JPH10501604A - シール／ベアリング・アセンブリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 遠心ポンプのパッキン箱の中に嵌合される。テーパ形状の一対の軸受面の外側面に螺旋溝が形成される。螺旋溝は、０．０２ｍｍの深さ、２ｍｍの幅を有しており、その円周方向の長さは５０ｃｍである。バリア液体が、螺旋溝の入口マウスに供給され、螺旋溝は、プロセス圧力に打ち勝つに十分な大きさの圧力をパッキン箱の中に発生する。バリア液体は、水とすることができる。軸受面の間の境界面は、プロセス流体及ぴ外部からシールされる。

Description

【発明の詳細な説明】 シール／ベアリング・アセンブリ 本発明は、回転シャフト用のシール及びベアリングに関し、モータ駆動型の遠 心ポンプに使用するのに特に適している。 発明の背景 有害な流体を環境に放出するようには損傷することがないように構成されたシ ールに対する要求が増大している。そのような新しい要求とは別に、シールの設 計においては一般的な要求がある。すなわち、シールは、故障することなく可能 な限り長い使用寿命にわたって持ちこたえなければならず；シールは、漏洩を生 じ始めた時には、漏洩流に耐えて大きく裂けてはならず；シールは、廉価に修理 されなければならない。シールを露出させるために必要とされる分解時間の長さ は、装置すなわち機器が使用されない時間である。本発明のシール／ベアリング ・アセンブリは、後に説明するように、そのような種々の必要性を意識したもの である。 本発明の一般的な特徴 本発明の目的は、遠心ポンプのパッキン箱の中に大きな圧力、すなわち、プロ セス流体の圧力よりも大きな圧力を発生させるための手段を提供することである 。 本発明の目的は、粘性のある潤滑性のバリア液体を使用せずに、上述の高い圧 力を得て、バリア液体として水を用いる場合でも、高い圧力を得ることである。 本発明の目的は、パッキン箱の中の圧力を制御し、そのような圧力を、プロセ ス流体の圧力、並びに、外部環境の圧力に関して制御するための手段を提供する ことである。 本発明は、複合型のシール／ベアリング・アセンブリ装置を提供し、この装置 は、ある軸線の周囲で回転するようになされたステータ及びロータを備えている 。本装置は、遠心ポンプのパッキン箱の代わりに取り付けることができる。 上記ロータ及びステータの構成要素には、補完的な形状の軸受面が形成されて おり、これら軸受面は、軸受領域と呼ばれる領域にわたって、ハイドロダイナミ ック軸受の関係で互いに掃除するように配列されている。 一方の軸受面には溝が形成されており、この溝は、軸受領域の軸受面に沿って 且つ該軸受面の周囲で、螺旋状の形態で伸長している。上記螺旋溝は、軸受面に わたって伸長する幾つかの回旋部を有しており、そのような回旋部列は、上記螺 旋溝の隣接する回旋部の間に十分な幅を有するランドを残すように配列されてい る。上記螺旋溝は、入口マウス及び出口マウスを有している。 本装置は、入口チャンバ及び出口チャンバを形成するように構成されており、 これら両チャンバは、上記入口マウス及び出口マウスとそれぞれ流体を搬送する 関係で連通されている。本装置は、また、入口チャンバの中にバリア液体を搬送 し、また、出口チャンバからバリア液体を搬送するための手段を備えている。 本装置が駆動されて回転すると、上記バリア液体は、上記螺旋溝に沿って、上 記入口マウスから出口マウスまで流れる。 本発明においては、上記装置は、両軸受面の嵌合がきつい運転隙間になるよう に構成されていて、上記両軸受面の間の隙間すなわちギャップは十分に小さく、 また、各回旋部の間のランド幅は十分に広くて、上記両軸受面の間にハイドロダ イナミック膜を連続的に確実に形成する。 軸受面は、円錐形にテーパしているのが好ましく、上記ロータ又はステータが 、上記テーパ部に対して出入りするように、軸方向に運動可能になされている。 従来技術に対する本発明の関係 従来技術は、プロセス流体をパッキン箱のシールから押し出すためにネジ山を 用いる構造を備えている。上記ネジ山は、プロペラの態様で、あるいは、アルキ メデスネジの態様で作用して、プロセス流体をインペラ室に出し入れする。１つ の例が、米国特許第３，５５８，２３８号（１９７１年、Van Herpt）に示され ている。 他の通常の構造は、アルキメデスネジを用いて、スリーブをシャフトに沿って 軸方向に摺動させるに十分な力を発生し、これにより、バネ負荷されたシール面 の間に作用する力を解放している。そのような構造においては、上記力に対する 反力が、流体をインペラに戻す役割を果たす。従って、シャフトが速く回転すれ ばする程、より多くの流体がシールから押し戻され、また、より多くのシール接 触力が解放される。そのような構造の例が、米国特許第３，７４６，３５０号（ １９７３年、Mayer+）、及び、米国特許第４，２４３，２３０号（１９８１年、 Baker+）に示されている。 渦巻の形態の浅い溝が、シール面に形成されていて、該シール面に存在してい る液体を所望の方向に動かす役割を果たす。そのような例が、米国特許第４，２ ９０，６１１号（１９８１年、Sedy）、米国特許第４，２４９，８１２号（１９ ９３年、Volden+）、及び、米国再発行特許第３４，３１９号（１９９３年、Bou tin+）に示されている。 回転要素の間に非常に小さな半径方向の間隙（クリアランス）を用いて、所望 の態様での流れを促進する方法が、米国特許第５，３７２，７３０号（１９９４ 年、Warner+）に示されている。 好ましい実施例の詳細な説明 本発明を更に説明するために、添付図面を参照して本発明の代表的な実施例を 以下に説明するが、図面においては、 図１は、ポンプ／モータ設備の側面図であり、 図２は、図１の設備に使用するのに適した装置の側方断面図であり、 図３は、別の装置を示す図２と同様の図であり、 図４は、本装置に使用するのに適した要素の図であり、 図５は、上記設備に使用するのに適した別の装置の図であり、 図６は、他の適宜な装置の図であり、 図７は、回路図であり、 図８は、別の適宜な装置の図であり、 図９は、別の適宜な装置の図であり、 図１０は、別の適宜な装置の図であり、 図１１は、別の構造体が装着されている別の装置の図であり、 図１２は、別のタイプの装置の図であり、 図１３は、本装置に使用するに適した別の要素の図である。 添付図面に示して以下に説明する装置は、本発明を具体化する例である。本発 明の範囲は、添付の請求の範囲によって画定されるものであって、代表的な実施 例の特定の特徴によって必ずしも画定されるものではないことを理解する必要が ある。 図１は、ポンプ／モータ設備を示している。電動モータ２０が、ベースフレー ム２３に取り付けられており、該ベースフレームには、軸受箱２５及び遠心ポン プ２７も取り付けられている。モータの電機子は、カップリング３０を介して、 ポンプの駆動シャフト２９に接続されている。 回転シャフト２９は、パッキン箱３２でシールされている。本発明が関係する のは、そのようなパッキン箱を有する設計である。 図２は、ポンプ／軸受箱の状況に応用された、本発明の例を示している。ポン プのインペラ３４が、シャフト２９にキー止めされている。内側の回転スリーブ ３６も、シャフト２９にキー止めされている。固定型の外側スリーブ３８が、ポ ンプ２７のハウジング４０にキー止めされている。 外側スリーブ３８の内側面は、平坦である。回転スリーブ３６の外側面４３に は、（単一の）螺旋溝が形成されている。溝４５の左側のマウス４７は、入口チ ャンバ４９に開いている。溝４５の右側のマウス５０は、出口チャンバ５２に開 いている。 入口チャンバ４９は、通常のゴム製のリップ型シール５４によって、外部に対 してシールされている。入口チャンバ４９は、ポート５６を介してバリア液体源 に接続されている。出口チャンバ５２は、インペラハウジング４０の内部に対し て、すなわち、ポンプ２７によって圧送されているプロセス流体に対して開いて いる。 ロータ及びステータ、並びに、内側及び外側のスリーブは、Ｏリング５８によ って、シャフト及びハウジングにそれぞれシールされている。 使用の際には、シャフト２９は、電動モータによって駆動されて回転し、これ により、スリーブ３６が回転する。従って、溝４５及びその螺旋形態の手段が回 転し、これにより、上記溝の中に位置する液体の分子が、上記溝に沿って搬送さ れる。モータ２０の回転方向は、上記分子が右側（図面の向きにおいて）へ、す なわち、入口チャンバ４９から出口チャンバ５２に向かって、搬送されるように なっている。 バリア液体の分子を右側へ搬送する際の螺旋溝４５の作用は、出口チャンバ５ ２の中のバリア液体の圧力を入口チャンバ４９の中のバリア液体の圧力よりも高 くする役割を果たす。実際に、バリア液体が上記溝によって拾い上げられている 入口チャンバの中のバリア液体の圧力は、大気圧あるいはその付近であり、バリ ア液体が上記溝から出る出口チャンバの中の圧力は、上記螺旋溝の作用によって 、プロセス流体の圧力を超えることができる。 従って、上記一対のスリーブ３６、３８は、パッキン箱３２を通るプロセス流 体の漏洩に対して、非常に有効なシールの役割を果たす。シャフト２９が回転し ていて、バリア液体がポート５６に供給されている限り、出口チャンバ５２には 、加圧されたバリア液体が充填されることになる。 プロセス流体が停止した場合（すなわち、プロセス流体をポンプから離れる方 向に搬送する出口パイプが閉塞した場合）でも、螺旋溝を有するスリーブ３６、 ３８は、依然として、バリア液体を出口チャンバ５２の中に圧送する役割を果た す。 ポンプの入口パイプが閉塞し、ポンプの内部すなわちインペラ室に真空が生じ てキャビテーションが生じた場合には、バリア液体は、依然として、出口チャン バへ圧送される。これとは対照的に、幾つかの従来技術の設計においては、ポン プの吸入ラインにおけるキャビテーションは、パッキン箱の外方に液体が吸い出 される状態を生じ、パッキン箱の中にキャビテーションを生じ、更に、最終的に は、パッキン箱のシール機能を低下させることがある。 バリア液体は、清浄な状態に維持する（例えば、濾過により）ことが容易であ る、バリア液体は、溝４５の出口マウス５０から外方に押し出される。従って、 スリーブ３６、３８、及び、面４２、４３は、プロセス流体に存在する可能性の ある粒子が存在しないように保持される。プロセス流体は、汚れていることが多 く、また、粒子又は他の有害な物質を含むことがあるが、そのような汚れは、プ ロセス流体が上記溝又は面４２、４３に入る前に、濾過される。 バリア液体は、溝４５を充満し、また、外側スリーブ３８の内側面４２と内側 スリーブ３８の外側面４３との間、あるいは、少なくとも、面４２と溝４５の各 回旋部の間に存在する面４３のランド４３Ａとの間に存在する、ハイドロダイナ ミック膜を形成する。 バリア液体は、入口チャンバ４９に供給され、溝の入口マウス４７の中に吸引 される。その結果、軸受面、すなわち、面４２、４３の被清掃領域のいずれの部 分も乾燥しない。実際に、ポンプがキャビテーションを起こしている時（すなわ ち、プロセス流体を全く吸引していない時）でも、軸受面のいずれの部分も乾燥 しない。 