JPH0522106B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、全体として、流体機械のハウジング
内の回転軸を密封し、軸に沿つて流体が漏洩する
のを防止するメカニカルシールに関する。より具
体的には、本発明は、二つの密封面要素を分離す
る薄い潤滑流体膜の厚みを外部から印加する電圧
によつて調節する調節可能なメカニカルシールに
関する。

（従来の技術） 本発明の構成、作用及び効果をより良く理解し
得るようにするため、メカニカルシール一般につ
いて予め説明する必要があると考えられる。当業
者なら理解し得るように、メカニカルシールは二
つの密封面要素を備えて形成される。一方の要素
は密封せんとする機械のハウジングに取付けら
れ、他方の要素は軸に取付けられてこれと共に回
転する。要素の一方は軸に関して軸方向に動かな
いように固定する。これは、静止面要素と呼ぶ。
そして、要素の他方は軸に沿つて軸方向に動くこ
とができ、これは浮動面要素と呼ぶ。両密封面要
素は相互に対向状態に位置決めされ、流体圧力及
びばね圧力、もしくはその何れか一方に応答し
て、両者間に密封関係を形成し、よつて、軸に沿
つて流体の漏洩を防止する。

（発明が解決しようとする課題） 上記両密封要素が定常状態で作動中、相互に物
理的に直接接触する場合でなく、両対向面の間に
薄い潤滑流体膜を形成する場合の方が性能の良い
メカニカルシールの得られることが分かつてい
る。この流体膜は、両密封面要素が直接物理的に
接触することを起因する摩耗を防止し又は緩和
し、よつて、シールの物理的損傷又は破損の虞れ
をなくすことができる。しかし、流体膜の厚みが
過大であると過度の流体漏洩を生ずるため、流体
膜は厚膜化しないようにしなければならない。

更に、流体膜の厚みは、密封面の表面形状を正
確に設定することによつて決定されることが分か
つている。特に、両密封面の表面が完全に平坦で
平行であるならば、両者間には均一なすきまが形
成されて浮動要素は働き、静止要素と物理的に接
触する。その結果流体膜は圧壊され、潤滑油の膜
厚は０となる。限界的な膜厚を維持し、かかる圧
壊を防止するためには、すきま内の流体圧力によ
つて十分な大きさの開放力を発生させなければな
らず、この力によつて浮動要素は静止要素から分
離する傾向となる。このため、対向する密封面は
平行にしてはならず、シールの高圧側から低圧側
の方向に向けて、半径方向に沿つて収束（狭く）
しなければならない。この収束程度が著るしくな
ると、解放力も増大し油膜の厚みも増す。同様
に、収束の程度が小さくなると膜厚は減少する。

一般に、メカニカルシールは、密封面要素の表
面が定常状態時所定の収束の程度となるように、
要素の予想される熱及び物理的変形を考慮に入れ
て設計され、製造される。このようにして、合理
的な膜厚を得る。油膜の厚みは比較的薄く約50乃
至200μｍ程度とすべきである。同時に、変形も
小さく、約20乃至100μｍ程度とする。従来のメ
カニカルシールは、予想されるあらゆる変形を考
慮に入れて定常状態の作動時に許容し得る油膜の
厚みとなるように設計され、製造されている。油
膜の厚みは、材料の種類、形態等、及び温度、圧
力、速度、荷重、流体の特性といつた作動条件を
基にして決められる。このため、脂膜の厚みは、
一旦シールを使用箇所に設けたならば、調節する
ことはできない。従つて、従来のメカニカルシー
ルは、一時的なものを含む広範囲の作動条件下に
おいては、密封面の損傷及び磨耗が生ずる。

従つて、二つの密封面要素を分離する薄い流体
膜の厚みを外部手段によつて、調節することので
きる調節可能のメカニカルシールを提供すること
が望まれる。この調節可能の特徴が具備できれ
ば、油膜の厚みを作動条件の変化に応じて変化さ
せ、広範囲の作動条件に対する最良の膜厚を維持
することができる。

