JP2005214045A - スクリュー圧縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 運転停止時にロータのスラスト軸受にかかるスラスト荷重を零とすることが可能なスクリュー圧縮装置を提供すること。
【解決手段】 吐出側ロータ軸が前記ケーシング内に軸受支持された連結軸に回転のみを伝えるように連結され、前記吐出側ロータ軸は前記ケーシングに対して軸封されず、前記連結軸が前記ケーシングに対してメカニカルシールを介して軸封されてケーシング外に突き出し、該突き出し部に駆動機が連結されるように構成されたことを特徴とするスクリュー圧縮装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガス流体を高圧に圧縮するスクリュー圧縮機に係わり、特に蒸気圧縮冷凍サイクルにおいてＣＯ_２を冷媒として超臨界域を含む高圧の冷凍サイクルを行う場合のスクリュー圧縮機において、運転停止時に該スクリュー圧縮機のロータ軸受に運転時とは逆方向に過大なスラスト力がかかることを防止したスクリュー圧縮装置に関する。

従来のスクリュー圧縮機の概略構成を示す図３において、ロータケーシング１に互いに噛合う雌ロータ〈不図示〉と共に収納された雄ロータ２の吐出側ロータ軸３及び吸込側ロータ軸３’はそれぞれ吐出側軸受ケーシング４及び吸込側軸受ケーシング５にラジアル軸受６及び７を介して軸受支持されている。吐出側にはさらにスラスト軸受８が設けられて前記雄ロータに掛かるスラスト力が受けられる。前記吐出側ロータ軸３は、シールケーシング９に設けられたメカニカルシール１１によって外部から軸封されて外部へ突出しており、該突出部に圧縮機を駆動する図示しない駆動機が連結される。前記メカニカルシール１１は、前記吐出側ロータ軸３に固定されたシャフトシールカラー１２、シールケーシング９側に装着されたシールリング１３とこれらをシールリングに対して付勢するスプリング１４等からなる。前記吸込側ロータ軸３’の端部にはバランスピストン１５が設けられ、該バランスピストン１５は前記吸入側軸受ケーシング５に設けられた凹所１６に挿入されてバランス室４１が形成されている。

前記吸込側軸受ケーシング５にはガス流体の流入通路〈不図示〉が、吐出側軸受ケーシング４には圧縮されたガス流体の流出通路（不図示）が設けられている。圧縮されるガス流体（冷媒ガス）は流入ライン１７を通って逆止弁１８を介してロータ室に吸込まれ、互いに噛合う雄、雌ロータにより圧縮されたガス流体は吐出路１９から油分離器２０に入り、ここで冷媒ガスは潤滑油が分離されて逆止弁２１を介して送出ライン２２に送出される。（前記流入ライン１７及び吐出路１９は便宜上ロータ端面部につながるように表示した。）前記流入ライン１７及び送出ライン２２はそれぞれ冷凍サイクルの低圧側及び高圧側に連結される。前記油分離器２０で冷媒から分離された潤滑油は軸受給油ライン３１を介して前記ラジアル軸受６、７、及びメカニカルシール１１に潤滑油として供給される。一方、前記バランスピストン１５の背後のバランス室４１は管路４４を介して油分離器２０に連通される。或は、前記軸受給油ライン３１を介して油分離器２０の底部に溜まった潤滑油に連通される。したがって、運転中は前記バランス室４１は吐出圧に保たれる。バランスピストン１５から及びラジアル軸受７から吸込側軸受ケーシング５の部屋４２に漏出した潤滑油及びラジアル軸受６、スラスト軸受８、メカニカルシールを潤滑して吐出側の軸受ケーシング４とシールケーシング９の間の部屋４３に漏出した潤滑油は、ロータ給油ラインを介してロータ室にロータ潤滑のために供給される。

スクリュー圧縮機の運転中は、ロータ室内ではガス流体はロータの回転に従って吸込側（図における左側）から吐出側（図における右側）へ圧縮されるので、ロータには吐出側から吸込側に向かうスラスト力Ｆが作用する。このスラスト力Ｆを緩和するために前記バランスピストン１５が吸込側ロータ軸端に設けられている。前記部屋４２、４３はロータ給油ライン３２を介して連通していて吸込圧よりも若干高い圧力に保たれ、該圧力は吐出圧力が供給される前記バランス室４１の圧力よりも低いので、該バランスピストンに作用する力は前記スラスト力Ｆと反対方向に作用するから前記スラスト力Ｆは緩和されるのである。

