JPS62101974A

JPS62101974A - メカニカルシ−ルの適応制御装置

Info

Publication number: JPS62101974A
Application number: JP61250623A
Authority: JP
Inventors: アラン・レオナード・ミラー; ジェームス・レオ・コズロースキ
Original assignee: BOOGU WARNER IND PROD Inc
Current assignee: BOOGU WARNER IND PROD Inc
Priority date: 1985-10-21
Filing date: 1986-10-21
Publication date: 1987-05-12
Also published as: AU580191B2; AU6256386A; CN1007835B; KR940003021B1; EP0220531A3; CA1282476C; ES2016789B3; JPH0472108B2; FI85620C; ES2016789A4; EP0220531A2; ZA867396B; IL80053A0; CN86106617A; FI85620B; AR241549A1; IL80053A; FI864252A0; EP0220531B1; IN167664B

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】く技術分野〉本発明はメカニカルシールの２つのシール材の位置関係
を調節してメカニカルシールの性能を最適化する制御装
置、方法に関する。本発明の制御装置は運転中のメカニ
カルシールのパラメータを検査し、この検査を通じて所
定の現象（両シール面の基準相対位置を意味する）を検
知したら、両シール材の相対位置を調節してシール性能
を最適化する。

〈背景〉一般に、メカニカルシールは別体でできた２つのシール
面材を持っており、それぞれのなめらかなラジャルシー
ル面が相手側のラジャルシール面と相対している。両シ
ール面材の間には５０〜２００マイクロインチといった
、ごく狭い間隙しかおいておらず、これにより、固定ノ
・ウジングのキャビティからの高圧流体が相対するシー
ル面の隙間を通って駆動軸近くの低圧の空間に漏れる量
を抑えている。一般に片方のシール面材はノ・ウジング
に対して固定されており、この固定シール面の傍にある
もう片方の７一ル面は、ばね、ナベローズ等によりバイ
アスされる。起動から停止までの間、駆動軸は回転なし
の状態から加速され、運転状態になり、再停止になるま
で数百時間にわたり運転が続けられるだめ、その間にお
いてメカニカルシールの状態やパラメータは大幅に変化
する。

すなわち、運転の間において、流体温度、流体圧力、実
動軸の回転速度、膜厚（両シール面間の間隙、）、流体
の粘度その他の特性等のパラメータが変動する。固定シ
ール面は軸方向には動くことはできない、そこでフロー
ティングシール面（固定シール面に対してバイアスされ
ているシール面）が若干動いて、運転下における流体の
動特性や機械力に対応しようとする。シール面は肉眼で
は完全に平らに見えるが、数千倍拡大してみれば、かな
りのでこぼこがある。シール面の隙間における流体の膜
厚は、シール材同士の機械的接触を防ぐため、シール面
の凹凸の高さより大きくする必要があるが、逆に余り大
きいと、漏れが著しくなる。

膜厚は当初のシール仕様（構造、シールの材質等）だけ
でなく、実際の運転条件（特に、流体、軸速度、温度、
圧力）にも左右される。したがって、ある運転条件を想
定して設計されたメカニカルシールが、運転条件の変化
（例えば使用流体を変えること、軸速度を変えること、
等）によって、著しい漏れを起こしたり、あるいは機械
的接触のために破壊されてしまう、といったことが起こ
り得る。

多くのメカニカルシールの場合、膜厚（隙間）は相対す
るシール面の外面的形態によって決まる。

例えば、両方のシール面が完全に平らで、互に平行だと
すると、両者間の隙間はラジアル（径方向）のシール面
の全体にわたり一様となるため、膜を維持することがで
きず、壊れてしまい、シール面同士が機械的に接触を起
こし、摩耗し、シールの破壊に至る場合もある。膜厚を
保つためには、シール面間の隙間を径方向に沿って（軸
から離れている高圧側から軸近くの低圧側に向けて）狭
める、収束す対構造する必要があるとされている。軸側
か高圧となり外側が低圧となる場合は別の構造となる。

すなわち、相対する面を軸の遠方より軸の方に向けて広
げる。さらに、収束の程度を大きくすれば、その分膜厚
も大きくなる。慣用の方法では、製造の際にはシール面
を平らで平行にしておく。上述のシール面の収束は運転
中に、シール面の温度や機械的変形、その他のメカニカ
ルシールの要素によって起こる（少なくとも、評判のよ
いメカニカルシールの場合）。しかし、上述したように
、所要の膜厚は非常に薄く、２０〜１００マイクロイン
チ程度である。また、いったんシールを設計し、仕゛様
に合わせて裏作した後は使用することになるが、この使
用段階において、動作条件下での変形（したがって実際
に形成される膜厚）を制御することは全くできない。と
いうよりは、変形、したがって実際の膜厚は、当初の設
計と製造によってのみ決まるものではなく、その後の運
転条件にも依存するものである。相対するシール面間の
収束を制御する既知のベストモードが、本件出願人に係
る特許出願（名称”　Ｃｏｎｔデｏｌｌａｂ１ｇＭｅｃ
ｈａｎｉｃａｌ　５ｅａｌ”、１９８５年１０月２１日
出願の米国特許出願筒７８８，８８９号、１９８６年３
月１７日に再出願された第８４０，３６９号）に記載さ
れている。

