JPH0611046A

JPH0611046A - シーリング装置

Info

Publication number: JPH0611046A
Application number: JP5062738A
Authority: JP
Inventors: Josef Sedy; セディジョセフ
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-02-26
Filing date: 1993-02-25
Publication date: 1994-01-21
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: DE4303050B4; WO1995006211A1; DE4303050A1; JP2838012B2

Abstract

(57)【要約】【目的】シャフトの回転停止時及び回転開始時におけ
るシーリング面間のロックを防止し、またフル運転時に
おける流体の漏出を防止して、広範な圧力範囲で良好な
流体シールを行うシーリング装置の提供を目的とする。【構成】対をなすシールリング18、20の対向する２つ
のシーリング面19、21の一方21に、相対的に深い第１の
溝部22と、相対的に浅い第２の溝部24が設けられ、第１
の溝部22は、スパイラル溝部とされてハイドロダイナミ
ックな作用に関して最適化され、シャフト12回転時にシ
ーリング面19、21間に被シール流体を供給して間隙を確
保する。また第２の溝部24は、シャフト12回転開始時或
いは停止時におけるシーリング面19、21の摩擦ロックを
ハイドロスタテックに防止するため設計されており、シ
ャフト12が停止或いは停止に近い状態の際にコントロー
ルされた量の被シール流体をシーリング面19、21間に供
給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一方が静止、他方が回
転状態にあって互いに作用しあっている面状のシーリン
グエレメント間に、シールされた流体が用いられること
で、ハイドロスタティック−ハイドロダイナミック、或
いはエアロスタティック−エアロダイナミックな力を発
生させる回転シャフト用の液体シーリング装置に関す
る。上記の力は上記シーリングエレメント間に僅かな間
隙を提供し、また非接触の作用を提供することで、シー
リングエレメント接触面の磨耗と摩擦によるエネルキー
損失を低減し、また流体のリークを低く抑えることがで
きる。

【０００２】

【従来の技術】回転流体膜面シールは、非接触式面シー
ルとも呼ばれ、一般に高速で高圧の回転装置に適用され
る。そのような高速で高圧の回転装置では、通常の面接
触を伴うメカニカル面シールを用いたのでは、過度の熱
や磨耗をもたらすからである。この望ましからざる面接
触は、シャフトが或るリフトオフスピードと言われるミ
ニマムスピードを越えて回転している時に、非接触作用
が発生することで回避される。上記非接触作用を達成す
る方法は種々あるが、その中で、最も成功した１つはシ
ーリング面の一方に浅いスパイラル溝のパターンを適用
することである。この溝を設けたシーリング面と対向す
る側のシーリング面は相対的に平坦で且つ滑らかとす
る。これら２つのシーリング面がシーリング間隙を確定
する面領域はシーリングインターフェイスと呼ばれてい
る。

【０００３】上記したシーリング面の一方に設けられた
スパイラル溝は、通常は外周縁から内側に延設され、溝
直径と呼ばれるある特定の直径の所で終わる。スパイラ
ル溝パターンがシーリングインターフェイスの内直径よ
りも大きい溝直径の所で終了することは重要なことであ
る。溝直径とシーリングインターフェイスの内直径との
間に存在する、溝が設けられていない残りの領域は流体
の漏出に対する抑止部として役に立つ。スパイラル溝パ
ターンから運ばれた流体がこの抑止部を通り抜けるの
は、このシーリング面が開いたときだけであり、そして
これは圧力が上昇することによってなされる。対向面が
接触状態に保たれると、流体は前記抑止部の直前で圧縮
され、圧力上昇する。この圧力は分離力を発生させ、そ
してその分離力は最後には２つの面の接触状態維持力を
上回る。そしてその時点でシーリング状態の二つの面が
分離し、流体の漏出を許す。シーリング動作中は、スパ
イラル溝のポンプ作用による流体の流入と面の分離によ
る漏出との平衡が確立している。それゆえ、面分離はシ
ーリングが作動している限り、即ち一方の面がその対向
面に対して回転している限り存在する。しかしながらス
パイラル溝によるポンプ作用はシーリング面間の分離程
度を決定する唯一のファクターではない。丁度スパイラ
ル溝が、流体を溝直径を越えてシーリンクインターフェ
イスの溝のない領域に送り込むことができるのと同様
に、圧力差も又その様な効果を発揮する。若しシーリン
グインターフェイスにおける溝の終端部と溝なし部の終
端部との間に十分な圧力差があれば、流体はやはりシー
リングインターフェイスの溝なし部へ押し入れられ、そ
れによって対向面が分離され、間隙が形成される。

