CN112088267A - 密封环 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够在较宽的旋转区域内发挥稳定的润滑性能的密封环。一种密封环(1),其对旋转轴(2)与壳体(3)之间的间隙进行轴封,其中,在滑动面(S1)上设置有静压槽(13),其在周向上配置有多个,向被密封流体侧开口并在外径侧封闭,且在周向上形成为窄幅。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于对旋转轴与壳体之间的间隙进行轴封的密封环,特别涉及一种安装到环状槽即所谓填料函中使用的密封环。
背景技术
以往,密封环安装在旋转轴外周上,并使密封环的滑动面相对于形成在旋转轴上的滑动面紧密接触并滑动,从而对旋转轴与壳体之间的间隙进行轴封,防止被密封流体(液体)的泄漏。
在密封环中,为了长期维持密封性,必须兼顾“密封”和“润滑”这样的相互矛盾的条件。特别是,近年来,为了应对环保等而寻求防止被密封流体的泄漏,并且提高了低摩擦化的要求以降低机械损失。低摩擦化可以通过利用旋转轴的旋转在滑动面之间产生动压并在被密封流体的流体膜介于其间的状态下滑动的方法来实现。
作为利用旋转轴的旋转在滑动面之间产生动压的密封环,已知例如专利文献1所记载的密封环。专利文献1的密封环安装在设置于旋转轴外周的环状槽中,通过高压的被密封流体的压力而被按压向壳体侧和环状槽的一个侧壁面侧,使密封环的一个侧面的滑动面相对于环状槽的一个侧壁面的滑动面紧密接触并滑动。此外,在密封环的一个侧面的滑动面上,沿周向设置有多个向内径侧开口的动压槽,动压槽由周向中央的深槽和与深槽的周向两侧连续并沿周向延伸且底面朝向末端逐渐变浅地倾斜的浅槽构成。当旋转轴与密封环相对旋转时,从滑动面的内径侧向深槽内导入被密封流体,并且在旋转轴的反旋转方向侧的密封环的浅槽中产生负压,另一方面,在该旋转方向侧的浅槽中,通过供给被导入到深槽内的被密封流体而产生正压,正压通过由旋转方向侧的浅槽的倾斜的底面产生的楔形作用而增大,动压槽整体上产生正压,从而得到使滑动面之间稍微远离的力即浮力。通过使滑动面之间稍微远离,高压的被密封流体从滑动面的内径侧流入滑动面之间,并且从产生正压的旋转方向侧的浅槽向滑动面之间流出被密封流体,因此在滑动面之间形成流体膜,维持滑动面之间的润滑性。
现有技术文献
专利文献
专利文献:日本特开平9-210211号公报(第3页、图3)
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1的密封环中,旋转轴的滑动面相对于动压槽沿周向移动,正压随着旋转轴的转速上升而增大,在滑动面之间形成流体膜而使滑动面的润滑性提高,但是,动压槽为两个浅槽夹着深槽位于同一圆周上,因此,特别是在高速旋转时,在周向上产生较大的正压且产生较大的负压的区域内会发生气蚀,在滑动面的整个周向上产生的浮力的偏差变大,从而产生流体膜变得不均匀等对流体膜的不良影响,润滑性有可能变得不稳定。
本发明是着眼于这样的问题而完成的,其目的在于提供一种能够在较宽的旋转区域内发挥稳定的润滑性能的密封环。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题,本发明的密封环,
其对旋转轴与壳体之间的间隙进行轴封,其中,
在滑动面上设置有静压槽,其在周向上配置有多个,向被密封流体侧开口并在外径侧封闭,且在周向上形成为窄幅。
由此,导入到静压槽内的高压的被密封流体主要追随旋转轴的旋转方向而流出,从而能够从滑动面之间的内径侧到外径侧向径向上的较宽范围供给被密封流体,因此能够在周向上均衡地形成流体膜,从而能够在较宽的旋转区域内发挥稳定的润滑性能。
也可以是,所述静压槽在放射方向上形成为直线状。
由此,能够使密封环向两个方向旋转地使用。
也可以是,所述静压槽具有沿周向延伸的延出槽。
