JP7273849B2 - シール構造 - Google Patents

Description

本発明は、シールの技術分野に関する。より具体的には、本発明は、コンプレッサー、エキスパンダー又はポンプとして使用されるスライディングベーン機械用のシール構造に関する。

スライディングベーン機械は、典型的には円筒状ハウジングに偏心して配置される、ローターと、ローター内に吊り下げられ、円筒状ハウジングの内壁に追従する、複数のベーンと、を備えている。スライディングベーン機械は、流体処理に使用され、通常、プロセス流体を供給するための入口とプロセス流体を送り出すための出口とを有するキャビティを形成する内壁を有するハウジングと；キャビティ内に配置され、ローターの外面とハウジングの内壁との間の距離が回転方向に変化する、ローターと；回転中に、ローターの外面とハウジングの内壁との間に延在するようにローターに対してスライドするために、ローター内における外向きのスロット内でスライド可能な、ベーンと；を備える。ベーン、ローターの外面、及びハウジングの内壁どうしの間には、閉じた又は閉じ込められた空間が区画される。ローターの外面と壁との間の距離は回転方向に変化するため、閉じた又は閉じ込められた空間の体積も回転方向に変化する。動作中、これらの閉じ込められた空間はプロセス流体で満たされ、それらの体積の変化により、ローターの周りのプロセス流体の流れが変化する。入口及び出口の位置及び形状は、入口から出口へのプロセス流体の流れをもたらすように適合されている。

ローターの外面とハウジングの内壁との間の可変距離は、キャビティとローターとの両方が円筒形状であり、ローターがキャビティ内に偏心して取り付けられていることによって、達成できる。代替的に、キャビティは、他の形状、例えば楕円形状を、有してもよい。 キャビティの両端は、ハウジングに取り付けられたエンドキャップによって閉じられる。 ローターとベーンは、キャビティ全体において軸線に平行な方向に延びている。

ローターは、外部ドライバーによって駆動されることができる。 次に、ローターがベーンを駆動し、ベーンがプロセス流体を移動させる。この場合、回転ベーン機械は、プロセス流体が液体の場合はポンプとして機能し、プロセス流体が気体又は２相流体（すなわち液体と気体の混合物）の場合はコンプレッサーとして機能する。他の用途では、プロセス流体はベーンを駆動し、それによりローターを駆動することができ、ローターは外部の仕事をすることができる。この場合、回転ベーン機械は、プロセス流体が液体の場合はハイドロモーターとして機能し、プロセス流体が気体又は２相流体の場合はエキスパンダーとして機能する。

従来技術の一部の例は、US3130673A（特許文献１）及びUS6273694B1（特許文献２）に見られる。

US3130673A（特許文献１）は、ベーンがそれらのスロット内で自由にスライドし、それにより、回転中に遠心力によりローターの内壁に当たるような、回転ベーンポンプを記載している。さらに、ポンプ内の圧力がベーンの内側に作用し、ベーンを内壁に向けて押し付ける。

US6273694B1（特許文献２）は、キャビティを有するハウジングと、ハウジング内に収容され、ローター軸線及び周面を有する、ローターと、前記キャビティと連通する入口通路及び出口通路と、ローター内のスロット内に半径方向にスライド可能に収容され、それぞれハウジングの内面からローター軸線まで半径方向に延在する、1つ又は複数のベーンと、キャビティの一部であり、ハウジングの内面、ローターの周面、及び少なくとも1つのベーンの側面によって区画される、少なくとも１つの作動チャンバーと、を備えた、回転ピストン機械を記載している。各ベーンは、軸線の周りでコントロールアームの一端に関節式に接続されており、他端において、ハウジングのキャビティを通って中央に延びる軸線と一致する中心軸線を有する固定軸シャフトに、回転可能に軸支されている。この軸線は、ローター軸線に平行に延在し、ローター軸線から離れており、ローター本体はパワーテイクオフ又はパワー入力のためのユニットを構成する。

すべての回転スライディングベーン機械においては、圧力は入口から出口まで変化する。 その結果、ベーン全体にわたって変化する差圧があり、それにより、ベーンに作用する接線力が変化する。通常、回転中に接線力の方向も変化する。

チャンバーの端にある平面は、これらがローターの一部である場合、ハウジングに対して回転し、また、これらがハウジングの一部である場合、ローターは平面に対して回転する。これら２つの構成要素間のインターフェースは、プロセス流体の漏れを防ぐためにシールされる必要がある。回転スライドベーン機械の実際の使用要件に応じて、ベーンの外縁、ベーンの側面、及びローターの側面の両方にシールを設けることができる。片側に回転と圧力がある平面シールの解決策には、一部の異なるタイプがある。例えば、水潤滑シールリングは、水車と組み合わせて平面シャフトシールに使用される。グラファイトのラビリンスシールに基づく平面シールも存在する。これらは、回転して、水潤滑あり又は無しで、磨かれたスチールのシール面と接触する。

US3964844A（特許文献３）は、ベーンポンプのサイドプレートとポンプローター及びカムリングの隣接する表面との間の実質的に一定のクリアランスを自動的に維持するための流体静力学手段を示している。これは、制限された通路によってポンプの高圧チャンバーに接続されているローター及びカムリングの横にあるプレートの内側にある静圧ベアリングポケットと組み合わせてプレートに圧力をかけることによって実現される。

