JP5735715B2 - テスラポンプを備えるメカニカルシールアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも一つのメカニカルシールとテスラポンプとを備えるメカニカルシールアセンブリに関する。

様々な構成のメカニカルシールアセンブリが、従来技術より知られている。稼働中、メカニカルシールは比較的高温となることがある。一方、このことは、封止される媒体が高温であることや、通常稼働中にメカニカルシールに対して生じる摩擦力及び旋回力が原因と考えられる。従って、メカニカルシールの損傷を防止するために、放熱する必要がある。このため、封止される媒体としては、それが過度に高い温度を有さないという条件下で使用し得るものか、或いは、バリア媒体を使用し得る。放熱に使用される媒体を循環させるために、外部ポンプが通常使用される。更に、媒体循環用の所謂ポンプリングを設置することが知られているが、その送給速度は通常非常に限られている。

従って、本発明の目的は、単純で廉価な構造ながらシールリングの領域における媒体の循環を向上することが可能であり、しかし非常にコンパクトな構造のメカニカルシールアセンブリを提供することである。

上記目的は、請求項１の特徴を備えるメカニカルシールアセンブリによって達成される。その従属項は、本発明の好ましい実施形態に関する。

請求項１の特徴を有する本発明に係るメカニカルシールアセンブリは、構造空間を著しく広げる必要とせずに、バリア及び／又は冷却媒体の送給速度を上げることができるという利点を有する。このことは、本発明のテスラポンプを備えるメカニカルシールアセンブリによって達成される。このテスラポンプは、径方向外側に延在する複数のディスクを備え、これらのディスクは円筒状基部上に配置される。ディスク同士は、規定の距離で相互に離れているため、媒体がディスク間に入り、ディスクの回転によってディスクの外周に輸送され、そこからテスラポンプの外へ出る。テスラポンプは、単純で強力な構造を有し、寿命が長く、送給速度を上げることが可能である。このテスラポンプは、安定した特徴を有し、キャビテーションが起こる恐れも非常に小さい。

好ましくは、前記メカニカルシールアセンブリは、テスラポンプの上流に配置される追加送給装置を更に備える。この追加送給装置は、好ましくは、テスラポンプと共に回転する送給ネジを備える。これにより、特に、媒体のテスラポンプへの流入が向上し、テスラポンプのポンプ能力が高まる。送給ネジが、メカニカルシールアセンブリの軸方向に対して傾斜した傾斜送給溝を備えることが特に好ましい。この傾斜送給溝は、特に、送給される媒体が周方向の流動成分を受けるため、この媒体がより流れが促進される形でテスラポンプのディスク間に導入されるという利点を有する。これにより、テスラポンプの効率を特に向上できる。

テスラポンプは、好ましくは、複数のディスク及び円筒状基部を備え、これらのディスクは、円筒状基部から径方向外側に延在する。好ましくは、ディスクのうち少なくとも一つが、少なくとも一つの軸方向開口を備え、この軸方向開口は、好ましくは基部の隣に位置する。好ましくは、テスラポンプの軸方向端部に配置される端部ディスク以外の全てのディスクが、少なくとも一つの軸方向開口を備える。特に好ましくは、複数の軸方向開口がディスクに設けられ、更に好ましくは、その周辺に沿って均一に分配されている。ディスク内の軸方向開口は、媒体がテスラポンプの円筒状基部の近くでテスラポンプのディスク間の領域に流入でき、そしてテスラポンプを通って螺旋状に外部に送給できるという効果を有する。軸方向開口により、ポンプの効率が更に向上する。軸方向開口が、テスラポンプの隣接するディスクにおいて同じ周方向位置に配置されることが特に好ましい。これにより、軸方向開口のない端部ディスクまで媒体が確実に導かれる。このことにより、効率を更に向上できる。

本発明の代替構成によれば、テスラポンプの全てのディスクが少なくとも一つの軸方向開口を備えることが好ましい。ここでは、軸方向開口が、テスラポンプの軸方向端部に配置される端部ディスクにも設けられ、その通路断面は、他のディスクの他の軸方向開口よりも小さい。これにより、テスラポンプの全てのディスクを通る流れが可能となる。そして、媒体を確実にディスク間の全ての合間に輸送できる一方で、更に、媒体をテスラポンプの後ろの流れ方向の領域にも確実に輸送でき、これにより、この場所の部品、特にシールリングの冷却が図れる。

軸方向開口の幾何学形状は、自由に選択できるが、好ましくは円筒状か、又は長孔、特にアーチ状若しくは直線状の長孔として設けられる。更に好ましくは、軸方向開口は、テスラポンプのディスクの底部に設けられ、更に好ましくは次々と列をなすように配置され、これらを通ると可能な限り損失を最小限とする良好な流れを確実とする。数個の軸方向開口が、ディスクの周辺に沿って均等に分配することが好ましい。

