JP6871041B2 - シール装置及び圧縮機 - Google Patents
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Description
本発明は、シール装置及び圧縮機に関する。
圧縮機には、機内で圧縮されるガス（プロセスガス）がケーシングから外部に漏えいすることを抑制するためにシール装置が設けられている（例えば特許文献１参照）。このようなシール装置の一種として、ドライガスシールが知られている。
このシール装置は、機内側に配置された第一フィン群と機外側に配置された第二フィン群とを有している。これら第一フィン群、第二フィン群はそれぞれ回転軸の外周面との間にクリアランスを形成している。
第一フィン群の間には、フィルタを通した微量のプロセスガスがシールガスとして供給される。第二フィン群の間には不活性ガスがシールガスとして供給される。第一フィン群と第二フィン群の間には、第一フィン群のクリアランスを通過したプロセスガスと第二フィン群のクリアランスを通過した不活性ガスとの混合ガスをベントガスとして外部に排出する排出路が形成されている。
第一フィン群の間には、フィルタを通した微量のプロセスガスがシールガスとして供給される。第二フィン群の間には不活性ガスがシールガスとして供給される。第一フィン群と第二フィン群の間には、第一フィン群のクリアランスを通過したプロセスガスと第二フィン群のクリアランスを通過した不活性ガスとの混合ガスをベントガスとして外部に排出する排出路が形成されている。
ところで、上記のシール装置では、該シール装置に供給されるプロセスガスが、第一フィン群のクリアランスを通過した後に、回転軸の外周面に沿う噴流として第二フィン群も通過してしまう場合がある。このようなプロセスガスの噴流は、第二フィン群を突き抜けることで圧縮機の外部へと漏れてしまう。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、機内側からのシールガスの漏れを抑制することができるシール装置及び圧縮機を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用している。
即ち、本発明の第一態様に係るシール装置は、回転軸と該回転軸を囲うケーシングを有する圧縮機における前記回転軸と前記ケーシングとの間に設けられて、該圧縮機の機内側と機外側とを軸線方向に隔てるシール装置であって、前記回転軸は、第一外周面、該第一外周面の機外側に隣接して該第一外周面よりも外径が小さい第二外周面、及び、前記第一外周面と前記第二外周面とを接続する段差面を有し、前記ケーシングに固定されて前記軸線を囲う環状をなすリング部と、該リング部の内周面から突出して前記第一外周面との間でクリアランスを形成する複数のフィンからなる第一フィン群と、前記リング部の内周面から突出して先端が前記第一外周面よりも径方向内側に位置するとともに前記第二外周面との間でクリアランスを形成する複数の第二フィンからなる第二フィン群と、備え、前記リング部が、前記第一フィン群の間に第一シールガスを供給可能な第一ガス供給路と、前記第二フィン群の間に第二シールガスを供給可能な第二ガス供給路と、前記第一フィン群と前記第二フィン群との間から、前記第一フィン群のクリアランスを通過した前記第一シールガスと前記第二フィン群のクリアランスを通過した第二シールガスとの混合ガスを排出可能な混合ガス排出路と、を有し、複数の前記第二フィンのうち最も機内側に位置する先頭第二フィンと前記段差面との前記軸線方向の間隔をＷとし、前記先頭第二フィンと前記第二外周面とのクリアランスの寸法をＣＬとし、前記リング部における前記第二フィン群が設けられた内周面と前記第二外周面との径方向の間隔をＤとした場合に、ＣＬ＜Ｗ＜２Ｄの関係が成立する。
即ち、本発明の第一態様に係るシール装置は、回転軸と該回転軸を囲うケーシングを有する圧縮機における前記回転軸と前記ケーシングとの間に設けられて、該圧縮機の機内側と機外側とを軸線方向に隔てるシール装置であって、前記回転軸は、第一外周面、該第一外周面の機外側に隣接して該第一外周面よりも外径が小さい第二外周面、及び、前記第一外周面と前記第二外周面とを接続する段差面を有し、前記ケーシングに固定されて前記軸線を囲う環状をなすリング部と、該リング部の内周面から突出して前記第一外周面との間でクリアランスを形成する複数のフィンからなる第一フィン群と、前記リング部の内周面から突出して先端が前記第一外周面よりも径方向内側に位置するとともに前記第二外周面との間でクリアランスを形成する複数の第二フィンからなる第二フィン群と、備え、前記リング部が、前記第一フィン群の間に第一シールガスを供給可能な第一ガス供給路と、前記第二フィン群の間に第二シールガスを供給可能な第二ガス供給路と、前記第一フィン群と前記第二フィン群との間から、前記第一フィン群のクリアランスを通過した前記第一シールガスと前記第二フィン群のクリアランスを通過した第二シールガスとの混合ガスを排出可能な混合ガス排出路と、を有し、複数の前記第二フィンのうち最も機内側に位置する先頭第二フィンと前記段差面との前記軸線方向の間隔をＷとし、前記先頭第二フィンと前記第二外周面とのクリアランスの寸法をＣＬとし、前記リング部における前記第二フィン群が設けられた内周面と前記第二外周面との径方向の間隔をＤとした場合に、ＣＬ＜Ｗ＜２Ｄの関係が成立する。
上記態様によれば、第一フィン群のクリアランスを機外側に通過する第一シールガスは、噴流として第一外周面に沿って第二フィンに向かって進行する。一方、第二フィン群のクリアランスを機内側に通過した第二シールガスは、段差面に衝突することで径方向外側に向かって曲げられ、最も機内側の第二フィンの手前に渦を形成する。そのため、当該第
