JP4445932B2 - 軸流型非接触シール - Google Patents

Description

本発明は、軸流型非接触シールに係り、詳しくは、ガスや液体等の流体用の軸シール全般を対象とし、ロータリージョイント、特に、設置スペースが狭く、かつ、冷却水の確保が困難なロータリージョイントに好適な軸流型非接触シールに関するものである。

小径の回転軸を有するロータリージョイント等に用いるシールは、寸法の問題からメカニカルシールの装着が困難であり、また滅菌の要求に対応する必要があることからリップシールを用いることが多い。ところが、リップシールでは、リップ部の回転軸との接触による磨耗によってコンタミ（コンタミネーション）が生じるので、それが悪影響を及ぼすおそれのある場合にはラビリンスシール等が用いられることになるが、漏れ量等のシール性能面では要求に応じ難い面がある。

そこで、それらの問題を解決すべく軸流型非接触シールが開発されている。例えば、先に出願されたものである特許文献１において提案されているように、回転側体の外周面に微小な間隙をもって外嵌自在な寸法の内周面を有するシールリングと、このシールリングをシール状態で径方向移動可能に、かつ、回転不能に収容する固定側体とを有し、前記内周面には、供給されてくる高圧のシール用流体を前記外周面に向けて放出するための開口部が形成され、前記開口部から前記シール用流体を放出することで前記内周面と前記回転軸の外周面との微小な隙間を維持しながらシールするように構成されている軸流型非接触シールがある。

前記軸流型非接触シールでは、非接触のため磨耗が無く長寿命で、かつ、コンタミの発生も無いとともに、デッドエンド部を有さないので、細菌の繁殖が防止されて滅菌が要求される場合にも適用できる利点がある。また、シールガスによってほぼ完全にシール可能であって粉体のシールにも対応でき、さらに、比較的コンパクトに構成できて小径の回転軸等の軸封部適用可能となる長所もある。
特願２００４−２２８４６６号

しかしながら、種々の利点を有する前記軸流型非接触シールにでも、改善の余地が残されていることが分かってきた。即ち、軸流型非接触シールの設計において非接触状態を維持するための手段としては、シールリングの内径を小さくして回転側体の外周面との隙間を小さくし、シールガスの圧が少ない場合でも隙間剛性を確保可能とする手段があるが、回転軸（シャフト）、スリーブ等の回転側体は多くの場合ステンレス製であって、その熱膨張係数や温度を考慮すると、設計隙間をあまり狭くできない問題がある。

また、水平回転軸等、回転側体が横向き姿勢で回転するものである場合には、回転停止状態では、シールリング内周面の上側部分が回転側体の外周面上側部分に接近しているといった具合に、シールリングがその自重によって回転時よりも下がり気味の位置となっている状況にあり、機器の起動時（回転開始時）におけるシールリングの回転側体との接触を回避することから、やはり上記隙間をあまり小さくできないという問題がある。

