CN102959287B

CN102959287B - 干气密封结构

Info

Publication number: CN102959287B
Application number: CN201180021545.5A
Authority: CN
Inventors: 堀匠; 船越大司; 前田学; 上原秀和; 山下一彦; 吉田善一
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2015-10-07
Anticipated expiration: 2031-10-27
Also published as: EP2772670A4; EP2772670A1; CN102959287A; US9791046B2; EP2772670B1; AU2011372779B2; US20130106062A1; AU2011372779A1; WO2013061436A1

Abstract

该干气密封结构（10）具备：壳体（12），其收容有超临界状态的流体；旋转轴（13），其贯通壳体（12）；旋转环（25），其与旋转轴（13）一体地旋转；静止环（28），其在旋转轴（13）停止时与旋转环（25）抵接，在旋转轴（13）旋转时以与旋转环（25）之间隔开密封间隙（30）的状态静止；循环配管路径（20），其将流体的一部分向密封间隙（30）的入口部分供给；调温装置，其调节在循环配管路径（20）中流动的流体的温度；及控制部（C），其在驱动旋转轴（13）之前，控制调温装置的动作，以将密封间隙（30）的入口部分加热至规定温度。

Description

干气密封结构

技术领域

本发明涉及贯通壳体而设置的干气密封结构。

背景技术

在贯通壳体而设置有旋转轴的旋转机械中，作为用于对旋转轴与壳体之间进行密封的密封结构，广泛地使用干气密封结构（例如，参照专利文献1）。这里，图13是表示现有例子的干气密封结构70的概略纵向剖视图。如图所示，干气密封结构70包括固定于旋转轴71而一体旋转的旋转环72和与该旋转环72相对而设置于壳体73的静止环74，在旋转环72的表面上形成螺旋状的槽（未图示），并且静止环74由螺旋弹簧75向旋转环72侧施力。根据这种构成，旋转轴71停止时，由螺旋弹簧75的作用力而使旋转环72与静止环74抵接。另一方面，当旋转轴71旋转时，壳体73内的气体被导入到螺旋状的槽的内部，由于其动压效果而在旋转环72与静止环74之间产生微小的密封间隙76。并且，壳体73内的气体通过该密封间隙76而向外部泄漏微量，从而将旋转轴71与壳体73之间密封。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2004-190783号公报

发明内容

然而，以往的干气密封结构70适用于如所谓CO₂喷射泵那样喷出压力为高压的泵时，在旋转环72与静止环74之间产生的密封间隙76中可能会发生不良情况。这里，图14是表示以往的干气密封结构70中的CO₂的焓与CO₂的压力之间的关系的图形。在将干气密封结构70适用于CO₂喷射泵时，收容在壳体73内的CO₂例如为压力是20MPa且温度是30℃以上的超临界状态。在这种超临界状态下，在旋转轴71的驱动开始前且壳体73内的CO₂的温度尚低时，例如图14所示CO₂的温度为50℃时，该CO₂在通过密封间隙76时被减压，由此其状态从超临界状态变化，成为气液二相状态即气体与液体混杂的状态。如此，CO₂的物性，具体而言密度、粘度急剧变化。在该状态下开始旋转驱动时，由螺旋弹簧75施力的静止环74的行动有时不稳定。需要说明的是，本发明中的“超临界状态”是指超过了具有气体与液体能够共存的极限的温度、压力的点即临界点的状态。

另外，在旋转轴71的驱动开始前且壳体73内的CO₂的温度尚低时，例如图7所示，在CO₂的温度为40℃时，超临界状态的CO₂比气体状态的CO₂的粘度高。在该状态下开始旋转驱动时，CO₂通过密封间隙76时的粘性发热量增大，在旋转环72和静止环74可能会发生过大的热变形。

此外，在旋转轴71的驱动开始前且壳体73内的CO₂的温度尚低时，在通过密封间隙76时CO₂进行隔热膨胀，由此，密封间隙76的出口部分的CO₂的温度有时会成为冰点以下。这种情况下，大气中的水分在密封间隙76的出口部分的周边有时会结冰。

本发明考虑这种情况而作出，其目的在于提供一种即使在适用于将超临界状态的流体收容在壳体的内部那样的旋转机械的情况下，在旋转轴的驱动开始时，密封间隙也不会发生不良情况的干气密封结构。

本发明的干气密封结构的第一方式为，所述干气密封结构具备：壳体，其收容有超临界状态的流体；旋转轴，其贯通该壳体而设置且被旋转驱动；旋转环，其包围该旋转轴而设置且与该旋转轴一体地旋转；静止环，其设置于所述壳体，在所述旋转轴停止时以整周与所述旋转环抵接，在所述旋转轴旋转时以与所述旋转环之间隔开密封间隙的状态静止；配管路径，其将由所述壳体收容的流体的一部分向所述密封间隙的入口部分供给；调温装置，其调节在所述配管路径中流动的流体的温度；及控制部，其在驱动所述旋转轴之前，控制所述调温装置的动作，以将所述密封间隙的入口部分加热至规定温度。

