JP5936602B2

JP5936602B2 - シール装置

Info

Publication number: JP5936602B2
Application number: JP2013505881A
Authority: JP
Inventors: 井上　秀行; 秀行井上
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: US20140008872A1; JPWO2012128062A1; CN103415731B; WO2012128062A1; EP2690324A4; EP2690324B1; EP2690324A1; US9447886B2; CN103415731A

Description

本発明は、回転軸に使用されるシール装置に関し、特に、ポンプ等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、フローティングリングを備えたシール装置として、例えば、図６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１は、フローティングリング３０における、ケーシングに設けられた係止リング３２と接触する低圧側面に、少なくとも一本の円周溝とこの円周溝から外周面方向に延びる複数本の直線溝とで構成され、高圧流体を導く圧力バランス溝３３を設けることにより、フローティングリング３０の内周面と回転軸３１との間に形成される隙間の小さい部分に発生するくさび効果（くさび部に発生する動圧の効果）を利用してフローティングリング３０の内周面と回転軸３１との間の隙間を均一に保とうとする自動調心作用を十分に発揮させ、更に、フローティングリング３０の変形をも抑止し、フローティングリング３０の内周面と回転軸３１との間隙を一定に保ち、フローティングリング３０の内周面と運動する回転軸３１とが接触することによって発生するフローティングリング３０の損傷を防止し、高圧流体の低圧側への漏洩量の増加や機器の運転停止を防止するというものである。

また、フローティングリングを備えた他のシール装置として、図７に示すものが知られている（以下、「従来技術２」という。例えば、特許文献２参照。）。この従来技術２は、
環状に形成されたフローティングリング３５の外周には、半径方向外方へ向かう連結部３６が設けられ、この連結部３６は、円周方向に１８０度の間隔をおいて一対設けられ、ケーシング３７の溝部３８に挿入されてフローティングリング３５を回転軸３９と同心状に支持するものである。

しかしながら、図６に示す従来技術１のフローティングリングを備えたシール装置においては、フローティングリング３０の内周面と回転軸３１との間に形成される隙間を均一に保とうとする自動調心作用が発揮される利点はあるが、フローティングリング３０について回り止め手段が設けられていないため、回転軸３１の回転数が大きくなった場合などにおいてフローティングリング３０と回転軸３１との隙間に介在する粘性流体の影響によりフローティングリング３０が回転されてしまい、フローティングリング３０の挙動が不安定になるという問題があった。また、従来技術１のフローティングリングを備えたシール装置において、フローティングリング３０の重量よりもフローティングリング３０の内周面と回転軸３１との間の隙間の小さい部分に発生する動圧が小さい場合、フローティングリング３０の内周面と回転軸３１との間に形成される隙間は均一にはならず、偏心した状態で運転されることになる。
また、図７に示す従来技術２のフローティングリングを備えたシール装置においては、円周方向に１８０度の間隔をおいて一対設けられた連結部３６が、ケーシング３７の溝部３８に挿入されているため、フローティングリング３５が回転されることはないが、回転軸３９と同心にフローティングリング３５を組立てることが現実的には困難であるため、回転軸３９に対してフローティングリング３５が偏心状態で組立てられるという問題があった。さらに、回転軸３９の撓み等による回転軸３９の偏心に対してフローティングリング３５が柔軟に追従できないという問題もあった。

特開平１０−２９９９０５号公報特開２００３−９７７３０号公報

上記の従来技術１及び従来技術２のように、フローティングリングと回転軸との中心とを一致させることができない場合、フローティングリングと回転軸との接触を防ぐためには両者の隙間を大きく設定する必要がある。その結果、隙間の３乗に比例してシール流体の漏れ量が多くなるという問題があった。
本発明は、フローティングリングを備えたシール装置において、フローティングリングの回転を防止するとともに、フローティングリングの内周面に設けた動圧溝の発生する動圧を利用することにより、フローティングリングの重量と回転軸とフローティングリングとのくさび効果によるフローティングリングを持ち上げる力とが一致しない場合でも、フローティングリングと回転軸との中心を一致させることができるシール装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明のシール装置は、第１に、回転軸外周とケーシング内周との間にフローティングリングを備えたシール装置において、フローティングリングの円周方向の１個所に回り止め手段を設け、フローティングリングの内周面に動圧発生用の溝を円周方向に非等配に設けることを特徴としている。

