JP7093792B2 - 電子的に制御されたキャリア負荷によるドライガスシール - Google Patents

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関連出願の参照

本出願は、２０１７年５月１５日に出願された米国仮出願第６２／５０６，１９６号および２０１７年１２月１３日出願された米国仮出願第６２／５９８，２３９号の利益を主張し、これらはそれぞれ参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、メカニカルシール、特に、圧縮機などの回転軸と静止ハウジングとの間の接続をシールするように構成されたガス潤滑ドライシールに関する。より詳細には、本開示は、シール面の摩耗を低減するための電磁制御式キャリアに関する。

米国特許第５，２２２，７４３号および米国特許第５，４９６，０４７号（それらの開示は参照により本明細書に組み込まれる）に記載されているようなガス潤滑式メカニカル面シールは、潤滑を提供するためにシール面の間に蓄積されたシールガスのクッションに依存し、それにより面間の接触を防ぐ。多くの用途において、この潤滑ガスは、回転軸によって伝達される機械的エネルギによって圧縮または処理されるプロセスまたは製品ガスである。用途に応じて、このようなシールは最大５００ｂａｒの圧力と最大３０，０００ｒｐｍの速度で作動するように設計可能である。

非接触式のドライ運転メカニカルシールには、一般に、シャフトに固定可能な嵌合（回転）リングと、ハウジングに固定可能な一次（固定）リングで定められる１つ以上のシール境界面が含まれる。シール境界面は、一次リングを嵌合リングに向かって押すように配置された予荷重されたバネ（またはその他のバイアス機構）によって、部分的に、維持される。シャフトが回転していないとき、またはゆっくり回転しているとき（つまり、それぞれ静止または低速回転状態）に、多くの場合、バネには、一次リングを押して嵌合リングと実際に接触させるのに十分な力がある。シャフトの回転速度が十分に高い場合、嵌合リングに設けられた溝により、一次リングを嵌合リングから分離するのに十分な流体力学的な力が発生し、潤滑ガスが流れる２つのリングの間にギャップを生成する。閾値（またはリフトオフ）速度は、シール設計のさまざまな態様に依存するが、そのような閾値は一般的に約２００ｒｐｍである。

低速回転状態では、流体力学的な力は、バイアス機構によって提供されるバネ力を超えて一次リングと嵌合リングを分離するには不十分であり、その後、互いに摩擦回転する。この摩擦は、過度の発熱と早期のシール摩耗につながる可能性がある。低速回転状態における摩耗を制限する従来のアプローチには、シール面へのダイヤモンド状カーボン（ＤＬＣ）コーティングの適用が含まれていた。しかしながら、ＤＬＣコーティングには追加の製造ステップが必要であり、すべての用途に十分な耐久性があるとは限らない。

メカニカルシールのもう１つの懸念事項は、ハングアップである。一次リングが軸方向の位置で止まるとハングアップが発生し、キャリアの背後のバネの予荷重力は、キャリアとバランス直径に配置されたシーリング要素との間の非常に高い摩擦を超えるには不十分である。シールシステムに効率的なガス調整ユニットが含まれていない場合、ハングアップは特に問題となる。汚れた炭化水素ガスがガスシールに移動し、バランス直径シール要素領域のキャリアの摺動面に凝縮して蓄積する可能性があり、キャリアと一次リングの自由な動きを妨げる。これにより、キャリアと一次リングが、定常状態の位置（起動時に大きなシール面のギャップが生じ、ケーシングが加圧されると過度の漏れが生じる）、または、静止位置（面接触および許容できない面の摩耗をもたらす）のいずれかで固着（または「ハングアップ」）する可能性がある。

本開示は、電磁的に制御可能なキャリア負荷を有する乾燥ガスシールなどのメカニカルシールアセンブリに関し、キャリア上の軸方向の力を調節するように配置された、環状のソレノイドによって駆動される、磁気リングを含む。キャリアの軸方向の力を調整して、バイアス機構のバネ荷重に対抗できる。実施形態において、軸方向の力は、低速回転運転状態でシールリング間の摩擦を低減することができる。実施形態において、軸方向の力は、キャリアのハングアップを防ぐために調整することができる。ソレノイドは磁力を提供して、磁気リングを軸方向に押し出すことができる。磁気リングはキャリアに動作可能に結合することができ、磁力がバイアス機構の予荷重バネ力に対抗するように動作し、シールの嵌合リングへの一次リングの付勢を防止または軽減する。実施形態において、所望の軸方向力は、回転速度によって決定され得る。実施形態において、軸方向力は、センサ入力に基づいて決定され得る。キャリアリングの位置を制御して低速で一次リングと嵌合リング間の摩擦接触を軽減または防止できるので、実施形態では一次リングおよび嵌合リングのいずれかまたは両方のＤＬＣコーティングが不要である。

本開示の実施形態は、機械内からの加圧ガスの放出を防止するために、機械の回転可能シャフト周りの同軸配置のための機械的シールアセンブリを含む。メカニカルシールアセンブリは、回転可能なシャフトに動作可能に結合可能であって第１の環状シール面を提供する回転リングを、備える。回転リングに対して軸方向に移動可能な一次リングは、第１の環状シール面に対向して並置された第２の環状シール面を提供する。したがって、可変幅シール境界面は、第１の環状シール面と第２の環状シール面との間に画定される。

メカニカルシールアセンブリは、第２の環状シール面の反対側にある一次リングと、軸方向に移動可能であり並置される、環状キャリアをさらに含む。強磁性部分を含む環状磁気リングは、キャリアに動作可能に結合される。実施形態において、磁気リングは、キャリアの外径に動作可能に結合される。

環状ソレノイドを備える磁気アクチュエータは、磁気リングの外径の少なくとも一部の周りに同軸に配置することができる。ソレノイドは、コントローラに電気的に結合可能であり、ソレノイドが選択的に均一な磁場を生成して、キャリアを軸方向に押し出す。均一な磁場は、キャリアを軸方向に押して、バイアス機構によって提供されるバネの予荷重力に対抗できる。

