JPH02236067A

JPH02236067A - 端面非接触形メカニカルシール

Info

Publication number: JPH02236067A
Application number: JP5249989A
Authority: JP
Inventors: Tadayuki Shimizu; 清水　忠之; Toshihiko Fuse; 敏彦布施
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 1989-03-03
Filing date: 1989-03-03
Publication date: 1990-09-18
Anticipated expiration: 2009-12-21
Also published as: JPH06105105B2

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】「産業上の利川分野」本発明は、主に、タービン，ブロワ，コンブレッザー等
の気体用回転機器の軸封装置として用いる、密封端面間
に微少間隙を形成してこの間に高圧流体を導入するよう
にした端面非接触形メカニカルシールに関する。

「従来の技術」密封流体の圧力がきわめて高い場合や、密封端面を形成
ずる密封環の寿命を向」ニさせたい場合には、密封端面
の摩耗を抑えるために、静止及び回転密封環の密封端面
間を非接触にすることが行われている。この種の端面非
接触形メカニカルシールは、密封端面にその外周縁もし
くは内周縁に接する四部を形成するようにしている。従
来より、この四部の形状には例えば特開昭６３，−１９
０９７５号公報に開示されるように種々のものが提案さ
れており、その中にはスパイラル状グルーブを周方向に
複数個配設するようにしたものもある。

ところで、こうした端面の非接触は、回転密封環の回転
に関１系なく密封端面間に生じる静圧効果もしくは回転
密封環が回転しているときに生じる動圧効果によって実
現されるのであるが、上記のように、密封端面にスバイ
ラル状グルーブを形設すると、主に回転密封環の回転に
伴ってグルーブ内に密封流体が導入されることによる動
圧効果により端面の非接触が実現される。

［発明が解決しようとする課題］しかしこのようなものにおいても、静圧効果が小さいと
低回転時におけるように動圧効果が小さい時点において
は密封端面が非接触とならず、密封機能が阻害されてし
まう虞がある。このため、静圧効果を働かせるようにす
る必要があるが、そのためには、幅狭なスパイラルグル
ーブを密封端面の高圧側から７〜９割の位置まで設ける
必要がある。しかしながらこのようにしていると、密封
端面が外高に歪んだ場合、密封端面外周側においては動
圧が発生竺ず、密封端面が接触してしまって密封機能が
阻害されてしまうという問題がある。

本発明は上記のような事情に鑑みなされたものであって
、低回転時や密封端面に外高な歪みが生じた時にも確実
に密封端面間の非接触を保つようにできる端面非接形メ
カニカルシールを提供することを目ｒ均としている。

［課題を解決するための手段１本発明による端面非接触形メカニカルシールは、上記目
的を達成するために、密封端面に形成されるグルーブが
、共に密封端面における密封流体側周縁を起点とすると
ともに、一方に対して他方が長寸幅狭で且つ互いに深さ
が異なる二種類のスバイラル状グルーブでなり、且つ各
種類のグルーブが密封端面上において周方向に交互又は
周期的に配されていることを特徴としている。ここにお
いて、長寸幅狭のスパイラル状グルーブの先端には、周
方向に延びるグルーブが連設されていることが好ましい
。

また、本発明の他の端面非接触形メカニカルシールは、
グルーブが、密封端面における密封流体側周縁を起点と
する複数のスパイラル状グルーブであって、全部もしく
は一部のスパイラル状グルーブが径方向途中においてこ
のグルーブの幅を狭くする段部を備え、且つこの段部に
まり幅狭となった幅狭部分及びこのグルーブの起点から
幅狭部分の入［１に至る幅広部分において前記幅狭部分
の両側壁に連続する曲線で囲まれる導入部分が他の部分
と深さが異なることを特徴としている。ここにおいても
、幅狭部分の先端に周方向に延びるグルーブを連投ずる
ことができる。

［作　川］二種類のスバイラル状グルーブを設けた端面非接触形メ
カニカルシールは、長寸幅狭である側のスパイラル状グ
ルーブの存在により、低回転時においても静圧効果によ
り非接触が保たれ、他方のスパイラル状グルーブの存在
により、密封端面が外高に歪んだ場合においても確実に
動圧の発生を維持できる。この場合、長寸幅狭のスバイ
ラル状グルーブの先端に、周方向に延びるグルーブが連
設されていると、静圧効果はより安定したものとなる。

また、スバイラル状グルーブに段部を設けて幅狭部分を
形成した端面非接触形メカニカルシールにおいても、こ
の幅狭部分の存在による静圧効果と、その手前の幅広部
分の存在による動圧効果により、上記の場６と同様、低
回転時あるいは密封端面の外高歪み時に確実に密封端面
の非接触か実現される。

