JP2016508201A - シールとして使用するための空気軸受 - Google Patents

Abstract

非接触軸受は、相対移動を伴って相対する面５５１、５６０同士と、多孔制限体を通じて周囲より高い圧力を放つ一面５６０とを備え、多孔制限体５５８が、ラビリンス５５７を含むランド部に取り付けられた単一多孔体又は多孔層の一部であり、多孔制限体及びランド部が、多孔制限体の各々の側面の間の差圧から作り出される隙間５５９の１０％を超えて歪まないように構成される。

Description

関連出願の参照
本出願は、２０１２年１月３日に出願された米国仮特許出願第６１／５８２，６７４号、２０１２年９月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／７０４，９２７号、及び、２０１２年１１月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／７２８，５９５号の利益を主張する、２０１３年１月３日に出願された米国特許出願第１３／７３３，８０６号の一部継続出願であり、これら特許出願の開示は、ここにその全体が参照により本開示に組み込まれる。

本出願は、概して、例えば圧縮空気及び揚水の貯蔵といったオイル及びガスの発電、航空タービン、化学処理、製紙、曝気、浄水、気体分離、及び様々な他のプロセス分野で使用される、ポンプ、圧縮機、タービン、発電機、モータ、ターボ・エキスパンダ及びターボ・チャージャ、混合機、スラスタ、推進機、インライン・ポンプ、精製機などで使用される軸受及びシールに関する。

ターボ機器は、典型的には回転シャフトを備え、回転シャフトは、そのいずれかの端においてラジアル軸受によって担持された羽根車又は動翼を備えている。スラスト軸受が、回転シャフト組立体の軸方向の負荷を受けるために、シャフトの一方の端において用いられている。

典型的には、乾燥ガス又は機械シールが、軸受オイル潤滑がプロセス流体と混合されないことを確保するために、及び、高圧ガスが漏れるのを封止するために、用いられる。乾燥ガス・シールは、小さな非接触の隙間を作り出そうとする流体力学的な空気軸受の特性を用いる。これらの非接触の隙間は、高速での焼付き、及び／又は、「ハング・アップ」を防止するために、シール面同士の間の表面速度が比較的高く、軸受面同士が平らで互いと押し付けられたままであるときのみ、シーラントとして有効である。機械シールは、同様の問題に悩まされている。

例えばリップ・シールといった、接触に基づいたシールでは、シャフト及びシールの領域は、摩耗や漏れを被り、大きな騒音を作り出してしまう。ブラシ・シール及び消耗可能シールは、それらをそれぞれの相対する面と接触させたままにするために、遠心力又は圧力差を利用する、接触に基づいたシールの形態である。ブラシ・シール及び消耗可能シールにおける通常の摩耗は、保守費用を著しく増加させる微粒子を作り出す。高速では、シールとシャフトとの間の熱及び摩擦損失が著しい。ラビリンス・シールは、接触により引き起こされるシャフトの摩耗を最小限にする非接触のシールの形態を提供するが、これらの非接触のシールは、シールを挟んで圧力差があるときに大きな流れをもたらし得る導通経路を提供する。非接触シールにおける漏れは、シールの回転部分と制止部分との間の軸方向におけるクリアランスを最小限としつつ長くすることで、低減される。これは、大幅な費用を追加し、常に効果的であるとは限らない。プロセス機器では、軸受絶縁体は、ラビリンス・シール技術及びリップ・シール技術を組み合わせるために使用される。これらの絶縁体は、特許文献１で見られるように、シールされる容積の流れ圧力より高い圧力で流体又はガスを噴射する。

ターボ機器では、螺旋溝及びフォイル軸受など、流体力学的なオイル軸受は、典型的には、回転負荷を受けるためのスリーブ若しくはティルティング・パッド、又は、スラスト荷重を受けるためのティルティング・パッド型軸受として構成されている。軸受は、様々な構成で搭載できる。例えば、「搭載部品（ｍｏｕｎｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）」の名でＮｅｗ Ｗａｙ Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇのウェブ・サイトに見られる、丸くされた面又は球形の面が軸受パッドの後側と合わさるスタッド搭載や、概して特許文献２に見られる、例えば可撓部又は溝といった、コンプライアンス部材に搭載されているために軸受パッドが様々な方向に自由に移動する可撓搭載や、概して特許文献３に見られる、例えばＯリング式搭載といった、エラストマ部材との接触により軸受パッドがコンプライアンスを有するエラストマ搭載や、例えば皿バネといった、軸受パッドにコンプライアンスを与えるバネ式搭載や、リンク、硬球、ロッド、ピンなどといった、任意の他の適切な搭載などがある。

流体力学的なオイル軸受は、ガス・シール及びラビリンス・シールなど、小さな隙間への流体又はガスの粘性の引き摺りに基づいた、非接触のシールを提供する。オイル軸受は、特定の速度に到達されると、圧力の「楔」を作り出す。概してＰａｌｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｒｂｏｎｅ Ｔｕｒｂｏｇｒａｐｈガス・シール、特許文献４（炭素黒鉛、セラミック材料、高速タービンエンジンにおける加圧ガス）に見られる。直接的に駆動され、高速であり、ステンレス鋼で内部シール又はオイル潤滑システムなしで作られる、例えばオイルフリー容積式圧縮機、空気圧駆動容積式圧縮機、又は多段遠心式圧縮機といった、典型的に小さい電気モータ圧縮機など、空気と比較的少量のシール・ガスとを比較的高圧で提供するために産業上使用されている。ガスを外部加圧ガス軸受へと噴射する前に、微粒子及び凝縮物を除去することは重要であり、ＩＳＯ ８５７３−１によって定められた空気の清浄等級３が、外部加圧ガス軸受での使用に推奨される。概して非特許文献１に見られる。ラビリンス及び面／乾燥ガスのシールの技術を組み合わせた従来のシール・システムの使用は、それらの技術の間に位置する小さな隙間からの小さな流れを容易にする。小さな隙間に提供されるバッファ／フラッシュ・ガスは、ラビリンスを通ってプロセス側へと流れる。同様に、プロセス側へと流れるシール・ガスが提供される。シール・ガスは、通気されるか又は燃やされてもよい。ある分離ガスが、ポンプ式のオイル入力によって、軸受室を通って通気する。軸受室の温度変動は、オイル粘度の大きな変化と、深刻な問題を生じさせるターボ・システムからのオイル漏れとを引き起こし、ドレン及び冷却器がオイル温度を制御するために使用される。

米国特許第７，６３１，８７８号 米国特許第５，７４３，６５４号 米国特許第３，３６０，３０９号 米国特許出願公開第２００６／００６２４９９（Ａ１）号 米国特許第４，７１０，０３５号 米国特許第６，４０４，８４５号 米国特許第２，６８３，６３５号 米国特許第２，６８３，６３６号 米国特許第４，８４８，７１０号 米国特許第８，４２７，０２１号

Ａｌｍａｓｉ， Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎｏｖ／Ｄｅｃ ２０１３ ｉｓｓｕｅ "Ｐｌａｔｅ Ｆｏｒｍｕｌａｓ" ｂｙ Ｗｉｌｌｉａｍ Ｇｒｉｆｆｅｌ （Ｆｒｅｄｅｒｉｃｋ Ｕｎｇａｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏ．，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）

手短に言って、本発明は、オイルに基づいた軸受の必要性を排除し、シール機能及び軸受機能を組み合わせることによって、大形機器での効率を向上する、例えば、タービン、ポンプ、遠心圧縮機、軸流圧縮機、エキスパンダ、送風機、乾燥機、高速モータなどのターボ機器で、シールとして用いるための多孔外部加圧ガス軸受技術を提供する。シール機能及び軸受機能をターボ機器で組み合わせることは、回転機器の長さ、剛性、及び動的性能に関連することを含んでいる。これらの加圧ガス軸受は、例えばゼロＲＭＰといった、相対移動と独立して作動し、例えば極低温用途又は過熱蒸気用途といった、極端な温度で作動し、非接触の軸受隙間において高度に加圧されたプロセス・ガス又はプロセス流体を用いつつ作動し、接触する面同士の間の摩耗及び圧力を防止又は低減するためにシールの機能部及び軸受の機能部を組み合わせ、コンプライアンス機構又は付勢機構の不具合から生じる「ハング・アップ」を防止し、回転体動力学上の安定性を向上する非接触の軸受である。非接触シールとして、これらのガス軸受は、クーロン摩擦及び摩耗がない。空気膜には粘性完全摩擦があるが、これは、軸受摩擦より小さい大きさの程度である。ガス軸受の構造及び機能部は、全体システムの保守及び重量を低減することになり、始動時のドライ・ランニングを排除し、軸受の寿命を延ばし、ガス供給が遮断された場合（磁気軸受は、電力遮断の場合における予備軸受を必要とする）に軸受システムを空力的に作動させることができ、エネルギー消費を減らし、オイル軸受にとって環境に優しい解決策をもたらす。

加圧ガス軸受は、軸受面同士を一体にしようと付勢するために使われる圧力差又はバネからの力と反対の力を発揮することで、外部供給される静圧圧力の空気軸受隙間への流れを制限及び均等に分布するために、多孔媒体を用いる。多孔媒体の外部加圧ガス軸受はプロセス流体で動かすことができ、多孔性は、ガス軸受における加圧ガスの流れを、ターボ機器で使用されるガスの分子量及び／又は粘度に制限するために調節できる。多孔媒体は、多孔媒体へとつながる空気分布ラビリンスを備えた非多孔の筐体に結合され得る。

空気軸受隙間は、汚染物、液体、及びガスの移動を封じるために、少なくとも２つの相対するシール又は対向面の間に位置付けられ、空気軸受隙間において高圧を維持し、また、軽く負荷の与えられる精密段に空気膜をあらかじめ作り出すために用いられる真空から大気圧を隔離する。加圧ガス軸受が非接触システムであるとしても、シールは、空気膜の圧縮を介してそれぞれの対向軸受面に機械的に連結され、多孔媒体を通る流れは、空気隙間を通る所望の流れによって決定され、概して、シャフトで望まれる流れ、又は、所定位置での推力のおおよそ２倍である。

軸受システムの空気静圧は、軸受面同士が密に接触しているとしても、軸受面が完全に無負荷であり、ゼロの接触圧力が軸受面同士の間に存在する位置へと調節され得る。軸受面同士の間の接触は、空気隙間を通るおおよそゼロの流れをもたらし、多孔材料へと供給されるライン圧力が軸受面同士の間に存在することになる。この接触力は、従来の接触シールにおいて摩擦によって発生される摩耗及び熱を減らすために、入力圧力を変更することによって、並びに、せん断エネルギー損失による温度上昇を最小限とするために、シャフト回転の間に空気隙間厚さを増加することによって、容易に調節できる。この技術は、回転シャフト用のラジアル軸受、スラスト軸受に適用でき、また、例えば羽根車などの回転部品の様々な表面を封止する使用するためにも適用できる。

過負荷条件において潰れて空気隙間を閉じるオリフィス軸受と異なり、多孔の黒鉛の軸受面を含む外部加圧ガス軸受は、過負荷条件において緩和力を発生する。これは、多孔媒体が空気隙間に依らずに軸受面にわたって空気圧力を分布するため、及び、面が軸受面全体にわたって空気圧力を発揮し続けるため起こる。これは、ゼロの隙間、又は、ゼロの流れの状況においても起こる。

外部加圧ガス軸受は、ターボ機器の基本的な設計に革命を起こす可能性を持っている。これは、１つには、加圧ガス軸受がプロセス・ガス、二酸化炭素、窒素、ヘリウム、アルゴン、他のガス、又は蒸気をも用いて、ガス軸受を、シャフトの端から羽根車同士又は段同士の間の位置へと直に移動させることができるプロセス温度で、作動する能力を備えているためである。さらに、ガス軸受は、軸受技術にとって以前は聖域であった、仕事がターボ機器で行われている場所に位置決めされて用いられてもよい。これは、羽根車におけるガス軸受が、独立して回転する段を可能とし、高速モータが各々の羽根車段に直に一体化できるため、ロータ動力学を実質的に向上させ、これは、回転シャフト及び変速装置の必要性と、シャフト部分の延伸と、圧縮機とモータ／駆動部との間の位置合わせの問題とを排除する。これは、各々の羽根車段が、ターボ機器にとって、全体的な軸受システムとして、自身の最も効率的な速度で独立して回転できるため、先行技術に対する実質的な向上である。さらに、外部加圧ガス軸受は、より短いシャフト部分と、より高い速度の能力と、より大きな軸受ジャーナルと、シャフトの劇的な高強度化と、オイルの循環及び冷却と燃やすガスの通気の必要性を排除する追加的なスクイーズ膜減衰表面積とを可能にする。圧縮される燃焼可能ガスへと酸素が導入される可能性を取り除くことは、ターボ機器運転者及び近隣者にとっての安全性を高めることになる。

外部加圧ガス軸受がシールの機能部及び軸受の機能部を組み合わせているため、極めて効果的なシールが羽根車段同士の間において、径方向におけるシャフト直径上の根元で、及び／又は、羽根車の周囲において軸方向で、可能である。遠心段の周囲におけるアキシャル軸受は、軸方向のコンプライアンス及び付勢力で適合され得る。これは、熱成長に対する減衰とコンプライアンスとの両方を提供する。最も重要なことは、このような軸受／シールの組み合わせは、ブローバイの効率の悪さを排除して、非決定性のクリアランスの隙間を通る大量の高圧の流れと関連する問題を回避している。薄い層流ガスの軸受隙間が、羽根車の外径の内部の狭い軸受帯において羽根車段同士の間を封止し、大きなクリアランスが他のあらゆる場所に残されている。その結果、外部加圧ガス軸受の使用は、騒音の低減と、より効率的なターボ機器とをもたらす。

相対移動を伴って相対する面同士と、多孔制限体を通じて周囲より高い圧力を放つ一面とを備え、多孔制限体が、ラビリンスを含むランド部に取り付けられた単一多孔体又は多孔層の一部であり、多孔制限体及びランド部が、多孔制限体の各々の側面の間の差圧から作り出される隙間の１０％を超えて歪まないように構成される、非接触軸受も開示される。

前述の概要と、好ましい実施例の以下の詳細な説明とは、添付の図面と合わせて読まれるとき、より良く理解されるものである。本発明を図示する目的のために、現在好ましいとされる実施例が図面で示されている。しかしながら、本発明は、示した緻密な構成に限定されないことは、理解されるべきである。

