JP5324194B2 - メカニカルシールアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシールアセンブリに関し、特に一方が軸方向に可動でありそれぞれ他方のシールリングに対して付勢力で軸方向に付勢される少なくとも一対の協働するシールリング、ならびに、シールリングおよび付勢力伝達リングの動きを案内するガイド部の少なくとも一方の円周方向ガイド面に対して軸方向可動シールリングを密封するための二次シールアセンブリを有するようなメカニカルシールアセンブリに関する。このようなメカニカルシールアセンブリは、例えば米国特許第３４７９０３９Ａ号から公知である。

公知のメカニカルシールアセンブリにおいて、筐体に対するシールリングの密封は、シールリング内の溝で受けられるＯリングによって行われる。筐体とシールリングの周縁部との間の１個以上のＯリングを、それぞれシールリングまたは筐体内の軸方向に端部が開口した凹部内に設けたものも公知である（国際公開公報第２００６／０４０８６５号）。いずれの場合でも、Ｏリングの密封効果は、シールリングの軸方向の移動が高い摩擦抵抗に対して起こると共にシールリングの機能上重要な可動性がそれに応じて制約されるように、密封されるべき間隙に対して設けられるオーバーサイズに基づいている。

米国特許第３４７９０３９Ａ号 国際公開公報第２００６／０４０８６５号

本発明の基本的な目的は、内部でそれぞれのシールリングの軸方向への可動性が二次シールアセンブリによって悪影響を受けないか、あるいは実質的に受けにくく、同時にその搭載が簡略化された汎用メカニカルシールアセンブリを提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴により解決される。

本発明によれば、二次シールアセンブリが力伝達リングに設けられる一方で、軸方向可動シールリングにはＯリングなどの二次シール部材を受けるためのいかなる溝などもない。したがって、シールリングの軸方向可動性はこのような二次シール部材によって影響されない。二次シール部材は、好ましくはＯリングであって、二次シール部材の半径方向への伸張に影響する軸方向の力によって二次シール部材が負荷をかけられるときだけ実質的な伸張への半径方向の密封効果が発生するように、特定の方法で力伝達リングに保持され配置される。したがって、二次シール部材は、二次シール部材と一緒に力伝達リングが密封されるべき面に対する摩擦抵抗による抵抗なく軸方向に移動できるように密封されるべ
き間隙に対するオーバーサイズを有する必要がない。したがって、二次シール部材への軸方向付勢力の作用なしで、力伝達リングを案内する円周ガイド面と係合しない状態になる。したがって、二次シール部材は、力伝達リングを超えて突出しないか、最小限しか突出しない。これは、実質的にメカニカルシールアセンブリの搭載を簡略化し、さらに、半径方向の密封がそれぞれのメカニカルシールアセンブリの必要条件に厳密に適合できることを保証する。それにもかかわらず、市販の二次シール部材を使用できる。本発明のさらなる特徴は、二次シール部材が力伝達リングから軸方向に若干突出し、それと共に力伝達リングとシールリングの間に接合部が作成されることであり、該接合部は硬直しておらず弾力的に柔軟である。これにより、シールリングは、力伝達リングに対してある程度まで位置を変えることができ、それが所望の形状を維持するようにシール間隙の形状について自己補償効果を有する。本発明によれば、付勢力は、力伝達リングと二次シール部材を介してシールリングに作用し、したがって、実用上二次シール部材によって脆弱化されない。

本発明のさらなる展開によれば、力伝達リングに軸状開口部を組み入れ、他方の側のシールリング内に流路を設けることをさらに具備してもよく、該流路はシールリング面内のシール間隙促進凹部で開口している。加えて、シールリング対の協働するシールリング間でシール間隙を形成することに早期に影響を与えるために、シール間隙促進凹部へ力伝達リングを介して圧力媒体を供給することができ、ここで力伝達リングは圧力媒体に対して圧力解放状態に維持されている。軸状開口部を持つ力伝達リングと流路を持つシールリングを整列させるという問題なく組み立てることを可能にするために、力伝達リング上に軸方向の付勢力が存在するときも、二次シール部材は、力伝達リングとシールリングの間に所定の軸方向の距離を確実にするように形成される。加えて、力伝達リングの軸状開口部とシールリング内の流路の間の接続が、この間隙空間部により組み立て状態において保証されるように円周方向に延びる間隙空間部が維持される。加えて、力伝達リング内の軸状開口部とシールリング内の流路は異なる直径上に設けられることも可能である。さらなる展開については請求の範囲を参照されたい。

