JPH04248073A

JPH04248073A - 機械的面シール

Info

Publication number: JPH04248073A
Application number: JP3210638A
Authority: JP
Inventors: Colin Arthur Wichall; コリン　アーサー　ウィチャル
Original assignee: John Crane UK Ltd
Current assignee: John Crane UK Ltd
Priority date: 1990-08-23
Filing date: 1991-08-22
Publication date: 1992-09-03
Anticipated expiration: 2014-07-19
Also published as: CA2047973C; GB9018548D0; DE69117228T2; DE69117228D1; GB2261265A; EP0472287A1; CA2047973A1; ATE134428T1; GB9115609D0; JP2920005B2; EP0472287B1

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、機械的面シールに係る
。

【０００２】機械的面シールは、一方の部材が回転構成
要素に付属し他方の部材が静止構成要素に付属している
一対の面シール部材を互いに軸方向に押し付けてシール
係合する技術である。

【０００３】

【従来の技術】シール表面部材を押し付けて係合させる
「閉鎖力」は、例えば、ばねエレメントによる力やシー
ル流体からの液圧荷重のような力を組み合わせて用い、
恒久的なバイアス手段により作り出されるのが一般的で
ある。ただし後者の液圧荷重は流体圧により変動する。

【０００４】シール表面の摩損を少なくし熱の発生を抑
えるために、シールはシール表面の間に流体フィルムを
介在させて用いるように構成されている。この流体フィ
ルムは、通常では接触面を横切って生じる静的および動
的な圧力勾配を組み合わせて形成される。シール接触面
に充分な流体フィルムを形成する方法、例えばシール表
面を放射状に切除してシール用の流体が浸透し易くして
ある。これに対し、従来より広く行なわれてきた試みは
、シールの動きに見合うように流体フィルムにより境界
面の潤滑を行なうようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】シールされる流体の圧
力が大気圧まで下降しまたは大気圧以下になり、表面の
間の流体の浸透が少なくなると、すなわちシール接触面
を通って吸い込まれる空気により流体の浸透が妨げられ
る場合には、こうした試みは未だ不満足なものである。流体中に研磨くずが残っていれば接触面が破壊され、急
速な摩耗を生じるようになる。まだポンプの始動時、例
えばポンプシールのシール動作が遅く流体圧の低い場合
にも大きな問題が生じている。

【０００６】外部の供給源から例えば静的ヘッダータン
クより境界面に流体を供給して潤滑を行なうことが提案
されてきている。この方式は、始動時における潤滑不良
や流体フィルムに研磨くずが含まれる等の多くの問題点
を解消している。しかしながら、シールされる流体の圧
力変動に関する配慮がなされてきておらず、またこの方
法は常時何らかの潤滑が行なわれており、流体フィルム
の効果がシールの使用状況により変化する欠点がある。

【０００７】本発明は、シールの流体フィルム特性をシ
ールにとっての理想的な作動条件とあすることのできる
手段を提供している。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の１つの形態によ
れば、相対的に回転可能な一対の構成要素の間を流体密
封シールするための機械的面シールが得られる。此の機
械的面シールは、固定軸に沿って回転する関係に装着さ
れ、一方の構成要素に対してシールされている第１のシ
ール面部材と、一定の回転する関係に装着され、他方の
構成要素に対してシールされている第２のシール面部材
とを有し、第２のシール面部材が構成要素の軸方向に移
動可能であり、また第１のシール面部材に向けて軸方向
に弾性的に偏倚され、第１と第２のシール面部材の向か
い合ったシール表面をシール係合状態に押圧するような
機械面シールにして、一方のシール面部材を通る通路が
設けてあり、当該通路は、他方のシール面部材のシール
表面が係合する表面の半径方向端の中間地点にあってシ
ール面部材のシール表面に向けて開口しており、通路は
加圧流体の供給源に連結され、また第１および第２のシ
ール面部材と、通路を経てシール表面に供給する流体圧
を調節してシールの性能を最適な状態にするための手段
との間の境界面で作動条件をモニターするために手段が
設けてあることを特徴としている。