実施形態では、１つ以上のセンサをメカニカルシールアセンブリ内またはその周囲に配置してもよい。各センサは、第１の環状シール面と第２の環状シール面との間の摩擦の大きさを示す特性を検出するように構成される。コントローラは、１つまたは複数のセンサのそれぞれから特性を受け取り、磁気アクチュエータを選択的に制御して、軸方向の力を加えて、第１の環状シール面と第２の環状シール面との間に所望の大きさの摩擦を実現するように構成される。実施形態では、第１の環状シール面と第２の環状シール面との間の摩擦の所望の大きさは、最大量の漏れが与えられた場合に可能な摩擦の最小の大きさである。

一実施形態では、１つ以上のセンサの少なくとも１つは温度センサであり、摩擦の大きさを示す特性は、第１の環状シール面または第２の環状シール面の近くで検出される温度である。一実施形態では、１つ以上のセンサの少なくとも１つは流量計であり、摩擦の大きさを示す特性は、シール境界面からの漏れ量である。一実施形態では、１つ以上のセンサのうちの少なくとも１つは速度センサであり、摩擦の大きさを示す特性は、回転可能なシャフトの回転速度である。一実施形態では、１つ以上のセンサのうちの少なくとも１つは近接センサであり、摩擦の大きさを示す特性は、シール境界面の現在の幅である。一実施形態では、１つ以上のセンサのうちの少なくとも１つは音響センサであり、摩擦の大きさを示す特性は、シール境界面で検出されるノイズの振幅およびシール境界面で検出されるノイズの周波数から構成されるグループから選択される。音響センサは、マイクロホンおよび/または構造振動検出器でもよい。

一実施形態では、コントローラは、シャフトの回転速度が特定の閾値よりも小さい場合に、音響センサによって提供される特性を無視するように構成してもよい。一実施形態では、制御は、シャフトの回転速度、シール境界面の温度、またはシール境界面からの漏れ量などの少なくとも１つの第２の特性と、音響センサから受け取った特性と、に基づいて摩擦の大きさを決定するように構成してもよい。

一実施形態において、ソレノイドは、ソレノイドの半径方向内側の部分に非磁性スペーサを含む環状のボビンと、ボビンの周りに導電性の絶縁電線の複数の巻線を含むコイルとを備える。

一実施形態では、非磁性スペーサは、コントローラによって提供される電気力（すなわち電流）の振幅に基づいて、キャリアの磁気部分が磁力で徐々に飽和するように構成される。

本開示の実施形態は、メカニカルシールアセンブリのハングアップを抑制する方法を含む。この方法は、シャフトの静止を示す信号をコントローラで受信し、コントローラによりパルス幅変調信号を磁気アクチュエータに提供することを含み、この信号はアクチュエータに振動軸方向の力を加えるように構成され、軸方向の力は、バネの予荷重力を補償するのに十分な振幅を持つ。磁気アクチュエータは、キャリアの少なくとも一部の周りに同軸に配置された環状のソレノイドを備え、ソレノイドは、パルス幅変調信号に基づいて選択的に磁気を発するようにコントローラに電気的に結合可能である。磁力は、キャリアを固定リングから軸方向外側に押して、バイアス機構によって提供されるバネの予荷重力に対抗することができる。軸方向の力により、キャリアは軸方向に約１ｍｍ内側および外側に移動可能である。信号はさらに、アクチュエータに５００Ｈｚ～１０００Ｈｚのレートで振動軸方向の力をキャリアに加えるように構成される。実施形態では、シャフトの静止を示す信号は、回転速度計または他の速度検出デバイスによって提供されるシャフト回転速度信号である。実施形態において、パルス幅変調信号は、低速回転動作を示す信号の受信に応じて提供される。

本開示の実施形態は、キャリアの少なくとも一部の周りに同軸に配置された環状のソレノイドを備える磁気アクチュエータを有するメカニカルシールアセンブリのキャリア上の軸方向の力を制御する方法をさらに含み、ソレノイドが均一な磁場を選択的に生成し、キャリアを固定リングから軸方向外側に押し出して、バイアス機構によって提供されるバネの予荷重力を超えるように、コントローラに電気的に結合可能である。この方法は、第１の環状シール面と第２の環状シール面との間の摩擦レベルを示すセンサ信号をコントローラで受信し、軸方向の力を加えてバネの予荷重力に対抗し摩擦レベルを最小限に抑えるように磁気アクチュエータを選択的に制御することを含む。

開示された実施形態の利点は、圧縮機ケーシング設計に影響を与えずに、シーリングインターフェースでの摩擦接触を防止することにより長寿命のドライガスシールを提供し、既存の圧縮機キャビティに適合するサイズであることが含まれる。

上述した概要は、本明細書の主題の例示された各実施形態またはすべての実装を説明することを意図したものではない。以下の図および詳細な説明は、さまざまな実施形態をより具体的に例示する。

本明細書の主題は、添付の図面に関連する様々な実施形態の以下の詳細な説明を考慮して、より完全に理解される。

開示された電子制御キャリアの実施形態を組み込み可能な従来技術のシールアセンブリの典型的な配置の断面図を示す。 一実施形態による、メカニカルシールアセンブリを示す断面図である。 一実施形態による、メカニカルシールアセンブリを示す断面斜視図である。 一実施形態による、メカニカルシールアセンブリを示す断面透視図である。 一実施形態による、キャリアおよび磁気リングを示す断面斜視図である。 一実施形態による、磁気リングを示す断面透視図である。 一実施形態による、メカニカルシールアセンブリの外観を示す透視図である。 一実施形態による、メカニカルシールアセンブリを示す断面図である。 一実施形態による、ソレノイドを示す断面図である。 一実施形態による、ソレノイドを示す平面図である。 一実施形態による、ソレノイドを示す断面図である。 一実施形態による、ソレノイドを示す断面図である。 一実施形態による、ソレノイドを示す平面図である。 一実施形態による、ソレノイドを示す詳細断面図である。 一実施形態による、磁束を示す断面図である。 一実施形態による、リテーナを示す断面透視図である。 一実施形態による、リテーナを示す断面透視図である。 一実施形態による、リテーナを示す断面透視図である。 一実施形態による、制御システムを示す概略図である。 一実施形態による、キャリア上の軸方向の力を制御する方法を示すフローチャートである。 一実施形態による、キャリア上の軸方向の力を制御する方法を示すフローチャートである。 一実施形態による、キャリア上の軸方向の力を制御する方法を示すフローチャートである。 本開示の実施形態の試験結果を示すグラフである。 本開示の実施形態の試験結果を示すグラフである。 本開示の実施形態の試験結果を示すグラフである。 本開示の実施形態の試験結果を示すグラフである。 本開示の実施形態の試験結果を示すグラフである。 本開示の実施形態の試験結果を示すグラフである。 本開示の実施形態の試験結果を示すグラフである。 本開示の実施形態の試験結果を示すグラフである。 本開示の実施形態の試験結果を示すグラフである。