テスラポンプのディスクが、少なくとも一つの平面側に送給構造を有することが更に好ましい。この送給構造は、例えば、アーチ形状に配置され、ディスクの平面側から突出する部材であってもよく、放射状に直線的に延在する突出部材であってもよい。ディスク上の送給構造によって、媒体の輸送が促進される。平面側から始まる送給構造の高さは、テスラポンプの送給性能も促進するように選択される。或いは、送給構造が両側からディスク間の隙間に突入するように送給構造をディスクの両方の平面側に設ける。

テスラポンプのディスク間に搬送される媒体をより通過できる状況を実現するために、テスラポンプの外周を、特に円錐状に連続して拡大する。実質的に円錐状の外殻形状を有するテスラポンプを形成することによって、送給が確実に向上する。ディスクを円筒状基部上に螺旋状に配置することが特に好ましい。或いは、異なる外径を有するディスクを、相互に平行に配置する。ディスクの外径は、軸方向に増加していく。ここで、ディスクの大きさは、テスラポンプ上に円錐状の外殻が得られるように、軸方向に均等に増加していくのが好ましい。

更に好ましくは、円筒状基部を中空円筒として構成し、中空円筒内の空間との連通を可能とする少なくとも一つの通路開口を、中空円筒状基部に設ける。この中空円筒内の空間は、好ましくはシールリングまで続き、これにより、媒体が通路開口を通ってシールリングまで流れることができ、シールリング領域での冷却の向上が図れる。この通路開口は、好ましくは、中空円筒の周辺に沿って配置される一つ又は複数の径方向の孔として設けられる。

特にコンパクトな構造としては、追加第２送給装置の送給ネジを、ブッシュの外側に配置することが好ましい。ブッシュを回転スリーブ上の送給ネジの領域に配置し、テスラポンプを締結領域の隣のブッシュの中空シャフト部上に配置することが更に好ましい。

更に好ましくは、搬送される媒体の流出孔が、テスラポンプの径方向外側に配置される。

更に好ましくは、前記メカニカルシールアセンブリは、第２メカニカルシールを備え、テスラポンプが、第１メカニカルシールのシール隙間と第２メカニカルシールのシール隙間との間で軸方向に配置される。これにより、複動式メカニカルシールアセンブリの特にコンパクトな構造が確実となる。

好ましくは、テスラポンプは、メカニカルシールアセンブリのシールリング及び／又は他の部品を冷却する冷却装置の一部である。

特に、例えば、高温に曝されるメカニカルシールアセンブリを冷却するため、粘度が非常に高い冷却媒体を使用する場合、テスラポンプを備える本発明のアセンブリは、従来から使用される送給装置と比べて、送給効率を著しく向上できる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリの概略断面図である。 図２は、図１のテスラポンプ及び送給ネジの概略側面図である。 図３は、図２の概略斜視図である。 図４は、本発明の第２の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリの概略側面図である。 図５は、図４のテスラポンプ及び送給ネジの概略側面図である 図６は、図５の概略斜視図である。 図７は本発明の第３の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリの概略断面図である。 図８は、本発明の第４の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリの概略断面図である。 図９は、第５の実施形態に係るテスラポンプ及び送給ネジの概略斜視図である。 図１０は、本発明の第６の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリの概略斜視図である。 図１１は、送給構造を有するテスラポンプのディスクの図である。 図１２は、送給構造を有するテスラポンプのディスクの図である。

図１〜３に、本発明の第１の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリ１を詳細に示す。

メカニカルシールアセンブリ１は、第１メカニカルシール２及び第２メカニカルシール３を備える。第１メカニカルシール２は、回転シールリング２１及び固定シールリング２２を備え、この２つのシールリングは、それらの間にシール隙間２３を画成する。第２メカニカルシール３は、回転シールリング３１及び固定シールリング３２を備え、この２つのシールリングもそれらの間にシール隙間３３を画成する。それ故、第１の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリは、複動式メカニカルシールを備えている。

各回転シールリング２１、３１は、保持リング１１を介して回転部品４、本実施形態においては回転シャフトに接続される。更に、２つのメカニカルシール２、３はそれぞれ、バネ装置として金属製ベローズ１０を備える。図１から分かるように、金属製ベローズ１０は、回転部品４と共に回転する回転スリーブ９に固定される。固定シールリング２２、３２は、直接的に又は間接的にハウジング５に接続される。

