JP2014524539A - 軸受潤滑剤の保持のために、シールリング及びベローズを使用するポンプシャフトシール - Google Patents

Abstract

ケーシングアセンブリ、シャフト、及び一体型ベローズ式メカニカル面シールを特徴とする装置がもたらされる。ケーシングアセンブリは、静的軸受を収容し、潤滑油を含むように構成された包囲管を有する。シャフトは、静的な軸受に対して回転するように構成され、シャフトは回転シール面を備える回転シールを有する。一体型ベローズ式メカニカル面シールは、包囲管の静的軸受と重複し、かつこれと連結する一端と、シャフトの回転シール面と連結する静的シール面を有する別の端部と、かつ潤滑油の漏れを防ぎ、潤滑油を隔離してこれを清浄に保つように、包囲管内に収容される潤滑油に対するシールをもたらすため、圧力下において静的シール面を回転シール面に対して押し付け、静的シール面と回転シール面との間の大きな変動に適合する中間ベローズ状部と、を伴い構成される。
【選択図】 図２

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１１年８月１１日に出願された、米国特許出願第１３／２０７，９１７号（代理人整理番号第９１１−００２．０４２−１（ＦＧＩ−１１０１ＵＳ）号）に対する利益を請求し、これは本明細書において参照としてその全体を組み込まれる。

（発明の分野）
本発明は、ポンプ、若しくはポンプアセンブリ、構成、又は組み合わせに関連し、特に、このようなポンプ若しくはポンプアセンブリ、構成、又は組み合わせ（例えば垂直両吸込ポンプを含む）において、シャフトをシールする新技術に関する。

シャフトをシールする技術は当該技術分野において既知である。

例えば、プロペラシャフトを介して艇体に水が入るのを防ぐために、ベローズ式メカニカル面シールを使用する、海洋シャフトシール技術は既知である。この既知のプロペラシャフトシール用途において、シール面がボートに水が入らないようにシールし、面は、面の間の軸方向クリアランスの内径から入る水により冷却される。

揚水時に潤滑油を隔離するために市販のリップシールを使用する、既存の工業用ポンプシャフトシール技術は既知である。しかしながら、既存の工業用ポンプシャフトシール技術に関する問題には以下が挙げられる：
１）動作中、市販のリップシールは、これが静的なゴム要素と回転シャフトとの間の半径方向クリアランスを使用するので、一時的なシール条件のみを達成する。リップシールのゴム要素は摩耗により早く消耗し、これによりオイルが包囲管から漏れ出る。
２）アイドル状態の間、新しいリップシールが、包囲管の中に潤滑油を保持する。しかしながら、数週間ポンプが作動した後、摩耗したリップシールの開いたクリアランスから油が出、アルキメデスの原理により、汚れた排液が包囲管内に入る。
３）リップシールは、包囲管からの、汚れた排液を除去し制限するため、新しい潤滑油の連続的な注入に依存する。油は、ゴム要素とシャフトとの間の開いた半径方向のクリアランスを補うために、周囲に漏れ続ける。

更に、少なくとも一部、ばね構成の使用に基づくシャフトシール構成が当該技術分野において既知である（例として、米国特許第５，５６２，４０６号を参照）。ベローズシールを使用するシール構成もまた既知である（例として米国特許第６，４２２，８２２号を参照）。

上記により、工業用ポンプの業界において、垂直両吸込ポンプを含む、工業用ポンプ、若しくはポンプアセンブリ、構成、又は組み合わせにおける、シャフトのシールに関する問題を解決する、改善された設計又は技術がかねてから求められてきた。

本発明は、既存の海洋シャフトシール技術を、革新的かつ固有の様式で工業用ポンプに適用する。例として、本発明は、垂直両吸込ポンプなどの、装置の管シールを密閉するための新しい技術を提示する。本発明のいくつかの実施形態により、装置は、ケーシングアセンブリ、シャフト、及び一体型ベローズ式メカニカル面シールを、併せて特徴とする。ケーシングアセンブリは、ケーシングアセンブリ部と、静的軸受を収容し、潤滑油を収容するように構成された包囲管とを含む。シャフトは、静的軸受に対して回転するように構成され、回転シール面を備える回転シールを含む。一体型ベローズ式メカニカル面シールは、包囲管に収容された静的軸受と重複し、かつこれと連結するように構成された一端を有し、シャフトの回転シール面と連結する静的シール面を備える別の端部を有し、かつ潤滑油の漏れを防ぎ、潤滑油を隔離してこれを清浄に保つように、包囲管内に収容される潤滑油に対するシールをもたらすため、圧力下において静的シール面を回転シール面に対して押し付け、静的シール面と回転シール面との間の大きな変動に適合するように構成された、中間ベローズ状部を有するものとして構成される。

