(57)【要約】この発明は、リング状の封止間隙部の半径方向についての内方に面する外側制限面と、上記封止間隙部の半径方向についての外方に面する内側制限面との間に配設されるシール装置に関する。かかるシール装置は封止リング（４）によって特徴づけられ、該封止リングは、上記封止間隙部（１６）の一方の制限面（１４）に対してぴったりと位置する封止面（８）と、半径方向について上記封止面（８）と逆向きに位置し封止リング（４）の側部にある、上記封止間隙部（１６）の他方の境界面（４０）と共に楔形の断面形状を有する中間チャンバを形成する接触面（３８）とを備えている。上記シール装置は、また、封止面（８）に圧力を加えるために、上記中間チャンバ内で、予圧要素（２４）により少なくとも断続的に、上記封止間隙部（１６）の他方（４０）の制限面と接触面（３８）とに予圧を加える押圧カラー（６）によって特徴づけられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の封止間隙部の半径方向についての内方に面する外側境界面と上記封止間隙部の半径方向についての外方に面する内側境界面との間に配設されるシール装置であって、
上記封止間隙部（１６）の一方の境界面（１４）を封止するように押圧する封止面（８）と、半径方向について上記封止面（８）と逆向きの関係にあって封止リング（４）の側部に位置し、上記封止間隙部（１６）の他方の境界面（４０）と共に断面形状が楔形の中間スペースを形成する圧力面（３８）と、を有する封止リング（４）と、
付勢手段（２４）により少なくとも時々、上記中間スペース内に向かって、上記封止間隙部（１６）の他方の境界面（４０）と、封止面（８）を封止間隙部（１６）の一方の境界面（１４）に押し付ける圧力面（３８）と、に対し付勢される圧力リング（６）と、
を備えたことを特徴とするシール装置。
【請求項２】
上記付勢手段は、加圧状態でシール装置（２）の片側（２４）にあって上記圧力リング（６）を押圧する流体（２４）である、ことを特徴とする請求項１記載のシール装置。
【請求項３】
上記圧力リング（６）は、
半径方向についての外方に向いた円筒周縁表面の形状で、上記封止間隙部（１６）の他方の境界面（４０）に対して付勢される外側作用面（４０）と、
半径方向についての内方に向いた円錐周縁表面の形状で、相補的な円錐周縁表面の形状をなす封止リング（４）の圧力面（３８）に対して付勢される内側作用面（３８）と、
軸方向に向いた環状の面の形状で、それに対して付勢手段（２４）が付勢される付勢面（３６）と、
を有していることを特徴とする先行する請求項の何れか一に記載のシール装置。
【請求項４】
上記付勢面（３６）は凹状であることを特徴とする請求項３に記載のシール装置。
【請求項５】
上記封止面（８）は、半径方向に突き出す２つの封止リップ部（１０）であって、上記封止リング（４）内において両者間に溝部（１２）を囲む封止リップ部を備えている、ことを特徴とする先行する請求項の何れか一に記載のシール装置。
【請求項６】
上記封止リップ部（１０）及び溝部（１２）を通る断面はそれぞれ円弧形状であることを特徴とする請求項５記載のシール装置。
【請求項７】
上記封止リップ部（１０）及び溝部（１２）を通る断面は定常的な波線状であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のシール装置。
【請求項８】
上記封止間隙部（１６）の一方の境界面（１４）は円形シリンダ状の内側部品（１８）の周縁表面であり、上記封止間隙部（１６）の他方の境界面（４０）は、外側部品（２０）内の円筒状ボア部（１６）の半径方向についての内方に面した表面である、ことを特徴とする先行する請求項の何れか一に記載のシール装置。
【請求項９】
上記内側部品（１８）は上記ボア部（１６）を通って往復動作することを特徴とする請求項８記載の部品を有するシール装置。
【請求項１０】
流体（２４）が加圧状態でシール装置（２）の片側（２４）にあり、上記シール装置（２）の他方には、上記内側部品（１８）の周縁表面（１４）に対して隙間嵌めされた上記ボア部（１６）の壁部に、環状の流体貯留溝（３２）が設けられている、ことを特徴とする請求項９記載のシール装置。