【０００４】シーリング面間に間隙が形成され得る２つ
のケースとして、１つは回転スピードによるものであ
り、もう一つは圧力差によるものであるが、それらは、
シーリング動作中は２つの効果が組み合わされて現れる
ものの、互いに別ものである。もし圧力差がなく、シー
ル面の分離が厳密に面の回転によってのみ生じるなら、
流体流による力は、シールされている流体が液体ならば
ハイドロダイナミック力として知られ、またシールされ
ている流体が気体であればエアロダイナミック力として
知られている。

【０００５】他方、もし２つのシーリング面間に相対的
な回転がなく、面分離が厳密にシーリングインターフェ
イスの前記２つの終端部間の圧力差の結果による場合に
は、流体流による力は、シールされている流体が液体な
らハイドロスタティック力と呼ばれ、またシールされて
いる流体が気体ならエアロスタティック力と呼ばれてい
る。以下においては、ハイドロスタティックとハイドロ
ダイナミックと言う用語を液体の場合も気体の場合にも
使うものとする。というのは、これらの用語はエアロス
タティックやエアロダイナミックという用語よりも頻繁
に使用され、また後者は別の意味も有するからである。

【０００６】スパイラル溝を用いたシーリングに要求さ
れることは、それが漏出に関して満足すべき性能を示す
こと及びシーリング作用の全動作中において面接触がな
いことである。このことは回転速度及び圧力が最高のと
きだけでなく、静止時、起動時、加速時、装置の慣らし
運転期間や装置の停止期間においても達成されなければ
ならない。正常な運転コンデションにおいては、圧力と
回転速度は一定の割合で変化し、その結果、運転中のシ
ーリング面間隙はコンスタントに調節される。これらの
調節は自動的に行われる。スパイラル溝によるシーリン
グの重要な特性はそれらの自己調節能力である。即ち回
転速度または圧力の変化により、面間隙は新しい条件に
対応するよう自動的に調節される。そしハイドロスタテ
ィック力及びハイドロダイナミック力がこの調節をなさ
しめるのである。

【０００７】回転速度と圧力に関する運転条件の範囲は
通常非常に広く、シーリング設計は必然的に妥協が要求
される。回転速度ないし圧力がゼロに近い状態で許容さ
れる性能は、通常運転時の回転速度と圧力における最適
状態よりも低下する。このことは単に、シーリングが回
転と圧力の両方について、速度と圧力差がゼロの状態か
ら運転条件をカバーしなければならないという事実にそ
の原因がある。シーリング作用にとって特に問題となる
のは運転開始時である。遠心式気体圧縮器でのシーリン
グの場合、気体吸引の全圧力差が、シャフト回転開始前
において、シールにそのままに加わることが多い。この
ため対向するシーリング面が摩擦のために互いにロック
されるという危険性が生じる。このシーリング面のロッ
クは、ハイドロスタティック力が対向するシール面を接
触させておこうとする圧力に十分対向し得ない時に生じ
る。シーリング面のロックはシールの破壊をまねくこと
があり、その場合には接触したシーリング面間の破壊に
至る過度の摩擦がひどい磨耗を引き起こし、或いは内部
のシールされている流体の漏出をもたらすことがある。

【０００８】そこで先ず、スパイラル溝は、全速非接触
運転を保証すべく、ハイドロダイナミック的にシーリン
グ面を分離させ得るものであることが要求される。この
ためには、通常、かなり短くて且つ比較的深いスパイラ
ル溝が必要となる。次に、スパイラル溝は、運転の開始
時と停止時においてシーリング面がロックされないよう
に、シーリング面の負荷をハイドロスタティック的に解
除し得るものであることが要求される。このためには、
スパイラル溝は長く延びていなければならない。しかし
長く延びたスパイラル溝は、全速運転中においてシーリ
ング面の分離及び漏出を助長する。長さの短く且つ比較
的深いスパイラル溝を持つ3.75インチの典型的なシャフ
トシーリングでの全速回転時の漏出は、圧力1000psigで
回転数10000rpmで0.9SCFM （このSCFMは毎分当たりの標
準立法フィートである) である。これに対して、溝の長
さを長くすれば、漏出は前記と同じ条件下で前記値のほ
ぼ３倍の2.4SCFM に達するであろう。そして必要以上の
漏出がコンスタントに続けば運転コストが非常に高いも
のとなる。

