(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022161497
(43)【公開日】2022-10-21
(54)【発明の名称】ラビリンスシール
(51)【国際特許分類】
F16J 15/447 20060101AFI20221014BHJP
【ＦＩ】
F16J15/447
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021066367
(22)【出願日】2021-04-09
(71)【出願人】
【識別番号】503361400
【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(74)【代理人】
【識別番号】100161702
【弁理士】
【氏名又は名称】橋本 宏之
(74)【代理人】
【識別番号】100188592
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 洋
(74)【代理人】
【識別番号】100181124
【弁理士】
【氏名又は名称】沖田 壮男
(74)【代理人】
【識別番号】100163496
【弁理士】
【氏名又は名称】荒 則彦
(72)【発明者】
【氏名】角銅 洋実
(72)【発明者】
【氏名】高田 仁志
【テーマコード（参考）】
3J042
【Ｆターム（参考）】
3J042AA03
3J042BA01
3J042CA01
3J042CA10
(57)【要約】
【課題】本発明は、シール性の高いラビリンスシールの提供を目的とする。
【解決手段】本発明に係るラビリンスシールは、静止部であるハウジングと回転部との間の間隙に前記回転部の回転中心軸と平行な方向に沿って複数整列形成される絞り片を備え、前記複数の絞り片の先端と前記回転部との間に縮流部を生成し、前記複数の絞り片の間の間隙に膨張室を生成するラビリンスシールであり、前記回転部の回転中心軸線方向に沿って前記ハウジングの一側に高圧領域が前記ハウジングの他側に低圧領域が前記間隙を介して配置され、前記高圧領域と前記低圧領域を仕切るラビリンスシールであって、前記絞り片の側壁に該絞り片の厚さ方向両側に隣接する高圧側膨張室と低圧側膨張室に開口する流量調整孔が１つ以上形成されたことを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係るラビリンスシールは、静止部であるハウジングと回転部との間の間隙に前記回転部の回転中心軸と平行な方向に沿って複数整列形成される絞り片を備え、前記複数の絞り片の先端と前記回転部との間に縮流部を生成し、前記複数の絞り片の間の間隙に膨張室を生成するラビリンスシールであり、前記回転部の回転中心軸線方向に沿って前記ハウジングの一側に高圧領域が前記ハウジングの他側に低圧領域が前記間隙を介して配置され、前記高圧領域と前記低圧領域を仕切るラビリンスシールであって、前記絞り片の側壁に該絞り片の厚さ方向両側に隣接する高圧側膨張室と低圧側膨張室に開口する流量調整孔が１つ以上形成されたことを特徴とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
静止部であるハウジングと回転体との間の間隙に前記回転体の回転中心軸と平行な方向に沿って複数整列形成される絞り片を備え、前記複数の絞り片の先端と前記ハウジングとの間に縮流部を生成し、前記複数の絞り片の間の間隙に膨張室を生成するラビリンスシールであり、
前記回転体の回転中心軸線方向に沿って前記ハウジングの一側に高圧領域が前記ハウジングの他側に低圧領域が前記間隙を介して配置され、前記高圧領域と前記低圧領域を仕切るラビリンスシールであって、
前記絞り片に該絞り片の厚さ方向両側に隣接する高圧側膨張室と低圧側膨張室に開口する流量調整孔が１つ以上形成されたことを特徴とするラビリンスシール。
前記回転体の回転中心軸線方向に沿って前記ハウジングの一側に高圧領域が前記ハウジングの他側に低圧領域が前記間隙を介して配置され、前記高圧領域と前記低圧領域を仕切るラビリンスシールであって、
前記絞り片に該絞り片の厚さ方向両側に隣接する高圧側膨張室と低圧側膨張室に開口する流量調整孔が１つ以上形成されたことを特徴とするラビリンスシール。
【請求項2】
前記絞り片の前記高圧側膨張室に連通する前記流量調整孔の高圧側開口部と、前記絞り片の前記低圧側膨張室に連通する前記流量調整孔の低圧側開口部との間に内部流路が形成され、該内部流路の延在方向が、前記回転体の回転方向に沿って前方側に前記低圧側開口部を、前記回転体の回転方向後方側に前記高圧側開口部を配置するように傾斜されたことを特徴とする請求項１に記載のラビリンスシール。
【請求項3】
前記絞り片の前記高圧側膨張室に連通する前記流量調整孔の高圧側開口部と、前記絞り片の前記低圧側膨張室に連通する前記流量調整孔の低圧側開口部との間に内部流路が形成され、該内部流路の延在方向が、前記絞り片の厚さ方向に沿って基端側から先端側にかけて傾斜されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のラビリンスシール。
【請求項4】
前記流量調整孔における高圧側開口部の開口面積が前記流量調整孔における低圧側開口部の開口面積よりも小さくされたことを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載のラビリンスシール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ラビリンスシールに関する。
【背景技術】
【0002】
ラビリンスシールは、従来、回転機械において回転部と静止部との間の間隙で生じる流体の漏洩を非接触で抑制する機構として用いられる。このようなラビリンスシールは、前記間隙に対し複数の絞り片により流体の流路を窄めて縮流部を形成し、縮流部を通過した流体を絞り片同士の間の空間で膨張させることで圧力損失を高めて流体の漏洩を抑止する。
ラビリンスシールには様々な形状例が存在するが、一般的に軸対象構造を形成している。
ラビリンスシールには様々な形状例が存在するが、一般的に軸対象構造を形成している。
【0003】
例えば、以下の特許文献１に記載の技術では、ラビリンスシールにおいて、軸の振動に対し実質的に自由に浮動するエラストマー質の本体を設け、高圧室と低圧室の間においてこの浮動する本体によりガスの過度の漏れを制御した構造が開示されている。
また、以下の特許文献２に記載のように、上流縮流部と下流縮流部を特定の方向に変位させて配置し、膨張室に流入した流体の一部を出口絞り片の根元から先端に向けて、下流縮流部に案内する案内部を設けた構造が開示されている。
また、以下の特許文献２に記載のように、上流縮流部と下流縮流部を特定の方向に変位させて配置し、膨張室に流入した流体の一部を出口絞り片の根元から先端に向けて、下流縮流部に案内する案内部を設けた構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平７－７１６２１号公報
【特許文献2】特開２０１８－２１５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
この種のラビリンスシールは、非接触型のシールであり、回転体と静止体の間に一定の間隙を有するため、接触型のシールに比べシール性能に劣る問題がある。
従って、ラビリンスシールにあっては、より高い流体の漏洩抑制力が求められている状況にある。
従って、ラビリンスシールにあっては、より高い流体の漏洩抑制力が求められている状況にある。
【0006】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、従来のラビリンスシールに比べ、流体漏れを著しく抑制できるようにシール性能を向上させたラビリンスシールの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、上記課題を解決する手段として、以下の構成を有する。
（１）本形態に係るラビリンスシールは、静止部であるハウジングと回転体との間の間隙に前記回転体の回転中心軸と平行な方向に沿って複数整列形成される絞り片を備え、前記複数の絞り片の先端と前記ハウジングとの間に縮流部を生成し、前記複数の絞り片の間の間隙に膨張室を生成するラビリンスシールであり、前記回転体の回転軸線方向に沿って前記ハウジングの一側に高圧領域が前記ハウジングの他側に低圧領域が前記間隙を介して配置され、前記高圧領域と前記低圧領域を仕切るラビリンスシールであって、前記絞り片に該絞り片の厚さ方向両側に隣接する高圧側膨張室と低圧側膨張室に開口する流量調整孔が１つ以上形成されたことを特徴とする。