上記特許出願では、シール面の拘束度をメカニカルシー
ルのパラメータを検出した後で制御している。パラメー
タとしては、温度、圧力、シール面間の距離、その他が
ある。種々の試みにおいて、いろいろなパラメータの選
択、使用が試されてきた。しかし、ダイナミックな運転
条件のもとで、相対するシール面間の位置、いわんや収
束度を最適に調節できるような最適装置は得られていな
い。

〈目的〉したがって、本発明の主要な課題は、刻々と変化するメ
カニカルシールの運転条件にダイナミックに反応してシ
ール面の位置を調節し、シール面の摩耗をできるだけ少
なりシ、かつシール面からの漏れを極力抑えることので
きるメカニカルシール制御装置を提供することである。

より具体的には、「自己学習」の方式を採用し、流体の
温度や圧力、軸の回転速度等の任意の変化に自動的に追
従可能な適応制御装置を提供することである。

く構成、作用〉本発明による制御装置は相対する表面をもつ第１と第２
シール面を有する形式のメカニカルシールに特に適して
いる。一方のシール材は他方のシール材に対して可動で
あり、相対するシール面間に流体の膜のだめの間隙を定
める。したがって本書において、「膜厚」という用語は
相対するシ−川面間の間隙と同義語である。アクチュエ
ータ手段により、可動シール面の変位を調節することに
より膜厚を調整する。いずれかのシール面にセンサーを
設け、メカニカルシールのパラメータに従って変化する
第１信号を取り出す。

本発明の適応制御装置は上記のセンサー手段とアクチュ
エータ手段との間を結合し、入力された第１信号に従っ
てアクチュエータ手段を制御する。

本発明によれば、適応制御装置は、メカニカルシールに
所定の現象が生じたことを検知した場合に、その現象が
生じたときの可動シール面の基準位置を求め、しかる後
、可動シール面を固定シール面から離れる方向に変位さ
せメカニカルシールの性能を最適化する。

相対するシール面が物理的に接触するとリミットサイク
ル振動が発生する。本発明の好適実施例では、このリミ
ットサイクル振動を、所定の現象として利用し、この振
動の検出をもって接触の発生とみなし、そのときの可動
シール面の位置を基準位置とする。しかる後、制御装置
は可動シール面を固定シール面から離れる方向に所定の
きざみ幅で戻し、最適の膜厚をアプローチする。これに
より制御装置は再び通常の制御に戻る。リミットサイク
ル振動以外の現象も使用することができる。

例えば、メカニカルシールの温度、圧力等のパラメータ
を調べることにより、その他の現象も判別できる。本発
明の好適実施例では、リミットサイクル振動以外の現象
についても同様に使用している。

〈実施例〉第１図には装置２０の一部が示されている。この装置２
θの回転軸２１はハウジング２２内において、軸Ａに沿
って回転するように取り付けられている。流体を動かす
羽根（ブレード）については周知であるので図示しない
。チェインバ２３内には加圧流体が封じ込められており
、メカニカルシール２５により、低圧領域２４への流体
の漏れを防止している。メカニカルシール２５は第１シ
ール面として働く部材２６と第２シール面として働く部
材２７を有する。取付部材２８により、第２のシール面
２７をハウジング２２に取り付けであるが、特許請求の
範囲で使用する用語「メカニカルシール」では、取付部
材２８等はメカニカルシールの構成要素として考慮して
いない。すなわち、「メカニカルシール」は第１と第２
のシール面部材２６．２７を有するものとする。第１シ
ール材３０はＯリングで構成でき、取付部材２８とシー
ル面２７との間に配置される。同様なシール材３１がシ
ール面２６の凹部と軸２１間に介挿される。部材３０と
３１は通常のものであり、本書ではメカニカルシールの
構成要素として扱わない。

ばね３２形式のバイアス装置が軸２１のストッパ３３と
シール面２６の一端との間に配置され、シール面２６を
相対するシール面２７の方に押し付けている。各シール
面材２６，２７のラジアル表面３４と３５との隔りが間
隙３６を規定する。この間隙３６のところを、高圧の空
洞部２３から低圧部２４へと流体の膜が通る。ある程度
の膜があることにより、ラジアル表面間の潤滑がよくな
り摩擦を防止できる。「膜厚」は「間隙長」、「間隙」
と同義語である。

シール面材２６は軸２１と一緒に回転可能であり、軸方
向にも可動である。一方、シール面材２７は回転せず、
軸方向にも固定されている。しかし、いずれか一方が回
転可能で他方が回転不能であればよく、また、いずれか
一方が浮いており（可動であり）、他方が固定されるの
であれば十分で、図示の構成には限定されない。同様に
、アクチュエータ４３はいずれか一方のシール面に関係
すればよく、あるいはシール面と一体構造でもよい。図
示の例では、部材２６は回転可能で浮いており、部材２
７は回転不能で固定されている。

また、アクチュエータ４３は部材２７と関係する独立の
部品として構成されている。しかしながら、本書におい
ては、シール面２７に、可動（変位可能）なシール面と
いう用語を当てている。

本発明によれば、適応制御装置４０により、シール面２
６と２７との相対的な位置関係を調整することができる
。適応制御装置４０はコントロ−ラ４１と電圧供給部４
２を備える。ノ・ウジング２２とシール面材２７との間
にアクチュエータ手段４３が固定されており、このアク
チュエータの力により、シール面２７がシール面２６に
対して変位し、両者の関係が変わり、間隔３６の長さが
変わる。本例では、アクチュエータ手段４３はチタン酸
バリウムその他の圧電素子で構成される。

