JP4232248B2 - 酸素圧縮機の軸封装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非接触端面シールを酸素圧縮機に適用した酸素圧縮機の軸封構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の非接触端面シールの一部省略断面図である。非接触端面シールは数千ないし数万回転で回転する高圧圧縮機などのシールに使用するもので、摺動面に非常に薄い気体フィルムを形成することにより、固体同士の接触がない状態でシールを達成するようになっているので、ラビリンスシールなどに比べて極端にリーク量が少い特徴がある。図３において、Ｈは高圧室、Ｌは低圧室である。１は回転軸である。２はカーボンを含む材料からなる環状のシールリングである。カーボンを含む材料には、樹脂含浸硬質カーボン、硬質カーボン、カーボン系複合材料などがある。シールリング２はシールハウジング４により軸方向移動可能に支持されており、複数のノックピン１２により回り止めされている。３はセラミックス製の環状のメイティングリングである。シールリング２はシールハウジング４の複数の保持穴４ａに挿入された多数のコイルバネ５により、圧縮リング６を介してメイティングリング３側に押し付けられている。メイティングリング３の摺動面３ａには、図４に示すようにスパイラルグループ３ｂが形成されている。スパイラルグループ３ｂは、摺動面３ａの外周縁から内周縁側に向って回転方向後方に傾斜し、かつ、所定長さで形成され、回転軸の回転に際して、高圧室Ｈから気体を取り込むようになっている。
【０００３】
７はメイティングリング３を支持するスリーブである。スリーブ７は円筒状部分７ａと円筒状部分７ａの一端から外方に連設した円板状部分７ｂとその外端から円筒状部分７ａと同一方向に連設した外側円筒状部分７ｃとを有し、円筒状部分７ａと外側円筒状部分７ｃとの間に円板状部分７ｂに隣接してメイティングリング３が保持されている。スリーブ７の円筒状部分７ａの外周とメイティングリング３内周との間には外側に凸にふくらんだ略円筒状曲面を形成するように巻付けた板バネ１３ａが嵌挿されている。メイティングリング３を保持するためにスリーブ７を使用するのは、メイティングリング３がセラミックス製であり、引張り強度や熱膨張係数が小さく、かつ、衝撃に弱いので緩衝作用を持させるためであり、外側円筒状部分７ｃは、メイティンリング３が破損したときに飛散するのを防ぐ目的で設けられている。
【０００４】
８はスペーサリング、１１は押えリングで、これによりメイティングリング３およびスリーブ７を回転軸１に固定している。９はＯリングであり、高圧気体の漏洩を防止している。９ａもＯリングであるがカラー１０の芯出し用に使われている。１０はカラーでスリーブ７とともにメイティングリング３を保持している。１３ｂ、１３ｃは板バネであり、それぞれスリーブ７およびスペーサリング８と回転軸１との間に介在し、これらの間の遊び代を吸収し、振動が発生しないようにしている。
【０００５】
回転軸１の回転によりメーティングリング３が回転すると、メーティングリング３の摺動面３ａに形成したスパイラルグループ３ｂに高圧室Ｈ内のガスが取り込まれて昇圧される。これにより、メーティングリング３およびシールリング２の摺動面３ａ、２ａ間には、いわゆるガス軸受が形成されて両リング２、３は非接触状態で相対回転するものの、その隙間は極めて小さく（μｍオーダ）、シールからのガスの漏れは極端に少ない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
非接触端面シールは以上説明したように、洩れ量が非常に少く高圧圧縮機に軸封装置としては優れた性能を有している。この軸封装置を空気または不活性ガスの圧縮機に使用することは全く問題ないが、酸素ガスを圧縮する酸素圧縮機に使用するとメーティングリング３とのシールリング２の摩耗粉が高圧の酸素ガスと反応して爆発の危険があり、したがって、非接触端面シールを酸素圧縮機に適用することができなかった。すなわち、酸素ガス圧縮機ではラビリンスシールを使用しているので、特に高圧のものについてはラビリンスシールの洩れ量が大きく、圧縮効率の低いことが問題であった。
【０００７】
