JP4763480B2 - 回転軸シール - Google Patents

Description

本発明は、シールエレメントを有する回転軸シールに関する。

従来、ドライ真空ポンプ等に、図４に示すような回転軸シールが用いられている。近年、半導体業界では高効率化に伴って、また、液晶業界では製造装置の大型化に伴って、高排出性能の真空ポンプが求められており、このような真空ポンプに使用される回転軸シールは、高回転の厳しい使用環境にあり、摩耗が著しく、耐久性が問題となっている。

従来のこのような回転軸シールは、図４の要部拡大断面図に例示するように、シールエレメント31を、インナーケース32とアウターケース33にて挾持状に保持した構造である。弾性材のガスケット34を介在して、アウターケース33の内鍔部33ａと、インナーケース32の内鍔部32ａにて、薄肉平板円環状のシールエレメント31の外周側の固定部31ａを挾持状に固着している。35は、このようにインナーケース32とシールエレメント31とガスケット34とを、挾圧状に組付けるためのかしめ折曲片部であり、断面略Ｌ字状のアウターケース33の高圧側Ａに形成される。
シールエレメント31は装着使用状態では、断面が略Ｊ字状乃至略Ｌ字状であって、図５（ａ）（ｂ）は、ＦＥＭ解析を用いて装着使用状態下で、各々、油温25℃かつ油圧力60ＫPa、油温 200℃かつ油圧力60ＫPaの条件下でのシールエレメント31の形状、及び、回転軸Ｓの外周面に対する接触面圧を解析した接触面圧分布とその位置を、描いた図である。

図５（ａ）に示すように、シールエレメント31を回転軸Ｓに装着すると、点線の平板円環状のものが、略Ｊ字状に弯曲して、前述の25℃，60ＫPaの使用条件では、摺接壁部36の最先端縁部36ａのみが、回転軸Ｓに線接触状に接触する。
接触面圧Ｐのピーク40は、最先端縁部36ａに発生し、太い一点鎖線で囲った部位Ｚが摩耗発生部位である。このように、図５（ａ）のように、油温が25℃と低い場合には、ピーク40が発生して、線接触状に摺接する最先端縁部36ａにて、油が完全にシールされ、しかも、摩耗発生部位Ｚは最先端縁部36ａから発生することにより、常にそのままの位置36ａに接触面圧Ｐのピーク40が発生して、シール性能を維持できる。

密封室37内の圧力が上昇しても、接触耐圧は、その圧力と、シールエレメントの締め付け圧力によって、シール性能は維持される。
ところが、近年の真空ポンプ等では（上述のように）しだいに高速回転となり、回転軸Ｓとの摩擦熱によって、シールエレメント31の摺接壁部36が発熱し、ＰＴＦＥ等の材質から成るシールエレメント31の強度が著しく低下して、例えば、 200℃では、図５（ｂ）に示すように断面略Ｌ字状にまで変形して、最先端縁部36ａよりも、かなり低圧側Ｂに於て、ピーク40が発生し、かつ、接触面圧分布も（軸心方向に）拡大して面接触状となり、外部漏洩を生じやすくなる。しかも、摩耗発生部位Ｚも最先端縁部36ａよりも低圧側Ｂに移って、この摩耗発生部位Ｚのみが凹状に摩耗して、その凹状の摩耗溝の奥部から、シールエレメント31に摩滅を生じて、漏洩を生ずる。

このような問題を解決するため、従来、シールエレメントの弯曲壁部の外側面に、波状小凹凸起伏を多数形成したものが、提供されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−０１３６４３号公報

しかし、上述した波状小凹凸起伏を多数配設したシールエレメントでは、図５（ｂ）に近似した略Ｌ字状に弯曲し、十分な解決が難しく、かつ、波状小凹凸起伏の奥部に応力集中が生じて、亀裂を生ずるという問題もあった。

そこで、本発明は、このような応力集中による亀裂を防ぎ、シールエレメントの回転軸外周面への接触面圧のピークの発生位置を巧妙に最先端縁部へ移して、摩耗を生じても、長期間、優れたシール性能を発揮できて、耐久性に優れた高速回転にも対応できる回転軸シールを提供することを目的とする。

