを貫通して概ね軸方向に延びて、第一シールリングの外側表面で開口していてもよい。第二の流体導管をスプリット支持部材に形成してもよい。この第二の流体導管を、第一シールリングに形成された流体導管に近接した位置に、かつ流体連絡するように配置することもできる。
【００１８】
選択に応じ、本スプリットシールに、第一シールリングの外側表面に封止的に係合すると共にこの第一シールリングをハウジングに接続する少なくとも二つのグランド区分を有するスプリットグランドアセンブリを含めることができる。スプリット支持部材には、さらに、スプリットＯリングなど、少なくとも一つのスプリット弾性部材を含めて、このスプリット弾性部材をスプリットグランドアセンブリと第一シールリングの外側表面との間に介在させることで、第一シールリングを半径方向に弾性的に支持させてもよい。
【００１９】
さらに選択に応じ、スプリットシールに、少なくとも二つのホルダ区分を有するスプリットホルダアセンブリを含めて、第二シールリングを回転シャフトに接続させてもよい。例えばスプリットＯリングなどの少なくとも一つのスプリット弾性部材をこのスプリットホルダアセンブリと第二シールリングの外側表面との間に介在させてもよい。このスプリット弾性部材は第二シールリングを半径方向及び軸方向で弾性的に支持することができる。
【００２０】
さらに、第二シールリングがスプリット弾性部材周りに揺動できるようにスプリット弾性部材を配置して、第一シール面及び第二シール面の相互に対する共平面アライメントが維持されるようにしてもよい。このような態様では、シール面の錘形、即ち、シールリングが圧力により歪んだ結果出来る、シールリングの外側又は内側直径でのシール面の接触面、が制御されて、シール面が共平面関係で保たれる。
【００２１】
スプリットシールには、回転シャフトとスプリットホルダアセンブリとの間に位置した、スプリットＯリングなどのスプリットシャフトシール部材を含めることができる。このスプリットシャフトシール部材により、シャフトとスプリットホルダアセンブリとの間に流体封止が得られる。
【００２２】
選択に応じ、スプリットシールに、閉鎖流体を第一シールリングの背面に導入するシステムを含めてもよい。この閉鎖流体は、第一及び第二シール面を相互に付勢して封止関係を持たせる第一シールリングへの閉鎖力をかけるものである。閉鎖流体を導入するこのシステムは、スプリット支持部材に形成された流体導管でもよい。この流体導管には、第一シールリングの背面に近接した位置に、閉鎖流体のこの背面への導入を容易に行えるように開口部を設けてもよい。
【００２３】
このスプリットシールには、さらに、第一シールリングのシールリング区分を、負圧状態においても封止関係に流体的に維持するシステムを含めることができる。第一シールリングのシールリング区分を流体的に封止関係に維持するこのシステムには、防壁流体を第一シールリングの外側表面に供給する、第一シールリングに形成された流体導管を含めることができる。この流体導管は、防壁流体を第一及び第二シール面に導入する手段と流体連絡する開口を有していてもよい。さらにこのシールには、選択に応じて、第二シールリングの外側表面周囲に配置された、Ｏリングなどの弾性部材を少なくとも二つ含めて、流体を流体保持システムから受け取る環状のチャンバを形成させてもよい。
【００２４】
流体をシール面に導入する非接触式シールデザインの場合には、シールリングの外径にかかる流体圧力が、シール面間に導入される流体の圧力よりも小さい場合が起きる可能性がある。このような状態の結果、シールリングのシールリング区分の分離を、半径方向で内向きの流体力をシールリングのスプリット区分に対してかけることにより、防ぐものである。
【００２５】
スプリットシールには、さらに、少なくとも二つの支持区分を有するスプリット支持部材を含めて、第一シールリングをハウジング又は回転シャフトに接続させてもよい。このスプリット支持部材には、第一シールリングを半径方向で支持すると共に第一シールリングを回転シャフトに接続する、少なくとも二つのホルダ区分を有するスプリットホルダアセンブリを含めることができる。このスプリットシールには、さらに、第二シールリングの外側表面に封止係合すると共にこの第二シールリングをハウジングに接続するグランドアセンブリを含めてもよい。
【００２６】
スプリットシールには、さらに、シール面の共平面アライメントを維持する手段を含めてもよい。シール面で流体圧力が変化すると、シール面に歪みが生じる場合がある。シール面の圧力に関連した歪みの結果、シール面が共平面関係から逸脱してしまうような態様で、シール面の一方に錘形たわみが起きることがある。錘形の結果、ハウジングと回転シャフトとの間の流体封止が失われる可能性がある。シール面の共平面アライメントを維持する手段はシール面の錘形を制御するものである。
【００２７】
シール面の共平面アライメントを維持するこの手段には、第二シールリングの周囲に位置した弾性部材を含めることができ、こうしてこの第二シールリングをこのスプリット弾性部材の周りに揺動可能としてもよい。このように第二シールリングを弾性部材周りに揺動可能にすることにより、第一及び第二シール面の共平面アライメントを維持することができる。
【００２８】
図示の実施例の説明
本発明に基づくスプリットメカニカル面シール１０を図１及び１６に示す。メカニカルシール１０は好ましくはシャフト１２の周囲の同心円上に配置されるとよく、またポンプ等のハウジング１１の外壁に固定されているとよい。シャフト１２は軸１３に沿って延び、少な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とシャフト１２との間に流体封止を提供することで、ハウジング１１から処理媒体が逃げないように構成される。流体の封止は、定置シールリング１４及び回転シールリング１６により達成されるが、これらのリングはそれぞれ、図４，６、及び１６に示すように、半径方向に延びる円弧状のシール面２０、１８と、一対の区分シール面２２及び２４を有する。シールリング１４のシール面１８は、以下により詳細に説明するように、シールリング１６のシール面２０に対して封止関係になるよう、付勢されている。加えて、各シールリングの区分シール面２２，２４は相互に封止係合するよう付勢されている。このように、これらの個々のシール面により、以下に詳述するように、幅広い作用条件下及び幅広い用途で作用可能な流体封止が提供される。
【００２９】
ここで用いられる「処理媒体」及び「処理流体」という術語は、一般的には、ハウジング１１を通過して運ばれる媒体又は流体を言う。例えばポンプの用例では、処理媒体はポンプハウジングを通過してポンプ搬送される流体である。
【００３０】
ここで用いられる「軸方向」及び「軸方向に」という術語は、シャフト軸１３に対して概ね平行な方向を言う。ここで用いられる「半径方向」及び「半径方向で」という術語は、シャフト軸１３に対して概ね直交する方向を言う。
【００３１】
スプリットメカニカルシール１０は、好ましくは、防壁流体が第一及び第二シールリング１４，１６のそれぞれシール面１８，２０の間に導入されるようなスプリットメカニカル非接触型面シールであるとよい。非接触型面シールでは、防壁流体は、シール面１８の大部分の半径方向部分と、シール面２０の半径方向部分との間の接触を最小限にする、抑制する、又は妨げることにより、シール面１８，２０の摩擦係合及びその結果の疲労を軽減する働きをする。従って、非接触型面シールには、シール面が恒常的に完全に分離しているようなシールデザイン、シール面が特定の条件下で、即ちシャフトの回転期間に完全に分離するようなシールデザイン、及びシール面が時折又は部分的に分離するようなシールデザインが含まれる。対照的に、接触型の面シールには、シール面の部分的又は完全な接触が維持されるようなシールデザインが含まれる。両方のシールの種類とも、防壁流体は、シール面から熱を移動させてシール面への熱応力の作用を軽減する熱移動媒体として機能する。
【００３２】
本発明と一緒に用いられる防壁流体は気体でも、液体でも、又は両方の組合せでもよい。典型的には、摩擦接触したままになるシール面面積は、防壁に気体を用いる場合より、防壁に液体を用いた場合の方が大きくなる。従って、防壁に気体を利用すると、防壁に液体を利用した場合に比べて、シール面１８，２０の摩擦疲労を小さくすることができる。しかしながら、気体防壁流体はすべての用途に向いている訳ではなく、その理由は、少量の防壁気体の処理媒体への漏れが起きる場合があるからである。シールに防壁液体を利用すると、気体に比べて液体の方が熱移動特性が良好であるため、熱応力の作用を軽減する上で高い効果が得られる。当業者であれば、ある流体媒体の別のものに対する相対的選択は、シールを用いる用途の種類に依存するであろうことを理解されよう。例えば最小限の防壁気体の漏れなら許容できるような用途では、シール面の疲労を減らし、シールの寿命を延ばすためには、防壁気体が好ましいであろう。処理媒体内に少量の防壁気体が存在しても好ましくないような用途では、液体シールが好ましいであろう。
