| 【発明の名称】 |
ブラシシール装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】榊 田 均
【氏名】三 上 誠
【氏名】南 波 聡
【氏名】平 野 俊 夫
【氏名】山 下 達 雄
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| 【要約】 |
【課題】ブラシシールを構成する素線への流体中に含まれるオイルミストのような浮遊物の付着および滞留を防止し、シール性能を長期間に亙って良好に発揮できるようにしたブラシシール装置を提供する。
【解決手段】回転機械の回転軸１０回りからの流体の漏洩を素線のブラシ状の集合体により防止するブラシシール装置において、回転軸１０を周方向に囲繞するように所定の密度で環状に結束した素線２からなるブラシシール１２をその外周部に向かって下がり勾配に傾斜するように回転軸１０と機械のケーシング１１の間に配置し、素線間に付着した浮遊物１５を重力の作用により素線に沿って機内側に排出させるようにした。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】回転機械の回転軸回りからの流体の漏洩を素線のブラシ状の集合体により防止するブラシシール装置において、前記回転軸を周方向に囲繞するように所定の密度で環状に結束した素線からなるブラシシールを前記回転軸と機械のケーシングの間に配置するとともに、前記素線に付着した前記流体中に含まれる浮遊物の素線間での滞留を防止する滞留防止手段を設けたことを特徴とするブラシシール装置。
【請求項２】回転機械の回転軸回りからの流体の漏洩を素線のブラシ状の集合体により防止するブラシシール装置において、前記回転軸を周方向に囲繞するように所定の密度で環状に結束した素線からなるブラシシールをその外周部に向かって下がり勾配に傾斜するように前記回転軸と機械のケーシングの間に配置し、素線間に付着した浮遊物を重力の作用により素線に沿って機内側に排出させるようにしたことを特徴とするブラシシール装置。
【請求項３】前記ブラシシールを機内側に配置した保持板と機外側に配置した背板との間で保持し、ブラシシールの素線に沿って流れ落ちる浮遊物の排出を円滑にする傾斜面を前記保持板に形成したことを特徴とする請求項２に記載のブラシシール装置。
【請求項４】回転機械の回転軸回りからの流体の漏洩を素線のブラシ状の集合体により防止するブラシシール装置において、前記回転軸を周方向に囲繞するように所定の密度で環状に結束した素線からなるブラシシールを前記回転軸と機械のケーシングの間に配置するとともに、回転軸が回転することにより生じる遠心力を利用して前記素線に付着した前記流体中に含まれる浮遊物を素線から強制的に排出する強制流を発生させる強制流発生手段を設けたことを特徴とするブラシシール装置。
【請求項５】前記強制流発生手段は、機内側においてブラシシールに近接した位置で前記回転軸に取り付けられた傘状の油切り部材からなることを特徴とする請求項４に記載のブラシシール装置。
【請求項６】前記傘状の油切り部材には、強制流の流れを強める強制流付勢手段が付加されるていることを特徴とする請求項５に記載のブラシシール装置。
【請求項７】前記強制流付勢手段は、前記傘状の油切り部材の表面の粗さを高めた粗目面またはディンプル状の凹凸面からなることを特徴とする請求項６に記載のブラシシール装置。
【請求項８】前記強制流付勢手段は、前記傘状の油切り部材の表面に放射状に形成した排出溝からなることを特徴とする請求項６に記載のブラシシール装置。
【請求項９】前記排出溝は、回転軸の回転方向とは逆側を指向して曲がるスパイラル状の排出溝であることを特徴とする請求項８に記載のブラシシール装置。
【請求項１０】前記強制流発生手段は、ブラシシールの先端部と対向する位置で回転軸に形成された周回溝と、前記周回溝に通じる入口部を有し回転軸の回転方向とは逆方向に曲がるように回転軸の外周面に形成された排出溝とからなることを特徴とする請求項４に記載のブラシシール装置。
【請求項１１】前記強制流発生手段は、回転軸の外周部においてブラシシールの先端部が接触する部分を起点に回転軸の回転方向とは逆側にその外周面を螺回するネジ溝からなることことを特徴とする請求項１０に記載のブラシシール装置。
【請求項１２】回転機械の回転軸回りからの流体の漏洩を素線のブラシ状の集合体により防止するブラシシール装置において、前記回転軸を周方向に囲繞するように所定の密度で環状に結束した素線からなるブラシシールをその外周部に向かって下がり勾配に傾斜するように前記回転軸と機械のケーシングの間に配置し、素線間に付着した浮遊物を重力の作用により素線に沿って機内側に排出させるとともに、前記回転軸が回転することにより生じる遠心力を利用して浮遊物を素線から強制的に排出する強制流を発生させる強制流発生手段を設けたことを特徴とするブラシシール装置。
【請求項１３】前記素線から強制的に排出された浮遊物を受ける凹曲面を有するポケットをケーシングに設けたことを特徴とする請求項１２に記載のブラシシール装置。
【請求項１４】前記ブラシシールは、内周部に向かって下がり勾配に傾斜し、素線間に付着した浮遊物を前記強制流発生手段に導くようにしたことを特徴とする請求項１２に記載のブラシシール装置。
【請求項１５】回転機械の回転軸回りからの流体の漏洩を素線のブラシ状の集合体により防止するブラシシール装置において、前記回転軸を周方向に囲繞するように所定の密度で環状に結束した素線からなるブラシシールを、素線密度が高密になっているシール部と、このシール部の機内側に配置され素線密度が疎になっている浮遊物捕獲部とから構成したことを特徴とするブラシシール装置。