1969年３月18日にW.J.ウイエス（Wiese）に付
与され、当出願人が譲受けた米国特許第3433489
号には、一方の密封面要素に形成したコレクタリ
ングを備えたメカニカルシール組立体が開示され
ている。上記要素を経て流動する流体は、コレク
タリング内に集められ、圧力室に流入してある作
動条件下にて流体圧力を発生させる。この流体圧
力は、圧力室を備える要素に作用され、その要素
を経て流体の漏洩が生じるのを防止する。

1976年４月６日にE.J.ジヨリー（Gyory）に付
与され、当出願人が譲受けた米国特許第3948530
号において、静止密封要素の外面の軸方向に間隔
を置いて配設した一対の圧力部分に対し、静水圧
を作用させる外部から調節可能なメカニカルシー
ルが開示されている。この圧力部分は、圧力流路
と連通し、この圧力流路には適当な弁が設けられ
ており高圧、低圧または大気圧が圧力部分の一方
又は双方と連通するための調節を行なう。この結
果、要素は変形され、密封要素の完全な表面接
触、内径面接触または外径面接触を実現する。

1984年３月６日にアルバート（Alberts）等に
付与された米国特許第4434987号は、軸と共に回
転可能の密封リングを備える密封装置を開示して
いる。この回転する密封リングは、その半径方向
に伸長する面及び周縁方向に伸長する面の双方が
ハウジングに接続された非回転、摺動可能な密封
リングによつて囲まれている。各半径方向の面の
すきま幅を検出するセンサが非回転式の密封リン
グに接続されている。制御手段が、センサに応答
して電磁石を起動して磁力を発生させ、この磁石
によつて、非回転式の密封リングを摺動させ、半
径方向の平面のすきまに対して、選択幅を維持す
る。

二つの密封面要素を分離する薄厚の潤滑流体膜
の厚みを少なくとも一方の要素に対し外部力を作
用させ、その密封面の表面を変形させることによ
つて、調節する調節可能なメカニカルシールが求
められている。この変形を調節することにより、
対向密封面の表面の先細程度を調節することがで
きる。このようにして、解放力を調節し、広範囲
の作動条件に対して、最適の膜厚を得ることがで
きる。

本発明はかかる要求に応ずるものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、第１の半径方向表面を有していて軸
と共に回転するようになつている第１の面要素
と、第２の半径方向表面を有していてハウジング
内に支持されるようになつている第２の面要素と
を備え、前記面要素の一方が軸に沿つて軸方向に
移動可能である、流体機械のハウジングに関して
回転可能な軸を密封する調節可能なメカニカルシ
ールにおいて、前記面要素の少なくとも一方の面
要素の一部に圧力を加えることによつてその一方
の面要素を、前記第１の半径方向表面と第２の半
径方向表面との間に限定されかつ中に薄い潤滑流
体の膜が存在するすきまが高圧側から低圧側に向
かつて狭くなるように、変形させるための作動装
置と、すきまの状態を示す信号を発生するための
検出装置と、前記作動装置に加えられて前記変形
を制御しかつそれによつて幅広い作動条件に対し
て潤滑膜の最適の厚さを保つ出力を前記信号に応
答して発生する制御装置とを備えて構成されてい
る。

（作用） このメカニカルシールは、軸と共に回転可能な
第１密封面要素およびハウジングによつて支持さ
れた第２密封面要素を備えている。これら第１お
よび第２密封面要素は、それぞれ、第１および第
２密封面の表面を形成する。一方の密封要素は、
軸に沿つて摺動し、他方の密封要素に対して、離
接し、両表面間にすきまを形成する。適当な手段
が、一方の密封要素を他方の密封要素に向けて偏
倚させる。密封面の表面の先細程度を調節し、す
きま内の圧力分布を変化させ、すきま幅を変化さ
せるための手段が設けられる。

