JPH0565962A - メカニカルフエースシール - Google Patents

メカニカルフエースシール

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JPH0565962A
JPH0565962A JP4028303A JP2830392A JPH0565962A JP H0565962 A JPH0565962 A JP H0565962A JP 4028303 A JP4028303 A JP 4028303A JP 2830392 A JP2830392 A JP 2830392A JP H0565962 A JPH0565962 A JP H0565962A
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face seal
sealing surface
rotation
groove
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Martin William De Boer Hignett
ウイリアム デボアー ヒグネツト マーチン
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 向上された流体力学的揚力を生じさせる二方
向溝輪郭を有するメカニカルフェースシールを提供す
る。 【構成】 シャフト１０に対し密封する第１の密封リン
グ１２と、ハウジング１１に対し密封する第２の密封リ
ング２０とを設け、第１の密封リング１２の密封面３３
にその縁に開口する複数の溝形成区域４０を設け、溝形
成区域４０と密封面３３の他の縁との間に、連続する環
状のダム形成部４１を設ける。各溝形成区域４０は一方
向への回転に対する少なくとも２個の従縁ＡＢ，ＥＦ
と、反対方向への回転に対する少なくとも１個の従縁Ｄ
Ｃ，ＥＧとを画成する。従縁ＡＢ，ＥＦ，ＤＣ，ＥＧは
前記反対回転方向に対し鈍角α、α′で密封面３３の平
面において傾斜する溝形成区域４０の壁によって画成さ
れる。前記従縁は密封面３３の円周方向に延びる横壁Ｂ
Ｅ，ＧＦ，ＥＣによって終端される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はメカニカルフェースシー
ル、特に、非限定的に、一方のシール面が他方のシール
面に相対して回転するときシール面間に気体のクッショ
ンを形成するように、シール面の一つに複数の溝が設け
られる空気に対するシールに係る。また、本発明はこの
タイプのシールであってその他の流体に対して使用され
るものに係る。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】これま
で、そのようなシールの溝は、通常は、密封面の回転方
向に対し鈍角で延びる螺旋形状であった。溝は一縁から
密封面を横切って途中まで延び、連続する環状のダム形
成部が密封面の他縁に設けられた。
【０００３】そのような形状の溝によれば、シール面の
回転時、流体は溝に沿ってダム形成部によって閉鎖され
た端へ向かって運動し、さらに流体は溝の開端内へひき
ずられる。溝の閉端は密封面間における流体のさらなる
流れを妨げそして圧力を蓄増させ、密封面を分離させ、
従って流体のクッションが密封面間に形成される。これ
ら溝は流体のクッションが密封面が互いに接触するのを
防止するのに十分なほど密封面間に維持され、一方、流
体の重大な漏れを防止するように構成される。
【０００４】前記開示された形式の螺旋溝は、しかし、
単に一方向への密封面の相対回転のために有効であり、
他方向への密封面の回転は流体力学的揚力を生じない。
【０００５】しかし、前記開示されたタイプの流体シー
ルであって両方向への密封面の相対回転に対し効果的に
作用するものが求められている。
