JP2012037035A - ガスシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転環と静止環が接触回転することによる摩耗の発生を低減し、且つシール性を保持しつつドライガスシールの大径化を容易に可能にする。
【解決手段】回転軸２に取り付けた回転環５と回転環５に対向してハウジング１に支持される静止環６とを有し、回転環５と静止環６の対向面５ａ，６ａの一方には動圧発生溝７が備えられ、静止環６をバネ８によって回転環５に押し付けるようにしたガスシール装置であって、回転環５の静止環６との対向面６ａに、ポリベンゾイミダゾール系の樹脂をコーティングした樹脂膜１４を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明はガスシール装置に関する。

窒素、空気等のガスを圧縮するための圧縮機においては、ガスの漏洩を防止して圧縮効率を高めるためのガスシール装置を備える必要があり、従来からラビリンスシールを用いることが一般的に実施されている。ラビリンスシールは、静止側であるハウジングと、圧縮ブレードを備えて前記ハウジングに回転可能に支持された回転軸との間において、ハウジングの内周面との間に先端が例えば１００〜２００μｍの隙間を有する複数のラビリンスフィンを回転軸の外周面に取り付け、圧縮ブレードにより圧縮された高圧側のガスがラビリンスフィンによる曲折した流路によって低圧側（大気圧側）へ漏洩するのを防止している。

前記ラビリンスシールにおいては、前記ハウジングとラビリンスフィンが接触した場合には軸振動が大きくなり、運転停止となる可能性がある。このため、ラビリンスフィンと対向するハウジングの内周面には、ホワイトメタル、銅、又は切削性に優れた材料による防爆膜を施すことが行われている。

しかし、上記ラビリンスフィンによるガスシール装置は、前記隙間によるガス漏れが多いために、圧縮機の運転効率を高めることができない要因となっていた。

一方、ガス漏れを低減できるものとしてはドライガスシールと称されるガスシール装置が知られている（特許文献１、２等参照）。

ドライガスシールは、回転軸に取り付けた回転環と該回転環に対向するようにハウジングに支持された静止環とを有しており、静止環と対向する回転環の対向面には、回転環の回転により外周からガスを取り込んで静止環との間に圧力（動圧）を生じさせるように放射状に湾曲して延びた動圧発生溝を形成している。更に、前記静止環とハウジングとの間にはバネが備えられており、静止環はバネにより押されて回転環と接触する構造となっている。

そして、前記ドライガスシールでは、回転軸の停止時の静止環はバネによって回転環の対向面に押し付けられており、回転軸の回転が起動された時も回転環には静止環が押し付けられた状態で回転を開始するが、回転環の回転速度が所定値よりも大きくなると前記動圧発生溝によって対向面間に生じる動圧が前記バネの押し付け力に打ち勝ち、静止環を押し戻して、対向面間に僅か（２μｍ程度）なシール間隙を形成して回転するようになる。

このように、回転環と静止環との間には圧力を保持した２μｍ程度の僅かなシール間隙が形成されるようになるので高圧側のガスが低圧側へ漏洩する量を少なくすることができる。

従来のこの種のガスシール装置においては、回転環には例えば回転強度を保持できるステンレス基材の表面に窒化チタン（ＴｉＮ）をコーティングしたもの又は炭化けい素の焼結材等を用い、静止環にはしゅう動特性に優れたカーボン（Ｃ）を用いることが一般に行われている。

特開平１０−２９２８６７号公報 特開平０３−１４０６７２号公報

前記ドライガスシールにおいては、起動・停止時には回転環に静止環が押し付けられた状態で回転することになるために、回転環と静止環の対向面が摩耗する問題がある。

このため、特許文献１では、静止環は従来と同様のカーボン（Ｃ）で製作し、回転環はステンレス鋼等からなる基材の対向面に、セラミック材料を用いて溶射法によりセラミックコーティングを施し、続いてセラミックコーティングの表面を精密研削した後、セラミックコーティングの表面に、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）等からなる固体潤滑膜を物理蒸着法（ＰＶＤ）、化学蒸着法（ＣＶＤ）法等により付着させている。

又、特許文献２においては、従来の回転環と静止環の対向面の材料が、硬質炭素（カーボンＣ）と金属もしくはセラミック、或いは金属−金属、セラミック−セラミックの組み合わせであり、この組み合わせでは摩擦係数が高いために焼き付きを起こすなどの問題があるため、前記回転環と静止環の対向面に、４フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリイミド樹脂、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、或いは金や銀等の金属からなる固体潤滑剤をコーティングして被膜を形成している。

