JP2021521392A - フローティングリングシール - Google Patents

Abstract

本発明は、回転部品上をシールするためのフローティングリングシールに関する。フローティングリングシールは、シーリング本体（２０）と、シーリング本体（２０）を保持するシールリングキャリア（６）と、シールリングキャリア（６）上に配置され、シールリングキャリア（６）を筐体に保持するように構成されたロック機構（７）とを備える。

Description

本発明は、大幅に軽量化され設計が簡素化された、回転部品、特に回転シャフト上をシールするためのフローティングリングシールであって、大幅に軽量化され、フローティングリングシールの回転部品との共回転を防止するロック機構が簡素化されたフローティングリングシールに関する。

従来技術による様々な構成のフローティングリングシールが知られている。例えば、フローティングリングシールは高速ポンプのポンプシャフトをシールするために用いられている。フローティングリングシールはシャフト上で浮遊配置とされ、特にシャフトが径方向にたわんだ場合に適切な径方向のたわみに追従可能である。フローティングリングシールの問題は、フローティングリングシールと回転部品の間の永続的なギャップであり、そこで比較的激しい漏れが生じる。このため、通常、複数のフローティングリングシールが直列に配置される。しかしながら、これは、製造上かなりの手間がかかり、特に、シールされるべき部品の軸方向に大きな設置スペースを要し、ポンプなどの設置全長を増加させる。これらは、そのようなポンプ製造業者が可能な限り避けたいものである。フローティングリングシールの他の問題は、動作中にフローティングリングシールが回転するシャフトと共に共回転することである。これにより、特にフローティングリングシールのシャフトとは反対側の摩耗が増加する。そのため、そのような摩耗は避けることが望ましいとされる。

そのため、本発明の目的は、回転部品上をシールするための簡素で低コスト構造を有するフローティングリングシールを提供することであり、このフローティングリングシールは、特に、シールの軸方向の全長を短縮可能であり、動作中にフローティングリングシールが共回転するのを防止することできる。更に、本発明の目的は、本発明に係るフローティングリングシールを備える部品装置を提供することである。

本目的は、請求項１に記載の特徴を有するフローティングリングシール及び請求項１３に記載の特徴を有する部品装置により解決されるであろう。それぞれの従属請求項は、本発明の好適な実施形態を表している。

より容易な組み立て／分解に加えて、本発明に係る回転部品上をシールするためのフローティングリングシールは、大きな重量的利点を提供する。更に、動作中にフローティングリングシールが、フローティングリングシールがシールしている回転部品、特にシャフトとの共回転をすることを回避することができる。本発明によると、この目的は、フローティングリングシールが、回転部品に対しシールを行うシーリング本体と、シーリング本体を保持するシールリングキャリアとを備えることにより実現され得る。更に、シールリングキャリアに配置され、シールリングキャリアを筐体等に保持するように設計されるロック機構が設けられる。ロック機構は、シールリングキャリアとシールリングキャリアに接続されたシーリング本体とが共回転するのを防止する。例えば、シールリングキャリアとシーリング本体との間に摩擦接続を設けてもよい。

フローティングリングシールが共回転しないように保持するためのロック機構は、好ましくは、ヘッドを有するボルトからなる。ヘッドは、ボルトよりも大きな直径を有する。これにより、ロック機構を非常に簡単に費用効果の高い方法で設けることができる。

好ましくは、ボルトは、シールリングキャリアに固定される。固定は、好ましくは螺合接続を用いて行なわれる。これにより、ボルトをシールリングキャリアに簡単にねじ込むことが可能となり、ヘッドがシールリングキャリアから突出して当接面にもたれることで、フローティングリングシールが共回転するのを防ぐ。

シーリング本体が凹部を有さないことが特に好ましい。これにより、シーリング本体の脆弱化が防止され、シーリング本体の寸法と重量が大幅に削減可能である。その結果、フローティングリングシールは、非常にコンパクトで軽量な方法で製造可能となる。好ましくは、シーリング本体は、凹部、孔、穴等を有さない断面矩形である。

更に好ましくは、フローティングリングシールは、シーリング本体とシールリングキャリアの浮遊収容のための凹部を有する筐体を備える。好ましくは、凹部は、ロック機能を収容するための側方ノッチを有して形成される。従って、ロック機構の一部は側方ノッチ内に突出し、ロック機構のその他の部分はシールリングキャリアに位置し、それにしっかりと接続される。