本発明は、従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、酸素圧縮機に非接触端面シールを適用することにより、洩れ量が非常に少なく圧縮効率を高くすることができる酸素圧縮機の軸封装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の酸素圧縮機の軸封装置は、酸素圧縮機の高圧側との間に第１のラビリンスシールを介して接続するバッファ室を形成し、該バッファ室との間に第２のラビリンスシールを介して接続する混合室を形成し、該混合室と低圧側との間にカーボンを含む材料からなるシールリングを有する非接触端面シールを介在させてなる軸封装置であって、上記バッファ室の圧力を高圧側よりわずかに低く調節し、上記混合室内に窒素などの不活性ガスを供給して混合室内の雰囲気をカーボンの摩耗粉と反応して爆発を起すおそれのない酸素濃度に調節するとともに、混合室内の圧力をバッファ室内の圧力よりもわずかに低く調節してなるものである。
【０００９】
上記酸素濃度は、空気と同じ２０％またはそれ以下にすれば爆発の危険が全く無いので好ましい。
【００１０】
高圧側と上記バッファ室との差圧を検出してバッファ室と圧縮機サクション側との連絡配管途中に設けた流量調節弁を調節する差圧調節器を設けて高圧側とバッファ室との差圧を調節するのが好ましい。
【００１１】
上記バッファ室と上記混合室との差圧を検出して混合室排気配管の途中に設けた流量調節弁を調節する差圧調節器と、混合室内の酸素濃度を検出し、混合室に不活性ガスを供給する不活性ガス供給管の途中に設けた流量調節弁を調節する酸素濃度調節器とを設け、混合室内の酸素濃度とバッファ室と混合室との差圧を調節するのが好ましい。
【００１２】
次に、本発明の作用を説明する。
酸素圧縮機の高圧側との間に第１のラビリンスシールを介して接続するバッファ室を形成し、バッファ室との間に第２のラビリンスシールを介して接続する混合室を形成し、混合室と低圧側との間に非接触端面シールを設け、混合室内の雰囲気をカーボンの磨耗粉と反応して爆発を起こすおそれがない酸素濃度にしたので、カーボンを含む材料からなるシールリングを有する非接触端面シールを安全に使用することができる。バッファ室内の圧力を高圧側よりわずかに低くなるように調節し、かつ、混合室内の圧力をバッファ室内の圧力よりわずかに低くなるように調節したので、第１および第２のラビリンスシールにおける差圧は小さくそこでの洩れ量は少い。さらに混合室内の窒素などの不活性ガスが酸素圧縮機の高圧側に逆流して高圧酸素中に混じることもない。
【００１３】
酸素圧縮機の高圧側の圧力よりバッファ室内の圧力をわずかに低く調節するには、それらの差圧を検出し、バッファ室と圧縮機サクション側との間の連絡配管の途中にある流量調節弁の開度を調節すればよい。
【００１４】
バッファ室内の圧力より混合室内の圧力をわずかに低く調節するには、混合室排気配管の途中に設けた流量調節弁の開度を調節すればよく、混合室内の雰囲気をカーボンの磨耗粉と反応して爆発を起すおそれのない酸素濃度に調節するには、混合室内の酸素濃度を検出し、混合室に不活性ガスを供給する不活性ガス供給配管の途中に設けた流量調節弁の開度を調節すればよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の酸素圧縮機の軸封装置の断面図であり、図２は同じく制御のフローシートの図面である。これらの図において図３および図４に用いて説明したのと共通の部分については同一の符号を付しており、重複した説明は省略する。図において、１は回転軸で先端側にインペラ２３が固着されており、軸受２２により回転可能に支持されている。２は炭素を含む材料からなるシールリングである。３Ａはメイティングリングで、図３と異りステンレス鋼製で摺動面３ａには窒化チタンコーティングされており、回転軸１に直接外嵌されている。シールリング２とメイティングリング３Ａとで非接触端面シール２４を形成している。４はシールハウジングである。８ａはスペーサで回転軸１に外嵌されており、ノックピン１２ａ、１２ａを介してインペラ２３およびメイティングリング３Ａとの間で回り止めされている。スペーサ８ａの外周には複数の溝が設けられており、シールハウジング４の内周面との間で第１のラビリンスシール１６を形成している。メイティングリング３Ａの外周には複数の溝が設けられており、シールハウジング４の内周との間で第２のラビリンスシール１７が形成されている。