JPWO2018155461A1 - シール装置 - Google Patents

Abstract

フローティングリングが回転軸の動きに追従して、シール作用と振動減衰機能を発揮できるシール装置を提供する。ハウジング（１１）と該ハウジング（１１）を貫通する回転軸（２０）との間を封止するシール装置（１０）であって、回転軸（２０）に対して間隙ｈを介して配設されるフローティングリング（１５）を具備し、フローティングリング（１５）は周方向に向って支持する少なくとも一つの弾性支持手段（１８）を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ハウジングと該ハウジングを貫通する回転軸との間を封止するシール装置に関し、特に、ポンプ等の流体機械の回転軸に使用されるフローティングリングを備えたシール装置に関する。

従来、ポンプ等の回転流体機械においては、流体をシールするため、フローティングシールが使用され、例えば、図３に示すものが知られている（以下、「従来技術１」という。例えば、特許文献１参照。）。この従来技術は、流体機械の回転軸４５と、該回転軸４５の外周に取付けられ回転軸と一体に回転するスリーブ４４と、スリーブ４４とクリアランスを有して遊嵌されたシールリング４１と、該シールリング４１の外周の４箇所に設けられた板バネ４６と、シールリング４１を収納するリテーナ４２と、を備え、板バネ４６の突起４６Ａがリテーナ４２に設けた溝４２Ａに係合された状態でシールリング４１は板バネ４６によって支持されている。そして、シールリング４１の内周面と回転軸４５のスリーブ４４との間に発生するくさび効果（くさび部に発生する動圧の効果）と、ロマキン効果（シール差圧が生じた際、シールリングと軸との表面間の流体の流動損失による調心効果）とにより、シールリング４１の内周面と回転軸４５との間の隙間を一定に保つとともに、シールリング４１は高圧流体側からリテーナ４２側へ軸方向に押し付けられ、シールリング４１とリテーナ４２は密封されている。また、シールリング４１は回り止めピン４３を有し、該回り止めピン４３がリテーナの穴４９に挿入され、シールリング４１はリテーナ４２に対して回転方向の移動が規制されている。

特開昭５７−１５４５６２号公報

しかしながら、特許文献１にあっては、回転軸４５とシールリング４１の隙間を流れる流体は回転軸４５の回転速度に近い速度で回転するため、シールリング４１は回転軸４５とシールリング４１の隙間を流れる流体の粘性によって周方向に引きずられる。このため、シールリング４１に取付けられた回り止めピン４３はリテーナの穴４９に断続的に衝突し、回り止めピン４３やリテーナ穴４９に面荒れが生じて回り止めピン４３がリテーナ穴４９と固着してしまう虞がある。この結果、シールリング４１がリテーナ４２に拘束され、シールリング４１は回転軸４５の動きに追従することができず、回転軸とシールリングとが接触して損傷したり、径方向間隙が最適値より大きくなって適正なシール作用が得られない虞があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、フローティングリングが回転軸の動きに追従して、シール作用と振動減衰機能を発揮できるシール装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のシール装置は、
ハウジングと該ハウジングを貫通する回転軸との間を封止するシール装置であって、
前記回転軸に対して間隙を介して配設されるフローティングリングを具備し、
前記フローティングリングは周方向に向って支持する少なくとも一つの弾性支持手段を備えるとしている。
この特徴によれば、フローティングリングはハウジングに対して周方向に弾性支持されるので、フローティングリングはハウジングと衝突することがなくなり、フローティングリングはハウジングに拘束されることなく回転軸の動きに追従して、シール作用を発揮することができる。

本発明のシール装置は、
前記弾性支持手段は、前記フローティングリングの中心を通る鉛直線に対して対称に配置されることを特徴としている。
この特徴によれば、フローティングリングは弾性支持手段によって周方向及び径方向に支持されるので、回転軸とシールリングのクリアランスを適正に保ち、シール作用を発揮することができる。

前記ハウジングの内周部は径方向外側に向けて形成された凹部、前記フローティングリングの外周部は径方向外側に向けて突出するとともに前記凹部に係合する突状部を備え、
前記弾性支持手段は、前記凹部と前記突状部の間に配設されるとともに周方向に伸縮する弾性部材を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、フローティングリングを周方向に弾性支持することができる。

