JPH0756345B2 - 非接触端面シール - Google Patents
非接触端面シールInfo
- Publication number
- JPH0756345B2 JPH0756345B2 JP3177524A JP17752491A JPH0756345B2 JP H0756345 B2 JPH0756345 B2 JP H0756345B2 JP 3177524 A JP3177524 A JP 3177524A JP 17752491 A JP17752491 A JP 17752491A JP H0756345 B2 JPH0756345 B2 JP H0756345B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sealing
- spiral groove
- contact
- face seal
- sealing surface
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- 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
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は非接触端面シールに係
り、特に、回転軸とともに回転する回転環の密封面と、
該回転環に相対する固定環の密封面とから密封部を形成
する非接触端面シールに関する。
り、特に、回転軸とともに回転する回転環の密封面と、
該回転環に相対する固定環の密封面とから密封部を形成
する非接触端面シールに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、非接触端面シールはハウジング
と回転軸間の空間をシールするために用いられており、
この非接触端面シールは、たとえば、高圧を発生するガ
スタービンやコンプレッサに組み込まれる。上記のタイ
プの非接触端面シールは特公平１−２２５０９号（対応
する米国特許第４,２１２,４７５号）に開示されてい
る。特公平１−２２５０９号では、図１３乃至図１５に
示されるように回転環側にスパイラル溝を形成したタイ
プのものが示されている。
と回転軸間の空間をシールするために用いられており、
この非接触端面シールは、たとえば、高圧を発生するガ
スタービンやコンプレッサに組み込まれる。上記のタイ
プの非接触端面シールは特公平１−２２５０９号（対応
する米国特許第４,２１２,４７５号）に開示されてい
る。特公平１−２２５０９号では、図１３乃至図１５に
示されるように回転環側にスパイラル溝を形成したタイ
プのものが示されている。
【０００３】図１３乃至図１５において、ケーシング９
の内部に収容された回転軸１には軸スリーブ２が設けら
れている。軸スリーブ２はキーを介して回転環３に接続
されている。そして、スプリングリテーナ６との間に介
在するバネ１０によって、固定環４がシールリングリテ
ーナ５を介して回転環３に対して押しつけられている。
の内部に収容された回転軸１には軸スリーブ２が設けら
れている。軸スリーブ２はキーを介して回転環３に接続
されている。そして、スプリングリテーナ６との間に介
在するバネ１０によって、固定環４がシールリングリテ
ーナ５を介して回転環３に対して押しつけられている。
【０００４】回転環３は図１４及び図１５で示されてお
り、符号３３はシール流体をそのポンピング作用で巻き
込むスパイラル溝、符号３４は巻き込まれたシール流体
に絞り作用を与えるダム領域を示している。
り、符号３３はシール流体をそのポンピング作用で巻き
込むスパイラル溝、符号３４は巻き込まれたシール流体
に絞り作用を与えるダム領域を示している。
【０００５】しかして、回転軸１が回転することによ
り、回転環３と固定環４とが相対運動する。これによ
り、回転環３に形成したスパイラル溝３３（図１５参
照）が高圧流体を巻き込んで、密封面に流体膜を形成す
る。このことにより密封面は非接触状態となるが、密封
面間のすきまは極力小さくなるようにして漏れを制限し
ている。
り、回転環３と固定環４とが相対運動する。これによ
り、回転環３に形成したスパイラル溝３３（図１５参
照）が高圧流体を巻き込んで、密封面に流体膜を形成す
る。このことにより密封面は非接触状態となるが、密封
面間のすきまは極力小さくなるようにして漏れを制限し
ている。
【０００６】また、特公昭４９−３３６１４号（対応す
る米国特許第３,４９９,６５３号）に他のタイプの非接
触端面シールが開示されている。この非接触端面シール
は、図１３乃至図１５に示すものと同様に回転環と固定
環とを備え、又、これら両環の一方にスパイラル溝を備
えている。そして、一方の環にはシール流体が存在する
外側に向かって隙間の広がるテーパ面が形成されてい
る。
る米国特許第３,４９９,６５３号）に他のタイプの非接
触端面シールが開示されている。この非接触端面シール
は、図１３乃至図１５に示すものと同様に回転環と固定
環とを備え、又、これら両環の一方にスパイラル溝を備
えている。そして、一方の環にはシール流体が存在する
外側に向かって隙間の広がるテーパ面が形成されてい
る。
【０００７】本非接触端面シールにおいては、流体がテ
