(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと回転軸との間に流体シーリングを提供するメカニカル面シールであって、
第一シール面を備えた第一シールリング及び第二シール面を備えた第二シールリングであって、前記第一及び第二シール面が組み付けられた際には互いに対向し、前記第一及び第二シールリングの何れかが前記軸と共に回転し得るようにされている一方、前記第一及び第二シールリングの他方が回転を防止されている、第一シールリング及び第二シールリングと、
前記シールリングの少なくとも一方の周囲に取り付けられる寸法で形成されていると共に、前記ハウジングに機械的に接続され、内部にチャンバが形成されたグランドハウジングと、
前記グランドハウジングの前記チャンバの主として内部に取り付けられる寸法及び大きさで形成されている流体的な圧力フィードバック網であって、動作中は前記シールリング内部の第一流体の選択した圧力を第二流体の圧力に関連して調節し得るように、前記グランドハウジングの前記チャンバ内部に収容される寸法及び大きさで形成されている可動バルブを具備した流体的な圧力フィードバック網とを包含し、
前記流体的圧力フィードバック網が、
少なくとも前記グランドハウジング内部に形成された、バリヤー流体を前記二つのシール面に導入するためのバリヤー流体分配網と、
少なくとも前記グランドハウジング内部に形成された、閉鎖流体を前記シールリングの一方の裏面に導入して、そのシールリングを選択した方向に付勢する、閉鎖流体分配網とを包含するメカニカル面シール。
【請求項２】
バリヤー流体分配網を更に包含し、このバリヤー流体分配網が、
前記第二シールリング内に形成された第一流体通路であって、一端において前記第二シール面上に開口すると共に他端において流体源と流体連通するように配置される第一流体通路と、
前記第一シールリングの前記第一シール面に形成された溝であって、動作中は前記流体通路と流体連通して配置される溝と、
前記第二シールリング内部に形成された第二流体通路であって、一端において前記第二シール面上に開口すると共に、他端において流体源と流体連通して配置される第二流体通路と、を包含する請求項１に記載のメカニカル面シール。
【請求項３】
前記第二シールリング内部に形成された第二流体通路であって、一端において前記第二シール面上に開口すると共に、他端において流体源と流体連通して配置される第二流体通路を設けたことを特徴とする請求項２に記載のメカニカル面シール。
【請求項４】
前記グランドハウジング内部に形成されるとともに前記チャンバ及び前記第二流体通路と連通し、そこへ第一流体を送出するように構成された第三流体通路を設けたことを特徴とする請求項３に記載のメカニカル面シール。
【請求項５】
前記グランドハウジング内部に形成されるとともに前記チャンバと連通して配置され、第一流体を前記チャンバから選択的に送出する出力流体通路を設けたことを特徴とする請求項２、３、４に記載のメカニカル面シール。
【請求項６】
前記流体圧フィードバック網が、
前記グランドハウジング内部に形成されて、前記チャンバに第一流体を導入する第一流体通路と、前記グランドハウジング内部に形成された第二流体通路であって、前記チャンバと、更に前記第一及び第二シールリングの一方と連通して前記第一流体をそこへ送達し得るようにされた第二流体通路とを包含し、前記バルブが、前記第一流体が前記第一流体通路を介して前記チャンバに導入されるのを許容する開放位置と、流体が前記第一流体通路を介して前記チャンバに導入されるのを防ぐ閉鎖位置との間を移動可能である、請求項１に記載のメカニカル面シール。
【請求項７】
前記チャンバ内部で前記可動バルブの周囲に取り付けられた、第一流体を前記シールリングへ多岐管集配する円筒状の流体マニホールドを包含する、請求項２又は６に記載のメカニカル面シール。
【請求項８】
前記流体マニホールドがその内部に形成された第一及び第二流体穿孔を包含し、その一方が前記第一流体通路と流体連通するよう配置されたことを特徴とする請求項７に記載のメカニカル面シール。
【請求項９】
前記流体穿孔の他方が、前記第一流体を前記シールに送出し得るようにされた第三通路と流体連通することを特徴とする請求項７、８に記載のメカニカル面シール。
【請求項１０】
前記可動バルブが、前記グランドハウジング内部に形成された前記穿孔によって規定されたチャンバ内部に収容され、前記チャンバを入力チャンバと出力チャンバとに分離し、前記流体圧フィードバック網が、前記グランドハウジング内部に形成されると共に、プロセス流体を前記流体ハウジングから前記入力チャンバに導入し得るようにされたプロセス流体通路と、
前記グランドハウジング内部に形成されると共に、前記出力チャンバと流体連通して配置されて、バリヤー流体をそこへ導入する第一バリヤー流体通路と、
前記グランドハウジング内部に形成されると共に、前記チャンバと流体連通して配置されて、動作中に前記グランドチャンバから選択的に移送する第二バリヤー流体通路と、を包含する請求項１に記載のメカニカル面シール。
【請求項１１】
前記可動バルブが、前記入力チャンバと前記出力チャンバとの間に中間チャンバを更に規定し、前記第二バリヤー流体通路が前記中間チャンバと選択的に連通し、
前記可動バルブが、バリヤー流体が前記第二バリヤー流体通路に導入されるのを防ぐための閉鎖位置と、バリヤー流体を前記中間チャンバを介して前記第二バリヤー流体通路に導入するための開放位置との間を交互に配置可能な、請求項１０に記載のメカニカル面シール。
【請求項１２】
前記入力チャンバ内の前記プロセス流体が入力圧を規定する一方、前記出力チャンバ内の前記バリヤー流体が出力圧を規定し、更に、この入力圧と出力圧との差が前記可動バルブを前記開放位置及び前記閉鎖位置の何れかに配置する、請求項１０又は１１に記載のメカニカルシール。
【請求項１３】
前記入力圧が前記出力圧より高い時は、前記の差圧が前記可動バルブを前記閉鎖位置に配置し、前記入力圧が前記出力圧より低い時は、前記の差圧が前記可動バルブを前記開放位置に配置する、請求項１２に記載のメカニカル面シール。
【請求項１４】
前記第二シールリング内部に形成された第三バリヤー流体通路を更に包含し、この第三バリヤー流体通路が一端で前記第二シール面上に開口すると共に、他端で前記出力チャンバと流体連通して配置され、前記バリヤー流体通路が、前記バリヤー流体と共同して前記シール面を互いから選択した距離に配置してその間に隙間を形成するように作用的に用いられる、請求項１０乃至１３の何れかに記載のメカニカルシール。
【請求項１５】
前記第一シールリングと前記第二シールリングとの隙間幅を前記入力チャンバと前記出力チャンバとの差圧に基づいて選択的に調節する手段を更に包含する、請求項１０乃至１４の何れかに記載のメカニカルシール。
【請求項１６】
前記閉鎖流体分配網が、
前記グランドハウジング内部に形成された閉鎖流体チャンバと、
前記グランドハウジング内部に形成されると共に、選択したシール流体の差圧に応答して前記閉鎖流体チャンバへ、又は前記閉鎖流体チャンバから閉鎖流体を運び得るようにされた複数の穿孔と、を包含し、更に任意に、
前記グランドハウジング内部に形成されると共に、前記第二バリヤー流体通路と連通して配置された閉鎖流体チャンバを含む、請求項１乃至１５に記載のメカニカルシール。
【請求項１７】
前記閉鎖流体分配網が、
前記閉鎖流体チャンバ内に収容された第二可動バルブであって、前記閉鎖流体チャンバを入力チャンバと出力チャンバと分離しつつそれらの間に中間チャンバを形成する第二可動バルブと、
前記グランドハウジング内部に形成されると共に、前記閉鎖流体チャンバの前記中間チャンバと流体連通して配置されて、そこへ閉鎖流体を流体供給源から導入する第一閉鎖流体通路と、
前記グランドハウジング内部に形成されると共に、前記閉鎖流体チャンバと流体連通して配置されて、動作中は、そこから前記閉鎖流体を前記シールへ選択的に移送する第二閉鎖流体通路と、を更に包含する請求項１６に記載のメカニカル面シール。
【請求項１８】
前記閉鎖流体分配網が、前記第一及び第二シールリングの一方の裏面に配置された第二閉鎖流体チャンバを包含し、更に、前記第二閉鎖流体通路が前記グランドハウジング内部に位置して、前記中間チャンバ及び前記第二閉鎖流体チャンバに連通し、前記閉鎖流体をこれらチャンバの間で運ぶ、請求項１７に記載のメカニカルシール。
【請求項１９】
前記第二可動バルブが、前記閉鎖流体が前記第二閉鎖流体通路に導入されるのを防ぐための閉鎖位置と、前記閉鎖流体を前記中間チャンバを介して前記第二閉鎖流体通路に導入するための開放位置との間を交互に配置可能である、請求項１８に記載のメカニカル面シール。
【請求項２０】
前記第二バリヤー流体通路からの前記バリヤー流体が、前記閉鎖流体チャンバの前記入力チャンバを加圧して入力圧を規定する一方、前記出力チャンバ内の閉鎖流体が出力圧を規定し、更に、入力圧と出力圧との差が前記第二可動バルブを前記開放位置及び前記閉鎖位置の何れかに配置した、請求項１９に記載のメカニカル面シール。
【請求項２１】
前記入力チャンバ内の前記入力圧が前記出力チャンバ内の前記出力圧より高い時は、前記二つのチャンバの差圧が前記可動バルブを前記閉鎖位置に配置し、よって前記第一閉鎖流体通路を前記中間チャンバから、よって前記第二閉鎖流体チャンバからも切り離す、請求項２０に記載のメカニカル面シール。
【請求項２２】
前記入力チャンバ内の前記入力圧が前記出力圧より低い時は、前記差圧が前記可動バルブを前記開放位置に配置し、よって前記流体供給源を前記中間通路及び前記第二閉鎖流体通路に接続して、前記閉鎖流体を前記第二閉鎖流体チャンバに導入する、請求項２０に記載のメカニカル面シール。
【請求項２３】
前記シール面における漏れを制御するために、前記シール面間に形成された隙間を調整する手段を更に包含し、前記閉鎖位置に配置された時は、前記可動バルブが前記第一閉鎖流体通路を前記中間チャンバから、よって前記閉鎖流体チャンバからも切り離して、閉鎖流体が前記閉鎖流体チャンバに導入されるのを防ぎ、更に、前記開放位置に配置された時は、前記可動バルブが前記流体供給源を前記中間チャンバ及び前記第二閉鎖流体通路にも接続して、前記第二閉鎖流体を前記閉鎖流体チャンバに導入し、前記閉鎖流体チャンバ内の前記閉鎖流体は制御されて、前記第二シールリングの前記裏面に可変力を印可して前記シール面間の前記隙間を調節する、請求項１９に記載のメカニカル面シール。
【請求項２４】
前記閉鎖流体分配網が、閉鎖流体を前記閉鎖流体分配網に選択的に移送するための、前記グランドハウジング内部に形成された第二閉鎖流体チャンバを包含する、請求項１０に記載のメカニカル面シール。
【請求項２５】
前記閉鎖流体分配網が、前記閉鎖流体内に収容された第二可動バルブであって、前記第二チャンバを入力チャンバと出力チャンバに分離しつつそれらの間に中間チャンバを形成する第二可動バルブと、
前記グランドハウジング内部に形成されると共に、前記閉鎖流体の前記中間チャンバと流体連通して配置されて、そこへ閉鎖流体を導入する第一閉鎖流体通路と、
前記グランドハウジング内部に形成されると共に、前記第二チャンバと流体連通して配置されて、前記シールの動作中は、前記第二チャンバから前記閉鎖流体を選択的に除去する第二閉鎖流体通路とを更に包含する、請求項２４に記載のメカニカル面シール。
【請求項２６】
前記閉鎖流体分配網が、前記二次シールの裏面に配置された第二閉鎖流体チャンバを更に包含し、更に、第二閉鎖流体通路が、前記中間チャンバ及び前記第二閉鎖流体チャンバと選択的に連通するよう前記グランドハウジング内部に位置する請求項２５に記載のメカニカル面シール。
【請求項２７】
前記第二可動バルブが、前記閉鎖流体が前記第二閉鎖流体通路に導入されるのを防ぐための閉鎖位置と、前記閉鎖流体を前記第二チャンバから前記中間チャンバを介して前記第二閉鎖流体通路に導入して、そこから閉鎖流体を除去するための開放位置との間を交互に配置可能である、請求項２６に記載のメカニカル面シール。
【請求項２８】
前記閉鎖流体チャンバの前記入力チャンバが加圧されて入力圧を規定する一方、前記出力チャンバ内の前記閉鎖流体が出力圧を規定し、更に、これら入力圧と出力圧との差が前記第二可動バルブを前記開放位置及び前記閉鎖位置の何れかに配置する、請求項２７に記載のメカニカル面シール。
【請求項２９】
前記入力チャンバ内の前記入力圧が前記出力チャンバ内の前記出力圧より高い時は、前記二つのチャンバの差圧が前記第二可動バルブを前記閉鎖位置に配置し、よって前記第一閉鎖流体通路を前記中間チャンバから、よって前記第二閉鎖流体チャンバからも切り離し、請求項２８に記載のメカニカル面シール。
【請求項３０】
前記入力チャンバ内の前記入力圧が前記出力圧より低い時は、前記の差圧が前記可動バルブを前記開放位置に配置し、よって前記第二閉鎖流体チャンバを前記中間チャンバと前記第二閉鎖流体通路に接続して、閉鎖流体を前記閉鎖流体分配網から除去する、請求項２９に記載のメカニカル面シール。
【請求項３１】
前記第一及び第二シールリングの前記シール面間の隙間を調整する調整手段を更に包含し、更に、前記調整手段が前記第二可動バルブを、前記第二閉鎖流体チャンバから閉鎖流体を除去するための開放位置と、閉鎖流体が前記第二閉鎖流体チャンバから除去されるのを防ぐ閉鎖位置との間を移動させる手段を更に包含する、請求項２４に記載のメカニカル面シール。
【請求項３２】
前記溝に導入された流体の圧力を調節することで、前記シール面間の分離を制御する流体制御システムを更に包含する、請求項２に記載のメカニカル面シール。
【請求項３３】
前記流体圧フィードバック網が、
前記グランドハウジングで形成された第一流体分配網内で第一圧力を備えた第一流体を調節する調節手段であって、前記第一流体分配網が前記グランドハウジング内に複数の穿孔を備えた、調節手段を包含し、
前記調節手段が、前記グランドハウジング内に形成された第二流体分配網内で第二圧力を備えた第二流体に応答し、前記第二流体分配網が前記グランドハウジング内に複数の穿孔を備える、請求項１に記載のメカニカル面シール。
【請求項３４】
前記調節手段が、前記第二流体分配網内の前記第二流体の圧力を、前記第一分配網内の圧力の関数として選択的に調節する手段を包含する、請求項３３に記載のメカニカル面シール。
【請求項３５】
前記第二流体が、前記第一流体の圧力よりも選択された値で高い圧力に設定され、前記調節された出力圧が前記シールリングの前記シール面間の隙間を調節するために用いられる、請求項３４に記載のメカニカル面シール。
【請求項３６】
前記調節手段が、
前記グランドハウジング内に形成されたチャンバと、
前記チャンバ内に配置された可動バルブであって、前記チャンバを入力チャンバと出力チャンバとに分割する可動バルブと、
前記グランドハウジング内に形成されると共に前記チャンバと連通して、前記入力チャンバと前記第二流体分配網との間に流体経路を確立する入力流体導管と、
前記グランドハウジング内に形成されると共に前記チャンバと連通して、前記出力チャンバと前記第一流体分配網との間に流体経路を確立する出力流体導管と、
前記グランドハウジング内に形成され、前記可動バルブと流体供給源との間に流体経路を確立する請求項３３に記載のメカニカル面シール。
【請求項３７】
前記可動バルブが、前記第一流体圧と前記第二流体圧との差圧に応答し、前記差圧が前記可動バルブを、前記入力流体導管と前記出力流体導管との間に流体通路を形成して、前記流体供給源から流体を前記第一流体分配網に導入するための位置に移動し、よって、前記第一流体分配網内の前記第一流体の流体圧を増加させる、請求項３６に記載のメカニカル面シール。
【請求項３８】
前記第一流体がバリヤー流体を包含し、前記第二流体がプロセス流体を包含する、請求項３６又は３７に記載のメカニカル面シール。
【請求項３９】
前記シールが第一圧力のバリヤー流体を含む一方、前記流体ハウジングが選択した圧力のプロセス流体を含み、前記流体的圧力フィードバック網が、
前記プロセス流体の前記選択した圧力より所定の値で高い第二圧力に前記バリヤー流体圧を設定する手段を包含した、請求項３３乃至３８の何れかに記載のメカニカル面シール。
【請求項４０】
前記流体的圧力フィードバック網が、前記第二圧力のバリヤー流体を前記フィードバック網に導入する手段を更に包含し、前記バリヤー流体圧が調整された入力圧を規定する、請求項３９に記載のメカニカル面シール。
【請求項４１】
前記流体的圧力フィードバック網が、前記グランドハウジング内部に形成された閉鎖流体圧分配網を包含し、この閉鎖流体分配網が閉鎖流体を前記シールリングの一方の裏面に導入すると共に、前記裏面において選択した圧力を発生して、前記裏面に対して軸方向の付勢力を作用させて前記シールリングの前記シール面を互いに向けて押しつける、請求項３３乃至４０の何れかに記載のメカニカル面シール。
【請求項４２】
流体的圧力フィードバック網が、前記調整された入力圧の関数として前記閉鎖流体の圧力を調節して、前記閉鎖流体圧を選択的に調節する調節手段を更に包含する、請求項４１に記載のメカニカル面シール。
【請求項４３】
前記調節手段が、
前記調整された入力圧が上昇する際に、前記閉鎖流体圧を前記分配網から除去する手段と、
前記調整された入力圧が降下する際に、前記分配網内の前記閉鎖流体圧を上昇させる手段との少なくとも一方を包含する、請求項４０に記載のメカニカル面シール。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
【０００１】
本発明は、ハウジングと回転軸との間に流体シーリングを提供するメカニカルシールに関する。さらに詳細には、本発明は、メカニカルシールの一つ以上の流体を調節するのに用いられる調節システムに関する。
【０００２】
従来のメカニカルシールは、回転軸と固定ハウジングとの間に気密及び流体密シールを提供するために、様々な機械的装置に使用されている。通常、このシールは、上記固定ハウジング内でそのハウジングから突出する上記回転軸の周囲に設けられる。このシールは、通常は軸の出口箇所でハウジングにボルト止めされており、よって加圧プロセス流体がハウジングから流出するのを防ぐ。従来のメカニカルシールは面型メカニカルシールを含むが、このシール面型メカニカルシールには回転軸の周囲に同心状に配置されると共に、軸方向に離間された一対の環状シーリングリングが含まれる。各シーリングリングは、互いに物理的に接触するように付勢された複数のシール面を備えている。一般的には、一つのシールリングが一定位置で固定される一方、他方のリングが軸と接触して軸と共に回転する。メカニカルシールは、シーリングリングのシール面を互いに物理的に接触するように付勢することによって、加圧プロセス流体が外部環境に漏れ出すのを防いでいる。シール面同士の物理的接触の結果、シール面の摩耗が起こり、シールはしばしば好ましくない耐摩耗性及び漏れを示す。このことは、乾燥した状態で動作したり、修理のために開けた液体型シールにとりわけ関わる問題である。
【０００３】
こうした従来のメカニカル面シールの耐摩耗性が低いために、特にシーリングリングなどのシール構成部品を頻繁に監視及び取り替える必要がある。破損したシールの取り替え及び修理は、このメカニカルシール構成部品の部分が分節化つまり分割されている設計であれば容易になる。分割または部分的に分割されたシール構成部品の取り付けは、機械装置を完全に分解しなくとも、また環状シールを回転軸の一端の上を通過させなくても可能である。しかしながら、分割シール設計であっても、シール構成部品の取り替えにはかなりの時間を要するので、シールが関係した機械装置の停止時間がしばしば長くなってしまう。
【０００４】
上述した問題を克服するために、シールリング面の間に流体を配置してその摩擦摩耗を減少させる非接触メカニカルシールを用いることが従来から試みられてきた。従来のメカニカル非接触シール面シールは、一般的には回転シールリングのシール面に形成された螺旋状の溝を用いて、シール面同士を分離する流体力学的持上げ力を発生させる。その結果できた隙間に流体が溜まり、シール面の摩耗が防止される。これらのタイプのシールは、一方向的に作用するよう設計されているので、応用範囲は限られている。シールが反対方向へ駆動されると、シールリングは一般的に分離せずに、互いの方向に引っ張られて吸着して、摩耗を増加させて最終的にはシールを破壊してしまう。その他の従来の設計には、双方向性溝と呼ばれる二つの方向に作用可能な特別に設計された溝を用いるものもある。しかしながら、これらの溝は、高精度で複雑な加工を必要とするので製造コストが高く、更にはシール面を適切に分離するには十分な流体力学的持上げ力を発生させられない。
【０００５】
メカニカル非接触シール設計においてさえ、特に起動時や回転軸が比較的低速で回転している時にはシール面に幾分かの摩耗は発生する。これは、シール中で使用される様々な流体の圧力調節が不十分であることにも部分的に起因する。例えば、バリヤー流体圧及びプロセス流体圧は、プロセス流体が漏れ出すほどシール面同士が引き離されないようにこれら圧力を互いを基準に維持しておく必要がある。更に、上記二つの流体圧は、シール面の表面を保護するため、シール面がバリヤー流体と殆ど或いは全く実際には物理的に接触してしまわないようにこれら圧力を互いを基準に維持しておく必要がある。シール構成部品に損耗を生じさせるこうした摩耗により、シール構成部品を取り替える必要性がいずれは生じる。
【０００６】
上述した或いはその他の従来のシールは最適なものではないことが明らかなので、本発明の一つの目的は、特に始動時や低速動作時に様々な流体の圧力が変化する際に、シールの性能や完全性を損なうことなくシール面からの漏れを防ぐか最小にする一方、摩耗を減少するためにシール内の様々な流体の圧力を調節する圧力調節システムを提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、コンパクトであって、且つメカニカルシールに対して取り付けが容易な圧力調節システムを提供することである。
【０００８】
本発明の更に別の目的は、広い実用範囲を得るために、広範囲の動作条件下において動作可能となるように、十分な動的範囲を備えた圧力調節システムを備えた分割メカニカルシールを提供することである。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、使用時に適切な面シール分離を実現するのに十分な流体力学的持上げを確保するメカニカルシールを提供することである。
【００１０】
本発明の更に他の目的は、動作中の面シールからの漏れ率を調節する流体調節システムを提供することである。
【００１１】
