IT202000011128A1 - Tenuta meccanica con superfici di scivolo aventi diametro minimo. - Google Patents

Tenuta meccanica con superfici di scivolo aventi diametro minimo. Download PDF

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Alessandro Ventura
Luigi Massimiliano Ferri
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Umbra Meccanotecnica
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Description

DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:
?TENUTA MECCANICA CON SUPERFICI DI SCIVOLO AVENTI DIAMETRO MINIMO?.
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad una tenuta meccanica atta ad essere interposta tra un albero rotante ed un'apertura di un involucro. Un tale tipo di tenuta ? particolarmente atta ad essere utilizzata per motori elettrici di veicoli elettrici aventi un raffreddamento a fluido, per isolare il fluido di raffreddamento da parti elettriche del motore e da cuscinetti che supportano l?albero rotante del motore.
In seguito i termini relativi inferiore, superiore, sotto e sopra si riferiscono alla disposizione delle figure allegate.
Con riferimento a Fig. 1 viene illustrata una tenuta meccanica (200), secondo la tecnica nota, di tipo tradizionale.
La tenuta meccanica (200) comprende:
- una parte fissa (1) comprendente un primo anello di tenuta (10),
- una parte rotante (2) comprendente un secondo anello di tenuta (20), e
- una molla (M) disposta nella parte fissa (1) in modo da spingere il primo anello di tenuta (10) verso il secondo anello di tenuta (20).
In questo modo, la tenuta meccanica separa una camera di liquido, in cui ? contenuto un liquido di lavoro, da una camera di aria.
La parte rotante (2) comprende un cannotto (manicotto) (3) fisato ad un albero rotante (104). Il cannotto (3) ha una porzione di fissaggio (35) fissata all?albero rotante (104) e una porzione di alloggiamento (31) atta a contenere una guarnizione (5) e il secondo anello di tenuta (20).
La porzione di fissaggio (35) ha una forma cilindrica ed ? disposta attorno all?albero rotante (104). La porzione di alloggiamento (31) sporge radialmente verso l?esterno dalla porzione di fissaggio (30) ed ha una forma anulare, con sezione ad ?U? rovesciata. Quindi il secondo anello di tenuta (20) si estende radialmente verso l?esterno rispetto alla porzione di fissaggio (35) del manicotto. Inoltre il primo anello di tenuta (10) ? disposto al di sotto del secondo anello di tenuta (20).
Considerato che il diametro esterno dell?albero rotante (104) ? fissato in fase si progetto, sia il primo anello di tenuta (10) che il secondo anello di tenuta (20) devono avere un diametro interno sostanzialmente maggiore del diametro esterno dell?albero rotante (104). Pertanto le piste di scivolamento degli anelli di tenuta avranno sicuramente un diametro medio superiore al diametro esterno dell?albero rotante.
La Fig. 2 illustra una tenuta meccanica (300) secondo la tecnica nota, in cui l?albero rotante (104) comprende un albero cavo (4) avente una cavit? assiale entro la quale viene disposto assialmente un condotto (8) per l?immissione di un fluido, nella direzione della freccia F1.
L?albero cavo (4) ha una superficie esterna (40) e una superficie interna (41). Il condotto (8) ha una superficie esterna (80). Tra la superficie esterna (80) del condotto (8) e la superficie interna (41) dell?albero cavo si genera un?intercapedine anulare (42) in comunicazione con l?interno del condotto (8). In questo modo, entro l?intercapedine anulare (42) pu? fluire il fluido nella direzione della freccia F2.
In questo caso, la parte di fissaggio (35) del cannotto (3) ha sempre una forma cilindrica ed ? fissata alla superficie interna (41) dell?albero cavo e la parte di alloggiamento (31) del cannotto ha sempre una forma anulare e si estende radialmente verso l?esterno al di sopra di un?estremit? (45) dell?albero cavo.
Per minimizzare un movimento di tilting della tenuta meccanica, la guarnizione (5) ed il secondo anello di tenuta (20) poggiano sull?estremit? superiore (45) dell?albero cavo (4). Il secondo anello di tenuta (20) deve sporgere esternamente dall?albero cavo, in modo da potere andare in battuta con il primo anello di tenuta (10) che ? disposto attorno all?albero cavo (4), al di sotto del secondo anello di tenuta (20).
