JPH07151239A - メカニカル面シール - Google Patents

メカニカル面シール

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JPH07151239A
JPH07151239A JP6173040A JP17304094A JPH07151239A JP H07151239 A JPH07151239 A JP H07151239A JP 6173040 A JP6173040 A JP 6173040A JP 17304094 A JP17304094 A JP 17304094A JP H07151239 A JPH07151239 A JP H07151239A
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JP
Japan
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groove
seal
edge
sealing surface
boundary
Prior art date
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Pending
Application number
JP6173040A
Other languages
English (en)
Inventor
Glenn G Pecht
ジー．ペクト グレン
Jon B Hamaker
ビー．ハマカー ジョン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
John Crane Inc
Original Assignee
John Crane Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by John Crane Inc filed Critical John Crane Inc
Publication of JPH07151239A publication Critical patent/JPH07151239A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/34—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member
    • F16J15/3404—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal
    • F16J15/3408—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface
    • F16J15/3412—Sealings between relatively-moving surfaces with slip-ring pressed against a more or less radial face on one member and characterised by parts or details relating to lubrication, cooling or venting of the seal at least one ring having an uneven slipping surface with cavities
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/02—Sealings between relatively-stationary surfaces
    • F16J15/14—Sealings between relatively-stationary surfaces by means of granular or plastic material, or fluid

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Mechanical Sealing (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、シール面どうしの間に流体ギャッ
プをつくりだす螺旋溝を有する回転式メカニカル端面シ
ールを提供するものである。 【構成】 メカニカル面シール内の改良形螺旋溝はシー
ルギャップ内に発生した流体圧力を径方向に変位させる
と共に、同溝によって発生した他の圧力ゾーンから円周
方向に変位できる離散的な圧力ゾーン内へより均等に分
配させる複数の終端コーナーを備える。代替例は複数の
終端溝コーナーの各々が特定の深さに表面を有する溝部
分と関連する可変深度の表面を有する溝を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は全体として回転式メカニ
カル端面シールに関し、殊にシール面どうしの間に流体
ギャップをつくりだすために螺旋溝を備える回転式メカ
ニカル端面シールに関する。
