JP3240725U - 高温動作用シャフトシリンダアセンブリ - Google Patents
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Abstract
【課題】高温環境で動作する高速シャフトシリンダアセンブリを提供する。【解決手段】高温動作用のシャフトシリンダアセンブリであって、シリンダ201内で動的シール機能を提供するためにシャフト202と接触するように構成された螺旋コイルシールリング構造を有する一対の第1及び第2の動的シール部材203a、203bと、冷却ジャケット内の動的シール部材の間に空洞220が形成されるように動的シール部材を円周方向に包囲するように構成されたシリンダ冷却ジャケット207と、を備え、冷却ジャケットは、1つ又は複数の流入冷却チャネル208aと、空洞と連絡して動的シール部材から熱を逃がすために空洞を通して冷却流体を循環させるように構成された1つ又は複数の流出冷却チャネル208bと、を備えている。【選択図】図2A
Description
本開示は、一般に、シャフトシリンダシーリング技術に関し、より具体的には、高温環境で動作する高速シャフトシリンダアセンブリにおけるシーリング技術に関する。
高速シャフトシリンダは、内燃機関、往復ポンプ、ガス圧縮機、及び回転軸又はピストン軸がシリンダに含まれる移動構成要素でありシールリングによって気体又は流体が締められる他の類似のアセンブリなどの様々な用途及び装置に適用されている。
内燃式レシプロエンジンなどの幾つかの用途における作動温度は、1500℃~2000℃に達することがある。シールとシャフトとの間の位置における過渡温度は、高速運動によって誘起される摩擦エネルギーのためにさらに高くなり得る。極端な高温環境下では、シリンダ材料の破損や潤滑油の酸化によりシャフトの焼付きが発生する場合がある。更に、エンジン全体の温度変化は、熱応力によるエンジン構成部品の歪みをもたらし得る。内燃機関の冷却システムは、例えば、米国特許第4,539,942号において提案されており、内燃機関のシリンダヘッド及びシリンダブロックには、冷却流体通路を有する2つの冷却ジャケットが構成されている。しかしながら、このような冷却構成は、シールとシャフトとの間の位置から過渡的な熱を効果的に移動させることができない。
一方、高速動作のために種々の封止技術が提案されている。例えば、2枚の板の間に柔軟性のある多数の微細なスチールブラシを密着させたブラシシールは、様々な高速回転機器に使用されている。しかしながら、このようなタイプのシールは、圧力硬化、ヒステリシス、又は他の望ましくないシール挙動に起因する漏れ問題を受けやすい。この漏れ問題は、スクラッチの程度の差、ひいてはシリンダ壁の浸食率の差を補償するために、わずかに円筒形のシリンダを有するように設計されたエンジンにおいてはより深刻である。
本考案の目的は、温度変化に起因する熱応力に起因するエンジン構成部品の歪みをなくすことができるように、シールとシャフトとの間の位置から過渡熱を効果的に移動させることができる冷却構成を備えた高温作動用のシャフトシリンダアセンブリを提供することである。本考案の更なる目的は、より少ない部品数、改良された耐久性、シャフトシリンダ摩擦の低減による電力損失の低減、及び大幅に低減された漏れを有するシャフトシリンダアセンブリを提供することである。
本考案の一態様によると、シャフトシリンダアセンブリは、シリンダと;前記シリンダ内で及び前記シリンダに沿って移動するように構成されたシャフトと;動的シール機能を提供するために前記シャフトと接触するように構成された動的シール部材と;前記動的シール部材と前記シリンダとの間に配置され、前記動的シール部材を周方向に包囲し、前記シリンダによって周方向に包囲されるように構成されているシリンダ冷却ジャケットと;を具備し、前記冷却ジャケットは、1つ又は複数の冷却チャネルを含み、前記1つ又は複数の冷却チャネルの各々は、前記動的シール部材から熱を逃がすために冷却流体を循環させるように構成されている。
