(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に支持される回転シャフトを備える流体機械であって、
前記回転シャフトの周面に形成され、前記回転シャフトの軸方向に互いに対向して配される複数の面を有する段差部と、
前記段差部を囲む空間を形成する囲い部と、
前記囲い部に対して前記軸方向に可動自在に支持されると共に前記段差部の複数の面のそれぞれに対して面する複数のフローティングリングと、
前記複数のフローティングリングの間を通して前記囲い部内にガスを供給するガス供給手段と、
を備えることを特徴とする流体機械。
【請求項２】
前記複数のフローティングリングにおける互いに向き合う面には、前記ガス供給手段により供給されるガスの圧力を局所的に高める溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
【請求項３】
前記複数のフローティングリングにおける前記段差部に面する面には、前記ガス供給手段により供給されるガスの圧力を局所的に高める溝が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧ポンプやガス圧縮機等、回転シャフトを有する流体機械に関し、特に、流体の漏れをシールする技術、及び回転シャフトの軸推力を調整する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２に、流体機械におけるシール構造の一例を示す。このシール構造では、ケーシング８０の内周面に、回転シャフト８１に対して非接触状態にリング状の部材（シールリング８２）が複数配設され、そのシールリング８２間に形成される空間８３に高圧ガスが供給されている。そして、空間８３の圧力を液体雰囲気の部屋（液体室８４）よりも高めることにより、その液体室８４からの液体の漏れをシールするように構成されている。
【０００３】
また、図１３に、流体機械における軸推力調整構造の一例を示す。この軸推力調整構造では、回転シャフト８５の周面から突出して形成された段差８６をケーシング８７に形成された窪み８８に配設し、その窪み８８内で上述した段差８６の側面に対して流体の圧力を作用させることにより、非接触状態で、軸推力を調整するように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の流体機械では、上述したシール構造と軸推力調整構造とを別体として設けているため、各構造にスペースを必要とし、構造の簡素化や縮小化を図るのが難しい。
【０００５】
さらに、上述したシール構造では、回転シャフトの軸径に応じて、シールリングなどの部材の大きさ（内径など）を設計する必要があり、部材の共有化を図るのが難しい。
【０００６】
また、上述した軸推力調整構造では、大きな軸推力に対する調整効果は高いものの、小さな軸推力に対して、振動が発生しやすいという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、シール構造及び軸推力調整構造の簡素化や縮小化を図ることができ、小さな軸推力に対する調整能力に優れた流体機械を提供することを特徴とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る流体機械は、回転自在に支持される回転シャフトを備える流体機械であって、前記回転シャフトの周面に形成され、前記回転シャフトの軸方向に互いに対向して配される複数の面を有する段差部と、前記段差部を囲む空間を形成する囲い部と、前記囲い部に対して前記軸方向に可動自在に支持されると共に前記段差部の複数の面のそれぞれに対して面する複数のフローティングリングと、前記複数のフローティングリングの間を通して前記囲い部内にガスを供給するガス供給手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
前記複数のフローティングリングにおける互いに向き合う面には、前記ガス供給手段により供給されるガスの圧力を局所的に高める溝が形成されていることを特徴とする。
前記複数のフローティングリングにおける前記段差部に面する面には、前記ガス供給手段により供給されるガスの圧力を局所的に高める溝が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の流体機械の一実施形態における流体シール部を示している。
ここでは、回転シャフト１０の一端側の空間は、液体雰囲気にあり、他端側の空間は、気体雰囲気にあるとする。この流体シール部において、回転シャフト１０の周面には、軸方向に垂直な複数の面（端面１１，１２）を有する環状の突出部１３が設けられ、この突出部１３を囲むように、周状の凹部１５を有するケーシング１６が配設されている。すなわち、突出部１３は、ケーシング１６の凹部１５に囲まれ、その端面１１，１２は、回転シャフト１０の軸方向に互いに対向して配置されている。
