JPH07133872A - ラビリンスシール装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【発明の名称】 ラビリンスシール装置 【目的】 本発明は従来の非接触形のクリアランスの問
題を解決しシール効果が勝れた、しかも寿命が長く経済
的なラビリンスシール装置を提供する。 【構成】相対的に回転運動をする２面間を流れる流体を
シールするラビリンスシールにおいて、回転部材（２）
にシール主部（３）、（６）を設け、各シール主部間に
線状（１）又はシート状（８）エレメントを併植した螺
旋状の補助溝部（４）を配設したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は相対的に回転運動をする
２面間を流れる流体をシールするラビリンスシール装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】相対的に回転運動をする２面間を流れる
流体をシールする流体シールに関しては、従来多くの文
献及び実用例がある。これ等は大別して接触型シールと
非接触型シールに分類される。接触型シールはそのシー
ル性能が良い反面、その相対運動をするシールの接触面
における摩耗という大きな問題点があり、特に潤滑剤が
使用出来ないドライ条件や相対運動条件が酷しい条件下
では極めて大きな課題を有していた。またシールコスト
も比較的に高くなる欠点をも有していた。

【０００３】一方、非接触型シールにあっては、通常ラ
ビリンスシールに代表されるシール方式が有名である。
このラビリンスシールにはその構造から軸方向形、半径
方向形及び結合形などがあり、いずれも流体に絞りを与
えるための精度の高いエッジを構成する必要がある。特
に流体が気体の場合は二面間の相対的なクリアランスを
小さくすることが必要であり、このことは二面間の精度
を上げることを必要としコスト的に不利であるばかりで
なく、この二面間の精度を長期間保つための努力を必要
としていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のごとく、従来シ
ール特にラビリンスシールにあっては非接触とはいうも
ののラビリンスシール部分における相対的クリアランス
は出来るだけ小さくすることが要求されており、このた
め各部は高精度の加工が必要となるばかりか、相対する
両者の変形等に十分な配慮をすることが求められる。
従って、これ等はコスト高をもたらす欠陥を有してい
た。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述のごとき課題を解決
するため本発明は、相対的に回転運動をする２面間を流
れる流体をシールするラビリンスシールにおいて、回転
している部材の流体の流れ方向と直交する複数の突出環
状部又はラビリンス溝を設け、各該突出環状部又はラビ
リンス溝（以下シール主部という）間に少なくとも１以
上のリードを有する螺旋状の連続した補助溝部を配設
し、該補助溝部は溝内にその高さｈが線直径ｄに比して
十分高い線状エレメント又は薄いシート状エレメントを
多数併植せしめたものであり、更に該補助溝部の螺旋状
のリード角度θが該補助溝部により流体に反流れ方向の
分力を生ずるような２０°以下の角度をもって構成され
ているラビリンスシール装置により、また前記流体の流
れ方向と直交する複数のラビリンス溝を、その溝内にそ
の高さｈが線直径ｄに比して十分高い線状エレメント又
は薄いシート状エレメントを多数併植せしめることによ
り解決せんとするものである。

【０００６】

【作用】本発明は流体の流れ方向に対し１層又はそれ以
上の層のブラッシ状線状エレメント又はシート状エレメ
ントを多数併植しその多数のブラッシ状の線状エレメン
ト又はシート状エレメントの先端部により構成される面
（以下ラビリンス面という）を相対面と対向させ、ラビ
リンス面と対向面との間を流れる流体（特にガス体）を
ラビリンス面における微細な絞り効果の集積により極め
て効率のよいラビリンス効果を得んとするものである。

【０００７】このラビリンス効果は、数式的には未だ解
明されていないが、多数の柱状絞りによる流体の流量抵
抗及び線状エレメント又はシート状エレメントが流体の
流れ速度抵抗に対して自からたわむことによる減速効果
の相乗的作用、さらに吹き抜け作用が減少することによ
るものと考えることが出来る。従って、本発明の効果を
左右するものとして線状エレメント又はシート状エレメ
ントの併植条件例えばエレメント部材の密集状態、エレ
メント部材の種類、幅、層の数等であり、これ等の条件
により従来のラビリンスに対し比較的流体条件に鈍感で
ありしかも効率のよいシール作用を得ることが出来る。