【請求項１１】
上記シール装置、特に封止リング（４）は、形状に関して安定した、特にプラスチック材を含むコア部を有している、ことを特徴とする先行する請求項の何れか一に記載のシール装置。
【請求項１２】
形状に関して安定した上記コア部は、実質的に上記圧力リング（６）又は封止リング（４）の形状で、封止材料で被覆されている、ことを特徴とする請求項１１記載のシール装置。
【請求項１３】
流体を輸送するためにピストン内で変位可能なシリンダと、上記シリンダの内壁部と上記ピストンの外壁部との間に配設された先行する請求項の何れか一に記載のシール装置と、を有するピストン装置。
【請求項１４】
海水及び／又は高濃度の塩水を輸送するために、上記請求項１３記載のピストン装置を有する海水淡水化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、環状の封止間隙部（シーリングギャップ：sealing gap）の半径方向についての内方に面する外側境界面と、上記封止間隙部の半径方向についての外方に面する内側境界面との間に配設される封止装置（シール装置：seal）に関する。
【０００２】
環状の間隙部を封止するシール装置は、科学技術分野とりわけ機械工学分野で、極めて幅広く変化する幾何学的および実用上の形状において必要とされる。従って、かかるシール装置について極めて幅広く変化する構造的な形態が、用意された標準部品の形式、標準化された形態と同等の形式も含めて、技術の状態で知られている。公知の環状シール装置の最も単純な形式の一つは、ゴム（ラバー：rubber）製のオーリング（"o"-ring）である。実質的により複雑な構造の或るものは、例えば、外側の基底部（シート：seat）としての金属製リングと半径方向についての内方に面するゴム製の封止リップ部（シーリングリップ：sealing lip）とを備えた封止要素（シーリングエレメント：sealing element）である、軸封リング（シャフトシーリング・リング：shaft sealing ring）として知られている。この種の軸封リングは、例えば、回転軸がそこから延びる変速機の収納箱（ハウジング：housing）を封止する働きをする。その目的のために、軸が挿通されるハウジングのボア部（bore）内に金属製リングが嵌合され、封止リップ部は、できるだけ滑らかな壁面を境界としている軸の円形シリンダ状の周縁表面を押圧する。とりわけ、封止リップ部が幾何学的に尖った端部まで半径方向についての内方へ傾斜している事実のおかげで、封止リップ部と軸表面との接触面領域は、軸周りの環状の線にまで減少させられる。
【０００３】
このデザイン形状は、例えば、上記ハウジング内部にあってハウジングからの漏洩が阻止されるべき変速機オイル（oil）の場合において、シール装置が封止リップ部下に潤滑油膜を形成することにより、軸が高速で回転できるようにする。周知のように、接触面領域における動圧状態が、封止リップ部の直下を通ってオイルが外方へ通過しないようにする。更に、特にフェルト（felt）製のリングは、回転するだけでなく、上記ボア部を通る直動運動を伴って動作する部品周りの環状の間隙部を密封するものとして知られている。
【０００４】
とにかく、動作する部品に対して封止するシールの形式では、例えば付着物や圧力により、特に、また、摩損（アブレイシブウェア：abrasive wear）や疲労のために、摩耗したり損傷を被る惧れがあり、それらは、接触面領域での封止エレメントのエロージョン（erosion）をもたらし、一方では、シール装置が相補的な部品を押圧する付勢力の低下をもたらし、他方では、シール装置の開きや裂け目をも招く。従って、シール装置の摩耗は、その作動寿命を制限し、当該シールを部品とする装置がより長い使用寿命を有する場合には、シール装置の取り換えを必要とせしめる。
【０００５】
以上に照らして、本発明の目的は、使用寿命が向上させられたシールを提供することである。
【０００６】
本発明によれば、かかる目的は、請求項１の特徴を有するシールによって達成される。本発明の好ましい形態は、従属請求項に列挙されている。
【０００７】
