JP2004132524A

JP2004132524A - 密封装置

Info

Publication number: JP2004132524A
Application number: JP2002300128A
Authority: JP
Inventors: Masaki Muneda; 宗田　雅樹; Tetsuya Ishikawa; 石川　哲也
Original assignee: Arai Seisakusho Co Ltd
Current assignee: Arai Seisakusho Co Ltd
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: JP4295487B2

Abstract

【課題】シール隙間を狭くせずに、低速から高速までの広い範囲に亘って密封流体の漏洩を防止することのできる密封装置を提供する。
【解決手段】回転体３と静止部５との間にシール隙間２５を設け、このシール隙間２５に移動可能な浮動リング６を配設する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密封流体の漏洩を防止する密封装置に係り、特に、回転体の回転により密封流体の漏洩を非接触で防止することのできる密封装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、密封流体の漏洩を防止する密封装置として、回転体と静止部との間にシール隙間を設け、回転体の回転により密封流体の漏洩を非接触で防止することのできるラビリンスシールが知られている。このラビリンスシールは、特に低トルクを要求される部位での油漏れ防止に適しており、例えばターボチャージャなどに用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１５５９号公報。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述した従来のラビリンスシールにおいて、回転体の回転時における油漏れを防止（実質的に無視できるほど少なく）するためには、シール隙間を狭くかつばらつきを小さく、すなわち精密に管理する必要がある。また、回転時の油漏れを防止するためには、回転速度が高速になればなるほど、シール隙間を狭くする必要がある。例えば、回転体の回転速度を８０００ｒｐｍとした場合、回転体と静止部との間に設けられているシール隙間を０．１ｍｍ程度に形成する必要がある。
【０００５】
しかしながら、従来のラビリンスシールにおいて、０．１ｍｍのシール隙間を形成するには、ラビリンスシール自身の加工精度およびラビリンスシールの取付精度を極めて高くする必要がある。そして、ラビリンスシールの加工精度を高くするには、高精度の装置を必要とするとともに、このような装置により製せられるラビリンスシールを大量に製造するには、極めて多量の装置と場所が必要となり、生産効率が悪く、経済的負担が増加するという問題点があった。さらに、ラビリンスシールの取付精度を高くするには、やはり高精度の取付装置を必要とし、生産効率が悪く、経済的負担が増加するという問題点があった。
【０００６】
そこで、シール隙間を狭くせずに、低速から高速までの広い範囲に亘って密封流体の漏洩を防止することのできる密封装置が求められている。
【０００７】
本発明はこの点に鑑みてなされたものであり、シール隙間を狭くせずに、低速から高速までの広い範囲に亘って密封流体の漏洩を防止することのできる密封装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するため特許請求の範囲の請求項１に係る本発明の密封装置の特徴は、回転体と静止部との間にシール隙間を設け、前記回転体の回転により密封流体の漏洩を非接触で防止することのできる密封装置において、前記シール隙間に移動可能な浮動リングを設けた点にある。そして、このような構成を採用したことにより、浮動リングの効果によってシール隙間を狭くせずに、低速から高速までの広い範囲に亘って密封流体の漏洩を確実かつ容易に防止することができる。
【０００９】
また、請求項２に係る本発明の密封装置の特徴は、請求項１において、前記回転体に回転体の少なくとも回転停止時における前記シール隙間からの密封流体の漏洩を防止するシール部材を設けた点にある。そして、このような構成を採用したことにより、回転体の回転停止時および低速時における密封流体の漏洩を確実かつ容易に防止することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施形態により説明する。
【００１１】
