特表 2024-509706 プロセスガス消費量を削減したコンプレッサ配置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-05

(54)【発明の名称】プロセスガス消費量を削減したコンプレッサ配置

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/34 20060101AFI20240227BHJP

   F04D 29/12 20060101ALI20240227BHJP

【ＦＩ】

F16J15/34 G

F16J15/34 H

F04D29/12 B

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023547502

(86)(22)【出願日】2022-02-01

(85)【翻訳文提出日】2023-09-08

(86)【国際出願番号】 EP2022052333

(87)【国際公開番号】W WO2022171491

(87)【国際公開日】2022-08-18

(31)【優先権主張番号】102021102998.8

(32)【優先日】2021-02-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】510151348

【氏名又は名称】イーグルブルクマン ジャーマニー ゲセルシャフト ミト ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディトゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100128358

【弁理士】

【氏名又は名称】木戸 良彦

(74)【代理人】

【識別番号】100086210

【弁理士】

【氏名又は名称】木戸 一彦

(72)【発明者】

【氏名】ヴェルデッカー，フェルディナンド

(72)【発明者】

【氏名】シュミット，グレン

(72)【発明者】

【氏名】ヘルミッヒ，ベンジャミン

(72)【発明者】

【氏名】フランク，マキシミリアン

(72)【発明者】

【氏名】バウアー，フローリアン

(72)【発明者】

【氏名】フェスル，アンドレーズ

【テーマコード（参考）】

3H130

3J041

【Ｆターム（参考）】

3H130AA12

3H130AB27

3H130AB42

3H130AC30

3H130BA53F

3H130BA97F

3H130BA98F

3H130EA01F

3H130EA07F

3H130EA08F

3H130EB02F

3H130EB05F

3H130ED04F

3J041AA02

3J041BC03

3J041DA06

(57)【要約】

本発明は、プロセスガス（１３）を吸引領域（２１）から圧力領域（２２）に向かって圧縮するためのコンプレッサ（２）と、前記コンプレッサ（２）のシャフト（５）上の、大気（６）に対してシールするためのメカニカルシール配置（３）であって、第１摺動面（４１ａ）を有する固定スライドリング（４１）と、第２摺動面（４２ａ）を有する回転スライドリング（４２）とを有し、前記摺動面（４１ａ，４２ａ）の間にシールギャップ（４０）を画定するメカニカルシール（４）を備えるメカニカルシール配置と、前記コンプレッサ（２）の前記圧力領域（２２）から前記メカニカルシール（４）まで延び、前記圧力領域からプロセスガスが分岐するバリア流体ライン（７０）を有するバリア流体供給部（７）と、を備えるコンプレッサ配置に関し、前記固定スライドリング（４１）は、前記固定スライドリング（４１）の背面側（４１ｂ）から前記固定スライドリングの前記第１摺動面（４１ａ）のオリフィスまで延びる貫通開口（８）を有しており、前記バリア流体ライン（７０）から前記固定スライドリング（４１）を通って前記シールギャップ（４０）にプロセスガスを供給する。
【選択図】
図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロセスガス（１３）を吸引領域（２１）から圧力領域（２２）に向かって圧縮するためのコンプレッサ（２）と、
前記コンプレッサ（２）のシャフト（５）上の、大気（６）に対してシールするためのメカニカルシール配置（３）であって、第１摺動面（４１ａ）を有する固定スライドリング（４１）と、第２摺動面（４２ａ）を有する回転スライドリング（４２）とを含み、前記摺動面（４１ａ，４２ａ）の間にシールギャップ（４０）を画定するメカニカルシール（４）を備えるメカニカルシール配置と、
前記コンプレッサ（２）の前記圧力領域（２２）から前記メカニカルシール（４）まで延び、前記圧力領域からプロセスガスがバリア流体として分岐するバリア流体ライン（７０）を有するバリア流体供給部（７）と、
を備えるコンプレッサ配置であって、
前記固定スライドリング（４１）は、前記固定スライドリング（４１）の背面側（４１ｂ）から前記固定スライドリングの前記第１摺動面（４１ａ）のオリフィスまで延びる貫通開口（８）を有しており、前記バリア流体ライン（７０）から前記固定スライドリング（４１）を通って前記シールギャップ（４０）にプロセスガスを供給する、コンプレッサ配置。

