JPH0141865B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、作動時に熱が発生する作動面を備え
た機械的作動部材を冷却するための装置に関す
る。特に、本発明は、作動部材が、クリアランス
の半径方向面シールの、相対的に回転可能な二つ
のシール面の一つを形成しているような場合に、
その作動部材を冷却するための装置に関するもの
であるが、それのみに限定されるものではない。

〔従来の技術とその問題点〕

軸の周速が毎秒100ｍのオーダーであるような
高速機械（たとえばターボ圧縮機、高速ポンプ、
ターボ発電機、タイヤコード巻取機、糸巻機械）
においては、軸受部材やシールをどのように冷却
するかに、設計上の要諦がある。

クリアランスの半径方向面シールにおいては、
対向する二つのシール面（作動面）の間に、相当
に大きな粘性剪断力が発生するが、シール面の間
を流れるクリアランス制御流体は、クリアランス
が狭いために、十分な熱容量を持たないことが多
い。そのため、この制御流体が、前記剪断力の流
し場として働くと、制御流体の特性を永久に劣化
させるほど、制御流体の温度が高くなる、という
結果を招く。

また、パワークラツチのカツプリングやブレー
キ機構の遅延装置などにおいては、作動部材に熱
が発生すると、その熱をすぐさま消散させない限
り、クラツチやブレーキをいためることになる。

軸受の作動面に発生する熱は、通常、冷却用流
体を、作動面の背後の部分にある流路を介して、
もしくは、この部分により部分的に形成されてい
る流路を介して、流すことにより、消散させてい
る。

本発明の目的は、作動部材の冷却装置を改善し
て、相当に大きな表面熱伝導係数を必要とする、
表面積の小さな作動部材の冷却に係る問題を、克
服することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による装置は、熱の発生する作動面を備
えた機械的作動部材からなり、この作動面は、こ
の作動面の背後の作動部材の部分により少なくと
も部分的に形成されている流路に、冷却用流体を
流すことにより、冷却される。本発明の特徴は、
互いに連結する気孔を備えた多孔性熱伝導塊を、
前記作動面の背後の、前記作動部材の前記部分に
密接に熱接触させた状態で、前記流路の中に設け
た点にある。

〔作用〕 この多孔性熱伝導塊は、作動部材の前記部分と
接合させるか若しくは一体的に形成するのが好ま
しく、その場合、多孔性塊の粒子すなわち構成部
分を一緒にして、作動部材に焼結すれば、便利で
ある。

本発明の冷却装置は、熱伝導のためにコンパク
トで広い面積を提供するものである。多孔性塊
は、銅のような高伝導性を有する物質であつても
よい。

本発明の冷却手段は、特に、英国特許公報No.
2033978Aに記載されているような、クリアラン
スの半径方向面シールの作動部材（シール部材）
の少くとも一つを冷却するのに、適用されるもの
である。このために、さらに本発明では、相対的
に回転し得る軸部材とハウジング部材とに、それ
ぞれ取り付けられた二つのシール部材から成るク
リアランスの半径方向面シールであつて、各シー
ル部材は環状のシール面を形成する対向部分を備
え、前記シール面の間に存在する半径方向クリア
ランスが、高圧領域と低圧領域とをつなぐ連通路
を形成しているクリアランスの半径方向面シール
に、以下のような特徴を付与した。すなわち、前
記シール部材の少くとも一つに、そのシール面の
背後で空洞を設け、この空洞は、前記シール面の
背後の、前記シール部材の部分により、少くとも
部分的に形成され、互いに連結した気孔を有する
多孔性熱伝導塊を、前記部分と密接に熱接触した
状態で、前記空洞内に置き、前記空洞には、この
空洞中に置かれた前記多孔性塊の連結気孔を介し
て冷却用流体を流すために、入口手段と出口手段
とを設ける、と言うものである。

添付図面を参照すれば、本発明をよりたやすく
理解できるだろう。図面では、相対的に回転しう
る二つのシール面を備え、本発明による冷却装置
を内蔵したクリアランスの半径方向面シールを、
半断面図により表わしている。

