(57)【要約】【課題】  羽根車シール部の焼付きを抑えるとともに作動流体の漏洩量を抑制することによって、耐久性の高いターボ機械を得ることとともに作動流体のエネルギー損失を減らしてターボ機械全体の断熱圧縮効率を向上させること。【解決手段】  ターボ冷凍機に用いられる遠心圧縮機の羽根車１３の周面に設けられた複数のフィン１８ａと、羽根車１３の周囲に配置された静止壁１７に複数のフィン１８ａに対向するように設けられたシール部２１とからなり、羽根車１３と静止壁１７との間を封止するシール装置１８であって、フィン１８ａは、金属製とされ、シール部２１は樹脂製とされていることを特徴とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ冷凍機に用いられる遠心圧縮機の回転体の周面に設けられた一方のシール部と、前記回転体の周囲に配置された静止壁部に前記一方のシール部に対向するように設けられた他方のシール部とからなり、いずれかのシール部には環状突起が設けられているとともに、これら２つのシール部により前記回転体と前記静止壁部との間を封止するシール装置であって、
前記一方のシール部は、前記他方のシール部よりも硬質とされていることを特徴とするシール装置。
【請求項２】
前記環状突起は、前記一方のシール部に設けられているとともに、
前記回転体の本体中央部から軸線方向および半径方向に離間した位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載のシール装置。
【請求項３】
前記一方のシール部は、硬質金属とされ、
前記他方のシール部は、樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシール装置。
【請求項４】
前記環状突起の先端は、平坦面と、該平坦面の両側に接続する側周面とによって形成されており、
前記平坦面と前記側周面との接続部は、角部を有して形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシール装置。
【請求項５】
前記環状突起は、前記回転体の軸線方向に複数設けられており、
前記他方のシール部は、前記軸線方向において前記回転体の前記本体中央部から最も離間する環状突起に対向する部分が少なくとも樹脂製とされており、他の部分が金属製とされていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のシール装置。
【請求項６】
前記一方のシール部は、樹脂部を備え、
該樹脂部は、金属部材により挟み込まれて固定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシール装置。
【請求項７】
前記一方のシール部及び前記他方のシール部の何れか一方に、先端が先鋭で前記回転体の周方向に環状をなす突起が、前記回転体の長さ方向に間隔を隔てて複数設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のシール装置。
【請求項８】
請求項１から７の何れかに記載のシール装置を備えた遠心圧縮機を有していることを特徴とするターボ冷凍機。
【請求項９】
遠心圧縮機の回転軸に設けられる複数のフィンと、樹脂からなるシールリングと、を備えるシール装置であって、
前記シールリングは、少なくとも回転時に遠心力が最も大きくかかるフィンに対向するように、かつ、停止時に当該フィンから離間させた状態で配することを特徴とするシール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体と静止壁部とを備えた回転機械におけるシール装置及び該シール装置を備えた遠心圧縮機を有するターボ冷凍機に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機、蒸気タービン等の、高圧の作動流体（例えばフルオロカーボンガス等）が流通するターボ機械においては、回転軸に取り付けられた羽根車の回転によって、ケーシング内部に導入された作動流体の圧力が増減しエネルギーを授受する。
特に、フルオロカーボンガス等の気体ガスを加速し流速を上昇させた後、圧力上昇に変換するターボ圧縮機においては、回転軸に取り付けられた羽根車の回転によって気体の流速を上昇させ、静止流路に導入することにより作動気体の圧力が高められエネルギーを得る。
【０００３】
回転体と静止壁部とを有し、前記回転体が回転軸と該回転軸に取り付けられている羽根車とからなるターボ機械において、前記羽根車と前記静止壁部とが対向する位置に形成されている間隙から、エネルギーを投入して圧縮した作動流体が漏洩してエネルギーの損失となることを抑制するため、前記静止壁部と前記羽根車とが互いに対向する面のいずれか一方、あるいは両方が回転軸方向に多段形状に形成されたシール装置として、ラビリンスシールが各種提案されている。
