(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いの間に封止ギャップ（２２）を画成する回転スライドリング（２０）及び固定スライドリング（２１）を備えるメカニカルシール（２）と、
前記メカニカルシール（２）が破損した場合の予備シールとして設けられ、回転部品（４）に対して封止するように配置される単一のセーフティシール（３）とを備えるメカニカルシールアセンブリであって、
前記メカニカルシール（２）を１つだけ備え、
前記セーフティシール（３）が、基体（３０）と、前記基体（３０）から軸線方向（Ｘ‐Ｘ）に突出する柔軟な封止領域（３１）とを備え、
前記セーフティシール（３）が固定されており、内周に封止面（３２）を備え、
前記回転スライドリング（２０）が前記回転部品（４）に接続され、
前記セーフティシール（３）の径方向内側に配置される凹部（９）が前記回転部品（４）に設けられ、
前記凹部（９）が、前記軸線方向（Ｘ‐Ｘ）に延在する溝であり、前記軸線方向（Ｘ‐Ｘ）の長さが、前記セーフティシール（３）の前記封止領域（３１）の長さ（Ｌ２）よりも長い、
メカニカルシールアセンブリ。
【請求項２】
前記封止領域（３１）の径方向の厚さ（Ｄ１）が、前記基体（３０）の径方向の厚さ（Ｄ２）よりも小さい、請求項１に記載のメカニカルシールアセンブリ。
【請求項３】
前記基体（３０）と前記封止領域（３１）とが、同じ材料によって一体に形成される、請求項１又は２に記載のメカニカルシールアセンブリ。
【請求項４】
前記基体（３０）と前記封止領域（３１）との間の外周に円弧状の移行部（３５）が形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のメカニカルシールアセンブリ。
【請求項５】
前記封止領域（３１）が、前記メカニカルシール（２）の方向に、前記基体（３０）から前記軸線方向に突出する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のメカニカルシールアセンブリ。
【請求項６】
前記封止領域（３１）の内周における前記封止面（３２）が円筒形状である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のメカニカルシールアセンブリ。
【請求項７】
前記封止面（３２）が、周方向に閉鎖した状態で設けられ且つ径方向内方に突出した複数のリップ（３４）を備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載のメカニカルシールアセンブリ。
【請求項８】
前記リップ（３４）が前記封止領域（３１）のみに配置される、請求項７に記載のメカニカルシールアセンブリ。
【請求項９】
前記封止領域（３１）の外周が、前記封止領域の自由端（３８）に向かって前記軸線方向（Ｘ‐Ｘ）に、テーパ状となっている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のメカニカルシールアセンブリ。
【請求項１０】
前記封止領域（３１）が、前記封止領域（３１）の自由端（３８）に対して最も先端にある第１リップ（３４´）を起点とするリップフリー突出部（３７）を備える、請求項７〜９のいずれか１項に記載のメカニカルシールアセンブリ。
【請求項１１】
前記回転部品（４）はスリーブである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のメカニカルシールアセンブリ。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のメカニカルシールアセンブリを備える、特にポンプ、コンプレッサ又はエキスパンダである機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メカニカルシールと、メカニカルシール用の予備シールとしてのセーフティシールとを備え、セーフティシールがメカニカルシールとして形成されていないメカニカルシールアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
