JP4833882B2

JP4833882B2 - スクリュ流体機械

Info

Publication number: JP4833882B2
Application number: JP2007029270A
Authority: JP
Inventors: 正樹松隈; 孝益松井; 一浩上原; 高行脇田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-02-08
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2027-02-08
Also published as: JP2008196312A

Description

本発明は、スクリュ流体機械に関する。

ロータ室内に収容された雌雄咬合するスクリュロータで対象気体を圧縮するスクリュ圧縮機や、ロータ室内で対象気体を膨張させて雌雄咬合するスクリュロータを回転させる縮リュエキスパンダなどのスククリュ流体機械では、対象気体を系内に封止、或いは、対象気体に外気などが混入するのを防止するために、ロータ軸のスクリュロータと軸受との間に軸封構造が設けられる。

特許文献１に記載されているように、従来のスクリュ圧縮機では、吸込側の軸封装置としてリップシールが用いられ、吐出側の軸封装置としてメカニカルシールが用いられている。

リップシールは安価で省スペースの軸封装置であるが、一般に、封止可能な最大圧力が０．３ｋｇｆ／ｃｍ^２程度である。このため、リップシールは、高圧となる吐出側では軸封が不十分になったり耐久性が著しく低下するおそれがあるので、低圧の吸込側の軸封にのみ使用可能である。一方、メカニカルシールは、高圧の軸封が可能であるが、非常に高価であると共に設置のためのスペースが大きいという問題がある。
特開２０００−４５９４８号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、ロータ軸の高圧側に安価で省スペースの軸封構造を有するスクリュ流体機械を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明によれば、ロータ室内に収容された雌雄咬合するスクリュロータにより対象気体を圧縮または前記対象気体の膨張力を回転力に変換するスクリュ流体機械において、前記スクリュロータと前記スクリュロータのロータ軸の高圧側の軸受との間に非接触シールと、前記非接触シールと前記軸受との間で前記ロータ軸の外周に嵌装したスリーブと、前記スリーブの外周に摺接するリップシールと、前記非接触シールと前記リップシールとの間の空間を前記リップシールの耐用圧力以下の低圧空間に連通させる連通路と、前記スクリュロータと前記非接触シールとの間の前記ロータ軸に軸封流体を供給する軸封流体流路とを設けたものとする。

この構成によれば、非接触シールによって対象気体や潤滑流体（潤滑油やシール水など）をロータ室内に略封止し、非接触シールから僅かに漏出した対象気体や潤滑流体をリップシールで完全に封止して軸受に浸入させない。さらに、連通路を設けたことで、スクリュロータ側から非接触シールとリップシールとの間の空間に僅かに漏出する対象気体および潤滑流体を低圧空間に排出する。これによって、漏出した対象気体によって圧力が上昇することを防止できるので、リップシールに過大な圧力が加わることがなく、リップシールのシール性が損なわれたり、リップシールが短時間で損耗することがない。また、この軸封構造は、非接触シールとリップシールとで構成するので、安価であり、設置スペースも小さくて済む。また、リップシールは、ロータ軸に直接当接せず、スリーブに摺接することでロータ軸を封止するので、さらに摩耗が少なく寿命が長い。また、軸封流体によって非接触シールの軸封効果が高くなり、スクリュ流体機械の効率を向上させられる。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記低圧空間は、前記対象気体の吸込流路、または、前記ロータ室の低圧部であってもよい。

この構成によれば、非接触シールから漏出した対象気体および潤滑流体をロータ室に戻すことができるので、系外に排出せずに回収して再利用することができる。これによって、対象気体や潤滑流体のロスを防ぐことができ、無駄がない。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記リップシールと前記軸受との間の空間を外部に連通させる開放流路を設けてもよい。

この構成によれば、リップシールが摩耗するなどして潤滑流体が軸受側に漏出した場合にも、漏出した潤滑流体を外部に排出するので、軸受に潤滑流体が流入して不具合を生じさせることを防止できる。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記リップシールの前記ロータ軸対する接触部に螺旋溝を形成してもよい。

