JP5589632B2 - 圧縮機シール装置 - Google Patents

Description

本発明は圧縮機シール装置に関するものである。

圧縮機インペラ側からハウジング外方へのガス漏洩を抑制するための圧縮機シール装置として、ドライガスシール、もしくは非接触メカニカルシールと呼称されるものがあり、非接触メカニカルシールの一例は、特許文献１に開示されている。

上記非接触メカニカルシールは、
先端側にインペラを有する回転軸の長手方向中間部分に取り付けた回転リングと、
該回転リングに相対し且つ軸線方向へ微小移動し得るようにハウジングに装着した静止リングと、
該静止リングを回転リングに向けて付勢するスプリングとを備え、
前記回転リングの静止リングが相対する端面の外縁部分には、放射状に湾曲して延びる動圧発生溝が形成されている。

特許文献１の非接触メカニカルシールでは、回転軸が停止しているとき、静止リングはスプリングによって回転リングに押圧されている。回転軸が回転し始めたときは、回転リングに静止リングが押圧されたままで双方が回転するが、回転リングの回転数が所定値を上回ると、前記動圧発生溝に取り込まれるガスにより回転リングと静止リングとの端面間に発生する動圧が前記スプリングの付勢力に打ち勝ち、静止リングを回転リングから離隔する方向へ微小変位させる。

これにより、回転リングと静止リングとが双方の端面間に僅かなシール間隙（２μｍ程）度を形成して回転し、回転リング及び静止リングが相互に摺動することに起因した摩耗が回避されるとともに、圧縮機インペラ側から前記シール間隙を経てハウジング外方へ漏洩するガスの量が最小限度に抑えられる。

特開平０３−１４０６７２号公報

特許文献１の非接触メカニカルシールを用いた圧縮機により昇圧されるガスが、可燃性、助燃性、毒性のものである場合には、圧縮機の運転中に前記回転リングと静止リングと間から漏洩するガスを回収して大気中への放散を防ぐための真空吸引手段や、不活性ガス（例えば窒素ガス）によって可燃性、助燃性のガスを希釈するための不活性ガス吹込供給手段を別途に設ける必要がある。

また、圧縮機が停止しているときには、静止リングがスプリングによって回転リングに押圧された状態となり、圧縮機インペラ側の気密性は保持されるはずであるが、実際には、表面凹凸などの微細な隙間があるため、完全にガス漏れを防止することはできない。

このため、可燃性、助燃性、毒性のガスを対象とする圧縮機では、該圧縮機が停止しているときも前記真空吸引手段や不活性ガス吹込供給手段を稼働させて、大気中へのガスの放散を防ぎ、あるいは、ガスを希釈することなり、常に真空圧縮手段や不活性ガス吹込手段の動力経費が掛かることになる。

本発明は上述した実情に鑑みてしたもので、回転軸停止時に圧縮機インペラ側の気密性を保てる圧縮機シール装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、
回転軸に同軸に装着した回転環と、
該回転環に同軸に相対する静止環と、
該静止環を周方向に取り囲むようにハウジングに装着され且つ静止環を軸線方向へ移動可能に支持するホルダと、
前記静止環を回転環に向けて付勢するスプリングとを有し、
前記回転軸に補助環をホルダ内周面に対して空隙を隔てるように外嵌させ、
回転環と静止環の対向面の一方に動圧発生溝を設けた圧縮機シール装置において、
前記補助環の反回転環側の端面がホルダの反回転環側の端面と同一平面に位置するように形成し、
前記補助環及びホルダの反回転環側に、補助環とホルダとの間の空隙を全周にわたって封鎖し得るシール部材を装着したシール環を配置し、
圧縮機停止時に、前記空隙をシール部材が封鎖するようにシール環を補助環及びホルダへ向けて押し出して機内の気密性を保ちガスが補助環とホルダの間の空隙からハウジングの外方へ漏洩することを防ぎ、圧縮機運転時に、前記空隙がシール部材によって封鎖されないようにシール環を補助環及びホルダから引き離す駆動手段を設けている。

請求項２に記載の圧縮機シール装置は、
シール部材にＯリングを用い、シール環にＯリングが嵌り込む溝を形成している。

本発明の圧縮機シール装置によれば、下記のような優れた作用効果を奏し得る。

（１）請求項１、２に記載の圧縮機シール装置にいずれにおいても、駆動手段によってシール環を補助環及びホルダに向けて押し出すと、シール環に装着されているシール部材が補助環とホルダの間に空隙を全周にわたって封鎖するので、圧縮機インペラ側の気密性を保持することができる。