本発明のシール装置は、
前記フローティングリングは摺動性の高い材料からなることを特徴としている。
この特徴によれば、フローティングリングは摺動性の高い材料からなるので、弾性支持手段との固着を防止でき、フローティングリングはハウジングに拘束されることなく回転軸の動きに追従して、シール作用を発揮することができる。

本発明の実施の形態に係るシール装置の正面断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図（側断面図）である。 従来のシール装置の側断面図である。

本発明に係るシール装置を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。

本発明の実施の形態に係るシール装置１０を図１及び図２を参照して説明する。ケーシング２１を貫通するようにして流体機械の回転軸２０が配設されており、左側が高圧側、右側が低圧側である。シール装置１０は、フローティングリング１５と、該フローティングリング１５を収納するハウジング１１から主に構成される。

ハウジング１１は、ホルダ１１ａとフランジ１１ｂとから主に形成される。ホルダ１１ａは締結手段２２によってケーシング２１に固定される。ホルダ１１ａ及びフランジ１１ｂは、それぞれ回転軸２０と所定の隙間を有し、回転軸２０が貫通する孔を有する。ホルダ１１ａの内周部には、内周壁部１１ｄと径方向壁部１１ｅとによって囲まれる収納部１１ｆを有する。そして、ハウジング１１の内周壁１１ｄ、内周壁１１ｄの軸方向をそれぞれ区画する径方向壁１１ｅ及びフランジ１１ｂ、並びに、ハウジング１１を貫通する回転軸２０によって囲まれる空間Ｓにフローティングリング１５が収納される。ホルダ内周部の収納部１１ｆの内周壁部１１ｄには、径方向外側に向けて、一対の側方壁１１ｊと天井壁１１ｋを有する断面略矩形の凹部１１ｇが、周方向に離間して等間隔で複数（本実施例では４箇所）形成されている。また、径方向壁部１１ｅは、その内径側に径方向壁部１１ｅよりわずかに飛び出たホルダ側２次シール面１１ｃを有している

フローティングリング１５は、シールリング１３、シールリング１３の外周に嵌合されるリテーナ１２から主に構成される。

シールリング１３は、断面略矩形の円環状の部材で、カーボンなどの摺動性の良い材料から構成される。シールリング１３の内周面１３ａは、回転軸２０の外周面２０ａ対し微小な径方向間隙ｈを有する円筒面に構成されている。

リテーナ１２はステンレス、鋼、銅、アルミニウム等の金属やプラスチック、合成樹脂、カーボン繊維、ガラス繊維によって補強されたＦＲＰ等の材料からなる環状部材であり、ホルダ１１ａの収納部１１ｆより小径に形成される。リテーナ１２はカーボン等からなるシールリング１３の外周にしまり嵌めされることによって、シールリング１３に圧縮力を付加している。これにより、シールリング１３をカーボンのような脆い材料から構成しても、回転軸２０と接触等によるシールリング１３の破損を防止することができる。リテーナ１２の外周部には、径方向外側に向けて突出するとともにハウジング１１の内周部の収納部１１ｆに形成された凹部１１ｇと係合する断面略矩形の突状部１７が、凹部１１ｇと同数個形成され、等間隔で設けられている。突状部１７は一対の径方向に延びる端部壁１７ａと一対の端部壁１７ａを接続する外周壁１７ｂを有する断面略矩形の凸状の突起である。突状部１７は、凹部１１ｇの周方向幅より幅狭に形成される。そして、突状部１７は、凹部１１ｇに係合された状態で、凹部１１ｇの側方壁１１ｊ、１１ｊと突状部１７の端部壁１７ａ、１７ａとの間に弾性部材１４を収納する空隙部が形成される。なお、突状部１７は、リテーナ１２と一体で形成してもよいし、リテーナ１２と別体で形成した突状部１７をリテーナ１２に取付けてもよい。

