JP4848008B2 - スライドリングシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、スライドリングのシール構造に関し、特に、高い熱負荷及び圧力負荷下で用いられる場合に特別な利点を有するガス潤滑式スライドリングシール構造に関する。

従来のスライドリングシール構造（米国公開特許第4,212,475号）では、協働するスライドリング（以下「シールリング」と呼ぶ。）は、二次シール要素によって、隣接する構成要素に対してシールされて支持される（特許文献１参照。）。二次シール要素は主として、可撓性材料からなるＯリング又はリップシールリングである。動作中のシールリングは、圧力が除去された状態ではないため、優勢な支持力の大きさに依存して、より大きな又はより小さな半径方向力を生成する可能性のある摩擦力を、たとえば熱膨張によって生じる相対運動のために、二次シール要素によってシールリングが隣接する構成要素上に支持されている場所に、生じさせる可能性がある。動作中、これらの力によって、関連するシールリングに傾斜モーメントがかかる場合があり、これにより、たとえばシールギャップの形状が、シールリングの早すぎる磨耗及び／又は漏れの増大が生じ得るほどまで変化する。このことは、少なくとも、スライドリングシール構造の動作中の挙動における望ましくない変動を招くおそれがある。さらに、主クレームの前段で特定されたタイプのスライドリングシール構造は、欧州公開特許第1,271,023号から既知であり、そこでは回転シールリングは緩やかに取り付けられ、シールリング材料と同様の熱膨張パターンを有する硬質材料からなる支持要素上に、シールするように支持される。支持要素上で回転シールリングの接触面の面積比を適切に寸法決めすることにより、半径方向力及びそれによるシールリング間のシールギャップの形状への結果的な影響を最小にすることができることが述べられている（特許文献２参照。）。静止シールリングは、従来の方法でシールハウジング上に支持され、Ｏリングによってハウジングに対してシールされている。
米国公開特許第4,212,475号 欧州公開特許第1,271,023号

本発明の目的は、上述のタイプの改良されたスライドリングシール構造を提供することであり、所望のシールギャップ形状に密着することが確実になる。特に、動作時の摩擦力によって誘発される傾斜モーメントによる、シールギャップの形状への悪影響を最小限にする。

この目的は、請求項１の特徴によって達成される。本発明は、欧州公開特許第1,271,023号から導き出される構造の改善及びさらなる発展を表す。既知の構造とは対照的に、回転シールリングのみならず、静止シールリングもまた、ゆるやかに取り付けられるように保持されるため、両方のシールリングが、それらに有効な力の下で自己整合特性を備える。さらに、両方のシールリングは、シール面を作り出すリング状の平面的な接触面上に支持され、それによって接触圧が予め精密に決定されるのみならず、最小限にされる。二つのシールリング、及びスライドリングシール構造の隣接する構成要素に対するそのシールの支持点に含まれる、可撓性材料からなる二次シール要素がない。それどころか、原理的にはそのような要素を省略することができるが、これは、本発明の寸法規定に応じて軸力が付与されたとき、接触面自体がシール機能を実行するためである。各接触面の寸法ｄ_１−ｄ_２は、≦１０ｍｍに、好ましくは０．２〜２．０に、より好ましくは約０．６ｍｍにする必要がある。接触面は、好ましくはほぼナイフエッジ状の形状を有する。シール効果を向上するために、各接触面が、周方向に向かって≦１０μｍ及び半径方向に向かって≦５μｍの寸法公差の平面になるように形成されるような、本発明のさらなる改良が考えられる。これにより、特定の動作状態に依存せず、二つのシールリングの間で優勢な主偏倚力に加えて、その助けにより回転シールリングが接触面に対してばね偏倚される二次偏倚力は、二次ばね偏倚力が付与される回転シールリングの端面位置における周方向の長さに対して０．２〜１０Ｎ／ｍｍにすることが好ましい。また、このことは、本構造が停止して、液作用圧が低下したとしても、この接触面での適切なシール効果となることを確実にする。本発明のその他の実施態様に関する請求の範囲が参照される。

以下に、本発明を実施態様及び図面を用いてより詳細に説明する。

図１は、本発明のスライドリングのシール構造を、中心線軸より上半部の断面図の形で示す。参照符号１はシールハウジングに関し、シールハウジングは、機器（図中では断片的にのみ示す）、たとえば圧縮機のハウジングの孔に配設して、その中に適切な方法で固定することができる。軸３はハウジングの孔に通されている。静止シールリング４は、シールハウジング１のスリーブ状支持体２に、軸方向に移動できるように配設され、該支持体は、シールハウジング１から軸方向に突起し、ハウジングと一体化しているか、又はシールするようにハウジング上に設けられた分離した部品の形状である。