【００３３】
従って、本発明のシールは、気体又は液体（あるいはこれらの組合せ）といった両方の防壁流体用途に適しているという、柔軟性及びユニークな長所を提供するものである。加えて、本発明のメカニカルシールの特徴の多くは、ここで説明するように、伝統的なメカニカル（即ち接触型）面シールや、非接触型面シールの用途にも適している。従って、本発明のシールは非接触型のシール構成（例えば気体シール）だけに限られるものでなく、従来のスプリットメカニカルシール及び従来の気体シールに独自な両方の特徴を簡単だが洗練されたシールデザインで達成するものである。
【００３４】
図１乃至３及び１６を参照すると、図示のスプリットメカニカルシール１０は、定置シールリング１４及び回転シールリング１６に加え、シールグランドアセンブリ３０及び回転シールリングホルダアセンブリ１００を含む。このシールグランドアセンブリ３０は、一方が図２に示された、一対の同一のグランド区分又は二分の一片３４ａ及び３４ｂを含む。グランド区分３４ａは、軸方向の最も外側の端部（図２の底側）から始まり、内側表面を有するが、この内側表面は、軸方向に延びる第一表面３６と、この第一表面３６から半径方向に段を付けられた、一体に形成されると共に軸方向に延びる第二表面３８とを含む。第一表面３６及び第二表面３８が互いに組み合わされて第一環状接続壁面４０を形成する。軸方向に延びる第三表面４２は第二表面３８から半径方向に段を付けられており、それらの間に第二環状接続壁面４４を形成する。第三表面４２は、エラストマ製受容チャンネル４６及び４８により、軸方向に分割されて、それぞれ第三表面４２から軸方向に段を付けられた三つの部分４２ａ、４２ｂ、及び４２ｃを形成する。軸方向に延びる第四表面５０は第三表面４２から半径方向に、第三環状接続壁面５２により段を付けられている。傾斜した第四表面５４はグランド区分第四表面５０から半径方向で内向きに、かつ軸方向外側に向かって、延びる。
【００３５】
グランドアセンブリ３０は、グランドアセンブリ３０の底面５８に沿って形成されたハウジングガスケット溝５６を有する。この溝５６には平らな環状のエラストマ製ガスケット６０が据え付けられるが、このガスケット６０は、好ましくは溝５６の深さよりも大きな軸方向寸法を有することで、メカニカルシール１０とハウジング１１との間に密接な圧力封止及び流体封止を提供するとよい。好適な実施例の一つでは、当該ハウジングガスケット６０は各グランド区分３４ａ，３４ｂ内に取り付けられるよう、二つの円弧状区分に予め切断されている。このハウジングガスケット区分は、溝５６内に取り付けられると共にそこに接着剤で固定されることが好ましい。この構成は、一緒に取り付けられたときのメカニカルシール１０とハウジング１１の対になった部分からの処理流体の漏れの防止の一助となる。
【００３６】
それぞれ軸方向に延びるグランドシール表面６２，６３には、その内部にグランドガスケット溝６４が形成されている。この溝６４は、グランド第二表面３８からグランドガスケット溝５６に向かって延びる主軸部分６６を有する。この主溝区分６６に対して垂直な溝区分６８及び７０は、それぞれ第二表面３８及びグランドガスケット溝５６に向かって延び、また主溝区分６６から半径方向で内向きに間隔を置いた溝区分７２は、第二シール表面３８に沿って延びる。一対の内部垂直溝区分７４及び７６は主溝区分６６から第三グランド表面４２に向かって垂直に延び、主溝区分６６から半径方向で内向きに間隔を置いた溝区分７８は第三グランド表面４２に対して平行に延びて垂直な溝区分７４及び７６を接続する。
【００３７】
図１及び３を参照すると、グランド溝６６に対して形状が補完的なエラストマ製グランドガスケット８０がこの溝内に据え付けられている。このガスケット８０は、図３及び８に最もよく示されるように、溝６６内に据え付けられるとスプリットグランドシール表面６２，６３を越えて延びる。ガスケット８０の露出部分は、他方のグランド区分３４ｂのスプリットグランドシール面に形成された補完的な溝に捕捉される。グランドシール面６２，６３の間でガスケット８０の両端を捕捉することにより、所定の最大圧力にさらされたときにスプリットグランドシール表面間の間で形成された隙間にガスケット８０が突出することが防止される。この二重捕捉という特徴により、圧力の漏れを生じたり、シール１０のその他の部品の機械的裕度を緩和することなく、グランド区分により大きな圧力を耐えさせることができる。グランドガスケット８０は、例えばエラストマゴムなど、いかなる適した弾性材料から形成してもよい。さらに、ガスケット８０は好ましくは図示の形状を有するとよいが、当業者であれば、ガスケット８０及びその対応する溝６６がいかなる幾何学形状を有していてもよいことは認識されよう。
【００３８】
図２及び３を参照すると、グランドシール表面６２及び６３の各々の内部には対になった緊締具受容孔８４が形成されている。この孔８４は雌ねじを切られた小径部分８６と、同心円的な、雌ねじを切られていない大径部分８８とを有する。好ましくは、この孔８４の雌ねじを切られていない部分８８が、グランドシール表面６２，６３に最も近い位置に配置されるとよい。位置合わせピン８２がグランドシール表面６３から延び、他方のグランド区分のシール表面に形成された位置合わせ孔８３内に受容される。位置合わせピン８２は、組み立てられたときに、グランドシール区分３４ａ及び３４ｂのグランドシール表面６３，６４の何らかの正確な位置合わせを確実に行えるよう働く。
【００３９】
孔８４には、図７Ａ及び７Ｂに示された形状を有するねじ９０が取り付けられる。このねじ９０は、好ましくは主シャフト９２及びねじ頭部分９６を有するとよい。ねじシャフト９２は螺設された遠位部分９３と、雌ねじを切られていない近位部分９４とを有する。螺設された部分９３の外径は近位部分９４の外径よりも大きい。図１８に示すように、各ねじ９０は共に、一対のグランド区分３４ａ及び３４ｂを緊締する。ねじ９０の螺設された遠位部分９３が孔８４の雌ねじを切られた部分８６にねじ込まれると、この遠位部分９３は孔８４内に肯定的に維持される。ねじ９０が孔８４を通過してさらに移動すると、このねじの遠位端は孔８４の雌ねじを切られていない部分８８又は遊び隙間に進入する。この方向ではねじ９０はぴったりと固定される訳ではないが、それでも孔８４内に肯定的に維持される（即ち離脱不能である）。好適な実施例の一つでは、遠位の螺設された部分９３の直径が、雌ねじを切られた小径部分８６の直径に対合する。
【００４０】
本発明のねじ９０及び孔８４の図示の形状は著しい利点を有する。具体的には、ねじ９０は、組立前に、グランド区分３４ａ，３４ｂのいずれの側からでも緊締具受容孔８４内に取り付けることができるが、この点は据付作業が難しい場合には特に便利であり、またねじ９０はグランド区分内に肯定的に維持される。ねじ９０がグランド区分から完全に離脱することを防ぐことにより、組立及び分解時にねじ９０が不用意に失われることが防止されるため、据付時間を短縮しながらもシールの組立を容易にすることができる。
【００４１】
グランド区分の各々には、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）を収容する二つの緊締具凹部９８が含まれる。あるいはその代わりに、ボルト−タブをシール１０の周辺周りに提供して、シール１０のハウジング１１への接続を簡単に行えるようにしてもよい。適したボルト−タブの例は、両者とも本出願の譲受人に譲渡され、そしてここに参考文献として編入された米国特許第５，２０９，４９６号及び米国特許第５，５７１，２６８号に示されている。
【００４２】
