(57)【要約】【課題】燃料電池車に用いる水素を圧縮する小型でコンパクトな往復圧縮機を実現する。【解決手段】往復圧縮機１０１は、クランクシャフト２と、一端がこのクランクシャフトに接続されたコネクティングロッド３と、このコネクティングロッドの他端が接続されるとともに、互いに反対方向に延びる一対のシャフト６が接続されたクロスヘッド５と、各シャフトに接続された一対のプランジャ１１と、このプランジャの先端部を収容するシリンダ３１とを備える。一対のプランジャはほぼ同軸上を往復動し、クロスヘッドは一体で形成されている。【選択図】　図２
2004116329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクシャフトと、一端がこの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の他端が接続されるとともに、互いに反対方向に延びる一対の中間シャフトが接続されたクロスヘッドと、前記各中間シャフトに接続された一対のプランジャと、このプランジャの先端部を収容するシリンダとを備え、前記一対のプランジャはほぼ同軸上を往復動し、前記クロスヘッドは一体で形成されていることを特徴とする往復圧縮機。
【請求項２】
前記クランクシャフトとクロスヘッドとコネクティングロッドとを収容するクランクケースを有し、このクランクケースの側面にクランクシャフトを組み込みまたは取出す開口部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】
前記一方のプランジャで圧縮されたガスを他方のプランジャとシリンダ間に形成される圧縮空間に導い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】
前記コネクティングロッドは、クランクシャフトと係合する２つ割れ状の第１、第２の部材と、前記クロスヘッドとの接続部に設けたクロスピンと係号する第３の部材と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】
前記一対のシャフトは、プランジャの往復動をガイドする大径の案内部と、この案内部のプランジャ側に位置する小径部と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６】
前記一対のシャフトは、プランジャの往復動をガイドする案内部を有し、この案内部の外周面にシールリングを取付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７】
前記プランジャの外周側に軸方向に多段に積層されたロッドパッキンシールを設け、このロッドパッキンシールの軸方向中間部をこの圧縮機に吸込まれるガスの吸込み流路に連通し、前記ロッドパッキンシールを高圧側シール部と低圧側シール部とに分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８】
前記低圧側シール部のロッドパッキンは、高圧側シール部のロッドパッキンより軟らかい材質を含むことを特徴とする請求項７に記載の往復圧縮機。
【請求項９】
前記低圧側シール部のロッドパッキンは樹脂材を含むことを特徴とする請求項７に記載の往復圧縮機。
【請求項１０】
クランクシャフトの回転運動を１対のプランジャの往復運動に変換して作動ガスを圧縮する２段の往復圧縮機において、前記一対のプランジャを同一軸上であってクランクシャフトを挟んで互いに反対側に配置し、このプランジャの外周部に軸方向に多段に形成されたロッドパッキンシールを配置し、このロッドパッキンシールのプランジャ先端側にシリンダリングを配置し、前記ロッドパッキンシールの外径とシリンダリングの外径をほぼ同一にしてこれらの外周部を覆う円筒ケースを設け、この円筒ケースとロッドパッキンシール及びシリンダリングの外周間にプランジャの軸方向に連通する細隙通路を形成し、この細隙通路を作動ガスの漏洩通路としたことを特徴とする往復圧縮機。
【請求項１１】
前記細隙通路は、周方向位置決めに用いるノックピン用の溝であることを特徴とする請求項１０に記載の往復圧縮機。
