(57)【要約】【課題】  水素供給ステーション用に、小容量高圧力プランジャー式水素圧縮機を実現する。【解決手段】  往復圧縮機５０は、複数の圧縮段３、４を有し、最終圧縮段４はプランジャー１４とこのプランジャーを収容するシリンダ１６とを有する。圧縮機の吐出圧力は、４０ＭＰａを超えている。最終圧縮段はプランジャーとシリンダ間の漏れをシールするシール手段１６に潤滑油１８を使用可能である。最終圧縮段から吐出される吐出ガス中の油分を除去する複数のフィルタ手段１０ａ〜１０ｃを有するフィルタ設備１０を最終圧縮段の下流部に設ける。フィルタ手段はボトルケースと、このボトルケースを蓋する蓋フランジとを有する。蓋フランジに吐出ガスの入口部と出口部を形成し、ボトルケースに、マイクログラスファイバー製のフィルタエレメントを多重巻きにして形成した多重エレメントを収容する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吐出圧力が４０ＭＰａを超える多段の往復圧縮機において、最終圧縮段から吐出される吐出ガス中の油分を除去するフィルタ手段が最終圧縮段の下流部に設けられており、このフィルタ手段はボトルケースと、このボトルケースを蓋する蓋フランジとを有し、この蓋フランジに吐出ガスの入口部と出口部を形成し、前記ボトルケースに、マイクログラスファイバー製のフィルタエレメントを多重に形成して収容したことを特徴とする往復圧縮機。
【請求項２】
前記多重エレメントは内側エレメントと外側エレメントとを有し、内側エレメントと外側エレメント間に隙間を形成したことを特徴とする請求項１に記載の往復圧縮機。
【請求項３】
前記フィルタ手段に、前記多重エレメントの内周側から外周側に吐出ガスが移動する流路を形成したことを特徴とする請求項１に記載の往復圧縮機。
【請求項４】
前記フィルタ手段の下流側に第２のフィルタ手段を接続し、この第２のフィルタ手段はボトルケースと、このボトルケースを蓋する蓋フランジと、ボトルケースに収容されるマイクログラスファイバー製のフィルタエレメントを有することを特徴とする請求項１に記載の往復圧縮機。
【請求項５】
前記第２のフィルタ手段のさらに下流側に第３のフィルタ手段を接続し、この第３のフィルタ手段は、ボトルケースと、このボトルケースを蓋する蓋フランジと、ボトルケースに収容される活性炭フィルタエレメントとを有することを特徴とする請求項４に記載の往復圧縮機。
【請求項６】
吐出圧力が４０ＭＰａを超える多段の往復圧縮機において、最終圧縮段から吐出される吐出ガス中の油分を除去するフィルタ手段が最終圧縮段の下流部に設けられており、このフィルタ手段は、ボトルケースと、このボトルケースを蓋し吐出ガスの入口部と出口部が形成された蓋フランジと、前記ボトルケース内に収容され多重に形成された円筒形のフィルタエレメントと、この円筒形のフィルタエレメントの軸方向一端側を保持する座板と、前記フィルタエレメントの中心部に貫挿され、座板と前記蓋フランジとともにフィルタエレメントを挟持する締め付けボルトと、締め付けボルトの外周部であって、締め付けボルトの締め付け部と前記座板との間に配設したばねとを有することを特徴とする往復圧縮機。
【請求項７】
前記フィルタエレメントの最内側と前記締め付けボルト間に吐出ガスの通路を形成したことを特徴とする請求項６に記載の往復圧縮機。
【請求項８】
吐出ガスが水素ガスである請求項１ないし７のいずれか１項に記載の往復圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は往復圧縮機に係り、特に吐出圧が４０ＭＰａを越える往復圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
往復圧縮機から吐出される吐出ガス中の油分を除去するフィルタ手段の従来例が、特許文献１や特許文献２に記載されている。特許文献１に記載のエアフィルタでは、圧縮空気内に含まれる水分や油分を確実に除去するために、空気を案内する一次側ポート内の一次側流路と、二次側ポート内の二次側流路との間にフィルタエレメントを配置している。そしてフィルタエレメントを多孔質中空糸を多数本開口部側をそろえて形成し、フィルタエレメントの開口部を二次側流路に臨ませている。
【０００３】
