JP5314256B2 - 回転流体機械のシール装置および回転流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転流体機械のシール装置および回転流体機械に関する。

遠心圧縮機、エキスパンダ（膨張機）などの流体を圧縮または膨張させる回転機械においては、高圧部から低圧部への流体漏れを防止するため、ラビリンスシールなどのシールが一般的に用いられている。
ラビリンスシールは、ハウジングなどの固定部と、回転軸などの回転部との間に配置され、ラビリンスシールと回転部の間、またはラビリンスシールと固定部の間には回転部の回転を確保するため、シール隙間が設けられている。

シール隙間には、若干ながら高圧部から低圧部に漏れる流体の流れが存在し、この漏れ流れには、回転軸の回転の影響を受けて、回転軸における周方向の速度成分が含まれる。この周方向の速度成分を含む漏れ流れを以後スワール流れと表記する。
シール隙間にスワール流れが存在すると、回転軸の挙動を乱す励振力、つまり不安定化力が発生する可能性が知られている。この不安定化力は、回転機械内の高圧部と低圧部との圧力差が大きくなると大きくなることが知られている。

このような問題を解決するため、スワール流れに含まれる回転軸における周方向の速度成分を打ち消す、または取り除く案内溝や案内翼を設ける技術等が提案されている（例えば、特許文献１および２参照。）。
特開昭５８−０２２４４４号公報 特許第２７５６１１８号公報

しかしながら、上述の特許文献１および２に記載された案内溝や案内翼を設けても、スワール流れはこれら案内溝や案内翼を通過せず、周方向の速度成分の打ち消し、または取り除きが十分に行われないという問題があった。
つまり、上述の案内溝等と固定部または回転部との間には回転部の回転を確保するために隙間が形成されており、スワール流れは流路抵抗の高い案内溝等ではなく、流路抵抗の低い上述の隙間を流れる傾向にある。そのため、案内溝等による周方向の速度成分の打ち消し、または取り除きが十分に行われないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、回転流体機械における回転軸の挙動を安定させることができる回転流体機械のシール装置および回転流体機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の回転流体機械のシール装置は、羽根車を有する回転軸を内部に回転可能に収納する筐体と、該筐体の内面に取り付けられ、前記回転軸に対して径方向または軸線方向の少なくとも一方に沿って延びるとともに、前記回転軸に対して周方向に並んで配置された複数の案内部と、前記複数の案内部における前記筐体に取り付けられた一の端部と反対側の他の端部をつなぎ、前記複数の案内部の間の空間と、前記羽根車と前記案内部との間の空間とを仕切る仕切り部と、環状突起であって、前記回転軸または前記仕切り部との間に第１隙間を形成し、前記羽根車と前記案内部との間の空間を通過する流体の流れを遮る第１シール部と、前記径方向に延びる環状突起であって、前記回転軸または前記筐体との間に第２隙間を形成し、前記複数の案内部の間の空間を通過した流体の流れ、および前記第１シール部を通過した流体の流れを遮る第２シール部と、が設けられ、前記複数の案内部は、前記羽根車側から流入する流体に対して前記回転軸の周方向の流速成分を低減させて、前記第２シール部側へ流体を流出させることを特徴とする。

本発明によれば、複数の案内部側から第２シール部側に向かって流れる流体の流れの大半は、複数の案内部、筐体および仕切り部に囲まれた上述の複数の案内部の間を流れ、残りの流体は、第１シール部により形成された第１隙間を流れる。複数の案内部は、回転軸の径方向または軸線方向の少なくとも一方に沿って延びるため、上述の複数の案内部の間を流れる流体に含まれる径方向の流速成分は、流体が上述の複数の案内部の間を流れる間に打ち消し、または取り除かれる。そのため、回転流体機械における回転軸の挙動を安定させることができる。

上記発明においては、前記複数の案内部における前記他の端部は、前記回転軸から径方向外側に延びる羽根車と対向し、前記仕切り部は、前記径方向に延びるとともに、前記他の端部をつなぐリング板状に形成され、前記複数の案内部の間の空間を前記径方向内側に向かって、前記流体を通過させることが望ましい。

本発明によれば、上述の複数の案内部の間の空間における流体の流れる方向を、径方向に沿って内側に向かう方向にすることで、シール装置における上述の軸線方向に沿う方向の長さを短くすることができる。
さらに、シール装置における上述の軸線方向に沿う方向の長さを変えることなく、案内部における流体の流れに沿う方向の長さ、つまり径方向の長さを長くすることができる。そのため、流体に含まれる径方向の流速成分を流体が上述の複数の案内部の間を流れる間により確実に打ち消し、または取り除くことができる。

上記発明においては、前記複数の案内部における前記他の端部は、前記回転軸の外周面と対向し、前記仕切り部は、前記軸線方向に延びるとともに、前記他の端部をつなぐ円筒状に形成され、前記複数の案内部の間の空間を前記軸線方向に沿って、前記流体を通過させることが望ましい。