先行技術に基づく、様々なデザインのメカニカルシールが知られている。メカニカルシールを用いることで幅広く多様な封止の課題を解決でき、特に、毒性媒体や超高圧性且つ／又は超高温性の媒体を封止できる。特に、危険を伴う用途においては、環境保全のために安全手段が設けられるべきである。例えば、製品側と大気側との間に２つのメカニカルシールを直列に配置することが知られている。第１のメカニカルシールが破損した場合、第２のメカニカルシールが、製品が環境へと漏出するのを防止するセーフティシールとして機能する。第２のメカニカルシールは、第１のメカニカルシールと同じでもよいし、異なってもよい。この保全方法は極めて安全であるが、メカニカルシールの製造には非常に費用がかかるため、依然としてコスト高が課題となっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このため、本発明は、封止対象の媒体による環境の汚染を防止するように、メカニカルシールが損傷した場合に保全を提供するメカニカルシールを備え、セーフティシールがメカニカルシールでないメカニカルシールアセンブリを提供することを課題とする。この課題は、請求項１の特徴を有し、従属項が本発明の好適な実施形態を示すメカニカルシールアセンブリによって解決されよう。
【０００４】
これに対して、請求項１の特徴を有する本発明に係るメカニカルシールアセンブリは、安価なセーフティシールによりメカニカルシールを維持するのを可能にするメカニカルシールアセンブリを提供できるという利点を有する。セーフティシールとして使用される第２のメカニカルシールが不要である代わりに、メカニカルシールが破損した場合の予備シールとして提供される単一のシールがセーフティシールとなる。
【０００５】
セーフティシールは、本体と、本体と一体で且つ本体から軸線方向に離れるように延在する封止領域とを備える。封止領域は柔軟性をもつように形成される。また、セーフティシールは、回転部品と封止接触するようになっている封止面を内周に有する。本明細書では、セーフティシールは固定されている。このように、メカニカルシールを維持するのに、セーフティシールとしての第２のメカニカルシールを要することなく、比較的安価な単一のセーフティシールを採用できる。このため、例えば損傷等、メカニカルシールが破損した場合に、セーフティシールによって、回転部品における大気に対する封止を提供することができる。特に、封止対象の媒体に対するいくらかの加圧によって支持効果が得られ、極めて急速に封止を行うことができる。また、セーフティシールによって、通常作動時に、システムの回転部品と固定部品との間の過剰な追加摩擦が確実に生じなくなる。これによって、通常作動時の、セーフティシールに起因する更なる損失が最小限に抑えられる。
【０００６】
封止領域の径方向の厚さが、基体の径方向の厚さよりも小さいことが好ましい。
【０００７】
好適には、セーフティシールの基体と封止領域とは、同じ材料によって一体に製造される。これによって、特に、製造コストを非常に低く抑えることができる。特に、セーフティシールの材料は繊維強化材料であることが好ましい。また、セーフティシールの基材が熱可塑性ポリマー、好適には繊維強化材料であることがより好ましい。
【０００８】
本発明の他の好適な実施形態によれば、基体と狭小な封止領域との間においてセーフティシールの外側に面した移行部が、円弧状に構成される。円弧状の移行部によって、移行部が確実にエッジフリーとなるため、エッジをもった移行部に生じやすいひび割れの虞を最小限に抑えることができる。
【０００９】
また、狭小な封止領域は、基体からメカニカルシールに向かって、基体から突出することがより好ましい。これによって、メカニカルシールアセンブリの特にコンパクトな設計の実現が可能となる。
【００１０】
本発明の他の好適な実施形態によれば、セーフティシールの封止領域は、リップ等の突出部がない面を備える。
【００１１】