根据这种构成，在旋转轴的驱动开始前，供给由调温装置加热后的超临界状态的流体，从而将密封间隙的入口部分预先加热至规定温度。

本发明的干气密封结构的第一方式也可以在所述配管路径设置有循环泵，该循环泵使供给至所述密封间隙的入口部分的流体循环而再次向所述密封间隙的入口部分供给。

根据这种构成，使由壳体收容的流体的一部分循环而反复向密封间隙的入口部分供给，因此无需将由壳体收容的流体全部加热。因此，能够缩短调温装置对流体的温度控制所需的时间，而且能够实现构成调温装置的加热器的容量的缩小化。

另外，在本发明的干气密封结构的第一方式中，也可以是，所述调温装置具备对在所述配管路径中流动的流体进行加热的加热器，该加热器的热源是所述循环泵或对将所述旋转轴支承为旋转自如的轴承供给润滑油的润滑用油泵。

根据这种构成，无需为了加热流体而设置专用的热源，因此能够实现成本削减。

本发明的干气密封结构的第二方式为，所述干气密封结构具备：壳体，其收容有超临界状态的流体；旋转轴，其贯通该壳体而设置且被旋转驱动；旋转环，其包围该旋转轴而设置且与该旋转轴一体地旋转；静止环，其设置于所述壳体，在所述旋转轴停止时以整周与所述旋转环抵接，在所述旋转轴旋转时以与所述旋转环之间隔开密封隙的状态静止；加热器，其设置在所述旋转环及所述静止环中的至少任一方；及控制部，其在驱动所述旋转轴之前，控制所述加热器的动作，以将所述密封间隙的入口部分加热至规定温度。

根据这种构成，在旋转轴的驱动开始前，利用设置在旋转环、静止环的加热器，将密封间隙的入口部分预先加热至规定温度。而且，无需将用于调节流体的温度的调温装置等设置在壳体的外部，因此能够实现作为旋转机械整体的省空间化。

本发明的干气密封结构的第三方式为，所述干气密封结构具备：壳体，其收容有超临界状态的流体；旋转轴，其贯通该壳体而设置且被旋转驱动；旋转环，其包围该旋转轴而设置且与该旋转轴一体地旋转；静止环，其设置于所述壳体，在所述旋转轴停止时以整周与所述旋转环抵接，在所述旋转轴旋转时以与所述旋转环之间隔开密封间隙的状态静止；加热器，其设置在所述壳体中的所述密封间隙的紧前位置；及控制部，其在驱动所述旋转轴之前，控制所述加热器的动作，以将所述密封间隙的入口部分加热至规定温度。

根据这种构成，在旋转轴的驱动开始前，利用设置于壳体的加热器，而将密封间隙的入口部分预先加热至规定温度。而且，无需将用于调节流体的温度的调温装置等设置在壳体的外部，因此能够实现作为旋转机械整体的省空间化。

另外，在本发明的干气密封结构的第一至第三方式中，也可以在所述壳体的内部形成且所述超临界状态的流体所流过的流通路径中，所述密封间隙的紧前部分形成得比其他的部分窄。

根据这种构成，在旋转轴的驱动开始后，由于流体在流通路径的狭窄的部分流动时的搅拌损失，密封间隙的入口部分被加热。因此，可以使在驱动开始前为了对密封间隙的入口部分进行加热而使用的调温装置、加热器在旋转轴的驱动开始后停止。因此，能够对应于不需要调温装置、加热器的运行成本而实现成本削减。

【发明效果】

根据本发明的干气密封结构，在旋转轴的驱动开始前，预先对密封间隙的入口部分进行加热，因此在旋转轴的驱动开始时通过密封间隙的超临界状态的流体的温度升高。因此，超临界状态的流体若在通过密封间隙时被减压，则从超临界状态向气体状态变化。由此，流体的物性不会发生急剧的变化，静止环的行动保持稳定的状态。

另外，在旋转轴的驱动开始时，通过密封间隙的流体的温度升高，因此流体的粘度下降。由此，流体通过密封间隙时产生的粘性发热量减小，静止环等也不会产生热变形。

此外，在旋转轴的驱动开始时，通过密封间隙的流体的温度升高，因此即使通过密封间隙时流体发生隔热膨胀，也能够防止流体的温度在密封间隙的出口部分成为冰点以下的情况。由此，大气中的水分在密封间隙的出口部分的周边不会发生结冰。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的干气密封结构的概略纵向剖视图。

