(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能なシャフト上の周方向面又はスリーブである第１対向面と、
多孔質体である第２対向面と
を備える気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリであって、
前記多孔質体が、前記第１対向面とシール体との間に位置付けられた環状プレナムにあって、
前記環状プレナムが、加圧流体を前記環状プレナム及び前記多孔質体に伝達する伝導通路に接続され、前記環状プレナム及び前記多孔質体が、前記加圧流体を前記周方向面又はスリーブと前記多孔質体との間に分配して、前記多孔質体と前記周方向面又はスリーブとの間に環状膜を作り出し、
前記気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリが、前記気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリとハウジングとの間に配置されたＯリングとともに前記シャフトと同心状である前記ハウジングの端部に連結されて、前記周方向面又はスリーブと前記多孔質体との間の前記加圧流体が前記ハウジングの中に収容された内容物の放出を防止するように、前記第１対向面及び第２対向面がラジアル軸受及びシールとして機能するように構成されている、気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリ。
【請求項２】
前記気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリが、前記シャフトの中心の変位又は角度変化を可能にするコンプライアントマウントによって前記ハウジングに連結されている、請求項１に記載の気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリ。
【請求項３】
前記コンプライアントマウントがベローズである、請求項２に記載の気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリ。
【請求項４】
回転可能なシャフトであって、前記シャフトに連結されたランナーを有するシャフトと、
前記シャフトと同心状に位置し、キャビティを画成するハウジングと、
第１のリング及び第２のリングを有する環状シール体であって、前記ハウジングに連結された環状シール体と
を備える気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリであって、
前記第１のリングは、第１の複数の同心状の環状プレナム上に位置する第１の多孔質体を含み、前記第１の複数の同心状の環状プレナムの各々が第１の伝導通路に直接接続されたポートを有し、
前記第２のリングは、前記第１のリングに対向し、前記ランナーによって前記第１のリングから離隔され、第２の複数の同心状の環状プレナム上に位置する第２の多孔質体を含み、前記第２の複数の同心状の環状プレナムの各々が第２の伝導通路に直接接続されたポートを有し、
前記環状シール体が、前記第１及び第２の複数の同心状の環状プレナムの各プレナムに、各プレナムのポートを介して加圧流体を直接伝達する前記第１及び第２の伝導通路を含み、
前記第１及び第２の複数の同心状の環状プレナム及び前記第１及び第２の多孔質体が、前記加圧流体を前記ランナーと前記第１のリング及び前記第２のリングとの間に分配して、前記ランナーと前記第１及び第２の多孔質体との間の前記ランナーの両側に環状膜を作り出し、
前記ランナー、前記第１の多孔質体、及び前記第２の多孔質体が、スラスト軸受として機能するように構成されている、気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリ。
【請求項５】
前記ランナーが、０．１と１ｍｍとの間の厚さを有する細い羽根である、請求項４に記載の気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリ。
【請求項６】
回転可能なシャフトに連結されたランナーの第１面である第１対向面と、
第１の多孔質体である第２対向面と、
前記シャフトと同心状に位置し、キャビティを画成するハウジングと、
前記ハウジングに連結された環状シール体と
を備える気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリであって、
前記環状シール体が、前記シャフトの周りに同心状に配置された複数の同心状の環状プレナムを含み、各プレナムがポートに直接接続し、前記第１の多孔質体が前記複数の同心状の環状プレナム上に位置付けられ、
前記環状シール体が、前記複数の同心状の環状プレナムに、前記ポートを介して加圧流体を直接伝達する伝導通路を更に含み、
前記第１対向面及び前記第２対向面が、接触軸受として機能するように構成され、前記複数の同心状の環状プレナム及び前記第１の多孔質体が、前記第１対向面と前記第２対向面との間に荷重力を与えないように、前記加圧流体を分配するように構成されている、気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリ。
【請求項７】
前記ランナーが、前記シャフトの中心の変位又は角度変化を可能にするコンプライアントマウントを用いて前記シャフトに連結されている、請求項６に記載の気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリ。
【請求項８】
前記ランナーが１つの羽根である、請求項６に記載の気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリ。
【請求項９】
前記ランナーが、前記シャフトに連結されている、請求項６に記載の気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリ。
【請求項１０】
前記第１対向面及び前記第２対向面が、ばね又は他の部品を用いて閉じる方向に予圧され、或いは付勢されている、請求項６に記載の気体静圧又は液体静圧軸受シールアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１２年１月３日に出願された米国仮特許出願第６１／５８２，６７４号、２０１２年９月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／７０４，９２７号及び２０１２年１１月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／７２８，５９５号の利益を主張し、これらの開示はその全体が参照により本開示に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、シールに関し、より具体的には、石油及びガス、発電（圧縮空気貯蔵又は揚水式貯蔵のようなエネルギー貯蔵を含む）、航空タービン、化学処理、製紙、曝気及び水質浄化、ガス分離並びに他の加工産業等の分野において使用するためのシールに関する。これらの産業において、この技術は、ポンプ、圧縮機、タービン、発電機、モータ、ターボエキスパンダ、ターボチャージャ、ミキサ及びリファイナに対してその用途が見出せるだろう。
【背景技術】
【０００３】
回転機器用の効果的なシールを作り出し実装する努力は、回転機器が存在する間ほぼ常になされてきた。そして、回転機器の用途及び種類は多岐にわたるため、この機器に採用されるシールも多岐にわたる。
【０００４】
最も簡素で且つ最も古い種類のシールの一つとして、パッキンを用いたシールは今なお多く採用されている。このシールでは、パッキン抑え（グランド）を締め付けることによってパッキンをシャフトの周りに圧縮できる。よって、パッキンをどの程度締め付けるか（シャフトの摩擦損失及び摩耗を引き起こす）とシールがいかに有効かとの間にはバランスがある。リップシールは、他の形態の接触型シールである。これも摩耗によりシャフトに溝を作り、それ自体も摩耗や漏出を起こす。ラビリンスシールは、非接触シールの一形態であるが、シール全体に亘って大きな圧力差があるときに、大量の流れに繋がりうる伝導路を生じる。漏出を最小限に抑えるために、シールの固定部の回転との間の隙間を可能な限り最小化する。これはコストを大幅に追加し、またそれを有効とするためには、多くの場合シールを軸方向に比較的長くする必要がある。またブラシ型及びアブレータブル型のシールがあり、これらは、その合わせ面に接触した状態を維持するために遠心力又は圧力差を利用することの多い接触型シールである。これらのシールは、微粒子を発生させ、メンテナンスコストとなる摩耗性品であり、高速では相当な量の熱及び摩擦損失を発生させる。また、これらの接触シールは大きな騒音を発生させる。ベアリングアイソレータは、加工機器において一般的に見られ、典型的にラビリンス型シール技術及びリップ型シール技術を組み合わせ、場合により、密封すべきボリュームの圧力よりも高い圧力で流体又は気体を注入する。このような技術の例として、特許文献１が挙げられる。
