JP2008506084A - 複合ロータリーシールアセンブリ - Google Patents

Abstract

回転するシャフトと静止面との間にシールを形成するための複合シールアセンブリ。この複合シールアセンブリは、第１および第２の軸方向に隣接する環状シール要素を含む。第１および第２のシール要素はそれぞれ、第１および第２のシール要素とシャフトとの間に個々のシールを形成するようシャフトに当接するシーリング縁部を含む。静止ハウジングは、第１および第２のシール要素を収容すると共に、静止固定シールを形成するよう静止面と係合し、その一方で、それと共に動的シールを形成するようシール要素と係合する可撓領域を付随的に提供する。

Description

本発明は、静止ハウジング部材に対してシャフトあるいはロッドをシールするためのシールアセンブリに関する。特に本発明は、回転シャフトと静止ハウジングとの間にシールを形成するための複合シールアセンブリに関する。

この出願は、2004年7月12日に出願された米国特許出願シリアルNo.10/889,246号の利益を主張する。その内容は、この引用によって本明細書に組み込まれる。

既存のシーリングアセンブリは、流体密シールを形成するために、たとえば機械装置内のような、さまざまな周囲状況および環境において使用されている。シーリングアセンブリは、たいてい、固定機械ハウジング内に設置されかつそこから突出する回転シャフトあるいはロッドの周囲に配置される。

既存のシーリングアセンブリは、概して、弾性素材からなるシーリング要素と、回転するシャフトに対してこのシーリング要素を付勢するためのスプリングまたはその他の弾性付勢要素とを具備してなる。付勢要素は、流体密シールを形成するために、シーリング要素をシャフトとシーリング係合状態となるよう付勢する。

だが、こうしたシーリングアセンブリは、さまざまな欠陥および不都合な点を抱えている。たとえば、スプリングは、通常、シールされる機械装置の内部流体すなわちプロセス流体にさらされるが、これは潜在的にスプリングを劣化させ、潜在的にスプリングの破損を引き起こす可能性がある。さらに、スプリングまたは他の可動式付勢要素は、時間の経過に伴って、その弾性的付勢特性を消失しがちであり、これはシール効率を低下させる。

従来型シールアセンブリの別な欠点は、弾性シーリング要素の損耗特性が劣っていることである。シーリング要素が損耗するので、このシーリング要素によって付与される、シャフトに対する半径方向シーリング力の大きさが低下し、それに付随してシーリング要素のシーリング効果が低下する。シーリング特性のこの予期される劣化によって、シーリング要素の頻繁なモニタリング、交換および／または調整が必要となる。それゆえ、この交換および調整作業によって、シールアセンブリを利用するシステムは頻繁に休止時間が必要となり、これによって全般的なシステムのシーリング効率が低下し、したがってコストが増大する。

本発明の一つ以上の具体的な目的は、ある程度は自明であり、そしてある程度は図面ならびに以下の説明から明白となるであろう。

本発明の複合シールアセンブリは、回転シャフトと静止装備品との間に流体密シールを提供(形成)するよう適応させられかつ構成されている。本シールアセンブリは、極めて有効な静的シールを形成する相対的に静止した部材と、本シールアセンブリが回転するシャフトに当接するとき流体密シールを動的に確実なものとする可動式のフレキシブルな部材とを利用する。本発明のシールアセンブリは、それゆえ複合構造を有し、ここで本アセンブリの異なる部分は異なる素材から形成されており、静止装備品に対してあるいはその内部に設けるための動的および静的シーリング機能を最適に形成する。特に本複合シールアセンブリは、シャフトに対して動的流体密シールを形成するための可動式シールコンポーネント(たとえば可撓領域)と係合する第１および第２の軸方向に隣接する環状シール要素と、シール要素を収容すると共に静止装備品に対して静的流体密シールを形成するための静止ハウジングとを含む。本シールアセンブリの一部の動的特性によって、本アセンブリは、シャフトに心振れや偏心などが生じている間に、シャフトと共に流体密シールを維持することが可能となる。

本発明の一態様によれば、シャフトと静止装備品との間に流体密シールを形成するための複合シールアセンブリが提供される。この複合シールは、第１の環状シーリング要素とシャフトとの間にシールを形成するようシャフトに当接するための第１の動的シーリング面を含む第１の環状シーリング要素と、その内部で第１の環状シーリング要素を受けるための圧縮可能な環状溝を半径方向内側端部に含む静止ハウジングとを具備してなる。静止ハウジングは、静止装備品と当接するための静的シーリング面を半径方向外側端部に含む。

本発明の別な態様によれば、複合シールは、第１の環状シーリング要素とシャフトとの間にシールを形成するようシャフトと接触するための第１の動的シーリング面を含む第１の環状シーリング要素と、第１の動的シーリング面をシャフトと接触するよう付勢するために半径方向荷重を作用させる静止ハウジングとを具備してなる。

本発明の別な態様によれば、複合シールは、静止装備品に対して静的シールを形成するための半径方向外面を含む外側ハウジング部材と、締まり嵌めによって外側ハウジング部材に対して結合された内側ハウジング部材とを具備してなる。外側ハウジング部材および内側ハウジング部材は協同して、シャフトに対するシーリングのための動的シーリング面を含む動的シーリング要素を収容するための間隙を形成する。

本発明の別な態様によれば、シャフトをシールする方法が提供されるが、この方法は、静止ハウジングに形成された環状間隙内に環状シーリング要素を嵌め込むステップと、環状シーリング要素の動的シーリング面をシャフトと接触状態となるよう付勢するステップとを具備する。

本発明のさらに別な態様によれば、複合シールは、外側ハウジング部材と、動的シーリング要素を収容するための間隙を形成するよう外側ハウジング部材に対して結合された内側ハウジング部材とを具備してなる。外側ハウジング部材は第１の境界面において割られており、そして内側ハウジング部材は、第１の境界面と互い違いに配置された第２の境界面において割られている。