凹部の側方ノッチは、好ましくは長形溝又はロック機構のいずれかの寸法よりも大きな直径を有する円柱状の凹部である。これにより、ロック機構が側方ノッチに突出するにも関わらず、確実に、フローティングリングシールをシャフトの径方向移動に追従可能とする。シャフトのそのような径方向のたわみは、動作中の様々な理由により生じ得るものである。もしフローティングリングシールがそのようなシャフトの径方向移動に追従できない場合には、直接接触することとなり、動作中のシーリング本体の摩耗が激しいものとなる。

更に好ましくは、フローティングリングシールは、径方向内側に向けられた第１及び第２の絞り領域を有する一体型シーリング本体を備える。これらの絞り領域は、シーリング本体の内周に設けられた第１の周方向溝により互いに分離されている。溝は、第１及び第２の絞り領域の間に位置する。回転部品側に向けられた２つの絞り領域を備え、回転部品と２つの絞り領域との間に絞りギャップを有する一体型のフローティングリングシールを設計することにより、従来技術の２つの個別のフローティングリングシールと比べて、大きな重量的利点がもたらされる。本発明に係るフローティングリングシールの合計質量は、２つの個別のフローティングリングシールと比べて約４０％削減可能である。

好ましくは、第１の絞り領域のフローティングリングシール軸方向の幅は、絞り領域のフローティングリングシール軸方向の第２の幅以下である。これにより、第２の絞り領域の絞り効果が向上し、フローティングリングシールの全体的な漏れが低減される。

間に溝が配置された２つの絞り領域を有する本発明に係る装置の別の大きな利点は、第１の絞り領域を通り第２の絞り領域に向かって流れる漏れ流が溝内で減速され、その後、第２の絞り領域にわたって漏れが大幅に低減されることである。ここで、漏れ流は特に逆流を形成可能である。

特に、溝幅は、第１の絞り領域の第１の幅以下、及び／又は、第２の絞り領域の第２の幅以下であることが好ましい。

本発明の他の好ましい実施形態によると、一体型シーリング本体は、径方向内側に向けられた第３の絞り領域を更に備える。第３の絞り領域は、第２の絞り領域と直列に配置される。更に、第２の周方向溝が、シーリング本体の内周の第２及び第３絞り領域の間に配置される。

更に好ましくは、一体型シーリング本体は第４の絞り領域を有することが好ましい。第３の周方向溝が、一体型シーリング本体の内周の第３及び第４絞り領域の間に形成される。従って、このようなフローティングリングシールは、４つの絞り領域と３つの周方向溝を備える。

一体型シーリング本体がカーボンシーリングであることが特に好ましく、これにより大幅なコスト削減が実現される。

更に、本発明は、本発明に係るフローティングリングシールと、特にシャフトである回転部品とを備える部品装置に関する。特に、シャフトはポンプシャフト又はコンプレッサシャフトであることが好ましい。

部品装置は、フローティングリングシールの一体型シーリング本体の第１の絞り領域と回転部品との間の第１の絞りギャップと、一体型シーリング本体の第２の絞り領域と回転部品との間の第２の絞りギャップとを備える。更に好ましくは、これらの絞り領域と回転部品の表面は、第１の絞りギャップ及び／又は第２の絞りギャップのギャップ高さが軸方向に一定に保たれるように設計される。好ましくは、第１の絞りギャップのギャップ高さは、第２の絞りギャップのギャップ高さと等しい。

好ましくは、部品装置は、ポンプ、コンプレッサ又はタービンである。部品装置は、好ましくは、非常に高速で運転される。

以下、フローティングリングシールを備える部品装置の好ましい実施形態の例を、以下の添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態例に係る、フローティングリングシールを備える部品装置の概略断面図である。 図２は、本発明の第２の実施形態例に係る、フローティングリングシールを備える部品装置の概略斜視図である。 図３は、本発明の第３の実施形態例に係る、フローティングリングシールを備える部品装置の概略斜視図である。

以下に、図１を参照して、本発明の第１の実施形態例に係るフローティングリングシール２を備える部品装置１を詳細に説明する。

図１から分かるように、フローティングリングシール２は、一体型シーリング本体２０とシールリングキャリア６を備える。シールリングキャリア６は、一体型シーリング本体２０を保持するようになっている。シールリングキャリア６とシーリング本体２０との間に摩擦接続を設けることが好ましい。