その他の一般的及び具体的な本発明の目的は、以下の図面及び記載から一部は明白になり、一部は明らかになるであろう。
発明の概要
【００１２】
バリヤー或いはプロセス流体圧のような、シールの選択された流体圧を、可動バルブ及び流体供給源或いは排出口を使用することで、別の流体圧を基準にして選択された圧力に維持する本発明の流体フィードバック圧力調節システムによって、これら及び他の目的が達成される。このフィードバックシステムは、システム流体圧の一つを調節して、システム内のいかなる不均衡に対しても補正を行う。従って、本システムは、使用中、シールを流体的且つ力学的に監視して、間隙の幅、従ってシール漏出を調節する。
【００１３】
本発明の流体フィードバック圧力調節システムは、システムの部分間に流体を選択的に連通させるために、押さえ内部に形成される一連の通路及び穿孔を具備し、また所望の場合はシールを具備する。この調節システムは、複数のサブシステムを具備することができ、各サブシステムが選択された機能を果たすように構成されている。例えば、一つのサブシステムは、手動で調整できる一定量の流体で、出力流体圧等の選択された流体圧を、プロセス流体圧より上に（或いは以下に）設定する事ができる。この圧力は、システムに対する調節された入力圧となる。別のサブシステムでは、シール面での間隙の幅が小さすぎる場合は、この調節された入力圧を利用して、システムから圧力を除去したり、又この間隙の幅が大きすぎる場合には、この入力圧を利用して、システムに圧力を追加することでこの間隙を縮小することができ、そのためにシール面での漏出を抑制することができる。
【００１４】
一つの実施例によれば、本発明の流体フィードバック圧力調節システムは、多様な位置に配置され得る一つの可動バルブと複数の流体穿孔とを具備する。このシステムには又、押さえ内部に形成したチャンバ内部に取り付けられる円筒状の流体マニホールドが具備され得る。可動バルブはこのマニホールド内部に摺動可能に収容されている。このマニホールドは、間隙を調整或いは調節するために流体圧をシステムに追加したり、或いはこのシステムから除去したりするといった選択された機能を果たすように、選択された流体をチャンバの部分に移送するための多数の穿孔を含むことができる。任意に付加できる構成では、システムは、バリヤー流体圧が増加すると、閉鎖流体のような流体をシステムから排出でき、またバリヤー流体圧の減少が感知されると、閉鎖流体をシステムに導入できる。
【００１５】
別の態様によれば、この流体フィードバック圧力調節システムは、メカニカルシールの押さえ内部に、単独で且つほぼ完全に取り付けることができるような寸法になっている。従って、このコンパクトな寸法のシステムでは、システムの種々の流体をシールに接続する込み入った外部流体導管の使用が避けられる。
【００１６】
このコンパクトな押さえが取り付けられた集成体の一つの重要な利点は、これによって高価な流体継手構成部品が不要になり、従って全部品点数が減少し、そのためにシステムの全コストが下がることである。本発明の別の利点は、これによって、本システムは、押さえ内部に取り付けるように寸法及び大きさが決められている圧力調節システムを用いることで、間隙の幅、従って漏出を流体的に且つ動的に調節できることである。本システムは、ある流体圧に反応する摺動可能な可動バルブを用いてシステム圧を流体的に監視することで、これらの利点を達成する。
【００１７】
発明の詳細な説明
本発明の圧力流体フィードバックシステムと共に使用するのに適したメカニカルシール１０が、図１Ａに示されている。メカニカルシール１０は、軸１２の周りに配置されているのが好ましく、ポンプなどのようなハウジング１１の外壁に固定されている。軸１２は軸線１３に沿って延伸し、ハウジング１１内に少なくとも部分的には設置されている。メカニカルシール１０は、ハウジング１１と軸１２との間に流体シーリングを確保するように構成されており、よってプロセス媒体がハウジング１１から漏れ出すのを防止している。流体シーリングは、第一シールリング１４及び第二シールリング１６によって達成されており、これらシールリングは、それぞれ半径方向に延伸するアーチ形のシール面２０及び１８と、図１Ｂ及び１Ｃに示されているように一対の区分シール面２２及び２４とを具備している。後に詳しく述べるように、第一シールリング１４の第一シール面１８は、第二シールリング１６の第二シール面２０とシーリング関係となるように付勢されている。更に、各シールリングの区分シール面２２及び２４は、互いにシーリング関係となるように付勢されている。よって、これらの個別のシール表面は、広い実用範囲、且つ広い範囲の動作条件下において動作可能な流体シールを提供する。
【００１８】
ここで使用される「軸方向の」及び「軸方向に」という用語は、軸線１３に概ね平行な方向を示すものである。ここで使用される「半径方向の」及び「半径方向に」という用語は、軸線１３に概ね垂直な方向を示すものである。
【００１９】
図１Ａを参照すると、メカニカルシール１０は、二重シール、カートリッジシール、タンデムシール、接触面シールを含めて、適したものであれば如何なるメカニカルシールであってもよく、更に一体又は分割シール設計の何れかでよく、バリヤー流体が第一シールリング１４及び第二シールリング１６のそれぞれのシール面１８と２０との間に導入される、分割メカニカル非接触型面シールが好ましい。非接触型面シールにおいては、バリヤー流体が、第一シール面１８の半径方向の大部分と第二シール面２０の半径方向の大部分との接触を最小にし、抑制し、或いは防止するので、シール表１８および２０の摩擦係合及びその結果生ずる摩耗を減少させる。よって、非接触型面シールには、シール面同士が常時完全に分離するもの、軸の回転中などの一定の条件下ではシール面同士が完全に分離するもの、更に、シール面同士が時折または部分的に分離するものなどのシール設計が含まれる。対照的に、接触型面シールには、シール面同士の部分的にまたは完全な接触が維持されるシール設計が含まれる。いずれのタイプのシールにおいても、バリヤー流体は、シール面から熱を移動させてシール面に対する熱応力の影響を低下させる伝熱媒体として作用する。
【００２０】
本シールと共に使用されるバリヤー流体は、気体、液体、または両者の組み合わせでもよい。一般的には、摩擦接触状態が維持されるシール表面の面積は、バリヤー液体の使用例の場合の方が、バリヤー気体の使用例の場合よりも大きい。よって、バリヤー気体を使用すると、バリヤー液体を使用する場合に比べて、摩擦接触する面積が少ないためにシール表面上の摩擦摩耗が少なくなりえる。しかし、気体バリヤー流体は、バリヤー気体を通過するプロセス流体の極小量の漏れの可能性があるために、あらゆる使用目的に適している訳ではない。シールにバリヤー液体を用いると、気体に比べて液体が一般的に持つ優れた伝熱特性によって、熱応力の影響を効果的に減少できることがある。本発明の分野の当業者であれば、別の流体媒体でなく或る流体媒体を選択するのは、シールの使用目的の種類に左右されることは理解できるであろう。例えば、プロセス液体の極小量の漏れが許容されるような使用例では、バリヤー気体がシール面における摩耗を減少させると共にシールの寿命を増加させるので、好まれるかもしれない。プロセス液体が可燃性であったり環境面で危険であれば、液体シールが好まれることがある。
【００２１】
図１Ａ乃至１Ｆを参照すると、図示した分割のメカニカルシール１０には、第一シールリング１４及び第二シールリング１６に加えて、グランド（原語：ｇｌａｎｄ）ハウジング３０及び回転シールリングホルダ集成体１００が含まれる。グランドハウジング３０には、一対の同一のグランド区分または半部分３４ａ及び３４ｂが含まれるが、その一方を図１Ｄに示した。グランド区分３４ａは、軸方向の最も外側端部（図１Ｄの底部）から始まる、軸方向に延伸する第一表面３６及び第一表面３６から軸方向に段差をなし一体形成され軸方向に延伸する第二表面３８を含む内側表面を具備している。第一表面３６及び第二表面３８は、組み合わせて第一環状連結壁４０を形成する。軸方向に延伸する第三表面４２が、第二表面３８から半径方向に段差状に形成されて、第二表面と組み合わせて第二環状連結壁４４を形成する。第三表面４２は、エラストマー受入チャンネル４６及び４８によって、軸方向に三つの区画４２ａ、４２ｂ及び４２ｃに区分されている。軸方向に延伸する第四表面５０が、第三環状連結壁５２によって第三表面４２から半径方向に段差状に形成されている。傾斜第五表面５４は、第四表面５０から半径方向に内側に向けて且つ軸方向に外側に向けて延伸している。
【００２２】
グランドハウジング３０は、このグランドハウジング３０の底部５８に沿って形成されたハウジングガスケット溝５６を具備する。この溝５６は、平坦で環状のエラストマーガスケット６０を収容する。エラストマーガスケット６０は、軸方向の寸法が溝５６の深さよりも大きく、よってメカニカルシール１０とハウジング１１との間に気密且つ流体密のシールを形成することが好ましい。好適な一実施例によれば、ハウジングガスケット６０は、グランド区分３４ａ及び３４ｂのそれぞれの中に取り付けられるように二つのアーチ型区分にあらかじめ切断してある。ハウジングガスケットの区分は、溝５６内に取り付けられ、接着剤で固定されるのが好ましい。この構成によって、メカニカルシール１０とハウジング１１を組み付けた際にこの二者間の嵌め合い部分からのプロセス媒体が漏れ防止に役立つ。
【００２３】
図１Ａ、１Ｅ、１Ｇ、及び１Ｈに示されているように、ホルダ集成体１００が、グランドハウジング３０によって形成され且つそこから半径方向に離間されたチャンバ１０２の中に配置されている（図１Ｄ）。しかしながら、ホルダ集成体１００は、必ずしもグランドハウジング３０の中に配置される必要はないことに注意されたい。ホルダ集成体１００は、一対の同一のアーチ型ホルダ区分１０４ａ及び１０４ｂを具備しており、それら区分の一方が図１Ｇに示されている。図１Ｇ及び１Ｈに示したように、各ホルダ区分は、外側表面１０６及び内側表面１０８を含んでいる。ホルダ区分の内側表面１０８は、軸方向に延伸した第二面１１２で終端となる半径方向に内側に傾斜した第一面１１０を具備している。一対の連続的に半径方向へ内側に段差状に形成された表面が、第三面１１４及び第四面１１５をそれぞれ形成している。第二面１１２と第三面１１４との間には、半径方向に内側に延伸する第一壁１１８が一体に形成される一方、第三面１１４と第四面１１５との間には、半径方向に内側に延伸する第二壁１２０が一体に形成されている。別の一対の連続的に半径方向へ内側に段差状に形成された表面が、第五面１１６及び第六面１１９をそれぞれ形成している。第四面１１５と第五面１１６との間には、半径方向に内側に延伸する第三壁１２１が一体に形成される一方、第五面１１６と第六面１１９との間には、半径方向に内側に延伸する第四壁１１７が一体に形成されている。第六面１１９の直径は、ホルダ集成体１００が取り付けられた軸１２の直径と同一か、僅かに大きいのが好ましい。
【００２４】
ホルダ区分の外側表面１０６は、軸方向に延伸する第一の外側表面１２２と、半径方向に内側に傾斜した第二表面１２４を具備している。好適な一実施例では、ホルダ区分の第一表面１２４の外径は、グランド区分の第四表面５０の外径よりも小さい。この隙間によって、ホルダ集成体１００はグランドハウジング３０内部に回転運動を阻害されることなく収容可能となる。第二外側表面１２４の外径は、グランド区分の第五表面５４の内径よりも小さいことが好ましい。
【００２５】
ホルダ区分１０４ａの第六面１１９には、分割軸ガスケット１２８（図１Ａ）を取り付け用の環状チャンネル１２６が形成してある。チャンネル１２６に取り付ける際には、ガスケット１２８は軸１２と封止結合されて、ホルダと軸との境界面に流体密シールを形成する。図示した半径方向に延伸する第二壁１２０には、位置合わせピン１３２（図１Ａ）の一端を収容するための円筒状の位置合わせ穿孔１３０が形成されている。位置合わせピン１３２の他端は、回転シールリング１６に形成された対応する穿孔１３４に収容されている（図１Ｉ）。後に詳しく述べるように、この突起１３２は、回転シールリング１６を付勢して回転運動させる機械的回転手段として作用する。
【００２６】
図示したホルダ区分１０４ａ及び１０４ｂは、図１Ｆ及び１Ｇに示した構成のホルダガスケット溝１４０を、各分割ホルダシール面１３６及び１３８上に具備している。ホルダガスケット１４２は、溝１４０の形状と相補的で、溝１４０内に収容される。ホルダガスケット１４２は溝１４０内に収容されると、図１Ｅにもっとも明確に示したようにホルダシール面１３６及び１３８を越えて延伸している。ガスケット１４２の露出した部分は、対向するホルダ区分シール面に形成された相補的な溝に収容される。この構成は流体密シールを達成する。このガスケットは、エラストマーゴムなどの適切な変形可能な材料で形成することができる。
【００２７】
図１Ｂ及び１Ｉを参照すると、第二シールリング１６には、一対のアーチ型回転シールリング区分１５０ａ及び１５０ｂが含まれ、これら区分の一方が図１Ｂに示されている。回転シールリング区分は、十分に平滑なアーチ形内側表面１５２を具備する。回転シールリング区分の内側表面１５２の内径は、軸１２の外径よりも大きいため、この軸の周りにに取り付けることができる。
【００２８】
回転シール区分の外側表面１５４は、一連の軸方向に延伸する外側表面を具備しており、これら外側表面はそれぞれが互いから半径方向へ内側に段差状に形成されている。軸方向に延伸する第二外側表面１５８は、軸方向に延伸する第一外側表面１５６から半径方向に内側に段差状に形成されている。第一外側表面１５６及び第二外側表面１５８は組み合わされて、これら第一及び第二外側表面の間に半径方向に延伸する第一環状連結壁１６０を形成する。軸方向に延伸する第三外側表面１６２は、第二及び第三外側表面の間に半径方向に延伸する第二環状連結壁１６４によって、第二外側表面１５８から半径方向に内側に段差状に形成されている。軸方向に延伸する第四外側表面１６６は、第三外側表面１６２から半径方向へ内側に段差状に形成されている。第三外側表面１６２及び第四外側表面１６６は組み合わされて、これら第三及び第四外側表面の間に半径方向に延伸する第三環状連結壁１６８を形成する。第四環状連結壁１６９は、第四外側表面１６６から内側表面１５２まで半径方向に延伸する。
【００２９】
回転シール区分の段差状外側表面１５４は、ホルダ区分１０４ａ及び１０４ｂの段差状内側表面１０８に対して相補的であって、回転シール区分がホルダ区分の内部に取り付け可能となっている。回転シール区分の第四外側表面１６６の直径は、ホルダ区分の第五面１１６の直径より小さい。同様に、回転シール区分の第二外側表面１５８及び第三外側表面１６２の直径は、それぞれホルダ区分の第三面１１４及び第四面１１５の直径より小さい。
【００３０】
分割Ｏリング１７０及び１７２のようなエラストマー部材を第二シールリング１６の周囲に同心円状に装着できる。好適な一実施例では、図１Ａ、１Ｈ及び１Ｉに示すように、Ｏリング１７０は、ホルダ区分の第二面１１２に沿って収容されると共に、回転シール区分の第二外側表面１５８及び 第一環状連結壁１６０に当接する。Ｏリング１７２ は、ホルダ区分の第四面１１５及び第三壁１２１に沿って収容されると共に、回転シール区分の第四外側表面１６６及び第三環状連結壁１６８に当接する。Ｏリング１７０及び１７２は十分な弾性を有しているので、第二区分シール面２４のそれぞれを対応するシールリング区分と封止接触させ、よって流体密及び気密シールを形成する。Ｏリング１７０及び１７２はプロセス流体と共同して、回転区分の軸方向の第二区分シール面２４を弾性的に付勢する半径方向に内側の力を加え、よってシール面を介した漏れを最小とするかまたは防止する。
【００３１】
シール面の心狂いを禁止するため、Ｏリング１７２は、回転シールリング区分１５０ａ及び１５０ｂの外側表面１５４ に沿って収容され、第二シールリング１６がその周りを回転ホルダ集成体１００に対して旋回可能な弾性旋回部材として作用する。Ｏリング１７２によって許容される旋回動作により、第一シールリング１４の第一シール面１８と第二シールリング１６のシール表面２０との間の位置合わせ及び封止関係が維持される。更に、Ｏリング１７２は、第二シールリング１６の表面１５４を、ホルダ集成体１００の内側表面１０８から離間させる。
【００３２】
図１Ａを参照すると、Ｏリング１７２の旋回動作は、非接触及び接触面シールモードの両方の作動全般において、シール面１８及び２０の弾性旋回を可能にする一方、対向するシール面１８，２０の間の一貫した接触を確保するか、これら面間の所定隙間寸法を確保する。
【００３３】
図示したシールリング１４，１６のシール面１８及び２０のそれぞれには、図１Ｂにもっとも明確に示したように、連続的なアーチ形半径方向溝１８０が形成されている。好適な一実施例では、半径方向溝１８０は、第二シールリング１６の内側表面１５２と第一外側表面１５６との間に半径方向に配置されている。よって溝１８０は、第二シールリング１６の第二シール面２０を二つの同心円状シール表面つまりランド部２０ａ及び２０ｂに分割する。こうして、二重シールが、第一シールリング１４と第二シールリング１６との間に形成される。
【００３４】
図１Ａ、１Ｅ、１Ｊ、及び２を参照すると、半径方向溝１８０は、第一シールリング１４のシール表面１８に連通している。指定した調整圧（通常はプロセス圧よりも高い）にあるバリヤー流体が、後に詳しく述べるように、第一シールリング１４内に形成されたバリヤー流体導管２２８を包含するバリヤー流体付勢システムを介して半径方向溝１８０に導入される。バリヤー流体は、図１Ｊ及び２にＦＡの符号で示した矢印で示されているように、シール面１８及び２０に対する分離力を与えるように作用する。主に又は一般的には、この分離力は、第一シール面１８の半径方向部分とシール表面２０ａ及び２０ｂの半径方向部分との間の接触を最小化、禁止、または妨げるように作用する静水学的力であり、よって、シール面１８及びランド部２０ａ、２０ｂの摩擦係合とその結果として起こる摩耗を軽減する。この分離力の大きさは、バリヤー流体圧を始め、半径方向の幅などの半径方向溝の寸法、シール面の構成などの多くの要因に左右される。バリヤー流体の選択は、分離力の大きさ及びシール面分離の度合いを選択する際の要因ともなる。バリヤー流体圧と閉鎖流体圧との関係は、型開力の度合い及びシール面分離を選択するために調整される。バリヤー流体が気体であるような使用例では、シール表面の接触がより少ない方が望ましく、よってシール表面分離がより大きい度合いである方が好ましい。バリヤー液体を用いた使用例では、気体に比べて液体の伝熱特性が大きいため、必要とされるシール表面分離の度合いはより小さい。本発明のシールの大きな利点は、シール面１８と２０との間の隙間及びシール表面接触の度合いを調節すれば、このシールが気体バリヤーを使っても液体バリヤーを使っても機能することである。
【００３５】
図１Ｊ及び２に示されているように、半径方向溝１８０内のバリヤー流体は、回転シールリング１６に対して半径方向に外側の力ＦＲｏ及び半径方向に外側の力ＦＲｉを作用させる。外側壁１８４の表面積は、溝１８０の内側壁１８６の表面積よりも大きいので、こうした力は回転シールリング１６に対する半径方向に外側の力ＦＲＯとなる。溝１８０の寸法決定においては、溝内で流体バリヤーによって生成される半径方向に外側の力ＦＲＯが、Ｏリング１７０及びＯリング１７２からの及び少なくともシールリングの外側壁１５６に作用するプロセス媒体からの回転シールリング１６対する半径方向に内側の力ＦＲＩを一般的には超えないようにする。よって、バリヤー流体による半径方向に内側の力ＦＲＯは、回転シールリング１６の回転シールリング区分１５０ａ及び１５０ｂを分離したり、「こじ開けたり」する事がない。
【００３６】
図示したメカニカルシール１０の大きな利点は、このシールによりシールリング１４、１６のシール面１８、２０に冷却液やバリヤー流体を導入可能になることである。半径方向溝１８０と軸方向の穿孔２２８を組み合わせることにより、シールリング区分の軸方向シール表面を介した漏れを助長することなく、非接触及び接触面シールモードの双方でこのメカニカルシールを有利に使用できることである。
【００３７】
図１Ａ、１Ｂ、１Ｈ、２及び３を参照すると、複数の軸方向の穿孔１８３が回転シールリング区分を介して半径方向溝１８０から第二環状連結壁１６４まで延伸している。これら穿孔は、シールリング１４の円周にそって均等に離間されているのが好ましい。当業者であれば、如何なる数の離間も或いは如何なる離間方法も採用できることが理解できるであろう。バリヤー流体は、穿孔１８３を介して回転シールリング区分の外側表面１５４に導入できる。図３に最も明確に示したように、Ｏリング１７０及びＯリング１７２、回転シールリング区分の外側表面１５４、及びホルダ区分の内側表面１０８は、組み合わせて流体密及び気密環状チャンバ１８５を形成する。穿孔２２８、溝１８０及び軸方向穿孔１８３を介してチャンバ１８５に導入されたバリヤー流体は、回転シールリング区分の外側表面１５４に対して半径方向に内側の力Ｆｒｒを作用させる。半径方向に内側の流体の力Ｆｒｒは、Ｏリング１７０及びＯリング１７２及びプロセス媒体による半径方向に内側の力と組み合わさって、回転区分シーリング表面２４のそれぞれを他の区分と封止接触状態に置き、よって流体密及び気密シールを維持する。
【００３８】
半径方向に内側の力Ｆｒｒは、チャンバ１８５内のバリヤー流体圧を制御及び／又は調節することで、変化させたり調整可能である。こうして、回転シールリング区分に作用する半径方向に内側の力を調節して、シール内の動作条件の変化を補正できる。例えば、以下に詳しく述べるように、負圧条件では回転シールリング区分の外側表面１５４にある流体圧は、回転シールリング区分の内側表面１５２にある流体圧より低く降下するが、こうした負圧条件は回転シールリング区分の分離を引き起こす。「負圧条件」という用語は、ここではシールリング及びホルダ集成体の外側表面（例えば、プロセス流体に曝された表面）における流体圧が、シールリング及びホルダ集成体の内側表面における流体圧未満になる状態を指す。こうした条件では、半径方向に内側の力Ｆｒｒは増加して、シールリング区分の分離を禁止し、よってシールリング区分表面２４間のシールを維持する。
【００３９】
