(57)【要約】  回転シャフトと固定ハウジングの間に液密のシールを提供するメカニカルシールが、プロセス流体をバリア流体から封止し分離する第1の組のシール部材を備える。第1の組のシール部材は、ロータリーシール面を有する第1の回転可能なシールリング、およびロータリーシール面に係合する固定シール面を有する第1の固定シールリングを備える。第1の組のシール部材は、さらに、シール面を共に付勢するための、第1シール部材の後ろ側面上にほぼ径方向に延びるピストン領域を備える。ピストン領域は、ロータリーシールリングおよびスリーブに連結された移動可能なシャトル部材によって画成され、そのシャトル部材は回転シャフトに連結される。通常の動作状態の下では、シャトルは、プロセス流体がシール面を共に付勢するための第1ピストン領域上の力を働かせることができるように第1の位置に移動される。逆の動作状態では、バリア流体圧がプロセス流体圧より高いとき、シャトル部材が第2の位置に移動され、そこでシャトル部材は、シール面を共に付勢するために第2ピストン領域上にバリア流体と共に力を働かせる。
2007524790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転シャフトを備えるハウジングに装着するためのメカニカルシールであって、
パッキン押さえと、
前記パッキン押さえ内に少なくとも部分的に配置された少なくとも1対のシール部材であって、前記シール部材が、ロータリーシール面を有するロータリーシールリングと、前記ロータリーシール面に係合する固定シール面を有する固定シールリングとを備えるシール部材と、
前記ロータリーシールリングおよび前記固定シールリングの1つに対して配置され、前記メカニカルシール内の圧力状態の変化に応答して第1の位置と第2の位置の間を軸方向に移動可能であるシャトル部材と、を備え、
前記シャトル部材が、前記第1の位置に配置され第1圧力状態に置かれたとき、前記シールリングの1つの非シール面から軸方向に間隔を置いて配置され、前記第2の位置に配置され前記第一の圧力状態とは異なる第2圧力状態に置かれたとき、前記シールリングの前記非シール面に隣接して配置されるメカニカルシール。
【請求項２】
前記シャトル部材が、前記圧力状態の1つに応答して前記複数の位置のうちの少なくとも1つに配置されるときに付勢力を発生させる請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項３】
前記シャトル部材が前記ロータリーシールリングに隣接して配置された請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項４】
前記シャトル部材が前記固定シールリングに隣接して配置された請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項５】
前記シャトル部材が、
前記第1および第2シールリングのうちの1つの前記非シール面に隣接して配置されるようになされた第1端部と、
前記第1端部の反対側の第2端部と、を有する担持要素を備える請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項６】
前記担持要素が、さらにシール要素を着座させる溝を備える請求項5に記載のメカニカルシール。
【請求項７】
前記シール要素がOリングである請求項6に記載のメカニカルシール。
【請求項８】
前記シャトル部材が、その中に形成されシール要素を着座させるための1つまたは複数の溝を有するハウジングを備える請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項９】
前記ハウジングが、第1および第2シール要素をそれぞれ装着する第1および第2の溝を備える請求項8に記載のメカニカルシール。
【請求項１０】
前記シャフトの周りに装着されるようになされたスリーブをさらに備え、前記スリーブがフランジ部を備え、前記シャトル部材が前記フランジと前記ロータリーシールリングの間に配置された請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項１１】
前記第1圧力状態が正の圧力状態であり、前記シャトル部材が、前記正の圧力状態の間、前記シャトル部材の第1端部が前記ロータリーシールリングの前記非シール面から軸方向に間隔を置いて配置されるような前記第1の位置に配置される請求項10に記載のメカニカルシール。
【請求項１２】
前記第2圧力状態が負の圧力状態であり、前記シャトル部材が前記負の圧力状態の間、前記シャトル部材の第1端が前記ロータリーシールリングの前記非シール面に接触するように前記第2の位置に配置される請求項10に記載のメカニカルシール。
【請求項１３】
前記シャトル部材が、前記第1圧力状態の下で前記ロータリーシールリングを前記固定シールリングに対して付勢するための、前記ロータリーシールリング上の第1の径方向に延びるピストン領域と、前記第2圧力状態の下で前記ロータリーシールリングを前記固定シールリングに対して付勢するための、前記ロータリーシールリング上の第2の径方向に延びるピストン領域を画成する請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項１４】
前記第1ピストン領域が、前記シールリングのうちの1つの前記径方向に延びるシール面の外側縁部、および前記シャトル部材の軸方向に延びる内側表面によって画成される請求項13に記載のメカニカルシール。
【請求項１５】
前記第2ピストン領域が、前記シールリングのうちの1つの前記径方向に延びるシール面の内側縁部、および前記シャトル部材の軸方向に延びる内側表面によって画成される請求項13に記載のメカニカルシール。
【請求項１６】
プロセス流体が前記第1ピストン領域に力を働かせる請求項13に記載のメカニカルシール。
【請求項１７】
バリア流体が前記第2ピストン領域に力を働かせる請求項13に記載のメカニカルシール。
【請求項１８】
前記シールリングのうちの1つの前記径方向に延びるシール面の外側縁部、および前記シャトル部材の軸方向に延びる内側表面によって画成される第1ピストン領域と、
前記シールリングのうちの1つの前記径方向に延びるシール面の内側縁部、および前記シャトル部材の径方向に延びる内側表面によって画成される第2ピストン領域と、をさらに備える請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項１９】
前記第1ピストン領域および前記第2ピストン領域がほぼ等しい寸法である請求項18に記載のメカニカルシール。
【請求項２０】
前記第1ピストン領域および前記第2ピストン領域が、前記ロータリーシール面および前記固定シール面の接触領域よりも小さい請求項18に記載のメカニカルシール。
【請求項２１】
前記第1ピストン領域および前記第2ピストン領域が前記ロータリーシール面と前記固定シール面の接触領域の約50%と約100%の間である請求項18に記載のメカニカルシール。
【請求項２２】
前記第1ピストン領域および前記第2ピストン領域が前記ロータリーシール面と前記固定シール面の前記接触領域の約70%である請求項18に記載のメカニカルシール。
【請求項２３】
前記パッキン押さえが前記シールにバリア流体を導く手段を備える請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項２４】
前記第1の組のシール部材から軸方向外側に離れて配置された第2の組のシール部材をさらに備え、前記第2の組のシール部材がロータリーシールリングおよび固定リングを備える請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項２５】
フランジ部を備え、前記シャフトの周りに装着されるようになされたスリーブと、
前記スリーブの前記フランジ部分の外側表面に隣接して配置されたシャトル制止部と、をさらに備え、
前記シャトル部材が前記シャトル制止部および前記ロータリーシールリングの間に配置された請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項２６】
前記第2圧力状態が負の圧力状態であり、前記シャトル部材が、前記シャトル部材の第1端部が前記シールリングのうちの1つの前記非シール面に接触するように前記負の圧力状態の間、前記第2位置に配置される請求項25に記載のメカニカルシール。
【請求項２７】
前記シャトル部材が前記ロータリーシールリングの前記非シール面に接触する請求項26に記載のメカニカルシール。
【請求項２８】