二フィンに向かって進行する第一シールガスの噴流は、直接的に第二フィンに衝突することなく、上記渦によって径方向外側に向かって誘導される。したがって、第一シールガスの噴流は、第二フィン群のクリアランスから径方向外側に向かって遠ざけられる。また、径方向外側に誘導されたシールガスの噴流は、第二フィンに沿ってより径方向外側に案内される。よって、第一シールガスの噴流が、第二フィン群のクリアランスを突破してしまうことを抑制できる。
また、上記関係が成立することで、先頭第二フィンは段差面により近接して配置される。そのため、第一シールガスの噴流が第二フィンに衝突し易くなるため、上記渦による誘導と相まって、当該噴流をより第二フィン群のクリアランスから遠ざけることができる。
二フィンに向かって進行する第一シールガスの噴流は、直接的に第二フィンに衝突することなく、上記渦によって径方向外側に向かって誘導される。したがって、第一シールガスの噴流は、第二フィン群のクリアランスから径方向外側に向かって遠ざけられる。また、径方向外側に誘導されたシールガスの噴流は、第二フィンに沿ってより径方向外側に案内される。よって、第一シールガスの噴流が、第二フィン群のクリアランスを突破してしまうことを抑制できる。
また、上記関係が成立することで、先頭第二フィンは段差面により近接して配置される。そのため、第一シールガスの噴流が第二フィンに衝突し易くなるため、上記渦による誘導と相まって、当該噴流をより第二フィン群のクリアランスから遠ざけることができる。
上記態様では、前記先頭第二フィンは、径方向内側に向かうに従って機内側に向かって傾斜していてもよい。
これによって、先頭第二フィンに衝突する第一シールガスの噴流を、傾斜に沿って径方向外側により案内し易くすることができる。
また、本発明の他の態様に係るシール装置は、軸線回りに回転する回転軸と該回転軸を囲うケーシングを有する圧縮機における前記回転軸と前記ケーシングとの間に設けられて、該圧縮機の機内側と機外側とを軸線方向に隔てるシール装置であって、 前記回転軸は、第一外周面、該第一外周面の機外側に隣接して該第一外周面よりも外径が小さい第二外周面、及び、前記第一外周面と前記第二外周面とを接続する段差面を有し、 前記ケーシングに固定されて前記軸線を囲う環状をなすリング部と、 該リング部の内周面から突出して前記第一外周面との間でクリアランスを形成する複数のフィンからなる第一フィン群と、 前記リング部の内周面から突出して先端が前記第一外周面よりも径方向内側に位置するとともに前記第二外周面との間でクリアランスを形成する複数の第二フィンからなる第二フィン群と、 備え、 前記リング部が、 前記第一フィン群の間に第一シールガスを供給可能な第一ガス供給路と、 前記第二フィン群の間に第二シールガスを供給可能な第二ガス供給路と、 前記第一フィン群と前記第二フィン群との間から、前記第一フィン群のクリアランスを通過した前記第一シールガスと前記第二フィン群のクリアランスを通過した第二シールガスとの混合ガスを排出可能な混合ガス排出路と、を有し、前記リング部は、前記第一外周面よりも機外側、かつ、複数の前記第二フィンのうち最も機内側に位置する先頭第二フィンよりも機内側に位置するとともに、前記第一フィン群のクリアランスを通過した第一シールガスが衝突する壁面を有し、該壁面は、径方向外側に向かうにしたがって機外側に向かって傾斜している。
この場合、第一フィン群を通過した第一シールガスの噴流は、壁面に衝突し、該壁面に沿って径方向外側に案内される。また、壁面の径方向内側では、第二シールガスの上記渦が形成されることで、第一シールガスの径方向内側への入り込みが抑制される。その結果、上記噴流が第二フィン群のクリアランスを通過してしまうことを抑制できる。
また、本発明の他の態様に係るシール装置は、軸線回りに回転する回転軸と該回転軸を囲うケーシングを有する圧縮機における前記回転軸と前記ケーシングとの間に設けられて、該圧縮機の機内側と機外側とを軸線方向に隔てるシール装置であって、 前記回転軸は、第一外周面、該第一外周面の機外側に隣接して該第一外周面よりも外径が小さい第二外周面、及び、前記第一外周面と前記第二外周面とを接続する段差面を有し、 前記ケーシングに固定されて前記軸線を囲う環状をなすリング部と、 該リング部の内周面から突出して前記第一外周面との間でクリアランスを形成する複数のフィンからなる第一フィン群と、 前記リング部の内周面から突出して先端が前記第一外周面よりも径方向内側に位置するとともに前記第二外周面との間でクリアランスを形成する複数の第二フィンからなる第二フィン群と、 備え、 前記リング部が、 前記第一フィン群の間に第一シールガスを供給可能な第一ガス供給路と、 前記第二フィン群の間に第二シールガスを供給可能な第二ガス供給路と、 前記第一フィン群と前記第二フィン群との間から、前記第一フィン群のクリアランスを通過した前記第一シールガスと前記第二フィン群のクリアランスを通過した第二シールガスとの混合ガスを排出可能な混合ガス排出路と、を有し、前記段差面及び前記混合ガス排出路のそれぞれの前記軸線方向の位置が互いに一致している。
