JPH10513536A - 改良静液圧シール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 シール面の間のシール面の先細りとキャビテーション低減の制御機構を有する静液圧シールが提供される。シール面の先細りの制御機構は、シール壁部内の１つ以上の逃し凹部によって設けられ、このシール壁部に対して流体圧力と温度によって撓み力が加えられ、シール面の間の平行関係に対するシール剛性作用が低減される。キャビテーションの低減構造は、シール面凹部に通じる通路をシール面の間の流体の相対運動の方向に傾斜させる手段を含む。拡大渦室は、凹部壁部から流体蒸気の渦を隔離するために、凹部内のこれらの通路の出口に配設される。

Description

【発明の詳細な説明】 改良静液圧シール 発明の背景と概要 本発明は概して静液圧シール、より詳しくは高温度、高圧および腐食性の流体 環境の中で高速度で回転可能な軸の周囲での静液圧シールの使用に関する。 静液圧シールは、それらの間を流体が流れる、概して平行関係で互いに離れて いる、２つ以上の相対的に可動なシール面を有するのが一般的である。この流体 は、封止作用中に可動の平行面の間の実際の接触を防止するために使用される。 流体がその目的を達成しない程度に応じて、シール面は互いに擦れ合い、そして 平行構造を摩滅させてテーパー構造になり、このようにして封止効果を低下する 。 静液圧シールの効果が低下するにつれて、多くの問題が生じる。例えば、流体 漏洩に加えて、シール面の摺動は関連の駆動構成要素の破壊を起こし、壊滅的な シール損傷を引き起こす。又、局部的な高温が発生することがあり、これは流体 組成に有害な影響を与える。 ある種の使用では、平行面の一方又は他方、或いは両方が、該面が平行関係か ら逸脱するように作用し、時間の経過に従いテーパー構造に至るような流体圧力 に曝露されるように静液圧シールは配設される。以前に、このような非平行運動 又は撓みに耐えるために、シール用により剛な材料を使用することが提案された 。しかし、高剛性の材料の使用はシールのコストを増加させる可能性があり、又 ある種の作動流体が関係する場合には腐食に対しより敏感になることもある。更 に、高圧力では、仮令速度が小さくてもなお撓みが起きてしまう。又、選択的に 作動可能な対抗力を使用することによってシールに作用する撓み力を能動的に相 殺することも提案された。これらの方法にある程度関係するものとして、温度変 動に応じてシール面の形状を調整する米国特許第４，６４３，４３７号を知って いる。しかし、このような構造はシール自体のコストを増加するだけでなく、周 囲ハウジングおよび関連構成要素に対する特別の適合措置が必要となる。 静液圧シールは又、平行面の一方に開放凹部又はポケットを通常使用し、それ らの面の間に流体を蓄えそして流体をバランスさせて使用する。屡、かなり狭い 通路が、シールを通して流体供給源からこれらの凹部に延びる。その通路から凹 部内に入る流体は、凹部内で「ジェット流」またはベンチュリ効果を持つことが あることが知られている。流体を沸点に近づける圧力と温度で流体が作用する場 合には、このジェット流が凹部内に微小の渦と他の状態とを生じ、その凹部内で 蒸気泡が生成され、そして凝縮して液体に戻ると考えられている。実際には、こ れは凹部内のキャビテーションであり、これは、特に凹部に至る通路入口の反対 側領域で、凹部を画成するシール壁部を劣化させて貫通することがある。最終的 に、この効果はシールの機能に悪影響を与え、また平行面の間の接触に至り、平 行面を摩耗させることがある。 この問題を避けるために、沸点状態にめったに遭遇しないように流体状態を変 えることが可能であることもあるが、そうすることは、流体が使用される全体的 な作動の最適化に悪影響を与える可能性がある。例えば、静液圧シールが溶液状 態の化学品の生産においてポンプと共に使用されるならば、流体温度と圧力状態 が変更されると、それらの化学品を効率的に製造することが可能でなくなること もある。キャビテーションと腐食に対して感受性のより小さい材料からシールを 形成することも提案されているが、このような材料は著しくコストが高くなる場 合があり、また平行面の過度の撓みを避けるために必ずしも十分に剛であるとい うわけではない。