JP5345544B2 - シールキャリアアセンブリと超高圧流体システム - Google Patents

Description

（関連出願の参照）
本願は、”超高圧流体システムのシールの方法と装置”と題する２００３年４月２５日に出願された米国特許出願シリアル番号１０／４２３，６６１の一部継続出願であり、この出願はまだペンディング中である。そして、”超高圧流体システムにおけるメタル部品間のガスケットシール形成の部品、システムと方法”と題する２００２年１月２日に出願された米国特許出願シリアル番号１０／０３８，５０７の一部継続出願であり、これは、米国特許第６，８０２，５４１号として登録された。

本発明は、超高圧流体システム、特に、超高圧ポンプのような超高圧システムのためのシールの方法とアセンブリに関するものである。

高圧ポンプおよび超高圧ポンプは、プランジャの吸入行程で、ある体積の流体をポンプ中に取り込み、そして、プランジャの圧縮行程で流体を望ましい圧力、８７，０００ｐｓｉまで及びそれ以上、に加圧する。加圧された流体は、逆止弁本体を通り、排出口の逆止弁に流れる。もしも、流体の圧力が、排出口領域で高圧流体により提供される逆止弁の下流端に作用するバイアス力よりも大きいと、高圧流体はバイアス力に打ち勝ち、逆止弁を通って排出口に流れる。典型的には、ポンプは複数のシリンダを有しており、それぞれのポンプの排出口領域から集められた加圧された流体はアキュムレータに集められる。このようにして集められた高圧流体は、その後、希望する例えば切断や洗浄のような機能を果たすために選択的に使われる。そのようなポンプは、例えば、本発明の出願人、Ｆｌｏｗ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｋｅｎｔ，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎによって製造されている。

出願人は、多くの状況で、そのようなポンプの動作と、より高い圧力でのその部品の寿命の更なる最適化とが望ましいと信じている。例えば、運動用シールのようなさまざまなポンプの部品が８７，０００ｐｓｉまで及びそれ以上の高圧の対象となるとき、そのシールは限られた動作寿命を有する。

より詳細には、プランジャがポンプシリンダのボアの中で往復運動をする間に、シリンダ内の加圧された流体がプランジャを通り抜けてポンプ内に流れ出るのを防止する運動用シールを通って、プランジャは進む。そのような運動用シールの一つが、参照により全体が組み込まれている米国特許第６，０８６，０７０号に示されており、これは、本願の出願人、Ｆｌｏｗ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに帰属している。米国特許第６，０８６，０７０号にある運動用シールは、シール１８に対するバックアップリングとしての機能を果たすシールキャリア１２を含んでいる。このシールキャリアは、さらに、シールキャリアの環状の溝の中に配置されている環状のガイドベアリングを含んでおり、ガイドベアリングは、シールから軸方向に間隙を置いて配置されている。シールとガイドベアリングとの間の領域にあるシールキャリアの内径は、シールキャリアとプランジャとの間に小さなギャップができるように、ガイドベアリングの内径よりも大きい。そのような組み合わせが４０，０００ｐｓｉまで及びそれ以上の非常に高い圧力でうまく動作する一方で、そのような運動用シールシールは８７，０００ｐｓｉまで及びそれ以上の圧力にさらされると、シールキャリアとプランジャとの間のギャップを通して、押し出る傾向にある。

さらに、図１に示されている他の運動用シールでは、プランジャ１００は、運動用シール１０３を通って往復運動をする。運動用シール１０３は、プラスチックシール１０４、Ｏ−リング１０５とメタルフープシール１０６とを有しており、アルミ青銅合金のようなベアリング材で作られているバックアップリング１０９により保持されている。この技術でよく知られているように、シリンダ１０２は、タイロッドを締め付けることにより、バックアップリング１０９と共に、その平面の接触面に沿って締め付けられている。非常に高い圧力、例えば８７，０００ｐｓｉまで及びそれ以上、では、バックアップリング１０９とプランジャ１００との間のギャップは、圧力下では均一には閉じられない。そして、再び、シール１０４は、使えるいかなるギャップでも通って、運動用シール１０３の不良を起こしながら押し出る。非常に短い部品寿命が与えられる場合、頻繁な部品交換が要求され、機械のダウンタイム、生産性のロスおよびポンプへのダメージの可能性がもたらされる。そのようなシール１０４の押し出しが原因の不良のみでなく、不良は、プラスチックシール１０４の亀裂、そして、高圧部品の間の相対的な運動で起こされる早過ぎるＯ−リング１０５とフープシール１０６の不良からも、もたらされてもよい。例えば、シール１０４とＯ−リング１０５は、隣接するメタル部品に対して、シール１０４とＯ−リング１０５をすり減らしながら、動くことができる。

それ故に、８７，０００ｐｓｉまで及びそれ以上の圧力まで耐える運動用シールアセンブリと実質的に部品間の相対的運動を避ける必要性とが存在する。本発明は、この必要性に合致している。

一つの実施形態によると、縦軸に沿って内部で往復運動するように構成されたプランジャを有している超高圧流体システムのためのシールアセンブリであって、プランジャが往復運動することが可能なボアを有するシールと、シールに隣接して配置され、プランジャが往復運動することが可能なボアを有しているベアリングと、内面と外面とを含むシールキャリアであって、内面の第一の部分はシールを固定して収容し、シールの縦軸に実質的に平行な方向への変位を実質的に防ぎ、内面の第二の部分は円周状にベアリングを囲んでいる、シールキャリアとを含むシールアセンブリ。