【請求項2】

前記固定スライドリングの前記貫通開口（８）の前記オリフィスが、前記シールギャップ（４０）を、前記貫通開口（８）の前記オリフィスの半径方向外側の第１シール領域（５１）と、前記貫通開口（８）の前記オリフィスの半径方向内側の第２シール領域（５２）とに仕切り、前記シール領域（５１，５２）の少なくとも一方が溝部を含まない、請求項１に記載のコンプレッサ配置。

【請求項3】

半径方向において、前記第１シール領域（５１）が、前記第２シール領域（５２）よりも小さい、請求項２に記載のコンプレッサ配置。

【請求項4】

前記第１摺動面（４１ａ）の前記貫通開口（８）が、前記シールギャップ（４０）の平均直径（１７）の半径方向外側に開口している、請求項１～３のいずれか一項に記載のコンプレッサ配置。

【請求項5】

前記固定スライドリングの前記第１摺動面（４１ａ）に形成された周方向溝部（９）を更に備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のコンプレッサ配置。

【請求項6】

前記貫通開口（８）が前記周方向溝部（９）に開口している、請求項５に記載のコンプレッサ配置。

【請求項7】

前記回転スライドリング（４２）の前記第２摺動面（４２ａ）に、複数の搬送溝部（９０）が形成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のコンプレッサ配置。

【請求項8】

前記搬送溝部（９０）が、前記貫通開口（８）の前記オリフィスの半径方向内側に位置している、請求項７に記載のコンプレッサ配置。

【請求項9】

バリア流体として前記コンプレッサ（２）から分岐するプロセスガスの量が、毎分５０～１００標準リットルの範囲である、請求項１～８のいずれか一項に記載のコンプレッサ配置。

【請求項10】

前記メカニカルシールの作動時に、前記シールギャップ（４０）が≦１０μｍである、請求項１～９のいずれか一項に記載のコンプレッサ配置。

【請求項11】

ラビリンスシールを備えず、単一のメインシールとして丁度１つのメカニカルシールを有する前記メカニカルシール配置を備える、請求項１～１０のいずれか一項に記載のコンプレッサ配置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コンプレッサと、好ましくは丁度１つのメカニカルシールからなるコンプレッサ配置に関するもので、プロセスガス消費量が大幅に削減される。

【背景技術】

【0002】

コンプレッサ配置は、従来技術から様々な実施形態で知られている。図１に示すように、コンプレッサ配置１は、通常、コンプレッサ２とメカニカルシール配置３とから構成される。メカニカルシール３は、固定スライドリング４１及び回転スライドリング４２を有するメカニカルシール４並びにラビリンスシール３０から構成される。図１に見られるように、ラビリンスシール３０は、コンプレッサ２とメカニカルシール４との間の軸方向Ｘ－Ｘに配置されている。バリアガスとして、プロセスガスはコンプレッサ２の圧力領域から引き出され、バリアガスライン７０に供給される。引き出されたプロセスガスは、処理ユニット１０でろ過、処理、加熱され、ブースターによってシールガス圧力にされ、その後、メカニカルシール４とラビリンスシール３の間のキャビティ１１に供給される。ラビリンスシール３０は、シャフト５に面する隙間３１を有する。この隙間３１の半径方向の幅は約２００μｍである。基本的に、図１のこの配置はよく確立されている。しかし、プロセスガス消費量が比較的多く、通常毎分１，０００～１０，０００標準リットルの範囲にあるという問題が残っている。ラビリンスシール３０を通過した後、プロセスガスは、コンプレッサのコンプレッサ室に戻される。図１に小さな矢印で示すように、メカニカルシール４を通して大気６へのわずかな漏れがある。しかしながら、メカニカルシール配置３において、プロセスガスがシールガスとして多く消費されると、コンプレッサ２の効率が比較的大きく損なわれ、これに伴いコンプレッサの運転コストが高くなり、メカニカルシール配置にバリアガス供給を行うにあたり、比較的大きな建設労力が必要となる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

従って、本発明の目的は、簡単な設計を有し、製造が容易かつ安価でありながら、メカニカルシールへバリア流体として分岐するプロセスガスの量を低減することができ、それによってコンプレッサ配置の効率を向上させることができるコンプレッサ配置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0004】

