JPH0219351B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 「産業上の利用分野」 本発明は回転軸の軸封装置、特にメカニカルシ
ールのように端面シールを行ない有毒とか可燃性
の気体或いは液体のように絶体に漏らしては困る
流体の軸封装置に関する。

「従来の技術」 従来のこの種の装置例を縦断面図の第８図に示
す。図において、ケーシング４内の空間Ｈは高圧
の密封流体が封ぜられており、Ａはケーシング４
の外部側の大気のある空間であつて、空間Ｈの密
封流体を大気側空間Ａへ流出するのを防止しよう
とするものであり、回転軸３に一体又は固定され
た回転リング１の密封面１１と静止リング２の密
封面２１が流体潤滑あるいは境界潤滑状態で摺動
するようになつている。

静止リング２はケーシング４に対してばね５で
軸方向に押されているが、ケーシング４に不図示
の廻り止め部材で係止され回転はしないようにな
つている。また静止リング２がケーシング４に滑
合し、軸方向にすべるところにはＯリング８が設
けてあり、空間Ｈと空間Ｌを分けている。空間Ｌ
と大気側空間Ａはケーシング４に密封固定したカ
バー１４の端面にフローテイングリングシール２
６がケーシング４とフローテイングリングシール
２６の間の軸方向に配したばね１５により圧接さ
れている。

空間Ｈの密封流体の圧力ｐに対してｐ＋△ｐ
（△ｐは数Kg／cm²）の圧力流体が供給孔７をとお
り空間Ｌに供給されており、回転リング１と静止
リング２の密封面１１，２１間は端面シール効果
により、上記△ｐの圧力差によつて、空間Ｌの液
体が空間Ｈへ漏洩するのを防止すると共にフロー
テイングリングシール２６と回転軸３間の摺動面
により空間Ｌの液体の大気側空間Ａへの漏洩を抑
えている。

「発明が解決しようとする問題点」 この装置は高圧流体を密封する場合にはそれ
を封じ込む液体の圧力を上昇するための特別の供
給装置を必要とする。密封流体とそれを封じ込
む液体の差圧を常に一様に制御する必要がある。
接触形シールであるために密封条件が厳しけれ
ばどうしても信頼性に欠け、寿命が短かい。空
間Ｌは高圧でありフローテイングリングシール２
６で液体が漏れることにより大気圧状態になるた
め損失が大である。高圧流体を密封するため、
高圧流体よりも高圧のそれを封じ込む液体を大気
側空間に対して密封するための軸封手段が必要で
あり、高圧であるため簡単なものでは済まされな
い場合もあり、軸封装置全体の軸方向長さを極め
て大とせざるを得ないこともある。等の問題を持
つている。

本発明は回転軸の軸封を端面シールで行うよう
な構成の軸封装置における上記問題点を解消し、
信頼性高く、特別な昇圧装置を必要とせず且つ軸
方向長さの短かい軸封装置を提供することを目的
とする。

〔発明の構成〕

「問題点を解決するための手段」 本発明は回転リング又は静止リングの何れかが
内外径方向で分割されて内外径方向に端面の摺動
面を構成し、内外径方向に分割された夫々の摺動
面と分割されない回転リング又は静止リングの端
面の摺動面とは夫々が押圧手段により圧接してお
り、内外径方向に分割された回転リング又は静止
リングの内外径方向の分割部は摺動面間を外部に
対して遮断する如く密封され、内外径方向の摺動
面の何れかに内外径方向に分割されている摺動面
の境界附近より始まり、密封流体のある高圧側に
向つて行止るようにスパイラル溝を設け、且つ静
止リング側に該境界附近と低圧流体供給源とを連
通する通路を設けた軸封装置である。

「作用」 低圧の液体の供給源から静止リングを含む通路
を通つて内外径方向で分割された回転リング又は
静止リングの摺動面の境界附近でスパイラル溝の
低圧側を連通する環状〓間に低圧液体が送り込ま
れており、回転軸が回転すると回転リングが回転
し、スパイラル溝の効果によりスパイラル溝の行
止まる高圧側に低圧側の液体が移動して昇圧され
動圧が発生する。この昇圧された液体により高圧
側の摺動面の対向平面部で密封流体の軸封を行な
う。別個押圧手段により押圧されている低圧側の
摺動面の対向平面部で大気側との軸封が行われ
る。