上記の実施形態の一つの観点によると、シールアセンブリのシールキャリアは、シールキャリアの外面の少なくとも一部の円周に沿って形成された凹部をさらに含み、凹部は内面の第一の部分の反対側に縦軸に実質的に垂直な横軸に沿って少なくとも部分的に配置されている、シールアセンブリ。

本発明の他の実施形態によると、縦軸に沿ってその中で往復運動するように構成されたプランジャを有している超高圧流体システムのためのシールキャリアアセンブリであって、プランジャが往復運動することが可能なボアを有するベアリングと、
内面と外面とを含むシールキャリアであって、内面の第一の部分はシールを固定して収容し、シールの縦軸に実質的に平行な方向への変位を実質的に防ぎ、内面の第二の部分は円周状にベアリングを囲んでいる、シールキャリアとを含むシールキャリアアセンブリ。

本発明の他の実施形態によると、内部で往復運動するように構成されたプランジャを有している超高圧流体システムのためのシールキャリアであって、シールの縦軸に実質的に平行な方向での変位を実質的に防ぐ、固定してシールを収容するように構成されている第一の部分と、円周状にベアリングを囲むように構成されている第二の部分とを有する内面、を含むシールキャリア。

さらに本発明の他の実施形態によると、超高圧流体システムであって、超高圧流体システムで縦軸に沿って往復運動するように構成されたプランジャと、プランジャが往復運動することが可能なボアを有しているシールと、シールに隣接して配置され、プランジャが往復運動することが可能なボアを有しているベアリングと、内面と外面とを含むシールキャリアであって、内面の第一の部分はシールを固定して収容し、シールの縦軸に実質的に平行な方向への変位を実質的に防ぎ、内面の第二の部分は円周状にベアリングを囲んでいる、シールキャリアとを含む超高圧流体システム。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
縦軸に沿って内部で往復運動するように構成されたプランジャを有している超高圧流体システムのためのシールアセンブリであって、
該プランジャが往復運動することが可能なボアを有するシールと、
該シールに隣接して配置され、該プランジャが往復運動することが可能なボアを有しているベアリングと、
内面と外面とを含むシールキャリアであって、該内面の第一の部分は該シールを固定して収容し、該シールの該縦軸に実質的に平行な方向への変位を実質的に防ぎ、該内面の第二の部分は円周状に該ベアリングを囲んでいる、シールキャリアと
を含むシールアセンブリ。
（項目２）
上記シールキャリアは、該シールキャリアの上記外面の少なくとも一部の円周に沿って形成された凹部をさらに含み、該凹部は上記内面の上記第一の部分の反対側に上記縦軸に実質的に垂直な横軸に沿って少なくとも部分的に配置されている、項目１に記載のシールアセンブリ。
（項目３）
上記凹部は、
実質的に矢じり形状の断面を含み、該断面は曲線の先端をなし、上記シールキャリアの上記内面を指し示している、項目２に記載のシールアセンブリ。
（項目４）
上記凹部は、上記シールキャリア上に誘起された応力の分散を促進するように、該シールキャリアの断面の少なくとも一部を横切って構成されている、項目２に記載のシールアセンブリ。
（項目５）
上記内面の上記第一の部分は、上記シールを円周状に囲んでいる、項目１に記載のシールアセンブリ。
（項目６）
上記内面の上記第一の部分は、上記シールを固定して収容する第一のくぼみを含んでいる、項目１に記載のシールアセンブリ。
（項目７）
Ｏ−リングをさらに含み、
上記第一のくぼみは上記シールキャリアの上記内面の中に形成された第二のくぼみを含んで円周状にかつ縦方向にＯ−リングを囲んでおり、該Ｏ−リングは上記シールと、該第二のくぼみの少なくとも一部を形成している上記内面の一部との間に挿入されている、項目６に記載のシールアセンブリ。
（項目８）
上記シールキャリアは、周囲の環境と上記シールキャリアの上記内面の少なくとも一部とが流体的につながっているように構成されている少なくとも一つの開口部をさらに含み、
該開口部は、該内面の近傍から該周囲の環境に流体を伝えるように構成されている、項目１に記載のシールアセンブリ。
（項目９）
縦軸に沿ってその中で往復運動するように構成されたプランジャを有している超高圧流体システムのためのシールキャリアアセンブリであって、
上記プランジャが往復運動することが可能なボアを有するベアリングと、
内面と外面とを含むシールキャリアであって、該内面の第一の部分は該シールを固定して収容し、該シールの該縦軸に実質的に平行な方向への変位を実質的に防ぎ、該内面の第二の部分は円周状に該ベアリングを囲んでいる、シールキャリアと
を含むシールキャリアアセンブリ。
（項目１０）
上記シールキャリアは、該シールキャリアの上記外面の少なくとも一部の円周に沿って形成された上記凹部をさらに含み、該凹部は上記内面の上記第一の部分の反対側に上記縦軸に実質的に垂直な横軸に沿って少なくとも部分的に配置されている、項目９に記載のシールキャリアアセンブリ。
（項目１１）
上記凹部は、
実質的に矢じり形状の断面を含み、該断面は曲線の先端をなし、上記シールキャリアの上記内面を指し示している、項目１０に記載のシールキャリアアセンブリ。
（項目１２）
上記凹部は、上記シールキャリア上に誘起された応力の分散を促進するように、該シールキャリアの断面の少なくとも一部を横切って構成されている、項目１０に記載のシールキャリアアセンブリ。
（項目１３）
上記内面の上記第一の部分は、上記シールを円周状に囲むように構成されている、項目９に記載のシールキャリアアセンブリ。
（項目１４）
上記内面の上記第一の部分は、上記シールを固定して収容するように構成された第一のくぼみを含んでいる、項目９に記載のシールアセンブリ。
（項目１５）