この目的は、請求項１の特徴を有するコンプレッサ配置を提供することによって達成される。従属請求項は、本発明の好ましい更なる実施形態を示す。

【0005】

請求項１の特徴を有する本発明に係るコンプレッサ配置は、コンプレッサ配置の全体効率を著しく高めることができるという利点を有する。更に、メカニカルシール配置のバリア流体として使用されるプロセスガスの量も大幅に低減することができる。更に、メカニカルシール配置は、単一のシール、すなわちメカニカルシールのみを使用したシールを可能にする。本発明によれば、これは、プロセスガスを吸引領域から圧力領域に向かって圧縮するためのコンプレッサと、メカニカルシール配置とを備えるコンプレッサ配置によって達成されるであろう。メカニカルシール配置は、大気に対してシールするためにコンプレッサのシャフト上に配置される。メカニカルシールは、第１摺動面を有する固定スライドリングと、第２摺動面を有する回転スライドリングとを有するメカニカルシールを備える。２つのスライドリングは、その摺動面間にシールギャップを画定する。更に、コンプレッサの圧力領域からメカニカルシールまで延び、コンプレッサ内のメインフローからプロセスガスがバリア流体として分岐するバリア流体ラインを備えたバリア流体供給部が設けられている。固定スライドリングは、固定スライドリングの背面側から固定スライドリングの第１摺動面のオリフィスまで延びる貫通開口を有しており、バリア流体ラインから固定スライドリングを通ってシールギャップにプロセスガスを供給する。

【0006】

シール流体として使用されるバリアガスは、固定スライドリングを通って直接シールギャップに供給されて固定スライドリングの摺動面で抜けるので、稼働中のシールギャップには２つのシール領域、すなわち貫通開口のオリフィスより半径方向上方のものと貫通開口のオリフィスより半径方向内側のものが存在する。オリフィスの下側のシール領域は大気に対してシールし、貫通口のオリフィスの上側のシール領域はコンプレッサに対してシールする。好ましくは、シール領域の少なくとも１つ、特にコンプレッサに対してシールするシール領域には溝部がない、すなわち溝部やその他の凹部がない。従って、従来技術では第２シールを形成する従来技術のラビリンスシールを省略することができる。スライドリングの摺動面間のシールギャップはわずか数μｍ、特に≦１０μｍであるため、メカニカルシール配置の作動中に必要なバリア流体の量を大幅に低減することができる。従来技術の解決策では、従来技術のメカニカルシール配置の第２シールを形成するラビリンスシールのシールギャップは約２００μｍである。従って、従来技術と比較して、本発明ではギャップを２０分の１又はそれ以上に低減することができる。この結果、バリア流体の消費量が２０分の１又はそれ以上に低減する。バリア流体の消費量が低減するため、バリア流体供給部の付加的な装置も、従来技術に比べて著しく小さく設計することができる。これは特に、例えばフィルター、ヒーター及び／又は冷却器とブースターを有する処理ユニットに適用される。

【0007】

本発明のもう一つの大きな利点は、ラビリンスシールを省略することにより、メカニカルシール配置の軸方向の全長を短縮できることである。この結果、コンプレッサ配置の全長が短くなり、コンプレッサ製造業者にとってコスト削減の可能性が高くなる。

【0008】

好ましくは、固定スライドリングの第１摺動面に設けられた貫通開口は、シールギャップの平均直径の半径方向外側に開口している。これにより、貫通開口より上方の半径方向におけるシールギャップの長さは、貫通開口より下方の半径方向における長さよりも小さくなる。特に好ましくは、固定スライドリングの第１摺動面の貫通開口は、シールギャップがオリフィスの上方で１／３、オリフィスの下方で２／３の割合で分割されるように開口する。

【0009】

好ましくは、第１摺動面は、周方向溝部を有する。周方向溝部は、固定スライドリングの第１摺動面に凹部として形成されており、貫通開口を介して固定スライドリングを通して供給されるバリア流体が摺動面の周方向に流通するようになっている。特に好ましくは、固定スライドリングの貫通開口は、周方向溝部に開口している。

【0010】

更に好ましくは、回転スライドリングの第２摺動面は、複数の搬送溝部を有する。これにより、シールギャップにおけるバリア流体の流通が更に改善され、大気への漏れが低減される。

