JP2012189009A

JP2012189009A - 水噴射式スクリュ流体機械

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Publication number: JP2012189009A
Application number: JP2011053794A
Authority: JP
Inventors: Toru Noguchi; 透野口
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2012-10-04
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: KR101376000B1; TWI510714B; US8556606B2; CN102678561A; TW201303161A; US20120230857A1; KR20120104108A; CN102678561B; JP5698039B2

Abstract

【課題】軸封装置の寿命が長く、その軸封装置を検出または予見して、それを的確に操作者に通知できる水潤滑式スクリュ流体機械を提供する。
【解決手段】スクリュ流体機械１は、ロータ室３とロータ軸７の高圧側の軸受１１との間に、ロータ室３側から順に、第１非接触シール１６、第２非接触シール１７およびリップシール１８が設けられ、第１非接触シール１６と第２非接触シール１７との間に形成される加圧空間２０に、高圧の対象気体を導入する加圧連通路２４と、加圧空間２０の圧力Ｐ_１を検出する加圧圧力検出器３２と、加圧圧力検出器３２の検出値Ｐ_１が予め設定した加圧圧力範囲から外れたときに警報を発する警報装置３３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水噴射式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、ロータ室内で対象気体を膨張させて雌雄咬合するスクリュロータを回転させるスクリュエキスパンダ（膨張機）などのスクリュ流体機械では、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０．３ｋｇｆ／ｃｍ^２程度である。このため、リップシールは、高圧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間題がある。

特許文献１に開示のスクリュ圧縮機では、リップシールを吸い込み側の軸の軸封として用いている他、吐出側の軸の軸封としても用いている。特許文献１のスクリュ圧縮機では、吐出側の軸の軸封のために用いられているリップシールに過剰な圧力が加わらないようにするため、スクリュロータとリップシールとの間にラビリンスシールを設け、さらに、ラビリンスシールとリップシールとの間の空間を吸込流路、もしくはロータ室の吸込側に近い中間圧力部に連通させる連通路を設けている。

また、スクリュ流体機械には、例えば特許文献２に記載されているように、ロータ室内に水を噴射して、潤滑および冷却を行う水噴射式のものがある。水噴射式スクリュ流体機械の軸封装置としてリップシールを用いる場合、リップシールには、水を封止する機能が求められる。ところが、油と異なり、水は潤滑性が低いため、リップシールで水を封止するとリップシールの摩耗が大きくなってしまう。従って、水噴射式スクリュ流体機械では、リップシールの寿命が短く、頻繁なメンテナンスが要求されるという問題がある。

このため、スクリュ流体機械のなかでも、特にこの水噴射式スクリュ流体機械では、リップシールの寿命を長期化し得る軸封装置を設けると共に、その軸封装置になんらかの異常が発生した場合、或いはなんらかの異常が発生することが予見される場合、それを的確に流体機械の操作者に通知し、その操作者に水噴射式スクリュ流体機械の適切なメンテナンスを施させることが必要となる。

特許第４５５９３４３号公報特開２０００−４５９４８号公報

前記間題点に鑑みて、本発明は、軸封装置の寿命が長く、その軸封装置を検出または予見して、それを的確に操作者に通知できる水潤滑式スクリュ流体機械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、本発明による水噴射式スクリュ流体機械は、ケーシ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し、内部に水を噴射して前記スクリュロータの潤滑を行う水噴射式スクリュ流体機械において、前記ロータ室と前記スクリュロータのロータ軸の軸受との間に、前記ロータ室側から順に、第１非接触シール、第２非接触シールおよびリップシールが設けられ、前記第１非接触シールと前記第２非接触シールとの間に形成される加圧空間に、高圧の前記対象気体を導入する加圧連通路と、前記加圧空間または前記加圧連通路の圧力を検出する加圧圧力検出器と、前記加圧圧力検出器の検出値が予め設定した加圧圧力範囲から外れたときに警報を発する警報装置とを備えるものとする。

この構成により、高圧連通路を介して加圧した対象気体を導入することによって加圧空間を昇圧する。これにより、加圧空間の圧力が高圧に維持されるので、ロータ室から流出空間に漏出した水は、加圧空間に流入することができない。このため、ロータ室から流出空間に漏出した水がリップシールまで到達することを抑制できるので、リップシールを破損させることがなく、水のリップシールへの進入による軸受用潤滑油の漏出も防止できる。

