KR101523188B1

KR101523188B1 - 원심분리장치

Info

Publication number: KR101523188B1
Application number: KR1020140143113A
Authority: KR
Inventors: 겐지 모리타
Original assignee: 도모에고교 가부시키가이샤
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2015-05-27
Also published as: EP2868386B1; CN104399601A; KR20150051871A; US9238233B2; US20150126352A1; JP2015089525A; CN104399601B; EP2868386A1; JP5547331B1

Abstract

(과제)
본 발명은, 수직형의 원심분리장치에 있어서, 케이싱 내의 설정압력에 의하여 베어링기구의 내압설계사양을 변경하지 않고 제품의 표준화를 실현한다.
(해결수단)
용기를 구성하는 케이싱과, 상기 케이싱 내에 회전 가능하게 배치된 원심분리용의 보울과, 상기 보울의 상부측에 설치되고 연직축방향으로 연장되는 상기
보울의 회전축과, 상기 케이싱의 외측에 배치되고 상기 회전축을 회전시키는 구동장치와, 상기 케이싱의 개구부에 배치되고 상기 개구부를 관통하는 상기 회전축을 축지하는 베어링기구를 포함하는 수직형의 원심분리장치에 있어서, 상기 베어링기구는, 상기 회전축을 둘러싸는 하우징과, 상기 회전축을 축지하는 베어링과, 상기 베어링기구의 케이싱 측의 단부에 배치되어 상기 하우징과 회전축의 클리어런스를 압력기체에 의하여 밀봉하는 비접촉형의 축밀봉기구를 구비하고 있다.

Description

원심분리장치{CENTRIFUGAL SEPARATOR}

본 발명은 수직형(垂直型)의 원심분리장치(遠心分離裝置)에 관한 것으로서, 특히 케이싱(casing) 내에서 회전하는 원심분리용의 보울(bowl)의 축밀봉기구(軸密封機構)에 관한 것이다.

예를 들면 특허문헌1에 개시되어 있는 분리장치는, 피처리액(被處理液)에 원심력(遠心力)을 부여하여 분리조작을 실행하는 디캔터 타입(decanter type)의 원심분리장치이다. 원심분리장치는, 피처리액이 내부에 공급되는 원통형상의 보울이 케이싱 내측에 배치되어 있으며, 보울을 회전시키는 구동기구(驅動機構)(예를 들면 구동모터)가 케이싱 외측에 배치되어 있다. 보울의 회전축인 샤프트(shaft)는, 케이싱의 상부측 개구부(開口部)를 막도록 배치된 베어링기구(bearing機構)에 의하여 축지(軸支)되어 있으며, 케이싱의 외측으로까지 연장된 샤프트 단부(端部)에 구동모터의 동력이 전달되는 구성으로 되어 있다. 또한 보울 내에는 스크루 컨베이어(screw conveyor)가 배치되어 있으며, 차속발생장치(差速發生裝置)인 기어박스(gear box)를 통하여 구동모터의 동력이 스크루 컨베이어에 전달되어, 보울과 상대적인 속도차이(차속(差速))에 의하여 회전함으로써 고형물(固形物)을 배출구를 향해서 반송한다.

보울의 회전축인 샤프트의 베어링기구는, 샤프트가 회전 가능하도록 축지하는 베어링과, 베어링을 지지하는 하우징(housing)과, 하우징과 샤프트의 클리어런스(clearance) 부분을 밀봉(축밀봉(軸密封))하는 기계밀봉(mechanical seal)을 구비하고 있다. 기계밀봉은, 케이싱 내의 물질 등이 장치외측으로 누설되는 것 및 베어링 등이 케이싱 내의 물질 등과 접촉해서 열화(劣化)되는 것을 방지한다. 또한 반대로, 클리어런스의 부분을 통하여 외기(外氣)로부터의 이물질(異物質)이나 베어링의 윤활오일(潤滑oil) 등이 케이싱 내로 혼입되는 것도 방지한다.

기계밀봉은, 고정링(固定ring)과 회전링(回轉ring) 사이에 접촉 슬라이딩하는 부분이 있어 여기에서 발열이 일어난다. 발열량이 커지게 되면 기계밀봉이 열화되기 때문에, 원심분리장치는 윤활오일을 냉각용의 쿨랜트(coolant)로서 순환공급하는 수단을 더 구비하고 있다. 윤활오일을 순환공급하는 수단으로서는, 오일탱크(oil tank), 펌프(pump) 및 온도조정기를 구비한 오일유닛(oil unit)이 사용된다. 기계밀봉에서는 압력 및 유량을 조절하면서 윤활오일을 순환공급하고, 이에 따라 축밀봉의 압력균형을 조절한다.

그러나 기계밀봉을 채용하는 원심분리장치는, 케이싱 내의 설정압력에 따라 베어링기구에 있어서의 기계밀봉 이외의 부분에 있어서 내압설계사양(耐壓設計仕樣)을 변경할 필요가 있어, 상압용(常壓用)이나 고압용(高壓用) 등과 같이 제품이 구별되어 있었다. 예를 들면 상압용에서는 래버린스 밀봉(labyrinth 密封)을 포함하지만, 고압용에서는 래버린스 밀봉으로는 내압성(耐壓性)을 확보할 수 없다. 그래서 고압용에서는 래버린스 밀봉을 대신하여 예를 들면 클리어런스 부싱(clearance bushing)을 설치하여, 그 길이조절 등에 의하여 내압성을 높이는 구조로 되어 있어, 상압용과 고압용의 사이에서 예비품 등의 호환성도 없다. 또한 베어링기구를 구성하는 각 부품(예를 들면 클리어런스 부싱 등)의 틈새나 형상 등에 따라 압력균형을 조절하는 현장조절작업의 부담이 컸었다. 특히 윤활오일의 압력조정과 유량조정은, 케이싱 내의 설정압력이 높을수록 어렵게 된다.

