JP2009228860A - シール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のシールリングを有する多重シール構造において、回転軸へのシールリングの誤組みを防止する。
【解決手段】各シールリング（第１リング１３及び第２リング１４）の幅は全て異なり、各シールリングが収容される各リング溝（第１リング溝１１及び第２リング溝１２）の溝幅は全て異なり、かつ、最も小さい幅のシールリング（第２リング１４）以外のシールリング（第１リング１３）の幅は、自身より小さい他のシールリング（第２リング１４）が収容されるリング溝（第２リング溝１２）の溝幅よりも大きく設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸と静止部材との間における流体の軸方向の移動を制限するためのシール構造に関し、特に、回転軸へのシールリングの誤組みを防止することができるシール構造に関する。

回転流体機械においては、回転軸とこれを囲む静止部材との間における流体の軸方向の移動を制限するためのシール構造が設けられる。例えば、過給機におけるシール構造は、タービン側からベアリングハウジング側への排気ガスの漏れ、及び、コンプレッサ側からベアリングハウジング側への空気の漏れを防止するために設けられる。なお、上記の排気ガス又は空気の漏れは「ブローバイ」と呼ばれる。

図４は過給機における従来のシール構造の構成図である。図６において、左側は高圧側（タービン側又はコンプレッサ側）であり、右側は回転軸２０の軸受側である。回転軸２０の外周には環状のリング溝２２が形成されており、このリング溝２２にはシールリング２３が装着されている。シールリング２３は、リングの一部が切り欠かれた形状を有しており、自らの張力（広がろうとする力）によってハウジング２１の内周面で支持されている。

シールリング２３の軸受側の端面２３ａはリング溝２２と接触しており、この接触面がシール面となってシールがなされる。ここで、高圧側の圧力は、シールリング２３に対して接触面への押付け力として作用する。回転軸２０が軸心２０ａを中心に回転することで、シールリング２０とリング溝２２は擦れ合うが、軸受側からは潤滑油ミストが飛散してきて、この潤滑油ミストが接触面に入り込むことで、接触面の摩擦係数を減少させて磨耗を防ぐ。なお、図４と同種のシール構造は、例えば、下記特許文献１に開示されている。

図４のシール構造は、一つのシールリング２３でシールするものであるが、より高圧使用条件のもとでは、シール性能を向上させブローバイを低減させるためにシールリングを２つ用いた２重シール構造が採用される。図５は２重シール構造の場合の構成図である。
図５において、回転軸２０の外周面には互いに軸方向に離間して環状の第１及び第２のリング溝２４、２５が形成されており、各リング溝２４、２５にはそれぞれシールリング（第１リング２６及び第２リング２７）が装着されている。第１リング２６及び第２リング２７は、軸受側の端面２６ａ、２７ａにおいてリング溝２４、２５と接触しており、各接触面がシール面となってシールがなされる。
なお、図７と同種のシール構造は、例えば、下記特許文献２に開示されている。

特開２００６−８３７７９号公報 特開２００４−１１６５１４号公報

ところで、上述した２重シール構造において、第１リングと第２リングは、同一寸法で製作されている。しかしながら、第１リングと第２リングとで材質を異ならせたり、一方のみに特別な表面処理を施したりするなど、形状以外の部分で仕様を異ならせる必要が生じた場合、第１リングと第２リングで外観にほとんど違いが見られないため、製造工程において、回転軸に第１リングと第２リングを挿入する際に、第１リングと第２リングを、誤って装着すべきリング溝とは別のリング溝に装着してしまう恐れがある。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、複数のシールリングを有する多重シール構造において、回転軸へのシールリングの誤組みを防止することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明のシール構造は、以下の技術的手段を採用する。
（１）本発明は、回転軸と、該回転軸を半径方向に隙間を空けて囲む静止部材との間に設けられ、前記回転軸と前記静止部材との間における流体の軸方向の移動を制限するためのシール構造であって、前記静止部材に対向する前記回転軸の外周面に軸方向に互いに離間して形成された環状の複数のリング溝と、軸方向に互いに離間して、前記複数のリング溝の各々に収容された複数のシールリングと、を備え、前記各シールリングの幅は全て異なり、各シールリングが収容される各リング溝の溝幅は全て異なり、かつ、最も小さい幅のシールリング以外のシールリングの幅は、自身より小さい他のシールリングが収容されるリング溝の溝幅よりも大きく設定されている、ことを特徴とする。