本発明によれば、上述の複数の案内部の間の空間における流体の流れる方向を、軸線方向に沿って第２シール部に向かう方向にすることで、シール装置における上述の径方向に沿う方向の長さを短くすることができる。

上記発明においては、前記第１シール部は、前記径方向に延びる環状突起であって、前記回転軸における前記第１シール部または前記第２シール部と対向する位置に、前記回転軸の外周面を拡径する段差部が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、第１シール部または第２シール部と対向する位置に、回転軸の外周面を拡径する段差部を設けることにより、上述の径方向における第１隙間と第２隙間との相対位置を変えることができる。そのため、第１隙間を通過した流体が、直接、第２隙間に流入することが防止され、シール装置のシール性能の向上を図ることができる。

上記発明においては、前記案内部は、前記径方向または前記軸線方向に沿って延びる板状の部材であることが望ましい。

本発明によれば、案内部の形状を板状にすることにより、例えば、翼状の案内部の場合と比較して、形状が単純なためシール装置の製造が容易となる。

上記発明においては、前記案内部は、前記径方向または前記軸線方向に沿って延びる翼状の部材であり、前記回転軸の回転方向に向かって湾曲していることが望ましい。

本発明によれば、案内部の形状を翼状にするとともに、回転軸の回転方向に向かって湾曲させることにより、流体流れに含まれる周方向の流速成分を打ち消し、または取り除く際に発生する損失を、板状の案内部と比較して、小さくすることができる。

本発明の回転流体機械は、上記本発明のシール装置が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、上記本発明のシール装置が設けられているため、シール装置と回転軸との間を流れる流体流れに含まれる、周方向の流速成分を打ち消し、または取り除くことができ、回転流体機械における回転軸の挙動を安定させることができる

本発明の回転流体機械のシール装置および回転流体機械によれば、第１シール部を設けて、複数の案内部側から第２シール部側に向かって流れる流体の流れの大半を、複数の案内部、筐体および仕切り部に囲まれた上述の複数の案内部の間に流すことにより、複数の案内部の間を流れる流体に含まれる径方向の流速成分は、流体が上述の複数の案内部の間を流れる間に打ち消し、または取り除かれる。そのため、回転流体機械における回転軸の挙動を安定させることができるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る圧縮機について図１から図４を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る圧縮機の構成を説明する模式図である。
圧縮機（回転流体機械）１は、モータなどの外部の動力源から回転駆動力の供給を受けて、高圧のガスを供給するものである。本実施形態では、本発明の単段の圧縮機に適用して説明する。

圧縮機１には、図１に示すように、筐体２と、回転軸３と、インペラ（羽根車）４と、シール装置５と、が設けられている。

筐体２は、内部に回転軸３およびインペラ４を回転可能に保持するとともに、内面にシール装置５が設けられているものである。さらに、筐体２には、外部に高圧ガスを供給する高圧側流路１１および外部から低圧ガス（例えば、大気圧の空気）をインペラ４に供給する低圧側流路１２と、インペラ４が回転可能に配置されるインペラ室１３と、が設けられている。

高圧側流路１１は、回転軸３に対して径方向外側から回転軸３に向かって延びる流路であって、インペラ４の外周縁を覆うように形成された流路である。高圧側流路１１には、例えば、外部の高圧ガス配管と接続されている。
低圧側流路１２は、回転軸３の軸線方向に沿って延びる流路であって、インペラ４の端部を覆うように形成された流路である。

インペラ室１３は、高圧側流路１１と低圧側流路１２との間に形成され、内部に配置されるインペラ４と略相似形に形成された空間である。インペラ室１３におけるディスク２２と対向する位置には、回転軸３が貫通する貫通孔が形成され、当該貫通孔には、シール装置５が配置されている。

回転軸３は、圧縮機の場合、外部から供給された回転駆動力をインペラ４に伝達するものであり、エキスパンダの場合、ガスから供給された動力を伝達するものである。
回転軸３には、図１に示すように、中央部に径方向外側に延びるインペラ４が設けられている。

インペラ４は、外部から供給された回転駆動力により回転駆動され、その運動エネルギをガスに伝達し、ガスの圧力を高めるものである。
インペラ４には、複数の回転翼２１と、ディスク２２と、シュラウド２３と、が設けられている。なお、インペラ４にシュラウド２３が設けられていなくてもよく、特に限定するものではない。

回転翼２１は、回転駆動されることにより、低圧側流路１２から流入し回転翼２１の間を流れる低圧ガスにエネルギを与え、高圧ガスを生成するものである。
回転翼２１は、ディスク２２およびシュラウド２３の間に、回転軸３の周方向に等間隔に、かつ軸線方向に延びて配置されている。

