JP2017531142A - シールとしてのスラストベアリング - Google Patents

Abstract

多孔質媒体のベントレススラストベアリングシールを開示する。多孔質媒体スラストベアリングは、１次多孔質媒体スラストベアリングを含んでよく、１次多孔質媒体スラストベアリングは、プレナム、及びプレナムに接続されたポートを覆って配置される多孔質媒体と、加圧された流体を１次リングのポートを介してプレナムに導く伝導経路とを含み、シールリングとしても働く。多孔質媒体ベントレススラストベアリングはまた、未処理のプロセスガスに最も近いポートに、未処理のプロセスガスより高い圧力で供給される処理済みのプロセスガスを含んでもよい。他のポートには、不活性ガス（又は液体状態の流体）を未処理のプロセスガスと同じ圧力で供給してもよい。一定量の処理済みのプロセスガスが未処理のプロセスガス中に流入し、未処理のガスが多孔質媒体シール内に入るのを防いでもよい。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年２月６日出願の米国仮特許出願第６２／１１３，１７２号、２０１４年９月２９日出願の米国仮特許出願第６２／０５７，０６６号、及び２０１４年９月２９日出願の米国仮特許出願第６２／０５７，０５８号の利益を主張するものである。これらの開示は、その全体が参照により本開示に組み込まれる。

本題出願は、ターボ装置の適用例において、スラストベアリング及びシールとして働く、外部加圧された多孔質媒体技術を提供する。

遠心圧縮機等の（しかし、これに限定されない）ターボ装置（以下、遠心圧縮機を主たる例として使用する）の適用例では、プロセスガスが外部環境に漏れたり、プロセスガスが、シールを通過したり、装置のベアリング側に移動したりするのを防止するために、シャフトシールが必要である。様々なシャフトシール機構が存在し、それらはラビリンスシール（ラジアルシール）、油膜シールリング（ラジアルシール）、機械接触シール（端面シール）、及び最も精巧な種類のシャフトシールである、ドライガスシール（端面シール）等であるが、それらに限定はされない。ドライガスシールは、全てのシールの種類の内、漏れに対して最良のバリアを提供するため、本題の発明と比較するための現行の先行技術と考える。ドライガスシールは、ミクロン大の溝を含む回転リングを利用し、その溝によって、動作中、端面が「離昇」し、それによって、シール漏れ量を最小限に抑制することが可能になる。

ドライガスシールに関する技術水準の解決法としては、シングルシール、タンデムシール、対向型ダブルシール等がある。

先行技術において、タンデムドライシール構成は、１次（固定）リング及び相手（回転）リングを備える、全圧力に耐える１次シールと、固定リング及び相手（回転）リングを備える、バックアップとして作用する２次シールとを含む。１次リングは通常炭素で作られ、相手リングは通常、タングステンカーバイド、シリコンカーバイド、又はシリコン窒化物を使用して作られる。ドライシールガス（通常、プロセスガスと同じであるが処理されている）が注入され、通常、プロセス側圧力より少なくとも５０ｐｓｉ（３４５ｋＰａ）高い。注入されたドライシールガスの大部分は、内側のラビリンスシールを通り、圧縮機内に（プロセスガス内に）流入する。ドライシールガスの少量が１次シールを通って流れ、その後、１次ベントから出て行く。シングルシール構成の場合、１次面と相手面のみが存在し、２次シールは存在しない。その他の点でシングルシールの機能は、１次シールを通る漏れがベントされること及びバックアップシールが無いこと以外は、タンデムシールと同様である。

現行技術においても、「対向型ダブル」ドライガスシール構成は、１次内側固定リングと、１次内側相手（回転）リングとを備える。また、２次外側固定リング及び２次外側相手（回転）リングもある。この場合、（窒素等の）不活性ガスが注入され、両方のシール面を越えて流れる。１次（内側）シールを越えて流れるシールガスの供給は、プロセス側の流れに流入し、２次側（外側）シールを越えて流れるシールガスの供給は、ベントへ向かう。

現行技術の各種類のシール（シングル、タンデム、又は対向型ダブル）に関して、最良のシール実現性を考慮する場合、タンデムシールが、業界で最も広く受け入れられている構成である。

現行技術における上記の種類のシールについてはどれも、多くの欠点があり、それらの欠点としては、以下が挙げられる。

プロセスガスの漏れは、抑制しようと試みてはいるが、依然として第１のベントから出る可能性があり、燃やさなければならない。

不活性ガスがプロセス側（対向型ダブルシールの場合）に漏れると、プロセスに影響を与えて圧縮機内部で問題を引き起こす可能性がある。

対向型ダブルシールドライガスシールは、業界で広くは受け入れられていない（タンデムシールの方がより広く受け入れられている）。

ドライガスシールのシール面を通る流れは、シールガスとプロセスガスを含む可能性がある。これらのガスがシールギャップを通ることができるのは、基本設計が悪いためである。

ドライガスシールでは、大量のシールガスが、内側ラビリンスシールを越えて圧縮機のプロセス側へと流れる。

ドライガスシールの流量は極めて高い。

シール面は、停止動作中に、一緒に「鳴る」ことがあり、そうなると、極めて高い始動トルクになるか、又は始動条件が得られないことがある。

シール面が、高圧又は局所的な加熱のために歪む可能性がある。

小さなギャップのために、高速で発熱する。

小さなギャップにおける剪断力のため、流体が炭化する。

始動時、又は停止動作時にシール不良の割合が高い。

不純物が混じったガスを供給することが原因でシール不良が発生する可能性がある。

どのシールも特定の用途に対して最適化して、これらの欠点のいくつかを低減することができるが、いくつか、又はほとんどの欠点を最小にすることができる改善されたシールが望まれている。