Considerato che il diametro esterno dell?albero cavo (4) ? fissato in fase si progetto, il primo anello di tenuta (10) deve avere un diametro interno maggiore del diametro esterno dell?albero cavo. Inoltre il secondo anello di tenuta deve avere un diametro esterno maggiore del diametro esterno dell?albero cavo. Conseguentemente le piste di scivolamento degli anelli di tenuta avranno sicuramente un diametro medio superiore al diametro esterno dell?albero avo (4).
Le tenute meccaniche (200) e (300) della tecnica nota hanno l?inconveniente che i diametri medi delle piste di scivolamento del primo anello di tenuta e del secondo anelo di tenuta sono molto grandi, cio? maggiori del diametro sterno dell?albero rotante o albero cavo rotante.
Ovviamente, maggiore ? il diametro delle piste di scivolamento della tenuta, maggiori sono le difficolt? costruttive, di tenuta, allineamento e strisciamento delle superficie di scivolo degli anelli di tenuta.
Scopo della presente invenzione ? di eliminare gli inconvenienti della tecnica nota, fornendo una tenuta meccanica che sia in grado minimizzare il diametro medio delle superficie di scivolamento degli anelli di tenuta.
Altro scopo ? quello di fornire una tenuta meccanica che sia sicura, affidabile, economica e di semplice realizzazione ed istallazione.
Tali scopi sono raggiunti da una tenuta meccanica secondo la rivendicazione 1.
Realizzazioni vantaggiose dell?invenzione appaiono dalle rivendicazioni dipendenti.
La tenuta meccanica secondo l?invenzione ? descritta nella rivendicazione 1.
Ulteriori caratteristiche dell?invenzione appariranno pi? chiare dalla descrizione dettagliata che segue, riferita a una sua forma di realizzazione puramente esemplificativa e quindi non limitativa, illustrata nei disegni annessi, in cui:
la Fig. 1 ? una vista in sezione assiale di una tenuta meccanica tradizionale secondo la tecnica nota;
la Fig. 2 ? una vista i sezione assiale di una tenuta meccanica secondo la tecnica nota applicata ad un albero cavo;
la Fig. 3 ? una vista in sezione assiale di una tenuta meccanica secondo l?invenzione;
la Fig. 4 ? una vista in sezione assiale della tenuta meccanica di Fig. 3, in cui sono stati omessi l?albero cavo e la carcassa;
la Fig. 5 ? una vista in sezione assiale della parte rotante della tenuta di Fig. 3 fissata all?albero cavo; e
la Fig. 6 ? una vista in prospettiva, illustrante in esploso l?albero cavo e gli elementi della parte rotante della tenuta meccanica secondo l?invenzione.
Con riferimento alle Figure da 3 a 6 viene descritta una tenuta meccanica, secondo l?invenzione, indicata complessivamente con il numero di riferimento 100.
Con riferimento a Fig. 3, la tenuta meccanica (100) comprende:
- una parte fissa (1) destinata ad essere fissata ad un involucro (C) destinato a contenere un fluido, ed
- una parte rotante (2) destinata ad essere fissata ad un albero rotante (104).
La parte fissa (1) comprende un primo anello di tenuta (10). La parte rotante (2) comprende un secondo anello di tenuta (20). I due anelli di tenuta (10, 20) hanno rispettive superficie di scivolamento (10a, 20a) (Fig. 4) che cooperano tra loro e realizzano una tenuta frontale strisciante.
Gli anelli di tenuta (10, 20) sono convenientemente di materiale ceramico, ad esempio carburo di silicio, o materiale carbonioso.
Con riferimento a Fig. 4, la parte fissa (1) comprende un contenitore anulare (11), realizzato in lamiera tramite imbutitura. Il contenitore anulare (11) comprende:
- una parete superiore (12) piana e anulare,
- una parete cilindrica esterna (13) estendentesi da un bordo esterno della parete superiore,
- una parete tubolare interna (14) coassiale alla parete esterna (13),
- una flangia (15) estendentesi radialmente verso l?esterno da un'estremit? della parete esterna (13).
Un anello di trattenimento (9), ottenuto da lamiera imbutita, ? fissato alla parete cilindrica esterna (13) dello del contenitore e sporge verso l?interno.