디캔터 타입의 원심분리장치는, 보울이 가로로 놓여진 수평형 타입의 것이 있다. 수평형 타입의 디캔터는, 보울의 유지보수나 꺼내기를 하기 위해서 케이싱이 상하로 2분할되는 구조로 되어, 내압성이 낮기 때문에 고압조건 하에서는 사용할 수 없다. 이에 대하여 수직형 타입의 디캔터는, 케이싱을 내압용기로 할 수 있기 때문에 고압조건 하에서의 사용이 가능하다. 그러나 베어링기구에 관해서도 내압사양(耐壓仕樣)으로 할 필요가 있다. 또한 축밀봉의 압력균형을 조절하는 것이 어렵다. 수직형 타입에는, 이러한 수평형 타입에는 없는 기술적 과제가 있다.

또한 예를 들면 특허문헌4와 같이 고압(高壓) 하에서 테레프탈산(terephthalic acid)을 고액분리(固液分離)하는 경우에, 케이싱 내로 확산되는 테레프탈산의 미분(微粉)이 기계밀봉의 슬라이딩 부분으로 물려 들어가 버려, 기계밀봉의 열화를 야기시키는 문제가 있었다. 테레프탈산뿐만 아니라 미분이 케이싱 내로 확산되는 처리물에 있어서는 동일한 문제가 우려된다.

; 일본국 공개특허 특개2012-7634호 공보 ; 일본국 특허 제5048165호 ; 일본국 공개특허 특개2007-38160호 공보 ; 일본국 특허 제4907781호

본 발명은 일례로서 든 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 수직형의 원심분리장치에 있어서 케이싱 내의 설정압력에 의하여 상압용이나 고압용과 같은 베어링기구의 내압설계사양을 변경하지 않고, 베어링기구의 내압설계사양을 표준화하여 그 결과로서 제품의 표준화를 실현하는 것에 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 원심분리 실행시에 있어서 케이싱 내의 설정압력을 고압으로 하더라도 밀봉특성을 장기간 유지할 수 있는 축밀봉기구를 구비한 원심분리장치를 제공하는 것에 있다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은, 케이싱 내로 미분이 확산되는 조업조건에 있어서도, 미분에 의하여 밀봉특성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 축밀봉기구를 구비한 원심분리장치를 제공하는 것에 있다.

(1) 본 발명의 원심분리장치는, 용기를 구성하는 케이싱과, 상기 케이싱 내에 회전 가능하게 배치된 원심분리용의 보울과, 상기 보울의 상부측에 설치되고 연직축방향으로 연장되는 상기 보울의 회전축과, 상기 케이싱의 외측에 배치되고 상기 회전축을 회전시키는 구동장치와, 상기 케이싱의 개구부에 배치되고 상기 개구부를 관통하는 상기 회전축을 축지하는 베어링기구를 포함하는 수직형의 원심분리장치로서, 상기 베어링기구는, 상기 회전축을 둘러싸는 하우징과, 상기 회전축을 축지하는 베어링과, 상기 베어링기구의 케이싱 측의 단부에 배치되어 상기 하우징과 회전축의 클리어런스를 압력기체에 의하여 밀봉하는 비접촉형의 축밀봉기구를 구비하는 것을 특징으로 한다.

(2) 상기 베어링으로부터 상기 축밀봉기구에 이르기까지의 클리어런스의 부분에, 상기 베어링의 윤활오일을 배출하는 제1배출구와, 상기 축밀봉기구로부터 리크된 밀봉용의 기체를 배출하는 제2배출구를 위에서부터 순서대로 형성하고 있는 것이 바람직하다.

(3) 상기 베어링의 윤활오일을 배출하는 제1배출구와, 상기 축밀봉기구로부터 리크된 밀봉용의 기체를 배출하는 제2배출구 사이에, 상기 회전축과 일체로 되어 회전함으로써 윤활오일이 축밀봉기구까지 흘러 내려가는 것을 방지하는 흘러내림 방지부재를 더 구비한 구성으로 하는 것이 바람직하다.

(4) 상기 베어링기구에는, 상기 비접촉형의 축밀봉기구에 압력기체를 공급하는 공급로와, 상기 축밀봉기구로부터 리크된 밀봉용 기체를 회수하는 회수로가 접속되어 있으며, 상기 밀봉용 기체의 회수로에는, 미스트 회수장치가 더 접속되어 있는 것이 바람직하다.

(5) 상기 밀봉용 기체의 회수로는, 상기 베어링의 윤활오일을 저장하는 탱크에 접속되어 있으며, 원심분리 실행시에 상기 케이싱의 내압이 0.1MPa 이상이 되는 고압용의 원심분리장치인 경우에는, 상기 미스트 회수장치는, 회수로의 도중에 배치된 대기개방형의 버퍼탱크인 것이 바람직하다.