更に、通路は典型的には平行面間の流体流れ用の制御オリフィ スであるので、通路形状が凹部内への流体噴出を最小にするために変更されるな らば、これらの平行面の分離距離が悪影響を受け、かくして封止作用とその効果 を低下させる可能性がある。ある場合には、それは平行面を実際に擦り合わせる こともある。 従って、本発明の目的は、改良された静液圧シールを提供することである。更 に、特別の目的には、 １．平行シール面でテーパー効果に耐える、 ２．かなり廉価で、また既存のシール用途に新たに組み込むことが容易に可能 である、 ３．平行シール面に作用する撓み力の効果を制御する、 ４．シール面の間のキャビテーション効果を低減する、 ５．悪い流体環境においてより長い寿命を有する、及び ６．シールに対する温度と圧力の両方の効果に応答できる 静液圧シールの提供が含まれる。 本発明のこれらの目的及び他の目的は、シール面のテーパーとキャビテーショ ンとを低減する制御機構をシール面間に有するような静液圧シールの提供によっ て達成される。シール面のテーパーの制御は、流体の圧力及び温度によって撓み 力が作用されるシール壁内における、シール面間の平行関係に対するシール剛性 の影響を低減する１つ以上の逃し凹部によって提供される。キャビテーション低 減構造は、シール面の凹部に通じる通路をシール面間の流体の相対運動方向に傾 斜させることを含んでいる。拡大された渦室が、凹部壁から流体蒸気泡を隔離す るために凹部内のそれらの通路の出口に配設される。 本発明の他の目的、利点および新奇な特徴が、以下の図面と詳細な説明から当 業者には容易に明白になるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の静液圧シールを組み込んだポンプギヤボックスアセンブリの 断面図である。 図２は、図１の領域Ａの拡大断面図である。 図３は、代替被覆構造付きの図１の静液圧シール要素の更に拡大された断面図 である。 図４は、図３の線４−４に沿って見た静液圧シール要素の端面図である。 好適な実施例の詳細な説明 図１は、本発明の譲受人によって以前市場に出されたポンプ装置１０への本発 明の適用を示している。本装置への改良静液圧シールの新たな組み込みは、最小 のコストでポンプの生産性と信頼性とを著しく増大する結果を齎すことが判明し た。 このポンプ装置１０は、流体通路１４、１６の間に装着された回転可能なイン ペラ１２をいくぶん含んでいる。他の類似の使用では、インペラ１２は、通路１ ４、１６の間の流体流れ方向に依存して、ポンプの代わりに流体タービンとして 機能することができる。図２に見られるように、流体は通路１８に沿ってもイン ペラの後部を流れることができるので、インペラ１２は典型的には流体中に浸漬 されている。 軸組立体２０はインペラ１２に連結されていて、そのインペラに又はそのイン ペラから回転力を伝達するために供される。軸組立体２０は、例えば、インペラ １２に挿入されたコアロッド２２と、コアロッド２２の周囲に装着され且つ一端 においてインペラ１２に隣接する挟持スリーブ２４と、コアロッド２２に固定さ れるか又はそれと一体的に形成され、そして１側面において挟持スリーブ２４に 隣接する回転面体２６とを有している。軸組立体２０は、ハウジング３２内の長 手方向回転軸芯３０を中心にして回転自在に支持され、そしてその装着を容易に するため、例えば、他の従来の挟持スリーブと面シール２８とを有することがで きる。ハウジング３２は、軸組立体２０の回転を生じさせるための装置を有して いる。図示した実例では、上記の目的のためにギヤ駆動部３４がコアロッド２２ の一端の近くで接続される。 シール要素４０は、挟持スリーブ２４とインペラ１２の一部に跨がって軸組立 体２０の周囲に装着されることが好ましい。例えばその装着部は、シール要素４ ０の内周４４と挟持スリーブ２４及びインペラ１２との間のクリアランス通路４ ２とを有している。一般的な構造では、シール要素４０は、内周４４と外周４６ との間で軸芯３０を中心とするトロイダル断面を有する中空シリンダの形に形成 されるものとして示されている。好ましくは、半径方向に延在するフランジ４８ もシール要素４０に含まれる。 ハウジング３２は、回転面体２６とシール要素４０とに隣接した流体室３６を 備えて形成されている。フランジ固定装置が、ハウジング３２に関するシール要 素４０の回転を制限するために室３６内に設けられている。