様々な実施形態は様々な修正形態および代替形態に適しているが、その具体例は図面に例として示されており、詳細に説明される。しかしながら、特許請求の範囲の発明を記載された特定の実施形態に限定することを意図するものではないことが理解される。それどころか、意図は、特許請求の範囲によって定義される主題の精神および範囲内にあるすべての修正、同等物、および代替物を網羅することである。

図１は、当技術分野で知られているタンデムドライシールアセンブリ１０の典型的な配置を示す断面図である。このタイプのシールにとって一般的に、シールアセンブリ１０は、加圧ガスなどの流体を含むプロセスチャンバ１４とシャフトベアリングキャビティ１６との間のシールを提供するように、回転機械のシャフト１２をシールすることができる。シールアセンブリ１０は、軸方向内側端部のプロセスチャンバと軸方向外側端部のベアリングチャンバによって画定され、ハウジング１８まで半径方向外向きに延びるほぼ円筒形の穴（または「シールチャンバ」）に取り付けることができる。シールアセンブリ１０は、シャフト１２に動作可能に結合された回転部品と、ハウジング１８に動作可能に結合された静止部品とを含む。

環状スリーブ２０は、シャフト１２と共に回転するようにシャフト１２に動作可能に連結することができる、軸方向に延びるシャフト部分２２を含む。スリーブ２０は、プロセスチャンバ１４の近位に配置するために、シールアセンブリ１０の内側端部で半径方向外向きに延びるフランジ部２６を含んでもよい。図１に示されるように、シャフト部分２２は、フランジ部２６の軸方向外側に延びるが、シャフト部分２２は、様々なシールアセンブリにおいてフランジ部２６の軸方向内側に延びてもよい。

環状回転シールリング（または「嵌合リング」）３０がフランジ部２６の外側面に隣接して取り付けられている。軸方向に固定された環状部材３４は、回転シールリング３０に隣接するシャフト部分２２の外径に取り付けられ、それによりフランジ部２６から外側への嵌合リング３０の軸方向の移動を阻止する。

環状固定シールリング（または「一次リング」）３６は、環状部材３４とハウジング１８に固定された環状リテーナ４０との間にスライド可能に配置された環状キャリア３８に取り付けられている。図示のシールでは、半径方向に間隔を置いた複数の圧縮バネ４６が、リテーナ４０とキャリア３８の間のキャリアバイアス部材として機能し、一次リング３６を嵌合リング３０に向けて付勢する。当技術分野で知られている他のシールでは、ベローズなどの他のキャリアバイアス機構が使用されている。

可変幅シール境界面５４は、回転嵌合リング３０の外側に面する回転シール面５０と、一次リング３６の内側に面する固定シール面５２とによって画定される。シャフト１２の回転により、シールリング３０および３６の面５０および５２の間にそれぞれシールガスが圧送され、バネ４６によって加えられる荷重に対抗する荷重を生成して、シール面を滑らかにし、シールを提供する流体膜を生成するように、回転シール面５０は、溝付き領域を含んでもよい。

シールアセンブリ１０は、タンデムシールでもよいし、ここでは説明されない第３および第４のシール面部材を含む第２ステージシールを含んでもよい。さらなるステージシールおよびシール面部材も提供され得る。

図２Ａは、一実施形態による、メカニカルシールアセンブリ１００（アクティブドライガスシールアセンブリでもよい）の断面図を示す。アクティブシールアセンブリ１００は、上記の図１に関して図示および説明されるように、タンデムシールとして描かれているが、明確にするために、内側シール境界面のさまざまな構成要素は示されていない。したがって、アクティブシールアセンブリ１００は、嵌合リング３０と、電磁的制御可能なキャリア１３８を含む一次リング３６とによって画定される外側シール境界面を示している。実施形態では、電磁的制御可能なキャリア１３８（および関連する構成要素）は、タンデムシールアセンブリの内側シール境界面と出力シール境界面の両方で配置されてもよい。他の実施形態は、外側シール境界面にのみ電磁的制御可能なキャリア１３８（および関連構成要素）を含むタンデムシールアセンブリ（または複数のシールステージを備えた他のシールアセンブリ）を含む。そのような実施形態は、例えば、低速回転状態での過剰なバネ荷重およびハングアップなどの問題が、少なくとも部分的に、プロセスチャンバおよび潤滑流体入口への内側シール境界面の近接によって軽減される場合に望ましい。他の構成も可能である。

図２Ａ～Ｆに示されるように、アクティブシールアセンブリ１００は、回転嵌合リング３０、非回転、軸方向に並進する一次（または「フェース」）リング３６、および圧縮バネ４６を含む。これらは、上述の図１に関して説明したものと同一または類似のものとすることができ、または、様々な実施形態の特定のニーズに基づいて、当技術分野で知られている機械的構成要素の異なる構成を有してもよい。

上述のように、複数の半径方向に間隔を空けた圧縮バネ４６は、環状リテーナ１４０とキャリア１３８との間の付勢機構として作用し、一次リング３６を軸方向内側に嵌合リング３０に向かって付勢する。ここでは圧縮バネ４６が示されているが、ベローズなどの当技術分野で知られている他の付勢機構を設けて、キャリア１３８および一次リング３６を内側に付勢してもよい。

図２Ｃ－図２Ｅの詳細図でより明確に示されるように、磁気リング１６４は、キャリア１３８の外径に配置されてもいい。実施形態において、磁気リング１６４は、キャリア１３８および磁気リング１６４が単一ユニットであるように、キャリア１３８の一部を含んでもよい。しかしながら、他の実施形態では、磁気リング１６４は、例えば締まり嵌め、プレス嵌め、または摩擦嵌めによってキャリア１３８に固定可能に取り付けられるか、または他の取り付け機構（締結具または接着剤など）を介して取り付けられてもよい。実施形態では、キャリア１３８が非磁性材料で構成できるように、磁気リング１６４をキャリア１３８に圧入することが有益であり、その結果、磁気リング１６４は、最小限の再設計または改造要件で、図１に示されるようなキャリアリング３８などのキャリアリングの他の実施形態に取り付けることができる。