一体型シーリング本体２０は、第１の絞り領域２１と第２の絞り領域２２とを備える。第１の絞り領域２１は、一体型シーリング本体２０の径方向内側に向けられた領域に位置する。第２の絞り領域２２もまた、一体型シーリング本体２０の径方向内側に向けられた領域に位置する。

図１からわかるように、フローティングリングシール２は、シャフト３上でプロダクト領域１０を大気領域１１からシールする。第１の絞り領域２１とシャフト３の表面との間に第１の絞りギャップ８が形成され、第２の絞り領域２２とシャフト３の表面との間に第２の絞りギャップ９が形成される。

フローティングリングシール２の軸方向Ｘ−Ｘにおける第１の絞り領域２１と第２の絞り領域２２との間には、溝２３が配置される。溝２３は、一体型シーリング本体２０の内周の全周にわたって形成される。

軸方向Ｘ−Ｘにおいて、第１の絞り領域２１の第１の幅Ｂ１は、第２の絞り領域２２の第２の幅Ｂ２よりも短い。更に、溝２３の軸方向Ｘ−Ｘの幅Ｎ１は、第１の幅Ｂ１及び第２の幅Ｂ２よりも短い。

第１の絞りギャップ８の第１ギャップ高さは軸方向Ｘ−Ｘにおいて一定に保たれる。第２の絞りギャップ９の第２ギャップ高さも軸方向Ｘ−Ｘにおいて一定である。好適には、第１及び第２の絞りギャップのギャップ高さは、第２の絞りギャップ９の第２ギャップ高さが第１の絞りギャップ８の第１ギャップ高さと等しくなるように選択される。

フローティングリングシール２は、筐体４の凹部５に位置する。筐体４は、シャフト３の軸方向に組み立て可能である複数の部分から設計されている。図１から分かるように、フローティングリングシール２は、凹部５内に浮遊状態で配置される。これにより、フローティングリングシール２が、動作中に起こり得るシャフト３の径方向のたわみの際にシャフトの動きに追従可能となる。この場合、シャフトの径方向の動きにより、シャフト３と一体型シーリング本体２０とが短期的に接触することもある。

フローティングリングシール２はまた、自身を本体４内に取り付け可能とするロック機構７を含む。ロック機構７は、ヘッド７１を有するボルト７０を備える。図１から分かるように、ボルト７０はシールリングキャリア６内に位置する。ヘッド７１は軸方向Ｘ−Ｘに突出しており、凹部５の側方ノッチ５０内に位置する。側方ノッチ５０には、フローティングリングシール２が上記のシャフトの径方向のたわみに追従できるように、ヘッド７１のための径方向のクリアランスを設ける。これを両方向矢印Ａで示す。

好ましくは、側方ノッチ５０は径方向の溝である。或いは、側方ノッチ５０は、ロック機構７のヘッド７１の直径よりも大きな直径を有する円柱状の凹部である。円柱状の凹部がヘッド７１よりも大きな直径を有することで、フローティングリングシールと筐体４の相対移動の際にロック機構７に掛かる負荷を低減するために、フローティングリングシール２が筐体４に対して周方向にわずかに移動可能となる。

筐体４には、上記の径方向のたわみの際にフローティングリングシール２をガイドできるように、軸方向Ｘ−Ｘに突出する突起４０が形成される。これにより、凹部５において、フローティングリングシールを安全にガイドすることが可能となる。突起４０はまた、媒体が絞りギャップ８、９を迂回して、フローティングリングシール２の後ろの経路を通るのを防ぐ。

突起４０は、周方向の全周にわたって設けられている。

従って、本発明に係るフローティングリングシール２は、フローティングリングシール２が回転するシャフト３と共に共回転するのを防ぐことができる。ロック機構７は、ヘッド７１付きのボルト７０という設計であるため、非常に簡素で廉価である。ロック機構７がシールリングキャリア６に位置し、側方ノッチ５０が筐体内に形成されるため、シールリングキャリア６は、径方向の全高を非常に小さくすることができる。このように、シールリングキャリア６の寸法の一つを削減できるため、重量の削減にもつながる。