第１のラビリンスシール１６と第２のラビリンスシール１７との間は環状のバッファ室１８が形成されており、第２のラビリンスシール１７と非接触端面シール２４との間に環状の混合室１９が形成されている。バッファ室１８には圧縮機サクション側（図示せず）との連絡配管１８ａが接続されており、連絡配管１８ａ内の流量を調節することにより、バッファ室１８内の圧力を高圧側よりわずかに低い圧力に調節している。高圧側の圧力をＰo 、バッファ室の圧力をＰs とすると差圧＝Ｐo −Ｐs を数１００ｍｍＡｑ程度とするのが好ましい。混合室１９には窒素などの不活性ガス供給配管１９ａと混合室排気配管１９ｂとが接続されていて、供給する不活性ガスの流量を調節することにより混合室内の雰囲気をカーボンの磨耗粉と反応して爆発を起すおそれのない酸素濃度に調節し、かつ、混合室排気配管１９ｂの流量を調節することにより、混合室１９内の圧力Ｐc をバッファ室１８の圧力Ｐs よりわずかに低い圧力に調節する。カーボンの磨耗粉と反応して爆発を起すおそれのない酸素濃度の上限値はどの位であるのかは必ずしも明らかではないが、空気中の酸素濃度が約２０％なので、それ以下であれば安全であることは明らかである。バッファ室１８内の圧力をＰs 、混合室１９内の圧力をＰc とすると、差圧＝Ｐs −Ｐc を数１００ｍｍＡｑ程度とするのが好ましい。
【００１６】
図１において、１４はスペーサ、１５はカラーである。カラー１５の外周には複数の溝が設けられていて、シールハウジング４の内周との間に第３のラビリンス２１が形成されている。非接触端面シール２４と第３のラビリンス２１との間に環状の低圧室２０が形成されている。低圧室２０内の圧力は圧縮機低圧側２６の圧力（大気圧）よりもわずかに高くなっている。２０ａは低圧室排気配管である。
【００１７】
次に、圧力および酸素濃度の制御について説明する。
図２において、３０は流量調節弁であり、連絡配管１８ａに設けられた弁は３０ａ、供給配管１９ａに設けられた弁は３０ｂ、排気配管１９ｂに設けられた弁は３０ｃである。３１は圧縮機高圧側２５の圧力Ｐo とバッファ室１８内の圧力Ｐs との差圧（Ｐo −Ｐs ）を検出し、制御信号を量流調節弁３０ａに送る差圧調節器である。３２はバッファ室１８内の圧力Ｐs と混合室１９内の圧力Ｐc との差圧（Ｐs −Ｐc ）を検出して制御信号を流量調節弁３０ｃに送る差圧調節器である。３３は混合室１９内の酸素濃度を検出し、制御符号を流量調節弁３０ｂに送る酸素濃度調節器である。Ａは圧縮機サクション側、Ｂは不活性ガス供給源、Ｃは外気またはフレアスタックである。
【００１８】
次に、本実施形態の作用を説明する。
酸素圧縮機の高圧側２５との間に第１のラビリンスシール１６を介して接続するバッファ室１８を形成し、バッファ室１８との間に第２のラビリンスシール１７を介して接続する混合室１９を形成し、混合室１９と低圧側２６との間に非接触端面シール２４を設け、混合室１９内の雰囲気をカーボンの磨耗粉と反応して爆発を起こすおそれがない酸素濃度にしたので、カーボンを含む材料からなるシールリング２を有する非接触端面シール２４を安全に使用することができる。バッファ室１８内の圧力を高圧側２５よりわずかに低くなるように調節し、かつ、混合室１９内の圧力をバッファ室１８内の圧力よりわずかに低くなるように調節したので、第１および第２のラビリンスシール１６、１７における差圧が小さくそこからの洩れ量は少い。さらに混合室１９内の窒素などの不活性ガスが酸素圧縮機の高圧側２５に逆流して高圧酸素中に混じることもない。
【００１９】
酸素圧縮機の高圧側２５の圧力よりバッファ室１８内の圧力をわずかに低く調節するには、それらの間の差圧（Ｐo −Ｐs ）を検出し、バッファ室１８と圧縮機サクション側Ａとの間の連絡配管１８ａの途中にある流量調節弁３０ａの開度を調節すればよい。
【００２０】
バッファ室１８内の圧力より混合室１９内の圧力をわずかに低く調節するには混合室排気配管１９ｂの途中に設けた流量調節弁３０ｃの開度を調節すればよく、混合室１９内の雰囲気をカーボンの磨耗粉と反応して爆発を起すおそれのない濃度に調節するには、混合室１９内の酸素濃度を検出し、混合室１９に不活性ガスを供給する不活性ガス供給配管１９ａの途中に設けた流量調節弁３０ｂの開度を調節すればよい。
【００２１】