图2是表示CO₂循环系统的结构的示意图。

图3是表示泄漏排出系统的结构的示意图。

图4是表示具备本发明的第一实施方式的干气密封结构的CO₂喷射泵中的起动时的处理的流程的流程图。

图5是表示具备本发明的第一实施方式的干气密封结构的CO₂喷射泵中的起动时的处理的流程的流程图。

图6是用于说明在旋转轴的驱动开始前对密封间隙进行加热的作用效果的说明图，是将CO₂的焓取为横轴并将CO₂的压力取为纵轴的图形。

图7是用于说明在旋转轴的驱动开始前对密封间隙进行加热的作用效果的说明图，是将CO₂的压力取为横轴并将CO₂的粘度取为纵轴的图形。

图8是表示本发明的第二实施方式的干气密封结构的概略纵向剖视图。

图9A是表示第二实施方式的一变形例的局部放大纵向剖视图。

图9B是表示第二实施方式的另一变形例的局部放大纵向剖视图。

图10是表示本发明的第三实施方式的干气密封结构的概略纵向剖视图。

图11是表示本发明的第四实施方式的干气密封结构的概略纵向剖视图。

图12是表示第四实施方式的变形例的局部放大纵向剖视图。

图13是表示现有例子的干气密封结构的概略纵向剖视图。

图14是表示以往的干气密封结构70中的CO₂的焓与CO₂的压力之间的关系的图形。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施方式。首先，说明本发明的第一实施方式的干气密封结构的构成。图1是表示本实施方式的干气密封结构10的概略纵向剖视图。干气密封结构10具备壳体12、旋转轴13、轴承14、润滑用油泵15、第一密封结构16及第二密封结构17、机内侧迷宫式密封圈18、机外侧迷宫式密封圈19、CO₂循环系统21、及泄漏排出系统23。

在壳体12形成有多条流路11。旋转轴13贯通壳体12设置并由轴承14支承为旋转自如，且被旋转驱动。润滑用油泵15向轴承14供给润滑油。第一密封结构16及第二密封结构17沿着旋转轴13设置。机内侧迷宫式密封圈18在比壳体12的第一密封结构16靠机内侧设置2个，机外侧迷宫式密封圈19在比壳体12的第二密封结构17靠机外侧设置2个。CO₂循环系统21经由循环配管路径20而与比第一密封结构16靠机内侧的壳体12连接，泄漏排出系统23经由排出配管路径22而与比第一密封结构16靠机外侧的壳体12连接。

所述壳体12构成CO₂喷射泵的壁面。在该壳体12的内部收容有超临界状态的CO₂（二氧化碳）。并且，在该壳体12中，在2个机内侧迷宫式密封圈18的中间形成有第一流路11A，在比第一密封结构16靠机内侧的位置形成有第二流路11B，在比第一密封结构16靠机外侧的位置形成有第三流路11C。

如图1所示，第一密封结构16具有旋转环25、螺旋弹簧27、静止环28、O形环29。旋转环25固定在与旋转轴13一体旋转的轴套24上。螺旋弹簧27的一端安装在固定于壳体12的保持器26上。静止环28与形成于保持器26的凹槽嵌合，且安装有螺旋弹簧27的另一端。O形环29为了对旋转环25的向轴套24的安装位置、及静止环28的向保持器26的安装位置进行密封而设置在各处。并且，虽然图1中未详细表示，但在旋转环25的密封面25a即与静止环28相对的一侧的面上形成有螺旋状的槽。需要说明的是，也可以在静止环28的密封面28a即与旋转环25相对的一侧的面上形成螺旋状的槽。

根据如此构成的第一密封结构16，在旋转轴13的旋转停止时，通过螺旋弹簧27的作用力，而静止环28的密封面28a与旋转环25的密封面25a密接。由此，通过第一密封结构16将旋转轴13与壳体12之间进行密封，以免机内的CO₂向机外漏出。另一方面，当旋转轴13开始旋转时，机内的CO₂被导入到在旋转环25的密封面25a上形成的螺旋状的槽（未图示）的内部，由于其动压效果而在旋转环25与静止环28之间产生微小的密封间隙30。并且，机内的CO₂中的微量的CO₂通过该密封间隙30，经由在保持器26与轴套24之间形成的流通路径31，从第三流路11C向泄漏排出系统23排出。如此，机内的CO₂向外部漏出微量，由此，利用第一密封结构16对旋转轴13与壳体12之间进行密封，以免其余的大部分的CO₂向机外漏出。

所述第二密封结构17如上述那样用于防止通过了第一密封结构16的密封间隙30的微量的CO₂向泄漏排出系统23以外的机外漏出。该第二密封结构17的结构与第一密封结构16相同，因此使用与第一密封结构16相同的标号，省略其说明。根据如此构成的第二密封结构17，通过了第一密封结构16的密封间隙30的微量的CO₂中的进而一部分的CO₂通过第二密封结构17的密封间隙30，由此会防止其余的大部分的CO₂向机外漏出的情况。并且，通过了第一密封结构16的微量的CO₂的大部分通过第三流路11C而向机外排出。而且，在第一密封结构16因损伤等而丧失密封功能时，第二密封结构17作为后备而取代第一密封结构16的密封功能。需要说明的是，在本实施方式中，除了第一密封结构16之外还设置第二密封结构17，从而形成所谓串联结构，但该第二密封结构17并不是本发明必须的结构，也可以设为仅具备第一密封结构16的结构。