US3751045A（特許文献４）は、軸線方向に移動可能なシール部材が、ハウジング内に取り付けられるとともに、他の移動可能なシール部材からわずかに離され、それにより、２つのシール部材間のわずかなギャップを維持する、リークオフシールを記載している。軸線方向に移動可能なシール部材は、合わせ面及び後面を備えている。合わせ面とシールリングの後面とに作用する圧力のバランスにより、カラーとシールリングとの間に正のクリアランスが維持される。

WO2012036684A（特許文献５）は、同心の回転可能な内側及び外側シャフトどうしの間に配置されたピストンリングを横切って半径方向に幅方向にバランスのとれた圧力プロファイルを生成するように、発散フロー溝に沿って各頂点に連通し、高圧領域から生じた流体を分離する発散フロー溝を含む、シールシステムを記載している。

DE4221199A1（特許文献６）は、内部軸線回転ピストンエンジンのためのシールシステムを示している。シールリングの外面は、ハウジングに押し付けられている。シールリングの側面は、溝壁からシールギャップ距離で非接触に保持され、それにより、シールギャップの最小幅が、案内面によって機械的に確保される。

JPS6165084A（特許文献７）は、スクロールコンプレッサーの静的スラストベアリングを示している。ここで、静圧ベアリング部分とスクロールコンプレッサーの背面との間のクリアランスは、スラスト荷重とは関係なく、ほぼ一定の値に保持され、それにより、スクロールコンプレッサーが適切な状態で支持される。 デリバリーラインで分離された高圧油は、スロットルを介して、スクロールコンプレッサーの背面に配置された静圧スラストベアリングに供給される。

JPS5710790（特許文献８）は、ベーンとサイドプレートとの間に挿入される可動要素について記載している。ベーンが回転方向に移動すると、高圧側のベーンチャンバー内の圧力が可動要素の裏側部分に作用し、それにより、可動要素に力が加わる。可動要素とサイドプレートとの間にパワーステップベアリングが形成される間、くさび油膜による剪断力により正圧が発生し、可動要素に力が加えられる。このようにして、ベーンの熱膨張にもかかわらず、可動要素とサイドプレートとの間のクリアランスを常に一定の値に維持することができる。

US3964844A（特許文献３）に記載されているように、漏れに対するバリアとして静水圧潤滑剤フィルムを使用する従来技術の解決策は、漏れ率がほぼゼロであり得るが、温度上昇を避けるために、シールの両側に潤滑剤を安定して流す必要がある。シールが適切に機能するためには、シールとシール面との間の油圧が、漏れを防ぐためにシールの対象となるプロセス流体の圧力よりも高くなければならない。そうしなければ、プロセス流体がシールとシール面との間のギャップから潤滑剤を押し出す可能性があり、漏れとシールの空運転という２つの望ましくない結果が生じることとなる。 静水圧シールのシールとシール面との間のギャップは、典型的に、通常の機械加工公差や動作中の部品間の動きよりも小さいため、所定の力でシールがシール面に向かって押される必要がある。この力は、所望のフィルム圧力とシールの有効ベアリング面積との積に等しい必要がある。 静圧ベアリングとシールとは低摩擦を特徴とするが、大きな有効面積を有する大きなシールをシールするのに必要な力は、機械の機械的動力のかなりの部分を占める摩擦につながる可能性がある。有効面積30000mm²を有する半径250mmのシールが2MPaのプロセス圧力に対してシールする場合、シールに掛かる力は60kNよりも大きい必要がある。0.005という非常に低い摩擦係数であっても、このシールは、300Nの摩擦力になる。シールの相対速度が30m/sの場合、この種の摩擦は、シール毎に9kWの消費電力に繋がる。この程度のシール摩擦は、大型の水力タービンでは微々たるものかもしれないが、コンプレッサーやエキスパンダーでは重大であり得る。

US3751045A（特許文献４）に記載されているような、従来技術のラビリンスタイプの解決策は、典型的に、摩擦が低いが、漏れ率は、シールされる部品間のギャップの幅に大きく依存する。大型の回転ベーン機械では、圧力分布、熱膨張、及び、機械の通常の負荷による変形により、表面が移動し得る。高圧蒸気や空気等のガス状媒体に対するラビリンスタイプのシールは、十分にシールするために非常に狭いギャップが必要である。

メカニカルシールに依存する従来技術の解決策は、プロセス圧力が0.5MPaを超え、相対速度が10m/sを超えるときに、高摩擦と高摩耗率になる傾向がある。

別の従来技術の解決策は、対角線状に編組されたファイバーガスケットであり、典型的にはグラファイト及び／又は他のファイバーから作られ、溝内に取り付けられ、シール面に押し付けられる。このタイプの１つの例は、Eagle BurgmannによるガスケットBuraflex HT 2000である。このタイプのシールは、蒸気エキスパンダーに一般的に存在する条件、及び、30m/sの領域の比較的高速の場合に、推奨される。しかし、このタイプのシールは、圧力変動とシールギャップの変化に敏感であり、低漏れ率と低摩擦とを同時に実現することは困難である。テストにおいて、蒸気コンプレッサー内におけるこのタイプのシールは、シールの耐用寿命が予測不可能であることが明らかになった。

従来技術の解決策は、典型的には、対称軸線の周りの対称負荷のために、すなわち、シールのペリメーターの周りの均一な流体圧力のために、設計されている。例えば回転ベーンコンプレッサーやエキスパンダー等において、機械内の流体圧力が角度位置と時間によって変化する場合、シールに加わる圧力から生じる力は、半径方向に結果として生じる力となり、それにより、シールの構成要素に負荷が発生する。従来技術の解決策のいずれも、上述の半径方向の力の問題に着目していない。

