JPH076579B2 - 軸封装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は回転軸の軸封装置に関し、特にメカニカルシー
ルのように端面で軸封を行い、極めて低粘度の液体ある
いは気化し易い液体を扱う場合のように密封面に流体膜
を形成することが困難で且つ密封面において直接固体接
触が起り易い場合であっても、液膜を容易に形成するこ
とができる軸封装置に関する。

［従来技術］ 従来のこの種の装置において密封流体を封じ込むための
軸封用液体の存する場合の例を第５図に示す。図におい
て、ケーシング４内の空間Ｌには高圧の密封流体が封ぜ
られており、また空間Ａはケーシング４の外部側の大気
が存在する空間である。そして空間Ｈは空間Ｌに封ぜら
れた流体より更に高圧の流体を充填した空間を示す。

空間Ｌの密封流体が大気側空間Ａへ流出するのを防止す
るため、回転軸３と一体的に形成され、または回転軸３
に固定されている回転リング１の密封面11と静止リング
17の密封面27が摺動するようになっている。

静止リング17はばね５によって軸方向に回転リング１へ
向って押されており、そして図示しない回り止め部材に
よりケーシング４に係止され回転しないようになってい
る。また静止リング17がケーシング側４に滑合して軸方
向にすべるところにはＯリング８が設けてあり、空間Ｈ
と空間Ｌを分離している。

空間Ｈと大気側空間Ａは、ケーシング４に密封固定した
カバー14の端面にフローティングリングシール６をばね
15で圧接することにより分離されている。ここでばね６
は、ケーシング４とフローティングリングシール６の間
に介在しており、軸方向に配置されている。

空間Ｌの密封流体の圧力Ｐよりも更に高圧な圧力Ｐ＋Δ
Ｐの軸封用の加圧液体が供給孔７を通り空間Ｈに供給さ
れている。そして、回転リング１の密封面11と静止リン
グ17の密封面27との間では、端面シール効果により、空
間Ｌの流体に対してΔＰの圧力差を有している空間Ｈの
液体が空間Ｌへ漏洩することが極力防止されている。一
方、フローティングリングシール６と回転軸３間の摺動
面によって、空間Ｈの流体が大気側空間Ａへ漏洩するこ
とが抑制されている。

［発明が解決しようとする問題点］ 第５図に示すような軸封装置において、軸封用に供給さ
れる液体が低粘度、高温、高腐蝕性であるような場合
に、耐熱、耐摩耗、耐蝕性に優れたセラミックス等の硬
質かつ脆性の材料を摺動面に用いることがある。しか
し、薄肉の摺動面部材をリテーナに機械的に拘束して固
定した際に、熱膨脹の違いでその摺動面部材に変形が生
じあるいは応力が発生したり、またその摺動面部材が衝
激荷重を直接受けてしまうことがあり、セラミック等の
ような脆性材料を摺動面部材として使用する場合には問
題となる。

またその他の公知技術として特開昭62−37574号公報、
特開昭62−28569号公報、特開昭62−31775号公報等が本
出願人によって提示されている。しかしながら、かかる
公知技術では密封面の溝は低圧側にある流体又は液体を
巻き込んで高圧側にポンピングする方向に設けられてい
るために、密封面における流体膜の形成を難かしくし、
密封面の間隙が不確実となる。

［発明が解決しようとする課題］ したがって本発明の目的は、密封面間の間隙が確実であ
り、もって密封効果のすぐれた軸封装置を提供するにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明の軸封装置は、回転軸とともに回転する回転リン
グとケーシング側に取付けられた非回転部材との間に摺
動面を形成し、押圧されて摺動する該摺動面により密封
を行う軸封装置において、非回転部材と回転リングの間
に回転軸が挿通しており、中心孔を有する環状で平板の
中間リングを挟持し、中間リングとこれに対向する回転
リングとの間の対向面または中間リングとこれに対向す
る非回転部材との間の対向面のいずれか一方における一
つの面に、密封液体あるいは密封流体を封じ込めるため
の軸封用液体の存する高圧側に開放されて低圧側に行き
止まる第１のスパイラル溝を形成し、そのスパイラル溝
は摺動回転の際に高圧側の液体を巻き込む方向に捩じら
れており、前記対向面の他方の対向面における一つの面
に前記第１のスパイラル溝と軸方向投影面上で反対向き
に捩られており、かつ低圧側に開放され高圧側に行き止
まる第２のスパイラル溝を形成し、そのスパイラル溝部
は、摺動回転の際にそこに存在する流体を低圧開放散側
に向って排除する方向に形成されている。

