CN112088268A

CN112088268A - 密封环

Info

Publication number: CN112088268A
Application number: CN201980027774.4A
Authority: CN
Inventors: 木村航; 德永雄一郎; 泷平宜昭; 河野徹; 笠原英俊; 弘松纯; 大田崇史
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2018-05-17
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2020-12-15
Anticipated expiration: 2039-05-16
Also published as: US20210116029A1; EP3816489A4; WO2019221229A1; JP7242659B2; CN112088268B; JPWO2019221229A1; US11644100B2; EP3816489A1

Abstract

本发明提供一种能够在较宽的旋转区域内发挥稳定的润滑性能的密封环。一种密封环(1)，其对旋转轴(2)与壳体(3)之间的间隙进行轴封，其中，在滑动面(S1)上设置有：多个倾斜槽(15)，其沿周向均等地配置且向外径侧开口，用于产生吸引压；以及供给槽(13)，其向被密封流体侧开口并沿外径方向延伸至倾斜槽(15)的内径侧。

Description

密封环

技术领域

本发明涉及一种用于对旋转轴与壳体之间的间隙进行轴封的密封环，尤其涉及一种安装到环状槽即所谓填料函中使用的密封环。

背景技术

以往，密封环安装在旋转轴外周上，并使密封环的滑动面相对于形成在旋转轴上的滑动面紧密接触并滑动，从而对旋转轴与壳体之间的间隙进行轴封，防止被密封流体(液体)的泄漏。

在密封环中，为了长期维持密封性，必须兼顾“密封”和“润滑”这样的相互矛盾的条件。特别是，近年来，为了应对环保等而寻求防止被密封流体的泄漏，并且提高了低摩擦化的要求以降低机械损失。低摩擦化可以通过利用旋转轴的旋转在滑动面之间产生动压并在被密封流体的流体膜介于其间的状态下滑动的方法来实现。

作为通过旋转轴的旋转在滑动面之间产生动压的密封环，已知例如专利文献1所记载的密封环。专利文献1的密封环安装在设置于旋转轴外周的环状槽中，通过高压的被密封流体的压力而被按压向壳体侧和环状槽的一个侧壁面侧，使密封环的一个侧面的滑动面相对于环状槽的一个侧壁面的滑动面紧密接触并滑动。另外，在密封环的一个侧面的滑动面上，沿周向设置有多个向内径侧开口的动压槽，动压槽由周向中央的深槽和与深槽的周向两侧连续并沿周向延伸且以底面朝向末端逐渐变浅的方式倾斜的浅槽构成。当旋转轴与密封环相对旋转时，从滑动面的内径侧向深槽内导入被密封流体，并且在旋转轴的反旋转方向侧的密封环的浅槽中产生负压，另一方面，在该旋转方向侧的浅槽中，通过供给被导入深槽内的被密封流体而产生正压，正压通过由旋转方向侧的浅槽的倾斜的底面产生的楔形作用而增大，在整个动压槽中产生正压，从而得到使滑动面之间稍微远离的力即浮力。通过滑动面之间稍微远离，高压的被密封流体从滑动面的内径侧流入滑动面之间，并且从产生正压的旋转方向侧的浅槽向滑动面之间流出被密封流体，因此在滑动面之间形成流体膜，维持滑动面之间的润滑性。

现有技术文献

专利文献

专利文献：日本特开平9-210211号公报(第3页、图3)

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献1的密封环中，旋转轴的滑动面相对于动压槽在周向上移动，正压随着旋转轴的转速上升而增大，在滑动面之间形成流体膜而使滑动面的润滑性提高，但在动压槽中，两个浅槽夹着深槽并位于同一圆周上，因此，特别是在高速旋转时，在周向上产生较大的正压且产生较大的负压的区域内会产生气蚀，在滑动面的整个周向上产生的浮力的偏差变大，从而产生流体膜变得不均匀等对流体膜的不良影响，润滑性可能会变得不稳定。

本发明是着眼于这样的问题而完成的，其目的在于提供一种能够在较宽的旋转区域内发挥稳定的润滑性能的密封环。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明的密封环，