単純化された片面のガス軸受シールの鉛直断面である。 片面の可撓性回転要素の詳細な断面である。 説明のない先行技術の形を示す図である。 タンデム面シールの鉛直断面の側面図である。 調節可能空気閉止力のある可撓性静止プライマリ部の詳細図である。 機械的閉止力のある可撓性静止プライマリ部の図である。 トーラスのある可撓性静止プライマリ部の図である。 二重の相対する単純化されたガス軸受シールの図である。 二重の相対するのが好ましいとされた可撓性回転要素の図である。 多孔ガス・シール対流体力学的ガス・シールの図である。 多孔ガス・シール対流体力学的ガス・シールの図である。 多孔ガス・シール対流体力学的ガス・シールの図である。 多孔ガス・シール対流体力学的ガス・シールの図である。 多孔空気軸受用の揚力負荷図である。 周辺ガス軸受シールの図である。 周辺シールのための搭載方法の図である。 単一動翼シールの図である。 単一動翼シールの図である。 先行技術の詳細な描写の図である。 シールを排除するガス軸受である。 複動翼シールの図である。 平行可撓部、航空エンジンの図である。 平行可撓部の拡大図である。 角度のシールのコンプライアンスの図である。 角度のシールのコンプライアンスの図である。 角度及び軸方向のシールのコンプライアンスの図である。 軸方向、角度、径方向の通気のないシールのコンプライアンスの図である。 軸方向、角度、径方向の通気のないシールのコンプライアンスの図である。 軸方向、角度、径方向の単一源の図である。 軸方向、角度、径方向の単一源の図である。 軸方向、角度、径方向の通気のある図である。 軸方向、角度、径方向の通気のある図である。 平衡力軸受の図である。 平衡力軸受の図である。 広い温度能力を備えた軸受シールを作るための方法の図である。 ティルティング・パッドの外部加圧ガス軸受の図である。 軸受搭載及び流路分布の図である。 ターボ機械における回転シャフト用のティルティング・パッドの外部加圧ガス軸受の図である。 支持されている流路と支持されていない流路との図である。 ターボ機械用の固体炭素黒鉛ティルティング・パッドの径方向の外部加圧ガス軸受である。 外部加圧ガス軸受用の多孔媒体の、５０００倍の倍率での図である。 外部加圧ガス軸受用の多孔媒体の、５００倍の倍率での図である。 蒸気支持タービン・ロータ（構成１）で作動する外部加圧ガス軸受の図である。 蒸気支持タービン・ロータ（構成２）で作動する外部加圧ガス軸受の図である。 段同士の間でシールする機能部を有する外部加圧ガス軸受の支持がある遠心圧縮機の図である。 静止シャフトと、独立した軸受のシールされた段とを備える遠心圧縮機の図である。 独立した軸受のシールされた段と、モータ磁石軸受とを備える静止シャフトにおける遠心圧縮機の図である。 軸受シールを備えた軸流圧縮機の側面図である。 軸受シールを備えた軸流圧縮機の三次元図である。 シャフトなしタービンの側面図である。 シャフトなしタービンの三次元図である。 軸受シールを備えたオイル・フリー・エキスパンダ又はラジアル圧縮機の図である。 軸受シールを備えたオイル・フリー・エキスパンダ又はラジアル圧縮機の図である。 軸受シールを備えたオイル・フリー・エキスパンダ又はラジアル圧縮機の図である。 軸受シールを備えたオイル・フリー・エキスパンダ又はラジアル圧縮機の図である。 軸受シールを備えたオイル・フリー・エキスパンダ又はラジアル圧縮機の図である。 シールでもある空気軸受に支持された単一の往復動ピストンを備えた空気圧縮機である。 粘性せん断冷却のための外部加圧ガス軸受の側面図である。 粘性せん断冷却のための外部加圧ガス軸受の三次元図である。 炭素ブラシ、集電環、及び整流子についての平衡した力を示す図である。 回転結合のための軸受シールの図である。 結合のための平衡した力を示す図である。 異なって加圧された溝を示す図である。 推力及び推進力のための軸受を示す図である。 直列循環のための軸受を示す図である。 ターボ・チャージャを示す図である。

特定の専門用語が、以下の説明において便宜のためだけに使用され、限定的ではない。言葉「前」、「後」、「左」、「右」、「内側」、「外側」、「上方」、「下方」、「最上」、及び「最下」は、参照される図面における方向を指定している。また、用語「１つ」は、他に具体的に述べられていない場合、参照された項目を１つ又は複数含むとして定義される。「ａ、ｂ、又はｃのうちの少なくとも１つ」（ここで、ａ、ｂ、及びｃは、項目が列挙されていることを表している）とは、ａ、ｂ、又はｃのうちの任意の単一の１つ、或いは、それらの組み合わせを意味している。専門用語には、先に具体的に述べた言葉、その派生語、及び、同様の趣旨の言葉が含まれる。

図１Ａ及び図２Ａに示すように、高速２０１で回転し得るシャフト１０１は、Ｏリング１１１、２１１、又は、任意の適切な搭載機構を介して、転子１１０、２１４に連結されている。シャフト１０１には、スリーブ１１２が備え付けられ得る。Ｏリング１１１、２１１は、シャフト１０１の軸方向変位を受け入れることによって、転子１１０、２１４に軸方向のコンプライアンスを提供し、及び／又は、転子１１０、２１４と静止面との間で起こる自己調節隙間を提供する。隙間の厚さは、静圧入力圧力と、空気軸受面２１２同士を一体にしようとする力と、多孔媒体１０７の制限と、表面の漏れ縁に対する表面積の割合との関数である。これらの変数は、極めて効果的な非接触シールを作り出すために制御され得る。一実施例では、転子１１０、２１４は、シャフト１０１にしっかりと搭載され、軸方向のコンプライアンスは、転子１１０、２１４が空気膜において径方向に自由に移動するように、静止部品内に策定される。図１Ｂ及び図２Ａに示すように、バネ荷重機構１１３は、シール面２１２への負荷を調節するために、及び、軸方向のコンプライアンスを提供するために、転子１１０、２１４、又は、少なくとも２つの機械シールの相対する空気軸受面２１２を接触させるように付勢する。

図１Ａ、図１Ｂ、及び図２Ａに示すように、シール体１０９が、境界面において、Ｏリング・シール１０５を介して、筐体ケーシング２０３又はアダプタ・プレート２０５に搭載されている。シール体１０９には、加圧流体をラビリンス１０８へと供給する導通路１０６が備え付けられている。ラビリンス１０８は、黒鉛、炭素、炭化ケイ素、炭化タングステン、アルミナなどの任意の多孔材料又は焼結材料から成る多孔媒体１０７の後側に、加圧流体を均等に分布する。代替の実施例では、例えば、オリフィス、段差、溝、固有、又はポケット付きの補償など、任意の空気軸受補償技術が用いられてもよい。

図１Ｃに示すように、例えば圧縮機又はタービンといった１つの回転機器についてのシャフト１５１は、スリーブと、プライマリ・リング１５０と協働する回転嵌合リング１５２とを有する。圧縮機ケース１５３は、ＡＰＩ基準６８２によって示されたシール・カートリッジ１５９を受け入れる。シール・カートリッジ１５９は、圧力をプライマリ・リング１５０の多孔面１５４に供給する。プライマリ・リング１５０は、回転せず、Ｏリング１５６で封止されたプレナム１５７へとポート１５５を通じて圧力を導入する「可撓性要素」として作用する。バネ１５８又はダイヤフラム式の可撓部が、付勢力として作用し、回転嵌合リング１５２に押し付けられる空気軸受プライマリ・リング１５０を維持する。タンデム・シールでは、同じ説明が第２のシールに関しても繰り返される。

図１Ｄに示すように、多孔面１６０及びプレナム１６７を備えるプライマリ・リング１６９は、Ｏリング１６２によってシール・カートリッジ１５９の内側に収容されている。プレナム１６７のポート１６５は、多孔面１６０の後から貫通ポート１６８へと空気圧力を分布させる。バネ１６６又はダイヤフラム式の可撓部が、付勢力として作用し、あらゆる漏れの可能性を回避するために、プライマリ・リング１６９を嵌合リングに押し付けたまま維持する。コンプライアンス・リングが嵌合リングに押し付けられないときに起こり、望ましくない逆流を生じさせる「ハング・アップ」を防止するために、軸受の面１６０に供給される空気圧力も、この場合に、プライマリ・リング１６９の後で用いられてもよい。

図１Ｅに示すように、多孔面１７０と多孔面１７０の後で空気圧力を分布させるプレナム１７１とを有するプライマリ・リング１７９は、シール・カートリッジ内でＯリング１７２同士の間に拘束されている。ポート１７８は、プレナム１７１に達する前に、軸受機能部からポート１７５へと空気圧力を供給する。通気孔１７３は、空気軸受面に与えるための圧力を絶縁し、プライマリ・リングの後へと力を発揮させる。この方法では、バネ力又はダイヤフラム力のみが、プライマリ・リングを嵌合リングに向かわせることになる。

図１Ｆに示すように、多孔面１８０と多孔面１８１の後で空気圧力を分布させるプレナム１８７とを有するプライマリ・リング１８９は、Ｏリング１８２と、例えば、一定の直径の球体又は湾曲体の部分といった、トーラス１８３とによってシール・カートリッジに拘束されている（図１Ｇ参照）。プライマリ・リング１８９、Ｏリング１８２、及びトーラス１８３は、シール・カートリッジ直径１８４内部にぴったりと嵌められている。ポート１８８は、空気圧力を軸受に導入し、プレナム１８７を通じてポート１８５へと圧力を供給する。プレナム１８７は圧力をラビリンス１８１に供給し、ラビリンス１８１は圧力を多孔媒体１８０に供給する。

図２Ｂに示すように、１つの回転機器についてのシャフト２２１は、シール・カートリッジ２２２を有している。回転可撓性要素である嵌合リング２２３が、シール・カートリッジ２２２内に設けられている。嵌合リング２２３は、図２Ｂに示すように、スリーブと一体的に結合されている。一実施例では、スリーブと嵌合リング２２３とは別々の部品であってもよい。嵌合リング２２３及びスリーブは、バネ２３２及び嵌合リング２２３、２３３を介してシャフト２２１において軸方向に支持されており、締付リング２３７によって軸方向で一体的に固定されている。好ましい一実施例では、嵌合リング２２３は、多孔軸受シール面２２４、ラビリンス２２６、及び入力ポート２２７を備える静止プライマリ・リング２２９に接触して走行して、制限要素として多孔媒体２２５を用いて効果的な静圧隙間を作り出す。この実施例では、例えば、二重シールのために、第２の嵌合リング２３３と第２のプライマリ・リング面２３０とが、静止プライマリ・リング２２９の多孔軸受シール面２２４と反対に位置決めされている。単一と二重との両方のシール軸受システムは、外部圧力が供給され、同じシステム及びポートを用いて通気される。多孔軸受シール面２２４と第２のプライマリ・リング面２３０との間の容積は、面２２４、２３０の間の容積における圧力の増加を防ぐためにポート２２８を通じて通気される。シール面２３０、２３１は同様に通気される。シール隙間２２４を出て行く流れの一部がプロセス側へと流れることになることは、留意されるべきである。その量は、加圧容積と通気圧力との間の圧力差に依存する。例えば、容積２３４が６８．９５ｂａｒ（１０００ＰＳＩ）に加圧され、通気孔２２８が周囲圧力流れである場合、ほとんどがプロセスへと向かうのではなく通気孔から出て行くことになる。多孔媒体２２５への入力圧力は、例えば７３．０８〜７５．１５ｂａｒ（１０６０〜１０９０ＰＳＩ）に対して封止している圧力を４〜６ｂａｒ上回るべきである。圧力が段にわたって低下するように、カスケード状のより低い圧力を一連の面の各々に制限することが可能である。各々の段が６８．９５ｂａｒ（１０００ＰＳＩ）の圧力低下である場合、シールは、２０６．８ｂａｒ（３０００ＰＳＩ）を効果的に封止できる。

嵌合リング２２３、２３３の内側に面する面における静止プライマリ・リング２２９での多孔軸受の面同士の間の空気軸受シール隙間は、組み立てにおいて固定される。シール・カートリッジに対してのシャフトの軸方向変位は、嵌合リングスリーブを嵌合リング２２３、２３３の「ハング・アップ」の間にシャフト上で移動させることができるため、軸受面は物質的に損傷されない。一実施例では、多孔炭素軸受面が、図示６００で示すように、多孔軸受シール面２２４と第２のプライマリ・リング面２３０との間において、空間２３４における嵌合リング２２３の反対側で走行する。

図２Ｃ−１に示すように、シール・ガスが、外側縁２５５から隙間へと隙間にわたって流れ、低圧縁２５６に出る。シール・ガスは、プロセス・ガスより高い圧力にあるポート２５３へと導入される。転子２５２が、シャフト２５１と共に高速で回転する。転子２５２の面にエッチングされた空力特徴部２５４は、転子の各々の側で空気軸受膜を確立する。

図２Ｃ−２に示すように、シャフトの軸方向変化又は角度変化は、一方の側２５７により小さな隙間をもたらし、他方の側２５８により大きな隙間をもたらす。これは、不安定性を引き起こすより小さな隙間２５７の側に、シール・ガスの制限された流れと、より小さな圧力とをもたらす。

図２Ｃ−３に示すように、高圧ガスがポート２５９を通じてプレナム２６０へと導入される。プレナム２６０は、軸受隙間２６２への高圧ガスの流れを制限する多孔媒体２６１へと高圧ガスを供給する。転子２６３にはエッチングされた特徴部はない。転子２６３における隙間の軸受圧力は、軸受面のうちの１つに向かう転子２６３の位置における同様の軸方向又は角度の変化が起こるとき、自動的に上昇する。多孔媒体を出て行こうとする転子が、入力圧力に近づくことになる軸受面のうちの１つと実際に接触するまで、隙間の軸受圧力は上昇し続ける。転子と軸受面との間の相対力は、転子２６３において軸受面を出て行こうとする圧力によって軽減される。転子の反対側２６４は、隙間がより大きく、制限が隙間の縁の代わりに多孔媒体から生じるため、より低い圧力を有している。これは、より小さな隙間のある側がより大きな圧力を作り出し、より大きな隙間のある側が比較的より小さな圧力となる、自然に安定する状況をもたらす。図２Ｃ−１及び図２Ｃ−２に示した空力シールでは、事実はその反対である。

図２Ｄに示すように、空気軸受膜の剛性は空気軸受膜の厚さで変化する。空気隙間の厚さは空気隙間の剛性と直接関連しており、より薄い空気隙間は空気軸受膜の剛性を増加させる。図２Ｄのグラフに示すように、揚力負荷の曲線の傾斜は、所与の点における軸受剛性を表しており、横線はゼロの剛性を表し、縦線は無限大の剛性を表す。隙間の大きさの低下は、軸受のすべての表面にわたって十分な空気を分布することを、益々困難とさせる。多孔軸受では、空気が軸受の全体面から直接的に隙間へと出て行き、空気を隙間にわたって流すことに難しさはない。これは、多孔軸受をより堅牢なガス軸受とさせる。隙間を通る流れは隙間の三次関数であり、隙間を２倍にすると、流れに元の隙間の８つ分の増加をもたらすことは、留意するに値する。

