JP2011513666A - 動的封止 - Google Patents

Abstract

二重封止部は、回転シャフトの周りで封止係合が行われるときに、半径方向および軸方向の移動を許容し、正および負の圧力差分を許容する。

Description

本発明は、封止部に関し、特に二重封止部に関する。

背景
封止部は、圧密封止および液密封止を得るために、種々の機械装置に採用される。封止部は、しばしば静止ハウジングから延びる回転シャフトを中心として配置される。封止部は、ハウジングからの加圧流体の流出を制限するようにシャフトの出口においてハウジングにボルト止めされてもよい。別の状況では、封止部は制御された流体の流れを許容するように設計されまたは調節されてもよい。

概要
本明細書において記述される二重封止部は、回転シャフトの周りで封止係合が行われるときに、半径方向および軸方向の移動を許容し、正および負の圧力差分を許容する。

本明細書において説明される二重封止部が、封止要素と、バランス要素と、グランドハウジングの内部空間内に配置されるアダプタとを含む態様もある。グランドハウジングは、容器の内部領域と、バリア流体空間との間の双方向封止部を提供することができる。封止要素は、封止部のシャフトに対して半径方向に移動することによって、シャフトの水平移動、および/またはシャフト半径における振動を相殺することができる。例えば、封止要素およびグランドハウジングが熱膨張係数の異なる材料で形成されている場合、熱的効果によって、封止部がグランドハウジングに対して軸膨張または軸収縮する。バランス要素は軸方向に移動することができ、このような封止要素の熱膨張または熱収縮を相殺する。封止部は、例えば、封止要素が膨張および収縮する際に封止要素の半径方向移動を許容し続けつつ、バランス要素の軸方向移動がバランス要素と封止要素との間の封止接触を維持するように構成されることができる。

一つの局面では、シャフトを中心に周囲に延びるように構成された封止部は:封止部の中心軸に向けて開放された内部空間を画成するハウジングと;封止接触を維持するように内部空間内を半径方向に移動し、ハウジングの内部空間内に配置されるように構成される封止要素と;封止要素とハウジングとの間に配置され、封止要素とハウジングとの間の流体の流れを制限する封止接触を維持する第一封止部と;封止接触を維持するように内部空間内を軸方向に移動し、ハウジングの内部空間内に配置されるように構成される第一要素と;第一要素と封止要素との間に配置され、封止要素が第一要素に対して半径方向に移動する間に封止要素と第一要素との間の流体の流れを制限する封止接触を維持する第二封止部と;第一要素と接触するように配置され、封止要素の端面が軸方向に移動する間に第一要素と第二封止部とが封止接触を維持するように第一要素を封止要素との封止接触点に向けてバイアスするように構成されるバイアス部材と;第一要素とハウジングとの間に配置され、ハウジングと第一要素との間の流体の流れを制限する封止接触を維持する第三封止部とを備える。以下の機能の一つまたは複数を含むことのできる態様もある。

封止部が第一要素とハウジングとの間に配置される第二要素をさらに備え、第三封止部は第一要素と第二要素との双方によって画成される第三封止空間に配置される、態様もある。第三封止部が、第一圧力で第一流体貯水容器と流体連通する空間の第一部分と、第二圧力で第二流体貯水容器と流体連通する空間の第二部分と、の間の流体の流れを制限するように配置される場合もある。

第三封止部の両側における第一圧力と第二圧力との間の圧力差分は、第一圧力が比較的大きい（すなわち、第一圧力が第二圧力より大きい）とき第一要素を封止要素に向けてバイアスし、第二圧力が比較的大きい（すなわち、第二圧力が第一圧力より大きい）とき第一要素を封止要素にバイアスする、場合もある。第三封止部は、第三封止空間内で第一圧力と第二圧力との間の圧力差分に応じて軸方向に移動するように動作することができる。例えば、第三封止部は、第三封止空間内で圧力差分に応じて軸方向に移動するように動作でき、第三封止部は第一圧力が比較的大きいときは第一位置に向けて、第一圧力が比較的小さいときは第二位置に向けて付勢される。

第三封止部が、Oリング（オー・リング）を備える態様もある。

封止要素は:封止要素本体と;封止要素本体と一体的に形成され、封止要素本体から延びる複数の第一ランド（land）凸部と;封止要素本体と一体的に形成され、封止要素本体から延びる複数の第二リップ凸部とを備える、態様もある。第二リップ凸部は、第二リップ凸部が第一ランド凸部よりも本体から比較的遠くに延びる位置に向けてバイアスされてもよい。第二凸部のそれぞれは、封止部材内に挿入された環状部材と接触することによって屈曲するよう配置された弾性凸状部を画成する場合もある。第二リップ凸部は、対ごとに配置され、第二リップ凸部の第一の対の先端は第二リップ凸部の第二の対に向けて屈曲し、凸部の第二の対の先端は第二リップ凸部の第一の対に向けて屈曲し、第二リップ凸部の第三の対の先端は第二リップ凸部の第一の対および第二の対から離れる方向に屈曲する、場合もある。

環状部材の第一端部は、環状部材の半径方向に延びる端面と、第二傾斜表面との位置する間に第一傾斜表面を画成し、第二傾斜表面は、第一傾斜表面と、環状部材の軸方向に延びる外部表面との間に位置する、場合もある。第一傾斜表面は、環状部材の軸方向に延びる外部表面に対して155°と165°との間の角度で延び、第二傾斜表面は、環状部材の軸方向に延びる外部表面に対して165°と175°との間の角度で延びてもよい。

