JPH04236860A - シャフトシール装置及びシール方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、機械設備のシャフト用
シール装置、より詳しくいうと、シャフトが静止してい
る時には効果的にシールし、又シャフトが回転している
ときには、その形状が変化して、摩擦なしに効果的にシ
ールしうるシャフト用シール装置、及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ベアリングと機械的なシールの故障の８
０％は、その回転部品に起因している。これらの２つの
重要な部品の寿命の間には密接な関係がある。機械的な
シールの故障は、ベアリングの故障の原因となり得、又
ベアリングの劣悪な状況は、シールの寿命を短くする。

【０００３】ベアリングのたった１０％のみが、２４，
０００から４０，０００時間（３年から５年）のその最
低設計寿命を全うすると概算されている。ベアリングの
ハウジングに侵入する雨、製品の漏出、破片、流入水は
、ベアリングの潤滑油を汚染し、ベアリングの寿命に破
滅的な効果を及ぼす。潤滑油の中の汚染度０．００２％
の水は、ベアリングの寿命を多くとも４８％まで短縮す
る。たった０．１０％の水が、ベアリングの寿命を９０
％も短くしたとの報告もある。

【０００４】時としてベアリング隔離器又はシールリン
グと呼ばれるシャフト用シールの補助的機械装置は、現
代の機械装置、特に劣悪な環境での作動を要求される装
置において、その重要性が増している。

【０００５】例えば、石切場で使用される機械的動力伝
達装置は、しばしば高い摩耗性を有する粉塵粒子に曝さ
れる。エラストマーのリップや０リングシャフトシール
は、これらの環境のなかでは短期間に摩耗し、故障する
。その様な故障をした通常のシーリング装置では、ほこ
りや外部の汚染物質を、その伝達装置のハウジングから
排除することは出来ない。又オイルや他の流体が、摩耗
したリップシールを通じて伝達装置から漏洩することを
防ぐことは出来ない。

【０００６】汚染物質の侵入と潤滑流体の流出を防ぐた
めに、数多くの補助的あるいは改良された一次的なシー
ル装置が開発されて来た。これらのシール装置のいくつ
かは、シャフトが作動している間、シャフトの物理的係
合と拭き取り動作を行う。他の装置は、シール部品を相
互に係合させ、それらのシール部品間で拭き取り動作を
する。しかしながら、その様な装置のいずれにおいても
、当然起こる摩擦が、部品を不可避的に摩耗させる原因
となる。

【０００７】例えば、オイルシールとして通常知られた
リップシールは、水、ほこり、化学的汚染又は蒸気汚染
からベアリングのハウジングを防御するために、広く普
及している。リップシールは通常、回転するシャフト又
はスリーブにある角度で接触する静止した１個又は複数
個のエラストマーのシールを含み、それによって汚染物
質をハウジングから排除する。リップシールの初期価格
は低いが、エラストマーあるいはシャフトそれ自身の摩
耗のため、およそ３，０００時間とその保護寿命は短い
。

【０００８】他のタイプのシールは複雑な装置であり、
汚染物質がベアリングのハウジング内に侵入して、潤滑
効果を減少させ難いようになっている。この複雑な装置
の利点は、非摩耗性で自己通気的な特徴を有することで
ある。

【０００９】これらの商業的に成功したシール装置のい
くつかでは、シール部材が物理的に相互に係合している
必要は全くない。ある程度商業的に受け入れられた装置
のなかで、オルロウスキー（Ｏｒｌｏｗｓｋｉ）による
米国特許第４，７０６，９６８号明細書、同じくオルロ
ウスキーによる米国特許第４，４６６，６２０号、同第
４，１７５，７５２号、同第４，１１４，９０２号、同
第４，０２２，４７９号、同第４，８３２，３００号明
細書に開示されているものが代表的である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、その複雑なシ
ール装置のために、リップシールより初期価格が高くな
り、又大気への開口通路があることから、装置がオン・
オフの循環運転する時に、湿気を含む環境での気温変化
に伴って、ハウジング内が「呼吸」し、そのために、大
気の凝縮物によって潤滑物が汚染されるという問題点が
ある。

【００１１】出願人の原出願である米国特許出願第３６
５，８９５号に開示されている空洞の０リングシールは
、シャフトが静止している時には静止的なシール作用を
行い、シャフトが回転している時には非接触の運動的な
シール作用を行う。しかしながら、この空洞の０リング
は疲労が早く、又摩耗故障し易い。

