(57)【要約】  回転シャフトと静止表面との間にシールを形成する分割メカニカル多段シール組立品。分割メカニカル多段シール組立品は、第1及び第2の軸方向に隣接した環状シール要素を含む。これら第1及び第2シール要素はそれぞれシャフトに接触する密封端を含み、第1及び第2シール要素とシャフトとの間にそれぞれシールをもたらす。静止ハウジングが、第1及び第2シール要素を収容し且つ静止表面に係合して静止固定シールをもたらす一方、シール要素に係合してこれら要素とともに運動用シールを形成する屈曲領域ももたらす。ホルダ組立体が一方のシール要素を収容し、このシール要素の取り付けを容易にする二重角引き込み構成を含むことができる。ホルダ組立品は、シール要素に環着されたOリングを収容且つ保持するための移動止め溝を含んでいてもよい。静止ハウジングは、重複する表面を備えた2つの結合区分を含んでいてもよい。
2009537759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定装置から長手方向軸に沿って延伸するシャフトの周囲にシールを形成する分割メカニカルシール組立品であって、
前記固定装置に結合される少なくとも2つの結合グランド区分を含むグランドと、
前記グランドの半径方向内側に設けられた回転シール要素のためのホルダであって、2つの次元で湾曲し且つ該ホルダの半径方向内側表面に形成された移動止め溝を備えた、ホルダと、
前記ホルダ内の軸方向前方の空間に取り付けられた分割回転シール要素と、
前記回転シール要素に同心円状に環着された、前記回転シール要素と前記ホルダとの間を密封するOリングであって、その半径方向外側部分が前記移動止め溝に収容されている、Oリングとを含む、分割メカニカルシール組立品。
【請求項２】
前記Oリングが直径を備え、前記移動止め溝が、前記Oリングの該直径の約0．02と約0．10との間の深さを備えた、請求項1に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項３】
前記移動止め溝深さと前記Oリング直径との比は、約0．03と約0．05との間のである、請求項2に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項４】
前記Oリングが直径を備え、前記移動止め溝の形状を形成する円弧が半径を備え、該半径と呼び径の呼び径との比が約0.25と約0.50との間である、請求項1に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項５】
前記比が、約0．3と約0．4との間のである、請求項4に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項６】
前記ホルダの前記半径方向内側表面が、前記ホルダの軸方向前方端から半径方向及び軸方向内側に延伸した第1傾斜面を備え、該第1傾斜面が前記メカニカルシール組立品の長手方向軸に対して第1の角度で延伸する、請求項1に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項７】
前記ホルダの前記半径方向内側表面が、前記第1傾斜面から半径方向及び軸方向内側に延伸した第2傾斜面を備え、該第2傾斜面が前記メカニカルシール組立品の長手方向軸に対して第2の角度で延伸する、請求項6に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項８】
前記第2の角度が前記第1の角度より小さい、請求項7に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項９】
前記第1の角度が約10度と約20度との間である、請求項6に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項１０】
前記第1の角度が約15度である、請求項9に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項１１】
前記第2の角度が約2度と約10度との間である、請求項7に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項１２】
前記第2の角度が約3度と約4度との間である、請求項11に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項１３】
前記第2の角度が約3.5度の間である、請求項11に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項１４】
前記移動止め溝が前記第2傾斜面に形成されている、請求項7に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項１５】
前記移動止め溝の軸方向内側部が前記移動止め溝の軸方向外側部の半径方向内側に形成されている、請求項1に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項１６】
前記ホルダが結合グランド区分に分割されている、請求項1に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項１７】
前記グランド区分が該2つのグランド区分の間の接合部にかみ合い機構を備えた、請求項1に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項１８】
前記かみ合い機構が、ボルト締め力を前記接合部において対応するグランド区分に伝達する結合重複表面を含む、請求項17に記載の分割メカニカルシール組立品。
【請求項１９】
分割メカニカルシール組立品における回転シール要素のためのホルダであって、
少なくとも2つの結合弓形ホルダ区分を含む環状体と、
前記環状体における階段状の半径方向内側表面であって、密封要素の半径方向外側部分を収容するために、該内側表面の軸方向延伸壁に形成された移動止め溝とを含む、ホルダ。
【請求項２０】
前記移動止め溝が2つの次元で湾曲している、請求項19に記載のホルダ。
【請求項２１】
前記ホルダの前記半径方向内側表面が、前記ホルダの軸方向前方端から半径方向及び軸方向内側に延伸した第1傾斜面を備え、該第1傾斜面が前記メカニカルシール組立品の長手方向軸に対して第1の角度で延伸する、請求項19に記載のホルダ。
【請求項２２】
前記ホルダの前記半径方向内側表面が、前記第1傾斜面から半径方向及び軸方向内側に延伸した第2傾斜面を備え、該第2傾斜面が前記メカニカルシール組立品の長手方向軸に対して第2の角度で延伸する、請求項21に記載のホルダ。
【請求項２３】
前記第2の角度が前記第1の角度より小さい、請求項22に記載のホルダ。
【請求項２４】
前記第１の角度が約10度と約20度との間である、請求項21に記載のホルダ。
【請求項２５】
前記第2の角度が約2度と約10度との間である、請求項22に記載のホルダ。
【請求項２６】
前記移動止め溝が前記第2の角度をなす面に形成されている、請求項22に記載のホルダ。
【請求項２７】
前記移動止め溝の軸方向内側部が、前記移動止め溝の軸方向外側部の半径方向内側に形成されている、請求項19に記載のホルダ。
【請求項２８】
前記第2傾斜面から前記内側表面の半径方向内側壁まで延伸する軸方向に延伸した平坦表面を更に含む、請求項22に記載のホルダ。
【請求項２９】
分割メカニカルシール組立品における回転シール要素のためのホルダであって、
少なくとも2つの結合弓形ホルダ区分を含む環状体で、該ホルダ区分が結合して該環状体を形成する、環状体と、
前記環状体における階段状底部表面であって、前記ホルダの軸方向前端から半径方向及び軸方向内側に延伸すると共に前記メカニカルシール組立品の長手方向軸に対して第1の角度で延伸する第1傾斜面と、該第1傾斜面から半径方向及び軸方向内側に延伸すると共に前記メカニカルシール組立品の長手方向軸に対して第2の角度で延伸する第2傾斜面とを備えた階段状底部表面とを含む、ホルダ。
【請求項３０】
前記第2の角度が前記第1の角度より小さい、請求項29に記載のホルダ。
【請求項３１】
前記第１の角度が約10度と約20度との間である、請求項29に記載のホルダ。
【請求項３２】
前記第１の角度が約15度である、請求項31に記載のホルダ。
【請求項３３】
前記第2の角度が約2度と約10度との間である、請求項29に記載のホルダ。
【請求項３４】
前記第2の角度が約3度と約4度との間である、請求項33に記載のホルダ。
【請求項３５】
前記第2の角度が約3.5度の間である、請求項34に記載のホルダ。
【請求項３６】
Oリングの半径方向外側部分を収容するため、前記環状体の前記底部表面に形成された移動止め溝を更に含む、請求項29に記載のホルダ。
【請求項３７】
前記移動止め溝が2つの方向に湾曲している、請求項36に記載のホルダ。
【請求項３８】
前記移動止め溝が前記第2傾斜面に形成されており、前記移動止め溝の軸方向内側部が前記移動止め溝の軸方向外側部の半径方向内側に形成されている、請求項36に記載のホルダ。
【請求項３９】
固定装置とシャフトとの間を密封するための分割メカニカルシール組立品を組み立てる方法であって、
