JP2010203615A - 圧力バランス式軸シール組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】シールが軸の角度的又は半径方向への非整合に対して動的に応答することを許容する圧力バランス式軸シール組立体を提供する。
【解決手段】圧力バランス式軸シール組立体は、固定ステータと、浮動ステータと、ラビリンスシールとを含む。１つの実施の形態において、浮動ステータ及びラビリンスシールは、固定ステータに形成された環状溝内に取り付けられ、浮動ステータ及びラビリンスシールは、固定ステータに対して所定の程度だけ半径方向に動くことができる。ラビリンスシールと浮動ステータとの間の球状の境界面は、その回りに圧力バランス式シール組立体が取り付けられる軸が角度的非整合状態にある間、ラビリンスシールが浮動ステータに対して回動することを許容することができる。浮動ステータに形成された圧力バランス式環状通路は、加圧したシール流体がプロセス流体により浮動ステータに加えられる軸方向圧力を均衡させることを許容する。
【選択図】図３

Description

発明の詳細な説明

［関連出願の相互参照］
本出願人は、本特許出願は米国特許出願第１２／１５６，４７６号による優先権を主張するものであり、且つ、該米国特許出願第１２／１５６，４７６号の一部継続出願であること、該米国特許出願第１２／１５６，４７６号は、継続出願としての米国特許出願第１１／４０５，２０７号（現在、米国特許第７，３９６，０１７号）による優先権を主張するものであること、該米国特許出願第１１／４０５，２０７号は、米国特許出願第１０／１７７，０６７号の一部継続出願として該米国特許出願第１０／１７７，０６７号（現在、米国特許第７，０９０，４０３号）による優先権を主張するとともに、米国仮特許出願第６０，６９７，４３４号による優先権も主張するものであること、を述べる。これら出願の全ては参考としてここに引用することにより、本明細書に含める。

本発明は、多数の実施の形態を有する圧力バランス式軸シール組立体に関する。封止流体がシールのプロセス側にて圧力を均衡させるのを許容する一方にて、汚染物を軸受キャビティから閉め出すために回転可能な軸に取り付けための、軸受ハウジングのようなハブ組立体の軸受キャビティ内に潤滑流体を保持するラビリンスシールがここに開示され、且つ、特許付与請求の対象とされている。別の実施の形態において、圧力バランス式軸シール組立体は、プロダクト容器とその内部の軸との間のプロダクトシールとして使用することができる。
［連邦資金援助の声明］
本発明を実現し又は開発するために連邦資金は何も用いられていない。

以前から、回転可能な軸が角度的に非整合状態となることにより軸が振れてしまう場合に、満足し得る封止状態を提供しようとする多数の試み及び着想が為されてきた。

概して、従来提案された解決策は、作動中に許容し得る程度の軸の非整合を許容しながら十分な封止状態を提供するということができない。この問題点は、特に、軸がボアに対して非整合となる可能性が最大となる、プロダクトシールにて特に顕著である。先行技術における典型的な解決策は、回転する軸と封止部材との間の作動隙間を増大させ、「ルース（ｌｏｏｓｅ、ゆるい）」な隙間又は作動状態を作り出そうとするものである。しかしながら、特に、ステータ又は静止部材に対する軸の非整合のような、作動状態に対して調節し又は応答するために「ルース」に運動することは、典型的には、封止部材の効率及び効果を低下させ又は減少させることになる。

ラビリンスシールは、例えば、回転可能な軸を封止する用途のため、以前から一般的に使用されてきた。接触型シールに優る、ラビリンスシールの有利な効果の幾つかは、耐摩耗性の増大、作動寿命の延長、及び使用中の動力消費量の減少である。しかし、ラビリンスシールは、適正に機能するためには、回転可能な軸に対して狭く且つ制限された隙間を有することが必要である。シールと該シールに対して非整合状態となった軸との間が接触状態になるということは、典型的には、より大きい摩耗を生じさせることになるから、かかる軸の非整合は「接触型」シールの場合にも問題である。プロダクトの減摩は、また、接触シールの摩耗パターン及び有効寿命にも影響を与える。

液体及び固体材料の双方を封止すべく、ラビリンスシール又は接触シールのような封止部材と組み合わせて、（蒸気又は液体の何れかの）流体圧力を使用しようとする従来の試みは、完全には満足し得るものではなかった。なぜなら、シールとシールの反対側のプロダクトとの間に要求される圧力差を形成するためには「狭い」すなわち「きつい」隙間が必要とされるからである（すなわち、シールが緊密（きつい状態）であればある程、材料の外部圧力に対してシールを維持するため要求される流体の量は少なくなる）。先行技術における別の短所は、多くのプロダクトシールは、プロダクトシールの相互にかみ合う可動の（１つ又は複数の）封止面をプロダクトに対して露出させているので、その結果、積極的に摩耗を受けることになり、また、信頼性も低下することである。更に、特定の用途においては、プロダクトが１つ又は複数の封止面に対し露出されているため、掃除のためにプロダクトシールを軸シール組立体から完全に取り外す必要がある。

多くの軸の封止システム、特に、ポンプハウジングにおいて、プロダクトは、雰囲気以上の圧力に加圧され、且つ、シールの内面に力を与え、この力がシールにて過剰な摩耗を生じさせる可能性がある。

このような場合、先行技術は、効果的な封止効果のためにシール部材と静止部材との間を「狭い（きつい）」運動隙間とすることが可能となる解決策を与えることもできなければ、ステータ又は静止部材に対する回転可能軸の非整合状態のような作動状態を調節し又は該作動状態に対応するために両者間を「ルース（ゆるい）」な運動隙間とすることが可能な解決策を与えることもできなかった。

当該技術は、先行技術に優る改良された軸封止機能及びプロダクトシール性能を提供するものである。ここに開示し且つ特許請求の範囲に記載した軸シール組立体による解決策は、シール部材と静止部材との間の狭い（きつい）隙間又は小さい運動隙間と、ステータ又は静止部材に対する回転可能軸の非整合状態のような作動状態に対する調節又は応答のためのルースな（ゆるい）運動隙間との双方を許容するものである。

