(57)【要約】【課題】本発明は、改良された環状シールアセンブリを提供するものである。【解決手段】接線方向切断リングアセンブリおよび径方向切断リングアセンブリを有する流体移動機、例えば圧縮機で使用するための環状シールアセンブリであって、各リングアセンブリは、アーチ型セグメントを有し、接線方向切断リングアセンブリの各アーチ型セグメントは、外周表面から内周表面の少なくとも１．０ｍｍ以内まで延在する複数の通路を有し、シールの装着後、該通路は、圧力バランスのために、接線方向切断リングアセンブリを通って延在する。【選択図】  図１
2020176720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダを備えた流体移動機で使用するための環状シールアセンブリであって、前記シリンダは前記シールアセンブリを受け入れるための環状溝を内部に有し、前記環状溝が、第１の径方向壁および第２の径方向壁を有し、前記流体移動機が、前記シールアセンブリを通して前記シリンダ内で往復運動する往復ロッドを有し、
前記環状溝内に受け入れ可能な接線方向切断リングアセンブリであって、前記接線方向
切断リングアセンブリが、外周表面と、前記往復ロッドを封止係合し、内径Ｄを画定
するための内周表面とを有し、前記接線方向切断リングアセンブリが、第１のシール
面を形成する第１の環状表面と、前記環状溝の前記第１の径方向壁を封止係合するよ
うに配置された第２の環状表面とを有し、前記第１の環状表面および前記第２の環状
表面が、それらの間に厚さｈを画定し、前記接線方向切断リングアセンブリが、複数
のアーチ型セグメントを備える、接線方向切断リングアセンブリと、
前記環状溝内に受け入れ可能な径方向切断リングアセンブリであって、前記径方向切断
リングアセンブリが、外周表面と、前記往復ロッドを係合するための内周表面とを有
し、前記径方向切断リングアセンブリが、前記接線方向切断リングアセンブリの前記
第１のシール面と封止係合された環状表面を有し、前記径方向切断リングアセンブリ
が、複数のアーチ型セグメントを備える、径方向切断リングアセンブリと、を備え、
前記接線方向切断リングアセンブリが、前記接線方向切断リングアセンブリの前記外周
表面から、前記接線方向切断リングアセンブリの前記内周表面の少なくとも１．０ｍ
ｍ以内まで延在する複数の通路を有し、前記複数の通路の各通路が、それぞれ直径ｄ
ｉを有し、各通路ｉに対してｄｉ＜２．６ｍｍであり、
前記接線方向切断リングアセンブリの前記内周表面における前記複数の通路の各通路が
、前記接線方向切断リングアセンブリの前記内周表面における前記第２の環状表面か
ら少なくとも１．５ｍｍの距離で、前記接線方向切断リングアセンブリの前記内周表
面における前記第２の環状表面から０．７５×ｈ以下の距離であり、
前記接線方向切断リングアセンブリ内の前記複数の通路が、数において少なくとも
【数１】
2020176720.tif 000013
であり、ｄが、前記複数の通路の前記直径の平均値である、環状シールアセンブリ。
【請求項２】
前記複数の通路の各通路が、前記接線方向切断リングアセンブリの前記内周表面の少なくとも０．５ｍｍ以内に延在する、請求項１に記載の環状シールアセンブリ。
【請求項３】
前記複数の通路の各通路が、前記接線方向切断リングアセンブリの前記内周表面に対して０．１ｍｍより近接していない距離を通して延在する、請求項１に記載の環状シールアセンブリ。
【請求項４】
前記複数の通路の各通路が、前記接線方向切断リングアセンブリの前記内周表面まで延在する、請求項１に記載の環状シールアセンブリ。
【請求項５】
前記環状シールアセンブリが、初期設置状態と後の動作状態とを有し、前記複数の通路の各通路が、前記初期設置状態において、０．１ｍｍより近接していない距離を通して、前記接線方向切断リングアセンブリの前記内周表面まで延在し、前記複数の通路の各通路が、前記後の動作状態において、前記接線方向切断リングアセンブリの前記内周表面まで延在する、請求項１に記載の環状シールアセンブリ。
【請求項６】
前記複数の通路のいずれかの通路を、前記接線方向切断リングアセンブリの前記内周表面における前記複数の通路の別の通路に接続する溝がない、請求項５に記載の環状シールアセンブリ。
【請求項７】
前記接線方向切断リングアセンブリの前記複数のアーチ型セグメントが、前記内径に対して概ね接線方向に延在する平面によって画定された結合端面を有する、請求項１に記載の環状シールアセンブリ。
【請求項８】
前記接線方向切断リングアセンブリの前記複数のアーチ型セグメントが、前記内周表面で、各々が少なくとも９０°かつ最大１５０°の夾角αで径方向直線と交差する平坦な結合端面を有する、請求項１に記載の環状シールアセンブリ。
【請求項９】
前記径方向切断リングアセンブリの前記複数のアーチ型セグメントが、前記接線方向切断リングアセンブリの前記複数のアーチ型セグメントの前記結合端面を基準としてオフセットされた、径方向に配設された端面を有する、請求項１に記載の環状シールアセンブリ。
【請求項１０】
前記複数の通路の前記通路の各々が、互いから間隔を置かれている、請求項１に記載の環状シールアセンブリ。
【請求項１１】
前記複数の通路の通路開口間の中心間距離が、互いから等しく間隔を置かれている、請求項１に記載の環状シールアセンブリ。
【請求項１２】