さらに、軸封装置になんらかの異常が発生した場合、加圧空間の圧力が変化する可能性が高いが、加圧圧力検出器によって加圧空間の圧力を検出し、異常な圧力上昇や圧力低下があったときは、警報装置が警報を発して水噴射式スクリュ流体機械の操作者に通知するので、水噴射式スクリュ流体機械の操作者に、適切なメンテナンスを実施するように促すことができる。

また、本発明の水噴射式スクリュ流体機械は、前記対象気体を圧縮する水噴射式スクリュ圧縮機であり、吐出した前記対象気体から前記水を分離する水回収器を有し、前記加圧連通路に、前記水回収器において前記水を分離した前記対象気体を減圧手段を介して供給してもよい。

この構成によれば、加圧空間に導入する対象気体に、水噴射式スクリュ圧縮機から吐出した対象気体の一部を流用することができ、加圧連通路に対象気体を供給するために付属設備を用意する必要がなく、減圧手段の設定値よりも加圧圧力検出器の検出値が限度を超えて上昇または低下したことを検出することにより、軸封装置の異常を検知できる。

また、本発明の水噴射式スクリュ流体機械は、前記軸受が高圧側の軸受であって、前記第１非接触シールの前記ロータ室側に形成される流出空間を、前記ロータ室内の低圧空間または前記ロータ室に連通する前記対象気体の低圧流路に連通させる低圧連通路と、前記流出空間、前記低圧連通路或いは前記低圧空間が連通する前記低圧空間または前記低圧流路の圧力を検出する低圧圧力検出器とをさらに備え、前記警報装置は、前記加圧圧力検出器の検出値と前記低圧圧力検出器の検出値との差圧が予め設定した差圧範囲から外れたときにも警報を発してもよい。

この構成によれば、第１非接触シールに異常が発生したことを適格に検知することができるので、漏出した水がリップシールまで到達する危険性をさらに低減できる。また、低圧連通路を介して吐出圧より低いロータ室または吸込流路に接続することによって流出空間を減圧し、且つ、高圧連通路を介して加圧した対象気体を導入することによって加圧空間を昇圧する。これにより、流出空間よりも加圧空間の圧力が高くなるので、ロータ室から流出空間に漏出した水は、加圧空間に流入することができず、低圧連通路を通ってロータ室に環流される。従って、高圧側の軸受、リップシールにあっても、十分にリップシールの破損の防止、水のリップシールへの進入による軸受用潤滑油の漏出の防止の効果を発揮できる。

本発明の第１実施形態のスクリュ圧縮機の簡略化断面図である。本発明の第２実施形態のスクリュ圧縮機の簡略化断面図である。本発明の第３実施形態のスクリュ圧縮機の簡略化断面図である。

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に、本発明に係る水噴射式スクリュ流体機械の第１の実施形態である水噴射式スクリュ圧縮機１を簡略化して示す。スクリュ圧縮機１は、ケーシング２内に形成したロータ室３に収容された雌雄咬合する一対のスクリュロータ４で、対象気体（例えば空気）を圧縮して吐出するものであり、ロータ室３内に冷却、シールおよび潤滑のために、水が導入されるようになっている。

ケーシング２には、ロータ室３に連通し、ロータ室３に圧縮すべき対象気体を供給するための吸込流路（低圧流路）５と、ロータ室３に連通し、ロータ室３内でスクリュロータ４によって圧縮された対象気体を排出するための吐出流路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８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の潤滑油など）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の潤滑油がロータ室３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側に対象気体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。

ケーシング２には、ロータ室３の吐出側（高圧側）の端面を形成する隔壁部１５が形成され、隔壁部１５によってロータ室３と吐出側の軸受軸封空間９とを区分している。吐出側の軸受軸封空間９の隔壁部１５と玉軸受１１との間には、ロータ室３側から順番に、第１非接触シール１６、第２非接触シール１７およびリップシール１８が設けられている。

第１非接触シール１６および第２非接触シール１７は、ロータ軸７との間に０．０２ｍｍ程度の小さい隙間を形成することにより、その隙間を通過しようとする流体に大きな圧力損失を発生させて、流体の通過を抑制する公知のラビリンスシールである。リップシール１８は、玉軸受１１の潤滑油が、ロータ室３側に漏出するのを防止できるような向きに配設されている。

第１非接触シール１６、第２非接触シール１７およびリップシール１８は、軸受軸封空間９をそれぞれ分割することにより、隔壁部１５と第１非接触シール１６との間に流出空間１９を形成し、第１非接触シール１６と第２非接触シール１７との間に加圧空間２０を形成し、第２非接触シール１７とリップシール１８との間に開放空間２１を形成している。