磁気リング１６４の少なくとも外側部分は、磁性材料で構成される。実施形態において、磁気リング１６４の全てが、磁性材料から構成されてもよい。

（図１に示されるような）従来のリテーナ４０とは対照的に、リテーナ１４０は、実施形態における組み立てを容易にするために複数の部品で構成されてもよい。リテーナ１４０は、環状内側部分１４２および環状外側部分１４４を備える。内側部分１４２および外側部分１４４のそれぞれは、半径方向に間隔を空けて軸方向に延びる複数の止めねじ用の孔１０６の一部をそれぞれ画定する。内側部分１４２および外側部分１４４のそれぞれは、環状ソレノイドシール要素１６８を配置することができる少なくとも１つの環状ソレノイドシール溝１４８をさらに画定する。リテーナ１４０の追加の詳細図は、図５Ａ－５Ｃに示されている。

内側部分１４２は、環状リテーナシール要素１５２を配置することができる環状リテーナシール溝１５０をさらに含む。ソレノイドシール要素１６８およびリテーナシール要素１５２は、主にＶ字形、Ｕ字形の断面を有してもよいし、中実のＯリングを含んでもよいし、シール係合を提供するのに適した他の構成であってもよい。ソレノイドシーリング要素１６８およびリテーナシーリング要素１５２は、ゴム、シリコーン、または他のポリマー、または他の適切な弾性材料で構成されてもよい。

リテーナ１４０およびキャリア１３８などのシールアセンブリ１００の構成要素は、ローターの磁化および回転中の誘導電流の発生を回避または最小化するために、また、磁気リング１６４が非磁性構成要素に不適切に磁気的に引き寄せられるのを防ぐためにも、非磁性ステンレス鋼（または他の非磁性材料）で作られる。

ソレノイド４００は、リテーナ１４０に収納可能である。図３Ａは、ソレノイド４００の一実施形態の断面図を示す。ソレノイド４００は、銅芯またはアルミニウム芯のマグネットワイヤなどの導電性の絶縁電線の複数の巻線を含むコイル４０２を備える。実施形態において、ワイヤは、トリス（２－ヒドロキシエチル）イソシアヌレート（ＴＨＥＩＣ）修飾化合物を含む、ポリエステル、エポキシ、ポリエステルイミド、ポリビニル、ポリウレタン、ポリアミドイミド、ポリフェニルスルホンなどの１つ以上の絶縁化合物でコーティングされてもよい。実施形態では、第１の化合物を金属芯にエナメル加工することができ、ポリアミドイミド、ダクロン、シリコーンなどの追加のオーバーコートまたはワニスを追加することができる。

実施形態では、コイル４０２は、約０．２５ｍｍから０．７５ｍｍの間の直径を有する電線が約１００～２００巻きで構成されてもよい。コイルの直径と数は、必要な磁力や印加される最大電流などのパラメータに基づいて選択することができる。組み立てられると、コイル４０２は環状ケーシング４０４内に配置される。ケーシング４０４は、ボビン４０６および外側部分４０８を備えてもよい。従来のソレノイドボビンおよびケーシングとは異なり、ケーシング４０４は、磁気回路の一部となって作動力を生成する。

ボビン４０６は、半径方向内側に面する側の一部に非磁性スペーサ４１０を含むことができる。実施形態において、スペーサ４１０は、電流が増加しプランジャが移動しているときに、磁性材料を徐々に飽和させるように構成された断面形状を有している。スペーサ４１０は、作動力の意図された方向に延びた略三角形部分４１２を含むことができる。例えば、図２Ａに示されるソレノイド４００は、外側に向けられた作動力を提供して、磁気リング１６４（したがって、キャリア１３８）をバネ４６によって提供されるバネ力に抗して軸方向外側に付勢するように配置される。しかしながら、図２Ｂおよび２Ｃに示されるように、ソレノイド４００は、三角形部分４１２が異なる方向に延びるように配置されてもよい。スペーサ４１０の構成は、プランジャの位置が変化するときの作動力の強さの調整を可能にする。

実施形態では、ボビン４０６は、３つの部品で構成することができる。スペーサ４１０は、非磁性ステンレス鋼または他の非磁性材料を含んでもよい。断面がほぼＬ字形である側部４１４および４１６は磁性を有し、スペーサ４１０の半径方向内側の面がケーシング４０４の一部を呈するようにスペーサ４１０を受けるように構成してもよい。ボビン４０６の構成要素は、レーザーシーム溶接または他の方法など、シールアセンブリ１００内の予想される力（例えば、最大約３００バールの圧力）に耐えることができる方法を介して取り付けることができる。

コイル４０２は、従来のソレノイドコイルを巻くための当該技術分野で既知の方法を介してボビン４０６に巻くことができる。外側部分４０８は、磁性材料を含むことができ、コイル４０２を収容するために側部４１４および４１６に固定することができる。

ソレノイド４００は電気接続４２０を含めてもよい。実施形態では、電気接続４２０は電線を含んでもよいが、実施形態では誘導などの無線電力伝送方法が用いられてもよい。実施形態では、電気接続４２０は、作動力を提供するために必要に応じてソレノイド４００を励磁するように構成されたコントローラ５０２（図６を参照）で終了することができる。実施形態では、コントローラ５０２は、回転速度センサまたは変調器とデータ通信することができる。

図３Ｂ－３Ｄは、一実施形態による、ボビン４０６の平面図、断面図、および詳細図である。図３Ｅ－３Ｆは、ボビン４０６の実施形態の平面図、詳細図、および断面図であり、電気接続４２０が通ることができるワイヤ導管４２２がより明確に見える。

図４は、ソレノイド４００の断面および磁気リング１６４の一部を横切る磁束密度を概略的に示しており、磁束密度の高い領域は概して暗い影で示されている。ソレノイド４００に通電することにより生成される磁場は、ソレノイド４００の内径内に配置された強磁性材料に軸方向の作動力を提供することができる。軸方向の作動力は、シャフト１２にほぼ平行であり、したがって、磁気リング１６４または他の強磁性部品を軸方向に押しやることができる。磁場は、ソレノイド４００の周囲で概して一定である。