図１は本発明に係る密封装置としてのラビリンスシールの第１実施形態の要部を示す断面図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の密封装置としてのラビリンスシール１は、回転体としての回転軸２に装着される回転部材３と、静止部としてのハウジング４に回転部材３と対向するように装着される固定部材５と、浮動リング６とを有している。そして、ラビリンスシール１の図１左側が密封流体としての潤滑油が存在する密封側ＯＳとされ、ラビリンスシール１の図１右側が大気側ＡＳとされている。
【００１３】
前記回転部材３は、金属あるいは樹脂などにより形成された環状の回転部材用環体７に、ゴム様弾性体で形成された回転部材用弾性シール８が焼き付けられて一体に形成されている。
【００１４】
前記回転部材用環体７は、内側円筒部９を備えている。この内側円筒部９は、回転軸２より若干大径に形成されるとともに、図１の左右方向に示す軸方向に沿った長さ寸法が回転軸２の長さ寸法より短い所定の寸法に形成されている。そして、内側円筒部９の密封側ＯＳに位置する左端縁には、ハウジング４の内周面に向かって径方向外側にほぼ直角に折曲された側面ほぼ環状の内側直立壁部１０が延出形成されている。この内側直立壁部１０の外周縁は、回転軸２の外周面とハウジング４の内周面とのほぼ中間部分に位置するように形成されている。そして、内側直立壁部１０の外周縁には、大気側ＡＳに向かってほぼ直角に折曲された中間円筒部１１が軸方向に沿って延出形成されている。この中間円筒部１１の長さ寸法は、内側円筒部９の長さ寸法より短く形成されており、その右端縁には、ハウジング４の内周面に向かって径方向外側にほぼ直角に折曲された側面ほぼ環状の回転側シール隙間形成用壁部１２が延出形成されている。さらに、回転側シール隙間形成用壁部１２の外周縁には、密封側ＯＳに向かってほぼ直角に折曲された外側円筒部１３が軸方向に沿って延出形成されている。
【００１５】
前記回転部材用弾性シール８は、回転軸装着部１４と回転軸２の少なくとも回転停止時における後述するシール隙間２５からの油漏れを防止するシール部材としてのリップシール１５とを有している。
【００１６】
一方の回転軸装着部１４は、前記回転部材用環体７の内側円筒部９の内周面に配置されており、回転軸２に対して適宜な締代を備えている。
【００１７】
他方のリップシール１５は、回転部材用環体７の内側直立壁部１０の大気側ＡＳに位置する側面に基部が配置されており、大気側ＡＳにリップ先端１６が配置されている。このリップシール１５は、内側直立壁部１０の大気側ＡＳの側面から大気側ＡＳに向かって徐々に拡径するように形成されている。また、リップシール１５は、回転軸２の回転停止時においては図１の破線にて示すように固定部材５の後述するシール当接面２１に対してリップ先端１６が適宜な締代をもって弾接し、回転軸２の回転時においては図１の実線にて示すように回転軸２の回転にともなう遠心力によってリップ先端１６がシール当接面２１から離間するように形成されている。
【００１８】
すなわち、リップシール１５のリップ先端１６は、シール当接面２１に対して接離可能に形成されている。
【００１９】
なお、本実施形態のリップシール１５は、軸方向に対して直交する方向に形成されているシール当接面２１に対してリップ先端１６が軸方向から当接する構成とされているが、シール当接面２１を軸方向に沿って形成し、このシール当接面２１に対してリップ先端１６を径方向外側から当接させる構成としてもよい。
【００２０】
前記固定部材５は、金属あるいは樹脂などにより形成された環状の固定部材用環体１７に、ゴム様弾性体で形成された固定部材用弾性シール１８が焼き付けられて一体に形成されている。
【００２１】
前記固定部材用環体１７は、外周面がハウジング４の内周面と対向する軸方向に平行な水平筒状部１９と、この水平筒状部１９の大気側ＡＳに位置する右端縁から径方向中心に向かってほぼ直角に折曲された内向きフランジ状の固定側シール隙間形成用壁部２０とを有する断面ほぼＬ字状に形成されている。そして、水平筒状部１９の内周面は、取付状態において前記回転部材用環体７の外側円筒部１３の外周面と適宜な間隔をおいて対向するように配置されている。さらに、固定側シール隙間形成用壁部２０の密封側ＯＳの側面は、回転側シール隙間形成用壁部１２の大気側ＡＳの側面と所定の間隔をおいて対向するように配置されている。すなわち、固定側シール隙間形成用壁部２０と回転側シール隙間形成用壁部１２とは、ほぼ平行に配置されている。また、固定側シール隙間形成用壁部２０の密封側ＯＳの側面の内周側近傍は、回転軸２の停止時においてリップシール１５のリップ先端１６が当接されるシール当接面２１とされている。
【００２２】
