JP2014105876A

JP2014105876A - ピストン圧縮機の往復動式ピストンロッドをシールするためのシール装置

Info

Publication number: JP2014105876A
Application number: JP2013246081A
Authority: JP
Inventors: Martin Lagler; ラーグラーマーティン; Christian Hold; ホルトクリスティアン; Alexander Jandl; ヤンドルアレクサンダー; Lindner-Silwester Tino; リントナー−ジルヴェスターティノ; Loedl Alexander; レードルアレクサンダー
Original assignee: Hoerbiger Kompressortechnik Holding GmbH
Current assignee: Hoerbiger Kompressortechnik Holding GmbH
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2014-06-09
Also published as: AT513495B1; EP2738430A1; US20140145403A1; AT513495A4; CN103850914A

Abstract

【課題】シールを通るシール媒体の漏れを効果的に減少させることができるシール装置を提供する。
【解決手段】シール部材（８）のうちの少なくとも１つのシール部材（８）の半径方向内側に位置する周面（２４）が、前記シール面（１２）と、該シール面（１２）に続いている引込み面（２３）とから構成されており、該引込み面（２３）は、前記シール面（１２）に対して傾斜されて配置されており、前記シール面（１２）には、前記凹所（１０）の軸方向端部（１１）とは反対の側の第２の端面（２１）が続いており、剛性の高いカバーリング（９）が設けられており、該カバーリング（９）は、少なくとも部分的に前記シール部材（８）の半径方向外側の周面（２５）に半径方向に当て付けられており且つ少なくとも部分的に前記シール部材（８）の第２の端面（２１）に軸方向に当て付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ピストン圧縮機の往復動式ピストンロッドをシールするためのシール装置であって、該シール装置の凹所に軸方向に間隔を開けて配置された第１及び第２のシール部材を備えており、これらのシール部材は、第１の端面で以て前記凹所の一方の軸方向端部に当て付けられており且つシール面で以てピストンロッドに当て付けられて配置されており、前記シール装置には、前記凹所に接続された、シール媒体用の供給導管が設けられている、シール装置に関する。

ピストン圧縮機では、高い圧力、例えば圧縮機のシリンダ内の作業圧力を有する空間は、低い圧力、例えば圧縮機のクランクケース内の大気圧を有する空間に対して、ピストンロッドに沿ってシールするべきである。このために公知の形式では、いわゆるシールパッキンが使用され、これらのシールパッキンは、ピストン圧縮機の往復運動するピストンロッドと、定置の機械部分、一般に圧縮機ケーシングとの間をシールする。このようなシールパッキンは一般に、軸方向に相前後して配置された複数のパッキンリング若しくはパッキンリングコンビネーションを有している。例えば特許文献１から明らかなように、半径方向に切断されたパッキンリングと、接線方向に切断されたパッキンリングから成るコンビネーションが最もよく用いられる。その他に、例えば特許文献２から公知のように、１つのパッキンリングが複数のリングセグメントから構成される、セグメント化されたデザインのリングも使用される。しかしながら、このようなシールは１００％密なシステムではなく、シールを通って漏出する、圧縮機の作業媒体のある程度の漏れ量を常に有している。

この漏れの問題を減らすために、特許文献３において既に、シールとして軸方向に隔てられた２つのシール部材を使用し、これらのシール部材間にシール媒体、例えばオイルを高圧でもたらすことが提案され、これにより、シール部材がシールパッキンに設けられたシール面と、ピストンロッドとに押し付けられて、シールするようになっている。このようにして、ピストンロッドに沿った圧縮機の作業媒体、例えば空気又は天然ガス等の漏れを少なくとも減少させ、理想的には無くすことを目標とするシール媒体バリアが達成される。但しこの場合は、主に往復運動するピストンロッドの表面に付着し延いてはシールから搬出されて掻き取られるシール媒体膜に基づき、シール部材とピストンロッドとの間からシール媒体が漏れる恐れがある。シール部材は、摩擦的に好適な材料、一般にプラスチックから製造されているので、運転中に作用する圧力差と、シール部材の幾何学形状とに基づいて、シール部材の変形を招く恐れがあり、この変形が、シール部材のシール面若しくはシールエッジにネガティブな影響を及ぼし延いてはシール媒体の漏れを増大させる。しかしながら、このシール媒体の漏れは最少限であることが望ましい。

