(57)【要約】【課題】フロー機械の封止装置を提供すること。【解決手段】本発明の封止装置は、遠心力ポンプ、混合器、送風機等の封止軸受装置に適用可能である。本発明は特に、背面合わせ構成で使用される２つのアンギュラ玉軸受を含む軸受組立体をシールする際に適用可能である。本発明は特に、軸受６と軸受ハウジング３０との間に配置されたバッフル３２に関するものであり、バッフル３２はそれ自身と内側軸受リング６ｉとの間に隙間３６を残し、油が軸受から油経路３８に流れて、油経路３８から溝２０を経由して油室２２に戻るようにする。【選択図】図２ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フロー機械の封止装置であって、
前記フロー機械は、
少なくとも１つの軸線と、
シャフト（４）と、
背面合わせ構成の一対のアンギュラ玉軸受から形成されるスラスト軸受（６）であって、前記ボール軸受は内側軸受リング（６ｉ）及び外側軸受リング（６ｏ）を有するスラスト軸受（６）と、
シャフトシール（８）と、
前記フロー機械の外方端にある軸受カバー（３０）と、
前記スラスト軸受（６）の前記軸受カバー（３０）とは反対側にある油室（２２）と、
バッフル（３２、３２’、３２’’）であって、前記スラスト軸受（６）と前記軸受カバー（３０）との間に配置されて前記バッフルと前記軸受カバー（３０）との間に油経路（３８）を形成するバッフル（３２、３２’、３２’’）と、
油を前記油経路（３８）から前記油室（２２）に戻す戻り溝（２０）即ち穴とを備える封止装置において、
前記軸受から前記油経路（３８）へ、さらに前記油室（２２）への全体の油の流れのための、前記バッフル（３２、３２’、３２’’）と前記内側軸受リング（６ｉ）との間に隙間（３６）を設けることを特徴とする、封止装置。
【請求項２】
前記バッフル（３２、３２’）が前記外側軸受リング（６ｏ）に対向するように配置され、前記バッフル（３２、３２’）は前記内側軸受リング（６ｉ）の側方まで径方向内側に延びて両者の間に隙間（３６）を残すことを特徴とする、請求項１に記載の封止装置。
【請求項３】
前記バッフル（３２、３２’、３２’’）が、前記内側軸受リング（６ｉ）の外径よりも小さい直径を有する内周縁即ち表面（３４）を有することを特徴とする、請求項１に記載の封止装置。
【請求項４】
使用時に、前記バッフル（３２、３２’、３２’’）が、油面Ｌから前記フロー機械の軸線までの距離Ｄ１より小さい直径Ｄ２を有する内周縁即ち表面（３４）を有することを特徴とする、請求項１に記載の封止装置。
【請求項５】
前記バッフル（３２、３２’）が前記外側軸受リング（６ｏ）の径方向側面に対向するように配置されることを特徴とする、請求項１に記載の封止装置。
【請求項６】
前記バッフル（３２’）が、前記軸受カバー（３０）と前記外側軸受リング（６ｏ）との間に配置された別個の円形リングであることを特徴とする、請求項１に記載の封止装置。
【請求項７】
前記バッフル（３２’’）が、前記軸受（６）と前記軸受カバー（３０）との間に配置された別個の円形リングであることを特徴とする、請求項１に記載の封止装置。
【請求項８】
前記バッフル（３２）が、前記軸受カバー（３０）の一部であることを特徴とする、請求項１に記載の封止装置。
【請求項９】
前記バッフル（３２、３２’、３２’’）と前記内側軸受リング（６ｉ）との間の前記隙間（３６）が、０．２ｍｍから０．７ｍｍの寸法を有することを特徴とする、請求項１に記載の封止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フロー機械の封止装置に関する。本発明の封止装置は、遠心力ポンプ、混合器、送風機等の封止軸受装置に適用可能である。本発明は特に、背面合わせ構成で使用される２つのアンギュラ玉軸受を含む軸受組立体をシールするのに適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