第一ランド凸部は、第二リップ凸部よりも比較的柔軟性が低い場合もある。

封止部がハウジングから封止要素に画成されるボア内に延びて、封止要素のハウジング内における半径方向の移動を許容しつつ、封止要素のハウジングに対する回転を制限するピンをさらに備える、態様もある。

封止部が、スプリットシールを備える態様もある。

別の局面では、シャフトを中心に周囲に延びるように構成される封止部は:封止部の中心軸に向けて開放される空間を画成する環状ハウジングと;少なくとも部分的に空間内に配置され、空間内で半径方向に移動できる封止要素とを備え;封止要素は:封止要素本体と;封止要素本体と一体的に形成され、封止要素本体から延びる複数の第一ランド凸部と;封止要素本体と一体的に形成され、封止要素本体から延び、第一ランド凸部よりも封止要素本体から比較的遠くに延びる位置に向けてバイアスされる複数の第二リップ凸部とを備える。以下の機能の一つまたは複数を含むことができる態様もある。

第二リップ凸部のそれぞれは、封止部材内に挿入された環状部材と接触することによって屈曲するよう配置された弾性凸状部を画成する、態様もある。第二リップ凸部が、対ごとに配置され、第二リップ凸部の第一の対の先端は第二リップ凸部の第二の対に向けて屈曲し、第二リップ凸部の第二の対の先端は第二リップ凸部の第一の対に向けて屈曲し、第二リップ凸部の第三の対の先端は第二ニップ凸部の第一の対および第二の対から離れる方向に屈曲する場合もある。

封止部がハウジングから封止要素に画成されるボア内に延びて、封止要素のハウジング内における半径方向の移動を許容しつつ、封止要素のハウジングに対する回転を制限するピンをさらに備える、態様もある。

別の局面では、回転シャフトを中心とする封止方法は、シャフトを中心として封止ハウジングを配置する段階;周辺封止要素をシャフトに向けて開放される封止ハウジング空間に配置する段階であって、封止要素が空間内を半径方向に移動する間に、シャフトの外部表面に沿った流体の流れを制限しつつ、封止接触を維持するように封止要素が取り付けられる段階;および周辺第一要素を封止ハウジング空間に配置する段階であって、第一要素が空間内を軸方向に移動する間に、シャフトの外部表面に沿った流体の流れを制限しつつ、封止接触を維持するように第一要素が取り付けられる段階を含む。以下の機能の一つまたは複数を含むことのできる態様もある。

方法がバイアス部材を用いて、第一要素を封止要素との封止接触部に向けてバイアスする段階をさらに備える態様もある。

方法が、封止要素の基板と一体的に形成され、封止要素の基板から延びるリップシールの第一の対と、リップシールの第二の対とを提供する段階;およびリップシールの第一の対と、第二の対との間に加圧流体をかける段階をさらに備える態様もある。

方法が、封止要素に、環状本体と、本体と一体的に形成され、かつ本体から半径方向内側に延びる複数のリップシールと、を設ける段階をさらに備える態様もある。方法が、リップシールの一つが、シャフトを中心として配置される環状部材の第一傾斜表面と係合する段階;およびリップシールの一つを、シャフトが封止要素を通って挿入されてくる方向に向けて屈曲させる段階をさらに備える場合もある。

本発明の一つまたは複数の態様の詳細が、添付の図面および明細書の以下の記述において示される。本発明の他の特徴、目的、および利点は、明細書、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。

二重封止部の斜視図である。 バリア流体圧がプロセス圧より大きい状態で、シャフトを中心として取り付けられる図1の封止部の断面図である。 図2Aに示される封止部の一部分の拡大図である。 バリア流体圧がプロセス圧より小さい状態で、シャフトを中心として取り付けられる図1の封止部の断面図である。 シャフトの半径方向の移動の封止部による相殺を示す図1の封止部の断面図である。 シャフトの半径方向の移動の封止部による相殺を示す図1の封止部の断面図である。 封止部品に与えられる熱的効果の封止部による相殺を示す図1の封止の断面図である。 封止部品に与えられる熱的効果の封止部による相殺を示す図1の封止の断面図である。 種々の図面における同様の参照符号は、同様の要素を示す。

詳細な説明
図1において、封止部10は回転シャフト（不図示）を中心として配置されるように構成されている。封止部10は、ハウジングクランプ14と、グランドハウジング（gland housing）18と、を含み、これらは共に封止部10の他の構成部品の位置を定め、支持する環状取付部を形成する。ハウジングクランプ14は、シャフトが貫通して延びる表面（例えば、処理容器の壁部）に封止部10を取り付けるために用いられることができる。ハウジングクランプ14は、グランドハウジング18と係合し、グランドハウジング18の位置を保持する。グランドハウジング18は、封止部10の中心軸24に向けて開放された内部空間20を画成する。（本明細書において用いられる場合、「軸方向に」の語は、封止部10の軸24に概して沿う方向を示し、「半径方向に」の語は、封止部10の軸24に対して概して垂直な方向を示す。同様に、「内側に」および「内側の」は軸に向けてまたは概して軸のより近くに、を示すのに用いられ、「外側に」および「外側の」は軸から離れてまたは概して軸のより遠くに、を示すのに用いられる。）

