JP4409761B2 - 高圧流体ポンプ用の付勢式シール組立体 - Google Patents

Description

【０００１】
〔関連出願の説明〕
本願は、１９９７年９月１８日に出願され、現在係属中の米国特許出願第０８／９３２，６９０号の一部継続出願である。
【０００２】
〔技術分野〕
本発明は、往復動プランジャを有する高圧流体ポンプのシールに関する。
【０００３】
〔発明の背景〕
往復動プランジャを有する高圧流体ポンプでは、高圧流体の漏れを防止するためにプランジャの周りにシールを設けることが必要である。かかるポンプでは、 シールは、68947 572.9 パスカル（１０，０００ｐｓｉ）を越えて344737864.5〜482633010.3パスカル（５０，０００〜７０，０００ｐｓｉ）まで、さらにこれを越える圧力に耐えて高圧環境中で使えなければならない。
【０００４】
かかる環境用に現在利用できる設計のシールは、プランジャに密着し、バックアップリングによって支持された押出しに対して耐性のあるシールを含む。バックアップリング及びシールは、シールキャリヤによって支持され、プランジャを包囲しているコイルばねでシールキャリヤに向かって付勢されるものであるのがよい。ばねは、プランジャの通るボアを有し、ばねの一端を包囲するフランジを備えたカラーでシールに定位置で密着保持できる。
【０００５】
現行設計のシールに関する一つの問題は、プランジャとバックアップリングとの間の隙間の許容差を達成維持するのが非常に困難な場合があるということである。したがって、非常に典型的な例として、プランジャとバックアップリングは互いに接触してシールを損傷させる場合のある摩擦熱を生じさせる。現行設計のシールに関するもう一つの問題は、シールの構成部品が経時的に摩耗して流体がプランジャの周りで漏れるということである。
【０００６】
〔発明の概要〕
本発明は、往復動プランジャを備えた高圧ポンプの構成部品を密封する方法及び装置に関する。本装置は、少なくとも１つの開口部が設けられたシリンダ壁を備えるシリンダと、この開口部を貫通して延びる細長いプランジャと、プランジャの周りに設けられたばねとを有する。ばねは、プランジャに向いた内面及び該内面と反対側の外面を備えるのがよい。本装置は、プランジャに密着する密封面及びプランジャに対するばねの横方向運動を制限するようばねの内面と外面のうち少なくとも一方に係合する係合面を備えたシールを更に有するのがよい。
【０００７】
シールは幾つかの形状を取ることができる。たとえば、シールは、ばねの周囲に周りにぐるりと延びる連続フランジであるのがよい。変形例として、シールは、ばねに係合する複数の間隔を置いて設けられた突起から成っていてもよい。別の実施形態では、フランジは、ばねの内面に隣接した第１の係合面及びばねの外面に隣接した第２の係合面を有する。
【０００８】
また、本発明は、高圧ポンプのプランジャの周りに設けられたばねの運動を制限する方法に関する。本方法は、シールとプランジャを密封自在に係合させる段階と、シールとばねの内面と外面のうち少なくとも一方をばねの第１の端部に向かう方向において係合させる段階とを有し、プランジャに対するばねの横方向運動を制限する段階を更に有する。変形例として、本方法は、シールとばねの内面と外面の両方を係合させる段階を有し、シールをばねの反対側の端部に係合させる段階を更に有するのがよい。ばねがコイルばねの場合、本方法は、シールと、ばねを構成するフィラメントの直径の半分に相当するばねの一コイルの一部に係合させる段階を更に有し、又はばねの２以上のコイルに係合させる段階を更に有するのがよい。
【０００９】
〔発明の詳細な説明〕
図１に示すように本発明の一実施形態としての高圧流体シール組立体１０が提供されている。シール組立体１０は、駆動機構２６に結合された往復動プランジャ１４を有する高圧ポンプ組立体２２に用いられる。プランジャ１４は、高圧シリンダ２４内を往復動する。シール組立体１０は、高圧シリンダ２４内の高圧領域２３からの高圧流体の漏れを制限すると共に（又は）防止するためにシリンダ２４の一端のところでプランジャ１４に隣接して配置されている。シリンダ２４の反対側の端部のところに設けられた逆止弁３０が、複数の入口ポート３１、出口ポート３２、及び入口ポートを密封するポペット３３を有している。逆止弁３０は、プランジャ１４が吸込みストロークの際、シリンダから部分的に出ると、流体が入口ポート３１からシリンダ２４内へ差し向けられる。逆止弁３０は、プランジャ１４が加圧ストロークの際にシリンダの中へ動くと、加圧された流体をシリンダ２４から出口ポート３２へ差し向ける。
