KR102536592B1

KR102536592B1 - 축 시일

Info

Publication number: KR102536592B1
Application number: KR1020160089120A
Authority: KR
Inventors: 노부카즈 후지이
Original assignee: 미츠비시 덴센 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2023-05-25
Also published as: JP6925101B2; CN106402393B; CN106402393A; JP2017032076A; KR20170016278A

Abstract

[과제] 장기에 걸쳐 안정한 시일 성능을 발휘하면서 우수한 내구성이 얻어지는 축 시일을 제공한다.
[해결 수단] 회전축(K)에 슬라이딩 접촉하는 시일 엘리먼트(6)와, 대기측(X)으로부터의 더스트의 침입을 방지하기 위한 더스트 시일(7)을 구비한 축 시일로서, 더스트 시일(7)은 회전축(K)의 외경 치수(D)와 동일한 내경 치수(D7)의 원형의 구멍(17)을 갖는 둥근 고리 평판 형상을 유지하고, 구멍(17)의 내주면(7b)과 회전축(K)의 외주면(Ka)과의 간극이 0이 되도록 설정되어 있다.

Description

축 시일{SHAFT SEAL}

본 발명은 축 시일에 관한 것이다.

종래, 진공 펌프에 사용하는 축 시일로서 회전축에 슬라이딩 접촉하는 수지제의 시일 엘리먼트를 아우터 케이스와 이너 케이스로 협압(挾壓) 유지한 것이 공지이다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

또한, 도 6에 도시하는 바와 같이, 아우터 케이스(91)와 이너 케이스(92)로, 시일 엘리먼트(95)와, 대기측(X)으로부터의 더스트의 침입을 방지하는 더스트 시일(96)을 협압 유지한 것이 있었다.

일본 특개 2007-225088호 공보

최근, 진공 펌프나 컴프레서 등의 기체(가스)용 기계에 사용되는 축 시일에 대하여, 고속(고슬라이딩성), 내더스트성 등의 엄격한 사용 환경에의 적용이 요구되고 있다.

그러나, 도 6에 도시하는 바와 같은 종래의 축 시일(9)은 더스트 시일(96)을 자유 상태에서 대기측(X)을 향하여 종단면에서 보아 J자 형상으로 만곡시켜 더스트 립부(96a)를 형성함과 아울러, 더스트 립부(96a)의 내주 끝가장자리(96d)의 내경 치수(d9)를 회전축(K)의 외경 치수(D)보다도 작게 설정하고 있기 때문에, 도 7에 도시하는 바와 같이, 운전시(회전축(K)의 회전시)에, 더스트 립부(96a)의 내주 끝가장자리(96d)와 회전축(K)의 외주면(Ka) 사이에서 고온의 슬라이딩 발열이 발생하여, 더스트 립부(96a)의 물성이 변화(저하)하여 마모가 촉진된다고 하는 문제나, 회전축(K)에 탄 자국(Kz)이 발생하여 마모가 더욱 촉진된다고 하는 문제가 있었다.

또한, 도 8에 도시하는 바와 같이, 더스트 시일(96)의 탄성적 복원력에 의해, 외주면(Ka)에 눌려지기 때문에, 마모가 빨라짐과 아울러 탄 자국이 심해져, 안정한 시일 성능을 발휘할 수 없어, 내구성도 저하된다(수명이 짧아짐)고 하는 문제가 있었다.

그래서, 본 발명은 장기에 걸쳐 안정한 시일 성능을 발휘하면서 우수한 내구성이 얻어지는 축 시일의 제공을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 회전축 시일은 회전축에 슬라이딩 접촉하는 시일 엘리먼트와, 대기측으로부터의 더스트의 침입을 방지하기 위한 더스트 시일을 구비한 축 시일에 있어서, 상기 더스트 시일은 상기 회전축의 외경 치수와 동일한 내경 치수의 원형의 구멍을 갖는 둥근 고리 평판 형상을 유지하고, 상기 구멍의 내주면과 상기 회전축의 외주면과의 간극이 0이 되도록 설정되어 있는 것이다.

또한 상기 더스트 시일의 두께 치수를 상기 시일 엘리먼트의 립부의 두께 치수의 0.3배 이상 1.3배 이하로 설정한 것이다.

또한, 상기 시일 엘리먼트 및 상기 더스트 시일은 PTFE로 이루어지는 것이다.