周知のように、この種の素子は電圧／機械変位の変換器
として利用できる。すなわち、この種のアクチュエータ
に電圧を加えると、その物理的寸法（例えば長さ方向）
が変わり、その分、シール面材２７がシフトする。した
がって、電圧供給部４２よりライン４４を通してアクチ
ュエータ４３に与える電圧の大きさを制御することによ
り、上述の特許出願で述べているように、゛シール面材
２７の位置および／または姿勢を変えることができ、同
様に、間隙の程度を変えることができる。

この意味で、シール面材２７は可動であり、アクチュエ
ータ４３の制御変位量に従って変位する。

適応制御装置４０に入力情報を与えるため、シール面材
２７のラジアル表面３５近くにセンサー手段４５が取り
付けられる。本例では、このセンサー４５として、シー
ル面近くの温度を検出するため、熱電対を使用した。こ
の温度情報は電気信号としてライン４６を通り、適応制
御装置４０の入力に伝えられる。熱電対４５はシール面
２７の表面のごく近くに配置されるため、ライン４６上
の温度情報を「シール面温度」と呼ぶことにする。

ライン４６上のこの信号はメカニカルシールのパラメー
タ、この場合、シール面温度に従って変化する第１信号
として働く。もう１つの熱電対４７がチェインバー２３
内に設けられており、この熱電対４７はライン４８上に
、チェインバー２３内の流体の温度を示す第２信号を出
力する。本例では、コントローラ４１の入力部にある信
号コンディショナ５０がチェインバ一温度信号ＴＣとシ
ール面温度信号ＴＦを受け取り、両信号を代数的に合成
して、温度差信号（ＤＴ）を生成する。この温度差信号
から所定の現象を検出することができる。

さらに、本構成により、最適動作点からのずれを出すこ
とができる。例えば、温度差信号が小さすぎれば、間隙
を通って過度の漏れが起きているわけだし、温度差信号
が大きすぎれば、膜厚が薄すぎ、シール面に摩耗が生じ
ていることになる。このような理由から、シール面の温
度のみを情報としてコントローラ４１に与えるよりも、
温度差信号を与えた方がよい。これに関しては第５図の
ところでさらに詳細に説明する。

メカニカルシールのある場所で所定の現象が生じたこと
を検出した場合、制御装置はライン４４、アクチュエー
タ４３を介する出力によって、シール面材２７を相対す
るシール面２７から離す方向に変位させ、この操作を現
象がなくなるまで続ける。使用する現象はリミットサイ
クル振動、すなわち、メカニカルシールのある部品が振
動、あるいは急速な周期的運動を起こす現象である。リ
ミットサイクル振動は発振器等の電子回路でよく見られ
る現象である。発振器を起動する際インダクタンスやキ
ャパシタンス等をもつ部品に電圧を加える。すると、所
定の振幅、周波数の父流信号が出力される。同様に、メ
カニカルシールの場合、両シール面２６．２７の相対す
るラジアル表面同士に接触が生じることなどにより、望
ましくない動作が起きると、各種のメカニカルシールパ
ラメータに似たような振動が発生する。これは、間隙近
くの温度、圧力、シール面材の物理的位置等の変動とな
って現われる。システムの通常運転ができる程度に膜厚
が十分厚ければ、シール面同士の接触は起こらず、リミ
ットサイクル振動は発生しない。したがって、特定のパ
ラメータ、この場合、運転下におけるシール面と流体と
の温度差を調べることにより、所定の現象としてのリミ
ットサイクル振動を検出することができる。当業者には
明らかなように、所定の現象を検出するために、その他
のパラメータを調べることができる。

もう１つのセンサー５１が軸２１の近くに設けられてい
る。このセンサー５１は軸２１が停止状態から回転を始
めたときに、ライン５２を介してコントローラ４１の中
央処理装置５３に電気信号を与える。この種の軸回転セ
ンサーは周知であり説明を要しない。ライン４６，４８
，５２は一本の線で示しであるが一般には２本の導線に
より上述の電気信号を通す。もつとも、ノ・ウジング等
を第２の導体（接地、帰路導体）として使用した場合に
は１本で足りる。簡略化のだめ、図には１本の線で示し
たものである。

さらに、コントローラ４１は中央処理装置（ＣＰＵ）５
３と相互結合するメモリ５４を有する。

当業者には当然のことながら、要素５３と５４はコンピ
ュータもしくはマイクロコンピュータの基本構成である
。ＣＰＵに入力される主な入力信号として、信号フンデ
ィショナ５０からライン５６を介して与えられる第１信
号がある。この信号はＣＰＵに対し、リミットサイクル
振動が起きていることを知らせる。さらに、信号フンデ
ィショナ５０はライン４Ｇと４８からの温度信号を直接
ＣＰＵに渡す。ライン５２からの入力信号は、軸２１が
回転中か停止しているかをＣＰＵに知らせる。ＣＰＵ５
３の出力、すなわちコントローラ４１の出力信号はライ
ン５７を介して電圧供給部４２に送られる。ライン５８
より入力電圧が供給部４２に与えられる。この電圧供給
部４２はライン５７の信号に従って出力電圧を調整し、
その出力電圧をライン４４を介してアクチュエータ４３
に供給する。この種の回路の構成は周知であり、説明す
るまでもない。

