JPH06511302A - 返還機構付きスライドリングシールおよびその製造方法 - Google Patents
返還機構付きスライドリングシールおよびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
返還機構付きスライドリングシールおよびその製造方法本発明は、スライドリン
グシールに係り、このスライドリングシールは、その側方端部のシール面に凹部
が形成されており、モして各凹部はシール面で常時筒われている領域内にエンド
レスの端縁部を有し、シール面の間をシールされるべきスペースから凹部内へと
浸透した流体は回転するスライド面に導入されてより大きな圧力を負荷されると
共に、シールされるべきスペースにできる限り近付けられ、そしてこれにより前
記流体が前記凹部からシールされるべき前記領域へと再び返還されるよう構成さ
れているものに関する。
一般に、スライドリングシールは、ソールされるべき流体(液体もしくはガス)
を、側方端部間に設けた極めて狭いシール隙間に発生する高速流動抵抗で対抗さ
せることにより前記流体をシールし、この結果、隙間を通る漏洩流を減少するよ
う構成されている。このため、シール隙間は、スライドリングシールの作動中は
常に極く狭く保持されなければならないことから、軸方向に移動する側のシール
リングは、別のシールリングに対してスプリング手段およびシール流体圧力の双
方によって押圧されている。流体は、毛管作用および圧力差を介してシール隙間
内に浸透しているが、シール面同士は、成る領域内では一時的に接触することが
あるので、発熱および摩耗が発生する。これに起因する難点、言い換えれば、過
熱、亀裂形成、シール隙間向流体の変質、或いは付着物生成、過大摩耗等に起因
するシール破損を防止するために、従来技術[1乃至12]を介して、多数の方
策であって、これらはシール隙間内の耐荷重流体圧を生成且つ維持することによ
り、シール面同士を確実に分離して狭いシール隙間を安定して確立するよう意図
されているものが提案されている。これらの方策は、“静水力学的“および“動
水力学的゛隙間圧の生成方法に分類される。静水力学的隙間圧の生成方法におい
ては、前記方策は、シール隙間内の平均圧力低減率をシール領域の圧力レベルか
ら包囲スペースの圧力レベルまで変更するよう構成されている。動水力学的隙間
圧の生成方法においては、前記方策は、例えば動水力学的スライド軸受における
ように、回転シールリングのシール面で、シール隙間内に導入される流体を局部
的隙間狭隘部分に集積することにより、前記流体圧を増大するよう構成される。
しかしながら、隙間圧力の増大は、シール技術から見てかなりの難点、すなわち
シール隙間の増大は漏洩を、しかもかなりの量で増大することが生じる。しかる
に、近来、環境保護の観点から、“問題の流体”をシールする全てのスライドリ
ングシールに対して、漏洩の徹底的な減少と信頼性の向上とが広く要望されてい
る。動水力学的潤滑のスライドリングシールに対する漏洩の防止には、従来技術
による特種な構造[1,13,14]、すなわち、この場合には、シールスペー
スからシール隙間内へ浸透する流体の流れがシール面の特種の構造手段で案内さ
れて、この流れの一部が前記スペース内へ返還されるよう構成されているものが
提案されている。この種の作動様式からなる公知の装置は、その構造に難点を有
する。すなわち、この種の構造は、製作上複雑であると共に、シール面の半径方
向の幅が構造製作面から比較的大きくなり、しかも更に、凹部は低圧側に開口さ
れていて、この結果酸る種の構造形式においては、その軸の停止時に一般に漏洩
が発生し、また別の構造形式においてはシール面の僅かな変形でもかなりの漏洩
が招来される危険を有する。また、成る構造においては、流体が誤ってシール端
縁部の局部的領域内に導入されて漏洩が発生する。公知の装置の別の難点は、そ
。
の返還作用が軸の一方の回転方向のみにしか機能しないことである。最後に、別
の公知のスライドリングシール[15〕には、ねじ溝によって流体を低圧側スペ
ースからシール側スペースへ送出する構成が提案されているが、この構成は、本
発明の目的とは異なる。
シール技術上の多くの理由から、殊に摩擦によるエネルギ損失を減少するために
、現在のスライドリングシールは、半径方向の幅が2ミリメータもしくはそれ以
下の極めて狭いスライド面に構成されている。作動中に確立されるスライドリン
グシールの隙間高さくシール面間の軸方向スペース)は、漏洩を防止する見地か
ら、重ね合せ面であるシール面の残存凹凸よりも実質的に大きくない時に最も有
利である。従って、隙間高さは、一般にマイクロメータの大きさレベルに構成さ
れている。動水力学的に作動するスライド面内の凹部の、圧力生成或いは返還構
造としての機能は、これら凹部の深さが周囲のシール隙間の高さと同レベルの大
きさである時にしか、最高には機能しない。
従って、スライドリングシールの場合、殊にそのスライド面幅が小さいものの場
合に、次のような基本的な課題、すなわち、まず第1に、シール面の摩耗および
過熱を動水力学的潤滑によって防止し、次に、第2に、シール隙間内に浸透した
流体をシールされるべき第1スペース内へ動水力学的に返還し、そして第3に、
軸の停止時の漏洩をできる限り小さく維持すると言う課題が発生する。この場合
、前記課題を達成するシール部品は、信頼性良く且つ経済的に製造されると共に
、軸のいずれの回転方向に対しても、できるかぎり同等に機能することが望まし
い。
それぞれの流体がシールスペースと環境スペース内に位置し、そしてこれら2つ
の(同一もしくは異なる)流体が確実に分離されていなければならない場合には
、両スペースの中のそれぞれのスペースからシール隙間内へ浸透される流体は、
それぞれ同じスペース内へ返還され、しかもこの返還機能は、前述と同様に、軸
のいずれの回転方向に対しても、できる限り同等に達成されることが望ましい。
これらの課題は、本発明に従って構成される凹部手段であって、これはスライド
リングシールの少なくとも1つの半径方向シール面内に形成されることによって
達成される。すなわち、スライドリングシールは、回転軸が壁部を貫通するその
場所をシールするスライドリングシールからなり、前記壁部はシールされるべき
流体を収容するシールスペースを第2スペースから分離し、高圧が一般に第2ス
ペースにおけるよりもシールスペースにおいて優勢であり、第1シールリングを
有し、このシールリングは壁部に対して回転不能に保持され且つシールされてい
ると共に軸線に対して半径方向に位置する平らな第1端面を備え且つ外側端縁部