突状部１７の端部壁１７ａとハウジング１１の凹部１１ｇの側方壁１１ｊとの間に配設された弾性部材１４によって本発明の弾性支持手段１８が構成される。弾性部材１４は、たとえばコイルスプリング、板バネ、ゴム等の伸縮性に富んだ材料からなり、使用される温度条件、要求される支持力によって選択される。そして、リテーナ１２の外周部に設けられた突状部１７は、ホルダ１１ａの凹部１１ｇに係合され、凹部１１ｇの側方壁１１ｊ、１１ｊと突状部１７の端部壁１７ａ、１７ａとの間の空隙部に、弾性部材１４は周方向に伸縮するように突状部１７の両側に取付けられる。

図２に示すように、フローティングリング１５はハウジング１１の中心Ｏを通る鉛直線Ｃ−Ｃに対し、弾性支持手段１８は略対称に取り付けられているので、フローティングリング１５は弾性支持手段１８によって非連成支持され、縦方向に支持する弾性支持手段１８と横方向に支持する弾性支持手段１８は互いの影響を及ぼすことなく支持できる。また、フローティングリング１５の自重は水平方向に取付けられた一対の弾性支持手段１８によって支持することができ、フローティングリング１５の中心とハウジング１１の中心のずれを無視できる程度に保つことができるので、シールリング１３の内周面１３ａと回転軸２０の外周面２０ａとの間に全周に亘って隙間を保つことができる。したがって、フローティングリング１５と回転軸２０との上側径方向間隙ｈ１が確保できるように弾性支持手段１８の個数（たとえば、２以上の自然数）、寸法、形状を適切に決定すれば、フローティングリング１５と回転軸２０は停止中においても接触しないようにすることができる。なお、本実施例においては、弾性支持手段１８は上下左右の４箇所に等間隔に配置しているが、フローティングリング１５と回転軸２０との上側径方向間隙ｈ１を確保できるものであればよい。たとえば、図２の４個の弾性支持手段１８を４５°傾けてフローティングリング１５をハウジング１１の中心Ｏを通る鉛直線Ｃ−Ｃに対し略対称に配置してもよい。また、４個以上の弾性支持手段１８を配置する場合もハウジング１１の中心Ｏを通る鉛直線Ｃ−Ｃに対し略対称に配置すればよい。

また、フローティングリング１５はバネなど付勢手段１９によって付勢されているので、シールリング側２次シール面１３ｃとホルダ側２次シール面１１ｃとが密着してシールリング１３とホルダ１１ａは密封される。以下、シールリング側２次シール面１３ｃとホルダ側２次シール面１１ｃとの密着による密封手段を二次シールと記す。

次に前述のような構成のシール装置１０の作用を説明する。回転流体機械の停止中において、弾性支持手段１８の弾性反発力によって周方向に支持されるとともに、フローティングリング１５の自重も支持できるので、シールリング１３の内周面１３ａは、回転軸２０の外周面２０ａ対し微小な径方向間隙ｈ１、ｈ２を保った状態で調心される（図２参照）。すなわち、弾性支持手段１８のみよって、フローティングリング１５は周方向にも、径方向にも支持されるので、フローティングリング１５と回転軸２０との間にくさび効果が発生しない停止中であっても、フローティングリング１５のシールリング１３と回転軸２０は微小な径方向間隙ｈ１、ｈ２が保つように機能する。これにより、くさび効果による動圧が発生しない回転流体機械の起動時においてもシールリング１３の摩耗を防ぐことができる。また、停止時において、二次シールは、フローティングリング１５はバネなど付勢手段１９によって付勢されているので、シールリング側２次シール面１３ｃとホルダ側２次シール面１１ｃとが密着して密封される。

回転流体機械の運転中においても、ハウジング１１とフローティングリング１５は、弾性支持手段１８の弾性反発力によって周方向に支持されるとともに、フローティングリング１５の自重も支持するように機能する。このとき、フローティングリング１５の自重の影響によって、上側径方向間隙ｈ１は狭く、下側径方向間隙ｈ２は広くなっても、間隙が小さくなった上側部分にくさび効果による動圧が発生するので、フローティングリング１５と回転軸２０との径方向間隙ｈを均等になるように調心される。