【００１０】
シリンダ内の容積を減少させ、それによりプランジャ１４の各加圧ストロークで生じる圧力を増大させるために、カラー又はリテーナ５０をシール組立体１０と逆止弁３０との間でシリンダ２４内に設けるのがよい。カラー５０はまた、付勢力をポペット用ばね３４を介してポペット３３に及ぼすと共にシール用ばね６０を介してシール組立体１０の構成部品に及ぼす。これについては以下に詳細に説明する。
【００１１】
図２に示すように、シール組立体１０は、往復動プランジャ１４が挿通するボア１３を備えたシールキャリヤ１２を有している。シールキャリヤ１２は、環状シール１７が嵌め込まれた第１の環状溝１５を有している。環状シール１７は、プランジャ１４に密着する密封面５５を有している。環状エラストマーシール２５が、環状シール１７の外周の周りにぐるりと設けられていて、加圧ストロークの開始の際に環状シール１７を付勢する。シール用ばね６０は、環状シール１７に係合してこれを第１の環状溝１５に向かって押圧し、それによりシールキャリヤ１２から遠ざかる環状シール１７の動作を制限する。シールキャリヤ１２は、ボア１３内に設けられた第２の環状溝１６に嵌め込まれた一体の環状案内軸受１９を有している。第２の環状溝１６及びこの中に配置された案内軸受１９は、第１の環状溝１５及びこの中に設けられた環状シール１７から軸方向に間隔を置いて位置している。
【００１２】
図３は、図２に示すシールキャリヤ１２及び案内軸受１９の拡大断面図を示している。図３に示すように、案内軸受１９の内径２０は、シール１７（図２）と案内軸受１９との間の領域１１内ではシールキャリヤのボア１３の内径２１よりも小さい。例えば、一実施形態では、内径２０は、内径２１よりも０．０００５〜０．００１５インチ（０．０１２７〜０．０３８１mm）小さい。このように、環状シール１７の端部領域１８（図２）は、シールキャリヤ１２の領域１１によって支持される。しかしながら、シールキャリヤ１２の領域１１は、プランジャ１４に接触しない。というのは、領域１１内のボア１３の直径２１は、案内軸受１９の内径２０よりも大きいからである。
【００１３】
したがって、図１〜図３に示すシール組立体１０の実施形態では、シール１７がシールキャリヤ１２で直接支持されるのでバックアップリングが不要である。一体の案内軸受１９は、プランジャ１４がシールキャリヤ１２に接触するのを阻止し、それによりシール１７の付近における摩擦による発熱を減少させ、これによりシールの寿命を伸ばす。組立体１０の寿命を一段と延ばすために、構成部品の構成材料は、プランジャ１４と案内軸受１９との間及びプランジャ１４とシール１７との間の摩擦を最小限に抑えるよう選択されている。一実施形態では、プランジャ１４は部分安定化ジルコニアセラミックで作られ、案内軸受１９は樹脂含浸黒鉛で作られ、シール１７は超高分子量ポリエチレンで作られている。しかしながら、種々の材料を用いることができ、一構成部品について選択された材料は、別の構成部品について選択された材料に基づいて決められることは注目されるべきである。
【００１４】
シール１７の信頼性を一層向上させるため、シール組立体１０は好ましくは、案内軸受１９をシールキャリヤ１２内に圧力嵌めし、同一の機械加工装置で機械加工によりボア１３を案内軸受とシールキャリヤの領域１１に形成することによって製造される。上述したように、領域１１内のボア１３の内径は、案内軸受を貫通したボアの内径２０よりも僅かに大きく機械加工されている。しかしながら、構成要素の同心性は、シール組立体の構成要素が別個独立に機械加工され、次に組み立てられる従来型システムと比較すると、同一の装置を用いて両方の領域を機械加工することで向上している。
【００１５】