所述机内侧迷宫式密封圈18及机外侧迷宫式密封圈19是在压缩气体的密封中使用的所谓迷宫式密封。如图1所示，该机内侧迷宫式密封圈18及机外侧迷宫式密封圈19在旋转轴13与壳体12之间交替地形成窄幅部和宽幅部。根据这种结构，机内的CO₂通过了窄幅部之后在宽幅部发生膨胀，从而CO₂产生压力下降，通过反复这种情况而漏出的气体逐渐减少。而且，在第二密封结构17与机外侧迷宫式密封圈19之间设置的第四流路11D也经由排出配管路径22而与泄漏排出系统23连接。需要说明的是，机内侧迷宫式密封圈18和机外侧迷宫式密封圈19在本发明并非必须的结构，但若如本实施方式那样分别设置在第一密封结构16的机内侧和第二密封结构17的机外侧，则具有如下所示的优点。由于机内侧迷宫式密封圈18，通过第一流路11A而向CO₂循环系统21循环的CO₂的体积比机内的CO₂的体积减少，因此能够减少后述的加热器的容量，并且能够缩短温度控制的时间。而且，由机外侧迷宫式密封圈19之间的第五流路11E供给氮或空气的气体，从而能够防止轴承的润滑油侵入到机内的情况。当然，机内侧迷宫式密封圈18及机外侧迷宫式密封圈19的个数、设置位置等能够适当变更。

所述CO₂循环系统21用于使机内的CO₂循环并对旋转环25与静止环28之间产生的密封间隙30反复供给机内的CO₂。

这里，图2是表示CO₂循环系统21的结构的说明图。CO₂循环系统21中，在一端与图1所示的壳体12的第一流路11A连接且另一端与第二流路11B连接的循环配管路径20的规定部位上连接有从机内延伸的供给配管路径32的一端，且在循环配管路径20和供给配管路径32的各处设置有各种结构要素。

如图2所示，在循环配管路径20上，在从向所述第一流路11A连接的连接部位到向所述第二流路11B连接的连接部位之间，朝向图中箭头所示的CO₂流通方向依次地设置有第一过滤器单元33、循环泵34、单向阀35、第二过滤器单元36、调温装置37、流量计38、压力计39、及温度计40。

第一过滤器单元33具有：设置于循环配管路径20而从CO₂除去异物等的过滤器33a；在过滤器33a发生了筛眼堵塞等时预备地发挥作用的预备过滤器33b；测定隔着过滤器33a的上游侧位置与下游侧位置的压力差的差压计33c。而且，第二过滤器单元36也具有过滤器36a、预备过滤器36b及差压计36c，各结构的功能与第一过滤器单元33的各结构相同。

循环泵34使CO₂强制地沿着循环配管路径20循环。而且，单向阀35是将循环配管路径20中的CO₂的流动始终保持一定且具有防止逆流的功能的阀。

调温装置37任意地调整在循环配管路径20中流动的CO₂的温度。如图2所示，该调温装置37具有：通过与冷却水之间进行热交换而使CO₂的温度下降的热交换器37a；及对CO₂进行加热而使其温度上升的加热器37b。并且，该调温装置37通过控制部C来控制其动作。需要说明的是，虽然图2中未详细表示，但控制部C不仅控制调温装置37的动作而且也控制构成干气密封结构10的各部的动作。此外，对于加热器37b，也可以将以其它用途设置于干气密封结构10的结构要素作为热源使用。具体而言，也可以将在循环泵34产生的循环泵损失或在图1所示的润滑用油泵15产生的润滑用油泵损失转换成热能，并使用该热能作为加热器37b的热源。而且，作为加热器37b的热源，并仅不局限于循环泵34和润滑用油泵15，也可以使用以其他的用途设置于干气密封结构10的各种泵。根据这种结构，与设置专用的加热器37b的情况相比，不需要专用的热源且不需要运行成本，相应地，具有能够实现成本削减这样的优点。而且，作为调温装置37的结构，热交换器37a并非必须，调温装置37只要至少具有加热器37b就足够。

流量计38测定在循环配管路径20中循环的CO₂的流量。而且，压力计39测定向所述第二流路11B连接的连接部位的附近的CO₂的压力。而且，温度计40测定向所述第二流路11B连接的连接部位的附近的CO₂的温度。

另一方面，如图2所示，在供给配管路径32上，朝向CO₂流通方向依次设置有压力调整阀41和单向阀42。压力调整阀41是通过调整供给配管路径32的开闭度而能够任意地调整CO₂的供给压力的阀。另一方面，单向阀42是将供给配管路径32中的CO₂的流动始终保持为一定方向且具有防止逆流的功能的阀，阻止在循环配管路径20中循环的CO₂向供给配管路径32流入的情况。