本明細書に開示されたように、本発明の技術は、軸とラビリンスシールとの間の望ましい隙間を維持しつつ、軸の半径方向運動、軸方向運動及び角度運動を調節することを許容することにより、改良された機能を提供するものである。本発明の技術は、また、換気を可能とし、従って、現在利用可能な設計に優る、改良された機能を許容することにより、ラビリンスパターンの両側において圧力を均衡させることも許容する。更に、封止流体（空気、蒸気、気体又は液体）の圧力を、換気口位置又はポート位置を通して付与し、内側圧力又は外側圧力よりも高い内部シール圧力（過圧力）を確立することもできる。このことは、シールの内側と外側との間に存在するかも知れない圧力差に対して、ラビリンスがこれを封止により維持することを可能にする。軸シール組立体の内部部分が加圧されることにより、軸シール組立体の自身の設計次第で、または、該設計と加圧された流体による障壁との組み合わせ次第で、軸シール組立体の動く面又は係合面をプロダクトとの接触から効果的に隔離することができる。

本発明の１つの目的は、軸に軸方向力、角度方向力又は半径方向力が付加されたとき、その軸との封止一体性を維持するハウジングと係合するための軸シール組立体を提供することである。

本発明の別の目的は、軸と係合するための容器壁に取り付けることができる軸シール組立体であって、上記軸が軸方向に、角度方向に又は半径方向に動く際に、又は、かかる動きに応答して、その軸との封止一体性を維持する、軸シール組立体を提供することである。

本発明の更に別の目的は、圧力バランス式軸シール組立体であって、封止流体又は潤滑剤が、該シール組立体内に組み込まれることができ、また、シール組立体のプロセス側に付加された力に少なくとも部分的に反作用する、圧力バランス式軸シール組立体を提供することである。

本発明のその他の目的及び特徴は、添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。

軸シール組立体の斜視図的な外観図である。 軸要素が整合した状態にある、軸シール組立体の外端面図である。 ハウジング内に取り付けられた、図２に示した軸シール組立体の第一の実施の形態を示す断面図である。 角度的及び半径方向的に軸整合状態にあるときの、シールと軸との一体性を示す第一の面の図である。 角度的及び半径方向的に軸整合状態にあるときの、シールと軸との一体性を示す第二の面の図である。 軸が非整合状態にある場合を示す、軸シール組立体の外端面図である。 軸が角度的及び半径方向的に非整合状態とされた、図３に示した第一の実施の形態の断面図である。 軸が角度的及び半径方向的に非整合状態になったとき、関節動作により許容される、シールと軸との一体性を示す第一の図である。 軸が角度的及び半径方向的に非整合状態になったとき、関節動作により許容される、シールと軸との一体性を示す第二の図である。 図２に示した軸シール組立体の第二の実施の形態を示す断面図である。 図２に示した第三の実施の形態を示す断面図である。 容器壁に取り付けられた第四の実施の形態を示す斜視図である。 軸が整合した状態で、ハウジングに取り付けた圧力バランス式軸シール組立体の第一の実施の形態を示す断面図である。 軸が整合した状態で、換気口に隣接した圧力バランス式軸シール組立体の部分の第一の実施の形態を示す詳細図である。 軸が整合した状態で、流体戻り路に隣接した圧力バランス式軸シール組立体の部分の第一の実施の形態を示す詳細図である。 軸が非整合状態にあるときの圧力バランス式軸シール組立体の第一の実施の形態を示す断面図である。 軸が非整合状態にある状態で、換気口に隣接した圧力バランス式軸シール組立体の部分の第一の実施の形態を示す詳細図である。 軸が非整合状態にある状態で、流体戻り路に隣接した圧力バランス式軸シール組立体の部分の第一の実施の形態を示す詳細図である。 軸が整合した圧力バランス式軸シール組立体の第二の実施の形態を示す断面図である。 軸が整合した状態で、圧力バランス式軸シール組立体の第三の実施の形態を示す断面図である。

本発明の有利な効果が容易に理解されるようにするため、添付図面に示した特定の実施の形態を参照しながら、上記に簡単に説明した本発明のより特定的な説明を行う。これらの図面は、本発明の典型的な実施の形態のみを示すものであり、本発明の範囲を限定するものではない。この理解の下、本発明は、添付図面を使用して、更に特定的に且つ詳細に記載され、説明される。
本発明の各種の実施の形態について詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に記載し又は図面に示した構成要素の構造及び配置の詳細にのみ、その適用が限定されるものでないことを理解すべきである。本発明は、その他の実施の形態が可能であり、また、色々な仕方にて実施し又は実行することができる。また、装置又は要素の向きに関して本明細書で使用する文言及び技術用語（例えば、「前側」、「後側」、「上方」、「下方」、「頂部」、「底部」及びこれらと同様のもの）は、本発明の説明を簡略化するために使用するものであり、言及した装置又は要素が特定の向きを有しなければならないことを示し又は意味するものではないことを理解すべきである。更に、「第一」、「第二」、「第三」のような語は、本明細書に及び特許請求の範囲にて、説明の目的のために使用し、相対的な重要性又は有意義さの順位を示し又は意味することを意図するものではない。更に、本明細書にて言及し又は記載した全ての寸法は、一例としての目的のためのものであり、請求項にて限定的に言及されていない限り、本発明の範囲を何らかの仕方にて限定することを意図するものではない。

図１−５は、軸受ハウジング３０内にて各種の潤滑剤溶液を封止することを許容する軸シール組立体２５の第一の実施の形態を示す図を提供する。図６及び図７は、封止流体が使用される、軸シール組立体２５の別の実施の形態を提供する。当該出願人は、封止流体として液体及び蒸気の双方を含むものと定義する。当該出願人は、空気、窒素、水及び蒸気のみならず、提案された軸シール組立体と共に使用されて本明細書に開示した任意の又は全ての実施の形態に対して加圧流体障壁を提供することのできる任意のその他の流体が本発明の範囲内にあるものと考える。気体又は流体は、封止すべきプロダクトとのプロセス適合性に基づいて選ばれる。