および内側端縁部により限界されており、そして第2シールリングを有し、この
ソールリングは軸に対して回転不能に保持され且つシールされていると共に軸線
に対して半径方向に位置する平らな第2端面を備え且つ外側端縁部および内側端
縁部により限界されている。2つの端面は、軸の静止時には互いに接触し、−刃
軸の回転時には狭いシール隙間を形成する。両シールリングの中の一方は、軸線
方向へ移動可能で別のシールリングに対して押圧することができる。この押圧圧
力は、一般にスプリング手段およびシールスペース内の過剰圧防止作用によって
達成される。
シールリングシールの発明的特徴を説明するために、先ず、下記の用語;すなわ
ち、シールスペース31、第2スペース32、シール領域35.2つの限界円周
、シール円周33、領域円周34、シール領域幅B1中心円周36、第1半径方
向線分116、第2半径方向線分115、返還点46、シール部分411、領域
部分412、返還円周461、第1基準面F1および第2基準面F2を定義する
。
シールされるべき流体が位置するスペースが、シールスペースである。シール隙
間13でシールスペースから分離されている周囲スペースを、第2スペースと呼
称する。環状のシール領域35は、軸の回転の間、シールリング11.21の両
端面113.213によって常時覆われている領域である。シール領域は、中心
点が軸線114上に位置する2つの限界円周によって限界されている。一方の限
界円周の半径は、軸線と、シールリングの外側端縁部111,211の中の1つ
の軸線に最も近接する点との間のスペースと同一である。他方の限界円周の半径
は、軸線と、内側端縁部112,212の中の1つの軸線から最も遠ざかる点と
の間のスペースと同一である。シールスペースに近接する側の限界円周をシール
円周33と呼称し、一方他方を領域円周34と呼称する。一般に、2つのシール
リング端面の外側端縁部および内側端縁部は円形である。この場合、シール領域
は、2つのシールリングの中の1つの、それぞれ最大の内側端縁部とそれぞれ最
少の外側端縁部との間に位置している。シール領域幅Bは、2つの限界円周の間
のスペースである。中心円周36は、限界円周と同心であり、そしてその半径は
限界円周の両半径の算術平均と同一である。
少な(とも1つのシールリングには、その端面からシール領域内に複数の凹部4
が形成され、そしてこの各凹部は、端面上エンドレスの端縁部41を有する。
軸線に交差する半径方向線分115が一方の側で凹部の端縁部に接触し、半径方
向線分116が他方の側で凹部の端縁部に接触する。従って、半径方向線分は凹
部を包囲している。両、半径方向線分115.116は、端面平面内に位置する
。
ここで、各半径方向線分は、凹部の端縁部に対して1つの接触点もしくは複数の
接触点で接触することができる。しかしながら、2つの半径方向線分115゜1
16の各々は、シール円周に最も近接する、それぞれ1つの接触点45.46を
有する。これら2つの接触点45.46は、凹部の端縁部を2つの部分に分割す
る。シール円周に面する端縁部部分がシール部分411であり、一方他方は領域
部分412である。若し、2つの接触点45.46がシール円周から同一のスペ
ースに位置していない場合には、絶対項でシール円周から最少スペースを有する
接触点を返還点46と呼称し、そして返還点46が位置する半径方向線分を第1
半径方向線分116と呼称する。返還点46は、シール円周からスペースAを有
する。他方の接触点45は、第2半径方向線分115上に位置する。中心点が軸
線上に位置すると共に返還点46を通過する円周は、返還円周461と呼称され
る。若し、両接触点45.46がシール円周から同一のスペースに位置している
場合には、2つの返還点が存在する。殊に、若し凹部4が半径に対して鏡像対称
的であり、従って両接触点45.46がシール円周から同一のスペースに位置し
ている場合には、返還円周は両接触点45.46の双方を通過する。
第1基準面F1が、返還円周461と、シール部分411と、および別の接触点
45に交差する半径方向線分115とにより画定される。第1基準面F1の面積
は、シール部分411がシール円周33と返還円周461の間に位置する場合に
は負として計算される。第1基準面F1の面積は、返還円周461がシール円周
33とシール部分411の間に位置する場合には正として計算される。第2基準
面F2が、返還円周461と領域部分412と、および第2半径方向線分115
とにより画定され、そしてその面積は正として計算される。端面平面および軸線
の交差点117と領域部分412の任意点40との間の接続線は、半径ベクトル
110と呼称される。
本発明によれば、前述した全ての課題が、端面内に形成される凹部4手段によっ
て達成される。すなわち、前記凹部手段は、その端縁部を完全にシール領域内に
位置しており、そしてこの凹部内に、回転スライド面の導入作用を介して、流体
が、できる限りシール円周に近接されるよう且つ動水力学的に高圧を負荷される
ようにして導入されることにより、前記流体が、小さい流動抵抗でシールスペー
ス内へ返還されるが、この場合、本発明によれば、スペースAのシール領域幅B
に対する比が0.001≦(A/B)≦0.2の範囲に設定されている結果、返
還点がシール円周から極めて小さいスペースAに位置し、しかもこれと同時に、
各凹部における第1基準面の第2基準面に対する比が一〇、3≦(F 1/F
2)≦+0.9の範囲に設定されている結果、凹部内の流体が機能的に且つ好適
に返還点へ案内されるよう構成されている。A/Bの範囲は、実際的には半径方
向シール領域幅Bのスパンを考慮して設定される。
シールスペースに接続されることなく、シール領域内に動水力学的作用の凹部を
有する装置は、それ自体公知であるように、軸の静止時に小さい圧力がシールス
ペースよりは凹部において優勢である利点を有する。返還能力を有すると共に第
2スペースに接続されている公知の凹部に対して、本発明に係る返還能力を有す
る凹部装置は、凹部と第2スペースとの間には、極めて狭いシール隙間であって
、これは軸の静止時に端面の小さい凹凸によってのみ形成されるものが、存在す
ると言う本質的な利点を有する。この結果、袖の静止時における漏洩の危険性が
、本発明に係るスライドリングシールにおいて、凹部を有することなく同じシー
ル領域幅Bを備えるスライドリングシールの場合よりも増大することは有り得な
い。凹部は、好適にはシール円周と中心円周との間に設けられ、そしてこれによ
り、凹部の領域部分と第2スペースとの間の流動抵抗ができるだけ大きくなるよ