本発明は、回転ベーン機械のシール問題に対する解決策であり、静圧ベアリングパッドによって制御されるラビリンスタイプのシール機能を提供し、また、不均一に分布した半径方向の圧力及び摩擦の問題に対する解決策を提供する。

従来技術のシール解決策を研究する際に見出された市販のシールの主な欠点は、シールが回転ベーン機械における上記の条件に対して開発されていないことである。

従来技術のシール解決策の多くは、初期摩耗に依存しており、シールからシール面上に堆積する材料によって、シール性能が改善され、摩耗率が低減される。シール面がシールに対して偏心した動きをする適用例では、この摩耗とそれに続く摩耗率の低下は、発生しないか、あるいは、発生しにくくなる。

米国特許第3130673号明細書 米国特許第6273694号明細書 米国特許第3964844号明細書 米国特許第3751045号明細書 国際公開2012036684号パンフレット 独国特許発明第4221199号明細書 特開昭61-65084号公報 特開昭57-10790号公報

本発明の主な目的は、従来技術のシール構造の問題を解決するシール構造を開示することである。

本発明は、ローター上の回転平面と機械ハウジングとの間をシールして、スライディングベーン機械における内側体積と外側体積との間のプロセス流体の流れを防止するようにされた、流体を圧縮又は膨張させるスライディングベーン機械のためのシール方法及びシール構造であり、
－ハウジング端に位置するシールポケットを有する前記ハウジングであって、前記シールポケットは、前記外側体積及び前記内側体積の方向に向かって開口する、前記ハウジングと、
－前記シールポケット内に取り付けられるように構成されたアセンブリであって、前記アセンブリは、
－ピストン構造と、
－前記ピストン構造と前記平面との間のシールベアリングリングと、
を有する、前記アセンブリと、
－前記ハウジングを介したピストンキャビティへの加圧潤滑流体のための流体供給ラインであって、前記ピストン構造はピストン流体チャネルを有し、前記シールベアリングリングは、前記ピストン流体チャネルに対応する、前記シールベアリングリングを通る潤滑導管を有する、前記流体供給ラインと、
－前記ピストン構造を前記シールベアリングリングに向けて及び対して移動させ、それにより、前記シールベアリングリングを前記シール面に向けて及び対して移動させてシール構造を形成するように配置された、前記加圧潤滑流体と、
を備える。
本発明は、シール面の偏心及び軸線方向の動きに関わらず、厳密に制御されたギャップ距離を有するとともに、予測可能な漏れ率を有し、摩擦がなく、シール又はシール面の摩耗がないような、シールギャップを確立することにより、従来技術の解決策の欠点を解決する。

添付の図面は、請求項に係る発明の一部の実施形態を例示している。

図１は、回転ベーンコンプレッサーの部分断面斜視図を示しており、本発明に係る１つのシールユニットが図示されている。 図２は、ハウジング内に偏心して配置されたローターの軸線方向の断面図であり、本発明の一実施形態による２つのシールユニットが図示されている。 図３は、本発明の一実施形態に係るシールユニットの詳細な断面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係るシール面の一部の平面図である。 図５は、回転ベーンコンプレッサーのハウジングのペリメーターに沿った典型的な圧力分布を示している。 図６は、本発明の別の実施形態に係るシールユニットの詳細な断面図を示す。 図７は、本発明に係るシールユニットのさらに別の実施形態の断面図である。 図８は、本発明に係るシールユニットの別の実施形態である。 図９は、本発明に係るシールユニットの別の実施形態である。

以下、本発明を説明し、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。

本発明は、ローター（１）上の回転平面（１ａ）と機械ハウジング（２）との間をシールして、スライディングベーン機械における内側体積（１０）と外側体積（１３）との間のプロセス流体（Ｆ）の流れを防止するようにされた、流体を圧縮又は膨張させるスライディングベーン機械のためのシール構造であり、
－ハウジング端（２０）に位置するシールポケット（Ｐ）を有する前記ハウジング（２）であって、前記シールポケット（Ｐ）は、前記外側体積（１３）及び前記内側体積（１０）の方向に向かう開口を有する、前記ハウジングと、
－前記シールポケット（Ｐ）内に取り付けられるように構成されたシールアセンブリ（３）であって、前記シールアセンブリ（３）は、
－ピストン構造（５、５’）と、
－前記ピストン構造（５、５’）と前記平面（１ａ）との間のシールベアリングリング（４）と、
を有する、前記シールアセンブリ（３）と、
－前記ハウジング（２）を介したピストンキャビティ（６ｃ）への加圧潤滑流体（ＬＦ）のための流体供給ライン（１２）であって、前記ピストン構造（５、５’）はピストン流体チャネル（５ｂ）を有し、前記シールベアリングリング（４）は、前記ピストン流体チャネル（５ｂ）に対応する、前記シールベアリングリング（４）を通る潤滑導管（４ｄ）を有する、前記流体供給ライン（１２）と、
－前記ピストン構造（５、５’）を前記シールベアリングリング（４）に対して移動させ、それにより、前記シールベアリングリングを前記シール面（１ａ）に向けて及び対して移動させ／押し付けてシール構造を形成するように配置された、前記加圧潤滑流体（ＬＦ）と、
を備える。