間隙３６におけるシール面材２７の温度を使用するパラ
メータとして選んだ理由は、目下のところ、これが一番
直接的でコストのかからない変数であることによる。チ
ェインバー２３内の流体の温度も同様に測定が容易であ
る。熱の流れ、シールの摩擦力、シール面の変位、間隙
を通る流体の漏れ等、その他のパラメータは測定が困難
である。

トラ８ユーサによるトルクの直接測定は可能であるがこ
の運転環境ではあまり実用的ではない。

以上は細かなことであり、重要なことは、その他のパラ
メータも検出可能であり、その検出パラメータから現象
、すなわちリミットサイクル振動を判別できるというこ
とである。これらのパラメータの場合にも、振動の証し
が現われるからである。

リミットサイクル振動が生じたということは、間隙が２
０マイクロインチ以下に減少し、両シール面には多分接
触、が起きており、これにより熱電対４５の検出する温
度が上昇する、ということを示唆する。

本発明による制御方式の詳細に入る前に、全体像をつか
むため、第２図を参照してみる。第２図において、横軸
は間隔３６の長さ、すなわちラジアルシール面３４と３
５との間の膜厚を示す。一方、縦軸は摩擦係数、すなわ
ち、シール面間に発生する摩擦力を示す。カーブ６０（
実際には３つの直線セグメントより成る）はシール面間
の摩擦係数と間隙との関係を示している。全体は、縦線
６１と６２により、３つの領域に基本的に分割される。

線６１の右側の範囲はシール面間の間隙が広すぎて漏れ
過ぎになる領域である。これは横軸上のＤより右側で生
じる。間隙が減少して、線６１から線６２までの範囲は
シールにとって望ましい運転領域である。これは横軸上
、点Ｄ１から点Ｄ３までの間である。間隙が狭くなりす
ぎて、線５２より左側の領域に入ると、摩擦係数が非常
に高くなり、シール面の摩耗度が激しくなり、不安定に
なる。間隙が犬となる反対側の極は過度の漏れ領域であ
り、所望の運転領域は両極の間にあり、間隙目盛上のＤ
ｌからＤ３までである。

本発明は特に、６３で示される最適動作点を調整によっ
て得ることを制御の目標としている。この最適点を得る
ため、起動の際、シール面間の間隙を広くして、過度の
漏れ領域で運転を開始する。

次に、間隙をカーブ６０上の小さなＸ印で示されるよう
に、少しずつ減少させ、カーブ６０の最良点６３を越え
、ブレークポイント６４を通って、点６５まで進める。

間隙がＤｌに相当する幅より狭くなると、すなわち膜厚
が点６５に相当するところにまで減少すると、リミット
サイクル振動が生じ、これが検出される。本発明によれ
ば、次いで、間隙をＤｌからＤ２の量だけ広げることに
より、最適点６３で装置が運転されるようにする。

すなわち、いったん行き過ぎにし、点６４を越えてから
、適正な動作点に戻すことにより最適点を達成している
ところに特徴がある。これが可能な理由は、リミットサ
イクル振動がブレークポイント６４すなわち、動作が不
安定になって摩耗率が増大し始める点を非常に正確に示
すからである。

メモリ５４（第１図）には、カーブ６０上の小さなｘ印
で示す膜厚に関する温度情報が記憶される。この情報の
代りに、起動後、徐々に膜厚を減少させるためにライン
４４を介してアクチュエータ４３に与える電圧指示値を
記憶させてもよい。

このようにして、実際にカーブ６０に沿って運転され、
変化の都度、値が記憶される。したがって、本発明の適
応制御装置は、シール面の摩耗、使用流体の変化、圧力
や温度の変化等の変数を補償することができる。起動の
たびに、新しい自己学習に入り、Ｘ印で示すように小さ
なぎざみで動き、リミットサイクル振動がどこで現われ
るかを「学ぶ」ことにより、ブレークポイント６４に相
当する基準点を確認する。そして、リミットサイクル振
動を検出したら、最後に実行した膜厚の減少分より大き
な増分で膜厚を増大させることにより、安定領域でのシ
ステム運転を確保する。その後、再度膜厚を少しのきざ
みで減少させることもでき（運転中）、これにより、膜
厚が厚くなり過ぎて流体の漏れが過大になるのを防止で
きる。

さらに、本発明のもう１つの特徴によれば、起動の際、
過大の漏れ領域で所定の時間、運転を行う。これにより
、所望の運転温度が安定に得られることを可能にする。

安定化の後、可動シール面の移動を開始し、ブレークポ
イント６４まで進ませた後、戻して点６３で示す間隙を
得る。このようにすることにより、起動中において生じ
得る損傷、過大な摩耗の危険性を有効に防止できる。

第３図に制御手順の全体の状態遷移図を示す。

注に示されるよ５゛に、本例では、電圧の増加で膜厚（
間隙）が増大する関係にある。番号０から４までの円は
個々の動作モードを示している。

例えば、起動の際には起動モードθに入る。このモード
には、システムの停止から再起動の場合に、他のどのモ
ードからでも入ることができる。

その際、起動センサー５１から信号が上述したように適
応制御装置に与えられる。この状態の下、で、大きな電
圧を設定して、間隙を広くし、起動中の摩耗をできる限
り小さくする。起動期間の完了で起動モードは終了し、
サーチモード１に進む。