［実施例］以下、木発明を図を参照しなから説明する。

第１図において、■はタンクスデンカーバイｌ・ＷＣ，
チタンカーハイ１・１１Ｃ，シリコンカーハイ１〜Ｓｉ
Ｃ等の硬質体によって形成される回転密封環であって、
この回転密封環１は回転軸Ａに固定されたスリーブ２と
このスリーブ２に外嵌された回転環押さえ３とによって
前記回転軸Ａと一体的にされている。そして、この回転
密封環１は、機器ケーシンクＩ−１に対して回転不能且
つ軸方向に付勢された状態で支持された静止密封環４と
の間に密封面を形成し、高圧の密封流体側Ｘと大気側Ｙ
間を密封ずるようになっている。尚、第１図において、
５は機器ケーシングＩ｛に固定されたスプリングリテー
ナ、６はこのスプリンタリテーナ４に周り止め係合され
且つスブリンク７によって軸方向に付勢される静止環で
、この静止環６に前記静止密封環４か一体的に固定され
ている。

第２図は前記回転密封環１の密封端面１０を示している
。この第２図において、１１・・・は密封端面１０」二
において周方向に等間隔で形成された第一スパイラル状
クルーフで、それぞれ密封端面１０の高圧側となる外周
縁を起点とし内周側へ向かって螺旋状に延びている。こ
の第一スパイラル状グルーブ１１の外周側から内周側へ
の螺旋の旋回方向は、回転密ル１環１の回転方向（矢符
Ｐ方向）と逆方向側で且つ法線から６０−　７５゜傾い
た対数螺旋曲線もしくはこれに近似した曲線に沿ってい
る。また、この第一スパイラル状グルーブ１１は、外周
縁部における幅が３．０ｍｍに設定された比較的幅狭の
グルーブであって、外周縁から径方向に密封面幅ｂの７
〜９割の位置まで延びている。また、この第一スバイラ
ル状グルーブ１１の深さは１０〜１２μｍとされている
。

一方、２１・・・は第二スパイラル状グルーブであって
、前記各第一スパイラル状グルーブ１１・・・と交互に
且つそれぞれが等間隔で配設されており、第一スバイラ
ル状クルーフ１１・・・と同様密封端面１０の外周縁を
起点とし、また同−・方向に旋回して延ひている。この
第二スバイラル状グルーブ２１は、外周縁部の幅が１０
ｍｍで且つ外周縁から径方向には密封面幅ｂの４割の位
置まで延びるグルーブで、前記第一スバイラル状グルー
ブ１１より短寸幅広のものである。すなわち、逆にいう
と第一スバイラル状クルーフ１１は第二スパイラル状グ
ルーブ２１に対じ長寸幅狭に形成されている。また、第
二スバイラル状クルーフ２１の深さは６〜８μＩｌ１で
、第一スパイラル状グルーブ１１より浅く設定されてい
る。

前記第一スバイラル状グルーブ１１・・・の各先端には
、この回転密封環１の回転方向（矢符Ｐ方向）と逆方向
に延ひる周方向グルーブ１２・・・が連投されている。

この周方向グルーブ１２・・・の幅は２ｍｍで、深さは
第一スパイラル状グルーブ１１・・・と同一である。ま
た、各周方向グルーブ１２は隣接する他の周方向グルー
ブ１２と２ｍｍ程度の間隔をおいて設（フられている。

このような回転密封環ｌを用いた第１図に示すような密
封機消において以下のようにして密封端面間の非接触が
保持される。

まず、回転軸八を回転させていない状態では、回転密封
環１の密封端面１０に形成した第一スパイラル状グルー
ブ１１・・及ひ周方向グルーブ１２・・・に高圧の密封
流体か侵入し、これによる静圧効果で回転密封環１と静
止密封環４の間に微少隙間が形成され、これらの密封端
面は非接触となる。このとき、第一スパイラル状グルー
ブ１１・・・が密封面幅ｂの７〜９割に達する位置まで
延びていることにより、十分な静圧効果が得られる。ま
た、これら第一スパイラル状グルーブ１１・・・の先端
に略全周に亘る周方向グルーブ１２・・・が設けられて
いるため、静圧効果により、端面間の隙間を維持しよう
とする力が強く作用して安定する。

一方、回転軸Ａを回転させると、第一及び第一スパイラ
ル状グルーブ１１・・・，２１・・・が回転密封環１の
外周側から内周側へ向がってこの回転軸Ａの回転方向（
矢符Ｉ〕方向）と逆方向側へ旋回する螺旋状であること
により、これら第一及び第二スパイラル状グルーブ１１
・・・，２１・・・にスムースに密封流体が流れ込む。