図１、３、５及び９に示すように、ホルダアセンブリ１００は、図２に示された、グランドアセンブリ３０内に形成されたチャンバ１０２内に配置され、またそこから半径方向で内向きに間隔を置いている。しかしながら、このホルダアセンブリ１００は必ずしもグランドアセンブリ３０内に配置されなくてもよいことは理解されたい。ホルダアセンブリ１００は、その一方が図５に示された、一対の同一の円弧状ホルダ区分１０４ａ及び１０４ｂを有する。図５及び９に示すように、各ホルダ区分には外側表面１０６及び内側表面１０８が含まれる。このホルダ区分の内側表面１０８は、半径方向で内側に向かって傾斜した第一表面１１０を有し、この第一表面１１０は末端で、軸方向に延びる第二表面１１２となる。一対の連続した半径方向で内向きの段を付けられた表面がそれぞれ第三表面１１４及び第四表面１１５を形成する。第二表面１１２及び第三表面１１４は、その間に一体に形成された、半径方向で内側に向かって延びる第一壁面１１８を有し、また第三表面１１４及び第四表面１１５は、その間に一体に形成された、半径方向で内側に向かって延びる第二壁面１２０を有する。さらなる対の、連続した半径方向で内向きの段を付けられた表面がそれぞれ第五表面１１６及び第六表面１１９を形成する。第四表面１１５及び第五表面１１６は、その間に一体に形成された半径方向で内側に向かって延びる第三壁面１２１を有し、また第五表面１１６及び第六表面１１９は、その間で一体に形成された半径方向で内側に向かって延びる第四壁面１１７を有する。第六表面１１９の直径は、好ましくは、ホルダアセンブリ１００を取り付けるシャフト１２の直径に等しいか、又は僅かに大きいとよい。
【００４３】
ホルダ区分の外側表面１０６は第一の軸方向に延びる外側表面１２２及び半径方向で内向きに傾斜する第二外側表面１２４を有する。好適な実施例の一つでは、ホルダ区分の第一外側表面１２４の外径が、グランド区分の第四表面５０の直径よりも小さい。この隙間により、ホルダアセンブリ１００のグランドアセンブリ３０内への収容が可能となり、その内部で支障のない回転運動ができる。第二外側表面１２４の外径は、好ましくはグランド区分第五表面５４の内径よりも小さいとよく、またグランド区分第三表面４２よりも大きいとよい。
【００４４】
ホルダ区分１０４ａの第六面１１９上には、スプリットシャフトガスケット１２８を取り付けるための環状のチャンネル１２６が形成されている。ガスケット１２８をチャンネル１２６内に取り付けるとシャフト１２と封止的に対合し、ホルダ及びシャフトの境界面に沿って流体封止が提供される（図１を参照されたい）。第二壁面１２０には、好ましくは位置合わせピン１３２の一端を受容する筒状の位置合わせ孔１３０が形成されているとよい（図１）。この位置合わせピン１３２の他端は回転シールリング１６の対応する孔１３４に受容される。突起１３２は、以下に詳述するように、回転シールリング１６を付勢して回転運動を行わせることによりメカニカル回転手段として作用する。
【００４５】
図示のホルダ区分１０４ａ、１０４ｂは、各スプリットホルダシール面１３６，１３８上に形成された、図５に示される形状を有するホルダガスケット溝１４０を有する。ホルダガスケット１４２は溝１４０に対して補完的な形状をしており、溝１４０内に据え付けられる。溝１４０内に据え付けたときのホルダガスケット１４２は、図３に最もよく示されるように、ホルダシール面１３６，１３８を越えて延びる。ガスケット１４２の露出部分は、反対側のホルダ区分シール面に形成された補完的な溝内に据え付けられる。この構成により、上述したように、所定の値を超えた圧力での流体封止が提供される。ガスケットは、例えばエラストマゴムなど、いかなる適した変形可能な材料から構成されてもよい。
【００４６】
ホルダ区分１０４ａ，１０４ｂの各々は、ねじ１４６を取り付けられる一対の緊締具受容孔１４４を有する（図１６）。このホルダ孔１４４はグランド区分３４ａ，３４ｂの緊締具受容孔８４と同様であり、また同じようにねじ１４６もねじ９０と同様である。有利なことに、ねじ１４６及び孔１４４は上述した態様で作用する。
【００４７】
ホルダアセンブリ１００、グランドアセンブリ３０、及びねじ９０及び１４６は、例えばステンレス鋼など、適当に剛性の材料ならいかなるものから形成されてもよい。
【００４８】
図４及び１０を参照すると、回転シールリングアセンブリ１６には、一方が図４に示された、一対の円弧状の回転シールリング区分１５０ａ，１５０ｂが含まれる。この回転シールリング区分は概ね滑らかな円弧状の内側表面１５２を有する。回転シール区分の内側表面１５２の内径は、シャフト１２の直径よりも大きいため、そこへの取付が可能である。
【００４９】
回転シール区分の外側表面１５４は、それぞれが他方から半径方向で内向きに段を付けられた、一連の軸方向に延びる外側表面を有する。軸方向に延びる第二外側表面１５８は、第一の軸方向に延びる外側表面１５６から半径方向で内向きに段を付けられている。この第一外側表面１５６及び第二外側表面１５８の組み合わせで、この第一及び第二外側表面間で軸方向に延びる第一環状接続壁面１６０が形成される。第三の軸方向に延びる外側表面１６２は、第二及び第三外側表面間に軸方向に延びる第二環状接続壁面１６４により、第二外側表面１５８から半径方向で内向きに段を付けられている。第四の軸方向に延びる外側表面１６６は、第三外側表面１６２から半径方向で内向きに段を付けられている。この第三外側表面１６２と第四外側表面１６６との組み合わせで、この第三及び第四外側表面間で軸方向に延びる第三環状接続壁面１６８が形成される。第四環状接続壁面１６９が、第四外側表面１６６から内側表面１５２に向かって半径方向に延びる。
【００５０】
回転シール区分の段を付けられた外側表面１５４は、ホルダ区分１０４ａ，１０４ｂの段を付けられた内側表面１０８に対して補完的であるため、回転シール区分のホルダ区分への取付が可能である。回転シール区分の第四外側表面１６６の直径はホルダ区分第五表面１１６の直径よりも小さい。同様に、回転シール区分の第二外側表面１５８及び第三外側表面１６２の直径は、それぞれホルダ区分の第三表面１１４及び第四表面１１５の直径よりも小さい。
【００５１】
スプリットＯリング１７０及び１７２などのエラストマ製部材を、回転シールリング１６の周囲に同心円上に配置することができる。好適な実施例の一つでは、Ｏリング１７０が、ホルダ区分の第二表面１１２及び回転シール区分の第二外側表面１５８に沿って据え付けられ、また、図１、９、１０及び１５Ａに示すように、第一接続壁面１６０、又は、ホルダ区分の第一壁面１１８のいずれかに選択的に当接させることができる。Ｏリング１７２はホルダ区分の第四表面１１５及び第三壁面１２１に沿って据え付けられると共に、回転シール区分の第四外側表面１６６及び第三接続壁面１６８に当接する。このＯリング１７０及び１７２は、回転区分のシール表面２４のそれぞれを対応するシールリング区分に封止的に接触させることにより流体封止及び圧力封止を形成するのに、充分弾性である。Ｏリング１７０及び１７２は処理流体と組合わさって、ロータ区分の軸方向シール表面２４を一緒に弾性的に付勢する、半径方向で内向きの力を加えることにより、シール面を通じた漏れを防止又は最小限にする働きをする。加えて、Ｏリング１７２は軸方向の支持を回転シールリング１６に加えることにより、回転シールリング１６の軸方向の動きを妨げる。
【００５２】
シール面１８及び２０の間や、このシール面の外径及び内径表面間での流体圧力の違いの結果、シール面１８及び２０ａ，ｂの歪みが生じる可能性がある。この種類の歪みにより、シール面が錘型化する場合がある。「錘型化」という術語は、二つのシール面が共平面関係から逸脱してしまうような態様で、シール面の一方がたわむことを言う。錘型化の結果、多くの場合、シールリングの外径又は内径のいずれかでシール面の接触が望ましくないものになる。
【００５３】
錘型化を防ぐためには、Ｏリング１７２を、図１７Ｃに示すように、回転シールリング区分１５０ａ及び１５０ｂの外側表面１５４に沿って、回転シールリング１６を通過する軸４００にほぼ沿った位置に配置する。この位置では、Ｏリング１７２は、その周囲を回転シールリングが揺動できるような弾性揺動部材として働く。Ｏリング１７２のこのような揺動は、シール面１８及び２０を共平面アライメントに維持するよう作用する。
【００５４】
図１７Ａ及び１７Ｂは、Ｏリング１７２を軸４００上以外の位置に配置したときの回転シールリングのシール面２０の錘型化の影響を強調した形で示す。軸４００の、そしてひいてはＯリング１７２の具体的な位置は、例えば回転シールリングにかかる流体圧力の大きさやシールリングの特定の寸法など、数多くの因子に依存するものである。特定のシールリング形状のための軸４００の位置は、従来の有限要素分析技術を用いることにより、当業者であれば容易に決定することができる。図１７Ａでは、シール面１８及び２０ａ、ｂにおける圧力歪みの結果、回転シール面部分２０ａの内径部分が定置シールリングのシール面１８に向かってたわみ、またシール面部分２０ｂの外径部分がシール面１８から遠ざかる方向にたわむ。図１７Ａでは、Ｏリング１７２は軸４００から半径方向で内側に位置している。反対に、図１７Ｂでは、Ｏリング１７２は軸４００から半径方向で外側に位置している。このように、シール面１８及び２０ａ，ｂでの圧力歪みの結果、シール面部分２０ｂの外径部分がシール面１８に向かってたわみ、シール面部分２０ａの内径部分がシール面１８から遠ざかる方向にたわむ。
