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課題・解決手段

本発明は、回転シールリング(21)及び固定シールリング(22)を有する少なくとも一つのメカニカルシール(2)と、前記回転シールリング(21)と共に回転するテスラポンプ(6)とを備えるメカニカルシールアセンブリであって、前記回転シールリング(21)及び固定シールリング(22)は、それらの間にシール隙間(23)を画成するメカニカルシールアセンブリに関する。

概要

背景

様々な構成のメカニカルシールアセンブリが、従来技術より知られている。稼働中、メカニカルシールは比較的高温となることがある。一方、このことは、封止される媒体が高温であることや、通常稼働中にメカニカルシールに対して生じる摩擦力及び旋回力が原因と考えられる。従って、メカニカルシールの損傷を防止するために、放熱する必要がある。このため、封止される媒体としては、それが過度に高い温度を有さないという条件下で使用し得るものか、或いは、バリア媒体を使用し得る。放熱に使用される媒体を循環させるために、外部ポンプが通常使用される。更に、媒体循環用の所謂ポンプリングを設置することが知られているが、その送給速度は通常非常に限られている。

概要

本発明は、回転シールリング(21)及び固定シールリング(22)を有する少なくとも一つのメカニカルシール(2)と、前記回転シールリング(21)と共に回転するテスラポンプ(6)とを備えるメカニカルシールアセンブリであって、前記回転シールリング(21)及び固定シールリング(22)は、それらの間にシール隙間(23)を画成するメカニカルシールアセンブリに関する。

目的

本発明の目的は、単純で廉価な構造ながらシールリングの領域における媒体の循環を向上することが可能であり、しかし非常にコンパクトな構造のメカニカルシールアセンブリを提供する

効果

実績

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請求項1

回転シールリング(21)及び固定シールリング(22)を有する少なくとも一つのメカニカルシール(2)と、前記回転シールリング(21)と共に回転するテスラポンプ(6)とを備えるメカニカルシールアセンブリであって、前記回転シールリング(21)及び前記固定シールリング(22)は、それらの間にシール隙間(23)を画成するメカニカルシールアセンブリ。

請求項2

前記テスラポンプ(6)の上流に配置される追加送給装置(7)を更に備える請求項1に記載のアセンブリ

請求項3

前記追加送給装置(7)が、前記テスラポンプ(6)と共に回転する送給ネジを備えることを特徴とする請求項2に記載のアセンブリ。

請求項4

前記送給ネジが、前記アセンブリの軸方向(X−X)に対して傾斜した傾斜送給溝(71)を備えることを特徴とする請求項3に記載のアセンブリ。

請求項5

前記テスラポンプ(6)が、複数のディスク(61)及び円筒状基部(60)を備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項6

前記ディスク(61)が、前記円筒状基部(60)から径方向外側に延在し、前記ディスク(61)のうち少なくとも一つが、少なくとも一つの軸方向開口(63)を備えることを特徴とする請求項5に記載のアセンブリ。

請求項7

前記テスラポンプ(6)の軸方向端部に配置される端部ディスク(62)以外の全てのディスク(61)が、少なくとも一つの軸方向開口(63)を備え、又は前記テスラポンプの全てのディスクが、少なくとも一つの軸方向開口を備え、特に前記端部ディスク(62)の軸方向開口(65)の平均断面は他のディスクの軸方向開口(63)の平均断面よりも小さいことを特徴とする請求項6に記載のアセンブリ。

請求項8

前記軸方向開口(63)は、円筒状であり、且つ/又は前記軸方向開口(63)は、長孔(67)として形成され、且つ/又は前記軸方向開口(63)は、前記ディスク(61)の周辺に沿って均等に分配されていることを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項9

前記テスラポンプ(6)の隣接するディスク(61)の軸方向開口(63)が、それらのディスク(61)の同じ周方向位置に配置されることを特徴とする請求項5〜8のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項10

前記テスラポンプ(6)の前記ディスク(61)が、少なくとも一つの平面側に、特に両方の平面側に、送給構造(68,69)を備えることを特徴とする請求項5〜9のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項11