ーパ面より両環の間に侵入すると、シール流体の作動圧
力によって密封面は非接触状態となる。シール流体が低
圧の場合には、シール流体の静圧効果だけでは非接触に
ならないが、スパイラル溝の動圧効果により、密封面が
非接触状態となる。
ーパ面より両環の間に侵入すると、シール流体の作動圧
力によって密封面は非接触状態となる。シール流体が低
圧の場合には、シール流体の静圧効果だけでは非接触に
ならないが、スパイラル溝の動圧効果により、密封面が
非接触状態となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】図１３乃至図１５に示
す特公平１−２２５０９号（対応米国特許第４,２１２,
４７５号）の非接触端面シールでは、特に図１４で明確
に示されている様に、スパイラル溝３３を形成したスパ
イラル溝領域３５とダム領域３４とが同一平面となって
おり、その高さも同じであった。そのため始動時には、
スパイラル溝３３の形成部分におけるリッジ部（溝でな
い部分であり、ダム領域３４と同じ高さを持つ部分）
が、密封部（図１３中の符号３５で示す部分）におい
て、固定環４の端面と固体接触している。
す特公平１−２２５０９号（対応米国特許第４,２１２,
４７５号）の非接触端面シールでは、特に図１４で明確
に示されている様に、スパイラル溝３３を形成したスパ
イラル溝領域３５とダム領域３４とが同一平面となって
おり、その高さも同じであった。そのため始動時には、
スパイラル溝３３の形成部分におけるリッジ部（溝でな
い部分であり、ダム領域３４と同じ高さを持つ部分）
が、密封部（図１３中の符号３５で示す部分）におい
て、固定環４の端面と固体接触している。
【０００９】しかし、この様に密封部において固体接触
をしていると、シール流体が密封部の接触面内に入り込
めなくなってしまう。そして、シール流体が高い圧力を
持っている状態で始動しようとすると、密封部に非常に
大きな押付力が発生して、始動抵抗が増大し、そのため
に、始動に必要な動力も非常に大きなものになるという
問題点があった。固定環側にスパイラル溝が形成されて
いるタイプの場合も同様である。
をしていると、シール流体が密封部の接触面内に入り込
めなくなってしまう。そして、シール流体が高い圧力を
持っている状態で始動しようとすると、密封部に非常に
大きな押付力が発生して、始動抵抗が増大し、そのため
に、始動に必要な動力も非常に大きなものになるという
問題点があった。固定環側にスパイラル溝が形成されて
いるタイプの場合も同様である。
【００１０】一方、特公昭４９−３３６１４号（対応米
国特許第３,４９９,６５３号）に記載の非接触端面シー
ルは、基本的に、流体の圧力によって、即ち、ある大き
さの流体の作動圧力によって密封面が非接触となる静圧
型すきまメカニカルシールであるため、始動時に始動抵
抗が問題になる恐れはない。しかしながら、流体の圧力
によって密封面が非接触となるため、機械の停止時に間
隙を有した密封面から流体が漏れるという問題点があっ
た。
国特許第３,４９９,６５３号）に記載の非接触端面シー
ルは、基本的に、流体の圧力によって、即ち、ある大き
さの流体の作動圧力によって密封面が非接触となる静圧
型すきまメカニカルシールであるため、始動時に始動抵
抗が問題になる恐れはない。しかしながら、流体の圧力
によって密封面が非接触となるため、機械の停止時に間
隙を有した密封面から流体が漏れるという問題点があっ
た。
【００１１】本発明は上述した点に鑑みてなされたもの
で、その目的とする処は、機械の始動時に発生する始動
抵抗を減少せしめて始動に必要な動力を小さくすること
ができるとともに、機械の停止時においても高圧側から
低圧側への流体の漏れを最小限に抑えることができる非
接触端面シールを提供することにある。
で、その目的とする処は、機械の始動時に発生する始動
抵抗を減少せしめて始動に必要な動力を小さくすること
ができるとともに、機械の停止時においても高圧側から
低圧側への流体の漏れを最小限に抑えることができる非
接触端面シールを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は回転軸とともに回転する回転環の端面の密
封面と、該回転環に相対する固定環の端面の密封面とか
ら密封部を形成し、前記回転環の静止時には前記両密封
面の少なくとも一部は接触しており、前記回転環の回転
により前記両密封面が非接触となる非接触端面シールに
おいて、前記一方の密封面に高圧流体側から低圧流体側
に向かうスパイラル溝を形成し、該スパイラル溝は両密
封面の相対的回転によりシール流体を低圧側へ巻き込む
方向に設けられており、前記密封面のいずれか一方は、
前記スパイラル溝を含む領域あるいはその一部の領域に
おいて、密封面の他の部分に比べて僅かに窪んでいるこ
とを特徴とするものである。
め、本発明は回転軸とともに回転する回転環の端面の密
封面と、該回転環に相対する固定環の端面の密封面とか
ら密封部を形成し、前記回転環の静止時には前記両密封
面の少なくとも一部は接触しており、前記回転環の回転
により前記両密封面が非接触となる非接触端面シールに
おいて、前記一方の密封面に高圧流体側から低圧流体側
に向かうスパイラル溝を形成し、該スパイラル溝は両密
