(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
協働する１対のシールリングのうち、その一方は回転構成要素に設けられ、他方は静止構成要素に設けられ、これらのシールリングは、作動中に実質的に半径方向に形成されたシール面を有して、シール面同士の間に、シール面の周方向外側区域をシール面の周方向内側区域に対してシールするためのシールギャップが形成され、前記シール面の少なくとも一方に、ガスを送り込むのに有効な周方向に離間した複数の凹部が設けられ、該凹部は前記シール面の一方の周縁から他方の周縁に向かって延びているとともに、凹部の内端は前記シール面の他方の周縁から半径方向に離間しており、非ガス成分を含むガス媒体中の非ガス成分の保持手段をさらに備え、
該保持手段が、面シール構造の、シールされる媒体から遠い側の上流に設けられ、前記凹部を有するシール面は、ＦＧＦＡ＝シール面に投影された場合の全表面積とし、ＦＧ＝シール面の全表面積であるとしたときの表面積比ＦＧＦＡ／ＦＧが、０．３５〜０．６５、好ましくは０．４〜０．６の範囲であり、
前記保持手段は、面シール構造の回転部分と固定部分との間に画成されるＵ字形の流路を有し、
該Ｕ字形の流路は、シール面に通じるＵ字形の流路の中間移行部よりも面シール構造の中心長軸から半径方向に大きく離れたところに位置して、非ガス成分を含むガス媒体に曝されている入口を有し、
さらに前記Ｕ字形の流路は、回転部分と固定部分の外周に設けられて外方に開口した環状の溝と、前記面シール構造から前記環状の溝の内部中央に半径方向に延びている固定部分のフランジ状部分とから構成されている面シール構造。
【請求項２】
少なくとも回転シールリングは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳＩ３Ｎ４）、炭化タングステン（ＷＣ）及びチタン（Ｔｉ）の少なくとも１つを含む群の材料で形成されている、請求項１記載の面シール構造。
【請求項３】
固定シールリングが炭素材料で形成されている、請求項１記載の面シール構造。
【請求項４】
シール面の表面積ＦＧに対するシールされる媒体の圧力によって液圧負荷を受ける面シール構造の有効表面積ＦＨの比として定義される負荷比ｋが、０．５〜１．２の範囲である、請求項１記載の面シール構造。
【請求項５】
前記負荷比ｋが、反作用圧よりも低いシール圧の場合には０．５〜０．９、好ましくは０．６〜０．８の範囲であり、反作用圧よりも高いシール圧の場合には０．７〜１．２、好ましくは０．８〜１．０の範囲である、請求項４記載の面シール構造。
【請求項６】
前記凹部が前記シール面の内周縁に端を発している、請求項１記載の面シール構造。
【請求項７】
前記Ｕ字形の流路は、非回転シールリングの端面と、回転シールリングの外周の円盤状キャップとによって軸方向を画定される、外方に開口した環状の溝と、前記シールリングの外周を超えたところから前記環状の溝の内部中央に延びているフランジ状部分とから構成され、面シール構造の回転部分と固定部分との間に画成される、請求項１記載の面シール構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面シール構造（ｆａｃｅ  ｓｅａｌ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）に関する。本発明は、特に、内燃機関のチャージ圧縮機の駆動軸を圧縮機ハウジングに対してシールするのに適した面シール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、タービン駆動の遠心圧縮機又はねじ圧縮機や排気ガス導入タービンによって駆動されるターボ圧縮機の駆動軸をシールする際には、特殊な作動条件に関して特に注意を払わなければならない。例えば、このような圧縮機の駆動軸は、一般に直径が非常に小さく、例えば４０mm未満である。これらの軸は、例えば毎分１０５以上の非常に高い速度で回転する。さらには、シールは、そのような圧縮機のハウジング内で優勢である、大気圧条件よりも高い圧力及び低い圧力を受けることがある。そのうえ、一般には空気である、シールされるガス媒体は、油滴の如き非ガス成分を含まないように維持されなければならない。油滴は、圧縮機のうち、圧縮機ハウジングの外に位置する、軸を支持するためのローラベアリング又はそれに類するものを収容するための部分に含まれていることがあり、この部分に対し、圧縮機の内部をシールしなければならない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