図１は、軸シール組立体２５の固定ステータ２を通して挿入された軸１と係合するよう配置された軸シール組立体２５の斜視図的な外観図である。図２は、軸１が軸シール組立体２５と整合した状態での軸シール組立体の外端面図である。

図３は、図２に示した軸シール組立体２５の第一の実施の形態の断面図であり、潤滑剤溶液をハウジング３０の軸受キャビティ３２内に保持するラビリンスシールとしての軸シール組立体２５を示す。図３に示した軸１は、回転中、固定ステータ２の要素又は固定ステータの部分に対する半径方向、角度的又は軸方向への動きを経験する型式のものである。軸シール組立体２５の固定ステータの部分はハウジング３０に対して、フランジ取り付けしてもよく、圧力嵌めしてもよく、又は、その他の手段により装着することができる。本発明は、回転ハウジング及び静止軸（図示せず）と共に機能するようにしてもよい。特定の用途にて要求されるように、軸１は、軸シール組立体２５に対して軸方向に自在に動くことが許容される。

内面を有するラビリンスシール３は軸１と係合する。限定された隙間６が上記のラビリンスシール３の内面と軸１との間に存在するとき、上記ラビリンスシール３の内面の反対側には、上記ラビリンスシール３の湾曲面３ａがある。ラビリンスシール３の湾曲面３ａ及び浮動ステータ４の内部は、球状の境界面１１を形成する。Ｏリング溝１５及びＯリング７は、上記ラビリンスシール３の上記湾曲面３ａと協働するよう配設されて、球状の境界面１１を維持しつつ、係合したラビリンスシール３と浮動ステータ４を通り、これらの間にて且つこれらに沿って移動する流体を封止し（又は閉じ込め）、この境界面１１は、ラビリンスシール３と浮動ステータ４との間の制限された相対的な回転動作（関節運動）を許容する。Ｏリング溝１５は、図示したように、浮動ステータ４内に切削され且つ、ラビリンスシール３との球状の境界面１１に配置されている。Ｏリング溝１５は、環状であり且つラビリンスシール３に対して連続している。Ｏリング溝１５及びＯリング７は、球状の境界面１１に隣接してラビリンスシール３内に配置することもできる。Ｏリング７は、封止すべきプロダクト、及び選んだ好ましい封止流体の双方と適合可能な材料にて出来たものでなければならない。Ｏリング溝１５及びＯリング７は、請求項に記載したように、軸シール組立体２５内にて使用することのできる封止手段の１つの可能な組み合わせである。戦略的に配置され且つ回転防止溝１０内に挿入された回転防止ピン１２が、ラビリンスシール３と浮動ステータ４との間の相対的な回転動作を制限する。複数の回転防止溝１０及びピン１２を、軸１の周囲回りに配置することができる。軸シール組立体２５を封止流体と組み合わせて使用する場合には、戦略的な回転防止ピン１２を取り除き、相応する回転防止溝１０が換気口９及び潤滑剤の戻り路５を通る流体通路として作用するのを許容することができる（図７参照）。更に、回転防止ピン１２と回転防止溝１０との直径の関係は、軸１の多少の角度的非整合を許容するよう選ぶことができる。大径の回転防止溝１０と共に使用される小径の回転防止ピン１２は、軸１の角度的非整合状態に応答して浮動ステータ４に対してラビリンスシール３がより大きい相対的動きをするのを許容するであろう。ラビリンスシール３は、請求項に記載したように、軸シール組立体２５内にて軸１に隣接して使用することのできる封止手段の１つの可能な実施の形態である。

連続的な環状通路が、固定ステータ２内に形成され、且つ、上記浮動ステータ４の外部と軸シール組立体２５の上記固定ステータ２の上記内部との間にて許容されるように隙間２０、２１により規定される。固定ステータ２の環状通路は、図２にてＡ−Ａ’として強調して示してある。固定ステータの環状通路は、上記軸１に対して実質的に垂直な内面を有している。固定ステータ２の環状通路内に実質的に収容される浮動ステータ４の外面は、固定ステータ２の第一及び第二の垂直な内面と協働可能に係合する。内側の環状境界面は、浮動ステータ４の第一の（内側の）垂直面と係合する、固定ステータ２の第一の（軸シール組立体の内側の）垂直な環状の通路面により形成される。外側の環状境界面は、浮動ステータ４の第二の（外側の）垂直面と係合する、固定ステータ２の第二の（軸シール組立体の外側の）垂直な環状の内側通路面により形成される。Ｏリング溝１９及びその内部に配設されたＯリング１３は、軸１に対して垂直な浮動ステータ４の面と協働し、浮動ステータ４と固定ステータ２の間の制限された相対的な回転動作を許容しつつ、係合した浮動ステータ４の間の及び該ステータに沿った流体の移動を封止する（又は閉じ込める）。浮動ステータ４及び固定ステータ２は、請求項に記載したように、軸シール組立体２５内にてラビリンスシール３と組み合わせて使用することのできる協働可能に係合した封止手段の１つの可能な実施の形態である。

Ｏリング溝１９は、環状であり且つ、軸１に対して連続している。Ｏリング溝１９及びＯリング１３は、固定ステータ２（図示せず）ではなくて、浮動ステータ４の本体内に配置することができるが、同様の近接する関係に配置しなければならない。Ｏリング１３は、封止すべきプロダクト及び選んだ好ましい封止流体の双方と適合する材料にて出来たものでなければならない。Ｏリング溝１９及びＯリング１３は、請求項に記載した軸シール組立体２５内にて使用することのできる封止手段の１つの可能な組み合わせである。