また、特許文献２に記載の油分離器では、メンテナンス性と油分離性との向上を図って、油分離器は、鉛直配設された管路部材と、この管路部材の上部開口端より若干奥側位置に、中央部で開口し気体流出管路が接続されるエレメントパイプ座を配置している。そして、管路部材に接続される底板部材にエレメントパイプ座を保持し、エレメントパイプ座と管路部材間に油分離エレメントを配置している。さらに管路部材から突出する油分離エレメントの上部半分をケーシングで覆っている。
【０００４】
一方、従来の往復圧縮機の例が、非特許文献１に記載されている。この文献に記載のダイヤフラム圧縮機では、作動ガスを可撓膜であるダイヤフラムで仕切った圧縮空間に導き、ダイヤフラムを潤滑油の圧力で圧縮変形させることにより作動ガスを圧縮する。これにより、作動ガスに潤滑油が混入するのを防止し、完全なオイルフリー圧縮機を実現している。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３１５６１５号公報
【特許文献２】特開２００１-２６３８７２号公報
【非特許文献１】テイサン株式会社  ダイヤフラム圧縮機カタログ、１９８２年６月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１または２に記載の油分離手段は、本発明同様に油分離にフィルタエレメントを使用しているが、圧縮機から吐出されるガスの圧力が４０ＭＰａ以上であることについては、十分には考慮されていない。すなわち、圧縮部から吐出されるガスの圧力が４０ＭＰａ以上であるので、油分離手段にもほぼ４０ＭＰａ程度の圧力のガスが流入する。この圧力に耐えるようにすると、油分離手段が大型化する。
【０００７】
一方、非特許文献１に記載の圧縮機では、長期の使用によりダイヤフラムが疲労破損する恐れがある。もし万が一ダイヤフラムが破損すると、多量の潤滑油がプロセスラインに混入したり、あるいは作動ガスが大気側へ噴出する。また、圧縮機の吐出容量を増す要求や高圧化の要求に対しては、ダイヤフラムを大きくすれば対処できるが、ダイヤフラムの変位量が増大し疲労寿命を低下させる。この場合、ダイヤフラムの交換頻度が高まる。
【０００８】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は水素供給ステーション用の小容量高圧力プランジャー式水素圧縮機を実現することにある。本発明の他の目的は、吐出ガスにおける油分を可能な限り低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する本発明の特徴は、複数の圧縮段を有し、吐出圧力が４０ＭＰａを超える多段の往復圧縮機において、最終圧縮段から吐出される吐出ガス中の油分を除去するフィルタ手段が最終圧縮段の下流部に設けられており、このフィルタ手段はボトルケースと、このボトルケースを蓋する蓋フランジとを有し、この蓋フランジに吐出ガスの入口部と出口部を形成し、ボトルケースに、マイクログラスファイバー製のフィルタエレメントを多重巻きにして形成した多重エレメントを収容したものである。
【００１０】
そしてこの特徴において、多重エレメントは内側エレメントと外側エレメントとを有し、内側エレメントと外側エレメント間に隙間を形成されているのがよく、フィルタ手段に、多重エレメントの内周側から外周側に吐出ガスが移動する流路を形成するのがよい。また、フィルタ手段の下流側に第２のフィルタ手段を接続し、この第２のフィルタ手段はボトルケースと、このボトルケースを蓋する蓋フランジと、ボトルケースに収容されるマイクログラスファイバー製のフィルタエレメントを有するのが望ましく、さらに望ましくは第２のフィルタ手段のさらに下流側に第３のフィルタ手段を接続し、この第３のフィルタ手段は、ボトルケースと、このボトルケースを蓋する蓋フランジと、ボトルケースに収容される活性炭フィルタエレメントとを有する。
【００１１】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、吐出圧力が４０ＭＰａを超える多段の往復圧縮機において、最終圧縮段から吐出される吐出ガス中の油分を除去するフィルタ手段が最終圧縮段の下流部に設けられており、このフィルタ手段は、ボトルケースと、このボトルケースを蓋し吐出ガスの入口部と出口部が形成された蓋フランジと、ボトルケース内に収容され多重に形成された円筒形のフィルタエレメントと、この円筒形のフィルタエレメントの軸方向一端側を保持する座板と、フィルタエレメントの中心部に貫挿され、座板と前記蓋フランジとともにフィルタエレメントを挟持する締め付けボルトと、締め付けボルトの外周部であって、締め付けボルトの締め付け部と座板との間に配設したばねとを有するものである。