以下に説明するように、封止部10はさらに、内部空間20に配置される封止要素と、バランス要素と、アダプタとを含む。ロック環22は、封止スリーブ26がハウジングクランプ14とグランドハウジング18とによって画成される内部空間20内に延びた状態で、封止スリーブ26のシャフトの周りの位置を保持するように構成される。封止スリーブ26およびロック環22は、シャフトに取り付けられ、シャフトと共に回転する。

図2A、2B、および2Cにおいて、封止部10は処理容器の壁部30に取り付けられて、処理容器の壁部30を貫通して延びるシャフト34に沿った流体の流れを制限する。封止要素38、バランス要素42、およびアダプタ46が、グランドハウジング18によって画成された内部空間20内に配置される。グランドハウジング18は、処理容器の内部領域54と、バリア流体空間50との間の双方向封止部をもたらすことができる。バリア流体空間50は、グランドハウジング18と、封止要素38と、バランス要素42と、アダプタ46とによって画成される。封止要素38は、封止部10の軸24に対して半径方向に移動することによって、シャフト34の水平移動、および/またはシャフト半径における振動を相殺することができる。例えば、封止要素38およびグランドハウジング18が熱膨張係数の異なる材料で形成されている場合、熱的効果によって、封止要素38がグランドハウジング18に対して軸膨張または軸収縮する。バランス要素42は軸方向に移動することができ、このような封止要素38の熱膨張または熱収縮を相殺する。封止部10は、例えば、封止要素38が膨張および収縮する際に封止要素38の半径方向移動を許容し続けつつ、バランス要素42の軸方向移動がバランス部42と封止部38との間の封止接触を維持するように構成されることができる。

本明細書において用いられる場合、封止接触は2つの物体の間が近接しており、物体間の流体の流れを制限することを示す。例えば、2つの物体が互いに接触することなく封止接触することができる（例えば、2つの物体は潤滑油の層または、流れが制限された流体の層によって離間されている場合がある）。他の例では、流体は所望の速度で流れてもよくまたは封止接触している2つの物体間で漏れてもよい。

上述したように、封止部10は、ハウジングクランプ30によって処理容器の壁部30に取り付けられる。ハウジングクランプのボア62内に挿入されているボルト58は、処理容器の壁部30内に機械加工された取付ボア66にねじ込まれる。処理容器の壁部30内に機械加工された軸受け領域70は、ハウジングクランプ14の第一端部78を受ける。軸受け領域70とハウジングクランプ14との間の係合によって、構造安定性が得られやすくなり、また、シャフト34が貫通して延びる壁部30の開口部74に対して封止部10の位置を設定しやすくなる。ハウジングクランプ14の第二端部82は、半径方向内側に延びる凸部86を含む。ハウジングクランプ14を、ステンレス鋼、他の金属、合金などの耐久性があり、構造安定な材料で形成（例えば、機械加工）することができる。

グランドハウジング18は、処理容器の壁部30に隣接した第一部分114と、処理容器から離れている第二部分118と、第一部分114と第二部分118との間の中間部分122とを含む。グランドハウジング18の第一部分114の内部表面の周囲は、グランドハウジング18の中間部分122の内部表面の周囲よりも大きい。グランドハウジング18の中間部分122の内部表面の周囲は、グランドハウジング18の第二部分118の内部表面の周囲よりも大きい。実際に、グランドハウジング18と処理容器の壁部30とは、処理容器の壁部30に隣接した凹部を画成し、グランドハウジング18は、グランドハウジング18の第二部分118によって形成され内側に延びる凸部を含む。蟻型凹部124は、グランドハウジング18の内部表面と、半径方向に延びるグランドハウジング18の端面との間のグランドハウジング18の角部に形成される。

グランドハウジング18は、穴またはグランドハウジング18の外部表面のポート96から開口部100に延びるチャネル92を画成する。チャネル92とポート96とによって、グランドハウジングの外部表面からグランドハウジング18によって画成される内部空間20への流体連通が得られる。チャネル92およびポート96は断面の平面からずれているため、点線を用いて示されている。本態様において、チャネル92およびポート96は、グランドハウジング18の第二部分118によって画成される。チャネル92は、ポート96から、グランドハウジング18の半径方向に延びる表面126まで軸方向に延びる。グランドハウジング18を、ステンレス鋼、他の金属、合金などの耐久性があり、構造安定な材料で形成（例えば、機械加工）することができる。グランドハウジング18はまた、グランドハウジング18の半径方向に延びている表面126に凹部128を画成する。凹部128に配置された封止部（例えば、Oリング146）は、グランドハウジング18および封止要素38と係合する。Oリング146によって封止接触が得られ、バリア流体がバリア流体空間から大気中に流れるのを制限（例えば、防止）する。

グランドハウジング18の外部表面に機械加工された溝90は、ハウジングクランプ14の凸部86を受ける。グランドハウジング18の溝90と、ハウジングクランプ14の凸部86との間の係合によって、グランドハウジング18の位置が設定される。ハウジングクランプ14は、通常動作状態においてグランドハウジング18の動きが制限される（例えば、防止される）ように、処理容器の壁部30に接しているグランドハウジング18を圧縮する。本態様において、溝90は、グランドハウジング18の中間部分122によって画成される。