上記実情に鑑みることにより、本発明の目的は、種々の利点を有する軸流型非接触シールを、上記の問題が解消されてより洗練されたものとして提供する点にある。

請求項１に係る発明は、回転側体Ｋの外周面２Ａに微小な間隙Ｈをもって外嵌自在な寸法の内周面６Ａを有するシールリング６と、このシールリング６をシール状態で径方向移動可能に、かつ、回転不能に収容する固定側体５とを有し、前記内周面６Ａには、供給されてくる高圧のシール用流体Ｇを前記外周面２Ａに向けて放出するための開口部７が形成され、前記開口部７から前記シール用流体Ｇを放出することで前記内周面６Ａと前記回転側体Ｋの外周面２Ａとの微小な隙間Ｈを維持しながらシールするように構成されている軸流型非接触シールにおいて、
前記回転側体Ｋが、回転部材１との間がシールされ、かつ、一体回転状態で前記回転部材１に外嵌されるとともに前記回転部材１よりも小なる熱膨張係数を持つ材料で成る環状のスリーブ２から構成されており、前記外周面２Ａが前記スリーブ２の外周面であり、
前記スリーブ２には、これと前記回転部材１との間をシールするＯリング８を収容するための内周溝２Cが形成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の軸流型非接触シールにおいて、前記シールリング６の両側周面６ａ，６ｂと前記固定側体５との間の夫々がＯリング１１でシールされるとともに、前記シールリング６の外周面６Ｂと前記固定側体５におけるシールリング収容凹部１０とで囲まれるリング状の空間部Ｓに供給される前記シール用流体Ｇを、前記開口部７に導くために前記シールリング６を径方向に貫く供給孔１４が形成されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の軸流型非接触シールにおいて、前記回転部材１が水平向きの回転軸であることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、詳しくは実施形態の項にて説明するが、スリーブの材質を回転軸に比べて熱膨張係数の低いものに設定してあるので、運転状態等の機器が高温となる場合においても、回転側体とシールリングとの微小間隙の値を従来に比べて小さくすることができ、従って、微小間隙に関する隙間剛性が上がり、シールリングとスリーブとが機器の挙動に対して接触し難くなる。そして、隙間剛性が向上することによって従来よりも単位時間当りの供給ガス量を減らすことが可能になり、シールガスの消費量が削減されてランニングコストの低減が可能になる。また、微小隙間の値が小さくなったことにより、機内側流体の漏れがより生じ難くなる利点もある。

その結果、回転側体とシールリングとの間に回転軸よりも熱膨張係数の小さいスリーブを介装させる工夫により、シール用流体によってシールされる箇所である微小間隙を従来よりも小さくすることができ、種々の利点を有する軸流型非接触シールを、シール性能が向上するようにしながら実現することができる。この場合、スリーブに形成された内周溝に収容されるＯリングにより、回転側体とスリーブとの間をシールすることができる。

請求項２のように、シールリングを、シール用流体を径方向に貫いて通すための供給孔が形成され、かつ、一対のＯリングで両側周面がシールされる状態で固定側体に径方向移動可能に収容される構造や、請求項３のように、水平な姿勢で回転する回転軸によって回転側体が形成されるものとすることができる。

以下に、本発明による軸流型非接触シールの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１〜図３は実施例１の軸流型非接触シールを示す全体断面図、シールリング断面図、シールリング内周面図であり、図４〜図６は参考例の軸流型非接触シールを示す全体断面図、シールリング断面図、シールリング内周面図である。

〔実施例１〕
実施例１による軸流型非接触シールＡを図１〜図３に示す。図１において、１は軸心Ｐを有する回転軸（回転部材の一例）、２は水平な回転軸１に一体回転状態で外嵌される筒状のスリーブ（回転側体の一例）、３はスリーブ２を回転軸１に係止するためのストッパリング、４は本機ケーシング、５は本機ケーシングにボルト止めされるシールケーシング（固定側体の一例）、６はシールケーシング５に収容されるシールリングである。つまり、軸流型非接触シールＡは、シールケーシング５、シールリング６、及びスリーブ２を最小構成部品として構成されている。

具体的には、軸流型非接触シールＡは、スリーブ２の外周面２Ａに微小な間隙Ｈをもって外嵌自在な寸法の内周面６Ａを有する断面矩形形状で環状を呈するシールリング６と、このシールリング６をシール状態で軸心Ｐに関する径方向移動可能に、かつ、回転不能に収容するシールケーシング５とを有し、内周面６Ａには、供給されてくる高圧のシール用流体を外周面２Ａに向けて放出するための開口部７が形成され、開口部７からシール用流体を放出することで内周面６Ａとスリーブ２の外周面２Ａとの微小な隙間Ｈを維持しながらシールするように構成されている。