【０００６】三角形の溝形成区域であってその一壁が、
回転方向と無関係に、密封面の回転方向に対し鈍角で傾
斜するものを使用することが提案された。そのような形
状の溝形成区域は両方向への相対回転に対し密封面間で
揚力を生じさせる。しかし、三角形の溝形成区域の壁は
漸開形状を有するから、密封面の周辺に沿って収容され
得る溝形成区域の個数は、収容され得る螺旋溝の個数と
比較すると著しく減少される。従って、密封面間で生じ
る総合揚力は著しく減少される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は上記説明された
タイプのメカニカルフェースシールであって改良された
揚力特性を有する二方向溝輪郭を有するものを提供す
る。
【０００８】本明細書においては溝形成区域は三角形ま
たは台形の見地から説明されるが、これら見地は直線ま
たは湾曲した辺によって画成される概ね三角形または台
形の形状を包含することが意図される。
【０００９】本発明の一局面によれば、相対的に回転す
る一対の構成要素間にシールを構成するメカニカルフェ
ースシールは、前記構成要素の一つに対し回転不可能に
取付けられて密封されるようにされた第１の密封リン
グ；他方の構成要素に対し回転不可能に取付けられて密
封されるようにされた第２の密封リングであって前記第
１の密封リングに対して軸方向に整合して取り付けられ
たもの；及び前記第１の密封リングの密封面を前記第２
の密封リングの密封面と軸方向に密封係合するように弾
力的に押圧するため設けられた手段を有し；前記密封リ
ングの一つの密封面がその周縁に沿って角方向に互いに
離された複数の溝形成区域を有し、これら溝形成区域が
密封面の一縁に開口し、連続する環状のダム形成部が溝
形成区域と密封面の他縁との間に設けられ、そして各溝
形成区域が、一方向への回転に対する少なくとも２個の
従縁であって前記一回転方向に対し鈍角で密封面の平面
において傾斜した壁によって画成されるもの；及び反対
方向への回転に対する少なくとも１個の従縁であって前
記反対回転方向に対し鈍角で密封面の平面において傾斜
した壁によって画成されるものを有し；各回転方向に対
する前記従縁がおのおの密封面の円周方向に延びる横壁
によって終端されることを特徴とする。
【００１０】本発明の一好適実施例によれば、前記溝の
従縁は回転の方向に対し１７５゜から１４５゜、そして
より好ましくは１６５゜から１４５゜に傾斜する。
【００１１】以下、本発明は添付図面を参照して、単に
例示のために、説明される。
【００１２】
【実施例】図１に示されるように、シャフト１０とハウ
ジング１１との間に気密シールを設けるためのメカニカ
ルフェースシールは、既知の方式で、シャフト１０に確
保されたカラー１３上に位置された第１の密封リング１
２を有する。密封リング１２はエラストマーから成るＯ
リング１４または同様の装置によってカラー１３に対し
て密封されそしてカラー１３の孔１６内に配置されたピ
ン１５が密封リング１２内の対応する孔１７内に延びそ
れにより密封リング１２とシャフト１０との間の相対回
転を阻止する。好適な方式でカラー１３に確保されたス
リーブ１８が密封リング１２の軸方向運動を阻止する。
【００１３】第２の密封リング２０が、好適な方式で、
ハウジング１１の凹所２２内に確保された保持リング２
１内に配置される。保持リング２１はエラストマーから
成るＯリング２３によってハウジング１１に対して密封
される。保持リング２１は環状の凹所２１を画成し、密
封リング２０は密封リング１２に対し軸方向対向関係を
以て凹所２５を画成する壁２６と壁２７との間に摺動可
能に配置される。複数のリブ２８が壁２７の面に設けら
れて密封リング２０によって係合される。これらリブ２
８は密封リング２０の外周縁の対応する溝に係合し、そ
れにより密封リング２０とハウジング１１との間の相対
回転を阻止する。