ねじ山を備えたボア102および軸受け106は、グランドハウジング18の外表面から内表面へ延びるように形成されている。ボア102にねじ込まれ、ボア102を貫通するピン110は、グランドハウジング18の内部空間20内に延びる。本態様において、ボア102および軸受け106は、グランドハウジング18の中間部分122によって画成される。アダプタ46は、処理容器の壁部30に隣接した第一部分130と、処理容器の壁部30から離れている第二部分134と、を含む。アダプタ46の第一部分130の内部表面の周囲は、アダプタ46の第二部分134の内部表面の周囲よりも小さい。実際に、アダプタ46の第一部分130は、アダプタ46の第二部分134に対して半径方向内側に延びる。アダプタ46の第一部分130の外部表面の周囲は、グランドハウジング18の第一部分114の内部表面の周囲よりもやや小さく、アダプタ46の第二部分134の外部表面の周囲は、グランドハウジング18の中間部分122の内部表面の周囲よりもやや小さく、アダプタ46の第一部分130の軸方向長さはグランドシール18の第一部分114の軸方向長さと一致し、それによってアダプタ46はグランドシール18内に入れ子（nest）にされる。アダプタ46を、例えば、フッ素重合体（例えば、Teflon（商標））などの非腐食性材料または熱可塑性物質で形成することができる（例えば、モールド成型または機械加工される）。アダプタ46の第一部分130の外部表面に画成された溝138は、封止部（例えば、Oリング146）を受けるサイズに形成することができる。凹部138は、グランドハウジング18における対向蟻型凹部124に配置され、グランドハウジング18に向けて外側に開放され、かつ、処理容器の壁部30に向けて水平方向に開放される。凹部138に配置されたOリング146は、壁部30およびグランドハウジング18の内部表面、さらにアダプタ46と係合する。Oリング以外の封止部（例えば、ガスケットまたは射出成型用複合材料）が設けられ得る態様もある。

周方向溝142もアダプタ46の外部表面に画成される。溝142は、グランドハウジング18を通って延びる（例えば、グランドハウジング18の外部表面に対する接線と平行に延び、かつアダプタ46の外部表面の周囲に沿って延びる小さい弧（5〜10°）をまたいで延びるように配置される）穴の対（不図示）と位置合わせされる。ピン148は、穴（不図示）内を通ってグランドハウジング係合溝142に挿入されてグランドハウジング18に対するアダプタ46の位置を維持する。

封止部を受けるサイズに形成された別の凹部150が、アダプタ46の第二部分134の外部表面に画成される。凹部150に配置される別のOリング146は、グランドハウジング18の内部表面およびアダプタ46と係合する。凹部150は、（例えば、グランドハウジング18の内部表面と、アダプタ46の外部表面と、バランス要素42との間の間隙を通って）バリア流体空間50と流体連通する。こうして、バリア流体圧が、凹部150におけるOリング146の右側すなわち「バリア」側にかけられる。［本明細書において用いられる場合、「右」および「左」は論じられている図面に対する方向を示し、任意の絶対的な向きを暗示的に述べるよりも説明を容易にするために用いられる。］

バランス要素42は、第一部分154と、第二部分158と、中間部分162と、を含む。バランス要素42の第一部分154と、第二部分158と、中間部分162との外部表面の周囲は、それぞれアダプタ46の第一部分130と、グランドハウジング18の中間部分122と、アダプタ46の第二部分134との内部表面の周囲よりもやや小さく、それによってバランス要素42はアダプタ46およびグランドハウジング18内に入れ子にされることが可能である。バランス要素42は、アダプタ46およびグランドハウジング18に対して軸方向に移動することができる。バランス要素42を、例えば、フッ素重合体などの非腐食性材料で形成することができる（例えば、モールド成型または機械加工される）。

バイアス部材（例えば、弾性コイルばね174）がアダプタ46とバランス要素42との間に配置されている。コイルばね174は、バランス要素42の第二部分158内を軸方向に延びるように画成されたボア178内に受けられる。コイルばね172は、平坦で半径方向に延びるアダプタ46の端面と係合する。コイルばね174は、封止部10が組み合わされた際に、コイルばね174が圧縮され、アダプタ46とバランス要素42とを互いから離すようにバイアスするようなサイズおよび構造に形成される。アダプタ46の位置は固定されるため、コイルばね174はバランス要素42を封止要素38に向けてバイアスする。以下により詳細に説明するように、アダプタ-ばね-バランス要素の組み合わせは、グランドハウジング18に対する封止要素38の熱膨張の差分を相殺し、封止要素38の半径方向移動を許容しつつ、封止部品間の係合を封止接触が得られる程十分に維持することができる。コイルばねでなく、バイアス部材や弾性部材を用いて実現されることのできる封止態様もある。

バランス要素42の外部表面は、バランス要素42の部分154および162の間、ならびに部分162および158の間を半径方向外側に延びる。アダプタ46の半径方向に延びる端面と、半径方向にバランス要素42の第二部分158と中間部分162との間を延びるバランス要素42の外部表面と、の間の係合によって、処理容器の壁部30に向かうバランス要素42のの軸方向移動が制限される。バランス要素42の第一部分154の軸方向長さおよびアダプタ46の第二部分134の軸方向長さは、共にバランス要素42の中間部分162の軸方向長さより長い。こうして、バランス要素42の外部表面と、アダプタ46の内部表面とが封止空間166を画成する。

封止空間166に配置された封止部（例えば、Oリング146）は、バランス要素42の外部表面およびアダプタ46の内部表面と係合する。封止空間166は、バリア流体空間50および処理容器の内部領域54と流体連通している。こうして、バリア流体圧が、Oリング146の右側すなわちバリア側にかけられ、反応流体圧が、Oリング146の左側すなわち処理側にかけられる。