このサーチモードｌにおいて、アクチュエータ４３の印
加電圧が、第２図のカーブ上にＸ印が順次つけられてい
るように、所定のきざみで減らされる。リミットサイク
ルの振動が現われてこない間、このサーチモードで運転
が続けられる。

膜厚がブレークポイント６４で示す厚さ以下になると、
リミットサイクル振動が検出され、運転を最適化する最
適化モード２に進む。この最適化モード２で、アクチュ
エータ４３の印加電圧を所定のきざみで増加し、振動が
検出されなくなるまで間隙を広げていく。この時点で、
適正な動作点が見つかり、次いでモニターモード３に進
む。モニターモード３では、（１）軸の回転（２）シー
ル面温度の大きな変化、（３）シール面温度が危険限界
を超えたかどうか（４）リミットサイクル振動の有無に
ついて監視する。

安定な運転状態になると、モード３からモード１へ進み
、動作点６３がブレークポイント６４よりあまりにも右
にきていないかどうかをサーチして判別する。すなわち
、アクチュエータの印加電圧を少し減らし、リミットサ
イクルが生じるかどうかを判別し、生じなければ新しい
最適動作点が得られたことになる。

モード４はエラー回復モードであり、このモードには、
熱電対からのシール面温度が設定最大値を超えた場合に
、上述のいずれのモードからも入ることができる。この
モードでは間隙全最大にしてシールの故障の有無を調べ
、故障の場合には軸の停止を待って、停止後に、モード
０に戻る。以上の動作の概要をふまえれば、詳細なフロ
ーチャートの動作は容易に理解できる。

当業者が容易に本発明を実施できるように、起動からエ
ラー回復までの動作モードの詳細な制御手順を第４Ａ図
から第４Ｅ図に記載する。これらのフローチャートで使
用している記号の意味について以下に列記する。

記号　　　　　　　意　味ｖｏｓｃ　　　振動が初めて見つかったときの出力電圧
に加算される電圧で、この加算により最適動作点がセットされる。

これにより、運転条件を少し変えれば振動がなくなる。

ＶＭＩＮ　　　アクチュエータへの最小電圧指示値ＶＭ
ＡＸ　　　アクチュエータへの最大電圧指示値ＶＩＮＣ
振動を停めるだめのアクチュエータ電圧の増分値（ＶＩ
ＮＣ′）＞ＶＤＥＣ）ＶＤＥＣ振動サーチにおけるアク
チュエータ電圧の減分値ＣＶＤＥＣ＜＜ＶＩＮＣ）’Ｖ
ＳＴＲＴ　　　起動モードとサーチモードで使用するア
クチュエータ電圧初期値ＴＦＭＡＸ　　　シール面温度の最大許容値ΔＴＦ　　
　　マツプしたシール面温度カーブからの温度のずれの
最大許容値ＣＴＦＭＡＰ−ＴＦ＜△ＴＦ）ＴＦＭＡＰ　　　最適動作点におけるマツプしたシール
面温度記号　　　　　　　意　味Ｔ　　　　　コンピュータサンプリング時間ＴＯ起動モ
ード０の時間Ｔ２　　　　動作の安定を得るのに最適化モードで使用
する最小最適化時間Ｔ３　　　　サーチモードに進むまでのモニターモード
３における最大待時間Ｔ４　　　　サーチモードに進むまでのエラー回復モー
ド４における待時間Ｔ５　　　　モード４がこの時間内に２回実行されたか
どうか調べるのに使用される。

条件成立のときは、制御は行わず、軸が停止されるのを待機する。

ＤＴＯ８Ｃリミットサイクル振動と認める温度差の最小
値（しきい値）ＦＬＯＷ　　　振動検出の最低周波数ＦＨＩＧＨ振動検出の最高周波数ＴＦ　　　　　シール面温度ＴＣチェインバー（流体）温度ＤＴ　　　　　シール面とチェインバーとの温度差記号
　　　　　　　　意　味振動検出部の入力となるＹ　　　　　振動検出部の出力ＶＯアクチュエータ出力電圧指示値ＶＯＰＴ　　　　最適動作点以上の記号説明からフローチャートの制御手順は自明で
ある。

第４図のサーチモードの真中近くに、「ＶＯの関連とし
てＴＦを記憶」で示す処理ボックスが示されている。こ
の処理により、第２図のカーブ６０が生成される（マツ
プされる）。つまり、カーブ６０上の各Ｘ点を指示す値
が記憶される。それぞれの値は、ライン４４への電圧指
示値ＶＯの関数となる、ライン４６上のシール面３５の
温度である。このようにして、カーブ６０がつくられ、
後処理のだめに記憶される。

