JP4628556B2 - 流体機械 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧ポンプやガス圧縮機等、回転シャフトを有する流体機械に関し、特に、流体の漏れをシールする技術、及び回転シャフトの軸推力を調整する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
図12に、流体機械におけるシール構造の一例を示す。このシール構造では、ケーシング80の内周面に、回転シャフト81に対して非接触状態にリング状の部材(シールリング82)が複数配設され、そのシールリング82間に形成される空間83に高圧ガスが供給されている。そして、空間83の圧力を液体雰囲気の部屋(液体室84)よりも高めることにより、その液体室84からの液体の漏れをシールするように構成されている。
【0003】
また、図13に、流体機械における軸推力調整構造の一例を示す。この軸推力調整構造では、回転シャフト85の周面から突出して形成された段差86をケーシング87に形成された窪み88に配設し、その窪み88内で上述した段差86の側面に対して流体の圧力を作用させることにより、非接触状態で、軸推力を調整するように構成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の流体機械では、上述したシール構造と軸推力調整構造とを別体として設けているため、各構造にスペースを必要とし、構造の簡素化や縮小化を図るのが難しい。
【0005】
さらに、上述したシール構造では、回転シャフトの軸径に応じて、シールリングなどの部材の大きさ(内径など)を設計する必要があり、部材の共有化を図るのが難しい。
【0006】
また、上述した軸推力調整構造では、大きな軸推力に対する調整効果は高いものの、小さな軸推力に対して、振動が発生しやすいという問題がある。
【0007】
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、シール構造及び軸推力調整構造の簡素化や縮小化を図ることができ、小さな軸推力に対する調整能力に優れた流体機械を提供することを特徴とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る流体機械は、回転自在に支持される回転シャフトを備える流体機械であって、前記回転シャフトの周面に形成され、前記回転シャフトの軸方向に互いに対向して配される複数の面を有する段差部と、前記段差部を囲む空間を形成する囲い部と、前記囲い部に対して前記軸方向に可動自在に支持されると共に前記段差部の複数の面のそれぞれに対して面する複数のフローティングリングと、前記複数のフローティングリングの間を通して前記囲い部内にガスを供給するガス供給手段と、を備えることを特徴とする。
【0009】
前記複数のフローティングリングにおける互いに向き合う面には、前記ガス供給手段により供給されるガスの圧力を局所的に高める溝が形成されていることを特徴とする。
前記複数のフローティングリングにおける前記段差部に面する面には、前記ガス供給手段により供給されるガスの圧力を局所的に高める溝が形成されていることを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の流体機械の一実施形態における流体シール部を示している。
ここでは、回転シャフト10の一端側の空間は、液体雰囲気にあり、他端側の空間は、気体雰囲気にあるとする。この流体シール部において、回転シャフト10の周面には、軸方向に垂直な複数の面(端面11,12)を有する環状の突出部13が設けられ、この突出部13を囲むように、周状の凹部15を有するケーシング16が配設されている。すなわち、突出部13は、ケーシング16の凹部15に囲まれ、その端面11,12は、回転シャフト10の軸方向に互いに対向して配置されている。
【0011】
また、ケーシング16には、突出部13の端面11,12に対して浮動状態に配置される浮動体としての複数のフローティングリング20,21を収容する収容部22が形成されている。
【0012】
図2に示すように、収容部22は、凹部15の内周面に形成された円周状の溝からなり、その内部には、前述したフローティングリング20,21とともに、フローティングリング20,21の外周面に当接し回転シャフト10の軸方向にフローティングリング20,21を可動自在に支持する波型板バネ23,24とが配設されている。
【0013】
