JP4256499B2 - 圧縮機用ガス冷却器のシール装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス圧縮機の圧縮ガスを冷却するガス冷却器における高温ガス側と低温ガス側とに仕切るシール部構造に関し、特に、冷却ユニットの挿入、引き出しが容易で、シール性能および信頼性の高い圧縮機用ガス冷却器のシール装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガス圧縮機は、低温のガスを吸い込んで圧縮すると、断熱的に圧縮されて圧力の上昇とともに温度が上昇する。この高温のガスを冷却して使用する場合と、冷却した圧縮ガスを再度吸い込んで圧縮を繰り返し、ガスの圧力を高めて、高圧の動力源として工場等で使用される場合がある。このように、圧縮機には高温の圧縮ガスを冷却するガス冷却器が設けられている。
【０００３】
図１０は、第１の従来例として、ターボ型２段圧縮機を示したものである。図１０において、１および２は第１段および第２段の遠心圧縮機、３は図示しない電動機により増速機４を介して駆動される高圧羽根車、５および６はインタークーラーおよびアフタークーラーで、いずれも圧力容器７に冷却ユニット（熱交換器）８が挿入されている。９は、冷却ユニット８の外面から延設され、その先端部が圧力容器の内壁に圧接して、高温ガス側と低温ガス側とを仕切るシール部材である。
【０００４】
このような構成において、矢印Ａのように吸い込まれた空気（以下、空気の流れを白抜き矢印で表す）は、第１段遠心圧縮機１において、電動機により駆動される高圧羽根車３の高速回転で圧縮され、インタークーラー５に吐き出される。インタークーラー５では、シール部材９により仕切られた高温ガス室に流入した高温度の圧縮空気は、冷却ユニット８の側面よりプレートフィン間を通過し、矢印Ｂのように導入されてチューブ内を流れる冷却水（以下、冷却水の流れを黒塗り矢印で表す）と熱交換されて冷却される。冷却された圧縮空気は第２段遠心圧縮機２に流入し、同様に高圧羽根車３の高速回転で増圧され、アフタークーラー６に吐き出される。アフタークーラー６では、インタークーラー５と同様に、圧縮空気は冷却ユニット８を通して冷却され、空気吐出口から取り出される。
【０００５】
この第１の従来例では、冷却ユニット８の上面と側面から突出させたシール部材９を長手方向に配置しており、この冷却ユニット８を圧力容器７に出し入れするときは、圧力容器７の一端から、シール部材９の先端部を圧力容器７の内壁面に摺動させながら出し入れする。
【０００６】
図１１は、第２の従来例として、圧縮機のフレームと圧力容器を一体の鋳物で構成した、コンパクト，低コスト化のターボ型２段圧縮機を示したものである（特開平８−１０５３８６号公報参照）。図１１において、１１はフレームと圧力容器を一体化した鋳物のケーシング、１２，１３は第１および第２のクーラシェルで、仕切壁１９により仕切られている。１４，１５は、第１および第２のクーラシェル１２，１３に、所定の隙間をもって収容された第１および第２のガスクーラ、１６および１７は第１段圧縮機および第２段圧縮機である。
【０００７】
上記構成において、矢印Ａのように、吸気管から吸入された空気は第１段圧縮機１６で圧縮され、通路を通って第１のクーラシェル１２に送られて、第１のガスクーラ１４により最初の冷却がなされる。冷却された圧縮空気は第２段圧縮機１７に入り、２段圧縮されて所定の高圧とされた後、通路を通って第２のクーラシェル１３に送られ、そこで第２のガスクーラ１５により最終の冷却がなされた後、吐出管１８の吐出口から外部に供給される。
【０００８】
ここで、第１および第２のクーラシェル１２，１３内では、互いに反対方向となる内側から外側に向かって空気が流れるようになっており、ガスクーラ１４，１５の上流側は高温側Ｈ、下流側は低温側Ｌとされて、これら高温側Ｈと低温側Ｌとを仕切るように、以下に説明するシール部が形成されている。
【０００９】
図１２に示したように、ケーシング１１の、仕切壁１９により仕切られたクーラシェル１２，１３には、それぞれ底面，背面および図示しない天面にかけて、一対の凸部により連続的に形成された溝２１が設けられており、背面の溝２１にはゴム製リアシール２２が配置されている。また、底面（天面も同様）の溝２１に対向して、図１３に示したように、ガスクーラ１４，１５の面に、シール取付板２３が設けられ、それにビス・ナット２４によりシール板２５，補強板２６，２７が取り付けられている。