そこで、本発明に係る回転軸シールは、弯曲壁部を介して断面略Ｊ字状乃至略Ｌ字状に弯曲した断面形状のシールエレメントを備え、かつ、該シールエレメントが上記弯曲壁部及び該弯曲壁部から最先端部にわたって、回転軸以外には他部材に対して非接触状態を保つ回転軸シールに於て、上記シールエレメントの上記弯曲壁部の外側に浅い帯状の凹溝部を形成して、上記弯曲壁部の全体又は大半部を薄肉部とし、さらに、上記凹溝部の隅部を、応力集中を避けるアール状に形成し、上記最先端縁部が接触面圧のピークをもって上記回転軸の外周面に常に線接触状として接触するよう構成した。

本発明によれば、シールエレメントの弯曲壁部に応力集中を生じることがなく、亀裂や切断等を生ずることを防止でき、さらに、シールエレメントの最先端縁部が常に接触して、長期間、安定したシール性能を発揮し、耐久性に優れ、特に、真空ポンプ等の高速回転にも対応可能な優れたシール性能と耐久性を発揮する。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
図１は本発明の実施の一形態を示す要部拡大断面斜視図であり、図２は要部拡大断面図、図３は本発明の作用・効果説明のためのＦＥＭ解析図である。この図１〜図３に於て、１はシールエレメントであって、ＰＴＦＥ等の材質から成り、金属製インナーケース２とアウターケース３にて挾持（挾圧）状に保持された構造であり、ゴム等の弾性材のガスケット４を介在させて、アウターケース３の内鍔部３ａと、インナーケース２の内鍔部２ａにて、薄肉平板円環状のシールエレメント１の外周側の固定部１ａを挾持状に固着している。５はかしめ折曲片であって、図２中に２点鎖線で示した状態にて、アウターケース３内へ、前記ガスケット４、シールエレメント１、インナーケース２を順に挿入して、矢印Ｍ方向へかしめ加工して、挾圧状態で一体状に組付けられている。

アウターケース３の断面形状は略Ｌ字状であり、（図示省略の）真空ポンプのケーシング等の孔部内周面に、液状ガスケットを塗布して、嵌着される円筒壁部３ｂと、軸心直交方向の内鍔部３ａと、小さな内鍔状のかしめ折曲片５とから、成り、このかしめ折曲片５は流体を密封する高圧側（密封流体室側）Ａに対応し、内鍔部３ａは大気等の低圧側に対応する。
インナーケース２は断面Ｌ字状であり、アウターケース３の円筒壁部３ｂの内周面に嵌合する円筒壁部２ｂと、軸心直交方向の内鍔部２ａと、から成る。

シールエレメント１は、円環平板状のＰＴＦＥ材等から形成され、弯曲壁部６を介して断面略Ｊ字状乃至略Ｌ字状に弯曲した断面形状を、装着使用状態で、有している。
そして、このシールエレメント１の弯曲壁部６には、浅い帯状の凹溝部７が形成されている。図１〜図３では、弯曲壁部６の外側に浅い帯状の凹溝部７が１本凹設されている場合を例示する。
このようにして、弯曲壁部６の全体又は大半部は、薄肉部Ｙに形成されている。

図３は、油温 200℃かつ油圧力60ＫPaの条件下で、ＰＴＦＥ製のシールエレメント１の形状、及び、回転軸Ｓの外周面に対して接触面圧Ｐがどのようになるかを、ＦＥＭ解析にて分析したグラフ図であり、図３の横軸は軸心方向位置を示し、また点線８は未装着状態を示す。
この図３からも分かるように、油温 200℃かつ油圧力60ＫPaと同一条件の従来例を示した図５（ｂ）と比較して、本発明では、略Ｌ字状よりも略Ｊ字状に近似した弯曲形状として、かつ、高圧側Ａの最先端縁部10が接触面圧Ｐのピーク40をもって回転軸Ｓの外周面に常に線接触状として接触する。