【００１１】
また、ケーシング１６には、突出部１３の端面１１，１２に対して浮動状態に配置される浮動体としての複数のフローティングリング２０，２１を収容する収容部２２が形成されている。
【００１２】
図２に示すように、収容部２２は、凹部１５の内周面に形成された円周状の溝からなり、その内部には、前述したフローティングリング２０，２１とともに、フローティングリング２０，２１の外周面に当接し回転シャフト１０の軸方向にフローティングリング２０，２１を可動自在に支持する波型板バネ２３，２４とが配設されている。
【００１３】
フローティングリング２０，２１は、略環状に形成されるとともに、互いに隣接して配置されている。また、フローティングリング２０，２１の端面のうちの互いに向き合う端面上には、円周状の溝が形成されている。本実施形態では、図３に示すように、一方のフローティングリング２０の端面に２つの溝２０ａ，２０ｂが、他方のフローティングリング２１の端面に１つの溝２１ａが形成されている。また、一方のフローティングリング２０の溝２０ａ，２０ｂと、他方のフローティングリング２１の溝２１ａとは互いに位置をずらして形成されている。
【００１４】
また、図４に示すように、ケーシング１６には、所定の圧力にガスを圧縮するガス供給手段３０から供給される圧縮ガス（高圧ガス）を、上記収容部２２に導くガス通路３１が設けられている。収容部２２におけるガス通路３１の出口３１ａは、圧縮ガスが２つのフローティングリング２０，２１の間に流れるように、フローティングリング２０，２１の中間に位置して形成されている。
【００１５】
次に、上述のように構成される流体機械の流体シール部における作用について説明する。
この流体シール部において、ガス供給手段３０からの圧縮ガスは、ガス通路３１を介して収容部２２に供給される。ガス通路３１の出口３１ａは、２つのフローティングリング２０，２１の中間に位置しており、ガス通路３１の出口３１ａから排出された圧縮ガスは、２つのフローティングリング２０，２１の間を通って、ケーシング１６の凹部１５の内部空間に噴出される。
【００１６】
フローティングリング２０，２１の内周面は、突出部１３の端面１１，１２に面して配されており、２つのフローティングリング２０，２１の間を通ってケーシング１６の凹部１５の内部空間に噴出された圧縮ガスは、突出部１３の端面１１，１２に衝突する。この場合において、回転シャフト１０の各端部側の空間よりも高い圧力の圧縮ガスを連続的に供給することにより、フローティングリング２０，２１の内周面と回転シャフト１０の突出部１３の端面１１，１２との間の空間が流体的にシールされる。
【００１７】
また、フローティングリング２０，２１の内周面と回転シャフト１０の突出部１３の端面１１，１２との間のシールされた空間（シール空間）は周方向に連通されているので、軸推力によって回転シャフト１０が軸方向に移動しようとすると、シール空間内の圧力分布が変化して、軸方向に圧力差が生じる。そのため、この圧力差による力が回転シャフト１０の突出部１３の端面１１，１２に対して軸方向に作用することにより、回転シャフト１０の軸推力が調整される。
【００１８】
このように、本実施形態によれば、流体のシール構造と軸推力調整構造とが一体的に構成される。したがって、シール構造と軸推力調整構造とを備える流体機械における構造の簡素化や縮小化が容易に図られる。
【００１９】
また、フローティングリング２０，２１は浮動状態に配されるので、小さな軸推力に対しても調整機能が働く。すなわち、小さな軸推力に伴うシール空間の圧力分布の変化に応じて、フローティングリング２０，２１が可動することにより、圧力調整がなされる。そのため、軸推力調整に対する感度が向上し、軸推力の発生に伴う振動の発生が抑制される。
【００２０】
ここで、図１３に示したような、いわゆるバランスピストンと呼ばれる軸推力調整構造では、回転シャフトの段差部が収容される窪み（例えば図１３に示す窪み８８）の加工に高い精度を要する場合が多い。これに対して、本実施形態では、フローティングリング２０，２１を可動状態に配するので、ケーシング１６の収容部２２などの加工精度は低くてよい。なお、上記実施形態の軸推力調整構造は、特に軸推力が大きくない場合に好ましく用いられる。
【００２１】
また、本実施形態では、軸方向に垂直な面をシールするように構成されるので、異なる軸径の複数の回転シャフトに対しても、フローティングリングなどの部材の共有化を図ることが容易である。
