JP4547267B2 - 二次シールエレメント - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段部に記載の二次シールエレメントに関する。

本発明は、特に、メカニカルフェースシール装置（メカニカルシール装置）で使用するための二次シールエレメントに関し、このメカニカルフェースシール装置は、相対運動が保証されなければならない隣接する構成要素間に形成されているシールすべき狭い間隙内に二次シールエレメントの材料が入り込む又は押し出される危険があるような高圧から極めて高圧の条件で気体媒体をシールするために使用するように設計されている。上記のようにシールエレメントが押し出されてしまうことを防ぐために、フレキシブルな合成材料からなるベース体に硬い支持エレメントを、シールすべき間隙への入口を実質的に覆うようにはめ込み、これにより、二次シールエレメントの材料が間隙内に進入することを防止している二次シールエレメントは、既に公知である（特許文献１参照）。上記の硬い支持エレメントは、シール機能を有していない。むしろ、公知のこの二次シールエレメントのベース体が専ら、このシールの機能を果たしている。このような公知の手段によって、シールすべき間隙内への二次シールエレメントの材料の進入を確かに効果的に防止することができるが、高圧でありかつ特に高温である場合には、公知の二次シールエレメントを使用して信頼性の高いシールを得ることはできない、つまり、このような操作条件下では、付勢されたシールリングであってよい関連部材の運動の自由を保証できない恐れがある。その一方で、シールリングの軸線方向の自由な運動は、そのシール効果と特に気体のシールに対する操作上の十分な信頼性とを得るための本質的な必要条件である。さらに、可動性が欠如すると、実質的に損傷を与える影響を及ぼしうる。
ＤＥ−Ｕ−２９５１８１１９公報

本発明の目的は、シールすべき気体媒体の存在下での通常の圧力から極めて高い圧力での使用に適した上述のタイプの二次シールエレメントを提供し、それと共に、相対運動可能であってかつ二次シールエレメントによって互いにシールされるべき部材の十分な可動性が保証されているようにすることである。

この課題は、ベース部分とシール部分とを有している合成材料のベース体からなっている二次シールエレメントによって達成される。これらのベース部分及びシール部分はそれぞれ構成部材を通すための貫通孔を有しており、これらの貫通孔は、軸線方向に隣接していてかつ互いに同軸的に整合している。ベース部分には環状ディスクエレメントが収容されていて、ベース部分及びシール部分の貫通孔に同軸的に整合している貫通孔を有している。この環状ディスクエレメントは、ベース体とは異なる材料からなっている。本発明によれば、環状ディスクエレメントの貫通孔は、負荷されていない状態でベース体のシール部分の貫通孔の寸法よりも大きくかつベース部分の貫通孔の寸法よりも小さな半径方向寸法を有しており、この環状ディスクエレメントの材料は炭素材料を含んでいる。媒体の圧力が低い時には、環状ディスクエレメントには実質的に負荷はかからず、フレキシブルな合成材料からなるベース体のシール部分が実質的にそれのみで、シール機能を果たす。この時に発生するシール力は、関連部材（シールリング）の十分な運動に関連して簡単に最適化されうる。これに対して、媒体の圧力が高くなると、シール機能は環状シールエレメントに徐々に移り、この環状シールエレメントは、シールすべき面と係合してこれをシールするように押し付けられている状態となる。この場合、同時に、シールすべき部材間の間隙が閉鎖される。炭素材料の良好なトライボロジー的性質によって、環状シールエレメントとシールすべき面との間に確実な係合関係が存在していても、関連部材（シールリング）の可動性が十分な度合いに保たれる。高圧条件下では、ベース体のシール部分にかかる負荷が完全に解除されうる。本発明の別の態様によれば、二次シールエレメントは、ベース部分の端面に形成された切欠き内に設けることができ、その面を越えて軸線方向に突出していてよい。この場合、この二次シールエレメントによって、半径方向及び軸線方向のシール効果が同時に得られる。

