(57)【要約】【課題】シール装置の内外において圧力の大小関係が変化した場合においても、シール材のはみ出しを低減する。【解決手段】圧力の大小関係が変化する第一圧力領域Ｓと第二圧力領域Ｗとの間において、第一部材１１と第二部材１２との間の隙間Ｃ１をシールするシール装置１０であって、第一部材１１又は第二部材１２のうち一方に形成された環状溝１３と、環状溝１３の内部に配置される収容部材１５であって、第一部材１１と第二部材１２のうち他方に面接触する接触面２０と、環状溝１３の底面に向かって突出する一対の環状壁２５によって形成される収容溝１９と、を有する収容部材１５と、収容溝１９に圧縮装着されて収容部材１５を環状溝１３の底面１６とは反対側に押圧するシール材１４と、を有し、収容部材１５は、環状壁２５の端部１８と環状溝１３の底面１６との間の隙間Ｃ２が隙間Ｃ１よりも小さくなるように形成されているシール装置１０を提供する。【選択図】図２
2016176537.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに圧力の大小関係が変化する第一圧力領域と第二圧力領域との間において、互いに対向するように固定された第一部材と第二部材との間に形成された隙間をシールするシール装置であって、
前記第一部材と前記第二部材のうち一方に形成された環状溝と、
前記環状溝の内部に配置される環状の収容部材であって、前記第一部材と前記第二部材のうち他方に面接触する接触面と、前記環状溝の底面に向かって突出する一対の環状壁によって形成されている収容溝と、を有する収容部材と、
前記収容溝に圧縮装着されて前記収容部材を前記環状溝の底面とは反対側に押圧するシール材と、
を有し、
前記収容部材は、前記一対の環状壁の端部と前記環状溝の底面との間の隙間が前記第一部材と前記第二部材との間の隙間よりも小さくなるように形成されているシール装置。
【請求項２】
前記環状溝の底面には、低摩擦コーティングが形成されている請求項１に記載のシール装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のシール装置を備え、
水圧が所定の圧力以上である水中に配置される圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに対向するように固定された二つの部材間をシールするシール装置、及び圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータと圧縮機とが一体となっている圧縮機システムは、空気やガス等の気体を圧縮する圧縮機と、圧縮機を駆動させるモータとを有している。圧縮機システムでは、圧縮機のケーシングから延在する回転軸と、モータのケーシングから同様に延在するモータの回転軸とが接続され、モータの回転が圧縮機に伝達される。このモータ及び圧縮機の回転軸は、複数の軸受により支持されることで安定して回転する。
【０００３】
このような圧縮機システムは、例えば、非特許文献１に記載されているような海底生産システム（Ｓｕｂｓｅａ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）や、非特許文献２に記載されているような浮体式海洋石油貯蔵設備（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｓｔｏｒａｇｅ  ａｎｄ  Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ、ＦＰＳＯ）に使用される。
海底生産システムに使用される際には、圧縮機システムは、海底に設置され、海底から数千ｍの深さまで掘削した生産井から原油や天然ガス等が混在した生産流体を海上に送り出している。海底は高水圧であるため、圧縮機システムのケーシングは高い水圧に曝される。
【０００４】