【００２２】
また、本実施形態では、フローティングリング２０，２１の互いに向き合う端面上に、円周状の溝２０ａ，２０ｂ，２１ａが形成されているので、ガス供給手段３０から供給されたガスは、この溝２０ａ，２０ｂ，２１ａでその圧力が局所的に高められる。そして、この圧力による反発力により、フローティングリング２０，２１同士の同心度が確保される。
【００２３】
ここで、フローティングリングの溝２０ａ，２０ｂ，２１ａは、この形態に限定されるものではない。すなわち、図５に示すように、フローティングリング４０，４１に溝を形成しなくてもよい。あるいは、図６（ａ），（ｂ）に示すように、フローティングリング４５，４６の端面及び周面のうち、回転シャフト４７に設けられた突出部４８に面する周面に溝４５ａ，４６ａを設けてもよい。この場合、溝４５ａ，４６ａによってガス圧力が高められることにより、軸推力に対する調整能力が向上する。
【００２４】
また、上記実施形態では、回転シャフトに設けられた一つの突出部に対してフローティングリングを配置しているが、図７に示すように、回転シャフト５０に複数の突出部５１，５２を設け、それぞれの突出部５１，５２に対してフローティングリング５３，５４を浮動状態に配置してもよい。
【００２５】
さらに、上記実施形態では、フローティングリングの内周面が回転シャフトの突出部に面するように構成されているが、図８に示すように、フローティングリング５５，５６の外周面が回転シャフト５７の突出部５８，５９に面するように構成してもよい。
【００２６】
また、図９に示すように、フローティングリング６０，６１にカバー６２，６３を設置して、動きに伴うフローティングリング６０，６１の消耗を抑制するように構成してもよい。この場合、カバー６２，６３の材質としては、例えば金属や樹脂などが用いられる。
【００２７】
さらに、上記実施形態では、波型板バネによってフローティングリングを可動自在に支持しているが、他の部材によってフローティングリングを支持してもよい。すなわち、図１０に示すように、波型板バネの代わりに、コイルバネ６５やピン６６などを用いてもよい。
【００２８】
また、上記実施形態では、突出部は、軸方向に垂直な複数の面（図１に示す端面１１，１２）を有して形成されているが、段差としての突出部の形状はこれに限定されない。すなわち、図１１に示すように、軸方向に対して斜めに配される面７０を有するように突出部７１を形成し、この斜めの面７０に対してフローティングリング７２，７３を浮動状態に配置するようにしてもよい。なお、この図１１では示していないが、回転シャフト７４には、この斜面７０とほぼ対称に斜面７５が形成され、その斜面７５に対しても同様にフローティングリングが配置され、これにより回転シャフト７４の軸推力が調整される。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流体機械によれば、シール構造と軸推力調整構造とが一体的に構成されるため、構造の簡素化や縮小化を容易に図ることができる。さらに、浮動状態に配される浮動体によって、小さな軸推力に対する調整能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の流体機械の一実施形態における流体シール部を示す要部断面図である。
【図２】  フローティングリングの様子を示す図である。
【図３】  フローティングリングに形成された溝の様子を示す図である。
【図４】  ケーシングに形成されたガス通路の様子を示す図である。
【図５】  流体シール部の他の形態を示す図である。
【図６】  流体シール部の他の形態を示す図である。
【図７】  流体シール部の他の形態を示す図である。
【図８】  流体シール部の他の形態を示す図である。
【図９】  流体シール部の他の形態を示す図である。
【図１０】  流体シール部の他の形態を示す図である。
【図１１】  流体シール部の他の形態を示す図である。
【図１２】  流体機械におけるシール構造の従来例を示す図である。
【図１３】  流体機械における軸推力調整構造の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１０  回転シャフト
１１，１２  端面
１３  突出部（段差部）
１５  凹部（囲い部）
１６  ケーシング
２０，２１  フローティングリング（浮動体）
２３，２４  波型板バネ
２０ａ，２０ｂ  溝
３０  ガス供給手段
３１  ガス通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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