本発明によれば、環状の封止間隙部を封止するシール装置は、封止リング，付勢手段および圧力リングを備えている。上記封止リングは、封止間隙部の境界面を封止するように押圧する封止面を有している。本発明に従えば、これは、封止間隙部の半径方向についての内方に面する外側境界面、または上記封止間隙部の半径方向についての外方に面する内側境界面であり得る。
封止間隙部の他方の境界面（すなわち、内側または外側境界面）と共に、上記封止リングの圧力面は、半径方向について上記封止面と逆向きに位置する側に、断面形状が楔形の中間の空間部（中間スペース：intermediate space）を形成する。圧力リングは、付勢手段によりそこへ向かって付勢され、特に楔形の中間スペースを形成する面に対して、楔形形状に傾斜する中間スペースに向かって付勢され、その結果、圧力リングは、中間スペースを離れて付勢し、上記封止リングを、その封止面が封止間隙部の（外側または内側）境界面を封止するように押圧する。
【０００８】
この場合、圧力リングは、例えば単に円形もしくは矩形の断面または断面成分のものであっても良く、また、例えば単に付勢手段としてのバネ状のリング（スプリングリング：spring ring）によって楔形の中間スペース内へ押圧されるものであっても良いが、好ましい圧力リングは、実質的に三角形の断面形状、特に、半径方向についての外方に向いた円筒周縁表面の形状をした外側作用面と、半径方向についての内側に向いた円錐周縁表面の形状をした内側作用面と、軸方向に向いた環状の面の形状でそれに対して付勢手段が付勢される付勢面と、で形成される実質的に三角形断面の形状をした圧力リングである。
【０００９】
上記付勢手段は、好ましくは、シール装置の片側で加圧状態にある流体であり、また、それは、例えば、本発明に係る封止装置およびその構造的なスペースに関して言えば、更に密封されることのない隙間（ギャップ：gap）形状の中間スペースの形状をした、線状の連通路（ラインコミュニケーション：line communication）を介して、上記付勢手段を押圧する。その結果、軸方向に向いた環状の面の形状をした付勢面は、流体の圧力を確実に受け止め、圧力リングの各作用面に伝達することができ。上記付勢面は、好ましくは凹んだ形状のものである。本発明に係るシール装置が装着される基底部（シート：seat）の相補的に指向した、軸方向の、平坦な環状の面の場合であっても、それは、環状の圧力チャンバ（すなわち、一方では凹状の面に相当するようにして弓形に境界を定め、他方では平坦な面に相当するようにして真っ直ぐに境界を定められた小室（チャンバ：chamber））の境界を定めるものである。
【００１０】
好ましくは、そして、圧力リングの内側作用面として半径方向についての内側に向いた円錐周縁表面に相当する上述の例においては、封止リングは、圧力リングの上記内側作用面が付勢する圧力面として、相補的でありそれゆえ半径方向について外方に向いた円錐周縁表面を有しており、従って、封止面は、半径方向についての封止リングの反対側で、半径方向についての内方に面した特性のものである。
【００１１】
好ましくは、本発明に係る封止面は、半径方向に突き出す２つの封止リップ部であって、それぞれの方位により、従って、半径方向についての内方向きでも外方向きでも、例えば封止面の周縁上でビード状（bead-like）に延びる、封止リップ部を有している。２つの封止リップ部は、好ましくは、封止リング内において両者間に溝部を規定しており、その結果、封止リップ部および溝部を通る断面が、好ましくは、安定した波形の若しくは波形にうねった線の形状であり、封止リップ部および溝部を通る上記断面は、各場合において弓形形状（リップ部が凸状で溝部が凹状）であり得る。
【００１２】
本発明に係るシール装置は、ボア部を備えた外側部品と上記ボア部を通って往復動作する内側部品の間の環状の間隙部を封止するのに、特に有利に用いることができる。とりわけ、そのような使用状態に対しては、封止リングの封止面は、半径方向についての内方に面し、できるだけ滑らかに面仕上げされ有利な形態である内側部品の好ましくは円形シリンダ状の周縁表面を押圧する。そのような使用状態は、例えば、そのピストン棒（ピストンロッド：piston rod）が、内側部品として、外側部品としてのピストンハウジングを挿通するピストンに関して生じる。ここに、それらの間の環状の間隙部は、通常、圧力媒体としてピストン内に配された流体に関して、封止されなければならない。
