轴封装置的制作方法

本发明涉及一种轴封装置，尤其涉及一种于密封面具有沟槽的气体轴封装置。

背景技术

现有的气体轴封装置在动环或静环的密封面上设置有沟槽，通过沟槽将外围气体导入密封面内，利用流体力学原理于动环及静环间形成一间隙(sealinggap)，其中为经由沟槽压缩后产生的气膜(gasfilm)，借气膜本身的动、静压力撑开密封面，避免密封面接触、磨损。

然而由现有技术，导入至沟槽的气体所形成的压力分布，或称流体力学效果可能受到沟槽的位置、几何形状(例如大小、宽窄)、深浅、粗糙度及数量等因素影响。

技术实现要素：

[发明所欲解决的问题]

本发明的一目的在于提供一种轴封装置，通过将气体沿着沟槽被引导，并且在沟槽的开口端使气流以适当的入射角度进入沟槽，以增加气体被引导至沟槽的流量，同时以沟槽的几何形状控制导入气流的压缩量及压缩效率(compressionefficiency)，以提升轴封装置的密封性能(sealingperformance)。

[解决问题的技术手段]

本发明是为了解决上述问题的而完成的，可作为以下的实施方式实现。

(1)根据本发明的一实施方式，提供一种轴封装置，其用于安装至一旋转轴，轴封装置包含一静止件，其设置于轴封装置的外壳并且具有一第一密封面；及一转动件，其相对于静止件而设置于旋转轴，并且具有与静止件的第一密封面对向的一第二密封面；于第一密封面或第二密封面上设置有一沟槽，沟槽自外周缘向内延伸，其中，沟槽的末端沿着包含沟槽底壁的假想圆c1的切线方向延伸。

(2)于此实施方式的轴封装置中，沟槽末端(底壁)至第一密封面圆心的距离(r3)大致上介于ri+0.2(ro-ri)至ri+0.5(ro-ri)之间。

(3)于此实施方式的轴封装置中，沟槽进一步包含一第一区域及一第二区域，第一区域包含第一左侧壁及第一右侧壁(以密封面内缘朝外缘的方向为走向，则左手边为左侧，如图3中的11b、12b，右手边为右侧，如图3中的11a、12a)，第二区域包含第二左侧壁及第二右侧壁，第一左侧壁及第一右侧壁分别与第二左侧壁及第二右侧壁相连。

(6)于此实施方式的轴封装置中，若θ3＝θ2＝θ1，则第一右侧壁及第二右侧壁分别将第一左侧壁及第二左侧壁以第一密封面或第二密封面的圆心旋转一角度而形成，参见图5(b)。若θ3、θ2及θ1不完全相同，则左、右侧壁为形状不同的曲线，参见图5(c)至图5(e)。

(7)于此实施方式的轴封装置中，于θ3＝θ2＝θ1的情况下，前项提及的旋转角度为θ1，且于沟槽与脊部(ridge，相邻两沟槽所夹的区域)外形全等的情况下，角度θ1＝360°/(2*nb)，其中nb为沟槽总数。此外，反曲点与沟槽底壁的旋转角度分别为θ12、θ13，通常θ13>θ12且θt＝θ3+θ13为θ1的2倍以上。

(8)于此实施方式的轴封装置中，沟槽具有一底壁，此底壁与第一密封面或第二密封面的内、外周缘有相同的曲率中心。

(9)于此实施方式的轴封装置中，沟槽具有一深度大致上4μm～15μm，相当0.004mm～0.015mm的范围。

(10)于此实施方式的轴封装置中，沟槽具有多个，其沿着第一密封面或第二密封面外周缘环状排列或沿着该内周缘环状排列。

此沟槽的特征在于其一侧壁形成为具有反曲点的曲线，再配合适当槽深，达到提升密封性能的目的。与传统沟槽比较，此沟槽的特点在于：(1)通过选择反曲点的位置及宽度，控制导入气体的进气量、起始压缩点及压缩量；(2)通过反曲点的几何特性，减少因流体边界层(boundarylayer)造成的能量损耗，提高压缩效率，改善密封稳定性及可靠度。

[发明的效果]

本发明提供的轴封装置的优点和有益效果在于：根据本发明，能够控制气体被引导至沟槽的气流量，同时，利用沟槽的几何特性调节导入气流的压缩程度及效率，以提升轴封装置的密封性能。

