(57)【要約】回転する部材上に嵌合し、静止している部材から回転する部材へ送達される流体を受けるように構成されたハウジング(22)と、ハウジング内に配置され、回転する部材に固定取付けされるように構成された回転自在な結合部と、静止している部材から回転する部材への流体の送達中、制御された量の流体がロータリージョイントから漏出することを許すように構成された浮遊するシールシステム(32,50,62)とを備える、静止している部材から回転する接合された部材(8)への流体の流れを可能にするのに使用するためのロータリージョイント(10)が提供される。
2005522659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する部材上に嵌合し、静止している部材から回転する部材へ送達される流体を受けるように構成されたハウジングと、
前記ハウジング内に配置され、回転する部材に固定取付けされるように構成された回転自在な結合部と、
静止している部材から回転する部材への流体の送達中、制御された量の流体がロータリージョイントから漏出することを許すように構成された浮遊するシールシステムと、を備える、回転する部材を相対的に静止している部材と結合するように構成されたロータリージョイント。
【請求項２】
制御された量が、ロータリージョイント内へ流入する流体の全流量の約0.5ないし2.0%である請求項1に記載のロータリージョイント。
【請求項３】
制御された量が、約1ないし20ガロン/分である請求項2に記載のロータリージョイント。
【請求項４】
回転する部材がカレンダーロールを備えてなる請求項1に記載のロータリージョイント。
【請求項５】
浮遊するシールシステムが、複数の浮遊するラビリンスシールを備えてなる請求項1に記載のロータリージョイント。
【請求項６】
前記浮遊するラビリンスシールが、回転自在な結合部とハウジングの部分の間に配置されている請求項5に記載のロータリージョイント。
【請求項７】
ロータリージョイントから漏出する流体を捕捉し、この流体が、ロータリージョイントへ戻すために収集されることを可能とするように構成された、窒素浄化されたチャンバーをさらに備える請求項1に記載のロータリージョイント。
【請求項８】
ベアリングを備えていない請求項1に記載のロータリージョイント。
【請求項９】
機械的シールを備えていない請求項1に記載のロータリージョイント。
【請求項１０】
ハウジングおよび回転自在な結合部が同一の材料で形成されている請求項1に記載のロータリージョイント。
【請求項１１】
材料が鋼である請求項10に記載のロータリージョイント。
【請求項１２】
浮遊するシールシステムが、メンテナンス休止後の始動の際、ロータリージョイントを通って空気を自己排気することを可能にするように構成されている請求項1に記載のロータリージョイント。
【請求項１３】
浮遊するシールシステムが、少なくとも25ガロン/分の速度でロータリージョイントを通って空気を排気することを可能にするように構成されている請求項12に記載のロータリージョイント。
【請求項１４】
浮遊するシールシステムが、少なくとも100ガロン/分の速度でロータリージョイントを通って空気を排気することを可能にするように構成されている請求項13に記載のロータリージョイント。
【請求項１５】
回転する部材上に嵌合するように構成されたハウジングと、
前記ハウジングの遠端部から延びて、静止している部材が前記ハウジングに固定取付けされることを可能にするように構成された端部プレートと、
前記ハウジング内に配置され、回転する部材に固定取付けされるように、および前記端部プレートの一部を密封係合で受けるように構成された回転自在な結合部と、
前記回転自在な結合部と前記端部プレートの一部の間に密封係合を提供するように構成された第1のシールと、
前記回転自在な結合部と前記ハウジングの内壁の間に密封係合を提供するように構成された第2のシールと、を備える、回転している部材を相対的に静止している部材と結合するように構成されたロータリージョイント。
【請求項１６】
回転自在なロールジャーナルとハウジングの内壁の間に密封係合を提供するように構成された第3のシールをさらに備える請求項15に記載のロータリージョイント。
【請求項１７】
前記第1および第2のシールが浮遊しているシールである請求項15に記載のロータリージョイント。
【請求項１８】
前記第1、第2および第3のシールが浮遊するシールである請求項16に記載のロータリージョイント。
【請求項１９】
前記第1および第2のシールが、浮遊するラビリンスシールを備えてなる請求項15に記載のロータリージョイント。
【請求項２０】
ベアリングを備えていない請求項15に記載のロータリージョイント。
【請求項２１】
機械的シールを備えていない請求項15に記載のロータリージョイント。
【請求項２２】
ハウジングおよび回転自在な結合部が同一の材料で形成されている請求項15に記載のロータリージョイント。
【請求項２３】
材料が鋼である請求項22に記載のロータリージョイント。
【請求項２４】
前記第1のシールが高圧シールである請求項15に記載のロータリージョイント。
【請求項２５】
前記第2のシールが低圧シールである請求項15に記載のロータリージョイント。
【請求項２６】
前記第3のシールが浄化ガス保存シールである請求項16に記載のロータリージョイント。
【請求項２７】
