JP2020523531A - 多層ｐｔｆｅラジアルリップシール - Google Patents

Abstract

充填材が任意に組み込まれた動的層と、充填材が任意に組み込まれた静的層とを含む多層リップシールを説明する。リップシールは環状のリング形状を有し、リング形状の内径は軸線方向に湾曲して、リップシールを断面から見てＪ字形状にする。静的層に含めることができる充填材には、補強充填材、強化充填材、導電性充填材、及び／又は耐摩滅性充填材が含まれる。動的層に含めることができる充填材には、耐摩耗性充填材が含まれる。特定の充填材を多層リップシールの特定の層において使用することにより、リップシールの他の部分に悪影響を与えることなく、充填材の利点をリップシールの特定の部分に付与することが可能になる。【選択図】 図４

Description

関連出願の相互参照

[0001]
本出願は、２０１７年６月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／５１８，４８０号に対する優先権を主張し、その全体は参照により本書に組み込まれる。

[0002]本出願は多層リップシールに関し、より具体的には、リップシールの他の構成要素に悪影響を与えることなく、充填材の利点をリップシールの特定の構成要素に付与するために、特定の層内で特定の充填材を使用する多層リップシールに関する。

[0003]ラジアルリップシールは一般に、流体（例えば液体及び気体）が、回転軸が貫通するハウジングから漏出することを防ぐために使用される。図１は、回転軸１１０とともに使用される例示的な従来技術のラジアルリップシール１００を示している。ラジアルリップシール１００は、回転軸１１０を取り囲むように略環状の形状を有する。図１に示すように、ラジアルリップシール１００は湾曲シール要素１０５を含み、湾曲シール要素１０５の一部分は、二部構成ハウジング１２０の内側部分と外側部分との間に挟まれている。ラジアルリップシール１００はまた、図１に示すように、湾曲シール要素１０５と二部構成ハウジング１２０の一部との間に位置することができる二次的シール１３０を含んでもよい。

[0004]図１に示すように、湾曲シール要素１０５は径方向内側端部の内径で湾曲しており、これにより、シール要素１０５は、径方向外側端部で径方向に向けられた状態から、径方向内側端部で軸線方向に向けられた状態に移行する。湾曲シール要素１０５は、（図１に示すように断面から見た場合に）Ｊ字形状を有するものであると言える。Ｊ字形シール要素１０５の軸線方向に向けられた部分１０１は、回転軸１１０を押圧し、それによって密封を達成する。

[0005]図２の（Ａ）〜（Ｄ）は、図１に示す構成と同様の二部構成ハウジングのラジアルリップシールの他の既知の構成を示している。図２の（Ａ）では、湾曲シール要素２０５は、図１に示す湾曲シール要素とは反対方向に湾曲している。図２の（Ｂ）では、２つの湾曲シール要素２０５ａ及び２０５ｂが提供され、各々が反対方向に湾曲している。図２の（Ｃ）は、図２の（Ｂ）と同様の構成を示しているが、湾曲シール要素２０５ａと２０５ｂとの間に第２の二次的シール２３０が配置されている。最後に、図２の（Ｄ）は、各々が同じ方向に湾曲した２つのシール要素２０５ａ及び２０５ｂを含む構成を示している。

[0006]上述のラジアルリップシールは、設計済の干渉（予圧）及び密封された媒体からの圧力活性化の組合せによって生成される、軸に対する径方向接触圧力によって所望の密封効果をもたらす。一部のリップシール設計（図示せず）では、追加の密封圧力源として外ばねを使用している。ラジアルリップシールの一般的な用途には、圧縮機、送風機、ミル／粉砕機、混合器／撹拌機、ポンプ、ギヤボックス、及びタービンエンジンが含まれる。