遠心力ポンプのスラスト軸受として、一対のアンギュラ玉軸受を背面合わせ構成で使用することは通常の習慣である。そのようなスラスト軸受は通常、油浴により潤滑化され、よって一対の軸受の軸側の油室の油面は、最も低い回転位置のローラ手段の中心線まで到達する。一対のアンギュラ玉軸受は通常、駆動シャフトに対する結合部に近いほうのフロー機械の端部に位置し、ナットによりシャフトに固定される。結合部に近い（一対の軸受の内の）軸受、即ち、最外部の軸受は潤滑油を軸受カバーへ向けて送り込み、それにより軸受は軸受ハウジングに貼り付く。軸受の製造者は、このように送り込まれた潤滑油が、径方向外側の軸受リングの軸方向外端の軸受ハウジングに配置された局部的な円形溝から始まる戻り溝即ち穴により油室に戻されることを推奨する。しかし、そのような戻り溝即ち穴は所望の方法で機能しないことが一般に受け入れられている事実であり、潤滑油は軸受カバーに対抗して集められると思われ、油面が高くなり、即ちシャフトの軸に向かい、よって唇型のシール又はラビリンスシールを通常備えるシャフトの領域で潤滑油が溢れる。非常に多くの場合、このように潤滑油が溢れると、シーリングの漏れにつながる。当然、そのような漏れにより、油室内の潤滑油の量が次第に減って、最終的にから運転（ドライラン）及び軸受の破損につながるため、問題である。さらに、オイル漏れは有害な環境のリスクを発生させる。
【０００３】
上記に議論された問題は、従前は、米国特許第６６７２８３０号の図５に示されているように、内部軸受リングとラビリンスシールとの間の特定の絞りを設計及び製造するステップにより送り込まれた油に対するシャフトシールとして使用されるラビリンスシールのシール性能を改良することによって、解決しようとされてきた。そのような絞りは幾分より効果的なシールとなるが、特に高速の回転では十分に効果的とはいえず、軸受がシールに向かって油を送り込むためラビリンスシールが漏れ始めることが今なお見受けられる。
【０００４】
国際公開第２０１００５１９５９号は、軸受と軸受カバーとの間に封止リングにより離間した２つの油室があり、封止リングはそれ自体と油を第１チャンバから第２チャンバまで流すラビリンスシールに属する軸方向スリーブとの間に狭い隙間を残す、構造を検討している。この構造において、第１チャンバは軸受に隣接し軸受からの油の流れを収容する。第１チャンバは、油を第１チャンバから離れるよう導く２つの経路を備える。第１チャンバが、経路が取り出すよりも多くの油を収容する場合、過剰な油は狭い隙間を介して第２チャンバに流れ、第２チャンバはまた油を第２チャンバから排出するよう導く経路を備える。この構造に関する問題は次の２つである。すなわち、１）第１チャンバの容積は相対的に大きいため、それにより油が容積の周りを循環することができ、それが摩擦、発熱の増加及び結果として高いポンプロスを意味する、２）第１チャンバの容積に拘わらず、第１チャンバの油の戻り経路のため構造が高い生産能力を有し、それはまた様々な流路における高い摩擦ロスと、高いエネルギー消費と発熱を引き起こすという問題がある。
【０００５】
米国特許出願第２００８００４４２７９号は、潤滑油のための単独のドレイン経路が軸受と軸受カバーとの間に配置されているシャフトシールを議論している。ドレイン経路は軸受に隣接する第１チャンバから形成され、第１チャンバに軸受を通って流れる又は軸受により送り込まれる油が自由に入る。第１チャンバは径方向の壁により軸受と反対側で制限され、径方向の壁はそれ自体とシャフトとの間に隙間を残しながらシャフトへ延伸し、油を第２チャンバへ流す。第２チャンバはシャフトから径方向外側へ延伸し油をオイルキャビティへ運ぶ軸方向の経路として延伸する。この構造の問題点は軸方向に延伸することが必要とされることである。米国文献は軸受をシャフトに係止する如何なる手段をも議論又は示していないが、どんな場合でもそのような手段は必要とされる。第１チャンバと第２チャンバとの間の壁はシャフトにごく接近して延伸するため、壁は軸受から非常に離れて配置する必要があり、よって壁と軸受との間に係止手段を残してもよい。従って、第１チャンバの容積は大きくなり、軸受と軸受カバーとの間の距離は長くなる。議論されている構造の他の問題点は第１チャンバ内で回転する油の大きな体積が、摩擦、エネルギー消費及び発熱を増やすことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６６７２８３０号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１００５１９５９号
【特許文献３】米国特許出願第２００８００４４２７９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