附图说明

图1为本发明的轴封装置的示意图。

图2为本发明的密封面的沟槽的示意图。

图3为图2的沟槽的10a部分的放大图。

图4(a)～图4(c)所示为沿图2的aa'虚线的剖面图的示意图。

图5(a)为本发明的密封面的沟槽的示意图。图5(b)～5(e)为沟槽的实施例的示意图。

图6为本发明的沟槽的一实施例的示意图。

图7(a)～图7(b)为应用有本发明的沟槽的轴封装置的一实施例的示意图。

图8(a)～图8(b)为应用有本发明的沟槽的轴封装置的一实施例的示意图。

附图标记说明：

1轴封装置

2旋转轴

3静止件

4转动件

5轴套

6弹性件

10沟槽

11第一区域

11a、11b侧壁

12第二区域

12a、12b侧壁

12c底壁

14外周缘

15内周缘

16交界线

100密封面(第一密封面)

100a环孔

101密封面(第二密封面)

111开口

g间隙

o轴线方向

o3、o4圆心

c圆心

c1、c2假想圆

c3、c4假想圆

b、d、f气流

d1、d2深度

d3高度差

d4、d5深度

r2、r3半径

rc3、rc4半径

ro外径

ri内径

θ0、θ1、θ2角度

θ3角度

θ12、θ13角度

θt角度

21～26交点

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的轴封装置1的一实施方式详细地进行说明。

图1所示为本发明的轴封装置1，可安装于一旋转机械设备(rotatingequipment)上，例如泵(pump)、压缩机、搅拌机(mixer)等，以提供轴承密封的用途。本发明的轴封装置1包含旋转轴2、静止件(静止环stationaryring)3、转动件(转动环rotaryring)4。在本实施例中，静止件3设置于轴封装置1外壳并且具有一第一密封面100，静止件3可以依环绕轴封装置1外壳的方式设置。转动件4设置于旋转轴2，如图1所示，转动件4可以环绕旋转轴2的外缘方式设计，如本实施例中，转动件4是以环绕旋转轴2的轴线方向o的方式加以设置。并且，转动件4具有与静止件3的第一密封面100对向的第二密封面101，轴封装置1通过第一密封面100与第二密封面101所界定的空间提供轴封装置1的密封功能。

一轴套5可选择性地如本实施例所示设置于旋转轴2上，轴套5可环绕旋转轴2的外缘。在一实施例中，可进一步设置有多个定位件例如o型环，其用以固定或定位静止件3、转动件4及轴套5等的位置关系。此外，此o型环还兼具副密封(secondaryseal)的功能。在一实施例中，可进一步设置有一格兰(gland)，其用以与静止件3相配合。在一实施例中，格兰与静止件3可通过一弹性件6，例如弹簧构件，相配合。

于本发明的轴封装置1中，该静止件3的第一密封面100或该转动件4的第二密封面101上设有一沟槽10。于一实施例中，该沟槽10设于该静止件3的第一密封面100，然而不以此为限。图2所示为本发明的静止件3的第一密封面100的沟槽10的示意图，图3为图2的沟槽部分10a的放大图。以下请同时参考图2、图3以更进一步了解本公开中的沟槽10。在本发明中，第一密封面100为一环状结构的表面并环绕通孔100a，通孔100a用以供旋转轴2通过，且第一密封面100具有一外周缘14及内周缘15，且外周缘14及内周缘15具有相同的圆心在点c。其中，沟槽10的形状以斜线区域表示。在一实施例中，沟槽10形成在第一密封面100上，沟槽10自第一密封面100的外周缘14向内延伸。在一实施例中，沟槽10由内周缘15向外延伸，例如上游汞送沟槽(upstreampumpinggrooves)。在一实施例中，沟槽10延伸的方式可依设计需求而定。如图2所示，沟槽10是以具有一弧度的曲线态样向内延伸(亦即，且该沟槽10的一侧壁形成为具有一反区点的曲线)，曲线的弧度设计可搭配旋转轴2或转动件4的转动参数例如转动速率、转动方向等由设计者任意决定。