次に、本発明を、実施例及び以下の図面に基づきより詳細に説明する。

以下に、メカニカルフェースシール装置のための二次シールエレメントとしての好ましい使用に関連して本発明を説明するが、本発明は、この分野での適用に限定されることはない。むしろ、相対運動する部材をシールするために通常使用される弾性材料からなるシールが、高圧及び／又は高温において損傷する可能性がある場合に、有利に使用することができる。

図１に示すように、メカニカルフェースシール装置はシールリング３、４を有しており、これらのうちの一方のシールリング、つまりシールリング３は、ハウジング１に対して固定されて保持されており、もう一方のシールリングであるシールリング４は、シャフト２に結合されていて、このシャフト２と共に回転するようになっている。ハウジング１には、スラストリング５に作用する付勢手段６が設けられていて、このスラストリング５は、ハウジング１内で軸線方向に可動であり、シールリング３は、このスラストリング５に軸線方向に支持されていて、ばね手段６が及ぼす付勢力によって、回転するシールリング４に押し付けられるようになっている。シールリング４は、適切な方法で、例えば伝動ハウジング７の溝に嵌められたＯリング９によってシールされている。管形状の伝動リング８は、取り付け部材の回転をシールリング４に伝達させるために、シールリング４と取り付け部材（詳細には図示せず）との間のシャフト２に設けられている。上述のメカニカルフェースシール装置の構造は当業者に公知であるので、ここでその詳細をさらに説明する必要はない。

スラストリング５、ひいては固定のシールリング３をハウジング１に対してシールするために、二次シールエレメントが設けられており、図１ではその全体を参照番号１０で示す。この二次シールエレメントは、スラストリング５に設けられたＬ字型の段付けされた受容孔１１内に配置されている。

図２は、二次シールエレメント１０の拡大図である。この図に示すように、二次シールエレメント１０は、Ｌ字型断面を有し、かつポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような可撓性の適切な合成材料からなる環状のベース体１２を有している。このベース体１２は、ベース部分１３とシール部分１４とからなっており、これらの両部分は、軸線方向に隣接していて、ベース体１２の一体的な構成部分となっている。ベース部分１３は、実質的に長方形の中実断面を有しており、シールリング３の方を向いた外側端面１５と、スラストリング５の方を向いた内側端面１６とによって軸線方向で画定されており、半径方向寸法Ｄ_１を有する貫通孔１７を有している。この貫通孔１７を通って、シールされるようにハウジング１に取り付けられているスリーブ１８が延びている。スラストリング５及びシールリング３は、長手方向に移動可能にスリーブ１８に嵌められている。

シール部分１４は、ベース部分１３の、貫通孔１７に近い内側端面１６から軸線方向に突出している。シール部分１４は、平行に半径方向に隔置されたウェブエレメント１９、２０の対を有しており、これらのウェブエレメント１９、２０は、軸線方向に延びていて、その間に環状空間２１を画定している。シール面２２、２３は、ウェブエレメント１９、２０の外側面に設けられた半球型のキャップ状の突出部に設けられている。

シール部分１４の半径方向内側シール面２３は、半径方向寸法Ｄ_２を有する貫通孔３１を画定しており、Ｄ_２は、二次シールエレメント５が無負荷状態にある時の貫通孔１７の半径方向寸法より小さい。

図１及び図２からも明らかであるように、ウェブエレメント１９、２０を半径方向に互いに離すように広げるために、Ｕ字型の突っ張りばね形態のばね部材３２を環状空間２１に配置することができ、これにより、シール面２２、２３が付勢され、シールすべき隣接面に予め規定可能に確実に押し当てられるようになっている。

断面長方形の環状ディスクエレメント２５は、ベース部分１３の外側端面１５に設けられた切欠き２４内に、外側軸線方向端面２６が軸線方向にベース部分１３の端面１５を適切にわずかに越えて突出するように収容されている。環状ディスクエレメント２５は、ベース部分１３の外側に取り付けることもできる。環状ディスクエレメント２５の内側軸線方向端面２７は、切欠き２４の隣接面にシールされるように押し当てられる。端面２６の、参照符号２８で示す、少なくとも一部の面部分は、対向するシールリング３の端面２９にシールされるように係合している。

