JP5740985B2

JP5740985B2 - 遠心圧縮機

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Publication number: JP5740985B2
Application number: JP2011001943A
Authority: JP
Inventors: 雅祐中島; 一雄三好; 久和鬼塚; 淳平田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-01-07
Also published as: JP2012144994A

Description

本発明は、遠心圧縮機に関し、特に非接触式シールを有する遠心圧縮機に関する。

従来、高速回転する遠心圧縮機の軸封構造として、インペラ回転軸側に設けられる回転環とハウジング側に設けられる固定環とを有する非接触式シールが知られている。

例えば、特許文献１には、この種の非接触式シールを有する遠心圧縮機として、ロータ室と軸受部との間に回転環と固定環とを有する非接触式シールを設け、この非接触式シールにシールガスを供給する遠心圧縮機の軸封装置が開示されている。

特公平７−６９０２２号公報

ところで、上述のような非接触式シールでは、遠心圧縮機の運転時には、表面にスパイラル溝を有する回転環がインペラ回転軸と一体に回転することで、回転環と固定環との間に一定の動圧が作用する。したがって、遠心圧縮機の運転時は所望のシール効果を発揮することができる。しかし、遠心圧縮機の停止時には、回転環の表面のスパイラル溝により回転環と固定環との間に僅かな隙間が生じるため、シール効果を十分に発揮できない可能性がある。

そのため、非接触式シールを有する遠心圧縮機を、例えばヒートポンプの圧縮機として用いた場合、遠心圧縮機の運転時にヒートポンプのループ内の冷媒が回転環と固定環との間の隙間から、インペラ回転軸のギヤ取り付け側を収容するハウジング内へと流れ込む場合がある。

より具体的には、ヒートポンプの停止直後、すなわち遠心圧縮機が停止した直後は、ヒートポンプのループ内がギヤ側のハウジング内よりも高温・高圧になるので、非接触式シールの両端に圧力差が生じる。そして、圧力差が生じると、ヒートポンプのループ内の冷媒が、インペラ背面から回転環と固定環との間の隙間を通過してギヤ側のハウジング内へと流れ込む可能性がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、その目的は、インペラ回転軸のギヤ取り付け側を収容するハウジングに、インペラ回転軸を軸封する非接触式シールを有する遠心圧縮機において、遠心圧縮機の停止時に冷媒が非接触式シールよりもギヤ側のハウジング内へと流れ込むことを効果的に抑止することにある。

上記目的を達成するため、本発明の遠心圧縮機は、一端にインペラが取り付けられるとともに、他端にギヤが取り付けられる回転軸のギヤ取り付け側を収容するハウジングに、該回転軸を軸封する非接触式シールを有する遠心圧縮機であって、前記遠心圧縮機の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記非接触式シールよりもギヤ側の前記ハウジング内に設けられ、前記運転状態検出手段の検出に応じて、前記遠心圧縮機の運転時に前記回転軸から離間し、前記遠心圧縮機の停止時に前記回転軸と接触して軸封する停止時シール機構とを備えることを特徴とする。

前記停止時シール機構は、前記非接触式シールよりもギヤ取り付け側に位置する前記回転軸の周面に設けられた環状フランジと、前記非接触式シールよりもギヤ側の前記ハウジングの内側面から前記環状フランジに向けて突出するとともに、前記環状フランジとの間に環状空間を形成する環状突起と、前記環状フランジと前記環状突起とに接触して前記環状空間を閉鎖する弁体と、前記弁体を前記環状フランジと前記環状突起とに向けて付勢して接触させる付勢手段と、前記運転状態検出手段の検出に応じて、前記遠心圧縮機の運転時に前記付勢手段の付勢力に抗して前記弁体を前記環状フランジと前記環状突起とから離間させる開弁手段とを備えてもよい。

前記停止時シール機構は、前記弁体と前記環状フランジとの間の接触面をシールする第１シール部材と、前記弁体と前記環状突起との間の接触面をシールする第２シール部材とをさらに備えてもよい。