前記第1圧力状態が正の圧力状態であり、前記シャトル部材が、前記シールリングのうちの1つの前記非シール面に隣接して配置された第1端部と、前記シャトル制止部に隣接して配置された前記第1端部の反対側の第2端部とを有し、前記シャトル部材が、前記シャトル部材の前記第2端部が前記シャトル制止部に接触するように前記正の圧力状態の間、前記第1の位置に配置される請求項25に記載のメカニカルシール。
【請求項２９】
前記シール内のプロセス流体の前記圧力が前記シール内のバリア流体の前記圧力よりも高い前記第1圧力状態の間、前記シャトル部材が、シャトル制止部に当接して、前記ロータリーシールリングの前記非シール面上に第1ピストン領域を画成する請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項３０】
前記シール内のバリア流体の前記圧力が前記シール内のプロセス流体の前記圧力よりも高い前記第2圧力状態の間、前記シャトル部材が前記ロータリーシールリングの前記非シール面に当接して、前記ロータリーシールリングの前記非シール面上に第2ピストン領域を画成する請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項３１】
前記シャトル部材が、
前記ロータリーシールリングの段差を付けた部分の上に重なり、その部分に対してシールするような形状になった軸方向外側の部分であって、前記軸方向外側部分が前記ロータリーシールリングの前記段差を付けた部分の外径よりも僅かに大きい内径を有する軸方向外側の部分と、
前記スリーブの前記フランジの上に重なりそのフランジに対してシールするような形状になった、前記軸方向外側部分よりも狭い軸方向内側部分と、
前記軸方向内側部分と前記軸方向外側部分の間の径方向に延びる壁を画成する段差と、を備える請求項1に記載のメカニカルシール。
【請求項３２】
パッキン押さえと、前記パッキン押さえ内に少なくとも部分的に配置された少なくとも1対のシール部材であって、前記シール部材がロータリーシール面を有するロータリーシールリング、および前記ロータリーシール面に係合する固定シール面を有する固定シールリングを備えるシール部材と、前記ロータリーシールリングおよび前記固定シールリングのうちの1つに対して配置されたシャトル部材とを備える、回転シャフトを収容するハウジングに装着するためのメカニカルシールにおいて、
前記メカニカルシール内の圧力状態の変化に応答して第1の位置と第2の位置の間で前記シャトル部材を軸方向移動させることを含む方法であって、前記第1の位置に配置され第1圧力状態に置かれたとき、前記シャトル部材が前記シールリングのうちの1つの非シール面に隣接して配置され、前記第2の位置に配置され前記第1圧力状態とは異なる第2の圧力状態に置かれたとき、前記シールリングの前記非シール面から軸方向に分離される方法。
【請求項３３】
前記第1および第2圧力状態のうちの1つに応答して前記第1および第2の位置のうちの少なくとも1つに配置されたとき、前記シャトル部材によって付勢力を発生させることをさらに含む請求項32に記載の方法。
【請求項３４】
前記シャトル部材を前記ロータリーシールリングに隣接して配置させることをさらに含む請求項32に記載の方法。
【請求項３５】
前記シャトル部材を前記固定シールリングに隣接して配置させることをさらに含む請求項32に記載の方法。
【請求項３６】
前記メカニカルシールが、前記シャフトの周りに装着されるようになされたスリーブをさらに備え、前記スリーブがフランジ部分を備え、前記シャトル部材が前記フランジと前記ロータリーシールリングの間に配置され、
前記シャトル部材の第1端部が前記ロータリーシールリングの前記非シール面から軸方向に間隔を置いて配置されるように、前記シール内に正の圧力状態が存在するとき前記シャトル部材を前記第1位置に配置することと、
前記シャトル部材の第1端部が前記ロータリーシールリングの前記非シール面に隣接して軸方向に配置されるように前記シール内に負の圧力状態が存在するとき、前記シャトル部材を前記第2の位置に配置することを含む請求項32に記載の方法。
【請求項３７】
前記第1圧力状態の下で前記固定シールリングに対して前記ロータリーシールリングを付勢するための、前記ロータリーシールリング上で第1の径方向に延びるピストン領域を画成することと、
前記第2圧力状態の下で前記固定シールリングに対して前記ロータリーシールリングを付勢するための前記ロータリーシールリング上で第2の径方向に延びるピストン領域を画成することと、をさらに含む請求項32に記載の方法。
【請求項３８】
前記シールリングのうちの1つの前記径方向に延びるシール面の外側縁部、および前記シャトル部材に軸方向に延びる内側表面によって第1ピストン領域を画成することと、
前記シールリングのうちの1つの前記径方向に延びるシール面の内側縁部、および前記シャトル部材の軸方向に延びる内側表面によって第2ピストン領域を画成することと、をさらに含む請求項32に記載の方法。
【請求項３９】
前記第1ピストン領域および前記第2ピストン領域がほぼ等しい寸法である請求項38に記載の方法。
【請求項４０】
前記第1ピストン領域および前記第2ピストン領域が、前記ロータリーシール面および前記固定シール面の接触領域よりも小さい請求項38に記載の方法。
【請求項４１】
前記第1ピストン領域および前記第2ピストン領域が前記ロータリーシール面および前記固定シール面の接触領域の約50%と約100%の間である請求項38に記載の方法。
【請求項４２】
前記第1ピストン領域および前記第2ピストン領域が前記ロータリーシール面および前記固定シール面の前記接触領域の約70%である請求項38に記載の方法。
【請求項４３】
前記シールが、フランジ部を備え、前記シャフトの周りに装着されるようになされたスリーブと、前記スリーブの前記フランジ部分の外側表面に隣接して配置されたシャトル制止部とをさらに備え、前記シャトル制止部と前記ロータリーシールリングの間に前記シャトル部材を配置させることを含む請求項32に記載の方法。
【請求項４４】
前記第1圧力状態が正の圧力状態であり、前記シャトル部材の一方の端部が前記シャトル制止部に接触するように、前記正の圧力状態の間、前記シャトル部材を前記第1の位置に配置することを含む請求項43に記載の方法。
【請求項４５】
前記第2圧力状態が負の圧力状態であり、前記シャトル部材の一方の端部が前記シールリングのうちの1つの前記非シール面に接触するように前記負の圧力状態の間、前記シャトル部材を前記第2の位置に配置することを含む請求項43に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、釣り合い式メカニカルシールに関し、より詳しくは、回転シャフトと固定ハウジングの間にシールを提供する二重釣り合い式メカニカルシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、その内容が参照により本明細書に組み込まれている、2003年2月28日出願の「Balanced Mechanical Seal Assembly」という名称の米国仮特許出願第60/450,797号に対して優先権を主張するものである。この出願は、その内容が参照により本明細書に参照組み込まれている、本願と同日に出願された「Balanced Mechanical Seal Assembly」という名称の整理番号302Aにも関連する。
【０００３】
従来のメカニカルシールは、多種多様な機械装置に使用され、回転シャフトと固定ハウジングの間に気密および液密(fluid tight)のシールを提供する。シールは、通常、回転シャフトの周りに配置され、その回転シャフトは固定ハウジング内に装着され、そこから突き出す。シールは、一般に、シャフト出口のところでハウジングにボルト締めされ、それによって、加圧されたプロセス流体(process fluid)がハウジングから流失するのを防止する。従来のメカニカルシールには、シャフトの周りに同心円状に配置され互いに軸方向に間隔を置いて配置された、1対の環状のシールリングを含む、面型のメカニカルシールが含まれる。このシールリングは、それぞれ、付勢されて互いに物理的に接触するシール面を有する。通常は、一方のシールリングが固定されたままになり、他方のリングがシャフトに接触しシャフトと共に回転する。相対的に回転し接触するシール面は、加圧された液体すなわちプロセス流体を回転軸に沿って遮断し封止する。メカニカルシールは、シールリングのシール面を付勢して互いに物理的に接触させることで、加圧されたプロセス流体が外部環境に漏出するのを防止する。
【０００４】