（１）本形態に係るラビリンスシールは、静止部であるハウジングと回転体との間の間隙に前記回転体の回転中心軸と平行な方向に沿って複数整列形成される絞り片を備え、前記複数の絞り片の先端と前記ハウジングとの間に縮流部を生成し、前記複数の絞り片の間の間隙に膨張室を生成するラビリンスシールであり、前記回転体の回転軸線方向に沿って前記ハウジングの一側に高圧領域が前記ハウジングの他側に低圧領域が前記間隙を介して配置され、前記高圧領域と前記低圧領域を仕切るラビリンスシールであって、前記絞り片に該絞り片の厚さ方向両側に隣接する高圧側膨張室と低圧側膨張室に開口する流量調整孔が１つ以上形成されたことを特徴とする。
【0008】
本形態によれば、流量調整孔を設けたことにより、回転体の回転状態において、シール下流側の流体の一部に流量調整孔を介しシール上流側に逆流させる効果が得られる。
また、流量調整孔を設けたことにより、複数の絞り片によって間隙に区画される複数の膨張室の圧力損失を上昇させる効果が得られる。
これらの効果により、複数の膨張室における渦流の発生を抑制し、流体の流れを円滑にして間隙におけるシール性能を向上できる。
また、流量調整孔を設けたことにより、複数の絞り片によって間隙に区画される複数の膨張室の圧力損失を上昇させる効果が得られる。
これらの効果により、複数の膨張室における渦流の発生を抑制し、流体の流れを円滑にして間隙におけるシール性能を向上できる。
【0009】
（２）本発明に係るラビリンスシールにおいて、前記絞り片の前記高圧側膨張室に連通する前記流量調整孔の高圧側開口部と、前記絞り片の前記低圧側膨張室に連通する前記流量調整孔の低圧側開口部との間に内部流路が形成され、該内部流路の延在方向が、前記回転体の回転方向に沿って前方側に前記低圧側開口部を、前記回転体の回転方向後方側に前記高圧側開口部を配置するように傾斜されたことが好ましい。
【0010】
（３）本発明に係るラビリンスシールにおいて、前記絞り片の前記高圧側膨張室に連通する前記流量調整孔の高圧側開口部と、前記絞り片の前記低圧側膨張室に連通する前記流量調整孔の低圧側開口部との間に内部流路が形成され、該内部流路の延在方向が、前記絞り片の厚さ方向に沿って基端側から先端側にかけて傾斜されたことが好ましい。
（４）本発明に係るラビリンスシールにおいて、前記流量調整孔における高圧側開口部の開口面積が前記流量調整孔における低圧側開口部の開口面積よりも小さくされたことが好ましい。
（４）本発明に係るラビリンスシールにおいて、前記流量調整孔における高圧側開口部の開口面積が前記流量調整孔における低圧側開口部の開口面積よりも小さくされたことが好ましい。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、シール下流側の膨張室の流体の一部に流量調整孔を介しシール上流側の膨張室に逆流させる効果と、複数の絞り片によって区画される複数の膨張室の圧力損失を上昇させる効果により、流量調整孔を有しないラビリンスシールに比べ、回転体と静止部の間隙における良好なシール性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】図１は、ラビリンスシールの絞り片の構造について検証するためにシミュレーション解析に供した解析モデルの計算領域全景を示す説明図であり、ラビリンスシールを含むロータの回転に乗った回転系を想定した場合の解析モデルを示す説明図である。
【図21】図２１は、絞り片に流量調整孔を設けていない解析モデルについてシミュレーション解析した場合に得られた、ロータの回転数０、１００００、２００００、３００００ｒｐｍの各々の場合の流体の軸方向速度を対比して示すグラフである。
【図22】図２２は、絞り片に流量調整孔を設けた解析モデルについてシミュレーション解析した場合に得られた、ロータの回転数０、１００００、２００００、３００００ｒｐｍの各々の場合の流体の軸方向速度を対比して示すグラフである。
【図26】図２６は、絞り片に流量調整孔を設けていない解析モデルと流量調整孔を設けた解析モデルについて、ロータの回転数１００００ｒｐｍの場合のシミュレーション解析により得られた流体の旋回速度を対比して示すグラフである。
【図27】図２７は、絞り片に流量調整孔を設けていない解析モデルと流量調整孔を設けた解析モデルについて、ロータの回転数２００００ｒｐｍの場合のシミュレーション解析により得られた流体の旋回速度を対比して示すグラフである。
【図28】図２８は、ラビリンスシールの絞り片の構造について検証するためにシミュレーションソフトに与えた解析モデルの計算領域全景を示す説明図であり、ラビリンスシールを含むロータの回転に乗った回転系を想定し、絞り片に流量調整孔を設けていない場合の構造を示す説明図である。
【図39】ラビリンスシールのシール性に関し、ロータの回転数２００００ｒｐｍの場合に得られるＣｄ値を用い、シミュレーション解析結果と実測値を比較して示すグラフである。
【図40】ラビリンスシールのシール性に関し、ロータの回転数２００００ｒｐｍの場合に得られる正規化Ｃｄ値を用い、シミュレーション解析結果と実測値を比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
「第１実施形態」
以下、本発明の第１実施形態を挙げて本発明の詳細について説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に制限されるものではない。
図１は、本発明の第１実施形態に係るラビリンスシールの構造について検証するためにＣＦＤ解析（数値流体力学解析）に供した解析モデルの計算領域全景を示す説明図であり、ラビリンスシールを含むロータの回転に乗った回転系を想定した場合の解析モデルを示している。
以下、本発明の第１実施形態を挙げて本発明の詳細について説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に制限されるものではない。
図１は、本発明の第１実施形態に係るラビリンスシールの構造について検証するためにＣＦＤ解析（数値流体力学解析）に供した解析モデルの計算領域全景を示す説明図であり、ラビリンスシールを含むロータの回転に乗った回転系を想定した場合の解析モデルを示している。
【0014】
図１において符号１は、ロータＡの外周面の１／１０周（３６度）分の領域を示し、この外周面領域１を計算領域として適用したＣＤＦ解析（数値流体力学）に用いるシミュレーション解析を実施して流体の流れの解析を行った。
このシミュレーション解析には、SIMENS株式会社製STARCCM+の解析ソフトv14.04.013(v2019.2.1)を使用した。
ロータＡの外周面領域１には、ロータＡの回転中心軸と平行な方向に沿うように突条型の絞り片２が複数形成されていると仮定する。各絞り片２はロータの中心軸と平行な方向に所定の間隔をあけて配列されていると仮定する。
このシミュレーション解析には、SIMENS株式会社製STARCCM+の解析ソフトv14.04.013(v2019.2.1)を使用した。
ロータＡの外周面領域１には、ロータＡの回転中心軸と平行な方向に沿うように突条型の絞り片２が複数形成されていると仮定する。各絞り片２はロータの中心軸と平行な方向に所定の間隔をあけて配列されていると仮定する。
【0015】
ロータＡの周囲にはロータＡの周面に対し一定の間隙を介してロータの外周面を取り囲む固定されたハウジング（ケーシング）が存在すると仮定し、このハウジング内でロータＡが中心軸周りに回転すると仮定する。即ち、絞り片を複数備えるロータＡの回転に乗った回転系で計算し、定常解析を行う。
ロータＡの外周面とハウジングの内周面との間には間隙（クリアランス）が形成されるが、この間隙において、ロータＡの外周面の絞り片２の先端とハウジングの内周面との間には微細な間隙に相当する縮流部ｄ（図２Ａ参照）が形成されると仮定する。ロータＡの回転中心軸と平行な方向に隣接する２つの絞り片２の間には、隣接する絞り片２とロータＡの外周面とハウジングの内周面とに囲まれる膨張室Ｂが形成されると仮定する。
ロータＡの外周面とハウジングの内周面との間には間隙（クリアランス）が形成されるが、この間隙において、ロータＡの外周面の絞り片２の先端とハウジングの内周面との間には微細な間隙に相当する縮流部ｄ（図２Ａ参照）が形成されると仮定する。ロータＡの回転中心軸と平行な方向に隣接する２つの絞り片２の間には、隣接する絞り片２とロータＡの外周面とハウジングの内周面とに囲まれる膨張室Ｂが形成されると仮定する。