そして、図３（ｂ）に示すように、凹溝部７の深さ寸法をＨ₇ とし、幅寸法をＷ₇ とすれば、本発明では以下のように設定するのが望ましい。なお、薄肉部Ｙ以外の部位の平均肉厚寸法をＴとする。即ち、
0.10×Ｔ≦Ｈ₇ ≦0.30×Ｔ
1.0 ×Ｔ≦Ｗ₇ ≦3.0 ×Ｔ
のように深さ寸法Ｈ₇ と幅寸法Ｗ₇ を設定する。また、凹溝部７の隅部12, 12はアール状に形成して応力集中を避ける。

以上説明したように、本発明は、弯曲壁部６を介して断面略Ｊ字状乃至略Ｌ字状に弯曲した断面形状のシールエレメント１を備えた回転軸シールに於て、上記シールエレメント１の上記弯曲壁部６に浅い帯状の凹溝部７を形成した構成であるので、高速回転時にシールエレメント１が回転軸Ｓに摺接する摩擦熱の発生量が増加して、シールエレメント１が高温となり、材料強度が低下するが、弯曲壁部６がその先端部に比べて薄肉であるため、最先端縁部10に接触面圧Ｐのピーク40が常に発生し、これによって、摩耗がこの最先端縁部10に発生し、（中間部にえぐり状の摩耗凹所が発生せず、）長い使用期間にわたって安定したシール性を発揮する。

また、弯曲壁部６を介して断面略Ｊ字状乃至略Ｌ字状に弯曲した断面形状のシールエレメント１を備えた回転軸シールに於て、上記シールエレメント１の上記弯曲壁部６に浅い帯状の凹溝部７を形成し、装着使用状態下で最先端縁部10が接触面圧のピーク40をもって回転軸Ｓ外周面に常に線接触状として接触するよう構成したので、（中間部にえぐり状の摩耗凹所が発生せず、）長い使用期間にわたって安定したシール性を発揮する。さらに、線接触状として回転軸Ｓの外周面に接触するので、オイルフィルムに伴う外部漏洩を有効に防止して、一層優れたシール性を発揮できる。特に、真空ポンプの密封用として好適であり、高速化にも十分に対応可能である。さらに、凹溝部７は浅い帯状であるので、シールエレメント１に応力集中が発生せず、亀裂・破壊を阻止できて、長寿命なシールが得られる。要するに、高速回転という厳しい条件下でも、安定して優れたシール性（密封性）を発揮し、耐久性にも優れている。

本発明の実施の一形態を示す要部拡大断面斜視図である。 要部拡大断面図である。 本発明の作用効果説明のためのＦＥＭ解析グラフ図である。 従来例を示す要部拡大断面図である。 従来例の問題点を説明するためのＦＥＭ解析グラフ図である。

１ シールエレメント
６ 弯曲壁部
７ 凹溝部
10 最先端縁部
12 隅部
40 ピーク
Ｓ 回転軸
Ｐ 接触面圧
Ｙ 薄肉部

Claims (1)

1. 弯曲壁部（６）を介して断面略Ｊ字状乃至略Ｌ字状に弯曲した断面形状のシールエレメント（１）を備え、かつ、該シールエレメント（１）が上記弯曲壁部（６）及び該弯曲壁部（６）から最先端縁部（10）にわたって、回転軸（Ｓ）以外には他部材に対して非接触状態を保つ回転軸シールに於て、
   上記シールエレメント（１）の上記弯曲壁部（６）の外側に浅い帯状の凹溝部（７）を形成して、上記弯曲壁部（６）の全体又は大半部を薄肉部（Ｙ）とし、
   さらに、上記凹溝部（７）の隅部（12）（12）を、応力集中を避けるアール状に形成し、
   上記最先端縁部（10）が接触面圧（Ｐ）のピーク（40）をもって上記回転軸（Ｓ）の外周面に常に線接触状として接触するよう構成したことを特徴とする回転軸シール。

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