【０００９】本発明の一実施例によれば、シール表面の
境界面に供給される流体圧とシール流体の圧力はモニタ
ーされ、また境界面に供給される流体圧はシール流体圧
の圧力変動に応答して制御され、境界面の流体フィルム
を維持してシール表面を理想的な状態に潤滑することが
できる。先の実施例とは別に、あるいはそうした実施例
に加えて、流体フィルムにより効果的な潤滑を行なえる
ようにするためにシール表面の温度をモニターすること
もできる。境界面に供給される流体圧は必要に応じて調
節され、流体フィルムの有効性を加減することもできる
。境界面に供給される流体圧を制御するために、他のパ
ラメータをモニターすることもできる。このパラメータ
には、例えば、回転速度、シール漏洩および／またはシ
ール表面の摩耗が含まれる。

【００１０】

【実施例】以下、添付図面に沿って本発明の一実施例を
説明する。図１および図２に示すように、シールは第１
のシール面部材すなわちシート１０を備えている。この
シート１０はシートハウジング１１の内径側に配置され
、エラストマー製のシーリングストリップ１２によりシ
ートハウジング１１に対してシールされている。シート
ハウジング１１は、ボルト１３により互いに固定されシ
ート１０の周囲をクランプする２つの部品からできてい
る。シートハウジング１１は角度間隔をおいて配置され
た一連のボルト１５によりポンプハウジング１４にボル
ト止めされ、シート１０はこのシートハウジングに対し
最も外側の位置を占めている。一対のピン１６（１つだ
けを図示）はシートハウジング１１のボアに係合し、突
合わせ構造対をシート１０上に係合し両者の相対的な回
転を防いでいる。

【００１１】ポンプハウジング１４から外に向けて、ク
ランプリング２２を用いてシャフト２１がエラストマー
製のブッシュ２０に取り付けられ、ブッシュはシャフト
とともに回転することができる。ブッシュ２０はグラン
プリング２２からシート１０に向けて延び、シート１０
に隣接したブッシュ２０の端部には金属リテーナリング
２３が設置してある。ブッシュ２０のシール係合はこの
リテーナリング２３を介して行なわれる。第２のシール
面部材２５がリテーナリング２３に配置され、シールス
トリップ２６によりリテーナリングに対してシールされ
る。

【００１２】ブッシュ２０はシャフト２１に設置され、
正常な運転中にシール面部材２５の表面３０がシート１
０の相対する表面３１に係合する際に圧縮状態になり、
ブッシュ２０はバイアス表面３０、３１に弾性荷重を加
えシール係合させる。シール面部材２５の内径部には角
度間隔を置いて一連のだぼ３３が設置されている。また
これらだぼ３３はシャフト１０に近接して延び、シャフ
ト１０にシール面部材２５を中心位置決めし、両者間の
相対的な軸方向運動を妨げることがない。従って、シー
ル面部材２５は軸方向に移動して表面３０、３１の摩損
を吸収し、シール面部材２５と表面３０、３１の間に潤
滑流体フィルムを形成することができる。

【００１３】表面３１の係合するシール表面３０の両端
部中間位置には環状溝４０が設けられている。直径方向
に向かい合っている一対の通路４１がシート１０を通っ
て設けられ、通路４１はシート１０の外径部から延び、
環状溝４０と放射状に整合して表面３１に開口している
。入口４２は一方の通路４１に設けられ、他方の通路は
出口４３が設けてある。またシート１０を通じ外径部か
ら内径部にかけて放射状に延びる別の通路４４が設けて
ある。

【００１４】入口４２は加圧流体供給源５０に連結され
ている。この加圧流体供給源には、例えば、ポンプ出口
から先のタッピング部分、ブースポンプまたは主給水管
がある。流出口４３は圧力制御弁５１を経て通路４４に
連結されている。従って、流体は流入口４２から表面３
０、３１に注入され、充分な背圧が流体制御弁５１から
供給され、表面３０と３１の間に流体フィルムを形成し
ている。流出口４３を出て流体制御弁５１と通路４４を
通る流体はシールの内側表面を流れ、シート１０とシー
ル面部材２５の冷却を手助けしている。

【００１５】圧力検知手段５３、５４が設置され、シー
ル１０とシール面部材２５の境界面における注入流体圧
およびハウジング１４内部のシール流体の圧力をそれぞ
れモニターしている。また必要に応じてシート１０に温
度センサー５５を取り付けておき、表面３０、３１に生
じる温度を測定することができる。

【００１６】圧力センサー５３、５４から電子制御ユニ
ット５６に信号が送られる。この電子制御ユニット５６
は弁５１を制御し、シート１０とシール面部材２５の間
の境界面の圧力をハウジング１４内部の圧力変動により
調節し、表面３０と３１の間に生じた流体フィルムをシ
ールにとって理想的な作用条件を作り出すことができる
。温度センサー５５を取り付けた場合、この温度センサ
ーから流体フィルムによる潤滑効果の目安を得て、これ
を流体フィルムの冷却操作において参考にすることがで
きる。