更に、シーリング本体２０の一体型設計を有する本発明のフローティングリングシール２は、従来技術で以前に使用されていた２つの個別のフローティングリングシールにとって代わることができる。特に、約４０％までの大幅な軽量化が実現可能となる。更に、シーリング本体２０の一体型設計により、フローティングリングシール２を交換する必要がある場合に、はるかに容易な組み立て及び分解を可能とする。そのうえ、ロック機構７はシールキャリア６にのみ設けられているので、フローティングリングシールの一体型シーリング本体２０は、ロック機構を収容するために使用される、脆弱化をもたらす凹みや溝等を省いて設計することができる。これにより、シーリング本体２０の重量が更に軽減され、一体型シーリング本体２０の耐用年数が大幅に延びる。

動作中に、第１の絞りギャップ８を介していくらかの漏れが生じるが、周方向溝２３が備わっているため、溝２３の領域において漏れの流速は著しく低下する。したがって、大気領域１１に向かう第２の絞りギャップ９を通る別の漏れは、再び大幅に減少されるか、又は必要に応じて完全に防止することができる。

溝２３の深さは、第１の絞りギャップ８を通って溝２３に到達した漏れのうちの少なくとも一部の戻り流Ｃが溝２３の領域において発生するように選択される。これは更に、フローティングリングシールを通る漏れの流速を低下し、第２の絞りギャップ９を通る更なる漏れを最小限に抑える。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る部品装置１を示しており、同じ部品又は動作上同じ部品は同じ符号で示す。

図２から分かるように、部品装置１は、本発明に係る２つの分離したフローティングリングシール２を備える。フローティングリングシール２の基本構造は、第１の実施形態例と同じである。しかしながら、図２からわかるように、これらのフローティングリングシール２は、シャフト３上に互いに鏡映反転で配置される。従って、プロダクト領域１０から大気領域１１へ向かう方向に合計４つの絞りギャップが備えられる。更に、図２からわかるように、周方向溝４１が、筐体４の第１及び第２のフローティングリングシール２の間の領域に設けられる。この周方向溝４１において、第１のフローティングリングシール２を介してもたらされた漏れが蓄積して戻り流Ｃを形成し、第２のフローティングリングシールを介して大気領域１１へと生じる漏れを更に低減する。また、各フローティングリングシールは、ヘッド７１を有するボルト７０という形態のロック機構７を備える。図２から分かるように、２つのフローティングリングシールのロック機構７もまた、鏡面反転で配置される。これにより、２つの側方ノッチ５０が２つのフローティングリングシールの間に位置する筐体部分にそれぞれ形成されるため、第２の設計例の部品装置の構造が大幅に簡略化される。

図３は、本発明の第３例の実施形態に係る部品装置を示す。図３から分かるように、第３の実施形態例のフローティングリングシール２は、第３の絞り領域２５を備えており、第１の絞り領域２１と第２の絞り領域２２との間に設けられた第１の溝２３と、第２の絞り領域２２と第３の絞り領域２５との間に設けられた第２の溝２６を有する。第１の実施形態例と同様に、第１の溝２３と第２の溝２６は、周方向の全周にわたって設計されている。このようにして、３つの絞り領域を有することにより、プロダクト領域１０から大気領域１１への漏れを更に低減する一体型シーリング本体２０が提供される。図３に示すロック機構７は、第１の実施形態例で記載したように構成してもよい。

１ 部品装置
２ フローティングリングシール
３ シャフト
４ 筐体
５ 凹部
６ シールリングキャリア
７ ロック装置
８ 第１の絞りギャップ
９ 第２の絞りギャップ
１０ プロダクト領域
１１ 大気領域
２０ 一体型シーリング本体
２１ 第１の絞り領域
２２ 第２の絞り領域
２３ 第１の溝
２４ 突起
２５ 第３の絞り領域
２６ 第２の溝
４０ 突起
４１ 溝
５０ 側方ノッチ
７０ ボルト
７１ ヘッド
Ａ 両方向矢印
Ｂ１ 第１の幅
Ｂ２ 第２の幅
Ｃ 戻り流
Ｎ１ 第１の溝２３の溝幅
Ｘ−Ｘ 軸方向

好ましくは、第１の絞り領域のフローティングリングシール軸方向の第１の幅は、第２の絞り領域のフローティングリングシール軸方向の第２の幅以下である。これにより、第２の絞り領域の絞り効果が向上し、フローティングリングシールの全体的な漏れが低減される。