シールアセンブリ（３）は、図７に断面図で示されている。この実施形態は、ハウジング（２）の凹部であるポケット（Ｐ）内に配置されたピストン構造（５、５’）を示す。この凹部又はポケット（Ｐ）は、ハウジング（２）内に凹部を旋回又は機械加工することによって製造されることができる。加圧潤滑流体は、導管（１２）を通ってポンプ（図示せず）を介してピストン構造（５、５'）のキャビティ（６ｃ）へ流れる。ピストン構造（５、５’）はシールベアリングリング（４）に対して作用し、シールリング（４）は平面（ｌｂ）に対して作用する。同時に、加圧潤滑流体（ＬＦ）はピストン流体チャネル（５ｂ）内を流れる。これらのピストン流体チャネル（５ｂ）は、シールベアリングリング（４）の潤滑導管（４ｄ）と流体接続されている。加圧流体のシールのために、Ｏリング（Ｏ）又は同等部材を、ピストン構造（５、５’）の周り、ピストン構造（５、５’）とシールベアリングリング（４）との間、また、半径方向におけるピストン構造（５、５’）とシールベアリングリング（４）との間に、用いることができる。

本発明は、シール面の偏心及び軸線方向の動きに関わらず、厳密に制御されたギャップ距離を有するとともに、予測可能な漏れ率を有し、摩擦がなく、シール又はシール面の摩耗がないような、シールギャップを確立することにより、従来技術の解決策の欠点を解決する。本発明は、バランスのとれたシールを提供するものであり、局所的なプロセス流体が、シールリップの有効領域とプロセスチャンバに関連する同様の圧力領域との両方に（圧力で）作用し、それにより、シールは不均一な圧力分布や変化する局所的な圧力の影響を受けない。本発明は、ギャップ距離が静圧ベアリングによって制御されるため、予測可能な潤滑膜を維持するためにわずかな予負荷のみを必要とする、低摩擦のシール解決策をも提供する。 プロセス流体圧力によるシールへの負荷はほぼ又は大部分が釣り合っているため、ベアリングに必要な負荷は低く、結果として生じる摩擦も低くなる。

本発明の一実施形態では、ピストン構造（５、５'）は、１つ以上の対応するピストンキャビティ（６ｃ）内に収容され、ピストンキャビティ（６ｃ）は、ポケット（Ｐ）の内側部分に配置される。

本発明の一実施形態では、ピストンキャビティ（６ｃ）は、ハウジング（２）のポケット（Ｐ）の壁（Ｗ）内に配置される。この壁（Ｗ）を図８に示す。このことは、ピストン構造（５、５’）のシールが改善されているため、有利である。加圧流体のシールは、壁内の個別のキャビティ内に適応するのが遥かに簡単である。 この目的でＯリング又は同様の部材を使用することができる。

本発明の一実施形態によれば、ピストンハウジングリング（６）は、シールベアリングリング（４）とハウジング（２）との間に配置され、ピストン構造（５、５'）のための１つ以上のピストンキャビティ（６ｄ）を区画する。ピストンハウジングリング（６）は、１つ以上のピストンキャビティ（６ｄ）を通るチャネル（６ａ）をさらに有する。図３、図６及び図９はすべて、そのように配置されたピストンハウジングリング（６）を図示している。ハウジング（２）とシールベアリングリング（４）との間に別体のピストンハウジングリング（６）を使用することの利点は、シールアセンブリ内で必要な機械加工公差と最終的な取り付け公差を、より簡単に取得できることにある。ポケット（Ｐ）は、単純な機械加工された凹部である。

図１は、回転ベーンコンプレッサーの一部を示している。ローター（１）はハウジング（２）内に偏心して取り付けられているため、ハウジングの内面とローターの表面（ｌｂ）と２つのシール面（１ａ）（１つのみを図示する）との間にキャビティが形成される。複数のベーン（１１）がローター（１）内にスライド可能に取り付けられているため、ベーン（１１）はハウジング（２）の内面に追従する。キャビティは圧縮チャンバーに分割され、これらのチャンバーの体積は、ローター（１）が回転するにつれて変化する。体積の変化により、チャンバー内の媒体の圧力が変化する。本発明の一実施形態に係るシールアセンブリ（３）は、図示されている態様では、ハウジング（２）に取り付けられ、シールリング（４）と、ピストンハウジング（６）と、保持及び案内リング（７）と、水分配（８）と、を備えている。

図２は、アセンブリがより多くの構成要素を備えるような本発明の一実施形態を示しており、ハウジング（２）内部のローター（１）及び本発明に係る２つのシールアセンブリ（３）を通る断面を示している。この図は、ハウジング（２）に対する偏心ローター軸線（ｌｃ）を示している。これにより、ハウジング（２）の内面とローター（１）の表面（ｌｂ）との間の距離が、位置によって変化する（角回転）。この図は、ローター（１）のシール面（１ａ）がシール構造に対してどのように偏心運動するかをも示している。シール構造のための潤滑剤は、ハウジング内の供給ライン（１２）を介して、ハウジング（２）を介してシール構造に与えられる。供給ライン（１２）を介した潤滑剤の分配は、穴、チャネル、ホース等として構成され得る。潤滑剤の供給は、供給ライン（１２）に接続されたポンプ１４（図示せず）を介して行うことができる。この補助ポンプは、ハウジング自体に取り付けられるか、あるいは、簡単にアクセスできるようにユニットの近くのどこかでメンテナンスが容易な場所に配置されることができる。