回転軸１はステンレス製であってその外周面１Ａと、スリーブ２の内周面２Ｂとの間には、前述の間隙Ｈよりも大なる寸法の隙間Ｊが形成されている。スリーブ２は、ステンレスよりも熱膨張係数が小さい材質、例えばＳｉＣ、アルミナ、チタン等の材質で形成されており、その軸方向（軸心Ｐ方向）の両端部に形成された内周溝２Ｃ，２Ｃに収容されるゴム等の弾性材によるＯリング８，８によって、回転軸１とスリーブ２のとの間が温度の高い低いの如何に拘らずにシールされるように構成されている。軸方向に並ぶセットビス９，９によって回転軸１に外嵌係止されているストッパーリング３には、その一端部にスリーブ２の端部が内嵌され、かつ、スリーブ２の端部に形成されている挿通孔２ａにいずれかのセットビス９を貫通させてあり、これによってスリーブ２が回転軸１にシールされ、かつ、一体回転する状態に外嵌されている。

シールケーシング５は、本機ケーシング４に直接接する本体ケース５Ａと、本体ケース５Ａに重ねられるカバーケース５Ｂとから成り、これら両ケース５Ａ，５Ｂとによって形成される大なる内周溝が、シールリング６を径方向移動可能に収容するシールリング収容凹部１０に形成されている。各ケース５４Ａ，５Ｂには、シールリング６の一対の側周面６ａ，６ｂとの間をシールするためのＯリング１１，１１を収容する側周溝５ａ，５ｂが形成されている。本体ケース５Ａには、外部から供給されてくる加圧されたシールガス（シール用流体の一例）Ｇを、シールリング６の外周面６Ｂとシールリング収容凹部１０とで囲まれるリング状の空間部Ｓに供給するためのガス供給孔１２が形成されている。

シールリング６は、その両側周面６ａ，６ｂと各ケース５Ａ，５Ｂとの間の夫々がＯリング１１でシールされるとともに、リング状の空間部Ｓに供給されるシールガスを、内周面６Ａに形成される開口部１３に導くためにシールリング６を径方向に貫く供給孔１４が形成されている。供給孔１４は、図２，図３に示すように、軸心Ｐに関する４５度間隔の８箇所に放射状に形成されており、供給孔１４の内周面６Ａ側端は、周方向にある程度の長ささを有する圧力溝１５に形成されている。

圧力溝１５は、全供給孔１４を連通連結して周方向に繋がる連続的な単一の溝でも、各供給孔１４毎に独立して形成される分断された溝でも良く、実施例１においては、均等角度毎に８箇所（８箇所以外の複数箇所でも良い）に形成された圧力溝１５を有する分断された場合の溝が開示されている。各圧力溝１５は、軸方向（軸心Ｐ方向）の幅が一定で、かつ、供給孔１４部位がもっとも深く、周方向端に向かうに連れて浅くなる湾曲溝底１５ａを有する溝に形成されている。尚、各供給孔１４の外周側端にはオリフィス１３が形成されている。

実施例１による軸流型非接触シールＡにおいては、ガス供給孔１２、リング状の空間部Ｓ、オリフィス１３、供給孔１４をこの順で通過して供給されてくるシールガスＧが、８箇所の圧力溝１５（開口部７）から軸心Ｐに向けて噴出されてスリーブ２の外周面２Ａに吹き付けられ、スリーブ２とシールリング６との微小間隙Ｈを維持しながらシールするようになる。つまり、加圧シールガスにより、微小間隙Ｈの隙間剛性が維持され、回転側体であるスリーブ２と、回転しない点からは固定側体（固定環）であると言えるシールリング６とを非接触でシールするのである。微小間隙Ｈに供給された加圧ガスＧは、低圧側（大気側）に排出される。

シールリング６は、その両側周面６ａ，６ｂがＯリング１１，１１でシールされる状態でシールケーシング５のシールリング収容凹部１０に挟持されていて、軸心Ｐに対する径方向には移動可能な状態にある。従って、シールガスＧによって微小間隙Ｈがシールされている状態では、ガス圧によってスリーブ２の軸心とシールリング６の軸心とが一致するようにシールリング６が軸心Ｐに対する径方向に動く作用、所謂「調心作用」が生じ、微小間隙Ｈが良好に維持される。