【００１３】
本発明に従えば、ピストンの往復動作において時々、特に、各ピストンストローク動作においてパルス（pulse）状に、加圧状態とされる流体は、付勢手段として、間隙部の中間スペースを通って圧力リングの装着シート（seat）にしみ込むことができ、そこで（好ましくは、付勢面を介して）、封止リングと封止間隙部の他方の面、この使用状態においては外側部品における封止間隙部の半径方向についての内方に面する外側面、との間の楔形状の中間スペース内へ、圧力リングを付勢することができる。
【００１４】
例えば、ピストンの往復ストローク動作により、或いは封止リングの封止面上の他の摩耗の影響のために、摩損（アブレイシブウェア：abrasive wear）が生じた場合には、本発明に係るシール装置は、圧力リングについての付勢効果により、圧力リングの押圧力によって封止リングがいわばテイクアップ（take-up）調整を享受することにより、すなわち、それが、圧力リングによって加えられる付勢手段（直ぐ前の記述例では流体）の付勢効果により、相補的な封止間隙部の表面に対して押圧され、都合良くそのような摩損が補償されるようにする。
【００１５】
両者間に配置された溝部を伴った２つの封止リップ部の形態については、往復する部品を伴う使用状態において更に有利であり、各ピストンストローク毎に、内側部品を濡らす流体の一部が封止リップ部間の溝部内に運ばれ、封止面の潤滑のための一種の貯留部を形成する。このことは、流体自体がある種の潤滑性を有していれば、特に有利な効果をもたらす。それは、このような有利な潤滑効果を有するが、例えば、封止面の材料と接触して、例えば化学反応または保護皮膜の形成により、内側部品の表面材料との（或いは、より広義には、それが押圧する相補的な部品との）減摩特性、また若しくは、その耐摩耗性を向上させる。
【００１６】
従って、内側部品の流体中からの各直動運動を伴ったこの実施態様においては、流体は潤滑剤として封止面へ運ばれるので、この有利な効果は、本発明に従って、シール装置の他の側に、外側部品の壁部に例えば全周縁にわたる環状の溝の形状で設けられる流体貯留溝があることにより、更に高めらることができる。内側部品の濡れた表面上のシール装置の直下を通って恐らくは更になお移動する流体は、シール装置が流体の付勢効果の下で完全に封止する前に、流体貯留溝内に集められることができ、流体の部分が更に外方へ運ばれない限り、最初のうちは更に封止効果を高める。これに加えて、内側部品の戻りのストローク動作は、上記流体貯留溝から封止面に流体を戻して運び、そこで、流体は、ストローク動作に関連して既に上で述べた同様の促進（例えば潤滑する）効果をもたらすことができる。
【００１７】
シール装置での摩損が、作動中に突然生じることがある。これは、基本的には、作動中におけるシール装置の重大な変形によるものである。これを阻止するために、更なる形態では、シール装置が形状に関して安定した芯部（コア部：core）を有している。この形状に関して安定したコア部は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ），ポリプロピレン（ＰＰ）或いはポリオキシメチレン（ＰＯＭ）で製作することができる。特に、ＰＯＭは、加工し易く疎水性を有しているので、衛生分野では広く行き渡った材料である。
【００１８】
その点において、封止リングはその外形形状が変化しないままでいられる。封止リングの安定したコア部は、実質的に当該封止リングの形状に対応することができる、すなわち、楔形形状で、シール装置の外形形状が変化しないようにして封止材料で被覆することができる。その代わりに、安定したコア部がまた実質的に封止リングの形状で、その周囲を封止材料でやはり被覆することができる。封止材料の厚さは、好ましくは約２から３ｍｍの範囲である。
【００１９】
本発明に係るシール装置は、本発明によれば、特に、海水淡水化プラント内の輸送ピストンにおいて、記述した方法で有利に用いることができる。そこでは、輸送ピストンが、約０．１Ｈｚの比較的低いピストンストローク周波数で海水を運んでいる。しかしながら、本発明に係るシール装置は、他のピストンあるいはポンプについても役立つように用いることもできる。