【０００２】
【従来の技術】メカニカル面シールはハウジングと相対
的に回転するシャフト間をシールするために長い間使用
されてきた。
【０００３】最近ではシールリングの少なくとも一つの
シール面内に溝が導入され、シール面どうしの間にギャ
ップを発生させる手助けをするようになっている。上記
ギャップはリングどうしを隔てるようになっている。こ
れらのタイプのシールは全体として非接触シールと称さ
れている。流体をシール面どうしの間で汲み移すために
螺旋溝を活用することにより、流体がシャフト回転中に
面どうしの間に小さなギャップをつくりだすようになっ
ている。ＵＳ特許3,499,653 と4,212,475 には螺旋溝の
ついた面の例が見出される。その両方とも本発明につい
て共通して付与されたものであり、その思想は本文に参
考として組み込んである。
【０００４】従来開示の螺旋溝は溝領域をランドから隔
てる二つの全体としてなめらかな境界カーブを備える。
これら二つの境界カーブは互いにほぼ平行で、それぞれ
がシール面の中心線からほぼ同一の径方向距離に配置さ
れる端点で終了する。これら二つの端点は横断境界によ
り接続され、同境界は大部分が円周方向に延び、ＵＳ特
許3,499,653 と4,212,475 のそれぞれの図２に示す螺旋
溝パターンをつくりだしている。
【０００５】従来技術によるシールの螺旋溝はシール面
どうしの間にギャップを設ける上で効果的であることが
これまで判っている。にもかかわらず、これらのタイプ
のシール面パターンは溝の形に由来する特性を備えてい
る。溝の形は溝の後部境界が溝の円周方向境界と交差す
る地点に単一の終端コーナーを備え、同交点に鋭角を与
えるようになっている。上記鋭角はシール面の二つの円
周辺縁間に配置され、本文では終端コーナーと称するこ
とにする。
【０００６】上記単一の終端コーナーの設計によって各
溝の終端コーナーに隣接してつくりだされる圧力“ゾー
ン”がつくりだされる。
【０００７】標準的な螺旋溝シール面内の一組の溝に対
してそのような圧力ゾーンが各溝によってつくりだされ
る。この圧力ゾーンは溝終端コーナーに直ぐ隣接するラ
ンド上の一点に発生し、特に、シール面が相対的に回転
する方向と反対のランド辺縁と、溝と同溝からのランド
との間の境界線の他方側上に発生するものと考えられ
る。この地点における圧力の増大は流体質量の流れが交
点で収斂する溝の後部境界と円周境界により発生する終
端コーナー内へ収斂するために発生するものと考えられ
る。かくして、従来の螺旋溝シール面では各溝と関連す
る圧力ゾーンはそれぞれシヤフト中心線に対してほぼ同
一の径方向位置に配置されるが、溝部分と溝のない部分
もしくは堰との間の境界線に、又はそれに直ぐ隣接して
円周方向に変位する。
【０００８】圧力ゾーンの一定数の作成は標準螺旋溝の
各々と一対一の関係によって必然的に限定され、メカニ
カル面シールの面どうしを隔てその間にギャップをつく
りだすに十分な揚程を与えるに十分である。
【０００９】ＵＳ特許3,499,653 と4,212,475 の螺旋溝
の場合、圧力ゾーンの数はシール面内に存在する螺旋溝
の総数に限定され、これらは溝付き部分と堰との間の境
界にほぼ隣接する円周ラインに沿ったほぼ同一の径に構
成される。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は一方の構成部品
上に回転しないように取り付けられ、それに対してシー
ルされた第１のシールリングと、他方の構成部品上に回
転しないように取り付けられ他方構成部品に対してシー
ルされた第２のシールリングで、前記第１のシールリン
グと軸方向に整合したものと、前記第１のシールリング
のシール面を弾性的に駆動して第２のシールリングのシ
ール面とシール係合させるために設けられた手段で、前
記シールリングの一方のシール面がその円周付近に配置
された環状の溝領域を有し、同領域がシール面の一方の
辺縁に対して開いたものと、溝領域とシール面の他方辺
縁間に設けられた連続する環状堰形成部で溝領域がシー
ル面の一方の円周辺縁から他方の円周辺縁方向へとシー
ル面を一部横切って角度を形成して配置され、所与の方
向に径方向円周方向に延びる複数の溝を備え、各溝が少
なくとも二つの境界を備え、各境界が全体として径方向
円周方向に延び上記境界の一つが更に本文中に規定され
るような複数の終端コーナーを備えるようになったもの
と、から成る一対の相対的に回転可能な構成部品どうし
の間に一つのシールを提供するメカニカル面シールを開
示する。
【００１１】
【実施例】図１は第２のリング（図示せず）の反対のシ
ール面上の面に対向するような形と寸法をもった全体と
して径方向に延びるシール面１２を備えるシールリング
１０を示す。シールリング１０は一次又は嵌合リングの
何れでもよく、上記ＵＳ特許3,499,653 と4,212,475 に
解説するようにシャフト（図示せず）と共に回転して
も、また、ハウジングに対してシール接続しても何れで
もよい。
【００１２】シール面１２は上記特許のシール面のよう
