JP6905152B2 - 防汚性を向上させた気体潤滑式メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、ガス状流体をバリア媒体として用いる気体潤滑式メカニカルシール装置であって、防汚性を向上させたメカニカルシール装置に関する。

気体潤滑式メカニカルシールは、例えば、圧縮機において、圧縮機の駆動軸をシールするために用いられている。気体潤滑式メカニカルシール内の回転メカニカル摺動リングと固定メカニカル摺動リングとの間のシールギャップをシールするためのバリア媒体として、空気又は窒素等のガス状流体が用いられている。メカニカルシール装置の動作時において、微細な固体状の汚れの粒子等がシールギャップに浸入し、回転摺動リング及び／又は固定摺動リングの摺動面を損傷させることがある。これにより、メカニカルシールの寿命が短くなってしまう。

このため、本発明は、設計がシンプルであり、製造が容易且つ低コストでありながら、防汚性を向上させるメカニカルシール装置を提供することを目的とする。更に、本発明は、より長い耐用寿命を有するメカニカルシールを備えた圧縮機を提供することを目的とする。

上記の目的は、請求項１の特徴を有するメカニカルシール装置、及び請求項１１の特徴を有する圧縮機によって達成される。それぞれの下位の請求項は、本発明の好適な更なる展開例を示す。

本発明に係る請求項１の特徴を有する気体潤滑式メカニカルシール装置は、防汚性が向上するという利点を有する。このため、埃や微粒子といった固体粒子等が回転メカニカルシールと固定摺動リングとの間のシールギャップに浸入することを回避できる。したがって、メカニカルシール装置を大幅に安全に動作させることが可能になり、これにより、メカニカルシール装置の耐用寿命が伸びる。本発明によれば、上記を実現するために、気体潤滑式メカニカルシール装置は、それらの間にシールギャップを画定する回転摺動リング及び固定摺動リングを備える。更に、固定摺動リングを回転摺動リングへの方向に付勢する付勢装置が設けられている。更に、ガス状流体を導入可能な流体室が設けられており、ガス状流体は、メカニカルシールのバリア媒体として用いられ、シールギャップに導入される。更に、メカニカルシール装置は、第１軸方向面を有し、回転摺動リングを保持する第１摺動リング担持部と、第２軸方向面を有し、固定摺動リングを保持する第２摺動リング担持部とを備える。第２摺動リング担持部及び固定摺動リングは共に、メカニカルシール装置の軸方向に沿って、摺動面上に配設されている。更に、第１及び第２軸方向面によって、軸方向ギャップが制限されている。軸方向ギャップは、メカニカルシール装置の中心軸線に対して垂直に向けられている。更に、メカニカルシールのシールギャップにおいて副室が形成され、副室は、軸方向ギャップを介して流体室に連結されている。このため、上記の追加的な軸方向ギャップを、流体室からシールギャップへ向かうガス状流体の流路に設けることで、ガス状流体内に存在し得る汚れの粒子がシールギャップに到達することが防止される。回転摺動リングを保持する第１摺動リング担持部が、回転摺動リングと共に回転すると、この回転により基本的に外側に向けた遠心力が生じ、汚れの粒子等を軸方向ギャップから押し出すため、メカニカルシール装置の動作時において固体物が軸方向ギャップに浸入することが非常に困難になる。これにより、固体粒子がシールギャップの方向へ移動することがより一層困難になる。

更に好ましくは、メカニカルシール装置は、変位面を形成する円筒状の外面を有するスリーブを備え、その上に、第２摺動リング担持部及び固定摺動リングが軸方向に共に変位可能なように配設される。或いは、摺動面が、筐体上に配設可能であると好ましい。

更に好ましくは、メカニカルシール装置は、第１径方向ギャップを介して流体室に接続された圧力補償室を備える。圧力補償は、圧力補償室を通じて、固定摺動リングに対して発生させることができる。これにより、特にメカニカルシールを停止状態から始動させた際にシールギャップにおいて高まる圧力を、低く抑えることができる。