또한 상기 더스트 시일의 외주면을 아우터 케이스의 원통벽부에 맞닿게 하여, 상기 더스트 시일의 레이디얼 방향의 위치 결정을 한 것이다.

또한 상기 더스트 시일의 상기 내주면을 평활 원주면으로 한 것이다.

본 발명에 의하면, 더스트 시일과 회전축 사이의 슬라이딩 발열을 저감하여, 더스트 시일의 수명을 개선(수명 연장)하여, 시일 성능과 내구성을 대폭 향상할 수 있다. 구조가 간소하고, 또한 제조도 용이하면서, 더스트 시일의 마모를 방지하여, 회전시의 과잉 발열을 막아, 장기간에 걸쳐, 안정하고 우수한 시일성(내더스트성)을 발휘할 수 있다. 특히, 공사 현장 등의 옥외나 공장과 같은 더스트가 많은 분위기에서 사용되는 대형기계용 축 시일로서 더스트에 대한 시일 성능이 향상되어, 고속 회전에도 충분히 적용 가능하며, 내구성도 우수하다.

도 1은 본 발명의 축 시일의 1 실시형태를 도시하는 주요부 종단면도이다.
도 2는 장착 운전 상태를 도시하는 주요부 종단면도이다.
도 3은 자유 상태의 더스트 시일의 1 예를 도시하는 주요부 확대 종단면도이다.
도 4는 자유 상태의 더스트 시일의 다른 예를 도시하는 주요부를 확대한 단면도이다.
도 5는 초기 마모 후의 더스트 시일을 도시하는 주요부 확대 종단면도이다.
도 6은 종래예를 도시하는 주요부 종단면도이다.
도 7은 종래예의 문제점을 설명하기 위한 주요부 확대 종단면도이다.
도 8은 종래예의 문제점을 설명하기 위한 주요부 확대 종단면도이다.

이하, 도시된 실시형태에 기초하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 축 시일은, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 금속제의 아우터 케이스(1)와, 금속제의 이너 케이스(2)와, 고무 등의 탄성재의 개스킷(3)과, 수지제의 시일 엘리먼트(6)를 구비하고, 또한 시일 엘리먼트(6)보다도 대기측(X)에, 대기측(X)으로부터의 더스트의 침입을 방지하는 수지제의 더스트 시일(7)을 구비하고 있다.(또한, 더스트 시일(7)은 일반적으로 더스트 립이라고 불리는 경우도 있다.)

아우터 케이스(1)는 원통벽부(11)와, 원통벽부(11)의 일단부(대기측(X)의 단부)로부터 레이디얼 내측 방향에 연신(延伸) 형상의 내측 플랜지부(12)와, 원통벽부(11)의 타단부(밀봉실측(Y)의 끝부)에 설치되어 조립 공정에서 레이디얼 내측 방향으로 절곡되는 작은 내측 플랜지 형상의 코킹 절곡편(13)을 가지고 있다. 또한, 아우터 케이스(1)는 원통벽부(11)에 레이디얼 방향으로 관통하는 작은 구멍을 가지고 있지 않다.

이너 케이스(2)는 종단면 L자 형상으로서, 아우터 케이스(1)의 원통벽부(11)에 내측 끼움 형상으로 장착됨과 아울러 아우터 케이스(1)의 코킹 절곡편(13)에서 아우터 케이스(1)의 내측 플랜지부(12)측으로 눌려지는 원통 형상 벽부(21)와, 아우터 케이스(1)의 내측 플랜지부(12)와 함께 작동하여 개스킷(3)과 시일 엘리먼트(6)와 더스트 시일(7)을 협압 유지하는 내측 플랜지부(22)를 가지고 있다. 또한, 이너 케이스(2)는 I자 형상이나 각형 블록 형상이어도 된다.

개스킷(3)은 둥근 고리 평판 형상이며, 도시 예에서는, 이너 케이스(2)의 내측 플랜지부(22)와 시일 엘리먼트(6)의 협압면 사이에 개재시켜 있지만, 시일 엘리먼트(6)와 더스트 시일(7)의 협압면 사이나, 더스트 시일(7)과 아우터 케이스(1)의 내측 플랜지부(12)와의 협압면 사이에 개재시켜도 된다(도시 생략).

