(57)【要約】【課題】シール性能を維持したままで流体の共鳴を抑制してウェアリング音を低減させることができ、しかも容易に製作することができるシール及び該シールを備えた流体機械を提供する。【解決手段】シール面２ａに沿って螺旋状に延びる複数のねじ溝３Ａ，３Ｂを備えたシールであって、複数のねじ溝３Ａ，３Ｂの深さＤ１，Ｄ２及び幅Ｗ１，Ｗ２の少なくとも一方が互いに異なるように構成されている。【選択図】図２
2005083536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シール面に沿って螺旋状に延びる複数のねじ溝を備え、前記複数のねじ溝の深さ及び幅の少なくとも一方は互いに異なることを特徴とするシール。
【請求項２】
シール面に沿って螺旋状に延びる１条以上のねじ溝を備え、前記ねじ溝の深さ及び幅が一定の比率を保ちながら増減を繰り返すことを特徴とするシール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のシールを備えたことを特徴とする流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体が高圧側から低圧側に漏洩することを防止するためのシール及び該シールを備えた流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
静粛な社会を築き保全するために、騒音源である各種の機械については常に低騒音化（静音化）が求められている。我々の社会活動を担う基盤設備としてのポンプについても同様に静音化が求められており、１９７０年代から静音化対策が取り組まれている。ポンプが発する流体騒音は、卓越周波数成分を持つ音と広域周波数成分を持つ音とに区別される。卓越周波数成分を持つ音は、脈動音、ウェアリング音、吸い込み渦音、ハイドロ起因音の一部、オリフィス音、サージング音、ノズル音の一部であり、周期的な圧力変動や流動変動、流体の自励振動などから起因するものである（非特許文献１参照）。
【０００３】
一般に、遠心ポンプなどの高圧ポンプは、羽根車の回転によって昇圧された流体が高圧側から低圧側に漏洩することを防止するために、ライナリングまたはウェアリングと呼ばれるシールを備えている。図１（ａ）及び図１（ｂ）は従来のシールを示す断面図である。図１（ａ）に示すように、シール１０のシール面１１には複数の環状溝１２が形成されており、これらの環状溝１２は互いに平行に、かつ等間隔に配置されている。このような構成を持つシール（ライナリングまたはウェアリング）から発生するウェアリング音は、環状溝における流体の流れによって発生する卓越周波数成分を持つ音である。
【０００４】
このようなシールから発生するウェアリング音を抑制する方法として、図１（ａ）に示すような等間隔に設けられた環状溝（以下、等ピッチ溝という）に代えて、間隔を不均一にした環状溝（以下、不等ピッチ溝という）を設ける方法が報告されている（非特許文献２参照）。すなわち、図１（ｂ）に示すように、シール２０のシール面２３には、互いに幅の異なる環状溝２１及び環状溝２２が交互に形成されており、隣接する環状溝２１，２２との間隔は不均一となっている。
【０００５】
このように、シールの溝の形状によってウェアリング音の特性が変化することがわかっており、溝の形状を変更することで低騒音化を図ることが試みられている。これは、等ピッチ溝で発生するキャビティー音が同一時刻性を保った自励現象として成長することでウェアリング音が形成されるためであり、各溝で発生する音波の同一時刻性を排除すべく溝の間隔を１条ごとに変化させることで卓越周波数成分を低減させることができる。ここで、同一時刻性とは、各溝の上縁を流れる渦に起因して各溝から音波が同時に発生することをいう。
【０００６】
【非特許文献１】丸田芳幸、“ポンプ騒音の予測と防止”、「ターボ機械」、日本工業出版、平成１０年２月、第２６巻、第２号、ｐ．１０６−１０８
【非特許文献２】半田康雄・豊水和幸、“ポンプウェアリングで発生した高周波とその対策”、「ターボ機械」、日本工業出版、平成２年４月、第１８巻、第４号、ｐ．２２０−２２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、不等ピッチ溝構造は加工が容易でなく、実質的に製作できないという理由から実機に採用されることはほとんどない。シールの溝構造を１条のねじ溝にした場合、自励音が発生するときの流速条件の範囲が狭くなる効果が認められ、自励音の大きさは、複数の環状溝を持つシールよりやや小さくなる。しかしながら、騒音発生が最大となるときのポンプの運転条件を変化させる効果は認められるものの、自励音を根本的に消すことはできなかった。
【０００８】
ポンプのウェアリング音は、シールの溝構造に起因する流体の自励振動、すなわち流体の共鳴現象と考えられ、その共鳴音は騒音の卓越周波数成分として表れる。したがって、ポンプの静音化にはこの卓越周波数成分を消すことが重要となり、共鳴を抑制し、かつ製作の容易な溝構造を持つシールが求められている。
【０００９】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、シール性能を維持したままで流体の共鳴を抑制してウェアリング音を低減させることができ、しかも容易に製作することができるシール及び該シールを備えた流体機械（例えば、ポンプ、気体機械など）を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは上記の課題に鑑み、鋭意研究を重ねることにより、シールの溝構造を改良することによってウェアリング音を低減させることを見出した。すなわち、上記のように一般的な環状溝又は１条のねじ溝では充分な静音化効果が得られないため、周期的な圧力変動や流動変動による流体の自励振動を低減させることに着目した。
