JP2582940B2 - ガスを遮断する軸用非接触パッキン装置 - Google Patents
ガスを遮断する軸用非接触パッキン装置Info
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Description
このパッキンケーシング内に配置されたステータパッキ
ンリング及び軸に固定されたロータパッキンリングが設
けられており、前記両方のパッキンリングの対向するパ
ッキン端面間が、ガス遮断部であるパッキンギャップと
なる構成を有し、前記両パッキン端面の何れかには凹所
が設けられ、かつステータパッキンリングの内周面が、
パッキンケーシングの軸側シリンダ部の外周面に対して
に対して動作状態においてかつ所定の動作差圧のもとで
動作リングギャップを有し、この動作リングギャップ
が、ゴム又はプラスチックから成る密閉Oリングによっ
て密閉されており、かつステータパッキンリングが押付
けばねによる所定の押付け力で前記ガス遮断部側へ付勢
された状態で可動に支持されているガスを遮断する軸用
非接触パッキン装置に関する。
て、前記動作リングギャップと構造状設けた組立てリン
グギャップとは相違している。すなわち、動作リングギ
ャップは、密閉すべき動作差圧の影響を受けた撓みによ
り組立てた状態の組立てリングギャップから広がる。ま
た、このようなガスを遮断する非接触パッキン装置の構
成は、明らかに特殊なパッキン目的を考慮したものであ
り、その他に既存の構造理論にも用いられ、更に192
5年以来工学を発展させてきた適当な方法を用いても行
われている。なお、適当な硬質パッキン材料は、例えば
文献「VDI−ツァイトシュリフト」102(196
0)、No.18、第728〜732頁に記載されてい
る。
な公知のパッキン装置(ヨーロッパ特許第001367
8号明細書)において、凹所は、適当なパッキンリング
の少なくとも1つの周エッジから出発したスパイラル溝
であり、ロータパッキンリングだけは、熱伝導度の高い
かつ弾性係数の大きいかつ硬度の高い材料から成る。一
方、ステータパッキンリングは、必然的に弾性係数の比
較的小さいかつ硬度の低い材料、すなわち熱伝導度があ
まり優れていない炭素から成る。パッキン端面の表面あ
らさと空げき容積については、特別な値は設定されてい
ない。
置のステータパッキンリングの比較的小さな弾性係数と
熱伝導度の結果、パッキン装置の動作温度により生じる
ねじり変形、いわゆる折返しが生じる。実際に軸線方向
における温度差は25℃及びそれ以上になる。ステータ
パッキンリングのこのようなねじり変形は、パッキン特
性に不利な影響を及ぼし、かつ動作中のパッキン面の不
可避の接触のため両方のパッキンリングの、従ってパッ
キン装置全体の寿命に不利な影響を及ぼす。
と構成は次のようになっている。すなわち、ねじり変形
を防止するための、すなわちねじり変形に抗するための
モーメントが、ガスを遮断すべき部分(ガス遮断部)で
あるパッキンギャップにおける、圧力分散により生ぜし
められている。そのため、パッキン端面の凹所が送り作
用を奏し、かつポンプ作用を生じさせるようにスパイラ
ル溝とされ、かつ少なくともロータパッキンリングのパ
ッキン端面に設けられたスパイラル溝がパッキン端面の
周から出発し、反対側の周までつながらずダム又はウエ
ブにおいて終るという構成が、必然的に不可欠となって
いる。換言すれば、凹所が送風機の羽根のような役割を
奏している。その場合、スパイラル溝の深さ、いわゆる
ウエブ幅の割合及び重量に関して、所定の数値パラメー
タを維持しなければならない。これら強制的な処置を実
現した場合でさえ、ねじり変形に抗するために得られた
効果は不満足なものである。
らゆる動作状態において存在するわけではない。例え
ば、パッキン端面相互の面平行度は、復帰によっては最
大70%までしか回復しない。これらすべてのことは、
公知の処置が(負荷容量、安定度、摩擦モーメントのよ
うな)パッキンの潤滑工学的特性を考慮しておらず、一
方その結果生じる欠点がステータパッキンリングのねじ
り変形の復帰の試みによって十分には補償できないとい