[0007]ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）は、広範な耐薬品性、高融点、低摩擦係数、不活性、及び乾燥能力のために、一般的なリップシール材料である。残念ながら、ＰＴＦＥは耐摩耗性に乏しく、比較的柔軟であり、（特に高温で）クリープを受けやすい。ＰＴＦＥラジアルリップシールの低耐摩耗性は、図３に示されている。図３に示すように、湾曲シール要素３０５の摩耗はＪ字形シール要素３０５のヒール部３０６に集中するため、シール要素３０５は四角に区切られてＬ字形シール要素３０５を形成する。この四角に区切られたことにより、その後にシール要素３０５が裂け、かつ密封が破壊される可能性がある。

[0008]リップシール材料として使用される場合のＰＴＦＥの問題のある特性の結果として、例えば、望ましくないクリープを低減し、未使用のＰＴＦＥの耐摩耗性及び引張特性を改善するために、充填材がＰＴＦＥに添加されることがある。充填材の選択は用途に大きく依存し、充填材はＰＴＦＥの全ての欠陥に対処しない。いくつかの場合、充填材は有益な利点を提供するが、他の問題も引き起こす。例えば、いくつかの充填材は摩耗を軽減するが、対向面のラジアルリップシールの摩擦係数及び研磨効果を高める。

[0009]したがって、充填材の使用に関する有益な特性を最大限に発揮するが、充填材がラジアルリップシールに及ぼす可能性のあるいくつかの悪影響を軽減するか又は排除するＰＴＦＥに基づいたラジアルリップシールが必要とされている。

[0010]この概要は、以下の詳細な説明においてさらに説明する概念の選択を簡略化して紹介するために提供される。この概要及び上記の背景は、主張した主題の主要な態様又は本質的なステップを特定することを意図するものではない。さらに、この概要は、主張した主題の範囲を決定する補助として使用することを意図するものではない。

[0011]本書に記載されているのは、回転軸をハウジングに密封する際に使用するのに適した多層ＰＴＦＥラジアルリップシールの様々な実施形態である。本書に記載の多層ＰＴＦＥラジアルリップシールは、静的表面とは無関係に特別に選択された充填材を使用することによって、リップシールの動的表面に特定の特性を付与することを可能にし、逆もまた同様である。多層ラジアルリップシールの各層には、動的表面及び／又は静的表面、及び多層リップシール全体に有益な特性を付与する固有の充填材が含まれている。

[0012]いくつかの実施形態では、多層ラジアルリップシールは環状形状を有し、リップシールの内径は軸線方向に湾曲し、それによって環状シールを断面から見てＪ字形状にする。リップシールは、第１の層と、第１の層に当接する第２の層とを含む。第１の層の外面はリップシールの動的表面であってもよく、第２の層の外面は、リップシールの静的表面であってもよい。第１の層及び第２の層の内面は互いに当接している。このような構成では、リップシールの内径は、Ｊ字形リップシールの外側の丸みが付けられた部分が第１の層の外面（すなわち動的表面）となるような方向に湾曲する必要がある。

[0013]いくつかの実施形態では、第１の層は、第１の充填材を含むＰＴＦＥを含み、第２の層は、充填材を含まないか若しくは第２の充填材を含むＰＴＦＥを含む。逆の構成もまた考えられる（すなわち、第２の層は、第２の充填材を含むＰＴＦＥを含み、第１の層は、充填材を含まないか若しくは第１の充填材を含むＰＴＦＥを含む）。第１の充填材及び／又は第２の充填材は、それぞれの第１の層及び第２の層に特定の有益な特性を付与するように選択することができる。これにより、各層が他の層とは別の有益な特性を有することができる。

[0014]本書にはまた、多層ラジアルリップシールを製造する方法の実施形態が記載されている。いくつかの実施形態では、方法は、第１のＰＴＦＥ層及び第２のＰＴＦＥ層（各々が充填材を任意に含む）を共にカレンダ加工することと、層を乾燥させて第１のＰＴＦＥ層及び第２のＰＴＦＥ層の溶媒を除去することと、第１の層及び第２の層を焼結して２つの層を一体に融着させ、かつ多層構造を形成することとを一般に含む。重要なことは、この方法では、接着剤を使用せずに第１の層と第２の層とを融着させ、かつ接着剤を含まない構造を生成することである。

