(57)【要約】【課題】シール組立体の両側の周囲の媒質の圧力差に影響されない新しいシャフトシール組立体を提供する。【解決手段】中心に配置される回動可能なシャフト１０の静的および動的な軸線方向シールのためのシャフトシール組立体１００は、シャフトをシールする少なくとも一つの第一シール部材８と、シャフトに取り付けられる少なくとも一つのローター部材３、６と、ハウジング３０に取り付けられるステーター部材１とを具備する。第一シール部材８は、シール組立体の両側の媒質の間に圧力差が存在する場合、シール組立体一方の側を他方の側から効果的にシールするようにローター部材３の凹部７内に配置される。シャフトの回転時、静的なシール部材８は、その静的なシール位置から軸線方向かつ径方向に外側に向かって離れ、シール部材とステーター１との間の摩擦がなくなる。動的なシールは、ローター部材のタービン効果によって生じる圧力差によって達成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心に配置される回動可能なシャフト（１０）の静的および動的な軸線方向シールのためのシャフトシール組立体（１００）であって、前記シャフト（１０）をシールする少なくとも一つの第一シール部材（８、３２）と、前記シャフト（１０）に取り付けられる少なくとも一つのローター部材（３、６）と、ハウジング（３０）に取り付けられるステーター部材（１）とを具備し、前記第一シール部材（８、３２）が前記ローター部材（３、６）の凹部（７）内に配置されると共に静的なシールの間、当該シャフトシール組立体（１００）の両側の媒質間で軸線方向に存在する圧力差によって生じるシール性能の低下がなく前記シール部材のシール性能を維持するように構成され、また、前記第一シール部材（８）が前記ステーター部材（１）の略径方向に延びる面と前記凹部（７、３１）の略径方向に延びる面（４２）と前記凹部（７）の略軸線方向に延びる面（４３）とに当接して静的にシールするように配置され、前記シャフト（１０）の回転時に前記ローター部材によって動的なシールが達成され、前記シャフト（１０）の回転時に前記静的なシール部材（８）がその静的なシール位置から軸線方向かつ径方向に離れるように構成されていることを特徴とするシャフトシール組立体（１００）。
【請求項２】
前記ローター部材（３、６）が少なくとも一つの排出ローター部材（３、６）を有し、前記圧力差を補填する動的なシールのための圧力を発生させるように構成され、前記シャフト（１０）の回転時に動的なシールをするように前記ステーター部材（１）に隣接して配置される請求項１に記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項３】
前記排出ローター部材（３、６）が前記動的なシール効果をもたらすように前記ステーターに向けられた隣接する排出突起（４）と排出凹部（５）とを有する請求項２に記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項４】
前記凹部（７）が前記ローター部材（３、６）の環状凹部（７、３１）であり、前記第一シール部材（８）が該ローター部材（３、６）の環状凹部（７、３１）内に収容されており、該環状凹部（７、３１）が前記ステーター部材（１）の径方向に延びる面（４５）に対向するように構成されている請求項１から３のいずれかに記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項５】
前記環状凹部（７、３１）が略軸線方向に延びる径方向内側に配置された環状の第二の凹部面（４３）と略軸線方向に傾いて延びる径方向外側に配置された環状の第三の凹部面（４４）とを橋絡する略径方向に傾いて延びる環状の第一の凹部面（４２）を有する請求項４に記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項６】
静的なシール用の前記シール部材（８）が前記略径方向に傾いて延びる環状の第一の凹部面（４２）と前記略軸線方向に延びる径方向内側に配置された環状の第二の凹部面（４３）と前記略径方向に延びるステーターの面（４５）とに当接して静的にシールし、前記圧力差が前記シール面に対する前記シール部材（８）の保持シール圧を生じさせる請求項５に記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項７】
前記シール部材（８）が弾力性のある伸縮自在で変形可能な材料から形成されている請求項１から６のいずれかに記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項８】
当該シャフトシール組立体（１００）がベアリングをシールするように配置される請求項１から７のいずれかに記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項９】
当該シャフトシール組立体（１００）が前記ベアリングと一体化されている請求項８に記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項１０】
前記ローター部材（６）が前記シャフト（１０）と該ローター部材（６）との間に相互ロックするように配置される摩擦連結部材（９）を有する請求項１から９のいずれかに記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項１１】
前記ローター部材が前記摩擦連結部材（９）を略収容する周方向に延びる環状の凹部を具備する請求項１０に記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項１２】
前記シャフト（１０）と前記ローター（６）との間に相対的な回転運動を生じさせるトルクが該相対的な回転運動時に制動を達成するように前記摩擦連結部材（９）の圧縮と前記シャフト（１０）と前記ローター部材（６）との間の摩擦の増加とを引き起こすように前記摩擦連結部材（９）が配置されている請求項１０または１１に記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項１３】