【００１０】
シール板２５はステンレス製であり、高温側（Ｈ）に曲げられた状態で、溝２１の底面に弾性的に圧接し、補強板２６，２７はシール板２５を弾性的に押さえるようにしている。ガスクーラ１４，１５をクーラシェル１２，１３に挿入する場合は、予めアール状に湾曲されたシール板２５を溝２１の底面に摺動させながら挿入する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の従来例においては、次のような問題がある。
【００１２】
（１）圧力容器７が大径の鋼管製であるため、内壁面に凹凸があり、冷却ユニット８の挿入、引き出しを繰り返すとシール部材９が塑性変形を起こし、空気漏れの原因となって冷却能力不足を生じる。このため、メンテナンスの都度、ステンレス製の薄板を交換する必要がある。
【００１３】
（２）圧力容器７として大口径の鋼管を使用する場合が多いので、心円度に数ｍｍの許容差があり、そのため、冷却ユニット８と圧力容器７の内壁との間隙が均一でなく、したがって、極度に狭いと薄板からなるシール部材が締付部より小さいアール曲げを受けて塑性変形を生じる。
【００１４】
また、第２の従来例においては、次のような問題がある。
【００１５】
（イ）溝２１を構成する凸部全体がガスクーラ１４，１５に接触して支えるため、ガスクーラの挿入、引き出し時に、その重量に比例した大きな摩擦抵抗が発生し、メンテナンス性が悪い。
【００１６】
（ロ）溝２１を構成する凸部がシール部を構成するガスクーラの下部バッフルに摺接するので、塗装が剥がれ、時間が経つと錆つく。
【００１７】
（ハ）リアシール２２はゴム製であるので、２００℃以上の耐熱性、耐薬品性に制約が生じる。（特に、多軸ＮＣ加工機を用いた製作技術の進歩と、無接触軸受の開発で、３次元羽根車の超高速回転が実現し、空気圧縮でも１段で２００℃を超える高性能と小型化が実現したため）。
【００１８】
（ニ）シール板２５の接触面が受皿型の溝２１の底面であるため、冷却時に生ずる凝縮液（ドレーン）が溜り易く、鋳肌の鉄とステンレス薄板の接触部で隙間腐食、錆が発生し易い。
【００１９】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するもので、シール性能および信頼性が高く、かつメンテナンス性に優れた圧縮機用ガス冷却器のシール装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の圧縮機用ガス冷却器のシール装置は、
ガス導入口とガス排出口を有する圧力容器に、隙間を介して冷却ユニットを挿入し、前記冷却ユニットと圧力容器の内壁間にシール部材を設けて前記隙間をガス導入口側とガス排出口側とに仕切り、前記ガス導入口から温度上昇した圧縮ガスを導入し、前記冷却ユニットに通して冷却した低温のガスを前記ガス排出口から排出する圧縮機用ガス冷却器において、
前記圧力容器は、それぞれ一端部に凹部を有する一対のレールを有し、前記冷却ユニットは、一端部にそれぞれ前記レール上を走行して前記凹部に嵌まり込む一対のローラと、前記冷却ユニットの外面から延設された弾性変形可能な薄板からなるシール部材とを有し、前記ローラが前記凹部に嵌まり込んだときのみ前記シール部材が前記圧力容器の内壁面へ弾性的に圧接して高温ガス側と低温ガス側とを仕切ることを特徴とするものである。
【００２１】
上記構成によれば、圧力容器への冷却ユニットの挿入、引き出し時はレール上をローラが走行するので、摩擦抵抗が小さく、したがって、大型の冷却ユニットにも適用可能であり、メンテナンス性が良い。そして、走行中は、シール部材は圧力容器には接触せず、ローラが凹部に嵌まり込んだときのみ、シール部材が圧力容器の内壁面に弾性的に接するため、極薄のシール部材が使用可能となり、シール性能および信頼性の向上が得られる。
【００２２】
小型の冷却ユニットの場合は、一対のローラの代わりに、レールに対して摩擦抵抗の小さい突出部を用いてもよい。
【００２３】
また、一対のローラまたは一対の突出部は、冷却ユニットの底部のほかに、側面に配設することもできる。この場合、シール部材は冷却ユニットの側面および背面から延設する。
【００２４】
シール部材として、厚みが０．０５〜０．１ｍｍの極薄板と、厚みが０．１ｍｍ以上の薄板を重ねて構成すると、圧力容器の内壁面に設けたシール面への極薄板の馴染性が向上する。
【００２５】