うことに基づいている。そして、上記公知の構成おける
前記関係の結果、障害となる程高い漏れ速度が生じ、こ
の漏れ速度は、軸、すなわちロータパッキンリングの回
転速度の増加と共にスパイラル溝のポンプ作用のため大
幅に増加し、かつ不完全でしかない復帰によりさらに増
加する。
化により生じかつ動作差圧により生じるねじり変形を許
容することが、ガス遮断部における前記圧力分散によっ
て復帰しようとするステータパッキンリングの面慣性モ
ーメントの処理によって、行われるようにすることは、
別の障害となる欠点を生じる。すなわち、前記ねじりに
よれば力学的法則により、ステータパッキンリングがね
じりを受けた場合に生じる動作リングギャップよりも組
立てリングギャップをかなり大きくしておかなければな
らないようになる。
ける組立てリングギャップと動作リングギャップの比及
び組立てリングギャップの寸法については、常にガス遮
断部における前記圧力分散による復帰が重要となるもの
ではない。なぜなら温度により生じる変形とパッキン装
置の動作状態に依存する復帰は同時に生じるものではな
いからである。なお、他方において、ロータパッキンリ
ングとステータパッキンリングのパッキン端面の部分に
おける接触も、如何なる動作状態においても常に確実に
起こらないようにしなければならない。
る通常の直径比において、上述したパッキンケーシング
の軸側シリンダ部の外周面と可動支持されたステータパ
ッキンリングの内周面との間のギャップについての組立
てリングギャップの厚さは0.4又は0.5mmの付近
にある。このリングギャップの厚さは、動作差圧が生じ
た際にもゴム又はプラスチックから成るOリングによっ
て保持しなければならず、しかも始動状態において、未
だ最終的な温度分布が設定されていない場合にでも、温
度分布の最終的な設定後に所望の復帰が多少なりとも完
全に行われた場合にも、保持しなければならない。
に関してOリングは、動作差圧によってほぼ0.4又は
0.5mmの組立てリングギャップに相当するリングギ
ャップ内に押込まれず、かついわゆる押出しによってあ
まりに早くこわれないように構成する必要が有り、公知
の構成においてOリングは相応して硬く構成されてい
る。その材料硬度は、DIN53505によるショアA
で90及びそれ以上になっている。公知の構成によれ
ば、用途によりパッキン装置全体に対して数千動作時間
の通常の寿命が望まれる場合、80以上又は最大100
バールの動作差圧はあまり存在しないが、にもかかわら
ず100バールを大幅に越える高い動作差圧用でも機能
し得る初めに述べた基本構成のパッキン装置もますます
望まれている。
ッキンリングとパッキンケーシングのシリンダ部の間の
上記動作リングギャップに硬度の大きいOリングを用い
るとパッキン装置全体の動作障害が生じる。すなわち、
実際には前記構成のパッキン装置では、ロータパッキン
リングを有する軸が、完全に円形に回転することはな
く、かつ接続したケーシング部品を含むステータパッキ
ンリングに対して完全に同軸的に回転することはないの
で、ステータパッキンリングには誘発された振動が生じ
ることがある。
ャップにおいて(動作中にどのくらいの大きさに設定さ
れているかに関係なく)、パッキン作用に害を及ぼ差内
容にするためには、所定の遊びを実現しなければならな
い。ここで材料硬度の大きなOリングを用いた場合、こ
のOリングは、ステータパッキンリングの誘発された運
動に追従せず、かつ前記シリンダ部とステータパッキン
リングの間のリングギャップにおいてもガス遮断部にお
いても、パッキン作用に不利な影響を及ぼして前記の遊
びを害するからである。その他にロータパッキンリング
とステータパッキンリングにおけるパッキン端面の間に
不利な接触が生じることがある。したがって、ステータ
パッキンリングとパッキンケーシングのシリンダ部の間
には、それらの良好な平衡を保つため小さい材料硬度の
Oリングを用いることが望ましい。
く高い圧力に対して、例えば300又はそれどころか5
00バールまでの動作差圧に対して使用可能であり、し
かも高度なパッキン作用及び長い寿命で使用可能である
ように、初めに述べた構成のガスを遮断する非接触パッ
