JP2000205414A - 酸素圧縮機の軸封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸素圧縮機の軸封装置に洩れの少い非接触端
面シールを使用する。 【解決手段】 酸素圧縮機の高圧側２５との間に第１の
ラビリンスシール１６を介して接続するバッファ室１８
を形成し、該バッファ室１８との間に第２のラビリンス
シール１７を介して接続する混合室１９を形成し、該混
合室１９と低圧側２６との間にカーボンと含む材料から
なるシールリング２を有する非接触端面シール２４を介
在させてなる軸封装置であって、上記バッファ室１８の
圧力Ｐs を高圧側２５よりわずかに低く調節し、上記混
合室１９内に窒素などの不活性ガスを供給して混合室１
９内の雰囲気をカーボンの摩耗粉と反応して爆発を起す
おそれのない酸素濃度に調節するとともに、混合室１９
内の圧力Ｐc をバッファ室１８内の圧力よりもわずかに
低く調節する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は非接触端面シールを
酸素圧縮機に適用した酸素圧縮機の軸封構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来の非接触端面シールの一部省
略断面図である。非接触端面シールは数千ないし数万回
転で回転する高圧圧縮機などのシールに使用するもの
で、摺動面に非常に薄い気体フィルムを形成することに
より、固体同士の接触がない状態でシールを達成するよ
うになっているので、ラビリンスシールなどに比べて極
端にリーク量が少い特徴がある。図３において、Ｈは高
圧室、Ｌは低圧室である。１は回転軸である。２はカー
ボンを含む材料からなる環状のシールリングである。カ
ーボンを含む材料には、樹脂含浸硬質カーボン、硬質カ
ーボン、カーボン系複合材料などがある。シールリング
２はシールハウジング４により軸方向移動可能に支持さ
れており、複数のノックピン１２により回り止めされて
いる。３はセラミックス製の環状のメイティングリング
である。シールリング２はシールハウジング４の複数の
保持穴４ａに挿入された多数のコイルバネ５により、圧
縮リング６を介してメイティングリング３側に押し付け
られている。メイティングリング３の摺動面３ａには、
図４に示すようにスパイラルグループ３ｂが形成されて
いる。スパイラルグループ３ｂは、摺動面３ａの外周縁
から内周縁側に向って回転方向後方に傾斜し、かつ、所
定長さで形成され、回転軸の回転に際して、高圧室Ｈか
ら気体を取り込むようになっている。

【０００３】７はメイティングリング３を支持するスリ
ーブである。スリーブ７は円筒状部分７ａと円筒状部分
７ａの一端から外方に連設した円板状部分７ｂとその外
端から円筒状部分７ａと同一方向に連設した外側円筒状
部分７ｃとを有し、円筒状部分７ａと外側円筒状部分７
ｃとの間に円板状部分７ｂに隣接してメイティングリン
グ３が保持されている。スリーブ７の円筒状部分７ａの
外周とメイティングリング３内周との間には外側に凸に
ふくらんだ略円筒状曲面を形成するように巻付けた板バ
ネ１３ａが嵌挿されている。メイティングリング３を保
持するためにスリーブ７を使用するのは、メイティング
リング３がセラミックス製であり、引張り強度や熱膨張
係数が小さく、かつ、衝撃に弱いので緩衝作用を持させ
るためであり、外側円筒状部分７ｃは、メイティンリン
グ３が破損したときに飛散するのを防ぐ目的で設けられ
ている。

【０００４】８はスペーサリング、１１は押えリング
で、これによりメイティングリング３およびスリーブ７
を回転軸１に固定している。９はＯリングであり、高圧
気体の漏洩を防止している。９ａもＯリングであるがカ
ラー１０の芯出し用に使われている。１０はカラーでス
リーブ７とともにメイティングリング３を保持してい
る。１３ｂ、１３ｃは板バネであり、それぞれスリーブ
７およびスペーサリング８と回転軸１との間に介在し、
これらの間の遊び代を吸収し、振動が発生しないように
している。