ディスク２２は、回転軸３から径方向外側に延びる円板状の部材であり、低圧側流路１２と対向する面は、回転軸３に向かって低圧側流路１２に近づく滑らかな曲面として形成されている。一方、ディスク２２の背面（図１の右側の面）は、回転軸３に対して略垂直な面として形成され、インペラ室１３との間にディスク背面流れが流れる隙間が形成されている。

シュラウド２３は、ディスク２２に対して低圧側流路１２側に対向配置された、回転軸３の径方向に沿って延びるリング板状の部材であり、回転軸３に向かって低圧側流路１２に近づく曲面状に形成されたものである。インペラ室１３におけるシュラウド２３と対向する面であって、低圧側流路１２の近傍領域には、シュラウド２３とインペラ室１３との間を流れる漏れ流れを遮るシュラウド側シール部２４が設けられている。
シュラウド側シール部２４は、インペラ室１３からシュラウド２３に向かって延びる環状の突起であって、ラビリンスシールを形成するものである。

シール装置５は、筐体２と回転軸３との間から外部（大気）に漏れるガス流れを遮るものであって、漏れ流れに含まれる回転軸３の周方向の流速成分を打ち消す、または取り除くものである。
シール装置５には、複数の案内板（案内部）３１と、仕切り板（仕切り部）３２と、第１シール部３３と、第２シール部３４とが設けられている。

図２は、図１のシール装置の構成を説明する模式図である。図３は、図２の案内板の構成を説明するＡ−Ａ断面視図である。
複数の案内板３１は、シール装置５を通過する漏れ流れに含まれる周方向の流速成分を打ち消し等する翼状の部材である。
案内板３１は、図１から図３に示すように、インペラ室１３のディスク２２と対向する面であって、回転軸３の近傍に、回転軸３の軸線方向に沿って延びるとともに、周方向に等間隔に配置されている。さらに、案内板３１は、径方向外側に向かって、回転軸３の回転方向と逆方向に傾いて配置されている。

仕切り板３２は、複数の案内板３１の間の空間と、ディスク２２と案内板３１との間の空間とを仕切るリング板状の部材である。
仕切り板３２は、径方向に延びるリング板状の部材であって、複数の案内板３１におけるディスク２２側の端部を繋ぐように配置されるものである。

第１シール部３３は、ディスク２２と仕切り板３２との間のガス流れを遮り、ディスク２２とインペラ室１３との間のガス流れの大半を、複数の案内板３１と、仕切り板３２と、インペラ室１３とに囲まれた空間に導くものである。
第１シール部３３は、仕切り板３２の内周端部から回転軸３に向かって、つまり径方向内側に向かって延びる環状突起であり、回転軸３との間に第１隙間３５を形成するものである。

第２シール部３４は、筐体２と回転軸３との間のガス流れを遮り、圧縮機１の内部から高圧ガスが外部に漏れることを防止するものである。
第２シール部３４は、筐体２における回転軸３と対向する面に、筐体２から回転軸３に向かって、つまり径方向内側に向かって延びる複数の環状突起であり、ラビリンスシールを形成するものである。第２シール部３４と回転軸３との間には第２隙間３６が形成されている。

次に、上記の構成からなる圧縮機１における高圧ガスの生成について図１を参照しながら説明する。
外部から回転駆動力が供給された圧縮機１は、回転軸３を介してインペラ４が回転駆動される。インペラ４が回転駆動されると、回転翼２１の間のガスは回転翼２１とともに回転され、遠心力により径方向外側へ送り出される。一方、回転翼２１の間には、低圧側流路１２から低圧のガスが流入する。

径方向外側へ送り出されたガスは、ディフューザでもある高圧側流路１１に流入し、インペラ４により与えられた動圧が静圧に変換され、高圧ガスとなる。このようにして生成された高圧ガスは、高圧側流路１１を介して外部に供給される。

一方、高圧側流路１１内の高圧ガスの一部は、インペラ室１３とシュラウド２３との間、または、インペラ室１３とディスク２２との間に流入する。
インペラ室１３とシュラウド２３との間に流入した高圧ガスは、圧力差により低圧側流路１２に向かって流れる。この流れは、シュラウド側シール部２４により遮られ、流れの流量が絞られる。

さらに、高圧側流路１１内の高圧ガスの別の一部は、インペラ室１３とディスク２２との間に流入し、回転軸３と筐体２との間を介して、高圧ガスと比較して低圧である大気に向かって流れる（以後、この流れをディスク背面流れと表記する。）。
この流れは、回転軸３と筐体２との間に配置されたシール装置５により遮られ、流れの流量が絞られる。シール装置５における漏れガスの流れについては、以下に詳しく述べる。

次に、本実施形態の特徴であるシール装置５における作用について図２および図３を参照しながら説明する。
上述のように、インペラ室１３とディスク２２との間を流れるディスク背面流れには、ディスク２２の回転により、回転軸３の回転方向の流速成分が含まれ、スワール流れまたは旋回流れとなる。