Oリングがその半径方向外側表面に環着されると共に該外側表面に接触している分割回転シールリングを用意する段階であって、該回転シールリングは、互いに結合して該回転シールリングを形成する少なくとも2つの結合弓形区分を含む、用意する段階と、
回転シールリングホルダの半径方向内側表面における移動止め溝が、前記Oリングを捕捉するまで、前記回転シールリング及びOリングを長手方向軸に沿って前記回転シールリングホルダに挿入する段階とを含む、方法。
【請求項４０】
前記回転シールリングホルダが、前記回転シールリング及びOリングの挿入前に前記シャフトにクランプされる、請求項39に記載の方法。
【請求項４１】
前記回転シールリングが、前記移動止め溝に繋がる半径方向内側表面に二重角引き込み面取部を備えた、請求項39に記載の方法。
【請求項４２】
固定装置とシャフトとの間を密封するための分割メカニカルシール組立品を組み立てる方法であって、
回転シールリングホルダを前記シャフトにクランプする段階であって、該回転シールリングホルダが前記シャフトに環着される2つの結合弓形区分を含む、クランプする段階と、
回転シールリングホルダがシャフトの周りに締め付けられている際に、その半径方向外側表面に環着されたOリングを備えた回転シールリングを、前記回転シールリングホルダに挿入する段階とを含む、方法。
【請求項４３】
前記回転シールリングホルダの半径方向内側表面に形成された移動止め溝が前記Oリングを捕捉するまで、前記回転シールリングが挿入される、請求項42に記載の方法。
【請求項４４】
前記回転シールリングが、前記移動止め溝に繋がる半径方向内側表面に二重角引き込み面取部を備えた、請求項42に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、その内容を引用して本明細書に援用する2006年5月17日付けの米国特許出願第11/436,719号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、固定ハウジング構成要素に対してシャフト又はロッドをシールするためのシール組立品に関する。本発明は一般にメカニカルシールに関する。より詳細には、本発明は、様々な動作条件下で高い密封能力を提供する汎用分割メカニカルシールに関する。
【背景技術】
【０００３】
従来のメカニカルシール組立品は、流体密シールを提供するために、例えば機械装置における多種多様な環境及び設定において様々な機械的装置で使用されていきた。通常、こうした密封組立品は、固定機械ハウジング内に取り付けられ且つそのハウジングから突出する回転シャフト又はロッドの周囲に設けられる。
【０００４】
分割メカニカルシールは、気密且つ流体密シールを提供するために、多種多様な機械的装置で使用されている。通常、こうしメカニカルシールは、固定ハウジング内に取り付けられ且つそのハウジングから突出する回転シャフトの周囲に設けられる。このシールは、通常はシャフトの出口箇所でハウジングにボルト止めされており、よって加圧プロセス流体がハウジングから流出するのを防いでいる。従来の分割メカニカルシールは面型(原語：face-type)メカニカルシールを含むが、この面型メカニカルシールには、シャフトの周囲に同心状に配置されると共に、軸方向に互いから離間された一対の密封リングが含まれる。各密封リングは、互いに密封接触するように付勢された複数の密封面を備えている。通常は、1つのシールリングが静止状態を維持し、他方のリングが軸と接触し且つ一体的に回転する。このメカニカルシールは、シールリングの密封面を互いに密封接触するように付勢することによって、加圧プロセス流体が外部環境に漏れ出すのを防ぐ。通常、回転シールリングは、グランド組立品により形成されるチャンバ内に配置されたホルダ組立品内に取り付けられる。ホルダ組立品は、ねじで互いに固定された一対のホルダ半割れを備えることができる。同様に、グランド組立品は、ねじで互いに固定された一対のグランド半割れを備えることができる。シールリングはしばしば複数区分に分割され、各区分が一対の密封面を備えているので、各リングは、シャフト端部の一方を解放することなくシャフトに環着可能な割りリングとなる。
【０００５】
従来の分割メカニカルシールは、シャフトに環着した後で密封対象の機器にボルトで固定される回転及び固定構成要素を備えている。回転シール面は、区分がシャフトに環着された後で回転金属クランプ内に挿入される。次に、固定面区分とグランド区分が組み付けられると、半割れグランド組立品がポンプハウジングにボルトで固定される。
【０００６】
従来の分割メカニカルシールの設計には幾つかの問題があった。従来の分割メカニカルシールの設計における第1の問題は、回転シールリングの、シャフト周りにクランプされるホルダ組立品への挿入に関わる。Oリングが、回転シール面を、クランプされたホルダに対して軸方向で密封する。この回転シール面は、クランプされたホルダ内のきつい空間に押し込む必要があり、それにはしばしば困難が伴う。ホルダに対して回転シール面を密封するエラストマー製のOリングは、密封を行うため圧縮する必要があり、シール面をクランプされたホルダ内に挿入するには一定の力が必要である。更に、Oリングはシールリングを掴んで摺動を阻害しがちなので、従来のメカニカルシールの設計による回転シール面は、挿入後に「飛び出す」傾向がある。更に、取り付けた際のOリングの動きによって、Oリングが回転シール面に対して好適な垂直な姿勢でなく角度が付いた姿勢になる場合がある。取付者は角度がついた姿勢からOリングを元の姿勢に戻す必要があるが、これは容易でない。この作業では、取り付け時に、回転シール面をクランプされたホルダ内に正しく設置するのに数回の試行を必要とすることがある。
【０００７】
更に考慮すべき重要な点は、滑らかな動作を得るため回転シール面をシャフトに対して垂直に維持することである。回転シール面の一方の側が、他方の側よりもクランプされたホルダに深く入ってしまうことは十分ありうる。この結果、シャフトの軸線に対して回転シール面が直角でない状態になってしまう。すると、これにより、シャフトの回転毎に固定シールリングが回転シールリングを追跡するために左右に傾く過程で、固定シールリングは前後運動を行ってしまう。この程度が大きいと、シールの寿命が短くなることがある。
【０００８】
従来の分割メカニカルシールの設計に関わる別の問題は、シールグランドをポンプ又は他の機器ハウジングに締め付ける際に、グランドボルトに過大なトルクがかかるときに発生する。この問題は、2本のグランドボルトしか使用しない場合は非常に深刻となる。ボルト2本及び4本の構成が最も一般的なボルト設計なので、ボルトスロットは、典型的にはグランド分割に対して均等な対称位置に設けられていない。実際にボルトを2本使用する場合、最も理にかなうボルト位置は分割部分から90度の位置となるはずである。しかし、これを行うと、ボルトを4本使用する場合、他の2本のボルトがちょうど分割部分に位置してしまい、好ましくない。こうした設計を避けるため、スロットは分割線から約15乃至45度の位置に配置されている。
【０００９】
従って、グランド組立品にボルトが2本しか使用していない場合は、グランド半割れにかかる負荷は分割面に対して対称でもなく、均等でもない。グランドとハウジングとの間に圧縮されている面ガスケットは、典型的にはシールとして作用する弾性を備えたエラストマー材料製である。締め付け負荷がこのように不均等なので、ボルト締め力は、グランド半割れの結合機構によって分割部分の各側に伝達する必要がある。これらはシャフトの外径に接線方向(グランドボルトの軸方向に対して)の位置合わせピンと固定ねじである。位置合わせピンは、加えられる力を考慮すると極めて小型なので、グランド半割れが互いに対して摺動することで、位置合わせピンとグランド半割れが歪むのを必ず防止できるとはかぎらない。これにより2つの事態が発生する。第一に、グランド半割れ間のガスケットの密封能力の低下であり、第二に、グランド組立品の中心から外れるねじれが起こり、これが固定シールリングで密封の問題を引き起こす。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、ポンプ又は任意の回転装置などの構成要素を密封するための改良型メカニカルシール組立品を提供する。前記メカニカルシール組立品は、密封対象の装置の可動構成要素に結合した回転シールリングと、前記回転シールリングに対してシールを形成すると共に該密封対象の装置の固定構成要素に結合された固定シールリングと、関連した組立品構成要素とを含むことができる。前記改良型メカニカルシール組立品は、前記回転シールリングを選択した位置及び形状で保持するための、前記シャフトの周りにクランプされた回転シールリングホルダを含んでもよい。前記回転シールリングホルダは、前記回転シールリングの前記回転シールリングホルダ内への取り付けを容易にし、密封対象の前記シャフトへの回転シール面への直角度を維持するよう構成されている。前記回転シールリングは、前記回転シールリングの半径方向外側表面に対して密封する、Oリングのような密封要素を捕捉し且つ位置合わせする移動止めを備えることができる。二重角引き込み構成が、前記回転シールリング及びOリングの前記回転シールリングホルダへの挿入を容易にする。