前記回転自在な結合部が、回転する部材内の空洞内に挿入するように構成された第2の部分を備える請求項15に記載のロータリージョイント。
【請求項２８】
静止部材が、ロータリージョイントを通って回転する部材に流体を送達するように構成されている請求項15に記載のロータリージョイント。
【請求項２９】
前記回転自在な結合部の前記第2の部分が、前記端部プレートの前記部分と密封係合し、密封係合が前記第1のシールによって提供される請求項27に記載のロータリージョイント。
【請求項３０】
前記回転自在な結合部の前記第2の部分と前記端部プレートの前記部分が孔を画定する請求項27に記載のロータリージョイント。
【請求項３１】
前記端部プレートが取入口を画定し、前記孔が前記取入口から回転する部材の空洞へ流体が流れるのを許すように構成されている請求項30に記載のロータリージョイント。
【請求項３２】
前記端部プレートが排出口を画定し、前記回転自在な結合部の前記第2の部分の外壁と、ハウジング内の空洞の内壁が、流体がそれを通って前記回転する部材から前記排出口へ流れることができる通路を画定する請求項31に記載のロータリージョイント。
【請求項３３】
供給源から、回転する部材上に嵌合して流体を受けるように構成されたハウジングを備えるロータリージョイントへ流体を送達すること、
前記ハウジング内に配置され、回転する部材に固定取付けされるように構成された回転自在な結合部を通って流体を通過させること、
制御された量の流体が、前記回転する結合部と前記ハウジングの間に配置された浮遊するシールシステムを通って漏出することを可能にすること、を含む、静止している供給源から回転する部材へ流体を送達する方法。
【請求項３４】
制御された量が、回転するジョイント内への液体の全流量の約0.5ないし2.0%である請求項33に記載の方法。
【請求項３５】
制御された量が約1ないし20ガロン/分である請求項34に記載の方法。
【請求項３６】
浮遊するシールシステムが複数の浮遊するラビリンスシールを備えてなる請求項33に記載の方法。
【請求項３７】
漏出した流体を収集し、それをロータリージョイント内へ送達するための供給源へ戻すことをさらに含む請求項33に記載の方法。
【請求項３８】
液体が高温のオイルである請求項33に記載の方法。
【請求項３９】
液体が鉱油である請求項38に記載の方法。
【請求項４０】
オイルの酸化を阻止するためにハウジングの空気を含む領域を不活性ガスで浄化することをさらに含む請求項38に記載の方法。
【請求項４１】
液体がその流体最大体積運転温度の近くで循環されているとき、液体が水の粘度よりも低い粘度を有する請求項33に記載の方法。
【請求項４２】
ハウジングの空気を含む領域を浄化することをさらに含む請求項33に記載の方法。
【請求項４３】
内側および外側表面がチャンバーを画定し、シールが、
チャンバー内に嵌入して、チャンバーの長さに沿って隣合わせに配置されるように、およびチャンバー内で浮遊するように構成された、複数のリングと、
シールの使用中チャンバーに入る流体の方向に、軸方向端部圧力をリングに及ぼし、リングの外径の周囲での漏出を最小化するために、リングを互いにおよびチャンバーの端面に圧縮されたままにするように構成された付勢部材と、を具備してなる、内側円筒表面と外側円筒表面の間を密封するための浮遊するシール。
【請求項４４】
リングを含むチャンバーが、リングの外径よりも少なくとも0.100インチだけ直径が大きい請求項43に記載の浮遊するシール。
【請求項４５】
前記チャンバーが、リングの外径よりも0.100ないし1.00インチだけ直径が大きい請求項44に記載の浮遊するシール。
【請求項４６】
前記付勢部材が波形ばねを備える請求項43に記載の浮遊するシール。
【請求項４７】
前記浮遊するシールが、シールを通る液体の漏出を最小化するように構成されている請求項43に記載の浮遊するシール。
【請求項４８】
リングが、交番する制限された領域と乱流を生成する空隙領域とを備える蛇行経路を提供するように構成されている請求項43に記載の浮遊するシール。
【請求項４９】
内側および外側表面がチャンバーを画定し、シールが、交番する制限された領域と、大きな乱流を生成する空隙領域とを備える蛇行経路を提供するように構成された複数のリングを備える、内側円筒表面と外側円筒表面の間を密封するための浮遊するシール。
【請求項５０】
回転する部材上に嵌合し、静止している部材から回転する部材へ送達される流体を受けるように構成されたハウジングと、
前記ハウジング内に配置され、回転する部材に固定取付けされるように構成された回転自在な結合部と、
交番する制限された領域と大きな乱流を生成する空隙領域とを備える蛇行経路を形成するように構成された複数のリングを備える浮遊するラビリンスシールからなる浮遊するシールシステムと、を具備する、回転する部材を相対的に静止している部材と結合するように構成されたロータリージョイント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータリージョイント、より具体的には、カレンダーロールと共に使用されるロータリージョイントに関する。
【背景技術】
【０００２】