図３Ａに示すように、高速で回転できるシャフト３０１が静止円筒軸受シール３１０の内部で回転される。容積３０８にある汚染物又は圧力は、隙間３０９にある静圧圧力によって、隙間３０９への漏出が封止されて阻止される。一実施例では、筐体又はケーシング３１１は、円筒空気軸受シール３１０を直接受け入れるように備え付けられる。代替の実施例では、筐体又はケーシング３１１は、境界面においてアダプタ・ブロック３１５を受け入れるように備え付けられ、Ｏリング３１３は境界面において静止シールを提供する。これらの実施例の各々において、シールの低圧側に保持体３０３を有することが好ましいとされ、クリアランス３０２が、保持体３０３とシャフトとの間に設けられるべきである。通路３０６は、高圧流体を円筒シール組立体に供給する。一実施例では、Ｏリング３１２は、高圧流体が単一の通路３０６を通じて円筒空気軸受シール本体３１０へと供給され得るように、プレナム３０７を封止する。流体は、接続具をシール本体３１０に直に接続することなく、シール本体３１０へと供給される。他の実施例では、Ｏリング３１２は、シャフトが空気膜で軸方向に自由に移動するように、径方向及び角度のコンプライアンスを提供する。Ｏリング３１２は、孔３１４を通じて注入され、筐体又は搭載ブロックとシール本体との間の円筒形の隙間３０４を満たすエポキシを収容するために使用されてもよい。

開口３０６を通って入り、シール本体の孔を通って進む高圧流体は、多孔媒体３１６又はシール本体３１０にあり得るラビリンス３０５によって、シール本体と多孔媒体との間で軸方向及び径方向に分布されることになる。多孔媒体補償は好ましい実施例であるが、他の補償方法が可能である。多孔媒体空気軸受補償は唯一の可能性のある解決策であり、当技術において知られている他の補償技術のうち、オリフィス、段、溝、固有、又はポケット付きの補償が用いられ得る。多孔空気軸受は、当技術で知られており、以前の出願において本発明者によって説明されている。また、清浄な流体をある圧力で提供する方法は、良く知られており、容易に利用可能である。多孔媒体３１６は、黒鉛、炭素、炭化ケイ素、アルミナ、又は、他の基本的に任意の焼結材料若しくは多孔材料から構成され得る。これらの材料は、典型的には、面シール及び機械シールとして、並びに、乾燥ガス・シールにおける転子及び転子面として見出される。一般的な方法であるこの多孔性を充填又は封止してしまう代わりに、多孔性が空気軸受機能部のために使用される。

図３Ｂに示されているように、軸受システム３５３を介して連結されたシャフト３５１と筐体３５２とがある。軸受を領域３５７でプロセス又は環境から絶縁するのが望ましいため、軸方向でより短い形態３００での図示と一致する静圧ガス・シール３５５（この実例にあるのを除いて、空気静圧は可撓管３５６を通じて配管される）が、シャフトに対して非接触の方法でシール３５５を支持する高圧空気膜を通じて、シャフト３５１へと連結される。そのため、シャフトは、空気隙間の小さいせん断力のため、シールに伝達されるトルクが実質的にない状態で、速度の高い割合で回転できるが、シールは、空気膜の径方向の剛性のため、接触することなくシャフトの移動に追従できる。機械的な蛇腹は、シールを筐体にしっかりと結合させたままにするのではなく、シールをシャフトに追従させることができる。コンプライアンスを提供するための追加の方法は、本出願の他の形態で詳述されている。

ラビリンス・シールと対照的に、円筒空気軸受シールは、空気膜の剛性を介してシャフトに連結される。実例３５０では、ブッシング・シールが、それが封止する回転シャフトによって支持されている。これは、ラビリンス・シールで経験される位置合わせの問題を排除できる。シールは、ステータに対して静止しており、コンプライアンス搭載の例として、ある種の可撓蛇腹構成３５４、ダイヤフラム、又は、軸方向のＯリングによって、ステータに接続されている。形態２００、８００において説明されるように、周辺シールを用い、周辺シールを軸方向の面シール同士の間に搭載することも可能である。

図２Ａ及び図３Ｂ又は図７〜図１０で教示されたものと同様の軸受絶縁体は、シャフトの中心の変化、シャフトの角度偏位、及び軸方向の変位を可能にし得る。ある場合には、これらの軸受絶縁体は、シールに影響を与えるのを助けるために、補償されていない環状溝を通じて加圧された空気又は水を使用していた。これらは、その大きな隙間と補償の欠如とによって、大きな流れと低い圧力とを特徴としている。

図４では、高速で回転し得るシャフト４０１は、位置決めネジ４０３によってシャフトに、及び／又は、肩部に固定される搭載リング４１３を用いてシャフト４０１に連結される動翼転子４０５を有する。Ｏリング４１０は、符号４０２においてクリアランスを封止するために用いられ得る。図４には２つの図示があり、図４Ａでは、動翼４０５が多孔軸受シール面にぶつかっておらず、隙間４０６によって動翼転子４０５を見ることができ、図４Ｂでは、動翼転子が所定位置にあり、動翼転子と多孔面４１２との間の隙間４０６が、運転中であるとして、２５ミクロン未満となっている。動翼自体は、シャフトに肩部がそのように備え付けられている場合、肩部に直接的に連結できる（肩部は、直径のおける段差によって作り出される軸方向の面であり得る）。動翼転子は、軸方向に薄いために従来の転子から差別化されていることを特徴としている。動翼は、任意の厚さであり得るが、０．１ｍｍから１ｍｍの間の厚さであり得る。この動翼転子は、軽量であるという利点を有し、そのため、シャフトの慣性モーメントと、転子によって引き起こされる潜在的な不均衡とに最小の影響しかない。容積４０４において封止される圧力が容積においてどこでも同じであるため、圧力は、動翼可撓部の後で均一に作用し、動翼可撓部を空気軸受シール面に対して一定の単位面積当たりの力で向かわせる。このため、シャフトに接続される重くて硬い転子を有することが必要ではない。隙間４０６は変化するが、容積４０４にある力と反対でそれに等しい力が、空気隙間で発生されることになる。この実施例は、特に航空エンジンとして設計されたタービンにおいて、ブラシ式シールを置き換えるのにうまく適合され得る。この実施例は、より効果的に封止することになるため、摩擦又は摩耗がゼロ又は少なくとも比較的小さくなり、軸方向で占める空間が著しく小さくなる。

容積４０４にあるものよりも数ｂａｒ高い高圧ガスがポート４０８に導入され、そのポート４０８は圧力をプレナム４０９へと導き、隙間４０６における多孔媒体４１２の面において、且つ、転子４０５との間において圧力を作り出すことになる多孔媒体４１２の後側に、空気圧力を均一に分布させる。

容積４０４は、シールの一方の側における容積を表し、これは、変速装置、モータ−発電機筐体、混合機、精製機、水ポンプ、若しくはガス・パイプラインなどのプロセス流体若しくはガス、又は、例として圧縮機などの１つの回転機器における羽根車、段、若しくは室同士の間のシールであり得る。符号４１４はケーシング又は筐体を表す。形態２００の符号２０５に示すようなアダプタ・プレートがあってもよいし、なくてもよい。シール本体自体４１１は、Ｏリング・シール４０７を備えた筐体ケーシング又はアダプタ・プレートに搭載することになる。図示１００におけるシール本体は、軽く負荷の与えられるシールに言及しており、シール本体及びその搭載は、封止されている圧力差において著しく変形することがないように、十分に強固であるように設計され得ることは認められるべきである。代替で、曲がるように設計されてもよく、そのため、必然的に板バネ鋼可撓部である動翼転子の従順な性質と協働するように可撓であり得る。

図５Ａに示すように、従来の遠心圧縮機は、ここに示すようなシール及び軸受のシステムを用いている（しかし、これは、回転機器における他の潜在的な用途を説明している）。シャフト５０１は、圧縮機室５０４からラビリンス・シール５０２を通って、圧縮機ケーシング５０５内のシール室に嵌まるシール・カートリッジ５０３へと延びる。そして、プライマリ・リング５０７と嵌合リング５０６との間で作用される面又は乾燥ガス・シールがあり、これは、一次シール５０８として言及される。ラビリンス５０２と一次シール５０８との間には、ポート５２４を通じてバッファ／フラッシュ・ガスが導入され、このガスの大部分は、ラビリンス・シールがｂａｒ相当の圧力差のみであっても高い度合いの流れを有するため、プロセス側へと逆流する。このバッファ・ガスは、一次シール隙間を清浄に保つために重要である。ガスのうちの一部は、機械面又は空力一次シール５０８にわたって流れ、プレナム５０９へと流れ、最後に通気孔５１０を通って出て行く。そして、ポート５１２を通じて導入されるシール・ガス又は不活性ガスがあり、すでに述べたようにこの大部分は、ラビリンス・シール５１１を通って、通気孔５１０から出るように流れる。このガスの一部は、嵌合リング５１３及びプライマリ・リング５１４から構成される二次シールを通って流れる。これは、符号５１２で導入される圧力が容積５１５の圧力より高いためである。この流れは、通気孔５１６を通って排気される。そして、ポート５１７を通って導入され、分離シール５１８を通って流れる分離ガスがある。その流れの一部は、容積５１５へと移動し、符号５１６を通って通気し、その流れの一部は、ラビリンス・シール５１９（備え付けられている場合）を通って軸受室５２０へと進む。そのため、通気孔５１０から流れ出るプロセス・ガス及びバッファ・ガスがあり、これは、符号５１２を通じて導入されたシール・ガス又は不活性ガスと混合される。これは、再処理されるか、又は、火炎へと送られる必要がある。二次シールにわたって容積５１５へと流れるガスは、符号５１７を通じて導入される分離ガスと混合し、それから通気孔５１６から出て行き、また、火炎へと送られるか、処理されるか、又は、排気として送られる。また、軸受室５２０へと流れる分離ガスは、通気孔５２１から出て進むことになり、さらに別の環境上の問題点となる。軸受室は、圧力貫通ポート５２２において送り込まれるオイルがあり、そして、オイルは、貫通ポート５２３（最下に位置付けられ得る）から排出され、濾過され、非常に温度に敏感であるため重要であるその粘度を制御するために、冷却される必要がある。圧縮機の各々の端で出入りするすべての管のため、複数の運転者はメデューサを見ているように感じる。

図５Ｂで示すように、先に列挙した点検、複雑さ、及び環境上の問題は、以下の新規の教示によって排除される。形態５５０を参照すると、オイルは、圧縮機シャフトを支持する軸受のための潤滑媒体としては取り除かれていることに気付く。圧縮機で圧縮されるガスで作動するガス軸受の代わりが、シャフト５５１のための静圧空気軸受支持体５６０を作り出すために用いられる。軸受カートリッジ５５５と圧縮機ケーシング５５４の軸受室及び／又はシール室とは、可能である一層のより小さな設計をうまく利用するために、新規の設計において変わることができるが、これは、オイル軸受カートリッジが嵌まり入る同じ空間にガス軸受カートリッジが嵌まることができるため、必ずしも必要ではない。

好ましい実施例は、ティルティング・パッド外部加圧空気軸受５６０の面において、多孔媒体制限体５５８を用いるものである。これらの軸受は、先行技術で用いられたのと同じバッファ・ガスを用いて供給できるが、このバッファ・ガスは、外部加圧空気軸受５６０へと代わりに送り込まれる。軸受は、容積５５２のラビリンス・シールの反対側における圧力をおそらく４〜２０ｂａｒの範囲で上回る、より高い圧力差を必要とするが、このバッファ・ガス流の容積は、ここでは軸受ガスであり、先行技術で必要とされたバッファ・ガスより劇的に少なく、おそらく、軸受あたり１分間で０．０２８立方メートル（１立方フィート）未満である。バッファ・ガスは、ポンプの高圧側又は吸込み側から取り出され、フィルタ又はドライヤを通じて導かれ、吸込み側から取り出された場合は圧縮され、それからポート５５６を通じて軸受５６０へと導入され、多孔媒体５５８によって制限されたラビリンス５５７へと分布され、最後に、圧力下において最後の軸受制限である隙間５５９を通って出て行き得る。ガスは、軸受隙間５５９を出た後、使用したガスがラビリンス・シール５５３、又は、その位置で使用され得るある他のリング若しくは別体シールを通って、プロセスへと逆流することになるため、軸受室で圧力を若干だけ上昇させるように作用する。

通気孔が排除される場合には、プロセス流が進むための場所がないため、軸受室へのプロセス流を有する理由がない。これは、通気を燃やす必要性、又は、通気を大気へと送る必要性を排除し、大きな環境上の利点である。そして、取り扱うガスが１つだけであるため、点検が劇的に簡素化され、保守費用及び停止時間が改善され、シール点検の資本費用がシールの費用の倍数であり得るため、資本費用が低減される。通気の排除が、圧縮される燃焼可能ガスへと酸素を引き込む可能性、又は、危険なガスを漏らしてしまう可能性も排除するため、安全性も改善される。

ロータ動力学も、本発明を用いることで劇的に向上され、以前はシールによって使われていたシャフトの長さが排除され、シャフト５５１を劇的に強固にする。シャフトの直径は、ガス軸受のより高速な能力のため、増大でき、ここでもまたシャフトを強固にし、ガス軸受のスクイーズ膜減衰により大きな面積を提供する。

オイルと関連する環境上の問題及び煩雑さが排除され、オイル漏れもなくなる。オイルのないことにより、面又は乾燥ガス・シールを達成し、炭化させることができる。オイルは、軸受部品が作動できる温度をもはや制御しない。ガス軸受は、極低温から過熱蒸気まで、最も過酷な温度範囲で作動できる。多孔媒体５５８をステンレス鋼又はアルミニウムの軸受筐体５６０に接着するための従来の技術は、過酷な温度には適していないことがここでは留意される。

圧縮機、又は、ガス・タービン若しくは大形発電機の場合にも、ゼロＲＰＭにおいても摩擦のないガス膜で支持されるロータを有することになる。これは、始動及び停止における危険性を減らし、シールのハング・アップ又は軸受の損傷の危険性のない低速回転の運転及びスタンドバイ運転を可能にし、摩擦のない始動及び停止を可能にする。

滑らかな多孔面により可能な優れた空力特性のため、軸受への外部圧力は、圧縮機又はターボ機械が十分な速度であり、その時点でシャフトが空力効果で支持されることになると、しばしば止めることができる。そのため、補助圧縮機（備え付けられている場合）が、始動及び停止、又は、低速回転条件のみにおいて運転され得る。この補助圧縮機は、運転中に故障した場合、主圧縮機の運転に影響せず、ロータは、炭素黒鉛軸受面における鋼シャフトの優れたトライボロジー上の特性のため、損傷することなく、圧力の低下において停止まで回転できる。また、この技術は、軸受が自身の圧力をポンプの高圧側から取り出すことができ、始動停止のサイクルで平軸受として許容可能な寿命を有し得るため、海中圧縮を対象とするキャンド圧縮機に適している。これは、磁気軸受よりはるかに簡単で、オイルを排除するより小形な方法である。