キン装置を改善することにある。
め、本発明は次のことを示している。すなわち、ステー
タパッキンリング及びロータパッキンリングは、70W
/mK(=kJ/mhK)より大きな熱伝導度、250
000N/mm2より大きな弾性係数、1%より小さい
空げき容積及び0.3μm(Ra)より小さい表面あら
さを有する硬質パッキン材料から成り、前記構成条件に
基づく面慣性モーメントを有するステータパッキンリン
グにおける前記動作リングギャップのギャップの厚さ
が、0.3mmより小さく、かつあらゆる動作状態にお
いて前記軸側シリンダ部とステータパッキンリングの間
の組立てリングギャップの構造的厚さと実質的に一致し
ており、前記密閉Oリングの材料硬度が如何なる動作差
圧においても前記動作リングギャップ内に押し込まれな
いために最低必要な材料硬度の限界値より大きくかつD
IN53505による90ショアAの材料硬度より小さ
い値とされ、前記凹所は、前記パッキンリングの半径方
向に走る中心線に対して左右対称の形状とされたことを
特徴としている。
テータパッキンリングのパッキン端面の配列は、上記構
成諸条件で形成されることにより、その動作中に変化せ
ず、なるべく常に初期状態が保たれる。従って、本発明
によるパッキン装置において凹所の構成に関して何らか
の復帰力の発生を考慮する必要はない。これにより、ロ
ータパッキンリング又はステータパッキンリングにおけ
る凹所とパッキン端面は、ガス遮断部により最適なパッ
キン作用が達成されることのみを条件として構成でき
る。そのため、ポンプ作用等は不要であり、せき止めエ
ッジを有し圧縮作用を有する部分として凹所を構成して
もよい。
動力学に関してガスの所定の送りを妨げるように作用
し、即ちせき止めを行う要素である。これを用いること
によりパッキン作用は最適化でき、凹所により特殊なバ
ランス条件の範囲で復帰力を発生しなければならないと
いう課題により最適化が害されることはない。
ングは、パッキン端面の温度により生じるねじり変形を
防止する面慣性モーメントを有する。このような面慣性
モーメントは、現在のコンピュータで支援した工業力学
の計算法によればわけなく検出できる。上記特許請求の
範囲等で表面あらさの値を示すために用いた「Ra」
は、DIN4768による平均あれ値を表している。ま
た、付加的にパッキン端面は、室温でかつ温度こう配0
の際に、直径100mmあたり0.4μm の平坦度を
有する。
の条件を満たすことに注意しながら、パッキンリングは
種々の材料から構成できる。パッキンリングを“タング
ステンカーバイド、シリコンカーバイド、シリコン/シ
リコンカーバイド複合物、チタンカーバイド”のグルー
プの材料の1つから構成することは優れているとわかっ
た。これらパッキンリングは、例えば燒結又はプレス燒
結によって作られ、その場合に空げき容積が調節でき
る。本発明の枠内では両方のパッキンリングは同じ材料
から構成できる。
ングに関し、かつ他方においてロータパッキンリングに
関してパッキンリングは前記材料の組を含んでいるよう
にしてもよい。また、最適化のために本発明は、パッキ
ンリングが0.5%より小さい空げき容積を有すること
を示している。ステータパッキンリングが、軸線方向に
少なくとも半径方向リング幅の2倍に相当するリング高
さを有するリング横断面を有すると有利である。
キン装置の構成は次のような特徴を有する。すなわち凹
所は、パッキン端面の周エッジから始まり、かつパッキ
ン端面の凹所のない部分から成るダムにおいて終わって
いる。しかし凹所は、パッキン端面の内径側(内周エッ
ジ)から出発していても、外径側(外周エッジ)から出
発していてもよく、かつ凹所のないダムにおいて終って
いることができる。特にせき止めエッジを有する構成の
場合、曲がりくねって延びたダムにおいて凹所を終了す
ることは有利である。
成は、本発明の範囲内において特に重要である。これに
関して本発明の有利な構成は、凹所のせき止めエッジが
ほぼ半径方向に延びているという特徴を有する。しかし
せき止めエッジは、平面図において円形の凹所の円弧状
部分として構成してもよい。本発明のその他の提案は、