図２を再び参照すると、上述したようにシール１７をシール用ばね６０によってシールキャリヤ１２に向かって付勢するのがよい。一実施形態では、シール用ばね６０は、プランジャを包囲する複数のコイル６４を形成するようプランジャ１４の周りに巻かれたワイヤフィラメントを有するのがよい。各コイル６４は、プランジャ１４に向いた内面６１及びプランジャから遠ざかる方向に向いた外面６２を有するのがよい。別の実施形態では、シール用ばね６０は、環状シール１７をシールキャリヤ１２に向かって付勢する別の形態のものであってもよい。
【００１６】
シール用ばねは、プランジャ１４の軸線に対し横方向に撓んでプランジャ又はカラー５０の何れかと擦れ合う場合のあることが判明した。したがって、シール用ばねは摩耗する場合があり、そしてシール用ばねが当たっているシールに不均一な荷重を及ぼす場合があり、それによりシールが漏れを生じるようにする。変形例として、シール用ばねは、カラー５０又はプランジャ１４のいずれかを摩耗させ、それによりこれら構成部品の有効寿命を減少させる場合がある。
【００１７】
ばねの摩耗の問題を解決するための一対策は、カラー５０を貫通するボアのサイズを大きくし、シール用ばねの外面がボアの内面に接触する可能性を低くすることであった。この対策の一問題点は、シール用ばねが大きなボア内に配置されると横方向の撓み量が多くなる場合のあることである。したがって、たとえシール用ばねの外面がボアの内面に接触しなくても、ばねの内面はプランジャ１４に接触しやすくなり、それによりシール用ばね及びプランジャを摩耗させて不均一な荷重がシールに加わるようになる。
【００１８】
したがって、本発明の一実施形態では、環状シール１７は、本体２８及び環状フランジ部分５４を有するのがよい。フランジ部分５４は、シール用ばね６０、プランジャ１４及び環状シール１７と同心状に本体から遠ざかって延び、シール用ばねの外面６２に係合する。例えば、フランジ部分５４は、シール用ばね６０のコイル６４のうち２つに係合する係合面５６を有するのがよい。したがって、係合面５６は、コイル６０の湾曲形状に一致して湾曲したものであるのがよい。別の実施形態では、係合面５６は、これよりも多い数又は少ない数のコイル６４及び（又は）シール用ばね６０の他の部分に係合してもよい。これについては図４〜図９を参照して以下に詳細に説明する。さらに別の実施形態では、係合面５６は、図２に示す軸対称コイル形状とは別の形状を有するシール用ばね６０に係合してもよい。
【００１９】
シール１７及びフランジ部分５４を設けたことにより得られる利点は、これらがシール用ばね６０の外面６２に係合してプランジャ１４の軸線に対して横方向のシール用ばねの動きを制限できることにある。したがって、シール用ばね６０はプランジャ１４及び（又は）カラー５０に接触する恐れが小さく、プランジャ、カラー及びシール用ばねは寿命が伸びる可能性がある。さらに、シール用ばね６０とプランジャ１４とカラー５０との間の摩擦を減少させることにより、シリンダ２４内に生じる熱を減少させることができ、それによりシール１７の寿命が長くなる。
【００２０】
図２に示すように、カラー５０は、係合面５６ａを備えたフランジ部分５４ａを有するのがよい。係合面５６ａは、シール１７の係合面５６と係合するシール用ばねの部分と反対側でシール用ばね６０の外面６２に係合するよう配置するのがよい。シール用ばね６０の両端部の外面６２に係合することにより、カラー５０とシール１７は協働して、シール用ばね６０がプランジャ１４に対して横方向に動く恐れを一層減少させることができ、そしてシール組立体の構成部品の寿命を更に伸ばすことができる。
【００２１】
図４は、本発明の別の実施形態による短い環状フランジ１５４を備えたシール１１７を有するシール組立体１０の部分断面平面図を示している。フランジ１５４は、シール用ばねを構成するフィラメントの直径Ｄの半分にほぼ等しいシール用ばね６０の部分に係合する係合面１５６を有している。別の実施形態では、フランジ１５４は、プランジャ１４に対するシール用ばねの横方向の運動を制限すると共に（或いは）防止するのに十分なシール用ばねの部分に係合する限り、シール用ばね６０のこれよりも大きな部分又は小さな部分に係合してもよい。図２に示すシール１７と比較した場合におけるシール１１７の利点は、製造に要する材料が少なくて済むということである。