本発明の代替の実施形態によれば、セーフティシールの封止領域に、周方向に延在し且つ封止面から突出する複数のリップが配置される。リップは、好適には、封止面から径方向に突出する。リップは、特に好適にはシャフト又はシャフトスリーブ等といった、回転部品と接触する。通常作動時には、この接触によって、確実に、セーフティシールに対する摩擦が最小限となって、セーフティシールの使用に起因する損失を可能な限り低く抑えられるようになっている。メカニカルシールが損傷した場合には、封止対象の媒体の水位がセーフティシールに到達すると、軸線方向に突出するセーフティシールの封止領域に作用する圧力が増加することで、セーフティシールの他の部分と同じ材料で作られ且つ封止領域に一体に設けられたリップが折り曲げられて、セーフティシールと回転部品との間を合理的に封止できるようになっている。封止面から突出するリップは、好適には径方向に同じ長さを有し、また、好適には周方向に閉鎖される。
【００１２】
好適には、リップはセーフティシールの封止領域のみに配置される。或いは、リップは、封止領域と基体の一部又は全体とのいずれにも設けられる。しかしながら、リップを封止領域のみに設けることにより、メカニカルシールが破損した場合に、柔軟に変形するリップを回転部品の外周と密着させることができ、リップが基体に設けられていないことで、過剰な摩擦及びそれに伴う過剰な熱の発生を回避できる。
【００１３】
また、軸線方向における封止領域の外周は円筒形状であることが好ましい。これによって、特に費用対効果の高い製造性が実現する。
【００１４】
本発明の代替の実施形態によれば、軸線方向における封止領域の外周が、封止領域の自由端に向かってテーパ状となるように設けられる。これによって、封止領域を、封止領域の自由端から基体の方向に向かって増加する外径によって、次第に増加する剛性を有するように設けることができる。
【００１５】
封止領域のテーパ状の外周は、好適には、封止領域全体に亘って軸線方向に設けられる。
【００１６】
本発明の他の好適な実施形態によれば、封止領域は、封止領域の自由端に対して最も先端に位置した第１リップを起点とするリップフリー突出部を有する。一方の外周及び一方の内周に対する圧力と、自由端の端面に対する圧力とが同じであるため、リップフリー突出部に対する圧力が緩和される。
【００１７】
好適には、リップフリー突出部の軸線方向の長さＬ３が、封止領域の軸線方向の長さＬ２の約３分の１である。これによって、堅固な封止領域を実現できる。
【００１８】
メカニカルシールアセンブリは、メカニカルシールの回転スライドリングに接続される回転部品を備えることがより好ましい。回転部品には、封止領域内に放射状に配置される凹部が設けられる。換言すれば、凹部は、セーフティシールの領域内にある回転部品に存在する。これによって、セーフティシールを通る、セーフティシールとメカニカルシールとの間の隙間から大気への漏洩が増加するが、回転部品における凹部は、破損時、すなわちメカニカルシールが破損した場合に、そのとき回転部品に密着し封止しているセーフティシールを通して、放熱性を向上させることができるという利点を有する。このため、セーフティシールに対する熱損傷が回避されて、セーフティシールの耐用寿命を著しく伸ばすことができる。これによって、確実に、セーフティシールによる封止が回転部品が停止するまで行われ、媒体がセーフティシールを通って大気へと漏出するのを防止する。安全上の理由から、避けようがない漏洩は許容される。
【００１９】
回転部品における凹部は、好適には、軸線方向に走る溝又はスロットである。溝の断面は、好適には、矩形状又はＶ字形状である。
【００２０】
損傷時に十分な冷却ができるように、溝の軸線方向の長さは、セーフティシールの封止領域の長さよりも長く、特に、セーフティシールのリップ封止面の軸線方向の長さよりも長い。
【００２１】
メカニカルシールアセンブリは、１つのみのメカニカルシールと、１つのみのセーフティシールとを含むことが特に好ましい。これによって、特に軸線方向において、特にコンパクト且つ費用対効果の高いメカニカルシールアセンブリの提供が可能となる。
【００２２】
また、本発明は作業機械に関し、特にポンプ、コンプレッサ又はエキスパンダに関する。
【００２３】
本発明の好適な実施例について、添付の図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施例に係るメカニカルシールアセンブリの概略断面図である。
【図２】メカニカルシールが損傷していない通常の状態にある図１のセーフティシールの拡大詳細図である。