バリア液体は、大気圧あるいは大気圧付近で、ポート５６に供給される。バリ ア液体は、プロセス圧力よりも高い圧力までパッキン箱の外部で予め加圧する必 要がなく、螺旋溝４５の作用が、バリア液体を加圧する役割を果たす。実際に、 ポート５６は、バリア液体のリザーバの中に単に浸漬している供給パイプに接続 することができ、上記リザーバの中の液体のレベルは、上記ポートのレベルより も下にすることができ、これにより、バリア液体は、大気圧よりも若干低い圧力 で入口チャンバ４９に吸入される。（リップシール５４は、若干の真空を維持す る必要があるということに基づいて、選択されることになる。） 図２に示す回転する螺旋溝の作用の制限は、プロセス流体の圧力が高くなり過 ぎた時に、バリア液体が溝４５の出口マウス４０から出ることができないことで ある。 また、プロセス流体の圧力が、溝によって発生される圧力よりも高い場合には 、プロセス流体は、ランド４３Ａと面４２との間の境界部に入って、それ自体の ハイドロダイナミック膜を形成する傾向がある。この膜は、特に、プロセス流体 が低い粘度又は潤滑性を有している場合には、その後壊れるか吹き飛ばされる。 面４２、４３の間の隙間が小さくなればなる程、上記ハイドロダイナミック膜 を追い出すに要する圧力は高くなる。円筒形（すなわち、テーパ形状ではない） の面４２、４３の場合には、そのような面の間のクリアランス（隙間）を約０． １ｍｍ以下まで（あるいは、より重度の使用条件が予想される場合にはそれより も更に小さい値まで）減少させることは実際的には可能ではない。 上述のようなギャップすなわち間隙を用い、バリア液体として潤滑油を用いた 場合には、螺旋溝が、例えば、８０又は１００ｐｓｉ（１００ｐｓｉ＝６９０ｋ Ｎ／平方メートル）という数＋ｐｓｉの圧力で液体を出口チャンバに入れること が可能である場合も観察された。そのような圧力は、ポンプが機能を失っている 場合でも、プロセス流体の漏洩を生じさせないのに十分である。 しかしながら、バリア液体が、潤滑油の粘度よりも低い粘度を有する場合には 、上記間隙が０．１ｍｍ程度である時には、かなり低い圧力しか維持されないこ とが分かっている。例えば、バリア液体として水を用いた場合には、出口チャン バの中の圧力を、入口チャンバの中の圧力よりも約２又は３ｐｓｉだけ高くする ことはできないことが分かっている。これは、プロセス流体が螺旋溝、及び、ベ アリングの境界面に漏洩しないようにするのには不十分である。 図２に示す形態においては、バリア液体は、出口チャンバ５２から出ると、プ ロセス流体に入る。従って、図２においては、バリア液体は、プロセス流体の中 で許容されるタイプの液体でなければならない。プロセス流体に入るバリア液体 の量は、ポンプで圧送されているプロセス流体の流量に比較すると、少ないが、 多くの場合には、プロセス流体は潤滑油又は他の粘性液体であり、ほんの僅かの 痕跡でもプロセス流体に入ることは許されない。 多くの工業用のポンプ設備においては、ポンプで圧送されるプロセス流体は、 水、あるいは、水をベースにした液体である。潤滑油（ほんの痕跡でも）は、水 の中に入ることは許されないことが多い。しかしながら、０．１ｍｍ程度の大き さのベアリング面の間の隙間を用いる場合には、水自体は、バリア液体としては 殆ど役に立たない。水がバリア液体である場合に、出口チャンバ５２の中に有効 な圧力を発生させるためには、０．１ｍｍよりもかなり小さな隙間が必要とされ る。しかしながら、雄／雌型のベアリングの形態として配列された円筒形の面は 、高精度で製作したとしても、実際には、上述の値よりも小さな間隙を有するこ と ができない。円筒形の面は、痕跡程度の潤滑油がプロセス流体の中で許容される 場合に、使用することができるが、そのようなケースは、極めて少ない割合のポ ンプ設備でしか生じない。円筒形の面は、バリア液体が水である場合には、殆ど 使用されない。 図２においては、（平坦な）ステータ／スリーブ３８がハウジングの中に固定 されているが、ロータ／スリーブ３６は、シャフト２９上で軸方向に自由に摺動 する（しかしながら、シャフトと一緒に回転するようにキー止めされている）。 バネ６５が、ロータ／スリーブをテーパの中に押し込んでいる。 テーパ面４２、４３は、組み合わされた対のように互いに重なっており、これ により、そのようなテーパ面の間の嵌合は、そのような面の被清掃界面すなわち 軸受面全体にわたって、非常に良好である。 図２においては、回転の間に、上記テーパ面の間にハイドロダイナミック膜が 自然に形成される。そのようなハイドロダイナミック膜は、バリア液体の粘性、 プロセス圧力、回転速度、溝の寸法等の条件に応じて、必要に応じて薄くしたり 厚くしたりすることができる。粘性及び潤滑性が非常に低い水がバリア液体であ っても、面４２、４３の間には膜が独自に発生し、出口チャンバ５２の中には調 節可能な圧力が発生することが判明した。 実際に、バリア液体が水であり、ポンプが機能を失った場合に、６０ｐｓｉ又 はそれ以上の圧力を、出口チャンバの中で容易に達成することが判明した。また 、正常な回転の間に、ハイドロダイナミック膜は、非常に強く、長時間の運転の 後に、面４２、４３が直接接触した証拠がないことも判明した。 しかしながら、面４２、４３の間の直接的な接触は、避けることができず、ス リーブは、焼き付き、スミアリング、ピックアップ等を生ずることなく、偶発的 な接触を許容するような材料から形成しなければならない。例えば、一方のスリ ーブを鋳鉄から形成し、他方のスリーブを青銅から形成することができる。ある いは、ＰＴＦＥの如き、プラスチックのベアリング材料を用いることができる。 実際に、水の場合でも、非常に薄いけれども、面４２、４３の間の境界面に独 自に発生するハイドロダイナミック膜は、そのような境界面がインペラシャフト ２９のための実際のジャーナル・ベアリング（主軸受）として作用するには十分 に強くはないことが分かった。 図２は、軸受箱２５の中に収容されており、通常の設備においては、インペラ の背後でかなり離れている、概念的なベアリング６７を示している。すなわち、 インペラ３４は、シャフトの長いオーバーハングの一端部に取り付けられている 。従って、インペラは、問題となる周期及び振幅の振動を受けることがある。 スリーブ３６、３８は、ベアリングを支援するように作用すると考えることが できる。すなわち、スリーブによって形成されたベアリングは、過剰な振動の一 部を緩衝することによって、ベアリング６７を支援するように作用する。しかし ながら、大部分のケースにおいては、ベアリング６７は、実際には、設けられな いことが分かっている。バリア液体が水の場合でも、ポンプシャフト及びインペ ラは、スリーブによって形成されるベアリングによって適正に支持される。 そのような優れたサポートを行う１つの理由は、ベアリングが、インペラにか なり接近しているということである。図２においては、別個のパッキン箱／シー ルを設ける必要はなく、これにより、ベアリングは、少なくともシールの幅だけ インペラから離されることになり、図２においては、パッキン箱／シール、及び 、ベアリングは、１つで同じものである。 ポンプの吸入側にキャビテーションが生じた場合でも、起こりうるアンバラン スな荷重、及び、振動を誘起する他の悪い状況が、シャフト及びインペラの振動 する偏倚運動を生ずることはなく、その理由は、ベアリングが、インペラに非常 に接近しているからである。シャフトは、通常のポンプがそのパッキン箱／シー ルに漏洩を生じさせるような条件において、円滑に且つ均一に作動する。 テーパ形状のスリーブの螺旋溝は、バリア液体を該溝に沿って入口マウスから 出口マウスへ運ぶ役割を果たす。溝の一回転当たりにバリア液体が移動する距離 は、そのテーパ形状のために、変動することを理解する必要がある。すなわち、 テーパの細い端部における溝の一回転の輪の長さは、太い端部における一回転の 輪の長さよりも短いからである。 これを考慮して、設計者は、テーパの細い端部に向かって溝の断面積が若干大 きくなるようにして、減少する輪の長さを補償するようにしなければならない。 図３は、溝７０が、細い端部において若干深く形成されている状態を示している 。 スリーブ及び溝、並びに、モータの回転方向は、溝がバリア液体をインペラに 向かって運ぶように設定されなければならない。そのようにする際には、図４に 示すように、設計者は、スリーブ７２、７３がバリア液体をテーパの太い端部に 向かって運ぶように、そのようなスリーブを構成することができる。ここでも、 溝７０は、輪の長さの減少を補償するために、細い端部において面積が少し大き くなる（少し深く形成する）ようにされなければならない。 別の実施例（図示せず）においては、ロータスリーブを外側スリーブとし、ス テータを内側スリーブとすることができる。この場合には、溝は、外側スリーブ の内側面に形成され、これは、溝を外側面に形成するよりもかなり難しい。しか しながら、最善のハイドロダイナミック効果を得るために、設計者は、図２のス リーブ３８のような外側のステータスリーブの内側面に溝（螺旋状又は輪状の） を形成することを好む場合が時々ある。 モータの回転が停止した場合でも、プロセス流体が漏洩しないようにシステム を保護することが望ましいことがある。例えば、図２のシステムは、回転が停止 した場合には、プロセス流体が螺旋溝を逆流して漏洩することを許容する。 モータが停止した時の漏洩を防止するために、図５に示すように、出口チャン バ５２とポンプハウジング４０の内側すなわちインペラ室との間に、リップシー ル７４が設けられている。 正常運転の間には、出口チャンバ５２の中に発生する圧力は、インペラ室の中 に発生する圧力よりも高く、シールリップが開いて、バリア液体がインペラ室に 流入するのを許容する。回転が停止すると、この時点において高いインペラ室の 中の圧力が、リップシールを閉じ、これにより、インペラ室の中の流体が出口チ ャンバに入るのを阻止する。 図６は、要素を形成することのできる別の方法を示している。この場合には、 ロータスリーブ７６は、インペラ７８と一体に形成されている。外側のステータ スリーブ８０は、テーパ部の中にバネ負荷されている。インペラの端部に肩部を 持たない、単純で平坦な直径７９をパッキン箱のハウジングに設けるだけで良い ことが分かる。 図６の代替例（図示せず）として、ステータスリーブは、パッキン箱のハウジ ングの中に形成することができる。しかしながら、スリーブがテーパ形状である ので、ロータの表面をインペラに形成し、ステータの表面をハウジングに形成す ることは薦めることができず、その理由は、テーパ形状の利点を得るのであれば 、上述の表面の一方を軸方向に自由に摺動させなければならないからである。 図示のアセンブリにおいては、バリア液体が適正な粘性及び潤滑性を有してい る限り、この構造は、実際の設備で遭遇する可能性のあるプロセス流体の総ての 条件に対して、極めて信頼性のあるシールを与えるものと予想できる。しかしな がら、バリア液体の供給が停止した場合には、溝の入口マウスが乾燥し、面の間 の軸受領域全体が乾燥するか、そのような領域の一部が乾燥する可能性があるこ とに注意することが重要である。そのような事態が生じた場合には、出口チャン バ５２の中の圧力が低下し、恐らく、プロセス流体は螺旋溝に入り、パッキン箱 のシールから（左側へ）漏洩することさえある。