前記固定部材用弾性シール１８は、固定部材用環体１７の水平筒状部１９の外周と、固定部材用環体１７の固定側シール隙間形成用壁部２０の大気側ＡＳの側面とを被覆するように形成されており、水平筒状部１９の外周を覆う部分は、ハウジング４の内周面に対して適宜な締代を備えたハウジング装着部２２とされている。
【００２３】
前記回転側シール隙間形成用壁部１２と固定側シール隙間形成用壁部２０との相互間には、樹脂や金属などにより形成された浮動リング６が配置されている。
この浮動リング６は、回転側シール隙間形成用壁部１２と固定側シール隙間形成用壁部２０との相互間において、径方向および軸方向に移動可能に配置されている。
【００２４】
すなわち、回転側シール隙間形成用壁部１２と固定側シール隙間形成用壁部２０との相互間の間隔Ｇは、浮動リング６の軸方向に示す厚さＴより大きく形成されている。そして、回転側シール隙間形成用壁部１２と浮動リング６との対向面間の隙間２３と、固定側シール隙間形成用壁部２０と浮動リング６との対向面間の隙間２４との両者によりシール隙間２５が形成されている。
【００２５】
すなわち、回転側シール隙間形成用壁部１２と浮動リング６との対向面間の隙間２３のサイズと、固定側シール隙間形成用壁部２０と浮動リング６との対向面間の隙間２４のサイズとを加算した値、言い換えると、回転側シール隙間形成用壁部１２と固定側シール隙間形成用壁部２０との相互間の間隔Ｇから浮動リング６の厚さＴを減算した値が、シール隙間２５のサイズとなっている。
【００２６】
なお、浮動リング６の内外径のサイズとしては、回転軸２が停止している回転停止状態および回転軸２が回転している回転状態において、リップシール１５と接触しないサイズとすることが好ましい。
【００２７】
つぎに、前述した構成からなる本実施形態の作用について説明する。
【００２８】
本実施形態のラビリンスシール１によれば、回転軸２の回転停止時および低速時においては、リップシール１５のリップ先端１６が自身の弾性復元力により、図１の破線で示すように、固定部材５のシール当接面２１に弾接しているので、密封側ＯＳから大気側ＡＳへの油漏れを確実かつ容易に防止することができる。
【００２９】
そして、回転軸２が回転を開始すると、回転が上がるにつれてリップシール１５のリップ先端１６は、回転軸２の回転にともなう遠心力によって径方向外側に向かって弾性変形する。この弾性変形により、リップシール１５のリップ先端１６が拡開し、図１の実線で示すように、リップシール１５のリップ先端１６がシール当接面２１から離間する。その結果、回転軸２の回転時において、リップシール１５のリップ先端１６とシール当接面２１を非接触状態に保持することができる。なお、回転軸２の回転にともなう遠心力によってシール当接面２１から離間したリップシール１５のリップ先端１６は、回転軸２の回転が低速になるとあるいは停止すると、自身の弾性復元力によってシール当接面２１に当接したもとの状態に容易に復帰する。
【００３０】
したがって、本実施形態のラビリンスシール１によれば、回転軸２の回転が低速あるいは停止時における油漏れを確実かつ容易に防止することができる。
【００３１】
また、本実施形態のラビリンスシール１によれば、回転軸２が回転を開始すると回転が上がるにつれて、密封側ＯＳに存在する油は、回転軸２に装着されている回転部材３の回転にともなう遠心力によって、固定部材５の内周面側に張り付くように流動するとともに、その一部がシール隙間２５を通って密封側ＯＳから大気側ＡＳに流出しようとする。しかし、シール隙間２５を通って大気側ＡＳに流出しようとする油は、シール隙間２５に配設されている浮動リング６によって層流状態で回転して捕捉されて大気側ＡＳへの流出が阻止され、油の大気側ＡＳへの漏洩が防止される。
【００３２】
この時、浮動リング６がシール隙間２５において移動可能に配設されているので、浮動リング６は、油との接触によって回転軸２の回転速度より遅い速度で回転するとともに、回転側シール隙間形成用壁部１２と浮動リング６との対向面間の隙間２３に存在する油の圧力と、固定側シール隙間形成用壁部２０と浮動リング６との対向面間の隙間２４に存在する油の圧力とが均衡を保つように軸方向に移動する。すなわち、浮動リング６は、回転軸２と同軸上に保持されるとともに、浮動リング６の左右に形成される隙間２３，２４が保持されるように自動調心されることになる。
【００３３】
そして、本実施形態のラビリンスシール１によれば、回転側シール隙間形成用壁部１２と固定側シール隙間形成用壁部２０との間に浮動リング６が配設されているから、シール隙間２５のサイズを狭くせずに、低速から高速までの広い範囲に亘って油の大気側ＡＳへの漏洩を確実かつ容易に防止することができる。
【００３４】