本発明のメカニカルシールアセンブリ１は、大気側１４に対して装置側１３を封止する。

更に、本発明に係るメカニカルシールアセンブリ１は、テスラポンプ６及び第２送給装置としての送給ネジ７を備える。送給ネジ７及びテスラポンプは、回転スリーブ９に固定されたブッシュ８上に配置される。テスラポンプ６は、複数の平行なディスク６１を備え、各ディスクは軸方向開口６３を有する。ここでは、軸方向開口６３は、円筒状に配設され、ディスク６１の周辺に沿って均等に分配され（図３参照）、テスラポンプの円筒状基部６０に隣接して設けられる。ここでは、テスラポンプ６の軸方向端部に配置される端部ディスク６２には、軸方向開口がない。ディスク６１及び端部ディスク６２は、ディスク間に一定の合間６４が存在するように配置される。ディスク６１の幅は、合間６４の幅と等しい。

送給ネジ７は、メカニカルシールアセンブリの軸方向Ｘ−Ｘに対して斜めに配置される複数の溝７１を備える。送給ネジ７の固定部分７２は、固定部品５０の滑らかな外面によって設けられる。それ故、図示の送給ネジ７は、回転送給ネジとなる。或いは、固定送給ネジを設けることもでき、ここで、送給溝が固定部品に設けられ、滑らかな外面が回転部品上に設けられる。或いはまた、対向送給ネジを設けることもでき、ここで、溝は、回転部品と対向して配置される固定部品とに設けられる。

冷却媒体は、流入孔１６を介して、回転部品４とハウジング５との間の合間１２に供給される。矢印で示されるように、ここでは、冷却媒体は、合間１２から送給ネジ７を通ってテスラポンプ６に向かって送給される。テスラポンプ６上で、冷却媒体は、テスラポンプの軸方向開口６３に流入し、回転ディスクによって螺旋状に径方向外側にそして流出孔１５へ輸送される。特に図３から分かるように、送給ハウジングの溝７１が、周方向の流動成分と共に冷却媒体に作用し、これにより、冷却媒体は、流れ抵抗が減少されて流れが促進される形でテスラポンプ６の軸方向開口６３に進入する。回転部品４と共に送給ネジ７及びテスラポンプ６は同じブッシュ８上で回転することから、テスラポンプへの冷却媒体の進入が容易になる。合間６４はディスク６１間に規定の幅を有するので、エネルギーの付着力によってディスクから冷却媒体に伝達され、冷却媒体は螺旋状にテスラポンプの径方向外側に搬送される。好ましくは、ここでは、冷却媒体は、比較的高い粘度を有するものが選択される。冷却媒体は、例えば、オイルである。冷却媒体の高い粘度によって、テスラポンプ６の効率が特に向上する。

以上より、第１の実施形態において、送給ネジ７は、流れ方向においてテスラポンプ６の上流に配置され、送給ネジ７は、送給性能に加えて、冷却媒体のガイド機能を果たす。これにより、この媒体は、媒体の発達する境界層によって過剰に干渉されることなく、より容易にテスラポンプの合間６４に流入できる。テスラポンプ６の質量ができるだけ少なくなるように、テスラポンプ６はブッシュ８の中空シャフト部８２上に配置される。これは、冷却媒体が第１メカニカルシール２上の金属製ベローズ１０部分内も通過できるという更なる利点を有する。送給ネジ７は、回転スリーブ９に接続されるブッシュ８の締結部８１上に設けられる。

テスラポンプ６は径方向においてある寸法を有しているが、その寸法は非常にコンパクトである。従って、通常メカニカルシールアセンブリの径方向には固定部品のために必要な設置空間が存在するため、メカニカルシールアセンブリの設置状況が大きく異なる場合でも、問題なくテスラポンプ６を設置することができる。ここで、テスラポンプの軸方向長Ｌ１は、送給ネジ７の軸方向長Ｌ２と等しい（図２参照）。更に、送給ネジ７及びテスラポンプ６は、２つのメカニカルシール２、３の２つのシール隙間２３、３３の間で軸方向Ｘ−Ｘに配置される。

それ故、テスラポンプ６をメカニカルシールアセンブリに一体化するという本発明の思想によって、メカニカルシール及びそれに隣接する部品を冷却又は閉塞するために使用される媒体の送給を、広い構造空間を必要とすることなく、確実に向上できる。ここでは、テスラポンプは、非常に強力であり、特にブレード等のような高価な部品を必要としないことから、非常に低コストで製造し得る。テスラポンプ６が一体化されるおかげで、例えば回転ポンプ等の冷却流体を送給するための外部送給装置を不要とすることが更に可能となる。

