(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転装置におけるプロセス側流体をシールするように構成された多孔質媒体シールであって、
回転シャフトに取り付けられたランナーと、
前記ランナーの１つの軸方向の面に対向する固定部材であって、前記固定部材は、第１の伝導経路と、第２の伝導経路と、前記第１の伝導経路に接続される第１の環状プレナムと、前記第２の伝導経路に接続される第２の環状プレナムと、前記第１のプレナム及び前記第２プレナムを覆うように配置される多孔質媒体リングと、を備え、
前記第１の伝導経路は、第１の加圧された流体を、第１の圧力で前記第１のプレナムに導くように構成され、前記第２の伝導経路は、第２の加圧された流体を、第２の圧力で前記第２のプレナムに導くように構成され、前記第１の伝導経路が、前記第２の伝導経路に接続されず、前記第１の加圧された流体と、前記第２の加圧された流体の両方は、多孔質媒体リングを通過して、前記ランナーの前記軸方向の面と前記固定部材との間のギャップに入る、
多孔質媒体シール。
【請求項２】
前記第１の加圧された流体が、プロセス側流体の圧力より高い圧力を有する、処理済みのプロセスガスである、請求項１に記載の多孔質媒体シール。
【請求項３】
前記第１の加圧された流体又は前記第２の加圧された流体が、不活性ガス、又は流体のいずれかである、請求項１に記載の多孔質媒体シール。
【請求項４】
他の圧力で加圧された追加の流体を、前記多孔質媒体リングを介して供給して、追加でシール面の均衡を取るために、前記固定部材が、追加のポートと伝導経路を更に備える、請求項１に記載の多孔質媒体シール。
【請求項５】
前記多孔質媒体リングが２つの独立した同心の部材を備え、前記多孔質媒体リング内でガス又は液体が混ざり合うのを防止するために、各部材が境界線部にシール面を有する、請求項１に記載の多孔質媒体シール。
【請求項６】
前記多孔質媒体シールが、シングルシール、タンデムシール、又は対向型ダブルシールと置き換えられるように、又はそれがあったところに配置されるように構成された、請求項１に記載の多孔質媒体シール。
【請求項７】
未処理のプロセス側流体の漏れが前記回転装置から出るのを防止するために、前記多孔質媒体シールが、内側ラビリンスシールと置き換えられるように、又はそれがあったところに配置されるように構成され、前記回転装置がターボ装置である、請求項１に記載の多孔質媒体シール。
【請求項８】
前記回転装置のベアリング側への、又は前記回転装置のベアリング側からの、流体の交換を防止するために、前記多孔質媒体シールを、バリアシールと置き換えるか、又はそれがあったところに配置するように構成され、前記回転装置がターボ装置である、請求項１に記載の多孔質媒体シール。
【請求項９】
前記多孔質媒体リングが、グラファイト、炭素、シリコンカーバイド、多孔質ダイヤモンド、タングステンカーバイド、アルミナ、カーボン−カーボン、又は、ダイヤモンド又はダイヤモンドに類似するコーティングを施した多孔質炭素基材等の、任意の多孔質又は焼結材料で作られ、又は３Ｄプリントを使用して製造できる、請求項１に記載の多孔質媒体シール。
【請求項１０】
前記多孔質媒体リングを通って移動するプロセスガスを検出するように構成された粒子カウンターを更に備える、請求項１に記載の多孔質媒体シール。
【請求項１１】
前記多孔質媒体リングを通って移動するプロセスガスを検出し、前記第１又は第２の圧力を調整するバルブに電子的フィードバックを提供するように構成された回路を更に備える請求項１に記載の多孔質媒体シール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年２月６日出願の米国仮特許出願第６２／１１３，１７２号、２０１４年９月２９日出願の米国仮特許出願第６２／０５７，０６６号、及び２０１４年９月２９日出願の米国仮特許出願第６２／０５７，０５８号の利益を主張するものである。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】
本題出願は、ターボ装置に適用できる多孔質媒体ベントレスシールを作るための、外部加圧された多孔質媒体の技術を提供する。
【背景技術】