上記第一のくぼみは、第一の肩と第二の肩と、第一と第二の肩の間に挿入されている縦方向の部分とを含んでいる、項目１４に記載のシールキャリアアセンブリ。
（項目１６）
上記シールキャリアの上記内面は、円周状にかつ縦方向にＯ−リングを囲むように構成されている第二のくぼみを含んでいる、項目１４に記載のシールキャリアアセンブリ。
（項目１７）
周囲の環境と上記シールキャリアの上記内面の少なくとも一部とが流体的につながっているように構成されている少なくとも二つの開口部をさらに含み、
該二つの開口部は該内面の近傍から該周囲の環境に流体を伝えるように構成されている、項目９に記載のシールアセンブリ。
（項目１８）
内部で往復運動するように構成されたプランジャを有している超高圧流体システムのためのシールキャリアであって、
上記シールの上記縦軸に実質的に平行な方向での変位を実質的に防ぐ、固定してシールを収容するように構成されている第一の部分と、
円周状にベアリングを囲むように構成されている第二の部分と
を有する内面、を含むシールキャリア。
（項目１９）
上記シールキャリアは、円周の少なくとも一部に沿って形成されている凹部を有する外面をさらに含み、
該凹部は、上記縦軸に実質的に垂直な横軸に沿って、上記内面の上記第一の部分の反対側に少なくとも部分的に配置されている、項目１８に記載のシールキャリア。
（項目２０）
上記凹部は、
実質的に矢じり形状の断面を含み、該断面は曲線の先端をなし、上記シールキャリアの上記内面を指し示している、項目１９に記載のシールキャリア。
（項目２１）
上記シールキャリアの最小の壁厚は、上記矢じり形状の断面の上記先端に配置されている、項目２０に記載のシールキャリア。
（項目２２）
上記凹部は、部分的に円形の形状と部分的に楕円形の形状のうち少なくとも一つを含む、項目１９に記載のシールキャリア。
（項目２３）
上記凹部は、上記シールキャリア上に誘起された応力の分散を促進するように、該シールキャリアの断面の少なくとも一部を横切って構成されている、項目１９に記載のシールキャリア。
（項目２４）
上記内面の上記第一の部分は、上記シールを円周状に囲むように構成されている、項目１８に記載のシールキャリア。
（項目２５）
上記内面の第一の部分は、上記シールを固定して収容するように構成されている第一のくぼみを含む、項目１８に記載のシールキャリア。
（項目２６）
上記第一のくぼみは、第一の肩と第二の肩と、第一と第二の肩の間に挿入されている縦方向の部分とを含んでいる、項目２５に記載のシールキャリア。
（項目２７）
上記内面は、円周状にかつ縦方向にＯ−リングを囲むように構成されている第二のくぼみを含む、項目２５に記載のシールキャリア。
（項目２８）
上記第二のくぼみは、上記第一のくぼみの中に形成されている、項目２７に記載のシールキャリア。
（項目２９）
上記シールキャリアの最小の壁厚は、上記第二のくぼみに配置されている、項目２７に記載のシールキャリア。
（項目３０）
上記シールキャリアは、周囲の環境と上記シールキャリアの上記内面の少なくとも一部とが流体的につながっているように構成されている少なくとも一つの開口部をさらに含み、
該開口部は、該内面の近傍から該周囲の環境に流体を伝えるように構成されている、項目１８に記載のシールキャリア。
（項目３１）
横方向に対向した二つの開口部を含む、項目３０に記載のシールキャリア。
（項目３２）
上記開口部は、曲線の幾何断面を含む、項目３０に記載のシールキャリア。
（項目３３）
超高圧流体システムであって、
超高圧流体システムで縦軸に沿って往復運動するように構成されたプランジャと、
該プランジャが往復運動することが可能なボアを有しているシールと、
該シールに隣接して配置され、該プランジャが往復運動することが可能なボアを有しているベアリングと、
内面と外面とを含むシールキャリアであって、該内面の第一の部分は該シールを固定して収容し、該シールの該縦軸に実質的に平行な方向への変位を実質的に防ぎ、該内面の第二の部分は円周状に該ベアリングを囲んでいる、シールキャリアと
を含む超高圧流体システム。
（項目３４）
上記シールキャリアは、該シールキャリアの上記外面の少なくとも一部の円周に沿って形成された凹部をさらに含み、該凹部は上記内面の上記第一の部分の反対側に上記縦軸に実質的に垂直な横軸に沿って少なくとも部分的に配置されている、項目３３に記載の超高圧流体システム。
（項目３５）
上記凹部は、
実質的に矢じり形状の断面を含み、該断面は曲線の先端をなし、上記シールキャリアの上記内面を指し示している、項目３４に記載の超高圧流体システム。
（項目３６）
上記凹部は、少なくとも上記超高圧流体システムが動作中に、上記シールキャリア上に誘起された応力の分散を促進するように、該シールキャリアの断面の一部を横切って構成されている、項目３４に記載の超高圧流体システム。
（項目３７）
上記シールキャリアの上記内面の上記第一の部分は、円周状に上記シールを囲んでいる、項目３３に記載の超高圧流体システム。
（項目３８）
上記内面の上記第一の部分は、上記シールを固定して収容している第一のくぼみを含んでいる、項目３３に記載の超高圧流体システム。
（項目３９）
Ｏ−リングをさらに含み、
上記第一のくぼみは、上記シールキャリアの上記内面の中に形成された第二のくぼみを含んで円周状にかつ縦方向に該Ｏ−リングを囲んでおり、該Ｏ−リングは上記シールと、該第二のくぼみの少なくとも一部を形成している上記内面の一部との間に挿入されている、項目３８に記載の超高圧流体システム。
（項目４０）
上記シールキャリアは、周囲の環境と上記シールキャリアの上記内面の少なくとも一部とが流体的につながっているように構成されている少なくとも一つの開口部をさらに含み、
該開口部は、該内面の近傍から該周囲の環境に流体を伝えるように構成されている、項目３３に記載の超高圧流体システム。