そして、この回転に伴って主に幅広の第二スバイラル状
グルーブ２１・・・内に侵入する密封流体により動圧効
果が発生ずる。ずなわち、これらグルーブ２１・・・に
侵入した密封流体が、ボンピング作用によりグルーブ２
１・・−の末端に押し込まれせき止められることにより
圧力を生じ、回転密封環１と静止密封環４を押し拡げよ
うとする結果、これらの密封端面は非接触となる。この
場合、第二スバイラル状グルーブ２１・・・は幅広でし
かも密封面幅ｂの４割の位置まで延びるに過ぎないもの
であるので、密封端面が外高に歪んだ場合でも動圧は確
実に発生ずる。遣な、低回転時においては、前記第一ス
バイラル状グルーブ１１・・・及び周方向グルーブ１２
・・・に導入されている密封流体による静圧効果が、第
二スパイラル状グルーブ２１に密封流体が侵入すること
による動圧効果を補助ずるため、動圧効果が小さいこう
した低回転時にも密封端面の非接触状態は確実に保持さ
れている。

尚、上記実施例では、第一スパイラル状グルーブ１１の
幅を３ｎｗｎ、これに連設される周方向グルーブ１２の
幅を２ｌＩＩｍとしたか、発明においては密封環の径等
に応じて変更することが可能であり、例えば０．３〜４
．０ｍｍの範囲から適宜選択することが好ましい。また
、この第一スパイラル状グルーブ１１の深さも上記実施
例では１０〜１２μ１ｎとしたが、同様に５〜２０μｎ
１の範囲から適宜選択することが好ましい。一方、第二
スパイラル状グルーブ２１の幅及び深さも、全く同様に
して幅は４〜２０ｍｍの範囲、深さは４・〜８μｍの範
囲から適宜選択することが好ましい。また、第二スパイ
ラル状グルーブ２１の長さは、密封面幅ｂの３〜５割と
することが好ましい。

第３図は発明の他の実施例を示している。この実施例の
回転密封環１ａの密封端面１０ａに形成されるグルーブ
は概ね第１図の実施例に示したものと同一である。但し
、この実施例における周方向グルーブ１２ａ・・・は、
前実施例における第一スパイラル状グルーブ１１・・・
と全く同様の第一スパイラル状グルーブＩｌａ・・・の
先端において両周方向に延びており、この点においての
み、この実施例は前実施例と異なる。図において、２１
ａ・・・は第二スパイラル状グルーブである。この回転
密封環１ａは、第１図においてそのまま回転密封環１と
置換することができ、これによってほぼ同一の作用を示
すことができる。

第４図は発明の第３の実施例を示している。この実施例
では、この第４図に示す回転密封環１ｂの密封端面１０
ｂに、先に埜げた実施例にお＋−＋る第一スバイラル状
グルーブ１１曾；と同様の１！４！旋曲線に沿う複数の
スパイラル状グルーブ１１ｂ・・・が形成されている。

これらのスパイラル状グルーブ１１ｂ・・・には、径方
向途中である密封端面幅ｂ゜の３〜５割の位置に段部１
２ｌ》が形成されており、これによってこれらのスパイ
ラル状グルーブ１１１》・・・は、この段部１２１Ｉよ
り起点側に幅広部分１３ｂを備えるとともに、先端側に
密封端面幅ｂ゜の７〜９割の位置まで延びる幅狭部分１
４ｂを備えている。この幅狭部分１４ｂと、幅広部分１
３ｂ中において第５図に示ずような幅狭部分１４ｂの両
側璧１４１ｂ，　１４２１）が沿う螺旋′曲線で囲まれ
る導入部分１５ｂとは、第６図に示すように幅広部分１
３ｂの他の部分とは異なる深さに設定されている。ずな
わち、幅狭部分１４ｂ及び導入部分１５ｂでは２〜２０
μＩｎ、他の部分では４〜８μＩｎの範囲で設定されて
いる。また、幅広部分１３ｂの回転密封環１ｂ外周縁の
幅は４．３〜２４．０ｍｍの範囲で選択され、このうち
から導入部分１５ｂの幅が０．３〜４−　Ｏｍｍの範囲
で選択される。

前記幅狭部分１４ｂの先端には、第２図及び第３図にお
ける周方向グルーブ１２．１２ａと同様、回転密封環１
ｂの回転方向（矢符Ｐ方向）と逆方向に延びる周方向グ
ルーブ１６ｂ・・・が連設されている。