しかしながら、スクリュー圧縮機を停止すると、前記スラスト力Ｆは零となる。そして、前記逆止弁１８、２１は閉じられ、油分離器２０の逆止弁２１からスクリュー圧縮機吸込口の逆止弁１８までは閉じた空間となり、前記部屋４１、４２、及び４３の圧力は均等化して同じ圧力となる。しかも該均等化した圧力は運転中の吐出圧と吸込圧の間の圧力となり、大気圧よりは高い圧力である。したがって、前記雄ロータには前記吐出側のロータ軸３が大気圧に曝されている分だけ吐出側（図における右側）に向かうスラスト力が作用することになる。詳しくは、前記吐出側ロータ軸３に固定されたシャフトシールカラー１２にシールケーシング９に装着されたシールリング１３が接する接触円の直径をＤとすると、前記均等圧力×（π／４）Ｄ^２の力が吐出側方向に掛かることになる。

例えば、Ｒ２２などの冷媒を用いる冷凍サイクルでは、吸込圧力は４ｋｇ／ｃｍ^２、吐出圧力は１５ｋｇ／ｃｍ^２程度であるが、冷媒としてＣＯ_２を用いる冷凍サイクルでは、吸込圧力は２０〜５０ｋｇ／ｃｍ^２、吐出圧力は１００ｋｇ／ｃｍ^２前後と非常に高圧となる。したがって、運転を停止した際の部屋４１、４２、４３の均等化した圧力は相当に高くなり、運転停止時に掛かる吐出側方向の力である均等圧力×（π／４）Ｄ^２の値は非常に大きなものとなる。

即ち、運転中には前記スラスト力Ｆはバランスピストンにより緩和されて、該スラスト力Ｆよりも小さな吸込み側方向のスラスト力がスラスト軸受８で受けられていたのであるが、運転を停止すると上記した均等圧力×（π／４）Ｄ^２という大きなスラスト力が今度は吐出側方向に掛かることになる。ロータ端面と軸受ケーシングのロータ側端面との隙間は、容積効率向上のため非常に小さくしてあるので、運転停止時に過大なスラスト力が掛かると、スラスト軸受の変形や損傷によりロータ端面と軸受ケーシングのロータ側端面とが接触して焼損することがある。Ｒ２２等を冷媒とした場合は前記均等化圧力はそれほど大きくはないので、問題となることはなかったが、ＣＯ_２を冷媒として用いる場合にはこのような問題が生じる。

このような問題点を解決する一方法として、本出願人は先に、雄ロータ軸の吸込側のバランスピストンを廃止して吸込側ロータ軸も外気に対して解放して該吸込側ロータ軸にもメカニカルシールを設け、吐出側ロータ軸と吸込側ロータ軸のシャフトシールカラーとシールリングが接する接触円の直径を適切に選定することによって運転時のスラスト力を緩和するとともに、運転停止時のスラスト力を許容範囲内に納めるようにできる構成を提案した（特許文献１参照）。

特開２００２−１６８１８５公報 特許第２７５２０００号明細書

しかしながら、上記特許文献１に開示した構成では、大きなスクリュー圧縮機や非常に高圧の条件下で運転されるスクリュー圧縮機においては、運転時にロータに掛かるスラスト力を緩和することと運転停止時にロータに掛かるスラスト力を許容範囲内に納めることを両立させることは困難になる。
したがって、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、運停止時にロータのスラスト軸受に掛かるスラスト荷重を零とすることが可能なスクリュー圧縮装置を提供することを目的とする。