図３は、シール構造（３）を通る断面の詳細図であり、ハウジング（２）内に配置されたシール構造（３）と、ローター（１）における回転するシール面（１ａ）の平面に面しているシールベアリングリング（４）と、を示している。シール構造（３）は、内側体積（１０）と外側体積（１３）との間のプロセス流体の流れを防止する。シールアセンブリ（３）は、ピストンハウジング（６）と保持及び案内リング（７）との間に配置されるシールベアリングリング（４）を有する。シールベアリングリング（４）は、ピストンハウジング（６）内に挿入された複数のピストン（５）によって、ローター（１）のシール面（１ａ）に向けて及び対して、押し付けられる。随意の流体／水分配リング（８）は、ハウジング（２）とピストンハウジング（６）との間に示されている。前記水分配リング（８）の機能は、一実施形態において、ハウジング（２）に統合されるか、又は、ハウジング（２）の一部を構成することができる。 図３を参照し、一実施形態では、ピストンハウジング（６）の特徴及び機能は、ハウジング（２）に統合するか、又は、ハウジング（２）の一部を構成することもできる。潤滑剤は、水分配リング（８）から、ピストンハウジング（６）内のチャネル（６ａ）を介して、開口／穴（６ｂ）を介して、１つ以上のシリンダー体積（９）まで、シールアセンブリ（３）に供給される。シリンダー体積（９）から、潤滑剤は、ピストン（５）内の制限部材（５ａ）とチャネル（４ｄ）とを通って静圧ベアリング面（４ｂ）へ流れる。ベアリング面内の随意の凹部（４ｃ）は、ベアリング面の有効面積を増やす。外側体積（１３）の圧力よりも高い供給圧力で潤滑剤が供給されると、供給圧力がピストン（５）に作用し、ピストン（５）に力を作用させる。潤滑剤の流れは制限部材（５ａ）によって制限されるため、ベアリング面（４ｂ）とシール面（１ａ）との間の潤滑剤圧力は供給圧力より低くなり、それにより、ベアリング面（４ｂ）の有効面積が、供給圧力にさらされているピストン（５）の面積よりも大きいことが必要になる。ベアリング面（４ｂ）とシール面（１ａ）との間の距離により、凹部（４ｃ）から外側体積（１３）への流れの速度が決まり、流速により、制限部材（ ５ａ）の全体にわたる圧力差が決まる。距離が短い場合（例えば、4μm）、圧力差は低くなり、ベアリング面（４ｂ）とシール面（１ａ）との間の圧力は高くなる。これにより、シールアセンブリ（３）は静水圧ベアリングとして機能し、静水圧ベアリングはひいては自動調整式であり、ベアリング（４ｂ）とシール面（１ａ）との間の距離をほぼ一定に保つ（通常、潤滑剤として水が用いられる場合、4～20μm）。シールベアリングリング（４）はシールリップ（４ａ）を有し、シールリップ（４ａ）はシール面（１ａ）から一定の距離に保たれる。この距離は、ベアリング面とシール面との間の距離と、同じであってもよいし、同じでなくてもよい。シールリップとシール面との間の短い距離により、内側体積（１０）から外側体積（１３）への、小さいが予測可能な漏れが生じる。シールベアリングリング（４）は、軸線方向に移動できるとともに保持及び案内リング（７）によって制限され、より短い距離にわたって半径方向に移動できるとともに保持及び案内リング（７）のスライド面（７ａ）によって制限される。シールリング（４）の一部として溝（４ｅ）内に配置されたＯリングは、シールリング（４）とピストンハウジング（６）との間における、内側体積（１０）から体積（１１）への漏れを、防止する。小さな領域（４ｆ）がシールリングとピストンハウジングとの間に設けられており、内側体積（１０）の圧力が領域（４ｆ）に作用して、シールリングをシール面に向けて及び対して押し付ける。 シールリップ（４ａ）とシール面との間の圧力分布は、領域（４ａ）に作用して、シールリングをシール面から押し離す。領域（４ａ）及び（４ｆ）は、内側体積（１０）内の媒体からの圧力をバランスさせるように選択されることができる。そのため、ベアリング面への負荷は、主に供給圧力とピストン領域とに依存する。 シールリング（４）と案内リング（７）との間の接触面（７ａ）は、接触領域が溝（４ｅ）とシール面との間の圧力領域に対して中心に配置されるように設計され得る。制限部材（５ａ）の機能は、一実施形態では、チャネル（４ｄ）内の個別の制限部材、ピストン（５）若しくはシールリング（４）内の減少した流路断面、又は、凹部（４ｃ）の形状によって、得られ得る。

図４は、シールリング（４）の一部の平面図である。この図は、外側体積（１３）から見たものであり、コンプレッサーハウジング（２）に面している。ベアリングは、シールリップ／リムとローター（１）の（回転）平面シール面との間に、ほぼ一定の小さな距離をもたらす。静圧ベアリングは、自動調整式及び自動平衡式であり、シール面が非平面である場合、又は、製造公差若しくは熱膨張によりスローアウト（不均衡又は焼結ひずみ）が発生した場合に、シール面に追従する。シールは、シール面の小さな軸線方向の動きでさえも耐えることができる。この図は、シールリップ（４ａ）と、随意の凹部（４ｃ）を有する複数の静圧ベアリングパッド（４ｂ）と、制限部材（５ａ）を有するチャネル（４ｄ）と、を示している。ベアリングパッドは、さまざまな態様に設計されることができる。ドレン溝（４ｇ）は、ベアリングパッドとシールリップとをベアリングパッド（４ｂ）から分離する。ドレン溝（４ｇ）により、確実に、潤滑剤がベアリングパッド（４ｂ）から出て、シールリップ全体に漏れるプロセス流体が外側体積（１３）に排出され、ごくわずかな圧力がシールリップ又はリムの外部に生じるようになる。この図は、シールリップ／リムがこの表面の唯一のシール機能であることも示している。

