JPH0643423U - 軸封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回転周速度が高くなっても、焼付きが生じな
いようにする。 【構成】 回転シールリングの圧力流体側になる外周部
分の負荷リング４１に半径方向に延びる動圧用凹凸部４
３，４４を形成した。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、水車，ポンプ等の回転流体機械における回転軸が筐体を貫通する 箇所から圧力流体が漏れるのを阻止する軸封装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

図８は従来の軸封装置を示し、（Ａ）は半縦断面図、（Ｂ）は密封端面の正面 図である。ケーシング５１に固着されたハウジング５２を回転軸１１が貫通して いる。回転軸１１には回転リング２１が、Ｏリング２３を嵌挿して止めボルト２ ２で固着されている。回転リング２１の右側端面には回転シールリング３１がＯ リング３４で封止して装着されている。ハウジング５２には非回転リング６１が 軸方向に移動可能にＯリング６２で封止して設けられている。非回転リング６１ を図の左方へ押すように、ハウジング５２との間に与圧スプリング６３が介装さ れている。非回転リング６１の左側端面には非回転シールリング７１がＯリング ７２で封止して装着されている。図の左側は圧力流体Ｐo 、右側は大気Ｐa であ る。与圧スプリング６３で押されて、非回転シールリング７１の密封端面Ｓは回 転シールリング３１の密封端面Ｓに圧接し、（Ｂ）に示すように、両密封端面Ｓ は摺接回転しながら圧力流体Ｐo が大気側Ｐa に漏れるのを封止する。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

従来の軸封装置は上記のようであるが、流体の圧力Ｐo が高くなり、かつ、回 転軸１１が大径になって周速Ｖが大きくなると、密封端面Ｓの接触圧力が高くな り、かつ、摺動速度が大きくなるので、摩擦発熱量が多くなり、焼付き損傷が生 じるというような課題があった。

【０００４】 この考案は上記課題を解消するためになされたもので、流体圧力が高くなり、 回転軸が大径になって周速が大きくなっても、焼付き損傷が生じない軸封装置を 得ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

この考案に係る軸封装置は、回転シールリングの端面の圧力流体側になる外周 部分に半径方向に延びる動圧用凹凸部を形成したものである。

【０００６】

【作用】

この考案における回転シールリングの端面の圧力流体側になる外周部分に形成 された半径方向に延びる動圧用凹凸部は、回転軸と共に回転シールリングが回転 すると、半径方向に延びる凹部内にある圧力流体が慣性と非回転シールリングに 引っ張られて凸部に乗り上がることにより流体の動圧が発生し、その動圧は非回 転シールリングを押し離す力となり、回転シールリングと非回転シールリングと の端面の接触圧力が小さくなるか零になる。これにより、摩擦発熱が少なくなり 焼付き損傷が防止される。なお、この動圧は凸部と非回転シールリングとの隙間 がきわめて小さい状態で発生し、この隙間が大きくなればこの動圧はなくなるの で、回転シールリングと非回転シールリングとの隙間が大きくなることはなく、 流体の漏れが多くなることはない。

【０００７】

【実施例】

以下、この考案の一実施例を図について説明する。図１（Ａ）において、１１ は径の大きな回転軸であり、回転軸１１はハウジング５２を貫通している。ハウ ジング５２の図の左側には高圧流体Ｐo が存在し、右側は大気圧Ｐa である。回 転軸１１には回転リング２１が、Ｏリング２３を挟挿して図示しない止めボルト により固定して回転軸１１と共に回転するように取り付けられている。回転リン グ２１の図の右側の端面に形成されたリング状の溝に嵌合するように、図１（Ｂ ）にも示すように、内周側に回転内シールリング３１が取付ボルト３２で取り付 けられ、外周側に負荷リング４１が取付ボルト４２で取り付けられて設けられて いる。負荷リング４１の図の右側の端面には半径方向に放射状に延びる凹部４３ 及び凸部４４が形成されている。凸部４４は後述するようにセラミックコーティ ングが施されて形成されている。回転内シールリング３１は、回転リング２１に 対する端面に端面弾性密封リング３３を嵌挿し、負荷リング４１に対する外周面 に周面Ｏリング３４を嵌挿して設けられている。回転内シールリング３１と回転 リング２１との隙間の端面弾性密封リング３３より外周側の部分に高圧流体Ｐo から連通するように均圧孔２４が設けられている。