【０００５】
メカニカルシール及びドライガスシールも、注入型（インジェクション）シールとして考えられる。これらのシールの多くが、ある種のフラッシュ又はシールガスをその中に使用しているためである。ドライガスシールは、具体的に、流体力学空気軸受効果を使用して、密封時に非常に有効な、非常に小さい非接触ギャップを作り出す。密封効果が、比較的早い密封面間の表面速度に依存している。シールの軸受面を平坦にして互いに対して押圧された状態を維持して軸受面間の速度の接触を抑えることによって、軸受面間の速度での接触による拘束や、軸方向コンプライアンスを与えるために使用される機構が「ハングアップ」して密封面間に大きなギャップが形成されることによるシールの不具合を防止するために、数多くのエンジニアリングがシールに使われている。メカニカルシールも同じ問題を被るが、その密封面は、比較的良好に滑り軸受とともに使用されるように設計されている。しかし、それらは接触軸受であることが多いため、摩耗して熱を発生する。このようなシールの例としては特許文献２がある。特許文献２は、従来のシール及び「ハングアップ」に伴う問題を非常に良く説明しており、従来の注入型シールの一例でもある。また、この注入流体が、シールの面において空気力学軸受としての特性を確立する助けになることも注意されたい。
【０００６】
今日の技術水準には、螺旋溝フォイル軸受等の液体動圧軸受が含まれる。これは、ギャップへの流体又は気体の粘性抵抗に基づき非接触となることができるもので、小さなギャップを介して規制を作ろうと試みるラビリンスシール及びガスシールがある。ガスシールの例としては、Ｐａｌｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社及びＣａｒｂｏｎｅ  Ｔｕｒｂｏｇｒａｐｈ社のシールがある。Ｃａｒｂｏｎｅ社の場合、多孔質体カーボン及びグラファイトの製造業者であり、多孔質体又はグラファイトを液体静圧密封の目的のための補償技術としては採用していない。このことは、多孔質体を用いたこのような補償技術を使用することが彼らにとって自明ではないことの証拠であると我々は示唆する。
【０００７】
他の現代の例として特許文献３は、カーボングラファイト及びセラミック材料の使用を具体的に教示・クレームし、加圧ガスを使用しているが、多孔質体による補償は採用しておらず、この特許文献３は高速タービンエンジンを具体的に対象としている。このことは一例として多孔質補償の使用が自明ではないことを示すと我々は示唆する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７，６３１，８７８号明細書
【特許文献２】米国特許第７，８２３，８８５号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００６／００６２４９９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、外部加圧空気軸受技術を採用して非接触密封ギャップ内に高圧を作り出し、接触して動くことを意図された又は時折接触する面の間の摩耗及び熱上昇を防止又は低減し、そして、どのように軸受及びシール技術の組み合わせが回転機器の密封を劇的に簡素化するかを教示するという着実な方法を教示することによってより信頼性の高いガスシール及びメカニカルシール面を提供すること、及び、コンプライアンス又は面を互いに対して押圧した状態を維持するための付勢機構の不具合である「ハングアップ」を防止することを含む。
【００１０】
現代の空気軸受技術は、ターボ機器に適用した場合、従来の軸受及びシールと交換できる非常に興味深い用途を有する（オイルの使用をなくす、効率性を向上させる、騒音を低減する）。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
シール及び対向面を、２つの対向する密封面の１つを多孔質体として使用してそれら面の間の空気軸受ギャップへ外部から供給される液体静圧力を規制するように設計する。この技術は、大型のアジテータ、ミキサ又はリファイナにおけるパッキンと交換するように適用できる。シールの低位端には上述の連続体（ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）を、高位端にはメカニカル又はドライガスシールを置く。一実施例は、特に空気エンジンの密封に非常に適した羽根ランナーであり、ステージ密封を向上しながら摩擦、摩耗及び騒音を劇的に低減することを可能にする。また、シールの回転質量及び軸方向長さが劇的に短くなる。他の実施例の教示は、力均衡フェースシールであり、数千ポンドの閉じ力がある場合でも、メカニカルフェースシールが、実質的に接触力がない状態で接触運動しうる。
【００１２】
外部加圧気体軸受は、シールとして使用するための幾つかの基本的な利点を有する。
【００１３】
非接触であり相対運動とは独立して動作する（ゼロＲＰＭで機能する）
【００１４】
軸受のギャップ内にプロセスガスを使用する。
【００１５】
最も極端な温度で動作する。
【００１６】
高圧だが低流量を使用する。
【００１７】
密封と軸受機能とを組み合わせる。
【００１８】
非接触シールとして、それらは、クーロン摩擦を有さず摩耗もしない。空気膜には粘性せん断摩擦が存在するが、これは、軸受の摩擦よりも大きさが数桁小さい。これは、エネルギー消費の削減にとって良い前兆であり、強いグリーン製品の販売アピール（ｓｔｒｏｎｇ  ｇｒｅｅｎ  ｓａｌｅｓ  ａｒｇｕｍｅｎｔ）となる。径方向スラスト又はフェース型のシールのどちらも可能である。
【００１９】
それらは、たとえ非接触であっても、空気膜の圧縮を介してそれらの対向面に機械的に連結される。図３Ｂの例の場合のように、ブッシングシールは、それが密封するスピニングシャフトによって支持されている。これにより、ラビリンスシールで見られるアライメントの問題が解消できる。これは自己位置合わせ能力である。シールは、ステータに対して固定であり、コンプライアンスマウントの例としてのある種の可撓性ベローズ、ダイアフラム又はＯリングによりステータに接続されている。ＧＧＢ社、Ｗａｕｋｅｓｈａ社及びＣｒａｎｅ社のような製造業者によるベアリングアイソレータが、シャフトの中心の変位及びシャフトの角度変化を可能にするコンプライアントマウントにおける技術の現在の段階の例である。上述のベアリングアイソレータは、補償液体静圧軸受技術を使用しないため、大量の圧縮空気又は注入流体をギャップ内に使用する。
【００２０】
エアギャップ内に維持される高圧は、異物、液体さらには気体の移動（ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）に対して効果の高いシールとなる。１つ以上の溝に流入する圧力を採用する従来のラビリンスシール及びガスシールは、比較的低圧（数ＰＳＩ）及び高い流れ（毎分数十立方フィート）となる問題がある。しかし、空気軸受シールは、ギャップ内に容易に３０ＰＳＩの圧力を発生させることができ、流れを毎時立方フィートで測定できる。スラスト面構成のこのような軸受の例は、我々の、バキュームプリロード空気軸受の標準ラインである。これは直観に反するものであるが、我々は、環状エアギャップ内に３０ＰＳＩの圧力を使用して、軽荷重精密ステージにおいて空気膜に予圧をかけるために使用される真空から大気圧を分離することに成功している。
【００２１】
「空気軸受は、密封技術において多様なカテゴリに適用できるが、それらは（まだ）一般的に採用されてはいない」
【００２２】
多孔質体空気軸受は新しいものではなく、また液体静圧シールのアイデアも新しいものではないが、従来技術においては非常に少なく、これらのアイデアの利点を組み合わせる実施はさらに少ない。
【００２３】
軸受及びシールとしての空気軸受は、ターボ機器の基本設計に革命をもたらす可能性を有する。
【００２４】
多孔質液体静圧シールを製造するのは難しくはない。必要なことは、多孔質体の層を一般に０．０２０〜０．２インチ（約０．０５１〜０．５０８センチメートル）の厚さとすること、空気分配ラビリンスを２つの層の間に配して非多孔質ハウジング内に焼嵌めすること、ジャーナルの適切な直径まで多孔質体面の仕上げ穿孔又はスラスト面の仕上げ平坦性を得るための旋削を行うことだけである。一般に、空気ギャップは、せん断エネルギー及びギャップ中の流れの両方をギャップの二次及び三次関数として、０．０００１’’〜０．００１’’である。多孔質体中の流れは、ギャップ中の所望の流れによって決まり、一般に、シャフト又はスラスト面を設置した時の所望の流れの約２倍である。シャフトの速度が増加すると、せん断エネルギー損失による熱の蓄積を最小限に抑えるために理想のギャップ厚さも増加させる必要がある。これを決定するのに使用する公式は、当該技術分野において一般に知られている。
【００２５】