シールを冷却し、シール面を横切るプロセス流体の通路ができないように防ぐのを助けるために、第2の加圧流体すなわちバリア流体(barrier fluid)が、しばしば、プロセス流体と接触する面と反対側のシール面の側のシールに導入される。通常は、ばねがシール面を互いに付勢する。釣り合い式のシール配置では、シール面を閉鎖するのを助けるためにシール部材のシール面と反対側の側面上に画成されたピストン領域にも加圧流体が加えられる。この配置関係は、適切に封止されるようにするためにシール面上の閉鎖力を十分に高く維持しながら、シール面の摩擦接触から発生する熱を最小限に抑える。また、シール面が互いに対して相対的に回転するとき、熱の発生を最小限に抑えるようにシール面の接触面積を最小限に抑えることが望ましい。さらに、バリア流体が使用されるとき、二重シール配置が利用され、その配置では、プロセス流体がシールの片方の端部に閉じ込められ、バリア流体が、相対的に回転するシール面がバリア流体のどちら側の上にもあってシールの中央に閉じ込められる。
【０００５】
1つのタイプの従来技術の二重釣り合い式シールでは、両方の流体がシール面と反対側のシール部材の後部に達し、シール面の接触領域に対するピストン領域の望ましい釣り合い率は、シール部材のそれぞれのシール面の背後のそのOリング溝内で摺動可能なOリングを設けることによって達成される。したがって、Oリングは、最も高い圧力を有する流体からシール面と反対側のシール部材の面上の適切なピストン領域に流体圧力を加えることができるように溝内で摺動する。ばねをシール内でシール面のどちらの側面上に配置してもよく、プロセス流体およびバリア流体のどちらかまたは両方に曝されてもよい。
【０００６】
従来の二重釣り合い式メカニカルシール組立体は、重大な欠点を有する。まず、従来の二重釣り合い式メカニカルシール組立体でのピストン領域は、Oリングの寸法および形状に依存する。Oリングの内径および外径は、それぞれの流体の釣り合い圧力点(balance pressure point)を規定するので、シール面の径方向の接触面積(contact dimension)は、Oリングの厚みと因果関係を持つため十分に大きくする必要がある。このことは、熱の発生を減らすため接触面積が最小限であることが望ましいシール面の設計を制限する。
【０００７】
従来技術の二重釣り合い式メカニカルシール組立体の別の欠点は、二重釣り合い式シールが、逆圧(reverse pressure)状態の下では効率的に作動しないことである。逆圧状態の下では、Oリングは、封止を行うためにその溝内を摺動する。さらに、汚れた、混入物を含む可能性があるプロセス流体は、汚れや他の粒子が摺動するOリングの接触面内に受け取られるようになり、その結果、次第に磨耗およびOリングの移動の妨げを生じ、それによってシール性能に悪い影響(impact)を及ぼす。
【特許文献１】米国仮特許出願第60/450,797号明細書
【特許文献２】米国特許第5,213,340号明細書
【特許文献３】米国特許第5,333,882号明細書
【特許文献４】米国特許第5,203,575号明細書
【特許文献５】米国特許第5,209,496号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、回転シャフトおよび固定ハウジングの間で液密のシールをもたらすメカニカルシールを提供する。このメカニカルシールは、プロセス流体をバリア流体から封止し分離するための第1の組(pair)の相対的に回転可能な環状シール部材を備える。第1の組の相対的に回転可能な環状シール部材は、ロータリーシール面を有する第1の回転可能なシールリングおよびロータリーシール面に係合する固定シール面を有する第1固定シールリングを備える。シール部材の第1の組は、さらに、圧力下でシール面を共に付勢する第1のシール部材の後ろ側面にほぼ径方向に延びるピストン領域を備える。ピストン領域は、少なくとも一部はロータリーシールリングおよびスリーブに連結された、移動可能なシャトル部材によって画成され、シャトル部材は回転シャフトに接続されている。通常の動作状態の下では、プロセス流体圧がバリア流体圧より高いとき、プロセス流体は、ロータリーシールリングの第1ピストン領域A上にシール面を共に付勢する力を働かせる。逆作動圧状態の下では、バリア流体圧がプロセス流体圧より高いとき、バリア流体は、第2ピストン領域、たとえば、固定シールリングのピストン領域B上にシール面を共に付勢する力を働かせる。ピストン領域は、シール面の接触面全体よりも小さい。標準(正)圧状態および逆(負)圧状態の両方で動作する釣り合いの取れたシール配置をもたらすために、第1ピストン領域は、第2ピストン領域に実質的に寸法が等しい。
【０００９】
メカニカルシールは、さらに任意で、バリア流体と大気の間に第2のシールをもたらし、第2の組の環状の径方向に延びる対向したシール面をその間に画成する、第2の組の環状シール部材を備えることができる。第2の組のシール部材は、シール面を共に付勢するためにシール面の反対側の第2シール部材の後方側面の上に1対の第2ピストン領域を備える。
【００１０】
本発明のメカニカルシールは、スリーブと、第1および第2の組の相対的に回転可能なシール部材とを備えることができ、それらのシール部材は第1および第2の径方向に延びる対向したシール面を前方のそれらの間に有する。シール面は、あらかじめ定められた接触領域の上で互いに接触することができる。スリーブは、その一端にフランジを有し、移動可能なシャトル部材の抑止部を画成する。それぞれの組のシール部材のロータリーシールリングは、スリーブと共に回転するためにスリーブ上に組立てられる。その他のまたは固定のシールリングは、固定構造に連結するようになっている。移動可能なシャトル部材は、スリーブフランジの上面および第1の回転可能なインボード側のシール部材の上に横たわり、可能な2つのピストン領域のうちの1つを画成するために圧力状態の変化に応答して、それぞれ異なる位置の間を摺動する。プロセス流体圧がバリア流体圧より高いとき、すなわち、メカニカルシールが標準のすなわち正の圧力状態で動作するとき、シャトル部材は、スリーブ上に形成されたシャトル抑止部に向かって摺動し、それによって、プロセス流体に曝された第1ピストン領域Aを画成する。バリア流体圧がプロセス流体圧より高いとき、すなわち、シールが逆すなわち負の圧力状態で動作するとき、シャトル片は、第1の回転可能なシール部材に向かって摺動し、それによって、バリア流体に曝された第2ピストン領域Bを画成する。プロセス流体およびバリア流体は、シール面上に、それらを互いに接触させたままにする閉鎖力(closing force)を発生させる。
【００１１】
有利なことに、本発明によるシールは、逆圧状態の下でも、変化する圧力の下でシール面上にあらかじめ定められ、また予測できる閉鎖力を提供するために、シール面と反対側のロータリーシール部材の側面上に固定された予め定められたピストン領域をもたらす。個々のピストン領域は、複数の流体のうちの1つだけに曝されるが、その他の構成も本発明によって企図される。さらに、シール面の接触領域は、釣り合い圧力点を規定するOリングの寸法によって制限が加えられることなく最適化することができる。接触領域の小さいシール面を設計することが可能なので、シールが働く際の熱の発生が最小限に抑えられる。さらに、面を閉鎖する圧力を加えるために、移動可能な部分は、汚れたプロセス流体に接触しないメカニカルシールの境界面の上を摺動し、したがって、目詰まり(clogging)や拘束を受けない。
【００１２】
本発明の一態様によれば、回転シャフトを備えるハウジングに装着するメカニカルシールが提供される。このメカニカルシールは、パッキン押さえ(gland)と、ロータリーシール面を有するロータリーシールリングと、ロータリーシール面に係合する固定シール面を有する固定シールリングと、ロータリーシールリングおよび固定シールリングのうちの1つに対して配置されたシャトル部材とを備える。シャトル部材は、メカニカルシール内の圧力状態の変化に応答して第1の位置および第2の位置の間を軸方向に移動可能である。シャトル部材は、第1の位置に配置され、第1圧力状態に置かれたとき、複数のシールリングのうちの1つの非シール面に隣接して配置される。シャトル部材は、第1圧力状態と異なる第2の位置に配置され、第2圧力状態に置かれたときシールリングの非シール面から軸方向に離される。
【００１３】