【0016】
ハウジング内にロータＡが収容され、ロータＡが回転される場合、ロータＡの中心軸の延長方向一側にはハウジングの一側として、高圧の流体が存在する高圧領域Ｈが設けられ、ロータＡの中心軸の延長方向他側にはハウジングの他側として、低圧の流体が存在する低圧領域Ｌが設けられると仮定する。上流境界は圧力もしくは流量条件、下流境界は圧力条件を与える。
適用する流体は温度７８Ｋの液体窒素を想定し、密度（８３９．０６Ｋｇ／ｍ３）、粘性係数（２．２１１×１０－４Ｐａｓ）、比熱（２０２１．５Ｊ／Ｋｇ／Ｋ）、熱伝導率（０．１５９７７Ｗ／ｍ／Ｋ）を固定値として与えた。
適用する流体は温度７８Ｋの液体窒素を想定し、密度（８３９．０６Ｋｇ／ｍ３）、粘性係数（２．２１１×１０－４Ｐａｓ）、比熱（２０２１．５Ｊ／Ｋｇ／Ｋ）、熱伝導率（０．１５９７７Ｗ／ｍ／Ｋ）を固定値として与えた。
【0017】
前述のように、ロータＡの外周面に複数の絞り片２が形成され、ロータＡの中心軸延長方向の一側が高圧領域Ｈ、ロータＡの中心軸延長方向の他側が低圧領域Ｌとされる。このため、各絞り片２の厚さ方向一側に隣接して絞り片２、２間に高圧側膨張室が生成され、各絞り片２の厚さ方向他側に隣接して絞り片２、２間に低圧側膨張室が生成されると仮定する。
各絞り片２の側面に、該絞り片２の厚さ方向両側に隣接する高圧側膨張室と低圧側膨張室に連通する流量調整孔３が形成されていると仮定する。この流量調整孔３は絞り片２の厚さ方向一側に隣接する高圧側膨張室に開口する開口部３Ａを有し、絞り片２の厚さ方向他側に隣接する低圧側膨張室に開口する開口部３Ｂを有し、高圧側膨張室への開口部と低圧側膨張室への開口部の間に内部流路が形成されていると仮定する。開口部３Ａについては、図２等に例示するようにダイヤマーク形状に設定している。開口部３Ａ、３Ｂの開口面積と形成位置については、後に図２９を元に説明するＬ２モデルの形状を採用した。
内部流路を考慮した解析モデルのメッシュＭ（図２Ａに例示）の数は、約３００万と設定した。ソルバーはＳＴＡＲＣＣＭ＋、乱流モデルはＲｅａｌｉｚａｂｌｅ ｋ－εモデルを用いた。なお、図２Ａに示すメッシュＭの上端位置にハウジングの内周面が存在するので、絞り片２の上面とメッシュＭの上端位置との間に形成される間隙が縮流部ｄを示している。
開口部３Ａ、３Ｂの形成位置については、図２Ｂを元に後に説明する左辺部８ｃの傾きにより設定する。図２Ｂに示す左辺部８ｃと底辺部８ａのなす角度は図２９に示すようにＬ２モデルでは０°に設定する。なお、後述するＬ４モデル（図３１参照）では左辺部８ｃと底辺部８ａのなす角度を５°に設定している。この角度が小さくなると、ロータの製作が困難になるため、実際に試作し実験に用いたＬ４モデルではＬ２モデルに対し角度を大きくした。なお、内部流路の延在方向は、直線トンネル形状としている。また、図２Ａに示すように開口部３Ｂの形状は全て同一形状である。
各絞り片２の側面に、該絞り片２の厚さ方向両側に隣接する高圧側膨張室と低圧側膨張室に連通する流量調整孔３が形成されていると仮定する。この流量調整孔３は絞り片２の厚さ方向一側に隣接する高圧側膨張室に開口する開口部３Ａを有し、絞り片２の厚さ方向他側に隣接する低圧側膨張室に開口する開口部３Ｂを有し、高圧側膨張室への開口部と低圧側膨張室への開口部の間に内部流路が形成されていると仮定する。開口部３Ａについては、図２等に例示するようにダイヤマーク形状に設定している。開口部３Ａ、３Ｂの開口面積と形成位置については、後に図２９を元に説明するＬ２モデルの形状を採用した。
内部流路を考慮した解析モデルのメッシュＭ（図２Ａに例示）の数は、約３００万と設定した。ソルバーはＳＴＡＲＣＣＭ＋、乱流モデルはＲｅａｌｉｚａｂｌｅ ｋ－εモデルを用いた。なお、図２Ａに示すメッシュＭの上端位置にハウジングの内周面が存在するので、絞り片２の上面とメッシュＭの上端位置との間に形成される間隙が縮流部ｄを示している。
開口部３Ａ、３Ｂの形成位置については、図２Ｂを元に後に説明する左辺部８ｃの傾きにより設定する。図２Ｂに示す左辺部８ｃと底辺部８ａのなす角度は図２９に示すようにＬ２モデルでは０°に設定する。なお、後述するＬ４モデル（図３１参照）では左辺部８ｃと底辺部８ａのなす角度を５°に設定している。この角度が小さくなると、ロータの製作が困難になるため、実際に試作し実験に用いたＬ４モデルではＬ２モデルに対し角度を大きくした。なお、内部流路の延在方向は、直線トンネル形状としている。また、図２Ａに示すように開口部３Ｂの形状は全て同一形状である。
【0018】
図１、図２Ａに示す解析モデルを適用した回転系をロータとして具体化した構成の一例を図２Ｂ、図３、図４に示す。
このロータ４は、リング盤状のロータ本体５の外周面全周に沿って複数（図３、図４では５個）の絞り片６が形成されている。絞り片６は、ロータ本体５の外周面５ａから外方に突出するように形成されたリング状の突条である。絞り片６は、いずれも一定の突出高さを有し、一定の厚さを有する。複数の絞り片６は、図３、図４に示すようにロータ本体５の回転中心軸線Ｏと平行な方向に所定の間隔をあけてロータ本体５の外周面に配列されている。図３は、絞り片６において高圧側に向く側面６ａを視認できようにロータ本体５を斜め方向から見た斜視図である。図４は、絞り片６において低圧側に向く側面６ｂを視認できようにロータ本体５を斜め方向から見た斜視図である。
このロータ４は、リング盤状のロータ本体５の外周面全周に沿って複数（図３、図４では５個）の絞り片６が形成されている。絞り片６は、ロータ本体５の外周面５ａから外方に突出するように形成されたリング状の突条である。絞り片６は、いずれも一定の突出高さを有し、一定の厚さを有する。複数の絞り片６は、図３、図４に示すようにロータ本体５の回転中心軸線Ｏと平行な方向に所定の間隔をあけてロータ本体５の外周面に配列されている。図３は、絞り片６において高圧側に向く側面６ａを視認できようにロータ本体５を斜め方向から見た斜視図である。図４は、絞り片６において低圧側に向く側面６ｂを視認できようにロータ本体５を斜め方向から見た斜視図である。
【0019】
図３に示すように絞り片６の高圧側の側面には、各々の周回りに所定の間隔で高圧側に開口する高圧側開口部７が形成されている。図４に示すように、絞り片６の低圧側の側面６ｂには、各々の周回りに所定の間隔で低圧側に開口する低圧側開口部８が形成されている。絞り片６の周方向に高圧側開口部７または低圧側開口部８が形成されている個数は特に制限はないが、例えば、５個～４０個程度、より具体的には、５個～２０個程度設けることができる。後述する如く高圧側開口部７から流体を高圧側膨張室に吐出させる関係から、高圧側開口部７の開口面積が重要である。高圧側開口部７の開口面積が、大きくなり過ぎると、ラビリンスシールとしての流体の漏れが多くなる。２０個程度の高圧側開口部７を設けたとして、絞り片６の側面の全面積に対し開口率は７．５％程度と計算できる。なお、開口率が高すぎて有効性がなくなる開口率は２０％程度と考えられ、２０％以下においてできるだけ低い開口率を維持することが望ましい。
【0020】
図３に示すように高圧側開口部７は小さな楕円型に形成され、図４に示すように低圧側開口部８は、高圧側開口部７より開口面積の大きい逆台形状に形成されている。低圧側開口部８は図２Ｂに拡大して示すようにロータ本体５の回転方向に沿う横長の逆台形状に形成され、絞り片６の低圧側側面６ｂの基端部においてロータ本体５の外周面５ａに沿うように開口されている。ここで示した高圧側開口部７と低圧側開口部８の形状は特に制限はない。
【0021】
図５は、ロータ本体５に形成されている絞り片６をロータの外周面５ａとともに平面状に展開した場合、高圧側の絞り片６の低圧側側面を示す斜視図である。図６は、ロータ本体５に形成されている絞り片６をロータ本体５の外周面５ａとともに平面状に展開した場合、低圧側の絞り片６の低圧側側面を示す斜視図である。
図５に示すように最も高圧側に位置する最高圧側の絞り片６には高圧側開口部７、低圧側開口部８などは形成されていない状態で先に説明したシミュレーション解析を行う。図６に示すように最も低圧側に位置する最低圧側の絞り片６には高圧側開口部７、低圧側開口部８などは形成されていない状態で先に説明したシミュレーション解析を行う。
図５に示すように最も高圧側に位置する最高圧側の絞り片６には高圧側開口部７、低圧側開口部８などは形成されていない状態で先に説明したシミュレーション解析を行う。図６に示すように最も低圧側に位置する最低圧側の絞り片６には高圧側開口部７、低圧側開口部８などは形成されていない状態で先に説明したシミュレーション解析を行う。