そしてこの特徴において、フィルタエレメントの最内側と締め付けボルト間に吐出ガスの通路を形成するのが好ましい。また、上記いずれの特徴においても、作動ガスとして水素ガスを用いる場合に好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、吐出圧が４０ＭＰａ以上もの往復圧縮機において、最終段の下流側にマイクログラスファイバー性のフィルタエレメントを多層にして収容したフィルタ手段を設けたので、吐出ガスに含まれる油分を可能な限り低減できるので、往復圧縮機の信頼性および安全性が向上する。その結果、吐出圧が４０ＭＰａ以上のプランジャー式水素圧縮機を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る往復圧縮機の吐出圧力は、４０ＭＰａを超えている。これは、燃料電池車で使用する圧縮水素を供給するのに用いるためである。燃料電池車用に大型の超高圧往復圧縮機を使用する際には、以下の点を考慮する必要がある。  
（１）経済性を考慮した小型化および最適構造化  
（２）部品の長寿命化  
（３）オイルミストの低減
水素供給ステーションに使用される高圧水素圧縮機では、消耗部品の交換周期は少なくとも１年以上なければ、頻繁な交換による停止によりステーションを維持することが困難になる。そのため、保守点検を要せずに連続使用できる部品が求められる。また、水素燃料電池車が使用する圧縮水素ガスでは、オイルミスト含有量の濃度が規定値以下で無いと、燃料電池部で不具合を発生し、車両の運転停止の事態を引き起こす恐れがある。そのため、オイルミスとの含有量をできるだけ少なくすることが望まれている。
【００１４】
このような課題の下になされた本発明の一実施例を、以下に図面を用いて説明する。図１に、プランジャー式小容量高圧圧縮機システムを、ブロック図で示す。本実施例では、説明を簡易にするために、圧縮機は２段のプランジャー式圧縮機としている。１段圧縮段３ではシリンダ３ａ内にプランジャー１３が収容されており、２段圧縮段４ではシリンダ４ａ内にプランジャ１４が収容されている。プランジャー１３とプランジャー１４とは、同一軸上に配置されている。
【００１５】
各プランジャー１３，１４にはシャフト１３ａ、１４ａが接続されており、これらのシャフト１３ａ、１４ａをクランク軸４２に接続されたモータ１２が駆動する。これにより、回転運動を往復運動に変換し、プランジャー１３、１４の先端とシリンダ３ａ，４ａ間に形成された圧縮室内の作動ガスを圧縮する。
【００１６】
作動ガス１は、図示しないガス供給設備から１段吸込みライン２を通って、１段圧縮段３の吸込み口３ｂから圧縮機に流入して圧縮される。圧縮された作動ガスは、１段圧縮段３の吐出口３ｃから吐出され、配管５を経てインタークーラ６に導かれる。インタークーラ６に導かれ冷却された作動ガスは、２段の吸込みライン７を経て２段圧縮段４の吸込み口４ｂに導かれ、さらに圧力を４０ＭＰａ以上まで高められる。高圧になった作動ガスは、２段圧縮段４の吐出口４ｃからアフタークーラ９に送られ冷却される。アフタークーラ９で冷却された作動ガスは、フィルタ設備１０に送られ、作動ガス中の潤滑油等が濾過されて、需要元に送り出される。
【００１７】
ここで各圧縮段３、４は、圧縮ガスが機外に漏れるのを防止するためのシール手段と、圧縮ガスに潤滑油が漏れこむのを防止するためのシール手段とを備えている。１段圧縮機では、大気側に作動ガスが漏れるのを防止するために、プランジャー１２のクロスヘッド４１側に、積層型のロッドパッキンを１５を設けている。同様に大気側に作動ガスが漏れるのを防止するために、２段圧縮機４のプランジャー１４のクロスヘッド４１側に、積層型のロッドパッキン１６を設けている。
【００１８】
これらのロッドパッキン１５、１６部には、微量のシール油が供給される。そのため、シリンダ３ａの側部にはロッドパッキン１５に通ずる注油孔１７が、同様にシリンダ４ａの側部にはロッドパッキン１６に通ずる給油孔１８が、ほぼ半径方向に形成されている。注油の一部は、作動ガスである圧縮水素中に混入するので、圧縮機５０の出口に設けたフィルタ設備１０でオイルミストを除去し、オイル混入量が許容値以下になるようにする。
【００１９】
フィルタ設備１０の詳細を、図２及び図３を用いて説明する。図２はフィルタ設備１０が備える１次フィルタ１０ａの縦断面図であり、最も上流側に位置するフィルタである。１次フィルタ１０ａでは、上面にフランジ部２１ａを有し中空に形成されたボトルケース２１と、このボトルケース２１のフランジ部２１ａとフランジ結合するフランジ蓋２２とが耐圧容器を形成している。ボトルケース２１とフランジ蓋２２のフランジ部２１ａ，２２ａは、周方向複数箇所に設けられ、ボトルケース２１に植え込まれた植え込みボルト２９とナット２９ｂにより、締結されている。