【０００８】 図１において、ハウジング５２の回転軸１１に対する内周部に形成されたシリ ンダ状凹部に一部が嵌入する形状の非回転リング６１が、Ｏリング６２を嵌挿し て軸方向に移動可能に設けられている。ハウジング５２と非回転リング６１との 間には、非回転リング６１を図の左方へ押しやるように与圧スプリング６３が装 入されている。非回転リング６１の図の左側の端面に形成されたリング状の凹部 に嵌合するように、非回転シールリング７１が、非回転リング６１との間にＯリ ング７２を嵌挿して設けられている。非回転シールリング７１の図の左側の端面 には、負荷リング４１の内周部に対面する箇所に円周方向に溝が形成され、この 溝に高圧流体から連通するように通液溝孔７３が設けられている。

【０００９】 図１において、回転内シールリング３１及び負荷リング４１の図の右側の端面 及び非回転シールリング７１の図の左側の端面は、密封端面Ｓとして特に精密に 滑らかに形成され、密封端面Ｓが正確に回転軸１１の軸心線に垂直な一平面にな るように各部材は形成され組み立てられている。また、端面弾性密封リング３３ ，周面Ｏリング３４，Ｏリング６２等は合成ゴム等で作られた弾性変形可能でシ ール能力が高いものである。なお、図１の縮尺関係は一定でない。

【００１０】 図２は負荷リング４１の端面に動圧用凹凸部を形成する一手段を示す。（Ａ） に示すように、負荷リング４１の端面に凹部４３及び凸部４４を形成するのであ るが、先ず、（Ｂ）に示すように、平面に形成した負荷リング４１の端面の上に 凹部４３の形状に形成した（Ｃ）に示すマスキング治具９３を凹部４３となるべ き位置に仮付けする。次に、負荷リング４１の端面上に並べたマスキング治具９ ３の間に、セラミック噴射装置９１により溶融したセラミックスを噴射して付着 させる。次に、（Ｄ）に示すように、マスキング治具９３を取り外し、ピトリフ ァイドボンドダイヤモンド砥石等を用いて研削ラッピング装置９２によりセラミ ックスコーティング４５を施した凸部４４の上面を研削，ラッピングをして滑ら かな平面に仕上げる。これで、マスキング治具９３を仮付けした箇所は凹部４３ となり、凹部４３以外の箇所には、セラミックスコーティング４５を施した凸部 ４４が形成された。

【００１１】 次に、図１に示す実施例の動作について説明する。図１において、非回転リン グ６１は与圧スプリング６３により図の左方へ押されているので、非回転シール リング７１の密封端面Ｓは、回転内シールリング３１の密封端面Ｓ及び負荷リン グ４１の凸部４４に圧接する。回転軸１１が回転すると、回転軸１１に固定され た回転リング２１も、回転リング２１に装着された回転内シールリング３１及び 負荷リング４１も、回転軸１１と共に回転する。一方、ハウジング５２，非回転 リング６１及び非回転シールリング７１は回転しない。図３に示すように、負荷 リング４１が回転すると、負荷リング４１の凹部４３内に入っている流体も、負 荷リング４１に拘束されて負荷リング４１と共に回転させられようとするが、慣 性により元の状態を保持しようとし、また同時に、非回転シールリング７１の端 面に接する粘性抵抗により引き止められる。そこで、非回転シールリング７１の 端面に接する粘性抵抗及び慣性により引き止められる流体は凸部４４に乗り上げ るが、凸部４４と非回転シールリング７１との隙間はきわめて小さく、その小さ い隙間に流体が押し込められることにより、流体に動圧が発生する。この動圧は 周速度の増加と共に増加する。

【００１２】 図１（Ａ）において、この動圧は非回転シールリング７１及び非回転リング６ １を、与圧スプリング６３の力及び流体圧力に逆らって右方へ押し戻し、この動 圧により非回転シールリング７１の端面と負荷リング４１の凸部４４との間は非 接触状態となる。そのため、非回転シールリング７１の密封端面と回転内シール リング３１の密封端面との間も隙間が生じる傾向となるが、回転内シールリング ３１は端面弾性密封リング３３を挾んで回転リング２１に取り付けられており、 非回転シールリング７１の後退に伴って、端面弾性密封リング３３の弾性復元力 により、図１（Ａ）において、右方へ微小移動可能であるので、負荷リング４１ の凸部４４及び回転内シールリング３１の密封端面の形状を適当に設定すること により、回転内シールリング３１の密封端面が非回転シールリング７１の密封端 面に対して任意の適当な接触圧力で接触させるようにすることができる。また、 無接触状態とすることもできる。なお、負荷リング４１の動圧用凹凸部に発生す る動圧は凸部４４と非回転シールリング７１との隙間がきわめて小さい状態で発 生し、この隙間が大きくなればこの動圧は発生せず、与圧スプリング６３の力及 び流体圧力により、回転内シールリング３１と非回転シールリング７１とは押し つけられるので、回転内シールリング３１と非回転シールリング７１との密封端 面の隙間が大きくなることはなく、流体の漏れが多くなることはない。