「実施例」 以下、本発明の実施例を図面により説明する。
第１図は縦断面図である。第８図の従来列と同様
ケーシング内の空間Ｈには高圧の密封流体が封ぜ
られており、Ａはケーシング４の外部側の大気側
空間である。空間Ｌに備える供給装置から封入液
体が供給されているが空間Ｈの密封流体と同圧以
下の圧力でもよく大気圧と等しくてもよい。

回転軸３に一体又は固定された回転リング１の
平面の密封面１１と内外径方向で分割された静止
リング２ａ，２ｂの密封面２１ａ，２１ｂが液膜
を介して摺動する摺動面になつている。静止リン
グ２ａとケーシング４間には軸方向にばね５が配
され、ばね５により静止リング２ａは回転リング
１に向つて軸方向に押されているがケーシング４
に不図示の回り止め部材で係止され回転しないよ
うになつている。また静止リング２ａがケーシン
グ４に滑合している円筒状部分には並列してＯリ
ング８が設けてある。

静止リング２ａは静止リング２ａに円筒状部分
で滑合しており、滑合部で静止リング２ｂの円周
方向の溝に嵌入したＯリング１２により、静止リ
ング２ａ，２ｂ間の嵌合部を密封し、回転リング
１と静止リング２ａ，２ｂとの間の摺動面をその
外部側の大気側空間Ａと遮断している。

静止リング２ａの中心孔は拡径して円孔１３と
なつており、静止リング２ｂの拡径軸部１６がゆ
るく嵌入している。静止リング２ａ，２ｂの拡径
による肩部１７，１８に圧縮ばね６の座巻部が当
接している。このばね６は回転軸３を中心とする
つるまきばね、又は皿ばね或は静止リング２ｂの
周上に適当数配したつるまきばね等何れでもよ
い。

静止リング２ａの密封面２１ａは正面図の第２
図に示すように平面の頂部９ａとスパイラル溝９
ｂが交互に並ぶスパイラル溝部９とその外側に位
置して頂部９ａと同一平面のフラツト部１０から
成る。各スパイラル溝９ｂは中心側で突抜けてい
る。静止リング２ａには静止リング２ａ，２ｂ間
のばね６を納めた空間とＯリング８，８間の静止
リング２ａの外周に設けた円周溝１９とを連通す
る供給孔２２が設けられ、円周溝１９と空間Ｌを
通ずる供給孔７により、供給孔２２は図外の封入
用液体の供給源のある空間Ｌに通じている。静止
リング２ｂの密封面２１ｂは回転リング１の密封
面１１に接し得る平面である。

回転軸３の回転方向は第２図において反時計方
向の回転であつてポンピング作用によりスパイラ
ル溝９ｂは中心側の開放端より液体を巻き込み、
外周に向つて動圧が発生して昇圧し、スパイラル
溝９ｂの終端部（最外周部）では空間Ｈの密封流
体の圧力よりもわずかに高い圧力が発生し、また
密封面１１，２１ａ間には液膜が形成され、両密
封面１１，２１ａ間は流体潤滑される。この流体
潤滑の液膜の最大圧力は空間Ｈの密封流体が浸入
しないか、もしくは空間Ｌ側の液体が微小量空間
Ｈ側へ洩れるようにする。このようにすることに
より、空間Ｈ側の密封流体が有害、或は自体有害
でなくとも洩れることにより重大な支障を及ぼす
ものである場合に特効がある。密封面１１，２１
ｂ間は通常の端面シールと同様ばね６及び封入液
体の圧力により押圧される静止リング２ｂが回転
リング１に圧接しようとすることにより得られる
密封作用である。