他の実施形態では、ソレノイド４００は、電流を、磁気リング１６４（したがって、キャリア１３８）を軸方向内側または外側に付勢することができる磁場に変換するのに適した１つ以上の他の要素と交換してもよい。非強磁性のボビンとケーシングを含む環状ソレノイドを使用できるが、上述したソレノイド４００は、所定の断面積に対してより大きな軸方向の作動力を提供し、シールアセンブリ１００のスペース要件を減らす。複数の個々の電磁石を制御してキャリアに作動力を加えることができるが、ソレノイド４００はただ一つの電気接続点のみを必要とする。磁気リング１６４の直径の周りに加えられる均一な作動力は、加えられる力の十分に制御された僅かな調整をさらに可能にし、実施形態がキャリア位置の微小変化および／またはシール面間の摩擦をもたらすことを可能にする。したがって、ソレノイド４００は、磁気アクチュエータでもよく、磁気リング１６４を介してキャリア１３８に作動力を提供することができる。

実施形態において、ソレノイド４００は、キャリア１３８を軸方向に移動させる力を調整するために、ソレノイド４００または（所望の場合）他のアクチュエータを付勢するように構成された制御システム（または他のデバイス）に動作可能に結合されてもよい。図６は、閉ループ制御システム５００の一実施形態の概略図である。当業者は、制御システム５００がソレノイド４００を制御するのに適したシステムの一実施形態にすぎず、１つ以上の診断または予知システムとデータ通信するものを含む他の制御システムを使用できることを理解するであろう。

制御システム５００は、コントローラ５０２と、ドライバ５０４とを含む。一実施形態では、コントローラ５０２は、ラズベリーパイコンピュータ（ラズベリーパイはラズベリーパイ財団の商標である）などのシングルボードコンピュータを含んでもよい。コントローラ５０２は、複数のデータ信号５０８を受信するように構成されたデータ入力インターフェース５０６を備えてもよい。データ入力インターフェース５０６は、イーサネット（登録商標）接続を含めることができるが、他の有線または無線データ通信方法を実施形態で使用してもよい。

データ信号５０８は、シャフト回転速度、音響放射データ、または漏れデータなどの任意のセンサ信号またはパラメータデータを含んでもよい。実施形態では、データ信号５０８のソースは、シールアセンブリ１００の中または周囲に配置された１つまたは複数のセンサ（図示せず）を含んでもよい。データ信号５０８のソースは、シールアセンブリ、回転機械、または周囲環境に関連するセンサをさらに含めてもよい。実施形態では、データ信号は、コントローラ５０２とデータ通信する予知診断システム（図示せず）によって提供される。

当該分野で公知の任意のセンサ入力が提供される。このようなセンサ入力の例には、回転速度計またはシャフトの現在の回転速度を提供する他の速度センサが含まれる。当技術分野で知られているような近接またはギャップセンサは、一次リング３６と嵌合リング３０との間の現在のギャップのサイズ（または現在の幅）に関連するデータを提供できる。流量計は、シール境界面からの漏れを示すことができる。温度センサ（または温度計）を設けて、一次リング３６および嵌合リング３０またはその付近の温度を検出することができ、そこから摩擦により発生した熱を検出することができる。

例示的な一実施形態では、音響放射を用いて、一次リング３６と嵌合リング３０とが摩擦接触しているかどうか、および／またはその接触の程度を検出することができる。音響センサは、シール境界面で放出されるノイズの特性（デシベルの振幅および／または周波数など）を検出できる。大きな音、または特定のピッチでの音は、摩擦接触を示す。静かなノイズは、シールリング間の分離の程度を示すこともある。各音響センサは、マイクロホンおよび/または構造振動検出器を含んでもよい。

データ信号５０８は、プロセスコントローラ（ＯＰＣ）準拠の形式のＯＬＥ（オブジェクトのリンクと埋め込み）でエンコードできる。データ信号５０８は、ＯＰＣサーバまたは他のデータソースから約１Ｈｚでコントローラ５０２により受信される。制御ソフトウェア５１０は、以下の図７－図９に関して説明したような制御アルゴリズムに基づいてドライバ５０４への適切な出力を決定するように構成された１つまたは複数のモジュールまたはエンジンを含めてもよい。制御ソフトウェア５１０は、比例－積分－微分（ＰＩＤ）制御ループとして実装され、Ｐｙｔｈｏｎプログラミング言語で作成できる。

出力インターフェース５１２は、ドライバ５０４の入力インターフェース５１４に電気的に結合してもよい。一実施形態では、出力インターフェース５１２からの出力は、４～２０ｒａＡの制御信号を含む。一実施形態では、ドライバ５０４は、１０Ａの５～２５ＶデュアルチャネルＤＣモータドライバを含む（ただし、単一チャネル構成を含む他のドライバ構成を使用してもよい）。ドライバ５０４は、２４ＶのＤＣ電力入力を受け取り、出力インターフェース５１８を介して０～１０Ａの作動信号をソレノイド４００に提供する。

動作中、シャフト１２が回転しているとき、スリーブ２０および嵌合リング３０もハウジング１８および一次リング３６に対して回転する。シャフト１２が閾値を超える速度で回転しているとき、シールガスの流体力学的力は、バネ４６のバネ力を超えるのに十分である。同様に、シャフト１２が回転していないとき、シールガスの漏れを防ぐために、一次リング３６が嵌合リング３０に接触することが望ましい。しかしながら、シャフト１２が０ｒｐｍと閾値速度との間の速度で回転しているとき、ソレノイド４００に通電してプランジャを軸方向外側に押して一次リング３６から遠ざけ、それにより適切なギャップを提供するためにバネ力に対抗する。

実施形態において、ソレノイド４００は、キャリア１３８の所望の動きを達成するために必要なだけの力を提供するように、可変磁力を提供するために通電されてもよい。実施形態において、キャリア１３８に加えられる力は、キャリア１３８の漸進的な移動を可能にするために傾斜させてもよい。

さらに他の実施形態において、キャリア１３８の内側への移動は、ソレノイド４６を消勢することにより可能になり、バネ４６のバネ力がキャリア１３８を内側に押しやるように作用する。