ＥＰ１１４６２６４Ａ２ＵＳ４３５０３４９ＡＷＯ２０１０／０７９２２７Ａ１

したがって本発明の課題は、シールを通るシール媒体の漏れを効果的に減少させることができる、上で述べた形式のシール装置を提供することにある。

このことは、シール部材のうちの少なくとも１つの半径方向内側に位置する周面が、シール面と、該シール面に続いている引込み面とから構成されており、該引込み面は、前記シール面に対して傾斜されて配置されており、前記シール面には前記シール部材の、前記凹所の軸方向端部とは反対の側の第２の端面が続いており、更に、剛性の高いカバーリングが設けられており、該カバーリングは、少なくとも部分的に前記シール部材の半径方向外側の周面に半径方向に当て付けられており且つ少なくとも部分的に前記シール部材の第２の端面に軸方向に当て付けられている、シールのシール部材によって達成される。

カバーリングが、シール部材のシール面に続いているシール部材の第２の端面に軸方向と半径方向とに当て付けられるように配置されていることにより、カバーリングはシールエッジ若しくはシール部材とピストンロッドとの間に形成されるシールギャップの変形に能動的に介入してシールエッジを支持することになる。ピストンロッドの往復運動により、シール媒体がシールギャップに引き込まれ、これによりシールギャップ内に、シール部材を半径方向に広げようとする圧力が形成される。カバーリングにより一方では、シールギャップがピストンロッドの往復運動と、ピストンロッドに付着するシール媒体膜とに基づいて極端に大きくは開かないようにすることができる。シールギャップが極端に大きく開くと、シールを通るシール媒体の漏れの増大につながる恐れがある。他方では、カバーリングは発生する折返しモーメントに抗して、シール部材を支持してもいる。折返しモーメントは、シール部材を変形させようとするので、このこともやはり、シールエッジ若しくはシールギャップにネガティブな影響を及ぼして、シールを通るシール媒体の漏れをやはり増大させる恐れがある。

Ｌ字形のカバーリングは、簡単且つ有利にはコンパクトに形成され得る。

目標とされるべき低い摩擦力若しくは摩擦エネルギと、少ないシール媒体漏れとに関して、カバーリングが、シール部材の半径方向の高さの一部、好適には半径方向の高さの少なくとも３５％〜最大８５％において、シール部材に軸方向に当て付けられているか、又はシール面が、シール部材の軸方向の幅の最大５０％にわたって延在しているか、又は引込み面が、シール面に対して最大４°だけ傾斜されているか、又はシール部材の第２の端面が、シール面に対して少なくとも７５°だけ傾斜されているか、又はカバーリングが、シール部材の半径方向外側の周面の軸方向の幅の少なくとも２５％〜最大１００％において、シール部材の半径方向外側の周面に当て付けられていると、特に有利であるということが判った。この場合、極めて特別に有利なのは、上で挙げた構成のうちの全て、又は少なくとも複数を満たすシール部材‐カバーリングコンビネーションである。

チャンバディスクとピストンロッドとの間のギャップ内へシール部材が押し出されることにより惹起される、シール部材の変形を回避するために、凹所の軸方向端部とシール部材との間に、有利には支持リングが配置されていて、この支持リングにシール部材が軸方向に当て付けられるように配置されている。

極めて特別に好適には、支持リングの半径方向外側の、シール部材に面した軸方向ショルダが当て付けられている。このようにして、支持リングがピストンロッドに接触することを防ぐことができる。

以下に本発明を、発明を限定しない有利な構成を概略的に示す図１及び図２に基づいて詳しく説明する。

本発明によるシール装置を示した図である。本発明によるシール装置のシール部材を詳細に示した図である。

図１には、ピストン圧縮機の軸方向に往復運動するピストンロッド３を、作業媒体のシールするべき圧力差ｐ_ｄ−ｐ_ａｔ、例えばシリンダ圧ｐ_ｄとクランクケース内の圧力ｐ_ａｔとの差に対してシールするための、本発明によるシール装置１が示されている。このシール装置１は、圧縮機の定置のケーシング部材２内に配置されていて、このケーシング部材２と可動のピストンロッド３との間をシールしている。