本発明の別の態様によれば、回転シャフトを含むハウジングに装着するためのメカニカルシールにおける方法が提供される。メカニカルシールは、パッキン押さえと、パッキン押さえ内に少なくとも部分的に配置され、ロータリーシール面を有するロータリーシールリング、およびロータリーシール面に係合する固定シール面を有する固定シールリングを備える、少なくとも1対のシール部材と、ロータリーシールリングおよび固定シールリングのうちの少なくとも1つに対して配置されたシャトル部材とを備える。この方法は、メカニカルシール内の圧力状態の変化に応答して第1の位置と第2の位置の間でシャトル部材を軸方向に移動させることを含む。シャトル部材は、第1の位置に配置され、第1圧力状態に置かれたとき、複数のシールリングのうちの1つの非シール面に隣接して配置され、第2の位置に配置され、第1圧力状態と異なる第2圧力状態に置かれたとき、シールリングの非シール面から軸方向に離される。
【００１４】
本発明のその他の特徴および利点は、以下の好ましい実施形態の説明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】
【００１５】
本発明は、回転シャフトを収容する固定ハウジングに装着するメカニカルシールを提供する。インボード側のシールの第1シールリングは、閉鎖力を損失することなく圧力反転に耐えることができるように二重釣り合いになるように配列されている。本発明は、例示の実施形態に関連して以下に説明される。本発明は、いくつかの異なる適用分野および実施形態で実施され、その応用の際に本明細書内で表現された特定の実施形態に具体的に限定されないことを当分野の技術者は理解するであろう。
【００１６】
本明細書中で使用される用語「プロセス媒体(process medium)」および「プロセス流体」は、一般的に、ハウジングを通って移送される媒体または流体を指す。たとえばポンプへの応用では、プロセス媒体はポンプハウジングを通ってポンプ給送される流体である。
【００１７】
本明細書で使用される用語、「軸方向」および「軸方向に」は、シャフト軸にほぼ平行な方向を指す。用語「径方向」、「径方向に」は、シャフト軸にほぼ垂直または直角な方向を指す。
【００１８】
本明細書で使用される用語「シャトル部材」は、シール面のシール係合を保持するのを助けるために、様々な圧力状態(正および/または負の圧力状態)に曝されたとき、適切な閉鎖圧力を1つまたは複数のシールリングに加えるのを可能にし、助け、または容易にするために、メカニカルシール内の複数の位置の間を軸方向、径方向のどちらか、またはその両方に移動するのに適した構造を備えるように意図されている。シャトル要素は、1つまたは複数のシール流体を封止するために、1つまたは複数のシール要素を収容し、または望むのであれば1つも収容しないような設計にすることができる。好ましい実施形態によれば、本明細書中で使用され定義されるシャトル要素は、1つだけOリングを備える部材またはデバイスをカバーするように意図されていない。本明細書中に様々な実施形態が開示されているが、シャトル部材は、多くの異なる方法で設計することができる。たとえば、当業者は、シール内の圧力状態、シールの型、シールリングの型、数、形状、および位置、用途のタイプ、およびその他の様々な考慮すべき1つまたは複数の事項を検討するとき、本発明の教示に照らして適切なシャトル部材構成を設計し、または提供することができる。当業者は、シャトル要素を複数の異なる位置に配置することができ、必ずしもロータリーシールリングに隣接して配置する必要がないことも理解するであろう。たとえば、シャトル要素は、固定シールリングに隣接して配置することができる。シャトル部材は、1つまたは複数の部分または構成要素を備えることもでき、したがって1つの組立体を形成し、または組立て品の一部分として提供することができる。組立体のすべての部分が可動である必要はない。
【００１９】
本明細書で使用される用語「メカニカルシール」は、単一のシール、分割シール、タンデムシール(tandem seal)またはデュアルシール(dual seal)、ガスシール、スパイラルシール(spiral seal)、およびその他の公知のシールのタイプおよび構成を含めた様々なタイプのメカニカルシールを含むことを意図する。
【００２０】
本明細書で使用される用語「パッキン押さえ」は、1つまたは複数のシール構成要素を少なくとも部分的に付随して囲みまたは収容しながら、メカニカルシールをハウジングに固定することを可能にし、容易にし、または補助する適切な構造を含むことを意図する。望むのであれば、パッキン押さえは、メカニカルシールへの流体アクセス(fluid access)をもたらすこともできる。
【００２１】
次に、図面を、より詳しくは図1Aおよび図1Bを参照すると、本発明の例示の実施形態によるメカニカルシール10が、ボルトタブ38を通過するボルト(図示せず)によってポンプシャフト12上に同心状に装着され、ポンプハウジング14に固定されている。シャフト12は、第1の軸13に沿って延びる。メカニカルシール10は、ポンプハウジング14のスタッフィングボックス(stuffing box)18内に部分的に延びる。メカニカルシール10は、ハウジング14およびシャフト12の間に流体シールを提供し、それによって加圧されたプロセス流体19がハウジング14から流出しないような構造となっている。流体シールは、主に、第1のまたはインボード側のシールを形成し、それぞれが径方向に延びる弓形のシール面46および58をそれぞれ有するロータリーシールリング42、および固定シールリング54を備える第1のまたはインボード側の第1のシール部材の組によって達成される。インボード側の第1のシーリング部材のシール面46および58は、下記により詳しく説明するように、付勢されて互いにシールの位置関係または係合状態になる。第2またはアウトボード側のシールを形成する、第2のまたはアウトボード側の組の第1のシール部材はシールリング42'および54'を備える。シールリングは、相対的に回転可能な第1の組のシール部材42および54から軸方向に間隔を置いて配置されている。第2シールリング42'および54'は、付勢されて互いにシール位置関係になり追加のシールをもたらすシール面46'および58'を有する。第1のシール部材の第1のおよび第2の組は、デュアルまたはタンデムのメカニカルシールを形成する。従来のタンデムシールの例は、米国特許第5,213,340号、第5,333,882号、および第5,203,575号に記載され、その内容は、本明細書中に参照によって組み込まれる。以下により詳細に述べるように、個々のシール表面は、広範囲の動作状態の下で、また広範囲の用途において動作可能な液密のシールを形成する。
【００２２】
別の実施形態によれば、1つまたは複数のシールリング42,42',54および54'は、公知の技術に従って互いにシールの位置関係に付勢されたセグメントシール面を有する複数のシールリングセグメントに分割することができる。
【００２３】
例示のメカニカルシール10は、シャフト12に回転可能に連結されたスリーブ20を備え、メカニカルシール10のロータリー要素を保持する。スリーブ20の軸方向インボード側端部、すなわちスタッフィングボックス18に挿入された端部のところで、スリーブ20のインボード側周面上に形成された第1の溝22は、プロセス流体がスリーブ20とシャフト12の間のポンプから移動するのを防止するためにシャフト12に隣接して配置されたOリング24などの第1のシール要素を受ける。Oリング78などの第2シール要素は、スリーブ20の内側周面上でメカニカルシールのアウトボード側の端部に向かって第1の溝22から軸方向外側に間隔を置いて配置された第2の溝76内に設けられ、スリーブ20とシャフト12の間でバリア流体の漏洩を防止する。スリーブ20は、径方向に延びる面すなわち壁28を有するそのインボード側の端部のところにフランジ26を備える。このフランジは、スリーブと一体に形成するか、別個の構成要素として設けることができる。移動可能なシャトル部材27およびシャトル制止部29は、軸方向に延びる、スリーブ20のフランジ部の外側径方向壁26Aの上に配置され、その上に横たわって、またはそれに隣接して配置される。シャトル部材27の一部分は、フランジ26の上に横たわる。制止部29は、当分野で公知の手段によって壁26Aと一体に形成され、またはその上に装着されてもよい。制止部29の外径は、スタッフィングボックス18の内径より小さい。シャトル部材27およびシャトル制止部29の詳細は以下に詳しく説明される。
【００２４】
