JPH05164249A - Non-contact mechanical seal - Google Patents

Non-contact mechanical seal

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Publication number
JPH05164249A
JPH05164249A JP35226491A JP35226491A JPH05164249A JP H05164249 A JPH05164249 A JP H05164249A JP 35226491 A JP35226491 A JP 35226491A JP 35226491 A JP35226491 A JP 35226491A JP H05164249 A JPH05164249 A JP H05164249A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
spiral groove
seal
ring
main
sub
Prior art date
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Pending
Application number
JP35226491A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshihide Abe
吉秀 阿部
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NIPPON JOHN KUREEN KK
Original Assignee
NIPPON JOHN KUREEN KK
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH05164249A publication Critical patent/JPH05164249A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To reduce fluid leakage from a mechanical seal by applying the constitution where a part of sealed fluid leaking outside due to the pressure of a main spiral groove on one of both seal faces of a mating ring and a primary ring, is returned to a processing side (sealing side) after the reversal of a flow with a sub-spiral groove formed on the other seal face. CONSTITUTION:A mating ring 3 and a primary ring 4 have seal faces 5 and 6 in contact with each other, and a main spiral groove 8 is formed on one of the faces 5 and 6 in such a way as extended from the internal or external edge thereof as a starting end and closed at the terminal end. Also, a sub-spiral groove 9 is formed on other seal face in such a way as extended from a position inside the internal or external edge as a staring end and closed at the terminal end approximately in agreement to the position of the terminal end of the main spiral groove 8. Furthermore, the grooves 8 and 9 are directionally so set as to have an approximate mirror image relationship.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、非接触メカニカルシー
ルの改良に係わり、更に詳しくはガスタービンやコンプ
レッサ等の流体機器の軸封装置として高周速条件下で使
用する非接触メカニカルシールに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to improvement of a non-contact mechanical seal, and more particularly to a non-contact mechanical seal used as a shaft sealing device for fluid equipment such as a gas turbine and a compressor under high peripheral speed conditions.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、コンプレッサ等における回転軸と
ケーシング間を密封する非接触メカニカルシールは既に
提供されている。例えば、特公平1−22509号公報
には、回転軸に密封固定したメーティングリングとケー
シングに密封装着し且つ押圧手段にて軸方向へ付勢した
プライマリーリングとの対面する各シール面の何れか一
方のシール面に、相対的回転方向に対して前進角を有す
る同一長さの多数の螺旋溝を円周方向に一定間隔で設け
て封入流体をシール面間に圧送してなる非接触メカニカ
ルシールが提供されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a non-contact mechanical seal for sealing between a rotary shaft and a casing in a compressor or the like has already been provided. For example, in Japanese Examined Patent Publication No. 1-22509, any one of the sealing surfaces facing a mating ring hermetically fixed to a rotary shaft and a primary ring hermetically mounted on a casing and axially biased by a pressing means. A non-contact mechanical seal in which one sealing surface is provided with a large number of spiral grooves of the same length having an advancing angle with respect to the relative rotation direction at regular intervals in the circumferential direction, and a sealed fluid is pumped between the sealing surfaces. Is provided.

【0003】しかし、従来の非接触メカニカルシール
は、プライマリーリングとメーティングリングのシール
面間に中心に向かう動圧が発生し、この動圧により両シ
ール面間にミクロン単位のギャップを生じさせて非接触
状態を保持して高周速回転を可能にしているため、原理
的にこの動圧と封入流体のシール圧力(静圧)によって
コントロールされたギャップを通じて封入流体(ガス又
は液体)が外部に漏れることは避けられないのである。
However, in the conventional non-contact mechanical seal, a dynamic pressure toward the center is generated between the seal surfaces of the primary ring and the mating ring, and this dynamic pressure causes a gap of a micron unit between the seal surfaces. Since it is possible to rotate at a high peripheral speed while maintaining the non-contact state, the enclosed fluid (gas or liquid) is exposed to the outside through the gap controlled by this dynamic pressure and the sealing pressure (static pressure) of the enclosed fluid in principle. Leakage is inevitable.