に溝面と溝のない面から成る離散パターンを備えてい
る。環状の溝部分１４はシールリング１０の円周辺縁の
隣接する一つであって、もう一つの環状堰１６は円周辺
縁の他方側にある。
【００１３】図１の例では環状の溝面１４がシールリン
グ１０の外径円周辺縁１８に隣接している。しかしなが
ら、上記特許のシールリングの場合のように環状の溝面
はメカニカル端面シールの設計に応じて、図のように外
径辺縁とシールリング内径辺縁の何れからか延びること
ができる。
【００１４】上記溝面１４は、更に、環状の溝部分１４
の円周辺付近に均一に隔たった複数の溝２０を備える。
ランド２２は溝２０の隣接しあうものどうしを隔てる。
溝２０は境界としてシールリング面１２の、辺縁１８の
ような円周辺縁の一つを備える点で上記特許の溝と多く
の点で似ている。少なくとも二つのその他の境界が円周
方向と径方向の両方に延びる第１の溝境界２１と、同様
に円周方向と径方向に延びる第２ののこぎり歯状の溝境
界２３とからなる溝２０をそれぞれ形成する。しかしな
がら、本発明のシールでは溝２０の円周方向と径方向に
延びる境界２１，２３のうちの一つは複数の終端コーナ
ー２４を備える。これらのコーナー２４は以下に論ずる
ように一連の利点を備える。
【００１５】上記複数の終端コーナー２４はそれぞれ上
記二つの境界２１，２３の一つに形成される。境界、例
えば２３は円周方向と径方向の両方に延びる一連の第２
の辺縁２８により互いに接続される。例えば辺縁２６の
ような円周方向に延びる一連の辺縁を備えることが望ま
しい。終端コーナー２４の各々は一対の隣接する収斂辺
縁２６，２８により構成する。
【００１６】終端コーナー２４の境界２３も全体として
径方向に延び、他方の境界２１と全体として同一方向に
円周方向に延びることができる。
【００１７】シールリング１０が矢印で示すように所期
の方向に回転するときに溝２０の前縁を提供する境界は
前方辺縁境界と称し、図１では２１で示す。前方辺縁境
界２１はシール面１２上に直接配置された理論的な静止
点を通る溝２０の第１の部分である。
【００１８】前方辺縁境界は図１に示すように円周辺縁
１８と鋭角αを形成する。好適例では上記鋭角αはほぼ
１９度であるが、シールの設計と、シャフト回転速度の
ようなシール変数によっては５度ないし約８５度の範囲
の他の値をとることができる。前方辺縁境界２１もま
た、両辺縁２１，２８が外挿されたときに円周辺縁１８
を交差する後部辺縁２８とほぼ収斂する。
【００１９】各溝２０の構造はＵＳ特許4,212,475 に記
載のタイプの若干の隣接しあう溝を備えるものと考える
ことができる。即ち、上記溝は長さが異なり、その間に
ランドを介在させずに共に接続される。境界２１又は２
３の一つは従来の螺旋溝の前方辺縁境界と同一の経路を
たどる。図１に２３で示す他方の境界は境界２３に沿っ
て配置され、隣接しあう収斂辺縁２６，２８により構成
される端点を備える別個のコーナー２４を備える。本文
において終端コーナー２４と称するこれらの端点は、図
のように、同じ溝の他方隣接終端コーナーから径方向と
円周方向の双方に変位することが望ましい。にもかかわ
らず、共通の径に沿って整合する終端コーナーを備える
溝も効果的に作用することができる。
【００２０】環状溝面１４の周縁附近の溝２０の数はシ
ール面のサイズとシール面１０の外径の大きさとに応じ
て２〜６０の範囲をとることができる。溝２０は環状溝
領域１４の周囲に径方向に対称なパターンを描いて均一
に隔てるべきである。
【００２１】ランドと溝の間の比は２：３から１：５の
範囲にすることが望ましい。ランドと溝の比は、本文に
規定するように溝２０と比較してのランド２２の円周幅
の比である。ランドと溝の比はランド２２を規制する弧
を共に円周辺縁１８に対してとることによって計算され
る。上記特定比はこれらのシールリング面が使用される
メカニカルシールの設計により、シール設計に応じて大
きく１：３ないし１：５の比の範囲で変化できる。
【００２２】各溝２０ののこぎり歯状境界２３と関連す
る終端コーナー２４の数は面幅とリングの大きさに応じ
て２：１０の範囲をとることができる。溝の深さはシー
ルリングの特殊用途に添って２５〜２０００マイクロイ
ンチの範囲をとることが望ましい。
【００２３】シール動作中、シヤフトとシール面が回転
するにつれて流体はシール面どうしの間のギャップ内へ
汲み移され、流体は関連する辺縁２６，２８により形成
されるそれぞれのコーナー２４の交点上を流れるはずで
ある。溝２０とランド２２間の境界２３における表面高
さの増加によって終端コーナー２４に提供される流体の
流れを抑止する障害は克服されるはずである。収斂する
辺縁２６，２８により流体が押し込まれる容積は、流体
が終端コーナーの交点２４に達するにつれて細くなる。
流体の容積が小領域へと収縮し集中することによって同
流体の圧力は交点２４とそれに隣接する点で大きくな
り、流体が同交点上を流れるにつれてシルエットで示す
圧力“ゾーン”２５が終端コーナー２４に直ぐ隣接する
シール面どうしの間のギャップ内につくりだされる。