現代の空気軸受技術は、ターボ機器に適用した場合、従来の軸受及びシールと交換できる非常に興味深い用途を有する（オイルの使用をなくす、効率性を向上させる、騒音を低減する）。本明細書は以下このことを幾つかの実施例において教示する。
【００２６】
シールを実現するために、２つの対向する表面の一方側を備える多孔質材料を使用して、２つの表面間の外部加圧気体、液体、蒸気等を規制し均等に分配して、２つの面を互いに閉じようとする圧力差又はバネからの力と反対の力を加えることにより、現在使用されている液体動圧シールよりも安定した信頼できる非接触シールを作り出すことができる。これらの面は接触しているが、２つの面に対する荷重が完全になくなりゼロ接触圧が２つの面の間に存在するように気体静圧力を調節できる。これらの面は接触しているため、ギャップ中の流れはほぼゼロとなり、多孔質材料へ供給されるライン圧が２つの面の間に存在することになる。この接触力は、入力圧を変えることで容易に調節でき、従来の接触シールにおける摩擦によって発生する摩耗及び熱を低減できる。
【００２７】
以下の図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】簡素なシングルフェースのガス軸受シールを示す。
【図１Ｂ】シングルフェースの可撓性回転エレメントを示す。
【図１Ｃ】従来技術の図を説明無しで示す。
【図１Ｄ】好適な実施例におけるタンデムフェースシールを示す。
【図１Ｅ】調節可能な空気閉じ力を有する可撓性固定プライマリを示す。
【図１Ｆ】機械的閉じ力のみを有する可撓性固定プライマリを示す。
【図１Ｇ】トーラスを有する可撓性固定プライマリを示す。
【図２Ａ】簡素なダブル対向ガス軸受シールを示す。
【図２Ｂ】好適なダブル対向の可撓性回転エレメントを示す。
【図２Ｃ−１】多孔質体対液体動圧ガスシールを示す。
【図２Ｃ−２】多孔質体対液体動圧ガスシールを示す。
【図２Ｃ−３】多孔質体対液体動圧ガスシールを示す。
【図２Ｃ−４】多孔質体対液体動圧ガスシールを示す。
【図２Ｄ】多孔質空気軸受のリフト荷重チャートを示す。
【図３Ａ】周方向ガス軸受シールを示す。
【図３Ｂ】周方向シールの取付方法を示す。
【図４Ａ】単一のシールを示す。
【図４Ｂ】単一のシールを示す。
【図５Ａ】従来技術の詳細な説明を示す。
【図５Ｂ】シールを除く気体軸受の好適な実施例を示す。
【図６Ａ】マルチ羽根シールを示す
【図６Ｂ】平行撓み空気エンジンを示す。
【図６Ｃ】平行撓みの拡大図を示す。
【図７Ａ】角度のシールコンプライアンスを示す。
【図７Ｂ】角度のシールコンプライアンスを示す。
【図７Ｃ】角度及び軸方向のシールコンプライアンスを示す。
【図８Ａ】軸方向・角度・径方向の非換気シールコンプライアンスを示す。
【図８Ｂ】軸方向・角度・径方向の非換気シールコンプライアンスを示す。
【図９Ａ】軸方向・角度・径方向の源（ｓｏｕｒｃｅ）を示す。
【図９Ｂ】軸方向・角度・径方向の源（ｓｏｕｒｃｅ）を示す。
【図１０Ａ】軸方向・角度・径方向の換気を示す。
【図１０Ｂ】軸方向・角度・径方向の換気を示す。
【図１１Ａ】力均衡軸受の図を示す。
【図１１Ｂ】力均衡軸受の例を示す。
【図１２】広い温度能力を有する軸受シールを作る方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２９】
本発明の好適な実施例を、図面を参照して詳細に説明する。全ての図面において、同様の符号は、同様の構成要素を示す。
【００３０】
図１を参照し、高速で回転できるシャフト１０１は、そのシャフト１０１にＯリング１１１（若しくは、図１Ｂに詳細に例示するような他の取付機構、又はこの明細書において詳述する若しくは当該技術分野において既知の他の配置構造）を介して連結されたランナー１１０を有する。Ｏリングは、ランナーに軸方向コンプライアンスを設けて、それと固定面との間の隙間の自己調整及びシャフトの軸方向変位を可能にする。ランナーがシャフトにハードマウントで取り付けられている場合は、何らかの軸方向コンプライアンスを固定部品内に組み込む必要がある。ランナーは、空気膜上を径方向に自由に移動できる。図１Ｂに示すような従来のメカニカルフェースシールの多くは、シールの対向面を接触状態に付勢するバネ荷重機構を有する。この技術は、当該技術分野においてよく知られており、シール面に対する荷重を調節し軸方向コンプライアンスを提供するために採用してもよい。１０３は、シールの一方側のボリュームを示し、これは、例として、ギヤボックス、モータ発電機ハウジング、又は、ミキサ、リファイナ、ウォーターポンプ若しくはガスパイプライン圧縮機等の処理流体若しくはガス、一台の回転機器の区画間のシールとすることができる。１０４は、ケーシング又はハウジングを示す。また、図２Ａに２０５で示すようなアダプタプレートが設けられても設けられなくてもよい。シール体１０９自体は、Ｏリングシール１０５を介してハウジングケーシング又はアダプタプレートに取り付けられるようになっていてもよい。図１Ａに例示するシール体は、軽く荷重をかけられるシールを示すが、シール体及びその取り付けは、密封される圧力差のもとで大きく変形しないように十分な剛性を有している必要があることは認識すべきである。シール体には、加圧流体をプレナム１０８に流通させる伝導通路１０６が備えられている。プレナム１０８は、加圧流体を多孔質体１０２の裏側に均一に分配する。多孔質体１０２は、グラファイト、カーボン、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、アルミナ又は基本的に任意の多孔質及び／若しくは焼結材料から構成することができる。これらの材料は、典型的に、フェースシール及びメカニカルシールとして、また、ドライガスシールにおけるランナー及びランナーフェースとして見られる。この多孔質を充填又は密封する代わりに、その多孔質を、機能性のために使用する。多孔質体の空気軸受による補償は、単に考えられる解決手段の一つであり、当該技術分野において知られている他の補償技術のうち、オリフィス、ステップ、溝、固有の（ｉｎｈｅｒｅｎｔ）又はポケットを有する（ｐｏｃｋｅｔｅｄ）補償を採用してもよい。多孔質空気軸受は、当該技術分野において既知であり、前述の出願において発明者によって説明されている。また、圧力で清浄な流体を供給する方法もよく知られており、容易に利用できる。図１Ｂにおいて図１Ａと異なる点は、シャフト１０１が、そのシャフトに固定されたスリーブ１１２と、ランナー又は合わせリングを多孔質軸受のシール面及び／又は１次リングに対して押圧又は付勢するバネエレメント１１３とを備えていることである。
【００３１】
隙間の厚さは、液体静圧入力圧、（圧力差、バネ力、動的力等からの）面を互いに付勢する力、多孔質体の規制、及び表面積のそれら表面のリークエッジ（ｌｅａｋ  ｅｄｇｅ）に対する比率によって決まる。これらの変数を制御して、非常に有効な非接触シールを作り出せる。
【００３２】
図１Ｄを参照し、圧縮機又はタービン等の回転機器のシャフト１５１には、１次リング１５０と協働するスリーブ・合わせリング１５２が嵌着されている。圧縮機ケース１５３は、当該技術分野において一般的でありＡＰＩ６８２規格によって詳細が規定されているシールカートリッジ１５９を受容する。回転しない１次リングの多孔質面１５４には、シールカートリッジを介して圧力が供給される。１次リングが「可撓性エレメント」として配置される場合、この圧力は、図１Ｅ，１Ｆ，１Ｇに記載されるようなＯリング１５６で密封されるプレナム１５７を介して、又は、１次リング（ここでは示さないが図３Ｂを参照のこと）に直接螺入できるチューブを含む当該技術分野において既知の方法で、ポート１５５に導入してもよい。空気軸受１次リングが回転合わせリングに対して押圧された状態を保持する付勢力は、バネ１５８、又は、当該技術分野において既知のダイアフラム型撓み部、及び／又は、空気圧を用いた方法（そのうちの２つを以下に教示する）によって影響される。タンデムシールの場合、同じ説明を２次シールに関しても繰り返す。
【００３３】
図１Ｅにおいて、多孔質面１６０とその多孔質面１６０の裏側に空気圧を分配するためのプレナム１６１とを有する１次リング１６９が、Ｏリング１６２によりシールカートリッジの内部に収容されている。ポート１６５は、空気を他のプレナム１６７から分配する。プレナム１６７には、ポート１６８を介して圧力が導入される。１６６は、１次リングを合わせリングに対して押圧する付勢力を与えるバネ又はダイアフラムである。あらゆる考えうる漏出を避けるために、１次リングは合わせリングに対して常に押圧されていることが望ましい。シールは、何らかの理由でコンプライアントリングが合わせリングに対して押し付けられない時に「ハングアップ」する。これにより、望ましくない逆流が起こる。「ハングアップ」を防止するのを助けるために、軸受の面に供給される空気圧をも、この場合は１次リングの裏側に対して利用する。１６３と１６４との直径の差は、シール面間において所望の閉じ力を維持できるように設計する。１６４の直径内で描かれる面積が、力が等しくなる軸受面における面積の５０％に等しい場合、多孔質体による圧力降下が５０％程度になりやすい。これは、他の圧力差からの、又は、付勢バネ又は撓み部からの力は考慮されていないが、当該技術分野において適合できるようにそれも考慮し設計する必要がある。