図１は、先行技術に従って提供されている超高圧ポンプのための運動用シールの断面図である。 図２は、本発明の実施形態に従って提供されている運動用シールを用いた超高圧ポンプの部分断面図である。 図３は、プランジャと共に示した図２の運動用シールの拡大した断面図である。 図４は、プランジャを除いて示した図２の運動用シールの拡大した断面図である。 図５は、本発明の他の実施形態に従って提供されている運動用シールを用いた超高圧ポンプの拡大した部分断面図である。 図６は、図５に示した超高圧ポンプのシールキャリアとベアリングの図面である。 図７は、図６の７−７切断面のシールキャリアとベアリングの断面図である。 図８は、図６の８−８切断面のシールキャリアとベアリングの断面図である。

多くの場合に、超高圧流体ポンプのより高い圧力での運転を最適化することと、その部品の寿命を改善することとが望ましい。例えば、Ｆｌｏｗ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎで製造されているような超高圧増圧ポンプは、研削ウォータージェット切断ヘッドへの高圧流体の供給や、あるいは、食品の低温殺菌に用いられる圧力容器の加圧のような様々な応用で使用されてもよい。下記の議論は、例として超高圧増圧機を用いるが、本発明は、いかなる高圧ポンプの軸方向に往復するプランジャのシールへの応用を有している。

先に記述したように、増圧機の往復するプランジャはポンプシリンダのボアの中で往復運動をする。流体は、プランジャを囲んでいる運動用シールにより、ポンプシリンダの望ましい加圧領域内で保持される。様々なそのような運動用シールがこれまで使われてきたが、一つの例は米国特許第６，０８６，０７０号に示されているものである。その特許を読むことから、シールキャリアとプランジャとの間にはシールに隣接する領域にギャップが存在することが理解できるであろう。そのような構成は、４０，０００ｐｓｉまで及びそれ以上の非常に高い圧力までうまく機能するが、８７，０００ｐｓｉ（６，０００ｂａｒ）まで及びそれ以上の圧力にさらされる場合に、シールはシールキャリアとプランジャとの間のギャップを通って容認しがたいほど押し出る傾向にある。

往復運動をするプランジャをシールするために用いられるもう一つの現在入手し得る運動用シールが、図１に示されている。プランジャ１００が、シリンダ１０２のボア１０１の内部で往復運動するとき、ボア１０１の内部の流体は運動用シール１０３によりプランジャ１００を超えてポンプに流れ出るのを妨げられている。運動用シール１０３は、プラスチックシール１０４、Ｏ−リング１０５とステンレススチールシールフープ１０６とを含んでおり、これらはアルミニウム−青銅合金のようなベアリング材で作られているバックアップリング１０９により保持されている。シリンダ１０２の終端面は、バックアップリング１０９の平面的終端面に対して、平面接触面１０７を形成しながら同じ平面にとどまる。シリンダ１０２は、その技術で知られているように、タイロッドを締め付けることにより、バックアップリング１０９と共にその平面接触面１０７に沿って締め付けられる。バックアップリング１０９とプランジャとの間には、小さなギャップ１０８が存在する。非常に高い圧力、例えば５５，０００ｐｓｉ以上、では、運動用シール１０３は容認しがたいほどの短い間隔で故障し始める。そのような故障は、シール１０４のギャップ１０８を通っての押し出し、シール１０４の亀裂と、高圧部品の相対運動により起こるＯ−リング１０５とシールフープ１０６の早すぎる故障とを含む、多くのことに起因すると信じられている。これらの問題は、より高い圧力、例えば８７，０００ｐｓｉまで及びそれ以上、ではさらに悪化させられる。より詳細には、図１に示された運動用シールは、８７，０００ｐｓｉの圧力では、４０時間より少ない時間しか持ちこたえられないであろう。これは、容認しがたいほどの短い部品寿命であり、頻繁な部品交換、機械のダウンタイム、生産性のロス、そしてポンプへのダメージの可能性を要求する。