（２）請求項２に記載の圧縮機シール装置では、シール部材にＯリングを用いたので、駆動手段によりシール環を押し出したときに、シール部材が補助環及びホルダに馴染みやすく、空隙を確実に封鎖することができる。

（ａ）は本発明の圧縮機シール装置の第１の例において間隙封鎖用のＯリングを押圧している状態を示す断面図、（ｂ）は（ａ）における間隙封鎖用のＯリングの押圧を解除した状態を示す断面図である。 図１におけるシール環を軸線方向に見た部分切断図である。 図１における回転環の接触端面を軸線方向に見た図である （ａ）は本発明の圧縮機シール装置の第２の例において間隙封鎖用のＯリングを押圧している状態を示す断面図、（ｂ）は（ａ）における間隙封鎖用のＯリングの押圧を解除した状態を示す断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。

図１（ａ）、（ｂ）、図２、図３は本発明の圧縮機シール装置の第１の例を示すもので、先端Ａ側にインペラを有する回転軸１の長手方向中間部１ｃにスリーブ２を外嵌させ、該スリーブ２に回転軸１の基端Ｂ側を向く接触端面３ａを有する回転環３を外嵌させることにより、回転軸１に回転環３を同軸に装着している。回転軸１には、主電動機（図示せず）の出力軸の回転が増速機構を介して伝達される。回転環３には、例えば、ステンレス鋼の基材に窒化チタンなど摩耗し難い材料の被覆層を形成したものを用いる。なお、図１及び後述する図４における一点鎖線は、回転軸１の中心線を示す。

回転軸１は、スリーブ２や後述の補助環４が外嵌される長手方向中間部１ｃよりも先端Ａ側が、長手方向中間部１ｃに比べて直径が大きい大径部１ａとして形成され、前記長手方向中間部１ｃよりも基端Ｂ側が、長手方向中間部１ｃに比べて直径が小さい小径部１ｂとして形成されている。

スリーブ２は、回転環３の内周面、回転環３の外周面、及び回転環３において回転軸１の先端Ａ側を向く面を覆う形状に形成されている。スリーブ２と回転環３には、回転軸１に平行な規制ピン５が嵌入されており、該規制ピン５は、スリーブ２に対する回転環３の周方向への変位を止める役割を担っている。

回転軸１の長手方向中間部１ｃに、該回転軸１の先端Ａ側を向く端面が前記回転環３の接触端面３ａ内縁部分に当接する補助環４を外嵌させ、回転軸１の小径部１ｂにナット６を螺着して締め付けることにより、回転環３に補助環４を押し当てている。

圧縮機ハウジング７に、前記補助環４を周方向に取り囲むホルダ８をボルト８ａにより締結し、回転軸１の先端Ａ側を向く接触端面９ａを有する静止環９を前記ホルダ８内部に支持させる。静止環９には、例えば、カーボンなどの摺動性に優れた素材を用いる。

ホルダ８には、静止環９を回転環３に同軸に位置させて静止環９を回転環３に近接離反する方向に導くための案内ピン１０と、静止環９を回転環３に向けて付勢するスプリング１１とが内装されており、該スプリング１１は、圧縮機停止時において、静止環９の接触端面９ａを回転環３の接触端面３ａに押し付ける役割を担っている。

前記回転軸１に外嵌させてある補助環４外周面は、ホルダ８内周面に対して空隙１２を隔てており、該空隙１２は、回転軸１の基端Ｂ側から先端Ａ側へ向かって見ると円形状を呈している。

回転環３の接触端面３ａ外縁部分には、放射状に湾曲して延びる動圧発生溝３ｂが形成されており、圧縮機の運転開始に伴って回転環３の回転数が所定値を上回ると、前記動圧発生溝３ｂに取り込まれるガスにより回転環３及び静止環９の接触端面３ａ，９ａとの間に発生する動圧が前記スプリング１１の付勢力に打ち勝ち、静止環９を回転環３から離隔する方向へ微小変位させるようになっている。

