TWI748556B

TWI748556B - 軸封裝置

Info

Publication number: TWI748556B
Application number: TW109123551A
Authority: TW
Inventors: 黃政修
Original assignee: 祥景精機股份有限公司
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2021-12-01
Also published as: TW202202762A

Abstract

本發明提供一種軸封裝置，其用於安裝至旋轉軸，本發明之軸封裝置包含靜止件，其設置於軸封裝置之外殼並且具有第一密封面；及轉動件，其相對於靜止件而設置於旋轉軸，並且具有與靜止件之第一密封面對向之第二密封面；於第一密封面或第二密封面上設置有溝槽，溝槽自外周緣向內延伸，其中，溝槽包含第一區域及第二區域，第一區域及第二區域間以通道連接，且第一區域具有位於外周緣之開口供氣體流入，通道可將自開口流入之氣體導入第二區域。藉由本發明之軸封裝置，能夠延長密封面之溝槽中流體之流線，增加密封面之流體力學效果，進而提升密封面之氣膜剛性及氣膜密封效果。

Description

軸封裝置

本發明係關於一種軸封裝置，特別是關於一種於密封面具有溝槽之氣體軸封裝置。

習知之氣體軸封裝置在動環或靜環之密封面上設置有溝槽，藉由溝槽將周圍氣體導入密封面內，利用流體力學原理於動環及靜環間形成一間隙，並使內部氣體流過產生一氣體密封面。

惟於習知技術中，由於溝槽之位置配置、大小、深淺、寬窄等因素，使得由導入至溝槽之氣體所形成之壓力分佈(或稱流體力學效果)、氣膜剛性及氣膜密封效果受到限制。

本發明之一目的在於提供一種軸封裝置，藉由設置一通道連通溝槽之區域與區域之間，以增加流體之流線，進而提升密封面之流體力學效果。

本發明係為了解決上述問題之而完成者，可作為以下之形態實現。

(1)根據本發明之一形態，提供一種軸封裝置，其用於安裝至旋轉軸，其包含靜止件，其設置於軸封裝置之外殼並且具有第一密封面；及轉動件，其相對於靜止件而設置於旋轉軸，並且具有與靜止件之第一密封面對向之第二密封面；於第一密封面或第二密封面上設置有溝槽，溝槽自外周緣向內延伸，其中，溝槽包含第一區域及第二區域，第一區域及第二區域間以通道連接，且第一區域具有位於外周緣之開口供氣體流入，通道可將自開口流入之氣體導入第二區域。

(2)於此形態之軸封裝置中，通道進一步包含一第1通道側壁及一第2通道側壁，第1通道側壁及第2通道側壁具有與外周緣大致相同之曲率中心。

(3)於此形態之軸封裝置中，通道以自第一區域朝向第二區域逐漸變窄之方式形成。

(4)於此形態之軸封裝置中，第一區域或第二區域之深度係自外周緣向內側保持不變。

(5)於此形態之軸封裝置中，通道具有與第一區域或第二區域相同之深度。

(6)於此形態之軸封裝置中，具有複數個通道連接第一區域及第二區域。

(7)於此形態之軸封裝置中，第一區域進一步包含一第1側壁、第2側壁及底壁，第1側壁及第2側壁自外周緣向內延伸並與底壁連接。

(8)於此形態之軸封裝置中，底壁具有與外周緣大致相同之曲率中心。

(9)於此形態之軸封裝置中，第1側壁與外周緣具有交叉點，第1側壁於交叉點之切線與外周緣與交叉點之切線形成之銳角大致為20~70度。

(10)於此形態之軸封裝置中，第1側壁與底壁具有交叉點，第1側壁於交叉點之切線與底壁於交叉點之切線形成之銳角大致為20~70度。

(11)於此形態之軸封裝置中，第2側壁係將第1側壁以第一或第二密封面為圓心沿著外周緣旋轉平移而形成。

(12)於此形態之軸封裝置中，溝槽具有複數個，其沿著外周緣環狀排列。

根據本發明，能夠延長密封面之溝槽中流體之流線，增加密封面之流體力學效果，進而提升密封面之氣膜剛性及氣膜密封效果。

1:軸封裝置

2:旋轉軸

3:靜止件

4:轉動件

5:軸套

6:彈性件

10:溝槽

11:第一區域

11a:第一部分

11b:第二部分

11c:第三部分

11d:底端

11e:第1側壁

11f:第2側壁

11g:底壁

12:第二區域

12a:第一部分

12b:第二部分

12c:第三部分

12d:底端

12e:第1側壁

12f:第2側壁

12g:底壁

13:通道

13a:側壁

13b:側壁

14:外周緣

15:內周緣

100:密封面(第一密封面)