【００３４】
図１Ｆにおいて、多孔質面１７０とその多孔質面１７０の裏側に空気圧を分配するためのプレナム１７１とを有する１次リング１７９が、シールカートリッジ内においてＯリング１７２間に拘束されている。軸受機能性のためにポート１７８を介して入力された空気圧は、プレナム１７１に達する前にポート１７５へと伝わる。空気軸受面のための圧力が１次リングの裏側に力を掛けないように分離されるのを確実にするために、ベント１７３が使用される。このようにして、バネ又はダイアフラムの力のみが、１次リングを合わせリングに向けて付勢する。
【００３５】
図１Ｇは、多孔質面１８０とその多孔質面１８０の裏側に空気圧を分配するためのプレナム１８１とを有する１次リング１８９が、シールカートリッジ内においてＯリング１８２を介して拘束されている状態を示し、トーラス１８３（一定の直径を有する球体又はカーブの断片）が、シールカートリッジの直径１８４の密着内側と協働する。軸受への空気圧は、ポート１８８を介して導入され、他のプレナム１８７を介してポート１８５へ、そこからプレナム１８１を介して多孔質体１８０へと流通する。
【００３６】
図２Ａに示すように、高速で回転できるシャフト２０１は、そのシャフト２０１にＯリング２１１（Ｏリング又は他の添付の図面で説明するような他の取付機構）を介して連結されたランナー２１４を有する。Ｏリングは、ランナーに軸方向コンプライアンスを提供して、空気軸受面間の中心が分かるようにし、シャフトの小さい軸方向変位を可能にする。ランナーがシャフトにハードマウントで取り付けられている場合は、何らかの軸方向コンプライアンスを固定部品内に組み込む必要がある。ランナーは、空気膜間を径方向に自由に移動できる。２０２は、シールの一方側のボリュームを示し、これは、例として、ギヤボックス、モータ発電機ハウジング、又は、ミキサ、リファイナ、ウォーターポンプ若しくはガスパイプライン圧縮機等の処理流体若しくはガスとすることができる。２０３は、ケーシング又はハウジングを示す。２０５は、２０４のような固定のＯリングシールを採用できるアダプタプレートが設けられてもよいことを示す。図示のようにケーシングハウジング又はアダプタプレートに取り付けられたシール体自体には、考えられるＯリングシール２０６をその境界に含んでいる。シール自体は、環状で対向する空気軸受面２１２を有する２つのリング２１３及び２１６を備える。リングは、ランナー２１４と同様の軸方向寸法を有するスペーサ２１５によって離隔されている。スペーサはまた、大気へのベントドレン２０８を提供し、スラスト面２０９間のボリューム内に圧力が蓄積されないようにする。スペーサは、設計の目的に応じて、ランナーよりも若干大きく、又は、ランナーよりも若干小さくできる。より大きいスペーサによって隙間はより大きくなり、より小さいスペーサによって、液体静圧力が消失した場合にクランプ機能を提供できる。この場合、そしてランナーがシャフトに固定されている場合、シールは、従来の接触フェースシールのように働く。非多孔質材料から構成される、又は、意図する軸受／シール面を除いて密封されたリング２１６及び２１３は、ポート２０７及びプレナム２１０を通じた液体静圧力流体の導通を提供して、その流体を、多孔質体の裏側又は意図する面近傍の領域に均一に分配する。多孔質体２１２は、グラファイト、カーボン、シリコンカーバイド、アルミナ又は基本的に任意の焼結材料から構成することができる。これらの材料は、典型的に、フェースシール及びメカニカルシールとして、また、ドライガスシールにおけるランナー及びランナーフェースとして見られる。この多孔質を充填又は密封する代わりに、その多孔質を、空気軸受の機能性のために使用する。多孔質体の空気軸受による補償は、単に考えられる解決手段の一つであり、当該技術分野において知られている他の補償技術のうち、オリフィス、ステップ、溝、固有の（ｉｎｈｅｒｅｎｔ）又はポケットを有する（ｐｏｃｋｅｔｅｄ）補償を採用してもよい。多孔質空気軸受は、当該技術分野において既知であり、前述の出願において発明者によって説明されている。また、圧力で清浄な流体を供給する方法もよく知られており、容易に利用できる。
【００３７】
図２Ｂにおいて、ターボ機器のシャフト２２１は、シールカートリッジ２２２を有し、そのカートリッジの内部には合わせリング２２３が設けられる。合わせリング２２３は、この場合、回転可撓性エレメントである。図示の合わせリングは、スリーブと一体であるが、スリーブとリングとは、別体の部品であってもよい。一体のスリーブを有する合わせリングは、バネ２３２を介してシャフトに軸方向に支持され、合わせリング２２３及び２３３は、クランプリング２３７によって軸方向に互いに係止されている。合わせリング２２３は、固定１次リング２２９に対して当接し、固定１次リング２２９は、この好適な実施例において、多孔質軸受面２２４と、規制エレメントとして多孔質体２２５を使用して効果的な液体静圧ギャップを作り出すために必要なプレナム２２６及び入力ポート２２７とを有する。本実施例において、ダブルシールの一例として、２２９の空気軸受１次リング面に対して反対側に、第２合わせリング２３３及び第２の１次リング面２３０がある。両方の軸受システムは、外部圧力を供給し、同じシステム及びポートを使用して通気される。シール面２２４及び２３０間のボリュームは、ポート２２８を介して通気されて、そこに圧力が蓄積するのを防ぐ。シール面２３０及び２３１間においても同様であり、それらは通気される。シールギャップ２２４から出る流れの一部がプロセス側に流れることは注意されたい。その量は、圧力差によって決まる。そして、ボリューム２３４は、１０００ＰＳＩまで加圧され、ベント２２８から出る流れは大気圧となり、流れの大部分はプロセス側に流入せずにベントから出る。多孔質体２２５への入力圧はそれが密封するこの圧力よりも４〜６バール高くすべきであり、そのため１０６０〜１０９０ＰＳＩとなる。もちろん、連続する面のそれぞれに対して段階的に低下する圧力となるように制御して、ステージ毎の圧力低下を落とすようにすることも可能である。各ステージが１０００ＰＳＩの圧力降下を有する場合には、シールは３０００ＰＳＩで効果的に密封できる。
【００３８】
ここでの多孔質体の使用とは独立した新規性は、合わせリング２２３及び２３３の内側対向面における２２９上の多孔質軸受の面間のギャップを密封する空気軸受が、アセンブリに固定されていることである。これはバネ荷重による嵌合ではなく、そのため、シール面を解放させる特許文献２で現在の技術の主要な問題として指摘されるようなハングアップが起こる可能性がない。この多孔質体空気軸受シール技術のロバスト性は、たとえ合わせリングがシャフト上でハングアップしてシャフトのシールカートリッジに対する軸方向変位が起きても、軸受面は物理的に損傷を受けず、合わせリングスリーブがシャフト上で移動するということを意味する。この効果は、より多くの合わせ１次リング面を追加することによって増大させることができ、１次リング２３６における軸受シール面２３１がこの一例である。２３５の厚さは、アセンブリに適合させている。また、他の多孔質カーボン軸受面を、２３４で示される空間において合わせリング２２３の反対側に当接させてもよい。これは、図６Ａの教示においてその論理的結論が得られている。
【００３９】
ＡＰＩが多くの異なるシール配置構造を提案していること、そして、これらにとして、対面式、背中合わせ式、ダブル対向式、及びタンデム式シールが挙げられることは理解されよう。場合によって、可撓性エレメントはシャフト上を旋回し、場合によって、可撓性エレメントはステータと一体化される。本明細書で例示する多孔質空気軸受技術は、これらのシール配置構造の全ての面に採用できることを意味する。
【００４０】
図２Ｃ−１〜２Ｃ−４は、ガスシール用途における空気力学軸受に対する外部加圧多孔質体空気軸受の利点を例示することを意図している。図２Ｃ−１において、ポート２５３におけるプロセスガスの圧力よりも高い圧力でシールガスが導入され、シャフト２５１と共に高速で回転するランナー２５２が、その表面にエッチングされてランナーの各側に空気軸受膜を設定するのを助ける空力機構２５４を有することがわかる。シールガスは、ギャップに沿う外縁２５５からギャップ内に流れ、低圧縁２５６を流出する。図２Ｃ−２において、ステータに対するシャフトの軸方向変化又は角度変化によって、一方側に小さいギャップ２５７を形成し、他方側のギャップ２５８は大きくなる。なお、空気膜の剛性は、このような運動が起こってもそのような運動に耐えうることに注意されたい。この点において、小さいギャップ２５７の側へのシールガスの流れは、反対側の大きいギャップ２５８である最小抵抗の通路を取る圧力のために少なくなる。ランナーが対向面に対して最も接近する場合、流れは規制されて、接触を回避するために最も高い圧力が欲しい領域への流れが小さくなる。接触点において、圧力及び流れの全ては、大きいギャップ２５８側を通り、ランナーを反対側の２５７へと駆動する。これは不安定な状況である。液体動圧機構が空気圧をこの領域へと圧送しようとするが、特に角度変化よりも軸方向変化が大きい場合には空気を小さいギャップへと流入させることは難しい。