【００１７】前述したシールを用いれば、シールのすべ
ての運転条件下でシート１０とシール面部材２５の間の
流体フィルムを正確に制御することができる。シール表
面の潤滑と冷却をこのように改善することによりシール
表面の摩耗が減少し、シールの寿命が延びることになる
。この装置の使用に当たり、流体フィルムの形成はシー
ルの動きまたはシール流体の圧力には関係なく行なわれ
る。例えば、スタート時の条件下でも流体フィルムを形
成することができる。このように潤滑機能が改善された
ため、従来は使用に適さないと考えられていた材料から
でもシール面部材を製作することができる。さらにこの
シール構造によれば、シール表面の間に正常流体を注入
し、研磨による汚染の問題は生じない。流体がポンプ流
出口から僅かづつ送られる場合、この流体はシール表面
の間に注入する以前に濾過処理することもできる。

【００１８】図３は、外部加圧シールを示している。こ
のシールでは、シールハウジング１１１の内径側にシー
ト１１０が配置され、図１および図２に基づいて既に説
明したものと同じように、シールストリップ１１２を用
いシートをシールハウジングに対してシールしている。ただし、シールハウジング１１１はシート１１０を最も
内側にしてハウジング１１４に取り付けられている。

【００１９】シール面部材１２５はリテーナリング１２
６の内側に取り付けられ、エレストマー製のシールスト
リップ１２７によりリテーナリングに対してシールされ
ている。このリテーナリング１２６は、クランプリング
１２２によりシャフト１２１に取り付けたカラー１２７
にスライド可能に装着されている。軸方向に延びる角度
間隔を置いた複数のピン１３０がキャリアリング１２６
の内側フランジ構造部１３１に位置決めされ、ピン１３
０の一方の端部はシール面部材１２５のボア１３２に係
合し、他方の端部はキャリアリング１２７のボア１３３
に係合し、シール面部材１２５、キャリアリング１２６
およびシャフト１２１の間に相対回転が起こるのを防い
でいる。カラー１２７の軸方向に延びるボア１３６内に
は、ピン１３０の中間位置に角度間隔を置いて一連の圧
縮ばね１３５が配置されている。ばね１３５はボア１３
６の端部とフランジ構造部１３１の間で作用し、キャリ
アリング１２６とシール面部材１２５をシール面部材１
２５のシート１１０と表面１４０に向けて押圧しシート
１１０の表面１４１に係合させている。

【００２０】シール面部材１２５の表面１４０には環状
溝１５０が設けてある。軸方向通路１５１が表面１４１
からシート１１０を通り抜けて環状溝１５２まで続いて
いる。環状溝１５２はシートハウジング１１１の内径部
により閉じられ、また流入口１５３がシートハウジング
１１１を通って溝１５２まで設置されている。流入口１
５３は制御可能な圧力供給源１６０に連結され、この圧
力供給源からシート１１０とシール面部材１２５の間の
境界面に流体を供給し、表面１４０と１４１の間に流体
フィルムを形成している。シート１１０とシール面部材
１２５の間の境界面における流体圧およびハウジング１
１４内部の流体圧をモニターするために、それぞれ圧力
センサー１６１と１６２が設けられている。圧力センサ
ー１６１、１６２からの信号は、圧力供給源１６０を制
御する電子制御ユニット１６３に供給される。圧力供給
源１６０から供給された流体圧はハウジング１１４内部
の圧力変動に応じて制御され、表面１４０と１４１の間
に理想的な流体フィルムを形成するようにしている。

【００２１】図４に示した装置では、シート２１０のシ
ール表面に隣接して温度センサー２２０が装着されてい
る。センサー２２０は電子制御モジュール２２１に連結
され、シール境界面の温度に比例したアナログ信号を供
給している。

【００２２】通路２１２はシート２１０を通り抜け、図
１および図３に基づいて既に説明した例と同じように、
シール面部材の間の境界面に連絡している。通路２１２
は逆止弁２３１を介しシールよりも高いレベルに配置し
た液体タンク２３０に連結され、液体のヘッドに等しい
最小圧でタンク２３０からシール境界面に液体を分配し
ている。

