JP6196734B2 - 冷却材及び／又は封止材の流動挙動が向上したメカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシールのスライドリングへと供給される媒体、特に冷却材及び／又は封止材の流動挙動が向上したメカニカルシール装置に関する。

様々なデザインのメカニカルシール装置が従来技術より知られている。典型的には、内部搬送装置によって搬送される冷却材及び／又は封止材がメカニカルシール装置に供給される。このような装置の一例が特許文献１より知られおり、特許文献１では、テスラポンプが内部搬送装置として使用されている。その他の搬送装置としては、例えば、ポンプリングがある。流体通路は、内部搬送装置からスライドリングへと延在し、そこから流体がハウジングに設けられた流出孔を介して排出される。ここで、流出孔は、スライドリングに対して径方向に沿って設けられている。しかし、メカニカルシールに供給された流体は、回転スライドリングの回転や軸方向での供給によって何度かその流動方向が必然的に変わるため、流体に流動損失が発生する可能性がある。このため、内部搬送装置による大きな力の印加を要する。特に、流体は、メカニカルシールの領域においては回転スライドリングにより周方向に加速されるが、その後、径方向に排出されなければならないからである。

独国特許出願公開第１０２０１１１１８２９４．６

本発明は、スライドリングへと供給される流体の内部損失の低減を可能としつつ、シンプルなデザインで、コスト効率良く簡単に製造できるメカニカルシール装置を提供することを目的とする。

上記目的は、請求項１の特徴を有するメカニカルシール装置によって達成される。本発明の好適な改良を従属項に示す。

請求項１の特徴を有する発明に係るメカニカルシール装置は、メカニカルシールのスライドリングへと供給される例えば封止材又は冷却材等の流体の流動損失が大幅に低減されるという利点を有する。この場合、メカニカルシール装置内で低損失流動が実現されるので、同じ駆動力を有する搬送装置を用いつつ、特に供給される流体の質量流量を増加できる。その結果、例えば、ハウジングの流出孔の寸法を結果的に増加したり、内部搬送装置の出力を増加したりすることなく、スライドリングに対する冷却効果を向上できる。本発明によると、メカニカルシール装置は、回転スライドリングと固定スライドリングとを有するメカニカルシールに加え、内部円筒状周辺領域を有するハウジング部品を備える。ハウジング部品は、流入領域と、スライドリングへと供給された流体を排出するための流出開口とを備える。本発明によると、流入領域は、流出開口の入口領域において、流動損失を低減できる。流入領域は、周方向に延在しつつ、流出開口へ向かって連続的に深くなる少なくとも一つの移行流路を備える。この移行流路は、内部円筒状周辺領域においてハウジング部品内に形成され、流出開口に開口する。

特に好適には、流出開口はスライドリングの径方向外側に配置される。特に好適には、流出開口は回転スライドリング又はシーリングギャップの径方向外側に完全に重なって位置する。回転スライドリングによって周方向に加速された流体は、これにより、流動損失が低減されつつ、移行流路へ、更には流出開口へと供給される。

好適には、メカニカルシール装置は、内部搬送装置を更に備える。特に好適には、内部搬送装置はポンプリング又はテスラポンプである。特に好適には、流出開口の移行流路は、内部搬送装置の径方向に重なって位置する。これにより、内部供給装置によって搬送された流体が直接移行流路へと、従って流出開口へと確実に流れる。好適には、流出開口は、内部搬送装置の径方向外側に重なって配置される。更に好適には、例えば、ポンプリングとテスラポンプの二つの内部搬送装置を、一方が他方の後方に接続されるように設けることができる。

更に好適には、流出開口は、スライドリングの径方向に対して所定の角度で設けられ、そのように径方向に対して傾斜した流出開口に、移行流路が開口する。特に好適には、流出開口は、スライドリングの径方向に対して傾斜した取込領域と径方向に延在する主領域とを備え、好適には流出開口の傾斜した取込領域内への流入が発生する。