封面の相対的回転によりシール流体を低圧側へ巻き込む
方向に設けられており、前記密封面のいずれか一方は、
前記スパイラル溝を含む領域あるいはその一部の領域に
おいて、密封面の他の部分に比べて僅かに窪んでいるこ
とを特徴とするものである。
【００１３】
【作用】上記したような構成を有する本発明によれば、
密封面のいずれか一方は、スパイラル溝を含む領域ある
いはその一部の領域において、密封面の他の部分よりも
低くしたことにより、特に始動時において密封面の一部
が接触している状態でシール流体が密封面内に充分に入
り込むようになっている。これにより始動時の抵抗が小
さくなり、始動に必要な動力も小さくて済むので、省エ
ネルギーの要請にも良く合致する。
密封面のいずれか一方は、スパイラル溝を含む領域ある
いはその一部の領域において、密封面の他の部分よりも
低くしたことにより、特に始動時において密封面の一部
が接触している状態でシール流体が密封面内に充分に入
り込むようになっている。これにより始動時の抵抗が小
さくなり、始動に必要な動力も小さくて済むので、省エ
ネルギーの要請にも良く合致する。
【００１４】ここで、スパイラル溝を含む領域あるいは
その一部の領域において、密封面が密封面の他の部分と
比較して窪んでいる寸法が大きすぎると、スパイラル溝
部のポンピング作用を減少することになり非接触機能に
支障を来す恐れがあるが、本発明ではその寸法が僅かで
ある様に構成されているため、スパイラル溝部のポンピ
ング作用に悪影響を及ぼす恐れは少ない。特に３μｍ以
下の寸法だけ窪んでいる様に構成すれば、加工時の表面
あらさ或いはうねりを考慮する点からも好適である。
その一部の領域において、密封面が密封面の他の部分と
比較して窪んでいる寸法が大きすぎると、スパイラル溝
部のポンピング作用を減少することになり非接触機能に
支障を来す恐れがあるが、本発明ではその寸法が僅かで
ある様に構成されているため、スパイラル溝部のポンピ
ング作用に悪影響を及ぼす恐れは少ない。特に３μｍ以
下の寸法だけ窪んでいる様に構成すれば、加工時の表面
あらさ或いはうねりを考慮する点からも好適である。
【００１５】一方、機械の停止時には、密封面相互が一
部の領域（ダム領域）にて接触しているため、この部分
にて流体をシールすることができ、高圧側から低圧側へ
の流体の漏れを最小限に抑えることができる。
部の領域（ダム領域）にて接触しているため、この部分
にて流体をシールすることができ、高圧側から低圧側へ
の流体の漏れを最小限に抑えることができる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明に係る非接触端面シールの一実
施例を図１乃至図８を参照して説明する。
施例を図１乃至図８を参照して説明する。
【００１７】図１において、ケーシング９に収容された
回転軸１には軸スリーブ２が設けられている。そして軸
スリーブ２はキー２０を介して回転環３に接続されてお
り、回転環３は固定環４と向かい合って且つ始動時は密
封面のダム領域３２により面接触している。
回転軸１には軸スリーブ２が設けられている。そして軸
スリーブ２はキー２０を介して回転環３に接続されてお
り、回転環３は固定環４と向かい合って且つ始動時は密
封面のダム領域３２により面接触している。
【００１８】ここで固定環４はシールリングリテーナ５
に接触しており、シールリングリテーナ５とケーシング
９に取り付けられたスプリングリテーナ６との間にはバ
ネ１０が介在している。そして、バネ１０及びシールリ
ングリテーナ５を介して、固定環４は回転環３に押しつ
けられている。なお、部材７，８は軸スリーブ２に固定
されている。
に接触しており、シールリングリテーナ５とケーシング
９に取り付けられたスプリングリテーナ６との間にはバ
ネ１０が介在している。そして、バネ１０及びシールリ
ングリテーナ５を介して、固定環４は回転環３に押しつ
けられている。なお、部材７，８は軸スリーブ２に固定
されている。
【００１９】この実施例においても、図１３の場合と同
様に、回転環３に高圧流体側から低圧流体側に向けてス
パイラル溝が形成されている。図２において符号３１は
スパイラル溝、符号３２はダム領域を示している。そし
て、スパイラル溝３１が形成されている領域は符号３８
で示されている。
様に、回転環３に高圧流体側から低圧流体側に向けてス
パイラル溝が形成されている。図２において符号３１は
スパイラル溝、符号３２はダム領域を示している。そし
て、スパイラル溝３１が形成されている領域は符号３８
で示されている。
【００２０】図３は回転環３と固定環４を示す要部拡大
断面図であり、同図に示されるようにスパイラル溝３１
を形成した部分３８の表面（スパイラル溝３１のリッジ
部）は、ダム領域３２に比べてｈt だけ窪んでいる（低
い）。ここで、ｈtは３μｍ以下となっている。
断面図であり、同図に示されるようにスパイラル溝３１
を形成した部分３８の表面（スパイラル溝３１のリッジ
部）は、ダム領域３２に比べてｈt だけ窪んでいる（低
い）。ここで、ｈtは３μｍ以下となっている。
【００２１】なお、図１で符号４２，４４，４６，４８
はシール部材を示している。このような構成により、高
圧側Ｈにある高い圧力を持つ流体は低圧側Ｌに極力漏出