【００１１】
前記改良型メカニカルシール組立品は、接合するかみ合い半割れを備えたグランド組立品を備えており、これにより、該グランド半割れの係合を容易にすると共に、ボルト、装置ハウジング、ガスケット支持部材、及び／又は他の発生源からの力が該グランド組立品に掛かった際に、該グランド半割れの互いに対する摺動を減少又は防止する。
【００１２】
本発明の第1の様態によれば、固定装置から長手方向軸に沿って延伸するシャフトの周囲にシールを形成する分割メカニカルシール組立品が提供される。前記メカニカルシール組立品は、前記固定装置に結合される少なくとも2つの結合グランド区分を含むグランドと、前記グランドの半径方向内側に設けられた回転シール要素のためのホルダであって、2つの次元で湾曲し且つ該ホルダの半径方向内側表面に形成された移動止め溝を備えた、ホルダと、前記ホルダ内の軸方向前方の空間に取り付けられた分割回転シール要素と、前記回転シール要素に同心円状に環着された、前記回転シール要素と前記ホルダとの間を密封するOリングであって、その半径方向外側部分が前記移動止め溝に収容されている、Oリングとを含む。
【００１３】
本発明の別の様態によれば、分割メカニカルシール組立品における回転シール要素のためのホルダは、少なくとも2つの結合弓形ホルダ区分を含む環状体と、前記環状体における階段状の半径方向内側表面であって、Oリングの半径方向外側部分を収容するために、該内側表面の軸方向延伸壁に形成された移動止め溝とを含む。
【００１４】
本発明の更に別の様態によれば、分割メカニカルシール組立品における回転シール要素のためのホルダは、少なくとも2つの結合弓形ホルダ区分を含む環状体で、該ホルダ区分が結合して該環状体を形成する、環状体と、前記環状体における階段状底部表面であって、前記ホルダの軸方向前方端から半径方向及び軸方向内側に延伸すると共に前記メカニカルシール組立品の長手方向軸に対して第1の角度で延伸する第1傾斜面と、該第1傾斜面から半径方向及び軸方向内側に延伸すると共に前記メカニカルシール組立品の長手方向軸に対して第2の角度で延伸する第2傾斜面とを備えた階段状底部表面とを含む。
【００１５】
本発明の更に別の様態によれば、固定装置とシャフトとの間を密封するための分割メカニカルシール組立品を組み立てる方法が提供される。前記方法は、Oリングがその半径方向外側表面に環着されると共に該外側表面に接触している分割回転シールリングを用意する段階であって、該回転シールリングは、互いに結合して該回転シールリングを形成する少なくとも2つの結合弓形区分を含む、用意する段階と、回転シールリングホルダの半径方向内側表面における移動止め溝が前記Oリングを捕捉するまで、前記回転シールリング及びOリングを長手方向軸に沿って前記回転シールリングホルダに挿入する段階とを含む。
【００１６】
本発明の最後の様態によれば、固定装置とシャフトとの間を密封するための分割メカニカルシール組立品を組み立てる方法は、回転シールリングホルダを前記シャフトにクランプする段階であって、該回転シールリングホルダが前記シャフトに環着される2つの結合弓形区分を含む、クランプする段階と、回転シールリングホルダがシャフトの周りに締め付けられている際に、その半径方向外側表面に環着されたOリングを備えた回転シールリングを、前記回転シールリングホルダに挿入する段階とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本発明の上記及びその他の特徴及び利点は、次の詳細な説明と添付の図面を参照すればより完全に理解されるはずである。また、図面の中の類似した参照記号は、これら複数図面を通して類似の部材を示す。これら図面は、本発明の原理を表すもので、縮尺は一定ではないが、相対的寸法を示す。
【図１】本発明の好適な実施形態に従って2つの区分に分離された分割メカニカルシールの透視図である。
【図２】本発明の一実施形態に従った、図1のメカニカルシールの断面図である。
【図３】図1のメカニカルシールの部分断面図である。
【図４】線3-3についての図1に示したメカニカルシールの半分の分解組立図である。
【図５】図1に示したメカニカルシールの半分の透視図である。
【図６】本発明の例示的なこの実施形態に従った、図1に示したメカニカルシールの回転シールリングホルダの軸方向外側部分の透視図である。
【図７】図6の回転シールリングホルダの断面図である。
【図８】図6に示した回転シールリングホルダの一部分の断面図である。
【図９】本発明の一実施形態に従った特定の角度及び長さを図示した、図6の回転シールリングホルダの断面詳細図である。
【図１０】本発明の例示的実施形態に従ったメカニカルシール組立品での使用に適したグランド組立品の側面図である。
【図１１】図10に示したグランド組立品の別の側面図である。
【図１２】図10のグランド組立品の透視図である。
【図１３】グランド組立品の1区分の透視図であって、当該グランド区分の両端の重複した接合表面を示す。
【図１４】本発明の例示的実施形態に従ったグランド組立品の接合領域の詳細な近接図である。
【図１５】重複した接合表面におけるグランド区分の詳細な近接図である。
【図１６】(A) 本発明の一実施形態によるグランド又はホルダねじの側面図である。  (B) 本発明の一実施形態による図1のねじハウジングの透視切り欠き図である。
【図１７】エラストマー部材の断面図である。
【図１８】本発明の好適な実施形態によるホルダ組立品の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、回転シャフト又は他の適切な装置における密封を実現するためのメカニカルシール組立品を提供する。図示した実施形態に関連して本発明を以下の記載で説明する。当業者であれば、本発明は、多数の異なる応用例及び実施形態で実現可能であり、本明細書に記載した特定の実施形態に特に限定されないことは理解するはずである。
【００１９】
本明細書で使用する「シール組立品」及び「密封組立品」という用語は、シングルシール、分割シール、同心シール、螺旋シール、及び他のタイプの既知のシール及び密封組立品及び構成品を含む様々な密封組立品を含むことを意図している。
【００２０】
「シャフト」という用語は、機械システムにおいてシールを取り付け可能な任意適切な装置を指すことを意図し、軸、ロッド、及び他の既知の装置を含む。
【００２１】
本明細書で用いる「軸方向の」及び「軸方向に」という用語は、任意のシャフトの軸に概ね平行な方向を示す。本明細書で用いる「半径方向の」及び「半径方向に」という用語は、任意のシャフトの軸に概ね直角な方向を示す。「流体」及び「複数の流体」という用語は、液体、気体、及びそれらの組み合わせを指す。
【００２２】
本明細書で用いる「軸方向内側」という用語は、シール組立品を使用する機械システムに近位の固定装置及びシール組立品の部分を示す。反対に、本明細書で用いる「軸方向外側」という用語は、機械システムに遠位の固定装置及びシール組立品の部分を示す。
【００２３】
本明細書で用いる「半径方向内側」という用語は、任意のシャフトに近位のシール組立品の部分を示すことを意図する。反対に、本明細書で「半径方向外側」という用語は、任意のシャフトに遠位のシール組立品の部分を示すことを意図する。
【００２４】
本明細書で用いる「固定装置」、「静止面」、及び「グランド」という用語は、シールが固定されるシャフト又はロッドを収容する任意適切な固定構造体を含むことを意図する。
【００２５】
本発明の例示的な実施形態のメカニカルシール組立品は、該メカニカルシール組立品内の選択位置に回転密封部材を取り付け且つ保持するための改良型回転シールリングホルダ、及び／又は該メカニカルシール組立品の固定部材を固定装置に接続するための改良型グランド組立品を用いることができる。
【００２６】
このメカニカルシールリング組立品の回転シールリングホルダは、その半径方向内側面に溝を備えていてもよい。この溝は、回転シールリングのような回転密封部材の半径方向外側表面に対してシールするために使用される密封要素を、収容、捕捉、又は保持するように設計且つ構成されている。この溝は密封要素とそれに関連付けられた回転シール面とを所定位置に維持して、密封性を向上させ且つメカニカルシール組立品の全体的寿命を延ばす。また、回転シール面がシャフト軸に対して概ね直角を維持するよう、この溝は、密封要素及び回転シール面を正確な位置に捕捉するのが好ましい。
【００２７】
回転シールリングホルダの軸方向外側端部には、回転密封部材及びOリングを収容するための軸方向に延伸した開口部が形成されている。この軸方向に延伸した開口部は、軸方向外側端部の大きな直径から、回転密封部材及びOリングが収容される狭い開口部までテーパしているのが好ましい。回転シールリングホルダの軸方向に延伸した開口部は、少なくとも2つの段階でテーパさせてよい。一実施形態では、後に詳述するように、この軸方向で終端する受け入れ部は、回転シールリングホルダの軸方向外側端部から半径方向内側表面の移動止め溝に至る二重角でテーパした内側表面を含む。半径方向内側表面において二重角の面を採用すると、Oリングを回転シールリングホルダと回転密封部材との間の空間に挿入するのに必要な挿入力が小さくなる。