以下、図面に基づき、本発明をより詳細に説明する。

本発明によるメカニカルシールアセンブリの好ましい実施形態の長手方向の断面図である。

図面において、符号１は、静止部、特にメカニカルシールアセンブリの筐体を指し、符号２は、筐体内に軸方向に導入されているガイドリング空間部、すなわち一方の端部側に開口端を有する環状凹部を指し、この中に、回転方向に固定された軸方向可動シールリング４の軸状突起部３が、シールリング４がガイドリング空間部２内に保持され軸方向に案内されるように突出している。

回転方向に固定されたシールリング４は、共回転するためにスリーブ６上に搭載されたシールリング、すなわち対向リング５と協働し、これは一緒に回転するために回転部（シャフト）上に設置搭載できる。したがって、回転部の回転時には、シールリング５も同様に回転させられるのに対して、シールリング４は回転を防止するのに適した手段（図示せず）によって筐体１に対して回転方向に固定されたまま保持される。このような手段は、当業者に公知であり、より詳細な説明を必要としない。

シールリング４、５は、向かい合わせの摺動、すなわちシール面７および８を含み、その間には、シールリング対の一方の周縁部における周辺区域を他方の周縁部における周辺区域に対して密封するため、動作中にシール間隙が形成される。メカニカルシールアセンブリの停止時には、摺動面７、８は、付勢力でシール係合状態を維持される。

この目的のため、ガイドリング空間部２の周りに円周方向に配置される１個以上の付勢バネからなっていてもよい付勢部材９は、シールリング４に該付勢力をかけるために設けられる。付勢部材９の付勢力は、直接シールリング４に作用せず、軸方向へ可動にガイドリング空間部２内に配置される力伝達リング１０を介して作用する。付勢部材９の一方の端部は、力伝達リング１０で支持され、その他方の端部は、筐体１、好ましくは筐体１内に設けられる止まり穴１１の底面で支持される。付勢力の影響により、力伝達リング１０は、付勢力がシールリングに伝達されるように、シールリング４の隣接端面１２の方へガイドリング空間部２内を軸方向に移動する。

本発明によれば、力伝達リング１０は、筐体１に対してシールリング４を密封する働きをする、エラストマーなどの弾性材で作られた一対のシール部材１３、１３'を含む。好ましくは、シール部材は市販のＯリングであって、各シール部材１３、１３'の断面が、例えば断面の寸法が３．５〜７．０ｍｍの時に約０．５〜１ｍｍの適切なわずかの距離分だけ端面１５を超えて軸方向に突出するようにシールリング４に面した力伝達リング１０の端面１５と内外周との間の角領域内で、例えばピッチ円状断面などシール部材１３、１３'の断面形状に適合した断面を有し円周方向に延びる凹部１４、１４'に配置されているＯリングである。好ましくは、付勢力が存在しないときは、シール部材１３、１３'もわずかの距離分だけ力伝達リング１０の内外周を超えて突出する。半径方向への付勢力なしで設けられるシール部材１３、１３'のこのわずかなオーバーサイズは、軸方向への付勢力なしで設けられるオーバーサイズより小さく、好ましくは０〜０．２ｍｍの範囲である。シール部材１３、１３'は、付勢力なしで力伝達リング１０を超える半径方向へのオーバーサイズを特徴としないことが特に好ましい。

