JP4041799B2 - シール・システム - Google Patents

Description

本発明は、回転部材が貫通し且つ突き出ている装置の開口からの流体の損失を防止するシール・システムに関するものである。詳細には、本発明は、開口が回転軸シールによってシール（封止）され、チャンバが軸シールからの流体の漏出を受け取り、バリア・シールがチャンバからの流体の漏出を防止するシール・システムに関するものである。より詳細には、本発明は、流体からバリア流体を分離して、流体を装置に戻すことができるようにするシール・システムに関するものである。

従来技術は、回転軸を採用する装置の内部からプロセス流体の損失が漏れるのを防止するシール・システムについて多くの例を提供してきた。理解されるように、プロセス流体の漏出の問題は、その周囲より高い圧力で動作する圧縮機などの装置で特に悪化する。冷却システムの圧縮機からの冷媒の漏出は、冷媒が有毒である場合や環境を破壊する恐れがある場合に特に問題となる可能性がある。混合ガス冷却システムでは、冷媒は有害ではないが、混合ガス冷媒の各成分の特性が異なるので、漏出量が一様ではなく、そのため圧縮機からの漏出があると冷媒の組成が変化する。さらに、混合ガス冷媒の成分は高価であり、冷媒の損失があると工程にとってコスト面でかなり不利になる。

従来技術では、冷却システム用の圧縮機アセンブリは、一体化された圧縮機、モータおよびギヤボックスを備えている。圧縮機からギヤボックス内に漏出した冷媒は、ギヤボックスに含まれるギヤオイルから分離され、圧縮機の吸入側に戻される。ギヤボックスは、シールされていてもよく、あるいは孔があいていてもよい。

シールド・ギヤボックスの一例が、米国特許第６，０１８，９６２号明細書に開示されている。この特許では、圧縮機アセンブリは気密性のある筐体の中に収納されている。ギヤボックス内に漏出した冷媒はギヤオイルと混合し、冷媒とギヤオイルの混合物はギヤボックスの油だめに集められる。混合物をデミスタの構成要素の中に通して、圧縮機の低圧側によって吸入を行いながら混合物からギヤオイルを分離する。吸入により、さらに冷媒をデミスタの構成要素から取り出して、圧縮機の低圧側に戻す。

米国特許第４，２１３，３０７号明細書は、コアレッシング・フィルタへの孔が設けられたギヤボックスを有する圧縮機アセンブリの例を開示している。コアレッシング・フィルタは、漏出した冷媒をギヤオイルから分離する。冷媒からの分離後、ギヤオイルはジェット・ポンプによってギヤボックスの油だめの中に戻される。冷媒はコアレッシング・フィルタから取り出され、圧縮機の低圧側に戻される。別のオイル・ポンプが、オイルをギヤボックス内に含まれる軸受に送り込むため、および加圧されたオイルを作動流体（ｍｏｔｉｖｅ ｆｌｕｉｄ）としてジェット・ポンプに供給するために用いられる。

前述のタイプの圧縮機アセンブリは専用の筐体を有しており、したがって構成要素それぞれが筐体を備え、構成要素が現場で別々に取り付けられる大規模設備にはあまり適切ではない。

論じられるように、本発明は、シールする装置に反映される修正がほとんどなく、したがって大規模設備にも小規模設備にも適用可能な、回転軸を封止するシール・システムを提供する。

本発明は、装置開口と、装置開口内で回転運動のための動作が可能な回転部材とを有する装置からのプロセス流体の損失を防止するシール・システムを提供する。このシール・システムは、装置からのプロセス流体の漏出を防止する回転軸シールを備え、それによって回転部材と装置開口の間のシールを提供する。チャンバが装置に接続され且つ回転軸シールと位置合わせされて回転軸シールからのプロセス流体の漏出物を回収する。この点に関して、本明細書および特許請求の範囲で用いる「接続された」という用語は、装置のハウジングや他の構成要素を有するような一体型の構造と、溶接など様々なタイプの外部からの接続との両方を包含する。チャンバは、出口ポートと、回転部材がチャンバを通って突出することができるようにする、対向する内側開口および外側開口とを有する。チャンバの外側開口に隣接してバリア・シールがチャンバに接続される。バリア・シールは、回転部材を受け入れるボア、およびボアに連通する入口ポートを有し、圧力がかかった状態でバリア流体を注入して、プロセス流体がチャンバの外側開口から漏れるのを防止するようになっている。すなわち、チャンバは外側開口を通してバリア流体も受け入れる。前記プロセス流体とバリア流体を分離するために、少なくとも１つのフィルタがチャンバの出口ポートに連通されている。プロセス流体を装置に戻すために、戻り流路が、少なくとも１つのフィルタおよび装置に連通している。