前記摩擦連結部材（９）が環状のリング形状を有すると共に互いに隣接する突起（５０、５２）と凹部（５１、５３）とを有する請求項１０から１２に記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項１４】
前記ステーター（１）の底部から流体を連通させるために径方向内側へ延びる通路（９１）が延在しており、前記通路（９１）が当該シャフトシール組立体（１００）の内部と前記ハウジング（３０）の内部とを連通する請求項１から１３のいずれかに記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項１５】
前記通路（９１）が流体を運ぶように構成されており、前記シャフト（１０）の回転時に該流体が前記排出ローター部材（３、６）から放出される請求項１４に記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項１６】
前記流体が静的シール中に前記排出凹部（５）内に堆積した物質を前記シャフト（１０）の回転時に当該シャフトシール組立体（１００）から放出する洗浄液である請求項１５に記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項１７】
前記流体が潤滑流体である請求項１５に記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項１８】
前記潤滑流体がオイルであり、該オイルが当該シャフトシール組立体から放出されるときにオイルミストに変化する請求項１７に記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項１９】
前記シャフトの直径が最大３ｍである請求項１から１８のいずれかに記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項２０】
前記ローター部材（３、６）とステーター部材（１）とシール部材（８）とが押出成形によってエラストマー材料から製造される請求項１から１９のいずれかに記載のシャフトシール組立体（１００）。
【請求項２１】
請求項１に記載のシャフトシール組立体によるシャフトの静的および動的なシール方法であって、ローター部材（３）内に配置された第一シール部材（８）をステーター部材（１）の略径方向に延びる面と前記シール部材（８）を収容する凹部（７）の略径方向に延びる面（４２）と前記凹部（７）の略軸線方向に延びる面（４３）とに押し付けることによって前記シャフトの両側の媒質間で軸線方向に存在する圧力差によって前記静的なシールを保持し、前記シャフト（１０）の回転時に前記静的なシール部材（８）をその静的なシール位置から軸線方向かつ径方向に遠心力によって離すことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記シャフト（１０）の回転時に前記静的なシール部材（８）をその静的なシール位置から軸線方向かつ径方向に遠心力によって離すことが動的なシール中に前記シール部材（８）と前記ステーター（１）との間の摩擦を除去していることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ローター部材（３、６）のタービンの効果によって生じる動的なローターの圧力差によって前記動的なシールを達成し、前記動的なローターの圧力差で前記シャフトの両側の媒質間で軸線方向に存在する前記圧力差を補償することによって動的動作中にシールを維持することを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、シャフトシール装置の分野に関し、特に、静的および動的なシャフトシール機構に関し、さらに、シャフトが静止状態にあるときに静的に効果的にシールし、静的動作と動的動作との間で移行しているとき及びシャフトが回転しているときに動的に効果的にシールする排出シャフトシールに関し、シール機構は、シャフトが回転しているときの摩擦がないようにシール面における機械的な接触によって静的に効果的にシールするように構成を変化させ、それによって、静的動作と動的動作との両方においてシール機構の両側の間に液体、気体あるいは埃のような周囲媒質に圧力差があったとしてもシール機構が良好なシール効果を提供する。
【背景技術】
【０００２】
今日、主にリップシールが回転機器においてベアリングを隔離するために用いられている。シールとベアリングとが多くの回転機器の故障の原因となっており、これら二つの重要な構成部品の寿命の間に密接な関係が存在する。このようなシールの故障は、ベアリングを役に立たないものにし、質の悪いベアリングの状態は、シールの寿命を縮める。ベアリングのハウジングに進入する雨、製品の漏出物、破片、洗い落とし用の水は、ベアリングの潤滑油を汚染し、ベアリングの製品寿命に破壊的な影響を与える。非常に少量の水や他の混入物質がベアリングの寿命をかなり縮めることとなる。
【０００３】
ベアリングアイソレーターまたはシールリングと呼ばれる補助機械機器のシャフトシール装置は、時々、例えば機器が埃のような潜在的な混入物質に曝されるような劣悪な用途で動作することを目的としている機器に用いられる。それゆえ、弾性のあるシャフトシールは、このような劣悪な環境ですぐに摩滅し、役に立たなくなる。役に立たない水準のシール装置では、埃や他の外部の混入物質をシールされたハウジング内部から除去することはできない。オイルや他の流体が摩耗したリップシールを通過して伝達装置の外へリークすることを防ぐことも不可能である。液体、気体あるいは埃のようなシール装置の周囲媒質にシール装置の両側の間で圧力差が存在するときに混入物質の進入と潤滑流体の流出とを防ぐことは不可能である。静的動作と動的動作との両方において、圧力差は、公知のシールのリークの一因となり、シールの防壁を超えて混入物が運搬されるのを後押しする。
【０００４】