前記ディスクは、前記テスラポンプ(6)の外周が拡大するように、特に円錐状に拡大するように配置されることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項12

前記ディスク(91)が、前記円筒状基部(60)上に螺旋状に配置されることを特徴とする請求項11に記載のアセンブリ。

請求項13

前記円筒状基部(60)が中空円筒として構成され、少なくとも一つの通路開口(66)が、特に前記基部(60)に設けられていることを特徴とする請求項5〜12のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項14

送給ネジが、ブッシュ(8)の外側に配置されることを特徴とする請求項3〜13のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項15

前記ブッシュ(8)が、締結部(81)及び中空シャフト部(82)を備え、前記送給ネジが、前記締結部(81)上に配置され、前記テスラポンプが、前記中空シャフト部(82)上に配置されることを特徴とする請求項14に記載のアセンブリ。

請求項16

第2メカニカルシール(3)を更に備え、前記テスラポンプ(6)が、前記第1メカニカルシール(2)の前記シール隙間(23)と前記第2メカニカルシール(3)のシール隙間(33)との間で軸方向(X−X)に配置される請求項1〜15のいずれか一項に記載のアセンブリ。

技術分野

0001

本発明は、少なくとも一つのメカニカルシールテスラポンプとを備えるメカニカルシールアセンブリに関する。

背景技術

0002

様々な構成のメカニカルシールアセンブリが、従来技術より知られている。稼働中、メカニカルシールは比較的高温となることがある。一方、このことは、封止される媒体が高温であることや、通常稼働中にメカニカルシールに対して生じる摩擦力及び旋回力が原因と考えられる。従って、メカニカルシールの損傷を防止するために、放熱する必要がある。このため、封止される媒体としては、それが過度に高い温度を有さないという条件下で使用し得るものか、或いは、バリア媒体を使用し得る。放熱に使用される媒体を循環させるために、外部ポンプが通常使用される。更に、媒体循環用の所謂ポンプリングを設置することが知られているが、その送給速度は通常非常に限られている。

発明が解決しようとする課題

0003

従って、本発明の目的は、単純で廉価な構造ながらシールリングの領域における媒体の循環を向上することが可能であり、しかし非常にコンパクトな構造のメカニカルシールアセンブリを提供することである。

課題を解決するための手段

0004

上記目的は、請求項1の特徴を備えるメカニカルシールアセンブリによって達成される。その従属項は、本発明の好ましい実施形態に関する。

0005

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、構造空間を著しく広げる必要とせずに、バリア及び/又は冷却媒体の送給速度を上げることができるという利点を有する。このことは、本発明のテスラポンプを備えるメカニカルシールアセンブリによって達成される。このテスラポンプは、径方向外側に延在する複数のディスクを備え、これらのディスクは円筒状基部上に配置される。ディスク同士は、規定の距離で相互に離れているため、媒体がディスク間入り、ディスクの回転によってディスクの外周に輸送され、そこからテスラポンプの外へ出る。テスラポンプは、単純で強力な構造を有し、寿命が長く、送給速度を上げることが可能である。このテスラポンプは、安定した特徴を有し、キャビテーションが起こる恐れも非常に小さい。

0006

好ましくは、前記メカニカルシールアセンブリは、テスラポンプの上流に配置される追加送給装置を更に備える。この追加送給装置は、好ましくは、テスラポンプと共に回転する送給ネジを備える。これにより、特に、媒体のテスラポンプへの流入が向上し、テスラポンプのポンプ能力が高まる。送給ネジが、メカニカルシールアセンブリの軸方向に対して傾斜した傾斜送給溝を備えることが特に好ましい。この傾斜送給溝は、特に、送給される媒体が周方向流動成分を受けるため、この媒体がより流れが促進される形でテスラポンプのディスク間に導入されるという利点を有する。これにより、テスラポンプの効率を特に向上できる。

