JPWO2018155462A1 - シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長時間運転してもフローティングリングが回転軸の動きに追従して、回転軸とシールリングのクリアランスを適正に保つことができ、フローティングリングによるシール作用と振動減衰機能を発揮でき、組立てが容易なシール装置を提供する。【解決手段】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に取付けられたスリーブ４４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。

特開昭５７−１５４５６２号公報

しかしながら、従来技術１にあっては、シールリング４１の外周と板バネ４６は常に径方向、周方向に相対変位しながら接触しているため、長時間運転するとシールリング４１の外周と板バネ４６との接触部Ｘは面荒れが生じて、シールリング４１と板バネ４６が固着してしまい、シールリング４１が回転軸４５の動きに追従できなくなる場合がある。また、板バネ４６の突起４６Ａはリテーナ４２の溝４２Ａ内で摩耗や、変形が生じ、板バネ４６がシールリング４１の動きに追従できなくなる場合もある。この結果、シールリング４１、板バネ４６が回転軸４５の動きに追従することができず、自動調心作用が失われ、回転軸４５とシールリング４１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る。

さらに、従来技術１にあっては組立てに手間を要していた。すなわち、板バネ４６をリテーナ４２に設け、その後リテーナ４２内にシールリング４１を挿入する場合に、一旦、板バネ４６を圧縮してシールリング４１を挿入するための隙間を確保しなければならない。逆に、先にリテーナ４２内にシールリング４１を配置した後に板バネ４６をリテーナ４２に設ける場合には、板バネ４６を圧縮して、リテーナ４２とシールリング４１との間に隙間を確保して配置しなければならず、組立てに手間がかかっていた。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、長時間運転してもフローティングリングが回転軸の動きに追従して、回転軸とフローティングリングのクリアランスを適正に保つことができ、フローティングリングによるシール作用と振動減衰機能を発揮でき、組立てが容易な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非接触で周方向に支持する少なくとも一つの支持手段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は周方向に非接触で支持されるので、フローティングリングはハウジングに拘束されることがなく、長時間運転してもフローティングリングは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、また、支持手段へのフローティングリングの設置が容易な構造とすることができる。

本発明のシール装置は、
前記支持手段は、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、支持手段によってフローティングリングの周方向及び径方向を支持することができるので、回転軸とフローティング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。

前記支持手段は、前記ハウジングに配設されるとともに周方向に磁極面を向けた第１磁石及び前記フローティングリングに配設されるとともに周方向に磁極面を向けた第２磁石を備え、前記第１磁石と前記第２磁石は同じ極同士が対向するように配設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磁石の周方向反発力によって押さえ付けられるので、回転軸はフローティングリングを介して動きが制限されるので、回転軸の振動を低減することができる。

本発明のシール装置は、
前記第１磁石及び前記第２磁石は、それぞれＮ極とＳ極が隣接する磁極隣接面を非磁性材料によって囲むことを特徴としている。
この特徴によれば、永久磁石の漏れ磁束を低減できるので効率よく磁力を利用することができる。

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。 ２Ａは図１のＡ−Ａ断面図（側断面図）、２Ｂは支持手段の拡大図である。 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１１ａの内周壁部１１ｄの一部には径方向外側に向けて凹部１１ｇが周方向に等間隔で複数（本実施例では４箇所）形成されている。また、凹部１１ｇのそれぞれには周方向に離間して１対の永久磁石１４（本発明の第１磁石）が取付けられている。さらに、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、リテーナ１２の外周に配設された永久磁石１７（本発明の第２磁石）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はオーステナイト系ステンレス、プラスチック、合成樹脂等の非磁性材料からなる環状部材である。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の外周には、ハウジング１１の凹部１１ｇと対応する位置に永久磁石１７が、凹部１１ｇと同数個、周方向に等間隔で取付けられている。

リテーナ１２の外周部に取付けられた永久磁石１７とハウジング１１の凹部１１ｇに取付けられた一対の永久磁石１４とによって本発明の支持手段１８が構成される。永久磁石１４と永久磁石１７は、フェライト磁石、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、プラセオジム磁石等からなり、使用される温度条件、要求される磁力によって選択される。永久磁石１４、永久磁石１７はそれぞれ周方向に磁束が流れるようにＮ磁極面１４Ｎ、１７Ｎ及びＳ磁極面１４Ｓ、１７Ｓが周方向を向くように取付けられる。さらに、永久磁石１７は一対の永久磁石１４の間に同極の磁極が対向するように取付けられる。そしてフローティングリング１５はハウジング１１の空間Ｓ内に収納され、永久磁石１４と永久磁石１７との同極の磁極同士が反発して、フローティングリング１５はハウジング１１に対し周方向空隙ｋをもって支持される。

