(57)【要約】【課題】高圧環境で使用される往復圧縮機において、圧縮機外への作動ガスの漏れを防止する。【解決手段】プランジャ式の往復圧縮機は、プランジャ１２とシリンダ１１間に形成される圧縮室６０内の作動ガスをプランジャの往復動で圧縮する。圧縮室で圧縮されたガスがプランジャ外周部から漏れるのを防止するために、シールガス６２をシールガス供給路６１からロッドパッキンシール１３部に供給する。シールガスが圧縮室とは反対端部に漏れるのを防止するガス漏れ防止手段２０をプランジャの端部に設ける。ガス漏れ防止手段は圧縮機の稼動時にはその動作を停止し、圧縮機の停止時にシール動作をする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プランジャとシリンダ間に形成される圧縮室内の作動ガスをプランジャの往復動で圧縮するプランジャ式の往復圧縮機において、前記圧縮室で圧縮されたガスがプランジャ外周部から漏れるのを防止するシールガス供給手段を設けるとともに、シールガスが圧縮室とは反対端部に漏れるのを防止するガス漏れ防止手段を前記プランジャの端部に設け、このガス漏れ防止手段は圧縮機の稼動時にはその動作を停止し、圧縮機の停止時にシール動作をすることを特徴とする往復圧縮機。
【請求項２】
前記シリンダに隣り合って積層されたロッドパッキンを配置し、このロッドパッキンの中間部に前記シールガスの供給手段を設け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】
前記ガス漏れ防止装置はカバーと、このカバーに嵌合し移動可能なピストンと、前記ピストンとカバー間に形成される空間に潤滑油を供給する潤滑油供給手段とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の往復圧縮機。
【請求項４】
圧縮機の運転時には前記ピストンを元の位置に戻す手段を前記ピストンに設けたことを特徴とする請求項３に記載の往復圧縮機。
【請求項５】
プランジャとシリンダ間に形成される圧縮室内の作動ガスをプランジャの往復動で圧縮するプランジャ式の往復圧縮機に用いられ、プランジャに関して圧縮室とは反対端部に設けられるガス漏れ防止装置であって、前記圧縮室で圧縮されたガスの圧縮機外に漏れるのを防止するシールガス供給手段から供給されたシールガスを、圧縮機の停止時にシールすることを特徴とするガス漏れ防止装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可燃性ガスや毒性ガスを取扱う往復圧縮機及びその漏れ防止装置に係り、特に３０ＭＰａ以上の超高圧のときに好適な往復圧縮機及びその漏れ防止装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のピストン式往復圧縮機の例が、米国公報第３６５７９７３号に記載されている。この公報に記載の圧縮機では、端部に設けられたシリンダに同軸にシリンダライナが嵌合されており、このシリンダライナとシリンダとで形成された軸方向間隙に複数層に積層されてシール部材が収容されている。そして、シリンダ、シール部材、シリンダライナのそれぞれの軸中心部に形成された穴をピストンが軸方向に移動可能になっている。
【０００３】
また、往復動式圧縮機に用いるシール装置の例が、特開平７−１１９６３４号公報に記載されている。この公報に記載のシール装置では、ピストン棒を効率よく冷却し、作動ガスへの異種流体の混入を無くすために、シリンダの内外を遮断する軸封装置内にてシリンダ内の圧縮室とシリンダ外のいずれとも遮断された状態で、ピストン棒回りを包囲する冷却室を、ガス冷却器、流量調整弁、第１、第２圧力調節弁及び逆止弁を介して吸い込み流路、吐出流路に連通する冷却流路を設けている。