【０００３】
遠心圧縮機等の（しかし、これに限定されない）ターボ装置（以下、遠心圧縮機を主たる例として使用する）の適用例では、プロセスガスが外部環境に漏れたり、プロセスガスが、シールを通過したり、又は装置の軸受側に移動したりするのを防止するために、シャフトシールが必要である。様々なシャフトシール機構が存在し、それらはラビリンスシール（ラジアルシール）、油膜シールリング（ラジアルシール）、機械接触シール（端面シール）、及び最も精巧な種類のシャフトシールである、ドライガスシール（端面シール）等であるが、それらに限定はされない。ドライガスシールは、全てのシールの種類の内、漏れに対して最良のバリアを提供するため、本題の発明と比較するための現行の先行技術と考える。ドライガスシールは、ミクロン大の溝を含む回転リングを利用し、その溝によって、動作中、端面が「離昇」し、それによって、シール漏れ量を最小限に抑制することが可能になる。
【０００４】
ドライガスシールに関する技術水準の解決法としては、シングルシール、タンデムシール、対向型ダブルシール等がある。
【０００５】
先行技術において、タンデムドライシール構成は、１次（固定）リング、及び相手（回転）リングを備える、全圧力に耐える１次シールと、固定リング及び相手（回転）リングを備える、バックアップとして作用する２次シールとを含む。１次リングは通常炭素で作られ、相手リングは通常、タングステンカーバイド、シリコンカーバイド、又はシリコン窒化物を使用して作られる。ドライシールガス（通常、プロセスガス同じであるが処理されている）が注入され、通常、プロセス側圧力より少なくとも５０ｐｓｉ（３４５ｋＰａ）高い。注入されたドライシールガスの大部分は、内側のラビリンスシールを通り、圧縮機内に（プロセスガス内に）流入する。ドライシールガスの少量が１次シールを通って流れ、その後、１次ベントから出て行く。シングルシール構成の場合、１次面と相手面のみが存在し、２次シールは存在しない。その他の点でシングルシールの機能は、１次シールを通る漏れがベントされ、バックアップシールが無いという以外は、タンデムシールと同様である。
【０００６】
現行技術においても、「対向型ダブル」ドライガスシール構成は、１次内側固定リングと、１次内側相手（回転）リングとを備える。また、２次外側固定リング、及び２次外側相手（回転）リングもある。この場合、（窒素等の）不活性ガスが注入され、両方のシール面を越えて流れる。１次（内側）シールを越えて流れるシールガスの供給は、プロセス側の流れに流入し、２次側（外側）シールを越えて流れるシールガスの供給は、ベントへ向かう。
【０００７】
現行技術の各種類のシール（シングル、タンデム、又は対向型ダブル）に関して、最良のシール実現性を考慮する場合、タンデムシールが、業界で最も広く受け入れられている構成である。
【０００８】
現行技術における上記の種類のシールについてはどれも、多くの欠点があり、それらの欠点としては、以下が挙げられる。
【０００９】
プロセスガスの漏れは、抑制しようと試みてはいるが、依然として第１のベントから出る可能性があり、燃やさなければならない。
【００１０】
不活性ガスがプロセス側（対向型ダブルシールの場合）に漏れると、プロセスに影響を与えて圧縮機内部で問題を引き起こす可能性がある。
【００１１】
対向型ダブルシールドライガスシールは、業界で広くは受け入れられていない（タンデムシールの方がより広く受け入れられている）。
【００１２】
ドライガスシールのシール面を通る流れは、シールガスとプロセスガスを含む可能性がある。これらのガスがシールギャップを通ることができるのは、基本設計が悪いためである。
【００１３】
ドライガスシールでは、大量のシールガスが、内側ラビリンスシールを越えて圧縮機のプロセス側へと流れる。
【００１４】
ドライガスシールの流量は極めて高い。
【００１５】
シール面は、停止動作中に、一緒に「鳴る」ことがあり、そうなると、極めて高い始動トルクになるか、又は始動条件が得られないことがある。
【００１６】
シール面が、高圧又は局所的な加熱のために歪む可能性がある。
【００１７】
小さなギャップのために、高速で発熱する。
【００１８】
小さなギャップにおける剪断力のため、流体が炭化する。