また、スリーブ２の熱膨張係数は、回転軸１の熱膨張係数よりも小さく、高温になった場合の径の増大量（膨張量）が少なくて済み、回転軸１に直接シールリング６を外嵌させる場合に比べて、微小間隙Ｈの値をより小さく設定できる利点がある。従って、微小間隙Ｈの値を小さくできる分、シールガスＧの圧力を上げることなく、微小間隙Ｈにおけるシールガス圧力（隙間剛性）をあげて、シール性能を向上させることが可能になる。なお、回転軸１とスリーブ２との間は、弾性変位量が豊富なゴム製等によるＯリング８，８により、低音では大きな値で、高温では小さな値になる隙間Ｊが有効にシールされている。

要するに実施例１による軸流型非接触シールＡにおいては、スリーブ２の材質を回転軸１に比べて熱膨張係数の低いものに設定できるので、微小間隙Ｈの値を従来に比べて小さくすることができる。従って、微小間隙Ｈに関する隙間剛性が上がり、シールリング６とスリーブ２とが機器の挙動に対して接触し難くなる。そして、隙間剛性が向上することによって従来よりも単位時間当りの供給ガス量を減らすことが可能になり、シールガスの消費量が削減されてランニングコストの低減が可能になる。また、微小隙間Ｈの値が小さくなったことにより、機内側流体の漏れがより生じ難くなる利点もある。

〔参考例〕
参考例による軸流型非接触シールＡを図４〜図６に示す。これは、シールリング６の構成、及びスリーブ（回転側体の一例）２が無く、シールリング６を直接回転軸１に外嵌させている構造である以外は、実施例１の軸流型非接触シールＡと基本的に同じであり、違いの部分のみを説明するものとして、同じ部品や同じ機能を有する箇所には実施例１のものと同じ符号を付すものとする。

図４に示すように、シールリング６を、その径方向で内径側に向けて押圧すべくシールリング６と固定側体であるシールケーシング５との間に配される弾性機構２１の複数が、シールリング６の周方向に等間隔毎に設けられている。弾性機構２１はコイルばねであり、シールリング６の外周面６Ｂには、８個のコイルばね２１を収容配置するために内径側に向って凹入したばね装着用穴２２が、シールリング６の幅方向（軸心Ｐ方向）の中央で、かつ、周方向に一列に並ぶ状態で形成されている。

そして、ばね装着用穴２２の両脇の夫々に、周方向に８個並ぶ圧力溝１５の列が形成されている。これら軸心Ｐ方向で離間配置される圧力溝１５は、図６に示すように、軸心Ｐを中心とする角度で２２．５度ずつ位置ずれさせて配置形成されており、当然ながら各圧力溝１５には供給孔１４及びオリフィス１３が連なっている。つまり、シールリング６には、その内周面６Ａにおいて軸心Ｐ方向に並ぶ二列の圧力溝１５，１５と、それらの軸心Ｐ方向間に配置される８個のコイルばね２１が装備されている。

参考例による軸流型非接触シールＡにおいては、ガス供給孔１２、リング状の空間部Ｓ、二列のオリフィス１３、各供給孔１４をこの順で通過して供給されてくるシールガスＧが、二列ずつ８箇所の圧力溝１５（開口部７）から軸心Ｐに向けて噴出されて回転軸１の外周面１Ａに吹き付けられ、回転軸１とシールリング６との微小間隙Ｈを維持しながらシールするようになる。