【特許文献１】
米国特許第３６５７９７３号明細書
【特許文献２】
特開平７−１１９６３４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記米国公報では、圧縮機のピストン部のシールに２種類のシール部材を用いることが図面上では記載されているものの、その詳細は不明であり、可燃性ガスや毒性ガスを圧縮する圧縮機における漏れ防止ついては充分な配慮がなされていない。
【０００５】
一方、特開平７−１１９６３４号公報に記載の往復式圧縮機では、ピストン棒の外周部から作動ガスが漏れるのを防止するために複数段にパッキンを形成しているが、このパッキンを漏れて軸封装置冷却室側に作動ガスが流入する点については、充分には考慮されていない。そのため、作動ガスが可燃性ガスや毒性を有するガスの場合には圧縮機全体の漏れガスを処理する複雑な処理系が必要であった。
【０００６】
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、プランジャ式往復圧縮機の圧縮機外部への圧縮ガスの漏れを防止することにある。本発明の他の目的は、簡単な構成で超高圧往復圧縮機のシール装置を実現することにある。本発明のさらに他の目的は、毒性ガスや可燃性ガスを作動ガスとしても圧縮機外部へのガスの漏洩を防止できる往復圧縮機を実現することにある。そして、本発明ではこれらの目的の少なくとも１つを達成することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、プランジャとシリンダ間に形成される圧縮室内の作動ガスをプランジャの往復動で圧縮するプランジャ式の往復圧縮機において、圧縮室で圧縮されたガスがプランジャ外周部から漏れるのを防止するシールガス供給手段を設けるとともに、シールガスが圧縮室とは反対端部に漏れるのを防止するガス漏れ防止手段をプランジャの端部に設け、このガス漏れ防止手段は圧縮機の稼動時にはその動作を停止し、圧縮機の停止時にシール動作をするものである。
【０００８】
この特徴において、シリンダに隣り合って積層されたロッドパッキンを配置し、このロッドパッキンの中間部にシールガスの供給手段を設けるのがよく、ガス漏れ防止装置はカバーと、このカバーに嵌合し移動可能なピストンと、ピストンとカバー間に形成される空間に潤滑油を供給する潤滑油供給手段とを有することが望ましい。また、圧縮機の運転時にはピストンを元の位置に戻す手段をピストンに設けるのがよい。
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の他の特徴は、プランジャとシリンダ間に形成される圧縮室内の作動ガスをプランジャの往復動で圧縮するプランジャ式の往復圧縮機に用いられ、プランジャに関して圧縮室とは反対端部に設けられるガス漏れ防止装置であって、圧縮室で圧縮されたガスの圧縮機外に漏れるのを防止するシールガス供給手段から供給されたシールガスを、圧縮機の停止時にシールすることにある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る往復圧縮機の一実施例を、図面を用いて説明する。
図１は、プランジャー式圧縮機のシリンダ部の縦断面図である。プランジャー式圧縮機は、燃料電池に用いる水素を加圧するものであり、その圧力は７０ＭＰａにも達する。そのため、高圧のガスをシールし、かつ圧縮機外部への漏洩を防止するための漏れ防止装置を備えている。図１では、２段に形成された往復圧縮機の左側部分のみを記載している。
【００１１】