100a:通孔

101:密封面(第二密封面)

111:開口

112:開口

g:間隙

O:軸線方向

C:圓心

C₁:假想圓

C₂:假想圓

C₃:假想圓

C₄:假想圓

D:氣流

E:氣流

F:氣流

G:氣流

H:氣流

R₁,R₂:半徑

R₃,R₄:半徑

θ₁,θ₂:角度

圖1係表示本發明之軸封裝置之示意圖。

圖2(a)~圖2(g)係表示本發明之密封面之溝槽之示意圖。

圖3(a)~圖3(b)係表示本發明之溝槽之一實施例之示意圖。

圖4(a)~圖4(d)係表示本發明之溝槽之一實施例之示意圖。

圖5(a)~圖5(b)係表示應用有本發明之溝槽之軸封裝置之一實施例之示意圖。

圖6(a)~圖6(b)係表示應用有本發明之溝槽之軸封裝置之一實施例之示意圖。

以下，基於圖1~圖2對本發明之軸封裝置1之一實施形態詳細地進行說明。

圖1所示為本發明之軸封裝置1，可安裝於一大型機械例如泵浦、攪拌機、熱交換器、壓縮機等，以提供密封之用途。本發明之軸封裝置1包含旋轉軸2、靜止件3、轉動件4。在本實施例中，靜止件3設置於軸封裝置1外殼並且具有一密封面100，靜止件3可以依環繞軸封裝置1外殼之方式設置。轉動件4設置於旋轉軸2，如圖1所示，轉動件4可以環繞旋轉軸2的外緣方式設計，如本實施例中，轉動件4是以環繞旋轉軸2的軸線方向O的方式加以設置。並且，轉動件4具有密封面101，對應靜止件3之密封面100，軸封裝置1藉由密封面100與密封面101所界定之空間提供軸封裝置1密封之功能。

一軸套5可選擇性地如本實施例所示設置於旋轉軸2上，軸套5可環繞旋轉軸2之外緣。在一實施例中，可進一步設置有複數個定位件例如O型環，其用以固定或定位靜止件3、轉動件4及軸套5等之位置關係。在一實施例中，可進一步設置有一格蘭(Gland)，其用以與靜止件3相配合。在一實施例中，格蘭與靜止件3可藉由一彈性件6例如彈簧構件相配合。

圖2(a)所示為本發明之靜止件3之密封面100之溝槽10之示意圖，其中，密封面100為一環狀結構的表面並環繞通孔100a，通孔100a用以供旋轉軸2通過，且密封面100具有一外周緣14及內周緣15，且外周緣14及內周緣15具有相同之圓心C。其中，溝槽10之形狀以斜線區域表示。在本實施例中，溝槽10形成在密封面100上，溝槽10自密封面100之外周緣14向內延伸，延伸的方式可依設計需求而定。如圖2(a)所示，溝槽10是以具有一弧度的曲線態樣向內延伸，曲線的弧度設計可搭配旋轉軸2或轉動件4的轉動參數例如轉動速率、轉動方向等由設計者任意決定。

如圖2(a)所示，溝槽10可向內延伸並且不延伸至內周緣15。在某些實施例中，溝槽10可自外周緣14向內延伸、亦可自內周緣15向外延伸，溝槽10可呈曲線狀延伸、亦可呈直線狀延伸。在某實施例中，溝槽10之延伸起點、延伸終點、延伸方式等可根據軸封裝置1之用途由設計者任意決定。

溝槽10包含一第一區域11及一第二區域12，第一區域11及第二區域12以一通道13連接。如圖2(a)所示，第一區域11及第二區域12分別自位於外周緣之開口111、開口112朝圓心C呈螺旋狀延伸，並且皆不延伸至內周緣15。在本實施例中，第一區域11及第二區域12係以保持一定間隔之方式平行延伸。

圖2(b)係表示圖2(a)之溝槽10a之放大圖。如圖2(b)所示，第一區域11進一步包含第一部分11a、第二部分11b、第三部分11c及底端11d。在一實施例中，第二區域12亦包含第一部分12a、第二部分12b、及第三部分12c及底端12d。如圖2(b)所示，第一區域11及第二區域12之間進一步包含一通道13，在本實施例中，通道13係自第一區域11之第二部分11b連通至第二區域12之第二部分12b，其用以將流通至第一區域11之氣體導入至第二區域12。在某些實施例中，為增加流通至通道13的流線長度，通道13亦可自第一區域11之第一部分11a延伸至第二區域12之第三部分12c。在某些實施例中，為增加流通至通道13的流線數量，亦可具有不只一個通道13，其分別連通自第一區域11之第二部分11b至第二區域12之第二部分12b及第一區域11之第三部分11c至第二區域12之第三部分12c。在某些實施例中，通道13之延伸方式可依照流線設計要求由使用者任意決定。