本発明の上記ならびにその他の特徴および利点は、図面(同じ参照数字は全図を通して同じ構成要素を意味する)と関連付けられた以下の詳細な説明からより完全に理解されるであろう。図面には本発明の原理を示すが、これは一定の率で拡縮したものではなく、相対的寸法を示しているに過ぎない。

本発明は、回転シャフト、往復動ロッド、あるいはその他の好適なデバイスに対して取り付けるための複合シールアセンブリを提供するものである。以下、図示する実施形態と関連付けて本発明について説明する。当業者には、本発明がさまざまな用途および形態で実施でき、しかもその用途に関して、ここで説明する特定の実施形態には特に限定されないことは明らかであろう。

本明細書で用いた「シールアセンブリ」および「シーリングアセンブリ」との用語は、さまざまな形式のシーリングアセンブリを包含するものであり、これには、単一シール、割り(split)シール、同軸シール、スパイラルシール、そしてその他公知のシールおよびシーリングアセンブリ様式ならびに構成が含まれる。

「シャフト」との用語は、それに対してシールを取り付けることができる、機械式システム、油圧式システムあるいは空気圧式システムにおける適当なデバイスを意味するものであり、シャフト、ロッドおよびその他公知のデバイスを含む。

本明細書で用いた「軸方向の」および「軸方向に」との用語は、シャフトの軸線と概ね平行な方向を意味する。本明細書で用いた「半径方向の」および「半径方向に」との用語は、シャフトの軸線と概ね直交する方向を意味する。「流体」との用語は、液体、気体およびその組み合わせを意味する。

本明細書で用いた「軸方向内側(内部)」との用語は、本シールアセンブリを採用する機械式システム、油圧式システムあるいは空気圧システムに近い静止装備品およびシールアセンブリの一部分を意味する。逆に、本明細書で用いた「軸方向外側(外部)」との用語は、機械式システム、油圧式システムあるいは空気圧システムから離れた静止装備品およびシールアセンブリの一部分を意味する。

本明細書で用いた「半径方向内側(内部)」との用語は、シャフト近傍のシールアセンブリの一部分を意味する。逆に、本明細書で用いた「軸方向外側(外部)」との用語は、シャフトから遠く離れたシールアセンブリの一部分を意味する。

本明細書で用いた「静止装備品(stationary equipment)」、「静止面」および「グランド」との用語は、シールが固定されるシャフトまたはロッドを収容する適当な静止(固定)構造体を含むものとして用いている。

本発明の内容によるシールアセンブリ１０の代表的実施形態を図１Ａ、図１Ｂ、図２および図３に示す。シールアセンブリ１０は好ましくは図２および図３に示すように回転シャフト１８あるいはロッドを中心として同心状に配置され、そして、機械式システム、油圧式システムあるいは空気圧式システム(以後、機械式システム)と関連付けられたグランドすなわち静止装備品５８内に形成される環状溝５３内に配設されることになる。シャフト１８は軸線３０に沿って延在し、そしてハウジング内に部分的に設けられている。図示されたシールアセンブリ１０を採用する機械システムが稼働している間、シャフト１８はシステム静止装備品内で回転するか、あるいはそれに対して軸線３０に沿って往復動作する。シールアセンブリ１０は複数のシーリング要素１２,１４,２２,３２を含み、これら要素は互いに協同して、静止装備品とシャフト１８との間に流体シーリングおよび漏れ防止路をもたらすよう構成されており、これによって機械システムから流体が漏れ出すのが抑止されるようになっている。

図１Ａ、図１Ｂ、図２および図３に示すように、シールアセンブリ１０は、シャフト１８に対して動的シーリングを付与(形成)するために、第１の環状シール要素１２と、この第１の環状シール要素１２に軸方向に隣接する第２の環状シール要素１４とを含む。シールアセンブリ１０はさらに、シール要素１２,１４を収容すると共に、機械システム、油圧システムあるいは空気圧システムのグランドすなわち他の静止部材に対して静的シーリングを付与(形成)するためのシール部材２２および３２を含む。組み立てられた際、シールアセンブリ１０のシール部材は協同して、シール要素とシャフトとの間に、シール要素と他のシール部材との間にシーリングを、そして当該アセンブリと、機械式、油圧式あるいは空気圧式システムとの間にシーリングをもたらす。シールアセンブリ１０のシール部材は好ましくは、締まり嵌めによって一つに保持されるが、当業者には、シール部材あるいはシールアセンブリ部材の組み立て、嵌め込み、固定および保持のために適当な手法を用いることができることは明白であろう。

図３に示すように、各シール要素１２,１４は、半径方向内側環状シーリング面６２および６４を有するリングからなり、このシーリング面６２,６４はそれぞれシャフト１８と係合して、シールアセンブリ１０の第１および第２の動的流体シールを形成する。図示する実施形態では、シールアセンブリ１２,１４は実質的に矩形断面を有し、これによってシーリング面６２,６４は実質的に直線状にかつシャフトの外面に対して平行に延在し、かつ残りの面は互いにかつシーリング面６２,６４に対して実質的に垂直に延在するようになっている。当業者には、シャフト１８と一つ以上の動的流体シールを形成するためにシール要素１２,１４が適当なサイズおよび形状を持つことが可能であることは明白であろう。たとえば、図示したシーリング面６２,６４は平坦であるが、このシーリング面６２,６４は、流体シールを形成するようシャフト１８に当接するのに適した、いかなる適切な形状を有していてもよい。シールアセンブリ１０の残りのシール部材２２および３２(すなわち静止ハウジング２３)に対して、取り外し可能であってかつ交換可能なシール要素１２,１４を採用する重大な利点は、シーリング面６２,６４が損耗したときにシール要素１２,１４を容易に取り外して、交換したり修理したりできることである。