臨界作動条件を考慮して、そのような用途にはラビリンスシールが長い間好まれてきたが、ラビリンスシールは、比較的漏れやすいという本質的な欠点を抱えている。面シール構造（ｆａｃｅ  ｓｅａｌ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）は、面シールの漏れる危険性がはるかに低いにもかかわらず、ラビリンスシールの代替としてそのような用途に考慮されていなかった。従来の面シール構造のシールリングは、乾式運転（ｄｒｙ  ｒｕｎｎｉｎｇ）のために、シールの早期破損が生じるほど熱くなるということを知見した。従来の面シール構造を負圧条件に付したときにも同様な結果が得られ、作動速度が明らかに低下した。
【０００４】
本発明の目的は、改良された面シール構造を提供することである。本発明の他の目的は、乾式運転の危険性が最小限であり、大気圧条件よりも高い作動圧力及び低い作動圧力で漏れを軽減させる面シール構造を提供することである。本発明のさらに別の目的は、小径のターボ圧縮機の軸をシールするのに適した面シール構造を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の面シール構造は、協働する１対のシールリングのうち、その一方は回転構成要素に設けられ、他方は静止構成要素に設けられ、これらのシールリングは、作動中に実質的に半径方向に形成されたシール面を有して、シール面同士の間に、シール面の周方向外側区域をシール面の周方向内側区域に対してシールするためのシールギャップが形成され、前記シール面の少なくとも一方に、ガスを送り込むのに有効な周方向に離間した複数の凹部が設けられ、該凹部は前記シール面の一方の周縁から他方の周縁に向かって延びているとともに、凹部の内端は前記シール面の他方の周縁から半径方向に離間しており、非ガス成分を含むガス媒体中の非ガス成分の保持手段をさらに備え、該保持手段が、面シール構造の、シールされる媒体から遠い側の上流に設けられ、前記凹部を有するシール面は、ＦＧＦＡ＝シール面に投影された場合の全表面積とし、ＦＧ＝シール面の全表面積であるとしたときの表面積比ＦＧＦＡ／ＦＧが、０．３５〜０．６５、好ましくは０．４〜０．６の範囲であり、前記保持手段は、面シール構造の回転部分と固定部分との間に画成されるＵ字形の流路を有し、該Ｕ字形の流路は、シール面に通じるＵ字形の流路の中間移行部よりも面シール構造の中心長軸から半径方向に大きく離れたところに位置して、非ガス成分を含むガス媒体に曝されている入口を有し、さらに前記Ｕ字形の流路は、回転部分と固定部分の外周に設けられて外方に開口した環状の溝と、前記面シール構造から前記環状の溝の内部中央に半径方向に延びている固定部分のフランジ状部分とから構成されている。
【０００６】
特に、本発明は、一方のシールリングのシール面に存在するガスを送り込むのに有効な凹部（以下「ガス凹部」とも称する。）の数が、これらのガス凹部によって占められる表面積がシール面の全表面積の約３５〜６５％を占めるような数であると考える。従来の面シール構造とは違って、これは、非常に多数のガス凹部がシール面に設けられることを意味する。そのうえ、ガス凹部のないシール面の部分が最小限に減らされる。例えば、シール面の半径方向寸法に対する凹部のないダム部の半径方向寸法の比は、わずか約０．２〜０．３であってもよく、一方、従来の面シール構造のダム部は、シール面の実質的により大きな部分を占める。本発明の結果として、面シール構造が、シールされる媒体（空気）によって低い圧力にさらされる場合でも、各作動状態などで協働するシール面とシール面との間に安定したガスクッションが形成されることが保証される。