回転防止溝１６内に挿入され、戦略的に配置された回転防止ピン８は、浮動ステータ４と固定ステータ２の内側との間の相対的な半径方向への動き及び回転動作の双方を制限する。複数の回転防止溝１６及びピン８を軸１の周囲回りに配置することができる。回転防止ピン８の直径と回転防止溝１６の直径との関係は、軸の多少の角度的非整合を許容するよう選ぶこともできる。小径の回転防止ピン８及び大径の固定ステータの回転防止溝は、軸１の角度的非整合状態に応答してラビリンスシール３がより大きい相対的動きをするのを許容する。

ラビリンスパターンのシール溝１４は、１つ以上の換気口９を通して換気することにより圧力均衡させることができる。そのように望む場合、換気口には、加圧した封止流体を供給し、ラビリンス領域１４及び軸シール隙間６を過加圧して、軸シール組立体２５の効果を増すことができる。ラビリンスシール３と浮動ステータ４との間の球状の境界面１１は、軸１と固定ステータ２との間の角度的非整合状態を許容する。Ｏリング溝１９は、軸１に対して環状であり、また、図示したように、固定ステータ２内に切削され且つ、固定ステータ２と浮動ステータ４との間の境界面に配置されている。Ｏリング溝１９は、固定ステータ２と封止接触するよう浮動ステータ４内に配置することもできる。

図３Ａは、軸が角度的に整合し且つ半径方向に整合する場合のシールと軸との一体性を示す。この図は、ラビリンスシール３の軸方向面１７と浮動ステータ４の軸方向面１８との整合を強調して示す。浮動ステータ４とラビリンス３のとの間の球状の境界面１１にて軸方向面１７、１８が整合することが特に注目される。図３Ｂは、図３Ａに示した面に対向する面における軸の角度的及び半径方向的整合の状態での軸とシールとの一体性を示す。この図は、図３Ａに示したように、軸シール組立体２５の対向する部分に対して、ラビリンスシール３及び浮動ステータ４の軸方向面１７、１８の整合を強調して示す。当該技術の当業者は、軸１及び軸シール組立体２５は、円形の形状及び性質であるから、面は軸１の回りにて３６０゜の位置にて示されていることが理解されよう。この場合にも、ラビリンスシール３と浮動ステータ４との間の球状の境界面１１にて軸方向面１７、１８の整合が特に注目される。図３Ａ及び図３Ｂは、また、浮動ステータ４と固定ステータ２との間の第一の規定された隙間２０と、浮動ステータ４と固定ステータ２との間にて規定され且つ、第一の規定された隙間２０に対向する第二の隙間２１とを示す。

図２、図３、図３Ａ及び図３Ｂにおいて、軸１は、半径方向の動き、角度的動き又は軸方向への動きを経験せず、また、実質的に等しい、規定された隙間２０、２１の幅は、浮動ステータ４上にて動き又は非整合は殆ど生じないことを示す。

図４は、回転可能な軸１が非整合状態となった軸シール組立体２５の外端面図である。図５は、軸１の角度的非整合及び半径方向への非整合の双方が付加された、図３に示した軸シール組立体２５の第一の実施の形態を示す断面図である。軸１は、図５に示したように、軸シール組立体２５の固定ステータ２の部分に対する半径方向の動き、角度的動き又は軸方向への動きを経験するであろう型式のものである。

図５に示したように、軸１に対するラビリンスシール３の限定された半径方向隙間６は、軸の非整合角度３１が変化したときでさえ、維持されている。軸１は、軸の非整合角度３１が変化したときでさえ、依然として、軸方向に自由に動くことが許容される。軸シール組立体２５の配置は、上記軸１の半径方向への動きを導入したとき、ラビリンスシール３が浮動ステータ４と共に動くことを許容する。ラビリンスシール３及び浮動ステータ４は、１つ以上の圧縮したＯリング７によって互いに固定される。ラビリンスシール３が浮動ステータ４内にて回転することは、回転を阻止するねじ、ピン又は同様の装置１２を含むことができる回転防止手段により防止される。ラビリンスシール３及び浮動ステータ４組立体が固定ステータ２内にて回転することは、回転防止ピン８によって防止される。図３、図３Ａ、図５、図６、図７に示したピンは、請求項に記載したように、ラビリンスシール３及び浮動ステータ４の回転を防止する１つの手段である。ラビリンスシール３により封止すべき潤滑剤又はその他の媒質は、１つ以上の一連の選択的な排液口又は潤滑剤の戻り経路５を通して集め且つ排出することができる。ラビリンスシール３は、１つ以上の換気口９を通して換気することにより圧力均衡させることができる。そのように望むならば、換気口９には、加圧した空気又はその他の気体又は流体媒質を供給し、ラビリンスシール３を過加圧し、シールの効率を向上させることができる。軸シール組立体２５の協働可能に係合した機械的部分と加圧された封止流体との間の小さい許容公差の組み合わせは、プロダクト及び汚染物質が軸シール組立体２５の内部と接触するのを阻止する。ラビリンスシール３と浮動ステータ４との間の球状の境界面１１は、軸１と固定ステータ２との間の角度的非整合状態を許容する。Ｏリング溝１９及び該通路内に配設されたＯリング１３は、軸１に対して実質的に垂直な関係にある浮動ステータ４の対向面と協働し、ステータ４と固定ステータ２との間の制限された相対的な半径方向（垂直方向）への動きを許容しつつ、係合した浮動ステータ４の間にて且つ該ステータに沿った流体の移動を封止する（又は閉じ込める）。

図５Ａは、軸が角度的非整合及び半径方向への非整合状態にある状態での、軸シール組立体２５により許容されたシールと軸との一体性を示す。この図は、軸シール組立体２５の第一の部分に対して浮動ステータ４の軸方向面１８に関係したラビリンスシールの軸方向面１７の偏位又は関節動作を強調して示す。ラビリンスシール３と浮動ステータ４との間の球状の境界面１１にて軸方向面１７、１８が偏位することが特に注目される。