前記環状シールアセンブリを前記環状構成にホールドし、前記環状溝内に位置すると、前記シールアセンブリを前記往復ロッドに向かって弾力付勢する保持手段をさらに備える、請求項１に記載の環状シールアセンブリ。
【請求項１３】
前記保持手段が、環状ばねである、請求項１２に記載の環状シールアセンブリ。
【請求項１４】
前記接線方向切断リングアセンブリ内の前記複数の通路が、数において最大
【数２】
2020176720.tif 000014
である、請求項１に記載の環状シールアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して往復ポンプ、圧縮機等で使用するための環状シールアセンブリに関する。より具体的かつ限定を目的とせず、本開示は、圧力バランスを備える環状シールアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
１７２ＭＰａ（２５，０００ｐｓｉａ）以上で動作する圧縮機およびポンプで使用するためのシールは、のが隣接する環状部材間でオフセットされているセグメント間の接合部を備える、一組のセグメント化された環状部材から構成されている。環状部材の第１のもの、すなわち、シールの低圧側のものは、圧縮機で往復運動するプランジャまたはロッドに抗してシールするよう機能し、一方でその他の環状部材は、第１の環状部材のセグメント間の接合部を閉じるように機能する。そのようなシール構造は、例えば米国特許第３，５４２，３７４号および米国特許第３，７１１，１０４号で例証されている。
【０００３】
米国特許第３，５４２，３７４号では、シールアセンブリを形成するシールリングは、隣接するシール表面を持つセグメントから構成される。一方のリングは、接線方向に切断された端面を有し、他方のリングは、径方向に切断された端面を有し、端面は重なり合わないように周方向に変位される。この方法で構築されたシールは、申し分なく稼働する。しかしながら、非常に高圧のサービスでは、高圧に起因して、相当の力が、シールリングによって往復ロッドに加えられる。そのような大きな力は、結果として潤滑特性をかなり劣悪にし、ゆえに、その高程度の摩耗に起因してシール寿命が短くなる。
【０００４】
その結果、力および摩耗を低減させ、それによってシール寿命を改善するために、シールの圧力バランスを提供するために、長年にわたって多くの改変が提案されてきた。それらの改変の例は、米国特許第３，７１１，１０４号、および米国特許出願公開第２００９／０１０８５３５Ａ１号に開示されている。
【０００５】
提案された改変の多くは複雑であり、製造が困難である。
【０００６】
産業界では、低減された摩耗および長寿命を備える優れたシール特性を提供する、高圧圧縮機等で使用するための改善された環状シールアセンブリが望まれる。
【０００７】
産業界では、迅速かつ簡単に組み立てることができ、摩耗を自己補償する改善された環状シールアセンブリが望まれる。
【０００８】
産業界では、製造が容易な改良された環状シールアセンブリが望まれる。
【発明の概要】
【０００９】
本開示は、環状シールアセンブリに関する。
【００１０】
以下に概説するように、本発明にはいくつかの態様がある。以下において、本発明の特定の態様を以下に概説する。括弧内に設定された参照番号および式は、図を参照して以下でさらに説明される例示的な実施形態を参照する。しかしながら、参照番号および表現は例示のみのものであり、例示的な実施形態の特定のコンポーネントまたは特徴に態様を限定するものではない。これらの態様は、括弧で囲まれた参照番号および式が省略されるか、または適宜他のものに置き換えられるクレームとして定式化されることができる。
【００１１】
態様１．  シールアセンブリ（２２）を受け入れるための環状溝（２４）を内部に有する、シリンダ（１４）を備えた流体移動機（１０）で使用するための環状シールアセンブリ（２２）であって、環状溝（２４）が、第１の径方向壁（２６）および第２の径方向壁（２８）を有し、流体移動機が、シールアセンブリ（２２）を通してシリンダ（１４）内で往復運動する往復ロッド（１２）を有し、
環状溝（２４）内に受け入れ可能な接線方向切断リングアセンブリ（３０）であって、接線方向切断リングアセンブリ（３０）が、外周表面（３７）と、往復ロッド（１２）を封止係合し、内径Ｄを画定するための内周表面（３８）とを有し、接線方向切断リングアセンブリ（３０）が、第１のシール面を形成する第１の環状表面（４４）と、環状溝（２４）の第１の径方向壁（２６）を封止係合するように配置された第２の環状表面（４０）とを有し、第１の環状表面（４４）および第２の環状表面（４０）が、それらの間に厚さｈを画定し、接線方向切断リングアセンブリ（３０）が、複数のアーチ型セグメント（５０）を備える、接線方向切断リングアセンブリと、
環状溝内に受け入れ可能な径方向切断リングアセンブリ（３２）であって、径方向切断リングアセンブリ（３２）が、外周表面（４６）と、往復ロッド（１２）を係合するための内周表面（４８）とを有し、径方向切断リングアセンブリ（３２）が、接線方向切断リングアセンブリ（３０）の第１のシール面と封止係合された環状表面（４５）を有し、径方向切断リングアセンブリ（３２）が、複数のアーチ型セグメント（６０）を備える、径方向切断リングアセンブリと、を備え、
