JPH01158270A - メカニカルシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕　・ （産業上の利用分野） 本発明はポンプ、タービン、圧縮機等の流体機械に用い
られるメカニカルシールに関する。

（従来の技術） ポンプ、タービン、圧縮１！等の外部より駆動軸を介し
て流体の循環、ｗＡ服、圧縮等の作用を行なわせる流体
機械においては、内部流体と外気を駆動軸部において遮
断するメカニカルシールを必要とする。

第９図は従来広く使用されているメカニカルシールの一
例であって、Ａは外部の駆動側、Ｂは機械内部側であっ
て、本体１１に固定環２が固定され、これに対して駆動
軸１に固定された回転環３が１２１動面であるシール面
部７を介して接触し、回転環３はスプリングリテーナ４
のスプリング５によりシール面部７に対して押圧される
。またクーリング液は入口８から供給され固定環２の外
周を冷却し固定環２外周の適当な所から排出される。

フラッシング液は入口９から供給され、シール面部７や
固定環２の端面、回転環３の局面等を冷却した後、出口
１０から流出する。６はシールボックス、６ａはシール
液空間である。

内部の流体と外部の外気とはシール面部７において遮断
されているが、このシール面ＦＩＳ７は発熱や摺動摩耗
物、循環液中の異物等の付着がある。

このため、前記のように入口９からフラッシング液（水
、油等）を供給して摺動面の冷却と清掃を行なっている
。またシール面部７の発熱を除去するために、回転環３
をクーリング液で別系統で冷却することもある。シール
面部７を構成する固定環２、回転環３の材質はカーボン
・金属、カーボン・セラミックス、金属・金属客種々の
組合せがあり、それぞれの目的に合致した材質の選定が
行なわれている。

メカニカルシールの最大の問題点は摺動面から油や内部
ガスが摘出または噴出するシール漏れであるが、摺動面
は境界潤滑または固定接触の苛酷な状態にあるため、摺
動面が破壊されシール漏れを引起すことになる。

このシール漏れの対策としては、１．材質組合せの変更
と２．バランス比を変えるなどの設計上の変更がある。

前記１については、カーボンの材質をより高品質にする
等の対策がよく用いられる。また２については、アンバ
ランス型をバランス型に変更することがよく行なわれる
。

流体機械は起ＩｖＪＩ１５や運転時の運転条件の変動に
より摺動面にかかる血圧が設計値をはるかに越え、摺動
面を破壊することがよくある。このような事態を避ける
ために考慮されなければならないことがある。第１０（
ハ）（ハ）図によりこれを説明する。

流体機械においては機械内部の圧力が高くなるに従って
摺動面積Ｃに対する流体圧作用面ｖ４Ｂを小さくする必
要があり、〔（０図から（ハ）図のように〕、このＢ／
Ｃをバランス比という。バランス比は運転条件に合致す
るように変更しなければならないが、実際の運転では設
計条１′［を外れた運転状態は避けられない事が多く、
シール漏れ対策は非常にむずかしい。摺動面は一般には
固定、回転両点としラッピングにより平面仕上げされて
おり、この平面Ｉ＋１１志の接触を完全な潤滑状態にお
くことは不可能であり、境界潤滑または固体接触の状態
となっている。そして潤滑を保証する理論が未だ確立さ
れていないのが現状である。

また、従来技術では前記第９図に示すように、摺動面の
発熱と清掃のためフラッシング液を入口９から噴出させ
ているが、経験的にはこの作用は不十分である。駆動軸
１及び回転環３の回転によりシールボックス６内番ま気
液混合の渦流状態になっており、しかも遠心力により液
は外周に放出されるため、十分にフラッシング液は溜仙
面に達せず冷却が実際上、むずかしい。

（発明が解決しようとする問題点） 従来技術には前記のように種々の問題点がある。本発明
は、固定環と回転環の活動面部の一部のいずれか一方に
、シール面部のシール面に対してたがいに異なる微小段
差を有するランド部と溝部とを交互に形成した流体圧力
発生面部を設けることにより、前記問題点を除去するこ
とのできるメカニカルシールを得ることを目的とするも
のである。

〔発明の構成〕　′ （問題点を解決するための手段） 本発明のメカニカルシールは前記問題点を解決するため
に、 固定環と回転環の摺動面部の何れか一方に円周溝を設け
、該満にフラッシング液供給用の給液通路を連結したこ
と、 前記円周溝の内側または外側の一方をシール面部とした
こと、 他方を、前記シール面部のシール面に対して微小段差を
有する半径方向のランド部と前記シール面に対して前記
微小段差よりやや大きい微小段差を有する半径方向の溝
部とを交互に形成した流体圧力発生面部としたこと、 により構成されるものである。