図７は、一実施形態による、シャフト１２の回転速度に基づくソレノイド４００の動作のための方法３０００を示すフローチャートである。ステップ３００２で、シャフト１２の作動速度を決定する。ステップ３００４で、作動速度が低速回転範囲内（ゼロとしきい値速度の間）にある場合、ソレノイドに通電してキャリア１３８を外側に押し、バネ力に対抗し、一次リング３６と嵌合リング３０との間のギャップを大きくすることができる。その後、制御はステップ３００２に戻る。シャフト１２が、静止している、または閾値速度以上で回転している場合、ステップ３００８で、ソレノイド４００を制御してバネ４６がキャリア１３８を内側に移動可能にする。その後、制御はステップ３００２に戻る。

図８は、一実施形態による、複数のセンサからの入力に基づくソレノイド４００の動作のための代替方法４０００を示すフローチャートである。ステップ４００２では、１つ以上のセンサからデータを収集できる。ステップ４００４、４００６、４００８、および４０１０のそれぞれで、センサデータを分析して、キャリア１３８に加えられる所望の軸方向力を決定する。必要に応じて、ステップ４０１０でソレノイドによってキャリア１３８を外側に押し出すことができる。または、ステップ４０１２でキャリア１３８を内側に押しやることができる。実施形態では、様々なセンサからの入力に基づいてソレノイド４００を比例的に制御することができる。その後、制御はステップ４００２に戻る。センサデータ分析タスク４００４、４００６、４００８、４０１０のそれぞれは、センサデータの利用可能性に依存する。より多くの、より少ない、または代替のセンサデータストリームが提供される場合、代替のセンサデータ分析タスクが実施形態によって実行されてもよい。

実施形態では、ソレノイド４００の制御は、様々なセンサ融合アルゴリズムの結果に基づいてもよい。例えば、回転速度が０ｒｐｍであることがわかっている場合、音響放射データを無視することができる。さらに、音響放射のさまざまな閾値は、回転速度に基づいて変更することができ、たとえば、特定のレベルのノイズが、高速では正常の場合もあるし、または、低速での運転速度では緩和の原因になる場合もある。

図９は、ソレノイド４００を制御してハングアップを防止する方法５０００を示すフローチャートである。ステップ５００２で、コントローラ５０２は、シールが停止状態（例えば、０ｒｐｍ）で作動しているかどうかを検出することができる。作動していない場合は、上述したようにステップ５００４で、ソレノイドを定常状態または低速回転操作に制御する。しかしながら、静止状態では、コントローラ５０２はステップ５００６でハングアップ緩和技術を実行する。

ハングアップの緩和は、振動する軸方向の作動力をキャリア１３８に提供するために、高周波電気信号（パルス幅変調など）を提供することを含む。例えば、ソレノイド４００は、約５００Ｈｚ～１０００Ｈｚの振動周波数で通電してもよい。振動する軸方向の力は、キャリア１３８を約０．５ｍｍから約３ｍｍの距離だけ軸方向外側および内側に変動させることができる。

上述のハングアップ緩和制御は、シールのハングアップ状態の発生を抑制することができる。コントローラの急速な動きは、シールアセンブリ１００の構成要素上の炭化水素の堆積または硬化を抑制する。加えて、コイル４０２のインピーダンスによって発生する振動電流により生成される熱は、シールチャンバ自体内のわずかに暖かい環境を維持することができ、堆積物を引き起こすハングアップを抑制することもできる。

図１０Ａ～Ｉは、本開示の一実施形態を試験した結果を示す一連のグラフである。図１０Ａに示されるように、シミュレーションと試験との両方で、磁力は電流とともに増加する。図１０Ｂに示されるように、ソレノイドに３アンペアで通電すると、バネの予荷重力が完全に補償され、リフトオフ速度は０ｒｐｍ近くになる。対照的に、磁力を生成するためのエネルギが提供されない場合、リフトオフ速度は約１００ｒｐｍである。これは、シールからの測定された音響放射によって少なくとも部分的に証明される。図１０Ｃに示されるように、電流が供給されていない場合、音響放射のデシベルレベルは１００ｒｐｍを下回ると高くなり、１００ｒｐｍを超えると非常に低くなる。図１０Ｄにおいて、０．５アンペアで、リフトオフ速度は約９０ｒｐｍである（コーストダウン速度と同様）。図１０Ｅにおいて、１アンペアで、リフトオフ速度は約８０ｒｐｍである。図１０Ｆにおいて、２アンペアで、リフトオフ速度は約３５ｒｐｍである。図１０Ｇにおいて、３アンペアで、速度の上昇は０ｒｐｍであり、これは、音響ピークがないことからわかる。

漏れに関しても同様の結果が検出され、（図１０Ｈに示されるように）３アンペアおよび駆動トルクでわずかに増加し、（図１０Ｉに示されるように）３アンペアでコイルに通電すると、大幅に減少した（７から３Ｎｍ）。バネの予荷重が３Ａで完全に補償されると、面の接触が失い始めるので、ソレノイドへの通電時に存在する残りの３Ｎｍのトルクは、面／シートの摩擦ではなく、ドライブトレイン（例えば、ベアリング）の摩擦によるものである。したがって、本開示の実施形態は、オペレータが所望のリフトオフ速度と所望の漏れ量との間のバランスを取ることを可能にする。例えば、実施形態は、オペレータが最大量の漏れを指定することを可能にし、キャリア１３８の位置を自動的に制御して、所望の範囲内にとどまる間可能な限り最小の摩擦を実現することができる。

本開示の方法で用いられる個々のステップは、方法が動作可能である限り、任意の順序でおよび／または同時に実行され得ることを理解されたい。さらに、本開示の装置および方法は、装置および／または方法が動作可能である限り、説明した実施形態の任意の数または全てを含むことができることを理解されたい。

