JPS6237572A - 軸封装置 - 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】 〔発明の目的〕 「産業上の利用分野」 本発明は回転軸の軸封装置、特にメカニカルシールのよ
うに端面シールを行ない有毒とか可燃性の気体或は液体
のように絶対に漏らしては困る流体の軸封装置に関する
。

「従来の技術」 従来のこの種の装置例を縦断面図の第５図に示す。図に
おいて、ケーシングｌ内の空間Ｈは高圧の密封流体が封
ぜられており、Ａはケーシング側の外部側の大気のある
空間であって、空間Ｈの密封流体を大気側空間Ａへ流出
するのを防止しようとするものであり、回転軸３に一体
又は固定された回転リング／の密封面／ｌと静止リング
コの密封面２／が流体潤滑あるいは境界潤滑状態で摺動
するようになっている。

静止リングコはケーシング側に対してばね３で軸方向に
押されているが、ケーシング４Ｚｌこ不図示の廻り止め
部材で係止され回転はしないようＩこなっている。また
静止リング−がケーシング側に滑介し、軸方向にすべる
ところはｏリング！が設けてあり、空間Ｈと空間りを分
けている。空間りと大気側空間Ａはケーシング柑こ密封
固定したカバー／ＩＩの端面にフローティングリングシ
ール６がケーシング１叡ローテイングリングシール６の
間の軸方向に配したばね／３により圧接されている。

空間Ｈの密封流体の圧力ｐに対してｐ＋Δｐ（Δｐは数
ＫＰ／ｃｍ２）の圧力流体が供給孔７をとおり空間りに
供給されており、回転リング／と静止リングコの密封面
／／、；１／間は端面シール効果により、上記Δｐの圧
力差ｌこよって、空間りの液体が空間Ｈへ漏洩するのを
防止すると共にフローティングリングシール６と回転軸
３間の摺動面により空間りの液体の大気側空間Ａへの漏
洩を抑えている。

「発明が解決しようとする問題点」 この装置は■高圧流体を密封する場合にはそれを封じ込
む液体の圧力を上昇するための特別の供給装置を必要と
する。■密封流体とそれを封じ込む液体の差圧を常に一
様に制御する必要がある。■接触形シールであるためＥ
こ密封条件が厳しければどうしても信頼性に欠け、寿命
が短かい。■空間りは高圧でありシール６で液体が漏れ
ることにより大気圧状態ｌこなるため損失が大である。

■高圧流体を密封するため、高圧流体よりも高圧のそれ
を封じ込む液体を大気側空間に対して密封するための軸
封手段が必要であり、高圧であるため簡単なものでは済
まされない場合もあり、軸封装置全体の軸方向長さを極
めて大とせざるを得ないこともある。等の問題点がある
。

本発明は回転軸の軸封を端面シールで行うような構成の
軸封装置における上記問題点を解消し、信頼性高く、特
別な昇圧装置を必要とせず且つ軸方向長さの短かい軸封
装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

「問題点を解決するための手段」 本発明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静止リングとの夫々の端面の摺動
面が押圧されて摺動し該摺動面により密封を行う軸封装
置において、対向する摺動面を平面とし、何れかの摺動
面の内外周近くを除いて回転リングの回転により低圧側
の液体を高圧側へ向って巻き込むスパイラル溝を設け、
何れかの摺動面にスパイラル溝の低圧側を連通ずる環状
溝を設け、該環状溝と密封流体を封じ込むための低圧の
液体の供給源と連通ずる通路を静止リングを介して設け
た軸封装置である。

「作　用」 低圧の液体の供給源から静止リング中の供給孔を含む通
路を通ってスパイラル溝の低圧側を連通ずる環状溝に低
圧液体が送り込まれており、回転軸が回転すると回転リ
ングが回転し、スパイラル溝の効果によりスパイラル溝
の行止まる高圧側に低圧側の液体が移動して昇圧され動
圧が発生する。この昇圧された液体により高圧側の摺動
面の対向平面部で密封流体の軸封を行なう。低圧側は摺
動面の対向平面部で大気側との軸封が行われる。

「実施例」 以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は縦断面図である。第５図の従来例と同様ケーシ
ング内の空間Ｈには高圧の密封流体が封ぜられており、
Ａはケーシング側の外部側の大気側空間である。空間り
から封入液体が供給されているが空間只の密封流体と同
圧以下の圧力でもよく大気圧と等しくてもよい。

回転軸３に一体又は固定された回転リング／の密封面／
／と静止リングコの密封面２１が液膜を介して摺動する
摺動面になっている。静止リングコとケーシング側間に
は軸方向にばねよが配され、ばね５により静止リングコ
は回転リング／に向って軸方向に押されているかケーシ
ング側に不図示の回り止め部材で係止され回転しないよ
うになっている。また静止リングコがケーシング側に滑
合している円筒状部分には並列して０リングｔが設けで
ある。