其对旋转轴与壳体之间的间隙进行轴封，其中，

在滑动面上设置有：多个倾斜槽，其沿周向配置且向外径侧开口，用于产生吸引压；以及供给槽，其向被密封流体侧开口并沿外径方向延伸至所述倾斜槽的内径侧。

由此，从供给槽的内径侧的开口导入的高压的被密封流体在外径侧通过由旋转轴的旋转时在倾斜槽内产生的向外径方向的流动引起的吸引压而被引入，并在供给槽与倾斜槽之间形成被密封流体向外径方向的流动，因此，可以在供给槽与倾斜槽之间沿周向均衡地形成流体膜，从而能够在较宽的旋转区域内发挥稳定的润滑性能。

也可以是，在所述供给槽与所述倾斜槽之间形成有沿周向连续的密封部。

由此，形成被密封流体沿径向的流动的供给槽与倾斜槽之间通过密封部在径向上分离，因此，在密封部上沿周向均衡地形成流体膜。

也可以是，多个所述供给槽沿周向均等地配置。

由此，沿周向均衡地形成被密封流体相对于密封部沿径向的流动。

也可以是，多个所述供给槽通过在所述密封部的内径侧沿周向延伸的连通槽连通。

由此，从供给槽的内径侧的开口导入的高压的被密封流体通过连通槽沿周向供给，因此，沿周向均衡且可靠地形成被密封流体相对于密封部沿径向的流动。

也可以是，在周向上相邻的所述供给槽之间设置有向被密封流体侧开口的动压槽。

由此，能够通过动压槽内产生的正压部分抵消倾斜槽内产生的负压，因此，容易在密封部上形成被密封流体沿径向的流动。

附图说明

图1是以局部简略标记示出本发明的实施例1中的密封环的立体图；

图2是示出由实施例1中的密封环形成的旋转轴与壳体之间的间隙的轴封构造的剖视图；

图3是实施例1中的密封环的局部侧视图；

图4(a)和(b)是按照阶段示意性地示出流体膜形成过程的密封环的局部侧视图及A-A剖视图；

图5是继图4之后按照阶段示意性地示出流体膜形成过程的密封环的局部侧视图及A-A剖视图；

图6是本发明的实施例2中的密封环的局部侧视图；

图7是图6的密封环的B-B剖视图；

图8是本发明的实施例3中的密封环的局部侧视图；

图9是本发明的实施例4中的密封环的局部侧视图；

图10是本发明的实施例5中的密封环的局部侧视图。

具体实施方式

以下，根据实施例对本发明的密封环的实施方式进行说明。

实施例1

参照图1至图5对实施例1的密封环进行说明。以下，以图2的纸面右侧为被密封流体侧L、纸面左侧为大气侧A进行说明。此外，对被密封流体侧L的被密封流体的流体压力高于大气压的情况进行说明。另外，滑动面由平坦面和与该平坦面相比凹陷的槽构成，为了便于说明，在侧视图中，用白色标记表示构成滑动面的平坦面，用点标记表示构成滑动面的槽。

本实施例的密封环1通过对相对旋转的旋转机械的旋转轴2与壳体3之间进行轴封，将壳体3的内部分隔为被密封流体侧L和大气侧A(参照图2)，防止被密封流体从被密封流体侧L向大气侧A泄漏。此外，旋转轴2和壳体3由不锈钢等金属制材料形成。另外，被密封流体是以设置在旋转机械的机械室中的未图示的齿轮、轴承等的冷却和润滑为目的而使用的流体，例如是油。

如图1至图3所示，密封环1是PTFE等的树脂成型品，通过在周向上的一个部位上设置接缝部1a而呈C字形，安装在沿着旋转轴2外周设置的截面矩形的环状槽20上来使用，旋转轴2沿图3中的白色箭头所示的顺时针方向旋转，密封环1相对于旋转轴2的环状槽20沿逆时针方向相对旋转。此外，在图2中，示意性地示出了沿径向切断密封环1而得到的截面。

另外，密封环1呈截面矩形，通过作用于被密封流体侧L的侧面的被密封流体的流体压力被按压向大气侧A，从而使形成在大气侧A的侧面10(以下，有时也仅称为侧面10)侧的滑动面S1与环状槽20的大气侧A的侧壁面21(以下，有时也仅称为侧壁面21)侧的滑动面S2滑动自如地紧密接触。另外，密封环1通过作用于内周面的被密封流体的流体压力而受到扩展方向的应力并被按压向外径方向，从而使外周面11与壳体3的轴孔30的内周面31紧密接触。