製紙分野では、ロールの表面を加熱するために、回転するカレンダーロールにたとえば高温のオイルなどの高温の流体を送達するためにロータリージョイントがよく使用される。専用の潤滑システムを必要とするベアリングが、ジョイントの回転または静止構成要素を支持し、分離するために一般に使用される。流体が供給部からロータリージョイントを通ってカレンダーロール内へ通過するとき、流体の漏出を防止するために機械的なシールが一般に使用される。これらのベアリングおよびシールは破損し、ロータリージョイントの破損が高温のオイルの存在のため発火に至る場合もある。
【０００３】
同様のジョイントが、たとえばカーペット製造で使用される積層ロール、およびチップボードミルのプレスロールなどで繊維産業でも使用されている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、カレンダーロール、プレスロールまたは積層ロールなどの回転部材と、回転部材に流体を供給するための導管などの静止部材との間で良好な密封を提供するロータリージョイントを特徴とする。安全で、信頼性の高い密封を提供する機械的シールの使用なしで密封が提供される。好ましい実施例では、ロータリージョイントはベアリングもない。容易に組立ておよび維持管理をすることができる浮遊するリングシールによって密封が提供される。浮遊するリングは、密封される部品間の相対運動を許し、部品の熱膨張および収縮、およびベアリングのラジアル内部隙間による回転部材の半径方向運動に対処する。いくつかの実施例では、密封は、制御された量の流体が、ロータリージョイントのパージチャンバーから漏出することを許すように構成されており、必要に応じて、この流体は、流体ループを介してロータリージョイント内へ戻して再利用される。好ましいロータリージョイントは、製造環境で強い安全性を提供し、ほとんど発火の危険なく、または発火の危険なく、高温のオイルなどの可燃性流体と共に使用することができる。
【０００５】
一態様では、本発明は、(a)回転する部材上に嵌合し、静止している部材から回転する部材へ送達される流体を受けるように構成されたハウジングと、(b)ハウジング内に配置され、回転する部材に固定取付けされるように構成された回転自在な結合部と、(c)静止している部材から回転する部材への流体の送達中、制御された量の流体がロータリージョイントから漏出することを許すように構成された浮遊するシールシステムとを備える、回転する部材を相対的に静止している部材と結合するように構成されたロータリージョイントを特徴とする。
【０００６】
いくつかの実施例は、以下の特徴の1つまたは複数を含む。制御された量が、ロータリージョイント内へ流入する流体の全流量の約0.5から2.0%である。制御された量が、約1から20ガロン/分である。回転する部材がカレンダーロールを備えてなる。浮遊するシールシステムが、複数の浮遊するラビリンスシールを備えてなる。浮遊するラビリンスシールが、回転自在な結合部とハウジングの部分の間に配置されている。ロータリージョイントは、このロータリージョイントから漏出する流体を捕捉し、この流体が、ロータリージョイントへ戻すために収集されることを可能にするように構成された、窒素浄化されたチャンバーをさらに備える。ロータリージョイントはベアリングを備えない。ロータリージョイントは機械的シールを備えない。ハウジングおよび回転自在な結合部が、たとえば鋼などの同一の材料で形成されている。浮遊するシールシステムが、メンテナンス休止後の始動の際、ロータリージョイントを通って空気を自己排気することを可能にするように構成されている。浮遊するシールシステムが、少なくとも25ガロン/分、好ましくは100ガロン/分の速度でロータリージョイントを通って空気を排気することを可能にするように構成されている。
【０００７】
別の態様では、本発明は、(a)回転する部材上に嵌合するように構成されたハウジングと、(b)ハウジングの遠端部から延びて、静止している部材がハウジングに固定取付けされることを可能にするように構成された端部プレートと、(c)ハウジング内に配置され、回転する部材に固定取付けされるように、および端部プレートの一部を密封係合で受けるように構成された回転自在な結合部と、(d)回転自在な結合部と端部プレートの一部の間に密封係合を提供するように構成された第1のシールと、(e)回転自在な結合部とハウジングの内壁の間に密封係合を提供するように構成された第2のシールとを備える、回転している部材を相対的に静止している部材と結合するように構成されたロータリージョイントを特徴とする。
【０００８】
いくつかの実施例は、以下の特徴の1つまたは複数を含む。ジョイントは、回転自在なロールジャーナルとハウジングの内壁の間に密封係合を提供するように構成された第3のシールをさらに備える。第1、第2および第3のシールは、たとえば浮遊するラビリンスシールなどの浮遊するシールである。ロータリージョイントはベアリングを備えない。ロータリージョイントは機械的シールを備えない。ハウジングおよび回転自在な結合部が、たとえば鋼などの同一の材料で形成されている。第1のシールが高圧シールである。第2のシールが低圧シールである。第3のシールが浄化ガス保存シールである。回転自在な結合部が、回転する部材内の空洞内に挿入するように構成された第2の部分を備える。静止部材が、ロータリージョイントを通って回転する部材に流体を送達するように構成されている。回転自在な結合部の前記第2の部分が、前記端部プレートの前記部分と密封係合し、密封係合が前記第1のシールによって提供される。回転自在な結合部の前記第2の部分と前記端部プレートの前記部分が孔を画定する。端部プレートが取入口を画定し、孔が前記取入口から回転する部材内の空洞へ流体が流れるのを許すように構成されている。端部プレートが排出口をさらに画定し、前記回転自在な結合部の前記第2の部分の外壁と、ハウジング内の空洞の内壁が、流体がそれを通って前記回転する部材から前記排出口へ流れることができる通路を画定する。