【００１１】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、シール面に沿って螺旋状に延びる複数のねじ溝を備え、前記複数のねじ溝の深さ及び幅の少なくとも一方は互いに異なることを特徴とするシールである。
本発明によれば、複数の溝の深さ及び幅を流体の流れ方向において変化させることにより、周期的な圧力変動や流動変動による流体の自励振動を抑制することができる。
【００１２】
本発明の他の態様は、シール面に沿って螺旋状に延びる１条以上のねじ溝を備え、前記ねじ溝の深さ及び幅が一定の比率を保ちながら増減を繰り返すことを特徴とするシールである。
本発明によれば、流体の流れ方向において溝の深さ及び幅が同時に変化するため、周期的な圧力変動や流動変動による流体の自励振動を抑制することができる。
【００１３】
本発明の他の態様は、上記シールを備えたことを特徴とする流体機械である。
本発明によれば、上記シールをウェアリングまたはライナリングとして用いることで、ポンプなどの流体機械から発生する騒音を低減させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
このように、本発明によれば、流体の自励振動を抑制してウェアリング音を低減することができる。また、本発明に係るシールは構成が簡単であるため、容易に製作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係るシールについて図面を参照して説明する。
図２は本発明の第１の実施形態に係るシールを示す断面図である。なお、本発明に係るシールは、液体用ポンプのライナリングやウェアリングとして好適に使用される。
【００１６】
図２に示すように、本実施形態に係るシール１は、回転軸や羽根車などの回転体に固定される円筒状の回転側シール部材１ａと、ケーシングなどに固定される円筒状の静止側シール部材１ｂとを備えている。静止側シール部材１ｂは回転側シール部材１ａの半径方向外側に配置されている。回転側シール部材１ａの外周面２ａと静止側シール部材１ｂの内周面２ｂとの間には微小な隙間Ｇが形成されており、この隙間Ｇを流体が流れるようになっている。なお、回転側シール部材１ａの外周面２ａ及び静止側シール部材１ｂの内周面２ｂは、それぞれシール面を構成する。
【００１７】
回転側シール部材１ａの外周面２ａには、外周面２ａに沿って螺旋状に延びる２条のねじ溝（第１のねじ溝３Ａ及び第２のねじ溝３Ｂ）が形成されている。第１のねじ溝３Ａ及び第２のねじ溝３Ｂはそれぞれ矩形状の断面を有している。第１のねじ溝３Ａは、深さＤ１が１．２ｍｍ、幅Ｗ１が１．２ｍｍ、ピッチＰ１が４．８ｍｍとなっており、第２のねじ溝３Ｂは、深さＤ２が１．０ｍｍ、幅Ｗ２が１．６ｍｍ、ピッチＰ２が４．８ｍｍとなっている。
【００１８】
本実施形態では、第１のねじ溝３Ａの深さＤ１と第２のねじ溝３Ｂの深さＤ２は互いに異なっており、第１のねじ溝３Ａの幅Ｗ１と第２のねじ溝３Ｂの幅Ｗ２とは互いに異なっているが、深さＤ１，Ｄ２及び幅Ｗ１，Ｗ２のうちいずれか一方のみが互いに異なっていてもよい。また、第１のねじ溝３Ａと第２のねじ溝３Ｂとの間隔Ｓは、均等あるいは不均等でもよいが、シールの耐久性を考慮するとほぼ均等であることが好ましい。
【００１９】
このように構成された本実施形態に係るシールによれば、回転側シール部材１ａに形成された第１及び第２のねじ溝３Ａ，３Ｂの深さＤ１，Ｄ２及び幅Ｗ１，Ｗ２が流体の流れ方向において変化するため、周期的な圧力変動や流動変動による流体の自励振動を抑制することができ、これによってウェアリング音を低減させることができる。なお、本実施形態では、回転側シール部材１ａのみに第１のねじ溝３Ａ及び第２のねじ溝３Ｂが設けられているが、静止側シール部材１ｂのみに第１のねじ溝３Ａ及び第２のねじ溝３Ｂを設けてもよく、さらには、回転側シール部材１ａ及び静止側シール部材１ｂの両方に第１のねじ溝３Ａ及び第２のねじ溝３Ｂを設けてもよい。また、ねじ溝の数は３条以上であってもよい。
【００２０】
次に、本発明の第２の実施形態に係るシールについて図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るシールを示す断面図であり、図３（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るシールの他の例を示す断面図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成については第１の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。
【００２１】
図３（ａ）に示すように、回転側シール部材１ａの外周面２ａには、外周面２ａに沿って螺旋状に延びる２条のねじ溝（第１のねじ溝４Ａ及び第２のねじ溝４Ｂ）が形成されている。第１のねじ溝４Ａ及び第２のねじ溝４ＢはそれぞれＶ字状の断面を有している。一方、図３（ｂ）に示す例では、第１のねじ溝４Ａ及び第２のねじ溝４Ｂはそれぞれ略Ｖ字状の断面を有しており、断面の底部には微小な平坦部が形成されている。本実施形態においても、回転側シール部材１ａに形成された第１及び第２のねじ溝４Ｂの深さＤ１，Ｄ２及び幅Ｗ１，Ｗ２が流体の流れ方向において変化するため、周期的な圧力変動や流動変動による流体の自励振動を抑制することができる。