半径方向に内側の力に加えて、チャンバ１８５内の流体バリヤーは、回転シール区分に対して軸方向の流体力Ｆｒａも作用させる。軸方向の流体力Ｆｒａ、Ｆｒａ１及びＦｒａ２の成分はＯリング１７２のシール面を互いの方向に付勢するのみならず、これらリングを収容位置に維持する助けとなる。軸方向の流体力成分Ｆｒａ１は、Ｏリング１７０を、回転シールリング区分の外側表面１５４及びホルダ区分の内側表面１０８と封止係合するよう付勢する。同様に、軸方向の流体力成分Ｆｒａ２は、Ｏリング１７２を、回転シールリング区分の外側表面１５４及びホルダ区分の内側表面１０８と封止係合するよう付勢する。
【００４０】
図示したシールの負圧制御作用の大きな利点は、この作用により単一のメカニカルシールが複数の環境で動作可能となることである。よって、エンドユーザが様々な特定の動作条件で使用するために複数の異なるシールタイプを保管しておく必要はない。本発明の分割メカニカルシールという、複数の動作条件下で流体シールを提供できるように調節できる単一のシールタイプを購入し保管しておけばよいから、エンドユーザに対するコスト全体が低くなる。
【００４１】
図１Ｃ及び１Ｉに示したように、第一シールリング１４は、互いに同一で一対のアーチ形シールリング区分２００ａ、２００ｂを含み、その一方が図示されている。固定シールリングのアーチ形区分２００ａ、２００ｂは第一軸線１３及び外側表面２０４に平行に延伸する十分に平滑なアーチ形内側表面２０４を具備している。固定シールリング区分の外側表面２０４は、シール表面１８及びそこから軸方向に延伸する第一表面２０６を含む。更に、外側表面２０４は、第一外側表面２０６から半径方向に内側に段差状に形成された更に軸方向に延伸する第二外側表面２０８も含む。第一外側表面２０６及び第二外側表面２０８は共同して、第一及び第二外側表面の間に半径方向に延伸する第一環状連結壁２１０を形成する。軸方向に延伸する第三外側表面２１２が、第二及び第三外側表面間に半径方向に延伸する第二環状連結壁２１４によって、第二外側表面２０８から段差状に形成されている。第一シールリング１４は、シール表面１８に対向した十分に平滑なアーチ形底面２１６を具備している。第一シールリング１４の区分２００ａ、２００ｂは、底面２１６に沿って形成された凹部２２０を具備している。機械的バネクリップ１７４はグランドハウジング３０の底面５５に機械的に連結され、凹部２２０に収容されている（図１Ｅ及び１Ｆ）。この構成によって、第一シールリング１４が軸１２及び第二シールリング１６と共に回転するのを負防ぐための機械インピーダンスが提供されるのみならず、第一シールリング１４を位置合わせし且つチャンバ１８５内に収容する助けとなる。
【００４２】
固定区分の内側表面２０２の内径は、軸１２の径よりも大きく、回転シールリング１６の内側表面１５２の径よりも大きいので、軸１２及び第二シールリング１６の第一シールリング１４に対する動作を許容する。分割Ｏリング２２２、２２４及び２２６などのような複数のエラストマー部材が、第一シールリング１４の区分シーリング面２２を他方の固定シールリング区分と封止接触させるのに十分な半径方向に内側の付勢力を提供する。更には、Ｏリング２２２、２２４及び２２６は、グランドハウジング３０と第一シールリング１４との間に流体密及び気密シールを形成する。Ｏリング２２２、２２４は、グランドハウジング３０の第三表面４２に形成されたチャンネル４８、４６内に収容される。Ｏリング２２６は、グランドハウジング３０の第二表面３８及び第一環状連結壁４０に当接して収容されている。第一シールリング１４は、アルミナまたは炭化珪素などのセラミック材料で形成されるのが好ましい。
【００４３】
図１Ａ、１Ｃ、及び１Ｅを参照すると、複数のバリヤー流体穿孔２２８が固定シールリング区分２００ａ、２００ｂに形成されている。穿孔２２８には、固定シールリング区分の第二外側表面２０８から半径方向に内側に延伸する区画２３０と、半径方向区画２３０と連通すると共に区画２３０からシールリング区分のシール表面１８まで延伸する軸方向区画２３２とが含まれる。バリヤー流体溜からのバリヤー流体は、後に詳しく説明するように、シールリングのシール面１８及び２０と、穿孔２２８を介して第二シール面２０に形成された半径方向溝１８０とに導入される。
【００４４】
当業者であれば、バリヤー流体穿孔の数はここに図示された数と形状に限定されないことは理解できるであろう。例えば、単一のバリヤー流体穿孔を設けることも可能である。或いは、シールリング１４及び１６に形成された穿孔以外の手段でバリヤー流体をシール表面１８及び２０に供給することもできる。例えば、バリヤー流体は、螺旋状のポンプ溝などを介してシールリング区分の内径及び／又は外径からシール表面に導入できる。こうすれば、バリヤー流体は、別個の流体供給となる必要は必ずしもなく、プロセス媒体そのものであってもよい。
【００４５】
同様に、バリヤー流体穿孔の位置及び配列も本明細書に特に開示されたものに限定されず、その他の位置及び配列を用いて同じ効果を得ることができる。例えば、バリヤー流体穿孔は、第一シールリング１４にも第二シールリング１６にも形成可能であり、又シール表面からシールリングの何れの外側表面に達していてもよい。更に、バリヤー流体穿孔は、シール面１８及び２０からシールリングの何れの外側表面に直線的に達していてもよい。
【００４６】
図１Ａ、１Ｃ、及び１Ｅに最も明確に示したように、バリヤー流体穿孔２２８の各半径方向区画２３０は、第一シールリング１４の第二外側表面２０８で開口して、穿孔２２８とそれらに類似した、グランドハウジング３０に形成された軸方向のバリヤー流体穿孔との流体連通をはかる。
【００４７】
グランドハウジング３０に形成された穿孔２３３は、このグランドハウジング３０の外側表面２３６の一端及び、グランドハウジング３０の第三表面４２の区画４２ｂの他端で開口する。Ｏリング２２２及び２２４は、区画４２ｂの両側の溝４８及び４６に位置して、第一シールリング１４のアーチ形区分２２０ａ、２００ｂとグランドハウジング３０との間に流体密及び気密シールを提供する。こうして、流体密及び気密の環状チャンバが、Ｏリング２２２及び２２４、グランドハウジング３０の区画４２ｂ、及び第一シールリング１４の第二外側表面２０８との間に形成されて、バリヤー流体を軸方向穿孔２２８に導くと共に、このチャンネル内にバリヤー流体を保持する。バリヤー流体溜（図示しない）からのバリヤー流体は、グランド穿孔２３３及び環状チャンバを介して各固定シールリング区分の穿孔２２８に供給される。
【００４８】
図１Ａを参照すると、機械的バネクリップ１７４はＯリング１７２と共同して、第一シールリング１４及び第二シールリング１６を弾性的に保持する軸方向の力を提供するよう作用する。この弾性的に保持する軸方向の力によって、固定及び回転シール表面１８及び２０が互いに向けて付勢されるようにこれらシールリングは付勢される。図１Ａ及び図３に示したように、シールリング１４及び１６は、グランドハウジング３０及びホルダ集成体１００の硬質の壁及び面に対して離間した浮遊関係で浮遊的且つ非硬質的に支持されている。この浮遊的且つ非硬質的支持及び離間した浮遊関係は、回転シール区分１５０ａ、１５０ｂと固定シールリングの区分２００ａ、２００ｂとにその相互に対する小さな半径方向及び軸方向浮遊移動を許容する一方、回転シール面２０が追従して固定シール表面１８と封止関係に置かれることも許容する。よって、回転及び固定シール区分１５０ａ、１５０ｂ及び２００ａ、２００ｂは、この浮遊動作の結果として自己位置合わせ機能を有する。
【００４９】
クリップバネ１７４がもたらす機械的付勢に加えて、付加的な閉鎖流体付勢システムが、本発明のメカニカルシール１０に実現可能である。図１Ａ及び図３を参照すると、一実施例によれば、この閉鎖流体付勢システムは、グランドハウジング３０を半径方向に貫通して形成された半径方向に延伸する閉鎖流体穿孔２４０を含む。穿孔２４０は、固定シールリングの区分２００ａ、２００ｂの外側表面２０４に導入される閉鎖流体を導入して、固定及び回転シールリング１４及び１６に閉鎖力を作用させる。半径方向に延伸する穿孔２４０は、バリヤー流体穿孔２３３に隣接し且つそれに平行である。閉鎖流体穿孔２４０は、グランドハウジングの外側表面２３６の一端と、他端において、第三表面４２の区画４２ａ及びグランドハウジング３０の第二環状連結壁４４の上に開口する（図１Ｄ）。流体密及び気密の環状閉鎖流体チャンバ２４２がＯリング２２４及び２２６と、固定シールリング区分２００ａ、２００ｂの外側表面２０４と、グランドハウジングの内側表面との間に形成される。図３に最も明確に示したように、調節圧での閉鎖流体が、閉鎖流体溜（図示しない）から閉鎖流体チャンバ２４２に閉鎖流体穿孔２４０を介して供給される。閉鎖流体は、閉鎖流体力Ｆｆｃを固定及び回転シールリング区分に作用させる。閉鎖流体力Ｆｆｃは、機械的バネの閉鎖力Ｆｓｃと協働して、シール面１８及び２０を互いに向けて付勢して封止関係に置く。閉鎖流体力Ｆｆｃと機械的バネの閉鎖力Ｆｓｃとの合計は、バリヤー流体分離力ＦＡより大きくて、シール面１８及び２０の過度の分離及びシール面１８及び２０間の過剰な流体漏れなどのシール効果が失われることを防ぐのが好ましい。
【００５０】
閉鎖流体力Ｆｆｃの大きさは、以下に記載にした本発明の一使用例に従って、閉鎖流体チャンバ２４２内の閉鎖流体の圧力をコントロールすることにより、調整又は調節可能である。固定及び回転シールリング区分に対する閉鎖力を調整する能力は、大きな利点となる。例えば、閉鎖力の大きさを変化させて、動作条件が変化した際にシール表面１８と２０との間の封止関係を維持することができる。また、閉鎖流体力の大きさを変化させて、機械的バネクリップの疲労による機械的バネ力の減少を補うことができる。その結果、流体フィードバックシステムと組み合わせたメカニカルシール１０は、流体シール及び／又はシール面１８と２０との間に形成される隙間を動的に調節して、動作時の漏れの量を調整できる。
【００５１】
本流体付勢システムの大きな利点は、これが、シール面間の分離量を外部から調整したり、シール表面間に形成された流体シールを管理するための、流体導管のような単純で一体的な構造を提供することである。従って、このシステムは、シール面１８と２０に導入されたバリヤー流体によって提供される分離力と協働したり、メカニカルシール１０内に溜められた加圧流体とは独立して、シール面接触の度合いを調節できる。よって、メカニカルシール１０は、シール面間に形成された流体シールとシール面分離とを、広い範囲の動作条件に亘って調整又は調節可能である。これは、シールの融通性を高めると共に、シールを多くの環境で使用するのが可能になる。
【００５２】
当業者であれば、このシールは本明細書に記載された特定の流体付勢システムに限定されず、これ以外の流体付勢システムも可能であることは理解するであろう。例えば、単一の流体溜を用いて、バリヤー流体をバリヤー流体付勢システムを介して軸方向溝に供給したり、閉鎖圧力と供給されたバリヤー流体の圧力の両方又は一方を流体シールに供給して、シールリング１４、１６のシール面１８、２０における所望の状態を維持できる。メカニカルシール１０と共に使用するのに適した統合動的圧力フィードバックシステムの一例が、図４乃至１５Ｂに示されている。この圧力フィードバックシステムは、バリヤー、プロセス、又は閉鎖流体の内の一つのシステム流体を調節された流体入力として用いて、この調節された入力に基づいてバリヤー流体圧又は閉鎖力を調節する。この際に、この圧力フィードバックシステムは、選択された流体圧間の圧力変化を検知して、不均衡があれば是正する。この圧力フィードバックシステムは、内部圧力が選択値より高いか低い場合は、システムを高圧流体供給に接続してその圧力を高めたりシステム内の圧抜きを行うことで、この是正を行う。
【００５３】
図１及び１５に示されているように、シール１０が組み立てられてポンプハウジング１１に取り付けられた後は、プロセス媒体がプロセス流体チャンバ３００内に封入される。プロセス流体チャンバは、グランドハウジングの第四表面５０、第五表面５４、第三結壁５２、Ｏリング１７２及び２２２、ホルダ集成体の外側表面１０６及び第一及び第二内側表面１１０、１１２、第二シールリング１６の第一外側表面１５６、及び第一シールリング１４の第一表面２０６、第二外側表面２０８と第一環状連結壁２１０によって形成されている。一般的には空気の周囲媒体が、通常はプロセス流体チャンバ３００から封止されている周囲流体チャンバ３１０を充満している。周囲流体チャンバ３１０は、固定及び回転シールリングの内部表面１５２、２０２、第二シールリング１６の第四壁１６９、Ｏリング１２８及び軸１２によって形成されている。「周囲」及び「周囲媒体」という用語は、プロセス環境又はプロセス媒体以外のあらゆる外部環境又は媒体を含むように意図されている。
【００５４】
動作時には、バリヤー流体は、軸方向溝１８０とシール面１８、２０ａ、２０ｂに、例えば固定シールリング１４内のバリヤー流体穿孔２２８のようなバリヤー流体付勢システムを介して導入される。バリヤー流体は、シール面１８、ランド部２０ａ、２０ｂに対して、第一シール面１８の少なくとも一部を第二シールリング１６のランド部２０ａ、２０ｂの少なくとも一部から分離して隙間を形成するよう作用する、主に静水学的持ち上げ力を作用させる。バリヤー流体は、シール面の間に形成される隙間を充満し、よってシール面１８と２０とを分離して、プロセス流体チャンバ３００内のプロセス媒体と囲流体チャンバ３１０内の周囲媒体との間に流体シールを形成する。この隙間は、一定の幅に維持されるか又は調節可能で、シール面間を分離して摩耗を減少させると同時にシール面間の漏れを最小にする。
【００５５】
メカニカルシール１０に対するバリヤー流体の影響は二つある。まず第一に、バリヤー流体は、シール面１８とランド部２０ａ及び２０ｂとの直接的な摩擦接触を減少させることにより、シール面の摩耗を減少させ、よってシール構成部品の寿命を長くする。第二に、バリヤー流体は、シール面の直接的摩擦接触によって生じる熱をシール面から移動させるように作用し、よって、メカニカルシール１０全体の一層均一的な熱分布を達成して、シール構成部品が曝される熱応力を引き下げて構成部品の寿命を長引かせる。
【００５６】
更に、本発明のメカニカルシール１０は、気体、液体、或いは組み合わせなどの異なる種類のバリヤー流体を用いて動作できるという必須の融通性を備えている。この融通性が可能な理由は、シール面間で直接的な摩擦接触が起こる面積を、バリヤー流体圧及び静水学的持ち上げ力の大きさを調節することにより制御可能であり、よって所望の分離隙間を達成できるからである。一般的に、この分離隙間はバリヤー流体の使用例よりも、バリヤー気体の使用例の方が大きい方が望ましいが、その訳は気体に比べて液体の伝熱性が高いからである。よって、バリヤー気体が好まれる使用例においては、分離隙間は、選択されたバリヤー気体に適した、シール面の摩耗を防止する幅になるよう調節できる。同様に、バリヤー液体が好まれる使用例においては、分離隙間は、選択されたバリヤー液体に適した、シール面の摩耗を防止する幅になるよう調節できる。
【００５７】
通常の動作時には、プロセス流体チャンバ３００内のプロセス媒体の圧力は、周囲流体チャンバ３１０中の周囲流体の圧力より高くなり（正圧条件）、更にプロセス流体は、半径方向に内側の力を固定及び回転シールリングのそれぞれ外側表面２０４、１５４及びホルダ集成体１００の外側表面１０６に作用させる。プロセス媒体が作用させる半径方向に内側の力は、シールリング区分及びホルダ集成体を流体封止関係に保持する助けとなる。
【００５８】
プロセス流体チャンバ３００内のプロセス媒体の圧力が、周囲流体チャンバ３１０中の周囲流体の圧力より低くなると（負圧条件）、周囲流体は半径方向に外側の力を第二シールリングのそれぞれ内側表面２０２、１５４及びホルダ集成体１００の内側表面１０８に作用させる。この状態で発生する差圧が、半径方向に外側の力がＯリングによって加えられる半径方向に内側の力よりも大きいようであれば、シールリング区分は分離して、シール面からの漏れに至る可能性がある。
【００５９】
負圧条件におけるシール面１８と２０からの漏れを防止するにおいて、周囲流体圧力からのシールリングへの半径方向に外側の力は、Ｏリング２２２、２２４及び２２６によって第一シールリング１４の区分２００ａ、２００ｂに加えられる半径方向に内側の力と、Ｏリング１７０及び１７２によって第二シールリング１６の区分１５０ａ及び１５０ｂに加えられる半径方向に内側の力とにより、チャンバ１８５内に配置されたバリヤー液体によって回転シールリング区分の外側表面１５４に作用する半径方向に内側の力との組み合わせで、相殺される。半径方向に内側の力Ｆｒｒは、Ｏリング１７０及び１７２によって加えられる半径方向に内側の力と協働して、この条件下で各回転区分の第二区分シール面２４とその他の区分との封止接触を維持して、流体密及び気密シールを維持する。
【００６０】
動作中は、Ｏリング１７２は、第二シールリング１６がその周りを回転ホルダ集成体に対して旋回する旋回弾性部材として機能する。Ｏリング１７２によって許容されるこの旋回動作は、第二シールリング１６の第二シール面２０と第一シールリング１４のシール面１８との位置合わせ及び封止関係を保持するよう作用する。これにより、シール面が互いに接触状態に置かれるシール面の過剰なコーニング（原語：ｃｏｎｉｎｇ）が避けられる。よって、シール面２０、１８の相互の心狂いの原因となる軸の偏心や心振れのような状態は、補正可能であり、シール面間の流体シールの喪失は防止される。従って、Ｏリング１７２の旋回動作によって、非接触及び接触面シールモードの双方においてメカニカルシール１０の動作中は常に、シール面２０、１８の旋回弾性旋回が可能となる一方、同時に対向するシール面同士の一貫した接触又はこれら面間の所定の大きさの隙間が確保される。
【００６１】
閉鎖流体付勢システムは、閉鎖流体を固定シールリングの区分２００ａ、２００ｂの外側表面２０４に導入して、第一シールリング１４及び第二シールリング１６に閉鎖力を加える。特に、調節した圧力の閉鎖流体が、閉鎖流体穿孔２４０を介して閉鎖流体チャンバ２４２に提供される。閉鎖流体は、固定及び回転シールリング区分に閉鎖流体力Ｆｆｃを作用させる。閉鎖流体力Ｆｆｃは、機械バネ閉鎖力Ｆｓｃと協働して、シール面１８及び２０を互いに付勢して封止関係に置く。動作中は、閉鎖流体力Ｆｆｃ、機械バネ閉鎖力Ｆｓｃ、及びバリヤー流体分離力ＦＡが、シール面１８と２０との過剰分離、及び例えばシール面１８と２０との間の流体の過剰な漏れなどのシールの喪失を抑止する。
【００６２】
メカニカルシール１０で用いられる流体付勢システムによれば、シール面間の分離量を外部から調整したり、シール面間に形成された流体シールを管理するための流体導管のような単純な統合構造を提供することで、シールの融通性を高まると共にシールが多くの環境で使用可能となる。このシステムは、シール面１８及び２０にバリヤー流体により加えられる分離力と組み合わせて、又はメカニカルシール１０内に保持された加圧流体とは独立して、シール面接触の度合いを調節するよう作用する。よって、メカニカルシール１０は、広い範囲の動作条件において、シール面間の分離とその間に形成される流体シールを調節又は調整可能である。
【００６３】
後に詳しく説明するように、封止されている流体の圧力を互いに対して調節できる能力によって、この流体フィードバック圧力調節システムはメカニカルシール１０内に完全に統合可能となる。この圧力調節システムは、一実施例においては、メカニカルシール１０のグランドハウジング３０に完全に及び／又は単独で統合された幾つかのサブシステムを含むことができる。グランドハウジング３０は、様々なサブシステムを保持できるように寸法を定めた穿孔を含み、更に、流体フィードバック圧力調節システムの様々なサブシステム間の流体連通だけでなく、様々なサブシステムとメカニカルシールの様々な流体付勢システムとの流体連通を提供するのに十分な数の穿孔を具備する。こうして、フィードバック圧力調節システム全体が、一般的にシール内で自己完結型となっている。
【００６４】
この流体フィードバック圧力調節システムは、リアルタイムで流体圧の変化に対応できるので、動的な性質を持つ。入力流体圧の変化に合わせて、本調節システムの様々なサブシステムは、オペレータからの入力無しでこうした変化に対応する。更には、この流体フィードバック圧力調節システムは、流体付勢システム及びフィードバック圧力調節システムに流体圧が有る限りは、常に動作を続ける。
【００６５】
上述のメカニカルシールは、この流体フィードバック圧力調節システムと共に使用できる種類のメカニカルシールの例にすぎない。図４乃至１５Ｂは、このシステムと共に使用できる別の種類のメカニカルシールを示したものである。当業者であれば、このシールの動作をこれ以上の説明無しに容易に理解できるであろう。
【００６６】
図４乃至８は、メカニカルシール１０と共に使用するのに適した流体フィードバック圧力調節システム５００の一実施例を示したものである。フィードバックシステム５００は、システム流体を他のシステム流体圧に基づいて調節するのに用いられるのが好ましい。一様態によれば、本システムは、先ずプロセス流体圧に対してバリヤー流体圧を選択したレベルに設定する。バリヤー流体圧は、このバリヤー圧に基づいて閉鎖流体をシールに加えたりシールから排出するためのシステム流体センサとして機能するシステム出力調節流体として利用される。調節閉鎖流体は、上述した閉鎖流体付勢システム内に保持された閉鎖流体に少なくとも対応する。このシステムは、一つかそれ以上のサブシステムを含むことができ、それぞれのサブシステムは選択した機能を果たす。好適な一実施例では、流体フィードバック圧力調節システムは、三つのサブシステム５０１、５１０、５２０を含む。
【００６７】
図示したフィードバック圧力調節システム５００は、メカニカルシール１０のグランドハウジング３０の中に完全に取り付けられるような大きさにし且つ寸法を合わせるのが好ましい。システム５００は、メカニカルシール１０を始めその他の種類のシールなどの適切なメカニカルシールと連結される。本システムが連結可能なシールの一例が図４に示してあるが、類似の参照符号は類似の部材を異なるすべての図面中で指し示す。第一シールリング１４は、一端で第一シール面１８と、更に他端でバリヤー流体源と連通する軸方向穿孔２２８を含む。第二シールリング１６は、その内部に形成されると共に軸方向穿孔２２８と流体連通するように配置されたポンプ溝１８０を具備する。ポンプ溝と軸方向穿孔は、バリヤー流体を直接シール面へ供給するよう作用し、シール面間では、これらシール面を分離して隙間を形成する静水学的持ち上げ力が発生する。当業者であれば、静水学的シール設計を本発明の圧力フィードバックシステム５００と共に使用できるのは理解できるであろう。
【００６８】