【００２４】流体に対して利用可能な容積の縮みを更に
助けるために前方辺縁境界２１もまた境界２３と辺縁２
８と共に収斂し、同辺縁２８もまた径方向と円周方向に
共に延びるようにすることが望ましい。境界２１は図１
において辺縁２８と交差するようには描かれていない。
即ち、辺縁の外挿された延長部（図示せず）はシールリ
ング１０の面１２上の何処か一点で交差できたと想定さ
れている。
【００２５】これら圧力“ゾーン”２５の一つはそれぞ
れ溝終端コーナー２４の一つと関連しているため、圧力
ゾーンは終端溝コーナーのパターンを径方向と円周方向
に全体として螺旋の形を描いてたどり、シール面溝領域
部分１４を横切って配置される。互いに対して円周方向
と径方向に配置される多数圧力“ゾーン”を有するシー
ル面パターンは、従来の螺旋溝パターンのものよりもよ
り効率的な支持面と、より剛性の流体膜をギャップ内に
提供するものと考えられる。更に、シール面を支える上
記多数の圧力“ゾーン”はギャップ内の変動を最小限に
し、通常単一の大圧力“ゾーン”にってひきおこされ
る。例えば上記ＵＳ特許の螺旋シール面パターンにより
つくりだされるような差熱を最小限にする。それぞれの
溝２０と関連する終端コーナー２４の数が従来溝と比べ
て大きいことにより、シャフトが回転し溝が流体をシー
ル面どうしの間に汲み移す時にシール面どうしの間によ
り安定的な“揚程”が得られるという利点が得られる。
揚程が増加するのは隣接しあう終端コーナー２４におい
て又は同コーナー２４に隣接して各溝２０と関連する多
数圧力ゾーンによるものである。終端コーナー２４の段
違いと、それに関連する圧力ゾーンはより広い圧力ベー
スをシール面溝部分１４上に分布させる。 圧力ゾーン
のより広範な分布によって各終端コーナー２４によりつ
くりだされる圧力値は幾分小さくなるが、幾つかの終端
コーナー上で圧力ゾーンが段違いになることによって、
シール面どうしの間の流体膜の剛性（同用語は従来より
例えばＵＳ特許4,212,475 に定義されている）が増加す
る。
【００２６】更に、それぞれの圧力ゾーン２５において
圧力値が相対的に低下するにもかかわらず、溝２０の開
放力は従来の螺旋溝パターンの溝から発生する開放力よ
りたとい大きくなくともそれと同一となる。もし二次元
ばねのアレイと考えると、従来の螺旋溝はシールギャッ
プを単一の円形パターンにつくりだす開放力を提供する
圧力ゾーン又は“ばね”（それぞれ共通の半径に配置さ
れる）を備えることになろう。これらの“ばね”には３
の任意の力値を与えることができる。同値は各溝の終端
コーナーを横切る流体質量の流れの量に一部依存する。
【００２７】図１の実施例によるシール面１２の場合、
各溝により汲み移される流体質量流の同値が各溝２０に
ついて三つの別個の圧力ゾーン２５、又は“ばね”をつ
くりだし、それぞれの圧力ゾーンは１の比較値を有する
開放力を提供する。シール面により提供される開放力全
体は、低圧では各ゾーンにおける圧力と同ゾーンによっ
てつくりだされる開放力との間の直接の相関から乖離す
る傾向は少なくなるため、同一か、恐らくそれよりも大
きくなる。更に、開放力がシール面１２のより大きな領
域の周囲に分布することによって以下に解説するように
安定度が向上するという利点が得られる。
【００２８】何れかの単一溝コーナー圧力ゾーン２５に
おいて分布圧力値が低下すると、シール面どうしの間に
やや小さなギャップを形成することが可能になるため、
漏れが少なくなるという傾向も見られる。シール面どう
しの間のギャップは、ランドと溝の比、溝の深さと（又
は）前方又は後部辺縁の入射角のようなシールリング面
のその他の変数の若干を変えることによって特定シール
設計について制御することができる。高い流体剛性を有
する小さなギャップはリングの一方が若干ゆがんでギャ
ップ幅を瞬間的に閉じさせた場合、ギャップを再び開く
傾向のある反応開放力のためにより安定になる。即ち、
終端コーナー２４の若干はシール面の外径にずっと近く
配置されるために、より大きなモーメントのアームが経
験される。かくして、シールリング面どうしの間の平行
関係の転倒は開放力の角寸法による反作用を受ける。上
記開放力は上記より大きなモーメントのアームにより与
えられる「てこ作用」によって従来の溝シールリングよ
りも早期にシールリングに作用する傾向がある。
【００２９】上記のより即座に反作用する力も小さな初
期ギャップと増加した流体剛性に帰すことができる。上
記初期ギャップと流体剛性は平行線から転倒した状態を
たどって“右”のシールリングにより迅速に作用する。
同時に、シール面を横切って径方向に分布する圧力ゾー
ンの各々における圧力の増加は全て一緒に「圧縮」され
て、前記複数の圧力ゾーンはばねの「円形アレイ」が閉
鎖力に対抗するような従来のシールリング面の場合より
もずっと小さな弾性を備える「平面状アレイばね」とし
て作用するようになる。
【００３０】また、本発明のシール面溝２０の更にもう
一つの利点はそれぞれの溝２０によりつくりだされる圧
力分布から発生する個々の終端コーナー２４の圧力が小