ケーシングには、ケーシングの内部空間を覆うためのカバーや、配管が接続されている。これら、カバーや配管などの固定部をシールする際は、対向する面の一方に陥没形成された断面矩形状のリング収容溝と、リング収容溝に圧縮装着されたＯリングなどのシール材から構成されたシール装置が用いられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】三菱重工技報  Ｖｏｌ．３４  Ｎｏ．５  Ｐ３１０−Ｐ３１３
【非特許文献２】Ｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ／Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２０１４  Ｐ１８−Ｐ２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、海底生産システムに使用される際は、圧縮機システムに使用されるシール装置の内外の圧力の大小関係が逆転する場合がある。
例えば、圧縮機システムを構成する圧縮機の停止中においては、圧縮機の内部空間の圧力Ｐｉが例えば、１ａｔａ（絶対圧力，ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ  ａｂｓｏｌｕｔｅ）であるのに対して、海水の圧力Ｐｏが１００ａｔａである。即ち、圧縮機の内部空間の圧力Ｐｉと海水の圧力Ｐｏとの関係がＰｉ＜Ｐｏ（内部空間側が低圧側、海水側が高圧側）となる。
この際、シール装置を構成するＯリングは、高圧の海水の圧力Ｐｏによって低圧側である内部空間側に移動する。場合によっては、Ｏリングがリング収容溝からクリアランスへはみ出す。
【０００７】
一方、圧縮機の運転中においては、圧縮機の内部空間の圧力Ｐｉが、例えば５００ａｔａまで上昇する。即ち、圧縮機の内部空間の圧力Ｐｉと海水の圧力Ｐｏとの関係がＰｉ＞Ｐｏ（内部空間側が高圧側、海水側が低圧側）となり、ＰｉとＰｏとの大小関係が逆転する。この際、Ｏリングは圧縮機の内部圧力Ｐｉによって低圧側である海水側に移動する。
また、シール装置の内外の圧力の大小関係の逆転は、圧縮機の停止・運転の度に繰返し発生する。即ち、圧縮機の停止・運転の度にＯリングは、リング収容溝の内部を移動して、摩耗したりむしれやねじれなどの損傷が生じたりする。
【０００８】
この発明は、シール装置に対して内外の圧力の大小関係が逆転する場合においても、シール装置の性能を安定させることができるシール装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第一の態様によれば、シール装置は、互いに圧力の大小関係が変化する第一圧力領域と第二圧力領域との間において、互いに対向するように固定された第一部材と第二部材との間に形成された隙間をシールするシール装置であって、前記第一部材と前記第二部材のうち一方に形成された環状溝と、前記環状溝の内部に配置される環状の収容部材であって、前記第一部材と前記第二部材のうち他方に面接触する接触面と、前記環状溝の底面に向かって突出する一対の環状壁によって形成され、シール材が圧縮装着される収容溝と、を有する収容部材と、前記収容溝に圧縮装着されて前記収容部材を前記環状溝の底面とは反対側に押圧するシール材と、を有し、前記収容部材は、前記一対の環状壁の端部と前記環状溝の底面との間の隙間が前記第一部材と前記第二部材との間の隙間よりも小さくなるように形成されていることを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、第一圧力領域と第二圧力領域との間において互いに圧力の大小関係が変化した場合においても、シール材のはみ出しを低減することができる。即ち、収容部材と環状溝の底面との隙間が十分に小さくされていることによって、シール材が環状溝内を移動した後にはみ出しがが繰り返されることによるシール装置の性能低下を抑制することができる。
【００１１】
上記シール装置において、前記環状溝の底面には、低摩擦コーティングが形成されていてよい。
【００１２】
