(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と回転自在な軸の間で協動し高圧および低圧領域の間に流体封止を形成するための面封止装置であって、
前記軸に取り付けられこれと回転する第１の封止リングと、前記第１の封止リングに隣接して配置され前記筐体に対して回転しないように取り付けられる第２の封止リングと、
前記第１と第２の封止リングはそれぞれ実質的に軸方向に隣接してこれらの間に半径方向に延在する前記高圧および低圧領域にそれぞれ連通する高圧領域側の第１の周縁部および低圧領域側の第２の周縁部により形成された円環状の封止界面を形成するのに適した対向する第１と第２の平坦な円環状の封止面を形成し、前記封止リングの一方は軸方向に移動自在になし通常は前記他方の封止リングに向って軸方向に圧接されることと、
前記封止面の一方に形成され前記高圧領域と連通し、前記封止面の間に加圧流体の薄膜が間置されてこれらの間に小さなクリアランスを形成するための溝構造と、
前記溝構造は前記一方の封止面に形成され前記第１と第２の封止リングが相対的に回転する時に前記対向する封止面との間に流体動力学的な流体封止を形成するための第１の溝部分を含み、前記第１の溝部分は前記封止界面の前記高圧側領域側の第１の周縁部に隣接して配置されることと、
前記溝構造は前記封止面の一方に形成され前記第１と第２の封止面が実質的に停止している時に前記対向する封止面の間に流体静力学的流体封止を形成するための第２の溝部分を含み、前記第２の溝部分は前記第１の溝部分から半径方向に配置されることと、
前記一方の封止面は、前記低圧領域側の第２の周縁部と前記第２の溝部分の間に半径方向に延在する円環状で溝の無い平坦な平坦部を形成することと、
前記第１の溝部分は前記一方の封止面の周囲でほぼ均一な角度で間隔を開けて配置した複数の第１の溝を含み、前記第１の溝は前記高圧領域側の第１の周縁部から円周方向かつ半径方向に突出するように角度がつき、前記第１の溝は内側端部で終止することと、
前記第２の溝部分は前記それぞれの封止リングに対して同心円状に前記一方の封止面に形成された浅い円環状の溝を含み、前記浅い円環状の溝は前記第１の溝の内側端部に隣接して半径方向に配置され、前記浅い円環状の溝は前記第１の溝部分の内側端部と開放的な流体連通状態で配置されて円周方向に接続し、前記浅い円環状の溝は前記円環状の平坦部の半径方向の境界を形成することと、
前記第１の溝は前記円環状の溝の深さより数倍深い平均深さを有すること
を含む面封止装置。
【請求項２】
前記第１の溝の内側端部は前記円環状の溝の半径方向の境界壁で終止しこれを通って開口する請求の範囲第１項に記載の面封止装置。
【請求項３】
前記第１の溝は前記第１の溝が前記高圧領域側の第１の周縁部から前記円環状の溝の前記半径方向の境界壁へ突出するにしたがい徐々に減少する深さを有する請求の範囲第１項または第２項に記載の面封止装置。
【請求項４】
前記内側の端部に隣接した前記第１の溝は前記浅い円環状の溝の深さと実質的に等しい深さを有する請求の範囲第３項に記載の面封止装置。
【請求項５】
前記封止リングに形成されて前記高圧領域と前記浅い円環状の溝の間の連通を提供するための連通通路手段を含む請求の範囲第１項に記載の面封止装置。
【請求項６】
前記連通通路手段は前記一方の封止面に形成されて前記浅い円環状の溝と前記第１の溝の内側端部の間に半径方向に延在しこれらの間で直接連通できるようにするための浅い連通溝を含み、前記連通溝は前記浅い円環状の溝の深さと同様の深さを有する請求の範囲第５項に記載の面封止装置。
【請求項７】
前記連通溝の幅は前記第１の溝の幅と比較してわずかな幅である請求の範囲第６項に記載の面封止装置。
【請求項８】
前記連通溝はその一端が前記円環状の溝と連通し、その他端が前記第１の溝のそれぞれひとつと連通するように半径方向に延在する請求の範囲第７項に記載の面封止装置。
【請求項９】
前記第１の溝の内側の端部は急峻なダム状の壁を形成しており、それぞれの前記連通溝の他端は前記それぞれの第１の溝への加圧流体の流れに対して上流側のダム状の壁の端部に近い位置で前記それぞれの第１の溝の内側端部と直接連通する請求の範囲第８項に記載の面封止装置。
【請求項１０】
前記第１の溝に開口する前記連通溝はその内側端部において前記第１の溝の深さと比較してわずかな深さを有しており、前記ダム状の壁は前記連通溝が前記ダム状の壁を通って開口する部分に急峻な段階が形成される請求の範囲第９項に記載の面封止装置。
【請求項１１】
前記第１の溝は約０．０００１インチから約０．００１インチの範囲の平均深さを有し、前記第１の溝の深さは前記浅い円環状の溝の深さのおよそ５倍からおよそ１０倍の平均深さを有する請求の範囲第１項〜第１０項のいずれかひとつに記載の面封止装置。
【請求項１２】
前記浅い円環状の溝は約０．００００１インチから約０．００００８インチの範囲の深さを有し、前記第１の溝は前記円環状の溝の深さの少なくとも数倍もの平均深さを有する請求の範囲第１項〜第１１項のいずれかひとつに記載の面封止装置。
【請求項１３】
前記封止流体がガスである請求の範囲第１項〜第１２項のいずれかひとつに記載の面封止装置。
【請求項１４】
前記第１の溝のそれぞれは前記高圧領域側の第１の周縁部から円周方向かつ半径方向内向きに突出しながら互いに収束する第１と第２の側壁の間に形成され、前記第１の溝の前記第１の側壁は隣接する前記第１の溝の前記第２の側壁と平行に延在して、前記第１の溝の長手方向の範囲全体にわたって一定の幅を有する平坦部をこれらの間に形成する請求の範囲第１項〜第１３項のいずれかひとつに記載の面封止装置。
【請求項１５】
前記第１の溝のそれぞれは前記高圧側領域側の第１の周縁部から円周方向かつ半径方向内向きに突出しながら互いに収束する第１と第２の側壁の間に形成され、前記第１と第２の側壁は両方ともなめらかに湾曲した形状であり、前記第１と第２の側壁の一方が凸面状の形状をなすとともに前記第１と第２の側壁の他方が凹面状の形状をなす請求の範囲第１項〜第１４項のいずれかひとつに記載の面封止装置。
【請求項１６】
前記高圧側の第１の周縁部と前記低圧側の第２の周縁部はそれぞれ外側と内側の半径方向に離れた部分で形成され、前記第１の溝は前記外側の第１の周縁部から半径方向内向きに突出しており、その内側端部が前記外側の第１の周縁部と内側の第２の周縁部の間に半径方向に配置される請求の範囲第１項〜第１５項のいずれかひとつに記載の面封止装置。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、封止された液体を用いて流体静力学的−流体動力学的または空気静力学−空気動力学的圧力を対向して相互作用し、一方が停止し他方が回転する面状の封止部材の間に発生させるような回転軸のための面封止装置に関する。これらの力は、前記封止部材のわずかな分離と非接触的な動作を提供することにより面の損耗および摩擦による動力損失を減少させつつ低い液洩れを維持する。