遠心圧縮機等のターボ装置において、典型的な回転アセンブリの現在の構成は、２つのラジアルベアリング、２つのシャフトシール（一般的にはドライガスシール）、１つのスラストベアリング、及び多くの場合（スラスト荷重を最小にするための）バランスピストンを含む。更に、これらの構成部品のそれぞれは、付随するインプット及びアウトプットを有する。例えば、ドライガスシールは、バッファガス、不活性シールガス、分離ガスを受け、２つの送出ベントを有する。ラジアルベアリングは、ベアリングボックスのベントと共にオイルのインプット及びドレインを有する。スラストベアリングもまた、オイルのインプット及びアウトプットを有する。従って、典型的な構成では、６つのベント、２つのドレイン、並びに３種のシールガス及びオイルを有する。

米国特許第８，７５３，０１４号明細書

「Ｄｒｙ Ｇａｓ Ｓｅａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ」、（Ｃ）２００５年、Ｊｏｈｎ Ｓｔａｈｌｅｙ

簡潔に言えば、提示する実施例は、多孔質材料を利用し、多孔質材料をガスによって外部加圧して、面シール構成として生じる、主たるシール機能をもたせる。実施例は、前項で述べたような、タンデム及び対向型ダブルシールの前述の欠点を除去又は最小化する。

本題の実施例によって、多孔質媒体シールを既存のシングル、タンデム、又は対向型ダブルの構成に組み込むことが可能となる。これら構成のそれぞれにおいて、先行技術に対して多くの利点があり、それらを本明細書中で説明する。更に、いわゆるベントレスシール構成によって、プロセス流体のゼロエミッションが可能になり、また、クリーンなプロセスガスをベントレスシールのバッファガスとして使用することが可能になる。最後に、本題の実施例では、ベントレスシールをスラストベアリング、又はバランスピストンに組み込むことによって、ラジアルベアリング位置での全てのシールの除去が可能になる。

提案する全ての構成において、外部ガスの流量が低いことが必要になるので、これによって、注入ガスのコストの大幅な節約が可能になる。複雑なシールパネルが大幅に簡単になるのも、外部加圧された多孔質媒体をシールとして使用することの結果である。

上記の発明の概要、及び以下の好ましい実施例の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むと、よりよく理解されるであろう。本発明を例示する目的で、現在の好ましい実施例を図面に示す。しかし、本発明は、図示の厳密な構成には限定されないと理解すべきである。

典型的なタンデム型ドライガスシールの断面図である。 多孔質媒体を組み込んだタンデム型ドライガスシールの断面図である。 典型的な対向ダブル型ドライガスシールの断面図である。 多孔質媒体を組み込んだ対向ダブル型ドライガスシールの断面図である。 空気動力学的なシール面と空気静力学的なシール面の流路面積を比較した図である。 ２ポートベントレスシール構成の例を示す図である。 ３ポートベントレスシール構成の例を示す図である。 多相ベントレスシールの例を示す図である。 ２つの多孔質媒体部材をもつ２ポートベントレスシールの例を示す図である。 調整式オプションの伝導経路の詳細を示すベントレスシールの図である。 多孔質媒体リングの外径部のインプット圧力が低く、内径部のインプット圧力が高いベントレスシールのギャップ圧力分布を示す図である。 多孔質媒体リングの外径部のインプット圧力が高く、内径部のインプット圧力が低いベントレスシールのギャップ圧力分布を示す図である。 圧縮機の配置例の、ラジアルベアリング、スラストベアリング、及びシールの位置を示す図である。 圧縮機の配置例の、ラジアルベアリング、及びスラストベアリングの位置にあるベントレスシールの位置を示す図である。 スラストを窒素で支える、多孔質媒体ベントレスシール機能を組み込んだバランスピストンの例を示す図である。 スラストを、処理をしたプロセスガスで支える、多孔質媒体ベントレスシール機能を組み込んだバランスピストンの例を示す図である。 固定シャフトの適用例において、シールとして機能するスラストベアリングを示す図である。

以下、「ベントレス」という用語は、処理をした（シール）ガスを排気する必要がないか、又は従来のドライガスシールの量より少ない量しか排気する必要がないということを意味する。また、本明細書に記載の実施例によって、多孔質媒体シングルシール、多孔質媒体タンデムシール、及び多孔質媒体対向型ダブルシール構成に関して、外部加圧された多孔質媒体シールを使用することが可能になり、それを組み込むことによって多くの利益をもたらす。これらは、遠心圧縮機等の（しかし、それに限定されない）ターボ装置のシャフトシール用途に使用可能である。

更に、多孔質媒体ベントレススラストベアリングシールを開示する。多孔質媒体スラストベアリングは、プレナム、及びプレナムに連結されたポートを覆って配置される多孔質媒体を含むシールリングとしても機能する１次多孔質媒体スラストベアリングと、加圧流体を１次リングのポートを介してプレナムに導く伝道経路とを含んでもよい。また、多孔質媒体ベントレススラストベアリングは、未処理のプロセスガスに最も近いポートに、未処理のプロセスガスより高い圧力で供給される、処理済みのプロセスガスを含んでもよい。不活性ガス（又は液体状の流体）を、未処理のプロセスガスと同じ圧力で、残りのポートに供給してもよい。一定量の処理済みのガスが、未処理のプロセスガスに流れ込み、未処理のガスが多孔質媒体シールに入るのを防ぐことができる。本出願の適用例は、ターボ装置に適用できる多孔質媒体ベントレスシール、つまり、処理済みのプロセス（シール）ガスをベントする必要がないシール、を作るための外部加圧された多孔質媒体技術を提供する。本主題の発明は、遠心圧縮機等の（しかし、それに限定されない）ターボ装置向けのスラストベアリング及びシャフトシールの用途に使用してもよい。

