JP2879441B2 - アイドラ・ディスク - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は渦巻きポンプ、水車とガスタービン、電動モ
ーター、及び発電機のような任意の形式の回転機械に関
する。本発明は、機械の回転成分のためにこれらの形式
の機械に存在する摩擦抗力を減少させる方法を取り扱っ
ている。 ［先行技術］ このような機械上の回転成分が、回転成分を取り巻く
流体によって発現される妨害的な抗力を経験するのは避
けがたい。本発明の説明を容易にするため、回転成分は
ケーシングで囲まれたロータとして記述されよう。ケー
シングを充填しているのは空気や水のような流体であ
る。実際の機械では、ロータは渦巻きポンプやコンプレ
ッサの場合のようにポンプインペラであるか、或いは電
動モーターや発電機の場合のようにアーマチュアであり
うる。 ロータが回転している時、ロータの回転方向に対抗す
る抗力が発生する。発生する抗力は、機械内の流体塊が
運動中のロータと機械の静置されたケーシングに同時に
接触するという事実の直接の結果である。ロータは必然
的に、流体粘度のためにロータの回転方向に流体を回転
させる。しかし、流体は静止した外部ケーシングにも接
触しているため、流体の運動はケーシングの抵抗を受け
る。その結果、ロータはケーシング内の流体によって起
こる妨害的な抗力を経験する。この流体が通常の機械操
作の避けえない帰結として存在することに注目すべきで
ある。例えば、流体は水（渦巻きポンプの場合）か空気
（電動モーターの場合）でありうる。 ロータの回転で発生する妨害的な抗力は動力を吸収す
る。動力の吸収量はロータの大きさ、ロータ回転速度、
周囲の流体の物理性状（密度と粘度）及びロータと周囲
のケーシングとの間隙によって変わる。よく設計された
機械は、通常、ロータへの流体抗力から生ずる抗力損失
の低減化を達成するために、適切なロータ形状と、ケー
シング／ロータ間の適切な間隙をもっている。 ［発明が解決すべき問題点］ 適切なロータ形状と、ロータ／ケーシング間の間隙を
もってしても、ロータの抗力損失は非常に大きなものと
なりうる。ロータへの妨害的な抗力の結果として発生す
る動力損失の目だった一例を挙げてみよう。直径13イン
チ（33.02cm）のインペラをもち水中で3600rpmで回転す
る渦巻きポンプは、20馬力を越える抗力を経験するだろ
う。これはポンプ操作に必要な動力の30％にもなる。 本発明の操作原理を理解するために、ロータへ作用す
る流体抗力の量を決定する基本的因子について、まず理
解する必要がある。説明を簡単にするため、ロータが無
視できる厚さのディスクのような形のものと仮定しよ
う。所定の流体中で作動するロータの抗力損失に影響す
るものとして、三つの主な因子がある。第一の因子はロ
ータとケーシングの一般的形状、ロータと周囲のケーシ
ングの表面粗さ、及びロータとケーシングとの間の間隙
である。設計のすぐれた機械では、ロータとケーシング
の表面は滑らかで無傷であり、ロータとケーシングの間
隙は比較的小さい。これらの設計特徴はすべて、ロータ
の回転に対抗する流体抗力の量を減少させる傾向があ
る。 もう一つの因子はロータの回転速度である。ロータに
作用する抗力は、回転速度の平方にほぼ比例している。
例えば、回転速度が２倍になると、抗力は４倍（すなわ
ち2²）に増加し、回転速度が３倍になると、抗力は９倍
（すなわち3³）に増加する。同様に回転速度を半分に落
とすと、ロータに作用する流体抗力は元の値の４分の１
（すなわち0.5²）に落ちる。 第三の因子はロータ直径である。所定の回転速度に対
し、抗力は直径の５乗で変化する。例えば、直径を２倍
にすると、抗力損失は32倍（すなわち2⁵）増加する。直
径を３倍にすると、抗力損失は243倍（すなわち3⁵）増
加する。 設計上の多くの理由から、直径の大きいロータが望ま
しい。例えば、渦巻きポンプの場合には、大直径ロータ
（又は渦巻きポンプでのロータの通常の呼名では、イン
ペラ）は同じrpmで作動する小直径ロータより高圧を発
生する。 渦巻きポンプの設計者は、ポンプの流体抗力損失を低
減化するために、非常な苦心の構成に頼らざるをえなか
った。最も一般的な方法は多段階を使用することであ
る。多段階は、比較的小さい直径の二つ以上のインペラ
を使用する技術である。ポンプ輸送する流体は各インペ
ラを次々に通過し、各インペラが全体の圧力上昇の一部
を提供する。多段階ポンプは流体をインペラに通すのに
非常に複雑な流路を必要とし、従って製造が非常に高く
つく。このような多段階ポンプは、高い磨耗条件を受け
るような多くの表面を含んでいるため、ポンプの保全も
高いものにつく。 特に渦巻きポンプでロータへ作用する流体抗力損失を
低減化するために用いられたもう一つの手法は、非常な
高速（時には10,000rpmを越す速度）で回転する小さな
インペラを使用することである。この手法は非常に小さ
な直径のインペラを使用して、所定の圧力増加を達成
し、それによってインペラに作用する流体抗力損失を低
減化するものである。この手法には、二つの大きな欠点
がある。一つの欠点は、高い回転速度をつくりだすため
に、ギヤボックスのような速度増大装置がポンプを駆動
するモーターとポンプとの間にしばしば必要とされるこ
とである。このような機器はポンプの購入価格と保全経
費を押し上げる。もう一つの大きな欠点は、高速渦巻き
ポンプがインペラ内部の流体によって経験される急激な
加速のため、キャビテーションのような破壊的な流体流
れ条件を受けやすいことである。 高圧を発生させる理想的なポンプは、１個の大直径イ
ンペラをもち、比較的低速で作動するものであろう。し
かし、上に指摘されたように、大直径インペラはロータ
回転に対抗する大きな流体抗力損失をつくりだす。 ロータに隣接して自由に回転するディスクを使用する
ことにより、ロータへの流体抗力損失を理論的に大幅に
低減化できる概念が、1900年代初頭に開発された。この
概念は、運動するロータとロータケーシングの静止側壁
との間に自由回転ディスクを置くことである。 ロータへ作用する抗力の量は、隣接のケーシング側壁
に対してロータがどの程度早く回転するかにかかってい
る。典型的な回転機械では、ケーシングは静止してい
る。しかし、ロータとほぼ同じ直径のディスクを、ロー
タとケーシング側壁との間に同軸的に配置できる。この
ディスクがロータと同方向に回転するなら、ロータと隣
接ディスクとの間の相対的速度が減少し、ロータへの流
体抗力を低減化する結果になるであろう。 回転表面に隣接する流体塊は、流体の内部粘度のため
回転方向に引張られ、流体塊はロータと同じ方向に回転
する。流体の回転速度はロータとケーシング側壁の回転
速度の平均にほぼ等しい。例えば、ロータが3600rpmで
回転している場合、ケーシングは（典型的な場合として
は）回転しないから、流体塊は約1800rpmで回転するだ
ろう。 自由に回転するディスクがロータと静止ケーシングと
の間に同軸的に置かれる場合、ディスクはロータ速度の
約半分の速度で回転することが示されている。 例えば、ロータが3600rpmで回転している場合、自由
に回転する隣接ディスクは、ディスクの各々の側で流体
塊から生ずる抗力の組合わせのために約1800rpmで回転
するだろう。自由回転ディスクとロータとの間に位置す
る流体塊は約2700rpmで回転する。これはロータの回転
速度3600rpmと自由回転ディスクの回転速度1800rpmとの
平均である。ディスクと静止ケーシング側壁との間の流
体塊は、約900rpmで回転するが、これはディスクの回転
速度1800rpmと静止側壁の回転速度０との平均である。
自由回転ディスクなしに、流体塊は1800rpmで回転し、
自由回転ディスクがあると、ロータに隣接する流体塊は
2700rpmで回転する。これは相対的回転速度で900rpmの
減少、又は50％の減少率である。前に論じたように、流
体抗力損失は平方関係に従うから、相対速度のこの50％
減少率は抗力を４倍下げる。この例では、流体が水で、
ロータとディスク（ロータの各々の側に一つずつのディ
スク）は直径12インチ（30.48cm）の場合、ロータの抗
力損失は約3.5馬力であろう。自由回転ディスクが存在
しなければ、ロータ抗力損失は約14馬力となる。この例
で、自由回転ディスクの使用はポンプ作動に要する動力
を11馬力以上減らしている。 自由回転ディスクの概念は1900年代初頭に示唆された
ものであるが、流体抗力損失を低減化するためにこの技
術を実際に応用することはなかった。この技術は、回転
機械内部に生ずる流体圧力の動力学のため、特定的な理
由で利用されなかった。これについては、下に更に詳し
く説明されている。 回転する流体塊は、流体の回転速度に依存する強度を
もった半径方向の圧力勾配を発生する。特定的には、回
転流体で生じる圧力は平方関係に従う。回転速度を２倍
にすると、圧力勾配は４倍に増加する。回転速度を３倍
にすると、圧力勾配は９倍に増加する。例えば、3600rp
mで回転する直径12インチ（30.48cm）の水塊は、回転中
心よりその周縁部で平方インチ当たり240 lbs（16.87kg
/cm²）高い静圧を示す。 前に述べたように、自由回転ディスクとロータとの間
にある流体は、自由回転ディスクと静止ケーシングとの
間で回転する流体より約３倍速く回転する。従って、デ
ィスクとロータとの間の回転流体は、ディスクとケーシ
ング側壁との間の流体に発生する圧力勾配より約９倍大
きい圧力勾配を発生させる。例えば、12インチ（30.48c
m）の自由回転ディスクをもち3600rpmで水中を回転する
直径12インチ（30.48cm）のロータは、ディスクとロー
タの間の空間（ここの流体回転速度は2700rpm）で、ロ
ータ中心とロータ外端との間に平方インチ当たり135 lb
s（9.475kg/cm²）の圧力差を生ずる。ディスクと静止ケ
ーシング側壁との間にある流体（ここでの流体回転速度
は900rpm）は、ディスク中心と外端との間で平方インチ
当たり約15 lbs（約1.055kg/cm²）の圧力差を生じるだ
ろう。これら不均等な圧力勾配は自由回転ディスクへ非
常に強力な力をつくりだし、これが軸方向に作用する。
この軸方向の力は、自由回転ディスクの商業的応用を妨
げていた主要な問題である。 この場合、ディスクとロータとの間の空間にある流体
塊の中心での圧力は、ディスク外端での圧力より平方イ
ンチ当たり135 lbs（9.475kg/cm²）低いであろう。ま
た、ディスクと静止側壁との間の空間にある流体塊の中
心での圧力は、ディスク外端での圧力より15 lbs低いで
あろう。上から明らかなように、ディスクとロータの間
の流体塊の圧力は、一般にディスクと静止側壁の間の流
体塊の圧力より低い。ディスクと静止側壁との間の流体
塊の一般的に高めの圧力は、この例では3,000 lbsを越
える力でディスクをロータ側へ軸方向に押す。 他方、圧力がディスク中心でディスク両面において等
しく、かつディスク外端にあるシールのため外端に圧力
差が存在するならば、ディスクとロータの間にある流体
塊の外端における圧力は、流体塊の中心にある圧力より
平方インチ当たり135 lbs（9.475kg/cm²）高くなる。ま
た、ディスクと静止側壁の間にある流体塊の外端での圧
力は、ディスク中心に存在する圧力より平方インチ当た
り15 lbs（1.055kg/cm²）高いであろう。ディスクとロ
ータの間の流体塊の一般的に高めの圧力は、この例では
3,000 lbsを越える力でディスクを静止側壁の方へ軸方
向に押す。 上から明らかなように、ディスクの各々の側への異な
る圧力勾配から生じる強力な軸方向の力が、ディスクを
ロータの方へ、或いは静止側壁の方へ押すように働くだ
ろう。この力の方向は、圧力が外端でディスクの両面に
対して均等化されるのか、或いはディスク中心で均等化
されるのかによって変わってくる。 過去において、このような回転ディスクの適切な位置