【0004】従来は、シール面間に形成されたギャップ
を通じた微量の漏れは、原理的に不可避として無視して
いたが、この微量の漏れをも更に少なくすることが、食
品用機器、医薬品用機器若しくは精密機器に使用される
非接触メカニカルシールにおいて望まれるところであ
る。
Conventionally, a small amount of leakage through the gap formed between the seal surfaces has been ignored in principle as unavoidable, but it is necessary to further reduce this small amount of leakage for food equipment, pharmaceutical products. This is desired in non-contact mechanical seals used in equipment or precision equipment.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】非接触メカニカルシー
ルにおいて、従来はメーティングリングとプライマリー
リングのシール面間の外部方向に加圧された封入流体
は、全て外部に漏れていた。本発明が前述の状況に鑑
み、解決しようとするところは、メーティングリングと
プライマリーリングの両シール面の一方に形成した主螺
旋溝により加圧され外部に漏れる封入流体の一部を、他
方のシール面に形成した副螺旋溝によって逆流させてプ
ロセス側(封入側)に戻し、漏れを少なくした非接触メ
カニカルシールを提供する点にある。
In the non-contact mechanical seal, conventionally, all the enclosed fluid pressurized in the outward direction between the sealing surfaces of the mating ring and the primary ring leaks to the outside. In view of the above situation, the present invention is to solve the problem that a part of the enclosed fluid that is pressurized by the main spiral groove formed in one of the sealing surfaces of the mating ring and the primary ring and leaks to the outside is The point is to provide a non-contact mechanical seal with less leakage by allowing the auxiliary spiral groove formed on the sealing surface to reversely flow back to the process side (encapsulation side).

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題解
決のために、回転軸に密封固定したメーティングリング
とケーシングに軸方向可動となして密封装着し且つ押圧
手段にて軸方向へ付勢したプライマリーリングとの対接
する両シール面であって、一方のシール面にその外周縁
若しくは内周縁を始端として延び、その終端を閉止した
主螺旋溝を設け、他方のシール面にはその外周縁若しく
は内周縁より内方位置を始端として延び、その終端を主
螺旋溝の終端と略一致させて閉止した副螺旋溝を設け、
両シール面に形成した螺旋溝を互いに略鏡像関係になる
ように方向設定し、前記回転軸の特定方向回転に伴い一
方のシール面の主螺旋溝で終端へ向かう動圧を発生さ
せ、他方のシール面の副螺旋溝で、漏れ流体を逆流させ
る動圧を発生させてなる非接触メカニカルシールを構成
した。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is axially movable in a mating ring and a casing, which are hermetically fixed to a rotating shaft, and is hermetically mounted by a pressing means in the axial direction. The two sealing surfaces that are in contact with the urged primary ring, one main sealing surface extends from the outer peripheral edge or the inner peripheral edge as the starting end, and the main spiral groove that closes the end is provided, and the other sealing surface has the main spiral groove. A sub spiral groove extending from the outer peripheral edge or the inner peripheral edge with an inner position as a starting end and having its end substantially aligned with the end of the main spiral groove is provided,
The spiral grooves formed on both seal surfaces are oriented so as to have a substantially mirror image relationship with each other, and a dynamic pressure toward the end is generated in the main spiral groove on one of the seal surfaces with rotation of the rotary shaft in a specific direction, and A non-contact mechanical seal is created by generating dynamic pressure that causes the leaking fluid to flow backward with the auxiliary spiral groove on the sealing surface.

【0007】そして、前記主螺旋溝のダム巾比を約0.
2〜0.8に設定するとともに、副螺旋溝のダム巾比を
約0.3〜0.7に設定した。
The dam width ratio of the main spiral groove is about 0.
It was set to 2 to 0.8 and the dam width ratio of the auxiliary spiral groove was set to about 0.3 to 0.7.

【0008】[0008]

【作用】以上の如き内容からなる本発明の非接触メカニ
カルシールは、メーティングリングとプライマリーリン
グの両シール面のうち一方のシール面に形成した主螺旋
溝によって、封入流体をその溝の終端へ圧送する動圧を
発生させ、この流体輸送作用によりシール面間に圧送さ
れた封入流体の圧力で両シール面間にギャップを形成
し、他方のシール面に形成した副螺旋溝によって、主螺
旋溝で外部側へ圧送された封入流体の一部をプロセス側
(封入側)へ逆流させて、封入流体の漏れ量を最小限に
抑制するものである。
In the non-contact mechanical seal of the present invention having the above-mentioned contents, the main spiral groove formed on one of the sealing surfaces of the mating ring and the primary ring allows the enclosed fluid to reach the end of the groove. A dynamic pressure to be pumped is generated, and by this fluid transport action, the pressure of the enclosed fluid pumped between the seal faces forms a gap between the two seal faces, and the auxiliary spiral groove formed on the other seal face causes the main spiral groove A part of the enclosed fluid pressure-fed to the outside is back-flowed to the process side (enclosed side) to minimize the leakage amount of the enclosed fluid.

【0009】[0009]

【実施例】次に添付図面に示した実施例に基づき更に本
発明の詳細を説明する。本実施例においてはガスシール
用に用いる非接触メカニカルシールについて主に説明す
るが、流体シール用についても同様である。
The present invention will be further described in detail with reference to the embodiments shown in the accompanying drawings. In this embodiment, the non-contact mechanical seal used for gas sealing will be mainly described, but the same applies to fluid sealing.

