JPH09229206A - 軸封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シールリング５０が回転軸１０に固体接触し
ないようにする。 【解決手段】 シールリング５０の一方側の端面には２
本のＯリング７１，７２を所定の間隔で設け、他方側の
端面には内径側の凸端面５３と外径側の凹端面５３とを
所定の広さで形成し、一方側の端面の内径端部と他方側
の凹端面５３とに開口する第１連通孔５１と、一方側の
端面の２本のＯリング７１，７２の間の部分と他方側の
端面の内径端部とに開口する第２連通孔５２とを設け
て、２本のＯリング７１，７２の間の部分及び凹端面５
３の部分にそれぞれ反対側の圧力がかかるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、遠心圧縮機など
の高速ターボ機械又は回転流体機械の回転軸が貫通する
箇所における流体の漏れを阻止する軸封装置に関するも
のであり、特に、オイルフリーの環境で使用される軸封
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来の軸封装置を示す。回転軸１
０がこの機械の殻体を貫通する箇所にハウジング３０に
支持されて複数個のシールリング５０が設けられてい
る。ハウジング３０は回転軸１０の外周に隙間をあけて
包囲し、ハウジング３０の内周面には各シールリング５
０が遊嵌するシールリング用溝３５が形成されている。
シールリング５０は通常二つ割りか三分割であり、シー
ルリング５０の外周面の一方側の肩部に形成された一周
する凹部に巻き付けられた輪状のガタースプリング９１
が、その弾性力により分割のシールリング５０を締付け
て一体化するとともに、シールリング５０の他方側の端
面をハウジング３０に押し付ける。シールリング５０の
内周面は回転軸１０の外周面との間に微小な隙間がある
ように形成されている。回り止めピン９２はシールリン
グ５０が回転軸１０の回転につれて回るのを防止するも
のである。ハウジング３０にパージガス供給孔３６が設
けられたものでは、外部からパージガス供給孔３６を通
して密封すべきこの機械内の気体の圧力より高い圧力の
不活性ガスを回転軸１０とハウジング３０との隙間に注
入することにより機械内の気体が外部へ漏れることを防
止する。回転軸１０が回転中に径方向に変位しても、シ
ールリング５０の内周面と回転軸１０の外周面との間に
ある微小な隙間に流体の動圧が発生して、回転軸１０の
変位にシールリング５０が追従して変位して両表面の金
属固体接触が避けられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の軸封装置は上記
のようであるが、図３において、シールリング５０の両
端面にかかる流体の圧力差による力などが軸方向にかか
って、シールリング５０がハウジング３０に押し付けら
れると、この接触面に上記押し付け力と摩擦係数との積
である摩擦力が生じ、回転軸１０の径方向の変位に追従
しようとするシールリング５０の動きを妨げ、シールリ
ング５０の内周面が回転軸１０の外周面に金属固体接触
してシールリング５０の内周面が発熱摩耗し、シール機
能が損なわれるというような課題があった。

【０００４】この発明は上記課題を解消するためになさ
れたもので、シールリング５０とハウジング３０との間
の摩擦力が小さくなるようにしてシールリング５０が回
転軸１０の径方向の変位に容易に追従するようにし、シ
ールリング５０が回転軸１０に接触しないようにした軸
封装置を得ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明に係る第１の軸
封装置は、シールリングの両側の端面にシール線又はシ
ール面をもって仕切られたバランス用領域を形成し、こ
の各端面のバランス用領域に反対側の端面にかかる圧力
を導入する連通孔をそれぞれ設けたものである。この発
明に係る第２の軸封装置は、シールリングの一方側の端
面にはハウジングに接する２本のＯリングを所定の間隔
で設け、前記シールリングの他方側の端面には前記ハウ
ジングに接する内径側の凸端面とこの凸端面によって遮
断された外径側の凹端面とを所定の広さで形成し、前記
シールリングの一方側の端面の内径端部と他方側の前記
凹端面とに開口して連通させる第１の連通孔と、前記シ
ールリングの一方側の端面の２本のＯリングの間の部分
と他方側の端面の内径端部とに開口して連通させる第２
の連通孔とを設けたものである。この発明に係る第３の
軸封装置は、シールリングの一方側の端面にはハウジン
グに接する１本のＯリングを所定の径方向位置に設け、
前記シールリングの他方側の端面には内周側にも外周側
にも連通しないようにバランス用凹部を所定の広さで形
成し、前記シールリングの一方側の端面の内径端部と他
方側の前記バランス用凹部とに開口して連通させる第１
の連通孔と、前記一方側の端面のＯリングより外径側の
端面又は外周面と他方側の端面の内径端部とに開口して
連通させる第２の連通孔とを設けたものである。