を保持するのに軸受を使用できることが指摘された。し
かし、軸方向の力と許容できる軸受抗力との比は、100
0:1を容易に越しうる（例えば、軸受抗力は3 lbsの力を
越えるべきではないが、その同じ軸受が3,000 lbsの軸
方向の力を扱えなければならない）。摩擦スラスト軸受
はこの水準の性能を確実には達成できない。抗摩擦スラ
スト軸受（例えば、ころ軸受）は必要な大きさ（内径が
しばしば12インチ（30.48cm）以上になりうる規模）で
非常に高価であり、ロータを取り巻く流体中で作動しな
ければならず（典型的には非潤滑性で、腐食、磨耗及び
／又は高温）、また絶対的な最小限度の余地しか取れな
い。抗摩擦スラスト軸受は高い保守経費を生じ、不慣れ
な現場保守手順を導入することになる。このため、軸受
の使用は、ディスクの各面に発生する軸方向の力を取り
扱うために自由回転ディスクを適切に位置づけるには妥
当な解決ではなかった。 ［問題点を解決する手段］ 本発明は、自由回転ディスクへ作用する軸方向の力を
打消すことにより、軸方向の高いスラスト荷重を取り扱
える高価な大型軸受の必要な排除できる構造を利用して
いる。本発明は、アイドラ・ディスクの各側に配置でき
るシールと、軸方向の力を完全に打消すための均圧口を
利用している。これらの成分は、軸方向の力の不均衡の
ため自由回転ディスクがその所望の作動位置から動く
と、シールと均圧口が不均衡な力と反対の方向へ作用す
る復元力をつくりだし、それによって自由回転ディスク
を所望の作動位置に復元させる。復元力は１秒の何分の
１かに発生し、必要に応じてロータから、又は外側ケー
シング側壁から自由回転ディスクを引き離すように作用
する。 本発明は、回転成分をもつ機械で流体抗力を低減化す
るためのアイドラ・ディスクに関する。機械は外側ケー
シングと、外側ケーシング内に範囲を限定されたキャビ
ティとを含む。キャビティは相対する側壁をもってい
る。回転成分はキャビティ内に置かれ、キャビティ側壁
から間隔を置いて配置されている。少なくとも一つの自
由に回転できるアイドラ・ディスクがキャビティ内に置
かれる。アイドラ・ディスクはキャビティ側壁内の回転
成分と隔たった位置関係にある。アイドラ・ディスクは
キャビティ内を回転成分の全長の少なくとも一部に沿っ
て伸びている。アイドラ・ディスクは、キャビティ内の
流体を回転させることによって回転成分と同じ方向に回
転させられる。流体は回転成分の回転によって回転させ
られる。回転するアイドラ・ディスクは回転成分に隣接
して回転する流体の速度を高めることによって、回転成
分への流体抗力を減少させる。外部シール手段が、アイ
ドラ・ディスクと回転成分との間の流体の流れを制御す
るために、アイドラ・ディスクと回転成分の間にシール
を形成する。外部シール手段は、アイドラ・ディスク中
の回転成分の外端に隣接して置かれる。アイドラ・ディ
スク内に少なくとも一つの流路が置かれる。流路はアイ
ドラ・ディスクの中心に隣接して置かれ、キャビティ内
の流体はこの流路を通って流れる。流路はアイドラ・デ
ィスクの側面への圧力を均等化して、アイドラ・ディス
クを所望の平衡位置に維持するように作用する。平衡位
置でアイドラ・ディスクは回転成分とキャビティ側壁か
ら隔たった位置関係に保たれる。 本明細書でアイドラディスクの平衡位置とは、アイド
ラディスクの両側の流体圧力が釣り合っている場合、即
ち攪乱されていないときに、アイドラディスクがとるべ
き位置と定義する。 本発明に従って、回転機械中の流体摩擦抗力による損
失を減少させるための方法も提供される。この方法で、
機械の成分はキャビティ内で回転させられる。キャビテ
ィ内に置かれる少なくとも一つアイドラ・ディスクが、
回転成分によってつくられるキャビティ内の流体運動の
ために回転させられる。アイドラ・ディスクは成分とキ
ャビティ側壁の間に位置している。シールがアイドラ・
ディスク外端と成分との間で造られる。このシールはア
イドラ・ディスクと成分の間の流体を制御する働きがあ
る。流体はアイドラ・ディスク内端内の少なくとも一つ
の流路に通される。シールを渡る流体と流路を通る流体
の流れは、アイドラ・ディスクの相対する側面への軸方
向の力から発生する圧力を均等化するように作用する。
軸方向の力を均等化すると、アイドラ・ディスクが側壁
と成分の間の所望の位置に保たれ、それによってアイド
ラ・ディスクは自由に回転し、回転成分への流体摩擦抗
力を低減化できる。 本発明の一つの目的は、回転成分をもつ機械で流体抗
力を低減化するために自由に回転するアイドラ・ディス
クを提供するにある。 本発明のもう一つの目的は、機械の運転中に所望の平
衡位置又はその近辺に保持された自由に回転するアイド
ラ・ディスクを提供するにある。 本発明の更に一つの目的は、アイドラ・ディスクへ作
用する流体の圧力差が打消され、アイドラ・ディスクを
所望の平衡位置又はその近辺に維持するように復元力が
発生する形で建造された、アイドラ・ディスクを提供す
るにある。 本発明のこれらとその他の目的及び利点は、以下の説
明に関連して添付された図面を参照しながら、より十分
に理解されよう。 本発明は渦巻きポンプ、遠心圧縮機及び送風機、水車
とガスタービン、電動モーター及び発電機のような回転
機械の効率を改良するために使用できる自由回転式ディ
スクに関する。このような機械の任意の回転成分は、回
転成分を取り巻く流体によってつくられる妨害的な抗力
を経験するだろう。この流体は空気のような気体か水の
ような液体でありうる。機械の正常な運転中に何らかの
形の流体が常に存在し、流体は回転要素に対して妨害的
な抗力をつくりだす。下記の自由回転ディスクはアイド
ラ・ディスクと呼ばれる。 本発明の説明を単純化するために、ロータと周囲のケ
ーシングとからなる一般化された回転装置が、第１図と
第２図に記述されている。回転装置１は、ロータキャビ
ティ５の範囲を定める外部ケーシング３をもっている。
外部ケーシング３は実質的に円筒形で、外部ケーシング
の外周にある円筒形の末端壁７を含み、相対する実質的
に平衡な側壁９が末端壁７に連結されて、ロータキャビ
ティ５を取囲んでいる。各側壁９のほぼ中心に通路11が
配置されている。通路11内に回転自在に配置されている
のがシャフト13である。シャフトは実質的に円筒形で、
シャフトの一方の側に刻まれたキーみぞ15をもってい
る。キーみぞはシャフトの縦軸に対して実質的に垂直で
ある。シャフト13上にロータ21が円筒状に据えられてい
る。ロータ21はシャフト13に隣接して配置された円筒形
の肩23をもっている。通路25は円筒形の肩23を通って伸
びている。この通路はシャフト13を受け入れるように設
計されている。キーみぞ27は、シャフト13上のキーみぞ
15と整合的に円筒形の肩23内に配置される。キー29は、
ロータ21を回転シャフト13に固定するために、キーみぞ
15とキーみぞ27内に配置される。 円筒形の肩23から伸びているのはロータ21のセクショ
ン33である。セクション33は肩23からシャフト13の縦軸
に実質的に垂直な方向に伸びている。セクション33は外
部ケーシング３の末端壁７に隣接する外端で終わってい
る。 円筒形の肩23の各末端にはプレート39が配置されてい
る。プレート39は実質的に円筒形で、プレートの中心を
実質的に通る開口部41をもっている。開口部41はロータ
21を通って伸びる通路25と実質的に整合している。プレ
ート39はシャフト13の縦軸に実質的に垂直な方向に伸び
るように配置される。プレート39の一部は円筒形の肩23
を越えて外部ケーシング３の末端壁７へ向かって伸びて
いる。通常、プレート39はロータ21の直径の約1/15ない
し約1/8の距離だけ肩23を越えて伸びている。 ロータ21の円筒形の肩23に、アイドラ・ディスク45が
据え付けられる。ロータ21のセクション33の各側にアイ
ドラ・ディスク45が配置される。アイドラ・ディスクは
実質的に円筒形で、アイドラ・ディスク中心を実質的に
通って伸びる穴47をもっている。穴47はロータ21の円筒
形の肩23を受け入れるように設計され、肩とアイドラ・
ディスクの間には動きばめがある。アイドラ・ディスク
は自由に回転し、セクション33とブレート39の間で肩23
に沿って軸方向に移動するのも自由である。アイドラ・
ディスク45は、穴47に隣接して、アイドラ・ディスクの
残りの部分より幅の広いセクション49をもちうる。セク
ション49は、ロータ21の円筒形の肩23へのアイドラ・デ
ィスク45の滑り自在な据え付けのため、より大きな軸受
表面を提供している。より大きな軸受表面は、アイドラ
・ディスク45への半径方向の力の荷重に耐える助けにな
る。アイドラ・ディスク45の穴47とロータ21の円筒形の
肩23の間の半径方向の間隙は、半径方向の運動を最少限
度にするほど小さくなければならない。半径方向の間隙
は、通常、穴47の直径インチ（2.54cm）当たり約0.001
インチ（約0.00254cm）必要である。アイドラ・ディス
クは肩23から、外部ケーシング３の末端壁７の方向へ伸
びている。アイドラ・ディスク45はロータ21のセクショ
ン33に実質的に平行に配置される。通常、アイドラ・デ
ィスクはロータ21の直径の少なくとも約1/2の直径をも
つだろう。実際上、アイドラ・ディスクがロータ21の直
径の約3/4から約1 1/4の直径をもつと有利であることが
わかった。アイドラ・ディスクは回転の遠心力に耐え、
ディスクの側面への不均等な圧力分布から生ずるねじれ
にも耐えるほど強力な材料から製造されなければならな
い。アイドラ・ディスク材料は、ロータキャビティ５内
の流体と両立もしなければならない。ほとんどの応用
で、316ステンレス鋼がアイドラ・ディスク45に満足で
きる材料であろう。 内部シール53がアイドラ・ディスク45から、プレート
39の方向へ伸びている。内部シール53はプレート39に隣
接配置されるように、円筒形の肩23に隣接して配置され
る。内部シールはプレート39から、約0.010インチ（0.0
254cm）ないし約0.075インチ（約0.191cm）の距離で隔
たっている（アイドラ・ディスク45がロータの方へでき
るだけ押された時に測定）。アイドラ・ディスクは外部
シール57ももっており、これはアイドラ・ディスク45
の、外部ケーシング３の末端壁７に隣接する部分に配置
される。外部シール57はロータ21のセクション33の方向
へ伸びている。外部シール57は約0.010（0.0254cm）な
いし約0.002インチ（0.00508cm）の距離でインペラ部分
33から隔たっている（アイドラ・ディスクがその正常な
操作位置にある時）。外部シール57と外部ケーシング３
の末端壁７の間で間隔を置いて配置されるアイドラ・デ
ィスク45の末端46は、ロータ21の方向に先細にして、外
周にナイフリッジを形成できる。アイドラ・ディスク45
の先細末端46は、非対称圧力の場が対抗できるようなデ
ィスク部分の有効面積を接線の方向に減少させ、これが
アイドラ・ディスクへの半径方向の荷重を減らす。内部
シール53と外部シール57はロータキャビティ内の流体と
両立できる材料で製造されるべきであり、プレート39又
はセクション33の材料に対し低いゴーリング傾向をもつ
べきである。相対するシール面の材料に対して可能な選
択は、鋼鉄上のテフロン（Du Pont社のポリテトラフル
オロエチレンの商標名）、鋼鉄上の黄銅、鋼鉄上の鋳鉄
又は他の適当な材料でありうる。 内部シール53は、プレート39の表面に隣接し平行な平
らな面をもち、外部シール57はロータ21のセクション33
の表面に隣接し平行な平らな面をもっている。内外部シ
ールは隣接表面（プレート39又はセクション33）へシー
ル面がごく接近していることだけに基づいたシーリング
効果をつくりだしている。典型的には、内部シールとプ
レートとの間、及び外部シールとロータ21のセクション
33との間の間隙の合計は、約0.015（0.0381cm）ないし
約0.075インチ（0.191cm）である。シールの有効性、す