此外，滑动面S1、S2分别构成密封环1的侧面10与旋转轴2的环状槽20的侧壁面21的实质滑动区域。另外，在侧面10侧，滑动面S1的外径侧连接有非滑动面S1’，在侧壁面21侧，滑动面S2的内径侧连接有非滑动面S2'(参照图2)。

如图1至图4所示，形成于密封环1的侧面10侧的滑动面S1由以下部分构成：平坦面16；多个供给槽13，其从侧面10的内径侧端部沿径向延伸设置；连通槽14，其与供给槽13的外径侧端部连通，夹着接缝部1a连续相连成大致环状；以及多个倾斜槽15，其形成为从连通槽14的外径侧端部附近(后述的密封部16a的外径侧端部)向旋转轴2旋转的方向倾斜地延伸并与侧面10的外径侧端部(大气侧A)连通。此外，供给槽13在除了接缝部1a附近以外的滑动面S1的周向上等间隔地配置，倾斜槽15从滑动面S1在整个非滑动面S1’内延伸并在除了接缝部1a附近以外的周向上等间隔地配置。

平坦面16由以下部分构成：密封部16a，其位于连通槽14的外径侧端部与多个倾斜槽15的内径侧端部之间，夹着接缝部1a连续相连成大致环状；内径侧润滑部16b，其在周向上夹在相邻的供给槽13、13之间；以及外径侧润滑部16c，其在周向上夹在相邻的倾斜槽15、15之间(参照图3)。密封部16a的径向尺寸为滑动面S1的径向尺寸的1/20(优选为1/5至1/50)，且与外径侧润滑部16c的周向尺寸大致相同。此外，从被密封流体容易越过的观点出发，密封部16a的径向尺寸越短越好。

如图2至图5所示，与旋转轴2的旋转/停止无关，只要被密封流体的压力比大气压高，供给槽13就会向滑动面S1、S2之间供给被密封流体，其从侧面观察呈大致矩形形状，向滑动面S1的内径侧(被密封流体侧)开口且外径侧与连通槽14连通。另外，供给槽13的底面13d(参照图4(a))形成为平坦且与平坦面16平行，供给槽13的深度形成为几十μm至几百μm，优选形成为100μm至200μm。此外，供给槽13的深度也可以形成得更深(至深度1mm左右)。

连通槽14形成为在滑动面S1的比径向中央靠外径侧的位置上沿周向延伸，从侧面观察呈弧状，径向尺寸比供给槽13的周向尺寸短。另外，连通槽14的底面14d形成为平坦且与平坦面16平行，并且与供给槽13的底面13d连续，连通槽14的深度与供给槽13大致相同(参照图4(a))。

如图2至图5所示，倾斜槽15从密封部16a向外径侧且向旋转轴2的旋转方向延伸、即相对于径向倾斜地延伸，且具有产生由旋转轴2的旋转时在倾斜槽15内产生的向外径方向的流动引起的吸引压的功能，并由沿密封部16a的外径侧端部延伸的封闭部15d、位于旋转轴2的反旋转方向侧且与底面15e正交的平面状的外倾斜壁部15b、位于旋转轴2的旋转方向侧且与底面15e正交的平面状的内倾斜壁部15c、以及与内壁部14b和外壁部14c相交且与非滑动面S1’侧(大气侧A)连通的开口15a构成为从侧面观察呈平行四边形形状，周向尺寸与连通槽14的径向尺寸大致相同，延伸设置方向的尺寸长于周向尺寸。另外，倾斜槽15的底面15e形成为平坦且与平坦面16平行，倾斜槽15的深度比供给槽13、连通槽14浅。

另外，在周向上相邻的倾斜槽15、15之间夹有周向尺寸短于倾斜槽15的周向尺寸的外径侧润滑部16c。此外，两者的尺寸也可以相同，还可以是外径侧润滑部16c更长。另外，多个倾斜槽15、15……可以形成为具有曲率以使外径侧润滑部16c以大致均匀的宽度形成至外径侧。