更に好ましくは、メカニカルシール装置は、軸方向ギャップの径方向外側に位置する保護エッジを備える。これにより、バリア媒体としてのガス状流体内に存在し得る固体粒子がメカニカルシールのシールギャップに到達することが、更に防止される。保護エッジは、第１摺動リング担持部、第２摺動リング担持部、または、第１及び第２摺動リング担持部の両方に設けられることが好ましい。

本発明の他の好適な実施形態によれば、軸方向ギャップの幅Ｂに対する軸方向ギャップの長さＬの比率は、２：１以上である。これにより、軸方向ギャップの長さは、常に確実にその幅よりも大きくなるため、固体粒子の軸方向ギャップへの浸入が更に困難になる。

好ましくは、メカニカルシール装置は、第２摺動リング担持部の外周に配設された排液溝を更に含む。排液溝によって、メカニカルシール装置が設けられた装置が停止状態にある際に、媒体、具体的にはガス状流体から生じた凝縮物を、外周における排液溝に沿って確実に下方に排液させることできる。これにより、凝縮物を、例えば排液口から安全に排液できる。

バネ要素は、回転摺動リングを固定摺動リングに向かって付勢するのに特に好適である。バネ要素は、容易且つ安価に用意できる。バネ要素は、筐体と、固定摺動リングを保持する第２摺動リング担持部との間に配設することが好ましい。

また、圧力補償室は、回転摺動リングが例えば軸スリーブを介して又は直接配設された回転軸が軸方向に移動した場合に、固定摺動リングを直ちに前進させられるという利点を有する。第１及び第２軸方向面間の軸方向ギャップが第１及び第２摺動リング担持部上に形成されているため、衝撃等によって回転摺動リングが軸方向に移動しても、第１及び第２摺動リング担持部間の軸方向ギャップにおける接触は回避される。軸方向ギャップは、いかなる動作状況下における動作時においても、維持することができる。

特にシンプル且つコンパクトな実施形態としては、第２摺動リング担持部は、カップ状を有することが好ましい。更に、メカニカルシール装置は、摺動面をシールする補助シールを備えることが好ましい。したがって、補助シールは、第２摺動リング担持部及び固定メカニカルシールと共に摺動面上を移動可能に構成されていることが好ましい。

本発明の他の好適な実施形態によれば、軸方向ギャップと、メカニカルシールのシールギャップにおける副室との間に、 第２径方向ギャップが配設されている。第２径方向ギャップは、固体粒子によるシールギャップの汚染に対する他の安全装置である。これにより、汚れに対してメカニカルシール装置を更に保護することができる。

径方向ギャップの第２幅が、軸方向ギャップの第１幅と等しいことが特に好ましい。

更に、本発明は、本発明に係るメカニカルシール装置を備える、ガス状媒体を圧縮するための圧縮機に関する。好ましくは、圧縮機は、遠心式圧縮機である。圧縮機によって圧縮されたガス状流体は、分岐されて流体室に供給されることが特に好ましい。このため、既に圧縮機にあるガス状流体は、メカニカルシール装置を動作させるためのバリア媒体としても用いることができる。このために、バリア流体を別個に供給する必要はない。したがって、ガス状流体の汚染の可能性が高まる。しかしながら、メカニカルシールにおけるシール媒体として用いられるガス状流体が、別のシール媒体流路により提供されることも意図されていることに留意すべきである。

以下、本発明の好適な実施形態を、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図面は以下のとおりである。
本発明の第１実施形態に係る気体潤滑式メカニカルシール装置を備える圧縮機の概略断面図である。 図１のメカニカルシール装置の部分拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置を備える圧縮機の概略図である。 本発明の第３実施形態に係るメカニカルシール装置を備える圧縮機の概略図である。

以下に、本発明の第１の好適な実施形態に係るメカニカルシール装置１を、図１及び図２を参照して詳細に説明する。メカニカルシール装置１は、大気６０に対して流体室６をシールする。

図１から分かるように、メカニカルシール１は、回転軸１５上に配設され、圧縮機１６をシールする。この圧縮機は、ガス状流体を圧縮し、圧縮されたガス状流体は、排出路１７を介して消費先に供給される。排出路１７からは、分岐路１８が分岐しており、メカニカルシール装置１における流体室６まで延在している。