このような構成によれば、圧力の大小関係の変化に伴う収容部材が移動する際に、収容溝に装着されたＯリングと環状溝の底面との間の摩擦を低減することができる。これにより、Ｏリングの摩耗による性能低下を抑制することができる。
【００１３】
また、本発明の第二の態様によれば、圧縮機は、上記いずれかのシール装置を備え、水圧が所定の圧力以上である水中に配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、
このような構成によれば、第一圧力領域と第二圧力領域との間において互いに圧力の大小関係が変化した場合においても、シール材のはみ出しを低減することができる。即ち、収容部材と環状溝の底面との隙間が十分に小さくされていることによって、シール材が環状溝内を移動した後にはみ出しがが繰り返されることによるシール装置の性能低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態における圧縮機システムを説明する模式図である。
【図２】本発明の実施形態におけるシール装置を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る実施形態について図１及び図２を参照して説明する。
圧縮機システム１は、海洋油ガス田開発方式の一つである海底生産システム（Ｓｕｂｓｅａ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）に使用されて海底に設けられたり、浮体式海洋石油貯蔵設備（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｓｔｏｒａｇｅ  ａｎｄ  Ｏｆｆｌｏａｄｉｎｇ、ＦＰＳＯ）に使用されて海上に設けられたりする。圧縮機システム１は、海底数百から数千ｍに存在する油ガス田の生産井から採取された油・ガス等の生産流体を作動流体として圧送する。
【００１７】
圧縮機システム１は、図１に示すように、回転軸として軸線Ｏ方向（図１左右方向）に延在するシャフト２１を有する圧縮機２と、シャフト２１に直接的に接続されるロータ３１を有するモータ３と、シャフト２１を支持する軸受部４と、モータ３と圧縮機２とを収容するケーシング５とを備えている。ケーシング５は、ケーシング本体５ａと、カバー５ｂとから構成されている。本実施形態の圧縮機システム１は、モータと圧縮機とが一体となっているモータ圧縮機である。
【００１８】
圧縮機２は、ケーシング５内に収容され、ロータ３１とともにシャフト２１が軸線Ｏ回りに回転することでプロセスガスを圧縮する。本実施形態の圧縮機２は、軸線Ｏ方向に延在するシャフト２１と、シャフト２１の外周面に固定されたインペラ２２と、インペラ２２を収容するハウジング２３とを有している。
【００１９】
シャフト２１は、軸線Ｏ方向に延在する回転軸であり、軸線Ｏ回りに回転可能にケーシング５に支持されている。シャフト２１は、ハウジング２３を貫通しており、両端がハウジング２３から延出している。シャフト２１は、後述するケーシング５内において軸線Ｏ方向に延在している。
【００２０】
インペラ２２は、シャフト２１とともに回転し、インペラ２２内部を通過する作動流体を圧縮して圧縮流体を生成する。
ハウジング２３は、圧縮機２の外装であり、インペラ２２を内部に収容している。ハウジング２３は、ケーシング５内に収容されている。
【００２１】
モータ３は、圧縮機２に対して軸線Ｏ方向に間隔を空けてケーシング５内に収容されている。モータ３は、シャフト２１と一体をなすように固定されたロータ３１と、ロータ３１の外周側に配置されるステータ３２とを有している。
【００２２】
ロータ３１は、シャフト２１と一体となって軸線Ｏ回りに回転可能とされている。ロータ３１は、圧縮機２のシャフト２１に対してギア等を介さずに一体となって回転するように、軸線Ｏを基準とする周方向の外側であるシャフト２１の外周側に直接的に接続されている。ロータ３１は、例えば、ステータ３２が回転磁界を生成することで誘導電流が流れる回転子鉄心（不図示）を有している。
【００２３】