圧縮室６０を形成するシリンダ１１内を、棒状のプランジャ１２がその軸方向に移動することにより、プランジャ１２先端に位置する圧縮室６０で圧縮された作動ガスが圧縮される。プランジャ１２には、図示しない駆動源に接続されたクランクシャフトと、クランクシャフトに接続されたコネクティングロッドと、このコネクティングロッドに接続された中間ロッド６５とを介して往復動の力が伝えられる。プランジャ１２中間ロッド６５とはカップリング部６４で接続されている。
【００１２】
プランジャ１２の中間ロッド６５接続端とは反対端側には、圧縮室６０が形成されるように、シリンダ１１の端面にシリンダカバー１６が取付けられている。シリンダカバー１６は、中空に形成されており、この中空部にシリンダ弁５０が収容されている。シリンダカバー１６の中空部端面を覆うように、バルブカバー１７がシリンダカバー１６にねじ止めされている。バルブカバー１７の中央部には貫通ねじ５１が取付けられており、シリンダ弁５０が圧縮室６０の圧力により機外側に抜け出るのを防止している。なお、貫通ねじ５１の代わりにバルブカバー１７でシリンダ弁５０を押すようにしてもよい。この場合には、構造がより簡単になる
シリンダ弁５０は圧縮室６０に水素ガスを導き、圧縮された水素ガスを取出すためのものであり、プランジャ１２の動きに同期してシリンダカバー１６に形成された吸込み通路５４及び吐出通路５５と圧縮室６０とを、遮断または連通させる。つまり、吸込み流路５４から吸込まれた水素ガス５３は、シリンダカバー１６の内壁に環状に形成された溝を通り、シリンダ弁５０内に形成された図示しない第１のバルブ及び第１の流路を経て圧縮室に吸込まれる。なお、この吸込みガスが吐出側に漏れないように、溝５８の近傍にＯ−リング５９が配設されている。圧縮室６０で圧縮された水素ガスは、シリンダ弁５０に形成された図示しない第２の流路及び第２のバルブを通って、シリンダカバー１６の内壁に形成された溝から、吐出流路５５に流入する。吐出流路５５を出た圧縮された水素ガス５６は、その圧縮機が１段目であれば２段目圧縮機の吸込み側に、２段目であれば需要元へと送られる。
【００１３】
ところで、本実施例に記載のプランジャ１２は、直径２０〜４０ｍｍ程度で、ストロークが約１００ｍｍ程度ある。このように、プランジャ１２が往復動するので、圧縮室６０からプランジャ１２側への圧縮ガスの漏れを防止する必要がある。そこで、本実施例ではプランジャ１２に近接してシールするロッドパッキン１３ｂと、このロッドパッキン１３ｂを保持するパッキンケースａとを有するロッドパッキンシール１３を、プランジャ１２の軸方向に複数積層している。積層されたロッドパッキンシール１３の間には適当な間隔でスペーサ６６、６６ｂが配置されている。シリンダ１１およびロッドパッキンシール１３、スペーサ６６、６６ｂの外周は、２重の円筒部材６７ａ，６７ｂからなるスリーブ１４で覆われており、この２重の円筒部材６７ａ，６７ｂ間に、圧縮室６０で発生しシリンダ側に伝達された熱を冷却する冷却流路が形成されている。積層されたロッドパッキンシール１３の中間部に配置されたスペーサ６６ｂには、シールガス６２の流路６１が形成されている。このシールガス６２としては、圧縮機に吸込まれる水素ガスを用いており、その圧力は１０〜０ＭＰａである。
【００１４】
積層されたロッドパッキンシール１３の中間ロッド６５側端部には、パッキン押え１３ｃが配置されている。このパッキン押さえ１３ｃに隣接して、内カバー１８が配設されている。ロッドパッキンシール１３およびスペーサ６６、６６ｂは、周方向複数箇所に配置したボルト１５及びナット５２により、パッキン押さえ１３ｃとシリンダカバー１６間に保持される。内カバー１８には、プランジャ１２の外周を潤滑及びシールするために、潤滑油流路２１が形成されている。この潤滑油流路２１は、パッキンケース１３ａ及びスペーサ６６ｂを貫通して、プランジャ１２の外周部に開口している。
【００１５】