また、本発明の他の態様に係るシール装置は、軸線回りに回転する回転軸と該回転軸を囲うケーシングを有する圧縮機における前記回転軸と前記ケーシングとの間に設けられて、該圧縮機の機内側と機外側とを軸線方向に隔てるシール装置であって、 前記回転軸は、第一外周面、該第一外周面の機外側に隣接して該第一外周面よりも外径が小さい第二外周面、及び、前記第一外周面と前記第二外周面とを接続する段差面を有し、 前記ケーシングに固定されて前記軸線を囲う環状をなすリング部と、 該リング部の内周面から突出して前記第一外周面との間でクリアランスを形成する複数のフィンからなる第一フィン群と、 前記リング部の内周面から突出して先端が前記第一外周面よりも径方向内側に位置するとともに前記第二外周面との間でクリアランスを形成する複数の第二フィンからなる第二フィン群と、 備え、 前記リング部が、 前記第一フィン群の間に第一シールガスを供給可能な第一ガス供給路と、 前記第二フィン群の間に第二シールガスを供給可能な第二ガス供給路と、 前記第一フィン群と前記第二フィン群との間から、前記第一フィン群のクリアランスを通過した前記第一シールガスと前記第二フィン群のクリアランスを通過した第二シールガスとの混合ガスを排出可能な混合ガス排出路と、を有し、前記段差面及び前記混合ガス排出路のそれぞれの前記軸線方向の位置が互いに一致している。
本発明の第二態様に係る圧縮機は、前記回転軸と、前記ケーシングと、請求項１から３のいずれか一項に記載のシール装置と、を備える。
上記態様では、前記第一シールガスは、機内で圧縮されたプロセスガスであって、前記第二シールガスは、外部から供給される不活性ガスであってもよい。
これによって、プロセスガスが第二フィン群のクリアランスを通過してしまうことを抑制できる。よって、プロセスガスとしてＮＯＸ等の有害ガスや可燃ガスを用いた場合等、プロセスガスの取扱いにより注意を払う必要がある場合であっても、該プロセスガスの漏れを抑制することで、より適切な管理を行うことができる。
本発明のシール装置及び圧縮機によれば、機内側からのシールガスの漏れを抑制することができる。
以下、本発明の第一実施形態に係るシール装置及び圧縮機を備えたシステムの一例について図１〜図３を参照して詳細に説明する。第一実施形態に係る冷凍サイクルシステム１は、図示しない冷却対象を冷却するためのシステムである。本実施形態の冷凍サイクルシステム１は、例えば、液化天然ガス（以下、ＬＮＧ）プラントに用いられてもよい。特に、プロセスガスＧ１の補充が困難であり、冷却源として冷凍機を追加するスペースの確保も困難な洋上プラントや船上プラントのような海底から天然ガスを掘り出して液化するＬＮＧプラントに適用されてもよい。
冷凍サイクルシステム１は、圧縮機２と、凝縮器３と、貯留部４と、蒸発器５と、を備える。これらの構成は、上記した順番で配管６によって接続されている。
冷凍サイクルシステム１は、圧縮機２と、凝縮器３と、貯留部４と、蒸発器５と、を備える。これらの構成は、上記した順番で配管６によって接続されている。
圧縮機２は、気体状態の冷媒（以下、プロセスガスＧ１と呼ぶ。）を圧縮する。圧縮機２のロータ１１には、これを駆動するモータ等の駆動機７が接続されている。
凝縮器３は、圧縮機２において圧縮された高温高圧のプロセスガスＧ１を冷却して凝縮する。
貯留部４は、凝縮器３において液体状態とされたプロセスガスＧ１を一時的に貯留する。
蒸発器５は、貯留部４からバルブ８により断熱膨張して圧力及び温度が低下した状態で供給される液体状態のプロセスガスＧ１と、不図示の冷却対象との間で熱交換することで、液体状態のプロセスガスＧ１を蒸発させる。蒸発することで気化したプロセスガスＧ１は、再び圧縮機２に送り込まれる。
凝縮器３は、圧縮機２において圧縮された高温高圧のプロセスガスＧ１を冷却して凝縮する。
貯留部４は、凝縮器３において液体状態とされたプロセスガスＧ１を一時的に貯留する。
蒸発器５は、貯留部４からバルブ８により断熱膨張して圧力及び温度が低下した状態で供給される液体状態のプロセスガスＧ１と、不図示の冷却対象との間で熱交換することで、液体状態のプロセスガスＧ１を蒸発させる。蒸発することで気化したプロセスガスＧ１は、再び圧縮機２に送り込まれる。
上記のプロセスガスＧ１は、例えば炭化水素（ハイドロカーボン）である。プロセスガスＧ１として用いる炭化水素は、例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン等のうち適宜選択された一種類又は複数種類の炭化水素であってよい。
なお、本実施形態の圧縮機２は、上記炭化水素のような可燃性ガスの他、ＮＯＸ等の有毒ガスをプロセスガスＧ１として圧縮してもよい。
なお、本実施形態の圧縮機２は、上記炭化水素のような可燃性ガスの他、ＮＯＸ等の有毒ガスをプロセスガスＧ１として圧縮してもよい。
図１及び図２に示すように、圧縮機２のロータ１１は、軸線Ｏ回りに回転する回転軸１２及びこれに取り付けられた不図示のインペラを備える。圧縮機２は、ロータ１１を収容するケーシング４０を備える。回転軸１２は、軸線Ｏ方向の両端である第一端部１３及び第二端部１４が共にケーシング４０の外側に突出している。回転軸１２は、ケーシング４０の外側で軸受１６によってケーシング４０に対して回転自在に支持されている。図２では、回転軸１２の軸線Ｏ方向一方側の第一端部１３のみが軸受１６によってケーシング４０に対して支持されているが、回転軸１２の軸線Ｏ方向他方側の第二端部１４も同様に軸受１６によって支持されている。
図２及び図３に示すように、回転軸１２の第一端部１３側の部分には、ケーシング４０との間に隙間が形成されている。この隙間には、シール装置５０が設けられている。シール装置５０は、圧縮機２での作動流体となるプロセスガスＧ１がケーシング４０の内側から外側に、即ち、圧縮機２の機内側（図２の左側、軸線Ｏ方向他方側）から機外側（図２の右側、軸線Ｏ方向一方側）に漏れることを抑制する。
シール装置５０は、回転軸１２の外周面２０のうち第一外周面２１、第二外周面２２及び第三外周面２３を径方向外側から囲うように設けられている。これら第一外周面２１、第二外周面２２及び第三外周面２３は、それぞれ軸線Ｏに直交する断面視で円形をなしている。
