JP5197157B2 - スクリュ流体機械 - Google Patents

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Description

本発明は、スクリュ流体機械に関する。
ロータ室内に収容された雌雄咬合するスクリュロータで対象気体を圧縮するスクリュ圧縮機や、対象気体の膨張を回転エネルギに変換するスクリュエキスパンダなどのスクリュ流体機械は、対象気体を系内に封止、或いは、対象気体に外気などが混入するのを防止するために、ロータ軸のスクリュロータと軸受との間に軸封構造が設けられる。
特許文献１に記載されているように、従来のスクリュ圧縮機では、吸込側の軸封装置としてリップシールが用いられ、吐出側の軸封装置としてメカニカルシールが用いられている。
リップシールは安価で省スペースの軸封装置であるが、一般に、封止可能な最大圧力が０．０３ＭＰａ程度である。このため、リップシールは、高圧となる吐出側では軸封が不十分になったり耐久性が著しく低下するおそれがあるので、低圧の吸込側の軸封にのみ使用可能である。一方、メカニカルシールは、高圧の軸封が可能であるが、非常に高価であると共に設置のためのスペースが大きいという問題がある。
特許文献２には、スクリュロータと軸受との間に、スクリュロータ側にラビリンスシールのような非接触シールを設け、軸受側にリップシールを設け、非接触シールとリップシールとの間の空間を低圧空間に連通させることで、リップシールに過大な圧力が加わらないようにした発明が記載されている。
しかしながら、特許文献２の発明でも、対象気体の温度が高い場合、僅かに漏出した高温の対象気体によりリップシールの温度が上昇する。リップシールは、一般に熱膨張率が大きく、シール空間の圧力が上昇しなくても、温度上昇によってロータ軸に対する接触圧力が高くなり、損傷し易くなるという問題がある。
特開２０００−４５９４８号公報 特開２００７−１３２２４３号公報
前記問題点に鑑みて、本発明は、ロータ軸の高圧側に安価で省スペース、且つ、シールが確実な軸封構造を有するスクリュ流体機械を提供することを課題とする。
前記課題を解決するために、本発明によるスクリュ流体機械は、前記スクリュロータと前記スクリュロータのロータ軸の高圧側の軸受との間に、前記スクリュロータ側から順に、第１非接触シールと、第２非接触シールと、リップシールとを配設し、前記リップシールは、前記軸受側から、前記第２非接触シールと前記リップシールとの間の第２シール空間への潤滑油の流出を防ぐ向きに設けられ、前記第１非接触シールと前記第２非接触シールとの間の第１シール空間に潤滑流体を供給する潤滑流体供給流路と、前記第２シール空間を、前記リップシールの前記軸受側の圧力以下の圧力の空間に連通させる連通孔とを設けたものとする。
この構成によれば、第１シール空間に潤滑流体が供給されるので、第１非接触シールおよび第２非接触シールのシール性を向上させることができる。また、第２シール空間を低圧の空間に連通させたことで、リップシールに過剰な圧力が加わらず、軸受側への圧縮ガスや潤滑流体の侵入を防止できる。さらに、第１シール間に供給される潤滑流体が第２シール空間に漏出し、リップシールを冷却するので、第１リップシールを長寿命化、および、ロータの高回転化が可能である。
また、本発明のスクリュ流体機械において、前記第１非接触シールおよび前記第２非接触シールは、前記ロータ軸の回転力によって前記潤滑流体を前記ロータ室側に移動させる螺旋状の溝または突起を有してもよい。
この構成によれば、潤滑流体がロータ室側に移動する圧力によって対象気体を封止することができる。
以上のように、本発明によれば、第２非接触シールとリップシールとの間の第２シール空間を低圧空間に連通させる連通孔を設けたことで、リップシールに過大な圧力が加わらず、第１非接触シールと第２非接触シールとの間に潤滑流体を供給することで、第２シール空間に漏出した潤滑流体がリップシールを冷却するので、リップシールの寿命を延ばすことができる。
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明のスクリュ流体機械の第１実施形態であるスクリュ圧縮機１を示す。スクリュ圧縮機１は、ハウジング２のロータ室３内に収容された雌雄咬合する一対のスクリュロータ４で、低圧（たとえば大気圧）の蒸気（対象気体）を（例えば０．５ＭＰａＧに）圧縮して吐出するものである。
