JPH0319422B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転軸用のワツシヤ形の流体力学的
密封部片、ことに高い軸振れ又は回転偏心を伴う
環境で使うこのような密封部片の特殊な幾何学的
形状に関する。

多くの従来の流体力学的軸密封部片は種種の高
い温度、圧力及びその他の環境条件のもとで有効
に使われている。しかし激しい軸振れの環境では
密封性能上の妥協点が必要になる。たとえばプラ
スチツク材及びポリテトラフルオルエチレンのよ
うな不活性の比較的高密度の材料は、すぐれた流
体力学的軸密封性、耐久性及び劣化に対する抵抗
性を確実に保つことが望ましい。しかし著しい軸
振れ又は軸偏心を生ずる環境では、密封部片は弾
性及びたわみ性が高いことにより有効な密封用の
エラストマー質材料に限定しなければならない。
すなわち前記した点でエラストマー質材料には欠
点があつても、これ等の材料はこのような環境に
おける高い振れの追従性に対し信頼性がある。

密封業界の他の問題点は、密封部片自体の品質
又は最適の有効性のほかに密封体に適当な有用寿
命を得ることに係わる。又密封部片の軸接触部分
の密封性能の有効度に主として係わる。ワツシヤ
形の密封部片は一般に、軸のまわりに唇状部形の
密封部片により理論的に得られるような環状線で
なくて帯状部を仕切る接触部分を持つ。又ワツシ
ヤ形密封部片は、密封のために軸に当てがつたと
きに荷重のもとで通常たわむビーム形横断面を仕
切る半径方向に延びるたわみ性本体を固有に持
つ。

この場合生ずる曲げ力はビーム力と称する。ワ
ツシヤ形密封体の実際の接触部分を囲む通常伸長
した環状体により別の組の相互作用力が加わる。
この力は、フープ力と呼ばれ軸に接触する密封唇
状部の半径方形内向きのゴムバンド的性質から生
ずる。ビーム力及びフープ力のつりあいは、普通
の形状のワツシヤ形密封部片を使うと得にくくて
与えられた密封上の要求に対してあまり望ましく
ない効果を生じやすい。理相的には密封部片の密
封性能は、ポリテトラフルオルエチレンのような
比較的密な材料を高い軸振れ又は偏心を伴う環境
で使うときはあまり妥協してはならない。

前記した本発明は、接触部分の密封性能及び磨
耗を高い軸振れ及び偏心の条件のもとで有効に利
用できるようにつりあわせるワツシヤ形の新規な
密封部片を提供するものである。本密封部片は、
固有の比較的高い耐磨耗性及び耐劣化性を持つた
とえばプラスチツク材又はポリテトラフルオルエ
チレンのような従来の好適とする比較的高密度の
比較的不活性の若干の材料のうちの１種から作
る。

好適とする形状では本発明による流体力学的軸
密封体は半径方向に延びる２つの面を持つ密封部
片を備えている。同心の環状の内縁部及び外縁部
はこれ等の面の境界を仕切る。この密封部片は、
半径方向外向きに延びる固定の本体部分と半径方
向内向きに延びるたわみ性本体部分とから成つて
いる。前記の各本体部分間の境界面によりたわみ
環状体を仕切る。前記各面は外縁部から内縁部ま
で連続して広がり又はテーパを持つ。この広がり
は、一般に外縁部から内縁部に向つて増す広がり
である。好適とする形状ではこれ等の面の横方向
の広がりはたわみ性本体部分の半径方形長さ1in
当たり0.006ないし0.060inの範囲内になる。

又好適とする形状では本密封部片は、0.025な
いし0.050inの範囲の壁厚を持つ。たわみ性本体
部分は半径方向長さが0.200ないし0.600inの範囲
である。たわみ環状体は、本密封部片を貫いて配
置した回転軸の直径より0.200ないし0.600inの範
囲内だけ大きい直径を持つのがよい。

