JPS6237573A - 軸封装置 - Google Patents

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】 〔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は液体
のように絶対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に図に示す。図に
おいて、ケーシングダ内の空間Ｈは高圧の密封流体が封
ぜられており、Ａはケーシング弘の外部側の大気のある
空間であって、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／の密封面／／と静止リング
コの密封面二／が流体潤滑あるいは境界潤滑状態で摺動
するようになっている。

静止リングコはケーシング弘に対してばね３で軸方向に
押されているが、ケーシング弘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っている。また静止リ
ングコがケーシング弘に滑合し、軸方向にすべるところ
にはＱ　ＩＪングｔが設けてあり、空間Ｈと空間りを分
けている。空間りと大気側空間Ａはケーシンググに密封
固定したカバー／ｌの端面にフローティングリングシー
ルコ６がケーシングｌとフローティングリングシール２
乙の間の軸方向に配したばね／３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（Δｐは数
Ｋｐ／ｃｒＲ２）の圧力流体が供給孔７をとおり空間り
に供給されており、回転リング／と静止リングコの密封
面／／、２／間は端面シール効果により、上記Δｐの圧
力差によって、空間りの液体が空間Ｈへ漏洩するのを防
止すると共にフローティングリングシール２ふと回転軸
３間の摺動面により空間り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　ＬＥ高圧でありフローティングリン
グシール２６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犬とせざるを得ないことも
ある。等の問題を持っている。

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って行止る
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ず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って
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ずる環状
隙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５図の従来例と同様ケーシ
ング内の空間Ｈに（Ｊ高圧の密封流体が封ぜられており
、Ａはケーシングダの外部側の大気側空間である。空間
り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／の平面の密
封面／／と内外径方向で分割された静止リングコａ、、
２ｂの密封面２／＆、−７ｂが液膜を介して摺動する摺
動面になっている。静止リングコａとケーシング１間に
は軸方向にばねよが配され、ばねよにより静止リング２
ａは回転リングｌに向って軸方向に押されているかケー
シング弘に不図示の回り止め部材で係止され回転しない
ようになっている。また静止リング２ａがケーシング弘
に滑合している円筒状部分には並列してＱ　ＩＪングｇ
が設けである。

静止リングコｂ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○リング／Ｊにより、静止リング２ａ、コｂ間の
嵌合部を密封し、回転リングｌ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となってお
り、静止リングλｂの拡径軸部１６がゆるく嵌入してい
る。静止リングＪａ、２ｂの拡径による肩部／７．／ｌ
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の密封面コ／ａ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９１）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ｑａと
同一平面のフラット部／Ｑから成る。各スパイラル溝９
ｂは中心側で突抜けている。静止リングコａには静止リ
ングコａ、Ｊ１＋間のばね６を納めた空間とＱＩＪング
ｊ。

を間の静止リングコａの外周に設けた円周溝／デとを連
通ずる供給孔ココが設けられ、円周＠／ｙと空間りを通
ずる供給孔７により、供給孔ココは図外の封入用液体の
供給源のある空間りに通じている。静止リング２ｂの密
封面２１ｂは回転リングｌの密封面／／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
であってボンピング作用によりスパイラル溝？ｂは中心
側の開放端より液体を巻き込み、外周に向って動圧が発
生して昇圧し、スパイラル溝？ｂ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／／、コ／ＩＬ　　間には液膜が形
成され、両密封面ｉｉ、、２ｔａ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、もしくは空間り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／／、２１ｂ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／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／／、−／ａの負荷をＷ、スパイラル溝？ｂ終端
部の圧力をｐｇ　　とすると、完全に密封面／／、２／
ＦＬに流体膜が形成された場合には　Ｗ＝ａ　ｐｇ・・
・・の　となる。ａはスパイラル溝９ｂの溝形状、溝本
数、溝深さ等によって決まる係数である。一方、密封面
／／、コ／ＩＬの押付荷重Ｗは密封流体の圧力ｐ、封入
液体の圧力ｐｏ、Ｓｌ、ｓ２は押付部の面積で８１＝π
（ｒ２２−　ｒ１２）ただし。

