JPWO2018155464A1 - シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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を発揮して、回転軸の振動を減衰できる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とハウジング１１の間に配設された渦巻き状フォイル１４を備える。【選択図】図１

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

特許文献１にあっては、シールリング４１は板バネ４６を介してリテーナ４２に対して弾性支持される。しかし、板バネ４６のみでは減衰力を十分に得ることができない。このため、回転軸４５が大きく振れ回った場合、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の壁面に衝撃的に接触し、長時間運転すると、回り止めピン４３の表面やリテーナ穴４９の壁面に面荒れが生じ、回り止めピン４３がリテーナ穴４９に対して滑らかに動くことができない虞がある。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。

上記問題を解決するために、径方向用の弾性支持手段及び周方向用の弾性支持手段を設けることによって、シールリング４１を両方向に支持することも考えられるが、シール装置が複雑化、大形化し、相手方の回転流体機械に組み込むのが困難になってしまう問題もある。

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を発揮でき、回転軸の周方向及び径方向の振動を減衰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と前記ハウジングの間に配設された渦巻き状フォイルを備えることを特徴としている。
この特徴によれば、渦巻き状フォイルはスクイズフィルムダンパとして機能して振動減衰力を発生するとともに、渦巻き状フォイル自身の弾性復元力によって径方向及び周方向に付勢力及び減衰力を発生できる。これにより、回転軸が振れ回ってもフローティングリングは渦巻き状フォイルから径方向及び周方向の付勢力を受けて、回転軸の振動を低減でき、延いては回転軸に対して適正は隙間を保ちシール性を発揮できる。

本発明のシール装置は、
前記渦巻き状フォイルは多層に形成されていることを特徴としている。
この特徴によれば、渦巻き状フォイルを多層に形成することでスクイズフィルムダンパの振動減衰力を大きくすることができる。

本発明のシール装置は、
渦巻き状フォイルの厚さは０．５ｍｍ以下であることを特徴としている。
この特徴によれば、振動低減機能を備えたシール装置を簡単かつ小形に構成することができる。

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）の模式図で、渦巻き状フォイルの機能を説明する図である。 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、径方向間隙ｈを有して回転軸２０の外周に配置されるフローティングリング１５と、フローティングリング１５を収納するハウジング１１と、フローティングリング１５とハウジング１１の間に配設された渦巻き状フォイル１４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、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の内径側には、軸方向視円形の内周壁１１ｄと径方向壁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及び渦巻き状フォイル１４が収納される。さらに、径方向壁１１ｅは、その内径側に径方向壁１１ｅよりわずかに軸方向に飛び出たホルダ側２次シール面１１ｃを有し、ホルダ側２次シール面１１ｃと後述するシールリング側２次シール面１３ｃとが密着して密封手段としての二次シールを形成する。

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に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、金属、プラスチック、合成樹脂等から構成される断面略矩形の環状部材である。金属としてステンレス、鋼、銅、アルミニウム等が使用される。また、プラスチック、合成樹脂の中でも摺動性の良いものを採用することで渦巻き状フォイル１４との摩擦抵抗を低減できる。さらに、カーボンファイバー、ガラス繊維で補強されたＦＲＰ等を採用することで耐摩耗性を向上することができる。リテーナ１２の外周は同一径に形成された円筒面である。また、リテーナ１２はシールリング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。