流体フィードバック圧力調節システム５００には、バリヤー流体圧をプロセス流体圧に対して選択されたレベルに設定し得るよう構成された第一サブシステム５０１（図４）が含まれる。図示したサブシステム５０１には、グランドハウジング３０内に形成された適切な寸法のチャンバ４０７内に設けられた可動差圧バルブ４０８が含まれる。可動バルブ４０８には、スプール弁、シャットル弁、ニードル弁、ダイヤフラム、ベローズ、その他の類似した可動バルブが含まれるがそれに限定されない、加圧流体を移動し、運搬し、加圧流体の作用を受ける多くの異なる可動バルブが含まれる。チャンバ４０７には、選択した様態で穴ぐりして流体フィードバック圧力調節システムの様々な圧力通路及び穿孔と連通できる、環状流体マニホールド４４１が取り付けてある。図示した流体マニホールド４４１は、可動バルブ４０８がぴったり収容される中央穿孔を備えている。後に更に詳しく述べるように、この穿孔は、可動バルブの最も外側の直径よりも僅かに大きく、開放位置と閉鎖位置との間を穿孔内で可動バルブが比較的自由に軸方向に摺動できる。図７を参照すると、後に更に詳しく述べるように、流体マニホールド４４１は、多くの半径方向に延伸した流体穿孔４１４及び４１６を更に含み、マニホールドが特定の加圧流体を本サブシステムの部分に選択的に連通させられるようになっている。Ｏリング４２６及び４２８のような封止構成体が、メイン円筒ハウジング４５５に形成されたフランジ４４３乃至４５１によって形成された対応する溝内に取り付けられる。Ｏリングは、図示したようにフランジ４４３乃至４４７及び４４９乃至４５１の間に形成された溝に収まり、チャンバ４０７の内側壁と流体マニホールド４４１の選択した部分との間に圧力及び流体シールを形成するのが好ましい。
【００６９】
可動バルブ４０８は、この可動バルブのフランジ付きの端部４０８Ａと４０８Ｂとの間に中間チャンバを形成しつつ、チャンバ４０７を入力流体チャンバ４２０と出力流体チャンバ４１０とに分割する。可動バルブ４０８は、調節可能なバネ４０６に連結され、このバネの一端は手動調節可能なネジ４０４に接続されている。図示したネジ４０４は、グランドハウジング３０の露出した外側部分に沿って取り付けられた頭部４０４Ａを含んでおり、システムオペレータが容易に操作できる。環状Ｏリング４０５が、溝内で頭部４０４Ａの周囲に環着されており、外部環境とチャンバ４０７との間に流体シールを提供している。システムオペレータは、選択した様態でネジを回転させてバネによって加えれられる引張りを調節できる。よって、ネジ４０４及びバネ４０６は協働して、図示した圧力調節サブシステム５０１の初期又は設定点圧力を規定する。当業者であれば、バネが、可動バルブ端部の大きさに対応した選択した面積で可動バルブに力を加えることは理解できるであろう。これは同等の圧力をもたらす。説明を明確化するために、バネの圧力は、バネが可動バルブに加える力を説明するために主として用いられる。当業者であれば、図示した調節可能ネジ４０６を。グランドハウジング３０の内側軸方向表面に沿った容易に手が届きにくい場所に配置して、工場設定値からバネの張力を手動で不正変更したり調節をしないようにできることは理解できるであろう。必要ならば、システムオペレータは選択した様態でネジにアクセスして回転させてバネの張力を調節できる。
【００７０】
ネジ４０４及びバネ４０６は、グランドハウジング３０の外部表面から入力チャンバ４２０内部に延伸している。入力チャンバ４２０はプロセス流体分配網と連通して、設計通りにシールのプロセス流体を入力チャンバ４２０と連通させる。流体フィードバック圧力調節システム５００のプロセス流体分配網には、例えば、本メカニカルシールの内部又は周囲に形成された、プロセス流体チャンバ３００のような適切なプロセス流体チャンバと、チャンバ３００からのプロセス流体を入力チャンバ４２０に供給する適切なプロセス流体穿孔を含むことができる。適切なプロセス流体穿孔の一例は図９Ａに示されている穿孔４２１である。当業者であれば、本プロセス流体分配網は、グランドハウジング３０内部に形成された適切な内部穿孔及び通路を含んでよく、所望ならハウジングのプロセス流体がチャンバ４０７と、よって可動バルブ４０８と選択した様態で連通できることは理解できるであろう。調節システムは、グランドハウジング３０の外部にある継手を用いて、システム流体をシステム５００の特定の部分又は構成部品と連通させることもできる。例えば外部流体導管をグランドハウジング３０に接続して、プロセス流体を流体ハウジングから入力プロセス流体穿孔４２１に移動できる。別の実施例では、グランドハウジング３０を内部に穴ぐりして、外部流体継手を用いずに、完全にグランドハウジング３０内部でプロセス流体を入力プロセス流体穿孔に連通させられる。
【００７１】
図４を更に参照すると、本発明の流体フィードバック圧力調節システムのサブシステム５０１は、バリヤー流体を高圧バリヤー流体供給源（図示しない）から流体マニホールド４４１まで伝達させるバリヤー流体分配網を含むこともできる。このバリヤー流体分配網は、バリヤー流体をグランドハウジング３０チャンバ４０７からシールの別の部分へ伝達させる適切なバリヤー流体通路を含むことができる。上記の別の部分には、軸方向の穿孔２２８及び溝１８０などのバリヤー流体付勢システム、グランドハウジング３０内部に取り付け可能なその他のフィードバックシステム、流体供給源４１５及び流体通路２３４のようなその他の流体通路及び／又は穿孔が含まれる。特に、このバリヤー流体分配網は、グランドハウジング３０内部に形成された適切で適正な穿孔及び／又はチャンバを含むことが好ましい。上記の適正な穿孔及び／又はチャンバには、バリヤー流体を流体供給源からチャンバ４０７へ運ぶよう構成された入力バリヤー穿孔４１５、マニホールド４４１内部に形成された入力バリヤー通路４１６、及びバリヤー圧チャンバ４２２などが含まれる。別の実施例では、バリヤー流体分配網は、本メカニカルシールの上述したバリヤー流体付勢システムの構成部品だけでなく、出力バリヤー圧導管２３４、バリヤー圧チャンバ４２４、出力バリヤー穿孔４１４などのその他の構成部品を含むことができる。例えば、バリヤー流体付勢システムは、固定シールリングに形成された軸方向の流体穿孔２２８及び溝１８０を少なくとも含む。
【００７２】
図４を再び参照すると、可動バルブ４０８は、マニホールド入力流体供給通路４１６及び流体供給チャンバ４２２を介してバリヤー流体供給源と連通する中間チャンバ又はチャンネル４１２を更に規定する。この中間チャンバは、出力バリヤー穿孔４１４、バリヤーチャンバ４２４、穿孔２３４及び４０２などのバリヤー流体分配網と、可動バルブ４０８の摺動動作によって、流体連通するように選択的に配置される。
【００７３】
本発明の流体フィードバック圧力調節システム５００は、グランドハウジング３０の内部に完全に取り付けられていることが好ましく、更に以下に更に説明するように、選択したシステム圧力を調節する、純粋に動的流体システムである。この流体フィードバックシステムは、よって、メカニカルシールのグランドハウジング３０内に取り付けられる一方、一つ以上のシステム圧を調節するコンパクトな調節システムである。この流体フィードバック圧力調節システムがコンパクトな調節システムであるのは、本調節システムの一つ以上で好適には全てのサブシステムが、流体マニホールド及び可動バルブを収容する適切な寸法のグランドハウジング３０穿孔を形成することによって、グランドハウジング３０の内部のみに取り付けられるように大きさと寸法を合わせてあるという点においてである。その他の流体導管も形成してあり、プロセス流体及びバリヤー流体のようなシステム流体を可動バルブ４０８と連通させる。「コンパクト」という用語は、このフィードバックシステムが上述の従来の構成に比較して小さく、従来の比較的小さいメカニカルシールのグランドハウジング３０内に収容できるという、通常の意味で使用されている。好適な一実施例によれば、様々なサブシステム５０１、５１０、５２０は、サブシステム全体で約１×１．５インチ程度に寸法決めしてあり、可動バルブ４０８は約０．１８８×０．４インチ程度に寸法決めしてあって、約０．４９９×０．３４５インチ程度に寸法決めしてあるチャンバ内部に収容してある。
【００７４】
動作中は、ハウジング１１からのプロセス流体は、入力チャンバ４２０にプロセス流体分配網を介して伝達される。一様態によれば、プロセス流体は、プロセス流体穿孔４２１及びシール及び／又はグランドハウジング３０内部に適切に形成された通路を介してプロセスチャンバ３００から入力チャンバ４２０に送られる。このシール及び／又はグランドハウジング３０内部の通路は、プロセス流体が入力チャンバ４２０に流入できるようにするものである。ここで、プロセス流体は任意の動作圧力に設定されている。
【００７５】
入力チャンバ４２０内のプロセス流体は、可動バルブ４０８の入力側つまり外部側（たとえば、図４の右側）に圧力をかける。更に、調節可能なバネ４０６も、可動バルブ４０８に圧力をかける。これらの力つまり圧力が組み合わさって、入力圧力が形成され、それが可動バルブ４０８をシールの中心寄り側（たとえば、左側、つまり開放位置と閉鎖位置のとの間）に向けて付勢する初期入力軸方向力となる。
【００７６】
図４、７及び８を更に参照すると、バリヤー流体源（図示せず）からのバリヤー流体は、バリヤー流体分配網によって調節サブシステム５０１に、そしてメカニカルシールに導入される。一様態によれば、バリヤー流体源からのバリヤー流体は、入力供給穿孔４１５と流体供給チャンバ４２２とを介して入力バリヤー穿孔４１６に、そして中間チャンバ４１２に選択的に導入される。これは、図７及び８に実線の矢印で示されている。次にバリヤー流体は、可動バルブ４０８を開放位置と閉鎖位置のとの間に選択的に付勢することで、バリヤー流体分配網を介して出力チャンバ４１０に選択的に導入される。この可動バルブは図４に閉鎖位置にあるのが示されている。具体的には、可動バルブ４０８は、出力バリヤー流体導管４１４を閉塞して、出力バリヤー穿孔２３４をバリヤー流体源から遮断する位置にある。
【００７７】
この可動バルブが開放位置にあってバリヤー流体が出力チャンバ４１０に流入するときは、バリヤー流体は、可動バルブ４０８の左側に対しての、つまり軸方向に反対側且つ外側の圧力を加えて、出力圧を発生させる。図５及び８に示したように、出力チャンバ４１０内のバリヤー流体によって生成される出力圧が、プロセス流体圧と入力流体チャンバ４２０内の調節可能バネの圧力の合計よりも小さいときは、可動バルブ４０８は、図８に示した開放位置まで左に移動する。これによって、中間チャンバ４１２が出力バリヤー穿孔４１４と連通して、よってバリヤー流体供給から流体供給導管４１６を介して出力流体導管４１４に至る流体経路が形成される。次にバリヤー流体は、出力バリヤー通路２３４を通過してバリヤー流体分配網のその他の部分に至る。
【００７８】
図７及び８は、可動バルブ４０８の部分断面斜視図である。図７では、可動バルブ４０８がニュートラル又は閉鎖位置にあって、バリヤー流体がバリヤー流体供給から出力バリヤー通路２３４に直接流動するのを禁止又は防いでいるのが示されている。図８では、可動バルブ４０８が動作又は開放位置にあって、矢印が流体供給通路４１５から中間チャンバ４１２を介して出力バリヤー穿孔４１４を介して流出する経路を示す。
【００７９】
バリヤー流体分配網が供給源からのバリヤー流体で充満されると、出力チャンバ４１０内のバリヤー流体圧は上昇して、プロセス流体と調節可能なバネ４０４が作用させる圧力の合計と等しくなるか超過する。これが起こると、可動バルブ４０８は、図示した閉鎖位置に付勢されて、バリヤー流体供給を出力バリヤー流体圧チャンバ４２４及びバリヤー流体穿孔２３４から切り離す。流体フィードバック圧力調節システム内のバリヤー流体は、よって、プロセス圧力とバネ４０４の可変圧力が作用させる圧力の合計と概ね等しくなる。当業者であれば、バリヤー流体分配網をプロセス流体圧及び／又はバネ圧力未満の圧力まで加圧することを含めて、これ以外の圧力構成を用いることができるのを容易に理解するであろう。
【００８０】
流体フィードバック圧力調節システム５００は、閉鎖流体を閉鎖バリヤー流流体分配網に導入したり閉鎖流体分配網から排出させたりする幾つかのサブシステムを更に含むことができる。これらサブシステムは、プロセス流体穿孔４２１及びバリヤー流体穿孔４１５を除いては、図示したサブシステム５０１と同一の構成部品の殆どを含む。上記の三つのサブシステムを共に或いは所望の組み合わせで用いて、シール面１８及び２０に直接又は間接的に作用する特定の流体圧力を制御できる。
【００８１】
図５には、本発明の流体フィードバック圧力調節システム５００の第二のサブシステム５１０が示されている。本図において、肩字ダッシュを含めて類似の参照数字は類似の要素を表す。図示したサブシステム５１０は、閉鎖流体供給源（図示せず）をシールの閉鎖力付勢システムに選択的に接続する。付勢システムは、バリヤー流体分配網及び／又はバリヤー流体付勢システム（軸方向の穿孔２２８及び溝１８０など）内の圧力の関数としての閉鎖力を固定シールの裏面に加える。図示したサブシステム５１０は、グランドハウジング３０内部に形成された適切に寸法を定めたチャンバ４０７’内に配置された可動差圧バルブ４０８’を含む。チャンバ４０７’には、圧力調節サブシステム５１０の圧力通路と穿孔とを連通させるように選択した様態で穴ぐりした環状流体マニホールド４４１’が取り付けられている。
【００８２】
図示したマニホールド４４１’は、図４、７及び８に関連して上述したものと同一の構成である。Ｏリング４６２’及び４２８’はマニホールドの外側表面に形成された対応する溝内に取り付けられて、チャンバ４０７’の内側壁と流体マニホールド４４１’の選択した部分との間の圧力及び流体シールを形成する。
【００８３】
可動バルブ４０８’は、この可動バルブのフランジ付き端部の間に形成された中間チャンバ４１２’を形成しつつ、チャンバ４０７’を入力チャンバ４２０’と出力チャンバ４１０’に分割する。可動バルブ４０８’は、調節可能なバネ４０６’に連結され、このバネの一端は手動調節可能なネジ４０４’に接続されている。図示したネジ４０４’及びバネ４０６’は、図４に関連して既に説明したものと同一である。ネジ４０４’及びバネ４０６’は、グランドハウジング３０の外部表面から入力チャンバ４２０’内に延伸している。入力チャンバ４２０’は、バリヤー流体分配網の選択した構成部品と連通して、シールのバリヤー流体を入力チャンバ４２０’と連通させる。
【００８４】
このサブシステムにおいては、バリヤー流体分配網は、グランドハウジング３０内部に形成された適切な穿孔および／又はチャンバを含み、好適には、少なくとも入力チャンバ４２０’と、バリヤー接続通路４６６と、バリヤー流体付勢システムとを含む。図示したサブシステム５１０は、閉鎖流体（バリヤー流体でも閉鎖流体でもよい）又はその他の流体の供給源を第一シールリング１４に連結する閉鎖流体分配網を更に含む。閉鎖流体分配システムは、第一シールリングに閉鎖軸方向付勢力を作用させて、第一シールリング１４と第二シールリング１６との間の分離を調整したり調節したりする。閉鎖力分配網は、閉鎖流体を少なくとも一つのシールリングに導入してその間の分離を調節する、如何なる構成および数の流体導管および穿孔を含んでいてもよい。具体的には、図示した分配網は、一つ以上の入力閉鎖力通路４６０と、入力閉鎖流体穿孔４１６’と、中間チャンバ４１２’と、出力閉鎖流体穿孔４１４’と、横方向閉鎖流体穿孔４４４と、閉鎖力通路コネクタ４４２と、閉鎖力通路４４０と、閉鎖力チャンバ２４２’とを含むことができる。
【００８５】
図５を再び参照すると、可動バルブ４０８’は、入力チャンバ４２０’と出力チャンバ４１０’の中の流体によって開放位置と閉鎖位置との間に交互に移動される。例えば、シールを作動させると、バリヤー流体が以前のサブシステム５０１から加圧され、グランドハウジング３０内に適切に形成された穿孔を介して、入力チャンバ４２０’に充満される。バリヤー流体はバネ４０６’と協働して、可動バルブ４０８’の一方の側に圧力を作用させ、その可動バルブを、シールの内側又は外側の何れかへ付勢する。この力は、図示したように、その可動バルブが開放位置に移動した際に出力チャンバ４１０’に導入された閉鎖流体による圧力によって相殺される。
【００８６】
入力チャンバ４２０’内の圧力が出力チャンバ４１０’内の圧力より大きくなると、その差圧が可動バルブ４０８’を左方向に図示した開放位置に付勢する。供給源からの閉鎖流体は、閉鎖流体入力通路４６０および入力閉鎖流体穿孔４１６’を通過して、中間チャンバ４１２’の中へ、そして最終的には出力チャンバ４１０’の中へ流入する。そこから、閉鎖流体は、出力閉鎖流体穿孔４１４’を通過して、横方向通路４４４と、通路ジャンクション４４２と、閉鎖流体出力通路４４０と、閉鎖流体チャンバ２４２とに流入する。閉鎖流体チャンバは、第一シールリング１４の裏面に配置され、このシールリングに選択した様態で作用する。
【００８７】
動作中は、バリヤー流体分配網は、サブシステム５０１などからの加圧バリヤー流体で充満される。入力チャンバ４２０’内部のバリヤー流体及び調節可能なバネ４０６’が、可動バルブ４０８’の右側に圧力を掛ける。これら二つの圧力の合計が、可動バルブ４０８’の例えば右側などの片側に作用して、入力圧を可動バルブ４０８’に掛けて、よってこの可動バルブを閉鎖位置から開放位置に移動させる。この位置にあるときには、可動バルブ４０８’は、閉鎖流体供給源を中間チャンバ４１２’及び閉鎖力出力穿孔４１４’に流体接続する。この閉鎖流体は、閉鎖流体分配網を介して閉鎖流体チャンバ２４２に伝達される。
【００８８】
同時に、中間チャンバ４１２’内の閉鎖流体は、出力チャンバ４１０’に充満して、可動バルブ４０８の例えば左側などの他方の側に圧力を作用させる。閉鎖力による力は、バリヤー流体及びバネ４０６’により掛けられる力を打ち消して、ほぼ均等になると、可動バルブ４０８を閉鎖位置に付勢して、よって閉鎖流体供給源を中間チャンバ４１２’から切り離す。具体的には、可動バルブ４０８’のフランジ付き端部は、出力閉鎖流体穿孔４１４’を閉塞して、閉鎖流体が中間チャンバ４１２’から横方向通路４４４まで通過するのを防止又は禁止する位置にサブシステム５１０に位置決めされる。その結果、図示したサブシステム５１０は、固定シールリングの裏面に、又、出力チャンバ４１０内部にバネとバリヤー流体の圧力合計の関数である閉鎖流体圧又は力を生成する。
【００８９】
上述の閉鎖流体サブシステム５１０を用いて、バリヤー流体圧の関数として閉鎖流体圧を調節、すなわち増加することが好ましい。よって、流体フィードバック圧力調節システム５００は、調節された閉鎖流体圧に基づいて隙間厚さ及びシール面における漏れを調節する。このシステムを第一サブシステム５０１と共に用いて、バリヤー流体圧の関数として閉鎖力の圧力を調節する流体的且つ動的圧力調節システムを形成することが可能である。最初のサブシステムは、プロセス圧力及び手動調節可能なバネ圧力に基づいて、バリヤー流体圧を選択したレベルに設定する。その後、このサブシステムは、閉鎖流体圧を調整してシール面における漏れを調節する。
【００９０】
上述のような開放位置及び閉鎖位置間の可動バルブ４０８’の移動配置は、図７及び８に示した可動バルブの二位置間の移動と同一である。図８には、可動バルブ４０８は開放位置にあって、実線の矢印により、流体が流体供給導管４１６の中に流入し、バルブチャンネル４１２と出力流体導管４１４を介して流出することが示されている。閉鎖流体分配網がより多くの流体を収容するにつれ、出力チャンバ４１０’内の閉鎖流体が増加し、よってこのチャンバ中の圧力も増大する。閉鎖流体圧がバリヤー流体圧と調節可能なバネ圧力４０６’との合計に概ね等しくなると、可動バルブが右側に閉鎖位置まで移行して、閉鎖流体供給源と閉鎖流体分配網との流体連通を切断する。図７には、可動バルブ４０８が閉鎖位置にあって、流体供給導管４１６と出力流体導管４１４との間の流体流動を抑止または防止することが示されている。
【００９１】
図６Ａ及び６Ｂを参照すると、流体フィードバック圧力調節システム５００は、バリヤー流体圧の関数として、この調節システムからの閉鎖流体圧を排出するよう構成された逃がしサブシステム５２０を更に含むことができる。本図において、肩字ダッシュを含めて類似の参照数字は類似の要素を表す。上述と同様に、図示したサブシステム５２０は、グランドハウジング３０チャンバ４０７’’内に収容されるべく寸法取りされた可動バルブ４４８を含む。このチャンバには、流体フィードバック圧力調節システムの圧力通路及び穿孔とメカニカルシールとの連通を許容する、選択した様態で穿孔された環状流体マニホールド４４１’’が含まれる。可動バルブ４４８は、実質的にＴ字型の可動バルブで、その大径部４４８Ａが入力チャンバ４２０’’に隣接して設けられ、その小径部４４８Ｂが出力チャンバ４１０’’内に延伸している。可動バルブ４４８は、調節可能なバネ４０６’’に接続され、そのバネの一端が手動調節可能なネジ４０４’に取り付けられている。図示したネジ４０４’’及びバネ４０６’’は、図４及び５に関連してすでに説明したものと同一である。ネジ４０４’’及びバネ４０６’’は、入力チャンバ４２０’’内部にグランドハウジング３０の外部表面から延伸する。
【００９２】
図示したサブシステム５２０は、入力チャンバ４２０’’と連通したバリヤー流体分配網と、出力チャンバ４１０’’と流体連通した閉鎖流体分配網とを更に含む。閉鎖流体分配網及び閉鎖流体分配網は、図５に関連して説明されたものと類似の様態で作動する  閉鎖流体分配網は、出力チャンバ４２０’’及び出力導管４１６’’と流体連通して配置された排出通路４５０を更に含む。この排出口は、図示したフィードバックサブシステム５２０が内部の閉鎖流体圧を、バリヤー流体圧の関数として排出するのを許容する。
【００９３】
図示した可動バルブ４４８は、入力チャンバ４２０’’内のバリヤー流体及び出力チャンバ４１０’’内の閉鎖流体によって開放位置と閉鎖位置との間を交互に移動可能である。例えば、シールが作動されると、バリヤー流体は、第一サブシステム５０１により加圧されて、入力チャンバ４２０’’を満たす。バリヤー流体とバネ４０６’’は、可動バルブ４４８の一方の側に圧力を掛けて、その可動バルブを特定の方向（例えばシールの内側又は外側）に、つまり開放位置と閉鎖位置との間を移動させる。これら二つの圧力の合計が、可動バルブ４０８に対する入力圧となる。同時に、閉鎖流体分配網は、任意の圧力で閉鎖流体を保持する。閉鎖流体供給源からの閉鎖流体が、出力チャンバ４１０’’に流入して、可動バルブ４０８の他方の側（例えば左側）に圧力を加え、可動バルブ４４８に対する出力圧を発生させる。閉鎖流体の圧力が出力チャンバ４１０’’内のバリヤー流体圧よりも小さくなると、入力圧が可動バルブを図示したように閉鎖位置に付勢する。この圧力構成によって、固定シールリングに対する軸方向の付勢力が維持される。その結果、調節システムは、排出通路４５０を介した排出によって閉鎖圧力を減少させることがない。