【請求項１６】前記浮遊物捕獲部を保持する保持板に浮遊物の排出を円滑にする傾斜面を設けたことを特徴とする請求項１５に記載のブラシシール装置。
【請求項１７】前記傾斜面にはさらに浮遊物の排出を促進する凸状の排出促進部を設けたことを特徴とする請求項１６に記載のブラシシール装置。
【請求項１８】前記シール部と、浮遊物捕獲部とを一定の間隔をおいて配置したことを特徴とする請求項１５に記載のブラシシール装置。
【請求項１９】前記浮遊物捕獲部を保持する保持板に機内側とシール部側のそれぞれ向かって傾斜する傾斜面を設けるとともに、浮遊物捕獲部とシール部との間には浮遊物の排出孔を配置したことを特徴とする請求項１８に記載のブラシシール装置。
【請求項２０】前記浮遊物捕獲部を密度を疎に結束した素線に代替して、浮遊物を捕獲する性質を有する捕獲板を用いることを特徴とする請求項１５に記載のブラシシール装置。
【請求項２１】回転機械の回転軸回りからの流体の漏洩を素線のブラシ状の集合体により防止するブラシシール装置において、前記回転軸を周方向に囲繞するように所定の密度で環状に結束した素線からなるブラシシールを前記回転軸に取り付けるとともに、前記ブラシシールを素線の長さが所定のパターンで変化する素線から構成することを特徴とするブラシシール装置。
【請求項２２】前記ブラシシールは、長短の２種類の素線からなり、長い方の素線が機械のケーシング側に形成され浮遊物を受ける受け面に素線に付着した浮遊物を導くようにしたことを特徴とする請求項２１に記載のブラシシール装置。
【請求項２３】前記ブラシシールは、その素線の先端が斜めに傾斜する面をなすように切り揃えられ、機械のケーシング側に素線先端の傾斜する面が接触しかつ略同じ傾斜の傾斜面を浮遊物を受ける受け面としたことを特徴とする請求項２１に記載のブラシシール装置。
【請求項２４】前記ブラシシールの機外側にさらに別のブラシシールを機械のケーシングに取り付けたことを特徴とする請求項２１乃至２３のいずれかの項に記載のブラシシール装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ブラシシール装置に係り、例えば、水車発電機のような水力機械に使用され回転軸の軸受け部分等における作動流体の漏洩を防止するブラシシール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】水力機械の回転軸に従来から使用されているブラシシールの一例を図２３に示す。この図２３において、参照符号１０は機械の回転軸である。矢印で示すのが作動流体の流れである。ブラシシール１は、高圧側の機内から低圧側の機外に作動流体が漏出しないように回転軸１０とケーシング１１との隙間を気密にシールするものである。水車発電機のような水力機械では、回転軸１０が高速で回転するので、ブラシシール１の素材としては、比較的細いワイヤあるいは樹脂系材料からなるできるだけ細い素線２の束を回転軸１０の周方向に環状に配置し、その素線２の先端が、回転軸１０の外周面に接触するかあるいは極めてごく狭い隙間をもつように多数の素線が植設された保持板５を介してケーシング１１に取り付けている。ブラシシール１には、機械の高圧部から流れてくる高圧の作動流体が作用するため、シール前後での差圧が大きい。したがってシールブラシ１は、機内の高圧側から機外の低圧側に向かって倒れるように変形しようとする。素線２の先端と回転軸１０の外周面との間の隙間が大きくなると、吹き抜けの状態になってシール機能が損なわれるので、ブラシシール１の素線２には、ある程度の剛性が付与されているとともに、低圧側に設けた背板６により支えることでブラシシール１の変形を防止している。ただし、ある程度素線２が低圧側に傾くようにしないと、素線２と回転軸１０との間に生じる摩擦で、素線２あるいは回転軸１０が磨耗し易くなり、長期間の使用に耐えなくなる。
【０００３】図２４に示すように、高圧側の作動流体は、ブラシシール１を構成する素線１の束の間を通り抜けようとするが、素線１の密度は、非常に密になっているので、作動流体と素線１との間には摩擦抵抗が発生し、流体の機外側への漏出を防止することができ、効率の良いシールを提供可能となっている。
【０００４】図２５には水車発電機の軸受部へのブラシシール１を適用した具体例を示す。この水車発電機は、発電機１００と水車１０２とで軸系が構成されている。大型の水車発電機は、この図２５に示すような縦型のものが多く、発電機の回転軸１０３は、スラスト軸受１０５を介して中間軸１０４により水車１０２と連結されており、スラスト軸受１０５は、水車発電機全体の荷重を支えている。
【０００５】この水車発電機では、次のような目的でブラシシール１が用いられている。一般にスラスト軸受１０５は、油膜の動圧で荷重を受けるタイプのものが用いられており、このスラスト軸受１０５は、回転軸１０３の端部に取り付けられた回転板１０６と、静止板１０７との間に油槽１０８から潤滑油が供給され、動圧軸受としての機能を維持するようになっている。回転板１０６は高速で回転するため、油槽１０８に満たされた潤滑油１０９が回転板１０６によって撹拌されることにより、微小な粒子となって浮遊するオイルミストが発生する。発電機１００内の空間１１０は、冷却空気の流れによって油槽１０８内の圧力よりも低圧になっていて、オイルミストが空気といっしょに矢印で示すように、発電機１００内に流出しようとする。しかし、オイルミストは、異物が混入している場合などは発電機１００の短絡事故の原因となったり、機外に流出して環境汚染を引き起こすので、ブラシシール１を回転軸１０３の回りに設けオイルミストが発電機１００側に漏出するのを防止する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述したように、ブラシシール１は、そのシール性が非常に良好であるがゆえに、オイルミストなどの浮遊物をも効率よくその密集した素線２の間に封じ込めてしまうという点が問題となる。
