JP5728849B2 - Gas seal device - Google Patents
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Description
本発明はガスシール装置に関する。 The present invention relates to a gas seal device.
窒素、空気等のガスを圧縮するための圧縮機においては、ガスの漏洩を防止して圧縮効率を高めるためのガスシール装置を備える必要があり、従来からラビリンスシールを用いることが一般的に実施されている。ラビリンスシールは、静止側であるハウジングと、圧縮ブレードを備えて前記ハウジングに回転可能に支持された回転軸との間において、ハウジングの内周面との間に先端が例えば100〜200μmの隙間を有する複数のラビリンスフィンを回転軸の外周面に取り付け、圧縮ブレードにより圧縮された高圧側のガスがラビリンスフィンによる曲折した流路によって低圧側(大気圧側)へ漏洩するのを防止している。 In a compressor for compressing a gas such as nitrogen or air, it is necessary to provide a gas seal device for preventing gas leakage and increasing compression efficiency, and a labyrinth seal has been generally used conventionally. Has been. The labyrinth seal has a clearance of, for example, 100 to 200 μm between the housing and the inner peripheral surface of the housing between the stationary side housing and the rotation shaft that is rotatably supported by the housing. A plurality of labyrinth fins are attached to the outer peripheral surface of the rotating shaft, and the high-pressure side gas compressed by the compression blade is prevented from leaking to the low-pressure side (atmospheric pressure side) through the bent flow path formed by the labyrinth fins.
前記ラビリンスシールにおいては、前記ハウジングとラビリンスフィンが接触した場合には軸振動が大きくなり、運転停止となる可能性がある。このため、ラビリンスフィンと対向するハウジングの内周面には、ホワイトメタル、銅、又は切削性に優れた材料による防爆膜を施すことが行われている。 In the labyrinth seal, when the housing and the labyrinth fin come into contact with each other, there is a possibility that the shaft vibration increases and the operation is stopped. For this reason, an explosion-proof film made of white metal, copper, or a material excellent in machinability is applied to the inner peripheral surface of the housing facing the labyrinth fin.
しかし、上記ラビリンスフィンによるガスシール装置は、前記隙間によるガス漏れが多いために、圧縮機の運転効率を高めることができない要因となっていた。 However, the gas seal device using the labyrinth fin is a factor that cannot increase the operation efficiency of the compressor because there are many gas leaks due to the gap.
一方、ガス漏れを低減できるものとしてはドライガスシールと称されるガスシール装置が知られている(特許文献1、2等参照)。
On the other hand, a gas seal device called a dry gas seal is known as one that can reduce gas leakage (see
ドライガスシールは、回転軸に取り付けた回転環と該回転環に対向するようにハウジングに支持された静止環とを有しており、静止環と対向する回転環の対向面には、回転環の回転により外周からガスを取り込んで静止環との間に圧力(動圧)を生じさせるように放射状に湾曲して延びた動圧発生溝を形成している。更に、前記静止環とハウジングとの間にはバネが備えられており、静止環はバネにより押されて回転環と接触する構造となっている。 The dry gas seal has a rotating ring attached to a rotating shaft and a stationary ring supported by a housing so as to face the rotating ring. A rotating ring is disposed on an opposing surface of the rotating ring facing the stationary ring. As a result of the rotation, a dynamic pressure generating groove extending in a radial curve is formed so as to take in gas from the outer periphery and generate pressure (dynamic pressure) between the stationary ring and the stationary ring. Further, a spring is provided between the stationary ring and the housing, and the stationary ring is pushed by the spring and is in contact with the rotating ring.