いくつかの実施形態により、本発明は、以下の特徴の１つ以上を含み得る：
一体型ベローズ式メカニカル面シールは、シール条件を達成するために、静的シール面と回転シール面との間に自己調節により閉じる軸方向クリアランスをもたらすように構成され得る。

一体型ベローズ式メカニカル面シールは、静的シール面の位置が回転シール面に対して調節されるように、静的シール面及び回転シール面が摩耗するに伴って拡張するように構成され得る。

一体型ベローズ式メカニカル面シールは、装置がアイドル状態であるときに、実質的に漏れが生じないように、アイドル状態の間に拡張して、そのシール面の間の軸方向クリアランスを閉じるように構成され得る。

ベローズ式メカニカル面シールの一端は、包囲管の端部にクランプされてもよく、回転シール面は、例えば、回転カラーのねじ付き開口部内に配置される止めねじによってシャフトに対し固定又は締結され得る。

装置は、垂直両吸込みポンプの形態をとってもよく、包囲管、シャフト、及び一体型ベローズ式メカニカル面シールは、その垂直軸に沿って互いに対して配置されてもよい。

包囲管は、垂直軸に関して一体型ベローズ式メカニカル面シールの上に配置されてもよく、潤滑油は重力供給によりシャフトを潤滑化するために供給される。

実際、本発明は、ポンプ軸受を収容する包囲管の内側で潤滑油を隔離するために、工業用垂直両吸込ポンプのケーシングアセンブリの内側にこのシール技術を組み込むことによって、工業用ポンプに既存の海洋シャフトシール技術を適用する。このように、潤滑油は清浄に保たれて保持され、よってポンプ軸受の耐用寿命を長くする。本発明は、潤滑油を隔離するために市販のリップシールを使用する、既存の工業用ポンプ技術を改善するが、これは以下の理由による：
１）動作中、少なくとも一部、先行技術のリップシールの代わりの、ベローズ式メカニカル面シール適用に基づき、連続的かつ長期に持続的なシール条件が維持される。メカニカル面シールは、シール条件を達成するために、その静止面と回転面との間の、自己調節により閉じる軸方向クリアランスを使用する。シール面が摩耗すると、メカニカル面シール技術のベローズ機構を拡張することによって、静止面が回転面に対するその位置を調節する。したがって、軸受の耐用寿命が実質的に長くなる。
２）アイドル状態の間、シール面の自己調節機構は軸方向クリアランスを０に近づけ、したがってこれは、少なくとも部分的に、リップシールの代わりにベローズ式メカニカル面シールを適用することに基づき、潤滑油の実質的に完全な隔離及び保持を維持する。
３）少なくとも一部、リップシールの代わりにベローズ式メカニカル面シールを適用することにより、ポンプ動作中に生じる環境への油の漏れが最小となり、ポンプがアイドル状態であるときに漏れが生じない。

本発明によるベローズ式メカニカル面シールのベローズ機構はまた、工業用ポンプ用途において、２つの機械的利益を有する。
−シール面を調節することを必要としない、ポンプシャフトの軸方向運動。これは、最終的に羽根車を上昇させて（impeller lift）固定する前に、シールをシャフトに取り付けることを可能にする。シールは、一度ポンプが挿入されると調節を必要としない（いくつかの場合において、ポンプが挿入された後にシールにアクセスすることは不可能であり得る）。
−シール面を損傷することなく動作中の振動を吸収する−カーボン要素にシャフト直径よりも大きな孔が開けられて、カーボン要素とシャフトとの間に静圧軸受効果が生じ、シャフト上で要素を心合わせし続ける。静圧軸受効果は、このシールが振動及び位置ずれを補正することを可能にする。

既存の海洋シャフトシール技術の工業用ポンプに対するこの適用はまれであり、これはフェローズ式メカニカル面シールの形態のこの特定の海洋シャフトシール技術が、現在に至るまで、専らボートのプロペラシャフトシールのために使用されてきたためである。ベローズ式メカニカル面シールの、工業用垂直ポンプの包囲管シールへの適用は革新的であり、これはシール面が反対方向の異なる液体をシールするためである。
−このプロペラシャフトシール用途において、シール面はボートに水が入らないようにシールし、面の間の軸方向クリアランスの内径から入る水により冷却される。
−一方で、工業用ポンプ用途において、シール面は包囲管内の潤滑油をシールし、面は、面の間の内径軸方向クリアランスから入る油によって冷却される。

ベローズ式メカニカル面シールは、回転要素、止めねじ、Ｏリング、カーボンシール面、ベローズ、及び取り付けクランプから構成され得る。ポンプ用途において、ベローズ構成要素は、包囲管の端部へとクランプされてもよく、回転シール面は、止めねじによってポンプシャフトに固定される。回転要素は、ベローズが圧迫されて２つのシール部の間に接触力が生じるようにして、シャフト上に位置する。この接触力により、ポンプが動作していないときに、シールが形成される。