【００９４】
出力チャンバ４１０’’内の閉鎖流体により加えられる圧力が入力圧より大きくなると、その差圧が可動バルブ４４８を図６に示すように開放位置に付勢する。これにより、閉鎖力流体分配システムが排出通路４５０と接続して、システムから閉鎖流体を排出する。具体的には、サブシステム５２０は、閉鎖流体チャンバ２４２と、閉鎖流体通路４４０と、横方向通路４４４と、入力穿孔４１４’との中の閉鎖流体を出力チャンバ４１０’’に移動させる。そこからは、閉鎖流体は、出力閉鎖流体穿孔４１６’’から排出通路４５０へと移動される。可動バルブ４０８を開放位置に移動することにより、出力チャンバ４１０’’に収容されている閉鎖流体が排出通路４５０を通過可能になる。
【００９５】
システム５２０が閉鎖流体をシールから除去する際に、出力チャンバ４１０’’内の閉鎖流体圧は減少してバリヤー流体圧と調節可能バネ圧の合計に概ね等しくなる。これが起こると、システム圧が可動バルブ４４８を閉鎖位置まで付勢して、排出通路４５０と閉鎖分配網のその他の部分との流体圧と調節連通を遮断する。
【００９６】
フィードバックシステム５２０から閉鎖流体を排出することで、流体フィードバック圧力調節システム５００全体がシール面１８、２０間の分離を調節してシール漏れを制御できる。詳しくは、このシステムは、システムからの閉鎖流体を減少させ又は排出して、プロセス圧の減少に反応する。こうして減少した閉鎖流体圧は、シール面が分離するのを許容し、よって、好ましくないシール面接触を回避する。
【００９７】
上述のサブシステム５０１、５１０及び５２０は、共に用いてメカニカルシールのグランドハウジング３０内に取り付けるのが好ましい。組み合わせて用いると、これらのサブシステムは、一つ以上のメカニカルシール圧の関数としてそれ以外の一つ以上のシール圧を調整する、完全な流体圧フィードバックシステムを形成する。好適な一様態によれば、サブシステム５０１、５１０及び５２０は、本発明の流体フィードバック圧力調節システム５００の殆ど全体を構成する。
【００９８】
流体フィードバック圧力調節システム５００は、差圧調整器として機能する。システムの一般原理は、メカニカルシール内の圧力条件が変更すると、システムがシールに供給される閉鎖圧とバリヤー流体圧の一方又は両方を制御調節して、シールリングにおけるシール面の一定の条件を維持するというものである。この流体調節システムは、バリヤー流体、プロセス流体、及び閉鎖流体の何れかの流体を動的フィードバック流体入力として用いて、この調節された入力に基づいてバリヤー流体圧又は閉鎖力の何れかを制御する。この際に、このフィードバックシステムは、選択した流体圧間の圧力変化を検知して、この不均衡を是正する。この流体フィードバックシステムはこれを達成するのに、システムを高圧流体供給源に接続して、閉鎖流体をこのシステムに加え、内部圧力が選択レベルより高いか低い時に、内部圧力を高めたりシステムからの閉鎖流体圧を排出させる。更に、このフィードバックシステムは、バリヤー流体又は閉鎖流体を、調節された圧力入力より高いか低い任意設定点まで調節又は制御する能力を具備している。
【００９９】
図４乃至８に示したように、フィードバックシステム５００は、バリヤー圧力をプロセス流体圧より高く保ちつつ、プロセス流体圧を動的フィードバック流体入力として用いる。プロセス流体は、これ以外の箇所もあるが、メカニカルシールのシールリングの外径に沿って配置されたプロセス流体チャンバ３００に収容している。プロセス流体は、グランドハウジング３０に形成された適切なプロセス流体穿孔を介してフィードバックシステムの入力チャンバ４２０に連通している。入力チャンバ４２０内に設けられたバネ４０６と協働して、プロセス流体は可動バルブ４０８の一方の側に圧力を発生させる。上述したように、バリヤー流体が、バリヤー流体入力通路４１５を介して中間チャンバ４１２に導入される。プロセス流体及びチャンバ４２０内のバネ４０６によって加えられる力は、可動バルブ４０８の反対側に加えられる出力チャンバ４１０内のバリヤー流体圧と釣り合う。その結果、フィードバックシステムは、バリヤー流体分配網のバリヤー流体チャンバ４２４内のバリヤー流体圧を（例えば、調節された出力）、バネ４０６の調節可能な力に対応した
分だけプロセス圧より高い圧力まで高める。
【０１００】
プロセス流体とバネによって掛けられる圧力が変化すると、例えば、プロセス流体とバネの圧力がバリヤー流体圧より大きくなると、可動バルブが選択位置まで付勢されて、入力バリヤー流体供給源をバリヤー流体分配網に接続する。するとバリヤー流体は、バリヤー流体分配網に流入して出力チャンバ４１０を加圧する。バリヤー流体分配網が十分加圧されると、バリヤー流体は、出力チャンバ４１０を充満して、且つ入力チャンバ４２０内に形成されるプロセス流体とバネ４０６の合計圧力を相殺し、それと釣り合う。
【０１０１】
バリヤー流体が出力チャンバ４１０に充満すると、可動バルブのバリヤー流体側（つまり左側）の圧力が増大して、図示したように、バリヤー流体圧が可動バルブを左方向に中間閉鎖位置まで移動し、バリヤー流体の供給をシステムから切り離すまでになる。
【０１０２】
メカニカルシールにバリヤー流体供給源から導入されたバリヤー流体は、軸方向の穿孔２２８及び半径方向溝１８０に運ばれる。バリヤーフィードバック通路４４６（図５）は、軸方向の穿孔２２８及び半径方向溝１８０を入力チャンバ４２０’に接続する。よって、バリヤー流体は、圧力フィードバック入力として用いられ、閉鎖流体網の閉鎖流体は調整されたフィードバック出力であり、且つバネ４０６’により掛けられる圧力に対応した選択した値分でバリヤー流体圧より高い圧力に調節される。よって、バネ４０６’は、選択したレベルの圧力を流体フィードバック圧力調整システムの入力フィードバック側（例えば入力チャンバ４２０’）に加える。閉鎖流体圧は、追加の閉鎖流体を加えて増大されるか、閉鎖流体分配網から閉鎖流体を逃がして低下される。
【０１０３】
シール漏れの量は、以下の様態で特定のシール流体の管理調節と関連している。プロセス流体圧の増加は、シールに導入されるバリヤー流体の量を増加させる。増加したバリヤー流体はバリヤー流体分配網を加圧し、シール面が更に分離し、よってシール面漏れを増大させる。これに対応して、流体フィードバック圧力調整システムは、閉鎖流体網を加圧するため導入された閉鎖流体の量を増加する。これは、閉鎖流体チャンバ２４２内の閉鎖流体圧の増加に対応し、よって、シール面を互いに向けて付勢してシール漏れ量を減少させる。
【０１０４】
反対に、プロセス流体圧が減少すると、バリヤー流体のシールへ導入するのを終了する。バリヤー流体量が減少するのは、シールリングのシール面が互いの近くに付勢されるので分かり、これで面シール接触に至ることもある。このシステムは、閉鎖流体分配網を排出口に接続して選択した量の閉鎖流体圧をシステムから逃がすことで、この状態を自動的且つ流体的に補正する。閉鎖流体チャンバ２４２内の閉鎖流体圧の減少により、シール面が選択した量で分離して面シール接触を抑制する。
【０１０５】
更には、図４のサブシステム５０１が、プロセス流体圧とバネ４０６が加える力の合計である、バリヤー流体の設定又は基準圧力レベルを生成するのは当業者であれば理解できるであろう。調節可能なネジ４０４は、バネ４０６の張力を調節して、バリヤー流体の基準圧力点を調節する。よって、このシステムは、選択したシステムパラメータを適切な整備者がリアルタイムで且つ動作中に、変更するのを許容する。
【０１０６】
図１１乃至１３は、ブシステム５０１、５１０及び５２０により示したように、本発明の流体フィードバック圧力調節システム５００の動作方法を説明した概略フローチャート図である。図１１は、図４のサブシステム５０１により示したように、バリヤー流体圧をプロセス流体圧に対して或るレベルに設定する方法を説明したものである。図１２は、閉鎖流体をバリヤー流体圧の関数としてシステムに導入する方法を説明したものである。図１３は、閉鎖流体をシステムからバリヤー流体圧の関数として排出する方法を説明したものである。これらの図に示した三つのプロセスは全て連続的なプロセスであり、平行して、同時発生的に、共時的に実行できる。
【０１０７】
ステップ５０５において、プロセス流体は、流体ハウジングからプロセス流体入力通路を介して入力チャンバ４２０に導入される。この圧力は、調節可能バネ４０６が発生する力つまり圧力と共に、サブシステムの入力圧となる。バリヤー流体源がバリヤー流体をバリヤー流体通路４１５を介して調節システムに導入する。その後、バリヤー流体は穿孔２２８及び溝１８０を含むバリヤー流体分配網に送られる。出力チャンバ４１０は、最終的にバリヤー流体で満たされ、バネとプロセス流体の合計圧力を少なくとも部分的には相殺する。
【０１０８】
ステップ５１５において、入力チャンバ４２０内の圧力は、出力チャンバ４１０内のバリヤー流体圧と比較される。もしバリヤー流体圧が、調節可能バネ４０６とプロセス流体の合計圧力未満であれば、可動バルブ４０８は開放位置に置かれ、ステップ５３０及び５４０に示したようにバリヤー流体分配網をバリヤー流体供給源に接続する。ステップ５５０に記載したように、バリヤー源は流体をバリヤー流体供給源に供給する。バリヤー流体がプロセス流体とバネの力よりも十分低くなく、可動バルブを感知できるほど移動させない場合は、可動バルブは閉鎖位置に留まる。これは、フィードバックループ５３５に示されている。
【０１０９】
ステップ５６０では、出力チャンバ４１０内のバリヤー流体圧は、プロセス流体圧と調節可能バネ圧との合計と再度比較される。ステップ５７０では、バリヤー流体圧がプロセス流体圧と調節可能バネ４０６の圧力との合計より低ければ、フィードバックループ５７５に示されているように可動バルブ４０８は閉鎖位置に留まり、バリヤー流体分配網をバリヤー流体供給源に接続する。ステップ５８０に示されているように、バリヤー流体圧がプロセス流体圧と調節可能バネ圧との合計より高ければ、可動バルブ４０８は開放位置に移動してバリヤー流体分配網をバリヤー流体供給源から切り離す。
【０１１０】
プロセス流体圧の増加はバリヤー流体圧の増加に至るが、これはシールリングのシール面が分離されて過剰なシール漏れに至る可能性があることを示している。本流体フィードバック圧力調節システムは、システム中の閉鎖流体圧を増加させてこの状態を補正する。逆に、シール面が互いに比較的近いことを示すバリヤー流体圧の減少が起こると、圧力調節システムは閉鎖流体圧を減少させ、シール面を選択した量で分離させる。
【０１１１】
図５乃至６Ｂを特に参照すると、バリヤー流体圧の増加は入力チャンバ４２０’を加圧して（図５）、閉鎖流体分配網を閉鎖流体供給源に繋ぐ。この供給は、閉鎖流体分配網を加圧すると共に、閉鎖流体穿孔４１４’と４１６’、中間チャンバ４１６’、横方向通路４４４、通路ジャンクション４４２、半径方向の閉鎖流体通路４４０及び閉鎖流体チャンバ２４２を経由して閉鎖流体を固定シールリングの裏面に移動させる。上昇した閉鎖流体圧は上昇したバリヤー流体圧と釣り合って、シール面における漏れを最小限に抑えるよう作用する。
【０１１２】
図１２は、バリヤー流体圧を基準として閉鎖流体圧を或るレベルに設定する方法を説明したものである。ステップ６００および６１０では、バリヤー流体は、入力チャンバ４２０、穿孔２２８及び溝１８０を含むバリヤー流体分配網に導入され、入力チャンバ４２０内にバリヤー流体圧を発生させる。この圧力と調節可能なバネ４０６の圧力合計が、このサブシステムの入力圧を規定する。閉鎖流体圧は、閉鎖流体チャンバ２４２及び閉鎖流体圧通路４４０を含む閉鎖力流体分配網に導入される。
【０１１３】
ステップ６２０では、入力チャンバ４２０内の入力圧が、出力チャンバ４１０内の出力圧と比較される。ステップ６３０では、出力又はバリヤー流体圧（プロセス流体圧の変化に対応する）が入力圧未満に低下すると（これは過剰な好ましくないシール漏れを示す可能性がある）、ステップ６４０で可動バルブ４０８’が開放位置に置かれ、閉鎖力流体分配網を、入力通路４６０に導入された閉鎖流体供給源に接続する。詳しくは、閉鎖流体源からの閉鎖流体は入力閉鎖流体通路４６０を通過して、入力閉鎖流体穿孔４１６’に流入し、その後中間チャンバ４１２’に流入する。閉鎖流体はその後このチャンバから出力閉鎖流体穿孔４１４’、横方向通路４４４、ジャンクション４４２、及び閉鎖流体出力通路４４０を介して、図示した二次シーリング構造を囲む閉鎖流体チャンバ２４２に至る。シールの閉鎖力側に導入された付加的閉鎖流体は、閉鎖流体チャンバ２４２内部の圧力を増加させ、更に、固定子を回転子の方へ軸方向に付勢する。これはステップ６４０と６５０に説明してある。逆に、フィードバックループ６３５で示したように、もし出力圧（つまり閉鎖流体圧）が入力圧（つまりバリヤー圧力）以上であれば、可動バルブは開放位置に移動されるかその位置に維持される。
【０１１４】
ステップ６６０、６７０及び６７５に示したように、出力チャンバ４１０’内の出力圧が入力圧と再度比較され、もし閉鎖力流体圧がバリヤー流体圧と調節可能なバネ４０６の圧力との合計未満であれば、閉鎖流体が閉鎖力流体分配網に閉鎖流体供給源により追加される。もし出力閉鎖流体圧が入力圧より高ければ、可動バルブ４０８’が閉鎖力流体分配網を閉鎖流体供給源から切り離す位置に置かれる。よって、この図示した実施例では、バリヤー流体圧が上昇すると、閉鎖流体圧も上昇する。
【０１１５】
図１３にも、バリヤー流体圧を基準として閉鎖流体圧を或るレベルに設定する方法が記載されているが、とりわけ調節システム５００から流体をバリヤー流体圧の関数として排出させる。このフローチャートの方法は、図６Ａ及び６Ｂに示したサブシステム５２０に少なくとも部分的には対応する。ステップ７００及び７１０では、バリヤー流体がバリヤー流体分配網に導入されて、入力流体チャンバ４２０’’内のバリヤー流体圧を発生させる。この圧力が調節可能なバネ４０６’’の圧力と協働してサブシステム５２０の入力圧を規定する。閉鎖流体は閉鎖力流体分配網に導入され、上述したように出力チャンバ４１０’’内に出力圧を発生させる。
【０１１６】
ステップ７２０および７３０では、入力チャンバ４２０’’内の圧力を出力チャンバ４１０’’内の圧力と比較する。フィードバックループ７３５において、もし出力圧が、バリヤー流体圧と調節可能なバネ４０６’’の圧力との合計である入力圧よりも低ければ、可動バルブ４４８を閉鎖位置に移動又は維持し（図６）、閉鎖力流体分配網が調節システム５００から閉鎖力流体を排出するのを防ぐ。もし出力圧が入力圧よりも高ければ、ステップ７４０において、可動バルブは開放位置に移動され、閉鎖力流体分配網を流体排出口４５０に接続する。ステップ７５０に記載されているように、この排出で、閉鎖力流体は閉鎖力流体分配網から除去される。ステップ７６０では、出力チャンバ４１０’’内の出力圧が、プロセス流体圧と調節可能なバネの圧力との合計である入力圧と比較される。ステップ７７０では、バリヤー流体圧がプロセス流体圧と調節可能なバネ４０６’’の圧力との合計である入力圧よりも高ければ、フィードバックループ７５５において可動バルブが、閉鎖力流体分配網と流体排出口との接続を維持する位置に置かれる。もし出力圧が入力圧よりも低ければ、可動バルブ４４８を閉鎖位置に付勢して閉鎖力流体分配網を流体排出口から切り離す。よって、もしバリヤー流体圧が減少したり、閉鎖流体圧の上昇が検知されれば（これはシール漏れが予想より低いことを示したり、プロセス流体圧の変化又はバリヤー流体圧の変化を示す可能性があるが）、フィードバック調節システム５２０はシールから閉鎖流体圧を排出又は減少させる。
【０１１７】
図示した流体フィードバック圧力調節システム５００は、こうしてバリヤー供給圧の増大を感知して閉鎖流体圧を増加させ、更にバリヤー流体圧の減少を検知して閉鎖流体圧を減少させる。
【０１１８】
図９Ａ、９Ｂ及び９Ｃは、上述の三つの圧力フィードバックサブシステム５０１、５１０及び５２０の別の実施例を示したものであり、内側でアクセスを制限した位置でネジを使用するものである。特に、図９Ａは、図４のサブシステム５００の別の実施例であるサブシステム１５３０を開示し、図９Ｂは、図５のサブシステム５１０の別の実施例であるサブシステム１５４０を開示し、図９Ｃは、図６Ａ及び６Ｂのサブシステム５２０の別の実施例であるサブシステム１５５０を開示している。図示したサブシステム１５３０、１５４０及び１５５０はハウジング１１とグランドハウジング３０との間のアクセスが制限された箇所に設けられた調節可能なバネ４０６を使用している。これら図面中では、類似の参照番号は類似の構成部品を示す。図示したフィードバックシステムは、図９Ａ、９Ｂ及び９Ｃに示された種類及び構成のシールだけでなく、適切であれば如何なるメカニカルシールと共に用いてもよい。
【０１１９】
図９Ａは、バリヤー流体圧をプロセス流体圧を基準にして選択されたレベルに維持するための第一サブシステム１５３０を示す。図示したサブシステムは、グランドハウジング３０内に形成された適正な寸法のチャンバ内部に配置された可動バルブ４０８を用いている。流体フィードバック圧力調節システムの種々の圧力通路と穿孔との間の連通を可能にするように選択された態様で穴繰りされている環状流体マニホールド４４１が、チャンバ４０７に取り付けられている。
【０１２０】
図示した流体マニホールド４４１は、図４、７および８に関連して説明されたものと同一であり、かつ可動バルブ４０８を納める中央穿孔を有する。この穿孔は可動バルブの最外径と等しいか或いは若干大きい寸法になっており、この可動バルブが、穿孔内で開放位置と閉鎖位置との間を比較的自由に摺動することができ、しかもマニホールドにリークが生じた場合、可動バルブ周囲のリークを最小限にしたり、或いは阻止することができる。流体マニホールド４４１は、数多くの放射状に延伸する流体穿孔４１４および４１６を具備しており、マニホールドは、特定の圧力が印可された流体をチャンバに選択的に連通させることができる。Ｏリング４２６及び４２８のようなシーリング構造体は、チャンバ４０７の内側壁と流体マニホールド４４１の選択部分との間の圧力シール及び流体シールを形成するために、マニホールドの外表面に形成された対応する溝内部に取り付けられている。
【０１２１】
可動バルブ４０８は、チャンバを入力チャンバ４２０と出力チャンバ４１０とに分割しており、同時に中間チャンバ４１２が可動バルブのフランジ付端部の間に形成される。可動バルブ４０８は、調節可能なバネ４０６に接続されており、その一端は手動調節ネジ４０４に付着されている。図示した調節可能なネジ４０４は、手が届き難い箇所に取り付けてあり、工場出荷時に予め決められた設定によるバネ張力を、作業員が不正に改変したり、或いは調整したりすることを防止したり或いは禁止するようになされている。システムオペレータは、選択された仕方でネジを回転させることで、このバネによって印可されている張力を調節できる。このようにして、ネジ４０４およびバネ４０６は協同して、図示した圧力調節サブシステム１５３０における初期すなわち設定点圧力を規定する機能を果たす。
【０１２２】
ネジ４０４及びバネ４０６は、グランドハウジング３０の内部表面から入力チャンバ４２０内へと延伸する。入力チャンバ４２０は、プロセス流体分配網と連通することで、意図された通り、シールのプロセス流体が入力チャンバ４２０と連通できるようになる。本発明の流体フィードバック圧力調節システムのプロセス流体分配網はとりわけ、プロセス流体チャンバ３００のようなメカニカルシール内部或いは周囲に形成された適正なプロセス流体チャンバと、プロセス流体をチャンバ３００から入力チャンバ４２０へ連通させるプロセス流体穿孔４２１とを含む。当業者であれば、このプロセス流体分配網が、所望であれば、プロセス流体を可動バルブ４０８と選択された態様で連通させ得るように、グランドハウジング３０内に形成された複数の内部穿孔及び通路を具備し得ることを理解するであろう。この調節システムはまた、グランドハウジング３０の外部に継手を用いて、システム流体をシテム１５００の特定の部分或いは構成要素と連通させ得る。例えば、プロセス流体を流体ハウジングから入力プロセス流体穿孔４２１へと移すために、外部流体導管をグランドハウジング３０に接続させることもできる。
【０１２３】
更に図９Ａを参照すると、同様に本発明の流体フィードバック圧力調節システム１５００は、バリヤー流体をバリヤー流体供給源（図示せず）から流体マニホールド４４１へと連通させるバリヤー流体分配網を含むこともできる。このバリヤー流体分配網は、図４乃至６Ｂに関連して前述したものと同一或いは類似のものであることが好ましい。バリヤー流体分配網は、チャンバ４０７から、例えば軸方向穿孔２２８及び溝１８０等のバリヤー流体付勢システムと、グランドハウジング３０内部に取り付けることができる他のフィードバックシステムと、入力バリヤー供給源通路４１５のような他の流体通路／穿孔とへ、バリヤー流体を連通させる適正なバリヤー流体通路を具備してもよい。特に、バリヤー流体分配網は、マニホールド４４１内に形成された入力バリヤー通路４１６のような、グランドハウジング３０内部に形成された任意の適切かつ適正な穿孔及び／又はチャンバと、出力バリヤー圧力穿孔４１４及びバリヤー導管２３４と、出力チャンバ４１０をメカニカルシールのバリヤー流体付勢システムに接続するバリヤー流体通路４０２とを具備する。当然のことではあるが、この分配網にはまた、固定シールリング内に形成された軸方向流体穿孔２２８及び溝１８０のようなバリヤー流体付勢システムの構成要素も含まれていてもよい。
【０１２４】
更に図９Ａを参照すると、可動バルブ４０８によって、バリヤー流体供給通路４１５と、流体供給源チャンバ４２４と、流体供給源導管４１６とを介してバリヤー流体供給源と連通する中間チャンバ即ちチャンネル４１２が形成される。中間チャンバ４１２はまた、出力バリヤー穿孔４１４、バリヤーチャンバ４２２及び出力バリヤー流体穿孔２３４のような、バリヤー流体をサブシステム１５４０へと運ぶバリヤー流体分配網と流体連通するように選択的に配置されている。
【０１２５】
流体フィードバック圧力調整システム５００と同様に、本発明の圧力調整システム１５００も、グランドハウジング３０内部に完全に取り付けられており、且つ、後に更に詳述するように、選択されたシステム圧を調節する純粋に動的流体システムである。従って、この流体フィードバックシステムは、メカニカルシールのグランドハウジング３０内部に取り付けられている一方、一つ或いは複数のシステム圧を調節するコンパクトな調節システムである。
