JP5397998B2 - 真空濃縮装置用蒸気圧縮機の軸シール構造 - Google Patents

Description

本発明は、廃液の蒸発濃縮プロセス等に用いられ真空濃縮装置に備えられる蒸気圧縮機の軸シール構造に関する。

従来の真空濃縮装置用蒸気圧縮機の軸シールとしては、蒸気圧縮機が小型の場合はメカニカルシールの接触タイプ(例えば、特許文献１参照)、蒸気圧縮機が大型の場合は多段のラビリンスで蒸気パージ式(例えば、特許文献２参照)を使用していた。

しかし、メカニカルシールの場合は摩擦ロスによるエネルギー損失が大きく高速回転には適さない等の欠点がある。ラビリンスシールの場合は構造が複雑で且つ蒸気を使用するため、小工場等のボイラー設備のない場合には適さないという欠点がある。

特開平７−２０８６１２号公報 特開平１０−１１０８３１号公報

そこで上記の課題を解消するため、真空濃縮装置の蒸気圧縮機の軸シールとして、ドライシールを使用することが考えられる。しかしながら、ドライシールを使用しようとする場合、漏れ空気が蒸気側に進入して伝熱性能に悪影響与えるという問題がネックとなり、現状ではドライシールを使用していなかった。

本願発明は、上記課題に鑑みて考え出されたものであり、その目的は、ドライシールを使用すると共に、漏れ空気が蒸気側に進入することを防止した真空濃縮装置用蒸気圧縮機の軸シール構造を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る真空濃縮装置用蒸気圧縮機の軸シール構造は、蒸気圧縮機の回転軸の非回転時にはシール面を接触状態とし、前記回転軸の回転時にはシール面に機体外部から吸入された空気による薄膜を介装させてシール面を非接触状態とするドライシール部と、吸入された蒸気を圧縮する蒸気圧縮室と前記ドライシール部との間に形成され、前記ドライシール部のシール面から漏洩した漏れ空気と、吸入された蒸気を圧縮する蒸気圧縮室から漏洩した漏れ蒸気とが合流する抽気用空間と、前記抽気用空間に連通する抽気孔と、蒸気圧縮機内部の真空度よりも高い真空度の状態を生成する真空源と、前記抽気孔と前記真空源を接続する抽気排出管と、を備え、前記真空源により、前記抽気用空間内の漏れ空気及び漏れ蒸気を抽気排出管を介して外部に排気することを特徴とする。

上記構成により、漏れ空気及び漏れ蒸気が外部に排出されるので、漏れ空気が蒸気圧縮室に侵入して蒸気と混合することが防止できる。従って、伝熱性能の悪化がなく、安全に装置の運転を行うことが可能となる。加えて、ドライシールという非接触型のシールの使用により、接触型のシールに比べて摩擦損失がなくなり、大幅な省エルネルギー化を実現できる。

本発明は、前記真空源は、真空濃縮装置の蒸発器に接続され蒸発器内を真空状態に保持する真空源を兼ねているのが好ましい。
また、本発明は、前記蒸気圧縮室と前記抽気用空間とを連通する隙間に、ラビリンス構造が設けられている構成であるのが好ましい。
また、本発明は、前記ドライシール部は、蒸気圧縮機の回転軸に密封固定した回転環と、蒸気圧縮機のケーシングに軸方向に移動可能に密封装着される固定環と、固定環を軸方向に沿って回転環に向けて付勢する付勢手段とを備え、前記固定環のシール面と対面する前記回転環のシール面には、動圧力発生用溝が形成されている構成であるのが好ましい。

また、本発明は、前記蒸気圧縮室と前記ドライシール部との間を連通する隙間に、１以上のラビリンス構造が設けられている場合もある。このよう構成であれば、空気が蒸気側に漏洩すること及び蒸気が空気側に漏洩することが抑制される。

本発明によれば、漏れ空気が蒸気圧縮室に侵入して蒸気と混合することが防止でき、この結果、伝熱性能の悪化がなく、安全に装置の運転を行うことが可能となる。加えて、ドライシールという非接触型のシールの使用により、接触型のシールに比べて摩擦損失がなくなり、大幅な省エルネルギー化を実現できる。

実施の形態に係る蒸気圧縮機を備えた真空濃縮装置の全体構成図。 蒸気圧縮機の構成図。 蒸気圧縮機のシール部付近の拡大図。 ラビリンス構造の一例を示す図。

以下、本発明を実施の形態に基づいて詳述する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。

図１は実施の形態に係る蒸気圧縮機を備えた真空濃縮装置の全体構成図である。真空濃縮装置１は、供給された処理液を蒸発させる水平管型蒸発器２と、発生蒸気を断熱圧縮する蒸気圧縮機３とを備え、蒸気圧縮機３により温度と圧力が上昇した蒸気を水平管型蒸発器２に戻して処理液を蒸発するための熱源とするように構成されている。