しかし、シールがない場合、及び、通気がない場合、軸受は過酷な圧力で作動する。ポンプの吸込み圧力が１００ｂａｒであり、圧縮機の出口側が２００ｂａｒである場合、軸受には１０６ｂａｒで供給され、これらの軸受を通る流れはバッファ・ガスとなる。１００ｂａｒの環境で作動する軸受は、実際には、６ｂａｒの圧力差しか見込めない。

図６Ａに示すように、高速で回転し得るシャフト６０１は、形態４００で先に説明したように、自身に接続された複数の薄い動翼を有している。これらの動翼６１４は、肩部及びボルト６１６を介してシャフト６０１に固定されており、精密離間リング６１５によって互いから離間されている。多孔軸受シール６０４は、肩部及びボルト６１２を介してステータ６０３に接続されている。多孔軸受シール６０４も、動翼転子とおおよそ同じ大きさか、又は、動翼転子より若干厚いが、好ましくはせいぜい１０ミクロン厚い精密スペーサ６０５によって、同じく離間されている。多孔軸受シールの内径とシャフトの外径との間にクリアランス６１０がある。動翼転子の外径とステータの内径との間に相補的なクリアランス６１１がある。このクリアランスは、シャフトの径方向の移動を可能にする。容積６０２と容積６０９との間に、例えば容積６０２においてより高い圧力で、圧力差がある場合、その圧力は第１の動翼転子を第１の多孔軸受に当てるように第１の動翼転子に作用することになる。しかし、高圧がポート６０６を通じて導入されているため、この圧力は、溝６０７によって周辺へと導かれ、そして、径方向孔６０８によって多孔軸受シールを通って径方向に導かれる。この圧力は、多孔媒体と、動翼と軸受との間の面とを通って導かれ、同じくシールである分離力を作り出す。

図示６Ｂに関して、この実施例は、ジェット飛行機で見出せ得る航空エンジン、及び／又は、ブラシ・シール又は遠心シールを用いているガス・タービンにおそらく関連されている。これらの接触式のシールは保守の問題があり、効率の悪化を引き起こす摩擦及び熱を作り出し、騒音が大きい。これらの問題は、多孔炭素空気軸受技術を用いることによって、大部分において解決される。軸受技術は、明細書内で複数の他の位置で教示されている。具体的な構成は、平行可撓部技術を用いてシャフトに搭載された可撓部である転子を保持するために、機構と嵌め合わされたタービン・シャフト６５１を有している。これらの転子６５６は、この好ましい実施例では多孔媒体補完６５４を用いる静止空気軸受シール６５３と協働する。シールの静止部品は、摩擦に基づくシールの静止部分を搭載するために用いられるものと同様の従来の技術を用いて、エンジン／圧縮機／発電機の筐体６５５に搭載される。スペーサ６５７は、シャフトに接続されて符号６５９によって固定される符号６５２のシール追加キー・オフの静止部品と軸方向に転子をおおよそ配置するために使用される。平行可撓部６５８によって、転子はシャフトに対して軸方向に並進することができ、これは、例えば、離陸の加速の際に起こり、それでもなおシールの静止部品の面と平行なままである。

図６Ｃに示すように、可撓部シール転子の拡大は、軸受面６６１と、可撓部品６６２と、搭載のための貫通孔６６３のうちの１つと、固体のステンレス鋼のブランクから機械加工、研磨、又はＥＤＭのいずれかが行われた領域６６４とを示している。可撓部に基づいた転子を製造するための他の方法もあり得る。

図７Ａ及び図７Ｂで示すように、１つの機器のシャフト７０１は、球形の外径を有する転子７１１を担持している。球形ＯＤを有する転子は、２つのＯリング７０２を介してシャフトと連結している。これは、多くのシャフトがそれらの端において損傷を被るか、及び／又は、真円でなくなり、キー溝が高くされた縁をしばしば有し、これらの高い個所が、精密空気軸受／シールの表面を損傷する一方で、これらの損傷した特徴部にわたって所定位置へと滑らされるため、有利である。Ｏリングは、その弾力性のため、これらの種類の高い個所を許容できる。他の利点は、符号７０５における嵌め合いのための公差の懸念を減らすことである。これは、この技術を用いるカートリッジ・シールが、カートリッジ・シールと共に動くシャフトのための付随するスリーブと関連する場合、問題とはならない可能性がある。球形の転子のＯＤは、相補的な形とされた球形の空気軸受と合わさり、この空気軸受は、好ましい実施例では、多孔媒体制限体である。球形の空気軸受は、示されてはいない鉛直方向での分割がされたヨーク７１２に搭載され、空気が、空気入力ポート７０６及び分布ラビリンス７０４を通って、多孔制限要素７０３の後に供給される。この技術を教示のように用いることは、多孔炭素制限要素７０３と球形の転子７１１のＯＤとの間に数ｂａｒの圧力がある空気隙間を提供することになる。この空気膜は、シャフトに角度の自由を与え、且つ、符号７１３、７０７、及び７１０によって指示されるようなシャフトの角度変化による制限を回避する、摩擦がなくて摩耗のない方法を提供する。符号７０９は、２つの球形の軸受の間に通気孔を提供しており、これは２つの軸受要素の間の圧力上昇を回避し、そのため、軸受はさらなる圧力低下を見込め、その性能が向上される。

図７Ｃに示すように、多孔媒体制限要素７５１は、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、又はある他の適切な材料から作られ得る非多孔筐体７５２に、収縮されて嵌め込まれている。筐体と多孔媒体との間の表面積のおおよそ５０％を含み、多孔媒体を通る自由流れの導通の少なくとも１０倍の導通を有するプレナム７５３は、筐体のＩＤ、多孔媒体のＯＤ、又は両方のうちの一部に配置され得る。プレナムへの空気供給孔７５４は、空気流をプレナムに提供し、そして多孔媒体を通じて軸受隙間へと提供する。空気軸受隙間は軸方向の自由度を提供するが、前述したように、精密シャフトが利用可能でない領域では、シール・カートリッジを伴うシャフトのためのＯリング又はスリーブが使用され得る。実施例では、シャフトは、軸方向のシャフトの自由を残したまま、ジャーナル・ガス軸受内で回転し得ることは、留意されるべきである。

図８Ａ及び図８Ｂで示すように、シャフトの摩擦のない径方向の変位のための自由が提供される。これは、ヨーク８２４、８１７を用い、それをスラスト面同士の間で懸架することで達成される。ヨーク８２４は、シャフトと共に回転しないようにするために、ピン（図示せず）への回転防止でキー止めされている。この回転防止ピンは、限定された範囲のコンプライアンスにわたって構成部品の自由動作を許容するだけのクリアランスが設けられる。このヨークは符号８２１において分割されており、Ｏリングシール８２０が用いられている。用途に適した強度のスラスト・プレート又はカラー８０６には、ポート８０７と、空気圧力を多孔媒体８１６の後に分布させるためのプレナム８０５とが設けられている。スラスト・カラー８０６は、結合部８１９において、符号８１８などの溝におけるＯリングによって封止され得る。球形のガス軸受は、プレナム８０４と、空気入力ポート８０８と、多孔制限要素８０３とを有している。この実施例では、球形の軸受同士の間に通気孔がなく、この領域で生じる高圧は、非接触の方法でジャーナル軸受へと圧力を導くために用いられる。静止筐体８２２における符号８１０を通ってプレナム領域８２３までの外部圧力ポートは、スラスト軸受によって両側で封止され、次に、貫通ポート８０９を通り、非接触の方法で通り得る球形の軸受との領域へ入り、ポート８１１を通って、符号７５３で説明したようなプレナムへと進み、次に、制限要素８０２を通って、符号８１４において、制限要素軸受面のロータとの間の隙間へと続く。

この実施例は、シャフトの軸方向の自由、シャフトの角度の自由、及び、シャフトの径方向の変位を、すべての動作位置においてシールでもある軸受を用いた摩擦のない方法で提供する。

シャフト８０１は、軸受要素８０２及び転子８２６内で軸方向に回転及び移動できる。転子は、空気軸受膜を介して以外では何物にも連結されておらず、そのため回転もできる。これは、それらにシャフトの速度を分担させることができ、そのため、２０，０００ＲＰＭで回転するシャフトに関して、転子が１０，０００ＲＰＭで回転しており、他方の１０，０００ＲＰＭが球形の軸受８０３、８１５と転子８２６との間で受け持たれ得る場合には、１０，０００ＲＰＭはジャーナル軸受８１４によって受け持たれ得る。

図８Ａ及び図８Ｂと図９Ａ及び図９Ｂと間の差は、シャフトのための摩擦のない径方向移動を提供する、相対する軸方向空気軸受のためのポートが、ポート９０８と、形態８００では位置していた場所であるスラスト・プレート９０６からヨーク９２４へと内側に移動されたプレナム９０５とを有していることである。これは、スラスト・プレート９０６の製造を単純化し、スラスト・プレート９０６をその所与の軸方向の厚さに関してより高い剛性で保持させることができるが、これは、スラスト・キャップが、強いとされない片持ち梁とされた曲げ剛性を見込める柱剛性となる大きさで、ヨークが圧縮負荷を見込んでいるためである。形態８００及び形態９００の軸受構成の各々において、多孔媒体ガス軸受面と、軸受要素の片側のみで符号９１６、９１５、及び９１４に作用する案内路との間の境界面は、周囲圧力に開放されており、これは外部加圧空気軸受の効果を低減するが、軸受はかなりの負荷能力を保持していることは、留意されるべきである。

図８Ａ〜図９Ｂと図１０との間の差は、図１０が完全に通気されていることであり、つまり、ガス軸受のすべてが、外部入力圧力と、軸受の漏れる縁に存在する周囲圧力又はプロセス圧力との間で、完全な圧力低下を見込んでいることである。そのため、外部圧力が符号１００９を介してスラスト・プレート１００８へとポートでつながれ、プレナム１００７によって多孔媒体制限要素の後に分布される。また、貫通孔１００５は、多孔媒体を貫通して、プレナム１００７へと直接的に穿孔される。貫通孔１００５は、全体としてヨーク１００６の孔と大まかに一直線になり、ヨーク１００６は、このコンプライアンス装置の設計された変位の間、符号１００５と符号１００６との間での導通を維持する反対の孔１００４を有する。貫通孔１００５は、形態８００で詳述した回転防止ピンのため、一直線とされて留まる。孔１００６は、後に符号１０１１で栓がされるヨーク１０２８に穿孔された横断孔１０１０を介して、球形の軸受要素１００３とジャーナル多孔軸受要素１００２との両方に圧力の導通を提供する。符号１０１０は、球形の制限要素／軸受１０２０に外部加圧を提供するプレナム１０２０へと、圧力及び流れを送る。横断孔１０１０は、接続具を受け入れるためにネジの切られた孔１０１２とも連通し、接続具は、ヨークに対する回転防止を提供するためにここではヨークにキー止めもされる球形の転子とするために、圧力の導通において動作コンプライアンスを提供する可撓管に接続される。ジャーナル制限要素１００２のための圧力及び流れは、接続具１０１４、１０１６を通り、管１０１５を介して、プレナム１０３０へと提供される。

ジャーナル・ガス軸受部の中心の環状溝は、中心通気孔への軸受／シール流れの均一な伝達を提供する。これは、球形の転子１０２８の径方向の孔であり、接続具１０１６の隣に示されている。球形の軸受とこれらの軸受の両方との間の空間でのこの全体の排気は、接続具１０１４、１０１６、及び管１０１５が部分的に使う孔を通じて排気できる。筐体１０２６を通る孔１０１３は、これらの流れに加えて、反対の軸方向の面１０２１からの流れのための排気を提供する。

シールを有効とするために、図１１Ａに示すように、２つの相対する面のうちの一方の側を含む多孔材料１１０２が、２つの面の間の加圧流体の外部供給源からの油圧圧力を均一に分布させるために使用される。圧力は、符号１１０６を通じてプレナム１１０８へとポートでつながれ、そして、多孔媒体１１０２を通って隙間１１０７へとつなげられる。この静圧圧力は、他方の面が符号１１１０の軸受シール側である２つの面を一体に閉じようとする圧力差又はバネからの力と反対の力を作り出す。この図示１１００に関する教示のために、形態１００も参照されたい。この静圧圧力は、２つの面同士が密に接触１１０７しているとしても、２つの面が完全に無負荷であり、ゼロの接触圧力が２つの面同士の間に存在する位置へと調節され得る。面同士が接触しているため、隙間を通るおおよそゼロの流れがあり、多孔材料へと供給されるライン圧力が２つの面同士の間に存在することになる。

図１１Ｂで示すように、４５３．６ｋｇ（１０００ポンド）の力があり、又は、この図では、対向面１１２１と共にシール本体１１２３の面に掛かる、符号１１２４によって表された４５３．６ｋｇ（１０００ポンド）の質量があり、シール面同士がそれらの間に６４．５平方センチメートル（１０平方インチ）の面積を有し、６．８９５ｂａｒ（１００ＰＳＩ）の空気圧力がポート１１２５で供給され、この圧力が、ここでの明記の前で複数回教示されたように、プレナムを用いる多孔媒体の後にわたって分布される場合、多孔シール面は、面同士の間の静圧力がシール面同士を一体にしようとする質量又は力と等しくなるため、面同士の間のゼロの接触力を正確に有することになる。この接触力は、摩擦によって発生される摩耗及び熱を低減するために、入力圧力を変化させることで容易に調節できる。

この技術は、平面軸受及び接触シールの高い剛性及び減衰を、流体膜軸受及びシールの低摩擦及び高速能力と組み合わせている。

多孔媒体は、黒鉛、炭素、炭化ケイ素、炭化タングステン、アルミナ、又は、他の基本的に任意の多孔材料若しくは焼結材料から構成され得る。これらの材料は、典型的には、面シール及び機械シールとして、並びに、乾燥ガス・シールにおける転子及び転子面として見出される。この多孔を充填又は封止する代わりに、多孔は、静圧圧力を導いて均一に分布させるために使用される。

ポケット付きのオリフィス、又は、段差式空気軸受の補償は、均一な多孔媒体だけがゼロの隙間で静圧圧力を均一に分布させることができるため、本出願において機能することはない。例えば、オリフィスが用いられる場合に面同士が接触しているとき、静圧圧力は、オリフィスの面積にわたって発揮されるだけである。