よって、本発明の目的は、上述した課題の少なくとも一つを避けることができるフロー機械のシャフトシールの新たな型を開発することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、軸受を介してシャフトシールの前に入る全ての油を軸受の反対側の油室に戻すことができるようなフロー機械のシャフト封止装置の新規な構造を開発することにある。
【０００９】
本発明のさらなる目的は、油が軸受から入るチャンバの容積を最小にして、シャフト及び軸受の回転部分と接触する油の量を最小に保つことにある。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、摩擦及び発熱を最小限に減らすことにより、軸受のエネルギー消費を最小限にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の少なくとも一つの目的は、フロー機械の封止装置であって、フロー機械は、少なくとも軸と、シャフトと、背面合わせ構成の一対のアンギュラ玉軸受から形成されるスラスト軸受であって、ボール軸受は内側軸受リング及び外側軸受リングを有するスラスト軸受と、シャフトシールと、フロー機械の外方端にある軸受カバーと、軸受カバーに対向するスラスト軸受の側にある油室と、スラスト軸受と軸受カバーとの間に配置されてバッフルと軸受カバーとの間に油経路を形成するバッフルと、油を油経路から油室に戻す戻り溝即ち穴を備える封止装置において、軸受から油経路へ、さらに油室への全体の油の流れのための、バッフルと内側軸受リングとの間の隙間がある、封止装置によって果たされる。
【００１２】
本発明の封止装置の他の特徴は添付の従属請求項において明らかとなる。
【００１３】
フロー機械の封止装置は、添付の図面を参照して以下により詳しく説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来技術によるスラスト軸受及びシャフトシールを有するフロー機械のシャフトの端部を示す図である。
【図１ａ】図１のシャフト−スラスト軸受−シャフトシール組立体の拡大した図である。
【図２】本発明の好ましい実施例によるスラスト軸受及びシャフトシールを有するフロー機械のシャフトの端部を示す図である。
【図２ａ】図２のシャフト−スラスト軸受−シャフトシール組立体の拡大した図である。
【図３ａ】本発明の第２の好ましい実施例のシャフト−スラスト軸受−シャフトシール組立体の拡大した図である。
【図３ｂ】本発明の第３の好ましい実施例のシャフト−スラスト軸受−シャフトシール組立体の拡大した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１及び図１ａは従来技術によるフロー機械２の部分断面図を示し、フロー機械２はシャフト４、連続した構成の一対のアンギュラ玉軸受６及びシャフトシール８を有する。一対のアンギュラ玉軸受６は例えば遠心力ポンプ等のフロー機械のスラスト軸受として作用する。アンギュラ玉軸受は内側リング６ｉ、外側リング６ｏ及びそれらの間の軸受ボール１０から形成される。スラスト軸受６は、時々ワッシャが設けられるナット１２によりシャフト４上の肩部に対して内側リング６ｉを締め付けることによりシャフト４に固定されてきた。スラスト軸受６の外側リング６ｏは、軸受ハウジング１４の内側表面に対して配置される。さらに、シャフト４用の中央穴及びシャフトシール８を有する軸受カバー１６が、軸受ハウジング１４の外端、即ち例えば遠心力ポンプのインペラ又は混合器のロータ等の作用部材から離れたフロー機械の端部へ固定されてきた。シャフトシール８は、軸受カバー１６の中央穴に差し込まれる。シャフトシール８は、ここではラビリンスシールを示すが唇型のシールも時々使用される。軸受カバー１６は、例えばシャフトシール８及び軸受ハウジング１４の両方と連携するＯリングにより封止される。軸受ハウジング１４には、外側軸受リング６ｏの側の軸受ハウジング１４の外端に形成される溝１８と、溝１８から中央油室２２までおおよそ軸方向に延びる溝２０すなわち穴と、が形成される。油室２２内の油面Ｌは図１ａに示すように通常は軸受ボール１０の中央線まで到達する。
【００１６】
上述のものはフロー機械のスラスト軸受−シャフトシール組立体の伝統的な構造である。米国特許第６６７２８３０号にも同じ構造が示されてきた。しかし、既に前に議論したように、組立体のシャフトシールは漏れやすかった。漏れに関する課題は図１及び図１ａに示す改良により解決が試みられた。シャフトシール８の改良は、それ自体と内側スラスト軸受リング６ｉの径方向側面との間に狭い周辺隙間２６を残す唇部、即ちシャフトシール８の軸方向内側延長部２４を備える。この隙間２６の目的は、スラスト軸受６と軸受カバー１６との間のキャビティ２８からシャフトへ向けた油の流れを制限又は絞ることである。
