JP2001012610A - 面シール構造 - Google Patents

面シール構造

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JP2001012610A JP2000149340A JP2000149340A JP2001012610A JP 2001012610 A JP2001012610 A JP 2001012610A JP 2000149340 A JP2000149340 A JP 2000149340A JP 2000149340 A JP2000149340 A JP 2000149340A JP 2001012610 A JP2001012610 A JP 2001012610A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速回転する小径軸に特に適した面シール構
造に関する。 【解決手段】 協働する一対のシールリング３，５のう
ち、その一方５が回転軸２に、他方３がハウジング１に
それぞれ設けられている。両シールリング３，５は、実
質的に半径方向に形成されたシール面７，６を有し、両
シール面７，６の間は、シール面の周方向外側の区域を
シール面の周方向内側の区域に対してシールするための
シールギャップが形成される。ガスを送り込むのに有効
な周方向に離間した複数の凹部がシール面の少なくとも
一方２に設けられ、該凹部はシール面7の一方の周縁か
ら他方の周縁に向かって延びているが、前記凹部の端部
は他方の周縁から半径方向に離間している。前記凹部を
含む前記シール面７は、ＦＧ ＦＡ＝シール面上の投影と
して見た場合の凹部の全表面積とし、ＦＧ＝シール面の
全表面積としたときの表面積比ＦＧＦＡ／ＦＧが、０．
３５〜０．６５、好ましくは０．４〜０．６の範囲であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、面シール構造（ｆ
ａｃｅ ｓｅａｌ ａｓｓｅｍｂｌｙ）に関する。本発
明は、特に、内燃機関のチャージ圧縮機の駆動軸を圧縮
機ハウジングに対してシールするのに適した面シール構
造に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、タービン駆動の遠心圧縮機又は
ねじ圧縮機や排気ガス導入タービンによって駆動される
ターボ圧縮機の駆動軸をシールする際には、特殊な作動
条件に関して特に注意を払わなければならない。例え
ば、このような圧縮機の駆動軸は、一般に直径が非常に
小さく、例えば４０mm未満である。これらの軸は、例え
ば毎分１０５以上の非常に高い速度で回転する。さらに
は、シールは、そのような圧縮機のハウジング内で優勢
である、大気圧条件よりも高い圧力及び低い圧力を受け
ることがある。そのうえ、一般には空気である、シール
されるガス媒体は、油滴の如き非ガス成分を含まないよ
うに維持されなければならない。油滴は、圧縮機のう
ち、圧縮機ハウジングの外に位置する、軸を支持するた
めのローラベアリング又はそれに類するものを収容する
ための部分に含まれていることがあり、この部分に対
し、圧縮機の内部をシールしなければならない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】臨界作動条件を考慮し
て、そのような用途にはラビリンスシールが長い間好ま
れてきたが、ラビリンスシールは、比較的漏れやすいと
いう本質的な欠点を抱えている。面シール構造（ｆａｃ
ｅ ｓｅａｌ ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、面シールの漏れ
る危険性がはるかに低いにもかかわらず、ラビリンスシ
ールの代替としてそのような用途に考慮されていなかっ
た。従来の面シール構造のシールリングは、乾式運転
（ｄｒｙ ｒｕｎｎｉｎｇ）のために、シールの早期破
損が生じるほど熱くなるということを知見した。従来の
面シール構造を負圧条件に付したときにも同様な結果が
得られ、作動速度が明らかに低下した。
【０００４】本発明の目的は、改良された面シール構造
を提供することである。本発明の他の目的は、乾式運転
の危険性が最小限であり、大気圧条件よりも高い作動圧
力及び低い作動圧力で漏れを軽減させる面シール構造を
提供することである。本発明のさらに別の目的は、小径
のターボ圧縮機の軸をシールするのに適した面シール構
造を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の面シール構造
は、協働する一対のシールリングからなり、一方のシー