ディスク背面流れの大半は、案内板３１と筐体２と仕切り板３２との間の空間に流入する。案内板３１は、図２および図３に示すように、径方向外側に向かって、回転軸３の回転方向と反対方向に（回転方向に向かって）傾斜するため、ディスク背面流れに対する案内板３１の迎え角が小さくなる。そのため、ディスク背面流れは、案内板３１に沿ってながれ、つまり案内板３１から剥離することなく流れ、案内板３１の間に流入する。
案内板３１の流出端部の近傍領域では、案内板３１は径方向に沿って延びているため、案内板３１の間から流出するディスク背面流れには、回転方向の流速成分は含まれていない。

なお、回転軸３と仕切り板３２との間には、第１シール部３３が配置され、第１シール部３３と回転軸３により形成された第１隙間３５からなる絞りが形成されている。そのため、ディスク２２と仕切り板３２との間からなる流路は、案内板３１の間に形成された流路と比較して、流路抵抗が高くなるためディスク背面流れの大半は、案内板３１の間に形成された流路に流入する。

さらに、案内板３１におけるディスク２２側の端部に仕切り板３２が設けられているため、案内板３１の間からディスク２２と仕切り板３２の間にディスク背面流れが流入することもないし、逆に、ディスク２２と仕切り板３２の間から案内板３１の間にディスク背面流れが流入することもない。

一方、第１隙間３５を通過した残りのディスク背面流れは、案内板３１の間を通過したディスク背面流れと合流して、回転軸３の外周面に沿って、第２シール部３４に向かって流れる。
なお、本実施形態では、第１隙間３５は十分に狭く、第１シール部３３による流れを遮る機能が十分に作用している例に適用して説明している。

上述のようにして回転軸３の外周面に沿って流れるガス流れは、周方向の流速成分の大半が取り除かれ、略回転軸３の軸線方向に沿って流れる流れとなる。この流れは、ラビリンスシールを構成する第２シール部３４により遮られる。
なお、第２シール部３４により遮られるガス流れの一部は、第２シール部３４と回転軸３との間の第２隙間３６を通過して、大気に流出する。

上記の構成によれば、複数の案内板３１側から第２シール部３４側に向かって流れるディスク背面流れの大半は、複数の案内板３１、筐体２および仕切り板３２に囲まれた上述の複数の案内板３１の間を流れ、残りのディスク背面流れは、第１シール部３３により形成された第１隙間３５を流れる。複数の案内板３１は、回転軸３の径方向または軸線方向の少なくとも一方に沿って延びるため、上述の複数の案内板３１の間を流れる流体に含まれる径方向の流速成分は、ディスク背面流れが上述の複数の案内板３１の間を流れる間に打ち消し、または取り除かれる。そのため、圧縮機１における回転軸３の挙動を安定させることができる。

上述の複数の案内板３１の間の空間におけるディスク背面流れの流れる方向を、径方向に沿って内側に向かう方向にすることで、シール装置５における上述の軸線方向に沿う方向の長さを短くすることができる。
さらに、シール装置５における上述の軸線方向に沿う方向の長さを変えることなく、案内板３１におけるディスク背面流れに沿う方向の長さ、つまり径方向の長さを長くすることができる。そのため、ディスク背面流れに含まれる径方向の流速成分を流体が上述の複数の案内板３１の間を流れる間に、より確実に打ち消し、または取り除くことができる。

案内板３１の形状を翼状にするとともに、回転軸３の回転方向に向かって湾曲させることにより、ディスク背面流れに含まれる周方向の流速成分を打ち消し、または取り除く際に発生する損失を、板状の案内板と比較して、小さくすることができる。

図４は、図２のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。
なお、上述の実施形態のように、第１シール部３３および第２シール部３４は径方向内側に向かって延びる環状突起であって、回転軸３との間にそれぞれ第１隙間３５および第２隙間３６を形成してもよいし、図４に示すように、第１シール部３３および第２シール部３４を径方向外側に向かって延びる環状突起とし、第１シール部３３と仕切り板３２との間に第１隙間３５を形成し、第２シール部３４と筐体２との間に第２隙間３６を形成してもよく、特に限定するものではない。

〔第１の実施形態の第１変形例〕
次に、本発明の第１の実施形態の第１変形例について図５および図６を参照して説明する。
本変形例の圧縮機の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、シール装置の構成が異なっている。よって、本変形例においては、図５および図６を用いてシール装置の構成周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図５は、本変形例に係る圧縮機におけるシール装置の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

圧縮機（回転流体機械）１０１のシール装置１０５には、図５に示すように、複数の案内板３１と、仕切り板３２と、第１シール部３３と、第２シール部３４と、段差部１０３とが設けられている。

段差部１０３は、回転軸３の外周面に配置される円筒状の部材であって、インペラ４のディスク２２に隣接して配置されるものである。
段差部１０３における、回転軸３の軸線方向の長さは、少なくともディスク２２から仕切り板３２まで隙間より長く、段差部１０３の厚さ、つまり段差部１０３の内周面から外周面までの厚さは、第２隙間３６よりも厚く形成されている。