由此,高压的被密封流体被导入到静压槽的沿周向延伸的延出槽内,被密封流体从静压槽和延出槽内追随旋转轴的旋转方向而流出,并且由于离心力而向外径侧流出,从而向滑动面之间的径向和周向上的较宽范围供给被密封流体,因此能够进一步提高润滑性。
也可以是,在周向上相邻的所述静压槽通过在外径侧沿周向延伸的连通槽连通。
由此,导入至静压槽的高压的被密封流体通过连通槽被供给至滑动面的外径侧,因此能够进一步提高润滑性。
也可以是,所述连通槽沿周向连续地形成。
由此,能够通过连通槽在整个周向上向滑动面的外径侧供给被密封流体,因此能够稳定地发挥润滑性。
也可以是,在由所述静压槽沿周向夹着的位置上设置有向被密封流体侧开口的动压槽。
由此,能够通过动压槽产生浮力,因此能够进一步提高润滑性。
也可以是,所述静压槽形成为内径侧的深度比外径侧的深度更深。
由此,从静压槽的内径侧向外径侧沿径向形成被密封流体流,容易供给被密封流体。
附图说明
图1是以局部简略标记示出本发明的实施例1中的密封环的立体图;
图2是示出由实施例1中的密封环形成的旋转轴与壳体之间的间隙的轴封构造的剖视图;
图3是实施例1中的密封环的局部侧视图;
图4是图3的密封环的A-A剖视图;
图5是本发明的实施例2中的密封环的局部侧视图;
图6(a)是图5的密封环的B-B剖视图,(b)是示出静压槽和延出槽的变形例的剖视图;
图7是本发明的实施例3中的密封环的局部侧视图;
图8(a)和(b)是实施例3中的变形例A、B的密封环的局部侧视图;
图9是本发明的实施例4中的密封环的局部侧视图;
图10是图9的密封环的C-C剖视图;
图11(a)~(c)是实施例4中的变形例C~E的密封环的局部侧视图。
具体实施方式
以下,根据实施例对本发明的密封环的实施方式进行说明。
实施例1
参照图1至图4对实施例1的密封环进行说明。以下,以图2的纸面右侧为被密封流体侧L、纸面左侧为大气侧A进行说明。另外,对被密封流体侧L处的被密封流体的流体压力高于大气压的情况进行说明。此外,滑动面由平坦面和与该平坦面相比凹陷的槽构成,为了便于说明,在附图中,用白色标记示出构成滑动面的平坦面,用点标记示出构成滑动面的槽。
本实施例的密封环1通过对相对旋转的旋转机械的旋转轴2与壳体3之间进行轴封,将壳体3的内部分隔为被密封流体侧L和大气侧A(参照图2),防止被密封流体从被密封流体侧L向大气侧A泄漏。另外,旋转轴2和壳体3由不锈钢等金属制材料形成。此外,被密封流体是以设置在旋转机械的机械室中的未图示的齿轮、轴承等的冷却和润滑为目的而使用的流体,例如是油。
如图1和图2所示,密封环1是PTFE等的树脂成型品,通过在周向上的一个部位上设置接缝部1a而呈C字形,安装在沿着旋转轴2外周设置的截面矩形的环状槽20上来使用。此外,密封环1呈截面矩形,通过作用于被密封流体侧L的侧面的被密封流体的流体压力被按压向大气侧A,从而使形成在大气侧A的侧面10(以下,有时也仅称为侧面10)侧的滑动面S1与环状槽20的大气侧A的侧壁面21(以下,有时也仅称为侧壁面21)侧的滑动面S2滑动自如地紧密接触。此外,密封环1通过作用于内周面的被密封流体的流体压力而受到扩展方向的应力并被按压向外径方向,从而使外周面11与壳体3的轴孔30的内周面31紧密接触。
另外,滑动面S1、S2分别构成密封环1的侧面10与旋转轴2的环状槽20的侧壁面21的实际的滑动区域。此外,在侧面10侧,滑动面S1的外径侧连接有非滑动面S1’,在侧壁面21侧,滑动面S2的内径侧连接有非滑动面S2’(参照图2)。
如图1至图4所示,形成于密封环1的侧面10侧的滑动面S1由平坦面16和沿周向设置的多个静压槽13构成。另外,静压槽13在除了接缝部1a附近以外的滑动面S1的周向上等间隔地配置。
平坦面16由以下部分构成:密封部16a,其位于外径侧,夹着接缝部1a连续相连成大致环状;以及润滑部16b,其位于内径侧,在周向上夹在相邻的静压槽13之间,并与密封部16a相连(参照图3)。