【0022】
低圧側開口部８は、図２Ｂに示すようにロータ本体５の外周面５ａに沿う底辺部８ａと、底辺部８ａの右端からほぼ９０°の角度で立ち上がる右辺部８ｂと、底辺部８ａの左端から９０°より低い角度で斜め左方向に立ち上がる左辺部８ｃを有する。更に、低圧側開口部８は、左辺部８ｃの上端から前記底辺部８ａに対しほぼ９０°の角度で延出する延長部８ｄと、前記右辺部８ｂの上端と延長部８ｄの上端を結ぶ上辺部８ｅを有し、全体として側面視逆台形状に形成されている。
【0023】
絞り片６に形成されている高圧側開口部７と低圧側開口部８の間には、図２Ｂに拡大して鎖線で示す立体形状の内部流路９が形成されている。内部流路９の内部高さは、絞り片６の高さ方向（突出方向）において低圧側開口部８の高さよりも若干高い。内部流路９の上部側の横幅は低圧側開口部８の横幅よりも若干横長に形成されている。
【0024】
図２Ｂにおいて内部流路９の上部奥側（図２Ｂに示す回転方向と反対側の上部）は、図２Ｂに示す低圧側開口部８の左端上部側（図２Ｂに示す回転方向と反対側の上端部）より若干奥側まで延在されている。図２Ｂにおいて内部流路９の上部奥側には絞り片６の高圧側開口部７に連通する連通路１０が絞り片６の厚さ方向に形成されている。絞り片６の高圧側開口部７と低圧側開口部８は、絞り片６の内部に形成されている内部流路９と連通路１０を介し連通されている。
本実施形態において、連通路１０は内部流路９の一部を構成しており、連通路１０を有する分、内部流路９は低圧側開口部８より若干横長に形成されている。
本実施形態において、連通路１０は内部流路９の一部を構成しており、連通路１０を有する分、内部流路９は低圧側開口部８より若干横長に形成されている。
【0025】
以上説明のように絞り片６には、絞り片６の低圧側側面６ｂと高圧側側面６ａに開口し、高圧側開口部７と低圧側開口部８と内部流路９からなる流量調整孔１１が形成されている。
絞り片６を有するロータ４は、ハウジングの内面との間に一定の間隙を有しながら回転し、ラビリンスシールを構成する。
ロータ４とハウジングの内面との間に形成されている間隙について、ロータ４の回転中心軸延長方向の一側には高圧側領域が配置され、ロータ４の回転中心軸延長方向の他側には低圧側領域が配置される。また、ロータ４の回転中心軸に平行な方向に沿って複数の絞り片６が配置されているので、上述の間隙は、ロータ４の回転中心軸に平行な方向に沿って隣接する絞り片６、６に挟まれる領域に相当する複数の膨張室１２に仕切られている。また、絞り片６の外周端とハウジングの内周面との間に、膨張室１２に連通する縮流部１３（図２Ｂ参照）が形成される。
ロータ４の回転中心軸Ｏの延長方向一側が高圧領域、他側が低圧領域とされるので、ロータ４とハウジングの内面の間隙に形成されるラビリンスシールは、高圧領域と低圧領域を仕切るシールであると説明できる。
絞り片６を有するロータ４は、ハウジングの内面との間に一定の間隙を有しながら回転し、ラビリンスシールを構成する。
ロータ４とハウジングの内面との間に形成されている間隙について、ロータ４の回転中心軸延長方向の一側には高圧側領域が配置され、ロータ４の回転中心軸延長方向の他側には低圧側領域が配置される。また、ロータ４の回転中心軸に平行な方向に沿って複数の絞り片６が配置されているので、上述の間隙は、ロータ４の回転中心軸に平行な方向に沿って隣接する絞り片６、６に挟まれる領域に相当する複数の膨張室１２に仕切られている。また、絞り片６の外周端とハウジングの内周面との間に、膨張室１２に連通する縮流部１３（図２Ｂ参照）が形成される。
ロータ４の回転中心軸Ｏの延長方向一側が高圧領域、他側が低圧領域とされるので、ロータ４とハウジングの内面の間隙に形成されるラビリンスシールは、高圧領域と低圧領域を仕切るシールであると説明できる。
【0026】
図２Ｂに示す内部流路９の形状は特殊な形状を有しているが、内部流路９において重要なことは、ロータ４の回転により低圧側開口部８周りの流体を内部流路９側に吸入し、高圧側開口部７から突出できるようなポンプ機能を有することである。
このため、流量調整孔１１の高圧側開口部７と、流量調整孔１１の低圧側開口部８を連通する内部流路９が形成され、内部流路９の延在方向が、ロータ（回転体）５の回転方向に沿って前方側に低圧側開口部８を有し、回転方向後方側に高圧側開口部７を有するように傾斜している点に特徴を有する。
また、内部流路９の延在方向が、絞り片６の基端側から先端側にかけて傾斜している点に特徴を有する。
以上の条件を満足するならば、内部流路９の形状は問わない。例えば、高圧側開口部７と内部流路９と低圧側開口部８の形状がラッパ状や漏斗状などの種々の形状であっても良い。
このため、流量調整孔１１の高圧側開口部７と、流量調整孔１１の低圧側開口部８を連通する内部流路９が形成され、内部流路９の延在方向が、ロータ（回転体）５の回転方向に沿って前方側に低圧側開口部８を有し、回転方向後方側に高圧側開口部７を有するように傾斜している点に特徴を有する。
また、内部流路９の延在方向が、絞り片６の基端側から先端側にかけて傾斜している点に特徴を有する。
以上の条件を満足するならば、内部流路９の形状は問わない。例えば、高圧側開口部７と内部流路９と低圧側開口部８の形状がラッパ状や漏斗状などの種々の形状であっても良い。
【0027】
図２Ｂに示す流量調整孔１１を設けた絞り片２を備えたロータ４をハウジングの内部に収容し、ロータ４を回転させた場合、ロータ４とハウジングの間の間隙における流体の流れを解析するために、図１と図２に示す解析モデルと前述の解析条件の基、ＣＦＤ解析を行った。
なお、前述の間隙において、ロータ４の回転中心軸と平行な方向に膨張室と縮流部が交互に配置されるので、以下の説明において、膨張室と縮流部が交互に配置された領域をラビリンスと呼称して説明することがある。また、高圧側から低圧側に向かい、ロータ４の回転中心軸と平行な方向に膨張室と縮流部とが交互に配置されるので、最高圧側から順次１段目の膨張室、２段目の膨張室、３段目の膨張室などのように膨張室の順番について「段」を用いて説明することがある。
なお、前述の間隙において、ロータ４の回転中心軸と平行な方向に膨張室と縮流部が交互に配置されるので、以下の説明において、膨張室と縮流部が交互に配置された領域をラビリンスと呼称して説明することがある。また、高圧側から低圧側に向かい、ロータ４の回転中心軸と平行な方向に膨張室と縮流部とが交互に配置されるので、最高圧側から順次１段目の膨張室、２段目の膨張室、３段目の膨張室などのように膨張室の順番について「段」を用いて説明することがある。
【0028】
図２Ｂに示す流量調整孔１１を設けていない孔なしの絞り片を備えたロータをハウジングの内部に収容し、ロータを回転させた場合、ロータとハウジングの間の間隙における流体の流れを解析するために、図１と図２に示す解析モデルと前述の解析条件の基、ＣＦＤ解析を行った。この解析では、入口圧力境界１ＭＰａ、出口圧力境界０．１ＭＰａに設定している。その結果を図７と図８に示す。図７は、ロータ表面の圧力分布を示している。図８はロータの軸方向断面における速度分布を示す。以下、解析結果を示す各図において、便宜的に膨張室を符号１２で示し、縮流部を符号１３で示すことがある。
【0029】
図７に示すように、流量調整孔３を設けていない、通常ラビリンスの圧力分布は周方向には均一で、各段の膨張室１２内部は遠心力により外側ほど圧力が高くなっている。
また、図８に示す軸方向断面内においては、複数の膨張室１２において生じる縦渦による局所的な圧力分布が観察された。
流量調整孔３を設けていない、通常ラビリンスでは、図８に示すように膨張室１２において強い縦渦が外側と内側に２つ生じており、いずれの膨張室でも同様の速度分布となっている。
また、図８に示す軸方向断面内においては、複数の膨張室１２において生じる縦渦による局所的な圧力分布が観察された。
流量調整孔３を設けていない、通常ラビリンスでは、図８に示すように膨張室１２において強い縦渦が外側と内側に２つ生じており、いずれの膨張室でも同様の速度分布となっている。
【0030】
図２Ｂに示す流量調整孔１１を設けた絞り片を備えたロータをハウジングの内部に収容し、ロータを回転させた場合、ロータとハウジングの間の間隙における流体の流れを解析するために、図１と図２に示す解析モデルと前述の解析条件の基、ＣＦＤ解析を行った。
この解析では、入口圧力境界１ＭＰａ、出口圧力境界０．１ＭＰａに設定し、１／１０周分の領域を計算している。この解析では、図９に示すように流量調整孔について、ロータの回転軸方向に絞り片２の周方向に流量調整孔１１を設けた条件で解析した。