図面は、以下の図を含み、これらは必ずしも縮尺通りではない。
本発明のいくつかの実施形態による、ベローズ式メカニカル面シールを有する、垂直両吸込ポンプの形態の装置の図である。 図１に示される装置の断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ベローズ式メカニカル面シールの斜視図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ベローズ式メカニカル面シールの斜視図である。 本発明のいくつかの実施形態による、ベローズ式メカニカル面シールの図である。

代表的な実施形態の以下の記載において、本明細書の一部を成す図面における添付の図を参照し、ここで本発明が実施され得る実施形態が例示として示される。他の実施形態が使用されてもよく、構造的及び動作的変更が、本発明の領域から逸脱することなく行われ得ることが理解され得る。

図１及び図２は、垂直両吸込ポンプの形態の、本発明のいくつかの実施形態による、一般的に１０として示される装置を示す。本発明は、このような垂直両吸込ポンプに関して、例示により記載されるが、本発明の領域は、このタイプ又は種類のポンプ、ポンプアセンブリ、構成、又は組み合わせに限定されない。例えば、現在既知の、又は将来に開発される他のタイプ又は種類のポンプ、ポンプアセンブリ、構成、又は組み合わせにおいて本発明が実施される、実施形態が想到される。

図１及び図２において、垂直両吸込ポンプ１０は、内方ケーシングアセンブリ部１２ａを有するケーシングアセンブリ１２と、静的軸受１６を収容し、包囲管１４の内側に潤滑油を収容するように構成された包囲管１４とを含む。垂直両吸込みポンプ１０はまた、静的軸受１６に対して回転するように構成されたシャフト１８を含み、ここでシャフト１８は回転シール面２０ａを有する回転シール２０を備えるものとして構成される。垂直両吸込ポンプ１０はまた、包囲管１４に収容された静的軸受１６と重複し、かつこれと連結するように構成された一端２４を有し、シャフト１６の回転シール面２０ａと連結するように構成された静的シール面２６ａを備える別の端部２６を有し、かつ潤滑油の漏れを防ぎ、潤滑油を隔離してこれを清浄に保つように、包囲管１４内に収容される潤滑油に対するシールを保つため、圧力下において静的シール面２６ａを回転シール面２０ａに対して押し付け、静的シール面２２６ａと回転シール面２０ａとの間の大きな変動に適合するように構成された、中間ベローズ状部２８を有する、一体型ベローズ式メカニカル面シール２２を含む。

一体型ベローズ式メカニカル面シール２２は：シール条件を達成するために、静的シール面２６ａと回転シール面２０ａとの間に、自己調節により閉じる軸方向クリアランスをもたらし；静的シール面２６ａの位置が回転シール面２０ａに対して調節されるように、静的シール面２６ａ及び回転シール面２０ａが摩耗するに伴って拡張し；及び／又は装置が空転されているときに、実質的に漏れが生じないように、空転状態時に拡張して、そのシール面２０ａと２６ａとの間の軸方向クリアランスを閉じるように構成されてもよい。一体型ベローズ式メカニカル面シール２２は、上述の機能性を実現するために可撓性及び拡張可能とするため、その全体又は一部が、現在既知の、又は将来開発される、多くの異なるタイプ又は種類の材料、並びに材料の組み合わせから製造されてもよく、これには、カーボン、熱可塑性又は金属材料などが挙げられる。２つの拡張部２８ａ、２８ｂを有する中間ベローズ状部２８が本明細書において示される（図３ａ参照）が、本発明の領域には、本発明の趣旨に沿うものとして、１つの拡張部、又は２つ以上の拡張部など、異なる数の拡張部を備えるものとして構成される、他の中間ベローズ状部が含まれることが意図される。

例えば、図３ａ、３ｂに示されるような、いくつかの実施形態により、ベローズ式メカニカル面シール２２の一端２４は、例えば、１つ又はそれ以上のクランプ３０ａ、３０ｂにより包囲管１４の端部に連結されてもよく、回転シール面２０は、回転シール２０のねじ付き開口部４０内に配置される１つ又はそれ以上の止めねじ（図示されない）により、シャフト１８に固定されてもよい。本発明の領域はまた、現在既知の又は将来開発される、ベローズ式メカニカル面シール２２の一端２４を包囲管１４の端部へと連結するための他のタイプ又は種類の技術を含むことが意図される。いくつかの実施形態により、ベローズ式メカニカル面シール２２の端部２６はまた、１つ又はそれ以上のクランプ３２ａ、３２ｂを備えるものとして構成され得る。

