JP2005337503A - 流体力学的ポンプ機構を有するメカニカルシールリング組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転メカニカル端面シールにおいて、シール面が不均一に磨耗し、シール面の安定した平坦性・平行性を維持することができないため、効果的なシール性を維持することが困難であった。
【解決手段】 軸周りに配置されて、シールにわたって一定の差圧で流体をシールするようになっているシールリング構造。本シールリング構造は、メイティングリングと軸方向に可動な主リングとを備える。主リングは、メイティングリングのシール面と対向関係でシール界面を画定するシール面を含む。メイティングリングのシール面または主リングのシール面は、環状の軸方向凹部およびダム部を画定する。凹部は、ダム部に対して協働シール面から軸方向に離れて配置される。凹部はさらに、凹部よりもダム部から軸方向により大きく離間した面パターンを含み、メイティングリングのシール面と主リングのシール面との間に流体力を生成することができる。
【選択図】 図１

Description

［発明の背景］
本発明は、回転メカニカル端面シールに関し、より詳細には、シール面の１つの上に何らかの形態のポンプ機構を含むシールに関する。

端面シールの面が効果的なシールをもたらすかどうかは、協働する半径方向に配置された面の安定した平坦性および平行性に左右される。最初に、面は、合わせて配置された時にシールすべき流体が逃げる隙間がないように、平坦かつ滑らかに粗研磨される。しかしながら、使用時には、（１）面の半径が異なることにより生じる面の線速度の相違、（２）面の材料の均質性の欠如、（３）面が形成されるリングに流体の圧力が加わることによる面の歪み、および（４）潤滑不足により、これらの面は不均一に磨耗する。

第１の要因は、２つの平面が回転運動により互いに擦れ合う動作に必然的に伴うものであるため解消できない。

第２の要因は、ある程度は制御することができるが、リングの材料はシールすべき流体の性質によって決まるため、材料の選択が制限される。高圧かつ大直径の水の用途では、シールリングの１つは炭素製である。この材料は、受ける圧力に耐えるために必要な大直径および大質量で完全に均質であるように成形するのが困難である。

第３の要因は、種々の平衡装置が必要となり、流体の圧力に耐えるようにリングの剛性を高めるためのリング材料の量の増加を伴う。しかしながら、平衡は軸方向に有効であるため、リングの圧力歪みの主な原因となる半径方向の圧力差には、ほとんどまたは全く効果がなく、また、リング質量を増加させることにより、リングの材料の均質性を確保することがますます困難になる。

第４の要因は、改善よりも検出が困難である。
長年にわたり、シール設計者は、シール設計問題を解決するのに役立ついくつかの設計原理を発展させてきた。そのような設計原理とは、（ａ）シール面に対する軸方向圧力、したがって当該面の磨耗を低減するためにシール平衡度を高めること、（ｂ）面に加わる単位圧力を低減するために面の幅を拡大すること、（ｃ）シール面の平行性、したがってシール面にわたる均一磨耗を確保するために、作動圧力での軸方向断面の重心を中心としたリングおよびシートの回転モーメントをゼロにすること、および（ｄ）面が相対的に移動する時に面間に潤滑剤を引き込むように、少なくとも１つのシール面上に逃げ領域（ハイドロパッド）を用いることである。同一出願人に譲渡されたトライテック（Trytek）に対する米国特許第４，４０７，５１２号は、メイティングリングの面と主リングの面との間に潤滑剤を引き込んで面間の摩擦を低減するように主リングのシール面上に形成された、このようなハイドロパッドを開示している。

本発明は、米国特許第４，４０７，５１２号に開示されているシール装置、および他の非接触シール装置を改良したものである。本発明は、パターンのポンプ効果の調節が必要である事実上全てのパターン面シール装置を改良し補完するものであることが期待される。

メカニカル端面シールの一面上のパターンを用いて、面間で流体を移動させるポンプ機構を形成することは一般的である。このような面パターンは、流体力学的揚力をもたらして面間に流体膜を形成する。シール装置は、ガスまたは液体などの流体を保持するために、ポンプ、コンプレッサ、ミキサ、および他のデバイスで用いられる。ポンプ機構は、プロセス流体の流れに逆らって面間にバッファガスを圧送するように構成されることが多い。米国特許第４，２１２，４７５号、第４，４０７，５１２号、第４，８３６，５６１号、第５，０９２，６１７号、第５，５５６，１１１号、第５，９３８，２０６号、第５，９４７，４８１号、第６，４４６，９７６号、第６，４５４，２６８号、および第６，６２６，４３６号は、ポンプ機構が用いられる種々のメカニカル端面シール用途を示す多くのシール装置のうちのごく数例にすぎない。

或るいくつかの特定の用途の場合、ポンプ機構のポンプ効果を抑えることが望ましいことが分かっている。例えば、或るいくつかの特定の用途では、面上のポンプ機構はシール動作および耐久性に重要であるが、これを用いることにより、望ましくない、または過度の漏れが生じる場合があることがわかっている。