その結果を図９と図１０に示す。図９は、ロータ表面の圧力分布を示している。図１０はロータの軸方向断面における速度分布を示す。
なお、図９は全周で２０個の調整孔を有するＬ２モデル（図２９参照）の解析結果を示している。このため、図９に示されている解析領域において調整孔は周周りに２つ存在している。
この解析では、入口圧力境界１ＭＰａ、出口圧力境界０．１ＭＰａに設定し、１／１０周分の領域を計算している。この解析では、図９に示すように流量調整孔について、ロータの回転軸方向に絞り片２の周方向に流量調整孔１１を設けた条件で解析した。
その結果を図９と図１０に示す。図９は、ロータ表面の圧力分布を示している。図１０はロータの軸方向断面における速度分布を示す。
なお、図９は全周で２０個の調整孔を有するＬ２モデル（図２９参照）の解析結果を示している。このため、図９に示されている解析領域において調整孔は周周りに２つ存在している。
【0031】
流量調整孔３を設けた絞り片を備えたラビリンスでは、各段の絞り片の下流側に空いた流量調整孔の開口部より流体が入り、上流側の面に空いた開口部から流体が抜ける流れが生じるため、膨張室内部の流れが、通常ラビリンスを設けた図８に比較して異なるため、内部の圧力分布も異なる。流量調整孔３を備えたラビリンスでは、図１０に示すように絞り片の内部流路への流体の流れ込みにより、通常ラビリンスで観察される縦渦構造は弱くなっている。
【0032】
図８に示す結果のうち、高圧側から３段目と４段目の膨張室１２における速度分布の拡大図を図１１に示し、図１０に示す結果のうち、高圧側から３段目と４段目の膨張室における速度分布の拡大図を図１２に示す。
図１１に示すように通常ラビリンスでは、縦渦及びそれに伴う圧力低下が観察されたが、図１２に示すように流量調整孔３を備えたラビリンスでは、外側に縦渦構造が観察されるが、内側では観察されず、内部流路への流体の流れ込みを確認できた。
図１１に示すように通常ラビリンスでは、縦渦及びそれに伴う圧力低下が観察されたが、図１２に示すように流量調整孔３を備えたラビリンスでは、外側に縦渦構造が観察されるが、内側では観察されず、内部流路への流体の流れ込みを確認できた。
【0033】
図１３は、流量調整孔３を設けた絞り片を５つ配列させたシミュレーション解析において、圧力および周方向流速を測定するための入口面、評価面１、評価面２、評価面３、評価面４、出口面をそれぞれ設定した位置を示している。
入口面は、上流側から１段目の絞り片の手前側に充分離間した位置において、絞り片の上流側面と平行な面を設定した。評価面１～評価面４は２段目～５段目までの絞り片の各々の上流側の面を設定した。出口面は５段目の絞り片から充分離間した位置において前述の各評価面と平行な面を設定した。
入口面は、上流側から１段目の絞り片の手前側に充分離間した位置において、絞り片の上流側面と平行な面を設定した。評価面１～評価面４は２段目～５段目までの絞り片の各々の上流側の面を設定した。出口面は５段目の絞り片から充分離間した位置において前述の各評価面と平行な面を設定した。
【0034】
図１４は、流量調整孔３を設けた絞り片を５つ配列させたシミュレーション解析において、軸方向流速および流量を評価するための評価面５、評価面６、評価面７、評価面８、評価面９をそれぞれ設定した位置を示している。１段目の絞り片の上流側の外周縁領域を評価面５、２段目の絞り片の上流側の外周縁領域を評価面６、３段目の絞り片の上流側の外周縁領域を評価面７、４段目の絞り片の上流側の外周縁領域を評価面８、５段目の絞り片の上流側の外周縁領域を評価面９に設定した。
図１３と図１４に示すいずれのシミュレーション解析条件においても、絞り片２の上流側の半径方向２７．５ｍｍの位置に０．０７ｍｍ２の大きさの開口部を設け、絞り片の下流側の半径方向５４ｍｍの位置に３．４９ｍｍ２の大きさの開口部を設け、両開口部間を直線的なトンネル形状の内部流路で連結した流量調整孔を２０（全周換算）個設けた条件で解析した。
図１３と図１４に示すいずれのシミュレーション解析条件においても、絞り片２の上流側の半径方向２７．５ｍｍの位置に０．０７ｍｍ２の大きさの開口部を設け、絞り片の下流側の半径方向５４ｍｍの位置に３．４９ｍｍ２の大きさの開口部を設け、両開口部間を直線的なトンネル形状の内部流路で連結した流量調整孔を２０（全周換算）個設けた条件で解析した。
【0035】
図１５は、ロータの回転数を３００００ｒｐｍに設定し、流量調整孔を２０個設けた絞り片をロータに備えた場合と、流量調整孔を設けていない絞り片をロータに備えた場合の圧力分布の解析結果を比較して示すグラフである。これらの解析において、上下流での圧力境界条件を同じにしているので、絞り片の内部流路の有無で全体の圧力降下は同等である。
【0036】
図１５に示すように各膨張室における段間の圧力は、内部流路の無い絞り片を適用したラビリンスでは１段目における圧力降下が最も大きく（全体の約４５％）なる。内部流路を設けた絞り片を適用したラビリンスにおいても１段目の圧力降下が最も大きいが、他の段との差は小さく、各膨張室において均等に近い圧力降下となる。
図１６は、ロータの回転数を３００００ｒｐｍに設定し、流量調整孔を２０個設けた絞り片をロータに備えた場合と、流量調整孔を設けていない絞り片をロータに備えた場合の旋回速度の解析結果を比較して示すグラフである。
膨張室の段間における旋回速度（評価面における平均）は、下流ほど大きくなる傾向は両方に観察されるが、内部流路を設けた絞り片を備える方が速度の絶対値は若干小さくなる傾向が見られた。
図１６は、ロータの回転数を３００００ｒｐｍに設定し、流量調整孔を２０個設けた絞り片をロータに備えた場合と、流量調整孔を設けていない絞り片をロータに備えた場合の旋回速度の解析結果を比較して示すグラフである。
膨張室の段間における旋回速度（評価面における平均）は、下流ほど大きくなる傾向は両方に観察されるが、内部流路を設けた絞り片を備える方が速度の絶対値は若干小さくなる傾向が見られた。
【0037】
図１７は、ロータの回転数を３００００ｒｐｍに設定し、流量調整孔を２０個設けた絞り片をロータに備えた場合と、流量調整孔を設けていない絞り片をロータに備えた場合において、絞り片とハウジングの隙間における流体の軸方向速度をシミュレーション解析した結果を比較して示すグラフである。
絞り片とケーシングの隙間における流体の軸方向速度は、絞り片に内部流路がある構成のラビリンスは、内部流路のないラビリンスに比べて、約３０％程度小さくなった。
絞り片とケーシングの隙間における流体の軸方向速度は、絞り片に内部流路がある構成のラビリンスは、内部流路のないラビリンスに比べて、約３０％程度小さくなった。
【0038】
図１８は、ロータの回転数を３００００ｒｐｍに設定し、流量調整孔を２０個設けた絞り片をロータに備えた場合と、流量調整孔を設けていない絞り片をロータに備えた場合において、全体流量をシミュレーション解析した結果を比較して示すグラフである。
図１８に示すように、全体の流量も対応し、ロータの回転数３００００ｒｐｍの場合、内部流路ありの絞り片を用いたラビリンスの方が、内部流路を設けていない絞り片を用いたラビリンスより３０％程度全体流量が低下している。
図１８に示すように、全体の流量も対応し、ロータの回転数３００００ｒｐｍの場合、内部流路ありの絞り片を用いたラビリンスの方が、内部流路を設けていない絞り片を用いたラビリンスより３０％程度全体流量が低下している。
【0039】
図１９と図２０は、ロータの回転数を３００００ｒｐｍに設定し、流量調整孔を２０個設けた絞り片をロータに備えた場合に、絞り片の内部流路に流体が出入している状態をシミュレーション解析した結果を示す。
図１９は各段の膨張室において絞り片下流側側面を視認できる角度で流体の速度分布を示した結果を示し、図２０は各段の膨張室において絞り片上流側側面を視認できる角度で流体の速度分布を示した結果を示すグラフである。
図１９は各段の膨張室において絞り片下流側側面を視認できる角度で流体の速度分布を示した結果を示し、図２０は各段の膨張室において絞り片上流側側面を視認できる角度で流体の速度分布を示した結果を示すグラフである。
【0040】
図１９に示すように、絞り片下流側側面に開口している流量調整孔の開口部に対し、膨張室から流体が流入するか、流量調整孔の開口部から膨張室内に流体が流出している状態を確認することができた。
図２０に示すように、絞り片上流側側面に開口している流量調整孔の開口部に対し、膨張室から流体が流入するか、流量調整孔の開口部から膨張室内に流体が流出している状態を確認することができた。