（実施例） 各添付図面を詳細に参照すると、第１図には、
内部に流体の入つたハウジング１２を備える流体
機械１０が示してある。ハウジング１２は、縦軸
心Ａを中心として、ハウジング１２に対して回転
し得るようにした軸１６が貫通して伸長するカウ
ンタボアすなわち穴１４を備えている。

高圧領域２０から低圧領域２２まで流体の過度
の漏洩を防止する調節式メカニカルシール１８が
設けられている。このメカニカルシール１８は、
共に回転し得るように適当に軸１６に取付けた第
１の面要素２４を備えている。この第１の面要素
２４は、軸に関して軸心Ａに沿つて軸方向に移動
可能である。ばねのような適当な偏倚手段２６が
第１の面要素２４を偏倚させ、第１図に示すよう
に、右方向に動かす。

メカニカルシール１８は、更に、ハウジング１
２に固着したホルダ２８を備えている。ホルダ２
８は、ハウジング１２内で第２の面要素３０及び
作動装置（アクチユエータ）３２を支えている。
第２の面要素３０の外周は固定されているため、
軸１６に対して軸方向に動くことはできない。ア
クチユエータ３２は、電子機械式とし、外部電圧
が印加されると延展するジルコネイトチタン酸塩
等の圧電材料で形成することが望ましい。この延
展によつて、第２の面要素３０が変形する。

第１の面要素２４は軸１６と共に回転可能であ
り、第２の面要素３０は回転不能であるように示
してある。しかし、何れか一方の要素を回転可能
とし、他方を回転不能として構成できることは明
らかである。同様に、第１の面要素２４は浮動形
（軸１６に沿つて軸方向に可動）とし、第２の面
要素３０は静止形（軸１６に対して軸方向に不
動）として図示してあるが、何れを浮動形とし、
他方を静止形とするかは任意である。また、アク
チユエータ３２は、何れか一方の要素と関係する
が、別個の構成要素とせずにその要素の一体型部
品とすることができる。便宜上、第１の面要素２
４は、回転可能で且つ浮動可能と考え、第２の面
要素３０は、非回転形で静止しているとみなす。
アクチユエータ３２は、第２の面要素３２と関係
する別個の構成要素とみなす。

第１の面要素２４は半径方向の表面３４を備え
ている。同様に、第２面要素３０は第１の面要素
３４に対向する半径方向の表面３６を備えてい
る。両要素は、密封面を画成する。

第１及び第２の面要素２４，３０は、同様の材
料又は異なる材料にて形成することができる。一
方の要素は、一般に、焼結カーバイド、炭化ケイ
素、ステライト等の硬質材料にて製造する。他方
の要素は、通常、炭素、黒鉛炭素、青銅等の軟質
材料にて製造する。

前述したように、良好なメカニカルシールにお
いて、第１及び第２の面要素２４，３０間のすき
ま３８には、薄い潤滑膜が必要である。この膜の
厚みは十分に厚くし、両要素の磨耗及び焼付き又
はその何れか一方を防止する一方、可能な限り薄
くし過剰の漏洩を防止し得るようにする。このよ
うにして、半径方向の面の表面３４，３６を分離
するすきま内には、最適の厚さの膜が維持され、
メカニカルシールを適正に作動させることができ
る。

すきまの幅及び膜の厚さは、圧電アクチユエー
タ３２に電圧を印加することで外部から調節する
ことができる。このアクチユエータは単一の環状
リングとすることができるが、第１図及び第２図
に示すように、環状リング４０を積み重ねた構成
とすることが望ましい。圧電材料で形成したこれ
ら環状リングは、外部の電圧が印加されたとき軸
方向に膨張し得る方向に配設されている。アクチ
ユエータ３２は軸方向の力を作用させ、この力は
面要素３０の後側４２に加わり、面要素３０を応
力状態に置く。その結果による歪みによつて、面
要素３０の表面３６は、変形し、よつて、対向密
封表面３４，３６間に収束する（狭くなる）すき
まが形成される。電圧が増加（低下）すると、こ
の力も増大（低下）し、よつて大きな（小さい）
収束程度となる。大きい（小さい）収束程度によ
つて、厚い（薄い）流体膜となるため、膜の正確
な厚みは、印加される電圧を増大（減少）させる
ことによつて、調節することができる。