静的および動的なシャフトシール組立体の実施例は、特許文献１に開示されており、中実で外周に伸縮性の環状のシール部材がローターの雌表面に取り付けられ、ローターとシール部材が静止状態にあるときには、ステーターの雄表面と係合する。変形可能なシール部材は、ローターとシール部材とが作動速度で動作しているときに遠心力によってステーターとの係合を外すように径方向に周囲に伸張せしめられ、それゆえ、シール部材の摩擦がなくなる。
【０００５】
しかし、シール組立体は、ベアリングのハウジングに進入する雨、製品の漏出物、破片、洗い落とし用の水に対する保護を提供するが、開示されているシール組立体は、圧力差がシャフトシール組立体全体亘って存在するときにはシールしない。圧力差は、例えばベアリングの側面のポンプ効果や外側面の過度の圧力によって生じる。例えば、シール組立体の外側面のこのような過度の圧力は、例えば、高圧力洗浄装置のような洗浄装置によって生じたり、ハウジングが水に浸かった場合に増加した外部圧力がハウジング上方の水圧によって生じたりする。圧力差は、例えば、日中の太陽からの熱や夜間の冷却に曝されることによって、あるいは、例えば、運転装置の摩擦やワット損によってハウジング内部に発生する熱によって生じる温度変化によっても発生する。熱せられると、ハウジング内部の流体が膨張して圧力が増加し、逆もまた同様である。このような圧力差は、公知のシール部材を持ち上げて離してしまうと共に隣接するシール面との機械的な接触を緩くしてしまい、その結果、例えば、ベアリングへの混入物質のための通路を与え、ひいては、シールされたシャフトを有する機器の製品寿命を短くしてしまうシール損失を招く。
【０００６】
さらに、特許文献１で開示されたシール組立体は、弾性のシール部材がその収縮する弾性に抗してシール組立体の中へ位置合わせされなければならないので、組み立てることが困難である。
【０００７】
特許文献２には、別のシャフトシール組立体が開示されており、ここでは、Ｏリングがシャフトを静的にシールする。Ｏリングは、径方向に配置されたステーターに対して一定の傾斜角で同軸の壁を有するローターの凹部に置かれる。このようにして、Ｏリングは、その弾性によって放射状のステーター表面に当接して押圧され、シール効果が達成される。シャフトの回転時、Ｏリングは、加えられた遠心力のため外周に拡張する。さらに、Ｏリングは、傾いた周方向の壁のひとつによって軸線方向かつ径方向にステーターから離れる。それゆえ、シャフトの回転時、Ｏリングの接触摩擦がなくなってしまう。このシャフトシール組立体は、特許文献１に開示された前述のシール組立体よりも簡単に組み立てることができる。しかし、このシャフトシール組立体は、圧力差がシャフトシール組立体の両側の周囲の媒質に存在するとき、シール組立体がシールしないという不利益を同様に被っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５２２１０９５号明細書
【特許文献２】スイス特許第３６９３２９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
それゆえ、解決しようとする課題は、シール組立体の両側の周囲の媒質の圧力差に影響されない新しいシャフトシール組立体を提供し、静的動作モードと動的動作モードとの両方において混入物質の進入や潤滑流体の流出に対する保護を確実にすることである。
【００１０】
本発明が解決しようとする別の課題は、シャフトが静止状態にあるときには中実のシール部材がシールステーターとシールローターとの両方に係合し、シャフトが回転しているときにはシール部材が広がってステーターから離れる上述のタイプの機械装置のシールを提供することである。
【００１１】
本発明が解決しようとするさらに別の課題は、簡単な組立および製造と長い製品ライフサイクルとを提供する上述のタイプのシールを提供することである。
【００１２】
本発明が解決しようとするさらなる課題は、おおよそ１ｍくらいで最大約３ｍの大きな直径を備える回転シャフトシールを提供することである。効果的な静的および動的なシールを必要とするこのように大きな直径を備えるシャフトは、例えば、水力発電所の水圧駆動式タービンや船舶のプロペラシャフトのシーリングに用いられている。
【００１３】
さらに、当業者は、本願の文章で明示的に記載されていないが本発明が解決しようとする従来技術に関連したさらなる課題を特定することができるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、特許請求の範囲に係るシャフトシール組立体を提供することによって、従来技術の上述した欠点を克服し、上述した課題を少なくとも個々にあるいは任意の組み合わせで解決する。
【００１５】
本発明の概略の解決策は、好ましくは、軸のベアリングの静的および動的なシールのための軸線方向シール組立体によって提供される。シール組立体は、少なくとも一つの弾力性のある伸縮する第一シール部材と、中心に位置する回動可能なシャフトと、該シャフトに取り付けられるローターと、ハウジングに取り付けられるステーターとを具備する。第一シール部材は、静的にシールするときに軸線方向シール組立体全体に加わる圧力差が当該シール部材のシール性能を低下させないように配置される。シール部材は、ローターの環状の凹部に配置され、シール組立体は、以下の動作モード、すなわち、中心のシャフト、したがって、シール組立体全体が静止状態にある静的動作モードと、シャフトが作動速度で回転しており、また、シャフトが静止状態から加速する場合またはその逆の場合に前記二つの動作モード間において移行している動的動作モードとを有する。静的動作モードでは、弾力性のある伸縮するシール部材は、シール組立体の両側にある周囲の媒質に圧力差が存在する場合にシール組立体の一方の側を他方の側から効果的にシールし、ここで、シール効果は、圧力差、すなわち、例えば、シール部材をシール面に押し付ける圧力によって支えられる。動的動作モードでは、排出部材のタービン効果によって生じる圧力差によってシールが達成される。静的動作から動的動作に移行するときには、排出機が弾性シール部材をシール面から吸引することによって生じる遠心力と負圧とによって、静的なシール部材がその静的なシール位置からステーターに接触しない別の位置に軸線方向かつ径方向に遠心的に離される。それゆえ、シャフトが回転する間、シール部材とステーターとの間の摩擦がなくなる。また、シャフト静止状態からシャフト回転状態への移行中、シールがリークすることは許されない。このことは、シャフトシール組立体の適切な構成要素によって達成される。例えば、排出のポンプ効果が周囲媒質における圧力に関して十分に高い圧力を提供することが保証されているので、シールが常に保証されている。