好ましくは、シール部材１３、１３'は、同じ断面寸法を有し、これらの断面の中心は共通する半径面上にある。

シール部材１３、１３'が軸方向の力をかけられることにより半径方向に伸張するとき、シール部材１３、１３'は、隣接するガイドリング空間部２の内外周面１６、１８と係合するように構成される。該軸方向の力がない場合は、力伝達リング１０の軸方向の可動性がこのような条件下で悪影響を受けないように、シール部材１３、１３'は、周縁面１６、１８と係合しないか、あるいは非常にわずかに係合するだけである。

付勢部材９によってかけられる付勢力でシール部材１３、１３'と共に力伝達リング１０がシールリング４の隣接する端面１２に対して押し付けられると、力伝達リング１０とシール部材１３、１３'によって内外周で制限密封されたシールリング４の端面１２との間に間隙空間部１７を形成するという結果になる。さらに、シール部材１３、１３'に作用する軸方向の力が半径方向に伸張する効果に加えて、筐体１に対してシールリング４を密封するためにガイドリング空間部１２の周縁面１６、１８とのシール係合内に及ぼす効果を有する。

加えて、本発明は、シール部材１３、１３'からのいかなる摩擦抵抗も受けずに力伝達リング１０をガイドリング空間部１２の中に挿入することができる。さらに、シール部材１３、１３'を介した力伝達リング１０とシールリング４の間が軸方向に係合している結果、その係合状態は硬直しておらず柔軟であり、したがってシールリング４と力伝達リング１０との間の位置ずれを補償することができる。

さらに図示されているように、回転方向に固定されたシールリング４には、端面１２の一方の端部において開口しており、そして他方の端部において適切なわずかな奥行を有する環状凹部２０の中に開口している流路１９が軸状に組み入れられており、環状凹部２０はシールリング４の摺動面に挿入されている。所望ならば、このような流路を複数設けてもよい。摺動面７、８間のシール間隙形成に影響を与えたり促進したりするために、各流路１９を介して、例えば気体や液体などの圧力媒体を環状凹部２０の中に供給してよい。力伝達リング１０には、シール部材１３、１３'で密閉される端面１５の区域内で一方の端部が開口しており他方の端部がガイドリング空間部２の中に開口している通路２１が組み入れられていて、ガイドリング空間部２の他方の側では筐体１内に具備される流路２２が開口している。所望ならば、このような流路２２も複数設けてよい。したがって、該または各流路２２内に供給される流動媒体を、矢印で示すように、ガイドリング空間部２、力伝達リング１０の穿孔２１、間隙１７、および、流路１９を介してシールリング４の摺動面７内の凹部２０へ供給してもよい。これにより、シール部材１３、１３'は少し突出しており、軸方向に付勢力が存在するときには、力伝達リング１０とシールリング４の間の環状の間隙空間部１７も維持する。これで、付勢力の存在下でも、力伝達リング１０内の穿孔２１とシールリング４内の流路１９との接続は間隙空間部１７によって維持されるので、メカニカルシールアセンブリを組み立てるときに力伝達リング１０とシールリング４が円周方向に整列しなくてもよくなる。さらに加えて、穿孔２１と流路１９を異なる直径上に配置することが可能である。これは、穿孔２１と流路がそれぞれ力伝達リング１０およびシールリング４内で互いに独立して配置されてもよいため、特に小型構造という結果をもたらす。図面からの結果として、穿孔２１が配置される直径は、流路１９が配置される直径より大きい。付勢部材１９のバネ部材用に十分な接触面を設けるために、力伝達リング１０内の穿孔２１は、力伝達リングの中間の直径に対して非対称に配置され、図示されているように、この力伝達リングにおいて穿孔２１はシール部材１３'のより近くに位置づけられる。

上述の本発明の好ましい実施形態において、力伝達リング１０は、本発明による力伝達リング１０の内側または外側の周縁部の近くに配置される一対のシール部材１３、１３'を含む。所望ならば、１つの円周方向ガイド面だけを密封する一方で、このような密封を完全に省略するのでない限り、もう１つの円周方向ガイド面について密封を行うように、このようなシール部材を１つだけ本発明の方法で力伝達リングに配置してもよい。さらに、回転方向に固定されたシールリングの摺動面内に設けられる凹部に流動媒体を供給する上述の手法は、Burgmann、Gas Seals、Selbstverlag 1997, page 17においてより詳細に記述されているように、特にシール面内の凹部を促進するなど他の適切な手法でシール間隙の形成が達成または促進されれば省略可能であることは明白である。

