WO2014196465A1 - シール機構及びターボ冷凍機 - Google Patents

Abstract

回転軸（２４）を軸方向から見て囲む環状のシール本体（４１）と、上記シール本体（４１）を上記回転軸（２４）の半径方向に移動可能に支持するシール本体支持具（４２）と、上記シール本体（４１）と上記シール本体支持具（４２）との間に介装される弾性部材（４４）と、を備えるシール機構（４０）。

Description

シール機構及びターボ冷凍機

本発明は、シール機構及びターボ冷凍機に関する。
本願は、２０１３年６月４日に日本国に出願された特願２０１３－１１７７３８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　例えば、モータとインペラとを有するターボ圧縮機を備えるターボ冷凍機では、インペラによって冷媒が圧縮されるため、インペラ側が高圧となり、相対的にモータ側が低圧となる。このような圧力差が生じると、高圧側から低圧側に気体が漏出するため、シール機構にてシールする必要がある。ただし、インペラとモータは動力を伝達するための回転軸によって連結されているため、高圧側と低圧側とを完全に隔離することは難しい。
そこで、例えば特許文献１に示すように、筐体に対して固定され、回転軸の周面に対して僅かな隙間を開けて配置される非接触式のラビリンスシール機構を用いることによって、回転軸に沿って気体が漏出することを防止することが一般的である。
また、特許文献２では、回転軸に対してラビリンスシールを回転軸の半径方向に移動させることによって、回転軸の定常運転時には回転軸とラビリンスシールとの隙間を僅かとし、回転軸の起動停止時には上記隙間を広くして回転軸とラビリンスシールとの接触を防止する機構が開示されている。
さらに、特許文献３では、回転軸に対してラビリンスシールを回転軸の軸方向に移動させることによって、回転軸の定常運転時には回転軸とラビリンスシールとの隙間を僅かとし、回転軸の起動時には上記隙間を広くして回転軸とラビリンスシールとの接触を防止する機構が開示されている。

日本国特開２００９－１８６０２８号公報 日本国特開２００４－２４５１８７号公報 日本国特開平８－３５４９９号公報

　ところが、上述のような回転軸周りをシールするシール機構を備えるターボ冷凍機等が、地震等により外力を受けると、回転軸がシール機構と接触してシール機構が破損する可能性がある。このため、回転軸とシール機構とが接触しないように離間する必要があるが、従来は、回転軸に対するシール機構の芯出しの精度が十分に高くないことから、安全係数を大きくとる必要があり、回転軸とシール機構との間に大きな隙間を確保せざるを得ない。このため、シール機構によるシール性能が低下し、気体の漏出量が多くなる傾向がある。

　本発明は、上述する事情に鑑みてなされたもので、ターボ冷凍機等に設置される回転軸周りに配置されるシール機構において、シール性能を向上させることを目的とする。

　本発明の第１の態様は、ターボ圧縮機の筐体に締結され、上記筐体が含む回転軸を囲むシール本体支持具と、上記シール本体支持具と上記回転軸との間に設けられ、上記シール本体支持具との摺動面において挟持されて上記回転軸を囲むシール本体と、上記シール本体と上記シール本体支持具によって挟持され、上記シール本体を囲む弾性部材と、を備えるシール機構である。

　本発明の第２の態様は、上記第１の態様において、上記シール本体の上記回転軸との対向部にはラビリンス溝が設けられている。

本発明の第３の態様は、上記第１または第２の態様において、上記弾性部材が、上記回転軸の軸方向から見て上記シール本体の全周を囲うＯリングである。

本発明の第４の態様は、上記第１の態様において、上記シール本体支持具が、上記筐体に対して当接される環状のベース部及びカバー部からなり、上記シール本体は上記ベース部と上記カバー部によって挟持されている。

　本発明の第５の態様は、インペラとモータとを繋ぐ回転軸を有すると共に冷媒の圧縮を行うターボ圧縮機と、上記ターボ圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えるターボ冷凍機であって、上記ターボ圧縮機の回転軸周りのシールを行うシール機構として上記第１の態様のシール機構を備える。

本発明の第６の態様は、ターボ圧縮機の筐体に締結され、上記筐体が含む回転軸を軸方向から見て囲む環状のシール本体と、上記シール本体を上記回転軸の半径方向に移動可能に支持するシール本体支持具と、上記シール本体と上記シール本体支持具との間に介装される弾性部材と、を備えるシール機構である。