示されるように、包囲管１４、シャフト１８、及び一体型ベローズ式メカニカル面シール２２は、垂直軸Ａに沿って互いに対して配置される。

包囲管１４は、垂直軸Ａに関して一体型ベローズ式メカニカル面シール２２の上に配置されてもよく、潤滑油は重力供給により供給される。

ベローズ式メカニカル面シール２２が示され、例として、回転シール２０と協働するための、一片の一体型部品として、記載される。しかしながら、例えば、端部２４、端部２６、及び中間部２８が、例えば、現在既知であるか、又は将来開発されるクランピング又は他の好適な手段によって一緒に連結される、例えば、２つ又はそれ以上の別個の部品として、形成される場合など、ベローズ式メカニカル面シール２２が１つ以上の部品として構成される実施形態が想定される。

本明細書における記載に従い、本発明によるベローズ式メカニカル面シール２２を、例えば既知のリップシールの代わりに適用することによって、ポンプ動作中に生じる環境へのオイルの漏れが最小となり、ポンプが空転状態である時に実質的に漏れが生じない。本発明はまた、ポンプ軸受を収容する包囲管１４の内側の潤滑油を隔離するために、工業用垂直両吸込ポンプ１０のケーシングアセンブリの内側にこのシール技術を組み込む。このように、潤滑油は清浄に保たれて保持され、よってポンプ軸受の耐用寿命を長くする。

例えば、図１及び図２に示される、装置１０はまた、当業者によって理解される、本明細書において記載される根本的な発明の一部を形成しない、したがって、本明細書において詳細に記載されない、他の要素又は構成要素を含み、これには、管、フランジ、シャフトに取り付けられた羽根車、ナット及びボルトなどが挙げられる。当業者によりまた認識されるように、シャフト１８は図１及び図２に示されるポンプ１０の上部に配置されるモーター（図示されない）に連結されてもよい。

（本発明の領域）
本明細書において別に記載されない限り、本明細書における、特定の実施形態に関して記載される、機構、特徴、代替、又は修正のいずれかがまた、本明細書において記載される他のいずれかの実施形態と共に適用され、使用され、又は組み込まれ得ることが理解されるべきである。また、本明細書における図面は縮尺通りではない。

本発明は、その代表的な実施形態に関して記載及び例示されているが、前述の及び様々な他の追加及び省略が、本明細書の趣旨及び範囲から逸脱することなく行われてもよい。

Claims (7)

1. 垂直両吸込ポンプを含む装置であって、
   静的軸受を収容し、潤滑油を含むように構成された包囲管を有するケーシングアセンブリと、
   前記静的な軸受に対して回転するように構成されたシャフトであって、前記シャフトは回転シール面を備える回転シールを有する、シャフトと、
   前記包囲管の前記静的軸受と重複し、かつこれと連結するように構成された一端を有し、前記シャフトの前記回転シール面と連結するよう構成されている静的シール面を備える別の端部を有し、かつ前記潤滑油の漏れを防ぎ、前記潤滑油を隔離してこれを清浄に保つように、前記包囲管内に収容される前記潤滑油に対するシールをもたらすため、圧力下において前記静的シール面を前記回転シール面に対して押し付け、前記静的シール面と前記回転シール面との間の大きな変動に適合するように構成された、中間ベローズ状部を有する、一体型ベローズ式メカニカル面シールと、
   を備える装置。
2. 前記一体型ベローズ式メカニカル面シールは、シール条件を達成するために、前記静的シール面と前記回転シール面との間に自己調節により閉じる軸方向クリアランスをもたらすように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記一体型ベローズ式メカニカル面シールは、前記静的シール面及び前記回転シール面が摩耗するのに伴って拡張し、それにより前記静的シール面の位置が前記回転シール面に対して調節されるように構成されている、請求項１に記載の装置。
4. 前記一体型ベローズ式メカニカル面シールは、前記装置が空転状態であるときに、実質的に漏れが生じないように、空転状態の間に拡張して、そのシール面の間の前記軸方向クリアランスを閉じるように構成されている、請求項１に記載の装置。
5. 前記ベローズ式メカニカル面シールの前記一端が、前記包囲管の端部にクランプされ、前記回転シール面は、前記回転シールのねじつき開口部内に配置された止めねじによってポンプシャフトに固定される、請求項１に記載の装置。
6. 前記包囲管、前記シャフト、及び前記一体型ベローズ式メカニカル面シールが、前記垂直両吸込ポンプの垂直軸に沿って互いに対して配置されている、請求項１に記載の装置。
7. 前記包囲管は、前記垂直軸に関して前記一体型ベローズ式メカニカル面シールの上に配置されており、前記潤滑油は重力供給により供給される、請求項６に記載の装置。

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