JP2012529602A - 摩擦監視装置を備えるメカニカルシール - Google Patents

Abstract

本発明は、一方が回転部品（２）と一緒に回転するように設けられ、他方が回転部品（２）と一緒に回転することがないようにトルクプルーフ方式で固定部品（２０）に保持されている少なくとも１組の相互作用するシールリング（３、４）と、動作状態の監視のための監視装置（６）とを備えるメカニカルシールに関する。本発明は、前記監視装置（６）が、ビームの曲がりを検出するためのセンサ素子、特にはひずみゲージを備えており、固定シールリング（４）の凹所（１４）に配置され、所定の予張力にて前記固定シールリングの凹所（１４）の壁（１４ａ）に触れているビーム（７）と、前記凹所（１４）に対する前記ビーム（７）の位置を調節するための調節装置とを備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、動作状態を監視するための監視装置を備えるメカニカルシールに関する。

メカニカルシールは、さまざまな実施形態にて、従来技術から知られている。動作の際に、メカニカルシールのシールリングの間に摩擦力が生じる。摩擦力の強さは、摺動面が互いに接触しているか否か、あるいは摺動面の間に潤滑膜が存在するか否かに依存する。用語「潤滑膜」は、流体媒体の膜だけでなく、ガス潤滑メカニカルシールの場合の気体膜も指す。潤滑膜が充分にはもたらされていない場合、シールリングの間に摩擦力が生じうる。摩擦力の強さは、シールリングの摺動面が互いに接触しているか否かに大きく左右される。多くの場合に、いわゆる混合摩擦が生じ、すなわち潤滑膜が摺動面を完全には覆わず、シールリング間の固体状態の摩擦の割合が高くなる。したがって、摺動面のトライボロジー的状態を判断するために、存在する摩擦力を検出する必要がある。摩擦力が、固体状態の摩擦の割合がどれくらい大きいかについて、明確な目安をもたらす。

ＤＥ ２０ ２００７ ００１ ２２３．３ Ｕから、固定部品と回転シールリングとの間の回転力クロージャ（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｆｏｒｃｅ ｃｌｏｓｕｒｅ）に設けられた力検出装置を備えるメカニカルシール用の監視装置が知られている。ここでは、力検出装置が、二次シールの背後の圧力解放部の固定シールリングに配置されている。しかしながら、この公知の監視装置は、比較的労力を要し、したがって高価な構造となる。

独国実用新案第２０ ２００７ ０１ ２２３．３号

したがって、本発明の根底にある目的は、固定シールリングにおいて直接的に摩擦トルクを割り出すことができる一方で、単純な構造を有しており、容易かつ低コストで製造することができる監視装置を備えるメカニカルシールを提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴を備えるメカニカルシールによって達成される。従属請求項が、本発明の好ましいさらなる展開を示している。

すなわち、本発明によれば、固定シールリングにおいて摩擦トルクを直接的に割り出すことが可能である。これにより、摺動面のトライボロジー的状態の確実な判断が可能になり、したがって、例えば摺動面の摩耗の増加への対策を早い段階で始めることが可能になる。本発明によれば、センサ素子（特には、ひずみゲージ）を備えたビームを備える監視装置が設けられ、センサ素子は、ビームの曲げを検出することができる。ビームは、固定シールリングの凹所に配置され、凹所に対するビームの位置を、調節装置によって変更し、その後に固定することができる。ビームは、所定の予張力（ｐｒｅｔｅｎｓｉｏｎ）にて固定シールリングの凹所の壁に触れるように凹所に配置される。この所定の予張力は、ビームが固定シールリングに確実に接触した状態にあることを保証し、したがってメカニカルシールのシールリングの間に摩擦が生じた時に、速やかにビームの曲げが生じ、これをセンサ素子によって検出することができる。本発明の監視装置の構造は、きわめて簡潔かつ費用対効果に優れ、さらにはきわめてコンパクトである。加えて、監視装置が、メカニカルシールの大気の領域に配置され、したがって高い圧力に対する精巧な技術的手段を備える必要がない。

好ましくは、ビームは、監視装置を別個のモジュールとして設けることができるようにセンサハウジング内に配置される。特に好ましくは、調節装置が、メカニカルシールのハウジング部品への調節可能な固定のための長穴をセンサハウジング内に備えている。

さらに好ましくは、監視装置は、ビームが所定の予張力における固定シールリングの凹所のビームの位置を表示するように構成された表示装置を備える。表示装置は、好ましくは、光学および／または音響による表示装置である。