【００１６】
本発明は、従来技術に対して多くの利点を有する。すなわち、本発明は、シャフト径が大きい場合でさえ、シール性能を低下させることなく、互いにシールされる両側の間に存在する圧力差を有する静的および動的なシールを効果的に保証する簡易に組み立てられかつ製造されるシール組立体を提供するという利点を有する。
【００１７】
本発明のさらなる目的と特徴と利点は、添付図面を参照しながら本発明の実施形態の以下の説明から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】シャフトの静的および動的なシールのためのシャフトシール組立体の実施形態の部分的に切り取られた斜視図である。
【図２】ハウジング内の図１の軸線方向シール組立体を示す正面図である。
【図３】ハウジング内でシャフトと共に構築された図１の軸線方向シール組立体を示している図２の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図４】軸線方向シール組立体の静的および動的なシールを示している図１の実施形態の拡大断面図である。
【図５】図１に示した実施形態の摩擦連結部材を示す平面図である。
【図６】図５の摩擦連結部材を示す斜視図である。
【図７】シャフトとローターとシャフトとローターとの間に置かれる図５および図６の摩擦連結要素とを示す断面図であり、ここでは、摩擦連結要素が静止状態にある。
【図８】図７と同様の断面図であり、ここでは、摩擦連結要素が把持されている。
【図９】組み立てられてくさび留めされた状態にある図５の摩擦連結部材を示す平面図である。
【図１０】流体の拡散のためのシール組立体内の流路を示す断面図である。
【図１１】図１の実施形態の二つのシャフトシールとオイル噴霧器のような一つのシャフトシールとを備えるベアリングボックスを示す断面略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明を示すために本発明の例示である実施形態を図１〜図４に示した。しかし、本発明は、この特定の実施形態に制限されず、特許請求の範囲によってのみ制限される。
【００２０】
図１は、シャフトの静的および動的なシールのための軸線方向シャフトシール組立体の実施形態１００を示す。軸線方向シール組立体は、ステーター部材１と、周囲のハウジングに当接してステーター部材をシールするシール部材２と、排出突起４とこれらの間にある排出凹部５とを備えた第一排出ローター部材３と、環状のシール部材８を収容する環状凹部７を備えた第二排出ローター部材６と、軸線方向シール組立体を中心シャフトに回転方向にロックする摩擦連結部材９と、シャフトに沿って長手方向にシールするシール部材１１と、ハウジングの内側の少なくとも一つのベアリング内に取り付けられる回動可能なシャフトを受容するための中心内部空間１２とを有する。二つの排出ローター部材３、６は、圧入によって組み立てられる。ローターとステーターとは、物理的には互いに係合しておらず、ステーターとローターとの間のスリットは開かれたままになっている。このスリットは、シール組立体の一方の側から他方の側への通路である。この通路をシールするために、静止状態では、シール部材８が部分的に用いられ、シャフト動作状態では、遠心力を利用したポンプ効果が部分的に用いられる。
【００２１】
以下、動的動作において、詳細に説明するように、シャフトと排出ローター部材３、６との回転時に該排出ローター部材３、６がスリット通路内に圧力差を発生させる。遠心力によって圧力差が生じ、スリット内に存在する遊離した小片、液体、気体、埃などの遊離した物質または媒質をスリット外へ放出する。このことは、排出突起と排出凹部との翼状の形状に関連して排出ローター部材の回転によって引き起こされ、それによって、スリットに進入した物質が遠心力によって生じた排出ポンプ圧に曝され、該遠心力が物質を飛ばして戻す共に物質を同スリットから放出する。排出突起４とこれらの間にある排出凹部５とを備えた排出ローター翼３、６は、シール組立体１００の作動中にシール組立体１００の両側の間に生じることが予想される最大圧力差に耐える十分な圧力を生み出すように適切に形成される。適切にローター翼を形成することによって圧力バランスが保たれ、すなわち、回転翼のタービン効果によって発生する圧力が外部の圧力を「ポンピングバック」することによってシール組立体の外側の圧力を相殺し、したがって、すべての動作状態で効果的なシールを保証する。
【００２２】
シール組立体は、中心シャフト、したがって、シール組立体全体が静止状態にある静的動作モードと、シャフトが作動速度で回転している動的動作モードと、シャフトが静止状態から加速し或いはその逆の場合のように前記二つの動作モード間で移行している動的動作モードといった動作モードがある。静的動作モードでは、シール部材８は、シール組立体の一方の側を他方の側から効果的にシールする。動的動作モードでは、シールは、排出部材のタービン効果によって生じる圧力差によってもたらされる。静的なシール部材は、静的なシール位置からステーターに接触しない別の位置へ軸線方向であって径方向に遠心力によって移動する。それゆえ、シャフトが回転している間、シール部材とステーターとの間の摩擦がなくなっている。
【００２３】