水平管型蒸発器２は蒸発缶４を含み、この蒸発缶４は筒形に形成されており、内部に処理液を貯留することができるようになっている。蒸発缶４の上部には、左右一対のヘッダー５ａ，５ｂと、この両ヘッダー５ａ，５ｂの間を繋ぐ多数本の水平伝熱管５ｃとから成る加熱器５が設けられている。ヘッダー５ａは、蒸気が進入する側に配置され、ヘッダー５ｂは蒸気が排出する側に配置されている。ヘッダー５ｂには加熱蒸気の凝縮水を排出するための管６が接続されており、この管６には凝縮水を排出するための凝縮水ポンプ７が配置されている。

また、水平管型蒸発器２は、処理液の循環流路を含む。循環流路には、循環ポンプ８及び散布器９が配置されている。循環ポンプ８は、蒸発缶４の底部に接続されている。循環ポンプ８は、管１０を通して、蒸発缶４に貯留する処理液を散布器９に移送することができるように形成されている。また、循環ポンプ８は、管１１を通して、処理液の一部を系外に排出することができるように形成されている。散布器９は、処理液を水平伝熱管５ｃの上方から水平伝熱管５ｃに向けて散布するように形成されている。

水平管型蒸発器２は、処理液の蒸気を外部に排出するための排出管としての管１２を備えている。ヒートポンプとして機能する蒸気圧縮機３は、管１２に接続されている。蒸気圧縮機３は、出口側が加熱器５のヘッダー５ａに接続されており、蒸発缶４の上部の蒸気をヘッダー５ａに移送することができるように形成されている。蒸気圧縮機３は、蒸発缶４の内部の蒸気を吸い込んで圧縮昇温するように形成されている。加熱器５のヘッダー５ｂには、真空ポンプ１３が接続されている。この真空ポンプ１３によって蒸発缶４の内部及び蒸気圧縮機３内部が真空に保持される。なお、蒸気圧縮機３の出口側とヘッダー５ａとを連結する管１４には、生蒸気を供給する管１５が接続されており、起動時における場合及び運転温度を維持するための補助熱源が必要な場合に外部熱を供給できるようになっている。

また、蒸気圧縮機３には空気を吸入する吸入管２０が接続されており、この吸入管２０の途中にはエアフィルタ２１が配置されている。従って、外部空気はエアフィルタ２１により不純成分が除去され、清浄空気として蒸気圧縮機３に吸入されるようになっている。

また、蒸気圧縮機３には抽気排出管２２の一端が接続されており、この抽気排出管２２の他端は真空ポンプ１３に接続されている。なお、抽気排出管２２の一端は、後述する蒸気圧縮機３の抽気孔４３に接続されている（図３参照）。

上記構成の真空濃縮装置の処理動作の概要は、以下の通りである。真空ポンプ１３の駆動により、蒸発缶４内は真空に保持される。廃液等の処理液（原液）は供給管２５を通じて管１０に供給される。次いで、循環ポンプ８の駆動により、蒸発缶４に貯留する処理液は管１０を通って散布器９に供給され、散布器９から水平伝熱管５ｃに向かって散布される。散布器９にて散布された処理液は、水平伝熱管５ｃの表面で薄膜蒸発する。水平伝熱管５ｃの表面で蒸発した蒸気は、管１２を通って蒸気圧縮機３で吸引され、蒸気圧縮機３にて断熱圧縮されて温度及び圧力が上昇した後にヘッダー５ａに送られる。ヘッダー５ａに進入した蒸気は、水平伝熱管５ｃの内側に導かれ、水平伝熱管５ｃの外側に散布された循環液を蒸発させると同時に凝縮し、凝縮水となりヘッダー５ｂに流入する。そして、凝縮水は、凝縮水ポンプ７により系外に排出される。このようなプロセスを繰り返すことにより、循環液は濃縮され、循環ポンプ８の出口から濃縮液として系外に排出される。