【０００６】この発明における第１の軸封装置のシール
リングの両端面に形成されたバランス用領域には連通孔
により反対側の圧力がかかるので、このバランス用領域
の広さを適当に設定することにより、このシールリング
にかかる圧力をバランスさせることができ、このシール
リングがハウジングに接触する力が小さくなり、摩擦力
が小さくなり、このシールリングは回転軸の径方向変位
に容易に追従して変位して固体接触が少なくなり、摩耗
が少なくなる。この発明における第２の軸封装置のシー
ルリングの一方側の端面の２本のＯリングの間の領域
は、連通孔により他方側の圧力がかかり、その他の領域
には一方側の圧力がかかる。また、このシールリングの
他方側の端面の外径側の凹端面は連通孔により一方側の
圧力がかかり、それ以外では他方側の圧力がかかる。し
たがって、一方側の端面の２本のＯリングの間隔及び他
方側の端面の凹端面の広さを適当に設定して、両端面に
かかる圧力をバランスさせることにより、このシールリ
ングがハウジングに接触する力が小さくなり摩擦力が小
さくなり、回転軸の変位に容易に追従して固体接触が少
なくなり摩耗が少なくなる。この発明における第３の軸
封装置のシールリングの一方側の端面のＯリングより外
径側の領域は連通孔により他方側の圧力がかかり、Ｏリ
ングより内径側の領域は一方側の圧力がかかる。また、
このシールリングの他方側の端面のバランス用凹部は連
通孔により一方側の圧力がかかり、その他の領域では他
方側の圧力がかかる。したがって、Ｏリングの径方向の
位置及びバランス用凹部の広さを適当に設定して、両端
面にかかる圧力の総和をバランスさせることにより、こ
のシールリングがハウジングに接触する力が小さくなり
摩擦力が小さくなり、回転軸の径方向変位に容易に追従
して固体接触が少なくなり摩耗が少なくなる。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１はこの発明による軸封装置の
実施の一形態を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）はシー
ルリングの断面斜視図、（Ｃ）はシールリングの他の箇
所の断面図、（Ｄ）はシールリングにかかる圧力分布を
示す断面図である。図１（Ａ）では、図の右側が機内
側、図の左側が機外側である。図１（Ｄ）では、図の右
側が高圧側、図の左側が低圧側である。図１において、
１０は遠心圧縮機などの回転軸、３０は回転軸１０が機
械の殻体を貫通する箇所を密封するために設けられたハ
ウジング、５０は回転軸１０とハウジング３０との間の
流体（気体）の漏洩を阻止するように設けられたシール
リングである。

【０００８】図１（Ａ）に示すように、ハウジング３０
は回転軸１０の外周を包囲するように設けられ、ハウジ
ング３０の内周面と回転軸１０の外周面との間には若干
の隙間があけられており、回転軸１０が回転中に径方向
に想定される変位又は振動をしても回転軸１０がハウジ
ング３０に接触しないように形成されている。ハウジン
グ３０の内周面にはシールリング用溝３５が形成されて
いる。シールリング用溝３５はシールリング５０を径方
向変位可能に支持するように直方状であり、所要の深さ
を有し、両端面（図で左右の側面）は周面に直角で互い
に平行であり、滑らかに仕上げられている。また、機内
のガスが有害であるなどのため漏出を絶対に避けたい場
合などは、外部から不活性ガスを注入するため、ハウジ
ング３０と回転軸１０との隙間に連通するパージガス供
給孔３６があけられている。

【０００９】図１に示すように、シールリング５０は直
方形断面で円環状であり、装着の便宜のため通常、二つ
割り又は三分割となっている。シールリング５０を組み
立てたとき、シールリング５０の内周面は、回転軸１０
の外周面との間に微小な隙間があるようにして滑らかに
形成されている。シールリング５０の断面は直方形であ
るが、図１（Ｂ），（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、図
の右側の端面には、７１，７２という２本のＯリングを
挿入する各Ｏリング用の溝が形成されている。また、図
の左側の端面は段差によって外径側に凹端面５３と内径
側に凸端面５４とが形成されている。Ｏリング７１用の
溝及びＯリング７２用の溝の径方向の位置及びその間隔
は、シールリング５０にかかる後述の圧力のバランスの
観点によって決定される。また、図の左側の端面の外径
側の凹端面５３と内径側の凸端面５４との境の段差の位
置も同様な観点から決定される。勿論、Ｏリング７１，
７２及び内径側の凸端面５４はハウジング３０のシール
リング用溝３５の各端面に十分に滑らかに接触するよう
に形成されている。なお、Ｏリング７２は、分割のシー
ルリング５０を径方向に弾性力で締付けて一体化させる
ように形成されている。なお、５９は分割線（面）であ
る。