【0011】

回転スライドリングの第２摺動面の搬送溝部は、好ましくは、固定スライドリングの貫通開口のオリフィスの半径方向内側に位置する。

【0012】

本発明の別の好ましい実施形態によれば、メカニカルシールは、ボアを有するスラストリングを更に備え、スラストリングは、固定スライドリングの背面側に配置される。従って、バリア流体は、スラストリングのボアを通して、固定スライドリングの貫通開口に供給することができる。スラストリングは、好ましくは、外周と内周にそれぞれ２次シール、特にＯリングを有する。更に、スラストリングは、バイアス装置によって軸方向に更にバイアスされている。

【0013】

好ましくは、最大で毎分５０～１００標準リットルのプロセスガスがバリア流体としてコンプレッサから分岐し、バリア流体ラインを介してメカニカルシールに供給される。従来技術で必要とされるプロセスガス量と比較すると、分岐するプロセスガス量を２０～１００分の１に削減できる。この結果、バリア流体を分岐させる際に大きな節約となり、コンプレッサ配置におけるコンプレッサ効率を大幅に向上させることができる。

【0014】

運転中、回転スライドリングと固定スライドリングの間のシールギャップは、好ましくは軸方向の幅が≦１０μｍ、特に≦５μｍである。

【0015】

特に好ましくは、コンプレッサ配置は、ラビリンスシールを有さず、唯一のメインシールとしてメカニカルシールを有する。これは、本発明によれば、コンプレッサ配置を、メインシールとして単一のメカニカルシールだけでシールすることが可能であるという意味である。勿論、幾つかの２次シール、特にＯリング等を単一のメカニカルシールに設けてメカニカルシールの構成部品をシールすることは可能である。しかし、ラビリンスシールや別のメカニカルシール等、本発明に係る単一のメカニカルシールに直列に接続される別のメインシールを設ける必要はない。従って、コンプレッサ配置が単一のメカニカルシールしか必要としないため、一方では投資コストを、他方ではメンテナンスコストを、大幅に削減することができる。

【0016】

以下では、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態例を詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、従来技術のコンプレッサ配置の概略断面図である。

【図2】図２は、本発明の好ましい例示的実施形態に係るコンプレッサ配置の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

次に図２を参照して、本発明の好ましい実施形態例によるコンプレッサ配置１を以下に詳細に説明する。

【0019】

コンプレッサ配置１は、コンプレッサ２と、メカニカルシール配置３を含むシール配置とを備える。メカニカルシール配置３は、シャフト５に配置され、コンプレッサ２を大気６に対してシールする。

【0020】

メカニカルシール配置３は、単一のメカニカルシール４と、バリア流体供給部７とを備える。メカニカルシール４は、第１摺動面４１ａを有する固定スライドリング４１と、第２摺動面４２ａを有する回転スライドリング４２とを備える。第１摺動面４１ａと第２摺動面４２ａとの間には、シールギャップ４０が画定されている。

【0021】

回転スライドリング４２は、スライドリングキャリア４３によってシャフト５に固定され、シャフト５とともに回転する。

【0022】

コンプレッサ２は、プロセスガス１３を吸引領域２１から圧力領域２２に向かって所定の圧力レベルまで圧縮する。

【0023】

バリア流体ライン７０は、圧力領域２２からプロセスガスを分岐させるために使用され、これはメカニカルシール配置のバリア流体１３’として使用される。これは図２の矢印Ａで示されている。バリア流体ライン７０は、処理ユニット１０まで延びており、これは、例えば、フィルター、ヒーター及び／又は冷却ユニット及び／又はバリア流体を更に圧縮するためのブースターを備えている。バリア流体ライン７０は、その後、ハウジング１２を通って固定スライドリング４１の背面側４１ｂまで延びる。

【0024】

メカニカルシール４はガス潤滑メカニカルシールであり、バリア流体は約１００×１０^５Ｐａ～２００×１０^５Ｐａの圧力である。

【0025】

図２からわかるように、固定スライドリング４１は、ハウジング１２の環状凹部１４内に配置されており、その中にバリア流体ライン７０が開口している。更に、ボア１６を有するスラストリング１５が凹部１４内に配置されている。スラストリング１５の内周と外周には、２つの二次シール１８が配置されている。

【0026】

更に図２から分かるように、固定スライドリング４１には貫通開口８が形成されている。貫通開口８は、固定スライドリング４１の背面側４１ｂから第１摺動面４１ａまで延びている。第１摺動面４１ａには周方向溝部９が形成されている。従って、貫通開口８は周方向溝部９に開口している。