ハウジング２には、ロータ室３に圧縮すべき蒸気を供給する吸込流路５と、ロータ室３内でスクリュロータ４によって圧縮された蒸気を排出する吐出流路６と、スクリュロータ４のロータ軸７を吸込側および吐出側で、それぞれ、支持および軸封する構造を設置するための軸受軸封空間８，９が設けられている。
ロータ軸７は、吸込側の軸受軸封空間８内に設置されたころ軸受１０と、吐出側の軸受軸封空間９内に設置された２つの玉軸受１１とで回転可能に支持され、吸込側の軸受軸封空間９を貫通して延伸し、不図示のモータに接続される。
ころ軸受１０の前記モータ側には、モータ側への異物（ころ軸受１０のグリスなど）の浸入を防ぐリップシール１２が設置され、ころ軸受１０のスクリュロータ４側には、ころ軸受１０のグリスがスクリュロータ４側に流出しないように封止するリップシール１３と、吸込流路５からころ軸受１０側に蒸気や潤滑流体が浸入しないように封止するリップシール１４とが設けられている。
スクリュロータ４と玉軸受１１との間の吐出側の軸受軸封空間９には、スクリュロータ４側から順に、第１ラビリンスシール１５、第２ラビリンスシール１６およびリップシール１７が設けられている。第１ラビリンスシール１５は、ロータ軸７に嵌合してロータ軸７とともに回転するロータと、該ロータと接触しないように軸受軸封室９の内壁に嵌合して固定されたステータとからなる公知の非接触シールであり、少しずつ蒸気を漏出させながら、蒸気圧力を低減するものである。リップシール１７は、玉軸受１１からの潤滑用油の流出を防止する向きに設置され、その耐用圧力は、０．０３ＭＰａＧ程度である。
軸受軸封空間９は、第２ラビリンスシール１６とリップシール１７とによって区分され、第１ラビリンスシール１５と第２ラビリンスシール１６との間の第１シール空間１８、第２ラビリンスシール１６とリップシール１７との間の第２シール空間１９、および、第２シール空間１９より玉軸受１１側の封油空間２０に分割されている。
また、ハウジング２には、リップシール１３とリップシール１４との間の空間を大気に開放する開放孔２１と、第１第１ラビリンスシール１５と第２ラビリンスシール１６との間の第１シール空間１８に潤滑流体（例えばスクリュ圧縮機が吐出した蒸気の凝縮水）を供給する潤滑流体供給流路２２と、第２ラビリンスシール１６とリップシール１７との間の第２シール空間１９を大気（低圧空間）に開放する連通路２３とを有する。
第１シール空間１８に供給された潤滑流体は、第１シール空間１８に漏出した蒸気と共に第２ラビリンスシール１６を通過して第２シール空間１９に漏出する。このとき、潤滑流体は、第２ラビリンスシール１６の隙間を小さくするので、蒸気の漏出量を低減する。
第２シール空間１９は、連通路２２によって大気開放されているので、第２ラビリンスシール１６から漏出した蒸気は大気に放出され、リップシール１７に過剰な圧力を加えることがない。また、第２シール空間１９に漏出した潤滑流体は、リップシール１７からロータ軸７との摩擦によって生じた熱を奪い、連通孔２３から流出する。これにより、リップシール１７の過熱を防止して劣化や損傷を防止でき、ロータ軸７の回転速度を高速化（例えば、ロータ軸７の周速を４０から５０ｍ／ｓまで上昇）することも可能になる。
図２および３に、本発明のスクリュ流体機械の第２実施形態であるスクリュエキスパンダ３１の高圧側の軸受軸封構造を示す。スクリュエキスパンダ３１は、ハウジング３２に形成されたロータ室３３にスクリュロータ３４が収容され、スクリュロータ３４のロータ軸３５を、ハウジング３２に保持された軸受３６で回転可能に支持している。スクリュエキスパンダ３１では、スクリュロータ３４と軸受３６との間に、スクリュロータ３４側から順に、第１ビスコシール（非接触シール）３７、第２ビスコシール３８およびリップシール３９が配設されている。
第１ビスコシール３７および第２ビスコシール３８は、ハウジング３２に嵌装されたスリーブからなり、波ばね４０によってハウジング３２およびハウジング３２に気密に取り付けた固定部材３２ａに軸方向に押圧され、結果的にハウジング３２に気密に保持されている。第１ビスコシール３７は、ロータ軸３５との間の隙間が数十μｍ以下になるように保持され、第２ビスコシール３８は、ロータ軸３５に嵌装されてロータ軸３５と共に回転するシャフトスリーブ４１との間の隙間が数十μｍ以下になるように保持されている。さらに、第１ビスコシール３７および第２ビスコシール３８は、その内面に螺旋状の溝４２，４３が形成されており、ロータ軸３５またはシャフトスリーブ４１の回転に随伴して回転する流体に、ロータ室３３に向かう圧力を付与するようになっている。