発明の背景
回転液体薄膜面封止は、ギャップまたは非接触面封止とも呼ばれ、通常の面接触型の機械的面封止では熱の発生が過剰となり損耗するような高速および／または高圧の回転装置に適用される。非接触型動作により、リフトオフ速度と呼ばれるある程度の最低速度以上で軸が回転する時にこのような望ましくない面接触を回避する。
上記の非接触型動作を実現する方法は、各種存在する。もっとも一般的に使われている方法のひとつは、封止面の一方に浅い螺旋状の溝構造の形成を含む。溝の面と対向する封止面は、比較的平坦かつ平滑である。これら２つの封止面が封止クリアランスを形成する面領域は、封止界面と呼ばれる。
封止面の一方の前述の螺旋状の溝構造は、通常は外側円周から内向きに延在し溝と呼ばれ、前記封止界面の内径より大きい特定の面で終わる。溝と内側界面の間の溝の内部分は、流体の流出を制限するように働く。螺旋状溝より供給される液体は、この制限を通過しなければならず、封止面が分離している場合にのみ通過することが出来る。これが機能する方法は、圧力の上昇による。面が接触し続けた場合、流体は制限の直前で流体が圧縮され、圧力が上昇する。圧力は分離力を発生し、これが両方の面を保持する力より最終的に大きくなる。そのときに封止面が分離し、流体が排出できるようになる。封止の動作中、螺旋状溝のポンプ作用による流体の流入と面の分離による流体の流出の間で、均衡が発生する。したがって、封止が動作している限り、つまり一方の面が対向する面に対して回転している間、面の分離が存在することになる。
しかし、螺旋状溝のポンプ作用は、封止面の間の分離量を決定する唯一の要素ではない。螺旋は、溝を通り流体を封止界面の溝のない部分に導入するだけなので、圧力差によっても可能である。充分な圧力差が溝のある界面端部と溝のない端部の間に存在すれば、流体は界面の溝のない部分へ圧入され、これによって面を分離しクリアランスを形成することになる。
一方は回転速度により、他方は圧力差による封止面の間にクリアランスを形成することの出来る両方の方法は、双方の作用が作動している封止に組み合されるとしても独立した別個のものである。圧力差が無く、封止面の分離が厳密に面の回転により発生する場合、封止される流体が液体であれば流体の流れによる力は流体動力学的な力、また封止される流体がガスであれば空気力学的な力として周知である。
他方で、２つの封止面の間に相互の回転が存在せず、面の分離が封止界面の両端の間の圧力差の結果だけに限定される場合、流体の流れによる力は、流体が液体の場合には流体静力学的圧力、また流体がガスの場合には空気動力学的圧力と呼ばれる。以下において、術語、流体静力学的および流体動力学的はどちらも液体と気体の作用に対して用いることにするが、これは後者の術語が液体および気体の封止を記述する際により便利に用いられるためである。
典型的な螺旋状溝の封止は、漏洩に関して受け入れ可能な性能と封止動作のすべての局面において面接触の欠除を提供する必要がある。最高速度および最高圧力においてだけ必要とされるのではなく、休止時、起動時、加速時、装置の暖機中、または停止時にも必要である。通常の動作条件において、圧力と速度は定常的に変化し、その結果としてランニング・クリアランスの連続的な調節となる。このような調節は自動的に行われるが、螺旋状溝封止の重要な特性のひとつがその自動調節能力である。速度または圧力が変化する時、面クリアランスは新しい条件の組に自動的に調節される。流体静力学的および流体動力学的圧力がこの調節を発生させる。
速度と圧力の動作エンベロープは、普通には非常に広く、封止設計の必要性は妥協の必要がある。ゼロ付近の速度または圧力で性能が受け入れ可能であるためには、運転速度または圧力における最適値以下である。これは単純に圧力と速度の両方に関して、封止はゼロ速度およびゼロ圧力差から運転条件まで持ちこたえる必要がある。
封止動作に特に重要なことは、起動である。封止が遠心式ガス圧縮器に適用される場合、軸が回転をはじめる前に最大の吸入圧力差が封止にかかることが多い。これは、封止面が摩擦で固着する危険をもたらす。面の固着は、流体静力学的圧力が封止面を接触させようとする圧力に対向するのに不十分な場合に起る。面の固着により封止の破壊が起こり、この場合には接触している封止面の間の過剰な破断摩擦により、ひどい損耗または内部封止部材の損傷を引き起すことがある。
よって、第１に、最大速度非接触動作で螺旋状溝は流体動力学的に封止面を分離させられなければならない。通常では、これにはかなり短く比較的深い螺旋状溝が必要になる。第２に、螺旋状溝は、起動／停止時に流体静力学的に封止面に過重をかけず、面の固着を防止できる必要がある。このため、溝は長さを延長する必要がある。延長した溝は、最大速度運転中に分離と漏洩が多くなる。典型的な３．７５インチの軸封止で短く比較的深い螺旋状溝の場合の最大速度の漏洩は、１０００ｐｓｉｇ、１００００ｒｐｍでおよそ０．９ＳＣＦＭ（即ち標準毎分立方フィート）である。しかし、このような封止で溝を延長した場合の最大速度での漏洩は、同じ条件下において２．４ＳＣＦＭに達することがあり、前者の値のおよそ３倍である。必要以上に大きい漏洩の定常的な見積りは、相当な運転コストを意味しており非常に望ましくない。
実際の螺旋状溝の設計は、米国特許第３１０９６５８号に溯り、２つの対向する螺旋状溝が互いに対して油を圧送してガスを封止することの出来る液体バリアを形成する。このような構造は、ガスを封止するために液体の力を用いる場合に固有の、圧力ならびに速度の能力が制限される。
別の既知の構造は、米国特許第３，４９９，６５３号にみられる。この界面設計は、部分的な螺旋状溝が相当な流体静力学的的作用に依存したものである。界面のギャップは、溝の無い端部で狭く螺旋状溝で広くなるようなテーパー状の形状に設計される。螺旋状溝の効果と、これによる流体動力学的な力は、螺旋溝のポンプ作用が広いギャップの両端で効果的ではなくなるため抑圧される。同様に、これは封止の安定性に悪影響を与え最大圧力および速度の能力を制限する。
さらに既知の構造は、米国特許第４２１２４７５号にみられる。ここでは、螺旋状溝それ自体を流体静力学的ならびに流体動力学的パターンとして作用させようと試みており、ギャップのテーパー状の形状の必要性を排除してかなりの度合の螺旋状溝の流体動力学的力を適用して、自己整列的な特徴を封止界面に与えるように用いている。自己整列的な特徴は、平行な位置に向って封止界面を下げようとし、封止動作中に平行な位置からの偏位が半径方向または切線方向に発生するかどうかに無関係である。これにより、安定性の改良と圧力および速度の面での性能限界の向上がみられた。