また、本発明のシール装置は、第２に、第１の特徴において、フローティングリングの重量＞回転軸とフローティングリングとのくさび効果でフローティングリングを持ち上げる力の関係にある場合、回転軸を一方の側面からみて回転軸の中心にＸ−Ｙ座標軸の原点をおいた座標系において、回転軸の回転方向が反時計方向にあるとき、回り止め手段を第２及び第３象限内の位置に設け、動圧発生用の溝をフローティングリングの内周面の第１象限、または、第１象限及び第２象限の位置に設けることを特徴としている。

また、本発明のシール装置は、第３に、第１の特徴において、フローティングリングの重量＜回転軸とフローティングリングとのくさび効果でフローティングリングを持ち上げる力の関係にある場合、回転軸を一方の側面からみて回転軸の中心にＸ−Ｙ座標軸の原点をおいた座標系において、回転軸の回転方向が反時計方向にあるとき、回り止め手段を第２及び第３象限内の位置に設け、動圧発生用の溝をフローティングリングの内周面の第４象限、または、第３象限及び第４象限の位置に設けることを特徴としている。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）フローティングリングを備えたシール装置において、回転軸の回転中におけるフローティングリングの回転を防止するとともに、フローティングリングの内周面に設けた動圧溝の発生する動圧を利用することにより、フローティングリングの重量と回転軸とフローティングリングとのくさび効果によるフローティングリングを持ち上げる力とが一致しない場合でも、フローティングリングと回転軸との中心を一致させることができる。
（２）回転軸の回転中においてフローティングリングと回転軸の中心を一致させることができるため、フローティングリングの内周面と回転軸の外周面との隙間を小さく設定することができ、シール装置のシール性の向上を図ることができる。また、流体膜厚さを平均に増加させることができるため、フローティングリングの内周面と回転軸の外周面との接触の危険性を低減することができる。

本発明の実施の形態に係るシール装置を模式的に示した正面断面図であって、回転軸の回転によりフローティングリングが上方に持ち上げられている状態を示している。本発明の実施の形態に係るシール装置を模式的に示した側面図であって、回転軸が静止した状態を示している。本発明の実施の形態に係るシール装置を模式的に示した側面図であって、回転軸が回転を始めた状態を示している。本発明の実施の形態に係るシール装置を模式的に示した側面図であって、回転軸が所定の回転数に達した状態を示している。フローティングリングの内周面に設けられた動圧発生溝の一例を示した図である。従来技術１を示す正面断面図である。従来技術２を示す側面断面図である。

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。

図１は、本発明の実施の形態に係るシール装置を模式的に示した正面断面図であって、回転軸の回転によりフローティングリングが上方に持ち上げられている。
図１において、ケーシング１の孔２内を貫通するようにしてポンプ等の回転軸３が配設されており、左側が高圧側、右側が低圧側である。ケーシング１の内周面と回転軸３の外周面との間には半径方向の隙間δが設けられており、この隙間δをシールするため、回転軸３の外周を囲むように中空円筒状のフローティングリング５が設けられる。また、ケーシング１内には、前記フローティングリング５を収容する円筒状の空間４が設けられ、この空間４の径及び幅は、フローティングリング５の外径及び幅よりも大きい。さらに、フローティングリング５の内径は回転軸３の外径よりもわずかに大きく設定されており、フローティングリング５が半径方向に一定の範囲で移動可能となっている。

