JPWO2018105505A1 - しゅう動部品 - Google Patents
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Abstract
Description
そのような中で、本出願人は、静止時に漏れず、回転初期を含み回転時には流体潤滑で作動するとともに漏れを防止し、密封と潤滑とを両立させることのできるしゅう動部品の発明を特許出願している(以下、「従来技術」という。特許文献1参照)。
この特徴によれば、しゅう動面全体に積極的に低圧の液体を導入すると同時に、しゅう動面への高圧の気体の進入を阻止し、液膜を保持したままのしゅう動を可能とし、高圧側及び低圧側の両流体を密封することができ、密封と潤滑という相反する条件を両立させたしゅう動部品を提供することができる。
この特徴によれば、しゅう動面全体に、より積極的に低圧流体側の液体を導入できると同時に、高圧の気体の進入を阻止ことができる。
この特徴によれば、しゅう動面全体に均一に液体を導入することができ、また、円環状の深溝に対しても十分に液体を導入することができる。
この特徴によれば、低圧の液体の粘性を利用してしゅう動面に十分な正圧を発生することができる。
この特徴によれば、回転側密封環が両方向に回転する機器に適したものとすることができる。
この特徴によれば、しゅう動面に対する液体の導入を補助すると共にグルーブ部における正圧発生のための液体の供給を補助することができ、高圧流体と低圧流体との圧力差が大きい場合でも、しゅう動面Sにおける液膜切れを防止することができる。
この特徴によれば、高圧の気体の低圧側への漏洩を低減することができ、密封機能を増大することができる。
(1)一対のしゅう動部品の一方の側には高圧の気体が、他方の側には低圧の液体が存在するものにおいて、少なくとも一方のしゅう動部品のしゅう動面には、正圧発生溝を備えた正圧発生機構が設けられると共に、高圧の気体側には円環状の深溝が配設され、円環状の深溝は、高圧の気体側とはランド部により隔離され、半径方向の深溝により低圧の液体側と連通されることにより、しゅう動面全体に積極的に低圧の液体を導入すると同時に、しゅう動面への高圧の気体の進入を阻止し、液膜を保持したままのしゅう動を可能とし、高圧側及び低圧側の両流体を密封することができ、密封と潤滑という相反する条件を両立させたしゅう動部品を提供することができる。
なお、以下の実施例においては、しゅう動部品の一例であるメカニカルシールを例にして説明する。また、メカニカルシールを構成するしゅう動部品の外周側を低圧の液体側(低圧流体側ともいう。)、内周側を高圧の気体側(高圧流体側ともいう。)として説明するが、本発明はこれに限定されることなく、低圧流体側と高圧流体側とが逆の場合も適用可能である。
なお、回転側密封環3のしゅう動面に本発明が適用された場合も基本的には同様であるが、その場合、後記する半径方向の深溝等の低圧の液体側に連通する必要のあるものは、回転側密封環3のしゅう動面の外周側まで設けられる必要はない。
図2においては、正圧発生溝11は、レイリーステップ機構を構成するグルーブ部11から形成され、その平面形状は、径方向にはしゅう動面の幅の半分以上の幅を有し、周方向には径方向の幅よりやや長い略矩形状をしており、また、周方向において隣接するグルーブ部11とはランド部Rにより隔離されており、周方向に16等配で設けられている。
なお、グルーブ部11は1以上あればよく、また、等配でなくともよい。
レイリーステップ機構については、後記において詳述する。
また、正圧発生機構を構成するものとしては、レイリーステップ機構に限らず、たとえば、スパイラルグルーブからなるスパイラル機構でもよい。
円環状の深溝14と高圧流体側との間のランド部Rの幅は、高圧流体と低圧流体との圧力差に応じて最適な値に設定される。
図2においては、半径方向の深溝13は、周方向に4等配(図2においては垂直方向の上下及び水平方向の左右の4個)で配設されており、グルーブ部11の周方向の中心部に位置するように形成されている。このため、半径方向の深溝13が形成されている個所のグルーブ部11は、半径方向の深溝13により分断されて半径方向の深溝13の周方向の両側に対称に形成されることになる。
なお、半径方向の深溝13は1以上あればよく、また、等配でなくともよい。
たとえば、高圧流体と低圧流体との圧力差が小さい場合は4等配に、また、圧力差が大きい場合は12等配にするなどして、しゅう動面への低圧流体の導入を調整する。
また、図3(a)(b)に示すように、円環状の深溝14及び半径方向の深溝13の溝深さd1は正圧発生溝11の溝深さd2より深く、およそd1=250d2〜500d2である。
なお、逆レイリーステップ機構については後記において詳述する。