如图3和图4所示,与旋转轴2的旋转/停止无关,只要被密封流体的压力比大气压高,静压槽13就会向滑动面S1、S2之间供给被密封流体,其在放射方向上形成为直线状,从侧面观察呈大致矩形形状,向密封环1的内径侧(被密封流体侧)开口且外径侧被封闭。此外,静压槽13的底面13d形成为平坦且与平坦面16平行,静压槽13的深度形成为几十μm至几百μm,优选形成为100μm至200μm。另外,静压槽13的深度也可以形成得更深至深度1mm左右。此外,静压槽13的三个侧面13a、13b、13c均从底面13d正交地延伸(特别是参照图4)。
接着,对旋转轴2旋转时的滑动面S1、S2之间的流体膜的形成进行说明。另外,在此,以旋转轴2沿图3中的白色箭头所示的顺时针方向旋转的情况,换言之,以密封环1相对于旋转轴2的环状槽20沿图3中的逆时针方向相对旋转的情况为例进行说明。在旋转轴2与壳体3相对旋转时,侧面10侧的滑动面S1相对于侧壁面21侧的滑动面S2滑动。此时,在设置于滑动面S1的静压槽13中,从内径侧导入被密封流体。此外,在静压槽13中导入高压的被密封流体,被密封流体的高压的静压力作用在对置的旋转轴2的侧壁面21侧的滑动面S2上,从而得到使滑动面S1、S2之间稍微远离的力即所谓浮力。通过使滑动面S1、S2之间稍微远离,高压的被密封流体从它们的内径侧流入滑动面S1、S2之间,并且从静压槽13主要追随旋转轴2的旋转方向向滑动面S1、S2之间流出被密封流体。
由此,密封环1使导入到从滑动面S1的内径侧到外径侧沿径向连续地开口的静压槽13内的高压的被密封流体主要追随旋转轴2的旋转方向而流出,从而能够从滑动面S1、S2之间的内径侧到外径侧向径向上的较宽范围供给被密封流体,因此能够在周向上均衡地形成流体膜,能够在较宽的旋转区域内发挥稳定的润滑性能。
此外,在静压槽13内贮存被密封流体,促进滑动面S1、S2之间的润滑,因此能够抑制滑动面S1的磨损。
此外,静压槽13在放射方向上形成为直线状,因此能够使密封环1向两个方向旋转地使用。
此外,密封环1为C字形,因此即使密封环1的周长因热胀冷缩而变化,也能够稳定地维持密封性能。
实施例2
接着,参照图5和图6对实施例2的密封环进行说明。另外,对于与上述实施例中所示的构成部分相同的构成部分,标注相同的附图标记并省略重复的说明。
对实施例2中的密封环201进行说明。如图5所示,在本实施例中,与旋转轴2的旋转/停止无关,只要被密封流体的压力比大气压高,静压槽213就会向滑动面S1、S2之间供给被密封流体,并具有:导入槽213a,其在放射方向上形成为直线状,从侧面观察呈大致矩形形状,向密封环201的内径侧(被密封流体侧)开口且外径侧被封闭;以及一对延出槽213b、213b,其从导入槽213a的外径侧在同一圆周上向周向两侧延伸。
此外,如图6(a)所示,静压槽213的导入槽213a与延出槽213b、213b形成为深度大致相同。
由此,从静压槽213的导入槽213a的开口导入的高压的被密封流体被导入到在外径侧沿周向延伸的延出槽213b内,被密封流体从导入槽213a和延出槽213b内追随旋转轴2的旋转方向而流出,并且由于离心力而向外径侧流出,从而向滑动面S1、S2之间的径向和周向上的较宽范围供给被密封流体,因此能够提高密封环201的润滑性。此外,通过形成延出槽213b、213b,能够减小滑动面S1、S2之间的接触面积(平坦面16的面积),并且在导入槽213a和延出槽213b、213b内贮存被密封流体,促进滑动面S1、S2之间的润滑,因此能够抑制滑动面S1的磨损。
另外,延出槽213b也可以从导入槽213a的内径侧到外径侧形成在径向上的任何位置处。此外,延出槽213b也可以在径向上形成多个。此外,延出槽213b也可以仅形成在周向一侧(优选为旋转轴2的旋转方向侧)。