装置は、入口圧力から、入口圧力より高い出口圧力までプロセス流体を圧縮する圧縮機とすることができる。この圧縮機は入口圧力でプロセス流体を受け入れるための入口部分を備え、プロセス流体を圧縮機の入口部分に戻すように戻り流路が圧縮機に連通している。圧縮機は、入口部分から圧縮機に入るプロセス流体を圧縮するためのインペラを有するタイプのものでもよい。こうした圧縮機の回転部材は、インペラの拡大された円筒状の基本要素とすることが可能であり、円筒状の基本要素は装置開口内に配置され、駆動軸要素が、拡大された円筒状の要素を通して突出している。駆動軸要素はインペラに接続され、バリア・シール、チャンバの外側開口および内側開口を通して延びる。

本発明のいずれの用途でも、回転軸シールはラビリンス・シールとすることができる。

本発明では、バリア流体は液体であり、バリア・シールの入口ポートに導入することによって、チャンバ内にその液体と、プロセス流体からなる蒸気とを含む混合物を生成するような液体とすることができる。したがって、少なくとも１つのフィルタは、混合物から液体を凝集させる（ｃｏａｌｅｓｃｅ）コアレッシング・フィルタとすることができる。混合物の蒸気はバリア流体の蒸気を含むこともあり、戻り流路とコアレッシング・フィルタの間にバリア流体の蒸気トラップを挿入して、混合物の蒸気からバリア流体の蒸気を分離することができる。さらに、混合物の蒸気は水蒸気を含むこともあり、バリア流体の蒸気トラップと戻り流路の間に水蒸気トラップを挿入して、混合物の蒸気から水蒸気を分離することができる。

本発明を圧縮機に適用する際には、圧縮機は、回転部材を駆動するギヤボックスを有することができる。バリア流体はギヤボックス内部に潤滑を与えるギヤオイルとすることが可能であり、またバリア・シールのボアをチャンバとは反対側でギヤボックスに連通させることが可能である。しがたって、ギヤオイルは、ボアから、その一端でギヤボックスへと流入する。

本発明のシール・システムでは、コアレッシング・フィルタにリザーバを連通させて、分離されたバリア流体の液体を受け取ることができる。リザーバとバリア・シールの入口ポートとの間にポンプを配置して、液体を加圧することができる。

本発明のシール・システムは冷却システムの圧縮機に適用することが可能であり、圧縮されるプロセス流体は冷媒とすることができる。冷媒は混合ガス冷媒であってもよい。

前述のように、本発明は、通常のラビリンス・シールなどの回転軸シールを、バリア・シール、フィルタ、および必要な場合には水の吸収トラップと組み合わせて用いた、漏出を防止するシステムを提供する。回転軸シールを通ってバリア流体と混合する少量のプロセス流体は、回収され分離される。バリア流体はそのリザーバに戻され、次いで必要であれば、プロセス流体は冷媒を乾燥させる吸収層に移される。次いで、プロセス流体は損失なく装置に戻される。

システム内での損失がないため、バリア流体の補充は不要である。また、捕集された冷媒をプロセスに戻すのに、システムは補助ポンプを必要としない。必要とされる特定のタイプの筐体もなく、また筐体を一体化する必要はない。したがって、本発明は大規模設備に適している。しかし、小さい設備でも一体化された特定の筐体が不要になるため、圧縮機のメンテナンス作業の複雑さが緩和される。

本明細書は、出願人等がその発明とみなす対象について明確に示す特許請求の範囲で結論づけられるが、本発明によるシール・システムの概略図である唯一の図から、本発明がよりよく理解されるであろうと思われる。

唯一の図を参照すると、装置からのプロセス流体の損失を防ぐためのシール・システム１が示してあり、例示の目的で、この装置は、装置開口３と、装置開口３内で回転運動が可能な回転部材４とを有する圧縮機２である。

回転部材４は、インペラ６の拡大された円筒状の基本要素５と、拡大された円筒状の基本要素５を通して突き出し且つインペラ６に接続されている駆動軸７とで構成されている。圧縮機２は、インペラ６の動作によってその入口部分８からのプロセス流体を圧縮するように働く。