上記面が全体的に又は部分的に 乾燥すると、それらの使用寿命はかなり減少する。 従って、設計者は、入口チャンバ４９のバリア液体が無くならないように、注 意する必要がある。 適正なケースにおいては、バリア液体は、プロセス流体から取ることができる 。勿論、これは、プロセス流体が潤滑油である場合であるが、幾つかの他のタイ プの液体でも適正な場合がある。 プロセス流体が潤滑油である場合には、入口チャンバ４９（図２）が乾燥して も問題ではないと考えることができる。その理由は、そのようなプロセス流体は 、出口端から溝４５に入って、軸受面を潤滑するからである。しかしながら、入 口チャンバが乾燥した場合には、プロセス流体が潤滑油であっても、そのような プロセス流体が、軸受面の被清掃領域全体に到達して該領域を湿潤させるとは予 想することはできず、従って、軸受面の乾燥接触を避けることはできない。入口 チャンバ４９を充満した状態に確実に維持することにより、設計者は、ハイドロ ダ イナミック膜を完全な状態に維持して軸受面が接触しないようにする。 図７は、入口チャンバにバリア液体を充填した状態に維持するためのシステム を示している。この場合には、バリア液体は、パイプ８３を介してプロセス流体 から供給され、また、別個の供給源８５からも供給される。供給は、図示のよう に、バルブによって制御され、これらバルブは、必要に応じて、手動又は自動で 制御することができる。 バリア液体は、温度制御装置８６を通り、更に、フィルタ８７を通る。バリア 液体を濾過して清浄にすることが重要であり、その理由は、軸受面の間に捕捉さ れた異物の粒子が、ハイドロダイナミック膜の自己保持特性を阻害するからであ る。 入口チャンバ４９の中のバリア液体の圧力は、別個の調節器８９によって制御 される。そうではなく、バリア液体をその液体のレベルから吸引することにより 、入口チャンバの中の圧力を制御するようにすることもできる。そのようなレベ ルの高さは、ヘッドすなわち圧力を決定する。 上述の設計は、バリア液体がプロセス流体の中に漏洩することのできる場合で あって、実際に、プロセス流体は、バリア液体の供給源である。しかしながら、 上述の設計は、機械的に構成するには極めて簡単な構造ではあるが、その応用性 は、それほど一般的ではない。大部分の場合には、プロセス流体は、バリア液体 で希釈されないようにすることが必要であり、また、プロセス流体は、バリア液 体として用いるには適していない。 図７はまた、バリア液体をプロセス流体とは分離した状態に維持すべき場合に 、バリア液体を制御するための手段を示している。バリア液体及びプロセス流体 が別である場合には、特に、バリア液体が水をベースとしている場合には、必要 に応じて添加剤をバリア液体に加えて、粘性及び潤滑性に関するその性質を向上 させることができる。バリア液体は、出口チャンバの中の圧力を調節器８４によ って所望値に維持しながら、パイプ８２を介して出口チャンバから液体を吸引す ることにより、再循環される。 単一のリップシール７４（図５）の代わりに、背中合わせのリップシールを、 インペラ室と出口チャンバとの間に設けることができる。同様に、背中合わせの リップシールをテーパ形状のスリーブの他端部に設けて入口チャンバ４９（図２ ）をシールして、内方及び外方への漏洩を防止することができる。 リップシールは、数ｐｓｉの差圧にしか耐えられない。従って、そのようなシ ールを大きな差圧から保護することが重要である。これは、図示の圧力調節器に よって、好ましくは自動的に行うのが好ましい。出口チャンバ５２の中の圧力は 、インペラ室４９の中の圧力と比較され、出口の圧力は、出口チャンバの中の圧 力がインペラ室の中の圧力よりも数ｐｓｉだけ高くなるように、調節される。次 に、シールが壊れた場合には、プロセス流体は、パッキン箱の中に漏洩しない。 プロセス流体がバリア液体の中に漏洩することが、バリア液体がプロセス流体の 中に漏洩することよりも、より重要でない場合には、差圧を他の方法で解消する ことができる。すなわち、出口チャンバ９４の中の圧力を、インペラ室９２の中 の圧力よりも、数ｐｓｉだけ低く維持する。図７の回路においては、２つの圧力 を（自動的に）比較し、その差の計算を用いて、符号８４において出口チャンバ の圧力を調節する。 出口チャンバの中の圧力は、螺旋溝の作用によって発生し（外部圧力源は設け られていない）、勿論、設計者は、バリア液体の粘度、回転速度、及び、残りの パラメータを考慮して、螺旋溝の圧力発生能力を適正にするようにしなければな らない。螺旋溝が、例えば、６０ｐｓｉの圧力しか供給できず、プロセス圧力が １００ｐｓｉまで上昇する（例えば、機能を失っている間）場合には、シール９ ０は壊れることになる。 同様に、リップシール４９は、数ｐｓｉよりも高い圧力を受けてはならず、こ の場合にも、圧力調節器６９が、入口チャンバの圧力を制御する。（上述のよう に、入口チャンバの中の圧力は、制御されるヘッドレベルからバリア液体を吸引 することによっても、制御することができる。） そのような予防措置を取った場合には、バリア液体は、プロセス流体とは全く 別個の回路を循環する。分離されたバリア液体は、濾過され、その温度及び他の 性質が制御される。 パイプ８２を介して供給されて回路を循環しているバリア液体は、その全体が 、螺旋溝を通過する液体であることが分かる。（外部で加圧された）バリア液体 が、別個に循環している上述の設計においては、そのような循環は、バイパス基 準であった。図９においては、螺旋溝を通過するバリア液体の総てが、パイプ８ ２に入って、再循環される。 上述のように、エラストマーのリップシールは、数ｐｓｉにしか耐えることが できず、そのようなリップシールが十分に良好でない場合、あるいは、リップシ ールが他の理由で適していない場合には、メカニカルシールと置き換えることが できる。 図８は、２つのメカニカルシール１０５、１０７を有するパッキン箱の例を示 している。シールは、組み合わされた一対のテーパ形状のスリーブすなわちテー パスリーブの各端部に設けられており、螺旋溝が、内側のロータスリーブ１０９ の外側面に形成されている。内側スリーブ１０９は、符号１２０においてキー止 めされていて、シャフト１２３と共に回転し、且つ、シャフトに沿って摺動でき るようになっている。入口チャンバ及び出口チャンバ１２５、１２７が、各要素 の配列によって形成されており、パイプ１２８、１２９が、バリア液体を上記チ ャンバ及び螺旋溝に通す。 図８に示すスリーブ及びシールは、都合の良いサブアセンブリとして形成する ことができるカートリッジを備えており、このカートリッジは、一体化されたユ ニットとして、パッキン箱のハウジング１３０の中に嵌合させるのに適している ことが分かる。 図９は、メカニカルシールを用いる他の構造を示している。この場合には、ス リーブのテーパ形状の境界面が反対方向を向いており、この場合には内側スリー ブ１３２の太い端部（すなわち、図９において右側の端部）である端部の内側の 特別なスペースを用いて、メカニカルシール１３４の一端部を収容している。こ れにより、シール及びスリーブの全長を最低限一緒に保持することができる。上 記一対のスリーブを回転シャフト１３５のためのジャーナル・ベアリングとして 数える限り、ベアリングを越えるシャフト及びインペラのオーバーハングは、可 能な限り短くなる。シール１３４をスリーブ１３２の内側に設けることにより、 上述のオーバーハングを更に短くすることができる。他方のメカニカルシール１ ３６が軸方向において短いことは、それほど重要ではない。 図９に示すように、別のチャンバ１３７を入口チャンバ１４７の外側に設ける ことができる。バリア液体を用いて、軸受箱の中のベアリング１３８を潤滑する 。しかしながら、そのようにすることが適当でない場合が多く、図１０の構造が 好ましい。 シール１３９は、駆動スリーブ１４０に取り付けられており、該駆動スリーブ は、クランプネジ１４１によって、シャフト１３５に締め付けられている。駆動 スリーブ１４０の右側の端部には、駆動歯１４２が形成されており、そのような 駆動歯は、内側スリーブ１４３の対応する駆動スロットに係合している。 組み合わされた一対のテーパスリーブ、及び、シール１３４は、第１のカート リッジサブアセンブリを形成し、該サブアセンブリは、ハウジング１４４の中に 嵌合するのに適している。駆動スリーブ１４０及びシール１３９は、別のカート リッジサブアセンブリを形成し、このカートリッジサブアセンブリは、シャフト １３５にクランプ止めされており、また、カバー１４５によって、ハウジング１ ４４にボルト止めされている。 再度図７を参照すると、図７は、バリア液体を入口チャンバ１４７（図９）に 供給し、また、バリア液体を出口チャンバ１４９から回収するための回路を示し ている。図示のように、この回路は、（液体を冷却／加熱するためにエネルギを 供給することを除いて）能動的（すなわち、エネルギの入力がない）である。プ ロセス流体の圧力を監視して、出口チャンバの中の圧力と比較し、これにより、 シール１３４が過剰な差圧を受けないように構成することができる。 スリーブの間で且つ入口チャンバ及び出口チャンバを通して、バリア液体を循 環させることは、チャンバの中に発生する恐れのある汚れ及び異物を機械的なベ アリングから洗い流す役割も果たす。通常のメカニカルシールには、異物を除去 するためのフラッシュ及びドレーン設備が設けられることが多く、そのような設 備は、エネルギの供給を必要とすることなく、また、事実上他になにも必要とす ることなく、本ケースに自動的に備わっている。 内側スリーブ１３２、１４３（図９、図１０）は、シャフト１３５上で軸方向 に自由に摺動し、バネ１５０（図１０）が、内側スリーブを左側へ押圧する（す なわち、テーパ部の中により深く入れる）ことが分かる。しかしながら、バネ１ ５０の特性は、基本的には、メカニカルシール１３４の要件に基づいて選択され る。テーパスリーブを互いに押し付ける力を狭い限界値の間できっちりと制御す ることが必要であると考えられる。テーパ面の間に形成されるハイドロダイナミ ック膜は、非常に堅固である。軸受面の間に一旦膜が形成されると、そのような 面を互いに押し付ける力が増大しても、そのような面同士を実際に押し付ける際 に殆ど効果を持たず、一方、膜を物理的に壊して面同士を互いに接触させるため に必要な力は、かなりのものである。従って、テーパ面の間の膜が充填されたギ ャップは、上記面を互いに押し付ける力が変化しても、あるいは、メカニカルシ ールの要件によって設定しても、かなりの程度自己設定型で且つ自己維持型であ る。 軸方向に運動可能なスリーブ１３２は、出口チャンバ１４９の中の圧力を受け 、そのような圧力は、バネ１５０と同様に、スリーブ１３２をテーパ部の中によ り深く押し込むように作用する。 螺旋溝を有する一対のスリーブが、インペラシャフト用のジャーナル・ベアリ ングの役割を果たすことを上に説明した。通常のパッキン箱型のポンプの場合に は、シャフトベアリング（軸受箱２５の中に位置する）の要件を決定する際の計 算における重要なファクタの１つは、インペラが上記ベアリングを越えて伸長す るオーバーハングの長さであった。