ところで、複数のコイルばね（弾性機構）８が無い場合では、回転停止時（シールガス供給停止時）においては、シールリング６はその自重により、左右のＯリング１１，１１による挟持力があっても下がり気味になるから、回転軸１の回転開始時にはシールリング６と回転軸１とが接触するおそれがある。これに対して参考例の軸流型非接触シールＡでは、シールリング６は８個のコイルばね２１によって軸心Ｐを中心とする位置に押圧付勢されているので、上述のコイルばね２１が無い場合に比べて、シールリングの軸心が回転軸１の軸心Ｐに一致するようにシールリング６を支持する作用、即ち調心作用が強く発揮されるので、自重によってシールリング６が下がり気味になることが抑制されるようになる。つまり、コイルばね２１によって極力微小間隙Ｈが維持されるので、回転開始字におけるシールリング６と回転軸１との接触おそれが激減する、或いは、それによって微小間隙Ｈの値を従来よりも小さく設定することが可能になる、という利点が得られる。

即ち、８個のコイルばね２１により、シールリング６の自重による影響や、機器の挙動に対して、回転軸１に対する均一な隙間（微小間隙Ｈ）を確保する与圧機構、調心機構としての機能を持たせることができる。これにより、特に高温機器等のように、微小間隙Ｈを狭く設定し難く、隙間剛性（シール間隙剛性）を確保し難い場合においても隙間剛性を確保することができ、回転開始時におけるシールリング６と回転軸１との接触おそれや、漏れ等が生じ難い好ましいものとなっている。

〔別実施例〕
実施例１は参考例において、回転側体としては、例えば筒軸やドラム状のもの等、回転軸１以外の形態のものでも良い。圧力溝１５は、軸方向に３列以上に設定されるものでも良い。実施例１におけるスリーブ２の材質は、回転軸１の材質よりも熱膨張係数の小さいものであれば良く、ＳｉＣ、アルミナ、チタン以外のものでも良い。参考例におけるコイルばね２１は軸方向に複数列並ぶ構造８のものでも良い。また、複数の弾性機構２１を外周側に有するシールリング６と回転軸１との間にスリーブ２を介装するという、実施例１のものと参考例のものとが融合された構造のものでも良い。

軸流型非接触シールの構造を示す断面図（実施例１） 図１のシールリングの径方向断面図 図１のシールリングの内周面を示す部分底面図 軸流型非接触シールの構造を示す断面図（参考例） 図４のシールリングの径方向断面図 図４のシールリングの内周面を示す部分底面図

１ 回転部材
１Ａ 外周面
２ スリーブ
２Ａ 外周面
２Ｃ 内周溝
５ 固定側体
６ シールリング
６Ａ 内周面
６Ｂ 外周面
６ａ，６ｂ 側周面
７ 開口部
８ Ｏリング
１０ シールリング収容凹部
１１ Ｏリング
１４ 供給孔
２１ 弾性機構（コイルばね）
２２ ばね装着用穴
Ｇ シール用流体
Ｈ 微小な間隙
Ｋ 回転側体

Claims (3)

1. 回転側体の外周面に微小な間隙をもって外嵌自在な寸法の内周面を有するシールリングと、このシールリングをシール状態で径方向移動可能に、かつ、回転不能に収容する固定側体とを有し、前記内周面には、供給されてくる高圧のシール用流体を前記外周面に向けて放出するための開口部が形成され、前記開口部から前記シール用流体を放出することで前記内周面と前記回転側体の外周面との微小な隙間を維持しながらシールするように構成されている軸流型非接触シールであって、
   前記回転側体が、回転部材との間がシールされ、かつ、一体回転状態で前記回転部材に外嵌されるとともに前記回転部材よりも小なる熱膨張係数を持つ材料で成る環状のスリーブから構成されており、前記外周面が前記スリーブの外周面であり、
   前記スリーブには、これと前記回転部材との間をシールするＯリングを収容するための内周溝が形成されている軸流型非接触シール。
2. 前記シールリングの両側周面と前記固定側体との間の夫々がＯリングでシールされるとともに、前記シールリングの外周面と前記固定側体におけるシールリング収容凹部とで囲まれるリング状の空間部に供給される前記シール用流体を、前記開口部に導くために前記シールリングを径方向に貫く供給孔が形成されている請求項１に記載の軸流型非接触シール。
3. 前記回転部材１が水平向きの回転軸である請求項１又は２に記載の軸流型非接触シール。

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