図２０に示すように、絞り片上流側側面に開口している流量調整孔の開口部に対し、膨張室から流体が流入するか、流量調整孔の開口部から膨張室内に流体が流出している状態を確認することができた。
【0041】
図１９と図２０に示す結果から、流量調整孔を設けた絞り片を整列形成したロータをハウジング内で回転させ、ラビリンスシールを構成した場合、以下の現象を生じることが分かった。即ち、上流側の膨張室から下流側の膨張室に、順次、絞り片外周側の縮径部を介し流体が流れる流路の他に、流量調整孔を介し隣接する膨張室間で流体の出入を行う流れを生じることが明らかとなった。
【0042】
図２１と図２２は、高圧側（上流側）から低圧側（下流側）に、１９個の絞り片を整列形成したロータの場合、１５段目の絞り片から１９段目の絞り片までの領域における流体の軸方向速度をシミュレーション解析により求めた結果を示す。図２１は、流量調整孔を設けていない絞り片を備えたロータを適用した場合を示し、図２２は、流量調整孔を２０個設けた絞り片をロータに適用した場合を示す。
【0043】
図２１と図２２において、軸方向速度の実線は絞り片外周とハウジングの間の間隙（縮流部：クリアランス）における軸方向流速を示し、点線は流量と間隙面積（クリアランス面積）から推算した流速を示す。図２１と図２２に示す結果は、ロータの回転数を０ｒｐｍ、１００００ｒｐｍ、２００００ｒｐｍ、３００００ｒｐｍの何れかに設定した４つのケースを想定し、シミュレーション解析している。
図２１に示すように、流量調整孔を設けていない絞り片を備えた通常のラビリンスにおいて、クリアランスにおける流速は、流量から推算の流速とほぼ一致している。
図２１に示すように、流量調整孔を設けていない絞り片を備えた通常のラビリンスにおいて、クリアランスにおける流速は、流量から推算の流速とほぼ一致している。
【0044】
これに対し、内部流路有りの絞り片を備えたロータの場合、図２２のグラフにおける点線は入口流量がクリアランスにのみ流れたと想定した場合の流速を示しているので、実線との差分は、絞り片の内部流路を通過する流量に依存する差である。
図２２に示すように、内部流路を備えた絞り片を備えたロータの場合は、回転数が小さいほどクリアランスの流速は流量から想定される流速よりも小さくなっているが、これは内部流路を通過して下流方向に流れる流量分が存在していることを示している。
図２２に示すように、回転数が３００００ｒｐｍの場合は、実線の方が破線よりも大きくなっているので、この差は絞り片の内部流路を通過して上流側に逆流している分が大きいため、と予測される。
図２２に示すように、内部流路を備えた絞り片を備えたロータの場合は、回転数が小さいほどクリアランスの流速は流量から想定される流速よりも小さくなっているが、これは内部流路を通過して下流方向に流れる流量分が存在していることを示している。
図２２に示すように、回転数が３００００ｒｐｍの場合は、実線の方が破線よりも大きくなっているので、この差は絞り片の内部流路を通過して上流側に逆流している分が大きいため、と予測される。
【0045】
図２３と図２４は、ロータの回転数を０ｒｐｍに設定し、流量調整孔を２０個設けた絞り片をロータに備えた場合に、絞り片の内部流路に流体が出入している状態をシミュレーション解析した結果を示す。
図２３は各段の膨張室において絞り片下流側側面を視認できる角度で流体の速度分布を示した結果を示し、図２４は各段の膨張室において絞り片上流側側面を視認できる角度で流体の速度分布を示した結果を示すグラフである。
図２３は各段の膨張室において絞り片下流側側面を視認できる角度で流体の速度分布を示した結果を示し、図２４は各段の膨張室において絞り片上流側側面を視認できる角度で流体の速度分布を示した結果を示すグラフである。
【0046】
図２３と図２４に示すように、ロータの回転数が０ｒｐｍの場合であっても、ロータの回転軸線の延長方向の一側（図２３と図２４において左側）は高圧領域であり、他側（図２３と図２４において右側）は低圧領域であるため、流体の流動が発生する。
【0047】
図２３と図２４に示す流体の速度分布から分かるように、ロータが回転していない状態であっても、流量調整孔を介し隣接する膨張室間で流体の出入を行う流れを生じることが明らかとなった。
このことは、ラビリンス全体として考えると、高圧領域から低圧領域にかけて、絞り片とハウジングの間に生じる間隙（クリアランス）に加え、流量調整孔を追加して設け、高圧領域から低圧領域に向かって流体が流動するための流路断面積を大きくしているにも拘わらず、シール性が向上していることを意味する。高圧領域と低圧領域を結ぶ流路の断面積を大きくしているにも拘わらず、高圧領域から低圧領域への流体の漏れ量を削減できるところに本発明構造は大きな特徴を有する。
このことは、ラビリンス全体として考えると、高圧領域から低圧領域にかけて、絞り片とハウジングの間に生じる間隙（クリアランス）に加え、流量調整孔を追加して設け、高圧領域から低圧領域に向かって流体が流動するための流路断面積を大きくしているにも拘わらず、シール性が向上していることを意味する。高圧領域と低圧領域を結ぶ流路の断面積を大きくしているにも拘わらず、高圧領域から低圧領域への流体の漏れ量を削減できるところに本発明構造は大きな特徴を有する。
【0048】
ここまでのシミュレーション解析結果から、絞り片に内部流路があると、内部流路を通過して絞り片の上流側と下流側の間の流体の移動が発生することがわかった。また、上流側の圧力が高いので、内部流路を通過する流体は上流側から下流側への流れが主となるが、回転数が大きい（３００００ｒｐｍ）場合は、上流側への流体の移動が起こっていると推測できる。
【0049】
上流側と下流側の圧力差が同じ場合の解析条件では、内部流路を有しない絞り片を備えたロータを適用したラビリンスの方が、内部流路を有しない絞り片を備えたロータを適用した通常のラビリンスよりも、漏れ流量は小さくなる。また、ロータの回転数に関し、回転数が大きいほど漏れ流量が小さくなることもわかった。
また、内部流路のあるラビリンスが通常ラビリンスよりも漏れ流量が少なくなるのは、内部流路を通過して下流側から上流側へ流体が流れることよりも、流路が複雑になることによる圧損の増大が要因としては大きいとも考えられるが、ロータが高速で回転する場合は、内部流路による流体輸送の効果も期待できると考えられる。
また、内部流路のあるラビリンスが通常ラビリンスよりも漏れ流量が少なくなるのは、内部流路を通過して下流側から上流側へ流体が流れることよりも、流路が複雑になることによる圧損の増大が要因としては大きいとも考えられるが、ロータが高速で回転する場合は、内部流路による流体輸送の効果も期待できると考えられる。
【0050】
次に、絞り片に内部流路を設けた場合と設けていない場合について、前述したシミュレーション解析により、旋回速度の違いについて解析した。
図２５は、高圧側（上流側）から低圧側（下流側）に、１４個の絞り片を整列形成したロータの場合、入口側絞り片、１１段目の絞り片～１４段目の絞り片、出口側絞り片までの各領域における流体の旋回速度をシミュレーション解析により求めた結果を示す。
図２５は、高圧側（上流側）から低圧側（下流側）に、１４個の絞り片を整列形成したロータの場合、入口側絞り片、１１段目の絞り片～１４段目の絞り片、出口側絞り片までの各領域における流体の旋回速度をシミュレーション解析により求めた結果を示す。
【0051】
図２５は、流量調整孔を設けていない絞り片を備えたロータを適用した場合と、流量調整孔を２０個設けた絞り片をロータに適用した場合を比較して示す。
図２６は、ロータの回転数を１００００ｒｐｍに設定した場合の各位置の絞り片毎の旋回速度を示し、図２７は、ロータの回転数を２００００ｒｐｍに設定した場合の各位置の絞り片毎の旋回速度を示し、先に示した図１６は、ロータの回転数を３００００ｒｐｍに設定した場合の各位置の絞り片毎の旋回速度を示す。
図２６は、ロータの回転数を１００００ｒｐｍに設定した場合の各位置の絞り片毎の旋回速度を示し、図２７は、ロータの回転数を２００００ｒｐｍに設定した場合の各位置の絞り片毎の旋回速度を示し、先に示した図１６は、ロータの回転数を３００００ｒｐｍに設定した場合の各位置の絞り片毎の旋回速度を示す。
【0052】
図２５に示すように、ロータの回転が無い場合、内部流路を設けていない構成では基本的に旋回流れは生じないが、内部流路を絞り片に設けたロータを備えたラビリンスでは、流体はロータの回転方向と同じ向きの旋回流れとなる。これは、内部流路がロータの旋回方向に空いているので、絞り片の上流側開口部から流入した流体が絞り片の下流側開口部から流出する際に旋回速度成分を持つからと考えられる。