【００５５】
スプリットメカニカルシール１０を完全に稼働させる際、非接触式及び接触式の面シール態様の両方において、Ｏリング１７２の揺動によりシール面２０の弾性揺動が可能となり、と同時に対向するシール面間の共平面接触が常に維持されるか、又はこれらの面間の所定の隙間が維持される。
【００５６】
当業者であれば、Ｏリング１７０及び１７２はここで説明した特定の位置に限られるものでないことは認識されよう。交互の配置が可能であり、その中には、揺動弾性部材（Ｏリング１７２）をステータシールリング１４の背面に据え付けて同様のシール面アライメント機能を提供する配置が含まれるが、これに限られるものではない。
【００５７】
回転シールリング区分の図示のシール面２０は、図４に最も良く示されるように、内部に形成された連続した円弧状の周辺上の溝１８０を有する。ある好適な実施例では、この溝１８０は内側表面１５２と回転シールリング１６の第一外側表面１５６との間に半径方向に配置される。従って、溝１８０は、回転シールリングのシール面２０を二つの同心円上のシール面又は陸部分２０ａ及び２０ｂに分割するものである。このような態様で、二重のシールが定置シールリング１４と回転シールリング１６との間に形成される。
【００５８】
図１、１２及び１３を参照すると、溝１８０はステータシールリング１４のシール面１８と連絡する。以下にさらに詳述するように、特定の調節された圧力、多くの場合処理圧力よりも大きな圧力を加えられた防壁流体が、この溝１８０に、ステータシールリング１４に形成された防壁流体導管２２８を通じて導入される。この防壁流体は、図１２及び１３でＦＡの印を付けた矢印で示されるように、シール面１８及び２０に対して分離力を加える作用をする。この分離力は主に、シール面１８の半径方向部分と、シール面２０ａ及び２０ｂの半径方向部分との間の接触を最小限にする、妨げる、又は防止することにより、シール面１８、２０ａ、２０ｂの摩擦係合及びその結果の疲労を軽減する役目をする流体静力学的な力である。この分離力の大きさは、例えば溝の寸法、例えば軸方向の深さ及び半径方向の幅、シール面の形状、導管２２８の大きさや、防壁流体の圧力など、数多くの因子に依存する。防壁流体の選択もまた、分離力の大きさ及びシール面分離の程度を選択するときの因子である。防壁流体が気体であるような用途では、シール面の接触が小さい方が好ましく、従って、シール面の分離の程度が大きい方が好ましい。防壁を液体とする用途では、気体に比べて液体の熱移動特性が高いため、シール面の分離の程度が小さいことが必要である。
【００５９】
本発明のスプリットメカニカルシール１０の大きな長所は、冷却又は防壁流体をシールリング１４，１６のシール面１８，２０に導入することを可能とする点である。本発明のシールのもう一つの長所は、シール面接触の程度を調節したり、シール面１８及び２０間に形成される間隙の大きさを調節することにより、気体又は液体のいずれでも本シールが作用できる点である。液体を用いる場合、本シールを従来のバランス装置に戻して、従来の接触式メカニカル面シールとして作用させることができる。反対に、気体を用いる場合には、シール面が部分的に又は完全に分離されるような非接触型メカニカル面シールとして、本シールは作用する。非接触式で作動する場合には、シール面接触の程度、即ちシール面間の間隙の大きさ、は、以下に説明するように、Ｏリングとの組合せで作用する閉鎖流体システムや、溝１８０における防壁流体圧力を調節することにより、制御及び均衡させることができる。このように、溝１８０及び軸方向の孔２２８は、これらのその他の特徴と組み合わさることにより、シールリング区分のシール面を通じた漏れを促進させることなく、非接触式及び接触式の両方の作用形態でスプリットメカニカルシールの便利な作動を可能とするものである。
【００６０】
溝１８０内の防壁流体は、図１２及び１３に示すように、半径方向で外向きの力ＦＲＯ及び半径方向で内向きの力ＦＲｉを回転シールリング１６にかける。外側壁面１８４の表面積が溝１８０の内側壁面１８６の表面積よりも大きいために、これらの力の結果、正味で半径方向で外向きの力ＦＲＯが回転シールリング１６にかかることになる。溝１８０の大きさは、以下に説明するように、この溝内の防壁流体の生じる半径方向で外向きの力ＦＲＯが、Ｏリング１７０，１７２から、及び処理媒体から回転シールリング１６にかかる半径方向で内向きの力ＦＲＩを概して上回らず、しかも数桁小さいような寸法とされる。このように、防壁流体による半径方向で外向きの力ＦＲＯが、回転シールリング１６の回転シールリング区分１５０ａ，１５０ｂを分離又は「吹き飛ばす」ことはない。
【００６１】
シールの一例を、軸方向の深さを０．０６８インチとし、半径方向の幅を約０．２５インチの寸法にした溝１８０を持たせて構成した。この例では、この溝は回転シールリング１６の内側表面１５２からほぼ０．３７５インチに配置された。その結果、二つの回転シールリング表面２０ａ及び２０ｂの半径方向の幅が約０．１８５インチとなった。
【００６２】
本発明のシールは、説明され、かつ図示された溝形状に限られることはなく、例えば回転シールリング１６の内側表面１５２と外側表面１５６との間に半径方向に配置された一連の螺旋状溝など、その他の溝のデザインを含めることができる。従って、螺旋状の溝はこの回転シールリング面２０を同心円上のシール面２０ａ及び２０ｂに分割して二重のシールを形成することとなる。螺旋状の溝は一方向でも、又は二方向の溝でもよい。溝内の防壁流体により、シール面１８及び２０ａ，２０ｂ間に主に流体力学的な分離力が提供される。適した螺旋状の溝のデザインの例は、すべて参考文献としてここに編入することとする米国特許第４，８８９，３４８号、第５，１４３，３８４号及び第５，５２９，３１５号に説かれている。
【００６３】
図１，４，１０、１２及び１５を参照すると、複数の軸方向の孔１８３が回転シールリング区分を貫通して溝１８０から第二環状接続壁面１６４まで延びる。この孔は、好ましくはシールリング１６の周囲に沿って等間隔を置いているとよい。当業者であれば、いかなる間隔の数及び態様を利用してもよいことは認識されよう。
【００６４】
防壁流体は、回転シールリング区分の外側表面１５４に、軸方向の孔１８３を通じて導入することができる。図１５に最も良く示されているように、Ｏリング１７０及び１７２、回転シールリング区分の外側表面１５４、及びホルダ区分の内側表面１０８は、これらが組合わさったときに、流体封止、圧力封止を行う環状チャンバ１８５を形成する。このチャンバ１８５に孔２２８、溝１８０、及び軸方向の孔１８３を通じて導入される防壁流体は、半径方向で内向きの流体力Ｆｒｒを、回転シールリング区分の外側表面１５４にかける（図１５Ａ）。この半径方向で内向きの流体力Ｆｒｒは、Ｏリング１７０及び１７２並びに処理媒体の提供する、半径方向で内向きの力と組合わさって作用することにより、、回転区分シール表面２４のそれぞれを別の区分と封止接触させて、流体封止及び圧力封止を維持する。
【００６５】
半径方向で内向きの流体力Ｆｒｒは、チャンバ１８５内の防壁流体の圧力を制御及び／又は調節することにより、変更又は調節することができる。このような態様で、回転シールリング区分にかかる半径方向で内向きの力を調節すれば、シール内の作動条件の変化を補償することができる。例えば、回転シールリング区分の外側表面１５４にかかる流体圧力が、回転シールリング区分の内側表面１５２にかかる流体圧力よりも下回るような負圧状態の結果、以下により詳述するように、回転シールリング区分の分離が起きる場合がある。負圧状態はさらに、外側表面１５４にかかる流体圧力がシール面１８及び２０ａ，ｂの間に導入される防壁流体の圧力を下回ったときにも起き得る。「負圧状態」という文言は、シールリング及びホルダアセンブリの外側表面にかかる流体圧力が、シールリング及びホルダアセンブリの内側表面にかかる流体圧力、又は、シール面に導入される流体圧力よりも小さいようなあらゆる状態を意味するものとして、ここに定義する。このような状態では、半径方向で内向きの力Ｆｒｒを増加させることにより、シールリング区分の分離を防ぎ、ひいてはそれによりシールリング区分表面２４間の封止を維持することができる。
【００６６】