【００１２】本発明の第１の目的は、回転可能なシャフ
トが突出するハウジングを有する機械と共に使用するた
めのものであって、シャフトが静止状態にある時には、
部品間の効果的な接触静止シール作用を提供し、シャフ
トが作動スピードで回転している時には、効果的な非接
触動的シール作用を提供する改良されたシール手段を提
供することにある。

【００１３】本発明の第２の目的は、シャフトが静止状
態にある時には、中実の０リングシール部材がシール静
止子とシール回転子の両者に係合し、シャフトが通常の
作動スピードで回転する時には、シール部材が静止子と
の係合から離脱する、上述のタイプの機械的なシールを
提供することにある。

【００１４】本発明の第３の目的は、製造するのに比較
的安価な、上述のタイプのシールを提供することにある
。

【００１５】本発明の第４の目的は、長期に亘って、故
障することなしに作動しうる上述のタイプのシールを提
供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】これらの目的を達成する
ために、機械ハウジングとハウジングを通って突出する
回転可能なシャフトと共に使用するための隔離装置を提
供する。隔離装置は、ハウジングに付設された静止子リ
ングとシャフトに取り付けられた回転子リングとから成
る。静止子は雄円筒状の表面を有し、回転子は、静止子
の雄表面の外半径方向に位置する雌円筒状の表面を有す
るようにそれぞれ形成される。中実ではあるが変形可能
で環状のシール部材が回転子の雌表面上に載置され、回
転子とシール部材が静止している時には、静止子の雄表
面と係合する。しかし、回転子とシール部材が作動速度
で運動する時には、シール部材は、遠心力によって静止
子との係合から外れる形状に変形する。

【００１７】

【実施例】本発明の、他の目的及び利点は、添付の図面
を参照しての好適実施例による詳細な説明により、明ら
かになると思う。図面を通じて、同じ符号は同じ部分を
示している。

【００１８】本発明の好適な実施例について説明するが
、これは、本発明を限定する意図ではないことを理解さ
れたい。反対に、本発明の精神と範囲内に含まれる全て
の改変、変更、均等物は、本発明に包含されるものであ
る。

【００１９】図１において、ハウジング（１２）の内部
に配設された新規なシール装置（１０）が示されている
。回転可能なシャフト（１３）が、このシール装置（１
０）とハウジング（１２）とを通って突出している。ベ
アリング（１４）は、静止しているハウジング（１２）
と回転可能なシャフト（１３）との間に、周知の方法で
機能的に配置されている。

【００２０】図１、図２、図３に示す様に、この新規な
シール装置（１０）は、概して、ハウジング（１２）に
固定されたリング状の静止子（２０）と、シャフト（１
３）に固定されシャフト（１３）の回転運動に従う組に
なった回転子リング（２２）とを備えている。

【００２１】回転子（２２）と静止子（２０）は、青銅
又はスチール又は適当な調合のプラスチックなどの適当
な材料で形成可能である。静止子（２０）は、ハウジン
グ（１２）に形成された凹部（２４）内に、軽い金属同
士のしまりばめによって、しっかりとはまるように設計
・採寸されている。周知の０リングシール（２６）が、
静止子（２０）とハウジング（１２）との間に設けられ
、効果的かつ永続的なシールを提供し、かつ外部環境（
Ｅ）からの粉塵や他の汚れを排除し、内部（Ｉ）からの
オイルその他の流体の漏出を禁じている。

【００２２】特に図３で示されている様に、静止子（２
０）は、概して環状をしているが、その内側表面（２８
）は、概して円筒形状に形成されており、表面（２８）
とシャフト（１３）の隣接する外側表面との間に、適度
な空隙を与えるような寸法としてある。従って、静止子
（２０）はハウジング（１２）にしっかりと固定されて
いるが、シャフト（１３）には係合していない。

【００２３】流体を回収し、それがシャフト（１３）を
伝って流れることを禁止するために、環状の流体収集溝
（３０）が、静止子（２０）の内部に形成されている。 図示の液体収集溝（３０）は、シャフト（１３）の軸（
Ａ）　に対して、おおむね、直角の方向を向く第１の面
、又は下流面（３２）と、円錐形をした第２の対向面（
３４）を備えている。この溝の形状は、装置のハウジン
グの内部（Ｉ）　から外部の環境（Ｅ）に導かれる方向
に、シャフト（１３）の表面に沿って流れるオイル又は
他の流体を回収するのに効果的であるようにしてある。

【００２４】静止子（２０）の底部に位置する戻り溝又
はドレン溝（３６）は、シャフトの軸に向かって傾斜し
ており、溜ったオイルや他の流体を回収し、それらがハ
ウジング（１２）の内底部に戻るように促す。