本発明に関して、増圧機は８７，０００ｐｓｉにおいて信頼して運転できる。図２に示されたように、増圧機ポンプのような超高圧流体システム１０は、ポンプシリンダ１１のボア１３内で往復運動することが可能なプランジャ１２と共に提供されている。運転中は、方向矢印１７で描かれているプランジャの吸入行程において、プランジャ１２は流体ソース１８からボア１３へ、ある量の流体を逆止弁本体中に提供されている入口弁１６を経由して引き出す。圧縮行程１９では、プランジャ１２はその量の流体を加圧し、加圧された流体は逆止弁本体１４を通って出口逆止弁３７へと流れる。もしも、加圧された流体の圧力が、出口逆止弁３７でのバイアス力に打ち勝つくらい十分に高い場合、加圧された流体は、出口逆止弁３７を通って出口領域２０に進む。その後、加圧された流体はアキュムレータに集められ、そして、この技術で知られているように、いかなる望ましい形でも使用される。

さらに図２に示されているのは、そして図３と図４で最もよくわかるように、プランジャ１２は本発明の実施形態に関して提供されているシールアセンブリ２１を通って往復運動をする。シールアセンブリ２１は、例えば、超高分子量ポリエチレンからできているプラスチックシール２２を含んでいる。図４で最もよくわかるように、環状シール２２は、プランジャがそれを通って往復運動することが可能なボア２３と共に提供されている。ベアリング２４は、シール２２に隣接して、および／または、接触して配置されており、プランジャ１２がそれを通って往復運動することが可能なボア２５と共に提供されている。それ故に、ベアリングの材質は、プランジャが動作中にはプランジャに沿って安全に乗れるような材質であるように選ばれる。ベアリング２４とプランジャ１２は、いかなる適切で協力的な材料で作られてもよいが、一つの実施形態では、ベアリング２４は高強度青銅またはアルミニウムか銅の合金で作られており、そして、プランジャは部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）のようなセラミック材料で作られている。

シールキャリア２６はベアリング２４の円周を囲んでおり、シール２２に隣接して配置されている。シールキャリア２６は様々な材料で作られてもよいが、一つの好ましい実施形態では、それはステンレススチールで作られている。本発明の一つの実施形態に関して、シールキャリア２６は、円周に沿ってシールキャリア２６をベアリング２４に対して半径方向に均一に押しつぶすのに十分に高い圧縮性の力の対象である。アセンブリが超高圧の対象であるとき、ベアリング２４に対するシールキャリア２６の均一な押しつぶしは、ベアリング２４を通してボア２５の内面に、プランジャ１２の外面２８との実質的に均一な円周状の接触を達成し、それによって、先行技術のシステムでは発生したギャップを減少させる。それに比較して、図１の先行技術に描かれているような運動用シールは、圧力の下でプランジャに対して押し付けられる一方で、バックアップリング１０９とプランジャ１００との間のギャップの閉鎖は制御されなく、プランジャの円周の周りに均一には起こらない。結果として、バックアップリング１０９とプランジャ１００との間の接触は片方でのみあり得て、ギャップが他方にあってもよいので、シール１０４が押し出ることを許している。

図２を参照すると、シリンダ１１を搭載したシステムのタイロッド２９を、逆止弁本体１４に配置されているエンドキャップ３８を経由して、シリンダ１１の第一の終端１５に対して締め付けることにより、シールキャリア２６にかかる圧縮性の力は達成される。親出願番号１０／０３８，５０７（米国特許第６，８０２，５４１号）に記述されているように、シリンダ１１は、正接シール領域３２に沿って静的なシールを形成するような方法で、シールキャリア２６に対して配置されている。より詳細には、一つの実施形態では、シールキャリアの凸状に曲がった領域に対する半径方向の圧縮性負荷は、シリンダの実質的に平坦なテーパーのついた口の圧縮された接触を通して、達成される。一つの実施形態では、シリンダとバックアップリングとの間の含まれる接触角は約８０−１２８度であり、好ましいレンジは約１００−１１８度である。代わりに、シールキャリアは円錐状の実質的には直線的な断面プロファイルを有してもよく、このプロファイルは８０−１２８度の含まれる角度を形成し、そして、実質的に円形のシールを形成するシリンダの凸状に湾曲した断面プロファイルに対して、対になる断面プロファイルを有してもよい。シリンダとシールキャリアの隣り合っている部品間の接触角は、少なくとも部品の一つに対して正接方向であり、部品の縦方向の軸から４０度と６０度の間の正接の値になる。

タイロッド２９とシリンダ１１を介してシールキャリアに与えられる圧縮性の力は十分に大きく、ベアリングボアとシールキャリア／シリンダ接触角を含んで、システムの幾何学的配置として与えられるような形で適用されるので、シールキャリア２６は、制御された均一な形でベアリング２４上に変形し、シールキャリア２６とベアリング２４との間に存在するいかなるギャップでも実質的に除くようになる。次に、ベアリング２４は、ベアリング２４とプランジャ１２との間のいかなるギャップ、特にシール２２に隣接した領域で、をも実質的に除きながら、ベアリングの自由端でプランジャ１２上に押しつぶれる。