0007

テスラポンプは、好ましくは、複数のディスク及び円筒状基部を備え、これらのディスクは、円筒状基部から径方向外側に延在する。好ましくは、ディスクのうち少なくとも一つが、少なくとも一つの軸方向開口を備え、この軸方向開口は、好ましくは基部の隣に位置する。好ましくは、テスラポンプの軸方向端部に配置される端部ディスク以外の全てのディスクが、少なくとも一つの軸方向開口を備える。特に好ましくは、複数の軸方向開口がディスクに設けられ、更に好ましくは、その周辺に沿って均一に分配されている。ディスク内の軸方向開口は、媒体がテスラポンプの円筒状基部の近くでテスラポンプのディスク間の領域に流入でき、そしてテスラポンプを通って螺旋状に外部に送給できるという効果を有する。軸方向開口により、ポンプの効率が更に向上する。軸方向開口が、テスラポンプの隣接するディスクにおいて同じ周方向位置に配置されることが特に好ましい。これにより、軸方向開口のない端部ディスクまで媒体が確実に導かれる。このことにより、効率を更に向上できる。

0008

本発明の代替構成によれば、テスラポンプの全てのディスクが少なくとも一つの軸方向開口を備えることが好ましい。ここでは、軸方向開口が、テスラポンプの軸方向端部に配置される端部ディスクにも設けられ、その通路断面は、他のディスクの他の軸方向開口よりも小さい。これにより、テスラポンプの全てのディスクを通る流れが可能となる。そして、媒体を確実にディスク間の全ての合間に輸送できる一方で、更に、媒体をテスラポンプの後ろの流れ方向の領域にも確実に輸送でき、これにより、この場所の部品、特にシールリングの冷却が図れる。

0009

軸方向開口の幾何学形状は、自由に選択できるが、好ましくは円筒状か、又は長孔、特にアーチ状若しくは直線状の長孔として設けられる。更に好ましくは、軸方向開口は、テスラポンプのディスクの底部に設けられ、更に好ましくは次々と列をなすように配置され、これらを通ると可能な限り損失を最小限とする良好な流れを確実とする。数個の軸方向開口が、ディスクの周辺に沿って均等に分配することが好ましい。

0010

テスラポンプのディスクが、少なくとも一つの平面側に送給構造を有することが更に好ましい。この送給構造は、例えば、アーチ形状に配置され、ディスクの平面側から突出する部材であってもよく、放射状に直線的に延在する突出部材であってもよい。ディスク上の送給構造によって、媒体の輸送が促進される。平面側から始まる送給構造の高さは、テスラポンプの送給性能も促進するように選択される。或いは、送給構造が両側からディスク間の隙間に突入するように送給構造をディスクの両方の平面側に設ける。

0011

テスラポンプのディスク間に搬送される媒体をより通過できる状況を実現するために、テスラポンプの外周を、特に円錐状に連続して拡大する。実質的に円錐状の外殻形状を有するテスラポンプを形成することによって、送給が確実に向上する。ディスクを円筒状基部上に螺旋状に配置することが特に好ましい。或いは、異なる外径を有するディスクを、相互に平行に配置する。ディスクの外径は、軸方向に増加していく。ここで、ディスクの大きさは、テスラポンプ上に円錐状の外殻が得られるように、軸方向に均等に増加していくのが好ましい。

0012

更に好ましくは、円筒状基部を中空円筒として構成し、中空円筒内の空間との連通を可能とする少なくとも一つの通路開口を、中空円筒状基部に設ける。この中空円筒内の空間は、好ましくはシールリングまで続き、これにより、媒体が通路開口を通ってシールリングまで流れることができ、シールリング領域での冷却の向上が図れる。この通路開口は、好ましくは、中空円筒の周辺に沿って配置される一つ又は複数の径方向の孔として設けられる。

0013

特にコンパクトな構造としては、追加第2送給装置の送給ネジを、ブッシュの外側に配置することが好ましい。ブッシュを回転スリーブ上の送給ネジの領域に配置し、テスラポンプを締結領域の隣のブッシュの中空シャフト部上に配置することが更に好ましい。

0014

更に好ましくは、搬送される媒体の流出孔が、テスラポンプの径方向外側に配置される。

0015

更に好ましくは、前記メカニカルシールアセンブリは、第2メカニカルシールを備え、テスラポンプが、第1メカニカルシールのシール隙間と第2メカニカルシールのシール隙間との間で軸方向に配置される。これにより、複動式メカニカルシールアセンブリの特にコンパクトな構造が確実となる。