　本発明によれば、回転軸を囲うシール本体がシール本体支持具によって回転軸の半径方向に移動可能に支持され、さらにシール本体とシール本体支持具との間には弾性部材が介装されている。このような弾性部材は、柔軟に変形させることができるため、シール本体の回転軸に対する位置を容易に調整することができる。よって、弾性部材によってシール本体を回転軸に対して精度高く芯出しすることができ、シール本体と回転軸との間の隙間を従来よりも狭くすることが可能となる。さらに、本発明によれば、弾性部材によって、万が一回転軸がシール本体と接触した場合であっても、その接触による衝撃を吸収することができる。よって、シール本体と回転軸との間の隙間を従来よりも狭くすることが可能となる。したがって、本発明によれば、ターボ冷凍機等に設置される回転軸周りに配置されるシール機構において、シール性能を向上させることが可能となる。

本発明の一実施形態におけるターボ冷凍機の系統図である。 本発明の一実施形態におけるターボ冷凍機が備えるシール機構を含む拡大図である。

　以下、図面を参照して、本発明に係るターボ冷凍機の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更する。

　図１は、本発明の一実施形態におけるターボ冷凍機１の系統図である。ターボ冷凍機１は、図１に示すように、凝縮器２と、エコノマイザ３と、蒸発器４と、ターボ圧縮機５と、膨張弁６と、膨張弁７とを備えている。

　凝縮器２は、流路Ｒ１を介してターボ圧縮機５のガス吐出管５ａと接続されている。凝縮器２には、ターボ圧縮機５によって圧縮された冷媒（圧縮冷媒ガスＸ１）が流路Ｒ１を通って供給される。凝縮器２は、この圧縮冷媒ガスＸ１を液化する。凝縮器２は、冷却水が流通する伝熱管２ａを備え、圧縮冷媒ガスＸ１と冷却水との熱交換によって、圧縮冷媒ガスＸ１を冷却して液化する。なお、このような冷媒としては、フロン等を用いることができる。

　圧縮冷媒ガスＸ１は、冷却水との間の熱交換によって冷却され、液化し、冷媒液Ｘ２となって凝縮器２の底部に溜まる。凝縮器２の底部は、流路Ｒ２を介してエコノマイザ３と接続されている。また、流路Ｒ２には、冷媒液Ｘ２を減圧するための膨張弁６が設けられている。エコノマイザ３には、膨張弁６によって減圧された冷媒液Ｘ２が流路Ｒ２を通って供給される。

　エコノマイザ３は、減圧された冷媒液Ｘ２を一時的に貯留し、冷媒を液相と気相とに分離する。エコノマイザ３の頂部は、流路Ｒ３を介してターボ圧縮機５のエコノマイザ連結管５ｂと接続されている。エコノマイザ３によって分離した冷媒の気相成分Ｘ３が、蒸発器４及び後述の第１圧縮段１１を経ることなく、流路Ｒ３を通って後述の第２圧縮段１２に供給され、ターボ圧縮機５の効率を高める。一方、エコノマイザ３の底部は、流路Ｒ４を介して蒸発器４と接続されている。流路Ｒ４には、冷媒液Ｘ２をさらに減圧するための膨張弁７が設けられている。蒸発器４には、膨張弁７によってさらに減圧された冷媒液Ｘ２が流路Ｒ４を通って供給される。

　蒸発器４は、冷媒液Ｘ２を蒸発させてその気化熱によって冷水を冷却する。
蒸発器４は、冷水が流通する伝熱管４ａを備え、冷媒液Ｘ２と冷水との熱交換によって、冷水を冷却すると共に冷媒液Ｘ２を蒸発させる。冷媒液Ｘ２は、冷水との間の熱交換によって熱を奪って蒸発し、冷媒ガスＸ４となる。蒸発器４の頂部は、流路Ｒ５を介してターボ圧縮機５のガス吸入管５ｃと接続されている。ターボ圧縮機５には、蒸発器４において蒸発した冷媒ガスＸ４が流路Ｒ５を通って供給される。

　ターボ圧縮機５は、蒸発した冷媒ガスＸ４を圧縮し、圧縮冷媒ガスＸ１として凝縮器２に供給する。ターボ圧縮機５は、冷媒ガスＸ４を圧縮する第１圧縮段１１と、一段階圧縮された冷媒をさらに圧縮する第２圧縮段１２と、を備える２段圧縮機である。

　第１圧縮段１１にはインペラ１３が設けられ、第２圧縮段１２にはインペラ１４が設けられており、それらが回転軸１５で接続されている。ターボ圧縮機５は、モータ１０を有しており、モータ１０によってインペラ１３及びインペラ１４を回転させて冷媒を圧縮する。インペラ１３及びインペラ１４は、ラジアルインペラであり、軸方向で吸気した冷媒を半径方向に導出する。