【００１９】
始動時、又は停止動作時にシール不良の割合が高い。
【００２０】
不純物が混じったガスを供給することが原因でシール不良が発生する可能性がある。
【００２１】
どのシールも特定の用途に対して最適化して、これらの欠点のいくつかを低減することができるが、いくつか、又はほとんどの欠点を最小にすることができる改善されたシールが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】米国特許第８，７５３，０１４号明細書
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】「Ｄｒｙ  Ｇａｓ  Ｓｅａｌｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ」、（Ｃ）２００５年、Ｊｏｈｎ  Ｓｔａｈｌｅｙ
【発明の概要】
【００２４】
簡潔に言えば、提示する実施例は、多孔質材料を利用し、多孔質材料をガスによって外部加圧して、面シール構成として生じる、主たるシール機能をもたせる。実施例は、前項で述べたような、タンデム及び対向型ダブルシールの前述の欠点を除去又は最小化する。
【００２５】
本題の実施例によって、多孔質媒体シールを既存のシングル、タンデム、又は対向型ダブルの構成に組み込むことが可能となる。これら構成のそれぞれにおいて、先行技術に対して多くの利点があり、それらを本明細書中で説明する。更に、いわゆるベントレスシール構成によって、プロセス流体のゼロエミッションが可能になり、また、クリーンなプロセスガスをベントレスシールのバッファガスとして使用することが可能になる。
【００２６】
提案する全ての構成において、外部ガスの流量が低いことが必要になるので、これによって、注入ガスのコストの大幅な節約が可能になる。複雑なシールパネルが大幅に簡単になるのも、外部加圧された多孔質媒体をシールとして使用することの結果である。
【００２７】
上記の発明の概要、及び以下の好ましい実施例の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むと、よりよく理解されるであろう。本発明を例示する目的で、現在の好ましい実施例を図面に示す。しかし、本発明は、図示の厳密な構成には限定されないと理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１Ａ】典型的なタンデム型ドライガスシールの断面図である。
【図１Ｂ】多孔質媒体を組み込んだタンデム型ドライガスシールの断面図である。
【図２Ａ】典型的な対向ダブル型ドライガスシールの断面図である。
【図２Ｂ】多孔質媒体を組み込んだ対向ダブル型ドライガスシールの断面図である。
【図３】空気動力学的なシール面と空気静力学的なシール面の流路面積を比較した図である。
【図４】２ポートベントレスシール構成の例を示す図である。
【図５】３ポートベントレスシール構成の例を示す図である。
【図６】多相ベントレスシールの例を示す図である。
【図７】２つの多孔質媒体部材をもつ２ポートベントレスシールの例を示す図である。
【図８】調整式オプションの伝導経路の詳細を示すベントレスシールの図である。
【図９Ａ】多孔質媒体リングの外径部のインプット圧力が低く、内径部のインプット圧力が高いベントレスシールのギャップ圧力分布を示す図である。
【図９Ｂ】多孔質媒体リングの外径部のインプット圧力が高く、内径部のインプット圧力が低いベントレスシールのギャップ圧力分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、「ベントレス」という用語は、処理をした（シール）ガスを排気する必要がないか、又は従来のドライガスシールからの排気量より少ない量しか排気する必要がないということを意味する。また、本明細書に記載の実施例によって、多孔質媒体シングルシール、多孔質媒体タンデムシール、及び多孔質媒体対向型ダブルシール構成に関して、外部加圧された多孔質媒体シールを使用することが可能になり、それを組み込むことによって多くの利益をもたらす。これらは、遠心圧縮機等の（しかし、それに限定されない）ターボ装置のシャフトシール用途に使用可能である。
【００３０】