【００１４】一連の角方向に互いに離されたばね３０
が、環状の凹所２５の閉端と密封リング２０の背面に対
し作用するスラストリング３１との間で働き、それによ
り密封リング２０の密封面３２を密封リング１２の対向
する密封面３３に対して密封係合するように押圧する。
スラストリング３１はエラストマーから成るＯリング３
４によって環状の凹所２５の壁２６と密封リング２０と
に対し密封される。
【００１５】図２から図７を参照して極めてより詳細に
説明されるごとく、密封リング１２の密封面３３は、複
数の角方向に互いに離された溝形成区域４０であって密
封リング１２の外周縁に対し開いているものを有する。
これら溝形成区域は典型的に２から２０μの深さを有す
る。連続するダム形成部４１が密封リング１２の内周縁
に隣接して設けられそして密封リング２０の面３２によ
って係合される。密封された流体は密封リング１２，２
０の（図１で見るとき）右方においてハウジング１１内
に収容される。
【００１６】図２に示されるごとく、溝形成区域４０は
１対の平行する縁ＡＤ及びＢＣを有する概ね台形ＡＢＣ
Ｄを画成し、縁ＡＤは密封リング１２の密封面３３の外
周縁によって画成され、該縁から溝形成区域４０への開
口を形成する。溝形成区域４０の縁ＡＢを画成する壁
は、密封リング１２が（図面で見るとき）時計回りの方
向に回転するとき、回転の方向に対し１６０゜の角度α
で密封面３３の平面において傾斜する。そして溝形成区
域４０の縁ＣＤを画成する壁は、密封リング１２が逆時
計回りの方向に回転するとき、回転の方向に対し１６０
゜の角度αで傾斜する。概ね三角形ＥＦＧのランド形成
部５０が、縁ＢＣの中心から、溝形成区域４０内へダム
形成部４１から延びる。ランド形成部５０のコーナーＦ
及びＧは縁ＡＢ及び縁ＣＤからそれぞれ離されている。
ランド形成部５０は縁ＥＦ及びＥＧによって画成される
２個のさらなる壁を画成し、壁ＥＦは密封リング１２が
時計回りの方向に回転するとき、回転の方向に１５０゜
の角度α′で密封面３３の平面において傾斜し、そして
壁ＥＧは密封リング１２が逆時計回りの方向に回転する
とき、回転の方向に１５０゜の角度α′で密封面の平面
において傾斜する。
【００１７】以上開示されたシールによれば、密封リン
グ１２が時計回りの方向に回転するとき、溝形成区域４
０内の気体分子は密閉リング２０の対向面３２に対して
ひきずられ、従ってそれらは従縁ＡＢ及びＥＦによって
画成される従壁に向かって相対的に運動する。縁ＡＢ及
びＥＦによって画成される壁の傾斜は気体を内方へ運動
させ、開いた縁ＡＤを通じてさらに気体を溝形成区域４
０内へ引張る。気体の内方運動は縁ＢＥ及びＥＣによっ
て画成される横壁によって妨げられ、それにより圧力が
増され、密封リング２０は密封リング１２から揚げ離さ
れそして密封面３２と３３との間に気体のクッションが
形成される。同様に、もし密封リング１２が逆時計回り
の方向に回転するならば、溝形成区域４０内の気体は縁
ＤＣ及びＧＥによって画成される壁に沿って内方へ運動
するように同伴され、やはり圧力が増されそして密封リ
ング１２と２０の密封面３２と３３との間に気体のクッ
ションが形成される。
【００１８】図２に示されるごとく、概ね台形の溝形成
区域４０は密封リング１２の密封面３３の外周縁に沿っ
て角方向に互いに離された間隔を以て配置され、各溝形
成区域４０の隣接コーナーＢ及びＣは隣接溝形成区域４
０のそれらから角方向に離されている。
【００１９】前記溝形成区域４０の漸開形状の故に、相
当な溝無区域５１が溝形成区域４０の中間に密封面３３
の外周縁に沿って形成される。図３に示されるように、
より小さい溝形成区域５２が溝無区域５１の中間に形成
され得、それにより密封リング１２と２０との間の揚力
を改善し得る。これら中間溝形成区域５２は主溝形成区
域４０の同様の形状または別の形状にされ得る。例え