(6) 상기 밀봉용 기체의 회수로는, 상기 베어링의 윤활오일을 저장하는 탱크에 접속되어 있고, 원심분리 실행시에 상기 케이싱 내의 내압이 0.1ＭＰａ 미만이 되는 상압용의 원심분리장치인 경우에는, 상기 윤활오일을 저장하는 탱크는 대기개방 구조로 되고 있으며, 이 탱크가 상기 미스트 회수장치를 겸하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 수직형의 원심분리장치에 있어서, 보울의 회전축을 둘러싸는 하우징과, 상기 회전축을 축지하는 베어링과, 상기 하우징과 회전축의 클리어런스를 압력기체에 의하여 밀봉하는 비접촉형의 축밀봉기구를 구비한 베어링기구로 함으로써, 축밀봉기구용의 윤활오일의 강제순환이 불필요하게 된다. 즉 축밀봉기구를 위하여 지금까지 했던 윤활오일의 압력조정과 유량조정이 불필요하게 된다. 또한 기체의 압력조정에 의하여 밀봉특성을 변경할 수 있기 때문에, 지금까지 했던 베어링기구를 구성하는 각 부품(예를 들면 클리어런스 부싱을 설치하는 등)의 틈새나 형상 등에 따라 압력균형을 조절하는 것이 불필요하게 된다. 그 결과 베어링기구의 내압설계사양을 압력에 따라 변경할 필요가 없게 되어, 제품의 표준화를 실현할 수 있다. 또한 밀봉용 기체에 질소가스(N ₂ 가스)를 사용한 경우에는, N ₂ 가스 소비량을 억제하는 것은 에너지 절약이 되기 때문에, N ₂ 가스와 프로세스 압력의 압력차이를 일정하게 하는 제어는 유효하다.

또한 본 발명에 의하면, 비접촉형의 축밀봉기구를 채용함으로써 지금까지의 기계밀봉에서 발생되었던 슬라이딩 마모에 의한 밀봉특성의 열화가 없다. 또한 접촉 슬라이딩 부분을 구비하지 않는 비접촉형의 축밀봉기구는, 미분(微粉)의 물려 들어감에 의한 밀봉특성의 열화가 적다. 보울을 가로로 놓고 양단에서 지지하는 수평형의 경우에는, 휘어짐에 의하여 진동이 커지게 되기 때문에 축밀봉기구가 즉시 마모에 의하여 열화되어 실용화할 수 없다. 본 발명은, 진동이 적은 수직형에 적용함으로써 실용화가 어려운 비접촉형의 축밀봉기구의 원심분리장치에 대한 적용을 실현시킨 것이다.

도1은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 의한 디캔터의 구성도이다.
도2는, 상기 디캔터의 베어링기구의 종단면도이다.
도3은, 상기 베어링기구의 축밀봉기구의 부분을 나타내는 확대도이다.
도4는, 상기 베어링기구의 축밀봉기구로부터 기체를 회수하는 구성을 나타낸다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시형태를 따르는 원심분리장치(遠心分離裝置)에 대하여 첨부된 도면을 참조하면서 설명한다. 단 이하에서 설명하는 실시형태에 의하여 본 발명의 기술적 범위는 조금이라도 한정되어 해석되는 것은 아니다.

도1은, 본 실시형태를 따르는 원심분리장치의 전체 구성을 나타낸다.

도1에는, 원심분리장치의 일례로서 수직형 타입(垂直型 type)의 디캔터(decanter)(1)를 나타내고 있다. 디캔터(1)는, 피처리액(被處理液)에 원심력(遠心力)을 부여하기 위한 회전체인 보울(bowl)(2)을 구비하고 있다. 보울(2)은, 피처리액을 내부에 보유할 수 있는 대략 원통형상의 회전체로서, 분리에 필요한 원심력을 피처리액에 부여한다. 보울(2)은, 케이싱(casing)(3) 내에서 연직축(鉛直軸)을 중심으로 회전 가능하도록 배치되어 있다. 케이싱(3)은, 원심분리의 프로세스 공간(process 空間)을 형성하는 용기로서, 원심분리를 할 때의 프로세스 압력이 높은 경우에는 압력용기(壓力容器)가 되도록 설계된다. 예를 들면 고압용(高壓用)의 디캔터(1)인 경우에 프로세스 압력은 0.1∼1.62ＭＰａ의 범위이며, 상압용(常壓用)의 디캔터(1)인 경우에 프로세스 압력은 0∼0.1ＭＰａ의 범위이다.

또한 보울(2)을 회전시키는 구동장치에는 예를 들면 케이싱(3)의 외측에 배치되는 구동모터(驅動motor)(31)가 사용된다. 구동모터(31)는, 소정의 회전속도로 보울(2)을 회전시키도록 예를 들면 인버터 출력제어(inverter 出力制御)된다. 구동모터(31)의 구동력은 예를 들면 풀리(pulley)(32)에 가설(架設)된 무한(無限)의 회전벨트(回轉belt)(33)를 통해서 보울(2) 측의 풀리(34)에 전달된다. 단 구동력의 전달방식이 한정되는 것은 아니다.