시일 엘리먼트(6)는 두께가 균일 형상이며, 도 1의 자유 상태(하우징(H)과 회전축(K) 사이에 부착 고정되지 않은 미장착 상태)에서는, 종단면 형상이 J자 형상이며, 아우터 케이스(1)의 축심(L)에 직교하는 직교 평면 벽부(61)와, 회전축(K)의 외주면(Ka)에 슬라이딩 접촉 가능한 립부(62)와, 양자를 연속 형상으로 연결하는 만곡 벽부(63)로 이루어진다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 하우징(H) 및 회전축(K) 사이에 장착되어 회전축(K)이 회전하고 있는 장착 운전 상태에서는, 시일 엘리먼트(6)의 종단면 형상은 L자 형상이고, 시일 립부(62)는 원통 형상으로 되어 회전축(K)의 외주면(Ka)(이하, 축 외주면(Ka)이라고 부르는 경우도 있음)에 슬라이딩 접촉한다.

더스트 시일(7)은 띠끌이나 먼지 등의 더스트가 대기측(X)으로부터 시일 엘리먼트(6)의 배면측(대기측(X))으로 침입하는 것을 방지하기 위한 것으로, 이 더스트 시일(7)은, 자유 상태 및 장착 상태 중 어디에서도, 축심 직교면 형상의 둥근 고리 평판 형상이며, 종단면에서 두께가 대략 균일한 스트레이트 형상(一자 모양)이다.

그리고, 더스트 시일(7)은 원형의 구멍(17)을 갖고, 또한 아우터 케이스(1)의 내측 플랜지부(12)와 이너 케이스(2)의 내측 플랜지부(22) 사이에 협압 유지되는 정면에서 보아 둥근 고리 형상의 축심 직교 평면 벽부(71)와, 축심 직교 평면 벽부(71)의 레이디얼 안측 끝부로부터 레이디얼 내측 방향으로 연신 형상으로 설치된 정면에서 보아 둥근 고리 형상 또한 종단면에서 보아 스트레이트 형상의 더스트 립부(72)를 연속 형상으로(일체로) 가지고 있다고 할 수도 있다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 더스트 립부(72)는 장착 운전 상태에서도 회전축(K)에 대하여 직교면 형상으로 유지된다.

더스트 시일(7)과 시일 엘리먼트(6)는 동일한 재질이며, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌)로 이루어진다.

또한 더스트 시일(7)은 원피스(1조각)로 이루어지며, 재질이 상이한 복수 피스를 접착 등에 의해 일체화시킨 경우에 비해, 제조가 용이하면서 치수 정밀도가 우수하다.

더스트 시일(7)은 그 외주면(7a)을 아우터 케이스(1)의 원통벽부(11)의 내면부에 맞닿게 하여, 레이디얼 방향으로 위치 결정되어 있다.

더스트 시일(7)의 구멍(17)의 내주면(7b)은 평활 원주면으로 형성되어 있다. 바꿔 말하면, 내주 오목홈이나 나선홈 등의 래버린스 홈을 생략하고 있다.

그리고, 도 1 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 미사용(자유) 상태에서, 더스트 시일(7)의 원형의 구멍(17)의 내경 치수(D7)를 회전축(K)의 외경 치수(D)와, 동일 치수로 설정하거나, 혹은, 도 4에 도시하는 바와 같이, 자유 상태에서, 더스트 시일(7)의 내경 치수(D7)를 회전축(K)의 외경 치수(D)보다도 극미소 치수를 가지고 작게 설정한다.

후자의 경우에는, 하우징(H) 및 회전축(K)의 사이에 장착됨과 아울러 회전축(K)이 회전을 개시하지 않은 장착 운전 전 상태에서는, 더스트 시일(7)이 약간 레이디얼 외측으로 탄성 변형되어, 내주면(7b)을 축 외주면(Ka)에 가볍게 가압 접촉시킨다.

그리고, 도 5에 도시하는 바와 같이, 회전축(K)의 회전이 개시되면, 초기 마모(친화)에 의해, 내주면(7b)과 축 외주면(Ka)의 간극이 0이 되도록 구성하고 있다.

바꿔 말하면, 더스트 시일(7)의 내경 치수(D7)는, 회전축(K)의 회전이 개시되어 일어나는 초기 마모에 의해, 회전축(K)의 외경 치수(D)와 동일 치수가 되도록 형성하고 있다. 즉 상술의 극미소 치수는 초기 마모에 의해 마모 가능한 치수이다.