【０００７】図２６は、オイルミストなとの浮遊物が流体に含まれている場合のブラシシール１のシール作用についての説明図である。オイルミスト７を含んだ空気は、機内（図２５に即していえば、油槽１０８内）の圧力が高いため、機外（発電機１００側）に流出しようとして、ブラシシール１を構成する素線２にあたるが、上述したとおりに、細い素線２が非常に密に配置されているため、空気中に含まれるオイルミスト７の流出が妨げられ、結果として、素線２によって捕捉されてしまい、次第に粒径が成長してある程度大きな粒径の油滴８となって素線２に付着することになる。
【０００８】さらに、油滴８の素線２への付着が進むと、図２７に示すように、油滴８自体の粘性により、素線２同士をお互いに密着的に結束させてしまう現象を生じさせてしまう。こうなってしまうと、素線２と素線２の間の隙間が不均一になって、一部はほとんど隙間がないようになり、他の部分は、ある程度大きくなった空間が生じることになる。この空間ができると、オイルミストを含んだ空気は、素線２との間に摩擦抵抗が生じることなく、簡単に通り抜けてしまい、シール効果が極端に低下してしまう。
【０００９】このような現象は、一般に、ブラシシールを取り付けてから、ある程度の期間が経過し、潤滑油が加熱あるいは劣化により酸化されることにより粘性が増加し、有機酸や不溶性のスラッジが生成されることにより、発生することが多くなる。
【００１０】また、図２８に示されるように、素線２に付着した油滴８は、回転軸１０との摩擦によつて生じる摩擦熱にさらされて高温になり、酸化・スラッジの生成が促進される。そして、素線２の先端に付着した油滴にあっては、固形物に変成し、回転軸１０の表面に損傷を与えたり、発熱により回転軸１０が曲がって振動発生の原因になることもある。
【００１１】そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、ブラシシールを構成する素線への流体中に含まれるオイルミストのような浮遊物の付着および滞留を防止し、シール性能を長期間に亙って良好に発揮できるようにしたブラシシール装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するために、本発明は、回転機械の回転軸回りからの流体の漏洩を素線のブラシ状の集合体により防止するブラシシール装置において、前記回転軸を周方向に囲繞するように所定の密度で環状に結束した素線からなるブラシシールを前記回転軸と機械のケーシングの間に配置するとともに、前記素線に付着した前記流体中に含まれる浮遊物の素線間での滞留を防止する滞留防止手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１３】本発明によれば、ブラシシールのシール性能を十分発揮させるために、オイルミストなどの浮遊物が素線に付着し、これが油滴となって素線の滞留付着するのを効果的に防止するので、従来のように、素線の間隔が滞留付着する油滴によって広がりシール特性を低下させたり、素線先端に付着した油滴が摩擦熱で高温となり、酸化・スラッジの生成が促進され、固形物に変成し、回転軸に損傷を与えたり、回転軸を曲げ振動が発生するのを未然に防止することができる。
【００１４】本発明は、その滞留防止する手段の態様の違いからいくつかの発明を含む。そのうち、第１の発明は、請求項２に記載したように、回転機械の回転軸回りからの流体の漏洩を素線のブラシ状の集合体により防止するブラシシール装置において、前記回転軸を周方向に囲繞するように所定の密度で環状に結束した素線からなるブラシシールをその外周部に向かって下がり勾配に傾斜するように前記回転軸と機械のケーシングの間に配置し、素線間に付着した浮遊物を重力の作用により素線に沿って機内側に排出させるようにしたことを特徴とするものである。
【００１５】この発明によれば、ブラシシールを重力方向に傾かせることにより、ブラシシールを構成する素線に付着する浮遊物は、重力の作用を受けて素線に沿って落下させて排出することができる。
【００１６】また、第２の発明は、請求項４に記載したように、回転機械の回転軸回りからの流体の漏洩を素線のブラシ状の集合体により防止するブラシシール装置において、前記回転軸を周方向に囲繞するように所定の密度で環状に結束した素線からなるブラシシールを前記回転軸と機械のケーシングの間に配置するとともに、回転軸が回転することにより生じる遠心力を利用して前記素線に付着した前記流体中に含まれる浮遊物を素線から強制的に排出する強制流を発生させる強制流発生手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１７】この発明によれば、回転軸が回転する際の遠心力により強制流が浮遊物を素線から強制的に排出させるので、機械の組立構造の制約からブラシシールを重力方向に傾かせて取り付けることができない場合でも、効果的に浮遊物の付着滞留を防止することができる。
【００１８】また、第３の発明は、請求項１５に記載したように、回転機械の回転軸回りからの流体の漏洩を素線のブラシ状の集合体により防止するブラシシール装置において、前記回転軸を周方向に囲繞するように所定の密度で環状に結束した素線からなるブラシシールを、素線密度が高密になっているシール部と、このシール部の機内側に配置され素線密度が疎になっている浮遊物捕獲部とから構成したことを特徴とするものである。