しない様になっている。
はシール部材を示している。このような構成により、高
圧側Ｈにある高い圧力を持つ流体は低圧側Ｌに極力漏出
しない様になっている。
【００２２】次に、上述のように構成された本実施例の
非接触端面シールの作用を説明する。
非接触端面シールの作用を説明する。
【００２３】回転軸１が回転することにより、回転環３
と固定環４とが相対運動する。これにより、回転環３に
形成したスパイラル溝３１（図２参照）が高圧流体を巻
き込んで、密封面に流体膜を形成する。この流体膜によ
り密封面は非接触状態となり、図４に示されるように固
定環３と固定環４との間の密封面間にすきまｈが形成さ
れる。即ち、ダム領域３２は固定環４の対応する面５０
に対して非接触状態となる。そして、密封面間のすきま
ｈは極力小さくなるようにして漏れを制限している。
と固定環４とが相対運動する。これにより、回転環３に
形成したスパイラル溝３１（図２参照）が高圧流体を巻
き込んで、密封面に流体膜を形成する。この流体膜によ
り密封面は非接触状態となり、図４に示されるように固
定環３と固定環４との間の密封面間にすきまｈが形成さ
れる。即ち、ダム領域３２は固定環４の対応する面５０
に対して非接触状態となる。そして、密封面間のすきま
ｈは極力小さくなるようにして漏れを制限している。
【００２４】ここで高圧側Ｈにあるシール流体の圧力を
Ｐ2、低圧側Ｌの圧力をＰ1とし、始動時においては、密
封面の固体接触状態にある部分（ダム領域の面３２，５
０の接触箇所）ではその周囲から流体が入り込まないも
のとし、スパイラル溝３１の溝幅とリッジ幅が等しい
（リッジ部の面積がスパイラル溝３１が形成されている
スパイラル溝領域３８の１／２である）ものとする。図
１３乃至図１５の従来の構造（ｈt ＝０μｍ）における
密封面の固体接触部（図３中のダム領域の面３２と面５
０との接触箇所）の負荷は次式の通りである。 Ｆ＝π（ｒg 2−ｒb 2）Ｐ2＋π（ｒb 2−ｒ1 2）Ｐ1＋Ｆsp ……（１） ＋π（ｒ2 2−ｒg 2）Ｐ2／２ （Ｆspはスプリング１０の反発力）
Ｐ2、低圧側Ｌの圧力をＰ1とし、始動時においては、密
封面の固体接触状態にある部分（ダム領域の面３２，５
０の接触箇所）ではその周囲から流体が入り込まないも
のとし、スパイラル溝３１の溝幅とリッジ幅が等しい
（リッジ部の面積がスパイラル溝３１が形成されている
スパイラル溝領域３８の１／２である）ものとする。図
１３乃至図１５の従来の構造（ｈt ＝０μｍ）における
密封面の固体接触部（図３中のダム領域の面３２と面５
０との接触箇所）の負荷は次式の通りである。 Ｆ＝π（ｒg 2−ｒb 2）Ｐ2＋π（ｒb 2−ｒ1 2）Ｐ1＋Ｆsp ……（１） ＋π（ｒ2 2−ｒg 2）Ｐ2／２ （Ｆspはスプリング１０の反発力）
【００２５】一方、本発明における構造にすると、密封
面の固体接触部（図１中の面３２と面５０との接触箇
所）の負荷は以下になる。 Ｆ＝π（ｒg 2−ｒb 2）Ｐ2＋π（ｒb 2−ｒ1 2）Ｐ1＋Ｆsp ……（２）
面の固体接触部（図１中の面３２と面５０との接触箇
所）の負荷は以下になる。 Ｆ＝π（ｒg 2−ｒb 2）Ｐ2＋π（ｒb 2−ｒ1 2）Ｐ1＋Ｆsp ……（２）
【００２６】従って本発明の構造によれば、密封面の負
荷を π（ｒ2 2−ｒg 2）Ｐ2／２ だけ低減することができ、その分だけ始動時のすべり抵
抗を緩和できる。
荷を π（ｒ2 2−ｒg 2）Ｐ2／２ だけ低減することができ、その分だけ始動時のすべり抵
抗を緩和できる。
【００２７】ここで、窪みｈt を大きくすることはスパ
イラル溝３１のポンピング作用を減少することになり、
密封面を非接触状態に保つ機能に支障を来す恐れがあ
る。よって、窪みｈt は極力小さいことが望ましい。加
工時の表面あらさ或いはうねり、圧力及び熱による変形
などをも考慮すればｈt＝３μｍ以下が好適である。
イラル溝３１のポンピング作用を減少することになり、
密封面を非接触状態に保つ機能に支障を来す恐れがあ
る。よって、窪みｈt は極力小さいことが望ましい。加
工時の表面あらさ或いはうねり、圧力及び熱による変形
などをも考慮すればｈt＝３μｍ以下が好適である。
【００２８】上述した本発明の非接触端面シールは始動
抵抗の低減を目的としてスパイラル溝領域３８に窪みｈ
t を設けている。即ち対向的に半径方向に伸びた面にお
いてステップがあり、実際には二つの面から成る。一方
の窪みのある面、即ち、スパイラル溝領域３８（高圧
側）にはスパイラル溝が設けられており、密封面の相対
的回転による溝のポンピング作用によって高圧側の密封
流体を低圧側に巻き込む。また、他方の窪みの無い平
面、即ち、ダム領域３２は高圧側から低圧側への流れに
対する絞り抵抗作用を持ち、本来の密封作用を行う。言
い換えれば、端面にポンピング作用を行うスパイラル溝
領域３８と密封作用を行うダム領域３２が存在する。
抵抗の低減を目的としてスパイラル溝領域３８に窪みｈ
t を設けている。即ち対向的に半径方向に伸びた面にお
いてステップがあり、実際には二つの面から成る。一方
の窪みのある面、即ち、スパイラル溝領域３８（高圧
側）にはスパイラル溝が設けられており、密封面の相対
的回転による溝のポンピング作用によって高圧側の密封