【0053】
図２６、図２７、図１６に示すようにロータの回転数が高くなると、絞り片に内部流路あり、なしともに、ロータの回転により流体は旋回速度を持つが、１００００ｒｐｍでは内部流路あり、の構成の方が若干旋回成分は大きくなり、２００００ｒｐｍではほぼ同等、３００００ｒｐｍでは内部流路ありの構成の方が旋回成分は若干小さくなっている。
このことから、ロータの回転数が低い場合は圧力差によって、流体が絞り片の内部流路内を上流側から下流側に向かって流れるために、旋回速度が加速される傾向となる。ところが、ロータの回転数が大きくなると、内部流路を下流側から上流側に流れる流体の影響で旋回速度が小さくなる効果を生じていると考えられる。
このことから、ロータの回転数が低い場合は圧力差によって、流体が絞り片の内部流路内を上流側から下流側に向かって流れるために、旋回速度が加速される傾向となる。ところが、ロータの回転数が大きくなると、内部流路を下流側から上流側に流れる流体の影響で旋回速度が小さくなる効果を生じていると考えられる。
【0054】
図２８は、先に図１に基づきシミュレーション解析の基本条件について説明した場合と同様に、シミュレーションソフトに与えた解析モデルの計算領域全景を示す説明図である。図２８は、絞り片に内部流路を設けていないロータの場合の外周面の１／１０周（３６度）分の領域を示す。
この領域を基本とし、ロータ外周の絞り片に対し内部流路を全周換算で２０個設けた場合の計算領域全景（１／１０周）を図２９に示し、ロータ外周の絞り片に対し内部流路を全周換算で５個設けた場合の計算領域全景（１／５周）を図３０に示し、ロータ外周の絞り片に対し内部流路を全周換算で１０個設けた場合の計算領域全景（１／５周）を図３１に示す。
この領域を基本とし、ロータ外周の絞り片に対し内部流路を全周換算で２０個設けた場合の計算領域全景（１／１０周）を図２９に示し、ロータ外周の絞り片に対し内部流路を全周換算で５個設けた場合の計算領域全景（１／５周）を図３０に示し、ロータ外周の絞り片に対し内部流路を全周換算で１０個設けた場合の計算領域全景（１／５周）を図３１に示す。
【0055】
図２９～図３１に示す各シミュレーション解析モデルにおける、全周換算の漏れ流量についてシミュレーション解析を行った結果を図３２に示す。
内部流路のない絞り片を備えたロータを備えたモデル（Ｌ１モデル：図２８参照）は、他の内部流路を設けたモデル（Ｌ２モデル：図２９、Ｌ３モデル：図３０、Ｌ４モデル：図３１）に比較して明らかに漏れ流量は大きくなっている。
内部流路のある絞り片を備えたロータを具備するモデル間での差は小さいが、回転数が大きいほどその差は小さくなる。解析モデル（Ｌ２：図２９）は回転数が小さいほど他の解析モデル（Ｌ３モデル、Ｌ４モデル）よりも漏れ流量は大きくなる傾向を示している。
いずれの解析モデルにおいても回転数が大きいほど漏れ流量は小さくなる。
ＣＦＤ解析では、絞り片内に内部流路を設けることによって、明らかに漏れ流量を小さくできることを示している。
内部流路のない絞り片を備えたロータを備えたモデル（Ｌ１モデル：図２８参照）は、他の内部流路を設けたモデル（Ｌ２モデル：図２９、Ｌ３モデル：図３０、Ｌ４モデル：図３１）に比較して明らかに漏れ流量は大きくなっている。
内部流路のある絞り片を備えたロータを具備するモデル間での差は小さいが、回転数が大きいほどその差は小さくなる。解析モデル（Ｌ２：図２９）は回転数が小さいほど他の解析モデル（Ｌ３モデル、Ｌ４モデル）よりも漏れ流量は大きくなる傾向を示している。
いずれの解析モデルにおいても回転数が大きいほど漏れ流量は小さくなる。
ＣＦＤ解析では、絞り片内に内部流路を設けることによって、明らかに漏れ流量を小さくできることを示している。
【0056】
図２９～図３１に示す各シミュレーション解析モデルに対し、ロータ回転数を３００００ｒｐｍに設定した場合、内部流路における圧力分布についてシミュレーション解析を行った結果を図３３に示す。圧力評価面は前述の通りとした。
内部流路の無いモデル（Ｌ１モデル：図２８）では、１段目の絞り片における圧損が全体の圧損の約半分程度となり、下流の段ではほぼ均等な圧損となった。
内部流路の無いモデル（Ｌ１モデル：図２８）では、１段目の絞り片における圧損が全体の圧損の約半分程度となり、下流の段ではほぼ均等な圧損となった。
【0057】
絞り片に内部流路を設けたロータを備えた解析モデルでは、１段目の絞り片では若干大きな圧損となるが下流側の圧損と大きな差は見られず、下流側に向かって絞り片ごとに、ほぼ均等な圧力降下を示した。
図３３に示すように、解析モデル（Ｌ３モデル、Ｌ４モデル）は図３０、図３１に示す通り、１段目の絞り片に内部流路を設けていないが、１段目の絞り片から内部流路のある解析モデル（Ｌ２モデル：図２９）と同様の圧力分布を示している。
図３３に示すように、解析モデル（Ｌ３モデル、Ｌ４モデル）は図３０、図３１に示す通り、１段目の絞り片に内部流路を設けていないが、１段目の絞り片から内部流路のある解析モデル（Ｌ２モデル：図２９）と同様の圧力分布を示している。
【0058】
図２９～図３１に示す各シミュレーション解析モデルに対し、ロータ回転数を３００００ｒｐｍに設定した場合、段間および上下流における平均の旋回速度分布についてシミュレーション解析を行った結果を図３４に示す。速度評価面は前述の通りとした。
図３４に示すように、いずれの解析モデルにおいても１段目の絞り片を超えたときに大きな旋回速度を得、その後は絞り片を超える毎に若干の旋回速度の増となった。なお、解析モデルによって増加の程度は異なった。また、最後の段間でどのモデルにおいても同等の旋回速度となった。
図３４に示すように、いずれの解析モデルにおいても１段目の絞り片を超えたときに大きな旋回速度を得、その後は絞り片を超える毎に若干の旋回速度の増となった。なお、解析モデルによって増加の程度は異なった。また、最後の段間でどのモデルにおいても同等の旋回速度となった。
【0059】
内部流路のない絞り片を備えたロータを適用した解析モデル（Ｌ１：図２８）は、流路中間での旋回速度は最も大きくなっている。これはＬ１モデルではすべての流体がクリアランスを通過するため、ロータ最外部の周速の最も大きなところの影響を受けるためと考えられる。
この点、内部流路を設けた絞り片があると、上流側から内部流路に流れ込んだ流体が下流側の膨張室の内側に流れ込んだ流体の流れを乱すことによって、旋回速度成分を弱めた効果に繋がっていると考えられる。
この点、内部流路を設けた絞り片があると、上流側から内部流路に流れ込んだ流体が下流側の膨張室の内側に流れ込んだ流体の流れを乱すことによって、旋回速度成分を弱めた効果に繋がっていると考えられる。
【0060】
図３４において、上流側（ｉｎｌｅｔ）と下流側（ｏｕｔｌｅｔ）において、解析モデル毎に平均旋回流速が異なる、これは、これらの領域で流体の流れ方向での循環流が生じており、解析モデルによって循環流の大きさ、強さが異なるため、評価面での平均旋回速度の違いとなっていると考えられる。
図３５は、図２８に示す解析モデル（Ｌ１モデル）の上流側の速度ベクトルを示し、図３６は、図２８に示す解析モデル（Ｌ１モデル）の下流側の速度ベクトルを示している。各図に示した縦線は評価面の位置を示す。
図３５は、図２８に示す解析モデル（Ｌ１モデル）の上流側の速度ベクトルを示し、図３６は、図２８に示す解析モデル（Ｌ１モデル）の下流側の速度ベクトルを示している。各図に示した縦線は評価面の位置を示す。
【0061】
図３７は、図２９～図３１に示す各シミュレーション解析モデルに対し、ロータ回転数を３００００ｒｐｍに設定した場合、各段の絞り片におけるロータとハウジングの間隙（クリアランス）における流体の流量を示す。
内部流路の無いモデル（Ｌ１モデル：図２８）では、すべての流体が間隙（クリアランス）を通過するので、どの間隙位置でも流速は等しくなり、また前述のように内部流路を絞り片に設けた解析モデルよりも流量自体が大きいので、他の解析モデルよりも大きな流量を示している。
内部流路の無いモデル（Ｌ１モデル：図２８）では、すべての流体が間隙（クリアランス）を通過するので、どの間隙位置でも流速は等しくなり、また前述のように内部流路を絞り片に設けた解析モデルよりも流量自体が大きいので、他の解析モデルよりも大きな流量を示している。
【0062】