【００２３】空気作動式のダブルアクション・ダイアフ
ラムポンプ２４０が、逆止弁２３１に平行して通路２１
２とタンク２３０の間に連結されている。圧縮空気供給
源２４１は、電子制御モジュール２２１から送られてく
る電子信号に応答してポンプ２４０に分配される空気圧
を制御する電気／空気圧制御弁２４２を経てポンプ２４
８に連結されている。ポンプ２４０は液体をタンク２３
０から通路２１２に供給し、ポンプ２４０に送られる空
気圧に等しい圧力でシール境界面に分配される。

【００２４】電子制御モジュール２２１にはマイクロプ
ロセッサが設置され、一定の制約の下でセンサー２１０
から送られてきたアナログ信号と比較されるようにプロ
グラムしてある。こうして制御モジュール２２１は電気
／空気圧制御弁２４２を制御する出力信号を発生し、ポ
ンプ２４０に送られる空気圧およびシール境界面に送ら
れる液体圧は液体フィルムを調節し、境界面の温度を所
定の範囲内に維持しているようにしている。

【００２５】シール境界面の温度を利用して通路２１２
に供給される流体圧を制御する代わりに、前述した装置
はシールにより保持された流体圧を測定するセンサーを
使用することができる。制御モジュール２２１は、前述
したようにしてシールが保持した流体圧に対し、シール
境界面に供給される液体圧を調節するようにプログラム
されている。シール境界面に液体圧を測定するセンサー
を設け、制御モジュール２２１に正フィードバック信号
を供給することもできる。

【００２６】前述したように、空気作動式のダブルアク
ション・ダイアフラムポンプ２４０を使用する代わりに
、空気圧を増加させる空気作動式のピストンポンプを使
用することもできる。これとは別に、空気加圧式液体タ
ンクを使用することもできる。

【００２７】発明から逸脱することなく様々な修正を加
えることができる。例えば、先の実施例においてシール
面部材の一方に環状溝を設けておき、流体フィルムを確
実に形成できるようにしておいてもよい。ただし、この
構成は必要不可欠なものではない。また表面は平面にし
ておくことができ、周縁凹所に代えて局部的な凹所を設
置して置くこともできる。さらに、流体をシール表面に
供給する通路を備えているシール面部材に周縁凹所また
は局部凹所を設置することもできる。

【００２８】前記実施例では流体をシール表面に注出す
るために単一の通路を設けたが、角度間隔を置いた複数
の通路を同じ目的のために設置しておくこともできる。前記シール面部材が軸方向に固定されている場合には、
静止構成要素に連結されたシール面部材の通路を通じシ
ール表面に流体を供給すると都合はよいが、回転可能お
よび／または軸方向に移動可能なシール面部材の通路を
通じて流体を供給することもできる。ただし、適当な回
転可能および／または軸方向に移動可能な流体連絡部が
使用される。

【００２９】シール表面に供給される流体圧を制御する
ことに加えて、検知／制御装置を装備して突発的なシー
ル事故を知らせたり、シールが要注意であることを教え
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により形成されたシールの一部縦断面図
。