【００２５】回転子（２２）はシャフト（１３）に固着
され、それと共に回転する。このために、回転子（２２
）は、周知の型の０リングを取付けるための凹部（４２
）を備えている。 ０リング（４４）は、凹部（４２）の中で適当に圧縮さ
れるように設計・採寸されており、周知の方法で、適当
な圧縮圧力でシャフト（１３）に係合している。

【００２６】本発明に従って、静止子（２０）と静止し
た回転子（２２）との間に静止シールを提供するために
、回転子（２２）には、軸方向に延びるフランジ（５０
）が形成されており、又静止子（２０）は、組になった
凹部（５２）を備えている。それらの半径方向の内側部
分において、回転子のフランジ（５０）には、軸方向に
延長する円筒状の雌表面（５４）が形成され、静止子（
２０）は組になって向い合い、下方にあって軸方向に延
出する表面（５６）を有している。

【００２７】これら表面（５４）（５６）の間に、シャ
フト（１３）と回転子（２２）が静止している時に、静
止子（２０）と回転子（２２）の両者に係合する中実で
はあるが弾性を有する０リングシール部材（６０）が設
けられている。

【００２８】好適な実施例において、この弾性を有する
シール部材（６０）は、回転子フランジ（５０）に形成
された凹部（６２）内に緩く配置されている。シール部
材（６０）は、回転子（２２）とシャフト（１３）が運
動していない時には、向かい合って隣接する静止子（２
０）の雌表面（５６）に係合するように、その寸法と形
が定められている。

【００２９】シールと回転子が静止している時のシール
と静止子との係合及びシール接触を向上させるために、
静止子（２０）の表面（５６）は、凹部（６２）に関し
て軸方向に中心を有する溝（６４）によって中断されて
いる。この溝（６４）には、２つの対向する肩部（６６
）（６８）が形成されている。

【００３０】回転子（６０）が運動していない時には、
肩部（６６）（６８）は、弾性を有するシール部材と、
２つの向き合った環状の接触線に沿って係合する。従っ
て、確実な物理的シール係合が、シール部材（６０）と
静止子（２０）の間で、２つの向き合った環状の肩部（
６６）（６８）に沿って発生する。そして、シール部材
（６０）と回転子（２２）との間の確実な物理的係合は
、シール（６０）と凹部（６２）の背面又は底部との間
に、環状の接触線に沿って常時発生する。シール部分の
静止時の形状が、図４に示されている。

【００３１】また、更に本発明に従えば、特に図５に示
す様に、回転子（２２）とシャフト（１３）が正常スピ
ードで回転している時には、中実のシール部材（６０）
は、遠心力によって静止子（２０）との係合から離れる
。凹部（６２）の方向の長さは決まっており、回転中、
シール部材の過度の変形を抑制する。

【００３２】シール部材（６０）にかかる遠心力は、特
に図５に示す様に、シール部材（６０）を凹部（６２）
内で変形し、下方にある静止子の雄表面（５６）から遠
ざける原因となるため、その上昇あるいはシール係合離
脱が起こる。これらの状況の下では、シャフトが回転し
ている時には、シールの静止部分とシールの回転する部
分との間には、何の物理的相互係合も存在しない。従っ
て、シール部材は、汚れの侵入もしくは流体の流出を禁
じる効果を有し、さらに摩擦がないため、作動時に摩耗
しない。

【００３３】この弾性を有するシール部材（６０）は、
デュポン社（ＤｕＰｏｎｔ）によって製造されている、
ビトンといったニトリル又はフルオロエラストマー材料
から形成された中実の環状体とするのがよい。シールは
、低いデュロメーター硬さ、ショアＡ、４０から７０の
範囲を有し、従って弾性的に変形可能である。

【００３４】当業者なら理解しうるように、シール部材
（６０）は、遠心力が増加するに従って徐々に変形し、
下方にある静止子との係合から外れて持ち上がる。これ
らの遠心力は、シール要素（６０）の線速度の自乗に比
例して増加する。

【００３５】本発明を実施する際、特にシャフト（１３
）が回転している時に、汚れの侵入と流体の流出を禁ず
るために、静止子凹部（５２）と組になった回転子フラ
ンジ（５０）に追加の表面が形成される。ここでは、回
転子フランジ（５０）は、一連の肩部又は角部（７０）
から（７９）と、環状の収集溝（８０）（８２）を有す
るように形成されている。静止子凹部（５２）は同様に
、組になった突出部（８４）と角部（９０）から（９４
）　を備えている。