シール部材の材質としては、耐熱性，耐食性のステンレスや銅合金を使用する。これにより、錆の発生はなく、寿命を延ばすことができる。耐熱銅合金の場合は、冷却ユニットの伝熱フィン側板と一体で構成し、冷却器のろう付け時に同時にろう付けすれば製作コストを大幅に低減することができる。
【００２６】
水質ケースまたは冷却器の管板面と圧力容器のシール壁とが自重でシール面を構成するので、背面にゴムシールの使用は不要である。このため、圧力容器の背部もフランジ構造を採用することができ、メンテナンス時も冷却ユニットの引き出しが不要になる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
(実施の形態１)
図１は、本発明の実施の形態１におけるガス冷却器のシール装置を装備するターボ型２段圧縮機を示したもので、圧縮機のフレームと圧力容器とを一体の鋳物で構成した、コンパクト，低コスト型である。３１および３２は第１段および第２段の遠心圧縮機、３３は電動機３９により増速機３４を介して駆動される高圧羽根車、３５および３６はインタークーラーおよびアフタークーラーで、いずれも圧力容器３７に冷却ユニット（熱交換器）３８が挿入されている。冷却ユニット３８の底面の左右には、高圧容器内のガス導入側とガス排出側とを仕切るシール部材４０が設けられている。なお、４１は矢印Ａのように空気を取り入れてろ過するフィルタ、４２，４３は前部の液室で、矢印Ｂのように冷却水を液室４２に導入し、冷却ユニット３８に通して圧縮ガスを冷却した後、液室４３から吐出する。
【００２８】
このような構成のターボ型２段圧縮機では、図２にその圧縮空気の流れを矢印で示したように、矢印Ａのように取り入れられた空気は、フィルタ４１を通して第１段遠心圧縮機３１に送り、高圧羽根車３３の高速回転で空気を吸い込みながら圧縮してインタークーラー３５に吐き出す。インタークーラー３５では、高温度の圧縮空気が冷却ユニット３８の上面より下面へ向かってコルゲートフィン間を通過し、その間矢印Ｂのように導入されチューブ内を流れる冷却水と熱交換されて冷却される。冷却ユニット３８の下面から取り出された圧縮空気は、第２段遠心圧縮機３２に流入し、同様に高圧羽根車３３の高速回転で増圧し、アフタークーラー３６に吐き出される。アフタークーラー３６では、インタークーラー３５と同様に、高温度の圧縮空気が冷却ユニット３８を上から下へ通過して冷却され、空気吐出口から取り出される。
【００２９】
インタークーラー３５およびアフタークーラー３６では、遠心圧縮機３１，３２から高温度の圧縮空気が吹き込まれる高温側と、冷却ユニット３８で冷却された圧縮空気が取り出される低温側とが、シール部材４０により仕切られており、以下、そのシール部の構造を詳述する。
【００３０】
図３は、圧縮機のフレームと一体の鋳物で構成した圧力容器を示したもので、インタークーラー３５側、アフタークーラー３６側とも、圧力容器３７内にそれぞれ一端部に凹部４５を有する一対のレール４６を有する。
【００３１】
図４は、その圧力容器３７に挿入する冷却ユニット３８を示したもので、一端部にそれぞれレール４６上を走行して凹部４５に嵌まり込む一対のローラ４７と、冷却ユニット３８の底面両側から延設された弾性変形可能な薄板からなるシール部材４０を有する。ガス冷却部は、耐熱銅合金製プレート間にインナーフィンとコルゲートフィンを一体的にろう付けした、コンパクトな高性能熱交換器からなり、圧縮空気は銅製コルゲートフィン間を上部から下部へ通り、銅プレートを通って前部の液室４２から後部の液室４４、前部の液室４３へと流れる冷却水により冷却される。なお、４８はインタークーラー３５およびアフタークーラー３６の冷却ユニット３８を共通に取り付けた前部フランジ、４９は後部フランジである。
【００３２】
図５，図６は、圧力容器３７の一対のレール４６の一端部に設けた凹部４５近傍と、冷却ユニット３８の一端部に設け、レール４６上を走行し、凹部４５に嵌まり込む一対のローラ４７の部分を拡大して示したものであり、図５は平面図、図６は図５のＸ−Ｘ断面図である。また、図７は、ローラ４７がレール４６上にある状態で、後部の液室を取り除いて見た図、さらに、図８は図６のＹ−Ｙ断面図である。
【００３３】