【００１７】
しかし、背面合わせ構成の一対のアンギュラ玉軸受６を備えるスラスト軸受６の操作は徹底的に研究されて理解され、そのような唇部２４及び唇部が内側軸受リング６ｉと作る隙間２６によっても油がシャフトシールに入ることを防止できないことが知られてきた。
【００１８】
言い換えると、一対のアンギュラ玉軸受６の右手側ボール軸受は、外側軸受リング６ｏの内表面に沿って動くボール１０が、外側軸受リング６ｏの内表面の油膜から油を軸方向外側に絞るように機能する。つまり、軸受リング表面に存在する油は軸方向に速いスピードを有する（図１ａの矢印Ａ）。円形溝１８上の油の速いスピードは、ベルヌーイの法則に従い、溝１８上の圧力の減少（即ち、部分的な真空）につながり、それは溝２０即ち対応する穴に沿った油の流れを油室２２からシャフトシールへ、即ち溝２０即ち穴がもともと意図していたのと反対の方向へ導く。言い換えると、軸受ボール１０により軸受の軸方向外へ送り込まれた油は、円形の溝１８の上で、油室２２の静水油圧より低い値まで局所的に圧力を減らす。よって、シャフト（又は軸受ボール）の回転速度が速くなるほど、溝１８と油室２２との間の圧力差が高くなり、キャビティ２８内のシャフトシール８の前で油面が上がる。それにより、従来技術の軸受組立体のそれぞれは、通常のスピードによっても油面がシャフト４の表面まで上昇するようになる。したがって、ラビリンスタイプのシールを使用した時に、シールを通して油が漏れることになる。アンギュラ玉軸受の作用がこの詳細において理解されると、スロットル又は隙間２６は、漏れを防ぐのに、少しは効果があったとしても、あまり効果がないことも容易に理解できる。
【００１９】
図２及び図２ａは、図１及び図１ａに関連して議論された問題と背景技術において言及された問題の両方を解決する本発明の好ましい実施例を示す。油漏れの増加する危険性を導く従来技術の問題は、油を取り除き、そこに部分的な真空を形成するために設計された溝／経路を横切って速いスピードで油を送り込む軸受ボール１０によるものであるため、問題は軸受の内部と油戻り溝即ち穴との間の直接の流れ接続を切断することにより解決される。そのことはバッフル３２を含むために軸受カバー３０を再設計するか、軸受カバーとスラスト軸受６との間の別個のバッフルを配置することのいずれかにより実現された。図２及び図２ａに示される実施例は軸受カバー３０の一部を形成するバッフル３２を有する軸受カバー３０を開示する。この実施例において、軸受カバー３０は、（右手側のアンギュラ玉軸受、或いは軸受カバー、フロー機械の外側端部又は軸受ハウジングの外側端に対向するアンギュラ玉軸受の）外側軸受リング６ｏの径方向表面まで軸方向に延伸し、（右手側のアンギュラ玉軸受、或いは軸受カバー、フロー機械の外側端部又は軸受ハウジングの外側端に対向するアンギュラ玉軸受の）内側軸受リング６ｉの側面まで延伸する径方向内側（シャフト４へ）向けられたバッフル３２を有し、結果としてフロー機械の軸からバッフル３２の内表面３４までの距離Ｄ２が内側軸受リング６ｉの外径より小さくなる。従って、バッフル３２と内側軸受リング６ｉの径方向側面との間に軸方向の隙間３６が形成される。隙間３６の寸法は、必ずしも限定されないが、軸受の大きさ及びフロー機械の回転スピード等により約０．２から０．７ｍｍであるのが好ましい。バッフル３２及びフロー機械の軸方向の外側面を形成する軸受カバー３０の一部即ち軸受ハウジングは、それらの間に溝状の経路３８を残し、経路３８はシャフト４に向かって開放している。経路３８の底部には、軸受カバー３０を通って好ましくは軸受ハウジング１４の内表面に配置された軸方向の溝２０まで延伸する穴４０が形成されている。溝２０は、所望の場合、軸方向又はわずかに傾斜した穴と置換されてもよい。穴４０及び溝２０即ち穴はスラスト軸受６からの油がバッフル３２と軸受カバー３０の残りの部分との間の経路３８に入る場合、油戻り経路として機能する。
【００２０】