半径方向で内向きの流体力に加えて、チャンバ１８５内の防壁流体も軸方向の流体力Ｆｒａを回転シール区分に加える（図１５Ａ）。軸方向の流体力Ｆｒａという成分は、Ｏリング１７０及び１７２をそれらの収容状態に維持すると共に、リングのシール面を相互に向かって付勢する一助となる。軸方向の流体力成分Ｆｒａ１はＯリング１７０を付勢することで、回転シールリング区分の外側表面１５４及びホルダ区分の内側表面１０８に封止係合させる。軸方向の流体力成分Ｆｒａ１には、Ｏリング１７０の反対側にある処理流体面Ｆｐａの軸方向成分が対抗する。Ｏリング１７０は、どちらの流体圧力がより大きいかに応じて、回転シールリング１６の表面１６０と、ホルダアセンブリ１００の表面１１８との間を自由に動く。この運動の自由度が提供されることで、回転シールリングのＯリング１７２周りの揺動が容易となる。軸方向の流体力成分Ｆｒａ２はＯリング１７２を付勢することで、回転シールリング区分の外側表面１５４及びホルダ区分の内側表面１０８に封止係合させる。
【００６７】
図示のシールの負圧制御という特徴の大きな利点は、単一のメカニカルシールを複数の環境で作動可能にするという点である。このように、エンドユーザは、様々な特定の作業条件で用いるのに複数の異なるシール種をストックしておく必要がない。これにより、本発明のスプリットメカニカルシールという、単一のシール種を購入してストックしておき、これを調節すれば複数の作業条件で流体封止を提供することができるため、エンドユーザの全体的コストが削減される。
【００６８】
当業者であれば、本発明の図示のスプリットメカニカルシール１０に、シールをそれに意図された態様で作動させるために回転シールリングの軸方向の孔１８３を含める必要のないことは容易に認識されよう。例えば、負圧状態が生まれる可能性が低いような用途では、スプリットメカニカルシール１０の作動及び効率に影響を与えることなく、回転シールリング１６を軸方向の孔１８３なしで構成することができる。
【００６９】
図６及び１１に示すように、定置シールリング１４には、それぞれが他方に同一な一対の円弧状シールリング区分２００ａ，２００ｂが含まれる。定置シールリングの円弧状区分２００ａ，２００ｂは、第一軸１３及び外側表面２０４に対して平行に延びる概ね滑らかな円弧状の内側表面２０２を有する。この定置シールリング区分は、シール面１８、そこから軸方向に延びる第一外側表面や、この第一外側表面２０６から半径方向で内向きに段を付けられた、さらに軸方向に延びる第二外側表面２０８を含む。第一外側表面２０６及び第二外側表面２０８は、それらが組み合わさって、この第一及び第二外側表面間に半径方向に延びる第一環状接続壁面２１０を形成する。軸方向に延びる第三外側表面２１２は、第二外側表面２０８から、この第二及び第三外側表面間に半径方向に延びる第二環状接続壁面２１４により半径方向の内向きに段が付けられている。定置シールリング１４は、シール面１８に対向する概ね滑らかな円弧状底面２１６を有する。定置シールリング区分２００ａ，２００ｂは、この底面２１６に沿って形成された凹部２２０を有する。メカニカルばねクリップ１７４が、グランドアセンブリ３０の底面５５に機械的に接続されると共に、この凹部２２０内に収容される（図３及び１６）。この構成は、チャンバ１０２内に定置シールリング１４を位置合わせ及び収容する助けになると共に、定置シールリング区分１４がシャフト１２及び回転シールリング１６と一緒に回転するのを妨げる機械的インピーダンスを提供する助けともなる。適した機械的クリップはエー・ダブリュー・チェスタートン社から販売されているチェスタートン・メカニカル・シール製品番号４４２番である。
【００７０】
定置区分の内側表面２０２の内径はシャフト１２の直径よりも大きく、また回転シールリング１６の内側表面１５２の直径よりも大きいため、シャフト１２及び回転シール１６の両方の定置シールリング１４に対する運動が可能である。複数のエラストマ製部材、即ちスプリットＯリング２２２、２２４、及び２２６が、定置シールリング区分１４の区分シール表面２２を、他方の定置シールリング区分と封止接触した状態に置くのに充分な半径方向内向きの付勢力を提供する。加えて、Ｏリング２２２，２２４、及び２２６は、流体封止及び圧力封止を、グランドアセンブリ３０と定置シールリング１４との間に形成する。このＯリング２２２，２２４はグランドアセンブリ３０の第三表面４２内に形成されたチャンネル４８，４６に収容される。Ｏリング２２６は、グランドアセンブリ３０の第二表面３８及び第一環状接続壁面４０に向かい合うよう据え付けられる。定置シールリングは好ましくはカーボン又はセラミック材料から構成されるとよい。
【００７１】
図６、１１、及び１５を参照すると、複数の防壁流体孔２２８が定置シールリング区分２００ａ及び２００ｂ内に形成されている。この孔２２８には、定置シールリング区分の第二外側表面２０８から半径方向で内向きに延びる、半径方向に延びる部分２３０と、この半径方向部分２３０と連絡すると共にそこからシールリング区分のシール面１８に向かって延びる軸方向部分２３２とが含まれる。図示しない防壁流体レザバを出た防壁流体はシールリングのシール面１８，２０及びシール面２０に形成された溝１８０に、孔２２８を通じて導入される。
【００７２】
防壁流体孔が、ここで説明され、かつ図示された数又は形状に限られないことは当業者であれば認識されよう。例えば、単一の防壁流体孔を提供してもよい。あるいはその代わりに、防壁流体を、シールリング１４及び１６に形成される孔以外の手段によりシール面１８，２０に提供することも可能である。例えば、防壁流体をシール面に、シールリング区分の外径及び／又は内径から、螺旋状のポンピング溝等を通じて導入することも可能である。このような態様で、防壁流体は必ずしも別々の流体提供でなくともよく、処理媒体自体であってもよい。
【００７３】
同様に、防壁流体孔の位置及び構成もここで具体的に開示されたものに限らず、その他の位置及び構成としても同じ結果を達成し得る。例えば、防壁流体孔を回転シールリング１６や定置シールリング１４に形成しても、またシールリングのいずれかの外側表面に向かってシール面から延びさせてもよい。加えて、防壁流体孔をシール面１８，２０から、シールリングの外側表面に向かって直線的に延びさせてもよい。
【００７４】
防壁流体孔の代替的な構成を図６Ａに示す。防壁流体孔２２８に加えて、軸方向の流体孔２２９がシール面１８から定置シールリング１４の後方、即ち第二環状接続壁面２１４に向かって延びる。実施例の一つでは、流体孔２２８及び軸方向の流体孔２２９を定置シールリング１４の周囲に交互に構成する。この形状の防壁流体孔は防壁気体又は液体で作動可能であるが、防壁液体がシール面１８及び２０に導入される用途に特に適している。軸方向の流体孔２２９は防壁液体をシール面１８から、定置シールリング１４の後方にある第二環状接続壁面２１４に向かって輸送する。このような態様で、定置シールリングの後方における流体圧力がシール面１８における流体圧力のまま維持される。従って、この特定の形状により、シール１０を従来の均衡型装置に戻し、従って従来の接触式面シールとして作動させることができる。
【００７５】
図１５に最もよく示すように、防壁流体孔２２８の各半径方向部分２３０は、定置シールリングの第二外側表面２０８で開放することで、孔２２８と、グランドアセンブリ３０内に形成された同様の軸方向の防壁流体孔２３４との間に流体連絡を提供する。
【００７６】
グランドアセンブリ３０に形成された孔２３４は、このグランドアセンブリ３０の外側表面２３６で一端を開放させ、グランドアセンブリ３０の第三表面４２の部分４２ｂで他端を開放させている（図１及び２）。Ｏリング２２２及び２２４は溝４８及び４６内に部分４２ｂのいずれかの側で位置し、流体封止及び圧力封止を定置シールリング区分２２０ａ，２００ｂとグランドアセンブリ３０との間に提供する。このような態様で、流体封止、圧力封止を行う環状チャンバがＯリング２２２，２２４、グランドアセンブリの部分４２ｂ、及び定置シールリング１４の第二外側表面２０８の間に形成されて、防壁流体がこのチャンネル内に保たれ、また流体が軸方向の孔２２８に導かれる。防壁流体レザバ（図示せず）を出た防壁流体はグランド孔２３４及び環状チャンバを通じて定置シールリング区分の孔２２８のそれぞれに供給される。
【００７７】
メカニカルばねクリップ１７４はＯリング１７２と組み合わさって、定置及び回転シールリング１４及び１６を弾性支持する軸方向の力を提供することで、定置及び回転シール表面１８及び２０が相互に付勢されるよう、シールリングを付勢する。図１及び１５に示すように、シールリング１４及び１６は、グランド及びホルダアセンブリ３０，１００の不動の壁面及び面に対して間隔を置いた浮いた関係で、浮いた、かつ非不動的に支持されている。この浮いた及び非不動的な支持と、間隔を置いた関係とにより、回転シール区分１５０ａ，１５０ｂ及び定置シールリング区分２００ａ，２００ｂの相互に対する小さな半径方向及び軸方向の浮き運動が可能となっており、一方で回転するシール面２０を、定置シールリング面１８に追随させると共に封止関係に置くことができる。このように、回転及び定置シール区分１５０ａ，ｂ及び２００ａ，ｂは、この浮揚作用の結果、自己位置合わせ式になっている。