さくなることである。
【００３１】一つの圧力ゾーン２５において流れる流体
の連続的な圧力によってそれぞれの終端コーナー２４に
直近するリング面上の領域と圧力ゾーン２５により示さ
れるものとほぼ同位置において温度の上昇が展開するこ
とになる。これら局部領域におけるシールリング面温度
の上昇はシール面の異なる局部領域で測定した時比例し
ない温度の上昇をつくりだす。
【００３２】対応する高温の環状帯もまた反対側のシー
ル面上の同じ環状領域上を連続的に通過する圧力ゾーン
から発生する反対側のシールリング面上に形成される。
反対側シールリング面上で達せられる温度は、圧力ゾー
ン２５は反対側のシールリング面上の局部化された領域
に対して移動することになるので溝シールリング面上に
発生した温度と殆ど同じ高さの温度をとることはない。
【００３３】何れの一つの圧力ゾーン２５の圧力が低下
しても圧力ゾーンによって任意の一局部領域につくりだ
される温度は必然的に低下することになる。かくして、
シール面幅全体にわたってとった温度勾配は小さくな
り、それぞれが低い相対温度の下にある互いに隔たった
一連の局部領域にわたって温度の上昇が分布する。
【００３４】シールリング面１２のより大きな径方向幅
を横切って測定すると温度がより一定であるため、この
ことは更にシール面１４を横切って温度の均一度はより
大きくなる。温度勾配が小さくなり、温度均一度が大き
くなることによってシールリングの熱勾配又は「そり」
は最小限になり、そのことによってシャフト回転中のシ
ール面どうしの間のギャップの安定性は更に大きくな
る。
【００３５】図３，４はカスタマイズされ均一に分布し
た圧力ゾーン分布を特定のシールに提供するために可変
の溝深度を使用できることを示す。例えば図３におい
て、溝４０はランド４２により隔てられる。ランド４２
は堰３６と同じ高さにある。しかし、溝４０の各々は、
例えば、各溝４０内で変化する深さをもつ三つの別個の
面４４，４６，４８を備えることができる。図４は異な
る深さにある三つの異なる面をより明確に示したもので
ある。径方向に最も外側の部分は、図３，４にシール面
３０の円周辺縁３８に最も近い溝部分として示した面４
４を備える。面４４は他の二つの面４６，４８に対して
最大の深さにある。中間部分は中間深度に面４６を備
え、最も内側の部分は最も浅い深さにある面４８を備え
る。
【００３６】図３に示すように、部分４４，４６の面は
円周方向に延びる線４５によって隔てられる。部分面４
６，４８間には円周方向に延びる境界４７が存在する。
かくして、同じ溝４０内の径方向位置に応じて異なる深
さをもつ別個の円周方向に延びる溝面によって段状にな
った溝パターンがつくりだされる。
【００３７】流体は更に終端コーナー５４方向に汲み移
されるにつれて面４４，４６，４８の高さの増加を経験
する。深い面を有する部分から浅い面を有する部分へと
移行する際に、高さが大きくなることによって更に流体
が汲み移される容積は小さくなり、圧力“ゾーン”５５
の特性を必然的に変更させることになる。
【００３８】図５，６の溝６０はランド６２の面に対し
て溝６０の異なる部分の表面の溝深度の変化を有する点
で図３，４の例と似ている。しかし、面６４，６６，６
８を有する異なる溝部分は径方向と円周方向に延びるこ
とによって部分面６６，６８間の境界６５，６７は前方
辺縁境界６１に対して平行に延びることになる。境界６
７もまた円周方向と径方向の双方に延びる溝辺縁７２と
同一線状に延びることができる。
【００３９】図５に示す例の場合、また図６に最も良く
示されているように、最も長く延びる溝部分６８は外径
７８からシール面内径に対して最も近い終端コーナー７
４に延びる。
【００４０】面６８もまたランド６２に対して最も深
い。円周辺縁７８と交差する後部辺縁７２に最も近接し
て配置される最短溝６４もまた最も浅い面を有する。中
間溝部分面６６は面６４，６８間に配置され、二つの溝
部分６４，６８の面間の中間深度にある。
【００４１】上記のように溝６０を有するシールリング
面を有するシールの動作中、シールリング１０はシャフ
トと共に回転することが望ましい（図示せず）。別の処
で述べたように、溝６０を有するシールリングは固定し
て反対リング（図示せず）が同固定リングに対して回転
するようにすることができる。
【００４２】最も重要なことはリングが互いに対して回
転し、その相対的回転が一つのシール面円周からシール
面を少なくとも一部横切って他方の円周方向へ流体を汲
み移す作用を提供する点である。
【００４３】好適動作方法において、シールリングはシ
ャフト（図示せず）と共に回転する。リングが左廻り方
向に回転すると、図５の例で矢印で示すように、流体は
外側辺縁７８に隣接する径方向に延びる溝によって内側
方向に汲み移される。流体が内側方向に汲み移されるに
つれて複数のコーナー７４の各々を構成する辺縁７２，
７６の収斂によって複数コーナー７４の一つ方向にも向
けられることになる。
【００４４】部分面６４，６６，６８間の高さが大きく
なると、シール面の外周辺縁７８に近い方の終端コーナ
