JPS5842869A - 回転機用の非接触型端面シ−ル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転機用のシャフト・シールに関するものでＩ
ｈシ、特に異なる圧力に維持された２つの空間を分離す
るように、また高い圧力のゾーンから低い圧力のゾーン
へ流体が流れ出ることを防止するようにつくられ九非接
触型端面シールに関するものである。

普通に使用されるシールには２つのタイプがある。すな
わち、接触型シールと非接触型シールである。

たとえば米国特許＆　２，２５０，３４８にあるような
シール面とシール面との間の機械的接触によって実際上
漏れはなくなるが、摩擦損失と消耗が高くなり、その結
果サービス寿命が短くなるという欠点がある。米国特許
１６４，０２６，５６４では、シール面とシール面との
間に比較的太き表間隙を設けることによって摩擦を減ら
そうとしているが、このようにすると漏洩損失は避は難
い。米国特許扁３．７５１，０４５に示された非接触型
端面シールは妥協を図ったものである。すなわち、間隙
を摩擦接触しないぎシぎシの値にまで縮めて、ある程度
の漏洩は我慢するものである。

どんな甥牲を払っても流体の漏出を防がなければ彦らな
い場合が多い。たとえば、有毒な流体、腐食性の流体、
放射性の流体、または非常に“高価な流体の場合であり
、また他の理由があるかも知れない。サービス寿命が長
いことは本質的に望ましい性質である。したがって、こ
れらの作業のための非接触型端面シールを提供すること
が本発明の目的である。更に、構造に単純な部品を使う
ことによって低摩な初期費用と保守費用でとのようなシ
ールを提供する仁と、またシール面とシール面との接触
による摩滅や引き裂きを防止することによってシールを
長持ちさせることも本発明の目的である。

本発明は次の原理に基づいている。

固定した表面と運動している表面との間の幅りの間隙の
中の流体は運動している表面によって速度ベクトルＶの
方向に引っ張られ、単位長当りの流体流量Ｑ１は式（１
）　Ｑ　１　＝Ｖ”　ｈ／２で表わされる。

低圧ゾーンから高圧ゾーンへと（それぞれＰ。

およびＰｓ　　）進む移動表面の場合には、圧力で誘起
される逆方向の流れＱ！もある。これは次式で表わされ
る。

こζで、Ｌは高圧から低圧への方向の間隙の長さであり
、μは流体の粘度である。

流体が高圧ゾーンから低圧ゾーンへ向って間隙を通過す
るのを防止するためには、Ｑｔ　ｔｉＱｋ以上でなけれ
ばならない、すなわち、間隙シールの面の中の１つが常
に低圧から高圧への方向に動くような条件を作らなけれ
ばならない。このような運動は１つの回転する軸対称な
平面と１つの固定した平面では得られない、解答は次の
ようにすることである・ローターとステータとの間を狭
い間隙で分離し、流れの状態が円周に沿って一様でなく
、シール表面のあらゆる点で異なるように構成すること
である。

本発明による間隙シールは次のものから成る・１、機械
のシャフトに撃載され、それとともに回転し、滑らかな
できれば平坦な表面を有するローター。２．ローター表
面から間隙で隔てられているステータの表面、この表面
は圧力の異なるゾーンの間の仕切りとなシ、また内側が
ローターのシャフトを囲み、外側がローターの外縁内に
収まりた立体高さの閉曲線形状になっている。この曲線
は更に、曲線の任意の点に対する接線はこの点を通るロ
ーターの速度ベクトルと正または負の鋭角をなすという
特徴的な性質を有する。そこでローターの速度ベクトル
が曲線の内側から外側に向って伸びるステータ表面のす
べての点はローターの表面から予め定められた幅の間隙
によって隔てられている。またそこでローターの速度ベ
クトルが曲線の外側から内側に向って伸びるステータ表
面のすべての点は外側に向って伸びる速度ベクトルの点
の場合とは異なる幅の間隙によって、ローターの表面か
ら隔てられている。