【図３】メカニカルシールが損傷した場合の図１のセーフティシールの概略断面図である。
【図４】セーフティシールの径方向内側に配置される溝を有する回転部品の概略上面図である。
【図５】本発明の第２実施例に係るセーフティシールを備えるメカニカルシールアセンブリの拡大概略断面図である。
【図６】本発明の第３実施例に係るセーフティシールを備えるメカニカルシールアセンブリの拡大概略断面図である。
【図７】本発明の第４実施例に係るセーフティシールを備えるメカニカルシールアセンブリの拡大概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の第１の好適な実施例に係るメカニカルシールアセンブリ１について、図１〜図４を参照しながら以下に詳細に説明する。
【００２６】
図１から分かるように、メカニカルシールアセンブリ１はメカニカルシール２を１つだけ備え、メカニカルシール２は、封止ギャップ２２を画成する回転スライドリング２０と固定スライドリング２１とを備える。
【００２７】
また、本実施例では、シャフト４０と、第１スリーブ４１と、第２スリーブ４２とを備える回転部品４が設けられる。参照番号５により、マルチパートハウジングが識別される。
【００２８】
メカニカルシールアセンブリ１は、製品側６を大気側７から封止する。製品側６には、大気側に加わる圧力Ｐ３よりも数倍大きな製品圧力Ｐ１が加わる。メカニカルシール２とセーフティシール３との間には、圧力Ｐ２がゆきわたる隙間８も設けられる。圧力Ｐ２は、大気側７に加わる圧力Ｐ３に略対応する。メカニカルシールアセンブリの通常作動時に生じる封止ギャップ２２からの漏洩は、矢印Ｌによって示すように、隙間８を通って流出する。この漏洩は、メカニカルシールアセンブリの通常作動時に封止ギャップ２２を通って流出する。
【００２９】
図１から分かるように、第２スリーブ４２はセーフティシール３の径方向内側に配置される。第２スリーブ４２は図４に詳細に示される。図４から分かるように、第２スリーブ４２は、軸線方向Ｘ‐Ｘに直線状に延在する複数の溝９を備える。第２スリーブ４２は複数の溝９を備える。溝９は、第２スリーブ４２の周囲に沿って均等に配置される。全ての溝９が同じ幾何学的形状を有し、特に、四角形の断面と、軸線方向に同じ長さとを有する。
【００３０】
図１から分かるように、溝９は、メカニカルシールアセンブリが取付状態にあるときに、セーフティシール３の径方向内側に配置される。溝９の軸線方向Ｘ‐Ｘの長さは、セーフティシール３の封止領域の軸線方向の長さＬ２よりも長い。
【００３１】
図２において、セーフティシール３の詳細が分かる。セーフティシール３は、基体３０と、基体から軸線方向Ｘ‐Ｘに延在する狭小な封止領域３１とを備える。封止面３２が、セーフティシール３の径方向内周に設けられる。本実施例では、封止面は円筒面である。封止面３２は、封止領域３１の全体に形成され、基体３０の一部に形成される。基体３０は、ハウジング部品５１における凹部５２内に形成されるショルダ３３を更に備える。また、図２から分かるように、セーフティシール３の基体３０の外周にＯリング１０が設けられて、セーフティシール３の径方向外周を封止する。
【００３２】
封止領域３１の厚さＤ１が、基体３０の厚さＤ２よりも小さい（図２参照）。
【００３３】
このように、セーフティシール３は、基体３０と、より狭小な封止領域３１とが一体となり形成される。好適には、セーフティシール３の材料は繊維強化熱可塑性プラスチックである。図１及び図２を併せて分かるように、封止領域３１は、メカニカルシール２に向かって軸線方向に延在する。封止領域３１の軸線方向Ｘ‐Ｘの長さＬ２は、基体３０の軸線方向Ｘ‐Ｘの長さＬ１と同じである。狭小な封止領域３１の径方向の厚さが基体３０と比べて大幅に小さいため、封止領域３１における、特に径方向の柔軟性が向上する。セーフティシール３は、ハウジング部品５１に固定されて接続されるため、第１及び第２回転スリーブ４１及び４２と共に回転することがない。
【００３４】