如图2所示，沟槽10可向内延伸并且不延伸至内周缘15。在某些实施例中，沟槽10可自外周缘14向内延伸、亦可自内周缘15向外延伸。于一实施例中，该沟槽10具有两侧壁，该沟槽10的两侧壁可皆呈曲线状延伸、亦可具有一侧壁呈直线状延伸。在某实施例中，沟槽10的延伸起点、延伸终点、延伸方式等可根据轴封装置1的用途由设计者任意决定。

沟槽10包含一第一区域(沟槽外侧区域)11及一第二区域(沟槽内侧区域)12，该两区域通过点22与点25之间的交界线16来加以界定，其中交界线16为假想圆c2的一部分(假想圆c2的定义将于后段详述)。在一实施例中，沟槽10的第一区域11进一步包含一侧壁11a及与侧壁11a相对的侧壁11b，侧壁11a、11b分别为沟槽外侧区域的右、左侧壁，第二区域12进一步包含一侧壁12a、侧壁12b及底壁12c，侧壁12a、12b分别为沟槽内侧区域的右、左侧壁，底壁12c为沟槽底壁。在一实施例中，如图3所示，第一区域11由开口111、侧壁11a、侧壁11b及第一区域11与第二区域12的交界线16所界定。第二区域12由交界线16、侧壁12a、侧壁12b及底壁12c所界定。交界线16是连接第一区域11与第二区域12的弧线。

如图2所示，第一区域11自位于外周缘的开口111朝内周缘15的方向延伸。第二区域12接续第一区域11而延伸，并且延伸至距离点c的半径r3处。如图2所示，定义以点c为圆心且r3为半径的圆为假想圆c1，定义以点c为圆心且r2为半径的圆为假想圆c2，假想圆c1、c2分别为通过沟槽底壁及反曲点的假想圆。定义第一密封面100上自点c至外周缘14的距离，即第一密封面100的外径为外径ro；定义第一密封面100上自点c至内周缘15的距离，即第一密封面100的内径为内径ri。

在一实施例中，底壁12c可为假想圆c1圆周的一部分。当沟槽由外向内延伸时，沟槽的末端(底壁)沿着包含沟槽底壁的假想圆c1的切线方向延伸。在一实施例中，半径r3的范围通常介于ri+0.2(ro-ri)至ri+0.5(ro-ri)之间。在一实施例中，第一区域11与第二区域12以距离点c的半径r2处为分界。半径r2的范围为r3<r2<ro。在一实施例中，r2非常接近r3形成尾部具有反曲点的螺旋沟槽，其关系式大致上为r2＝r3+0.045(ro-r3)。在一实施例中，第一区域11与第二区域12是以曲线方式延伸。在一实施例中，第一区域11及第二区域12的侧壁11a、侧壁11b、侧壁12a及侧壁12b形成为特定曲率半径的曲线。

在一实施例中，形成第二区域12的侧壁12a的假想圆c4可与假想圆c1外切于点23。在一实施例中，侧壁11a与侧壁12a个别的曲率半径可搭配旋转轴2或转动件4的转动参数，例如转动速率、转动方向等由设计者任意决定。

在本说明书中，对于上凹及下凹曲线的定义如下：若曲线的曲率中心与点c位于该曲线的异侧(即两圆外切)，则定义该曲线为上凹曲线；若曲线的曲率中心与点c位于该曲线的同侧(即两圆内切)，则定义该曲线为下凹曲线。在一实施例中，第一区域11的侧壁11a与11b可形成为下凹曲线。在一实施例中，第二区域12的侧壁12a及12b可形成为上凹曲线。侧壁11a与侧壁12a的交界处形成一反曲点，同样地，侧壁11b与侧壁12b的交界处亦形成一反曲点。在一实施例中，反曲点的形成与其位置能够依照使用者的实际需求而任意改变。

在一实施例中，侧壁11a与侧壁12a以形成交界线16的一端的交点22为分界，交界线16与假想圆c2的圆周有部分重叠(overlapping)。在一实施例中，侧壁12a朝向内周缘15的方向沿伸，并交假想圆c1于点23。在一实施例中，交点23为侧壁12a与假想圆c1的外切点。在一实施例中，假想圆c2位于假想圆c1与外周缘14的径向中心。在一实施例中，侧壁11a与侧壁12a的交点22形成于假想圆c2的圆周上。在一实施例中，交点22不形成于假想圆c2的圆周上而朝向外周缘14或底壁12c侧偏移而使得侧壁11a或侧壁12a在径向方向上具有不同长度。在一实施例中，交点22形成于外周缘14或底壁12c上而使得侧壁11a或侧壁12a退化至一个点。