【０１２６】
動作中は、流体ハウジング１１からのプロセス流体が、プロセス流体分配網を介して入力チャンバ４２０と連通する。好適な一実施例によれば、プロセス流体は、プロセス流体チャンバ３００から、入力プロセス圧力穿孔４２１を介して或いはプロセス流体が入力チャンバ４２０の中へ流入するのを可能にするシール及び／又はグランドハウジング３０内部で適正に形成された任意の他の通路を介して、入力チャンバ４２０へと送出される。プロセス流体は、所与の動作圧になっている。入力チャンバ４２０内のプロセス流体は、可動バルブ４０８の入力側、例えば左側に、圧力を及ぼす。更に、調節可能なバネ４０６が、可動バルブ４０８に圧力を及ぼす。これら二つの力即ち圧力が結合して入力圧を形成し、この圧力が、可動バルブ４０８をシールの外側に、例えば右側に向かって付勢する初期入力軸方向力を発生させる。
【０１２７】
バリヤー流体源は、バリヤー流体分配網によって、バリヤー流体を、圧力調節サブシステム１５３０へ、またメカニカルシールへと導入する。一実施例によれば、バリヤー流体源からのバリヤー流体は、入力供給源通路２３４を介して、入力供給源チャンバ４２２及び入力バリヤー穿孔４１６へと導入され、よって中間チャンバ４１２の中へも導入される。その後、バリヤー流体は、可動バルブ４０８を閉鎖及び開放位置の間で選択的に付勢する事で、出力チャンバ４１０及びバリヤー流体分配網へと選択的に導入される。可動バルブ４０８は閉鎖位置で図示されている。具体的には、可動バルブ４０８が、出力バリヤー流体穿孔４１４を塞ぐことができるように位置しており、よって中間チャンバ４１２を出力チャンバ４１０から切り離している。
【０１２８】
入力チャンバ４２０内のプロセス流体は、可動バルブ４０８の入力側に圧力を及ぼす。更に、調節可能なバネ４０６が、この可動バルブに圧力を及ぼす。これらの二つの圧力が結合して入力圧が形成され、この圧力が、可動バルブ４０８を右側に向かって、従って閉鎖位置から開放位置に向かって付勢する初期入力軸方向力を発生させる。
【０１２９】
可動バルブが開放位置に配置されると、中間チャンバ４１２からのバリヤー流体は、出力閉鎖流体穿孔４１４を通って出力チャンバ４２４及び４１０へ流入する。バリヤー流体は、可動バルブ４０８の右側に対して反対側すなわち軸方向に外側に向かう圧力を及ぼし、出力チャンバ４１０内に出力圧を形成する。出力チャンバ４１０内のバリヤー流体によって及ぼされた出力圧が、入力チャンバ４２０内のプロセス流体圧と調節バネ圧との合計より大きい場合は、可動バルブ４０８は図示の閉鎖位置へと戻る。具体的には、バリヤー流体分配網が供給源からのバリヤー流体で満たされると、出力チャンバ４１０内のバリヤー流体圧が、そのチャンバ内の圧力を増大させる。出力チャンバ４１０内部のバリヤー流体圧が、プロセス流体と調節可能なバネ４０６によって生じる圧力の合計と等しいか、或いはそれを超える場合は、可動バルブが図示した閉鎖位置へと移動して、バリヤー流体供給源を出力バリヤー通路２３４から切り離す。従って、流体フィードバック圧力調節システム内部のバリヤー流体は、プロセス圧と可変バネ４０６圧とによって生じた圧力の合計におよそ等しいレベルまで加圧される。当業者であれば、プロセス圧及び／又はバネ圧より小さい圧力になるまでバリヤー流体分配網を加圧することを含め、他の圧力構成も同様に使用できることを直ちに理解するであろう。閉鎖位置と開放位置との間を移動することで、中間チャンバ４１２及び出力チャンバ４１０がバリヤー流体供給源と連通可能になり、これによりバリヤー流体供給源と出力流体穿孔４１４との間に流体経路が形成される。その後、バリヤー流体は、出力バリヤー通路を介してバリヤー流体分配網の残部及び圧力システム１５００へ流入していく。
【０１３０】
流体フィードバック圧力調節システム１５００は、閉鎖流体を閉鎖流体分配網へ導入するための、或いは閉鎖流体をそこから排出するためのサブシステムを更に含むことも可能である。これらのサブシステムには、プロセス流体穿孔４２１及びバリヤー流体穿孔４１５以外の、図示したサブシステム１５３０と殆ど同じ構成要素が具備されている。従って、これら三つのサブシステムは、直接的に或いは間接的にシール面１８及び２０に作用する特定の流体圧を制御するために、三つ併せて或いは任意の組み合わせで、利用され得る。
【０１３１】
図９Ｂ及び９Ｃには、メカニカルシールに対して閉鎖流体圧を加えたり、或いはそこから閉鎖流体圧を減じたりするサブシステム１５４０及び１５５０が示されている。図中、類似の数字は類似の要素を表す。サブシステム１５４０は、閉鎖流体供給源（図示せず）をこのシールの閉鎖流体付勢システムに接続する。この付勢システムによって、バリヤー流体分配網及び／又は、例えば軸方向穿孔２２８及び溝１８０のようなバリヤー付勢システム内部の圧力の関数として、閉鎖力が固定シールの裏面側に印可される。
【０１３２】
図示したサブシステム１５４０も同様に、グランドハウジング３０内部の適正な寸法のチャンバ内に取り付けられた流体マニホールド４４１内部に配置した可動バルブ４０８を具備している。この可動バルブ４０８が、チャンバを入力流体チャンバ４２０と出力チャンバ４１０に分割しており、中間チャンバ４１２がこれらの間に形成されている。可動バルブ４０８は、一つの調節可能なバネ４０６に接続され、そのバネの一端は一つの手動調節可能なネジ４０４に付着されている。図示したネジ４０４及びバネ４０６は、前述のものと同一のものである。図示したサブシステム１５４０は、第一シールリング１４に対するバリヤー又は閉鎖流体圧、或いは何らかの他の流体でもよい閉鎖流体源の閉鎖流体分配網を更に具備している。閉鎖流体分配システムは、第一及び第二シールリング１４及び１６の間の分離を調整或いは調節するために、第一シールリングに軸方向の閉鎖付勢力を及ぼす。閉鎖力分配網は、閉鎖流体をシールリングの少なくとも一つに導入して、これらのシールリング間の分離を調整する任意の適切な装置及び数多くの流体導管及び穿孔を具備し得る。特に、図示した分配網は、一つ或いは複数の入力閉鎖流体通路４６０と、入力閉鎖流体穿孔４１６と、中間チャンバ４１２と、出力閉鎖流体穿孔４１４と、横断方向の閉鎖流体穿孔４４４と、閉鎖流体ジャンクションと、通路コネクタ４４２及び４４０と、閉鎖流体付勢チャンバ２４２とを具備し得る。
【０１３３】
サブシステム１５４０も同様に、バリヤー流体を、サブシステム１５３０から入力チャンバ４２０へ、そして溝１８０へと連通させるためのバリヤー流体分配網を具備し得る。この分配網は、サブシステム１５３０に関連して前述したものと類似のものであってもよい。従って、バリヤー流体分配網は、バリヤー流体をサブシステム１５３０から入力チャンバ４２０へ、そして例えば軸方向穿孔２２８及び溝１８０等のバリヤー流体付勢システムへと連通させる、適切なバリヤー流体通路を具備し得る。特に、バリヤー流体分配網には、バリヤー流体を、固定シールリング内に形成した軸方向流体穿孔２２８と、溝１８０とに接続するバリヤー流体通路４４６を含めて、グランドハウジング３０内部に形成した任意の適切で且つ適正な穿孔及び／又はチャンバが具備されている。
【０１３４】
再び図９Ｂを参照すると、可動バルブ４０８は、入力チャンバ４２０及び出力チャンバ４１０内部の流体によって、開放位置と閉鎖位置との間に交互に配置可能である。例えば、シールが作動すると、バリヤー流体がサブシステム１５３０から加圧され、そして入力チャンバ４２０を満たす。バリヤー流体がバネ４０６と共に、可動バルブ４０８の一方の側に圧力を及ぼすことで、この可動バルブがどちらか一方の位置へと押しやられる。こうした力は、この可動バルブが開放位置に配置されている場合には、出力チャンバ４１０の中へと導入される閉鎖力によって相殺される。
【０１３５】
入力チャンバ４２０内部の圧力が出力チャンバ４１０内部の圧力を凌駕する場合は、差圧によって可動バルブ４０８が右側に、即ち図示した閉鎖位置から開放位置へと付勢される。供給源からの閉鎖流体は、閉鎖流体入力通路４６０、チャンバ４２２及び入力閉鎖流体穿孔４１６を通って中間チャンバ４１２へ流入していく。この中間チャンバ４１２から、閉鎖流体は、出力閉鎖流体穿孔４１４を介して、横断方向の閉鎖流体穿孔４４４へ、また通路ジャンクション４４２へと、そして閉鎖流体出力通路４４０及び閉鎖流体チャンバ２４２へと流入する。閉鎖流体チャンバは、選択された態様で固定シールリング１４に作用するように、この固定シールリングの裏面側に配置される。例えば、軸方向チャンバ２４２内の閉鎖流体圧は、シールリングのシール面１８及び２０間の分離を調節するために設定され得る。従って、システム１５００は、一つ或いは複数のシール流体圧に基づいてシール漏出を調節することができる。
【０１３６】
動作時に、入力チャンバ４２０にはサブシステム１５３０によって加圧されたバリヤー流体が充満する。バリヤー流体および調節可能なバネは、可動バルブ４０８の左側面を加圧して入力圧を形成する。入力チャンバ４２０の圧力が出力チャンバ４１０の圧力を超えると、可動バルブ４０８は開放位置に付勢される。この開放位置にあるとき、可動バルブは閉鎖液供給源を出力流体穿孔４１４および中間チャンバ４１２と流体的に接続する。次に閉鎖力は、閉鎖流体チャンバ２４２に伝達されて、選択された方法で固定シールリングに作用する。同時に、中間チャンバの閉鎖流体４１２は、出力チャンバ４１０に充満し、可動バルブ４０８のもう一方の側面（例えば、右の側面）に圧力を印加する。閉鎖流体によって印加される力は、バリヤー流体およびバネ４０６によって印加される力を相殺して、閉鎖位置へ可動バルブを付勢し戻し、それによって出力閉鎖流体穿孔４１４から閉鎖流体供給源を切断する。特に、可動バルブ４０８のフランジは、穿孔４１４を塞いで、中間チャンバ４１２から残りの閉鎖流体分配網までの閉鎖流体通路を妨害または抑制する。結果的に、図示のサブシステム１５４０は、バネ圧とバリヤー流体圧を組合せた関数である閉鎖流体圧を確立する。
【０１３７】
図示のサブシステム１５４０は、バリヤー流体圧とプロセス流体圧の関数としての閉鎖流体圧を調整すなわち増加するために使用されることが好ましい。それによって、流体フィードバック調整システムは、シール面の間隙厚さおよび漏れを調整する。このサブシステム１５４０は、バリヤー流体圧の関数として閉鎖力圧を調整する完全流体的な動圧調整システムを形成する第一のサブシステム１５３０に接続して使用することができる。サブシステム１５３０は、バリヤー流体圧をプロセス流体圧とバネ圧に対して選択されたレベルにセットするが、手作業で調節可能である。
【０１３８】
図９Ｃを参考とすると、本発明の流体フィードバック圧力調整システムの排出サブシステム１５５０が示されている。サブシステム１５５０は、バリヤー流体圧の関数として調整システムから閉鎖流体圧を抜く或いは排出させることができるように構成されている。尚、同様の参照番号は、図面を通して同様の部分に対応する。図示のサブシステムは、グランドチャンバ内に配置される可動バルブ４４８を含む。チャンバは、流体圧力調整システムの通路および穿孔とメカニカルシールとの間を連通させるために選択された方法で中ぐりされた環状流体マニホールド４４１を備える。可動バルブ４４８は、調節可能なバネ４０６に結合され、その一端が手作業で調節可能なバネ４０４に取りつけられる。
【０１３９】
また、図示のサブシステム１５５０は、入力チャンバ４２０にバリヤー流体を送るかまたは移送するバリヤー流体分配網と、出力チャンバ４１０と流体的に連通して配置される閉鎖流体分配網を含む。バリヤー流体分配網は、既に記述されたものと同様である。閉鎖流体分配網はさらに、出力チャンバ４１０と選択的に流体的に連通して配置される排出通路４５０を含む。この排出開口部により、図示のフィードバックサブシステム１５５０はバリヤー流体圧の関数としてサブシステムから閉鎖流体圧を抜く。
【０１４０】
可動バルブ４４８は、入力チャンバ４２０内のバリヤー流体圧と出力チャンバ４１０の閉鎖流体圧によって開放位置と閉鎖位置の間で選択的に移動可能である。例えば、シールの操作時に、バリヤー流体分配網はサブシステム１５３０（図９Ａ）によって加圧され、入力チャンバ４２０を満たす。バリヤー流体およびバネ４０６は可動バルブ４４８の一面に圧力を印加し、可動バルブの位置の何れかに押し込むために可動バルブの片側の圧力を及ぼす。これらの二つの圧力の和が、チャンバ４２０内の入力圧を形成する。同時に、閉鎖流体分配網は所定の圧力で閉鎖流体を収容する。閉鎖液供給源から送られる閉鎖流体は、出力チャンバ４１０に進入し可動バルブ４４８のもう一方の側面（例えば、右側面）に圧力を印加し、出力チャンバ４１０の出力圧を形成する。出力チャンバ４１０の閉鎖流体圧が、入力チャンバ４２０内の合計圧未満であるとき、可動バルブは図示の閉鎖位置に付勢される。この圧力構成は、閉鎖流体分配網からの閉鎖流体圧の抜けを妨げる。結果的に、この調整システムは、排出通路４５０を通して、閉鎖力圧を抜くことによってその力が減ることはない。
【０１４１】
出力チャンバ４１０内で閉鎖流体に対して印加された圧力がバリヤー流体および調節可能なバネ４０６の圧力の和より大きいときは、この差圧は閉鎖位置から右側の開放位置側に可動バルブ４４８を付勢する。これにより、閉鎖流体分配網が閉鎖流体をグランドハウジング３０に形成された排出通路と連絡することができる。閉鎖流体網は、閉鎖流体チャンバ２４２および出力チャンバ４１０に含まれる閉鎖流体をシールから抜く。特に、サブシステム１５５は、出力チャンバ４１０まで閉鎖流体通路４４０、４４２および４４４に位置する閉鎖流体を移送する。可動バルブ４４８が開放位置内へ配置されることで、出力チャンバ４１０内に収容された閉鎖流体が排出通路４５０を通過することができる。流体フィードバック調整システムによる閉鎖流体のこの排出により、このシステムは固定シールに印加される閉鎖力を調整することができる。ある実施例によれば、もしバリヤー流体圧が減少する場合、これはその流体圧が減少プロセス圧に対応していることもあるが、閉鎖流体圧を調整して閉鎖流体付勢網がシール面を互いに接触させられることを防止する必要がある場合がある。
【０１４２】
システム１５５０が閉鎖流体を除去する際に、出力チャンバ４１０内の閉鎖流体圧が一般にバリヤー流体圧と調節可能なバネ圧の和に等しくなるまで減少する。これが起こるとき、システム圧力は、閉鎖位置に可動バルブ４４８を付勢して、排出通路と残りの閉鎖流体分配網の間の流体的な連通を切断する。
【０１４３】
上述のサブシステム１５３０、１５４０および１５５０を一緒に使用して、メカニカルシールのグランドハウジング３０に備えることが好ましい。組合せる場合には、サブシステムは一つ以上のシール圧の関数としてとしてメカニカルシールの一つ以上の圧力を調整する完全な流体圧フィードバックシステム１５００を形成する。
【０１４４】
図１４Ａおよび１４Ｂは、図９Ａから図９Ｃに示すサブシステム１５３０、１５４０および１５５０の動作方法を説明する略フローチャート図である。これらの図に記述された３つのプロセスはすべて連続的なプロセスであり、並列して、同時に共に実施することができる。
【０１４５】
図１４Ａはプロセス圧力を基準にしてあるレベルに第１の中間流体圧を設定または確立する方法を具体的に示す図である。ステップ８１０では、プロセス流体はプロセス流体分配網に導入される。特に、プロセス流体がプロセス流体室からプロセス流体通路４２１を通して入力チャンバ４２０に導入される。調整可能なバネ４０６によって生成された力と組合せた入力チャンバ４２０の中のプロセス流体圧が、サブシステム１５３０の入力圧となる。バリヤー流体供給源により、シールにバリヤー流体が導入され、出力チャンバ４１０内で選択された中間流動圧が確立される。ステップ８２０および８３０では、入力圧を出力流体チャンバ４１０内の中間流体圧と比較する。中間流体圧が入力チャンバ４２０の圧力以上である場合、圧力調整サブシステムは閉鎖位置に可動バルブを配置するか維持し、圧力バランスの変更について流体システムを継続的に監視する。これは、フィードバックステップ８３５で具体的に示される。中間流体圧が入力チャンバ４２０のプロセス流体圧と調節可能なバネ圧の和未満である場合、ステップ８４０では可動バルブ４０８を開放位置に付勢し、バリヤー流体供給源とバリヤー流体分配網を流体的に接続する。ステップ８５０に記述されるように、供給源はバリヤー流体分配網にバリヤー流体を導入する。特に、供給源は、バリヤー流体を入力バリヤー流体穿孔４１６を通して出力チャンバに、また、出力バリヤー通路４０２を通して軸穿孔２２８および溝１８０に導入する。
【０１４６】
ステップ８６０および８７０では、出力チャンバ４１０の中間バリヤー流体圧を入力チャンバ４２０内の流体圧と再度比較する。出力チャンバ４１０の流体圧が入力チャンバ４２０内の圧力未満である場合、可動バルブは開放位置に維持されるか、付勢されて、バリヤー流体がバリヤー流体網に絶えず導入される。これについては、フィードバックステップ８７５で説明する。中間バリヤー流体圧が入力チャンバ４２０内の圧力より大きい場合、可動バルブ４０８は流体供給源からバリヤー流体分配網を切断するために閉鎖位置に付勢される。
【０１４７】
図１４Ｂは、サブシステム１５３０について上述したように、バリヤー流体圧とプロセス流体圧力の差圧に対して閉鎖流体を選択されたレベルに設定する方法を示す図である。これは、閉鎖流体を加えるか、または、閉鎖流体分配網から閉鎖流体を抜くつまり排出することによって達成される。図示の実施例では、閉鎖流体供給源はバリヤー流体供給源と同じである。図示のフローチャートは、流体フィードバック調整システム１５００のサブシステム１５４０および１５５０の動作を含む。
【０１４８】
ステップ９７０および９８０では、入力チャンバ４２０内のバリヤー流体圧およびバネ圧を出力チャンバ４１０内の閉鎖流体圧と比較する。出力チャンバ４１０内の閉鎖流体圧がバリヤー流体圧とバネ圧の和未満である場合、ステップ９９０に示すように、この可動バルブを右側の開放位置に付勢して閉鎖流体供給源を閉鎖流体分配網と接続する。特に、システムに導入された閉鎖流体は、中間チャンバ４１２から出力閉鎖流体穿孔４１４まで、横方向通路４４４、通路ジャンクション４４２、閉鎖流体通路４４０と、閉鎖流体チャンバ２４２へ通過する。ステップ１０００では、液体が閉鎖流体分配網に加えられ、ステップ１０１０では、閉鎖流体圧を入力チャンバ４２０内の圧力と比較する。閉鎖流体圧が入力圧より未満である場合、フィードバックステップ１０２５によって示されるように、閉鎖流体は絶えず閉鎖力流体配網に加えられる。閉鎖流体圧がバリヤー流体圧と第二バネ圧以上であれば、ステップ１０３０に示すように、可動バルブ４０８を左側の図示の閉鎖位置に付勢して、閉鎖流体分配網を閉鎖液供給源から切断する。次に、フィードバックステップ１０３５に示すように、システムはステップ９７０のシステム圧力を監視する状態に戻る。
【０１４９】
再びステップ９８０に戻って説明すると、入力チャンバ４２０内の閉鎖流体圧がプロセス流体圧とバネ圧の和をより大きい場合、流体フィードバックシステムはサブシステム１５５０を使用してシステムから選択的に閉鎖流体を抜く。具体的には、ステップ１０４０で説明したように、可動バルブ４４８は開放位置に付勢されて、閉鎖流体分配網を閉鎖流体排出口４５０に接続する。これは、入力チャンバ４２０内の圧力が出力チャンバ内の圧力未満あるので起こる。結果として生じる差圧は、閉鎖位置から開放位置に可動バルブ４４８を付勢させる。このシステムは、システム１５００からの閉鎖流体を抜いて、相互に離れた選択距離内にシール面を強制的移動させること、特に相互に強制的にシール面を接触させることを防止する。
【０１５０】
ステップ１０５０では、閉鎖流体が閉鎖流体分配網から除去されて、ステップ１０６０では、入力チャンバ４２０内のバリヤー流体圧を出力チャンバ４１０の圧力と比較する。出力チャンバ４１０の閉鎖流体圧が流体圧と第２のバネ圧の和より大きい場合、フィードバックステップ１０７５で説明されるように流体は閉鎖流体分配網から継続的に除去される。出力チャンバ４１０の閉鎖流体圧が全入力圧以下である場合、ステップ１０８０に示すように可動バルブ４４８を閉鎖位置に付勢して、閉鎖流体分配網から閉鎖流体通排出を切断する。次に、フィードバックステップ１０８５に示すように、このシステムはステップ９７０のシステム圧力を監視する状態に戻る。
【０１５１】
当業者であれば、バネの張力を選択された程度の応答を行うように動作中に設定することができることは、理解できよう。特に、サブシステム１５４０および１５５０の整定値は、動作（例えば、可動バルブの運動）が起こらない区間または範囲を確立するために離して設定することができる。例えば、システムに閉鎖流体を加えるための整定値は、閉鎖流体の導入を防止するか、システムから閉鎖流体を抜く或いは排出するための整定値未満である。このため、プロセス流体圧力が安定している限り、整定値の範囲は何も起きないように、設定される。
【０１５２】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明の流体フィードバック調整システムのさらに別の実施例を示す図である。図示の調整システム７１５は、可動バルブとしてダイヤフラム７０２を使用する。また、このシステムは２つのサブシステム、すなわち点線で示される通路７０３および７０６を利用するサブシステム７１７と、通路７０４および７０８を利用するサブシステム７１９を利用する。サブシステム７１７は、バネ４０６に対応する選択された量によって、プロセス流体圧に対して選択されたレベルで入力バリヤー流体圧を確立することが好ましい。サブシステム７１９は、サブシステムに閉鎖流体を加えるか、またはシステムから送られる閉鎖流体を抜くための動作することが好ましい。図示の圧力調整システム７１５の動作と機能は、図４乃至６Ｂおよび９Ａ乃至９Ｃのフィードバック調整システムを示す実施例同様である。尚、同様の参照番号は、各図の同様の部分を示す。
【０１５３】
グランドハウジング３０は軸７２７に沿って軸方向に相互から離隔する一対のチャンバ４０７Ａおよび４０７Ｂを形成するために中ぐりされる。チャンバはお互いと流体的に連絡するように選択的に配置される。ダイヤフラム７０２は、チャンバ４０７Ａ内に取付けられるようにサイズおよび寸法が決定され、各チャンバを入力流体チャンバ４２０と出力チャンバ４１０に分割する。ダイヤフラム７００は、ベローズ部分７０２Ａと両端が開いた中心穿孔７０２Ｃを有する軸方向に延在するスピンドル部分７０２Ｂを有する。