ー７４で流体が利用可能な容積は更に小さくなる。収斂
する辺縁と面の増大する高さとによって共に内側方向へ
汲み移される流体の圧力は複数コーナー７４のそれぞれ
に直近する一つの圧力ゾーンをつくりだすことになる。
更に、各部分面６４，６６，６８の高さの分散は溝６０
の後部境界辺縁６３に近い方の部分の長さの減少を補償
する図７は図５，６に示すものの代替例の断面図であ
る。シール面６２′の一般的形は部分面６４，６６，６
８のそれぞれの異なる溝深度を含めて、図５のシール面
の場合とほぼ同じであり、かくして、図７におけるこれ
らの面は素数により部分面６４′，６６′，６８として
示すことにする。図５，６の例とほぼ同一の、例えば円
周辺縁７８′のような図７の例の他の要素も素数により
示すことにする。
【００４５】シールリング６０′はランド６２′がラン
ド６２′に対して互いに異なる高さに面６４′，６
６′，６８′を有する別々の溝領域を隔てるシール面を
備える。更に、別々の溝面６４′，６６′，６８′間の
境界６５′，６７′は更に、ＵＳ特許５，０９０，７１
２に開示のようなマイクロ堰１０２を備える。同特許に
おけるマイクロ堰の教えは適宣本文に参考として組み込
んでいる。
【００４６】マイクロ堰１０２は境界６５′，６７′に
従い、同境界は図５，６の境界６５，６７と同一の螺旋
状を形成する。マイクロ堰１０２はランド６２′と同じ
高さにあり、別々の溝部分面６４′，６６′，６８′の
間に「壁」を形成する。マイクロ堰は0,001 〜約0,100
インチの範囲の幅を備え、それぞれ0,0025インチの幅で
あることが望ましい。
【００４７】マイクロ堰１０２は，事実上、部分面を互
いに隣接して配置される別々の溝に隔てる。これらのマ
イクロ堰１０２により実行される働きは各部分面６
４′，６６′，６８′により規定される。
【００４８】容積内へ汲み移される流体が近隣の容積へ
汲み移される流体から効果的に遮断されるように異なる
溝部分どうしを遮断することであると考えられる。上記
遮断作用は関連する部分面の容積の各々間で汲み移れれ
た流体をより均一に分布させそれぞれのコーナー７４′
内へ汲み移される流体質量の流れの大きさをより十分に
均等化することであると考えられる。
【００４９】図８は多数の溝がシール面８２上に配置さ
れ多数の圧力ゾーンをつくりだすようになったシールリ
ングを備える本発明の更にもう一つの実施例を示す。上
記溝領域８４は環状形をしている。シールリング８０の
環状堰８６は図１の例の堰１６と同一とすることができ
る。環状溝領域８４は、図のような内径辺縁であれ外径
辺縁であれ、堰８６と溝領域８４間の境界によって一方
の環状円周を束縛され、他方の環状円周で溝領域８４に
より、また他方の環状円周をシールリング８０の一方の
円周辺縁８８により束縛される。
【００５０】環状溝領域８４はシール面８２の一方の円
周の周りに均一に配置された溝９０を備える。溝９０は
隣接しあう溝９０どうしの間に配置されたランド９２に
より隔てられる。
【００５１】円周辺縁８８はそれぞれの溝９０の一つの
境界としての働きをする。前方辺縁境界９１と後部辺縁
境界との少なくとも二つのその他の境界もまた各溝９０
の形を規定する。境界９１，９３は共に一方のシ−ル面
円周辺縁８８から他方のシ−ル面円周辺縁へと全体とし
て円周方向かつ径方向に延びる。他側と同様に、後部辺
縁境界９３は幾つかの辺縁を備え、その一対はそれぞれ
複数の終端コーナーを形成する。これらの辺縁は共に円
周方向と径方向に延びる辺縁９８と共に円周方向に延び
る辺縁９６とすることができる。
【００５２】図１の例の溝の形と図８の例の溝の形の間
の一定程度の差が前方辺縁境界９１のシール面円周辺縁
８８に対する入射角に見出される。溝２０の前方境界２
１（図１）は図８の例の対角する角度が交差するよりも
ずっと鋭い角度で辺縁１８と交差する。大きな入射角は
溝９０の汲み移し能力を大きく減ずることはないが、そ
れぞれの溝９０が円周辺縁８８に沿ってずっと短い円周
距離だけ延びるという利点を実際に与える。即ち、円周
辺縁８８に沿う溝９０の境界は溝２０の同様な境界より
も著しく短い弧を描く。このため、シ−ルリング１０の
シ−ル面１２に示す１０個の溝（図１）と比べて多数の
溝９０を図８に示すように１８個、シ−ル面８２上に配
置することが可能になる。
【００５３】後部辺縁境界９３は更に他例に示すような
「稲妻」パターンにより規定される。上記パターンは径
方向と円周方向に延びる辺縁９８と、全体として円周方
向に延びる辺縁９６から成り、一方の辺縁９８の一端、
例えば、内径端を、同じ溝９０の次の隣接辺縁９６の反
対の端、例えば、外径端に接続する。
【００５４】円周方向と径方向に延びる辺縁９８は前方
辺縁境界９１と収斂する全体的方向へ配置される。それ
ぞれの辺縁９８は、末広がり辺縁９１，９８が収斂する
辺縁９６，９８の収縮効果を減じ、これらの効果が互い
に反作用する傾向をもって不都合であるから、平行でも
なく末広がりでもないようにすることが望ましい。円周
辺縁８８からシール面８２に沿って内側方向に汲み移さ