流体を低圧側に巻き込む。また、他方の窪みの無い平
面、即ち、ダム領域３２は高圧側から低圧側への流れに
対する絞り抵抗作用を持ち、本来の密封作用を行う。言
い換えれば、端面にポンピング作用を行うスパイラル溝
領域３８と密封作用を行うダム領域３２が存在する。
【００２９】上述したように本実施例の非接触端面シー
ルは始動抵抗の低減を目的としてスパイラル溝領域３８
に窪みｈt を設けることを特徴としているが、そのため
に密封面に形成される流体膜の負荷能力及び剛性が変化
することも確かである。そのために溝深さ（ｈ0）、バ
ランス比（ＢＲ＝（ｒ2 2−ｒb 2）／（ｒ2 2−ｒ1 2））、
ダム幅比（ＤＷ＝（ｒg−ｒ1）／（ｒ2−ｒ1））を適正
に選ぶことにより、密封面における軸方向振動、傾き振
動、変形などの諸外乱に対して、密封面の固体接触を生
ずることなく狭いすきまｈを維持できるようにする必要
がある。
ルは始動抵抗の低減を目的としてスパイラル溝領域３８
に窪みｈt を設けることを特徴としているが、そのため
に密封面に形成される流体膜の負荷能力及び剛性が変化
することも確かである。そのために溝深さ（ｈ0）、バ
ランス比（ＢＲ＝（ｒ2 2−ｒb 2）／（ｒ2 2−ｒ1 2））、
ダム幅比（ＤＷ＝（ｒg−ｒ1）／（ｒ2−ｒ1））を適正
に選ぶことにより、密封面における軸方向振動、傾き振
動、変形などの諸外乱に対して、密封面の固体接触を生
ずることなく狭いすきまｈを維持できるようにする必要
がある。
【００３０】次に表１に示す形状、運転条件のシールに
ついて、諸特性を求める。 表１ シ -ル 面 シ-ル 面 ハ゛ランス スハ゜イラル 低圧側 高圧側 密封面の 回転 気体 内 径 外 径 直径 ク゛ル-フ゛角 圧力 圧力 流体温度 速度 種類 (2r1mm)(2r2mm) (2rbmm) (αdeg)(P1kgf/cm2)(P2kgf/cm2) (℃) N/min ──────────────────────────────────── 138 180 142.9 15 1 31 30 13000 空気 ────────────────────────────────────
ついて、諸特性を求める。 表１ シ -ル 面 シ-ル 面 ハ゛ランス スハ゜イラル 低圧側 高圧側 密封面の 回転 気体 内 径 外 径 直径 ク゛ル-フ゛角 圧力 圧力 流体温度 速度 種類 (2r1mm)(2r2mm) (2rbmm) (αdeg)(P1kgf/cm2)(P2kgf/cm2) (℃) N/min ──────────────────────────────────── 138 180 142.9 15 1 31 30 13000 空気 ────────────────────────────────────
【００３１】ここで、スパイラルグルーブ角とは、スパ
イラル溝のある点の速度ベクトルの方向とスパイラル溝
のある点の接線方向との間の角度を云う。
イラル溝のある点の速度ベクトルの方向とスパイラル溝
のある点の接線方向との間の角度を云う。
【００３２】まず、窪みｈtを設けることによって、密
封面の負荷がどの程度減少するかを図５に示す。図５に
おいて、横軸がダム幅比（ＤＷ）、縦軸が窪みｈt を設
けた場合と設けない場合の負荷比（Ｆ1／Ｆ2）である。
即ち、窪みがある場合を計算式（２）で、無い場合を
（１）で求め、両者の比を表わしたものである。ダム幅
比が小さいほど負荷比が小さくなることが明らかで、密
封面における摩擦係数が同じであるとすれば窪みｈtを
設けることにより始動抵抗が大きく低減できることにな
る。
封面の負荷がどの程度減少するかを図５に示す。図５に
おいて、横軸がダム幅比（ＤＷ）、縦軸が窪みｈt を設
けた場合と設けない場合の負荷比（Ｆ1／Ｆ2）である。
即ち、窪みがある場合を計算式（２）で、無い場合を
（１）で求め、両者の比を表わしたものである。ダム幅
比が小さいほど負荷比が小さくなることが明らかで、密
封面における摩擦係数が同じであるとすれば窪みｈtを
設けることにより始動抵抗が大きく低減できることにな
る。
【００３３】また、バランス比を一定とし（ＢＲ＝０.
８９７）、ダム幅比と溝深さを変えたときの密封面すき
ま（ｈ）、漏れ量（Ｑ）、固体接触の可能性が強くなる
ような状況の一例として取り上げたすきまｈ＝１μｍに
おける流体膜の剛性（ｄＷ／ｄｈ）を図６〜８に示す。
図中、溝深さｈ0を種々に変えて、窪みｈtが存在する
（１μｍ）場合を実線で示し、窪みｈt が存在しない場
合を破線で示した。窪みを設けることにより膜剛性（ｄ
ｗ／ｄｈ）が、特に溝の浅い領域で大きく減少する（図
８）。一方、すきまｈと漏れ量Ｑはダム幅比ＤＷが０.
３付近の小さい領域では、窪みｈtの影響は少なくな
る。
８９７）、ダム幅比と溝深さを変えたときの密封面すき
ま（ｈ）、漏れ量（Ｑ）、固体接触の可能性が強くなる
ような状況の一例として取り上げたすきまｈ＝１μｍに
おける流体膜の剛性（ｄＷ／ｄｈ）を図６〜８に示す。
図中、溝深さｈ0を種々に変えて、窪みｈtが存在する
（１μｍ）場合を実線で示し、窪みｈt が存在しない場
合を破線で示した。窪みを設けることにより膜剛性（ｄ
ｗ／ｄｈ）が、特に溝の浅い領域で大きく減少する（図
８）。一方、すきまｈと漏れ量Ｑはダム幅比ＤＷが０.