【０００５】回転軸１の回転によりメーティングリング
３が回転すると、メーティングリング３の摺動面３ａに
形成したスパイラルグループ３ｂに高圧室Ｈ内のガスが
取り込まれて昇圧される。これにより、メーティングリ
ング３およびシールリング２の摺動面３ａ、２ａ間に
は、いわゆるガス軸受が形成されて両リング２、３は非
接触状態で相対回転するものの、その隙間は極めて小さ
く（μｍオーダ）、シールからのガスの漏れは極端に少
ない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】非接触端面シールは以
上説明したように、洩れ量が非常に少く高圧圧縮機に軸
封装置としては優れた性能を有している。この軸封装置
を空気または不活性ガスの圧縮機に使用することは全く
問題ないが、酸素ガスを圧縮する酸素圧縮機に使用する
とメーティングリング３とのシールリング２の摩耗粉が
高圧の酸素ガスと反応して爆発の危険があり、したがっ
て、非接触端面シールを酸素圧縮機に適用することがで
きなかった。すなわち、酸素ガス圧縮機ではラビリンス
シールを使用しているので、特に高圧のものについては
ラビリンスシールの洩れ量が大きく、圧縮効率の低いこ
とが問題であった。

【０００７】本発明は、従来技術のかかる問題点に鑑み
案出されたもので、酸素圧縮機に非接触端面シールを適
用することにより、洩れ量が非常に少なく圧縮効率を高
くすることができる酸素圧縮機の軸封装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の酸素圧縮機の軸封装置は、酸素圧縮機の高
圧側との間に第１のラビリンスシールを介して接続する
バッファ室を形成し、該バッファ室との間に第２のラビ
リンスシールを介して接続する混合室を形成し、該混合
室と低圧側との間にカーボンを含む材料からなるシール
リングを有する非接触端面シールを介在させてなる軸封
装置であって、上記バッファ室の圧力を高圧側よりわず
かに低く調節し、上記混合室内に窒素などの不活性ガス
を供給して混合室内の雰囲気をカーボンの摩耗粉と反応
して爆発を起すおそれのない酸素濃度に調節するととも
に、混合室内の圧力をバッファ室内の圧力よりもわずか
に低く調節してなるものである。

【０００９】上記酸素濃度は、空気と同じ２０％または
それ以下にすれば爆発の危険が全く無いので好ましい。

【００１０】高圧側と上記バッファ室との差圧を検出し
てバッファ室と圧縮機サクション側との連絡配管途中に
設けた流量調節弁を調節する差圧調節器を設けて高圧側
とバッファ室との差圧を調節するのが好ましい。

【００１１】上記バッファ室と上記混合室との差圧を検
出して混合室排気配管の途中に設けた流量調節弁を調節
する差圧調節器と、混合室内の酸素濃度を検出し、混合
室に不活性ガスを供給する不活性ガス供給管の途中に設
けた流量調節弁を調節する酸素濃度調節器とを設け、混
合室内の酸素濃度とバッファ室と混合室との差圧を調節
するのが好ましい。

【００１２】次に、本発明の作用を説明する。酸素圧縮
機の高圧側との間に第１のラビリンスシールを介して接
続するバッファ室を形成し、バッファ室との間に第２の
ラビリンスシールを介して接続する混合室を形成し、混
合室と低圧側との間に非接触端面シールを設け、混合室
内の雰囲気をカーボンの磨耗粉と反応して爆発を起こす
おそれがない酸素濃度にしたので、カーボンを含む材料
からなるシールリングを有する非接触端面シールを安全
に使用することができる。バッファ室内の圧力を高圧側
よりわずかに低くなるように調節し、かつ、混合室内の
圧力をバッファ室内の圧力よりわずかに低くなるように
調節したので、第１および第２のラビリンスシールにお
ける差圧は小さくそこでの洩れ量は少い。さらに混合室
内の窒素などの不活性ガスが酸素圧縮機の高圧側に逆流
して高圧酸素中に混じることもない。

【００１３】酸素圧縮機の高圧側の圧力よりバッファ室
内の圧力をわずかに低く調節するには、それらの差圧を
検出し、バッファ室と圧縮機サクション側との間の連絡
配管の途中にある流量調節弁の開度を調節すればよい。