[0015]好ましい実施形態を含む、開示された可撓性密封アセンブリの非限定的で非包括的な実施形態は以下の図を参照して説明され、同様の参照番号は、特に指定のない限り様々な図にわたって同様の部分を指す。

従来技術による回転軸と関連して使用されるラジアルリップシールの構成を示す図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は従来技術によるハウジング内のラジアルリップシールの様々な構成を示す図である。 従来技術による摩耗したラジアルリップシールを示す図である。 本書に記載の様々な実施形態による多層リップシールの断面斜視図である。 本書に記載の様々な実施形態による多層リップシールを製造する方法を示すフロー図である。 本書に記載の様々な実施形態による多層リップシールの製造における使用に適したカレンダ加工工程の概略図である。

[0022]本書の一部を形成し、かつ特定の例示的な実施形態を例示として示す添付の図面を参照して、本書では、実施形態を以下により詳細に説明する。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施することが可能なように十分詳細に開示される。しかし、実施形態は、多くの異なる形態で実施されてもよく、本書に記載の実施形態に限定されるものであると解釈されるべきではない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるものではない。

[0023]図４を参照すると、第１の層４１０と第２の層４２０とを含む多層ラジアルリップシール４００が示されている。リップシール４００は、第１の層４１０が密封対象の表面に接触するように構成されているので、第１の層４１０もまた、リップシール４００の外部層と見なすことができる。リップシール４００は、第２の層４２０が密封対象の表面に接触しないように構成されているので、第２の層４２０もまた、リップシール４００の内部層と見なすことができる。

[0024]両方の層４１０及び４２０は、リップシール４００が環状リングの形態となるように環状形状を有する。層４１０及び４２０は、一般的には相補的な寸法及び形状を有し、これにより、層４１０及び４２０は、対にされた場合に密接に適合する。層４１０及び４２０の寸法はまた、図４に示すように、第１の層４１０の終端が第２の層４２０の終端と均一（すなわち平面）になるように設計することができる。

[0025]図４は、第１の層４１０と第２の層４２０とが互いに直接融着していることを示している（すなわち、第１の層４１０と第２の層４２０との間に中間層は存在しない）。第１の層４１０が第２の層４２０に直接固定される方法は、以下により詳細に説明する。

[0026]図４はまた、各層４１０及び４２０が、（断面から見た場合に）リップシール４００が略Ｊ字形状を形成するように、径方向に向けられた部分４１１及び４２１と、軸線方向に向けられた部分４１２及び４２２と、径方向に向けられた部分と軸線方向に向けられた部分との間の湾曲部分４１３及び４２３とを含むことを示している。リップシール４００が湾曲する軸線方向は、第１の層４１０が外部層（すなわち、密封対象の表面と接触して動的表面を提供する層）となるような方向である。

[0027]第１の層４１０及び第２の層４２０はいずれもＰＴＦＥを含む。さらに、いずれか又は両方の層に１つ以上の充填材を含めてもよい。第１の層４１０及び／又は第２の層４２０に含まれる充填材の種類は一般に限定されないが、充填材は、充填材が含まれる層に与える有益な特性のために一般的に選択される。第１の層４１０及び／又は第２の層４２０に含まれる充填材の量は、使用される充填材の量が、充填材が組み込まれる層に有益な特性をもたらす限り、一般に制限されない。

[0028]いくつかの実施形態では、第２の層４２０（すなわち、静的層）は、ＰＴＦＥと、静的層４２０を補強し、静的層４２０の弾性率を変更し、及び／又は静的層４２０を一般に機械的に強化する充填材とを含む。これは、動的層４１０が回転軸に対して均等に押圧されたまま、良好な密封をもたらすことを保証するのに役立つ。このような充填材を静的層４２０のみに含めることの利点は、充填材が動的層４１０に何らかの悪影響を与えないことである。静的層４２０を補強するために使用することができる例示的な充填材には、ステンレス鋼及び炭素が含まれる。このような充填材は、静的層４２０全体に提供されるようにＰＴＦＥと均質に混合される。