【００４１】
図２Ｃ−３において、高圧ガスが、ポート２５９を介してプレナム２６０へと導入され、その後、流れを規制する多孔質体２６１を介してギャップ２６２へと導入される。ランナーには何の機構もエッチングされていない。軸受面の一つに向かうランナーの位置の同様の軸方向又は角度変化があると、ギャップ内の２６３における軸受圧が、ランナーが実際に接触するまで自動的に増加する。この時点で、多孔質体を出ようとする圧力は入力圧に近づく。ランナーと軸受面との相対的な力は、軸受面を出ようとする圧力によって緩和される。同時に、反対側の２６４は、ギャップが大きいため圧力は低く、規制がギャップの縁部からではなく多孔質体から来るため、ギャップがより大きければ圧力はより低くなる。この結果、ギャップが最も小さい側が常に最も高い圧力を作り、ギャップが最も大きい側が最も低い圧力を有するという自然に安定した状態となる。図２Ｃ−１及び２Ｃ−２に例示する空力シールでは、これが逆になる。
【００４２】
図２Ｄを見ると、空気軸受膜の剛性がその厚さに応じて変化することが分かる。エアギャップが薄ければ薄いほど、剛性は高くなる。図２Ｄのチャートはリフト・荷重曲線であり、曲線の傾きは、その点における軸受の剛性を表す。水平線はゼロ剛性を示し、垂直線は無限剛性を示す。外部加圧軸受の面におけるオリフィス又は空気力学軸受の周縁のギャップを扱うかどうかにかかわらず、ギャップが小さいほど、十分な空気を軸受の全表面に亘って分配することが難しくなる。多孔質軸受を用いると、空気は軸受の全面から直接ギャップに発せられ、空気をギャップに亘って流そうとしなければ発せられない。これにより、多孔質軸受を、よりロバストな気体軸受とすることができる。また、ギャップ中の流れがそのギャップの三次関数であるため、ギャップを２倍にすることによって流れは８倍になることは注目に値する。多孔質軸受の安定性によって、このように小さいエアギャップでも高い安全性及び信頼性が得られるため、好ましい。
【００４３】
図３Ａから分かるように、高速で回転できるシャフト３０１は、固定円筒状軸受シール３１０の内部で回転する。ボリューム３０８内に存在する異物又は圧力は、ギャップ３０９から出る液体静圧力によって密封されてギャップ３０９へと放出されるのが防止される。３１１によって示されるハウジング又はケーシングは、円筒状空気軸受シールを直接受容するように備えてもよく、又は、アダプタブロック３１５を使用してもよい。この場合、Ｏリング３１３によってその境界面に静的シールが設けられる。本実施例において、シールの低圧側にリテイナ３０３を有することが好ましく、このリテイナとシャフトとの間に隙間３０２を設けるべきである。高圧流体を円筒状シールアセンブリに導通するために通路３０６が必要である。Ｏリング３１２は複数の機能を提供する。これらの機能の１つは、プレナム３０７を密封して、フィッティングをシール体に直接接続することなく、この高圧流体を、単一の孔３０６を介してシール体３１０内に導通させることができるようにすることである。これらのＯリングは、径方向及び角度コンプライアンスを提供するために使用してもよく、シャフトは空気膜上を軸方向に完全に自由に移動できる。Ｏリング３１２は、望ましい場合には、孔３１４を介して注入されるエポキシを含むために使用してもよく、このエポキシを、ハウジング又は取付ブロックと、それに堅く取り付けられるシール体との間の円筒状ギャップ３０４に充填してもよい。空気圧をかけると、シールがそれ自体で、機械の設計中央線に保持されるシャフトに位置合わせされ、エポキシが硬化してシールを正しい位置にハードマウントする（ＮＥＷ  ＷＡＹの空気軸受取付についての情報を参照のこと）。
【００４４】
アパーチャ３０６を介して流入しシール体の孔を通って流れた高圧流体は、多孔質体又はシール体とできるプレナム３０５によって、シール体３１０と多孔質体３１６との間を軸方向及び径方向に分配される。多孔質体による補償が好ましい実施例であるが、他の補償方法も可能である。多孔質体の空気軸受による補償は、単に考えられる解決手段の一つであり、当該技術分野において知られている他の補償技術のうち、オリフィス、ステップ、溝、固有の（ｉｎｈｅｒｅｎｔ）又はポケットを有する（ｐｏｃｋｅｔｅｄ）補償を採用してもよい。多孔質空気軸受は、当該技術分野において既知であり、前述の出願において発明者によって説明されている。また、圧力で清浄な流体を供給する方法もよく知られており、容易に利用できる。多孔質体３１６は、グラファイト、カーボン、シリコンカーバイド、アルミナ又は基本的に任意の焼結又は多孔質材料から構成することができる。これらの材料は、典型的に、フェースシール及びメカニカルシールとして、また、ドライガスシールにおけるランナー及びランナーフェースとして見られる。一般的に実施されているこの多孔質の充填又は密封の代わりに、その多孔質を、空気軸受の機能性のために使用する。
【００４５】
図３Ｂを参照し、軸受システム３５３を介して連結されたシャフト３５１及びハウジング３５２がある。ベアリングを領域３５７におけるプロセス又は環境から隔離することが望ましく、図３Ａ（例外的に、この例では、気体静圧力は可撓性チューブ３５６を介して送られる）における例示（ただし軸方向に短い）と一致する気体静圧ガスシール３５５が、高圧空気膜を介してシャフト３５１に連結されている。高圧空気膜は、シール３５５をシャフトに対して非接触の形で支持する。そのため、シャフトは、エアギャップにおけるせん断力が低いため、実質的にトルクをシールに伝えることなく高速で回転するが、シールは、空気膜の径方向剛性のために接触することなくシャフトの運動に追従できる。メカニカルベローズによって、シールは、ハウジングに堅く連結された状態を維持せずにシャフトに追従できる。コンプライアンスを与える追加的な方法の詳細を図７Ａ〜１０Ｂにおいて説明する。
【００４６】
ラビリンスシールとは対照的に、円筒状空気軸受シールは、空気膜の剛性を介してシャフトに連結されている。図３Ｂにおいて、ブッシングシールは、それが密封するスピニングシャフトによって支持されている。これにより、ラビリンスシールに見られる位置合わせの問題を解消できる。シールは、ステータに対して固定され、コンプライアントマウントの例としてある種類の可撓性ベローズ構成３５４、ダイアフラム又は軸方向Ｏリングを介してそれに接続される。周方向シールを使用して、図２Ａ及び８Ａで説明するように、軸方向フェースシール間に取り付けることも可能である。
【００４７】
図２Ａ、３Ｂ又は７Ａ〜１０Ｂで見られるようなベアリングアイソレータは、Ｇａｒｌｏｃｋ社、Ｗａｕｋｅｓｈａ社及びＣｒａｎｅ社から入手でき、これらは、シャフトの中心のシフト、シャフトの角度偏位、及び軸方向変位を可能にするコンプライアントマウントを採用している他のシール製造業者の例である。場合により、これらのベアリングアイソレータを使用して補償されていない環状溝を介して空気又は水を圧縮することによりシールに影響を及ぼす助けにする。これらは、その大きなギャップ及び補償の欠如により、高い流量及び低い圧力によって特徴付けられる。
【００４８】
図４Ａにおいて、高速で回転できるシャフト４０１は、そのシャフト４０１に取付リング４１３を用いて連結された羽根ランナー４０５を有する。取付リング４１３は、押しネジ４０３及び／又はショルダーによってシャフトに固定されている。Ｏリング４１０を採用して、４０２の隙間を密封する。図４Ａでは、羽根４０５が多孔質シール軸受面に対して接触しておらず、ギャップ４０６により羽根ランナー４０５を見ることができるのに対し、図４Ｂでは、羽根ランナーは所定の位置にあり、それと多孔質面４１２との間のギャップ４０６は動作時において２５μｍ未満であることに気が付くであろう。シャフトがショルダーをそのように備える場合には（ショルダーは、直径方向におけるステップにより作り出される軸方向面である）、羽根自体は、ショルダーに直接連結してもよい。図６Ａを参照のこと。羽根ランナーは、軸方向に薄く、従来のランナーとはそれで区別できる点で特徴付けられる。羽根は、任意の厚さにできるが、０．１ｍｍ〜１ｍｍの厚さが適している。この羽根ランナーは、軽量であるという利点があるため、シャフトの慣性モーメントに対して、又は、ランナーにより起こりうるアンバランスに対して最小限の影響しか及ぼさない。ボリューム４０４において密封される圧力は、そのボリュームにおいてそれが羽根の撓みの背面に対して均一に作用してそれを単位面積当たり一定の力で空気軸受のシール面に対して付勢する場合、常に同一である。このため、シャフトに接続された重く堅いランナーを有する必要がない。ギャップ４０６は変化するが、ボリューム４０４内に存在する力と等しく且つ反対方向の力が、エアギャップ内に発生する。本実施例は、特に空気エンジンとして設計されたタービンにおけるブラシ型シールを置換するのに非常に適している。より効果的に密封できるため、摩擦又は摩耗がゼロ又は少なくとも比較的低く、軸方向に占める空間も極めて小さい。