本発明の遠心圧縮機によれば、インペラ回転軸のギヤ取り付け側を収容するハウジングに、インペラ回転軸を軸封する非接触式シールを有する遠心圧縮機において、遠心圧縮機の停止時に冷媒が非接触式シールよりもギヤ側のハウジング内へと流れ込むことを効果的に抑止することができる。

本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機を示す模式的な部分断面図である。本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機の要部を示す模式的な断面図である。本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機の制御内容を示すフローである。

以下、図１〜３に基づいて、本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機１は、例えば１００℃〜１５０℃の熱源を１５０℃〜１８０℃に昇温する高温ヒートポンプの遠心圧縮機として用いられるもので、図１に示すように、インペラハウジング部１０と、ギヤボックス部（ハウジング）２０と、非接触式シール３０と、停止時接触シール機構（停止時シール機構）４０と、回転数検出センサ（運転状態検出手段）５０と、制御部６０とを有する。

なお、本実施形態において、遠心圧縮機１は高温ヒートポンプに適用されるものとして説明するが、例えば、冷凍機など遠心圧縮機で冷媒を圧縮するあらゆる型式のヒートポンプにも広く適用することができる。

インペラハウジング部１０は、図１に示すように、複数の羽根（不図示）が設けられたインペラ１１と、図示しない高温ヒートポンプの蒸発器から冷媒を取り入れる吸入口部１２と、インペラ１１を収容するインペラ収容部１３と、インペラ収容部１３に接続された環状のディフューザ流路１４と、ディフューザ流路１４の外周縁部に接続されたスクロール流路１５とを有する。

インペラ１１は、図１に示すように、インペラ回転軸２１の端部に取り付けられている。そして、インペラ１１は、後述するモータ２４の駆動力によりインペラ回転軸２１と一体に回転されることで冷媒を径方向の外方へと吐出する。

吸入口部１２は、図１に示すように、インペラハウジング部１０の上流側にインペラ１１と同軸上に位置して設けられている。また、吸入口部１２は、上流側から下流側に向かって開口面積が次第に小さくなるように形成されている。

インペラ収容部１３は、インペラ１１を収容するように、上流側から下流側に向かって開口面積が次第に大きくなるように形成されている。また、インペラ収容部１３の上流側は吸入口部１２と連通する。

環状のディフューザ流路１４は、インペラハウジング部１０の下流側側部にインペラ収容部１３を取り囲むように形成されている。また、ディフューザ流路１４の外周縁部には、冷媒を高温ヒートポンプの凝縮器（不図示）へと吐出するスクロール流路１５が接続されている。

すなわち、インペラハウジング部１０は、インペラ１１の回転により、高温ヒートポンプの蒸発器から吸入口部１２を介して取り入れた冷媒を、ディフューザ流路１４からスクロール流路１５へと吐出することで圧縮（昇温・昇圧）するように構成されている。

ギヤボックス部（ハウジング）２０は、図１に示すように、インペラ回転軸２１のギヤ取り付け側を収容するもので、ギヤボックス部２０の内側に設けられた一対の軸受２２，２３と、ギヤボックス部２０の側部に取り付けられたモータ２４と、インペラ回転軸２１に嵌装された従動ギヤ２６と、モータ駆動軸２５に嵌装された駆動ギヤ２７と、モータ駆動軸２５を軸封するエラストマ材からなるモータ軸シール２８とを有する。

インペラ回転軸２１は、図１に示すように、一対の軸受２２，２３によってギヤボックス部２０内に回転自在に軸支されている。また、一対の軸受２２，２３の間に位置するインペラ回転軸２１には、駆動ギヤ２７と噛合する従動ギヤ２６が嵌装されている。また、軸受２２とインペラ１１との間に位置するインペラ回転軸２１の周面には、後述する非接触式シール３０の一部を構成する回転環３１が取り付けられる突起部２１ｂが形成されている。さらに、突起部２１ｂと軸受２２との間に位置するインペラ回転軸２１の周面には、後述する停止時接触シール機構４０の一部を構成する環状フランジ２１ａが形成されている。