第1のロータリーシールリング42は、軸方向に外側に、またフランジ26から離れてスリーブ20上に取り付けられている。図2Aおよび図2Bに詳しく示すように、ロータリーシールリング42は、スリーブ20の外径よりもやや大きい内径から、スタッフィングボックス18の内径よりも僅かに小さい外径まで延在する、比較的広いシール部48を有する。狭い、軸方向外側に面するシール面46は、シール部48から延び、固定部材54のシール面58に係合する。ロータリーシールリングのシール部48から軸方向内側に、シール部48の外径より小さい外径を有する軸方向に延びる面すなわち段差49が設けられ、シール部48と共に軸方向内側および径方向に延びる第1の壁52を画成するのを助ける。この壁は、シール面46の反対側のシール部48の側面に配置される。段差49は、壁52から軸方向内側に間隔を置いて配置された、軸方向内側に、径方向に延びる第2の壁44内に終端する。ロータリーシールリング42は、シール部の内径48上に複数のノッチを備えてもよい。このノッチは、ロータリーシール部材42をスリーブ20および/またはシャトル部材27に固定して、それと共に回転できるようにスリーブ20上のボスに係合してもよい。
【００２５】
移動可能なシャトル部材27は、(図1Aおよび図2Aに示すような)シャトル制止部29に当接する第1の位置と、シャトル部材27が(図1Bおよび図2Bに示すような)シール面46の反対側の第1のロータリーシール部材42の第1の面する壁52に当接する第2の位置との間を移動するように設計されている。移動可能なシャトル部材27は、スリーブ20の外側表面とロータリーシールリング42の上を摺動するように設計された細長い環状リングを備える。シャトル部材27は、圧力状態の変化に応答してメカニカルシール内で2つの位置の間を往復または軸方向に移動する。
【００２６】
たとえば、シール10が正の圧力状態に置かれたとき、すなわちプロセス流体が、(図1Aおよび図2Aに示すように)バリア流体よりも高い圧力を有するとき、圧力差がシャトル部材27の両端間に生じ、それがシャトル部材を押して第1の位置に移動または摺動させ、それによってシャトル制止部29と当接させ、またはそれに隣接して配置する。バリア流体63が(図1Bおよび図2Bに示すように)プロセス流体より高い圧力を有するとき、逆の圧力差がシャトル部材27を押して、シャトル制止部29から第2の位置に移動させ、それによってロータリーシールリング42の壁52に当接させる。
【００２７】
シャトル部材27は、一方の端部に形成され軸方向に配置された外側部分27a、および軸方向外側部分27aより細い反対側の端部に形成された軸方向に配置された内側部分27bを有する担持要素(carrier element)を備える。シャトル部材27の軸方向外側部分27aは、ロータリーシールリング42の段差49の外径より僅かに大きい内側表面45Aによって規定される内径を有し、軸方向外側部分27aがロータリーシールリング42の段差49の上に重なるように、スタッフィングボックス18の内径より僅かに小さい外側表面45Bによって規定される外径を有する。第1の溝32は、シャトル部材の内側表面45A上に形成される。具体的には、溝は、軸方向外側部分27a内に形成され、プロセス流体をシール内のバリア流体から封止する第3のシール要素すなわちOリング35を受ける。表面または段差23は、軸方向外側部分27aの内径に対して大きくなった内径を有し、シャトル部材27の前面壁21の反対側のシャトル外側部分の側面上の軸方向内側に面する壁53を画成して、軸方向外側部分27aから軸方向内側に設けられる。シャトル部材27の軸方向内側部分27bは、フランジ26の外径よりも僅かに大きい内径と、スタッフィングボックス18の内径よりも僅かに小さい外径とを有し、軸方向内側部分27bがフランジ26の上に重なりそれに対して封止するようになる。シャトル部材は、軸方向内側部分27bの内側表面上に形成された第2の溝33を備え、その溝は、プロセス流体をメカニカルシール10内のバリア流体から封止する第4のOリング37を着座させる。
【００２８】
図1Aから図2Bを再び参照すると、第1のシール部材の第1の組のロータリーシールリング42は、その非シール面または後ろ側面上に、ほぼ径方向に延在するピストン領域A,Bを画成する。ピストン領域は、シール面46,58の接触領域全体と径方向に整列し、シール面46,58の総接触領域より小さく、それぞれのピストン領域は、接触面積の大部分と等しい、予め定められた固定面積である。両方のピストン領域は、シールリングの外径から径方向内側に延在し、第1のロータリーシール部材42の内側周面と流体連通する。第1ピストン領域Aは、第2ピストン領域Bの径方向外側に配置され、プロセス流体19がシール面46の径方向外側部分上に圧力を働かせることができるようにする。第2ピストン領域Bは、バリア流体63がシール面46の径方向内側部分上に圧力を働かせることができるようにする。径方向外側のピストン領域Aは、プロセス流体用のピストン領域として働き、径方向内側のピストン領域Bはバリア流体用のピストン領域として働く。第1のロータリーシール部材42およびシャトル部材27は、協働して、どちらの流体がより高い圧力を有するかに応じて、プロセス流体が第1ピストン領域Aを介して第1のシール面上に圧力を働かせるか、またはバリア流体が第2ピストン領域Bを介してシール面46,58上に圧力を働かせることができるようにする。それぞれのピストン領域は、流体のうちの1つからシール面の第1の組に向けて正味圧力を伝達する。それぞれの圧力状態において、シール面領域の選択された領域は、ピストン領域のうちの1つに加えられるまたはその領域の上に働く閉鎖圧に曝される。好ましい実施形態によれば、シール面領域の約70%は露出している。
【００２９】
例としては、図1Aおよび図2Aに示すように、シャトル部材27がシャトル制止部29に当接すると、シャトル部材27の前面壁21が、シール面46の反対側に、第1ロータリーシールリング42の軸方向内側に面する壁52から軸方向に間隔を置いて配置され、その間に流体アクセスを可能にし、したがって壁52上にピストン領域Aを形成する。ピストン領域Aは、シール面46の径方向の最も外側の縁部と段差49の間により画成されまたはその間の長さとされる。ピストン領域Aはプロセス流体からの力に曝され、その力は、径方向に延びる壁52に、さらにシール面46に加えられまたは伝達される。力の矢印は、少なくともプロセス流体19によって発生させられピストン領域Aに加えられる閉鎖力を例示的に表す(図2A)。
【００３０】
図1Bおよび図2Bに示すように、シャトル部材27がロータリーシール部材42に当接すると、シャトル部材27の段差壁53およびロータリーシールリングの端部上の軸方向内側に面する壁44はシール面46の反対側にピストン領域Bを形成する。より詳細には、ピストン領域Bは、シール面46の径方向で最も内側の縁部とシャトルの内側面45Aの間によって画成されまたはその間の長さとされる。バリア流体63は、シール面46のピストン領域B上のシールリングに力を加える。力の矢印は、少なくともバリア流体によって発生させられピストン領域Aに加えられた閉鎖力を例示的に表す(図2B)。シャトル部材27は、シール面の接触の維持を助けるためにこの位置に配置されると、シールリング42にまたはシールリングに対して、付勢力または閉鎖力を発生させまたは加える。ピストン領域AおよびBの寸法は、シールリング42の段差49の径方向延長およびシャトル部材27の表面45Aを調整することによって変えることができる。
【００３１】
固定シールリング54は、ロータリーシールリング42の軸方向外側に設けられる。固定シールリング54は、比較的広いシール部56を有し、そのシール部に相応した広い、軸方向内側に面するシール面58を有する。広いシール部分56は、スリーブ20の外径よりもやや大きい内径から、スタッフィングボックス18の内径よりも僅かに小さい外径まで延在する。固定シール部材54のシール部分56の外側に、第2のシール部分55が、シール部56の外径に対して相対的に小さくなった外径で段差60によって画成され、シール面58の反対側のシール部56の後部側面上に軸方向外側に面する壁62を画成する。
【００３２】
好ましい実施形態によれば、固定シール54は炭化珪素から製造され、ロータリーシール部材42は炭素から製造される。当分野の技術者は、シール部材がその他の好ましい材料で形成されてもよく、炭素および/または炭化珪素に限られないことを理解するであろう。
【００３３】
図1Aおよび図1Bを再び参照すると、第2の組のシール部材42'および54'は第1の組のシール部材の方向と同様な方向で第1の組のシール部材42および54から軸方向外側に設けられる。第2ロータリーシールリング42'は、第1ロータリーシールリング42と同様であり、その対応する部分は、上付きのプライム符号を付した同じ参照番号によって示されている。ロータリーシールリング42と第2ロータリーシールリング42'の間の違いは、シール面46'の反対側でシール部48'の側面上に軸方向内側に面する壁52'である。第2ロータリーシールリング42'の軸方向内側に面する壁52'は、2つの段差49aおよび49bを備え、それによって、シール面46'と反対側で2つの軸方向に間隔を置いて配置された内側に面する壁52a'および52b'ができる。図示のように、スリーブ20は少なくとも第2の回転シールリング42'の一部分の上に重なるように設計されている。スリーブ20および段差49bは溝32'を形成し、その溝は大気または外部環境からシール内のバリア流体を封止するOリング35'などのシール要素を受ける。