凹部170が、バランス要素42の第二部分158の端面に画成される。凹部170は、バランス要素42の第一部分154の外周よりもやや外側に配置される。凹部170に配置された封止部（例えば、Oリング146）は、バランス要素42および封止要素38と係合する。凹部170は、バリア流体空間50、および処理容器の内部領域54と流体連通することができる。凹部/Oリングの組み合わせでなく、他の封止部（例えば、バランス要素42から延びる対向リップシール）を用いて実現される封止態様もある。

バランス要素42の第二部分158の端面は、バランス要素42の内部表面および外部表面において、凹部170に隣接する第二部分158の軸方向長さが第二部分158の軸方向長さより長くなるような曲面/傾斜面である。この構成によって、バランス要素42と、封止要素38との間の接触面積が減少させ、それによって摩擦を減少させることができ、かつ、封止要素38の角運動をある程度許容することがでできる。

同様に、バランス要素42の内部表面は、バランス要素42の第一部分154と中間部分162との間の移行部に（半径方向に延びるのでなく）傾斜面を含む。傾斜面によって、封止スリーブ26にバランス要素42の第一部分154に対するクリアランスができ、その厚みによって構造安定性が得られる。

封止要素38は軸方向に延び、リップシール186と、本体182から内側に延びる軸受け凸部190とを支持する本体182を含む。周辺リップシール186および軸受け凸部190は、本体182と一体的に形成される。（本明細書において用いられる場合、「と一体的に形成される」は、（例えば、接着剤、機械接合、はんだ付により）互いに取り付けられた複数の構成部品とは反対に、単一の全体の部品である複数の構成部品を示す。）封止要素がリップシールと一体的に形成されることによって、分離されたリップシールが別体の本体に取り付けられる封止部品と比べて部品点数が減少するので、製造および組み立てがより容易になり、信頼度が増し、小型化、コスト削減が可能になる。

封止要素38を、封止特性が良く弾性のある非腐食性材料（例えば、フッ素重合体またはゴム）で、周辺リップシール186が、内側に延びる軸受け凸部190よりもさらに本体182から内側に延びるように形成することができる（例えば、モールド成型または機械加工される）。封止部10が組み立てられると、封止スリーブ26との係合によって、リップシール186が封止要素38の本体182に向けて傾く。リップシール186は弾性材料で形成され、リップシール186がその元の向きに向けてバイアスされることによって、リップシール186と封止スリーブ26との間の係合が維持される。封止要素182が移動していない（例えば、シャフト34が中心にある）とき、軸受け凸部190は封止スリーブ26からやや離れている。

アダプタ42に最も近いリップシール対186aは、処理容器の内部領域54と流体連通する凹部194を画成する軸受け凸部190の対によってまとめられる。リップシール対186aのリップシール186は、その端部がバランス要素42に向くように配置されており、他のリップシール対186bおよび186cから離れた側部、、すなわちプロセス側に加圧流体が存在することによって動作する。他の2つのリップシール対186bおよび186cは、凹部198を画成する軸受け凸部190の対によってまとめられる。リップシール対186bのリップシールはその端部がリップシール対186cに向くように、すなわち対向するように配置されて、リップシール対186cのリップシールはその端部がリップシール対186bに向くように、すなわち対向するように配置される。リップシール対186bおよび186cのリップシールは、それらの間に加圧流体が存在することによって動作する。封止要素38の外部表面から内部表面に延びるチャネル（不図示）によって、バリア流体空間50と凹部198との間が流体連通され、当該チャネルはリップシール対186bとリップシール対186cとの間の凹部198に開放される。複数のリップシール対186a、186b、および186cは、以下により詳細に示すように双方向封止部をもたらすことができる。

ピン110はグランドハウジング18にねじ込まれ、グランドハウジング18を通って、封止要素38の外部表面に画成されるボア200にねじ込まれる。ピン110によって封止要素38がグランドハウジング18に対して回転することが防止される。しかし、ボア200は、封止要素38がグランドハウジング18に対して径方向移動することを可能にする十分な半径方向長さを有する。

上述したように、封止スリーブ26のシャフト34上の位置はロック環22によって保持される。封止スリーブ26は、半径方向外側に延びてロック環22の嵌合凹部206と係合する凸部202を含む。封止スリーブ26の内部表面に画成される2つの凹部210は封止部（例えば、Oリング146）を受ける。凹部210は、Oリングが2つの外側への凸部においてシャフト34の表面と係合して、シャフト34と封止部10との間を封止するように配置される。凸部202の反対側の封止スリーブ26の端部は、二段傾斜表面を有するように形成される（例えば、モールド成型または機械加工される）。二段傾斜表面は、封止スリーブ26の半径方向に延びる端面214と第二傾斜表面216との間に位置する第一傾斜表面212を含む。第二傾斜表面216は、第一傾斜表面212と、封止スリーブ26の軸方向に延びる外部表面218と、の間に位置する。第一傾斜表面212は、封止スリーブ26の軸方向に延びる外部表面218に対して155°と165°との間の角度α₁で延び、第二傾斜表面216は、封止スリーブ26の、軸方向に延びる外部表面218に対して165°と175°との間の角度α₂で延びる。封止スリーブ26は、例えば、セラミックまたは、酸化物被覆されたクロムもしくは他の適切な材料等の金属などの、耐久性がある材料で形成され得る（例えば、モールド成型または機械加工される）。