図示した静止ハウジング２３(図２、図３および図４に示す)は、外側ハウジングすなわちシーリング部材２２と、内側ハウジングすなわちシーリング部材３２とを具備してなり、両者は協同して、その間に、第１および第２の環状シール要素１２,１４を収容する。組み立てられたとき、外側ハウジング部材２２と内側ハウジング部材３２とは、静止ハウジング２３の半径方向内側端部において環状間隙２００を形成するが、この間隙２００はシール要素１２,１４を収容しかつ保持するようなサイズならびに形状のものである。内側ハウジング部材３２は動的シール要素１２,１４に半径方向荷重を加えて、環状シーリング面６２および６４をシャフト１８と接触状態となるように押しやる。外側ハウジング部材２２は内側ハウジング部材２２に嵌まり込み、それを捕らえ、すなわち保持し、そして溝５３内に配されたとき、その外面において静止装備品に対する静的シーリングを提供する。静止ハウジング部材２２,３２間の間隙２００に配置された際には、以下でより詳しく説明するように、第１の環状シール要素１２および第２の環状シール要素１４は、広範囲な運転条件のもとで、シャフト１８とシーリング係合状態となるよう半径方向に付勢される。

図５および図６にはそれぞれ外側ハウジング部材２２および内側ハウジング部材３２の断面を示す。図５に示すように、外側ハウジング部材２２は実質的にＪ字形断面を有し、内側ハウジング部材３２の環状突出部３４をその内部に収容するための環状溝２４を形成している。外側ハウジング部材２２は、軸方向前側アーム２６と、環状溝２４によって軸方向前側アーム２６から離間させられた軸方向後側アーム２８とを具備してなる。軸方向後側アーム２８は、好ましくは、Ｊ字形断面をなすよう軸方向前側アーム２６よりも短いものである。

軸方向前側アーム２６は外面２６２を具備してなるが、これは、軸方向前側を向く半径方向に延在する面からなる。図示する実施形態では、外面２６２はシールアセンブリ１０の半径方向内側に向って先細となっている。軸方向前側アーム２６はまた内面２６４を含む。内面２６４は軸方向後側を向く半径方向に延在する面からなるが、これは溝２４の側壁を形成している。軸方向前側アーム２６は、このアーム２６の内面２６４と外面２６２とを連結する底面２６６を有していてもよい。図示する実施形態では、外面２６２は内面２６４に向って先細となっており、これによって比較的小さな底面２６６を得ている。これに代えて、外面２６２を内面２６２に直接、中間底面２６６を介在させずに連結してもよい。本発明の他の実施形態では、外面２６２は実質的に真っ直ぐにすなわち内面２６４から離れて延在しており、これによって比較的大きな底面２６６が形成される。当業者には、外側ハウジング部材２２のアーム２６がさまざまな形状を有していてもよいことは明白であろう。

外側ハウジング部材２２の軸方向後側アーム２８は、内側ハウジング部材３２を収容するために軸方向前側アーム２６よりも実質的に短い。軸方向後側アーム２８は、溝２４の第２の側壁を形成している、軸方向前側を向く半径方向に延在する面２８４を具備してなる内面２８４によって画定される。軸方向後側アーム２８の外面２８２は、半径方向に延在する軸方向後側を向く面を具備してなる。半径方向内側底面２８６は内面２８４と外面２８２とを連結しており、しかもシャフト１８の長手方向軸線と実質的に平行にかつ内面２８４および外面２８２に対して実質的に垂直に延在している。底面２８６は、以下で説明するように、内側ハウジング部材３２の軸方向に延在する面２６６と当接すなわち係合するよう構成されている。

外側ハウジング部材２２はさらに、溝２４を形成するよう、軸方向前側アーム２６と軸方向後側アーム２８とを連結する連結部２９を含む。連結部２９は、半径方向に延在する側壁２６４,２８４間に延在すると共に両者を連結する、軸方向に延在する半径方向内面２９４によって形成される。連結部２９はさらに、軸方向に延在する半径方向外面２９６によって形成される。外面２９６は、システム２０の静止装備品すなわちグランド(パッキン押え)の静止面と静的シールを形成するよう構成されている。静止装備品の表面に対するシールアセンブリ１０のシーリングを促進するＯリングを受けるための任意選択の溝を外面２９６上に設けることができる。これに代えて、外面２９８を、図示するように外面２９６から延在する突起２９８ａ,２９８ｂ間に形成することができる。この突起は流体密シールを形成するよう、溝５３の壁に対して密着するよう構成されている。これに代えて、外側溝２９８を彫設したり、刻設したり、食刻したり、切削加工したり、あるいはそれ以外の手法で外面２９６に形成できる。当業者には、外側ハウジング部材２２と静止面(たとえば静止装備品すなわちグランド)との間に静的シールを形成するためには、いかなる適当な手段でも使用可能であることは明白であろう。

当業者には、外側ハウジング部材２２が図示の配置様式および形状に限定されないことは明白であろう。たとえば、アーム２６,２８の位置および向きを逆にすることができ、この場合には、短い軸方向後側アーム２８として説明した構成要素を、より長い軸方向前側アーム２６の軸方向前側に代替的に設けることができる。これに代えて、溝２４を形成する両方のアーム２６,２８は実質的に同じ長さを有していてもよい。その他の形態もまた可能である。

図６を参照すると、内側ハウジング部材３２は、外側ハウジング部材２２と協同して、両者の間にシール要素１２,１４を収容するよう構成されている。図示するように、内側ハウジング部材３２は、溝２４内に収容されるよう構成された半径方向外側環状突出部３４と、本体部３６(これは外側ハウジング部材のアーム２６と協同して、シール要素１２および１４を収容するための間隙２００を形成する)とを含む。内側ハウジング部材３２はまた、シール要素を収容するべく間隙２００を選択的に変形させると共に、シール要素１２,１４に半径方向内向きの力を加えるための可撓領域３８を含む。

環状突出部３４は好ましくは摩擦嵌合によって溝２４内で保持されるようなサイズならび大きさとされるが、当業者には、本発明の内容に従って、内側および外側ハウジング部材の接合のために、いかなる適当な手段でも使用可能であることは明白であろう。環状突出部３４と溝２４との間の締まり嵌めによって、内側ハウジング部材３２と外側ハウジング部材２２との間に流体シールがもたらされる。

