(57)【要約】【課題】窒素ガス、天然ガス、ＬＰＧなどの所要の気体を多段階で高圧に圧縮する多段圧縮装置であって、簡単な構成により、インバータにて駆動モータの回転数が変化し、それによりピストン押し退け量（Ｖｓ  ）が変化しても、容易に体積効率を向上できる多段圧縮装置の提供。【解決手段】複数の往復圧縮部を備えて気体を多段階で圧縮する多段圧縮装置において、第１段目往復圧縮部〜第４段目往復圧縮部１０１〜１０４における吸入部のガス通過時間（λｓ  ）および吐出部のガス通過時間（λｄ  ）がそれぞれ特定の範囲になるようにした多段圧縮装置１００により課題を解決できる。【選択図】      図１
2004300935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の往復圧縮部を備えて気体を多段階で圧縮する多段圧縮装置において、第１段目往復圧縮部〜第４段目往復圧縮部の各圧縮部における下記式で表される吸入部のガス通過時間（λｓ  ）および吐出部のガス通過時間（λｄ  ）がそれぞれ下記の範囲にあることを特徴とする多段圧縮装置。
λｓ  （ｓｅｃ／ｃｍ）：
第１段目往復圧縮部；０．４〜７×１０−３
第２段目往復圧縮部；１．２〜１２×１０−３
第３段目往復圧縮部；３〜１４×１０−３
第４段目往復圧縮部；２〜３０×１０−３
λｄ  （ｓｅｃ／ｃｍ）：
第１段目往復圧縮部；０．６〜４×１０−３
第２段目往復圧縮部；０．３〜４×１０−３
第３段目往復圧縮部；１〜１９×１０−３
第４段目往復圧縮部；２〜３０×１０−３
式：
λｓ  ＝Ａｐｓ／Ｖｓ
λｄ  ＝Ａｐｄ／Ｖｓ
Ｖｓ  ＝ｒ２  ×π×Ｌ×Ｒ（ｃｍ３  ／ｓｅｃ）
Ａｐｓ：吸入バルブの総ポート面積（ｃｍ２  ）
Ａｐｄ：吐出バルブの総ポート面積（ｃｍ２  ）
Ｖｓ  ：ピストン押し退け量（ｃｍ３  ／ｓｅｃ）
ｒ：シリンダ内径（ｃｍ）
Ｌ：ピストンストローク（ｃｍ）
Ｒ：駆動モータ回転数（ｒ．ｐ．ｍ）
【請求項２】
駆動モータ回転数Ｒが６００〜２４００（ｒ．ｐ．ｍ）の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の多段圧縮装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は天然ガス、窒素ガスなどの不活性ガスの所要の気体を多段階で高圧に圧縮する多段圧縮装置に関するものであり、さらに詳しくは体積効率を向上できるようにした多段圧縮装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の多段圧縮装置としては、圧縮段数の増加に従って往復圧縮部、すなわち、シリンダとピストンとによる圧縮部を高圧側になるほどシリンダとピストンの直径を細くするとともに、Ｌ型・Ｖ型・Ｗ型・半星型・星型・対向釣り合い型などに配置して、各圧縮部を所要の位相にずらせた行程で動作するように、クランク軸に連結して連動することにより多段階の圧縮動作を行う機構を電動機などの駆動源により運転する構成が開示されている（非特許文献１）。
【０００３】
また、従来、４つの往復圧縮部を直交する軸上で往復連動するように配置し、第１段目往復圧縮部から順次に高圧化して最終の第４段目往復圧縮部で最終の高圧に圧縮する多段圧縮装置が周知である（例えば、特許文献１など）。
【０００４】
【非特許文献１】
日本機械学会昭和４５年９月１５日「機械工学便覧」第１０編第３０図〜第３２図
【特許文献１】
米国特許第５，０３３，９４０号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記多段圧縮装置において、従来は駆動モータを一定回転数にて運転していたのでピストン押し退け量（Ｖｓ  ）が一定値を示していたが、省エネルギなどのためにインバータにて駆動モータの回転数を変化させることが行われるようになると、インバータにて駆動モータの回転数が変化し、それによりピストン押し退け量（Ｖｓ  ）が変化する。そのためピストン押し退け量（Ｖｓ  ）が変化しても、体積効率［但し体積効率＝（実際の吸入量）／（理論吸入量）］を向上できる多段圧縮装置が求められるようになった。
