JP2009250170A - スクリュ流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータ軸の吐出側に安価で省スペースの軸封構造を有するスクリュ圧縮機を提供する。
【解決手段】ハウジング２に形成したロータ室３内に収容された雌雄咬合するスクリュロータ４により対象気体を圧縮、または、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１において、スクリュロータ４とロータ軸７の高圧側の軸受１１との間に、スクリュロータ４側から順に、非接触シール１５と、第１リップシール１６とを配設し、非接触シール１５と第１リップシール１６との間の第１シール空間１８を第１リップシール１６の耐用圧力以下の空間に連通させる第１連通孔２２と、第１シール空間１８に潤滑流体を供給する潤滑流体供給流路２４とを設ける。
【選択図】図１

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、対象気体の膨張を回転エネルギに変換するスクリュエキスパンダなどのスクリュ流体機械は、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０．０３ＭＰａ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。

特許文献２には、スクリュロータと軸受との間に、スクリュロータ側にラビリンスシールのような非接触シールを設け、軸受側にリップシールを設け、非接触シールとリップシールとの間の空間を低圧空間に連通させることで、リップシールに過大な圧力が加わらないようにした発明が記載されている。

しかしながら、特許文献２の発明でも、対象気体の温度が高い場合、僅かに漏出した高温の対象気体によりリップシールの温度が上昇する。リップシールは、一般に熱膨張率が大きく、シール空間の圧力が上昇しなくても、温度上昇によってロータ軸に対する接触圧力が高くなり、損傷し易くなるという問題がある。
特開２０００−４５９４８号公報 特開２００７−１３２２４３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、且つ、シールが確実な軸封構造を有するスクリュ圧縮機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、ハウジングに形成した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は、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、前記スクリュロータ側から順に、非接触シールと、第１リップシールとを配設し、前記非接触シールと第１リップシールとの間の第１シール空間を前記第１リップシールの耐用圧力以下の空間に連通させる第１連通孔と、前記第１シール空間に潤滑流体を供給する潤滑流体供給流路とを設けたものとする。

この構成によれば、第１連通孔によって第１リップシールに過大な圧力が加わらないようにしながら、さらに、第１シール空間に供給される潤滑流体によって、リップシールを冷却しつつ、リップシールとロータ軸との間の摩擦を低減し、第１リップシールを長寿命化できる。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記非接触シールは、前記ロータ軸の回転力によって前記潤滑流体を前記ロータ室側に移動させる螺旋状の溝または突起を有してもよい。

この構成によれば、潤滑流体がロータ室側に移動する圧力によって対象気体を封止することができる。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記潤滑流体供給路は、前記螺旋状の溝または突起の途中に前記潤滑流体を供給してもよい。

この構成によれば、非接触シールの隙間を潤滑流体で満たして螺旋状の溝または突起により確実に流体圧を発生させて軸封できる。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記第１リップシールと前記軸受との間に、第２リップシールを配設し、前記第１リップシールと前記第２リップシールとの間の第２シール空間を略大気圧の低圧空間に連通させる第２連通孔を設けてもよい。

この構成によれば、第１シール空間の圧力が大気圧より高くても、第２リップシールによって対象気体や潤滑流体などを軸受側に流入させないように封止できる。

また、本発明のスクリュ流体機械において、前記対象気体は、蒸気であり、前記潤滑流体は前記対象気体の凝縮水であってもよい。

この構成によれば、凝縮水の圧力によって潤滑流体をスクリュ流体機械に供給でき、ポンプ等の付帯設備が必要ない。

以上のように、本発明によれば、スクリュ流体機械の高圧側のロータ軸に設けた第１リップシールの直前の第１シール空間に第１連通孔を設けたことで、第１リップシールに過大な圧力が加わらず、第１リップシールを潤滑流体によって潤滑するので、第１リップシール寿命が長い。