なわちシールからの多量の漏れを伴わずに異なる圧力の
２領域を隔てる能力は、部分的にはシールと隣接表面と
の間の距離によって決まる。隔たりが広くなれば、シー
ルの有効性が減り、漏れが増える。シールはアイドラ・
ディスクと一体的に形成してもよく、別個に取り付けて
もよい。シールを別個に取り付けると、シール用に使用
できる材料の範囲が広くなる。別個に取り付けられるシ
ールは、抵抗溶接、さらねじ、接着又は他の適当な固定
手段によってアイドラ・ディスク45に固定できる。内部
シール53は円筒形の肩23にできるだけ近づけて置かれる
べきである。実際上、内部シール53は、肩23から、アイ
ドラ・ディスク45の半径の約1/8ほどの間隔を置いて配
置されるべきである。外部シール57は、外部ケーシング
３の末端壁７に隣接するロータ21のセクション33の外半
分に隣接するように配置されるべきである。実際上、外
部シールが肩23から、ロータ21のセクション33の半径の
約1/2ないし約9/10の距離で隔たっているのが好ましい
とわかった。外部シールがロータ21のセクション33の半
径の約5/6の距離で肩から隔たっていて、内外シールが
円筒形の肩23上のアイドラ・ディスクの軸方向の運動を
制限するように作用するのが好ましいとわかった。 外部シールの半径方向の幅は、実際上できるだけ大き
くすべきである。アイドラ・ディスク直径の約1/100な
いし約1/4の半径方向の幅が、所望のシーリング効果を
提供するのに十分であることがわかったが、それより大
きい半径方向の幅も改良されたシーリング効果を提供す
るだろう。 アイドラ・ディスク45には、複数のスロット61が内部
シール53とアイドラ・ディスクのセクション49の間に配
置されている。スロットは、外部ケーシング３の側壁９
に面したアイドラ・ディスクの側面とロータ21に面した
アイドラ・ディスクの側面との間の自由な連絡を提供し
ている。このため、スロット61は、ロータ21のセクショ
ン33に隣接するアイドラ・ディスク側面から、プレート
39に隣接するアイドラ・ディスク45の側面への流路を提
供している。スロットは多くの流れ抵抗を生じずにアイ
ドラ・ディスク45の一方の側から他の側へのシール漏れ
を通すように設計されている。このため、スロット61は
内部シール53と外部シール57からの漏れを効果的に処理
できる大きさのものとすべきである。実際上、流体が水
の時には、スロット61からの圧力損失が平方インチ当た
り約３ポンド（0.211kg/cm²）未満であるのが望ましい
ことがわかった。また、アイドラ・ディスクの直径が大
きくなるにつれて、スロット61の大きさを増す必要があ
ることもわかった。これは、アイドラ・ディスクの直径
が大きくなるとともに、シール漏れの量も多くなるため
である。通常、スロット61はアイドラ・ディスク表面積
の約1/4ないし約3/4％の面積をもち、アイドラ・ディス
ク表面積の約1/2％の面積が特に順調に作動する。 ロータ21のセクション33の表面に、アイドラ・ディス
ク45に隣接して配置されるのが羽根65である。羽根65は
円筒形の肩23から末端壁７の方向へ、セクション33に沿
って外側に伸びている。羽根65は通常、円筒形の肩23か
ら、セクション33の半径の約1/3ないし約2/3の距離で伸
びており、セクション33の半径の約1/2の距離が特に順
調に作動する。しかし、羽根は常にアイドラ・ディスク
45上の外部シール57と円筒形の肩23の間に配置されるべ
きである。このため、羽根は決して外部シール57を越え
て伸びることはない。羽根はロータの一部として鋳造さ
れてもよく、又はセクション33に結合される別個のピー
スでもよい。羽根65はボルト締め、溶接、接着又は他の
固定手段によってインペラ部分に固定できる。羽根は直
線状又は曲線状であるが、実際上、羽根65が直線状で、
円筒形の肩23から放射状に外へ伸びるのが望ましいとわ
かった。羽根が使用されるのは、すぐ近くの流体塊の回
転速度を高め、それによって円筒形の肩23と外部シール
57の間、及びアイドラ・ディスクとロータ33の間にある
圧力差を高めるためである。 運転において、シャフト13を回転させると、これが今
度はシャフトに固定されたロータ21を回転させる。ロー
タ21が回転するにつれて、ロータに結合されたセクショ
ン33と羽根65（存在する場合）がロータとアイドラ・デ
ィスクとの間の流体を外部ケーシング３の末端壁７の方
へ半径方向に前進させる。この流体運動はロータ33とプ
レート39の間の円筒形の肩23近くの圧力を下げる。この
減圧により、流体はアイドラ・ディスク45とケーシング
側壁９の間の区域から流れる。アイドラ・ディスクとロ
ータの回りの流体循環が、第３図と第４図に描かれるよ
うにつくりだされる。 ロータ21が回転するにつれて、ロータ21のセクション
33の各側に配置されたアイドラ・ディスク45は、ロータ
で動かされた流体と関連する摩擦抗力によって回転す
る。このアイドラ・ディスク45は、ロータキャビティ５
内の流体の内部粘度のため、ロータ21の回転方向に引張
られる。アイドラ・ディスク45は回転するロータ21と外
部ケーシング３の静止壁との間に置かれるため、アイド
ラ・ディスクはロータ21の回転速度の実質的に1/2の速
度で回転する。これは、アイドラ・ディスクが外部ケー
シング３の静止側壁と回転ローラ21のほぼ中間に置かれ
ることを仮定している。アイドラ・ディスク45がロータ
側に近い場合は、アイドラ・ディスクはやや速い速度で
回転し、アイドラ・ディスク45が外部ケーシング３の静
止側壁側に近い配置の場合は、アイドラ・ディスクはや
や遅い速度で回転しよう。便宜上、アイドラ・ディスク
45がロータ21と外部ケーシング３の静止壁の間のほぼ中
間にあると仮定すると、アイドラ・ディスクの回転速度
にアイドラ・ディスクの各側の境界面の平均速度にほぼ
等しい。外部ケーシング壁は静止して動かないから、こ
れらは速度ゼロであり、回転ディスクの各側での境界面
の平均速度は回転ロータ21の速度の1/2である。 ロータキャビティ５内でアイドラ・ディスク45とロー
タ21の間にある流体塊は、境界面のほぼ平均速度で回転
する。アイドラ・ディスクはロータ速度の約1/2の速度
で回転しているから、流体塊は回転ロータ速度の約3/4
で回転する。アイドラ・ディスク45と外部ケーシング３
の静止側壁の間にある流体塊は、流体境界面のほぼ平均
速度で回転する。アイドラ・ディスク45はロータ速度の
1/2の速度で回転し、外部ケーシング３の壁は静止して
いるから、アイドラ・ディスク45と外部ケーシング側壁
の間の流体塊はロータ回転速度の約1/4の平均速度をも
つ。 回転する流体塊は半径方向の圧力勾配を発生し、この
勾配の強度は流体の回転速度に依存している。特定的に
は、回転流体によって発現される圧力は平方関係に従
う。例えば、回転速度が２倍になると、圧力勾配は４倍
になる。上に述べたように、回転アイドラ・ディスク45
とロータ21の間にある流体は、アイドラ・ディスク45と
外部ケーシング３の静止壁の間にある流体より約３倍速
い速度で回転する。従って、アイドラ・ディスクとロー
タの間の回転流体塊は、アイドラ・ディスク45と外部ケ
ーシング３の壁の間で発生する圧力勾配より約９倍大き
い圧力勾配を生ずる。不均等な圧力勾配はアイドラ・デ
ィスク45への軸方向の非常に強い力をつくりだす。アイ
ドラ・ディスク45は軸方向にロータ21の円筒形の肩23に
沿って自由に移動するから、アイドラ・ディスク45の各
側での流体塊の不均等な回転速度から生じる不均等な圧
力勾配のため、アイドラ・ディスク45へ作用する軸方向
の力を打消す方法を開発する必要がある。 第３図に示すように、アイドラ・ディスクとロータの
間、及びアイドラ・ディスクと外部ケーシング３の側壁
との間の流体回転速度の差が、アイドラ・ディスク45と
ロータ21の間に高い圧力差を発生させ、またアイドラ・
ディスク45と外部ケーシング３の側壁の間では、かなり
低めの圧力差を発生させる。圧力差の結果、ロータキャ
ビティ５内の流体は、第３図と第４図中の矢印で示すよ
うに循環する。見て取れるように、流体はアイドラ・デ
ィスクとロータの間でらせん運動によって外側へポンプ
輸送され、外部シール57とロータのセクション33の間を
通り抜ける。流体はまた、らせん運動でアイドラ・ディ
スク45と外部ケーシング３の壁の間で内側へ引き寄せら
れる。この流体は内部シール53とプレート39の間を通
る。流体はスロット64も通過するので、流体は再びアイ
ドラ・ディスク45とロータ21のセクション33の間で外側
へポンプ輸送される。 運転中、不均衡な圧力差はアイドラ・ディスク45をロ
ータ21の方へ移動するように作用しうる。これが起きる
と、アイドラ・ディスク45上の外部シール57もロータ21
のセクション33の方へ前進する。これが外部シール57と
セクション33の間の間隙を狭め、それによって外部シー
ルのシーリングの有効性を高める。それと同時に、内部
シール53とプレート39の間の通行が増加し、それによっ
てこのシールのシーリング有効性を低下させる。内部シ
ールの有効性が下がるから、シールの圧力損失は少なく
なり、室66内のプレートとアイドラ・ディスクの間の圧
力が高くなる。均圧スロット61は、この高めの圧力がア
イドラ・ディスク45とロータ21のセクション33の間にも
存在することを確保している。それと同時に、外部シー
ル57はロータ33に近づき、これはシール有効性を高める
傾向があり、これは外部シール57での圧力損失が高まる
ことを意味している。この高まったシーリング有効性の
ため、アイドラ・ディスク45とセクション33の間に存在
する流体回転が強化され、それによって高めの圧力が生
じ、アイドラ・ディスクへの圧力が生じて、アイドラ・
ディスク45をロータ21から軸方向に引き離す。更に、内
部シール53の低下した有効性から生ずる円筒形の肩23近
辺の高めの圧力も、アイドラ・ディスク45とロータ21の
間に存在する高圧に寄与している。 圧力勾配がアイドラ・ディスク45を外部ケーシング３
の側壁の方へ移動させる場合は、外部シール57とロータ
のセクション33の間の間隙が広がり、内部シール53とプ
レート39の間の間隙が狭まる。外部シール57とセクショ
ン33との間隔が開けば、シール57の有効性が低くなり、
それによってアイドラ・ディスク45とロータ21の間にあ
る流体の回転から生ずる圧力増大が落ちて、より多くの
流体がこのシールを通過できる。それと同時に、内部シ
ール53とプレート39の間の間隙が狭まり、これが内部シ
ールのシーリング有効性を改良する。これが内部シール
における高い圧力損失をもたらし、プレート39とアイド
ラ・ディスク45の間の室66にある圧力を下げる。この低
めの圧力は均圧スロット61を経てアイドラ・ディスクの
他の側面に伝えられる。内部シールの増大する有効性と
外部シール57の低下するシーリング有効性から生ずる低
い圧力が一緒に作用して、アイドラ・ディスク45とロー
タ21の間の流体の全体的な圧力を下げる。これがアイド
ラ・ディスクをロータ側へ押出すように作用する復元力
を生じさせ、そのためケーシング３の側壁の方へ向かう
元の移動が打ち消される。 上から明らかなように、アイドラ・ディスク45が内外
部シーリング表面の軸上のどこかにある平衡な位置を離
れる時はいつでも、反対方向に作用する強い圧力が発生
する。従って、アイドラ・ディスクは平衡位置に押戻さ
れ、反対の力が平衡となる位置でアイドラ・ディスクは
作用しよう。内外部シールの半径方向の位置、シール間
隙、シール設計、及びケーシング内の流体の物理的性状
が平衡位置を保とうとする力の強さに影響する。関与す
る因子の分析は、アイドラ・ディスクがその平衡位置か
ら離れると、復元力が非常に急激に高まることを示して
いる。復元力が移動する力より大きくなる前に、アイド
ラ・ディスクはわずかの距離を移動するにすぎず、平衡
位置まで、又は少なくともその近くまで戻る。わずか0.