う構成されている。
ゼロとは異なるスペースAが形成されて、高い圧力であって、これは返還作用と
スライド面潤滑の双方に有利であり好適であるが、回転スライド面の導入作用に
よって返還点46の領域内に動水力学的に発生させなければならない。スペース
Aは、最大でも0.5mmであり、好適には0.1mm以下である。良好に芯決
めされ、そして正確に機械加工されたシールリングでは、例えば、約10マイク
ロメータのスペースAが実現可能であり、そして優れた返還作用を発生すること
ができる。製造賃用と返還作用の妥当な妥協は、A=50乃至100マイクロメ
ータの範囲内で達成される。
シールスペースから凹部内への直接の流入が、本発明に係る返還能力によって増
大するのを防止するために、好適には、シール部分411上には返還点46より
シール円周33に近接する点は存在せず、この結果、Flは通常正の符号で、そ
して好適には0≦(F 1/F 2)≦0.9の範囲に設定される。殊に好適な
返還作用は、一般に凹部内の流体が返還点に対して小角度で導入される際に発生
する。この目的のために、前記比は、好適には0.1≦(F 1/F 2)≦0
.5の範囲内に設定される。
若し、シール円周が領域円周よりも大きく、そしてシールスペースがスライドリ
ングシールを包囲している場合には、本発明に係る返還点のシール円周からの小
さいスペース八によって、返還作用が、本発明に従ってシール部分が領域部分よ
り短く形成されている場合に、殊に有利となる。軸の両方向の回転における、同
様に好適な返還作用が、本発明では、凹部は半径に対して鏡像対称的に構成され
ることによって達成される。また、領域部分が適宜に形成されて、半径ベクトル
が、前記領域部分上を移動する際に、良くて一方向へ回転するよう構成されてい
る場合には、同じ好適な返還作用が達成される。このことは、領域部分において
、凹部の陥没窪みおよび突出舌片が除去され、そしてこれにより、領域部分の範
囲であって、返還点におけるただ1つの突出箇所より以外のところには、凹部か
らシール隙間内への増大流体流れに伴う圧力の局部的過剰上昇が存在しないこと
を意味している。
好適には、本発明に係る凹部は、長さが異なる少なくとも2つの空洞部を有し、
それぞれの長い空洞部は別の小さい空洞部よりはシール円周から小さいスペース
を存し、そしてこの空洞部が、その長手方向の端縁部品分に沿って互いに隣接し
、 。
そしてこれにより、この空洞部によって形成される窪みと定常シール面とが互い
に合流するよう構成されている。空洞部によって、実買的に直角断面を有する細
長凹部が実賀的に意味している。空洞部は、実賀的に、その長手方向の延在が主
として接線方向、すなわちシール面上に位置する円周の接線方向へ指向すると共
に、その中心点が軸線上に位置するよう構成されている。返還点が位置する最長
空洞部の少なくとも1つの端縁部は、本発明に従い、シール円周から0. 5m
m以下の小さいスペースを有する。これら各方策の結果、空洞部内に存在し、ま
たこの空洞部内に、凹部を備えるシール面に対して回転するシール面を介して導
入される流体は、導入方向から見て空洞部の後端縁部に集積され、そして隣接空
洞部内へとオーバフローされる。空洞部のシールスペースに対する構造により、
流体は、カスケード式に、最終的には第1スペースに最も近接する空洞部へと到
達する。この空洞部内にその長手方向へと導入された流体は、隣接空洞部を有し
ないこの空洞部の端縁部へと集積される。この結果として、並びに導入率、粘性
率および空洞部深さに応じて、流体圧力は、前記空洞部の端縁部に向けて、かな
り増大する。この端縁部は、本発明に従い、シール円周から極めて小さいスペー
スを有する。この結果、前記空洞部端縁部とシールスペースとの間の間隔、従っ
てその流動抵抗がシール隙間内で小さくなり、そしてこの結果、流体の大部分が
空洞部から流出して、シールスペース内へと流入される。
好適には、互いに隣接する空洞部は、その最長の空洞部が最少の深さを有し、最
短の空洞部が最大の深さを有するような異なる深さに形成され、空洞部により形
成される窪みと定常シール面とは、空洞部が互いに隣接する領域内の段部にそれ
ぞれ合流するように構成される。好適には、2つの空洞部が互いに隣接している
領域においては、それぞれより浅い空洞部がシール円周に近接するように、言い
換えれば、シールスペースから見て、それぞれより離れた空洞部がより近い空洞
部よりも深く形成されるように構成される。この法則は、有利には固執されるべ
きであるが、この法則に対する例外は、中間部に深い空洞部を設けることが、シ
ールS間内に浸透した異物或いは隙間内で発生した摩耗、反応、沈澱もしくは炭
化生成物を収集および貯蔵する目的のために、有効である場合である。
最少の深さを有する空洞部は、好適には0. 2マイクロメータ乃至5マイクロ
メータの深さであり、そして段部の高さ、すなわち互いに隣接する2つの空洞部
の深さの差に相当するものは、好適には0. 2マイクロメータ乃至5マイクロ
メータである。個々の空洞部の幅と深さは、空洞部の長手方向において変更可能
である。好適には、空洞部の幅は0.05乃至0.2ミリメータである。好適に
は、少なくとも1つの空洞部の深さは、その長手方向から見て、少なくとも1つ
の端縁部へ向けて減少している。好適には、端縁部がシール円周に最も近接して
いる空洞部の深さは、前記端縁部へ向けて減少している。この結果、前記空洞部
端縁部における圧力が殊に増大し、そしてこれにより返還作用が殊に強カ且っ有
利に達成される。
好適には、少なくとも1つの空洞部の少なくとも1つの長手方向端縁部は、湾曲
しており、そしてこの曲率の中心点は、シール円周の側部上に位置している。
この実施態様は、2つの限界円周の中の小さい方がシール円周である場合に、殊
に有利である。この場合における効果は、少なくとも、隙間端縁部に最も近接し
て位置する側の空洞部の曲率によって、この空洞部の少なくとも1つの端縁部が
シール円周から極めて小さいスペースAを有することである。本発明に係るスラ
イドリングシールの別の好適な実施態様によれば、空洞部の長手方向端縁部は、
この長手方向端縁部上の任意の点を通る半径と、好適には70°乃至90°の最
少角度αを形成する直線に構成されている。軸回転の両方向に適応する、殊に好
適な実施態様においては、端縁部は半径に対して鏡像対称的となるよう構成され
ている。
本発明に係るスライドリングシールの更に別の形式の場合は、凹部の端縁部分は
、直線および/もしくは曲!1部分からなる多角形状である。外側からの圧力で