【０００６】
本発明の目的は、天然ガス、窒素ガスなどの不活性ガスの所要の気体を多段階で高圧に圧縮する多段圧縮装置であって、簡単な構成により、インバータにて駆動モータの回転数が変化し、それによりピストン押し退け量（Ｖｓ  ）が変化しても、容易に体積効率を向上できる多段圧縮装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の請求項１記載の多段圧縮装置は、複数の往復圧縮部を備えて気体を多段階で圧縮する多段圧縮装置において、第１段目往復圧縮部〜第４段目往復圧縮部の各圧縮部における下記式で表される吸入部のガス通過時間（λｓ  ）および吐出部のガス通過時間（λｄ  ）がそれぞれ下記の範囲にあることを特徴とする。
λｓ  （ｓｅｃ／ｃｍ）：
【０００８】
第１段目往復圧縮部；０．４〜７×１０−３
第２段目往復圧縮部；１．２〜１２×１０−３
第３段目往復圧縮部；３〜１４×１０−３
第４段目往復圧縮部；２〜３０×１０−３
λｄ  （ｓｅｃ／ｃｍ）：
第１段目往復圧縮部；０．６〜４×１０−３
第２段目往復圧縮部；０．３〜４×１０−３
第３段目往復圧縮部；１〜１９×１０−３
第４段目往復圧縮部；２〜３０×１０−３
【０００９】
式：
λｓ  ＝Ａｐｓ／Ｖｓ
λｄ  ＝Ａｐｄ／Ｖｓ
Ｖｓ  ＝ｒ２  ×π×Ｌ×Ｒ（ｃｍ３  ／ｓｅｃ）
Ａｐｓ：吸入バルブの総ポート面積（ｃｍ２  ）
Ａｐｄ：吐出バルブの総ポート面積（ｃｍ２  ）
Ｖｓ  ：ピストン押し退け量（ｃｍ３  ／ｓｅｃ）
ｒ：シリンダ内径（ｃｍ）
Ｌ：ピストンストローク（ｃｍ）
Ｒ：駆動モータ回転数（ｒ．ｐ．ｍ）
【００１０】
第１段目往復圧縮部〜第４段目往復圧縮部における吸入部のガス通過時間（λｓ  ）および吐出部のガス通過時間（λｄ  ）をそれぞれ上記の範囲になるようにするという、簡単な構成により、天然ガス、窒素ガスなどの不活性ガスの所要の気体を多段階で高圧に圧縮する際、インバータにて駆動モータの回転数が変化し、それによりピストン押し退け量（Ｖｓ  ）が変化しても、容易に体積効率を向上できる。
【００１１】
本発明の請求項２記載の多段圧縮装置は、請求項１記載の多段圧縮装置において、駆動モータ回転数Ｒが６００〜２４００（ｒ．ｐ．ｍ）の範囲にあることを特徴とする。
【００１２】
駆動モータ回転数Ｒが前記の範囲にあると装置自体の振動が少なく、かつ信頼性が高い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図２に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の多段圧縮装置の一実施形態の要部を示す説明図であり、図２は、図１に示した本発明の多段圧縮装置の第１段目往復圧縮部の断面構造を示す説明図である。
図１に示したように、本発明の多段圧縮装置１００は、４つの往復圧縮部１０１・１０２・１０３・１０４を直交する軸１０５・１０６上で往復連動するように配置し、往復圧縮部１０１から順次に高圧化して往復圧縮部１０４を最終段の高圧圧縮部としている。
【００１４】
上記多段圧縮装置１００においては、１対の対向するピストン５１・５３はヨーク１Ａに連結し、ヨーク１Ａ内で軸１０６を横切るように移動可能に設けるクロススライダー２Ａはクランクピン４を介してクランクシャフト３に連結している。また、他の１対の対向するピストン５２・５４はヨーク１Ａと向きを９０度ずらして配設したヨーク１Ｂに連結し、ヨーク１Ｂ内で軸１０５を横切るように移動可能に設ける図示しないクロススライダーもクランクピン４を介してクランクシャフト３に連結している。