また、回転軸２０が振動によって振れ回ると、弾性支持手段１８の弾性反発力とくさび効果による動圧の両方によって、フローティングリング１５のシールリング１３と回転軸２０は径方向間隙ｈを保つように機能するので、フローティングリング１５は回転軸２０の動きも規制する効果を発揮し、回転軸２０の振動を低減することができる。

また、運転中においては、フローティングリング１５は、付勢手段１９の押圧力に加えて、さらに高圧流体側から低圧流体側への圧力によって押されるので、シールリング側２次シール面１３ｃとホルダ側２次シール面１１ｃとがさらに密着するので、二次シールのシール効果はさらに高まる。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。

回転流体機械が停止中において、弾性支持手段１８の弾性反発力によって、フローティングリング１５のシールリング１３と回転軸２０は径方向間隙ｈを保つように機能するので、回転流体機械の起動時においてもシールリング１３の摩耗を防ぐことができる。また、回転流体機械の運転中において、フローティングリング１５と回転軸２０との径方向間隙ｈが周方向に不均一になったとしても、間隙が小さくなった部分にくさび効果による動圧が発生するので、フローティングリング１５と回転軸２０との径方向間隙ｈを均等になるように調心される。これにより、停止中及び運転中において良好なシール状態が得ることができ、シールリング１３の摩耗を防ぐことができる。

フローティングリング１５は、回転軸２０が振動によって振れ回ったとしても、弾性支持手段１８の弾性反発力とくさび効果による動圧の両方によって、フローティングリング１５のシールリング１３と回転軸２０は径方向間隙ｈを保つように機能するので、フローティングリング１５は回転軸２０の動きも規制する効果を発揮し、回転軸２０の振動を低減することができる。

シールリング１３は、カーボン等の自己潤滑性、摺動性に優れた材料から構成されるので、運転中にホルダ側２次シール面１１ｃと常に相対変位しても、摩耗、面荒れ等を防止でき、長期間に亘って二次シールの機能を維持することができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、上記実施例において、フローティングリング１５は環状一体に構成したが、これに限らず周方向に分割して構成したものを環状に一体に組み立ててもよい。

上記実施例において、フローティングリング１５は付勢手段１９によって付勢されていたが、付勢手段１９を使用しないで、高圧流体側から低圧流体側への圧力によって、シールリング側２次シール面１３ｃとホルダ側２次シール面１１ｃとがさらに密着させて、二次シールを構成してもよい。

上記実施例において、リテーナ１２はプラスチック、合成樹脂等の摺動性の良い材料から構成したが、これに限らない。たとえば、リテーナ１２をステンレス、鋼、銅、アルミニウム等の金属から構成してもよい。

また、本発明はシール装置を主目的として用いるが、軸の振動を減衰する減衰装置として用いてもよい。

１０ シール装置
１１ ハウジング
１１ａ ホルダ
１１ｂ フランジ
１２ リテーナ
１３ シールリング
１４ 弾性部材
１５ フローティングリング
１７ 突状部
１８ 弾性支持手段
１９ 付勢手段
２０ 回転軸
２１ ケーシング
２２ 締結手段
ｈ 間隙
Ｓ 空間

Claims (4)

1. ハウジングと該ハウジングを貫通する回転軸との間を封止するシール装置であって、
   前記回転軸に対して間隙を介して配設されるフローティングリングを具備し、
   前記フローティングリングは周方向に向って支持する少なくとも一つの弾性支持手段を備えることを特徴とするシール装置。
2. 前記弾性支持手段は、前記フローティングリングの中心を通る鉛直線に対して対称に配置されることを特徴とする請求項１に記載のシール装置。
3. 前記ハウジングの内周部は径方向外側に向けて形成された凹部、前記フローティングリングの外周部は径方向外側に向けて突出するとともに前記凹部に係合する突状部を備え、
   前記弾性支持手段は、前記凹部と前記突状部の間に配設されるとともに周方向に伸縮する弾性部材を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のシール装置。
4. 前記フローティングリングは摺動性の高い材料からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のシール装置。

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