所述泄漏排出系统23用于将通过了第一密封结构16的密封间隙30的微量的CO₂向机外排出。这里，图3是表示泄漏排出系统23的结构的示意图。泄漏排出系统23是将一端与图1所示的壳体12的第三流路11C连接的排出配管路径22向机外引出且在该排出配管路径22的各处设置有各种结构要素的系统。

如图3所示，在排出配管路径22上，从第三流路11C朝向CO₂流通方向依次设置有温度计43、压力计44、流量计45、背压阀46。

温度计43测定向图1所示的第三流路11C连接的连接部位的附近的CO₂的温度。而且，压力计44测定向第三流路11C连接的连接部位的附近的CO₂的压力。而且，流量计45测定在排出配管路径22中流动的CO₂的流量。而且，背压阀46是用于将自身上游侧的CO₂的压力保持为一定的阀。即，背压阀46在上游侧的压力成为设定值以上时，使CO₂通过而使该压力下降，由此将上游侧的压力保持为一定。

接下来，说明使采用了第一实施方式的干气密封结构10的CO₂喷射泵起动时的顺序。图4及图5是表示CO₂喷射泵具有的控制部C在起动时进行的处理的流程的流程图。

在使CO₂喷射泵起动时，首先控制部C对于供给配管路径32以气体的状态供给CO₂（S1）。并且，判定CO₂气体是否从配管各处具体而言从循环配管路径20、供给配管路径32、排出配管路径22泄漏（S2）。其结果是，在判断为存在CO₂气体泄漏时（S2为是），将该内容向使用者报告（S3），待机至变得没有泄漏为止。接受到报告的使用者例如通过在配管的接头部分涂敷肥皂水并判定是否出泡来判定是否存在CO₂气体的泄漏。需要说明的是，作为向使用者报告的具体的方法，虽然图中未详细表示，但可列举出在显示画面上显示警告的方法、从扬声器发出警告音的方法。

另一方面，控制部C在判断为没有CO₂气体的泄漏时（S2为否），接着判定密封泄漏量是否在容许范围内（S4）。即，控制部C通过检测在图3所示的排出配管路径22上设置的流量计45的测定值，来检测密封泄漏量即从第一密封结构16的密封间隙30漏出的CO₂的量。并且，判定检测出的密封泄漏量是否处于作为旋转轴13的旋转停止的状态下的密封泄漏量所容许的范围内。其结果是，在判断为密封泄漏量不在容许范围内时（S4为否），控制部C将该内容向使用者报告（S5），待机至密封泄漏量进入容许范围内为止。这种情况下，由于CO₂可能从静止环28、旋转环25等泄漏，因此接受到报告的使用者在对这些部位进行检查而发现了不良情况时，实施修缮、更换等的适当的处置。另一方面，在判断为密封泄漏量进入到容许范围内时（S4为是），控制部C转移至下一步骤。

接下来，控制部C在图2所示的循环配管路径20上设置的循环泵34成为能够起动的状态之前，具体而言在机内的CO₂成为超临界状态之前，使机内升温及升压（S6）。接下来，控制部C使循环泵34起动（S7）。此外，控制部C检测在图2所示的循环配管路径20上设置的流量计38的测定值，以使在循环配管路径20中循环的CO₂的流量成为规定流量的方式适当调整循环泵34的转速（S8）。如此，通过使CO₂的流量成为规定流量以上，从循环配管路径20向第二流路11B流入的CO₂无论向第一密封结构16的密封间隙30的入口侧还是向机内侧迷宫式密封圈18侧都流动充分量，因此如后述那样能够充分地对密封间隙30的入口部分进行加热，并能够防止异物等从机内侧迷宫式密封圈18侧向第一密封结构16侵入的情况。

接下来，控制部C通过检测在图2所示的循环配管路径20上设置的第一过滤器单元33和第二过滤器单元36的各差压计33c、36c的测定值，而分别检测过滤器差压即隔着过滤器33a、36a的上游侧与下游侧的压力差。并且，判定所检测到的过滤器差压是否达到了既定的过滤器更换差压（S9）。其结果是，在判断为过滤器差压达到过滤器更换差压时（S9为是），控制部C显示在未图示的显示画面上等，而将应更换过滤器33a的内容向使用者报告（S10），待机至过滤器差压低于过滤器更换差压为止。接受到报告的使用者实施切换成预备过滤器33b、36b或将过滤器33a、36a更换为新品等的适当的处置。

另一方面，控制部C在判断为过滤器差压未达到过滤器更换差压时（S9为否），接下来将第一密封结构16的密封间隙30的入口部分加热至规定温度（S11）。即，控制部C对图2所示的构成调温装置37的热交换器37a、加热器37b的动作进行控制，以使第一密封结构16的密封间隙30的入口部分由从第二流路11B流入的CO₂加热而达到规定温度。需要说明的是，在本发明中，“密封间隙30的入口部分”是指朝向CO₂的流通方向的密封间隙30的最上游部的附近，包括旋转环25、静止环28、轴套24、保持器26、壳体12。