図５Ｂは、軸が角度的非整合及び半径方向への非整合状態での、図５Ａに示した第一の面に対向する、第二の面に対するシールと軸との一体性を示す。この図は、軸１の非整合状態の間、ラビリンスシール３及び浮動ステータ４の軸方向面１７、１８はそれぞれ、整合されず、それどころか、互いに関して動く（関節動作する）ことを強調して示す。軸対シールの隙間６は、軸の非整合に応答して維持され、また、浮動ステータ４と固定ステータ２とのシール一体性及び浮動ステータ４とラビリンスシール３とのシール一体性は、軸が非整合状態にある間、維持されるから、全体的なシールの一体性が損なわれることはない。当該技術の当業者は、軸１及び軸シール組立体２５は、円形の形状及び性質であるため、面は、軸１の回りにて３６０゜の位置に示されていることが理解されよう。

図５Ａ及び図５Ｂは、また、浮動ステータ４と固定ステータ２との間の第一の隙間又は空隙２０と、浮動ステータ４と固定ステータ２との間にあり、第一の隙間又は空隙２０に対向した第二の隙間又は空隙２１とを示す。

図４、図５、図５Ａ及び図５Ｂにおいて、軸１は、軸１が回転する間、半径方向、角度的又は軸方向への動きを経験し、また、空隙又は隙間２０、２１の幅は、上記の半径方向、角度的又は軸方向への動きに応答して変化している（図３、図３Ａ及び図３Ｂを比較）。隙間２０、２１の幅の変化は浮動ステータ４が軸１の動き又は角度的非整合状態に応答して動いたことを示す。軸シール組立体２５は、軸シール隙間６を維持しつつ、軸方向面１７、１８間の関節動作、球状の境界面１１を維持すること、また、第一の隙間２０及び第二の隙間２１の半径方向への動きを許容する。

図６は、代替的なラビリンスシールパターン溝１４にて過加圧するため図２に示したように、軸シール組立体２５の第二の実施の形態を示す断面図である。この図において、ラビリンスシールパターン溝１４は、軸１に対して狭い隙間を形成するポリテトロフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような摩擦減少物質から成っている。ＰＴＦＥは、また、デュポン（Ｄｕｐｏｎｔ）により製造され且つ販売されるテフロン（Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標名））と称されることもある。ＰＴＦＥは、大きい化学的抵抗性、低温及び高温の能力、耐候性、低摩擦、電気的及び熱的絶縁性及び「滑り易さ」を有するプラスチックである。材料の「滑り易さ」は、潤滑性すなわち材料に対し潤滑性の性質を追加するものと定義することもできる。ラビリンスシールパターン溝１４に対して必要な封止性質及び潤滑性の品質を提供するため、ＰＴＦＥに代えて炭素又はその他の材料を使用することができる。

加圧した封止流体は、図６に示したように、潤滑性ラビリンスパターン２６を過加圧するため供給される。加圧した封止流体は、１つ以上の入口を通ってスロットル２６の環状溝２３内に進入する。スロットル２６は、当該技術の当業者により「整合スケート」とも称される。スロットル２６は、軸１の非整合に起因する軸の動きにラビリンスシール３が応答することを許容する。加圧した封止流体は、軸１とスロットル２６を有するラビリンスシール３との間に形成された狭い隙間を通って逃げる。スロットル２６が軸１に近接することは、軸１を越えて流れる封止流体に対する抵抗を形成し、また、環状溝２３内にて圧力を蓄積させる。環状溝２３と協働し且つ該環状溝２３と接続した浮動式環状溝２７は、また、余剰な封止流体が作動中、軸シール組立体２５から「吹き出されて」、圧力均衡させ又は軸封止組立体２５にて連続的な流体パージを維持するための出口も提供する。軸封止組立体２５のこの特徴により提供される１つの有利な効果は、「現所での清浄化」プロダクトシールの汚染物質除去方法が好ましく又は要求される場合に適用できる点がある。その例は、食品の等級付けの用途を含む。

図７は、また、回転防止ピン１２が除去されて入口の視覚化を向上させた軸シール組立体２５を示す。軸シール組立体２５の周縁の回りには、一連のポート、入口又は通路が典型的に存在するであろうが、これらにのみ限定されるものではない。図７は、また、ラビリンスシール３の形状及びパターンが変更可能であることも示す。スロットル２６の形状は、図示するように、円形の型式２６に加えて、スロットル溝２２にて示したように、四角形の輪郭外形により示したように変更することもできる。また、軸１との直接的な接触が望ましくない場合、軸シール組立体２５は、各種の手段により軸１に装着することのできる別個のスリーブ２４と組み合わせて使用されることも分かる。

図８は、軸シール組立体２５が容器壁３４に固定された、本発明の別の実施の形態を示す。軸シール組立体２５は、取り付けボルト３３のような固定手段を通して容器壁３４に固定し、軸１が角度的非整合状態となるとき、改良された封止効果を保証する。軸シール組立体２５の外部を貫通する取り付けボルト３３及びスロット（符号無し）は、請求項に記載したように、軸シール組立体２５を取り付ける１つの手段である。

特定の用途において、特に、軸シール組立体２５のプロセス側（全体として、図３−３Ｂ及び図５−７に示したように、軸シール組立体２５の左側の領域）が圧力上昇した適用例において、軸シール組立体２５は軸シール組立体２５が軸方向に経験する圧力を均衡させる形態とされることが望ましい。プロダクトがラビリンスシールの内面４２及び浮動ステータの内面４４に加える圧力を均衡させる圧力バランス式軸シール組立体４０が図９−１２に示されている。

図９−１０Ｂに示したように、圧力バランス式軸シール組立体の第一の実施の形態において、軸封止部材（すなわち、浮動ステータ４との組み合わせたラビリンスシール３）は、圧力バランス式環状通路４６を含む。圧力バランス式環状通路４６を除いて、圧力バランス式軸シール組立体４０は、図１−８に示し且つ、上記に詳細に説明した軸シール組立体２５と同一の態様にて作用する。すなわち、浮動ステータ４は、固定ステータの環状溝４８内に配置されている。浮動ステータ／固定ステータ２０との間にあり、本明細書に示した実施の形態において、浮動ステータの半径方向外面４５と環状溝の半径方向内面４８ａ（図９Ａ及び図９Ｂに図示）との間にある第一の隙間は、軸１の半径方向摂動に少なくとも対応する。浮動ステータ４とラビリンスシール３との間の球状の境界面１１は軸１の角度的摂動に少なくとも対応する。