しかし、従来から実施されているように、静止環をカーボン（Ｃ）で製作する場合には、カーボンの粉末を高温・高圧を保持した焼結炉で焼結する必要があるが、一般の焼結炉で製造できるものの大きさの限界は直径５００ｍｍ程度となっているのが現状である。

このため、大型の圧縮機に適用される直径５００ｍｍ以上の静止環をカーボンで製作することはできない。従って、静止環をカーボンで製作するには、静止環を周方向に複数に分割したセグメントにして焼結炉により焼結した後、カーボン製のセグメントをリング状に組み立てることにより静止環を形成することが考えられる。しかし、カーボン製のセグメントをリング状に組み立てることにより形成した静止環では、各セグメント間に隙間ができ、このためにガスが隙間から漏洩してシール性を高めることができない問題がある。

一方、特許文献２に示すように、４フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）からなる固体潤滑剤を回転環と静止環の対向面にコーティングするようにした被膜は、本発明者らが行った試験によると、被膜が摩耗したり或いは被膜が相手材を攻撃して相手材を摩耗させる問題が生じて摩耗粉を発生することが確認された。

本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、回転環と静止環が接触回転することによる摩耗の発生を低減し、且つ、シール性を保持しつつドライガスシールの大径化を容易に可能にしたガスシール装置を提供しようとするものである。

本発明は、回転軸に取り付けた回転環と該回転環に対向してハウジングに支持される静止環とを有し、回転環と静止環の対向面の一方には動圧発生溝が備えられ、前記静止環をバネによって回転環に押し付けるようにしたガスシール装置であって、前記回転環と静止環の対向面の少なくとも一方に、ポリベンゾイミダゾール系の樹脂をコーティングした樹脂膜を形成したことを特徴とするガスシール装置、に係るものである。

上記ガスシール装置において、前記静止環が金属基材からなり、金属基材の対向面にポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜を形成することが好ましい。

本発明によれば、回転環と静止環の対向面の少なくとも一方に、ポリベンゾイミダゾール系の樹脂をコーティングした樹脂膜を形成したので、回転環と静止環が接触回転することによる摩耗を抑えることができ、よって、静止環と回転環の接触によって生じる摩耗粉の発生を低減でき、しかも、シール性を保持した状態でドライガスシールの大径化が容易に可能になるという優れた効果を奏し得る。

（ａ）は本発明を実施するガスシール装置の形態の一例を示す切断側面図、（ｂ）は（ａ）の回転軸が回転した状態を示す切断側面図である。 対向面にポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜を備えた静止環の正面図である。 回転環の対向面に備えた動圧発生溝の一例を示す正面図である。 本発明のポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜を静止環に備えたシール装置による圧力比に対する漏れ量比について調査した結果を示す線図である。

以下、本発明を実施する形態を図示例と共に説明する。

図１（ａ）、（ｂ）、図２は本発明の一実施例であり、本図示例の特徴とするところは、図１（ａ）、（ｂ）及び図２に示す如く、ドライガスシールを構成するガスシール装置の前記回転環５と対向する静止環６の対向面６ａに、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）（登録商標）系の樹脂膜１４をコーティングにより形成した点である。

図１の場合、回転環５には、例えば回転強度を保持できるステンレス基材の対向面５ａに窒化チタン（ＴｉＮ）をコーティングしたもの又は炭化けい素の焼結材等を用いることができる。又、静止環６には軽い金属、例えばチタン製の基材を用い、そのチタン基材の対向面６ａにポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜１４を形成している。

上記ポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜１４は、ポリベンゾイミダゾール系の樹脂を静止環６の対向面６ａに塗布した後、加熱して焼付けを行うことにより形成できるので、大径の静止環６も容易に製造することができる。

イミダゾール系の樹脂膜１４は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように静止環６の対向面６ａのみに備えるようにしてもよく、又は、回転環５の対向面５ａのみに備えるようにしてもよく、更には、静止環６と回転環５の両方の対向面５ａ，６ａに備えるようにしてもよい。

又、前記回転環５の対向面５ａには、図３に示す如く、対向面５ａの径方向中間から放射状に外側へ向かって湾曲して延びた動圧発生溝７を形成している。この動圧発生溝７は回転環５の対向面５ａに溝加工することによって形成される。