【００２０】
フランジ蓋２２の側面には、作動ガスである圧縮水素ガスの入口２３が形成されており、この入口２３には半径方向内向きに、次いでほぼ中央部で下方に延びる流路２３ｂが連通している。フランジ蓋２２の中央部であってやや偏心した位置に、圧縮水素ガスの出口２４が形成されている。この出口２４には、ボトルケース２１の中空部２１ｃに連通する流路２４ｂが接続されている。
【００２１】
フランジ蓋２２の下面側は、中央部２２ｃが下方に突き出ており、フィルタエレメント２０の台座を形成している。フィルタエレメント２０は、円盤型の受け面の中央に上下に延びるボルト保持部２７ｂを形成した受け座２７と、この受け座２７のボルト保持部に嵌合し、エレメント蓋２２に形成した流路を通ってエレメント蓋２２に植え込まれるボルト２８と、受け座２７に対向しフランジ蓋２２の中央部２２ｃに取り付けられる上受け座２７ｂと、受け座２７と上受け座間に挟持され、ボルト２８の周囲に配置される内側エレメント２５と、この内側エレメント２５の外側に配置される外側エレメント２６と、受け座２７をボルト２８２８ｂに保持するナットとを有している。ボトルケース２１の底部には、主として油分からなるドレーンを排出する排出流路３０ｂが形成されており、その流路３０ｂの端部には、ドレーン開口３０が形成されている。ドレーン開口３０には図示しないドレーン配管が接続される。
【００２２】
流路２３ｂの垂直部に位置するボルト２８の部分は、流路２３ｂと同軸になるように配設される。内側エレメント２５と外側エレメント２６の間には、若干の隙間δが形成されている。このように形成した１次フィルタ１０ａでは、入口２３から流入したわずかに油分を含む圧縮水素ガスは、ボルト２８の外周面に沿って流路２３ｂを流下し、上受け座２７ｂと受け座２７間において流れ方向が半径方向外向きに変更させられ、内エレメント２５、次いで外エレメント２６を通過する。
【００２３】
外エレメント２６の周囲は、ボトルケース２１の中空部２１ｃであり、この中空部２１ｃに流出した圧縮水素ガスは、流路２４ｂを経て出口２４から下流に配置された２次フィルタ１０ｂに送られる。２次フィルタ１０ｂは１次フィルタ１０ａと同様の構成であるから、詳細を省略する。なお、内エレメント及び外エレメントの素材には、過フッ化炭化水素樹脂で結合されたマイクログラスファイバー製コアレッシングエレメントを用いる。マイクログラスファイバーエレメントを用いると、フィルタ部で分離された油分は、フィルタに染み込まずに重力でエレメントから分離する。そして、ボトルケース２１内を滴下してボトルケース２１の底部に溜まり、その後、下部に設けたドレーン開口３０から回収される。したがって、エレメント交換が不要になるとともに、油分を確実に回収できる。
【００２４】
２次フィルタ１０ｂの下流には、図３に縦断面図を示す３次フィルタ１０ｃが配置されている。３次フィルタ１０ｃもボトルケース３１と、フランジ蓋３２とを締め付けボルト３８で締結して耐圧容器を構成している。フランジ蓋３２は１次フィルタ１０ａのフランジ蓋２１とほぼ同じ構成であるが、下部の突出部３２ｂの形状が異なっている。この３次フィルタ１０ｃでは、活性炭フィルタ３５を使用しているので、突出部３２ｂが活性炭フィルタ３５を保持できるように、断面Ｉ字状にし、Ｉ字状の外縁下端部に保持部を形成している。
【００２５】
フランジ蓋３２にはガスの入口３３およびこの入口３３に連通するＬ字型の流路３３ｂと、出口３４およびこの出口３４に連通する流路３４ｂが形成されている。１次フィルタ１０ａと同様に、ボルト３７がフランジ蓋３２に形成した流路３３ｂと同心に取り付けられており、このボルト３７が下部に配置した受け座３６に嵌合している。受け座３６の上面とフランジ蓋３２の突出部３２ｂの下面との間に活性炭フィルタ３５を狭持する。活性炭フィルタ３５は、不織布に活性炭を混ぜて中空円筒形状にしたものである。
【００２６】
ボトルケース３１の底部には開口３９が形成されており、ボトルケース３１の中空部の底面と連通している。この開口３９部からは、ボルト３７を伝わり活性炭フィルタ３５で分離され滴下貯留した油分が、ドレーンとして排出される。一方、圧縮水素ガスは、ボルト３７の周面に沿って活性炭フィルタ３５内に流入し、フィルタ３５内でフィルタ３５の半径方向に流れ方向を変える。そして、フィルタ３５を通過した後、フランジ蓋２２内の流路３４ｂを通って出口３４に至る。