圧力バランス式環状通路４６は、第一の実施の形態に対して図９−１０に示したように、浮動ステータ４と固定ステータ２との間の第一の半径方向境界面４７ａに隣接して浮動ステータ４に形成される。本明細書にて説明した色々な実施の形態にて示したように、浮動ステータ４と固定ステータ２との間の第一の半径方向境界面４７ａは、回転防止装置１６に対するキャビティを有する形態とされた固定ステータ２の部分に隣接している。すなわち、浮動ステータ４の軸方向面は、固定ステータ２内に配置され且つ圧力バランス式軸シール組立体４０のプロセス側から最も遠方にある。浮動ステータ４と固定ステータ２との間にあり、第一の半径方向境界面４７ａに対して実質的に平行な第二の半径方向境界面４７ｂは、第一の半径方向境界面４７ａと比較して圧力バランス式軸シール組立体４０のプロセス側に近い位置に配置される。

多くの適用例において、圧力バランス式環状通路４６の最適な半径方向寸法は、浮動ステータの内面４４の半径方向寸法と実質的に同様であり、このためプロダクトの作用を受ける浮動ステータ４の領域、及び封止流体の作用を受ける浮動ステータ４の領域は、等しい表面積を有する。かかる形態において、プロダクト及び封止流体がほぼ等しい値まで加圧された場合、軸方向力は均衡するであろう。従って、圧力バランス式環状通路４６の最適な半径方向寸法は、システム全体の設計上の特徴に依存し、また、圧力バランス式環状通路４６の半径方向寸法は、浮動ステータ境界面４４の半径方向寸法よりも大きいか又は小さいかを問わず、特定の適用例にとって任意の適当な量とすることができる。また、圧力バランス式環状通路４６の軸方向寸法は、使用される特定の封止流体、プロダクト圧力、及び封止流体の圧力を含むが、これらにのみ限定されないシステム全体の設計上の特徴に依存して変化させることができる。幾つかの適用例において、圧力バランス式環状通路４６の最適な軸方向寸法は、０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）とすることができるが、その他の実施の形態にてより大きくし、また、更にその他の実施の形態にてより小さくしてもよい。

圧力バランス式環状通路４６は、浮動ステータと固定ステータ２０の間の第一の隙間（この隙間から封止流体は圧力バランス式環状通路４６に入ることができる）内に導入された封止流体が軸方向に向けて浮動ステータに作用することを許容する。典型的には、圧力バランス式軸シール組立体４０のプロセス側（全体として、図９−１２に示したように、圧力バランス式軸シール組立体４０の左側の領域）は、ラビリンスシール内面４２及び浮動ステータ内面４４に作用するプロセス流体からの力を受ける。これらの力は、軸１に結合される回転装置により発生される圧力に起因することが最も多い。例えば、軸１がヘッド圧力の４８２．６３ｋＰａ（７０ポンド平方インチ（ｐｓｉ））を発生させる流体ポンプに結合される場合、圧力バランス式軸シール組立体４０のプロセス側は、約４８２．６３ｋＰａ（約７０ｐｓｉ）まで加圧されよう。この加圧された流体は、ラビリンスシール内面４２及び浮動ステータ内面４４に作用し、その結果、ラビリンスシール３及び浮動ステータ４を圧力バランス式軸シール組立体４０のプロセス側から離れる軸方向（すなわち、全体として図９−１２に示したように、図面の右側に）向けて押す。これに反して、圧力バランス式環状通路４６内に配置された封止流体は、ラビリンスシール３及び浮動ステータ４を圧力バランス式軸シール組立体４０のプロセス側に向けて軸方向に押し、このことは、封止流体システムの設計に依存して、プロダクトが圧力バランス式軸シール組立体４０に作用する軸方向力を実質的に打ち消すことができる。

図１１及び図１２は、圧力バランス式軸シール組立体４０の第二及び第三の実施の形態を示す。圧力バランス式軸シール組立体４０の第二及び第三の実施の形態は、全体として、図７及び図８に示し且つ上記に詳細に説明した軸シール組立体２５の第二及び第三の実施の形態に相応する。しかし、図９−１０Ｂに示したように、圧力バランス式軸シール組立体４０の第一の実施の形態と同様に、第二及び第三の実施の形態は、圧力バランス式環状通路４６を含む。

本明細書に示し且つ説明した圧力バランス式軸シール組立体４０の色々な実施の形態は、２つの別個の部分から成る固定ステータ２及び浮動ステータ４を有するものとして形成される。これらの実施の形態は、本明細書に示した実施の形態において、浮動ステータ４の大部分は固定ステータ２内に配置されるから、圧力バランス式軸シール組立体４０の組み立てを容易にする。第一の実施の形態に従い圧力バランス式軸シール組立体４０を設置するとき（図９−１０Ｂにて示したように）、固定ステータ２の第一の部分（すなわち、圧力バランス式軸シール組立体４０のプロセス側に隣接する部分）は、ハウジング３０に固定されよう。次に、浮動ステータ４及びラビリンスシール３は、軸１と固定ステータ２の第一の部分との間にて１つの組み立てた部品として配置することができる（この場合、環状境界面１１を形成する構成要素は、予め組み立てられている）。浮動ステータ４及びラビリンスシール３を固定ステータ３内に配置することは、固定ステータ２と浮動ステータ４との間に第二の軸方向境界面４７ｂを形成する。最後に、固定ステータ２の第二の部分（すなわち、圧力バランス式軸シール組立体４０のプロセス側から最も遠方の部分）は、固定ステータ２の第一の部分に隣接して配置し且つ該第一の部分に固定することができる。その後、固定ステータ２の第二の部分を配置することは、固定ステータ２と浮動ステータ４との間に第一の半径方向境界面４７ａを形成する。