【０１５４】
図示のダイヤフラム７０２はバネ４０６につながれ、その一端が側作業で調節可能なバネ４０４に付けられる。ネジ４０４は、アクセスが限られた位置でグランドハウジングの内表面に沿って取付けられるヘッド部分４０４Ａを含む。環状Ｏリングは、外部環境とチャンバ４０７Ａの間に流体シールを供給するために、溝のヘッド４０４Ａ周辺に取り付けられる。ネジによって、バネの張力を可変調節し張力を延いてはその結果としてバネ圧を調節し、同時に入力チャンバ４２０内の圧力を調整する。このため、ネジ４０４とバネ４０６は、図示の圧力調整システム７１５で初期の圧力または整定値の圧力を規定するために協働で作用する。ネジの接近が制限される位置によって、システムオペレーターはバネの張力を調整することを阻止または妨害するが、このバネの張力は工場で選択された張力に前もって設定してもよい。当業者であれば、側作業で調節可能なネジ４０４をグランドハウジングの外表面に沿って取付けることができることも理解できよう。
【０１５５】
ネジ４０４とバネ４０６はグランドハウジング３０の内面から入力チャンバ４２０内に延伸する。入力流体チャンバ４２０はプロセス流体分配網に連絡し、シールのプロセス流体をそれに連絡することができる。流体フィードバック調整システムのプロセス流体分配網は、プロセス流体チャンバ３００などのメカニカルシール内またはその付近で形成される適切なプロセス流体チャンバと、チャンバ３００から入力流体チャンバ４２０までプロセス流体を連通する入力流体通路７０３を含むことができる。当業者であれば、プロセス流体分配網についてグランドハウジング内に形成された内部穿孔および通路を修正し、プロセス流体が選択された方法で可動バルブと連通することができることを含み得ることは理解できよう。この調整システムは、グランドハウジングの外部にカプリングを使用してシステム流体をシステムの特定の部分または構成要素に連通することもできる。例えば、外部流体導管は、グランドハウジングに接続して流体ハウジングから入力プロセス流体穿孔７０３までプロセス流体を移送することができる。これに代わる実施例では、グランドハウジングは内部を中ぐりして、プロセス流体は外部流体継側を使用せずに完全にグランドハウジングの中でプロセス流体穿孔と連通することができる。
【０１５６】
図１０Ａに戻って説明すると、グランドチャンバ４０７Ｂは、軸７２７に沿ってチャンバ４０７Ａの軸方向前方に形成され、グランドハウジングの外表面３０Ｂで開口することが好ましい。さらにこのチャンバは、入力流体供給通路２３４で片側に連通する。チャンバ４０７Ｂにはネジとバネの組体７２８が取付けられる。図示の組体７２８は、グランド外表面に対してチャンバ開口部と座を被覆するネジ７３１を含む。ネジはヘッド部分７３１Ａと軸方向内側に延在する本体部分７３１Ｂを有する。ヘッド７３１Ａの下側には、ネジとチャンバ４０７Ｂの間に流体シールを形成するためにそれに対応する溝にＯリング７３３が取付けられる。ネジの本体部分７３１Ｂは、バネ７１４の一端を固定する穿孔を有し、もう一方の端が軸方向内側に取付けられる中間プレート７１２に連結される。特に、ネジのヘッドの反対のバネ端は、プレートに形成された開口部内に取付けられる。プレート７１２の反対側または裏側では、チャンバ４０７Ａと４０７Ｂの間に形成された座７１６に選択的に係合し取付けられるエラストマー部材７２１が固定される。プレート７１２は選択された流体と機械力によって開放位置と閉鎖位置の間で選択的に配置可能である。アセンブリ７２８が図示の閉鎖位置に配置される時、エラストマー部材７２１はチャンバ４０７Ｂを出力チャンバ４１０から切断する取付座７１６に係合する。組体７２８が開放位置に配置される場合、エラストマー部材７２１は座７１６から切断され、流体は供給源からチャンバ４０７Ｂを通過して出力チャンバ４１０に至ることができる。
【０１５７】
さらに図１０Ｂを参照すると、軸スピンドル７０２Ｂは、エラストマー部材７２１に対して閉鎖位置で固定される外側端を有する。開放位置に配置される時は、スピンドルは部材７２１から切断されるため、出力チャンバ４１０はスピンドルの中心穿孔７０２Ｃを介して入力チャンバ４２０と連通することができる。
【０１５８】
最初に図示されたサブシステム７１７では、入力チャンバ４２０はプロセス流体分配網に流体的に接続しており、特に、プロセス流体穿孔７０３を介してプロセス流体チャンバ３００に連結される。出力チャンバ４１０は、バリヤー流体穿孔７０６と穿孔２２８と溝１８０によってバリヤー流体分配網に流体的に接続される。本発明の流体フィードバック圧力調整システムは、バリヤー流体供給源からダイヤフラムおよび／またはバリヤー流体付勢網までバリヤー流体を送るバリヤー流体分配網を含む。バリヤー流体分配網は、既に述べた分配網と同様に、流体供給源からメカニカルシールまでバリヤー流体を運ぶように適合させたグランドハウジング内に形成された適切な穿孔および／またはチャンバであれば含むことができる。好ましい実施例によれば、流体分配網はバリヤー流体入力通路２３４、チャンバ４０７Ｂ、スピンドル７０２Ｂ周囲に形成された通路、出力チャンバ４１０、出力流体バリヤー通路７０６、また、任意にメカニカルシールのバリヤー流体付勢システムの構成要素を含む。例えば、バリヤー流体付勢システムは、固定シールリングに形成された軸流体穿孔２２８と溝１８０を含む。
【０１５９】
動作時に、流体ハウジングから送られたプロセス流体は、プロセス流体を入力チャンバ４２０に進入可能にするシールおよび／またはグランドハウジング内で入力プロセス圧通路７０３およびそれ以外の適切に形成された通路を通して入力チャンバ４０７に移動する。プロセス流体は、所定の作業圧力にある。入力チャンバ４２０のプロセス流体は、ダイヤフラム７０２の入力側（例えば、左の側面）に対して圧力を印加する。さらに、調整可能なバネ４０６はダイヤフラム７０２に圧力を印加する。これらの２つの力あるいは圧力の組合せは、入力圧となり、右方向にダイヤフラムを付勢するために作用する初期の入力軸力を印加する。
【０１６０】
（図示せず）バリヤー流体源からのバリヤー流体は、バリヤー流体分配網によって調整システム７１５およびメカニカルシールに導入される。ある実施例によれば、バリヤー流体源からのバリヤー流体は、入力供給通路２３４およびチャンバ４０７Ｂに選択的に導入される。プレート７１２およびエラストマー部材７２１の位置により、バリヤー流体が出力チャンバ４１０に導入されるかどうかが決まる。一旦出力チャンバ４１０に受容されるとバリヤー流体は、ダイヤフラム７０２の右側面に対して反対側および軸方向内側に圧力を印可し、出力圧を発生させる。
【０１６２】
プロセス流体およびバネ４０６によって印加された入力圧が出力チャンバ４１０内のバリヤー流体圧より大きい場合、ダイヤフラム７０２は右側に移動して、スピンドル７０２Ｂはエラストマー部材７２１に係合する。入力チャンバと出力チャンバの差圧が十分に大きい場合、スピンドルは座７１６からエラストマー部材７２１を押す。これにより、プレート７１２を開放位置に移動させて、流体供給源とチャンバ４０７Ｂを入力チャンバ４１０に接続させる。次に、バリヤー流体はそこから出力バリヤー通路７０６に、さらには軸穿孔２２８と溝１８０に至る。
【０１６３】
バリヤー流体分配網が、供給源から送られるバリヤー流体で満たされる際に、出力チャンバ４１０のバリヤー流体圧はダイヤフラム７０２に対する圧力を次第に高く印加していき、反対方向に追いやる。出力チャンバ４１０内のバリヤー流体圧がプロセス流体と調整可能なバネ４０６によって印加された圧力の和を超える時、ダイヤフラム７０２は左側に押される。バネ７１４とプレート７１２は、出力チャンバ４１０内のバリヤー流体圧と協働で、座７１６にエラストマー部材７２１を後退させる。それらによって、カラーを閉鎖位置に移動させ、出力チャンバ４１０から流体供給源を切断する。このため、流体フィードバック調整システム７１５のバリヤー流体は、プロセス圧力とバネ４０６の選択可能な圧力によって印加される圧力の和にほぼ等しいレベルまで加圧される。そのため、出力チャンバ４１０内のバリヤー流体は、バネ４０６の張力または圧力に対応する量分でプロセス流体を超えるレベルに加圧される。さらに、出力チャンバ４１０内のバリヤー流体圧を高めることが必要であれば、一般にシール面のバリヤー圧が低く、このためにシール面がすぐにも接触してしまいそうなことを示している。軸穿孔２２８と溝１８０を通してシール面へバリヤー流体を追加すると、シール面の間隙が加圧され、シール面を分離する。
【０１６４】
図１０Ｂに示すように、入力チャンバ４２０内の圧力が出力チャンバ４１０内の圧力未満であるように減少する場合、システムは２つのチャンバ内の圧力を均等化することによって補正する。特に、出力チャンバ内の圧力がより高ければ、左側にダイヤフラム７０２を付勢する差圧が生じる。この運動によって、スピンドル７０２Ｂをエラストマー部材７２１と噛み合って係合しないように離すので、スピンドル穿孔７０２Ｃを介して出力チャンバ４１０を入力チャンバ４２０に流体的に接続することができる。実線の矢印７２９によって例証されるように、出力チャンバ４１０内のより高い圧力のバリヤー流体は、出力チャンバ４１０から穿孔を通じて入力チャンバ４２０に流体を強制的に送る。これは、２つのチャンバ内の圧力が、スピンドル７０２Ｂが再びエラストマー部材７２１に係合して入力チャンバと出力チャンバの間で流体的な連通を切断するまで行われる。
【０１６５】
再び図１０Ａを参照すると、第２のサブシステム７０９では、入力チャンバ４２０は、バリヤー流体分配網に流体的に接続されており、図示の実施例では、入力流体穿孔７０８によって軸穿孔２２８と溝１８０に接続される。出力チャンバ４１０は、出力流体通路７０４によって閉鎖流体分配網に流体的に接続される。サブシステム７１９は、グランドハウジング内に取付けられる別のシステムとなり得るが、明確に説明するために、ここではサブシステム７１７に重ねて示されている。残りの構成要素およびサブシステム７１９の動作は、サブシステム７１７に関連して上述したものと実質的に同じである。
【０１６６】
動作時に、バリヤー流体分配網からのバリヤー流体は、入力チャンバ４２０に充満して、ダイヤフラムの左側からダイヤフラム７０２に圧力を印加する。調整可能なバネ４０６も、ダイヤフラム７０２の左側に圧力を印加し、これらの２つの圧力の和がサブシステム７１９の入力チャンバ圧力を規定する。閉鎖流体分配網は、閉鎖液供給源（図示せず）からの閉鎖流体で出力チャンバ４１０を加圧し、出力流体通路７０４と閉鎖流体チャンバ２４２を介して固定シールリング１４で流体的に接続されている。閉鎖流体分配網はダイヤフラム７０２の右側に圧力を印加し、このためにネジとバネの組体７２８に関連してサブシステム７１９の出力圧が定まる。閉鎖流体分配網は、回転シールリングに対して固定シールリングを付勢し、シール面の間の離隔を調整する。
【０１６７】
入力チャンバ４２０の圧力が出力チャンバ４１０内の圧力より大きい場合、スピンドル７０２Ｂは、チャンバ４０７Ｂを出力チャンバ４１０に流体的に接続し、座面７１６からエラストマー部材７２１を離す。閉鎖流体供給源は、チャンバ４０７Ｂと４１０に流体を導入し、流体は出力流体通路７０４および閉鎖流体チャンバ２４２内に進入する。出力チャンバ４１０から閉鎖流体チャンバ２４２への閉鎖流体の移動により、固定シールリングの裏面に印加された軸閉鎖力が高まる。閉鎖力が高ければ固定子が回転子の方向に付勢され、シール面間の間隙のサイズが減少するため、シール漏れが低減する。
【０１６８】
出力チャンバ４１０内の閉鎖流体圧が増加するにつれて、ダイヤフラム７０２は左側に動かされて、プレート７１２のエラストマー部材７２１は座面７１６に係合し、チャンバ４０７Ｂと出力チャンバ４１０の間でこれ以上流体的に連通することを防止する。出力チャンバ４１０内の圧力が入力チャンバ４２０内の圧力を超える時、出力チャンバ４１０の閉鎖流体圧によりダイヤフラム７０２が左に移動する。この運動により、スピンドル７０２Ｂをエラストマー部材７２１から切り離して出力チャンバ４１０を入力チャンバ４２０にスピンドル穿孔７０２Ｃを通して流体的に連通させる。出力チャンバ４１０内の閉鎖流体が高圧であれば、出力チャンバ４１０から穿孔を通して入力チャンバ４２０内に流体が送り込まれる。これは、２つのチャンバ内の圧力が均等化し、スピンドル７０２Ｂが再びエラストマー部材７２１に係合するまで行われる。
【０１６９】
図１５Ａおよび図１５Ｂは、システムに加圧し、入力チャンバ内の圧力に対して選択されたレベルに、選択されたチャンバ内の流体圧を維持するための法を説明する図である。ステップ１１００で、プロセス流体分配網は入力チャンバ４２０にプロセス流体を導入して、バネ４０６によって印加された圧力と共にサブシステム７１７の入力圧となる。次に、出力チャンバ４１０は、既に述べたように、バリヤー流体付勢システムに流れるバリヤー流体によって加圧される。次に、入力チャンバ４２０のプロセス流体とバネによって生成される圧力を、出力チャンバ４１０の内のバリヤー流体の圧力とって比較する。バリヤー流体圧が入力チャンバ４２０内の圧力未満であるというのは、例えば、シール面がお互いに比較的近い時などに見られるが、この時はダイヤフラム７０２は右側に動く。スピンドル７０２Ｂは右側にプレート７１２を右に押し、出力チャンバ４１０と流体的に連通する位置にバリヤー供給源２３４とチャンバ４０７Ｂを配置する。バリヤー流体は、出力チャンバ４１０から出力流体バリヤー通路７０６を通って軸穿孔２２８と溝１８０へ通過する。バリヤー流体は、穿孔と溝に加圧し、選択的にシール面をお互いから離すように動作する。これについては、ステップ１１００から１１２０までに具体的に示される。
【０１７０】
次に、ステップ１１３０から１１４０で説明するように、システム７１５は入力圧を出力圧と比較し、バリヤー流体圧が入力チャンバ４２０内の圧力より依然として低い場合には、システムはそれにバリヤー流体を導入し続ける。バリヤー流体圧が入力圧とほぼ等しいかそれ以上であれば、ダイヤフラムは左側に移動する。次に、チャンバ４０７Ｂ内に取付けられるバネとプレートの組体は、座面７１６にエラストマー部材７２１を付勢して出力チャンバ４１０からバリヤー流体供給源を切断する。
【０１７１】
再びステップ１１００について説明すると、バリヤー流体圧が入力圧より大きい場合、ダイヤフラム７０２は左側に移動する。ステップ１１４５と１１５０では、スピンドル７０２Ｂはプレートと座面から分かれて、一端では入力圧に、他端では出力圧に７０２Ｃを曝す。出力チャンバ４１０内のバリヤー流体が高圧であれば、入力チャンバ４２０の中に中心穿孔７０２Ｃを介して通過する。このプロセスは、２つのチャンバでの圧力がほぼ等しくなるまで続く。次に、ダイヤフラム７０２は右側に移動し、スピンドルはエラストマー部材７２１と噛み合い、２つのチャンバ４１０と４２０の間の流体的な接続を切断する。
【０１７２】
図１５Ｂは、システム７１５のサブシステム７１９の動作方法を説明する図である。バリヤー流体がバリヤー流体分配網に導入された後、サブシステム７１９はネットワークにバリヤー流体を導入する。次に、バリヤー流体付勢システムは、入力チャンバ通路７０８を介して入力チャンバ４２０にバリヤー流体を導入する。ステップ１１５５に示されるようにバリヤー流体はチャンバに充満し、バネ４０６と共にダイヤフラム７０２の入力側の入力圧を規定する。閉鎖流体は、閉鎖液供給源から閉鎖力流体配網まで導入される。図示のサブシステム７１９では、バリヤー流体源も閉鎖流体供給源として機能する。出力チャンバ４１０内に位置する閉鎖流体は、出力チャンバ圧力を規定する。
【０１７３】
ステップ１１６０では、出力チャンバ４１０内の閉鎖流体圧または出力圧を入力圧と比較し、閉鎖力流体圧力がバリヤー流体圧と調節可能なバネの和未満であれば、ステップ１１６５で説明するように、ダイヤフラム７０２は右側に移動する。スピンドル７０２Ｂは座７１６からプレートを移動させる。閉鎖流体供給源は、出力チャンバ４１０と流体的に連通して配置される。ステップ１１７０および１１７５で説明するように、閉鎖流体は閉鎖力流体配網、また、特に出力チャンバ４１０とチャンバ２４２に加えられる。２つのチャンバ内の閉鎖流体が回転翼に向かって固定子を付勢し、シール面の間のギャップ幅を調節または調整する。
【０１７４】
ステップ１１８５および１１８７では、閉鎖流体圧がバリヤー流体圧と調整可能なバネ圧の和未満である場合、ダイヤフラムは閉鎖流体分配網を閉鎖流体供給源に接続する位置で維持される。ステップ１１９０で示すように、出力圧が入力圧より大きい場合、ダイヤフラム７０２は、閉鎖力流体供給源から閉鎖力流体配網を切断するために左に動かされる。
【０１７５】
ステップ１１６５に戻って説明すると、出力流体圧または閉鎖流体圧が入力圧より大きい場合、ステップ２０００では、ダイヤフラムは左に動かされる。スピンドル７０２Ｂはプレート７１２から離れて、ダイヤフラム中心穿孔７０２Ｃのようなガス抜き開口部を通して出力チャンバ４１０を入力チャンバに流体的に接続する。ステップ２００５および２０１０に記載されるように、閉鎖流体は閉鎖流体分配網から除去されて、出力チャンバの出力圧を入力圧と再度比較される。閉鎖流体網からの閉鎖流体の除去により、固定子に印加された軸方向の付勢閉鎖力を低減する。このため、固定子は特定のシール作業必要条件を受け入れるために、選択された位置あるいは広くした間隙幅で維持することができる。特に、シール漏れが少ない場合、システムは、システム内の閉鎖流体圧を調整または維持し、シール面を相互に接触さることを防止することができる。
【０１７６】
ステップ２０１５および２０２５では、閉鎖流体圧がバリヤー流体圧と調整可能なバネ圧の和より大きい場合、ダイヤフラムは閉鎖流体分配網を流体排出口に引き続き接続させる。出力圧が入力圧未満である場合、ステップ２０２０に示すように、ダイヤフラム７０２は右側に押され、スピンドルはもう一度プレート７１２と嵌め合う。この嵌め合い構成によって、流体排出口から閉鎖力流体配網を切断する。
【０１７７】
図示の実施例７１５は、プロセス流体圧またはバリヤー流体圧が増加するときに閉鎖圧力が増加するように動作する。特に、プロセス圧力が高ければ、ダイヤフラムは右に動き、システムに別のバリヤー流体を導入する。バリヤー流体圧が高くなると、サブシステム７１９で入力圧が高くなり、右側にサブシステムのダイヤフラムを付勢する。これは、閉鎖液供給源を閉鎖流体分配網に接続し、このために固定子に印加される閉鎖力が高くなる。
【０１７８】
逆に、プロセス流体圧またはバリヤー流体圧が低くなる場合、サブシステム７１７の出力チャンバのバリヤー流体は、入力チャンバの中に排出される。サブシステム７１９の出力チャンバ４１０内のバリヤー流体圧は、それに対応して低くなる。入力圧は出力圧よりも低くなり、左側にダイヤフラムを押す。閉鎖流体システムの中の閉鎖流体は、中心穿孔７０２Ｃ介して入力チャンバ４２０に排出される。これにより、閉鎖流体チャンバ２４２内の閉鎖流体圧が減少し、固定子に印加される軸方向閉鎖力もそれに対応して減少する。次に、間隙幅は、選択された位置において広げられるかまたは維持される。
【０１７９】
図示の流体フィードバック圧力調整システムの重要な利益は、実質的に完全な動的流体フィードバックシステムを使用して、１つ以上のシール流体の圧力を、選択された方法で制御または調整し、間隙幅を制御し、それによって漏れを制御できることにある。このため、本発明の流体フィードバック圧力調整システムは、シール面漏れを制御するためにシステム圧を利用する。この動的システムによって、シールは様々な条件で動作すると同時に、コンパクトではあるがメカニカルシールのグランドハウジング内に完全取付けられることが好ましいフィードバックシステムを利用することができる。
【０１８０】
図１６は、図示の同心シールを併用するのに適した流体フィードバック調整システム１３００の別の実施例を示す図である。シール構成要素の大部分は、本願明細書で既に記述されたものと同様であり、同様の参照番号が割り当てられている。このため、同様の部分には、図１６と図１７に同様の参照番号が指定されている。
【０１８１】
例証されたフィードバックシステム１３００は、別のシステム流体の圧力に基づいてシステム流体を制御するため使用することが好ましい。ある実施例によれば、システムはバネ圧に対応する選択された量によって、プロセス圧に対して選択されたレベルにバリヤー流体圧を最初に設定する。次に、バリヤー圧は、選択的にシステム１３００に閉鎖流体を加えるためにシステム流体センサーとして機能するシステム出力調整流体として使用される。調節された閉鎖流体は、上述の閉鎖流体付勢システムに含まれる閉鎖流体に対応する。
【０１８２】
例証されたフィードバックシステム１３００は内側および外側のグランドプレート１４３４と１４３６内に取付けるためにサイズおよび寸法を決定することが好ましい。システムは図示のシールに連結される。固定シールリング１４１４は、一端は固定シール面１４１８に、他端はバリヤー流体供給源に連絡する軸穿孔１３２８を含む。固定シールリング１４１６は、その中に形成されたポンプ溝１３８０を有し、直接に軸穿孔１３２８と流体的に連絡するように位置決めされる。溝および軸穿孔は、シール面に直接バリヤー流体を向けるために機能し、その間に流体力学的揚力が発生し、それらの間に間隙を形成する。
【０１８３】
流体フィードバック調整システム１３００は、グランド１４３４および１４３６内に形成された適切なサイズのチャンバの中に配置された可動差圧可動バルブ１３０８を使用する。また、可動バルブ１３０８は、複数の異なった可動バルブを含んでいてもよく、スプールバルブ、シャトルバルブ、ポペットバルブ、ダイヤフラム、ベローズや加圧流体によって運ばれるバルルかまたは作用されうるその他の可動バルブを含み得るが、この限りではない。チャンバは、流体フィードバック圧力調整システムの種々の圧力通路と穿孔の間を連絡することができる環状流体マニホールド１３１４に取付けられる。図示の流体マニホールド１３１４は可動バルブ１３０８を固定する中心穿孔を有する。穿孔は開放位置と閉鎖位置の間の穿孔内の可動バルブで比較的自由に軸が動けるように可動バルブの最外側の直径よりもわずかに大きいサイズに定められる。流体マニホールド１３１４は、複数の半径方向に広がる流体穿孔１３１０および１３１２を含み、マニホールドが特定の加圧流体を選択的に送ることができる。Ｏリング１３２２および１３２４のようなシール構造は、チャンバの内壁と流体シールを形成するために、多岐管の外表面に形成されたそれに対応する溝の中に設けられる。
【０１８４】