シールキャリアとベアリングとの間、および、ベアリングとプランジャとの間のいかなるギャップをも除くことにより、システムが圧力下で動作しているとき、本発明は、特に、５５，０００ｐｓｉまで及びそれ以上の高圧の対象である時、そして、より特別には、８７，０００ｐｓｉまで及びそれ以上の高圧の対象である時に、そうでなければシールが押し出るかもしれないいかなる経路をも取り除く。結果として、本発明の実施形態に関して提供されているシステムは、従来のシールアセンブリを用いた場合の４０時間より少ない時間に比較して、８７，０００ｐｓｉの圧力において数百時間動作してもよい。

さらに、タイロッド２９の負荷を通じてのシリンダ１１のシールキャリア２６への圧縮は、二つの部品の接触面で、つまり正接シール領域３２に沿って、メタル対メタルシールを創る。このメタル対メタルの静的シールの形成の結果、プラスチックシール２２は外側つまりシリンダ−シールキャリア接触面の方向でも、内側つまりプランジャ−シールキャリア接触面の方向でも、シールするためには要求されない。結果として、プラスチックシールがそうでなければさらされるであろう対抗する力が除かれ、それ故、シール２２が引き剥がされることを防止する。さらに、先行技術で用いられるようなシールフープの必要性も除かれ、それ故、システムを単純にでき、シールフープ部品の早すぎる故障に伴う問題を開放する。

図３と図４で最もよくわかるように、シール２２の第一の終端３３はベアリング２４とシールキャリア２６の双方により、その幅を横切って保持されている。いくつかの先行技術の設計では、シールがステンレススチールシールキャリアでのみ保持されているので、シールキャリアとシールに隣接しているプランジャとの間にギャップが存在しなければならないが、この構成は、いくつかの先行技術の設計で起きるプランジャとシールキャリアとの間の問題のある押し出しギャップを取り除く。それに加えて、本発明に関して提供されている構成は、図１に描かれているように、ベアリング材のみで幅を横切ってシールを保持している現在入手可能なキャリアまたはバックアップリングよりも、大きい強度を提供する。

図３と図４に描かれた実施形態でまた見られるように、シールキャリア２６はシール２２の外面３１に沿って延びるカップ３０と共に提供され、それ故、シール２２がシリンダ１１に接触するのを防いでいる。カップの配置は、シール２２とシリンダ１１との間の、シールの擦過と早すぎる故障を起こす相対運動を取り除く。さらに、図３に見られるように、シール２３の第一の終端３３は、正接シール領域３２の中心点３５の下流側に距離３６をおいて配置されている。（”下流側”は、参照矢印３４で表示されており、そして、プランジャの圧縮行程の方向にある。）図３に見られるように、本発明に関してシールアセンブリ２１の提供により、シールキャリア２６のカップ３０への圧縮性の力は、圧力下の間はシールキャリア２６のカップへの伸展の力よりも大きく、それ故に、シールキャリア２６、ベアリング２４とプランジャ１２との間のギャップを取り除くために、シールキャリア２６のベアリング２４への押しつぶしを促進する。

シールキャリア２６の変形量は、シリンダ１１の表面の角度と正接シール領域３２を形成するシールキャリア２６の両方の関数であり、また、アセンブリ負荷、例えばタイロッド２９の締め付けを通して達成されてもよい負荷、に加えて、選択された材料の関数である。複数のタイロッド２９は本願で説明され描かれているが、アセンブリでの負荷はいかなる入手可能な形で達成されてもよいことを理解されるべきである。

一つの実施形態では、ベアリング２４はシールキャリア２６にプレスばめされ、そして、ボアは機械加工される。材料が軟らかければ軟らかいほど、大きな変形が達成され、次に、大きなボアが、選択されたプランジャを適応させるために必要になる。好ましい実施形態では、それ故、望ましい強度を有したシールキャリア２６の材料が選択され、シールキャリア２６を通ってのボアの内径は、所与の圧縮性力に対して、ベアリング２４とプランジャ１２との間の選択された接触量を達成するように選択される。特に、シールキャリア２６は、タイロッド２９により与えられる圧縮量がベアリング２４と高圧プランジャ１２との間が制御された接触量に変換できるように、その強度が正確にベアリング２４を通じて機械加工された最終のボアに適合するような材料で作られる。

図５は、本発明のもう一つの実施形態に関して、超高圧流体システム５０の一部を描いたものである。超高圧流体システム５０は、プランジャ１２に隣接する内面５４と、プランジャ１２がそれに沿って往復運動することが可能な縦軸５８に実質的に垂直な横方向の軸に沿っている内面５４の反対側の外面５６と、を有しているシールキャリア５２を含んでいる。図５と図７に描かれたように、内面５４の第一の部分６０は、シール６２を円周状に取り囲み固定して収容するように構成されている。例えば、第一の部分６０に形成された第一のくぼみ６１は、シール６２を固定して収容する。内面５４の第二の部分６４は、シール６２に隣接して、および／または、接触しているベアリング６６を円周状に囲むように構成されている。内面５４は、円周状にそして軸方向にＯ−リング７０を囲んでいる第二のくぼみ６８を含んでもよい。いくつかの実施形態では、第二のくぼみ６８は、第一のくぼみ６１の内部に形成され、シール６２とシールキャリア５２との間にＯ−リング７０を横方向に挿入している。