以下、図４〜６を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。ここで、同じ又は機能的に同じ部品には、第１の実施形態と同じ参照番号が付されている。第２の実施形態は実質的に同じ構造を有するが、第１の実施形態とは、テスラポンプ６の構造が異なる。特に図４及び５から分かるように、テスラポンプ６は再び、円筒状基部６０及び複数のディスク９１を備え、ディスク間に既定の合間９２が設けられる。しかし、第２の実施形態のテスラポンプ６のディスク９１は、ディスクが螺旋形状に延在するような構造を有する。それ故、ディスク９１は、ディスク間に螺旋状の合間９２が得られるような螺旋構造を有する。ここでは、ディスク９１の直径が、媒体の流れ方向Ａに増加していく。これにより、テスラポンプのための円錐状の外形（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）が生じる。更に、ディスク９１の厚さが、２つの近接ディスク９１間の中間の空間９２よりも小さくなるような寸法とされている。これにより、テスラポンプは、摩擦の増加を伴って稼働し、そして、冷却媒体の発達する境界層のための最大表面が提供される。その他は、本実施形態は、先述の実施形態と一致する。従って、前実施形態の説明を参照することができる。

図７及び８はそれぞれ、本発明に係るメカニカルシールアセンブリの更なる実施形態を示す。図７に示す第３の実施形態において、テスラポンプは、複数のディスク６１を備える。各ディスク６１、特に端部ディスク６２も、テスラポンプの軸方向端部に軸方向開口を備える。ここでは、端部ディスク６２の軸方向開口６５は、ディスク６１の他の軸方向開口６３よりも小さい、即ち、軸方向開口６５の通路断面は、他の軸方向開口６３の通路断面（これらの各断面は同じ大きさである）よりも小さい。図８に示す第４の実施形態は、第１の実施形態と実質的に一致するが、径方向通路開口６６が中空シャフト部８２に形成される。好ましくは、複数の通路開口が、中空シャフト部８２の周辺に沿って設けられる。図８から分かるように、通路開口６６は、テスラポンプ６と送給ネジ７との間で軸方向に設けられる。通路開口６６を介して中空シャフト部８２内部の空間１７との連通が図られている。図８から分かるように、この空間は、２つのシールリング２１、２２のシール隙間２３の近傍で終端している。これにより、シールリング２１、２２を冷却する流体の流れが生じ、この流れは、送給ネジ７の下流部分から分岐し、径方向通路開口６６を通り、空間１７を介してシールリングに導かれる。

図９は、更に好ましい代替構成を示す。ここでは、円筒状の孔の形状の軸方向開口６３の代わりに、長孔６７が設けられる。これにより、テスラポンプ６のディスクを通る流体の流量を増やすことが可能となる。ここでは、長孔は、送給ネジ７の外半径と一致する直線状又はアーチ状にも形成される。

図１０は、本発明の第６の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリのテスラポンプ６を示す。ここでは、追加送給装置は設けられていない。これは、本実施形態においては、媒体が専らテスラポンプ６によって搬送されることを意味する。テスラポンプ６は、中空シャフト部８２及び３つの幅広のウェブ８３を介してシャフト（図示せず）に固定される。従って、本実施形態は、第２送給装置を省略し得ることから特に低コストで製造し得る。更に、第２送給装置の省略によって、軸方向にコンパクトで短い構造形状が特に可能となる。更に、周方向の、ウェブ８３間の比較的幅広の合間によって、媒体のテスラポンプ６への供給が向上する。

図１１及び１２は、テスラポンプ６のディスク６１の２つの更なる代替実施形態の上面図を示す。ディスク６１の平面側に、送給構造が設けられる。図１１のディスク６１には、アーチ状の突出送給部材６８が設けられ、図１２に示す実施形態には、放射状に延在する突出送給部材６９が設けられている。各突出送給部材は、ディスク６１の平面側に等しく分配されて形成されている。これらの送給構造を、ディスクの一方の側にのみ、或いはディスクの両方の側に設け得ることに留意すべきである。ここでは、突出送給構造であるにも拘らず、比較的狭い合間６４が近接するディスク６１間に存在するように、並びにこれらの送給構造がテスラポンプ６の送給速度を上げるように突出送給構造の高さは選択される。ここで説明された全ての実施形態において、図１１及び１２に示す送給構造を採用し得る。更に、流路等を設けることによってもこれらの送給構造を形成され得ることに留意すべきである。