002インチ（0.00508cm）の動きが数千ポンドの復元力を
生じうることを分析は示した。復元力は、アイドラ・デ
ィスクが最初に移動する時から１秒のごくわずかの一部
分という短時間に発生し、運転中いかなる時も、内部シ
ール53がプレート39に接触したり、外部シール57がロー
タ21のセクション33と接触したりすることはない。アイ
ドラ・ディスク45の操作の一例として、典型的な応用で
はアイドラ・ディスクに可能な軸方向の運動は約0.015
インチ（0.0381cm）である。平衡時に、アイドラ・ディ
スクは、外部シール間隙57が約0.005（0.0127cm）、内
部シール間隙が約0.001インチ（0.00254cm）となるよう
な位置を取る。アイドラ・ディスクをロータ21のセクシ
ョン33に0.001インチ（0.00254cm）でも近づけるには、
1,000 lbs以上の力を必要とするだろう。同様にアイド
ラ・ディスクをケーシング３の側壁へ0.001インチ（0.0
0254cm）近づけるには、やはり1,000 lbs以上の力がい
る。軸方向の移動に対するこの抵抗は、軸方向にアイド
ラ・ディスクを移動させるように作用する力の程度を大
幅に上回る。 正常な運転中いかなる時も、内部シール53はプレート
39と接触せず、また外部シール57もロータ21のセクショ
ン33と接触しない。このため、普通には内外部シールの
磨耗がほとんどなく、これらはアイドラ・ディスク45を
所望の操作位置に保持するために非常にうまく機能す
る。ある場合には、内部シール53と外部シール57は特定
のアイドラ・ディスク操作環境（例えば磨耗性スラリー
を扱う渦巻きポンプなど）のため、幾分の浸蝕を受ける
ことがある。この結果、内部シール53とプレート39の
間、及び外部シール57とセクション33の間の間隙は広が
ってくる。この拡大された間隙はアイドラ・ディスクの
機能を混乱させず、アイドラ・ディスクは平衡位置で作
動し続ける。拡大した間隙は、内外部シールからの増大
する漏れによる抗力のため、動力損失がやや高くなる。 第５図と第６図は、上に説明されたアイドラ・ディス
クが、どのように末端吸込み式一段階渦巻きポンプ71に
使用できるかを例示している。アイドラ・ディスクを渦
巻きポンプにいかに応用するかを例示するために末端吸
込み式一段階渦巻きポンプが使用されるが、アイドラ・
ディスクがいかなる構造の渦巻きポンプにも応用できる
ことは明らかにされるべきである。この態様では、回転
インペラ73（又はロータ）は回転シャフト75上に配置さ
れる。通常、インペラ73はシャフト75にキーみぞで合わ
せて取り付けられ、ナット77でシャフトに固定される。
インペラは、一段階渦巻きポンプ71の外部ケーシング81
で形成されるポンピングキャビティ79内に置かれる。シ
ャフト75は第一軸受83と第二軸受85によって支持され
る。第一及び第二軸受は、ポンピングキャビティ79から
隔てられた軸受ハウジング87内に置かれる。外部ケーシ
ング81と軸受ハウジング87の間に配置されているのはア
ダプター区域89である。第一軸受83はアダプター区域89
に隣接して配置され、第二軸受85はアダプター区域から
隔てて配置される。シャフト75は、第一軸受と第二軸受
の間に置かれた直径の大きい区域91をもっている。直径
の大きい区域91は第一軸受に隣接する肩93と第二軸受に
隣接する肩93を形成している。直径の大きい区域91の肩
93は第一軸受83及び第二軸受85と協力して、シャフト75
を支持するとともに、シャフトに沿って軸方向の荷重を
取り扱う。アダプター区域89から隔たった軸受ハウジン
グ87の末端に配置されているのは末端キャップ95であ
る。シール97が末端キャップ95の中心に配置され、シャ
フト75の回りに広がっている。末端キャップとシール
は、汚染物質が軸受ハウジング87に入るのを予防してい
る。 外部ケーシング81に連結されているのがカバー99であ
る。カバー99は、インペラ73が置かれているポンピング
キャビティ79の他方の側を形成している。アダプターセ
クション89はカバー99と軸受ハウジング87の間に伸びて
いる。シャフト75はカバーを通り、開口部130を通って
伸びている。シャフトとカバーの間の漏れは、シャフト
75の周囲に置かれたパッキンリング109を含有するスタ
ッフィング・ボックス107により低減化される。スタッ
フィング・ボックスのパッキン押え111はパッキンリン
グ109をシャフト75の周囲に締めつけて適切なシールを
確保するために使用される。 アイドラ・ディスク115はインペラ73の各側に配置さ
れる。アイドラ・ディスク115は、内部シール119用シー
ル・キャリアー117上に動きばめで据え付けられる。こ
のため、内部シール119はアイドラ・ディスク115上に配
置されるのでなく、シール・キャリアー117上に支持さ
れる。外部シール121はインペラ73上に置かれ、シール
・キャリアー117から外側へ半径方向に配置される。従
って、本発明のこの態様においては、シールはアイドラ
・ディスク115上に置かれず、インペラ73とシール・キ
ャリアー117上に置かれる。流路123が、アイドラ・ディ
スク内端に隣接してアイドラ・ディスク115内に配置さ
れる。流路123はシール・キャリアー117上に配置された
アイドラ・ディスク末端と内部シール119の間に置かれ
る。流路は、アイドラ・ディスク115の各側にある流体
間の連絡を提供している。 正常な運転では、シャフトを回転させると、インペラ
73が回転する。この回転がインペラ内に遠心力を発生さ
せ、それによってインペラ内の流体が外側へ向かい、ケ
ーシング外縁へ、次いで排出路127へ入っていく。イン
ペラ流路内から流体が回収されると、更に流体が吸込み
流路125から入ってくる。この流体が同様にポンプ輸送
されて、連続的なポンプ作用が生じることになる。ポン
プの通常操作の当然の帰結として、インペラ73と外部ケ
ーシング81及びカバー99との間の空間が、ポンプ輸送さ
れる流体で満たされることになる（産業界のポンプ輸送
例で出会う典型的な流体は水、石油とその誘導体類、及
びスラリーを包含する）。 アイドラ・ディスク115は自由に回転し、ポンピング
・キャビティ79内の回転流体はインペラ73の回転と同じ
方向にアイドラ・ディスクを回転させる。アイドラ・デ
ィスクは既述のようにポンプ送りされる流体の摩擦抗力
に寄与する損失を減らし、またアイドラ・ディスクは既
に述べた方法で内外部シールに対して軸方向に移動す
る。上に説明されたように、アイドラ・ディスクは通
常、内外部シールのほぼ中間にあり、これがアイドラ・
ディスクの平衡位置を定めている。しかし、アイドラ・
ディスクの平衡位置は内外部シールの間の実質的に中間
である必要はない。平衡位置を、シャフト沿いの軸方向
に、内外部シールの間のほとんどいかなる場所に置くこ
ともできる。アイドラ・ディスクがこの平衡位置から動
く時は、シールがアイドラ・ディスクに作用する流体圧
力を生じさせて、ディスクを実質的に平衡位置に戻すよ
うに作用する。 第８図は、アイドラ・ディスク発明品のもう一つの態
様を例示している。この態様では、単一の外部シールの
みがアイドラ・ディスク用に使用される。アイドラ・デ
ィスクは、第５図に示すポンプと非常によく似た末端吸
込み式一段階渦巻きポンプのケーシング内に示される。
この態様で、インペラ133は回転シャフト135に連結され
ている。インペラ133を取り巻くのは外部ケーシング137
である。外部ケーシングはインペラ133周囲のポンプ室1
39の境界を定めている。インペラ133の各側にアイドラ
・ディスク141が配置され、アイドラ・ディスクはイン
ペラと外部ケーシング137の側壁の間に置かれている。
アイドラ・ディスク141はインペラ133の肩143上に動き
ばめによって据え付けられる。アイドラ・ディスクは肩
上で自由に回転し、肩に沿って軸方向に自由に移動す
る。外部シール145はインペラ133の各側からアイドラ・
ディスク141の方向へ伸びている。外部シールは、シャ
フト135から隔たったインペラ133の部分に配置される。
アイドラ・ディスク141の内端に複数のスロットリング
・ポート147が置かれる。スロットリング・ポートは肩1
43とインペラ133に隣接して、アイドラ・ディスク141内
に配置される。スロットリング・ポートは外部ケーシン
グ137とアイドラ・ディスク141の間のポンプ室139部分
と、インペラ133とアイドラ・ディスク141の間のポンプ
室部分との連絡流路を提供している。 運転において、この態様のポンプは、第５図に示す態
様に関して既に述べた方法によく似た形で機能する。流
体は回転インペラ133を通って引張られ、ここで回転イ
ンペラから発生する遠心力が流体の圧力を高め、流体を
半径方向に外側へ移動させる。最終的に流体は外部ケー
シング137の外端にある出口から排出される。アイドラ
・ディスク141は既に述べた方法で、外部ケーシング137
で決るポンプ室139内の流体抗力を下げるように作用す
る。しかし、内部シールがこの態様からは除かれたの
で、アイドラ・ディスク141の動きはやや異なってい
る。アイドラ・ディスクとインペラの間の流体の回転
は、アイドラ・ディスクと外部ケーシングの間より速
い。この速い回転が、アイドラ・ディスクのケーシング
が発生する圧力より高い圧力を、アイドラ・ディスクの
インペラ側で発生させる。この異なる二つの圧力の結果
は、流体がアイドラ・ディスクとインペラの間では、ら
せん運動で外側へ押出され、アイドラ・ディスクと外部
ケーシング137の間では、らせん運動で内側へ引張られ
るように、流体の循環が形成されることである。既に論
じたように、第３図は流体のこの回転の基本的特徴を示
している。ポンプ作動中に、アイドラ・ディスクがイン
ペラ133から軸方向に離れる場合、外部シール145とアイ
ドラ・ディスク141の間の間隙が広がる。これが外部シ
ール145とアイドラ・ディスク141の間のシーリング効果
を減少させる。外部シールとアイドラ・ディスクの間の
広がった間隙は、シールを通る流体の流量を増す。流体
の流量を増すと、アイドラ・ディスク141とインペラ133
の間のポンプ室139部分で圧力低下をもたらす。その結
果、アイドラ・ディスク141の内端にあるスロットリン
グ・ポート147からの圧力損失が大きくなる。外部シー
ルの有効性低下とスロットリング・ポート147からの圧
力損失の増大とがあいまって、アイドラ・ディスク141
とインペラ133の間にある流体の平均圧力を下げるよう
に作用する。このため、外部ケーシング137とアイドラ
・ディスク141の間のポンプ室139部分の流体圧力がアイ
ドラ・ディスクに作用して、アイドラ・ディスクをイン
ペラ133の方へ引戻す。 ポンプ作動中にアイドラ・ディスク141がインペラの