シール・システム１は、装置開口３からのプロセス流体の漏出を捕らえ、それを圧縮機２の入口部分８に戻すように働く。圧縮機２のためのプロセス流体は、例えば約２０％の窒素、約１５％のアルゴン、約２５％の四フッ化炭素、約２５％のペンタブロモエタン、および約１５％のパーフルオロプロパノールメチルエーテルから構成された混合ガス冷媒とすることができる。

圧縮機２は例示の目的で示したものであり、本発明はそのより広い側面において、他の装置、他の冷媒およびプロセス流体への用途を有することに留意されたい。この点で、回転部材４は、装置開口内で回転動作が可能な任意の円筒状の要素とすることができる。

シール・システム１は、圧縮機２からの混合ガス冷媒の漏出を防止するために、回転部材４と装置開口３の間をシールするラビリンス・シール１０、または他の適切な回転軸シールを含む。動作中、圧縮機２は、周囲より高い圧力、すなわちラビリンス・シール１０を通して混合ガス冷媒を押し出すように働く圧力Ｐを発生させる。一般的なラビリンス・シールは、Ｑｕａｌｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＱｕａｌｉｓｅａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｉｖ．（７３１９ Ｗｅｓｔ Ｗｉｌｓｏｎ Ａｖｅｎｕｅ、Ｈａｒｗｏｏｄ Ｈｅｉｇｈｔｓ、ＩＬ ６０７０６）から入手可能なＴｙｐｅ ９０５である。通常のラビリンス・シールを通しての漏出は、圧縮機２内の流量の約１％から約５％の間の範囲である。圧縮機２が動作していないときには圧縮機２内に圧力は発生せず、バリア・シール２０が静止した軸７に対して確実にシールを施して冷媒の損失を防止する。

チャンバ１２は圧縮機２に接続され、回転軸シール１０と位置合わせされて回転軸シール１０からの混合ガス冷媒の漏出を回収する。図示したように、チャンバ１２は一体形成された圧縮機２のハウジングの構成要素である。前述のように、本発明の適切な実施例におけるチャンバ１２は、溶接などの接続技術により、こうしたハウジングに外部から取り付けることができる。チャンバ１２は、出口ポート１４、ならびに回転部材４の駆動軸７がチャンバ１２を通して突出できるようにする、対向した内側開口および外側開口１６、１８を備えている。

バリア・シール２０は、チャンバ１２の外側開口１８に隣接してチャンバ１２に接続されている。バリア・シール２０は、駆動軸７を受け入れるボア２２、およびボア２２に連通する入口ポート２４を有し、圧力がかかった状態でバリア流体を注入して、混合ガス冷媒がチャンバ１２の外側開口１８から漏れるのを防止するようになっている。バリア流体の圧力Ｐ_２は、チャンバ１２内の混合ガス冷媒の蒸気圧である圧力Ｐ_３よりわずかに高い。その結果、チャンバ１２は外側開口１８を通してバリア流体をも受け入れる。一般的なバリア・シールは、Ｆｌｏｗｓｅｒｖｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（４６１５、Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｆｒｅｅｗａｙ、Ｈｏｕｓｔｏｎ、ＴＸ ７７０２７）から入手可能なＴＵＲＢＯＰＡＣ Ｔｙｐｅ ３６８のバリア・シールである。

図示した実施例では、バリア流体は、ギヤボックスの潤滑のために用いられるギヤオイルとすることができる。こうしたギヤオイルは、式（Ｃ_１０Ｈ_２２）_ｘで与えられる組成（式中、ｘは１、１．５、２、２．５・・・・８の値を有する）を有するポリアルファオレフィンとすることができる。他のバリア流体も可能である。好ましくは、バリア流体は冷媒と不混和性で、蒸気圧が低く、且つバリア流体への溶解度が低いものとすべきである。

チャンバ１２内では、バリア流体と混合ガス冷媒の混合物が、バリア流体の細かい液滴を含むミスト、ならびに混合ガス冷媒とバリア流体の蒸気からなる蒸気の形で生成される。チャンバ１２内で生成された蒸気の組成は、バリア流体の蒸気圧に依存し、したがってチャンバ１２内で生成された混合物に関して、きわめて低い蒸気圧を有するバリア流体はきわめて低い分圧を有するようになることに留意されたい。