【請求項１２】
前記円筒ケースに外周が嵌合する他の円筒ケースを設け、円筒ケースと他の円筒ケース間に冷却ジャケットを形成したことを特徴とする請求項１０に記載の往復圧縮機。
【請求項１３】
前記冷却ジャケットに冷却水または冷却油を流通させたことを特徴とする請求項１２に記載の往復圧縮機。
【請求項１４】
前記プランジャの一方と前記クランクシャフトとを、コネクティングロッドとクロスヘッドとシャフトとを介して接続し、前記プランジャーの他方を前記クロスヘッドに他のシャフトとを介して接続したことを特徴とする請求項１０に記載の往復圧縮機。
【請求項１５】
作動ガスが高圧水素であり、圧縮機の吐出圧力が４０ＭＰａ以上８４ＭＰａ以下となることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の往復圧縮機。
【請求項１６】
圧縮機の吐出側にこの圧縮機から漏洩した作動ガスに含まれる潤滑油をろ過するフィルタ手段を設けたことを特徴とする請求項１５に記載の往復圧縮機。
【請求項１７】
作動ガスが高圧水素であり、燃料電池車に用いる水素ガス貯留手段に高圧水素を供給するものであることを特徴とする請求項１６に記載の往復圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高圧に作動ガスを圧縮する往復圧縮機に係り、特に燃料電池車に用いる水素ガスを圧縮するのに好適な２段の往復圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロセスラインへの潤滑油の混入を防止するために、作動ガスを圧縮する圧縮機にダイヤフラム圧縮機を用いることが非特許文献１に記載されている。潤滑油の混入を防止できるので、燃料電池車で使用される水素ガスを圧縮する圧縮機としても、３５ＭＰａ程度までの仕様ではこの種の圧縮機が提案されている。
【０００３】
一方、作動ガスを３００ＭＰａを超える圧力まで圧縮する２〜３万ｋＷの大型プラント用圧縮機が、特許文献１ないし５に記載されている。この中で特許文献１に記載の圧縮機では、クランクシャフトの回転運動が枠型のクロスヘッドの往復運動に変換されている。そして、ガイドシリンダにロッドがガイドされるとともにプランジャーが往復動し、プランジャ先端部に形成された圧縮室内の作動ガスが高圧まで圧縮される。
【０００４】
このような従来型の圧縮機における枠型構造クロスヘッドとコネクティングロッドの詳細が、特許文献２、３に記載されている。これらの文献においては、枠型構造クロスガイドは、上部部品と下部部品及び中央部品とを有し、それらが締付ボルトで同時に締付け結合されている。また、コネクティングロッドは、クロスピン部とクランクシャフト部で、分割された構造となっている。さらに、従来型の圧縮機におけるガイドピストンの詳細が特許文献４に、ロッドパッキンシール部の詳細が特許文献５に記載されている。
【特許文献１】
米国特許　第３６５７９７３号公報
【特許文献２】
英国特許　第１３１２８４３号公報
【特許文献３】
特公昭４８−４２５００号公報
【特許文献４】
米国特許　第３８０１１６７号公報
【特許文献５】
米国特許　第３５１０２３３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月刊
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記カタログに記載のダイヤフラム型圧縮機では、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することになるので、ダイヤフラムの信頼性を確保する必要がある。そのため、高圧または超高圧仕様ではダイヤフラムが堅牢化し大型化するので、コンパクト化するのに不都合である。
【０００６】
また、上記特許文献１ないし５に記載の圧縮機では、圧縮機の仕様に応じた複雑な形状となっており、部品点数が増加するとともに、組み立てや分解の際の工数を増大させている。さらに、これらの文献では圧縮機の作動ガスが漏洩することについてはある程度の考慮はなされているものの、作動ガスが水素ガスのような可燃性のガスの場合については、その考慮がまだ充分ではない。