図２は蒸気圧縮機の構成図である。図２を参照しては蒸気圧縮機３の構成を説明する。蒸気圧縮機３では、回転軸３０に羽根３１が取り付けられている。この羽根３１の回転により蒸気圧縮機３に吸引された蒸気が圧縮昇温されるようになっている。羽根３１が取り付けられた回転軸３０は、軸受部３２で回転可能に支持されている。軸受部３２は、軸受箱３３、外輪３４、内輪３５、外輪３４と内輪３５に介在される転動体３６等から構成されている。そして、羽根３１、回転軸３０、軸受部３２は、ケーシング３７に収納されている。なお、羽根３１を収納する蒸気圧縮室３８内は、２０〜３０ＫＰｓ程度に減圧されている。また、軸受部３２と蒸気圧縮室３８との間には、軸シール構造４０が設けられている。

図３は軸シール構造付近の拡大図である。軸シール構造４０は、ドライシール部４１、ドライシール部４１のシール面から漏洩した漏れ空気と蒸気圧縮室３８側から漏洩した漏れ蒸気とを合流させる抽気用空間４２、抽気用空間４２に連通する抽気孔４３等を備えている。

ドライシール部４１は、蒸気圧縮機３の回転軸３０に密封固定した回転環４４と、ケーシング３７に軸方向に移動可能に密封装着される固定環４５とを備え、回転環４４と固定環４５の互いのシール面４４ａ，４５ａを対接させ、固定環４４は密閉状態で軸方向可動となすとともに、バネ４６（付勢手段）にてシール面４５ａがシール面４４ａに接近する方向に付勢されている。回転環４４には、スパイラル状の動圧力発生溝（図示せず）が形成されている。動圧力発生溝は、回転軸３０の回転時に封入流体（本実施の形態では空気）をシール面間に圧送して薄い流体膜（本実施の形態では空気膜）を形成するためのものである。

回転環４４は、回転軸３０に同軸外挿したスリーブ４７と、スリーブ４７に固定された環状の保持部材４８とで保持固定されている。なお、スリーブ４７は回転軸３０に図示しない固定手段により固定されている。そして、スリーブ４７と回転環４４との間及び保持部材４８と回転環４４との間には、それぞれＯリング４９，５０が介装されている。従って、回転環４４は回転軸３０に密封固定された状態となっている。

固定環４５は、ケーシング３７に密封固定された環状の保持部材５１によって軸方向に可動をなして密封保持されるとともに、バネ４６によって固定環４５のシール面４５ａを回転環４４のシール面４４ａに接近する方向に付勢されている。ここで、ケーシング３７の内周面と保持部材５１の外周面の間には、Ｏリング５２が介装され、保持部材５１と固定環４５との間にはＯリング５３が介装されることにより、固定環４５を密封状態で軸方向に可動となしている。

抽気用空間４２はドライシール部４１と蒸気圧縮室３８との間に形成されており、ドライシール部４１のシール面から漏洩した漏れ空気と、蒸気圧縮室３８側から漏洩した漏れ蒸気とを合流させる領域としての機能を果たす。この抽気用空間４２は抽気孔４３に連通しており、抽気孔４３は抽気排出管２２に接続されている。ここで、真空ポンプ１３は、蒸気圧縮機３内部の真空度よりも高い真空度の状態を生成しており、従って、真空ポンプ１３により、抽気用空間４２に滞留する漏れ空気及び漏れ蒸気は、抽気排出管２２を介して系外に排気されるようになっている。

また、スリーブ４７の外周面と保持部材５１の内周面とにより形成される隙間のうちの、蒸気圧縮室３８と抽気用空間４２間の隙間には、ラビリンス構造６０が設けられている。スリーブ４７の外周面と保持部材５１の内周面とにより形成される隙間のうちの、ドライシール部４１のシール面と抽気用空間４２間の隙間にはラビリンス構造６１が設けられている。加えて、抽気用空間４２の下部には、ラビリンス構造６２が設けられている。これらのラビリンス構造６０〜６２は、図４に示す形状のシールフィン６３を用いてもよくその他の形状であってもよく、要は凹凸により流れに抵抗を持たせる形状であればよい。
上記ラビリンス構造６０〜６２により、空気が蒸気側に漏洩すること及び蒸気が空気側に漏洩することが抑制される。なお、スリーブ４７の外周面において、ラビリンス構造６０よりも蒸気圧縮室３８側の部位に、水切り用溝８５が形成されている。

さらに、保持部材４８の外周面とケーシング３７の内周面とにより形成される隙間には、外部空気用ラビリンス構造６４が設けられている。このラビリンス構造６４も、ラビリンス構造６０〜６２と同様に、図４に示す形状のシールフィン６３を用いてもよくその他の形状であってもよく、要は凹凸により流れに抵抗を持たせる形状であればよい。なお、保持部材４８の軸受部３２側端面には、油切り用フリンガー９０が設けられている。この油切り用フリンガー９０により、軸受部３２から飛散した潤滑油が蒸気側に進入することが防止されている。なお、図３中において、１００〜１０２は固定ピンを示している。