【００３４】
同様に、第2ロータリーシールリング42'の軸方向外側に配置されて、第1固定シールリング54と実質的に等しい第2固定シールリング54'が設けられ、また、シール面58'が第2ロータリーシールリング42'のシール面46'に接触する。第2固定シールリング54'の各部分は、第1の固定シール部材54の対応する部分と同じ参照番号で上付きプライム符号を付して示されている。
【００３５】
メカニカルシール10は、好ましくは、1つまたは複数のシール構成要素を収容し、流体通路を提供するパッキン押さえ90を備え、その流体通路を通ってバリア流体が第1のおよび第2の組のシール部材の少なくとも1つに導かれる。バリア流体は、シール面上の熱応力効果を低下させるためにシール面から熱を伝え、さらにシール面を横切ってプロセス流体の通路ができないように防ぐのを助ける。パッキン押さえ90は、固定ハウジング14の中央に位置決めされ、そこに固定される。パッキン押さえは、内側表面41を有し、その表面はスリーブの外側表面51から径方向に間隔を置いて配置され、バリア流体用のチャンバ65を画成する。パッキン押さえ90は、プロセス流体が漏洩しないようにするために、シール構成要素を収容するための従来の溝を備えることができる。特に、図示のパッキン押さえ90は、インボード側端部すなわちハウジング14に向かう端部のところに配置された溝94を備え、その溝は、ハウジング14と面する係合状態で配置された比較的平らなガスケット96を着座させるように寸法を決められ設計されている。さらに、図示のパッキン押さえ90は、溝97に着座したOリング95を含む。図示のガスケット96は、プロセス流体がハウジング14とメカニカルシール10の間で漏洩するのを防ぐ。図示のOリング95は、バリア流体の漏洩を防止する。
【００３６】
別の実施形態によれば、パッキン押さえ90は、1組のほぼ等しいパッキン押さえセグメント有し、またはいくつかのパッキン押さえセグメントの組立体を備える。
【００３７】
図示のパッキン押さえ90は、さらに、そこから外側に延び、パッキン押さえおよびシール組立体をポンプハウジング14に装着するための複数のボルトタブ38を備えてもよい。ボルトタブは、一体に形成された挿入タブ突起部を有する本体を有し、その突起部は、パッキン押さえ90の外側表面上に形成された環状のチャネル内に装着するようになされている。ボルトタブ38の角度位置は、チャネル内のタブ突起部を摺動させることによって調整することができる。ボルトタブ38は、装着ボルト(図示せず)をタブのうちの隣接するタブの間に着座させることによってメカニカルシールをハウジング14に固定するのを助ける。使用に際しては、取り付けボルトは、1対の隣接するボルトタブの間に挿入される。ボルトタブ38は、本発明と同じ譲受人に譲渡され、本明細書中に参照によって組み込まれた米国特許第5,209,496号にさらに詳細に記載されている。
【００３８】
パッキン押さえ90は、さらに、パッキン押さえの内側表面および外側表面の間に形成されたフラッシュポート110を備える。フラッシュポート110は、好ましくは、パッキン押さえ90とスリーブ20の間に形成されたチャンバ65と、外部環境またはそれに連結された選択された流体供給源との間で連通できるようにする。フラッシュポート110は、選択されたいかなる形状も有することができ、適切ないかなる流体管路にも容易に連結できるようにするために好ましくは、ねじ山が付けられる。フラッシュポート110は、チャンバ65にバリア流体63を導くために使用してもよい。
【００３９】
図示のように、パッキン押さえ90は、第1固定シールリング54と共に第1の溝91を形成し、第2固定シールリング54'と共に第2の溝91'を形成する。溝91,91'は、それぞれOリング93,93'を受け、それによってパッキン押さえ90と固定シールリング54,54'との間にシールをもたらす。溝76内に装着されたOリング78、Oリング35'およびOリング93'は、全て、バリア流体を大気圧から封止するのを助ける。
【００４０】
ロックリング66は、その外側端部でスリーブ20上に装着され、スリーブ20をシャフト12に機械的に結合する。ロックリング66は、シール組立体をそれと一緒に回転できるようにシャフト12に固定する留め具を受けるための孔と整列するねじ付きの孔を有する、径方向に拡大された外側端部を備えてもよい。ロックリング66の拡大された端部は、ポンプ内に組立てる前にシール構成要素を軸方向に配置させるようになされた円筒形の端部を有するねじ付きの留め具を受けるための、スリーブ20内の孔と整列するねじ付きの孔も有する。
【００４１】
動作に際しては、スリーブ20は、シャフト12と共に回転し、第1のロータリーシールリング42および第2のロータリーシールリング42'、ならびにロックリング66およびシール10のその他の回転可能な要素をそのスリーブで担持する。固定シール部材54,54'は、パッキン押さえ90に係合するラグによって固定位置に保持される。プロセス流体は、シール部材42,54の外径と、スタッフィングボックス18の内径との間で移動する。バリア流体は、チャンバ65を通って循環する。相対的に回転可能なシール面46,58は、固定/ロータリー接合面でプロセス流体を封止し、Oリング81は、プロセス流体が固定シール部材54を超えて通過しないように封止する。第2のシール部材の相対的に回転可能なシール面46',58'は、バリア流体をシール10内に封止する。
【００４２】
図2Aに示すように、プロセス流体圧がバリア流体圧より高いとき(通常動作または正の圧力状態)、圧力差によって生じる正味圧力がシャトル部材27をシャトル制止部に向かって押し、シャトル部材がシャトル制止部29に当接するようになる。プロセス流体は、ピストン領域A上に圧力を働かせ、それによって閉鎖力をロータリーシール面46に伝え、ロータリーシールリング42と固定シールリング54の間が液密に封止されるようにする。ピストン領域Aは、第1のシール部材42上の段差49の固定外径とロータリーシール面46の固定外径との間を延びる。
【００４３】
バリア流体圧がプロセス流体圧より高いとき(逆動作または負の圧力状態)、バリア流体は、図2Bに示すように、シャトル部材27をシールリング42に向かって押し、シャトル部材27の前面壁21が第1ロータリーシールリング42の軸方向内側に面する壁52に当接するようになる。バリア流体は、ピストン領域B 上に圧力を働かせ、それによって閉鎖力をロータリーシール面46に伝え、ロータリーシール部材42と固定シール部材54の間を液密に封止するようにする。ピストン領域Bは、シール面46の固定内径から移動可能なシャトル部材27上の段差23の固定内径まで延在する。
【００４４】
Oリング35は、どちらの流体の圧力がより高いかに応じて、溝32内で自由に動く。このように自由に動けることで、ピストン領域が容易に形成され、シール面に容易に閉鎖力が加えられる。
【００４５】
一般に、大気より高い圧力を有するバリア流体は、第2シール面46',58'を共に付勢する(図1Aおよび図1Bに示す)ために、第2ロータリーシールリング42'上のシール面46'の反対側の壁52a',52b'によって画成されるピストン領域A'上に圧力を働かせる。
【００４６】
それぞれのピストン領域は、関連する壁または複数の壁がシール面の接触領域の上に重なる範囲によって画成される。二重釣り合い式のシール組立体では、通常の動作状態でシール面上に働く閉鎖力が、逆動作状態でシール面上に働く閉鎖力に等しくなることが好ましい。それぞれの圧力状態に対するピストン領域は、シール面46,58の望ましい接触領域の割合を達成するように設計することができる。好ましくは、ピストン領域Aは、シール面46,58の接触領域の50%と100%の間に等しい。さらに好ましくは、ピストン領域は、シール面46,58の接触領域の約60%と約80%の間であり、最も好ましくは約70%である。パッキン押さえ90のポート110を通過して入るバリア流体は、シール面46,58ならびに、溝32,33および91内でそれぞれOリング35,37および93によってプロセス流体から封止されている。バリア流体は、チャンバ65を通過し、ピストン領域BおよびA'のところでシール面46および46'からロータリーシール部材42,42'の反対側面上の壁52,52'上に圧力を働かせる。こうしたピストン領域は、それぞれ、シール面46,58および46',58'の接触領域の約50%と100%の間、好ましくは約60%と約80%の間、または最も好ましくは約70%を占める。