このオーバーハングが、遭遇することになり 、また、ベアリングが受け入れるべき、振動の周期及び振幅を決定した。しかし ながら、本実施例においては、上記オーバーハングは、事実上ゼロ（シャフトの 直径よりも小さい）である。従って、シャフトベアリングが、インペラに極めて 接近しているスリーブによって形成される場合には、ベアリングに対する荷重は 、オーバーハングするシャフトに対して準備すべきポンプベアリングが通常受け る荷重よりも、かなり小さい。 従って、この新しい設計は、軸受箱（例えば、符号２５）の必要性、並びに、 その潤滑等の必要性を排除するだけではなく、荷重をかなり小さくすると共に、 ベアリング自身の使用の必要性をかなり減じる。 通常の設計において、インペラに最も近いベアリングを、一般的にインペラか ら１５又は２０ｃｍ離すことができるとすると、本発明の設計で大きな改善を行 うことは困難ではない。設計者は、好ましくは、シャフトの直径よりも短い範囲 内で、ベアリングの境界面をシャフトに沿って軸方向にインペラから離すべきで ある。 当然、設計者は、ポンプシャフトが軸方向のスラスト力に耐えるようにすべき であるが、ポンプハウジングの外側で且つポンプハウジングとそのような目的の カップリング（例えば、符号３０）との間に、スラストベアリングを設けること が便利であることが多い。（カップリングは通常、軸方向の力を伝達することが できない。） 図１１は、軸受箱２５が取り除かれたばかりではなく、モータ軸とポンプシャ フトとの間のカップリング３０も取り除かれている構造を示している。軸１５２ は、電動モータ１５４の電機子、及び、ポンプインペラ１５６の駆動軸の両方の 役割を果たす。ポンプのハウジング、及び、モータのハウジングは、１つのユニ ットとしてボルト止めすることができ、正確に機械加工されたスピゴット１５８ は、アラインメントを確実に行わせる役割を果たす。カップリングがないので、 シャフトに作用する軸方向のスラスト力は、実際にモータハウジングの中にある スラストベアリング１６０によって支持される。 図１２は、シール／ベアリングの形態として配列されて組み合わされた一対の テーパ形状のスリーブを示しており、この場合には、貫通するシャフトが存在し ない。ロータ１６３は、スタブとして形成されている。 外側スリーブ１６４は、符号１６５において、固定ハウジング１６７にキー止 めされている。外側スリーブは、ハウジングの中で軸方向（垂直方向）に浮くこ とができ、バネ１６７によって上方に押圧されている。 ロータスリーブ１６３のテーパ面には、螺旋溝１６９が形成されている。スリ ーブ１６３が回転すると、螺旋溝の作用によって、入口チャンバ１７０に供給さ れるバリア液体が、出口チャンバ１７２に向かって下方に押圧され、ハイドロダ イナミック潤滑膜が、テーパ面の間に形成される。 入口チャンバ１７０の上方端は、ロータスリーブとステータスリーブとの間の シール境界面１７４によってシールされる。上記シール境界面には圧力が殆ど作 用せず、その理由は、入口チャンバ１７０の中の液体が、螺旋溝１６９の入口マ ウスの中に吸引されているからである。 図１３は、上述の設計に使用されるタイプのロータスリーブ１７４を示してい る。スリーブに対するテストにおいては、以下の性能に注目した。 雄型テーパ形状のスリーブＮｏ．１（平坦な雌型スリーブの中に入っている）： − テーパ角度＝２０°； − 直径x ＝４７．６ｍｍ； − 直径y ＝３１．８ｍｍ； − 長さz ＝４４．４ｍｍ； − 螺旋溝＝一条、２．０３ｍｍ幅×０．２０ｍｍ深さ；溝ピッチ＝６．３５ ｍｍ（回旋部間のピッチ） − 回旋部の間のランドの幅＝４．３２ｍｍテスト１： − 液体＝１８°Ｃの水（粘度＝１．１５センチストークス） − 回転速度＝１７５０ｒｐｍ 結果：発生圧力＝７０ｐｓｉ 流量＝２．２リットル／ｈｒ．テスト２： − 液体＝１８°Ｃの水 − 回転速度＝３５００ｒｐｍ 結果：発生圧力＝１００ｐｓｉ 流量＝４．５リットル／ｈｒ．テスト３： − 液体＝１８°Ｃの水 − 回転速度＝１１００ｒｐｍ 結果：発生圧力＝４０ｐｓｉ 流量＝１．５リットル／ｈｒ．テスト４： − 液体＝ＳＡＥ ３０分、１８°Ｃのオイル、粘度５０センチストークス − 回転速度＝１７５０ｒｐｍ 結果：発生圧力＝３００ｐｓｉ 流量＝３．０リットル／ｈｒ． スリーブＮｏ．２（細い方の端部を機械加工で切断することにより、長さｚ が３８．０ｍｍまで減少された点を除いて、スリーブＮｏ．１と同じ） （平坦な雌型スリーブの中に入っている）テスト５： − 液体＝１８°Ｃの水 − 回転速度＝１７５０ｒｐｍ 結果：発生圧力＝６０ｐｓｉ スリーブＮｏ．３（細い方の端部を機械加工で切断することにより、長さｚ が３１．６ｍｍまで減少された点を除いて、スリーブＮｏ．１と同じ） （平坦な雌型スリーブの中に入っている）テスト６： − 液体＝１８°Ｃの水 − 回転速度＝１７５０ｒｐｍ 結果：発生圧力＝５０ｐｓｉ スリーブＮｏ．４（各々１２．７ｍｍピッチの２つの溝を形成し、隣接する 回旋部の間のランドの幅が４．３２ｍｍである点を除いて、スリーブ Ｎｏ．１と同じ）（平坦な雌型スリーブの中に入っている）テスト７： − 液体＝１８°Ｃの水 − 回転速度＝１７５０ｒｐｍ 結果：発生圧力＝３２ｐｓｉ 流量＝５．４リットル／ｈｒ．テスト８： − 液体＝９３°Ｃの水（粘度＝１．１３センチストークス） − 回転速度＝１７５０ｒｐｍ 結果：発生圧力＝６４ｐｓｉ スリーブＮｏ．５（単一の溝であり、溝の深さが０．２５ｍｍまで増大され た点を除いて、スリーブＮｏ．１と同じ）（平坦な雌型スリーブの中に 入っている）テスト９： − 液体＝１８°Ｃの水 − 回転速度＝１７５０ｒｐｍ 結果：発生圧力＝６０ｐｓｉ 流量＝３．０リットル／ｈｒ． スリーブＮｏ．６（単一の溝であり、溝の深さが０．３０ｍｍまで増大され た点を除いて、スリーブＮｏ．１と同じ）（平坦な雌型スリーブの中に 入っている）テスト１０： − 液体＝１８°Ｃの水 − 回転速度＝１７５０ｒｐｍ 結果：発生圧力＝４５ｐｓｉ 流量＝４．５リットル／ｈｒ． スリーブＮｏ．７（単一の溝であり、溝の深さが０．３５ｍｍまで増大され た点を除いて、スリーブＮｏ．１と同じ）（平坦な雌型スリーブの中に 入っている）テスト１１： − 液体＝１８°Ｃの水 − 回転速度＝１７５０ｒｐｍ 結果：発生圧力＝２０ｐｓｉ 流量＝６．７リットル／ｈｒ．テスト１２： − 液体＝１８°Ｃの糖蜜 − 回転速度＝１７５０ｒｐｍ 結果：発生圧力＝５００ｐｓｉ以上 テスト１、２、３は、螺旋溝からより高い圧力及びより大きな流量を生じさせ る回転速度の増大範囲を示している。 テスト４をテスト１と比較すると、水ではなくオイルを液体として用いると、 かなり大きな圧力を得ることができることを示している。 テスト５、６をテスト１と比較すると、長さを６．４ｍｍ減少させる毎に、得 られる圧力が１０ｐｓｉだけ低下することを示している。 テスト７をテスト１と比較すると、２つの溝を形成すると、１つの溝の場合に 比較して、圧力は半分になり、流量は２倍になることを示している。 テスト８は、水が殆ど沸騰している時には、得られる圧力が概ね８％減少する ことを示している。 テスト９、１０、１１は、螺旋溝を深くすると、圧力が低下することを示して いる。液体が水の場合には、約０．５０ｍｍよりも深い溝は、圧力を全く生じな い。 テスト１２は、液体が糖蜜である場合には、０．５０ｍｍの深さの溝は、５０ ０ｐｓｉよりも大きな圧力を発生することを示している。しかしながら、糖蜜を 用いた場合には、０．３０ｍｍよりも浅い溝は、糖蜜に殆ど影響を与えない。 上記テストはまた、オイルの如き粘性の高い液体は、水に比較して、速度、溝 の深さ等の変化をかなり許容することを示している。しかしながら、上述の溝は 、液体が水の場合でも、圧力及び体積流量を生じさせる性能が高いことは明らか である。 大部分の場合には、パッキン箱の中のバリア液体に圧力を生じさせる要件は、 高い圧力を達成することである。実際に、そのような要件は、バリア液体がプロ セス流体よりも高い圧力にあるということが多い。 理論的には、圧力が発生される限り、大きな体積流量は必要がない。実際に、 大きな流量は、流れがプロセス流体の中に漏洩する場合には特に、不都合である 。 しかしながら、パッキン箱の中のバリア液体に圧力を形成する時には、そのよ うな圧力を形成する手段は、バリア液体がパッキン箱を通って強力に循環されて いる場合でも、また、パッキン箱のシールが漏洩を生じている場合でも、そのよ うな圧力を形成することができるように十分に堅固であることが重要である。 この点に関して、米国特許第４，２９０，６１１号に示されるような、渦形の マーキングを用いて圧力を形成しようとする試みを検討することができる。その ような渦形のマーキングは、流量がゼロ又はほんの少しのレベルにおいてのみ、 圧力を発生することができる。圧力は、漏洩が無い間にだけ発生される。従って 、何等かの理由で測定可能な量の漏洩がシールに発生し始めると、圧力を発生す る機能が低下し、シールが直ちに開いて、多量の漏洩を許容することになる。 上述の構造は望ましいものではない。圧力を発生するための機構は、多目的型 でなければならず、また、シールが漏洩を生じた場合でも、バリア液体の圧力を 維持するに十分な程度に堅固でなければならない。プロセス流体とパッキン箱と の間のシールに僅かの漏洩が生じ始めた場合に、プロセス流体が直ちにパッキン 箱の中に入るようであれば、実際的には殆ど使用できない。 上述の設計においては、そのような望ましい程度の圧力発生の柔軟な堅固さを 得ることができる。溝の寸法等のパラメータを、回転速度及びバリア液体の粘度 に対して適正に設定すると、バリア液体は、螺旋溝の出口マーカーから確実に且 つ連続的に出ることになる。 大部分の遠心ポンプ設備においては、プロセス流体の中に存在する圧力に打ち 勝つために十分な圧力を螺旋溝から得るようにすることは、設計者には十分に簡 単なことであって、螺旋溝が１時間当たり数リットル程度の流量を発生する場合 でも、上述の十分な圧力を得ることができる。 この程度の性能は、バリア液体が水の場合でも得ることができることが分かっ ている。 設計者は、螺旋溝を所望の圧力及び流量を得るための正しい寸法にする必要が ある。 溝は、その幅が２ｍｍ前後とした場合に、約０．４ｍｍよりも深くしてはなら ない。一般的に、螺旋溝（単数又は複数）の全断面積又は合計断面積は、約１平 方ミリメートルを超えてはならず、約０．５平方ミリメートルを超えないのが好 ましい。 溝は、小さすぎてはならない。小さな溝は、圧力を発生することはできるが、 そのような圧力で適正な体積流量を供給することはできない。溝の断面積は、約 ０．３平方ミリメートルが最小限であって、それ以下では、大多数の場合には、 バリア液体の流量が不適当になる。 液体が水の場合には、溝は、液体がオイルである場合の面積の２倍前後の面積 になる。 上述の螺旋溝は、高い圧力をもたらすことができるだけではなく、同時に、そ のような圧力において良好な流量を提供することができることが分かる。これは 、パッキン箱を有するポンプにおいては従来達成されなかった。 溝の１つの回旋部の体積は一般的に、約０．