フローティングリング20,21は、略環状に形成されるとともに、互いに隣接して配置されている。また、フローティングリング20,21の端面のうちの互いに向き合う端面上には、円周状の溝が形成されている。本実施形態では、図3に示すように、一方のフローティングリング20の端面に2つの溝20a,20bが、他方のフローティングリング21の端面に1つの溝21aが形成されている。また、一方のフローティングリング20の溝20a,20bと、他方のフローティングリング21の溝21aとは互いに位置をずらして形成されている。
【0014】
また、図4に示すように、ケーシング16には、所定の圧力にガスを圧縮するガス供給手段30から供給される圧縮ガス(高圧ガス)を、上記収容部22に導くガス通路31が設けられている。収容部22におけるガス通路31の出口31aは、圧縮ガスが2つのフローティングリング20,21の間に流れるように、フローティングリング20,21の中間に位置して形成されている。
【0015】
次に、上述のように構成される流体機械の流体シール部における作用について説明する。
この流体シール部において、ガス供給手段30からの圧縮ガスは、ガス通路31を介して収容部22に供給される。ガス通路31の出口31aは、2つのフローティングリング20,21の中間に位置しており、ガス通路31の出口31aから排出された圧縮ガスは、2つのフローティングリング20,21の間を通って、ケーシング16の凹部15の内部空間に噴出される。
【0016】
フローティングリング20,21の内周面は、突出部13の端面11,12に面して配されており、2つのフローティングリング20,21の間を通ってケーシング16の凹部15の内部空間に噴出された圧縮ガスは、突出部13の端面11,12に衝突する。この場合において、回転シャフト10の各端部側の空間よりも高い圧力の圧縮ガスを連続的に供給することにより、フローティングリング20,21の内周面と回転シャフト10の突出部13の端面11,12との間の空間が流体的にシールされる。
【0017】
また、フローティングリング20,21の内周面と回転シャフト10の突出部13の端面11,12との間のシールされた空間(シール空間)は周方向に連通されているので、軸推力によって回転シャフト10が軸方向に移動しようとすると、シール空間内の圧力分布が変化して、軸方向に圧力差が生じる。そのため、この圧力差による力が回転シャフト10の突出部13の端面11,12に対して軸方向に作用することにより、回転シャフト10の軸推力が調整される。
【0018】
このように、本実施形態によれば、流体のシール構造と軸推力調整構造とが一体的に構成される。したがって、シール構造と軸推力調整構造とを備える流体機械における構造の簡素化や縮小化が容易に図られる。
【0019】
また、フローティングリング20,21は浮動状態に配されるので、小さな軸推力に対しても調整機能が働く。すなわち、小さな軸推力に伴うシール空間の圧力分布の変化に応じて、フローティングリング20,21が可動することにより、圧力調整がなされる。そのため、軸推力調整に対する感度が向上し、軸推力の発生に伴う振動の発生が抑制される。
【0020】
ここで、図13に示したような、いわゆるバランスピストンと呼ばれる軸推力調整構造では、回転シャフトの段差部が収容される窪み(例えば図13に示す窪み88)の加工に高い精度を要する場合が多い。これに対して、本実施形態では、フローティングリング20,21を可動状態に配するので、ケーシング16の収容部22などの加工精度は低くてよい。なお、上記実施形態の軸推力調整構造は、特に軸推力が大きくない場合に好ましく用いられる。
【0021】
また、本実施形態では、軸方向に垂直な面をシールするように構成されるので、異なる軸径の複数の回転シャフトに対しても、フローティングリングなどの部材の共有化を図ることが容易である。
【0022】
また、本実施形態では、フローティングリング20,21の互いに向き合う端面上に、円周状の溝20a,20b,21aが形成されているので、ガス供給手段30から供給されたガスは、この溝20a,20b,21aでその圧力が局所的に高められる。そして、この圧力による反発力により、フローティングリング20,21同士の同心度が確保される。
【0023】
ここで、フローティングリングの溝20a,20b,21aは、この形態に限定されるものではない。すなわち、図5に示すように、フローティングリング40,41に溝を形成しなくてもよい。あるいは、図6(a),(b)に示すように、フローティングリング45,46の端面及び周面のうち、回転シャフト47に設けられた突出部48に面する周面に溝45a,46aを設けてもよい。この場合、溝45a,46aによってガス圧力が高められることにより、軸推力に対する調整能力が向上する。
【0024】