本発明は、ポンプ機構の効果を調節し、かつポンプ機構によって圧送される流体の均一な分布を可能にするほぼ環状の経路をシール面付近に提供する構造を提供する。本発明によると、ポンプ機構を形成する領域全体に凹面が設けられる。すなわち、ハイドロパッドシール、波状面シール、または螺旋溝シール等のポンプ機構を有する既知のシール装置では、面は、ダム領域および面パターン領域を含む。ダム領域は、軸方向最外部の環状面であり、反対側のシールリングと対向関係にある。面パターン領域は、ダム領域から半径方向外側または半径方向内側にあり、ダム領域の面の平面から測定可能ないくらかの量だけ軸方向にシールリング内に形成されるパターンを含む。用いられるパターンに応じて、従来の既知のシール装置のパターン領域は、ダム領域の平面と同一平面上にある領域も含む。これは、螺旋溝ポンプ機構またはハイドロパッド装置を有するシール面の場合である。

本発明では、ダム領域と同じ平面にあったパターン領域内の面をいくらか除去する。面パターン領域の全体には、環状ダム面の平面に対して、対向するリングシール面とのシール界面から離れる方向に軸方向に窪んで位置した凹面が設けられる。この構成により、パターン領域と他方のシールリングに形成された対向面との間に永久的な隙間が形成される。この場合、パターンは、環状凹領域の平面に対して窪んだ凹領域を画定する。

面パターンにわたって凹領域を設けることにより、ポンプ機構のポンプ効果はある程度減少する。この結果は、相対的に回転する面同士が、本発明を具現しなかったシール装置の場合よりも大きく離れていることに起因する。凹面と協働するリングの面との間の空間は、環状シールリング界面全体にわたる流体分布のためのほぼ環状の経路も提供する。この関係により、潤滑およびシールリングの冷却が改善され、シール面の熱歪みが低減される。

本発明は、限定はしないが、本明細書に明記する特許に開示されているシールを含む、事実上全てのパターン面シールでの使用に適していると考えられる。本発明は、ポンプ機構領域に形成されるハイドロパッド、または螺旋溝、Ｔ溝、または他の溝パターンを有するシール面、あるいは波状傾斜面パターンシールに適用することができる。本発明は、内径加圧型または外径加圧型であるシール用途に用いることができる。本発明は、シールリング界面を横断してプロセス流体を流すことを可能にするシール、または面間にバッファ流体を圧送するシール用途に用いることができる。バッファは、ガスまたは液体プロセス流体をシールするためにガス、または液体プロセス流体をシールするために液体バッファであってもよい。本発明の利点は、これらの既知の従来のシール装置それぞれに適合させることができることである。

［発明の詳細な説明］
次に、図１を参照すると、本発明のシール装置１０は、シール面の外径側の圧力よりもシール面の内径側の圧力の方が高い、単一シール装置として示される。シール装置は、ガスまたは液体いずれかの流体を、シールを挟む高差圧状態でシールすることが意図される。

ほとんどのメカニカルシールにおけるように、シール装置１０は、ハウジング１４により画定されるチャンバ１２内に流体をシールすることが意図される。軸１６がハウジング１４を通って延びる。軸１６はハウジング１４に対して回転することが意図されるため、チャンバ１２内の流体が漏れるのを防止または阻止するようにシールが設けられなければならない。

シール装置１０は、ピン２２によってスリーブ２０に対して回転式に固定されるメイティングリング１８を備える。スリーブ２０は、軸１６に取り付けられ、軸とともに回転する。メイティングリング１８は、メイティングリングシール面２４を含む。Ｏリング２６がメイティングリング１８をスリーブ２０にシールして、これらの接続部に漏れが生じないようにする。シールリング組立体は、グランドアダプタ組立体３０内に保持される軸方向に可動な主リング２８も含む。主リング２８は、主リングシール面３２を含む（図２を参照）。

本発明のシール組立体１０は、以下のように動作する。シールシステムが、シール面２４、３２の上流のチャンバ１２に、プロセス区域としても知られる高圧区域Ｐ_１を画定する。シール面２４、３２の下流には低圧区域Ｐ_２がある。図１に示すタイプのような、内径加圧型シール組立体の場合、高圧区域Ｐ_１はシール面２４、３２の内径側にあり、低圧区域Ｐ_２はシール面２４、３２の外径側にある。

シール組立体１０は、高圧区域Ｐ_１にある流体が低圧区域Ｐ_２に逃げるのを防ぐ機能を果たす。このような機能を達成するために、主リングシール面３２はシール界面に沿ってメイティングリングシール面２４と係合し、流体が高圧区域Ｐ_１から低圧区域Ｐ_２に逃げるのを制限する。主リング２８は、ばね３４等の付勢手段によって軸方向に付勢される。ばね３４と主リング２８との間には軸方向にディスク３３がある。ばね３４は、主リング２８をメイティングリング１８に向けて付勢し、主リングシール面３２をメイティングリングシール面２４と接触させる。