そこで、かかる課題を解決するために本発明のスクリュー圧縮装置は、両側に軸部を有する、互いに噛合う雄ロータと雌ロータがスクリュー圧縮装置のケーシング内に平行に軸受支持され、前記雄ロータの吸込側ロータ軸端部にはバランスピストンが設けられるとともに前記雄ロータの吐出側ロータ軸が駆動機に連結できるように構成されたスクリュー圧縮装置において、前記吐出側ロータ軸が前記ケーシング内に軸受支持された連結軸に回転のみを伝えるように連結され、前記吐出側ロータ軸は前記ケーシングに対して軸封されず、前記連結軸が前記ケーシングに対してメカニカルシールを介して軸封されてケーシング外に突き出し、該突き出し部に駆動機が連結されるように構成されたことを特徴とする。

かかる発明によれば、スクリュー圧縮機のケーシング内に連結軸が軸受支持されていて該連結軸に前記雄ロータの吐出側ロータ軸が回転のみを伝え軸方向力は伝えないように連結され、前記連結軸は前記ケーシングに対してメカニカルシールでシールされてケーシング外に突き出しているので、スクリュー圧縮機のケーシング内において前記ロータ軸と連結軸は軸方向については遮断されている。したがって、圧縮機の運転中は吐出側と吸込み側との圧力差によって発生する吸込み側方向のスラスト力はバランスピストンによって緩和されて吐出側ロータ軸に設けられたスラスト軸受により受けられているが、運転を停止してケーシング内の圧力が均等化されると、ロータはいわば均等化された圧力の中に浮いている状態となり、ロータに掛かるスラスト力は零となる。そして、前記連結軸に均等化されたケーシング内圧力によるスラスト力が作用する。詳しくは、前記メカニカルシールの前記連結軸に固定されたシャフトシールカラーとケーシング側に装着されたシールリングが接する接触円の直径をＤとすると、前記均等圧力×（π／４）Ｄ^２の力が前記連結軸に作用する。このスラスト力は該連結軸を支持するスラスト軸受によって受けることができ、該スラスト軸受はスラスト力の大きさに応じてその負荷容量を如何様にも選定することが容易にできる。

そして、前記連結軸は前記雄ロータのロータ軸に同心にスクリュー圧縮装置のケーシングに軸受支持され、前記吐出側ロータ軸と連結軸との回転のみを伝える連結は前記吐出側ロータ軸と連結軸にそれぞれ取り付けられた雄カップラーとそれらを連結する雌カップラーにより行われるように構成してもよいし、或は 前記連結軸は前記雄ロータのロータ軸に平行にスクリュー圧縮装置のケーシングに軸受支持され、前記吐出側ロータ軸と連結軸との回転のみを伝える連結は前記吐出側ロータ軸と連結軸にそれぞれ取り付けられた歯車により行われるように構成することもできる。

歯車連結でもロータ軸と連結軸の連結は回転のみとなり、軸方向には連結が遮断される。歯車は平歯車でもはす歯歯車でもよい。はす歯歯車の場合は運転中には連結軸からロータ軸に歯面を介して軸方向の力が掛かるが、運転停止時にはこの軸方向力は零となるので、本発明の場合実質的には回転のみを伝える連結に含めることができる。歯車連結の場合は、歯数比を適宜選定することにより連結軸に連結される駆動機の駆動力を増速或は減速してロータ軸に伝えることができる。駆動機を歯車を介してロータ軸に連結することは従来から行われているが（例えば、特許文献２参照。）、その際、従来のスクリュー圧縮機の雄ロータの吐出側ロータ軸に歯車を取り付けて該歯車に駆動機の歯車を噛み合わせた構成であり、該吐出側ロータ軸はスクリュー圧縮機のケーシングに対して軸封されている。したがって、このような従来の構成では、運転停止時にケーシング内の圧力が均等化されたときに生じる吐出側方向のスラスト力を無くすることはできない。