そのため、段差部１０３は、第１シール部３３との間に第１隙間３５を形成している。本変形例で形成される第１隙間３５は、第１の実施形態の第１隙間３５と比較して、間隔が同等またはそれより広く形成されている。さらに、第１隙間３５の回転軸３からの距離つまり径方向の位置は、第２隙間３６よりも離れている、つまり外径側に位置している。

次に、本変形例の特徴であるシール装置１０５における作用について図５を参照しながら説明する。なお、本変形例の圧縮機１０１における高圧ガスの生成については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

案内板３１の間におけるディスク背面流れについては、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
第１シール部３３と段差部１０３との間に形成された第１隙間３５を通過したディスク背面流れは、回転軸３の軸線方向に沿って流れ、第２シール部３４の環状突起、または筐体２に衝突して遮られる。
以後のガスの流れは、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

上記の構成によれば、第１シール部３３と対向する位置に、回転軸３の外周面を拡径する段差部１０３を設けることにより、上述の径方向における第１隙間３５と第２隙間３６との相対位置を変えることができる。そのため、第１隙間３５を通過したディスク背面流れが、直接、第２隙間３６に流入することが防止され、シール装置１０５のシール性能の向上を図ることができる。

図６は、図５のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。
なお、上述の実施形態のように、第１シール部３３および第２シール部３４は径方向内側に向かって延びる環状突起であって、段差部１０３との間に第１隙間３５を形成し、回転軸３との間に第２隙間３６を形成してもよいし、図６に示すように、第１シール部３３および第２シール部３４を径方向外側に向かって延びる環状突起とし、第１シール部３３と仕切り板３２との間に第１隙間３５を形成し、第２シール部３４と筐体２との間に第２隙間３６を形成してもよく、特に限定するものではない。

〔第１の実施形態の第２変形例〕
次に、本発明の第１の実施形態の第２変形例について図７を参照して説明する。
本変形例の圧縮機の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、シール装置の構成が異なっている。よって、本変形例においては、図７を用いてシール装置の構成周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図７は、本変形例に係る圧縮機におけるシール装置の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

圧縮機（回転流体機械）２０１のシール装置２０５には、図７に示すように、複数の案内板３１と、仕切り板３２と、第１シール部３３と、第２シール部３４と、段差部（段差部）２０３とが設けられている。

段差部２０３は、回転軸３の外周面に配置される円筒状の部材であって、第２シール部３４と対向する位置に配置されるものである。
段差部２０３における、段差部２０３の厚さ、つまり段差部２０３の内周面から外周面までの厚さは、第１隙間３５よりも厚く、より好ましくは第１隙間３５から流出したガス流れの境界層厚さより厚く形成されている。さらに、第２隙間３６の回転軸３からの距離つまり径方向の位置は、第１隙間３５よりも離れている、つまり外径側に位置している。

次に、本変形例の特徴であるシール装置２０５における作用について図７を参照しながら説明する。なお、本変形例の圧縮機２０１における高圧ガスの生成については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

ディスク背面流れにおける案内板３１の間の流れについては、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
第１シール部３３と回転軸３との間に形成された第１隙間３５を通過したディスク背面流れは、回転軸３の外周面に沿って流れ、段差部２０３の端面、つまり回転軸３に段差部２０３を設けたことにより形成された段差面に当たる。
以後のガスの流れは、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

上記の構成によれば、第２シール部３４と対向する位置に、回転軸３の外周面を拡径する段差部２０３を設けることにより、上述の径方向における第１隙間３５と第２隙間３６との相対位置を変えることができる。そのため、第１隙間３５を通過したディスク背面流れが、直接、第２隙間３６に流入することが防止され、シール装置２０５のシール性能の向上を図ることができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図８から図１０を参照して説明する。
本実施形態の圧縮機の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、シール装置の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図８から図１０を用いてシール装置の構成周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図８は、本実施形態に係る圧縮機のシール装置の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

圧縮機（回転流体機械）３０１のシール装置３０５には、図８に示すように、複数の案内板（案内部）３３１と、仕切り板（仕切り部）３３２と、第１シール部３３３と、第２シール部３４と、段差部３０３とが設けられている。

図９は、図８の案内板の構成を説明するＢ−Ｂ断面視図である。図１０は、図８の案内板の構成を説明するＣ−Ｃ断面視図である。
複数の案内板３３１は、シール装置３０５を通過する漏れ流れに含まれる周方向の流速成分を打ち消す等する板状の部材である。
案内板３３１は、図８から図１０に示すように、筐体２の回転軸３と対向する面に、回転軸３の軸線方向および径方向に沿って延びるとともに、周方向に等間隔に配置されている。