【００４９】
ボリューム４０４内に存在するものよりも数バール高い高圧ガスをポート４０８に導入すると、ポート４０８は圧力をプレナム４０９に導通し、プレナム４０９は、空気圧を多孔質体４１２の裏側に均一に分配し、多孔質体４１２はその面とランナー４０５との間のギャップ４０６内に圧力を作り出す。
【００５０】
ボリューム４０４は、シールの一方側のボリュームを示し、これは、例として、ギヤボックス、モータ発電機ハウジング、又は、ミキサ、リファイナ、ウォーターポンプ若しくはガスパイプライン等の処理流体若しくはガス、あるいは、圧縮機等の回転機器における、区画、インペラ又はステージ間のシールとすることができる。４１４は、ケーシング又はハウジングを示す。図２Ａで示すようなアダプタプレート（番号２０５）が設けられてもよい。シール体４１１自体は、Ｏリングシール４０７を用いてハウジングケーシング又はアダプタプレートに取り付けられうる。図１Ａのシール体は、軽く荷重をかけられるシールを示すが、シール体及びその取付は、密封される圧力差下で大きく変形しないように十分な剛性を有するように設計してもよい。あるいは、鋼鉄の板バネ撓み部である羽根ランナーの適合性（ｃｏｎｆｏｒｍａｂｌｅ  ｎａｔｕｒｅ）と協働するように撓むように設計してもよい。
【００５１】
図５Ａの従来技術において、従来の遠心圧縮機は、本明細書で説明した（しかしこれは、回転機器における多くの他の考えうる用途を説明している）密封・軸受システムを採用している。シャフト５０１は、圧縮機キャンバ５０４から、ラビリンスシール５０２を介して、シールカートリッジ５０３内へと延びる。シールカートリッジ５０３は、圧縮機ケーシング５０５内部のシールチャンバに嵌合している。そして、１次リング５０７と合わせリング５０６との間において、ここでは１次シール５０８と称するフェース又はドライガスシールが影響されている。プレナム５０２と１次シール５０８との間には、ポート５２４を介してバッファ／フラッシュガスが導入される。このガスの大部分は、プロセスサイドへと逆流する。これは、圧力差がたったの１バールに相当する量であってもラビリンスシールは高い程度の流れを有するからである。バッファガスは、１次シールギャップを清浄に保つために重要である。ガスの一部は、メカニカルフェース又は気体動圧１次シール５０８上を流れてプレナム５０９内に流入し、最後にベント５１０を介して流出する。そして、ポート５１２を介して導入されたシールガス又は不活性ガスがあるが、すでに述べたように、このほとんどはラビリンスシール５１１を流通しベント５１０から流出する。このガスの一部は、合わせリング５１３及び１次リング５１４から形成される２次シールを流通する。これは、５１２において導入される圧力がボリューム５１５内の圧力よりも高いためである。この流れは、ベント５１６を介して排出される。そして、ポート５１７を介して導入された分離ガスが、分離シール５１８を流通する。この流れの一部は、ボリューム５１５へと移動し５１６を介して排気され、その流れの一部はラビリンスシール５１９を通って（そのように備えられている場合）軸受チャンバ５２０へと流入する。そのため、ベント５１０からプロセス・バッファガスが流出し、これが、５１２を介して導入されたシール又は不活性ガスと混合される。これは、再処理されるかフレアへと送られる。２次シール上を流れボリューム５１５内へと流入するガスは、５１７を介して導入される分離ガスと混合され、その後ベント５１６から流出し、これもフレアに送られるか、あるいは処理又は排出として報告される。また、軸受チャンバ５２０内へと流入する分離ガスは、ベント５２１から流出して、別の環境問題となる。軸受チャンバは、その内部にポート５２２を介して圧送されたオイルを有し、このオイルはポート５２３（これは底部に位置付けることができる）を介して排出する必要がある。オイルは、ろ過され冷却されてその粘度が制御される。これは、粘度は、非常に感温性が高いため重要である。それらのチューブの全ては圧縮機の各端部を通っており、それを見てメデューサを思い起こした作業者も複数いる。
【００５２】
図５Ｂに示す好適な実施例において、上述のサービス、複雑さ及び環境問題は、以下の新規の教示によって解消される。図５Ｂを参照し、圧縮機のシャフトを支持する軸受のための潤滑媒体としてのオイルが除かれていることに注目されたい。代わりに、圧縮機内で圧縮されたガスに対して動作する気体軸受を利用して、シャフト５５１のための気体静圧空気軸受サポート５６０を形成している。圧縮機ケーシング５５４内の軸受カートリッジ５５５並びに軸受チャンバ及び／又はシールチャンバを、新しい設計に変更して、可能な一層コンパクトな設計を活用してもよいが、これは、気体軸受カートリッジが、油軸受カートリッジが嵌合するのと同じ空間に嵌合できれば必要ない。
【００５３】
好適な実施例は、多孔質体規制５５８を、ティルティングパッド外部加圧空気軸受５６０の面において使用する。これらの軸受には、従来技術において採用されているものと同じバッファガスを使用して供給できるが、その代わり、このバッファガスは、外部加圧空気軸受５６０内に圧送される。軸受は、ボリューム５５２におけるラビリンスシールの他方側の圧力よりも４〜２０バールの範囲で高い圧力差が必要であるが、このバッファガス流、つまり軸受ガスのボリュームは、従来技術において必要なバッファガスの量よりも大幅に少なく、例えば軸受当たり１立方フィート／分（約０．０３立方メートル／分）未満である。バッファガスは、ポンプの高圧側又は吸引側から取り出され、フィルタ又はドライヤに導通され、吸引側から取り出される場合は圧縮され、その後ポート５５６を介して軸受５６０に導入され、多孔質体５５８により規制されたプレナム５５７に分配され、そして最後に圧力下で最終軸受規制ギャップ５５９を介して流出する。ガスは、軸受ギャップ５５９から流出した後、使用済みガスがラビリンスシール５５３又はその位置で使用される一部の他のリング若しくは分離シールを介してプロセスに逆流するため、軸受区画内の圧力を若干上昇させる。
【００５４】
全てのベントは除去される。軸受チャンバへのプロセス流を有する理由はなく、それが行く場所はない。これにより、フレアへ送ったり大気へ排気したりする必要が無くなり、巨大な環境的な利点となる。そして、扱うガスが１つしかないため、サービスは劇的に簡略化され、メンテナンスコスト及びダウンタイムが改善され、資本コスト及びシールサービス資本コストの低減は、シールのコストの倍にもなりうる。換気を取り除くことによって、圧縮された可燃性ガスに酸素が取り込まれたり危険なガスが放出されたりする可能性を取り除くことができるため、安全性も改善される。
【００５５】
本発明を使用することによって、ロータの運動性は劇的に改善する。以前はシールによって使用されていたシャフトの長さを無くして、シャフト５５１の剛性を高めることができる。シャフトの直径は、シャフトの剛性を高め気体軸受におけるスクィーズフィルムダンピングのためのより大きな領域を設けるのに対して、気体軸受の高速能力のおかげで増大させることができる。
【００５６】
オイルの漏れがなくなるため、オイルに伴う環境問題及び混乱は解消する。オイルがフェース又はドライガスシールに到達して炭化することはない。また、オイルによって軸受区画が運転できる温度が左右されることもない。気体軸受は、極低温から過熱蒸気までの最も極端な温度範囲でも運転できる。ここで、多孔質体５５８をステンレス鋼又はアルミニウムの軸受ハウジング５６０に接着する従来の技術は、極端な温度では適切ではないことも注意されたい。
【００５７】
圧縮機は、あるいは、ガスタービンや大型の発電機の場合でも、ロータは、ゼロＲＰＭの場合でも無摩擦のガスフィルムに支持されている。これにより、シールのハングアップや軸受の損傷等の危険のない低速回転スタンバイ運転ができるようになり、無摩擦の始動及び停止が可能になるため、始動時及び停止時における危険が軽減する。
【００５８】
滑らかな多孔質面から得られる優れた気体動圧特性のために、軸受への外部圧力は、圧縮機又はターボ機械が十分な速度になるとなくなる。この時点で、シャフトは、気体動圧効果に支持される。そして、副圧縮機（備えている場合）は、始動時及び停止時又は低回転条件下でのみ稼働させてもよい。運転中この副圧縮機が機能しなくても、それは主圧縮機の運転には影響せず、ロータは、鋼鉄のシャフトのカーボングラファイト軸受面に対する優れたトライポロジー特性のために損傷することなく、圧力の低下と共に旋回を停止しうる。また、この技術は、軸受がその圧力をポンプの高圧側から取り出し、開始・停止サイクルにおいて滑り軸受として許容できる寿命を有するため、海中での圧縮を対象とした缶型の圧縮機に適切である。これは、磁気軸受よりも簡素でコンパクトな油除去方法である。
【００５９】
しかし、密封無し且つ換気無しでは、軸受は超高圧下で動作することになる。ポンプの吸引圧が１００バールで圧縮機の出力側が２００バールの場合、軸受は１０６バールで供給でき、これらの軸受を通る流れはバッファガスとなる。１００バール環境下で動作する軸受は、実際に６バールの圧力差しかない。