そして、前記ドライガスシールでは、回転軸の停止時の静止環はバネによって回転環の対向面に押し付けられており、回転軸の回転が起動された時も回転環には静止環が押し付けられた状態で回転を開始するが、回転環の回転速度が所定値よりも大きくなると前記動圧発生溝によって対向面間に生じる動圧が前記バネの押し付け力に打ち勝ち、静止環を押し戻して、対向面間に僅か(2μm程度)なシール間隙を形成して回転するようになる。 In the dry gas seal, the stationary ring when the rotating shaft is stopped is pressed against the opposite surface of the rotating ring by a spring, and the stationary ring is pressed against the rotating ring even when the rotation of the rotating shaft is activated. When the rotation speed of the rotating ring becomes larger than a predetermined value, the dynamic pressure generated between the opposing surfaces by the dynamic pressure generating groove overcomes the pressing force of the spring, pushes the stationary ring back, and A slight gap (about 2 μm) is formed between them to rotate.
このように、回転環と静止環との間には圧力を保持した2μm程度の僅かなシール間隙が形成されるようになるので高圧側のガスが低圧側へ漏洩する量を少なくすることができる。 As described above, a slight seal gap of about 2 μm holding pressure is formed between the rotating ring and the stationary ring, so that the amount of high-pressure side gas leaking to the low-pressure side can be reduced. .
従来のこの種のガスシール装置においては、回転環には例えば回転強度を保持できるステンレス基材の表面に窒化チタン(TiN)をコーティングしたもの又は炭化けい素の焼結材等を用い、静止環にはしゅう動特性に優れたカーボン(C)を用いることが一般に行われている。 In this type of conventional gas seal device, the rotating ring is made of, for example, a surface of a stainless steel base material that can maintain the rotational strength, titanium nitride (TiN) coated or sintered material of silicon carbide. In general, carbon (C) having excellent sliding characteristics is used.
前記ドライガスシールにおいては、起動・停止時には回転環に静止環が押し付けられた状態で回転することになるために、回転環と静止環の対向面が摩耗する問題がある。 The dry gas seal rotates with the stationary ring pressed against the rotating ring at the time of starting and stopping, and therefore, there is a problem that the opposed surfaces of the rotating ring and the stationary ring are worn.
このため、特許文献1では、静止環は従来と同様のカーボン(C)で製作し、回転環はステンレス鋼等からなる基材の対向面に、セラミック材料を用いて溶射法によりセラミックコーティングを施し、続いてセラミックコーティングの表面を精密研削した後、セラミックコーティングの表面に、二硫化モリブデン(MoS2)、ダイヤモンド状炭素(DLC)等からなる固体潤滑膜を物理蒸着法(PVD)、化学蒸着法(CVD)法等により付着させている。 For this reason, in Patent Document 1, the stationary ring is made of the same carbon (C) as the conventional one, and the rotating ring is coated with ceramic coating on the opposing surface of the base material made of stainless steel or the like by using a ceramic material. Subsequently, after the surface of the ceramic coating is precision ground, a solid lubricating film made of molybdenum disulfide (MoS 2 ), diamond-like carbon (DLC), etc. is applied to the surface of the ceramic coating by physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition. It is made to adhere by (CVD) method etc.
又、特許文献2においては、従来の回転環と静止環の対向面の材料が、硬質炭素(カーボンC)と金属もしくはセラミック、或いは金属−金属、セラミック−セラミックの組み合わせであり、この組み合わせでは摩擦係数が高いために焼き付きを起こすなどの問題があるため、前記回転環と静止環の対向面に、4フッ化エチレン樹脂(PTFE)、ポリイミド樹脂、二硫化モリブデン(MoS2)、或いは金や銀等の金属からなる固体潤滑剤をコーティングして被膜を形成している。
In
しかし、従来から実施されているように、静止環をカーボン(C)で製作する場合には、カーボンの粉末を高温・高圧を保持した焼結炉で焼結する必要があるが、一般の焼結炉で製造できるものの大きさの限界は直径500mm程度となっているのが現状である。 However, as conventionally practiced, when a stationary ring is made of carbon (C), it is necessary to sinter the carbon powder in a sintering furnace maintaining high temperature and high pressure. At present, the size limit of what can be manufactured by a kiln is about 500 mm in diameter.