０５ミリリットルであり、溝の出 口マウスから３リットル／ｈｒ（一般的に生ずる）の割合で液体が流れる場合に は、これは、一回転当たり約０．０３ミリリットルの液体を供給すること、すな わち、一回転当たり溝の１つの回旋部の体積の約半分に相当するものと計算する ことができる。 入口マウスと出口マウスとの間の溝の全長は、一般的には、少なくとも５０ｃ ｍあるいは７０ｃｍである。３０cmが最小限であると見なすべきである。溝の全 長が短か過ぎると、圧力を発生することができない。 本発明を使用する際の重要なファクタは、軸受面の間にハイドロダイナミック 膜を形成することである。そのような膜を堅固に且つ確実にするためには、軸受 面の間の運転隙間すなわちギャップは、十分に小さくすべきであり、螺旋溝の隣 接する回旋部の間のランドは、十分に広くすべきである。回旋部の間のランドの 幅は、４ｍｍであるのが良いことが分かった。２ｍｍが、最小限であると見なす べきである。 本明細書で説明するように、軸受面がテーパ形状であり、一方のテーパ面が、 軸方向に動くスリーブに形成される場合には、設計者は、膜の厚みを決定する面 間のギャップを非常に小さくすることができる。ギャップが小さければ小さいほ ど、また、ランドが広ければ広いほど、溝の回旋部の間で維持することのできる 差圧は大きくなる。 螺旋溝が長くなればなるほど、得られる最終圧力は大きくなる。また、溝が長 くなればなるほど、溝は逆漏洩に抵抗し、出口マウスにおける圧力を低下するこ となく、溝の断面積を大きくすることができ、従って、より大きな体積の液体を 溝に沿って動かすことができることが分かる。代表的なパッキン箱設備の寸法的 な外皮は、その中に容易に収容することのできる螺旋溝の寸法が、溝を通る圧力 及び体積流量の適正以上の組み合わせを発生することができるようなものである ことが認識される。 螺旋溝の形態は、メカニカルシールが壊れた場合でも、また、モータの回転が 停止した場合でも、極めて少ない流量の流体が溝を通ってだけ漏洩することがで きることを意味する。溝は、１平方ミリメートルの面積、及び、５０ｃｍの長さ を有することができ、そのような溝を通る漏洩は必然的にゆっくりとしている。 上述のように、設計者は、出口チャンバとインペラ室との間のメカニカルシー ルが壊れた場合（モータは運転していると仮定する）でも、プロセス流体の漏洩 が全く生じないようにしなければならないことがある。この場合には、設計者は 、出口チャンバの中の圧力を調節して、インペラ室の中の圧力よりも若干高い圧 力にしなければならない。上述のように、圧力調節器をパッキン箱のハウジング の外側に設けて、パイプによって上記両チャンバに接続する。 エンジニアは、出口チャンバの中の圧力を調節して、インペラ室の中のプロセ ス流体の圧力よりも少し高い値に自動的に調節するようにする必要がある。これ により、エンジニアは、シールが漏洩を生じた場合でも、プロセス流体がインペ ラ室から出口チャンバの中に流れるのではなく、バリア液体が出口チャンバから インペラ室の中に流れるようにすることができる。出口チャンバの中の圧力が、 プロセス流体の圧力よりも高い状態に維持されている限り、プロセス流体は、出 口チャンバ従って外部へ漏洩することはない。 そうではなく、エンジニアは、それがより適正である場合には、出口チャンバ の中の圧力を調節して、インペラ室の中の圧力よりも小さい圧力にすることがで きる。圧力を設定する際の主要な点は、出口チャンバの中の圧力は、インペラ室 の中の圧力から高い方向に又は低い方向に大幅に異ならない値に設定すべきであ るということである。 同様に、設計者は、入口チャンバと外部との間のメカニカルシールの前後の差 圧を小さい値に維持することもできる。次に、プロセス流体と大気圧との間の全 差圧の先端を、入口チャンバと出口チャンバとの間に伸長する螺旋溝が取る。す なわち、螺旋溝を用いてシールの前後の差圧を最小値に維持する。機械的に接触 するタイプのシールの前後の差圧が小さくなればなるほど、シールの予想寿命は 長くなる。 エンジニアは、出口チャンバの中の圧力を調節して、プロセス圧力の少し下又 は少し上の圧力にすることができる。プロセス流体の圧力は高＜なるかも知れな いが、メカニカルシールに作用する差圧は小さい。これは、勿論、メカニカルシ ールにとって良いことであるばかりではなく、出口チャンバの中の圧力が高いと いうことは、テーパ面の間の界面圧力も高いことを意味し、これは、作動してい る軸受界面としての軸受面にとっても良いことである。 プロセス流体の圧力が高い場合、すなわち、数ｐｓｉよりも高い場合には、シ ールに作用する差圧が低くても、慎重なエンジニアは、プロセスチャンバのシー ルとして、エラストマーのリップタイプではなく、メカニカルタイプのものを選 択する。反対に、入口チャンバと外部環境との間のシールは、エラストマーのリ ップタイプのものを安全に設けることができることが多い。メカニカルシールは 、一般的に、エラストマーのリップシールよりもかなり高価である。 設計者は、溝の入口マウスに対するバリア液体の供給が滞らないようにしなけ ればならない。しかしながら、これは、通常の工業的なポンプの環境では、それ ほど強い要件ではない。それ以上に、バリア液体の供給側を加圧する必要はない 。その理由は、螺旋溝は、必要に応じて、（若干の）真空（負圧）からバリア液 体を吸引することになるからである。 バリア液体は、清浄な状態に保持されなければならない。テーパ面の間に汚れ があると、そのような汚れは、テーパ面の間のギャップを適正に維持するという ハイドロダイナミック膜の機能に影響を与える。しかしながら、テストにおいて は、テーパ面の螺旋溝自身が実際に、テーパ面から異物の粒子を掃除する役割を 果たしたということを指摘しておく。 この自己清掃機能の理由は、汚れ粒子は、ハイドロダイナミック膜の中にでは なく、螺旋溝の中に集まる傾向があると総括することができる。次に、溝に沿っ て移動する液体の速度は、汚れを溝の出口端に流す傾向を有している。螺旋溝の 回旋部の間のランドは、これらランドにある膜の液体が溝の中に入ることができ るように、十分に狭い。この観点から、ランドの幅は約８ｍｍを超えてはならな い。 ロータ及びステータのスリーブを形成する材料の選択は重要である。これは、 ハイドロダイナミック膜が形成されていて、理論的には軸受面の間に接触が存在 しない場合でも同じであり、その理由は、必然的に偶発的な接触が起こるからで ある。 螺旋溝が形成されている面を有する要素は、平坦な面が形成されている要素よ りも硬い材料から形成するべきである。そのようにすると、何等かの磨耗が生じ る場合には、平坦な面が磨耗して、溝は完全な状態に維持されることになる。実 際に、少しの磨耗は有益であり、その理由は、そのような磨耗は、面同士の間の 緩衝を行い、嵌合の緊密度を高めるからである。 適正な組み合わせは、溝を有する雄型のロータを、約０．１ｍｍの硬質クロム で被覆したステンレス鋼で形成するか、あるいは、セラミックのベアリング材料 で形成することである。（被覆すなわちコーティングを持たないステンレス鋼は 、汚れる傾向があるので、適当ではない。）。平坦な雌型のステータは、カーボ ン（グラファイト）、ＰＴＦＥ、あるいは、硬質金属に接触して長時間稼働する よ うに開発された（多数の）複合材料の１つから形成することができる。 設計者は、テーパ面を互いに押し付けるための何等かの手段を準備しなければ ならない。そのような手段は、機械的なバネの形態を取ることができ、あるいは 、テーパ面を互いに押し付けるように軸方向に運動可能なスリーブに作用する、 バリア液体の圧力、あるいは、プロセス流体の圧力を与えることができる。（軸 方向の拘束が全く行われない場合には、上記テーパ面は単に離れる方向に移動し 、ハイドロダイナミック膜は形成されない。）。 上記手段をどのように提供するかを判断する際に、設計者は、バリア液体のプ ロセス流体への漏洩、あるいは、プロセス流体のバリア液体への漏洩のいずれが 最も重要であるかを考慮しなければならない。例えば、飲料液体を圧送する場合 には、そのような飲料液体には、バリア液体が全く混入しないことが重要である が、そのような飲料液体が有害ではない場合には、少量の飲料液体がパッキン箱 を通って漏洩することはそれほど問題ではない。別の場合においては、プロセス 流体が有害な液体であるか、あるいは、ほんの僅かの痕跡でも発ガン性を有する 液体である場合があり、そのような場合には、そのような有害な液体がパッキン 箱の中に漏洩して、バリア液体で希釈されることは好ましい。 設計者は、プロセス流体の圧力又はバリア液体の圧力をテーパ面を互いに押し 付けるための主要な要素とすることができる。あるいは、一方又は両方の圧力に 対して運動可能なスリーブが中立になり、その軸方向の力が機械的なバネによっ て決定されるように、各要素を配列することができる。また、圧力の露呈及び機 械的なバネの幾つかの適宜な組み合わせを行うこともできる。 バリア液体の圧力が増大するに従って、ハイドロダイナミック膜は、テーパ面 を離すというその傾向を増大させる。従って、プロセス圧力が増大するに連れて 、軸方向に運動可能なスリーブをより強くテーパ部の中に押し込むことが、一般 的には好ましい。 運動可能なスリーブが離れることに対する抵抗が小さすぎる場合には、圧力が 適正に形成されない。従って、設計者は、運動可能なスリーブに作用する軸方向 の力を十分に大きくして、テーパ面を一緒に保持し、これにより、所望の圧力が 形成されるようにしなければならない。 テーパ面が必要以上にしっかりと互いに押し付けられることは、それほど問題 ではなく、その理由は、ハイドロダイナミック膜は、非常に堅固であるからであ る。反対に、スリーブは、膜が実際に壊れてテーパ面が機械的に接触するほどに は、強く押圧してはならない。そのような場合にテーパ面が一緒に作動した場合 でも、テストは、テーパ面の間の強制的な接触は、出口チャンバの中の圧力を低 下させることを示している。 テーパ部の角度すなわちテーパ角度は、大き過ぎず、また、小さ過ぎないよう にしなければならない。そのような角度が大きくなればなる程、テーパ面を一緒 に保持して圧力を形成させるために、より大きな力が必要とされる。スリーブを 一緒に保持するために必要な力が、都合良く実行するために、又は、都合良く制 御するためには大きくなり過ぎると、上述の角度は大きくなり過ぎる。 テーパ角度が大き過ぎると別の問題が生ずる。テーパ形状のスリーブがインペ ラシャフト用のジャーナル・ベアリングの役割を果たしている限り、テーパ面に 作用する軸受荷重は、当然にして、テーパ面の間の軸方向の荷重を誘起する。こ の誘起された軸方向の力は、運動可能なスリーブをテーパ部から押し出す傾向を 有している。テーパ角度が大きくなればなる程、運動可能なスリーブに作用する ように誘起される軸方向の荷重は大きくなる。そのような角度が大き過ぎる場合 には、運動可能なスリーブの軸方向の運動に抵抗する手段を設けて、運動可能な スリーブの機能を押さえて、ハイドロダイナミック膜を形成するための最も好ま しい位置に定着させることになる。しかしながら、テーパ角度が大きくない限り 、スリーブがジャーナル・ベアリングとして作用することにより運動可能なスリ ーブに誘起される上述の軸方向の力は無視することができる。 