図１２に示すように、これは、固体炭素黒鉛ティルティング・パッド径方向空気軸受１２０１の図である。２つの部品を一体に重ね合わせようとするのではなく単一の部品からこれを製造するとき、過酷な温度における使用のために２つの部品を一体に結合する手間が回避される。ほとんどの炭素黒鉛は、８００℃を超える環境まで酸化を開始せず、そのため、これは非常に広範囲な温度範囲をもたらす。この場合、空気を多孔媒体面の後に分布させるためのプレナムは、横断孔１２０３を穿孔することによって完成される。これらの横断孔は、ネジが切られ、後で焼かれて炭素黒鉛と一緒に焼結される高温セラミック又は釉薬で栓１２０４がされる。金属切断工具からのセラミック挿入体が、ティルティング・パッド機構のヘルツ接触の負荷を分配するために、符号１２０６において同時に焼結される。符号１２０５は、当技術において知られている高温接続具を表している。符号１２０２は、上記の軸受が支持することになるシャフトと相補的な直径を表している。

例えば、多孔媒体面を備える非多孔筐体といった、別体のセラミック部品を一緒に焼くことも可能である。一緒に焼くことは、必然的に単一部品を作り出すが、一緒に焼結又は焼かれる前に、未焼結部品にプレナム又はラビリンスを機械加工する機会はある。代替で、１つの陶磁器の外側で行われる釉薬をかける作業と同様のガラス結合が、別体のセラミック部品を、過酷な温度環境における軸受又はシールとして使用できる単一の高温部品へと結合するために、高温接着として用いられてもよい。

図１３Ａに示すように、多孔磁石１３０１の誘引磁界によって作用され得る、ステンレス鋼、例えばニッケル若しくはセラミックといった被覆鋼、又は陽極酸化アルミなどの非腐食材料１３００が、オイルが用いられないため、使用されてもよい。材料は、多孔媒体を通じて送り込まれる流体の連続する流れによって維持される加圧静圧膜１３０６によって、多孔磁石の磁界から分離される。加圧流体は、それぞれの周囲圧力より比較的高い圧力で多孔媒体を通じて送り込まれ、入力ポート１３０２を通じて多孔媒体へと供給される。ラビリンス１３０４は、加圧流体を多孔媒体の後にわたって分布させ、非多孔筐体１３０３に設けられ得る。代替の実施例では、ラビリンスは、多孔磁気材料にそれ自体において設けられてもよい。両方の実施例において、非多孔筐体１３０３及び多孔磁気材料１３０１は、筐体の内部で、又は、別体のモジュール式軸受部品において行われ得る接着、釉薬、又はロウ付け作業によって、一体に重ね合わされる。重ね合わされた筐体１３０３及び多孔磁気材料１３０１は、所定位置における可撓部、ジンバル搭載、ボルト結合、又は接合を通じて取り付けられた搭載スタッドを用いて、筐体の内部又は構造体に搭載できる。

ラビリンス及びポート１３０４に関して、これを通る流れは、ラビリンス及びポートを制限体にさせないために、多孔媒体を通じて予期される流れよりも著しく多くなければならない。別の言い方をすれば、圧力調整器において見込まれるものは、多孔媒体の後に曝される圧力であるべきである。ラビリンスは、多孔媒体の後の少なくとも２５％で多くても７５％に空気圧力を供給すべきである。ラビリンスの溝を多孔媒体の厚さよりも広くしないことが最良であることは、留意されるべきである。多孔媒体の後への圧力差と軸受隙間の圧力とが、多孔媒体を軸受隙間へと膨張させないことは、非常に重要である。実際、前記圧力差による多孔媒体の屈曲を、図１３Ｄに示すように、設計隙間の１０％未満とさせることが好ましい。

図１３Ｂに示すように、開口１３１１を通ってシール本体の孔へと供給される高圧流体は、ラビリンス１３０９によってシール本体１３０８と多孔媒体１３０７との間で軸方向及び径方向に分布され、加圧流体を多孔媒体の後側に均一に分配させる。ラビリンス１３０９は、代替で、多孔媒体１３０７又はシール本体１３０８に位置決めされてもよい。筐体と多孔媒体との間の表面積のおおよそ５０％を含むプレナムが、筐体の内径又は多孔媒体の外径に配置され得る。一実施例では、プレナムは、筐体の内径と多孔媒体の外径との両方に配置されてもよい。プレナムは、多孔媒体を通る自由流れの導通の少なくとも１０倍の導通を有する。

多孔媒体層１３０７は、図１３Ｂに示され、概して０．５０８〜５．０８ミリメートル（０．０２０〜０．２００インチ）の厚さであり、非多孔筐体１３０８へと収縮されて嵌め込まれ得るか、及び／又は、接着され得る。空気分布ラビリンス１３０９は、多孔媒体層１３０７と筐体１３０８との間に配置され得る。多孔媒体面／ジャーナルの仕上げ穿孔は、多孔媒体面／ジャーナルの直径を所望の直径へと増大又は縮小するために実施され得る。代替の実施例では、スラスト面の仕上げ平坦性のために旋削が実施される。空気分布流路又は隙間は、高圧源に曝される表面の少なくとも２５％だが多くても表面の７５％までに空気を分布させるラビリンスを有している。概して、空気隙間は、せん断エネルギーのある０．００２５〜０．０２５ミリメートル（０．０００１〜０．００１インチ）の厚さである。隙間を通る流れは、２乗又は３乗とされ得る隙間の関数である。多孔媒体を通る流れは、隙間を通る所望の流れによって決定され、概して、割合は、所定位置でシャフト又はスラスト面の所望の流れのおおよそ２倍である。シャフトの速度が増加するにつれて、せん断エネルギー損失による温度上昇を最小限とするために、理想的な隙間厚さも増加する。

図１３Ｃに示すように、圧縮機（オイルは、シャフトを支持する軸受のための潤滑媒体としては除去されている）が、圧縮ガスで作動して、シャフト１３１５のための外部加圧ガス軸受支持体１３２０を生成するために使用されるガス・ベアリングを有している。軸受カートリッジ１３１９と圧縮機ケーシング１３１８の軸受室及び／又はシール室とは、小さく設計できるが、これは、オイル軸受カートリッジが嵌まり入る同じ空間にガス軸受カートリッジが嵌まることができるため、必ずしも必要ではない。好ましい一実施例では、多孔媒体制限体１３２３が、外部加圧ガス軸受１３２０のティルティング・パッドの面で現れる。これらの軸受１３２０は、外部加圧ガス軸受１３２０へと送り込まれるバッファ・ガスを用いて供給され得る。軸受１３２０は、容積１３１６におけるラビリンス・シールの他方の側における圧力を４〜２０ｂａｒの範囲で上回る、より高い圧力差を必要とする。例えば軸受ガスといった、バッファ・ガス流の体積は、先行技術で必要とされたバッファ・ガスより劇的に少なく、例えば、軸受あたり１分間で０．０２８立方メートル（１立方フィート）未満である。

バッファ・ガスは、ポンプの高圧側、又は、吸込み側から取り出され、フィルタ又はドライヤを通じて導かれ、圧縮され（吸込み側）、ポート１３２１を通じて軸受１３２０へと導入され、ラビリンス１３２２へと分布される。ラビリンスは多孔媒体１３２３によって制限される。バッファ・ガスは、最後の軸受制限隙間１３２４を通り、圧力下のラビリンスを出て行く。ガスは、軸受隙間１３２４を出て行った後、軸受室の圧力を若干上昇させるように作用する。これは、使用されたガスが、ラビリンス・シール１３１７を通って、又は、その位置で使用され得る何らかの他のリング若しくは別体のシールを通って、プロセスへと逆流するため起こる。好ましい実施例では、すべての通気孔が排除され、プロセス流は軸受室に入らない。これは、通気を燃やす必要性、又は、通気を大気へと送る必要性を排除し、将来のターボ機械設計における「キャンド」モータの可能性を許容する。好ましい実施例では、ロータ動力学は、劇的に向上され、以前はシールによって使われていたシャフトの長さが排除され得る。これは、劇的により強固なシャフト１３１５をもたらす。

シャフトが強固になるおかげで、シャフトの直径は、より高い速度能力により増大でき、その結果、ガス軸受におけるスクイーズ膜減衰のためのより大きな面積が提供される。軸受部品が作動できる温度を制御するオイルと異なり、ガス軸受は、極低温から過熱蒸気まで、過酷な温度範囲で作動できる。多孔媒体１３２３をステンレス鋼又はアルミニウムの軸受筐体１３２０に接着するための従来の技術は、過酷な温度には適していない。圧縮機、ガス・タービン、又は他の大型発電機は、ゼロＲＰＭにおいても摩擦のないガス膜でロータを支持する。これは、摩擦のない始動及び停止を可能にし、シールのハング・アップ又は軸受の損傷の危険性を低減しつつ、低速回転の運転及びスタンドバイ運転を可能にする。滑らかな多孔面の空力特性のため、軸受への外部圧力は、圧縮機又はターボ機械が十分な速度に達すると止めることができるが、これは、シャフトが空力効果で支持されるためである。補助圧縮機は、始動及び停止においてのみ、又は、低速回転条件の間、運転され得る。運転中の補助圧縮機の故障、及び、圧力の低下は、主圧縮機の運転に影響せず、ロータは、損傷することなく停止まで回転できる。これは、炭素黒鉛軸受面における鋼シャフトのトライボロジー上の特性のためである。好ましい実施例は、軸受が自身の圧力をポンプの高圧側から取り出すことができ、始動停止のサイクルで平軸受として許容可能な寿命を有し得るため、海中圧縮を対象とする「キャンド」圧縮機で使用できる。

しかし、シールがない場合、及び、通気がない場合、軸受は過酷な圧力で作動する。例えば、ポンプの吸込み圧力が１００ｂａｒであり、圧縮機の出口側が２００ｂａｒである場合、軸受には１０６ｂａｒで供給され、軸受を通る流れはバッファ・ガスとなり、１００ｂａｒの環境で作動する軸受は、実際には、６ｂａｒの圧力差しか見込めない。

流路のランド部を介して多孔媒体の支持に対する必要性を理解するために、以下の詳述が提供される。図１３Ｄを参照すると、支持されている多孔媒体と、支持されていない多孔媒体とについて実例が提供されている。圧力下（例えば、４１．４ｂａｒ（６００ｐｓｉｇ））における多孔媒体の最大撓みを計算するために、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｇｒｉｆｆｅｌによる非特許文献２が用いられる。Ｇｒｉｆｆｅｌの書籍では、最大撓みが、支持されている場合と支持されていない場合との両方について計算できる。９．７×１０^４ｂａｒ（１．４×１０^６ｐｓｉ）の弾性係数が、支持されていないプレナムが教示される先行技術で言及される黒鉛（例えば、Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｇｒａｄｅ ＡＴ Ｊ）に対応するために使用されている。

図１３Ｄでは、支持されている場合について、Ｇｒｉｆｆｅｌのケース３７は、０．０００１３センチメートル（０．００００５インチ）の最大撓みを生じさせる。

図１３Ｄでは、支持されていない場合（他の先行技術の場合と整合している）について、Ｇｒｉｆｆｅｌのケース３７は、０．０００５センチメートル（０．０００２インチ）の最大撓みを生じさせる（これは、外部加圧ガス軸受にとって必要とされる特定の最小空気隙間より大きい）。特許文献５、特許文献６、特許文献７及び特許文献８、特許文献９、及び他といった、不適切に支持されている多孔媒体を示す先行技術の多くのケースがある。

支持されていない構成は、撓みを防止する点において、撓みが圧力下で生じるため不適切である。曲げやすいことは、擦れ又は嵌合部品の「締め付け」をもたらす、空気隙間より大きい増加した撓みをもたらし得る。外部加圧ガス軸受は、支持されていない構成が歪むことで、撓みが空気隙間より大きくなるとき、適切に機能できない。

図１４に示すように、径方向外部加圧ガス軸受１４０１が、単一の固体の炭素黒鉛ティルティング・パッドから製造されている。単一の炭素黒鉛ティルティング・パッドの使用は、温度が８００℃を超えるまでほとんどの炭素黒鉛が酸化しないため、高温での複数の部品の重ね合わせの必要性を回避する。図１４で示すように、プレナムは、横断孔１４０３を通じて多孔媒体面の後側に空気を分布させる。これらの横断孔１４０３は、ネジが切られ、後で焼かれて炭素黒鉛と一緒に焼結させられる高温セラミック又は釉薬で栓１４０４がされる。一実施例では、金属切断工具からのセラミック挿入体が、ティルティング・パッド機構のヘルツ接触の負荷を分配するために、符号１４０６においてセラミック又は釉薬と共に焼結されてもよい。プレナム又はラビリンスを別々に機械加工し、別体のセラミック部品同士を単一部品へと共焼結することは可能であり、例えば、非多孔筐体を多孔媒体面と一体にできる。代替の実施例で、ガラス結合操作が、高温接着として用いられてもよく、別体のセラミック部品を、過酷な温度環境における軸受又はシールとして使用できる単一の高温部品へと結合するために使用されてもよい。概して、図１４の符号１４０２及び１４０５を参照されたい。径方向ガス軸受は、半径がシャフトから何も引かず、且つ、０．０２５４ミリメートル（０．００１インチ）加えるのと同じ大きさであるように作られるべきである。

外部加圧ガス軸受は、空気の軸受隙間への流れを制限及び制御するために補償を用いる。補償の目的は、安定性及び剛性が悪影響を受けるような多くの空気とならずに、負荷軸受圧力を維持するだけの十分な空気を軸受隙間へと提供することである。ここで鍵となるのは、容易に数ｂａｒの圧力となり得る領域が作り出され、この領域のどちらの側でも、低圧である場合に、何も通らないことである。シールは、ガスが両側に供給されるように、外部加圧ガス軸受で漏れる。例えば、１０．２センチメートル（４インチ）の直径の面シールは、１分間当たり約０．０１４２標準立方メートル（約０．５標準立方フィート）の全流量を有する。シールは、外部加圧されるため、運転速度において機能するのと同じようにゼロの速度で機能する。ポケット付きオリフィス、又は、段差式補償方法では、外部加圧ガス軸受補償はしない。これは、均一な多孔媒体だけがゼロの隙間で静圧圧力を均一に分布させることができるためである。例えば、オリフィスが用いられる場合に面同士が接触しているとき、静圧圧力は、オリフィスの面積にわたって発揮されるだけである。多孔黒鉛外部加圧ガス軸受は、その衝突耐性で知られている。スピンドルでは、軸受面同士の間の相対表面速度が、非常に高くなり得る場合、黒鉛は軸受面としてのみ使用されており、オリフィス式補償方法がなおも用いられる。

軸受は、燃焼される結合剤の量、締固め圧力の大きさ、燃焼スケジュールの違い、又は、セラミック製造の技術において知られている他の方法など、公知の方法によって、黒鉛、炭素、又はセラミック材料の多孔性を制御することによって、プロセス・ガスにおいて作動するように設計され得る。ガス軸受におけるガスの流れを、ターボ機器で使用されるガスの分子量及び／又は粘度に制限するために、使用される多孔性を調節することは可能である。外部加圧シール及び軸受のための多孔媒体の典型的な多孔性は、２〜２０％である。