シール装置１は、図示の実施形態では２つのＬ字形のチャンバディスク４，５を有しており、これらのチャンバディスク４，５は、図示の実施形態では分離ディスク６により、軸方向に分離されている。Ｌ字形のチャンバディスク４，５と、分離ディスク６とは、軸方向に見て互いに接触するように配置されており且つ半径方向に見てピストンロッド３から隔てられていて、これにより、チャンバディスク４，５若しくは分離ディスク６に対するピストンロッド３の接触を阻止することができ、且つ行程運動（二重矢印で図示）に対して横方向でのピストンロッド３の運動が可能になる。但し、最も簡単なケースでは、分離ディスク６を省くこともできる。また、例えばＴ字形の分離ディスクを備えた別の構成も考えられる。チャンバディスク５の半径方向外側には、シール装置１をケーシング部材２に取り付けることのできるフランジが設けられていてもよい。チャンバディスク４，５及び場合によっては分離ディスク６は、一貫して延びるボルトによって、公知の形式で保持され得る。この配置形式により、Ｌ字形のチャンバディスク４，５と、場合によっては分離ディスク６と、ピストンロッド３との間に２つの凹所１０が生ぜしめられ、これらの凹所１０には、それぞれシール部材８が配置されている。但し基本的には、１つのシール部材８だけが一方の凹所１０に設けられていてもよいか、又は各シール部材８は異なる構成を有していてもよい。シール部材８は、周方向に見て切断されていない一体のシールリングとして形成されていて、凹所１０に供給される、加圧された状態のシール媒体の作用圧により、その都度凹所１０の軸方向端部１１、つまりＬ字形のチャンバディスク４，５の半径方向脚部に押し付けられる（「軸方向」及び「半径方向」という方向付けは、ピストンロッド３の向き、即ち軸線方向に関連している）。シール部材８の半径方向外側は、チャンバディスク４，５から、つまり、チャンバディスク４，５の軸方向脚部から間隔を開けて配置されており、半径方向内側は、軸方向に延びるシール面１２で以てピストンロッド３に当て付けられている。以下に図２に関して詳しく説明するように、シール部材８には、分割されておらず、即ち一体の剛性の高い、例えば金属のカバーリング９が、半径方向と軸方向とに当て付けられている。

カバーリング９と、シール装置１に設けられた軸方向ストッパ、本実施形態では例えば分離ディスク６との間には、ばね部材１４、例えば全周にわたって配分された複数のコイルばねが配置されていてもよく、このばね部材１４は、カバーリング９延いてはシール部材８に、凹所１０の軸方向端部１１に向かって軸方向に予荷重を加える。その結果、両シール部材８はばね部材１４によって押し離される。これにより、とりわけ停止状態においてシール部材８の規定された位置を保証することができるので、シール装置１若しくは圧縮機は確実に始動することができる。

シール装置１には更に供給導管７が設けられていて、この供給導管７は凹所１０に接続されており、供給導管７を介して例えばオイル等のシール媒体が、シールするべき圧力ｐ_ｄよりも大きな、若しくは特定の構成では少なくとも圧縮機の吸込み圧よりも大きな圧力ｐ_ｏｉｌをかけられて、凹所１０に供給され得る。作業圧力ｐ_ｄが動的に変化するケースにおいては当然、ｐ_ｏｉｌ>ｐ_{ｄ，ｍａｘ}となるように設定されるか、又はシール媒体の圧力が作業媒体の圧力に動的に適合されて、これにより、常にｐ_ｏｉｌ>ｐ_ｄが成立するようになっている。シール媒体は、シール部材８若しくはカバーリング９に対して半径方向外側及び軸方向に作用し、これにより、シール部材８若しくはカバーリング９は半径方向内側に向かってピストンロッド３に押し付けられ且つチャンバディスク４，５に対して軸方向に押し付けられ延いてはシール作用を発揮する。これにより、ピストンロッド３に沿った圧縮機のシールするべきガス状の作業媒体の漏れを防ぐシール媒体バリアが生ぜしめられる。

図２には、シール部材８の有利な構成が拡大されて示されている。付加的に図２では、シール部材８と、凹所１０の軸方向端部１１との間に、任意の支持リング１３が配置されていて、この支持リング１３にはシール部材８が第１の端面２０で以て軸方向に当て付けられている。支持リング１３は、チャンバディスク４に軸方向に当て付けられている。図１に関して既に上述したように、支持リング１３を省くこともでき、この場合、シール部材８は第１の端面２０で以て凹所１０の軸方向端部１１、つまり本実施形態ではチャンバディスク４に直接に軸方向に当て付けられることになる。