本発明の以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。たとえば，非接触端面シール２４は図１に示したものでなく、図３に示したものであってもよいし、低圧室２０、第３のラビリンスシール２１は無くてもよいなどである。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の酸素圧縮機の軸封装置は非接触端面シールの高圧側に混合室を設け、混合室内の雰囲気をカーボンの磨耗粉と反応して爆発を起すおそれのない酸素濃度に調節したので，ラビリンスシールに比べて極端に洩れ量の少い非接触端面シールを使用することができ、酸素圧縮機の圧縮効率を大幅に改善することができるなどの優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸素圧縮機の軸封装置の断面図である。
【図２】本発明の酸素圧縮機の軸封装置の制御のフローシートである。
【図３】非接触端面シールの断面図である。
【図４】メイティングリングの１部省略正面図である。
【符号の説明】
２ シールリング
３Ａ メイティングリング
１６ 第１のラビリンスシール
１７ 第２のラビリンスシール
１８ バッファ室
１８ａ 連絡配管
１９ 混合室
１９ａ 供給配管
１９ｂ 排気配管
２４ 非接触端面シール
２５ 圧縮機の高圧側
２６ 圧縮機の低圧側
３０ 流量調節弁
３１ 差圧調節器
３２ 差圧調節器
３３ 濃度調節器

Claims (4)

1. 酸素圧縮機の高圧側２５との間に第１のラビリンスシール１６を介して接続するバッファ室１８を形成し、該バッファ室１８との間に第２のラビリンスシール１７を介して接続する混合室１９を形成し、該混合室１９と低圧側２６との間に非接触端面シール２４を介在させてなる軸封装置であって、上記非接触端面シール２４は、回転軸１に外嵌されて回転軸１とともに回転するメイティングリング３Ａと、軸方向に可動でメイティングリング３Ａ方向に付勢されておりノックピン１２により廻り止めされたカーボンを含む材料からなるシールリング２とを有し、シールリング２の端面とメイティングリング３Ａの端面との間に薄い気体フィルムを形成することにより固体同士の接触の無い状態でのシールを達成するものであり、上記バッファ室１８の圧力を高圧側２５よりわずかに低く調節し、上記混合室１９内に窒素などの不活性ガスを供給して混合室１９内の雰囲気をカーボンの磨耗粉と反応して爆発を起こすおそれのない酸素濃度に調節するとともに、混合室１９内の圧力をバッファ室１８の圧力よりもわずかに低く調節してなることを特徴とする酸素圧縮機の軸封装置。
2. 上記酸素濃度を２０％以下に調節する請求項１記載の酸素圧縮機の軸封装置。
3. 酸素圧縮機の高圧側２５と上記バッファ室１８との差圧を検出してバッファ室１８と圧縮機サクション側Ａとの連絡配管１８ａに設けた流量調節弁３０ａを調節する差圧調節器３１を設けた請求項１または請求項２記載の酸素圧縮機の軸封装置。
4. 酸素圧縮機の高圧側２５との間に第１のラビリンスシール１６を介して接続するバッファ室１８を形成し、該バッファ室１８との間に第２のラビリンスシール１７を介して接続する混合室１９を形成し、該混合室１９と低圧側２６との間にカーボンを含む材料からなるシールリング２を有する非接触端面シール２４を介在させてなる軸封装置であって、上記バッファ室１８の圧力を高圧側２５よりわずかに低く調節し、上記混合室１９内に窒素などの不活性ガスを供給して混合室１９内の雰囲気をカーボンの磨耗粉と反応して爆発を起こすおそれのない酸素濃度に調節するとともに、混合室１９内の圧力をバッファ室１８の圧力よりもわずかに低く調節してなり、酸素圧縮機の高圧側２５と上記バッファ室１８との差圧を検出してバッファ室１８と圧縮機サクション側Ａとの連絡配管１８ａに設けた流量調節弁３０ａを調節する差圧調節器３１を設けるとともに、上記バッファ室１８と上記混合室１９との差圧を検出して混合室排気配管１９ｂに設けた流量調節弁３０ｃを調節する差圧調節器３２と、混合室１９内の酸素濃度を検出して混合室１９に不活性ガスを供給する不活性ガス供給配管１９ａに設けた流量調節弁３０ｂを調節する酸素濃度調節器３３とを設けたことを特徴とする酸素圧縮機の軸封装置。

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