【0010】図1は本発明に係る非接触メカニカルシー
ルMの全体構造を示し、ケーシング1と、該ケーシング
1の開放端を貫通する回転軸2との間に設けている。こ
こで、図中Aは大気圧(低圧)側、Bは高圧(シール
圧)側を示している。この大気圧側と高圧側は逆の配置
になることもある。
FIG. 1 shows the entire structure of a non-contact mechanical seal M according to the present invention, which is provided between a casing 1 and a rotary shaft 2 penetrating an open end of the casing 1. Here, in the figure, A indicates the atmospheric pressure (low pressure) side, and B indicates the high pressure (seal pressure) side. The atmospheric pressure side and the high pressure side may be reversed.

【0011】本実施例の非接触メカニカルシールMは、
前記回転軸2に密封固定したメーティングリング3と、
前記ケーシング1に密封装着したプライマリーリング4
を備え、該メーティングリング3とプライマリーリング
4の互いのシール面5,6を対接させ、そしてプライマ
リーリング4は密封状態で軸方向可動となすとともに、
ケーシング1に関係づけた押圧手段7にて各シール面
5,6が接近する軸方向に付勢している。
The non-contact mechanical seal M of this embodiment is
A mating ring 3 hermetically fixed to the rotary shaft 2;
Primary ring 4 hermetically mounted on the casing 1
The mating ring 3 and the primary ring 4 have their sealing surfaces 5 and 6 in contact with each other, and the primary ring 4 is axially movable in a sealed state, and
A pressing means 7 associated with the casing 1 urges the sealing surfaces 5 and 6 in the axial direction toward each other.

【0012】そして、図2に示す如く前記メーティング
リング3のシール面5には、その外周縁を始端として内
方へ延び、回転方向Rに対して前進角を有する主螺旋溝
8を円周方向に一定間隔毎に多数設けている。一方、図
3に示す如く前記プライマリーリング4のシール面6に
は、その外周縁より内方位置を始端として内方へ延び、
相対的回転方向Rr (回転方向Rとは逆方向)に対して
後退角を有する副螺旋溝9を円周方向に一定間隔毎に多
数設けている。即ち、前記主螺旋溝8と副螺旋溝9は、
その両シール面5,6を対接した場合に互いに略鏡像関
係になるような方向に形成されている。ここで、前記主
螺旋溝8及副螺旋溝9の内方終端は略一致した半径方向
位置において閉止し、即ちシール面5及び6の他の平面
部分と面一となしている。ここで、副螺旋溝9の終端は
主螺旋溝8の終端より若干半径方向内側に位置せること
が好ましい。
Then, as shown in FIG. 2, on the sealing surface 5 of the mating ring 3, a main spiral groove 8 extending inward from the outer peripheral edge thereof and having an advancing angle with respect to the rotational direction R is circumferentially formed. Many are provided at regular intervals in the direction. On the other hand, as shown in FIG. 3, the sealing surface 6 of the primary ring 4 extends inward from the outer peripheral edge of the primary ring 4 with the inward position as the starting end.
A large number of sub spiral grooves 9 having a receding angle with respect to the relative rotation direction R r (direction opposite to the rotation direction R) are provided at regular intervals in the circumferential direction. That is, the main spiral groove 8 and the sub spiral groove 9 are
When the two sealing surfaces 5 and 6 are in contact with each other, they are formed in such a direction that they are in a substantially mirror image relationship with each other. Here, the inner ends of the main spiral groove 8 and the sub spiral groove 9 are closed at substantially coincident radial positions, that is, they are flush with the other flat surface portions of the seal surfaces 5 and 6. Here, it is preferable that the end of the auxiliary spiral groove 9 is located slightly inward in the radial direction from the end of the main spiral groove 8.

【0013】前記メーティングリング3は、前記回転軸
2に同軸外挿した固定スリーブ10に同軸外挿するとと
もに、該固定スリーブ10の一端から延びたフランジ部
11に前記シール面5とは反対側面を当止し、そしてフ
ランジ部11を回転軸2に形成した段部12に当止状態
で前記固定スリーブ10に外嵌した締着スリーブ13と
該固定スリーブ10の端部を回転軸2に螺合した保持ナ
ット14で締付けることにより、固定スリーブ10とと
もに回転軸2に固定し、そして回転軸2とフランジ部1
1間、メーティングリング3と固定スリーブ10間及び
メーティングリング3とフランジ部11間にそれぞれO
リング15,16,17を介装して密封している。
The mating ring 3 is coaxially externally fitted to a fixed sleeve 10 coaxially externally fitted to the rotary shaft 2, and a flange portion 11 extending from one end of the fixed sleeve 10 is provided with a side surface opposite to the sealing surface 5. And the flange portion 11 is fixed to the step portion 12 formed on the rotary shaft 2, and the fastening sleeve 13 externally fitted to the fixed sleeve 10 and the end portion of the fixed sleeve 10 are screwed onto the rotary shaft 2. It is fixed to the rotating shaft 2 together with the fixed sleeve 10 by tightening the combined holding nut 14, and the rotating shaft 2 and the flange portion 1
1, between the mating ring 3 and the fixed sleeve 10 and between the mating ring 3 and the flange portion 11, respectively.
The rings 15, 16 and 17 are interposed and sealed.