このため、大型の圧縮機に適用される直径500mm以上の静止環をカーボンで製作することはできない。従って、静止環をカーボンで製作するには、静止環を周方向に複数に分割したセグメントにして焼結炉により焼結した後、カーボン製のセグメントをリング状に組み立てることにより静止環を形成することが考えられる。しかし、カーボン製のセグメントをリング状に組み立てることにより形成した静止環では、各セグメント間に隙間ができ、このためにガスが隙間から漏洩してシール性を高めることができない問題がある。 For this reason, a stationary ring with a diameter of 500 mm or more applied to a large compressor cannot be manufactured with carbon. Therefore, in order to manufacture a stationary ring with carbon, a stationary ring is formed by dividing the stationary ring into a plurality of segments divided in the circumferential direction and then sintering the sintering segment in a sintering furnace and then assembling the carbon segments into a ring shape. It is possible. However, in the stationary ring formed by assembling the carbon segments into a ring shape, there is a gap between the segments. For this reason, there is a problem that gas cannot leak from the gap to improve the sealing performance.
一方、特許文献2に示すように、4フッ化エチレン樹脂(PTFE)からなる固体潤滑剤を回転環と静止環の対向面にコーティングするようにした被膜は、本発明者らが行った試験によると、被膜が摩耗したり或いは被膜が相手材を攻撃して相手材を摩耗させる問題が生じて摩耗粉を発生することが確認された。
On the other hand, as shown in
本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、回転環と静止環が接触回転することによる摩耗の発生を低減し、且つ、シール性を保持しつつドライガスシールの大径化を容易に可能にしたガスシール装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and reduces the occurrence of wear due to contact rotation of a rotating ring and a stationary ring, and easily increases the diameter of a dry gas seal while maintaining sealing performance. An object of the present invention is to provide a gas seal device that enables this.
本発明は、圧縮ブレードを備えて回転する回転軸に取り付けた回転環と該回転環に対向してハウジングに支持される静止環とを有し、回転環の対向面には動圧発生溝が備えられ、バネによって回転環に押し付けた静止環が6m/sの滑り速度で押し戻されてシール間隔を形成するようにした圧縮機のガスシール装置であって、前記静止環の対向面には、ポリベンゾイミダゾール系の樹脂をコーティングした樹脂膜を形成したことを特徴とするガスシール装置、に係るものである。 The present invention includes a rotating ring attached to a rotating shaft that includes a compression blade and a stationary ring that is supported by a housing so as to face the rotating ring, and a dynamic pressure generating groove is formed on an opposing surface of the rotating ring. A gas seal device for a compressor, wherein a stationary ring pressed against a rotating ring by a spring is pushed back at a sliding speed of 6 m / s to form a seal interval, on the opposing surface of the stationary ring , The present invention relates to a gas seal device characterized by forming a resin film coated with a polybenzimidazole resin.
上記ガスシール装置において、前記静止環が金属基材からなり、金属基材の対向面にポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜を形成することが好ましい。 In the gas seal device, it is preferable that the stationary ring is made of a metal substrate, and a polybenzimidazole-based resin film is formed on the opposing surface of the metal substrate.
本発明によれば、回転環と対抗する静止環の対向面に、ポリベンゾイミダゾール系の樹脂をコーティングした樹脂膜を形成したので、回転環と静止環が接触回転することによる摩耗を抑えることができ、よって、静止環と回転環の接触によって生じる摩耗粉の発生を低減でき、しかも、シール性を保持した状態でドライガスシールの大径化が容易に可能になるという優れた効果を奏し得る。 According to the present invention, since the resin film coated with the polybenzimidazole resin is formed on the opposite surface of the stationary ring facing the rotating ring, it is possible to suppress wear caused by contact rotation between the rotating ring and the stationary ring. Therefore, it is possible to reduce the generation of abrasion powder caused by the contact between the stationary ring and the rotating ring, and to achieve an excellent effect that the diameter of the dry gas seal can be easily increased while maintaining the sealing performance. .