【００６０】
図６に示すように、高速で旋回できるシャフト６０１は、上述の図４Ａで説明したように複数の薄い羽根が接続されている。これらの羽根６１４は、ショルダー及びボルト６１６を介してシャフト６０１に固定されており、精密スペーサリング６１５によって互いに分離されている。多孔質軸受シール６０４は、ショルダー及びボルト６１２を介してステータ６０３に接続されている。多孔質軸受シール６０４も、羽根ランナーと同じサイズの又は若干厚い（しかし好ましくは１０μ以下だけ厚い）精密スペーサ６０５によって分離されている。多孔質軸受シールの内径とシャフトの外径との間には隙間６１０がある。羽根ランナーの外径とステータの内径との間には補完隙間６１１がある。この隙間は、シャフトの径方向運動を提供する。ボリューム６０２とボリューム６０９との間に圧力差が存在する、例えば、ボリューム６０２の圧力がより高いと、その圧力が第１羽根ランナーに対して作用してそれを第１多孔質軸受シールに対して付勢する。しかし、より高い圧力がポート６０６を介して導入されその圧力が溝６０７によって周方向に、そして径方向孔６０８によって多孔質軸受シール内を径方向に導通される。そしてこの圧力は、多孔質体と羽根と軸受との間の面とを導通し、分離力を発生させてシールとなる。
【００６１】
図６Ｂに関し、この実施例は、ブラシ又は遠心シールを採用しているジェット飛行機及び／又はガスタービンにおいて見られるような空気エンジンに関連するものである。これらの接触型シールはメンテナンスの問題があり、効率性の損失を起こす摩擦及び熱を発生させ、騒音を発生させる。これらの問題は、大部分が、多孔質カーボン空気軸受技術を採用することによって解消される。軸受技術は、本明細書内の複数の箇所において教示されている。具体的な配置構造は、タービンシャフト６５１に、平行撓み技術を用いてシャフトに取り付けられる撓み部であるランナーを保持する機構が設けられている。これらのランナー６５６は、この好適な実施例において多孔質体補償６５４を使用する固定空気軸受シール６５３と協働する。シールの固定部は、摩擦式シールの固定部分を取り付けるために採用されているものと同様の従来技術を使用してエンジン／圧縮機／発電機のハウジング６５５に取り付けられる。スペーサ６５７を使用して、シャフトに接続され、６５９より固定される６５２のシールアンドキーオフ（ａｎｄ  ｋｅｙ  ｏｆｆ）の固定部とともに軸方向にランナーをおおよそ位置付ける。平行撓み６５８によって、ランナーは、シャフトに対して軸方向に移動でき、これは例えば、離陸のための加速時に起こるが、シールの固定部の面に対して平行な状態を維持する。
【００６２】
図６Ｃは、撓みシールランナーの拡大図であり、軸受面６６１と、撓み部品６６２と、取付用の貫通孔６６３と、ソリッドステンレス鋼ブランクから機械加工、研削又は放電加工（ＥＤＭ）される領域６６４とを示す。撓み式ランナーを製造するには他の方法でも良い。
【００６３】
追加コンプライアンスを設ける方法が開示される。
より簡素な実施例から始めると、図７Ａ及び７Ｂにおいて、球状外径（ＯＤ）を有するランナー７１１を担持する機器のシャフト７０１がある。ＯＤを有するランナーは、Ｏリング７０２を介してシャフトに連結される。これは有利である。何故なら、多くのシャフトはその端部において損傷し且つ／又は真円ではなく、キー溝は多くの場合隆起エッジを有し、これらのハイスポットがこれらの損傷した箇所を摺動して位置決めされるときに精密空気軸受／密封面を損傷する場合があるからである。Ｏリングは、その弾性力のためにこれらの種類のハイスポットに耐えることができる。他の利点は、それが、７０５を取り付けるときに問題となる公差を減らすことである。これは、この技術を採用するカートリッジシールが、そのカートリッジシールに適合するシャフトのための添付のスリーブと関連付けられている場合には問題とならない。球状ランナーのＯＤは、好適な実施例において規制された多孔質体である補完的に形状付けられた球状空気軸受に適合する。球状空気軸受は、鉛直方向に分割されたヨーク７１２（分割は不図示）内に取り付けられ、空気が、入力ポート７０６及び分配プレナム７０４を介して多孔質規制エレメント７０３の背面に供給される。教示のようなこの技術を用いることによって、多孔質カーボン規制エレメント７０３と球状ランナー７１１のＯＤとの間に幾つかのバールの圧力を有するエアギャップが提供される。この空気膜は、角度的な自由をシャフトに与えて、７１３，７０７及び７１０で示すようなシャフトの角度変化による制約を回避するための無摩擦で摩耗のない手段を提供する。７０９は、２つの球状軸受間にベントを示す。これにより２つの軸受エレメント間に圧力が蓄積されるのを回避し、軸受はより圧力が降下しその性能が増大する。
【００６４】
図７Ｃを参照し、多孔質体規制エレメント７５１は、アルミニウムや鋼鉄、ステンレス鋼又は任意の他の適切な材料から作ることができる非多孔質ハウジング７５２に焼嵌めされている。ハウジングと多孔質体との間の面積の約５０％を占め多孔質体内の自由流れの少なくとも１０倍のコンダクタンスを有するプレナム７５３を、ハウジングのＩＤ若しくは多孔質体のＯＤ又はその両方に設けてもよい。プレナムに通じる空気供給孔７５４によって、空気をプレナムへ、そして多孔質体を介して軸受ギャップ内へと流すことができる。空気軸受ギャップは、軸方向の自由度を与えるが、上述したように、精密シャフトが利用できない場合には、７００で示すようなＯリング又は、シールカートリッジに合うシャフト用のスリーブを使用する方が賢明な場合もある。図７Ｃにおいて、シャフトは、そのシャフトの軸方向の自由度を残したままで、ジャーナル気体軸受内部で回転してもよいことは注意されたい。
【００６５】
図８Ａ及び８Ｂは、シャフトの無摩擦の径方向変位に自由度を与えるのに適切な実施例を示す。これは、図７Ａ〜７Ｃでも説明したヨーク８２４及び８１７を用いてそれを、図２Ａに示したものと同様にスラスト面間に懸架することによって実現できる。ヨーク８２４は、それをシャフトと共に回転させないピン（不図示）に非回転状態で係合している。この非回転ピンには、コンプライアンスを意図した制限された範囲において部品が自由に回転できるように十分な隙間が設けられている。このヨークは、８２１において分割されて、Ｏリングシール８２０が採用されている。用途に応じた適切な強度のスラストプレート又はカラー８０６には、空気圧を多孔質体８１６の背面へ分配するためのポート８０７及びプレナム８０５が設けられている。スラストカラー８０６は、ジョイント８１９において、例えば溝内のＯリング８１８によって密封できる。球状気体軸受は、図７Ａ〜Ｃでも前述したように、プレナム８０４と、空気入力ポート８０８と、規制多孔質エレメント８０３とを有する。この実施例において、球状軸受間にベントがないが、その代わりに、この領域において蓄積される高圧を利用して、圧力を非接触な形態でジャーナル軸受へと導通させる。外部加圧は、固定ハウジング８２２内のポート８１０を介して、各側がスラスト軸受により密封されたプレナム領域８２３に入り、そしてポート８０９を介して、球状軸受間の領域に流入する。そこで、非接触の形態でポート８１１を通って図７Ｃで示すプレナム内に入る。そして、規制エレメント８０２を介して、規制エレメントのロータと８１４の軸受面との間のギャップ内に入る。
【００６６】
この実施例は、これも全ての運動位置においてシールである軸受を用いて、無摩擦の形態で、シャフトの軸方向の自由性、シャフトの角度自由性及びシャフトの径方向変位を提供する。
【００６７】
シャフト８０１は、軸受エレメント８０２及びランナー８２６の内部で回転及び軸方向に移動できる。ランナーは、空気軸受膜を介して以外はどこにも連結していないため、これも回転できる。これにより、それらはシャフトの速度を共有でき、シャフトが２０，０００ＲＰＭで回転している場合、ジャーナル軸受８１４が１０，０００ＲＰＭをとることができ、ランナーが１０，０００ＲＰＭで回転している場合には、他方の１０，０００ＲＰＭを球状軸受８０３，８１５とランナー８２６との間でとることができる。
【００６８】
図８Ａ及び８Ｂと図９Ａ及び９Ｂとの違いは、シャフトに無摩擦径方向運動を提供する対向軸方向空気軸受のポートについて、ポート９０８及びプレナム９０５を、図８Ａ及び８Ｂにおいてそれらがあったスラストプレート９０６からヨーク９２４の内部へと移動させたことである。これにより、スラストプレート９０６の製造が簡素化され、ヨークが、スラストキャップがそれほど強くはない片持ち曲げ剛性を見込む場合のコラム剛性の量に対する圧縮荷重を見込むため、それらがその所定の軸方向厚さに対して高い剛性を保持できるようになる。図８Ａ及び８Ｂと図９Ａ及び９Ｂにおける軸受配置構造のそれぞれにおいて、多孔質体の気体軸受の表面とそれが９１６，９１５及び９１４に対して作用するガイドウェイとの界面は軸受エレメントの一方側のみが大気圧に解放されており、これにより、外部加圧空気軸受の効果は低減するが、軸受は大きな荷重能力を保持することに注意されたい。