さらに別の既知の構造は、ドイツ特許第１，９６４，１５０号に示されている。この構造は、封止面のひとつの周囲に間隔を開けて形成した湾曲または直線状の溝を開示しており、該溝は深さが一定またはテーパー状のいずれかで、テーパー状の溝の浅くなっている端部は封止の低圧側から溝を分離する円環状のダムで直接終始する。この構造では、均一の深さの溝が提供された場合、封止は一般に前述のほかの既知の構造と同じように作用する。しかし、テーパー状の溝が封止に提供されると、溝の浅い端部で効果的に生成し得る流体静力学的圧力と溝の浅い端部の近くに形成されるスクイズ膜は全く不十分だと思われ、起動条件または低速回転時に封止の損耗または望ましくない封止の接触を抑えるには効果的ではない。
簡単に上記で要約したような既知の流体封止は、流体静力学的および流体動力学的封止特性を提供しようと試みてきたが、既知の封止は流体動力学的および流体静力学的特徴の組み合せを最適化し、直接の面接触を効果的に減少させまたは回避しかつ封止の間の面負荷を最小限に抑えつつ、封止の起動と停止を容易にするような望ましい流体静力学的特徴を提供し、アセンブリが最小限の摩擦で起動して重大な摩擦による出力要求を回避できるように、また面間の直接的な摩擦損耗を回避できるようにして、同時に相対的に回転自在な封止面の間で、特に高速高圧に関係するような広い範囲の動作条件下において、望ましい流体動力学的特徴を提供するような能力に関して欠除している。
したがって、本発明の目的は、溝構造を対向する封止面の一方に用いる種類の流体封止の改良を提供し、該封止の改良が流体動力学的かつ流体静力学的な封止特性のさらに最適化した組み合せを提供することにより、起動時から高速高圧の関係する条件にいたる動作条件を含む大幅に広い動作条件の範囲において封止能力の改良が得られるようにすることである。
本発明の封止構造の改良において、溝構造（典型的には封止面の一方にだけ形成される）は第１と第２の溝部分を含み、両者が封止の一側において高圧流体と連通し、ひとつの溝部分は他方より大幅に深くし、これによって深い溝部分は望ましい流体動力学的特性を提供するのに特に好適である一方、浅い溝部分は主として流体静力学的特性のみを提供する。同時に、これらの溝構造は浅い溝部分が一般に半径方向に深い溝部分と溝の無い円環状の区間またはダムの間に間置され、これが溝構造を封止の低圧側から効果的に分離するように配置してあることによって、望ましい流体静力学的および流体動力学的な封止特性がどちらも得られるが、同時に、ダムから低圧側への封止流体の漏洩（たとえばガス）を最小限に抑えて封止の能力高率を改善するようにする。
本発明の封止の改良において、上記で簡単に説明したように、溝構造は周辺部に配置された一連の溝で形成される深い溝部分を含み、該溝は封止の周囲の高圧側から周辺方向および半径方向内向きに角度がつけてあり、角度をつけた溝は螺旋状、円環状、または直線状の構成とすることが出来る。これらの角度をつけた溝は、比較的深く封止面に対して一部分だけ突出する。好適実施例において、半径方向に内側の角度をつけた溝の端部は浅い溝部分と連通しており、浅い溝部分は深い溝部分より半径方向に内側に配置するが、中間の溝の無い円環状の部分またはダムによって封止の低圧側から分離される。この浅い溝部分は深い方の溝部分の深さの小数点部分の深さを有し、半径方向に外側と内側の封止界面の境界の間に形成されたこれの中央部分において実質的に対向する封止面の間に流体静力学的な力を発生させるのに有効である。
さらに、この封止の性質および能力特性の最適化は、封止面に形成される周辺の平坦部に対して溝のパターンまたは構造を最適化することによりさらに改善され、対向する封止面の間に形成される流体膜がさらに均一な圧力分布と封止特性を提供し、同時に封止面のひずみを最小限に抑えるようにするので、これが対向する封止面の間のギャップの最小幅で封止性能の最適に役立つと同時に、対向する封止面の間の直接接触および摩擦損耗を防止または最小限に抑える。
さらに特定すれば、本発明の封止の改良において、深い溝部分に関連して角度をつけた溝は、隣接する溝の側面が一般に互いに平行に延在して隣接する溝の間の中間の平坦部分が実質的に一定の幅を維持し、半径方向に内側の溝端部とも隣接して、これらの平坦部に流れる流体でのスクイズ膜効果を最大限に高め、最大速度またはその付近で回転する際に封止面の接触を回避するようにスラストベアリングがこれらの平坦部を支持することを拡張する。
封止構造のさらなる改良は、回転速度がゼロまたはその付近の条件において、溝および平坦部領域の上で形成されるような周辺部の不均一な流体静力学の場の結果として発生するのが、普通の封止面のひずみの減少および排除を目標としている。この改良は、角度をつけた溝の半径方向に内側の端部に隣接して半径方向に配置された円周方向で狭く浅い溝によって狭い溝部分において達成される。浅い周辺部の溝は、角度をつけた溝との連続加圧流体連通におかれ、円周方向の静水圧の場の不均一性を平衡化するように作用し、その結果面のひずみを抑圧し、面間の分離が極端に小さな大きさであっても、面どうしの接触なし、または最小限で均一な面の分離を発生する。
本発明のその他の目的および目標は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を熟読することによりこの一般的な種類の封止に詳しいものには明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、回転軸に関連した一般的な従来の流体面封止構造、たとえば溝つき面封止等を示す部分中心断面図である。
図２は、本発明の好適実施例による回転封止リングの面に関連した溝構造を示す一般に図１の線２−２に沿ってみた図である。
図３は、図２の一部の部分拡大図で、溝構造をさらに詳細に図示する。
図４および図５は、それぞれ実質的に図３の線４−４、５−５に沿ってみた部分断面図である。
図６は、本発明のさらなる実施例による回転封止リングの面に関連した溝構造を示す図２と同様の図である
図７は、図６の一部の部分拡大図で溝構造をさらに詳細に示す。
図８および図９は、実質的に図７の線８−８、９−９に沿ってみた部分断面図である。
参照の利便のためだけに以下の説明では幾つかの術語を使用するがこれは制限するものではない。たとえば、「上向き」「下向き」「右向き」「左向き」の用語は参照している図面における方向を示している。「内向き」と「外向き」の用語はそれぞれアセンブリーの幾何学的中心に向ってと、ここから離れる方向を示したもので、これの一部を示す。前記術語は特に言及した用語、その派生語および類似の外来語を含む。
発明の詳細な説明