Il primo anello di tenuta (10) ? montato all'interno di uno scodellino (6) alloggiato nel contenitore (11) in modo assialmente scorrevole. Una guarnizione (7) di tipo a soffietto, in materiale elastomerico, ? interposta tra il primo anello di tenuta (10) e lo scodellino (6).
Lo scodellino (6) comprende:
- una parete di fondo (60) piana e anulare, affacciata alla parete superiore (12) del contenitore, ed
- una parete cilindrica (61) estendentesi assialmente da un bordo esterno della parete di fondo (60) in modo da racchiudere almeno parzialmente la guarnizione (7).
La guarnizione (7) comprende:
- una prima porzione anulare (70) disposta tra l?anello di trattenimento (9) e la parete superiore (12) e la parete laterale (13) dello scodellino (4),
- una seconda porzione anulare (71) disposta tra la parte laterale (61) dello scodellino e il primo anello di tenuta (10), e - una porzione a soffietto (72) che collega la prima porzione anulare (70) alla seconda porzione anulare (71) della guarnizione (7).
Il primo anello di tenuta (10) ? bloccato assialmente all'interno dello scodellino (6) per interferenza radiale, ossia comprimendo radialmente la seconda porzione anulare (71) della guarnizione (7).
La tenuta meccanica (100) comprende inoltre una molla (M) alloggiata nel contenitore (11) e compressa assialmente tra la parete superiore (12) del contenitore e il primo anello di tenuta (10) in modo da spingere il primo anello di tenuta (10), verso il basso, contro il secondo anello di tenuta (20).
Nell'esempio illustrato, la molla (M) ? una molla a onda elicoidale realizzata con un nastro piatto, come ad esempio le molle commercializzate con la denominazione Crest-to-Crest? dalla Smalley. La molla (M) potrebbe tuttavia essere sostituita da una molla a onda anulare, oppure da una convenzionale molla ad elica cilindrica.
La parte rotante (2) della tenuta meccanica (100) comprende un cannotto (3).
Il cannotto (3) comprende una parete laterale cilindrica (30), e una pluralit? di alette radiali (31) che sporgono radialmente verso l?interno da un bordo superiore della parete laterale cilindrica.
Con riferimento a Fig. 6 sono illustrate quattro alette radiali (31) disposte equidistanziate angolarmente tra loro di 90?.
Il secondo anello di tenuta (20) ? bloccato nel cannotto (3) tramite una cuffia (5) di forma anulare, in materiale elastomerico. La cuffia (5) comprende una parete laterale cilindrica (50) ed pluralit? di alette radiali (51) che sporgono radialmente verso l?interno da un bordo superiore della parete laterale cilindrica della cuffia. Le alette radiali (51) della cuffia sono disposte sotto le alette radiali (31) del cannotto.
Il secondo anello di tenuta (20) comprende una porzione cilindrica (21) avente la superficie di scivolamento (20a) di forma anulare piatta disposta su un bordo superiore della porzione cilindrica (21).
Una parete laterale cilindrica (22) ? disposta attorno alla porzione cilindrica (21). La parete laterale cilindrica (22) ha un bordo superiore (23). La superficie di scivolamento (20a) sporge superiormente rispetto al bordo superiore (23) della parete laterale cilindrica.
Nel bordo superiore (23) della parete laterale cilindrica sono ricavate una pluralit? di sedi incassate (24) atte ad accogliere le alette (51) della cuffia e le alette (31) del cannotto sovrapposte alle alette (51) della cuffia, in modo da bloccare la rotazione del secondo anello di tenuta (20) e della cuffia (5) rispetto al cannotto (3).
Con riferimento a Fig. 4, la somma degli spessori di un?aletta radiale (51) della cuffia e di un?aletta radiale (31) del cannotto ? inferiore alla profondit? della sede incassata (24), in modo che le alette radiali (31) del cannotto siano ad un livello pi? basso della superficie di scivolamento (20a) del secondo anello di tenuta e non interferiscano con il primo anello di tenuta (10).
Inoltre la parete laterale cilindrica (30) del cannotto ha un?altezza (h) maggiore rispetto ad un?altezza (h1) della parete laterale cilindrica (50) della cuffia. In questo modo, quando la cuffia (5) e montata nel cannotto (3), si genera una porzione di fissaggio (35) in una parte inferiore della parete laterale cilindrica (30) del cannotto che rimane libera per potere essere fissata all?albero rotante (104).