ば、図３に示されるごとく、中間溝形成区域５２は各方
向への回転時に揚力を生じさせる単に１個の従縁ＡＢま
たはＣＤをおのおの画成する基本的台形ＡＢＣＤにされ
得る。
【００２０】図４に示される実施例においては、溝形成
区域４０は２個の相互接続された概ね台形の区域ＡＢＣ
Ｄ及びＡ′Ｂ′Ｃ′Ｄ′から形成される。区域ＡＢＣＤ
は密封面３３の外周縁から延び、縁ＡＤが溝形成区域４
０への開口を形成し、そして区域Ａ′Ｂ′Ｃ′Ｄ′は縁
ＢＣの中心から延び、縁Ａ′Ｄ′が区域ＡＢＣＤからの
開口を形成する。溝形成区域４０のこの形状は時計回り
及び逆時計回りの方向への回転のためそれぞれ従縁ＡＢ
及びＡ′Ｂ′；及びＣＤ及びＣ′Ｄ′によって画成され
る２個の壁を構成する。
【００２１】図５に示される実施例においては、溝形成
区域４０は図２及び図４を参照して説明された形状の区
域の組合せから形成され、それにより特定単位区域のた
めに従縁従って揚力点の個数を増加し得る。
【００２２】以上説明された実施例はすべて各方向にお
いて揚力を生じさせる２個の壁を構成する対称形の溝形
成区域を提供し、従って回転の方向と無関係に同等の揚
力が生じさせられる。
【００２３】ある幾つかの適用においては、一回転方向
における揚力は他の回転方向におけるそれと同じである
ことを必要としない。例えば、コンプレッサにおいて、
その主回転方向における作動時、シールの溝形成区域
は、ばね３０によって及ぼされる荷重のみならず、密封
面３２から遠い密封リング２０の端に作用する密封され
た流体によって及ぼされる荷重に対抗するのに十分であ
る揚力を生じさせなくてはならない。ところが、逆回転
時においては、持続時間と速度は減じられた揚力の量が
許容され得るほどに小さい。溝形成区域によって生じさ
せられる揚力の量は、回転方向に対する従縁によって画
成される壁の傾斜度及びそのような壁の個数及び長さに
依って左右される。
【００２４】図６に示される実施例においては、溝形成
区域４０は、各回転方向に関し異なる個数の従縁従って
揚力点を有する非対称配列を提供するために、図２及び
図４を参照して説明された形状の区域の各種の組合せに
よって画成される。これら壁の長さ及び傾斜度はまた必
要に応じて変更され得る。
【００２５】図７は図２に示された実施例の一修正形式
であり、この場合、台形区域ＡＢＣＤ及び三角形のラン
ド形成部ＥＦＧの従壁の傾斜度が変更されている。例え
ば壁ＡＢは時計回りの方向における回転の方向に対し１
６５゜で傾斜し、一方、壁ＤＣは逆時計回りの方向にお
ける回転の方向に対し１４５゜で傾斜し、それにより、
必要に応じて、各方向における回転に関し得られる揚力
を調整し得る。
【００２６】各種の修正形式が本発明から逸脱すること
なしに形成され得る。例えば、前記諸実施例において溝
形成区域４０はシャフト１０と共に回転する密封リング
１２の密封面３３に設けられたが、溝形成区域４０は代
替的に固定密封リングに形成され得、平坦な回転密封リ
ングに対する気体分子のひきずりは気体分子を固定密封
リングの溝形成区域の従縁に沿って運動させる。溝形成
区域は代替的に密封面の内周縁に設けられ得、ダム形成
部は外周縁に設けられ得、または溝形成区域は内及び外
周縁の双方に設けられ、そしてそれら間に連続するダム
形成部が設けられ得る。
【００２７】以上の実施例においては三角形または台形
に基づく溝形成区域が開示されたが、その他の形状また
は諸形状の組合せであって各回転方向に対し必要な従縁
を構成するものも使用され得る。図３を参照して開示さ
れたように、本発明に従う溝形成区域は各方向に単に１
個の従縁を構成するその他の溝形成区域と組合わせて使
用され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるシールの縦断面図。
【図２】図１に示されたシールの密封リングの一つの密
封面の部分平面図。