静止シールリング４の端面には、シール面５が形成される。シールリング４は、シールハウジング１に対する回転しないようにされている。このために、図示しない周辺位置でシールハウジング１から軸方向に突起した駆動ピン（図示せず）は、静止シールリング４に設けられた位置合わせされた凹部（同様に図示せず）に、所定量の遊びをもって係合することができる。このようにして、静止シールリング４は、基本的にシールハウジング１に対して回転することが防止されるが、遊動の範囲内で自由に動くことができる状態にされたままであるため、軸方向及び半径方向に位置合わせすることができる。したがって、静止シールリング４は、シールハウジング１に緩やかに取り付けられるように保持される。

主要な偏倚手段は、例えばシールハウジング１の一端に支持された主偏倚ばね７等の形状であり、静止シールリング４に所定の主偏倚力をかけるために設けられる。周方向に分布された複数の主偏倚ばね７を設けることができる。しかし、本発明は、記載された偏倚手段に限定されない。

図面に示すように、主偏倚ばね７の他端は、力伝達リング８上に支持され、このリングは軸方向に動かせるように支持体２に取り付けられて、その内周縁に沿って、可撓性材料、たとえばゴム、エラストマ又は炭素材料からなり、支持体２の外周縁とシール関係にあるシール９を搬送する。支持リング１４は同様に、軸方向に動かせるようにスリーブ状支持体２上に取り付けられ、少なくとも無付加の状態で、力伝達リング８から軸方向に向かって所定の範囲まで突出した二次シール９の一部の上に載置される。好ましくは、支持リングは、シールリング４と同様の熱膨張特性を有する材料からなる環状ディスクにすることができる。

図３に示すように、力伝達リング８と反対側の支持リング１４の自由端面から軸方向に突出して、半径方向面にリング状接触面１６を作り出すリング状突起１５がある。シール面５の反対側の静止シールリング４の端面２１は、接触面１６に対して載置されて、それによって軸方向に支持される。このようにして、偏倚ばね７の主偏倚力が、静止シールリング４に同時に伝達される。

回転シールリング１１は、好適な方法で軸３に接続されたブッシュ１０に、それに対して回転しない程度に緩やかに取り付けられる。シールリング１１は、その一方の端面に、静止シールリング４のシール面５と協働するように意図されたシール面１２を有する。ブッシュ１０の外周縁の溝１３内には、駆動リング１４が配置されて、シールリング１１の内周縁と摩擦係合して、ブッシュ１０とシールリング１１との間にトルク伝達関係を作り出し、ブッシュ１０の回転によってシールリング１１を回転させる一方で、シールリング１１が緩やかに取り付けられている状態によって生じる自由な動きは、そのことによって悪影響を及ぼさないか、又は重要でない程度の影響を与えるのみである。駆動リング１４は、ゴム状弾性材料からなるＯリングであってもよいが、シール効果がないか、又は無視できるように小さい効果しかなくてもよい。また、Ｏリングに代えて、傾斜した巻線を有するリング状の渦巻ばね要素を設けることもできる。基本的に、そのような渦巻ばね要素は、当業者に既知であり、したがってより詳細に述べる必要はない。

さらに、駆動リング１４は、シールリング１１にセンタリング効果を作用させる。本発明は、ブッシュ１０からシールリング１１にトルクを伝達する前述のタイプの構造に限定されない。それどころか、この機能を得るために、さらに異なる手段を設ける備えもできる。好ましくは、回転シールリング１１は、矩形の断面構成を有する。

ブッシュ１０から半径方向外側に向かって突出して、外周縁上にフランジ又は支持部材１７があり、外周上には、シールリング１１の外周縁上に少なくとも部分的に延出して、有害な環境の影響から遮蔽する鍔又はスクリーン１８を形成することができる。一方ではシールリング１１の隣接する壁部間に、他方では支持片１７とスクリーン１８との間に、十分な遊びが設けられるため、シールリング１１の適切な遊動許容範囲内での自由な動きが低減しない。

図２に示すように、突起部１５のリング状接触面１６と同様に、支持片１７から軸方向に突出して、半径方向面にリング状接触面２０を有するリング状突起１９がある。シール面１２の反対側の回転シールリング１１の端面２１は、接触面２０に載置されて、それによって軸方向に支持され、支持片１７に対してシールされる。