【００１５】
そして、図示しない電動駆動モータによって、クランクシャフト３を回転させてクランクピン４をクランクシャフト３の回りに回転させると、ヨーク１Ａにおいては軸１０５の方向のクランクピン４の変位にはクロススライダー２Ａが移動して対応し、軸１０６の方向にはヨーク１Ａが移動することで対応するので、一対のピストン５１・５３は軸１０６の方向にのみ往復運動する。
【００１６】
一方、ヨーク１Ｂにおいては軸１０６の方向には図示しないクロススライダーが移動して対応し、軸１０５の方向にはヨーク１Ｂが移動することで対応するので、一対のピストン５２・５４は軸１０５の方向にのみ往復運動する。
【００１７】
図２は、多段圧縮装置１００の第１段目往復圧縮部１０１の断面構造を示す説明図である。第１段目往復圧縮部１０１のピストン５１が後退し、吐出バルブｃ、ｄが閉じ、吸入バルブａ、ｂが開いてシリンダ５５内の圧縮室５６に吸入バルブａ、ｂを経て矢印で示した方向から吸入した気体は、ピストン５１が前進すると吸入バルブａ、ｂが閉じて圧縮室５６内で圧縮され所定の圧力に達すると吐出バルブｃ、ｄが開いて、圧縮室５６から吐出バルブｃ、ｄを経て図に矢印で示した方向へ吐出され、図示しない第２段目往復圧縮部１０２へ送られるようになっている。５７はピストン５１とヨーク１Ａを連結するコンロッド（コネクテイングロッド）である。５８はバルブスプリングである。
【００１８】
Ａｐｓ（ｃｍ２  ）は、図２に示した吸入バルブａ、ｂ、・・・のポートａ１、ｂ１、・・・の断面積の総和（吸入バルブの総ポート面積）であり、Ａｐｓ＝（吸入バルブａのポートａ１の断面積）（ｃｍ２  ）＋（吸入バルブｂのポートｂ１の断面積）（ｃｍ２  ）＋・・・で表される。すなわち各吸入バルブのポート面積と吸入バルブの総数との積で表される。
【００１９】
Ａｐｄ（ｃｍ２  ）は、図２に示した吐出バルブｃ、ｄ、・・・のポートｃ２、ｄ２、・・・の断面積の総和（吐出バルブの総ポート面積）であり、Ａｐｄ＝（吐出バルブｃのポートｃ２の断面積）（ｃｍ２  ）＋（吐出バルブｄのポートｄ２の断面積）（ｃｍ２  ）＋・・・で表される。すなわち各吐出バルブのポート面積と吐出バルブの総数との積で表される。
【００２０】
Ｖｓ  ［ピストン押し退け量（ｃｍ３  ／ｓｅｃ）］は、［ｒ２  ×π×Ｌ×Ｒ］で計算されるものであり、ｒはシリンダ内径（ｃｍ）、Ｌはピストンストローク（ｃｍ）、Ｒは駆動モータ回転数（ｒ．ｐ．ｍ）をそれぞれ示す。
【００２１】
Ａｐｓ、Ａｐｄ、Ｖｓ  を上記のように計算すると、次に、吸入部のガス通過時間（λｓ  ）および吐出部のガス通過時間（λｄ  ）を、式λｓ  ＝Ａｐｓ／Ｖｓ  およびλｄ＝Ａｐｄ／Ｖｓ  により算出できる。
【００２２】
本発明においては、このようにして算出されるλｓ  （ｓｅｃ／ｃｍ）およびλｄ  （ｓｅｃ／ｃｍ）が第１段目往復圧縮部〜第４段目往復圧縮部の各圧縮部においてそれぞれ上記の特定の範囲にあることが必要である。
この範囲の下限値より低い値であるとガス通路の抵抗が大きくなり圧力損失が増加するので好ましくない。
この範囲の上限値より高い値であるとトップクリアランス容積が大きくなり、再膨張損失が増加するので好ましくない。
【００２３】
本発明において駆動モータ回転数Ｒは特に限定されるものではない。しかし、駆動モータ回転数Ｒが６００〜２４００（ｒ．ｐ．ｍ）の範囲にあることが好ましく、さらに１５００〜１８００（ｒ．ｐ．ｍ）の範囲にあることがより好ましい。駆動モータ回転数Ｒが６００未満では装置自体の振動が多くなり、駆動モータ回転数Ｒが２４００を超えると信頼性が低下する。
【００２４】
本発明の多段圧縮装置は、潤滑油を用いない無潤滑式多段圧縮装置でも潤滑油を用いる潤滑式多段圧縮装置でもいずれでもよいが、オイルを含まない高純度気体を要求される例えばマイクロガスタービンへ燃料ガスを供給する用途などには潤滑油を用いない無潤滑式多段圧縮装置が前記作用効果がよく発揮されるので好ましい。