【０００９】現行のスパイラル溝のデザインを導く先行
技術は、バレット等に与えられた米国特許第3109658 に
遡る。その技術は対立する２つのスパイラル溝が互いに
オイルを供給し、これよって気体をシールすることので
きる液体バリアーを作り出すものである。しかしそのよ
うな構成では、気体のシールに液体の力を使用している
ため、回転速度や圧力に制限があった。次に重要な先行
技術は、ガーナーに与えられた米国特許第3499653 に見
られる。ここでは、スパイラル溝がそれ自体としてハイ
ドロダイナミックなパターンとしてだけでなくハイドロ
スタティックなパターンとしても作用するという事実を
用いてテーパ状ギャップの必要性をなくし、それによっ
てスパイラル溝の持つハイドロダイナミック力のかなり
の部分がシーリングインターフェイスに自己整列性を付
与するのに適用されるようになった。この自己整列性
は、シーリング作用中にシーリングインターフェイスの
平行性が半径方向あるいは接線方向にずれることがあっ
ても、これを平行な位置になるように作用する。この結
果、シーリング作用における安定性の全体的な改善のみ
ならず、圧力及び回転速度における制限が緩和される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来に
おけるスパイラル溝を用いたシーリング装置において
は、圧力と回転速度における制限が大きく、即ち運転開
始時や運転停止時におけるシーリングと高速運転中での
シーリングを共に安定して満足させることが困難であっ
た。

【００１１】そこで本発明は上記従来のシーリング装置
における欠点を解消し、従来のスパイラル溝を用いたシ
ーリング装置における圧力と回転速度における適用範囲
をより増大せしめると共にスパイラル溝を用いたシーリ
ング装置の性能を向上し、シールのロック或いは被シー
ル物質の漏出がより広範囲の運転条件下において確実に
防止され、安定したシール状態での高速、高圧運転がで
きるシーリング装置の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のシーリング装置は、ハウジングと回転可能
なシャフトとの間に流体をシールするシーリング装置で
あって、前記シャフトと共に回転するよう同シャフトに
取り付けられ、第１の平坦なシーリング面を持つ第１の
シールリングと、該シールリングと実質上同軸に配設さ
れ、前記第１のシールリングの第１の平坦なシーリング
面との間に間隙を保った第２のシーリング面を持つ第２
のシールリングと、弾性付与手段とを有し、前記第１の
シールリングと第２のシールリングのいずれかが軸方向
に可動であり、該軸方向に可動のシールリングは前記流
体の作用により前記間隙を閉じる方向に働き、前記弾性
付与手段は、前記ハウジングと前記軸方向に可動なシー
ルリングとの間にあって、前記軸方向に可動なシールリ
ングを前記可動でないシールリングの方へ押圧して前記
間隙を閉じる方向に作用させ、前記第１の平坦なシーリ
ング面と第２の平坦なシーリング面のいずれかには、複
数個の溝を有しており、この複数個の溝は互いに間隔を
おいて配置されており、各溝はシーリング面の一方の周
縁から内向きに延びる第１の相対的に深くて且つスパイ
ラル状の溝部と該第１の溝部に対して急激な段部を介し
て隣接する第２の相対的に浅い溝部とを有し、前記第１
の溝部の深さは0.001 インチ以下とし、前記第２の溝部
はシーリング面の他方の周縁から溝のない面によって一
定距離隔てられており、前記シーリング面の外周縁が前
記流体と接触していることを第１の特徴としている。ま
た本発明のシーリング装置は、上記第１の特徴に加え
て、第１の平坦なシーリング面と第２の平坦なシーリン
グ面とは実質上互いに平行とされ、且つシャフトの回転
軸に対して実質上垂直であることを第２の特徴としてい
る。また本発明のシーリング装置は、上記第１または第
２の特徴に加えて、複数個の各溝における第２の溝部も
実質上スパイラル状であることを第３の特徴としてい
る。また本発明のシーリング装置は、上記第１〜３のい
ずれかの特徴に加えて、第１の溝部、第２の溝部はそれ
ぞれ実質上深さが均一であることを第４の特徴としてい
る。また本発明のシーリング装置は、上記第１〜３のい
ずれかの特徴に加えて、複数個の各溝における第２の溝
部は、第１の溝部から離れるに従って深さが減少するよ
うにされていることを第５の特徴としてい。また本発明
のシーリング装置は、上記第１〜３のいずれかの特徴に
加えて、複数個の各溝における第１の溝部は、第２の溝
部に向けて深さが減少するようにされていることを第６
の特徴としている。また本発明のシーリング装置は、上
記第４の特徴に加えて、第１の溝部はシーリング面の外
側の周縁から内向きに延びるようにされていることを第
７の特徴としている。また本発明のシーリング装置は、
上記第７の特徴に加えて、第１の溝部に対する第２の溝
部の深さの比が0.05から0.25の範囲にあることを第８の
特徴としている。また本発明のシーリング装置は、上記
第８の特徴に加えて、第１の溝部の深さが0.0001〜0.00
03インチの深さの範囲にあり、第２の溝部の深さが0.00
001 〜0.00007 インチの深さの範囲にあることを第９の
特徴としている。