中間ロッド６５を収容し窓６３の形成されたクロスガイド１９が、内カバー１８に隣接して配置されている。クロスガイド１９には、詳細を後述するシリンダ内ガス漏れ防止装置２０が保持されている。このガス漏れ防止装置２０は、圧縮機停止時にロッドパッキンシール１３ｂとプランジャ１２との間からのガス漏れを防止するものであり、その中央部をプランジャ１２が貫通している。なお、内カバー１８はクロスガイド１９ともに、図示しないクランクケースに固定されている。
【００１６】
次に、シリンダ内ガス漏れ防止装置２０の一例を、図２及び図３に示す。図２及び図３はガス漏れ防止装置２０の縦断面図であり、図２はガス漏れ防止装置２０の作動前の図、図３はガス漏れ防止装置２０の作動時の図である。ガス漏れ防止装置２０は、中央部にプランジャ１２が貫通する孔が形成され、断面コの字状をしているカバー３１と、このカバー３１に嵌合し中央部にプランジャが貫通する孔が形成されたピストン３２と、ピストン３２の内周側先端部に設けられ、ピストン３２とプランジャ及び内カバー１８間をシールするリングシール部品３５とを有している。このカバー３１の前面とピストン３２の背面間に、油圧シリンダ３３が形成される。リングシール部品３５には、例えば弾力性を有するゴムを用いる。
【００１７】
ピストン３２の内カバー１８に対向する面には、複数個の穴が形成されており、この穴には渦巻きバネ３６が保持されている。また、ピストン３２とシリンダとカバー３２間の漏れを防止するために、ピストン３２の内外周面にはＯリング溝が形成されており、この溝にＯリング３２ａ，３２ｂが保持されている。油圧シリンダ３３に給油するために、カバー３１には、給油通路３４が形成されている。圧縮機が運転を停止すると、図示しない給油ポンプから油圧シリンダ３３に所定の圧力に昇圧された油が供給される。
【００１８】
このように構成したシリンダ内ガス漏れ防止装置２０の動作を、以下に説明する。圧縮機の運転中は、圧縮室６０で４０〜８０ＭＰａ程度まで圧縮された水素ガスが、プランジャ１２の外周から中間ロッド側に漏れてくる。しかしながら、この状態では、スペーサ６６ｂに設けた流路６１から吹き込まれた圧力１０〜２０ＭＰａのシールガス６２及び内カバー１８に形成された潤滑油通路２１から供給された潤滑油２１ｂにより、圧縮室６０からの漏れ流れが抑えられる。したがって、ほとんど圧縮ガスの漏れは無い。シールガス６２の一部は、スペーサ６６ｂ部からさらに中間ロッド６５側に潤滑油とともに流れ込むおそれがある。しかしながら、潤滑油によりロッドパッキンシール１３とプランジャ１３間の隙間が埋められているから、その漏れ量は小さい。そこで、圧縮機の運転状態ではガス漏れ防止装置２０を作動させないで、プランジャ１２の負荷及びＯリング３２ａ，３２ｂやリングシール部品３５の負荷を軽減させる。
【００１９】
一方、圧縮機が運転を停止すると潤滑油ポンプも停止するから、圧縮室内６０の圧縮ガスはシールガス６２に抗してシールガス供給流路６１側に逆流するが、ガス流路内の流れであり圧縮機外に漏れるおそれは無い。これに対し中間シャフト６５側に流れてきたシールガス６２は、プランジャ１２とロッドパッキンシール１３間に形成される隙間から潤滑油がなくなるので、その隙間を流れてガス漏れ防止装置２０にいたる。
【００２０】
そこで、ガス漏れ防止装置の油圧シリンダ３３を作動させるために、油圧ポンプを起動し、給油通路３４から油圧シリンダ３３に油圧を供給する。ピストン３２の背面側に形成された油圧シリンダ３３に油圧が付加されると、ピストン３２はばね３６のばね力に抗して内カバー１８側に移動する。これにより、ピストン３２の内周側先端に取付けたリングシール部品３５が、内カバー１８とプランジャ１２間に形成された隙間を塞ぐ（図３参照）。なお、油圧ポンプの必要圧力は、リングシール部品３５の外周側接触径とプランジャ１２の外径の受圧面積と圧縮機内ガス圧力の積から得られた力に、ばね３６のばね力を加えた値をシリンダ面積で除して得られた圧力以上であればよい。