〔実施例〕

以下、図面に関連させつつ、本発明を説明す
る。ハウジング１１は開口を有し、回転軸１２
が、この開口を貫通している。高圧流体領域１３
と低圧流体領域１４との間で、流体が漏洩するの
を防ぐためにもしくはその漏洩量を最少にするた
めに、シールが設けられている。このシールは、
バツクプレート２０から成り、このバツクプレー
トは、その取付部分２０Ａにより、回転軸１２の
周囲にすきまをおいて、ハウジングの中に取り付
けられている。また、このバツクプレート２０
は、環状のシールリング２３により、ハウジング
１１と密封状態で係合している。ピン２６によ
り、バツクプレート２０の回転が防止されてい
る。

図面を見れば分るけれども、バツクプレート２
０の左側端部は、作動部材（シール部材）３８を
形成しており、この作動部材３８により、クリア
ランスの半径方向面シールの、相対的に回転でき
る二つのシール面の一つ２５が形成されている。
このシール面２５は、圧力により屈曲しうる環状
の部材２５ａに形成されている。この環状部材２
５ａは、半径方向に内側の剛性リング２５Ｂと半
径方向に外側の剛性リング２５Ｃから成り、これ
らのリング２５Ｂと２５Ｃは、その間に弾性部分
２５Ｄを支持している。外側リング２５Ｃは、バ
ツクプレート２０の左側端部に当接しているが、
内側リング２５Ｂは、バツクプレート２０から、
軸方向に隔たつている。内側リング２５Ｂと弾性
部分２５Ｄとの背後にあるこの隔り（空間）は、
孔３９により、低圧領域１４に接続されている。
内側リング２５Ｂの一部は、バツクプレート２０
の内腔中で、軸方向に可動性を有し、また、環状
のシールリング４０により、バツクプレートに対
してシールされている。リング２５Ｂの内側環状
部分は、バツクプレートの取付部分２０Ａの中に
延びており、フレキシブルなダイヤフラム２９す
なわち膜により、この取付部分に固定されてい
る。この膜は、リング２５Ｂが取付部分２０Ａに
対して、半径方向にもしくは円周方向に相対的に
動く運動には、抵抗して曲がらないけれども、軸
方向には比較的曲がりやすい（フレキシブル）も
のである。

カラー１６は、カラーの取付部分１６ａによつ
て、軸１２と共に回転するように取付けられてい
る。この取付部分１６ａは、ねじ切りボルト１８
もしくは他の適切な手段（例えばピン）により、
軸１２にキー締めされている。取付部分１６ａ
は、一緒にボルト止めされた二つの部分から成
り、環状のシールリング１９と１９Ａは、カラー
の取付部分１６ａと軸１２との間、および取付部
分を形成する二つの部分の間の漏洩を防止してい
る。カラー１６もまた、フレキシブルなダイヤフ
ラムすなわち膜３０により、取付部分１６ａに固
定されている。図を見れば分るように、カラー１
６の右側端部は、もう一つの作動部材（シール部
材）１３８を形成しており、この作動部材１３８
により、シールの相対的に回転しうる二つのシー
ル面のもう一つの面１２５が形成されている。シ
ール面２５と１２５は、製造工程で、半径方向に
平らになるように機械加工されている。