上述のように、実施形態において、制御システムは、シールアセンブリ１００および設けられるセンサに動作可能に結合される。一実施形態では、制御システムおよび/またはその構成要素またはサブシステムは、コンピューティングデバイス、マイクロプロセッサ、モジュール、および他のコンピュータまたはコンピューティングデバイスを含んでもよく、デジタルデータを入力として受け入れ、命令またはアルゴリズムに従って入力を処理し、結果を出力として提供する任意のプログラマブルデバイスである。一実施形態では、本明細書で説明するコンピューティングおよび他のそのようなデバイスは、コンピュータプログラムの命令を実行するように構成された中央処理装置（ＣＰＵ）に備える、含まれる、または結合される。したがって、本明細書で説明するコンピューティングおよび他のそのようなデバイスは、基本的な算術演算、論理演算、および入出力操作を実行するように構成されている。

本明細書で説明されるコンピューティングおよび他のデバイスは、メモリを含んでもよい。メモリは、命令またはアルゴリズムを実行するスペースを提供するだけでなく、命令自体を格納するスペースを提供するために、結合コンピューティングデバイスまたはプロセッサに必要な揮発性または不揮発性メモリを含む。一実施形態では、揮発性メモリは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、またはスタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）を含む。一実施形態では、不揮発性メモリは、例えば、読み取り専用メモリ、フラッシュメモリ、強誘電性ＲＡＭ、ハードディスク、フロッピーディスク、磁気テープ、または光ディスクストレージを含む。前述のリストは、使用できるメモリのタイプを制限するものではなく、これらの実施形態は例としてのみ示されており、本開示の範囲を制限することを意図しない。

一実施形態では、システムまたはその構成要素は、それぞれが機能または機能セットを自律的に実行するように構築、プログラム、構成、または他の方法で適合された様々なモジュールまたはエンジンを備えるまたは含む。本明細書で用いられる「エンジン」という用語は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）またはフィールド１０プログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのハードウェアを使用して実装される実世界のデバイス、要素、または要素の配置として、または、例えば、マイクロプロセッサシステムと、（実行中に）マイクロプロセッサシステムを専用デバイスに変換する特定の機能を実装するようにエンジンを適合させる一連のプログラム命令によるハードウェアとソフトウェアの組み合わせとして定義される。エンジンは、特定の機能についてハードウェアのみで進められ、他の機能についてハードウェアとソフトウェアの組み合わせで進められる、２つの組み合わせとして実装することもできる。特定の実装では、エンジンの少なくとも一部、場合によっては全てを、オペレーティングシステム、システムプログラム、およびアプリケーションプログラムを実行するハードウェア（例えば、１つ以上のプロセッサ、メモリやドライブストレージなどのデータストレージデバイス、ネットワークインターフェースデバイス、ビデオデバイス、キーボード、マウス、タッチスクリーンデバイスなどの入出力器など）で構成される１つ以上のコンピューティングプラットフォームのプロセッサで実行でき、また、必要に応じて、マルチタスク、マルチスレッド、分散処理（例：クラスタ、ピアピア、クラウドなど）、または他の同様の手法を用いてエンジンを実装する。したがって、各エンジンはさまざまな物理的に実現可能な構成で実現でき、一般に、そのような制限が明示的に呼び出されない限り、本明細書で例示される特定の実装に限定されるべきではない。さらに、エンジン自体を複数のサブエンジンで構成することもでき、各サブエンジンはそれ自体がエンジンと見なすことができる。さらに、本明細書で説明される実施形態では、様々なエンジンのそれぞれは、定められた自律機能に対応する。しかしながら、他の考えられる実施形態では、各機能を複数のエンジンに分散できることを理解されたい。同様に、他の考えられる実施形態では、複数の定められた機能は、これらの複数の機能をおそらく他の機能と一緒に実行する単一のエンジンによって実装するか、ここでの例で具体的に示すよりもエンジンのセット間で異なって分散される。

本明細書では、システム、デバイス、および方法のさまざまな実施形態を説明した。これらの実施形態は、例としてのみ示されており、特許請求の範囲を限定することを意図していない。さらに、説明した実施形態のさまざまな特徴をさまざまな方法で組み合わせて、多数の追加の実施形態を生成できることを理解されたい。さらに、開示された実施形態と共に使用するために様々な材料、寸法、形状、構成、および位置などが説明されたが、開示されたもの以外の他のものが請求項の範囲を超えることなく利用され得る。

関連分野の当業者は、本明細書の主題が、上記の個々の実施形態に示されているよりも少ない特徴を含み得ることを認識するであろう。本明細書に記載の実施形態は、本主題の様々な特徴を組み合わせることができる方法の網羅的な提示であることを意図していない。したがって、実施形態は、相互に排他的な特徴の組み合わせではなく、むしろ、様々な実施形態は、当業者によって理解されるように、異なる個々の実施形態から選択された異なる個々の特徴の組み合わせを備えることができる。

さらに、一実施形態に関して説明した要素は、特に明記しない限り、そのような実施形態で説明しなくても、他の実施形態で実装することができる。

従属請求項は、請求項において１つ以上の他の請求項との特定の組み合わせを指す場合があるが、他の実施形態は、従属請求項と他のそれぞれの従属請求項の主題との組み合わせ、または１つ以上の特徴と他の従属または独立請求項との組み合わせも含むことができる。特定の組み合わせが意図されていないことが明記されていない限り、そのような組み合わせは本明細書で提案される。

上記文献の参照による組み込みは、本明細書の明示的な開示に反する主題が組み込まれないように制限される。上記文献の参照による組み込みは、文献に含まれる請求項が参照により本明細書に組み込まれないようにさらに制限される。上記文献の参照による組み込みは、本明細書に明示的に含まれない限り、文献で提供される定義が参照により本明細書に組み込まれないようにさらに限定される。

請求項を解釈する目的のために、米国特許法第１１２条（ｆ）の規定は、特定の用語「手段」または「ステップ」がクレームに記載されていない限り、呼び出されないことが明確に意図される。

Claims (22)