【００６９】
図８Ａ〜９Ｂと図１０との違いは、図１０は完全に通気されている、すなわち、気体軸受の全てが、外部入力圧と、軸受の逃げ縁部（ｅｓｃａｐｅ  ｅｄｇｅ）に存在する大気圧又はプロセス圧との間の完全な圧力降下を見込むことである。そのため、外部圧力が、１００９を介してスラストプレート１００８に入力され、プレナム１００７によって多孔質体規制エレメントの背後に分配される。また、貫通孔１００５が、多孔質体を通って直接プレナム１００７内へと延びるように穿設されている。この孔が、このコンプライアンス装置の設計変位中１００５と１００６とのコンダクタンスを維持するカウンタボア１００４を有するヨーク１００６内の孔とほぼ位置合わせされる。これは、図８Ａと８Ｂにおいて説明した非回転ピンのために位置合わせされたままとなる。孔１００６によって、ヨーク１０２８内に穿設され後で１０１１により栓がされるクロス孔１０１０を介して球状軸受エレメント１００３及びジャーナル多孔質軸受エレメント１００２の両方に圧力のコンダクタンスが提供される。１０１０は、圧力及び流れをプレナム１０２０に送達し、球状規制エレメント／軸受１０２０に対して外部加圧を与える。は、フィッティングを受容するようにネジ山が設けられたとも連通している。フィッティングは、ヨークと係合してヨークに対して非回転性を与える球状ランナーとなる圧力のコンダクタンスにおいて運動コンプライアンスを与える可撓性チューブに接続される。ジャーナル規制エレメント１００２のための圧力及び流れは、チューブ１０１５を介してフィッティング１０１４，１０１６を通り図１０Ａのプレナム１０３０と図１０Ｂのプレナム１０３１内に供給される。
【００７０】
ジャーナル気体軸受部の中心にある環状溝が、中央ベント孔へ軸受／シール流れの均一な流通を提供する。これは、球状ランナー１０２８内の径方向孔であり、フィッティング１０１６の隣に示している。この孔が、球状軸受間の空間に排気し、これら軸受の両方が、フィッティング１０１４，１０１６及びチューブ１０１５が部分的に占有する孔を介して排気できる。ハウジング１０２６内を通る孔１０１３が、対向軸方向面１０２１からの流れに加えてこれらの流れの排気を提供する。
【００７１】
シールを設置するために、図１１Ａに示すように、２つの対向面の一方側を備える多孔質材料１１０２を使用して、加圧流体（気体、液体、蒸気、等）の外部源から油圧を２つの面の間に均一に分配する。圧力は、１１０６を介してプレナム１１０８に送給し、そして多孔質体１１０２を介してギャップ１１０７内へ送る。この液体静圧力は、２つの面を閉じようとする圧力差又はバネからの力と反対の力を作り出す。他方の面は、軸受シール側の１１１０である。この液体静圧力は、２つの面が密着１１０７していても２つの面に対する荷重が完全になくなりゼロ接触圧が２つの面の間に存在する点まで調節できる。これらの面は接触しているため、ギャップを通る流れは略ゼロとなり、多孔質材料に供給されるライン圧が２つの面の間に存在する。
【００７２】
そして、他の例示的な例において、図１１Ｂを参照し、シール体１１２３の面を対向面１１２１とともに付勢する１０００ポンド（約４５３．６ｋｇ）の力、又はこの例において、１１２４で示される１０００ポンド（約４５３．６ｋｇ）の質量が存在し、シール面が、それらの間に１０平方インチ（約６４．５平方センチメートル）の面積を有し、１００ＰＳＩの空気圧がポート１１２５において供給されこの圧力が本明細書で何度もすでに教示したようにプレナムを用いて多孔質媒体の背面に亘って分配されると、多孔質シール面は、面間の液体静圧力がシール面を共に付勢する力の質量を均等化するため、面間に正確にゼロの接触力を有する。この接触力は、入力圧を変化させることによって容易に調節でき、これにより摩擦によって発生する摩耗及び熱を低減できる。
【００７３】
この技術は、面軸受及び接触シールの高い剛性及びダンピングを、流体膜軸受及びシールの低摩擦性及び高速能力と組み合わせたものである。
【００７４】
多孔質体は、グラファイト、カーボン、シリコンカーバイド、タングステンカーバイド、アルミナ又は基本的に任意の多孔質及び／若しくは焼結材料から構成することができる。これらの材料は、典型的に、フェースシール及びメカニカルシールとして、また、ドライガスシールにおけるランナー及びランナーフェースとして見られる。この多孔質を充填又は密封する代わりに、その多孔質を、液体静圧力を導通させ均一に分配するために使用する。
【００７５】
オリフィスポケット又はステップ型の空気軸受の補償は、この明細書においては、均一な多孔質体のみがゼロギャップで液体静圧力を均一に分配することが可能なため、機能しない。例えば、オリフィスを採用した場合、面が接触していると、液体静圧力はオリフィスの領域に対してのみ加えられることになる。
【００７６】
図１２を参照し、これは、ソリッドカーボングラファイトティルティングパッド径方向空気軸受１２０１の例示である。これを２つの部品を貼り合わせようとするのではなく１つの部品から製造する場合、極端な温度で使用するために２つの部品を接合する困難が避けられる。ほとんどのカーボングラファイトは、それが８００℃超の環境に置かれるまでは酸化し始めないため、これは非常に広範な温度範囲を提供する。この場合、空気を多孔質体面の背面に分配するためのプレナムは、クロス孔１２０３を穿設することによって実現できる。これらのクロス孔にはネジ山が設けられ、後で焼成されてカーボングラファイトと共焼結される高温セラミック又はグレーズの１２０４で栓がされる。金属切削工具により作られるセラミックインサート１２０６を同時に焼成して、ティルティングパッド機構のヘルツ接触による荷重を分配する。１２０５は、当該技術分野において既知の高温フィッティングを示す。１２０２は、このような軸受が支持するシャフトに対して補完する直径を示す。
【００７７】
別体セラミック部品、例えば、非多孔質ハウジングを多孔質体面と共焼成することも可能である。共焼成は、基本的に一体部品を作るが、プレナム又はラビリンスを、それらを共焼結又は共焼成する前に、グリーン（未加工）部品に機械加工する機会があった。あるいは、陶器の外側に対して行なわれる艶出し作業と同様に、ガラス接合を高温接着として採用して、複数の別体のセラミック部品を、極端な温度環境下で軸受又はシールとして使用できる単一の高温部品に接合してもよい。
【００７８】
図面を参照して好適な実施例を詳細に説明したが、本開示を参照した当業者であれば、本発明の範囲内において他の実施例も実現できることはすぐに理解できよう。従って、発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されると解釈すべきである。
【図１Ａ】
0006562953.tif 000002
【図１Ｂ】
0006562953.tif 000003
【図１Ｃ】
0006562953.tif 000004
【図１Ｄ】
0006562953.tif 000005
【図１Ｅ】
0006562953.tif 000006
【図１Ｆ】
0006562953.tif 000007
【図１Ｇ】
0006562953.tif 000008
【図２Ａ】
0006562953.tif 000009
【図２Ｂ】
0006562953.tif 000010
【図２Ｃ−１】
0006562953.tif 000011
【図２Ｃ−２】
0006562953.tif 000012
【図２Ｃ−３】
0006562953.tif 000013
【図２Ｃ−４】
0006562953.tif 000014
【図２Ｄ】
0006562953.tif 000015
【図３Ａ】
0006562953.tif 000016
【図３Ｂ】
0006562953.tif 000017
【図４Ａ】
0006562953.tif 000018
【図４Ｂ】
0006562953.tif 000019
【図５Ａ】
0006562953.tif 000020
【図５Ｂ】
0006562953.tif 000021
【図６Ａ】
0006562953.tif 000022
【図６Ｂ】
0006562953.tif 000023
【図６Ｃ】
0006562953.tif 000024
【図７Ａ】
0006562953.tif 000025
【図７Ｂ】
0006562953.tif 000026
【図７Ｃ】
0006562953.tif 000027
【図８Ａ】
0006562953.tif 000028
【図８Ｂ】
0006562953.tif 000029
【図９Ａ】
0006562953.tif 000030
【図９Ｂ】
0006562953.tif 000031
【図１０Ａ】
0006562953.tif 000032
【図１０Ｂ】
0006562953.tif 000033
【図１１Ａ】
0006562953.tif 000034
【図１１Ｂ】
0006562953.tif 000035
【図１２】
0006562953.tif 000036