メカニカルシール装置１は、それらの間にシールギャップ４を画定する回転摺動リング２及び固定摺動リング３を備えるメカニカルシールを備えている。

このメカニカルシールは、大気６０に対して流体室６をシールする。

回転メカニカルシール２は、第１摺動リング担持部２０に保持されている。第１摺動リング担持部２０は、スリーブ部２０ａにおいて、軸１５に直接固定されている。第１摺動リング担持部２０は、回転摺動リング２を部分的に囲繞している。固定摺動リング３は、第２摺動リング担持部３０に保持されている。ここで、環状の補助シール部材３５が設けられており、これは、第２摺動リング担持部３０と固定摺動リング３との間に配設されている。

図１から分かるように、固定摺動リング３及び補助シール部材３５は、スリーブ３３の変位面３２上に摺動可能に配設されている。スリーブ３３は、筐体３４上に強固に固定されている。本実施形態において、変位面３２は円筒状の面であり、回転摺動リング２の軸方向の移動時において固定摺動リング３の軸方向の調整を可能にしている。

固定摺動リング３は、本実施形態においてバネ要素である付勢装置５により、回転摺動リング２に対して軸方向Ｘ−Ｘに沿って予め付勢されている。付勢装置５は、筐体３４と、固定されている第２摺動リング担持部３０との間に配設されている。

図１から更に分かるように、副室８が、シールギャップ４に隣接して配設されている。また、図１から分かるように、第２摺動リング担持部３０の後面側に向かって延在する圧力補償室９が更に設けられている。本実施形態では、付勢装置５は、圧力補償室９内に配設されている。

副室８は、軸方向ギャップ７を介して流体室６に接続されている。軸方向ギャップ７は、図２で詳細に確認できる。軸方向ギャップ７は、第１摺動リング担持部２０の第１軸方向面２１と、固定された第２摺動リング担持部３０の第２軸方向面３１とから構成されている。軸方向ギャップ７は、第１幅Ｂ１を有する。更に、軸方向ギャップ７は、径方向において長さＬを有する。このように、軸方向ギャップ７は、第１軸方向面２１と第２軸方向面３１との間の距離を示し、これは、回転摺動リングと固定摺動リングとの間のシールギャップ４よりも常に大きい。

軸方向ギャップ７の第１幅Ｂ１に対する長さＬの比率は、２以上である。図２から分かるように、軸方向ギャップ７は、専ら軸方向Ｘ−Ｘに向かって径方向に沿って形成されている。

図１及び図２から更に分かるように、流体室６と圧力補償室９との間に、第１径方向ギャップ１０が更に設けられている。第１径方向ギャップ１０は、一定の幅Ｂ３を有する。この幅Ｂ３は、径方向ギャップ１２の第２幅Ｂ２よりも小さいことが好ましい。幅Ｂ３をできるだけ小さくすることで、圧力補償室９への流体の流入を最小限に抑え、圧力補償室９を流体室６から確実に切り離している。特に、これにより、圧力補償室９への汚れの粒子の浸入を防いでいる。

更に、流体室６から副室８への流体流路には、第２径方向ギャップ１２が設けられており、この第２径方向ギャップ１２は、軸方向Ｘ−Ｘに沿って一定の第２幅Ｂ２を有している。第２幅Ｂ２は、軸方向ギャップ７の第１幅Ｂ１と等しい。

図１から更に分かるように、軸方向ギャップ７は、シーリングギャップ４に対して軸方向Ｘ−Ｘにずれている。

このため、副室８は、第２径方向ギャップ１２及び軸方向ギャップ７を介して流体室６に接続されている。

軸方向ギャップ７及び第２径方向ギャップ１２がいずれも第１摺動リング担持部２０と第２摺動リング担持部３０との間に形成されているため、このギャップ構造の作成は、費用対効果が特に高い。