このことは、性能評価試験により確認することができた。この性能評価試験には、図２（ａ）に示すように、外径８０ｍｍの回転軸の外周面に回転部材３の代用として断面ほぼＬ字状の環体により軸方向に対して垂直な金属製の回転側垂直壁３１を設けるとともに、内径１００ｍｍのハウジング４の内周面に固定部材５の代用として断面ほぼＬ字状の環体により軸方向に対して垂直な大気側ＡＳより観察できる透明な樹脂製の固定側垂直壁３２を設け、回転側垂直壁３１と固定側垂直壁３２との相互間に浮動リング６を配設し、かつ０．５ｍｍ（回転側垂直壁３１と固定側垂直壁３２との相互間の間隔Ｇから浮動リング６の厚さＴを減算した値）のシール隙間２５を設けたものを本発明品とし、図２（ｂ）に示すように、回転側垂直壁３１と固定側垂直壁３２との相互間に浮動リング６を配設せずにシール隙間２５を設けたものを従来品として用いた。また、従来品のシール隙間２５のサイズとしては、０．１ｍｍ（従来品１）、０．２ｍｍ（従来品２）、０．３ｍｍ（従来品３）および０．４ｍｍ（従来品４）の４種類を用いた。
【００３５】
そして、本発明品および従来品について、密封流体としての潤滑油、すなわちキャッスルＳＬ　５Ｗ−２０（トヨタ製商品名）を用いて、潤滑油の油温を１５０℃とし、回転軸２の回転数を７５０、２０００、３０００、４５００、６０００、７０００、９０００ｒｐｍの７段階で回転させた場合の油漏れ量をそれぞれ評価した。なお、潤滑油は、回転軸２を回転させた状態で密封側ＯＳに供給した。また、油漏れ量は、密封側ＯＳに潤滑油を供給した後、３０分経過したときに大気側ＡＳに漏洩した潤滑油の量を計測したものである。
【００３６】
この性能評価試験の評価結果を図３に示す。
【００３７】
図３に示すように、本発明品は、シール隙間２５を０．５ｍｍとした場合であっても全回転領域（７５０〜９０００ｒｐｍ）において油漏れがなく良好な密封性能を有することが判明した。
【００３８】
これに対して、従来品は、本発明品よりシール隙間２５が狭いにもかかわらず、本発明品より性能が劣るものであった。すなわち、従来品１から４は、すべて油漏れが生じ、油漏れを防止することができないものであった。さらに説明すると、図３に示すように、従来品１および２は、シール隙間２５が０．１ｍｍおよび０．２ｍｍと極めて少ないにもかかわらず、回転軸２の回転数が４５００ｒｐｍを超えると油漏れが生じるものであった。また、従来品３および４は、シール隙間２５が０．３ｍｍおよび０．４ｍｍと本発明品より狭いにもかかわらず、回転軸２の回転数が２０００ｒｐｍを超えると油漏れが生じるとともに、油漏れ量が多いものであった。なお、従来品の９０００ｒｐｍにおける油漏れ量は、従来品１が０．３ｃｃ／ｍｉｎ、従来品２が０．５ｃｃ／ｍｉｎ、従来品３が５．４ｃｃ／ｍｉｎ、従来品４が８．４ｃｃ／ｍｉｎであった。
【００３９】
前記性能評価試験において、油漏れがない状態では、シール隙間２５に油の大気との境界部分である油面が環状に保持されているとともに、この油面が層流の状態で回転することが判明した。また、油漏れの状態は、油面が波打つように乱れて、油面の一部が剥離して大気側ＡＳに飛散することにより生じることが判明した。
【００４０】
本発明品のラビリンスシールにおいてシール隙間が従来品より広いにもかかわらず良好な密封性能を有するのは、シール隙間に配置された浮動リングが回転軸の回転にともなって回転軸の回転速度より遅い速度で回転することにより、シール隙間における油面が乱れることなく層流状態で環状に保持されるためである。
【００４１】
なお、本実施形態のラビリンスシール１を製造して実際の製品による性能評価試験を行ったところ、全回転領域（０〜９０００ｒｐｍ）において油漏れがなく良好な密封性能を有することが確認できた。
【００４２】
したがって、本実施形態のラビリンスシール１によれば、従来に比べてシール隙間２５を広く設定できるので、シール隙間２５のサイズを狭くせずに、低速から高速までの広い範囲に亘って密封流体の漏洩を確実かつ容易に防止することができる。その結果、ラビリンスシール１の製作時の許容差およびラビリンスシール１の取付精度を緩和することができ、しかも回転軸２の軸方向のガタを吸収することもできるので、生産性の向上および低コスト化を容易に図ることができる。
【００４３】
図４は本発明に係るラビリンスシールの第２実施形態を示すものである。本実施形態のラビリンスシール４１は、回転部材３、固定部材５および浮動リング６が分離しないように一体化したものである。
【００４４】