第一外周面２１は、機内側に位置している。第二外周面２２は、第一外周面２１の機外側に隣接して設けられている。第二外周面２２の外径は第一外周面２１の外径よりも小さい。これによって、第一外周面２１と第二外周面２２との間には、軸線Ｏに直交する平面状をなして機外側を向く円環状の段差面３１が形成されている。第三外周面２３は、第二外周面２２の機外側に隣接して設けられている。第三外周面２３の外径は第二外周面２２よりも小さい。これによって第二外周面２２と第二外周面２２との間にも段差部３２が形成されている。
このような回転軸１２の外周面に対向するシール装置５０は、リング部６０、第一フィン群８１、第二フィン群８３及び第三フィン群８５を有する。
リング部６０は、軸線Ｏを中心とした円筒形状をなしている。リング部６０の外周面は、軸線Ｏ方向に一様な外径をなす円筒面状をなしている。リング部６０の外周面は、ケーシング４０の内周面４１に一体に固定されている。即ち、シール装置５０はケーシング４０に固定されている。
リング部６０の内周面６１は、回転軸１２の第一外周面２１に径方向外側から対向する第一内周面６２、回転軸１２の第二外周面２２に径方向外側から対向する第二内周面６３、及び、回転軸１２の第三外周面２３に径方向外側から対向する第三内周面６４を有している。
リング部６０の内周面６１は、回転軸１２の第一外周面２１に径方向外側から対向する第一内周面６２、回転軸１２の第二外周面２２に径方向外側から対向する第二内周面６３、及び、回転軸１２の第三外周面２３に径方向外側から対向する第三内周面６４を有している。
リング部６０における第一内周面６２と第二内周面６３との間には、径方向外側に向かって軸線Ｏを中心とした環状に凹む第一排出凹部７１が形成されている。リング部６０の第一排出凹部７１と回転軸１２の外周面２０とによって第一排出空間Ｒ１が区画形成されている。回転軸１２の外周面２０における第一外周面２１と第二外周面２２との境界となる段差面３１は、当該第一排出空間Ｒ１の軸線Ｏ方向の範囲内に位置している。
詳しくは図３に示すように、リング部６０における第一排出凹部７１は、機内側を向く壁面７２を有している。該壁面７２は、軸線Ｏに直交する平面状をなしており、軸線Ｏを中心とした環状に延びている。壁面７２は、回転軸１２の段差面３１よりも機外側に位置している。壁面７２の径方向内側の端部は、リング部６０の第二内周面６３と周方向全域にわたって接続されている。リング部６０の第二内周面６３は、回転軸１２の第二外周面２２に対向するとともに、第一外周面２１よりも径方向外側に位置している。
図２に示すように、第二内周面６３と第三内周面６４との間には、径方向外側に向かって軸線Ｏを中心とした環状に凹む第二排出凹部７３が形成されている。リング部６０の第二排出凹部７３と回転軸１２の外周面２０とによって第二排出空間Ｒ２が区画形成されている。
リング部６０における第一外周面２１には、該第一外周面２１の軸線Ｏ方向両端の軸線
方向内側に、第一外周面２１を軸線Ｏ方向に２つに分断するようにして、径方向外側に向かって軸線Ｏを中心とした環状に凹む第一供給凹部７４が形成されている。リング部６０の第一供給凹部７４と回転軸１２の外周面２０（第一外周面２１）とによって第一供給空間Ｒ３が区画形成されている。
リング部６０における第二外周面２２には、該第二外周面２２の軸線Ｏ方向両端の軸線Ｏ方向内側に、第二外周面２２を軸線Ｏ方向に２つに分断するようにして、径方向外側に向かって軸線Ｏを中心とした環状に凹む第二供給凹部７５が形成されている。リング部６０の第二供給凹部７５と回転軸１２の外周面２０（第二外周面２２）とによって第二供給空間Ｒ４が区画形成されている。
方向内側に、第一外周面２１を軸線Ｏ方向に２つに分断するようにして、径方向外側に向かって軸線Ｏを中心とした環状に凹む第一供給凹部７４が形成されている。リング部６０の第一供給凹部７４と回転軸１２の外周面２０（第一外周面２１）とによって第一供給空間Ｒ３が区画形成されている。
リング部６０における第二外周面２２には、該第二外周面２２の軸線Ｏ方向両端の軸線Ｏ方向内側に、第二外周面２２を軸線Ｏ方向に２つに分断するようにして、径方向外側に向かって軸線Ｏを中心とした環状に凹む第二供給凹部７５が形成されている。リング部６０の第二供給凹部７５と回転軸１２の外周面２０（第二外周面２２）とによって第二供給空間Ｒ４が区画形成されている。
ここで、リング部６０には、第一ガス供給路７６、第二ガス供給路７７、混合ガス排出路７８、不活性ガス排出路７９（シールガス排出路）が形成されている。
第一ガス供給路７６は、第一供給凹部７４と該リング部６０の外周面とを径方向に貫通するように周方向に間隔をあけて複数形成されている。
ケーシング４０の内周面４１における第一ガス供給路７６に対応する部分には、第一ガス供給路７６に圧縮機２内のプロセスガスＧ１をシール用のプロセスガスＧ１として導入可能な第一ガス導入路４２が形成されている。即ち、第一ガス導入路４２には、圧縮機２の圧縮対象となるプロセスガスＧ１の一部が抽気されて、その後にフィルタを通過したプロセスガスＧ１が供給される。
第一ガス供給路７６は、第一供給凹部７４と該リング部６０の外周面とを径方向に貫通するように周方向に間隔をあけて複数形成されている。
ケーシング４０の内周面４１における第一ガス供給路７６に対応する部分には、第一ガス供給路７６に圧縮機２内のプロセスガスＧ１をシール用のプロセスガスＧ１として導入可能な第一ガス導入路４２が形成されている。即ち、第一ガス導入路４２には、圧縮機２の圧縮対象となるプロセスガスＧ１の一部が抽気されて、その後にフィルタを通過したプロセスガスＧ１が供給される。
第二ガス供給路７７は、第二供給凹部７５と該リング部６０の外周面とを径方向に貫通するように周方向に間隔をあけて複数形成されている。