【0014】前記プライマリーリング4は、前記ケーシ
ング1に密封固定した環状の保持装置18によって所定
位置に軸方向可動となして密封保持するとともに、押圧
手段7にて前記メーティングリング3のシール面5と、
当該プライマリーリング4のシール面6が接近する方向
へ付勢している。ここで、前記保持装置18は、外周一
端をケーシング1の段部19に当止するとともに、他端
を固定スリーブ20に当止して軸方向の移動を規制し、
更にケーシング1と保持装置18の外周間にはOリング
21を介装し、また内周縁から軸方向へ延びた環状の摺
動部22の外周と前記プライマリーリング4の内周間に
Oリング23を介装して該プライマリーリング4を密封
状態で軸方向可動となしている。そして、前記保持装置
18に一端を係着した複数のコイルばね等の弾性部材か
らなる押圧手段7の他端を環状のディスク24を介して
前記プライマリーリング4のシール面6とは反対側端に
関係づけ、該プライマリーリング4を前記メーティング
リング3の方向へ弾性付勢して、両シール面5,6が互
いに接近する方向へ常時押圧力が作用するようになして
いる。
The primary ring 4 is axially movable to a predetermined position by an annular holding device 18 which is hermetically fixed to the casing 1 so as to hermetically hold it, and a pressing means 7 seals the sealing surface 5 of the mating ring 3. When,
The sealing surface 6 of the primary ring 4 is urged in the approaching direction. Here, the holding device 18 has one outer peripheral end abutting against the stepped portion 19 of the casing 1 and the other end abutting against the fixed sleeve 20 to restrict axial movement.
Further, an O-ring 21 is provided between the casing 1 and the outer circumference of the holding device 18, and an O-ring 23 is provided between the outer circumference of an annular sliding portion 22 extending axially from the inner circumference and the inner circumference of the primary ring 4. The primary ring 4 is axially movable in a hermetically sealed state by interposing. Then, the other end of the pressing means 7 made of an elastic member such as a plurality of coil springs and the like, one end of which is engaged with the holding device 18, is provided on the opposite side of the seal surface 6 of the primary ring 4 via the annular disc 24. Correspondingly, the primary ring 4 is elastically biased toward the mating ring 3 so that the pressing force always acts in the direction in which the two sealing surfaces 5 and 6 approach each other.

【0015】尚、前記プライマリーリング4は、前記メ
ーティングリング3に対して回転時に完全に接触しない
のではなく、回転軸2が静止状態から回転を始めて初期
の段階では接触抵抗によりメーティングリング3と摺動
し、回転軸2が一定回転数以上になった場合には主螺旋
溝8による動圧が高くなって互いのシール面5,6間に
ギャップが形成されて滑るのでプライマリーリング4は
摺動を略停止する。尚、シール面5,6間に介在する流
体の粘性によりその摺動が略停止する回転数は異なる。
The primary ring 4 does not come into complete contact with the mating ring 3 at the time of rotation, but the mating ring 3 is caused by contact resistance at an initial stage when the rotating shaft 2 starts rotating from a stationary state. When the rotating shaft 2 is rotated over a certain number of revolutions, the dynamic pressure due to the main spiral groove 8 increases and a gap is formed between the sealing surfaces 5 and 6, so that the primary ring 4 slides. Stops sliding. The rotation speed at which the sliding substantially stops depends on the viscosity of the fluid interposed between the seal surfaces 5 and 6.

【0016】また、本実施例では、メーティングリング
3とプライマリーリング4を一対備えた非接触メカニカ
ルシールMの例を示したが、これらを複数用いて軸方向
に互いに関係づけて配列させたタンデム型のものにも採
用し得るのである。
Further, in this embodiment, an example of the non-contact mechanical seal M provided with a pair of the mating ring 3 and the primary ring 4 has been shown, but a tandem in which a plurality of these are used and arranged in axial relation to each other is used. It can also be used for molds.

【0017】図2及び図3は本発明のメーティングリン
グ3及びプライマリーリング4のシール面5及び6に形
成した主螺旋溝8及び副螺旋溝9のパターンの一例をそ
れぞれ示し、図示したものは主螺旋溝8及び副螺旋溝9
の本数を一致させ、略鏡像関係に形成したものである。
2 and 3 show examples of patterns of the main spiral groove 8 and the sub spiral groove 9 formed on the sealing surfaces 5 and 6 of the mating ring 3 and the primary ring 4 of the present invention, respectively. Main spiral groove 8 and sub spiral groove 9
Are formed in a substantially mirror image relationship with each other.