動作時において、特定の動作状況下では、メカニカルシール装置１に、軸方向の相対的な移動が生じることがある。特に、軸１５が熱膨張すると、軸１５と筐体３４との軸方向における相対的な移動が生じることがある。この場合、第１摺動リング担持部２０を介して軸１５に接続されている回転摺動リング２は、軸方向Ｘ−Ｘに沿った軸方向移動Ｆを、例えば圧縮機１６に向かって行うことができる。これにより、回転摺動リング２と固定摺動リング３との間のシールギャップ４が広がるが、圧力補償室９及びその内部に配設された付勢装置５やスリーブ３３の変位面３２により、固定摺動リング３は、直ちに回転摺動リング２の移動に追従して、回転摺動リング２の軸方向変位の方向に移動することができる。このため、シールギャップ４は変化しない。軸方向ギャップ７が第１及び第２摺動リング担持部２０，３０という２つの要素により構成されており、摺動リング担持部２０，３０が摺動リング２，３と共に移動するため、軸方向ギャップ７を形成する第１及び第２軸方向面２１，３１間の接触を防止できる。

第１幅Ｂ１が常にシールギャップ４の幅よりも大きく、回転摺動リング２と固定摺動リング３とのシール面同士が最初に接触するため、回転摺動リング２が固定摺動リング３に向かって軸方向に移動したとしても、第１軸方向面２１と第２軸方向面３１との接触は生じない。したがって、いかなる動作条件においても、第１軸方向面２１と第２軸方向面３１との間の接触は生じ得ない。このため、特定の動作状況下においても、軸方向ギャップ７は常に存在する。

また、固定された第２摺動リング担持部３０の外周には、排液溝１１が形成されている。排液溝１１は、第２摺動リング担持部３０の外周のうち少なくともその半分に亘って延在し、摺動リング担持部３０の全周に亘って延在していることが好ましい。排液溝１１は、様々な動作状況下においてガス状流体から凝縮され得る凝縮物の排液に用いられる。凝縮物を、メカニカルシール装置における排液部等が設けられた領域まで、排液溝１１を通じて下方に案内することができる。

図１にさらに示すように、ラビリンスシール５１を含むシール要素５０が、圧縮機１６と軸１５上のメカニカルシール装置１との間に配設されている。

このため、軸方向ギャップ７を設けることにより、副室８、そして特に回転及び固定メカニカル摺動リング２，３間のシールギャップ４及び各メカニカル摺動リングの裏側の汚染を回避できる。軸方向ギャップ７を設けることにより、排出路から分岐したガス状流体に存在し得る固体粒子や液滴が、シールギャップ４まで移動することが防止される。動作時において第１摺動リング担持部２０が回転軸１５及び回転摺動リング２と共に回転すると、軸方向ギャップ７において径方向外側に向かう流れが生じるため、更に固体物を軸方向ギャップ７から排出させることができる。ここで、各摺動リングの軸方向の移動が生じる動作の場合においても、軸方向ギャップ７は維持される。このような場合でも、副室８への固体物の浸入を回避できる。これにより、気体潤滑式メカニカルシール用のメカニカルシール装置の耐用寿命が大幅に伸びる。

図３は、本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置１及び圧縮機１６を示す。

第２実施形態は、第１実施形態とは異なり、回転する第１摺動リング担持部２０上に配設された保護エッジ２６を更に備える。図３から分かるように、保護エッジ２６は、軸方向ギャップ７の径方向外側に配設されている。これにより、軸方向ギャップ７への汚れの浸入を防止し、必要に場合に副室８や特にシールギャップ４への汚れの浸入を防止する更なる装置が設けられる。保護エッジ２６は、軸方向ギャップ７に面する斜面２７を備える。これにより、保護エッジ２６の汚染が防止される。したがって、第２実施形態に係るメカニカルシール装置１は、より汚れで汚染され難くなっているため、メカニカルシール装置の耐用寿命が更に伸びる。

図４は、本発明の第３実施形態に係るメカニカルシール装置１及び圧縮機１６を示す。第３実施形態は、第２実施形態とは異なり、固定された第２摺動リング担持部３０に配設された保護エッジ３６を備える。第２実施形態と同様に、保護エッジ３６は、軸方向ギャップ７の径方向外側に配設されている。その機能は、第２実施形態の場合と同じであるため、副室８や特に回転摺動リングと固定摺動リングとの間のシールギャップに汚れの粒子が浸入することを確実に防止できる。