ハウジング３２には、第１ビスコシール３７と第２ビスコシール３８との間の、波ばね４０が配設された第１シール空間４４に潤滑流体を供給する潤滑流体供給流路４５が設けられている。また、ハウジング３２には、第２ビスコシール３８とリップシール３９との間の第２シール空間４６を大気に開放する連通路４７が設けられている。
リップシール３９は、シャフトスリーブ４１に摺接するように、ハウジング３２に保持され、軸受３６が保持された封油空間４８から潤滑油等が第２シール空間４６に漏出するのを防止する方向に取り付けられている。
本実施形態において、第１シール空間４４に供給される潤滑流体は、例えば、ボイラからスチームエキスパンダ３１に供給され、スチームエキスパンダ３１から吐出された蒸気の熱を熱交換器で２次利用する際に発生した凝縮水の一部を、スチームトラップを介し潤滑流体供給流路４５から供給することで利用できる。
本実施形態では、ロータ軸３５の回転によって第１ビスコシール３７および第２ビスコシール３８が発生する流体圧によって蒸気をロータ室３３内に封止するものであるが、潤滑流体供給流路４５を介して第１シール空間４４に水を供給しているので、蒸気のような気体だけが存在する場合に比べて、第１ビスコシール３７および第２ビスコシール３８において発生する流体圧が格段に大きくなる。これによって、蒸気の確実な封止ができ、第２シール空間４６に漏出した潤滑流体によってリップシール３９を冷却することもできる。
図３に、本発明の第３実施形態のスクリュ流体機械であるスクリュ圧縮機３１ａの高圧側の軸受け構造を示す。本実施形態の説明では、第２実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して重複する説明を省略する。本実施形態のスクリュ圧縮機３１ａにおいて、第１ビスコシール３７ａおよび第２ビスコシール３８ａは、ロータ軸３５に一体に形成した螺旋状の突起４９，５０からなる。この第１ビスコシール３７ａおよび第２ビスコシール３８ａも、ロータ軸３５の回転によって、ハウジング３２との隙間に存在する流体をロータ室３３側に移動させる流体圧を生じるものである。
本発明の第１実施形態のスクリュ圧縮機の概略断面図。 本発明の第２実施形態のスクリュエキスパンダの軸受構造の概略断面図。 本発明の第３実施形態のスクリュエキスパンダの軸受構造の概略断面図。
符号の説明
１…スクリュ圧縮機（スクリュ流体機械）
２…ハウジング
３…ロータ室
４…スクリュロータ
５…吸込流路
６…吐出流路
７…ロータ軸
９…軸受軸封空間
１１…玉軸受
１５…第１ラビリンスシール（第１非接触シール）
１６…第２ラビリンスシール（第２非接触シール）
１７…リップシール
１８…第１シール空間
１９…第２シール空間
２０…封油空間
２２…潤滑流体供給流路
２３…連通路

Claims (2)

  1. ハウジングに形成したロータ室内に収容された雌雄咬合するスクリュロータにより対象気体を圧縮、または、前記対象気体の膨張力を回転力に変換するスクリュ流体機械において、
    前記スクリュロータと前記スクリュロータのロータ軸の高圧側の軸受との間に、前記スクリュロータ側から順に、第１非接触シールと、第２非接触シールと、リップシールとを配設し、
    前記リップシールは、前記軸受側から、前記第２非接触シールと前記リップシールとの間の第２シール空間への潤滑油の流出を防ぐ向きに設けられ、
    前記第１非接触シールと前記第２非接触シールとの間の第１シール空間に潤滑流体を供給する潤滑流体供給流路と、
    前記第２シール空間を、前記リップシールの前記軸受側の圧力以下の圧力の空間に連通させる連通孔とを設けたことを特徴とするスクリュ流体機械。
  2. 前記第１非接触シールおよび前記第２非接触シールは、前記ロータ軸の回転力によって前記潤滑流体を前記ロータ室側に移動させる螺旋状の溝または突起を有することを特徴とする請求項１に記載のスクリュ流体機械。
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