以下、本発明を実施する形態を図示例と共に説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described together with illustrated examples.
図1(a)、(b)、図2は本発明の一実施例であり、本図示例の特徴とするところは、図1(a)、(b)及び図2に示す如く、ドライガスシールを構成するガスシール装置の前記回転環5と対向する静止環6の対向面6aに、ポリベンゾイミダゾール(PBI)(登録商標)系の樹脂膜14をコーティングにより形成した点である。
1 (a), 1 (b), and 2 show an embodiment of the present invention. The features of the illustrated example are as shown in FIGS. 1 (a), 1 (b), and FIG. A polybenzimidazole (PBI) (registered trademark)
図1の場合、回転環5には、例えば回転強度を保持できるステンレス基材の対向面5aに窒化チタン(TiN)をコーティングしたもの又は炭化けい素の焼結材等を用いることができる。又、静止環6には軽い金属、例えばチタン製の基材を用い、そのチタン基材の対向面6aにポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜14を形成している。
In the case of FIG. 1, the rotating
上記ポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜14は、ポリベンゾイミダゾール系の樹脂を静止環6の対向面6aに塗布した後、加熱して焼付けを行うことにより形成できるので、大径の静止環6も容易に製造することができる。
The polybenzimidazole-based
イミダゾール系の樹脂膜14は、図1(a)、(b)に示すように静止環6の対向面6aのみに備えるようにしてもよく、又は、回転環5の対向面5aのみに備えるようにしてもよく、更には、静止環6と回転環5の両方の対向面5a,6aに備えるようにしてもよい。
The
又、前記回転環5の対向面5aには、図3に示す如く、対向面5aの径方向中間から放射状に外側へ向かって湾曲して延びた動圧発生溝7を形成している。この動圧発生溝7は回転環5の対向面5aに溝加工することによって形成される。
Further, as shown in FIG. 3, a dynamic
以下に上記一実施例の作用を説明する。 The operation of the above embodiment will be described below.
回転軸2が停止している時の静止環6は、図1(a)に示すようにバネ8によって回転環5の対向面5aに押し付けられている。回転軸2の回転が起動された時も回転環5には静止環6が押し付けられた状態のまま回転するが、回転環5の回転速度が所定値よりも大きくなると前記動圧発生溝7によって対向面5a,6a間に生じる動圧が前記バネ8の押し付け力に打ち勝ち、図1(b)に示すように静止環6を押し戻して、対向面5a,6a間に僅か(2μm程度)なシール間隙を形成して回転するようになる。
The
このように、回転環5と静止環6との間に圧力を保持した数ミクロンレベルのシール間隙が形成されるので高圧側のガスが低圧側へ漏洩する量は少なくなる。
In this way, a seal gap of several micron level that maintains the pressure is formed between the
上記したように、回転環5の回転の起動・停止時には、静止環6が押し付けられた状態で回転環5が回転を開始することになるために、回転環5と静止環6の対向面5a,6aには接触回転による摩耗の問題が考えられる。
As described above, when the rotation of the
しかし、図1(a)、(b)、図2に示すように、静止環6の対向面6aにポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜14を形成したことにより、摩耗の問題を著しく低減することができた。
However, as shown in FIGS. 1A, 1B, and 2, the formation of the
ポリベンゾイミダゾール(PBI)は、耐摩耗性、耐熱性、耐腐食性等の優れた機械的特性を有することが知られており、種々の目的場所に利用されるようになってきている。 Polybenzimidazole (PBI) is known to have excellent mechanical properties such as wear resistance, heat resistance, and corrosion resistance, and has come to be used in various destinations.