此外,如图6(b)所示,也可以是,静压槽213’形成为导入槽213a’的内径侧的深度比外径侧的深度更深,延出槽213b’形成为与导入槽213a’的内径侧的深度大致相同。由此,被密封流体容易从导入槽213a’的内径侧向外径侧流动,因此被密封流体容易被导入到延出槽213b’内,能够进一步提高密封环201的润滑性。
另外,关于实施例1的密封环1中的静压槽13,可以形成为从内径侧到外径侧深度相同,也可以形成为内径侧的深度比外径侧的深度浅。
实施例3
接着,参照图7对实施例3的密封环进行说明。另外,对于与上述实施例中所示的构成部分相同的构成部分,标注相同的附图标记并省略重复的说明。
对实施例3中的密封环301进行说明。如图7所示,在本实施例中,与旋转轴2的旋转/停止无关,只要被密封流体的压力比大气压高,静压槽313就会向滑动面S1、S2之间供给被密封流体,并具有:多个导入槽313a,其在放射方向上形成为直线状,从侧面观察呈大致矩形形状,向密封环301的内径侧(被密封流体侧)开口且外径侧被封闭;以及圆弧形的连通槽313b,其在外径侧沿周向延伸以连通所有的导入槽313a。另外,连通槽313b形成在平坦面316的外径侧、且形成在夹着接缝部1a(参照图1)连续相连成大致环状的密封部316a的内径侧。
此外,虽然为了便于说明而省略了图示,但静压槽313的导入槽313a与连通槽313b形成为深度大致相同。
由此,通过在静压槽313上设置连通槽313b,能够使被密封流体向滑动面S1、S2之间的外径侧的周向上的较宽范围流出,能够提高密封环301的润滑性。此外,连通槽313b形成为大致环状,因此连通槽313b内的被密封流体随着旋转轴2的旋转而产生圆周方向上的流动,并且在连通槽313b内稳定地保持被密封流体,从而能够将被密封流体可靠地供给到滑动面S1、S2之间。
另外,也可以是,静压槽313形成为导入槽313a的内径侧的深度比外径侧的深度更深,连通槽313b形成为与导入槽313a的内径侧的深度大致相同。由此,被密封流体容易从导入槽313a的内径侧向外径侧流动,因此被密封流体容易被导入到连通槽313b内,能够进一步提高密封环301的润滑性。
此外,作为实施例3中的密封环301的变形例A,如图8(a)所示,也可以是,连通槽313b形成为在径向上从多个部位沿周向延伸(例如两条)。
此外,作为实施例3中的密封环301的变形例B,如图8(b)所示,也可以是,连通槽313b形成为波形。由此,能够使被密封流体从连通槽313b向滑动面S1的外径侧的较宽范围流出,且能够增大连通槽313b的面积,因此能够进一步提高密封环301的润滑性。
实施例4
接着,参照图9和图10对实施例4的密封环进行说明。另外,对于与上述实施例中所示的构成部分相同的构成部分,标注相同的附图标记并省略重复的说明。
对实施例4中的密封环401进行说明。如图9所示,在本实施例中,形成在密封环401的侧面410上的滑动面S1(参照图2)主要由以下部分构成:平坦面416;静压槽413,其具有在放射方向上形成为直线状、从侧面观察呈大致矩形形状、向密封环401的内径侧(被密封流体侧)开口且外径侧被封闭的多个导入槽413a和在外径侧沿周向延伸以连通所有的导入槽413a的圆弧形的连通槽413b;以及动压槽412,其分别设置于在周向上相邻的导入槽413a、413a之间。另外,静压槽413的导入槽413a和动压槽412在除了接缝部1a附近以外的滑动面S1的周向上等间隔地配置,并在整个周向上交替地设置。
如图9和图10所示,动压槽412具有相应于旋转轴2的旋转而产生动压的功能,并向密封环401的内径侧(被密封流体侧)开口,且由设置于周向中央的深槽420和从深槽420开始与周向两侧连续并沿周向延伸的一对浅槽421、422构成。另外,在图9和图10中,夹着深槽420以纸面右侧为浅槽421、纸面左侧为浅槽422进行说明。