ひとつの実施形態では、図７と図８に描かれたように、第一のくぼみ６１は、第一のくぼみ６１の縦方向の両端に相対して配置されている第一と第二の肩６３、６５を含んでいる。第一および第二の肩６３、６５と、その間に挿入されているくぼみ６１の縦方向の部分は、共同してシール６２を固定して収容する（図５）。同様に、第二のくぼみ６８は、第一と第二の肩６７、６９と、その間の縦方向の部分を含んでおり、それらは共同して円周状にかつ縦方向にＯ−リング７０を囲んでいて（図５）、第二のくぼみ６８の縦方向の部分とシール６２との間に、横方向にＯ−リングを挿入している。

従って、超高圧流体システム５０のシールキャリア５２は、シール６２とＯ−リング７０のいかなる可能性のある変位をも実質的に防ぐ。Ｏ−リング７０は、シール６２と第二のくぼみ６８の縦方向の部分との間に横方向に挿入されている。従って、Ｏ−リング７０は、実質的に横方向には変位しない。さらに、第一のくぼみ６１の第一と第二の肩６７、６９は、シール６２のいかなる可能性のある縦方向の変位も実質的に防止する。結論として、そうでなければシール６２の変位が原因で起きてもよいＯ−リング７０のいかなる可能性のある変位もまた実質的に防止される。それ故に、さもなければシール６２とシールキャリア５２との間、または、Ｏ−リング７０とシールキャリア５２との間に存在するいかなる摩擦も、実質的に防がれ、シール６２とＯ−リング７０の寿命をさらに延ばす。

超高圧流体システム５０のシールキャリア５２は、さらに、シールキャリア５２の外面５６の少なくとも一部の円周に沿って形成された凹部７２を含んでいる。凹部７２がなければ、シリンダ１１により働かされてもよい圧縮性の力のような、シールキャリア５２上に働かされた力により誘起された応力は、第二の部分６４に隣接してその終端に向かう内面５４の第一の部分と、第一の部分６０に隣接してその終端に向かう第二の部分６４とに集中する傾向がある。凹部７２は、凹部７２が形成されている領域で、シールキャリア５２の壁厚を減少させ、シールキャリア５２の断面領域の少なくとも一部分を横切って、より少なく集中した形でストレスの分散を促進する。従って、シールキャリア５２の断面領域に誘起される最大ストレスは減少され、シールキャリア５２の耐久性と、従って、超高圧流体システム５０の耐久性が改善される。

図６、図７と図８に、ベアリング６６を含むシールキャリア５２がよりよく描かれている。凹部７２は、シールキャリア５２の断面積を徐々に変化するいかなる形をとってもよい。例えば、凹部７２は、内面５４を指し示す曲線の先端を伴う実質的に矢じり形状をした断面を含んでもよいし、または、他の直線と曲線の部分、半円形または半楕円形、または湾曲した先端を伴う三角形、または、その他の湾曲したコーナーまたは先端を伴ういかなる形状を有してもよい。いくつかの実施形態では、シールキャリア５２の最小の壁厚は、矢じり形状の凹部７２の先端に配置されてもよい。代わりに、他のいくつかの実施形態では、シールキャリア５２の最小の壁厚は第二のくぼみ６８に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、凹部７２は、第一と第二の部分６０、６４が一致するシールキャリア５２の中の領域に隣接して形成される。例えば、図７に描かれているように、凹部７２は、シールキャリア５２の外面５６の少なくとも一部の円周に沿って形成され、内面５４の第一の部分６０の横方向の反対側に少なくとも部分的に配置されている。

さらに、図６と図７に描かれているように、いくつかの実施形態では、シールキャリア５２は、さらに少なくとも一つの開口部７４または二つの相対する開口部７４を含んでもよい。複数の開口部７４は、シールキャリア５２とシール６２との間ににじみ出る可能性のある水がこの領域から、例えば、周囲の環境に出てゆくのを許す。周囲の環境は、プランジャ１２が往復運動することが可能なボア１３を含んでいてもよい。それ故、開口部または複数の開口部７４は、周囲の環境と流体的につながっており、少なくともシールキャリア５２の内面５４の一部は隣接する内面５４から集められた液体を周囲の環境に伝える。複数の開口部７４は、凹部、くぼみ、溝、カップまたは、いかなる他の直線、および／または、Ｏ−リングの少なくとも一部分を収容するように構成されている半円形や半楕円形のような曲線の部分を有する断面形状を有する特徴を含んでもよい。上記に議論したように、複数の開口部７４は、また、シールキャリア５２に隣接している、可能性のある水が集まる傾向にある領域に流体的につながるように、縦方向に延びている。

前に記述したように、本発明の実施形態に関して提供された超高圧流体システムは、システムが８７，０００ｐｓｉまで及びそれ以上の圧力まで、システムの往復運動するプランジャの周りのシールをメンテナンスしながら、信頼して動作することを許す。本発明は、先行技術のシステムでは不良を起こす圧力でも信頼できる運転を可能にする一方で、最適化と、その発明をこれらのより高い圧力で特に有益であるようにしながら、本発明はまた、４０，０００ｐｓｉまで及びそれ以上の、比較的低い圧力での応用も有している。本発明は、それ故に、意味のある利点を提供する。上述のことから、本発明の特定の実施形態が図解を目的としてここでは述べられて来たが、様々な変更が本発明の精神と観点から外れることなく行われてもよい。従って、本発明は、記載された請求項とそれらに相当する内容による場合を除いて、制限されるものではない。