図７，図８から分かるように、シール部材４０は、冷却ユニット３８の伝熱フィンの側板５１にねじ等により固定され、その先端部が外側に曲げられている。図７は、ローラ４７がレール４６上に載っている状態を示しており、このときはシール部材４０の先端部は圧力容器３７のいずれにも接していない。冷却ユニット３８が圧力容器３７内に挿入され、ローラ４７がレール４６上を走行して所定の位置にくると、図５，図６に示したように、ローラ４７が凹部４５に嵌まり込み、冷却ユニット３８の位置が、レールと凹部の段差分だけ下がる。このため、図８に示したように、シール部材４０の先端部がレール４６（圧力容器３７の内壁の一部を構成している）上に、弾性的に圧接することになる。
【００３４】
シール部材４０がレール４６と接するのは、図３のハッチングを施した部分であり、凹部４５に近い部分は、水質ケースまたは冷却ユニットの管板面が圧力容器３７のシール面と密着するようになる。
【００３５】
冷却ユニット３８を圧力容器３７から引き出すときは、ローラ４７がレール４６上に載るので、シール部材４０は冷却ユニット３８とともに持ち上げられ、したがって、シール部材４０の先端部はレール４６上から離れる。
【００３６】
このように、本実施の形態１によれば、圧力容器３７への冷却ユニット３８の挿入、引き出し時はローラ４７がレール４６上を走行するので、摩擦抵抗が小さく、したがって、メンテナンスが非常に容易である。また、大型の冷却ユニットにも適用可能である。走行中は、ローラ４７がレール４６上に載っているので、シール部材４０は圧力容器のいずれにも接触せず、ローラ４７が凹部４５に嵌まり込んだときのみ、シール部材４０が圧力容器３７の内壁面に弾性的に接するので、シール部材４０が極薄の金属板であっても損傷を与えることはない。
【００３７】
シール部材４０として、ここでは厚みが０．１ｍｍ程度のステンレス板が使用されている。そして、図８に示したように、高温（Ｈ）側に曲げられたシール部材４０がレール４６上に弾性的に圧接するとともに、さらに高温の圧縮ガスの圧力がかかるので薄いシール部材程レール４６に密着することになる。
【００３８】
シール部材として、厚みが０．０５〜０．１ｍｍの極薄板と、厚みが０．１ｍｍ以上の薄板とを重ねて構成してもよい。このようにすると、圧力容器内壁面の細かい凹凸に対する極薄板の追従性と０．１ｍｍ以上の薄板による弾性圧とが相まって、内壁面に対する気密性が高くなる。
【００３９】
シール部材の材質として、耐熱性の銅合金を使用してもよい。この場合、冷却ユニットの伝熱フィン側板と一体で構成し、冷却器のろう付け時に同時にろう付けすれば製作コストを大幅に低減することができる。
【００４０】
(実施の形態２)
図９は、本発明の実施の形態２におけるガス冷却器の縦断面図（ただし冷却ユニット３８の内部構造は省略）であり、（実施の形態１では一対のローラを冷却ユニットの底部に設けたのに対し）ここでは、一対のローラ４７を冷却ユニット３８の側面に配設したものである。なお、実施の形態１と同一構成要素には同一符号を付してある。
【００４１】
冷却ユニット３８の側面に、長手方向に沿ってアングル５５を設け、その上面に薄板からなるシール部材４０を水平方向に延設している（なお、ここでは図示していないが、冷却ユニットの背面にも、シール部材４０を水平方向に延設している）。ローラ４７は、アングル５５の一端部の下面に取り付けている。
【００４２】
一方、この冷却ユニット３８を挿入する圧力容器３７は、ローラ４７が走行するレール４６（図９では図示されていない）が設けられ、そのレール４６の一端部に凹部４５が形成されている。さらに、ローラ４７がレール４６上に載っているとき、水平方向に延設されたシール部材４０の先端が圧力容器３７に接触しないように圧力容器３７の側壁に溝５６が形成されている。
【００４３】
そこで、圧力容器３７に対して冷却ユニット３８を挿入し、あるいは引き出すときは、ローラ４７がレール４６上を走行し、その時、シール部材４０の先端部は溝５６内を通るため圧力容器３７のいずれにも接触しない。ローラ４７がレールの一端部に設けた凹部４５に嵌まり込むと、レール４６と凹部４５の段差分だけ冷却ユニット３８が下がるため、シール部材４０の先端部が圧力容器３７の内壁に弾性的に圧接する。図９は、その状態を示している。
【００４４】
このように構成された本実施の形態２においても、圧力容器３７への冷却ユニット３８の挿入、引き出し時はローラ４７がレール４６上を走行するので、摩擦抵抗が小さく、したがって、大型の冷却ユニットにも適用可能であって、メンテナンスが非常に容易である。また、走行中は、ローラ４７がレール４６上に載っているので、シール部材４０は圧力容器のいずれにも接触せず、ローラ４７が凹部４５に嵌まり込んだときのみ、シール部材４０が圧力容器３７の内壁面に弾性的に接するので、シール部材４０が極薄の金属板であっても損傷を与えることはない。