ステータ３２は、ロータ３１を外周側から覆うように周方向に隙間３３を空けて設けられている。ステータ３２は、例えばロータ３１の周方向に沿って複数配置された固定子鉄心（不図示）と、固定子鉄心に巻回された固定子巻線（不図示）とを有している。ステータ３２は、外部から電流が流れることで回転磁場を生成してロータ３１を回転させる。ステータ３２は、ケーシング５内に固定されている。
【００２４】
軸受部４は、ケーシング５内に収容され、シャフト２１を回転可能に支持する。本実施形態の軸受部４は、複数のジャーナル軸受４１及びスラスト軸受４２を備えている。
【００２５】
ジャーナル軸受４１は、シャフト２１に対して軸線Ｏを基準とする径方向に作用する荷重を支持する。ジャーナル軸受４１は、軸線Ｏ方向からモータ３及び圧縮機２を挟み込むようにシャフト２１の軸線Ｏ方向の両端に配置されている。ジャーナル軸受４１は、圧縮機２が設けられた領域とモータ３が設けられた領域との間であって、後述するシール部材５１よりもモータ３側にも配置されている。
【００２６】
スラスト軸受４２は、シャフト２１に形成されたスラストカラー２１ａを介して、シャフト２１に対して軸線Ｏ方向に作用する荷重を支持する。スラスト軸受４２は、圧縮機２が設けられた領域とモータ３が設けられた領域との間であって、後述するシール部材５１よりも圧縮機２側に配置されている。
【００２７】
ケーシング５は、圧縮機２とモータ３とを内部に収容している。ケーシング５は、軸線Ｏに沿った円筒形状をなしている。ケーシング５の内面は、軸線Ｏ方向の圧縮機２とモータ３との間でシャフト２１に向かって突出している。ケーシング５の突出した部分には、圧縮機２が設けられた領域とモータ３が設けられた領域との間をシールするシール部材５１が設けられている。このシール部材５１は、運動用の密封装置であり、回転するシャフト２１とケーシング５との間をシールしている。
【００２８】
ケーシング５のカバー５ｂは、円柱形状の突出部５ｃを有している。ケーシング５には、カバー５ｂの突出部５ｃが挿入される開口５ｄが形成されている。突出部５ｃと開口５ｄとは同心状に形成されており、突出部５ｃと開口５ｄとの間には、環状の隙間が形成されている。
プロセスガスを導入するインレット配管７、プロセスガスを排出するアウトレット配管８等の固定部も同様の構造を有している。
【００２９】
ケーシング５のカバー５ｂ、プロセスガスを導入するインレット配管７、プロセスガスを排出するアウトレット配管８等の固定部には、接触式のシール装置１０（密封装置）が設けられている。シール装置１０は、固定用の密封装置である。
【００３０】
図２に示すように、本実施形態の圧縮機システム１に用いられているシール装置１０は、互いに対向ように固定された第一部材１１と第二部材１２との間に設けられている。第一部材１１と第二部材１２は、例えば、ケーシング本体５ａとカバー５ｂであり、配管７，８とケーシング本体５ａである。シール装置１０は、第一部材１１と第二部材１２とを固定する部分における第一部材１１と第二部材１２との間の隙間Ｃ１（クリアランス）をシール（密封）する装置である。
【００３１】
シール装置１０は、第一部材１１と第二部材１２の少なくとも一方に陥没するように形成された環状溝１３と、環状溝１３の内部に配置されたリング収容部材１５と、リング収容部材１５に圧縮装着されたＯリング１４とを有している。本実施形態においては、環状溝１３が第一部材１１の内周側に配置されている第二部材１２に形成されているものとして説明する。
【００３２】
環状溝１３は、断面矩形状をなしている。環状溝１３は、第一部材１１の内周面１１ａと平行となるように形成された底面１６と、底面１６と直交するように形成された一対の側面１７とを有している。即ち、環状溝１３の底面１６は、第一部材１１の内周面１１ａ及び第二部材１２の外周面と同心状となるように形成され、側面１７は、第一部材１１及び第二部材１２の中心軸と直交するように形成されている。