組み立ての際、グランドハウジング18を、グランドハウジング18の第二部分118が下側になるように方向づけることができ、それによって重力が種々の構成部品を適切な位置に保持するのを助ける。Oリング146は、種々の構成部品が組み立てられる際に設けられてもよい。

封止要素38をグランドハウジング18によって画成される内部空間20に挿入することにより、封止部10を組み立てることができる。封止要素におけるボア200は、グランドハウジングのボア102およびボア102にねじ込まれてボア200内に延びるピン110と位置合わせされることが可能である。その後、バランス要素が空間20内に挿入されて封止要素38上に置かれる。ばね174は、その後バランス要素42内のボア178内に配置されてもよい。アダプタ46は、その後空間20内に配置さればね174および/またはバランス要素42上に置かれてもよい。その後、アダプタ46は、ピン148がグランドハウジングの穴（不図示）を通って挿入されることができるまで封止要素38に向けて押され（バネ174を圧縮し）て溝142と係合し、アダプタ46のグランドハウジング18に対する位置を維持する。その後、ハウジングクランプ14の2つの半分はグランドハウジング18と係合するよう配置され、組み立てられた構成部品が処理容器の壁部30にボルト止めされる。ボルト58は、ハウジングクランプ14がグランドハウジング18を処理容器の壁部30に対して圧縮するように締められる。封止スリーブ26は、ロック環22の2つの半分が互いにボルト止めされてる前にシャフト34上の適切な位置に配置されることができ、封止スリーブ26を適切な位置に保持する。

シャフト-封止スリーブ-ロック環の組立体は、別の構成部品が処理容器の壁部30に取り付けられる前または後に封止要素38と係合されることができる。挿入プロセスに関する力がかけられる方向に向けてリップシール対186aおよび186cが屈曲していることが望ましいので、リップシール対186aおよび186cの向きによって、シャフト-封止スリーブ-ロック環の組立体の挿入が助けられる。しかし、挿入プロセスに関する力がかけられるのと反対の方向に、リップシール対186bのリップシールが屈曲していることが望ましいので、封止スリーブ26の面取りされた端部がリップシール186bを過ぎて挿入される際には特別な処理が必要となる。リップシール対186bのリップシールは、リップシール対186cのリップシールに向かって分散屈曲して内側に延びるように形成される。シャフト-封止スリーブ-ロック環組立体が挿入される際、二段傾斜表面の第一傾斜表面212は、リップシール対186bのリップシールの端部と係合し、リップシールの休止位置から、封止スリーブ26が挿入されてくる方向に向けて（例えば、バリア側に）リップシールを屈曲させ始める。リップシール対186bのリップシールと、二段傾斜表面と、の間の係合点が第二傾斜表面216に移動すると、リップシールはその「屈曲」位置に配置される。

図2Aおよび2Bは共に封止部10によって得られる双方向封止部を示す。使用中には、グランドハウジング18のポート96は、加圧されたバリア流体源に接続される。バリア流体は、バリア流体空間50を満たし、（バランス要素42とアダプタ46との間の）封止空間166、および封止要素38の凹部198に流れ込む。バリア流体は内側（すなわち、バリア側）への力を封止要素38と封止スリーブ26との間の封止接触の維持を助ける封止要素38にかける。

バリア流体圧がプロセス圧力より大きいとき、正の圧力差分があり、封止空間166のOリング146が図2Aに示されるようにプロセス側（図中左側）に向けて付勢される。バリア流体およびプロセス流体は共にバランス要素42の両端に存在する。しかし、上述したように、凹部170はバランス要素42の第一部分154の外周よりも軸からやや離れた位置に位置する。したがって、バランス要素42のバリア側（右側）のエリアよりも大きい、バランス要素42のプロセス側（左側）エリアにバリア流体圧がかけられる。また、バリア流体圧がプロセス流体圧に対して比較的大きいことによる、バランス要素42の両側におけるこの正の圧力差分がバランス要素42を封止要素38に向けて付勢する。

プロセス圧がバリア流体圧に対して比較的大きい（すなわち、圧力差分が負である）とき、封止空間166のOリング146はバリア側（図中右側）に向けて付勢され、図2Cに示されるようにバランス要素42と封止接触する。したがって、バランス要素42のバリア側（右側）のエリアよりも比較的大きい、バランス要素42のプロセス側（左側）のエリアにプロセス流体圧がかけられる。バリア流体圧がプロセス流体圧に対して小さいことによる、バランス要素42の両側における負の圧力差分が、バランス要素42を封止要素38に向けてさらに付勢する。

こうして、バランス要素42にかけられる軸方向力は、封止要素38の半径方向の移動を許容しつつ、封止要素38と、バランス要素42およびグランドハウジング18の両方と、の間の封止部の係合を封止接触が得られる程十分に維持するよう構成されたばね174に主に起因する。

リップシール対186bと、リップシール対186cとの間に存在するバリア流体がこれらの封止部を動作させる。バリア流体圧がプロセス圧より大きい（すなわち、圧力差分が正である）ときに、バリア流体がリップシール対186aと接触したとすると、リップシール対186aのリップシールは動作できなくなる。しかし、リップシール対186bはリップシール対186aをバリア流体から離間させる。プロセス圧がバリア流体圧より大きいとき（すなわち、圧力差分が負である）ときに、プロセス流体圧によって動作するリップシール対186aのリップシールによって、封止スリーブ26の封止要素38との間の主な封止部が得られる。