従来の遠心圧縮機（ターボ機械）において、静止壁部と前記羽根車とが互いに対向するシール部に、フィンと環状シール部とからなるラビリンスシールが備えられている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１２１２９４号公報（第５頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来のラビリンスシールは、羽根車の回転上昇時または回転降下時に発生する軸振動、或いは作動流体の流体加振力によって、フィン先端部が環状シール部と接触して摩耗や損傷を起こして、ラビリンスシール及び圧縮機の耐久性を低下させてしまうという問題があった。
【０００６】
また、上記の接触によってフィン先端部と環状シール部との双方が互いに擦られて、フィン先端部は平坦化され、環状シール部はフィン形状に沿って削られる。よって、フィン先端部〜環状シール部間に形成されている隙間が圧縮機の運転に伴い徐々に拡がってしまう。
この結果、作動流体の漏洩量が増加して圧縮効率が低下してしまう問題があった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、シール部の焼付きを抑えるとともに作動流体の漏洩量を抑制することによって、耐久性の高いターボ圧縮機を得ることとともに作動流体のエネルギー損失を減らしてターボ圧縮機全体の断熱圧縮効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
請求項１記載のシール装置は、ターボ冷凍機に用いられる遠心圧縮機の回転体の周面に設けられた一方のシール部と、前記回転体の周囲に配置された静止壁部に前記一方のシール部に対向するように設けられた他方のシール部とからなり、いずれかのシール部には環状突起が設けられているとともに、これら２つのシール部により前記回転体と前記静止壁部との間を封止するシール装置であって、前記一方のシール部は、前記他方のシール部よりも硬質とされていることを特徴とする。
【０００９】
回転側である一方のシール部を硬質としているので、仮に一方のシール部が他方のシール部に接触しても回転側シール部は摩耗や変形することがない。特に、一方のシール部に環状突起が設けられている場合には、環状突起の先端が摩耗や変形してつぶれてしまうことがない。したがって、クリアランスが一定に保たれることになり、シール性能が低下することがない。
また、回転側を硬質としているので、強度の確保が容易である。つまり、遠心力によって生じる応力に十分耐えうる回転体を提供することができる。
【００１０】
請求項２記載のシール装置は、前記環状突起は、前記一方のシール部に設けられているとともに、前記回転体の本体中央部から軸線方向および半径方向に離間した位置に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
回転体の本体中央部から軸線方向および半径方向に離間する位置に環状突起が設けられているので、環状突起が取付けられた一方のシール部は、回転時には遠心力によって拡径することとなる。一方、静止時にはこの拡径による隙間を確保することができるから、この隙間によって部材間の干渉を避けることができ、組み立てが容易になる。
なお、一方のシール部すなわち環状突起が拡径したときに他方のシール部とのクリアランスが０となる離間量とすることが好ましい。
【００１２】
請求項３記載のシール装置は、前記一方のシール部は、硬質金属とされ、前記他方のシール部は、樹脂により形成されていることを特徴とする。
【００１３】
他方のシール部に樹脂を採用することとしたので、仮に一方のシール部が接触したとしても、樹脂よりも硬い硬質金属で形成された一方のシール部が変形することはない。また、他方のシール部が接触により変形したとしても、その変形は樹脂の弾性によって吸収され変形が残るおそれが少ない。したがって、変形によって隙間が増大することにより、シール性能が損なわれることがない。
一方のシール部に用いられる硬質金属としては、樹脂に対して塑性変形しない材料であれば良く、コスト面を考慮すれば鉄系の金属、具体的には炭素鋼であるＳＣＭ材またはニッケルクロム鋼であるＳＮＣＭ材が好ましい。
他方のシール部に用いられる樹脂としては、固体潤滑剤として自己潤滑性を期待できる４フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）樹脂であって充填含浸材として雲母、カーボン、黒鉛、青銅、銅、ガラス繊維（粉末）、二硫化モリブデンなど使用したものや、綿やセルロース強化されたもの、多孔質銅系金属に４フッ化エチレンと前記充填含浸材を充填したもの、またはエポキシ系樹脂やガラス繊維（粉末）強化されたエポキシ樹脂もの好ましい。
【００１４】
請求項４記載のシール装置は、前記環状突起の先端は、平坦面と、該平坦面の両側に接続する側周面とによって形成されており、前記平坦面と前記側周面との接続部は、角部を有して形成されていることを特徴とする。