仕切り板３３２は、複数の案内板３３１の間の空間と、回転軸３と案内板３１との間の空間とを仕切る円筒状の部材である。
仕切り板３２は、回転軸３の軸線方向に延びる円筒状の部材であって、複数の案内板３３１における回転軸３側の端部を繋ぐように配置されるものである。

第１シール部３３３は、回転軸３と仕切り板３３２との間のガス流れを遮り、回転軸３と筐体２との間のガス流れの大半を、複数の案内板３３１と、仕切り板３３２と、筐体２とに囲まれた空間に導くものである。
第１シール部３３３は、仕切り板３３２の外周面における中央部から回転軸３に向かって、つまり径方向内側に向かって延びる環状突起であり、回転軸３との間に第１隙間３５を形成するものである。

段差部３０３は、回転軸３の外周面に配置される円筒状の部材であって、第２シール部３４と対向する位置に配置されるものである。
段差部３０３における、段差部３０３の厚さ、つまり段差部３０３の内周面から外周面までの厚さは、第１隙間３５よりも厚く、つまり第１隙間３５から流出したガス流れの境界層厚さより厚く、より好ましくは、径方向における案内板３３１の中間位置付近までの厚さに形成されている。さらに、第２隙間３６の回転軸３からの距離つまり径方向の位置は、第１隙間３５よりも離れている、つまり外径側に位置している。

次に、本変形例の特徴であるシール装置３０５における作用について図８から図１０を参照しながら説明する。なお、本変形例の圧縮機３０１における高圧ガスの生成については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

ディスク背面流れは、図８に示すように、ディスク２２とインペラ室１３との間から、回転軸３と筐体２との間に流れ込み、回転軸３の軸線方向に沿って流れる。回転軸３に沿って流れるガス流れの大半は、案内板３３１と筐体２と仕切り板３３２との間の空間に流入する。案内板３３１は、図９または図１０に示すように、回転軸３の径方向および軸線方向に沿って延びるため、案内板３３１の間から流出するディスク背面流れには、回転方向の流速成分は含まれていない。

なお、回転軸３と仕切り板３３２との間には、第１シール部３３３が配置され、第１シール部３３３と回転軸３により形成された第１隙間３５からなる絞りが形成されている。そのため、回転軸３と仕切り板３２との間からなる流路は、案内板３３１の間に形成された流路と比較して、流路抵抗が高くなるためガス流れの大半は、案内板３３１の間に形成された流路に流入する。
ガス流れに含まれる周方向の流速成分は、案内板３３１の間に形成された流路を流れる間に打ち消し、または取り除かれる。

さらに、案内板３３１における回転軸３側の端部に仕切り板３３２が設けられているため、案内板３３１の間から回転軸３と仕切り板３３２の間にガス流れが流入することもないし、逆に、回転軸３と仕切り板３３２の間から案内板３３１の間にガス流れが流入することもない。

一方、第１隙間３５を通過した残りのガス流れは、回転軸３の外周面に沿って、第２シール部３４に向かって流れ、段差部３０３の端面、つまり回転軸３に段差部３０３を設けたことにより形成された段差面に流れを遮られる。

案内板３３１の間から流出したガス流れは、段差部３０３の外周面と筐体２との間を、回転軸３の軸線方向に沿って流れ、第２シール部３４に遮られる。第２シール部３４により遮られるガス流れの一部は、第２シール部３４と回転軸３との間の第２隙間３６を通過して、大気に流出する。

上記の構成によれば、上述の複数の案内板３３１の間の空間におけるガスの流れる方向を、軸線方向に沿って第２シール部３４に向かう方向にすることで、シール装置３０５における上述の径方向に沿う方向の長さを短くすることができる。

第２シール部３４と対向する位置に、回転軸３の外周面を拡径する段差部３０３を設けることにより、上述の径方向における第１隙間３５と第２隙間３６との相対位置を変えることができる。そのため、第１隙間３５を通過したガスが、直接、第２隙間３６に流入することが防止され、シール装置３０５のシール性能の向上を図ることができる。

案内板３３１の形状を板状にすることにより、例えば、翼状の案内板の場合と比較して、形状が単純なためシール装置３０５の製造が容易となる。

〔第２の実施形態の第１変形例〕
次に、本発明の第２の実施形態の第１変形例について図１１から図１３を参照して説明する。
本変形例の圧縮機の基本構成は、第２の実施形態と同様であるが、第２の実施形態とは、シール装置の構成が異なっている。よって、本変形例においては、図１１から図１３を用いてシール装置の構成周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図１１は、本変形例に係る圧縮機のシール装置の構成を説明する模式図である。図１２は、図１１のシール装置の構成を説明するＤ−Ｄ断面視図である。
なお、第２の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

圧縮機（回転流体機械）４０１のシール装置４０５には、図１１に示すように、複数の案内板（案内部）４３１と、仕切り板３３２と、第１シール部３３３と、第２シール部３４と、段差部３０３とが設けられている。