図3Aおよび3Bは共にシャフト34の半径方向移動を相殺する封止部10の動作を示す。図3Aは、シャフト34が、封止部10に対して中心から（図示されている封止部の部分よりも下側に）ずれているときの封止要素38の位置を示す。シャフト34が半径方向に移動する前に、リップシール186が封止スリーブ26と効果的に接触しているが、軸受け凸部は封止スリーブ22から離れている。シャフト34及び封止スリーブ26が半径方向に移動すると、リップシール186が屈曲し、封止スリーブ26が軸受け凸部190と接触する。封止スリーブ26によって軸受け凸部190にかけられる力によって、封止要素38が半径方向移動に追随し、図3Bに示すように封止要素が外側に支持される。凸部190がなかった場合には、リップシール186はシャフト34の半径方向移動を相殺するためにさらに屈曲することになる。凸部190は、リップシール186が変形の弾性領域内に維持されるように、リップシール186の屈曲の大きさを制限することができる。

図4Aおよび4Bは共に封止要素38への熱的効果を相殺する封止部10の動作を示す。封止要素38と隣接する構成部品との間の封止を与える程度に十分に、ただし封止要素38を適切な位置に固定し、半径方向移動を制限する係合強度より小さい強度で係合するように、所定の程度に封止部品間の係合を維持することによって、図3Aおよび3Bを参照して上述されたシャフト34の半径方向移動の相殺が部分的に可能となる。封止要素38に、弾性のある非腐食性材料（例えば、フッ素重合体またはゴム）のリップシール186の総合体を形成することが望ましい。封止ハウジング（例えば、ハウジングクランプ14およびグランドシール18）を耐久性があり、構造安定な材料（例えば、ステンレス鋼）で形成することが望ましい。しかし、リップシール186の総合体を形成するのに適当な材料で形成された封止要素38によって、封止要素38にはグランドハウジング18に対する熱膨張の差分が生じる。封止要素38を細長くすることによって、このような熱的効果の差分は主に、相対的な軸方向膨張および収縮として示される。例えば、封止要素38は、シャフト34が回転し始めるときにL₁の初期長さを有することができる（図4Aを参照のこと）。処理容器の動作およびシャフト回転によって生じる熱によって、封止要素が軸方向に膨張でき、比較的大きい長さL₂になる（図4B参照のこと）。このように封止要素が延びると、バランス要素42が軸方向にプロセス方向（図中左側）に移動し、相殺する。バランス要素42の軸方向移動によって、十分な係合が維持され、封止要素38と隣接する構成部品との間に封止接触が得られるが、封止要素38の半径方向移動は未だ許容され、シャフト34の半径方向移動を相殺する。

本発明の多くの態様を説明した。それでも、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、種々の修正が可能であることが理解されるであろう。例えば、アダプタ46が封止部10の別体の要素ではなく、グランドハウジング18の一部として一体的に形成される態様もある。また、他の例では、図示される封止部が、例えば反応容器、混合容器、ポンプ等の封止を含む他の用途に用いられることができる。他の例では、バランス要素42を封止要素38に向けてバイアスするために、他の弾性部材（例えば、ベルビルワッシャ、波形ばね等）をばね174/ボア178の組み合わせの変わりに用いることができる態様もある。

このように、他の態様も添付の特許請求の範囲に含まれる。

Claims (24)