［発明の作用］ 本発明の軸封装置によれば、回転軸が回転するとその回
転方向に依存して、中間リングの両面のうちの何れか一
方面の面においては、その面に対向している回転リング
の摺動面または非回転部材の摺動面との間で、より高圧
の密封流体あるいは密封流体を封じ込むための液体がス
パイラル溝の開放端から巻き込まれてスパイラル溝の行
き止まり部分に向って動圧が発生して昇圧する。一方、
中間リングの他方の面とその面に対向している非回転部
材の接触面または回転リングの接触面との間では、スパ
イラル溝の作用により、圧力が低い側に流体が移動し、
その結果、接触面における圧力が低下して中間リングの
他方の面とその面に対向している面とが吸着する。そし
て、前記の密封流体あるいは密封流体を封じ込むための
液体がスパイラル溝の行き止まる側で昇圧された摺動面
では、摺動面を押圧している力に対向した液膜が形成さ
れ、その液膜による極めて狭い隙間によって高圧側の液
体が低圧側に漏れ込むことが極力防止される。

［実施例］ 以下、本発明の実施例であって、密封流体を封じ込むた
めの軸封用液体の存する場合の例を図面により説明す
る。

第１図は本発明の軸封装置の縦断面図である。第５図の
従来例と同様にケーシング４内の空間Ｌには高圧の密封
流体が封ぜられており、また空間Ａはケーシング４の外
部側の大気側空間である。

空間Ｈには、空間Ｌの密封流体を封じ込めるために、空
間Ｌの密封流体と同圧以上の液体が供給されている。

回転軸３と一体に形成され、または回転軸３に回定され
た回転リング１の密封面11と中間リング２の密封面21と
が液膜を介して摺動する摺動面になっている。非回転部
材のリテーサ16とケーシング４間には軸方向にばね５が
配され、中間リング２はばね５によりリテーナ16を介し
て回転リング１に向って軸方向に押されている。リテー
ナ16は図示しない回り止め部材によりケーシング４に係
止されて回転しないようになっている。またリテーナ16
がケーシング４に滑合している部分にはＯリング８が設
けてあり、空間Ｈと空間Ｌとを分離している。空間Ｈと
大気側空間Ａは、ケーシング４とフローティングリング
シール６との間に介在されて軸方向に配置されたばね15
により回転軸３に滑合しているフローティングリングシ
ール６やケーシング４に密封固定したカバー12の端面に
圧接されることによって密封遮断されている。

中間リング２の密封面21は、その正面図である第2A図に
示すように、平面状の頂部9aとスパイラル溝9bとが交互
に形成されているスパイラル溝部９、およびその外側に
位置して頂部9aと同一平面になっているフラット部10か
ら成る。スパイラル溝9bは中心側が半径方向内方に突き
抜けて高圧側の空間Ｈに開放されており、一方、その外
周側は行き止まるようになっている。

中間リング２の背面22には第2B図に示すように、スパイ
ラル溝23bと平面状の頂部23aとが交互に形成されている
スパイラル溝部23、およびその内側に位置して頂部23a
と同一平面になっているフラット部24が形成されてい
る。スパイラル溝23bは外周側が半径方向外方に突き抜
けて低圧側の空間Ｌに開放されており、一方その中心側
は行き止まるようになっている。ここで、中間リング２
の両面のスパイラル溝9b、23bは軸方向投影面上でその
ねじれ方向がそれぞれ異なる向きになっている。

中間リング２には回転軸３が挿通しているが、その挿通
部分は空間Ｈの封じ込め用の液体が回転軸３とリテーナ
16との間の隙間を通じて移動し、さらに中間リング２と
回転軸３との間を通じて移動するようになっている。中
間リング２と回転軸３のはめあいは滑合を含み、或いは
滑合よりも大きな隙間が存在するようになっていればよ
い。このはめあいが滑合でない場合に回転軸３に対する
中間リング２の回転の可能性を妨げないように、中間リ
ング２の外周に接近して支持体13が円周上に設けられて
いる。

中間リング２は常圧焼結製炭化珪素SiC、窒化珪素Si3N4
等のセラミック製であり、耐熱、耐摩耗、耐蝕性に優れ
ている。回転リング１、リテーナ16は、アルミナセラミ
ックス、超硬合金、ステンレス、高鉛青銅、普通鋳鉄あ
るいは中間リング２と同じ材料で製造されている。

第１図の符号７は、空間Ｌ中の密封流体を封じ込めるた
めに用いる高圧の液体をケーシング４に設けた空間Ｈへ
供給する供給孔であり、空間Ｈにはその高圧の液体が充
満している。