【００１０】図１（Ｂ），（Ｃ）及び（Ｄ）に示すよう
に、シールリング５０の図の右側の端面の内径端部と図
の左側の凹端面５３とを連通させる第１連通孔（高圧側
導入孔）５１が１本又は複数本あけられている。また、
この第１連通孔５１とは別個独立に、シールリング５０
の図の右側の端面の２本のＯリング７１，７２の間の部
分と図の左側の内径側の凸端面５４の内径端部とを連通
させる第２連通孔（低圧側導入孔）５２が１本又は複数
本あけられている。

【００１１】次に、図１に示す軸封装置の動作，作用に
ついて説明する。図１（Ａ）において、回転軸１０が回
転して図の右側の機内で例えば羽根車により圧縮されて
高圧のガスが作られるとする。機内のガスの圧力より若
干高い圧力の不活性ガスが外部からパージガス供給孔３
６を通って回転軸１０とハウジング３０との隙間に注入
される場合は、注入された不活性ガスは、図の右側の２
個のシールリング５０の隙間を漏れて機内に入ろうと
し、図の左側の３個のシールリング５０の隙間を順次に
漏れて外部に出ようとする。パージガス供給孔３６が設
けられていないか、パージガス供給孔３６が閉鎖されて
いる場合は、機内の高圧ガスは図の右から左へ各シール
リング５０の隙間を順次に漏れて外部に出ようとする。

【００１２】図１（Ｄ）に示すように、シールリング５
０の図の右側はＯリング７１及び７２がハウジング３０
に接するように設けられ、シールリング５０の図の左側
は内径側の凸端面５４がハウジング３０に接するように
形成されているので、シールリング５０とハウジング３
０との間を通る漏れは阻止される。シールリング５０の
内周面と回転軸１０の外周面との間には微小な隙間があ
るが、微小な隙間を通過する流体の流動抵抗により漏れ
は少量である。図１（Ａ）において、回転軸１０は回転
しながら径方向に多少の変位をすることがありうる。そ
のとき、シールリング５０の内周面と回転軸１０の外周
面との間の微小な隙間にある流体（気体）に動圧が生じ
て、回転軸１０の変位にシールリング５０が追従して変
位することにより、シールリング５０と回転軸１０との
間の微小な隙間が維持されて、シールリング５０と回転
軸１０との固体接触が避けられる。

【００１３】しかしながら、図３に示すような従来の軸
封装置においては、シールリング５０の左右の端面にか
かる圧力の差により、シールリング５０が高圧側から低
圧側に押されてハウジング３０に強く接触し、ハウジン
グ３０とシールリング５０との間の摩擦力により、シー
ルリング５０が回転軸１０の変位に追従することができ
ず、シールリング５０と回転軸１０とが固体接触して発
熱，摩耗してシール機能を失うというような問題があっ
た。

【００１４】これに対して、図１に示す軸封装置では、
図１（Ｄ）に示すように、シールリング５０の図の右側
の端面にＯリング７１，７２という２本のＯリングを設
け、図の左側の端面には段差により外径側の凹端面５３
と内径側の凸端面５４とを形成し、図の右側の端面の内
径端部から左側の端面の凹端面５３に連通させる第１連
通孔５１を設け、これとは別個独立に、図の左側の端面
の内径端部から右側の端面のＯリング７１と７２との間
の部分に連通させる第２連通孔５２を設けた。そのた
め、シールリング５０の図の左側の端面では、凹端面５
３の部分には高圧力ＰＨがかかり凸端面５４の部分には
低圧力ＰＬがかかる。また、シールリング５０の図の右
側の端面ではＯリング７１とＯリング７２との間の領域
は低圧力ＰＬがかかりその他の部分には高圧力ＰＨがか
かることになる。したがって、Ｏリング７１とＯリング
７２との間隔及び凹端面５３の広さを適当に設定するこ
とにより、シールリング５０にかかる左右の圧力の合計
をバランスさせることができ、このシールリング５０が
ハウジング３０に接触する軸方向の力、すなわち、Ｏリ
ング接触力ＦＲ及びシール接触圧力ＦＳが漏れを阻止す
るための最低限の圧力まで小さくすることができるの
で、摩擦力が小さくなり、このシールリング５０は回転
軸１０の径方向の変位に容易に追従して変位し、摩耗が
少なくなり、シール機能を良好な状態で長期間保持させ
ることができる。また、Ｏリング７１とＯリング７２と
の間の領域の径方向の位置を変更設定することにより、
このシールリング５０にかかる圧力のモーメントを適当
に設定することができる。