【００２８】
このメカニカルシール組立品のシールグランド組立品は、互いにかみ合う重複したグランド半割れを採用し、これら半割れがかみ合うことで、グランド半割れの互いに対する摺動が動作時に防止される。
【００２９】
図1乃至5は、本発明の好適な一実施形態による分割メカニカルシール10を示す。メカニカルシール10は、第1軸13に沿って延伸するシャフト12の周りに好適には同心円状に環着されると共に、ポンプ又は他のシステムのようなハウジング14の外側壁に固定されている。シャフト12は、少なくとも部分的にはハウジング内部に又はハウジングに隣接して設けることができる。本発明の教示に従って作製されたメカニカルシール10は流体密シールを形成し、従って作動油などのプロセス媒体がハウジング14から逃げ出すのを防止する。流体密シールは、一対のシールリング20及び30として示した密封部材で達成される。これら例示的な密封部材は、その間にシールを形成する第1すなわち回転シールリング20と第2すなわち固定シールリング30とを含む。各シールリング20及び30はそれぞれ滑らかな弓形密封表面21、31を備える。各シールリングの滑らかな弓形密封表面21、31は、他方のシールリングの対応する密封表面21又は31と密封接触するよう付勢されている。好適には、シールリング20及び30は、後述するように取り付けを容易にするため区分25、25’及び30、30’にそれぞれ分割する。これらシールリングの密封表面は、後に詳述するように、真空条件を含む広範囲の動作条件で動作する流体密シールを形成する。
【００３０】
図示したメカニカルシール10は、回転シールリング20及び固定シールリング30に加え、後に詳述するように、固定シール構成要素を装置14に取り付けるためのシールグランド組立品40と、回転シールリング20を取り付けるためのシールリングホルダ組立品110とを含む。
【００３１】
ホルダ組立品110は、回転シールリング20を収容し且つ保持する空間201を画定する。ホルダ組立品110は、組立と取り付けを容易にするため分割してもよい。一実施形態では、ホルダ組立品110は、互いに結合して環状ホルダ組立品100を形成する一対の区分112、114を含む。ホルダ組立品110は、或いはこのホルダ組立品が分割されているなら各ホルダ区分は、グランド組立品40に対向する半径方向外側表面116と、シャフトに対して密封し且つ回転シールリング20を収容し且つ保持する空間201を画定する半径方向内側表面124とを備えている。ホルダ組立品110は、軸方向に延伸する環状開口部を軸方向外側端部111に備え、この環状開口部が空間201につながって、回転シールリング20をこの空間に挿入可能とする。
【００３２】
Oリング188などの密封要素は、回転シールリング20とホルダ110との間でシールするために回転シールリング20の周りに同心円状に環着されている。図示したように、Oリングは、後述するように、好適には回転シールリング20の軸方向内側部の半径方向外側表面184に環着されており、ホルダ組立品110の半径方向内側表面124に対してシールしている。後に詳述するように、ホルダ組立品110の半径方向内側表面124は、回転シールリング20に環着されたOリング188を収容且つ保持するための移動止め溝189を含み、これがシール組立品の組立と動作を容易にすると共に回転シールリング20を最適位置に保持する。
【００３３】
他の密封部材が、メカニカルシール組立品10の異なる構成要素間の境界面をシールできる。例えば、例示的なこの実施形態では、平坦な環状エラストマーガスケット60が、シールグランド組立品40とハウジング14との間の境界面をシールする。後述するように、ホルダ組立品110が分割されている場合は、ホルダガスケット160がホルダ組立品110の2つの半割れをシールする。ホルダ／シャフトエラストマー部材がOリング142として図示されており、回転シールリングホルダ組立品110とシャフト12との間をシールする。Oリング202として図示された固定シールリング／グランドエラストマー部材は、固定シールリング30とグランド組立品40との間の境界面をシールすると共に、固定シールリング30に半径方向内側の圧力をかける。当業者であれば、このメカニカルシール組立品は、異なる構成要素間の密封のために任意適切な手段を備えてよいことは理解するはずである。
【００３４】
更に、代表的なシール組立品10は、回転シールリング20とホルダ組立品110との間に軸方向に延伸する回り止めピン144を含むことができ、回転シールリングとホルダ組立品との相対回転運動を防ぐ。図2の実施形態に示したように、シールリングホルダ組立品110の半径方向外側表面116とグランド組立品40との間には心出しボタン74を設けることで、シール組立品がシャフト12の周りに容易に心合わせできるようにしてもよい。更に図2に示したように、第1ソケットヘッドねじキャップ181がホルダ組立品110を固定する一方、第2ソケットヘッドねじキャップ183がグランド組立品40を固定する。後に詳述するように、SBボルト67及びボルトタブ38が、グランド組立品40を装置14に固定する。
【００３５】
本発明の例示的な実施形態の例示的なシール組立品の幾つかの構成要素は、引用して本明細書に援用する米国特許第5,571,268号に記載されたメカニカルシール組立品に類似している。
【００３６】
図1乃至5に示したように、回転シールリング20を取り付けるためのホルダ組立品110は、グランド組立品40により形成されるチャンバ24内に設けられると共に、そこから半径方向内側に離間している。しかし、ホルダ組立品110をグランド組立品40内に設ける必要はないことは理解すべきである。そのかわり、ホルダ組立品110はグランド組立品40から軸方向に離間して設けることができる。
【００３７】
ホルダ組立品110は、その内部での回転シールリング20の取り付けと、このメカニカルシールの全体動作とを容易にするよう設計且つ構成されている。例示的な一実施形態によれば、ホルダ組立品110の半径方向内側表面124は、ホルダ組立品110内への回転シールリング20の取り付けと、回転シール面21のシャフト12に対する直角度を容易にするよう構成されている。
【００３８】
図6乃至9は、本発明の一実施形態のホルダ組立品110をより詳細に示す。図6は、ホルダ組立品110の軸方向外側端部111の透視図である。図示したように、ホルダ組立品の半径方向内側表面124は、軸方向外側端部111から延伸する2つの傾斜面124a、124bを含み、内側表面124は、回転シールリング20を収容するため、軸方向外側端部111における比較的広い開口部からより狭い空間201へと二段階を経たテーパ状となっている。図示したように、従って、半径方向内側表面124は、ホルダ110の軸方向外側端部111から内側壁に沿って溝189まで延伸する二重角引き込み面取り部を形成する。例示的なこの実施形態では、第1段を含む第1傾斜面124aは、ホルダ組立品110の軸方向外側端部111において前面の半径方向に延伸する壁1121から半径方向内側に傾斜する半径方向傾斜面を形成している。第1傾斜面は第2傾斜面124bで終端し、第2傾斜面124bに移行する。第2段を含む第2傾斜面124bは、第1傾斜面124aから傾斜して半径方向内側に延伸し、且つ軸方向に延伸する平坦面124c又は他の中間表面で終端する。例示的な中間表面124cは軸13に概ね平行に延伸する。平坦面124cのような中間表面は、階段状の軸方向内側に延伸する壁132まで延伸し、その壁に交わり、回転シールリング20を収容するための空間201の軸方向内側端部を画定する。代替的に、ホルダ組立品110は軸方向外側に延伸する平坦面124cを省略し、第2傾斜面124bが、軸方向内側に延伸する壁132まで延伸し、その壁に交わるようにしてもよい。更に、通常の技能を備えた当業者であれば、内側表面124の軸方向外側端部111における空間201への引き込み面取り部は、3つ以上の半径方向内側への傾斜面を含んでもよいことは理解するはずである。
【００３９】
ホルダ組立品110をシャフト12に結合する際に、この多角引き込み面取部は、回転シールリング20及びOリング188の空間201への挿入を容易にする。
【００４０】
図9で詳細に示したように、第1の半径方向への内側傾斜面124aは、極細線Lで示した軸に交差する第1角θで延伸し、この軸は軸13に平行であり、且つ軸方向に延伸する半径方向平坦面124cと交差するか、ホルダが平坦面124cを含まない場合は空間201の軸方向に延伸する内側面と交差する。例示的なこの実施形態では、第1の半径方向への内側傾斜面124aが延伸する第1角θは、極細線Lに対して約10度と約20度との間であり、約15度が好ましい。当業者であれば、第1の半径方向への内側傾斜面124aは任意適切な角度で延伸してよく、この例示的な範囲に限定されないことは理解するはずである。
【００４１】