보울(2)의 회전축이 되는 샤프트(shaft)(4)는, 케이싱(3)의 상부 개구부(上部開口部)에 배치되는 베어링기구(bearing機構)(41)에 의하여 연직축을 중심으로 회전 가능하도록 축지(軸支)되어 있다. 베어링기구(41)는, 그 측주면(側周面)에 설치된 지지부재(41a)를 통하여, 케이싱(3)을 기초로 하는 진동방지장치(振動防止裝置)(4lb)에 지지되어 있다. 수직형 타입의 디캔터(1)는, 샤프트(4)에 의하여 보울(2)이 베어링기구(41)에 현가(懸架)된 상태에서 회전하기 때문에, 진동에 의하여 회전축의 축 어긋남이 발생되는 경우가 있다. 그래서 진동방지장치(4lb)를 설치하여, 원심분리의 실행시에 발생하는 진동을 흡수하도록 하고 있다. 진동방지장치(4lb)는 예를 들면 아이솔레이터(isolator)로서, 고무(rubber) 등의 탄성력을 이용해서 진동을 흡수하는 구성이다.

보울(2)의 상부측에는, 프론트 허브(front hub)라고 부르는 원반부재(圓盤部材)(21)가 배치되어 있으며, 이 원반부재(21)에 분리액(分離液)이 배출되는 배출구(排出口)(분리액 배출구)(21a)가 형성되어 있다. 한편 보울(2)의 하부측에는, 분리된 고형물(固形物)이 배출되는 배출구(고형물 배출구)(22)가 형성되어 있다. 보울(2)의 내부에는, 원심분리의 실행시에 고형물 배출구(22)를 향해서 고형물을 반송하는 스크루 컨베이어(screw conveyor)(5)가 배치되어 있다. 스크루 컨베이어(5)는, 보울(2)의 회전속도에 대하여 상대적인 차속(差速)을 가지고 회전하여, 나선상(螺旋狀)으로 형성된 스크루 날개(51)에 의하여 고형물을 고형물 배출구(22)를 향해서 반송한다. 그 때문에 차속발생장치(差速發生裝置)인 기어박스(gear box)(6)에 보울(2)과 스크루 컨베이어(5)를 연결하고 있어, 구동모터(31)에 의하여 보울(2)을 회전시키면 기어박스(6)를 통해서 회전속도가 변속되어 스크루 컨베이어(5)가 보울(2)의 회전속도에 대하여 상대적인 차속을 가지고 회전된다. 한편 보울(2) 내에는 공급노즐(供給nozzle)(23)을 통해서 피처리액이 연속적으로 공급되고 있으며, 이에 따라 고형물이 분리된 분리액이 배출구(21a)로부터 배출(소위 오버플로(overflow))된다. 보울(2)로부터 배출된 분리액은, 케이싱(3)의 내주면(內周面)에 형성된 홈통모양의 액수용부(35)에 공급되고 또한 액수용부(35)와 통하는 배출노즐(36)을 통하여 장치외측으로 배출된다.

보울(2)과 스크루 컨베이어(5)의 하단(下端)측은 개구되어 있으며, 회전하는 보울(2) 및 스크루 컨베이어(5)와 접촉되지 않도록 공급노즐(23)의 선단(先端)(23a)이 개구부에 삽입되어 있다. 그리고 스크루 컨베이어(5)의 내부에 형성되어 있는 공동(空洞)(버퍼(buffer))으로 피처리액을 공급하면, 스크루 컨베이어(5)의 몸통부에 형성되어 있는 액토출 구멍(液吐出 hole)(52)을 통하여, 원심력의 작용에 의하여 피처리액이 보울(2) 내로 공급된다. 또한 공급노즐(23)의 선단(23a)은 2중관구조(二重管構造)로 형성되어 있어, 외측의 관(管)이 린스액 공급노즐(rinse液供給nozzle)(24)과 통하게 되어 있다. 린스액은 예를 들면 분리된 고형물을 세정(洗淨)하기 위해서 보울(2) 내로 공급할 수 있다. 단 반드시 린스액이 필요한 것은 아니다. 또한 배치식(batch式)의 원심분리인 경우에는 스크루 컨베이어(5)를 생략할 수도 있다.

계속하여 베어링기구(41)의 내부구조에 대해서 도2 및 도3을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도2는 베어링기구(41)의 종단면도이며, 도3은 도2에 있어서 Ａ의 부분의 확대도이다. 우선 도2에 나타나 있는 바와 같이 베어링기구(41)는, 보울(2)의 회전축인 샤프트(4)를 둘러싸도록 배치된 하우징(42)을 구비하고 있다. 하우징(42)은, 샤프트(4)의 회전동작에 간섭하지 않도록, 샤프트(4)의 외주면(外周面)에 대하여 조그마한 틈새(클리어런스(clearance))를 사이에 두고 대향(對向)하도록 구성되어 있다. 그 때문에 클리어런스를 밀봉하는 축밀봉(軸密封)이 필요하게 된다.

하우징(42)은, 샤프트(4)의 축방향을 따라 배치되는 베어링(43(43A, 43B))과 축밀봉기구(軸密封機構)(44)를 지지하기 위한 홀더(holder)의 역할도 있다. 그 때문에 하우징(42)의 내부에는, 후술하는 바와 같이 윤활오일(潤滑oil)이나 축밀봉용의 기체(氣體)를 베어링(43(43A, 43B))이나 축밀봉기구(44)로 공급하기 위한 유로(流路)가 형성된다.