図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、外部加圧ガス軸受用の多孔媒体の製造において、当技術で一般的に知られているセラミック鋳込み成形技術が用いられ得る。以下において、このような技術と、公開されている文献で見出せる手順とを大まかに説明している。

乾式プレス成形は、セラミック溶射乾燥粉末の両方向からの締固めを含み、複雑な形状と、高い公差（典型的には、１０ｍｍ超では±１％で、１０ｍｍ未満では±０．１ｍｍ）とを必要とする、大きな体積の用途で概して用いられる。２〜１００トンの機械プレスを用い、幅広い大きさ及び材料の部品が製作され得る。

凍結鋳込み成形は、セラミックを鋳込み成形するための工程である。水性ゲルと混合された粉末セラミックが−５０℃まで冷却される。水が凍結するときの水の膨張が、粉末を型の正確な形へと圧縮する。凍結鋳込み成形は、現在利用可能な耐火物セラミックスが提供できる以上の便益を提供する。

高い精度と中〜大体積への媒体とを必要とする部品に関して、高純度のアルミナを典型的に用いることは、先端セラミックの優れた材料特性と共に、プラスチック射出成形部品と同じ便益を提供する。セラミック射出成型の便益には、達成可能な優れた公差（±０．０２５ｍｍ）、追加的な仕上げ工程の必要性のない高い表面品質、及び、高コストの製作部品に対しての経済的な選択肢が含まれる。

静水圧プレス成形は、円筒形の部品に使用される。静水圧プレス成形は、可撓性の型でのセラミック粉末の全方向からの締固めである。静水圧プレス成形部品は、乾式プレス成形に使用される材料のほとんどすべてで製作できる。これは、縦溝付きのシャフト、及び、プレスにおけるいくつかの特徴部を備えた設計を生み出すことも可能にする。

押出は、不変の断面を備える製品にとって理想的であり、一定の密度で長尺の製品の利点を提供する。セラミック（典型的には、アルミナ、マグネシア、又はケイ酸塩）が、可塑化担体と混合され、必要な長さに切断される製品を製作するために、押し抜き機を押し通される。体積が比較的小さいものから非常に大きいものまで可能であり、１ｍｍ未満の製品直径、及び、０．２５ｍｍ未満の穴が適応可能である。

排泥鋳込み成形と呼ばれることもあるスリップ鋳込み成形では、石膏型が泥漿で満たされる。泥漿は、水懸濁にセラミック材料を含む液体である。型が水を吸収するにつれて、セラミック懸濁が型の壁に均一に固まる。所望の壁厚が得られると、残りの泥漿が流し出され、型が分離又は破壊され、部品が取り出される。部品は、ここでは粉末圧縮又は未焼結段階であり、次に炉で焼結される。

テープ成形では、セラミック粉末が、結合作用物質、分散作用物質、溶剤、結合剤、可塑剤と混合され、「泥漿」と呼ばれている。これは、規則的な出口を移動ベルトに作り出すレベリング装置に成形されるスラリーである。移動ベルトは、テープの厚さを５μｍの薄さまでで、幅を２ｍまでで制御する。多孔性及び特性は、泥漿の粉末によってしっかりと制御される。テープは、「未焼結」状態にあり、さらなる加工に向けて柔軟性である。これは、最終の焼結工程で他のセラミックに重ね合わされ得るか、又は、結合され得る。最終的なテープの厚さは、ナノ・メートルの尺度で達成可能である。この工程は自動化でき、生産は、より高度に設計された材料を用いた低コスト化に向けて速められる。

仕上げのために、銅メッキ及び硬質メッキ研磨技術が、優れた品質表面仕上げ及び平坦性を生み出すために用いられ得る。ラップ仕上げ／研磨仕上げ（平坦面）、外径仕上げ、内径研削、両側（面）研削、及び芯なし研削の技術が用いられ得る。

多孔軸受は、隙間に依存せずに軸受の面にわたって空気圧力を分布させるため、衝突の間に緩和力を作り出す。過負荷条件におけるオリフィス軸受は潰れて、隙間を閉じ、オリフィス又は溝の領域のみを残して空気圧力を発揮する。これは、潰れた後、軸受面が平軸受としてほとんど全体の負荷を見込むことを意味している。対照的に、多孔軸受面は、ゼロの隙間及びゼロの流れの状況であっても、全体の軸受領域にわたって空気圧力を発揮し続けることになる。実際、作り出される力は、射影される表面積が掛け合わされたライン圧力と等しくなる。作動中におけるこの効果を示すために、いくつかの実験が、花こう岩における黒鉛の静摩擦係数を決定するために実施されており、軸受への空気圧力の効果は、離昇の前の静止摩擦にある。

図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように、多段１６０１の蒸気タービンでは、シャフト１６０２がオイル軸受１６０３とシール１６０４とで支持されている。シャフトは羽根車を支持している。羽根車の多段１６０１は、熱変化、製造不良、ロータ動力学、及びシャフトの曲げを担うために、羽根車の周囲において、軸方向及び径方向のステータ・クリアランスを有している。シャフトは、その長さがその直径のおおよそ１０倍の大きさであるため、あまり強固ではなく、軸受同士の間で片持ち梁とされている。ガス軸受は、この問題のある片持ち梁とされた設計に対する必要性を排除する。磁気軸受は、ロータ動力学を向上するためにシャフトに動的に影響を与えるため、他の軸受に対して利点があることは、しばしば留意される。しかしながら、シャフトと羽根車とがそれらの仕事を行っている軸受を直接的に用いることは、桁違いにより効果的である。図１６Ｂに示すように、蒸気を静圧媒体として用いる軸受は、オイル軸受を備えた先の場合であってように、端において径方向及び軸方向にシャフトを拘束する。蒸気軸受は、オイルが使用されないため、シールの後で軸受の保護を必要としない。これは、保守及び不具合の起きる平均時間に関して、オイル軸受に対して大きな利点である。外部加圧ガス軸受は、シールと軸受との機能性を組み合わせることができるため、極めて効果的なシールが羽根車段同士の間でも可能である。これは、ブローバイの非効率を排除する。隙間を通る流れは隙間の三次関数であり、そのため、ステータと羽根車又は羽根との間の動いているクリアランスは、ポンプ効率に非常に敏感な影響がある。

ガス軸受は、ターボ機器の領域に沿って極端な温度で作動できる。例えば、外部加圧ガス軸受は、フレオン又は過熱蒸気を静圧／空力媒体として用いることができる。これは、ターボ機器を通る流路で外部加圧ガス軸受を直接的に用いることができる。ターボ機器の現在の技術では、シャフトは、典型的には、この領域を通じて支持されていない。これは、ステータ（図示せず）と羽根又は羽根車との間に、ブローバイの非効率性の原因となる大きなクリアランスを残しておくことを必要とする。図示していないが、蒸気軸受が全長の中心に追加されてもよいため、このような軸受は、各々の羽根車段の間で用いられてもよい。これは、軸受へと供給されているもの未満へと逆流を排除する。

図１７に示されているように、羽根車又は羽根１７０２の周囲にガス軸受を用い、それらを軸方向に支持することは、比較的高い表面速度を意味している。これらの隙間での望ましくないせん断は、重大な熱源及び制限となり得るが、これは、シール機能を備えたガス軸受の、径方向又は軸方向における羽根車直径又はその近くでの適用を妨げない。ほとんどのガスはオイルより粘度が少なくとも２桁小さいことは、粘性せん断加熱による問題が困難な状況になる前に、外部加圧ガス軸受がより高い相対表面速度を有することができるはずであるという強力な論拠である。隙間を通るせん断は隙間の三次関数であり、そのため、隙間をより大きくすることは、せん断損失を低減する手段である。

多孔媒体ガス軸受は、その面にオリフィス、溝、段差、又はポケットを持っていないため、高い相対表面速度で層流を維持する最良の可能性を持っている。層流状態は、乱流状態より、著しく小さい抵抗と熱損失とを作り出す。層流を維持する最良の方法は、良好な表面仕上げの特徴のない軸受面を備えることである。多孔軸受は、これら両方の要件を可能にする。

ロータの線形成長がステータと一致しないため、軸方向蒸気軸受又はガス軸受が、図１Ａ及び図２Ａに示すように、両側でのコンプライアンスと、圧力を放つ面を羽根車に対して向かわせるバネ力とを有することが推奨される。軸受及びシールの機能の組み合わせは、機器の単純化、及び、シャフト１７０３の長さの縮小に対して重大な利点を有している。これは、より高速の機器及びより小形の設計を可能にする。組み合わせのシール及び軸受の技術の最も大きな利点のうちの１つは、機器の設計の大規模な改訂を可能することである。例えば、図２９に示した多段の遠心圧縮機では、シャフトが軸受及びシールで支持できる。シャフトは、周囲において相当の軸方向及び径方向のクリアランスを有する羽根車を支持し、その周囲において、クリアランスは、ロータ動力学及びシャフトの他の動作を担うために、自身の機能の大部分を行っている。代替の実施例では、羽根車の周囲においてシールとして外部加圧ガス軸受を用いることは、各々の段によって発生され得る圧力を向上することになる。このようなアキシャル軸受／シールは、ロータの動作を抑制しようとし、また、望ましくないクリアランス領域を通る高速高圧の流れを象徴する段同士の間の逆流を回避することで、より静かな圧縮を行わせようともする。このような流れは、不安定効果を有することで知られている。

図１７で示すように、遠心圧縮機は、好ましい実施例と整合しており、シャフト１７０３のいずれの端にもシール又は軸受を有していない。これらの端は、キャンド圧縮機又はシールされた圧縮機を可能にする任意の種類の通気孔に対する要件なしで、蓋（図示せず）がされ得る。単一の駆動源によって駆動されるひと続きの圧縮機のうちの中間の圧縮機である場合、シールは端において必要とされるが、軸受は必要とされない。この概念をさらに解釈すると、遠心圧縮機及びターボ機器では、段同士が共通のシャフトに接続されており、そのため、各々の段の速度を最適化することはできないことは、留意され得る。各々の羽根車が、径方向外部加圧ガス軸受によって支持され、軸方向外部加圧ガス軸受をシール技術として用いる場合には、各々の羽根車を個別に駆動することは可能となる。タービンの場合、各々のタービン段は、その特定の段についての最適な速度で動くこともできる。各々の段は、自身の径方向外部加圧ガス軸受と軸方向外部加圧ガス軸受とにおいて支持されることになる。これらの軸受は、極めて効果的なシールとしても機能する。各々の段は、自身のモータ又は発電機に、羽根車又はタービンの段の内径又は外径のいずれかにおいて連結できる。これは、必然的にシャフトを排除することになる。ターボ機器の最も大きな問題のうちの１つは、シャフトのロータ動力学である。最良の解決策のうちの１つは、シャフトを取り除くことである。これは、はるかにより小さな機器を可能にもし、モータのシャフトを圧縮機に、又は、タービンのシャフトを発電機に位置合わせする必要性を排除もする。これらの機能は、同じケーシングの内部で組み合わせでき、大きさ、重量、及び機器のコストを劇的に低減する一方、各々の段を最適化すると共に段同士の間での封止を劇的に向上することで、効率を向上する。シャフトがないため、もはやシャフト・シールのための理由もない。

図１８に示すように、遠心圧縮機は、外部加圧ガス軸受シールを介して静止シャフトに支持される羽根車を有している。この手法では、各々の羽根車は、その最適な効率と一致する速度で回転でき、羽根車の全体のセットのために、各々の羽根車に関してどの速度が最適な効率となるかを実験的に決定するために、各々の羽根車を異なる速度で回転させることが可能である。外部加圧ガス軸受が、もはや軸方向でシャフトに連結されていないため、羽根車の動力学を制限するために羽根車の側部で両方に用いられてもおり、羽根車に軸方向の制限を与えている。加圧ガス軸受は、圧力の逆流を回避するために、極めて効果的な封止も提供する。代替の実施例では、モータがＩＤにあり、径方向軸受がＯＤにあり得る。

好ましい実施例では、シャフト１８０１は静止している。シャフトは、４つの回転羽根車１８０２の径方向位置を支持している。羽根車は、本出願で以前に説明した技術を用いて、静止シャフトの取り付けられた静止径方向軸受において回転する。ガス軸受に供給されなければならない高圧は、圧力を分布させるために圧縮機の高圧側１８０６から符号１８０４へと、又は、同じ分布のために外部供給源から符号１８０５へと、供給され得る。アキシャル軸受／段シール１８０７は、それぞれの対となる羽根車と共に、径方向の空気軸受と静止シャフトとの間のガス軸受隙間を通じて、静止シャフトの軸方向の成長から隔離されている。軸方向のガス軸受／シールと羽根車との間のより高い圧力と、羽根車の排出における圧力とを維持することによって、ステータと羽根車との間の逆流が排除される。これらの高圧／高速の流れと関連する不安定性も排除され、各々の段の圧縮比及び効率が増加される。圧縮機によって生じる騒音は、ラビリンス・シールを通る乱流を排除することによって著しく低減される。この実施例のシャフト１８０１は回転しないため、羽根車への圧縮のために必要とされる動力を導入するためには、別の方法が用いられなければならない。今日、これは、各々の羽根車と一体化される高速モータによって達成できる。これは、どの速度が最適なシステム性能をもたらすとしても、各々の羽根車を独立して異なる速度で回転させることができる。独立して運転する段は、変更されたプロセス条件に対処するための圧縮機の能力も劇的に向上させる。ある実施例では、モータ要素は、羽根車の外側周囲にあり、コイル１８０８、永久磁石１８０９、又は、冷却のための電磁石へと近づくのを容易にする。これは、トルクを加える大きな周辺部も提供する。多孔軸受のラビリンスへのガス圧力分布は、図１７にあるのと同じ方法で実施される。

図１９に示すように、遠心圧縮機は、外部加圧ガス軸受を介して静止シャフトに支持される羽根車を用いる。ガス軸受は、モータで磁気要素として作用する。モータは、羽根車によって駆動される羽根車又は発電機を駆動する。この手法では、各々の羽根車は、その最適な効率と一致する速度で回転でき、羽根車の全体のセットのために、各々の羽根車に関してどの速度が最適な効率となるかを実験的に決定するために、各々の羽根車を異なる速度で回転させることが可能である。外部加圧ガス軸受が、もはや軸方向でシャフトに連結されていないため、羽根車の動力学を制限するために羽根車の側部で両方に用いられてもおり、羽根車に軸方向の制限を与えている。加圧ガス軸受は、圧力の逆流を回避するために、極めて効果的なシールを提供する。代替の実施例では、モータ外部加圧ガス軸受の組み合わせは、外径において、又は、ＯＤ若しくはＩＤの近くでスラスト軸受において用いられ得る。