【００１３】

【作用】上記本発明方法の特徴によれば、第１、第２の
２つの溝部を１つのスパイラル溝として組み合わせるこ
とで、過大なハイドロダイナミック効果による過大間
隙、被シール流体の漏出の増大といった不利益を伴わ
ず、且つ安全な運転開始と停止のためのハイドロスタテ
ィックなシーリング面開口力が与えられる。第１の相対
的に深い溝部は、ハイドロダイナミックな作用に関して
最適化され、シャフトの回転時に、シーリング面間に間
隙を最適状態で保つためにシールされた流体を供給する
のに役立つ。また第２の相対的に浅い溝部は、シァフト
が回転を停止している時或いは停止に近い状態にあると
きに、シーリング面間にシールされている流体をコント
ロールした状態で供給することで、シャフトの回転開始
あるいは回転停止時におけるシーリング面間の摩擦ロッ
クをハイドロスタティックに防止するのに役立つ。この
ように本発明ではスパイラル溝を第１の相対的に深い溝
部と第２の相対的に浅い溝部との組み合わせによって構
成することで、単純な従来の１つのスパイラル溝ではあ
る程度の妥協を必要とした、運転開始・停止時での条件
と、及び定常運転時（フル回転時）での条件の両条件を
同時に満足させることが可能となり、停止ないし低速か
ら高速に至る広範囲において、シーリング面のロックを
防止し、また被シール流体の多量の漏出を防止して、安
定したシーリング性能を発揮する。

【００１４】

【実施例】図１は本発明に基づいて作製されたシーリン
グ装置の、軸方向の１／４を示す正面図で、シャフト回
転時の各部の相対的位置を示している。図２は図１の線
２−２に沿って断面した図で、望ましいシールリングの
例を示している。図３は、図２におけるシールリングの
溝を通る線３−３に沿った断面図である。図４は比較例
を示す図で、シーリングインターフェスとシールリング
及びそれに働く軸方向力を表した模式的側面図である。
図５は圧力−間隙図で、４つの異なるスパイラル溝パタ
ーンに対するハイドロスタティックな間隙とハイドロダ
イナミックな間隙を示す。図６は接触する２つの平坦面
の例を示す拡大図である。図７は図２と同様な他の実施
例を示す図である。図８は図３と同様な他の実施例を示
す図である。図９は図８と同様な更に他の実施例を示す
図である。

【００１５】先ず図１には、本発明部分とその付属部分
が示されている。この付属部分にはハウジング10と、そ
のハウジング10を貫通する回転シャフト12が含まれる。
この発明は環状の空間14内部に液体をシールし、その液
体が周囲環境部16に漏出するのを防止するのに適用され
る。発明の基本的構成要素は軸方向に可動な環状のシー
ルリング18を含み、該シールリング18は半径方向への延
長面（シーリング面）19を持ち、該延長面19は、回転可
能な環状のシールリング20の半径方向への延長面（シー
リング面）21とシーリング関係をもっている。シールリ
ング18はハウジング10のキャビティ15内に位置し、前記
回転可能なシールリング20と実質的に同芯に保持されて
いる。ハウジング10とシールリング18との間に複数のス
プリング30が設けられており、該複数のスプリング30は
ハウジング10のキャビティ15の回りに等間隔で配置され
ている。スプリング30はシールリング18をシールリング
20に接触させる方向に押圧する。Ｏリング38はシールリ
ング18とハウジング10との間をシールする。シールリン
グ20はスリーブ32によって軸方向の一定位置に保持され
る。スリーブはシャフト12に同芯的にロックナット34で
固定されている。ロックナット34はシャフト12上に螺合
されている。Ｏリングシール36はシールリング20とシャ
フト12との間の漏出を防止する。