なお、符号１３は、回転軸１の大径部１ａとスリーブ２との間に介在させたシール部材、符号１４は、スリーブ２と回転環３との間に介在させたシール部材、符号１５は、スリーブ２と補助環４との間に介在させたシール部材、符号１６は、静止環９とホルダ８との間に介在させたシール部材であり、これらシール部材１３，１４，１５，１６には、Ｏリングを用いている。

図１（ａ）、（ｂ）、図２、図３に示す圧縮機シール装置の特徴部分は、補助環４の回転環３とは反対側（反回転環側）の端面が、ホルダ８の回転環３とは反対側（反回転環側）の端面と同一平面に位置するように形成し、これら補助環４及びホルダ８の回転環３とは反対側（反回転環側）の端面に対向するように、補助環４とホルダ８との間の空隙１２を全周にわたって封鎖し得るシール部材１７を装着したシール環１８を配置し、該シール環１８を補助環４及びホルダ８へ向けて押し出すための駆動手段１９を設けた点にある。

シール部材１７にはＯリングを用いており、シール環１８にはＯリングが嵌り込む溝（例えば蟻溝）２０が形成されている。

ホルダ８の回転環３とは反対側の端面には、回転軸１と平行に突出するガイドピン２１が三本以上設けられ、前記シール環１８には、ガイドピン２１が挿通されるピン孔２２を穿設してあり、シール環１８がガイドピン２１に沿って補助環４及びホルダ８に近接離反するようになっている。ガイドピン２１を三本以上としてあるのは、シール環１８の端面が補助環４及びホルダ８に平行となるように保持して、シール環１８を滑らかに移動させるためである。

駆動手段１９は、シール環１８の回転環３とは反対側の端面に向けて突出し且つサーボモータにより回転軸１と平行な方向に前進後退可能なロッド２３を有している。この駆動手段１９は、ロッド２３がガイドピン２１に干渉しないように、各ガイドピン２１ごとに圧縮機ハウジング７に取り付けられ装着され、ロッド２３先端がシール環１８に締結されている。駆動手段１９を各ガイドピン２１ごとに設けてあるのは、シール部材１７を装着したシール環１８が補助環４及びホルダ８に向けて均等に押し出されるようにするためである。

次に、図１（ａ）、（ｂ）、図２、図３に示す圧縮機シール装置の作動を説明する。回転軸１が停止しているとき、静止環９はスプリング１１によって回転環３に向けて押し付けられ、回転環３及び静止環９の両接触端面３ａ，９ａは互いに当接した状態になっている。

圧縮機を運転するときには、駆動手段１９のロッド２３を後退させ、シール環１８を補助環４及びホルダ８から離し、補助環４及びホルダ８の間の空隙１２が、シール環１８に装着されているシール部材１７によって封鎖されない状態とする。

可燃性、助燃性、毒性のガスを昇圧対象として、前述したように大気中へのガスの放散を防ぐための真空吸引手段を別途に設けた圧縮機では、該真空吸引手段を作動させておく。

主電動機を作動させて、回転軸１が回転し始めたときには、所定の回転数まで回転環３と静止環９は相対的に滑りを生じているが、回転環３の回転数が所定値を上回ると、前記動圧発生溝３ｂに取り込まれるガスにより回転環３及び静止環９との接触端面３ａ，９ａ間に発生する動圧が前記スプリング１１の付勢力に打ち勝ち、静止環９を回転環３から離隔する方向へ微小変位させる。

これにより、回転環３及び静止環９が双方の接触端面３ａ，９ａ間に僅かなシール間隙（２μｍ程度）を形成して回転し、回転環３及び静止環９が相互に摺動することに起因した摩耗が回避され、シール部材１７が補助環４及びホルダ８の間の空隙１２を閉止しない状態となっているので、補助環４及びシール部材１７が摺動することに起因した摩耗も回避される。

上記シール間隙が形成されると、圧縮機インペラ側から微量のガスが、回転環３及び静止環９が双方の両接触端面３ａ，９ａ間のシール間隙、及び補助環４及びホルダ８の間の空隙１２を経て圧縮機ハウジング７外方へ漏洩するが、可燃性、助燃性、毒性のガスを昇圧対象とする圧縮機では、前述した真空吸引装置を作動させておくことにより、大気中へのガスの放散を防げる。

主電動機の運転を中断して、回転軸１が停止すると、前記動圧発生溝３ｂによるガスの取り込みがなくなり、回転環３及び静止環９との接触端面３ａ，９ａ間に動圧が発生しなくなるので、静止環９が前記スプリング１１の付勢力によって回転環３に押し付けられる。