接着，参照图4和图5对密封环1的滑动面S1与环状槽20的侧壁面21的滑动面S2之间(以下，有时也仅称滑动面S1、S2之间)的流体膜形成进行说明。此外，在此，以旋转轴2沿图3中的白色箭头所示的顺时针方向旋转的情况，换言之，以密封环1相对于旋转轴2的环状槽20沿图3中的逆时针方向相对旋转的情况为例进行说明。进一步地，在图4和图5中，彼此对应地示意性地示出了将从侧面观察到的密封环1放大示出的局部侧视图和沿该图中的供给槽13、连通槽14及倾斜槽15截取的A-A剖视图。

首先，如图4(a)所示，在旋转轴2静止时，通过流体压力向供给槽13、连通槽14填充被密封流体。另外，向供给槽13和连通槽14供给高压的被密封流体，并通过静止压作用有使滑动面S1、S2远离的力。

接着，如图4(b)所示，在旋转轴2旋转时，侧面10侧的滑动面S1相对于侧壁面21(参照图2)侧的滑动面S2滑动。随之，连通槽14内的被密封流体沿该连通槽14产生顺时针方向的流动。另外，虽然省略了图示，但滑动面S2经过供给槽13，从而被密封流体从供给槽13追随旋转轴2的旋转方向流出。

另一方面，在比密封部16a靠外径侧，倾斜槽15内的被密封流体、空气从倾斜槽15的封闭部15d侧向开口15a侧移动，由此从倾斜槽15的封闭部15d侧向开口15a侧产生吸引压，并在封闭部15d侧产生负压。

由于该负压，在密封部16a中形成了流体膜的被密封流体被引入到倾斜槽15内，随之，连通槽14内的被密封流体向密封部16a侧渗出，形成从连通槽14越过密封部16a并被引入倾斜槽15内的被密封流体的流动F(参照图5)，在密封部16a上可靠地形成流体膜，提高了润滑性。通过这样的流动F、静止压等，在滑动面S1、S2之间形成被密封流体的流体膜，提高了润滑性。

另外，多个倾斜槽15、15……在整个周向上等间隔地形成，因此在滑动面S1的整个外径侧(密封部16a)大致均匀地产生动压，所以能够在整个周向上得到稳定的浮力。

另外，不仅如上述那样主要从连通槽14向滑动面S2与密封部16a之间供给被密封流体，还从倾斜槽15、连通槽14向介于在周向上相邻的倾斜槽15、15之间的外径侧润滑部16c供给高压的被密封流体，并从滑动面S1的内径侧、供给槽13向由相邻的供给槽13、13和连通槽14界定的内径侧润滑部16b供给高压的被密封流体，由此在滑动面S1、S2之间形成被密封流体的大致均等厚度的流体膜。

这样，从供给槽13的内径侧的开口导入的高压的被密封流体越过密封部16a并在外径侧通过由旋转轴2的旋转时在倾斜槽15内产生的向外径方向的流动引起的吸引压而被引入，并在供给槽13和连通槽14与倾斜槽15之间形成被密封流体向外径方向的流动F，因此，可以在供给槽13和连通槽14与倾斜槽15之间沿周向均衡地形成流体膜，从而能够在较宽的旋转区域内发挥稳定的润滑性能。

另外，如上述那样充分地供给被密封流体，因此能够在较宽的旋转区域内在滑动面S1、S2之间可靠地形成流体膜，从而能够提高密封环1的润滑性。

另外，形成被密封流体沿径向的流动的供给槽13和连通槽14与倾斜槽15之间通过密封部16a在径向上分离，因此，在密封部16a上沿周向均衡地形成流体膜。由此，能够提高密封部16a的润滑性。

另外，多个供给槽13、13……在周向上均等地配置，因此沿周向均衡地形成被密封流体相对于密封部沿径向的流动。

另外，多个供给槽13、13……通过在密封部16a的内径侧沿周向延伸的连通槽14连通，因此从供给槽13的内径侧的开口导入的高压的被密封流体通过连通槽14沿周向供给，因此沿周向均衡且可靠地形成被密封流体相对于密封部16a沿径向的流动。