モータ２４のモータ駆動軸２５は、図１に示すように、ギヤボックス部２０の側部から挿通され、図示しない軸受によって回転自在に軸支されている。また、モータ駆動軸２５には、従動ギヤ２６よりも大径に形成された駆動ギヤ２７が嵌装されている。また、モータ駆動軸２５が挿通されるギヤボックス部２０の側部には、モータ駆動軸２５を軸封するモータ軸シール２８が設けられている。なお、ギヤボックス部２０の内部では、噛合する従動ギヤ２６と駆動ギヤ２７との摩耗を抑制するため潤滑油が噴射されている。

非接触式シール３０は、図１に示すように、インペラ１１の背面に隣接するギヤボックス部２０内に設けられている。また、非接触式シール３０は、インペラ回転軸２１側に設けられた回転環３１とギヤボックス部２０側に設けられた固定環３２とを有する。

回転環３１は、突起部２１ｂを介してインペラ回転軸２１に固定されている。一方、固定環３２は、ギヤボックス部２０の内側に形成された取付部２０ｂに図示しないコイルバネを介して軸方向に移動可能に取り付けられている。また、固定環３２と対向する回転環３１の側面には、図示しない複数のスパイラル溝が設けられている。

すなわち、非接触式シール３０は、回転環３１がインペラ回転軸２１と一体に回転すると、複数のスパイラル溝により回転環３１と固定環３２との間に動圧が作用してインペラ回転軸２１を軸封するように構成されている。この動圧は、コイルバネの付勢力に抗して固定環３２を回転環３１から離間させる。一方、インペラ回転軸２１の停止時は、回転環３１と固定環３２とはコイルバネの付勢力により接触する。この接触した状態で、回転環３１と固定環３２との間にはスパイラル溝による僅かな隙間が存在する。

停止時接触シール機構４０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、円筒の中空部を有するシール本体４１と、環状の弁体４２と、スプリング（付勢手段）４３と、押さえ板（開弁手段）４４とを有する。

シール本体４１は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、中空部にインペラ回転軸２１を挿通した状態で、非接触式シール３０と軸受２２との間のギヤボックス部２０内に嵌装されている。また、非接触式シール３０側（図中Ｘ方向側）に位置するシール本体４１の内周面の一端部には、環状フランジ２１ａの頂部に向けて径方向の内方に突出する環状突起４１ａが設けられている。この環状突起４１ａの頂部と環状フランジ２１ａの頂部との間には、環状空間４５が形成されている。

一方、軸受２２側（図中Ｙ方向側）に位置するシール本体４１の内周面の他端部には、インペラ回転軸２１に向けて径方向の内方に突出する支持突起４１ｂが設けられている。この支持突起４１ｂの側部には、スプリング４３の一端が係止されている。

また、シール本体４１の内部には、図２（ａ），（ｂ）に示すように、インペラ回転軸２１の軸方向（図中Ｘ−Ｙ方向）に延びる環状スロット４１ｃが形成されている。この環状スロット４１ｃには、後述する押さえ板４４の外周側部４４ｂが摺動可能に挿入される。さらに、環状スロット４１ｃに隣接するシール本体４１の内部には、後述する制御部６０によって励磁・消磁をコントロールされる電磁石４６が設けられている。

環状の弁体４２は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、インペラ回転軸２１を遊挿した状態で、シール本体４１の中空部に摺動自在に収容されている。また、支持突起４１ｂの側部と対向する弁体４２の環状側部には、スプリング４３の他端が係止されている。すなわち、弁体４２は、弁体４２と支持突起４１ｂとの間に設けられたスプリング４３により、環状フランジ２１ａと環状突起４１ａとに向けて付勢されている。