環状シールエレメント２５の特徴の１つは、炭素材料から形成されていることである。この材料は、一方では、良好な弾性及び固有安定性、そしてこれによる良好なシール特性を特徴としており、他方では、タングステンカーバイドＷＣのような関連するカーバイド硬質材料に本質的に対応する熱膨張挙動を有していることを特徴としている。適切な炭素材料は、メカニカルフェースシールのシールリングの形成に使用される材料に対応することができ、これについては、Burgmann Lexikon、ABC der Gleitringdichtung、自社出版、１９８８、１２５頁の相互参照によって説明されている。特に好ましくは、いわゆる合成炭素（上記文献、Burgmannの１３３頁を参照）であり、合成樹脂又はアンチモンのような別の適切な材料で含浸されていてもよい。

環状シールエレメント２５の別の特徴は、貫通孔３０を有していることであり、この貫通孔３０を通ってスリーブ１８が、環状シールエレメント２５の無負荷状態では適切な遊びを有するように挿入されていることである。この貫通孔３０は、ベース部分１３の貫通孔１７と同軸的に配置されており、二次シールエレメント１０の無負荷状態でのベース部分１３の半径方向寸法Ｄ_１より小さな半径方向寸法ｄを有している。環状シールエレメント２５のさらに別の特徴は、この半径方向寸法ｄが、無負荷状態でのシール部分１４の貫通孔３１のＤ_２より大きいことである。

図１及び図２からも明らかであるように、環状シールエレメント２５の外側周面と切欠き１１の内側周面との間、並びにシールリング３と端面２６との間の間隙（図面では誇張して拡大している）に媒体が入り込むことができるので、シールすべき媒体（好ましくは気体であるがこれに限定されることはない）の圧力は、環状シールエレメント２５に半径方向にも軸線方向にも効果的にかかる。これによって、環状シールエレメント２５は半径方向に圧縮され、この圧縮は、媒体の圧力が増大するほど大きくなる。したがって、媒体の圧力が大きくなると、環状シールエレメント２５は、スリーブ１８の隣接面とますます固く係合してこれをシールするように押し付けられ、これにより、シールリング３とスリーブ１８との間の半径方向間隙ｓがシールされる。これにより、シール部分１４は、実質的に圧力から解放される。これに対して、媒体の圧力がより小さい場合には、環状シールエレメント２５にかかる接触圧が前述の貫通孔３０、３１の半径方向寸法による適切なシール効果を得るのに十分でないために、始めは、シール部分１４の半径方向内側シール面２３とスリーブ１８の面との間の係合によって、シール部分１４が作用することによりシールを行う。シール面２３をスリーブ１８の面に押し付ける半径方向の付勢力は、スラストリングの軸線方向の運動が実質的に妨げられないように設定することができる、つまり媒体が低圧である場合に不都合な動きがとれない作用を生じないような規定された半径方向のシール力が得られる。このような運動の自由は、媒体が高圧である場合にも、環状シールエレメント２５を形成している炭素材料が良好なトライボロジー的性質を有していることによって保証される。同様に、環状シールエレメント２５の軸線方向寸法を適切に設定することによっても、環状シールエレメント２５の運動の自由に影響を与えることができる。同時に、この環状シールエレメント２５によって、ベース体５の材料が高圧下で間隙ｓ内に入り込んだり押し込まれたりする危険が回避される。

スリーブ１８は、環状シールエレメント２５で熱により生じる内部応力を防止するために、好ましくは、環状シールエレメント２５の炭素材料と同様の熱膨張係数を有している、タングステンカーバイドＷＣのような耐摩耗性硬質材料からなっていることが望ましい。

以上、本発明を、環状シールエレメントが軸線方向及び半径方向で同時にシール効果を生じさせることのできる実施例に基づいて説明した。しかし、本発明は、このような構成に制限されるのではなく、環状シールエレメント全体がベース体の輪郭内に配置されていて、半径方向のシール機能のみを有しているような構成も包含している。また、シール部分の構造は、半径方向に拡張可能なウェブエレメントが設けられたものに限定されない。シール部分は、例えばラビリンスシール又は簡単なリップシールの形態であってもよい。最後に、本発明による二次シールエレメントは、固定シールリング及び回転シールリングの両方に関連して使用するために設けることができる。また、炭素材料の使用が好ましいが、「炭素材料」という表現には、同じ性質又は類似の性質を有する適切な別の材料も入れることもできる。