作用するスライドリングシール(従って、この場合は、シール円周が領域円周よ
りも大きい)の場合は、シール部分は好適には単一の直線であり、一方領域部分
は曲線か或いは少な(とも2つの直線からなる多角形状である。製作上殊に有利
であり、そして例えば環状円筒状工具(その円筒状軸が端面に対して斜めにセッ
トされる)の端部側切口で製造される実施態様においては、凹部の端縁部は、弦
材部がシール部分となる楕円形の断面形状を有する。更に別の好適な実施態様に
おいては、凹部の端縁部は、最長の側部がシール部分となる三角形状を有する。
好適には、凹部の深さは、凹部がそのシール部分の領域内で最少の深さを有する
ような方法で変更可能である。好適には、凹部の底部は、端面へ向けて傾斜する
平らな面部から形成される。凹部の最大深さtは、好適には1乃至10マイクロ
メータである。これら好適な端縁部形状(楕円断面もしくは三角形)は、更に好
適には半径に対して鏡像対称的に形成され、そしてその結果、軸回転の両方向に
対して同様な返還作用を達成する。若し、鏡像対称的端縁部の凹部を使用する際
に、輪の反時計方向および時計方向の動作に関して何等か異なる帯同作用を所望
する場合には、弦材すなわち最長の三角形側部は、その中心を通る半径に対して
90°とは異なる、好適には70°乃至89°の角度に設定される。
シール面を動水力学的に潤滑すると共にシール隙間を安定させるために、好適に
は、返還能力を有する凹部とは別に、付加的凹部が、少な(とも1つのシールリ
ングの端面に、それ自体は公知の方法で設けられ、そしてこの付加的凹部は、少
なくともシール円周まで半径方向へ延在して、2つのシールリングが相対的に回
転する間、付加的凹部と別のシールリングの端面とで形成される窪みが少な(と
も時々はシールスペースに接続されるように構成されている。本発明によれば、
付加的凹部は、好適には1マイクロメータ乃至20マイクロメータの深さである
。
付加的凹部は、シール領域の定義に関連して、この付加的凹部が形成される端面
の一部分であり、言い換えれば、限界円周の位置は付加的凹部の存在によって変
更されることはない。シール面における動水力学的流体圧力の有利な対称的分布
を維持するために、好適には、少なくとも2つの付加的凹部が、軸線から同一の
スペースに且ついずれの場合にも円周上同一の角度スペースで設けられる。好適
には、少なくとも1つの付加的凹部が、返還能力を有する2つの隣接凹部の間に
、本発明に従って設けられる。
最後に、シールリングをそれぞれ外側および内側から包囲する2つの異なる流体
を分離する目的のために、凹部4が、本発明に従い、各々の流体が、これが隙間
内へ流入したそのスペース内へそれぞれ返還されるようにして、設けられる。
この場合、定義によれば、第2スペース32も同様にシールスペースであり、従
って、両限界円周も、定義によって、シール円周である。同時に、第2シール円
周34から小スペース上には第2返還円周462が定義され、そしてこの上に、
。
いずれかの凹部の変換点46が位置する。
凹部は、本発明によれば、1マイクロメータ乃至数マイクロメータの微細物に過
ぎないものであり、この凹部および付加的凹部が、シール面の摩耗によって消滅
することがないように、これらは、本発明によれば、極めて一質の耐摩耗性材料
からなるシールリング内に形成される。好適には、本発明に係るスライドリング
シールのスライドリングの中に、凹部が形成されるものは、セラミック材料から
構成される。この材料は、炭化硅素の優れた耐摩耗性、耐化学性および熱伝導性
により、本発明に係わ返還構造を有するスライドリングに、好適に使用すること
ができる。
凹部は、本発明に係る最高の返還作用を達成するために、1マイクロメータ乃至
数マイクロメータの極く微細な深さを有し、この凹部は、シールリング内に、好
適にはレーザビームもしくは電子ビーム手段を介して形成される。公知の機械加
工法[16]においては、比較的深い凹部が、セラミック材料の非焼結“出発シ
ービ内にレーザビーム手段を介して形成される。これに反して、本発明に係るス
ライドリングシールの場合には、本発明に係る凹部が、シールリングの硬質材料
内に形成される。殊に、本発明に係る凹部は、従来技術においてスライドリング
シールとして好適に使用されるセラミック材料内に、本発明に従い、焼結された
、すなわち、その硬質シール面が既にラップ面に加工されているシール面内に形
成される。超短波エキシマレーザビームの高電子エネルギの化学的化合物分離に
よる直接高精度物質除去は殊に有利であるので、凹部は、本発明によれば極めて
小さく、この凹部は、極めて硬質な材料のシールリング内に、本発明に従い、好
適にはエキシマレーザ手段によって形成される。好適には、凹部は、シールリン
グの最終機械加工の後に、ラップ面に仕上げられたシール面内にエキシマレーザ
手段により形成される。好適には、少なくとも幾つかの凹部は、凹部の投影面も
しくは投影面部分を繰返し連続照射することにより形成される。
細長い空洞部形状の凹部を製造する際には、好適には、空洞部の長手方向に互い
に連続する領域がオーバラップ状に照射され、この結果、成る部分的領域がより
繰返し照射され、そしてこれにより、この領域が隣接領域よりは深く形成されて
いる。このことは、本発明に従い、1つの空洞部から別の空洞部への移行部を機
械的に加工する際に、ウェブが残存していることを確実に防止するためである。
この種のウェブは、凹部内の流体流動を阻害し、このため、凹部の返還作用をか
なり減少することができる。同じ理由から、長手方向の側部が互いに隣接してい
る空洞部は、その隣接側部を好適にはオーバラップ状に照射し、この結果、1つ
の空洞部から別の空洞部への移行部には深い切込みが形成される。
以下に、本発明を、一連の図示の実施例を参照しながら説明する。図において;
図1は、スライドリングシールの長手方向断面図であり、図1aは、本発明に係
るスライドリングシールにおける凹部の端縁部を原理的に示すと共にその呼称を
示す部分端面図であり、図1bは、本発明に係るスライドリングシールにおける
返還点および返還円周を原理的に示す部分端面図であり、
図ICは、本発明に係るスライドリングシールにおける第1基準面を原理的に示
す2つの部分端面図であり、
図1dは、本発明に係るスライドリングシールにおける第2基準面を原理的に示
す部分端面図であり、
図2は、本発明に係るスライドリングシールにおける凹部の端縁部における全体
で8つの実施態様を示す扇形部分図であり、図3は、付加的な凹部を有する本発