方へ移動する場合は、外部シール145とアイドラ・ディ
スク141の間の間隙が狭まり、外部シールの有効性が高
まる。従って、シールからの流体の漏れが減る。外部シ
ール145を通る流体の流量が下がると、スロットル・ポ
ート147からの圧力損失が低下し、その結果、アイドラ
・ディスク141とインペラ133の間にあるポンプ室139部
分に高圧が発生する。この高圧がアイドラ・ディスクを
インペラ133から引き離す。このように、アイドラ・デ
ィスク145とスロットリング・ポート147が協力してアイ
ドラ・ディスク141を平衡位置に保つとともに、アイド
ラ・ディスクの各側の平均圧力を確実に平衡化する。ア
イドラ・ディスク141の平衡位置の軸方向の位置決定
は、部分的にはスロットリング・ポート147の大きさに
左右されることを理解すべきである。 アイドラ・ディスク141を適切な平衡位置に確実に保
持するためには、アイドラ・ディスク上に置かれるスロ
ットリング・ポート147の全面積が、アイドラ・ディス
ク面積の約0.01％ないし約0.05％とすべきである。これ
によって、アイドラ・ディスク141を所望の平衡位置に
保持するのに十分な流量の流体がスロットリング・ポー
トを通り、またスロットリング・ポートでの十分な圧力
損失がある。一例として、直径12インチ（30.48cm）の
アイドラ・ディスクを使用すると、それぞれ直径約1/8
インチ（0.3175cm）の実質的に４個のスロットリング・
ポート147をもつ必要があることがわかった。この組合
わせにより、外部シール145とアイドラ・ディスク141の
間に約0.002インチ（0.00508cm）の間隙があるように、
アイドラ・ディスク141が平衡位置に保持される。 第７図はアイドラ・ディスク発明のもう一つの態様を
示す。この態様では、アイドラ・ディスクは外部ケーシ
ングに結合された静止表面上を回転し、アイドラ・ディ
スクとロータの間にはシールがない。この態様を説明す
るために、既述のポンプによく似た渦巻きポンプを使用
してみよう。ポンプは、ポンプ室157の境界を定める外
部ケーシング155をもっている。インペラ159はポンプ室
157内を回転するように配置される。突起161がインペラ
159の中心に隣接して、外部ケーシング155からポンプ室
157へ伸びている。突起161は、アイドラ・ディスク163
を取り付けるための軸受表面を提供している。突起161
は静止磨耗リング162としても役立つ。磨耗リングは、
インペラ付近の高圧領域から吸込み流路とインペラ背面
の低圧領域への漏れの程度を下げる手段として、回転イ
ンペラと静止ケーシングの間に狭い運転すき間をもたせ
るために渦巻きポンプで使用される。前及び後磨耗リン
グがポンプ室157内に置かれる。各組の磨耗リングはイ
ンペラ159上に取り付けられるリング164と、外部ケーシ
ング155に取り付けられる静止リング162とからなる。通
常、直径で0.020インチ（0.0508cm）未満の非常に狭い
間隙が回転リングと静止リングを隔てている。これらの
リングは、インペラ付近の比較的高圧の領域と吸込み流
路内やインペラ後部の低圧領域との間の漏れを減らすた
めに、渦巻きポンプにしばしば使用される。アイドラ・
ディスク163は、突起161によって提供される軸受表面に
沿って軸方向に自由に移動する。内部シール165は外部
ケーシング155からアイドラ・ディスク163の方向へ伸び
ている。内部シールはアイドラ・ディスク163の中心近
くにある。均圧口167は、内部シール165と突起161の間
のアイドラ・ディスク内端に提供される。外部シール16
9は外部ケーシング155の外端からアイドラ・ディスク16
3の方向へ伸びている。アイドラ・ディスク163の外端に
は、外部シール169と協力してアイドラ・ディスクの外
端にシールを提供するための穴ぐり171がある。外部シ
ールに対するこの配置は、アイドラ・ディスク163と外
部シール169の間にフラッシュ表面を提供している。フ
ラッシュ表面はアイドラ・ディスクとインペラ159の間
の乱流と効力損失を低下させる。 運転において、流体は基本的に既述のとおりに、本態
様のポンプを通って送られる。しかし、アイドラ・ディ
スクの操作は既述のものとは、やや異なっている。アイ
ドラ・ディスク163がインペラ159の方へ移動する場合、
外部シール169の間隙が狭まり、内部シール165の間隙が
広がる。その結果、外部ケーシング155に面したアイド
ラ・ディスクの側が、アイドラ・ディスクの内端近くで
比較的低圧になる。従って、アイドラ・ディスクのケー
シング側の平均圧力は、アイドラ・ディスクのインペラ
側の平均圧力よりかなり小さくなる。この圧力差はアイ
ドラ・ディスクをケーシング側壁の方へ移動させるよう
に働く。アイドラ・ディスクが外部ケーシング155の方
へ動く場合は、外部シールの間隙が広がり、内部シール
の間隙が狭まる。その結果、アイドラ・ディスクのケー
シング側がインペラの外端で高圧を受ける。これがアイ
ドラ・ディスクのケーシング側の平均圧力を、アイドラ
・ディスクのインペラ側の平均圧力より高い値に上昇さ
せ、この圧力がアイドラ・ディスクをインペラ側へ移動
させる。このように、アイドラ・ディスクがその平衡位
置から移動すれば、内外部シールによってつくられるア
イドラ・ディスクへの圧力がアイドラ・ディスクに対抗
して、アイドラ・ディスクへの軸方向の圧力を打消すよ
うな実質的に平衡な位置へディスクを戻す。 第７図に示す態様の操作において、磨耗リングの漏れ
は、インペラ外端からインペラとアイドラ・ディスクの
間を内部へ半径方向に通る。次に漏れは磨耗リング間を
通って出ていく。アイドラ・ディスクとインペラの間に
は、流体の非常に強力な回転が存在する（特に羽根を使
用する場合）。この回転はインペラで発生する圧力に等
しい圧力を発生させる。従って、磨耗リングのインペラ
側近くの圧力は、吸込み流路内の圧力ほど高くはなく、
漏れをすべて磨耗リングの間から排除する。 第９図はアイドラ・ディスク発明品のもう一つの態様
を示す。この態様では、渦巻きポンプ173はポンプ室177
の境界を定める外部ケーシング175をもち、回転インペ
ラ179をポンプ室内に配置している。 第９図に示すように、アイドラ・ディスクの内部シー
ル187を着脱式静止リング185上に取り付けることができ
る。内部シールは第９図に示すように調節自在にでき
る。この態様では、所望の間隙がアイドラ・ディスクで
得られるまで、内部シールを支持層189に沿って滑らせ
ることができる。次に内部シールを所望の位置に固定す
るために、止めねじを進めて内部シールを位置に固定で
きる。 第９図は本発明のもう一つの態様ないし特徴を示して
いる。渦巻きポンプには、インペラ外端と外部ケーシン
グの間に輪状の空間がある。この輪状の空間は、インペ
ラで排出される回転流体がその高速を圧力エネルギーに
転換できるようにするための領域を提供している。この
輪状空間は羽根なしディフューザと呼ばれ、流体にその
流動角を排出角に調節させるものである。流動角の漸進
的な調整は輪状空間の大きさを高めることによって達成
される。流動角の漸進的調整は、ポンプの排出区域でノ
イズと振動とすりへり型の磨耗を低下させる。しかし、
回転流体塊と静止ケーシング側壁の間の高い流体効力損
失のため、速度から圧力への転換効率が低く、羽根なし
ディフューザの使用はやや限定的なものであった。この
ため、ほとんどのポンプはポンプ効率を改良するため、
輪状空間の大きさをできるだけ減らすように設計されて
いる。しかし、輪状空間が減るにつれて、ポンプのノイ
ズも、振動、乱流も増すので、輪状空間を減らすにも限
度がある。このため、ポンプ設計では、輪状空間の大き
さを設計する時に、効率と許容できる運転上の特徴との
間に妥協がある。 第９図に示すように、アイドラ・ディスク174はイン
ペラ179の外端を越えて輪状空間176へ伸びている。この
ようにアイドラ・ディスク174は回転する羽根なしディ
フューザを形成する。アイドラ・ディスクはインペラ17
9の外端を越えた領域で、インペラ排出口とケーシング
外端の間で流体の誘導路を提供している。更に、アイド
ラ・ディスクはインペラから排出される流体と隣接境界
面の間で相対速度を低下させ、それによってインペラか
ら排出される流体とケーシングの静止側壁の間で流体効
力損失を低下させる。この低下した流体効力損失はポン
プで発生する圧力を高める。こうして、アイドラ・ディ
スク174をインペラ179の外端の先まで輪状空間中へ伸ば
すことによって、ポンプ効率を低下させるという著しい
影響を与えずに、大きめの輪状空間を使用できる。 本発明のアイドラ・ディスクは、形態的に直線状又は
平坦である必要がないことも認められるべきである。運
転の基本的原理に影響せずに、特定インペラの形状に合
わせてアイドラ・ディスクを形造ることができる。 第10A−Ｄは、本発明のアイドラ・ディスク用の内外
部シールに利用できる種々の構造を示す。前の態様に示
すように、シールは第１図に示すようにアイドラ・ディ
スク上、第８図に示すようにロータ上、又は第７図に示
すように外部ケーシング上に配置することができる。こ
のように、第10A−Ｄ図に示す構造がアイドラ・ディス
ク、インペラ又は外部ケーシングのいずれの上にもあり
うることは認められるべきであろう。 第10A図は放射状に方向づけられたシールを示す。こ
の態様では、シール193はアイドラ・ディスク195から放
射状に外側へ伸び、回転インペラ197に隣接して終わっ
ている。第10B図はシールに対する円錐状配置を示す。
シール201は回転インペラ203から放射状に伸びている。
インペラ203から隔たっているシール末端205は、角度を
なして形成されている。図示した角度は実質的に45°の
角度であるが、所望により、他の角度も使用できること
を了解すべきである。アイドラ・ディスクの外端207は
角度を付けて配置され、外端207の角度はインペラ203の
末端205の角度と実質的に同じである。このように、イ
ンペラ203の末端205がアイドラ・ディスク209の外端207
と協力してシールを形成している。 第10C図では、シール211はケーシング213から外側へ
放射状に伸びている。シール211はアイドラ・ディスク2
17の外端215の少なくとも一部の上に伸びている。シー
ル211と外端215の間のこの軸上の方向づけがアイドラ・
ディスク217に対するシールを形成している。 第10D図はアイドラ・ディスク用シールの異なる配置
を示す。この態様では複数の段付き部221がアイドラ・
ディスク223から回転インペラ225の方向に伸びている。
インペラ225からは複数のフランジ227がアイドラ・ディ
スク223の方へ伸びている。段付き部221とフランジ227
は互い違いの関係にあり、段付き部とフランジはアイド