【００１６】シールリング20の半径方向延長面（シーリ
ング面）21とシールリング18の半径方向延長面（シーリ
ング面）19とは、その作用としてシーリング関係にあ
り、非常に狭いクリアランス（間隙）を維持する。そし
て前記非常に狭い間隙は、シールリング20のシーリング
面21に形成された２つのスパイラル溝部22と24の組合せ
によってもたらされる。前記スパイラル溝部22と24とは
シールリング20のシーリング面21に化学的エッチングに
よってそのパターンが描かれる。前記スパイラル溝部2
2、24のパターンはシールリング18のシーリング面19側
に施してもよい。前記狭い間隙は摩擦熱と磨耗を発生を
防ぎ、しかも空間14にシールされた流体の漏出を制限す
る。

【００１７】図２は図１における２−２方向の正面図
で、２つのスバイラル溝部22、24のパターンをもつシー
ルリング20のシーリング面21が示されている。示された
スパイラル溝部22、24はシャフト12のある特定の回転方
向に対しては反時計方向で且つ内向きに向いており、シ
ャフト12の前記とは反対の回転方向に対しては時計方向
で且つ内向きである。内側のスパイラル溝部24は外側の
スパイラル溝部22の延長部であり、両溝部22、24は同芯
円周からなる各段部26によって分けられている。スパイ
ラル溝部24の内側端は同芯円周からなる各段部28によっ
て境界とされている。

【００１８】図３、図８、図９は図２における線３−３
に沿ったスパイラル溝部22、24の断面を示す。スパイラ
ル溝部22はシールリング20の外周縁と段部26との間に設
けられており、相対的に深い窪みを形成している。スパ
イラル溝部24は段部26でスパイラル溝部22に隣接し、ま
た段部26及び段部28で境界づけられており、相対的に浅
い窪みを形成している。

【００１９】図４は軸方向に可動のシールリングと、そ
れに対向したもう一つの現行の単純なスパイラル溝を持
つシールリングを示し、両シールリングは間隙Ｃをもっ
て隔てられている。そこに示されたスパイラル溝は寸法
がＡとＢである。軸方向に可動なシールリングの両側
に、平衡状態にある軸方向の力が描かれている。この軸
方向の力は、示されたシールリングの前後方向の圧力分
布の範囲内で、多数の矢で示されている。これらの圧力
分布が変化すれば、力のバランスも変化し、その結果生
じる力の差が面間隔を再調整するようにシールリングを
動かし、これにより力の平衡状態が再び回復する。シー
リング作用が行われる広範な時点の中で、最も重要な時
点はシャフトが回転し始める時点である。通常はその時
点において、シールは既に圧力差を保持している。そし
てシャフトの回転を開始させるために必要なことは、正
にシーリング面間隙が開かんとする時に、間隙を閉止し
ようとする力と開こうとする力とがほぼ等しくなるとい
う条件において、僅かな間隙Ｃ若しくはゼロ間隙を有す
ることである。一方、避けなければならないことは、多
量の漏出を伴う大きなシーリング面間隙である。また開
こううとする力よりも格段に大きい閉止力を伴ったゼロ
間隙である。この場合にはシーリング面が摩擦によって
互いにロックされ、シャフトが回転されるとシールが損
傷することになる。

【００２０】シーリング面が正に開口しようとするとき
にゼロ間隙になるというコンデションは好ましいコンデ
ションであり、本発明によれば広い範囲のシーリング圧
に対してこれを達成することが可能である。このコンデ
ションにおいて、装置は、完全に圧力のかかった状態
で、殆ど漏出もなく無くまた生産ロスも無く、いつでも
運転を開始することができる状態で、待機することがで
きるのである。スタートアップコンデションは、シャフ
トが未だ回転していないことからハイドロスタティック
な原理に支配される。そしてスパイラル溝はシーリング
面間の平均間隙における挿入段として働く。図４によれ
ば、この平均間隙は溝領域でより大きく、溝のない領域
でより狭くなり、また溝によって内側の間隙に対する外
側の間隙の比が決まる。ここでハイドロスタティックな
原理が教えることは、スパイラル溝がより深く或いはよ
り浅くされること、即ち図４の寸法Ｂが変更されること
で前記内側の間隙に対する外側の間隙の比が変更される
と、その結果として間隙Ｃが変化するということであ
る。その変化は、寸法Ｂが増加すれば間隙Ｃが増加し、
反対の場合には縮小するという変化である。同様なこと
は、スパイラル溝の深さが外周縁から内側への途中で減
少する場合に起こる。即ち、外周縁での溝の深さが深い
程、また溝の深さが内に向けて急に減少する程、平衡間
隙Ｃは大きくなる。反対の場合は平衡間隙Ｃが狭くな
る。