また、図２（ａ），（ｂ）に示すように、環状フランジ２１ａの側部と対向する弁体４２の環状側部には、弁体４２と環状フランジ２１ａとの間の接触面をシールするリング状の内側シール部材（第１シール部材）４８が設けられている。さらに、環状突起４１ａの側部と対向する弁体４２の環状側部には、弁体４２と環状突起４１ａとの間の接触面をシールするリング状の外側シール部材（第２シール部材）４７が設けられている。すなわち、環状空間４５は、弁体４２がスプリング４３の付勢力により環状フランジ２１ａと環状突起４１ａとに接触し、かつ外側シール部材４７と内側シール部材４８とが接触面をシールすることで閉鎖されるように構成されている（図２（ｂ）参照）。

押さえ板４４は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、環状側部４４ａと、環状側部４４ａの外周縁から軸方向に延設された外周側部４４ｂと、環状側部４４ａの内周縁から軸方向に延設された内周側部４４ｃとを有する。また、外周側部４４ｂは環状スロット４１ｃに摺動可能に挿入され、内周側部４４ｃは環状空間４５に挿通されている。そして、押さえ板４４は、電磁石４６が励磁されると、支持突起４１ｂ側（図中Ｙ方向）へと移動する。

すなわち、停止時接触シール機構４０は、電磁石４６が励磁されると、押さえ板４４がスプリング４３の付勢力に抗して弁体４２を支持突起４１ｂ側（図中Ｙ方向）へと押動することで、環状空間４５を開放するように構成されている（図２（ａ）参照）。この時、弁体４２と内側シール部材４８とは、環状フランジ２１ａから離間されるので、停止時接触シール機構４０とインペラ回転軸２１とは非接触状態となる。

一方、停止時接触シール機構４０は、電磁石４６が消磁されると、押さえ板４４による弁体４２の押動を解除するとともに、弁体４２をスプリング４３の付勢力により環状突起４１ａ側（図中Ｘ方向側）へと移動させる。そして、弁体４２が環状フランジ２１ａと環状突起４１ａとに接触し、かつ外側シール部材４７と内側シール部材４８とが接触面をシールして環状空間４５を閉鎖することで、インペラ回転軸２１を軸封するように構成されている（図２（ｂ）参照）。

回転数検出センサ５０は、図１に示すように、非接触式シール３０と停止時接触シール機構４０との間のギヤボックス部２０内に設けられている。この回転数検出センサ５０は、インペラ回転軸２１の回転数を検出して後述する制御部６０に出力するもので、制御部６０と電気配線を介して接続されている。なお、運転状態検出手段として、回転数検出センサ５０に替えて、固定環３２の回転環３１に対する位置を検出する固定環位置検出センサ（不図示）を適用してもよい。

制御部６０は、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。また、制御部６０には、回転数検出センサ５０の出力信号と圧縮機起動盤からの起動信号とがＡ／Ｄ変換された後に入力される。また、制御部６０は、図１に示すように、運転状態判定部６１と、電磁石制御部６２とを一部の機能要素として有する。

運転状態判定部６１は、回転数検出センサ５０の出力値と起動信号の出力値とに基づいて、遠心圧縮機１の運転状態を判定する。具体的には、回転数検出センサ５０の出力値（以下、回転数Ｎともいう）が０（ゼロ）よりも大きい時は、遠心圧縮機１の運転状態を運転中と判定する。一方、回転数検出センサ５０の出力値（回転数Ｎ）が０（ゼロ）の時は、遠心圧縮機１の運転状態を停止中と判定する。

なお、回転数検出センサ５０に替えて固定環位置検出センサを用いる場合は、回転環３１と固定環３２とが接触状態の時に遠心圧縮機１の運転状態を停止中と判定し、回転環３１と固定環３２とが離間する非接触状態の時に遠心圧縮機１の運転状態を運転中と判定すればよい。

電磁石制御部６２は、運転状態判定部６１の判定結果に応じて、電磁石４６の励磁・消磁をコントロールする。具体的には、遠心圧縮機１の運転状態が運転中と判定された場合は、電磁石制御部６２は電磁石４６を励磁する制御信号を出力する。すなわち、電磁石４６が通電されることで、弁体４２は押さえ板４４によって支持突起部４１ｂ側へと押動される。そして、弁体４２が環状フランジ２１ａと環状突起４１ａとから離間することで、インペラ回転軸２１の軸封は開放される（図２（ａ）参照）。