今、曲線の外側の圧力が曲線の内側の圧力よシ大きい場
合を考えると、速度ベクトルが外側に向いている曲線の
各点では圧力差に逆らう方向に流体が運ばれ、反対に速
度ベクトルが内側に向いているすべての点では圧力差に
助けられて流体は内側の方向に運ばれる。曲線は対称で
ローターの直径に対して対称的に配置されているので、
曲線の半分では流体は内側に運ばれ　残シの半分では外
側に運ばれる。流出部に沿って広い間隙を設は流入部に
沿って狭い間隙を設けることによって、広い間隙を通る
流出量−曲線の両側の圧力は等しい−は式（１）に示さ
れているように狭い間隙を通る流入量より大きくなる。

これは流量が間隙の幅に比例するからである。しかし圧
力差は式（２）に従って流入を生じる・そして完全なシ
ールを得るためには、流出量は全流入量以上でなければ
ならない。

曲線の形状、その幅、および間隙の幅を巧みに選択する
ことによって、特定の水頭に対して流入量と流出量を均
衡させることが可能である。

付属の図面は非接触型端面シールの３つの実施例を示し
たものである。

第１図は偏心的に配置された円形のステータ表面を備え
たフェース・シール（端面シール）の断面図である。

第２図は第１図のＢ−Ｂに沿っての断面図であり、ロー
ターとステータとの間の流れの幾何を示したものである
。

この第１図と第２図において、機械シャフト３に固定さ
れて矢印で示したように時計方向に回転するローター１
は、円周の半分に対しては幅がｈであシ残シの半分に対
しては幅がＨである間隙によってステータ２から隔てら
れている。ステータ２は環状表面の形になっており、そ
の半径中央値は８１幅はＬになっている。ステータの中
心はローターの中心に対して距離・だけ偏心しておシ、
ローターの中心とステータの中心は２等分線Ａ−Ａ上に
ある。第２図の上半分、すなわち２等分線Ａ−Ａより上
の部分、特にステータ上の点りを見ると、半径Ｒにおけ
るローターの各点はステータ表面の内側から外側に向う
速度Ｖを有することが明らかになる。その結果、間隙内
の流体はＶｒの速度でステータの幅を横切ワて移動する
。ここで、Ｖｒは速度Ｖの、ステータ半径Ｒ方向の成分
である。

また、上半分すなわち２尋分線よシ上のあらゆる点にお
いて、外側に向う速度があり、この速度は２等分線に近
づくにつれて零に向って減ってゆくことも明らかである
。同様に、図面の点Ｄ′を含む部分（２等分線よシ下）
から、ローターのあらゆる点で速度ベクトルＶ′は内側
に向いている。すなわちステータ表面の外側から内側に
向かっていることがわが名。２等分線よシ上の側の間隙
Ｈを２％分線よシ下の間隙すよシ、大きくする之七鰐よ
って、２等分線の両側に対して対称に位置しているあら
ゆる２つの点忙おいて、内向きよシ多くの流量が外向き
に移動する。このことは式（１）を参照することによっ
て解析的に示すことができる。正味の外向きの流量は次
式のようになる。

（３）　　ｄｑ、　＝　ａＱ、−ｄｑ％ステータの周に
対して積分して、 （４）　　Ｑｔ＝　ωｅＲ（Ｈ−ｈ　）上記の説明は本
発明の１実施例、すなわちローターの表面が滑らかでス
テータの表面が閉曲線形状になっている場合についての
み述べる。しかしながら、回転部と固定部の作業を交換
しても、同一の結果が得られよう。ここに述べた効果は
ステータとローターとの間の相対速度によるものである
からである。

