JP2002130485A - 液体シール - Google Patents

液体シール

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JP2002130485A
JP2002130485A JP2001262084A JP2001262084A JP2002130485A JP 2002130485 A JP2002130485 A JP 2002130485A JP 2001262084 A JP2001262084 A JP 2001262084A JP 2001262084 A JP2001262084 A JP 2001262084A JP 2002130485 A JP2002130485 A JP 2002130485A
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teeth
shaft
seal
gap
oil
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John M Rinaldo
エム リナルド ジョン
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Atlas Copco Comptec LLC
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    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/50—Sealings between relatively-movable members, by means of a sealing without relatively-moving surfaces, e.g. fluid-tight sealings for transmitting motion through a wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/002—Sealings comprising at least two sealings in succession
    • F16J15/004—Sealings comprising at least two sealings in succession forming of recuperation chamber for the leaking fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/44—Free-space packings
    • F16J15/447—Labyrinth packings
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Sealing Of Bearings (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 外部からの支持も広い軸空間も必要ない、信
頼性の高いシール手段を提供すること。 【解決手段】 回転可能なシャフト１０上の歯と半径方
向において重なる固定歯１４を備え、そのシーリング動
作が、半径方向における固定歯１４とシャフト１０の
間、および軸方向における固定歯１４とシャフト１０の
間の両方の制御された隙間によってもたらされることを
特徴とする非接触型シールを提供する。このシールは、
回転可能なシャフト上の歯とほぼ同一の半径方向面にあ
る固定歯の形状をし、そのシーリング動作が、２つの歯
の間の隙間と、液体が向きを変えて、回転している歯と
固定歯の間の隙間を軸方向に通過するのを困難にする、
回転している歯から外方向へ移動する液体の運動量とに
よってもたらされるものとすることもできる。シールは
また、上述した２つのシールの組み合わせを備えてもよ
い。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にシールに
関し、特に、油等の液体が回転可能なシャフトに沿った
ギアボックス等の密閉空洞から漏出することを防ぐ非接
触型装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ギアボックスは、通常、ギアの歯の間
と、シャフトを支持する軸受の両方において油を潤滑剤
として用いる。油のレベルは、シャフトに対する開口部
より下であるが、通常、操作時は、ギアボックスは油の
霧で満たされている。油はまた、ギアが油に浸かる動
作、または油を軸受に供給しギアに油を吹き付ける加圧
潤滑システムによって、ギアボックス中にはね掛かる。
この油の漏洩は、環境上および経済的な問題を起こすお
それがある。例えば、多くの高速遠心圧縮機では、翼車
がギアボックスの出力シャフト上に直接取り付けられて
いる。圧縮機が無負荷の場合、ギアボックスから出るど
んな油も圧縮機内に吸い込まれ、油のない領域であるべ
きところを汚染するかもしれない。圧縮機がその後負荷
されると、油は圧縮ガスとともに移動し、工程を汚染す
るおそれがある。これは、薬の製造など、多くの工場に
おいて容認できないものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ギアボックスからの油
の漏洩を防ぐために広く用いられているシールの一つの
タイプは、機械的シールである。しかし、このタイプの
シールは速度が限られており、従って遠心圧縮機に用い
られるような非常に高速のシャフトには使用することが
できない。これは、典型的な機械的シールが、高い周辺
速度での油の機械的剪断によって過度の熱を発生させる
からである。機械的シールはまた、時間が経つと摩耗
し、定期的な交換を必要とすることがある。
【０００４】当該技術で公知の別のシールタイプは、ラ
ビリンスシールである。このタイプのシールは非接触型
なので、高速装置に広く用いられている。残念なこと