この構成によれば、リップシールの軸封能力が高くなる。

以上のように、本発明のスクリュ流体機械のロータ軸の吐出側の軸封構造は、非接触シールでスクリュロータの高圧の吐出圧を略封止する。さらに、連通路で非接触シールから僅かに漏出する対象気体や潤滑流体を低圧部に排出して非接触シールの軸受側の圧力が上昇することを防止することにより、対象気体や潤滑流体が軸受に流入しないようにリップシールで完全に封止することを可能にする。このため、本発明のスクリュ流体機械は、安価で省スペースの軸封構造を有する。また、リップシールをロータ軸に嵌装したスリーブに摺接させることで、リップシールの摩耗を低減し、長寿命にできる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の参考例のスクリュ圧縮機１を示す。スクリュ圧縮機１は、ハウジング２のロータ室３内に収容された雌雄咬合する一対のスクリュロータ４で、潤滑流体（潤滑油や水）を含む対象気体（例えば、空気や冷媒など）を圧縮するスクリュ流体機械である。

ハウジング２には、ロータ室３に圧縮すべき対象気体を供給する吸込流路５と、ロータ室３内でスクリュロータ４によって圧縮された対象気体を排出する吐出流路６と、スクリュロータ４のロータ軸７を吸込側（低圧側）および吐出側（高圧側）で、それぞれ、支持および軸封する構造を設置するための軸受軸封空間８，９が設けられている。

ロータ軸７は、吸込側の軸受軸封空間８内に設置されたころ軸受１０と、吐出側（高圧側）の軸受軸封空間９内に設置された２つの玉軸受１１とで回転可能に支持され、吸込側の軸受軸封空間９を貫通して延伸し、不図示のモータに接続される。

ころ軸受１０の前記モータ側には、モータ側への異物（ころ軸受１０のグリスなど）の浸入を防ぐリップシール１２が設置され、ころ軸受１０のスクリュロータ４側には、ころ軸受１０のグリスがスクリュロータ４側に流出しないように封止するリップシール１３と、吸込流路５からころ軸受１０側に対象気体や潤滑流体が浸入しないように封止するリップシール１４とが設けられている。

スクリュロータ４と玉軸受１０との間の吐出側の軸受軸封空間９には、スクリュロータ４側から順に、ラビリンスシール１５、リップシール１６およびリップシール１７が設けられている。ラビリンスシール１５は、ロータ軸７に嵌合してロータ軸７とともに回転するロータと、該ロータと接触しないように軸受軸封室９の内壁に嵌合して固定されたステータとからなる公知の非接触シールである。また、ロータ軸７の外周にはラビリンスシール１５と玉軸受１１との間にスリーブ１８が締まりばめで嵌装され、リップシール１６および１７は、ロータ軸７と一体に回転するスリーブ１８の外周に摺接するようになっている。リップシール１６は、ラビリンスシール１５側からの対象気体の浸入を封止する向きに設置され、リップシール１７は、玉軸受１１からのグリスなどの流出を防止する向きに設置されている。スリーブ１８は、外周面に、ＷＣ（タングステンカーバイト）やクロミア（酸化クロム）などの材料を溶射して、耐摩耗性を高めることが好ましく、リップシール１６，１７は、ＰＴＦＥ（４フッ化エチレン樹脂）等からなるものが好ましい。

また、ハウジング２には、リップシール１３とリップシール１４との間の軸受軸封空間８を外部に連通させる開放流路１９と、ラビリンスシール１５とリップシール１６との間の軸受軸封空間９を吸込流路５に連通させる連通路２０とが設けられている。

続いて、前記スクリュ圧縮機１の作用について説明する。
スクリュ圧縮機１のスクリュロータ４は、吸込流路５から対象気体を吸い込んで圧縮し、吐出流路６から吐出する。よって、当然に、吸込流路５は、リップシール１６の耐用圧力（例えば、約０．３ｋｇｆ／ｃｍ^２）よりも低圧である。このとき、対象気体中に含まれる潤滑流体は、雌雄のスクリュロータ４の間およびスクリュロータ４とロータ室３内壁との間の潤滑とシールをする。