フローティングリングシール２はまた、自身を筐体４内に取り付け可能とするロック機構７を含む。ロック機構７は、ヘッド７１を有するボルト７０を備える。図１から分かるように、ボルト７０はシールリングキャリア６内に位置する。ヘッド７１は軸方向Ｘ−Ｘに突出しており、凹部５の側方ノッチ５０内に位置する。側方ノッチ５０には、フローティングリングシール２が上記のシャフトの径方向のたわみに追従できるように、ヘッド７１のための径方向のクリアランスを設ける。これを両方向矢印Ａで示す。

更に、シーリング本体２０の一体型設計を有する本発明のフローティングリングシール２は、従来技術で以前に使用されていた２つの個別のフローティングリングシールにとって代わることができる。特に、約４０％までの大幅な軽量化が実現可能となる。更に、シーリング本体２０の一体型設計により、フローティングリングシール２を交換する必要がある場合に、はるかに容易な組み立て及び分解を可能とする。そのうえ、ロック機構７はシールリングキャリア６にのみ設けられているので、フローティングリングシールの一体型シーリング本体２０は、ロック機構を収容するために使用される、脆弱化をもたらす凹みや溝等を省いて設計することができる。これにより、シーリング本体２０の重量が更に軽減され、一体型シーリング本体２０の耐用年数が大幅に延びる。

Claims (14)

1. シーリング本体（２０）と、
   前記シーリング本体（２０）を保持するシールリングキャリア（６）と、
   前記シールリングキャリア（６）に配置され、前記シールリングキャリア（６）を筐体に保持するように構成されたロック機構（７）とを備える、
   回転部品上をシールするためのフローティングリングシール。
2. 前記ロック機構（７）は、ヘッド（７１）を有するボルト（７０）を備える、請求項１に記載のフローティングリングシール。
3. 前記ボルト（７０）は、前記シールリングキャリア（６）に固定されている、請求項２に記載のフローティングリングシール。
4. 前記ボルト（７０）は、前記シールリングキャリア（６）に螺合接続によって固定されている、請求項３に記載のフローティングリングシール。
5. 前記筐体（４）に形成され、前記シーリング本体（２０）と前記シールリングキャリア（６）とを浮遊状態で収容するための凹部（５）を更に備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のフローティングリングシール。
6. 前記凹部（５）には、前記ロック機構（７）を収容するための側方ノッチ（５０）が形成されている、請求項５に記載のフローティングリングシール。
7. 前記側方ノッチ（５０）は、長形溝、又はロック機構の一寸法、特にロック機構（７）の前記ヘッド（７１）の直径よりも大きな直径を有する円柱状の凹部である、請求項６に記載のフローティングリングシール。
8. 前記シーリング本体（２０）は一体的に形成されており、径方向内側に向けられた第１の絞り領域（２１）と、径方向内側に向けられた第２の絞り領域（２２）と、その内周に設けられた第１の周方向溝（２３）とを備え、
   前記第１の溝（２３）は、前記フローティングリングシールの軸方向（Ｘ−Ｘ）における前記第１の絞り領域（２１）と前記第２の絞り領域（２２）との間に配置される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のフローティングリングシール。
9. 前記第１の絞り領域（２１）の第１の幅（Ｂ１）は、前記第２の絞り領域（２２）の第２の幅（Ｂ２）以下である、請求項８に記載のフローティングリングシール。
10. 前記第１の溝（２３）は、前記第１の幅（Ｂ１）以下、且つ、前記第２の幅（Ｂ２）以下の溝幅（Ｎ１）を有する、請求項９に記載のフローティングリングシール。
11. 前記一体型シーリング本体（２０）は、径方向内側に向けられた第３の絞り領域（２５）を更に備え、
    第２の溝（２６）が、前記フローティングリングシールの軸方向（Ｘ−Ｘ）における前記第３の絞り領域（２５）と前記第２の絞り領域（２２）との間に配置される、請求項８〜１０のいずれか一項に記載のフローティングリングシール。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載のフローティングリングシール（２）を少なくとも１つと、
    回転部品（３）とを備える部品装置。
13. 前記第１の絞り領域（２１）と前記回転部品（３）の表面との間の第１の絞りギャップ（８）の第１のギャップ高さは一定に保たれ、及び／又は、前記第２の絞り領域（２２）と前記回転部品（３）の前記表面との間の第２の絞りギャップ（９）の第２のギャップ高さは一定に保たれている、請求項１２に記載の部品装置。
14. 前記第１のギャップ高さは前記第２のギャップ高さと等しい、請求項１３に記載の部品装置。

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