溝槽10的功用之一是當靜止件3與轉動件4接觸(或即將接觸)時用來將靜止件3或轉動件4外的氣體(或簡稱外圍氣體)導入靜止件3與轉動件4之間。進一步而言，就是將外圍氣體導入密封面100及密封面101之間。於本實施例中，如圖2(a)所示，溝槽10自外周緣14以順時針(CW)螺旋方向形成於靜止件3之密封面100上，當轉動件4朝順時針方向旋轉時，外圍氣體會沿著靜止件3上之溝槽10被導入密封面100及密封面101之間。

在另一實施例中，如靜止件3上的溝槽10也可設置在轉動件4的密封面101上。當密封面101上的溝槽自轉動件4的外周緣以順時針螺旋方向形成時，若轉動件4朝逆時針方向(CCW)旋轉時，外圍氣體會沿著轉動件4上之溝槽被導入密封面100及密封面101之間。

圖2(c)係表示圖2(b)之溝槽10b之放大圖。在一實施例中，第一區域11進一步包含一第1側壁11e、第2側壁11f及底壁11g，第二區域12進一步包含一第1側壁12e、第2側壁12f及底壁12g，通道13進一步包含一側壁13a及側壁13b。在一實施例中，第1側壁11e係自外周緣14向內周緣15延伸。在一實施例中，第1側壁11e係自外周緣14向內周緣15旋入之螺旋線之一部份。在一實施例中，第1側壁11e係形成為圓心C₄且半徑為R₄之圓之一部分。

在一實施例中，第1側壁11e與外周緣14具有交叉點，第1側壁11e於此交叉點之切線與外周緣14於此交叉點之切線所形成之銳角角度θ₁為20~70度。在一實施例中，角度θ₁為30~60度。在一實施例中，角度θ₁為35~50度。在一實施例中，角度θ₁為13~18度。在一實施例中，第1側壁11e與底壁11g具有交叉點，第1側壁11e於此交叉點之切線與底壁11g於此交叉點之切線所形成之銳角角度θ₂為20~70度。在一實施例中，角度θ₂為30~60度。在一實施例中，角度θ₂為35~50度。在一實施例中，角度θ₂為13~18度。在一實施例中，第2側壁11f係將第1側壁11e以圓心C為圓心沿外周緣14旋轉平移而形成。在一實施例中，第2側壁12f也可以將第1側壁12e以圓心C為圓心沿外周緣14旋轉平移而形成。

在一實施例中，如圖2(b)、圖2(c)所示，外周緣14至內周緣15之最短距離為W，圓心C至內周緣之距離為R₀，定義以圓心C為圓心且R₁為半徑之圓為假想圓C₁，定義以圓心C為圓心且R₂為半徑之圓為假想圓C₂，定義以圓心C為圓心且R₃為半徑之圓為假想圓C₃。在一實施例中，底壁11g可形成為假想圓C₁之一部分。在一實施例中，底壁12g可形成為假想圓C₁之一部分。在一實施例中，R₁與R₀之差值大致上為W之百分之25至50。在一實施例中，側壁13a可形成為假想圓C₂之一部分。在一實施例中，側壁13b可形成為假想圓C₃之一部分。在一實施例中，半徑R₂可大於或等於半徑R₁。在一實施例中，半徑R₃可大於或等於半徑R₂。在一實施例中，R₂與R₀之差值大致上為W之百分之50至70。在一實施例中，R₃與R₀之差值大致上為W之百分之65至82。在一實施例中，側壁13a及側壁13b可以假想圓C₂及假想圓C₃為基準以逐漸變窄之方式形成。

圖2(d)所示為為沿圖2(a)的線AA'的剖面圖及沿線BB'的剖面圖，其中虛線L表示圖2(a)中線AA'與線BB'交叉點在線AA'與線BB'之橫截面下所形成的線。如圖2(d)的線AA'的剖面圖所示，在本實施例中，第一區域11自開口111形成一具有特定深度的溝槽，其自開口111向內延伸，且如圖2(a)所示，其不延伸至內周緣15。在一實施例中，第一區域11及第二區域12之深度自外周緣14向內側不變。在一實施例中，第一區域11及第二區域12之最大深度可設定為0.005~0.2mm之範圍。在一實施例中，第一區域11及第二區域12之最大深度可設定為大致上0.1mm之範圍。在一實施例中，第一區域11及第二區域12之深度能夠以呈階梯狀自外周緣14向內周緣15遞減之方式形成。在一實施例中，通道13以一特定深度連接第一區域11及第二區域12。在一實施例中，通道13之深度大致上與第一區域11及第二區域12相同。在某些實例實中，通道13之深度隨著第一區域11及第二區域12之深度變動，並可由設計者任意決定。