【００４７】
有利なことには、シール面の接触面積は、Oリングの寸法によって制限されず、したがってOリングには依存せず、熱の発生を最小限に抑えるために実現可能な限り小さく設計することができる。プロセス流体およびバリア流体からの圧力がそれぞれ加えられる、ロータリーシール部材42,42'のピストン領域A,A'は、それぞれ、プロセス流体からの圧力が加えられる固定シール部材54と接触するシールリング42が面する領域よりやや小さくすることができる。本発明の例示の実施形態のシールは、標準動作状態の下での動作か逆動作状態の下での動作かにかかわらすシール面上に正味の閉鎖力を常に生み出す。
【００４８】
さらに、移動可能なシャトル部材およびロータリーシール部材42の間の境界面は、汚れのない面である。その結果、移動可能なシャトル部材27は、汚れた面の上を摺動せず、それによって、シャトル部材上の磨耗がかなり減少し、長い期間の後、移動が妨げられるのが防止される。
【００４９】
図3Aおよび図3Bは、固定ハウジング14を回転シャフト12に装着するための、本発明の別の実施形態によるメカニカルシール組立体100を示す。図3Aおよび図3Bのメカニカルシール組立体100は、パッキン押さえ90内に収容されるが、当分野の技術者は、シール組立体100はパッキン押さえ90に対して適切などの位置に配置されてもよいことを理解するであろう。図3Aおよび図3Bに示すように、相対的に回転可能な第2の組のシール部材すなわちリング460'および540'は、シール100内の相対的に回転可能な第1の組のシール部材460および540から径方向内側に間隔を置いて配置されている。図3Aでは、プロセス流体はバリア流体よりも高い圧力を有し、図3Bでは、バリア流体はプロセス流体よりも高い圧力を有する。
【００５０】
メカニカルシール組立体100の対応する要素は、図1Aおよび図1Bに示すメカニカルシール組立体10と同様な設計になっている。たとえば、回転シールリングは、図1Aおよび図1Bのメカニカルシール10のロータリーシールリングと実質的に同じ設計であるが、互いに対する相対的な位置が異なって配置されている。
【００５１】
メカニカルシール100は、ロータリースリーブ200のフランジ260および第1の回転シール部材460の上に重なり、それに対して封止する移動可能なシャトル部材270を備える。シャトル部材270は、実質的にシャトル部材27に等しい。図1Aから図2Bに対して説明したシャトル部材27と同様に、シャトル部材270は、圧力状態の変化に応答して、シャトル制止部290と第1の回転シール部材460の後ろ表面520との間で摺動する。シャトル部材270は、シール面480,580を共に付勢するためのピストン領域A1,B1を画成し露出させる。
【００５２】
図3Aに示すように、プロセス流体圧がバリア流体圧よりも高いとき、移動可能なシャトル部材270は、シャトル制止部290に向かって押されそこに当接する。シャトル部材の前面壁210は第1の回転シール部材460の後面壁520から間隔を置いて配置され、プロセス流体をその間に受け入れ、したがってピストン領域A1を画成する。プロセス流体は、ピストン領域A1を介して、シール面480,580上に閉鎖圧力を働かせる。
【００５３】
図3Bに示すように、バリア流体圧が、プロセス流体圧より高いとき、シャトル部材270の両端間の圧力差がシャトル部材を前方に押し、シャトル部材の前面壁210が第1の回転シール部材420の後ろ壁520に当接するようになる。シャトル部材は、ピストン領域B1を壁440および530上に画成し、その領域は閉鎖力をシール面460および580に移す。より高い圧力のバリア流体は、ピストン領域B1上に力を働かせ、その力はシール面に移る。ピストン領域A1,A1'およびB1は、それぞれのシール面の接触領域の約50%と約100%の間、好ましくは約60%と約80%の間、および最も好ましくは約70%を占める。
【００５４】
図4Aおよび図4Bは、固定ハウジング14を回転シャフト12に装着するための、本発明の別の実施形態によるメカニカルシール組立体1000を示す。図4aおよび図4bのメカニカルシール組立体1000では、相対的に回転可能な第2の組のシール部材4200'および5400'は、相対的に回転可能な第1の組のシール部材4200および5400から径方向内側に間隔を置いて配置されている。図4Aでは、プロセス流体は、バリア流体より高い圧力を有し、図4Bでは、バリア流体はプロセス流体より高い圧力を有する。
【００５５】
図示のように、メカニカルシール組立体1000は、バリア流体とプロセス流体の間に流体シールをもたらすための、相対的に回転可能な第1の組のシール部材を備える。メカニカルシール組立体1000は、相対的に回転可能な第1の組のシール部材と軸方向に整列し、そのシール部材から径方向内側に配置された、相対的に回転可能な第2の組のシール部材4200'および5400'を備える。シール組立体は、さらに、シャフトに連結され、フランジ2600と、溝2200内でプロセス流体がシャフトに沿って通過しないように封止するための第1のOリング2400とを備えるスリーブ2000、および固定ハウジング14に連結され、溝9500内でパッキン押さえをハウジングに対して封止するためのガスケット9600を備えるパッキン押さえ9000を備える。シール組立体は、さらに、初期の付勢力を第1のシール面4600,5800、ならびに第2のシール面4600'および5800'上それぞれにもたらすための第1ばね98および第2ばね99を備える。
【００５６】
移動可能なシャトル部材2700は、シャトル部材2700用の制止部を画成するフランジと第1の回転シール部材4200の間に配置される。シャトル部材2700は、シャトル部材27および270と異なる設計になっている。図示のシャトル部材2700は、第1端部部分270を有する担持要素を備え、その支持要素は、シール要素2704を着座させる溝2702を有する。シャトル部材は、スリーブ2000のフランジ部内に配置されるような形状にされた第2の後方部2712も備える。
【００５７】
移動可能なシャトル部材は、シール1000の圧力状態に応じて、ピストン領域A2またはB2を画成する。シャトル部材2700は、本体2701、軸方向前方部分2702、および本体と軸方向前方部分を連結するネック2703を備える。スリーブは、2つのアーム2001および2002を備える。第1アーム2001は、本体2701の外側表面に対して封止するOリング2006を有する溝2005を備える。第2アーム2002は、第2のロータリーシール部材4200'に対して封止するOリングを有する溝2007を備える。シャトル部材2700の軸方向前方部分2702は、シール組立体1000内のプロセス流体をバリア流体から封止するOリング2711を有する溝2710を備える。
【００５８】
図示のように、プロセス流体圧がより高いとき、移動可能なシャトル部材2700が第1アーム2001に当接し、それによって、プロセス流体が、第1のロータリーシール部材4200の軸方向内側に面する壁5200とシャトル部材2700の前方表面との間の空間に入り、壁5200で画成されシール面の接触領域の50%と約100%の間を占めるピストン領域A2上に圧力を働かせることができるようにする。バリア流体圧がより高いとき、移動可能なシャトル部材が第1のロータリーシール部材の軸方向内側に面する壁5200に当接する。移動可能なシャトル部材の軸方向内側に面する壁2750は、バリア流体からシール面に力を伝えるピストン領域B2を画成する。ピストン領域B2は、好ましくは、シール面の接触領域の約50%と約100%の間である。ピストン領域A2およびB2は好ましくはシール面の接触領域の約60%と80%の間を含み、より好ましくはシール面の接触領域の約70%を占める。
【００５９】
図5に示すように、本発明の別の実施形態によれば、たとえば、メカニカルシールがロータリーシールリングに隣接して配置されたシャトル部材を備え、圧力状態に応答してピストン領域を画成する。図5では、メカニカルシール10000が、シャフトに回転可能に結合されたスリーブ20000を備え、そのシャフトは、メカニカルシール10000のロータリー要素を保持する。第1の回転可能なシールリング42000が、Oリング35000およびピン36000、またはその他の適切な手段を使用してスリーブ20000上に装着されている。第1の固定シールリング54000は、固定パッキン押さえ構成要素90000に連結され、封止された境界面をもたらすために第1のロータリーシールリング42000に係合する。第2のまたはアウトボード側のシールを形成する第2のまたはアウトボード側の組の第1のシール部材は、シールリング42000'および54000'を備える。第2のシールリング42000'および54000'は、付加的な封止をもたらすために、互いに付勢されて封止する位置関係になるシール面を有する。第1および第2の組の第1のシール部材は、デュアルまたはタンデムメカニカルシールを形成する。移動可能なシャトル部材27000は、シール10000内の異なる圧力状態に応答して、第1のシールリング42000および54000のシール面上にそれぞれ異なるピストン領域を画成するために、第1の固定シール部材5400と共に設けられる。