また、上記実施形態では、回転シャフトに設けられた一つの突出部に対してフローティングリングを配置しているが、図7に示すように、回転シャフト50に複数の突出部51,52を設け、それぞれの突出部51,52に対してフローティングリング53,54を浮動状態に配置してもよい。
【0025】
さらに、上記実施形態では、フローティングリングの内周面が回転シャフトの突出部に面するように構成されているが、図8に示すように、フローティングリング55,56の外周面が回転シャフト57の突出部58,59に面するように構成してもよい。
【0026】
また、図9に示すように、フローティングリング60,61にカバー62,63を設置して、動きに伴うフローティングリング60,61の消耗を抑制するように構成してもよい。この場合、カバー62,63の材質としては、例えば金属や樹脂などが用いられる。
【0027】
さらに、上記実施形態では、波型板バネによってフローティングリングを可動自在に支持しているが、他の部材によってフローティングリングを支持してもよい。すなわち、図10に示すように、波型板バネの代わりに、コイルバネ65やピン66などを用いてもよい。
【0028】
また、上記実施形態では、突出部は、軸方向に垂直な複数の面(図1に示す端面11,12)を有して形成されているが、段差としての突出部の形状はこれに限定されない。すなわち、図11に示すように、軸方向に対して斜めに配される面70を有するように突出部71を形成し、この斜めの面70に対してフローティングリング72,73を浮動状態に配置するようにしてもよい。なお、この図11では示していないが、回転シャフト74には、この斜面70とほぼ対称に斜面75が形成され、その斜面75に対しても同様にフローティングリングが配置され、これにより回転シャフト74の軸推力が調整される。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流体機械によれば、シール構造と軸推力調整構造とが一体的に構成されるため、構造の簡素化や縮小化を容易に図ることができる。さらに、浮動状態に配される浮動体によって、小さな軸推力に対する調整能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の流体機械の一実施形態における流体シール部を示す要部断面図である。
【図2】 フローティングリングの様子を示す図である。
【図3】 フローティングリングに形成された溝の様子を示す図である。
【図4】 ケーシングに形成されたガス通路の様子を示す図である。
【図5】 流体シール部の他の形態を示す図である。
【図6】 流体シール部の他の形態を示す図である。
【図7】 流体シール部の他の形態を示す図である。
【図8】 流体シール部の他の形態を示す図である。
【図9】 流体シール部の他の形態を示す図である。
【図10】 流体シール部の他の形態を示す図である。
【図11】 流体シール部の他の形態を示す図である。
【図12】 流体機械におけるシール構造の従来例を示す図である。
【図13】 流体機械における軸推力調整構造の従来例を示す図である。
【符号の説明】
10 回転シャフト
11,12 端面
13 突出部(段差部)
15 凹部(囲い部)
16 ケーシング
20,21 フローティングリング(浮動体)
23,24 波型板バネ
20a,20b 溝
30 ガス供給手段
31 ガス通路
Claims (3)
- 回転自在に支持される回転シャフトを備える流体機械であって、
前記回転シャフトの周面に形成され、前記回転シャフトの軸方向に互いに対向して配される複数の面を有する段差部と、
前記段差部を囲む空間を形成する囲い部と、
前記囲い部に対して前記軸方向に可動自在に支持されると共に前記段差部の複数の面のそれぞれに対して面する複数のフローティングリングと、
前記複数のフローティングリングの間を通して前記囲い部内にガスを供給するガス供給手段と、
を備えることを特徴とする流体機械。 - 前記複数のフローティングリングにおける互いに向き合う面には、前記ガス供給手段により供給されるガスの圧力を局所的に高める溝が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の流体機械。
- 前記複数のフローティングリングにおける前記段差部に面する面には、前記ガス供給手段により供給されるガスの圧力を局所的に高める溝が形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の流体機械。
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