1. シャフトを中心に周囲に延びる封止部であって:
   前記封止部の中心軸に向けて開放された内部空間を画成するハウジングと;
   封止接触を維持するように前記内部空間内を半径方向に移動し、前記ハウジングの前記内部空間内に配置されるように構成される封止要素と;
   前記封止要素と前記ハウジングとの間に配置され、該封止要素と該ハウジングとの間の流体の流れを制限する封止接触を維持する第一封止部と;
   封止接触を維持するように前記内部空間内を軸方向に移動し、前記ハウジングの該内部空間内に配置されるように構成される第一要素と;
   前記第一要素と前記封止要素との間に配置され、前記封止要素が前記第一要素に対して半径方向に移動する間に前記封止要素と前記第一要素との間の流体の流れを制限する封止接触を維持する第二封止部と;
   前記第一要素と接触するように配置され、封止要素の端面が軸方向に移動する間に前記第一要素と前記第二要素とが封止接触を維持するように該第一要素を前記封止要素との封止接触点に向けてバイアスするように構成されるバイアス部材と;
   前記第一要素と前記ハウジングとの間に配置され、該ハウジングと該第一要素との間の流体の流れを制限する封止接触を維持する第三封止部と
   を備える、封止部。
2. 第一要素とハウジングとの間に配置される第二要素をさらに備え、第三封止部が前記第一要素と前記第二要素との双方によって画成される第三封止空間に配置される、請求項1記載の封止部。
3. 第三封止部が、第一圧力で第一流体貯水容器と流体連通する空間の第一部分と、第二圧力で第二流体貯水容器と流体連通する前記空間の第二部分との間の流体の流れを制限するように配置される、請求項2記載の封止部。
4. 第三封止部の両側における第一圧力と第二圧力との間の圧力差分が、前記第一圧力が比較的大きいとき第一要素を封止要素に向けてバイアスし、前記第二圧力が比較的大きいとき前記第一要素を前記封止要素にバイアスする、請求項3記載の封止部。
5. 第三封止部が、第三封止空間内で第一圧力と第二圧力との間の圧力差分に応じて軸方向に移動するように動作できる、請求項3記載の封止部。
6. 第三封止部が、第三封止空間内で圧力差分に応じて軸方向に移動するように動作でき、前記第三封止部が第一圧力が比較的大きいときは第一位置に向けて、前記第一圧力が比較的小さいときは第二位置に向けて付勢される、請求項5記載の封止部。
7. 第三封止部が、Oリングを備える、請求項5記載の封止部。
8. 封止要素が:
   封止要素本体と;
   前記封止要素本体と一体的に形成され、該封止要素本体から延びる複数の第一ランド（land）凸部と;
   前記封止要素本体と一体的に形成され、該封止要素本体から延びる複数の第二リップ凸部とを備え;
   前記第二リップ凸部が、該第二リップ凸部が前記第一ランド凸部よりも前記本体から比較的遠くに延びる位置に向けてバイアスされる、請求項1記載の封止部。
9. 第二凸部のそれぞれが、封止部材内に挿入された環状部材と接触することによって屈曲するよう配置された弾性凸状部を画成する、請求項8記載の封止部。
10. 第二リップ凸部が、対ごとに配置され、前記第二リップ凸部の第一の対の先端が前記第二リップ凸部の第二の対に向けて屈曲し、凸部の第二の対の先端が前記第二リップ凸部の第一の対に向けて屈曲し、第二リップ凸部の第三の対の先端が第二リップ凸部の前記第一の対および前記第二の対から離れる方向に屈曲する、請求項9記載の封止部。
11. 環状部材の第一端部が、該環状部材の半径方向に延びる端面と第二傾斜表面との間に第一傾斜表面を画成し、前記第二傾斜表面が、前記第一傾斜表面と前記環状部材の軸方向に延びる外部表面との間に位置する、請求項9記載の封止部。
12. 第一傾斜表面が、環状部材の軸方向に延びる外部表面に対して155°と165°との間の角度で延び、第二傾斜表面が、前記環状部材の軸方向に延びる外部表面に対して165°と175°との間の角度で延びる、請求項11記載の封止部。
13. 第一ランド凸部が、第二リップ凸部よりも比較的柔軟性が低い、請求項8記載の封止部。
14. ハウジングから封止要素に画成されるボア内に延びて、前記封止要素の前記ハウジング内における半径方向の移動を許容しつつ、前記封止要素の前記ハウジングに対する回転を制限するピンをさらに備える、請求項1記載の封止部。
15. 封止部が、スプリットシールを備える、請求項1記載の封止部。
16. シャフトを中心に周囲に延びる封止部であって:
    前記封止部の中心軸に向けて開放される空間を画成する環状ハウジングと;
    少なくとも部分的に前記空間内に配置され、該空間内で半径方向に移動できる封止要素とを備え;
    前記封止要素が:
    封止要素本体と;
    前記封止要素本体と一体的に形成され、該封止要素本体から延びる複数の第一ランド凸部と;
    前記封止要素本体と一体的に形成され、該封止要素本体から延び、前記第一ランド凸部よりも前記封止要素本体から比較的遠くに延びる位置に向けてバイアスされる複数の第二リップ凸部と
    を備える、封止部。
17. 第二リップ凸部のそれぞれが、封止部材内に挿入された環状部材と接触することによって屈曲するよう配置された弾性凸状部を画成する、請求項16記載の封止部。
18. 第二リップ凸部が、対ごとに配置され、前記第二リップ凸部の第一の対の先端が前記第二リップ凸部の第二の対に向けて屈曲し、前記第二リップ凸部の前記第二の対の先端が前記第二リップ凸部の前記第一の対に向けて屈曲し、第二リップ凸部の第三の対の先端が第二リップ凸部の前記第一の対および前記第二の対から離れる方向に屈曲する、請求項17記載の封止部。
19. ハウジングから封止要素に画成されるボア内に延びて、前記封止要素の前記ハウジング内における半径方向の移動を許容しつつ、前記封止要素の前記ハウジングに対する回転を制限するピンをさらに備える、請求項16記載の封止部。
20. 回転シャフトを中心とする封止方法であって:
    前記シャフトを中心として封止ハウジングを配置する段階;
    周辺封止要素を前記シャフトに向けて開放される封止ハウジング空間に配置する段階であって、前記周辺封止要素が前記空間内を半径方向に移動する間に、前記シャフトの外部表面に沿った流体の流れを制限しつつ、封止接触を維持するように前記封止要素が取り付けられる段階;および
    周辺第一要素を前記封止ハウジング空間に配置する段階であって、前記第一要素が前記空間内を軸方向に移動する間に、前記シャフトの外部表面に沿った流体の流れを制限しつつ、封止接触を維持するように前記第一要素が取り付けられる段階
    を備える、封止方法。
21. バイアス部材を用いて、第一要素を封止要素との封止接触部に向けてバイアスする段階をさらに備える、請求項20記載の方法。
22. 封止要素の基板と一体的に形成され、該封止要素の基板から延びるリップシールの第一の対と、リップシールの第二の対とを提供する段階;および
    前記リップシールの前記第一の対と、前記第二の対との間に加圧流体をかける段階
    をさらに備える、請求項20記載の方法。
23. 封止要素に、環状本体と、該本体と一体的に形成され、かつ該本体から半径方向内側に延びる複数のリップシールとを設ける段階をさらに備える、請求項20記載の方法。
24. リップシールの一つが、シャフトを中心として配置される環状部材の第一傾斜表面と係合する段階;および
    前記リップシールの一つを、前記シャフトが前記封止要素を通って挿入されてくる方向に向けて屈曲させる段階
    をさらに備える、請求項23記載の方法。

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