静止リングコの密封面、２１は正面図の第２図に示すよ
うに平面の頂部ｙａとスパイラル溝？ｂが交互に並ぶス
パイラル溝部ｔとその内外側に位置して頂部ｙａと同一
平面で内外周縁に配置するフラット部／Ａ　、　１０か
ら成る。各スパイラル溝ｔｂは中心側で環状溝／３によ
り連通している。静止リングコには環状溝１５と０リン
グ！、を間の静止リングコに設けた円周溝／りとを連通
ずる供給孔／ｌが設けられ、供給孔７と円周溝／りが通
じている。供給孔７は空間りに備える封入用液体の供給
源に通じている。

回転軸３の回転方向は第２図１こおいて反時計方向の回
転であってポンピング作用によりスパイラル溝？１）は
中心側の開放端より液体を巻き込み、外周に向って動圧
が発生して昇圧し、スパイラル溝９ｂの終端部（最外周
部）では空間Ｈの密封流体の圧力よりもわずかに高い圧
力が発生し、談た密封面／／、コ／間には液膜が形成さ
れ、両密封面／／、２／間は流体潤滑される。

この流体潤滑の液膜の最大圧力は空間Ｈの密封流体が浸
入しないか、もしくは空間り側の液体が微小量空間Ｈ側
へ洩れるようにする。このようにすることにより、空間
Ｈ側の密封流体が有害、或は自体有害でなくとも洩れる
ことにより重大な支障を及ぼすものである場合に特効が
ある。

密封面／／、、２／の負荷をＷ、スパイラル溝９ｂ終端
部の圧力をＴ’ｇ　　とすると、完全に密封面／／、−
／に流体膜が形成された場合にはＷ　＝　ａ　ｐ　　・
・・・■　となる。ａはスパイラル溝９ｂの溝形状、溝
本数、溝深さ等によって決まる係数である。一方、密封
面／／、コ／の押付荷重Ｗは密封圧力ｐとはねｊのはね
荷重Ｆによって　Ｗ＝Ｓ−ｐ−（−Ｆ・・・・Ｃとなる
。Ｓは空間Ｈの密封流体の圧力による静止リングコの回
転リング／に対する押付部の面積で　π（ｒｌ２−ｒｌ
す：ただし、コｒ２−密封面／／、２／の外径１．２ｒ
＋−静止リングコとケーシングダの滑合部の直径、であ
る。式■及び■から　ａｐｇ＝Ｓ−ｐ十Ｆ　　となる。

Ｓ　＝　ａ　＝　ｋ　　であるようにＳを決めると　Ｆ
’＝ｋ（ｐ　−ｐ）　　となり密封面のフラット部１０
における差圧　ムｐ＝（ｐ、６−ｐ）　　はばね荷重下
を決めれば密封圧力に依らずに常に一定となる。また密
封面／／、、２／の流体膜の厚さはできる限り薄くなる
ようにスパイラル溝ｖｂの溝形状、溝深さを決めるもの
とする。従って密封面／／。

２／ではスパイラル溝ｙｂのボンピング作用により密封
流体の圧力ｐに対して　ΔＰ（数ｋｆｆ／ｃｍりだけ常
に高い圧力まで昇圧されて密封流体を封じ込みかつ密封
面／／、λ／のすきまを極力小さくしてその漏れを少な
くしである。なおΔｐの値は回転数、密封圧力及び封入
液体の種類には依存せず、ばね５のばね荷重の大きさに
よってのみ決まる。

密封面／／、λ／に供給された封入液体は密封面／／、
２／の内径側ではフラット部／Ａと回転リング／の端面
が端面シールとして作用し大気側空間Ａへの封入液体の
洩れを防止する。

供給孔７から、円周溝／７、供給孔／ざ、環状溝／３を
介して密封面／／、、２／に封じ込む液体は密封流体が
気体である場合には油、水、その他の液体を、液体であ
る場合１こは他の安全な清浄液体を選ぶ。特に後者で異
物を含む液体を清浄な同種液体で密封することが望まし
い。また密封流体のある空間Ｈ側に漏れた空間り側から
送られる封入液体は、空間Ｈの密封流体が気体である場
合には容易に分離でき効果大であり、液体の場合には少
量混入しても構わない場合ｌこついて効果大である。

空間りから封じ込む液体は大気圧状態にあっても良く、
低揚程ポンプで供給するか、あるいはポンプにこの密封
装置を使用する場合にはポンプの吸込側にある低圧状態
の液体そのものを導入しても良い。従って、端面シール
部分となるフラット部／６はその対向面間のシール能力
が低圧液体を大気側空間Ａへ洩れないようにするだけで
よい。スパイラル溝ｑｂ或は環状溝／ｊは静止リングコ
側にあったが回転リング側でもよい。この実施例ではス
パイラル溝９ｂの深さは３〜ＳＯμｍとしてあり、摺動
面の液膜厚さは１〜３Ａｍ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。前実施
例１こおけるスパイラル溝部９での流れが外向きの流れ
であるのに対し、この第３図の実施例では内向き流れと
なっている。