密封面１１，２１ａの負荷をＷ、スパイラル溝
９ｂ終端部の圧力をp_gとすると、完全に密封面１
１，２１ａに流体膜が形成された場合には Ｗ＝ap_g ……… となる。ａはスパイラル溝９ｂの溝形状、溝本
数、溝深さ等によつて決まる係数である。一方、
密封面１１，２１ａの押付荷重Ｗは密封流体の圧
力ｐ、封入液体の圧力po、s₁，s₂は押付部の面積
でS₁＝π（r₂ ²−r₁ ²）ただし、2r₂＝密封面の１１，
２１ａの外径、2r₁＝静止リング２ａとケーシン
グ４の滑合部の直径、S₂＝π（r₄ ²−r₃ ²）ただし、
2r₄＝密封面１１，２１ｂの外径、2r₃＝静止リン
グ２ａ，２ｂの滑合部の直径、F₁はばね５の荷
重、F₂はばね６の荷重とすると、 Ｗ＝S₁p−S₂p₀＋F₁−F₂ ……… となる。及びからap_g＝S₁p−S₂p₀＋（F₁−
F₂）となり、P₀＝０としかつS₁＝ａ＝ｋである
ようにS₁を決めるとF₁−F₂＝ｋ（p_g−ｐ）であ
る。静止リング２ａの環状フラツト部１０におけ
る差圧（p_g−ｐ）はばね荷重（F₁−F₂）を決め
れば密封圧力ｐに依らずに常に一定となる。

また密封面１１，２１の流体膜の厚さはできる
限り薄くなるようにスパイラル溝９ｂの溝形状、
溝深さを決めるものとする。従つて密封面１１，
２１ａではスパイラル溝９ｂのポンピング作用に
より密封流体の圧力ｐに対して△ｐ（数Kgｆ／cm²）
だけ常に高い圧力まで昇圧されて密封流体を封じ
込みかつ密封面１１，２１ａのすきまを極力小さ
くしてその漏れを少なくしてある。なお△ｐの値
は回転数、密封圧力及び封入液体の種類には依存
せず、ばね５，６のばね荷重の大きさによつての
み決まる。

供給孔７から、円周溝１９、供給孔２２、静止
リング２ａ，２ｂ間の〓間２４を介して密封面１
１，２１ａ，２１ｂに封じ込む液体は密封流体が
気体である場合には油、水、その他の液体を、液
体である場合には他の安全な清浄液体を選ぶ。特
に後者で異物を含む液体を清浄な同種液体で密封
することが望ましい。また密封流体のある空間Ｈ
側に漏れた空間Ｌ側から送られる封入液体は、空
間Ｈの密封流体が気体である場合には容易に分離
でき効果大であり、液体の場合には少量混入して
も構わない場合について効果大である。

空間Ｌから封じ込む液体は大気圧状態にあつて
も良く、低揚程ポンプで供給するか、あるいはポ
ンプにこの密封装置を使用する場合にはポンプの
吸込側にある低圧状態の液体そのものを導入して
も良い。従つて、端面シール部分となる密封面１
１，２１ｂ間のシール能力によつて封入液体の圧
力を定めることができる。スパイラル溝９ｂは静
止リング２ａ側にあつたが回転リング側でもよ
い。この実施例ではスパイラル溝９ｂの深さは３
〜50μｍとしてあり、摺動面の液膜厚さは１〜3μ
ｍ程度である。

第３図は本発明の他の実施例の縦断面図であ
る。前実施例におけるスパイラル溝部９での流れ
が外向きの流れであるのに対し、この第３図の実
施例では内向き流れとなつている。

空間Ｈは密封流体が存し、空間Ｌには該密封流
体を密封するための液体が存し、空間Ａには大気
が存する。

ケーシング４の円筒孔には静止リング２ｂが滑
合し、滑合面は静止リング２ｂの円筒形外周に設
けた円周方向の溝に嵌入したＯリング８により密
封されており、静止リング２ｂとケーシング４の
間で軸方向に挿入された圧縮ばね５により静止リ
ング２ｂはその密封面２１ｂが回転リング１の密
封面１１に押しつけられている。

静止リング２ｂの内円筒部には静止リング２ａ
が滑合し、静止リング２ａの円筒形外周の円周方
向に設けた溝に嵌入したＯリング１２により密封
されており、静止リング２ａ，２ｂの段軸部及び
段孔部の肩２７，２８に夫々当接するように圧縮
ばね６が挿入され、静止リング２ａはその密封面
２１ａが回転リング１の密封面１１に押しつけら
れている。封入液体は空間Ｌにある供給源より供
給孔７、供給孔７に連通する静止リング２ｂの外
周の円周溝１９、円周溝１９とばね６を納める空
間を通じる静止リング２ｂ中の供給孔２３をとお
り、ばね６を納めた空間から静止リング２ａ，２
ｂ間の〓間２４を通じて摺動面における静止リン
グ２ａ，２ｂの内外径方向の境界附近に通じるよ
うになつている。