ルリングが回転構成要素に設けられ、他方のシールリン
グが静止構成要素に設けられている。これらのシールリ
ングは、実質的に半径方向に形成されたシール面を有
し、作動中、それらの間に、シール面の周方向外側にあ
る区域をシール面の周方向内側にある区域に対してシー
ルするためのシールギャップが設けられている。ガスを
送り込むのに有効な周方向に離間した複数の凹部が前記
シール面の少なくとも一方に設けられ、前記凹部はシー
ル面の一方の周縁から他方の周縁に向かって延びている
が、前記凹部の端部は他方の周縁から半径方向に離間し
ている。前記凹部を含む前記一方のシール面において、
ＦＧＦＡ＝シール面上の投影として見た場合の凹部の全
表面積とし、ＦＧ＝シール面の全表面積としたときの表
面積比ＦＧＦＡ／ＦＧは、０．３５〜０．６５、好まし
くは０．４〜０．６の範囲である。
【０００６】特に、本発明は、一方のシールリングのシ
ール面に存在するガスを送り込むのに有効な凹部（以下
「ガス凹部」とも称する。）の数が、これらのガス凹部
によって占められる表面積がシール面の全表面積の約３
５〜６５％を占めるような数であると考える。従来の面
シール構造とは違って、これは、非常に多数のガス凹部
がシール面に設けられることを意味する。そのうえ、ガ
ス凹部のないシール面の部分が最小限に減らされる。例
えば、シール面の半径方向寸法に対する凹部のないダム
部の半径方向寸法の比は、わずか約０．２〜０．３であ
ってもよく、一方、従来の面シール構造のダム部は、シ
ール面の実質的により大きな部分を占める。本発明の結
果として、面シール構造が、シールされる媒体（空気）
によって低い圧力にさらされる場合でも、各作動状態な
どで協働するシール面とシール面との間に安定したガス
クッションが形成されることが保証される。
【０００７】さらには、本発明の好ましい実施態様によ
ると、シール面の全表面積に対するシールされる媒体の
圧力によって、水圧負荷を受ける面シール構造の有効表
面積の比と定義される負荷比ｋが、０．５〜１．２の範
囲であるべきである。負荷比ｋは、低い圧力条件の場合
には範囲の下寄り部分にあり、超過圧力条件の場合には
上寄り部分にあるべきである。そのうえ、ガスに含まれ
る非ガス成分が外部環境からシールされる空間に進入す
ることのないよう、ガス凹部はシール面の内周縁に端を
発することが好ましい。これが、漏れ流を常にこの空間
から外部環境に向かう方向に流れさせ、その逆には流れ
させない。これはまた、非ガス成分がシール面とシール
面との間に入り込み、面シール構造の作動の混乱を招く
ことを防ぐ。面シール構造への非ガス成分の進入は、面
シール構造の、シールされる媒体から遠い側の上流に配
置される、非ガス成分保持手段によってさらに減らすこ
とができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明及びその目的をより理解で
きるために、本発明の好ましい実施態様を例示し説明す
る添付図面及び以下の詳細な説明を参照されたい。
【０００９】以下、内燃機関のチャージ圧縮機の駆動軸
のシールに関連して本発明を説明するが、本発明はこの
用途に限定されないことを理解すべきである。それどこ
ろか、本発明は、高い回転速度で駆動される比較的小径
の軸を、ハウジングに対し、摩擦を最小限にするような
方法でシールする必要があり、シールされる媒体が空気
のようなガスである場合に、常に利用することができ
る。しかし、本発明は、また、低圧条件で効果がある機
械、例えば強力なディーゼル推進ユニットの伝動装置に
おける比較的低速回転する大径軸のシールに関しても有
利である。
【００１０】本発明の面シール構造は、図に略示したハ
ウジング１に対して非回転可能に保持されたシールリン
グ３と、軸２に取り付けられて軸とともに回転するシー
ルリング５とを含んでいる。シールリング３は、軸２と
同軸に配置され、軸方向に移動可能である。シールリン
グ３，５は、実質的に半径方向の、対向するシール面
６、７を有している。ガスを送り込むのに有効な回転方
向に従う構造、すなわち凹部１４（図２を参照）が、研
削，レーザ加工，スタンピングの如き公知の技術によっ
て、シール面６、７の少なくとも一方、好ましくは非回
転シールリング３のシール面７に設けられている。これ
らのガス凹部１４は、軸２が回転するときシール面６、
７の間にガスを送り込んで、圧力を増大させ、シール面
６、７の間に、シール面６、７の周方向内側にある区域
Ａをその周方向外側にある区域Ｂに対してシールするた
めのガスクッションを形成させるのに効果的である。基
本的に、このタイプのガス凹部１４は公知である。詳細