上のすべての米国特許、米国特許公報、米国特許出願、外国特許、外国特許出願と、この特定に引用された、および／または、出願データシートに記載された非特許公表は、全体として参照によりここに組み込まれている。

Claims (20)

1. 縦軸に沿ってその中で往復運動するように構成されたプランジャを有している超高圧流体システムのためのシールキャリアアセンブリであって、該シールキャリアアセンブリは、
   該プランジャが往復運動することが可能なボアを有するベアリングと、
   内面と外面とを有するシールキャリアであって、該内面の第一の部分は、シールを固定して収容し、該縦軸に実質的に平行な方向への該シールの変位を実質的に防ぐように構成されており、該内面の第二の部分は、円周状に該ベアリングを囲んでいる、シールキャリアと
   を含み、
   該シールキャリアは、該シールキャリアの該外面の少なくとも一部の円周に沿って形成された凹部をさらに含み、該凹部の少なくとも一部は、該縦軸に実質的に垂直な方向に関して該内面の該第一の部分の反対側に配置されている、シールキャリアアセンブリ。
2. 前記凹部は、実質的に矢じり形状の断面を含み、該断面は、曲線の先端を有し、前記シールキャリアの前記内面を指し示している、請求項１に記載のシールキャリアアセンブリ。
3. 前記凹部は、前記シールキャリア上に誘起された応力の分散を促進するように、該シールキャリアの断面の少なくとも一部を横切って構成されている、請求項１に記載のシールキャリアアセンブリ。
4. 前記内面の前記第一の部分は、前記シールを円周状に囲むように構成されている、請求項１に記載のシールキャリアアセンブリ。
5. 前記内面の前記第一の部分は、前記シールを固定して収容するように構成された第一のくぼみを含んでいる、請求項１に記載のシールキャリアアセンブリ。
6. 前記第一のくぼみは、第一の肩と、第二の肩と、該第一の肩と該第二の肩との間に挿入されている縦方向の部分とを含んでいる、請求項５に記載のシールキャリアアセンブリ。
7. 前記シールキャリアの前記内面は、円周状にかつ縦方向にＯ−リングを囲むように構成されている第二のくぼみを含んでいる、請求項５に記載のシールキャリアアセンブリ。
8. 周囲の環境と前記シールキャリアの前記内面の少なくとも一部とに流体的につながっているように構成されている少なくとも一つの開口部をさらに含み、
   該開口部は該内面の近傍から該周囲の環境に流体を伝えるように構成されている、請求項１に記載のシールキャリアアセンブリ。
9. 前記シールキャリアの最小の壁厚は、前記矢じり形状の断面の前記先端に配置されている、請求項２に記載のシールキャリアアセンブリ。
10. 前記凹部は、部分的に円形の形状と部分的に楕円形の形状とのうち少なくとも一つを含む、請求項１に記載のシールキャリアアセンブリ。
11. 前記第二のくぼみは、前記第一のくぼみの中に形成されている、請求項７に記載のシールキャリアアセンブリ。
12. 前記シールキャリアの最小の壁厚は、前記第二のくぼみに配置されている、請求項７に記載のシールキャリアアセンブリ。
13. 横方向に対向した二つの開口部を含む、請求項８に記載のシールキャリアアセンブリ。
14. 前記開口部は、曲線の幾何断面を含む、請求項８に記載のシールキャリアアセンブリ。
15. 前記シールキャリアによって収容されるシールをさらに含む、請求項１に記載のシールキャリアアセンブリ。
16. 超高圧流体システムであって、
    該超高圧流体システムにおいて縦軸に沿って往復運動するように構成されたプランジャと、
    該プランジャが往復運動することが可能なボアを有しているシールと、
    該シールに隣接して配置され、該プランジャが往復運動することが可能なボアを有しているベアリングと、
    内面と外面とを含むシールキャリアであって、該内面の第一の部分は、該シールを固定して収容し、該縦軸に実質的に平行な方向への該シールの変位を実質的に防ぎ、該内面の第二の部分は、円周状に該ベアリングを囲んでいる、シールキャリアと
    を含み、
    該シールキャリアは、該シールキャリアの該外面の少なくとも一部の円周に沿って形成された凹部をさらに含み、該凹部の少なくとも一部は、該縦軸に実質的に垂直な方向に関して該内面の該第一の部分の反対側に配置されている、超高圧流体システム。
17. 前記凹部は、
    実質的に矢じり形状の断面を含み、該断面は曲線の先端を有し、前記シールキャリアの前記内面を指し示している、請求項１６に記載の超高圧流体システム。
18. 前記内面の前記第一の部分は、前記シールを固定して収容している第一のくぼみを含んでいる、請求項１６に記載の超高圧流体システム。
19. Ｏ−リングをさらに含み、
    前記第一のくぼみは、前記シールキャリアの前記内面の中に形成された第二のくぼみを含み、円周状にかつ縦方向に該Ｏ−リングを囲んでおり、該Ｏ−リングは、前記シールと、該第二のくぼみの少なくとも一部を形成している前記内面の一部との間に挿入されている、請求項１８に記載の超高圧流体システム。
20. 前記シールキャリアは、周囲の環境と前記シールキャリアの前記内面の少なくとも一部とに流体的につながっている少なくとも一つの開口部をさらに含み、
    該開口部は、該内面の近傍から該周囲の環境に流体を伝えるように構成されている、請求項１６に記載の超高圧流体システム。
    

Images