動作中、シール面５及び１２が離れて接触しないように保持するシールギャップが、シールリング４及び１１の、互いに面している実質的に半径方向に配列されたシール面５と１２との間に形成される。一方で、軸３が停止すると、シール面５及び１２は、偏倚ばね７の主偏倚力によって加圧されて、互いにシール係合する。好ましくは、シール面５、１２の少なくとも一つにポンプ構造を形成して、シール面５と１２との間のシールに必要とされるガス状媒体を注入し、その結果、シールギャップの形成を支援する。このタイプのポンプ構造は当業者には既知であり、ここではより詳細な説明を必要としない。たとえばBURGMANN、Gasgeschemierte Gleitringdichtungen（1988年自社出版）１６ページ以下を参照できる。

シールリング４、１１の好ましい材料は、硬質材料、たとえば炭化タングステン、炭化ケイ素、窒化ケイ素に加え、摩擦学的に効果的な材料、たとえば炭素材料、各々の適切な組合せである。

異なる熱膨張及びその他の要因、たとえば機械的負荷のために、半径方向の構成要素を有する、半径方向に備えられた力等は、たとえば摩擦の影響のために、動作中、シールリング４及び１１に影響を及ぼす可能性があり、これらの力は、シールリング４、１１の一方又は両方の、右回り方向又は左回り方向の傾斜を導く可能性があり、結果として、シール面５と１２との間のシールギャップの形状変化につながる可能性がある。

接触面１６及び２０の両方で、負荷比が（ｄ_１ ^２−ｄ_Ｈ ^２）／（ｄ_１ ^２−ｄ_２ ^２） ≦ ２．０に、好ましくは０．８〜２．０に、より好ましくは１．０〜１．５に、よりさらに好ましくは約１．３に維持される場合、これらの半径方向力を最小限にすることができることが見出された。この関係の意味するものは、ｄ_１＝接触面１６又は２０の外径、ｄ_２＝接触面１６又は２０の内径、ｄ_Ｈ＝媒体を必要とするシールの圧力の影響を受ける一対のシールリングの液圧有効表面域の直径である。有効表面域上に与えられる液圧は、シールリング４及び１１が関連する接触面１６及び２０に対して載置されることによる、優勢な偏倚力に重ねられる力を作り出す。関連するシールリングと接触面との間の相対運動の場合、この力は、前述の悪影響を伴って半径方向の構成要素に作用する可能性がある。

さらに、本発明では、二つの接触面１６及び２０の寸法は、サイズ（ｄ_１−ｄ_２）≦１０ｍｍに、好ましくは０．２〜２．０に、より好ましくは約０．６ｍｍに限定されるため、接触面はほぼナイフエッジ状の特性を有する可能性がある。

上記の状態が密着である場合、一方では、結果として生じる力が十分に大きく、シールリング４及び１１と、接触面１６及び２０との間に信頼性のあるシール関係を作り出すことが確実になるため、接触面に沿った漏れが防止されるか、又は少なくとも最小限の量にとどめられる。結果として、これらは二次シールの機能を継承することができる。各リング状接触面１６及び２０が、周方向に向かって≦１０μｍ、及び半径方向に向かって≦５μｍの寸法公差を有する平面である場合、シール関係はさらに改善される。他方では、たとえば半径方向における異なる熱膨張の結果として生じる、接触面１６及び２０上の半径方向力をそれほど大きくしてはならないため、それによりシールリング４及び１１に与えられる傾斜モーメントが、動作中のシール面５及び１２の望ましい平行配列からの許容しがたいずれにつながるおそれがある。たとえば、半径方向外側に向かう半径方向力による、図中で右回り方向に向かう回転シールリング１１の傾斜モーメントは、Ａ字型の断面を有するシール面５と１２との間のシールギャップの形成につながる可能性がある一方で、左回り方向への傾斜モーメントはＶ字のギャップを形成する結果となるであろう。静止シールリング４の部分に対応する傾斜モーメントの場合、同様の結果を伴うであろう。一般的に、望ましい平行ギャップ構成からの各ずれは結果として、シール面５及び１２の磨耗を増大させ、シールギャップに沿った漏れを制御不能にする。本発明により達成される効果は、Ｖ字型又はＡ字型のギャップの形成を完全に防止するか、又は少なくともできる限りにおいて防止し、ギャップにより生じるスライドリングシール構造の寿命の制限及び／又は動作的な信頼性の低下を回避することである。

接触面１６及び２０の上記の設計のさらなる意義は、これらがスライドシールリング構造の中心長軸から、実質的に同じ半径距離に置かれることであり、これにより、一方の接触面１６から他方の接触面２０への軸力の、対応するモーメントがかからない伝達が、かなりの程度まで可能になる。