【００２５】
上記例では、往復圧縮部１０１から順次に高圧化して往復圧縮部１０４を最終段の高圧圧縮部とした例を挙げて本発明を説明したが、本発明の多段圧縮装置１００は順次に高圧化する例に限定されるものではなく、他の例として例えば、往復圧縮部１０１で圧縮した気体を往復圧縮部１０２へ送り、往復圧縮部１０２でさらに圧縮した気体を往復圧縮部１０４へ送り、一方、往復圧縮部１０３で圧縮した気体を往復圧縮部１０４へ送り、往復圧縮部１０４を最終段の高圧圧縮部とする例を挙げることができる。
このような例においてもλｓ  （ｓｅｃ／ｃｍ）およびλｄ  （ｓｅｃ／ｃｍ）が第１段目往復圧縮部〜第４段目往復圧縮部においてそれぞれ上記の特定の範囲にあることが必要であり、それにより本発明の作用効果が得られる。
【００２６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではないので、特許請求の範囲に記載の趣旨から逸脱しない範囲で各種の変形実施が可能である。
例えば、第１段目往復圧縮部〜第４段目往復圧縮部のいずれか１つあるいは２つ以上に二重圧縮構造を設けた多段階圧縮装置であってもよい。
また、複数の往復圧縮部を上記のＬ型・Ｖ型・Ｗ型・半星型・星型・対向釣り合い型などに配置した構成、または、３つまたは５つ以上の往復圧縮部を星型に配置した構成の多段階圧縮装置であってもよい。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の多段圧縮装置は、複数の往復圧縮部を備えて気体を多段階で圧縮する多段圧縮装置において、第１段目往復圧縮部〜第４段目往復圧縮部の各圧縮部における下記式で表される吸入部のガス通過時間（λｓ  ）および吐出部のガス通過時間（λｄ  ）がそれぞれ下記の範囲にあることを特徴とするものであり、第１段目往復圧縮部〜第４段目往復圧縮部の各圧縮部における吸入部のガス通過時間（λｓ  ）および吐出部のガス通過時間（λｄ  ）をそれぞれ上記の範囲になるようにするという簡単な構成により、天然ガス、窒素ガスなどの不活性ガスの所要の気体を多段階で高圧に圧縮する際、インバータにて駆動モータの回転数が変化し、それによりピストン押し退け量（Ｖｓ  ）が変化しても、容易に体積効率を向上できるという顕著な効果を奏する。
【００２８】
本発明の請求項２記載の多段圧縮装置は、請求項１記載の多段圧縮装置において、駆動モータ回転数Ｒが６００〜２４００（ｒ．ｐ．ｍ）の範囲にあることを特徴とするものであり、駆動モータ回転数Ｒが前記の範囲にあると装置自体の振動が少なく、かつ信頼性が高いというさらなる顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多段圧縮装置の一実施形態の要部を示す説明図である。
【図２】図１に示した本発明の多段圧縮装置の第１段目往復圧縮部の断面構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１Ａ・１Ｂ  ヨーク
３  クランクピン
４  クランクシャフト
５１・５２・５３・５４  ピストン
５５  シリンダ
５６  圧縮室
５７  コンロッド
１００  多段圧縮装置
１０１  第１段目往復圧縮部
１０２  第２段目往復圧縮部
１０３  第３段目往復圧縮部
１０４  第４段目往復圧縮部
ａ、ｂ  吸入バルブ
ｃ、ｄ  吐出バルブ
ａ１、ｂ１  吸入バルブのポート
ｃ２、ｄ２  吐出バルブのポート
Ａｐｓ  吸入バルブの総ポート面積
Ａｐｄ  吐出バルブの総ポート面積
Ｖｓ    ピストン押し退け量
ｒ  シリンダ内径
Ｌ  ピストンストローク
Ｒ  駆動モータ回転数
【図１】
2004300935.tif 000003
【図２】
2004300935.tif 000004