【００１３】 図１において、上記動作を行う際に、均圧孔２４は回転内シールリング３１の 左側と回転リング２１との間の閉囲空間を圧力流体側に連通させることにより、 回転内シールリング３１の軸方向の移動を可能とする。また、端面弾性密封リン グ３３を設ける位置によって、回転内シールリング３１を図の右方へ押す圧力流 体の力が決まるので、端面弾性密封リング３３を設ける位置を適当に決定するこ とにより、回転内シールリング３１と非回転シールリング７１の密封端面の接触 圧力を適当に設定することができる。なお、回転内シールリング３１は、端面弾 性密封リング３３を介して回転リング２１に弾性支持させているので、相対角度 の狂い等にも順応することができる。また、非回転シールリング７１に設けた通 液溝孔７３は、負荷リング４１が回転して凹部４３内の流体が遠心力により外径 の方へ振り飛ばされる傾向となるので、通液溝孔７３を通して流体を凹部４３の 内周部に補充してやり、流体による前記動圧の発生を円滑にし、かつ、負荷リン グ４１と非回転シールリング７１との間にある流体を入れ替えることにより摩擦 熱を散逸させる。

【００１４】 図４は、回転内シールリング３１及び非回転シールリング７１に及ぼす流体の 圧力関係を示す。前述のように、回転内シールリング３１には均圧孔２４を通っ て入る流体圧力がかかる。また、非回転シールリング７１には、Ｏリング６２の 箇所の非回転リング６１の外径の円面積と非回転シールリング７１の密封端面の 封止点の径の円面積との差の面積にかかる流体圧力及び与圧スプリング６３の押 圧力がかかる。これらの力が適当な大きさになるように設定することにより、密 封端面の接触圧力を適当に設定することができ、流体の漏れ量及び発熱を最小限 に止めることができる。

【００１５】 図５（Ａ）は、負荷リング４１と非回転シールリング７１との間の圧力ｈを示 す。ｈs は流体圧力及び与圧スプリング６３による力であり一定である。ｈd は 回転軸１１の回転速度に対して２次曲線的に増加する前述の動圧用凹凸部に発生 する動圧である。圧力ｈはこの両圧力の合計である。図５（Ｂ）は、前述の、非 回転シールリング７１にかかる流体力Ｆs と、回転シールリング３１の背面にか かる流体力Ｆr との比は、流体圧力Ｐo が変わっても全く同じ割合で変化するの で、一定であることを示す。

【００１６】 次に、図６に示す第２実施例について説明する。この実施例では、回転内シー ルリング３１の密封端面を負荷リング４１の凸部４４の面より微小寸法だけ引っ 込めて形成したものである。この実施例では、静止中でも回転内シールリング３ １と非回転シールリング７１との密封端面間に僅かな隙間があるので、流体の漏 れを完全に止めることはできないが、運転中は非回転シールリング７１と回転内 シールリング３１の密閉端面が接触することが全くない。

【００１７】 次に、図７に示す第３実施例について説明する。この実施例では、回転内シー ルリング３１の密封端面に、非回転シールリング７１の密封端面に対して、外周 側では微小な隙間があり、内周側では隙間なく密接するように勾配面を形成した ものである。運転状態では、この勾配面の隙間内に入った流体の圧力が回転内シ ールリング３１と非回転シールリング７１とを離間させるように働くので、回転 内シールリング３１と非回転シールリング７１との密封端面の接触力が弱くなる とか、接触しなくなるという効果が生じる。

【００１８】 なお、上記実施例では、負荷リング４１の凸部４４にセラミックスコーティン グを施して形成するように説明したが、回転内シールリング３１の密封端面にも セラミックスコーティングを施せば、密封端面の摩擦を低減させることができる 。また、非回転シールリング７１の密封端面にもセラミックスコーティングを施 せば、さらに摩擦を低減させることができ、摩擦発熱を低減させ、焼付きを防止 することができる。

【００１９】 なお、上記実施例では、動圧用凹凸部４３，４４は、軸受面の油膜に動圧を発 生させるレーレーステップ軸受面の形状を参考にして形成したが、凸部４４の面 が流体流れ方向に次第に高くなる傾斜平面パッド軸受形状またはテーパードラン ド軸受形状を参考として採用してもよい。また、上記実施例の動圧用凹凸部４３ ，４４は、正しく半径方向に延びるように形成したが、周方向に傾斜させて直線 または曲線形状に形成してもよい。外周側が流体流れ方向に先行するように傾斜 させれば動圧用凹凸部４４に発生する動圧が高くなるという利点が得られる。反 対に、外周側が流体流れ方向になびくように傾斜させれば動圧用凹凸部４３を流 れる流体の量が多くなって冷却効果が高くなる。