或いは、高温動作用のシャフトシリンダアセンブリは、動的シール機能を提供するために前記シャフトと接触するように構成された一対の第1及び第2の動的シール部材と;シリンダ冷却ジャケットであって、冷却ジャケット内の動的シール部材の間に空洞が形成されるように動的シール部材を円周方向に包囲するように構成されたシリンダ冷却ジャケットと;を備え、冷却ジャケットは、1つ又は複数の流入冷却チャネルと、空洞と連絡して動的シール部材から熱を逃がすために空洞を通して冷却流体を循環させるように構成された1つ又は複数の流出冷却チャネルと、を備えている。
本考案の別の態様によれば、シャフトシリンダアセンブリは、シャフトがシリンダの上端又は下端に向かって移動するときにコイル状フェルトシール(CFS)が収縮し、シャフト端がシリンダの中央部を通って移動するときに膨張することを可能にする螺旋コイル状のシールリング構造を有する1つ又は複数のコイル状フェルトシール(CFS)を更に備えている。このため、シリンダ内のシャフトの上下ストローク時にCFSとシリンダ内壁との密着を維持することができ、漏れ量を0に減少させるか、又は、0に近づけることが可能となる。
本考案の実施形態は、以下により、図面を参照して詳細に説明される。
以下、本考案の実施形態を図を参照して説明する。本明細書に記載される実施形態は、実用新案登録請求の範囲に従って本考案を限定することを意図しておらず、実施形態に関して記載される各要素及びその組み合わせは、本考案の態様を実施するために厳密に必要ではないことが理解されるべきである。更に、本開示の周知の要素は、本開示の関連する詳細を不明瞭にしないように、詳細に説明されず、又は、省略される。
図1は、本考案の一実施形態によるシリンダアセンブリ1の断面図を示している。図1に示すように、シリンダアセンブリは、シリンダ101と;シリンダ101内で及びシリンダ101に沿って移動するように構成されたシャフト102と; 動的シール機能を提供するためにシャフト102と接触するように構成された動的シール部材103と;動的シール部材103に圧縮力を提供して動的シール部材をシリンダ101と密接に接触させ続けるように構成された圧縮ばね105と係合する圧縮リング104と;動的シール部材103及び圧縮リング104を冷却ジャケット内に保持するための一対の第1及び第2の保持リング106a及び106bと、を備えている。
シリンダアセンブリ1は、動的シール部材103とシリンダ101との間に配置されたシリンダ冷却ジャケット107を更に備えていてもよい。シリンダ冷却ジャケット107は、シリンダ101によって円周方向に包囲されており、動的シール部材103及び圧縮リング104を円周方向に包囲している。幾つかの実施態様において、冷却ジャケット107は、動的シール部材103のみを円周方向に囲むように構成することができる。冷却ジャケット107は、1つ又は複数の冷却チャネル108を含んでいてもよく、冷却チャネルの各々は、動的シール部材103から熱を逃がすために水又は油などの冷却流体を循環させるように構成されていてもよい。冷却チャネル108の各々は、冷却流体を受け入れるように構成された入口109と、冷却流体を放出するように構成された出口110と、を有していてもよい。
本考案の様々な実施形態によれば、冷却チャネル108の入口109及び出口110は、循環ポンプ(図示せず)に結合されていてもよい。循環ポンプは、クランクシャフトからのプーリ及びベルトによって駆動されて、加熱された流体を出口110からラジエータなどの熱交換器に送ることができる。流体は、放射のプロセスによってラジエータで冷却される。次いで、冷却された流体は入口109に戻り、再びチャネル108に戻る。
シリンダ冷却ジャケット107は、その内壁に形成された一対の第1及び第2のリング溝111a及び111bであって、それらの各々は冷却ジャケット107内に動的シール部材103及び圧縮リング104を固定するための第1及び第2の保持リング106a及び106bにそれぞれ締結された一対の第1及び第2のスナップリング112a及び112bにそれぞれが係合するように構成されている、一対の第1及び第2のスナップリング溝111a及び111bを更に備えていてもよい。