【０００７】
さらには、本発明の好ましい実施態様によると、シール面の全表面積に対するシールされる媒体の圧力によって、水圧負荷を受ける面シール構造の有効表面積の比と定義される負荷比ｋが、０．５〜１．２の範囲であるべきである。負荷比ｋは、低い圧力条件の場合には範囲の下寄り部分にあり、超過圧力条件の場合には上寄り部分にあるべきである。そのうえ、ガスに含まれる非ガス成分が外部環境からシールされる空間に進入することのないよう、ガス凹部はシール面の内周縁に端を発することが好ましい。これが、漏れ流を常にこの空間から外部環境に向かう方向に流れさせ、その逆には流れさせない。これはまた、非ガス成分がシール面とシール面との間に入り込み、面シール構造の作動の混乱を招くことを防ぐ。面シール構造への非ガス成分の進入は、面シール構造の、シールされる媒体から遠い側の上流に配置される、非ガス成分保持手段によってさらに減らすことができる。例えば、前記Ｕ字形の流路は、非回転シールリングの端面と、回転シールリングの外周の円盤状キャップとによって軸方向を画定される、外方に開口した環状の溝と、前記シールリングの外周を超えたところから前記環状の溝の内部中央に延びているフランジ状部分とから構成され、面シール構造の回転部分と固定部分との間に画成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明及びその目的をより理解できるために、本発明の好ましい実施態様を例示し説明する添付図面及び以下の詳細な説明を参照されたい。
【０００９】
以下、内燃機関のチャージ圧縮機の駆動軸のシールに関連して本発明を説明するが、本発明はこの用途に限定されないことを理解すべきである。それどころか、本発明は、高い回転速度で駆動される比較的小径の軸を、ハウジングに対し、摩擦を最小限にするような方法でシールする必要があり、シールされる媒体が空気のようなガスである場合に、常に利用することができる。しかし、本発明は、また、低圧条件で効果がある機械、例えば強力なディーゼル推進ユニットの伝動装置における比較的低速回転する大径軸のシールに関しても有利である。
【００１０】
本発明の面シール構造は、図に略示したハウジング１に対して非回転可能に保持されたシールリング３と、軸２に取り付けられて軸とともに回転するシールリング５とを含んでいる。シールリング３は、軸２と同軸に配置され、軸方向に移動可能である。シールリング３，５は、実質的に半径方向の、対向するシール面６、７を有している。ガスを送り込むのに有効な回転方向に従う構造、すなわち凹部１４（図２を参照）が、研削，レーザ加工，スタンピングの如き公知の技術によって、シール面６、７の少なくとも一方、好ましくは非回転シールリング３のシール面７に設けられている。これらのガス凹部１４は、軸２が回転するときシール面６、７の間にガスを送り込んで、圧力を増大させ、シール面６、７の間に、シール面６、７の周方向内側にある区域Ａをその周方向外側にある区域Ｂに対してシールするためのガスクッションを形成させるのに効果的である。基本的に、このタイプのガス凹部１４は公知である。詳細に関しては、例えば、バーグマン（ＢＡＲＧＭＡＮＮ）のＧａｓ  ｌｕｂｒｉｃａｔｅｄ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｅａｌ（１９９７年自己出版、ＩＳＢＮ  ３−９２９６８２−１５−Ｘ）第１９頁以降を参照することができる。望むならば、異なるタイプの回転方向に従うガス凹部を使用してもよい。
【００１１】
非回転シールリング３は、図示しない方法で、圧縮機ハウジング１に固着された駆動ケーシング１１内に収容され、Ｏリングの形態の二次シール４によってそれに対してシールされている。Ｏリング型の二次シール及びそれに適する材料の詳細に関しては、バーグマン（ＢＡＲＧＭＡＮＮ）のＡＢＣ  ｄｅｒ  Ｇｌｅｉｔｒｉｎｇｄｉｃｈｔｕｎｇ（１９８８年  自己出版）第１６１頁，２７２−２７３を参照することができる。望むならば、Ｏリング以外のタイプの二次シールを設けてもよい。