特定の用語が、便宜的に以下の説明に使用されるが、限定するものではない。参照する図面において、用語「前」、「後」、「左」、「右」、「内側」、「外側」、「上側」、「下側」、「天」、及び「底」によって方向を示す。また、数を明示しない要素、及び用語「１つの」は、特記しない限り、参照要素を１つ以上含むものとして定義される。「ａ、ｂ、又はｃの少なくとも１つ」（ここで、ａ、ｂ、及びｃは列挙された要素を表す）と記載される列挙された要素の言及は、ａ、ｂ、又はｃのいずれかの１つ、又はそれらの組合せを意味する。用語は、上記で具体的に述べた単語、その派生語、及び同様の意味の単語を含む。

図１Ａにおいて、典型的なタンデムドライガスシール構成は、１次（固定）リング１０１Ａ及び相手（回転）リング１０２Ａを備える、全圧力に耐える１次シールと、固定リング１０１Ｂ及び相手（回転）リング１０２Ｂを備える、バックアップとして作用する２次シールとを有する。１次リングは通常炭素で作られ、相手リングは通常、タングステンカーバイド、シリコンカーバイド、又はシリコン窒化物を使用して作られる。シャフトスリーブ１０４が、回転シャフト１０５に連結され、圧縮機ヘッドが１０６に示されている。バネ１０３Ａ及び１０３Ｂが、相手リング１０２Ａ及び１０２Ｂの面に対する固定リングの付勢を維持するための力を生む。ドライシールガス（通常、プロセスガスと同じであるが処理されている）が、シールガス供給位置１０８に注入され、通常、プロセス側圧力より少なくとも５０ｐｓｉ（３４５ｋＰａ）高い。ドライシールガスは、含む固体粒子の大きさが少なくとも１０ミクロン以下の（好ましくは、わずか３〜４ミクロンの大きさ）、極めて「クリーン」なガスでなければならない。注入されたドライシールガスの大部分は、内側ラビリンスシール１１３を通り、圧縮機内（プロセスガス内）に流入する。ドライシールガスの少量が１次シールを通り、１次ベント１０９から流出する。更に、図示のように、不活性ガスが不活性シールガス供給位置１１０に次の２つの目的で注入される。不活性ガスを、中間ラビリンスシール１１４を通して流すことにより、１次シールからの漏れが２次ベント１１１から逃げるのを防止すること、及び不活性ガスが２次シールを越えて流れ、２次ベント１１１から流出することである。２次ベント１１１を出るガスの残りは、バリアシール１０７を通過する分離ガス供給１１２であり、バリアシール１０７は、（ベアリング側から）オイル潤滑が２次又は１次ガスシールに移動するのを防止するように設計されている。従って、一次ベント１０９を通って流れるのは、注入（処理済みの）ドライシールガスと不活性ガスを合わせたものであり、２次ベント１１１を通って流れるのは、不活性ガスと分離ガスを合わせたものである。

なお、タンデムシール構成に追加して、典型的なシングルシール構成では、１次面と相手面のみがあり、２次シールは無い。その他の点でシングルシールの機能は、１次シールを通る漏れがベントされ、バックアップシールが無いこと以外は、タンデムシールと同様である。

同様に、図２Ａは、典型的な「対向ダブル」型ドライガスシール構成を示す。対向ダブル型構成の場合、１次内側固定リング２０１Ｂ、及び１次内側相手（回転）リング２０２Ｂがある。また、２次外側固定リング２０１Ａ、及び２次外側相手（回転）リング２０２Ａもある。シャフトスリーブ２０４が回転シャフト２０５に連結し、圧縮機ヘッドが２０６として示されている。バネ２０３Ａ及び２０３Ｂが、相手リングの面に対する固定リングの付勢を維持するための力を生む。この場合、（窒素等の）不活性ガスは、シールガス供給位置２０８に注入され、両方のシール面を越えて流れる。１次（内側）シールを越えて流れるシールガスの供給は、プロセス側の流れに移動し、２次側（外側）シールを越えて流れるシールガスの供給は、ベント２１０に向かう。未処理のプロセスガスが１次シールの面を汚染するのを防止するために、内側ラビリンスシール２１２と内側シールの間のポート位置２０９に勢いよく導入される処理済みのガスは、一般的には、プロセス側の圧力よりも高い圧力に維持される。従って、１次シールを通る不活性ガスの流れは、内側ラビリンスシール２１２を通ってプロセス側に流入し、ベントされない。バリアシール２０７を通る漏れを防止するために使用される分離ガスは、ポート位置２１１に導入される。２次シールを通る不活性ガスの流れは、分離ガスと混合されベント２１０からベントされる。

図１Ａ及び図２Ａに表したような既存の技術は、非特許文献１に包括的に記載されている。

図１Ｂ及び図２Ｂは、上記現行技術の各構成の動作を大幅に変更するために、両方の図中の１次リングに、シールとして作用する多孔質媒体を組み込んだものを示す。

図１Ｂにおいて、多孔質媒体リング１１５が、１次固定リング１０１Ａに含まれ、多孔質リング１１６が、２次固定リング１０１Ｂに含まれている。図２Ｂにおいては、多孔質媒体リング２１２及び２１３が、１次リングに含まれている。図１Ｂ及び図２Ｂに示すように多孔質媒体ガスシールを採用すると、Ｄｅｖｉｔｔによる特許文献１中に記載されているように機能する、多孔質媒体がもたらされる。