0016

好ましくは、テスラポンプは、メカニカルシールアセンブリのシールリング及び/又は他の部品を冷却する冷却装置の一部である。

0017

特に、例えば、高温に曝されるメカニカルシールアセンブリを冷却するため、粘度が非常に高い冷却媒体を使用する場合、テスラポンプを備える本発明のアセンブリは、従来から使用される送給装置と比べて、送給効率を著しく向上できる。

0018

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図面の簡単な説明

0019

図1は、本発明の第1の実施形態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は、図1のテスラポンプ及び送給ネジの概略側面図である。
図3は、図2の概略斜視図である。
図4は、本発明の第2の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリの概略側面図である。
図5は、図4のテスラポンプ及び送給ネジの概略側面図である
図6は、図5の概略斜視図である。
図7は本発明の第3の実施形態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8は、本発明の第4の実施形態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9は、第5の実施形態に係るテスラポンプ及び送給ネジの概略斜視図である。
図10は、本発明の第6の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリの概略斜視図である。
図11は、送給構造を有するテスラポンプのディスクの図である。
図12は、送給構造を有するテスラポンプのディスクの図である。

実施例

0020

図1〜3に、本発明の第1の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリ1を詳細に示す。

0021

メカニカルシールアセンブリ1は、第1メカニカルシール2及び第2メカニカルシール3を備える。第1メカニカルシール2は、回転シールリング21及び固定シールリング22を備え、この2つのシールリングは、それらの間にシール隙間23を画成する。第2メカニカルシール3は、回転シールリング31及び固定シールリング32を備え、この2つのシールリングもそれらの間にシール隙間33を画成する。それ故、第1の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリは、複動式メカニカルシールを備えている。

0022

各回転シールリング21、31は、保持リング11を介して回転部品4、本実施形態においては回転シャフトに接続される。更に、2つのメカニカルシール2、3はそれぞれ、バネ装置として金属製ベローズ10を備える。図1から分かるように、金属製ベローズ10は、回転部品4と共に回転する回転スリーブ9に固定される。固定シールリング22、32は、直接的に又は間接的にハウジング5に接続される。

0023

本発明のメカニカルシールアセンブリ1は、大気側14に対して装置側13を封止する。

0024

更に、本発明に係るメカニカルシールアセンブリ1は、テスラポンプ6及び第2送給装置としての送給ネジ7を備える。送給ネジ7及びテスラポンプは、回転スリーブ9に固定されたブッシュ8上に配置される。テスラポンプ6は、複数の平行なディスク61を備え、各ディスクは軸方向開口63を有する。ここでは、軸方向開口63は、円筒状に配設され、ディスク61の周辺に沿って均等に分配され(図3参照)、テスラポンプの円筒状基部60に隣接して設けられる。ここでは、テスラポンプ6の軸方向端部に配置される端部ディスク62には、軸方向開口がない。ディスク61及び端部ディスク62は、ディスク間に一定の合間64が存在するように配置される。ディスク61の幅は、合間64の幅と等しい。

0025

送給ネジ7は、メカニカルシールアセンブリの軸方向X−Xに対して斜めに配置される複数の溝71を備える。送給ネジ7の固定部分72は、固定部品50の滑らかな外面によって設けられる。それ故、図示の送給ネジ7は、回転送給ネジとなる。或いは、固定送給ネジを設けることもでき、ここで、送給溝が固定部品に設けられ、滑らかな外面が回転部品上に設けられる。或いはまた、対向送給ネジを設けることもでき、ここで、溝は、回転部品と対向して配置される固定部品とに設けられる。