に、これは、油が拡散するのを防ぐためにギアボックス
へと向かう連続したガス流が確実に存在するようにする
ためにバッファガスが用いられるか、または油ドレイン
をその間に備えた少なくとも２セットの歯のために充分
な軸空間が設けられない限り、非常に優れた油シールで
あるとはいえない。バッファガスの使用は、初期、使用
中および維持のためのコストを増加させるとともに、信
頼度を低下させる。追加の軸空間を加えることは、シス
テムのコストを増加させるだけでなく、回転運動上の問
題を起こすおそれがある。
【０００５】以上の説明から分かるように、従来の油シ
ールは、様々な効率で動作していたが、外部からの支持
を必要としたり、信頼性を欠いたり、大きな軸空間を必
要とするものであった。
【０００６】従って本発明の目的は、上述した従来技術
の問題を克服するシール手段を提供することである。
【０００７】本発明の他の目的は、回転可能なシャフト
に沿った筐体からの油漏洩を防ぐシールを提供すること
である。
【０００８】本発明のさらなる目的は、その適切な動作
のために外部からの支持に頼らない、簡単なシール設計
を提供することである。
【０００９】本発明の他の目的は、油のシールに必要な
軸長を最小にするシール設計を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明のこれらおよび他
の目的は、ハウジングまたは適切な支持部に接続された
固定シール歯と共に動作する回転可能なシャフトの構成
によって得られる。
【００１１】本発明は、回転可能なシャフト上の歯と半
径方向において重なる固定歯を備え、そのシーリング動
作が、半径方向における固定歯とシャフトの間、および
軸方向における固定歯とシャフトの間の両方の制御され
た隙間によってもたらされることを特徴とする、環状非
接触型シールに向けられている。第２の実施形態では、
非接触型シールは、回転可能なシャフト上の歯とほぼ同
一の半径方向面にある固定歯を備え、そのシーリング動
作は、２つの歯の間の制御された隙間と、液体が向きを
変えて回転している歯と固定歯の間の隙間を軸方向に通
過するのを困難にする、回転している歯から外方向へ移
動する液体の運動量とによってもたらされることを特徴
とするものであってもよい。好ましい実施の形態では、
シールは、上述した二つの実施形態におけるシールの組
み合わせを備えてもよい。シールを備える固定歯は、任
意の適切な材料から作られることができる。典型的な材
料としては、金属、プラスチック、及びセラミックが挙
げられる。ある実施の形態では、シールはアルミニウム
合金から作られる。
【００１２】シールは、翼車がギアボックスの出力シャ
フト上に取り付けられている高速遠心圧縮機に用いられ
るような、回転可能なシャフトに隣接する、またはそれ
を取り囲む筐体からの油漏洩を防ぐように機能する。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明のこれらおよび他の目的を
さらに理解するために、添付の図面と関連して読まれる
べき本発明に関する以下の詳細な説明が参照される。
【００１４】図１は、本発明の一実施形態の概略図であ
る。図１において、シャフト１０は、典型的に２つの油
切り、それぞれ１２、１６を有し、各油切りは、それに
関連する固定歯を有している。軸受側の固定歯１４（筐
体またはハウジング２０の内側の方）は、油切り１２の
外径のすぐ近くにある。この歯と油切りの組み合わせ
は、２つの油切りの間の溝または空洞１３に達し得る油
の量を制限する。さらに、シャフト１０が回転している
時、シャフト上の油は、回転している油切り歯１２から
投出され、その運動量により、油を回転している油切り
歯１２と固定歯１４の間の隙間１５を通過させる。隙間
を通過した液体の高速の流れは、ベンチュリとして働く
こともでき、空気をギアボックス内に盛んに引き入れ、
そうして油の漏出を防ぐ。この第１の油切りを通過した
油はいかなるものも、２つの油切りの間の溝１３、また
は２つの歯１４、１８の間の隙間１７をシャフトに沿っ
て運ばれる。油はその後、ギアボックスか、油タンク
（図示せず）のいずれかに戻される。第１の歯１８は、
半径方向において第１の油切り１６に重なるよう設計さ
れている、すなわち歯の先端直径は、油切りの根元の直
径よりごくわずかに大きい。シャフトから第１の歯まで
の半径方向の隙間１９と、第１の歯から第１の油切りま
での軸方向の隙間２１の両方を制御する必要があるが、
これを通常の製造公差で行うことは難しくない。直径約
1．５インチのシャフトに関しては、隙間１５および１
９は約0.004ないし0.010インチ（0.102ないし0.254mm）
の範囲で、軸方向の隙間２１は約0.005ないし0.045イン
チ（0.127ないし1.143mm）の範囲である。
【００１５】歯と油切りとの間の軸方向の隙間２１に入
った油は、シャフトが固定されている時は、歯とシャフ
トの間の小さな隙間１９を通過せず、シャフトが回転す
ると、遠心力によって軸方向の隙間から排出される。非
常に小さいためにその隙間を埋めることができない歯の
表面の油の小滴までも、歯と油切りの間の隙間内におけ
る空気の回転による遠心力によって外側へ移動される。
従って、油や他の液体は、シャフトが回転しているかい
ないかに関わらず、ギアボックスや同様の筐体内に保持
されることになる。
【００１６】歯と油切りの対の組み合わせのいずれかを
別個に用いることも可能だが、本発明の好ましい実施の
形態は、その２つの対を共に用いている。図１は、第２
のシール歯の傾斜した外側面１４Ａを示しており、これ
により回転している油切りの歯から放出された液体は偏
向される。図２は、第２のシール歯のまっすぐな外側面
１４Ｂを示しており、これにより回転している油切りの
歯の非常にすぐ近くにある分割軸受（図示せず）は、固
定シールの歯を妨害することなく半径方向に取り外すこ