以下に上記一実施例の作用を説明する。

回転軸２が停止している時の静止環６は、図１（ａ）に示すようにバネ８によって回転環５の対向面５ａに押し付けられている。回転軸２の回転が起動された時も回転環５には静止環６が押し付けられた状態のまま回転するが、回転環５の回転速度が所定値よりも大きくなると前記動圧発生溝７によって対向面５ａ，６ａ間に生じる動圧が前記バネ８の押し付け力に打ち勝ち、図１（ｂ）に示すように静止環６を押し戻して、対向面５ａ，６ａ間に僅か（２μｍ程度）なシール間隙を形成して回転するようになる。

このように、回転環５と静止環６との間に圧力を保持した数ミクロンレベルのシール間隙が形成されるので高圧側のガスが低圧側へ漏洩する量は少なくなる。

上記したように、回転環５の回転の起動・停止時には、静止環６が押し付けられた状態で回転環５が回転を開始することになるために、回転環５と静止環６の対向面５ａ，６ａには接触回転による摩耗の問題が考えられる。

しかし、図１（ａ）、（ｂ）、図２に示すように、静止環６の対向面６ａにポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜１４を形成したことにより、摩耗の問題を著しく低減することができた。

ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）は、耐摩耗性、耐熱性、耐腐食性等の優れた機械的特性を有することが知られており、種々の目的場所に利用されるようになってきている。

本発明者らは、従来から知られている４フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ)による３種類（Ａ，Ｂ，Ｃ）の樹脂膜を、特許文献２のように図１（ａ）、（ｂ）の静止環６の対向面６ａに形成した場合と、同様に本発明のポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）系の樹脂膜１４を静止環６の対向面６ａに形成した場合について、起動を模擬した摩耗試験を実施し、樹脂膜の摩耗について調査を行なった。このとき、回転環５はステンレス基材の表面に窒化チタンをコーティングしたものを用いた。尚、試験条件は、滑り速度が６ｍ／ｓであり接触面圧が０．０６ＭＰａであり、起動停止回数が約２００回相当であった。

調査結果を表１に示した。

上記試験の結果、４フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ)系の被膜ではいずれも軽微、或いは多い摩耗粉が発生しているのに対し、本発明のポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）の被膜においては目視では殆ど確認できない極少であった。又、相手材である回転環への攻撃性については、４フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ)系の被膜では変化極小或いは変化大であったのに対し、本発明のポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）の被膜においては変化が極小であった。

従って、表１から明らかなように、本発明のポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）の被膜は、摩耗が少なく、剥離の問題もなく、相手材に対するダメージも少ないという優れた機能を確認できたので、特に大径のドライガスシールを必要とする圧縮機等の広範なガスシール装置に好適に適用することができる。

又、前記本発明のポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜を静止環に備えたシール装置による圧力比（ＰＨ／ＰＬ）に対する漏れ量比について調査した結果を図４に示した。図４に実線Ｘで示した漏れ量は、従来におけるドライガスシールによるガスシール装置と同等或いはそれより少ない漏れ量であった。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、静止環６の対向面６ａにポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜１４を形成した構成を、従来のドライガスシールに備えられている静止環６に代えて取り付けるのみで、従来のドライガスシールに容易に適用することができる。又、長期にわたる圧縮機の運転によって樹脂膜１４が損耗するようなことが生じても、樹脂膜１４を備えた新たな静止環６に交換する、或いは静止環６の対向面６ａの樹脂膜１４を新たにコーティングし直すことで、容易に再生して圧縮機の運転を継続することができる。

尚、本発明のガスシール装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ ハウジング
２ 回転軸
５ 回転環
５ａ 対向面
６ 静止環
６ａ 対向面
７ 動圧発生溝
８ バネ
１４ ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）系の樹脂膜

Claims (2)

1. 回転軸に取り付けた回転環と該回転環に対向してハウジングに支持される静止環とを有し、回転環と静止環の対向面の一方には動圧発生溝が備えられ、前記静止環をバネによって回転環に押し付けるようにしたガスシール装置であって、前記回転環と静止環の対向面の少なくとも一方に、ポリベンゾイミダゾール系の樹脂をコーティングした樹脂膜を形成したことを特徴とするガスシール装置。
2. 前記静止環が金属基材からなり、金属基材の対向面にポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載のガスシール装置。

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