シール部材８は、半径方向内側の周面２４を有していて、この半径方向内側の周面２４は、シール面１２と、シール面１２に続く引込み面２３とから構成されている。シール面１２は、シール部材８の、第１の端面２０とは反対の側の軸方向端部に設けられている。この場合、引込み面２３は、シール面１２に対して所定の角度αだけ傾斜されていて、好適にはシール面１２を第１の端面２０に接続している。シール部材８の、第１の端面２０とは反対の側に位置する第２の軸方向の端面２１は、シール面１２に対して所定の角度βだけ傾斜されて配置されていて、好適にはシール面１２に続いている。シール面１２と第２の端面２１との間のエッジは、シールエッジ２２を形成している。

つまり、シール部材８は小さなシール面１２においてしか、シール部材８が高圧（ｐ_ｏｉｌ）で押し付けられるピストンロッド３に当接していない。これにより高い摩擦作用が生じ、この摩擦作用にシール部材８は十分長く耐えねばならない。よってシール部材８は、好適には摩擦的に有利な、しかし同時に機械的に高強度で温度に対して安定した、即ち耐熱性の材料、好適には例えば変化されたＰＥＥＫ又はＰＰＳ材料等のプラスチックから製造される。この場合、シール部材８若しくはカバーリング９には、シール媒体の圧力ｐ_ｏｉｌに基づいて、シール部材８をチャンバディスク４若しくは支持リング１３に押し付け延いてはシール面１２をピストンロッド３に押し付ける力が作用する。これにより、約５０ｂａｒのシール媒体圧力ｐ_ｏｉｌにおいて、シール部材８とピストンロッド３との間に数百ニュートン、典型的には１００Ｎ〜２５０Ｎの大きさの摩擦力と、数百ワット、典型的には５００Ｗ〜１０００Ｗの大きさの摩擦エネルギとが生じる可能性がある。また、これらの力及びシール部材８の幾何学形状に基づいて、シール部材８には、このシール部材８を変形させようとする折返しモーメントＭ_ｓも作用する。特に、非常に小さなシール面１２若しくはシールエッジ２２は、折返しモーメントＭ_ｓに極めて弱く、このような折返しモーメントＭ_ｓがピストンロッド３とシール面１２との接触を妨げることにより、シール媒体の漏れが増大する恐れがある。このことを減少させる若しくは阻止するために、カバーリング９が設けられていて、このカバーリング９は、シール面１２に続いている、シール部材８の上流側の第２の端面２１に軸方向に当て付けられることにより、シールエッジ２２を変形しないように支持しており、これにより、シールエッジ２２が変形する恐れはなくなるか、又は僅かにしか変形しなくなる。このためにカバーリング９は、部分的に高さｈ_ｄにわたってシール部材８に当て付けられており、この場合、前記高さｈ_ｄは、有利にはシール部材８の高さｈ_ｒの少なくとも３５％〜８５％である。

同様に、シール部材８は運転中、特に圧縮機が複数回スタート／ストップ運転する場合、シール媒体供給系がスタート／ストップする場合、又はシール部材８が最初に慣らし運転する必要がある始動運転に際して、半径方向に拡がる恐れがある、ということが判った。このことも当然、シール媒体の漏れをやはり増大させる恐れがある。このことを防ぐために、カバーリング９はシール部材８を軸方向に見て、半径方向外側の周面２５においてもカバーしている。このためにカバーリング９は、所定の長さｌ_ｄに沿って外側の周面２５に当て付けられており、この場合、前記長さｌ_ｄは、有利にはシール部材８の外側の周面２５における幅ｂ_ｒａの、少なくとも２５％〜１００％である。これにより、カバーリング９のＬ字形の横断面が得られる。

更に、シール部材８の最も好適な運転に関して、つまり、低い摩擦力若しくは摩擦エネルギと、少ないシール媒体漏れとに関して、前記角度αが４°より小さく且つゼロよりも大きく、且つ前記角度βが７５°よりも大きく（この場合、９０°よりも大きな角度も考えられる）選択されると有利である、ということが判った。同様に、シール面１２の長さｌ_ｓが、シール部材８の内側の周面２４における幅ｂ_ｒｉの最大５０％であると有利である。