또한 장착 운전 상태에서, 더스트 시일(7)은 초기 마모가 종료된 후는 내주면(7b)이 축 외주면(Ka)을 탄성 반발적으로 누르지 않아, (내주면(7b)과 축 외주면(Ka)이 접해 있어도,) 초기 마모 이상의 마모가 발생하지 않아, 슬라이딩 발열을 저감하여(물성이 변화될 정도의 고온의 슬라이딩 발열을 발생시키지 않아), 시일 성능이 유지됨과 아울러 충분한 내구성이 얻어진다.

다른 한편, 전자의 경우에는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 자유 상태에서, 더스트 시일(7)의 내경 치수(D7)를, 회전축(K)의 외경 치수(D)와 동일 치수가 되도록 설정했으므로, 자유 상태, 장착 운전 전 상태, 장착 운전 상태의 어느 상태에서도, 더스트 시일(7)의 구멍(17)의 내주면(7b)과 축 외주면(Ka)의 간극이 0이 된다.

이상과 같이, 더스트 시일(7)의 구멍(17)의 내경 치수(D7)가, 자유 상태에서, 도 4와 같이 회전축(K)의 외경 치수(D)보다도 극미소 치수만큼 작은 경우, 혹은, 도 3과 같이 상기 외경 치수(D)와 동일한 경우의 어디에서도, 장착 상태에서는, 회전축(K)의 외경 치수(D)와 동일한 내경 치수(D7)를 유지하고, 게다가, 형상은 스트레이트 형상 단면 둥근 고리 평판 형상을 유지하고, 회전축(K)의 회전시(장착 운전시)에는 내주면(7b)과 축 외주면(Ka)과의 간극이 0이 된다.

도 6∼도 8에 도시한 종래예에서는, 절곡된 더스트 립부(96a)는 화살표(M) 방향으로 탄성 반발적으로 복원하려고 하는 탄성 반발 가압력이, 내주 끝가장자리(96d)의 마모 진행에 관계없이 작용하는 것에 반해, 본 발명에서는, 당초부터(도 3의 경우), 혹은, 초기 마모가 끝나면(도 4, 도 5의 경우), 그 후는 슬라이딩 접촉면 압력이 0이 되고, 마모가 거의 진행되지 않아, 수명이 연장되는 것이다.

또한, 도 1에 도시하는 바와 같이, 자유 상태에서, 더스트 시일(7)(더스트 립부(72))의 두께 치수(T7)를 시일 엘리먼트(6)의 립부(62)의 두께 치수(T6)의 0.3배 이상 1.3배 이하로 설정하고 있다. 바람직하게는, 0.5배 이상 1.1배 이하로 설정한다. 하한값 미만이면 더스트의 침입을 충분히 방지할 수 없을 우려가 있고, 상한값을 초과하면 축 시일 전체의 두께 치수가 커져 재료가 낭비되게 된다.

또한, 더스트 시일(7)과 시일 엘리먼트(6) 간의 공간(S)(도 2 참조)에 그리스(윤활제)를 유지시켜도 된다.

더스트 시일(7)이 장기간에 걸쳐 마모 등에 의해 변형되지 않기 때문에, 그리스가 장기간에 걸쳐 적절하게 유지된다.

이상과 같이 본 발명의 축 시일은 회전축(K)에 슬라이딩 접촉하는 시일 엘리먼트(6)와, 대기측(X)으로부터의 더스트의 침입을 방지하기 위한 더스트 시일(7)을 구비한 축 시일에 있어서, 더스트 시일(7)은, 회전축(K)의 외경 치수(D)와 동일한 내경 치수(D7)의 원형의 구멍(17)을 갖는 둥근 고리 평판 형상을 유지하고, 구멍(17)의 내주면(7b)과 회전축(K)의 외주면(Ka)의 간극이 0이 되도록 설정되어 있으므로, 더스트 시일(7)과 회전축(K) 사이의 슬라이딩 발열을 저감하여, 회전축(K)의 국부적인 탄 자국(Kz)(도 8 참조)을 방지하여, 더스트 시일(7)의 수명을 개선(수명 연장)하여, 시일 성능과 내구성을 대폭 향상할 수 있다. 구조가 간소하고, 또한 제조도 용이하면서, 더스트 시일(7)의 마모를 방지하여, 회전시의 과잉 발열을 막고, 장기간에 걸쳐 안정하고 우수한 실링성(내더스트성)을 발휘할 수 있다. 특히, 공사 현장 등의 옥외나 공장과 같은 더스트가 많은 분위기에서 사용되는 대형기계용 축 시일로서 더스트에 대한 시일 성능이 향상되어, 고속 회전에도 충분히 적용 가능하며, 내구성도 우수하다.