（作用） 固定環と回転環の摺動面部の一部に形成される流体圧力
発１面部に発生する流体膜圧力が大きいので、運−転条
件の変動による摺動面の血圧変化に対し常に一定の安定
したシール効果を維持し、シール摺動面の寿命を飛躍的
に向上する。

また摺動面部を直接強制冷Ｗすることにより該部の冷却
が完全に行なわれる。

（実施例） 本発明の一実施例を第１図ないし第５図にょり説明する
。

第１図おいて、Ａは外部の駆動側、Ｂは機械の内部側で
あって、固定環２が本体１１に固定され、一方、スプリ
ングリテーナ４は回り止めネジ１８により駆動軸１に固
定されるとと漫に、埋込まれた回り止めビン１９により
更に回転環３と結合されることにより回転環３も駆動軸
１に対して回転方向に固定されることになる。そして回
転環３はスプリングリテーナ４のスプリング５により固
定環２の方に押圧され摺動面７において固定１２と接触
する。固定環２はそのＭｖＪ而部面の略中央部に円周溝
１２が形成され、またこの円周溝１２に連通する給液通
路１３が形成される。

第２図ないし第４図に固定環２の摺動面部Ｃの詳細が示
されている。前記摺動面部Ｃは半径方向に駆動軸１の軸
心に近い方から円環状に、シール面部７とその外側に円
周溝１２が形成されており、更にその外側には前記シー
ル面部７のシール面から微小段差δ１だけ離れた（退い
た）半径方向のランド部１４と、前記シール面から微小
段差δ２だけ離れた（退いた）半径方向の満１１５とが
円周方向において交互に設けられた流体圧力発生面部１
７が形成されている。

したがって、固定環２の摺動面部Ｃはシール面部７、円
周溝１２、流体圧力発生面部１７の３部分から形成され
ている。流体圧力発生面部１７の中央すなわち半径Ｒの
円で固定環２と回転１ｊ１３の摺動面部を１，７］断じ
て展１ｍするとその断面は第４（２）図のようになる。

　　　　　　　　　　　　　　　−なお、流体圧力発生
面部１７は固定環２のシール面部７のシール面から微小
段差δ１．δ２ｆｆｉれて形成されているが、回転環３
はＩＦ！動面部の総ての面が固定環２のシール面と同様
の同一平面で形成されている。したがって第４＠図にお
いては回転環３の面をも符号７で表わしている。ランド
部１４はＩｔ］　Ｂ　ｐであり溝部１５は巾Ｂ（＋であ
り、ランド部１４と溝部１５とはδ２−δ１の段差を有
している。

前記の６１．δ２は数ミクロンから数十ミクロンの微小
な距離である。

第５図は第４＠図の構造を用いた場合の圧力発生状態を
示すグラフである。段差を有する固定ｔｍ２に対しこの
ような凹凸部を形成しない摺動面を有する回転環３が速
度Ｕで相対運動をしており、しかもランド部１４と溝部
１５には水、油等の７ラツシング液が充満している場合
について考える。

流体潤滑理論により固定環と回転環の間に形成される流
体膜は、面に垂直方向に膜圧力Ｐを発生する。この膜圧
力Ｐと膜形状（固定環の形状）との関係は第５図のよう
に鋸歯状となる。

この鋸歯状の膜圧力の最大値はδ１．δ２゜Ｂす、ＢＮ
の大きさと回転数、粘度等によって変化し、理論的に算
出できる。この最大圧力が成る値を越えると、固定環２
のシール面部７と回転環３のシール面部７とは接触状態
より非接触状態に移り、内部のフラッシング液が該シー
ル面部を満し、完全な流体膜潤滑の状態となる。同時に
この流体１Ｉｆｆｌ滑液の一部は外部の外気中に漏洩す
る。

δ１．δ２の値を適当に選定することにより、シール面
部間の股厚さをサブミクロンオーダで制御することがで
きる。別言すると、外部に飼洩する液量が成る一定値以
内になるようにδ１．δ２を選定することができる。こ
の時シール面部間の膜厚さはサブミクロンオーダの極微
値となる。しかしながら、このサブミクロンオーダの薄
膜の負荷能力と剛性は相当大きな値となる。したがって
シールボックス内の圧力が相当広範囲で変動しても、シ
ール面部間の膜厚さは殆んど変化することなく安定した
シール性能が得られることになる。