３付近の小さい領域では、窪みｈtの影響は少なくな
る。
【００３４】次に、図５乃至図８に示す結果から、本実
施例における非接触端面シールのスパイラル溝の溝深さ
ｈ0 、ダム幅比ＤＷ、バランス比ＢＲの好ましい範囲を
説明する。
施例における非接触端面シールのスパイラル溝の溝深さ
ｈ0 、ダム幅比ＤＷ、バランス比ＢＲの好ましい範囲を
説明する。
【００３５】本発明の非接触端面シールにおいては、窪
みｈt を設けた結果、図５に示すように始動抵抗を大幅
に低下させることができた。しかしながら、これによっ
て図８に示すように膜剛性が低下してしまう。この膜剛
性の低下は密封面の固体接触を防止し、ガスシールを正
常に作動させるためには最もマイナス要因となるため、
膜剛性を高める必要がある。ところで、上記３つの因子
のうち膜剛性と最も関係がある因子は図８から溝深さｈ
0 とダム幅比ＤＷであることがわかる。即ち、溝深さｈ
0 を小さくすれば、膜剛性を大きくすることができる。
ところが、図６から溝深さｈ0 を小さくすると、すまき
ｈが減少することがわかる。このすきまｈが小さすぎる
と、密封面の固体接触を引き起こす可能性があることか
ら溝深さｈ0 は極端に小さい値を選定できない。また、
溝の加工上の誤差の問題を考慮すると、この面からも、
溝深さｈ0 は極端に小さい値を選定することはできな
い。そこで、本発明の非接触端面シールでは、表２に示
すように溝深さｈ0 は３μｍを下限とすることが好まし
い。一方、溝深さｈ0 の上限はラフなシール効果でも良
い場合を考慮すると１５μｍ程度まで広げてもさしつか
えない。
みｈt を設けた結果、図５に示すように始動抵抗を大幅
に低下させることができた。しかしながら、これによっ
て図８に示すように膜剛性が低下してしまう。この膜剛
性の低下は密封面の固体接触を防止し、ガスシールを正
常に作動させるためには最もマイナス要因となるため、
膜剛性を高める必要がある。ところで、上記３つの因子
のうち膜剛性と最も関係がある因子は図８から溝深さｈ
0 とダム幅比ＤＷであることがわかる。即ち、溝深さｈ
0 を小さくすれば、膜剛性を大きくすることができる。
ところが、図６から溝深さｈ0 を小さくすると、すまき
ｈが減少することがわかる。このすきまｈが小さすぎる
と、密封面の固体接触を引き起こす可能性があることか
ら溝深さｈ0 は極端に小さい値を選定できない。また、
溝の加工上の誤差の問題を考慮すると、この面からも、
溝深さｈ0 は極端に小さい値を選定することはできな
い。そこで、本発明の非接触端面シールでは、表２に示
すように溝深さｈ0 は３μｍを下限とすることが好まし
い。一方、溝深さｈ0 の上限はラフなシール効果でも良
い場合を考慮すると１５μｍ程度まで広げてもさしつか
えない。
【００３６】次に、ダム幅比と膜剛性の関係を検討する
と、図８に示すようにダム幅比が小さいほど、膜剛性が
上昇する。したがって、膜剛性に関する限りは、ダム幅
比を小さくすればよいが、ダム幅比を小さくすると、図
７に示すように漏れ量が増加していくことがわかる。ま
た、極端にダム幅比を小さくしすぎると、ダム領域３２
にきず、欠け等の欠陥があると、そこから流体が漏れて
シールとして機能しない場合がある。そこで、本発明の
非接触端面シールでは、表２に示すようにダム幅比は
０.２を下限とすることが好ましい。一方、ダム幅比の
上限は図８に示す膜剛性の値が小さすぎないことを考慮
して、０.４程度が好ましい。
と、図８に示すようにダム幅比が小さいほど、膜剛性が
上昇する。したがって、膜剛性に関する限りは、ダム幅
比を小さくすればよいが、ダム幅比を小さくすると、図
７に示すように漏れ量が増加していくことがわかる。ま
た、極端にダム幅比を小さくしすぎると、ダム領域３２
にきず、欠け等の欠陥があると、そこから流体が漏れて
シールとして機能しない場合がある。そこで、本発明の
非接触端面シールでは、表２に示すようにダム幅比は
０.２を下限とすることが好ましい。一方、ダム幅比の
上限は図８に示す膜剛性の値が小さすぎないことを考慮
して、０.４程度が好ましい。
【００３７】バランス比については、機械の停止時にダ
ム領域において密封面が固定接触していて、高圧側から
低圧側への流体の漏れを最小限に抑えることができるこ
とを考慮すると、０.８〜０.９の範囲が好ましい。
ム領域において密封面が固定接触していて、高圧側から
低圧側への流体の漏れを最小限に抑えることができるこ
とを考慮すると、０.８〜０.９の範囲が好ましい。
【００３８】以上をまとめると本発明の非接触端面シー
ルの各数値範囲は表２のようになる。 表 ２ ─────────────────────────────────── 項 目 範 囲 ─────────────────────────────────── 窪 み ｈt μｍ ３以下 ─────────────────────────────────── 溝深さ ｈ0 μｍ ３〜１５ ─────────────────────────────────── ダム幅比 （ｒg−ｒ1）／（ｒ2−ｒ1） ０.２０〜０.４０ ─────────────────────────────────── バランス比 （ｒ2 2−ｒb 2）／（ｒ2 2−ｒ1 2） ０.８〜０.９ ───────────────────────────────────