【００２０】

【考案の効果】

以上のように、この考案によれば、回転シールリングに形成した動圧用凹凸部 により、回転にともなって発生する動圧を利用して、高回転周速度において、密 封端面の接触圧力を低減させるようにしたので、高回転周速度においても、発熱 が少なく、焼付き損傷等の発生を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の一実施例による軸封装置を示し、
（Ａ）は半縦断面図、（Ｂ）は負荷リング及び回転内シ
ールリングの正面図である。

【図２】この考案の一実施例による軸封装置のセラミッ
クスコーティングによる動圧用凹凸部の形成例を示し、
（Ａ）は完成状態の部分斜視図、（Ｂ）はセラミックス
コーティング実施状態の斜視図、（Ｃ）はマスキング治
具の斜視図、（Ｄ）は整形中の状態の斜視図である。

【図３】この考案の一実施例による軸封装置の動圧用凹
凸部の動作を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は円周方向
に切断した断面図、（Ｃ）は部分縦断面図である。

【図４】この考案の一実施例による軸封装置の回転内シ
ールリング及び非回転シールリングにかかる流体力を示
す図である。

【図５】この考案の一実施例による軸封装置の（Ａ）は
シール圧力を示す図、（Ｂ）は流体力の関係を示す図で
ある。

【図６】この考案の第２実施例による軸封装置の半縦断
面図である。

【図７】この考案の第３実施例による軸封装置の半縦断
面図である。

【図８】従来の軸封装置の（Ａ）は半縦断面図、（Ｂ）
は密封端面の正面図である。

【符号の説明】

１１：回転軸、２１：回転リング、 ２４：均圧孔、３
１：回転内シールリング、 ３３：端面弾性密封リン
グ、４１：負荷リング、４３：凹部、 ４４：凸部、
４５：セラミックスコーティング、５２：ハウジング、
６１：非回転リング、 ６３：与圧スプリング、７１：
非回転シールリング、 ７３：通液溝孔、９１：セラミ
ック噴射装置、 ９３：マスキング治具。

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転シールリングの端面と非回転シール
   リングの端面とを圧接させて圧力流体を封止する軸封装
   置において、前記回転シールリングの端面の圧力流体側
   になる外周部分に半径方向に延びる動圧用凹凸部を形成
   したことを特徴とする軸封装置。
2. 【請求項２】 回転シールリングの端面と非回転シール
   リングの端面とを圧接させて圧力流体を封止する軸封装
   置において、前記回転シールリングを圧力流体側になる
   外周部分の負荷リングと内周部分の回転内シールリング
   とに分割し、前記負荷リングの前記非回転シールリング
   に対向する端面に半径方向に延びる動圧用凹凸部を形成
   し、前記回転内シールリングの前記端面の反対側の背面
   側端面に弾性密封リングを装着し、この弾性密封リング
   の圧力流体側の隙間に圧力流体から連通する均圧孔を設
   けたことを特徴とする軸封装置。
3. 【請求項３】 回転シールリングの端面と非回転シール
   リングの端面とを圧接させて圧力流体を封止する軸封装
   置において、前記回転シールリングを圧力流体側になる
   外周部分の負荷リングと内周部分の回転内シールリング
   とに分割し、前記負荷リングの前記非回転シールリング
   に対向する端面にセラミックコーティングを施した半径
   方向に延びる凸部を形成することにより動圧用凹凸部を
   設けたことを特徴とする軸封装置。
4. 【請求項４】 回転シールリングの端面と非回転シール
   リングの端面とを圧接させて圧力流体を封止する軸封装
   置において、前記回転シールリングの端面の圧力流体側
   になる外周部分に半径方向に延びる動圧用凹凸部を形成
   し、この動圧用凹凸部の凸部並びに内周部分の端面にセ
   ラミックコーティングを施したことを特徴とする軸封装
   置。
5. 【請求項５】 回転シールリングの端面と非回転シール
   リングの端面とを圧接させて圧力流体を封止する軸封装
   置において、前記回転シールリングの端面の圧力流体側
   になる外周部分に半径方向に延びる動圧用凹凸部を形成
   し、前記非回転シールリングの端面にセラミックコーテ
   ィングを施したことを特徴とする軸封装置。