空間■（は密封流体が存し、空間りには該密封流体を密
封するための液体が存し、空間Ａζこは大気が存する。

ケーシングｌに対する静止リンクコの取付関係及び回転
軸３１こ対する回転リング／の関係は前実施例と同じで
ある。

第グ図は第３図に示す静止リンクコの正面図である。該
静止リンクコの内外周側にはフラット部１０．／Ａがあ
るが、フラット部１０が回転リング／の端面と液膜を介
して摺動して空間Ｈの密封流体を密封する側となってい
る。各スパイラル溝９１）の外周側は環状溝／！で連通
されており、環状溝１５と静止リンクコの外周の環状溝
／７は供給孔／ｌにより連通している。／ｑは供給孔の
穿孔加工上必要となった栓である。

回転軸３が第ダ図において時計方向ｆこ回転すると空間
りから環状溝／３に送られている封入液体はスパイラル
溝９ｂに巻込まれ、中心側で動圧が発生する。この圧力
により密封面／／。

−／の中心側では空間Ｈの密封流体の圧力よりもわずか
ζこ高い圧力となり密封が行われる。

第コ実施例においてはスパイラル溝？ｂ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に例え
ば封入液体の粘度により異るが３〜！ｒ０１１ｍの大き
さとする。摺動面間の液膜の厚さは／〜３μｍ程度であ
る。

各実施例における回転リング／、静止リンクコの材質は
スパイラル溝を設ける側を硬質材料、特にセラミックス
（炭化珪素ＳｉＯ又は窒化珪素Ｓｉ３Ｎ４が望ましい）
としその相手の摺動部材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、カーボン或は
スパイラル溝９ｂを設けた側の材質と同材質の何れかが
好適である。回転リング／と静止リンクコの摺動面は鏡
面仕上されており、摺動はスパイラル溝の動圧効果によ
り完全な流体摩擦ｉこよっているので実験によると摩擦
係数は０．００３と極めて低く冷却の必要が殆んどない
。又スパイラル溝を設けた部分は上記においてスパイラ
ル溝を設ける部材は薄肉の円板状として、静止リンクコ
又は回転リング／ｌこ接着してもよく、この相手部材も
セラミックス系であるときは同様に板状にして接着して
もよい。

シング側に取付けられた静止リングとの夫々の端面の摺
動面が押圧されて摺動し該摺動面により密封を行う軸封
装置において、対向する摺動面を平面とし、何れかの摺
動面の内外周近くを除いて回転リングの回転により低圧
側の液体を高圧側へ向って巻き込むスパイラル溝を設け
、何れかの摺動面にスパイラル溝の低圧側を連通ずる環
状溝を設け、該環状溝と密封流体を封じ込むための低圧
の液体の供給源と連通ずる通路を静止リングを介して設
けた軸封装置としたから、 ■　封入液体を昇圧する特別な供給装置を必要としない
。

■　封入液体と密封流体との圧力差を制御する装置を必
要としない。

■　′密封面は非接触状態にあるために信頼性に優れ、
寿命は長い。

■　封入液体の密封に特別な密封手段が不要であり、且
つ漏れも極めて少なくできる。更に密封手段が軸方向に
並列しないので軸封装置の長さを小さくできる。

等の効果が生じた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の縦断面図、第一図は第７図の
静止リングの正面図、第３図は他の実施例の縦断面図、
第ダ図は第３図の静止リングの正面図、第５図は従来例
の縦断面図である。 ／・・回転リング　コ・・静止リング　３・・回転軸　
ダ・・ケーシング　ｊ・・ばね　６・・フローティング
リングシール　り・・供給孔　ざ・・Ｏリング　９・・
スパイラル溝部９Ｉ！Ｌ　・・頂部　９ｂ・・スパイラ
ル溝　１０・・フラット部　／／・・密封面　／３・・
ばね／グ・・カバー　／Ｓ・・環状溝　／４・・フラッ
ト部　／７・・円周溝　／に・・供給孔／？・・栓　、
、２／・・密封面　Ａ、’Ｈ，Ｔ、・・空間。 特許出願人　　株式会社荏原総合研究所株式会社　荏原
製作所

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、回転軸とともに回転する回転リングと、ケーシング
   側に取付けられた静止リングとの夫々の端面の摺動面が
   押圧されて摺動し該摺動面により密封を行う軸封装置に
   おいて、対向する摺動面を平面とし、何れかの摺動面の
   内外周近くを除いて回転リングの回転により低圧側の液
   体を高圧側へ向つて巻き込むスパイラル溝を設け、何れ
   かの摺動面にスパイラル溝の低圧側を連通する環状溝を
   設け、該環状溝と密封流体を封じ込むための低圧の液体
   の供給源と連通する通路を静止リングを介して設けた軸
   封装置。