【００３６】これらの同心的な静止子と回転子リングは
、延長した長さ及び種々の寸法と厚さを有する、環状で
回旋状の複雑な通路（９６）　を形作っている。この通
路は、その最も薄い部分で、半径又は厚さ約０．１７８
ｍｍから３，８１０ｍｍである。従って、回転子は、そ
れぞれの表面の間で、実際には摩擦ゼロで、静止子内で
空転又は回転することが出来る。複雑な通路は、流体が
ハウジング内部（Ｉ）　から外部（Ｅ）へ向かって外方
へ通過するのを阻止し、又汚れが外部（Ｅ）から内部（
Ｅ）に侵入するのを阻止する。

【００３７】静止子（２２）の底部には、この収集溝（
９６）に連絡する、放射状に内側に向かって延長するボ
ア（１００）が位置している。ボア（１００）は、機械
ハウジング（１２）　の外側（Ｅ）に達しており、収集
溝（９６）で回収される汚れや他の物質がシール装置（
１０）から外へ排出されるようにする。

【００３８】静止子（２０）、回転子（２２）、中実の
シール（６０）の製造は、公知の方法によって、素早く
簡単に行ないうる。組立時には、静止子と回転子は互い
に物理的には係合せず、両者共に、その形状、運動作動
において干渉はない。

【００３９】上述のことから、本発明によると、記載し
た目的の全てが達成されることが判ると思う。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による新規なシール装置が載置されてい
る典型的な機械ハウジング、ベアリング、及び突出した
シャフトの断面図である。

【図２】シール装置を更に詳しく示した、図１と類似の
断面図である。

【図３】本発明によるシール装置の分解図である。

【図４】シャフトが静止している時の、シール部分の部
材を示す部分断面図である。

【図５】シャフトが作動速度で回転している時のベアリ
ングシール部分を示す、図４と類似の部分断面図である
。

【符号の説明】

（１０）シール　　　　　　　　　　　　　　　　（１
２）ハウジング（１３）シャフト　　　　　　　　　　
　　　　（１４）ベアリング（２０）静止子　　　　　
　　　　　　　　　　　（２２）回転子（２４）凹部　
　　　　　　　　　　　　　　　　　（２６）０リング
シール（２８）内側表面　　　　　　　　　　　　　　
（３０）液体収集溝（３２）下流面　　　　　　　　　
　　　　　　　（３４）対抗面（３６）戻り溝　　　　
　　　　　　　　　　　　（４２）凹部（４４）０リン
グ　　　　　　　　　　　　　　（５０）フランジ（５
２）雌表面　　　　　　　　　　　　　　　　（５４）
雄表面（５６）シール部材　　　　　　　　　　　　（
６０）シール部材（６２）凹部　　　　　　　　　　　
　　　　　　　（６４）溝（６６，６８）肩部　　　　
　　　　　　　　　　　（７０−７９）肩部（８０，８
２）収集溝　　　　　　　　　　　　　（８４）突出部
（９０−９４）（９６） （１００）ボア

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ハウジングと、ハウジングを通って突
   出する回転可能な軸と共に使用するためのシャフト用シ
   ール装置であって、ハウジングに付設された静止子部材
   と、軸と共に回転しうるようにして、軸に付設された回
   転子部材と、回転子とシール部材が静止状態の時には、
   静止子と回転子の両方に密封状態に係合し、回転子が作
   動速度で運動する時には、長円形に変形して静止子との
   係合から離脱し、ハウジング内への物質の侵入及びハウ
   ジング内からの物質の流出を阻止する、中実環状で、弾
   性を有し、変形可能な環状シール部材とを有することを
   特徴とするシャフト用シール装置。
2. 【請求項２】　　機械回転軸のベアリングからの潤滑剤
   流出、及びベアリングへの汚染物の侵入を阻止するシャ
   フト用シール方法において、機械に固設された静止子と
   、軸上に回転可能に載置された回転子とを有する、ベア
   リング装置をシャフト周囲に装着し、かつ静止子と回転
   子が半径方向に対向する互いの表面に空隙を持つととも
   に、互いに噛み合い状態にはまるようにし、回転子が静
   止状態にある時には、対向する表面の両方に係合し、回
   転子が回転する時には、静止子の円筒状表面から半径方
   向に遠心的に離れ、シール部材と静止子との間の摩擦を
   防ぐ中実のシール部材によって、対向する表面を密封す
   るようにしたことを特徴とする方法。