【００１４】バッファ室内の圧力より混合室内の圧力を
わずかに低く調節するには、混合室排気配管の途中に設
けた流量調節弁の開度を調節すればよく、混合室内の雰
囲気をカーボンの磨耗粉と反応して爆発を起すおそれの
ない酸素濃度に調節するには、混合室内の酸素濃度を検
出し、混合室に不活性ガスを供給する不活性ガス供給配
管の途中に設けた流量調節弁の開度を調節すればよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下本発明の１実施形態につい
て、図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の酸素圧
縮機の軸封装置の断面図であり、図２は同じく制御のフ
ローシートの図面である。これらの図において図３およ
び図４に用いて説明したのと共通の部分については同一
の符号を付しており、重複した説明は省略する。図にお
いて、１は回転軸で先端側にインペラ２３が固着されて
おり、軸受２２により回転可能に支持されている。２は
炭素を含む材料からなるシールリングである。３Ａはメ
イティングリングで、図３と異りステンレス鋼製で摺動
面３ａには窒化チタンコーティングされており、回転軸
１に直接外嵌されている。シールリング２とメイティン
グリング３Ａとで非接触端面シール２４を形成してい
る。４はシールハウジングである。８ａはスペーサで回
転軸１に外嵌されており、ノックピン１２ａ、１２ａを
介してインペラ２３およびメイティングリング３Ａとの
間で回り止めされている。スペーサ８ａの外周には複数
の溝が設けられており、シールハウジング４の内周面と
の間で第１のラビリンスシール１６を形成している。メ
イティングリング３Ａの外周には複数の溝が設けられて
おり、シールハウジング４の内周との間で第２のラビリ
ンスシール１７が形成されている。第１のラビリンスシ
ール１６と第２のラビリンスシール１７との間は環状の
バッファ室１８が形成されており、第２のラビリンスシ
ール１７と非接触端面シール２４との間に環状の混合室
１９が形成されている。バッファ室１８には圧縮機サク
ション側（図示せず）との連絡配管１８ａが接続されて
おり、連絡配管１８ａ内の流量を調節することにより、
バッファ室１８内の圧力を高圧側よりわずかに低い圧力
に調節している。高圧側の圧力をＰo 、バッファ室の圧
力をＰs とすると差圧＝Ｐo −Ｐs を数１００ｍｍＡｑ
程度とするのが好ましい。混合室１９には窒素などの不
活性ガス供給配管１９ａと混合室排気配管１９ｂとが接
続されていて、供給する不活性ガスの流量を調節するこ
とにより混合室内の雰囲気をカーボンの磨耗粉と反応し
て爆発を起すおそれのない酸素濃度に調節し、かつ、混
合室排気配管１９ｂの流量を調節することにより、混合
室１９内の圧力Ｐc をバッファ室１８の圧力Ｐs よりわ
ずかに低い圧力に調節する。カーボンの磨耗粉と反応し
て爆発を起すおそれのない酸素濃度の上限値はどの位で
あるのかは必ずしも明らかではないが、空気中の酸素濃
度が約２０％なので、それ以下であれば安全であること
は明らかである。バッファ室１８内の圧力をＰs 、混合
室１９内の圧力をＰc とすると、差圧＝Ｐs −Ｐc を数
１００ｍｍＡｑ程度とするのが好ましい。

【００１６】図１において、１４はスペーサ、１５はカ
ラーである。カラー１５の外周には複数の溝が設けられ
ていて、シールハウジング４の内周との間に第３のラビ
リンス２１が形成されている。非接触端面シール２４と
第３のラビリンス２１との間に環状の低圧室２０が形成
されている。低圧室２０内の圧力は圧縮機低圧側２６の
圧力（大気圧）よりもわずかに高くなっている。２０ａ
は低圧室排気配管である。

【００１７】次に、圧力および酸素濃度の制御について
説明する。図２において、３０は流量調節弁であり、連
絡配管１８ａに設けられた弁は３０ａ、供給配管１９ａ
に設けられた弁は３０ｂ、排気配管１９ｂに設けられた
弁は３０ｃである。３１は圧縮機高圧側２５の圧力Ｐo
とバッファ室１８内の圧力Ｐs との差圧（Ｐo −Ｐs ）
を検出し、制御信号を量流調節弁３０ａに送る差圧調節
器である。３２はバッファ室１８内の圧力Ｐs と混合室
１９内の圧力Ｐc との差圧（Ｐs −Ｐc ）を検出して制
御信号を流量調節弁３０ｃに送る差圧調節器である。３
３は混合室１９内の酸素濃度を検出し、制御符号を流量
調節弁３０ｂに送る酸素濃度調節器である。Ａは圧縮機
サクション側、Ｂは不活性ガス供給源、Ｃは外気または
フレアスタックである。

【００１８】次に、本実施形態の作用を説明する。酸素
圧縮機の高圧側２５との間に第１のラビリンスシール１
６を介して接続するバッファ室１８を形成し、バッファ
室１８との間に第２のラビリンスシール１７を介して接
続する混合室１９を形成し、混合室１９と低圧側２６と
の間に非接触端面シール２４を設け、混合室１９内の雰
囲気をカーボンの磨耗粉と反応して爆発を起こすおそれ
がない酸素濃度にしたので、カーボンを含む材料からな
るシールリング２を有する非接触端面シール２４を安全
に使用することができる。バッファ室１８内の圧力を高
圧側２５よりわずかに低くなるように調節し、かつ、混
合室１９内の圧力をバッファ室１８内の圧力よりわずか
に低くなるように調節したので、第１および第２のラビ
リンスシール１６、１７における差圧が小さくそこから
の洩れ量は少い。さらに混合室１９内の窒素などの不活
性ガスが酸素圧縮機の高圧側２５に逆流して高圧酸素中
に混じることもない。