さらに、図示するように、ブッシュ１０にそれとともに回転するよう取り付けられたスリーブ２３の端面の環状溝２２内に、二次偏倚要素２４を収容することができ、したがって該要素は好ましくは、傾斜するカーブを有するリング状の渦巻ばね要素にすることができ、これについては上記ですでに参照されている。二次偏倚要素２４は、回転シールリング１１の隣接する端面上に周方向に支持され、主偏倚ばね７の所定の軸方向二次偏倚力が、単独でかけられる。

本発明に鑑み、二次偏倚力は、二次偏倚要素２４が回転シールリング１１に支持される周方向位置の周方向の長さのおよそ０．２〜１０Ｎ／ｍｍにすることが望ましいことが確立された。これにより、スライドリングシール構造が停止しているときに、接触面２０と、回転シールリング１１の近接する端面との、より改善されたシール関係が作り出される。

本発明は、一つの実施形態に基づいて上記で説明されており、ここでは接触面が関連する支持部材の突起に設けられている。しかし、接触面はまた、所望であれば、シールリング自体に形成することもできることが理解されるべきである。さらに、回転シールリングと静止シールリングの比率を異ならせることができる。突起は、関連する支持部材かシールリングの一体型構成要素か、もしくは好適な方法で実質的に固定された別部品にしてもよい。別部品を用いることにより、それらを前述のタイプの磨耗耐性材料から好ましい方法で形成することが可能になる。本発明は、ガス潤滑式のスライドリングシール構造を用いることで特別な利点を提供しているが、液体潤滑式構造を使用して、一定のシールギャップ形状が熱的に変形する可能性を、少なくとも最小限にするか又はさらには排除することが可能になる。主偏倚手段は、静止シールリングよりも回転シールリングにおいて有効にすることができるため、回転構成要素に軸方向に着脱可能な方法で位置付けられる必要があるであろう。

シールを必要する機器内に設置した本発明に係るスライドリングシール構造の部分縦断面図 図1に示すスライドリングシール構造の、第一の詳細の拡大図 図1に示すスライドリングシール構造の、第二の詳細の拡大図

Claims (7)

1. 非回転シールリング（４）と、
   回転構成要素（３、１０）とともに回転するように設けられたシールリング（１１）とを有し、
   前記両シールリングは、緩やかに取り付けられるようにそれぞれ保持され、かつ、主偏倚力によって互いに係合するように偏倚され、実質的に半径方向に位置合わせされて、協働するシール面（５、１２）を含み、
   各シールリングは、回転構成要素とともに回転するように設けられた一方の支持部材と、関連する支持部と関連するシールリングの隣接する端面との間に回転しないように設けられた他方の支持部材との一対の支持部材（１４、１７）と各シールリングのシール面の反対側の端面との間に設けられたリング状接触面（１６，２０）により軸方向に支持され、
   ここで負荷比が（ｄ_１ ^２−ｄ_Ｈ ^２）／（ｄ_１ ^２−ｄ_２ ^２） ≦ ２．０に、好ましくは０．８〜２．０に、より好ましくは１．０〜１．５に、よりさらに好ましくは約１．３に維持され、これにより各接触面（１６、２０）の寸法（ｄ_１−ｄ_２）は、≦１０ｍｍ、好ましくは０．２〜２．０、より好ましくは約０．６ｍｍであり、
   ここで、
   ｄ_１＝接触面の外径であり、
   ｄ_２＝接触面の内径であり、
   ｄ_Ｈ＝液圧有効表面域の直径である、
   スライドリングシール構造。
2. 各接触面（１５、２０）が、周方向に向かって≦１０μｍ以内、半径方向に向かって≦５μｍ以内の寸法公差の平面であることを特徴とする請求項１記載のスライドリングシール構造。
3. 少なくとも一つの接触面（１６、２０）が、関連するシールリング（４、１１）の端面から軸方向に突出する突起（１５、１９）に設けられることを特徴とする請求項１又は２記載のスライドリングシール構造。
4. 少なくとも一つの接触面（１６、２０）が、関連する支持部材（１４、１７）から軸方向に突出する突起に設けられることを特徴とする請求項１又は２記載のスライドリングシール構造。
5. 関連する接触面（２０）に対して回転シールリング（１１）を付加的に偏倚させる二次偏倚力が、回転シールリング上の二次偏倚要素（２４）の周方向接触部の周方向の長さに対して０．２〜１０Ｎ／ｍｍとなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のスライドリングシール構造。
6. 二次偏倚要素（２４）が、傾斜しているカーブを有するリング状の渦巻ばね要素を含むことを特徴とする請求項５記載のスライドリングシール構造。
7. ポンプ構造が、シール面（５、１２）の少なくとも一つのシールリング（４、１１）に形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載のスライドリングシール構造。

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