環状リング４０の積重ね体は、軸１６に対し
て、同心状に配設されている。環状リングは、第
２図に示すように、連続しているが、これらは、
分割することができる。同様に、第３図に示すよ
うに、軸１６の周囲に間隔を置いて配設した円板
４３の積重ね体とすることができる。分割片又は
円板の積重ね体を使用する場合、一般に、各々に
は同一の電圧が印加され均一なすきまが形成され
る。しかし、異なる電圧を印加して、密封面の不
整合を補正し、しかも均一なすきまを形成するこ
ともできる。

本発明の調節可能なメカニカルシールの第２の
実施態様が第４図に示してある。面要素３０の表
面３６を変形させるため、第３図に示したと同様
の間隔を置いて配設した複数の圧電アクチユエー
タ３２ａ（一方のみ第４図に図示）は、外部電圧
に応答して、面要素３０の側部４０に半径方向の
力を作用させ、面要素３０を屈曲させ、ひようた
ん形の形状にする。その結果、収束するすきまが
表面３４，３６間に形成される。この場合にも、
各アクチユエータには同一の外部電圧を印加する
のが一般的であるが、異なる電圧を印加して、表
面間の不整合を補正し且つ均一なすきまを形成す
ることもできる。

第５図は、第１図及び第４図の調節可能なメカ
ニカルシールと共に使用するのに適した制御シス
テム４６のブロツク線図が示してある。この制御
システムは、圧電アクチユエータ３２又は３２ａ
に印加される外部電圧を自動的に発生させかつ調
節し、最適の膜厚を維持し得るようにする。了知
し得るように、検出装置すなわちセンサ４８は一
方の要素、例えば面要素３０に埋込まれており、
両表面３４，３６間のすきまを示す信号を発生さ
せる。センサ４８は、すきまの厚みに関係した温
度を検出する熱電対とすることが望ましい。具体
的には、このセンサは、両密封面同志が接触せん
とするときの温度増加を検出する。信号調節装置
５０は熱電対の出力に応答してこれを示す電気信
号を発生させる。この電気信号は制御装置（コン
トローラ）５２に供給され、電源５６からの電圧
５４が増加することによつて調節を行なう。この
電圧５４は圧電アクチユエータ３２又は３２ａに
印加され、表面３６を変形させ、すきま３８の厚
みを増大させる。検出した温度が低下して過度に
幅広のすきまであることが示された場合、印加さ
れる電圧もこれに対応して低下し、すきま幅を減
少する。

コントローラ５２は、また、電圧５４を低下さ
せ、所定のプログラムに従つて、すきま幅を測定
する。コントローラ５２を含む制御システム４６
の詳細は、当出願の基礎とした米国出願と同一日
に出願され、当出願人が譲受けた米国特許第
4691276号に開示されている。

調節可能なメカニカルシール１８の作用につい
て、以下、第６図を参照しながら説明する。これ
は、本発明の基本的考え並びに本発明の利点を理
解する上で必要であると考えられる。

一方向に向けて、面要素２４に作用する流体お
よびばねの力は、正味の閉塞力を含み、このため
面要素２４は面要素３０に向けて軸方向に動く。
反対方向に向けて、面要素２４に作用するすきま
３８内の流体力は、正味の開放力を含み、このた
め面要素２４は、動いて、面要素３０から離反す
る。機械の定常状態の作動中、正味の開放力およ
び閉塞力は釣合い、制御システムが平衡状態にあ
るようにする。この結果得られる力の平衡によ
り、表面３４，３６間のすきま３８の幅が定ま
り、従つて、流体膜の厚みが定まる。