面シールがどのように作動するかは、上記の英
国特許公報No.2033978Aに記載されているので、
これを参照されることを望む。

本願において例示されている面シールは、緩衡
型（buffer type）のシールである。（ここで言う
緩衡型のシールとは、複数の流体たとえば流体Ａ
と流体Ｂが、緩衡流体である第３の流体により、
相互にシールされるようなタイプのシールを意味
し、この第３の流体は、相互にシールされる流体
Ａ、Ｂより高圧である）。高圧領域１３の圧力よ
りもより高圧の流体が、ハウジング１１の中の導
管１５を介して、バツクプレートの取付部分２０
Ａ中の流路２２から、屈曲しうる部材２５ａの内
側リング２５Ｂの流路２２Ａへ供給され、そこか
ら、シール面２５と１２５の内周部と外周部との
間にある環状のくぼみ１７へ送られ、そしてシー
ル面１２５の孔２７を介して、カラー１６の内部
の空間２８へ送られる。従つて、流体の流れは、
一方では、くぼみ１７から半径方向に内側へ向
い、シール面２５とシール面１２５の協働域Ｂを
越えて、高圧領域１３へ至り、他方では、くぼみ
１７より半径方向に外側へ向いて、シール面２５
とシール面１２５の協働域Ａを越えて、低圧領域
１４へ至る。外方向へ流れる緩衝流体は、ドレン
となつて排出されるが、その後、ハウジング１１
の導管１５Ａを介して再循環される。

面シールが作動している時、シール面域ＡとＢ
上の圧力勾配により、屈曲しうる部材２５ａが屈
曲して、シール面２５と１２５の協働域Ａの間
に、先細流路が形成される。シールの寸法は、作
動時における、シール面２５と１２５との間のク
リアランスが、協働域Ａの外周部で最小になり、
その最小クリアランスが0.01mmのオーダーになる
ように決める。ここで留意すべきことは、さねは
ぎを、シール面の近くに設けて、固定手段（例え
ば、ボルト孔、ボルト頭部など）を収容してもよ
いということである。このさねはぎは、シール面
の後方に、シール面間のギヤツプよりも相当に大
きな間〓を置いて、設けられるため、このさねは
ぎ部分により、シール面の一部が形成されること
はない。

ダイヤフラム２９と３０は、圧力領域と圧力領
域の間をほとんど静止状態でシールしている。ま
た、これらのダイヤフラムにより、シール面２５
と１２５を支持するシール部品が、自動調心され
る。ダイヤフラムの軸方向および角方向（傾斜）
の剛さ（stiffness）は、シール面２５と１２５の
間の流体膜（fluid film）の剛さより小さくなる
ように選択する。カラー１６とバツクプレート２
０の左側端部と右側端部にかかる圧力は、均衡し
ていることが分るであろう。

シール面２５とシール面１２５の間を流れるシ
ール用流体の流れは、シール面の一方が他方に対
して高速で回転するため、相当な量の熱を発生す
る。これは、主として流体膜の剪断応力に起因す
るものである。

この熱を消散させるために、以下に記述する構
成がカラー１６中に用いられている。

カラー１６には、シール面１２５の背後で、環
状の空洞すなわち流路３１が形成されている。こ
の流路３１には、互いに連通する気孔を有し、多
孔性の焼結物質からなる塊が、詰められている。
また、この流路３１は、壁１３９と一体的に形成
されており、この壁１３９にシール面１２５が形
成されている。この壁１３９と前記の焼結塊と
は、高い熱伝導性を有する材料、例えば銅もしく
は銅合金より成つている。前記の環状流路３１
は、半径方向の内周部に、軸方向に延びる部分
（入口手段）３３を備え、この部分３３は、半径
方向に延びる環状流路３４に、連通している。こ
の流路３４は、カラー１６の中の空間２８から続
いている。流路３１は、その半径方向の外周部
で、リング３５によりおおわれている。このリン
グ３５は、円周方向に間隔を置いた複数の半径方
向の孔（出口手段）３６を備えている。これらの
孔３６は、流路３１と芯合せされており、また以
下に述べる目的のためにその内のいくつかを選ん
で、プラグ３７により閉鎖している。

環状の銅部材に錫をかぶせ、それを互いに、銅
粉末と共に圧縮し、そして、焼結させることによ
り、環状の流路３１に多孔性塊を詰めてもよい。
この作業を簡単に行うために、カラー１６を二つ
のリング部材１４０と１４１から作る。径の小さ
いリング部材１４０の半径方向の外側フランジ
は、その一端で、シール面１２５を形成する壁１
３９を成し、径の大きいリング部材１４１の半径
方向の内側フランジは、空洞（流路）３１の壁部
１４２を成している。この壁部１４２の内周部
は、リング部材１４０から隔てられているため、
壁１４２の背後の空間２８と連通する流路（入口
手段）３３が形成される。カラーの各独立部分
は、ねじもしくは他の適当な手段を用いて、壁１
３９と１４２に挟まれている焼結塊と共に、一緒
に固定してもよい。