接線方向切断リングアセンブリ（３０）が、接線方向切断リングアセンブリ（３０）の外周表面（３７）から、接線方向切断リングアセンブリ（３０）の内周表面（３８）の少なくとも１．０ｍｍ以内まで延在する複数の通路（７０）を有し、複数の通路（７０）の各通路が、それぞれ直径ｄｉを有し、各通路ｉに対してｄｉ＜２．６ｍｍであり、
接線方向切断リングアセンブリ（３０）の内周表面（３８）における複数の通路の各通路（７０）が、少なくとも接線方向切断リングアセンブリ（３０）の内周表面（３８）における第２の環状表面（４０）から１．５ｍｍの距離で、接線方向切断リングアセンブリ（３０）の内周表面（３８）における第２の環状表面（４０）から０．７５×ｈ以下の距離であり、
接線方向切断リングアセンブリ（３０）内の複数の通路（７０）が、数において少なくとも
【数１】
2020176720.tif 000003
であり、ｄが、複数の通路（７０）の直径の平均値である。
【００１２】
態様２．  複数の通路（７０）の各通路が、接線方向切断リングアセンブリ（３０）の内周表面（３８）の少なくとも０．５ｍｍ以内に延在する、態様１における環状シールアセンブリ（２２）。
【００１３】
態様３．  複数の通路（７０）の各通路が、接線方向切断リングアセンブリ（３０）の内周表面（３８）に対して０．１ｍｍより近接していない距離を通して延在する、態様１または態様２における環状シールアセンブリ（２２）。
【００１４】
態様４．  複数の通路（７０）の各通路が、接線方向切断リングアセンブリ（３０）の内周表面（３８）まで延在する、態様１または態様２における環状シールアセンブリ（２２）。
【００１５】
態様５．  環状シールアセンブリ（２２）が、初期設置状態と後の動作状態を有し、複数の通路（７０）の各通路が、初期設置状態において、０．１ｍｍより近接していない距離を通して、接線方向切断リングアセンブリ（３０）の内周表面（３８）まで延在し、複数の通路の各通路が、後の動作状態において、接線方向切断リングアセンブリ（３０）の内周表面（３８）まで延在する、態様１における環状シールアセンブリ（２２）。
【００１６】
態様６．  複数の通路（７０）のいずれかを、接線方向切断リングアセンブリ（３０）の内周表面（３８）における複数の通路（７０）の別の通路に接続する溝がない、複数の通路のいずれかを、接線方向切断リングアセンブリの内周表面における複数の通路の別の通路に接続する溝がない、態様４による環状シールアセンブリ（２２）。
【００１７】
態様７．  接線方向切断リングアセンブリ（３０）の複数のアーチ型セグメント（５０）が、内径に対して概ね接線方向に延在する平面によって画定された結合端面（５２、５４）を有する、態様１〜６のいずれか１つによる環状シールアセンブリ（２２）。
【００１８】
態様８．  接線方向切断リングアセンブリ（３０）の複数のアーチ型セグメント（５０）が、内周表面（３８）で、各々が少なくとも９０°かつ最大１５０°または最大１２０°の夾角αで径方向直線と交差する平坦な結合端面（５２、５４）を有する、態様１〜７のいずれか１つにおける環状シールアセンブリ（２２）。
【００１９】
態様９．  径方向切断リングアセンブリ（３２）の複数のアーチ型セグメント（６０）が、接線方向切断リングアセンブリ（３０）の複数のアーチ型セグメント（５０）の結合端面（５２、５４）を基準としてオフセットされた、径方向に配設された端面（６２、６４）を有する、態様１〜８のいずれか１つにおける環状シールアセンブリ（２２）。
【００２０】
態様１０．  複数の通路（７０）の通路の各々が、互いから間隔を置かれている、態様１〜９のいずれか１つにおける環状シールアセンブリ（２２）。
【００２１】
態様１１．  複数の通路（７０）の通路開口間の中心間距離が、互いから等しく間隔を置かれている、態様１〜１０のいずれか１つにおける環状シールアセンブリ（２２）。
【００２２】
態様１２．  環状シールアセンブリ（２２）を環状構成にホールドし、環状溝（２４）内に位置すると、シールアセンブリ（２２）を、環状シールアセンブリ（２２）の中心区域に向かって径方向に弾力付勢して、シールアセンブリを往復ロッド（１２）に向かって付勢する保持手段（３６、４７）をさらに備える、態様１〜１１のいずれか１つにおける環状シールアセンブリ（２２）。
【００２３】
態様１３．  保持手段（３６、４７）が、環状ばねである、態様１２における環状シールアセンブリ（２２）。
【００２４】
態様１４．  接線方向切断リングアセンブリ（３０）内の複数の通路（７０）が、数において最大
【数２】
2020176720.tif 000004
である、態様１〜１３のいずれか１つにおける環状シールアセンブリ（２２）。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、圧縮機、ポンプ等に位置する、本開示の改良されたシールアセンブリを図示する部分断面図である。
【００２６】
【図２】図２は、接線方向切断リングアセンブリの平面図である。
【００２７】
【図３】図３は、図２の線３−３に概ね沿って取られた接線方向切断リングアセンブリの半断面図である。
【００２８】
【図４】図４は、径方向切断リングアセンブリの平面図である。
【００２９】
【図５】図５は、図４の線５−５に概ね沿って取られた径方向切断リングアセンブリの半断面図である。
【００３０】
【図６】図６は、接線方向切断リングアセンブリの平面図である。
【００３１】