本発明の更に好適な実施形態によると、メカニカルシール装置は、流出開口の第１移行流路の反対側に配置され、周方向に延在し、流出開口へ向かって連続的に深くなる第２移行流路を更に備える。この結果、スライドリングに供給された流体を、回転方向に関係なく、より効果的に排出できる。二つの移行流路は、流出開口を挟んで互いに向かい合うように位置するので、回転方向に関係なくどちらの場合にも、流体を流出開口へ流入しやすくすることができる。特に好適には、第１及び第２移行流路は、流出開口に対して互いに対称に配置される。

更に好適には、流出開口は、共通の主領域に共に開口する第１及び第２取込領域を備える。第１及び第２取込領域は、主領域の中心線に対して互いに対称に配置される。このデザインは、特に好適には、回転方向に関係なく流体を流入させることに同様に適している。二つの取込領域は好適には互いに対称に形成され、それぞれ個別の移行流路を有する。

特に好適には、移行流路は、移行流路の基部が平面上に広がるように形成される。流体の流出開口への効果的な流入がこれにより実現する。また、移行流路を非常に簡単でコスト効果の高い方法、例えば切削処理方法によって製造できる。

流れを向上させるためには、移行流路と流出開口との間の移行領域をアーチ状湾曲輪郭として形成することが好ましい。移行流路から流出開口への緩やかな移行がこれにより実現する。

更に好適には、メカニカルシール装置は、流出開口を一つのみを備える。これにより、ハウジング部品に一つの流出開口しか設ける必要が無いため、ハウジング部品に更に別の部品や開口、例えばハウジングを取り付けるための部品や追加の流体流路等を設けるための空間を十分に残すことができる。好適には、流出開口は、主領域と取込領域とを備え、取込領域は主領域に対して所定の角度で配置され、主領域と取込領域の中心軸は、メカニカルシール装置の長手軸に対して垂直な同じ平面上にある。また、取込領域を、径方向に延在する主領域に対して、メカニカルシール装置の軸方向に傾斜するように設けることもできる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。同様の部品又は機能的に同一の動作を行う部品には、同様の符号を付す。

本発明の第１実施形態に係るメカニカルシール装置の概略図を示す。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った概略断面図を示す。 本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置の流出開口の概略断面図を示す。 本発明の第３実施形態に係るメカニカルシール装置の流出開口の概略断面図を示す。 本発明の第４実施形態に係るメカニカルシール装置を示す。 本発明の第５実施形態に係るメカニカルシール装置を示す。

以下、図１及び図２を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係るメカニカルシール装置１について詳細に説明する。

図１から分かるように、メカニカルシール装置１は、回転スライドリング３と固定スライドリング４とを有するメカニカルシール２を備える。この二つのスライドリングによって、それらの間にシーリングギャップ５が画成される。

固定スライドリング４は、ハウジング部品６に固定される。

回転スライドリング３は、伝動部材１０を介してシャフト１３に接続される。これにより伝動部材１０は、シャフト１３からのトルクを回転スライドリング３に伝える。

また、ブレード１２を有する内部搬送装置１１がシャフト１３上に配置される。内部搬送装置１１はシャフト１３と共に回転し、流体をメカニカルシール２へ向けて搬送するために使用される。流体としては、例えば、封止材又は冷却材を使用できる。流体の流れを図１及び図２に矢印で示す。

流出開口７もハウジング部品６に設けられる。流出開口７は、スライドリングの径方向Ｚ−Ｚに沿うように設けられ、流体を排出するために使用される。ここでは、内部円筒状周辺領域６０がハウジング部品６に形成される。ここでは、流出開口７が内部円筒状周辺領域６０から径方向外側へと延在する。流出開口７は、回転スライドリング３上の径方向外側に重なって設けられる。