这里，图6及图7是用于说明对密封间隙30的入口部分进行加热的效果的说明图。当对密封间隙30的入口部分进行加热时，通过密封间隙30时的CO₂的温度上升。并且，如图6所示，若CO₂的温度例如从50℃上升至60℃，则CO₂在通过密封间隙30时被减压时，CO₂的状态从超临界状态向气体状态变化。因此，与如前述那样从超临界状态向气液二相变化的情况相比，CO₂的物性不会发生急剧的较大的变化。因此，静止环28的行动保持稳定的状态。此外，如图7所示，CO₂的温度例如从40℃上升至60℃时，CO₂的粘度下降。由此，CO₂通过密封间隙30时的粘性发热量减小，在旋转环25和静止环28不会发生热变形。

接下来，控制部C使CO₂的供给压力上升至规定压力（S 12）。即，控制部C通过控制在图2所示的供给配管路径32上设置的压力调整阀41的动作，而使CO₂的供给压力上升。而且，控制部C与此同时，以使CO₂在第二密封结构17的密封间隙30的入口部分成为规定压力的方式，通过控制在排出配管路径22上设置的背压阀46的动作来调节第一密封结构16的密封间隙30的出口部分的CO₂的压力。

然后，控制部C判定第一密封结构16的密封间隙30的出口部分的温度是否成为冰点以下（S 13）。即，控制部C通过检测在图3所示的排出配管路径22上设置的温度计43的测定值，来检测第一密封结构16的密封间隙30的出口部分的温度。并且，在检测到的温度为冰点以下时（S13为是），控制部C对密封间隙30的入口部分进一步进行加热（S14）。即，控制部C对图2所示的调温装置37的动作进行控制，以使第一密封结构16的密封间隙30的入口部分由从第二流路11B流入的CO₂加热而其温度进一步上升。

如此，若防止第一密封结构16的密封间隙30的入口部分的温度成为冰点以下，则大气中的水分在密封间隙30的出口部分不会结冰。需要说明的是，在调温装置37的性能上无法使CO₂的温度进一步上升时，虽然图中未详细表示，但也可以对第一密封结构16的密封间隙30的出口部分吹出加热的气体等，以避免密封间隙30的出口部分成为冰点以下。

接下来，控制部C再次判定密封泄漏量是否在容许范围内（S15）。即，控制部C通过检测在图3所示的排出配管路径22上设置的流量计45的测定值，来检测密封泄漏量即从第一密封结构16的密封间隙30漏出的CO₂的量。并且，判定所检测到的密封泄漏量是否处于作为旋转轴13的旋转停止的状态下的密封泄漏量所容许的范围内。其结果是，在判断为密封泄漏量不在容许范围内时（S15为否），控制部C将该内容向使用者报告（S16），待机到密封泄漏量进入到容许范围内为止。接受到报告的使用者实施适当的处置，以使密封泄漏量进入到容许范围内。

这里，作为适当的处置，在判断为密封泄漏量为容许范围外的情况中的尤其是密封泄漏量为零的情况下，使用者在密封间隙30的出口部分确认是否具有CO₂的风量。其结果是，在出口部分没有CO₂的风量时，CO₂可能从与密封间隙30不同的部位例如从O形环29损伤的部位向机外漏出。这种情况下，使用者在发现了漏出的部位的基础上实施修缮等措施。另一方面，在密封间隙30以外的部位未发现CO₂向机外漏出的部位时，停止CO₂的供给，确认机内的压力是否减少。其结果是，在机内的压力未减少时，密封间隙30可能关闭，因此实施手动旋转等处置。而且，使用者作为除此以外的措施，确认各种传感器是否未发生故障。另一方面，在判断为密封泄漏量在容许范围外的情况中的尤其是密封泄漏量过大的情况下，使用者在检查了旋转环25、静止环28的基础上，实施修缮、更换等措施。

另一方面，在判断为密封泄漏量在容许范围内时（S15为是），控制部C通过使未图示的电动机起动而使旋转轴13开始旋转，并使其旋转速度上升至规定速度（S17）。此时，控制部C将旋转轴13迅速地加速直至旋转轴13达到既定的最低转速以上。而且，伴随着旋转轴13的转速上升，由于密封间隙30的CO₂的搅拌损失、粘性发热等而密封间隙30的温度上升。因此，控制部C对图2所示的调温装置37的动作进行适当控制，以便于无论该温度上升量如何，都能够将密封间隙30的入口部分的温度维持在适当的温度。并且，控制部C在最终地由于搅拌损失、粘性发热等而密封间隙30的温度充分上升的阶段，使构成调温装置37的加热器37b的动作停止。此外，控制部C伴随着旋转轴13的驱动开始，测定旋转轴13的轴振动，在测定到的轴振动超过既定的密封容许值警报值时，使旋转轴13的旋转停止，并以使轴振动成为密封容许值以内的方式进行旋转轴系的平衡调整。