ケーシング２には、流出空間１９をロータ室３の吸込流路５から隔離された圧縮途中の空間である低圧空間２２に連通させる低圧連通路２３と、加圧空間２０に高圧の対象気体を導入するための加圧連通路２４と、開放空間２１をケーシング２の外部に連通させて大気開放する開放連通路２５，２６とが設けられている。

さらに、水噴射式スクリュ圧縮機１は、吐出流路６から吐出された対象気体から水を分離する水回収器２７を有し、水回収器２７において分離して回収した水を吸込流路５に再供給する水供給配管２８と、水回収器２７において水を分離した対象気体の一部をフィルタ２９および減圧弁（減圧手段）３０を介して加圧連通路２４に導入する加圧配管３１とを備える。

減圧弁３０は、対象気体を低圧空間２２よりも若干高い程度の圧力（設定圧力）まで減圧するように設定されている。例えば、低圧空間２２の圧力が０．０３ＭＰａ程度であれば、加圧空間２０での圧力はそれより０．１ＭＰａ程度高い圧力（０．１３ＭＰａ）程度に調整されている。尚、減圧弁３０から加圧空間２０までの加圧配管３１には、減圧弁３０とは別の減圧手段、例えばオリフィス等を介設してもよい。

さらに、水噴射式スクリュ圧縮機１は、加圧配管３１の圧力、つまり、加圧連通路２４、ひいては加圧空間２０の圧力Ｐ_１を検出する加圧圧力検出器３２を有する。加圧圧力検出器３２の検出値は、警報装置３３に入力されるようになっている。警報装置３３は、加圧圧力検出器３２の検出値が入力され、その検出値が予め設定された加圧圧力範囲の中にあるか否かを判定する制御装置３４と、制御装置３４にて加圧圧力検出器３２の検出値が加圧圧力範囲の中にないと判定された場合に、その制御装置３４からの信号により警報出力を発することができるディスプレイ３５およびスピーカ３６を備える。

この水噴射式スクリュ圧縮機１では、流出空間１９がロータ室３内の低圧空間２２に連通し、加圧空間２０に低圧空間２２よりも高圧の対象気体を導入しているので、流出空間１９の圧力が、加圧空間２０の圧力よりも低くなる。このため、第１非接触シール１６とロータ軸７との隙間には、加圧空間２０から流出空間１９に向かう対象気体の僅かな流れが生じ、ロータ室３から流出空間１９に対象気体と共に流出した水が加圧空間２０に進入することを防止する。これにより、リップシール１８に水が到達して、リップシール１８を破損させることを防止でき、玉軸受１１の潤滑油の漏出を防止できる。

また、加圧空間２０からは、第２非接触シール１７とロータ軸７との隙間を介して開放空間２１に、対象気体が少しずつ流出する。開放空間２１に流入した対象気体は、開放連通路２５，２６によって大気中に放出されるので、開放空間２１の圧力は大気圧に維持される。これにより、万が一、例えば水噴射式スクリュ圧縮機１の停止時に、開放空間２１に水が進入したとしても、その水を開放連通路２５，２６から大気に放出するので、リップシール１８に与えるダメージを最低限度に留めることができる。

また、水噴射式スクリュ圧縮機１において、警報装置３３（制御装置３４）は、減圧弁３０によって設定される加圧空間２０の設定圧力よりよりもやや高い圧力を上限圧力とし、同設定圧力よりもやや低い圧力を下限圧力として予め設定することによって、上限圧力と下限圧力との間の正常な圧力である加圧圧力範囲を定める。減圧弁３０による設定圧力と上限圧力や下限圧力との差は、第１非接触シール１６や第２非接触シール１７の破損によって生じる圧力変動を試験等によって確認して適切な値に設定されることが好ましい。

尚、加圧圧力検出器３２の検出圧力Ｐ_１は、減圧弁３０の異常によっても加圧圧力範囲から外れることがある。つまり、水噴射式スクリュ圧縮機１は、第１非接触シール１６および第２非接触シール１７の異常だけではなく、減圧弁３０の異常も検出して、警報を発する。

続いて、図２に、本発明の第２実施形態である水噴射式スクリュ圧縮機１ａを示す。尚、以降の実施形態において、先に説明した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。

本実施形態の水噴射式スクリュ圧縮機１ａは、低圧連通路２３の圧力Ｐ_２を検出する低圧圧力検出器３７を有している。このために、ケーシング２には、低圧連通路２３に連通し、低圧圧力検出器３７を取り付け可能な外表面に延伸する導圧路３８が設けられている。低圧圧力検出器３７が検出した低圧連通路２３の圧力Ｐ_２は、警報装置３３の制御装置３４に入力される。制御装置３４は、加圧圧力検出器３２の検出圧力Ｐ_１と低圧圧力検出器３７の検出圧力Ｐ_２との差圧ΔＰを算出し、この差圧ΔＰが予め設定した差圧範囲から外れたときにも、ディスプレイ３５およびスピーカ３６に警報出力をさせるようになっている。