明に係るスライドリングシールにおける2つの異なる態様の凹部を有する端面の
2つの部分図であり、図4は、本発明に係るスライドリングシールにおける空洞
状凹部および付加的凹部を通る流れの説明図であり、
図5は、空洞状凹部を有する本発明に係るスライドリングシールにおけるシー図
6は、斜め切込みで且つ楕円形端縁部の凹部を有する本発明に係るスライドリン
グシールにおけるシールリングを切断する透視断面説明図であり、図7は、2つ
の流体を分離するための本発明に係るスライドリングシールにおける内側および
外側上に凹部を有する2つの異なる態様の端面の2つの部分図であり、
図8は、2つの流体を分離するための内側および外側上に凹部を有する本発明に
係るスライドリングシールにおける端面の部分図であり、そして図9は、2つの
流体を分離するための内側および外側上に凹部を有する本発明に係るスライドリ
ングシールにおける凹部および付加的凹部を通る流れの説明図である。
実施例として説明する図1の装置は、回転軸1が壁部2をシールスペース31か
ら第2スペース32へと貫通するその場所をシールする、スライドリングシール
の基本的要素および特徴を包含している。すなわち、回転防止要素200手段で
壁部に保持されている、軸方向へ移動可能な第1シールリング21は、静的シー
ル要素20でシールされていると共に端面213を有し;回転防止要素100手
段で軸に保持されている第2シールリング11は、静的シール要素10でシール
されていると共に端面113を宵し;そして、凹部4:第1シールリング上に軸
方向へ作用するスプリング23;および作動中に両端面間に発生するシール隙間
13を備えている。
図1aは、本発明の図1に係るシールリング11の端面を、このシールリング内
に形成される凹部4の原理を説明するために部分的に示したものである。図18
に陰影で示されている端面上13部分はシール領域35である。これは、軸の回
転時には常時両端面で覆われている領域であり、そしてシール円周33と領域円
周34との間に位置している。若し、シールリングの内側端縁部および外側端縁
部が円形で且つ軸線と同心に構成されている場合には、シール円周33は2つの
外側端縁部111,211の中の小さい方と合致し、一方領域円周は2つの内側
端縁部112,212の中の大きな方と合致する。中心円周36はシール領域1
16と接触点46で接触する。右側においては、第2半径方向線分115が、端
縁部に対してこの端縁部の直線部分に沿って接触する。直線内で接触する端縁部
部分上の点は、この直線部分の全ての点の中でシール円周33から最少のスペー
スを有し、この点が、別の接触点45と定義される。接触点46が、2つの接触
点の中でシール円周33から最少のスペースを有し、そしてこれが返還点46と
定義される。間接触点45および46の間において、シール部分411がシール
円周33側を延在し、一方領域部分412が領域円周34側を延在する。半径方
向のベクトル110は、シール平面に対する軸線の交差点117と領域部分41
2上の任意の点40とを結ぶ線分である。
図1および図1aに示すシール装置では、実施例的に、シールスペース31はシ
ールリング11.21の外側端縁部の外側に位置し、一方第2スペースは内側端
縁部の内側に位置している。なお、シールスペースを内側に、そして第2スペー
スを外側に位置させ得ることは勿論であるが、後者の場合は、図1aにおけるシ
ール円周と領域円周の呼称が交換されなければならない。この場合、シール円周
はシール領域の内側に位置し、モして凹部は、本発明に従い前述と同様に、その
返還点46がシール円周から極めて小さいスペースAを有するように構成される
。
図1bに、凹部4の別の形状を示す。第1半径方向線分116は、返還円周46
1と同様に、変換点46であって、これは、シール円周33からスペースAを有
する点を通過する。シール円周33から領域円周34までのスペースは、シール
領域幅Bと呼称される。第2半径方向線分115は、第2接触点45を通過する
。凹部の端縁部はシール部分411と領域部分412とからなる。
図ICの上部には、第1基準面F1が示されており、そしてこれは、返還円周4
61、シール部分411および第2半径方向線分115により包囲されている。
図ICの下部には、凹部端縁部の別の形状が示されており、そしてこれにおいて
は、シール部分が返還円周に繰返し交差している。この結果、基準面F1の正お
よび負の部分が定義的に発生している。
図1dには、第2基準面F2が示されており、そしてこれは、返還円周461、
領域部分412および第2半径方向線分115により包囲されている。図ICお
よび1dは、面積費F 1/F 2を示すと同時に、本発明の特徴である、すな
わち返還点近傍における凹部の半径方向の幅が凹部の中央領域におけるよりも小
さいことに関連する、凹部の形状と返還作用との間の関係を示している。
図2には、これを構成する図2a乃至図2hの各図においてJ本発明に係るスラ
イドリングシールの凹部4の、全体で8つの実施態様が示されている。図2にお
ける全ての実施例において、シールスペース31は、外側に位置していると仮定
されている。これは、スライドリングシールでは一般的であるが、しかしながら
、本発明に係る特徴は、シールスペース31が内側に位置し、一方第2スペース
32が外側に位置し、ているスライドリングシールに対しても、そのまま適用す
ることができる。図2aには、半径方向線分がいずれかの側で接触する接触点4
5および46によって決定される端縁部部分411および412からなる一般的
な基本形状が示されている。図2bには、修正された基本形状が示されている。
図2 C%図2d、図2eおよび図2fに係る端縁部の輪郭は、三角形である。
図2dにおいては、三角形の最短片が半径方向に市内しているので、領域部分は
、定義に従い内側角部周りを点45の方向へ延在している。図2gには、領域部
分412内で極めて鋭く傾斜した端縁部の輪郭が示されている。図2hには、円
弧部分もしくは槽内部分形状の端縁部を有する凹部が示されている。図2f、図
2gおよび図211に係る実施態様は、半径118に対して鏡像対称的であり、
従って軸の両回転方向に関して同じ性能を発揮する。図2に示す凹部における端
縁部輪郭の全ての実施態様において、少なくとも1つの接触点は、本発明に従い
シール円周33に極めて近接して位置している。
図3には、その2つの部分図において、2つの異なる実施態様、すなわち右側は
、端縁部が半径118に対して鏡像対称的な円もしくは構内部分の凹部43を備