【０００７】
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、その目的は往復圧縮機を小型でコンパクトにすることにある。本発明の他の目的は、燃料電池車に用いる水素を圧縮するのに好適な往復圧縮機を実現することにある。本発明のさらに他の目的は、信頼性の高い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。
【０００８】
【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、往復圧縮機が、クランクシャフトと、一端がこの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の他端が接続されるとともに、互いに反対方向に延びる一対の中間シャフトが接続されたクロスヘッドと、前記各中間シャフトに接続された一対のプランジャと、このプランジャの先端部を収容するシリンダとを備え、一対のプランジャはほぼ同軸上を往復動し、クロスヘッドは一体で形成されていることにある。
【０００９】
そしてこの特徴において好ましくは、クランクシャフトとクロスヘッドとコネクティングロッドとを収容するクランクケースを有し、このクランクケースの側面にクランクシャフトを組み込みまたは取出す開口部を形成する；一方のプランジャで圧縮されたガスを他方のプランジャとシリンダ間に形成される圧縮空間に導く；コネクティングロッドは、クランクシャフトと係合する２つ割れ状の第１、第２の部材と、クロスヘッドとの接続部に設けたクロスピンと係号する第３の部材とを有する；一対のシャフトは、プランジャの往復動をガイドする大径の案内部と、この案内部のプランジャ側に位置する小径部とを有する；一対のシャフトは、プランジャの往復動をガイドする案内部を有し、この案内部の外周面にシールリングを取付ける；プランジャの外周側に軸方向に多段に積層されたロッドパッキンシールを設け、このロッドパッキンシールの軸方向中間部をこの圧縮機に吸込まれるガスの吸込み流路に連通し、ロッドパッキンシールを高圧側シール部と低圧側シール部とに分ける；低圧側シール部のロッドパッキンは、高圧側シール部のロッドパッキンより軟らかい材質を含む；低圧側シール部のロッドパッキンは樹脂材を含むようにする。
【００１０】
上記目的を達成するための本発明の他の特徴は、クランクシャフトの回転運動を１対のプランジャの往復運動に変換して作動ガスを圧縮する２段の往復圧縮機において、一対のプランジャを同一軸上であってクランクシャフトを挟んで互いに反対側に配置し、このプランジャの外周部に軸方向に多段に形成されたロッドパッキンシールを配置し、このロッドパッキンシールのプランジャ先端側にシリンダリングを配置し、ロッドパッキンシールの外径とシリンダリングの外径をほぼ同一にしてこれらの外周部を覆う円筒ケースを設け、この円筒ケースとロッドパッキンシール及びシリンダリングの外周間にプランジャの軸方向に連通する細隙通路を形成し、この細隙通路を作動ガスの漏洩通路とすることにある。
【００１１】
そしてこの特徴において、細隙通路は、周方向位置決めに用いるノックピン用の溝であってもよく、円筒ケースに外周が嵌合する他の円筒ケースを設け、円筒ケースと他の円筒ケース間に冷却ジャケットを形成してもよい。また、冷却ジャケットに冷却水または冷却油を流通させてもよく、プランジャの一方とクランクシャフトとを、コネクティングロッドとクロスヘッドとシャフトとを介して接続し、プランジャーの他方をクロスヘッドに他のシャフトとを介して接続してもよい。
【００１２】
さらに上記各特徴において、作動ガスが高圧水素であり、圧縮機の吐出圧力が４０ＭＰａ以上８４ＭＰａ以下であるのがよく、圧縮機の吐出側にこの圧縮機から漏洩した作動ガスに含まれる潤滑油をろ過するフィルタ手段を設けるのが望ましい。また、作動ガスが高圧水素であり、燃料電池車に用いる水素ガス貯留手段に高圧水素を供給するものであってもよい。