【００２１】
なお、図２は圧縮機運転中の状態であり、油圧シリンダ３３内に油圧が付加されていないので、バネ３６のばね力によりピストン３２は、カバー３１側へ押付けられる。このとき、シール部品３５は元の状態に戻り、プランジャ１２の往復運動に支障を及ぼさない。この状態では、ロッドパッキン１３とプランジャ１２の間から極く僅かだけ水素ガスが漏れて、リングシール部品３５を経てカバー３１とプランジャ１２間に形成される隙間からクロスガイド側へ漏れるおそれがあるが、その量は無視できる程度であり、問題にはならない。
【００２２】
本発明に係るガス漏れ防止装置２０の他の例を、図４、５に示す。図４は漏れ防止装置の作動前の図であり、図５は作動時の図である。本実施例が、上記実施例と異なるのは、ばねの代わりに油圧を用いてピストンを元の位置に戻すようにしたことにある。
【００２３】
ガス漏れ防止装置２０ｂには、上記実施例と同様に油圧シリンダ４３がカバー４１の前面とピストン４２の背面間に形成されている。ピストン４２の内周側であって内カバー１８側には、シール部品４５が保持されている。シール部品４５は、リングシール部品４５ａと２個のＯリング４５ｂ，４５ｃを有し、リングシール部品４５ａはＯリング４５ｂ，４５ｃを保持する。Ｏリングの内径はプランジャの外径とほぼ同一であり、ピストン４２がカバー４１側に移動している時に潰れ代がほぼ０となるように、ピストン４２の移動量を設定する。なお、上記実施例で用いたばねを併用してもよい。ピストン４２とシリンダ４３間は、Ｏリング３２ａ，３２ｂにより漏れを防止する。シリンダ４３へは、給油通路４４から油圧が付与される。内カバー１８には、このうちカバー１８とカバー４１の前面間に形成される隙間４８に連通する連通路４９を形成している。
【００２４】
図示しない給油ポンプは、圧縮機運転中は停止状態にあり、圧縮機が停止すると起動する。これにより、圧縮機停止中にシリンダ４３へ所定の圧力に昇圧された油が供給される。給油通路４４からシリンダ４３に油圧が付与されると、ピストン４２は内カバー１８側に移動する。これに伴いリングシール部品４５ａが内カバー１８の背面側端面に押付けられる。Ｏリング４５ｃは、プランジャ１２とピストン４２間の隙間を塞ぐ。リングシール部品４５ａと内カバ１８の接触面からの漏れがほぼ０であれば、Ｏリング４５ｂがリングシール部品４５ａとプランジャ間の隙間を塞ぐ。
【００２５】
図４は圧縮機運転中の状態であり、ロッドパッキンシール１３には圧縮機運転に連動して潤滑油流路２１から潤滑油が供給される。ロッドパッキンシール１３とガス漏れ防止装置２０間にも潤滑油流路２２をから潤滑油が供給される。この潤滑油は、差圧やプランジャ１２の往復運動によりＯリング４５ｂ、４５ｃとプランジャ１２との摺動面にも供給される。したがって、この摺動面の接触摩擦抵抗が小さくなり、油膜が形成されるのでＯリングの摩耗を防止できる。
【００２６】
また、シリンダ４３内には油圧が付加されていないので、ピストン４２前面と内カバー１８間の隙間が油圧シリンダとなり、ピストン４２をカバー４１側へ押付ける。Ｏリング４５ｂ、４５ｃは元の状態に戻り、プランジャ１２の往復運動には支障を及ぼさない。潤滑油流路２２から供給された潤滑油は、内カバ１８とシリンダ４１間に形成された空隙４６、４８を通り、内カバー１８に形成された潤滑油流路４７、４９から排出される。またロッドパッキンシールからの極少の漏れガスは上部に設けた内カバ１８とシリンダ４１間の空隙４６、４８を通り、内カバの連通路４７、４９を通って排出される。潤滑油の一部や漏れガスの一部は、中間ロッド６５側に漏れるおそれがあるが、その量は無視できる程度である。