また、内部円筒状周辺領域６０における流出開口７の領域には、移行流路８を有する流入領域１７が形成され、移行流路８が開口する。図２から移行流路８の詳細が分かるように、移行流路８は、周方向に延在し、流出開口７に開口する。移行流路８は、円筒状周辺領域６０から移行流路８への入口領域８０と、流出開口７への移行領域８１とを備える（図２を参照）。移行流路８の基部８２は平坦に形成される。移行流路８は、ハウジング部品６の内部円筒状周辺領域６０に、例えば、切削処理方法によって作成できる。なお、基部８２をアーチ状に設けることもできる。

このため、周方向に沿った移行流路８によって、流体が流出開口７へより流入しやすくなる。特に、移行流路８は、流体を径方向の流出開口７へ向けて流入可能とするので、流動損失を低減できる。従って、径が同じであっても移行流路８を設けた流出開口７により、移行流路８を有さない流出開口と比較して、流通量を大幅に増加できる。その結果、同一の搬送装置１１を用いつつ搬送力を増加させること、又は、内部搬送装置１１を少なく導電することで、特に内部搬送装置１１のエネルギー消費を削減することが可能となる。

本発明によると、同一の寸法で流体の体積流量を増加させることができるので、例えば、メカニカルシール２の冷却を向上できる。また、本発明によると、ハウジング部品６に設ける流出開口７を一つのみとすることができるので、ハウジング部品６の残りの構造空間を他の目的、例えば流体流路及び／又は締結部材等を更に設けることに利用できる。

図３は、本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置の断面を示す。第１実施形態に対し、第２実施形態のメカニカルシール装置は、回転に依存しない。これに関して、径方向の流出開口７には、第１移行流路８と第２移行流路９とが設けられる。移行流路８，９は、流出開口７に、互いに対称となるように配置される。

図３から分かるように、二つの移行流路８，９は、流出開口７を挟んで互いに向かい合うよう配置され、どちらも周方向に沿って設けられる。従って、回転方向に関係なくどちらの場合にも、流体を径方向流出開口７へ流入しやすくすることができる。二つの流路８，９は径方向流出開口７に直接開口する。第２移行流路９は、第１移行流路８と同様に、平坦な基部９２と、内部円筒状周辺領域６０から移行流路９への入口領域９０と、流出開口７への移行領域９１とを備える。

このため、第２実施形態では、メカニカルシールの回転方向に関係なく、径方向流出開口７へ流入する流れを向上できる。二つの移行流路８，９は、流出開口７に対して互いに対称に形成される。

図４は、本発明の第３実施形態に係るメカニカルシール装置の断面を示す。第３実施形態では、流出開口７が、主領域７０と、第１取込領域７１と、第２取込領域７２とを備える。主領域７０は、スライドリングの径方向に沿うように設けられる。ここでは、第１取込領域７１は主領域７０に対する角度がαとなるよう配置され、第２取込領域７２は主領域７０に対する角度がβとなるよう配置される。二つの角度α，βは同じ大きさだが、その正負が異なる。また、第１移行流路８と第２移行流路９とが設けられる。第１移行流路８は第１取込領域７１に開口し、第２移行流路９は第２取込領域７２に開口する。このため、本実施形態では、前述の実施形態と同様に、流体の流出の発生が回転方向に依存しない。ただし、流体は、移行流路に入るとまず取込領域に入り、その後、主領域７０に入る。これにより、流通量を更に増加できる。特に、径方向Ｚ−Ｚに対して周方向に傾斜した取込領域７１，７２のデザインによって流動損失を低減できる。また、取込領域７１，７２の直径は、それぞれ主領域７０の直径よりも小さい。なお、主領域７０と、この主領域７０から一つの周方向にのみ傾斜したいずれか一方の取込領域とを有するデザインを採用することも当然ながら可能である。

図４の点線は、本発明の更に別の実施形態を示しており、アーチ状湾曲輪郭８３，９３が移行領域８１，９１にそれぞれ形成される。アーチ状湾曲輪郭８３，９３は、移行流路８，９から取込領域７１，７２への可能な限り好適な流れの移行を提供する。湾曲輪郭８３，９３のアーチは、好ましくは、湾曲輪郭８３，９３とそれに隣接する領域との間に、破壊的な移行端が生じないように選択される。