第2の半径方向への内側傾斜面124bは、図9に示すように、軸Lに対して傾斜した第2角θ’で延伸する。例示的なこの実施形態では、第2角θ’は第1角θより小さい。例示的な第2角θ’は、極細線Lに対して約2乃至約10の間で延伸し、好適には約3度乃至4度の間であり、最も好適には約3．5度である。当業者であれば、第2の半径方向への内側傾斜面124bは任意適切な角度で延伸させてよく、例示的な範囲に限定されないことは理解するはずである。
【００４２】
図9に示したように、角度付き面124aと124bとの間の境界面／移行点1240は、壁132から選択した距離Tだけ離間していることが好ましい。ホルダ組立品110の軸方向外側端部111における前面の半径方向に延伸する壁1121は、壁132から選択した距離Fだけ離間していることが好ましい。これらの距離は、特定の用途、使用したOリング188のサイズ、シール全体のサイズ、及び他の要因に従って選択すればよく、当業者が容易に決定可能である。通常の技能を備えた当業者であれば、内側表面124の角度付き表面及び平坦表面は、任意適切な構成、長さ、ホルダ組立品110の他の構成要素からの距離を備えてよいこと、更に、本発明は例示的なこの実施形態に限定されないことは理解するはずである。
【００４３】
一対の連続した半径方向内側への階段状表面は、回転シールリングホルダ110の第2の軸方向延伸面134と第3の軸方向延伸面138とをそれぞれ形成する。半径方向内側表面124及び第3面134の間には、半径方向内側に延伸する第1壁132が一体形成されている。例示的なこの実施形態では、軸方向に延伸する平坦(すなわち傾斜していない)面124c又は他の中間表面は、第2の半径方向内側への傾斜面124bと半径方向に延伸する第1壁132との間に延伸する。代替的な実施形態では、第2の半径方向内側への傾斜面124bは、半径方向に延伸する第1壁132まで延伸し、そこで終端する。図示したように、第3面134及び第4面138の間には、半径方向内側に延伸する第２壁136が一体形成されている。第4面138の直径は、ホルダ組立品110が取り付けられるシャフト12の直径と好適には同一又は僅かに大きくする。
【００４４】
好適な一実施形態では、回転シールリング20と回転シールリングホルダ110との間を密封するOリング188は、ホルダ組立品110の半径方向内側表面124に形成された移動止め溝のような溝189に収容されている。移動止め溝189は、動作に影響を及ぼすことなく、Oリング188の上部の半径方向外側面を収容し、Oリング188をホルダ組立品110に対して取り付けるように寸法決め、配置、且つ構成されている。移動止め溝189は、ホルダ組立品の第1壁132と半径方向内側表面124との交差部分でOリング188を収容するのが好ましく、こうするとOリングは、第1壁132、内側表面124、及び回転シールリング20の半径方向外側表面184に好適には接触するか又は近接する。代替的には、移動止め溝189は、回転シールリングホルダ組立品110と回転シールリング20との間の別の位置でOリングを収容する。
【００４５】
図2乃至4に示したように、Oリングは、移動止め溝189に収容されると、好ましくは回転シールリング20の第2及び第3外側表面182、184に当接する。
【００４６】
例示的なこの実施形態では、移動止め溝189は、ホルダ組立品110の第2の半径方向内側への傾斜面124bに形成されている。図9に示した実施形態では、移動止め溝189の軸方向内側端部189aは、第2の半径方向内側への傾斜面124bの軸方向内側端部と位置合わせされている(すなわち、第2の半径方向内側への傾斜面124bと軸方向に延伸する平坦面124cとの交差部分)。
【００４７】
例示的なこの実施形態では、第2の半径方向内側への傾斜面124bの角度θ’の傾斜は、移動止め溝189の軸方向内側部189aから始まるのが好ましい。こうすることによって、移動止め溝189の軸方向内側部189bは、移動止め溝189が形成されている表面の傾斜によって、移動止め溝189の軸方向内側部189aの半径方向外側に位置することになる。
【００４８】
代替的には、移動止め溝189は、回転シールリング20の密封を促進するため、半径方向内側表面124の別の面に好適には壁132から離間して形成してもよい。
【００４９】
移動止め溝189は比較的浅く、Oリング188の呼び径D’よりかなり小さな深さとするのが好ましい。例えば、例示的なこの実施形態では、移動止め溝は、内側傾斜面124bの表面における浅い湾曲した環状凹部である。例示的な移動止め溝189は、2つの次元で湾曲しており(好適には半径及び軸方向)、Oリング188の半径方向外側表面に一致するよう円環体の半径方向外側半分に類似した表面を形成している。移動止め溝189は、Oリング188を最適位置に収容且つ保持するようサイズ決め且つ寸法設定されるのが好ましい。例示的なこの実施形態では、移動止めは、ホルダ組立品110の半径方向内側表面124上で、平坦面124cから深さDだけ延伸している。深さDとそれに関わるOリング188の呼び径D’の比は、好適には約0.02と約0.10との間であり、より好適には約0.03と約0.05との間である。移動止め溝189は、半径Rの円弧により形成される幅Wを備えた形状である。移動止め溝189を形成する半径Rと、溝189に収容されるOリング188の呼び径D’の比は、好適には約0.25と約0.50との間であり、より好適には約0.3と約0.4との間であり、最も好適には約0.33と約0.38との間である。通常の技能を備えた当業者であれば、移動止め溝189はこうしたサイズ、形状、及び構成に限定されるものでなく、回転シールリング20に環着されるOリング189を保持するのに適した任意適切なサイズ、形状、及び構成を備えていればよいことは理解するはずである。
【００５０】
移動止め溝189の軸方向内側端部189aは、半径方向に延伸する壁132から距離Iだけ離間するのが好ましい。移動止め溝189の中心は、壁132から距離Cだけ離間している。当業者であれば、Oリング188を正しく位置決めするための適切な構成、位置、及びサイズを決定できるはずである。当業者であれば、本発明は例示的な位置に移動止め溝189を配置することに限定されるものでなく、この移動止め溝はホルダ組立品の半径方向内側表面124の任意適切な位置に設けてよいことは理解するはずである。
【００５１】
移動止め溝189に収容されるOリング188は、回転区分の密封面と他の区分とを密封接触させ、流体密且つ耐圧シールを形成できる程度の弾性を備えることが好ましい。更に、Oリング188は、機械クリップ200として図示されたバネなどの付勢部材と協働して、回転シールリング20及び固定シールリング30を、グランド組立品40及びホルダ組立品110の硬質壁及び表面に対して軸方向に離間した浮動関係で、浮動且つ非硬質的に支持することにより軸方向の弾性付勢部材として作用する。この浮動関係は、本願の譲受人に譲渡された米国特許第4,576,384号に始めて記載され、その内容はここに引用して援用する。
【００５２】
回転シールリング20及びOリング188は、ホルダ110がシャフト12に組み付けられた後で空間201に挿入される。半径方向内側表面124の引き込み面取部における二重テーパ表面によって、回転シールリング20及びOリング188を所定の位置に取り付けるのに必要な力が小さくなる。移動止め溝189はOリング188を収容すると自動的に中心に置き、回転シール表面21をシャフト12の軸に対して直角に位置決めする。ホルダの上述した構成と、多角引き込み表面及び移動止め溝との組み合わせにより、取り付け時にシール面を所定の位置に保持しておく必要性が減少又はなくなる。
【００５３】
移動止め溝189よって、Oリング188が外径に既に環着された回転シールリング20を既に締め付けられたホルダ110内に挿入可能となるが、この挿入は、回転シールリング／Oリング組立品を、半径方向内側表面124とシャフト12との間に形成された空間201を介して軸方向に摺動して行う。移動止め溝はOリングを捕捉して、この組立工程においてそのOリングを所定の位置に保持する。例示的なホルダの設計により、ホルダ組立品110を先ずシャフト12の周りに締め付け、次にシールリング及びOリングの挿入が可能となる。従って、移動止め溝189は、締め付け済みのクランプホルダ110内におけるこれら面及びエラストマーの組み付けを容易にする。
【００５４】
代替的には、移動止め溝189は、二重角引き込み面取部を含まないホルダ組立品110の半径方向内側表面に形成してもよい。
【００５５】
図3、4、及び7を再び参照すると、ホルダ組立品110のホルダ区分の外側表面116は、第1の軸方向に延伸する外側表面146と、半径方向内側に傾斜する第2外側表面148と、半径方向内側に階段状の第3外側表面154とを含むことができる。第3外側表面154及び第2外側表面148は組み合わせて半径方向に延伸する第1外側壁150を形成する。ホルダ組立品110のこれら外側表面は、グランド組立品40の内側表面54、56から離間させるのが好ましい。図2及び3に示したように、第1の軸方向に延伸する外側表面146は、グランド40の軸方向に延伸する内側グランド面に対向し、第1外側表面146の外径はグランド区分面54の内径より小さいことが好ましい。好適な一実施形態では、ホルダ区分の第3外側表面154の外径は、このメカニカルシールが組み立てられた状態で、表面154に対向するグランド区分の面56の直径より小さい。この間隔によって、ホルダ組立品110をグランド組立品40内に収容して、内部での自由な回転運動を可能とする。