上述の軸受カバー構造は、軸受６内の油と戻り溝２０の油の直接の連通を防ぐことにより油漏れに関連する問題を解決する。現在、本発明のこの好ましい実施例により、油圧がボールのポンプ効果により軸受ボール１０とバッフル３２との間のキャビティ内で上がった場合、軸受６から油経路３８及びさらに油室２２までの全体の油の流れは、強制により、バッフル３２と内側軸受リング６ｉとの間を通り、周方向の内側端又はバッフル３２の内側面３４を循環し、経路３８に入る。しかし、本発明の経路３８は、溝１８で作成された部分的な真空が溝２０から油を引き出す従来技術のフロー機械の溝１８とは違い、特定の圧力状態を有しない解放されたキャビティである。よって、バッフル３２の内周又は内表面３４が油面Ｌ（寸法Ｄ１）よりもフロー機械の軸に近づく（寸法Ｄ２）よう延伸するため、経路３８に入る油は経路内の油面を上げ、その後、経路３８内の静水圧力が油室２２内の静水圧力より高くなると直ちに、油は穴４０を経由して戻ることができ、溝２０は油室２２に戻る。
【００２１】
言い換えると、本発明の装置において、油の戻り経路３８は、戻り経路３８の機能に悪い影響を与えるであろう回転部材及び高速で流れる他の領域から遠く離れた解放位置に移動された。戻り穴４０及び戻り溝２０は全体の油の流れを処理するのに十分大きい寸法を有する必要がある。
【００２２】
また、バッフル３２は内側軸受リングから１ｍｍ以内の小さい軸方向の距離にあるため、油が回転するキャビティの容積は最小になると理解される必要がある。これは、バッフルと軸受との間の油の循環が最小になり、よって摩擦、エネルギー消費及び発熱が最小になる結果となる。
【００２３】
既に上記で言及した通り、図３ａ及び図３ｂに示すように、軸受カバーとバッフルとは別個の部品でもよい。しかし、バッフルの機能的部分、即ちバッフルの径方向最内部は常に同じであり、特に内部軸受リングの外径及び軸からの油室内の油面との距離の両方、並びに内側軸受リングからのバッフルの距離に関する寸法においては同じである。よって足部、即ちバッフルの径方向外側部は変化してよい。図３ａでは、別個のバッフル３２’は軸方向の外側軸受の径方向外側リング６ｏに対して軸受カバー３０により押し付けられる。図３ｂでは、バッフル３２’’は別個の部品であり、好ましくは軸受６と軸受カバー３０との間の軸受カバー３０の内側に配置されたリングである。バッフル３２’’は軸受カバー３０から軸受面即ちその距離（図３ｂに示される）まで軸方向に延伸してもよい。一つのさらなる、図示しない実施例では、図３ｂのようにバッフルは別個の部材であるが、今度はそれ自体と軸受カバーとの間に軸方向の隙間を残し、それにより隙間は油経路３８として機能する。好ましくは、バッフルは、全ての構造的代替物において、フロー機械のシャフトを包囲する円形部品であり、よってバッフルと（残りの）軸受カバーとの間の経路３８は円形の経路である。しかし、溝２０即ち対応する穴及び経路３８の底部の穴４０は、軸受ハウジング１４の内表面及び経路３８のそれぞれの最も低い場所に位置しており、中央の油室に戻る油が最も良く循環できることを確実にする。
【００２４】
上記から分かるように、新規なシャフト封止装置が開発された。本発明は現在好ましい実施例と考えられていることに関連した実例として記載されているが、本発明は開示された実施例に制限されず、添付の請求項に記載された発明の範囲内で特徴の様々な組み合わせ及び／又は修正及び他の応用をカバーすることを意図することが理解される。
【符号の説明】
【００２５】
２  フロー機械
４  シャフト
６  玉軸受、スラスト軸受、軸受
６ｉ  内側リング、内側軸受リング、内側スラスト軸受リング
６ｏ  外側リング、外側軸受リング、径方向外側リング
８  シャフトシール
１０  軸受ボール、ボール
１２  ナット
１４  軸受ハウジング
１６  軸受カバー
１８  溝、円形溝
２０  溝、穴、戻り溝
２２  中央油室、油室
２４  軸方向内側延長部、唇部
２６  周辺隙間、隙間
２８  キャビティ
３０  軸受カバー
３２  バッフル
３２’  バッフル
３２’’  バッフル
３４  内表面
３６  隙間
３８  経路、戻り経路、油経路
４０  穴、戻り穴
Ａ  矢印
Ｄ１  寸法
Ｄ２  距離、寸法
Ｌ  油面
【図１】
2013234757.tif 000003
【図１ａ】
2013234757.tif 000004
【図２】
2013234757.tif 000005
【図２ａ】
2013234757.tif 000006
【図３ａ】
2013234757.tif 000007
【図３ｂ】
2013234757.tif 000008