【００７８】
クリップばね１７４が提供する機械的付勢に加え、さらなる流体付勢システムが本発明のシール１０には提供されている。図１，１１及び１５を参照すると、当該流体付勢システムには半径方向に延びる閉鎖流体孔２４０が含まれ、この孔２４０は、定置シールリング区分２００ａ，２００ｂの、例えば外側表面２０４などの後方表面に導入される閉鎖流体を導入するために、グランドアセンブリ３０を半径方向に貫通して形成されており、閉鎖力を定置及び回転シールリング１４，１６に提供するものである。半径方向に延びる閉鎖流体孔２４０は防壁流体孔２３４に対して隣接して、かつ平行に配置される。閉鎖流体孔２４０は一端でグランドアセンブリの外側表面２３６に開放し、他端でグランドアセンブリ３０の第三内側グランド表面４２の部分４２ａと、第二環状接続壁面４４とに開放する。流体封止及び圧力封止を行う環状閉鎖流体チャンバ２４２が、Ｏリング２２４，２２６、定置シールリング区分２００ａ及び２００ｂの外側表面２０４、及びグランドアセンブリの内側表面の間に形成されている。
【００７９】
図１５に最もよく示されているように、調節された圧力をかけられた閉鎖流体が閉鎖流体レザバ（図示せず）から閉鎖流体チャンバ２４２に閉鎖流体孔２４０を通じて提供される。この閉鎖流体は液体でも、気体でも又は両者の組合せでもよい。閉鎖流体は流体閉鎖力Ｆｆｃを定置及び回転シールリング区分にかける。この流体閉鎖力Ｆｆｃはメカニカルばねの閉鎖力Ｆｓｃと組み合わさって作用することで、シール面１８及び２０を相互に付勢して封止関係に置く。好ましくは、流体閉鎖力Ｆｆｃ及びメカニカルばねの閉鎖力Ｆｓｃの合計が、防壁流体分離力ＦＡに釣り合うことにより、シール面１８及び２０の過剰な分離、及び、封止が失われる可能性、例えばシール面１８及び２０間で過剰な流体漏れが起きる可能性が防がれる。
【００８０】
流体閉鎖力Ｆｆｃの大きさは、閉鎖流体チャンバ２４２内の閉鎖流体の圧力を制御することにより調節又は調整することができる。定置及び回転シールリング区分にかかる閉鎖力を調節できるという能力は大きな利点をもたらす。例えば、作動条件を変更する場合にシール面１８及び２０間の封止関係を維持するために、閉鎖力の大きさを変更することができる。さらに、閉鎖力の大きさを調節すれば、異なる公差を有するシール部品を利用したために機械的ばね力が変化した場合も、この変化を補償することができる。結論的には、スプリットメカニカルシール１０と流体フィードバックシステムとを組み合わせると、シール面１８，２０間に形成された流体封止及び／又は間隙を動的に調節して、作動中の漏れ量を制御することができる。
【００８１】
この流体付勢システムの持つ大きな利点は、例えば流体導管など、シール面の分離量をを外部から制御し、シール面間に形成された流体封止を調節するための簡単な一体構造を提供する点である。
【００８２】
従って、本システムは、シール面１８，２０に導入された防壁流体が提供する分離力と組み合わさって、又は、シール１０に収容された加圧流体からは独立して、シール面の接触の程度を調節すべく作動させることができる。よって、スプリットメカニカルシール１０は、幅広い作動条件にわたって、シール面の分離や、その間に形成される流体封止を調整又は調節することができる。この点によりシールの柔軟性が向上すると共に、シールを多くの環境で利用することができる。
【００８３】
当業者であれば、シールはここで説明したような特定の流体閉鎖システムに限られるわけでなく、代替的な流体閉鎖システム構成も可能であることは認識されよう。例えば、単一の流体レザバを用いて、防壁流体を溝に供給することと、閉鎖流体を定置シールリングの外側表面に供給するという、両方を行うことができる。その代わりに、処理媒体を閉鎖流体として用いてもよい。さらに、メカニカルばねクリップ１７４又は閉鎖流体システムのいずれかを軸方向の付勢力の唯一の源として利用し、その他の軸方向の閉鎖力の必要性をなくしてもよい。
【００８４】
本発明のスプリットメカニカルシール１０には、閉鎖圧力と、シールに提供される防壁流体の圧力とのいずれか又は両方を調節することで、シールリング１４，１６のシール面１８，２０における所望の状態を維持する圧力フィードバックシステム（図示せず）を含めることができる。この圧力制御システムには、作動中の防壁流体及び閉鎖流体の圧力の変化を監視するための、シール内部又はシールに取り付けられた圧力センサを含めてもよい。この圧力センサを制御器等に閉鎖又は開放フィードバックシステムで接続して、作動状態の変化を原因とする圧力変化に応答して防壁及び／又は閉鎖流体圧力を調節させてもよい。圧力フィードバックシステムの例は、両者とも参考文献としてここに編入することとする米国特許第２，８３４，６１９号及び米国特許第３，０３４，７９７号に開示されている。
【００８５】
その代わりに、圧力フィードバックシステムは、例えば防壁流体、処理流体又は閉鎖流体などのシステム流体の一つを調整子流体入力として利用し、この調整された入力に基づいて防壁流体圧力又は閉鎖力のいずれかを調整するものでもよい。こうすることで、この圧力フィードバックシステムは、選択された流体圧力間の圧力変化を検出し、不均衡を補正することができる。この圧力フィードバックシステムは、この補正を、当該システムを高圧流体供給に接続して、内部の圧力を高めるためにシステムに流体を加えたり、又は内部圧力が所定値を越えたときにシステムから圧力を排出することにより、達成する。
【００８６】
図１、１１、及び１５に示すように、定置シールリング１４の外側表面２０４に防壁流体グランド孔２３４を通じて防壁流体を導入してもよい。Ｏリング２２２及び２２４、定置リング区分の外側表面２０４、及びグランドアセンブリの内側表面は、組み合わさった状態で、流体封止、圧力封止チャンバ２７０を形成する。このチャンバ２７０にグランド孔２３４を通じて導入された防壁流体は、半径方向で内向きの流体源Ｆｒｂを定置シールリング区分の外側表面２０４に印加する。半径方向で内向きの流体力Ｆｒｂは、Ｏリング２２２，２２４及び２２６並びに処理媒体の提供する半径方向で内向きの力や、閉鎖流体チャンバ２４２内の閉鎖流体の提供する半径方向で内向きの流体力Ｆｒｃと組み合わさって働き、定置シールリング区分のシール表面２２のそれぞれを他方の区分と封止接触する状態に置き、こうして流体封止、圧力封止を維持する。
【００８７】
回転シールリングと同様な態様で、半径方向で内向きの流体力Ｆｒｂは、チャンバ２７０内の防壁流体の圧力を制御及び／又は調整することにより、調節又は変更することができる。同様に、半径方向で内向きの流体力Ｆｒｃは、閉鎖流体チャンバ２４２内の閉鎖流体の圧力を制御及び／又は調整することにより、調節又は変更することができる。このような態様で、回転シールリング区分に加え、定置シールリング区分にかかる半径方向で内向きの力を、作動状態の変化に応じて調節することができる。例えば、定置シールリング区分にかかる半径方向で内向きの力を増加させると、負圧状態下での定置シールリング区分の分離を防ぐことが可能である。
【００８８】
図１４に大まかに示すように、同一のボールソケット型緊締機構が、Ｏリング１２８，１７０、１７２、２２２，２２４及び２２６の自由端に設けられている。一端では、このＯリングが先細りになっていき、概ね半球型のショルダ部２５０と、それに隣接する環状のネック部２５２を形成する。ネック部２５２のすぐ隣には概ね球形のヘッド部２５４が設けられる。緊締時には、環状のカラー部２５８がネック部２５２を包囲かつ捕捉し、また肩部２５０が環状のジャケット部２６０に密接に接触するよう、ヘッド部２５４を、Ｏリングの他端にある対合する球形ソケット部２５６に挿入する。加えて、シール１０及びその関連する部品は断面で描かれているが、Ｏリング１２８，１７０、１７２、２２２，２２４、及び２２６は上記の形状を有する連続した、かつ完全な構造である。
【００８９】