【００１５】
平坦面と側周面との接続部に角部を設けることとしたので、両シール部の間には急拡大ないし急縮小する流路が形成されることとなる。これにより、シール性能を向上させることができる。
なお、角部は、平坦面と側周面との接続部に、Ｒ加工や面取り加工を施さないことによって得ることができる。
【００１６】
請求項５記載のシール装置は、前記環状突起は、前記回転体の軸線方向に複数設けられており、前記他方のシール部は、前記軸線方向において前記回転体の前記本体中央部から最も離間する環状突起に対向する部分が少なくとも樹脂製とされており、他の部分が金属製とされていることを特徴とする。
【００１７】
軸線方向において回転体の本体中央部から最も離間する位置に設けられた環状突起は、半径方向の変形が最も大きい。したがって、この環状突起が他方のシール部に接触する可能性が最も高いので、少なくともこの環状突起に対向する他方のシール部を樹脂製とする。一方、他の環状突起は、本体中央部に近くなるほど半径方向の変形量は小さくなる。したがって、他方のシール部に接触する可能性がないので、他のシール部に金属材料を用いても差し支えない。他方のシール部を金属製とすることで、樹脂製に比べて加工精度をだすことができる。
【００１８】
請求項６記載のシール装置は、前記一方のシール部は、樹脂部を備え、該樹脂部は、金属部材により挟み込まれて固定されていることを特徴とする。
【００１９】
樹脂部は強度が小さいので変形しやすい。この樹脂部を金属部材によって挟み込み固定することで、強度を確保する。特に、樹脂部を金属部材に挟み込んだ後に加工することができるので、精度良く加工することができる。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項１から３の何れかに記載のシール装置において、前記一方のシール部及び前記他方のシール部の何れか一方に、先端が先鋭で前記回転体の周方向に環状をなす突起が、前記回転体の長さ方向に間隔を隔てて複数設けられていることを特徴とする。
【００２１】
このような構成とすることで、突起によって削られて形成された面が新たなシール面となることから、シール部における流路長が増加されて、高圧側からの漏洩量が抑えられる。
【００２２】
請求項８に記載の発明は、上記シール装置を備えた遠心圧縮機を有するターボ冷凍機とされていることを特徴とする。
【００２３】
このような構成とすることで、耐久性が高く、エネルギー損失が少ないターボ冷凍機を得ることができる。
【００２４】
請求項９に記載の発明は、遠心圧縮機の回転軸に設けられる複数のフィンと、樹脂からなるシールリングと、を備えるシール装置であって、前記シールリングは、少なくとも回転時に遠心力が最も大きくかかるフィンに対向するように、かつ、停止時に当該フィンから離間させた状態で配することを特徴とする。
【００２５】
このような構成とすることで、回転状態のフィンが接触する可能性が最も高い部分を樹脂製のシールリングによりシールすることができ、耐久性を確実に向上させることができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明した本発明のシール装置及びこれを備えるターボ機械においては以下の効果を奏する。
本発明によれば、一方のシール部を他方のシール部よりも硬質としたので、接触によって回転側の一方のシール部が損傷・変形することがない。したがって、シールに必要なクリアランスを常に確保することができるので、シール性能の低下がない。
また、本発明によれば、静止側である他方のシール部を樹脂製としたので、樹脂による弾性変形によって接触による変形を許容することにより他方のシール部の摩耗・変形を抑えることができる。これにより、一定のクリアランスを確保でき、シール性能を維持することができる。
【００２７】
また、本発明によるシール装置を備えているので、作動流体のエネルギー損失を減らしてターボ冷凍機全体の断熱圧縮効率を向上させるとともに耐久性の高いターボ冷凍機を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１、図２に本発明の第１の実施形態を示す。
図１には、ターボ冷凍機に用いられる遠心圧縮機の断面図が示されている。
図１に示す遠心圧縮機（ターボ機械）１０は、ケーシング１１と、このケーシング１１の中央部を貫通して配設されている回転軸（回転体）１２と、回転軸１２に配設された羽根車１３と、回転軸１２をケーシング１１に支持する軸受１４とから構成されている。ケーシング１１は、前方位置にフルオロカーボン（作動流体）導入口１５と、上方位置にフルオロカーボン排出口１６と、前記羽根車１３の後方部に隣接する位置に静止壁１７とから構成されている。
回転軸１２は、ケーシング１１内を貫通して配設されており、軸受１４によってケーシング１１内に支持されている。
【００２９】