【００６０】
図示のように、シャトル部材27000は、パッキン押さえ90000内に挿入されたピン90027を受けるための軸方向穴27001を備える。ピン90027は、シャトル部材27000が圧力状態の変化に応答して、軸方向に摺動できるようにしながら、シャトル部材27000の回転の動きを防止する。シャトル部材27000は、好ましくは、第1の固定シール部材の軸方向に延びる表面54027に係合するための溝に配置されたOリング2710を備える。図5に示す実施形態では、シャトル部材27000の軸方向内側部分は、異なる圧力状態に応答して、固定シールリング54000の軸方向外側部分の上の軸方向に延びる表面54027を横切って摺動する。
【００６１】
たとえば、通常の動作状態の下で、プロセス流体圧がバリア流体圧よりも高いとき、プロセス流体は、シャトル部材27000を固定シール部材54000に対する第1の位置に押して第1ピストン領域を露出させる。第1ピストン領域は、シール面を共に付勢するために、プロセス流体から第1のシール部材の上の係合されたシール面に閉鎖力を移す。逆動作状態の下で、バリア流体圧がプロセス流体圧より大きいとき、バリア流体は、シャトル部材を固定シール部材に対して第2の位置に押し、シール面を共に付勢するために第2のピストン領域を露出させる。
【００６２】
シャトル部材27000は、第1の位置と第2の位置の間でシャトル部材が容易に摺動するように、ばねで付勢されてもよい。
【００６３】
図5に示す実施形態では、固定シール部材に結合されたシャトル部材を使用することで、第1のシール部材および第2のシール部材が同じ形状を有することが可能になる、すなわちシール部材形状は、シャトル部材を収容可能にするために修正する必要はない。同じ形状の第1のシール部材および第2のシール部材を有することができることによって、メカニカルシールの貯蔵、組立および修理が容易にできるようになる。
【００６４】
本発明は、様々な圧力状態を通じて、逆圧力の下でも、第1のシール部材の後部上にピストン領域を画成する移動可能なシャトル部材を使用する。メカニカルシールは、選択されたピストン領域を介してシール面上に閉鎖力をもたらすように設計されている。ピストン領域は、全ての圧力状態に対して一定を保ち、一般にシール面の接触領域よりも小さい。
【００６５】
本発明は、従来技術の二重釣り合いシールに勝るかなりの利点をもたらす。本発明のメカニカルシールは、圧力変動した、またはシールされた液体内の圧力が反転したときにもそれとは無関係に、シール面上の正味閉鎖力を維持する。閉鎖力は、Oリングの寸法、形状、および位置には依存しない。さらに、シール面を付勢するために、シャトル部材は、汚れのない表面の上を摺動し、それによって、目詰まりを低減させ、性能を向上させ、シールの動作寿命を延ばす。
【００６６】
本発明を例示の実施形態に対して述べてきた。本発明の範囲から逸脱せずに上記の構造に何らかの変更を加えることができるが、上記の説明に含まれ、または添付の図面に示される全ての事柄は、限定の意味ではなく例示のものとして解釈されることが意図されている。
【００６７】
添付の特許請求の範囲は、本明細書に記載された本発明に属し本発明に特有の全ての特徴を包含し、本発明の範囲の記載の全ては、言葉の性質として、その間に収まるということができることも理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１Ａ】シール内のプロセス流体がバリア流体圧よりも高い圧力を有する、すなわち、正すなわち標準の圧力状態にある、本発明の例示の実施形態によるメカニカルシールの断面図である。
【図１Ｂ】バリア流体圧がプロセス流体圧よりも高い、すなわち、逆すなわち負の圧力状態にある、図1Aのメカニカルシールの断面図である。
【図２Ａ】図1Aの断面図の一部分の断片の拡大図である。
【図２Ｂ】図1Bの断面図の一部分の断片の拡大図である。
【図３Ａ】シール内のプロセス流体がバリア流体圧より高い圧力を有する、すなわち、正すなわち標準の圧力状態にある、本発明の別の実施形態によるメカニカルシールの断面図である。
【図３Ｂ】バリア流体圧がプロセス流体圧より高い、すなわち、逆すなわち負の圧力状態にある、図3Aのメカニカルシールの断面図である。
【図４Ａ】シール内のプロセス流体がバリア流体圧より高い圧力を有する、本発明の別の実施形態によるメカニカルシールの断面図である。
【図４Ｂ】バリア流体圧がプロセス流体圧より高い、図4Aのメカニカルシールの断面図である。
【図５】固定シールリングに隣接して配置されたシャトル部材を有する、本発明のメカニカルシールの別の実施形態の側面断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
10  メカニカルシール
12  ポンプシャフト
13  第1の軸
14  ポンプハウジング
18  スタッフィングボックス
19  プロセス流体
20  スリーブ
21  前面壁
22  第1の溝
23  表面または段差
24  Oリング
26  フランジ
26A  外側径方向壁
27  シャトル部材
27a  軸方向外側部分
27b  軸方向内側部分
28  壁
29  シャトル制止部
32,32'  溝
33  第2の溝
35,35',37  Oリング
38  ボルトタブ
41  内側表面
42,42'  ロータリーシールリング
44  第2の壁
45A  内側表面
45B  外側表面
46,46'  シール面
48,48'  シール部
49,49a,49b  段差
52  第1の壁
52',52a',52b',53  壁
54  第1固定シールリング(固定シール部材)
54'  第2固定シールリング(固定シール部材)
55  第2シール部分
56  シール部分
58,58'  シール面
60  段差
62  壁
63  バリア流体
65  チャンバ
66  ロックリング
76  第2の溝
78,81  Oリング
90  パッキン押さえ
91,91'  溝
93,93'  Oリング
94  溝
95  Oリング
96  ガスケット
97  溝
98  第1ばね
99  第2ばね
100  メカニカルシール組立体
110  フラッシュポート
200  ロータリースリーブ
210  前面壁
260  フランジ
270  シャトル部材
290  シャトル制止部
440  壁
460  シール部材
460'  シール部材すなわちリング
480  シール面
520  後ろ表面
530  壁
540  シール部材
540'  シール部材すなわちリング
580  シール面
1000  メカニカルシール組立体
2000  スリーブ
2001  第1アーム
2002  第2アーム
2005  溝
2006  Oリング
2007,2200  溝
2400  第1のOリング
2600  フランジ
2700  シャトル部材
2701  本体
2702  溝
2703  ネック
2704  シール要素
2710  溝
2710,2711  Oリング
2712  第2の後方部
2750  壁
4200  第1の組のシール部材
4200'  第2の組のシール部材
4600  シール面
5200  壁
5400  第1の組のシール部材
5400'  第2の組のシール部材
5800  シール面
9500  溝
9600  ガスケット
10000  メカニカルシール
20000  スリーブ
27000  シャトル部材
27001  軸方向穴
35000  Oリング
36000  ピン
42000  主要な回転可能なシールリング
42000'  二次的なシールリング
54000  主要な固定シールリング
54000'  二次的なシールリング
54027  表面
90000  固定パッキン押さえ構成要素
90027  ピン
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【図５】
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