図１Ｂにおいて、シャフトスリーブ１０４が回転シャフト１０５に連結され、圧縮機ヘッドが１０６として示されている。バネ１０３Ａ及び１０３Ｂが、相手リング１０２Ａ及び１０２Ｂの面に対する固定リングの付勢を維持するための力を生む。位置１０８からのシールガス圧力は、プロセスガス側圧力より５０〜３００ｐｓｉｇ（３４５〜２，０６８ｋＰａＧ）高い圧力で、多孔質リング１１５の裏のプレナム１１７に供給することができる。このシールガスは、１〜１０ｓｃｆｍ（１．７〜１７ｍ^３／ｈ）の低い流量で、多孔質リング１１５を通って流れる。この多孔質リング１１５を通る流れによって、シールガスが内側ラビリンス１１３を通ってプロセスガス側に流入する。また、多少の漏れが多孔質リング１１５を抜けて１次ベント１０９へと流れる可能性がある。図１Ａの場合のように、不活性ガスは位置１１０に注入され、その結果、不活性ガスはプレナム１１８へと直接導かれ、多孔質リング１１６を通って移動することができる。多孔質リング１１６を通る不活性ガスの漏れは、中間ラビリンス１１４を通って移動して、１次シールの漏れが２次ベント１１１に到達するのを防ぎ、また、多孔質リング１１６を通る不活性ガスの漏れは、２次ベント１１１へも移動する。２次ベント１１１を出るガスの残りは、バリアシール１０７を通過する分離ガス供給１１２であり、バリアシール１０７は、（ベアリング側から）オイル潤滑が２次又は１次ガスシールに移動するのを防止するように設計されている。従って、一次ベント１０９を通って流れるのは、注入（処理済みの）ドライシールガスと不活性ガスを合わせたものであり、２次ベント１１１を通って流れるのは、不活性ガスと分離ガスを合わせたものである。この構成の主な利点は、ガスの漏れがシール面を通らなくなり、多孔質媒体を通るという点である。他の利点を下に挙げる。１つの選択として、１次シールに注入される処理済みのシールガスは、ターボ装置供給者が了解すれば、（窒素等の）不活性ガスに置き換えてもよい。これによって、不活性ガスがプロセス側に漏れることになるが、処理済みのシールガスの１次ベントからの漏れを防止することができる。

図２Ｂにおいては、窒素等の不活性ガスは、位置２０８に注入される。不活性ガスはプレナム２１５及び２１６に導かれ、多孔質リング２１３及び２１４を通って漏れることができる。多孔質リング２１３を通る漏れは、プロセスガス側内へ移動し、多孔質リング２１４を通る漏れは、ベント２１０を通って移動する。その他の点では、この構成の機能は、図１Ｂのものと同様である。

図１Ｂ及び図２Ｂに示す構成は、「自然安定」な構成と考えられる。

図１Ｂ及び図２Ｂの構成の利点の例のいくつかを以下に示す。

外部加圧によって、凍結したシール面を回転前にポンと開くことができる。

圧力がシール面を通って均一に分布し、それによって、熱の発生が少ない層流を維持することができる。（図３は、ギャップに入る流れが、多孔質媒体を使用した結果、どのように、遥かに大きな流路面積が可能になるかを説明している。）

多孔質媒体を使用することによって、注入したガスの流量を低くすることができる。ベントレスシールに必要な１次シールの流れ、およそ２０ｓｃｆｍ（３４ｍ^３／ｈ）と比較すると、例えば、圧縮機全体のシールガス供給は、一般にはおよそ３００ｓｃｆｍ（５１０ｍ^３／ｈ）以上であろう。

多孔質媒体面が十分に薄く相手リングの表面に密着することができる場合、追加の利点が存在し得る。

ベントレスシール内に注入された処理済みのシールガスが圧縮機プロセス側に流入するので、自己防衛的である。従って、シール面を通る圧力低下が無くなり、シールギャップの圧力が最も高くなる。これにより、シール面を通る流れがあるのとは対照的に、シール面の設計が最適化される。

ベントレスシールを通る注入されたガス流の質を管理するのは、ドライガスシールの管理より、大幅に容易であろう。外部圧力によって、ギャップの大きさを増加させることができる。この理由は、多孔質媒体を通る流量、特にベントレスシールを通る流量が、先行技術よりも少なくとも１桁小さくなるという事実による。プロセスシールを通る漏れが、このように遅い流れであることによって、必要な注入ガス流のろ過が遥かに少なくなり、システム全体を大幅に単純化できる。

図３に、多孔質媒体面が、ドライガスシール等の空気動力学的シールに比べて、どのように流路面積を遥かに大きくするかについての利点を強調している。図３において、空気動力学的シールの場合、流れが、１次面３０２と相手面３０１の間にできるギャップ３０３に入る。流路面積は、次の式で定義される：π×Ｄ_外径×ギャップ幅。しかし、多孔質媒体の空気静力学的シールの流路面積３０４は、空気静力学的シールの面を横切る距離３０５全体を包含し、π×（Ｄ^２ _外径−Ｄ^２ _内径）で定義される。従って、空気静力学的シールの流路面積は、空気動力学的シールの流路面積の数千倍である。

（処理済み）プロセスガスのベントを無くす手段として、またさらに悪く、実際のプロセスガスが圧縮機側から移動する可能性を無くす手段として、以下の議論はベントレスシールに焦点を当てる。ベントレスシールは、多孔質媒体を使用し、図１Ｂ及び図２Ｂの構成についてこれまでに説明した利点の全てを提供することができるが、更に利点を提供することができる。