に関しては、例えば、バーグマン（ＢＡＲＧＭＡＮＮ）
のＧａｓ ｌｕｂｒｉｃａｔｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａ
ｌ ｓｅａｌ（１９９７年自己出版、ＩＳＢＮ ３−９
２９６８２−１５−Ｘ）第１９頁以降を参照することが
できる。望むならば、異なるタイプの回転方向に従うガ
ス凹部を使用してもよい。
【００１１】非回転シールリング３は、図示しない方法
で、圧縮機ハウジング１に固着された駆動ケーシング１
１内に収容され、Ｏリングの形態の二次シール４によっ
てそれに対してシールされている。Ｏリング型の二次シ
ール及びそれに適する材料の詳細に関しては、バーグマ
ン（ＢＡＲＧＭＡＮＮ）のＡＢＣ ｄｅｒ Ｇｌｅｉｔ
ｒｉｎｇｄｉｃｈｔｕｎｇ（１９８８年 自己出版）第
１６１頁，２７２−２７３を参照することができる。望
むならば、Ｏリング以外のタイプの二次シールを設けて
もよい。
【００１２】図１に示すように、波形のワッシャースプ
リング構造の形状の偏倚手段１０が駆動ケーシング１１
と非回転シールリング３との間に配置されている。該偏
倚手段１０は、非回転シールリング３を適当な偏倚力で
付勢して、軸２と共に回転するシールリング５に押し当
て、軸２が静止しているときには、シールリング３，５
のシール面６，７が互いにシール状態で係合して保持さ
れている。非回転シールリング３の外周には、軸方向に
延びる溝９が設けられ（周方向に分布したこのような溝
を複数設けてもよい）、この溝の中に、駆動ケーシング
１１からシールリング３に向かって半径方向に突出する
駆動フィンガ１３が延出している。これにより、非回転
シールリング３は、駆動ケーシング１１に対して回転す
ることはできないが、それに対して軸方向に移動するこ
とはできる。
【００１３】回転シールリング５は、いかなる適当な方
法で軸２に取り付けてもよい。本実施態様では、軸の肩
と軸２に取り付けたブッシュ８との間に締め付けて、軸
２の回転が滑りなしでシールリング５に伝達するように
している。
【００１４】回転シールリング５に好ましい材料は、炭
化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳＩ3Ｎ4）、炭化タ
ングステン（ＷＣ）またはチタン（Ｔｉ）の如き強度の
高い材料であって、シール面のコーティングはあっても
なくてもよい。ＳｉＣ材料の場合、流動相で焼結され、
粒径１μｍ以下（≦１μｍ）の細粒状材料の使用が好ま
しい。回転シールリング５には、用途によっては、前記
材料に代えて、クロム−モリブデン高級鋼の如き金属材
料が有利であるかもしれない。固定シールリング３もま
た、前記材料のいずれから製造してもよい。しかし、磨
耗を最小限にするため、炭素材料の如き摩擦学的に効果
的な材料が好ましく、望むならば、公知技術を使用して
これらをアンチモンで含浸してもよい。
【００１５】図２に示すように、多数のガス凹部１４が
非回転シールリング３のシール面７に均等に分布した状
態で設けられている。各ガス凹部１４は、シール面７の
内周縁１５から延び、すきの刃のようにカーブして、シ
ール面７の外周縁１６から半径方向に離間した半径方向
中間部ＲＤまで達し、それにより、外周縁１６の近く
に、ガス凹部１４のないダム部１７を残している。
【００１６】本発明によると、軸が例えば８〜２５ｍｍ
の非常に小さな径を有する場合でも、シール面７の全表
面積ＦＧに対するガス凹部１４によって占有される表面
積Ｆ ＧＦＡの比は、通常作動時並びに軸２の始動及び停
止時の両方でシール面６、７の直接接触が回避されるよ
うな比である。これは、ガス凹部１４の影響でそれらの
間にガスクッションを形成することによって達成され
る。本発明によると、表面積比ＦＧＦＡ／ＦＧが０．３
５〜０．６５、好ましくは０．４〜０．６の範囲である
とき、これらの効果が得られることがわかった。さらに
は、シール面７の半径方向寸法（Ｒa−Ｒi）が最小値を
下回るべきではないことがわかった。他方、ダム部１７
の半径方向寸法（Ｒa−ＲＤ）は、最小値に維持すべき
である。比（Ｒa−ＲＤ）／（Ｒa−Ｒi）は０．２〜
０．３の範囲にあるべきである。例として、公称直径１
６mmの軸２をシールする場合には、（Ｒa−Ｒi）が３．
５ｍｍであり、（Ｒa−ＲＤ）が１ｍｍであることがで
きる。一例として、すきの刃状の前縁及び後縁を有する
１６個のガス凹部１４をこのタイプのシール面７の円周
に設けることができる。
【００１７】さらに、シール面の表面積ＦＧにシールさ
れた媒体の圧力によって液圧負荷を受ける面シール構造
の有効表面積ＦＨの比として定義される負荷比ｋが、Ｆ