複数の案内板４３１は、シール装置４０５を通過する漏れ流れに含まれる周方向の流速成分を打ち消す等する翼状の部材である。
案内板４３１は、図１１および図１２に示すように、筐体２の回転軸３と対向する面に、回転軸３の径方向に沿って延びるとともに、周方向に等間隔に配置されている。さらに、案内板４３１は、軸線方向のディスク２２側に向かって、回転軸３の回転方向と逆方向に湾曲して配置されている。

次に、本変形例の特徴であるシール装置４０５における作用について図１１および図１２を参照しながら説明する。なお、本変形例の圧縮機４０１における高圧ガスの生成については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

ディスク背面流れは、図１１に示すように、ディスク２２とインペラ室１３との間から、回転軸３と筐体２との間に流れ込み、回転軸３の軸線方向に沿って流れる。回転軸３に沿って流れるガス流れの大半は、案内板４３１と筐体２と仕切り板３３２との間の空間に流入する。

案内板４３１は、図１１および図１２に示すように、軸線方向のディスク２２側に向かって、回転軸３の回転方向と反対方向に（回転方向に向かって）湾曲するため、ガス流れに対する案内板４３１の迎え角が小さくなる。そのため、ガス流れは、案内板４３１に沿って流れ、つまり案内板４３１から剥離することなく流れ、案内板４３１の間に流入する。

案内板４３１の流出端部の近傍領域では、案内板４３１は軸線方向に沿って延びているため、案内板４３１の間から流出するガス流れには、回転方向の流速成分は含まれていない。
以後のガス流れについては、第２の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

上記の構成によれば、案内板４３１の形状を翼状にするとともに、回転軸３の回転方向に向かって湾曲させることにより、ガス流れに含まれる周方向の流速成分を打ち消し、または取り除く際に発生する損失を、板状の案内部と比較して、小さくすることができる。

図１３は、図１１のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。
なお、上述の実施形態のように、第１シール部３３３および第２シール部３４は径方向内側に向かって延びる環状突起であって、回転軸３との間に第１隙間３５を形成し、段差部３０３との間に第２隙間３６を形成してもよいし、図１３に示すように、第１シール部３３３および第２シール部３４を径方向外側に向かって延びる環状突起とし、第１シール部３３３と仕切り板３２との間に第１隙間３５を形成し、第２シール部３４と筐体２との間に第２隙間３６を形成してもよく、特に限定するものではない。

〔第２の実施形態の第２変形例〕
次に、本発明の第２の実施形態の第２変形例について図１４および図１５を参照して説明する。
本変形例の圧縮機の基本構成は、第２の実施形態と同様であるが、第２の実施形態とは、シール装置の構成が異なっている。よって、本変形例においては、図１４および図１５を用いてシール装置の構成周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図１４は、本変形例に係る圧縮機のシール装置の構成を説明する模式図である。
なお、第２の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。

圧縮機（回転流体機械）５０１のシール装置５０５には、図１４に示すように、複数の案内板４３１と、仕切り板３３２と、第１シール部５３３と、第２シール部３４と、段差部３０３とが設けられている。

第１シール部５３３は、回転軸３と仕切り板３２との間のガス流れを遮り、回転軸３と筐体２との間のガス流れの大半を、複数の案内板４３１と、仕切り板３３２と、筐体２とに囲まれた空間に導くものである。
第１シール部５３３は、図１４に示すように、回転軸３の軸線に沿って、段差部３０３の段差面に向かって延びる環状突起であり、段差部３０３との間に第１隙間３５を形成するものである。

次に、本変形例の特徴であるシール装置５０５における作用について図１４を参照しながら説明する。なお、本変形例の圧縮機５０１における高圧ガスの生成については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

ディスク背面流れは、図１４に示すように、ディスク２２とインペラ室１３との間から、回転軸３と筐体２との間に流れ込み、回転軸３の軸線方向に沿って流れる。回転軸３に沿って流れるガス流れの大半は、案内板４３１と筐体２と仕切り板３３２との間の空間に流入する。

回転軸３と仕切り板３３２との間には、下流側に第１シール部５３３が配置され、第１シール部５３３と段差部３０３により形成された第１隙間３５からなる絞りが形成されている。そのため、回転軸３と仕切り板３２との間からなる流路は、案内板４３１の間に形成された流路と比較して、流路抵抗が高くなるためガス流れの大半は、案内板４３１の間に形成された流路に流入する。
以後のガス流れについては、第２の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

上記の構成によれば、第１シール部５３３を、回転軸３の軸線に沿って、段差部３０３の段差面に向かって延びる環状突起とすることにより、第１隙間３５を通過したガスが、直接、第２隙間３６に流入することが防止され、シール装置３０５のシール性能の向上を図ることができる。