したがって、このかわシの構成ではステータの表面は滑
らかで平坦であシ、ローターの表面は持ち上けられて閉
曲線になっている。この曲線はステータの表面から間隙
によって隔てられ、間隙の幅は曲線のあらゆる点で相対
速度ベクトルに従って変わる。

間隙を通る流れは上記流出量と圧力勾配ｐ、　−ｐ。

による流入量（式２）との差である。したがって、間隙
を通る流量Ｑは （５）　　Ｑ＝Ｒ（Ｈ−ｈ）、ωｅ−ｒＲ（Ｈ＋ｈ　Ｘ
Ｐｔ　　Ｐｇ　）／１２μＬ与えられた動作条件、すな
わち圧力差ＰＩ　　　Ｆｉｅ回転速度ωおよび流体粘度
μに対して、Ｑが零か正になるようにＨ，ｈ、Ｌ、およ
びｅから成るシール幾何を選択することができる。これ
によって高圧ゾーンから低圧ゾーンへ流体が流れるのを
防止できる。

第１図はまた、本発明による端面シールの構成の詳細を
も示している。ステータ２は円筒形の内腔を有する環状
になっておシ、ハウジング４の内部延長を形成している
円筒状のノ・プ５に沿って軸方向に移動可能である。ハ
ブの円筒状の表面はシャフト軸に対して距離ｅだけ偏心
しておシ、その結果ステータが偏心している。この２つ
の物体は円形のガスケットまたは０−リング６によって
、流体の浸透に対して相互にシールされＣいｔ・。らせ
ん形のスゲリング７はステータをローターの表面に向っ
て押しつける役目を果す。このらせん形のスプリングの
かわりに、ステータを四−ターの表面に向って押し付け
るための適当な手段、たとえばベローまたは一連の適当
に処理した小さならせん形のスプリングを使うこともで
きる、。図ではわかりやすくするために、間ＦＪＨおよ
びり、ならびにそれらの差を実際の、数分の１露よシず
っと広く描いであることを理解するべきである。

第３図は端面シールのもう１つの実施例の断面図であシ
、第４図は第３図のＣ−Ｃに沿っての断面図である。

第３図および第４図に示した端面シールは第１図および
第２図の端面シールと殆んど同じであるが、ステータ曲
線２ａがシャフト軸に対しそ対称である点だけが違って
いる。その結果、ロータ上の圧力分布は釣り合っている
。ステータ曲線は２つの円弧が合体したものであり、２
つの広い間隙Ｈ１および２つの狭い間隙ｈ１によってロ
ーターの表面から隔てられている。図示した弾れの方向
はローターの時計方向の回転によって得られるものであ
る。

ステータ曲線の更にもう１つの形状が第５図に示されて
いる。これはローター軸に関し、て対称で４つの円弧か
ら成る曲線である。前の図と同様、４２０円弧はそれぞ
れ狭い間隙の表面と広い間隙の表面とに分けられる。な
お、それぞれ間隙幅りおよびＨを有する等しい円弧の異
なる組み合わせを有する他の構成本可能である。最終的
な選択は製造や他の配慮によってきまる。

低速および静止状態で漏洩を防がなければならないとき
には常に、不発１明のシールはノ々リアとともに提供す
ることができる。この）４リアはたとえばリング（第５
図の８）で６って、閉曲線の内側に置かれるか閉曲線を
囲んで置かれ、向かい合った平面から幅がｈ以下の間隙
によって隔てられている。

円形の端面シールで実際の試験を行なっている間は、１
１　ｋｇ７ｃｍ２の圧力差が加えられ、シールの寸法お
よび動作条件は下記Ｏ通シとすみ。

偏心距離　　　　　ｅ　”　２１　ｍ 幅　　　　　　　　　　　Ｌ＝　　４簡広い方の間隙　
　　Ｈ＝０．０１８ｍ 狭い方の間隙　　　ｈ＝０．’０１０ｍｍ粘度　　　　
　　　　＝０．０３０　Ｐａ　ｓｅｅ。