ルの各数値範囲は表２のようになる。 表 ２ ─────────────────────────────────── 項 目 範 囲 ─────────────────────────────────── 窪 み ｈt μｍ ３以下 ─────────────────────────────────── 溝深さ ｈ0 μｍ ３〜１５ ─────────────────────────────────── ダム幅比 （ｒg−ｒ1）／（ｒ2−ｒ1） ０.２０〜０.４０ ─────────────────────────────────── バランス比 （ｒ2 2−ｒb 2）／（ｒ2 2−ｒ1 2） ０.８〜０.９ ───────────────────────────────────
【００３９】次に、図９乃至図１２に本発明の非接触端
面シールの別実施例を示す。
面シールの別実施例を示す。
【００４０】図９は窪みｈtを固定環４の端面に設けた
例であり、窪みｈtの領域はスパイラル溝領域と同一で
ある。この場合にも図１乃至図４に示した実施例と同様
の作用効果が得られる。
例であり、窪みｈtの領域はスパイラル溝領域と同一で
ある。この場合にも図１乃至図４に示した実施例と同様
の作用効果が得られる。
【００４１】図１０は窪みｈt の領域がダム領域まで及
んでいる例を示し、図１０（ａ）が回転環３の端面に窪
みを設けた例、図１０（ｂ）が固定環４の端面に窪みを
設けた例である。
んでいる例を示し、図１０（ａ）が回転環３の端面に窪
みを設けた例、図１０（ｂ）が固定環４の端面に窪みを
設けた例である。
【００４２】ここで、窪みｈtが形成された内端の直径
を２ｒtとすると、密封面の負荷は、 Ｆ＝π（ｒt 2−ｒb 2）Ｐ2＋π（ｒb 2−ｒ1 2）Ｐ1＋Ｆsp（ｒt＞ｒb） ……（３） となり、図１乃至図４の実施例より小さくなる。
を２ｒtとすると、密封面の負荷は、 Ｆ＝π（ｒt 2−ｒb 2）Ｐ2＋π（ｒb 2−ｒ1 2）Ｐ1＋Ｆsp（ｒt＞ｒb） ……（３） となり、図１乃至図４の実施例より小さくなる。
【００４３】図１１は窪みｈt の領域がスパイラル溝領
域の内側にある例を示し、図１１（ａ）が回転環３の端
面に窪みを設けた例、図１１（ｂ）は固定環４の端面に
窪みを設けた例である。
域の内側にある例を示し、図１１（ａ）が回転環３の端
面に窪みを設けた例、図１１（ｂ）は固定環４の端面に
窪みを設けた例である。
【００４４】この場合には、密封面の負荷は、 Ｆ＝π（ｒg 2−ｒb 2）Ｐ2＋π（ｒb 2−ｒ1 2）Ｐ1＋Ｆsp ＋π（ｒt 2−ｒg 2）Ｐ2／２ ……（４） となり、図１乃至図４の実施例の場合に比べ、より大き
くなる。
くなる。
【００４５】以上より、前述したようにスパイラル溝領
域に窪みを設けることはスパイラル溝のポンピング作用
を弱めることにもなるので、ポンピング作用と始動抵抗
を考慮して窪み内端の直径２ｒtを定めればよい。
域に窪みを設けることはスパイラル溝のポンピング作用
を弱めることにもなるので、ポンピング作用と始動抵抗
を考慮して窪み内端の直径２ｒtを定めればよい。
【００４６】図１乃至図１１に示す実施例では、スパイ
ラル溝の外側が高圧で内側が低圧であり、密封面ではシ
ール流体が内向き流れを形成するが、図１２に示す実施
例では、スパイラル溝の外側が低圧で内側が高圧であ
り、密封面でシール流体が外向きに流れる場合を示し、
本実施例でも図１乃至図１１に示した実施例と同様の作
用効果が得られる。
ラル溝の外側が高圧で内側が低圧であり、密封面ではシ
ール流体が内向き流れを形成するが、図１２に示す実施
例では、スパイラル溝の外側が低圧で内側が高圧であ
り、密封面でシール流体が外向きに流れる場合を示し、
本実施例でも図１乃至図１１に示した実施例と同様の作
用効果が得られる。
【００４７】
【発明の効果】本発明の効果を以下に列挙する。
【００４８】（１）シール流体が密封面内に充分に入り
込むようになっているので、始動時のすべり抵抗が極力
小さくなり、特に高圧条件での始動に必要な動力も小さ
くて済む。そのため、始動時における起動不能を回避
し、密封面の損傷を軽減できる。
込むようになっているので、始動時のすべり抵抗が極力
小さくなり、特に高圧条件での始動に必要な動力も小さ
くて済む。そのため、始動時における起動不能を回避
し、密封面の損傷を軽減できる。
【００４９】（２）回転環又は固定環のいずれか一方に
窪みを設けたことにより、スパイラル溝部におけるポン
ピング作用が影響を受けるが、スパイラル溝の溝深さ
（ｈ0）、ダム幅比（ＤＷ）及びバランス比（ＢＲ）を
適宜選択することにより所定の性能を十分に確保するこ
とができ、非接触機能に支障を来す恐れがない。
窪みを設けたことにより、スパイラル溝部におけるポン
ピング作用が影響を受けるが、スパイラル溝の溝深さ
（ｈ0）、ダム幅比（ＤＷ）及びバランス比（ＢＲ）を
適宜選択することにより所定の性能を十分に確保するこ
とができ、非接触機能に支障を来す恐れがない。
【００５０】（３）機械の停止時に、固定環と回転環と
がダム領域にて密接しているため、停止時における高圧
流体の漏れを防止することができる。
がダム領域にて密接しているため、停止時における高圧
流体の漏れを防止することができる。
【図１】本発明に係る非接触端面シールの一実施例を示
す縦断面図。
す縦断面図。
【図２】本発明に係る非接触端面シールにおける回転環
の端面に形成されたスパイラル溝の詳細を示す端面図。
の端面に形成されたスパイラル溝の詳細を示す端面図。
【図３】本発明に係る非接触端面シールにおける回転環
と固定環の要部拡大断面図。
と固定環の要部拡大断面図。
【図４】本発明に係る非接触端面シールにおける動作説