[0029]多層リップシール４００の強化もまた、繊維強化材を使用することによって可能である。このような繊維強化材は静的層４２０に混合されてもよく、又は静的層４２０と動的層４１０との間で使用されてもよい。いくつかの実施形態では、繊維強化材はチョップドファイバの形態で提供され、例えばＰＴＦＥと均質に混合されて静的層４２０を形成するチョップドファイバである。いくつかの実施形態では、繊維強化材は、動的層４１０と静的層４２０との間に配置され、及び／又は静的層４２０内に組み込まれた１つ以上の織物シートの形態で提供される。織物シート又はチョップドファイバの形態であるかどうかにかかわらず、繊維強化材は、例えば金属のものでも非金属のものでもよく、また、有機のものでも無機のものでもよい。

[0030]いくつかの実施形態では、第２の層４２０（すなわち、静的層）は、ＰＴＦＥと、動的層４１０から熱を逃がし、それによって動的層４１０がより低温になることを可能にする充填材とを含む。動的層４１０の表面の温度が低下すると、動的層４１０の表面でのリップシール４００の摩耗が一般に減少する。動的層４１０の表面から熱を逃がすために使用することができる例示的な充填材には、ステンレス鋼及び青銅などの金属充填材が含まれる。

[0031]いくつかの実施形態では、第２の層４２０（すなわち、静的層）は、ＰＴＦＥと、静的層４２０の耐摩滅性を改善する充填材とを含む。静的層４２０の耐摩滅性を改善することは、シール４００が研磨媒体の存在下で使用される場合に特に有用である。耐摩滅性を改善する充填材を含むことにより、研磨媒体の影響を直接受ける静的層４２０、及び静的層４２０によって保護される動的層４１０の表面の両方が保護される。静的層４２０の耐摩滅性を改善するために使用することができる例示的な充填材には、金属充填材若しくは無機充填材が含まれる。具体例には、ガラス繊維若しくは炭素繊維が含まれる。

[0032]いくつかの実施形態では、第１の層４１０（すなわち、動的層）は、ＰＴＦＥと、動的層４１０の耐摩耗性を改善する充填材とを含む。いくつかの実施形態では、このような充填材を含むことにより、動的層４１０の耐摩耗性を一桁若しくは二桁分改善することができる。高せん断充填材は、ＰＴＦＥの表面下せん断を妨げることにより、動的層４１０の耐摩耗性を改善すると考えられている。いくつかの実施形態では、耐摩耗性を改善するために添加される充填材は、固体潤滑剤又は高温熱可塑性樹脂である。これらの充填材は、動的層４１０の摩擦係数に悪影響を与えることなく動的層４１０に添加することができる。

[0033]上述の多層リップシールは、第１の層と、第１の層に直接当接する第２の層とを使用することを一般に想定しているが、中間層を多層リップシールに使用することもできる。例えば、第１の層と第２の層との間にばね鋼の層を設けて、シールの追跡特性を改善することができる。いくつかの実施形態では、このばね鋼の層は、第１の層及び第２の層によって効果的に密封され、それによって、ばね鋼の層を例えば研磨媒体から効果的に保護する。これは、リップシールの湾曲部分に位置し、かつ研磨媒体に完全にさらされるコイルばねを組み込んだ従来の既知のリップシールよりも改善されている。

[0034]このような支持層はまた、シールの個々の層内に組み込むことができる。例えば、強化層を静的層４２０内に組み込んで、リップシールに靭性及び剛性を付与することができる。例示的な強化層は、モノフィラメント織布である。ばね鋼層はまた、動的層又は静的層のいずれかに組み込むことができる。

[0035]第１の層４１０及び／又は第２の層４２０の外面は、例えば、いずれか又は両方の層の透過性を低減するために、材料でコーティングすることができる。いくつかの実施形態では、ＰＴＦＥの薄層は、第１の層４１０及び第２の層４２０のいずれか又は両方の外面にコーティングされる。これにより、Ｓｔｅａｍ−Ｉｎ−Ｐｌａｃｅ（ＳＩＰ）用途においてリップシールの性能が向上し、認定検査中のピックアップが少なくなる。