シール面が作動しているとき、冷却用緩衡流体
は、環状のくぼみ１７より、軸方向の孔２７を通
つて、空間２８へと流れる。これらの孔２７は、
焼結塊３２を貫通している時には、一直線に並べ
てもよい。空間２８より、緩衡流体は、半径方向
に内側へ流れて流路３４を通り、軸方向へ流れて
入口流路３３を通り、そして、半径方向に外側へ
流れて、流路３１内に設けられた環状の焼結塊３
２の互いに連結する気孔を通り、そして、リング
３５の栓をされていない孔３６を通つて外へ出
て、低圧領域へ至る。栓のされていない孔３６
は、壁１３９と壁１４２との間の外周ギヤツプの
上にある。従つて、冷却用流体は、環状の焼結塊
３２を備えた作動部材１３８の作動面（シール
面）１２５の背後を、その作動面のほぼ全長に亘
り、横切つて流れることになる。環状の焼結塊３
２は、広い伝熱面のある熱交換器として働く。焼
結塊３２の一部が、軸方向の流路３３に在るか
ら、カラー１６の半径方向の内側の角も、適切に
冷却される。焼結塊３２を通る流れは、プラグ３
７により栓をされている半径方向の孔３６の数の
如何により決定される、ということが分るだろ
う。緩衡流体は、気体でもよく、もしくはそれが
好ましければ液体でもよい。また緩衡流体自体
を、その源で冷却してもよい。

言うまでもなく、本発明の範囲において、様々
な変形実施例が可能である。例えば、冷却手段
を、カラー１６の代りに（あるいはカラー１６と
同様に）、シール面２５の背後に設けてもよい。

付け加えれば、多孔性物質塊は必ずしも焼結さ
せる必要はない。肝心なことは、(1)多孔性塊が、
互いに連結する孔を備えており、これらの孔を通
つて冷却用流体が流れること、(2)多孔性塊が、作
動部材の作動面の背後にある、作動部材の部分
と、密接に熱接触しているということ、にある。
だから、この多孔性物質塊は、例えば直径1.65mm
の小さな球体から成るものでもよく、もしくは、
ろう付金属を塗布（コーテイング）した粒子から
成るものでもよい。このような多孔性物質塊を前
記の流路に挿入したあと、熱すると、塗膜が融け
て小球体すなわち粒子を一緒に、作動部材の前記
部分へ接合させる。あるいは、熱伝導性の優れた
物質より成る小球もしくは他の粒子を、冷却用流
路の対向壁の間で、一緒に押圧して、粒子相互を
密接な熱接触の状態におくと同時に作動面を形成
する壁の背面に対する密接な熱接触の状態を作り
出してもよい。

以上、面シールについて説明して来たが、本発
明は、それに限定されるものではなく、スラスト
軸受、ジヤーナル軸受あるいはその他、作動中に
熱が発生する作動面を備えた作動部材にも、応用
することができる。