特定の用語が、便宜的に以下の説明に使用されるが、限定するものではない。参照する図面において、用語「前」、「後」、「左」、「右」、「内側」、「外側」、「上側」、「下側」、「天」、及び「底」によって方向を示す。また、数を明示しない要素、及び用語「１つの」は、特記しない限り、参照要素を１つ以上含むものとして定義される。「ａ、ｂ、又はｃの少なくとも１つ」（ここで、ａ、ｂ、及びｃは列挙された要素を表す）と記載される列挙された要素の言及は、ａ、ｂ、又はｃのいずれかの１つ、又はそれらの組合せを意味する。用語は、上記で具体的に述べた単語、その派生語、及び同様の意味の単語を含む。
【００３１】
図１Ａにおいて、典型的なタンデムドライガスシール構成は、１次（固定）リング１０１Ａ及び相手（回転）リング１０２Ａを備える、全圧力に耐える１次シールと、固定リング１０１Ｂ及び相手（回転）リング１０２Ｂを備える、バックアップとして作用する２次シールとを有する。１次リングは通常炭素で作られ、相手リングは通常、タングステンカーバイド、シリコンカーバイド、又はシリコン窒化物を使用して作られる。シャフトスリーブ１０４が、回転シャフト１０５に連結され、圧縮機ヘッドが１０６に示されている。バネ１０３Ａ及び１０３Ｂが、相手リング１０２Ａ及び１０２Ｂの面に対する固定リングの付勢を維持するための力を生む。ドライシールガス（通常、プロセスガスと同じであるが処理されている）が、シールガス供給位置１０８に注入され、通常、プロセス側圧力より少なくとも５０ｐｓｉ（３４５ｋＰａ）高い。ドライシールガスは、含む固体粒子の大きさが少なくとも１０ミクロン以下の（好ましくは、わずか３〜４ミクロンの大きさ）、極めて「クリーン」なガスでなければならない。注入されたドライシールガスの大部分は、内側ラビリンスシール１１３を通り、圧縮機内（プロセスガス内）に流入する。ドライシールガスの少量が１次シールを通り、１次ベント１０９から流出する。更に、図示のように、不活性ガスが不活性シールガス供給位置１１０に次の２つの目的で注入される。不活性ガスを、中間ラビリンスシール１１４を通して流すことにより、１次シールからの漏れが２次ベント１１１から逃げるのを防止すること、及び不活性ガスが２次シールを越えて流れ、２次ベント１１１から流出することである。２次ベント１１１を出るガスの残りは、バリアシール１０７を通過する分離ガス供給１１２であり、バリアシール１０７は、（ベアリング側から）オイル潤滑が２次又は１次ガスシールに移動するのを防止するように設計されている。従って、一次ベント１０９を通って流れるのは、注入（処理済みの）ドライシールガスと不活性ガスを合わせたものであり、２次ベント１１１を通って流れるのは、不活性ガスと分離ガスを合わせたものである。
【００３２】
なお、タンデムシール構成に追加して、典型的なシングルシール構成では、１次面と相手面のみがあり、２次シールは無い。その他の点でシングルシールの機能は、１次シールを通る漏れがベントされ、バックアップシールが無いこと以外は、タンデムシールと同様である。
【００３３】
同様に、図２Ａは、典型的な「対向ダブル」型ドライガスシール構成を示す。対向ダブル型構成の場合、１次内側固定リング２０１Ｂ、及び１次内側相手（回転）リング２０２Ｂがある。また、２次外側固定リング２０１Ａ、及び２次外側相手（回転）リング２０２Ａもある。シャフトスリーブ２０４が回転シャフト２０５に連結し、圧縮機ヘッドが２０６として示されている。バネ２０３Ａ及び２０３Ｂが、相手リングの面に対する固定リングの付勢を維持するための力を生む。この場合、（窒素等の）不活性ガスは、シールガス供給位置２０８に注入され、両方のシール面を越えて流れる。１次（内側）シールを越えて流れるシールガスの供給は、プロセス側の流れに移動し、２次側（外側）シールを越えて流れるシールガスの供給は、ベント２１０に向かう。未処理のプロセスガスが１次シールの面を汚染するのを防止するために、内側ラビリンスシール２１２と内側シールの間のポート位置２０９に勢いよく導入される処理済みのガスは、一般的には、プロセス側の圧力よりも高い圧力に維持される。従って、１次シールを通る不活性ガスの流れは、内側ラビリンスシール２１２を通ってプロセス側に流入し、ベントされない。バリアシール２０７を通る漏れを防止するために使用される分離ガスは、ポート位置２１１に導入される。２次シールを通る不活性ガスの流れは、分離ガスと混合されベント２１０からベントされる。