図１９に示す一実施例では、静止シャフト１９０１は、羽根車の内径及びシャフトの外径において、さらなる周辺距離を提供するために、相当により大きい直径で示されている。これは、圧縮仕事領域を通るシャフトの径方向の剛性を増加させ、電力をコイルへと導くために、及び、冷却流体をシャフトへと通すために、場所を提供する。これは、圧縮仕事領域を通るシャフトの径方向の剛性を増加させる。図１８にあるように、羽根車段は互いから独立して駆動できる。この実施例では、高速モータは、圧縮のための動力を提供するために、羽根車のＩＤにおいて使用されている。ステータ・コイル１９０８は静止シャフトのＯＤにあり、永久磁石は羽根車のＩＤにある。これは、ほとんどのモータ設計と比べて逆であり、遠心力に磁石をロータのＯＤから引っ張り出させようとするのではなく、磁石が遠心力によって保持されるという利点がある。また、多孔であるネオジムが、静圧軸受機能のための制限体として使用できることが、教示される。大まかには、特許文献１０を参照されたい。これは、ネオジム１９０３を高速モータ用の永久磁石と、高速モータの回転軸線のための制限軸受要素との両方として機能させることができる。この実施例では、羽根車の高圧側から供給１９１０されることに気付く。前述のように、アキシャル軸受は、圧縮機の高圧側から供給１９０６され得る。これらのアキシャル軸受は、図１８に適用されるような搭載コンプライアンス技術を含む、図１及び図２で教示された技術を用いて構成されている。

モータ磁石を軸受要素として使用するとき、空気隙間における高圧は、磁石をロータで保持するのを助けることになり、外部加圧ガス軸受隙間における空気の高い圧力及び速度を用いることは、モータを冷却するための機構である。そして、外部加圧ガス軸受の機能性によって得られる小さい空気隙間のおかげで、かなりより高い効率が、磁石とコイルとの間のより小さい設計クリアランスによって得られ、この関係は二次関数であるため、劇的な向上がモータ又は発電機の効率で行われ得る。

また、従来の線形モータがセット・コイルのいずれかの側面で磁石を用いるように、モータ磁石軸受が羽根車１９０２の側面で動くアキシャル軸受として用いられ得ることは、留意されるべきである。これは、磁石の遠心力が、羽根車１９０２へと機械加工された直径に自身を押し付けるため、ロータに取り付けられた磁石を維持しようとするとき、特に高速においていくつかの利点を有する。図は、軸方向及び径方向の軸受が、圧縮機の高圧側から供給１９０４されていることを示していることに留意されたい。代替の実施例では、これらの軸受は、別体の高圧源（図示せず）から供給され得る。

図２０Ａ及び図２０Ｂに示すように、軸流圧縮機は、本発明の軸受／シールを用いており、回転して独立して駆動される一組の動翼２００２を有している。動翼は、平行で連続する円環面によって、円環面のそれぞれの外側及び内側の周囲における両側面で、軸方向に拘束されており、それら両側面は、図１で教示されるように、軸方向外部加圧ガス軸受／シール２００７に対して作用する。これらの軸受／シールは、両面のステータ部品として、図６で教示されたように、連続して配置できる。図６にあるように、クリアランスは、スラスト面同士の中間に設計され得る。代替で、差圧の負荷経路は、軸受／シールの中心を通る直線として受け入れられ得る。組み立ては、静止シャフト２００１と、図１によるアキシャル軸受シールを備えた段ステータ組立体２０１１とで始まる。連続する環状面、外側及び内側の周囲、及び高速モータ２００３のロータ部品を備えた、羽根車、又は、動翼２００２のセットが、シャフト２００１にわたって、第１のステータ段２０１１の組立体内へと挿入される。スペーサ２０１２は、前記隣接する平行な面同士の間の羽根車の周囲における厚さに、ガス軸受／シール２００７のための設計されたクリアランスを加えたものに一致し、第１のステータと、所定位置でボルト締結される第２のステータの一部との間で、ボルト締結される。この工程は、機械についてのすべての段が組み立てられるまで軸方向に続いていく。単一のボルト２０１３が、すべての部品の全長に通され得る。外側周囲にある高速モータ／発電機は、段を独立した速度で動かすことができる。軸流圧縮機と一致して、大きな体積の空気は、例えば、電力タービン又は大形エンジンに供給するために、限られた圧縮を有することができ、又は、大きな体積の空気が、非同期若しくは直流の電流を他の使用のために作り出す発電機を駆動できる。本設計の大きな利点は、流れの漏れ、又は、羽根車の先端若しくはクリアランスの縁を通る逆流がなく、また、個々の羽根車が異なる速度で駆動できることである。

図２１Ａ及び図２１Ｂに示すように、図２０で示したのと同じ技術を実行するシャフトのないタービンは、中心シャフトがなく、静止シャフトすらない。ステータは、図２０のシャフトにわたって滑らされて構造上のステータを形成するために一体にボルト締結される部品を含む。図２１Ａ及び図２１Ｂのシャフトのないタービンは、図２０で説明した実施例より軽量であり、空力用途に適している。例えば、軽量な無人飛行機用の推進器は、低い音出力を必要とする。シャフトのないタービンは、電力タービン用途にも適している。

図２１Ａ及び図２１Ｂに示すように、羽根車段は、可能な最も高い効率に適応するように、独立して回転する。動翼の筋によって包囲された容積は、直径及び圧縮される流体が小さくされるにつれて、低減される。各々の動翼のセット２１０２は、個別に回転して駆動される。動翼は、平行で連続する円環面によって、それぞれの外側及び内側の周囲における両側面で、軸方向に拘束されており、それら両側面は、軸方向外部加圧ガス軸受／シール２１０７に対して作用する。これらの軸受／シールは、両面のステータ部品として、図６で教示されたように、連続して配置できる。図６に示すように、クリアランスは、スラスト面同士の間に設計され得る。代替の実施例では、差圧の負荷経路は、軸受／シールの中心を通る直線として受け入れられ得る。スペーサ２１１２は、前記隣接する平行な面同士の間の羽根車の周囲における厚さに、ガス軸受／シール２１０７のための設計されたクリアランスを加えたものに一致し、第１の前記ステータと、所定位置でボルト締結されるステータの隣の部分との間で、ボルト締結される。この工程は、機械についてのすべての段が組み立てられるまで軸方向に続いていく。

図２２Ａ〜図２２Ｅで示すように、例えば、Ａｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓによって製造されるような圧縮機装着ターボ・エキスパンダといった、ラジアル圧縮機又はエキスパンダの設計において、従来のオイル圧縮機及びシールが除去され、羽根車を支持して羽根車の後に直接的に封止を提供する外部加圧ガス軸受２２０３及び２２０７で置き換えられている。これは、羽根車同士の間でシャフトを劇的に短くすることができる一方で、羽根車を支持する軸受面同士の間の可能な最大距離を維持できる。外部加圧ガス軸受は、小さな摩擦損失と発熱とで高速を可能にし、オイルは全体的に排除される。軸受シールは、プロセス・ガス、蒸気において、又は、極低温温度で機能できる。この設計の費用有効性及び簡潔さは、より経済的なエネルギー回収を行える。

例えばＡｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓによって製造されるような圧縮機装着ターボ・エキスパンダで見られるように、隣接する段を備えたエキスパンダ／圧縮機では、シャフトが回転又はオイルの軸受に支持されており、シールを通過している。シャフトは、周囲において相当の軸方向及び径方向のクリアランスを有する必要がある、軸受からの片持ち梁とされた羽根車を支持し、その周囲において、クリアランスは、ロータ動力学及びシャフトの他の動作を担うために、自身の機能の大部分を行っている。シャフトは、羽根車同士の間のシャフト長さがその直径の５倍以上であるため、非常に強固とはなり得ない。

図２２Ａに示す代替の実施例では、外部加圧ガス軸受をシールとして羽根車２２０７の周囲で用いることは、シール及びオイル軸受を排除することによって、動力学及び費用を劇的に改善することになる。外部加圧ガス軸受シールの組み合わせは、極低温温度（−３００℃）において、又は、過熱蒸気において作動できる。空気供給圧力は、高圧側からであり得る。このような静圧の軸方向、径方向の軸受／シールは、ロータ動作を減衰しようともする。最も重要なのは、軸受がはるかにより短いシャフト２２０１を可能にし、強固なシャフトとしてシャフトを保持することになる。ステータ２２１１は、加圧ガスを受け入れるために、少なくとも１つのポート２２０４を持っている。ステータを通る通路が、加圧ガスを、多孔媒体の後でラビリンス（この図では示されていないが、図１、図２、及び図３において教示されている）に分布させるために使用されており、径方向ガス軸受２２０３及び軸方向ガス軸受２２０７で制限要素として使用されている。例えば、図２２Ａのステータの下半分に示したポート２２０８は、多孔媒体制限体を通じて、及び、実際の軸受隙間の制限体を通じて送り込まれたガスを、低圧へと逃がすことができる。この実例では、加圧ガスが、多孔媒体２２０７を通じて、羽根車２２０２とスラスト軸受２２０７との間にある軸受隙間へと浸透されていく。外側周囲又は内側周囲に隙間が存在する。内側周囲のクリアランス領域も、そこに出て行くジャーナル軸受ガスを有している。通気孔を提供しない場合、圧力は隙間にある圧力まで上昇することになり、負荷能力が影響を受ける。この実例では、低圧側への通気が好ましいとされる。さらに、この実例では、羽根車の後側の実質的に１００％がスラスト軸受によって支持されている。これは、片持ち梁が完全に排除され、支持されない面がないことを意味している。これによって、仕事室における高圧からのスラスト負荷を、羽根車の後を通る軸受面までの柱剛性として取り扱うことができる。ロータの直径に対する長さの比が、エキスパンダで一般的である５：１又は１０：１ではなく、２：１の程度であることにも気付く。ターボ・チャージャ、エキスパンダ、及びラジアル圧縮機が劇的な温度変動に曝される可能性があることは、留意されるべきである。そのため、あるコンプライアンスが、例えば図１で教示された方法で、又は、羽根車２２０２がロータ２２０１上において並進するある能力で設計されるべきであり、おそらくプリロード力を加える。

エキスパンダの一方の側は、回転シャフトの外側周囲の内側で磁石を用いる発電機設計を含め、発電機内に容易に構成できる。しばしば、膨張ガスで解放されたエネルギーは、仕事を通じて熱へと消散され、この設計は、電力としてより多くのエネルギーを捕獲することを経済的にする。図２９に示すように、速度を落としてから発電機２９０３へと供給する変速装置２９０２を駆動するために、エキスパンダ２９０１を使用する実施が排除できる。

図２３は、ボイス・コイル・モータによってシリンダ内で往復動される両面ピストンを示している。ピストンは、その圧力源を高圧側から引き出す非接触外部加圧ガス軸受でシリンダ内に支持されている。環状外部加圧ガス軸受も、シール機能を提供する。リード弁又はバネ仕掛けの従来のシリンダ弁が、作り出される圧力差によって全体に送り込まれる流れ流体を制御する。シリンダ及びピストンの相対中心に据え付けられたボイス・コイル・モータは、ピストンをシリンダ内で非接触の方法で前後に駆動するために使用される。

乾燥ガス・シール及び面シールにおけるように、シャフトの熱成長を担わされ、羽根車の後における周囲の近くで直接的に羽根車を支持するスラスト側の付勢又はバネ荷重は、安定性における劇的な改善である。このような静圧の軸方向、径方向の軸受／シールは、ロータ動作を減衰しようともする。ガス軸受シールの組み合わせとしてのオイル低減熱隔離要件の排除は、極低温において、又は、過熱蒸気において作動できる。ガス供給圧力は、高圧側からであり得る。

多孔ネオジム又は様々な他の磁気材料によって、環状黒鉛軸受シールの機能を磁石機能性と組み合わせることは、可能である。

エキスパンダ速度と発電機速度との間のある低減を維持する１つの方法は、低減レバーとして羽根車の半径を用いることである。図２２Ｃでは、ロータのＩＤにおけるスリーブがモータ磁石と直接的に嵌め合わされているのが見て取れる。また、この設計では、先の２つの設計の相対するスラスト面同士が、単一のスラスト面に対する磁気プリロードの使用によって簡素化されている。

図２２Ｄを参照すると、空間のさらに別の縮小において、先の実例で用いられた磁気プリロードが、磁石とモータ／発電機自体のコイルとの間の誘因力によってもたらされている。回転質量の物理的重量が引き続き低減されるが、羽根車が何かに硬く連結されていないため、慣性力学又は捩じれ力学の問題はないことは、留意されるべきである。

モータが行われる仕事のより近くで駆動するために軸受と協働するため、図２２Ｅは、外部加圧軸受要素に作られた多孔ネオジムを示している。

図２４Ａ及び図２４Ｂに示すように、対流膜係数と境界層効果とは、表面から空気への効果的な熱伝導のための鍵である。例えば、数インチの水圧差どころではない圧力の数気圧（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｓ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）といった、非常に安定した高圧を作り出すために、外部加圧ガス軸受技術を用いることで、高速空気が非常に狭い隙間を通って流れ、相当のエネルギーを節約して熱伝導を劇的に向上する境界層スクラブ効果を得ることができる。軸受に導入される圧力がファン冷却熱交換器よりかなり高いにもかかわらず、空気流の体積は、空気流が非常に制限された１０〜２０ミクロンの隙間を通って押し通されるため、かなり少ない。空気を移動するために必要とされるエネルギーは、著しく異なることはない。空気の熱容量は、空気が外部加圧ガス軸受隙間を通って流れるときになおも２〜４ｂａｒで圧縮されるため、向上される。この高圧空気は、５０ｍ／ｓを超える速度で流れ、境界層を効果的に擦り、「ターボ・チャージャ付き風速冷却」を検討できる。

高性能回転ターボ機器では、温度及び温度伝達は、重大な産出上の問題となり得る。加熱、通気、及び冷却の産業において、温度伝達は効率に対する鍵となる構成要素である。これら両方の場合で、ガス軸受隙間を通るガスの高い圧力及び速度の利用は、従来の空気冷却技術に対していくつかの基本的な利点を持っている。第１に、空気隙間の加圧空気は、より高い密度を有し、そのため、ファン送風放熱機及び冷却塔において典型的であるように、周囲圧力か又はその近くにある空気より大きい熱容量を有する。第２に、高圧のため、高い速度がガス軸受隙間の典型でもあり、より高い速度の空気は、より多くの空気分子が表面にわたって流れることを意味している。第３に、そしておそらく最も重要なことに、冷却される表面に付着しようとする分子を洗浄する境界層スクラブ効果がある。この境界層スクラブ効果は、ガス軸受で利用可能な非常に高い圧力及び速度のおかげで、ファンで達成され得るものよりはるかにより効果的である。