　ガス吸入管５ｃには、第１圧縮段１１の吸入量を調節するためのインレットガイドベーン１６が設けられている。インレットガイドベーン１６は、冷媒ガスＸ４の流れ方向からの見かけ上の面積が変更可能なように回転可能とされている。インペラ１３及びインペラ１４の周りには、それぞれディフューザ流路が設けられており、半径方向に導出した冷媒を、このディフューザ流路において圧縮及び昇圧する。また、さらに、このディフューザ流路の周りに設けられたスクロール流路によって次の圧縮段に冷媒を供給することができる。インペラ１４の周りには、出口絞り弁１７が設けられており、ガス吐出管５ａからの吐出量を制御できる。

　また、ターボ圧縮機５は、密閉型の筐体２０を備える。筐体２０の内部は、圧縮流路空間Ｓ１と、第１軸受収容空間Ｓ２と、モータ収容空間Ｓ３と、ギアユニット収容空間Ｓ４と、第２軸受収容空間Ｓ５とに区画されている。

　圧縮流路空間Ｓ１には、インペラ１３及びインペラ１４が設けられている。インペラ１３及びインペラ１４を接続する回転軸１５は、圧縮流路空間Ｓ１、第１軸受収容空間Ｓ２、ギアユニット収容空間Ｓ４に挿通して設けられている。第１軸受収容空間Ｓ２には、回転軸１５を支持する軸受２１が設けられている。

　モータ収容空間Ｓ３には、ステータ２２と、ロータ２３と、ロータ２３に接続された回転軸２４とが設けられている。この回転軸２４は、モータ収容空間Ｓ３、ギアユニット収容空間Ｓ４、第２軸受収容空間Ｓ５に挿通して設けられている。第２軸受収容空間Ｓ５には、回転軸２４の反負荷側を支持する軸受３１が設けられている。ギアユニット収容空間Ｓ４には、ギアユニット２５と、軸受２６及び軸受２７と、油タンク２８とが設けられている。

　ギアユニット２５は、回転軸２４に固定される大径歯車２９と、回転軸１５に固定されると共に大径歯車２９と噛み合う小径歯車３０とを有する。ギアユニット２５は、回転軸２４の回転数に対して回転軸１５の回転数が増加（増速）するように、回転力を伝達する。軸受２６は、回転軸２４を支持する。軸受２７は、回転軸１５を支持する。油タンク２８は、軸受２１、軸受２６、軸受２７及び軸受３１等の各摺動部位に供給される潤滑油を貯溜する。

　このような筐体２０には、圧縮流路空間Ｓ１と第１軸受収容空間Ｓ２との間において、回転軸１５の周囲をシールするシール機構３２及びシール機構３３が設けられている。また、筐体２０には、圧縮流路空間Ｓ１とギアユニット収容空間Ｓ４との間において、回転軸１５の周囲をシールするシール機構３４が設けられている。また、筐体２０には、ギアユニット収容空間Ｓ４とモータ収容空間Ｓ３との間において、回転軸２４の周囲をシールするシール機構３５が設けられている。また、筐体２０には、モータ収容空間Ｓ３と第２軸受収容空間Ｓ５との間において、回転軸２４の周囲をシールするシール機構３６が設けられている。また、本実施形態のターボ冷凍機１では、ギアユニット収容空間Ｓ４に、軸受２６とギアユニット２５との間において回転軸２４の周囲をシールするシール機構４０が設けられている。このシール機構４０については、後に詳細に説明する。

　モータ収容空間Ｓ３は、流路Ｒ６を介して凝縮器２と接続されている。モータ収容空間Ｓ３には、凝縮器２から冷媒液Ｘ２が流路Ｒ６を通って供給される。モータ収容空間Ｓ３に供給された冷媒液Ｘ２は、ステータ２２の周りを流通し、ステータ２２及びその周囲との間の熱交換によって、モータ収容空間Ｓ３を冷却する。モータ収容空間Ｓ３は、流路Ｒ７を介して蒸発器４と接続されている。蒸発器４には、モータ収容空間Ｓ３において熱を奪った冷媒液Ｘ２が流路Ｒ７を通って供給される。