図５は、本発明の第４実施形態に係るメカニカルシール装置を示す。第４実施形態に係るメカニカルシール装置は、ポンプリングの形をとる第１内部搬送装置１１と、テスラポンプ２０の形をとる第２内部搬送装置とを備える。図５から分かるように、ポンプリングとテスラポンプ２０は、伝動部材１０に接続する共通のスリーブ１４上に配置される。テスラポンプ２０は、軸方向開口２３をそれぞれ有する複数の平行ディスク２１を備える。軸方向開口２３は円筒形で、ディスク２１の円周に沿って均等に分布するように配置される。各ディスク２１の間には中間空間２２が設けられる。また、テスラポンプ２０の軸方向端ディスク２４が設けられ、このディスク２４は通路開口を有さない。図５の矢印で示すように、流体はまず第１内部搬送装置１１（ポンプリング）を通ってテスラポンプ２０へと搬送され、そこから通路開口２３内へと搬送される。その後、流体は、増加した径方向成分を有してテスラポンプ２０から流出し、スライドリングの径方向に沿って設けられた流出開口７へと移行流路８を介して排出される。第１実施形態に対応する移行流路８を有する流入領域１７が、流出開口７の入口領域にまた形成される。本実施形態では、流出開口７を通るさらなる流れが、移行流路８によって実現される。テスラポンプ２０の径方向外周面とハウジング部品６の内部円筒状周辺領域６０との間の空間は、非常にコンパクトな構造形状が得られるような比較的小さい空間とすることができる。流出開口７は、テスラポンプ２０の径方向外側に重なって配置され、好ましくは、テスラポンプ２０の中心を通る軸方向に沿って配置される。

図６に示す第５実施形態は、第１メカニカルシール３１と第２メカニカルシール３２とがタンデムに配置されたメカニカルシール装置を示す。符号３０は、シャフト１３と共に回転するスリーブを示す。本実施形態では、シール流体は、インテーク３３とスリーブ部品３４に設けられた貫通開口３５とを介して供給される。ポンプリングの形をとる内部搬送装置１１が、メカニカルシール装置内でシール流体を搬送するために設けられる。流出開口７は、図４の第３実施形態と同様に形成され、第１移行流路８を有する第１取込領域７１と、図６の断面図では見ることができない第２移行流路を有する不図示の第２取込領域とを含む。流出開口７の主領域７０は、シャフト１３に垂直な径方向Ｚ−Ｚに沿って配置される。第１取込領域７１と第２取込領域の中心線Ｙ−Ｙは、径方向Ｚ−Ｚに対する角度がγとなるように配置される。その結果、取込領域７’は、軸方向Ｘ−Ｘに対して傾斜するように設けられるので、流動挙動を更に向上させ、特に流出開口７の入口領域において流動損失を低減することができる。移行流路８は、スリーブ部品３４に設けられる。ただし、スリーブ部品３４を省略し、移行流路８をハウジング部品６に設けることも可能である点に留意すべきである。本実施形態では、このように取込領域を周方向だけでなく、軸方向Ｘ−Ｘにも傾斜させる。また、流出開口７の主領域７０を、軸方向Ｘ−Ｘに対する角度が９０°以外となるように設けることもできる。

本発明によると、移行流路８，９を有する一つ以上の流入領域１７を円筒状周辺領域６０に設けることにより、スライドリングから流出開口７内への流体の流れを大幅に向上させることが、全ての実施形態において可能であることに留意すべきである。特に、たった一つの流出開口７を設けるだけで、十分な流体の質量流量を実現できる。これにより、特にハウジング部品６のハウジング構造を大幅に簡素化できる。