制御装置３３において設定される差圧範囲は、第１非接触シール１６になんらかの異常が発生し、その第１非接触シール１６から水漏れが現実に発生する場合の圧力範囲を、試験等により予め確認して決定されることが好ましい。この構成によって、第１非接触シール１６に異常が発生したことを的確に検知することができるので、漏出した水がリップシールまで到達する危険性をさらに低減できる。

水噴射式スクリュ圧縮機１ａにおいて、警報装置３３には、上述の「加圧圧力範囲」や「差圧範囲」をそれぞれ段階的に設定し、加圧圧力検出器３２の検出圧力Ｐ_１や差圧ΔＰの属する「加圧圧力範囲」や「差圧範囲」の段階に応じて、ディスプレイ３４やスピーカ３５に所定の警告を発するように構成してもよい。そうすれば、減圧弁３０に将来的に発生されることが見込まれる異常（予見される異常）等を的確に検知し、異常の発生自体を未然に防止することができる。

続いて、図３に、本発明の第３実施形態である水噴射式スクリュ圧縮機１ｂを示す。本実施形態の水噴射式スクリュ圧縮機１ｂには、吐出側（高圧側）と同様に、ロータ室３と吸込側（低圧側）のロータ軸７のリップシール１３との間に、ロータ室３側から順に、第１非接触シール３９および第２非接触シール４０が配設されている。第１非接触シール３９および第２非接触シール４０も、高圧側の第１非接触シール１６および第２非接触シール１７と同様の構成のラビリンスシールである。

これにより、低圧側の軸受軸封空間８の中には、第１非接触シール３９と第２非接触シール４０との間に加圧空間４１が形成され、第２非接触シール４０とリップシール１３との間に開放空間４２が形成されている。ケーシング２には、加圧空間４１に高圧の対象気体を導入するための加圧連通路４３と、開放空間４２をケーシング２の外部に連通させて大気開放する開放連通路４４とが形成されている。加圧連通路４３には、減圧弁２０の下流側の加圧配管３１から分岐した加圧配管４５が接続され、対象気体が供給されるようになっている。

尚、加圧連通路２４の手前の加圧配管３１にはオリフィス４６が、加圧連通路４３の手前の加圧配管４５にはオリフィス４７が介設されている。吐出側の加圧空間２０には、オリフィス４６を介して若干減圧されるが、依然として高圧の対象気体が導入される。また、吸い込み側の加圧空間４１にも、オリフィス４７を介して若干減圧されるが、やはり高圧の対象気体が導入される。

そして、水噴射式スクリュ圧縮機１ｂでは、加圧配管３１の圧力Ｐ_１を検出する加圧圧力検出器３２は、減圧弁２０より下流であり、且つ、加圧配管４５との分岐点より上流の加圧配管３１に設けられている。この水噴射式スクリュ圧縮機１ｂも、加圧圧力検出器３９の検出値が入力され、その検出値が予め設定された加圧圧力範囲の中にあるか否かを判定する制御装置３４等を備えた警報装置３３を有する。

本実施形態では、吸込側の軸受軸封空間８にも、対象気体が導入されて高圧に維持される加圧空間４１を形成しているため、水噴射式スクリュ圧縮機１ｂが吸い込む対象気体の圧力、つまり、吸込流路５の圧力が大気圧より高い場合であっても、対象気体が加圧空間４１に進入しない。これにより、水が対象気体に随伴して進入し、リップシール１３に到達することによって、リップシール１３を破損させたり、軸受用潤滑油を漏出させたりしない。

また、万が一、加圧空間４１さらには開放空間４２に、水が漏出したとしても、漏出した水は開放空間４２から開放連通路４４を介して外部に放出されるので、リップシール１３にかかるシール空間の圧カを増大させることなく、漏出した水がリップシール１３まで到達することも抑制できる。このため、リップシール１３を破損させることがなく、水のリップシール１３への進入による軸受用潤滑油の漏出も防止できる。