これと代替的に、浮動ステータ４及びラビリンスシール３は、固定ステータの環状溝４８内に別個に配置してもよい。例えば、固定ステータ２の第一の部分がハウジング３０に固定された後、浮動ステータ４の第一の部分は、固定ステータの環状溝４８内に配置することができる。浮動ステータ４の第一の部分を固定ステータの環状溝４８内に配置することは、固定ステータ２と浮動ステータ４との間に第二の軸方向境界面４７ｂを形成することになる。次に、ラビリンスシール３は、軸３に隣接する位置に配置することができ、このラビリンスシールの配置は、浮動ステータ４とラビリンスシール３との間に球状の境界面１１の一部分を形成する。次に、浮動ステータ４の第二の部分は、浮動ステータ４の第一の部分に隣接して配置し且つ複数の回転防止ピン８によって該第一の部分に固定することができ、このことは、浮動ステータ４とラビリンスシール３との間にて球状の境界面１１を完成させる。最後に、固定ステータ２の第二の部分は、複数のボルト又はリベットにより固定ステータ２の第一の部分に固定され、該第一の部分を配置することは、浮動ステータ４と固定ステータ２との間に第一の軸方向境界面４７ａを形成する。当該技術の当業者に既知の任意の適当な固定部材は、浮動ステータ４の第一及び第二の部分を互いに固定し又は固定ステータ２の第一及び第二の部分を互いに固定するため使用することができる。

本明細書に示した実施の形態は、固定ステータ２及び浮動ステータ４が２つの別個の部分から成る、圧力バランス式軸シール組立体４０を対象とするが、本明細書に示さないその他の実施の形態において、固定ステータ２及び（又は）浮動ステータ４は１つの一体形部材にて形成される。

好ましい実施の形態について説明したが、図示した本発明の実施の形態にて多くの改変例及び代替例が明らかであり、これら全ては、本発明の思想及び範囲から逸脱せずに、実現可能であるから、本発明のその他の特徴は、当該技術の当業者に明確に理解されよう。

１ 軸
２ 固定ステータ
２ａ 固定ステータ（部分線）
３ ラビリンスシール
３ａ 湾曲面
４ 浮動ステータ
５ 流体の戻り路
６ 軸シール隙間
７ 第一のＯリング
８ 回転防止ピン
９ 換気口
１０ 回転防止溝
１１ 球状の境界面
１２ 回転防止ピン
１３ 第二のＯリング
１４ ラビリンスシールパターン溝
１５ 第一のＯリング溝
１６ 回転防止装置のキャビティ（固定ステータ）
１７ ラビリンスシールの軸方向面
１８ 浮動ステータの軸方向面
１９ 第二のＯリング溝
２０ 浮動ステータ／固定ステータ間の第一の隙間
２１ 浮動ステータ／固定ステータ間の第二の隙間
２２ スロットル溝
２３ ラビリンスパターン環状溝
２４ スリーブ
２５ 軸シール組立体
２６ スロットル（整合スケート）
２７ 浮動ステータ環状溝
２８ ラビリンスシール通路
２９ 浮動ステータ通路
３０ ハウジング
３１ 非整合角度
３２ 軸受及び軸受キャビティ
３３ 取り付けボルト
３４ 容器壁
４０ 圧力バランス式軸シール組立体
４２ ラビリンスシールの内面
４４ 浮動ステータの内面
４６ 圧力バランス式軸環状通路
４７ａ 第一の半径方向境界面
４７ｂ 第二の半径方向境界面
４８ 固定ステータ環状溝
４８ａ 環状溝の半径方向内面

Claims (25)