【図７】図７は、接線方向切断リングアセンブリの平面図である。
【００３２】
【図８】図８は、シール全体にわたる圧力プロファイルのプロットである。
【００３３】
【図９】図９は、シール全体にわたる圧力分布の解説のための、接線方向切断リングアセンブリの断面図の図示である。
【００３４】
【図１０】図１０は、シール全体にわたる圧力分布の解説のための、先行技術の接線方向切断リングアセンブリの断面図の図示である。
【００３５】
【図１１】図１１は、シール全体にわたる圧力分布の解説のための、接線方向切断リングアセンブリの断面図の図示である。
【００３６】
【図１２】図１２は、推奨される通路数および通路間隔の解説のための、接線方向切断リングアセンブリの断面図の図示である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下の詳細な説明は、好ましい例示的な実施形態のみを提供するものであり、本発明の範囲、適用可能性、または構成を限定することは意図されていない。むしろ、好ましい例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明は、本発明の好ましい例示的な実施形態を実施するための実施可能な説明を当業者に提供するものであり、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、要素の機能および構成に様々な変更を加えてもよいことが理解される。
【００３８】
本明細書で使用される冠詞「１つの（ａ）」および「１つの（ａｎ）」は、明細書およびクレームに記載された本発明の実施形態の任意の特徴に適用される場合、１つ以上を意味する。「ａ」および「ａｎ」の使用は、そのような限定が特に明記されていない限り、意味を単一の特徴に限定しない。単数または複数の名詞または名詞句に先行する冠詞「ｔｈｅ」は、１つの特定の具体的特徴または複数の特定の具体的特徴を示し、使用される文脈に応じて、単数または複数の意味合いを有し得る。
【００３９】
形容詞「任意の（ａｎｙ）」は、数量を問わず、１つ、いくつか、またはすべてを無差別に意味する。
【００４０】
本明細書では、特に明記されていない限り、文言「または（ｏｒ）」は、条件のうちの１つが満たされることを必要とする操作語「排他的または（ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ  ｏｒ）」のみを必要とする演算子とは対照的に、指定された条件のいずれかまたは両方が満たされたときに真の値を返す操作語の意味で使用される。
【００４１】
第１のエンティティと第２のエンティティとの間に置かれた用語「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」は、（１）第１のエンティティのみ、（２）第２のエンティティのみ、および（３）第１のエンティティおよび第２のエンティティの意味のいずれかを含む。３つ以上のエンティティのリストの最後２つのエンティティ間に置かれた用語「および／または」は、そのリスト内のエンティティの任意の特定の組み合わせを含むリスト内のエンティティのうちの少なくとも１つを意味する。例えば、「Ａ、Ｂ、および／またはＣ（Ａ，  Ｂ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｃ）」は、「Ａおよび／またはＢならびに／もしくはＣ（Ａ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｂ  ａｎｄ／ｏｒ  Ｃ）」と同じ意味を有し、Ａ、ＢおよびＣの以下に示す組み合わせを含む。（１）Ａのみ、（２）Ｂのみ、（３）Ｃのみ、（４）ＡおよびＢ、そしてＣではない、（５）ＡおよびＣ、そしてＢではない、（６）ＢおよびＣ、そしてＡではない、（７）ＡおよびＢならびにＣ。
【００４２】
機能またはエンティティのリストに先行する語句「のうちの少なくとも１つ（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｏｆ）」は、エンティティのリスト内の機能またはエンティティのうちの１つ以上を意味するが、必ずしもリスト内に具体的にリストアップされているエンティティの１つ１つのうちの少なくとも１つを必ずしも含まず、エンティティのリスト内のエンティティの任意の組み合わせを除外しない。例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｏｆ  Ａ，  Ｂ，  ｏｒ  Ｃ）」（または同様な意味合いで「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｏｆ  Ａ，  Ｂ，  ａｎｄ  Ｃ）」もしくは同様な意味合いで「Ａ、Ｂ、および／またはＣのうちの少なくとも１つ（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｏｆ  Ａ，  Ｂ，  ａｎｄ／ｏｒ  Ｃ）」）は、「Ａおよび／またはＢならびに／もしくはＣ」と同じ意味を有し、Ａ、ＢおよびＣの以下に示す組み合わせを含む。（１）Ａのみ、（２）Ｂのみ、（３）Ｃのみ、（４）ＡおよびＢ、そしてＣではない、（５）ＡおよびＣ、そしてＢではない、（６）ＢおよびＣ、そしてＡではない、（７）ＡおよびＢならびにＣ。
【００４３】