図２４に示すように、高温水、凝縮蒸気、又は加熱されることになる何らかの流体を搬送する管２４０１は、例えば、冷却フィンといった、高熱伝導取付技術２２０２と一体的に関連付けられている。管及び冷却フィンは静止している。冷却機能を達成するために、比較的冷たい空気が空気入力ポート２４０４で導入される。この空気又はガスは、貫通孔２４０６を通ってドーナツ形の多孔媒体円板へと導かれる。加圧ガスは、多孔媒体円板２４０３を通って、多孔媒体円板２４０３と冷却フィン２４０２との間の隙間へと浸透する。そして、ガスは、２つの部品の間で流れ、冷却フィンの境界層を擦り、熱を運び去る。そして、ガスは出口ポート２４０５を通って出て行き、大気に戻る。

いずれの図にも示していないのは、本明細書で教示された外部加圧ガス軸受に、運転者に軸受の寿命及び健全性を監視させることができる温度プローブ、近接プローブ、力計、加速度計、又は、任意の他の種類のセンサ／プローブが、備え付けられ得る概念である。このような監視は、軸受が保守を必要としているときの認識を可能にする。このような器具の搭載は、穿孔及び埋め込み、並びに／又は、プローブをその意図した目的のために適切に固定させる任意の手段によって行われ得る。

図２７に示すように、「リム駆動」スラスタ又は推進機２７０１は、一種のターボ機械で、ステータ２７０２と、ロータ２７０３と、ロータ２７０３に搭載された動翼２７０４と、永久磁石２７０５とを備えている。海水がロータ−ステータ隙間２７１４を通過する。当技術において一般的な、硬化材料であって、海水によって潤滑される軸受の使用に反して、外部加圧ガス軸受が使用される。２つの径方向軸受保持器２７１０が２つの多孔媒体径方向軸受２７０９に対する搭載を提供し、それら多孔媒体径方向軸受２７０９には、プレナム２７１２を介し、多孔媒体径方向軸受２７０９に空気を分布させるためにラビリンスを備える複数の空気分配流路２７１３を通じて、ガスが供給される。２つの軸方向多孔媒体軸受２７０７及び２７０８は２つの軸受保持器２７０６に搭載され、その軸受保持器２７０６には、オリフィス２７１１を介して、流路２７１６を通じて、ガスが供給される。外部加圧ガス軸受は海水中の破片に曝されないが、これは、多孔媒体を通る正圧がこのような汚染物を妨げるためである。

図２８に示すように、スラスタ又は推進機を表す図２７の外部加圧ガス軸受の同様の構成が、２つの管２８０１、２８０２の間に連結され、フランジ部材２８０４、２８０５を介してボルト締結されたリム駆動組立体２８０３を、入口流２８０６と出口流２８０７と共に示している。この直列の送り込む／循環の実施例は、精製装置又は他の配管構成におけるように、流れを循環させるために使用され得るものである。これは、配管のためのシールのない解決策で、多孔媒体に供給される正圧のため、あらゆる破片による汚染物の可能性のない、外部加圧ガス軸受がプロセス流体において作動できるものを提供する。

当技術で一般的に理解されている炭素ブラシは、直流機械及び一部の交流機械（例えば、モータ、発電機、オルタネータなど）の回転部品と静止部品との間の電気接触を提供する。ブラシは、電流を回転部品へと送り、転流過程で支援をする。炭素ブラシは、ブラシ保持器によって保持され、集電環組立体又は整流子との接触を維持する。

炭素ブラシは材料等級（例えば、炭素黒鉛、電子黒鉛ブラシ、黒鉛、及び金属黒鉛）、及び、接触方法（例えば、様々な種類のブラシ保持器及び様々な種類のバネ）によって変化するが、運転中の主な懸念は、適切な大きさの接触圧力を維持することである。接触圧力が低すぎる場合、以下の状況のいずれか、つまり、ブラシのスパーク、集電環の摩耗の増加、ブラシの摩耗の増加、又は、集電環温度の上昇が、起こり得る。接触圧力が高すぎる場合、以下のいずれか、つまり、機械損失の増加、ブラシ摩耗及び集電環摩耗の増加、並びに、温度の上昇が、起こり得る。したがって、適切に維持された接触圧力は、炭素ブラシの設計及び作動において最優先である。機械的及び電気的な摩耗は重要な検討事項であるため（接触圧力の変化との二律背反である）、最適な条件は、ブラシと集電環又は整流子との間に、連続的で正確な接触があるものとなる。ある特定の情報源は、大形の直流機器に関して、０．２７６ｂａｒ（４ｐｓｉ）が、最適圧力である、つまり、電気的損失と機械的損失とが最適化されるものであると、提案している。

適切な接触圧力を維持するためには、ブラシの大きさ、ブラシ保持器の大きさ、ブラシ保持器の位置、ブラシ保持器の角度、及びブラシ保持器の搭載高さを含む、様々な要因がある。しかしながら、接触圧力を維持するうえで１つの最も重要な要因は、使われるバネである。歴史的に、時計式バネ、棒バネ、レバー・バネ、及び螺旋コイル・バネを含む、様々な種類のバネ装置が使われてきた。１つの共通する問題は、時間と共にバネ力が低下するにつれて、電気的摩耗の加速が起こることである。適切な力を維持することへの１つの解決策は、一定力のバネの使用であった。しかしながら、一定力のバネは、おおよそ±１０％の公差で製造されたバネ力、特定の慣らし要件、及び、電流を導く場合は早期の性能を含む、制約を有している。用いられる方法にかかわらず、炭素ブラシと集電環又は整流子との間の一定圧力を維持することに対して、現在の技術に関しては欠点が残ったままである。

図２５Ａに示すように、一定圧力炭素ブラシ２５００は、平衡した力を与えるための多孔媒体部材２５０５と、保持器２５０１と、バネ２５０３と、導線２５０４とから成り、ガスが、プレナム２５０６を介して、空気を多孔媒体に分布させるためのラビリンスを備える複数の空気分布通路を通って、供給される。平衡した力を得るために、時間と共に減少するバネ力が、オリフィス２５０６を通じて炭素ブラシ自体の多孔性を通じて導入される外部圧力によって平衡される。これを説明するために、所望の接触圧力が０．２７６ｂａｒ（４ｐｓｉ）であると仮定すると、バネ２５０３は、これより高い圧力（例えば、０．６８９ｂａｒ（１０ｐｓｉ））を伝達するように設計され得る。初期において、バネ２５０３が新品であるとき、バネ２５０３からの圧力は完全な０．６８９ｂａｒ（１０ｐｓｉ）である。０．２７６ｂａｒ（４ｐｓｉ）だけが所望の接触圧力であるため、０．４１４ｂａｒ（６ｐｓｉ）に設定された外部加圧空気が、整流子又は集電環２５０２と接触する多孔媒体制限体面２５０７での結果生じる（差）圧が０．２７６ｂａｒ（４ｐｓｉ）となるように、炭素ブラシへと導入され得る。バネ圧力が時間と共に減少するにつれて、外部供給される空気は、結果生じる接触圧力（バネ力と外部加圧空気との間の差圧）が一定のままとなるように、調節（減少）されることになる。

代替の実施例では、静止部材から回転部材への流体の移送を可能にしつつ、連結位置における封止を維持する機構として当技術で一般的に知られている、回転結合がある。図２５Ｂを参照すると、筐体２５０８は、筐体内への流路へと流れる、オリフィス２５０９を通る流体の進入を許容する。流体は、回転する部材又はシャフト２５１３のオリフィス２５１４を通って移送され、出口２５１５においてシャフトを出て行く。機構の封止を失わないようにするために、伝統的に、封止装置が筐体に収容されている。好ましい実施例では、多孔媒体軸受シールが用いられ、保持器２５１０の多孔媒体２５１１を備え、ガスが、プレナム２５１２を介して、空気を多孔媒体へと分布させるためのラビリンスを備える複数の空気分配流路を通じて供給される。外部加圧ガス軸受シールは、筐体２５０８に備え付けられ、シャフトに対する軸受として、及び、シールとしての両方で機能し、移送される流体が全体の回転機構から漏れるのを防止する。１つだけの軸受シールが図２５Ｂで示されているが、２つ以上が典型的には使用される。

前述の回転結合の実施例の変形で、図２５Ｃは、回転結合の面における平衡した力手順を採用する手段を示す。静止部材２５１６は、静止部材２５１６を通り、面２５２２において漏れることなく符号２５２６によって示される方向に回転する回転部材２５１９を通る流れ２５１７を許容する。静止部材は、多孔媒体部材２５２３、２５１８を２つの同心の環体の形態で保持しており、それら多孔媒体環体同士の間に環状空間２６２６がある。ガス２５２５が、ガス圧力を両方の多孔媒体環体へと供給するために、プレナム２５２４を介して、複数の空気分配流路を通じて多孔媒体へと導入される。このガス圧力は、回転結合２５２０の上側で作用する、バネ、可撓部、又は他の手段から生じ得る力に、対抗する。供給されるガス圧力と、回転結合の上側に作用する力とは、面２５２２における隙間がゼロであるように、且つ、接触がないように平衡され、これは、流れ２５１７が静止部材２５１６から回転部材２５１９を通って、機械工具スピンドル又は他の同様の部材など、機械の仕事側２５２１へと通るとき、漏れを防止する。

図２６に示すように、平衡力の概念が、異なって送り込まれる溝で示されている。この実施例では、シャフト２６０１が、それに取り付けられた転子２６０２と共に回転する。シール筐体２６０４がステータ２６０８に取り付けられており、多孔媒体面２６０３が転子２６０２との相対動作をする。例えば、システム圧力２６０９は２０６．８ｂａｒ（３，０００ｐｓｉｇ）であり得る。ガス圧力を多孔媒体２６０３へと分布させる３つの流路は、各々、異なる調節可能な圧力で供給される。これらの調節可能な圧力は、位置２６１０において結果生じる圧力が０ｂａｒ（０ｐｓｉｇ）となるようにされる。これは、第１の流路位置における圧力を、システム圧力又はおおよそ２１３．０ｂａｒ（３，０９０ｐｓｉｇ）を、例えば６ｂａｒ上回る圧力とすることで実現でき、この圧力は、多孔媒体を出るときまでに減少されるが、それでもなおシステム圧力２６０９よりは高くなる。次の流路２６０６は、１３７．９ｂａｒ（２，０００ｐｓｉｇ）であり、最後の流路２６０５の圧力は６８．９５ｂａｒ（１，０００ｐｓｉｇ）であり得る。

いずれの図にも示されていないのは、本明細書で教示された外部加圧ガス軸受が、回転機器の高速釣合わせに用いられ得る概念である。典型的には、高速釣合わせ及び試験は、オイル潤滑流体軸受を用いて実施される。外部加圧ガス軸受を用いることで、回転組立体へのオイル漏れをもたらし、また、高速試験庫の様々な部分に霧状に飛ぶ、オイルの使用に伴う煩雑さを排除する。また、外部加圧ガス軸受の摩擦のない非接触の効果（ゼロｒｐｍにおいても）のおかげで、より良いロータ動力学分析が可能とされる。さらに、軸受のオイル潤滑が、関連する圧力システムと共に排除されるため、設定が簡素化される。

好ましい実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明したが、本開示を精査した当業者は、本発明の範囲内で他の実施例が実現され得ることを容易に理解するものであり、そのため、本発明は、添付の請求項のみによって解釈されるべきである。

Claims (22)

1. 相対移動を伴って相対する面同士と、多孔制限体を通じて周囲より高い圧力を放つ一面とを備え、前記多孔制限体が、ラビリンスを含むランド部に取り付けられた単一多孔体又は多孔層の一部であり、前記多孔制限体及び前記ランド部が、前記多孔制限体の各々の側面の間の差圧から作り出される隙間の１０％を超えて歪まないように構成される、非接触軸受。
2. 前記多孔制限体が、黒鉛、炭素、炭化ケイ素、炭化タングステン、アルミナ、ネオジム、又は他の焼結材料、及び、それらの組み合わせの群から選択される多孔媒体である、請求項１に記載の非接触軸受。
3. 前記相対する面同士のうちの第１の面が多孔制限体であり、前記相対する面同士のうちの第２の面が回転シャフトである、請求項１に記載の非接触軸受。
4. 前記相対する面同士のうちの第１の面が軸受パッドを備え、前記軸受パッドが少なくとも３つのティルティング・パッドに分割される、請求項１に記載の非接触軸受。
5. 前記軸受パッドが固体黒鉛分割体である、請求項４に記載の非接触軸受。
6. 前記多孔制限体が、機械加工が後に続く鋳込み成形、又は、３Ｄプリントのいずれかによって製作される、請求項１に記載の非接触軸受。
7. 前記非接触軸受がシールとしても機能する、請求項１に記載の非接触軸受。
8. 前記非接触軸受は、ロータ動的効果を向上するために、中間シャフト位置に据え付けられる、請求項１に記載の非接触軸受。
9. 前記非接触軸受が、羽根車先端に据え付けられ、アキシャル軸受及びシールとしても機能するように構成される、請求項１に記載の非接触軸受。
10. 前記非接触軸受が、径方向及び軸方向の支持を提供するように、且つ、往復動装置のためのシールとして機能するように構成される、請求項１に記載の非接触軸受。
11. 温度、振動、変位、力を測定するための器具をさらに備える、請求項１に記載の非接触軸受。
12. 前記非接触軸受が、回転要素軸受又は他の搭載設備の効果からシャフトを絶縁する目的のために、大型回転機器を高速釣合わせするように構成される、請求項１に記載の非接触軸受。
13. 前記相対する面同士のうちの少なくとも一方が、コンプライアンスを提供するＯリング、バネ、皿バネ、可撓部、又は蛇腹部のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の非接触軸受。
14. 軸受流体と作動媒体とが同じである、請求項１に記載の非接触軸受。
15. 独立して異なる速度で各々が駆動される複数の羽根車のうちの１つを、静止シャフトにおいて各々が支持する第１の複数の外部加圧ガス軸受を備える非接触軸受システム。
16. 各々の外部加圧ガス軸受が、羽根車、又は、前記羽根車によって駆動される発電機を駆動するモータの磁気要素でもある、請求項１５に記載の非接触軸受システム。
17. 羽根車の動力学を抑制するために、前記第１の複数の外部加圧ガス軸受と前記羽根車の反対側で用いられ、羽根車に軸方向の制限を与える第２の複数の加圧ガス軸受をさらに備える、請求項１５に記載の非接触軸受システム。
18. ターボ機器の段を、シャフトなしで、独立して中心支持体なしで運転させることができる非接触軸受。
19. 前記シャフトなし機器が、シャフトなしタービンにおいて、有用な仕事を生成する、請求項１８に記載の非接触軸受。
20. 外部加圧ガス軸受が、推力又は推進力を生成する「リム駆動」機器を支持するために使用される、請求項１８に記載の非接触軸受。
21. 外部加圧ガス軸受が、直列循環又は揚水を生成する「リム駆動」機器を支持するために使用される、請求項１８に記載の非接触軸受。
22. 熱伝導を向上する境界層スクラブ効果を作り出す、非常に狭い隙間を通る高速空気流を作り出すために、外部加圧ガス軸受を使用する方法。