前述のように、良好なメカニカルシールにおけ
る表面３４，３６は、メカニカルシール１８の高
圧側２０から低圧側２２まで矢印５８に沿つた方
向に向けて、半径方向に沿つて収束し（狭くな
ら）なければならない。高圧側がシールの外径側
にあり、低圧側が内径側にあると仮定したなら
ば、表面３４，３６は外径から内径に向けて収束
しなければならない。この収束の程度Ｃは、外径
（矢印６０）にて測定したすきま幅または膜厚T₀
と内径（矢印６２）にて測定したすきま幅または
膜厚Ti間の差と定義する。収束の程度Ｄは、収
束程度Ｃのあるすきま幅又は膜厚Ｔに対する比と
定義する。便宜上、平均すきま幅または膜厚
（To＋Ti）／２＝Ｔ（矢印６４）を使用する。換
言すれば、Ｄ＝Ｃ／Ｔとする。すきま内の圧力分
布および正味の開放力は共に、収束の程度Ｄによ
つて定まる。この収束の程度が著しければ著しい
ほど、開放力は大きくなる。

機械１０が安定状態で作動していると仮定した
場合、シール設計時の収束の程度Ｄは、この特定
の作動状態に対して理想的な値の平均膜厚に対応
する。正味の開閉力が釣り合つているとき収束の
程度Ｄは実質的に一定になる。作動中、始動、停
止、速度変化、温度変化、圧力変化及び機械に使
用する流体の特定等の変化が生じた場合、上記平
衡状態は覆える。浮動形の面要素２４は、静止形
の面要素３０に対して、離反または接近する。そ
の結果、平均膜厚Ｔは変化する。

作動条件が変化して表面が接触せんとする時の
温度を熱電対４８が検出し得るほど膜厚が極めて
薄くなつた場合、制御システム４６は増加した電
圧を印加して表面３６の変形を大きくし、よつて
収縮の程度Ｃを増大させる。他方、作動条件が更
に変化して過度の漏洩が生じるほど膜厚が厚くな
る場合がある。この場合、制御システム４６は減
少した電圧を印加して表面３６の変形を少なく
し、よつて収束の程度を減少する。

このようにして、すきま間の圧力分布は変化
し、新たな開放力が発生する。閉塞力は略一定で
あるため、面要素２４は力の均衡が復旧し、収束
の程度Ｄがその当初の値に戻るまで、軸方向に動
いて面要素３０に接近し又は離反する。膜厚の平
均値が新たな作動条件に対して、最適の値となる
点にて平衡状態に復旧する。

この手順を連続的または定時的に反復して、表
面３６の変形、収束の程度Ｃを調節し、よつてＴ
の値を制御する。

上記説明は、面要素３０の表面３６の変形に関
するものであるが、当業者なら、何れか一方の表
面又は両表面を変形させて、同一の結果が得られ
ることが理解できよう。

（効果） 上記説明から、本発明は、調節可能のメカニカ
ルシールを提供するものであることが理解できよ
う。開ループ形態において、２つの密封面要素を
分離する薄厚の潤滑流体膜は、二つの密封面要素
の少なくとも一方を変形させる外部電圧を印加す
ることによつて制御できる。

閉ループ形態の場合、二つの密封面の表面間の
すきま幅を検出するセンサを設ける。センサに応
答する制御システムが、外部電圧を発生させ、こ
の電圧が圧電アクチユエータに印加されて、表面
の先細程度を制御し、よつて広範囲の作動状態に
亘つて、潤滑膜の厚みを最適に保つ。