本考案の様々な実施形態によれば、冷却ジャケット107は、シリンダ101と接触しないように、シリンダ101の内径よりもわずかに小さい外径を有することができる。シリンダアセンブリは、冷却ジャケット107とシリンダ101との間に、シール機能を提供するための静的シールリング113を更に備えていてもよい。静的シールリング113は、冷却ジャケット107の周囲に密着して封止することができるように、冷却ジャケット107の外径よりも僅かに小さい内径を有していてもよく、一方、その外径は、シリンダ101の内壁にあらゆる方向から押し付けて封止するように、シリンダ101の内径よりも僅かに大きくてもよい。幾つかの実施態様において、冷却ジャケット107は、その外壁に円周方向に形成されたリング溝114を有し、冷却ジャケット107の周囲の固定位置に静的シールリングを保持することができる。
図2Aは、本考案の別の実施形態によるシリンダアセンブリ2の断面図を示している。図2に示すように、シリンダアセンブリ2は、シリンダ201と;シリンダ201内で及びシリンダ201に沿って移動するように構成されたシャフト202と; 動的シール機能を提供するためにシャフト202と接触するように構成された一対の第1及び第2の動的シール部材203a及び203bと、を備えている。
シリンダアセンブリ2は、シリンダ冷却ジャケット207であって、冷却ジャケット207内の動的シール部材203a及び203bの間に空洞220が形成されるように動的シール部材203a及び203bを円周方向に包囲するように構成されたシリンダ冷却ジャケット207を更に備えていてもよい。冷却ジャケット207は、1つ又は複数の流入冷却チャネル208aと、空洞220と連絡して動的シール部材203a及び203bから熱を逃がすために空洞220を通して水などの冷却流体を循環させるように構成された1つ又は複数の流出冷却チャネル208bと、を備えている。流入冷却チャネル208aの各々は、冷却流体を空洞220の中に向けるように構成された入口209を有していてもよく、流出冷却チャネル208bの各々は、冷却流体を空洞220から外に向けるように構成された出口2110を有していてもよい。流体は、放射のプロセスによってラジエータで冷却される。次いで、冷却された流体は入口209に戻り、再び空洞220に戻る。
任意選択的に、入口209は、高圧ポンプであり得る循環ポンプ230に連結されてもよく、出口210は、冷却流体の圧力を監視するための圧力ゲージ240に接続されてもよい。循環ポンプは、クランクシャフトからのプーリ及びベルトによって駆動されて、空洞220の間に流体を循環させて、ラジエータなどの熱交換器に送ることができる。
シリンダアセンブリ2は、第1及び第2の動的シール部材をシリンダ201に密接に接触させ続けるために、一対の第1及び第2の動的シール部材203a及び203bのそれぞれに押圧力を与えるように構成された一対の圧縮ばね205a及び205bと係合する一対の第1及び第2の圧縮リング204a及び204bを更に備えていてもよい。
シリンダアセンブリ2は、第1の動的シール部材203a及び第1の圧縮リング204aを冷却ジャケット207内に保持するための一対の第1及び第2の保持リング206a及び206bと;第2の動的シール部材203b及び第2の圧縮リング204bを冷却ジャケット207内に保持するための一対の第3及び第4の保持リング206c及び206dと、
を更に備えていてもよい。
を更に備えていてもよい。
シリンダ冷却ジャケット207は、その内壁に形成された一対の第1及び第2のリング溝211a及び211bであって、それらの各々は冷却ジャケット207内に第1の動的シール部材203a及び第1の圧縮リング204aを固定するための第1及び第2の保持リング206a及び206bにそれぞれ締結された一対の第1及び第2のスナップリング212a及び212bにそれぞれが係合するように構成されている、一対の第1及び第2のスナップリング溝211a及び211bを更に備えていてもよい。