Il secondo anello di tenuta ha un bordo inferiore (25) e la cuffia (5) ha un bordo inferiore (55). Quando il secondo anello di tenuta (20) e la cuffia (5) sono montati entro il cannotto (3), i bordi inferiori (25, 55) del secondo anello di tenuta (20) e della cuffia (5) sono sostanzialmente allo stesso livello.
L?albero rotante (104) ha una superficie esterna (40) ed una superficie di estremit? superiore (45) (Fig. 6).
Come mostrato in Fig. 5, la porzione di fissaggio (35) del cannotto ? fissata alla superficie esterna (40) dell?albero rotante. Il bordo inferiore (25) del secondo anello di tenuta ? in battuta contro la superficie di estremit? superiore (45) dell?albero rotante. Questa disposizione evita un movimento di tilting della tenuta meccanica (100).
Bisogna notare quindi che, differentemente dalla tecnica nota, il primo anello di tenuta (10) si trova al di sopra del secondo anello di tenuta e i due anelli di tenuta hanno rispettive superfici di scivolamento (10a, 20a) aventi un diametro medio (inteso come media tra diametro esterno e diametro interno della superficie di scivolamento) inferiore rispetto al diametro esterno dell?albero rotante (104).
La tenuta meccanica (100) ? atta ad essere utilizzata in un motore elettrico, per veicoli elettrici, che ? provvisto di un sistema di raffreddamento a fluido di raffreddamento. In questo modo la tenuta meccanica (100) isola il fluido di raffreddamento, impedendogli di andare verso i cuscinetti dell?albero rotante e le parti elettriche del motore.
Con riferimento alle Figg. 3, 5 e 6, vantaggiosamente, l?albero rotante (104) comprende un albero cavo (4) avente una cavit? assiale entro la quale viene disposto assialmente un condotto (8) per l?immissione di un fluido, nella direzione della freccia F1.
L?albero cavo (4) ha una superficie esterna (40) e una superficie interna (41). Il condotto (8) ha una superficie esterna (80). Tra la superficie esterna (80) del condotto (8) e la superficie interna (41) dell?albero cavo si genera un?intercapedine anulare (42) in comunicazione con l?interno del condotto (8). In questo modo, entro l?intercapedine anulare (42) pu? fluire il fluido nella direzione della freccia F2. Il fluido circola al di sopra del contenitore (11) della parte fissa della tenuta e non pu? penetrare nelle camera d?aria sotto alla parte fissa della tenuta, in modo da non bagnare le parti elettriche del motore.
In questo caso, la parte di fissaggio (35) del cannotto (3) ? fissata alla superficie esterna (40) dell?albero cavo. La cuffia (5) ? disposta entro il cannotto (3). Il secondo anello di tenuta (20) ? disposto entro la cuffia (5).
Per minimizzare un movimento di tilting della tenuta meccanica (100), la superficie inferiore (25) del secondo anello di tenuta (20) poggia sulla superficie di estremit? superiore (45) dell?albero cavo (4). Il primo anello di tenuta (10) ? disposto al di sopra del secondo anello di tenuta. In questo modo il condotto (8) passa entro il secondo anello di tenuta (20) ed entro il primo anello di tenuta (10).
Bisogna considerare che la superficie di estremit? superiore (45) dell?albero cavo (4) ha uno spessore (s), in direzione radiale, maggiore o uguale alla somma di uno spessore massimo (s1) del secondo anello di tenuta e uno spessore (s2) della cuffia in direzione radiale. Per minimizzare il diametro delle piste di scivolamento (10a, 20a) della tenuta, il secondo anello di tenuta (20) ha un diametro interno uguale al diametro interno dell?albero cavo (4).
Considerato che i diametri interno ed esterno dell?albero cavo (4) sono fissati in fase si progetto, sia il primo anello di tenuta (10) che il secondo anello di tenuta (20) hanno rispettive superfici di scivolo (10a, 20a) aventi un diametro medio inferiore al diametro esterno dell?albero cavo (4).
In questo modo sono state ottenute le superfici di scivolamento (10a, 20a) dei due aneli di tenuta con il diametro minimo possibile, imposto dalle dimensioni radiali dell?albero cavo (4).