第１図に示す密封機構において、回転密封環ｌに代えて
第４図〜第６図に示すようなスパイラル状グルーブ１ｌ
ｂ及び周方向グルーブ１６ｂが形成れた密封端面を持つ
回転密封環１ｂを用いた場合においても、回転密封環１
を用いた場合と同様の作用効果を得ることができる。す
なわち、回転軸Ａが回転していない状態では、主にスノ
Ｘイラル状グルーブ１１１》の幅狭部分１仙と導入部分
１５ｌ》及び周方向グルーブ１６ｂに侵入した密封流体
による静圧効果で密封端面間か非接触に維持され、一方
、回転軸Ａか回転している状態では、この回転に伴って
幅広部分１３ｂに導入される密封流体による動圧効果で
密封端面の非接触か保持される。そして、段部１２ｂが
密封端面幅ｌＪ′の３〜５割の位置に設けられているこ
とにより、密封端面か外高に歪んだ場合でも確実に動圧
が発生し、密封端面を損傷させることがない。また、回
転軸Ａが低回転であるときも、導入部分１５１｝及び周
方向グルーブ１６ｌ）に侵入した密封流体による静圧効
果が、幅広部分１３ｂに導入される密封流体による動圧
効果を補助し、密封端面の非接触状態が確実に保持され
る。

尚、上述の各端面非接触メカニカルシールは、全て回転
密封環の外周側か高圧密封流体であるものとして説明し
たが、内周側が高圧密封流体てある場合でも、各スパイ
ラル状グルーブの起点を密封環の内周縁側としたものと
することで、それぞれ同様の作用効果を備える端面非接
触メカニカルシールとなる。また、回転密」・１環に代
えて静止密封環の密封端面にグルーブを形成することも
てき［発明の効果−１請求項１，３によれば、回転軸か停止した状態では静圧
効果により、また高回転時においては動圧効果により、
密封端面の非接触状態が保持される。また、低回転時に
おいても動圧効果の不足分が静圧効果で補なわれ、非接
触状態が損なわれることがない。さらに、密封端面に外
高の歪みが生じても動圧効果は確実に発生し、非接触状
態を保持することができる。

請求項２．４によれば、静圧効果による密封端面の非接
触状態が安定したものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は密封機構の概略縦断面図、第２図は回転密封環
の密封端面を示す正面図、第３図は他の回転密封環の密
封端面を示ず正面図、第４図はさらに他の回転密封環の
密封端面を示す正面図、第５図は第４図の一部拡大図、
第６図は第５図のＶｌｖＩ断面図である。１０　１０ａ・・・密封端面１１　１１ａ・・・第一スバイラル状グルーブ１２，１
２ａ・・周方向グルーブ２１　２１ａ・・・第二スバイラル状グルーブ１１ｂ・
・・スパイラル状グルーブ１２ｂ・・・段部１４ｂ・・・幅狭部分１６１）・・・周方向グルーブ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）密封環の密封端面にグルーブを形設し、このグル
ーブに密封流体を導入するようにして密封端面間に微少
隙間を形成するようにしている端面非接触形メカニカル
シールにおいて、前記グルーブは、共に密封端面における密封流体側周縁
を起点とするとともに、一方に対して他方が長寸幅狭で
且つ互いに深さが異なる二種類のスパイラル状グルーブ
でなり、且つ各種類のグルーブが密封端面上において周
方向に交互又は周期的に配されていることを特徴とする
端面非接触形メカニカルシール。
（２）長寸幅狭のスパイラル状グルーブの先端には周方
向に延びるグルーブが連設されていることを特徴とする
請求項１の端面非接触形メカニカルシール。
（３）密封環の密封端面にグルーブを形設し、このグル
ーブに密封流体を導入するようにして両密封端面間に微
少隙間を形成するようにしている端面非接触形メカニカ
ルシールにおいて、前記グルーブは、密封端面における密封流体側周縁を起
点とする複数のスパイラル状グルーブであって、全部も
しくは一部のスパイラル状グルーブが径方向途中におい
てこのグルーブの幅を狭くする段部を備え、且つこの段
部により幅狭となった幅狭部分及びこのグルーブの起点
から幅狭部分の入口に至る幅広部分において前記幅狭部
分の両側壁に連続する曲線で囲まれる導入部分が他の部
分と深さが異なることを特徴とする端面非接触形メカニ
カルシール。
（４）延長部分の先端に周方向に伸びるグルーブが連設
されていることを特徴とする請求項３の端面非接触形メ
カニカルシール。