用語「複数（ｐｌｕｒａｌｉｔｙ）」は、「２つまたはそれ以上（ｔｗｏ  ｏｒ  ｍｏｒｅ  ｔｈａｎ  ｔｗｏ）」を意味する。
【００４４】
好ましい実施形態の詳細な説明が、図面を参照して提供され、同様の参照番号は、全体を通して同様の要素を指す。
【００４５】
図１は、本開示による、往復ロッド１２を有する流体移動機１０で使用するための環状シールアセンブリ２２を図示し、往復ロッドは、シールアセンブリ２２を通してシリンダ１４内で往復運動する。流体移動機１０は、ポンプ、圧縮機等であってもよい。
【００４６】
流体移動機１０は、必要とされる内圧に耐えるために十分な厚さの外壁１６を備えたシリンダ１４を備える。シリンダは、環状溝２４を有し、環状溝は、スペーサ１８および２０で形成され得る。スペーサ１８および２０は、シールアセンブリ２２のうちの１つ以上を含む所望のシールが、流体移動機１０内に好都合に位置付けられることができるように設けられ得る。
【００４７】
図１に示されるように、スペーサ１８および２０には、シールアセンブリ２２を受け入れるようなサイズにされた環状溝２４を提供する環状凹部が形成され得る。溝２４は、第１の径方向（シーリング）壁２６と、第２の径方向（非シーリング）壁２８とを含む。
【００４８】
環状シールアセンブリ２２は、環状溝２４に受け入れ可能な接線方向切断リングアセンブリ３０を備えるように構成される。接線方向切断リングアセンブリの詳細は、図２および３に示される。接線方向切断リングアセンブリ３０は、当技術分野で周知の任意の好適な材料、例えば充填テフロン、充填ＰＥＥＫ、および耐摩耗性を改善するための添加剤を含む他のプラスチックから作製されることができる。
【００４９】
接線方向切断リングアセンブリ３０は、外周表面３７および内周表面３８を有する。内周表面３８は、往復ロッド１２を封止係合するためのものである。内周表面３８は、内径Ｄを画定する。接線方向切断リングアセンブリ３０は、第１のシール面を形成する第１の環状表面４４と、環状溝２４の第１の径方向壁２６を封止係合するように配置された第２の環状表面４０とを有する。
【００５０】
第１の環状表面４４および第２の環状表面４０は、それらの間に厚さｈを画定する。本開示の接線方向切断リングアセンブリ３０の厚さは、従来技術の接線方向切断されたリングアセンブリを上回り得、３ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であってもよい。
【００５１】
接線方向切断リングアセンブリ３０は、複数のアーチ型セグメント５０を備える。接線方向切断リングアセンブリ３０は、３つのアーチ型セグメント５０を有してもよく、これらは互いに実質的に同一であってもよい。図２に示されるように、接線方向切断リングアセンブリ３０の複数のアーチ型セグメント５０は、接線方向切断リングアセンブリ３０の内径または内周表面３８の接線に対して概ね接線方向か、または概ね平行に延在する平面によって画定される結合端面５２、５４を有し得る。図９に示されるように、平坦な結合端面５２、５４は、内周表面３８において、各々が角度はで少なくとも９０°、そして最大１５０°または最大１２０°の夾角αで、径方向の直線と交差し得る。
【００５２】
アーチ型セグメント５０の端面５２は、アーチ型セグメント５０の別の反対端に形成された端面５４とともに、そしてそれに対して摺動可能に封止係合される。アーチ型セグメント５０の各々は、結合端面５２、５４に沿って、その円周方向に隣接するアーチ型セグメント５０の各々との摺接を維持し得る。
【００５３】
環状シールアセンブリ２２は、環状溝２４内に受け入れ可能な径方向切断リングアセンブリ３２を含む。径方向切断リングアセンブリ３２の詳細は、図４および５に示される。径方向切断リングアセンブリ３２は、当技術分野で周知の任意の好適な材料から作製されることができ、典型的には、接線方向切断リングアセンブリ３０が作製されるものと同じ材料から作製される。
【００５４】
径方向切断リングアセンブリ３２は、外周表面４６および内周表面４８を有する。内周表面４８は、往復ロッド１２を封止係合するためのものである。径方向切断リングアセンブリ３２は、接線方向切断リングアセンブリ３０の第１のシール面と封止係合された環状表面４５を有する。径方向切断リングアセンブリ３２は、複数のアーチ型セグメント６０を備える。径方向切断リングアセンブリ３２は、３つのアーチ型セグメント６０を有してもよく、これらは互いに実質的に同一であってもよい。
【００５５】
図４に示されるように、径方向切断リングアセンブリ３２の複数のアーチ型セグメント６０は、径方向に配設された端面６２、６４を有し得る。隣接するアーチ型セグメント６０の端面６２および６４は、摩耗が発生した場合に、径方向切断リングアセンブリ３２の内周表面４８の直径における減少を可能にするように間隔を置かれ得る。径方向に配設された端面６２、６４は、接線方向切断リングアセンブリ３０に隣接してともに位置されると、接線方向切断リングアセンブリ３０の複数のアーチ型セグメント５０の結合端面５２、５４を基準としてオフセットされる。
【００５６】