【0018】次に、メーティングリング3のダム巾比を
次式により定義する。 ダム巾比=(GD−ID)/(OD−ID) (1) ダム巾比=(OD−GD)/(OD−ID) (2) ここで、ODはシール面5,6の共通部分の外形、ID
は内径、GDは主螺旋溝8の溝領域と平坦領域との境界
で形成される輪郭円の直径である。
Next, the dam width ratio of the mating ring 3 is defined by the following equation. Dam width ratio = (GD-ID) / (OD-ID) (1) Dam width ratio = (OD-GD) / (OD-ID) (2) Here, OD is the common part of the sealing surfaces 5 and 6. Outline, ID
Is the inner diameter, and GD is the diameter of the contour circle formed at the boundary between the groove area and the flat area of the main spiral groove 8.

【0019】また、プライマリーリング4のダム巾比を
次式により定義する。 ダム巾比=(OD−GDO+GDI−ID)/(OD−ID) (3) ここで、前記同様にODはシール面5,6の共通部分の
外形、IDは内径、GDOは副螺旋溝9の溝領域と平坦
領域との境界で形成される外方輪郭円の直径、GDIは
副螺旋溝9の溝領域と平坦領域との境界で形成される内
方輪郭円の直径である。
The dam width ratio of the primary ring 4 is defined by the following equation. Dam width ratio = (OD-GDO + GDI-ID) / (OD-ID) (3) Here, similarly to the above, OD is the outer shape of the common portion of the sealing surfaces 5 and 6, ID is the inner diameter, and GDO is the auxiliary spiral groove 9. The diameter of the outer contour circle formed at the boundary between the groove area and the flat area, GDI is the diameter of the inner contour circle formed at the boundary between the groove area and the flat area of the auxiliary spiral groove 9.

【0020】(1)式は主螺旋溝8をシール面5の外周
縁を始端として形成した場合に適用する式であり、
(2)は内周縁を始端として形成した場合に適用する式
であり、本発明においては主螺旋溝8のダム巾比を約
0.2〜0.8に設定している。このダム巾比の最適値
は、他のパラメータ、例えば封入流体の種類及び圧力、
回転数等によって変化するが、より好ましい値としては
主螺旋溝8のダム巾比は約0.3〜0.6である。ま
た、(3)式は副螺旋溝9をシール面6の外周縁より内
方又は内周縁より外方を始端として形成した両方に適用
できる式であり、本発明においては副螺旋溝9のダム巾
比は約0.3〜0.7に設定し、より好ましい値として
は約0.4〜0.5である。ここで、主螺旋溝8及び副
螺旋溝9を外周側に形成した場合には、(3)式のGD
Iは(1)式のGDと略一致し、内周側に形成した場合
には、(3)式のGDOは(2)式のGDと略一致す
る。
Expression (1) is an expression applied when the main spiral groove 8 is formed with the outer peripheral edge of the sealing surface 5 as the starting end,
(2) is a formula applied when the inner peripheral edge is formed as the starting end, and in the present invention, the dam width ratio of the main spiral groove 8 is set to about 0.2 to 0.8. The optimum value of this dam width ratio depends on other parameters such as the type and pressure of the enclosed fluid,
The dam width ratio of the main spiral groove 8 is about 0.3 to 0.6 as a more preferable value, although it varies depending on the rotation speed and the like. Further, the expression (3) is an expression applicable to both the auxiliary spiral groove 9 formed with the inner end of the seal surface 6 as the inner end or the outer end of the inner peripheral edge as the starting end, and in the present invention, the dam of the auxiliary spiral groove 9 is formed. The width ratio is set to about 0.3 to 0.7, and a more preferable value is about 0.4 to 0.5. Here, when the main spiral groove 8 and the sub spiral groove 9 are formed on the outer peripheral side, the GD of the formula (3) is calculated.
I substantially matches the GD of the expression (1), and when formed on the inner peripheral side, the GDO of the expression (3) substantially matches the GD of the expression (2).

【0021】ここで、本発明における主螺旋溝8及び副
螺旋溝9は、約2〜15μmの深さを有し、その巾及び
前進角の角度は封入流体のシール圧力及び回転数等によ
って決定される。ここで、ガスシール用では溝の深さは
浅く設定し、液体シール用ではそれよりも深く設定す
る。また、螺旋溝のパターンは、図2及び図3に示した
ものに限定されず、各種のパターンを採用し得る。
Here, the main spiral groove 8 and the sub spiral groove 9 in the present invention have a depth of about 2 to 15 μm, and the width and the advance angle are determined by the sealing pressure of the enclosed fluid, the number of revolutions and the like. To be done. Here, the depth of the groove is set shallow for gas sealing and deeper for liquid sealing. Further, the pattern of the spiral groove is not limited to that shown in FIGS. 2 and 3, and various patterns can be adopted.