【０００９】
さらに別の態様では、本発明は、(a)供給源から、回転する部材上に嵌合して流体を受けるように構成されたハウジングを備えるロータリージョイントへ流体を送達すること、(b)ハウジング内に配置され、回転する部材に固定取付けされるように構成された回転自在な結合部を通って流体を通過させること、(c)制御された量の流体が、回転する結合部とハウジングの間に配置された浮遊するシールシステムを通って漏出することを可能にすることを含む、静止している供給源から回転する部材へ流体を送達する方法を特徴とする。
【００１０】
いくつかの実施例は、以下の特徴の1つまたは複数を含む。制御された量が、回転するジョイント内への液体の全流量の約0.5から2.0%である。制御された量が、約1から20ガロン/分である。浮遊するシールシステムが複数の浮遊するラビリンスシールを備えてなる。本方法は、漏出した流体を収集し、それをロータリージョイント内へ送達するための供給源へ戻すことをさらに含む。液体は、たとえば鉱油などの高温のオイルである。本方法は、オイルの酸化を阻止するために、たとえば不活性ガスで浄化することなどで、ハウジングの空気を含む領域を浄化することをさらに含む。液体がその流体最大体積運転温度近くで循環させられているとき、液体は水の粘度よりも低い粘度を有する。
【００１１】
別の態様では、本発明は、内側および外側表面がチャンバーを画定する、内側円筒表面と外側円筒表面の間を密封するための浮遊するシールを特徴とする。シールは、(a)チャンバー内に嵌入して、チャンバーの長さに沿って隣合わせに配置されるように、およびチャンバー内で浮遊するように構成された、複数のリングと、(b)シールの使用中チャンバーに入る流体の方向に、軸方向端部圧力をリングに及ぼし、リングの外径の周囲での漏出を最小化するために、リングを互いにおよびチャンバーの端面に圧縮されたままにするように構成された付勢部材とを備える。
【００１２】
いくつかの実施例は、以下の特徴の1つまたは複数を含む。リングを含むチャンバーが、リングの外径よりも少なくとも0.100インチだけ直径が大きく、たとえば、リングの外径よりも0.100から1.00インチだけ直径が大きい。付勢部材が波形ばねを備える。浮遊するシールが、シールを通る液体の漏出を最小化するように構成されている。リングが、交番する制限された領域と大きな乱流を生成する空隙領域を備える蛇行経路を提供するように構成されている。
【００１３】
本発明はまた、別の態様では、内側および外側表面がチャンバーを画定し、シールが、交番する制限された領域と大きな乱流を生成する空隙領域を備える蛇行経路を提供するように構成された複数のリングを備える、内側円筒表面と外側円筒表面の間を密封するための浮遊するシールを特徴とする。
【００１４】
別の態様では、本発明は、(a)回転する部材上に嵌合し、静止している部材から回転する部材へ送達される流体を受けるように構成されたハウジングと、(b)ハウジング内に配置され、回転する部材に固定取付けされるように構成された回転自在な結合部と、(c)交番する制限された領域と大きな乱流を生成する空隙領域を備える蛇行経路を提供するように構成された複数のリングを含む浮遊するラビリンスシールを具備する浮遊するシールシステムとを備える、回転する部材を相対的に静止している部材と結合するように構成されたロータリージョイントを特徴とする。
【００１５】
ここで使用するような「浮遊するシール(floating seal)」という用語は、2つの部品の間に密封的に配置されたとき、2つの部品の間の隙間および相対的な軸方向および半径方向運動を許すシールのことを称する。
【００１６】
本発明の1つまたは複数の実施形態の詳細を、添付図面および以下の説明で解説する。本発明のその他の特徴および利点は、説明および図面から、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
ロータリージョイント10が図1に示されている。図2では、ロータリージョイント10が、ベアリングハウジング6上に装着され、ベアリングハウジング6が、たとえば製紙での使用に適しているカレンダーロール12のジャーナル8を支持している。ロータリージョイント10は、それを通って高温のオイルなどの流体がロータリージョイントに入ることができる取入導管14と、それを通って流体がロータリージョイントから出ることができる排出導管16とを備える。使用中、これらの導管は、たとえば高温のオイル源(図示せず)などの流体供給源と接続される。流体供給源は、ロータリージョイントから出るオイルを加熱し、オイルをロータリージョイント内へ汲み戻すように構成されている。ロータリージョイントを通る流体の方向が、図2で矢印によって示されている。高温の流体は、取入導管から内部供給パイプ18(図2)を通り、したがってカレンダーロール12内へ流れて、カレンダーロールの表面を加熱する。流体は、製紙分野で周知であるように、カレンダーロールの表面下を分かれて通過し(図示せず)、次に排出導管16を介してロータリージョイントから出る。