0026

冷却媒体は、流入孔16を介して、回転部品4とハウジング5との間の合間12に供給される。矢印で示されるように、ここでは、冷却媒体は、合間12から送給ネジ7を通ってテスラポンプ6に向かって送給される。テスラポンプ6上で、冷却媒体は、テスラポンプの軸方向開口63に流入し、回転ディスクによって螺旋状に径方向外側にそして流出孔15へ輸送される。特に図3から分かるように、送給ハウジングの溝71が、周方向の流動成分と共に冷却媒体に作用し、これにより、冷却媒体は、流れ抵抗が減少されて流れが促進される形でテスラポンプ6の軸方向開口63に進入する。回転部品4と共に送給ネジ7及びテスラポンプ6は同じブッシュ8上で回転することから、テスラポンプへの冷却媒体の進入が容易になる。合間64はディスク61間に規定の幅を有するので、エネルギー付着力によってディスクから冷却媒体に伝達され、冷却媒体は螺旋状にテスラポンプの径方向外側に搬送される。好ましくは、ここでは、冷却媒体は、比較的高い粘度を有するものが選択される。冷却媒体は、例えば、オイルである。冷却媒体の高い粘度によって、テスラポンプ6の効率が特に向上する。

0027

上より、第1の実施形態において、送給ネジ7は、流れ方向においてテスラポンプ6の上流に配置され、送給ネジ7は、送給性能に加えて、冷却媒体のガイド機能を果たす。これにより、この媒体は、媒体の発達する境界層によって過剰に干渉されることなく、より容易にテスラポンプの合間64に流入できる。テスラポンプ6の質量ができるだけ少なくなるように、テスラポンプ6はブッシュ8の中空シャフト部82上に配置される。これは、冷却媒体が第1メカニカルシール2上の金属製ベローズ10部分内も通過できるという更なる利点を有する。送給ネジ7は、回転スリーブ9に接続されるブッシュ8の締結部81上に設けられる。

0028

テスラポンプ6は径方向においてある寸法を有しているが、その寸法は非常にコンパクトである。従って、通常メカニカルシールアセンブリの径方向には固定部品のために必要な設置空間が存在するため、メカニカルシールアセンブリの設置状況が大きく異なる場合でも、問題なくテスラポンプ6を設置することができる。ここで、テスラポンプの軸方向長L1は、送給ネジ7の軸方向長L2と等しい(図2参照)。更に、送給ネジ7及びテスラポンプ6は、2つのメカニカルシール2、3の2つのシール隙間23、33の間で軸方向X−Xに配置される。

0029

それ故、テスラポンプ6をメカニカルシールアセンブリに一体化するという本発明の思想によって、メカニカルシール及びそれに隣接する部品を冷却又は閉塞するために使用される媒体の送給を、広い構造空間を必要とすることなく、確実に向上できる。ここでは、テスラポンプは、非常に強力であり、特にブレード等のような高価な部品を必要としないことから、非常に低コストで製造し得る。テスラポンプ6が一体化されるおかげで、例えば回転ポンプ等の冷却流体を送給するための外部送給装置を不要とすることが更に可能となる。

0030

以下、図4〜6を参照して、本発明の第2の実施形態を説明する。ここで、同じ又は機能的に同じ部品には、第1の実施形態と同じ参照番号が付されている。第2の実施形態は実質的に同じ構造を有するが、第1の実施形態とは、テスラポンプ6の構造が異なる。特に図4及び5から分かるように、テスラポンプ6は再び、円筒状基部60及び複数のディスク91を備え、ディスク間に既定の合間92が設けられる。しかし、第2の実施形態のテスラポンプ6のディスク91は、ディスクが螺旋形状に延在するような構造を有する。それ故、ディスク91は、ディスク間に螺旋状の合間92が得られるような螺旋構造を有する。ここでは、ディスク91の直径が、媒体の流れ方向Aに増加していく。これにより、テスラポンプのための円錐状の外形(envelope)が生じる。更に、ディスク91の厚さが、2つの近接ディスク91間の中間の空間92よりも小さくなるような寸法とされている。これにより、テスラポンプは、摩擦の増加を伴って稼働し、そして、冷却媒体の発達する境界層のための最大表面が提供される。その他は、本実施形態は、先述の実施形態と一致する。従って、前実施形態の説明を参照することができる。