特别是,如图10所示,深槽420形成为底面平坦,浅槽421、422形成为底面从深槽420侧分别向周向末端逐渐变浅的倾斜面。此外,深槽420的底面形成为比浅槽421、422的最深部更深,深槽420的深度形成为几十μm至几百μm,优选形成为100μm至200μm。
接着,对旋转轴2旋转时的滑动面S1、S2之间的流体膜的形成进行说明。另外,在此,以旋转轴2沿图9中的白色箭头所示的顺时针方向旋转的情况,换言之,以密封环401相对于旋转轴2的环状槽20沿图9中的逆时针方向相对旋转的情况为例进行说明。在旋转轴2与壳体3相对旋转时,侧面410侧的滑动面S1相对于侧壁面21侧的滑动面S2滑动。此时,在设置于滑动面S1的静压槽413的导入槽413a和动压槽412的深槽420中,从内径侧导入被密封流体。另外,在与旋转轴2的旋转方向相反方向侧(图9中的纸面左侧)的密封环401的浅槽422(以下仅称为浅槽422)中产生负压,另一方面,在与该旋转方向相同方向侧(图9中的纸面右侧)的密封环401的浅槽421(以下仅称为浅槽421)中,供给被导入到深槽420内的被密封流体且通过由倾斜面产生的楔形作用而产生正压。并且,动压槽412整体上产生正压,从而得到使滑动面S1、S2之间稍微远离的力即所谓浮力。另外,其结构为,与实施例1中描述的静压槽413中产生的静压力相比,在动压槽412中产生的正压的压力更大,浮力主要通过在动压槽412中产生的正压而得到。通过使滑动面S1、S2之间稍微远离,高压的被密封流体从它们的内径侧流入滑动面S1、S2之间,并且从产生正压的浅槽421向滑动面S1、S2之间流出被密封流体。进而,在动压槽412中,在产生负压的浅槽422上作用有将周围的滑动面S1、S2之间存在的被密封流体吸入的力,因此能够从在周向上相邻的静压槽413的导入槽413a向浅槽422及其周边的润滑部416b供给被密封流体。
由此,从导入高压的被密封流体的静压槽413的导入槽413a向在周向上相邻并产生负压的浅槽422供给被密封流体,从而在浅槽422及其周边的润滑部416b中保持被密封流体,并且从深槽420和浅槽422向产生正压的浅槽421充分地供给被密封流体,因此能够在较宽的旋转区域内在滑动面S1、S2之间形成流体膜,从而能够提高密封环401的润滑性。
此外,在动压槽412中产生负压的浅槽422向内径侧(被密封流体侧)开口,从滑动面S1的内径侧也能够导入被密封流体,从而容易将被密封流体保持在浅槽422中。
此外,从静压槽413的导入槽413a向在周向上相邻并产生负压的浅槽422供给被密封流体,从而在动压槽412中产生负压的浅槽422中保持被密封流体并降低负压,从而在滑动面S1、S2之间,能够在与形成动压槽412的径向位置对应的周向上抑制了压力(正压和负压)的偏差的状态下产生动压,因此能够在防止由气蚀等引起的振动的同时提高密封环401的润滑性。
此外,静压槽413的导入槽413a形成为在径向上比动压槽412(特别是浅槽422)长,因此通过从在周向上相邻的导入槽413a向产生负压的浅槽422供给被密封流体,能够抑制气蚀的发生。进而,通过使导入槽413a延伸至比动压槽412更靠外径侧的位置,能够将被密封流体供给至滑动面S1的外径侧(比动压槽412更靠外径侧)而在滑动面S1、S2之间形成流体膜,因此能够进一步提高密封环401的润滑性。进而,通过设置连通槽413b,能够使被密封流体向滑动面S1、S2之间的外径侧的周向上的较宽范围流出,能够进一步提高密封环401的润滑性。
此外,通过在由动压槽412、412沿周向夹着的位置上设置静压槽413的导入槽413a,不论使密封环401向哪个方向旋转,都能够从在周向上相邻的导入槽413a向产生负压的浅槽422可靠地供给被密封流体。进而,导入槽413a和动压槽412在滑动面S1的整个周向上交替地设置,因此能够从在周向上相邻的导入槽413a向所有的动压槽412供给被密封流体,因此能够在滑动面S1的整个周向上均衡地产生浮力。此外,除静压槽413之外还形成动压槽412,从而能够减小滑动面S1、S2之间的接触面积(平坦面416的面积),因此能够抑制滑动面S1的磨损。