以上記載のごとく本発明のスクリュー圧縮機においては、運転停止時にケーシング内の圧力が均等化された際に雄ロータのスラスト軸受にかかるスラスト力は零となり、その代わりに前記均等化された圧力によるスラスト力は雄ロータとは軸方向の連結が遮断された連結軸のスラスト軸受により受けるように構成されるので、大型或は高圧で作動するスクリュー圧縮機の運転停止時にケーシング側端面とロータ端面とが接触して焼損が生じるようなことを完全に排除することができる利点がある。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本発明の第１の実施例に係わるスクリュー圧縮装置の概略構成を示す断面図である。同図においてスラスト軸受８よりも左側は先に図３を参照して説明した従来技術と同じであるので、図３と同じ構成には同じ符号が付してあり詳細説明は省略する。図１において、吐出側軸受ケーシング４には連結軸ケーシング１０１が固定され、その内部には連結軸１０２が軸受１０３、１０４によりロータ軸と同心に支持されている。これら軸受のうち一方はラジアル荷重とともにスラスト荷重も受けることができる軸受である。或はラジアル軸受とスラスト軸受を配置してもよい。図にはそれぞれ１個の軸受が描かれているが、複数個の軸受としてもよいことは勿論である。

雄ロータの吐出側ロータ軸３には雄カップラー１０５が設けられ、前記連結軸１０２に設けられた雄カップラー１０６と雌カップラー１０７によって回転のみが伝えられるように連結されている。前記連結軸ケーシング１０１に固定されたシールケーシング１０８と連結軸の間はメカニカルシール１１によって軸封されている。該メカニカルシール１１は、連結軸１０２に固定されたシャフトシールカラー１２、シールケーシング１０８に装着されたシールリング１３、及び該シールリング１３を前記シャフトシールカラー１２に対して付勢するスプリング１４からなる。ラジアル軸受６、７、及びメカニカルシール１１には油分離器２０で圧縮された冷媒ガスから分離された潤滑油が軸受給油ライン３１を介して給油される。軸受やメカニカルシールを潤滑して部屋４２、１１０、１１１に漏出した潤滑油はロータ給油ライン３２を介してロータに供給される。

圧縮機運転中は吸込み側軸受けケーシングのバランスピストン室４１には管路４４を介して冷媒の吐出圧が掛かっており、該部屋の圧力は部屋４２、１１０、及び１１１の圧力（これらの部屋の圧力はロータ給油ラインにより連通しており同じ圧力になっている。）よりも高い。したがって、運転中に吐出圧と吸込圧の差によりロータに掛かる吸込側方向のスラスト力Ｆはバランスピストンに掛かる吐出側方向のスラスト力によって緩和される。然るに、運転を停止すると逆止弁１８、２１は閉じられるので逆止弁１８〜ケーシング内〜逆止弁２１間は互いに連通した閉じた空間となり、部屋４１、１１０、及び１１１は均等な圧力となる。そうすると、ロータは均等な圧力の中にいわば浮いた状態となるので、ロータにはスラスト力は掛からなくなる。一方、前記連結軸は一端側が外気側に突き出しているので、部屋１１１の圧力により右方向のスラスト力が掛かる。具体的には、メカニカルシール１１の連結軸１０２に固定されたシャフトシールカラー１２とケーシング側に装着されたシールリング１３が接する接触円の直径をＤとすると、部屋１１１の圧力×（π／４）Ｄ^２の力が連結軸に作用する。

部屋１１１は運転中には吸込み圧よりも若干高い圧力になっているので、連結軸１０２のスラスト軸受には常に右方向のスラスト力が掛かっている。しかしながら、連結軸ケーシング内には負荷容量の大きなスラスト軸受を設けるのに十分なスペースを確保することが容易であるので、このスラスト荷重に対応することが可能である。

従来技術では、通常前記バランスピストン１５は運転中の吸込側方向のスラスト力Ｆを緩和するようにしてあり、運転中には吸込み側方向のスラスト力がある程度残っている場合が多い。そのような場合に運転停止によりスラスト力の方向が吐出側に急激に変わることは、スラスト軸受にとって厳しい条件となる。本発明によれば、ロータのスラスト軸受８には運転中にはバランスピストンによって緩和された吸込み側方向のスラスト力が掛かり、運転を停止するとスラスト力は零となるので、従技術におけるようにスラスト荷重方向が急転するという過酷な条件に曝されることがない。一方連結軸のスラスト軸受には運転中も運転停止時も右方向のスラスト力が掛かっており、該連結軸のスラスト軸受はスラスト荷重の方向が運転停止時に反転するという過酷な条件には曝されない。