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、本発明のスクリュ流体機械の第１実施形態であるスクリュ圧縮機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、低圧（たとえば大気圧）の蒸気（対象気体）を（例えば０．５ＭＰａＧに）圧縮して吐出するものである。

ハウジング２には、ロータ室３に圧縮すべき蒸気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蒸気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を吸込側および吐出側で、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側に蒸気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１１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、第１リップシール１６および第２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。リップシール１６は、ラビリンスシール１５側からの蒸気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。

軸受軸封空間９は、第１リップシール１６と第２リップシール１７とによって区分され、ラビリンスシール１５と第１リップシール１６との間の第１シール空間１８、第１リップシール１６と第２リップシール１７との間の第２シール空間１９、および、第２シール空間１９より玉軸受１１側の封油空間２０に分割されている。

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２１と、ラビリンスシール１５と第１リップシール１６との間の第１シール空間１８を大気に開放する第１連通路２２と、第１リップシール１７と第２リップシール１８との間の第２シール空間１９を大気に開放する第２連通路２３と、第１連通空間に、スクリュ圧縮機１が吐出した蒸気の凝縮水を潤滑流体として供給する潤滑流体供給流路２４とが設けられている。

ラビリンスシール１５は、少しずつ蒸気を第１シール空間１８に漏出させる。第１連通路２２は第１シール空間１８に漏出した蒸気を大気に放出するが、流路抵抗があるために第１連通路２２を完全に大気圧にすることはできず、０．０２ＭＰａＧ程度以下に保つ。

一方、スクリュ圧縮機１の吐出した高圧蒸気（０．５ＭＰａＧ）が需要設備において凝縮した熱水は、例えば、０．４ＭＰａＧ程度の圧力を有する。このため、この凝縮水は、ポンプなどの設備を設けずとも、第１シール空間１８内に供給され得る。そして、過剰な凝縮水は、ラビリンスシール１５から漏出した蒸気と共に、第１連通路２２を介して外部に放出される。第１連通路２２から流出する蒸気および凝縮水は、回収して再利用してもよい。

このスクリュ圧縮機１では、第１シール空間１８に潤滑流体が供給されているので、ラビリンスシール１５から乾き蒸気が漏出しても、第１リップシール１６とロータ軸７との間に潤滑流体の層を介在させ、第１リップシール１６がロータ軸７に対して乾燥状態で接触して摩耗が促進されることがない。また、潤滑流体は、第１リップシール１６とロータ軸７の摩擦によって発生する熱を奪い、第１リップシール１６が過熱により劣化したり損傷するのを防止する。

また、第２シール空間１９を第２連通孔２３によって大気開放しているので、万一、第１リップシール１６のシールが不良となっても、漏出した蒸気等の圧力が大気に放出される。このため、第２リップシール１７に逆方向の圧力が加わらず、封油空間２０から潤滑油が流出したり、封油空間２０に蒸気が侵入したりしない。

図２および３に、本発明のスクリュ流体機械の第２実施形態であるスクリュエキスパンダ３１の高圧側の軸受軸封構造を示す。スクリュエキスパンダ３１は、ハウジング３２に形成されたロータ室３３にスクリュロータ３４が収容され、スクリュロータ３４のロータ軸３５を、ハウジング３２に保持されたころ軸受３６および玉軸受３７で回転可能に支持している。スクリュエキスパンダ３１では、スクリュロータ３４ところ軸受３６との間に、スクリュロータ３４側から順に、ラビリンスシール（非接触シール）３８、第１リップシール３９および第２リップシール４０が配設されている。

ラビリンスシール３８は、ロータ軸３５との間の隙間が数十μｍ以下になるように形成された３つのリング３８ａ，３８ｂ，３８ｃと、リング３８ａ，３８ｂ，３８ｃをハウジング３２に気密に押圧する圧縮ばね３８ｄ，３８ｅとを有する。ロータ室３３から漏出した蒸気は、リング３８ａ，３８ｂ，３８ｃとロータ軸３５との小さな隙間を通過する度に圧力損失によって減圧される。