図示する突出部３４は矩形状のものであるが、当業者には、この突出部３４および関連する溝２４はいかなる適当なサイズ、形状、形態を有していてもよいことは明白であろう。図示するとおり、突出部は、上記溝の側壁２６４に当接するよう構成された前側壁３４２と、半径方向内側を向く面２９４に当接するよう構成された上面壁３４８(これは軸方向に延在すると共に半径方向外側を向く)と、上記溝の側壁２８４に当接するよう構成された背面壁３４４とを具備してなる。図示する溝２４の形状を補うために、壁３４２および３４４は上面壁３４８に対して実質的に直交するよう延在しているが、当業者には、突出部３４および関連する溝２４がいかなる適当な相補的形状を有していてもよいことは明白であろう。

図示する実施形態における内側ハウジング部材３２の軸方向後側本体部３６は、外側ハウジング部材２２と内側ハウジング部材３２とが組み合わされたとき、それによって得られる静止ハウジング２０が半径方向に延在する中央面に関して実質的に対称であるよう構成される。本体部３６は、アーム２８の底面２８６に当接するよう構成された軸方向に延在する壁３６６と、外側ハウジング部材の軸方向前側アーム２６の外面２６２に対して実質的に相補的であってもよい外面３６２とを含む。本体部３６の半径方向に延在する内側壁３６４は内面２６４の半径方向下側部分と協同し、シール要素１２,１４を収容するための間隙２００を形成する。図示する実施形態では、外面３６２は実質的に円弧形状であり、かつ壁３６６から間隙２００に向って軸方向ならびに半径方向内側に先細となっている。静止ハウジングが組み立てられた際、内側ハウジング部材３２の外面３６２は、外側ハウジング部材の後方外面２８２と整列する。図示するように、軸方向に延在する底面３６６が、アーム２６の軸方向に延在する底面２６６に対応して外面３６２から延在しており、かつ外面３６２と内面３６４とをつないでいる。

内側ハウジング部材３２は、静止ハウジング２３が組み立てられた際に、間隙２００と環状突出部３４との間に、そして本体部３６と外側ハウジング部材の軸方向前側アーム２６との間に、すなわちシールアセンブリ１０の軸方向ならびに半径方向中央領域に、可撓領域３８を形成する。可撓領域３８は、ハウジングがシール要素１２,１４を収容すると共にそれに対して半径方向の力を加えることを可能とするよう構成されている。図示する可撓領域３８は、軸方向に延在する溝３８２と、間隙２００の半径方向外側境界を形成している任意選択の突出部３８６とつながっているフレキシブルアーム３８４とを含む。可撓領域３８の構造は図示する実施形態に限定されるものではなく変更が可能であり、すなわちシール要素１２,１４に加えられる任意選択の大きさの半径方向の力を提供するのに、あるいはシール要素１２,１４に加えられる半径方向の力の大きさを変化させるのに十分な適当な形状を有するよう構成できる。

溝３８２は、本体部３６と外側ハウジング部材の軸方向前側アーム２６との間で延在しており、しかもそれは突出部３４とフレキシブルアーム３８４との間に形成されている。軸方向に延在する溝３８２は、環状突出部３４の底面を形成している軸方向に延在する第１の壁３８２ａと、本体部から延在すると共に任意の距離だけ第１の壁２８２ａから離間した軸方向に延在する第２の壁３８２ｂと、第１の壁３８２ａと第２の壁３８２ｂとをつなぐ第３の壁３８２ｃとによって形成される。第２の壁３８２ｂは、フレキシブルアーム３８４および突出部３８６の上面を形成している。溝３８２の第３の壁３８２ｃは、本体部３６の半径方向に延在する面を形成している。

突出部３８６は、軸方向前側アーム２６から、半径方向に延在する第１の間隙２０１によって、そして本体部３６から、半径方向に延在する第２の間隙２０２によって離間している。フレキシブルアーム３８４は、突出部３８６の上側部分を第２の間隙２０２上で本体部３６に対して連結している。突出部３８６の連結にフレキシブルアーム３８４を用いたことにより(この突出部３８６は、さもなければ、外側ハウジング部材２２と内側ハウジング部材３２の残部との間に浮遊する)、突出部３８６は静止ハウジング２０の残部に対して動的に動けるように、そして使用時には間隙２００を選択的に圧縮するようになっている。したがって、シールアセンブリ１０は溝内で静的シールとして機能し、一方、付随的に動的シーリング特性をもたらす。これは、可撓領域３８が、シール要素１２,１４とシャフト１８との間のシーリング関係に適合するように、かつ／または同関係を維持するように動的に動くときに生じる。この動的シーリング構造によって、シールアセンブリ１０は、さもなければシーリングアセンブリとシャフトとの間の流体シールに悪影響を与えるかあるいはそれを破壊するであろう、流体および機械的乱れに対処することが可能となっている。

図示する実施形態では、外側ハウジング部材の外面に対して作用する力は、内側ハウジング部材３２と外側ハウジング部材２２との間の接触面でシーリング力へと変換される。このようにして静止ハウジング２３は単一のユニットとして扱うことができ、そして漏れが阻止される。

図３および図４を参照すると、緩んだ状態では、間隙２００の軸方向幅Ｗは、シーリング要素１２,１４の組み合わされた幅Ｗ'よりも僅かに小さい。可撓領域３８は、間隙２００が変形してシーリング要素１２,１４を収容することを、そして間隙２００がシーリング要素１２,１４の周りで圧縮されて、その中でシーリング要素１２,１４を固定すなわち保持することを可能とする。

図２および図３に示すように、シール１０が組み立てられたとき、シーリング要素１２,１４は静止ハウジング２３の半径方向内側端部を経て突出し、シーリング面６２,６４がシャフト１８に当接し、それに対して密着(シール)することを可能とし、これに対して静止ハウジング２０はシャフト１８から離間しており、それと直接接触することはない。このようにして、シール要素１２,１４はシャフト１８と共に動的シール面を提供するよう回転でき、一方、静止ハウジング２３は静止状態のままであり、グランドあるいはその他の静止面に対する静的シーリングをもたらす。