前記羽根車１３と前記静止壁１７とが互いに対向する位置には、羽根車シール装置（シール装置）１８が設けられている。この羽根車シール装置１８は、前記回転軸１２の軸線方向に一定間隔を隔てて設けられた、環状突起が円周状に設けられた複数のフィン（一方のシール部）１８ａと、前記静止壁１７に設けられたシールリング（他方のシール部）２１とから構成されている。
【００３０】
羽根車１３は、高圧側端部（図において左方）に固定された円錐状部材３０を備えている。この円錐状部材３０は、羽根車１３の本体中央部１３ａから軸線方向に離間するに従い漸次拡径する円錐形状となっている。
複数のフィン１８ａは、この円錐状部材３０の外周縁部に設けられている。したがって、各フィン１８ａは、羽根車１３の本体中央部１３ａから軸線方向および半径方向に離間した位置に設けられている。このように、フィン１８ａを備えたシール部は、円錐状部材３０によってオーバーハング構造となっている。
【００３１】
フィン１８ａの先端は、図２に示されているように、平坦面１８ｂと、この平坦面１８ｂの両側に接続する側周面１８ｃ，１８ｃとによって形成されている。平坦面１８ｂと側周面１８ｃ，１８ｃとの接続部は、角部を有した形状となっている。つまり、これら接続部では、Ｒ加工や面取り加工が行なわれていない。
平坦面１８ｂと、この平坦面１８ｂに対向するシールリング２１との間のクリアランス（隙間）２０は、次のように管理されている。つまり、組み立て時においては、所定の隙間を持たせた位置関係にしておく。この所定の隙間は、運転時の最大回転時における遠心力によって、オーバーハング構造とされた円錐状部材３０の外周縁部すなわちフィン１８ａが変形した場合に、クリアランスがほぼ０となるように設定される。このように、最も負荷が高くなりシール部分の損耗が激しくなる領域での遠心力による変形を許容する離間量を確保することにより、樹脂の弾性変形の特性を活かしたシーリングを維持することができる。
また、フィン１８ａと隣接する該フィン１８ａ間には小室１９が形成されている。
【００３２】
フィン１８ａは炭素鋼であるＳＣＭ材により形成されており、シールグリング２１は、樹脂により形成されている。樹脂としては、マイカを含浸させたテフロン系樹脂が好ましく、具体的には、フルオロシント（登録商標）が好適である。
【００３３】
上記の構成からなる羽根車シール装置１８を有する遠心圧縮機１０において、フルオロカーボンガスは、フルオロカーボンガス導入口１５からケーシング１１内に導入されて、回転軸１２の回転とともに回転する羽根車１３前面に沿って羽根車１３の外周部へ送られる。この際、圧力が高められエネルギーを得るとともに昇温されて、上方のフルオロカーボンガス排出口１６から排出される。
【００３４】
羽根車シール装置１８に至った一部のフルオロカーボンガスは、わずかな間隙である隙間２０を通過し、さらに、小室１９内で拡大されて渦等が引き起こされることによって流路抵抗が増加され流通が阻害される。このときに、フィン１８ａ先端の平坦面１８ｂと側周面１８ｃとの接続部に形成された角部によって流路が急拡大・急縮小されるので、シール性能がより増大させられる。
【００３５】
従って、羽根車シール装置１８におけるシール効果が十分機能して漏洩量を減少させる。このことによって、ターボ機械全体の断熱圧縮効率のよい運転が可能となる。
【００３６】
また、羽根車シール装置１８において、シールリング２１を樹脂製とし、フィン１８ａを硬質材料である炭素鋼としたので、羽根車１３の回転上昇時および降下時にフィン１８ａ先端部がシールリング２１と接触しても、シールリング２１のみが変形するにとどまり、フィン１８ａが変形することがない。特に、シールリング２１を樹脂製としているので、その弾性によって変形は可及的に抑えることができる。したがって、隙間２０の拡大を抑えることができる。
【００３７】
この羽根車シール装置を有する遠心圧縮機によれば、回転上昇時および降下時にフィンとシールリングが接触してもシール部の流路抵抗値の変動が抑えられるため、高圧側から漏洩するフルオロカーボンガス量を抑制することができ、遠心圧縮機全体の断熱圧縮効率を向上させることができる。
【００３８】
［第２実施形態］
次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態は、第１実施形態に対して、シールリング２１の取付け構造が異なる。
図３に示されているように、樹脂製のシールリング２１は、羽根車１３の本体中央部１３ａ（図１参照）からみて、羽根車１３の軸線方向において最も離間するフィン１８ａ１に対向する位置にのみ配置されており、他の部分は金属製のシールリング２１ｂが配置されている。
羽根車１３の本体中央部１３ａから最も離間する位置に設けられたフィン１８ａ１は、オーバーハング構造を有する円錐状部材３０の最遠端に設けられているので、回転時には半径方向の変形が最も大きい。したがって、このフィン１８ａ１がシールリング２１に接触する可能性が最も高いので、この位置のシールリング２１のみが樹脂製とされている。