上記の本発明の構成によれば、回転軸にシールリングを装着する際に、誤って先に幅の小さいシールリングを挿入して、本来それが挿入されるべきリング溝とは別の幅の大きいリング溝に装着してしまっても、その後に、幅の大きいシールリングは幅の狭いリング溝に装着できないため、作業者は誤組みであることを認識できる。したがって、効果的に誤組みを防止できる。

（２）また、上記のシール構造において、前記回転軸へのシールリングの挿入方向は一方向のみに限定されており、前記各シールリング及び前記各リング溝の幅は、挿入方向の前方側に配置されるものほど大きく設定されている、ことを特徴とする。

シールリングの回転軸への挿入方向が一方向のみに限定される場合、正しい装着順序では奥側のシールリングから先に装着されることになるが、奥側のシールリングほど幅が大きく且つ奥側のリング溝ほど幅が大きくなっていることで、限定された挿入方向で幅の大きいシールリングを挿入したとき、幅の大きい奥側のシールリングが手前側にある幅の狭い別のシールリング用のリング溝に嵌ることなく通過できるので、装着作業をスムーズに行うことができる。

上述したように、本発明のシール構造によれば、回転軸へのシールリングの誤組みを防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
また以下では、過給機におけるシール構造について説明するが、本発明はこれに限定されず、他の回転流体機械のシール構造においても適用可能である。

図１は、本発明の第１実施形態にかかるシール構造１０Ａの構成図である。
シール構造１０Ａは、軸心２ａを中心に回転する回転軸２と、回転軸２を半径方向に隙間を空けて囲む静止部材であるハウジング３との間に設けられ、回転軸２と静止部材であるハウジング３との間における流体の軸方向の移動を制限する。上記の隙間は軸方向に離間した高圧側（タービン側又はコンプレッサ側）と軸受側との間に設けられている。高圧側は軸受側よりも圧力が高く、軸受側は潤滑油が飛散する空間である。

ハウジング３の内周面に対向する回転軸２の外周面には互いに軸方向に離間して環状の第１及び第２のリング溝１１、１２が形成されており、各リング溝１１、１２にはそれぞれシールリング（第１リング１３及び第２リング１４）が収容されている。

第１リング１３及び第２リング１４は、リングの一部が切り欠かれた形状を有しており、自らの張力（広がろうとする力）によってハウジング３の内周面で支持されている。図１の構成例では、ハウジング３において、第１リング１３と第２リング１４を支持する部分の内周径は同じあり、第１リング１３と第２リング１４の外周径及び軸方向投影面積も同じである。
第１リング１３及び第２リング１４は、軸受側の端面１３ａ、１４ａにおいてそれぞれ第１リング溝１１及び第２リング溝１２と接触しており、各接触面がシール面となってシールがなされる。

高圧側の圧力は、第１リング１３及び第２リング１４に対して接触面への押付け力として作用する。回転軸２が軸心２ａを中心に回転することで、各シールリング１１、１２とこれに対応する各リング溝１３，１４は擦れ合うが、軸受側からは潤滑油ミストが飛散してきて、この潤滑油ミストが接触面に入り込むことで、接触面の摩擦係数を減少させて磨耗を防ぐ。

本実施形態において、第１リング１３は第２リング１４より硬い材料からなる。第１リング１３と第２リング１４の材料の組み合わせの一例としては、第１リング１３がＨＲＣ４５〜６０の硬さを有するＡＩＳＩ Ｍ２（ＪＩＳ規格ＳＫＨ５１相当）であり、第２リング１４がＨＲＣ４６以下の硬さを有するＡＩＳＩ ４２０（ＪＩＳ規格ＳＵＳ４２０Ｊ２相当）である。