【００１８】
ロータリージョイント10は、静止している流体供給源と、回転するカレンダーロールの間の接合点として働く。図2Cでは、どの部品が回転して、どの部品が静止しているかを理解することを容易にするために、回転する部品がクロスハッチングされており、静止している部品はクロスハッチングされていない。ロータリージョイントの内側部分20は、カレンダーロールと共に回転するが、ロータリージョイントの外側ハウジング部分22は、静止したままである。内側部分20は、内部供給パイプ18を備え、内部供給パイプ、雌型リングリテーナ24、外側密封対合シリンダ26と接合されている。図3を参照すると、雌型リングリテーナ24が内側密封空洞42を画定している。外側部分22は、外側ハウジング28と、外側ハウジング上に装着された端部カバー30と、端部カバーを通って延びる取入および排出導管14,16を備える。外側部分はまた、漏出ドレン孔31と、通常閉鎖されている通気孔37ならびに窒素取入孔29を画定している。通気孔37は、ドレン時間および蒸気の閉じ込め（ベーパーロック）を最小化するためにシステムがドレン排出されているときに空気がロール内に入ることを許すために、維持管理の目的で設けられている。
【００１９】
流体がジョイントの内外を効率的に循環することを可能にするために、ジョイントの回転する内側部分と静止している外側部分との間を密封することが必要である。密封なしでは、過度の量の流体が失われることになり、ロールを通る流体圧力を適切に維持することができない。しかし、漏出を完全になくする必要がないことが見出された。その代わりに、制御された量の漏出を可能とし、漏出する流体を収集し、必要に応じて、別個の収集タンク/ポンピングシステムの使用によって排出導管16を通って出る流体と共に再利用することを可能とする。
【００２０】
適切な収集タンク/ポンピングシステムの例が、図8に示されている。図1〜図3に示す実施形態では、漏出する流体がドレン孔31を通って出る(図2Aの矢印L)。図8に示すように、漏出する流体は、導管100を通り、ジョイントリターンタンク102内で収集される。リターンポンプ104が、ジョイントリターンタンク102から流体を汲み上げて、導管106を通って、カレンダー高温オイルポンプ(図示せず)の吸引を介してロータリージョイントの取入導管14へ戻す。図8に示すように、タンクが空になった場合にリターンポンプが空気を引き込むことを防止するために、タンク内の流体の一定の高さを維持するためにレベルバルブ108が設けられている。レベルバルブ108は、レベルトランスミッタ110およびレベルコントローラ112によって支配されている。タンク内の高さが高すぎた場合、過度の流体が、ジョイントリターンタンクを出て、導管114を介して、高温オイル保管タンク(図示せず)内に入ることになる。
【００２１】
漏出の許容可能な比率は、通常全体流量の0.5〜2%から、たとえば全体流量の5%までであってよい。好ましくは、漏出の比率は、必要とされるタンクおよびポンピングシステムのサイズおよびコストを最小化することができるように十分低い。しかし、必要に応じて、漏出は、ロータリージョイントへの漏出する流体の戻りに対処するのに十分大きなポンプを単に提供することによって、全体流用の10%またはそれ以上に調節されてもよい。許容可能な漏出の全体量は、要素の数に応じて様々であるが、いくつかの適用例では、たとえば1〜20ガロン/分であってよい。
【００２２】
いくらかの漏出が許容可能であるため、ジョイントの回転する部分と静止している部分の間に漏出防止シールを使用することは必要ない。その代わりに、部分間の隙間および相対的な軸方向および半径方向の運動を許す、浮遊するシールを使用することができる。隙間および半径方向運動は、ベアリングハウジング6(図2A)の運動および製造公差に対処し、一方、相対的な軸方向運動は、カレンダーロールおよびロータリージョイントが高温の流体によって加熱されるときの部品の熱膨張および収縮に対処する。
【００２３】
このようにして、図3を参照すると、雌型リングリテーナ24が、取入導管14の外側密封表面33と雌型リングリテーナ24の内部表面の間を密封する、浮遊する高圧シールアセンブリ32を担持し、図3の矢印Lによって示した方向への流体の漏出を減少させる。このようにして、シール32は、カレンダーロール内へ流入する(図3の矢印L)流体の漏出を減少させる。たとえば60psiまたはそれより大きい、比較的高い流体圧力での高圧シール32が効果的である。60psiの圧力が通常、図3の矢印Fの方向への400〜600ガロン/分の流体流速で加えられる。リングの外直径と雌型リングリテーナ24の内部表面の間に、リングが「浮遊」することを許し、上で議論した隙間および軸方向/半径方向運動を提供する、たとえば0.05〜0.06インチの幅の大きな隙間領域42がある。必要に応じて、隙間領域は、かなり広く、たとえば0.125インチ以上にされてもよい。
【００２４】
シール32は、ほぼ同一の内径および外径を有する複数の同軸配置されたリング34を備える。リング34は、図5および図5Aに詳細に示されており、以下で説明する。図5Aを参照すると、リングのそれぞれは、比較的厚い外側領域36と、ランド部41を画定する比較的薄い内側領域38とを備える。再び図3を参照すると、リングは、内側領域38(図5A参照)が堰として働き、領域36と38の間の厚みの差が、流体乱流ゾーンを提供するリングの間の複数の空間40(図3)を画定するように配置されている。ランド部41と密封表面33の間の隙間のため、少量の流体が、内側領域38の下を空間40内へ通過することができる。隙間が極めて小さく、リングが近接して離隔されているため、流体がシールを通過するとき、急激な圧力降下および乱流がある。