ケーシング４０の内周面４１における第二ガス供給路７７に対応する部分には、第二ガス供給路７７に圧縮機２内の不活性ガスＧ２を導入可能な第二ガス導入路４３が形成されている。第二ガス導入路４３には、図１に示すように、圧縮機２の外部に設けられた不活性ガス供給源９から、窒素等の不活性ガスＧ２が供給される。
ケーシング４０の内周面４１における第二ガス供給路７７に対応する部分には、第二ガス供給路７７に圧縮機２内の不活性ガスＧ２を導入可能な第二ガス導入路４３が形成されている。第二ガス導入路４３には、図１に示すように、圧縮機２の外部に設けられた不活性ガス供給源９から、窒素等の不活性ガスＧ２が供給される。
混合ガス排出路７８は、第一排出凹部７１と該リング部６０の外周面とを径方向に貫通するように周方向に間隔をあけて複数形成されている。
ケーシング４０の内周面４１における混合ガス排出路７８に対応する部分には、該混合ガス排出路７８からプロセスガスＧ１と不活性ガスＧ２との混合ガスを外部に導出可能な混合ガス導出路４４が形成されている。混合ガス導出路４４から圧縮機２の外部に排出された混合ガスは、図１に示すガス回収部１０によってプロセスガスＧ１のみが回収され、該プロセスガスＧ１が冷凍サイクルシステム１の配管６へと返される。ガス回収部によって分離された不活性ガスＧ２は大気開放されてもよいし、回収して再度使用してもよい。
ケーシング４０の内周面４１における混合ガス排出路７８に対応する部分には、該混合ガス排出路７８からプロセスガスＧ１と不活性ガスＧ２との混合ガスを外部に導出可能な混合ガス導出路４４が形成されている。混合ガス導出路４４から圧縮機２の外部に排出された混合ガスは、図１に示すガス回収部１０によってプロセスガスＧ１のみが回収され、該プロセスガスＧ１が冷凍サイクルシステム１の配管６へと返される。ガス回収部によって分離された不活性ガスＧ２は大気開放されてもよいし、回収して再度使用してもよい。
不活性ガス排出路７９（シールガス排出路）は、第二排出凹部７３と該リング部６０の外周面とを径方向に貫通するように周方向に間隔をあけて複数形成されている。
ケーシング４０の内周面４１における不活性ガス排出路７９に対応する部分には、不活性ガス排出路７９から不活性ガスＧ２を外部に排出する不活性ガス導出路４５が形成されている。
ケーシング４０の内周面４１における不活性ガス排出路７９に対応する部分には、不活性ガス排出路７９から不活性ガスＧ２を外部に排出する不活性ガス導出路４５が形成されている。
第一フィン群８１は、リング部６０における第一内周面６２に設けられている。第一フィン群８１は、第一内周面６２から径方向内側に突出して回転軸１２の第一外周面２１との間にクリアランスを形成する複数の第一フィン８２から構成されている。第一フィン８２はそれぞれ軸線Ｏを中心とした環状に延在している。複数の第一フィン８２は、軸線Ｏ方向に間隔をあけて並設されている。第一フィン群８１は、第一供給凹部７４によって軸線Ｏ方向に２つのグループに分断されている。
第二フィン群８３は、リング部６０における第二内周面６３に設けられている。第二フィン群８３は、第二内周面６３から径方向内側に突出して回転軸１２の第二外周面２２との間にクリアランスを形成する複数の第一フィン８２から構成されている。第二フィン８４はそれぞれ軸線Ｏを中心とした環状に延在している。複数の第二フィン８４は、軸線Ｏ方向に間隔をあけて並設されている。第二フィン群８３は、第二供給凹部７５によって軸線Ｏ方向に２つのグループに分断されている。
詳しくは図３に示すように、第二フィン群８３を構成する複数の第二フィン８４の先端（径方向内側の端部）は、第一外周面２１よりも径方向内側に位置している。
詳しくは図３に示すように、第二フィン群８３を構成する複数の第二フィン８４の先端（径方向内側の端部）は、第一外周面２１よりも径方向内側に位置している。
第三フィン群８５は、リング部６０における第三内周面６４に設けられている。第三フィン群８５は、第三内周面６４から径方向内側に突出して回転軸１２の第三外周面２３との間にクリアランスを形成する複数の第三フィン８６から構成されている。第三フィン８６はそれぞれ軸線Ｏを中心とした環状に延在している。複数の第三フィン８６は、軸線Ｏ方向に間隔をあけて並設されている。
ここで、図３に示すように、複数の第二フィン８４のうち最も機内側に位置する先頭第二フィン８４ａと段差面３１との軸線Ｏ方向の間隔をＷとする。先頭第二フィン８４ａと第二外周面２２とのクリアランスの寸法をＣＬとする。リング部６０における第二フィン群８３が設けられた内周面と第二外周面２２との径方向の間隔をＤとする。この場合、本実施形態では、ＣＬ＜Ｗ＜２Ｄの関係が成立している。
次に本実施形態の作用について説明する。
冷凍サイクルシステム１の運転時には、圧縮機２のロータ１１が回転しており、シール装置５０によって圧縮機２のロータ１１の両端からのプロセスガスＧ１の漏れが抑制される。
シール装置５０では、ケーシング４０の第一ガス導入路４２からのシール用のプロセスガスＧ１が、第一ガス供給路７６を介して第一供給空間Ｒ３内に導入される。このプロセスガスＧ１は、第一供給空間Ｒ３から第一フィン群８１のクリアランスを通過して機内側及び機外側に進行する。また、ケーシング４０の第二ガス導入路４３からの不活性ガスＧ２が、第二ガス供給路７７を介して第二供給空間Ｒ４内に導入される。この不活性ガスＧ２は、第二供給空間Ｒ４から第二フィン群８３のクリアランスを通過して機内側及び機外側に進行する。
冷凍サイクルシステム１の運転時には、圧縮機２のロータ１１が回転しており、シール装置５０によって圧縮機２のロータ１１の両端からのプロセスガスＧ１の漏れが抑制される。