角速度　　　　　　ω＝　１００　ｒａｄ／ｓ水頭に抱
わらす流体がシールを通り抜けないようにするため、水
頭を変えることによって指示された通）に間隙の幅を調
節することが必要である。

これは、第１図のらせん形のスプリング７の寸法と性質
を適切に計算して選定することによりて行なうことがで
きる。もう１つの可能性はステータを機械的な機構また
は油圧機構に結合することである。この機構はセンサー
から受信した信号に従って、ステータを軸方向にロータ
ーの表面に向って、またはローターの表面から離れるよ
うに動かすように構成されている。そしてセンサーは圧
力または流体の速度の変化に応動する。

本発明の代替使用法として、流体が曲ったステータの表
面の内側または外側に向って間隙を通り抜けるようにす
ることができ、これによって遠心ボンｆまたは求心ポン
プの動作に類似したポンピング効果が得られる。仁の場
合には流体をデンビングするために曲線の内側と外側に
、入口および出口として働＜９孔を設けなければならな
いことが理解されよう。どのような犠牲を払ってもポン
プでくみ上けた流体の汚染を防がなければならないとき
にはいつでも、このよう表ポンプはきわめて価値がある
。この種類のポンプには回転部品の機械的接触がないの
で、固体粒子がこすｂｅられて流体に入るということは
ない。提案する応用の１つは心臓や腎臓の手術で使用さ
れるような血液ポンプであって、この場合にはいかなる
種類のよごれも致命的である。

これまでステータ表面の２つの構成だけを述べてきたが
、同じ目的のために他の多くの種類の曲線を使うことが
できる。その条件は本発明に従って、速度ベクトルがそ
れぞれ曲線の内側と外側に向いているようなかわシの連
続した長さがあるということ゛である。この曲Ｉｉ！鉱
、′それ自！σ２等分線に対しても、またローターの軸
に対しても、必らずしも対称でなくてもよい。しかし、
たとえば第４図に示したような対称な曲線はローターに
対称な負荷をかける。これは回転部品の約９合いに都合
が良い。

閉曲線の完全な弧に沿って一様な間隙幅、ｈおよびＨを
設けるかわシに、この幅がベクトル成分Ｖｒ（第２図）
の変化に応じて漸次増減するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は偏心的に配置した円形のステータ表面を備えた
フェース・シールの断面図である。 第２図は第１図のＢ−Ｈに沿っての断面図であり、゛ロ
ーターとステータとの間の流れの幾何を示したものであ
る。 第３図はフェース・シールのもう１つの実施例の断面図
であシ、ステータの表面がローターの表面に対して対称
になっている。 第４図は第３図のＣ−Ｃに沿っての断面図である。 第５図は更にもう１つのステータ表面の平面図である。 主なる要素 １・・・ローター、２・・・ステータ、３・・・機械シ
ャフト、４・・・ハウジング、５・・・ノ１プ、６・・
・ガスケット　　　　　・・または０−リング、７・・
・スプリング。 特許出願人 テンニオン　リサーチ　アンド族べロツ７ンントファン
デーシ、ン　リミテイド 特許出願代理人 弁理士　青　　木　　　　朗 弁理士　西　　舘　　和　　之 弁理士　中　　山　　恭　　介 弁理士　山　　口　　昭　　之 図面の浄書（内容に変更なし） 第１図 第３図 第５図 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示 昭和５７年　特許願　　第０３７３４３号２、発明の名
称 一転機用の非振触渥端伽シール ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 ４、代理人 （外３　名）゛ ５、＠正命令の日付 昭和５７昧６月２９日（発送日） ６、補正の対象 図　　　面 ７、補正の内容 図面の浄書（内容に変更なし）゛ ８、添付書類の目録 浄書図面　　　　　１通