特に好ましくは、監視装置のビームは、固定シールリングの半径方向に凹所内に配置される。これにより、特には、監視装置の使用によってメカニカルシールの軸方向の構成長が大きくなることが防止される。さらに好ましくは、センサハウジングも、固定シールリングの半径方向外側に配置される。

本発明のさらなる好ましい実施形態によれば、監視装置は、ビームおよび固定シールリングの凹所に配置されるピンをさらに備える。結果として、固定シールリングへと伝えられた摩擦トルクが、最初にピンへと伝えられ、次いでビームへと伝えられる。ピンは、好ましくは検出装置のビームへと圧入され、特に好ましくはビームに対して約９０°の角度に配置される。特に好ましくは、ピンが、実質的に固定シールリングの軸方向に配置される。

以下で、好ましい実施形態を、添付の図面を参照して説明する。

本発明の第１の実施形態によるメカニカルシールの概略の断面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿ったメカニカルシールの概略の断面図である。 第１の実施形態のメカニカルシールの斜視図である。 本発明の第２の実施形態によるメカニカルシールの断面図である。

以下で、本発明の第１の実施形態によるメカニカルシール１を、図１〜３を参照して詳しく説明する。

図１から見てわかるとおり、メカニカルシール１は、回転部品としてのシャフト２を備えており、シャフト２に回転スリーブ１５が取り付けられている。スリーブ１５は、回転シールリング３をシャフト２と一緒に回転するように保持している。さらに、メカニカルシール１は、固定部品２０に配置された固定シールリング４を備えている。シールすき間５が、大気の領域２１を圧力の領域２２に対してシールするために、公知のやり方で回転シールリング３と固定シールリング４との間に設けられている。軸方向の付勢力を、回転シールリング３への軸方向の付勢リング１８によって加えることができる。Ｏリング１７および１９が、シールリングをシャフト２および固定部品に対してシールしている。

メカニカルシール１は、図２および３に詳しく示されている監視装置６をさらに備えている。監視装置６は、ひずみゲージ８の形態のセンサ素子が配置されたビーム７を備えている。ビーム７は、曲げビームとして設けられ、ひずみゲージ８が、ビーム７の曲がりを検出することができる。ひずみゲージ８は、ケーブル１２を介して評価ユニット１１へと接続されている（図３を参照）。監視装置６は、センサハウジング９およびＬＥＤ１０をさらに備えている。図３から見てわかるとおり、センサハウジング９は、スロット９ａを備える直方体として実質的に形成され、ビーム７は、スロット９ａを通ってセンサハウジング９の外部へと延出している。ここで、ビーム７の一端が、センサハウジング９へと固定的に接続されている。さらに、センサハウジング９は、センサハウジング９の角に配置され、調節装置の一部である４つの長穴１３を備えている。長穴１３を通過するスタッドボルトにより、センサハウジング９を固定部品２０に調節可能に取り付けることができる。固定部品２０に対する位置の変更は、長穴１３によって実行することができる。監視装置６は、大気の領域２１に配置され、したがって高圧下にさらされることがない。

図２に特に示されているとおり、ビーム７は、センサハウジング９の外部へと延び、固定シールリング４の凹所１４に配置されている。すなわち、ビーム７の自由端が、センサハウジング９から突き出している。ビーム７の凹所１４への配置は、ビーム７が所定の予張力で凹所１４の壁１４ａに触れるように行われている。固定シールリング４の凹所１４は、挿入されたビーム７と凹所１４との間に遊合（ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｆｉｔ）が存在するように形成されている。ビーム７は、ビーム７の長手軸が固定シールリング４の半径方向に配置されるように凹所１４内に配置されている。

監視装置６は、例えば凹所１４の壁１４ａとの接触によるビーム７の予張力が正しい強さであることを、２つの異なる色（赤および緑）によって表示するＬＥＤの形態の表示装置１０をさらに備えている。これは、特には、センサハウジング（したがって、ビーム７）を固定部品２０に対して調整させることによって、ビーム７の予張力を調節することができるため、監視装置６の組み立てを容易にする。ビーム７が正しい予張力にて配置された場合に、監視装置は、ねじによって固定部品２０へと正しい位置にねじ留めされる。

動作時のパラメータ変更に起因し、シールすき間５における摩擦力が固定シールリング４へと伝えられる場合、この摩擦力は、片側において固定されて曲げビームとして機能するビーム７へと直接伝えられ、ビーム７の曲げを実行する。この曲げをひずみゲージ８によって検出し、評価ユニット１１によって評価することができる。ビーム７が、回転シールリング３の回転の方向に位置する予張力によって凹所１４の壁１４ａに当接していることに、注意すべきである。結果として、摩擦力の発生時の監視装置の素早い反応が保証される。