【００２２】
図５は、プランジャ１４に隣接して位置する環状フランジ２５４を備えたシール２１７を有するシール組立体１０の部分断面平面図を示している。したがって、シール２１７は、プランジャ１４の一層広い部分に密封自在に係合でき、したがってプランジャと良好な密封関係をなすことができる。フランジ２５４は、プランジャ１４及びカラー５０に対するシール用ばね２６０の横方向運動を制限すると共に（或いは）防止するためにシール用ばね２６０の内面２６１に係合する係合面２５６を有している。係合面２５６は、シール用ばね２６０の単一のコイル２６４に係合してもよく、或いは図２及び図４に関連して上述したようにばねの一層大きな部分又は一層小さな部分に係合してもよい。カラー５０は図５に示すようにシール用ばね２６０の外面２６２に係合するのがよく、或いは変形例として、カラー５０がプランジャ１４から間隔を置いて位置する状態を保つ限り、シール用ばね２６０の内面２６１に係合してもよい。
【００２３】
図６は、外側フランジ３５４ｂから間隔を置いて位置した内側フランジ３５４ａを備えたシール３１７を有するシール組立体１０の部分断面平面図を示している。内側フランジ３５４ａは、シール用ばね６０の内面６１に係合する係合面３５６ａを有し、外側フランジ３５４ｂは、シール用ばねの外面６２に係合する係合面３５６ｂを有している。したがって、シール３１７は、プランジャ１４に対するばね６０の横方向運動を一段と防止することができる。
【００２４】
図７は、ボア５５７の周囲の周りにぐるりと間隔を置いて設けられた複数の係合部材５５４を有するシール５１７の等角図を示している。ボア５５７は、プランジャ１４（図２）に摺動自在に係合するよう寸法決めされたものであるのがよく、係合部材５５４は、シール用ばね６０（図２）に係合するよう位置決めされた係合面５５６を有するものであるのがよい。図７に示す実施形態では、係合面５５６は、シール用ばね６０の外面６２（図２）に係合するような形状になっており、別の実施形態では、係合面はシール用ばねの内面６１（図２）に係合するような形状になっているのがよい。図７に示す実施形態では、ばねガイド５１７は、７つの係合部材５５４を有するのがよく、別の実施形態ではこれよりも多い数又は少ない数の係合部材を有してもよい。
【００２５】
図８は、環状シール６１７を保持するシールキャリヤ６１２及びバックアップリング６３４を有するシール組立体１０の部分断面平面図を示している。バックアップリング６３４は、環状シール６１７をプランジャ１４に対して支持することができる。環状シール６１７は、シール用ばね６０の外面６２に係合するフランジ部分６５４を有するのがよい。変形例として、フランジ部分６５４は、図５に示す方法と類似した方法でシール用ばね６０の内面６１に係合するように構成されていても、或いは図６に示す方法と類似した方法で内面６１と外面６２の両方に係合するように構成されていてもよい。いずれの場合であっても、環状シール６１７は、シール用ばね６０とカラー５０及びプランジャ１４のうち一方又は両方との間の接触を制限すると共に（或いは）防止するのに十分なシール用ばね６０の部分に係合できる。
【００２６】
改良型高圧流体シール組立体を図示し説明した。上記のことから、本発明の特定の実施形態を例示目的で説明したが、本発明の精神から逸脱することなく種々の設計変更例を想到できることは理解されよう。かくして、本発明は、本明細書において説明した実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲は請求の範囲の記載に基づいて定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態によるシールキャリヤ及びシールを有するポンプ組立体の部分断面平面図である。
【図２】 図１に示すシール及びシールキャリヤの拡大部分断面平面図である。
【図３】 図１及び図２に示すシールキャリヤの詳細断面平面図である。
【図４】 本発明の別の実施形態によるばねの外面に係合するシールを有するシール組立体の部分断面平面図である。