明図。
明図。
【図５】窪みを設けた場合と設けない場合におけるダム
幅比（ＤＷ）と負荷比（Ｆ1 ／Ｆ2）との関係を示す
図。
幅比（ＤＷ）と負荷比（Ｆ1 ／Ｆ2）との関係を示す
図。
【図６】窪みを設けた場合と設けない場合におけるダム
幅比（ＤＷ）と密封面すきま（ｈ）との関係を示す図。
幅比（ＤＷ）と密封面すきま（ｈ）との関係を示す図。
【図７】窪みを設けた場合と設けない場合におけるダム
幅比（ＤＷ）と漏れ量（Ｑ）との関係を示す図。
幅比（ＤＷ）と漏れ量（Ｑ）との関係を示す図。
【図８】窪みを設けた場合と設けない場合におけるダム
幅比（ＤＷ）と流体膜の剛性（ｄＷ／ｄｈ）との関係を
示す図。
幅比（ＤＷ）と流体膜の剛性（ｄＷ／ｄｈ）との関係を
示す図。
【図９】本発明に係る非接触端面シールにおける他の実
施例を示す断面図。
施例を示す断面図。
【図１０】本発明に係る非接触端面シールにおける更に
他の実施例を示す断面図。
他の実施例を示す断面図。
【図１１】本発明に係る非接触端面シールにおける更に
他の実施例を示す断面図。
他の実施例を示す断面図。
【図１２】本発明に係る非接触端面シールにおける更に
他の実施例を示す断面図。
他の実施例を示す断面図。
【図１３】従来の非接触端面シールにおける縦断面図。
【図１４】従来の非接触端面シールにおける回転環の断
面図。
面図。
【図１５】従来の非接触端面シールにおける回転環の端
面に形成されたスパイラル溝の詳細を示す端面図。
面に形成されたスパイラル溝の詳細を示す端面図。
【符号の説明】 １ 回転軸 ３ 回転環 ４ 固定環 ３１ スパイラル溝 ３２ ダム領域 ３８ スパイラル溝領域 ５０ 密封面 ｈ0 溝深さ ｈt 窪み ｈ 密封面すきま
Claims (2)
- 【請求項１】 回転軸とともに回転する回転環の端面の
密封面と、該回転環に相対する固定環の端面の密封面と
から密封部を形成し、前記回転環の静止時には前記両密
封面の少なくとも一部は互いに接触しており、前記回転
環の回転により前記両密封面が非接触となる非接触端面
シールにおいて、前記一方の密封面に高圧流体側から低
圧流体側に向かうスパイラル溝を形成し、該スパイラル
溝は両密封面の相対的回転によりシール流体を低圧側へ
巻き込む方向に設けられており、前記密封面のいずれか
一方は、前記スパイラル溝を含む領域あるいはその一部
の領域において、密封面の他の部分に比べて僅かに窪ん
でいることを特徴とする非接触端面シール。 - 【請求項２】 前記密封面に形成された窪みは、前記ス
パイラル溝を越えて溝のない平坦な領域まで伸びている
ことを特徴とする請求項１記載の非接触端面シール。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3177524A JPH0756345B2 (ja) | 1990-07-09 | 1991-06-21 | 非接触端面シール |
| EP91111347A EP0466076B1 (en) | 1990-07-09 | 1991-07-08 | Spiral groove face seal |
| DE69113539T DE69113539T2 (de) | 1990-07-09 | 1991-07-08 | Spiralrillengleitringdichtung. |
| US07/727,272 US5180173A (en) | 1990-07-09 | 1991-07-09 | Spiral groove face seal |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2-72261 | 1990-07-09 | ||
| JP7226190 | 1990-07-09 | ||
| JP3177524A JPH0756345B2 (ja) | 1990-07-09 | 1991-06-21 | 非接触端面シール |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0617941A JPH0617941A (ja) | 1994-01-25 |
| JPH0756345B2 true JPH0756345B2 (ja) | 1995-06-14 |
Family
ID=26413402
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3177524A Expired - Lifetime JPH0756345B2 (ja) | 1990-07-09 | 1991-06-21 | 非接触端面シール |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5180173A (ja) |
| EP (1) | EP0466076B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0756345B2 (ja) |
| DE (1) | DE69113539T2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO1995029353A1 (en) * | 1994-04-20 | 1995-11-02 | Durametallic Corporation | Face seal with angled grooves |
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