【００３４】
図１Ａ及び図２Ａに表したような既存の技術は、非特許文献１に包括的に記載されている。
【００３５】
図１Ｂ及び図２Ｂは、上記現行技術の各構成の動作を大幅に変更するために、両方の図中の１次リングに、シールとして作用する多孔質媒体を組み込んだものを示す。
【００３６】
図１Ｂにおいて、多孔質媒体リング１１５が、１次固定リング１０１Ａに含まれ、多孔質リング１１６が、２次固定リング１０１Ｂに含まれている。図２Ｂにおいては、多孔質媒体リング２１２及び２１３が、１次リングに含まれている。図１Ｂ及び図２Ｂに示すように多孔質媒体ガスシールを採用すると、Ｄｅｖｉｔｔによる特許文献１中に記載されているように機能する、多孔質媒体がもたらされる。
【００３７】
図１Ｂにおいて、シャフトスリーブ１０４が回転シャフト１０５に連結され、圧縮機ヘッドが１０６としいて示されている。バネ１０３Ａ及び１０３Ｂが、相手リング１０２Ａ及び１０２Ｂの面に対する固定リングの付勢を維持するための力を生む。位置１０８からのシールガス圧力は、プロセスガス側圧力より５０〜３００ｐｓｉｇ（３４５〜２，０６８ｋＰａＧ）高い圧力で、多孔質リング１１５の裏のプレナム１１７に供給することができる。このシールガスは、１〜１０ｓｃｆｍ（１．７〜１７ｍ３／ｈ）の低い流量で、多孔質リング１１５を通って流れる。この多孔質リング１１５を通る流れによって、シールガスが内側ラビリンス１１３を通ってプロセスガス側に流入する。また、多少の漏れが多孔質リング１１５を抜けて１次ベント１０９へと流れる可能性がある。図１Ａの場合のように、不活性ガスは位置１１０に注入され、その結果、不活性ガスはプレナム１１８へと直接導かれ、多孔質リング１１６を通って移動することができる。多孔質リング１１６を通る不活性ガスの漏れは、中間ラビリンス１１４を通って移動して、１次シールの漏れが２次ベント１１１に到達するのを防ぎ、また、多孔質リング１１６を通る不活性ガスの漏れは、２次ベント１１１へも移動する。２次ベント１１１を出るガスの残りは、バリアシール１０７を通過する分離ガス供給１１２であり、バリアシール１０７は、（ベアリング側から）オイル潤滑が２次又は１次ガスシールに移動するのを防止するように設計されている。従って、一次ベント１０９を通って流れるのは、注入（処理済みの）ドライシールガスと不活性ガスを合わせたものであり、２次ベント１１１を通って流れるのは、不活性ガスと分離ガスを合わせたものである。この構成の主な利点は、ガスの漏れがシール面を通らなくなり、多孔質媒体を通るという点である。他の利点を下に挙げる。１つの選択として、１次シールに注入される処理済みのシールガスは、ターボ装置供給者が了解すれば、（窒素等の）不活性ガスに置き換えてもよい。これによって、不活性ガスがプロセス側に漏れることになるが、処理済みのシールガスの１次ベントからの漏れを防止することができる。
【００３８】
図２Ｂにおいては、窒素等の不活性ガスは、位置２０８に注入される。不活性ガスはプレナム２１５及び２１６に導かれ、多孔質リング２１３及び２１４を通って漏れることができる。多孔質リング２１３を通る漏れは、プロセスガス側内へ移動し、多孔質リング２１４を通る漏れは、ベント２１０を通って移動する。その他の点では、この構成の機能は、図１Ｂのものと同様である。
【００３９】
図１Ｂ及び図２Ｂに示す構成は、「自然安定」な構成と考えられる。
【００４０】
図１Ｂ及び図２Ｂの構成の利点の例のいくつかを以下に示す。
【００４１】
外部加圧によって、凍結したシール面を回転前にポンと開くことができる。
【００４２】
圧力がシール面を通って均一に分布し、それによって、熱の発生が少ない層流を維持することができる。（図３は、ギャップに入る流れが、多孔質媒体を使用した結果、どのように、遥かに大きな流路面積が可能になるかを説明している。）
【００４３】
多孔質媒体を使用することによって、注入したガスの流量を低くすることができる。ベントレスシールに必要な１次シールの流れ、およそ２０ｓｃｆｍ（３４ｍ３／ｈ）と比較すると、例えば、圧縮機全体のシールガス供給は、一般にはおよそ３００ｓｃｆｍ（５１０ｍ３／ｈ）以上であろう。