【００１９】この発明によれば、浮遊物のオイルミストが高粘度の油からなるような場合に、第１の発明、第２の発明では、付着する油滴を排除できない可能があるが、素線の密度を粗にすることで素線間隔を広げたブラシシール部を別途設けることで、粘性の高い油滴を捕獲しておくので、その下流にある本来のシール機能を発揮するブラシシールには、油滴等の付着滞留を防止することができる。
【００２０】さらに、第４の発明は、請求項２１に記載したように、回転機械の回転軸回りからの流体の漏洩を素線のブラシ状の集合体により防止するブラシシール装置において、前記回転軸を周方向に囲繞するように所定の密度で環状に結束した素線からなるブラシシールを前記回転軸に取り付けるとともに、前記ブラシシールを素線の長さが所定のパターンで変化する素線から構成することを特徴とするものである。
【００２１】この発明によれば、素線の長さが所定のパターンをもっているブラシシールが機械の回転軸に対して取り付けられるようになっており、回転軸が回転することにより発生する大きな遠心力を直接的に作用させてブラシシールに付着した油滴を飛散させ、滞留を防止するもので、前述した第１乃至第３の発明よりも油滴の排出効果は、直接的かつ強力である。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明によるブラシシール装置の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。本発明に係るブラシシール装置では、素線に付着したオイルミストが大きくなった油滴などの異物の滞留を防止する手段について大きく分けて４種類の類型の発明がある。第１の滞留防止手段は、重力の作用を利用して異物の滞留を防止するもので、第２の滞留防止手段は、回転軸が回転することにより生じる遠心力を利用して強制流を発生させることで油滴を強制的に排除し、滞留を未然に防止するもの、第３の滞留防止手段は、ブラシシールの一部に油滴捕獲手段を設けることで油滴の滞留を防止するもの、第４の滞留防止手段は、ブラシシール自体を回転させることで遠心力によって油滴を強制的に排除し、滞留を未然に防止するようにしたものである。以下、それぞれの発明について水力機械の回転軸回りからオイルミストの漏出を防止するために取り付けられるブラシシールとして構成した実施形態を挙げて詳細に説明する。
【００２３】第１実施形態図１および図２は、ブラシシールに付着するオイルミストが油滴となって滞留するのを防止する手段として、ブラシシールを構成する素線に付着した油滴を重力の作用により、素線をつたわらせて機内に速やかに落とし、素線への油滴の滞留を防止するようにした発明の実施形態を示す図である。この第１実施形態は、縦型の水力機械等に効果的に適用できるものである。
【００２４】図１において、参照符号１０は、本発明を縦型の水力機械に適用した例として、水車発電機の回転軸を示している。この回転軸１０は、その軸方向を鉛直方向とする姿勢で機械に取り付けられおり、下側が高圧側の機内であり、上側が低圧側の機外を示している。多数の素線２が回転軸１０を周回するように密に束ねてなるブラシシール１２は、水平面に対して傾斜し、かつ互いに平行に機械のケーシングに取り付けられた保持板１３と背板１４により挟持されている。この第１実施形態のブラシシール１２は、回転軸１０に接触する内周部側よりも外周部側が下に位置する下がり勾配で傾斜する姿勢で、それぞれ保持板１３と背板１４により、支持されている。背板１４は、ブラシシール１２の傾いた姿勢を保持し、高圧側と低圧側の差圧によりブラシシール１２が変形しないように支えている。保持板１３は、素線２をケーシング１１に対して固定する本来の機能に加えて、後述するように油滴の流れを円滑に案内できるように、素線２の長さに対して短い寸法を有している。
【００２５】次に、以上のように構成されるブラシシールの１０の作用について説明する。
【００２６】図１において、矢印ａは、流体の流れを示す。この例では、空気である。潤滑油の油槽から発生したオイルミストは、流体の流れに乗って低圧側の機外に流出しようとするが、ブラシシール１２のところで抵抗を受けるので、機外に出ないようにシールされる。
【００２７】この間、流体とともに運ばれてきたオイルミストは、ブラシシール１２を形成する素線２に捕捉され、時間の経過とともに集合してある程度大きな粒径の油滴１５となる。油滴１５は、微細なオイルミストとは違って、粒径が大きく重力によって素線２を伝わって流れ落ちるだけの質量を有しているため、ブラシシール１２の素線２のすき間である程度の粒径に成長した油滴１５は、傾いている素線２に沿って下方すなわち、外周側に向かって流れ落ち、図１に矢印ｂで示すように、さらに保持板１３に導かれて落下し、機内に戻されることになる。
【００２８】このように本実施形態によれば、保持板１３、背板１４を介して、ブラシシール１２を傾いた姿勢で取り付けることによって、流体に含まれるオイルミストがブラシシール１２の素線２に付着しても、ある程度の粒径の油滴１５になると、重力により自ずから流れ落ちるので滞留を防ぐことが可能である。したがって、ブラシシール１２の素線２間での油滴１５の停滞により、素線２の集束によって生じるシール効果の低下をふせぎ、また、素線２の先端に生成した油滴の酸化・スラッジの生成固形物による回転軸の損傷を未然に防止することができる。