図２は本発明の第２の実施例に係わるスクリュー圧縮機の概略構成の断面図を示す。図１との相違は雄ロータの吐出側ロータ軸と連結軸との連結が歯車連結である点のみであり、詳細な説明は省略する。なお、図１と同じ構成部品には同じ符号を付し、一部は符号を省略した。雄ロータの吐出側ロータ軸３には歯車２０５が取り付けられており、連結軸ケーシング２０１に軸受１０３、１０４で支持された連結軸２０２の一端側には前記ロータ軸の歯車２０５に噛合う歯車２０６が取り付けられ、他方側はシールケーシング２０８との間がメカニカルシール１１で軸封されて前記シールケーシング２０８の外に突き出ている。図２において歯車は平歯車として描いてあるが、先述したようにはす歯歯車でもよい。該連結軸の突き出た部分に図示しない駆動機が連結されて該駆動機により前記歯車連結を介して雄ロータが回転駆動される。図１の実施例の場合と同様に、圧縮装置の運転中はロータには吸込み側方向のスラスト力Ｆが掛かるが、運転停止時にはロータに掛かるスラスト力は零となる。

スクリュー圧縮機のケーシング内で雄ロータの吐出側ロータに回転のみを伝えるように連結軸を設けることにより、メカニカルシールは従来同様１個所に配設するのみで、高圧力で作動するスクリュー圧縮機においても運転停止時にスラスト軸受に掛かるスラスト荷重が急激に増大してスラスト軸受の寿命短縮やロータの焼損が惹起されるなどの問題が生じることがないスクリュー圧縮機を提供することができる。

本発明の第１実施例に係わるスクリュー圧縮機の概略構成の断面図である。 本発明の第２実施例に係わるスクリュー圧縮機の概略構成の断面図である。 従来のスクリュー圧縮機の概略構成の断面図である。

符号の説明

１ ロータケーシング
２ 雄ロータ
３ 吐出側ロータ軸
３’ 吸込側ロータ軸
４ 吐出側軸受ケーシング
５ 吸込側軸受ケーシング
６、７ ラジアル軸受
８ スラスト軸受
１０、１０８、２０８ シールケーシング
１１ メカニカルシール
１５ バランスピストン
１６ 凹所
１７ 流入ライン
１８、２１ 逆止弁
１９ 吐出路
２０ 油分離器
２２ 送出ライン
３１ 軸受給油ライン
３２ ロータ給油ライン
４１ バランス室
４２、４３、１１０、１１１ 部屋
１０１ 連結軸ケーシング
１０２、２０２ 連結軸
１０３、１０４ 軸受
１０５、１０６ 雄カップラー
１０７ 雌カップラー
２０５、２０６ 歯車

Claims (3)

1. 両側に軸部を有する、互いに噛合う雄ロータと雌ロータがスクリュー圧縮装置のケーシング内に平行に軸受支持され、前記雄ロータの吸込側ロータ軸端部にはバランスピストンが設けられるとともに前記雄ロータの吐出側ロータ軸が駆動機に連結できるように構成されたスクリュー圧縮装置において、前記吐出側ロータ軸が前記ケーシング内に軸受支持された連結軸に回転のみを伝えるように連結され、前記吐出側ロータ軸は前記ケーシングに対して軸封されず、前記連結軸が前記ケーシングに対してメカニカルシールを介して軸封されてケーシング外に突き出し、該突き出し部に駆動機が連結されるように構成されたことを特徴とするスクリュー圧縮装置。
2. 前記連結軸は前記雄ロータのロータ軸に同心にスクリュー圧縮装置のケーシングに軸受支持され、前記吐出側ロータ軸と連結軸との回転のみを伝える連結は前記吐出側ロータ軸と連結軸にそれぞれ取り付けられた雄カップラーとそれらを連結する雌カップラーにより行われることを特徴とする請求項１記載のスクリュー圧縮装置。
3. 前記連結軸は前記雄ロータのロータ軸に平行にスクリュー圧縮装置のケーシングに軸受支持され、前記吐出側ロータ軸と連結軸との回転のみを伝える連結は前記吐出側ロータ軸と連結軸にそれぞれ取り付けられた歯車により行われることを特徴とする請求項１記載のスクリュー圧縮装置。

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