図５は、回転ベーンコンプレッサーのハウジング（２）のペリメーターに沿った典型的な圧力分布を示している。Ｘ軸は回転角度（度単位）を示し、Ｙ軸はコンプレッサーの内部圧力を示す。図５の左上部分には、簡略化した図面が描かれており、コンプレッサーのローターは、コンプレッサハウジング（２）内に偏心して配置されており、高圧（ＨＰ）排出と低圧（ＬＰ）入口とがある。ペリメーターに沿った任意の点で、ローターの位置に応じて、圧力は最小圧力グラフと最大圧力グラフとの間で変化し得る。一次シール装置に作用するプロセス圧力は、角度位置と時間との両方に応じて変化する。実際には、圧力の過渡現象は、一般的に、計算が示すものより「寛大」となる。それにもかかわらず、最小から最大への圧力変化が40～400マイクロ秒で発生するような、非常に大きな圧力変動が、示されている。回転ベーンコンプレッサーでは、プロセス流体の入口面積は、典型的に、ペリメーターの３分の１である。この領域では、流体圧力は、一般的に、低くかつ一定で、入口圧力に近い。プロセス流体は、回転の約３分の１の間に圧縮され、この領域では、流体圧力が、ベーンの位置に応じて、コンプレッサーの最低流体圧力及び最高流体圧力の間で変化し得る。図５に見られるように、圧力変動はすべての位置で同じであるとは限らない。出口（ここでは排出）の近くでは、流体圧力は常に高くなるが、一部のケースでは、一部の時間において、動作条件により、より小さな領域内で、圧力が出口圧力よりも高くなり得る。これは、シール解決策にとって、複数の課題につながる：
－シールは、一部の領域では低い流体圧力を受け、他の領域では高い流体圧力を受けるが、シールの大部分は、（高周波で）変動する振動流体圧力に晒される。
－さまざまな条件下で機能し、過渡現象に耐えることができるようなシールには、厳しい要件が課される。
－メカニカルシールは、高圧に対してシールするために大きな接触力を必要とするが、低圧で高い接触力に晒されると、速い速度で摩耗（劣化）する。

図６は、シール構造（3）を通る断面の詳細図であり、ハウジング（２）内に配置されたシールアセンブリ（３）と、ローター（１）の平面状のシール面（１ａ）側を向いたシールベアリングリング（４）と、を示している。この実施形態は、構成要素において図３と同じ構成であるが、アセンブリは、図３の鏡像バージョンである。シールアセンブリは、コンプレッサーハウジング（２）の外側部分にねじ込まれるか又はボルトで締め付けられる環状及び同軸プレート（図示せず）によって、軸線方向に適所に保持され得る。前記プレートは、Ｏリング、ガスケット又は同様のシール手段によって、ハウジング（２）及び／又は水距離リング（８）に対してシールされ得る。

本発明の一実施形態では、ピストン構造（５、５'）は、環状ピストンリング（５）である。別個の環状ピストンリングを用いることの利点は、別個の環状部品として機械加工できることである。

本発明の一実施形態では、ピストン構造（５、５'）は、複数のピストン（５'）を含む。複数のピストン（５'）を使用することで、シールベアリングリング（４）に対する正確で均一な圧力を調整及び制御する機能と再現性が向上する。動作中にピストン（５'）が挟まれたり詰まったりする可能性は、固体環状リング解決策よりも低くなる。

本発明は、一実施形態では、ピストンハウジングリング（６）とハウジング（２）との間に配置された水距離リング（８）を備え、水距離リング（８）は、１つ以上の潤滑流体導管（８ａ）を有する。これは利点である。なぜなら、水距離リング（８）は、機械加工が簡単な円形プレートから個別に製造でき、この構成では、Ｏリング溝を簡単に形成できるからである。この水距離リング（８）は、図３と図６に示されている。水距離リング（８）とハウジング（２）とピストンハウジングリング（６）との間のシールは、Ｏリング又は同様のシールユニットを用いて実現できる。

本発明の一実施形態では、保持及び案内リング（７）が案内リング表面（７ａ）を有しており、保持及び案内リング（７）が、ピストンハウジングリング（６）側を向いている。保持及び案内リング（７）は、ベアリングリング（６）の外周部分でピストンハウジングリング（６）上に配置されている。

本発明の実施形態では、保持及び案内リング（７）は、ピストンハウジングリング（６）側を向いており、保持及び案内リング（７）は、ベアリングリング（６）の外周部分でピストンハウジングリング（６）上に配置されているとともに、シールベアリングリング（４）の外周上に同軸に配置されている。

本発明の別の実施形態では、シールベアリングリング（４）は、保持及び案内リング（７）上の対応する内向き突出肩（７ｓ）と相互作用するように半径方向外側に突出する、肩（４ｓ）を有する。さらに、ハウジングリング（６）は、保持及び案内リング（７）を拘束するようにされた半径方向の凹部を有する。この構造の利点は、半径方向と軸線方向との両方においてシールベアリングリング（４）を固定及び案内することである。この構成は、図３に示されている。