Claims (7)

1. 共回転するために一方が回転部に設けられ他方が静止部に回転方向に固定されて設けられる少なくとも一対の協働するシールリング（４、５）であって、一方のシールリングは、軸方向に可動でありそれぞれ他方のシールリングに対して付勢力で軸方向に付勢されていて、間には動作中にシール間隙が形成されるシールリングの対面する摺動面（７、８）を付勢するために該付勢力が力伝達リング（１０）を介して相互にシール係合状態であるそれぞれのシールリングへ伝達可能であるシールリングと、
   力伝達リング（１０）とシールリング（４）の少なくとも軸状部とを受けるように、間にあるガイドリング空間部（２）を区切るように設けられた一対の同軸の円周方向ガイド面（１６、１８）と、
   シールリングおよび力伝達リングの動きを案内するガイド部（１）の少なくとも円周方向ガイド面（１６、１８）に対して軸方向可動シールリングを密封するための力伝達リング（１０）に設けられる二次シールアセンブリを含むメカニカルシールアセンブリにおいて、
   二次シールアセンブリは、一方がシールリングに面した端面（１５）を持つ力伝達リング（１０）の内周の近くで保持され他方がその外周の近くで保持される一対のシール部材（１３、１３’）を含み、該メカニカルシールアセンブリにおいて一方のシール部材が一方の円周方向ガイド面（１６、１８）とシール係合するよう構成され、他方のシール部材が他方の円周方向ガイド面とシール係合するよう構成される一方で、シール部材が同時に軸方向間隙空間部領域（１７）をその端面において円周方向に区切られ、
   前記二次シールアセンブリは、弾性材で作られた少なくとも１つの環状シール部材（１３、１３’）を含み、該部材が力伝達リングを超えて軸方向に突出するように力伝達リングの周縁部およびシールリングに面した端面（１５）の近くで保持され、
   同時にシールリングおよび円周方向ガイド面（１６、１８）とシール係合するように構成され、
   付勢力で軸方向に負荷をかけるように構成され、
   シール部材（１３、１３'）は、半径方向への伸張を介して軸方向の付勢力の影響により円周方向ガイド面（１６、１８）とシール係合するよう構成されるように力伝達リング（１０）で保持され、その一方で、付勢力が有効でない場合、このような係合状態が実質的に防止される
   ことを特徴とするメカニカルシールアセンブリ。
2. シール部材（１３）が実質的に同じ断面寸法であり、シール部材の断面の中心が実質的に共通の半径面上に配置されることを特徴とする、請求項１記載のメカニカルシールアセンブリ。
3. 力伝達リング（１０）に軸状開口部（２１）が組み入れられ、開口部の一方の端部が間隙空間部領域（１７）内で開口することを特徴とする、請求項１又は２記載のメカニカルシールアセンブリ。
4. 協働する摺動面（７、８）の間のシール間隙の形成を促進する流動媒体を供給するために、一方の端部が軸方向間隙空間部領域（１７）と整列した力伝達リング（１０）に面した端面（１２）で開口し、他方の端部がその摺動面（７）の中で開口するシールリング（４）の流路（１９）を特徴とする、請求項３記載のメカニカルシールアセンブリ。
5. 各シール部材（１３）が、Ｏリングとして形成されることを特徴とする、請求項１〜４の１項記載のメカニカルシールアセンブリ。
6. 回転方向に固定されたシールリング（４）が、軸方向に可動であることを特徴とする、請求項１〜５の１項記載のメカニカルシールアセンブリ。
7. 付勢力を印加するためのバネ付勢部材（９）を設けることを特徴とする、請求項１〜６の１項記載のメカニカルシールアセンブリ。

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