え、一方圧側は、互いに隣接する複数の狭い空洞部からなる鏡像対称的な凹部4
2を備えているものにおける、端面113および213の定常シール領域35が
示されている。付加的な凹部51は、第1シールスペース31に接続されている
と共に、この場合は外側に位置しており、凹部間に配置されている。
図4には、本発明に係るスライドリングシールの凹部および付加的凹部を通る流
れが、互いに隣接する空洞状の鏡像対称的凹部を通る流れを例題として、説明さ
れている。流体は、シールスペース31からシール端縁部方向へ開口されている
付加的凹部51へと到達し、そしてこの流体は、別のシールリングの端面であっ
て、これは付加的凹部に関して滑り重ねられているものを介して、付加的凹部か
らシール隙間内へと導入される。ここで、前記流体は、更に、凹部の空洞部端縁
部を越えて空洞部42L 422.423および424内へと導入される。これ
と同時に、流体は、毛管現象の結果およびある場合にはシールスペース31内の
過剰圧力の結果、ソール円周33を介してシール隙間内へ、および空洞部内へと
半径方向内側へ流動する。隙間壁部内における軸方向波動の結果、流体は、凹部
内へ付加的に押し込まれ、そして空洞部端縁部の導入作用を介して凹部内へと除
去されて再集積される。集積された流体は、それぞれの比較的短い空洞部の端縁
部において、比較的長い隣接空洞部内へと横方向に流入され、そしてここから更
に導入されて、最終的にはカスケード式に最も長い空洞部421内へと通過する
。この空洞部の端縁部420は、本発明に従い極めて狭く構成されており、この
端縁部420において、比較的高い動水力学的圧力、すなわちシールスペース3
1内の圧力よりもずっと高い圧力に極めて容易に上昇され得る状態が発生する。
最長の空洞部421の端縁部420は、本発明に従い、シール円周33に極めて
近接位置しているので、空洞部421の端縁部420とシールスペース31との
間の隙間内の流動抵抗は比較的小さく、従って、凹部で“集積“され、潜り込ん
だ流体流れの大部分は、シール円周33を介して第1スペース内へと返還される
。
図5には、空洞状凹部421.422.423であって、これは本発明に従い、
好適にはレーザビーム手段で形成され、この空洞状凹部を有する本発明に係るス
ライドリングシールのシールリングを通る断面が、説明的な透視図で示されてい
る。最も狭く且つ最も長い空洞部421の深さhは、端縁部420へ向け、殊に
領域453においては小さい値に選定されており、この結果、空洞部の端縁部に
おける圧力は極めて高圧となる。空洞部421の端縁部は、シール端縁部411
の部分である。空洞部の間の段部Δhは、最も狭い空洞部の深さとほぼ同一であ
る。最も深い空洞部423は、深さtを有する。長い凹部を形成する際には、空
洞部の長手方向にオーバラップするよう照射されるので、この結果、幾つかの部
分領域452は、これに隣接する空洞部領域よりも深く形成される。同様に、長
手方向に互いに隣接する空洞部も、好適にはオーバラップするよう照射されるの
で、この結果、より深い切込み部451が空洞部同士の移行部に形成される。
図6には、斜め切込みで且つ例題的に楕円形領域部分412の凹部を育する、本
発明に係るスライドリングシールのシールリングを通る断面が、説明的な透視図
で示されている。凹部は、その内面を、例えば平面部431で限界され、そして
最も深い点で深さtを有する。ここで、凹部の断面は、本発明に従い、導入方向
において端縁部430へ向け2重に、すなわち一方では半径方向の幅を、他方で
は深さを減少している。この結果、隙間を形成すると共に流体を返還するようる
。
図7には、それぞれスペース31およびスペース32内に位置する2つの流体を
好適に分離シールするための、本発明に係るスライドリングシールの異なる実施
態様における定常シール領域が、2つの部分図で示されている。中心円周36の
内側および直ぐ外側には、いずれも半径に対して鏡像対称的な凹部4が、端面内
に形成されている。各凹部の間には、付加的な凹部51が外側に形成され、また
別の付加的な凹部52が内側に形成され、そしてこれらはいずれも、それぞれ隣
接スペース31および32に接続している。凹部4は、それぞれの隣接スペース
から隙間へ流入する流体を、それぞれの限界円周であり、これはシール円周であ
って、この円周を介して、前述の同一スペース内へと移動返還する。
図8には、図7の左側部分図に示されている、本発明に係るスライドリングシー
ルにおける端面間の凹部および付加的凹部を通る流れが、示されている。流れの
経路は、図4において説明した経路と同じである。内側には、いずれも限界円周
方向へ湾曲された空洞部を有する空洞状凹部4が、端面内に形成されている。
この結果、本発明によれば、空洞部の、内側シール円周34に最も近接する端縁
部を、シール円周34に極めて近接して位置させることが可能となる。外側にお
ける凹部4空洞部の形状および機能は、図4を参照して説明した前記実施態様に
対応している。
最後に、図9には、それぞれスペース31およびスペース32内に位置する2つ
の流体を分離シールするための、本発明に係るスライドリングシールの定常シて
、凹部4が端面内に形成されている。外側凹部の返還点46は、外側返還円周4
61上に位置し、そして外側シール円周33から小スペースA上に位置している
。内側凹部の返還点46は、内側返還円周462上に位置し、そして内側シール
円周34から小スペースA上に位置している。両シール円周間のスペースが、こ
こではシール領域幅Bを構成している。凹部の間には、付加的な凹部51が外側
に形成されると共に、別の付加的な凹部52が内側に形成され、そしてこれらは
いずれも、それぞれ隣接スペース31および32に接続されている。本実施態様
においては、半径方向線分115,116の接触点の中の1つのみ、すなわちい
ずれの場合にも返還点46のみが、それぞれの返還円周上に位置しているので、
このスライドリングシールは、軸の一回転方向の返還作用のみしか宵しない。軸
の別の回転方向においては、流体は、凹部内において中心円周に向は半径方向へ
接触点45からできるだけ遠ざかるように案内され、そしてこの凹部内から、そ
れぞれのシール円周を比較的遠ざかるシール隙間内へと流出するであろう。この
結果、スライド面は動水力学的に潤滑されるものの、シール作用は貧弱なものと
なる。
従来技術に間する引用文献:
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2] ドイツ公開特許公報 第1 475 621号[3コ フランス特許公報