[0036]本書に記載の多層ラジアルリップシールのいくつかの主な利点には、ａ）他の層に充填材を含めるとリップシールの全体的な性能に悪影響を与える可能性がある場合に、リップシールの特定の層に充填材を含めることと、ｂ）充填材を特定の層に局在化させることによって、充填材を必要な量のみ使用し、コストを削減することが含まれる。

[0037]図５は、接着剤をあまり使用しない多層ラジアルリップシールの製造方法５００を示している。接着剤をリップシールから除去することは、リップシールが耐薬品性を保持し、接着剤の汚染問題の可能性を回避するという点で有益である。

[0038]方法５００は、各シートが１つ以上の充填材を任意に含む、ＰＴＦＥ材料の第１のシート及び第２のシートを形成するステップ５１０と、材料の第１のシート及び第２のシートを共にカレンダ加工するステップ５２０と、第１のシート及び第２のシートを一体に焼結するステップ５３０と、結合されたシートから環状リップシールを形成するステップ５４０とを一般に含む。

[0039]ステップ５１０では、ＰＴＦＥと、形成される特定の層のための任意の所望の充填材とを最初に混合することにより、第１の層及び第２の層が形成される。混合物は、ストッダード溶媒をさらに含むことができる。これらの成分を完全に混合する任意の方法を使用することができる。いくつかの実施形態では、成分は、Ｖ型混合器を使用して混合される。層の形成は、混合物を濾過し、かつ圧縮して混合材料のケーキを形成することをさらに含む。その後、これらのケーキは、例えば複数のカレンダ加工工程を使用してシートにすることができる。結果として、第１の層及び第２の層の両方のシートが得られる。

[0040]ステップ５２０では、カレンダ加工工程を使用して、第１の層及び第２の層が接合される。図６はこのステップを示しており、第１の層５２１及び第２の層５２２は、圧延装置５２３を介して共にカレンダ加工される。最終結果が、第１の層及び第２の層が一体となって層状複合シートになる場合、任意の種類のカレンダ加工工程及び機器を使用することができる。

[0041]ステップ５３０では、例えば２つの層を一体に焼結することによって２つの層を一体に融着させるさらなる処理が、層状複合シートに施される。この焼結ステップの前に、層状複合構造を乾燥させて、任意の残留ストッダード溶媒を除去することができる。約６８０°Ｆの温度など、任意の適切な温度を使用して焼結ステップを実行することができる。この場合もやはり、焼結ステップの結果として、結合されたシートが形成されるように２つの層が一体に融着し、接着剤を使用する必要なく、若しくは接着剤を使用せずに層が結合される。

[0042]ステップ５４０では、複合シートを使用して環状リップシールを形成する。これは、環状リングをシートから切り取り、それによって結果として生じるリップシールの略環状形状を形成することを含むことができる。所望のＪ字断面形状を形成するために、環状リップシールは先細のマンドレル上に配置される（すなわち、先細のマンドレルは環状リングの内径を通過する）。先細のマンドレルに下向きの力を加えると、最終的に、マンドレルの直径が環状リングの内径を超える箇所で、環状リングの内径縁部が力の印加とは反対の方向に伸びる原因となる。次いで、環状リングはマンドレルから取り外され、湾曲した内径が残る。続いて、リップシールは、図１に示すように内側ケーシングと外側ケーシングとの間に固定可能な状態となる。

[0043]上記から、本発明の特定の実施形態が例示の目的で本書に記載されたが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を行ってもよいことが理解されるであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲による場合を除いて限定されない。

[0044]技術を特定の構造及び材料に固有の言語で説明したが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明は、必ずしも記載の特定の構造及び材料に限定されないことが理解されるべきである。むしろ、特定の態様は、主張した本発明を実施する形態として説明されている。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく本発明の多くの実施形態を実施することができるため、本発明は、添付の特許請求の範囲に属する。