第１リング１３は第２リング１４よりも、接触面への押付け力が増しかつ潤滑油の供給量が少ないために磨耗に関して厳しい環境下に置かれるが、第１リング１３を、第２リング１４より硬い材料からなるものとすることで、第１リング１３に必要十分な耐磨耗性能を与えることができる。一方で、第２リング１４については、第２リング１４の条件ではなく、第２リング１４の条件に合わせて製作できるので、必要以上の耐磨耗性能を与えることがなく、コストを抑えることができる。このように、本実施形態では、第１リング１３と第２リング１４とで材質が異なっている。

図１において、第１リング溝１１の溝幅（軸方向寸法）は第２リング溝１２の溝幅よりも大きく、第１リング１３の幅（軸方向寸法）は第２リング１４の幅よりも大きい。また、第１リング１３の幅Ｌ１は第２リング溝１２の溝幅Ｌ２よりも大きい。

上述したシール構造を形成するために、製造工程において、上記の第１リング１３と第２リング１４は、図２に示すように、回転軸２に挿入されて各リング溝１１，１２に装着される。ここで、回転軸２には、図２に示すように、例えばタービンインペラ５と回転軸２とが一体形成されたもののように、第１リング１３と第２リング１４の回転軸２への挿入方向が一方向（図２で左に向かう方向）のみに限定されるものがある。

本実施形態の構成によれば、第１リング溝１１の溝幅が第２リング溝１２の溝幅よりも大きく、第１リング１３の幅が第２リング１４の幅よりも大きく、かつ、第１リング１３の幅Ｌ１が第２リング溝１２の溝幅Ｌ２よりも大きいので、回転軸２に第１リング１３と第２リング１４を装着する際に、誤って先に幅の小さい第２リング１４を挿入し第１リング溝１１に装着してしまっても、幅の大きい第１リング１３は幅の狭い第２リング溝１２に装着できない。このため、作業者は誤組みであることを認識できるので、効果的に誤組みを防止できる。

図２の構成例では、挿入方向の前方側の第１リング１３及び第１リング溝１１の幅を、第２リング１４及び第２リング溝１２のそれに対して大きくしているが、大小関係は逆であってもよい。この場合でも、幅の大きいほうのシールリングは幅の小さいほうのリング溝に装着できないため、作業者は誤組みであることを認識できる。

ただし、図２の構成例のように、第１リング１３と第２リング１４の回転軸２への挿入方向が一方向のみに限定される場合は、挿入方向の前方側の第１リング１３及び第１リング溝１１の幅を、第２リング１４及び第２リング溝１２のそれよりも大きくするのがよい。この構成により、正しい装着順序では第１リング１３が先に装着されることになるが、図２の挿入方向で第１リング１３を挿入したとき、第２リング溝１２に嵌ることなく通過できるので、装着作業をスムーズに行うことができる。

なお、上記の誤組み防止構造は、３つ以上のシールリングとリング溝により構成されたシール構造においても適用可能である。この場合、３つ以上のシールリングの幅は全て異なり、各シールリングが収容される３つ以上のリング溝の溝幅は全て異なり、かつ、最も小さい幅のシールリング以外のシールリングの幅は、自身より小さい他のシールリングが収容されるリング溝の溝幅よりも大きく設定されることで、上記と同様に誤組みを防止できる。またこの場合において、シールリングの挿入方向が一方向のみに限定される場合は、シールリング及びリング溝の幅は、挿入方向の前方側に配置されるものほど大きく設定されるのが好ましく、この構成により、上記と同様に装着作業をスムーズに行うことができる。

図３は、本発明の第２実施形態にかかるシール構造１０Ｂの構成図である。
本実施形態においても、ハウジング３の内周面に対向する回転軸２の外周面には互いに軸方向に離間して環状の第１及び第２のリング溝１１、１２が形成されており、各リング溝１１、１２にはそれぞれシールリング（第１リング１３及び第２リング１４）が収容されている。

本実施形態において、第１リング１３のシール面となる端面１３ａには、第２リング１４より耐磨耗性を向上させる表面処理層１５が形成されている。この表面処理層１５は、第２リング１４より硬い材料からなるコーティング、又は接触面の摩擦係数が、第２リング１４と第２リング溝１２の接触面の摩擦係数より低くなるようなコーティングである。