このとき、駆動手段１９のロッド２３を前進させ、シール環１８を補助環４及びホルダ８に近付け、補助環４及びホルダ８の間の空隙１２を、シール環１８に装着されているシール部材１７によって封鎖した状態とすると、圧縮機インペラ側と外部との連通が遮断され、圧縮機インペラ側の気密性を保てる。

このため、可燃性、助燃性、毒性のガスを対象とする圧縮機では、圧縮機停止時に前記真空吸引手段を稼働させる必要がなくなり、真空圧縮手段の動力経費を軽減できる。

シール部材１７に用いるＯリングは、その断面形状や素材（ゴム）の物性に起因して、駆動手段１９によりシール環１８を押し出す際に、補助環４及びホルダ８に馴染みやすく、空隙１２を確実に封鎖することができる。更に、溝２０を蟻溝とすれば、該蟻溝とＯリングとの組み合わせによって、シール環１８からのシール部材１７の脱落を防止できる。

また、沸点が低いガスに用いる圧縮機（例えば、ヒートポンプ）では、圧縮機停止時に冷媒が凝縮して圧縮機インペラ側が負圧になり、大気が圧縮機内へ入り込むことが想定されるが、この問題は、インペラ側の気密性を保つことが可能な図１（ａ）、（ｂ）、図２、図３に示す圧縮機シール装置を用いれば、解消できる。

図４（ａ）、（ｂ）は本発明の圧縮機シール装置の第２の例を示すもので、図中、図１（ａ）、（ｂ）、図２、図３と同一の符号を付した部分は同一物を表している。

この圧縮機シール装置では、図１（ａ）、（ｂ）におけるスリーブ２を用いずに、回転軸１の長手方向中間部１ｃに直接、回転環３を外嵌させ、回転軸１の大径部１ａと回転環３に回転軸１に平行な規制ピン５が嵌入し、該規制ピン５により大径部１ａに対する回転環３の周方向への変位を抑止している。

補助環４の形状は図１（ａ）、（ｂ）に図示されたものと異なるが、回転軸１の小径部１ｂに螺着したナット６を締め付けることによって、補助環４が回転環３の接触端面３ａ内縁部分に押し当てられていることは変わらない。

従って、本発明の圧縮機シール装置の第２の例も、先に述べた第１の例と同様に、駆動手段１９のロッド２３を前進させ、シール環１８を補助環４及びホルダ８に近付け、補助環４及びホルダ８の間の空隙１２を、シール環１８に装着されているシール部材１７によって封鎖した状態とすると、圧縮機インペラ側と外部との連通が遮断され、圧縮機インペラ側の気密性を保てる。

１ 回転軸
３ 回転環
３ｂ 動圧発生溝
４ 補助環
７ 圧縮機ハウジング（ハウジング）
８ ホルダ
９ 静止環
９ａ 接触端面
１１ スプリング
１２ 空隙
１７ シール部材
１８ シール環
１９ 駆動手段
２０ 溝

Claims (2)

1. 回転軸に同軸に装着した回転環と、
   該回転環に同軸に相対する静止環と、
   該静止環を周方向に取り囲むようにハウジングに装着され且つ静止環を軸線方向へ移動可能に支持するホルダと、
   前記静止環を回転環に向けて付勢するスプリングとを有し、
   前記回転軸に補助環をホルダ内周面に対して空隙を隔てるように外嵌させ、
   回転環と静止環の対向面の一方に動圧発生溝を設けた圧縮機シール装置において、
   前記補助環の反回転環側の端面がホルダの反回転環側の端面と同一平面に位置するように形成し、
   前記補助環及びホルダの反回転環側に、補助環とホルダとの間の空隙を全周にわたって封鎖し得るシール部材を装着したシール環を配置し、
   圧縮機停止時に、前記空隙をシール部材が封鎖するようにシール環を補助環及びホルダへ向けて押し出して機内の気密性を保ちガスが補助環とホルダの間の空隙からハウジングの外方へ漏洩することを防ぎ、圧縮機運転時に、前記空隙がシール部材によって封鎖されないようにシール環を補助環及びホルダから引き離す駆動手段を設けたことを特徴とする圧縮機シール装置。
2. シール部材にＯリングを用い、シール環にＯリングが嵌り込む溝を形成した請求項１に記載の圧縮機シール装置。

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