図２から分かるように、封止領域３１と基体３０との間に円弧状の移行部３５が設けられる。これによって、セーフティシール３の破壊を引き起こしうる、封止領域３１と基体３０との間の移行部におけるセーフティシール３内でのひび割れの発生が防止される。通常時、すなわちメカニカルシール２が問題なく作動している場合、第２スリーブの外周４２ａと封止面３２との間にギャップ１１が形成される（図２）。ギャップ１１の径方向の寸法は非常に小さい。このようにして、小さなギャップ１１及びセーフティシール３内に径方向に配置される溝９を通して、中間領域８と大気７とが連通する。通常作動時に生じる、中間領域８内の圧力Ｐ２と大気側７に加わる圧力Ｐ３との圧力差が非常に小さいことから、ギャップ１１及び溝９に亘って生じる漏洩は極めて少量のみとなる。この漏洩は、図２に矢印Ａによって示される。なお、より説明し易いように、図内の溝９はかなり大きく描かれている。通常作動時の圧力差が、ほんの僅かなパスカルの小さなものであることで、セーフティシール３に亘って生じる漏洩（矢印Ａ）は最小限のみとなる。
【００３５】
破損時に、メカニカルシール２による封止ができなくなると、自動的にセーフティシール３が作動する。この状態を図３に示す。メカニカルシール２による封止がなくなることで、製品側からの製品圧力Ｐ１が中間領域８内にゆきわたる。高い圧力によって、中間領域８内で封止領域３１の弾性変形が生じる。製品圧力Ｐ１が封止領域３１の外周３１ａに作用することで、封止領域３１の弾性変形が生じて、封止領域３１が第２スリーブ４２の外周４２ａに押し付けられるようになっている。この結果、第２スリーブ４２の外周４２ａが封止される。このようにして、外周３１ａに対して力Ｆが作用して、第２スリーブの外周４２ａにおける封止が行われる。
【００３６】
破損時にセーフティシール３の温度が過剰に上昇するのを回避するように、破損時には、任意の製品媒体も溝９を通って大気側７へと流れる。これは、図３に漏洩（矢印Ｂ）として示される。しかしながら、これによってセーフティシール３が冷却されるため、セーフティシール３は、シャフト４０及びシャフトに接続された他の回転部品が少なくとも停止するまで封止を行うことができる。
【００３７】
このようにして、メカニカルシール２が損傷した場合、セーフティシール３は自動的に作動することができる。溝９を設けることで、溝９から大気側７へと通る流れによって、セーフティシール３、特に封止領域３１の範囲内を幾らか冷却できるようにして、セーフティシール３があまりに早く損傷してしまうのを防止する。一方、これにより、任意の製品媒体を溝９を通して大気側７へと漏出させるようになっているが、一方で、セーフティシール３に対する熱損傷や、製品媒体の大気側への激しい流出も防止できる。
【００３８】
なお、通常の用途では、製品圧力Ｐ１と、大気側７に加わる圧力Ｐ３との圧力差は、おおよそ２００〜３００×１０５Ｐａである。このような大きな圧力差が製品側６と大気側７との間に生じているにもかかわらず、メカニカルシール２が損傷した場合には、簡易且つ安価な構造のセーフティシール３によって封止を提供することができる。このようにして、メカニカルシールアセンブリに対して予備的に設けられる第２のメカニカルシールを省略することができる。また、この結果、費用が抑えられることに加えて、軸線方向Ｘ‐Ｘにおけるセーフティシール３が極めて短く構成されるために、軸線方向の設置空間も節約される。
【００３９】
図５は、通常作動時における、本発明の第２実施例に係るメカニカルシールアセンブリ１を示す。第２実施例は基本的に第１実施例に対応するが、第１実施例と異なり、第２実施例では封止面３２に複数のリップ３４が形成される。本実施例では、５つのリップ３４が設けられる。リップ３４は、周方向に閉鎖した状態で延在することで、第２スリーブ４２の外周４２ａに接触する。これは、第１実施例のようにセーフティシール３と第２スリーブ４２との間にギャップが存在しないことを意味する。リップ３４が第２スリーブ４２の外周４２ａに接触するために、多少の摩擦及びそれに伴う一定の動力損失が通常作動時に生じる。しかしながら、リップが柔軟であることから、この動力損失は無視できる。破損時に、メカニカルシール２が損傷すると、製品側に加わる圧力Ｐ１は、第１実施例に示したように、続いて封止領域３１の外周３１ａに加わる。これによって、第２スリーブ４２に対するセーフティシール３によって、封止領域３１が第２スリーブの外周４２ａに対してきつく嵌合して封止できるように、リップ３４が変形する。ここでも、第２スリーブ４２における溝９は、破損時にセーフティシール３の封止領域３１を冷却するのに利用される。