第５図は、第１図で１個のボックスで示した信号コンデ
ィショナ５０の機能を示す基本回路構成である。ＴＦと
ＴＣは第１図で述べたように、ライン４６上のシール面
温度ＴＦ、ライン４８上のチェインバー流体温度ＴＣで
ある。この両信号ＴＦとＴＣを加算部７０で代数的に合
成し、温度差信号７１　（ＤＴ）を搏、ライン７２を介
してバンドパスフィルタ７３に送る。このフィルタ７３
の特性はその上に示す通りであり、ＦＬＯＷからＦＨＩ
ＧＨまでの周波数帯域内にあり、設定振幅値よりも小さ
な信号が通過する。カーブ７４で示すフィルタ出力はラ
イン７５を介して整流部７６に送られ、ここで整流され
てライン７７上に７８で示すような信号を出力する。し
きい値ＤＴＯ８Ｃは上述した振動最小値のことであり、
この値により、リミットサイクル振動の有無を判別する
。信号７８は比較部８０に送られ、その出力はライン５
６を介してＣＰＵ５３に入力される（第１図）。

この入力信号を８１で示しである。図示のように、時間
ｔ１で信号８１は高レベルに変化している。

すなわち、整流比カフ８がしきい値ＤＴＯ８Ｃより高く
なると、比較部８０の出力は切り替り、ＣＰＵ５３にリ
ミットサイクルの振動を検出したことを知らせる。当業
者には明らかなように、信号コンディショナとして別の
回路を容易にインプリメントでき、それにより所定現象
の検出のため変数を調べることは容易である。さらに、
第５図に示す機能はソフトウェアでもハードウェアでも
実現できる。

第６図はシール面温度ＴＦとアクチュエータＶＯの時間
変化を記録した、実際の試験結果である。上述したよう
に、この情報を用いて、第２図に示すカーブ６０を求め
る。第６図の試験結果は、約４５分間の運転から得たも
のである。第６図の時間の始めのところではアクチュエ
ータ印加電圧は高い。つまり、起動モードで運転されて
いるわけである。したがって、膜厚も厚く、漏れも大き
く、そのためシール面温度は低くなっている。つまり、
ここでは起動モードになっている。

時刻ｔ１でサーチモード１に入る。徐々にアクチュエー
タ印加電圧が下がっている。時刻ｔ２でリミットサイク
ル振動が検出される。この瞬間よりシール面の温度が急
激に上昇していることがリミットサイクル振動の証拠で
ある。次いで、制御装置は最適化モード２に進む。時刻
ｔ２がらｔ３までの間、モード２において、電圧は順次
増やされ、これは信号コンディショナ５０の出力が低レ
ベルになるまで続けられる。この低レベルはもはやリミ
ットサイクル振動がなくなったことを示している。これ
により、動作点が見つかり、モニターモード３に入る。

これに対応して、シール面の温度の方は急激に下がり、
その後は流体温度がゆっくり上昇するのに伴って、ゆっ
くりと上昇する。

制御装置は時刻ｔ４に達するまでモニターモードで動作
する。

時刻ｔ４で制御装置は温度がかなり上昇したことを認知
し、最適動作点からはずれてしまっているとみる。そこ
で、サーチモード１に戻り、膜厚が厚すぎないかど５か
調べる。これにより、電圧ＶＯは再びｔ４からｔ５″！
での間、減らされ、ｔ５でリミットサイクル振動が現わ
れる（ｔ５でシール面温度が急上昇しているため、これ
により、振動が検出される）。再び、制御装置は最適化
モードに戻る。ｔ５からｔ６までの間、電圧は下げられ
、ｔ６で信号コンディショナの出力が低レベルになり、
リミットサイクル振動は消えたことになる。制御装置は
、ｔ６からｔ７までの間、この安定した運転条件の下で
モニターモード３に留まる。

ｔ７でシール面温度は減少を始める。しかし、ここでは
メカニカルシール近くの流体の圧力が上昇した。この結
果、リミットサイクル振動が生じ、シール面温度は急激
に上昇する。そこで、制御装置は再びアクチュエータ電
圧を増やすことにより、流体の圧力に適応する。この適
応は最適化モードで行われる。そして、ｔ８後は厚くし
た新しい膜厚で安定な状態となり、モニターモード３に
戻る。

このように、メカニカルシールに外乱が生じても、本発
明の制御装置は変化した状態に適応でき、新しい最適膜
厚を再設定することができ、シールの寿命を長くでき、
漏れも有効に抑えることができる。

本発明の制御装置は本来的にアダプティブであり、運転
の都度、第２図のカーブ６０で示すような新しい動作カ
ーブを作成する。したがって、シール面が摩耗しても、
熱の流れが変化しても、トルクが変っても、本発明の装
置は常に最適動作点に移動でき、リアルタイムで最適の
膜厚運転を行うことができる。運転条件によらず摩耗と
漏れの両方を最小限に抑えることができる。すなわち、
所定の現象、ここではリミットサイクル振動を利用して
、カーブ６０上のブレークポイント６４、基準点を求め
、このブレークポイントより少し右方の最適動作点を得
ている。

上記実施例では、可動シール面として１つのシール面材
を使用しているが、２つ以上の部品から成る可動シール
面を制御するようにしてもよい。

例えば、可動シール面を、固定ハウジングに直接あるい
は間接的に固定さｒした第１部材と、アクチュエータに
より可動な第２部材とで構成してもよい。この構成の場
合、第２部材の移動を制御することにより、シール面間
の間隙ないし膜厚を調整できる。

まだ、上記実施例では、軸２１０近くに配置したセンサ
ー５１により、軸の回転の有無を判別しているが、軸の
角速度の変化が設定範囲を超えたことを示す信号、ある
いは実際の回転速度の信号をセンサーから取り出すよう
にしてもよい。