動的動作モードでは、シャフトと排出ローター部材３、６とが回転していると、静的なシール部材８によって開かれた通路に進入した物質は、上述の通り、排出の遠心ポンプ効果によって即座に放出される。それゆえ、静的シール中にスリットに進入してスリット通路、例えば、排出凹部に堆積した混入物質などの物質は、静的なシール動作から動的なシール動作へ移行する間にも放出される。動的シール動作中にスリットに進入した物質は、即座に放出される。物質がスリットに長く進入するほど、物質を同スリットから放出し且つシール組立体１００の各側においてシール組立体１００から放出するための遠心力が高くなる。
【００２４】
図２の正面図において、図１の軸線方向シール組立体１００の組立体２００がハウジング３０内に配置されて示されている。図２に見える軸線方向シール組立体２００の部品は、排出ローター部材６に部分的に重なっているハウジング３０と中心シャフト１０とである。
【００２５】
図３は、図２に示す線Ａ−Ａに沿った断面図であり、ハウジング３０内でシャフト１０と共に構築された図１の軸線方向シール組立体１００を示している。さらに、第一排出ローター部材３の凹部３１が追加の環状シール部材３２を収容しているところが示されている。
【００２６】
図４は、図１の実施形態の拡大断面図であり、軸線方向シール組立体の静的なシールおよび動的なシールを示している。矢印４１は、環状シール部材３２がシャフト１０の作動速度で回転するシール組立体の遠心力によってステーター１に接触していない凹部３１の径方向外側の位置に引き寄せられている動的シール動作モードを示している。矢印４０は、環状シール部材８が凹部７の径方向内側の位置で示されている静的シール動作モードを示している。シール部材８は、該シール部材８の弾性力によってこの位置に引き寄せされている。凹部７は、軸線方向に延びる径方向内側に配置された第二の凹部面４３と軸線方向に傾斜して延びる径方向外側に配置された第三の凹部面４４とを橋絡する径方向に傾斜した第一の凹部面４２を有する。凹部面４２は、例えば、図４に示すように、軸線方向内側の端部から軸線方向外側の端部へステーター１の径方向に延びる面４５から径方向に離れるように傾いている。
【００２７】
シール部材８は、その弾性力によってシールするだけではなく、さらに、外側（図４において左側）と内側（図４において右側）との間の圧力差がシール部材８のシール効果に影響を与える。外側の面にかかる圧力が高ければ高いほど、圧力が軸線方向下方、したがって、ローター部材６の環状凹部７の軸線方向に延びる内側の面４３と径方向に傾斜して延びる面４２の下方部分との両方に向ってシール部材８を押すと共に凹部７に隣接して面しているステーター１の径方向に延びる面４５に当接させるので、静的動作モードにおいて達成されるシール効果が向上する。
【００２８】
また、高い圧力が内側の面にかかった場合には、シール部材３２に同じことが言える。
【００２９】
ローター部材６の凹部７は、静的動作モードにおいてシール組立体全体に亘る圧力差がシール部材８のシール性を向上するように形成されている。このことは、シール部材８が圧力によって支持されること、すなわち、圧力がシール部材をシール接触面に積極的に押し付けることに起因する。ステーター１の軸線方向に延びる面に沿ってシール部材８とステーター１との間にも物理的なシール係合が生じる。
【００３０】
静的なシールから動的なシールへの移行中、シール部材８は、矢印４０に示す径方向内側の静的位置から矢印４１に示す径方向外側へ移動する。その移動は、遠心力と、軸線方向外側へシール部材８を吸引するポンプ効果を奏する回転する排出機によって生じる圧力差との両方によって生じる。
【００３１】
このように、シール部材８は、シャフト１０が静止状態にあるときに静的に効果的にシールすることが保証されている。さらに、シール組立体は、シャフトが作動速度で回転しているときにも排出ホイール３、６によって生じる圧力差のために動的に効果的にシールする。また、上述の通り、シール部材がステーターに接触せずに動くので、動的動作モードでは、摩擦がなくなっている。さらに、静的および動的なシールは、シール機構全体に亘る圧力差において効果的である。
【００３２】
上述の実施形態において、ローター部材６内の環状凹部７の径方向に傾いて延びる面４２は、約１０度と約２０度との間、好ましくは、約１２度の傾斜角を有する。しかし、同様に、特許請求の範囲によって明示されているように、本発明から逸脱することなく、２０度よりも大きい傾斜角を用いてもよい。
【００３３】
環状シール部材８の断面形状は、円形であり、すなわち、好ましくは、環状シール部材は、円形断面を有するドーナツ形のＯリングである。しかし、環状シール部材が、例えば図示したものとは異なる形態や形状、すなわち、丸まった角を備えた略矩形の形状や楕円形の形状を有していてもよい。
【００３４】
また、シール部材８の材質は、シール部材８がシール面に対して十分なシール効果を奏するように選択され、シール部材８が静的位置から動的位置に移動したり逆に戻ったりするのに十分に弾性的で変形可能となるように選択され、そして、静的位置から動的位置への移行の間、すなわち、シャフト１０が始動中であってシール部材８がまだステーターの静的なシール面と接触しているときに摩擦が低くなるように選択される。シール部材８の適切な材料は、例えば、ゴム、Ｖｉｔｏｎ（登録商標）、ＦＫＭ、ＦＦＫＭ、ＥＰＤＭなどである。シール組立体１００の残りの構成要素に適切な材料は、例えば、青銅またはステンレス鋼のような金属材料、特に径が大きなシャフトには、ポリウレタン（ＰＵ）またはポリアミド（ＰＡ）といったアクリル樹脂のような合成物質およびエラストマー材料である。
【００３５】
径が大きなシャフト、したがって、対応する大きなシャフト用のシール組立体にとって、シール組立体１００の構成要素は、図１に示した装置へとシャフト回りに事前に組み立てられて嵌合せしめられる連続した細長要素として製造される。これに代えて、シール組立体１００の構成要素が、シャフト上の所定の場所に組み立てられるように部分的に組み立てられた部品または別々の部品として製造されてもよい。ローター、ステーター、シール部材は、押出成形によって製造され、これら押出成形された部品を所定の場所で環状の構成要素にシールすることで所定の場所に組み立てられる。これには、大きいシャフト径のシール組立体が低コストで且つシール組立体の効果的なシールを提供することによって簡単に製造され、シャフトに組み立てられるという利点ある。