【００１３】
【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、本発明に係るプランジャー式小容量高圧圧縮機の一実施例のシステムフロー図である。往復圧縮機１０１は、１段圧縮段１０２と２段圧縮段１０３とを有する２段圧縮機である。１段圧縮段１０２ではシリンダ内に々のプランジャー１０４が収容されており、２段圧縮段１０３ではシリンダ内にプランジャ１０５が収容されている。プランジャー１０４とプランジャー１０５とは、同一軸上に配置されている。
【００１４】
各プランジャー１０４、１０５にはシャフト１０７ａ、１０７ｂが接続されており、これらのシャフト１０７ａ、１０７ｂをクランク軸１０６に接続されたモータ６０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１０４、１０５の先端とシリンダ間に形成された圧縮室内の作動ガスを圧縮する。
【００１５】
作動ガスは、１段圧縮段１０２の吸込み口から圧縮機に流入して圧縮され、１段圧縮段１０２の吐出口から吐出される。次いで、配管１０８によりガスクーラ１０９に導かれ、冷却される。ガスクーラ１０９で冷却された作動ガスは、２段圧縮段１０３の吸込み口に導かれ、さらに圧力を高めて２段圧縮段１０３の吐出口からガスクーラ１１０に送られ冷却される。その後、フィルタユニット１１１へと吸込まれ、作動ガス中の潤滑油等が濾過されて、需要元に送出される。
【００１６】
図２に、図１に示したシステムに用いる往復圧縮機の部分縦断面図を示す。往復圧縮機は、クランクケース１の両側に圧縮段を有するが、この図２では右側の圧縮段を省略している。右側の圧縮段の構造は、左側の圧縮段の構造とほぼ同一である。図３に、この図２に示した往復圧縮機の概要を模式的に示す。
【００１７】
圧縮機１０１のほぼ中央部にはクランクケース１が配置されている。このクランクケース内に、矩形枠型のクロスヘッド５が収容されている。クロスヘッド５の下面には、クランクケース１の受け面１ｂとの間で潤滑油膜を介して摺動可能とするために、シュウ５ｂが取付けられている。このシュウ５ｂの材質は、摺動性に優れた例えばＬＢＣである。クロスヘッド５の左右両側面には、詳細を後述する中間シャフト６が取付けられている。なお、クロスヘッド５は継ぎ目の無い一体ものであり、鋼板を切断及び機械加工して形成されている。
【００１８】
クロスヘッド５の枠内部には紙面を貫通するように、クランクシャフト２が挿入されている。クランクシャフト２はモータ６０に接続されている。クランクシャフト２のクランク部２ａには、２つ割れ形状のコネクティングロッド部材３ａ，３ｂが回動自在に取付けられている。クロスヘッド５の左端側枠部には、この枠部に垂直にクロスピン４が取付けられており、このクロスピン４に一対のコネクティングロッド部材３ｃが回動自在に挿入されている。コネクティングロッド部材３ｃは、コネクティングロッド部材３ａ、３ｂとともに、締め付けボルト３ｄにより締め付けられて一体化され、コネクティングロッド３を形成する。
【００１９】
コネクティングロッド３部の詳細を、図４に示した平面断面図を用いて説明する。２つ割れ状に形成されたコネクティングロッド部材（大メタル用キャップ）３ａ，３ｂの内周面には、クランクシャフト２のクランク部２ａと潤滑油膜を介して摺動可能なように軸受面３ｆが形成されている。同様に、クロスピンとの間で摺動可能なようにコネクティングロッド部材３ｃの内面には、軸受面３ｇが形成されている。これらの軸受面３ｆ、３ｇには、例えばホワイトメタル、アルミニウム合金または銅合金が用いられる。
【００２０】