【図５】 本発明の更に別の実施形態によるばねの内面に係合するシールを有するシール組立体の部分断面平面図である。
【図６】 本発明の更に別の実施形態によるばねの内面及び外面に係合するシールを有するシール組立体の部分断面平面図である。
【図７】 本発明の更に別の実施形態による突起を有するシールの等角図である。
【図８】 本発明の更に別の実施形態によるバックアップリングを有するシール組立体の部分断面平面図である。

Claims (20)

1. 高圧ポンプ用のシール組立体であって、
   少なくとも１つの開口部が設けられたシリンダ壁を備えるシリンダと、
   該シリンダの該開口部を貫通して延びる細長いプランジャと、
   該プランジャの周りにコイル状に巻かれていて、該プランジャに向いた内面及び該内面と反対側の外面を備えたばねと、
   該プランジャに隣接した密封面及び該ばねの一部のみに隣接していて、該プランジャに対する該ばねの横方向運動を制限する係合面を備えたシールと
   該プランジャの周りに配置され、該シールに向けて該ばねに偏向させるように該ばねと係合する保持部材と
   該プランジャが挿通できるボアが設けられると共に、ボアと同心の第１の環状溝、及びボアと同心であって、第１の環状溝から軸方向に間隔を置いて設けられた第２の環状溝を有するシールキャリヤと
   とを備え、ここで、
   該シールは、環状であり、第１の環状溝に嵌め込まれており、環状の該シールは第１の端部領域及び第１の端部領域と反対側の第２の端部領域を有し、該第１の端部領域は、該シールキャリヤにより支持され、フランジが、ボアと同心状に該第２の端部領域から延びており、
   該ばねは、第１の端部及び第１の端部と反対側の第２の端部を有し、第１の端部は、該保持部材により環状シールに押しつけられ、該ばねの第１の端部に向いた該ばねの該内面と該外面のうち一方が、該シールの該フランジに係合し、
   該高圧流体シール組立体は更に、該プランジャの周りに設けられていて、該ばねの該第２の端部に押しつけられる保持部材と、該シールキャリヤの該第２の環状溝内に配置された環状案内軸受とを有し、該環状案内軸受の内径は、該第１の環状溝と該第２の環状溝との間の領域では該シールキャリヤのボアの内径よりも小さいことを特徴とする
   シール組立体。
2. 前記ばねは、フィラメント直径を有するフィラメントを含み、該フィラメントは、フィラメント軸線の周りにコイル状に巻かれており、前記シールの係合面は、該フィラメント直径の半分にほぼ等しい距離だけ該フィラメント軸線に沿って延びていることを特徴とする請求項１記載のシール組立体。
3. 前記シールの係合面は、複数の係合面のうちの一つであり、該係合面の各々は、前記ばねの前記外面の周りに他の係合面から間隔を置いて位置していることを特徴とする請求項１記載のシール組立体。
4. 高圧ポンプ用のシール組立体であって、
   少なくとも１つの開口部が設けられたシリンダ壁を備えるシリンダと、
   該シリンダの該開口部を貫通して延びる細長いプランジャと、
   該プランジャの周りにコイル状に巻かれていて、該プランジャに向いた内面及び該内面と反対側の外面を備えたばねと、
   該プランジャに隣接した密封面及び該ばねの一部のみに隣接していて、該プランジャに対する該ばねの横方向運動を制限する係合面を備えたシールと
   該プランジャの周りに配置され、該シールに向けて該ばねに偏向させるように該ばねと係合する保持部材とを備え、該ばねは、第１及び第２の端部を有し、該シールは、該第１の端部に向かう方向で該ばねに係合し、更に、該第２の端部に向かう方向で該ばねに係合した状態で該プランジャの周りに配置されていて、該保持部材が該ばねを該シールに向かって付勢することを特徴とするシール組立体。
5. 前記保持部材は、前記プランジャに対する前記ばねの横方向運動を制限するよう該ばねの前記第２の端部に向かう方向で該ばねの前記外面に係合する係合面を有していることを特徴とする請求項４記載のシール組立体。
6. 前記シールは、シール本体及び前記プランジャと同軸状に該シール本体から遠ざかって延びるフランジ部分を有しており、前記係合面が該フランジ部分であることを特徴とする請求項１記載のシール組立体。