また、水噴射式スクリュ圧縮機１ｂにおいて、警報装置３３（制御装置３４）は、減圧弁３０によって設定される設定圧力よりよりもやや高い圧力を上限圧力とし、同設定圧力よりもやや低い圧力を下限圧力として予め設定することによって、上限圧力と下限圧力との間の正常な圧力である加圧圧力範囲を定める。減圧弁３０による設定圧力と上限圧力や下限圧力との差は、第１非接触シール１６や第２非接触シール１７の破損によって生じる圧力変動や第１非接触シール３９や第２非接触シール４０の破損によって生じる圧力変動を試験等によって確認して適切な値に設定されることが好ましい。

本発明は、上述の実施形態の構成に限られない。例えば、加圧圧力検出器３２，３９および低圧圧力検出器３７は、実質的に加圧空間２０や加圧空間４１、流出空間１９の圧力或いはその圧力の変動を検出できればよい。具体的には、加圧圧力検出器３２，３９は、直接、加圧空間２０や加圧空間４１の圧力を検出するように配設してもよく、加圧連通路２４や加圧連通路４２の圧力を検出するように配設してもよい。尚、直接且つ独立して、加圧空間２０と加圧空間４１の圧力を検出し、その変動を検出（ひいては、吐出側の第１非接触シール１６、第２非接触シール１７に破損が生じたか、或いは、吸い込み側の第１非接触シール３９、第２非接触シール４０に破損が生じたかを独立して検出）するために、その加圧圧力検出器を、加圧空間２０と加圧空間４１ごとに１つずつ配設し、加圧圧力範囲も加圧空間２０と加圧空間４１ごとに１つずつ設定してもよい。また、低圧圧力検出器３７は、直接、低圧空間１９の圧力を検出してもよく、ロータ室３内の低圧空間２２の圧力を検出してもよい。

さらに、低圧連通路２３は、流出空間１９を吸込流路５に連通させるように構成されてもよい。その他、減圧弁３０の上流側に配設されたフィルタ２９のさらに上流側に、電力が供給されたときのみ開放するノーマルクローズタイプの単動式電磁開閉弁等を介設したり、水回収器２７の下流にドライヤを設け、ドライヤで除湿した対象気体を加圧配管３１，４６および加圧連通路２４，４４を介して加圧空間２０，４２に導入するようにするなど、広範な変形が可能である。

１，１ａ，１ｂ…スクリュ圧縮機（水噴射式スクリュ流体機械）
２…ケーシング
３…ロータ室
４…スクリュロータ
５…吸込流路（低圧流路）
６…吐出流路
７…ロータ軸
１１…玉軸受
１５…隔壁部
１６，３９…第１非接触シール
１７，４０…第２非接触シール
１３，１８…リップシール
１９…流出空間
２０，４１…加圧空間
２１，４２…開放空間
２２…低圧空間
２３…低圧連通路
２４，４３…加圧連通路
２５，２６，４４…開放連通路
２７…水分離回収器
３０…減圧弁（減圧手段）
３２…加圧圧力検出器
３５…警報装置
３７…低圧圧力検出器
３８…導圧路
４６，４７…オリフィス

Claims

ケーシ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し、内部に水を噴射して前記スクリュロータの潤滑を行う水噴射式スクリュ流体機械において、
前記ロータ室と前記スクリュロータのロータ軸の軸受との間に、前記ロータ室側から順に、第１非接触シール、第２非接触シールおよびリップシールが設けられ、
前記第１非接触シールと前記第２非接触シールとの間に形成される加圧空間に、高圧の前記対象気体を導入する加圧連通路と、
前記加圧空間または前記加圧連通路の圧力を検出する加圧圧力検出器と、
前記加圧圧力検出器の検出値が予め設定した加圧圧力範囲から外れたときに警報を発する警報装置とを備えることを特徴とするスクリュ流体機械。
前記水噴射式スクリュ流体機械は、前記対象気体を圧縮する水噴射式スクリュ圧縮機であり、
吐出した前記対象気体から前記水を分離する水回収器を有し、
前記加圧連通路に、前記水回収器において前記水を分離した前記対象気体を減圧手段を介して供給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。
前記軸受が高圧側の軸受であって、
前記第１非接触シールの前記ロータ室側に形成される流出空間を、前記ロータ室内の低圧空間または前記ロータ室に連通する前記対象気体の低圧流路に連通させる低圧連通路と、
前記流出空間、前記低圧連通路或いは前記低圧空間が連通する前記低圧空間または前記低圧流路の圧力を検出する低圧圧力検出器とをさらに備え、
前記警報装置は、前記加圧圧力検出器の検出値と前記低圧圧力検出器の検出値との差圧が予め設定した差圧範囲から外れたときにも警報を発することを特徴とする請求項１または２に記載のスクリュ流体機械。