以下本発明密封体の実施例を添付図面について
詳細に説明する。

第１図に示すように本発明の好適とする実施例
による流体力学的軸密封体１０は回転軸３６の油
密封体として作用する。軸密封体３０は、一般に
扁平なワツシヤ形又は環状の円板形部片から成る
密封部片１２を備えている。密封部片１２は、拘
束した本体部分１４及びたわみ性本体部分１６を
備えている。たわみ性環状体１８は両部分１４，
１６の境界面に形成してある。環状体１８は、破
線で示され密封部片１２のたわみ性本体部分１６
の外部境界を仕切る。本体部分１４は外部ケーシ
ング部片２０及び内部ケーシング部片２２により
拘束してある。各ケーシング部片２０，２２は図
示のように配置してある。好適とする実施例では
右方に延びるたわみ性本体部分１６は密封環境の
油側に露出した面２４を備えているが、本体部分
１６の面２６は密封環境の空気側に露出する。密
封部片１２は又外縁部２８及び内縁部３０を備え
ている。軸接触部分３２は密封部片１２の空気側
の面２６にあり内縁部３０により一方の側を仕切
つてある。

図示の好適とする実施例では内縁部３０はスカ
ロツプ３４として表わした１連の波形を備えてい
る。スカロツプ３４は、軸３６の回転中に軸３６
の周辺のまわりにある油に軸線方向のポンプ作用
を加える。たとえば油は、これが内縁部３０のス
カロツプ３４の１つと接触するまで破線の矢印Ｘ
に沿い円周方向に流れる。この接触のときには、
軸３６が密封本体部分１６に対して方向Ｚに回転
するものとして、油は湾曲した破線Ｙに近い径路
に沿い右方に付勢される。このようにして各スカ
ロツプ３４は油を軸線方向内方に本密封体の油側
に向い動かすように絶えず作用する。

第２図では密封部片１２は応力を生じてない状
態で示してある。密封部片１２の油側の面２４及
び空気側の面２６が外縁部２８から内縁部に向い
増大する横方向間隔又はテーパを待つのは明らか
である。すなわち好適とする実施例では各面２
４，２６は縁部２８から縁部３０まで連続的に広
がる。一定の広がりを示してあるが、本発明では
この広がりは一定でなくてもよい。又本発明によ
ればこれ等のテーパは油側の面２４の方が傾斜し
てもよいし又は密封部片１２の半径方向軸線にな
し対称でもよい。しかしこの好適とする実施例に
示したテーパは空気側の面２６が傾斜している。

外縁部２８における各面２４，２６の横方向間
隔は外縁部２８における壁厚を表わし図示のよう
に距離Ｏとして示す。同様にして内縁部３０にお
ける壁厚は距離Ｐにより表わす。距離Ｐ、Ｏ間の
差に等しい距離Ｓは、広がり量又は外縁部２８及
び内縁部３０における横間隔間の差を表わす。密
封部片１２の長さにわたる各面２４，２６間の平
均横方向間隔は、Ｏ＋1/2Ｓに等しい距離で示し
た平均壁厚を表わす。距離Ｑはたわみ環状体１８
及び内縁部３０における横方向間隔の差を表わ
す。たわみ環状体１８は、密封部片１２の空気側
の面２６が軸３６に適合するように軸線方向にた
わむ際に軸３６に向つてゆがむ。好適とする実施
例では各面２４，２６の好適とする広がりは、さ
らに詳しく後述するように密封部片１２のたわみ
性本体部分１６の半径方向長さ1in当たり0.006な
いし0.060inの範囲にある。

当業者には明らかなように密封の有効性を制御
する変数は多い。さらに１つの特定の変数すなわ
ち協動する回転軸の振れ又は偏心の量はこれにつ
いて予知し又は設計し或いはこれ等の両方を行う
ことが極めてむずかしい。回転軸又は密封或いは
これ等の両方の技術の当業者には明らかなように
低い振れの値はダイヤル指示器の全指示器読みで
表わされるように0.001ないし0.005inの範囲内に
なる。このような条件は、たとえばクランク軸の
場合に振れをクランク軸軸受にかなり近接して測
定した場合に得られる。中程度の振れの値は
0.005ないし0.015inの範囲内になるが、高い振れ
の値は0.015in以上になる。この条件（高い振れ）
は、軸受が著しく磨耗し又は測定する軸を支えて
ないような異常な又は極端な環境で生ずる。しか
し本発明密封体は、密封部片１２の幾何学的形状
を0.065inまでの全指示器読みにより表わしたき
びしい振れ条件のもとでも有効な密封のできるよ
うにした密封体である。