このように形成したコネクティングロッド３部の組み立て方法について説明する。クロスヘッド５をクランクケース１に収容した後に、クロスヘッド５の枠内にクランクシャフト２を貫通させる。さらに詳しく言えば、枠型一体構造のクロスヘッド５をクランクケース１の上面開口部１ａ（図１参照）から組み込み、次にクランクシャフト２をクランクケース１の側面開口部１ｃからクロスヘッド５の枠を貫通するように組み込む。なお、クロスヘッド５に形成した穴に、予めクロスピン４を挿入して固定しておく。そして、一対のコネクティングロッド３ｃ、３ｃを、クロスヘッド５を挟むように組み付ける。次にクロスヘッド５をクランクシャフト２と反対側、すなわち最左端側に寄せる。このときクランクシャフト２のクランク部２ａが最右端側にくるようにしておく。この状態で、コネクティングロッド部材３ｂをコネクティングロッド部材３ｃに組込む。次にクランクシャフト２を回動させてコネクティングロッド部材３ｂと係合させた後、コネクティングロッド部材３ａをコネクティングロッド部材３ｂに取付ける。最後に、締め付けボルト３ｄ及びナット３ｅを用いて、コネクティング部材３ａ、３ｂ、３ｃを締め付ける。
【００２１】
クロスヘッド５の左右両側面には、中間シャフト６がボルトで固定されている。中間シャフト６の中間部には、大径部６ａが形成されており、その外周にはガイドピストン７が嵌合されている。ガイドピストン７の外周部には、ガイドシリンダー１４との間で油膜を介してまたはドライで摺動可能なように、シュー９およびシールリング８を保持する溝が形成されている。中間シャフト６の大径部よりも反クロスヘッド側、図２においては左側に、大径部６ａよりも小径の小径部６ｂが形成されている。中間シャフト６の先端側は、プランジャー１１と締結部１０を介して連結されている。シュー９はＰＥＥＫ（ポリエーテル・エーテル・ケトン）材からなり、シールリング８は４フッ化エチレン樹脂である。
【００２２】
中間シャフト６にトーションバーと同様の作用をする小径部６ｂを設けたので、後述するプランジャーガイドリング２８が摩耗してプランジャー１１の軸心がずれたときの半径方向の変位を吸収できる。つまり、プランジャー１１の往復運動に伴う軸直角方向（半径方向）の振れを、小径部の可撓性により減少させて、作動ガスの漏洩が増加するのを防止するとともにパッキンを長寿命化が可能になる。
【００２３】
クランクケース１の両側面には、中間シャフト６、ガイドシリンダー１４や締結部１０を収容するための中間シャフトケース１２が取り付けられている。この中間シャフトケース１２の上下方向中間部には、中間シャフト６を往復動可能に保持するガイドシリンダー１４が形成されており、軸方向には内側ディスタント室１２ａ及び外側ディスタント室１２ｂが形成されている。
【００２４】
タングステンカーバイドのプランジャー１１はほぼ同一径の細長い丸棒であり、締結部１０側だけが小径になっている。プランジャー１１の先端部外周側にはプランジャー１１との間で圧縮室１１ｂを形成するシリンダリング３１が配置されており、プランジャー１１の先端には、バルブブロック３４が配置されている。締結部１０とシリンダリング３１間には、軸方向に多段に積層された軸封部が形成されている。
【００２５】
プランジャ１１部の詳細を、図５に示す。図５は、プランジャ３と軸封部の縦断面図である。この図に示した軸封構造はロッドパッキンシールと呼ばれるものであり、中間シャフトケース１２の軸方向端面に取付けた内カバー１５に嵌合して取付けた低圧リング２１とシリンダリング３１との間に、中間リング２３、ガイドリング２４、メインテインリング２５、チャンバーリング２６を介在させて、多数のチャンバーリング２２が軸方向に積層されている。
【００２６】
本実施例では、低圧リング２１側から４段のチャンバーリング２２、中間リング２３とメインテインリング２５、３段のチャンバーリング２２、ガイドリング２４とメインテインリング２５、単段のチャンバーリング２６が設けられている。各チャンバーリング２２は、プランジャー１１の外周部から作動ガスが漏れるのを防止するロッドパッキン２７を内周側に保持している。また、最左端に位置するチャンバーリング２６は、内周側にプレッシャーブレーカーリング２８を保持している。
【００２７】