【０００８】

【実施例】以下図面を参照し本発明の詳細につき説明す
る。図１は本発明の１実施例を模式的に示したもので、
回転する部材が軸であり突出環状部間に多数の併植され
た線状エレメント１が螺旋状の連続した補助溝部を配設
されている場合のものである。図２は本発明の他の実施
例を模式図であり、図１の突出環状部に代わり前記線状
エレメントを配設したラビリンス溝を用いた場合であ
る。図３は更に他の実施例で、回転する部材がディスク
状の相対しゅう動面を有する場合で突出環状部が配設さ
れており、（ａ）は回転する部材の正面図（ｂ）は
（ａ）図のＡ−Ａ断面図を示したものである。また図４
は本発明に使用される線状エレメントを併植された補助
溝部の拡大断面図であり、図５はシート状エレメントが
併植された補助溝部の拡大模式図である。図６（ａ）、
（ｂ）は従来のラビリンスシール（基本的形状）と図１
の本発明の場合を比較実験した結果を示すグラフであ
る。

【０００９】図６のＡは従来のラビリンスシールである
直通形環状の溝形のラビリンスのみを２本使用した場合
であり、Ｂは従来のラビリンスシールである直通形環状
の溝内に本願の要件の一つである線状エレメントを併植
されたであり、Ｃは本願書の実施例の場合即ちＢに更に
螺旋状の連続した補助溝部を配設した場合のものであ
る。図６の（ａ）はＡ、Ｂ、Ｃを回転周速をパラメータ
として静止時漏れ量Ｇ。と回転時漏れ量Ｇとの比をとり
比較実験した結果を示すグラフである。いづれも回転周
速が増加すると回転周速の影響が出てくるがＡの場合に
比較して線状エレメントによる効果が大きく更に螺旋状
の連続した補助溝部を配設した場合はその効果が極めて
大きくなり、漏れ量が比較的回転周速の低いところで０
になっている。図６の（ｂ）は（ａ）の場合の漏れ量を
比較したものであり低速度域ではＡの２／３程度の漏れ
量である。図６の（ｃ）は入口側圧力による影響を比較
したものであり入口側圧力が０．５Ｋｇ／ｃｍ^２以上に
なるとＡ、Ｂ、Ｃとも漏れ量はあまり変らない。従って
本発明のシールが比較的入口圧力の低いところで効果が
あることがわかる。

【００１０】本発明の特徴はその線状エレメント又はシ
ート状エレメントが流体により順応的に適度にたわむこ
とによる効果と回転部材が軸型のものでは流体の受ける
遠心力効果により良好なシール効果を得るところにあ
り、またエレメントが適度のたわみ性に富むことから例
えエレメントの先端が相手方に接触したとしてもその接
触圧及び接触面積が小さくこのためしゅう動発熱が少な
いところにある。これは取りもなおさず相対面間のクリ
アランスを極端に小さく、強いていえばエレメントを相
手面に殆ど接触させることが可能となる。この場合、長
期間の寿命を考慮してエレメントの材質が選択されなけ
ればならない。本出願人の実験によればカーボン繊維又
はセラミクス繊維によるものの使用が好ましい。尚、非
しゅう動用に使用する場合にはナイロン、アクリル、ポ
リエステル等の合成樹脂材料、ブロンズ、スチール等の
金属材料繊維、ガラス等の無機材料によりエレメントを
構成することが出来る。

【００１１】線状エレメントの場合、線径は０．０５−
５．０ｍｍ程度好ましくは０．１−１．０ｍｍがよくこ
れはシール面の条件により選択される。また、長さは流
体によるたわみが十分とれることが必要であり少なくも
直径の２倍以上であることが必要であり、線状エレメン
ト間のピッチは線径ｄ以上であり、線状エレメントの長
さｈと溝幅ｓとの比ｈ／ｓが１／５程度とすることが好
ましい。更に併植する幅はその流体条件により選択され
る。またシート状エレメントは、厚さ０．０３−１．０
ｍｍ程度が好ましく高さは少なくとも５ｍｍ以上が必要
である。尚その厚さは高さ方向に均等である必要はなく
溝底に近い部分を厚くしシート状エレメントの姿勢の安
定化を図ることが望ましい。

【００１２】補助溝内に併植されるエレメントは溝幅
ｂ。、Ｂ。に対し各間隔をあけ流れ方向に対し２層以上
配列することが望ましい。更にエレメントの先端部にお
ける断面２次モーメントは流体抵抗に対し十分たわむご
とく選択されることが必要であるが各エレメントが干渉
しないようにすることが望ましい。併植の方法は併植さ
れる部材にエレメントを埋め込む又は接着する直接法
と、べースシートやベースメッシュに予め併植し、その
ベースシートやベースメッシュを溝底にセットする間接
法がある。間接法は必要により交換が容易であり好まし
い。