図２に示すように、ハウジング１１の中心Ｏを通る鉛直線Ｃ−Ｃに対し、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は支持手段１８によって非連成支持され、縦方向に支持する支持手段１８と横方向に支持する支持手段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支持手段１８の個数（たとえば、２以上の自然数）、永久磁石の種類、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。また、リテーナ１２をオーステナイト系ステンレスではなく、プラスチック、合成樹脂等から構成することで、リテーナの軽量化を図ることができ、フローティングリング１５は支持手段１８の永久磁石１４と永久磁石１７の磁気反発力によって浮き上がり易くすることができる。なお、本実施例においては、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個の支持手段１８を４５°傾けてフローティングリングの中心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個以上の支持手段１８を配置する場合も中心Ｏを通る鉛直線Ｃ−Ｃに対し略対称に配置してもよい。

永久磁石１４及び永久磁石１７において、異なる磁極が隣接する磁極隣接面１４ａ、１７ａは、オーステナイトステンレス、プラスチック、空気などの非磁性材料によって覆われている。永久磁石１４及び永久磁石１７の磁極隣接面１４ａ、１７ａは、Ｎ極とＳ極が近接しているため、磁束がＮ極からＳ極へ短絡して流れる漏れ磁束が大きい。このため、永久磁石１４及び永久磁石１７の磁極隣接面１４ａ、１７ａを磁気抵抗の高い非磁性材料によって覆うことにより漏れ磁束を減少でき、永久磁石１４と永久磁石１７との磁気反発力を高めることができる。なお、オーステナイトステンレスよりもプラスチック、空気の方が漏れ磁束を低減する効果は大きい。

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、支持手段１８の永久磁石１４と永久磁石１７との磁気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、フローティングリング１５のシールリング１３の内周面１３ａは、回転軸２０の外周面２０ａに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）。このように支持手段１８は、周方向にも、径方向にも支持する力を発生できるので、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が保たれる。これにより、回転流体機械の起動時におけるシールリング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、支持手段１８の永久磁石１４と永久磁石１７との磁気反発力によって周方向空隙ｋを保つともに、フローティングリング１５の自重を保つように機能する。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、支持手段１８の永久磁石１４と永久磁石１７との磁気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、支持手段１８の磁気反発力によって、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。

ハウジング１１の内径側に配置されるフローティングリング１５は、ハウジング１１に対して隙間を有し、非接触であるため、取付のための治具等が必要なく、ハウジング１１内部に挿入するだけで、簡単にハウジング内部に配置することができる。

また、回転軸２０が振動によって振れ回ったとしても、支持手段１８の永久磁石１４と永久磁石１７との磁気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。

支持手段１８の磁気反発力によって、フローティングリング１５はハウジング１１に対し非接触で周方向空隙ｋを一定に保つように機能するので、支持手段１８はフローティングリング１５及びハウジング１１に固着することなく、長期にわたってその機能を発揮することができる。

永久磁石１４及び永久磁石１７の磁極隣接面１４ａ、１７ａは非磁性材料によって覆われているので、漏れ磁束を低減して効率良く永久磁石１４と永久磁石１７との反発力を高めることができる。

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、支持手段１８はリテーナ１２の外周部に取付けられた永久磁石１７とハウジング１１のフランジ１１ｂの内周部に取付けられた永久磁石１４とによって構成されていたが、これに限らない。たとえば、リテーナ１２の外周部に永久磁石を取付け、ハウジング１１のフランジ１１ｂの内周部に電磁石を取付けて構成してもよい。

また、ポンプの作動流体が液体ヘリウムのような超低温の流体の場合には永久磁石に換えて、超電導磁石や常電導磁石としてもよい。超電導状態においてはピン止め効果を有するため、フローティングリングの径方向位置、軸方向位置を支持する効果をさらに高めることができる。

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 永久磁石（第１磁石）
１４Ｎ、１４Ｓ 磁極面
１４ａ 磁極隣接面
１５ フローティングリング
１７ 永久磁石（第２磁石）
１７Ｎ、１７Ｓ 磁極面
１７ａ 磁極隣接面
１８ 支持手段
１９ 付勢手段
２０ 回転軸
２１ ケーシング
２２ 締結手段
Ｓ 空間
ｋ 周方向空隙
ｈ 径方向空隙
Ｃ−Ｃ 鉛直線

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非接触で周方向に支持する少なくとも一つの支持手段を備えることを特徴とするシール装置。
2. 前記支持手段は、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. 前記支持手段は、前記ハウジングに配設されるとともに周方向に磁極面向けた第１磁石及び前記フローティングリングに配設されるとともに周方向に磁極面を向けた第２磁石を備え、前記第１磁石と前記第２磁石は同じ極同士が対向するように配設され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. 前記第１磁石及び前記第２磁石は、それぞれＮ極とＳ極が隣接する磁極隣接面を非磁性材料によって囲まれることを特徴とする請求項３に記載のシール装置。
   
   
   

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