図4(a)において、相対するしゅう動部品である回転側密封環3、及び、固定側密封環5が矢印で示すように相対しゅう動する。固定側密封環5のしゅう動面には、相対的移動方向と垂直かつ上流側に面して狭まり隙間(段差)を構成するレイリーステップ11aが形成され、該レイリーステップ11aの上流側には正圧発生溝であるグルーブ部11が形成されている。相対する回転側密封環3及び固定側密封環5のしゅう動面Sは平坦である。
回転側密封環3及び固定側密封環5が矢印で示す方向に相対移動すると、回転側密封環3及び固定側密封環5のしゅう動面S間に介在する流体が、その粘性によって、回転側密封環3または固定側密封環5の移動方向に追随移動しようとするため、その際、レイリーステップ11aの存在によって破線で示すような正圧(動圧)を発生する。
なお、Rはランド部を示す。
回転側密封環3及び固定側密封環5が矢印で示す方向に相対移動すると、回転側密封環3及び固定側密封環5のしゅう動面S間に介在する流体が、その粘性によって、回転側密封環3または固定側密封環5の移動方向に追随移動しようとするため、その際、逆レイリーステップ12aの存在によって破線で示すような負圧を発生する。
次に、回転軸1が駆動され、回転側密封環3が回転されると、回転側密封環3と固定側密封環5とのしゅう動面Sが相対しゅう動され、正圧発生機構10により正圧が発生されてしゅう動面S同士がわずかに離間され、高圧流体側の気体がしゅう動面Sに流入しようとするが、円環状の深溝14に導入されている液体が周方向に旋回されるため、高圧の気体はここでブロックされてしゅう動面Sの内部に進入することができない。
同時に、しゅう動面Sには、低圧流体側の液体が進入して液膜が形成される。
本発明者らの試験によると、円環状の深溝14の高圧流体側の付近に円環状の気液界面が形成され、しゅう動面では液膜切れを起こすことなく流体潤滑を維持したまましゅう動していることが確認された。
(1)互いに相対しゅう動する一対のしゅう動部品3、5を備え、一対のしゅう動部品3、5の一方の側には高圧の気体が、他方の側には低圧の液体が存在するものにおいて、少なくとも一方のしゅう動部品のしゅう動面Sには、正圧発生溝11を備えた正圧発生機構10が設けられると共に、高圧の気体側には円環状の深溝14が配設され、円環状の深溝14は、高圧の気体側とはランド部Rにより隔離され、半径方向の深溝13により低圧の液体側と連通されることにより、しゅう動面S全体に積極的に低圧の液体を導入すると同時に、しゅう動面Sへの高圧の気体の進入を阻止し、液膜を保持したままのしゅう動を可能とし、高圧側及び低圧側の両流体を密封することができ、密封と潤滑という相反する条件を両立させたしゅう動部品を提供することができる。
(2)円環状の深溝14及び半径方向の深溝13の溝深さd1は正圧発生溝11の溝深さd2の250倍〜500倍であることにより、しゅう動面S全体に、より積極的に低圧流体側の液体を導入できると同時に、高圧の気体の進入を阻止ことができる。
(3)半径方向の深溝13は、周方向において等配に複数設けられることにより、しゅう動面全体に均一に液体を導入することができ、また、円環状の深溝14に対しても十分に液体を導入することができる。
(4)正圧発生溝11は、円環状の深溝14より低圧の液体側に配設されると共に低圧の液体側に連通され、高圧の気体側とはランド部Rにより隔離されることにより、低圧の液体の粘性を利用してしゅう動面に十分な正圧を発生することができる。
(5)正圧発生溝11は、レイリーステップ機構を構成するグルーブ部から形成され、少なくとも一部のグルーブ部は半径方向の深溝13の周方向の両側に対称に形成されることにより、回転側密封環が両方向に回転する機器に適したものとすることができる。
実施例2は、正圧発生溝を構成するレイリーステップ機構のグルーブ部の周方向の中央部分が一段と低く形成される点で実施例1と相違するが、その他の基本構成は実施例1と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図5においては、グルーブ部11は周方向に12等配設けられている。
また、半径方向の深溝13は、外周側が低圧流体側と連通され、内周側が円環状の深溝14と連通されており、周方向に4等配(図5においては垂直方向の上下及び水平方向の左右の4個)で配設されており、グルーブ部11の周方向の中心部に位置するように形成されている。このため、半径方向の深溝13が形成されている4個所のグルーブ部11は、半径方向の深溝13により分断されて半径方向の深溝13の周方向の両側に対称に形成されることになる。
液体導入補助溝15の溝幅及び溝深さは高圧流体と低圧流体との圧力差が大きい場合は大きく、小さい場合は小さく設定される。