【００５６】
ホルダ区分112の内側表面の第4面138には、Oリング142として図示した分割シャフトガスケットを装着するための環状チャンネル140が形成されている。ガスケット142は、チャンネル140に取り付けられるとシャフト12と密封結合して、ホルダとシャフトとの境界面に沿って流体密シールを実現する。第2壁１36には、回り止めピン144を形成する円筒状突起が半径方向に突出している。後に詳述するように、突起144は、回転シールリング20を付勢して回転動作を行わせることにより機械的回転手段として作用する。
【００５７】
ホルダ区分112、114は、それぞれの分割ホルダシール面118及び120上に形成されたホルダガスケット溝158を備えており、図1乃至5に示した構成を備えている。ホルダガスケット160は溝158を補完する形状であり、溝158に収容される。図5に最も明確に示したように、ホルダガスケット160は、溝158に収容されるとホルダシール面118、120を超えて延伸する。ガスケット160の露出部分は、反対側のホルダ区分のシール面内に形成された補完的な溝に収容される。この構成により、上述のように、選択した値を上回る圧力で流体密シールを実現する。このガスケットは、エラストマーゴムなどの任意適切な変形可能な材料製とすることが好ましい。
【００５８】
更に、ホルダ区分112、114は、ホルダ区分112、114を互いに結合するためのねじ170を取り付ける締め具収容口164を備えることができる。ねじ170は、締め具収容口164内に取り付けられると共に収容口164にしっかりと保持される。
【００５９】
更に、回転シールリング組立品20は一対の弓形回転シールリング区分25、25’を含むことができ、他方、固定シールリング組立品は一対の弓形固定シールリング区分33、33’を含むことができる。各シールリング区分は、それぞれ滑らかな弓形密封表面21、31とそれぞれ一対の区分密封面22、32とを備える。各シールリングの滑らかな弓形密封表面21、31は、他方のシールリング区分のそれぞれ対応する表面21、31’と密封接触して、流体密シールを形成するように付勢されている。同様に、リング区分25及び33の区分密封面22、32も、互いと密封関係となるよう付勢され、シールリング20及び30それぞれを形成する。こ従って、これら個別のシール面は、真空条件を含む広範囲にわたる動作条件下で動作する流体密シールを提供する。
【００６０】
弓形回転シールリング区分25として図示された例示的な回転シールリング要素20は、図4に最も明確に示したように、概ね滑らかな弓形内側表面172と、幾つかの表面180、182、184を含む外側表面とを備えるのが好ましい。内側表面172には概ね長方形の切り欠き174が形成されている。切り欠き174はホルダ突起144に被さるように設けられている。例示的な回転区分の外側表面は、軸方向に延伸する第1外側表面180と、軸方向に延伸する第3外側表面184とを備える。第1外側表面180は、半径方向内側に傾斜した第2外側表面182すなわち受け面で終端し、第3外側表面184にはOリング188が環着されている。回転区分25では、滑らかな弓形密封表面21がリング20の上部に設けられているのが好ましい。回転シールリング区分の内側表面172の内径は、シャフトの直径より大きく環着を可能としている。回転シール区分の第3外側表面184の直径は、ホルダ組立品110への取付係合のため、ホルダ区分の第3面134の直径と同一又は僅かに小さくする。回転シール区分の第1外側表面180の直径は、ホルダ区分のテーパ内側表面124a、124bの直径より小さく、ホルダ第3面134の直径より僅かに大きい。当業者であれば、回転シールリング20は、固定シールリング30のような別の密封要素と接続し且つそれに対してシールするための任意適切な構成を備えうることは理解するはずである。
【００６１】
図示したシールリング20の外側表面には受け面182が形成されているが、通常の技能を備えた当業者であれば傾斜していない階段状の環状表面を使用してもよいことは理解するはずである。
【００６２】
図4に最も明確に示したように、例示的な固定シールリング30は同様に一対の弓形シールリング区分33、33’を備えてよく、区分33、33’それぞれは他方と同一又は概ね同一である。例示的な固定シールリングの弓形区分33は、第1軸13に平行に延伸する概ね滑らかな弓形内側表面35と、外側表面36とを備える。固定シールリング区分の外側表面36は、好適には、半径方向外側に延伸する受け面192で終端する軸方向に延伸する第1外側表面190を備える。固定シールリング30は、好適には、概ね滑らかな弓形上部表面194と、このリングの底部に設けられた滑らかな弓形のリング密封表面31とを備える。又、例示的な固定シール区分33には、上部表面194に沿って凹部196が形成されている。機械クリップ200は、クリップ溝63を介してグランド組立品40の上部表面62に機械的に結合され、凹部196に収容される。この構成は、固定シールリング30をチャンバ24内で位置合わせし且つ収容しやすくすると共に、固定シールリング30がシャフト12及び回転シールリング20と一体的に回転するのを防止する機械的障害物としても機能する。
【００６３】
固定区分の内側表面35の内径はシャフト径より大きく、更に回転シールリング20の内側表面172の直径より大きく、従ってそれらの相対運動を可能とする。よって、固定シールリング30はシャフト12の回転時にも静止状態を維持する。例えばOリング202などのエラストマー部材は、半径方向内側への十分な付勢力を掛けて、固定シールリング区分33の区分密封面32を他方の固定シールリング区分に密封接触させる。更に、Oリング202は、グランド組立品40と固定シールリング30との間に流体密及び気密シールを形成する。Oリング202は、グランド区分の第1壁48と、グランド第2面50と、固定リング外側表面190と、固定リング受け面192とにより画定される第1取り付け域204内に収容される。好適な一実施形態では、受け面192は、固定リング外側表面190に対して好適には約30度乃至約60度で、最も好適には約45度の角度をなす。固定シールリング30は、アルミナ、炭化珪素などのような炭素又はセラミック材料製とするのが好ましい。
【００６４】
例示的なこの実施形態で機械クリップ200として示した付勢部材も、固定及び回転シールリング20、30を弾性的に支持することにより軸方向の付勢手段として作用する。この弾性的支持は、これらシールリングを軸方向に付勢して、固定及び回転密封表面21及び31を互いと密封接触させることで達成される。図3に示したように、シールリング20、30は、グランド及びホルダ組立品40、110の硬質壁及び面に対して離間した浮動関係で浮動的且つ非硬質的に支持されている。この浮動的且つ非硬質的支持及び離間関係によって、回転シールリング区分25、25’と固定シールリング30、30’とがシャフト12に対して半径方向及び軸方向に小さく浮動運動可能とする一方、回転密封表面21は、固定シールリング30の滑らかな弓形密封表面31に追従し且つ表面31と密封接触可能となる。従って、回転及び固定シールリングの密封表面21、31は、この浮動動作の結果として自己位置合わせする。
【００６５】
図10乃至15に示したように、例示的なメカニカルシール組立品10は、このシール組立品の動作を向上させるため改良シールグランド組立品40を含んでもよい。例示的なシールグランド組立品40は、互いに結合して環状シールグランド組立品40を形成する一対のグランド区分41、42を備える。
【００６６】
例示的なこの実施形態では、図10乃至15に示したように、グランド区分41、42は、互いに係合してメカニカルシール組立品の組立と動作を容易にするよう構成されている。例示的なグランド組立品の区分41、42は、これら2つの区分41、42の係合を容易にするかみ合い機構を備えている。従来のグランドの設計とは対照的に、各グランド区分41、42は少なくとも1つの非平坦な異形接合表面64、66を備え、ボルト締め力を他方の結合グランド半割れに伝達し、グランド半割れが互いに摺動するのを防止する。例示的なこの実施形態では、これらグランド区分接合表面は、それぞれかみ合い突出部411、421と、これら2つの区分間の少なくとも1つの接合部にそれぞれ形成された凹部413、423とを形成する階段状面を備える。それぞれの突出部411、421は対応する凹部413、423に嵌入することで、2つの区分接合表面の間に重複部分1000が形成され、対応するグランド区分と係合する。突出表面がグランドに掛かるボルト締め力を伝達し、グランド区分半割れの結合及び位置合わせを促進する。重複した構成要素は、グランド組立品を装置ハウジングにボルト締めするボルトグランドに起因するグランド分割部分での分離力を減少且つ／又は防止する。
【００６７】