主リング３２を図２乃至図５に詳細に示す。主リングシール面３２は、外径側３６および内径側３８により画定される。主リング２８はさらに、主リング２８のシール面のいずれの部分も形成しない面取り面４８を主リングシール面３２の半径方向内側に画定する。

主リングシール面３２は、主リングシール面３２の内径側３８付近にほぼ環状の凹部４０を画定する。凹部４０は、外径側または外径縁３６と内径側３８との中間の周縁３７まで延びる。ほぼ環状のダム部４２が、主リングシール面の外径側または外径縁３６付近にあり、中間の周縁３７まで延びる。凹部４０は、ダム部４２に対してシール界面から離れる方向で軸方向に変位している。すなわち、凹部４０は、ダム部４２よりも他方のシールリングの協働面から離れて位置している。

凹部４０を画定する面は、主リング２８がメイティングリング１８と係合すると、メイティングリング１８の対向面から軸方向に離間する。主リングシール面３２のダム部４２は、メイティングリングシール面２４の対応部とともに、シール面２４と３２との間の流体の漏れを防止するダム領域を形成する。ダム部４２に対する凹部４０の軸方向深さｄ_１は、シールすべき流体の粘度および動作速度に応じて、好ましくは３０マイクロインチ乃至５００マイクロインチの範囲であり、より好ましくは５０マイクロインチ乃至１５０マイクロインチの範囲である。

主リングシール面３２は、ハイドロパッド４４として一般に知られる複数の半円形の溝の形態のポンプ機構も画定する。このポンプ機構は、凹部４０を画定する面に形成される。この実施形態に示す、ダム部４２に対する主要面パターンの軸方向深さｄ_２、すなわちハイドロパッド４４の軸方向深さは、好ましくは０．０１０インチ以上であり、より好ましくは０．０１５インチ以上である。主要面パターン４４の軸方向深さｄ_２は、凹部４０の軸方向深さｄ_１よりも大きい。

ハイドロパッド４４を形成する溝の半径方向外側の点と主リング２８の軸方向中心線４６との間の半径方向距離ｒ_１は、周縁３７側の凹部４０の外径と主リング２８の軸方向中心線４６との間の半径方向距離ｒ_２とほぼ同じであり、それらの差は±０．０１０インチ以内である。図２乃至図５の実施形態では、凹面４０の半径方向の幅は、シールリング２８の内径縁３８と外径縁３６との間のシール面３２の半径方向の幅の約２５パーセントから成る。凹面４０の半径方向の幅は、関連するシール用途に応じて、５０パーセント程度まで増加させてもよい。ハイドロパッド４４の半径方向の幅も同様に増加することがあり、ハイドロパッド溝の半径方向外端は、上述の許容差以内で凹面４０の半径方向外端とともに延在することが意図される。

ハイドロパッド４４は、主リングシール面３２とメイティングリングシール面２４との間に流体を引き込むことによって、シールが機能している時に主リングシール面３２とメイティングリングシール面２４との間に流体力をもたらす役割を果たす。流体力は、シール面２４、３２をわずかに分離し、主リング２８とメイティングリング１８との間の摩擦を減らす。

本発明の発明的特徴の１つは、主リング３２の凹み付きのハイドロパッドシール面が、従来のハイドロパッドシール面よりも流体が逃げるのを良好に制限することができることである。凹み付きのハイドロパッドシール面３２は、いくつかの理由から、流体が逃げるのをより良好に制限することができる。第１に、従来のハイドロパッドが生成する流体力は大きすぎるため、主リングの面とメイティングリングの面とを望まれるよりも大きく分離してしまうおそれがあった。面間がこのように望まれるよりも大きく離れることにより、流体が面間から漏れる。凹み付きのハイドロパッドシール面３２は、ハイドロパッド４４を凹部４０に形成して、流体力の一部を凹部４０に放散させることにより、流体力を低減する。

本発明の主リングシール面３２が従来のハイドロパッドシール面よりも流体が逃げるのを良好に制限することができる別の理由は、ハイドロパッドを有するシール面の温度上昇が、ハイドロパッドがあるために不均一になることである。シール面のこの不均一な加熱は、局部的な熱隆起を発生させる傾向がある。これらの熱隆起は、主リングシール面およびメイティングリングシール面が接近して効果的なシールを形成することを妨げる。静圧状態下で凹部４０にハイドロパッド４４を形成することにより、ハイドロパッド４４を画定する面をメイティングリングシール面２４から軸方向に離間させることによって、ダム領域に最小の界面隙間が残る。さらに、静止位置では、円周方向の歪みが不均一であることにより、圧力によっても主リングシール面３２に隆起が発生する可能性がある。主リングシール面３２に発生し得るいかなる隆起も、ダム領域におけるシール機能に干渉しないように、メイティングリングシール面２４から一定の距離にある。したがって、シール面は、ハイドロパッドによって形成される隆起に中断されることなく、円周方向に連続的に接触する。これにより良好な静的シールがもたらされる。