【００４４】
多孔質媒体面が十分に薄く相手リングの表面に密着することができる場合、追加の利点が存在し得る。
【００４５】
ベントレスシール内に注入された処理済みのシールガスが圧縮機プロセス側に流入するので、自己防衛的である。従って、シール面を通る圧力低下が無くなり、シールギャップの圧力が最も高くなる。これにより、シール面を通る流れがあるのとは対照的に、シール面の設計が最適化される。
【００４６】
ベントレスシールを通る注入されたガス流の質を管理するのは、ドライガスシールの管理より、大幅に容易であろう。この理由は、多孔質媒体を通る流量、特にベントレスシールを通る流量が、先行技術よりも少なくとも１桁小さくなるという事実による。プロセスシールを通る漏れが、このように遅い流れであることによって、必要な注入ガス流のろ過が遥かに少なくなり、システム全体を大幅に単純化できる。
【００４７】
外部圧力によって、ギャップの大きさを増加させることができる。
【００４８】
図３に、多孔質媒体面が、ドライガスシール等の空気動力学的シールに比べて、どのように流路面積を遥かに大きくするかについての利点を強調している。図３において、空気動力学的シールの場合、流れが、１次面３０２と相手面３０１の間にできるギャップ３０３に入る。流路面積は、次の式で定義される：π×Ｄ外径×ギャップ幅。しかし、多孔質媒体の空気静力学的シールの流路面積３０４は、空気静力学的シールの面を横切る距離３０５全体を包含し、π×（Ｄ２外径−Ｄ２内径）で定義される。従って、空気静力学的シールの流路面積は、空気動力学的シールの流路面積の数千倍である。
【００４９】
（処理済み）プロセスガスのベントを無くす手段として、またさらに悪く、実際のプロセスガスが圧縮機側から移動する可能性を無くす手段として、以下の議論はベントレスシールに焦点を当てる。ベントレスシールは、多孔質媒体を使用し、図１Ｂ及び図２Ｂの構成についてこれまでに説明した利点の全てを提供することができるが、更に利点を提供することができる。
【００５０】
図４は、回転シャフト４０１、圧縮機ヘッド４０２、及び溝４０７と溝４０９とを含む固定部材４０３を示し、溝４０７及び溝４０９は固定部材４０３を通りホルダー４０８内へ通じている。処理済みのプロセスガスがポート４０５内に導入され、（窒素等の）不活性ガスがポート４０６内に導入される。それらのガスは共に、シールの圧縮機側のガスより高い圧力に設定されることになる。この場合、シールは多孔質媒体リング４０４で、Ｄｅｖｉｔｔによる特許文献１中で教示されているのと同様に機能する。注入されたガスは、溝４０７及び溝４０９を通って流れ、次に多孔質媒体リング４０４を通り、（１〜１０ミクロンの）極めて小さなギャップを形成する。図９Ｅに示すように、これら２つのガスは同じ圧力になるので、注入された（処理済みの）プロセスガスは、多孔質媒体を通って流れ、圧縮機のプロセス側内に流入する。不活性ガスは、多孔質媒体を通って流れ、その後、処理済みのシールガスの流れとは反対方向に流れ、ベントすることができる。両方のガスは、圧縮機のプロセス側の圧力より５０〜３００ｐｓｉ（３４５〜２，０６８ｋＰａ）高い圧力で、多孔質媒体を通って注入されるが、流速は極めて遅い（例えば、１〜１０ｓｃｆｍ（１．７〜１７ｍ３／ｈ）程度）。このような高い圧力差があるのに、このように低い流量であることから、従来のドライシール（バッファ）ガスを管理するのと比較して、大きな利点を提供できる。例えば、圧縮機のプロセス側が２，０００ｐｓｉｇ（１３，７９０ｋＰａＧ）で動作している場合、溝４０７を通る処理済みのプロセスガスの圧力を、２，２００ｐｓｉｇ（１５，１６８ｋＰａＧ）とすることができ、溝４０９を通る不活性ガスの圧力もまたギャップの圧力と均衡するような圧力に調整することができるので、その結果、プロセス側から多孔質媒体ギャップ中には流入することはない。これによって、処理済みのプロセスガスの全てがシステムプロセスガス中に流入し、システムプロセスガスが、多孔質媒体シールの領域に入るのを防止することになる。圧力が調整可能の不活性ガスは、反対方向に流れ、ベントすることができる。どちらのガスも、多孔質媒体内でもう一方のガスに打ち勝つことはなく、従って、処理済みガスがベントの方向に流れることがない。１０，０００ｒｐｍを超え、１，０００ｐｓｉｇ（６，８９５ｋＰａＧ）以上で動作する典型的なシールのシール漏れの総量は、１５０〜２００ｓｃｆｍ（２５５〜３４０ｍ３／ｈ））の範囲内であろう。ベントレスシールは、圧縮機あたりおよそ２０ｓｃｆｍ（３４ｍ３／ｈ）を消費するであろう。この構成の主な利点は、（処理済み）プロセスガスのベントが必要ないことである。また、実際のプロセスガスが圧縮機からシールを越えて移動する可能性も全くない。