【００２５】
したがって、密封される液体は、密封リングのランド部41と密封表面33の間を通過しなければならない。この隙間は、極めて小さく(たとえば0.003"〜0.005")、液体の流れを最小化する。液体は、次のリングの次のランド部を通って流れる前に開いた領域40に入るとき速度を落とす。このことは、各リングの接合面(すなわち、ランド部41とシール表面33の間)マイクロ乱流および小さな圧力降下を生じさせる。十分なリングが互いに積層されているとき、各リングの追加的な圧力降下が、シールアセンブリを通る少量の漏出につながる。したがって、必要に応じて、より多くのリングを、漏出を低減させるために追加することができる。一般に、リングの数は、空間の制約およびコストによって制限されるだけである。同様にして、より高い漏出を許容することができる場合、より少ないリングを使用することができる。
【００２６】
漏出する液体が入るシール端部44に、波形ばね160が、リング34をシールの反対端部46の方へ偏倚させ、リングを共に押圧し、漏出する流体の圧力に耐えるように配置される。このことは、リングを離間させる傾向がある。波形ばねがこの付勢力を及ぼすため、波形ばねは、互いに対しておよびシール保持カバー61に対して保持されるため、リング34の間、および領域42内のリングの周囲でも漏出する流体の流れをさらに阻止し、潜在的な漏出経路を効率的に遮蔽する。適切な波形ばねが図6および図6Aに示されており、以下で説明する。リングのように、波形ばねは、リングと内側フランジの間に提供されるものと同様の隙間で、密封される領域内で「浮遊する」ように配置される。
【００２７】
同様にして、外側ハウジング28のシール担持部分48が、外側シリンダ26の外部表面52とハウジングのシール担持部分48との間を密封する低圧シール50を担持する。シール50が、図3の矢印LRによって示された方向での流体の漏出を減少させ、したがって、カレンダーロールから戻る(矢印R、図3)流体の漏出を減少させる。シール50を通って漏出する流体が、チャンバー77内へ最初に漏出し、そこから、回転するバッフル79によって開口81を通ってバッフルの付いた窒素浄化チャンバー80内へ方向付けられる(図2A)。回転するバッフル79が、接触する壁面83(ジャーナルの面)から漏出する流体の大部分または全部を妨げる。チャンバー80の窒素浄化機能を以下で議論する。低圧シール50は、たとえば約10〜15psiの中程度の流体圧力で効果的である。これらの圧力は通常、図3の矢印Rの方向で400から600ガロン/分の流体の流速で及ぼされる。
【００２８】
シール32と同様に、シール50は、流体がシールに入る端部の反対側の端部に向かってリングを偏倚させる波形ばねを備える。このようにして、波形ばね56は、反対端部60に向かってリングを偏倚させるために、端部58に配置されている。
【００２９】
図2Aを参照すると、シール32を通って漏出する液体が、矢印Rで示すように、ロータリージョイントから出る液体の本流と混合するが、シール50を通って漏出する液体は、矢印Lによって示すように、漏出ドレン孔31を通ってロータリージョイントから出る。
【００３０】
浮遊するシールが、浮遊するリングと、浮遊するリング形状の波形ばねからなるため、ロータリージョイントは、リングおよびばねを密封される領域内に配置し、次にカバーを定位置にボルト止めすることによって容易に組み立てることができる。たとえば、図3を参照すると、カバー61がシール31のために設けられており、カバー64がシール50のために設けられている。シールは、必要に応じて、単に修理および交換を必要とするカバーおよびリングを取り外すことによって、維持管理および交換することができる。
【００３１】
上で述べたように、図2Aおよび図2Bを参照すると、シール50を通って漏出する流体は、ハウジングのバッフルの付いた窒素浄化チャンバー80内へ漏出する。隣接するチャンバー82とは違い、ロータリージョイントが使用中であるとき、チャンバー80は流体で満たされない(図2B参照、流体を含む領域が影を付けられている)。結果として、チャンバー80が窒素で浄化されない場合、チャンバー内に空気が存在する。この空気は、チャンバー80に入る漏出オイルを酸化させる傾向があり、コークス化を潜在的に生じさせ、点火源が存在する場合、火災のリスクを引き起こす。このようにして、上で議論したように、酸化を防止するために、ロータリージョイントの使用中チャンバー80が窒素で浄化されることが望ましい。
【００３２】
図2Aおよび図4を参照すると、ロータリージョイント10は、外側ハウジング28とカレンダーロールジャーナル8の間を密封する窒素保存シール62をさらに備える。このシールは、チャンバー80からの窒素の漏出を阻止し、このようにして窒素浄化を提供するコストを最小化する。シール62は、シール62が約0.5"の水の低い圧力(チャンバー80内の窒素の圧力)で密封するだけでよいため、より少ないリング84を備えることの他は、上で議論したシールと同様の構造である。上で議論したシールと同様に、リングは、シール内への流体流の方向に波形ばね86によって偏倚される。