また、ポンプ機構がシール面の内径に隣接して位置するシールでは、凹部分の存在はシールリングの周設凸部または歪みに、より良好に対応する。ポンプ機構がシール面の外径に隣接して位置する場合、凹部分の存在は周設凹部または歪みに、より良好に対応する。

図１のシールの例示的な実施形態は、単一のシール装置で利用されるシールを開示しているが、本発明によるシールは、単一のシール装置、背合わせに取り付けられた２つのシングルシールから成るダブルシール装置、または同じ方向に取り付けられた２つのシングルシールからなるタンデムシール装置で利用することができる。大抵の場合、ダブルシールが用いられるかタンデムシールが用いられるかに関係なく、シール装置の他の要素は、同一出願人に譲渡されたペクト（Pecht）らに対する米国特許第６，６２６，４３６号に記載されているような、従来のダブルシール装置またはタンデムシール装置の要素と同様であり、当該特許の主題は参照により本明細書に援用される。

さらに、図１乃至図５の例示的な実施形態は、シール面の内径側付近にある図２のハイドロパッド４４等の凹部およびポンプ機構を開示しているが、シール面の内径側の圧力よりもシール面の外径側の圧力の方が高い場合、凹部およびポンプ機構はシール面の外径側にあってもよい。このようなシール装置の場合、ほぼ環状のダム部がシール面の内径側付近に画定され、ほぼ環状の凹部がシール面の外径側付近に画定される。このような装置では、ハイドロパッドを形成する半円形の溝は、開口端を半径方向外側に向けて凹部に位置付けられる。シール面の外径側にあるハイドロパッドは、同一出願人に譲渡された米国特許第４，４０７，５１２号に記載されており、当該特許の主題は参照により本明細書に援用される。尚、米国特許第４，４０７，５１２号に開示されているシール面は、少なくとも、米国特許第４，４０７，５１２号のハイドロパッドが図１乃至図５の実施形態の凹部４０等の凹部に位置付けられていないという理由から、本発明のシール面３２とは異なることに留意されたい。

さらに、図２乃至図５の例示的な実施形態は、流体力を生成して主リングの面とメイティングリングの面とを分離するためのハイドロパッドの使用を開示しているが、他のシール面パターンを用いて流体力を生成することもできる。流体力を生成するそのようなシール面パターンの１つは、ヤング（Young）に対する米国特許第５，９４７，４８１号に開示されている波状傾斜パターンシールであり、当該特許の主題は参照により本明細書に援用される。流体力を生成する別のシール面パターンは、同一出願人に譲渡されたクロスターマン（Klosterman）に対する米国特許第５，９３８，２０６号に記載されている螺旋溝構造であり、当該特許の主題は参照により本明細書に援用される。

ハイドロパッドを有するシール面の使用と同様に、代替的な流体力生成シール面パターンのシール面は、波状傾斜シールまたは螺旋溝をほぼ環状の凹部に位置付け、流体力を低減させ、ダム領域におけるシール機能に干渉しないようにメイティングリングシール面から隆起を一定の距離に保つ。波状シールまたは螺旋溝は、波状シールまたは螺旋溝がその中に位置付けられる凹部に沿って、シール面の内径側付近またはシール面の外径側付近にある。波状シールまたは螺旋溝パターンを有するシール面の場合、ダム部に対する凹部の軸方向深さは、好ましくは２０マイクロインチ乃至６０マイクロインチの範囲であり、より好ましくは２５マイクロインチ乃至４０マイクロインチの範囲である。波状シールまたは螺旋溝パターンを有するシール面の場合、ダム部に対する主要面パターンの軸方向深さ、すなわち波状シールまたは螺旋溝の軸方向深さは、好ましくは０．０００１インチ以上であり、より好ましくは０．０００１乃至０．０００３インチの範囲である。主要面パターンの軸方向深さは、凹部の軸方向深さよりも大きい。

また、図示の実施形態は、主リングシール面上にあるハイドロパッドおよび凹部を開示しているが、（上述の代替的な流体力生成シール面構造に沿った）ハイドロパッド、および凹部は、メイティングリングシール面上にあって、流体力を生成してもよい。