例示的なこの実施形態では、図11及び14に示したように、それぞれの接合表面は、平坦な軸方向延伸面4110、4210と、平坦な軸方向延伸面4110、4210それぞれから垂直に延伸する平坦な半径方向延伸面4111、4210とを備えた階段状表面である。平坦な半径方向延伸面4111、4210は、面4110、4210から段差位置にあり且つそれらに平行な平坦な軸方向延伸面4112、4212まで延伸して、接合表面それぞれに凹部413、423を画定する。好適には、互いに結合して重複部分1000を形成する平坦な半径方向延伸面4111、4210は、メカニカルシール組立品の長手方向軸13に概ね直角に延伸して、グランド区分を分離させることなく、グランド区分に伝わったボルト締め力を他方のグランド区分に伝達可能とする。当業者であれば、これら突出部と対応する凹部は任意適切な構成を備えてよいことは理解するはずである。
【００６８】
通常の技能を備えた当業者であれば、他の接合及び／又はかみ合い構成を使用できることは容易に理解するはずである。例えば、それぞれの接合表面は、幾つかの突出部及び／又は凹部、或いは他の様態で形成した重複表面を含んでよく、これらは接合表面の任意適切な位置に形成すればよい。
【００６９】
図3、4、13、及び14を参照すると、それぞれの例示的なグランド区分42は、第1面46を備えた内側表面と、第1面46から半径方向外側に延伸する、一体形成され且つ階段状の第2面50とを含むことができる。第1面46と第2面50は合わせて第1結合環状壁48を形成する。階段状の第3面54は第2面50から半径方向外側に延伸し、これら2面を組み合わせて第2結合環状壁52を形成する。この環状壁52は階段状とし且つ／又は第2面50まで延伸する傾斜表面を含んでもよい。傾斜した第4面56は、グランド区分の第3面54から半径方向内側に延伸している。上述のように、面46、50、52、54、及び56により形成されるグランド区分の内側表面は、ホルダ組立品110を収容する空間24を画定する。
【００７０】
図13に示したように、グランド区分42の第2グランドシール面66’を成形することで、第1グランド区分41の対応する形状を備えた第2グランドシール面(図示しない)とかみ合うようにしてもよい。例示的なこの実施形態では、第2グランドシール面66’も、第1グランドシール面66上の突出部と凹部に対向して配置されている突出部421と、凹部423とを含む。
【００７１】
各グランドシール面64、66、66’には、グランドガスケット溝70を形成してもよい。図14は、第1グランド区分のグランドシール面64を詳細に示し、溝70を図示している。例示的な溝70は、グランド第2面50からグランドの第4面56まで延伸する主要な軸部71を備える。溝区分72、73は主要軸部71を横切る方向に延び、それぞれ第2グランド壁52とグランド第4面56に沿って延伸する。溝区分74は溝区分71から半径方向内側に離間し、グランド区分の第2面50に沿って延伸している。
【００７２】
エラストマー系グランドガスケット76はグランド溝70に補完的な形状であり、グランドの溝70に収容される。図１、4、5に最も明確に示したように、ガスケット76は溝70に収容されると、グランド分割面64、66を超えて延伸する。グランド区分41、42が組み付けられると、ガスケット76の露出部分は、他方のグランド区分42の分割グランドシール面に形成された補完的な溝に捕捉される。対向する分割グランドシール面の間にガスケット76の両端を捕捉することで、ガスケット76が選択した最大圧を超える圧力を受けたとき、分割グランドシール面の間に形成されるギャップに押し出されなくなる。この二重捕捉機能により、グランド区分41、42は圧力漏れを起こすことなくより高圧に耐えることができ、更に、メカニカルシール10の他の構成要素の機械的許容差が緩和される。グランドガスケット76は、エラストマーゴムなどの任意適切な変形可能材料から作製するのが好ましい。更に、ガスケット76は図示した形状を備えてはいるが、通常の技能を備えた当業者なら、ガスケット76及び対応する溝70は任意適切な幾何学的形状を備えてよいことは理解するはずである。
【００７３】
各グランド区分41、42には、一対のねじハウジング80、82を一体形成してもよい。それぞれのねじハウジングには、貫通して形成された横断締め具収容開口部84が形成されている。図1、16A、及び16Bに示したように、開口部84はねじ立てした小径部86と、同心円状のねじ立てしていない大径部88とを備えている。開口部84のねじ立てしていない大径部88が、グランドシール面64、66に最も隣接して配置されているのが好ましい。
【００７４】
横断開口部84には図示した構成のねじ90が取り付けられる。ねじ90は、主軸92とねじ頭部96とを備えるのが好ましい。図1及び16Aに示したように、ねじ軸92は、ねじ切りされた遠位部93とねじ立てされていない近位部94とを備える。ねじ切り部93の外径は近位部94の外径より大きい。図16Bに示したように、各ねじ90は一対のハウジング80及び82を互いに固定する。ねじ90のねじ切りされた遠位部93が開口部84のねじ立て部86内に螺入されると、遠位部93は開口部84にしっかりと保持される。ねじ90は開口部84内を更に移動しつつ、ねじの遠位端がねじ立てされていない部分88、すなわち開口部84の隙間に入る。この配向では、ねじ90はぴったりと固定されてはいないが、開口部84内でしっかり保持されている(すなわち分離はしない)。好適な一実施形態では、ねじの遠位部93の直径は、ねじハウジング80、82のねじ立てした小径部86の直径に近い。
【００７５】
本発明のねじ90及び開口部84には大きな利点がある。具体的には、ねじ90は、組立前に一方のグランド区分41、42の任意の側から締め具収容口84に取り付け可能であり、これは設置の際に手が届きにくい場合は特に有用であり、ねじはねじハウジング80内に確実に保持される。ねじ90がねじハウジング80から完全に外れるのを防ぐことで、組立と分解時にねじ90を誤って紛失することが防止されるので、設置時間を短縮しつつシールの組立が容易となる。ねじハウジング82も同じ構造を備える。
【００７６】
グランド組立品40は、その底部59に沿って形成されたハウジングガスケット溝58も備えている。溝58は平坦な環状エラストマーガスケット60を収容する。図3及び4に示したように、ガスケット60の軸方向寸法は溝58の深さより大きいことが好ましく、これがメカニカルシール10とハウジング14との間に気密且つ流体密シールを実現する。好適な一実施形態では、ハウジングガスケット60は、各グランド区分41、42に取り付けるため2つの弓形区分に予め切断されている。これらハウジングガスケット区分は溝58に取り付け、接着剤で固定するのが好ましい。この構成は、シール10をハウジング14に取り付けた際の、プロセス媒体のシール10に沿った漏れの防止に役立つ。
【００７７】
例示的なグランド組立品40は更に複数のボルトタブ38を含むこともできる。ボルトタブ38は、挿入タブ突起39の一端に一体形成された本体37を備える。タブ突起39は、グランド組立品40の外周に沿いに形成された環状溝68に取り付けられる。タブの角位置は、ボルトタブ38及びタブ突起39を溝68付近で摺動して調節可能である。ボルトタブ38は、取り付けボルト(図示しない)を収容することでメカニカルシール10をハウジング14に固定する補助となる。使用時には、取り付けボルトは一対の隣接するボルトタブに挿入する。ボルトタブ38は、本願の譲受人に譲渡された米国特許第5,209,496号により詳しく記載されており、その内容はここに引用して援用する。
【００７８】
ホルダ組立品110、グランド組立品40、及びねじ90は、ステンレス鋼などの任意適切な硬質材料から作製できる。
【００７９】
本発明の一実施形態では、Oリング188及び202は、組立を容易にするため分割してもよい。図17に概ね示したように、複数で互いに同一のボール及びソケット結合機構をOリング188及び202の自由端に設けてもよい。一端において、Oリング202は、概ね半円形のショルダー部222と近接した環状ネック部224まで狭くなる。ネック部224には概ね球形のヘッド部226が隣接している。結合時には、ヘッド部226をOリング202の他端における対応した球形ソケット部227に挿入して、環状カラー部228がネック部224を囲み且つ捕捉し、ショルダー部22が環状ジャケット部230と密着するようにする。更に、メカニカルシール10及び関連した構成要素は区分部材として示されているが、Oリング188及び202は上述の構成を備えた連続的且つ完全な構造体である。しかし、Oリング188及び202は例示的なこの実施形態に限定されるものでなく、任意適切な構成を備えればよい。例えば、Oリング188及び202は中実であっても代替的な連結機構をそなえていてもよい。
【００８０】