図２は、本発明の実施の形態に係るシール装置を模式的に示した側面図であって、回転軸が静止した状態を示している。
図２において、フローティングリング５の外周面の左側面には回止ピン６が半径方向外方に突出するように設けられ、該回止ピン６は、ケーシング１の円筒状の空間４から半径方向外方に設けられた溝７内に遊嵌され、フローティングリング５の回転を防止するようになっている。回止ピン６はフローティングリング５の円周方向において１個所設けら、その位置は、回転軸３の回転方向を反時計方向にあるとき、回転軸３の中心Ｏを原点とするＸ−Ｙ座標系において、第２及び第３象限に位置しておればよく、特に図２の位置に限定されるものではない。また、回り止め手段としてはピンに限らず、要は、ケーシング１に係止されてフローティングリング５の回転を防止する機能を有するものであればよい。

図３は、本発明の実施の形態に係るシール装置を模式的に示した側面図であって、回転軸が回転を始めた状態を示している。
今、回転軸３が反時計方向に回転を始めると、回転軸３とフローティングリング５との間に介在する被密封流体の隙間Ｓにおけるくさび効果によりフローティングリング５を持ち上げる力が発生する。このとき、フローティングリングの重量＞回転軸３とフローティングリング５とのくさび効果によりフローティングリング５を持ち上げる力、の関係にある場合、フローティングリング５の中心は回転軸３の中心より下方にある。このような状態においては、回転軸外周とフローティング内周との間に介在する流体膜が局所的に薄くなるため、回転軸３の異常振動など不安定な挙動を起こしたときにフローティングリング５の内周面と回転軸３の外周面とが接触する危険がある。このような危険を避けるためには、フローティングリング５の内周面と回転軸３の外周面との隙間を大きく設定する必要がある。しかし、この隙間を大きくすると、この隙間からの被密封流体の漏れ量が隙間の３乗に比例して多くなる。

本発明は、回転軸３の回転時において、フローティングリング５の中心と回転軸３の中心とをできるだけ一致させるため、動圧を発生させるための動圧溝８を、円周方向に非等配に設けるものである。
例えば、図３に示すものは、フローティングリングの重量＞回転軸とフローティングリングとのくさび効果でフローティングリングを持ち上げる力、の関係にあるものであって、回転軸３の回転方向を反時計方向とした場合、回転軸３の中心にＸ−Ｙ座標軸の原点をおいた座標系において、動圧を発生させるための動圧溝８を、フローティングリング５の内周面の第１象限、または、第１象限及び第２象限の位置に設けている。
なお、本発明において、動圧溝を円周方向に非等配に設けるとは、動圧溝を円周方向に等分に配設するのではなく、図３に示すように、局所的に動圧溝を設けることの他、動圧溝を局所的になくしたり、局所的に溝深さを変えたりして設けることを意味するものである。

動圧溝８により、図３に示すような動圧ｐが発生すると、フローティングリング５には回止ピン６を支点とする回転モーメントＭが発生し、フローティングリング５は回止ピン６を支点として全体が上方に移動される。
ここで、フローティングリング５の重量をＷ、回転軸３とフローティングリング５との隙間Ｓのくさび効果によりフローティングリング５を持ち上げる力をＦ１、及び、動圧溝８で発生する動圧ｐによりフローティングリング５を持ち上げる力をＦ２とし、それぞれの作用点における回止ピン６からのＸ方向の距離をＬ１、Ｌ２、Ｌ３とした場合、
Ｗ・Ｌ１＝Ｆ１・Ｌ２＋Ｆ２・Ｌ３
となるように動圧溝８で発生する動圧ｐによる力Ｆ２を設定すれば、図４に示すように、フローティングリング５の中心と回転軸３の中心とは一致する。したがって、フローティングリング５の内周面と回転軸３の外周面との隙間を小さく設定することができ、シール装置のシール性を向上させることができる。また、流体膜厚さを平均に増加させることができるため、フローティングリング５の内周面と回転軸３の外周面との接触の危険性を低減することができる。