図１を参照すると、典型的な溝つき面封止装置１０とその環境が図示してある。この環境は、筐体１１と前記筐体１１の中を延在する回転自在な軸１２を含む。面封止装置１０は、流体（たとえば加圧ガス）を円環状の空間１３内に封入するためと、領域１４で環境内への漏出を制限するために適用される。面封止装置１０の基本的部材は、円環状で軸方向に移動自在だが回転しない第２の封止リング１６を含み、該封止リング１６は軸１２に回転しないように取り付けてある円環状の回転自在な第１の封止リング１９の半径方向に延在する第１の平坦な封止面１８と対向する封止関係にあり、半径方向に延在する第２の平坦な封止面１７を有している。封止リング１９は、通常は矢印の方向に回転する（図２参照）。第２の封止リング１６は、筐体１１の空洞２１内部に置かれ、実質的に回転自在な封止リング１９と同心円状に保持される。筐体１１と封止リング１６の間には、従来の回転防止装置（図示していない）があり、封止リング１６の回転を防止しており、また空洞２１の周囲に等間隔に配置した複数のスプリング２２がある。スプリング２２は、封止リング１６を封止リング１９に向って係合的に圧接する。Ｏ−リング２３は、封止リング１６と筐体１１の間の間隙を封止する。封止リング１９は、軸１２と同心円状でこれに固定されたスリーブ２４により、たとえば図示したような軸１２に螺子切りしたロックナット２５により、軸方向の位置が維持される。Ｏ−リング２６は、封止リング１９と軸１２の間の漏洩を防止する。
封止リング１９の半径方向に延在する封止面１８と封止リング１６の半径方向に延在する封止面１７は封止関係にあり、これらの間に円環状の接触領域を形成し、これが封止界面２７となる。この封止界面２７は、封止リング１９の直径方向外側周囲の第１の周縁部２８と封止リング１６の直径方向内側周囲の第２の周縁部２９で形成され、これらは図示した実施例においてはそれぞれ高圧と低圧の流体に曝露される部分である。動作において、非常に狭いクリアランスが、封止リング１９の封止面１８に形成された（後述するような）溝パターンで生成される流体薄膜により、封止面１７−１８の間に維持される。これ以外にも、溝パターンは、封止リング１６の封止面１７に形成することが出来、これも有効である。前記狭いクリアランスは、摩擦熱と摩耗の発生を防止する封止面の間の流体により維持されるが、狭いクリアランスは、領域１４へ空間１３からの封止した流体の流出を制限する。
図２を参照すると、本発明の好適実施例による封止リング１９の封止面１８が図示してあり、この封止面１８は溝構造３１が形成してある。この溝構造３１は、流体が周縁部２９に向って周縁部２８から溝構造３１を通過することで、流体動力学的および流体静力学的な特徴の混合において段階的な移行があるような寸法としてある。さらに特定すれば、溝構造３１の第１の溝部分３２は、流体動力学的効果の比率が大きく、主として半径方向に外向きの封止面１８の部分に配置される。この第１の溝部分３２は、通常は封止界面２７において流体動力学的および流体静力学的両方の力を提供するが、流体動力学的力を発生するための１次供給源であり、そのため本明細書においては通常は流体動力学領域と称することにする。
溝構造３１は、一般に半径方向に内向きに第１の溝部分３２に配置された第２の溝部分３３も含み、第２の溝部分３３は封止面１８の中心部側半径領域内に一般に位置している、すなわち周縁部２８、２９の両方から半径方向に間隔を開けた領域にある。後者の第２の溝部分（または領域）３３は、主として回転速度ゼロ付近の条件において静圧的圧力を対向する封止面１７−１８の間に提供するように機能する。第１、第２の溝部分３２、３３は、従来の製造技術を用いて封止面１８に形成することが出来る。
第１に流体動力学的な領域の第１の溝部分３２を考察すると、これは角度をつけた複数の溝３４で形成されており、該溝３４は実質的に均一の角度で等間隔に封止面１８に形成されている。これらの溝３４は、周縁部２８から半径方向に内向きに開いて、溝が円周方向と半径方向内向きに同時に突出するような方式ですべてに角度がつけてあり、封止面１８の円周方向と半径方向の両方に対して角度をもった関係を有している。角度のついた溝３４は、溝が周縁部２８と交差する中心線３６で図３に図示してあるように、通常は周縁部２８に対する切線方向に対して急角度で周縁部２８から内向きに開いており、この急角度は１５°付近で有り得る。
それぞれの角度をつけた溝３４は、一対の側壁（または縁）３７、３８により形成される。これらの側壁３７、３８は、封止リング１９の中心点Ｏのあたりに生成されるＲ４で示した半径で終止するように半径方向内向きに角度がつけてあり、半径Ｒ４は溝３４の内側の直径を形成する。対向する側壁３７−３８は、溝３４が半径方向に内向きに角度がついているので、互いに対して一般にわずかに収束するようにそれぞれの溝３４を形成するのが望ましい。これらの側壁３７−３８は、直線、円弧、または螺旋状の断面を含む別の構造を仮定することが出来る。側壁３７−３８が円弧または螺旋として形成された場合、側壁３７は凸面状の構造であり、対向する側壁３８は凹面状の構造となる。
図示した好適実施例において、対向する側壁３７−３８は円環状の構造だが、別々の中心を有する別の半径の周囲に生成されるのが望ましい。
たとえば、図３を参照すると、溝３４’の凹面状の側壁３８’は第１の中心点Ｃ１を有する第１の半径で生成され、隣接する溝３４の凸面状の側壁３７は第１の中心点Ｃ１の周囲をまわる第２の半径に生成され、これによって第２の半径は溝３４と３４’の隣接する対の辺縁である側壁３７、３８’を分離する直角方向の距離だけ第１の半径を超過する。これにより、封止リング１９の中心に向って半径方向に内向きの平坦部角度により一定の横断幅の側壁３７、３８’の間に平坦部４１が形成される。
同様に、溝３４の凹面状の側壁３８も前記第１の半径の周囲に生成され、第１の半径はここでは第１の中心点Ｃ１から離れた第２の中心点Ｃ２の周囲に生成され、同様に次の溝３４”の凸面状の側壁３７”は第２の中心点Ｃ２の周囲をまわる前記第２の半径の周囲に生成されることにより、側壁３８と側壁３７”の間の平坦部４１は封止リング１９の中心に向って平坦部が角度をとるのと同じ一定の横断寸法をここでも有している。２つの中心点Ｃ１、Ｃ２は、それ自体が中心点Ｏに対して同心円状の円弧に位置しており、溝３４はすべて同様の方法で生成される。
溝３４のそれぞれは、第２の溝部分３３より実質的に深い平均深さで、この深さは図４に図示したように溝３４の一般に平坦だがテーパー状が望ましい（すなわち角度をつける）底部壁３９により示されている。より特定すれば、溝３４は全長に沿ってテーパー状の構造とするのが望ましく、深さは溝３４の全長に沿って変化し、溝３４は半径方向に外側の端部で最大の深さを有し、半径Ｒ３で定義される半径方向に内側の端部で最小の深さとなるが、この半径方向に内側の端部での深さはまだ測定可能である。溝３４の平均深さは、その全長にわたって実質的に中間で発生する。このテーパー状の溝３４において、半径方向に外側の端部での溝３４の深さは、高速回転においてテーパー面のひずみの発生を防止するのが望まれる場合には、流体動力学的な力の作用を最小限にするのに充分な深さとすることができる。この流体動力学的な力は、溝３４の中心部の半径方向の部分に向って内向きにさらに顕著になり、溝３４の浅い端部でまた効果が少なくなる。これ以外にも、半径方向に外側の端部において溝３４の深さは流体静力学的な作用が最大となるようにする。