1. 軸シール組立体において、
   ａ．固定ステータであって、ハウジング内に固定され、且つ、該固定ステータの半径方向内面の一部分に沿って環状溝が形成された前記固定ステータと、
   ｂ．軸封止部材であって、前記固定ステータの前記溝内に嵌まる前記軸封止部材と、を備え、
   該軸封止部材は、
   ｉ．浮動ステータであって、該浮動ステータの半径方向外面は所定の量だけ前記環状溝の半径方向内面から半径方向に分離されて前記浮動ステータと前記固定ステータとの間に第一の隙間を形成し、前記浮動ステータの半径方向内面は、実質的に凹状の形状であり、前記浮動ステータは環状の凹所を有し、前記固定ステータは、前記環状凹所に相応した面にして、圧力バランス式環状通路を形成する面を有する、前記浮動ステータと、
   ｉｉ．ラビリンスシールであって、前記浮動ステータの半径方向内面に相応する実質的に凸状の形状をした半径方向外面にして、前記浮動ステータの半径方向内面との間に球状の境界面を形成する半径方向外面と、複数のラビリンスパターンの環状溝を有する半径方向内面とを備え、前記ラビリンスシールの半径方向内面は、回転可能な軸に隣接して配置されている、前記ラビリンスシールと、
   を備える、軸シール組立体。
2. 請求項１に記載の軸シール組立体において、前記浮動ステータの半径方向外面は非線形である、軸シール組立体。
3. 請求項１に記載の軸シール組立体において、前記浮動ステータは、該浮動ステータと前記固定ステータの前記環状溝との間の第一及び第二の半径方向境界面を通して軸方向に配置される、軸シール組立体。
4. 請求項３に記載の軸シール組立体において、前記第一及び第二の半径方向境界面にて前記固定ステータ内にそれぞれ配置された第一及び第二のＯリング溝を更に備え、１つのＯリングが前記第一及び第二のＯリング溝の各々に配置される、軸シール組立体。
5. 請求項１に記載の軸シール組立体において、半径方向に向き決めした複数の回転防止溝は、前記ラビリンスシールに形成され、複数の相応する回転防止ピンは、前記回転防止溝内に配置され且つ、前記ラビリンスシールの前記回転防止溝に隣接して前記浮動ステータの部分内に配置される、軸シール組立体。
6. 請求項１に記載の軸シール組立体において、半径方向に向き決めされた複数の回転防止溝が前記固定ステータに形成されており、該回転防止溝に相応する複数の回転防止ピンが、前記回転防止溝内に配置され、且つ、前記固定ステータの前記回転防止溝に隣接する前記浮動ステータの部分内に配置される、軸シール組立体。
7. 請求項１に記載の軸シール組立体において、前記浮動ステータの半径方向内面に形成された複数のＯリング溝を更に備え、１つのＯリングが該Ｏリング溝の各々内に配置される、軸シール組立体。
8. 請求項１に記載の軸シール組立体において、前記ラビリンスシールに形成された第一の流体戻り通路と、前記浮動ステータに形成された第二の流体戻り通路と、前記固定ステータに形成された第三の流体戻り通路と、を更に備え、前記第一、第二及び第三の流体戻り通路は、互いに流体的に連通している、軸シール組立体。
9. 請求項１に記載の軸シール組立体において、前記浮動ステータは、互いに取り付けられた２つの別個の部分から構成される、軸シール組立体。
10. 請求項１に記載の軸シール組立体において、前記固定ステータは、互いに固定した２つの別個の部分から構成される、軸シール組立体。
11. 請求項１に記載の軸シール組立体において、前記固定ステータに形成された換気口を更に備え、該換気口は、前記固定ステータの外側を該固定ステータに形成された前記環状溝と流体的に接続する、軸シール組立体。
12. 請求項１に記載の軸シール組立体において、前記固定ステータはハウジングに取り付けられ、該固定ステータは、該固定ステータの半径方向外面の一部分と、前記ハウジングに形成された開口の、相応する半径方向内面とを介して前記ハウジングに取り付けられている、軸シール組立体。
13. 請求項１に記載の軸シール組立体において、前記固定ステータは複数の取り付けボルトを介してハウジングに取り付けられており、該複数の取り付けボルトは、前記固定ステータに形成された、相応する複数の開口を通り且つ前記ハウジングに形成された、相応する複数のボルト穴まで延びている、軸シール組立体。
14. 請求項１に記載の軸シール組立体において、
    ａ．前記ラビリンスシールの半径方向内面に形成された環状のシール流体溝と、
    ｂ．前記固定ステータの半径方向外面に形成されたシール流体入口と、
    ｃ．前記浮動ステータに形成されて、前記シール流体入口と流体的に連通する第一の通路と、
    ｄ．前記ラビリンスシールに形成された第一の通路にして、前記浮動ステータの前記第一の通路および前記環状のシール流体溝と流体的に連通する第一の通路と、
    ｅ．前記固定ステータの半径方向外面に形成されたシール流体出口と、
    ｆ．前記浮動ステータに形成されて、前記シール流体出口と流体的に連通する第二の通路と、
    ｇ．前記ラビリンスシールに形成されて、前記浮動ステータの前記第二の通路及び前記環状のシール流体溝と流体的に連通する第二の通路と、を更に備える、軸シール組立体。
15. 請求項１４に記載の軸シール組立体において、前記複数のラビリンスパターンの環状溝の、該環状溝の各々に配置された整合スケートを更に備える、軸シール組立体。
16. 請求項１５に記載の軸シール組立体において、前記整合スケートは、前記回転可能な軸と接触するために要求される寸法を有する、軸シール組立体。
17. 請求項１６に記載の軸シール組立体において、前記シール流体入口を通って該軸シール組立体内に導入された加圧したシール流体を含む、軸シール組立体。
18. 請求項１７に記載の軸シール組立体において、前記加圧したシール流体は気体である、軸シール組立体。
19. 請求項１７に記載の軸シール組立体において、前記加圧したシール流体は液体である、軸シール組立体。
20. 請求項１８に記載の軸シール組立体において、前記ラビリンスシールの前記複数のラビリンスパターンの環状溝と前記回転可能な軸との間の隙間は、前記加圧したシール流体の所定の量が前記複数のラビリンスパターンの環状溝と前記回転可能な軸との間を通ることができるようなものである、軸シール組立体。
21. 請求項１９に記載の軸シール組立体において、前記ラビリンスシールの前記複数のラビリンスパターンの環状溝と前記回転可能な軸との間の隙間は、前記加圧したシール流体の所定の量が前記複数のラビリンスパターンの環状溝と前記回転可能な軸との間を通ることができるようなものである、軸シール組立体。
22. 請求項１９に記載の軸シール組立体において、前記シール流体出口は、前記加圧した封止流体に対するパージ流れを含む、軸シール組立体。
23. 軸シール組立体において、
    ａ．容器又はハウジングから突出する軸と、
    ｂ．前記軸に隣接する第一の封止手段にして、該軸と該第一の封止手段との間に隙間が形成される、第一の封止手段と、
    ｃ．第二の封止手段であって、前記第一の封止手段は、該第二の封止手段内に部分的に収容される関係にあり、且つ、実質的に球状の境界面を通して前記第二の封止手段と協働可能に連通しており、前記第一及び第二の封止手段は、互いに協働して前記軸と前記第一の封止手段との間の前記隙間を維持しつつ、前記軸の角度的非整合に応答するようにし、前記第二の封止手段は、その内部に形成された圧力バランス式環状通路を含む、前記第二の封止手段と、
    ｄ．第三の封止手段であって、前記第二の封止手段は、該第三の封止手段内に部分的に収容される関係にあり、且つ、前記第三の封止手段と協働可能に連通しており、前記第一及び第二の封止手段が前記第三の封止手段と協働して、前記第一及び第二の封止手段が前記軸と前記第一の封止手段との間の前記隙間を維持しつつ、前記軸の半径方向への摂動により発生された力に応答するようになされており、前記第三の封止手段は前記ハウジング又は容器に装着される、前記第三の封止手段とを備える、軸シール組立体。
24. 請求項２３に記載の軸シール組立体において、該軸シール組立体を加圧するように封止流体が導入されるようになされている、軸シール組立体。
25. 請求項２３に記載の軸シール組立体において、角度的非整合に対する相対的な応答が制御可能とされている、軸シール組立体。

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