当業者には明らかなようにきびしい振れ又は軸
偏心の条件のもとでは慣性力は軸３４から密封部
片１２を周期的に隔離させるのに十分強くなる。
従つて高い振れ値では、前記のフープ力及びビー
ム力は、追従性を保証して密封部片１２及び軸３
４間に連続接触状態を保つように注意深く制御す
ることが大切である。

前記した本発明により密封部片１２の有効な質
量分布のできる新規な手段が得られる。すなわち
一定密度の材料を利用してたわみ性本体部分１６
〔密封部片１２の作用部片〕の幾何学的形状と密
封体及び軸のその他のパラメータの相対寸法と
は、ビーム力及びフープ力の間に高い振れの値に
おける有効密封に有害な慣性力に打勝つつりあい
が得られるようにしてある。このために本発明は
各面２４，２６の横方向間隔を内縁部３０からた
わみ性環状体１８まで連続的に増加させる。

例 流体力学的軸密封体１０の次の例は、6inの直
径の軸に対し構成され2400rpmの軸回転速度で著
しい振れ条件のもとで有効な密封の全部の所要の
特性を持つことが分かつた。Ｏ＋1/2Ｓの平均壁
厚は0.025ないし0.050inの範囲であつた。距離Ｑ
は、たわみ性環状体１８から内縁部３０まで測つ
て0.200ないし0.600inの半径方向寸法を持つたわ
み性本体部分１６にわたつて0.004ないし0.012in
であつた。このようにして各面２４，２６のたわ
み性環状体１８から内縁部３０までの広がりはた
わみ性本体部分１６の半径方向長さ1in当たり
0.006ないし0.060inの範囲内になつた。又軸３６
に対するたわみ性本体部分１６の干渉は、内縁部
３０の平均内径が軸３６の6inの直径より0.200な
いし0.600inだけ小さくなるような値であつた。
さらに軸３６な対するたわみ性環状体１８の位置
は、軸３６に対する内部ケーシング部片２２の内
側すみ部２３の位置による。好適とする実施例で
はケーシング部片２２の内側すみ部２３の内径
は、軸３６の直径より0.200ないし0.600inだけ大
きい。

第１図に示すように各スカロツプ３４又は波形
の軸線方向変化Ｔは0.010ないし0.060inの範囲で
あり、又スカロツプ３４の数は２ないし８の範囲
にあるのが好適であつた。又密封部片１２の材料
はポリテトラフルオルエチレンを使うのが好適で
ある。

次にすべて前記した範囲内にある特定の有用な
ワツシヤ形密封体のパラメータを示す。

(a) 軸３６＝6in直径 (b) Ｑ＝0.007in (c) Ｏ＋1/2Ｓ＝0.0425in (d) すみ部２３の内径＝軸３６の直径より
0.360in大きい (e) 内縁部３０の平均直径＝軸３６の直径より
0.420in小さい (f) Ｔ＝0.030in (g) スカロツプ３４の数＝８ 流体力学的テフロン製軸密封体１０について述
べたパラメータは、著しい軸振れを伴う環境で密
封部片１２の寿命と得られる密封体の密封性能と
の妥協点を表わす。試験成績により、内縁部３０
における各面２４，２６の横方向間隔とたわみ性
環状体１８における横方向間隔との比が大きいほ
ど、たわみ性密封本体部分１６の接触部分３２の
磨耗性及び熱に対する不感性とが増大することが
実証された。又この横方向間隔の比が大きくなる
ほど、他のパラメータをすべて一定に保つと
0.012inに等しいＱの値までは工業的に許容でき
る密封性能を保持できることが分つた。

すなわちたわみ性本体部分１６の長さが0.200
ないし0.600inの好適とする範囲にあると、各面
２４，２６の横方向間隔がたわみ性本体部分１６
の半径方向長さ1in当たり0.006ないし0.060inの範
囲内になるのは明らかである。このようにして
0.065inまでの振れ又は回転偏心に耐えることの
できるすぐれた密封体が得られる。