第４図は静止リング２の正面図である。静止リ
ング２ａの内周側に配したフラツト部１０が回転
リング１の端面と摺動して空間Ｈの密封流体を密
封する側となつている。各スパイラル溝９ｂの外
周側は突抜けており内周側は行止まつている。静
止リング２ｂの密封面２１ｂは回転リング１の密
封面１１に密着する平面である。

回転軸３が第４図において時計方向に回転する
と空間Ｌから静止リング２ａ，２ｂの摺動面の内
外径部方向の境界附近に送られている封入液体は
スパイラル溝９ｂに巻込まれ、中心側で動圧が発
生する。この圧力により密封面１１，２１ａの中
心側では空間Ｈの密封流体の圧力よりもわずかに
高い圧力となり密封が行われる。封入液体と大気
側空間Ｌの間は通常の端面シールと同様ばね５及
び封入液体の圧力により圧される静止リング２ｂ
の密封面２１ｂと回転リング１の密封面１１によ
り密封される。

第２実施例においてはスパイラル溝９ｂの深さ
は十分な動圧を発生しかつ極力薄い流体膜を形成
するように例えば封入液体の粘度により異るが３
〜50μｍの大きさとする。摺動面間の液膜の厚さ
は１〜3μｍ程度である。

各実施例における回転リング１、静止リング２
ａの材質はスパイラル溝を設ける側を硬質材料、
特にセラミツクス（炭化珪素sic又は窒化珪素
Si₃N₄が望ましい）としその相手の摺動部材はア
ルミナセラミツクス、超硬合金、ステンレス、高
鉛青銅、普通鋳鉄、カーボン或はスパイラル溝９
ｂを設けた側の材質と同材質の何れかが好適であ
る。回転リング１と静止リング２ａの摺動面は鏡
面仕上されており、摺動はスパイラル溝の動圧効
果により完全な流体摩擦によつているので実験に
よると摩擦係数は0.003と極めて低く冷却の必要
が殆んどない。又スパイラル溝を設けた部分は上
記においてスパイラル溝を設ける部材は薄肉の円
板状として、静止リング２ａ又は回転リング１に
接着してもよく、この相手部材もセラミツクス系
であるときは同様に板状にして接着してもよい。

各実施例は静止リング２ａ，２ｂを相互に滑合
したが夫々ケーシング４に滑合してもよく、又静
止リング２ａ，２ｂの滑合はそのまゝで静止リン
グ２ａ，２ｂを共にケーシング４に対して密封す
るようにしてもよい。ばね５，６等の弾溌手段の
配列方法についても同様である。

各実施例は端面シールの摺動面を押圧するのに
夫々静止リング側を弾溌して回転リングに押圧し
ているが、回転リング側を静止リングに弾溌押圧
するようにしてもよい。

即ち、本発明は多様な変形が可能なものであり
若干の例をあげれば第５図乃至第７図の如くであ
る。

第５図はスパイラル溝部９では封入液体が外向
きの流れの場合で静止リング２ａ，２ｂ間のＯリ
ング静止リング２ｂとケーシング４間のＯリング
１２に置き変え、静止リング２ｂを押圧するばね
６をケーシング４を基準に弾溌するようにしたも
のであり、静止リング２ａ，２ｂは滑合してい
る。

第６図はスパイラル溝部９での封入液体は外向
きの流れの場合で静止リング２ａ，２ｂは接触し
ていない。静止リング２ａの内円筒部を静止リン
グ２ｂが挿通しており、静止リング２ｂは静止リ
ング２ａが滑合しているケーシング４の円筒孔と
滑合してＯリング１２により密封され、ケーシン
グ４を基準に弾溌するばね６により押圧されてい
る。

第５図、第６図の実施例では静止リング２ｂの
押圧力を与えるばね６の押付力は静止リング２ａ
に影響を与えないのでばね５，６は夫々独立して
その要項を定めることができる。