環状溝１３の底面１６は、低摩擦コーティング２７が施されている。具体的には、環状溝１３の底面１６は、テフロン（登録商標）コート、二硫化モリブデンコーティング、固体潤滑コーティング等の低摩擦コーティング２７が施されている。
【００３３】
リング収容部材１５は、環状溝１３の内部に配置される環状の部材である。リング収容部材１５は、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ，ＰＴＦＥ）等の低摩擦特性を有する樹脂によって形成されている。リング収容部材１５を構成する材料としては、ポリテトラフルオロエチレンに限らず、Ｏリング１４よりも硬質な樹脂、かつ、金属に対して摩擦の小さな材料、例えばナイロンを採用することができる。
【００３４】
環状のリング収容部材１５は、断面矩形状をなし、内周面１８（環状溝１３の底面１６に面する周面）には、Ｏリング１４が圧縮装着される収容溝１９が周方向全周に亘って形成されている。
リング収容部材１５の外周面２０（第一部材１１の内周面１１ａに面する周面）は、第一部材１１と面接触する接触面として機能する。
【００３５】
リング収容部材１５の内周面１８に形成されている収容溝１９は、環状溝１３の底面１６に向かって突出する一対の環状壁２５によって形成されている。収容溝１９は、断面矩形状をなしており、収容溝１９の断面積は、収容されるＯリング１４の寸法に応じて適宜設定されている。
【００３６】
Ｏリング１４は、主に合成ゴムを原料として形成された断面円形のリング状のシール材である。Ｏリング１４の断面形状は円形に限らず、例えば多角形状としてもよい。
Ｏリング１４は、収容溝１９に所定のつぶししろを与えて圧縮装着されている。シール装置１０は、ゴム自体の反発力によって収容溝１９の壁面及び環状溝１３の底面１６に圧着してシール作用を行う。
【００３７】
リング収容部材１５は、リング収容部材１５の一対の環状壁２５の径方向内周側の端部と環状溝１３の底面１６との間の隙間Ｃ２が、第一部材１１と第二部材１２の間の隙間Ｃ１よりも小さくなるように形成されている。
具体的には、リング収容部材１５の一対の環状壁２５の径方向内周側の端部と環状溝１３の底面１６との間の隙間Ｃ２は、Ｏリング１４が収容溝１９に圧縮装着されて、Ｏリング１４の弾性力によりリング収容部材１５が径方向外側に押圧されて、リング収容部材１５の外周面２０が第一部材１１の内周面１１ａに面接触した状態で、隙間Ｃ１よりも小さくなるように設定されている。
隙間Ｃ２の寸法は限りなく小さくすることが好ましいが、隙間Ｃ２の寸法は、シール装置１０の組み立ての容易性等を考慮して、適宜決定する。
【００３８】
上述したように、本実施形態の圧縮機システム１は、高水圧の海底に設置されることがある。圧縮機システム１が海底に設置される場合、シールすべき第一部材１１と第二部材１２との間の隙間Ｃ１には、高水圧の海水Ｗが流入する。即ち、本実施形態のシール装置１０は、圧縮機２の内部空間Ｓ（第一圧力領域）と、高水圧の海水Ｗ（第二圧力領域）との間をシールする。
【００３９】
本実施形態の圧縮機２の内部空間Ｓの圧力Ｐｉは、１ａｔａ（絶対圧力，ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ  ａｂｓｏｌｕｔｅ）〜５００ａｔａの範囲で変化する。また、本実施形態の海水Ｗの圧力は１ａｔａ〜１００ａｔａの範囲で変化する。
【００４０】
次に、本実施形態のシール装置１０の作用について説明する。
圧縮機システム１が海中に配置されている場合、圧縮機２の停止時においては、例えば内部空間Ｓの圧力Ｐｉ＝１ａｔａ（絶対圧力，ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ  ａｂｓｏｌｕｔｅ）、海水Ｗの圧力Ｐｏ＝１００ａｔａである。即ち、内部空間Ｓの圧力Ｐｉと海水Ｗの圧力Ｐｏとの関係は、
Ｐｉ  ＜  Ｐｏ
となる。即ち、海水Ｗの圧力Ｐｏの方が内部空間Ｓの圧力Ｐｉよりも大きくなる。
【００４１】