とができる。油切り歯１２の面１２Ａは、軸受が動くス
ラスト面としても使用することができる（図１および図
２に示されるいずれの形状においても）ことに注意しな
ければならない。
【００１７】図３は、本発明のシールシステムを利用し
た遠心圧縮機３０（またはタービン）段の一部の平面図
である。参照番号３２は、空気または他の気体を領域３
４に放出する圧縮機（またはタービン）の翼車を示して
いる。シャフト１０は、翼車へ、または翼車から動力を
伝達する。シャフト１０は回転対称である。このシャフ
トは半径方向軸受３６で支持されているが、他の軸受
（図示せず）で支持することもできる。軸受は、スラス
ト軸受としても作用するように設計されてもよく、軸受
側油切りの面１２Ａをスラスト面として用いることがで
きるであろう。
【００１８】シール３８は、翼車の後方（領域４０）か
ら空洞４２への空気または他の気体の流れを制限するよ
うに設計される。空洞４２は自由に外気に連通されるの
で、空洞４２内の圧力は大気圧とされるべきである。し
かし、領域３４内の圧力および領域４０内の圧力が大気
圧より低い場合、４２から４０への気体の漏洩によっ
て、空洞４２が大気圧をごくわずかに下回るようにされ
ることがある。
【００１９】加圧された半径方向軸受３６からの油の流
れは、軸受側油切り１２の面１２Ａに激しく衝突するこ
とがあり、そこで油は向きを変えて、シャフトから離れ
て半径方向外側に流れるか、またはシャフトの周りを接
線方向に移動し、油切り１２から滴り落ちるであろう。
軸受側シールの歯１４は半径方向において油切り１２の
すぐ近くにあり、それらの間のごく小さな隙間を抜けて
漏れる油は、もしあったとしても、非常に少量である。
軸受側シール歯１４と油切り１２の間の隙間を通り抜け
た油はいかなるものも、溝１３に入り込んでシャフトの
底へ流れ、そこで滴り落ちるか、あるいは単に空洞１７
の壁に沿って底へ流れ、そこでドレイン４６を抜けてギ
アボックスに戻り、それからドレイン４８を流れ落ち
る。ドレイン４６は、図示されるように軸受側シール歯
1４における単なる穴や長穴とすることができるが、空
洞１７とギアボックスドレイン４８との間の気体の連通
を妨げるための液溜めを備えたドレインであってもよ
い。
【００２０】翼車側の歯１８は、図示されるように油切
り１６と重なっている。これは、半径方向においてシャ
フト１０のすぐ近くにあるとともに、軸方向において油
切り１６のすぐ近くにある。油切り１２および１６は、
シャフト１０と一体化されていても、またはシャフト１
０に焼き嵌められていてもよい。
【００２１】ドレイン５０は、シールを通過したいかな
る油をも排出するように備えられることができ、さらに
空洞１７に対する排出口として働くものでもよい。
【００２２】本発明は、図面に示される好ましい実施例
を参照して、特に示され説明されたが、当業者は、請求
の範囲に記載の本発明の精神および範囲から逸脱するこ
となく、細部における様々な変更を行い得ることを理解
するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】シールの一実施形態の略平面図で、軸受の近傍
を示している。
【図２】シールの第２の実施形態の平面図で、軸受の近
傍を示している。
【図３】本発明のシールシステムを利用した遠心圧縮機
（またはタービン）段の一部の部分平面図である。
【符号の説明】
１０ シャフト １２ 油切り １２Ａ 油切り歯の表面 １３ 溝 １４ 固定歯 １４Ａ 傾斜した外側面 １４Ｂ まっすぐな外側面 １５ 隙間 １６ 油切り １７ 隙間（空胴） １８ 第１の歯 １９ 半径方向の隙間 ２０ 筐体（ハウジング） ２１ 軸方向の隙間 ３０ 遠心圧縮機 ３２ 翼車 ３４ 領域 ３６ 軸受 ３８ シール ４０ 領域 ４２ 空洞 ４６、４８、５０ ドレイン

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回転可能なシャフト上の歯と半径方向に
    おいて重なる固定歯を備え、そのシーリング動作が、半
    径方向における固定歯とシャフトの間、および軸方向に
    おける固定歯とシャフトの間の両方の制御された隙間に
    よってもたらされることを特徴とする、環状非接触型シ
    ール。
  2. 【請求項２】 回転可能なシャフト上に位置する歯とほ
    ぼ同一の半径方向面に位置する固定歯を備え、そのシー
    リング動作が、２つの歯の間の制御された隙間と、液体
    が向きを変えて、回転している歯と固定歯の間の隙間を
    軸方向に通過するのを困難にする、回転している歯から
    外方向へ移動する液体の運動量とによってもたらされる
    ことを特徴とする、環状非接触型シール。
  3. 【請求項３】 回転可能なシャフト上の第１の歯と半径
    方向において重なる第１の固定歯を備え、そのシーリン
    グ動作が、半径方向における固定歯とシャフトの間、お
    よび軸方向における固定歯とシャフトの間の両方の制御
    された隙間によってもたらされることを特徴とする、第
    １のシール手段と、 回転可能なシャフト上の第２の歯とほぼ同一の半径方向
    面にある第２の固定歯を備え、そのシーリング動作が、
    前記２つの歯の間の制御された隙間と、液体が向きを変
    えて、前記回転している歯と前記固定歯の間の前記隙間
    を軸方向に通過するのを困難にする、前記回転している
    歯から外方向へ移動する液体の運動量とによってもたら
    されることを特徴とする、前記第１のシール手段に隣接
    した第２のシール手段と、を組み合わせて備えた非接触
    型環状シール。
JP2001262084A 2000-08-31 2001-08-30 液体シール Pending JP2002130485A (ja)

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