类似于前述交点22的实施方式，在一实施例中，侧壁11b与侧壁12b的交点25形成于假想圆c2的圆周上。在一实施例中，交点25不形成于假想圆c2的圆周上而朝向外周缘14或底壁12c侧偏移而使得侧壁11b或侧壁12b在径向方向上具有不同长度。在一实施例中，交点25形成于外周缘14或底壁12c上而使得侧壁11b或侧壁12b退化至一个点。更详言之，在一实施例中，交点22与交点25的可以形成于同一假想圆c2的圆周上，或者交点22与交点25可以各自朝向外周缘14或底壁12c侧偏移。

在一实施例中，侧壁11a与外周缘14形成一交点21。在一实施例中，侧壁11a与外周缘14在交点21的切线形成一角度θ0，为外围气流导入沟槽的进气角(theangleofincidence)，其范围通常为0°＜θ0＜90°。在一实施例中，角度θ0的范围大致上为10度至45度。在一实施例中，角度θ0的范围大致上为30度至40度。在一实施例中，可以调整角度θ0大小的方式控制进气气流的流量及流场品质。在一实施例中，气流进气角角度θ0的大小与密封环外缘气流的切线速度(tangentialorsurfacespeed)成某种反比关系，且与气体静态的压差成某种正比关系。在一实施例中，角度θ0的可依据轴封在运作时的参数，例如转速、转向、旋转半径、流体粘性(viscosity)及密度，而由设计者任意决定。(注：最佳化θ0时，必须考虑气流的雷诺数reynoldsnumber)。就沟槽的几何形状而言，图3中角度θ0的计算如下：

在一实施例中，侧壁11b与外周缘14及假想圆c2分别形成一交点24及一交点25。在一实施例中，侧壁12b与假想圆c2及假想圆c1分别形成一交点25及一交点26。在一实施例中，侧壁11b及侧壁12b沿着交点24、交点25及交点26所形成的曲线与侧壁11a及侧壁12a沿着交点21、交点22及交点23所形成的曲线为相同形状。在一实施例中，交点21与交点24相对于点c形成的角度(角位移)θ1，角度θ1为沟槽外侧弧度，于沟槽与脊部(ridge，相邻两沟槽所夹的区域)外形全等的情况下，角度θ1＝360°/(2*nb)，其中nb为沟槽总数。在一实施例中，交点22与交点25相对于点c形成的角度θ2，角度θ2为沟槽反曲点弧度，角度θ2的范围为θ3≦θ2≦θ1。在一实施例中，交点23与交点26相对于点c形成的角度θ3，角度θ3为沟槽底壁弧度，角度θ3的范围为0≦θ3≦θ2。在一实施例中，交点23与交点24相对于点c形成的角度(角位移)θt，角度θt为沟槽总弧度(θt＝θ3+θ13)，角度θt的范围大致上为2θ1至5θ1。

在一实施例中，角度θ1、角度θ2、及角度θ3皆具有相同的角度。在一实施例中，角度θ1、角度θ2、及角度θ3中至少2个具有不同的角度。在一实施例中，角度θ1大致上大于或等于角度θ2。在一实施例中，角度θ2大致上大于或等于角度θ3。在一实施例中，角度θ1、角度θ2、及角度θ3所形成的扇形区域至少二者具有互相重叠的范围。在一实施例中，角度θ1、角度θ2、及角度θ3所形成的扇形区域彼此不互相重叠。在一实施例中，角度θ1与角度θ2的关系为θ2≦θ1。在一实施例中，角度θ2与角度θ3的关系为θ3≦θ2。

以上有关角度θ1、角度θ2及角度θ3的讨论适用于沟槽由密封面外缘往内缘延伸的情况。若如图5(e)所示，沟槽由内缘朝外缘延伸，则角度关系通常为0≦θ1＜θ2＜θ3。在一实施例中，交点24与交点25相对于点c形成的角度(角位移)θ12。在一实施例中，交点24与交点26相对于点c形成的角度(角位移)θ13。角度θ12及角度θ13分别为沟槽反曲点及底壁旋转弧度。在一实施例中，角度θ12具有一范围大致上为0＜θ12≦θ1。在一实施例中，角度θ13具有一范围大致上为θ13>θ12+θ2。在一实施例中，角度θt表示为θt＝θ13+θ3。