稼働中、シール要素１２,１４の第１の環状シーリング縁部６２と第２の環状シーリング縁部６４とはシャフト１８の外面に当接し、一方、外側ハウジング部材２２の外面または外面上のシールは静止装備品の外側静止面に当接して、この静止装備品とシャフト１８との間に流体シールをもたらす。非変形状態でのシール１０の組み合わされた半径方向長さは、好ましくは静止ハウジングとシャフトとの間の距離よりも小さくなるよう選択され、これによって可撓領域３８は任意の量だけ動的に圧縮されて、シール縁部６２,６４において弾性的な順応性に富む半径方向内向きシーリング力を提供する。半径方向のシーリング力は協同して、シーリング縁部６２および６４をシャフト１８と係合状態となるよう押しやることで、シールアセンブリ１０とシャフト１８との間に流体シールをもたらす。このようにして、本発明のシールアセンブリ１０は稼動中に流体密シールをもたらす。典型的な慣例によれば、半径方向の荷重は周方向に１インチ当り約１ポンドのオーダーとすることができるが、通常はシャフト速度に反比例して変更可能である。他のタイプのシーリング構造とは対照的に、本発明のシールアセンブリ１０は、通常、シールがはみ出す心配がない。なぜなら、シャフトは比較的低速で動くからである。当業者には、これが問題とならないことは明白であろう。

本発明の一実施形態によれば、シールアセンブリ１０は、動的および静的シーリングを促進するために、さまざまな素材を利用した複合構造体から形成可能である。各シール部材１２,１４,２２および３２に用いられた素材の種類は一つ以上の因子に依存するが、この因子としては、シャフト速度、流体の種類、流体の温度、表面仕上げ、コスト、シールされる流体の圧力、特定素材のＰＶ(圧力および速度)係数などが挙げられる。選択された素材は、好ましくは、シール１０の寿命を最大にするために摩損を最小限に抑える。部材１２,１４,２２,３２はまた、シーリングを促進するために異なる硬度値を有することもできる。当業者ならば、先の考察に基づき適当な素材を選択できるであろう。慣例によれば、シール部材２２および３２は同一あるいは異なる素材から形成できる。同様に、シール要素１２および１４は同一のあるいは異なる素材から形成でき、好ましくは同一の素材から形成され、これはシール部材２２および３２に用いられる素材と異なっていても異なっていなくてもよい。

第１および第２のシール要素１２および１４は、好ましくは、面速度および磨耗要件に基づき選択される。たとえばシーリング要素１２,１４を形成する素材は、好ましくは、低速から高速の動作を可能とする。適当な素材としては、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)および超高分子量ポリエチレン(ＵＨＭＷＰＥ)素材が挙げられる。好ましい実施形態によれば、シール要素１２,１４を形成する素材はポリアミドを含むＰＴＦＥからなり、これは公知のフィラーが添加されたTEFLON(登録商標)を含み得るが、当業者には、その他適当な素材が使用可能であることは明白であろう。

静止ハウジング部材２２および３２は、ハウジングすなわち機械システムの流体、シャフトの速さすなわち速度、機械システム内の圧力などに耐えると共にそれに適する素材から形成できる。本発明によれば、静止ハウジング部材２２および３２は、好ましくは、エラストマー、ポリウレタン、ＰＴＦＥ素材あるいはその他の好適な素材から形成される。静止ハウジング２３用の素材は、好ましくは、動的シール要素１２および１４の半径方向荷重を提供するのに適したものである。好ましい手法によれば、シール部材の一つ以上はポリウレタンから形成される。

ハウジング部材によって加えられる力は、部材形状によって、そして使用される特定の素材によって、変更したり、調整したり、あるいは選択したりすることができる。たとえば、シーリング部材２２および３２は、異なる方式のシーリングをもたらすために異なる素材から形成できる。ある手法によれば、シール部材すなわち内側ハウジング２２は、動的シーリング機能を形成し、それを助け、あるいはそれを維持するよう可撓領域の弾性動作を可能とする素材から任意選択で形成でき、一方、シール部材すなわち内側ハウジング３２は、静的シーリング機能を実現するのに適した、より硬質な素材から形成できる。さらに、シール要素１２および１４は、動的シーリング機能を提供するために、速度および磨耗要件に基づいて選択された素材から形成される。したがって複合シールアセンブリ１０は、可変な静的および動的シーリング機能を提供するために異なる素材を利用できる。

本発明の好ましい実施形態では、シールアセンブリ１０の一つ以上の部材は、複合シールアセンブリ１０の配置、交換、モニタリングあるいは検査を容易にするために割ることができる。特に、複合シールアセンブリ１０の割りシール要素１２および１４の配置、交換および検査は、機械システムの完全な分解を必要とせずに、そしてシャフト１８の端部からシール要素を抜き取ることを必要とせずに実施できる。各割り目によって、対応する割り面を介して境界面においてつながる各部材１２,１４,２２および／または３２のアーチ形シールセグメントが形成されている。

部材１２,１４,２２および３２の割り目はそれぞれ、流体の軸方向漏れを阻止するために互い違いに配置できる。たとえば、図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃに示すように、内側ハウジング部材３２の割り目３２７は、外側ハウジング部材の割り目２２７と互い違いに配置できる。第１のシーリング要素１２の割り目１２７は、同様に、第２のシーリング要素(図示せず)の割り目および／または割り目２２７および３２７と互い違いに配置できる。内側ハウジング部材３２は、第１および第２の割り面３２７ａ,３２７ｂを形成するよう境界面において割られており、これら割り面３２７ａ,３２７ｂは内側ハウジング部材３２を組み付けたとき互いに当接する。外側ハウジング部材２２は、第１および第２の割り面２２７ａ,２２７ｂを形成するよう境界面において割られており、これら割り面２２７ａ,２２７ｂは、外側ハウジング部材が組み立てられたとき一つになるよう機械的荷重が加えられて互いに当接する。シールが装填されたとき、ハウジング部材２２および３２間の締まり嵌めだけでなく、静止装備品とシャフトとの間にシールアセンブリ１０が嵌め込まれることにより、外面周りで上記シールが押し付けられ、そして割り面同士が両者間に軸方向および半径方向シーリングをもたらすよう互いに押し付けられる。