【００１２】
図１に示すように、波形のワッシャースプリング構造の形状の偏倚手段１０が駆動ケーシング１１と非回転シールリング３との間に配置されている。該偏倚手段１０は、非回転シールリング３を適当な偏倚力で付勢して、軸２と共に回転するシールリング５に押し当て、軸２が静止しているときには、シールリング３，５のシール面６，７が互いにシール状態で係合して保持されている。非回転シールリング３の外周には、軸方向に延びる溝９が設けられ（周方向に分布したこのような溝を複数設けてもよい）、この溝の中に、駆動ケーシング１１からシールリング３に向かって半径方向に突出する駆動フィンガ１３が延出している。これにより、非回転シールリング３は、駆動ケーシング１１に対して回転することはできないが、それに対して軸方向に移動することはできる。
【００１３】
回転シールリング５は、いかなる適当な方法で軸２に取り付けてもよい。本実施態様では、軸の肩と軸２に取り付けたブッシュ８との間に締め付けて、軸２の回転が滑りなしでシールリング５に伝達するようにしている。
【００１４】
回転シールリング５に好ましい材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳＩ3Ｎ4）、炭化タングステン（ＷＣ）またはチタン（Ｔｉ）の如き強度の高い材料であって、シール面のコーティングはあってもなくてもよい。ＳｉＣ材料の場合、流動相で焼結され、粒径１μｍ以下（≦１μｍ）の細粒状材料の使用が好ましい。回転シールリング５には、用途によっては、前記材料に代えて、クロム−モリブデン高級鋼の如き金属材料が有利であるかもしれない。固定シールリング３もまた、前記材料のいずれから製造してもよい。しかし、磨耗を最小限にするため、炭素材料の如き摩擦学的に効果的な材料が好ましく、望むならば、公知技術を使用してこれらをアンチモンで含浸してもよい。
【００１５】
図２に示すように、多数のガス凹部１４が非回転シールリング３のシール面７に均等に分布した状態で設けられている。各ガス凹部１４は、シール面７の内周縁１５から延び、すきの刃のようにカーブして、シール面７の外周縁１６から半径方向に離間した半径方向中間部ＲＤまで達し、それにより、外周縁１６の近くに、ガス凹部１４のないダム部１７を残している。
【００１６】
本発明によると、軸が例えば８〜２５ｍｍの非常に小さな径を有する場合でも、シール面７の全表面積ＦＧに対するガス凹部１４によって占有される表面積ＦＧＦＡの比は、通常作動時並びに軸２の始動及び停止時の両方でシール面６、７の直接接触が回避されるような比である。これは、ガス凹部１４の影響でそれらの間にガスクッションを形成することによって達成される。本発明によると、表面積比ＦＧＦＡ／ＦＧが０．３５〜０．６５、好ましくは０．４〜０．６の範囲であるとき、これらの効果が得られることがわかった。さらには、シール面７の半径方向寸法（Ｒa−Ｒi）が最小値を下回るべきではないことがわかった。他方、ダム部１７の半径方向寸法（Ｒa−ＲＤ）は、最小値に維持すべきである。比（Ｒa−ＲＤ）／（Ｒa−Ｒi）は０．２〜０．３の範囲にあるべきである。例として、公称直径１６mmの軸２をシールする場合には、（Ｒa−Ｒi）が３．５ｍｍであり、（Ｒa−ＲＤ）が１ｍｍであることができる。一例として、すきの刃状の前縁及び後縁を有する１６個のガス凹部１４をこのタイプのシール面７の円周に設けることができる。
【００１７】
さらに、シール面の表面積ＦＧにシールされた媒体の圧力によって液圧負荷を受ける面シール構造の有効表面積ＦＨの比として定義される負荷比ｋが、
ＦＨ／ＦＧ＝０．５〜１．２
の範囲であるとき、面シール構造の特に有利な作動性が得られることがわかった。
【００１８】
ただし、
ｐＡ＜ｐＢならば、ＦＨ／ＦＧ＝（Ｒa2−ｒＨ2）／（Ｒa2−Ｒi2）であり、
ｐＡ＞ｐＢならば、ＦＨ／ＦＧ＝（ＲＨ2−Ｒi2）／（Ｒa2−Ｒi2）である。
【００１９】