Ｈ／ＦＧ＝０．５〜１．２の範囲であるとき、面シール
構造の特に有利な作動性が得られることがわかった。
【００１８】ただし、ｐＡ＜ｐＢならば、ＦＨ／ＦＧ＝
（Ｒa 2−ｒＨ 2）／（Ｒa 2−Ｒi 2）であり、ｐＡ＞ｐＢ
ならば、ＦＨ／ＦＧ＝（ＲＨ 2−Ｒi 2）／（Ｒa 2−
Ｒi 2）である。
【００１９】ここで、Ｒa＝シール面７の外周の半径で
あり、Ｒi＝シール面７の内周の半径であり、ＲＨ、ｒ
Ｈ＝液圧有効半径である。液圧有効半径は、媒体の圧力
ｐＡが反作用圧ｐＢ、例えば大気側の圧力よりも大きい
か小さいかに依存して異なる。半径ＲＨ及びｒＨは、Ｏ
リング４と非回転シールリング３又は駆動ケーシング１
１（優勢な圧力条件下でＯリング４とシール的に係合す
る）の隣接する周面との相互作用によって明確になり、
本質的に、Ｏリング４の外側半径寸法及び内側半径寸法
に対応する。
【００２０】ｐＡ＜ｐＢであるとき、すなわち、シール
される媒体によって占められる側で低い圧力が優勢であ
るときには、負荷係数ｋは０．５〜０．９、好ましくは
０．６〜０．８の範囲であるべきである。対照的にｐＡ
＞ｐＢであるとき、すなわち、シールされる媒体が超過
圧力にあるとき、負荷係数ｋは０．７〜１．２、好まし
くは０．８〜１．０になるべきである。
【００２１】ガス凹部１４がシール面７の内周縁１５に
端を発することが好ましい理由は、区域Ａ中にシールさ
れる媒体が非ガス成分、例えば油滴を実質的に含まない
からである。このような油滴は、シールギャップ（シー
ル面同士の接合隙間）に進入した場合、面シール構造を
損傷するおそれがある。対照的に、大気側のガス媒体、
例えばスペースＢ内の空気中の非ガス成分、例えば油滴
の数は非常に少ないが、軸２を支持するための潤滑ロー
ラベアリングなどがスペースＢに収容されるかもしれな
いため、無視することはできない。シール面７の内周に
おけるガス凹部１４の配置が、シールされる媒体の漏れ
流がスペースＡからシール面６、７間のシールギャップ
に沿ってスペースＢに向かって生じ、それにより、非ガ
ス成分がスペースＢからスペースＡに浸入するのを効果
的に防ぐことを保証する。
【００２２】さらに、スペースＢ中、面シール構造の上
流に、シールリング３，５のシール面６，７への油滴の
接近を防ぐか、少なくとも実質的に減らすための手段を
設けてもよい。他の適当な手段を設けてもよいが、好ま
しい手段は、駆動ケーシング１１の外周を包囲するブッ
シュ２０から半径方向に延びるフランジ状部分１２を含
む。この部分１２は、シールリング３，５の外周を超え
たところから、非回転シールリング３の端面と、回転シ
ールリング５の外周の円盤状キャップ１８とによって軸
方向を画定される、外方に開口した環状の溝の内部中央
に延びている。したがって、流れがフランジ状部１２の
自由端の近くで曲がる地点よりも面シール構造の中心軸
から半径方向に大きく離れたところに位置する入口を有
するＵ字形の流路１９が形成される。したがって、流路
１９中で優勢である遠心力が油滴を絶えず振り回して流
路１９の入口に戻し、それにより、シール面６，７の近
くの領域に近づかせない。ハウジング内の孔の周囲に付
着した沈殿油滴は、望むならば、ハウジング１に設けら
れた通路２１を介して絶えず外に送り出すこともでき
る。
【００２３】以上、ガス凹部がシール面の内周から延び
る実施態様を参照して本発明を説明したが、非ガス成分
がスペースＢからシールギャップを通過してスペースＡ
に入るおそれがないならば、逆の状況を想定することも
できる。さらに、ガス凹部は、非回転シールリングのシ
ール面の代わりに回転シールリングのシール面に形成し
てもよいし、両方のシールリングのシール面に形成して
もよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 駆動軸をシールするために圧縮機ハウジング
の孔に設けられた本発明の面シール構造の縦断面図であ
る。
【図２】 図１に示す本発明の面シール構造の一対のシ
ールリングの一方のシール面の平面図である。 １…ハウジング、２…回転軸、３，５…シールリング、
４…二次シール、６，７…シール面、８…ブッシュ、９
…溝、１０…偏倚手段、１１…駆動ケーシング、１２…
フランジ状部分、１３…駆動フィンガ、１４…ガス凹
部、１５…シール面７の内周縁、１６…シール面７の外
周縁、１７…ダム部、１８…円盤状キャップ、１９…流
路、２１…通路
フロントページの続き (72)発明者 ベルンド プレブニア ドイツ国 Ｄ−82538 ゲレットスリード アム オーベルフェルド 10