そのため、高圧流体と低圧流体との圧力差が大きい場合でも、しゅう動面Sにおける液膜切れを防止することができる。
実施例3は、正圧発生溝を構成するレイリーステップ機構のグルーブ部の低圧流体側の端部がランド部Rにより低圧流体側と隔離される点で実施例2と相違するが、その他の基本構成は実施例2と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
実施例4は、半径方向の深溝は、周方向に4等配で配設され、正圧発生溝を構成するレイリーステップ機構のグルーブ部は半径方向の深溝の周方向の両側にのみ対称に形成される点で実施例2と相違するが、その他の基本構成は実施例2と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
グルーブ部19の外周縁は低圧流体側に連通され、高圧流体側とはランド部Rにより隔離されている。
実施例5は、正圧発生溝を構成するレイリーステップ機構のグルーブ部の低圧流体側の端部がランド部Rにより低圧流体側と隔離される点で実施例4と相違するが、その他の基本構成は実施例4と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
実施例6は、正圧発生溝を構成するレイリーステップのグルーブ部が半径方向の深溝の下流側にのみ設けられる点で上記実施例1〜5と相違するが、その他の基本構成は上記実施例1〜5と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
図9においては、半径方向の深溝13は、周方向に12等配で配設されており、グルーブ部21の上流側の端部が半径方向の深溝13に連通されている。
実施例7は、正圧発生溝を構成するレイリーステップ機構のグルーブ部の低圧流体側の端部がランド部Rにより低圧流体側と隔離される点で実施例6と相違するが、その他の基本構成は実施例6と同じであり、同じ部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
2 スリーブ
3 回転側密封環
4 ハウジング
5 固定側密封環
6 コイルドウェーブスプリング
7 ベローズ
10 正圧発生機構(レイリーステップ機構)
11 正圧発生溝(レイリーステップ機構を構成するグルーブ部)
11a レイリーステップ
12 逆レイリーステップ機構を構成するグルーブ部
12a 逆レイリーステップ
13 半径方向の深溝
14 円環状の深溝
15 液体導入補助溝
16、18、20 正圧発生機構(レイリーステップ機構)
17、18、21 正圧発生溝(レイリーステップ機構を構成するグルーブ部)
S シール面
R ランド部
Claims (7)
- 互いに相対しゅう動する一対のしゅう動部品を備え、前記一対のしゅう動部品の一方の側には高圧の気体が、他方の側には低圧の液体が存在するものにおいて、少なくとも一方のしゅう動部品のしゅう動面には、正圧発生溝を備えた正圧発生機構が設けられると共に、前記高圧の気体側には円環状の深溝が配設され、前記円環状の深溝は、前記高圧の気体側とはランド部により隔離され、半径方向の深溝により前記低圧の液体側と連通されることを特徴とするしゅう動部品。
- 前記円環状の深溝及び前記半径方向の深溝の溝深さは前記正圧発生溝の溝深さの250倍〜500倍であることを特徴とする請求項1に記載のしゅう動部品。
- 前記半径方向の深溝は、周方向に複数設けられることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のしゅう動部品。
- 前記正圧発生溝は、円環状の深溝より前記低圧の液体側に配設されると共に前記低圧の液体側に連通され、前記高圧の気体側とはランド部により隔離されることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のしゅう動部品。
- 前記正圧発生溝は、レイリーステップ機構を構成するグルーブ部から形成され、少なくとも一部のグルーブ部は前記半径方向の深溝の周方向の両側に対称に形成されることを特徴とする請求項4に記載のしゅう動部品。
- 前記正圧発生溝は、レイリーステップ機構を構成するグルーブ部から形成され、少なくとも一部のグルーブ部は周方向の中央部分に液体導入補助溝が形成されることを特徴とする請求項4に記載のしゅう動部品。
- 前記一方側のしゅう動面には、負圧発生溝を備えた負圧発生機構が設けられることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のしゅう動部品。
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