【００１５】次に、図２に示すこの発明による軸封装置
の実施の他の一形態について説明する。図２に示すシー
ルリング５０も、図１（Ａ）に示すように、ハウジング
３０のシールリング用溝３５に径方向に変位可能に支持
させて回転軸１０との間に微小な隙間を介して設けられ
たものである。図２に示すシールリング５０は、図の右
側の端面に１条のＯリング用溝を形成して１本のＯリン
グ７３がシールリング５０とハウジング３０とに密接す
るように挿入されている。シールリング５０が二つ割り
又は三分割であるときはＯリング７３を緊張させて挿入
してシールリング５０を締付けて一体化させるようにす
る。また、シールリング５０の図の左側の端面には内径
部も外径部もハウジング３０の端面に接触して内周側に
も外周側にも漏れないようにバランス用凹部５６が形成
されている。

【００１６】図２に示すように、シールリング５０の図
の右側の端面の内径端部からバランス用凹部５６に連通
させる第１連通孔５１が１個又は複数個あけられてお
り、この第１連通孔５１と別個独立に、シールリング５
０の図の左側の端面の内径端部からシールリング５０の
外周面又はＯリング７３より外径側の端面に開口して連
通させる第２連通孔５２が１個又は複数個あけられてい
る。

【００１７】次に、図２に示す軸封装置の動作，作用に
ついて説明する。シールリング５０は、シールリング５
０とハウジング３０との間を密封し、シールリング５０
と回転軸１０との間は微小な隙間を保持して固体接触し
ないように、回転軸１０の径方向の変位に追従してシー
ルリング５０が径方向に変位しなければならないことは
前述のとおりである。図２に示すように、シールリング
５０の図の左側の端面では、第１連通孔５１によりバラ
ンス用凹部５６の部分には高圧力ＰＨがかかり、その他
の部分には低圧力ＰＬがかかる。シールリング５０の図
の右側の端面では、第２連通孔５２によりＯリング７３
より外径側の部分には低圧力ＰＬがかかり、Ｏリング７
３より内径側の部分には高圧力ＰＨがかかる。したがっ
て、バランス用凹部５６の広さ及びＯリング７３の径方
向の位置を適当に設定して、シールリング５０にかかる
左右の圧力の合計をバランスさせることにより、このシ
ールリング５０がハウジング３０に接触する軸方向の
力、すなわち、Ｏリング接触力ＦＲ及びシール接触圧力
ＦＳが小さくなり、摩擦力が小さくなり、このシールリ
ング５０は回転軸１０の径方向の変位に容易に追従して
変位し、摩耗が少なくなり、シール機能を良好な状態で
長期間保持させることができる。

【００１８】なお、図１において、シールリング５０の
図の左側の端面において、凸端面５４の凹端面５３に近
い位置にハウジング３０に接するようにＯリングを設け
て凸端面５４と凹端面５３との間を仕切るシール線を形
成してもよい。また、図の右側の端面において、Ｏリン
グ７１及び７２のいずれか一方又は両方を、Ｏリングの
代わりに滑らかな平端面としてハウジング３０に接し
て、各平端面より内径側（図の下部）と外径側（図の上
部）とを仕切るシール線又はシール面を形成させるよう
にしてもよい。

【００１９】また、図２において、シールリング５０の
図の左側の端面において、バランス用凹部５６の内径側
（図の下部）及び外径側（図の上部）のいずれか一方又
は両方にハウジング３０に接するようにＯリングを設け
て、バランス用凹部５６の領域とそれより内径側及び外
径側の領域との間を仕切るシール線を形成させてもよ
い。また、図の右側の端面において、Ｏリング７３の代
わりに該部を滑らかな平端面としてハウジング３０に接
して、この平端面によって、それより内径側（図の下
部）と外径側（図の上部）とを仕切るシール線又はシー
ル面を形成させるようにしてもよい。