【００３６】
図１から図４に示す実施形態は、各ローター３、６のシール部材８、３２を収容する凹部７、３１を有する。こうして、シールは、両方の状態、すなわち、ハウジングの外側の過度の圧力においてもハウジングの内側の過度の圧力においても圧力差でもって機能する。しかし、特定の用途にとって、一つの圧力差方向におけるシールを保証すれば十分である場合もある。この場合、一方の凹部とシール部材とを省略することができる。
【００３７】
図１から図４の実施形態は、好ましくは、完全なカートリッジに組み立てられ、シャフトシール装置用の空間にいつでも嵌合できるようにされている。
【００３８】
ここで、前述の図と組み合わせて図５および図６を参照する。シール組立体１００は、シール組立体をシャフト１０上に滑らせることによってシャフト１０に組み付けられる。シール部材１１は、シール組立体の両面、すなわち、シャフト１０と排出シール組立体１００との間の間隙をシールする。従来の問題は、二つの部品の相対的な慣性のためにシール組立体がシャフトに対して移動してしまうということである。このことは、シール部材１１が摩擦運動にさらされて多くの始動−停止のサイクル後に摩耗してしまうことを意味する。この問題は、図示したシール部材１１に対して平行な溝に挿入せしめられる摩擦連結部材９を用いることで解決される。摩擦連結部材によって解決される別の問題は、大きいトルクがシャフト１０とローター部材３、６との間に伝達されることである。それゆえ、シャフト１０からローター部材３、６へのトルクをＯリングシール１１だけを備えるよりも非常に高く伝達させることが可能である。
【００３９】
図５および図６に実施形態の摩擦連結部材９が詳細に示されている。実施形態によれば、摩擦連結部材は、両面に凹部５１、５３と突起５０、５２とを備えた環状のベルト状の平らなリングである。摩擦連結リング９は、シャフト１０の両回転方向におけるブレーキ要素として機能し、シャフトに対するシール組立体１００の動きを制動すると共に停止する。また、摩擦連結リングは、突起５１、５２がローター部材３、６とシャフト１０との間のわずかな相対的な動きのために傾くという原理に従って機能する。こうした傾く動きは、摩擦連結部材９が堅いゴムのような弾性材料から製造された場合、摩擦連結部材９の隣接する突起５０、５２のところで摩擦連結部材の弾性材料を圧縮し、シャフトおよびローター部材に対する摩擦連結部材の接触面における摩擦が増加すると共に局所的な接触圧力が増大することから、相対的な動きが減速し、停止するだろう。これに代えて、摩擦連結部材９は、好ましくは、ステンレス鋼のような金属のような圧縮性が小さい材料からできていてもよい。この場合、材質の選択や連結効果が早く達成されることによって均一で確かな瞬時の制動効果が得られる。このように、摩擦連結部材の材料とは関係なく、シャフト１０とシール組立体１００のローターとの強い接続が、ここで触れている「制動」位置で得られる。この連結接続を緩める唯一の方法は、傾きが逆になるようにシャフトを反対方向に回転させることである。しかし、この方向でさえ、傾きが反対方向に発生し、摩擦連結部材９が相対運動を遅くさせ、停止させるであろう。摩擦連結部材９が金属でできている場合には、弾性バネ効果が上述の連結プロセスを補助するだろう。弾性バネ効果は、該弾性バネ効果がシャフトとローター部材との間の相対運動に抗する方向に向けられるように摩擦連結部材９の材料と形状とを適切に選択することによって摩擦連結要素に形成されるだろう。
【００４０】
シャフトからローターに作用するトルクとその逆に作用するトルクとは、例えば、上述した圧力差に耐えられるように排出機の翼のポンプ効果を増大することによって、あるいは、例えば、後述するシール組立体１００に組み込まれたオイル噴霧器の追加のポンプ効果によって増大せしめられる。ローター部材に作用するトルクが高いほど、摩擦連結の要素が相互に強く押し付けられ、摩擦連結のくさび効果が高くなる。それゆえ、トルクは、軸線方向におけるシール部材１１のシール性能を低下させることなく、シール部材１１、したがって、シール装置１００全体の製品寿命を延ばすと共にシャフトからローターに効果的に伝達される。しかし、摩擦連結は、例えば、ステーターの位置を動的に調整するためにローターに望まれる一定の動きは許可する。
【００４１】
図７および図８に上述の摩擦連結の機能が示されている。摩擦連結部材９は、シャフト１０とローター部材６との間に配置されて示されており、摩擦連結要素は、静止状態、すなわち、シャフト部材１０とローター部材６との間にトルク差がない状態にある。図８では、摩擦連結要素９は、シャフト部材１０とローター部材６との間のトルク差のため上述したように把持される。
【００４２】
当業者は、図示されている摩擦連結部材９の形状が上述の効果を達成するためのいくつかのうちの一つに過ぎないことは理解するであろう。例えば、図７および図８に示した摩擦連結部材は、図５および図６に示した摩擦連結部材とは異なるが、上述の通り同じ機能を実現できる。
【００４３】
図９および図１０にシャフトシール組立体の別の実施形態２００が示されており、ここでは、ステーター１の下部に径方向内側へと延びるボア９１がある。ボアは、シール組立体１００の内部とハウジング３０の内部とに連通している。静的動作モードにおいて、シール部材８は、逆止弁として機能し、動的動作モードにおいて開く。図９および図１０は、動的動作モードを示しており、流路９１は、流体の連通のために開いている。図示した実施形態において、流路９１は、例えば、流体容器（図示略）に通じる流体コネクタ９０に接続される。これに代えて、流路９１は、ベアリングが配置されるハウジング内部と直接連通していてもよい。これは、シャフトシール組立体２００が、例えば、図１１に示したシャフトシール組立体１００によってシールされた両側に二つのボールベアリングを備えるハウジング内部に組み込まれるような場合でもよい。この場合は、例えば、再凝縮したオイルミストが流体の消耗を最小限にするように流路９１を通して再循環する。