図２および４に示されるように、位置決めピン３４を設けて、径方向切断リングアセンブリ３２の径方向に配設された端面６２、６４および接線方向切断リングアセンブリ３０の複数のアーチ型セグメント５０の結合端面５２、５４の適切な円周方向へのオフセットを維持するようにしてもよい。位置決めピン３４は、径方向切断リングアセンブリ３２を基準として接線方向切断リングアセンブリ３０を固定し、それによって、隣接部材６０の端面６２および６４が部材５０の隣接端面５２および５４からオフセットされるようにする。この構成により、径方向切断リングアセンブリ３２は、接線方向切断リングアセンブリ３０の隣接部材５０上の端面５２および５４間に存在する空間を閉鎖およびシールする。位置決めピン３４は例示であり、したがって、適切なオフセットを維持するための任意の周知の手段を使用してもよい。
【００５７】
接線方向切断リングアセンブリ３０は、複数の通路７０を有し、これらは間隔を置かれてもよい。外周表面３７上では、通路開口間の中心間距離は、等しく間隔を置かれ得る。接線方向切断リングアセンブリ３０の複数のアーチ型セグメント５０の各アーチ型セグメントは、通路を有する。複数の通路７０は、接線方向切断リングアセンブリ３０の外周表面３７から、接線方向切断リングアセンブリ３０の内周表面３８の少なくとも１．０ｍｍ以内まで延在する。接線方向切断リングアセンブリ３０の内周表面３８の１．０ｍｍ以内まで延在することは、内周表面３８の通路の端に、１．０ｍｍ以下の材料が存在することを意味する。複数の通路７０の１つ以上またはすべてが、外周表面３７から内周表面３８まで、すなわち、接線方向切断リングアセンブリ３０を通って、または内周表面３８から１．０ｍｍ以下の径方向距離で、接線方向切断リングアセンブリ３０における端まで延在し得る。好ましくは、複数の通路７０のあらゆる通路が、接線方向切断リングアセンブリ３０の内周表面３８に沿ったいずれかの溝等によって、複数の通路７０の別の通路に接続されることがない。通路間の材料は、環状シールアセンブリ２２の摩耗特性の改善を助ける。
【００５８】
複数の通路の各通路は、図６に示されるように、接線方向切断リングアセンブリ３０の幾何学的中心から径方向に延在し得る。代替的には、個々のアーチ型セグメント内の通路は、互いに対して平行に、例えば、図７に示されるように、接線方向切断リングアセンブリ３０の結合端面５２、５４のうちの１つに対して平行に走らせてもよい。通路は、任意の好適な方法で、接線方向切断リングアセンブリ３０の外周表面３７から内周表面３８に向かって延在しうる。
【００５９】
環状溝２４に環状シールアセンブリ２２を設置するとき、複数の通路７０の各通路は、０．１ｍｍより近接していない距離を通って、接線方向切断リングアセンブリ３０の内周表面３８まで延在し得る。図６は、内周表面３８まで完全に延在していない通路を示す。０．１ｍｍより近接していない距離を通って、接線方向切断リングアセンブリ３０の内周表面３８まで延在することは、内周表面３８の通路の端に、０．１ｍｍ以下の材料が存在することを意味する。環状シールアセンブリ２２の摩耗を改善するために、内周表面３８における各通路７０内に少量の材料を提供し得る。
【００６０】
設置時に、内周表面３８に材料が提供されておらず、接線方向切断リングアセンブリ３０の外周表面３７から内周表面３８に貫通路が設けられている場合、初期動作中に、動作のためには高すぎるレベル、および／またはシールを効果的に装着するには高すぎるレベルで、通路が漏れを起こす場合がある。シールは、装着し、シールに乗っているシャフトの形状を申し分なく取る必要があり、これは、通路を通した低圧側の外への深刻な漏れがある場合は起こらない可能性がある。
【００６１】
通路は、内径（内周表面３８）を貫通することなく、外径（外周表面３７）から孔を開け得る。通路の内周表面３８から約０．１ｍｍ〜１ｍｍ通路内に径方向に延在する材料の一部は、後に動作中に発生するシールの圧力バランス調整が達成される前に、シールが装着されることができるように、取り残されてもよい。装着後、後の動作状態中に、複数の通路７０の各通路は、接線方向切断リングアセンブリ３０の内周表面３８まで延在する。後の動作状態中のこの点では、シールの面全体がシャフトと良好に接触するように、シールが十分に装着されている。
【００６２】
接線方向切断リングアセンブリ３０および／または径方向切断リングアセンブリ３２は、付加製造（例えば、３Ｄプリンティング）によって作製されてもよい。
【００６３】
複数の通路７０の各通路は、各通路ｉについてそれぞれ直径ｄｉを有し、ここでｄｉ＜２．６ｍｍである。各通路ｉのそれぞれの直径ｄｉは、少なくとも０．５ｍｍであってもよい。通路の直径の下限は、その直径が小さいことに起因して容易に破損しないドリルビットの使用に関連する実際的な制限のために選択され、上限は、孔（通路）の周囲で十分な材料がシール面として機能することを可能にするように、シールの厚さｈと比較してかなり小さくなるように選択される。複数の通路のうちの通路のいずれかの断面が円形でない場合、直径は水力直径である。
【００６４】
接線方向切断リングアセンブリ３０の内周表面３８における複数の通路７０の各通路の最も近い縁は、少なくとも距離Ｄｙ，ｍｉｎ１．５ｍｍであり、接線方向切断リングアセンブリ３０の内周表面３８における第２の環状表面４０からの距離Ｄｙ，ｍａｘ
【数３】
2020176720.tif 000005
よりも遠くない（図１１）。孔（通路）と第２の環状表面４０の下縁との間のシールに影響を与えるために必要とされる最小値であるとして、１．５ｍｍの最小距離が選択される。下縁は、内周表面３８と第２の環状表面４０とが接する縁である。環状シールアセンブリ２２が環状溝２４に配置されている場合、下縁は、接線方向切断リングアセンブリ３０とロッド１２との間のシーリング空隙の軸方向端を画定し得る。