図１５は、図１４のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。
なお、上述の実施形態のように、第１シール部５３３が軸線方向に沿って段差部３０３の段差面に向かって延びる環状突起としてもよいし、図１４に示すように、第１シール部５３３を軸線方向に沿って仕切り板３３２に向かって延びる環状突起とし、第１シール部５３３と仕切り板３２との間に第１隙間３５を形成してもよく、特に限定するものではない。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、この発明を単段の圧縮機に適用して説明したが、この発明は圧縮機に限られることなく、エキスパンダなどの他の回転流体機械に適用できるものである。
ここで、エキスパンダとは、例えば、工場の他の装置などに供給される高圧ガスの余剰分などが挙げられる。エキスパンダは、このような高圧ガスの有するエネルギを回転エネルギに変換し、モータなどによる回転駆動の補助として用いられるものである。

なお、上述の実施形態では、本発明を遠心式の圧縮機に適用して説明したが、遠心式の圧縮機に限られることなく、斜流式の圧縮機に適用してもよく、特に限定するものではない。

本発明の第１の実施形態に係る圧縮機の構成を説明する模式図である。 図１のシール装置の構成を説明する模式図である。 図２の案内板の構成を説明するＡ−Ａ断面視図である。 図２のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。 本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る圧縮機におけるシール装置の構成を説明する模式図である。 図５のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。 本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る圧縮機におけるシール装置の構成を説明する模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る圧縮機のシール装置の構成を説明する模式図である。 図８の案内板の構成を説明するＢ−Ｂ断面視図である。 図８の案内板の構成を説明するＣ−Ｃ断面視図である。 本発明の第２の実施形態の第１変形例に係る圧縮機のシール装置の構成を説明する模式図である。 図１１のシール装置の構成を説明するＤ−Ｄ断面視図である。 図１１のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。 本発明の第２の実施形態の第２変形例に係る圧縮機のシール装置の構成を説明する模式図である。 図１４のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。

符号の説明

１，１０１，２０１，３０１，４０１，５０１ 圧縮機（回転流体機械）
２ 筐体
３ 回転軸
４ インペラ（羽根車）
５，１０５，２０５，３０５，４０５，５０５ シール装置
３１，３３１，４３１ 案内板（案内部）
３２，３３２ 仕切り板（仕切り部）
３３，３３３，５３３ 第１シール部
３４ 第２シール部
３５ 第１隙間
３６ 第２隙間
１０３，２０３，３０３ 段差部（段差部）

Claims (7)

1. 羽根車を有する回転軸を内部に回転可能に収納する筐体と、
   該筐体の内面に取り付けられ、前記回転軸に対して径方向または軸線方向の少なくとも一方に沿って延びるとともに、前記回転軸に対して周方向に並んで配置された複数の案内部と、
   前記複数の案内部における前記筐体に取り付けられた一の端部と反対側の他の端部をつなぎ、前記複数の案内部の間の空間と、前記羽根車と前記案内部との間の空間とを仕切る仕切り部と、
   環状突起であって、前記回転軸または前記仕切り部との間に第１隙間を形成し、前記羽根車と前記案内部との間の空間を通過する流体の流れを遮る第１シール部と、
   前記径方向に延びる環状突起であって、前記回転軸または前記筐体との間に第２隙間を形成し、前記複数の案内部の間の空間を通過した流体の流れ、および前記第１シール部を通過した流体の流れを遮る第２シール部と、が設けられ、
   前記複数の案内部は、前記羽根車側から流入する流体に対して前記回転軸の周方向の流速成分を低減させて、前記第２シール部側へ流体を流出させることを特徴とする回転流体機械のシール装置。
2. 前記複数の案内部における前記他の端部は、前記回転軸から径方向外側に延びる羽根車と対向し、
   前記仕切り部は、前記径方向に延びるとともに、前記他の端部をつなぐリング板状に形成され、
   前記複数の案内部の間の空間を前記径方向内側に向かって、前記流体を通過させることを特徴とする請求項１記載の回転流体機械のシール装置。
3. 前記複数の案内部における前記他の端部は、前記回転軸の外周面と対向し、
   前記仕切り部は、前記軸線方向に延びるとともに、前記他の端部をつなぐ円筒状に形成され、
   前記複数の案内部の間の空間を前記軸線方向に沿って、前記流体を通過させることを特徴とする請求項１記載の回転流体機械のシール装置。
4. 前記第１シール部は、前記径方向に延びる環状突起であって、
   前記回転軸における前記第１シール部または前記第２シール部と対向する位置に、前記回転軸の外周面を拡径する段差部が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の回転流体機械のシール装置。
5. 前記案内部は、前記径方向または前記軸線方向に沿って延びる板状の部材であることを特徴とする請求項１記載の回転流体機械のシール装置。
6. 前記案内部は、前記径方向または前記軸線方向に沿って延びる翼状の部材であり、前記回転軸の回転方向に向かって湾曲していることを特徴とする請求項１記載の回転流体機械のシール装置。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のシール装置が設けられていることを特徴とする回転流体機械。

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