【００２９】次に、図２は、図１に示した第１実施形態によるブラシシールの他の変形例を示す図である。この図２のブラシシール１２では、保持板１６には、下り勾配の傾斜面１６ａがブラシシール１２の下側面と連続するように形成されている。ブラシシール１２のその他の構成要素は、図１と同一である。
【００３０】この図２に示したブラシシール１２によれば、図１のブラシシールと同様に、素線２で捕捉されたオイルミストが集まり油滴１５となると、自重により、素線２の傾斜に沿って流れ落ちるが、矢印ｂで示すように、油滴１５の流れは、保持板１６の傾斜面１６ａをつたわって円滑に導かれるので、油滴１５の付着停滞をより効果的に防止できる。
【００３１】第２実施形態次に、本発明の第２の実施形態によるオイルシールについて、図３乃至図１０を参照しながら説明する。この第２実施例は、ブラシシールに付着する油滴の滞留を防止する手段として、油滴を遠心力を利用して外部に強制的に排出する強制流を発生する手段を回転軸に設けたもので、第１実施形態と同様に、縦型の水車発電機等の水力機械に効果的に適用できる。
【００３２】図３において、参照符号２０がブラシシールを示している。この第２実施形態では、ブラシシール２０を形成する素線２は、保持板２１と背板２２とで挟持されて機械のケーシング１１に対して水平に支持されている。回転軸１０には、強制流発生手段として円錐曲面をもった傘状を呈する油切り２３が取り付けられている。この油切り２３の取付位置は、機内側でブラシシール２０に可及的に接近した位置が好ましい。
【００３３】図４は、回転軸１０に取り付けた傘状の油切り２３が発揮する油滴排出作用を示す図である。ブラシシール２０の素線２にはオイルミストが付着し、やがて油滴１５となるが、回転軸１０とともに油切り２３が高速で回転しているために、油切り２３の表面２４では、流れる流体と表面２４の間に生じる流体摩擦に起因して、強制流れが発生する。この強制流れは、油切り２３が高速が回転しているため、矢印ｃで示すように、遠心力に大きく影響されて油切り２３の半径方向外周側に向かう渦の流れとなる。
【００３４】ブラシシール２０は、このような表面に強制渦流の生じた油切り２３の近接しているために、ブラシシール２０を形成する素線２に付着している油滴１５に及び、図４に示すように、渦流に乗って油切り２３まで排出される。そして、油切り２３の表面まで排出されると、油滴１５は遠心力で飛ばされ、機内に落下して戻る。
【００３５】本実施形態によれば、流体に含まれる オイルミストがブラシシール２０の素線２に付いて油滴となっても、遠心力により油切り２３の表面に発生した渦流により、油滴は強制的に油切り２３に排出されるので滞留を防ぐことが可能である。したがって、ブラシシール２０の素線２間での油滴の停滞により、素線２の集束によって生じるシール効果の低下をふせぎ、また、素線２の先端に生成した油滴の酸化・スラッジの生成固形物による回転軸の損傷を未然に防止することができる。
【００３６】次に、図５は、図４のブラシシールにおける強制流発生手段についての他の実施例を示す図である。この第２の実施例では、傘状の油切２３の外形は、図４と同様であるが、その円錐曲面をなす表面２５は平滑ではなく、あえて粗い微少な凹凸が無数に形成されている粗目面に加工されている。このような粗目面となった表面は、機械的な表面加工によって、あるいはディンプルを付加することによって形成される。
【００３７】この図５の実施例によれは、油切り２３の表面２５の無数の微笑な凹凸が、流体との摩擦力を極力増大せしめるため、それによって油切り２３の表面２５に沿って生じる矢印ｃで示す強制渦流を強め、前述した油滴排出効果をより高めることができる。
【００３８】次に、図６は、ブラシシールにおける強制流発生手段を構成する傘状の油切りについての第３の実施例を示す図で、この第３実施例に係る油切り２３では、その表面に放射状に延びる複数の排出溝２６が形成されている。また、この油切り２３の付け根の部分には、回転軸１０の外周部に周回する溝２７が形成されている。排出溝２６と周回溝２７とは連通するようになっている。周回溝２７の位置は、図６に示すように、ブラシシール２０の最下部の素線に可及的に近接していることが好ましい。
【００３９】このような図６の傘状油切り２３によれば、排出溝２６は、単に、ブラシシール２０から強制渦流ｃの作用で排出された油滴１５の排出を導くのはもちろんであるが、排出溝２６は、表面２４を回転方向とは直角に延びる凹凸を形成するため、流体と油切りの表面２４との間の摩擦力を非常に大きくし、強制渦流ｃの流れを強くする作用をも発揮する。さらには、周回溝２７と排出溝２６は、回転軸１０の回転に伴い粘性ポンプ類似のポンプ作用を発揮し得る。したがって、ブラシシール２０から周回溝２７に導出された油滴１５を、図６に矢印で示すように、より効果的に排出させることが可能となる。
【００４０】このような油切り２４に加工した排出溝２６は、図６では、放射状に直線的に延びる溝として構成されているが、図７に示されるように、回転軸１０の回転方向に対して逆側に曲がるスパイラル状の排出溝２８としてもよい。これによれば、遠心力が排出溝２８にある油滴により強く作用するので、粘性ポンプ作用をより強めることができる。
【００４１】以上、図３乃至図７は、回転軸１０に設けた油滴傘状の油切りを油滴強制排出させる強制流を発生する手段とした例を示したが、図８に示すのは、回転軸に形成したねじれ溝を強制流発生手段として適用した実施の形態である。図８において、回転軸１０には、ブラシシール２０の幅よりも広い溝３０が回転軸１０を周回するように形成されており、この溝３０が形成されることよって回転軸１０には機外側と機内側との両側に段部３１ａ、３１ｂが形成されている。そのうち、機内側の段部３１ａには複数の排出溝３２の入口が一定の間隔で形成されている。