内部流路を絞り片に設けたモデル（Ｌ２モデル：図２９、Ｌ３モデル：図３０、Ｌ４モデル：図３１）は各段で変化している。図３７中の破線は全体流量（図３２の３００００ｒｐｍのところにプロットされた値）を示している。中間領域において全体流量よりも間隙流量（クリアランス流量）が特にＬ３モデルとＬ４モデルにおいて小さくなっている。逆に、最終段においては全体流量よりも間隙流量が大きくなっている。
【0063】
図３８は、図２９～図３１に示す各シミュレーション解析モデルに対し、ロータ回転数を３００００ｒｐｍに設定した場合、各段の絞り片の内部流路を流れる流体の流量を示す。
Ｌ１モデルは内部流路が存在しないので０となっている。また、Ｌ３モデル、Ｌ４モデルは、第１段の絞り片には、内部流路がないので、０となっている。
Ｌ３モデル、Ｌ４モデルは、流路中間において正の流量となっており、これは内部流路を通過して下流側に流れている流量を示している。これは、図３７においてクリアランス流量が全体流量に対して少なくなっていることに対応している。
Ｌ１モデルは内部流路が存在しないので０となっている。また、Ｌ３モデル、Ｌ４モデルは、第１段の絞り片には、内部流路がないので、０となっている。
Ｌ３モデル、Ｌ４モデルは、流路中間において正の流量となっており、これは内部流路を通過して下流側に流れている流量を示している。これは、図３７においてクリアランス流量が全体流量に対して少なくなっていることに対応している。
【0064】
Ｌ２モデルの流路中間では、極微少の流れとなっている（中段の絞り片Ｐｌ７では極微小の負の流れとなっている）。
いずれの解析モデルにおいても、最後の段の内部流路流量は明らかに負になっている。これは内部流路を通過して上流側に流れていることを示している。下流の段では圧力差が小さくなるので、回転の効果によって流路内部を逆流したものと考えられる。その分、クリアランス流量が増大していることが図３７から分かる。
いずれの解析モデルにおいても、最後の段の内部流路流量は明らかに負になっている。これは内部流路を通過して上流側に流れていることを示している。下流の段では圧力差が小さくなるので、回転の効果によって流路内部を逆流したものと考えられる。その分、クリアランス流量が増大していることが図３７から分かる。
【0065】
以上説明した如く、本発明に係るラビリンスシールによれば、絞り片に絞り片の上流側と下流側を連結する内部流路を設けることで、ラビリンスシールとして、全体の漏れ流量を３割程度減少させることができるとＣＦＤ解析で例示できた。
絞り片を複数段設けた構造において、１段目の圧損は内部流路を設けていない解析モデルの方が大きいが、２段目以降では内部流路ありの解析モデルの方が段毎の圧損は大きくなる。絞り片とハウジングの間の間隙（クリアランス）を通過する流体の流量は、内部流路内の方が大きいので、内部流路を通過することによる圧損が段毎の圧損を決めていると考えられる。
絞り片を複数段設けた構造において、１段目の圧損は内部流路を設けていない解析モデルの方が大きいが、２段目以降では内部流路ありの解析モデルの方が段毎の圧損は大きくなる。絞り片とハウジングの間の間隙（クリアランス）を通過する流体の流量は、内部流路内の方が大きいので、内部流路を通過することによる圧損が段毎の圧損を決めていると考えられる。
【0066】
次に、ＣＦＤ解析で例示した構造をラビリンスシールの実際の構造に適用した場合、全体の漏れ流量を減少できる構造を実現できた例について説明する。
図３９は、ラビリンスシールのシール性に関し、ロータの回転数２００００ｒｐｍの場合に得られるＣｄ値を用い、シミュレーション解析結果と実測値を比較して示すグラフである。
Ｃｄ値とは、オリフィス流れにおける流出係数（JIS Z8762）であり、差圧と流量の関係を示す。
上述のＣＦＤ解析では、ロータの回転数２００００ｒｐｍの場合、解析により得られたシール流量からＣｄ値算出を行うことにより、図３９に示すＣｄ値が得られる。
図３９に示す実測値は、上流圧０．５ＭＰａ、回転数２００００ｒｐｍの条件で、図３１に示したＬ４モデルにより得られたＣｄ値である。Ｃｄ値は以下の関係式で算出することができる。
Ｃｄ＝（質量流量）／（開口面積）／（２×流体密度×差圧）０．５）
なお、開口面積は絞り片６の隙間のみを考慮しており、流量調整孔の開口面積は考慮していない。
図３９は、ラビリンスシールのシール性に関し、ロータの回転数２００００ｒｐｍの場合に得られるＣｄ値を用い、シミュレーション解析結果と実測値を比較して示すグラフである。
Ｃｄ値とは、オリフィス流れにおける流出係数（JIS Z8762）であり、差圧と流量の関係を示す。
上述のＣＦＤ解析では、ロータの回転数２００００ｒｐｍの場合、解析により得られたシール流量からＣｄ値算出を行うことにより、図３９に示すＣｄ値が得られる。
図３９に示す実測値は、上流圧０．５ＭＰａ、回転数２００００ｒｐｍの条件で、図３１に示したＬ４モデルにより得られたＣｄ値である。Ｃｄ値は以下の関係式で算出することができる。
Ｃｄ＝（質量流量）／（開口面積）／（２×流体密度×差圧）０．５）
なお、開口面積は絞り片６の隙間のみを考慮しており、流量調整孔の開口面積は考慮していない。
【0067】
図３９に示すように、ロータの回転数２００００ｒｐｍの場合、Ｃｄ値の比較から、上述のＣＦＤ解析によるシミュレーション解析結果と実機による測定結果は良好な一致性が見られた。
この結果から、上述のように実施してＣＦＤ解析により得られた結果は、実機においても同等の結果が得られると推定できる。
この結果から、上述のように実施してＣＦＤ解析により得られた結果は、実機においても同等の結果が得られると推定できる。
【0068】
図４０は、ラビリンスシールのシール性に関し、ロータの回転数２００００ｒｐｍの場合に得られる正規化Ｃｄ値を用い、シミュレーション解析結果と実測値を比較して示すグラフである。
正規化Ｃｄ値とは、（通常ラビリンスシールのＣｄ値で割り戻すことで、通常ラビリンスシールＣｄ値に対して正規化したＣｄ値（通常ラビリンスシールＣｄ値に対する割合）を示す。
上述のＣＦＤ解析では、ロータの回転数２００００ｒｐｍの場合、（図３９のＣｄ値に対して、通常ラビリンスシールのＣｄ値で割り戻す計算）を行うことにより、図３９に示す正規化Ｃｄ値が得られる。
図３９に示す実測値は、（上流圧０．５ＭＰａ、回転数２００００ｒｐｍ）の条件で、 図３１に示すＬ４モデルにより得られた正規化Ｃｄ値である。
正規化Ｃｄ値とは、（通常ラビリンスシールのＣｄ値で割り戻すことで、通常ラビリンスシールＣｄ値に対して正規化したＣｄ値（通常ラビリンスシールＣｄ値に対する割合）を示す。
上述のＣＦＤ解析では、ロータの回転数２００００ｒｐｍの場合、（図３９のＣｄ値に対して、通常ラビリンスシールのＣｄ値で割り戻す計算）を行うことにより、図３９に示す正規化Ｃｄ値が得られる。
図３９に示す実測値は、（上流圧０．５ＭＰａ、回転数２００００ｒｐｍ）の条件で、 図３１に示すＬ４モデルにより得られた正規化Ｃｄ値である。
【0069】
図３９に示すように、ロータの回転数２００００ｒｐｍの場合、正規化Ｃｄ値の比較から、上述のＣＦＤ解析によるシミュレーション解析結果と実機による測定結果は良好な一致性が見られた。
この結果から、上述のように実施してＣＦＤ解析により得られた結果は、実機においても同等の結果が得られると推定できる。
この結果から、上述のように実施してＣＦＤ解析により得られた結果は、実機においても同等の結果が得られると推定できる。
【0070】
ところで、上述の実施形態においては、ロータＡあるいはロータ４の外周に絞り片２あるいは絞り片６を設けてハウジングとの間に形成される間隙にラビリンスシールを形成した例について説明した。しかし、本発明は、固定部であるハウジング側に絞り片２あるいは絞り片６を設け、回転するシャフトの外周には絞り片を設けない構成のラビリンスシールに適用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【0071】
本発明に係るラビリンスシールは、ポンプ、自動車エンジン、航空エンジン、ロケットエンジン等の回転機械全般に適用することができる。また、ラビリンスシールに設けられる絞り片に流量調整孔を設けるのみで実施できるので、低コストで実施できる特徴を有し、産業の発展に寄与する。
【符号の説明】
【0072】
Ａ…ロータ、１…外周面領域、２…絞り片、３…流量調整孔、４…ロータ、５…ロータ本体、５ａ…外周面、６…絞り片、７…高圧側開口部、８…低圧側開口部、９…内部流路、１０…連通路、１１…流量調整孔、１２…膨張室、１３…縮流部。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】