在一实施例中，侧壁11a可形成为一圆心为o3且半径为rc3的假想圆c3的一部分。在一实施例中，侧壁12a可形成为一圆心为o4且半径为rc4的假想圆c4的一部分。在一实施例中，曲率半径rc4的范围主要由r2、r3、θ12及θ13决定。一旦o4的位置确定，rc3的范围主要由ro及θ12决定。在一实施例中，圆心o4位于点c与点23的延长线上。在一实施例中，假想圆c1与假想圆c4相切于点23。在一实施例中，假想圆c3与假想圆c4相切与点22。在一实施例中，圆心o3位于圆心o4与点22的延长线上。在一实施例中，圆心o3、圆心o4、及点22共线。在一实施例中，假想圆c2、假想圆c3、及假想圆c4相交于同一点22。

在一实施例中，底壁12c形成为假想圆c1的周缘一部分。在一实施例中，外径ro和半径r2的差值与半径r2和半径r3的差值的比值ra的范围大致上为0.2至25。在一实施例中，比值ra的范围大致上为0.28至3.35。在一实施例中，外径ro和半径r3的差值与半径r3和内径ri的差值的比值rb的范围大致上为1.0至2.0。在一实施例中，比值rb的范围大致上为1.095至1.726。

图4(a)所示为为沿图2的线aa'的剖面图。如图2的线aa'的剖面图所示，在本实施例中，第一区域11自开口111形成一具有特定深度的沟槽，其自开口111向内延伸，且如图2所示，其不延伸至内周缘15。在一实施例中，第一区域11及第二区域12的深度自外周缘14向内侧维持不变。在一实施例中，第一区域11及第二区域12的最大深度d1可设定为大致上介于0.001～0.5mm的范围，相当于1μm～500μm(1μm＝10-3mm)。当深度介于0.001～0.5mm的范围时，可以提供充足的气流量；同时若使用外接气体源的情况下，无须耗费过多气体。在一实施例中，第一区域11及第二区域12的最大深度d1可设定为大致上0.008～0.010mm的范围。

图4(b)所示为线aa'剖面图的实施例的示意图。在一实施例中，如图4(b)所示，第一区域11及第二区域12可自外周缘14向内侧以逐渐变浅的方式形成于第一密封面100上。在一实施例中，第一区域11及第二区域12的最大深度d2可设定为0.013～0.015mm的范围。在一实施例中，第二区域12的底壁12c可形成为一具有高度差d3的端面。在一实施例中，高度差d3可设定为0.0～0.002mm的范围。在一实施例中，第二区域12的底壁12c可以不形成高度差的端面的方式与第一密封面100相接。在一实施例中，转角为直角的阶梯愈多，愈容易产生紊流，降低压缩效率。因此，如图4(b)所示逐渐变浅的方式能提供较佳的压缩效果。

在一实施例中，如图4(c)所示，第一区域11及第二区域12可自外周缘14向内侧以阶梯状的方式形成于第一密封面100上。在一实施例中，第一区域11及第二区域12可分别具有不同的深度d4、深度d5。在一实施例中，深度d4可设定为0.013～0.015mm的范围。在一实施例中，深度d5可设定为0.004～0.006mm的范围。在一实施例中，深度d4与深度d5的比值可设定为2.0～4.0的范围。

图5(a)所示为气体在本发明的沟槽10流动的示意图。外围气体在导入沟槽10的过程中，如图5(a)所示，可区分为气流b、气流d及气流f，气流b、d、f表示外围气流导入沟槽方向。在一实施例中，气流b是外围气体正准备导入沟槽10的气流。气流b分布在第一密封面100的外周缘14，沿着外周缘14自开口111导入至沟槽10。气流b流入沟槽10的第一区域11形成为气流d，气流d沿着第一区域11的侧壁11a及侧壁11b向内周缘15被引导。气流d在通过第一区域11与第二区域12的交界16后形成气流f。气流f沿着第二区域12的侧壁12a及侧壁12b向内周缘15被引导，并且在引导至靠近底壁12c时被引导至沿着假想圆c1的切线方向及密封面内缘方向延伸。