ラ・ディスク223とインペラ225の間で空間的に重なるよ
うに伸びている。互い違いに重なる端付き部221とフラ
ンジ227は、アイドラ・ディスク223とインペラ225の間
でシールを形成する。 第10A−Ｄ図に示すシールはアイドラ・ディスク、イ
ンペラ又は外部ケーシング上に配置されるものとして説
明されたが、これらのシール構造がアイドラ・ディスク
とのシールを形成するために、これらの成分上に異なる
配置で置けることは認められるべきである。上に説明さ
れたように、シール機能にほとんど影響を与えずに、シ
ールをアイドラ・ディスク上、ロータ上、又はケーシン
グ上に置くことができる。 第11図はアイドラ・ディスク発明品のもう一つの態様
を示す。この態様では、回転インペラ237をもつ渦巻き
ポンプ235がある。渦巻きポンプ235の特徴は第８図に示
すポンプの特徴によく似ており、渦巻きポンプの説明の
すべてをくり返すことはしない。しかし、インペラ237
を取り巻くポンプ室239内に二つのアイドラ・ディスク
配置されるという大きな違いがある。インペラ237に隣
接して配置される中央寄りの一対のアイドラ・ディスク
241がある。中央寄りのアイドラ・ディスク241とポンプ
室239の側壁245との間に配置される外側寄りの一対のア
イドラ・ディスク243がある。中央寄り及び外側寄りア
イドラ・ディスクは、インペラ237の肩247上に滑り自在
に配置される。中央寄りのアイドラ・ディスク241は回
転インペラ237に隣接して配置される外部シール251をも
っている。外側寄りのアイドラ・ディスク243は中央寄
りのアイドラ・ディスクに隣接して配置された外部シー
ル253をもっている。中央寄りのアイドラ・ディスク上
の外部シール251と外側寄りのアイドラ・ディスク上の
外部シール253は、実質的に同じ面に配置され、肩247か
ら実質的に同じ距離だけ半径方向に外へ間隔を置いてい
る。中央寄りのアイドラ・ディスクは複数のスロットル
・ポート255をもち、これらは中央寄りアイドラ・ディ
スクの肩247に隣接する部分に配置されている。外側寄
りアイドラ・ディスクは複数のスロットル・ポート257
をもち、これらも外側寄りアイドラ・ディスクの肩247
に隣接する部分に配置されている。スロットル・ポート
255の中央線とスロットル・ポート257の中央線は、いず
れも肩247から実質的に同じ距離だけ隔たっている。し
かし、スロットル・ポート257はスロットル・ポート255
の直径より大きい直径をもつ。外側寄りアイドラ・ディ
スク243のスロットル・ポート257は、外側寄りアイドラ
・ディスクと中央寄りアイドラ・ディスクの双方からポ
ンプ輸送される流体を通さなければならないため、スロ
ットル・ポート257が大きめの直径をもつことが大切で
ある。 インペラの各側に二つのアイドラ・ディスクを利用す
ると、このような渦巻きポンプの摩擦抗力損失が更に低
下する。インペラ237が3600rpmで回転する場合、中央寄
りアイドラ・ディスク241は約2400rpmで回転し、外側寄
りアイドラ・ディスク243は約1200rpmで回転する。ポン
プ室239の側壁245と中央寄りアイドラ・ディスク241の
間の速度減少は、インペラの各側に１個のアイドラ・デ
ィスクを使用する時より大きな摩擦抗力の減少をもたら
す。例えば、単一アイドラ・ディスクの使用は、インペ
ラに隣接する流体塊の回転速度をインペラに比べて1800
rpmから900rpmへ、すなわち50％減速させる。片側２個
のアイドラ・ディスクの場合には、インペラに隣接する
流体塊はインペラに比べてわずか600rpm減少するだけで
あり、減少程度は元の66％である。既に論じたように、
流体の抗力損失は通常、速度との平方関係に従う。従っ
て、速度が元の値の半分になれば、抗力はその元の値の
４分の１に下がる。速度が元の値の３分の１になれば、
抗力は元の値のわずか９分の１に下がる。このため、イ
ンペラの各側に２個のアイドラ・ディスクを利用するこ
とは、渦巻きポンプの摩擦損失をなおも低減化する有効
な方法である。渦巻きポンプで更に摩擦損失を減らすた
めに、追加のアイドラ・ディスクを使用できることは理
解されるところである。主な制限は、アイドラ・ディス
ク用に利用できる空間の量、ポンプに加わる複雑さ、こ
のような複雑なポンプをつくるコストの増大、及び追加
アイドラ・ディスクを使用することから受ける付加的利
益である。各々の追加アイドラ・ディスクはポンプの摩
擦抗力の減少に寄与するとしても、各ディスクの低減化
比率は小さくなろう。 第12図と第13図は、アイドラ・ディスク発明品のもう
一つの態様である。この態様では、回転インペラ262と
アイドラ・ディスク263をもつ渦巻きポンプ261がある。
渦巻きポンプ261の特徴は第８図に示すポンプの特徴と
よく似ており、渦巻きポンプの説明の詳細をすべてくり
返すことはしない。 しかし、二つの主要な相違がある。一つの主要な相違
は、アイドラ・ディスク263が既述のような均圧口やス
ロットル・ポートのような流路を内端近くにもたないこ
とである。従って、アイドラ・ディスク263の内端近く
でケーシング側壁264とインペラ262の間に連絡がない。
もう一つの主要な相違は、インペラとアイドラ・ディス
クの間に磨耗リングが使用されないことである。アイド
ラ・ディスク263とインペラ262の間にある室271は、多
少とも吸込み流路265と自由な連絡がある。インペラ262
に結合される羽根266は、羽根近くの領域で流体回転を
強化するために使われる。外部シール267はディスク263
の外端近くに配置される。 外部シール267は、アイドラ・ディスク263の外端上の
拡大横断面部273によって形成される。セクション273は
インペラ262の方へ伸びて、外部シール267を形成する。
拡大横断面部273は、アイドラ・ディスク半径の約1/8な
いし約1/3の長さをもち、アイドラ・ディスク外端から
アイドラ・ディスク中心の方へ伸びている。 ケーシング側壁から伸びる肩269には、内部リテーナ
リング268が結合される。内部リテーナリングはケーシ
ング側壁264の方へ向かうディスク263の軸方向の運動を
制限するために使用される。内部リテーナリングの目的
は、ポンプ始動時又は停止時、又はポンプ内部の正常運
転条件を一時的に混乱させるような他の条件下に、ケー
シング側壁へ向かうディスクの軸方向の運動を制限する
にある。 運転において、回転インペラ262とそれに結合された
羽根266がインペラ262とディスク263の間に強力な流体
回転を起こす。この流体回転運動は、インペラ262で生
じる圧力と同程度又はそれより大きな圧力差を発生させ
るほど強力である。その結果、少量の流体が吸込み流路
265から、アイドラ・ディスク263とインペラ262の間の
空間を通って、ケーシング外端の排出流路273へポンプ
輸送される。 アイドラ・ディスク263がインペラ262の方へ移動する
場合、外部シール間隙が狭まることにより、シーリング
有効性を改良する。外部シールの有効性増加はインペラ
とアイドラ・ディスクの間の漏れ率を低下させ、それに
よってアイドラ・ディスク263とインペラ262の間の外部
シール267内の領域で圧力を増大させる。この高圧がア
イドラ・ディスクをインペラから引き離す。アイドラ・
ディスクがケーシング側壁264の方へ移動する場合は、
外部シール間隙が広がることにより、シーリング有効性
を下げる。外部シールの有効性低下はインペラとアイド
ラ・ディスクの間の漏れ率を高め、それによってアイド
ラ・ディスク263とインペラ262の間の外部シール267内
の領域の圧力を低下させる。この減圧の結果、アイドラ
・ディスクはインペラの方へその平衡位置まで引戻す。 大型渦巻きポンプでは、毎分200ガロンまでの流体が
磨耗リングを通り、ロータキャビティ270から吸込み流
路265へ漏れる。上の配置のアイドラ・ディスクは、こ
の漏れを完全に排除するだろう。更に、磨耗リングは定
期的に消耗し、取替える必要がある。アイドラ・ディス
クは、外部シールで起こりうる磨耗量に関係なく、その
平衡位置を自動的に保持する。 本発明を特定的な材料を参照しつつ詳細に説明した
が、このような説明は説明のためにのみ与えられている
ものであることを理解すべきである。添付の特許請求の
範囲で定義された発明の範囲から逸脱せずに、引用され
たもの以外に種々の変更と置換を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図はアイドラ・ディスク発明品の横断側面図であ
る。 第２図は第１図の線２−２に沿って取った横断面図、 第３図は本発明の横断側面図、 第４図は第３図の線４−４に沿った横断面図、 第５図は本発明の別の態様の横断側面図、 第６図は第５図の線６−６に沿った横断面図、 第７図は本発明の別の態様の部分横断側面図、 第８図は本発明の別の態様の部分横断側面図、 第９図は本発明の別の態様の部分横断側面図、 第10図は本発明の異なる態様の一連の部分横断側面図、 第11図は本発明の別の態様の横断側面図、 第12図は本発明の別の態様の部分横断側面図、 第13図は第12図の線13−13に沿った横断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート オクレジャス アメリカ合衆国 48161 ミシガン州 モンロー イーストハード ロード774 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F01D 5/02 F04D 29/44 F03B 11/00

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．以下のものを含む回転成分をもつ機械の、流体抗力
   を下げるためのアイドラ・ディスク： この機械の外側ハウジング； 外側ハウジング内に範囲を限定されるキャビティで、相
   対する側壁をもつもの； キャビティ内に位置し、キャビティ側壁から隔てられて
   いる回転成分； キャビティ内に位置する少なくとも一つの自由に回転で
   きるアイドラ・ディスクであって、このアイドラ・ディ
   スクが回転成分及びキャビティ側壁と隔てられた位置関
   係にあり、回転成分の長さの少なくとも一部に沿ってキ
   ャビティ内に伸びており、かつ回転成分の回転によって
   回転させられたキャビティ内の回転流体によって回転成
   分と同じ方向に回転させられ、この回転するアイドラ・
   ディスクで回転成分に隣接して回転する流体の速度が高
   まることにより、回転成分への流体抗力の減少をもたら
   すアイドラ・ディスク； アイドラ・ディスクと回転成分との間の流体の流れを制
   御するために、アイドラ・ディスクと回転成分との間で