れる時に流体が利用可能な容積を減少させることが重要
である。前方境界辺縁９１と円周辺縁８８により規定さ
れる相対角αは図１の例の同辺縁によって形成される角
度αと比べて大きい。後部辺縁９８と円周辺縁８８によ
って形成される角度δは角度γとほぼ等しいか、それよ
りも僅かに大きい。その周囲に角度γ，δが取られる円
周辺縁８８上の地点の円周方向変位によってほぼ等しい
角度が収斂することになろう。角度γよりも大きな角度
が外挿された交点（図示せず）方向により収斂する三角
形を与えることになるのはいうまでもない。
【００５５】溝９０の形に対するその他の調節もより大
きな値を有する角度γを調節するために必要であるかも
しれない。例えば、ほぼ３０度の角度γの場合、ほぼ円
周方向に延びる辺縁９６を規定する弧を短くしたり長く
したりすることが必要であるかもしれない。
【００５６】この点の重要な考慮点は同じ溝の他のコー
ナー９４に対して終端コーナー９４のそれぞれの方向と
それぞれの上部に汲み移されている「質量流」又は均等
化された流体容積である。理想的には溝９０がそれぞれ
の終端コーナー９４方向に向かっている質量流は他コー
ナーへ向かっているものと等しい。このようにして流体
量と、その結果それぞれの「圧力ゾーン」につくりださ
れる圧力は、他の終端コーナー９４でつくりだされるも
のとほぼ等しい。かくして、シール面の一連の離散領域
を横切る全体的な圧力の一致又は均等化とシール面のよ
り広範な径方向領域にわたる領域の分布とはそれぞれの
溝９０のそれぞれの終端コーナー９４における各圧力ゾ
ーンのほぼ等しい揚程特性とほぼ等しい熱移動を考慮し
たものである。更に、シールリング８０の溝領域８４に
沿ってより多数の溝を配置する可能性は質量流をより多
数の終端コーナー９４上に広範囲に分布させることによ
りそれぞれのコーナー９４において発生する個々の圧力
を更に低下させる。
【００５７】より大きな領域を横切って圧力が分布する
ことはより大きな圧力ゾーン領域がシール面の長い径部
分にわたって延びるためにシール面どうしの間のシール
ギャップを更に安定化することを考慮したものである。
例えば図２９の断面を見た時、円周辺縁１８に最も近い
圧力ゾーン２５はシールリング１０の体心からずっと遠
く離れた位置に位置する。体心１００から圧力ゾーンを
隔てるのは体心１００の周囲により長いモーメントアー
ムを設けるためである。長いモーメントアームがシール
ギャップを安定させるのは、それが補正力がシールリン
グに作用してシール面を平行な整合状態により迅速にも
どすような、より敏感で迅速な応答頁フィードバックを
つくりだすからである。
【００５８】一たび本発明が理解されたならば、その他
の変形も当該技術分野における通常の熟練度を有するも
のによって可能となると思われる。例えば、溝の表面の
高さの差は円周方向と共に径方向にも設けて「スタジア
ム」パターンを設け、最深の溝部分が円周辺縁に最も近
い溝の前方境界にあり溝の深さを内側径方向と共に円周
方向に測定した時高さを大きくするようにすることがで
きる。このことは図３，４と図５，６の両例によって教
示されるような溝の深さを変化させる教えを活用するこ
とになろう。また、境界２１，２３と円周辺縁１８とに
より行われる角度の変更のようなその他の変形も考える
ことができる。
【００５９】横断部分２６を円周方向だけでなく小範囲
で延びるようにするようなその他の変更も本発明の範囲
内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の螺旋溝面パターンを有するシール面
図である。
【図２】 ほぼ線２−２に沿って取った図１のシール面
の一部の断面図である。
【図３】 本発明のシール面パターンのもう一つの実施
例図である。
【図４】 ほぼ線４−４に沿って取った図３のシール面
の一部の断面図である。
【図５】 本発明によるもう一つの実施例図である。
【図６】 ほぼ線６−６に沿って取った図５のシール面
の一部の断面図である。
【図７】 図５，６に示すシール面の代替例の断面図で
ある。
【図８】 本発明によるもう一つの実施例図である。
【符号の説明】
１０ シールリング １２ シール面 １４ 環状溝部分 １６ 環状堰 １８ 外径円周辺縁 ２２ ランド ２１，２３ 溝境界 ２４ 終端コーナー

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一対の相対的に回転可能な構成部品間に
    シールを提供するメカニカル面シールであって、前記構
    成部品の一方上に回転不能に取り付けられ、前記一方の
    構成部品に対してシールされる第１のシールリングと；
    他方の構成部品上に回転不能に取り付けられ、前記他の
    構成部品に対してシールされる第２のシールリングで、
    前記第１のシールリングと軸方向に整合して取り付けら
    れるものと；第１のシールリングのシール面を軸方向に
    弾性的に駆動して第２のシールリングのシール面とシー
    ル係合させるために設けた手段と；から成り、前記シー