可動バルブ１３０８は、チャンバを入力流体チャンバ１３０２と出力流体チャンバ１３０４に分割し、中間チャンバ１３１３は可動バルブのフランジ形の部分に形成される。可動バルブ１３０８は、その一端が手作業で調節可能なネジ１３０６に付けられる調節可能なバネ１３０４に連結される。図示の調節可能なネジ１３０６は、人員が工場で予め設定した値からバネの張力を不法に変更するかまたは調整するのを防止する接近に制限のある位置に取付けられる。必要な場合には、システムオペレーターは選択された方法でネジに接近し、回転させることで調整することは可能である。このため、ネジ１３０６およびバネ１３０４は、図示の圧力調整サブシステム１３００に対する初期圧力または設定値圧力を規定しやすいように一緒に機能する。
【０１８５】
ネジ１３０６とバネ１３０４はグランドハウジングの内表面から入力流体チャンバ１３０２まで延在する。入力流体チャンバ１３０２は、指定の通りにプロセス流体分配網と連絡し、シールのプロセス流体が入力調整チャンバ１３０２に移動することができる。流体フィードバック調整システム１３００のプロセス流体分配網は、その他の構造の中に、チャンバ１３９０から入力流体チャンバ１３０２までプロセス流体を送るプロセス流体チャンバ１３９０やプロセス流体穿孔１３２１（点線で示す）などのメカニカルシール内またはその付近に形成された適切なプロセス流体チャンバを含むことができる。当業者であれば、プロセス流体分配網は、グランドハウジング内に形成された内部穿孔および通路を修正して、必要であれば、選択された方法で可動バルブ１３０８にプロセス流体を送ることを含み得ることは理解できよう。調整システムは、グランドハウジングの外部のカップリングを使用して、システム流体をシステムの特定部分またはシステムの構成要素に送ることもできる。例えば、外部流体導管をグランドハウジングに接続して、プロセス流体を流体ハウジングから入力プロセス流体穿孔４２１まで移送することができる。
【０１８６】
図１６についてさらに説明すると、流体フィードバック調整システム１３００は高圧バリヤー流体供給源（図示せず）から流体マニホールド１３１４までバリヤー流体を送るバリヤー流体分配網を含むことができる。バリヤー流体分配網は、グランドチャンバからシールの別の部分、例えば、バリヤー流体付勢システム（つまり、軸穿孔１３２８および溝１３８０）、グランドハウジング内に取付けることができる他のフィードバックシステム、さらには、流体供給源１３２０やバリヤー通路１３３０などのその他の流体通路／穿孔までバリヤー流体を伝達する適切なバリヤー流体通路を含むことができる。可動バルブ１３０８は、入力供給穿孔１３２０および入力チャンバ穿孔１３１０を介してバリヤー流体供給源を接続することができる中間チャンバまたは流路１３１３を規定する。中間チャンバ１３１３は、出力バリヤー穿孔１３１２および１３４０を経由してバリヤー流体分配網と流体的に連絡する位置に選択的に配置される。
【０１８７】
動作時に、ハウジング１４１１からのプロセス流体は、プロセス流体分配網を通じて入力チャンバ１３０２に送られる。ある実施例によれば、プロセス流体は、入力プロセス圧力穿孔１３２１を通じてプロセスチャンバ１３９０から入力チャンバ１３０２に向けられる。プロセス流体は、所定の作業圧力にある。入力流体チャンバ１３０２でのプロセス流体は、可動バルブ１３０８の入力側（例えば、左の側面）に圧力を印加する。さらに、調節可能なバネ１３０４は、可動バルブ１３０８に圧力を印加する。これらの２つの力あるいは圧力の組合せは入力圧を生じ、初期の入力軸力を印加して可動バルブ１３０８を右側に付勢する。
【０１８８】
バリヤー流体供給源は、バリヤー流体分配網によって、流体フィードバック圧力調整システムとメカニカルシールにバリヤー流体を導入する。バリヤー流体供給源からのバリヤー流体は、入力バリヤー穿孔１４１０と中間チャンバ１４１３に入力供給通路１４２０を介して選択的に導入される。次に、バリヤー流体は、開放位置と閉鎖位置の間で選択的に可動バルブ１３０８を付勢することによって選択的に出力チャンバ１３０４に導入される。可動バルブ１３０８は、閉鎖位置に図示されている。
【０１８９】
出力流体チャンバ１３０４に収容されるバリヤー流体１３０４は、可動バルブ１３０８の右側に対しての反対または軸内側方向の圧力を印加し、出力圧となる。バリヤー流体によって印加された出力圧がプロセス流体圧と調節可能なバネ圧の和未満である時、可動バルブ１３０８は右側の開口位置に移動する。これによって、中間チャンバ１３１３が出力バリヤー穿孔１３１２に連絡し、出力穿孔導管１３１２にバリヤー流体供給源から流体供給源導管を介する流体通路が得られる。バリヤー流体は、通路１３４０を通過し軸穿孔１３２８を通り、このため、残りのバリヤー流体分配網を通過する。通路１３４０は、さらに閉鎖チャンバ１４８０を加圧する。
【０１９０】
バリヤー流体分配網が供給源からのバリヤー流体で充満する際、出力流体チャンバ１３０４のバリヤー流体圧は、プロセス流体と調節可能なバネ１３０４によって印加される圧力の和以上になるまで増加する。これが起こる時、可動バルブ１３０８は、出力バリヤー通路１３４０からバリヤー流体供給源を切断するために図示の閉鎖位置に付勢される。流体フィードバック調整システム内のバリヤー流体はプロセス圧とバネ１３０６の可変圧力によって印加される圧力の和にほぼ等しいレベルに加圧される。
【０１９１】
図示のシステム１３００は、閉鎖流体網から閉鎖流体を排出するためのサブシステムをさらに含むことができる。サブシステムは、プロセス流体穿孔１３２１とバリヤー流体穿孔１３４０以外図示のサブシステム１３００と大部分は同じ構成要素を含む。サブシステムは、一緒にまたはいずれかを組合せて、特定の流動的な圧力を制御するために、直接あるいは間接的に、シール面１４１８および１４２０に作用する特定の流体圧を制御することができる。図示のサブシステム１３００は、選択的に閉鎖液供給源（図示せず）を流体システムとは無関係のシールの閉鎖力付勢システムに接続するためにも使用され得る。閉鎖流体システムは、バリヤー流体分配網および／またはバリヤー流体付勢システム、例えば、軸穿孔１３２８と溝１３８０内の圧力の関数として閉鎖力を固定シールの後方に印加する。
【０１９２】
サブシステムの閉鎖流体分配網は、閉鎖流体の供給源を固定シールリング１４１４と接続する。閉鎖流体ネットワークは、固定シールリング１４１４と回転シールリング１４１６の間の分離を調節または調整するためにシールリング１４１４に閉鎖軸付勢力を印加する。閉鎖流体分配網は、少なくとも１つのシールリングに流体を導入してそれらの間の分離を調整する流体管および穿孔の適切な配置を含むことができる。特に、図示のネットワークは入力閉鎖力供給通路１３２０、入力閉鎖流体穿孔１３１０、中間チャンバ１３１３、出力閉鎖流体穿孔１３１２、閉鎖流体通路１３４０と閉鎖流体チャンバ１４８０を１つ以上含むことができる。図示のシステム１３００では、バリヤー流体システムと閉鎖流体分配網は、同じ通路／穿孔の多くを共有する。従って、個別かつ専用のシリーズの流体的に接続された通路を使用して、同時にバリヤー流体システムと閉鎖流体網に加圧することができる。望ましい実施例では、閉鎖流体は、適当なバリヤー流体であればいずれでもよい。
【０１９３】
図１７は、図１６の流体フィードバック調整システム１３００の代替となる実施例を示す図である。図示のシステム１３０１は、可動バルブとしてダイヤフラムＤを使用する。ある実施例によれば、システム１３０１は、入力バリヤー流体圧をプロセス流体圧力とバネ１３５４によって供給される圧力に対する選択されたレベルで割り当て、同時にシステムに閉鎖流体を加えることが好ましい。図示のシステム１３０１の動作および機能は、図１６のフィードバック調整システム１３００の動作と同様である。また、同様の参照番号が各図の同様の部分に付されている。
【０１９４】
グランドプレート１４３４および１４３６は、中ぐりされて、相互から軸方向に離隔した１対のチャンバ１３７０および１３７１を形成する。チャンバは、相互に流体的に連絡するように選択的に配置される。ダイヤフラムＤは、チャンバ１３７０内に取付けるためにサイズおよび寸法が決定され、チャンバを入力流体チャンバ１３０２と出力流体チャンバ１３０４に分割する。ダイヤフラムＤは、ベローズ部分１３８０と、両端で開いている中心穿孔を有する軸方向に延在するスピンドル部分１３８１を有する。図示のダイヤフラムＤは、バネ１３５４につながれ、その一端が手作業で調節可能なネジ１３５６に付けられる。ネジ１３５６は、接近に制限のある位置においてグランドハウジングの内表面に沿って取付けられるヘッド部１３５６Ａを含む。環状Ｏリング１３５７は、外部環境とチャンバ１３７０の間に流体シールを提供するために溝でヘッド１３５６Ａの周囲に取り付けられる。ネジは、バネの張力を可変的に調整するものであり、張力を増減し、その結果バネの圧力を調整し、同時に入力チャンバ１３０２内の圧力を高める。このため、ネジ１３５６とバネ１３５４は、図示の圧力調整サブシステムで初期の圧力または整定値の圧力を定義するために協働で作用する。ネジの接近に制限のある位置により、システムオペレーターがバネの張力を調整することを防止または阻止するが、工場で選択された張力に前もって設定することができる。また、当業者であれば、手作業で調節可能なネジ１３５６がグランドハウジングの外表面に沿って取付け可能であることは理解できよう。
【０１９５】
ネジ１３５６とバネ１３５４は、内側グランドプレート１４３４の軸の内表面から入力流体チャンバ１３０２の中に延在する。入力流体チャンバ１３０２はプロセス流体分配網と連絡し、シールのプロセス流体が入力チャンバ１３０２に移動することができる。流体フィードバック調整システムのプロセス流体分配網は、プロセス流体チャンバ１３９０などのメカニカルシールの内部または周囲に形成される適切なプロセス流体チャンバと、チャンバ１３９０から入力流体チャンバ１３０２までプロセス流体を送る入力プロセス流体通路１３６２（点線で示す）を含んでもよい。当業者であれば、プロセス流体分配網は、プロセス流体が選択された方法でダイヤフラムに移動することができるグランドハウジング内に形成される内部穿孔および通路の適切な修正を含むことは理解できよう。調整システムは、システムの特定の部分あるいは構成要素にシステム流体を送る伝達するためにグランドハウジング外側のカップリングを使用することもできる。例えば、例えば、外部流体導管は、流体ハウジングから入力プロセス流体穿孔１３６２までプロセス流体を送るためにグランドハウジングに接続することができる。代替的な実施例では、グランドハウジングはプロセス流体が外部流体継手を使用せずに完全にグランドハウジングの中でプロセス流体穿孔と移動することができるように内部を中ぐりすることができる。
【０１９６】
チャンバ１３７１は、チャンバ１３７０に対して軸方向外側に形成される。さらに、チャンバ１３７１は片側で入力流体供給通路１３２０と連絡する。チャンバ１３７１には、バネ１３７２と、Ｕ形断面を有する中間プレート１３７３と、固定環状シールプラグ１３７４とを有するバネ付勢組体１３６９が取付けられている。バネ１３７２の一端はチャンバ１３７１の軸方向最外部分に固定され、他端は、プレート１３７３で形成されるくぼみ内に固定される。中間プレート１３７３は、シールプラグ１３７４の一端に形成されるシール面１３７５に接触するシール面１３７３Ａを有する。シールプラグ１３７４は、チャンバ１３７０および１３７１の間に流体シールを提供するＯリング１３７６を備える環状溝を有する。プラグは、堅くしっかりと適宜プラグ１３７４を固定するためにチャンバ壁に形成された嵌め合い溝に固定される肩部分１３７７を有する。プラグは、滑動自在にダイヤフラムＤのスピンドル部分１３８１を固定するようにサイズ決定された中心穿孔１３７７を有する。プラグは、プレートが座１３７５に緊密に接触して面する場合には、流体通路１３２０からチャンバ１３７１に供給される流体が、出力チャンバ１３０４と連絡できないように機能する。
【０１９７】
図示の中間プレート１３７３は選択された流体および機械力によって開放位置と閉鎖位置の間で選択的に配置可能である。バネ付勢組体１３６９が図示の閉鎖位置に配置される時、シール面１３７３Ａはプラグ１３７４の座面１３７５と密閉関係になるように接触する。このポジションでは、チャンバ１３７１に含まれる液体が、出力チャンバ１３０４に移動できない。組体１３６９が、開口位置に配置される時、プレート１３７３はプラグ１３７４から軸方向に離隔し、チャンバ１３７１内の液体が中心穿孔１３７７を通過して出力チャンバ１３０４を通過することができる。図１７を参照すると、軸スピンドル１３８１は、中間プレート１３７３のシール面１３７３Ａに対して閉鎖位置で固定される外側端を有する。開口位置に配置される時、スピンドルはシール面１３７３Ａから切断され、出力チャンバ１３０４の流体はスピンドル中心穿孔を介してチャンバ１３０２に移動することができる。
【０１９８】
図示のシステム１３０１では、入力流体チャンバ１３０２は、プロセス流体穿孔１３６２経由でプロセス流体室１３９０に流体的に接続される。出力流体チャンバ１３０４は、流体穿孔１３４０経由でバリヤー流体分配網と閉鎖流体網に流体的に接続されている。本発明の流体フィードバック圧力調整システムは、高圧バリヤー流体供給源からダイヤフラムおよび／またはバリヤー流体付勢網にバリヤー流体を送るバリヤー流体分配網を含む。さらに、このシステムは、閉鎖流体チャンバ１４８０にバリヤー流体のような、閉鎖流体を送る閉鎖流体網を含む。
【０１９９】
動作時に、流体ハウジングからのプロセス流体は、入力プロセス圧力通路１３６２やプロセス流体に入力チャンバ１３０２を入力することができるシールおよび／またはグランドハウジングの内で適切に形成された通路を通して入力チャンバ１３０２に移動する。プロセス流体は所定の作業圧力にある。入力流体チャンバ１３０２のプロセス流体は、ダイヤフラムＤの入力側、例えば、左の側面、に圧力を印加する。さらに、調節可能なばね１３５４は、ダイヤフラムＤに圧力を印加する。これらの２つの力あるいは圧力の組み合わせが入力圧となり、右側にダイヤフラムを付勢する初期の入力軸力を印加する。
【０２００】
バリヤー／閉鎖液供給源からのバリヤー流体（図示せず）は、バリヤー流体分配網によって調整システム１３０１とメカニカルシール１４１６に導入される。ある実施例によれば、バリヤー流体供給源からのバリヤー流体は、フィードバックシステムに、また、特に供給穿孔１３０２を介して出力チャンバ１３０４に選択的に導入される。結果的に、中間プレート１３７３の位置によって、バリヤー流体が出力チャンバ１３０４に導入されるかどうかが決まる。出力流体チャンバ１３０４に収容されるバリヤー流体は、ダイヤフラムＤの右側に対して反対方向かまたは内側軸方向に圧力を印加して、出力圧を生じさせる。
【０２０１】
プロセス流体とばね１３０６によって印加される入力圧が出力チャンバ１３０４内の圧力より大きい場合、ダイヤフラムＤが右に移動し、スピンドル１３８１が座面１３７５からプレート表面１３７３Ａを分離する。流体供給源は、バリヤー流体をチャンバ１３７１に導入し、バリヤー流体はプラグ１３７４の中心穿孔１３７７を通って出力チャンバ１３０４を通過する。次に、バリヤー流体は、そこから出力通路１３４０と軸穿孔１３２８とチャンバ１４８０を通過する。
【０２０２】
図１７を再び参照すると、バリヤー流体分配網が供給源からのバリヤー流体で満たされる際に、出力流体チャンバ１３０４中のバリヤー流体圧が次第にダイアフラムＤに圧力を掛け、それを反対方向、すなわち左側へ押しやる。出力流体チャンバ１３０４中のバリヤー流体圧がプロセス流体と調節可能なバネ１３５４が作用させる圧力の和に概ね等しくなると、ダイアフラムＤが左方向へ押しやられる。バネ１３７２及び中間プレート１３７３は、チャンバ１３７１内部のバリヤー流体圧と共に、プレートシーリング表面１３７３Ａを再び座１３７５と接触させ、よって、流体供給源を出力流体チャンバ１３０４から切り離す。流体フィードバック圧力調節システム１３０１は、よって、プロセス圧とバネ１３５４の選択可能な圧力の和に概ね等しいレベルまで加圧される。よって、出力流体チャンバ１３０４中のバリヤー流体はバネ１３５４の張力すなわち圧力に対応した値で、プロセス流体よりも高い圧力まで加圧される。当業者であれば、出力流体チャンバ１３０４中のバリヤー流体圧の増加は、シール面におけるバリヤー圧が低いことを示すことは理解できよう。軸方向穿孔１３２８及び溝１３８０を介してバリヤー流体をシール面に付加すれば、シール面における隙間を加圧して、シール面を分離することになる。
【０２０３】
本発明が、上述した記載から明白になったものの他に、既に述べた目的を効果的に達成するのは明白だろう。添付の特許請求の範囲に記載の本発明が意図する範囲から逸脱することなく、種々の変更が形態及び細部に加えられうることは当業者には明らかなので、上記記載に含まれたり、添付図面に示された全ての事項は、例示的に解釈されるべきで、限定的な意味はないことが意図されている。
【０２０４】
本発明の特許請求の範囲は、本発明の全ての一般的及び特定的な特徴および、その範囲に文言上で包含される可能性がある発明の範囲の全言明を網羅するはずであることは、理解されるべきである。
【０２０５】
こうして本発明を説明してきたが、新規で特許証により確保したいと願うものは、特許請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
本発明のこれら及び他の特徴及び利点は、種々の図中、同一の参照数字が同一の要素を表す添付図面と共に以下の詳細な説明を参照することで、より完全に分かるであろう。これらの図面は、本発明の原理を例示するものであり、縮尺ではないが、相対的な寸法を示している。
【図１】図１Ａはシール面へ流体を導入するための、また本発明に関して使用するに適切な構造を示すメカニカルシールの断面部の断片図である。図１Ｂは本発明に関して使用するに適切な図１Ａのメカニカルシールの回転シールリングの半分割の斜視図である。図１Ｃは本発明に関して使用するに適切な図１Ａのメカニカルシールの固定シールリングの半分割の斜視図である。図１Ｄは本発明に関して使用するに適切な図１Ａのメカニカルシールのシールグランド集成体の半分割の斜視図である。図１Ｅは本発明に関して使用するに適切な図１Ａのメカニカルシールの集成されたメカニカルシールの半分割の斜視図
図１Ｆは本発明に関して使用するに適切な図１Ｄのシール構成要素の半分割の斜視図である。図１Ｇは本発明に関して使用するに適切な図１Ａの回転シールリングホルダ集成体の半分割の斜視図である。図１Ｈは本発明に関して使用するに適切な図１Ａの回転シールリングホルダ区分の面の側面図である。図１Ｉは本発明に関して使用するに適切な図１Ａの回転シールリング区分の面の側面図である。図１Ｊは更に溝内部の力を示す、図１Ｄのシールリング面の断片側面図である。
【図２】本発明の開示によるシーリング溝内部で発生する分離力を示す、図１Ａのメカニカルシールの固定及び回転シールリング区分の側面図である。
【図３】本発明による図１Ａのメカニカルシールの断面部の断片図である。
【図４】非分割シールを含め他のシール設計が本発明によって考慮されるが、分割シールに関連して用いられたバリヤー流体を、プロセス圧を基準にして選択された圧力に維持するための、本発明による流体圧フィードバック調節システムのサブシステムの一つを示す略図である。
【図５】閉鎖力流体分配網を流体供給源に選択的に接続する差圧バルブを示す、本発明の流体圧フィードバックシステムの別のサブシステムの略図である。
【図６】図６Ａは排出口を介して閉鎖力流体圧を減ずることで、バリヤー流体圧を基準にして選択された圧力に閉鎖力流体を維持するための本発明による流体圧フィードバックシステムの別の実施例の略図である。図６Ｂは閉鎖力流体分配網を排出口に接続する種々の圧力バルブを示す、本発明の流体圧フィードバックシステムの別の実施例の略図である。
【図７】閉鎖位置に配置された図４の差圧バルブの部分断面図である。
【図８】流体分配網を流体供給源に接続するために開放位置に配置された図４の差圧バルブを取り付けているグランド３０ハウジングの部分断面図である。
【図９】図９Ａはプロセス圧を基準にしてバリヤー流体を選択された圧力に維持するための流体圧フィードバックシステムの別の実施例のサブシステムを示す略図である。図９Ｂは高圧流体供給源において、バリヤー流体圧を基準にして閉鎖力流体を選択された圧力に維持するための本発明による流体圧フィードバックシステムの別の実施例のサブシステムを示す略図である。図９Ｃは排出口を介して選択的に流体を除去することで、バリヤー流体圧を基準にして選択された圧力に閉鎖力流体を維持するための本発明による流体圧フィードバックシステムの別の実施例の一サブシステムを示す略図である。
【図１０】図１０Ａは差圧バルブにダイヤフラムを用いている、本発明の流体圧フィードバックシステムの更に別の実施例を示す略図である。図１０Ｂは入力及び出力チャンバが連通できるような位置に配置された図１０Ａのダイヤフラムの部分略図である。
【図１１】プロセス流体を基準にして選択された圧力にバリヤー流体を維持するための方法を示す模式的なフローチャート図である。
【図１２】閉鎖力流体圧を増加させることで、バリヤー流体圧を基準にして選択された圧力に閉鎖力流体圧を維持するための方法を示す模式的なフローチャート図である。
【図１３】閉鎖力流体圧を減少させることで、バリヤー流体圧を基準にして選択された圧力に閉鎖力流体圧を維持するための方法を示す模式的なフローチャート図である。
【図１４】図１４Ａはプロセス圧を基準にして一定の水準にバリヤー流体圧を維持するための方法を示す模式的なフローチャート図である。図１４Ｂは高圧流体供給源と排出口の両方を用いることで、バリヤー流体圧がプロセス圧より大きく、且つ一定のセットアップ値より小さい水準に閉鎖力流体圧を維持するための方法を示すの模式的なフローチャート図である。
【図１５】図１５Ａ及びＢは高圧流体供給源と排出口の両方を用いることで、バリヤー流体圧より大きな水準に閉鎖力流体圧を維持するための方法を示すの模式的なフローチャート図である。
【図１６】二重同心状のシールに関して使用するに適切な本発明の流体圧フィードバック圧力調節システムの別の実施例の略図である。
【図１７】二重同心状の同軸シールに関して使用するに適切な図１６の流体圧フィードバック圧力調節システムの一代替実施例の略図である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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