第１リップシール３９および第２リップシール４０は、ロータ軸３５に嵌装され、ロータ軸３５と共に回転するスリーブ４１に摺接するようになっている。第１リップシール３９は、ロータ室３３側からころ軸受３６側に漏出した蒸気やその他の異物が侵入するのを防止する方向に取り付けられ、第２リップシール４０は、ころ軸受３６側から潤滑油等が漏出するのを防止する方向に取り付けられている。

ハウジング３２とロータ軸３５との隙間は、ラビリンスシール３８の最終段のリング３８ｃと第１リップシール３９との間であって、最終段のリング３８ｃを押圧する圧縮ばね３８ｅを包含する第１シール空間４２と、第１リップシール３９と第２リップシール４０との間の第２シール空間４３と、ころ軸受３６および玉軸受３７を包含する封油空間４４とに分割されている。そして、ハウジング３２には、第１シール空間４２の最終段のリング３８ｃの背部に潤滑水（潤滑流体）を供給する潤滑流体供給流路４５と、第１シール空間４２を大気開放する第１連通孔４６と、第２シール空間４４を大気開放する第２連通孔４７とが形成されている。

本実施形態において、第１シール空間４２に供給される潤滑水は、図４に示すように、ボイラ４８からスチームエキスパンダ３１に供給され、スチームエキスパンダ３１から吐出された蒸気を熱交換器４９で２次利用する際に発生した凝縮水の一部をスチームトラップ５０を介して供給したものである。例えば、ボイラ４８から約０．８ＭＰａＧの蒸気をスチームエキスパンダ３１に供給し、スチームエキスパンダ３１から約０．３ＭＰａＧの蒸気が吐出される場合、熱交換器４９の凝縮水も、約０．３ＭＰａＧの圧力を有している。また、スクリュエキスパンダ３１において、ラビリンスシール３８を通過して漏出した蒸気は、第１連通孔４６を介して大気開放されるが、第１連通孔４５の圧損により、第１シール空間４２内の圧力は、約０．０２ＭＰａＧ程度になる。つまり、熱交換器４９の凝縮水は、第１シール空間４２内の圧力より十分に高い圧力を有しているため、ポンプ等を使用することなく、潤滑流体供給流路４５から第１シール空間４２内に供給できる。

約０．３ＭＰａＧの凝縮水の温度は約１４４℃であり、この凝縮水が第１シール空間４２に供給されることで、第１リップシール３９とロータ軸３５との間を潤滑して摩擦を低減すると共に、第１リップシール３９の異常な温度上昇を防止する。これにより、第１リップシール３９の摩耗を防止し、第１リップシール３９による軸封を維持し、第２シール空間４２の内圧を大気圧に維持して、封油空間４３への蒸気や異物の侵入を防止できる。

図５に、本発明の第３実施形態のスクリュ流体機械であるスクリュ圧縮機５１の高圧側の軸受け構造を示す。スクリュ圧縮機５１は、ハウジング５２に形成されたロータ室５３にスクリュロータ５４が収容され、スクリュロータ５４のロータ軸５５を、ハウジング５２に保持された玉軸受５６で回転可能に支持している。スクリュ圧縮機５１では、スクリュロータ５４と玉軸受５６との間に、スクリュロータ５４側から順に、ビスコシール（非接触シール）５７、第１リップシール５８および第２リップシール５９が配設されている。第１リップシール５８および第２リップシール５９は、ロータ軸５５に嵌装されたスリーブ６０に摺接するようになっている。

ハウジング３２とロータ軸５５との隙間は、ビスコシール５７と第１リップシール５８との間の第１シール空間と６１と、第１リップシール５８と第２リップシール５９との間の第２シール空間６２と、玉軸受５６を包含する封油空間６３とに分割されている。そして、ハウジング５２には、第１シール空間５１に潤滑水を供給する潤滑流体供給流路６４と、第１シール空間５１を大気開放する第１連通孔６５と、第２シール空間５２を大気開放する第２連通孔６６とが形成されている。