コｌ”２＝密封面の／／、コ／ａの外径、コｒｌ　＝静
止リングコロとケーシング弘の滑合部の直径、８２−π
（ｒ４２−ｒ５２）ただし、２ｒ４＝密封面／／、λ／
１）の外径、２　ｒｓ　＝静止リング２ａ、コｂの滑合
部の直径、ＦＴばばね３の荷重、Ｆ２はばね６の荷重と
すると、Ｗ＝１３１ｐ−８ｚｐａ＋Ｆ１−７２・・・・
＠　となる。の及び＠から　ａｐｇ＝Ｓ、ｐ　　Ｅ３２
１）Ｏ＋（Ｉ’＋　７２　）となり、ｐａ＝０としかつ
　５１＝ａ＝ｋ　　であるように８１を決めると　ＦＴ
　−７２＝］（（ｐｇ−ｐ）　　である。静止リング２
ａの環状フラット部１０における差圧（ｐｇ−ｐ）はば
ね荷重（ＦＴ−Ｆ’２）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／／、２／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部ｂの溝形状、溝深さを決める
ものとする。従って密封面／／。

２７Ｂ、ではスパイラル溝ｙｂのボンピング作用により
密封流体の圧力ｐに対してΔｐ（数Ｋｆｆ／１ｙｔｔ”
　）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／１，１／ｅＬのすきまを極力小さくして
その漏れを少なくしである。なおΔｐ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、ばねよ、６の
ばね荷重の大きさによってのみ決まる。

供給孔７から、円周溝／９５供給孔２２、静止リング、
２ａ、２ｂ間の隙間コダを介して密封面／／、ｊ／ａ、
コ／ｂ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
空間り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。

空間りから封じ込む液体は大気圧状態にあっても良く、
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。従って、端面シール
部分となる密封面／／、コ／ｂ間のシール能力によって
封入液体の圧力を定めることができる。スパイラル溝９
ｂは静止リング２ａ側にあっ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〜ｇｏμ
ｍとしてあり、摺動面の液膜厚さは／〜３μｍ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デ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
っている。

空間Ｈは密封流体が存し、空間り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ｌ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−すの円筒形外周に設けた円周方向の
溝に嵌入した○リングｇにより密封されており、静止リ
ング２１：ｌとケーシングダの間で軸方向に挿入された
圧縮ばねｊにより静止リングコｂはその密封面２１ｂが
回転リング／の密封面／／に押しつけられている。

静止リングコｂ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Ｑ　ＩＪングｌコにより密封されており、静止
リング２ａ、コｂの段軸部及び段孔部の屑λり、コｔζ
こ夫々尚接するように圧縮ばね６が挿入され、静止リン
グコａはその密封面コ／ａが回転リングｌの密封面／ｌ
に押しつけられている。封入液体は空間りにある供給源
より供給孔り、供給孔７に連通ずる静止リングコｂの外
周の円周溝／？、円周溝／９とばね６を納める空間を通
じる静止リングｘｂ中の供給孔コＪをとおり、ばねｔを
納めた空間から静止リング２ａ、２１間の隙間２１４を
通じて摺動面における静止リングコａ、２ｂの内外径方
向の境界附近に通じるようになっている。

第グ図は静止リング−〇正面図である。静止リングコａ
の内周側に配したフラット部１０が回転リングｌの端面
と摺動して空間Ｈの密封流体を密封する側となっている
。各スパイラル溝？１）の外周側は突抜けており内周側
は行止まっている。静止リング、２１）の密封面ｕ／１
）は回転リング／の密封面ｌ／に密着する平面である。