【００２０】
本発明は、以下に、添付図面を参照して説明される。
図１及び２は、それぞれ外側および内側部品間の環状の封止間隙部における本発明に係るシール装置の側面断面図である。また、
図３及び４は、形状に関して安定したコア部を備えた本発明に係るシール装置の２つの形態を示す図である。
【００２１】
図１を参照すれば、封止リング４と押圧リング６とを有するシール２が示されている。封止リング４は、断面が安定した波形の若しくは波形にうねった線の形状で、半径方向についての内方に面する封止面８を有している。断面での波形の線は、半径方向において内方へ突き出た２つの封止リップ部であって、封止リング４の封止面８において両者間に溝部１２の範囲を定める封止リップ部１０によって設けられる。封止リング４の封止面８は、内側部品１８と外側部品２０の間に形成された封止間隙部１６の、半径方向についての外方に面する内側境界面１４を押圧する。内側部品１８は、外側部品２０としてのピストンハウジングにおけるボア部１６の軸線方向に往復動作するピストンロッドである。図における左手側２４には、ピストンハウジング内に塩水２４が配置され、この塩水は、加圧状態とされ、ピストンハウジング２０及びピストンロッド１８が構成部品をなす装置（不図示）によって輸送される。外側部品２０の環状溝部の形状をした基底部（シート：seat）２６内に位置するシール２は、ネジ部材３０を用いて、金属製リング２８により、シート部２６内で軸方向に保持されている。
【００２２】
ピストンロッド１８の各ストローク動作に伴って、ピストンロッド１８の表面を濡らしている水は、封止リップ部１０及び封止リップ部１０間の溝部１２の領域に輸送され、潤滑膜を形成し、そして溝部１２内に集まる。
【００２３】
ピストンロッド１８の往復動作に起因して封止リップ部１０で摩損が生じ、その結果、ある作動期間の後に、シール２の封止作用が減退して、徐々に幾分か多くの水が、ピストンロッド１８の各ストローク動作に伴って、外方へ輸送されるようになる。ピストンロッド１８の表面を濡らし、専ら封止面８の下を通って外方へ（図１における右方へ）輸送される水は、外側部品２０のボア部１６の半径方向についての内方に面する壁部に環状の形に設けられた流体貯留溝３２に集まる。この装置では、上記壁部は、滑らかな壁面性状でピストンロッド１８の表面を形成する円筒周縁の表面に対し、隙間嵌めである。従って、ピストンロッド１８を濡らしながらシール装置２２の真下を通って外方へ輸送される水２４は、流体貯留溝に集まることができ、そして、ピストンロッド１８の戻り動作において、そこからシール２の領域内へ戻すように輸送され、これにより、シール２と封止間隙部（１６）の境界面との間の領域における潤滑膜の形成を更に促進する。
【００２４】
封止リップ部１０の摩損が、特にピストンロッド１８の往復動作のために、どんどん大きくなるとき、もっと多くの水が外方へしみ出し、そして、そうする中で、シール２の背後で（図１における右側で）シート部２６内へも入り込む。水を外方へ浸透させる圧力は、シート部２６の境界面３４であって軸方向に正面向いた（左方に向いた）面と、圧力リング６の凹状の付勢面３６であって軸方向に正面向いた（右方に向いた）面との間に蓄積し、従って、封止リング４の半径方向についての外方に向いた押圧面３８と、封止間隙部１６の半径方向についての内方に面した外側の境界面４０との間の楔形断面部で形成された中間スペース内に、圧力リング６を軸方向に（左方へ向かって）付勢する。この場合、封止間隙部１６の半径方向についての内方に面した外側の境界面４０は、シート部２６の半径方向に正面向いた境界面で、円筒面の形状をしており、封止リング４の半径方向についての外方に向いた押圧面は、中間スペースの楔形断面部を形成するために、円錐面の形状をしている。
【００２５】