シリンダ冷却ジャケット207は、その内壁に形成された一対の第3及び第4のリング溝211c及び211dであって、それらの各々は冷却ジャケット207内に第2の動的シール部材203b及び第2の圧縮リング204bを固定するための第3及び第4の保持リング206c及び206dにそれぞれ締結された一対の第3及び第4のスナップリング212c及び212dにそれぞれが係合するように構成されている、一対の第3及び第4のスナップリング溝211c及び211dを更に備えていてもよい。
本考案の様々な実施形態によれば、冷却ジャケット207は、シリンダ101と接触しないように、シリンダ201の内径よりもわずかに小さい外径を有することができる。シリンダアセンブリは、冷却ジャケット207とシリンダ201との間に、シール機能を提供するための静的シールリング213を更に備えていてもよい。静的シールリング213は、冷却ジャケット207の周囲に密着して封止することができるように、冷却ジャケット207の外径よりも僅かに小さい内径を有していてもよく、一方、その外径は、シリンダ201の内壁にあらゆる方向から押し付けて封止するように、シリンダ201の内径よりも僅かに大きくてもよい。幾つかの実施態様において、冷却ジャケット207は、その外壁に円周方向に形成されたリング溝214を有し、冷却ジャケット207の周囲の固定位置に静的シールリングを保持することができる。
本考案の様々な実施形態によれば、動的シール部材は、PCT国際出願番号PCT/CN2012/071634に開示されているような螺旋コイル状のシールリング構造を有する複数の金属製の動的シールリングを組み立てることによって形成されるコイルドフェルトシール(CFS)であってもよい。
図3及び図4は、それぞれ、本考案の一実施形態によるCFS500の等角投影図及び部分断面図を示している。図4に示すように、CFS500は、シリンダシール層501、変位吸収層502、及びシャフトシール層503の3つの異なる機能層を有している。機能層は、それらの対応する基本ソースリング(basic source rings)のグループによって形成されていてもよい。図5A-5Cは、シリンダシール層601を形成するためのシリンダシーリングリング601、変位吸収層502を形成するための変位吸収リング602、及びシャフトシール層503を形成するためのシャフトシールリング603の3つのタイプのC形基本ソースリングをそれぞれ示している。
シリンダシール層501の機能は、シリンダ1の内径とCFS500との間の漏れを阻止することである。対応するシリンダシールリング601は、シリンダ内径よりも僅かに大きい外径を有し、シリンダ内壁を全方向から押してシールする一方、その内径はシャフト直径よりも大きく、シャフト表面には接触しない。
変位吸収層502は、シリンダシール層501とシャフトシール層503との間に構築され、シャフトの偏心振動を吸収するとともに、使用に伴う摩耗によるシステム全体の寸法変化を吸収する。対応する変位吸収リングは、内径がシャフト径よりも大きく、シャフト表面に接触しない一方、外径がシリンダ内径よりも小さく、シリンダ内壁に接触しない。
シャフトシール層の機能は、シャフト2の外径とCFS500との間の漏れを阻止することである。対応するシャフトシールリング603は、シャフトシールブロック表面の周りに密に包囲してシールすることができるように、シャフト直径よりも僅かに小さい内径を有し、その外径は、シリンダ内壁に接触しないようにシリンダ内径よりも小さい変位吸収リングの同じ外径を共有している。
CFSの変位吸収リングは、この部分のリングが緯度方向に移動可能であり、高速上下ストローク動作下でのシャフトとシリンダとの間の不整合によって引き起こされる振動及び横方向の動きを吸収するために揺動するので、シャフトシリンダアセンブリにおける不整合の大きな許容性を可能にする。このように、CFS内に変位吸収部リングが存在することにより、シャフトの中心間の不整合による望ましくないトルクも低減される。