【００４２】図９は、前記排出溝３２を拡大して示す図である。排出溝３２は、段部３１ａに入口３２ａが開口し、溝終端の出口３２ｂに向かって回転軸１０の外周面を回転方向に対して逆側にスパイラル状に傾斜して延びるように加工されている。機内の流体には、必ず粘性があるため、回転軸１０が高速回転することによって、スパイラル状の排出溝３２には、粘性ポンプ作用が発生する。
【００４３】他方、ブラシシール２０は、その素線２の先端部が周回溝３０に臨むように配置されており、粘性ポンプ作用により発生する強制流ｆは、慣性効果も加わって素線２の一部まで影響し、素線２に付着した油滴１５を強制的に吸い出すように作用するので、油滴１５は滞留することなく強制流ｆの流れにのって素線間から排出され、周回溝３０を介して排出溝３２から導出され、機内側に戻されることになる。
【００４４】次に、図１０は、図９と同じく粘性ポンプ作用により強制流ｆを起こさせ、ブラシシール２０に付着した油滴１５を強制的に排出するようにしたものであるが、図９の場合と異なり、回転軸１０の外周面に螺旋状に周回するネジ溝３４を形成した例である。このネジ溝３４は、図９のスパイラル溝３２のような勢いのある強制流を発生させるほど粘性ポンプ作用は大きくないが、ブラシシール２０を構成する素線２の先端部と回転軸１０との間にある油滴１５を回転軸１０の回転とともにネジ溝３４に沿って機内に導出するだけの粘性ポンプ作用を発揮することは可能である。
【００４５】ブラシシール２０の素線２の先端部に付着した油滴１５は、高速回転する回転軸１０との摩擦熱により高温となり、酸化・スラッジの生成が促進されて固形物に変化し、これが回転軸１０に損傷を与えたり、発熱により回転軸１０を曲げ振動発生の原因になり易い。しかしながら、少なくとも素線２の先端部に付着した油滴だけは、前記のように、ネジ軸３４から導出されるため、油滴１５の酸化・スラッジの生成を未然に防止することができる。
【００４６】第３実施形態次に、本発明によるブラシシールの第３の実施形態として、第１実施形態における斜めにブラシシールを保持し素線に付着したオイルミストを油滴として重力の効果が排出する構造と、第２の実施形態における強制流発生手段としての傘状の油切りとを組み合わせてなるブラシシールの実施形態について、図１１、図１２を参照して説明する。
【００４７】図１１において、ブラシシール１２は、図１と同様に回転軸１０に接触する内周部側がよりも外周部側が下に位置する下がり勾配で傾斜する姿勢で、保持板１３と背板１４により挟まれて支持されている。保持板１３には、下がり勾配の傾斜面１３ａが形成されている。そして、保持板１３の下端面に連続するように、ケーシング１1には、排出された油滴を凹曲面で受ける凹部または溝からなるポケット３６が形成されている。一方、回転軸１０には、図３に示したのと同様の円錐曲面をもった傘状を呈する油切り２３が取り付けられている。この油切り２３の取付位置は、機内側でブラシシール１２に可及的に接近し、かつポケット３６の位置と対応する位置が好ましい。
【００４８】流体に含まれるオイルミストなどの微小浮遊物は、ブラシシール１２を構成している素線２によって捕捉され、次第に、オイルミストよりも粒径の大きな油滴１５となって素線２と素線２の間に滞留しようとする。しかしながら、第１実施形態において説明したように、油滴１５は重力の作用を受けてブラシシール１２の外周側に向かって移動し、さらに、保持板１３の傾斜面１３ａに沿って流れ落ちて機内に戻される。
【００４９】また、回転軸１０が回転することにより、油切り２３の表面２４と流体の間には、摩擦力と遠心力が働き、強制渦流ｃが発生する。この強制渦流ｃにより、素線２の間にある油滴１５は、油切り２３の表面２３に排出され、この表面２３を伝わって遠心力により外周方向に飛ばさる。飛ばされた油滴１５は、ポケット３６に衝突するが、凹曲面に加工されていることから、衝突の際に新たなオイルミストが発生しないようなっている。これにより、ポケット３６には、油滴１５の溜まり流れとなってケーシング１１の内面を機内側に流れ落ちて戻っていく。
【００５０】このように第３実施形態によれば、重力による油滴排出作用と、遠心力により発生した強制渦流による強制的な油滴排出作用との複合作用により、ブラシシールの素線間に滞留しようとする油滴を非常に効率良く排除することが可能であるので、より効果的に油滴の滞留によるシール性能の低下を防止することができる。
【００５１】図１２は、この第４実施形態の他の実施例を示すもので、ブラシシール１２は、外周部から内周部に向かって下り勾配に傾き、しかも、素線２の先端は、油切り２３の表面に接触するように保持板１３、背板１４を介してケーシング１１に取り付けられている。
【００５２】この図１２の実施例では、素線２で捕捉されたオイルミストが油滴１５になると、重力の効果によって、低い方の内周部にへ向かって移動してゆくが、油切り２３の表面２４で発生している強制渦流ｃの影響を受けて表面２４の外周側に押しやられ、さらに遠心力で飛ばされることになる。このようにして、重力による油滴排出作用と遠心力による強制的な油滴排出作用の複合作用により、ブラシシールの素線間での油滴の付着滞留を効果的に防止することができる。