図６乃至図８は、本発明を組み込んだシール面１３２を有するメカニカルシール主リング１２８を示す。シールリング１２８は、図１のシール組立体の用途に適している。

主リングシール面１３２を、図６乃至図８に詳細に示す。主リングシール面１３２は、外径側または外径縁１３６および内径側または内径縁１３８により画定される。主リングシール面１３２は、主リングシール面１３２の内径側１３８に隣接するほぼ環状の凹部１４０と、主リングシール面の外径側１３６に隣接するほぼ環状のダム部１４２とを画定する。周縁１３７は、環状の凹部１４０を環状のダム部１４２から分離する。主リング１２８はさらに、主リングシール面１３２の半径方向内側に面取り面１４８を画定する。面取り面１４８は、相互作用するシール面の一部とはならない。

凹部１４０を画定する面は、主リング１２８がメイティングリング１８と係合すると、メイティングリング１８の対向面から軸方向に変位している。主リングシール面１３２のダム部１４２は、メイティングリングシール面２４の対応部とともに、シール面２４と１３２との間の流体の漏れを防止するダム領域を形成する。

主リングシール面１３２は、凹部１４０を画定する面に形成された螺旋溝パターン１４４の形態のポンプ機構も画定する。螺旋溝ポンプ機構は、凹部１４０の面上に配置される。

螺旋溝パターン１４４は、凹面１４０と同一平面上にある複数の領域を含む。螺旋溝パターン１４４は、面１４０よりも下にある底面１４５を有する複数の溝も含む。すなわち、溝１４４の底面１４５は、シールリング１３２および２４が組み立てられて図１に示すもの等のシール組立体になった時に、凹面１４０からよりもメイティングリング面２４から軸方向により大きく離間する。

ダム１４２に対する凹部分または凹部１４０の軸方向深さｄ_１は、２０乃至６０マイクロインチであり、好ましくは２５乃至４０マイクロインチである。

ダム部１４２に対する、この実施形態に示す主要面パターンから螺旋溝１４４の底面１４５の軸方向深さｄ_２は、好ましくは１００乃至６００マイクロインチ以上である。主要面パターン１４４の軸方向深さｄ_２は、凹部１４０の軸方向深さｄ_１よりも大きい。

ダム１４２の半径方向内周縁１３７は、シールリング１２８のシール面１３２の外径側または外径縁１３６と内径側または内径縁１３８との間の半径方向距離の約５０パーセントの位置にある。シール面１３２の内径側または内径縁１３８およびダムの半径方向内縁１３７との間の距離は、シールリング面１３２の凹部分１４０を画定する。

図６乃至図８の実施形態におけるシールリング１２８の内径１３８と周縁１３７との間の半径方向距離、したがって凹面１４０および溝パターン１４４の半径方向の大きさは、シールリング１２８の内径縁１３８と外径縁１３６との間のシール面１３２の半径方向の大きさの約５０パーセントから成る。凹面１４０および／またはパターン１４４の半径方向の大きさは、関連するシール用途に応じて、５０パーセントよりも大きくしてもよく、または５０パーセントよりも小さくしてもよい。

螺旋溝パターン１４４は、主リングシール面１３２とメイティングリングシール面２４との間に流体を引き込むことによりシールが機能している時に、主リングシール面１３２とメイティングリングシール面２４との間に流体力をもたらす役割を果たす。流体力は、シール面２４、１３２をわずかに離間させ、主リング１２８とメイティングリング１８との間の摩擦を減らす。

図９乃至図１２は、本発明を組み込んだシール面２３２を有するメカニカルシール主リング２２８を示す。シールリング２２８は、図１のシール組立体の用途に適している。

主リングシール面２３２を、図９乃至図１２に詳細に示す。主リングシール面２３２は、外径側または外径縁２３６および内径側または内径縁２３８により画定される。主リングシール面２３２は、主リングシール面２３２の内径側２３８に隣接するほぼ環状の凹部２４０と、主リングシール面の外径側２３６に隣接するほぼ環状のダム部２４２とを画定する。周縁２３７は、環状の凹部２４０を環状のダム部２４２から分離する。主リング２２８はさらに、主リングシール面２３２の半径方向内側に面取り面２４８を画定する。面取り面２４８は、相互作用するシール面の一部とはならない。

凹部２４０を画定する面は、主リング２２８がメイティングリング１８と係合したとき、メイティングリング１８の対向面から軸方向に変位している。主リングシール面２３２のダム部２４２は、メイティングリングシール面２４の対応部とともに、シール面２４と１３２との間の流体の漏れを防止するダム領域を形成する。

主リングシール面２３２は、凹部２４０を画定する面に形成された波状傾斜パターン２４４の形態のポンプ機構も画定する。このようなパターンは、米国特許第４，８３６，５６１号および第５，９４７，４８１号に開示されており、当該特許の主題は参照により本明細書に援用される。波状面ポンプ機構は、凹部２４０の面上に配置される。