この固定装置は、例 えば、座金３９を保持するねじ付きボルト３８を有している。フランジ４８は、 軸芯３０の回りのシール要素４０の回転が防止されるように座金３９をぴったり と受け入れる寸法となっているノッチ５０を有することが好ましい。 又ハウジング３２は、それぞれが偏倚スプリング５４を受け入れて保持するた めのスプリング室５２を少なくとも１つ備えて形成されている。このようなスプ リングはフランジ４８に係合し、シール要素４０を回転面体２６に向かって押し つけている。 シール要素４０は、複数の構造的特徴：受圧表面、端部又は面６０と、シール 表面、面または端部６２と、シール収容ノッチ６４と、内周４４から凹部６６に 通じる通路６８を備えた流体凹部、ポケットまたはパッド６６：を有している。 図示された実施例では、加圧された流体の源は通路１６であり、これは通路１８ を介して面６０に接続している。Ｏリング型式のシール７０はノッチ６４の中に 装着され、通路４２を除いて通路１８から室への流体流れを制限することが好ま しい。フランジ４８は、面６０と面６２との間、例えば、シール要素４０の径方 向拡大部７２に設けられる。 面６２は静液圧シールのシール面の１つとして使用される。他のシール面は、 回転面体２６の端部７４である。好ましくは、面６２と端部７４は軸芯３０から 半径方向に向いて概して平行になっている。軸組立体２０が回転していないとき 、面６２と端部７４は接触している。軸組立体２０が回転しているとき、流体は 通路６８を通って凹部６６内に流れ込む。凹部６６は端部７４に開口しているの で、流体圧力はスプリング５４の力に対抗して面６２を端部７４から分離し、室 ３６への流体流れを許容する。 図示した実例では、ポンプ装置１０は、少なくとも６０°−２００°Ｆの温度 と約５００−１０００ｐｓｉの封止圧力で液体アンモニアを圧送するために使用 することができる。その場合、軸組立体２０の回転速度は好ましくは約２１，０ ００ｒｐｍである。例として、通路４２は内周４４と挟持スリーブ２４との間で 約０．０３０インチ（０．７６２mm）のギャップであり、またシール要素は型式 ４１４０鋼から形成されるであろう。 このような状況では、シール要素４０及び面６２と端部７４の接合部近くの隣 接構造体に作用する流体圧力は、面６２を端部７４との平行関係から外れて移動 させる傾向を有することが見いだされてきた。従って、本発明は通路４２に沿っ て内周４４の中に形成された少なくとも１つの圧力逃し凹部８０を有している。 上述の実例については、この凹部８０は、軸芯３０に沿って約０．１０インチ( ２．５４mm)の幅と、シール要素４０内に約０．１５インチ（３．８１mm）の深 さとを有する好ましくは丸みをつけた切欠きである。通路４２に沿った凹部８０ の位置は、好ましくは径方向拡大部７２の上流のすぐ近くである。凹部８０を有 することによって、端部７４との平行関係から外れて面６２を撓ませ、テーパー 化を生じさせる傾向がある圧力と温度の力との制御を可能にすることが見いださ れ。図に示されているように、凹部８０は、シール剛性の効果を減らすことによ って撓みを中立化することが判明してきた。 異なった程度の撓みがある種の用途で望ましければ、又は異なった圧力と温度 条件が関係するならば、通路４２に沿ったシール要素４０の中の他の場所に、凹 部８０を位置決めすることができる。同様に凹部８０の形状または構造は、シー ル要素４０内の過度の応力集中の発生を避けるように注意すべきであるが（丸み をつけたスロットまたは凹部を使用して）、撓みの制御を変更するために変える ことができる。また、流体圧力源が通路１６である場合に、より大きな撓みが望 ましければ、凹部８０をシール要素の外周４６に設けることができる。流体圧力 源が室３６であるならば、凹部８０を外周内に有することによって、面６２への 撓み力を低減すると考えられる。 更に上述の詳細な実例では、アンモニアはその沸点にかなり接近する傾向があ るので、通路６８を通した凹部６６内への流体流れによって引き起こされるキャ ビテーション腐食効果が、軸芯３０を中心とする軸組立体２０の回転方向（図４ の反時計回り）に通路６８を傾斜させることによって低減される。例えば、この 傾斜は、挟持スリーブ２４からほぼ接線方向に流体を受容するために十分な程度 のものである。