回転軸３の回転方向は第2A図における反時計方向の回転
であって、その回転によるポンピング作用によってスパ
イラル溝9bは中心側の開放端より液体を巻き込み、巻き
込まれた液体は外周に向い、その結果動圧が発生して昇
圧し、スパイラル溝9bの行き止まり、即ち終端部（最外
周部）では空間Ｌの密封流体の圧力よりも高い圧力が発
生する。また密封面11と21との間には極めて薄い液膜が
形成され、両密封面11と21との間は流体潤滑される。

一方、回転軸３の上記した反時計方向の回転につれて中
間リング２は共に回転しようとするが、中間リング２の
背面22のスパイラル溝23bはそのねじれ方向が密封面21
側に形成されたスパイラル溝9bのねじれ方向に対して軸
方向投影面上で逆方向に形成され、かつ外周部側が低圧
側の空間Ｌに開放されているので、スパイラル溝部にあ
る液が中間リング２の外周側に排除されようとするの
で、動圧は発生せず、背面22とリテーナ16の端面との間
に吸着力が働き、その結果、中間リング２がリテーナ16
に完全に密着され静止する。

空間Ｈへの供給液体は密封流体が気体である場合には
油、水その他の液体を選択し、密封流体が液体である場
合には他の安全な清浄液体を選ぶ。特に密封流体が液体
である場合には、異物を含む液体を清浄な同種液体で密
封すれば、その効果が大きい。また密封流体が気体であ
れば両者を容易に分離できるので効果が大きく、密封流
体が液体であれば、その液体中に空間Ｈへ供給された流
体が少量混入しても構わない場合については効果が大き
い。

空間Ｈに封じ込められる液体は安全かつ清浄な液体であ
り、フローティングリングシール６等の簡易なシールで
漏れを極力制限してある。空間Ｈに封じ込められる液体
の大気圧側のシールは非接触面シールあるいは他のシー
ルであっても良く、個々の状況によって選定される。ま
た上記の実施例においてスパイラル溝は中間リング２側
に形成されていたが、回転リング11あるいはリテーナ16
側にスパイラル溝を形成しても良い。即ち回転軸３の同
一回転方向に対して中間リング２の片側において吸着力
が発生するようにスパイラル溝が形成されていればよ
い。第１図、第2A図、第2B図の実施例ではスパイラル溝
9b、23bの深さは３〜80μｍとしてあり、摺動面の液膜
厚さは１〜15μｍ程度である。

第３図は本発明の他の実施例の縦断面図である。第１図
の実施例におけるスパイラル溝9b中に巻き込まれる液体
のながれが中間リング２の外周側へ向かう外向き流れで
あるのに対し、第３図の実施例では中間リング２の中心
側へ向う内向き流れとなっている。

第１図は同様に空間Ｌには密封流体が存し、空間Ｈには
該密封流体を封じ込むための液体が存し、空間Ａには大
気が存する。

ケーシング４に対する中間リング２の配置関係および回
転軸３に対する中間リング２の配置関係は第１図の実施
例と同じである。空間Ｈは回転リング１の周囲に構成さ
れ、ケーシング４に密封固定した部材４を密封固定する
カバー14にフローティングリングシール６が押圧され、
フローティングリングシール６と回転軸３との間がクリ
アランスシールとなっている。

第4A図は中間リング２の正面図である。中間リング２に
設けたスパイラル溝9bは中間リング２の外周まで延びて
更に半径方向外方へ突き抜けて空間Ｈに開放されてお
り、中心に向う側ではスパイラル9bは行き止まってい
る。なおフラット部10は中間リング２の中心側に形成さ
れている。中間リング２の背面22には第4B図に示すよう
に、第4A図のスパイラル溝9bに対してねじれ方向が軸方
向投影面上で反対方向となっているスパイラル溝23bが
形成され、このスパイラル溝23bは中間リング２の中心
の開口部まで延びてはんけけい方向内方に突き抜けて空
間Ｌに開放されており、一方、中間リング２の外周側で
行き止まっている。