此外，密封环1为C字形，因此即使密封环1的周长因热胀冷缩而变化，也能够稳定地维持密封性能。

实施例2

接着，参照图6和图7对实施例2的密封环进行说明。此外，对于与上述实施例中所示的构成部分相同的构成部分，标注相同的附图标记并省略重复的说明。

对实施例2中的密封环101进行说明。如图6所示，在本实施例中，形成于密封环101的侧面110的滑动面S1(参照图2)由平坦面16、多个供给槽13、连通槽14、多个倾斜槽15以及设置于在周向上相邻的供给槽13、13之间的动压槽12构成。

动压槽12具有相应于旋转轴2的旋转而产生动压的功能，并向密封环1的内径侧(被密封流体侧)开口，且由设置于周向中央的深槽120和从深槽120开始与周向两侧连续并沿周向延伸的一对浅槽121、122(正压发生部、负压发生部)构成，在动压槽12与在周向上相邻的供给槽13、13和连通槽14之间配置有从侧面观察呈倒U字形的内径侧润滑部16b。此外，在图6和图7中，夹着深槽120，纸面右侧为浅槽121(正压发生部)，纸面左侧为浅槽122(负压发生部)。

特别是，如图7所示，深槽120形成为底面平坦，浅槽121、122形成为底面从深槽120侧向各自的周向末端逐渐变浅的倾斜面。此外，深槽120的底面形成为比浅槽121、122的最深部更深，深槽120的深度形成为几十μm至几百μm，优选形成为100μm至200μm。

由此，在滑动面S1、S2之间的流体膜形成过程中，在与旋转轴2的旋转方向相反方向侧(图6中的纸面左侧)的密封环1的浅槽122(以下仅称为浅槽122)中产生负压，另一方面，在与该旋转方向相同方向侧(图6中的纸面右侧)的密封环1的浅槽121(以下仅称为浅槽121)中，供给被导入到深槽120内的被密封流体且通过由倾斜面产生的楔形作用而产生正压。并且，在整个动压槽12中产生正压，从而得到使滑动面S1、S2之间稍微远离的力即所谓浮力。即，不仅在滑动面S1、S2的外径侧，在内径侧也能够通过动压槽12产生正压(浮力)，因此能够提高相对于旋转轴2的旋转的流体膜形成的响应性。

另外，在产生负压的浅槽122上作用有将周围的滑动面S1、S2之间存在的被密封流体吸入的力，因此能够从在周向上相邻的供给槽13向浅槽122及其周边的内径侧润滑部16b供给被密封流体，并且动压槽12中的作为负压发生部的浅槽122向内径侧(被密封流体侧)开口，从滑动面S1的内径侧也能够导入被密封流体，从而容易将被密封流体保持在浅槽122中。

另外，能够通过在滑动面S1的外径侧产生的正压部分抵消由倾斜槽15产生的负压，并且通过在整个动压槽12中产生的动压容易使滑动面S1、S2之间远离，因此容易在密封部16a上形成被密封流体沿径向的流动。

另外，配置于滑动面S1的内径侧的动压槽12也可以自由地构成，例如，可以形成为T形槽、瑞利台阶、螺旋槽等。

实施例3

接着，参照图8对实施例3的密封环进行说明。此外，对于与上述实施例中所示的构成部分相同的构成部分，标注相同的附图标记并省略重复的说明。

对实施例3中的密封环201进行说明。如图8所示，在本实施例中，形成于密封环201的侧面210的滑动面S1(参照图2)由平坦面16、多个供给槽13、连通槽14、多个倾斜槽15以及设置于在周向上相邻的供给槽13、13之间的动压槽112构成。

动压槽112向密封环1的内径侧(被密封流体侧)开口，并由设置于周向中央且外径侧端部与连通槽连通的深槽220和从深槽220开始与周向两侧连续并沿周向延伸的一对浅槽121、122构成，在动压槽112与相邻的供给槽13、13和连通槽14之间配置有从侧面观察呈L字形的内径侧润滑部16b。

由此，在滑动面S1、S2之间的流体膜形成过程中，不仅可以从供给槽13，还可以从动压槽112的深槽220向连通槽14供给被密封流体，因此能够在较宽的旋转区域内在滑动面S1、S2之间更可靠地形成流体膜，从而能够提高密封环1的润滑性。