バリア流体と混合ガス冷媒の混合物は、導管２５によってチャンバ１２の出口ポート１４からフィルタ２６に放出される。フィルタ２６は、使用済みのバリア流体を混合ガス冷媒、または重要なプロセス流体から分離するように特別に設計された、１つまたは複数のフィルタから構成することができる。図示した実施例の場合、フィルタ２６は一連のコアレッシング・フィルタを含むフィルタリング・システムであり、例えばグレード８に続いてグレード６、次にグレード２のフィルタが続く、Ｐａｒｋｅｒ Ｈａｎｎｉｆｉｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｆｉｎｉｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ（５００ Ｓｏｕｔｈ Ｇｌａｓｐｉｅ Ｓｔｒｅｅｔ、Ｏｘｆｏｒｄ、ＭＩ ４８３７１）が製造するものがある。

バリア流体の蒸気トラップ２８は、導管２７によってフィルタ２６に連通している。バリア流体の蒸気トラップ２８は、炭素の分子篩（モレキュラーシーブ）の層を含むことが可能であり、バリア流体の蒸気を混合物の蒸気から分離するために設けられる。こうした蒸気トラップは、Ｐａｒｋｅｒ Ｈａｎｎｉｆｉｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｆｉｎｉｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ Ｄｉｖｉｓｉｏｎから入手可能なグレードＡＵの蒸気トラップとすることができる。しかし、著しく低い蒸気圧を有するバリア流体が有意量のバリア流体蒸気を生成することはなく、したがって適切な実施例では、バリア流体の蒸気トラップ２８を含まないことがあることに留意されたい。

分子篩、アルミナ、シリカ・ゲルなどの吸収層は、蒸気混合物の蒸気から水蒸気を分離する水蒸気トラップ３０として働くことができる。水蒸気トラップ３０は、導管３１によってバリア流体の蒸気トラップ２８に連通している。適切な水蒸気トラップは、Ｓｐｏｒｌａｎ Ｖａｌｖｅ Ｃｏｍｐａｎｙ（２０６ Ｌａｎｇｅ Ｄｒｉｖｅ、Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ、ＭＯ ６３０９０）が製造するＳＰＯＲＬＡＮ水蒸気トラップである。除去すべき水蒸気が存在せず、そのため水蒸気トラップ２０が不要なシステムであってもよい。

フィルタ２６によって混合ガス冷媒から分離されたバリア流体は、導管３５によってリザーバ３４に戻され、ポンプ３６で汲み出されて、導管３７を通ってバリア・シール２０の入口通路２４に至る。前述のように他のバリア流体も可能であるが、図示した実施例のバリア流体は、駆動軸７が駆動されるギヤボックス９の内部に潤滑を与えるギヤオイルである。したがって、バリア流体シール２０は、チャンバ１２とは反対側のギヤボックス９に連通するボア２２の開口でギヤボックス９に接続され、その結果、ボア２２からのギヤオイルは、その一端でギヤボックス９に流入することができる。

混合ガス冷媒は、バリア流体から分離された後、導管３８によって形成される流路を通り、圧縮機３の入口部分８に戻る。ラビリンス・シール１０の下流の圧力Ｐ_４は、フィルタ２６、バリア流体の蒸気トラップ２８、および水蒸気トラップ３０によって生じる圧力低下の後でも、入口部分８内部の圧力より高い圧力で混合ガス冷媒を押し出して、流路３８を経て入口部分８に戻すのに十分なものである。したがって、Ｐ_４は導管２７内の圧力Ｐ_５より大きく、Ｐ_５は導管３１内の圧力Ｐ_６より大きく、Ｐ_６は導管３８内の圧力Ｐ_７より大きく、またＰ_７は圧縮機２の吸入側での圧力Ｐ_８より大きい。

理解されるように、本発明の可能な用途では、十分な駆動圧力Ｐ_４が利用できない場合、追加の圧縮機を用いてもよい。

下表は、シール・システム１内の典型的な条件を示している。

好ましい実施例を参照して本発明を説明してきたが、当業者には分かるように、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多くの変更、追加および省略を行うことが可能である。

本発明によるシール・システムの概略図である。

Claims (9)