波状面パターン２４４は、凹面２４０と同一の広がりを持つ複数の離間したピーク２４１を含む。パターン２４４は、半径方向に傾斜した領域によって隔てられるピークまたは波２４１を含む滑らかな曲面を画定する。半径方向に傾斜した領域は、凹面２４０の高さから始まって、ダム部分２４２から半径方向に離れるにつれ、凹面２４０に対して軸方向に深くなるように進む。半径方向に傾斜した領域は、シールリング面２３２の内縁または内径２３８において凹面２４０に対して最大軸方向深さを有する谷底部分２４５で終わる。縁２３８における底面２４５は、シールリング２３２および２４が組み立てられて図１に示すもの等のシール組立体になった時に、メイティングリング面２４から最も大きく離間する。

ダム２４２に対する凹部分または凹部２４０の軸方向深さｄ_１は、２０乃至６０マイクロインチであり、好ましくは２５乃至４０マイクロインチである。

ダム部２４２に対する、この実施形態に示す主要面パターンから波状傾斜パターンの底面２４５の軸方向深さｄ_２は、好ましくは１００乃至６００マイクロインチ以上である。主要面パターン２４４の軸方向深さｄ_２は、凹部２４０の軸方向深さｄ_１よりも大きい。

ダム２４２の半径方向内周縁２３７は、シールリング２２８のシール面２３２の外径側または外径縁２３６と内径側または内径縁２３８との間の半径方向距離の約２５パーセントの位置にある。シール面２３２の内径側または内径縁２３８とダムの半径方向内縁２３７との間の距離は、シールリング面の凹部分２４０を画定する。

図９乃至図１２の実施形態におけるシールリング２２８の内径２３８と周縁２３７との間の半径方向距離、したがって凹面２４０およびパターン２４４の半径方向の大きさは、シールリング２２８の内径縁２３８と外径縁２３６との間のシール面２３２の半径方向の大きさの約７５パーセントから成る。凹面２４０および／またはパターン２４４の半径方向の大きさは、関連するシール用途に応じて、５０パーセント以下に縮小してもよい。

波状傾斜パターン２４４は、主リングシール面２３２とメイティングリングシール面２４との間に流体を引き込むことによりシールが機能している時に、主リングシール面２３２とメイティングリングシール面２４との間に流体力をもたらす役割を果たす。流体力は、シール面２４、２３２をわずかに離間させ、主リング２２８とメイティングリング１８との間の摩擦を減らす。

図１３乃至図１６は、外径加圧型シールのシール面に適用される本発明を示す。すなわち、この実施形態では、主リング（および同様にメイティングリング）の外径または外縁は、シール界面の内径または内縁において受ける流体圧力よりも高い流体圧力を受ける。図示のように、主シールリング３２８は、内周縁または内径３３８および外周縁または外径３３６を有する面３３２を含む。リング３２８の内縁３３８にはダム部３４２が隣接する。ダム部３４２は、周縁３３６と３３８との間のほぼ中間にある縁３３７まで半径方向外側に延びる。凹部分３４０が、リング面３３２の縁３３７と外縁３３６との間に延びる。

凹部分３４０の上には、ハイドロパッド溝３４４の形態のポンプ機構がある。ハイドロパッド溝３４４は、シールリング３２８の外周縁３３６の半径方向外側に開いている。

図２乃至図５の実施形態におけるように、凹部分はダム面３４２に対して軸方向深さｄ_１を有する。ハイドロパッド溝３４４は、深さｄ_１よりも大きい深さｄ_２を有する。ダム面３４０に対する凹面３４０の軸方向深さとハイドロパッド溝３４４の深さとの間の関係は、図２乃至図５の実施形態に関して説明した通りである。

図１７乃至図１９は、外径加圧型シールのシール面に適用される本発明を示す。すなわち、この実施形態では、主リング（および同様にメイティングリング）の外径または外縁は、シール界面の内径または内縁において受ける流体圧力よりも高い流体圧力を受ける。図示のように、主シールリング４２８は、内周縁または内径４３８および外周縁または外径４３６を有する面４３２を含む。リング４２８の内縁４３８にはダム部４４２が隣接する。ダム部４４２は、周縁４３６と４３８との間のほぼ中間の縁４３７まで半径方向外側に延びる。凹部分４４０が、リング面４３２の縁４３７と外縁４３６との間に延びる。

凹部分４４０の上には、螺旋溝パターン４４４の形態のポンプ機構があり、溝は、シールリング４２８の外周縁４３６の半径方向外側に開いている。このパターンは、凹部分４４０と同一の広がりを持つ領域と、底面４４５を有する溝とを含む。

図２乃至図５の実施形態におけるように、凹部分４４０はダム面４４２に対して軸方向深さｄ_１を有する。パターンの溝４４４の底面４４５は、深さｄ_１よりも大きい深さｄ_２を有する。ダム面４４２に対する凹面４４０の軸方向深さと溝の底面４４５の深さとの間の関係は、図６乃至図８の実施形態に関して説明した通りである。