組立に当たっては、Oリング188を回転シールリング区分25の周りに、好適には回転シール外側表面182、184に同心円状に環着する。次に、回転シールリング区分25の長方形切り欠き174を軸方向に延伸する回り止めホルダ突起144と位置合わせすることで、回転シールリング区分25、25’を、好適には既にシャフトに環着済みのホルダ組立品110内に取り付ける。回転区分25に環着されたOリングは、更に、好適には軸方向に延伸する平坦面124cとホルダ第1壁132において、ホルダ内側表面と密封接触する状態に置かれる。上述のように、移動止め溝189は、Oリング188とそれに関連した回転シールリング20とを最適位置に収容し且つ保持する一方、多角引き込み面取部はOリング188と回転シールリングとのホルダ組立品110への挿入を容易にする。Oリング188は、シール区分25の回転シール面22を、他方の回転区分の密封面22それぞれと密封接触させるに十分な半径方向内側の力を掛ける。次に、ホルダ区分112,114は、締め具収容口164内に確実に保持されたねじ170を締め付けることで互いに固定される。図1乃至4に示したように、回転シールリング区分25、25’は、ホルダ組立品の内側表面124からは離間され且つOリング188によりその内部に非硬質的に支持されているので、回転シールリング20の半径方向及び軸方向の小さな浮動運動が可能となる。
【００８１】
固定シールリング区分33はシャフト12の周りに同心円状に取り付けられ、Oリング202により互いに固定される。Oリング202は、各区分の区分密封面32を互いと密封接触させるに十分な半径方向内側の力を固定シールリングの外側表面36に掛ける。
【００８２】
グランド区分41、42はホルダ組立品110に同心円状に環着されて、表面がと係合し、回転及び固定シールリング20、30更に、区分41、42は、ねじハウジング80及び82の締め具収容口内に取り付けられ且つ確実に保持されるねじ90によって互いに固定される。ねじ90は、本発明の締め具収容開口部84及びねじ90によってグランド組立品40に固定されているので、ねじ90が意図しないでメカニカルシール10から外れることはない。更に、ねじ90はグランド組立品40の同じ側からでも反対側からでも固定できるので、ねじ90の取り付けにはシャフトを回転させる必要がない。
【００８３】
グランドねじ90をハウジング14に完全に固定する前に、ホルダ組立品110と回転及び固定シールリング20、30とをチャンバ24内で心出しする必要がある。上述のように、移動止め溝189は回転シールリング20の心出しを容易にする。更に、心出しスペーサ240を図18に示したようにホルダ組立品110の外側表面116に沿って随意選択で配置し、心出しスペーサ240によってグランド区分41、42を心出ししてもよい。これらスペーサはホルダの外側表面116に一体形成してもよいし、ホルダの外側表面116に沿って形成した凹部に取り付けてもよい。好適な一実施形態では、スペーサ240は、ホルダ組立品110の第1外側表面146の外周に沿って均一間隔で離間されている。スペーサ240はテフロン（登録商標）などの軟質の耐久性材料から形成されることが好ましく、これによりホルダ組立品110の回転運動時に、グランド内側表面のかじりが防止される。図18の実施形態は4つの均等に離間したスペーサを示しているが、任意数及び任意間隔のスペーサを使用してもよい。更に、スペーサ240はホルダの第1外側表面146に形成されている必要はなく、様々なホルダ位置に形成できる。
【００８４】
その他の適切な心出し機構も使用できる。
【００８５】
グランド組立品40及びホルダ組立品110が適切に位置合わせされると、グランドガスケット76とホルダガスケット160が、グランド及びホルダ区分の対向する密封面に形成された別個のガスケット溝の内部に捕捉される。この二重捕捉構成により、メカニカルシール10は、区分密封面に形成された圧力及び流体シールの機能低下を招くことなくより高い耐圧性を達成する。更に、Oリング202は、例えばグランド第2面50及び第1壁48などのグランド内側表面と、固定シールリング30の外側表面36との間に気密及び流体密シールを形成する。
【００８６】
このメカニカルシールが組み立てられ、ポンプハウジング14に取り付けられると、作動油のようなプロセス媒体がプロセス媒体チャンネル234内に封止される。図3に示したように、チャンネル234は、グランドの内側表面54（グランドの第1面46を除く）と、Oリング202と、ホルダ組立品の外側表面116と、固定シールリングの外側表面190及び受け面192と、回転シールリングの第1及び第2表面180、182と、ホルダ組立品の内側表面124と、Oリング188とにより画定される。典型的には空気である周囲環境媒体が、プロセスチャンネル234から密封された周囲プロセスチャンネル236に充満する。チャンネル236は、固定及び回転シールリングの内側表面35、172と、固定リングの外側表面190と、グランドの第1及び第2面46、50、第1壁48と、回転シールリングの第3外側表面184と、ホルダ組立品の第1壁132とで画定される。「周囲環境」という語句はハウジング14の内部環境以外の任意外部環境を含むことを意図している。
【００８７】
固定及び回転シールリング区分の密封面22、32は、Oリング188及び202の半径方向の力によって、対になっている他方の区分と密封接触する。更に、プロセスチャンネル234に収容されたプロセス媒体の液圧が、その流体圧に比例して半径方向内側の付加的な力をシールリング区分の外側表面36、190に掛け、区分の密封面32を互いに付勢する。
【００８８】
全般的に、Oリング142は、プロセス媒体がシャフト12に沿って周囲プロセスチャンネル236内に滲出するのを防止する。
平坦ガスケット60は、プロセス媒体がハウジング14とメカニカルシール10との境界面に沿って滲出するのを防止し、Oリング188及び202は、プロセス媒体が、それぞれホルダ組立品110及びグランド40を介して周囲プロセスチャンネル236に進入するのを防ぐ。
【００８９】
本発明による例示的な実施形態のメカニカルシール組立品は、該メカニカルシール組立品の設置の容易さや機能的な向上を含め、従来技術を上回る大きな利点を提供する。例えば、ホルダ組立品の内側表面において移動止め溝及び／又は二重角引き込みを用いることで、回転面の挿入に必要な力が減少して挿入が容易となる。挿入力は約59％乃至70％減少するが、本発明はこの範囲には限定されない。挿入に必要な力を減少することで、設置者は設置時にシール面を破損する可能性が低くなり、シール構成要素の寿命が延び、動作全体が向上する。例示的な構成では、移動止め溝が回転シール面を適切な位置に自動的に位置決めするので、設置時に回転シールリング面を所定位置に保持する必要性が無くなる。動作時は、移動止め溝により、シャフトに対する回転シール面の直角度が改善し、回転シールリング及び／又は関連したOリングが所定位置から移動且つ／又は飛び出すのを防止する。更に、二重角引き込みにより、回転シールリング及びOリングの挿入前に、まずホルダをシャフトに締め付けることができ、これがシャフトに対する回転シール面の直角度の向上に繋がる。
【００９０】
更に、重複したグランド区分は、組立品に力が掛かったときにグランド区分の互いに対する摺動を防止し、従ってシール構成要素の動作を向上させ且つそれらの寿命も延ばす。
【００９１】
従って、本発明は、これまでの記載から明らかとなった目的に含まれる、既に記載した目的を有効に達成することが分かるはずである。本発明の範囲を逸脱することなく上記の構成に対して一定の変更を施すことが可能であるから、この説明に含まれ或いは添付の図面に示された事項全ては、例示的なものとして解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきではない。
【００９２】
更に、以下の特許請求の範囲は、ここに説明された本発明の全ての一般的特徴と具体的特徴とを網羅するものであり、また本発明の範囲に関する全ての言明をも網羅する。
【００９３】
本発明を説明してきたが、新規なものと主張し特許証による確保を望むものは以下の通りである。
【図１】
2009537759.tif 000003
【図２】
2009537759.tif 000004
【図３】
2009537759.tif 000005
【図４】
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【図５】
2009537759.tif 000007
【図６】
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【図７】
2009537759.tif 000009
【図８】
2009537759.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2009537759.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2009537759.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2009537759.tif 000019
【図１８】
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【国際調査報告】
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