シール装置５０では、ケーシング４０の第一ガス導入路４２からのシール用のプロセスガスＧ１が、第一ガス供給路７６を介して第一供給空間Ｒ３内に導入される。このプロセスガスＧ１は、第一供給空間Ｒ３から第一フィン群８１のクリアランスを通過して機内側及び機外側に進行する。また、ケーシング４０の第二ガス導入路４３からの不活性ガスＧ２が、第二ガス供給路７７を介して第二供給空間Ｒ４内に導入される。この不活性ガスＧ２は、第二供給空間Ｒ４から第二フィン群８３のクリアランスを通過して機内側及び機外側に進行する。
第一排出空間Ｒ１には、第一フィン群８１のクリアランスを機外側に向かって通過したプロセスガスＧ１が到達するとともに、第二フィン群８３のクリアランスを機内側に向かって通過した不活性ガスＧ２と到達する。第一排出空間Ｒ１では、これらプロセスガスＧ１と不活性ガスＧ２とが混ざり合って混合ガスが生成される。混合ガスは、第一排出空間Ｒ１から混合ガス排出路７８、混合ガス導出路４４を介して、圧縮機２外に排出される。
第二排出空間Ｒ２には、第二フィン群８３のクリアランスを機外側に向かって通過した不活性ガスＧ２が到達する。この不活性ガスＧ２は、第二排出空間Ｒ２から不活性ガス排出路７９、不活性ガス導出路４５を介して、圧縮機２外に排出される。
第二排出空間Ｒ２には、第二フィン群８３のクリアランスを機外側に向かって通過した不活性ガスＧ２が到達する。この不活性ガスＧ２は、第二排出空間Ｒ２から不活性ガス排出路７９、不活性ガス導出路４５を介して、圧縮機２外に排出される。
このようにシール装置５０では、シール用のプロセスガスＧ１、不活性ガスＧ２が供給されることで、機内のプロセスガスＧ１が漏出されてしまうことを抑制している。また、シール用のプロセスガスＧ１の漏れは、不活性ガスＧ２によって抑制されている。
ここで本実施形態では、図３に示すように、第一フィン群８１のクリアランスを機外側に通過するプロセスガスＧ１は、噴流として第一外周面２１に沿って第二フィン群８３に向かって進行する。一方、第二フィン群８３のクリアランスを機内側に通過する不活性ガスＧ２は、段差面３１に衝突することで径方向外側に向かって案内される。その結果、最も機内側の第二フィン８４である先頭第二フィン８４ａの手前に渦Ｖが形成される。この渦Ｖによって、第二フィン８４に向かって進行するプロセスガスＧ１の噴流は、上記渦Ｖによって径方向外側に向かって誘導される。これにより、プロセスガスＧ１の噴流が直接的に先頭第二フィン８４ａに衝突することが抑制される。
また、渦Ｖの案内によって、プロセスガスＧ１の噴流は、第二フィン群８３のクリアランスから径方向外側に向かって遠ざけられる。このように径方向外側に誘導されたプロセスガスＧ１の噴流は、第二フィン８４に沿って、より径方向外側に案内される。よって、プロセスガスＧ１の噴流が、第二フィン群８３のクリアランスを突破してしまうことを抑制できる。したがって、プロセスガスＧ１が機外に漏れ出てしまうことを回避することができる。特にプロセスガスＧ１が可燃性のガスの場合やＮＯＸ等の有毒ガスの場合であっても、本実施形態では当該プロセスガスＧ１の漏れが回避されるため、より安全なシステムを構築することができる。また、より適切なプロセスガスＧ１の管理を行うことができる。
さらに、本実施形態では、上述の通り、ＣＬ＜Ｗ＜２Ｄの関係が成立しているため、先頭第二フィン８４ａは段差面３１により近接して配置される。そのため、プロセスガスＧ１の噴流が第二フィン８４に衝突し易くなるため、上記渦Ｖによる誘導と相まって、当該噴流をより第二フィン群８３のクリアランスから遠ざけることができる。
また、本実施形態では、回転軸１２は、機内側の第一外周面２１よりも機外側の第二外周面２２の方が、外径が小さく設定されている。また、これに対応して、第一フィン群８１よりも第二フィン群８３の方が径方向内側に突出している。そのため、シール装置５０の機外側からの着脱を容易に行うことができる。
次に第二実施形態について図４を参照して説明する。第二実施形態では第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
第二実施形態では、第二フィン群８３の複数の第二フィン８４における最も機内側に位置する先頭第二フィン８４ａが、リング部６０から径方向内側に向かうに従って機内側に向かって傾斜している。これによって、先頭第二フィン８４ａの機内側を向く面は、機外側に向かうに従って径方向外側に向かって延びる傾斜案内面８４ｂとされている。複数の第二フィン８４のうち先頭第二フィン８４ａ以外の第二フィン８４は、第一実施形態と同様、径方向に突出している。
第二実施形態では、第二フィン群８３の複数の第二フィン８４における最も機内側に位置する先頭第二フィン８４ａが、リング部６０から径方向内側に向かうに従って機内側に向かって傾斜している。これによって、先頭第二フィン８４ａの機内側を向く面は、機外側に向かうに従って径方向外側に向かって延びる傾斜案内面８４ｂとされている。複数の第二フィン８４のうち先頭第二フィン８４ａ以外の第二フィン８４は、第一実施形態と同様、径方向に突出している。
第二実施形態では、上記構成によって、プロセスガスＧ１の噴流は渦Ｖによって径方向外側に案内されることに加えて、先頭第二フィン８４ａの傾斜案内面８４ｂによってさらに径方向外側に案内される。即ち、プロセスガスＧ１の噴流をより容易に径方向外側に向かって案内することができる。そのため、プロセスガスＧ１の噴流が、第二フィン群８３を突き抜けて機外に漏れ出てしまうことをより一層抑制することができる。
次に第三実施形態について図５を参照して説明する。第三実施形態では第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