作動ガスが水素ガスのような可燃性ガスのときには、可能な限り漏れを防止しなければならない。そこで、１段吸込みラインと中間リングを部を連通させて、圧縮室で圧縮されたガスの漏れガスを１段吸込み側に戻し再循環させている。この連通により、４段のロッドパッキンは低圧側シール部を、３段のロッドパッキンは高圧側シール部を形成する。圧縮された作動ガスの漏れガスを１段吸込み側に戻しているので、機外へのガス漏れを防ぐには、１段吸込み圧力のガス漏れ対策をすればよい。したがって、漏れガスの機外への漏れを極小化できる。
【００２８】
なお、高圧側ロッドパッキンには銅合金を、低圧側ロッドパッキンには４フッ化エチレン樹脂やＰＥＥＫ等の樹脂を含む材料を用いている。この場合、低圧側ロッドパッキンはすべて樹脂製であってもよい。これらの材料を用いるのは、高圧側のシールでは耐圧性能も要求されるが、低圧側シールはガス漏洩量が問題になるからである。そのため、低圧側シールには高圧側シールよりも軟らかい材料を用いている。
【００２９】
軸封部とプランジャー１１との間に微量の潤滑油を注入してシール性能を向上させるための注油流路２９を、各リング２１〜２５を軸方向に貫通して形成する。そして、この注油流路２９に連通し内周面に開口した孔２９ａを、ガイドリング２４に形成する。なお、高圧側シールと低圧側シールの途中段に注油するようにしてもよい。また、この軸封部の中間に配置した中間リング２３には、この中間リング２３の内周面に開口し初段吸込みガスライン３７ｂ（図３参照）と連通する孔３０を形成する。この連通孔３０に連通するガス流路を、中間リング２３、低圧側のチャンバーリング２２及び低圧リング２１を貫通して形成する。ガス流路は、潤滑油の注油流路２９と周方向位置を変えている。内カバー１５に注油流路２９及びガス流路に連通する流路を形成し、内カバー１５の外周側に設けた注油孔２９ｂ及びガス孔３０ｂから潤滑油及びシールガスを供給可能にしている。これにより、高圧ガスをシールするのに対応できるとともに、外部漏れを極微量に低減できる。
【００３０】
バルブブロック３４には、吸込み口３８から圧縮室１１ｂに作動ガスを供給する吸入流路と圧縮室１１ｂから圧縮された作動ガスを吐出口３７から吐出するための吐出流路が形成されている。そして吸入流路の途中には吸込み弁３５が、吐出流路の途中には吐出弁３６が設けられている。
【００３１】
プランジャー１１の外周に配置した各リング２１〜２６及びシリンダリング３１の外径はほぼ同じである。そして、これらのリング２１〜２６、３１の外周で嵌合する薄肉の円筒ケース３８が、内カバー１５からバルブブロック３４まで延びている。円筒ケース３８の外周部に嵌合する外ケース３３が、円筒ケース３８に固定されている。積層された各リング２１〜２６、３１を、外ケース３３よりも外径側の周方向複数箇所で、一端側が中間シャフトケース１ａに固定されバルブブロック３４を貫通する締付ボルト３９を用いて中間シャフトケース１ａに固定する。
【００３２】
円筒ケース３２の内周部には、プランジャー１１の軸方向に沿って細隙通路４０の溝が形成されており、積層された各リング２１〜２６、３１の積層面から漏れた作動ガスを集めて、外ケース３３に形成したガス逃し孔４１から圧縮機１０１外へ取出す。細隙通路４０には、各リング２１〜２６、３１の周方向位置決めに用いるノックピン溝を利用してもよい。
【００３３】
外ケース３３の内周面であって軸方向複数箇所に幅広の溝３３ｂを形成し、円筒ケース３８との間で冷却ジャケットを形成させる。この冷却ジャケットは、圧縮室１１ｂで作動ガスが圧縮されて発生した熱を速やかに除去する。冷却ジャケットに冷却媒体を供給する冷却媒体入口孔４２を外ケース３３の内カバー寄りに、冷却ジャケットから冷却媒体を取出す冷却媒体出口孔４３を外ケース３３のバルブブロック３４寄りに形成する。冷却媒体には、潤滑油や冷却水を用いる。
【００３４】
２段圧縮段１０５で圧縮された作動ガスを冷却するガスクーラ１１０で冷却した後で、作動ガス中に含まれる油分を除去するフィルターユニット１１１の詳細を図６に示す。フィルターユニット１１１は、３段階で潤滑油を濾過する。１次フィルター５３及び２次フィルター５４は、過フッ化炭化水素樹脂で結合されたグラスマイクロファイバー製コアレッシングエレメント５１を内蔵している。また、３次フィルター５５は、活性炭５２を内蔵している。２次フィルター５４までで十分に油分が濾過されているときは、３次フィルター５５を必ずしも設ける必要はない。