渦室９０が凹部６６の中に形成され、通路６８から流体を受け入 れる。これらの渦室は、凹部６６内への通路６８の開口部に整列していて、その 結果流体の循環する渦流が室９０内で生成され、また通路６８からの流体がその 循環流に対しほぼ接線方向に室９０内に入ることが好ましい。 室９０は、例えば、凹部６６の幅であるが室９０内で旋回流によって渦が作ら れるように実質的により大きい深さで形成される。この渦は、液体が凹部６６の 壁９２に向かって室９０から押し出されるが、流体の中に随伴される泡（凹部６ ６内への流体流れによって生じる微低圧領域内に一時的に生成する流体蒸気から のような泡）が、泡が凝縮して液に戻るまで室９０の中央部に保持されるように 流体に対して可成な遠心効果を持つと信じられている。 このようにして、キャビテーションによる泡の生成は減らされ、また発生する これらの泡は壁９２にぶつからないように制限される。更なる配慮として、ある 種の実施例では、（図３に示されるように）シール要素４０を被覆したり、また は（図２に示されるように）一体的に構成したりして、ステライト１２のような より腐食性の低い材料から面６２の凹部６６は形成することができる。 本発明は、特定の実施例に関して以上に詳細に説明してきたが、添付請求項に 記述されているように、本発明の範囲内で他の実施例が可能であることが当業者 には理解されるであろう。従って、添付された請求項の精神と範囲は、明細書内 で記述され且つ図示された特定の実施例に限定されないと理解される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つの部材の間の流体封止装置であって、一方の部材が他方の部材に関し て回転可能であり、 第１の部材と、 該第１の部材に隣接して回転するために装着された第２の部材と、 圧力下にある流体源と； を備え、 前記第１の部材と前記第２の部材が、前記流体源からの流体が２つの部材の間 を流れることができるように２つの部材の間にクリアランス通路を有し； 前記第１の部材が第１の面を含み； 前記第２の部材が、前記第１の面に隣接して第２の面を含み； 前記クリアランス通路が、前記流体を前記第１と第２の面の接合部に供給する ような形状を持って設けられ、 前記クリアランス通路内の手段であって、前記流体を前記接合部に加える結果 として、前記第１の面の少なくとも一部が前記第２の面から窄まるか又は広がる ようにさせる傾向があるような前記第１の面に対する加圧力を制御するための手 段を、 備える流体封止装置。 ２．加圧力を制御する前記手段が、前記クリアランス通路内の圧力受容壁部に 圧力逃し凹部を有する請求項１に記載の流体封止装置。 ３．前記圧力逃し凹部が、前記圧力受容壁部内で応力集中を緩和する形状にな っている請求項２に記載の流体封止装置。 ４．前記第１と第２の面の少なくとも１つが、前記接合部からの前記流体を受 容するための前記面内の少なくとも１つの凹部と、前記接合部から前記凹部まで の流体流れを許容するための少なくとも１つの流体通路と、前記流体内の泡を前 記凹部壁部から隔離するための前記凹部内の手段とを有する請求項１に記載の流 体封止装置。 ５．前記通路手段が前記第２の部材の回転方向に傾斜し、且つ前記泡が前記流 体に凝縮するまで前記室内に前記泡を遠心式に閉じ込めるように前記通路手段か ら流体を受容するために、泡を隔離するための前記手段が前記凹部内に拡大室を 有する請求項４に記載の流体封止装置。 ６．流体に原動力を供給するためのポンプであって、 前記流体内に浸漬された回転可能なインペラと、 前記インペラを駆動するために、長手軸を中心に回転可能な軸と、 該軸を受容するためのハウジングと、 前記軸の周りに装着され、また前記ハウジング内への前記流体の流れを制限す るために前記ハウジングに関し固定された静液圧封止手段と、 を備え、 前記封止手段は端面を含み、 更に、該端面に隣接しまた該端面に対向した前記軸の周囲に装着された回転面 体と、 前記長手軸に関して概して径方向の向きに前記端面に加えられる流体圧力源と 、 前記端面上の前記径方向に配向された流体圧力の封止不整合を制御するために 前記封止手段の流体接触面上に配設された手段と、 を備えるポンプ。 ７．前記端面と前記回転面体が初めにほぼ平行関係で配設され、また前記制御 手段を欠いていた場合、前記端面に加えられる前記流体圧力が前記端面を前記平 行関係から外す傾向がある請求項６に記載のポンプ。 ８．前記封止手段と前記軸が、流体を受容するため前記封止手段と前記軸との 間のクリアランス部付きで、少なくとも前記端面に隣接して形成され、また前記 流体接触面が前記クリアランス部内に配設される請求項６に記載のポンプ。 ９．前記制御手段が前記クリアランス部から前記封止手段内への流体受容凹部 を有する請求項８に記載のポンプ。 １０．前記端面が、前記回転面体に向かって開口し且つ該回転面に向き合う前 記端面内に少なくとも１つの流体受容ポケットと、前記流体圧力源と、前記ポケ ットに流体を供給するための前記ポケットとの間の少なくとも１つの流体通路と 、流体蒸気の泡と、前記ポケットの径方向外側壁部との間の接触を制限するため の前記ポケット内の手段とを有する請求項９に記載のポンプ。 １１．接触を制限するための前記手段が、前記ポケット内で発生する少なくと も流体蒸気の泡のすべての部材を、前記室内の遠心力によって、前記径方向外側 の壁部近傍から隔離するために、前記ポケット内の拡大室と、前記室内で循環す る流体流れを発生するための手段とを有する請求項１０に記載のポンプ。 １２．循環する流体流れを発生するための前記手段が、前記回転面の回転方向 に前記通路を傾斜させることと、前記循環流体流れの方向に対してほぼ接線方向 に前記室内に流体が入るように、前記ポケット内への前記通路の開口部に前記室 を配設することとを含む、請求項１１に記載のポンプ。 １３．流体内に浸漬された回転可能なインペラと、回転軸芯を中心に前記イン ペラを駆動するために前記インペラに結合されたほぼ円筒状の軸と、該軸を受容 しまた該軸の回転を生じさせるための駆動手段を部分的に収容するためのハウジ ングと、前記軸の一部の周囲にクリアランス付きで装着されると共に前記ハウジ ングへのまた該ハウジングからの高圧流体流れを制限するために前記ハウジング に関して固定された静液圧封止手段とを備える流体ポンプ内の静液圧封止装置で あって、前記封止手段は、前記回転軸芯に関してほぼ径方向に延在する端面と、 該端面に隣接し、対向しまたほぼ平行の前記軸に装着された回転面体と、圧力下 にある流体源とを含み、前記端面は、圧力下にある前記流体を受容するために前 記端面内の複数の凹部と、該凹部の各凹部を圧力下にある前記流体源に接続する 手段とを含み、前記端面は該端面の中に、 前記凹部の構造要素から流体キャビテーション効果を隔離するための手段も有 し、 前記隔離するための手段が前記凹部内に装着される 静液圧シール装置。 １４．隔離するための前記手段が、流体蒸気の泡を含む流体渦を発生するため に各前記凹部内に形成された室を有する請求項１３に記載の静液圧シール装置。 １５．圧力下にある前記流体源が前記インペラを含み、また前記封止手段と前 記軸との間の前記クリアランスを通して前記端面に流体を供給し、前記通路手段 が前記軸から前記凹部までの通路を含み、これらの通路は前記回転軸芯を中心と する前記軸の回転方向に傾斜し、また前記室が、該室が配置された他の凹部部分 よりも基本的に大きな深さの概して円筒状の窪部を含む請求項１４に記載の静液 圧シール装置。 １６．前記軸の回転の間に、前記端面と前記回転面体とを相互の平行関係から 外すかまたは相互に接触させる傾向を有する流体加圧力に対する前記端面の応答 性を調整するために、前記封止手段の中に装着された制御手段を含む請求項１５ に記載の静液圧シール装置。 １７．前記回転面体との平行関係から前記端面を外す傾向があるような前記端 面に加えられる力を低減するために、前記封止手段と前記軸との間の前記クリア ランス内に配設された手段、すなわち前記封止手段の中に形成されると共に前記 クリアランスと液体連通した圧力開放凹部を含めて低減のための手段を有する請 求項１５に記載の静液圧シール装置。 １８．前記封止手段が、中空シリンダの縦方向の長さの中間で該シリンダから 径方向外側に延在するフランジを有する中空シリンダとして概して形成され、前 記ハウジングは配置挟持装置を含み、前記フランジは前記配置挟持装置によって 受容されるような寸法と構造であり、前記封止手段が、前記流体圧力源と連通す ると共に前記端面から反対側に配設された圧力受容面を含み、また前記放圧凹部 が前記縦方向の長さに沿って前記圧力受容面と前記フランジとの間に配設される 、請求項１７に記載の静液圧シール。