図6は、本考案の一実施形態による一対のオスダブテール701及びメスダブテール702を有する部分的なリングであるC字型の基本ソースリング700を示している。C字型リングは、プレスによって打ち抜かれてもよく、シート素材からのレーザ切断又はワイヤ切断などの輪郭切断プロセスによって加工されて、完全に平行な2つの面を有していてもよい。図13に示すように、C字型の基本ソースリング700は、部分リングの両端に形成されたオスダブテール701とメスダブテール702とによって部分リングが漸次結合されるように、リングの一部が切り取られた部分リングである。切断角度の値は、直径に応じて決定する必要がある。
図7は、第1の部分リング700のオスダブテール701及び次の部分リング700のメスダブテール702による2つのC字型基本ソースリング700の連続接合の方法を示している。
各C字型リングは部分的な円であるため、効果的なシール機能を提供するためには、完全なCFSを形成するために、少なくとも2つのシャフトシールリング、少なくとも2つのシリンダシールリング、及び少なくとも1つの変位吸収リングが必要である。
CFSの螺旋コイルシールリング構造は、完全なシール性能を保証することができる。これにより、シャフトシールブロックがシリンダの上端又は下端に向かって移動しているときにCFSが収縮し、シャフトシールブロックがシリンダのミドルセクションを通って移動しているときにCFSが膨張する。このため、シリンダ内のシャフトの上下ストローク時にCFSとシリンダ内壁との密着を維持することができ、漏れ量を0に減少させるか、又は、0に近づけることが可能となる。
本考案の前述の説明は、例示及び説明の目的で提供されている。上記の記載が網羅的であること又は開示された特定の形態に本考案を限定することは、意図されていない。当業者には、多くの修正及び変形が明らかであろう。
実施形態は、本考案の原理及びその実際の応用を最もよく説明するために選択及び説明され、それにより、当業者は、様々な実施形態及び考えられる特定の用途に適した様々な修正で本考案を理解できるようになる。本考案の範囲は、添付の実用新案登録請求の範囲及びそれらの同等物によって定義されることが意図されている。
Claims (15)
- シャフトシリンダアセンブリであって、
シリンダと;
前記シリンダ内で及び前記シリンダに沿って移動するように構成されたシャフトと;
動的シール機能を提供するために前記シャフトと接触するように構成された動的シール部材と;
前記動的シール部材と前記シリンダとの間に配置され、前記動的シール部材を周方向に包囲し、前記シリンダによって周方向に包囲されるように構成されているシリンダ冷却ジャケットと;
を具備し、
前記冷却ジャケットは、1つ又は複数の冷却チャネルを含み、前記1つ又は複数の冷却チャネルの各々は、前記動的シール部材から熱を逃がすために冷却流体を循環させるように構成されている、
シャフトシリンダアセンブリ。 - 前記1つ又は複数の冷却チャネルの各々は、前記冷却流体を受け入れるように構成された入口と、前記冷却流体を放出するように構成された出口と、を有している、請求項1に記載のシャフトシリンダアセンブリ。
- 前記動的シール部材に圧縮力を提供して前記動的シール部材をシリンダと密接に接触させ続けるように構成された圧縮ばねと係合する圧縮リングを更に備えている、請求項1に記載のシャフトシリンダアセンブリ。
- 前記動的シール部材及び前記圧縮リングを前記冷却ジャケット内に保持するための一対の第1及び第2の保持リングを更に備えている、請求項3に記載のシャフトシリンダアセンブリ。
- 前記シリンダ冷却ジャケットは、前記シリンダ冷却ジャケットの内壁に形成された一対の第1及び第2のスナップリング溝を備えており、前記第1及び第2のスナップリング溝は、前記冷却ジャケット内に前記動的シール部材及び前記圧縮リングを固定するための前記第1及び第2の保持リングにそれぞれ締結された一対の第1及び第2のスナップリングにそれぞれが係合するように構成されている、請求項4に記載のシャフトシリンダアセンブリ。