〔効果〕

本発明の構成は以上の如くであるから、様々な
作動部材を効率よく冷却することが出来る。

【図面の簡単な説明】

図は相対的に回転できる２つのシール面を有
し、本発明による冷却手段を内蔵する正クリアラ
ンスの半径方向面シールの半断面図である。 １１……ハウジング、１３……高圧領域、１４
……低圧領域、２５，１２５……シール面、２７
……孔、２８……空間、３２……多孔性熱伝導
塊。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱を発生する作動面１２５を備えた機械的作
   動部材１３８から成り、前記作動面の背後で前記
   作動部材の部分１３９により少くとも部分的に形
   成されている流路３１，３３に冷却用流体を流し
   て、前記作動面を冷却する機械的作動部材冷却装
   置において、 互いに連結する気孔を備えた多孔性熱伝導塊３
   ２を、前記作動部材１３８の作動面１２５の背後
   の前記部分１３９と密接に熱接触させた状態で、
   前記流路３１，３３中に設けることを特徴とする
   機械的作動部材冷却装置。 ２ 多孔性熱伝導塊３２の粒子すなわち構成部分
   は、互いに接合されており、かつ作動部材１３８
   の部分１３９に接合されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載の機械的作動部材冷
   却装置。 ３ 多孔性熱伝導塊３２は焼結材から成ることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項に記
   載の機械的作動部材冷却装置。 ４ 相対的に回転しうる軸部材１２とハウジング
   部材１１とに、それぞれ取り付けられた二つのシ
   ール部材３８，１３８から成り、各シール部材
   は、環状のシール面２５，１２５を形成する対向
   部分を備え、前記環状シール面２５と１２５の間
   に存在する半径方向クリアランスが、高圧領域１
   ３と低圧領域１４とをつなぐ連通路を形成してい
   るクリアランスの半径方向面シールにおいて、 前記シール部材の少くとも一つ１３８は、その
   シール面１２５の背後に、空洞３１を有し、この
   空洞は、前記シール面の背後の、前記シール部材
   の部分１３９により、少くとも部分的に形成さ
   れ、互いに連結する気孔を備えた多孔性熱伝導塊
   ３２が、前記部分１３９と密接に熱接触した状態
   で、前記空洞３１内に置かれ、 前記空洞３１には、前記多孔性塊３２の連結気
   孔を通して、前記空洞内に冷却用流体を流すため
   に、入口手段３３と出口手段３６が設けられてい
   ることを特徴とするクリアランスの半径方向面シ
   ール。 ５ 少なくとも１つの前記シール部材１３８が、
   径の異なる二つのリング部材１４０，１４１から
   なるカラー１６を有し、 前記リング部材のうち径の小さいリング部材１
   ４０の半径方向の外側環状フランジは、その一端
   で、シール面１２５を形成する第１壁部１３９を
   成し、径の大きいリング部材１４１の半径方向の
   内側環状フランジは第２の壁部１４２を成し、 この第２の壁部１４２は、前記リング部材１４
   ０，１４１がカラー１６を形成するように組立て
   られているとき、前記第１の壁部１３９の背面よ
   り距てられているため、前記第１壁部１３９の背
   後に空洞３１を形成し、またその内周部において
   前記の径の小さなリング部材１４０から距てられ
   ているため、第２の壁部１４２の背後の、カラー
   １６内の空間と連通する入口手段３３を形成し、 前記空洞３１にある多孔性熱伝導塊３２は焼結
   材を含み、 さらに、冷却用流体を、第２の壁部１４２の背
   後の、カラー１６内の空間へ導き入れ、入口手段
   ３３を介して流し、さらに半径方向外側へ多孔性
   塊の３２を介して流し、そして第１壁部１３９と
   第２壁部１４２の間の外周ギヤツプから成る出口
   手段３６へと送るための手段が設けられている特
   許請求の範囲第４項に記載のクリアランスの半径
   方向面シール。 ６ 前記出口手段が、リング３５の中に円周方向
   に間隔をおいて設けられた、前記外周ギヤツプに
   重なる孔３６と、これらの孔３６のうちから選択
   したた孔を閉止するための手段３７とを備えてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載
   の面シール。 ７ 少なくとも一つの前記シール部材１３８が、
   シールの回転可能なシール部材であり、 冷却用流体は、第２の壁部１４２の背後の、カ
   ラー１６の内部の空間２８に、孔２７を介して流
   入し、前記の孔２７は、第１の壁部１３９のシー
   ル面１２５から、前記第１の壁部１３９、多孔性
   塊３２そして第２の壁部１４２を介して延び、 前記シール面にある、前記孔２７の端は、静止
   したシール部材３８のシール面２５に設けられた
   くぼみ１７に対向する位置で、回転し、冷却用流
   体は、この静止したシール部材３８を介して、前
   記くぼみ１７へ供給される 特許請求の範囲第５項もしくは第６項に記載の面
   シール。