接下来，控制部C再次判定密封泄漏量是否在容许范围内（S18）。即，控制部C通过检测在图3所示的排出配管路径22上设置的流量计45的测定值，而检测密封泄漏量即从第一密封结构16的密封间隙30漏出的CO₂的量。并且，判定检测到的密封泄漏量是否处于作为旋转轴13旋转状态下的密封泄漏量所容许的范围内。其结果是，在判断为密封泄漏量不在容许范围内时（S18为否），控制部C将该内容向使用者报告（S19），待机至密封泄漏量进入到容许范围内为止。接受到报告的使用者以使密封泄漏量进入到容许范围内的方式实施适当的处置。

这里，作为适当的处置，在判断为密封泄漏量为容许范围外的情况中的尤其是密封泄漏量为零的情况下，使用者确认在密封间隙30的出口部分是否具有CO₂的风量。其结果是，在出口部分没有CO₂的风量时，使用者直接使旋转轴13的旋转停止。这是因为，即使旋转轴13旋转，在未产生密封间隙30时，旋转环25或静止环28会产生损伤。并且，控制部C在旋转轴13停止之后，再次检测密封泄漏量，确认检测到的密封泄漏量是否处于作为旋转轴13的旋转停止的状态下的密封泄漏量所容许的范围内。另一方面，在判断为密封泄漏量为容许范围外的情况中的尤其是密封泄漏量过大的情况下，使用者直接使旋转轴13的旋转停止，在检查了旋转环25、静止环28的基础上，实施修缮或更换等措施。

最后，控制部C使设置在图2所示的循环配管路径20上的循环泵34的转速下降，并使从机内供给的CO₂在循环配管路径20中循环。并且，最终，控制部C使循环泵34停止，进行额定运转（S20）。

接下来，说明第二实施方式的干气密封结构的构成。图8是表示了本实施方式的干气密封结构50的概略纵向剖视图。干气密封结构50与第一实施方式的干气密封结构10相比，在如下方面不同，即第一密封结构16的旋转环51的构成不同以及未具备CO2循环系统21。需要说明的是，除此以外的构成与第一实施方式相同，因此标注与图1相同的标号，这里省略说明。

第一密封结构16的旋转环51在其内部收容有加热器52，该加热器52的动作由未图示的控制部控制。并且，控制部在开始旋转轴13的驱动之前，通过使该加热器52接通，而将第一密封结构16的密封间隙30的入口部分加热至规定温度。根据这种构成，与第一实施方式相比，能够实现省空间化。即，在如第一实施方式那样通过供给加热的CO₂来对第一密封结构16的密封间隙30的入口部分进行加热的构成中，需要将CO₂循环系统21设置在机外的空间。相对于此，在本实施方式中，无需将CO₂循环系统21设置在机外，相应地，能够实现省空间化。

另外，图9A、图9B是表示本实施方式的变形例的图。在图9A的变形例中，在静止环53的内部收容有加热器52。另一方面，在图9B的另一个变形例中，在旋转环51的内部收容有加热器52并在静止环53的内部也收容有加热器52。并且，在旋转轴13的驱动开始之前，通过使这些加热器52接通，而将第一密封结构16的密封间隙30的入口部分加热至规定温度。需要说明的是，旋转环51通常由难以热变形的材质即碳化硅构成，因此在该旋转环51收容有加热器52的情况能够抑制热变形，因此优选。

接下来，说明第三实施方式的干气密封结构的构成。图10是表示了本实施方式的干气密封结构60的概略纵向剖视图。干气密封结构60与第一实施方式的干气密封结构10相比，在壳体61的结构不同的方面以及不具备CO₂循环系统21的方面上不同。需要说明的是，除此以外的构成与第一实施方式相同，因此标注与图1相同的标号，这里省略说明。

本实施方式的壳体61在第二流路11B的周边部收容加热器62。并且，在旋转轴13的驱动开始之前，通过使该加热器62接通，而将第一密封结构16的密封间隙30的入口部分加热至规定温度。根据这种结构，与第二实施方式同样地，不需要将CO₂循环系统21设置在机外的空间，相应地，具有能够实现省空间化这样的优点。

接下来，说明第四实施方式的干气密封结构的构成。图11是表示本实施方式的干气密封结构70的概略纵向剖视图，是将密封间隙30的周边放大的图。干气密封结构70与第一实施方式的干气密封结构10相比，在从第二流路11B到密封间隙30的入口部分之间形成的流通路径71的形状不同。需要说明的是，除此以外的构成与第一实施方式相同，因此标注与图1相同的标号，这里省略说明。