【００２１】図４における相対的に大きい寸法のＡと相
対的に小さい寸法のＢからなるスパイラル溝のパターン
はユニークなハイドロスタティックな性質をシールに対
して与える。即ち、ハイドロスタティックな状況での間
隙Ｃが非常に狭くなり、２つのシーリング面における粗
さの凹凸にもとずく平均間隙に近づくということであ
る。この状況は図６に寸法Ｓによって拡大して示してい
る。いかに平滑であると言えども、完全に平滑な面など
は存在しえない。面には必ず小さな凹凸を伴ったある程
度の粗さがあり、その様な２つの接触面は、粗さの凸部
間を通って僅かな流体の流れを生じさせる道を常に残
す。寸法Ｓは粗面効果による平均間隙を示している。

【００２２】本発明の目的は、できるだけ広範な圧力範
囲において、シーリング面を開くことなく、ハイドロス
タティックな状況での間隙Ｃが前記の寸法Ｓに近づくよ
うに設計することである。即ち、シーリング面は閉じら
れるが、開方向の力と閉方向の力がほぼ均衡し、シーリ
ング面に摩擦によるロックが生じない状態での閉止であ
る。上記のことは図５のチャートに実証表示されてい
る。図５には、本発明による新しいコンビネーション溝
パターンのみならず個々のスパイラル溝パターンに関し
て、圧力変化によるインターフェイス間隙の変化が示さ
れている。チャートは８個のカーブを示しており、その
うち２つはそれぞれ３つの単独パターンの溝に対するも
のであり、あとの２つはコンビネーションパターンの溝
に対するものである。これらのカーブの内、１つは縦軸
と一致し、他の２つは互いに一致する。よって図５には
６個のカーブが描かれているだけである。これらのカー
ブに対応して、スパイラル溝のパターンが寸法情報と共
に図５の右上に断面図で示されている。

【００２３】先ず、スパイラル溝パターンＡは、３イン
チの溝直径と0.00001 インチの溝深さで、ハイドロスタ
ティックな分離力をが得られる様に設計されている。こ
のパターンＡが持つゼロ回転スピードでの間隙−圧力特
性はカーブＡ１に示されている。これの特性は、40psig
の圧力において、既にシーリング面間に僅かな間隙が存
在していることである。間隙は計算によるものであり、
また実際のシーリング面はある程度の表面粗さを持つで
あろうが、上記の僅かな間隙は必ずしも面接触を排除す
る程大きくはないであろう。しかも上記僅かな間隙は、
間隙閉止力と間隙開放力とをほぼ均衡状態とするには十
分であり、シーリング面のロックとシールの破損の危険
性を排除するのに十分であろう。事実、スパイラル溝パ
ターンＡにおけるハイドロスタティックな分離力は軽い
面接触の理想的な条件をもたらし、それゆえ、シーリン
グ面粗さ間のほんのごく僅かな流体漏出、それも面接触
の程度の大小によっても余り変化しない流体漏出をもた
らす。シーリング面は、広範な圧力範囲において、正に
開こうとする状態にあり、そしてシャフトはこれらのど
のような圧力においても、シールの破損の危険なしに回
転を開始することができる。溝パターンＡにおける深さ
の増加は、シーリング面を分離させ、大きな漏出と、長
期間にわたって圧力下に待機せられるであろう装置にと
って望ましくない状況とをもたらす。

【００２４】明記すべきことは、パターンＡは、効果を
出すためにはスパイラル形状にする必要がないことであ
る。図２と同様な図７に示すように、深い外側のスパイ
ラル溝部22における浅い放射状の溝部25のパターンもま
たハイドロスタティック的に効果的である。放射状溝部
25は、図２における溝部24のスパイラル角を増加するこ
とで得られる。勿論これら２つの溝部24、25の中間的な
溝部形状もまた効果的である。上記溝パターンＡに対す
る全速回転特性をＡ２に示す。高速シャフト回転の力学
によれば、非接触シーリング作用を起こすためにはある
最小の間隙が要求され、Ａ２に示す間隙では不十分であ
る。よって溝パターンＡそのものは不適格である。