【図３】溝形成区域のパターンの一修正形式を示す図２
に示されたそれと同様の部分平面図。
【図４】一代替溝形成区域の形状を示す図２と同様の部
分平面図。
【図５】別の一代替溝形成区域の形状を示す図２と同様
の部分平面図。
【図６】溝形成区域の形状の一修正形式を示す図２と同
様の部分平面図。
【図７】溝形成区域の形状の一代替修正形式を示す図２
と同様の部分平面図。
【符号の説明】
１０ シャフト １１ ハウジング １２ 密封リング １４ Ｏリング １８ スリーブ ２０ 密封リング ２１ 保持リング ３０ ばね ３２ 密封面 ３３ 密封面 ３４ Ｏリング ４０ 溝形成区域 ４１ ダム形成部 ５０ ランド形成部 ５１ 溝無区域 ５２ 溝形成区域

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一対の相対的に回転する構成要素（１
    ０，１１）間にシールを構成するメカニカルフェースシ
    ールであって、前記構成要素の一つ（１０）に対し回転
    不可能に取付けられて密封されるようにされた第１の密
    封リング（１２）；他方の構成要素（１１）に対し回転
    不可能に取付けられて密封されるようにされた第２の密
    封リング（２０）であって第１の密封リング（１２）に
    対し軸方向に整合して取付けられたもの；及び第１の密
    封リング（１２）の密封面（３３）を第２の密封リング
    （２０）の密封面（３２）と軸方向に密封係合するよう
    に弾力的に押圧するため設けられた手段（３０）を有
    し；前記密封リングの一つ（１２）の密封面（３３）が
    その周縁に沿って角方向に互いに離された複数の溝形成
    区域（４０）を有し、これら溝形成区域（４０）が密封
    面（３３）の一縁に開口し、連続する環状のダム形成部
    （４１）が溝形成区域（４０）と密封面（３３）の他縁
    との間に設けられるものにおいて、各溝形成区域（４
    ０）が、一方向への回転に対する少なくとも２個の従縁
    （ＡＢ，ＥＦ）であって前記一回転方向に対し鈍角α、
    α′で密封面（３３）の平面において傾斜した壁によっ
    て画成されるもの；及び反対方向への回転に対する少な
    くとも１個の従縁（ＤＣ，ＥＧ）であって前記反対回転
    方向に対し鈍角で密封面（３３）の平面において傾斜し
    た壁によって画成されるものを有することと；各回転方
    向に対する前記従縁（ＡＢ，ＥＦ，ＤＣ，ＥＧ）がおの
    おの密封面（３３）の円周方向に延びる横壁（ＢＥ，Ｇ
    Ｆ，ＥＣ）によって終端されることとを特徴とするメカ
    ニカルフェースシール。
  2. 【請求項２】 請求項１によるメカニカルフェースシー
    ルにおいて、溝形成区域（４０）が密封面（３３）の内
    及び外周縁の双方に設けられ、それらの間に連続するダ
    ム形成部（４１）が設けられることを特徴とするメカニ
    カルフェースシール。
  3. 【請求項３】 請求項１または請求項２によるメカニカ
    ルフェースシールにおいて、溝形成区域（４０）が対称
    形状であり、両方向への回転に対し同等の揚力を生じさ
    せることを特徴とするメカニカルフェースシール。
  4. 【請求項４】 請求項３によるメカニカルフェースシー
    ルにおいて、溝形成区域（４０）が同等数の従壁（Ａ
    Ｂ，ＥＦ，ＤＣ，ＥＧ）を設けられ、回転方向に対する
    密封面（３３）の平面における前記従壁（ＡＢ，ＥＦ，
    ＤＣ，ＥＧ）の傾斜度が調和されていることを特徴とす
    るメカニカルフェースシール。
  5. 【請求項５】 請求項４によるメカニカルフェースシー
    ルにおいて、溝形成区域（４０）が概ね台形（ＡＢＣ
    Ｄ）であり、より短い平行縁（ＡＤ）が密封面（３３）