なお、特許請求の範囲において「接続」の用語（電気、
電子的な意味で使用する場合）は、２つの要素の間を事
実上抵抗なしでつなぐことを意味し、一方「結合」の用
語は２つの要素の間に介在要素が含まれ得る機能的関係
を意味する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の適応制御装置により制御されるメカニ
カルシールを示す部分断面、ブロック図、第２図と第６
図はメカニカルシールの運転条件を理解するのに適した
グラフ、第３図は本発明の一実施例をインプリメントするのに適
している制御手順の状態遷移図、第４Ａ図から第４Ｅ図
は本発明を実施する制御手順を記述するフローチャート
、第５図は本発明による現象検出を理解するのに適したブ
ロック図である。２５：メカニカルシール　２６：シール面材２７：可動
シール面材　　４０：適応制御装置４３：アクチュエー
タ　　３６：間隙（膜厚）ＴＣ：流体温度　　　　　Ｔ
Ｆ：シール面温度ＤＴ：温度差４５　、４７　：温度センサー（熱電対）５１：起動検
出センサー　５０：信号コンディショナ５３：中央処理
装置　　　５４：メモリＩ″−“−コ代　理　人　弁理士　　湯　浅　恭　吊　。（外５名） Φ　　　　　　− ＦＩＧ、　２ＦＩＧ、３室圧の塙加−腫ノ隼Ｑ慣失−蕩噴Ｏ壇１＝４１屯の：Ｌ
’Ｖぐの７０−Ｉコ　ΔＴ牽ｒ２゛ζ１τ　くりＮ賢し
た１社〜ＦＩＧ、４Ａ起動モート豫ＦＩＧ、４Ｂサーチ　モー１ｅｔＦＩＧ、４Ｃ４４イし　モ、−トごＦＩＧ、４Ｄモニクー　モーｇＦＩＧ、４Ｅエラー回傷も−レ匡