【００１９】酸素圧縮機の高圧側２５の圧力よりバッフ
ァ室１８内の圧力をわずかに低く調節するには、それら
の間の差圧（Ｐo −Ｐs ）を検出し、バッファ室１８と
圧縮機サクション側Ａとの間の連絡配管１８ａの途中に
ある流量調節弁３０ａの開度を調節すればよい。

【００２０】バッファ室１８内の圧力より混合室１９内
の圧力をわずかに低く調節するには混合室排気配管１９
ｂの途中に設けた流量調節弁３０ｃの開度を調節すれば
よく、混合室１９内の雰囲気をカーボンの磨耗粉と反応
して爆発を起すおそれのない濃度に調節するには、混合
室１９内の酸素濃度を検出し、混合室１９に不活性ガス
を供給する不活性ガス供給配管１９ａの途中に設けた流
量調節弁３０ｂの開度を調節すればよい。

【００２１】本発明の以上述べた実施形態に限定される
ものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変
更が可能である。たとえば，非接触端面シール２４は図
１に示したものでなく、図３に示したものであってもよ
いし、低圧室２０、第３のラビリンスシール２１は無く
てもよいなどである。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の酸素圧縮機
の軸封装置は非接触端面シールの高圧側に混合室を設
け、混合室内の雰囲気をカーボンの磨耗粉と反応して爆
発を起すおそれのない酸素濃度に調節したので，ラビリ
ンスシールに比べて極端に洩れ量の少い非接触端面シー
ルを使用することができ、酸素圧縮機の圧縮効率を大幅
に改善することができるなどの優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素圧縮機の軸封装置の断面図であ
る。

【図２】本発明の酸素圧縮機の軸封装置の制御のフロー
シートである。

【図３】非接触端面シールの断面図である。

【図４】メイティングリングの１部省略正面図である。

【符号の説明】

２ シールリング ３Ａ メイティングリング １６ 第１のラビリンスシール １７ 第２のラビリンスシール １８ バッファ室 １８ａ 連絡配管 １９ 混合室 １９ａ 供給配管 １９ｂ 排気配管 ２４ 非接触端面シール ２５ 圧縮機の高圧側 ２６ 圧縮機の低圧側 ３０ 流量調節弁 ３１ 差圧調節器 ３２ 差圧調節器 ３３ 濃度調節器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 直行 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 石 川島播磨重工業株式会社横浜エンジニアリ ングセンター内 (72)発明者 舘沢 隆夫 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 株式会 社アイテック内 Ｆターム(参考） 3J043 AA17 BA03 CA05 CB18 DA20 HA04

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素圧縮機の高圧側との間に第１のラビ
   リンスシールを介して接続するバッファ室を形成し、該
   バッファ室との間に第２のラビリンスシールを介して接
   続する混合室を形成し、該混合室と低圧側との間にカー
   ボンを含む材料からなるシールリングを有する非接触端
   面シールを介在させてなる軸封装置であって、上記バッ
   ファ室の圧力を高圧側よりわずかに低く調節し、上記混
   合室内に窒素などの不活性ガスを供給して混合室内の雰
   囲気をカーボンの摩耗粉と反応して爆発を起すおそれの
   ない酸素濃度に調節するとともに、混合室内の圧力をバ
   ッファ室内の圧力よりもわずかに低く調節してなること
   を特徴とする酸素圧縮機の軸封装置。
2. 【請求項２】 上記酸素濃度を２０％以下に調節する請
   求項１記載の酸素圧縮機の軸封装置。
3. 【請求項３】 酸素圧縮機の高圧側と上記バッファ室と
   の差圧を検出してバッファ室と圧縮機サクション側との
   連絡配管に設けた流量調節弁を調節する差圧調節器を設
   けた請求項１または請求項２記載の酸素圧縮機の軸封装
   置。
4. 【請求項４】 上記バッファ室と上記混合室との差圧を
   検出して混合室排気配管に設けた流量調節弁を調節する
   差圧調節器と、混合室内の酸素濃度を検出して混合室に
   不活性ガスを供給する不活性ガス供給配管に設けた流量
   調節弁を調節する酸素濃度調節器とを設けた請求項１な
   いし、請求項３記載の酸素圧縮機の軸封装置。