流体静力学的な領域の第２の溝部分３３を考えると、この第２の溝部分３３は一般に流体動力学的な領域の第１の溝部分３２の半径方向に内側に配置され、一般にきわめて浅くして流体静力学的作用を大幅に減少させるようにする。おもに流体静力学的な領域の第２の溝部分３３は、浅い円環状の溝４４で終止し、溝４４は中心点Ｏに対して同心円状の封止面１８に形成される。この円環状の溝４４は、角度をつけた溝３４の半径方向に内向きに配置されて、内側の円環状の壁４６と外側の円環状の壁４７の間に形成される。内側の円環状の壁４６は半径Ｒ３により効果的に形成され、円環状の平坦部５１の直径方向外側の部分を形成しており、後者の壁４７は低圧または封止リング１６の周縁部２９（すなわち半径Ｒ２）と溝４４の内側の壁４６（すなわち半径Ｒ３）の間に形成される。円環状の平坦部５１は溝が無く、周縁部２９で形成された低圧領域へこの部分を通って封止流体が流出するのを有意に制限するためのダムとして機能する。
円環状の溝４４は、それぞれの角度をつけた溝３４の半径方向内側の端部と直接かつ連続的に流体的に連通しており、一連の角度をつけた溝３４の半径方向内側の端部の間に連続接続および流体連通を提供する。角度をつけた溝３４のそれぞれは、円環状の溝４４との直接かつ連続的な連通のために半径方向に内側の端部が外側の壁４７を通って開口している。実際に、対向する側壁３７−３８はそれらの間のそれぞれの溝３４を形成するように協動しており、外側の壁４７で直接終止する。
角度をつけたまたはテーパー状の底部壁３９は、それぞれの角度をつけた溝３４に関連して、溝３４が外側の壁４７と交差するまで内向きに突出するため、溝３４の深さが徐々に減少するように傾斜をつけてある。図示した実施例において、図４が実線により図示してあるように、浅い円環状の溝４４の底部壁４８は、底部壁が内側の壁４６へ外側の壁４７から半径方向に延出するので角度をつけるかテーパー状にすることが出来、底部壁４８のテーパーは溝３４のテーパー状の底部壁３９の延長を構成する。しかしこれ以外にも、図４の破線で示してあるように、溝４４は断面が均一の深さとして、溝４４の均一な深さは外側の壁４７と交差する底部壁３９の浅い端部の深さに実質的に等しくなるように選択することが出来る。
溝４４は、境界部の壁４６と壁４７の間に形成されるように、典型的には約１／１６インチまたはそれ以下の比較的狭い半径方向の幅とするのが望ましい。
溝３４と溝４４の深さとしては、溝３４は円環状の溝４４の平均の深さより数倍大きな平均の深さを有し、実際には溝３４の平均の深さは円環状の溝４４の深さのおよそ５倍から１０倍程度の範囲とするのが望ましい。
より詳しくは、角度をつけた溝３４は、通常は約０．０００１インチから約０．００１インチの平均深さを有することになるが、もっと実際的な最大深さは約０．０００５インチとなると思われ、約０．０００１インチから約０．０００３インチの深さが望ましい。浅い円環状の溝４４は、通常は約０．００００１インチから約０．００００８インチの深さを有するが、約０．００００２インチから約０．００００５インチの深さが好適である。溝４４の深さは、これの円周方向に均一とするのが望ましく、半径方向に内側の端部で溝３４の深さに実質的に対応する。
溝３４と溝４４、および平坦部５１の半径方向の位置関係としては、これらの関係は高圧側の周縁部２８（半径Ｒ１）と低圧側の周縁部２９（半径Ｒ２）の間で測定した封止界面２７の半径幅ΔＲに対して求める。平坦部５１は、通常は半径幅ΔＲの１／４から１／３半径方向に内側を占有し、溝構造３１は半径幅ΔＲの半径方向に外側の残りを占有する。円環状の浅い溝４４は、半径幅ΔＲの中央部１／３から中央部１／２程度に望ましくは配置されて、封止リングの中央部分の流体圧力を最適化し、回転速度ゼロまたはその付近の条件で通常発生する通常のひずみに対して抵抗増大を提供するように半径方向に配置する。
低速または速度ゼロでの動作において、外側の周縁部２８を包囲する高圧流体は深い溝３４と浅い溝４４に侵入するが、平坦部（またはダム）５１によりさらに半径方向に内側への流れが制限される。溝３４、４４内部のこの加圧流体は、封止界面２７全体にわたり対向する封止面１７−１８の間の小さい分離を行うのに充分な静水圧を発生させ、対向する封止面１７−１８の間のわずかなギャップに静水圧が発生する。この静水圧は、浅い円環状の溝４４が存在するため、実質的に均一な力が封止界面２７の中心部の半径方向の領域全体に円環状に発生するので望ましく、これによって均一な圧力すなわちギャップが対向する封止面１７−１８の間に形成される。これによって、封止面が円周方向に波状に歪む傾向を防止または大幅に減少させている。小さいが制御された封止流体の量が平坦部（またはダム）５１を通って封止の低圧側の周縁部２９へ流れるが、円環状の溝４４の存在により、平坦部５１は円周方向に取り囲む均一な半径方向の範囲となり、これによって平坦部５１を流れる流体の圧力勾配も円周方向に均一化されて、封止面が円周方向に歪む傾向を最小限に抑えるようになる。この静水圧の存在で、対向する封止面１７−１８の間の摩擦的な接触が大幅に減少し、封止面の摩擦を筐体１１にまたは回転軸１２に伝達するように構造部材にかかるストレスを減少することによってと、また回転が始まった時に相対的に回転自在な対向する封止面１７−１８の間の直接的な摩擦による接触を大幅に減少するまたは排除することによってとの両方で、封止の開始が大幅に容易になる。
封止構造は、高い回転速度で動作するので、溝３４の外側の流体動力学的部分の高圧流体は平坦部４１へまた溝３４の内側の流体静力学的部分へと効果的に圧排され、対向する封止面１７−１８の間のギャップまたはクリアランスの寸法を作成または増加させ、封止面１７−１８の間の相対的な高速回転が出来るようにすると同時に、これらの間の直接的なあらゆる摩擦接触を回避するまたは大幅に減少する。これらの対向する封止面１７−１８の間に後者の条件下で発生する流体の圧力プロフィール（すなわち流体動力学的圧力）は、壁４７からわずかの距離だけ半径方向に外側に離れた場所で最大圧力に曝されることになるが、最大圧力の部分は溝４４の外向きに少なくとも溝３４の中心部へと、それぞれの角度をつけた溝の端部の間で長手方向に延在する。半径方向に内向きに突出する溝３４の深さの変化により、高速回転の条件下で溝３４にある流体は一般に円環状の溝４４に向って半径方向に内向きに圧送される。しかし、円環状の溝４４と直接接合する角度をつけた溝３４の最小の深さは非常に浅いので、何らかの実効的な流体動力学的圧力が溝３４の浅くなっている内側端部の付近に発生するのを防止している。しかし、内側端部から半径方向に外向きに、長手方向に配置された溝３４の中央部または外側の領域において、溝３４の深さは流体動力学的圧力の効果的な発生が起こるような深さであり、流体動力学的圧力プロフィールは外側端部における深さが効果的な流体動力学的圧力の発生のために大きすぎる場合または封止された圧力作用が上回るため、溝３４の外側端部の付近で減少する。一般に最大の流体動力学的圧力は角度をつけた溝３４の中央部分で発生し、中央部分は高圧側の周縁部２８から封止界面２７の寸法ΔＲのほぼ１／３中心にある。この加圧流体が封止の低圧側の周縁部２９へ漏洩するには、第１に顕著な流動抵抗を発生する浅い溝の第２の溝部分３３領域へ流入せねばならず、さらには比較的広い平坦部５１（またはダム）を横断して流れる必要がある。これは装置の低圧側へ封止流体の漏洩を強力に防止し、望ましい流体動力学的圧力を発生させつつ、同時に低圧側への封止流体の漏洩の制御された受け入れ可能な率を提供する。