【００６５】
孔が下端から１．５ｍｍ近くまで開けられた場合、孔を通した第２の環状表面４０の下縁までの漏れ量が、急激に増加する。最大距離０．７５×ｈは、最小圧力バランス効果を提供するように選択される。０．７５×ｈを超える穴を開けた場合、圧力バランスの利点はほとんど無効になる。
【００６６】
圧力バランスに関して、径方向切断リングアセンブリ３２の外周表面４６および内周表面４８は、より高い圧力に曝される。接線方向切断リングアセンブリ３０の場合、外周表面３７と内周表面３８との間の圧力差、および接線方向切断リングアセンブリ３０の結果として生じる、往復ロッド１２上への力は、第１の環状表面４４と第２の環状表面４０との間の位置、および接線方向切断リングアセンブリ３０内の通路７０の数に依存する。
【００６７】
複数の通路７０の数は、少なくとも
【数４】
2020176720.tif 000006
であり、ここでＤは、接線方向切断リングアセンブリ３０の内周表面３８の内径であり、ｈは、接線方向切断リングアセンブリの厚さであり、ｄは、複数の通路７０の直径の平均値である。
【００６８】
好適な数の通路が、簡略化された分析から決定され得る。
【００６９】
摺動パッキンの表面全体にわたる流体の漏れにより、シールアセンブリの高圧側からシールアセンブリの低圧側までの漸進的な圧力降下が生じる。この漏れに対する絞りは、主に、シールアセンブリの内周表面３８と往復ロッド面との間の微細な間隙の機能である。空隙は、シールの表面全体にわたって比較的一定であるため、流れに対する絞りは、漏れ経路全体で一定である。どのようにして圧力降下が表面全体にわたって生じるかを調べるために、漏れ経路を非常に多数の等しい流れ絞りとすることを考慮することができる。非圧縮性流体の場合、絞りの各々は、圧力に左右されない圧力降下を生じさせる。圧縮性流体の場合、各絞りにわたるガス漏れは、
【数５】
2020176720.tif 000007
に比例し、ここでＰｈは、絞りの高圧側の圧力であり、Ｐｌは、絞りの低圧側の圧力である。
【００７０】
５００の高圧Ｐｈ（任意の圧力ユニット）および２００の低圧Ｐｌ（高圧と同じ圧力ユニット）に対するシールの厚さ全体にわたる圧力プロファイルのプロットが、図８に一連の１０個の絞りについて示される。圧力降下プロファイルは、曲線に密接に近似している。しかしながら、曲線は比較的線形であり、それによって、シール全体にわたる線形圧力プロファイルの近似値が有用な第１の近似値であるようにされる。
【００７１】
シール面の表面全体にわたる二次元圧力プロファイルを判定することは、より複雑である。シール表面全体にわたる圧力変動の第１の近似値を使用して、シールの表面全体にわたる様々な点での圧力を近似させることができる。シール表面の任意の点において、圧力は、既知の圧力の任意の２点間の圧力に対して線形比例するように近似させることができる。シールの一方の側が高圧であり、他方の側のシールが低圧である簡素な一次元固形シールの場合、表面全体にわたる圧力プロファイルは、シールの外周に沿ったその位置とは無関係である。
【００７２】
本開示の通路が接線方向切断シールリングに含まれる場合、シール表面全体にわたる圧力分布はもはや一次元ではない。引き続き、既知の圧力の２点間の線形近似値を仮定することができるが、圧力は、流体が既知の圧力の任意の２点間で取ることができる様々な経路によっても影響される。
【００７３】
図９は、接線方向切断シールリングの２つの異なる接線切断設計を図示し、各々が複数の等距離の通路を有する。各通路は、接線方向切断シールリング３０の第１の環状表面４４と第２の環状表面４０との間の中間に位置する。等距離の通路に対しては、対称線を通路間に位置させることができ、それによって、１つのセクションのみを考慮する必要があるようにされる。
【００７４】
図９を参照すると、点Ａは、シールが、多くの通路７０、Ｐｈ、およびシールが低圧Ｐｌに会う下端シールのうちの１つからの高い圧力に会う通路の端から等距離にある。点Ａへの通路から低圧端までの圧力プロファイルは、近似値として略線形曲線をたどる。この圧力プロファイルは、２つの既知の圧力間の最短ルートをたどる。
【００７５】
通路が接線方向切断シールリングの第１の環状表面４４と第２の環状表面４０との中間にあるケースでは、圧力分布は、通路のないシールと比較して、低圧表面に向かって略半分移動する。通路の直上の圧力は依然としてＰｈであり、それによって、内側表面３８および外側表面５０に作用する圧力からの力が等しく、圧力による接触力は、通路の直上のいずれの場所にも生成されない。
【００７６】
図９を参照すると、点Ｂにおいて、流体は、通路と低圧端との両方から等しく離れたより長いルートを移動しなければならない。波線１は、通路と、接線方向切断シールアセンブリの低圧端との両方から等距離にあるすべての点を接続し、そのため、波線１上の任意の場所の圧力は
【数６】
2020176720.tif 000008
によって近似される。流体によってシールされるシール表面にかかる圧力は、この線の下方のＰｌにより近くなり、この線の上方のＰｈにより近くなる。さらに、圧力は、線１から、圧力がＰｌである下端に沿った任意の場所まで、および圧力がＰｈである上端に沿った任意の場所または孔まで、直線的に変化すると仮定することができる。