0031

図7及び8はそれぞれ、本発明に係るメカニカルシールアセンブリの更なる実施形態を示す。図7に示す第3の実施形態において、テスラポンプは、複数のディスク61を備える。各ディスク61、特に端部ディスク62も、テスラポンプの軸方向端部に軸方向開口を備える。ここでは、端部ディスク62の軸方向開口65は、ディスク61の他の軸方向開口63よりも小さい、即ち、軸方向開口65の通路断面は、他の軸方向開口63の通路断面(これらの各断面は同じ大きさである)よりも小さい。図8に示す第4の実施形態は、第1の実施形態と実質的に一致するが、径方向通路開口66が中空シャフト部82に形成される。好ましくは、複数の通路開口が、中空シャフト部82の周辺に沿って設けられる。図8から分かるように、通路開口66は、テスラポンプ6と送給ネジ7との間で軸方向に設けられる。通路開口66を介して中空シャフト部82内部の空間17との連通が図られている。図8から分かるように、この空間は、2つのシールリング21、22のシール隙間23の近傍で終端している。これにより、シールリング21、22を冷却する流体の流れが生じ、この流れは、送給ネジ7の下流部分から分岐し、径方向通路開口66を通り、空間17を介してシールリングに導かれる。

0032

図9は、更に好ましい代替構成を示す。ここでは、円筒状の孔の形状の軸方向開口63の代わりに、長孔67が設けられる。これにより、テスラポンプ6のディスクを通る流体の流量を増やすことが可能となる。ここでは、長孔は、送給ネジ7の外半径と一致する直線状又はアーチ状にも形成される。

0033

図10は、本発明の第6の実施形態に係るメカニカルシールアセンブリのテスラポンプ6を示す。ここでは、追加送給装置は設けられていない。これは、本実施形態においては、媒体が専らテスラポンプ6によって搬送されることを意味する。テスラポンプ6は、中空シャフト部82及び3つの幅広ウェブ83を介してシャフト(図示せず)に固定される。従って、本実施形態は、第2送給装置を省略し得ることから特に低コストで製造し得る。更に、第2送給装置の省略によって、軸方向にコンパクトで短い構造形状が特に可能となる。更に、周方向の、ウェブ83間の比較的幅広の合間によって、媒体のテスラポンプ6への供給が向上する。

0034

図11及び12は、テスラポンプ6のディスク61の2つの更なる代替実施形態の上面図を示す。ディスク61の平面側に、送給構造が設けられる。図11のディスク61には、アーチ状の突出送給部材68が設けられ、図12に示す実施形態には、放射状に延在する突出送給部材69が設けられている。各突出送給部材は、ディスク61の平面側に等しく分配されて形成されている。これらの送給構造を、ディスクの一方の側にのみ、或いはディスクの両方の側に設け得ることに留意すべきである。ここでは、突出送給構造であるにも拘らず、比較的狭い合間64が近接するディスク61間に存在するように、並びにこれらの送給構造がテスラポンプ6の送給速度を上げるように突出送給構造の高さは選択される。ここで説明された全ての実施形態において、図11及び12に示す送給構造を採用し得る。更に、流路等を設けることによってもこれらの送給構造を形成され得ることに留意すべきである。

0035

1メカニカルシールアセンブリ
2 第1メカニカルシール
3 第2メカニカルシール
4シャフト
5ハウジング
6テスラポンプ
7 送給ネジ
8ブッシュ
9回転スリーブ
10ベローズ
11保持リング
12 合間
13 装置側
14大気側
15流出孔
16流入孔
17 空間
21回転シールリング
22固定シールリング
23シール隙間
31 回転シールリング
32 固定シールリング
33 シール隙間
50ハウジング部品
60円筒状基部
61ディスク
62端部ディスク
63軸方向開口
64 合間
65 端部ディスクの軸方向開口
66径方向通路開口
67長孔
68,69 突出送給部材
71 溝
72 送給ネジの合わせ面
81締結部
82中空シャフト部
83ウェブ
91螺旋状ディスク
92 螺旋状の合間
A 流れ方向
L1 テスラポンプの軸方向長
L2 送給ネジの軸方向長

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