流体静力学的な領域の第２の溝部分３３が浅い円環状の溝４４により内側端部に形成される場合、これが円環状の溝４４の付近で円周方向に圧力を効果的に均衡させる。すなわち、平坦部４１の存在により角度をつけた溝３４の付近の間に発生する流体圧力の場は、円周方向に実質的に均一な大きさに維持することが出来る。圧力流体は、溝３４を占有する以外にも円環状の溝４４も占有するので、円周方向への両方の封止面のひずみを減少させ、その結果として小さい漏洩量で小さい流体静力学的な面の分離が可能になると同時に、ゼロ回転速度またはその付近での面の接触を回避または最小限に抑えている。
高圧流体は、流体静力学的条件において円環状の溝４４全体に連続的に存在するので、半径方向に平坦部５１を通って低圧側の周縁部２９へ漏洩することによる流体の圧力低下で封止リングの円周方向に延在する均一な圧力勾配が発生し、これによっても平坦部５１の領域における封止リングの円周方向のひずみを最小限に抑え、そのため、すでに述べたように、波状の円周方向に延在する形状へと封止リングが変型しようとする傾向を最小限に抑えることが出来る。しかし、流体動力学的条件下において、浅い溝の領域３３は平坦部５１の延長として効果的に機能して、最大速度またはその付近での動作中にここを通る封止流体の制御された最小限の漏洩を提供する。
ここで図６から図９を参照すると、本発明のさらなる実施例が図示してある。より詳しくは、図６から図９は前述した図２から図５に対応しており、図６から図９において変更された溝構造が形成されている封止リング１１９について封止面が図示してあることで異なっており、封止リング１１９は図２から図５のリング１９と一般に同様の方法で面封止装置全体と協動する。図６から図９に図示した対応する部材は、図２から図５において用いている参照番号と同じ番号で示されているが、「１００」を付加している点で異なっている。
図６において、封止リング１１９の封止面１１８が図示してあり、この封止面１１８には溝構造１３１が形成してある。溝構造１３１は、封止面１１８の半径方向に外側の部分に主として配置されている第１の溝部分１３２を含む。第１の溝部分１３２は、通常は流体動力学的および流体静力学的な圧力の両方を封止界面２７（図１参照）に提供するが、これは流体動力学的力を発生するための１次供給源であり、そのため本明細書においては通常は流体動力学領域と称することにする。
溝構造１３１は、一般に半径方向に内向きに第１の溝部分１３２に配置された第２の溝部分１３３も含み、第２の溝部分１３３は封止面１１８の中心部側半径領域内に一般に位置している、すなわち直径方向外側の周縁部１２８、直径方向内側の周縁部１２９の両方から半径方向に間隔を開けた領域にある。後者の第２の溝部分（または領域）１３３は、主として回転速度ゼロ付近の条件において流体静力学的圧力を対向する封止面１１７−１１８の間に提供するように機能する。第１・第２の溝部分１３２、１３３は、従来の製造技術を用いて封止面１１８に形成することが出来る。
先ず、流体動力学的な領域の第１の溝部分１３２を考察すると、これは角度をつけた複数の溝１３４で形成されており、該溝１３４は実質的に均一の角度で等間隔に封止面１１８に形成されている。これらの溝１３４は、周縁部１２８から半径方向に内向きに開いて、溝が円周方向と半径方向内向きに同時に突出するような方式ですべてに角度がつけてあり、封止面１１８の円周方向と半径方向の両方に対して角度をもった関係を有している。角度のついた溝１３４は、溝が周縁部１２８と交差する中心線１３６で図６に図示してあるように、通常は周縁部１２８に対する切線方向に対して急角度で周縁部１２８から内向きに開いており、この急角度は１５°付近で有り得る。
それぞれの角度をつけた溝１３４は、一対の側壁（または縁）１３７、１３８により形成される。これらの側壁１３７、１３８は、封止リング１１９の中心点Ｏのあたりに生成されるＲ４で示した半径で終止するように半径方向内向きに角度がつけてあり、半径Ｒ４は溝１３４の内側の直径を形成する。対向する側壁１３７−１３８は、溝が半径方向に内向きに角度がついているので、互いに対して一般にわずかに収束するようにそれぞれの溝１３４を形成するのが望ましい。これらの側壁１３７−１３８は、直線、円弧、または螺旋状の断面を含む別の構造を仮定することが出来る。側壁１３７−１３８が円弧または螺旋として形成された場合、側壁１３７は凸面状の構造であり、対向する側壁１３８は凹面状の構造となる。
図示した好適実施例において、対向する側壁１３７−１３８は、円環状の構造だが、別々の中心を有する別の半径の周囲に生成されるのが望ましい。
たとえば、図７を参照すると、溝１３４’の凹面状の側壁１３８’は、第１の中心点Ｃ１を有する第１の半径で生成され、隣接する溝１３４の凸面状の側壁１３７は第１の中心点Ｃ１の周囲をまわる第２の半径に生成され、これによって第２の半径は溝１３４と１３４’の隣接する対の辺縁１３７、１３８’を分離する直角方向の距離だけ第１の半径を超過する。これにより、封止リング１１９の中心に向って半径方向に内向きの平坦部角度により一定の横断幅の側壁１３７、１３８’の間に平坦部１４１が形成される。
同様に、溝１３４の凹面状の側壁１３８も前記第１の半径の周囲に生成され、第１の半径はここでは第１の中心点Ｃ１から離れた第２の中心点Ｃ２の周囲に生成され、同様に次の溝１３４”の凸面状の側壁１３７”は第２の中心点Ｃ２の周囲をまわる前記第２の半径の周囲に生成されることにより、側壁１３８、１３７”の間の平坦部１４１は封止リング１１９の中心に向って平坦部が角度をとるのと同じ一定の横断寸法をここでも有している。２つの中心点Ｃ１、Ｃ２は、それ自体が中心点Ｏに対して同心円状の円弧に位置しており、溝１３４はすべて同様の方法で生成される。
溝１３４のそれぞれは、第２の溝部分１３３より実質的に深い平均深さで、この深さは図８に図示したように溝１３４の一般に平坦だがテーパー状が望ましい（すなわち角度をつける）底部壁１３９により示されている。底部壁１３９を実線で示したように、好適実施例における溝１３４の深さは、溝１３４の全長にわたって実質的に均一である。