支持リング１３は、半径方向外側に、シール部材８に面した軸方向のショルダ２６を有していてよく、このショルダ２６を介して支持リング１３がシール部材８に半径方向に当て付けられていることにより、典型的には金属から製造されている支持リング１３が、ピストンリング３と接触することを防いでいる。この場合、カバーリング９は、好適にはシール部材８の幅ｂ_ｒａの、少なくとも２５％〜７５％の長さｌ_ｄに沿って外側の周面２５に当て付けられており、これにより、ショルダ２６用のスペースが提供されている。支持リング１３は公知の形式で、シール部材８の機能にネガティブな影響を及ぼす恐れのある、シール部材８の、作用する圧力差に基づくチャンバディスク４とピストンロッド３との間のギャップ内への押出しを防ぐ。

１シール装置、２ケーシング部材、３ピストンロッド、４，５チャンバディスク、６分離ディスク、７供給導管、８シール部材、９カバーリング、１１軸方向端部、１２シール面、１３支持リング、１４ばね部材、２０第１の端面、２１第２の端面、２２シールエッジ、２３引込み面、２４半径方向内側の周面、２５半径方向外側の周面、２６ショルダ、ｐ_ｄシリンダ圧、ｐ_ａｔクランクケース内の圧力、ｐ_ｏｉｌシール媒体の圧力

Claims

ピストン圧縮機の往復動式ピストンロッド（３）をシールするためのシール装置であって、該シール装置（１）の凹所（１０）に軸方向に間隔を開けて配置された第１及び第２のシール部材（８）を備えており、これらのシール部材（８）は、第１の端面（２０）で以て前記凹所（１０）の一方の軸方向端部（１１）に当て付けられており且つシール面（１２）で以てピストンロッド（３）に当て付けられて配置されており、前記シール装置（１）には、前記凹所（１０）に接続された、シール媒体用の供給導管（７）が設けられている、シール装置において、
前記シール部材（８）のうちの少なくとも１つのシール部材（８）の半径方向内側に位置する周面（２４）が、前記シール面（１２）と、該シール面（１２）に続いている引込み面（２３）とから構成されており、該引込み面（２３）は、前記シール面（１２）に対して傾斜されて配置されており、前記シール面（１２）には、前記凹所（１０）の軸方向端部（１１）とは反対の側の第２の端面（２１）が続いており、剛性の高いカバーリング（９）が設けられており、該カバーリング（９）は、少なくとも部分的に前記シール部材（８）の半径方向外側の周面（２５）に半径方向に当て付けられており且つ少なくとも部分的に前記シール部材（８）の第２の端面（２１）に軸方向に当て付けられていることを特徴とする、シール装置。
前記カバーリング（９）は、Ｌ字形に形成されている、請求項１記載のシール装置。
前記カバーリング（９）は、前記シール部材（８）の半径方向の高さ（ｈ_ｒ）の一部（ｈ_ｄ）において、好適には前記半径方向の高さ（ｈ_ｒ）の少なくとも３５％〜最大８５％において、前記シール部材（８）に軸方向に当て付けられている、請求項１記載のシール装置。
前記シール面（１２）は、前記シール部材（８）の半径方向内側の周面（２４）の軸方向の幅（ｂ_ｒｉ）の最大５０％の長さ（ｌ_ｓ）にわたって延在している、請求項１記載のシール装置。
前記引込み面（２３）は、前記シール面（１２）に対して最大４°だけ傾斜されている、請求項１記載のシール装置。
前記シール部材（８）の第２の端面（２１）は、前記シール面（１２）に対して少なくとも７５°だけ傾斜されている、請求項１記載のシール装置。
前記カバーリング（９）は、前記シール部材（８）の半径方向外側の周面（２５）の軸方向の幅（ｂ_ｒａ）の少なくとも２５％〜最大１００％において、前記半径方向外側の周面（２５）に当て付けられている、請求項１記載のシール装置。
前記凹所（１０）の軸方向端部（１１）と、前記シール部材（８）との間に支持リング（１３）が配置されていて、該支持リング（１３）に前記シール部材（８）が軸方向に当て付けられて配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のシール装置。
前記支持リング（１３）は半径方向外側に、前記シール部材（８）に面した軸方向ショルダ（２６）を有していて、該軸方向ショルダ（２６）は、前記シール部材（８）の半径方向外側に当て付けられて配置されている、請求項８記載のシール装置。