【００７７】
最初の近似値として、領域Ａ７５は、接触荷重の７５％が圧力差Ｐｈ〜Ｐｌによって接線方向切断シールの内周表面３８上に生じる領域を構成する。この圧力差によって生じるシール上の力は、領域Ａ７５の線形関数として減少する。言い換えると、最初の近似値として、シール表面上の圧力負荷の７５％を生成する領域が５０％減少すると、圧力荷重のこの部分によって生成される力およびそれに続く接触応力もまた、５０％減少する。
【００７８】
従来のシールに関する圧力プロファイルが、図１０に示される。ここで、流体によってシール表面に与えられる圧力は、シール表面からの距離に直線的に比例し、それによって、接触荷重Ｌの２５％が、シールの中間点の上方にあり、７５％が中間点より下方にもたらされる。この接触荷重は、グラフ上に示された領域Ａ２５およびＡ７５に比例する。
【００７９】
シール表面の中心において、高圧流体をシールに進入させるための通路７０を導入することによって、図１１に示されるように、中心圧力の位置が下向きに移動する。これによって、領域Ａ７５が５０％減少する。また、荷重の残り２５％を受ける領域Ａ２５を増加させる。標準的なシールが、シール全体にわたる圧力差によって引き起こされる荷重Ｌを受ける場合、圧力バランス孔を追加することによって生じるこの領域シフトは、Ａ７５およびＡ２５が、図１０に示されたシールの領域Ａ７５およびＡ２５である、すなわち、領域Ａ７５およびＡ２５が、等しいサイズであり、両方とも１であると仮定すると（簡易にすることを目的として）、シールに対する荷重全体を
【数７】
2020176720.tif 000009
まで低下させる。しかしながら、領域Ａ２５全体にわたる圧力分布は、上面４４から線１までの単純な線形分布ではない。さらに、孔（通路）の存在により影響を受ける。
【００８０】
線１とシールの高圧表面との間では、圧力におけるさらなる低下がある。シールの表面に作用する圧力がＰｈであるか、またはそれに非常に近い場合、別の線を引くことができる。この線を判定するために、高圧側から低圧側への複数の漏れ経路を考慮しなければならない。結果として生じる結果として得られた、接触圧力の残りの２５％を生成する領域は、シール表面の残りの領域全体よりも判定することがはるかに困難ではあるが、明らかに小さい。シール表面全体にわたる実際の二次元圧力分布を決定するために、特定の形状に対する数値解析を行うことが必要とされる。
【００８１】
シール内周表面の外周に沿った通路間の距離は、好ましくは、通路からＰｌの低圧表面までの距離の２倍以下であるべきである。図１１は、より大きな距離が、基本的には領域Ａ７５を実質的な程度まで減少させないことによって、圧力バランスの効果を減少させ、それによって、接触圧力を低下させないことを示す。図１２を参照すると、距離ＤＸは、４ＤＹを下回るかまたは等しくあるべきである。
【００８２】
好ましい最小通路数は、接線方向切断リングアセンブリ３０の内周表面３８の外周Ｃと、通路間の推奨最大距離Ｄｘ，ｍａｘとから決定されることができ、通路間の距離は略等しいと仮定している。外周Ｃは、πＤと等しい。通路の中心間距離は、Ｄｘ＋ｄであり、ここで、ｄは、通路に対する平均径である。好ましい最少通路数ｎｍｉｎは、
【数８】
2020176720.tif 000010
であり、ここで、Ｄｘ，ｍａｘは、通路間の推奨最大距離である。
【００８３】
上述のように、Ｄｘ≦４×Ｄｙであり、Ｄｘ，ｍａｘ＝４Ｄｙが推奨される。Ｄｙに対する最大値は０．７５×ｈであり、代入するとＤｘ，ｍａｘ＝３×ｈである。
【００８４】
好ましい最少通路数ｎｍｉｎは、
【数９】
2020176720.tif 000011
である。
【００８５】
最大通路数ｎｍａｘは、実際の考慮事項から決定され得る。内周表面３８における通路間に少なくともいくらかの材料があることが好ましい。材料の量は、少なくとも１つの平均径ｄが、各通路間に存在するようなものであり得る。そして、最大通路数ｎｍａｘは、
【数１０】
2020176720.tif 000012
であってもよい。
【００８６】
従来技術の設計のように、環状シールアセンブリ２２は、保持手段をさらに備え得る。保持手段は、リングアセンブリを環状構成にホールドし、環状溝２４内に位置すると、シールアセンブリを往復ロッドに向かって弾力付勢する。図１〜３は、接線方向切断リングアセンブリ３０をホールドするための保持手段３６を示す。図１および５は、径方向切断リングアセンブリ３２をホールドするための保持手段４７を示す。保持手段３６は、環状ばねであってもよい。
【図１】
2020176720.tif 000015
【図２】
2020176720.tif 000016
【図３】
2020176720.tif 000017
【図４】
2020176720.tif 000018
【図５】
2020176720.tif 000019
【図６】
2020176720.tif 000020
【図７】
2020176720.tif 000021
【図８】
2020176720.tif 000022
【図９】
2020176720.tif 000023
【図１０】
2020176720.tif 000024
【図１１】
2020176720.tif 000025
【図１２】
2020176720.tif 000026
【外国語明細書】
2020176720000001.pdf