베어링(43A)은 예를 들면 앵귤러 볼베어링 타입(angular ball bearing type)의 베어링기구(41)로서, 축방향 상부 근처에 3개 배치되어 있다. 한편 베어링(43B)은 예를 들면 롤러 베어링 타입(roller bearing type)의 베어링기구(41)로서, 축방향 하부 근처이며 또한 축밀봉기구(44)의 상방위치에 배치되어 있다. 샤프트(4)는 이들 베어링(43(43A, 43B))에 의하여 회전 가능하며, 원심분리 실행시에 예를 들면 1000G∼3200G(1400∼6000ｒｐｍ)의 범위내에서 고속회전하도록 설정된다. 베어링(43A)은, 외주링(外周ring)(고정링(固定ring))(43a)이 하우징(42)의 내주면에 고정되어 배치되고, 내주링(內周ring)(회전링(回轉ring))(43b)이 샤프트(4)의 내주면에 고정되어 배치되어 있으며, 전동체(轉動體)(43c)인 볼(ball)을 사이에 두고 내주링(43b)이 샤프트(4)와 일체적으로 회전하는 구성이다. 베어링(43B)도 마찬가지로 전동체인 원통형의 롤러(roller)를 사이에 두고 내주링이 샤프트(4)와 일체적으로 회전한다.

본 실시형태에서는 오일을 강제순환(强制循環)시켜서 베어링(43)을 윤활하는 구성을 채용하고 있다. 그 때문에 하우징(42)에 오일 공급구가 형성되어 있으며, 최상부의 베어링 위에서부터 오일을 공급하는 유로(45a)가 통하게 되어 있다. 분사노즐을 추가해서 오일을 분사하여 공급하도록 하더라도 좋다. 오일 공급구에는 베어링(43B)에 오일을 공급하는 유로(45b)가 더 연결되어 있다. 원심분리 실행시에는 베어링(43A 및 43B)의 양방에 오일을 공급한다. 또한 하우징(42)에는 오일 회수구(45c)가 형성되어 있어, 베어링(43A)에 공급된 오일을 회수한다. 한편 오일 회수구(45c)와는 별도로, 베어링(43B)의 하방(下方)에 오일 배출구(45d)가 형성되어 있다. 베어링(43B)에 공급된 오일은 오일 배출구(45d)로부터 배출된다. 오일 배출구(45d)는, 클리어런스를 통해서 오일이 축밀봉기구(44)로까지 흘러 내려가는 것을 방지하는 역할도 하고 있다.

오일 공급구와 회수구(45c) 및 오일 배출구(45d)는, 예를 들면 배관(配管)을 통하여 오일유닛(oil unit)(46)과 루프로 접속되어 오일을 순환시켜서 사용한다. 오일유닛(46)은, 오일탱크(46a), 펌프(46b) 및 오일 온도조정기(46c)를 구비하고 있어, 소정의 온도의 오일을 소정의 압력으로 공급할 수 있다. 또 도면에서는 앵귤러 볼베어링 타입의 베어링(43A)을 축방향을 따라 3개 배치하고, 롤러 베어링 타입의 베어링(43B)을 1개 배치한 구성을 나타내고 있지만, 베어링의 종류 및 설치수는 한정되는 것은 아니며, 다른 종류의 베어링을 사용하더라도 좋고, 설치수를 증감시킬 수도 있다.

[축밀봉기구]

하우징(42)과 샤프트(4)의 클리어런스를 밀봉하기 위한 축밀봉기구(44)는, 베어링기구(41)의 하단부에 배치되어 있다. 본 실시형태에서 채용하는 축밀봉기구(44)는, 접촉 슬라이딩 부분을 구비하는 기계밀봉과는 달리, 내주측의 밀봉링과 외주측의 밀봉링 사이에 압력기체를 충전해서 밀봉하는 비접촉형의 축밀봉기구이다. 또 축밀봉기구의 구성의 일례를 도3에 나타내고 있지만, 이 구성에 한정되는 것은 아니며, 가스밀봉이라고 불리는 공지의 비접촉형의 축밀봉기구를 채용할 수 있다.

설명을 도3으로 이동하면, 축밀봉기구(44)의 내주측의 밀봉링(이하, 회전밀봉링이라고 부른다)(7)은 통모양의 슬리브 부재(sleeve 部材)로서, 샤프트(4)와 일체적으로 회전 가능하도록 샤프트(4)의 외주면에 고정되어 배치되어 있다. 한편 외주측의 밀봉링(이하, 정지밀봉링이라고 부른다)(71)은, 축방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 밀봉 어셈블리(密封 assembly)(72)를 구비하고 있다. 각 밀봉 어셈블리(72)는, 복수의 블록부재를 원주방향으로 배열해서 이루어지는 링모양의 부재이다. 밀봉 어셈블리(72)는 예를 들면 탄성부재(彈性部材)(도면에 나타내지 않는다)에 의하여 축심방향으로 가압되어 있을 수 있다. 탄성부재는 가터 스프링(garter spring) 등을 채용할 수 있다. 밀봉 어셈블리(72)와 회전밀봉링(7)의 대향면(對向面)은, 나중에 압력기체에 의하여 밀봉면이 형성되는 영역이 된다.