【００５３】第４実施形態次に、本発明の第４の実施形態によるブラシシールについて、図１３乃至図１８を参照しながら説明する。これまでに説明した実施形態は、ブラシシールの素線間での油滴の滞留を防止する手段として、ブラシシールの本体とは別に油滴の排出を促進する手段を付加した例であるが、この第４実施形態は、ブラシシールに付着する油滴の滞留を防止する手段として、ブラシシールの素線密度を二段階に調整し、密度が粗である部分に油滴を捕獲する機能を本来のシール機能に替えて付加し、これにより、あらかじめ十分に油滴を捕獲した上で、素線密度の密な部分で本来のシール機能を発揮させようとする実施の形態である。この第４実施形態は、水平な回転軸を有する横型の水力機械に好適に適用される。
【００５４】図１３において、このブラシシール５０は、これまでの素線の密度が均一となっているブラシシールとは異なり、ブラシシール５０の本来のシール機能を担っている素線の密度が密になっているシール部５１と、素線の密度が粗になっているオイルミスト捕獲部５２とからなっている。図１３に示すように、シール部５１は、低圧の機外側に配置され、オイルミスト捕獲部５２は高圧の機内側に配置されている。この実施形態では、シール部５１とオイルミスト捕獲部５２は、隣接するように保持板２１に植設されている。
【００５５】オイルミスト捕獲部５２を形成する素線２それ自体は、シール部５１と同じものが用いられるが、シール機能は低く、素線間隔を広くすることでオイルミストのみを捕捉する機能を有している。すなわち、ブラシシール５0を用いてシールする流体は気体が多いが、通常のブラシシールの素線間隔に較べてオイルミストなどの浮遊物の粒径は非常に大きい。そこで、オイルミスト捕獲部５２では、シール性に優先させて素線間隔をオイルミストを捕獲するのに十分な限度においてあえて広くし、流体が本来のシール機能をもたせたシール部５１にたどりつく前にオイルミストを捕捉しているので、シール部５１ではオイルミストの付着してできた油滴１５の滞留などという問題が生ぜず、安定したシール機能を維持することが可能となる。
【００５６】このオイルミスト捕獲部５２については、図１４、図１５に他の実施例を挙げてさらに説明する。図１４に示すのは、保持板５３の端面に機内側に向かって下り勾配の傾斜面５３ａを設けた例で、オイルミスト捕獲部５２で捕獲された油滴１５の排出性を高めるようにしたものである。シール部５１およびオイルミスト捕獲部５２の素線間隔は、図１３と同様である。
【００５７】オイルミスト捕獲部５２では、素線２を疎に配列したが故に、捕獲されたオイルミストが油滴１５になっても、素線２からの表面張力が働きにくいという性質がある。したがって、油滴１５は表面張力で付着することなく、重力によって素線２を伝わって保持板５３の傾斜面５３ａに落ち、さらに、この傾斜面５３ａに沿って流れおちて機内に戻されることになる。
【００５８】図１５に示す他の実施例は、ブラシシール５０の保持板５３の傾斜面５３ａから一層円滑に油滴１５が導出されるように、その傾斜面５３ａの傾斜方向にそって油滴導出促進部として、一定間隔で複数の凸条が配列された形態の排出歯５４を設けた例である。図１６は、図１５を機内側から排出歯５４を拡大して示す図である。このような排出歯５４を設けることによって、オイルミスト捕獲部５２で捕獲された油滴は、素線２を伝わり落ちた後、排出歯５４にそって円滑に導出される。
【００５９】これまで図１３乃至図１６に挙げた実施例は、素線２の間隔が密なシール部５１と、素線２の間隔が疎なオイルミスト捕獲部５２とが隣接している構成のブラシシール５０であるが、これらの実施形態では、オイルミスト捕獲部５２で油滴１５が捕獲されても、機内の流体の圧力に押されて、シール部５１の方へ移動し、そのシール機能を阻害する可能性がある。
【００６０】図１７に示す実施例は、この点を改善するものであって、素線２の間隔が密なシール部５１と、素線２の間隔の疎なオイルミスト捕獲部５２との間にスペーサ５５を介在させることで所定の間隔をあけ、保持板２１と背板２２とで取り付けられるようにしたブラシシール５０である。
【００６１】このように素線２の間隔の密なシール部５１と素線２の間隔の疎なオイルミスト捕獲部５２とをスペーサ５５を介して間隔を明けて配置することによって、オイルミスト捕獲部５２で捕獲された油滴１５が流体の圧力を受けてもシール部５１へ移動することを確実に防止できるので、シール部５１は油滴に阻害されることなく、シール性能を維持し、信頼性を高めることが可能となる。
【００６２】この図１７の実施例のバリエーションとしては、図１４に示したブラシシール５０と同様にオイルミスト捕獲部５２で捕獲された油滴の排出性を高めることをねらって保持板２１に替えて図１４の傾斜面５３ａを有する保持板５３を設けるようにしてもよい。その場合、図１８に示すように、好ましくは、スペーサ５５を介してシール部５１とオイルミスト捕獲部５２に間隔をあけてあることを利用して、保持板５６には、オイルミスト捕獲部５２から両側に向かって傾斜する斜面５６ａ、５６ｂを設けるようにすれば、なお一層円滑良好に、油滴１５を斜面５６ａ、５６ｂに沿って、流れ落とすことができる。なお、斜面５６ａ、５６ｂのうち、機外側の斜面５６ａが終端する位置には、流れ落ちた油滴１5を機内に排出するための排出穴５７が設けられている。
【００６３】次に、図１９に示す実施例は、この第４実施形態で共通する素線間隔を疎に配列したオイルミスト捕獲部５２に代替して、機能の点で同様の油滴捕獲機能を有する材料、例えば、金属あるいは剛性の高い材料からなり、網目の大きさが油滴を十分捕獲できる程度の適当なメッシュ板を油滴捕獲板５８として、ブラシシール５０とはスペーサ５５を介して所定の間隔をおくようにして保持板２１に取り付けたものである。特に、図示はしないが、油滴捕獲板５８をブラシシール５0の機内側に取り付けて、図１３の実施例のようにブラシシール５０に隣接させるようにしてもよい。