このようにして、本発明によれば、固定シールリング４における摩擦トルクの直接的な割り出しゆえに、摺動ペアの荷重状態をきわめて正確に割り出すことができる。特には、メカニカルシール１の固体状態の摩擦と流体摩擦との比がどれくらい大きいかについて、明確な指標を得ることができ、したがって相応の対応策を、早い段階で開始させることができる。さらに、凹所１４の寸法がきわめて小さいため、凹所１４を設けることによる固定シールリング４の弱体化の程度がわずかであり、監視装置６を用いても、固定シールリング４の動作の挙動への悪影響がない。凹所は、固定シールリングのシール面とは反対側の端部に配置される。さらに、監視装置６が固定シールリング４の半径方向に配置されるため、監視装置６の使用に起因してメカニカルシール１に追加の軸方向の空間を設ける必要がない。これにより、監視装置６を備えるメカニカルシール１は、軸方向の軸Ｘ−Ｘの方向にきわめてコンパクトな寸法を呈する。

以下で、本発明の第２の実施形態によるメカニカルシール１を詳しく説明するが、同一な部分または同じ機能を有する部分は、第１の実施形態と同じ参照番号によって示されている。

第２の実施形態のメカニカルシール１は、変更が加えられた監視装置６を備えることによって第１の実施形態と相違する。図４から見て取ることができるとおり、監視装置６は、ビーム７の自由端に配置されたピン２３をさらに備えている。ピン２３は、ピン２３の長手軸が長手軸Ｘ−Ｘに平行に整列するように配置されている。ここで、ピン２３は、軸方向に固定シールリング４の凹所１４に係合している。図４に示されるとおり、凹所１４も軸方向に向けられている。第２の実施形態においても、監視装置６は、監視装置６への圧力の荷重を考慮していかなる問題も生じないように、大気の領域２１に位置している。

ピン２３は、凹所１４の少なくとも１つの壁の表面に当接するように配置されている。ピン２３は、圧入によってビーム７の凹所に固定されている。例えばねじ留めおよび／または接着など、ビーム７におけるピン２３の他の固定の方法も可能である。第１の実施形態と同様に、遊合が、ピン２３と固定シールリング４の凹所１４との間にもたらされている。上述の他では、この実施形態は、第１の実施形態に一致しており、したがってそれぞれの説明を参照することができる。

Claims (10)

1. メカニカルシールであって、一方が回転部品（２）と一緒に回転するように設けられ、他方が回転部品（２）と一緒に回転することがないようにトルクプルーフ方式で固定部品（２０）に保持されている、少なくとも１組の相互作用するシールリング（３、４）と、前記メカニカルシールの動作状態の監視のための監視装置（６）と、を備え、
   前記監視装置（６）が、ビームの曲がりを検出するためのセンサ素子、特にはひずみゲージを含み、固定シールリング（４）の凹所内（１４）に配置され、所定の予張力にて前記固定シールリングの前記凹所（１４）の壁（１４ａ）に触れているビーム（７）と、前記凹所（１４）に対する前記ビーム（７）の位置を調節するための調節装置と、を備えることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記ビーム（７）は、センサハウジング（９）に固定的に取り付けられ、前記調節装置は、ハウジング部品（２０）への調節可能な固定のために前記センサハウジング内に設けられた長穴（１３）を備えることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記ビーム（７）を前記凹所（１４）に配置する時に前記所定の予張力の達成を表示するように構成された表示装置をさらに備える請求項１または２に記載のメカニカルシール。
4. 前記表示装置は、光学および／または音響による表示装置であることを特徴とする請求項３に記載のメカニカルシール。
5. 前記ビーム（７）は、前記メカニカルシールの軸方向の軸（Ｘ−Ｘ）に関して前記固定シールリング（４）の前記凹所（１４）に半径方向に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のメカニカルシール。
6. 前記センサハウジング（９）が、前記固定シールリング（４）の半径方向外側に配置されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のメカニカルシール。
7. 前記ビーム（７）に配置されて前記固定シールリング（４）の前記凹所（１４）に配置されたピン（２３）をさらに備える請求項１〜６のいずれか一項に記載のメカニカルシール。
8. 前記ピン（２３）が、前記ビーム（７）に対して約９０°の角度に配置され、かつ／または前記ピン（２３）の長手軸が、前記メカニカルシールの前記軸方向の軸（Ｘ−Ｘ）に実質的に平行に配置されていることを特徴とする請求項７に記載のメカニカルシール。
9. 前記監視装置（６）が、大気の領域（２１）に配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のメカニカルシール。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のメカニカルシールを備えるガス媒体用メカニカルシールアセンブリ。

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