図４は、回転シャフト４０１、圧縮機ヘッド４０２、及び溝４０７と溝４０９とを含む固定部材４０３を示し、溝４０７及び溝４０９は固定部材４０３を通りホルダー４０８内へ通じている。処理済みのプロセスガスがポート４０５内に導入され、（窒素等の）不活性ガスがポート４０６内に導入される。それらのガスは共に、シールの圧縮機側のガスより高い圧力に設定されることになる。この場合、シールは多孔質媒体リング４０４で、Ｄｅｖｉｔｔによる特許文献１中で教示されているのと同様に機能する。注入されたガスは、溝４０７及び溝４０９を通って流れ、次に多孔質媒体リング４０４を通り、（１〜１０ミクロンの）極めて小さなギャップを形成する。図に示すこれら２つのガスは同じ圧力になるので、注入された（処理済みの）プロセスガスは、多孔質媒体を通って流れ、圧縮機のプロセス側内に流入する。不活性ガスは、多孔質媒体を通って流れ、その後、処理済みのシールガスの流れとは反対方向に流れ、ベントすることができる。両方のガスは、圧縮機のプロセス側の圧力より５０〜３００ｐｓｉ（３４５〜２，０６８ｋＰａ）高い圧力で、多孔質媒体を通って注入されるが、流量は極めて低い（例えば、１〜１０ｓｃｆｍ（１．７〜１７ｍ^３／ｈ）程度）。このような高い圧力差があるのに、このように低い流量であることから、従来のドライシール（バッファ）ガスを管理するのと比較して、大きな利点を提供できる。例えば、圧縮機のプロセス側が２，０００ｐｓｉｇ（１３，７９０ｋＰａＧ）で動作している場合、溝４０７を通る処理済みのプロセスガスの圧力を、２，２００ｐｓｉｇ（１５，１６８ｋＰａＧ）とすることができ、溝４０９を通る不活性ガスの圧力もまたギャップの圧力と均衡するような圧力に調整することができるので、その結果、プロセス側から多孔質媒体ギャップ中には流入することはない。これによって、処理済みのプロセスガスの全てがシステムプロセスガス中に流入し、システムプロセスガスが、多孔質媒体シールの領域に入るのを防止することになる。圧力が調整可能の不活性ガスは、反対方向に流れ、ベントすることができる。どちらのガスも、多孔質媒体内でもう一方のガスに打ち勝つことはなく、従って、処理済みガスがベントの方向に流れることがない。１０，０００ｒｐｍを超え、１，０００ｐｓｉｇ（６，８９５ｋＰａＧ）以上で動作する典型的なシールのシール漏れの総量は、１５０〜２００ｓｃｆｍ（２５５〜３４０ｍ^３／ｈ））の範囲内であろう。ベントレスシールは、圧縮機あたりおよそ２０ｓｃｆｍ（３４ｍ^３／ｈ）を消費するであろう。この構成の主な利点は、（処理済み）プロセスガスのベントが必要ないことである。また、実際のプロセスガスが圧縮機からシールを越えて移動する可能性も全くない。

更に、図８は、ベントレスシールの動作プロトタイプに使用されたのと同様の、追加の詳細を示す。シャフト８０１が、多孔質媒体８０９に対する対向面が設けられたランナー８１０に連結されており、多孔質媒体８０９は、ホルダー８０８に保持されている。多孔質媒体への伝導経路は８０２及び８０３で示す。経路８０２によって、処理済みガスが多孔質媒体ギャップを通ってプロセスガス中に流入することができる。経路８０３は、注入される不活性ガス用であり、不活性ガスは、プロセスガスが多孔質媒体ギャップを通って流れないように、多孔質媒体内で均衡をもたらす。しかし、多孔質媒体とランナー８１０面がわずかに密着していない場合でも、伝導経路８０４及び伝導経路８０５内へのガスの注入によって、ホルダー８０８背面に３６０°の範囲で追加的な与圧が可能になる。これらのガスは、ギャップの限界が調整できるように、個別に調整することができ、その結果、多孔質媒体面とランナー８１０の対向面は、安定したギャップを維持することができる。伝導経路８０４及び８０５をシールしてガスが逃げないようにするために、（典型的）Ｏリング８０６が使用される。伝導経路８０２及び８０３を通って供給されたガス又は流体をシールするために（典型的）Ｏリング８０７が使用される。

追加で、粒子カウンター（図示せず）を採用し、望ましくないプロセスガスがないかを、シールのベント側で検出してもよい。そのようなプロセスガスが検出された場合、追加的に圧力均衡をもたらして、その漏れを減らすために、経路８０２、８０３、８０４、及び８０５に調整された圧力を供給するためのバルブの抑制を電子的フィードバックによって行ってもよい。図５は、３つ以上のポートを使用した、ベントレスシールの代替構成を示す。この構成では、ホルダー５０３が圧縮機ヘッド５０２に取り付けられ、ホルダー５０３は、溝５０４、５０５、及び５０６を含み、図４の構成と比較すると、溝５０６が、追加の溝である。ホルダー５０３には、多孔質媒体リング５０７が含まれてよく、ランナー５０８を、回転シャフト５０１に、Ｏリング５０９を介して取り付けてよい。

この構成では、処理済みガスを、溝５０４に流入するポートに注入することができ、不活性ガスを、溝５０５に流入する別のポートに注入することができる。これら２つのガスは、それぞれ同じ圧力を有し、その結果、図４と同じように、処理済みプロセスガスは、多孔質媒体を通って圧縮機のプロセス側に流入する。不活性ガスは、多孔質媒体を通り、次に反対方向に流れ、ベントすることができる。両方のガスは、圧縮機のプロセス側の圧力より５０〜３００ｐｓｉ（３４５〜２，０６８ｋＰａ）高い圧力で、多孔質媒体を通って注入されるが、流量は極めて低い（例えば、１〜１０ｓｃｆｍ（１．７〜１７ｍ^３／ｈ）程度）。第３の溝５０６は、不活性ガスを異なる圧力で導入できるようにするために使用することができる。例えば、圧縮機のプロセス側が２，０００ｐｓｉｇ（１３，７９０ｋＰａＧ）で動作している場合、溝５０４を通る処理済みのプロセスガスの圧力を、２，２００ｐｓｉｇ（１５，１６８ｋＰａＧ）とすることができ、溝５０５を通る不活性ガスの圧力もまたギャップ内の圧力と均衡するような圧力に調整することができるので、その結果、多孔質媒体ギャップを通る流れは存在しない。これによって、処理済みのプロセスガスがシステムプロセスガス中に流入し、システムプロセスガスが、多孔質媒体シールの領域に入るのを防止することになる。圧力が調整可能の不活性ガスは、反対方向に流れ、ベントすることができる。どちらのガスも、多孔質媒体内でもう一方のガスに打ち勝つことはなく、従って、処理済みガスがベントの方向に流れることがない。この場合、追加的に、第３の溝５０６によって、異なる圧力で導入することが可能になる。上記の例を続けると、不活性ガスを第３の溝に中間の圧力で導入することができ、追加的にシール面の均衡を取るのに使用することができる。