【００２０】なお、図１（Ａ）ではシールリング５０を
５個設けたが、個数は設計条件によって決定すればよ
い。また、図１及び図２では図の右側が高圧、図の左側
が低圧としたが左右逆であってもよい。また、凹端面５
３及びバランス用凹部５６の凹みの深さは関係なく、ハ
ウジング３０の端面に接する部分があってもよい。この
部分に連通孔５１で連通する反対側の圧力がかかればよ
い。また、Ｏリング７１，７２やバランス用凹部５６の
径方向位置によってシールリング５０にかかる圧力分布
が決まり、各シール線の接触力が決まるので、所望の状
態が得られるように決定すればよい。

【００２１】また、パージガス供給孔３６は必ずしも必
要ではなく、例えば、漏出したガスを再び圧縮して送り
込むというような手段をとってもよい。また、シールリ
ング５０が分割である場合、これを一体化させる役目を
Ｏリング７１又はＯリング７３にもたせたが、例えば、
シールリング５０の外周面に周回溝を形成してスプリン
グを巻き付けて締付けるというようにしてもよい。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、シー
ルリングの両端面の各一部にバランス用領域を形成し
て、反対側の圧力がかかるようにして両端面にかかる圧
力をバランスさせるようにしたので、このシールリング
がハウジングに接触する力を小さくすることができ、摩
擦力が小さくなり、このシールリングは回転軸の径方向
の変位に容易に追従して変位して固体接触が少なくな
り、摩耗が少なくなり、良好な密封機能を長期間保持さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による軸封装置の実施の一形態を示
し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）はシールリングの断面斜
視図、（Ｃ）はシールリングの他の箇所の断面図、
（Ｄ）はシールリングにかかる圧力分布を示す断面図で
ある。

【図２】この発明による軸封装置の実施の他の一形態の
シールリングにかかる圧力分布を示す断面図である。

【図３】従来の軸封装置の縦断面図である。

【符号の説明】

１０：回転軸、 ３０：ハウジング、５０：シールリン
グ、 ５１：第１連通孔、５２：第２連通孔、 ５３：
凹端面、５４：凸端面、 ５６：バランス用凹部、７
１，７２，７３：Ｏリング。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸を包囲するように設けられたハウ
   ジングの内周の溝に径方向変位可能に挿入されたシール
   リングによって流体の漏れを阻止する軸封装置におい
   て、前記シールリングの両側の端面にシール線又はシー
   ル面をもって仕切られたバランス用領域を形成し、この
   各端面のバランス用領域に反対側の端面にかかる圧力を
   導入する連通孔をそれぞれ設けたことを特徴とする軸封
   装置。
2. 【請求項２】 回転軸を包囲するように設けられたハウ
   ジングの内周の溝に径方向変位可能に挿入されたシール
   リングによって流体の漏れを阻止する軸封装置におい
   て、前記シールリングの一方側の端面には前記ハウジン
   グに接する２本のＯリングを所定の間隔で設け、前記シ
   ールリングの他方側の端面には前記ハウジングに接する
   内径側の凸端面とこの凸端面によって遮断された外径側
   の凹端面とを所定の広さで形成し、前記シールリングの
   一方側の端面の内径端部と他方側の前記凹端面とに開口
   して連通させる第１の連通孔と、前記シールリングの一
   方側の端面の２本のＯリングの間の部分と他方側の端面
   の内径端部とに開口して連通させる第２の連通孔とを設
   けたことを特徴とする軸封装置。
3. 【請求項３】 回転軸を包囲するように設けられたハウ
   ジングの内周の溝に径方向変位可能に挿入されたシール
   リングによって流体の漏れを阻止する軸封装置におい
   て、前記シールリングの一方側の端面には前記ハウジン
   グに接する１本のＯリングを所定の径方向位置に設け、
   前記シールリングの他方側の端面には内周側にも外周側
   にも連通しないようにバランス用凹部を所定の広さで形
   成し、前記シールリングの一方側の端面の内径端部と他
   方側の前記バランス用凹部とに開口して連通させる第１
   の連通孔と、前記一方側の端面のＯリングより外径側の
   端面又は外周面と他方側の端面の内径端部とに開口して
   連通させる第２の連通孔とを設けたことを特徴とする軸
   封装置。