しかし、底部溝１３９は、図８において参照番号１３９ａと１３９ｂで示した破線により示されている変化で模式的に図示されるように、全長にわたって深さが変化するような全長にわたるテーパー構造とすることが出来る。１３９ａで示した溝１３４の底部壁１３９について、溝１３４は半径方向に外側の端部で最大の深さを有し、また半径方向に内側の端部で最小の深さを有するが、半径方向に内側端部における深さは半径方向に内側の端部に顕著な肩または端部壁１４２が出来るのにまだ充分である。さらに、１３９ａで示した底部壁１３９の変化では、溝１３４の平均深さは底部壁１３９で示したように溝１３４の均一な深さに実質的に対応するのが望ましい全長全体の実質的に中間が溝１３４の平均深さである。１３９ａで示したテーパー状の底部壁１３９の変化において、半径方向に外側の端部での溝１３４の深さは流体動力学的な圧力作用を最小限にするのに充分な深さである。この効果は、もっと中央よりに位置している封止リング１１９の領域で溝１３４の半径方向内側端部に隣接してさらに顕著になり、封止リング１１９の中央部分に対してもっと大きな圧力をかけて動作中に発生する典型的な熱ひずみ（すなわちクラウニング）に抵抗させるのにいっそう効果的と思われる。
図８において、底部壁１３９ｂで図示したような溝１３４のその他のテーパー状の変化について、この変化では溝１３４は半径方向に外側の端部でもっとも浅く、また肩または端部壁１４２に隣接する半径方向に内側の端部でもっとも深い。溝１３４が半径方向に外側の端部で浅いのは、流体が溝１３４のこの領域から効果的に排出されるようにする等のためと、この領域における流体動力学的な作用を最小限に抑えて封止リング１１９の中心に近いところで大きな圧力が発生して、動作中に通常発生するリングのひずみに対して圧力抵抗の増大を提供する傾向となるようにするためなどである。
ここで、流体静力学的な領域の第２の溝部分１３３を考察すると、第２の溝部分１３３は一般に流体動力学的な第１の溝部分１３２の半径方向に内側に配置され、一般にきわめて浅くして流体静力学的作用を大幅に減少させるようにする。おもに流体静力学的な領域の第２の溝部分１３３は、浅い円環状の溝１４４に形成され、溝１４４は中心点Ｏに対して同心円状の封止面１１８に形成される。この円環状の溝１４４は、角度をつけた溝１３４の半径方向に内向きに配置されて、内側の円環状の壁１４６と外側の円環状の壁１４７の間に形成される。内側の円環状の壁１４６は、半径Ｒ３により効果的に形成され、円環状の平坦部１５１の直径方向外側の部分を形成しており、後者の壁１４７は低圧または周縁部１２９（すなわち半径Ｒ２）と溝１４４の内側の壁１４６（すなわち半径Ｒ３）の間に形成される。円環状の平坦部５１は溝が無く、周縁部１２９で形成された低圧領域へこの部分を通って封止流体が流出するのを有意に制限するためのダムとして機能する。
本実施例において、第２の溝部分１３３は、円環状の溝１４４と角度をつけた独立した深い溝１３４の半径方向に内側の端部の間に、半径方向に延在する一連の浅い連通溝（または連通通路）１５２を含む。それぞれの連通溝１５２は、半径方向に内側の端部が円環状の溝１４４と直接接続してあり、連通溝１５２は半径方向に沿って一般に半径方向外向きに突出して、それぞれの連通溝１５２の外側の端部が深い溝１３４のそれぞれひとつづつの半径方向に内側の端部と連通している。これらの連通溝１５２は、円環状の溝１４４の浅い深さと実質的に等しい浅い深さが望ましい。半径方向に外側端部における連通溝１５２は、それぞれの角度をつけた溝１３４の端部壁１４２を通り直接連通し、連通溝１５２の端部壁１４２を介した連通は溝１３４の半径方向に内側の端部が連通溝１５２の深さより大幅に深いことにより急な段階または肩で示されている。
さらに、連通溝１５２は顕著に小さく、実際には溝の端部壁１４２の（円周方向に測った）長さの少数部分の（円周方向に測った）幅を有し、この幅は端部壁１４２の長さのほぼ１／４程度を越えないのが望ましい。さらに、連通溝１５２は、一端の近くで溝１３４の端部壁１４２を通って開口し、特に溝１３４への加圧流体の流れに対して上流側に配置されるこれの端部の近くに開口する。端部壁１４２の上流側の端部は、凸面状の側壁１３７に接続している端部である。連通溝１５２のこのような位置的関係は、図７に図示したように、溝１３４の閉じた端部において効果的に形成された下流側の領域１５３となり、この領域１５３は連通溝１５２と直接連通せず、また封止の動作中に顕著な流体動力学的圧力の発生が得られる。
内側の端部壁１４２から円環状の溝１４４の半径方向に内側の間隔と、連通溝１５２の存在により、溝１４４の外側の壁１４７で効果的に終止するように平坦部１４１から半径方向に内側に突出するパッドまたは平坦部１５４が形成されることになり、これらの平坦部１５４は隣接する連通溝１５２の間を円周方向に延在する。それぞれの平坦部１５４は、壁１４７と端部壁１４２の間に半径方向に形成された部分を含み、これによって平坦部１４１、１５４は一般にＶ字状の構造を有する。
溝１４４は、境界部の壁１４６、１４７の間に形成されるので半径方向に比較的狭い幅とするのが望ましく、典型的には１／１６インチまたはそれ以下である。
相当の表面積の平坦部１５４が存在し、これが封止面１１８の中心部半径方向の領域内に一般に存在して、これらの平坦部を横断する最小の横断寸法が比較的大きいことと合わせると、比較的高速回転で動作している時にスラストベアリング効果を発生するようにこれらの間に流体を取り込むのに効果的である。つまり、スクイズ膜作用が平坦部１５４で発生し、これが高速で発生する振動や揺動によるギャップ幅の変化に抵抗する上で効果がある。
溝１３４と溝１４４の深さに関しては、溝１３４は円環状の溝１４４の深さより数倍大きく、望ましくは円環状の溝１４４の深さのおよそ５倍から１０倍程度の範囲の深さを有する。さらに詳しくは、深い溝１３４は、通常は約０．０００１インチから約０．００１インチの平均深さを有することになるが、もっと実際的な最大深さは約０．０００５インチとなると思われ、約０．０００１インチから約０．０００３インチの深さが望ましい。浅い円環状の溝１４４は、通常は約０．００００１インチから約０．００００８インチの深さを有するが、約０．００００２インチから約０．００００５インチの深さが好適である。溝１４４の深さは、これの円周方向に均一とするのが望ましい。連通溝１５２は、溝１４４と同じ深さを有するのが望ましい。
深い溝１３４と、浅い溝１４４、１５２と、平坦部１５１の半径方向の位置関係としては、これらの関係は高圧側の周縁部１２８（半径Ｒ１）と低圧側の周縁部１２９（半径Ｒ２）の間で測った封止界面１２７の半径幅ΔＲに対して決定する。流体動力学的な領域の第１の溝部分１３２は、通常は半径方向の寸法ΔＲを１／４から１／３半径方向に内側に占有し、流体静力学的な領域の第２の溝部分１３３は通常は半径幅ΔＲの残りの中央部分を占有する。浅い第２の溝部分１３３は、所望するように半径方向に狭くするかまたは広くするかのどちらかとすることが出来、半径幅ΔＲの中央部１／４から中央部１／２のどこかを占有して、封止リング１１９の中央領域における流体圧力を最適化し、通常の動作中に発生するたとえば熱作用による等の通常のひずみおよびクラウニングに対する抵抗増大を提供する。