１ メカニカルシール装置
２ メカニカルシール
３ 回転スライドリング
４ 固定スライドリング
５ シーリングギャップ
６ ハウジング部品
７ 流出開口
８ 第１移行流路
９ 第２移行流路
１０ 伝動部材
１１ 第１内部搬送装置
１２ ブレード
１３ シャフト
１４ スリーブ
１７ 流入領域
２０ テスラポンプ（第２内部搬送装置）
２１ ディスク
２２ 中間空間
２３ 通路開口
２４ 閉じた端ディスク
３０ スリーブ
３１ 第１メカニカルシール
３２ 第２メカニカルシール
３３ インテーク
３４ スリーブ部品
３５ 貫通開口
６０ 内部円筒状周辺領域
７０ 主領域
７１ 第１取込領域
７２ 第２取込領域
８０ 入口領域
８１ 移行領域
８２ 基部
８３ アーチ状湾曲輪郭
９０ 入口領域
９１ 移行領域
９２ 基部
９３ アーチ状湾曲輪郭

Claims (13)

1. 回転スライドリング（３）と、前記回転スライドリング（３）との間にシーリングギャップ（５）を画成する固定スライドリング（４）とを有するメカニカルシール（２）と、
   内部周辺領域（６０）を有するハウジング部品（６）とを備えるメカニカルシール装置であって、
   前記ハウジング部品（６）は、流入領域（１７）と、スライドリングへと導かれた流体を排出するための流出開口（７）とを有し、
   前記流入領域（１７）は、前記ハウジング部品（６）内に形成され、周方向に延在しつつ、前記流出開口（７）へ向かって連続的に深くなり、前記流出開口（７）に開口する少なくとも一つの第１移行流路（８；９）を備え、
   前記流出開口（７）の前記第１移行流路（８）の反対側に配置された第２移行流路（９）を更に備えるメカニカルシール装置。
2. 前記流出開口（７）は、前記スライドリングの径方向外側に重なって配置されることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
3. 前記流体を搬送するための第１内部搬送装置（１１）を少なくとも一つ更に備える、請求項１又は２に記載のメカニカルシール装置。
4. 前記流出開口（７）は、前記搬送装置の径方向外側に重なって配置されることを特徴とする請求項３に記載のメカニカルシール装置。
5. 前記第１内部搬送装置（１１）と第２内部搬送装置（２０）とを備える請求項３又は４に記載のメカニカルシール装置。
6. 前記流出開口（７）は、径方向のみに延在することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のメカニカルシール装置。
7. 前記流出開口（７）は、径方向に延在する主領域（７０）と、径方向に対して所定の角度（α）で延在する取込領域（７１）とを備え、
   前記取込領域（７１）は、前記主領域（７０）に開口することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のメカニカルシール装置。
8. 前記第１移行流路（８）と前記第２移行流路（９）とは、前記流出開口（７）に対して互いに対称となるように形成されることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
9. 前記流出開口（７）は、共通の主領域（７０）に共に開口する第１取込領域（７１）と第２取込領域（７２）とを備え、
   前記第１及び第２取込領域（７０，７１）は、前記主領域（７０）に対して互いに対称となるように設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のメカニカルシール装置。
10. 前記移行流路（８；９）は、平面上に広がる基部（８２；９２）を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のメカニカルシール装置。
11. 前記移行流路（８，９）と前記流出開口（７）との間の移行領域は、アーチ状湾曲輪郭（８３，９３）として形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のメカニカルシール装置。
12. 前記取込領域（７１）の中心軸（Ｙ−Ｙ）と前記主領域（７０）の中心軸（Ｚ−Ｚ）とは、同一平面上にあり、
    前記平面は、メカニカルシール装置の長手軸（Ｘ−Ｘ）に対して垂直であることを特徴とする請求項７又は９に記載のメカニカルシール装置。
13. 前記取込領域（７１）の中心軸（Ｙ−Ｙ）は、軸方向（Ｘ−Ｘ）及び／又は周方向に傾斜し、前記主領域（７０）の中心軸（Ｚ−Ｚ）を含む平面と所定の角度（γ）で交差することを特徴とする請求項７又は９に記載のメカニカルシール装置。

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