１ メカニカルシールアセンブリ
２ 第１メカニカルシール
３ 第２メカニカルシール
４ シャフト
５ ハウジング
６ テスラポンプ
７ 送給ネジ
８ ブッシュ
９ 回転スリーブ
１０ ベローズ
１１ 保持リング
１２ 合間
１３ 装置側
１４ 大気側
１５ 流出孔
１６ 流入孔
１７ 空間
２１ 回転シールリング
２２ 固定シールリング
２３ シール隙間
３１ 回転シールリング
３２ 固定シールリング
３３ シール隙間
５０ ハウジング部品
６０ 円筒状基部
６１ ディスク
６２ 端部ディスク
６３ 軸方向開口
６４ 合間
６５ 端部ディスクの軸方向開口
６６ 径方向通路開口
６７ 長孔
６８，６９ 突出送給部材
７１ 溝
７２ 送給ネジの合わせ面
８１ 締結部
８２ 中空シャフト部
８３ ウェブ
９１ 螺旋状ディスク
９２ 螺旋状の合間
Ａ 流れ方向
Ｌ１ テスラポンプの軸方向長
Ｌ２ 送給ネジの軸方向長

Claims (16)

1. 回転シールリング（２１）及び固定シールリング（２２）を有する少なくとも一つのメカニカルシール（２）と、
   前記回転シールリング（２１）と共に回転するテスラポンプ（６）と
   を備えるメカニカルシールアセンブリであって、
   前記回転シールリング（２１）及び前記固定シールリング（２２）は、それらの間にシール隙間（２３）を画成するメカニカルシールアセンブリ。
2. 前記テスラポンプ（６）の上流に配置される追加送給装置（７）を更に備える請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記追加送給装置（７）が、前記テスラポンプ（６）と共に回転する送給ネジを備えることを特徴とする請求項２に記載のアセンブリ。
4. 前記送給ネジが、前記アセンブリの軸方向（Ｘ−Ｘ）に対して傾斜した傾斜送給溝（７１）を備えることを特徴とする請求項３に記載のアセンブリ。
5. 前記テスラポンプ（６）が、複数のディスク（６１）及び円筒状基部（６０）を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
6. 前記ディスク（６１）が、前記円筒状基部（６０）から径方向外側に延在し、
   前記ディスク（６１）のうち少なくとも一つが、少なくとも一つの軸方向開口（６３）を備えることを特徴とする請求項５に記載のアセンブリ。
7. 前記テスラポンプ（６）の軸方向端部に配置される端部ディスク（６２）以外の全てのディスク（６１）が、少なくとも一つの軸方向開口（６３）を備え、又は
   前記テスラポンプの全てのディスクが、少なくとも一つの軸方向開口を備え、特に前記端部ディスク（６２）の軸方向開口（６５）の平均断面は他のディスクの軸方向開口（６３）の平均断面よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載のアセンブリ。
8. 前記軸方向開口（６３）は、円筒状であり、且つ／又は
   前記軸方向開口（６３）は、長孔（６７）として形成され、且つ／又は
   前記軸方向開口（６３）は、前記ディスク（６１）の周辺に沿って均等に分配されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のアセンブリ。
9. 前記テスラポンプ（６）の隣接するディスク（６１）の軸方向開口（６３）が、それらのディスク（６１）の同じ周方向位置に配置されることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載のアセンブリ。
10. 前記テスラポンプ（６）の前記ディスク（６１）が、少なくとも一つの平面側に、特に両方の平面側に、送給構造（６８，６９）を備えることを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載のアセンブリ。
11. 前記ディスクは、前記テスラポンプ（６）の外周が拡大するように、特に円錐状に拡大するように配置されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のアセンブリ。
12. 前記ディスク（９１）が、前記円筒状基部（６０）上に螺旋状に配置されることを特徴とする請求項１１に記載のアセンブリ。
13. 前記円筒状基部（６０）が中空円筒として構成され、
    少なくとも一つの通路開口（６６）が、特に前記基部（６０）に設けられていることを特徴とする請求項５〜１２のいずれか一項に記載のアセンブリ。
14. 送給ネジが、ブッシュ（８）の外側に配置されることを特徴とする請求項３〜１３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
15. 前記ブッシュ（８）が、締結部（８１）及び中空シャフト部（８２）を備え、
    前記送給ネジが、前記締結部（８１）上に配置され、
    前記テスラポンプが、前記中空シャフト部（８２）上に配置されることを特徴とする請求項１４に記載のアセンブリ。
16. 第２メカニカルシール（３）を更に備え、
    前記テスラポンプ（６）が、前記第１メカニカルシール（２）の前記シール隙間（２３）と前記第２メカニカルシール（３）のシール隙間（３３）との間で軸方向（Ｘ−Ｘ）に配置される
    請求項１〜１５のいずれか一項に記載のアセンブリ。

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