一方、他のフィン１８ａ２，１８ａ３は、羽根車の本体中央部分に近くなるほど半径方向の変形量は小さくなるので、静止側壁１７に接触する可能性がない。したがって、この位置に金属製のシールリング２１ｂに金属材料を用いることができるので、樹脂製シールリングを用いる場合に比べて位置精度をだすことができる。
【００３９】
金属製のシールリング２１ｂは、樹脂製シールリング２１を介して、複数のボルト３２によって静止壁１７に対して固定されている。つまり、樹脂製シールリング２１が金属部材１７，２１ｂ間で挟み込まれるようになっている。このように樹脂製シールリング２１を両側から金属部材１７，２１ｂで挟み込んで強固に固定した後に内周面を切削加工することができるので、弾性変形しやすい樹脂製シールリング２１の位置精度を容易に確保することができる。
【００４０】
なお、本実施形態において、樹脂製シールリング２１に対向するフィンは、羽根車からみて最遠端のフィン１８ａ１のみとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。つまり、回転時における遠心力によって静止壁１７側に接触する可能性のあるフィンに対向する位置に樹脂製シールリング２１を配置すればよい。したがって、最遠端のフィン１８ａ１だけでなく、その隣のフィン１８ａ２に対向する位置にも樹脂製シールリング２１を設けても良い。
【００４１】
［第３実施形態］
図４は、本発明の第３の実施形態を示す。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した構成要素には同一符号を付し、その説明は省略する。
遠心圧縮機１０の全体構成は、図１に示すものと同様である。
【００４２】
図４に示す羽根車シール装置１８において、前記フィン１８ａはアルミニウム合金により形成されており、前記フィン１８ａに対向する静止壁１７の一部は凹状に削られて、フルオロカーボンガスに対して耐久性を有する樹脂２１が配設されている。
【００４３】
上記の構成からなる羽根車シール装置１８を有する遠心圧縮機１０において、フルオロカーボンガスが高圧になって昇温されるのに伴って、前記樹脂２１と前記フィン１８ａとが共に熱により膨張する。このとき、アルミニウム合金によって形成されるフィン１８ａの延び量は、樹脂２１の延び量よりも大きいため、隙間２０は徐々に小さくなって、ついには、樹脂２１はフィン１８ａ形状に沿って削られる（図４（ｂ）に示す）。
【００４４】
樹脂２１の硬度がフィン１８ａの硬度よりも小さいため、フィン１８ａが削られることがないことから、上記実施形態と同様の作用を得ることができ、隙間２０の拡大が抑えられるとともに、フルオロカーボンガスの流路抵抗が増大される。
【００４５】
この羽根車シール装置を有する遠心圧縮機によれば、上記実施形態と同様に、回転過渡期にフィンと樹脂が接触してもシール部の流路抵抗値の変動が小さく抑えられるため、高圧側から漏洩するフルオロカーボンガス量を抑制することができるとともに、メンテナンス時には樹脂のみを交換することで済むため、流体機械全体の断熱圧縮効率とあわせて耐久性を向上させることができる。
【００４６】
なお、上記の実施形態において、フィンと対向する位置に形成される樹脂の材料は、フルオロカーボンガスによる劣化の少ない材料であれば、上記と同様の作用、効果を得ることができる。
また、フィンは羽根車側に設けられ、樹脂は静止壁側に設けられているが、フィンを静止壁側に設け、羽根車側には上記に示す硬度を有する材料から形成されたシール部が設けられても何ら問題はない。
また、作動流体は、フルオロカーボンガス以外の気体であっても問題はなく、他の熱搬送媒体にも好適に本発明を適用し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態における遠心圧縮機（ターボ機械）の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における羽根車シール装置（シール装置）の部分拡大断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における羽根車シール装置の部分拡大断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態における羽根車シール装置の部分拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  遠心圧縮機（ターボ機械）
１２  回転軸
１７  静止壁
１８  羽根車シール装置（シール装置）
２１  樹脂製シールリング
【図１】
2004245211.tif 000003
【図２】
2004245211.tif 000004
【図３】
2004245211.tif 000005
【図４】
2004245211.tif 000006