圧縮機２の運転時においては、例えば内部空間Ｓの圧力Ｐｉ＝５００ａｔａ、海水Ｗの圧力Ｐｏ＝１００ａｔａとなる。即ち、内部空間Ｓの圧力Ｐｉと海水Ｗの圧力Ｐｏとの関係は、
Ｐｉ  ＞  Ｐｏ
となり、圧縮機２の停止時と比較して、圧力Ｐｉと圧力Ｐｏの大小関係が逆転（変化）する。即ち、シール装置１０の内周側と外周側は、互いに圧力の大小関係が変化する。
圧力Ｐｉと圧力Ｐｏの大小関係が逆転は、圧縮機２の停止・運転の度に繰返し発生する。シール装置１０を構成するリング収容部材１５及びＯリング１４は、圧力Ｐｉと圧力Ｐｏの大小関係が逆転する度に、環状溝１３内を図２に符号Ｄで示す滑り方向に滑る。
【００４２】
リング収容部材１５が滑った後、環状溝１３の側壁に当接すると、Ｏリング１４が一対の隙間Ｃ２のうち一方の隙間Ｃ２にはみ出して変形する。この状態から圧力の大小関係が変化してリング収容部材１５が滑り方向Ｄに移動したのちＯリング１４が他方の隙間Ｃ２にはみ出すと、圧力の大小関係が変化しない場合と比較して、Ｏリング１４には大きな負荷がかかる。具体的には、大きなねじれなどが発生してＯリング１４の寿命がより低下する。
【００４３】
本実施形態のシール装置１０によれば、収容溝１９が形成されているリング収容部材１５の内周面１８の端部と環状溝１３の底面１６との間の隙間Ｃ２が、第一部材１１と第二部材１２の間の隙間Ｃ１よりも小さく形成されている。
これにより、内外の圧力の大小関係が繰返し変化してＯリングがはみ出しを繰り返す場合において、収容溝１９に圧縮装着されているＯリング１４のはみ出しを低減することができ、Ｏリング１４の寿命を長くすることがでる。結果として、シール装置１０のシール性の低下を抑制することができる。
【００４４】
また、リング収容部材１５がポリテトラフルオロエチレン等の低摩擦樹脂によって形成されていることによって、リング収容部材１５が滑り方向Ｓに滑る際の滑りを良くすることができる。
【００４５】
また、環状溝１３の底面１６に低摩擦コーティング２７が施されていることによって、リング収容部材１５が滑る際に、Ｏリング１４と底面１６との摩擦を低減して、Ｏリング１４への負荷を低減することができる。
また、Ｏリング１４が圧縮装着されたリング収容部材１５を環状溝１３内で接触的に滑らせることによって、Ｏリング１４にかかる負荷を低減することができる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態においては、シール装置１０の環状溝１３が第一部材１１の内周側に配置されている第二部材１２に形成されているものとして説明したが、環状溝１３は、外周側の第一部材１１に形成してもよい。この場合、例えば、リング収容部材１５の内周面が第二部材１２と面接触する接触面となる。
【００４７】
また、上記実施形態では、円筒面に適用されるシール装置を用いたが、これに限ることはなく、シール装置は、平面に適用することも可能である。この場合、内外の圧力の大小関係の逆転に伴い、リング収容部材が環状溝内を不規則に移動する際のＯリングへの負荷を低減することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１  圧縮機システム
２  圧縮機
３  モータ
４  軸受部
５  ケーシング
５ａ  ケーシング本体
５ｂ  カバー
７  インレット配管
８  アウトレット配管
１０  シール装置
１１  第一部材
１１ａ  内周面
１２  第二部材
１３  環状溝
１４  Ｏリング（シール材）
１５  リング収容部材（収容部材）
１６  底面
１７  側面
１８  内周面
１９  収容溝
２０  外周面（接触面）
２１  シャフト
２２  インペラ
２３  ハウジング
２５  環状壁
２７  低摩擦コーティング
３１  ロータ
３２  ステータ
４１  ジャーナル軸受
４２  スラスト軸受
５１  シール部材
Ｃ１，Ｃ２  隙間
Ｏ  軸線
Ｓ  内部空間（第一圧力領域）
Ｗ  海水（第二圧力領域）
【図１】
2016176537.tif 000003
【図２】
2016176537.tif 000004