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転機のシャツ）Ｋ取り付けられそれとともに回転
   するローターと腋回転機のハウジングに結合されたステ
   ータとから成シ、該ローターと該ステータが少なくとも
   ２つの寸法の幅の間隙によって隔てられている向き合つ
   た滑らかな、できれば平坦な表面を有する、回転機用の
   非接触型の端面シールにおいて、２つの向き合った表面
   の１つは滑らかで一様であシ、他の１つの向き合９た表
   面は閉曲線の形になってその内側は該シャフトを囲みそ
   の外側は向かい合った表面の輪郭内に含まれており、該
   閉曲線は圧力の高い方のゾーンと圧力の低い方のゾーン
   との間の仕切シとされ、該曲線のあらゆる点に対する接
   線がその点を通るかその点と一致する相対速度ベクトル
   に対して正または負の鋭角をなすように該曲線が形成さ
   れ、更に相対速度ベクトルが圧力の高い方のゾーンから
   圧力の低い方のゾーンへと向いている該曲線のすべての
   点における該向き合った２千面間の間隙の幅は相対速度
   ベクトルが圧力の低い方のゾーンから圧力の高い方のゾ
   ーンへと向いている核曲線の点における間隙の幅よシ小
   さくなるように該曲線が形成されていることを特徴とす
   る回転機用の非接触型端面シール。 ２、特許請求の範囲第１項目に記載した非接触型端面シ
   ールにおいて、該ローター表面が滑らかで平坦であシ、
   そして諌ステータ表面が該閉曲線の形状になっているこ
   とを特徴とする非接触型端面シール。 ３、％許請求の範囲第１項目に記載した非接触型端面ク
   ールにおいて、該ステータ表面が滑らかで平坦であシ、
   そして該ローター表面が該閉曲線の形状になっているこ
   とを特徴とする非接触型端面シール。 ４、特許請求の範囲第２項目に記載した非接触型端面シ
   ールにおいて、ステータ表面が均一な幅の環状かつ円形
   の形状になっておシ、該ステータ表面（′）中心が該ロ
   ーター表面の軸からあ石距離をおいて配量され１該ロ一
   ター表面の中心および該ステータ表面の中心を通るよう
   に引いた仮想直線の一方の側にあるすべての点において
   は盤ス・テータ表面が該ローター表面から幅りの狭い間
   隙によって隔てられ、該仮想直線の他方の儒にあるすべ
   ての点においては幅Ｈの広い間隙によって隔てられてい
   ることを特徴とする非接触型端面シール。 ５、％許請求の範囲第１項目に記載し九非接触型端面シ
   ールにおいて、骸ローターと該ステータのそれぞれの表
   面の間の距離を変える手段を含むことを特徴とする非接
   触型端“面シール。 ６、特許請求の範囲第４項目又は第５項目に記載した非
   接触型端面シールにおいて、ローター表面に対して軸方
   向に移動し得る環状物体とともにステータ表面が合成部
   品を構成し、弾性的手段によってステータ表面がロータ
   ー表面に向って押し付けられることを特徴とする非接触
   型端面シール。 ７、特許請求の範囲第６項目に記載し九−接触型端面シ
   ールにおいて、弾性的手段がらせん形のスプリングであ
   ることを特徴とする非接触型端面シール。 ８、　４Ｉ許請求の範囲第５項目に記載した非接触型端
   面シールにおいて、該ローターが機械のシャフトに沿っ
   て軸方向に移動可能であり、弾性的手段によって該ステ
   ータ表面に向って押し付けられている仁とを特徴とする
   非接触型端面シール。 ９、特許請求の範囲第２項目に記載した非接触型端面シ
   ールにおいて、ステータ表面の形が２つ以上の等しい環
   状円弧をそれらの端の点で結合した閉曲線になっており
   、該ステータ表面が該ローター表面に対して広い間隙と
   狭い間隙を交互に形成し、各々の間隙は６弧の長さの半
   分にわたっていることを特徴とする非接触型端面シール
   。