Claims (9)

RIVENDICAZIONI
1. Tenuta meccanica (100) comprendente:
- una parte fissa (1) comprendente un contenitore (11) destinato ad essere fissato ad una struttura fissa,
- una parte rotante (2) comprendente un cannotto (3) avente una porzione di fissaggio (35) atta ad essere fissata ad un albero rotante (104) avente una superficie di estremit? superiore (45),
- un primo anello di tenuta (10) montato scorrevole assialmente all'interno del contenitore (11); detto primo anello di tenuta avendo una superficie di scivolamento (10a),
- un secondo anello di tenuta (20) montato nel cannotto (3): detto secondo anello di tenuta avendo una superficie di scivolamento (20a);
- una molla (6) assialmente compressa tra il contenitore (11) e il primo anello di tenuta (10), in modo da spingere detto primo anello di tenuta (10) verso detto secondo anello di tenuta (20), in modo che le superficie di scivolamento (10a, 20a) siano a contatto per ottenere una tenuta;
caratterizzata dal fatto che
detto secondo anello di tenuta (20) si estende radialmente verso l?interno rispetto a detta porzione di fissaggio (35) del cannotto, al di sopra di detta superficie di estremit? superiore (45) dell?albero rotante; e
detto primo anello di tenuta (10) ? disposto al di sopra di detto secondo anello di tenuta (20) in modo che le superfici di scivolamento (10a, 10b) del primo e secondo anello di tenuta siano a contatto tra loro,
in cui le superfici di scivolamento (10a, 10b) del primo e secondo anello di tenuta hanno un diametro medio inferiore rispetto ad un diametro esterno di detto albero rotante (104).
2. Tenuta meccanica (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detto albero rotante (104) comprende un albero cavo (4) entro il quale ? disposto un condotto (8) che si estende entro il secondo anello di tenuta (20) ed entro il primo anello di tenuta (10); detto albero cavo (4) avendo una superficie esterna (40); detta porzione di fissaggio (35) del cannotto essendo fissata alla superficie esterna (40) dell?albero cavo.
3. Tenuta meccanica (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto cannotto (3) ha una parete laterale cilindrica (30) comprendente detta porzione di fissaggio (35) detta parete laterale cilindrica (30) si estende al di sopra di detta superficie di estremit? superiore (45) dell?albero rotante per contenere detto secondo anello di tenuta (20).
4. Tenuta meccanica (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una cuffia (5) in materiale elastomerico interposta tra il cannotto (3) e il secondo anello di tenuta (20) e disposta al di sopra di detta superficie di estremit? superiore (45) dell?albero rotante.
5. Tenuta meccanica (100) secondo la rivendicazione 4 quando dipende dalla rivendicazione 2, in cui l?albero cavo (4) ha una superficie di estremit? superiore (45) avente uno spessore (s) in direzione radiale maggiore o uguale alla somma di uno spessore massimo (s1) del secondo anello di tenuta (20) e uno spessore (s2) della cuffia (5) in direzione radiale.
6. Tenuta meccanica (100) secondo la rivendicazione 5, in cui detto secondo anello di tenuta (20) ha un diametro interno uguale al diametro interno di detto albero cavo (4).
7. Tenuta meccanica (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui
detto cannotto (3) comprende una parete laterale cilindrica (30) e una pluralit? di alette radiali (31) che sporgono radialmente verso l?interno da un bordo superiore della parete laterale del cannotto; e
detto secondo anello di tenuta (20) comprende una parete laterale cilindrica (22) avete un bordo superiore (23) con una pluralit? di sedi incassate (24) entro le quali si impegnano dette alette radiali (31) del cannotto.
8. Tenuta meccanica (100) secondo la rivendicazione 7, quando dipende dalla rivendicazione 4, in cui detta cuffia (5) comprende una parete laterale cilindrica (50) avente un bordo superiore dal quale sporgono radialmente una pluralit? di alette radiali (51) destinate ad impegnarsi entro dette sedi incassate (24) della parete laterale del secondo anello di tenuta al di sotto di dette alette radiali del cannotto (3).
9. Motore elettrico per veicolo elettrico avente un sistema di raffreddamento comprendente un albero rotante (104) che comprende un albero cavo (4) ed un condotto (8) disposto assialmente entro l?albero cavo (4) per il passaggio di un fluido di raffreddamento entro il condotto (8) ed entro un?intercapedine (42) tra il condotto (8) e l?albero cavo (4), caratterizzato dal fatto di comprendere una tenuta meccanica (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 8.
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