【００２５】溝パターンＢは3.42インチの溝直径で、0.
0002インチの溝深さを持ち、このパターンＢは全速回転
で最適になるよう設計されている。それで、溝は相対的
に深くされて、これにシーリング面を十分に分離できる
よう十分な量の流体をシーリングインターフェイスに供
給するようになされている。また溝は相対的に寸法が短
くされ、可能性として組み合わされるであろう他のいか
なる溝パターンによる干渉をも排除する最小限度可能な
ハイドロスタティック効果を与えるようにしている。溝
パターンＢはハイドロスタティック的にはシーリイング
面を分離しない。それゆえ、Ｂ１のカーブは縦軸に一致
し、すべての圧力においてゼロ間隙である。このような
溝パターンＢは殆どの圧力において面ロックを引き起こ
す。このため溝パターンＢもまたそれ自体では不適格で
ある。曲線Ｂ２に示す全速回転特性はハイドロダイナミ
ックなシーリングの非接触作用に対する十分なシーリン
グ面間隙を示している。

【００２６】この発明における３つ目の溝パターンはＡ
Ｂで示されている。このパターンはパターンＡにＢを組
み合わされたものである。ハイドロスタティックな分離
特性カーブＡＢ１はカーブＡ１よりも右側によってい
る。これは溝パターンのＢパターンによる効果が少し残
っていることによるものである。ハイドロダイナミック
な分離特性カーブＡＢ２はほとんどカーブＢ２と一致
し、ＡＢ２の間隙はＢ２の間隙よりも５％未満の小さな
マージンだけ大きい程度である。それ故、この溝パター
ンＡＢ２は、シーリング面のロックを起こさないための
ハイドロスタティックな分離の基準と、及び漏出の少な
い満足のゆくハイドロダイナミックな間隙の基準の両方
の基準を満たしており、現行のものを越えた改善が成さ
れていることを示している。

【００２７】比較として、現行の単純な溝パターンＣを
示す。この溝パターンＣは3.188 インチの溝直径と0.00
02インチの溝深さを有し、そのハイドロスタティックな
分離特性カーブをＣ１で、またハイドロダイナミックな
分離特性カーブをＣ２で、それぞれ破線で図に示す。溝
パターンＣは、全圧が加わった状態で運転開始が確実に
行えるように、ハイドロスタティック的に十分にシーリ
ング面を分離できるよう設計されたものである。漏出を
少なくするためにこの溝パターンＣをさらに短くしよう
とすると、ハイドロスタティックなシーリング面のロッ
クを引き起こすことになる。明記すべきことは、ハイド
ロダイナミック作用のための深い溝が、如何にハイドロ
スタティックな分離には不適当かということである。カ
ーブＣ１に示すように、シーリング面は高圧のときのみ
開く傾向にあるが、間隙の開放は素早くなされる。シー
リング面のロックを十分に防止するために溝パターンＣ
の長さを増す必要性は、同時にハイドロダイナミックな
作用を不利にし、カーブＣ２をカーブＢ２やＡＢ２より
著しく右に偏らせてしまう。

【００２８】漏出量は間隙の約３乗に従って変化するの
で、1000psigにおいてカーブＢ２（ＡＢ２）からカーブ
Ｃ２への間隙の増加は、0.9SCFM から約2.4SCFM への漏
出の増加を意味する。これはほぼ170 ％である。明らか
なように、本発明による溝パターンＡＢは、現行の溝パ
ターンＣと比較した場合、大幅な漏出の抑制を行うこと
ができる。また溝パターンＡＢに近いハイドロダイナミ
ックな振る舞いをなす単純溝パターンＢは使用できな
い。なぜなら溝パターンＢは十分なハイドロスタティッ
クなシーリング面分離をもたらさず、シーリング面のロ
ックをもたらすからである。また単純な溝パターンＡも
使用できない。なぜなら溝パターンＡはシーリング面の
ロックを防止するだけで、全圧、全回転スピードにおけ
る非接触作用を確保することができないからである。