本発明者らは、従来から知られている4フッ化エチレン樹脂(PTFE)による3種類(A,B,C)の樹脂膜を、特許文献2のように図1(a)、(b)の静止環6の対向面6aに形成した場合と、同様に本発明のポリベンゾイミダゾール(PBI)系の樹脂膜14を静止環6の対向面6aに形成した場合について、起動を模擬した摩耗試験を実施し、樹脂膜の摩耗について調査を行なった。このとき、回転環5はステンレス基材の表面に窒化チタンをコーティングしたものを用いた。尚、試験条件は、滑り速度が6m/sであり接触面圧が0.06MPaであり、起動停止回数が約200回相当であった。
The inventors of the present invention have shown three types of (A, B, C) resin films made of tetrafluoroethylene resin (PTFE), which are conventionally known, as shown in FIG. Wear test simulating start-up when the polybenzimidazole (PBI)
調査結果を表1に示した。
The survey results are shown in Table 1.
上記試験の結果、4フッ化エチレン樹脂(PTFE)系の被膜ではいずれも軽微、或いは多い摩耗粉が発生しているのに対し、本発明のポリベンゾイミダゾール(PBI)の被膜においては目視では殆ど確認できない極少であった。又、相手材である回転環への攻撃性については、4フッ化エチレン樹脂(PTFE)系の被膜では変化極小或いは変化大であったのに対し、本発明のポリベンゾイミダゾール(PBI)の被膜においては変化が極小であった。 As a result of the above test, all of the tetrafluoroethylene resin (PTFE) -based coatings produced slight or many abrasion powders, whereas the polybenzimidazole (PBI) coating of the present invention was hardly visually observed. It was extremely small that could not be confirmed. Further, the aggressiveness to the rotating ring as the counterpart material was minimal or large in the change in the tetrafluoroethylene resin (PTFE) type coating, whereas the coating of the polybenzimidazole (PBI) of the present invention. The change was minimal.
従って、表1から明らかなように、本発明のポリベンゾイミダゾール(PBI)の被膜は、摩耗が少なく、剥離の問題もなく、相手材に対するダメージも少ないという優れた機能を確認できたので、特に大径のドライガスシールを必要とする圧縮機等の広範なガスシール装置に好適に適用することができる。 Therefore, as is apparent from Table 1, the polybenzimidazole (PBI) coating of the present invention has been confirmed to have excellent functions such as less wear, no problem of peeling, and little damage to the counterpart material. The present invention can be suitably applied to a wide range of gas seal devices such as a compressor that requires a large-diameter dry gas seal.
又、前記本発明のポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜を静止環に備えたシール装置による圧力比(PH/PL)に対する漏れ量比について調査した結果を図4に示した。図4に実線Xで示した漏れ量は、従来におけるドライガスシールによるガスシール装置と同等或いはそれより少ない漏れ量であった。 Further, FIG. 4 shows the result of investigation on the leakage ratio with respect to the pressure ratio (PH / PL) by a sealing device provided with the polybenzimidazole resin film of the present invention in a stationary ring. The leakage amount indicated by the solid line X in FIG. 4 was the same as or less than that of a conventional gas sealing device using a dry gas seal.
図1(a)、(b)に示すように、静止環6の対向面6aにポリベンゾイミダゾール系の樹脂膜14を形成した構成を、従来のドライガスシールに備えられている静止環6に代えて取り付けるのみで、従来のドライガスシールに容易に適用することができる。又、長期にわたる圧縮機の運転によって樹脂膜14が損耗するようなことが生じても、樹脂膜14を備えた新たな静止環6に交換する、或いは静止環6の対向面6aの樹脂膜14を新たにコーティングし直すことで、容易に再生して圧縮機の運転を継続することができる。
As shown in FIGS. 1A and 1B, a structure in which a polybenzimidazole-based
尚、本発明のガスシール装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 Note that the gas seal device of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1 ハウジング
2 回転軸
5 回転環
5a 対向面
6 静止環
6a 対向面
7 動圧発生溝
8 バネ
14 ポリベンゾイミダゾール(PBI)系の樹脂膜
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