在本实施方式中，轴套72的旋转环25的周边部分比第一实施方式形成得大径。由此，在壳体12的内部CO₂流通的流通路径71中，第一密封结构16的密封间隙30的紧前部分比其他的部分形成得狭窄。根据这种构成，旋转轴13的驱动开始前与第一~第三实施方式同样地需要对密封间隙30的入口部分进行加热，但在旋转轴13的驱动开始后，由于CO₂通过该狭窄部分时的搅拌损失，而第一密封结构16的密封间隙30的入口部分的温度上升。因此，在旋转轴13的驱动开始后，可以将在驱动开始前为了对密封间隙30的入口部分进行加热而使用的加热器37b、62等设为断开。由此，能够减少加热器37b、62的运行成本，相应地，能够实现成本降低。

另外，图12是表示了本实施方式的变形例的图。在该变形例中，将壳体73中的第二流路11B的周边部分形成得比其他的部分厚。由此，在壳体73的内部CO₂流通的流通路径71中，第一密封结构16的密封间隙30的紧前部分比其他的部分形成得窄。根据这种构成，与第四实施方式同样地，在旋转轴13的驱动开始后，可以将在驱动开始前为了对密封间隙30的入口部分进行加热而使用的加热器37b、62等设为断开。由此，能够减少加热器37b、62的运行成本，相应地，能够实现成本降低。

需要说明的是，上述的实施方式中所示的各构成部件的各形状、组合、或动作顺序等是一例，在不脱离本发明的主旨的范围内能够基于设计要求等进行各种变更。

【工业实用性】

本发明关于用于对旋转设备的旋转轴与壳体之间进行密封的干气密封结构。根据本发明，静止环的行动能够保持稳定的状态。

【标号说明】

10…干气密封结构

12…壳体

13…旋转轴

20…循环配管路径

25…旋转环

28…静止环

30…密封间隙

37…调温装置

C…控制部

Claims

1.一种干气密封结构，其具备：

壳体，其收容有超临界状态的流体；

旋转轴，其贯通该壳体而设置且被旋转驱动；

旋转环，其包围该旋转轴而设置且与该旋转轴一体地旋转；

静止环，其以与所述旋转环相对的方式设置于所述壳体，在所述旋转轴停止时，以整周与所述旋转环抵接，在所述旋转轴旋转时，以与所述旋转环之间隔开密封间隙的状态静止；

配管路径，其将由所述壳体收容的流体的一部分向所述密封间隙的入口部分供给；及

循环系统，其使干气密封结构的流体循环并对所述旋转环与所述静止环之间产生的所述密封间隙反复供给所述干气密封结构的流体，

所述循环系统具备：

循环配管路径，其第一端连接于第一管，其第二端连接于第二管，所述第一管与所述壳体的第二流路连接，所述第二流路设置于所述密封间隙的紧靠上游的位置，从而将所述流体供给到所述壳体，所述第二管与所述壳体的第一流路连接，所述第一流路设置于与所述第二流路分离的位置，从而将所述流体从所述壳体排出；

循环泵，其设置于所述循环配管路径，送出流体；

调温装置，其调节在所述配管路径中流动的流体的温度；及

控制部，其控制所述调温装置的动作，

在驱动所述旋转轴之前，所述密封间隙的入口部分通过被加热的流体被加热到规定温度。

2.根据权利要求1所述的干气密封结构，其中，

所述调温装置具备对在所述配管路径中流动的流体进行加热的加热器，该加热器的热源是所述循环泵或对轴承供给润滑油的润滑用油泵，所述轴承支承所述旋转轴为旋转自如。

3.一种干气密封结构，其具备：

壳体，其收容有超临界状态的流体；

旋转轴，其贯通该壳体而设置且被旋转驱动；

旋转环，其包围该旋转轴而设置且与该旋转轴一体地旋转；

加热器，其设置在所述旋转环及所述静止环中的至少任一方；及

所述循环系统具备：

循环泵，其设置于所述循环配管路径，送出流体；及

控制部，其控制所述加热器的动作，

在驱动所述旋转轴之前，所述密封间隙的入口部分通过所述加热器被加热到规定温度。

4.一种干气密封结构，其具备：

壳体，其收容有超临界状态的流体；

旋转轴，其贯通该壳体而设置且被旋转驱动；

旋转环，其包围该旋转轴而设置且与该旋转轴一体地旋转；

加热器，其设置于所述壳体的第二流路的附近，所述壳体的第二流路设置于所述密封间隙的紧靠上游的位置；及

所述循环系统具备：

循环配管路径，所述第二流路与第一管连接，所述第二流路设置于所述密封间隙的紧靠上游的位置，从而将所述流体供给到所述壳体，所述循环配管路径的第一端连接于所述第一管，所述循环配管路径的第二端连接于第二管，所述第二管与所述壳体的第一流路连接，所述第一流路设置于与所述第二流路分离的位置，从而将所述流体从所述壳体排出；

循环泵，其设置在所述循环配管路径，送出流体；及

控制部，其控制所述加热器的动作，

5.根据权利要求1～4中任一项所述的干气密封结构，其中，

在所述壳体的内部形成且在所述超临界状态的流体所流过的流通路径中，所述密封间隙的紧前部分形成得比其他的部分窄。