   シールを形成する外部シール手段であって、回転成分と
   アイドラ・ディスクの外端に隣接して置かれる外部シー
   ル手段；及び アイドラ・ディスクの中心に隣接してアイドラ・ディス
   ク内に位置する少なくとも一つの流路であって、キャビ
   ティ内の流体がこの流路を通って流れ、外部シール手段
   と流路が、アイドラ・ディスクをアイドラ・ディスクが
   回転成分とキャビティ側壁とから隔てられた位置関係に
   保持されるような所望の平衡な位置に保つために、アイ
   ドラ・ディスクの側面への軸方向の力を均等化するよう
   に働くようにするための流路。 ２．回転成分の両側にアイドラ・ディスクが置かれてい
   る、特許請求の範囲第１項のアイドラ・ディスク。 ３．アイドラ・ディスクが実質的に回転成分の全長にわ
   たって伸びている、特許請求の範囲第１項のアイドラ・
   ディスク。 ４．アイドラ・ディスクが、キャビティ内で自由に回転
   できるように据え付けられた実質的に円形の薄いディス
   クである、特許請求の範囲第２項のアイドラ・ディス
   ク。 ５．回転成分が実質的に円形であり、アイドラ・ディス
   クが回転成分の直径の約２分の１ないし約３分の１の直
   径をもつ、特許請求の範囲第４項のアイドラ・ディス
   ク。 ６．アイドラ・ディスクが平衡な位置からはずれた場合
   に、アイドラ・ディスクに復元力をつくりだし、それに
   よってアイドラ・ディスクが実質的に平衡な位置に戻る
   ように、外部シール手段と流路が、該シール手段の密封
   効果を変化させることにより、キャビティ内の流体の流
   れを制御している、特許請求の範囲第１項のアイドラ・
   ディスク。 ７．アイドラ・ディスクとキャビティとの間の流体の流
   れを制御するために、アイドラ・ディスクの中心に隣接
   した内部シール手段があって、これがアイドラ・ディス
   クとキャビティとの間のシールを形成している、特許請
   求の範囲第１項のアイドラ・ディスク。 ８．内部シールが流路の隣接位置にある、特許請求の範
   囲第７項のアイドラ・ディスク。 ９．流路が内部シールとアイドラ・ディスクの中心との
   間に位置している、特許請求の範囲第８項のアイドラ・
   ディスク。 １０．アイドラ・ディスクに約２本ないし約８本の流路
   が置かれている、特許請求の範囲第１項のアイドラ・デ
   ィスク。 １１．アイドラ・ディスク内の流路がアイドラ・ディス
   ク表面積の約1/4％ないし約１％の面積をもつ、特許請
   求の範囲第10項のアイドラ・ディスク。 １２．内部シール手段と外部シール手段がアイドラ・デ
   ィスク上に位置している、特許請求の範囲第７項のアイ
   ドラ・ディスク。 １３．内部シール手段がアイドラ・ディスクからキャビ
   ティの方向へ伸びており、外部シール手段がアイドラ・
   ディスクから回転成分の方向へ伸びている、特許請求の
   範囲第12項のアイドラ・ディスク。 １４．外部シール手段が回転成分上に位置し、アイドラ
   ・ディスクの方へ伸びており、内部シール手段がキャビ
   ティに位置し、アイドラ・ディスクの方へ伸びている、
   特許請求の範囲第７項のアイドラ・ディスク。 １５．アイドラ・ディスクに隣接するキャビティからプ
   レートが伸びており、内部シール手段がプレート上に位
   置している、特許請求の範囲第14項のアイドラ・ディス
   ク。 １６．内外部シール手段がアイドラ・ディスクに対して
   軸方向の運動の限界を定めている、特許請求の範囲第７
   項のアイドラ・ディスク。 １７．流体をポンプ送りする時に流体の抗力を減少させ
   る渦巻きポンプであって、以下を含むもの： ポンプの外側ハウジング； 外側ハウジング内に位置するポンピング・キャビティ
   で、相対する実質的に平行な側壁をもつもの。 ポンピング・キャビティ内に位置する回転インペラであ
   って、ポンピング・キャビティ側壁から実質的に隔てら
   れて配置され、インペラ側面がポンプ室側壁から隔てら
   れているもの； ポンプ室内の回転インペラの各側に位置する少なくとも
   一つの回転できるアイドラ・ディスクであって、このア
   イドラ・ディスクがインペラやポンプ室側壁と隔てられ
   た位置関係にあり、インペラに実質的に平行に配置さ
   れ、実質的にインペラの全長にわたって配置され、かつ
   インペラの回転によって回転させられたポンピング・キ
   ャビティ内の回転流体によってインペラと同じ方向に回
   転させられ、この回転するアイドラ・ディスクでインペ
   ラに隣接して回転する流体の速度が高まることにより、
   インペラへの流体抗力の減少をもたらすアイドラ・ディ
   スク； アイドラ・ディスクとキャビティとの間の流体の流れを
   制御するために、アイドラ・ディスクとキャビティとの
   間でシールを形成する内部シール手段であって、インペ
   ラの中心に隣接して位置する内部シール手段； インペラの外端に隣接するアイドラ・ディスクの末端に
   隣接して置かれる外部シール手段であって、アイドラ・
   ディスクとインペラとの間の流体の流れを制御するため
   にアイドラ・ディスクとインペラとの間にシールを形成
   する外部シール手段；及び 内部シール手段に隣接するアイドラ・ディスクの末端に
   位置する少なくとも一つの流路であって、インペラの中
   心に隣接するアイドラ・ディスクの末端と内部シール手
   段との間に配置され、キャビティ内の流体がこの流路を
   通って流れ、外部シール手段と流路が、アイドラ・ディ
   スクの各面への軸方向の力を均等化するように働かせる
   ための流路。 １８．アイドラ・ディスクが、キャビティ内で自由に回
   転できるように据え付けられている実質的に円形の薄い
   ディスクであり、インペラが実質的に円形である、特許
   請求の範囲第17項のポンプ。 １９．アイドラ・ディスクとインペラが実質的に同じ軸
   の回りを回転するように据え付けられる、特許請求の範
   囲第18項のポンプ。 ２０．アイドラ・ディスクがインペラの直径の約２分の
   １ないし約３分の１の直径をもつ、特許請求の範囲第19
   項のポンプ。 ２１．ポンピング・キャビティがインペラ外端の周囲に
   室を形成し、この室がポンピング・キャビティからの排
   出口を定めており、アイドラ・ディスクがインペラの外
   端を越えて室内に伸び、流体が室からポンプ輸送される
   とアイドラ・ディスクが回転し、回転するアイドラ・デ
   ィスクがポンピング・キャビティから排出される流体へ
   の抗力を減少させる、特許請求の範囲第20項のポンプ。 ２２．アイドラ・ディスクが平衡な位置からはずれた場
   合に、アイドラ・ディスクに復元力をつくりだし、それ
   によってアイドラ・ディスクが実質的に平衡な位置に戻
   るように、内部シール手段、外部シール手段及び流路
   が、該シール手段の密封効果を変化させることにより、
   ポンピング・キャビティ内の流体の流れを制御してい
   る、特許請求の範囲第17項のポンプ。 ２３．約２本ないし約８本の流路がアイドラ・ディスク
   上に位置している、特許請求の範囲第17項のポンプ。 ２４．アイドラ・ディスク上の流路がアイドラ・ディス
   ク表面積の約1/4％ないし約１％の面積をもつ、特許請
   求の範囲第23項のポンプ。 ２５．内部シール手段と外部シール手段がアイドラ・デ
   ィスク上に位置している、特許請求の範囲第17項のポン
   プ。 ２６．内部シール手段がアイドラ・ディスクから外側ハ
   ウジング壁の方向へ伸びており、外部シール手段がアイ
   ドラ・ディスクからインペラの方向へ伸びている、特許
   請求の範囲第25項のポンプ。 ２７．プレートが外側ハウジングから伸びており、内部
   シールがプレートとアイドラ・ディスクの間にシールを
   形成する、特許請求の範囲第26項のポンプ。 ２８．外部シール手段がインペラ上に位置し、アイドラ
   ・ディスクの方へ伸びている、特許請求の範囲第17項の
   ポンプ。 ２９．アイドラ・ディスクに隣接する外側ハウジングか
   らプレートが伸びており、内部シールがプレート上に位
   置している、特許請求の範囲第28項のポンプ。 ３０．該インペラが肩部を有し、アイドラ・ディスクが
   該肩部上に位置し、アイドラ・ディスクが内外部シール
   手段の間で、該肩部に沿って軸方向に自由に移動する、
   特許請求の範囲第17項のポンプ。 ３１．流体をポンプ送りする時に流体の抗力を減少させ
   る渦巻きポンプであって、以下を含むもの： ポンプの外側ハウジング； 外側ハウジング内に位置するポンピング・キャビティ
   で、相対する実質的に平行な側壁をもつもの。 ポンピング・キャビティの実質的に中心を通過する回転
   シャフトで、ポンピング・キャビティ側壁に実質的に垂
   直に配置されているもの。 回転シャフト上に据え付けられ、ポンピング・キャビテ
   ィ内に位置する回転インペラであって、ポンピング・キ
   ャビティ側壁に実質的に平行に配置され、インペラ側面
   がポンプ室側壁から隔てられているインペラ； ポンプ室内の回転インペラの各側に位置する少なくとも
   一つの回転できるアイドラ・ディスクであって、このア
   イドラ・ディスクがインペラやポンプ室側壁と隔てられ
   た位置関係にあり、インペラに実質的に平行に配置さ
   れ、実質的にインペラの全長に沿ってポンプ室内に伸び
   ており、ポンプ室内で軸方向に自由に移動し、かつイン
   ペラの回転によって回転させられたポンピング・キャビ
   ティ内の流体の回転によってインペラと同じ方向に回転
   させられ、この回転するアイドラ・ディスクでインペラ
   に隣接して回転する流体の速度が高まることにより、イ
   ンペラへの流体抗力の減少をもたらすアイドラ・ディス
   ク； アイドラ・ディスク上に位置する第一シールであって、
   回転シャフトに隣接するアイドラ・ディスクの末端に位
   置し、アイドラ・ディスクからポンプ室壁の方向へ伸び
   ていて、アイドラ・ディスクとキャビティとの間の流体
   の流れを制御するために、アイドラ・ディスクとキャビ
   ティとの間でシールを形成する第一シール； 回転シャフトから隔たったアイドラ・ディスクの末端に
   位置する第二シールであって、アイドラ・ディスクから
   インペラの方向へ伸びていて、アイドラ・ディスクとイ
   ンペラとの間の流体の流れを制御するためにアイドラ・
   ディスクとインペラの間にシールを形成する第二シー
   ル； 回転シャフトに隣接するアイドラ・ディスクの末端に位
   置する複数の流路であって、回転シャフトに隣接するア