【００３３】
図2Aを参照すると、安全性の特徴として、「知らせ」開口TTが、ロータリージョイントの底部のシール62に隣接して設けられている。たとえばシールの破損の場合、チャンバー80が流体で溢れると、液体が知らせ孔から流出する。たとえば警報を鳴らすことまたは制御パネル上に標示を提供することによって、告知孔から流れる液体の存在を検知し、信号を送るためにセンサを配置することができる。別法として、液体が知らせ孔から流出しているかを決定するために、視覚的な検知が使用される。
【００３４】
上で説明した高圧の浮遊するシールでの使用に適したリングが図5および図5Aに示されている。上で議論したように、リング34は、比較的厚い外側領域36と、比較的薄い内側領域38とを備える。図5Aを参照すると、通常、外側領域36は、約0.125から0.250インチの厚さT1と約0.125から0.250インチの幅W1を有し、内側領域38は、T1の約10〜20%の厚さT2とT2の約4から10倍の幅W2を有する。一般に、T1とT2の比は、約1:10から1:5であり、W1とW2の比は、約1:1から2:1である。厚さT2が小さくなると、漏出制御が大きくなるが、ランド部41が比較的迅速に磨耗する傾向が大きくなる。52インチの直径を有するカレンダーロールと共に使用されるロータリージョイントに対して、通常、リング34の内径IDは4.0〜5.0インチであり、外径ODは約4.5〜5.5インチである。
【００３５】
低圧の浮遊するシール、および窒素保存シールでの使用に適したリングは、図5および図5Aに示すリングと同様である。低圧シールリング54および窒素シールリング84は通常、同じ寸法T1,W1,T2およびW2を有する。52インチの直径を有するカレンダーロールで使用されるロータリージョイントに対して、通常、低圧シールリングの内径IDは、約9から10インチであり、外径ODは、約9.5から10.5インチであるが、窒素密封リングの内径IDは約17から18インチであり、外径ODは約17.5から18.5インチである。
【００３６】
密封リングのランド部41と高圧および低圧シールの対向する密封表面33および52との間に相対運動があるため、使用中にランド部が磨耗する傾向があり、このことは最終的にシールを通る漏出を増加させる。必要に応じて、密封表面33および52は、金属潤滑性を増加させて、それによってこの重要な隙間領域の磨耗速度を低下させるためにニッケルでメッキされてもよい。
【００３７】
リングを偏倚させるのに使用するために適切な波形ばねが、図6および図6Aに示されている。波形ばね56は、当技術分野で周知のように、波形部70(図6A)と、自由隙間72を備える。波形ばね56が圧縮されたとき、波形70が平坦化され、自由隙間72が減少または閉鎖される。その圧縮位置では、波形ばね56は、ばねの材料、および波形の自由高さおよび作動高さ(図6A)によって決定される付勢力を及ぼす。高圧、低圧および窒素保存シールで使用される波形ばねの特性は、ほぼ同様であるが、必要に応じて異なるようにすることができる。波形ばねの自由内径および自由外径は、シール内で使用されるリングのODおよびIDとほぼ実質的に同じである。波形ばねによって及ぼされる力は、2つ以上の波形ばねを使用する(それらを同軸に重ねる)ことによって、および/または所望の特性を備える波形ばねを選択することによって調節されてもよい。波形ばねによって及ぼされる圧力が小さすぎる場合、リングは軸方向に移動する傾向があり、シールを通る漏出が増加する結果となるかもしれない。波形ばねによって及ぼされる圧力が大きすぎる場合、リングのランド部が望ましくない高い速度で磨耗するかもしれない。
【００３８】
好ましくは、熱サイクル中、ジョイントの部品間の熱膨張の差を最小化し、部品間の隙間の変化を最小化するために、ロータリージョイント全体が同一の材料で形成される。一般に、ロータリージョイントは、耐久性、強度、製造の容易さのために鋼で形成されることが好ましい。
【００３９】
カレンダーロールの回転を支持するために自動調心球軸受が使用されるとき、ロータリージョイントのハウジングをジャーナルと位置合わせするために、図4に示すように、ロータリージョイントが中央ジャック88を備えることも好ましい。
【００４０】
他の実施形態は特許請求の範囲内にある。
【００４１】
浮遊するシールは、他の多くのリング形状を有してもよい。たとえば、図7に示すように、シール120内で、漏出する流体がそれを通って流れることができる蛇行経路を提供するために、リング122がそのランド部124が交互に反対方向を向くように配置される。他の代替となる形状が図7A〜図7Eに示されている。図7Aに示すように、シール130は、幅狭の領域38のないほぼ矩形の断面であるリング126を備えてもよい。図7Bに示すように、シール140内で、同様のリング128が磨耗を減少させるために丸みを付けられた(radiused)ランド部132を備える。図7Cに示すように、シール150は、1対の対向する比較的薄い領域138を有するリング136を備え、チャンバー142を画定してもよい。図7Dに示すように、シール160は、尖った密封縁部144を備えるリング143を備えてもよい。尖った密封縁部は、尖った縁部が磨耗したときランド部領域が増加するため、リング143の磨耗速度を漸進的に減少させる結果を生じさせる。図7Eに示すように、シール170は、密封ランド部の下で漏出する流体の共有を増加させるために、ある角度で偏倚しているリング146を備えてもよい。この形状は、たとえば接着剤または樹脂など、密封される流体が比較的粘性の高いものであるとき有利であるかもしれない。