一方、遠心圧縮機１の運転状態が停止中と判定された場合は、電磁石制御部６２は電磁石４６を消磁する制御信号を出力する。すなわち、電磁石４６が消磁されることで、押さえ板４４による弁体４２の押動は解除される。そして、弁体４２が環状フランジ２１ａと環状突起４１ａとに接触し、かつ外側シール部材４７と内側シール部材４８とが接触面をシールして環状空間４５を閉鎖することで、インペラ回転軸２１は軸封される（図２（ｂ）参照）。

本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機１は、以上のように構成されているので、例えば図３に示すフローに従って以下のような制御が行われる。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）９０では、圧縮機起動盤からの起動信号に基づいて遠心圧縮機１の起動判定が実施される。遠心圧縮機１が起動していないと判定された場合は、Ｓ１００で運転状態判定部６１に回転数検出センサ５０によって検出されたインペラ回転軸２１の回転数Ｎが読み込まれる。なお、固定環位置検出センサを用いる場合は、固定環３２の回転環３１に対する位置Ｌ₁が検出されて読み込まれる。一方、遠心圧縮機１が起動していると判定された場合はＳ１２０へと進む。

Ｓ１１０では、運転状態判定部６１によって、遠心圧縮機１の運転状態が確認される。Ｓ１００で読み込まれた回転数Ｎが０（ゼロ）よりも大きい場合（Ｎ＞０）は、遠心圧縮機１の運転状態を運転中と判定してＳ１２０へと進む。一方、Ｓ１００で読み込まれた回転数Ｎが０（ゼロ）の場合（Ｎ＝０）は、遠心圧縮機１の運転状態を停止中と判定してＳ１３０へと進む。

なお、固定環位置検出センサを用いる場合は、固定環３２の回転環３１に対する変位量Ｌ₂を算出すべく、回転環３１と固定環３２との初期状態の最大距離Ｌ₀からＳ１００で読み込まれた固定環３２の位置Ｌ₁が減算される（Ｌ₂＝Ｌ₀−Ｌ₁）。そして、変位量Ｌ₂が０（ゼロ）よりも大きい場合は、遠心圧縮機１の運転状態を運転中と判定する。一方、変位量Ｌ₂が０（ゼロ）の場合は、遠心圧縮機１の運転状態を停止中と判定する。

Ｓ１２０では、電磁石制御部６２により電磁石４６が励磁される。すなわち、押さえ板４４が弁体４２を押動し、弁体４２が環状フランジ２１ａと環状突起４１ａとから離間されて本制御はリターンされる。

一方、Ｓ１３０では、Ｓ１１０で遠心圧縮機１の運転状態が停止中と判定されたことを受けて、電磁石制御部６２により電磁石４６が消磁される。すなわち、押さえ板４４による弁体４２の押動が解除され、弁体４２が環状フランジ２１ａと環状突起４１ａとに接触し、かつ外側シール部材４７と内側シール部材４８とが接触面をシールして本制御はリターンされる。

上述のような構成により、本発明の一実施形態に係る遠心圧縮機１によれば以下のような作用・効果を奏する。

遠心圧縮機１が停止した直後は、高温ヒートポンプのループ内がギヤボックス部２０内よりも高温・高圧となり、ループ内の冷媒は、非接触式シール３０の回転環３１と固定環３２との間の僅かな隙間を通って非接触式シール３０よりもギヤ２６側のギヤボックス部２０内へと流れ込もうとする。

ここで、本実施形態に係る遠心圧縮機１では、遠心圧縮機１が停止すると、電磁石４６が消磁されて、押さえ板４４による弁体４２の押動は解除される。そして、弁体４２がスプリング４３の付勢力により環状フランジ２１ａと環状突起４１ａとに接触し、かつ外側シール部材４７と内側シール部材４８とが接触面をシールして環状空間４５を閉鎖することで、インペラ回転軸２１は軸封される。