この実施例においても中間リング２およびこの中間リン
グと対向する回転リング１あるいはリテーナ16は第１図
の実施例と同様の材質から形成されている。

回転軸３が第4A図において時計方向に回転すると空間Ｈ
の液体はスパイラル溝9bに巻き込まれ、中間リング２の
中心側で動圧が発生し、スパイラル溝9bの行き止まり、
即ち終端部（最内周部）では空間Ｌの密封流体の圧力よ
りも高い圧力となり、密封面には極めて薄い液膜が形成
される。中間リング２の背面はスパイラル溝23bの作用
により吸着力が生じ、中間リング２はリテーナ16に吸着
固定される。第３図に示す第２実施例ではスパイラル溝
9b、23bの深さは十分な動圧を発生し、かつ極力薄い流
体膜を形成するような寸法であり、封入液体の粘度によ
り異なるが例えば３〜80μｍの大きさとする。摺動面間
の液膜の厚さは１〜15μｍ程度である。回転軸３が上記
の逆方向に回転するときは背面22側で摺動し、且つ液膜
が形成され、密封面11、21が吸着する。

前述した第１図あるいは第３図のいずれの実施例におい
ても、密封流体を封じ込めるための軸封用液体を用いた
軸封装置として説明したが、封じ込め用液体を用いない
構造のものとすることもできる。この場合、第１図ある
いは第３図の実施例のフローティングリングシール６等
を省略し、高圧室Ｈを密封液体の存する機内側とし、低
圧室Ｌを機外側の大気圧とすればよい。

第１図あるいは第３図の各実施例とも、摺動面は鏡面仕
上げされており、摺動時はスパイラル溝の動圧効果によ
り完全な流体潤滑になっており、かつ薄い液体膜を形成
しているので漏れも少ない。

［発明の効果］ 本発明によれば、次の通りのすぐれた効果を奏する。

（ｉ） 高圧側流体を低圧側に巻き込むので、すべり面
における流体膜の形成が容易となり、せまい間隙が確実
なものとなる。

（ii） そのために、密封圧力が非常に高い条件でも信
頼性に優れ、寿命が長い。

（iii） 中間リングをセラミックス製としても熱膨張
の違いによる応力の発生に対処でき、セラミックスの長
所を利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の縦断面図、第2A図および第
2B図はそれぞれ第１図の中間リングの正面図および背面
図、第３図は本発明の他の実施例の縦断面図、第4A図お
よび第4B図はそれぞれ第３図の実施例の中間リングの正
面図および背面図、第５図は従来例の縦断面図である。 １……回転リング、２……中間リング、３……回転軸、
４……ケーシング、４……ケーシングに密封固定し部
材、５……ばね、６……フローティングリングシール、
７……供給孔、８……Ｏリング、９、23……スパイラル
溝部、9a、23a……頂部、9b、23b……スパイラル溝、1
0、24……フラット部、11……密封面、12、14……カバ
ー、15……ばね、16……リテーナ、21……密封面、22…
…背面、Ａ、Ｈ、Ｌ……空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−37574（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−28569（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−31775（ＪＰ，Ａ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸とともに回転する回転リングとケー
   シング側に取付けられた非回転部材との間に摺動面を形
   成し、押圧されて摺動する該摺動面により密封を行う軸
   封装置において、非回転部材と回転リングの間に回転軸
   が挿通しており、中心孔を有する環状で平板の中間リン
   グを挟持し、中間リングとこれに対向する回転リングと
   の間の対向面または中間リングとこれに対向する非回転
   部材との間の対向面のいずれか一方における一つの面
   に、密封液体あるいは密封流体を封じ込めるための軸封
   用液体の存する高圧側に開放されて低圧側に行き止まる
   第１のスパイラル溝を形成し、そのスパイラル溝は摺動
   回転の際に高圧側の液体を巻き込む方向に捩じられてお
   り、前記対向面の他方の対向面における一つの面に前記
   第１のスパイラル溝と軸方向投影面上で反対向きに捩ら
   れており、かつ低圧側に開放され高圧側に行き止まる第
   ２のスパイラル溝を形成し、そのスパイラル溝部は、摺
   動回転の際にそこに存在する流体を低圧開放端側に向っ
   て排除する方向に形成されていることを特徴とする軸封
   装置。
2. 【請求項２】前記第１および第２のスパイラル溝が中間
   リングに形成された特許請求の範囲第１項記載の軸封装
   置。
3. 【請求項３】前記第１のスパイラル溝が回転リングと対
   向する面に形成され、また前記第２のスパイラル溝が非
   回転部材と対向する面に形成された特許請求の範囲第２
   項記載の軸封装置。
4. 【請求項４】密封液体あるいは密封流体を封じ込めるた
   めの軸封用液体の存する高圧側が、前記中間リングの半
   径方向外方に位置している特許請求の範囲第３項記載の
   軸封装置。
5. 【請求項５】密封液体あるいは密封流体を封じ込めるた
   めの軸封用液体の存する高圧側が、前記中間リングの半
   径方向内方に位置している特許請求の範囲第３項記載の
   軸封装置。