【００５１】
更に、図８は、ベントレスシールの動作プロトタイプに使用されたのと同様の、追加の詳細を示す。シャフト８０１が、多孔質媒体８０９に対する対向面が設けられたランナー８１０に連結されており、多孔質媒体８０９は、ホルダー８０８に保持されている。多孔質媒体への伝導経路は８０２及び８０３で示す。経路８０２によって、処理済みガスが多孔質媒体ギャップを通ってプロセスガス中に流入することができる。経路８０３は、注入される不活性ガス用であり、不活性ガスは、プロセスガスが多孔質媒体ギャップを通って流れないように、多孔質媒体内で均衡をもたらす。しかし、多孔質媒体とランナー８１０面がわずかに密着していない場合でも、伝導経路８０４及び伝導経路８０５内へのガスの注入によって、ホルダー８０８背面に３６０°の範囲で追加的な与圧が可能になる。これらのガスは、ギャップの限界が調整できるように、個別に調整することができ、その結果、多孔質媒体面とランナー８１０の対向面は、安定したギャップを維持することができる。伝導経路８０４及び８０５をシールしてガスが逃げないようにするために、（典型的）Ｏリング８０６が使用される。伝導経路８０２及び８０３を通って供給されたガス又は流体をシールするために（典型的）Ｏリング８０７が使用される。
【００５２】
追加で、粒子カウンター（図示せず）を採用し、望ましくないプロセスガスがないかを、シールのベント側で検出してもよい。そのようなプロセスガスが検出された場合、追加的に圧力均衡をもたらして、その漏れを減らすために、経路８０２、８０３、８０４、及び８０５に調整された圧力を供給するためのバルブの抑制を電子的フィードバックによって行ってもよい。図５は、３つ以上のポートを使用した、ベントレスシールの代替構成を示す。この構成では、ホルダー５０３が圧縮機ヘッド５０２に取り付けられ、ホルダー５０３は、溝５０４、５０５、及び５０６を含み、図４の構成と比較すると、溝５０６が、追加の溝である。ホルダー５０３には、多孔質媒体リング５０７が含まれてよく、ランナー５０８を、回転シャフト５０１に、Ｏリング５０９を介して取り付けてよい。
【００５３】
この構成では、処理済みガスを、溝５０４に流入するポートに注入することができ、不活性ガスを、溝５０５に流入する別のポートに注入することができる。これら２つのガスは、それぞれ同じ圧力を有し、その結果、図４と同じように、処理済みプロセスガスは、多孔質媒体を通って圧縮機のプロセス側に流入する。不活性ガスは、多孔質媒体を通り、次に反対方向に流れ、ベントすることができる。両方のガスは、圧縮機のプロセス側の圧力より５０〜３００ｐｓｉ（３４５〜２，０６８ｋＰａ）高い圧力で、多孔質媒体を通って注入されるが、流量は極めて低い（例えば、１〜１０ｓｃｆｍ（１．７〜１７ｍ３／ｈ）程度）。第３の溝５０６は、不活性ガスを異なる圧力で導入できるようにするために使用することができる。例えば、圧縮機のプロセス側が２，０００ｐｓｉｇ（１３，７９０ｋＰａＧ）で動作している場合、溝５０４を通る処理済みのプロセスガスの圧力を、２，２００ｐｓｉｇ（１５，１６８ｋＰａＧ）とすることができ、溝５０５を通る不活性ガスの圧力もまたギャップ内の圧力と均衡するような圧力に調整することができるので、その結果、多孔質媒体ギャップを通る流れは存在しない。これによって、処理済みのプロセスガスがシステムプロセスガス中に流入し、システムプロセスガスが、多孔質媒体シールの領域に入るのを防止することになる。圧力が調整可能の不活性ガスは、反対方向に流れ、ベントすることができる。どちらのガスも、多孔質媒体内でもう一方のガスに打ち勝つことはなく、従って、処理済みガスがベントの方向に流れることがない。この場合、追加的に、第３の溝５０６によって、異なる圧力で導入することが可能になる。上記の例を続けると、不活性ガスを第３の溝に中間の圧力で導入することができ、追加的にシール面の均衡を取るのに使用することができる。