すなわち、本実施形態のラビリンスシール４１は、取り扱い時などに、固定部材５の内部に配置される回転部材３および浮動リング６が軸方向に移動して固定部材５から分離するのを防止するため、固定部材５を構成する固定部材用環体１７の水平筒状部１９の左端縁に、径方向中心に向かってほぼ直角に折曲された内向きフランジ状の分離防止壁４２を設けることにより構成されている。この分離防止壁４２は、固定部材５の内部に浮動リング６および回転部材３を収納した後で、予め分離防止壁４２を形成するのに必要な分だけ軸方向に長くかつ薄く形成された水平筒状部１９の左端部を径方向中心に向かって折曲げ加工することにより形成されている。その他の構成は前述した第１実施形態のラビリンスシール１と同様とされており、その詳しい説明は省略する。
【００４５】
このような構成により、本実施形態のラビリンスシール４１は、前述した第１実施形態のラビリンスシール１と同様の効果を奏することができるとともに、回転部材３、固定部材５および浮動リング６が分離しないので、取り扱い性、およびラビリンスシール４１を回転軸２およびハウジング４に取り付ける際の作業性をともに向上することができる。
【００４６】
図５は本発明に係るラビリンスシールの第３実施形態を示すものである。本実施形態のラビリンスシール５１は、静止部としてのハウジング４の一部に固定側シール隙間形成用壁部２０を設けたものである。
【００４７】
すなわち、本実施形態のラビリンスシール５１は、ハウジング４自身の一部に固定側シール隙間形成用壁部２０が設けられており、この固定側シール隙間形成用壁部２０の内周縁には、密封側ＯＳに向かって軸方向にほぼ直角に折曲された筒状部５２が延出形成されている。そして、回転軸２の回転停止時および低速時において、回転部材３に設けられたリップシール１５のリップ先端１６が、径方向外側から筒状部５２の外周面に当接するように形成されており（同図破線参照）、このリップ先端１６が当接する筒状部５２の外周面がシール当接面２１とされている。なお、筒状部５２を設けずに、リップシール１５のリップ先端１６を、固定側シール隙間形成用壁部２０の密封側ＯＳに位置する側面に当接させる構成としてもよい。
【００４８】
その他の構成は前述した第１実施形態のラビリンスシール１と同様とされており、その詳しい説明は省略する。
【００４９】
このような構成により、本実施形態のラビリンスシール５１は、前述した第１実施形態のラビリンスシール１と同様の効果を奏することができる。
【００５０】
なお、本発明の密封装置は、低トルクを要求されるエンジンあるいはポンプ軸などにおいて液体あるいは液体と固体との混合体からなる密封流体の漏洩防止に用いることができる。
【００５１】
また、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々変更することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１に係る本発明の密封装置によれば、シール隙間を狭くせずに、低速から高速までの広い範囲に亘って密封流体の漏洩を確実かつ容易に防止することができるなどの極めて優れた効果を奏する。
【００５３】
また、請求項２に係る本発明の密封装置によれば、回転体の回転停止時および低速時における密封流体の漏洩を確実かつ容易に防止することができるなどの極めて優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る密封装置としてのラビリンスシールの第１実施形態の要部を示す断面図
【図２】性能評価試験に用いたラビリンスシールの構成を示す断面図であり、（ａ）は本発明品、（ｂ）は従来品を示す
【図３】回転軸の回転数と油漏れ量の関係を示す線図
【図４】本発明の密封装置としてのラビリンスシールの第２実施形態の要部を示す図１と同様の図
【図５】本発明の密封装置としてのラビリンスシールの第３実施形態の要部を示す図１と同様の図
【符号の説明】
１、４１、５１　ラビリンスシール
２　回転軸
３　回転部材
４　ハウジング
５　固定部材
６　浮動リング
１２　回転側シール隙間形成用壁部
１５　リップシール
１６　リップ先端
２０　固定側シール隙間形成用壁部
２１　シール当接面
２３、２４　隙間
２５　シール隙間
４２　分離防止壁
５２　筒状部
Ｇ　（回転側シール隙間形成用壁部と固定側シール隙間形成用壁部との）間隔
Ｔ　（浮動リングの）厚さ
ＡＳ　大気側
ＯＳ　密封側

Claims

回転体と静止部との間にシール隙間を設け、前記回転体の回転により密封流体の漏洩を非接触で防止することのできる密封装置において、
前記シール隙間に移動可能な浮動リングを設けたことを特徴とする密封装置。
前記回転体に回転体の少なくとも回転停止時における前記シール隙間からの密封流体の漏洩を防止するシール部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の密封装置。