　油タンク２８は、給油ポンプ３７を有する。給油ポンプ３７は、例えば流路Ｒ８を介して第２軸受収容空間Ｓ５と接続されている。第２軸受収容空間Ｓ５には、油タンク２８から潤滑油が流路Ｒ８を通って供給される。第２軸受収容空間Ｓ５に供給された潤滑油は、軸受３１に供給され、回転軸２４の摺動部位の潤滑性の確保と共に摺動部位の発熱を抑制（冷却）する。第２軸受収容空間Ｓ５は、流路Ｒ９を介して油タンク２８と接続されている。油タンク２８には、第２軸受収容空間Ｓ５に供給された潤滑油が流路Ｒ９を通って帰還する。

　このような構成を有する本実施形態のターボ冷凍機１では、凝縮器２において圧縮冷媒ガスＸ１が冷却水によって冷却されて凝縮し、冷却水が加熱されることで排熱される。凝縮器２で凝縮することによって生じた冷媒液Ｘ２は、膨張弁６によって減圧されてエコノマイザ３に供給され、気相成分Ｘ３が分離された後に膨張弁７でさらに減圧されて蒸発器４に供給される。なお、気相成分Ｘ３は、流路Ｒ３を介してターボ圧縮機５に供給される。

　蒸発器４に供給された冷媒液Ｘ２は、蒸発器４において蒸発することにより冷水の熱を奪い、冷水を冷却する。これによって、実質的に冷却前の冷水の熱が凝縮器２に供給される冷却水に輸送される。冷媒液Ｘ２が蒸発することによって生じた冷媒ガスＸ４は、ターボ圧縮機５に供給されて圧縮された後、再び凝縮器２に供給される。

　また、凝縮器２に溜った冷媒液Ｘ２の一部が流路Ｒ６を介してモータ収容空間Ｓ３に供給される。流路Ｒ６を介してモータ収容空間Ｓ３に供給された冷媒液Ｘ２は、モータ収容空間Ｓ３に収容されたモータ１０を冷却した後、流路Ｒ７を介して蒸発器４に戻される。

　また、流路Ｒ８を流れる潤滑油は、第１軸受収容空間Ｓ２、第２軸受収容空間Ｓ５、及びギアユニット収容空間Ｓ４に供給され、軸受２１やギアユニット２５等の摺動抵抗を減少させる。

次に、図２を参照して、シール機構４０について詳細に説明する。図２は、シール機構４０を含む拡大詳細図である。この図２に示すように、シール機構４０は、シール本体４１と、シール本体支持具４２と、ボルト４３と、Ｏリング４４（弾性部材）とを備えている。

シール本体４１は、回転軸２４を軸方向から見て囲む環状の部材であり、図２に示すように、筐体２０に固定された軸受２６の側方に配置されている。このシール本体４１は、回転軸２４との対向部にラビリンス溝４１ａを有しており、ラビリンス溝４１ａが回転軸２４の周面に対して僅かな隙間を空けて対向するように配置されている。

シール本体支持具４２は、筐体２０に対して当接される環状のベース部４２ａと、環状のカバー部４２ｂとによって構成されている。これらのベース部４２ａとカバー部４２ｂとは、回転軸２４の軸を中心とする同心状に配置されており、回転軸２４の軸方向からシール本体４１を狭持している。また、ベース部４２ａとシール本体４１との当接面及びカバー部４２ｂとシール本体４１との当接面とは摺動面とされており、シール本体４１に対して回転軸２４の半径方向に大きな外力が作用したときに、シール本体４１が回転軸２４の半径方向に移動可能とされている。ボルト４３は、ベース部４２ａ及びカバー部４２ｂを挿通し、これら（すなわちシール本体支持具４２）を筐体２０に対して締結している。

Ｏリング４４は、回転軸２４の半径方向からシール本体４１とシール本体支持具４２とによって狭持されている。すなわち、Ｏリング４４は、シール本体４１とシール本体支持具４２との間に介装されている。このＯリング４４は、回転軸２４の軸方向から見てシール本体４１の全周を囲っており、シール本体４１とシール本体支持具４２との隙間の全域における気密性を確保している。このＯリング４４は、ターボ冷凍機１の組立てのときやシール本体４１に回転軸２４の半径方向に外力が作用したときに変形可能な樹脂等からなる弾性部材である。

このような本実施形態のターボ冷凍機１においては、回転軸２４を囲うシール本体４１がシール本体支持具４２によって回転軸２４の半径方向に移動可能に支持され、さらにシール本体４１とシール本体支持具４２との間には弾性部材であるＯリング４４が介装されている。このようなＯリング４４は、柔軟に変形させることができるため、シール本体４１の回転軸２４に対する位置を容易に調整することができる。よって、Ｏリング４４によってシール本体４１を回転軸２４に対して精度高く芯出しすることができ、シール本体４１と回転軸２４との間の隙間を従来よりも狭くすることが可能となる。さらに、本実施形態のターボ冷凍機１によれば、Ｏリング４４によって、万が一回転軸２４がシール本体４１と接触した場合であっても、その接触による衝撃を吸収することができる。よって、シール本体４１と回転軸２４との間の隙間を従来よりも狭くすることが可能となる。したがって、本実施形態のターボ冷凍機１によれば、シール機構４０におけるシール性能を向上させることが可能となる。