【００４２】
ロータリージョイントはまた自己排気性である。当技術分野で周知のように、システムが開始する際、停止中にすべてのオイルをドレン排出した結果としてロールまたはオイルシステム内に導入された大量の空気(たとえば300ガロンまたはそれ以上の容量)を排気する必要がある。上で説明したロータリージョイントの浮遊するシールは、シールリングを通って極めて迅速に液体ループを空にすることを可能にする。この自己排気性の特徴は、メンテナンス休止からシステムを最初に始動させたときのポンプのキャビテーションを最小化し、停止時間および労力コストを減少させる。たとえば、上で説明したロータリージョイントを通って約3分未満で約300ガロンの量を通常排気することができる。
【００４３】
また、上で説明したロータリージョイントは、高温のオイルをカレンダーロールに送達するのに適しているが、ロータリージョイントは、所望のいかなる回転部材と静止部材を接合するためにも、他の用途にも使用することができる。たとえば、ロータリージョイントは、たとえば繊維産業で使用される積層ロールにより、またその他のタイプのニップロールにより、シート材料の連続的な加熱または硬化を含む用途で使用することができる。送達される液体は、回転する部材を冷却するために、低温であってもよく、いかなる所望の液体であってもよい。液体が腐食性である場合、ロータリージョイントは、ステンレス鋼、チタニウムまたはその他の不活性材料で形成されてもよい。
【００４４】
さらに、波形ばねの代わりに、コイルばねおよび板ばねを含む、他のいかなる所望のタイプの付勢装置が使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一態様によるロータリージョイントの透視図である。
【図２】図1に示すアセンブリの横断面図である。
【図２Ａ】図2で破線で示した領域の拡大図である。
【図２Ｂ】流体が影によって示された、図2Aと同様の図である。
【図２Ｃ】回転する部品がクロスハッチングによって示された、図2Aと同様の図である。
【図３】本発明の一実施形態による浮遊するシール構成を示す、図2Aの一部分(図2Aで破線で示す)の拡大詳細図である。
【図４】浮遊する窒素保存シールを示す、図2Aの別の部分(図2Aで破線で示す)の拡大詳細図である。
【図５】浮遊するシールでの使用に適したリングの上面図である。
【図５Ａ】図5の断面線5A-5Aに沿った、浮遊するシールでの使用に適したリングの断面図である。
【図６】浮遊するシールでの使用に適した波形ばねの前面図である。
【図６Ａ】浮遊するシールでの使用に適した波形ばねの前面図である。
【図７】本発明の代替となる実施形態による浮遊するシールを示す大幅に拡大した概略図である。
【図７Ａ】本発明の代替となる実施形態による浮遊するシールを示す大幅に拡大した概略図である。
【図７Ｂ】本発明の代替となる実施形態による浮遊するシールを示す大幅に拡大した概略図である。
【図７Ｃ】本発明の代替となる実施形態による浮遊するシールを示す大幅に拡大した概略図である。
【図７Ｄ】本発明の代替となる実施形態による浮遊するシールを示す大幅に拡大した概略図である。
【図７Ｅ】本発明の代替となる実施形態による浮遊するシールを示す大幅に拡大した概略図である。
【図８】図1のロータリージョイントと共に使用するための収集タンク/ポンピングシステムを示す概略図である。
【符号の説明】
【００４６】
6  ベアリングハウジング
8  ジャーナル
10  ロータリージョイント
12  カレンダーロール
14  取入導管
16  排出導管
24  雌型リングリテーナ
26  外側密封対合シリンダ
28  内部供給パイプ
29  窒素取入孔
30  端部カバー
31  漏出ドレン孔
32  浮遊する高圧シールアセンブリ
33  外側密封表面
34  リング
36  外側領域
37  通気孔
38  内側領域
40  空間
41  ランド部
42  内側密封空洞
44  シール端部
46  端部
48  シール担持部分
50  低圧シール
52  外部表面
54  低圧シールリング
56  波形ばね
58,60  端部
61,64  シール保持カバー
62  窒素保存シール
70  波形部
72  自由隙間
77  チャンバー
79  バッフル
80  窒素浄化チャンバー
81  開口
82  チャンバー
83  壁面
84  窒素シールリング
88  中央ジャック
100,104,106  導管
102  ジョイントリターンタンク
104  リターンポンプ
108  レベルバルブ
110  レベルトランスミッタ
112  レベルコントローラ
120,130,140,150,170  シール
122,126,128,136,143,144,146  リング
124  ランド部
144  密封縁部
160  波形ばね
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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