7. 前記フランジ部分は、前記プランジャから間隔を置いて位置し、前記係合面は、前記ばねの前記外面に隣接して位置していることを特徴とする請求項６記載のシール組立体。
8. 前記フランジ部分は前記プランジャに隣接し、前記係合面は前記ばねの前記内面に隣接して位置していることを特徴とする請求項６記載のシール組立体。
9. 前記シールは、前記ばねの前記内面に隣接した第１の係合面及び前記ばねの前記外面に隣接した第２の係合面を有していることを特徴とする請求項１記載のシール組立体。
10. 前記ばねの前記内面と前記外面のうち一方は、湾曲しており、前記シールは、該ばねの該一方の面に隣接した湾曲係合面を有し、該湾曲係合面は、該ばねの該一方の面と同心であることを特徴とする請求項１記載のシール組立体。
11. 前記ばねは、２つのコイルを形成するようフィラメント軸線の周りに少なくとも２回コイル状に巻かれたフィラメントを有し、前記係合面は、該ばねの該２つのコイルに係合することを特徴とする請求項１記載のシール組立体。
12. 前記保持部材には、前記ばねの前記外面から間隔を置いてボアが設けられていることを特徴とする請求項１記載のシール組立体。
13. 前記フランジ部分は、前記ばねの前記内面と前記外面のうち一方に近接した状態で複数の互いに間隔を置いて設けられた突起を有することを特徴とする請求項６記載のシール組立体。
14. 前記フランジは、前記ばねの前記外面に隣接した係合面を有していることを特徴とする請求項１記載の高圧流体シール組立体。
15. 前記フランジは、前記ばねの前記内面に隣接した係合面を有していることを特徴とする請求項１記載の高圧流体シール組立体。
16. 前記フランジは、前記ばねの前記内面に隣接した第１の係合面及び該ばねの前記外面に隣接した第２の係合面を有していることを特徴とする請求項１記載の高圧流体シール組立体。
17. 前記ばねは、フィラメント直径を有するフィラメントを含み、該フィラメントは、フィラメント軸線の周りにコイル状に巻かれており、前記フランジは、該フィラメント直径の半分にほぼ等しい距離だけ該フィラメント軸線に沿って延びていることを特徴とする請求項１記載の高圧流体シール組立体。
18. 前記保持部材は、前記プランジャから空間をあけられ、前記シールの外面と接触する、請求項１に記載のシール組立体。
19. 高圧ポンプ用のシール組立体であって、
    少なくとも１つの開口部が設けられたシリンダ壁を備えるシリンダと、
    該シリンダの該開口部を貫通して延びる細長いプランジャと、
    該プランジャの周りにコイル状に巻かれていて、該プランジャに向いた内面及び該内面と反対側の外面を備えたばねと、
    該プランジャに隣接した密封面及び該ばねの一部のみに隣接していて、該プランジャに対する該ばねの横方向運動を制限する係合面を備えたシールと
    該プランジャの周りに配置され、該シールに向けて該ばねに偏向させるように該ばねと係合する保持部材とを備え、該シールの係合面は、複数の係合面のうちの一つであり、該係合面の各々は、該ばねの該外面の周りに他の係合面から間隔を置いて位置している、シール組立体。
20. 高圧ポンプ用のシール組立体であって、
    少なくとも１つの開口部が設けられたシリンダ壁を備えるシリンダと、
    該シリンダの該開口部を貫通して延びる細長いプランジャと、
    該プランジャの周りにコイル状に巻かれていて、該プランジャに向いた内面及び該内面と反対側の外面を備えたばねと、
    該プランジャに隣接した密封面及び該ばねの一部のみに隣接していて、該プランジャに対する該ばねの横方向運動を制限する係合面を備えたシールと
    該プランジャの周りに配置され、該シールに向けて該ばねに偏向させるように該ばねと係合する保持部材とを備え、該シールはシール本体及び該プランジャと同軸状に該シール本体から遠ざかって延びるフランジ部分を有し、前記係合面が該フランジ部分であり、そして該フランジ部分は、該ばねの該内面と該外面のうち一方に近接した状態で複数の互いに間隔を置いて設けられた突起を有する、シール組立体。

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