回転軸３が第１図において時計方向に回転すると空間り
から静止リングコａ、、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ｑｂ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１／　、２／ａ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
液体と大気側空間乙の間は通常の端面シールと同様ばね
よ及び封入液体の圧力により圧される静止リング２ｂの
密封面コ／１）と回転リングｌの密封面ｌ／により密封
される。

第コ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３〜３０μｍの大きさと
する。摺動面間の液膜の厚さは／〜３μｍ程度である。

各実施例における回転リングｌ、静止リング２ａの材質
はスパイラル溝を設ける側を硬質材料、特にセラミック
ス（炭化珪素ＳｉＯ又は窒化珪素５ｉｓＮ４が望ましい
）としその相手の摺動部材はアルミナセラミックス、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９ｂ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／と静止リングコａ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っているので実験によると摩
擦係数は０．００　ｊ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λａ又は回転リングｌに接着してもよく、この相手部
材もセラミッ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
が夫々静止リング側に滑合してもよく、又静止リング２
ａ、２１）の滑合はそのま＼で静止リング２ａ、、２ｂ
を共にケーシングダに対して密封するようにしてもよい
。ばねよ、６等の弾撥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
リング側を弾撥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撥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３図乃至第７図の如くである。

第３図はスパイラル溝部デでは封入液体が外向きの流れ
の場合で静止リングコａ、２５間のＯリングを静止リン
グｘｂとケーシングダ間のＯリング／２に置き変え、静
止リングコｂを押圧するばね６をケーシングダを基準に
弾撥するようにしたものであり、静止リングコａ、コｂ
は滑合している。

第を図はスパイラル溝部りでの封入液体は外向きの流れ
の場合で静止リングコａ、コｂは接触していない。静止
リングＪａ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Ｊａが滑合しているケ
ーシングダの円筒孔と滑合して０リング／コにより密封
され、ケーシングダを基準に弾撥するばね６により押圧
されている。

第３図、第６図の実施例では静止リングλｂの押圧力を
与えるばね６の押付力は静止リングコロに影響を与えな
いのでばね！、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３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／ｂが滑合し、回転軸３との間に挿入されたば
ね乙により軸方向に弾撥してその密封面ｌｌｂがケーシ
ングダに固定した静止リングコの密封面！／に抑圧され
ていて１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／ｂには回転リング／ａが滑合し
、かつ回転リング／ａ、／ｂの間に設けたＯ　ＩＪソン
グ２で密封され、回転リング３との間に挿入されたばね
ｊ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ｙｂを設けた密封面／／ａを静止リングコの平面
の密封面コ／に押圧されている。

封入液体は供給孔７、円周溝／９、供給孔りを通じ、摺
動面の境界附近、即ち回転リングｉａ、ｉｂ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／１）を回転軸３に固定し、静止リン
グコをケーシングダに滑合してケーシングダと静止リン
グコの間に二点鎖線で示すようにばね５１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って行止る
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ずる通路を設けた軸封装
置としたから の　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を外部側に対して密
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、
第弘図は第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、第に図は従来例
の縦断面図である。 メ、／ａ、／ｂ・・回転リング　コ、コａ、コｂ・・静
止リング　３・・回転軸　ダ・・ケーシングｊ−，ｊ’
、Ａ・・ばね　７・・供給孔　ｊ・・Ｑ　ＩＪソングタ
・・スパイラル溝部　９ａ・・頂部９ｂ・・スパイラル
溝　ＩＯ・・フラット部／／、／／ｆＬ、／／ｂ−−密
封面　／２−−０リング　／ダ争−カバー　／３参−ば
ね　１６・普拡径軸部　／７．／ｌ・・肩部　／９・・
円周溝、２／、２／ａ、Ｊ／ｂ　＃　−密封面　２２．
２３−−供給孔　コト・隙間　コロ・・フローティング
リング　コア、コｇ・・肩　Ａ、Ｈ，Ｌ・・空間。 特許出願人　　株式会社荏原総合研究所株式会社荏原製
作所

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。