また、本実施形態のターボ冷凍機１においては、シール本体４１の回転軸２４との対向部にはラビリンス溝４１ａが設けられている。このため、シール本体４１の回転軸２４との対向部にはラビリンス溝４１ａが設けられていない場合と比較して、シール本体４１と回転軸２４との間の隙間の形状が複雑となり、よりシール性能を向上させることが可能となる。

また、本実施形態のターボ冷凍機１においては、Ｏリング４４が、回転軸２４の軸方向から見てシール本体４１の全周を囲っている。このため、シール本体４１とシール本体支持具４２との隙間から気体が漏出することを防止することができる。

　以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

　例えば、上記実施形態においては、本発明のシール機構をターボ冷凍機に適用した例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、回転軸の周囲をシールする必要がある全ての装置に本発明のシール機構を適用することができる。

　また、上記実施形態においては、シール本体４１の回転軸２４との対向部にはラビリンス溝４１ａが設けられている構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、シール本体４１の回転軸２４との対向部にラビリンス溝４１ａを設けない構成を採用することも可能である。

本発明によれば、ターボ冷凍機等に設置される回転軸周りに配置されるシール機構において、シール性能を向上させることができる。

１　ターボ冷凍機、２　凝縮器、２ａ、４ａ　伝熱管、３　エコノマイザ、４　蒸発器、５　ターボ圧縮機、５ａ　ガス吐出管、５ｂ　エコノマイザ連結管、５ｃ　ガス吸入管、６、７　膨張弁、１０　モータ、１１　第１圧縮段、１２　第２圧縮段、１３、１４　インペラ、１５、２４　回転軸、１６　インレットガイドベーン、１７　出口絞り弁、２０　筐体、２１、２６、２７、３１　軸受、２２　ステータ、２３　ロータ、２５　ギアユニット、２８　油タンク、２９　大径歯車、３０　小径歯車、３２、３３、３４、３５、３６、４０　シール機構、３７　給油ポンプ、４１　シール本体、４１ａ　ラビリンス溝、４２　シール本体支持具、４２ａ　ベース部、４２ｂ　カバー部、４３　ボルト、４４　Ｏリング（弾性部材）、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９　流路、Ｓ１　圧縮流路空間、Ｓ２　第１軸受収容空間、Ｓ３　モータ収容空間、Ｓ４　ギアユニット収容空間、Ｓ５　第２軸受収容空間、Ｘ１　圧縮冷媒ガス、Ｘ２　冷媒液、Ｘ３　気相成分、Ｘ４　冷媒ガス

Claims (6)

1. ターボ圧縮機の筐体に締結され、前記筐体が含む回転軸を囲むシール本体支持具と、
   前記シール本体支持具と前記回転軸との間に設けられ、前記シール本体支持具との摺動面において挟持されて前記回転軸を囲むシール本体と、
   前記シール本体と前記シール本体支持具によって挟持され、前記シール本体を囲む弾性部材と、
   を備えるシール機構。
2. 前記シール本体の前記回転軸との対向部にはラビリンス溝が設けられている請求項１記載のシール機構。
3. 前記弾性部材は、前記回転軸の軸方向から見て前記シール本体の全周を囲うＯリングである請求項１記載のシール機構。
4. 前記シール本体支持具は、前記筐体に対して当接される環状のベース部及びカバー部からなり、前記シール本体は前記ベース部と前記カバー部によって挟持されている請求項１に記載のシール機構。
5. インペラとモータとを繋ぐ回転軸を有すると共に冷媒の圧縮を行うターボ圧縮機と、前記ターボ圧縮機で圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮された冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えるターボ冷凍機であって、
   前記ターボ圧縮機の回転軸周りのシールを行うシール機構として請求項１に記載のシール機構を備えるターボ冷凍機。
6. ターボ圧縮機の筐体に締結され、前記筐体が含む回転軸を軸方向から見て囲む環状のシール本体と、
   前記シール本体を前記回転軸の半径方向に移動可能に支持するシール本体支持具と、
   前記シール本体と前記シール本体支持具との間に介装される弾性部材と、
   を備えるシール機構。
    
    
    
    

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