なお、上記の説明中、不活性ガスの代わりに（水等の）別の状態の流体を使い、多相のベントレスシールを構成することができる。例えば、図６では、ホルダー６０２が圧縮機ヘッド６０７に取り付けられ、ホルダー６０２は溝６０４及び６０５を含む。ホルダー６０２には、多孔質媒体リング６０３が含まれてよく、ランナー６０６を、回転シャフト６０１に、Ｏリング６０８を介して取り付けてよい。この構成では、処理済みガスを、溝６０４に流入するポートに注入することができ、流体を、溝６０５に流入する別のポートに注入することができる。ガスと流体の両方は、それぞれ同じ圧力を有し、その結果、図４及び図５と同じように、処理済みプロセスガスは、多孔質媒体を通って圧縮機のプロセス側に流入する。注入された流体は、多孔質媒体を通り、次に反対方向に流れ、ベントすることができる。処理済みガス及び流体の両方は、圧縮機のプロセス側の圧力より５０〜３００ｐｓｉ（３４５〜２，０６８ｋＰａ）高い圧力で、多孔質媒体を通って注入されるが、流量は極めて低い（例えば、１〜１０ｓｃｆｍ（１．７〜１７ｍ^３／ｈ）程度）。この構成の主な特徴は、ガス及び流体の両方を、多孔質媒体内に導入でき、それらが多孔質媒体の表面に形成された「ギャップ」内に存在できるということである。更に１つ追加すると、図５に示すように、多相ベントレスシールは、３つ以上の溝を有する可能性がある。

図７において、多孔質媒体面が、２つの別個の部材７０３Ａ及び７０３Ｂとして示されている。これによって、各部材を図示の境界線でシールして、図示のポートを通って入るガス又は流体が（多孔質媒体内で）混ざるのを防止するためのバリアを提供することができる。図７のその他の要素には、圧縮機ヘッド７０７に取り付けられた多孔質媒体ホルダー７０２があり、ホルダー７０２は溝７０４及び溝７０５を含んでもよい。ランナー７０６が、Ｏリング７０８を介して回転シャフト７０１に取り付けられてもよい。シールされた界面の特徴以外は、この構成の機能は図４のものと同様である。

多孔質媒体に供給される圧力を介して圧力の均衡を取ることの機能的な利点を更に例示するために、図９Ａ及び図９Ｂを提示する。両方（図９Ａ及び図９Ｂ）の場合において、図中には示していないが、多孔質媒体リングの裏側に複数のプレナム、及び複数のポートがあり、それらを通して、ガス又は流体が多孔質媒体内に導入されると仮定する。図９Ａ及び図９Ｂは、１つのポートに高圧を導入し、別のポートに低圧を導入した場合の効果を示す。多孔質媒体面９０１及び９０２もたらされる圧力分布は、各ポートに導入される圧力の大きさに比例する。

ベントレスシールの他の可能性のある用途は、図１Ａの要素１１３及び図２Ａの要素２１２に示す、典型的な内側ラビリンスシールに替えて、又は図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、及び図２Ｂの要素１０７及び２０７に示す典型的なバリアシールに替えて、この構成を組み込むことである。

図１０は、典型的な圧縮機の回転アセンブリの例であり、ラジアルベアリング、スラストベアリング、シールの位置を示す。図１０は、２つのラジアルベアリング１００２及び１００４、２つのシャフトシール（一般的にはドライガスシール）１００３及び１００５、並びにスラストベアリング１００６をもつ回転シャフト１００１を示す。多くの場合、スラスト荷重を最小にするための、図示しないバランスピストンも含まれている。更に、これらの構成部品のそれぞれは、付随するインプット及びアウトプットを有する。例えば、ドライガスシール１００３及び１００５は、バッファガス、不活性シールガス、分離ガスを受け、２つの送出ベントを有する。ラジアルベアリング１００２及び１００４は、ベアリングボックスのベントと共に、オイルのインプット及びドレインを有する。スラストベアリング１００６もまた、オイルのインプットとドレインを有する。このように、典型的な構成は、６つのベント、２つのドレイン、３つのシールガス及びオイルを有する。

図１１は、スラストベアリングのみを使用して、どのように遠心圧縮機の回転アセンブリのための唯一のシールとすることができるかについての例を示す。図１１において、回転シャフト１１０１は、２つの外部加圧されたガスラジアルベアリング１１０２及び１１０３によって支持されている。なお、オイルのインプット及びドレインの必要がなくなり、ベアリングボックスのベントも必要なくなっている。ラジアルベアリング１１０２及び１１０３は、処理済みのプロセスガスによって、圧縮機のプロセスガスより５０〜３００ｐｓｉｇ（３４５〜２，０６８ｋＰａＧ）高い圧力で外部加圧してもよい。ラジアルベアリングからの漏れは、圧縮機内部でプロセスガスと混合される。また、ここではスラストベアリング１１０４が、プロセスガスの外部環境への漏れを防ぐための回転アセンブリに必要な唯一のシールとして作用するため、図１１では、シャフトシールもまた削除されているということにも注意が必要である。回転アセンブリのスラストベアリングではない側の端部は、密封される（蓋がかぶせられる）か、又はシールが必要ないように別の方法で構成される。この場合、必要があれば、外部加圧されたガスラジアルベアリングの軸方向位置を、シャフトシールがあった位置に移動することができ、それによって、本質的にローター長が短くなり、システムに回転動力学的安定性を加えることができる。また、この場合、必要があれば、スラストベアリングの軸方向の位置も図１１の構成の左側のラジアルベアリングがあった位置に移動することができ、それにより、シャフトを更に短くできる。