このように、第１リング１３のシール面に、表面処理層１５として、第２リング１４より硬い材料からなるコーティングを施すことにより、第１リング１３の接触面（シール面）の表面硬度を上げることで必要十分な耐磨耗性能を与えることができる。あるいは、第１リング１３のシール面に表面処理層１５として、接触面の摩擦係数を、第２リング１４とリング溝の接触面の摩擦係数より低くするコーティングを施すことにより、第１リング１３の接触面（シール面）の摩擦係数を下げることで必要十分な耐磨耗性能を与えることができる。一方で、第２リング１４については、第１リング１３の条件ではなく、第２リング１４の条件に合わせて製作できるので、必要以上の耐磨耗性能を与えることがなく、コストを抑えることができる。

図３の構成例では、第１リング１３の表面全体に表面処理層１５が形成されているが、表面処理層１５はシール面となる部分にのみ形成してもよい。また、図３の構成例では、接触面の摩擦係数を第２リング１４と第２リング溝１２の接触面の摩擦係数より低くするコーティングは、第１リング１３側の接触面に形成されているが、第１リング溝１１側の接触面に形成してもよく、第１リング１３と第１リング溝１１の両方の接触面に形成してもよい。

このように、本実施形態では、第１リング１３と第２リング１４とでは表面処理層１５の有無により表面の耐磨耗性能が異なっている。

本実施形態においても、第１実形態と同様のシールリングの誤組み防止構造が採用されている。すなわち、図３において、第１リング溝１１の溝幅（軸方向寸法）は第２リング溝１２の溝幅よりも大きく、第１リング１３の幅（軸方向寸法）は第２リング１４の幅よりも大きい。また、第１リング１３の幅Ｌ１は第２リング溝１２の溝幅Ｌ２よりも大きい。

したがって、回転軸２に第１リング１３と第２リング１４を装着する際に、誤って先に幅の小さい第２リング１４を挿入し第１リング溝１１に装着してしまっても、幅の大きい第１リング１３は幅の狭い第２リング溝１２に装着できない。このため、作業者は誤組みであることを認識できるので、効果的に誤組みを防止できる。

なお、第１リング１３と第２リング１４の回転軸２への挿入方向が一方向のみに限定される場合に、挿入方向の前方側の第１リング１３及び第１リング溝１１の幅を、第２リング１４及び第２リング溝１２のそれよりも大きくするのがよい点、及び、３つ以上のシールリングとリング溝により構成されたシール構造においても適用可能である点については、第１実施形態と同様である。

上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の第１実施形態にかかるシール構造の構成図である。 第１リングと第２リングが回転軸に装着された状態を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかるシール構造の構成図である。 過給機における従来のシール構造の構成図である。 過給機における従来の別のシール構造の構成図である。

符号の説明

２ 回転軸
２ａ 軸心
３ ハウジング
４、４ａ、４ｂ ハウジングの内周面
１０Ａ、１０Ｂ シール構造
１１ 第１リング溝
１２ 第２リング溝
１３ 第１リング
１３ａ 第１リングの端面
１４ 第２リング
１４ａ 第２リングの端面
１５ 表面処理層

Claims (2)

1. 回転軸と、該回転軸を半径方向に隙間を空けて囲む静止部材との間に設けられ、前記回転軸と前記静止部材との間における流体の軸方向の移動を制限するためのシール構造であって、
   前記静止部材に対向する前記回転軸の外周面に軸方向に互いに離間して形成された環状の複数のリング溝と、
   軸方向に互いに離間して、前記複数のリング溝の各々に収容された複数のシールリングと、を備え、
   前記各シールリングの幅は全て異なり、各シールリングが収容される各リング溝の溝幅は全て異なり、かつ、最も小さい幅のシールリング以外のシールリングの幅は、自身より小さい他のシールリングが収容されるリング溝の溝幅よりも大きく設定されている、ことを特徴とするシール構造。
2. 前記回転軸へのシールリングの挿入方向は一方向のみに限定されており、
   前記各シールリング及び前記各リング溝の幅は、挿入方向の前方側に配置されるものほど大きく設定されている、請求項１記載のシール構造。

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