实施例4

接着，参照图9对实施例4的密封环进行说明。此外，对于与上述实施例中所示的构成部分相同的构成部分，标注相同的附图标记并省略重复的说明。

对实施例4中的密封环301进行说明。如图9所示，在本实施例中，形成于密封环301的侧面310的滑动面S1(参照图2)由平坦面16、多个供给槽113以及从各供给槽113的外径侧端部附近(密封部16a的外径侧端部)到侧面10的外径侧端部向旋转轴2的旋转方向倾斜的一个倾斜槽15构成。由此，能够以简单的结构在滑动面S1、S2的最外径部形成越过密封部16a的流动F(参照图5)。

实施例5

接着，参照图10对实施例5的密封环进行说明。此外，对于与上述实施例中所示的构成部分相同的构成部分，标注相同的附图标记并省略重复的说明。

对实施例5中的密封环401进行说明。如图10所示，在本实施例中，形成于密封环401的侧面410的滑动面S1(参照图2)由平坦面16、多个供给槽213、与一组相邻的供给槽213、213连通的多条连通路214以及从连通路214的外径侧端部附近(密封部16a的外径侧端部)到侧面10的外径侧端部向相对转动的方向倾斜的多个倾斜槽215构成。由此，能够以比实施例1至3更简单的结构在滑动面S1、S2的最外径部形成越过密封部16a的流动F(参照图5)。

以上，根据附图对本发明的实施例进行了说明，但是具体的结构不限于这些实施例，即便有在不脱离本发明主旨的范围内的变更、追加，也包含于本发明。

例如，可以对上述实施例4、5应用上述实施例2或上述实施例3的动压槽的结构。

另外，对通过使旋转轴2顺时针转动而在倾斜槽15中产生动压的方式进行了说明，但是，通过使旋转轴2逆时针旋转，能够使被密封流体从倾斜槽15的开口15a侧向封闭部15d侧移动，从而响应性良好地抑制被密封流体的流出。

另外，设置在密封环的滑动面S1、非滑动面S1’上的动压槽、供给槽、连通路、倾斜槽的数量、形状可以适当地变更，以获得期望的动压效果。此外，对于导入被密封流体的动压槽的深槽、供给槽、连通路、倾斜槽的设置位置、形状，可以根据滑动面的预计磨损程度适当地变更。

另外，倾斜槽也可以形成为底面从导入口侧向封闭部逐渐变浅的倾斜面。这样，更容易通过锥形作用产生吸引压。

另外，密封环也可以构成为不设置接缝部1a的环状，其外形不限于从侧面观察的形状为圆形，也可以形成为多边形。

另外，密封环不限于截面矩形的密封环，例如，也可以为截面梯形形状、截面多边形形状的密封环，还可以为形成有滑动面S1的侧面倾斜的密封环。

另外，也可以相对于旋转轴2的环状槽20的滑动面S2形成上述实施例所示的槽。

另外，虽然以油为例对被密封流体进行了说明，但被密封流体也可以为水、冷却液等液体，还可以为空气、氮气等气体。

符号说明

1～401：密封环；2：旋转轴；3：壳体；10：侧面；12：动压槽；13：供给槽；14：连通槽；15：倾斜槽；16：平坦面；16a：密封部；16b：内径侧润滑部；16c：外径侧润滑部；20：环状槽；21：侧壁面；110：侧面；112：动压槽；113：供给槽；214：连通路；115：倾斜槽；210：侧面；213：供给槽；215：倾斜槽；310：侧面；410：侧面；S1、S2：滑动面；S1’、S2’：非滑动面。

Claims

1.一种密封环，其对旋转轴与壳体之间的间隙进行轴封，其中，

2.根据权利要求1所述的密封环，其中，在所述供给槽与所述倾斜槽之间形成有沿周向连续的密封部。

3.根据权利要求1或2所述的密封环，其中，多个所述供给槽沿周向均等地配置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的密封环，其中，多个所述供给槽通过在所述密封部的内径侧沿周向延伸的连通槽连通。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的密封环，其中，在周向上相邻的所述供给槽之间设置有向被密封流体侧开口的动压槽。