本发明的反曲点沟槽经实验证实比传统沟槽，如螺旋沟槽，有较佳的压缩效益及刚度，同时由于沟槽形状有更广的变化，在应用上也有更多的弹性。

在一实施例中，沟槽10的一侧壁退化成不具有反曲点的一般曲线。亦即，沟槽10的两侧壁可以皆具有反曲点(交点22、交点25皆为反曲点)，或仅其中一侧壁具有反曲点(交点22、交点25其中的一为反曲点)。图5(b)～5(d)表示沟槽10的实施例。在一实施例中，如图5(b)所示，侧壁11a与侧壁12a之间的点22形成为一反曲点，侧壁11b与侧壁12b之间的点25亦形成为一反曲点。在一实施例中，如图5(c)所示，侧壁11a与侧壁12a退化成不具有反曲点的一般曲线，侧壁11b与侧壁12b之间的点25仍形成为一反曲点。在一实施例中，如图5(d)所示，侧壁11a与侧壁12a之间的点22形成为一反曲点，而侧壁11b与侧壁12b退化成不具有反曲点的一般曲线。

图6为本发明的第一密封面100的沟槽10的一实施例。在本实施例中具有多个沟槽10，多个沟槽10以点c为中心沿着外周缘14环状排列。在一实施例中，如图5(e)所示，多个沟槽10能够以沿着内周缘15的方式环状排列。在一实施例中，如图6所示，多个沟槽10的底壁12c皆与假想圆c1切齐。在一实施例中，第一密封面100上具有个数nb个沟槽10。在一实施例中，个数nb的范围大致上为8至30个。在一实施例中，个数nb的范围大致上为12至24个。在一实施例中，个数nb的范围大致上为16至20个。在一实施例中，多个沟槽10具有相同的轮廓。在一实施例中，多个沟槽10之间所夹的脊部(ridge，相邻两沟槽间的区域)与沟槽10有完全相同的外形。此时，角度θ1与沟槽个数nb的关系为θ1＝360°/(2*nb)。

以下，基于图7～图8对应用有本发明的方式详细地进行说明。

图7(a)为静止状态的轴封装置1，图7(b)为运作状态的轴封装置1。在本实施例中，沟槽10形成于静止件3的第一密封面100。当转轴静止时，第一密封面100、101是靠第一密封面100、101内、外侧的气体压差形成密封气膜(sealingfilm)以撑开密封面；当转轴运转时，沟槽10相当于泵的轮叶(impeller)，将导入沟槽10的气体给予动态压缩，增强密封气膜的压力(含动、静压)大小及分布。优良的沟槽不仅有较好的压缩效益，同时也有较高的密封气膜刚度(sealingfilmstiffness)，提供较厚实的气膜，以抵抗不利的操作变数，如振动。

在本实施例中，随着旋转轴2及转动件4的转动，外围气体沿着静止件3的沟槽10被导入至第一密封面100与第二密封面101之间，并通过导入的气体所产生的动、静压力，在第一密封面100与第二密封面101之间形成有间隙(密封间隙sealinggap)g，如图7(b)所示，通过隔着有间隙g的轴封装置1内侧与外侧的压力差使轴封装置1内部的气体通过间隙g向外流通，以形成一流体密封面，达到密封的效果。

图8(a)、图8(b)为沟槽10设置于转动件4的第二密封面101上的轴封装置1在静止状态及运作状态的实施例。在本实施例中，随着旋转轴2及转动件4的转动，轴封装置1内部的气体沿着转动件4的沟槽10被导入至第一密封面100与第二密封面101之间，通过与图7(a)、图7(b)的类似原理于第一密封面100与第二密封面101形成有一间隙g，如图8(b)所示，并通过隔着有间隙g的轴封装置1内侧与外侧的压力差使轴封装置1内部的气体通过间隙g向外流通，以形成一流体密封面，达到密封的效果。

上述实施方式仅为用以实施本发明的例示，本发明并不限定于上述的实施方式，可于不脱离其主旨的保护范围内将上述实施方式适当变形而实施。