또한 더스트 시일(7)의 두께 치수(T7)를 시일 엘리먼트(6)의 립부(62)의 두께 치수(T6)의 0.3배 이상 1.3배 이하로 설정했으므로, 축 시일 전체를 얇게 형성 가능하게 하면서도, 충분한 내더스트 성능(더스트 침입 방지 성능)을 발휘할 수 있다. 용이하게 제조 및 조립을 행할 수 있다.

또한 시일 엘리먼트(6) 및 더스트 시일(7)은 PTFE로 이루어지므로, 슬라이딩 발열을 저감할 수 있음과 아울러 내구성을 향상할 수 있다. 시일 엘리먼트(6)의 제조 공정이나 재료 조달을 그대로 더스트 시일(7)에 공용할 수 있어, 제조 비용을 저감할 수 있다.

또한 더스트 시일(7)의 외주면(7a)을 아우터 케이스(1)의 원통벽부(11)에 맞닿게 하여, 더스트 시일(7)의 레이디얼 방향의 위치 결정을 했으므로, 더스트 시일(7)을 레이디얼 방향으로 고정밀도로 위치 결정할 수 있어, 구멍(17)의 내주면(7b)의 축 외주면(Ka)에 대한 간극을 정밀하게 0으로 하여, 품질 및 성능을 안정시킬 수 있다.

또한 더스트 시일(7)의 내주면(7b)을 평활 원주면으로 했으므로, 제작이 용이하면서도, 더스트의 침입을 확실하게 방지할 수 있다.

1 아우터 케이스
6 시일 엘리먼트
7 더스트 시일
7a 외주면
7b 내주면
11 원통벽부
17 구멍
62 립부
D 외경 치수
d7 내경 치수
K 회전축
Ka 외주면
T6 두께 치수
T7 두께 치수
X 대기측

Claims

회전축(K)에 슬라이딩 접촉하는 시일 엘리먼트(6)와, 대기측(X)으로부터의 더스트의 침입을 방지하기 위한 더스트 시일(7)을 구비한 축 시일에 있어서,
상기 더스트 시일(7)은 상기 회전축(K)의 축심(L)에 직교하는 평면형상으로, 또한 종단면의 두께가 균일한 스트레이트 형상이고,
조립 완성 상태에서, 상기 더스트 시일(7)의 외주면(7a)을 아우터 케이스(1)의 원통벽부(11)의 내주면에 맞닿은 상태로서, 상기 더스트 시일(7)은 레이디얼 방향으로 위치 결정되고,
상기 더스트 시일(7)은 원형의 구멍(17)을 가지고, 상기 원형의 구멍(17)의 자유 상태에서의 내경 치수(d7)는 상기 회전축(K)의 외경 치수(D)보다 극미소 치수를 가지고 작게 설정되고, 상기 회전축(K)의 회전이 개시되어 일어나는 초기 마모에 의해, 자유 상태에서의 상기 더스트 시일(7)의 상기 구멍(17)의 내경 치수(d7)는 상기 회전축(K)의 외경 치수(D)와 동일하게 되어, 장착 운전 상태에서, 상기 구멍(17)의 내주면(7b)과 상기 회전축(K)의 외주면(Ka)과의 간극이 0이고 또한 슬라이딩 접촉면 압력이 0이 되어 더스트 시일(7)의 내주면(7b)이 회전축(K)의 외주면(Ka)을 탄성 반발적으로 누르지 않는 것을 특징으로 하는 축 시일.
제1항에 있어서,
상기 더스트 시일(7)의 두께 치수(T7)를 상기 시일 엘리먼트(6)의 립부(62)의 두께 치수(T6)의 0.3배 이상 1.3배 이하로 설정한 것을 특징으로 하는 축 시일.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 시일 엘리먼트(6) 및 상기 더스트 시일(7)은 PTFE로 이루어지는 것을 특징으로 하는 축 시일.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 더스트 시일(7)의 상기 내주면(7b)을 평활 원주면으로 한 것을 특징으로 하는 축 시일.
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