[0045]特に指定のない限り、（特許請求の範囲を除く）本書において使用される寸法や物理的特性などを表す全ての数値又は表現は、「およそ」という用語によって全ての場合において変更されるものであると理解される。少なくとも、請求項の均等論の適用を制限する試みとしてではなく、「およそ」という用語によって変更される明細書又は請求項に列挙された各数値パラメータは、少なくとも列挙された有効数字の数値を考慮して、かつ丸め法を適用して解釈されるべきである。さらに、本書に開示される全ての範囲は、そこに属する全ての下位範囲又は全ての個々の値を列挙する請求項を包含し、かつ裏付けるものと理解されるべきである。例えば、１〜１０までの規定範囲は、最小値１と最大値１０との間及び／又は最小値１及び最大値１０を含む全ての下位範囲又は全ての個々の値を列挙する請求項を含み、かつ裏付けるものと見なされるべきであり、すなわち、全ての下位範囲は、最小値１あるいはそれ以上で開始するか、又は最大値１０あるいはそれ以下（例えば、５．５〜１０、２．３４〜３．５６など）若しくは１〜１０の任意の値（例えば、３、５．８、９．９９９４など）で終了する。

Claims (20)

1. 径方向に向けられた部分、軸線方向に向けられた部分、及び、前記径方向に向けられた部分と前記軸線方向に向けられた部分との間の湾曲部分を含む動的層と、
   前記動的層に直接当接し径方向に向けられた部分、軸線方向に向けられた部分、及び、前記径方向に向けられた部分と前記軸線方向に向けられた部分との間の湾曲部分を含む静的層と
   を備える多層リップシールであって、
   前記動的層がＰＴＦＥを含み、前記静的層がＰＴＦＥと、前記ＰＴＦＥ全体に均一に分布された少なくとも１つの充填材とを含む、多層リップシール。
2. 前記動的層と前記静的層との間の界面が接着剤を含まない、請求項１に記載の多層リップシール。
3. 前記少なくとも１つの充填材が補強充填材を含む、請求項１に記載の多層リップシール。
4. 前記補強充填材がステンレス鋼又は炭素を含む、請求項３に記載の多層リップシール。
5. 前記少なくとも１つの充填材が強化充填材を含む、請求項１に記載の多層リップシール。
6. 前記強化充填材がチョップドファイバである、請求項５に記載の多層リップシール。
7. 前記少なくとも１つの充填材が導電性充填材を含む、請求項１に記載の多層リップシール。
8. 前記導電性充填材がステンレス鋼又は青銅である、請求項７に記載の多層リップシール。
9. 前記少なくとも１つの充填材が耐摩滅性充填材を含む、請求項１に記載の多層リップシール。
10. 前記耐摩滅性充填材がガラス又は炭素繊維である、請求項９に記載の多層リップシール。
11. 前記動的層が少なくとも１つの充填材をさらに含む、請求項１に記載の多層リップシール。
12. 前記動的層の少なくとも１つの充填材が耐摩耗性充填材である、請求項１１に記載の多層リップシール。
13. 前記耐摩耗性充填材が、高温熱可塑性樹脂又は固体潤滑剤である、請求項１２に記載の多層リップシール。
14. 前記動的層内、前記静的層内、又は前記動的層内及び前記静的層内の両方に密封された強化層をさらに含む、請求項１に記載の多層リップシール。
15. 前記動的層内、前記静的層内、又は前記動的層内及び前記静的層内の両方に密封されたばね鋼層をさらに含む、請求項１に記載の多層リップシール。
16. 前記動的層に対向していない前記静的層の表面がＰＴＦＥでコーティングされている、請求項１に記載の多層リップシール。
17. 前記静的層に対向していない前記動的層の表面がＰＴＦＥでコーティングされている、請求項１に記載の多層リップシール。
18. 前記動的層が、前記静的層と一体に直接融着されている、請求項１に記載の多層リップシール。
19. 前記動的層が充填材を含まない、請求項１に記載の多層リップシール。
20. 前記動的層の前記少なくとも１つの充填材が、前記静的層の前記少なくとも１つの充填材とは異なる充填材材料である、請求項１１に記載の多層リップシール。

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