本発明の好適実施態様について説明したが、当
業者なら、本発明の真の範囲から逸脱せずに、幾
多の変更および応用が可能であり、また、要素に
ついても均等の構成要素で置換することができる
ことを了知されよう。さらに、本発明の範囲から
逸脱せずに、本発明を特定の状況に応用するため
の多数の応用例も可能である。故に、本発明は、
好適実施態様として開示した特定の実施態様にの
み限定されるものではなく、特許請求の範囲に記
載したあらゆる実施態様をも包合するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つて構成した調節可能なメ
カニカルシールの縦断面図、第２図は第１図のシ
ールの使用に適した圧電アクチユエータの断面
図、第３図は第１のシールの使用に適した別の圧
電アクチユエータの断面図、第４図は本発明に従
つて構成した別の実施態様における調節可能なメ
カニカルシールの縦断面図、第５図は第１図およ
び第４図の調節可能なメカニカルシールと共に使
用するのに適した制御システムのブロツク線図、
第６図は本発明の調節可能なメカニカルシールに
おける第１および第２密封面間のすきまを示す、
拡大した縦断面図である。 １０……流体機械、１２……ハウジング、１６
……軸、１８……調節可能なメカニカルシール、
２０……高圧領域、２２……低圧領域、２４……
第１面要素、２６……偏倚手段、２８……ホル
ダ、３０……第２面要素、３２……アクチユエー
タ、３４，３６……半径方向の密封面の表面、３
８……すきま、４０……環状リング、４３……円
板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の半径方向表面３４を有していて軸１６
   と共に回転するようになつている第１の面要素２
   ４と、第２の半径方向表面３６を有していてハウ
   ジング内に支持されるようになつている第２の面
   要素３０とを備え、前記第１の面要素が軸に沿つ
   て軸方向に移動可能である、流体機械１０のハウ
   ジング１２に関して回転可能な軸１６を密封する
   調節可能なメカニカルシール１８において、 前記第２の面要素を前記ハウジングに固定する
   ための装置と、 前記第２の面要素に隣接して配置されかつ前記
   第２の面要素の限定する面の中間部に圧力を加え
   てその第２の面要素を、前記第１の半径方向表面
   と第２の半径方向表面との間に限定されかつ中に
   薄い潤滑流体の膜が存在するすきまが高圧側２０
   から低圧側に向つて収束するように変形させるた
   めの作動装置３２，３２ａと、 すきまの状態を示す信号を発生するための検出
   装置４８と、 前記作動装置に加えられて前記変形を制御しか
   つ収束の度合いを変更し、それによつて幅広い作
   動条件に対して潤滑膜の最適の厚さを保つ出力を
   発生するように前記信号に応答する制御装置５
   ０，５２，５４，５６とを備えていることを特徴
   とする調節可能なメカニカルシール。 ２ 前記作動装置が電気機械式のアクチユエータ
   ３２を含む特許請求の範囲１に記載の調節可能な
   メカニカルシール。 ３ 前記作動装置が圧電アクチユエータ３２を含
   む特許請求の範囲１に記載の調節可能なメカニカ
   ルシール。 ４ 前記圧電アクチユエータが軸と同心の少なく
   とも一つの環状リング４０を含む特許請求の範囲
   ３に記載の調節可能なメカニカルシール。 ５ 前記圧電アクチユエータが軸の回りで隔てら
   れた複数のリング部分の積重ね体を含む特許請求
   の範囲３に記載の調節可能なメカニカルシール。 ６ 前記圧電アクチユエータが軸の回りで隔てら
   れた複数の円板４３の積重ね体を含む特許請求の
   範囲３に記載の調節可能なメカニカルシール。 ７ 前記すきまの状態が前記表面の初期の接触状
   態である特許請求の範囲１に記載の調節可能なメ
   カニカルシール。 ８ 前記作動装置が圧電アクチユエータを含み、
   かつ前記出力が電圧である特許請求の範囲７に記
   載の調節可能なメカニカルシール。 ９ 前記制御装置５０，５２，５４，５６が前記
   表面の収束の程度を増大させて厚い膜を得るよう
   に出力電圧を増加し、かつ前記表面の収束の程度
   を減少して薄い膜を得つように出力電圧を減少す
   る特許請求の範囲８に記載の調節可能なメカニカ
   ルシール。 １０ 前記検出装置が前記第１の面要素によつて
   支持された熱電対４８を含む特許請求の範囲７に
   記載の調節可能なメカニカルシール。 １１ 前記検出装置が前記第２の面要素によつて
   支持された熱電対４８を含む特許請求の範囲８に
   記載の調節可能なメカニカルシール。