せき止めエッジを平面図において三角形の凹所の辺エッ
ジとして構成し、これら凹所の三角形頂点が周エッジに
いわば切断されていることにある。
対して左右対称に構成されているようにすることはいつ
でも望ましい。この対称性が満たされている場合、本発
明によるガスパッキン装置は回転方向に関係なく動作す
る。なお、凹所の深さはμmの範囲にある。
る。すなわち本発明によるガスパッキン装置では、パッ
キンギャップ内における圧力分散によってねじり変形を
復帰するモーメントを生することがもはや必要ないとい
う前提の下に、潤滑工学的特性が組合わされ、かつ凹所
が構成されている。従って、はっきりしたポンプ作用を
生じさせるための凹所は省略でき、かつせき止めエッジ
を有する構成では実際に全く省略され、それにより漏れ
速度をかなり低下させることができる。
めに述べたようなガスパッキン装置を本発明によるガス
パッキン装置と比較した場合、漏れ速度は少なくとも5
0%減少できる。これには、動作中にパッキンリングが
温度上昇を生じるが、上記構成条件の下では、その温度
上昇の理由により障害となるねじり変形が実質的に生じ
ないということも貢献している。本発明の構成では、軸
線方向における温度差は1℃以下であるが、初めに述べ
た公知の構成ではほぼ20℃である。このことは、例え
ば軸直径50〜250mm、摺動速度ほぼ150m/s
ecのあらゆる通常の大きさのガスパッキン装置にあて
はまる。
モーメントがねじり変形を防止する。その上なお凹所を
配置していない範囲における小さな空げき容積及び小さ
な表面あらさが、さらに漏れ速度を低下させる。驚くべ
きことにウォーミングアップの問題及びクールダウンの
問題も全く存在しない。このことは、本発明によるパッ
キン装置ではステータパッキンリングとこれに対応する
ケーシングのシリンダ部との間の組立てギャップと動作
ギャップがあらゆる動作状態において実質的に同じギャ
ップの厚さを有するということに関連している。
ングギャップとが一致することから、そのギャップ厚さ
をより小さくすることができる。従って、そのギャツプ
の厚さにより、動作差圧が高い場合でさえOリングがそ
の中へ押し込まれる危険がないので、望ましい比較的低
い材料硬度のOリングが使用できる。それ故に本発明に
よるパッキン装置は、特に高圧パッキンとして適当であ
り、かつ常に長い寿命で動作する。
る。
装置は、基本構成において、パッキンケーシング2、パ
ッキンケーシング2内に配置されたステータパッキンリ
ング3、及び軸1上に配置された軸に固定のロータパッ
キンリング4から成る。両方のパッキンリング3、4は
それぞれのパッキン端面3a及び4aを面対向させてお
り、これらパッキン端面のうち本実施例においてはロー
タパッキンリング4のものが、外側又は内側のいずれか
の周エッジの方へ開いた凹所5を有し、これら凹所5
は、第1図において縮尺上の理由によりわからない6の
所のスペースギャップに対向している。
力で付勢されており、この押付け力は、本実施例ではス
テータパッキンリング3の周にわたって分散配置された
ばね7によってロータパッキンリング4の方向に生じ
る。パッキン端面の幅9より大きなリング高さ8を有す
るステータパッキンリング3は、可動に支持されてい
る。
70W/mK(=kJ/mhK)より大きな熱伝導度、
250000N/mm2より大きな弾性係数、1%より
小さい空げき容積及び0.3μm (Ra)より小さ
い、好ましくは0.03μm(Ra)より小さい表面あ
らさを有する硬質パッキン材料から成っている。これに
より、まずステータパッキンリング3は、パッキン端面
3aの温度により生じるねじり変形を防止し、また運転
動作に基づくその他の変形を防止する軸線方向面慣性モ
ーメントを有する。
分散によるねじり変形に抗するモーメントの形成を考慮
せずに、漏れ速度を最小にするように形成されかつ構成
されている。このことは、ポンプ作用に抗するせき止め
エッジ5aのために達成される。具体的には凹所5は、
半径方向せき止めエッジ5aを有しT字形に構成されて
いる。一方、第4図において凹所5は円形であり、ま
た、第5図においては先端を切断した三角形になってい