渦巻き状フォイル１４は、容易に変形し、かつ、元の形状に復元可能な弾性を有する薄板を渦巻き状に成型したものである。渦巻き状フォイル１４は隙間を設け多層に形成され、自然状態で外径はハウジング１１の内周壁１１ｄより大きく、内径はフローティングリングの外径より小さくなっている。また、渦巻き状フォイル１４がハウジング１１とフローティングリング１５との間に取付けられた状態で、渦巻き状フォイル１４の各層間の隙間は内径側が広く、外径側に向かって徐々に狭くなるように形成されている。これにより回転軸２０に効率良く減衰力を付加することができる。渦巻き状フォイル１４は、０．５ｍｍを超えない肉厚を有し、好ましくは０．０２ｍｍ〜０．１ｍｍである。渦巻き状フォイル１４は、バネ鋼、リン青銅板等降伏点の高い材料からなる。渦巻き状フォイル１４のフォイルの厚さ、幅、層の数は、半径方向及び周方向の復元力の要求値に合うように調整される。また、渦巻き状フォイル１４の各層は互いに接触したときの摩擦抵抗を低減するため低摩擦の樹脂コーティングを施してもよい。また、渦巻き状フォイル１４の各層の耐摩耗性を向上させるためにダイヤモンドライクカーボン、セラミクスコーティングを施してもよい。

ハウジング１１を貫通する回転軸２０の外周に配置されたフローティングリング１５は、ハウジング１１の収納部１１ｆに挿入される。そして、渦巻き状フォイル１４が、その内径を拡径され、外径を縮径されてフローティングリング１５の外周１５ｂとハウジング１１の内周壁１１ｄの間に取付けられる。渦巻き状フォイル１４は、フローティングリング１５の外周１５ｂとハウジング１１の内周壁１１ｄに対し押圧力を発生しており、この押圧力による摩擦力によって周方向に固定されている。

さらに付勢手段１９を介してフランジ１１ｂによって囲まれることによって空間Ｓ内に収容される。フローティングリング１５はバネなど付勢手段１９により、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間はシールされる。フローティングリング１５は、摺動性の良い材料からなるシールリング１３が付勢手段１９及びホルダ側２次シール面１１ｃと接触しているので、フローティングリング１５は付勢手段１９及びホルダ１１ａとの固着を防止でき、フローティングリング１５の動きが拘束されることがない。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。

このように構成されたシール装置１０の作用を説明する。

回転軸２０が停止中において、渦巻き状フォイル１４の径方向の弾性反発力で、フローティングリング１５は回転軸２０に対し偏心して、径方向間隙ｈが不均一になっている場合がある。しかし、回転軸２０が回転すると、径方向間隙ｈが小さくなった部分の先細り部分に流体の粘性によって流体が引き込まれ、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は回転軸２０から浮き上がり、径方向間隙ｈが形成されるように調心される。

つぎに、回転軸２０が振動によって大きく振れ回ったときのシール装置１０の作用について図２を参照して説明する。図２において、回転軸２０は回転し、ハウジング１１の内周壁１１ｄは静止している。また、渦巻き状フォイル１４の一端はフローティングリング１５に対して、他端はハウジング１１の内周壁１１ｄに対しほとんど動かないように固定されているが、フローティングリング１５、渦巻き状フォイル１４の変形範囲内で、径方向及び周方向に移動できるようになっている。また、空間Ｓ及び渦巻き状フォイル１４の各層間の隙間は高圧の被密封流体で満たされている。なお、回転軸２０がフローティングリング１５の内周面１３ａに最も接近した部分を第１間隙ｈ１、フローティングリング１５の外周面１３ｂがハウジング１１の内周壁１１ｄに最も接近した部分の間隙を第２間隙ｇ１、回転軸２０がフローティングリング１５の内周面１３ａから最も離間した部分を第３間隙ｈ２、フローティングリング１５の外周面１３ｂがハウジング１１の内周壁１１ｄから最も離間した部分を第４間隙ｇ２とする。

回転軸２０が振れ回り、回転軸２０がフローティングリング１５の内周面１３ａに接近すると、第１間隙ｈ１にはくさび効果による動圧が発生してフローティングリング１５は径方向外側方向へ移動する。フローティングリング１５が径方向外側へ移動すると渦巻き状フォイル１４の層間の隙間はフローティングリング１５とハウジング１１の間で圧縮される。フォイル間の隙間が圧縮されると、層間から流体が急速に押し出され、渦巻き状のフォイル間にスクイズ効果による圧力が発生し、層間隙間の縮小抵抗として作用する。また、第１間隙ｈ１と反対側の第４間隙ｇ２では渦巻き状フォイル１４の層間の隙間は拡大しようとするが、流体の粘性の影響で隙間の拡大する速度よりも、隙間へ流体の流れ込む速度が遅くなるため、層間隙間の拡大抵抗として作用する。