【0022】そして、当該螺旋溝をシール面の表面に形
成する方法は、炭化タングステン、炭化珪素、窒化珪
素、アルミナセラミック、金属材等の材料で所定形状に
メーティングリング3及びプライマリーリング4を成形
した後、シール面となる面に螺旋溝を化学的、物理的若
しくは電気化学的な手法を用いて形成する。例えば、エ
ッチング、粉末を吹きつけるブラスト及び各種めっき処
理によって形成することができる。尚、メーティングリ
ング3を硬度の高い前述の素材で形成し、プライマリー
リング4を硬度の低いカーボンで形成することも可能で
ある。
Then, the spiral groove is formed on the surface of the sealing surface by forming the mating ring 3 and the primary ring 4 into a predetermined shape with a material such as tungsten carbide, silicon carbide, silicon nitride, alumina ceramics, and a metal material. After that, a spiral groove is formed on the surface to be the sealing surface by using a chemical, physical or electrochemical method. For example, it can be formed by etching, powder blasting, and various plating treatments. It is also possible to form the mating ring 3 from the above-mentioned material having high hardness and the primary ring 4 from carbon having low hardness.

【0023】次に、本実施例の非接触メカニカルシール
Mにおいて、プライマリーリング4はその内周において
圧力を受けるので、その圧力バランスは、BDをバラン
ス直径とすれば、 バランス=(BD2 −ID2 )/(OD2 −ID2 ) (4) で表され、その値は0.5〜1.5に設定している。
Next, in the non-contact mechanical seal M of this embodiment, since the primary ring 4 receives pressure on its inner circumference, its pressure balance is: balance = (BD 2 -ID 2) is represented by / (OD 2 -ID 2) ( 4), its value is set to 0.5 to 1.5.

【0024】しかして、前記回転軸2を特定回転方向R
に回転させた場合の動作について説明する。図4及び図
5に示す如く、回転軸2の高速回転に伴い前記メーティ
ングリング3がR方向に回転すると、そのシール面5に
前進角を設けて形成された主螺旋溝8により所定のシー
ル圧を有する封入流体をシール面5,6間に圧送し、そ
れにより図6に示す如く、該シール面の半径方向の内部
(主螺旋溝8の終端近傍)においてシール圧PS より高
い動圧PMMが発生する。尚、PA は大気圧であり、FM
はメーティングリング3の主螺旋溝8による流体の流れ
の方向を示している。
Thus, the rotary shaft 2 is rotated in the specific rotation direction R.
The operation in the case of being rotated to will be described. As shown in FIGS. 4 and 5, when the mating ring 3 rotates in the R direction as the rotating shaft 2 rotates at a high speed, a predetermined spiral is formed by the main spiral groove 8 formed with an advancing angle on the sealing surface 5. A sealed fluid having a pressure is pumped between the sealing surfaces 5 and 6, so that a dynamic pressure higher than the sealing pressure P S in the radial inside of the sealing surfaces (near the end of the main spiral groove 8) as shown in FIG. P MM occurs. Note that P A is the atmospheric pressure and F M
Indicates the direction of fluid flow by the main spiral groove 8 of the mating ring 3.

【0025】一方、プライマリーリング4のシール面6
に形成された副螺旋溝9は該プライマリーリング4の相
対的回転方向Rr に対して後退角を有するので、該副螺
旋溝9によりシール面5,6間の主螺旋溝8の終端部に
存在する流体の一部を半径方向外周である高圧側Bへ逆
流させ、図7に示す如く、終端部の圧力PN を減少させ
るとともに、始端部の圧力PPMを高める。ここで、図7
中のFP はプライマリーリング4の副螺旋溝9による流
体の流れ方向を示している。
On the other hand, the sealing surface 6 of the primary ring 4
Since the auxiliary spiral groove 9 formed at 5 has a receding angle with respect to the relative rotation direction R r of the primary ring 4, the auxiliary spiral groove 9 causes the end portion of the main spiral groove 8 between the seal surfaces 5 and 6 to end. A part of the existing fluid is caused to flow back to the high pressure side B which is the outer circumference in the radial direction, and as shown in FIG. 7, the pressure P N at the end portion is decreased and the pressure P PM at the start portion is increased. Here, FIG.
F P in the inside indicates the flow direction of the fluid by the auxiliary spiral groove 9 of the primary ring 4.