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 協働する１対のシールリングのうち、そ
    の一方は回転構成要素に設けられ、他方は静止構成要素
    に設けられ、これらのシールリングは、作動中に実質的
    に半径方向に形成されたシール面を有して、シール面同
    士の間に、シール面の周方向外側区域をシール面の周方
    向内側区域に対してシールするためのシールギャップが
    形成され、前記シール面の少なくとも一方に、ガスを送
    り込むのに有効な周方向に離間した複数の凹部が設けら
    れ、該凹部は前記シール面の一方の周縁から他方の周縁
    に向かって延びているとともに、凹部の内端は前記シー
    ル面の他方の周縁から半径方向に離間しており、前記凹
    部を有するシール面は、ＦＧＦＡ＝シール面に投影され
    た場合の全表面積とし、ＦＧ＝シール面の全表面積であ
    るとしたときの表面積比ＦＧＦＡ／ＦＧが、０．３５〜
    ０．６５、好ましくは０．４〜０．６の範囲である、面
    シール構造。
  2. 【請求項２】 少なくとも回転シールリングは、炭化ケ
    イ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳＩ3Ｎ4）、炭化タング
    ステン（ＷＣ）及びチタン（Ｔｉ）の少なくとも１つを
    含む群の材料で形成されている、請求項１記載の面シー
    ル構造。
  3. 【請求項３】 固定シールリングが炭素材料で形成され
    ている、請求項１記載の面シール構造。
  4. 【請求項４】 シール面の表面積ＦＧに対するシールさ
    れる媒体の圧力によって液圧負荷を受ける面シール構造
    の有効表面積ＦＨの比として定義される負荷比ｋが、
    ０．５〜１．２の範囲である、請求項１記載の面シール
    構造。
  5. 【請求項５】 前記負荷比ｋが、反作用圧よりも低いシ
    ール圧の場合には０．５〜０．９、好ましくは０．６〜
    ０．８の範囲であり、反作用圧よりも高いシール圧の場
    合には０．７〜１．２、好ましくは０．８〜１．０の範
    囲である、請求項４記載の面シール構造。
  6. 【請求項６】 前記凹部が前記シール面の内周縁に端を
    発している、請求項１記載の面シール構造。
  7. 【請求項７】 非ガス成分の保持手段をさらに備え、該
    保持手段が、面シール構造の、シールされる媒体から遠
    い側の上流に設けられている、請求項１記載の面シール
    構造。
  8. 【請求項８】 前記保持手段は、面シール構造の回転部
    分と固定部分との間に画成される流路を有し、該流路
    は、シール面に通じる流路の中間移行部よりも面シール
    構造の中心長軸から半径方向に大きく離れたところに位
    置する入口を有する、請求項７記載の面シール構造。
  9. 【請求項９】 協働する１対のシールリングのうち、そ
    の一方は回転構成要素に設けられ、他方は静止構成要素
    に設けられ、これらのシールリングは、作動中に実質的
    に半径方向に形成されたシール面を有して、シール面同
    士の間に、シール面の周方向外側区域をシール面の周方
    向内側区域に対してシールするためのシールギャップが
    形成され、前記シール面の少なくとも一方に、ガスを送
    り込むのに有効な周方向に離間した複数の凹部が設けら
    れ、該凹部は前記シール面の一方の周縁から他方の周縁
    に向かって延びているとともに、凹部の内端は前記シー
    ル面の他方の周縁から半径方向に離間しており、前記凹
    部を有するシール面は、ＦＧＦＡ＝シール面に投影され
    た場合の全表面積とし、ＦＧ＝シール面の全表面積であ
    るとしたときの表面積比ＦＧＦＡ／ＦＧが、０．３５〜
    ０．６５、好ましくは０．４〜０．６の範囲であり、シ
    ール面の表面積ＦＧに対するシールされる媒体の圧力に
    よって液圧負荷を受ける面シール構造の有効表面積ＦＨ
    の比と定義される負荷比ｋが０．５〜１．２の範囲であ
    る、面シール構造。
  10. 【請求項１０】 前記負荷比ｋが、反作用圧よりも低い
    シール圧の場合には０．５〜０．９、好ましくは０．６
    〜０．８の範囲であり、反作用圧よりも高いシール圧の
    場合には０．７〜１．２、好ましくは０．８〜１．０の
    範囲である、請求項９記載の面シール構造。
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