吐出側のロータ軸７とハウジング２との隙間からは、圧縮された対象気体の圧力により、潤滑流体と対象気体とが流出しようとする。ラビリンスシール１５は、ロータ軸７周りの軸受軸封空間９をステータとロータとの間の入り組んだ形状の微少な隙間だけを残して封止している。潤滑流体や対象気体は、ラビリンスシール１５の隙間の流路抵抗のために、殆どスクリュロータ４側から軸受１０側へとラビリンスシール１５を通過することができない。僅かにラビリンスシール１５の隙間を通過することができた潤滑流体や対象気体も、ラビリンスシール１５の流路抵抗によってその圧力を失う。

これによって、潤滑流体や対象気体は、ラビリンスシール１５を通過しても、その圧力がリップシール１６の耐用圧力よりも小さくなり、リップシール１６によって完全に遮断されるので、玉軸受１１側に浸入することができない。

仮に、連通路２０がなく、ラビリンスシール１５とリップシール１６との間の軸受軸封空間９が密閉空間であれば、僅かずつラビリンスシール１５を通して漏出した潤滑流体や対象気体が蓄積される。すると、ラビリンスシール１５とリップシール１６との間の軸封空間９内の物質量が増加して、その内部圧力を増大させる。ラビリンスシール１５とリップシール１６との間の軸受軸封空間９内の圧力がリップシール１６の耐用圧力を超えると、リップシール１６を変形または破損させて、潤滑流体や対象気体が玉軸受１１側に浸入する。

しかしながら、本参考例のスクリュ圧縮機１には、ラビリンスシール１５とリップシール１６との間の軸受軸封空間９を吸込流路５に連通させる連通路２０が設けられているので、ラビリンスシール１５の隙間を通過した潤滑流体や対象気体は、連通路２０を介して吸込流路５に排出される。これによって、ラビリンスシール１５とリップシール１６との間の軸受軸封空間９では、圧力が上昇せず、リップシール１６の密封状態が保たれる。

また、軸受軸封空間９の圧力が上昇しないことは、リップシール１６を破損させたり、短時間で摩耗させることがなく、リップシールの寿命を長くすることに寄与する。また、リップシール１６およびリップシール１７をロータ軸７に嵌装したスリーブ１８に摺接させることは、リップシール１６，１７の摩耗をさらに低減して、さらなる長寿命化を可能にする。

また、軸受軸封空間９から吸込流路に排出された潤滑流体や対象気体は、再びロータ室３内に吸い込まれてスクリュロータ４により圧縮されるので、系外に排出されて損失になることはない。

本参考例のスクリュ圧縮機１において使用するラビリンスシール１５およびリップシール１６は、従来のスクリュ圧縮機において使用していたメカニカルシールと比べて、設置スペースが小さく、安価である。このため、本参考例のスクリュ圧縮機１は、従来のスクリュ圧縮機よりも安価に提供できる。また、ラビリンスシール１５は、非接触であるので、メカニカルシールのように摩耗することがなく、維持コストも低い。

続いて、図２に本発明の第１実施形態のスクリュ圧縮機１を示す。本実施形態において、参考例と同じ構成要素には、同じ符号を付して説明を省略する。本実施形態のスクリュ圧縮機１において、連通路２０は、ロータ室３の吸込側に近い中間圧力部に接続されている。この中間圧力部の圧力は、リップシール１６の耐用圧力よりも十分に低い圧力である。なお、この第１実施形態のスクリュ圧縮機１は、潤滑流体に水を採用した、いわゆる水潤滑式のものである。

また、ハウジング２には、ロータ軸７のスクリュロータ４とラビリンスシール１５との間に、潤滑流体と同じ水を軸封流体として供給するための軸封流体流路２１が設けられており、ロータ軸７には、軸封流体流路２１から供給された水をロータ軸７の全周に行き渡らせる環状溝２２が設けられている。

これによって、ハウジング２とロータ軸７との隙間を軸封流体の水で満たし、対象気体をハウジング２とロータ軸７との間から漏出させない。ひいては、ラビリンスシール１５から漏出する対象気体の量が非常に少なくなる。