【0026】そして、メーティングリング3の主螺旋溝
8と、プライマリーリング4の副螺旋溝9の両作用を合
わせたシール面5,6間のギャップの圧力分布の概略を
図8に示す。図8中においてPTM1 は主螺旋溝8及び副
螺旋溝9の終端部の圧力を示し、PTM2 は副螺旋溝9の
始端部の圧力を示している。このように、従来の単一の
螺旋溝を形成したものにあっては、図6に示すようにシ
ール面5,6間の一ヶ所で圧力の最大を有する圧力分布
が生じていたが、本発明では図8に示すようにシール面
5,6間の内方に圧力の高い領域が広く形成された圧力
分布となり、このギャップへの封入流体の流れFT は少
なくなり、外部(大気圧側A)への漏れが少なくなるの
である。
FIG. 8 shows an outline of the pressure distribution in the gap between the seal surfaces 5 and 6 which combines the actions of the main spiral groove 8 of the mating ring 3 and the sub spiral groove 9 of the primary ring 4. In FIG. 8, P TM1 indicates the pressure at the end of the main spiral groove 8 and the auxiliary spiral groove 9, and P TM2 indicates the pressure at the start of the auxiliary spiral groove 9. As described above, in the conventional single spiral groove formed, as shown in FIG. 6, a pressure distribution having a maximum pressure is generated at one place between the seal surfaces 5 and 6, but In the invention, as shown in FIG. 8, the pressure distribution is such that a high-pressure region is formed widely inward between the sealing surfaces 5 and 6, and the flow F T of the sealed fluid into this gap is reduced, so that the outside (atmospheric pressure side) Leakage to A) is reduced.

【0027】このように、メーティングリング3とプラ
イマリーリング4は、前記シール圧PS 、主螺旋溝8に
よる動圧PMM、副螺旋溝9による動圧(PN ,PPM)及
び前記押圧手段7の押圧力とが釣り合った状態、即ちシ
ール面5,6間に平行なギャップが形成された非接触状
態になる。
As described above, the mating ring 3 and the primary ring 4 have the seal pressure P S , the dynamic pressure P MM due to the main spiral groove 8, the dynamic pressure (P N , P PM ) due to the auxiliary spiral groove 9 and the pressing force. The state is balanced with the pressing force of the means 7, that is, the non-contact state in which a parallel gap is formed between the sealing surfaces 5 and 6.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上にしてなる本発明の非接触メカニカ
ルシールによれば、回転軸に密封固定したメーティング
リングとケーシングに軸方向可動となして密封装着し且
つ押圧手段にて軸方向へ付勢したプライマリーリングと
の対接する両シール面であって、一方のシール面にその
外周縁若しくは内周縁を始端として延び、その終端を閉
止した主螺旋溝を設け、他方のシール面にはその外周縁
若しくは内周縁より内方位置を始端として延び、その終
端を主螺旋溝の終端と略一致させて閉止した副螺旋溝を
設け、両シール面に形成した螺旋溝を互いに略鏡像関係
になるように方向設定し、前記回転軸の特定方向回転に
伴い一方のシール面の主螺旋溝で終端へ向かう動圧を発
生させ、他方のシール面の副螺旋溝で、漏れ流体を逆流
させる動圧を発生させてなるので、メーティングリング
とプライマリーリングの両シール面のうち一方のシール
面に形成した主螺旋溝によって、封入流体をその溝の終
端へ圧送する動圧を発生させ、この流体輸送作用により
シール面間に圧送された封入流体の圧力で両シール面間
にギャップを形成し、他方のシール面に形成した副螺旋
溝によって、主螺旋溝で外部側へ圧送された封入流体の
一部をプロセス側(封入側)へ逆流させることができ、
それにより封入流体の漏れ量を最小限に抑制することが
できる。
According to the non-contact mechanical seal of the present invention as described above, the mating ring hermetically fixed to the rotary shaft and the casing are axially movable and hermetically mounted and attached in the axial direction by the pressing means. A main spiral groove that is a pair of sealing surfaces that are in contact with the urged primary ring and that extends from the outer peripheral edge or the inner peripheral edge as a starting end and closes the end is provided on one sealing surface, and the other sealing surface has an outer peripheral edge. A secondary spiral groove that extends from the inner edge of the peripheral edge or the inner peripheral edge as the starting end and is closed at the end of the main spiral groove is provided so that the spiral grooves formed on both sealing surfaces have a substantially mirror image relationship with each other. The main spiral groove on one of the seal surfaces generates a dynamic pressure toward the end with the rotation of the rotary shaft in a specific direction, and the sub spiral groove on the other seal surface generates a dynamic pressure to reverse the leak fluid. Occurrence Therefore, the main spiral groove formed on one of the sealing surfaces of the mating ring and the primary ring creates a dynamic pressure that pumps the enclosed fluid to the end of the groove, and this fluid transport action A pressure is applied between the sealing surfaces to form a gap between the two sealing surfaces, and the auxiliary spiral groove formed on the other sealing surface allows a part of the enclosed fluid to be sent to the outside by the main spiral groove. Can be back-flowed to the process side (filling side),
Thereby, the leakage amount of the enclosed fluid can be suppressed to the minimum.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の非接触メカニカルシールを回転軸とケ
ーシング間に装着した状態の要部断面図
FIG. 1 is a cross-sectional view of essential parts in a state where a non-contact mechanical seal of the present invention is mounted between a rotary shaft and a casing.