第三実施形態では、リング部６０における第二フィン群８３が設けられた第二内周面６３のうち、機内側の端部から先頭第二フィン８４ａまでの部分が、径方向内側に向かって一段突出する突出内周面６３ａとされている。これにともなって、第二内周面６３の機内側の端部に接続されたリング部６０の壁面７２は、第一実施形態よりも径方向内側に向かって延びている。
第三実施形態では、リング部６０における第二フィン群８３が設けられた第二内周面６３のうち、機内側の端部から先頭第二フィン８４ａまでの部分が、径方向内側に向かって一段突出する突出内周面６３ａとされている。これにともなって、第二内周面６３の機内側の端部に接続されたリング部６０の壁面７２は、第一実施形態よりも径方向内側に向かって延びている。
本実施形態では、突出内周面６３ａは、回転軸１２の第一外周面２１と同一の径方向位置又は該第一外周面２１よりも径方向内側、かつ、先頭第二フィン８４ａの先端よりも径方向外側に位置している。これに伴って、壁面７２の径方向内側の端部は、第一外周面２１と同一の径方向位置から該第一外周面２１よりも径方向内側に位置している。
さらに、壁面７２は、径方向内側の端部から径方向外側に向かうにしたがって機外側に向かって傾斜している。壁面７２の傾斜角度は、径方向に対して例えば５°〜１５°の角度で傾斜している。壁面７２の傾斜角度は１０°とすることが好ましい。
さらに、壁面７２は、径方向内側の端部から径方向外側に向かうにしたがって機外側に向かって傾斜している。壁面７２の傾斜角度は、径方向に対して例えば５°〜１５°の角度で傾斜している。壁面７２の傾斜角度は１０°とすることが好ましい。
本実施形態によれば、第一フィン群８１を通過したプロセスガスＧ１の噴流は、壁面７２に衝突し、該壁面７２に沿って径方向外側に案内される。また、壁面７２の径方向内側では、第二シールガスの上記渦Ｖが形成されることで、プロセスガスＧ１の径方向内側への入り込みが抑制される。その結果、上記噴流が第二フィン群８３のクリアランスを通過してしまうことをより一層抑制することができ、プロセスガスＧ１の漏れを効果的に抑制することができる。
なお、第三実施形態の変形例として、例えば図６に示すように、先頭第二フィン８４ａが第二実施形態同様、傾斜していてもよい。この場合、先頭第二フィン８４ａの手前でより渦Ｖが形成され易くなる。そのため、第一外周面２１に沿って流れる噴流が、第二外周面２２側に入り込むことをより一層抑制できる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば実施形態では、冷凍サイクルシステム１の圧縮機２にシール装置５０を適用した例について説明したが、他のシステムに圧縮機２及びシール装置５０を適用してもよい。
例えば実施形態では、冷凍サイクルシステム１の圧縮機２にシール装置５０を適用した例について説明したが、他のシステムに圧縮機２及びシール装置５０を適用してもよい。
実施形態では、第一フィン群８１の間に第一シールガスとしてプロセスガスＧ１を供給する例について説明したが、第一シールガスとして例えば外部から供給される他のガスを用いてもよい。当該ガスがＮＯＸ等の有毒ガス、可燃性ガスの場合であっても、その漏れを効果的に抑制することができる。また、第一シールガスとしては、上記ガス以外の他のガスを用いてもよい。
段差面３１は、軸線Ｏに直交する平面状に限られず、機内側に向かって又は機外側に向かって傾斜していてもよい。
段差面３１は、軸線Ｏに直交する平面状に限られず、機内側に向かって又は機外側に向かって傾斜していてもよい。
実施形態では、第二フィン群８３の間に第二シールガスとして窒素を供給する例について説明したが、他の不活性ガスＧ２を第二シールガスとして用いてもよい。また、不活性ガスＧ２に限られず、他のガスを第二シールガスとして用いてもよい。
１ 冷凍サイクルシステム
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ 貯留部
５ 蒸発器
６ 配管
７ 駆動機
８ バルブ
９ 不活性ガス供給源
１０ ガス回収部
１１ ロータ
１２ 回転軸
１３ 第一端部
１４ 第二端部
１６ 軸受
２０ 外周面
２１ 第一外周面
２２ 第二外周面
２３ 第三外周面
３１ 段差面
３２ 段差部
４０ ケーシング
４１ 内周面
４２ 第一ガス導入路
４３ 第二ガス導入路
４４ 混合ガス導出路
４５ 不活性ガス導出路
５０ シール装置
６０ リング部
６１ 内周面
６２ 第一内周面
６３ 第二内周面
６３ａ 突出内周面
６４ 第三内周面
７１ 第一排出凹部
７２ 壁面
７３ 第二排出凹部
７４ 第一供給凹部
７５ 第二供給凹部
７６ 第一ガス供給路
７７ 第二ガス供給路
７８ 混合ガス排出路
７９ 不活性ガス排出路
８１ 第一フィン群
８２ 第一フィン
８３ 第二フィン群
８４ 第二フィン
８４ａ 先頭第二フィン
８４ｂ 傾斜案内面
８５ 第三フィン群
８６ 第三フィン
Ｒ１ 第一排出空間
Ｒ２ 第二排出空間
Ｒ３ 第一供給空間
Ｒ４ 第二供給空間
Ｇ１ プロセスガス
Ｇ２ 不活性ガス
Ｖ 渦
Ｏ 軸線
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ 貯留部
５ 蒸発器
６ 配管
７ 駆動機
８ バルブ
９ 不活性ガス供給源
１０ ガス回収部
１１ ロータ
１２ 回転軸
１３ 第一端部
１４ 第二端部
１６ 軸受
２０ 外周面
２１ 第一外周面
２２ 第二外周面
２３ 第三外周面
３１ 段差面
３２ 段差部
４０ ケーシング
４１ 内周面
４２ 第一ガス導入路
４３ 第二ガス導入路
４４ 混合ガス導出路
４５ 不活性ガス導出路
５０ シール装置
６０ リング部
６１ 内周面
６２ 第一内周面
６３ 第二内周面
６３ａ 突出内周面