図３に示すものとは逆に、フローティングリングの重量＜回転軸とフローティングリングとのくさび効果でフローティングリングを持ち上げる力、の関係にある場合には、回転軸３を一方の側面からみて回転軸３の中心にＸ−Ｙ座標軸の原点をおいた座標系において、回転軸３の回転方向を反時計方向に見たとき、回り止め手段６を第２及び第３象限内の位置に設け、動圧発生用の溝８をフローティングリング５の内周面の第４象限、または、第３象限及び第４象限の位置に設ける。
この場合、フローティングリング５の重量をＷ、回転軸３とフローティングリング５との隙間Ｓのくさび効果によりフローティングリング５を持ち上げる力をＦ１、及び、動圧溝８で発生する動圧ｐによりフローティングリング５を持ち上げる力をＦ２とし、それぞれの作用点における回止ピン６からのＸ方向の距離をＬ１、Ｌ２、Ｌ３とした場合、
Ｗ・Ｌ１＝Ｆ１・Ｌ２−Ｆ２・Ｌ３
となるように動圧溝８で発生する力Ｆ２を設定すれば、図４に示すように、フローティングリング５の中心と回転軸３の中心とは一致する。

図５は、フローティングリング５の内周面に局所的に設けられる動圧発生溝８の一例を示した図である。
本例では、動圧発生溝８は高圧側に連通するように高圧側の半分の面に設けられ、回転軸３の回転方向に沿うように傾斜した形状をなし、端部９に行くにしたがい浅くなっている。
このような構成の動圧発生溝８にあっては、動圧発生溝８内へ高圧流体を容易に導くことができ、より確実に動圧効果を発揮させることができる。

なお、請求項２において、「回転軸を一方の側面からみて回転軸の中心にＸ−Ｙ座標軸の原点をおいた座標系において、回転軸の回転方向が反時計方向にあるとき、回り止め手段を第２及び第３象限内の位置に設け、動圧発生用の溝をフローティングリングの内周面の第１象限、または、第１象限及び第２象限の位置に設ける」と規定しているが、これは、回転軸の回転方向が逆の場合、すなわち、同じ側面からみて回転軸の回転方向が時計方向にあるときであっても、他方の側面からみれば回転軸の回転方向は反時計方向にあることからこのような規定をしているのである。したがって、回転軸の回転方向がいずれの場合も請求項２に包含される。請求項３についても請求項２と同様である。

１ケーシング
２孔
３回転軸
４円筒状の空間
５フローティングリング
６回止ピン
７溝
８動圧発生溝
９端部
δ 隙間
Ｓ回転軸とフローティングリングとの隙間
ｐ動圧
Ｍ回転モーメント

Claims

回転軸外周とケーシング内周との間に円形状のフローティングリングを備えたシール装置において、フローティングリングの円周方向の１個所に回り止め手段を設け、フローティングリングの内周面に動圧発生用の溝を円周方向に局所的に設けることを特徴とするシール装置。
フローティングリングの重量＞回転軸とフローティングリングとのくさび効果でフローティングリングを持ち上げる力の関係にある場合、回転軸を一方の側面からみて回転軸の中心にＸ−Ｙ座標軸の原点をおいた座標系において、回転軸の回転方向が反時計方向にあるとき、回り止め手段を第２及び第３象限内の位置に設け、動圧発生用の溝をフローティングリングの内周面の第１象限、または、第１象限及び第２象限の位置に設けることを特徴とする請求項１記載のシール装置。
フローティングリングの重量＜回転軸とフローティングリングとのくさび効果でフローティングリングを持ち上げる力の関係にある場合、回転軸を一方の側面からみて回転軸の中心にＸ−Ｙ座標軸の原点をおいた座標系において、回転軸の回転方向が反時計方向にあるとき、回り止め手段を第２及び第３象限内の位置に設け、動圧発生用の溝をフローティングリングの内周面の第４象限、または、第３象限及び第４象限の位置に設けることを特徴とする請求項１記載のシール装置。