부호 73은, 상단테두리와 하단테두리에 측벽(側壁)을 구비함으로써 단면이 대략 ㄷ자모양으로 되어 있는 홀더이다. 밀봉 어셈블리(72)는, 이 홀더(73)의 내부영역에 수용되어 있다. 홀더(73)에는, 홀더(73) 내에 밀봉용의 압력기체를 유입시키기 위한 기체유입구(74)가 형성되어 있으며, 밀봉 어셈블리(72)와 회전밀봉링(7)의 접촉영역을 향해서 압력기체를 안내하기 위한 유로(75)가 홀더(73) 내에 구축되어 있다. 그리고 기체유입구(74)로부터 압력기체를 공급하면, 밀봉 어셈블리(72)와 회전밀봉링(7)의 대향면에 압력기체가 침투되어, 밀봉 어셈블리(72)가 회전밀봉링(7)으로부터 아주 약간 떠서 정압공간(靜壓空間)을 형성한다. 이에 따라 밀봉 어셈블리(72)와 회전밀봉링(7) 사이에 비접촉의 밀봉면이 구축되는 구성이다.

비접촉형의 축밀봉기구(44)는, 일반적으로는 밀봉용의 기체가 최대한 리크(leak)되지 않는 것이 바람직하다. 그러나 디캔터(1)의 경우에는, 그 구조상 원심분리의 실행시에 진동이 발생하기 쉬운 장치이기 때문에, 홀더(73)의 측벽과 회전밀봉링(7)의 틈새로부터 기체가 리크되기 쉽다. 축방향 하부측으로 리크된 기체는 케이싱(3) 내로 침투해 버리기 때문에, 밀봉용의 기체에는 처리물에 영향이 적은 불활성기체(不活性氣體)(바람직하게는 질소)를 사용한다. 한편 축방향 상부측으로 리크된 기체는 하우징(42)의 클리어런스 내로 침투해 버리기 때문에, 베어링(43B)의 윤활오일 배출구(제1배출구)(45d)보다 하방위치에 형성된 기체배출구(76)(제2배출구)로부터 배출되도록 하고 있다.

홀더(73)의 기체유입구(74)는, 하우징(42)을 구성하는 부재내에 형성된 유로를 통해서 기체공급구(77)와 통하게 되어 있다. 기체공급구(77)는 예를 들면 배관을 통하여 기체공급원과 접속되어 있다. 예를 들면 밀봉용의 기체로서 질소를 사용하는 경우에, 질소발생기나 질소 봄베(窒素 bombe) 등의 기체공급원으로 할 수 있다. 밀봉용의 기체는 적어도 케이싱 내압(內壓)보다 높은 압력으로 공급한다. 또한 축밀봉 특성을 유지하기 위해서, 더 구체적으로는 축밀봉의 압력균형을 일정하게 유지하기 위해서 배관의 도중에 압력조절밸브를 설치하여 기체의 압력을 제어하는 것이 바람직하다.

도3의 설명을 더 계속하면, 축밀봉기구(44)의 상방측 클리어런스의 부분에는, 베어링(43)(특히 43B)의 윤활오일이 축밀봉기구(44)로까지 흘러 내려가는 것을 제한함과 아울러, 윤활오일이 오일 배출구(45d)를 향하도록 안내하는 제1가이드 부재(第一guide 部材)(8)가 배치되어 있다. 제1가이드 부재(8)는, 샤프트(4)의 전체 둘레를 둘러싸는 환상(環狀)의 부재이다. 제1가이드 부재(8)는, 샤프트(4)와 아주 작은 틈새를 사이에 두고 대향하고 단면이 L자모양인 부위를 선단에 구비하고 있어, 운전시에 원심력의 작용에 의하여 외측측면으로 밀려오는 윤활오일을 오일 배출구(45d)로 안내하는 홈통을 형성하고 있다.

또한 제1가이드 부재(8)의 하방에는, 제1가이드 부재(8)와 대략 동일한 형상을 한 제2가이드 부재(81)가 배치되어 있다. 제2가이드 부재(81)는, 제1가이드 부재(8)로 제지할 수 없었던 윤활오일이 축밀봉기구(44)로까지 흘러 내려가는 것을 방지하기 위해서 윤활오일이 기체배출구(76)를 향하도록 안내하는 홈통을 형성하고 있다. 또한 본 실시형태에서는, 윤활오일이 축밀봉기구(44)로 흘러 내려가는 것을 더 확실하게 방지하기 위해서 제2가이드 부재(81)와 샤프트(4)의 클리어런스의 상방위치에, 흘러내림 방지부재로서 제3가이드 부재(82)를 배치하고 있다. 제3가이드 부재(82)는 예를 들면 V링으로서, 샤프트(4) 측에 고정되어 배치되어 있다. 그리고 샤프트(4)와 일체로 되어 회전함으로써, 윤활오일이 외측측면(즉 기체배출구(79))을 향하도록 튕겨내는 작용을 발휘한다.

일반적으로 가스밀봉은, 밀봉용의 기체로서 무해한 공기나 불활성 가스를 채용하고 또한 리크량이 적기 때문에, 리크된 기체는 특별히 회수하지 않고 대기(大氣)로 방출한다. 그러나 본 실시형태의 수직형의 디캔터(1)에 있어서는, 실제로 시험을 한 결과 리크된 기체를 회수하지 않으면 안정된 운전을 할 수 없다는 것을 발견했다. 즉 베어링기구(41)의 내부에 윤활오일(액체)과 밀봉용 기체의 2종류의 유체(流體)가 흐르기 때문에, 밀봉용의 기체에 오일 미스트(oil mist)가 포함된 상태가 된다. 또한 진동이 발생하기 쉬운 장치인 디캔터(1)는, 진동에 의하여 기체의 리크량이 증가하는 경우가 있다. 그 때문에 대책을 강구하지 않으면 순환계내의 윤활오일의 양이 감소하여 버린다.