要するに本発明により、前記した作動パラメー
タで著しい軸振れ又は偏心の条件のもとで油の漏
れを防ぐ流体力学的軸密封体が得られる。本密封
体の油側及び空気側の各面の増大する広がりによ
り密封性能に悪影響を及ぼすようになるが、密封
体―軸境界面における軸温度を含む密封部片寿命
のパラメータ（比較的悪い環境を模すように油な
しの条件のもとで試験した）はテーパ量の増すに
伴い好い影響を生じた。すなわちテーパの正の量
が望ましいが、適度のテーパにより高い振れ条件
のもとでは密封性能が許容できなくなる。この高
い振れを生ずる現象は一部は、たわみ性環状体１
８における減少した質量に対する密封部片密封接
触部分における増加した質量に協働するフープ力
対ビーム力の比の変化に基づく。たわみ性環状体
１８から内縁部３０までの横方向間隔Ｑの好適と
する全範囲（0.004ないし0.012in）は、0.065inの
全振れにおける軸境界面温度、接触部分磨耗幅
（これ等は密封体の寿命を指示する）及び密封性
能有効度の組合わせをもとにした。

以上本発明をその実施例について詳細に説明し
たが本発明はなおその精神を逸脱しないで種種の
変化変型を行うことができるのはもちろんであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による流体力学的軸密封体の好
適とする実施例を軸に取付けて示す軸断面図、第
２図は第１図の軸密封体の密封部片の線図的軸断
面図である。 １０……密封体、１２……密封部片、１４……
固定本体部分、１６……たわみ性本体部分、２
４，２６……面、２８……外縁部、３０……内縁
部、３６……軸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半径方向に延びる２つの面と、これ等の面の
   境界を仕切る互に大体同心の環状の内縁部及び外
   縁部とを備え、さらに半径方向外向きに延びる固
   定の本体部分と、半径方向内向きに延びるたわみ
   性本体部分とを設けた密封部片から成る流体力学
   的軸密封体において、２つの面を環状の外縁部か
   ら内縁部まで連続的に広げ、この広がりを前記の
   外縁部から内縁部まで前記各面の横方向間隔をた
   わみ性本体部分の半径方向長さ1in当たり0.006な
   いし0.060inの範囲で増すことにより生じさせた
   ことの特徴とする流体力学的軸密封体。 ２ 密封部片を相対的に回転自在な軸に密封状態
   で接触するようにし、前記密封部片の平均壁厚を
   0.025ないし0.050inの範囲にし、前記密封部片の
   たわみ性本体部分が0.200ないし0.600inの範囲の
   半径方向長さを持つようにした特許請求の範囲第
   １項記載の密封体。 ３ たわみ性本体部分に半径方向に延びる各面の
   一方に沿い、密封部片を相対的に回転自在な軸に
   取付けたときに前記密封片を貫いて配置した前記
   の回転自在な軸に沿い軸線方向に延びる環状の軸
   接触部分を設け、環状の内縁部を前記軸に対し大
   体直交させ、前記接触部分を前記内縁部により仕
   切つた特許請求の範囲第２項記載の密封体。 ４ 密封部片の固定の本体部分及びたわみ性本体
   部分の間の境界面により仕切つたたわみ性環状体
   を備え、このたわみ性環状体の直径を前記密封部
   片を貫いて配置した相対的に回転自在な軸の直径
   より0.200ないし0.600in大きくした特許請求の範
   囲第３項記載の密封体。 ５ 応力を生じてない状態で密封部片の半径方向
   内側の縁部が、この密封部片を貫いて配置した相
   対的に回転自在な軸の直径より0.200ないし
   0.600in小さい平均直径を持つようにした特許請
   求の範囲第４項記載の密封体。 ６ 半径方向内側の縁部に、密封部片の軸接触部
   分にわたり複数の周期的波形を仕切つた特許請求
   の範囲第５項記載の密封体。 ７ 各波形の末端が0.010ないし0.060inの全変化
   範囲内にあるようにした特許請求の範囲第６項記
   載の密封体。 ８ 複数の周期的波形を２ないし８の範囲の数に
   した特許請求の範囲第７項記載の密封体。 ９ 密封部片をポリテトラフルオルエチレン材料
   から作つた特許請求の範囲第８項記載の密封体。