【００２９】

【発明の効果】本発明は以上の構成、作用よりなり、ス
パイラル溝を第１の相対的に深い溝部と第２の相対的に
浅い溝部との組み合わせによって構成することで、単純
な従来の１つのスパイラル溝ではある程度の妥協を必要
とした、運転開始・停止時での条件と、定常運転時（回
転時）での条件の両条件を同時に満足させることが可能
となり、停止ないし低速から高速に至るより広範囲にお
いて、シーリング面のロックを防止すると共に被シール
流体の多量の漏出を防止することができ、安定したシー
ル性能を発揮することができる。即ち、本発明によれ
ば、シーリング面のロック或いは被シール物質の漏出が
より広範囲の運転条件下において確実に防止され、安定
したシール状態での高速、高圧運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づいて作製されたシール装置の、軸
方向の１／４を示す正面図で、シャフト回転時の各部の
相対的位置を示してる。

【図２】図１の線２−２に沿って断面した図で、望まし
いシールリングの例を示している。

【図３】図２におけるシールリングの溝を通る線３−３
に沿った断面図である。

【図４】比較例を示す図で、シーリングインターフェス
とシールリング及びそれに働く軸方向力を表した模式的
側面図である。

【図５】圧力−間隙図で、４つの異なるスパイラル溝形
状に対するハイドロスタティックな間隙とハイドロダイ
ナミックな間隙を示す。

【図６】接触する２つの平坦面の例を示す拡大図であ
る。

【図７】図２と同様な他の実施例を示す図である。

【図８】図３と同様な他の実施例を示す図である。

【図９】図８と同様な更に他の実施例を示す図である。

【符号の説明】

10 ハウジング 12 シャフト 14 環状の空間 16 周囲環境部 18 シールリング 19 シーリング面 20 シールリング 21 シーリング面 22 スパイラル溝部 24 スパイラル溝部 26 段部 28 段部 30 スプリング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジングと回転可能なシャフトとの間
に流体をシールするシーリング装置であって、前記シャフトと共に回転するよう同シャフトに取り付け
られ、第１の平坦なシーリング面を持つ第１のシールリ
ングと、該シールリングと実質上同軸に配設され、前記第１のシ
ールリングの第１の平坦なシーリング面との間に間隙を
保った第２のシーリング面を持つ第２のシールリング
と、弾性付与手段とを有し、前記第１のシールリングと第２のシールリングのいずれ
かが軸方向に可動であり、該軸方向に可動のシールリン
グは前記流体の作用により前記間隙を閉じる方向に働
き、前記弾性付与手段は、前記ハウジングと前記軸方向に可
動なシールリングとの間にあって、前記軸方向に可動な
シールリングを前記可動でないシールリングの方へ押圧
して前記間隙を閉じる方向に作用させ、前記第１の平坦なシーリング面と第２の平坦なシーリン
グ面のいずれかには、複数個の溝を有しており、この複
数個の溝は互いに間隔をおいて配置されており、各溝は
シーリング面の一方の周縁から内向きに延びる第１の相
対的に深くて且つスパイラル状の溝部と該第１の溝部に
対して急激な段部を介して隣接する第２の相対的に浅い
溝部とを有し、前記第１の溝部の深さは0.001 インチ以
下とし、前記第２の溝部はシーリング面の他方の周縁か
ら溝のない面によって一定距離隔てられており、前記シーリング面の外周縁が前記流体と接触しているこ
とを特徴とするシーリング装置。
【請求項２】第１の平坦なシーリング面と第２の平坦
なシーリング面とは実質上互いに平行とされ、且つシャ
フトの回転軸に対して実質上垂直である請求項１に記載
のシーリング装置。
【請求項３】複数個の各溝における第２の溝部も実質
上スパイラル状である請求項１または２に記載のシーリ
ング装置。
【請求項４】第１の溝部、第２の溝部はそれぞれ実質
上深さが均一である請求項１〜３のいずれかに記載のシ
ーリング装置。
【請求項５】複数個の各溝における第２の溝部は、第
１の溝部から離れるに従って深さが減少するようにされ
ている請求項１〜３のいずれかに記載のシーリング装
置。
【請求項６】複数個の各溝における第１の溝部は、第
２の溝部に向けて深さが減少するようにされている請求
項１〜３のいずれかに記載のシーリング装置。
【請求項７】第１の溝部はシーリング面の外側の周縁
から内向きに延びるようにされている請求項４に記載の
シーリング装置。
【請求項８】第１の溝部に対する第２の溝部の深さの
比が0.05から0.25の範囲にある請求項７に記載のシーリ
ング装置。
【請求項９】第１の溝部の深さが0.0001〜0.0003イン
チの深さの範囲にあり、第２の溝部の深さが0.00001 〜
0.00007 インチの深さの範囲にある請求項８に記載のシ
ーリング装置。