【００３５】
ガスクーラー１１０を出た圧縮ガスは、１次フィルター５３のエレメント５１を通過して油の濃度が約５０ｐｐｍ以下まで濾過される。次いで２次フィルター５４のエレメントを通過して油濃度は、約１ｐｐｍ以下となる。さらに３次フィルター５４の活性炭間を通過すると、約５ｐｐｂ以下となる。各フィルター５３〜５５でろ過された油分は、バルブ５６を経て回収される。このようにすれば、作動ガス中に混入する油分を、プロセスで許容される量（例えば１ｐｐｍ以下）まで減少できる。
【００３６】
このように、構成した本実施例の往復圧縮機の動作を説明する。モータ６０を回転駆動すると、クランク軸２に係合されたコネクティングロッド３が旋回運動する。これに伴い、中間シャフト６及びプランジャー１１が往復動する。プランジャー１１の往復動により圧縮室の体積が変化し、圧縮室１１ｂに供給された作動ガスが圧縮される。
【００３７】
燃料電池車用の水素ガス圧縮の場合、１段圧縮段１０２では約２０ＭＰａで吸込まれた水素ガスを、４０ＭＰａ程度まで圧縮する。そして、２段圧縮段１０３では８４Ｍｐａ程度まで水素ガスを圧縮する。このときのモータの回転速度は３００ｒｐｍであり、プランジャー１１のストロークは１００ｍｍである。プランジャー１１の移動速度は平均１ｍ／ｓｅｃ程度となる。
【００３８】
圧縮室１１ｂで圧縮されたガスの一部は、プランジャー１１の外周部から軸方向に漏洩する。この漏洩量を低減するため、吸込みガスの一部がシールガスとして軸封部の中間部に供給される。このシールガスの圧力は、ガス孔３０ｂにおいて１０〜２０Ｍｐａ程度である。中間リング２３より圧縮室１１ｂ側の漏れガスは、１段吸込み側へ戻り、外部には漏れ出さない。各リング２２〜２６、３１の積層面から漏れたガスは、半径方向外方に流れて、細隙流路４０へ流入する。そして、ガス逃し孔４１から圧縮機外へ安全に放出される。さらに軸方向締結部１０側に漏れこんだ微量のガスは、ガイドピストン７の外周部に設けたシールリング８によりクランクケース１側への漏洩が止められ、圧縮機外に安全に放出される。
【００３９】
１段圧縮段１０２の吸込みガスをシールガスとしているので、軸封部と大気圧である機外との圧力差を圧縮機の吐出圧力に無関係に、１段圧縮段と大気圧との差の圧力まで低減できる。これにより、上記燃料電池車用の水素ガス圧縮のときには、シールする圧力差を吐出圧力の１／８〜１／２程度まで低減できる。なお、プランジャーの潤滑用に供給した微量の潤滑油から漏れた潤滑油も、シールガスとともに細隙流路４０から逃し孔４１ｂを経て機外に放出される。本実施例では、作動ガスの漏れガスを最隙流路４０へ導いて圧縮機外に流すようにしているので、円筒ケース３２を耐圧部品とする必要が無く、圧縮機を小型コンパクト化できる。
【００４０】
本実施例によれば、コネクティングロッド６を２つ割れ状のコネクティングロッド部材３ａ，３ｂとクロスピン４に嵌合するコネクティングロッド部材３ｃとから構成し、クランクケースの側面に開口部を設け、クランクケース内に収納したので、クロスヘッド５の枠内でクロスヘッド５とコネクティングロッド３を連結できる。すなわち、クロスヘッドの枠内にクランクシャフトを貫通させ、クランクケース内にクランクシャフト、クロスヘッド及びコネクティングロッドを収納させ、クランクシャフトとクロスヘッドとコネクティングロッドとを連結するようにしたので、クランクケースを小型コンパクト化できる。また、クロスヘッド５の左右両側面の同一軸上で、プランジャー１１に接続するロッド６を取付けることができる。さらに、クロスピン４部で２つの圧縮室１１ｂ、１１ｂで発生する軸方向の力を対向させているので、コネクティングロッド部材３ａ，３ｂとクランクシャフト２に作用する図２の左右方向の力を低減できる。
【００４１】
また本実施例によれば、軸封部に用いたチャンバーリングおよびシリンダリングがガス圧力を保持するように、各リングの軸方向接触面を研磨やラッピング仕上げして、金属接触シールさせているので、シール性能が向上する。また、シリンダリング締付ボルトを用いて軸方向に軸封部の各リングを締付けているので、軸封部の径寸法を低減できる。