さらに、ハウジング２には、リップシール１６とリップシール１７との間の軸受軸封空間９を外部に連通させて大気開放する開放流路２３が設けられている。

これによって、リップシール１６の寿命による摩耗などの原因で、万一、軸封流体の水がリップシール１６を超えて玉軸受１１側の軸受軸封空間９に浸入しても、その水は、開放流路２３から外部に排出されるので、玉軸受１１の内部に浸入して不具合を引き起こすことがない。

さらに、図３に本発明の第２実施形態のスクリュ圧縮機１の細部を示す。図示しない部分の構成および図中で第１実施形態と同じ符号を付した構成要素は、第１実施形態と同じであるので説明を省略する。

本実施形態では、第１実施形態のラビリンスシール１５に代えて、ロータ軸７に周囲に突出する外ねじ状の螺旋部２４を設けることで螺旋シールを構成している。この螺旋シールによっても、軸封流体流路２１から供給された軸封流体の水が、リップシール１６側の軸受軸封空間９に漏出することを略抑制することができる。

また、本実施形態では、リップシール１６のロータ軸７に対する接触部に螺旋溝２５が形成されている。螺旋溝２５は、リップシール１６の封止能力を高めることができる。

続いて、図４に、図１とは別の、本発明の参考例のスクリュ圧縮機１を示す。本参考例において図１の参考例または第１実施形態と同じ構成要素には、同じ符号を付して説明を省略する。本参考例のハウジング２には、開放流路２３と同様に、ラビリンスシール１５とリップシール１６との間の軸受軸封空間９とを外部に連通させて大気開放する開放流路２６が設けられている。

開放流路２６を設けたことで、ラビリンスシール１５を通過した潤滑流体や対象気体は、開放流路２６から外部に放出されるので、ラビリンスシール１５とリップシール１６との間の軸受軸封空間９の圧力を上昇させることがない。

また、圧縮される対象気体が蒸気である場合、開放流路２３，２６にセラミック湿度センサを設けることでラビリンスシール１５およびリップシール１６のシール性が適正に維持されているか否かを確認することができる。さらに、湿度センサの測定値を監視して所定の値以上になったときに、警告メッセージを表示するような自動監視装置を設けてもよい。

また、シール性を向上させるために、リップシール１３，１４，１６，１７を、それぞれ、軸方向に複数配設してもよい。

尚、上記の第１または第２実施形態は、スクリュ圧縮機に係るものであるが、本発明は、スクリュエキスパンダ（膨張機）にも適用することができる。

本発明の参考例のスクリュ圧縮機の概略断面図。本発明の第１実施形態のスクリュ圧縮機の概略断面図。本発明の第２実施形態のスクリュ圧縮機の概略部分断面図。本発明の別の参考例のスクリュ圧縮機の概略断面図。

符号の説明

１スクリュ圧縮機（スクリュ流体機械）
２ハウジング
３ロータ室
４スクリュロータ
５吸込流路
６吐出流路
７ロータ軸
９軸受軸封空間
１１玉軸受
１５ラビリンスシール（非接触シール）
１６リップシール
１８スリーブ
２０連通路
２１軸封流体流路
２３開放流路
２５螺旋溝
２６開放流路

Claims

ロータ室内に収容された雌雄咬合するスクリュロータにより対象気体を圧縮または前記対象気体の膨張力を回転力に変換するスクリュ流体機械において、
前記スクリュロータと前記スクリュロータのロータ軸の高圧側の軸受との間に非接触シールと、
前記非接触シールと前記軸受との間で前記ロータ軸の外周に嵌装したスリーブと、
前記スリーブの外周に摺接するリップシールと、
前記非接触シールと前記リップシールとの間の空間を前記リップシールの耐用圧力以下の低圧空間に連通させる連通路と、
前記スクリュロータと前記非接触シールとの間の前記ロータ軸に軸封流体を供給する軸封流体流路とを設けたことを特徴とするスクリュ流体機械。
前記低圧空間は、前記対象気体の吸込流路、または、前記ロータ室の低圧部であることを特徴とする請求項１に記載のスクリュ流体機械。
前記リップシールの前記スリーブに対する接触部に螺旋溝を形成したことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のスクリュ流体機械。