この配置と形状により、外方に配置された水２４は、付勢手段として、封止リングの半径方向についての外方に面した押圧面３８とシート部２６の半径方向についての内方に面した外側の境界面との間の楔形の中間スペース内へ、圧力リング６の付勢面３６を押し付け、そして、封止リング４が、その封止面８でもってピストン１８の円柱外表面に対し押圧されるようにする（従って、その結果、それは「テイクアップ（take-up）調整」を経験する）。このように、本発明に係るシール１６は、摩損の後もしくは他の種類の摩耗の後に、自動的に、本発明に従ったテイクアップ調整を伴うことなる。
【００２６】
図２に示されたシール２’は、特に、それが内側部品１８’（ここでは、ピストン１８’）内に嵌合されている点で、図１に示されたシール２とは基本的に異なっている。従って、その封止面８’は半径方向についての外方に面しており、そこで、封止間隙部１６’の半径方向についての内方に面した外側表面４０’を押圧している。シール２’の封止面８’が押圧する面４０’は、ピストン１８’がその中で往復動するシリンダ２０’の、半径方向についての内方へ面している円筒周縁の表面である。
【００２７】
図１に示されたシール２と比較して、図２に示されたシール２’における更に本質的な相違点は、凹状の付勢面３６’が、流体２４’が加圧状態にあるピストンの圧力側の方向に正面向いている（図２における右方に向いている）ことである。従って、流体２４’の付勢作用は、（図１に図説されたシールの場合のように）流体２４が封止面８のすぐ下を通り始めたときだけに始まるのではなく、流体２４’の圧力は、常時、付勢面に加わっている。
【００２８】
説明されたシール装置は、また、形状に関して安定的で、好ましくはプラスチック材料で作られた芯部（コア部：core）を有することができる。このような形状に関して安定したコア部を備えたシールの第１の形態が、図３に示されている。この配置構造では、形状に関して安定したコア部４１は、圧力リングの楔形状で、封止リング４２内に配置されている。図４に示された更に別の形態では、形状に関して安定したコア部４１’は、やはり封止リング４の形状をとることができ、封止材料４２’で被覆することができ、被覆層４２’は好ましくは２から３ｍｍの厚さである。これらの形態は、作動中における過度の摩損の問題に対処するものである。すなわち、シール全体が比較的簡単に変形可能であることに起因して、その結果、ピストンロッド１８の直動運動中に引きずられてピストンロッド１８とピストンハウジング２０の間に入り込んでしまい、シールが簡単に摩滅し得る。形状に関して安定したシールの場合には、このことが回避される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、外側および内側部品間の環状の封止間隙部における本発明に係るシール装置の側面断面図である。
【図２】図２は、外側および内側部品間の環状の封止間隙部における本発明に係るシール装置の側面断面図である。
【図３】図３は、形状に関して安定したコア部を備えた本発明に係るシール装置の形態を示す図である。
【図４】図４は、形状に関して安定したコア部を備えた本発明に係るシール装置の形態を示す図である。
【国際公開パンフレット】
2004520551.tif 000003
2004520551.tif 000004
2004520551.tif 000005
2004520551.tif 000006
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2004520551.tif 000011
2004520551.tif 000012
2004520551.tif 000013
2004520551.tif 000014
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2004520551.tif 000016
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2004520551.tif 000018
2004520551.tif 000019
【国際調査報告】
2004520551.tif 000020
2004520551.tif 000021
2004520551.tif 000022
2004520551.tif 000023
2004520551.tif 000024
2004520551.tif 000025