る。パッキンリング3、4は、前記の材料又は適当な組
合わせから成る。
ように、凹所5は、パッキン端面4aの外周エッジから
始まっており、かつパッキン端面4aの凹所のない部分
から成るダム10で終っている。第3図によれば凹所5
は、パッキン端面4aの内径からも外径からも始まって
いる。これら凹所は、中央の凹所のないダム10で終わ
っている。第3図においてダム10は、いわば曲がりく
ねって延びている。
方のパッキン端面3a、4aが互いに極めて正確に平行
に構成されていることを明らかにするものである。これ
らパッキン端面は動作状態においてパッキンギャップ6
を形成しており、しかも不変ギャップを形成している。
このギャップは、動作中にはガス遮断部として維持され
る。
てある。本実施例では、動作中に設定される動作リング
ギャップFは、構造上設けられた組立てリングギャップ
と同じである。両方共実際に同じギャップの厚さを有す
る。半径方向のギャップの厚さは0.3mmに等しいか
又はそれより小さいと有利である。ステータパッキンリ
ング3は、上記構成条件により形成されることにより、
あらゆる動作条件においてねじりのないように構成され
ている。また、この第7図に示した拡大部分は、Oリン
グ11が動作差圧の高い場合にも前記わずかなギャップ
の厚さを有する動作リングギャップF内に押込まれるこ
とがなく、従ってこの動作リングギャップF内に押込ま
れないことを明らかにするものである。このことは、動
作リングギャップFが極めて小さいことに基づいてい
る。
硬度を有するものでよいので、上記作用の欄で述べたよ
うに、ステータパッキンリング3とケーシング2の軸側
シリンダ部との良好な平衡が可能である。本発明によれ
ば、パッキン端面相互の配列にとって有利な弾性を有す
るOリング11を使用することができる。第1図に示し
た押付けばね7は、例えば閉じたベローばねの様式によ
り構成でき、かつ付加的に心出し要素として使用でき
る。
パッキンリング4におけるパッキン端面4a及びステー
タパッキンリング3におけるパッキン端面3aは、互い
に平行に配置されているが、第6図に示したように、ス
テータパッキンリング3のパッキン端面3aが半径方向
断面において2つのリング面から成り、これらリング面
が尾根状に延びるエッジ12を形成するように互いに接
続されている構成を、第1図のものの一部として拡大し
て破線で示している。本実施例においてこれらリング面
は互いに斜めに並んでおり、かつ尾根を形成している。
これらリング面は、その代わりに段を形成していてもよ
い。
度変化により生じるねじり又は運転動作により生じるそ
の他の変形を受けないように構成したという基本技術に
基づいている。それにより、組立てリングギャップを極
めて小さな厚さとすることが可能となり、その結果、そ
れと実質的に同じ動作リングギャップFを実現すること
ができる。この極めて小さいギャップは、300又はそ
れどころか500バールの動作差圧の場合でさえ、Oリ
ング11がそのギャップ内に押し込まれることがないこ
とから、Oリングが早い時期に破損することを防止でき
る。この結果、上述の平衡作用が達成される。
ン装置は、高いかつ極めて高い圧力にも適し、しかも最
小の漏れ速度及び極めて長い寿命を有するという点で優
れている。
の軸線方向断面図である。
ある。
す図である。
す図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 パッキンケーシング(2)、このパッキ
ンケーシング(2)内に配置されたステータパッキンリ
ング(3)及び軸(1)に固定されたロータパッキンリ
ング(4)が設けられており、前記両方のパッキンリン
グ(3)、(4)の対向するパッキン端面(3a)、
(4b)間が、ガス遮断部であるパッキンギャップとな
る構成を有し、前記パッキン端面(3a)又は(4b)
の何れかには凹所(5)が設けられ、かつステータパッ
キンリング(3)の内周面が、パッキンケーシング
(2)の軸側シリンダ部の外周面に対して動作状態にお
いてかつ所定の動作差圧のもとで動作リングギャップ
(F)を有し、この動作リングギャップ(F)が、ゴム