따라서 본 실시형태에서는, 기체를 회수하기 위한 배관을 기체배출구(76)에 접속하고, 도4(a)에 나타나 있는 바와 같이 회수용의 배관을 오일유닛(46)의 오일탱크(46a)와 연결한다. 또한 원심분리 실행시에 케이싱(3)의 내압이 0.1MPa 이상이 되는 고압용의 경우에는, 미스트 회수장치(mist 回收裝置)로서의 버퍼탱크(buffer tank)(9)를 배관의 도중에 배치한다. 버퍼탱크(9)는, 회수된 기체의 압력을 낮추기 위해 벤트(vent)(91)를 사용해서 대기개방형 구조(大氣開放型構造)로 한다. 이와 같이 일단 버퍼탱크(9) 내로 기체를 공급함으로써 미스트를 액상화(液狀化)시킬 수 있어, 오일탱크(46a)로 회수할 수 있다. 미스트가 제거된 기체는 벤트(91)로부터 방출된다. 고압용의 경우에 이러한 구성으로 하지 않으면, 오일탱크(46a)의 에어 브리더(air breather)(92)로부터 미스트가 누설되어 버린다. 또한 원심분리 실행시의 케이싱(3)의 내압이 0.1ＭＰａ 미만이 되는 상압용의 경우에는, 버퍼탱크(9)를 생략할 수 있다. 이 경우에 오일탱크(46a)가 미스트 회수장치의 역할을 겸하게 된다.

상기 실시형태에 의하면, 수직형 타입의 디캔터(1)에 있어서 압력기체에 의하여 축밀봉되는 비접촉형의 축밀봉기구(44)를 사용해서 하우징(42)과 샤프트(4)의 클리어런스를 밀봉하는 구성으로 함으로써, 윤활오일의 강제순환이 불필요하게 된다. 또한 기체의 압력조정에 의하여 밀봉특성을 변경할 수 있기 때문에, 지금까지 했던 베어링기구(41)를 구성하는 각 부품(예를 들면 클리어런스 부싱(clearance bushing)을 설치하는 등)의 틈새나 형상 등에 따라 압력균형을 조절하는 현장작업이 불필요하게 된다. 그 결과, 상압용이나 고압용과 같이 프로세스 압력에 따라 베어링기구(41)의 내압설계사양을 변경할 필요가 없어져, 제품의 표준화를 실현할 수 있다.

또한 상기의 실시형태에 의하면, 비접촉형의 축밀봉기구(44)를 채용함으로써 축밀봉을 위한 오일 강제순환이 불필요하게 된 만큼, 오일유닛(46)의 소비전력을 경감시킬 수 있는 에너지 절약효과가 있다. 물론 오일유닛(46)의 소형화를 도모하는 것도 가능하다. 또한 비접촉형의 경우에, 기계밀봉과 같은 접촉 슬라이딩 부분의 마모(磨耗)에 의한 밀봉특성의 열화가 없다. 또한 비접촉형의 축밀봉기구(44)는 미분(微粉)의 물려 들어감에 의한 밀봉특성의 열화가 적기 때문에, 테레프탈산(terephthalic acid) 등 케이싱(3) 내로 미분이 확산되는 처리물이더라도 장기간에 걸쳐서 밀봉특성을 유지할 수 있다.

상기의 실시형태는, 오일 강제순환에 의하여 베어링(43(43A, 43B))의 윤활을 하는 구성이다. 윤활오일과 밀봉용 기체의 2종류의 유체를 취급하도록 되어 있기 때문에, 베어링기구(41)의 내부에서 서로 악영향을 미치게 하지 않도록 베어링기구(41)의 내부구조를 도2 및 도3과 같이 설계하고 있다. 단 베어링(43(43A, 43B))의 윤활방법을, 오일 윤활(oil 潤滑)로부터 그리스 윤활(grease 潤滑)로 변경하는 것을 제한하는 것은 아니다. 상기 실시형태는 기존의 디캔터의 축밀봉기구를 교환함으로써도 실현되기 때문에, 기존의 디캔터를 유효하게 이용할 수 있는 이점도 있다.

[실시예]

상기한 바와 같이 디캔터는, 그 구조상 원심분리의 실행시에 진동이 발생하기 쉬운 장치이다. 비접촉형의 축밀봉기구는 조그마한 틈새에 정압공간을 형성하여 밀봉하기 때문에, 진동이 있는 장치에 대한 적용은 어렵다. 보울을 가로로 놓고 양단에서 지지하는 수평형의 디캔터는, 휘어짐에 의하여 수직형보다 진동이 크기 때문에 축밀봉기구가 즉시 마모에 의하여 열화되어 실용화할 수 없다.