1. 機械内からの加圧ガスの放出を防止するために前記機械の回転可能なシャフトの周りに同軸配置するためのメカニカルシールアセンブリであって、
   回転可能な前記シャフトに動作可能に結合可能であり、第１の環状シール面を有する回転リングと、
   前記回転リングに対して軸方向に移動可能であり、第１の環状シール面と第２の環状シール面との間に可変幅シール境界面が画定されるように、前記第１の環状シール面に対向して並置された前記第２の環状シール面を有する一次リングと、
   前記第２の環状シール面の反対側に、前記一次リングと軸方向に移動可能であり、並置された環状のキャリアと、
   強磁性部分を含む前記キャリアに動作可能に結合された環状の磁気リングと、
   前記磁気リングの外径の少なくとも一部の周りに同軸に配置された環状のソレノイドを備える磁気アクチュエータと、備え、
   前記ソレノイドがコントローラに電気的に結合可能であり、前記ソレノイドが選択的に均一な磁場を生成し、前記キャリアを軸方向に押し出す、
   メカニカルシールアセンブリ。
2. 前記均一な磁場は、前記キャリアを軸方向に押して、バイアス機構によって提供されるバネの予荷重力に対抗する、
   請求項１に記載のメカニカルシールアセンブリ。
3. 前記磁気リングは、前記キャリアの外径に動作可能に結合されている、
   請求項１に記載のメカニカルシールアセンブリ。
4. 前記第１の環状シール面と前記第２の環状シール面との間の摩擦の大きさを示す特性を検出するように構成された１つ以上のセンサをさらに備え、
   前記コントローラは、前記１つ以上のセンサのそれぞれから特性を受け取り、第１の環状シール面と第２の環状シール面との間に所望の大きさの摩擦を達成するために軸方向の力を加えるように磁気アクチュエータを選択的に制御する、
   請求項１に記載のメカニカルシールアセンブリ。
5. 前記第１の環状シール面と前記第２の環状シール面との間の摩擦の所望の大きさは、最大量の漏れが発生した場合に可能な限り最小の摩擦の大きさである、
   請求項４に記載のメカニカルシールアセンブリ。
6. 前記１つ以上のセンサの少なくとも１つは温度センサであり、摩擦の大きさを示す特性は、前記第１の環状シール面または前記第２の環状シール面付近で検出される温度である、
   請求項４に記載のメカニカルシールアセンブリ。
7. 前記１つ以上のセンサの少なくとも１つは流量計であり、摩擦の大きさを示す特性は、シール境界面からの漏れ量である、
   請求項４に記載のメカニカルシールアセンブリ。
8. 前記１つ以上のセンサの少なくとも１つは速度センサであり、摩擦の大きさを示す特性は前記回転可能なシャフトの回転速度である、
   請求項４に記載のメカニカルシールアセンブリ。
9. 前記１つ以上のセンサのうちの少なくとも１つは近接センサであり、摩擦の大きさを示す特性は、シール境界面の現在の幅である、
   請求項４に記載のメカニカルシールアセンブリ。
10. 前記１つ以上のセンサの少なくとも１つは音響センサであり、摩擦の大きさを示す特性は、シール境界面で検出されるノイズの振幅と、シール境界面で検出されるノイズの周波数から構成されるグループから選択される、
    請求項４に記載のメカニカルシールアセンブリ。
11. 前記音響センサは、マイクと構造振動検出器から構成されるグループから選択される、
    請求項１０に記載のメカニカルシールアセンブリ。
12. 前記コントローラは、さらに、前記シャフトの回転速度が特定の閾値よりも小さい場合に、前記音響センサによって提供される特性を無視するように構成されている、
    請求項１０に記載のメカニカルシールアセンブリ。
13. 前記コントローラは、前記音響センサから受け取った特性と、シャフトの回転速度、シール境界面の温度、およびシール境界面からの漏れ流量から構成されるグループから選択された少なくとも１つの第２特性とに基づいて、摩擦の大きさを決定するようにさらに構成されている、
    請求項１０に記載のメカニカルシールアセンブリ。
14. 前記ソレノイドは、
    前記ソレノイドの半径方向内側の部分に非磁性スペーサを備える環状のボビンと、
    前記ボビン周りに導電性の絶縁電線の複数の巻線を備えるコイルと、を備える、
    請求項１に記載のメカニカルシールアセンブリ。
15. 非磁性スペーサは、キャリアの磁気部分が、コントローラによって提供される電気力の振幅に基づいて前記コイルからの磁力で徐々に飽和するように構成されている、
    請求項１４に記載のメカニカルシールアセンブリ。
16. メカニカルシールアセンブリのハングアップを抑制する方法であって、
    コントローラで、シャフトの静止を示す信号を受信し、
    コントローラによって、磁気アクチュエータが振動軸方向の力をキャリアに与えるように構成されたパルス幅変調信号を磁気アクチュエータに提供し、
    軸方向の力は、バネの予荷重を補償するのに十分な振幅を有する、
    方法。
17. 磁気アクチュエータは、キャリアの少なくとも一部の周りに同軸に配置された環状のソレノイドを備え、
    前記ソレノイドは、前記ソレノイドがパルス幅変調信号に基づいて選択的に磁気を発するようにコントローラに電気的に結合可能であり、
    さらに、磁力は、キャリアを固定リングから軸方向外側に押し出して、バイアス機構によって提供されるバネの予荷重力に対抗する、
    請求項１６に記載の方法。
18. 前記軸方向の力は、前記キャリアを軸方向内側および外側に１ｍｍ押し出す、
    請求項１６に記載の方法。
19. 前記信号はさらに、アクチュエータが５００Ｈｚ～１０００Ｈｚの間の速さで振動軸方向の力をキャリアに与えるように構成されている、
    請求項１６に記載の方法。
20. シャフトが静止していることを示す信号は、回転速度計によって提供されるシャフト回転速度信号である、
    請求項１６に記載の方法。
21. 低速回転動作を示す信号の受信に応答して、パルス幅変調信号を提供することをさらに含む、
    請求項１６に記載の方法。
22. キャリアに動作可能に結合された環状の磁気リングの外径の少なくとも一部の周りに同軸に配置された環状のソレノイドを備える磁気アクチュエータを備えるメカニカルシールアセンブリの前記キャリア上の軸方向力を制御する方法であって、
    前記ソレノイドは、前記ソレノイドが選択的に均一な磁場を生成し、前記キャリアを固定リングから軸方向外側に押し出し、バイアス機構によって提供されるバネの予荷重力に対抗するように、コントローラに電気的に結合可能であり、
    前記方法は、
    第１の環状シール面と第２の環状シール面との間の摩擦レベルを示すセンサ信号をコントローラで受信し、
    軸方向の力を与えてバネの予荷重力に対抗し摩擦レベルを最小限に抑制するために、磁気アクチュエータを選択的に制御する、
    方法。

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