   イドラ・ディスク末端と第一シールとの間に配置され、
   アイドラ・ディスク面積の約1/4％ないし約１％の面積
   をもち、アイドラ・ディスクを所望の平衡位置に保つた
   めに、アイドラ・ディスクの各面への軸方向の力を均等
   化するように作用し、その位置でアイドラ・ディスクが
   インペラとポンピング・キャビティ側壁とから隔てられ
   た位置関係に保持されるようにするための複数の流路；
   及び インペラ上に位置する放射羽根であって、インペラの各
   側に位置し、インペラに沿って回転シャフトの隣接地点
   からインペラの実質的に中点まで伸びていて、回転シャ
   フトの縦軸に実質的に垂直な方向に伸びている放射羽
   根。 ３２．シール表面がアイドラ・ディスク表面に実質的に
   平行であるように第一及び第二シールが位置している、
   特許請求の範囲第31項のポンプ。 ３３．第一シールがアイドラ・ディスク表面に対してあ
   る角度で配置されたシール表面をもち、プレートがポン
   ピング・キャビティ側壁から伸びていて、アイドラ・デ
   ィスクの隣りに位置し、プレート末端がシール表面上の
   角度と実質的に同じ角度で配置され、角度を付けた末端
   をもつプレートが角度を付けたシール表面に隣接してい
   る、特許請求の範囲第31項のポンプ。 ３４．第二シールがアイドラ・ディスク表面に対してあ
   る角度で配置されたシール表面をもち、インペラが、第
   二シールと一直線上に位置し第二シールの方へ伸びてい
   る突起をもち、インペラから離れて置かれた突起の末端
   が、シール表面上の角度と実質的に同じ角度で配置され
   ている、特許請求の範囲第33項のポンプ。 ３５．プレートがポンピング・キャビティの各側から伸
   び、アイドラ・ディスクに実質的に平行に位置し、アイ
   ドラ・ディスク表面に実質的に垂直に位置する末端で終
   わり、第一シールがアイドラ・ディスクからこのプレー
   ト末端の少なくとも一部にわたって伸びていて、プレー
   ト末端にすぐ隣接した位置にある、特許請求の範囲第31
   項のポンプ。 ３６．第一及び第二シールがアイドラ・ディスクから伸
   びる複数の段付き部を含めてなり、段付き部がアイドラ
   ・ディスク表面に実質的に垂直に配置され、複数のフラ
   ンジがインペラとポンピング・キャビティ壁上に位置
   し、アイドラ・ディスク表面に実質的に垂直に配置さ
   れ、壁上のフランジが第一シールの方へ伸びていて、第
   一シールの段付き部と互い違いに重なった関係にあり、
   インペラ上の第二フランジが第二シールの方へ伸びてい
   て、第二シールの段付き部と互い違いに重なった関係に
   ある、特許請求の範囲第31項のポンプ。 ３７．回転成分をもつ機械の流体抗力を下げるための、
   以下のものを含むアイドラ・ディスク： この機械の外側ハウジング； 外側ハウジング内に範囲を限定されるキャビティで、相
   対する側壁をもつもの。 キャビティ内に位置し、キャビティ側壁から隔てられて
   いる回転成分； キャビティ内に位置する少なくとも一つの自由に回転で
   きるアイドラ・ディスクであって、このアイドラ・ディ
   スクが回転成分やキャビティ側壁と隔てられた位置関係
   にあり、回転成分の全長の少なくとも一部に沿ってキャ
   ビティ内に伸びており、かつ回転成分の回転によって回
   転させられたキャビティ内の回転流体によって回転成分
   と同じ方向に回転させられ、この回転するアイドラ・デ
   ィスクで回転成分に隣接して回転する流体の速度が高ま
   ることにより、回転成分への流体抗力の減少をもたらす
   アイドラ・ディスク； アイドラ・ディスクとキャビティ側壁との間の流体の流
   れを制御するために、アイドラ・ディスクとキャビティ
   側壁との間でシールを形成する外部シール手段であっ
   て、アイドラ・ディスクの外端に隣接して置かれる外部
   シール手段；及び アイドラ・ディスクの中心に隣接してアイドラ・ディス
   ク内に位置する少なくとも一つの流路であって、キャビ
   ティ内の流体がこの流路を通って流れ、外部シール手段
   と流路が、アイドラ・ディスクを所望の平衡な位置に保
   つために、アイドラ・ディスクの側面への軸方向の力を
   均等化するように働き、その位置でアイドラ・ディスク
   が回転成分とキャビティ側壁とから隔てられた位置関係
   に保持されるようにするための流路。 ３８．アイドラ・ディスクが回転成分の各側に位置して
   いる、特許請求の範囲第１項のアイドラ・ディスク。 ３９．内部シール手段がアイドラ・ディスクとキャビテ
   ィ側壁との間の流体の流れを制御するためにアイドラ・
   ディスクとキャビティ側壁との間でシールを形成する、
   特許請求の範囲第37項のアイドラ・ディスク。 ４０．回転機械内の流体摩擦抗力による損失を減少させ
   るための以下の段階を含む方法： キャビティ内の機械成分を回転させ； キャビティ内の回転成分とキャビティ側壁との間に位置
   するアイドラ・ディスクを、成分の回転から生じるキャ
   ビティ内の流体運動によって回転させ； アイドラ・ディスクの外端と成分との間にシールを形成
   させて、アイドラ・ディスクと成分との間の流体の流れ
   を制御するようにシールを作用させ；かつ アイドラ・ディスクの内端内の少なくとも一つの流路に
   流体を通し、アイドラ・ディスクを側壁と成分の間の所
   望の位置に保つために、シールを横断して流路内を流れ
   る流体に、アイドラ・ディスクの相対する面への軸方向
   の力を均等化するように作用させ、その位置でアイドラ
   ・ディスクが自由に回転し、回転成分への流体摩擦抗力
   が減少するようにさせる。 ４１．アイドラ・ディスクの運動がシールの有効性を変
   え、かつアイドラ・ディスクと成分との間の流体の流れ
   を変え、このシール有効性の変化がアイドラ・ディスク
   の各々の側への圧力を変えるように作用する、特許請求
   の範囲40項の方法。 ４２．流体が流路を通って、アイドラ・ディスクの相対
   する側に存在する圧力差に依存する方向と速度で流れ
   る、特許請求の範囲第41項の方法。 ４３．シール有効性及び流路を通る流体流の変化がアイ
   ドラ・ディスクに復元力を生じさせ、それによってアイ
   ドラ・ディスクが成分とキャビティ側壁の間の所望の平
   衡位置に戻るようにさせる、特許請求の範囲第42項の方
   法。 ４４．アイドラ・ディスク内端とキャビティ側壁との間
   にシールが形成される、特許請求の範囲第40項の方法。 ４５．アイドラ・ディスクが成分の各々の側に配置され
   る、特許請求の範囲第40項の方法。 ４６．成分の各々の側に少なくとも二つのアイドラ・デ
   ィスクが位置し、回転成分から生ずるキャビティ内の流
   体運動によって回転させられる、特許請求の範囲第45項
   の方法。 ４７．回転機械内の流体摩擦抗力による損失を減少させ
   るために、 キャビティ内の回転成分となる機械成分を回転させ； キャビティ内の該回転成分とキャビティ側壁との間に位
   置する少なくとも一つのアイドラ・ディスクを、該回転
   成分の回転から生じるキャビティ内の流体運動によって
   回転させ；かつ アイドラ・ディスク外端と該回転成分との間にシールを
   形成させ、アイドラ・ディスクと該回転成分との間の流
   体の流れを制御するようにシールを作用させて、アイド
   ラ・ディスクを側壁と該回転成分の間の所望の位置に保
   つために、アイドラ・ディスクの相対する面への軸方向
   の力を均等にし、その位置でアイドラ・ディスクが自由
   に回転し、該回転成分への流体摩擦抗力を減少するよう
   にさせる； 以上の段階を含む方法。 ４８．アイドラ・ディスクの運動がシールの有効性を変
   え、かつアイドラ・ディスクと該回転成分との間の流体
   の流量を変え、シール有効性の変化がアイドラ・ディス
   クの各々の側への圧力を変えるように作用する、特許請
   求の範囲47項の方法。 ４９．キャビティ側壁へ向かう方向のアイドラ・ディス
   クの運動が、アイドラ・ディスクとキャビティ側壁との
   間に位置するストップによって制御される、特許請求の
   範囲第47項の方法。 ５０．回転成分をもつ機械の流体抗力を下げるための、
   以下のものを含むアイドラ・ディスク： この機械の外側ハウジング； 外側ハウジング内に範囲を限定されるキャビティで、相
   対する側壁をもつもの。 キャビティ内に位置し、キャビティ側壁から隔てられて
   いる回転成分； キャビティ内に位置する少なくとも一つの自由に回転で
   きるアイドラ・ディスクであって、このアイドラ・ディ
   スクが回転成分やキャビティ側壁と隔てられた位置関係
   にあり、回転成分の全長の少なくとも一部に沿ってキャ
   ビティ内に伸びており、かつ回転成分の回転によって回
   転させられたキャビティ内の回転流体によって回転成分
   と同じ方向に回転させられ、この回転するアイドラ・デ
   ィスクで回転成分に隣接して回転する流体の速度が高ま
   ることにより、回転成分への流体抗力の減少をもたらす
   アイドラ・ディスク； アイドラ・ディスクと回転成分との間の流体の流れを制
   御するために、アイドラ・ディスクと回転成分との間で
   シールを形成する外部シール手段であって、回転成分と
   アイドラ・ディスクの外端に隣接して置かれており、ア
   イドラ・ディスクを側壁と成分の間の所望の位置に保つ
   ために、アイドラ・ディスクの相対する面への軸方向の
   力を均等化するように作用させて、その位置でアイドラ
   ・ディスクを回転成分とキャビティ側壁とから隔てられ
   た位置関係に保持するための外部シール手段。 ５１．アイドラ・ディスクが回転成分の各々の側に位置
   している、特許請求の範囲第50項のアイドラ・ディス
   ク。 ５２．ストップがアイドラ・ディスクの内端に隣接し
   て、アイドラ・ディスクとキャビティ側壁との間に位置
   し、側壁の方向にアイドラ・ディスクの運動を制御する
   ように作用する、特許請求の範囲第50項のアイドラ・デ
   ィスク。 ５３．アイドラ・ディスクがその外端に位置する拡大さ
   れた横断面の区域をもち、この拡大横断面区域が回転成
   分の方へ伸びて、外部シール手段を形成している、特許
   請求の範囲第50項のアイドラ・ディスク。 ５４．拡大横断面区域が回転成分の半径の約1/8ないし
   約1/3の長さをもち、アイドラ・ディスクの外端から中
   心方向へ伸びている、特許請求の範囲第53項のアイドラ
   ・ディスク。