次いで、上記構成の軸シール構造の作用について説明する。蒸気圧縮機３の回転軸３０の停止時には、バネ４６の付勢力によりシール面４４ａとシール面４５ａとが接触状態となっている。

回転軸３０の回転時には、回転によってシール面に動圧が発生する。このとき、機体内部は真空状態に保持されているので、予め清浄空気が空気孔７０から機体内部に侵入しており、この空気がシール面間に圧送され、シール面４４ａとシール面４５ａの間に極めて薄い空気膜が形成される。この空気膜により、シール面４４ａとシール面４５ａとが非接触状態となり、摺動摩擦を生じることなく、シール状態を得ることができる。このようにして、本実施の形態では、機体内部に連通する空気孔７０を設けるだけで、機体内部に外部空気が侵入し、固定環４１を回転環４０から離反する方向に動かしてシール面を開かせことができ、シール用ガスを注入する必要がなく、構成を簡略化できる。

一方、ドライシール部４１のシール状態は完全ではないので、シール面から空気が漏洩する。この漏れ空気は抽気用空間４２に導かれる。一方、蒸気圧縮室３８内から漏洩した漏れ蒸気は抽気用空間４２に導かれる。そして、漏れ空気及び漏れ蒸気は、抽気用空間４２から、抽気孔４３、抽気排出管２２を通って外部に排気される。従って、漏れ空気が蒸気圧縮室３８内に進入して蒸気と混じり合うことが防止できる。この結果、漏れ空気と蒸気の混合に起因した伝熱性能の悪化が発生せず、安全に装置を運転することができる。加えて、ドライシールの使用により、摺動摩擦に起因した消費動力は殆ど０に近くなり、接触型シールに比べて消費電力の大幅な低減を図ることができる。

本発明は、真空濃縮装置用蒸気圧縮機の軸シール構造に適用することが可能である。

１：真空濃縮装置 ２：蒸発器
３：蒸気圧縮機 １３：真空ポンプ
２０：吸入管 ２２：抽気排出管
３０：回転軸 ３７：ケーシング
３８：蒸気圧縮室 ４０：軸シール構造
４１：ドライシール部 ４２：抽気用空間
４３：抽気孔 ４４：回転環
４５：固定環 ４６：バネ（付勢手段）
６０，６１，６２：ラビリンス構造 ７０：空気孔

Claims (5)

1. 蒸気圧縮機の回転軸の非回転時にはシール面を接触状態とし、前記回転軸の回転時にはシール面に機体外部から吸入された空気による薄膜を介装させてシール面を非接触状態とするドライシール部と、
   吸入された蒸気を圧縮する蒸気圧縮室と前記ドライシール部との間に形成され、前記ドライシール部のシール面から漏洩した漏れ空気と、吸入された蒸気を圧縮する蒸気圧縮室から漏洩した漏れ蒸気とが合流する抽気用空間と、
   前記抽気用空間に連通する抽気孔と、
   蒸気圧縮機内部の真空度よりも高い真空度の状態を生成する真空源と、
   前記抽気孔と前記真空源を接続する抽気排出管と、
   を備え、
   前記真空源により、前記抽気用空間内の漏れ空気及び漏れ蒸気を抽気排出管を介して外部に排気することを特徴とする真空濃縮装置用蒸気圧縮機の軸シール構造。
2. 前記真空源は、真空濃縮装置の蒸発器に接続され蒸発器内を真空状態に保持する真空源を兼ねている請求項１記載の真空濃縮装置用蒸気圧縮機の軸シール構造。
3. 前記蒸気圧縮室と前記抽気用空間とを連通する隙間に、ラビリンス構造が設けられている請求項１又は２記載の真空濃縮装置用蒸気圧縮機の軸シール構造。
4. 前記ドライシール部は、蒸気圧縮機の回転軸に密封固定した回転環と、蒸気圧縮機のケーシングに軸方向に移動可能に密封装着される固定環と、固定環を軸方向に沿って回転環に向けて付勢する付勢手段とを備え、
   前記固定環のシール面と対面する前記回転環のシール面には、動圧力発生用溝が形成されている請求項１〜３の何れかに記載の真空濃縮装置用蒸気圧縮機の軸シール構造。
5. 前記蒸気圧縮室と前記ドライシール部との間を連通する隙間に、１以上のラビリンス構造が設けられている請求項１〜４の何れかに記載の真空濃縮装置用蒸気圧縮機の軸シール構造。

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