以上は密封面の流れが外向きの場合であるが第
３図の実施例の変形としても第５図、第６図の考
え方を用いて変形することができる。

第７図は回転リング側の部材で密封面を内外に
分割するように二重のリングとしたものである。
回転軸３には回転リング１ｂが滑合し、回転軸３
との間に挿入されたばね６により軸方向に弾溌し
てその密封面１１ｂがケーシング４に固定した静
止リング２の密封面２１に押圧されていて、回転
軸３に対して回転しないように回り止めされてい
る。回転リング１ｂには回転リング１ａが滑合
し、かつ回転リング１ａ，１ｂの間に設けたＯリ
ング１２で密封され、回転リング３との間に挿入
されたばね５によりその内径端より外周側で行止
まるようにスパイラル溝９ｂを設けた密封面１１
ａを静止リング２の平面の密封面２１に押圧され
ている。

封入液体は供給孔７、円周溝１９，供給孔７を
通じ、摺動面の境界附近、即ち回転リング１ａ，
１ｂの滑合部の密封面に現われる側附近に供給さ
れる。この実施例において、回転リング１ｂを回
転軸３に固定し、静止リング２をケーシング４に
滑合してケーシング４と静止リング２の間に二点
鎖線で示すようにばね５′を備えるようにしても
よい。

〔発明の効果〕

本発明は回転リング又は静止リングの何れかが
内外径方向で分割されて内外径方向に端面の摺動
面を構成し、内外径方向に分割された夫々の摺動
面と分割されない回転リング又は静止リングの端
面の摺動面とは夫々が押圧手段により圧接してお
り、内外径方向に分割された回転リング又は静止
リングの内外径方向の分割部は摺動面間を外部に
対して遮断する如く密封され、内外径方向の摺動
面の何れかに内外径方向に分割されている摺動面
の境界附近より始まり、密封流体のある高圧側に
向つて行止るようにスパイラル溝を設け、且つ静
止リング側に該境界附近と低圧流体供給源とを連
通する通路を設けた軸封装置としたから 封入液体を昇圧する特別な供給装置を必要と
しない。

封入液体と密封流体との圧力差を制御する装
置を必要としない 密封流体を封入するための低圧液体昇圧部の
密封面は非接触状態にありかつ該低圧液体の外
部側に対して密封する密封面の外部側との差圧
は極めて小さく、信頼性に秀れ、寿命も長くで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の縦断面図、第２図は
第１図の静止リングの正面図、第３図は他の実施
例の縦断面図、第４図は第３図の静止リングの正
面図、第５図乃至第７図は夫々が更に他の実施例
の縦断面図、第８図は従来例の縦断面図である。 １，１ａ，１ｂ……回転リング、２，２ａ，２
ｂ……静止リング、３……回転軸、４……ケーシ
ング、５，５′，６……ばね、７……供給孔、８
……Ｏリング、９……スパイラル溝部、９ａ……
頂部、９ｂ……スパイラル溝、１０……フラツト
部、１１，１１ａ，１１ｂ……密封面、１２……
Ｏリング、１４……カバー、１５……ばね、１６
……拡径軸部、１７，１８……肩部、１９……円
周溝、２１，２１ａ，２１ｂ……密封面、２２，
２３……供給孔、２４……〓間、２６……フロー
テイングリング、２７，２８……肩、Ａ，Ｈ，Ｌ
……空間。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転リング又は静止リングの何れかが内外径
   方向で分割されて内外径方向に端面の摺動面を構
   成し、内外径方向に分割された夫々の摺動面と分
   割されない回転リング又は静止リングの端面の摺
   動面とは夫々が押圧手段により圧接しており、内
   外径方向に分割された回転リング又は静止リング
   の内外径方向の分割部は摺動面間を外部に対して
   遮断する如く密封され、内外径方向の摺動面の何
   れかに内外径方向に分割されている摺動面の境界
   附近より始まり、密封流体のある高圧側に向つて
   行止るようにスパイラル溝を設け、且つ静止リン
   グ側に該境界附近と低圧流体供給源とを連通する
   通路を設けた軸封装置。