又はプラスチックから成る密閉Oリング(11)によっ
て密閉されており、かつステータパッキンリング(3)
が押付けばね(7)による所定の押付け力で前記ガス遮
断部側へ付勢された状態で可動に支持されているガスを
遮断する軸用非接触パッキン装置において、 ステータパッキンリング(3)及びロータパッキンリン
グ(4)は、70W/mK(=kJ/mhK)より大き
な熱伝導度、250000N/mm2より大きな弾性係
数、1%より小さい空げき容積及び0.3μm(Ra)
より小さい表面あらさを有する硬質パッキン材料から成
り、 前記構成条件に基づく面慣性モーメントを有するステー
タパッキンリング(3)における前記動作リングギャッ
プ(F)のギャップの厚さが、0.3mmより小さく、
かつあらゆる動作状態において前記軸(1)側シリンダ
部とステータパッキンリング(3)の間の組立てリング
ギャップの構造的ギャップの厚さと実質的に一致してお
り、 前記密閉Oリング(11)の材料硬度が如何なる動作差
圧においても前記動作リングギャップ(F)内に押し込
まれないために最低必要な材料硬度の限界値より大きく
かつDIN53505による90ショアAの材料硬度よ
り小さい値とされ、 前記凹所(5)は、前記パッキンリング(3)、(4)
の半径方向に走る中心線に対して左右対称の形状とされ
たことを特徴とするガスを遮断する軸用非接触パッキン
装置。 - 【請求項2】 前記凹所(5)が、ほぼ半径方向に延び
るせき止めエッジ(5a)を有し圧縮作用を有すること
を特徴とする請求項1記載のパッキン装置。 - 【請求項3】 前記ロータパッキンリング(4)とステ
ータパッキンリング(3)が、“タングステンカーバイ
ド、シリコンカーバイド、シリコン/シリコンカーバイ
ド複合物、チタンカーバイド”のグループの材料の1つ
又はこれらの組から成ることを特徴とする請求項1〜3
の1つに記載のパッキン装置。 - 【請求項4】 ステータパッキンリング(3)とロータ
パッキンリング(4)のパッキン端面(3a)、(4
a)が、室温でかつ温度こう配0の際に、直径100m
mあたり0.4μmの平坦度を有することを特徴とする
請求項1〜3の1つに記載のパッキン装置。 - 【請求項5】 ステータパッキンリング(3)とロータ
パッキンリング(4)が、0.5%より小さい空げき容
積を有することを特徴とする請求項1〜4の1つに記載
のパッキン装置。 - 【請求項6】 ステータパッキンリング(3)が、軸線
方向に少なくともリング幅の2倍に相当するリング高さ
のリング横断面を有することを特徴とする請求項1〜5
の1つに記載のパッキン装置。 - 【請求項7】 凹所(5)が、パッキン端面(3a)又
は(4b)の外周又は内周エッジから始まり、かつ反対
側周エッジ側のダムにおいて終っていることを特徴とす
る請求項1〜6の1つに記載のパッキン装置。 - 【請求項8】 半径方向断面においてステータパッキン
リング(3)のパッキン端面(3a)が、異なる傾斜の
少なくとも2つのリング面から成り、これらリング面の
接続部が尾根状部を構成するように形成されたことを特
徴とする請求項1〜7の1つに記載のパッキン装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3940258.4 | 1989-12-06 | ||
DE19893940258 DE3940258A1 (de) | 1989-10-12 | 1989-12-06 | Gasgesperrte, kontaktlose dichtungsanordnung fuer eine welle |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04272582A JPH04272582A (ja) | 1992-09-29 |
JP2582940B2 true JP2582940B2 (ja) | 1997-02-19 |
Family
ID=6394870
Family Applications (1)
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