図７Ｂに示すように、割り目２２７と３２７との間の食い違い配置により、内側ハウジング部材３２の第１の割り面３２７ａは、外側ハウジング部材３２の第１の割り面２２７ａに対して突出し、半径方向に突出する相互連結縁部３２８を形成している。図７Ｃに示すように、外側ハウジング部材２２の第２の割り面２２７ｂは、対応する量だけ、内側ハウジング部材の第２の割り面３２７ｂを越えて突出し、窪んだ相互連結縁部２２８を形成している。組み立てられた静止ハウジング２０の第１の割り面２２７ａ,３２７ａによって形成される複合面、すなわち半径方向に突出する相互連結縁部は、それゆえ、組み立てられた静止ハウジング２０の第２の割り面２２７ｂ,３２７ｂによって形成される複合面、すなわち窪んだ相互連結縁部に対して相補的形状をなしている。静止ハウジング２０が組み立てられたとき、凹部２２８は突出縁部３２８を収容し、組み立てられた状態の静止ハウジングセグメントの相互噛み合いを促進する。

アーチ形シールセグメントを形成するために一つ以上のシール部材を境界面において割ることができるが、これは、組み立てられた際にシールセグメントの相互噛み合いを促進するよう概ね非平面的あるいは非直線的構成を有する相補的な係合相互接続縁部を介して境界面においてつながる。適切かつ十分な流体シーリングをもたらすために、その他の形状の割り縁部も採用できる。

あるいは、シール要素１２,１４および／または静止ハウジング部材２２,３２は、シールセグメントを別個のシールセグメントに完全に分離させることができるよう、第２の境界面において割ることができる。当業者にはまた、さらなる流体シーリングを提供するために、シール要素１２および１４を、さらなる食い違いポイントにおいて割って配置できることも明白であろう。

代替実施形態によれば、シール１０の構成部材は一体であってもよく、そして上記特性および機能をもたらすようなサイズおよび形状とされてもよい。当業者には、たとえば、シール要素１２,１４が単一のシーリング要素からなっていてもよいことが、そして／または静止ハウジング２３が、図示すると共に先に説明したような一つに結合された外側および内側ハウジング部材ではなく、単一の構成要素からなっていてもよいことは明白であろう。当業者には、シールアセンブリ１０の構成要素を１箇所以上で割ることができることは明白であろう。

好ましくは、上記複合シールは、複数の構成要素から組み立てられているにもかかわらず、各構成要素を装備品内に別個に配置するのではなく、単一の要素として取り扱い、設置することができる。これによって、本発明のシールアセンブリを使用しかつそれを設置する際に時間が節約される。

本発明の複合シールアセンブリ１０は、従来型シールアセンブリに対して顕著な利点を有する。取り外し可能なシーリング要素を備えた静止ハウジングを用いたことにより、シーリング要素を、磨耗した際に容易に交換できるようになる。可撓領域によって、流体シールを確実なものとするためにシーリング要素がシャフトと一定の接触状態で維持されることが保証される。シール１０は、装備品の分解を必要とせずに、簡単に取り付けたり、取り外したりできる。

本発明の複合シールアセンブリ１０の代表的実施形態について回転シャフトに関連付けて説明してきたが、当業者には、複合シールアセンブリ１０が、(たとえば往復動ロッドの周りに流体シーリングをもたらすことを含む)さまざまな環境および用途において使用できることは明白であろう。

それゆえ本発明は、上記説明から明らかとなったものの中でも、先に言及した目的を効果的に達成することは明らかであろう。本発明の範囲から逸脱することなく、上述した構造にある種の変更を加えることができるので、上記説明に包含されるかあるいは図示される全ての事項は例証として解釈され、限定的な意味では解釈されないことを意図するものである。

特許請求の範囲は、本明細書に開示した本発明の全ての一般的および具体的特徴を包含し、発明の範囲に関する全ての記載は、表現上の問題として、両特徴間の範疇に収まると言うことができることもまた理解されたい。

本発明の内容による複合シールアセンブリの斜視図である。 図１Ａの複合シールアセンブリの一部分の切取内部拡大図である。 シャフト上に組み付けられた、図１の複合シールアセンブリの側断面図である。 図１の複合シールアセンブリの断面図である。 複合シールアセンブリの静止ハウジングの断面図である。 図４の静止ハウジングの外側ハウジング部材の断面図である。 図４の静止ハウジングの内側ハウジング部材の断面図である。 本発明の一実施形態による複数の割り部材を含む、割り複合シールアセンブリの側面図である。 静止ハウジング部材同士の間の第１の割り境界面において、組み立てられた割り複合シールアセンブリを示す図である。 静止ハウジング部材同士の間の第２の割り境界面において、組み立てられた割り複合シールアセンブリを示す図である。

符号の説明

１０ シールアセンブリ
１２ 第１の環状シール要素
１４ 第２の環状シール要素
１８ シャフト
２２ 外側ハウジング部材
２３ 静止ハウジング
２４ 環状溝
２６ 軸方向前側アーム
２８ 軸方向後側アーム
２９ 連結部
３２ 内側ハウジング部材
３４ 環状突出部
３６ 本体部
３８ 可撓領域
５３ 環状溝
５８ グランド
６２,６４ シーリング面
１２７ 割り目
２００ 環状間隙
２０１ 第１の間隙
２０２ 第２の間隙
２２７ 割り目
２２７ａ 第１の割り面
２２７ｂ 第２の割り面
２２８ 相互連結縁部
２６２ 外面
２６４ 内面
２６６ 底面
２８２ 外面
２８４ 内面
２８６ 半径方向内側底面
２９４ 半径方向内面
２９６ 半径方向外面
２９８ 外面
２９８ａ,２９８ｂ 突起
３２７ 割り目
３２７ａ 第１の割り面
３２７ｂ 第２の割り面
３２８ 相互連結縁部
３４２ 前側壁
３４４ 背面壁
３４８ 上面壁
３６２ 外面
３６４ 内壁
３６６ 底面
３８２ 溝
３８２ａ〜３８２ｃ 第１〜３の壁
３８４ フレキシブルアーム
３８６ 突出部