- シーリング機能を提供するために前記冷却ジャケットと前記シリンダとの間に静的シールリングを更に備え、前記冷却ジャケットは、前記静的シールリングを前記冷却ジャケットの周囲の固定位置に保持するために、前記冷却ジャケットの外壁に円周方向に形成されたリング溝を有している、請求項1に記載のシャフトシリンダアセンブリ。
- 前記動的シール部材は、螺旋コイルシールリングを有している、請求項1に記載のシャフトシリンダアセンブリ。
- シャフトシリンダアセンブリであって、
シリンダと;
前記シリンダ内で及び前記シリンダに沿って移動するように構成されたシャフトと;
動的シール機能を提供するために前記シャフトと接触するように構成された一対の第1及び第2の動的シール部材と;
シリンダ冷却ジャケットであって、前記冷却ジャケット内の前記動的シール部材の間に空洞が形成されるように前記動的シール部材を円周方向に包囲するように構成されたシリンダ冷却ジャケットと;
を具備し、
前記冷却ジャケットは、1つ又は複数の流入冷却チャネルと、前記空洞と連絡して前記動的シール部材から熱を逃がすために前記空洞を通して冷却流体を循環させるように構成された1つ又は複数の流出冷却チャネルと、を備えている、
シャフトシリンダアセンブリ。 - 前記流入冷却チャネルの各々は、前記冷却流体を前記空洞の中に向けるように構成された入口を有し、前記流出冷却チャネルの各々は、前記冷却流体を前記空洞から外に向けるように構成された出口を有していてもよい、請求項8に記載のシャフトシリンダアセンブリ。
- 前記入口は循環ポンプに接続され、前記出口は圧力ゲージに接続されている、請求項9に記載のシャフトシリンダアセンブリ。
- 前記第1及び第2の動的シール部材を前記シリンダに密接に接触させ続けるために、前記一対の第1及び第2の動的シール部材のそれぞれに押圧力を与えるように構成された一対の圧縮ばねと係合する一対の第1及び第2の圧縮リングを更に備えている、請求項8に記載のシャフトシリンダアセンブリ。
- 前記第1の動的シール部材及び前記第1の圧縮リングを前記冷却ジャケット内に保持するための一対の第1及び第2の保持リングと;
前記第2の動的シール部材及び前記第2の圧縮リングを前記冷却ジャケット内に保持するための一対の第3及び第4の保持リングと;
を更に備えている、
請求項11に記載のシャフトシリンダアセンブリ。 - 前記シリンダ冷却ジャケットは、
前記シリンダ冷却ジャケットの内壁に形成された一対の第1及び第2のリング溝であって、前記第1及び第2のリング溝は、前記冷却ジャケット内に前記第1の動的シール部材及び前記第1の圧縮リングを固定するための前記第1及び第2の保持リングにそれぞれ締結された一対の第1及び第2のスナップリングにそれぞれが係合するように構成されている、一対の第1及び第2のリング溝と;
前記シリンダ冷却ジャケットの前記内壁に形成された一対の第3及び第4のリング溝であって、前記第3及び第4のスナップリング溝は、前記冷却ジャケット内に前記第2の動的シール部材及び前記第2の圧縮リングを固定するための前記第3及び第4の保持リングにそれぞれ締結された一対の第3及び第4のスナップリングにそれぞれが係合するように構成されている、一対の第3及び第4のリング溝と;
を更に備えている、請求項12に記載のシャフトシリンダアセンブリ。 - シーリング機能を提供するために前記冷却ジャケットと前記シリンダとの間に静的シールリングを更に備え、前記冷却ジャケットは、前記静的シールリングを前記冷却ジャケットの周囲の固定位置に保持するために、前記冷却ジャケットの外壁に円周方向に形成されたリング溝を有している、請求項8に記載のシャフトシリンダアセンブリ。
- 前記第1及び第2の動的シール部材の各々は、螺旋コイルシールリングを有している、請求項8に記載のシャフトシリンダアセンブリ。
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