【００２７】
圧縮機が停止すると、ロッドパッキンへの注油も停止される。そこで図示しない油圧ポンプを起動させ、図５に示すように、昇圧された油を潤滑油流路４４からシリンダ４３へ供給する。これにより、ピストン４２が内カバー１８側に移動し、ピストン４２の内周側に保持したリングシール部品４５ａを内カバー１８の端面に押付ける。このとき、Ｏリング４５ｃはプランジャ１２とピストン４２間に形成される隙間を、Ｏリング４５ｂは、リングシール部品４５ａと内カバ１８の接触面の漏れがほぼ０であれば、リングシール部品４５ａとプランジャ間に形成される隙間をそれぞれ塞ぐ。したがって、圧縮機内から圧縮機外への水素ガスの漏れを防止できる。なお、内カバー側の接触面には、表面処理を施すことが好ましい。そのために接触面を構成する部品を別体として、内カバーに取付けるようにしても良い。
【００２８】
上記実施例では燃料電池に用いる水素ガスを圧縮する圧縮機を例にとり説明したが、他のガスであってもよいことは言うまでも無い。また、圧縮機の吐出圧力を８０ＭＰａ程度としたが、それよりも高圧であっても本発明は適用可能である。上記各実施例によれば作動ガスが圧縮機外に漏れるのを防止できるので、起動停止頻度が高い用途の圧縮機においては、経済的である。また、圧縮機運転中はガス漏れ防止装置を作動させないので、プランジャやシール装置に過大な付加を与えるおそれが無く、圧縮機の信頼性を向上できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、クロスガイド内に油圧シリンダを有するガス漏れ防止装置を設けたので、往復圧縮機の停止時にも作動ガスが機内から機外へ漏れるのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプランジャ型往復圧縮機の一実施例のロッドシール部の縦断面図。
【図２】図１に示した圧縮機に用いる停止時ガス漏れ防止装置の一実施例の縦断面図。
【図３】図２に示した停止時ガス漏れ防止装置の縦断面図であって、ガス漏れ防止装置の動作を説明する図。
【図４】図１に示した圧縮機に用いる停止時ガス漏れ防止装置の他の実施例の縦断面図。
【図５】図４に示した停止時ガス漏れ防止装置の縦断面図であって、ガス漏れ防止装置の動作を説明する図。
【符号の説明】
１・・・シリンダ、２・・・ピストン、３・・・ピストンロッド、４・・・ロッドパッキンシール、５・・・パッキンホルダ、６・・・ディスタンスピース、７・・・シリンダカバ、４ａ・・・プレシャブレーカボックス、４ｂ・・・プレシャブレーカ、４ｃ・・・パッキンケース、４ｄ・・・ロッドパッキン、４ｅ・・・グランドカバ、４ｆ・・・注油孔、１１・・・シリンダ、１２・・・プランジャ、１３・・・ロッドパッキンシール、１３ａ・・・パッキンケース、１３ｂ・・・ロッドパッキン、１３ｃ・・・パッキン押え、１４・・・スリーブ、１５・・・ボルト、１６・・・シリンダカバ、１７・・・バルブ押え、１８・・・内カバ、１９・・・クロスガイド、２０・・・停止時ガス漏れ防止装置、２１・・・潤滑油流路、２２・・・潤滑油流路、３１・・・カバー、３２・・・ピストン、３３・・・シリンダ、３４・・・給油孔、３５・・・リングシール部品、３６・・・ばね、４１・・・カバー、４２・・・ピストン、４３・・・シリンダ、４４・・・給油通路、４５・・・シール部品、４５ａ・・・リングシール部品、４５ｂ、４５ｃ・・・Ｏリング、４６・・・空隙、４７・・・連通路、４８・・・空隙、４９・・・連通路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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