ここで、Ｒa＝シール面７の外周の半径であり、Ｒi＝シール面７の内周の半径であり、ＲＨ、ｒＨ＝液圧有効半径である。液圧有効半径は、媒体の圧力ｐＡが反作用圧ｐＢ、例えば大気側の圧力よりも大きいか小さいかに依存して異なる。半径ＲＨ及びｒＨは、Ｏリング４と非回転シールリング３又は駆動ケーシング１１（優勢な圧力条件下でＯリング４とシール的に係合する）の隣接する周面との相互作用によって明確になり、本質的に、Ｏリング４の外側半径寸法及び内側半径寸法に対応する。
【００２０】
ｐＡ＜ｐＢであるとき、すなわち、シールされる媒体によって占められる側で低い圧力が優勢であるときには、負荷係数ｋは０．５〜０．９、好ましくは０．６〜０．８の範囲であるべきである。対照的にｐＡ＞ｐＢであるとき、すなわち、シールされる媒体が超過圧力にあるとき、負荷係数ｋは０．７〜１．２、好ましくは０．８〜１．０になるべきである。
【００２１】
ガス凹部１４がシール面７の内周縁１５に端を発することが好ましい理由は、区域Ａ中にシールされる媒体が非ガス成分、例えば油滴を実質的に含まないからである。このような油滴は、シールギャップ（シール面同士の接合隙間）に進入した場合、面シール構造を損傷するおそれがある。対照的に、大気側のガス媒体、例えばスペースＢ内の空気中の非ガス成分、例えば油滴の数は非常に少ないが、軸２を支持するための潤滑ローラベアリングなどがスペースＢに収容されるかもしれないため、無視することはできない。シール面７の内周におけるガス凹部１４の配置が、シールされる媒体の漏れ流がスペースＡからシール面６、７間のシールギャップに沿ってスペースＢに向かって生じ、それにより、非ガス成分がスペースＢからスペースＡに浸入するのを効果的に防ぐことを保証する。
【００２２】
さらに、スペースＢ中、面シール構造の上流に、シールリング３，５のシール面６，７への油滴の接近を防ぐか、少なくとも実質的に減らすための手段を設けてもよい。他の適当な手段を設けてもよいが、好ましい手段は、駆動ケーシング１１の外周を包囲するブッシュ２０から半径方向に延びるフランジ状部分１２を含む。この部分１２は、シールリング３，５の外周を超えたところから、非回転シールリング３の端面と、回転シールリング５の外周の円盤状キャップ１８とによって軸方向を画定される、外方に開口した環状の溝の内部中央に延びている。したがって、流れがフランジ状部１２の自由端の近くで曲がる地点よりも面シール構造の中心軸から半径方向に大きく離れたところに位置する入口を有するＵ字形の流路１９が形成される。したがって、流路１９中で優勢である遠心力が油滴を絶えず振り回して流路１９の入口に戻し、それにより、シール面６，７の近くの領域に近づかせない。ハウジング内の孔の周囲に付着した沈殿油滴は、望むならば、ハウジング１に設けられた通路２１を介して絶えず外に送り出すこともできる。
【００２３】
以上、ガス凹部がシール面の内周から延びる実施態様を参照して本発明を説明したが、非ガス成分がスペースＢからシールギャップを通過してスペースＡに入るおそれがないならば、逆の状況を想定することもできる。さらに、ガス凹部は、非回転シールリングのシール面の代わりに回転シールリングのシール面に形成してもよいし、両方のシールリングのシール面に形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  駆動軸をシールするために圧縮機ハウジングの孔に設けられた本発明の面シール構造の縦断面図である。
【図２】  図１に示す本発明の面シール構造の一対のシールリングの一方のシール面の平面図である。
１…ハウジング、２…回転軸、３，５…シールリング、４…二次シール、６，７…シール面、８…ブッシュ、９…溝、１０…偏倚手段、１１…駆動ケーシング、１２…フランジ状部分、１３…駆動フィンガ、１４…ガス凹部、１５…シール面７の内周縁、１６…シール面７の外周縁、１７…ダム部、１８…円盤状キャップ、１９…流路、２１…通路
【図１】
0003934850.tif 000002
【図２】
0003934850.tif 000003