ここで、再循環する液体をきれいにするために流路にフィルターが挿入されてもよい。動的動作中、流体は、ボア９１を介してシール組立体２００の内部に吸引され、シール組立体２００から外へ放出される。このことは、図１０および図１１に詳細に示されており、矢印９２〜矢印９６は、例示的な実施形態の流路を示している。図１１における矢印は、ベアリングボックス１１５の外側の外圧と、シール組立体２００内の排出部材から放出されるオイル１１４と、流路９１を通るシール組立体２００の内側へのオイルの流れとを部分的に示しており、オイルは、図１〜図４に関連して説明したスリットと同様なシール組立体２００内のスリットを介して放出される。したがって、ベアリングボール１１２、１１３を有するベアリング１１０、１１１は、発生するオイルミストによってシャフト１０の回転を効果的に滑らかになる。さらに、シール組立体は、図１１に示した回転するシャフトとシール組立体１００の静的なシール部材によって静止状態にあるシャフトとの両方におけるベアリングボックス１１５の外の圧力に抗して効果的にシールする。
【００４４】
このようにして、流路と排出ノズルとによって流体を押し出すのに必要な圧力を発生させる高価なコンプレッサを必要とすることなく、効果的なオイルミストの生成が実現される。必要な圧力は、組み込まれた排出ローター部材３、６によって回転時に供給される。
【００４５】
流体は、排出ホイール３、６の溝５に堆積する恐れのある物質を拭き取る洗浄液である。これに代えて、流体が、一つまたは複数のベアリングを滑らかにするのに用いられるオイルのような潤滑流体であってもよい。この場合、オイルは、排出ホイール３、６からシール組立体１００の外に微少なオイルの液滴を放出する遠心力によってオイルミストに変化する。シール組立体が該シール組立体の両側にベアリングを有するハウジング内で用いられるときに、シール組立体がベアリングに潤滑流体を拡散するために用いられ、それゆえ、ベアリングの製品寿命が延びる。また、潤滑流体は、（例えば、洗浄液用のような）別の容器から供給されるか、シール組立体１００の底部の流体槽から供給される。ボアを用いた拡散は、排出ホイールの底部が流体槽に浸けられている場合において潤滑流体をただ遠心力で放出するよりも非常に効果的である。
【００４６】
図示した流路の実施形態に代えて、シャフトシール組立体１００の両側に潤滑液体を供給するために潤滑流体がシャフトシール組立体の一方の側のローター部材にだけ供給されるように流路９１が配置されていてもよい。これによれば、この一方の側にのみ潤滑流体が供給される。
【００４７】
シール組立体１００およびその構成部品の製造は、公知の方法によって成される。そして、これら構成部品は、素早くかつ簡易に組み立てられる。
【００４８】
図示した実施形態に代えて、シャフトシール組立体がシャフトベアリングに直接一体化されていてもよい。この場合、ローターは、回動可能なシャフトに連結せしめられるボールベアリングのような内側ベアリングのリングに連結せしめられる。排出ローター部材は、内側ベアリングのリングに直接連結せしめられ、ステーター部材は、外側ベアリングのハウジングに直接連結せしめられる。このようにして、非常にコンパクトな解決策が実現される。
【００４９】
さらに別の代替の実施形態では、シャフトシール組立体は、前述したような凹部にシール部材を備える一つのローター部材のみを具備する。この場合、シール組立体は、特定用途にとって十分な一方向の圧力差に効果的なシールをする。
【００５０】
また、異なる構成要素として示したローター部材６、３が同一であり、例えば、軸線方向の接触面の接着によって互いに取り付けられていてもよい。
【００５１】
上述した本発明のシャフトシール組立体の用途と利用法は、様々であり、例えば、海外の石油・ガス産業、鉱業、紙パルプ産業におけるポンプ、水中ポンプ、水力発電所の水圧駆動式タービン、船舶のプロペラシャフトのシーリングなどの分野を含む。特定の実施形態を参照して本発明を説明した。しかし、上述したもの以外の実施形態、例えば、異なる形状のローターやステーター、シール部材用の上述した材料以外の弾性材料なども特許請求の範囲において等しく可能である。
【００５２】
さらに、本明細書で用いる「具備する／具備している」、「有する／有している」、「備える／備えている」という用語は、他の要素や方法を除外するものではなく、「一つ」という用語は、複数を除外するものではなく、特許請求の範囲に規定されているいくつかの装置または回路の機能を単一の処理装置や他の装置が果たしてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１    ステーター
３    ローター部材
６    ローター部材
７    凹部
８    第一シール部材
１０    シャフト
３０    ハウジング
１００    シャフトシール組立体
【図１】
2011144933.tif 000003
【図２】
2011144933.tif 000004
【図３】
2011144933.tif 000005
【図４】
2011144933.tif 000006
【図５】
2011144933.tif 000007
【図６】
2011144933.tif 000008
【図７】
2011144933.tif 000009
【図８】
2011144933.tif 000010
【図９】
2011144933.tif 000011
【図１０】
2011144933.tif 000012
【図１１】
2011144933.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月27日(2011.4.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心に配置される回動可能なシャフト（１０）と該シャフト（１０）に取り付けられる少なくとも一つのローター部材（３、６）とを具備するシャフトシール組立体（１００）において、前記シャフト（１０）と前記少なくとも一つのローター部材（３、６）との間に相互ロックするように配置される摩擦連結部材（９）をさらに具備し、該摩擦連結部材（９）が隣接する径方向の突起（５０、５２）および凹部（５１、５３）を備えた環状のリング形状を有し、且つ、前記突起（５０、５２）が前記少なくとも一つのローター部材（３、６）と前記シャフト（１０）との間の相対的な動きによって傾くように構成されていることを特徴とするシャフト組立体（１００）。