圖2(e)~圖2(f)所示為線AA'剖面圖之實施例之示意圖。在一實施例中，如圖2(e)所示，第一區域11可自外周緣14向內側以逐漸變淺之方式形成於密封面100上。在一實施例中，第一區域11之底端11d可形成為一具有高度差之端面。在一實施例中，第一區域11之底端11d可以不形成高度差之端面之方式與密封面100相接。在一實施例中，如圖2(f)所示，第一區域11可自外周緣14向內側以階梯狀之方式形成於密封面100上。在一實施例中，第二區域12可以與第一區域11大致上相同之方式形成。在一實施例中，通道13以連通第一區域11與第二區域12之方式形成。在一實施例中，通道13之深度可根據所連接之第一區域11及第二區域12之深度由設計者任意決定。

圖2(g)所示為氣體在本發明之溝槽10流動之示意圖。外圍氣體在導入溝槽10後，如圖2(g)所示，可區分為氣流D、氣流E、氣流F、氣流G及氣流H。氣流D及氣流G是外圍氣體分別導入第一區域11及第二區域12所形成之氣流，氣流D在第一區域11上連接有通道13之處分歧為氣流E及氣流F，氣流F與氣流G在第二區域12上連接有通道13之處會合形成氣流H。在一實施例中，氣流D、氣流G以速度V_D、V_G之速度旋入溝槽10。在一實施例中，氣流D在第一區域11與通道13連接之處分歧為具有速度V_E及V_F之氣流E及氣流F。在一實施例中，具有速度V_F之氣流F在第二區域12與通道13連接之處與具有速度V_G之氣流G會合形成具有速度V_H之氣流H。在一實施例中，速度V_F之速度值大致上為速度V_D之1.5~4.5倍。在本實施例中，藉由溝槽10能夠形成三個氣流組，分別是氣流組D-E、氣流組G-H、以及氣流組D-F-H，相較與先前技術能夠產生更多(如氣流組D-E、氣流組G-H、以及氣流組D-F-H之加總)、更長的氣流通道(如氣流組D-F-H)，以增加流體之流線，進而提升密封面之流體力學效果。

以下，基於圖3~圖4對本發明之密封面100之溝槽10之一實施例進行說明。

圖3(a)係本發明之密封面100之溝槽10之一實施例，在本實施例中，通道13自第一區域11之靠近外周緣14處連接至第二區域12之靠近內周緣15處，形成為略N狀之形狀。圖3(b)係本發明之密封面100之溝槽10之另一實施例，在本實施例中，具有複數個通道13連接該第一區域及該第二區域。

圖4(a)係本發明之密封面100之溝槽10之一實施例。在本實施例中具有複數個溝槽10，複數個溝槽10以圓心C為中心沿著外周緣14環狀排列。在一實施例中，複數個溝槽10能夠以沿著內周緣15之方式環狀排列。另外，圖4(b)~圖4(d)係表示具有複數個本發明實施例之溝槽10之示意圖，其溝槽10之排列方式以類似於圖4(a)之方式形成。

以下，基於圖5~圖6對應用有本發明之溝槽10之軸封裝置1之運作方式詳細地進行說明。

圖5(a)係表示靜止狀態之軸封裝置1，圖5(b)係表示運作狀態之軸封裝置1。在本實施例中，溝槽10形成於靜止件3之密封面100，並且靜止件3之密封面100與轉動件4之密封面101係互相接觸。在本實施例中，隨著旋轉軸2及轉動件4之轉動，外圍氣體沿著靜止件3之溝槽10被導入至密封面100與密封面101之間，並藉由導入之氣體所產生之動態壓力，在密封面100與密封面101之間形成有間隙g，藉由隔著有間隙g之軸封裝置1內側與外側之壓力差使軸封裝置1內部之氣體藉由間隙g向外流通，以形成一流體密封面，達到密封之效果。

圖6(a)、圖6(b)係表示溝槽10設置於轉動件4之密封面101上之軸封裝置1在靜止狀態及運作狀態之實施例。在本實施例中，隨著旋轉軸2及轉動件4之轉動，軸封裝置1內部之氣體沿著轉動件4之溝槽10被導入至密封面100與密封面101之間，透過與圖5(a)、圖5(b)之類似原理於密封面100與密封面101形成有一間隙g，並藉由隔著有間隙g之軸封裝置1內側與外側之壓力差使軸封裝置1內部之氣體藉由間隙g向外流通，以形成一流體密封面，達到密封之效果。

上述實施形態僅為用以實施本發明之例示，本發明並不限定於上述之實施形態，可於不脫離其主旨之範圍內將上述實施形態適當變形而實施。