한편 수직형의 디캔터(1)는, 베어링기구(41) 부근에 있어서 가로방향의 진동이 일반적으로 약 50∼100μm이며, 진동이 큰 것은 300μm이다. 본 발명자는, 진동이 170μm인 디캔터(1)에 비접촉형의 축밀봉기구(44)를 조립해서 시험을 했다. 이 디캔터(1)는 시험중에 300μm까지 진동이 증가하여 기체의 리크량이 초기의 100NL/분에서 170NL/분까지 증가했지만, 케이싱(3)의 처리물이 누설되는 것도 없고 또한 순환계내의 윤활오일의 양이 감소되는 것도 없어, 확실하게 축밀봉되었음을 확인했다. 즉 수직형의 디캔터(1)이기 때문에 비접촉형의 축밀봉기구를 실용화할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명을 구체적인 실시형태에 의거해서 상세하게 설명했지만, 형식이나 세부에 관한 다양한 치환, 변형, 변경 등이 특허청구범위의 기재에 의하여 규정되는 바와 같은 본 발명의 정신 및 범위로부터 일탈하지 않고 이루어지는 것이 가능하다는 것은, 당해 기술분야에 있어서 통상의 지식을 구비하는 사람에게는 분명하다. 따라서 본 발명의 범위는, 상기의 실시형태 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니라, 특허청구범위의 기재 및 이것과 균등한 것에 의거해서 결정되어야 한다.

1 ; 디캔터
2 ; 보울
3 ; 케이싱
31 ; 구동모터
4 ; 샤프트
41 ; 베어링기구
42 ; 하우징
43 ; 베어링
44 ; 축밀봉기구

Claims

용기(容器)를 구성하는 케이싱(casing)과,
상기 케이싱 내에 회전 가능하게 배치된 원심분리용(遠心分離用)의 보울(bowl)과,
상기 보울의 상부측에 설치되고, 연직축방향으로 연장되는 상기 보울의 회전축(回轉軸)과,
상기 케이싱의 외측에 배치되고, 상기 회전축을 회전시키는 구동장치(驅動裝置)와,
상기 케이싱의 개구부(開口部)에 배치되고, 상기 개구부를 관통하는 상기 회전축을 축지(軸支)하는 베어링기구(bearing機構)를
포함하는 수직형(垂直型)의 원심분리장치(遠心分離裝置)로서,
상기 베어링기구는, 상기 회전축을 둘러싸는 하우징과, 상기 회전축을 축지하는 베어링과, 상기 베어링기구의 케이싱 측의 단부(端部)에 배치되어 상기 하우징과 회전축의 클리어런스(clearance)를 밀봉하는 축밀봉기구(軸密封機構)를 구비하고,
상기 축밀봉기구는, 회전밀봉링(回轉密封ring)이 상기 보울의 회전축측에 배치되고, 상기 회전밀봉링과 대향(對向)하는 밀봉 어셈블리(密封 assembly)를 포함하는 정지밀봉링(靜止密封ring)이 상기 하우징 측에 배치되고, 외부로부터 유입되는 압력조정 가능한 밀봉용의 압력기체에 의하여 회전밀봉링과 밀봉 어셈블리 사이에 정압공간(靜壓空間)을 형성하여 밀봉하는 비접촉형의 축밀봉기구이며,
상기 베어링으로부터 상기 축밀봉기구에 이르기까지의 클리어런스의 부분에, 상기 베어링의 윤활오일(潤滑oil)을 배출하는 제1배출구와, 상기 축밀봉기구로부터 리크(leak)된 밀봉용의 기체를 배출하는 제2배출구를 위에서부터 순서대로 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 원심분리장치.
제1항에 있어서,
상기 베어링의 윤활오일을 배출하는 제1배출구와, 상기 축밀봉기구로부터 리크된 밀봉용의 기체를 배출하는 제2배출구 사이에,
상기 회전축과 일체로 되어 회전함으로써 윤활오일이 축밀봉기구까지 흘러 내려가는 것을 방지하는 흘러내림 방지부재를 더 구비한 것을 특징으로 하는 원심분리장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 베어링기구에는, 상기 비접촉형의 축밀봉기구에 압력기체를 공급하는 공급로(供給路)와, 상기 축밀봉기구로부터 리크된 밀봉용 기체를 회수하는 회수로(回收路)가 접속되어 있고,
상기 밀봉용 기체의 회수로에는, 미스트 회수장치(mist 回收裝置)가 더 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 원심분리장치.
제3항에 있어서,
상기 밀봉용 기체의 회수로는, 상기 베어링의 윤활오일을 저장하는 탱크(tank)에 접속되어 있고,
원심분리 실행시에 상기 케이싱의 내압(內壓)이 0.1MPa 이상이 되는 고압용(高壓用)의 원심분리장치인 경우에는,
상기 미스트 회수장치는, 회수로의 도중에 배치된 대기개방형(大氣開放型)의 버퍼탱크(buffer tank)인 것을 특징으로 하는 원심분리장치.
제3항에 있어서,
상기 밀봉용 기체의 회수로는, 상기 베어링의 윤활오일을 저장하는 탱크에 접속되어 있고,
원심분리 실행시에 상기 케이싱 내의 내압이 0.1ＭＰａ 미만이 되는 상압용(常壓用)의 원심분리장치인 경우에는,
상기 윤활오일을 저장하는 탱크는 대기개방 구조로 되어 있고, 이 탱크가 상기 미스트 회수장치를 겸하는 것을 특징으로 하는 원심분리장치.
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