Claims (39)

1. 長手方向軸線に沿って延在するシャフトと静止面との間にシールを形成するための複合シールアセンブリであって、
   前記シャフトと接触するための動的シーリング面を有する第１の環状シール要素であって、前記動的シーリング面は第１の環状シール要素と前記シャフトとの間にシールを形成するようになっている第１の環状シール要素と、
   半径方向内側端部に、その内部に前記第１の環状シール要素を収容するための圧縮可能な環状間隙を有し、かつ半径方向外側端部に、前記静止面と接触するための静的シーリング面を有する静止ハウジングと、を具備してなることを特徴とする複合シールアセンブリ。
2. 前記シャフトと接触するための動的シーリング面を有する第２の環状シール要素をさらに具備してなり、この第２の環状シール要素は、前記環状間隙内に、前記第１の環状シーリング要素に軸方向に隣接した状態で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の複合シールアセンブリ。
3. 前記第１および第２の環状シール要素は、実質的に、略矩形断面を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の複合シールアセンブリ。
4. 前記静止ハウジングは、
   前記静的シーリング面を形成する外側ハウジング部材と、
   前記外側ハウジング部材内に収容された内側ハウジング部材と、を具備してなることを特徴とする請求項１に記載の複合シールアセンブリ。
5. 前記外側ハウジング部材および前記内側ハウジング部材は、前記静止ハウジングの半径方向内側端部において、両者の間に前記環状間隙を協同で形成するようになっていることを特徴とする請求項４に記載の複合シールアセンブリ。
6. 前記環状間隙は、前記第１および第２のシール要素の組み合わされた幅よりも小さな幅を有することを特徴とする請求項２に記載の複合シールアセンブリ。
7. 前記環状間隙は、前記第１および第２のシール要素を収容するために変形するよう構成されており、摩擦嵌合によって前記シーリング要素を保持するようになっていることを特徴とする請求項６に記載の複合シールアセンブリ。
8. 前記外側ハウジング部材と前記内側ハウジング部材とは、締まり嵌めによって結合されていることを特徴とする請求項４に記載の複合シールアセンブリ。
9. 前記外側ハウジング部材は、前記内側ハウジング部材の対応する突出部を受け容れるための環状溝を具備してなることを特徴とする請求項８に記載の複合シールアセンブリ。
10. 前記静止ハウジングは、前記第１の環状シーリング要素に対して半径方向荷重を作用させて、前記第１のシーリング要素を前記シャフトと係合状態となるよう付勢するための可撓領域を具備してなることを特徴とする請求項１に記載の複合シールアセンブリ。
11. 前記可撓領域は、
    前記第１の環状シーリング要素が前記環状間隙内に収容された際に、前記第１の環状シーリング要素に当接すると共にこの第１の環状シーリング要素に対して半径方向荷重を作用させるための、前記環状間隙の半径方向外側境界を画定している突出部と、
    前記突出部を前記静止ハウジングに対して連結するためのフレキシブルアームと、を具備してなることを特徴とする請求項１０に記載の複合シールアセンブリ。
12. 前記突出部は、前記静止ハウジングに形成された軸方向に延在する溝と前記環状間隙との間で延在すると共に、前記突出部は、第１の半径方向に延在する間隙によって前記静止ハウジングの軸方向前側端部から離間されており、かつ第２の半径方向に延在する間隙によって前記静止ハウジングの軸方向後側端部から離間されていることを特徴とする請求項１１に記載の複合シールアセンブリ。
13. 前記環状シーリング要素は、第１の割り境界面において割られていることを特徴とする請求項１に記載の複合シールアセンブリ。
14. 前記第２の環状シール要素は、第２の割り境界面において割られていることを特徴とする請求項２に記載の複合シールアセンブリ。
15. 前記第２の割り目は、前記第１の割り境界面と互い違いに配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の複合シールアセンブリ。
16. 前記静止ハウジングは分割されていることを特徴とする請求項１に記載の複合シールアセンブリ。
17. 前記外側ハウジング部材は第１の割り境界面において割られており、かつ前記内側ハウジング部材は、前記第１の割り境界面と互い違いに配置された第２の割り境界面において割られていることを特徴とする請求項４に記載の複合シールアセンブリ。
18. 前記静的シーリング面は、前記静止ハウジングの半径方向外面に形成された溝内に配設されたＯリングを具備してなることを特徴とする請求項１に記載の複合シールアセンブリ。
19. 前記シーリング要素の前記動的シーリング面は、前記シーリング要素が前記環状間隙内に収容されたとき、前記静止ハウジングの前記半径方向内側端部を越えて突出するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の複合シールアセンブリ。
20. 長手方向軸線に沿って延在するシャフトと静止面との間にシールを形成するための複合シールアセンブリであって、
    前記シャフトに当接するための第１の動的シーリング面を有する第１の環状シーリング要素であって、前記第１の動的シーリング面は第１の環状シーリング要素と前記シャフトとの間にシールを形成するようになっている第１の環状シーリング要素と、
    前記第１の動的シーリング面を前記シャフトと接触状態となるよう付勢するために半径方向荷重を作用させる静止ハウジングと、を具備してなることを特徴とする複合シールアセンブリ。
21. 前記静止ハウジングは外側ハウジング部材と内側ハウジング部材とを具備してなり、前記外側ハウジング部材と前記内側ハウジング部材とは協同で、前記第１の環状シーリング要素を収容するための環状間隙を形成するようになっていることを特徴とする請求項２０に記載のシールアセンブリ。
22. 前記内側ハウジング部材は、前記第１の環状シーリング要素に対して前記半径方向荷重を作用させるための突出部に対して連結されたフレキシブルアームを具備してなることを特徴とする請求項２１に記載のシールアセンブリ。