    ルリングの一方のシール面がその円周付近に角度を成し
    て隔てられた複数の溝領域を有し、同溝領域がシール面
    の一方の辺縁に対して開放し、連続する環状堰形成部が
    溝領域とシール面の他方辺縁間に設けられ、各溝領域が
    少なくとも２つの溝境界を備え、前記境界の一方が前記
    シール面どうしの間の前記相対的回転の一方向に回転す
    るに応じて後退し、前記境界の他方が前記シール面の相
    対的回転の回転に対して前進し、前記後退する境界が円
    周辺縁に対して前方に傾斜した表面の面内の辺縁と、複
    数の終端溝コーナーにおいて前方に傾斜した辺縁を交差
    する円周方向に延びる横断縁辺とにより形成されるよう
    になった前記メカニカル面シール。
  2. 【請求項２】 前記前方に傾斜する辺縁が前記シール面
    の円周辺縁に対してほぼ５〜８５度の間の角度を成して
    いる請求項１のシール。
  3. 【請求項３】 前記前方に傾斜した辺縁が前記シール面
    の円周辺縁に対してほぼ１９度の角度を成す請求項２の
    シール。
  4. 【請求項４】 溝部分が更に、それぞれが全体として螺
    旋状の経路内を前記リングの一方の面の一円周から少な
    くとも部分的に内側方向に延びる不連続の螺旋溝表面を
    規定する複数の溝表面を異なる高さを有し、前記不連続
    螺旋溝表面が更にその各々の少なくとも一つの境界を形
    成するマイクロ堰によって構成され、それぞれの不連続
    螺旋溝表面がシール面溝部分を少なくとも一部横切って
    一方の円周辺縁から内側方向へ延びる前記螺旋マイクロ
    堰によって隣接するそれぞれの不連続螺旋溝表面から隔
    てられる請求項１のシール。
  5. 【請求項５】 前記複数の溝の隣接するものどうしがラ
    ンドによって互いに隔てられ、前記マイクロ堰がシール
    面表面に対してランドと同一高さにある請求項４のシー
    ル。
  6. 【請求項６】 一対の相対的に回転可能な構成部品間に
    シールを提供するメカニカル面シールで、前記構成部品
    の一方上に回転不能に取り付けられ、前記一方の構成部
    品に対してシールされる第１のシールリングと；他方の
    構成部品上に回転不能に取り付けられ、前記他方構成部
    品に対してシールされる第２のシールリングと；前記第
    １のシールリングのシール面を弾性的に駆動して第２の
    シールリングのシール面とシール係合させる手段；とを
    備え、前記シールリングの一方のシール面がその円周の
    周りに角度を形成して隔てられた溝領域を備え、同溝領
    域がシール面の一方の辺縁に対して開放し、連続環状堰
    形成部が前記溝領域とシール面の他方辺縁との間に設け
    られ、前記溝領域が、シール面の一方の円周辺縁から他
    方の円周辺縁方向に一部シール面を横切って所与の方向
    に径方向と円周方向に延びる複数の角度を形成して配置
    された溝を備え、それぞれの境界が径方向と円周方向に
    延び、前記境界が一方が複数の終端コーナーを有する前
    記メカニカル面シール。
  7. 【請求項７】 それぞれの溝境界の終端コーナーの各々
    が第１の円周方向と径方向に延びる辺縁と、第２の横断
    する全体として円周方向に延びる辺縁とを備える請求項
    ６のシール。
  8. 【請求項８】 前記円周方向と径方向に延びる辺縁が前
    記シール面の円周辺縁に対してほぼ５〜８５度の範囲の
    角度を成す請求項７のシール。
  9. 【請求項９】 前記円周方向と径方向に延びる辺縁が前
    記シール面の円周方向辺縁に対してほぼ１９度の角度を
    成す請求項８のシール。
  10. 【請求項１０】 全体として円周方向に延びる辺縁の少
    なくとも一つが同じ境界の二つの隣接する第１の辺縁の
    端部を接続する請求項６のシール。
  11. 【請求項１１】 前記複数溝の隣接しあうものどうしが
    ランドにより互いに隔てられ、各溝が径方向と円周方向
    に延びる複数の部分を備え、同部分の各々が同じ溝内の
    他の部分の表面からランドの表面に対して異なる高さに
    ある面を有する請求項６のシール。
  12. 【請求項１２】 互いに対して異なる高さの面を有する
    前記複数の溝部分がマイクロ堰によって互いに隔てら
    れ、同マイクロ堰がシール面表面に対してランドと同じ
    高さにある請求項１１のシール。
JP6173040A 1993-08-03 1994-07-26 メカニカル面シール Pending JPH07151239A (ja)

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US08/101,589 1993-08-03

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