組立時には、回転シール区分１５０ａ及び１５０ｂをシャフト１２の周囲に取り付け、またこの回転シールリングの位置合わせ孔１３４を、ホルダアセンブリの位置合わせ孔１３０から延びた、軸方向に延びる位置合わせピン１３２に位置合わせすることにより、ホルダアセンブリ１００内に取り付ける。Ｏリング１７０を回転シール区分１５０ａ及び１５０ｂの周囲に同心円上に配置し、さらにホルダ第二表面１１２、回転シール第二外側表面１５８と封止接触した状態に置くが、ホルダ第一壁面１１８又は回転シール第一壁面１６０のいずれかに接触させてもよい。同様に、Ｏリング１７２を回転シール区分１５０ａ及び１５０ｂの周囲に同心円上に配置し、さらにホルダ第四面１１５、ホルダ第三壁面１２１、回転シール第四外側表面１６６、及び回転シール第三壁面１６８と封止接触した状態に置く。Ｏリング１７０及び１７２は、シール区分１５０ａの回転シール表面２４を、シール区分１５０ｂのシール表面２４のそれぞれを封止接触した状態に置くのに充分な半径方向で内向きの力を提供する。次にホルダ区分３４ａ及び３４ｂを、緊締具受容孔１４４に肯定的に維持されるねじ１４６を緊締することにより、一緒に固定する。図１及び１５に示すように、回転シール区分１５０ａ及び１５０ｂはホルダアセンブリ内側表面１０８から間隔を置いており、Ｏリング１７０及び１７２によりそこに非不動的に支持されるため、回転シールリング１６の小規模の半径方向及び軸方向の不動が可能である。
【００９０】
定置シールリング区分２００ａ及び２００ｂをシャフト１２上に同心円上に取り付け、Ｏリング２２２、２２４、及び２２６により一緒に固定する。Ｏリング２２２，２２４、及び２２６は、シール区分２００ａのシール表面２２をシール区分２００ｂのシール表面２２に封止接触した状態に置くのに充分な半径方向で内向きの力を定置シールリング外側表面２０４に提供する。
【００９１】
グランド区分３４ａ及び３４ｂを、ホルダアセンブリ１００、及び、定置及び回転シールリング１４及び１６の周囲に同心円上に置き、グランド区分の緊締具受容孔８４に取り付けられると共に肯定的に維持されるねじ９０により、一緒に固定する。このねじはグランドアセンブリ３０に、本発明の緊締具受容孔８４及びねじ９０により固定されるため、シール１０から不用意に外れることはない。加えて、ねじ９０にはグランドアセンブリ３０のいずれの側からでも手が届くため、ねじ９０の取付にシャフトを回転させる必要はない。さらに当業において公知の代替的シール緊締手段を、本発明のシールに用いてもよい。
【００９２】
グランドアセンブリ３０をハウジング１１に完全に固定する前に、シャフト１２、ホルダアセンブリ１００、及び定置及び回転シールリング１４，１６をチャンバ１０２内の中心に配置すべきである。中心に配置する機構の適したものの例は、本譲受人に譲渡されると共にここに参考文献として編入された米国特許第５，５７１，２６８号に説かれている。
【００９３】
グランドアセンブリ３０及びホルダアセンブリ１００を適宜位置合わせすると、グランドガスケット８０及びホルダガスケット１４２は、グランド及びホルダ区分の対向するシール面上に形成された別々のガスケット溝６４，１４０に捕捉される。この二重の捕捉構造により、区分シール面に形成された圧力封止及び流体封止を損なうことなく、より高い圧力にシール１０を耐えさせることができる。加えて、Ｏリング２２２、２２４、及び２２６はグランド内側表面と、定置シールリング１４の外側表面２０４との間で圧力封止及び流体封止を形成する。
【００９４】
シール１０を組み立ててポンプハウジング１１に取り付けた後、図１及び１５に示すように処理媒体を処理流体チャンバ３００内に封止する。処理流体チャンバは、グランド内側第四表面５０及び第五表面５４、グランド第三壁面５２、Ｏリング１７０及び２２２、ホルダアセンブリの外側表面１０６及び第一及び第二内側表面１１０，１１２、回転シールリング１６の第一外側表面１５６、及び定置シールリング１４の第一及び第二外側表面２０６，２０８及び第一接続壁面２１０により規定される。典型的には空気である周囲媒体が、定置及び回転シールリング内側表面１５２，２０２、回転シールリング１６の第四壁面１６９、Ｏリング１２８、及びシャフト１２により規定される、多くの場合処理チャンバ３００から封止された周囲流体チャンバ３１０を充填する。この「周囲」及び「周囲媒体」という術語は、処理環境又は処理媒体以外のあらゆる外部環境又は媒体を含むものとして意図されている。
【００９５】
定置及び回転区分シール表面２２，２４は、Ｏリング１７０、１７２、２２２、２２４、及び２２６の半径方向の力により、この対の他方の区分と封止接触した状態に置かれる。処理チャンバ３００内の処理媒体の圧力は、処理流体の圧力に比例したさらなる半径方向内向きの力を回転シールリング区分第一外側表面１５６及び定置シールリング区分第一及び第二外側表面２０６，２０８に印加して、区分シール表面２２，２４を一緒に付勢する。
【００９６】
Ｏリング１２８は、処理流体がシャフト１２に沿って、そして周囲流体チャンバ３１０に浸出するのを防ぐ。平板ガスケット６０はハウジング１１及びシール１０の境界面に沿った処理流体の浸出を防ぐ。Ｏリング１７０，１７２，２２２，２２４，及び２２６は処理流体が周囲流体チャンバ３１０に、それぞれホルダアセンブリ１００及びグランドアセンブリ３０を介して侵入するのを防ぐ。
【００９７】
作動時には、防壁流体を溝１８０及びシール面１８，２０ａ，２０ｂに、定置シールリング１４の防壁流体孔２２８を通じて導入する。防壁流体は主に静水力学的揚力をシール面１８，２０ａ及び２０ｂに印加するが、この力が作用して、定置シールリング面１８の少なくとも一部分が回転シールリング２０ａ及び２０ｂの少なくとも一部分から分離することでその間に間隙が形成される。防壁流体が、このシール面間に形成された間隙を充填し、シール面１８及び２０を分離させて、処理チャンバ３００内の処理流体と、周囲流体チャンバ３１０内の周囲流体との間に流体封止を形成する。この間隙は所定の幅に維持されるか、又は、シール面全体を通じて漏れを抑えると同時に、疲労が軽減するようシール面を分離させるべく、調節が可能である。
【００９８】
シール１０の防壁流体の効果は二倍である。第一に、防壁流体はシール面の疲労を、シール面１８とシール面２０ａ及び２０ｂとの間の直接の摩擦接触の量を減らすことにより軽減することができるため、シール部品の寿命が長くなる。第二に、防壁流体は、シール面間の直接の摩擦接触の生じる熱をシール面から遠くへ移動させるよう作用するため、シール１０全体を通じて温度分布がさらに均一となり、ひいては部品がさらされる熱応力を軽減することでシール部品の耐用寿命も長くなる。
【００９９】
加えて、本発明のスプリットメカニカルシール１０は異なる種類の防壁流体、例えば気体又は液体あるいはこれらの組合せなど、で作動可能であるという、不可欠な柔軟性を提供するものである。この柔軟性が可能であるのは、シール面間の直接の摩擦接触面積を、防壁流体の圧力及び閉鎖流体の圧力を調節し、ひいては静水力学的揚力の大きさを調節して所望の分離間隙を生むことにより、制御可能だからである。概して、防壁に気体を利用する場合には、防壁に液体を利用する場合よりも分離間隙が大きい方が好ましいが、それはなぜなら、気体に比較して液体の熱移動特性の方が一般的にはより良好だからである。従って、防壁気体が好ましい用途では、選択された防壁気体にとって適切な、シール面の疲労が妨げられるような幅に分離間隙を調節してもよい。同様に、防壁液体が好ましい用途では、選択された防壁液体にとって適切な、シール面の疲労が妨げられるような、幅に分離間隙を調節することができる。
【０１００】
本発明のシール１０は、シール部品の各々の一部分、例えばグランドアセンブリ、ホルダアセンブリ、定置及び回転シールリング、及びＯリングなど、がスプリット型であるような、完全にスプリット型のメカニカルシールや、好ましくはスプリットメカニカル非接触式面シールであるという更なる利点をもたらすものである。このスプリットシールというデザインは、関連する装置、例えばポンプ等々、といった装置を完全に分解する必要なく、またシールをシャフトの端部上を通過させる必要なく、スプリットシール部品の据付及び取り外しを可能にしたことで、損傷したシール部品の交換又は修理を容易にするものである。
【０１０１】
さらに、本発明のスプリットメカニカルシール１０のスプリット形状は当該シールのシール一体性を犠牲にしたものではない。シール１０の本発明によるデザインは、シール面２２，２４、６２及び１３８における、そして、それぞれ定置及び回転シールリング、グランドアセンブリ、及びホルダアセンブリのスプリット区分１５０、２００、３４及び１０４のそれぞれの間における半径方向の流体漏れが防がれるようなデザインである。同様に、定置及び回転シール面１８，２０ａ及び２０ｂにわたった流体漏れは、シール面を互いに封止関係に付勢するよう働くと共に、シール面の適正なアライメントを維持するよう働く、シールリングに印加される軸方向の閉鎖力の組合せにより、防がれる。
【０１０２】