本発明の一実施例による二次シールエレメントを有する、機器のシャフトに取り付けられた状態のメカニカルフェースシール装置の長手方向断面図である。 図１の二次シールエレメントの拡大した詳細図である。

符号の説明

１：ハウジング、２：シャフト、３，４：シールリング、５：スラストリング、６：ばね手段、７：伝動ハウジング、８：伝動リング、９：Ｏリング９、１０：二次シールエレメント、１１：受容孔、１２：ベース体、１３：ベース部分、１４：シール部分、１５：外側端面、１６：内側端面、１７：貫通孔、１８：スリーブ、１９，２０：ウェブエレメン、２１：環状空間、２２，２３：シール面、２４：切欠き、２５：環状シールエレメント、２６：外側軸線方向端面、２７：内側軸線方向端面、２８：面部分、２９：端面、３０，３１：貫通孔、３２：ばね部材

Claims (7)

1. 合成材料からなるベース体（１２）と環状ディスクエレメント（２５）とを備えている二次シールエレメントであって、
   該ベース体（１２）が、ベース部分（１３）及びシール部分（１４）を有しており、
   該ベース部分及びシール部分が、部材を貫通させるための同軸的に整合しかつ軸線方向に隣接する貫通孔（１７、３１）を有しており、
   前記環状ディスクエレメント（２５）が、前記ベース部分に収容されていて、該ベース部分の貫通孔及び前記シール部分の貫通孔と同軸的に整合されている貫通孔（３０）を有していて、
   前記ベース体とは異なる材料から形成されている形式のものにおいて、
   無負荷状態で前記環状ディスクエレメント（２５）の貫通孔（３０）が、前記ベース体（１２）のシール部分（１４）の貫通孔（３１）のＤ２より大きく、かつ前記ベース体（１２）のベース部分（１３）のＤ１よりも小さい半径方向寸法ｄを有しており、前記環状ディスクエレメントの材料が炭素材料から形成されており、
   負荷状態で、少なくとも環状ディスクエレメント（２５）の半径方向外側周面部分において、加圧された媒体が半径方向内側への力が働くように、前記環状ディスクエレメント（２５）が、ベース部分（１３）の端面（１５）に設けられた切欠き（２４）に配置されていて、該端面を越えて軸線方向に突出している
   ことを特徴とする二次シールエレメント。
2. 前記ベース体（１２）の合成材料が、ＰＴＦＥを含んでいることを特徴とする請求項１記載の二次シールエレメント。
3. 前記シール部分（１４）が、半径方向に隔置されかつ反対方向に外側を向いたシール面（２２、２３）を備えた弾性のウェブエレメント（１９、２０）の対を有していることを特徴とする請求項１又は２記載の二次シールエレメント。
4. 前記ウェブエレメント（１９、２０）を半径方向に弾性的に拡張するための手段（３２）を特徴とする請求項３記載の二次シールエレメント。
5. 前記ベース部分（１３）が、実質的に長方形の横断面を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の二次シールエレメント。
6. 協働する一対のシールリング（３、４）を有するメカニカルフェースシール装置であって、該シールリング（３、４）のうち、一方が軸方向の付勢力によって他方に向けて負荷されていて、かつスリーブ（１８）に軸線方向に可動に配置されている形式のものにおいて、前記スリーブ（１８）に対して一方のシールリング（３）をシールするために、請求項１〜５のいずれか１項記載の二次シールエレメント（１０）が、前記付勢力を伝達するために軸線方向に可動にスリーブに嵌められているスラストリング（５）に設けられており、前記スリーブが、環状ディスクエレメント（２５）の炭素材料の熱膨張係数に本質的に対応する熱膨張係数を有する材料から形成されていることを特徴とするメカニカルフェースシール装置。
7. 前記スリーブ（１８）が、タングステンカーバイドから形成されていることを特徴とする請求項６記載のメカニカルフェースシール装置。

Images