本発明の別の実施形態では、ピストンハウジング（６）を固定し、シールリング（４）を固定及び案内するようにされた、保持及び案内リング（７）内に配置された締結手段（ＦＭ）が設けられている。この構成は、図３に示されている。締結手段は、標準的な通しボルト（Ｂ）を有し得る。通しボルト（Ｂ）は、ハウジング（２）内に固定されかつねじ込まれる。水間距離リング（８）、ピストンハウジングリング（６）、並びに、保持及び案内リング（7）は、通しボルト（Ｂ）に同軸で通しボルト（Ｂ）に対応し通しボルト（Ｂ）に並ぶ貫通穴を有する。固定のための第２のタイプの締結手段は、ねじ山（Ｔ）によるものであり得る。ねじ山（Ｔ）は、保持及び案内リング（７）の外周面に形成され、ハウジング（２）の内周面に形成されたねじ山と噛み合って係合する。ハウジング（２）上のねじ山（Ｔ）とシールベアリングリング（４）とは、軸線（１ｃ）と同軸である。ねじ山（Ｔ）は図３には描かれていないが、当業者はねじ接続の概念を完全に理解することができる。通しボルト（Ｂ）又はねじ山（Ｔ）を使用する利点は、保持及び案内リング（7）を所定の位置に保持することの容易さと単純さである。

本発明の別の実施形態では、ベアリング流体チャネルの流れ制限は、少なくとも部分的に、離散的な／個別の流れ制限によってもたらされる。これは図３に示される。これらの流れ制限は、ピストン（５、５’）内のベアリング流体チャネル（５ｂ）内に配置され、対応する潤滑導管（４ｄ）への流体の流れを制限する、制限部材（５ａ）によって、形成されることができる。流れ制限部材を用いることの利点は、シール構造に潤滑流体を供給し過ぎることを回避し得ることである。 事前に定義された流量分析と計算とを使用することにより、正しい流速を得るために必要な流体の必要量を予測することができる。

本発明は、ローター（１）上の回転平面（１ａ）と機械ハウジング（２）との間をシールして、スライディングベーン機械における内側体積（１０）と外側体積（１３）との間のプロセス流体（Ｆ）の流れを防止するようにされた、スライディングベーン機械のためのシール方法でもあり、
前記ハウジング（２）は、ハウジング端（２０）に位置するシールポケット（Ｐ）を有し、
前記シールポケット（Ｐ）は、前記外側体積（１３）及び前記内側体積（１０）の方向に向かって開口し、
前記シール方法は、
－ピストン構造（５、５’）と前記平面（ｌａ）との間にシールベアリングリング（４）を配置することにより、前記シールポケット（Ｐ）内にアセンブリ（３）を取り付けるステップと、
－加圧潤滑流体（ＬＦ）のための供給ライン（１２）を介して、前記ハウジング（２）を通して、ピストンキャビティ（６ｃ）へ、及び上記ピストン構造（５、５’）内のピストン流体チャネル（５ｂ）へ、さらに、前記ピストン流体チャネル（５ｂ）に対応する前記シールベアリングリング（４）を通って潤滑導管（４ｄ）へと、流体を供給するステップと、
－上記潤滑流体（ＬＦ）を加圧するステップと、それにより、
－前記ピストン（５、５’）を前記シールベアリングリング（４）に向けて及び対して、移動させる又は押し付けるステップと、それにより、
－前記シールベアリングリング（４）を前記シール面（１ａ）に向けて及び対して移動させ又は押し付けて、それにより、前記ローター（１）上の前記回転平面（１ａ）と前記機械ハウジング（２）との間をシールするステップと、
を含む。

Claims (13)