【００４２】
本実施例によれば、圧縮機の軸封部を中間リングを境として高圧側と低圧側に分け、その中間部を初段吸込みラインと連通したので、大気側とのガスシール差圧を低減できる。このシールガスを用いてもクランクケース側に漏れた極少量のガスを、ガイドピストンとガイドシリンダの間に設けたシールリングによりシールし、ディスタントピースから大気へ放出するラインを設けたので、クランク室への作動ガスまたはシールガスの漏れを防止できる。これは作動ガスが水素ガスのような可燃性ガスのときに、クランクケースにた貯えられる潤滑油が静電気を帯びて着火するおそれを完全に排除できる効果がある。
【００４３】
さらに本実施例によれば、軸封部を構成する各リングの外周とシリンダリングの外周とを同一にしてこれらを１個の円筒ケースに組込むとともに、円筒ケースの内周側に軸方向に連通する細隙通路を形成したので、各リングの接触面から漏洩したガスをシリンダ側又はディスタントピース側の端部に導くことが可能になり、作動ガスが可燃性ガスであっても安全に圧縮機外に流出させることができる。また、円筒ケースを非耐圧部品とすることができ、軸封部を小型化できる。
【００４４】
さらに、本実施例によれば圧縮機吐出ラインに過フッ化炭化水素樹脂で結合されたグラスマイクロファイバー製コアレッシングフィルター或いは活性炭を併用して取付たので、作動ガス中に混入する油分をプロセスで許容される濃度以下まで低減できる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、枠型のクロスヘッドを一体構造とし、このクロスヘッドの枠内にクランクシャフトを挿入できるようにしたので、小型でコンパクトな小容量高圧の水素圧縮機を実現できる。また、燃料電池車が使用する水素を圧縮する際に、安全性と信頼性に優れた水素圧縮機を使用できる。
【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システムフロー図。
【図２】図１に示したシステムに用いるプランジャ型往復圧縮機の部分縦断面図。
【図３】図２に示したプランジャ圧縮機の模式図。
【図４】図２に示した往復圧縮機のクランク室部の平面断面図。
【図５】図２に示した往復圧縮機のロッドパッキンシール部の縦断面図。
【図６】図１に示したシステムに用いるフィルタユニットの縦断面図。
【符号の説明】
１…クランクケース、１ａ…上面開口部、１ｂ…クロスシュー受け、１ｃ…側面開口部、２…クランクシャフト、３ａ〜３ｃ…コネクティングロッド、３ｄ…締付ボルト、３ｅ…ナット、３ｆ…大メタル、３ｇ…小メタル、４…クロスピン、５…クロスヘッド、５ｂ…クロスシュー、６…ロッド、７…ガイドピストン、８…シールリング、９…シュー、１０…締結部、１１…プランジャー、１１ｂ…圧縮室、１２…中間シャフトケース、１２ａ…内側ディスタント室、１２ｂ…外側ディスタント室、１４…ガイドシリンダー、２１…低圧リング、２２…チャンバーリング、２３…中間リング、２４…ガイドリング、２５…メインテインリング、２６…チャンバーリング、２７…ロッドパッキン、２８…プレシャーブレーカリング、２９…注油孔、３０…ガス孔、３１…シリンダリング、３２…円筒ケース、３３…外ケース、３４…バルブブロック、３５…吸込み弁、３６…吐出弁、３７…吸込み口、３８…吐出口、３９…締付ボルト、４０…細隙通路、４１…ガス逃がし孔、４２…冷却媒体入口孔、４３…冷却媒体出口孔、５１…ガスフィルタエレメント、５２…活性炭エレメント、５３…１次フィルター、５４…２次フィルター、５５…３次フィルター、５６…ドレン抜き弁。
【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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【図６】
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