【図２】図１のＩ−Ｉ線に沿った断面図。

【図３】本発明により形成されたシールの変更例を示す
一部縦断面図。

【図４】図１および図３に示した形式のシールに使用す
る制御装置の変更例を示す説明図。

【符号の説明】

１０　　第１のシール面部材またはシート１１　　シー
トハウジング１２　　シーリングストリップ１４　　ポンプハウジング２０　　ブッシュ２１　　シャフト２２　　クランプリング２３　　リテーナリング２５　　第２のシール面部材３０、３１　　表面４０　　環状溝４１　　通路４２　　流入口４３　　流出口４４　　通路５３、５４　　圧力検知手段（圧力センサー）５５　　
温度センサー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　相対的に回転可能な一対の構成要素（
１４、２１；１１４、１２１）の間を流体密封するため
の機械的面シールにして、当該機械的面シールは、固定
軸に沿って回転する関係に装着され、一方の構成要素（
１４；１１４）に対してシールされている第１のシール
面部材（１０；１１０；２１０）と、一定の回転する関
係に装着され、他方の構成要素（２１；１２１）に対し
てシールされている第２のシール面部材（２５；１２５
）とを有し、第２のシール面部材（２５；１２５）が第
１のシール面部材（１０；１１０；２１０）に向けて軸
方向に移動可能であり、第１と第２のシール面部材（１
０、２５；１１０、１２５；２１０）の向かい合ったシ
ール表面（３０、３１；１４０、１４１）をシール係合
状態に押圧するような機械面シールにして、一方のシー
ル面部材（１０；１１０；２１０）を通る通路（４１；
１５１；２１２）が設けてあり、当該通路（４１；１５
１；２１２）は、他方のシール面部材（２５；１２５）
のシール表面（３０；１４０）が係合する表面（３１；
１４１）の半径方向端部の中間地点にあってシール面部
材（１０、１１０；２１０）のシール表面（３１；１４
１）に向けて開口しており、通路（４１；１５１；２１
２）は加圧流体の供給源（５０；１６０；２４０）に連
結され、また第１および第２のシール面部材（１０、２
５；１１０、１２５；２１０）と、通路（４１；１５１
；２１２）を経てシール表面（３０、３１；１４０、１
４１）に供給する流体圧を調節してシールの性能を最適
な状態にするための手段（５１；５６；１６３、１６０
；２４０、２４２、２２１）との間の境界面で作動条件
をモニターするために手段（５３、５４、５５；１６１
；２２０）が設けてあることを特徴とする機械面シール
。
【請求項２】　　請求項１に記載された機械的面シール
において、一方のシール表面（３０）には、前記通路開
口（４１）に等しい半径の位置に円周方向に延びる凹所
（４０）が形成されていることを特徴とする機械的面シ
ール。
【請求項３】　　請求項１または２に記載された機械的
面シールにおいて、第１と第２のシール面部材（１０、
２５）の間の境界面に流体を供給する複数の通路（４１
）が設けてあることを特徴とする機械的面シール。
【請求項４】　　請求項１から３の何れか一つに記載さ
れた機械的面シールにおいて、第１と第２のシール面部
材（１０、２５）の間の境界面に流体を供給する第１の
通路（４１）が設けてあり、第１と第２のシール面部材
（１０、２５）の間の境界面から余分な流体を取り除く
ことのできる第２の通路（４１）が設けてあり、加圧流
体外部供給源（５０）が第１の通路（４１）に連結され
、また流体制御弁（５１）が第２の通路（４１）に連結
され、流体制御弁（５１）は第１と第２のシール面部材
（１０、２５）の間の境界面にあって作動状況に応じて
制御され適当な流体フィルムを形成できるだけの背圧を
作り出せるようにしてあることを特徴とする機械的面シ
ール。
【請求項５】　　請求項４に記載さた機械的面シールに
おいて、流体制御弁（５１）から送られて来る流体は、
シール面部材（１０）の外径部と内径部の間に延びる第
３の通路（４４）を通り抜け、第１と第２のシール面部
材（１０、２５）の内径部に流体を流すようにしてある
ことを特徴とする機械的面シール。
【請求項６】　　請求項１から５の何れか一つに記載さ
れた機械的面シールにおいて、流体の外部供給源（１６
０；２４０）の圧力は制御可能であることを特徴とする
機械的面シール。
【請求項７】　　請求項１から６の何れか一つに記載さ
れた機械的面シールにおいて、第１と第２のシール面部
材（１０、２５；１１０、１２５）の間の境界面におけ
る流体圧を測定するセンサー（５３；１６１）が設けて
あることを特徴とする機械的面シール。
【請求項８】　　請求項１から７の何れか一つに記載さ
れた機械的面シールにおいて、シールにより保持された
流体圧を測定するセンサー（５４；１６２）が設けてあ
り、制御手段（５１、５６；１６０、１６３）は、シー
ルされた流体圧の変動に応じてシール表面（３０、３１
；１４０、１４１）に供給される流体圧を調節する働き
をすることを特徴とする機械的面シール。
【請求項９】　　請求項１から８の何れか一つに記載さ
れた機械的面シールにおいて、シール表面（３０、３１
）の温度を測定するセンサー（５５；２２０）が設けて
あり、制御手段（５６、５１；２４０、２４２、２２１
）は、シール表面（３０、３１）の温度変化に応じてシ
ール表面（３０、３１）に供給される流体圧を調節する
働きをすることを特徴とする機械的面シール。
【請求項１０】　　請求項９に記載された機械的面シー
ルにおいて、制御手段（２４０、２４２、２２１）は、
シール表面（３０、３１）に供給される流体圧を調節し
てシール表面（３０、３１）の温度を所定の範囲内に維
持する働きをすることを特徴とする機械的面シール。