【００５４】
なお、上記の説明中、不活性ガスの代わりに（水等の）別の状態の流体を使い、多相のベントレスシールを構成することができる。例えば、図６では、ホルダー６０２が圧縮機ヘッド６０７に取り付けられ、ホルダー６０２は溝６０４及び６０５を含む。ホルダー６０２には、多孔質媒体リング６０３が含まれてよく、ランナー６０６を、回転シャフト６０１に、Ｏリング６０８を介して取り付けてよい。この構成では、処理済みガスを、溝６０４に流入するポートに注入することができ、流体を、溝６０５に流入する別のポートに注入することができる。ガスと流体の両方は、それぞれ同じ圧力を有し、その結果、図４及び図５と同じように、処理済みプロセスガスは、多孔質媒体を通って圧縮機のプロセス側に流入する。注入された流体は、多孔質媒体を通り、次に反対方向に流れ、ベントすることができる。処理済みガス及び流体の両方は、圧縮機のプロセス側の圧力より５０〜３００ｐｓｉ（３４５〜２，０６８ｋＰａ）高い圧力で、多孔質媒体を通って注入されるが、流量は極めて低い（例えば、１〜１０ｓｃｆｍ（１．７〜１７ｍ３／ｈ）程度）。この構成の主な特徴は、ガス及び流体の両方を、多孔質媒体内に導入でき、それらが多孔質媒体の表面に形成された「ギャップ」内に存在できるということである。更に１つ追加すると、図５に示すように、多相ベントレスシールは、３つ以上の溝を有する可能性がある。
【００５５】
図７において、多孔質媒体面が、２つの別個の部材７０３Ａ及び７０３Ｂとして示されている。これによって、各部材を図示の境界線でシールして、図示のポートを通って入るガス又は流体が（多孔質媒体内で）混ざるのを防止するためのバリアを提供することができる。図７のその他の要素には、圧縮機ヘッド７０７に取り付けられた多孔質媒体ホルダー７０２があり、ホルダー７０２は溝７０４及び溝７０５を含んでもよい。ランナー７０６が、Ｏリング７０８を介して回転シャフト７０１に取り付けられてもよい。シールされた界面の特徴以外は、この構成の機能は図４のものと同様である。
【００５６】
多孔質媒体に供給される圧力を介して圧力の均衡を取ることの機能的な利点を更に例示するために、図９Ａ及び図９Ｂを提示する。両方（図９Ａ及び図９Ｂ）の場合において、図中には示していないが、多孔質媒体リングの裏側に複数のプレナム、及び複数のポートがあり、それらを通して、ガス又は流体が多孔質媒体内に導入されると仮定する。図９Ａ及び図９Ｂは、１つのポートに高圧を導入し、別のポートに低圧を導入した場合の効果を示す。多孔質媒体面９０１及び９０２もたらされる圧力分布は、各ポートに導入される圧力の大きさに比例する。
【００５７】
ベントレスシールの他の可能性のある用途は、図１Ａの要素１１３及び図２Ａの要素２１２に示す、典型的な内側ラビリンスシールに替えて、又は図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、及び図２Ｂの要素１０７及び２０７に示す典型的なバリアシールに替えて、この構成を組み込むことである。
【００５８】
本明細書で論じる多孔質媒体は、グラファイト、炭素、シリコンカーバイド、多孔質ダイヤモンド、タングステンカーバイド、アルミナ、カーボン−カーボン、ダイヤモンド又はダイヤモンドに類似するコーティングを施した多孔質炭素基材等の、任意の多孔質又は焼結材料で作られてよい。多孔質媒体の製造には、当業界で一般的に知られているセラミック鋳造技術を使用できるが、３Ｄプリントのような他の方法を使用してもよい。
【００５９】
図面を参照して好ましい実施例を詳細に説明したが、当業者が本開示を検討すると、発明の範囲内で他の実施例を実現できることを、容易に理解するであろう。従って、本発明は添付の特許請求の範囲のみによって限定されると解釈すべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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