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第36 19 489号〔11] ドイツ公開特許公報 第37 22 303
号[12〕欧州特許公報 第0 298 324号[13] ドイツ公開特許公
報 第38 39 106号〔14]欧州特許公報 第0 369 295号[
15]欧州特許公報 第0 037 210号[16] ドイツ公開特許公報
第38 35 794号国際調査報告
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(81)指定国 EP(AT、BE、CH,DE。
DK、ES、FR,GB、GR,IT、LU、MC,NL、SE)、JP、US
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.回転軸(1)が壁部(2)を貫通するその場所をシールするスライドリング シールからなり、前記壁部は流体を収容するシールスペース(31)を第2スペ ース(32)から分離し、高圧が一般に第2スペースにおけるよりもシールスペ ースにおいて優勢であり、そしてスライドリングシールは第1シールリング(2 1)を有し、このシールリングは壁部に対して回転不能に保持され且つシールさ れていると共に軸線(114)に対して半径方向に位置する平らな第1端面(2 13)を備え且つ外側端縁部(211)および内側端縁部(212)により限界 されており;前記スライドリングシールは更に第2シールリング(11)を有し 、このシールリングは軸に対して回転不能に保持され且つシールされていると共 に軸線に対して半径方向に位置する平らな第2端面(113)を備え且つ外側端 縁部(111)および内側端縁部(112)により限界されており、これらシー ルリングの中の1つは軸線方向へ移動可能であると共に別のシールリングに対し て押圧可能であり、そして2つの端面は軸の静止時には互いに接触し一方軸の回 転時には狭いシール隙間(13)を形成し、軸の回転時に常時両端面で覆われて いるシール隙間の領域はシール領域(35)と呼称され、このシール領域は中心 点が軸線上に位置する2つの限界円周により包囲され、1つの限界円周の半径は 軸線と外側端縁部(111,211)の中の1つに最も近接する点との間のスペ ースに等しく、一方別の限界円周の半径は軸線と内側端縁部(112,212) の中の1つから最も遠ざかる点との間のスペースに等しく、そしてシールスペー ス(31)に近接する側の限界円周はシール円周(33)と呼称され、一方第2 スペース(32)に近接する側の限界円周は領域円周(34)と呼称され;両限 界円周の間のスペースはシール領域幅(B)と呼称され;そして少なくとも1つ のシールリングにはその端面(113,213)内に複数の凹部(4)が形成さ れ;各凹部は端面上でエンドレスで且つシール領域(35)内に位置する端縁部 (41)を有し;そしてこの端縁部の2つの部分は、各凹部の端縁部がその両側 において、軸線と交差し且つ端面の平面内に位置するそれぞれ1つの半径方向線 分(115,116)によって接触されていることから特徴付けられ;従って半 径方向線分は凹部を包囲し、1つの半径方向線分上にそれぞれ位置する2つの接 触点(45および46)デあって、これらはいずれも同じ半径方向線分上に位置 する全ての接触点の中ではシール円周から最少のスペースを有するものが端縁部 を2つの端縁部部分に分割し、そしてシール円周に面する端縁部部分はシール部 分(411)と呼称され、一方残余の部分は領域部分(412)と呼称され;2 つの接触点(45および46)の中でシール円周から最少のスペースを有する方 のものは返還点(46)と呼称され、そしてこの返還点を通過する半径方向線分 は第1半径方向線分(116)と呼称され、一方他方のものは第2半径方向線分 (115)と呼称され;更に返還円周(461)であって、これは返還点(46 )を通り且つその中心点が軸線上に位置するものが定義され;第1基準面(F1 )であって、これは返還円周(461)、シール部分(411)および第2半径 方向線分(115)で画定されるものが定義され、そしてその面積が、シール部 分(411)がシール円周(33)と返還円周(461)の間に位置する場合に は負として、一方返還円周(461)がシール円周(33)とシール部分(41 1)の間に位置する場合には正として計算され;そして第2基準面(F2)であ って、これは返還円周(461)、領域部分(412)および第2半径方向線分 (115)で画定されるものが定義され、そしてその面積が正として計算される ;ものにおいて少なくとも1つの接触点が、シール領域幅(B)の0.1%乃至 20%の、小さいシール円周からのスペース(A)、すなわち;0.001≦A /B≦0.2 を有すると共に、 第1基準面(F1)の第2基準面(F2)に対する比が、−0.3乃至+0.9 の範囲、すなわち; −0.3≦F1/F2≦+0.9 に設定されていることを特徴とするスライドリングシール。 2.スペース(A)は、シール領域幅(B)の1%乃至10%であり、第1基準 面(F1)の第2基準面(F2)に対する比は0乃至+0.9の範囲であること を特徴とする請求の範囲1記載のスライドリングシール。 3.第1基準面(F1)の第2基準面(F2)に対する比は、+0.1乃至+0 .9の範囲であることを特徴とする請求の範囲1または2記載のスライドリング シール。 4.スペース(A)は、最大0.5mmであることを特徴とする請求の範囲1乃 至3のいずれかに記載のスライドリングシール。 5.スペース(A)は、0.2mmより小さいことを特徴とする請求の範囲1乃 至4のいずれかに記載のスライドリングシール。 6.中心円周(36)が限定円周と同心状に画定され、そしてその半径が限定円 周の半径の算術平均と等しく設定されているものにおいて、各凹部(4)の端縁 部(41)がシール円周(33)と中心円周(36)との間に位置していること を特徴とする請求の範囲1乃至5のいずれかに記載のスライドリングシール。 7.凹部の端縁部(41)は、半径(118)に対して鏡像対称的であり、従っ て返還円周(461)は両接触点(45および46)を共に通過することを特徴 とする請求の範囲1乃至6のいずれかに記載のスライドリングシール。 8.凹部の最大深さ(t)は、0.2乃至10マイクロメータであることを特徴 とする請求の範囲1乃至7のいずれかに記載のスライドリングシール。 9.凹部の底部は、少なくとも部分的に、端面(113,213)へ向けて傾斜 する平面部(431)から形成されていることを特徴とする請求の範囲1乃至8 のいずれかに記載のスライドリングシール。 