通常メカニカルシールの漏洩量は毎分数−以内と言われ
ており、ＪＩＳにも許容量の規定があるが、常時この値
の漏洩量を維持することは非常にむずかしい。最初は殆
んど漏洩していないが、漏洩しないということはシール
面部で固体接触が起きているためであって、やがてこの
シール面部が破壊されて、急激なシール漏れに至るとい
うのが一般である。。

しかるに本実施例によれば、常時最小量のシール漏洩を
許容しながら、運転状態の変動に無関係に安定した運転
が可能となり、シール面部は無接触のため従来技術に比
べて格段に長寿命を維持することができる。

また本実施例によれば、ＩＰｌ動面部の中央付近から強
制的に７ラツシング液を循環するため冷却作用が十分に
行なわれる。

固定ｍ２の流体圧力発生面部１７の構造は第４（２）図
に示されたものに限らない。液体ＩＩＩ几力を積極的に
発生する構造であればよく、第４０図のように溝部を１
６のように傾斜構造にしても第４＠図と同様の作用を得
ることができる。

また、・前記の流体圧力発生面部は固定環２にのみ形成
する必要はなく、固定環２の摺動面部を凹凸のない面と
し、回転環３の方に円周溝１２と流体圧力発生面部１７
を形成し、フラッシング液を固定環２側からまたは回％
　ｆｆｉ　３側から供給するようにしても勿論よい。第
６図は回転ｆｆ１３側から供給した実施例で、フラッシ
ング液は駆動軸１に設けた給液路２０及び回転環３に設
けた給液通路旧を通って円周Ｗ１１１２に供給される。

なおまた、固定環２、回転環３の何れに形成する場合で
も、円周溝１２の外側をシール面部とし、内側を流体圧
力発生面ＰＩ１１７としてもよい。第７図は固定環２の
円周溝１２の外側をシール面部７とし、内側を液体圧力
発生面部１７とした実施例であって、フラッシング液は
シールボックス２３のシール液空間２３ａを経て出口２
４から流出する。

次に第８図は本発明の更に他の実施例であって、固定環
２への給液は行なわず、回転環３に給液通路１６を設け
る。回転環３が回転すると、固定環２の流体圧力発生面
部１７を満しているフラッシング液は遠心力によって外
周に向けて排出されるために自然に給液通路１６の圧力
が低くなり、図示のように７ラツシング液が吸入される
。このようにして自己ボンピング作用により摺動面への
液供給が自然に行なわれる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、固定環と回転環の摺動面部の一部に流
体圧力発生面部を形成することによって、シール面部に
極微の流体潤滑膜を形成することができ、シール面部の
流体潤滑と漏洩防止を同時にできるようにしシール摺動
面の寿命を飛躍的に向上することができる。

また本発明によれば、流体潤滑理論に基づく摺動面ａ１
滑膜は摺動面に働く面圧に対して負荷能力及び剛性がオ
ニ常に高く、運転条件の変動による面圧変化に対し常に
一定の安定したシール効果を維持できる。

またｉ！ｌ！動面部合面部強制冷ＩＪＩ　Ｌ、ているた
め、摺動面冷却が完全であり、発熱によるトラブルの発
生がない。

更に、シール摺動面が無接触のため長時間に亘りシール
液の漏洩量を微小かつ安定に保てる。

時間と共に漏洩ｍが増加することがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の断面図、第２図＠０図
及び第３図は前記第１の実施例の要部の断面図、第４＠
（ハ）図は流体圧力発生面部の２つの実施例の断面展開
図、第５図は第４（２）図の場合の微小段差の形状と流
体膜圧力の発生状態の関係を示す図、第６図、第７図及
び第８図はそれぞれ本発明第２、第３及び第４の実施例
の断面図、第９図は従来のメカニカルシールの断面図、
第１０＠０図はメカニカルシールの作動説明図である。 ２・・固定環、３・・回転環、７・・シール面部、１２
・・円周溝、１３．１６・・給液通路、１７・・流体圧
力発生面部、２１・・給液通路、Δ・・外部の駆動側、
Ｂ・・機械内部側、Ｃ・・１ＷｉｔＪ面部、δ１．δ２
・・微小段差。 ネユ貝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）固定環と回転環の摺動面部の何れか一方に円周溝
   を設け、該溝にフラッシング液供給用の給液通路を連結
   し、前記円周溝の内側または外側の一方をシール面部と
   し、他方を、前記シール面部のシール面に対して微小段
   差を有する半径方向のランド部と前記シール面に対して
   前記微小段差よりやや大きい微小段差を有する半径方向
   の溝部とを交互に形成した流体圧力発生面部としたこと
   を特徴とするメカニカルシール。