此外,动压槽412由向内径侧开口的周向中央的深槽420和与深槽420的周向两侧连续并沿周向延伸且底面朝向周向末端逐渐变浅地倾斜的浅槽421、422构成,因此能够使密封环401向两个方向旋转地使用,即使在高速旋转时也能够通过深槽420向浅槽421、422中的任一个可靠地供给被密封流体。
此外,作为实施例4中的密封环401的变形例C~E,如图11(a)~图11(c)所示,动压槽412也可以自由地构成,例如,可以形成为T字形槽、瑞利台阶、螺旋槽等。
以上,根据附图对本发明的实施例进行了说明,但具体的结构不限于这些实施例,即使有在不脱离本发明主旨的范围内的变更、追加,也包含在本发明中。
例如,也可以对上述实施例4应用上述实施例1所示的静压槽的结构、上述实施例2所示的静压槽的导入槽和延出槽的结构、上述实施例3的变形例A、B所示的静压槽的导入槽和连通槽的结构。
此外,设置在密封环的滑动面S1上的静压槽(导入槽)和动压槽的数量、形状可以适当地变更,以获得期望的动压效果。另外,对于导入被密封流体的静压槽(导入槽)、动压槽的深槽的设置位置、形状,可以根据滑动面的预计磨损程度适当地变更。
此外,静压槽(导入槽)的底面、侧面的形状不限于矩形形状,也可以自由地构成,侧面也可以从底面倾斜地延伸。
此外,密封环也可以构成为不设置接缝部1a的环状,其外形不限于从侧面侧观察的形状为圆形,也可以形成为多边形。
此外,密封环不限于截面矩形形状的密封环,例如,也可以为截面梯形形状、截面多边形形状的密封环,还可以为形成滑动面S1的侧面倾斜的密封环。
此外,也可以相对于旋转轴2的环状槽20的滑动面S2形成上述实施例所示的槽。
此外,虽然以油为例对被密封流体进行了说明,但被密封流体也可以为水、冷却液等液体,还可以为空气、氮气等气体。
符号说明
1~401:密封环;2:旋转轴;3:壳体;10:侧面;13:静压槽;16:平坦面;16a:密封部;16b:润滑部;20:环状槽;21:侧壁面;213、213’:静压槽;213a、213a’:导入槽;213b、213b’:延出槽;313:静压槽;313a:导入槽;313b:连通槽;316:平坦面;316a:密封部;410:侧面;412:动压槽;413:静压槽;413a:导入槽;413b:连通槽;416:平坦面;416b:润滑部;420:深槽;421、422:浅槽;S1、S2:滑动面;S1’、S2’:非滑动面。
Claims (7)
1.一种密封环,其对旋转轴与壳体之间的间隙进行轴封,其中,
在滑动面上设置有静压槽,其在周向上配置有多个,向被密封流体侧开口并在外径侧封闭,且在周向上形成为窄幅。
2.根据权利要求1所述的密封环,其中,所述静压槽在放射方向上形成为直线状。
3.根据权利要求1或2所述的密封环,其中,所述静压槽具有沿周向延伸的延出槽。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的密封环,其中,在周向上相邻的所述静压槽通过在外径侧沿周向延伸的连通槽连通。
5.根据权利要求4所述的密封环,其中,所述连通槽沿周向连续地形成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的密封环,其中,在由所述静压槽沿周向夹着的位置上设置有向被密封流体侧开口的动压槽。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的密封环,其中,所述静压槽形成为内径侧的深度比外径侧的深度更深。
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