このように、渦巻き状フォイル１４の層間隙間の大きさが急速に縮小する部分では、流体の粘性の影響で隙間が縮小する速度よりも、隙間から流体が流出する速度が遅くなるため、層間隙間の縮小抵抗（スクイズ効果）として作用する。一方、渦巻き状フォイル１４の層間隙間の大きさが急速に拡大する部分では、流体の粘性の影響で隙間が拡大する速度よりも、隙間へ流体が流入する速度が遅くなるため、層間隙間の拡大抵抗として作用する。この縮小抵抗及び拡大抵抗は、層間隙間へ流入、流出する流体の速度に比例しており、振動の減衰力として作用する。すなわち、渦巻き状フォイル１４のほぼ全周に亘って、フローティングリング１５の振れ回りを減衰させる力を発生することができる。なお、この減衰力は、渦巻き状フォイル１４の層数が多いほど大きくすることができる。

さらに、回転軸２０が振れ回りによりフローティングリング１５が振れ回ると、渦巻き状フォイル１４自身も径方向及び周方向に大きく変形しようとするが、渦巻き状フォイル１４の径方向及び周方向の弾性復元力によって、フローティングリング１５の振れ回りを規制するように作用する。このように、渦巻き状フォイル１４自身の弾性復元力によってフローティングリング１５はハウジング１１の中心Ｏ方向へ戻されるので、フローティングリング１５を介して回転軸２０の振れ回りも低減することができる。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。

回転軸２０の外周面２０ａとフローティングリングの内周面１３ａとの径方向間隙ｈが不均一になっていても、回転軸２０が回転すれば、間隙が狭い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は回転軸２０から浮き上がり、径方向間隙ｈを均等になるように調心される。また、シールリング１３は摺動性の良いカーボン等の材料からなるのでシールリング１３の摩耗を防ぐことができ、径方向間隙ｈを保つことができるので、良好なシール状態が得ることができる。

回転軸２０が振れ回ったとしても、渦巻き状フォイル１４のほぼ全周に亘って、フローティングリング１５の振れ回りを減衰させる力を発生することができるので、回転軸２０の振動を減衰させることができる。また、回転軸２０の振れ回りに伴い、フローティングリング１５が振れ回っても、渦巻き状フォイル１４の弾性復元力によって径方向及び周方向動きが低減される。このように、渦巻き状フォイル１４は振動減衰力と弾性反発力によって、フローティングリング１５の径方向及び周方向の振動を低減して、回転軸２０の振動も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。また、フローティングリング１５は、摺動性の材料からなるシールリング１３が付勢手段１９及びホルダ１１ａに接触しているので、フローティングリング１５が付勢手段１９に対して相対変位してもフローティングリング１５は付勢手段１９及びホルダ１１ａと固着することなく、フローティングリング１５の動きが拘束されることがない。

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、フローティングリング１５の外周１５ｂとハウジング１１の内周壁１１ｄの間に取付けられた渦巻き状フォイル１４は、渦巻き状フォイル１４自身の弾性反発力による摩擦力によって周方向に固定されていたが、渦巻き状フォイル１４の端部をフローティングリング１５の外周１５ｂ、ハウジング１１の内周壁１１ｄに固定してもよい。

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 渦巻き状フォイル
１５ フローティングリング
１９ 付勢手段
２０ 回転軸
２１ ケーシング
２２ 締結手段
Ｓ 空間
ｈ 間隙（第１間隙）
ｇ 間隙（第２間隙）

Claims (3)

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と前記ハウジングの間に配設された渦巻き状フォイルを備えることを特徴とするシール装置。
2. 前記渦巻き状フォイルは多層に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシール装置。
3. 渦巻き状フォイルの厚さは０．５ｍｍ以下であ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。

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