【００６４】このようにオイルミスト捕獲部５２として、油滴を捕獲する性質がある材料を利用することで、在来のブラシシールをそのままま転用して、油滴の付着滞留によるシール性能の低下を防止することができる。
【００６５】第５実施形態次に、本発明の第５の実施形態によるブラシシールについて、図２０乃至図２２を参照しながら説明する。
【００６６】これまで挙げた第１乃至第４実施形態によるブラシシールは、機械のハウジングに対して保持板と背板を介して取り付けられた形式のブラシシールであるが、第５の実施形態では、素線の長さが所定のパターンをもっているブラシシールが機械の回転軸に対して取り付けられるようになっており、回転軸が回転することにより発生する大きな遠心力を直接的に作用させてブラシシールに付着した油滴を飛散させ、滞留を防止するもので、前述した第１乃至第４実施形態よりも油滴の排出効果は、直接的かつ強力である。この第５実施形態によるブラシシールは、縦型の水力機械の回転軸に好適に適用される。
【００６７】図２０に示されるように、回転軸１０には、ブラシシール６０の取り付けのための取付円盤６１が固定されており、この取付円盤６１には、背板６２と保持板６３との間で挟持するようにしてブラシシール６０が取り付けられている。ブラシシール６０は、２種類の異なる長さの素線から構成されている。この場合、機外側に短い素線６１ａが配置され、その先端がハウジング１１の内周面に接触する程度の長さを有し、シール性を確保している。これに対して、長さの長い方の素線６１ｂは、ケーシング１１に形成されたＲ加工により拡径する段部からなるキャッチャー６４まで届くだけの長さを有している。
【００６８】この図２０の実施形態によれば、回転軸１０といっしょにブラシシール６０が回転すると、ブラシシール６０の素線６１ａ、６１ｂ中に捕捉されたオイルミストが大きくなった油滴１５は、大きな遠心力を受けて半径方向外側に飛び散ろうとする。したがって、油滴１５は長い方の素線６1ｂの間を抜けて、キャッチャー６４に衝突して、ブラシシール６０中に付着滞留することなく機内に戻される。キャッチャー６４は、遠心力で飛ばされた油滴１５を受けて衝突の際に新たなオイルミストの発生を防ぐと同時に、油滴１５を円滑に機内に戻す役割を果たす。なお、このキャッチャー６４は、図１１に示したような排出溝３６の形態であってもよい。
【００６９】このようにブラシシール６０を回転軸１０に取り付けた場合、遠心力による油滴の付着滞留防止効果をいっそう高めるために、図２１に示されるように、ブラシシール６０の素線６５の先端が下側に向かって下がり勾配に傾斜する先端面６６になるように切り揃えるとともに、その先端面６６が接触するケーシング１１の内面に同じ傾斜をもって傾斜面６７をキャッチャーとして形成するようにしてもよい。
【００７０】この図２１の実施例によれば、ブラシシール６０の素線６５に捕捉されたオイルミストが油滴となっても、ブラシシール６０中に滞留ことなく遠心力によって飛ばされ易いように斜めに素線６６の先端を切り揃えた構造となっているので、図２０のブラシシールの形態に較べてより一層と油滴の排出効果を向上させることができ、さらに、油滴がケーシング１１の傾斜面６７に衝突すると、衝突面が傾斜しているために下方すなわち機内側に向かう速度に変換されて高速で機内に戻される。
【００７１】次に、図２２に示す実施例は、ケーシング側に取り付ける形式の従来型の第１のブラシシール２０を機外側に配置するとともに、図２１に示したのと同様の第２のブラシシール６０を機内側に配置して組み合わせ、ブラシシールを二段構成とした実施例である。
【００７２】この図２２の実施形態によれば、オイルミストを含んだ流体は、まず、第２のブラシシール６０を通過しようとするが、このとき、オイルミストは油滴１５として素線６５に捕捉され、前述したように、遠心力で半径方向外方に飛ばされ、キャッチャーを構成する傾斜面６７に衝突して機内に戻される。したがって、流体からはオイルミストがほとんど除去されるために、第１のブラシシール２０では、油滴によるシール性能の低下等の弊害は生ぜず、長期間に亙るシール機能維持と信頼性を確保することができる。
【００７３】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ブラシシールを構成する素線への流体中に含まれるオイルミストのような浮遊物の付着および滞留を防止し、シール性能を長期間に亙って良好に発揮させ、長期信頼性のあるブラシシール装置を提供することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３０７８
【氏名又は名称】株式会社東芝
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| 【出願日】 |
平成１１年１２月２４日（１９９９．１２．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６４２８５
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 一雄 （外３名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１８２６４６（Ｐ２００１−１８２６４６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年７月６日（２００１．７．６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−３６８５０７ |
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