Claims

【特許請求の範囲】（１）第１シール面（２６、３４）と第２シール面（２
７、３５）を有し、その一方のシール面（２７）が他方
のシール面（２６）に対して可動で両者間の間隙（３６
）、したがつて膜厚が変えられるメカニカルシール（２
５）を適応制御するため、可動シール面（２７）の変位
を調整して膜厚を調整するアクチュエータ手段（４３）
とメカニカルシールのパラメータに従つて変化する第１
信号を出力するセンサー手段（４５）とに結合し、セン
サー手段（４５）からの第１信号に基づいてアクチュエ
ータ手段（４３）を調整する、メカニカルシールの適応
制御装置において、メカニカルシール（２５）に所定の現象が生じているこ
とを確認した場合に、可動シール面（２７）の基準位置
を求め、しかる後、最良のシール特性が得られるように
、可動シール面（２７）を他方のシール面（２６）から
離れる方向に変位させることを特徴とする適応制御装置
。（２）特許請求の範囲第１項記載の適応制御装置におい
て、前記所定の現象はリミットサイクル振動であること
。（３）特許請求の範囲第２項記載の適応制御装置におい
て、所定の現象はいずれかのシール面（２７）の温度（
ＴＦ）であること。（４）特許請求の範囲第２項記載の適応制御装置におい
て、シール面の近くの流体を収容するハウジングが設け
られており、前記パラメータは流体温度（ＴＣ）といず
れかのシール面（２７）の温度との温度差（ＤＴ）であ
ること。（５）特許請求の範囲第３項記載の適応制御装置におい
て、前記センサー手段は少なくとも１つの熱電対を含む
こと。（６）特許請求の範囲第５項記載の適応制御装置におい
て、第１の熱電対（４５）がいずれかのシール面（２７
）の温度を検出するように配置され、第２の熱電対（４
７）が流体温度（ＴＣ）を検出するように配置されるこ
と。（７）特許請求の範囲第２項記載の適応制御装置におい
て、メカニカルシールの運転開始時には膜厚を通常の膜
厚より厚くし、その膜厚（Ｄ３）を所定の短時間維持す
ること。（８）特許請求の範囲第７項記載の適応制御装置におい
て、メカニカルシールの運転開始により駆動軸（２１）
が回転を開始するようになつており、この駆動軸（２１
）の回転速度の信号を適応制御装置に与える手段（５１
）を設けたこと。（９）特許請求の範囲第８項記載の適応制御装置におい
て、前記信号を利用して駆動軸（２１）の回転の有無を
判別すること。（１０）特許請求の範囲第２項記載の適応制御装置にお
いて、プロセッサ（５３）とメモリ（５４）とをさらに
有し、このメモリに記憶された制御プログラムにより、
メカニカルシールの起動を制御するため、起動の際、通
常時より厚い膜厚（Ｄ３）とし、しかる後、所定のきざ
みで膜厚を減少させ、リミットサイクル振動（６５）が
検出されたら、検出直前の膜厚の減少分よりも大きい量
だけ膜厚を厚くすること（Ｄ１，Ｄ２，６３）。（１１）特許請求の範囲第１０項記載の適応制御装置に
おいて、所定のきざみで減少する膜厚に関するデータを
メモリに記録し、リミットサイクル振動が検出されたら
、記録されたデータを使用して膜厚を適正値まで増大す
ること。（１２）第１シール面（２６）と第２シール面（２７）
があり、両シール面の近くの流体を収容するハウジング
があり、一方のシール面（２７）が他方のシール面（２
６）に対して可動で両者間の間隙（３６）、したがつて
膜厚が可変であり、この可動シール面（２７）の変位を
調節して膜厚を調整するアクチュエータ（４３）と、い
ずれかのシール面の温度（ＴＦ）に従つて変化する第１
信号を出力する第１センサー（４５）と、流体温度（Ｔ
Ｃ）に従つて変化する第２信号を出力する第２センサー
（４７）とがあり、適応制御装置（４０）が両センサー
（４５、４７）とアクチュエータ（４３）に結合してお
り、適応制御装置の信号コンディショナ回路（５０）が
第１信号と第２信号を受け取つて流体と第１センサー側
のシール面との温度差（Ｄ７）に従つて変化する信号を
発生し、この温度差に従つてアクチュエータを調整する
、という構成の、メカニカルシールの適応制御装置（４
０）において、前記信号コンディショナ回路（５０）の
発生する信号にリミットサイクル振動が認められた場合
に、可動シール面（２７）の基準位置を求め、しかる後
、可動シール面を基準位置から離す方向に、したがつて
他方のシール面から離す方向に変位させリミットサイク
ル振動が生じなくなる膜厚を得ることを特徴とする適応
制御装置。（１３）特許請求の範囲第１２項記載の適応制御装置に
おいて、メカニカルシールの運転開始時には、膜厚を通
常の膜厚より厚くし、その膜厚（Ｄ３）を所定の短時間
維持すること。（１４）特許請求の範囲第１２項記載の適応制御装置に
おいて、メカニカルシールの運転開始により、駆動軸（
２１）が回転を開始するようになつており、この駆動軸
（２１）の回転開始を適応制御装置に通知する手段を設
けたこと。（３５）特許請求の範囲第１２項記載の適応制御装置に
おいて、プロセッサ装置（５３）とメモリ（５４）とを
さらに有し、このメモリに記憶された制御プログラムに
より、メカニカルシールの起動制御のため、起動の際、
通常時より膜厚（Ｄ３）を厚くし、しかる後、所定のき
ざみで膜厚を減少させ、リミットサイクル振動が検出さ
れたら、検出直前の膜厚の減少分より大きい量だけ膜厚
を厚くすること（Ｄ１，Ｄ２，６３）。（１６）特許請求の範囲第１５項記載の適応制御装置に
おいて、所定のきざみで減少する膜厚に関するデータを
メモリに記録し、リミットサイクル振動が検出されたら
、記録されたデータを使用して膜厚を適正値まで増大す
ること。（１７）２つのシール面（２６、２７）を有し、一方の
シール面（２７）が他方のシール面（２６）に対して可
動で両者間の間隙（３６）、したがつて膜厚が可変にな
つているメカニカルシールを制御するメカニカルシール
制御方法において、最適の膜厚より厚い膜厚（Ｄ３）で、メカニカルシール
を起動し、徐々に膜厚を減少させ、所定の現象を検知するためメカニカルシールのパラメー
タを検査し、現象を検知したら、現象が消えるまで膜厚を増大するこ
とにより、最適膜厚でのメカニカルシール運転を行う、工程より成るメカニカルシール制御方法。（１８）特許請求の範囲第１７項記載のメカニカルシー
ル制御方法において、起動の際、膜厚を減少させる前に
所定の短時間、膜厚を一定に保つこと。（１９）特許請求の範囲第１７項記載のメカニカルシー
ル制御方法において、順次減少する膜厚に関するデータ
を記憶することにより減少を記録し、現象が発生したと
きの膜厚を定める基準データを記憶し、この基準データ
と減少の記録データとを用いて、膜厚を最適膜厚へと増
大すること。（２０）２つのシール面（２６、２７）を有し、一方の
シール面（２７）が他方のシール面（２６）に対して可
動で両者間の間隙（３６）、したがつて流体の膜厚が可
変になつているメカニカルシールの制御のために、メモ
リアレイを備えるデータ処理装置を使用するメカニカル
シール制御方法において、漏れ過ぎになる膜厚（Ｄ３）
でメカニカルシールを起動し、いずれかのシール面の温度（ＴＦ）を検出してこの温度
に従つて変化する第１信号を得、リミットサイクル振動の有無に関して第１信号を検査し
、リミットサイクル振動が生じたことを検知したら、所定
量、膜厚を増大させることによつて、最適膜厚でメカニ
カルシールを運転する、工程より成るメカニカルシール制御方法。（２１）特許請求の範囲第２０項記載のメカニカルシー
ル制御方法において、さらに、流体温度（ＴＣ）を検出してこの流体温度に従
つて変化する第２信号を得、第１信号と第２信号を代数
的に組み合わせて温度差信号（ＤＴ）を得、リミットサ
イクル振動の有無に関して温度差信号（ＤＴ）を検査す
ること。（２２）特許請求の範囲第２０項記載のメカニカルシー
ル制御方法において、起動の際、膜厚を減少させる前に
所定の短時間、膜厚を一定に保つこと。（２３）特許請求の範囲第２０項記載のメカニカルシー
ル制御方法において、順次減少する膜厚に関するデータ
を記憶することにより減少を記録し、現象が発生したと
きの膜厚を定める基準データを記憶し、この基準データ
と減少の記録データとを用いて、膜厚を最適膜厚へと増
大すること。