1. ローター（１）上の回転平面（１ａ）と機械ハウジング（２）との間をシールして、スライディングベーン機械における内側体積（１０）と外側体積（１３）との間のプロセス流体（Ｆ）の流れを防止するようにされた、流体を圧縮又は膨張させるスライディングベーン機械のためのシール構造であって、
   －ハウジング端に位置するシールポケット（Ｐ）を有する前記機械ハウジング（２）であって、前記シールポケット（Ｐ）は、前記外側体積（１３）及び前記内側体積（１０）の方向に向かって開口する、前記機械ハウジング（２）と、
   －前記シールポケット（Ｐ）内に取り付けられるように構成されたシールアセンブリ（３）であって、前記シールアセンブリ（３）は、
   －ピストン構造（５、５’）と、
   －前記ピストン構造（５、５’）と前記回転平面（１ａ）との間のシールベアリングリング（４）と、
   を有する、前記シールアセンブリ（３）と、
   －前記機械ハウジング（２）を介したピストンキャビティ（６ｃ）への加圧潤滑流体のための流体供給ライン（１２）であって、前記ピストン構造（５、５’）はピストン流体チャネル（５ｂ）をさらに有し、前記シールベアリングリング（４）は、前記ピストン流体チャネル（５ｂ）に対応する前記シールベアリングリング（４）を通る潤滑導管（４ｄ）を有する、前記流体供給ライン（１２）と、
   －前記ピストン構造（５、５’）を前記シールベアリングリング（４）に対して移動させ及び押し付け、それにより、前記シールベアリングリング（４）を前記回転平面（１ａ）に対して移動させ及び押し付けるように配置された、前記加圧潤滑流体と、
   を備え、
   前記ピストン流体チャネル（５ｂ）の流れ制限は、少なくとも部分的に、流れ制限部材（５ａ）によってもたらされる、シール構造。
2. 前記ピストン構造（５、５’）は、１つ以上の対応する前記ピストンキャビティ（６ｃ）内に収容され、
   前記ピストンキャビティ（６ｃ）は、前記シールポケット（Ｐ）の内部に配置されている、請求項１に記載のシール構造。
3. 前記ピストンキャビティ（６ｃ）は、前記機械ハウジング（２）内の前記シールポケット（Ｐ）内の壁に配置されている、請求項２に記載のシール構造。
4. 前記シールベアリングリング（４）と前記機械ハウジング（２）との間に配置され、前記ピストン構造（５ 、５’）のための１つ以上の前記ピストンキャビティ（６ｄ）を形
   成する、ピストンハウジングリング（６）を、さらに備え、
   前記ピストンハウジングリング（６）は、前記１つ以上のピストンキャビティ（６ｄ）を通るチャネル（６ａ）をさらに有する、請求項１に記載のシール構造。
5. 前記ピストン構造（５、５’）は、環状ピストンリング（５）である、請求項１～４のいずれか一項に記載のシール構造。
6. 前記ピストン構造（５、５’）は、複数のピストン（５’）である、請求項１～４のいずれか一項に記載のシール構造。
7. 前記ピストンハウジングリング（６）と前記機械ハウジング（２）との間に配置された水距離リング（８）をさらに備え、
   前記水距離リング（８）は、１つ以上の潤滑流体導管を有する、請求項４に記載のシール構造。
8. 案内リング表面（７ａ）を有する保持及び案内リング（７）をさらに備え、
   前記保持及び案内リング（７）は、前記ピストンハウジングリング（６）側を向いており、
   前記保持及び案内リング（７）は、前記ピストンハウジングリング（６）の外周部分において前記ピストンハウジングリング（６）上に配置されている、請求項７に記載のシール構造。
9. 前記保持及び案内リング（７）は、前記ピストンハウジングリング（６）側を向いており、
   前記保持及び案内リング（７）は、前記ピストンハウジングリング（６）の外周部分において前記ピストンハウジングリング（６）上に配置されているとともに、前記シールベアリングリング（４）の外周上に同軸に配置されている、請求項８に記載のシール構造。
10. 案内及び固定構造をさらに備え、
    前記シールベアリングリング（４）は、前記保持及び案内リング（７）上の対応する内向き突出肩（７ｓ）と相互作用するように半径方向外側に突出する、肩（４ｓ）を有し、
    さらに、前記ピストンハウジングリング（６）は、前記保持及び案内リング（７）を拘束するようにされた半径方向の凹部を有する、請求項８に記載のシール構造。
11. 前記保持及び案内リング（７）内に配置され、前記ピストンハウジングリング（６）を固定するとともに前記シールベアリングリング（４）を固定及び案内するようにされた、締結手段を、さらに備え、
    前記締結手段は、
    通しボルト（Ｂ）であって、前記通しボルトは前記機械ハウジング（２）に固定され及びねじ込まれており、前記水距離リング（８）、前記ピストンハウジングリング（６）、並びに、前記保持及び案内リング（７）は、前記通しボルト（Ｂ）に対応する貫通穴を有している、通しボルト（Ｂ）、及び／又は、
    ねじ山であって、前記ねじ山は、前記保持及びガイドリング（７）の外周面に形成され、前記機械ハウジング（２）の内周面に形成されたねじ山と噛み合って係合する、ねじ山
    を備えている、請求項８に記載のシール構造。
12. 前記制限部材（５ａ）は、前記ピストン構造（５、５’）内の前記ピストン流体チャネル（５ｂ）内に配置されて、対応する潤滑導管（４ｄ）への流体の流れを制限する、請求項１に記載のシール構造。
13. ローター（１）上の回転平面（１ａ）と機械ハウジング（２）との間をシールして、スライディングベーン機械における内側体積（１０）と外側体積（１３）との間のプロセス流体（Ｆ）の流れを防止するようにされた、スライディングベーン機械のためのシール方法であって、
    前記機械ハウジング（２）は、ハウジング端に位置するシールポケット（Ｐ）を有し、
    前記シールポケット（Ｐ）は、前記外側体積（１３）及び前記内側体積（１０）の方向に向かって開口し、
    前記シール方法は、
    －ピストン構造（５、５’）と前記回転平面（ｌａ）との間にシールベアリングリング（４）を配置することにより、前記シールポケット（Ｐ）内にシールアセンブリ（３）を取り付けるステップと、
    －潤滑流体のための供給ライン（１２）を介して、前記機械ハウジング（２）を通して、ピストンキャビティ（６ｃ）へ、及び上記ピストン構造（５、５’）内のピストン流体チャネル（５ｂ）へ、さらに、前記ピストン流体チャネル（５ｂ）に対応する前記シールベアリングリング（４）を通って潤滑導管（４ｄ）へと、流体を供給するステップと、
    －少なくとも部分的に、流れ制限部材（５ａ）によって、前記ピストン流体チャネル（５ｂ）の流れを制限するステップと、
    －上記潤滑流体を加圧するステップと、それにより、
    －前記ピストン構造（５、５’）を前記シールベアリングリング（４）に対して押し付けるステップと、それにより、
    －前記シールベアリングリング（４）を前記回転平面（１ａ）に対して押し付けて、それにより、前記ローター（１）上の前記回転平面（１ａ）と前記機械ハウジング（２）との間をシールするステップと、
    を含む、シール方法。

Images