【請求項２】
前記少なくとも一つのローター部材（３、６）が前記摩擦連結部材（９）を収容する径方向の環状の凹部を具備する請求項１に記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項３】
前記シャフト（１０）と前記少なくとも一つのローター部材（３、６）との間に相対的な回転運動を生じさせるトルクが、該相対的な回転運動時に制動を達成するように前記摩擦連結部材（９）の圧縮と前記シャフト（１０）と前記少なくとも一つのローター部材（３、６）との間の摩擦の増加とを引き起こすように、前記摩擦連結部材（９）が配置されている請求項１又は２に記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項４】
前記シャフト（１０）と前記少なくとも一つのローター部材（３、６）との間の間隙をシールする第一シール部材（１１）を具備し、前記径方向の環状の凹部が前記第一シール部材に対して平行である請求項２に記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項５】
前記摩擦連結部材（９）がベルト状の平らなリングである請求項１から４のいずれか一つに記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項６】
前記隣接する径方向の突起（５０、５２）および凹部（５１、５３）が前記摩擦連結部材（９）の両面にある請求項５に記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項７】
前記摩擦連結部材（９）が弾性材料又は圧縮性材料からなる請求項１から６のいずれか一つに記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項８】
前記隣接する径方向の突起（５０、５２）が傾く動作において圧縮されるように構成され、それによって前記摩擦連結部材（９）の接触面における前記シャフト（１０）および前記少なくとも一つのローター部材（３、６）に対する局所的な接触圧力が増大する請求項７に記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項９】
前記摩擦連結部材（９）が、前記シャフト（１０）と前記少なくとも一つのローター部材（３、６）と間のトルク差によって、前記シャフト（１０）と前記少なくとも一つのローター部材（３、６）との間を把持するように構成されている請求項１から８のいずれか一つに記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項１０】
前記摩擦連結部材（９）がゴムを含む請求項７に記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項１１】
前記摩擦連結部材（９）が金属を含む請求項７に記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項１２】
前記径方向の突起（５０、５２）が、前記シャフト（１０）の各回転方向において傾くように構成されている請求項１から１１のいずれか一つに記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項１３】
前記摩擦連結部材（９）が、前記シャフト（１０）と前記少なくとも一つのローター部材（３、６）との間の相対運動に抗する方向に向けられる弾性バネ効果を提供する形状と材料である請求項１から１２のいずれか一つに記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項１４】
前記摩擦連結部材（９）が、前記シャフト（１０）と前記少なくとも一つのローター部材（３、６）と間のトルクの量に応じた量だけくさび効果を提供するために圧縮されるように構成されている請求項７に記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項１５】
前記摩擦連結部材（９）が、前記シャフト（１０）と前記少なくとも一つのローター部材（３、６）と間の所定の運動を可能にするように構成されている請求項１から１４のいずれか一つに記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項１６】
前記シャフト（１０）をシールする少なくとも一つの第一シール部材（８、３２）を具備し、当該シャフト組立体（１００）の両側の媒質間で軸線方向に存在する圧力差によって生じる静的なシールの間、シール性能を維持するように構成され、前記シャフト（１０）の回転時に前記ローター部材によって動的なシールが達成され、前記シャフト（１０）の回転時に前記静的なシール部材（８）がその静的なシール位置から軸線方向かつ径方向に離れるように構成されている、前記シャフト（１０）の静的および動的な軸線方向シールのための請求項１から１５のいずれか一つに記載のシャフト組立体（１００）。
【請求項１７】
中心に配置される回動可能なシャフト（１０）と該シャフト（１０）に取り付けられる少なくとも一つのローター部材（３、６）との間の相対的な動きを制動する方法において、前記シャフト（１０）と前記少なくとも一つのローター部材（３、６）との間に摩擦連結部材（９）を配置することを含み、該摩擦連結部材（９）が隣接する径方向の突起（５０、５２）および凹部（５１、５３）を備えた環状のリング形状を有し、前記シャフト（１０）と前記少なくとも一つのローター部材（３、６）とを互いに対して相対的に動かすと、前記突起（５０、５２）が前記制動を提供するために傾く方法。
【外国語明細書】
2011144933000001.pdf