【００４５】
なお、実施の形態１および実施の形態２では、圧力容器のレール上を走行するロールを冷却ユニットに設けたが、冷却ユニットが小型で、軽量の場合は、挿入、引き出しに大きい力を必要としないので、ロールの代わりに、レールに対して摩擦抵抗の小さい突出部を設けてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、圧縮機用ガス冷却器において、圧力容器への冷却ユニットの出し入れが容易になり、しかもシール部材として極薄の金属板を用いても損傷することがなく、したがって、シール性能および信頼性を高めることができる。さらに、圧縮機のフレームと圧力容器を一体の鋳物で構成して、コンパクトかつ低コストの圧縮機用ガス冷却器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるガス冷却器のシール装置を装備するターボ型２段圧縮機の斜視図
【図２】本発明の実施の形態１におけるインタークーラー，アフタークーラーの空気の流れを示す斜視図
【図３】本発明の実施の形態１における圧力容器の構成図
【図４】本発明の実施の形態１における冷却ユニットの構成図
【図５】本発明の実施の形態１における要部の拡大平面図
【図６】図５のＸ−Ｘ断面図
【図７】要部の後部液室を取り除いて見た図
【図８】図６のＹ−Ｙ断面図
【図９】本発明の実施の形態２におけるガス冷却器のシール装置の構成図
【図１０】第１の従来例のターボ型２段圧縮機の斜視図
【図１１】第２の従来例のターボ型２段圧縮機の概略斜視図
【図１２】第２の従来例のケーシングにおけるクーラシェル部分の構成図
【図１３】第２の従来例のシール部の構成図
【符号の説明】
３１ 第１段遠心圧縮機
３２ 第２段遠心圧縮機
３３ 高圧羽根車
３４ 増速機
３５ インタークーラー
３６ アフタークーラー
３７ 圧力容器
３８ 冷却ユニット
３９ 電動機
４０ シール部材
４２，４３ 前部の液室
４４ 後部の液室
４５ 凹部
４６ レール
４７ ローラ
４８ 前部フランジ
４９ 後部フランジ
５１ 伝熱フィンの側板

Claims (6)

1. ガス導入口とガス排出口を有する圧力容器に、隙間を介して冷却ユニットを挿入し、前記冷却ユニットと圧力容器の内壁間にシール部材を設けて前記隙間をガス導入口側とガス排出口側とに仕切り、前記ガス導入口から温度上昇した圧縮ガスを導入し、前記冷却ユニットに通して冷却した低温のガスを前記ガス排出口から排出する圧縮機用ガス冷却器において、
   前記圧力容器は、それぞれ一端部に凹部を有する一対のレールを有し、前記冷却ユニットは、一端部にそれぞれ前記レール上を走行して前記凹部に嵌まり込む一対のローラと、前記冷却ユニットの外面から延設された弾性変形可能な薄板からなるシール部材とを有し、前記ローラが前記凹部に嵌まり込んだときのみ前記シール部材が前記圧力容器の内壁面へ弾性的に圧接して高温ガス側と低温ガス側とを仕切ることを特徴とする圧縮機用ガス冷却器のシール装置。
2. 一対のローラの代わりに、一対のレールに対して摩擦抵抗の小さい突出部を有することを特徴とする請求項１記載の圧縮機用ガス冷却器のシール装置。
3. 一対のローラまたは一対の突出部は冷却ユニットの側面に配設されているとともに、シール部材は前記冷却ユニットの側面および背面から延設されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧縮機用ガス冷却器のシール装置。
4. シール部材は、厚みが０．０５〜０．１ｍｍの極薄板と、厚みが０．１ｍｍ以上の薄板とを重ねて構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の圧縮機用ガス冷却器のシール装置。
5. シール部材は、ステンレス板からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の圧縮機用ガス冷却器のシール装置。
6. シール部材は、耐熱性の銅合金板からなり、冷却ユニットを構成する伝熱フィンの側板と一体的に構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の圧縮機用ガス冷却器のシール装置。

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