低速又は速度ゼロでの動作において、封止リング１１９の周縁部１２８を包囲する高圧流体は、深い溝１３４と浅い溝１４４に侵入するが、平坦部（またはダム）１５１によりさらに半径方向に内側への流れが制限される。溝１３４、１４４内部のこの加圧流体は、封止界面１２７の領域全体にわたり対向する封止面１１７−１１８の間の負荷の除去または小さい分離を行うのに充分な静水圧を発生させ、対向する封止面１１７−１１８の間のわずかなギャップに静水圧が発生する。この静水圧は、浅い円環状の溝１４４が存在するため、実質的に均一な力が封止界面１２７の中心部の半径方向の領域全体に円環状に発生するので望ましく、これによって、均一な圧力すなわちギャップが対向する封止面１１７−１１８の間に形成される。これによって、封止面が円周方向に波状に歪む傾向を防止または大幅に減少させている。小さいが制御された量の封止流体が平坦部（またはダム）１５１を通って封止の低圧側の周縁部２９へ流れるが、円環状の溝１４４の存在により、平坦部１５１は円周方向に取り囲む均一な半径方向の範囲となり、これによって平坦部１５１を流れる流体の圧力勾配も円周方向に均一化されて、封止面が円周方向に歪む傾向を最小限に抑えるようになる。この静水圧の存在で、対向する封止面１１７−１１８の間の摩擦的な接触が大幅に減少し、封止面の摩擦を筐体１１にまたは回転軸１２に伝達するように構造部材にかかるストレスを減少することによってと、また回転が始まった時に相対的に回転自在な対向する封止面１１７−１１８の間の直接的な摩擦による接触を大幅に減少するまたは排除することによってとの両方で、封止の開始が大幅に容易になる。
封止構造は、高い回転速度で動作するので、溝１３４の外側の流体動力学的部分の高圧流体は平坦部１４１へまた浅い溝１３３へと効果的に圧排され、対向する封止面１１７−１８の間のギャップまたはクリアランスの寸法を作成または増加させ、封止面１１７−１１８の間の相対的な高速回転が出来るようにすると同時に、これらの間の直接的なあらゆる摩擦接触を回避するまたは大幅に減少する。これらの対向する封止面１１７−１１８の間に後者の条件下で発生する流体の圧力プロフィール（すなわち流体動力学的圧力）は、隣接する第１、第２の溝部分１３２、１３３の間に円周方向に配置された端部壁１４２の付近で最大圧力に曝されることになる。この加圧流体が封止の低圧側の周縁部１２９へ漏洩するには、第１に顕著な流動抵抗を発生する浅い溝の第２の溝部分１３３の領域へ流入せねばならず、さらには比較的広い平坦部（またはダム）１５１を横断して流れる必要がある。この平坦部１５１と浅い溝の第２の溝部分１３３により形成された有意な半径方向の範囲は、装置の低圧側へ封止流体の漏洩を強力に防止し、望ましい流体動力学的圧力を発生させつつ、同時に低圧側への封止流体の制御された受け入れ可能な漏洩率を提供する。深い溝１３４の収束して閉じた端部より上流側に連通通路１５２を配置することにより、領域１５３はさらに効果的に閉止されて、高圧領域が発生し、これが高速動作条件における封止面１１７−１１８の間の所望のギャップを維持するための平坦部１４１と平坦部１５４の隣接する領域に相当な流体動力学的圧力を発生する。
流体静力学的な領域の第２の溝部分１３３が図７に図示したような円環状の溝１４４と浅い連通溝１５２を含む場合、これが薄膜状の円環状の溝１４４の付近で円周方向への圧力を効果的に均衡させる。つまり、平坦部１４１と平坦部１５４の存在下に隣接する角度をつけた溝１３４の間に発生した流体膜は、円周方向に実質的に均一な大きさで維持することが出来る。圧力流体は、溝１３４以外にも円環状の溝１４４にも充満するので、これが円周方向における両方の封止面のひずみを最小限に抑え、またそのため小さい漏洩量で小さい流体静力学的な面の分離が可能になると同時に、ゼロ回転速度またはその付近での面の接触を回避または最小限に抑えている。
高圧流体は、流体静力学的条件において円環状の溝１４４全体に連続的に存在するので、半径方向に平坦部１５１を通って低圧側の周縁部１２９へ漏洩することによる流体の圧力低下で封止リング１１９の円周方向に延在する均一な圧力勾配が発生し、これによっても平坦部１５１の領域における封止リングの円周方向のひずみを最小限に抑え、そのため、すでに述べたように、波状の円周方向に延在する形状へと封止リングが変型しようとする傾向を最小限に抑えることが出来る。しかし、流体動力学的条件下において、浅い溝の第２の溝部分１３３の領域は平坦部１５１の延長として効果的に機能して、最大速度またはその付近での動作中にここを通る封止流体の制御された最小限の漏洩を提供する。
図示した好適実施例では、浅い連通通路（または溝）１５２を介して深い溝１３４と直接連通する円環状の溝１４４を有する浅い溝の第２の領域１３３を開示したが、浅い円環状の溝１４４が封止を包囲する高圧流体と連通できるようにするためのこれに代るその他の連通通路を提供し得ることは理解されよう。たとえば、高圧側の円周部１２８と連通し封止面１１８から後ろ向きに離れた位置関係で封止リング１１９の半径方向に内側に突出するように幾つかの穴を設け、半径方向に内側端部におけるこれらの半径方向の穴が半径方向の穴と溝１４４の底部の間でのみ連通を提供する軸方向の穴とだけ連通するように出来る。望ましくは、このような軸方向の穴を円環状の溝１４４の周囲の離れた位置に円周方向に幾つか設けられる。このような構造では、包囲している高圧流体は深い溝１３４と連通するのと同時に円環状の溝１４４と直接連通するので、この場合には連通溝１５２を削除できる。しかし、この後者で説明した種類の変化は、製造するのに非常に高価になることを認識する必要があり、連通溝１５２等の表面連通通路の使用に較べて信頼性が低いと感じられる。
本明細書において図示し説明した発明はもっとも一般的に遭遇する使用条件の、外側直径に高圧領域を配置しているが、溝パターンは内側直径が高圧領域の場合にはここから放射方向に延在できる。
本発明の特定の好適実施例を図示する目的で詳細に開示したが、開示した装置の変化または変更は部材の再配置を含め、本発明の範囲に含まれることは理解されよう。
【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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【図８】
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【図９】
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