【００１３】該補助溝は流体の流れ方向と直交するシー
ル主部の各間に螺旋状に配設されるが、そのリードは１
以上であることが望ましい。これは前段のシール主部と
後段のシール主部の間を流体が直通することを避けるた
めである。またリード角度θの方向は流体に反流れ方向
の分力を生ずるようなリード方向とする。リード角度θ
は Ｏ＜θ＜θ。であることが好ましい。ここでθ。＝
ｔａｎ⁻Ｖｒ／Ｖｇ、Ｖｒ＝（πＤＮ／６０） ［ｍ／
ｓｅｃ］、Ｄ：回転部材の直径［ｍ］、Ｎ：回転数
［ｒ．ｐ．ｍ］、Ｖｇ：流体の流速［ｍ／ｓｅｃ］であ
る。

【００１４】またシール主部が突出環状部である場合は
突出環状部の回転部材表面からの突出量は補助溝内に併
植されたエレメントの先端より低いことが大切である。
その突出量は回転部材及び固定部材の加工精度、取付け
精度を加味して如何なる状態でもこの両者の接触が生じ
ないスキマを確保しえる範囲に決められる。通常の値と
してははめあい公差等級８−９級程度である。突出環状
部は回転部材より加工により突出させてもよいし、別途
の環状材料をはめ込んでもよい。

【００１５】また上述せるものは相対面の少なくとも一
方に本願のラビリンスシールを施せる場合を示したが当
然その相対面の両面に施してもよいし、また単一平面内
のみに配列せる場合ばかりでなく従来のラビリンスシー
ルの場合と同様にステップ形食違い形等の配列すること
によりその効果を増すことが出来る。

【００１６】

【発明の効果】上記のごとく本発明は従来の非接触形の
クリアランスの問題を解決しシール効果が勝れた、しか
も寿命が長く経済的な効果を有する。

【００１７】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の１実施例の模式的断面図である。

【図２】 本発明の他の実施例の模式的断面図である。

【図３】 本発明の回転する部材がディスク状の相対し
ゅう動面である更に他の実施例の模式的断面図であり、
（ａ）は回転する部材の正面図であり、（ｂ）は（ａ）
のＸ−Ｘ断面における断面図出ある。

【図４】 本発明に使用される線状エレメントを併植さ
れた補助溝部の拡大断面図である。

【図５】 本発明に使用されるシート状エレメントを併
植された補助溝部の拡大断面図である。

【図６】 本発明と従来のラビリンスシールの場合を比
較実験した結果を示すグラフであり、（ａ）は回転周速
をパラメータとした比較実験結果を示すグラフ、（ｂ）
は回転周速をパラメータとした漏れ量を比較したグラ
フ、（ｃ）は入口圧力の影響を比較したグラフである。

【符号の説明】

１、１０ エレメント ２ 回転部材 ３、３０ 突出環状部 ４、４０ 補助溝部 ５ 静止側部材 ６ ラビリンス溝 ７ ラビリンス溝内エレメント ８ シート状エレメント ９０ 入口側圧力開口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相対的に回転運動をする２面間を流れる流
   体をシールするラビリンスシールにおいて、回転してい
   る部材の流体の流れ方向と直交する複数の突出環状部又
   はラビリンス溝を設け、各該突出環状部又はラビリンス
   溝間に少なくとも１以上のリードを有する螺旋状の連続
   した補助溝部を配設し、該補助溝部は溝内にその高さｈ
   が線直径ｄに比して十分高い線状エレメント又は薄いシ
   ート状エレメントを多数併植せしめたものであり、更に
   該補助溝部の螺旋状のリード角度θが該補助溝部により
   流体に反流れ方向の分力を生ずるような２０°以下の角
   度をもって横成されていることを特徴とするラビリンス
   シール装置。
2. 【請求項２】前記流体の流れ方向と直交する複数のラビ
   リンス溝が、その溝内にその高さｈが線直径ｄに比して
   十分高い線状エレメント又は薄いシート状エレメントを
   多数併植せしめたものであることを特徴とする請求項１
   記載のラビリンスシール装置。