【００２７】
本実施例によれば、活性炭を用いたフィルタの上流側に、マイクログラスファイバーフィルタを設け、ほとんどの油分は油分を浸透させないマイクログラスファイバーフィルタで除去して作動ガス中の油分を可能な限り減らしている。したがって、油分を細胞内に捕獲するので有限な寿命である活性炭をフィルタ手段として採用しても、活性炭の負荷が少なく、活性炭の交換間隔を長くすることができる。なお、１次フィルタケースを図示しない圧縮機最終段のスナッバーと兼用させれば、高圧容器の数を低減でき、経済的である。
【００２８】
本実施例では、圧縮機吐出ラインの１次フィルターおよび２次フィルターに過フッ化炭化水素樹脂で結合されたマイクログラスファイバー製コアレッシングエレメントを用い、これら１次および２次フィルタエレメントを、離隔して配置した内側エレメントと外側エレメントの２重構造としたので、内側エレメントで捕集した油分がそのまま外側エレメントに流れず、外側エレメントへの流入流れの一様化が図られ、油分が効率よく除去される。
【００２９】
また、３次フィルタに活性炭を利用しているので、取扱いガス（圧縮水素ガス）中に混入した油分を、プロセスで許容される極少量、例えば1ppm以下まで十分除去することができる。吐出圧力が４０ＭＰａ以上となるような高圧で、かつ油分を嫌う水素プラント圧縮用であってもフィルタ性能が向上したので、ロッドパッキン部に微量のシール油を注油することが可能になり、高効率で部品寿命の長いプランジャー式またはピストン式圧縮機を実現できる。
【００３０】
なお、上記実施例では３次フィルタ構造を１次、２次フィルタ構造と変えているが、３次フィルタを１次、２次フィルタと同様の構造としてもよい。この場合、部品の共通化が図られる。なお、３次フィルタは需要元の要求等によって省略してもよい。
【００３１】
ところで、エレメントと蓋カバー面、あるいはエレメントと座板の間に隙間が生じると、油分を含んだガスがバイパスする。その結果、油分除去性能が損なわれる。この不具合を回避するために、上記実施例ではばねでエレメントを押し付ける。個々のエレメントの軸方向の剛性が低く、締め付けボルトで締め付けるとエレメントが変形や座屈する恐れがある。しかしながら、上記実施例のようにエレメントを多重で形成すると、エレメントの変形が防止され、確実にエレメントが保持される。また、エレメントを漏れて油ががフィル互いに漏出するのも防止できる。また、僅かな隙間がエレメントと蓋カバー間、あるいはエレメントと座板間に生じても、隙間は僅かであるからラビリンス効果により、漏出を防止できる。
【００３２】
エレメントが多重構造であるので、各エレメント間に半径方向隙間が形成される。この隙間を形成したので、エレメントを通過するガス速度が一様化される。また、エレメントにおけるガス通過速度が低下し、エレメントをガスが通過する時間が長くなる。これにより、油分除去性能が向上する。図４に、エレメントを１重にしたときと２重にしたときの流れ解析結果を示す。２重エレメントでは、エレメントを通過するガス流れの偏流が緩和されている。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係るプランジャ式水素圧縮機設備の一実施例のブロック図。
【図２】図１に示した水素圧縮機設備に用いる１次フィルタの縦断面図。
【図３】図１に示した水素圧縮機設備に用いる３次フィルタの縦断面図。
【図４】エレメント内の流れを説明する図。
【符号の説明】
【００３４】
１…ガス供給口、２…圧縮機吸込みライン、３…１段圧縮機、４…２段圧縮機、５…１段吐出ライン、６…インタークーラ、７…２段吸込みライン、８…２段吐出ライン、９…アフタークーラ、１０…ガスフィルタ設備、１１…送出口、２１…ボトルケース、２２…フランジ蓋、２３…ガス入口、２４…ガス出口、２５…内側フィルタエレメント、２６…外側フィルタエレメント、２７…受け座、２８…ボルト、２９…ボルト、３０…ドレン孔、３１…ボトルケース、３２…フランジ蓋、３３…ガス入口、３４…ガス出口、３５…活性炭フィルタエレメント、３６…受け座、３７…ボルト、３８…ボルト。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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