【図2】メーティングリングのシール面に形成した主螺
旋溝のパターンの一例を示す端面図
FIG. 2 is an end view showing an example of a pattern of main spiral grooves formed on a sealing surface of a mating ring.

【図3】プライマリーリングのシール面に形成した副螺
旋溝のパターンの一例を示す端面図
FIG. 3 is an end view showing an example of a pattern of a sub spiral groove formed on a sealing surface of a primary ring.

【図4】メーティングリングとプライマリーリングのシ
ール面を対接させた状態をプライマリーリングを透視し
て示した端面図
FIG. 4 is an end view showing the state where the mating ring and the sealing surface of the primary ring are in contact with each other, as seen through the primary ring.

【図5】メーティングリングとプライマリーリングの位
置関係を示した簡略説明図
FIG. 5 is a simplified explanatory diagram showing the positional relationship between the mating ring and the primary ring.

【図6】メーティングリングの主螺旋溝による圧力分布
FIG. 6 is a pressure distribution diagram by the main spiral groove of the mating ring.

【図7】プライマリーリングの副螺旋溝による圧力分布
FIG. 7 is a pressure distribution diagram by the auxiliary spiral groove of the primary ring.

【図8】メーティングリングの主螺旋溝とプライマリー
リングの副螺旋溝の両作用を合成した実際の状態の圧力
分布図
FIG. 8 is a pressure distribution diagram in an actual state in which both actions of the main spiral groove of the mating ring and the sub spiral groove of the primary ring are combined.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

M 非接触メカニカルシール 1 ケーシング 2:回転軸 3 メーティングリング 4 プライマリー
リング 5 シール面 6 シール面 7 押圧手段 8 主螺旋溝 9 副螺旋溝 10 固定スリーブ 11 フランジ部 12 段部 13 締着スリーブ 14 保持ナット 15 Oリング 16 Oリング 17 Oリング 18 保持装置 19 段部 20 固定スリーブ 21 Oリング 22 摺動部 23 Oリング 24 ディスク
M non-contact mechanical seal 1 casing 2: rotating shaft 3 mating ring 4 primary ring 5 seal surface 6 seal surface 7 pressing means 8 main spiral groove 9 auxiliary spiral groove 10 fixed sleeve 11 flange portion 12 step portion 13 tightening sleeve 14 retention Nut 15 O-ring 16 O-ring 17 O-ring 18 Holding device 19 Step 20 Fixed sleeve 21 O-ring 22 Sliding part 23 O-ring 24 Disc

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 回転軸に密封固定したメーティングリン
グとケーシングに軸方向可動となして密封装着し且つ押
圧手段にて軸方向へ付勢したプライマリーリングとの対
接する両シール面であって、一方のシール面にその外周
縁若しくは内周縁を始端として延び、その終端を閉止し
た主螺旋溝を設け、他方のシール面にはその外周縁若し
くは内周縁より内方位置を始端として延び、その終端を
主螺旋溝の終端と略一致させて閉止した副螺旋溝を設
け、両シール面に形成した螺旋溝を互いに略鏡像関係に
なるように方向設定し、前記回転軸の特定方向回転に伴
い一方のシール面の主螺旋溝で終端へ向かう動圧を発生
させ、他方のシール面の副螺旋溝で、漏れ流体を逆流さ
せる動圧を発生させてなることを特徴とする非接触メカ
ニカルシール。
1. A seal surface which is in contact with a mating ring which is hermetically fixed to a rotary shaft and a primary ring which is axially movable and hermetically mounted in a casing and is axially biased by a pressing means, A main spiral groove is formed on one of the sealing surfaces, with the outer or inner peripheral edge as the starting end, and the end is closed, and the other sealing surface extends from the inner or outer peripheral edge as the starting end to the end. Is provided with a closed sub-helical groove that is substantially aligned with the end of the main helical groove, and the spiral grooves formed on both sealing surfaces are oriented so as to have a substantially mirror image relationship with each other. The non-contact mechanical seal is characterized in that the main spiral groove on the seal surface of the second seal generates a dynamic pressure toward the end, and the sub spiral groove of the other seal surface generates a dynamic pressure that causes a leak fluid to flow backward.
【請求項2】 前記主螺旋溝のダム巾比を約0.2〜
0.8に設定してなる請求項1記載の非接触メカニカル
シール。
2. The dam width ratio of the main spiral groove is about 0.2 to.
The non-contact mechanical seal according to claim 1, which is set to 0.8.
【請求項3】 前記副螺旋溝のダム巾比を約0.3〜
0.7に設定してなる請求項1記載の非接触メカニカル
シール。
3. The dam width ratio of the sub spiral groove is about 0.3 to.
The non-contact mechanical seal according to claim 1, which is set to 0.7.
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