23. シャフトと静止面との間にシールを形成するための複合シールアセンブリであって、
    前記静止面に対して流体密シールを形成するための半径方向外面を有する外側ハウジング部材と、
    締まり嵌めによって前記外側ハウジング部材に対して結合された内側ハウジング部材と、を具備してなり、
    前記外側ハウジング部材と前記内側ハウジング部材とは協同して、前記シャフトに対するシーリングのために配置される一つ以上のシール要素を収容するための間隙を形成するようになっていることを特徴とするシールアセンブリ。
24. 前記内側ハウジング部材は可撓領域を具備してなり、この可撓領域は、動的シーリング領域を形成するために、前記シャフトに対して密着している端部と反対側の端部で前記シール要素と係合するよう構成されていることを特徴とする請求項２３に記載のシールアセンブリ。
25. 前記内側ハウジング部材と前記外側ハウジング部材とは協同で前記静止面と共に静的シールを形成するようになっていることを特徴とする請求項２４に記載のシールアセンブリ。
26. シャフトと静止面との間にシールを形成するためのシールアセンブリであって、
    前記シャフトと共に流体密シールを形成するために前記シャフトと係合するよう構成された端部を有するシール要素と、
    前記静止面に対する静的シールをもたらすための半径方向外面を有する外側ハウジング部材と、
    前記シール要素を配設するための間隙を形成するよう前記外側ハウジング部材に対して結合された内側ハウジング部材と、を具備してなり、
    前記内側ハウジング部材は、使用時に前記シール要素が前記シャフトと係合することを可能とする動的シーリング領域を形成するために、前記シャフトに対して密着する端部とは逆側の端部で前記シール要素と係合するよう構成された可撓領域を含むことを特徴とするシールアセンブリ。
27. シャフトと静止面との間にシールを形成するためのシールアセンブリであって、
    矩形断面を有すると共に前記シャフトに対して密着するよう構成された端部を有する第１のシール要素と、
    矩形断面を有すると共に前記シャフトに対して密着するよう構成された端部を有する第２のシール要素と、
    前記静止面に対するシーリングのための半径方向外面を有する外側ハウジング部材と、
    前記第１および第２のシール要素を配設するための間隙を形成するよう前記外側ハウジング部材に対して結合された内側ハウジング部材と、を具備してなることを特徴とするシールアセンブリ。
28. 前記内側ハウジング部材は可撓領域を具備してなり、この可撓領域は、使用時に前記第１および第２のシール要素が前記シャフトと係合することを可能とする動的シールを形成するよう、前記シャフトに対して密着する端部と逆側の端部で前記第１および第２のシール要素と係合するよう構成されていることを特徴とする請求項２７に記載のシールアセンブリ。
29. 前記内側ハウジング部材はさらに、間隙によって環状突出部から分離させられたフレキシブルアームを具備してなり、このフレキシブルアームおよび前記間隙は前記可撓領域の一部を形成していることを特徴とする請求項２８に記載のシールアセンブリ。
30. シャフトをシールするための方法であって、
    静止ハウジングに形成された環状間隙内に環状シーリング要素を嵌め込むステップと、
    前記環状シーリング要素の動的シーリング面を、それが前記シャフトと接触状態となるよう付勢するステップと、を具備することを特徴とする方法。
31. 内側ハウジング部材の環状突出部を外側ハウジング部材の環状溝内に嵌め込み、これによって前記内側ハウジング部材と外側ハウジング部材との間に前記環状間隙が形成されるよう前記静止ハウジングを組み立てるステップをさらに具備することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
32. 長手方向軸線に沿って延在するシャフトと静止面との間にシールを形成するための複合シールであって、
    前記静止面に対して静的シールを形成するための半径方向外面を含む外側ハウジング部材であって、第１の境界面において割られた外側ハウジング部材と、
    前記シャフトに対するシーリングのための動的シーリング面を含む動的シーリング要素を収容するための間隙を形成するよう前記外側ハウジング部材に対して結合された内側ハウジング部材であって、前記第１の境界面と互い違いに配置されると共に前記第１の境界面から離間させられた第２の境界面において割られた内側ハウジング部材と、を具備してなることを特徴とする複合シール。
33. 前記間隙内に嵌め込まれた動的シーリング要素をさらに具備してなることを特徴とする請求項３２に記載の複合シール。
34. 前記動的シーリング要素は第３の境界面において割られていることを特徴とする請求項３３に記載の複合シール。
35. 前記第３の境界面は、前記第１および第２の境界面と互い違いに配置されていることを特徴とする請求項３４に記載の複合シール。
36. 前記内側ハウジング部材は、前記外側ハウジング部材に対して堅固に結合されていることを特徴とする請求項３２に記載の複合シール。
37. 前記第１の境界面は、
    前記外側ハウジング部材の第１の割り面と、
    前記第１の割り面に当接するよう構成された、前記外側ハウジング部材の第２の割り面と、を形成していることを特徴とする請求項３６に記載の複合シール。
38. 前記第２の境界面は、前記内側および外側ハウジング部材が組み立てられた際に、
    前記第１の割り面に対して突出する第３の割り面と、
    前記第２の割り面に対して引っ込められた第４の割り境界面と、を形成することを特徴とする請求項３７に記載の複合シール。
39. 前記第３の割り面と前記第２の割り面とは第１の相互連結縁部を形成すると共に、
    前記第４の割り面と前記第２の割り面とは、前記第１の相互連結縁部と互いに噛み合う第２の相互連結縁部を形成し、前記第１および第２の境界面において、シールの分離を阻止するようになっていることを特徴とする請求項３８に記載の複合シール。

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