ビスコシール５７は、ロータ軸５５に螺旋状に形成された突起からなり、ロータ軸５５の回転によって、第１シール空間５１に供給された潤滑水をロータ室５３に向かってねじ送りして、潤滑水の流体圧によってロータ室５３内に対象気体を封止するものである。

本実施形態では、潤滑流体供給流路６４を介して第１シール空間５１に潤滑水を供給するので、ビスコシール５７が液切れして対象気体が第１シール空間５１に多量に漏出したり、第１リップシール５８がスリーブ６０にドライ接触して過熱し、急激に損耗することがない。

図６に、本発明の第４実施形態のスクリュ流体機械であるスクリュ圧縮機５１ａの高圧側の軸封構造を示す。本実施形態では、第３実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。本実施形態のスクリュ圧縮機５１ａにおいて、ビスコシール５７ａは、ロータ軸５５に嵌装されたスリーブ６７からなる。スリーブ６７の内面には、螺旋状の溝が形成されており、ロータ軸５５の回転によって潤滑水をロータ室５３に向かって移動させる流体圧を生じさせるようになっている。

本実施形態では、潤滑流体供給流路６４が、スリーブ６７の中央よりやや玉軸受５６寄りの位置を貫通して形成された貫通孔６７ａと連通し、ビスコシール５７ａの途中に潤滑水を供給するようになっている。ビスコシール５７ａの中では、発生する流体圧がロータ室５３に向かって連続的に上昇する。このため、貫通孔６７ａは、玉軸受５６側からビスコシール５７ａの全長の２／３以内の位置であれば、スクリュ圧縮機５１ａが吐出した蒸気の凝縮水の圧力で、潤滑水をロータ軸５５とスリーブ６７との間に供給可能である。

本実施形態のように、ビスコシール５７ａの途中に潤滑水を供給すれば、ビスコシール５７ａの液切れが発生しない。また、第１シール空間５１側に漏出した潤滑水は、第１リップシール５８を潤滑および冷却するので、第１リップシール５８の寿命短縮を防止できる。

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エキスパンダの軸受構造の断面図。 図２のスクリュエキスパンダの軸受け構造の部分切断斜視図。 図２のスクリュエキスパンダを含むシステムの概略図。 本発明の第３実施形態のスクリュ圧縮機の軸受構造の概略断面図。 本発明の第４実施形態のスクリュ圧縮機の軸受構造の概略断面図。

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…第１リップシール
１６…第２リップシール
１８…第１シール空間
１９…第２シール空間
２０…封油空間
２２…第１連通路
２２…第２連通路
２４…軸封流体流路

Claims (5)

1. ハウジングに形成した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、前記スクリュロータ側から順に、非接触シールと、第１リップシールとを配設し、
   前記非接触シールと第１リップシールとの間の第１シール空間を前記第１リップシールの耐用圧力以下の空間に連通させる第１連通孔と、
   前記第１シール空間に潤滑流体を供給する潤滑流体供給流路とを設けたことを特徴とするスクリュ流体機械。
2. 前記非接触シールは、前記ロータ軸の回転力によって前記潤滑流体を前記ロータ室側に移動させる螺旋状の溝または突起を有す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。
3. 前記潤滑流体供給路は、前記螺旋状の溝または突起の途中に前記潤滑流体を供給することを特徴とする請求項２に記載のスクリュ流体機械。
4. 前記第１リップシールと前記軸受との間に、第２リップシールを配設し、
   前記第１リップシールと前記第２リップシールとの間の第２シール空間を略大気圧の低圧空間に連通させる第２連通孔を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスクリュ流体機械。
5. 前記対象気体は、蒸気であり、前記潤滑流体は前記対象気体の凝縮水であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のスクリュ流体機械。

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