10.凹部の深さは、少なくとも1つの接触点(45,46)の近傍においては 凹部中央領域におけるよりは小さいことを特徴とする請求の範囲1乃至9のいず れかに記載のスライドリングシール。 11.半径方向で測った凹部の幅は、少なくとも1つの接触点の近傍においては 凹部中央領域におけるよりは小さいことを特徴とする請求の範囲1乃至10のい ずれかに記載のスライドリングシール。 12.各凹部(42)は、長さが異なる少なくとも2つの空洞部(421,42 2,423)を有し、それぞれの長い空洞部は、別の小さい空洞部よりはシール 円周(33)から小さいスペースを有し;前記空洞部はその長手方向の端縁部部 分に沿って互いに隣接され、そしてこれにより空洞部によって形成される窪みと 端面平面(113,213)とが互いに合流すると共に、空洞部が実質的にその 長手方向の延在を主として接線方向へ指向するように構成されていることを特徴 とする請求の範囲1乃至11のいずれかに記載のスライドリングシール。 13.互いに隣接する空洞部は、その最長の空洞部(421)が最少の深さを有 し、一方最短の空洞部(424)が最大の深さを有するような異なる深さに形成 され、空洞部によって形成される窪みと端面平面(113,213)とは、空洞 部が互いに隣接する領域内の段部に各々合流するよう構成されていることを特徴 とする請求の範囲12記載のスライドリングシール。 14.2つの空洞部が互いに隣接する領域において、それぞれの浅い空洞部が、 別の深い空洞部よりはシール円周(33)に対して近接位置していることを特徴 とする請求の範囲12または13に記載のスライドリングシール。 15.最も浅い空洞部(41)の深さ(h)は、0.2マイクロメータ乃至5マ イクロメータであり、そして2つの空洞部間の段部の高さ(Δh)は0.2マイ クロメータ乃至5マイクロメータであることを特徴とする請求の範囲12乃至1 4のいずれかに記載のスライドリングシール。 16.空洞部の幅(b)は、0.05乃至0.2ミリメータであることを特徴と する請求の範囲12乃至15のいずれかに記載のスライドリングシール。 17.少なくとも1つの空洞部の深さは、その長手方向から見て、少なくとも1 つの接触点(45,46)へ向けて減少していることを特徴とする請求の範囲1 2乃至16のいずれかに記載のスライドリングシール。 18.空洞部の長手方向端縁部は、直線であることを特徴とする請求の範囲12 乃至17のいずれかに記載のスライドリングシール。 19.少なくとも1つの空洞部の少なくとも1つの長手方向端縁部は、湾曲して おり、そしてこの曲率の中心点は、空洞部から見てシール円周(33)の外側に 位置していることを特徴とする請求の範囲12乃至18のいずれかに記載のスラ イドリングシール。 20.凹部の端縁部は、直線および/もしくは曲線部分を有する多角形状からな ることを特徴とする請求の範囲1乃至19のいずれかに記載のスライドリングシ ール。 21.シール部分(411)は、単一の直線(413)であることを特徴とする 請求の範囲1乃至20のいずれかに記載のスライドリングシール。 22.領域部分(412)は、曲線かまたは少なくとも2つの直線からなる多角 形状であることを特徴とする請求の範囲1乃至21のいずれかに記載のスライド リングシール。 23.シール円周(66)が領域円周(34)より大きいものにおいて、シール 部分(411)が領域部分(412)より短いことを特徴とする請求の範囲1乃 至22のいずれかに記載のスライドリングシール。 24.軸線および端面平面の交差点(117)と領域部分(412)の任意点( 40)との間の接続線が半径ベクトル(110)と定義されるものにおいて、点 (40)が領域部分(412)上を1つの接触点(45)から別の接触点(46 )へ向けて移動する際に半径ベクトルが良くて一方向へ回転することを特徴とす る請求の範囲1乃至23のいずれかに記載のスライドリングシール。 25.第2スペース(32)も、シールスペース(31)から分離されるべき流 体を収容する、言い換えれば、第2スペースも同じくシールスペースであり、従 って領域円周(34)は同時にシール円周であり、そして第2の返還円周(46 2)であって、これは第2シール円周から小さいスペースを有するものが定義さ れているものにおいて、ある種の凹部(4)の場合には、返還点(46)が第2 返還円周(462)上に位置していることを特徴とする請求の範囲1記載のスラ イドリングシール。 26.少なくとも1つの端面(113,213)内には、1マイクロメータ乃至 20マイクロメークの深さで少なくともシール円周までは半径方向へ延在する付 加的な凹部(51,52)が形成されており、そしてこの付加的な凹部は全て少 なくとも時々はアールスペースに接続されるよう構成されていることを特徴とす る請求の範囲1乃至25のいずれかに記載のスライドリングシール。 27.凹部および付加的凹部は、レーザビームもしくは電子ビーム手段を介して シールリング内に形成されることを特徴とする請求の範囲1乃至26のいずれか に記載のスライドリングシール。 28.凹部は、エキシマレーザのレーザビーム手段を介して形成されることを特 徴とする請求の範囲1乃至27のいずれかに記載のスライドリングシール。 29.少なくとも幾つかの凹部は、凹部の投影面もしくは投影面部分を繰返し連 続照射されることにより形成されることを特徴とする請求の範囲27または28 記載のスライドリングシール。 30.凹部の互いに隣接する領域は、オーバラップ伏に照対され、この結果オー バラップ状に照射された部分の領域はこれに隣接する領域よりは深く形成されて いることを特徴とする請求の範囲27乃至29のいずれかに記載のスライドリグ シール。 31.複数の凹部が、シールリング上の複数位置を同時に照射することにより、 同時に形成されることを特徴とする請求の範囲27乃至30のいずれかに記載の スライドリングシール。 32.凹部が形成されるリングは、セラミック材料からなることを特徴とする請 求の範囲1乃至31のいずれかに記載のスライドリングシール。 33.凹部は、ラップ面に仕上げられた焼結硬質セラミックリングのシール面内 に形成されることを特徴とする請求の範囲32記載のスライドリングシール。 34.セラミック材料は、炭化硅素であることを特徴とする請求の範囲32また は33記載のスライドリングシール。
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