図１１において、スラストベアリング１１０４の機能は、回転アセンブリに作用する軸方向に発生するスラスト荷重を支えるだけでなく、遠心圧縮機に必要な一次（そして唯一の）シールとして作用することである。このシールは、前述の説明と同様に、ベントレスシールとして機能する。従って、処理されたプロセスガスを、図７のプレナム７０４等のプレナムに導入し、窒素等の不活性ガスを、図７のプレナム７０５等のプレナムに導入してよい。処理済みのプロセスガス及び不活性ガスの注入圧力は、圧縮機のプロセスガスより５０〜３００ｐｓｉｇ（３４５〜２，０６８ｋＰａＧ）高くし、それによって、全ての処理済みガスが圧縮機のプロセスガス内に流入することが可能になる。このベントレスシールのもう一方の部分に導入される窒素ガスの圧力の存在によって、処理済みガスが、シャフトから漏れることはない。従って、スラストベアリング位置１１０４では、窒素ガスのみをベントすればよい。６つのベント、２つのドレイン、並びに３つのシールガス及びオイルを使用する現行技術の図１０の構成と比べて、図１１の構成を使用することによって、１つのベント及び２つのシールガス使用し、オイルは使用しないという構成が可能になる。

特定の状況では、必要なスラストベアリングの大きさを制限するだけでなく、回転アセンブリに作用する軸方向荷重を抑制するためにもバランスピストンが使用される。バランスピストンは、典型的には、圧縮機の吐出部近くのシャフトに装着される。バランスピストンは典型的には、ラビリンスシールと共にディスクであり、これによって、漏れが圧縮機の吸引側に直接戻ることが可能になる。バランスピストンは、スラストを低減するが、同時に、高圧機械では圧縮機の効率に２０％も影響する。

図１２は、ハウジング１２０２内におけるバランスピストン１２０１がベントレスシールタイプになっている例を示す。この実施例では、複数のスラスト面が示されている。バランスピストン１２０１内の各スラスト面には、要素１２１１、１２１２、１２１３、１２１４、及び１２１５で示されるように、外部加圧された多孔質媒体が含まれている。Ｐ１で示す圧力は、システムのプロセスガス側を表す。一例として、圧力Ｐ１は、２，０００ｐｓｉｇ（１３，７９０ｋＰａＧ）で、圧力Ｐ２は、０ｐｓｉｇ（０ＰａＧ）とすることができる。インプットポート１２０３、１２０４、１２０５及び１２０６によって、図示のようにガスの導入が可能である。ベントは、１２０７、１２０８、１２０９及び１２１０で表されている。

動作の一例として、図１２において、Ｐ１が２，０００ｐｓｉｇ（１３，７９０ｋＰａＧ）と仮定すると、窒素をポート１２０５に２，０８０ｐｓｉｇ（１４，３４１ｋＰａＧ）で導入し、処理済みガスをポート１２０６に２，０８０ｐｓｉｇ（１４，３４１ｋＰａＧ）で導入してよい。処理済みガスの圧力が、２，０００ｐｓｉｇ（１３，７９０ｋＰａＧ）の実際のプロセスガスより高いので、漏れはプロセスガス中に流入するが、逆方向に流れることはない。次に、窒素ガスを、ポート１２０４に１，０８０ｐｓｉｇ（７，４４６ｋＰａＧ）で、ポート１２０３に８０ｐｓｉｇ（５５２ｋＰａＧ）で導入してよい。窒素がベント１２１０、１２０９経由でベント可能にすることによって、バランスピストン全体に亘る圧力は、２，０００ｐｓｉｇ（１３，７９０ｋＰａＧ）のＰ１から、０ｐｓｉｇ（０ＰａＧ）のＰ２に減らすことができる。窒素がバランスピストン全体の荷重を支え、プロセスガスの圧縮機からの漏れは発生しない。なお、Ｐ２は、０ｐｓｉｇ（０ＰａＧ）である必要はなく、他の圧力であってもよいということにも注意が必要である。それに応じて、ポート１２０４及び１２０３の圧力は、必要に応じて圧力を下げる設定が可能である。

ベントレスバランスピストンは、前述の例で説明したものからわずかに異なるように動作させることもできる。図１３は、ハウジング１３０２内におけるベントレスバランスピストン１３０１を示す。この実施例では、複数のスラスト面が示されている。バランスピストン１３０１の各スラスト面には、要素１３１１、１３１２、１３１３、１３１４、及び１３１５で示すように、外部加圧された多孔質媒体が含まれている。Ｐ１で示す圧力は、システムのプロセスガス側を表す。一例として、圧力Ｐ１は、２，０００ｐｓｉｇ（１３，７９０ｋＰａＧ）で、圧力Ｐ２は、０ｐｓｉｇ（０ＰａＧ）とすることができる。インプットポート１３０３、１３０４、１３０５及び１３０６によって、図示のようにガスの導入が可能である。ベントは、１３０７、１３０８、１３０９及び１３１０で表されている。