６４ 第三内周面
７１ 第一排出凹部
７２ 壁面
７３ 第二排出凹部
７４ 第一供給凹部
７５ 第二供給凹部
７６ 第一ガス供給路
７７ 第二ガス供給路
７８ 混合ガス排出路
７９ 不活性ガス排出路
８１ 第一フィン群
８２ 第一フィン
８３ 第二フィン群
８４ 第二フィン
８４ａ 先頭第二フィン
８４ｂ 傾斜案内面
８５ 第三フィン群
８６ 第三フィン
Ｒ１ 第一排出空間
Ｒ２ 第二排出空間
Ｒ３ 第一供給空間
Ｒ４ 第二供給空間
Ｇ１ プロセスガス
Ｇ２ 不活性ガス
Ｖ 渦
Ｏ 軸線
Claims (6)
- 軸線回りに回転する回転軸と該回転軸を囲うケーシングを有する圧縮機における前記回転軸と前記ケーシングとの間に設けられて、該圧縮機の機内側と機外側とを軸線方向に隔てるシール装置であって、
前記回転軸は、第一外周面、該第一外周面の機外側に隣接して該第一外周面よりも外径が小さい第二外周面、及び、前記第一外周面と前記第二外周面とを接続する段差面を有し、
前記ケーシングに固定されて前記軸線を囲う環状をなすリング部と、
該リング部の内周面から突出して前記第一外周面との間でクリアランスを形成する複数のフィンからなる第一フィン群と、
前記リング部の内周面から突出して先端が前記第一外周面よりも径方向内側に位置するとともに前記第二外周面との間でクリアランスを形成する複数の第二フィンからなる第二フィン群と、
備え、
前記リング部が、
前記第一フィン群の間に第一シールガスを供給可能な第一ガス供給路と、
前記第二フィン群の間に第二シールガスを供給可能な第二ガス供給路と、
前記第一フィン群と前記第二フィン群との間から、前記第一フィン群のクリアランスを通過した前記第一シールガスと前記第二フィン群のクリアランスを通過した第二シールガスとの混合ガスを排出可能な混合ガス排出路と、
を有し、
複数の前記第二フィンのうち最も機内側に位置する先頭第二フィンと前記段差面との前記軸線方向の間隔をＷとし、
前記先頭第二フィンと前記第二外周面とのクリアランスの寸法をＣＬとし、
前記リング部における前記第二フィン群が設けられた内周面と前記第二外周面との径方向の間隔をＤとした場合に、
ＣＬ＜Ｗ＜２Ｄの関係が成立するシール装置。 - 軸線回りに回転する回転軸と該回転軸を囲うケーシングを有する圧縮機における前記回転軸と前記ケーシングとの間に設けられて、該圧縮機の機内側と機外側とを軸線方向に隔てるシール装置であって、
前記回転軸は、第一外周面、該第一外周面の機外側に隣接して該第一外周面よりも外径が小さい第二外周面、及び、前記第一外周面と前記第二外周面とを接続する段差面を有し、
前記ケーシングに固定されて前記軸線を囲う環状をなすリング部と、
該リング部の内周面から突出して前記第一外周面との間でクリアランスを形成する複数のフィンからなる第一フィン群と、
前記リング部の内周面から突出して先端が前記第一外周面よりも径方向内側に位置するとともに前記第二外周面との間でクリアランスを形成する複数の第二フィンからなる第二フィン群と、
備え、
前記リング部が、
前記第一フィン群の間に第一シールガスを供給可能な第一ガス供給路と、
前記第二フィン群の間に第二シールガスを供給可能な第二ガス供給路と、
前記第一フィン群と前記第二フィン群との間から、前記第一フィン群のクリアランスを通過した前記第一シールガスと前記第二フィン群のクリアランスを通過した第二シールガスとの混合ガスを排出可能な混合ガス排出路と、
を有し、
前記リング部は、
前記第一外周面よりも機外側、かつ、複数の前記第二フィンのうち最も機内側に位置する先頭第二フィンよりも機内側に位置するとともに、前記第一フィン群のクリアランスを通過した第一シールガスが衝突する壁面を有し、
該壁面は、径方向外側に向かうにしたがって機外側に向かって傾斜しているシール装置。 - 軸線回りに回転する回転軸と該回転軸を囲うケーシングを有する圧縮機における前記回転軸と前記ケーシングとの間に設けられて、該圧縮機の機内側と機外側とを軸線方向に隔てるシール装置であって、
前記回転軸は、第一外周面、該第一外周面の機外側に隣接して該第一外周面よりも外径が小さい第二外周面、及び、前記第一外周面と前記第二外周面とを接続する段差面を有し、
前記ケーシングに固定されて前記軸線を囲う環状をなすリング部と、
該リング部の内周面から突出して前記第一外周面との間でクリアランスを形成する複数のフィンからなる第一フィン群と、
前記リング部の内周面から突出して先端が前記第一外周面よりも径方向内側に位置するとともに前記第二外周面との間でクリアランスを形成する複数の第二フィンからなる第二フィン群と、
備え、
前記リング部が、
前記第一フィン群の間に第一シールガスを供給可能な第一ガス供給路と、
前記第二フィン群の間に第二シールガスを供給可能な第二ガス供給路と、
前記第一フィン群と前記第二フィン群との間から、前記第一フィン群のクリアランスを通過した前記第一シールガスと前記第二フィン群のクリアランスを通過した第二シールガスとの混合ガスを排出可能な混合ガス排出路と、
を有し、
前記段差面及び前記混合ガス排出路のそれぞれの前記軸線方向の位置が互いに一致しているシール装置。 - 複数の前記第二フィンのうち最も機内側に位置する先頭第二フィンは、径方向内側に向かうに従って機内側に向かって傾斜している請求項１から３のいずれか一項に記載のシール装置。
- 前記回転軸と、前記ケーシングと、請求項１から４のいずれか一項に記載のシール装置と、を備える圧縮機。
- 前記第一シールガスは、機内で圧縮されたプロセスガスであって、
前記第二シールガスは、外部から供給される不活性ガスである請求項５に記載の圧縮機。
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