ここでも、スリーブを越えて伸長するインペラのオーバーハングは非常に短い ので、ジャーナル・ベアリングの荷重も小さいことを指摘しておく。インペラに 作用する軸受荷重は、ポンプ室からのプロセス流体の出口をバランスさせること により、減少させることができる。長いオーバーハングに起因する振動によって 主軸受荷重が生ずると、出口圧力をバランスさせることができないことが多いが 、 ベアリングがインペラに非常に接近した場合には、出口のアンバランス及び振動 の両方から生ずる軸受力は、非常に小さい値まで減少させることができる。 上述の考察に基づき、１０°と３０°との間のテーパ角度（すなわち、５°と １５°との間の半角）が良好な結果をもたらすことが分かったが、テーパ角度は 、２０°であるのが好ましい。 本発明に従って適正に作動することのできる最大テーパ角度は、約６０°であ る。この値よりも大きい角度では、運動可能なスリーブに誘起される軸方向の力 を適正に制御することができない。 反対に、テーパ角度は、小さすぎてもならない。テーパ角度が小さ過ぎると、 互いに重ねた状態でテーパ面を製造することは、困難となる。その理由は、テー パ面が固着する傾向があるからである。また、テーパ面が乾燥し、従って、これ らテーパ面の間の摩擦係数が増大した場合にも、上記固着が生ずる。従って、テ ーパ角度は、自己固着する角度よりも大きいのが好ましい。上記自己固着する角 度は、２つのスリーブの間の摩擦係数から決定することができる。鋳鉄及び青銅 のような金属に関しては、テーパ角度は、約７°よりも大きくすべきである。 上述の設計においては、螺旋溝は、ステータスリーブにではなく、ロータスリ ーブに形成されており、この構造が好ましい。また、ロータスリーブが雄型のス リーブであるのが好ましく、その理由は、そのようにすると、溝は、外側を向い た面に形成され、内側を向いた面は平坦な状態のままにすることができるからで ある。 螺旋溝をステータのテーパ面に形成して、ロータのテーパ面を平坦な状態にす ることもできる。また、溝をロータ及びステータの両方に形成することもできる 。 本発明においては、ハイドロダイナミック膜は、堅固で確実であるべきである 。液体が非常に大きな潤滑性及び粘性を有していない限り、上記溝をテーパ面の 一方にだけ形成し、他方のテーパ面は平坦な状態にしておくことが好ましい。平 坦な状態にしておくのは、ステータの面であるのが好ましく、また、平坦な状態 にしておくのは、雌型の面であるのが好ましい。両方の面に溝を形成した場合に は、膜を壊す傾向がある。しかしながら、バリア液体が汚れていたり、あるいは 、汚 れる可能性があり、また、液体が適当な粘性を有するオイル状の液体である場合 には、両方の面に溝を形成するのが好ましい。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項 【提出日】１９９５年１２月１１日 【補正内容】 請求の範囲 １． 回転シャフト用のシールアセンブリ装置であって、 ステータ要素と、ある軸線の周囲で回転するようになされたロータ要素とを備 え、 前記ロータ及びステータの要素には、補完的な形状の軸受面が形成されており 、 前記ロータ及びステータの前記軸受面は、軸受領域と称する領域にわたって、 ハイドロダイナミック軸受の関係で互いに掃除するように配列されており、 前記軸受面の一方には、溝が形成されており、該溝は、前記軸受面に沿って且 つ該軸受面の周囲で、前記軸受領域にわたって螺旋状に伸長しており、 前記螺旋溝は、前記軸受面にわたって伸長する複数の回旋部を有しており、こ れら回旋部は、前記螺旋溝の隣接する回旋部の間に実質的な幅を有するランドを 残すように配列されており、 当該装置は、前記螺旋溝が入口マウス及び出口マウスを有するように構成され ており、 当該装置は、入口チャンバ及び出口チャンバを形成し、これらチャンバが、前 記入口マウス及び前記出口マウスとそれぞれ流体を搬送する関係で連通されるよ うに構成されており、 当該装置は、バリア液体を前記入口チャンバに搬送する手段、及び、前記バリ ア液体を前記出口チャンバから離れる方向に搬送する手段を備えており、 当該装置は、前記ロータが回転すると、前記バリア液体が前記螺旋溝に沿って 前記入口マウスから前記出口マウスへ流れるように構成されており、 当該装置は、前記ロータが回転すると、前記軸受面の嵌合が緊密な運転隙間と なり、前記軸受面の間の隙間すなわちギャップが十分に小さくなり、また、前記 回旋部の間のランドの幅が十分に広くなって、これにより、前記軸受面の間にハ イドロダイナミック膜が連続的に確実に形成されるように構成されていることを 特徴とする回転シャフト用のシールアセンブリ装置。 ２． 請求項１の装置において、前記補完的な形状の軸受面は、前記軸受領域 にわたって、雄型／雌型の形態で互いに嵌合していることを特徴とする装置。 ３． 請求項２の装置において、前記軸受面は、円錐形のテーパ形状になされ ていることを特徴とする装置。 ４． 請求項３の装置において、当該装置は、ロータ要素及びステータ要素の 一方を軸方向に運動するようにガイドするための手段と、前記テーパ面を互いに 押圧するように前記−方の要素を軸方向に押圧するための手段とを備えることを 特徴とする装置。 ５． 請求項１の装置において、当該装置は、プロセス流体搬送機械に装着さ れるのに適しており、前記プロセス流体搬送機械は、加圧されたプロセス流体を 収容するプロセスチャンバを形成しており、該機械の回転シャフトが、当該装置 を貫通し、前記ロータ及びステータは、前記回転シャフトの周囲に嵌合するのに 適するように構成されていることを特徴とする装置。 ６． 請求項４又は５の装置において、前記運動可能な要素を軸方向に押圧す るための前記手段は、該要素のある領域であり、この領域は、当該装置が前記機 械に装着された時に、プロセス流体の圧力に露呈されるように配列されており、 また、前記領域は、前記プロセス流体の圧力が高くなると、前記テーパ面を互い に押圧する力が大きくなるように構成されていることを特徴とする装置。 ７． 請求項４又は５の装置において、前記運動可能な要素を軸方向に押圧す るための前記手段は、バリア液体の圧力に露呈される前記要素のある領域である ことを特徴とする装置。 ８． 請求項４又は５の装置において、前記運動可能な要素を軸方向に押圧す るための前記手段は、機械的なバネであることを特徴とする装置。 ９． 請求項１の装置において、 当該装置は、第１のシールを備えており、この第１のシールは、前記面を擦る タイプのシールであって、前記シールのシール面を弾性的に押圧して互いに擦り 合わせてシール接触させる手段を含んでおり、 前記第１のシールは、前記入口チャンバを外部環境からシールして分離するよ うな位置に設けられていることを特徴とする装置。 １０． 請求項５又は９の装置において、 当該装置は、第２のシールを備えており、この第２のシールは、前記面を擦る タイプのシールであり、 前記第２のシールは、当該装置が前記機械に装着された時に、前記出口チャン バを前記プロセスチャンバからシールして分離するような位置に設けられている ことを特徴とする装置。 １１． 請求項１０の装置において、前記第１のシールは、可撓性を有するリッ プ型のシールであり、前記第２のシールは、メカニカルシールであり、比較的硬 質の材料の面が弾性的に互いに擦れ合うことを特徴とする装置。 １２． 請求項５の装置において、 前記機械は、前記シャフトに取り付けられたインペラを有する遠心ポンプであ り、 当該装置は、前記軸受面が前記インペラから前記シャフトの直径を超えない距 離だけ軸方向に隔置されるように、前記機械に関して位置決めされていることを 特徴とする装置。 １３． 請求項４の装置において、前記テーパ面の挟角であるテーパ角度は、７ °と３０°との間にあることを特徴とする装置。 １４． 請求項１の装置において、前記螺旋溝は、前記軸受面にわたって、連続 的及び規則的に、間断なく、螺旋状に伸長し、両端部が開放されていることを特 徴とする装置。 １５． 請求項１の装置において、前記螺旋溝は、一条型の溝であることを特徴 とする装置。 １６． 請求項１の装置において、前記螺旋溝の全長は、少なくとも３０ｃｍで あることを特徴とする装置。 １７． 請求項１の装置において、前記螺旋溝の隣接する回旋部の間の平坦なラ ンドの幅が、少なくとも２ｍｍであることを特徴とする装置。 １８． 請求項１の装置において、前記軸受領域にある総てのランドの幅の合計 が、前記軸受面の総ての直径の平均の少なくとも半分であることを特徴とする装 置。 １９． 請求項１の装置において、前記螺旋溝の断面積が、１平方ミリメートル よりも小さいことを特徴とする装置。 ２０． 請求項１の装置において、前記螺旋溝の断面積が、０．３平方ミリメー トルよりも大きいことを特徴とする装置。 ２１． 請求項１の装置において、前記螺旋溝は、前記ロータに設けられており 、前記ステータの面は、平坦であって溝が形成されていないことを特徴とする装 置。 ２２． 請求項２１の装置において、前記ロータが雄型であることを特徴とする 装置。 ２３． 請求項１の装置において、当該装置は、圧力調節装置を備えており、該 圧力調節装置は、前記出口チャンバの中の圧力、及び、前記入口チャンバの中の 圧力を調節することができることを特徴とする装置。 ２４． 請求項５又は２３の装置において、当該装置は、前記プロセス流体の圧 力を測定するための手段を備えており、前記圧力調節装置は、前記出口チャンバ の圧力を前記プロセス流体の圧力に近い比例値に調節することができることを特 徴とする装置。 ２５． 請求項１の装置において、前記バリア液体を前記入口チャンバに搬送す るための前記手段、及び、前記バリア液体を前記出口チャンバから離れる方向に 搬送するための前記手段は、前記出口チャンバの中に存在するバリア液体を前記 入口チャンバへ戻し、これにより、前記バリア液体が前記螺旋溝を循環し且つ再 循環するように、互いに接続されていることを特徴とする装置。 ２６． インペラを有すると共にハウジングの中で回転するように取り付けられ たシャフト用のバリア液体シールアセンブリであって、 軸方向において前記インペラ付近で前記シャフトの周囲で環状に且つ同軸状に 設けられたステータ及びロータを備え、これらステータ及びロータは、雄／雌の 形態で互いに嵌合するように軸方向においてテーパ形状になった補完的な面を有 しており、前記ロータは、前記シャフトと共に回転するように固定されており、 また、前記ステータは、前記ハウジングに固定されており、 前記補完的な面の一方には、該面の周囲で螺旋状に伸長する連続的な溝が形成 されており、この螺旋溝は、前記面の軸方向の両端部に、入口マウス及び出口マ ウスを有しており、前記補完的な面は接近して隔置されており、これにより、前 記ロータが回転すると、バリア流体供給チャンバから前記インペラまで、前記面 を完全に横断してシール用のバリア流体を積極的に圧送するように構成されてい ることを特徴とするバリア液体シールアセンブリ。 ２７． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記補完的な面は、ハイドロ ダイナミック軸受の関係で互いに掃除し合うように構成されていることを特徴と するシールアセンブリ。 ２８． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記螺旋溝は、前記ロータの 補完的な面に設けられており、前記ステータの補完的な面は、平坦で溝が形成さ れていないことを特徴とするシールアセンブリ。 ２９． 請求項２８のシールアセンブリにおいて、前記ロータは雄型であること を特徴とするシールアセンブリ。 ３０． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記各々の補完的なテーパ面 の軸方向のテーパ角度が、３０°よりも小さいことを特徴とするシールアセンブ リ。 ３１． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記ロータ及びステータの一 方が、前記シャフトに対して相対的に軸方向に運動するように設けられており、 更に、前記ロータ及びステータの前記一方を他方に向けて軸方向に押圧し、これ により、前記補完的な面を緊密な運転隙間の関係に維持するための機構を備えて いることを特徴とするシールアセンブリ。 ３２．請求項３１のシールアセンブリにおいて、前記機構は、機械的なバネであ ることを特徴とするシールアセンブリ。 ３３． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記バリア流体は、水をベー スとしていることを特徴とするシールアセンブリ。 ３４． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記バリア流体は、前記イン ペラの作用を受けているプロセス流体から吸引されることを特徴とするシールア センブリ。 ３５． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記バリア流体は、前記イン ペラの作用を受けているプロセス流体とは別であることを特徴とするシールアセ ンブリ。 ３６． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記ハウジングの中には、前 記螺旋溝の前記出口マウスに流体連通する出口チャンバが設けられており、該出 口チャンバは、前記出口マウスから加圧下で排出されるバリア流体を受け取るこ とを特徴とするシールアセンブリ。 ３７． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記出口チャンバは、前記イ ンペラがその中で回転しているプロセスチャンバから、シールサブアセンブリに よって分離されていることを特徴とするシールアセンブリ。 ３８．請求項３７のシールアセンブリにおいて、前記出口チャンバの中のバリア 流体の圧力を前記プロセスチャンバの中のプロセス流体の圧力に近い比例値まで 調節するための圧力調節装置を備えていることを特徴とするシールアセンブリ。 ３９． 請求項３８のシールアセンブリにおいて、前記バリア流体が、水をベー スとしていることを特徴とするシールアセンブリ。 【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年７月１２日 【補正内容】 明細書翻訳文の最終行（３０頁）の後に、以下の文言を付け加える。 『本明細書で使用する「ｐｓｉ」という表現は、流体圧の測定単位である。Ｓ Ｉ単位（国際単位）では、１Ｎ／ｍ²＝１．４５×１０^-4ｐｓｉである。』 請求の範囲 １． ステータ要素（３８）と、ある軸線の周囲で回転するようになされたロ ータ要素（３６）とを備えた、回転シャフト（２９）用のシールアセンブリ装置 であって、 前記ロータ及びステータの要素には、前記軸線の周囲で同軸状に設けられた補 完的な形状の軸受面（４２、４３）が形成されており、 前記ロータ及びステータの前記軸受面は、前記ロータの回転時に、軸受領域と 称する領域にわたって、ハイドロダイナミック軸受の関係で互いに掃除するよう に配列されており、 前記軸受面の一方（４３）には、連続的な溝（４５）が形成されており、該溝 は、前記軸受面に沿って且つ該軸受面の周囲で、前記軸受領域にわたって螺旋状 に伸長しており、 前記螺旋溝は、前記軸受面にわたって伸長する複数の回旋部を有しており、こ れら回旋部は、前記螺旋溝の隣接する回旋部の間に実質的な幅を有するランドを 残すように配列されており、 当該装置は、前記螺旋溝が入口マウス（４７）及ぴ出口マウス（５０）を有す るように構成されており、 当該装置は、入口チャンバ（４９）及び出口チャンバ（５２）を形成し、これ らチャンバが、前記入口マウス及び前記出口マウスとそれぞれ流体を搬送する関 係で連通されるように構成されており、 当該装置は、バリア液体源からバリア液体を受け取って該バリア液体を前記出 口チャンバへ搬送するための手段（５６）と、バリア液体を前記出口チャンバか ら離れる方向に搬送するための手段とを備えており、 当該装置は、前記ロータが回転すると、前記バリア液体が前記螺旋溝に沿って 前記入口マウスから前記出口マウスへ流れるように構成されており、 当該装置は、前記ロータが回転すると、前記軸受面の嵌合が緊密な運転隙間と なり、前記軸受面の間の隙間すなわちギャップが十分に小さくなり、また、前記 回旋部の間のランドの幅が十分に広くなって、これにより、回転の間に、前記軸 受面の間にハイドロダイナミック膜が連続的に確実に形成されるように構成され ていることを特徴とする回転シャフト用のシールアセンブリ装置。 ２． 請求項１の装置において、前記補完的な形状の軸受面は、前記軸受領域 にわたって、雄型／雌型の形態で互いに嵌合していることを特徴とする装置。 ３． 請求項２の装置において、前記軸受面は、円錐形のテーパ形状になされ ていることを特徴とする装置。 ４． 請求項３の装置において、当該装置は、ロータ要素及びステータ要素の 一方を他方に対して相対的に軸方向に運動するようにガイドするための手段と、 前記テーパ面を互いに押圧するように前記一方の要素を軸方向に押圧するための 手段とを備えることを特徴とする装置。 ５． 請求項１の装置において、当該装置は、プロセス流体搬送機械に装着さ れるのに適しており、前記プロセス流体搬送機械は、加圧されたプロセス流体を 収容するプロセスチャンバを形成しており、該機械の回転シャフトが、当該装置 を貫通し、前記ロータ及びステータは、前記回転シャフトの周囲に嵌合するのに 適するように構成されていることを特徴とする装置。 ６． 請求項４又は５の装置において、前記運動可能な要素を軸方向に押圧す るための前記手段は、該要素のある領域であり、この領域は、当該装置が前記機 械に装着された時に、プロセス流体の圧力に露呈されるように配列されており、 また、前記領域は、前記プロセス流体の圧力が高くなると、前記テーパ面を互い に押圧する力が大きくなるように構成されていることを特徴とする装置。 ７． 請求項４又は５の装置において、前記運動可能な要素を軸方向に押圧す るための前記手段は、バリア液体の圧力に露呈される前記要素のある領域である ことを特徴とする装置。 ８． 請求項４又は５の装置において、前記運動可能な要素を軸方向に押圧す るための前記手段は、機械的なバネであることを特徴とする装置。 ９． 請求項１の装置において、 当該装置は、第１のシールを備えており、この第１のシールは、前記面を擦る タイプのシールであって、前記シールのシール面を弾性的に押圧して互いに擦り 合わせてシール接触させる手段を含んでおり、 前記第１のシールは、前記入口チャンバを外部環境からシールして分離するよ うな位置に設けられていることを特徴とする装置。 １０． 請求項５又は９の装置において、 当該装置は、第２のシールを備えており、この第２のシールは、前記面を擦る タイプのシールであり、 前記第２のシールは、当該装置が前記機械に装着された時に、前記出口チャン バを前記プロセスチャンバからシールして分離するような位置に設けられている ことを特徴とする装置。 １１． 請求項１０の装置において、前記第１のシールは、可撓性を有するリッ プ型のシールであり、前記第２のシールは、メカニカルシールであり、比較的硬 質の材料の面が弾性的に互いに擦れ合うことを特徴とする装置。 １２． 請求項５の装置において、 前記機械は、前記シャフトに取り付けられたインペラを有する遠心ポンプであ り、 当該装置は、前記軸受面が前記インペラから前記シャフトの直径を超えない距 離だけ軸方向に隔置されるように、前記機械に関して位置決めされていることを 特徴とする装置。 １３． 請求項４の装置において、前記テーパ面の挟角であるテーパ角度は、７ °と３０°との間にあることを特徴とする装置。 １４． 請求項１の装置において、前記螺旋溝は、前記軸受面にわたって、連続 的及び規則的に、間断なく、螺旋状に伸長し、両端部が開放されていることを特 徴とする装置。 １５． 請求項１の装置において、前記螺旋溝は、一条型の溝であることを特徴 とする装置。 １６． 請求項１の装置において、前記螺旋溝の全長は、少なくとも３０ｃｍで あることを特徴とする装置。 １７． 請求項１の装置において、前記螺旋溝の隣接する回旋部の間の平坦なラ ンドの幅が、少なくとも２ｍｍであることを特徴とする装置。 １８． 請求項１の装置において、前記軸受領域にある総てのランドの幅の合計 が、前記軸受面の総ての直径の平均の少なくとも半分であることを特徴とする装 置。 １９． 請求項１の装置において、前記螺旋溝の断面積が、１平方ミリメートル よりも小さいことを特徴とする装置。 ２０． 請求項１の装置において、前記螺旋溝の断面積が、０．３平方ミリメー トルよりも大きいことを特徴とする装置。 ２１． 請求項１の装置において、前記螺旋溝は、前記ロータに設けられており 、前記ステータの面は、平坦であって溝が形成されていないことを特徴とする装 置。 ２２． 請求項２１の装置において、前記ロータが雄型であることを特徴とする 装置。 ２３． 請求項１の装置において、当該装置は、圧力調節装置を備えており、該 圧力調節装置は、前記出口チャンバの中の圧力、及び、前記入口チャンバの中の 圧力を調節することができることを特徴とする装置。 ２４． 請求項５又は２３の装置において、当該装置は、前記プロセス流体の圧 力を測定するための手段を備えており、前記圧力調節装置は、前記出口チャンバ の圧力を前記プロセス流体の圧力に近い比例値に調節することができることを特 徴とする装置。 ２５． 請求項１の装置において、前記バリア液体を前記入口チャンバに搬送す るための前記手段、及び、前記バリア液体を前記出口チャンバから離れる方向に 搬送するための前記手段は、前記出口チャンバの中に存在するバリア液体を前記 入口チャンバへ戻し、これにより、前記バリア液体が前記螺旋溝を循環し且つ再 循環するように、互いに接続されていることを特徴とする装置。 ２６． インペラを有していてハウジングの中で回転するように取り付けられて いる回転シャフト（２９）用のシールアセンブリ装置であって、ステータ要素（ ３８）と、前記シャフトの回転軸線の周囲で回転するようになされているロー タ要素（３６）とを備えており、 前記ステータ要素及び前記ロータ要素は、軸方向において前記インペラの付近 で前記シャフトの周囲で環状に且つ同軸状に取り付けられており、また、雄／雌 の形態で互いに嵌合するように軸方向にテーパ形状の補完的な面を有しており、 前記ロータは、前記シャフトと共に回転するように固定されており、また、前記 ステータは、前記ハウジングに固定されており、 前記補完的な面の一方には、該面の周囲で螺旋状に伸長する連続的な溝が形成 されており、前記螺旋溝は、軸方向の両端部に、開口した入口マウス及び出口マ ウスを有しており、前記補完的な面は、前記ロータが回転すると、該面を完全に 横断してシール用のバリア流体を前記インペラに向かって積極的に搬送するよう に、緊密な運転隙間を形成するように構成されており、 更に、バリア流体源からバリア流体を受け取って、該バリア流体を前記螺旋溝 の前記開口した入口マウスへ信頼性をもって搬送するための手段（５６）を備え ていることを特徴とするシールアセンブリ装置。 ２７． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記補完的な面は、ハイドロ ダイナミック軸受の関係で互いに掃除し合うように構成されていることを特徴と するシールアセンブリ。 ２８． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記螺旋溝は、前記ロータの 補完的な面に設けられており、前記ステータの補完的な面は、平坦で溝が形成さ れていないことを特徴とするシールアセンブリ。 ２９． 請求項２８のシールアセンブリにおいて、前記ロータは雄型であること を特徴とするシールアセンブリ。 ３０． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記各々の補完的なテーパ面 の軸方向のテーパ角度が、３０°よりも小さいことを特徴とするシールアセンブ リ。 ３１． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記ロータ及びステータの一 方が、前記シャフトに対して相対的に軸方向に運動するように設けられており、 更に、前記ロータ及びステータの前記一方を他方に向けて軸方向に押圧し、これ により、前記補完的な面を緊密な運転隙間の関係に維持するための機構を備えて いることを特徴とするシールアセンブリ。 ３２．請求項３１のシールアセンブリにおいて、前記機構は、機械的なバネであ ることを特徴とするシールアセンブリ。 ３３． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記バリア流体は、水をベー スとしていることを特徴とするシールアセンブリ。 ３４． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記バリア流体は、前記イン ペラの作用を受けているプロセス流体から吸引されることを特徴とするシールア センブリ。 ３５． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記バリア流体は、前記イン ペラの作用を受けているプロセス流体とは別であることを特徴とするシールアセ ンブリ。 ３６． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記ハウジングの中には、前 記螺旋溝の前記出口マウスに流体連通する出口チャンバが設けられており、該出 口チャンバは、前記出口マウスから加圧下で排出されるバリア流体を受け取るこ とを特徴とするシールアセンブリ。 ３７． 請求項２６のシールアセンブリにおいて、前記出口チャンバは、前記イ ンペラがその中で回転しているプロセスチャンバから、シールサブアセンブリに よって分離されていることを特徴とするシールアセンブリ。 ３８．請求項３７のシールアセンブリにおいて、前記出口チャンバの中のバリア 流体の圧力を前記プロセスチャンバの中のプロセス流体の圧力に近い比例値まで 調節するための圧力調節装置を備えていることを特徴とするシールアセンブリ。 ３９． 請求項３８のシールアセンブリにおいて、前記バリア流体が、水をベー スとしていることを特徴とするシールアセンブリ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９４２５５９４．０ (32)優先日 1994年12月19日 (33)優先権主張国 イギリス（ＧＢ） (31)優先権主張番号 ９５０６１９５．８ (32)優先日 1995年３月27日 (33)優先権主張国 イギリス（ＧＢ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． シール及びベアリングが組み合わされたアセンブリ装置であって、 ある軸線の周囲で回転するようになされたステータ及びロータを備え、 前記ロータ及びステータの要素には、補完的な形状の軸受面が形成されており 、 前記ロータ及びステータの前記軸受面は、軸受領域と称する領域にわたって、 ハイドロダイナミック軸受の関係で互いに掃除するように配列されており、 前記軸受面の一方には、溝が形成されており、該溝は、前記軸受面に沿って且 つ該軸受面の周囲で、前記軸受領域にわたって螺旋状に伸長しており、 前記螺旋溝は、前記軸受面にわたって伸長する複数の回旋部を有しており、こ れら回旋部は、前記螺旋溝の隣接する回旋部の間に実質的な幅を有するランドを 残すように配列されており、 当該装置は、前記螺旋溝が入口マウス及び出口マウスを有するように構成され ており、 当該装置は、入口チャンバ及び出口チャンバを形成し、これらチャンバが、前 記入口マウス及び前記出口マウスとそれぞれ流体を搬送する関係で連通されるよ うに構成されており、 当該装置は、バリア液体を前記入口チャンバに搬送する手段、及び、前記バリ ア液体を前記出口チャンバから離れる方向に搬送する手段を備えており、 当該装置は、前記ロータが回転すると、前記バリア液体が前記螺旋溝に沿って 前記入口マウスから前記出口マウスへ流れるように構成されており、 当該装置は、前記ロータが回転すると、前記軸受面の嵌合が緊密な運転隙間と なり、前記軸受面の間の隙間すなわちギャップが十分に小さくなり、また、前記 回旋部の間のランドの幅が十分に広くなって、これにより、前記軸受面の間にハ イドロダイナミック膜が連続的に確実に形成されるように構成されていることを 特徴とするシール及びベアリングが組み合わされたアセンブリ装置。 ２． 請求項１の装置において、前記補完的な形状の軸受面は、前記軸受領域 にわたって、雄型／雌型の形態で互いに嵌合していることを特徴とする装置。 ３． 請求項２の装置において、前記軸受面は、円錐形のテーパ形状になされ ていることを特徴とする装置。 ４． 請求項３の装置において、当該装置は、ロータ要素及びステータ要素の 一方を軸方向に運動するようにガイドするための手段と、前記テーパ面を互いに 押圧するように前記一方の要素を軸方向に押圧するための手段とを備えることを 特徴とする装置。 ５． 請求項１の装置において、当該装置は、プロセス流体搬送機械に装着さ れるのに適しており、前記プロセス流体搬送機械は、加圧されたプロセス流体を 収容するプロセスチャンバを形成しており、該機械の回転シャフトが、当該装置 を貫通し、前記ロータ及びステータは、前記回転シャフトの周囲に嵌合するのに 適するように構成されていることを特徴とする装置。 ６． 請求項４又は５の装置において、前記運動可能な要素を軸方向に押圧す るための前記手段は、該要素のある領域であり、この領域は、当該装置が前記機 械に装着された時に、プロセス流体の圧力に露呈されるように配列されており、 また、前記領域は、前記プロセス流体の圧力が高くなると、前記テーパ面を互い に押圧する力が大きくなるように構成されていることを特徴とする装置。 ７． 請求項４又は５の装置において、前記運動可能な要素を軸方向に押圧す るための前記手段は、バリア液体の圧力に露呈される前記要素のある領域である ことを特徴とする装置。 ８． 請求項４又は５の装置において、前記運動可能な要素を軸方向に押圧す るための前記手段は、機械的なバネであることを特徴とする装置。 ９． 請求項１の装置において、 当該装置は、第１のシールを備えており、この第１のシールは、前記面を擦る タイプのシールであって、前記シールのシール面を弾性的に押圧して互いに擦り 合わせてシール接触させる手段を含んでおり、 前記第１のシールは、前記入口チャンバを外部環境からシールして分離するよ うな位置に設けられていることを特徴とする装置。 １０． 請求項５又は９の装置において、 当該装置は、第２のシールを備えており、この第２のシールは、前記面を擦る タイプのシールであり、 前記第２のシールは、当該装置が前記機械に装着された時に、前記出口チャン バを前記プロセスチャンバからシールして分離するような位置に設けられている ことを特徴とする装置。 １１． 請求項１０の装置において、前記第１のシールは、可撓性を有するリッ プ型のシールであり、前記第２のシールは、メカニカルシールであり、比較的硬 質の材料の面が弾性的に互いに擦れ合うことを特徴とする装置。 １２． 請求項５の装置において、 前記機械は、前記シャフトに取り付けられたインペラを有する遠心ポンプであ り、 当該装置は、前記軸受面が前記インペラから前記シャフトの直径を超えない距 離だけ軸方向に隔置されるように、前記機械に関して位置決めされていることを 特徴とする装置。 １３． 請求項４の装置において、前記テーパ面の挟角であるテーパ角度は、７ °と３０°との間にあることを特徴とする装置。 １４． 請求項１の装置において、前記螺旋溝は、前記軸受面にわたって、連続 的及び規則的に、間断なく、螺旋状に伸長し、両端部が開放されていることを特 徴とする装置。 １５． 請求項１の装置において、前記螺旋溝は、一条型の溝であることを特徴 とする装置。 １６． 請求項１の装置において、前記螺旋溝の全長は、少なくとも３０ｃｍで あることを特徴とする装置。 １７． 請求項１の装置において、前記螺旋溝の隣接する回旋部の間の平坦なラ ンドの幅が、少なくとも２ｍｍであることを特徴とする装置。 １８． 請求項１の装置において、前記軸受領域にある総てのランドの幅の合計 が、前記軸受面の総ての直径の平均の少なくとも半分であることを特徴とする装 置。 １９． 請求項１の装置において、前記螺旋溝の断面積が、１平方ミリメートル よりも小さいことを特徴とする装置。 ２０． 請求項１の装置において、前記螺旋溝の断面積が、０．３平方ミリメー トルよりも大きいことを特徴とする装置。 ２１． 請求項１の装置において、前記螺旋溝は、前記ロータに設けられており 、前記ステータの面は、平坦であって溝が形成されていないことを特徴とする装 置。 ２２． 請求項２１の装置において、前記ロータが雄型であることを特徴とする 装置。 ２３． 請求項１の装置において、当該装置は、圧力調節装置を備えており、該 圧力調節装置は、前記出口チャンバの中の圧力、及び、前記入口チャンバの中の 圧力を調節することができることを特徴とする装置。 ２４． 請求項５又は２３の装置において、当該装置は、前記プロセス流体の圧 力を測定するための手段を備えており、前記圧力調節装置は、前記出口チャンバ の圧力を前記プロセス流体の圧力に近い比例値に調節することができることを特 徴とする装置。