図２０乃至図２３は、外径加圧型シールのシール面に適用される本発明を示す。すなわち、この実施形態では、主リング（および同様にメイティングリング）の外径または外縁は、シール界面の内径または内縁において受ける流体圧力よりも高い流体圧力を受ける。図示のように、主シールリング５２８は、内周縁または内径５３８および外周縁または外径５３６を有する面５３２を含む。リング５２８の内縁５３８にはダム部５４２が隣接する。ダム部５４２は、周縁５３６と５３８との間の縁５３７まで半径方向外側に延びる。凹部分５４０が、リング面５３２の縁５３７と外縁５３６との間に延びる。

凹部分５４０の上には、波状傾斜パターン５４４の形態のポンプ機構がある。波状傾斜パターン５４４は、凹面５４０と同一の広がりを持つ複数の離間したピーク５４１を含む。パターン５４４は、半径方向に傾斜した領域によって隔てられるピークまたは波５４１を含む滑らかな曲面を画定する。半径方向に傾斜した領域は、凹面５４０の高さから始まって、ダム部分５４２から半径方向に離れるにつれ、凹面５４０に対して軸方向に深くなるように進む。半径方向に傾斜した領域は、シールリング面５３２の外縁または外径５３６において凹面５４０に対して最大軸方向深さを有する谷底部分５４５で終わる。縁５３６における底面５４５は、シールリング５３２および２４が組み立てられて図１に示すもの等のシール組立体になった時に、メイティングリング面２４から最も大きく離間する。

図２乃至図５の実施形態におけるように、凹部分５４０はダム面５４２に対して軸方向深さｄ_１を有する。半径方向に傾斜した領域の底面５４５は、深さｄ_１よりも大きい深さｄ_２を有する。凹面５４０の軸方向深さと底面５４５における最大深さとの間の関係は、図９乃至図１２の実施形態に関して説明した通りである。

本発明の種々の特徴を、図示および説明される実施形態を参照して説明した。しかしながら、本発明の精神および特許請求の範囲から逸脱せずに変更を行うことができることは理解されたい。

本発明によるシール装置の側面断面図である。 ハイドロパッドポンプ機構を有するシールリングに具現される本発明を示す、図１の線２−２に沿った図１の主リングのシール面の平面図である。 図２の線３−３に沿った図２の主リングの拡大断面図である。 図２の線４−４に沿った図２の主リングの拡大断面図である。 図２の線５−５に沿った図２の主リングの拡大断面図である。 本発明を具現し、かつ螺旋溝ポンプ機構を有する、内径加圧型用途のシールリングの面の断片平面図である。 図６の線７−７に沿った図６のシールリングの拡大断面図である。 図６の線８−８に沿った図６のシールリングの拡大断面図である。 本発明の原理を具現し、かつ波状面ポンプ機構を有する、内径加圧型用途のシールリングの面の断片平面図である。 図９の線１０−１０に沿った図９のシールリングの拡大断面図である。 図９の線１１−１１に沿った図９のシールリングの拡大断面図である。 図９の線１２−１２に沿った図９のシールリングの拡大断面図である。 ハイドロパッドポンプ機構を有する本発明を具現する、外径加圧型用途のシールリングの面の断片平面図である。 図１３の線１４−１４に沿った図１３のシールリングの拡大断面図である。- 図１４の線１５−１５に沿った図１４のシールリングの拡大断面図である。 図１５の線１６−１６に沿った図１５のシールリングの拡大断面図である。 本発明を具現し、かつ螺旋溝ポンプ機構を有する、外径加圧型用途のシールリングの面の断片平面図である。 図１７の線１８−１８に沿った図１７のシールリングの拡大断面図である。 図１７の線１９−１９に沿った図１７のシールリングの拡大断面図である。 本発明を具現し、かつ波状面ポンプ機構を有する、内径加圧型用途のシールリングの面の断片平面図である。 図２０の線２１−２１に沿った図２０のシールリングの拡大断面図である。 図２０の線２２−２２に沿った図２０のシールリングの拡大断面図である。 図２０の線２３−２３に沿った図２０のシールリングの拡大断面図である。

Claims (33)