したがって、停止時接触シール機構４０によって、遠心圧縮機１の停止と同時にインペラ回転軸２１が確実に軸封されるので、冷媒が低圧側である非接触式シール３０よりもギヤ２６側のギヤボックス部２０内に流れ込むことを効果的に抑止することができる。

また、冷媒の非接触式シール３０よりもギヤ２６側のギヤボックス部２０内への流れ込みが抑止されるので、例えば、ヒートポンプに潤滑油への溶融性が高い冷媒や、シールとして用いられるエラストマ材への浸食性が高い冷媒を用いた場合においても、冷媒の溶融による潤滑油の劣化や、冷媒の浸食によるモータ軸シール２８の劣化を効果的に防止することができる。

また、インペラ回転軸２１は、遠心圧縮機１の運転時は非接触式シール３０で軸封され、遠心圧縮機１の停止時は停止時接触シール機構４０で確実に軸封される。

したがって、ギヤボックス部２０やモータ軸シール２８に不具合が発生した場合においても、非接触式シール３０よりもギヤ２６側のギヤボックス部２０内から高温ヒートポンプのループ内に空気や潤滑油が漏出することを効果的に防止することができる。

また、停止時接触シール機構４０は、非接触式シール３０にシールガス等を供給することなく、シール本体４１、弁体４２、スプリング４３、押さえ板４４等の簡素な構成でインペラ回転軸２１を確実に軸封することができるので、遠心圧縮機１のメンテナンスや管理の容易化も図られる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

上述の実施形態において、外側シール部材４７と内側シール部材４８とは弁体４２の環状側部に設けられるものとして説明したが、内側シール部材４８を環状フランジ２１ａの側部に設け、外側シール部材４７を環状突起４１ａの側部に設けてもよい。

また、付勢手段は必ずしもスプリング４３である必要はなく、弁体４２を付勢するものであれば、板バネや油圧シリンダなどを適用してもよい。付勢手段に油圧シリンダを用いる場合は、開弁手段と兼用することもできる。

１遠心圧縮機
１１インペラ
２０ギヤボックス部（ハウジング）
２１インペラ回転軸（回転軸）
２１ａ環状フランジ
３０非接触式シール
４０停止時接触シール機構（停止時シール機構）
４１ａ環状突起
４２弁体
４３スプリング（付勢手段）
４４押さえ板（開弁手段）
５０回転数検出センサ（運転状態検出手段）

Claims

一端にインペラが取り付けられるとともに、他端にギヤが取り付けられる回転軸のギヤ取り付け側を収容するハウジングに、該回転軸を軸封する非接触式シールを有する遠心圧縮機であって、
前記遠心圧縮機の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記非接触式シールよりもギヤ側の前記ハウジング内に設けられ、前記運転状態検出手段の検出に応じて、前記遠心圧縮機の運転時に前記回転軸から離間し、前記遠心圧縮機の停止時に前記回転軸と接触して軸封する停止時シール機構と、を備え、
前記停止時シール機構は、
前記非接触式シールよりもギヤ取り付け側に位置する前記回転軸の周面に設けられた環状フランジと、
前記非接触式シールよりもギヤ側の前記ハウジングの内側面から前記環状フランジに向けて突出するとともに、前記環状フランジとの間に環状空間を形成する環状突起と、
前記環状フランジと前記環状突起とに接触して前記環状空間を閉鎖する弁体と、
前記弁体を前記環状フランジと前記環状突起とに向けて付勢して接触させる付勢手段と、
前記運転状態検出手段の検出に応じて、前記遠心圧縮機の運転時に電磁石が励磁されることで、前記付勢手段の付勢力に抗して前記弁体を前記環状フランジと前記環状突起とから離間させる押さえ板と、を備える
ことを特徴とする遠心圧縮機。
前記停止時シール機構は、
前記弁体と前記環状フランジとの間の接触面をシールする第１シール部材と、
前記弁体と前記環状突起との間の接触面をシールする第２シール部材と、をさらに備える
ことを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機。