１ メカニカルシール装置
２ 回転摺動リング
３ 固定摺動リング
４ シールギャップ
５ 付勢装置
６ 流体室
７ 軸方向ギャップ
８ 副室
９ 圧力補償室
１０ 第１径方向ギャップ
１１ 排液溝
１２ 第２径方向ギャップ
１５ 軸
１６ 圧縮機
１７ 排出路
１８ 分岐路
２０ 第１摺動リング担持部
２０ａ スリーブ部
２１ 第１軸方向面
２６ 保護エッジ
２７ 斜面
３０ 第２摺動リング担持部
３１ 第２軸方向面
３２ 変位面
３３ スリーブ
３４ 筐体
３５ 補助シール部材
３６ 保護エッジ
５０ シール要素
５１ ラビリンスシール
６０ 大気
Ｂ１ 第１幅
Ｂ２ 第２幅
Ｂ３ 第３幅
Ｆ 軸方向移動
Ｌ 長さ
Ｘ−Ｘ 軸方向

Claims (12)

1. ガス状流体をバリア媒体として用いる気体潤滑式メカニカルシール装置であって、
   それらの間にシールギャップ（４）を画定する回転摺動リング（２）及び固定摺動リング（３）を備えるメカニカルシールと、
   前記固定摺動リング（３）を前記回転摺動リング（２）への方向に付勢する付勢装置（５）と、
   ガス状流体を導入可能な流体室（６）と、
   第１軸方向面（２１）を有し、前記回転摺動リング（２）を保持する第１摺動リング担持部（２０）と、
   第２軸方向面（３１）を有し、前記固定摺動リング（３）を保持する第２摺動リング担持部（３０）とを備え、
   前記第２摺動リング担持部（３０）及び前記固定摺動リング（３）が共に、軸方向（Ｘ−Ｘ）に変位可能になるように変位面（３２）上に配設され、
   前記メカニカルシール装置が、
   前記第１軸方向面（２１）及び前記第２軸方向面（３１）によって制限された軸方向ギャップ（７）と、
   前記メカニカルシールの前記シールギャップ（４）に隣接して配設され、前記軸方向ギャップ（７）を介して前記流体室（６）に接続された副室（８）とを備える
   ことを特徴とするメカニカルシール装置。
2. 前記変位面（３２）を形成する円筒状の外面を有するスリーブ（３３）を更に備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
3. 第１径方向ギャップ（１０）を介して前記流体室（６）に連結された圧力補償室（９）を更に備える、
   ことを特徴とする請求項１及び２のいずれかに記載のメカニカルシール装置。
4. 前記軸方向ギャップ（７）の径方向外側に配設された保護エッジ（２６，３６）を更に備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
5. 前記保護エッジが、前記第１摺動リング担持部（２０）又は前記第２摺動リング担持部（３０）に設けられている
   ことを特徴とする請求項４に記載のメカニカルシール装置。
6. 前記軸方向ギャップ（７）の幅（Ｂ１）に対する前記軸方向ギャップ（７）の長さ（Ｌ）の比率が、２：１以上である
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
7. 前記第２摺動リング担持部（３０）の外周に配置された排液溝（１１）を更に具備する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
8. 前記第２摺動リング担持部（３０）がカップ状構造を有する
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
9. 前記軸方向ギャップ（７）と前記副室（８）との間に第２径方向ギャップ（１２）が配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置。
10. 前記第２径方向ギャップ（１２）の第２幅（Ｂ２）が、前記軸方向ギャップ（７）の幅（Ｂ１）と等しい
    ことを特徴とする請求項９に記載のメカニカルシール装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載のメカニカルシール装置を備えることを特徴とする
    ガス状媒体を圧縮するための圧縮機。
12. ガス状媒体を前記圧縮機の排出路（１７）から前記流体室（６）へ供給するために前記排出路（１７）から前記流体室（６）まで延在する分岐路（１８）を更に備える
    ことを特徴とする請求項１１に記載の圧縮機。

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