動作の一例として、図１３において、Ｐ１が２，０００ｐｓｉｇ（１３，７９０ｋＰａＧ）と仮定すると、処理済みプロセスガスをポート１３０６に２，０８０ｐｓｉｇ（１４，３４１ｋＰａＧ）で、ポート１３０５に、１，０８０ｐｓｉｇ（７，４４６ｋＰａＧ）で、１３０４に８０ｐｓｉｇ（５５２ｋＰａＧ）で導入してよい。窒素は、ポート１３０３に８０ｐｓｉｇ（５５２ｋＰａＧ）で導入してよい。プロセスガスをベント１３０７、１３０８、１３０９及び１３１０経由で（圧縮機のプロセスガスに戻るように）ベント可能にすることによって、バランスピストン全体の圧力を、２，０００ｐｓｉｇ（１３，７９０ｋＰａＧ）のＰ１から、０ｐｓｉｇ（０ＰａＧ）のＰ２へと下げてもよい。プロセスガスがバランスピストン全体の荷重を支え、圧縮機からのプロセスガスの漏れは発生しない。その理由は、バランスピストンの最終段において、窒素が、最終段で注入されるプロセスガスと同じ圧力（８０ｐｓｉｇ（５５２ｋＰａＧ））で注入されるためである。なお、Ｐ２は、０ｐｓｉｇ（０ＰａＧ）である必要はなく、他の圧力であってもよいということにも注意が必要である。それに応じて、ポート１２０４及び１２０３の圧力は、必要に応じて圧力を下げる設定が可能である。なお、最後の２つの例で示すように、様々なガスを様々な圧力で注入することによって、スラスト荷重を下げる可能性は、他にも数えきれないほどある。

図１４は、固定シャフトに適用されるシールとして作用するスラストベアリングの例を示す。この場合、モータマグネット１４０３及びコイル１４０２がインペラ１４０６の回転運動を生む。インペラ１４０６は、膨張機又は圧縮機のインペラであってよい。多孔質媒体固定ラジアルベアリング１４０７が、固定シャフト１４０４の外径に装着されており、ラジアル荷重を受ける。このラジアルベアリングは、シャフトシールとしても作用する。更に、多孔質媒体ベアリング１４０１が、圧縮機又は膨張機のハウジング１４０５に装着されている。このスラストベアリング１４０１は、インペラの軸方向荷重を支え、モーターキャビティがベント又は冷却される場合のシールとしても作用する。

本明細書で論じる多孔質媒体は、グラファイト、炭素、シリコンカーバイド、多孔質ダイヤモンド、タングステンカーバイド、アルミナ、カーボン−カーボン、ダイヤモンド又はダイヤモンドに類似するコーティングを施した多孔質炭素基材等の、任意の多孔質又は焼結材料で作られてよい。多孔質媒体の製造には、当業界で一般的に知られているセラミック鋳造技術を使用できるが、３Ｄプリントのような他の方法を使用してもよい。

図面を参照して好ましい実施例を詳細に説明したが、当業者が本開示を検討すると、発明の範囲内で他の実施例を実現できることを、容易に理解するであろう。従って、本発明は添付の特許請求の範囲のみによって限定されると解釈すべきである。

図１Ｂにおいて、多孔質媒体リング１１５が、１次固定リング１０１Ａに含まれ、多孔質リング１１６が、２次固定リング１０１Ｂに含まれている。図２Ｂにおいては、多孔質媒体リング２１３及び２１４が、１次リングに含まれている。図１Ｂ及び図２Ｂに示すように多孔質媒体ガスシールを採用すると、Ｄｅｖｉｔｔによる特許文献１中に記載されているように機能する、多孔質媒体がもたらされる。

Claims (10)

1. 第１の端部及び第２の端部を有し、前記第２の端部がプロセス側ガスの漏れを防止するように構成されたアセンブリと、
   前記第１の端部において前記アセンブリに入る回転シャフトと、
   前記回転シャフトを支え、前記プロセス側ガスを前記第１の端部にて前記アセンブリ内にシールするように構成された外部加圧されたスラストベアリングと
   を備える回転装置。
2. 前記アセンブリの前記第２の端部に蓋がかぶせられている、請求項１に記載の回転装置。
3. 前記外部加圧されたスラストベアリングが、ベントレスシールである、請求項１に記載の回転装置。
4. 追加のシャフトシールを必要としない、請求項１に記載の回転装置。
5. ラジアルベアリングを更に備え、前記ラジアルベアリングが外部加圧されたガスベアリングである、請求項１に記載の回転装置。
6. 前記外部加圧されたスラストベアリングが、バランスピストンとして働くように構成され、
   前記外部加圧されたスラストベアリングが、複数のプレナムを覆って配置され、加圧されたガスを、インプットポートを介して前記複数のプレナムに導く伝導経路を有する４つの多孔質媒体リングを更に備え、且つ４つのベント孔を更に備え、その結果、処理済みのプロセスガスが圧縮機から漏れない
   請求項１に記載の回転装置。
7. インプットポートにおけるインプットガスの圧力を調整することによって、圧力がシール面全体で平衡することができる、請求項６に記載の回転装置。
8. スラスト荷重を平衡させるために、処理済みプロセスガス又は不活性ガスを前記インプットポートに導入することができる、請求項６に記載の回転装置。
9. 前記４つの多孔質媒体リングは、グラファイト、カーボン、シリコンカーバイド、多孔質ダイヤモンド、タングステンカーバイド、アルミナ、カーボン−カーボン、ダイヤモンド又はダイヤモンドに類似するコーティングを施した多孔質カーボン基材等の任意の多孔質又は焼結材料で作ることができるか、又は３Ｄプリントを使用して製造できる、請求項６に記載の回転装置。
10. シールとして働くように構成されたスラストベアリングを含む回転装置であって、
    固定シャフトと、
    少なくとも１つの固定多孔質スラストガスベアリングに支持される回転インペラとを備え、
    前記多孔質スラストガスベアリングが、インペラの動作荷重及びモータ引力を支え、固定シャフトに適用されるシールを提供する
    回転装置。