【００４０】
図６は、通常作動時における、本発明の第３実施例に係るセーフティシール３を備えるメカニカルシールアセンブリ１を示す。第３実施例は基本的に第２実施例に対応するが、第２実施例と異なり、第３実施例ではセーフティシール３の封止領域３１の外周がテーパ領域３１ｂとして設けられる。テーパ領域３１ｂによって、破損時にメカニカルシール２が損傷すると、封止領域３１のテーパ領域３１ｂの外周に付加される圧力が、径方向及び軸線方向の部分を含むテーパ領域３１ｂに作用して、第２スリーブ４２の外周４２ａに対する最適な力の分散が確実に行われるようになっている。第２実施例と同様に、第３実施例でも、破損時にはリップ３４が変形して、封止領域３１を第２スリーブ４２にきつく嵌合させるようになっている。
【００４１】
図７は、通常作動時における、本発明の第４実施例に係るメカニカルシールアセンブリを示す。第４実施例のメカニカルシールは基本的に第２実施例のメカニカルシールに対応するが、第２実施例と異なり、第４実施例の封止領域３１はリップフリー突出部３７を備える。リップフリー突出部３７は、封止領域３１の自由端３８に対して軸線方向に最も先端にある先端リップ３４´から、軸線方向に突出する。リップフリー突出部３７の長さＬ３が、封止領域３１の軸線方向の第２の長さＬ２の約３分の１である。基体３０の軸線方向Ｘ‐Ｘの長さＬ１は、封止領域３１の第２の長さＬ２と略等しい。リップフリー突出部３７を設けることで、封止領域３１の自由端３８において圧力が均一な領域が生まれる。リップフリー突出部３７の三面における封止領域３１に対して圧力を付加することができる。この結果、封止領域３１が硬化する。破損時に、メカニカルシール２が損傷して製品圧力Ｐ１がセーフティシール３に付加されると、セーフティシール３の封止領域３１が、より素早く第２スリーブ４２に嵌合される。リップフリー突出部３７は、通常時に、リップ３４と第２スリーブ４２の外周４２ａとの接触を支持する。
【００４２】
なお、上記の全ての実施例において、溝９は任意である。これは、回転部品４が短時間で停止できる場合には、生じた熱を、セーフティシール３の材料によってセーフティシール３を破壊することなく吸収できるため、溝９は必ずしも必要でないことを意味する。
【００４３】
なお、封止面３２は、封止領域３１の軸線方向のみに形成されてもよいし、或いは、セーフティシール３の軸線方向の全長に亘って、すなわち、基体と封止領域３１とに亘って形成されてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１  メカニカルシールアセンブリ
２  メカニカルシール
３  セーフティシール
４  回転部品
５  ハウジング
６  製品側
７  大気側
８  中間領域
９  溝
１０  Ｏリング
１１  ギャップ
２０  回転スライドリング
２１  固定スライドリング
２２  封止ギャップ
３０  基体
３１  封止領域
３１ａ  封止領域の外周
３１ｂ  封止領域の外周におけるテーパ領域
３２  封止面
３３  ショルダ
３４  リップ
３５  円弧状の移行部
３７  リップフリー突出部
３８  封止領域の自由端
４０  シャフト
４１  第１スリーブ
４２  第２スリーブ
４２ａ  第２スリーブの外周
５１  ハウジング部品
５２  凹部
Ｄ１  封止領域の厚さ
Ｄ２  基体の厚さ
Ｆ  基体及び封止領域３１に亘る封止領域を変形させる力
矢印Ａ  通常の作動状態封止におけるセーフティシールに亘る漏洩
矢印Ｂ  破損時の漏洩
矢印Ｃ  通常作動時の漏洩
Ｌ０  セーフティシールの軸線方向の全長
Ｌ１  基体の軸線方向の長さ
Ｌ２  封止領域軸線方向の長さ
Ｌ３  リップフリー突出部の軸線方向の長さ
Ｐ１  製品圧力
Ｐ２  中間領域における圧力
Ｐ３  大気圧力
Ｘ‐Ｘ  軸線方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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