通常の作動時には、図１及び１５に示すように、処理流体チャンバ３００内の処理流体の圧力は、周囲流体チャンバ３１０の修理流体の圧力よりも大きく（正の圧力状態）、この処理流体は半径方向で内向きの力を定置及び回転シールリングのそれぞれ外側表面２０４，１５４と、ホルダアセンブリ１００の外側表面１０６とに印加する。この処理流体が印加する半径方向で内向きの力は、シールリング及びホルダアセンブリの区分を流体封止関係にあるよう一緒に保持する上で助けとなる。
【０１０３】
処理流体チャンバ３００内の処理流体の圧力が周囲流体チャンバ３１０内の修理流体の圧力を下回った場合（負圧状態）には、この周囲流体は半径方向で外向きの力を定置及び回転シールリングのそれぞれ内側表面２０２，１５２に印加する。この状態の間に生まれた差圧が、半径方向で外向きの力がＯリングの印加する半径方向で内向きの力よりも大きくなるようなものである場合、シールリング区分は分離して、シール面に渡って漏れが起きてしまう可能性がある。
【０１０４】
負圧状態にあるシール面１８，２０及びシール面２２，２４でこの種類の漏れを防ぐために、周囲流体圧力からシールリングへかかる半径方向で外向きの力に対する平衡は、Ｏリング２２２，２２４，及び２２６が定置シールリング区分２００ａ及び２００ｂに提供する、そしてＯリング１７０及び１７２が回転シールリング区分１５０ａ及び１５０ｂに提供する半径方向で内向きの力に、チャンバ１８５内に配置された防壁流体が回転シールリング区分の外側表面１５４に印加する半径方向で内向きの力が組み合わされて、とられる。この状態の間、半径方向で内向きの流体力Ｆｒｒは、Ｏリング１７０及び１７２の提供する半径方向で内向きの力と組み合わされて、回転区分シール表面２４のそれぞれを他方の区分と封止接触した状態に維持するよう働き、こうして流体封止及び圧力封止が維持される。
【０１０５】
作動中、Ｏリング１７２は、その周囲に回転シールリング１６が揺動する揺動弾性部材として働くことにより、回転シールリングシール面１８と、定置シールリングシール面２０との間の共平面アライメント及び封止関係を維持する。このようにしてシール面の錘形化が防がれ、シール面間の流体封止の消失が妨げられる。加えて、Ｏリング１７２の存在、及びそれがもたらす揺動可能性とにより、シール面１８及び２ａ，ｂ間での流体封止が失われることなく、シール面２０ａ及び２０ｂが半径方向で分離されて同心円上のシール面が形成されるといったことが可能となる。従って、Ｏリング１７２の揺動作用は、スプリットメカニカルシール１０のフル稼働中、非接触式及び接触式面シール態様の両方で、回転シールリング１６の弾性揺動を提供すると共に、対向するシール面間での共平面接触が確実に常に得られるようにするものである。
【０１０６】
本流体付勢システムは、閉鎖流体を定置シールリング区分２００ａ，２００ｂの外側表面２０４に導入することで、閉鎖力を定置及び回転シールリング１４，１６に提供する。調節された圧力を加えられた閉鎖流体は閉鎖流体チャンバ２４２に閉鎖流体孔２４０を通じて提供される。閉鎖流体は、流体閉鎖力Ｆｆｃを定置及び回転シールリング区分に印加する。この流体閉鎖力Ｆｆｃは、メカニカルばね閉鎖力Ｆｓｃと組み合わさって作用し、シール面１８及び２０を相互に付勢して封止関係に置く。作動中、流体閉鎖力Ｆｆｃ及びメカニカルばね閉鎖力Ｆｓｃの合計は、防壁流体分離力ＦＡと釣り合って、シール面１８及び２０の過剰な分離、及び、例えばシール面１８及び２０間の過剰な流体漏れなど、封止を消失する可能性を妨げる。
【０１０７】
前記の流体付勢システムは、スプリットメカニカルシール１０の柔軟性を高め、また、シール面の分離量を外部から制御し、シール面間に形成された流体封止を調節するために、簡単な一体化された構造、即ち、流体導管、を提供することで、多くの環境で当該シールを利用可能とする。本システムは、シール面の接触程度を調節する際にも、シール面１８，２０に防壁流体が提供する分離力と組み合わせて、又は、シール１０内に収容された加圧流体からは独立して作動することができる。このように、スプリットメカニカルシール１０は、シール面分離や、その間に形成された流体封止を幅広い作動状態にわたって調整又は調節することが可能である。
【０１０８】
ここに説明され、かつ図示されたのは単一のシール形状のみであるが、本発明のシール１０は、複数のシール１０又はシールリングをシャフトに沿った軸方向に整列させるような二重又は縦列あるいは複数シール構成で利用してもよいことは、当業者の認識するところであろう。
【０１０９】
従って、本発明は、上記の説明から明白となるもののなかでも、上に挙げた目的を効率的に達成するものであることを、理解されよう。本発明の範囲から逸脱することなく、特定の変更を上記の構成に行うことが可能であろうため、上記の説明に含まれた、又は添付の図面に示された事項はすべて、実例として解釈されるべきものであり、限定的な意味のものとしては意図されていない。
【０１１０】
さらに、以下の請求の範囲は、ここで説明した本発明のあらゆる一般的及び具体的特徴、及び、言語上の問題としてその範疇に入る可能性のある本発明の範囲のあらゆる記述を網羅しようとしたものであることを、理解されたい。
【０１１１】
以上、本発明を説明したところで、新規であると訴え、特許証による保護を求めるところは
【図面の簡単な説明】
本発明のこれら及びその他の特徴及び長所は、添付の図面と関連させながら以下の詳細な説明を参考にすることにより、より十二分に理解されることであろう。前記の図面において、異なる図面を通じ、同様の参照記号は同様な要素を言及するものである。図面は、実寸ではないが、本発明の原理の実例を挙げたものであり、相対的な寸法を示したものである。
【図１】  本発明の教示に基づいた、流体をシール面に導入する構造の実例を示す、スプリットメカニカルシールの横断面の断面図である。
【図２】  本発明の教示に基づいた、図１のスプリットメカニカルシールのグランドアセンブリの半分を見た斜視図である。
【図３】  本発明の教示に基づいた、図１の組立済みスプリットメカニカルシールの半分を見た斜視図である。
【図４】  本発明の教示に基づいた、図１のスプリットメカニカルシールの回転シールリングの半分を見た斜視図である。
【図５】  本発明の教示に基づいた、図１のスプリットメカニカルシールの回転シールリングホルダアセンブリの半分を見た斜視図である。
【図６】  本発明の教示に基づいた、図１のスプリットメカニカルシールの定置シールリングの半分を見た斜視図である。図６Ａは  定置シールリングに形成された流体孔の代替的配置を示す、図１のスプリットメカニカルシールの定置シールリングの半分を見た斜視図である。
【図７】  図７Ａは本発明の教示に基づいた、グランド又はホルダアセンブリねじを見た斜視図である。図７Ｂは図７Ａのねじの側面立面図である。
【図８】  本発明の教示に基づいた、図１のスプリットシールのグランドアセンブリの上面断面図である。
【図９】  本発明の教示に基づいた、図１のスプリットメカニカルシールの回転シールリングホルダ区分の表面の側面立面図である。
【図１０】  本発明の教示に基づいた、図１のスプリットメカニカルシールの回転シールリング区分の表面の側面立面図である。
【図１１】  本発明の教示に基づいた、図１のスプリットシールの定置シールリング区分の側面立面図である。
【図１２】  本発明の教示に基づいた、シールリング溝内に生じる分離力を示した、図１のスプリットメカニカルシールの定置シールリング区分及び回転シールリング区分の側面立面図である。
【図１３】  本発明に基づいた溝内の力をさらに示した、図１２に示されたスプリットシールのシールリング面の断面側面立面図である。
【図１４】  本発明に基づくエラストマ製部材の断面図である。
【図１５】  本発明に基づいた、図１で示されたスプリットメカニカルシールを横断面で見た断面図である。図１５Ａは本発明に基づいた、図１で示されたスプリットメカニカルシールのホルダアセンブリ及び回転シールリングを横断面で見た断面図である。
【図１６】  本発明に基づく図３のシール部品を分解した、組立られていない状態の図である。
【図１７】  図１７Ａ−Ｃは回転シールリングの揺動を示した、図１のスプリットメカニカルシールの静止シールリング区分及び回転シールリング区分を横断面で見た側面立面図である。
【図１８】  図１のスプリットメカニカルシールのグランドアセンブリの、本発明に基づきそこに形成された緊締孔をさらに示した分解側面立面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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