【0027】

回転スライドリング４２には、多数の搬送溝部９０、特に鎌状の搬送溝部も形成されている。

【0028】

周方向溝部９は、シールギャップ４０の中心直径１７の半径方向外側に配置されている。

【0029】

この結果、シールギャップ４０において、貫通開口８のオリフィスの半径方向外側に位置し、コンプレッサ２に対してシールする第１シール領域５１と、貫通開口８のオリフィスの半径方向内側に位置し、大気６に対してシールする第２シール領域５２とが形成される。第１シール領域５１の半径方向の長さ（高さ）は小さく、好ましくは第２シール領域５２の半径方向の長さ（高さ）の半分である。第１シール領域５１には溝部がない。

【0030】

従って、プロセスガスから分岐したバリア流体１３’は、バリア流体ライン７０を通って固定スライドリングの背面側４１ｂからハウジング１２の凹部１４に入り、そこからボア１６及び固定スライドリングの貫通開口８を通って周方向溝部９に入る。次に、バリア流体１３’の一部分が、第１シール領域５１を横切って、メカニカルシール４とコンプレッサ２との間に位置するキャビティ１１に侵入する（矢印Ｂ）。空洞１１から、バリア流体１３’のこの部分がコンプレッサの吸引領域２１に戻るように、コンプレッサのハウジング２０に通路２３が設けられる。バリア流体１３’の第２の、より小さな部分は、第２シール領域５２を横切って大気６の方向（矢印Ｃ）に通過し、こうして大気６への漏れが形成される。しかし、半径方向の搬送溝部９０を設けることにより、この漏れを非常に小さく抑えることができる。

【0031】

従って、本発明によれば、通常バリア流体として分岐するプロセス流体のほんの一部しか必要としないバリア流体供給部７を保証することができる。バリア流体１３’を、固定スライドリング４１を通してメカニカルシール４のシールギャップ４０に供給することにより、従来技術で使用されていた、ラビリンスシールであることが多い第２メインシールを省略することができる。これにより、メカニカルシール配置の軸方向Ｘ－Ｘの全長も大幅に短縮される。更に、ブースターだけでなく、フィルターや加熱／冷却システム等の処理ユニット１０の機器も、大幅に小型化及びコンパクト化できるため、設置スペースの節約に加えて、投資コストを削減することができる。

【0032】

本発明によれば、メカニカルシールの作動を維持するために分岐させる必要のあるプロセスガスが少なくなるため、コンプレッサ２の効率も大幅に改善される。この結果、コンプレッサ配置の使用者にとって、特に大きなコスト削減となる。半径方向のギャップが約２００μｍである従来技術のラビリンスシールと比較して、メカニカルシール４のシールギャップ４０におけるシールギャップの高さは、数μｍの範囲、特に≦１０μｍである。これにより、必要なプロセスガスの量を２０～１００分の１に減らすことができる。更に、メインシールとして単一のメカニカルシールのみを有する、ラビリンスシールを含まないシール配置により、投資コストとメンテナンスコストを大幅に削減することができる。

【符号の説明】

【0033】

１ コンプレッサ配置
２ コンプレッサ
３ メカニカルシール配置
４ メカニカルシール
５ シャフト
６ 大気
７ バリア流体供給部
８ 貫通開口
９ 周方向溝部
１０ 処理ユニット
１１ コンプレッサに面するメカニカルシールのキャビティ
１２ メカニカルシールのハウジング
１３ プロセスガス
１３’ バリア流体
１４ ハウジングの凹部
１５ スラストリング
１６ ボア
１７ シールギャップの平均直径
１８ ２次シール
２０ コンプレッサのハウジング
２１ 吸引領域
２２ 圧力領域
２３ 通路
３０ ラビリンスシール
３１ ラビリンスシールの隙間
４０ シールギャップ
４１ 固定スライドリング
４１ａ 第１摺動面
４１ｂ 固定スライドリングの背面
４２ 回転スライドリング
４２ａ 第２摺動面
４３ シールリングキャリア
５１ 第１シール領域
５２ 第２シール領域
７０ バリア流体ライン
９０ 搬送溝部
Ａ プロセスガスから分岐したバリア流体
Ｂ 第１シール領域を横切ってキャビティ１１に流れるバリア流体
Ｃ 第２シール領域を横切って流れるバリア流体（大気への漏れ）
Ｘ－Ｘ 軸方向

【図1】

【図2】

【国際調査報告】