1. 軸周りに配置され、流体をシールするシールリング構造であって、
   該シールリング構造は、シール面を含むメイティングシールリングと、該メイティングシールリングのシール面と対向関係でシール界面を画定するシール面を含む、軸方向に可動な主シールリングと、を備え、
   該メイティングシールリングのシール面および該主シールリングのシール面の一方は、凹部およびダム部を画定し、該凹部は、該ダム部に対して軸方向に変位し、さらに、該ダム部から離れる方向に該凹部に対して軸方向に変位している少なくとも一部を含む面パターンを画定し、該面パターンは、該前記メイティングシールリングのシール面と該主シールリングのシール面との間で流体力を生成することができる、シールリング構造。
2. 前記面パターンは複数のハイドロパッドを含む、請求項１のシールリング構造。
3. 前記面パターンは波状傾斜パターンである、請求項１のシールリング構造。
4. 前記面パターンは複数の螺旋溝を含む、請求項１のシールリング構造。
5. 凹部を画定する前記シールリングは前記主シールリングである、請求項１のシールリング構造。
6. 凹部を画定する前記シールリングは前記メイティングシールリングである、請求項１のシールリング構造。
7. 凹部を画定する前記シールリングは、前記シール面の内径側および該シール面の外径側を有し、該凹部は該内径側に隣接しており、前記ダム部は該外径側に隣接している、請求項１のシールリング構造。
8. 凹部を画定する前記シールリングは、前記シール面の内径側および該シール面の外径側を有し、該凹部は該外径側に隣接しており、前記ダム部は該内径側に隣接している、請求項１のシールリング構造。
9. 前記ダム部に対する前記凹部の深さは、３０マイクロインチ乃至５００マイクロインチの範囲である、請求項１のシールリング構造。
10. 前記ダム部に対する前記凹部の深さは、５０マイクロインチ乃至１５０マイクロインチの範囲である、請求項１のシールリング構造。
11. 前記ダム部に対する前記面パターンの少なくとも一部の軸方向深さは、少なくとも０．０１０インチである、請求項２のシールリング構造。
12. 前記ダム部に対する前記面パターンの軸方向深さは、少なくとも０．０１５インチである、請求項１１のシールリング構造。
13. 前記ダム部に対する前記面パターンの少なくとも一部の軸方向深さは、少なくとも０．０００１インチである、請求項３のシールリング構造。
14. 前記ダム部に対する前記面パターンの少なくとも一部の軸方向深さは、少なくとも０．０００１乃至０．０００３インチの範囲である、請求項１３のシールリング構造。
15. 前記ダム部に対する前記面パターンの少なくとも一部の軸方向深さは、少なくとも０．０００１インチである、請求項４のシールリング構造。
16. 前記ダム部に対する前記面パターンの少なくとも一部の軸方向深さは、０．０００１乃至０．０００３インチの範囲である、請求項１５のシールリング構造。
17. 前記ハイドロパッドを形成する前記溝と前記主シールリングの前記軸方向中心線との間の距離は、前記凹部の前記外径と該主シールリングの該中心線との間の距離とほぼ同じである、請求項２のシールリング構造。
18. 前記ハイドロパッドを形成する前記溝と前記主シールリングの前記軸方向中心線との間の距離と、前記凹部の前記外径と該主シールリングの該中心線との間の距離の差は、０．０１０インチ未満である、請求項１７のシールリング構造。
19. シングルシール装置である、請求項１のシールリング構造。
20. 前記凹部分の軸方向深さは、前記波状傾斜パターンの底面の最大軸方向深さよりも小さい、請求項３のシールリング構造。
21. 前記波状傾斜パターンの前記底面の最大軸方向深さは、少なくとも０．０００１インチである、請求項２０のシールリング構造。
22. 前記波状傾斜パターンの前記底面の最大軸方向深さは、０．０００１乃至０．０００３インチである、請求項２１のシールリング構造。
23. 前記ダム部に対する前記凹部の深さは、２０マイクロインチ乃至６０マイクロインチの範囲である、請求項２１のシールリング構造。
24. 前記ダム部に対する前記凹部の深さは、２５マイクロインチ乃至４０マイクロインチの範囲である、請求項２３のシールリング構造。
25. 前記ダム部に対する前記凹部の深さは、２０マイクロインチ乃至６０マイクロインチの範囲である、請求項２２のシールリング構造。
26. 前記ダム部に対する前記凹部の深さは、２５マイクロインチ乃至４０マイクロインチの範囲である、請求項２５のシールリング構造。
27. 前記凹部分の軸方向深さは、前記螺旋溝の底面の最大軸方向深さよりも小さい、請求項４に記載のシールリング構造。
28. 前記螺旋溝の前記底面の最大軸方向深さは、２０乃至６０マイクロインチである、請求項２７のシールリング構造。
29. 前記螺旋溝の前記底面の最大軸方向深さは、２５乃至４０マイクロインチである、請求項２８のシールリング構造。
30. 前記ダム部に対する前記螺旋溝の軸方向深さは、０．０００１乃至０．０００３インチの範囲である、請求項２８のシールリング構造。
31. 前記ダム部に対する前記螺旋溝の軸方向深さは、少なくとも０．０００１インチである、請求項３０のシールリング構造。
32. 前記ダム部に対する前記螺旋溝の軸方向深さは、０．０００１乃至０．０００３インチの範囲である、請求項２９のシールリング構造。
33. 前記ダム部に対する前記螺旋溝の軸方向深さは、少なくとも０．０００１インチである、請求項３２のシールリング構造。
    

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