    の縁によって画成され、三角形のランド形成部（ＥＦ
    Ｇ）がダム形成部（４１）から対称的に台形の溝（ＡＢ
    ＣＤ）内に延び、台形の溝（ＡＢＣＤ）内に配置された
    三角形のランド形成部（ＥＦＧ）の頂点（Ｆ，Ｇ）が台
    形の溝（ＡＢＣＤ）の傾斜壁（ＡＢ，ＣＤ）から離され
    ていることを特徴とするメカニカルフェースシール。
  6. 【請求項６】 請求項４によるメカニカルフェースシー
    ルにおいて、溝形成区域（４０）が第１の台形区域（Ａ
    ＢＣＤ）を有し、その短い平行の辺（ＡＤ）が密封面
    （３３）の縁によって画成され、そして第２の台形区域
    （Ａ′Ｂ′Ｃ′Ｄ′）が第１の台形区域（ＡＢＣＤ）と
    対称的に位置され、第２の台形区域（Ａ′Ｂ′Ｃ′
    Ｄ′）のより短い平行縁（Ａ′Ｄ′）が第１の台形区域
    （ＡＢＣＤ）のより長い平行縁（ＢＣ）と合致してそれ
    らの間に接続を確立することを特徴とするメカニカルフ
    ェースシール。
  7. 【請求項７】 請求項１または請求項２によるメカニカ
    ルフェースシールにおいて、溝形成区域（４０）が非対
    称形であり各方向への回転に対し異なる揚力を生じさせ
    ることを特徴とするメカニカルフェースシール。
  8. 【請求項８】 請求項７によるメカニカルフェースシー
    ルにおいて、各方向への回転に対する従壁（ＡＢ，Ｆ
    Ｅ，ＤＣ，ＧＥ）の個数、各方向への回転に対する従壁
    （ＡＢ，ＦＥ，ＤＣ，ＧＥ）の長さ及び／または回転方
    向に対する従壁（ＡＢ，ＦＥ，ＤＣ，ＧＥ）の傾斜度が
    異なることを特徴とするメカニカルフェースシール。
  9. 【請求項９】 請求項７によるメカニカルフェースシー
    ルにおいて、溝形成区域（４０）が概ね台形（ＡＢＣ
    Ｄ）であり、三角形のランド形成部（ＥＦＧ）がダム形
    成部（４１）から溝（ＡＢＣＤ）内に延び、従壁（Ａ
    Ｂ，ＥＦ，ＤＣ，ＧＥ）が台形区域（ＡＢＣＤ）によっ
    て画成され、そして三角形のランド形成部（ＥＦＧ）が
    それらの相対回転方向に対し異なる角度で密封面（３
    ３）の平面において傾斜することを特徴とするメカニカ
    ルフェースシール。
  10. 【請求項１０】 請求項１または請求項２によるメカニ
    カルフェースシールにおいて、溝形成区域（４０）が請
    求項３から請求項９に記載される形状の様々の組合せか
    ら形成されることを特徴とするメカニカルフェースシー
    ル。
  11. 【請求項１１】 請求項１から請求項１０の何れか一つ
    の項によるメカニカルフェースシールにおいて、複数の
    溝形成区域（４０）が密封面（３３）の周縁に沿って角
    方向に互いに離された関係を以て配置され、同じまたは
    異なる形状の溝形成区域（５２）が前記溝形成区域（４
    ０）の間に空間を残して位置されることを特徴とするメ
    カニカルフェースシール。
  12. 【請求項１２】 請求項１から請求項１１の何れか一つ
    の項によるメカニカルフェースシールにおいて、溝形成
    区域（４０）の従壁（ＡＢ，ＥＦ，ＤＣ，ＧＥ）が各回
    転方向に対し１７５゜から１４５゜の角度α、α′で傾
    斜することを特徴とするメカニカルフェースシール。
  13. 【請求項１３】 請求項１から請求項１２の何れか一つ
    の項によるメカニカルフェースシールにおいて、溝形成
    区域（４０）の従壁（ＡＢ，ＥＦ，ＤＣ，ＧＥ）が各回
    転方向に対し１６５゜から１４５゜の角度α、α′で傾
    斜することを特徴とするメカニカルフェースシール。
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