【００２２】
次に、本発明の第３の実施形態に係るシールについて図４を参照して説明する。
図４は本発明の第３の実施形態に係るシールの回転側シール部材を示す側面図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成については第１の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。
【００２３】
図４に示すように、回転側シール部材１ａの外周面２ａには、外周面２ａに沿って螺旋状に延びる１条のねじ溝５が形成されている。このねじ溝５は、その延びる方向に沿って深さＤ及び幅Ｗが変化するように形成されている。すなわち、ねじ溝５の深さＤ及び幅Ｗは、一定の比率を保ちながら増減を繰り返すように形成されている。ここで、比率とは深さＤに対する幅Ｗをいう。
【００２４】
ねじ溝５を形成する加工方法としては、ねじ溝５に対応した突部を有する鋳型を製作して鋳造し、離型した後にシール面（外周面２ａ）を平滑加工する方法であってもよく、または、シール面を平滑加工した後に、旋盤等によってねじ溝５を加工してもよい。後者の加工法の一例としては、バイトを旋盤の回転と同調して回転軸方向に対して垂直に往復運動しつつ、バイトを回転軸方向に対して水平に移動するようにしてねじ溝５を掘削する。このねじ溝５を掘削するためのバイトは断面Ｖ字状に掘削できるものが好ましく、また、断面Ｖ字状の底部を平坦に掘削するものであってもよい。したがって、加工されたねじ溝５の断面形状は、Ｖ字（図３（ａ）参照）、もしくは底部に平坦部を有する略Ｖ字（図３（ｂ）参照）となる。
【００２５】
なお、第１乃至第３の実施形態において、ねじ溝を３条以上に増加することは原理的には可能であり、条数を増加させた分だけねじ溝を不規則に配置することが可能である。条数が複数である場合、平滑面（シール面）を形成した後に、旋盤によってねじ溝を１条ごとに位置と深度を決定して掘削する。これらのねじ溝のピッチはかならずしも同一である必要はないが、溝と溝が交差する場合にはシール性能に問題を生じることがあるので、同一のピッチであることが好ましい。
【００２６】
次に、本発明の第１の実施形態に係るシールを備えたポンプについて図５を参照して説明する。図５は本発明の第１の実施形態に係るシールを備えたポンプを示す断面図である。
図５に示すように、ポンプは、吸込口３０ａ及び吐出口３０ｂを有するケーシング３０と、ケーシング３０に収容された羽根車３１と、羽根車３１が固定される回転軸３２とを備えている。回転軸３２は図示しない軸受によって回転自在に支持されている。回転軸３２は図示しない駆動源に連結されており、駆動源により回転軸３２を介して羽根車３１が回転するようになっている。
【００２７】
羽根車３１の上流側及び下流側には、ライナリングまたはウェアリングとしてのシール１−１，１−２が設けられている。羽根車３１の羽根車入口３１ａには回転側シール部材１ａ−１が固定されており、この回転側シール部材１ａ−１を囲むように静止側シール部材１ｂ−１がケーシング３０に固定されている。また、羽根車３１の裏面には回転側シール部材１ａ−２が固定され、この回転側シール部材１ａ−２を囲むように静止側シール部材１ｂ−２がケーシングカバー３３に固定されている。
【００２８】
このような構成において、駆動源によって羽根車３１が回転すると、流体は吸込口３０ａから吸い込まれ、回転する羽根車３１によって昇圧された後、吐出口３０ｂから吐出される。回転する羽根車３１によって昇圧された流体は、シール１−１，１−２によって低圧側に漏洩することが防止される。また、上述したように、シール１−１，１−２から発生するウェアリング音が低減されるので、静音化されたポンプを実現することができる。なお、第２及び第３の実施形態に係るシールを備えたポンプも同様に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は従来のシールを示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るシールを示す断面図である。
【図３】図３（ａ）は本発明の第２の実施形態に係るシールを示す断面図であり、図３（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るシールの他の例を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るシールの回転側シール部材を示す側面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るシールを備えたポンプを示す断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１      シール
１ａ    回転側シール部材
１ｂ    静止側シール部材
２ａ    回転側シール部材の外周面（シール面）
２ｂ    静止側シール部材の内周面（シール面）
３Ａ，４Ａ    第１のねじ溝
３Ｂ，４Ｂ    第２のねじ溝
５      ねじ溝
１０，２０    従来のシール
１１，２３    シール面
１２，２１，２２    ねじ溝
３０    ケーシング
３１    羽根車
３２    回転軸
３３    ケーシングカバー
【図１】
2005083536.tif 000003
【図２】
2005083536.tif 000004
【図３】
2005083536.tif 000005
【図４】
2005083536.tif 000006
【図５】
2005083536.tif 000007