1. 入口圧力（Ｐ_８）から、入口圧力（Ｐ_８）より高い出口圧力（Ｐ_１）までプロセス流体を圧縮する圧縮機（２）からの前記プロセス流体の損失を防止するシール・システム（１）であって、前記圧縮機（２）が、前記入口圧力で前記プロセス流体を受け入れるための入口部分（８）と、装置開口（３）と、該装置開口（３）内で回転運動するように動作可能な回転部材と、該回転部材（４）を駆動するギヤボックス（９）とを有するシール・システム（１）において、
   前記回転部材（４）と前記装置開口（３）の間にシールを提供して前記圧縮機（２）からの前記プロセス流体の漏出を防止する回転軸シール（１０）と、
   前記回転式回転部材シールからの前記プロセス流体の漏洩を回収するように、前記圧縮機（２）に外部から接続され且つ前記回転式回転部材シールと位置合わせされるチャンバ（１２）であって、出口ポート（１４）、ならびに前記回転部材（４）が該チャンバ（１２）を通して突出することができるようにするための、対向する内側開口および外側開口（１６、１８）を有しているチャンバ（１２）と、
   前記チャンバ（１２）の前記外側開口（１８）に隣接するように前記チャンバ（１２）に接続されたバリア・シール（２０）であって、前記回転部材（４）を受け入れるボア（２２）、および該ボア（２２）に連通する入口ポート（２４）を有しており、それによってバリア・シール圧力が掛けられたバリア流体を注入して前記プロセス流体が前記チャンバ（１２）の外側開口（１８）から漏れるのを防止し、またそれによって前記チャンバ（１２）が前記外側開口（１８）を通して前記バリア流体を受け入れるようになっており、前記バリア流体が、前記ギヤボックス（９）内部に潤滑を提供する潤滑オイルから構成されており、前記バリア・シール（２０）の前記ボアが、前記チャンバ（１２）とは反対側で前記ギヤボックス（９）に連通し、それによって前記ボア（２２）からのギヤオイルが、前記ボアの一端で、前記ギヤボックス（９）に流入するようになっているバリア・シール（２０）と、
   前記プロセス流体と前記バリア流体を分離するための、前記チャンバ（１２）の前記出口ポート（１４）に接続された少なくとも１つのフィルタ（２６）と、
   前記プロセス流体を前記圧縮機の前記入口部分に戻すための、前記少なくとも１つのフィルタ（２６）および前記圧縮機に接続された戻り流路（３７）と
   を有することを特徴とするシール・システム（１）。
2. 前記圧縮機（２）が、前記入口部分（８）から前記圧縮機（２）に入る前記プロセス流体を圧縮するためのインペラ（６）を有し、
   前記回転部材（４）が、前記装置開口（３）内に配置される前記インペラ（６）の、拡大された円筒状の基本要素（５）と、前記拡大された円筒状の基本要素（５）を通って突出し、前記インペラ（６）に接続され、また前記バリア・シール（２０）、ならびに前記チャンバ（１２）の前記外側および内側開口（１８、１６）を通して延びる駆動軸要素（７）とである、請求項１に記載のシール・システム（１）。
3. 前記回転軸シール（１０）がラビリンス・シールである、請求項１に記載のシール・システム（１）。
4. 前記バリア流体は前記バリア・シール（２０）の前記入口ポート（２４）に導入される液体であり、それによって前記チャンバ（１２）内に該液体と前記プロセス流体を含む蒸気とを有する混合物が生成され、
   前記少なくとも１つのフィルタ（１６）が、前記混合物から前記液体を凝集させるコアレッシング・フィルタである、請求項１または請求項２に記載のシール・システム（１）。
5. 前記混合物の前記蒸気がバリア流体の蒸気をも含み、バリア流体の蒸気トラップ（２８）が、前記戻り流路（３８）と前記コアレッシング・フィルタ（２６）の間に挿入されて、前記混合物の前記蒸気とバリア流体の蒸気を分離する、請求項４に記載のシール・システム（１）。
6. 前記混合物の前記蒸気が水蒸気をさらに含み、水蒸気トラップ（３０）が前記バリア流体の蒸気トラップ（２８）と前記戻り流路（３８）の間に挿入されて、前記混合物の前記蒸気から前記水蒸気を分離する、請求項５に記載のシール・システム（１）。
7. 前記コアレッシング・フィルタ（２６）に連通して前記液体を受け入れるリザーバ（３４）と、
   前記リザーバ（３４）と前記バリア・シールの（２０）の前記入口ポート（２４）との間に配置されて、前記液体を前記バリア・シール圧力まで加圧するポンプ（３６）と
   をさらに有する、請求項４に記載のシール・システム（１）。
8. 前記回転軸シール（１０）がラビリンス・シールである、請求項７に記載のシール・システム（１）。
9. 前記プロセス流体が混合ガス冷媒である、請求項１に記載のシール・システム（１）。

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