(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を圧縮するための水平ピストン圧縮機であって、
水平軸に沿って配向されたシリンダーを有するフレームと、
前記シリンダー内に往復動可能に収容され、内部チャンバおよび第１端壁と第２端壁を有するピストンであって、前記ピストンと前記シリンダーが、前記気体が圧縮される少なくとも１つの圧縮チャンバを形成するものである、前記ピストンと、
前記第１端壁の少なくとも一部に配置され、前記ピストンの圧縮行程中に前記少なくとも１つの圧縮チャンバから前記内部チャンバに気体を流入するように構成された弁およびオリフィスとを備え、そのオリフィスは前記弁の本体部分を通じて延伸し、前記本体部分は複数の流れ経路を有し、それを通じて気体が前記オリフィスから弁座部領域へ通過し、そして、前記少なくとも１つの圧縮チャンバ内の気体圧力が上昇して前記弁のクラッキング圧力を超過すれば、前記少なくとも１つの圧縮チャンバ内の気体が前記オリフィス、複数の流れ経路及び弁座部領域を介して前記ピストンの内部チャンバ内に流入され、
前記圧縮機は更に、
前記フレームに対して前記ピストンを支持するための気体軸受を備え、
前記気体軸受は、前記内部チャンバから前記ピストンと前記シリンダーの間の空間に気体を流入するための流出開口を含み、少なくとも１つの前記流出開口の位置および前記気体の圧力は、前記空間に流入される気体がピストンロッドユニットに対して上向き圧力をかけるようにするものである、水平ピストン圧縮機。
【請求項２】
前記弁は、バネ負荷式弁を含み、前記オリフィスは、前記弁と前記少なくとも１つの圧縮チャンバとの間に位置するオリフィス挿入部を含む、請求項１に記載の水平ピストン圧縮機。
【請求項３】
前記弁は、１インチ公称弁であり、前記オリフィス挿入部は、約２ｍｍ〜５ｍｍのオリフィス直径と、約７ｍｍのスロート長さを有する、請求項２に記載の水平ピストン圧縮機。
【請求項４】
前記流出開口は、前記ピストンと前記シリンダーの間の空間と、前記内部チャンバとの間の圧力比を維持するように構成され、前記圧力比が約０．６より大きい、請求項１に記載の水平ピストン圧縮機。
【請求項５】
前記流出開口は、前記ピストンと前記シリンダーの間の空間と、前記内部チャンバとの間の圧力比を維持するように構成され、前記圧力比が約０．６〜０．８である、請求項１に記載の水平ピストン圧縮機。
【請求項６】
前記少なくとも１つの圧縮チャンバは、第１圧縮チャンバと第２圧縮チャンバを含み、前記第１圧縮チャンバは、前記ピストンの第１端壁と前記シリンダーによって形成され、前記第２圧縮チャンバは前記ピストンの第２端壁と前記シリンダーによって形成され、前記第１圧縮チャンバは、第１流入弁と第１流出弁を有し、前記第２圧縮チャンバは、第２流入弁と第２流出弁を有する、請求項１に記載の水平ピストン圧縮機。
【請求項７】
前記流出開口は、複数の流出開口を含み、前記水平ピストン圧縮機は、前記ピストンの周縁の回りに配置された第１ライダーリングと第２ライダーリングをさらに含み、前記第１および第２ライダーリングが前記複数の流出開口を含み、第１ライダーリングは前記第１端壁に近接し、第２ライダーリングは前記第２端壁に近接して配置されている、請求項１に記載の水平ピストン圧縮機。
【請求項８】
前記複数の流出開口は、前記第１および第２ライダーリングの最下部に配置される、請求項７に記載の水平ピストン圧縮機。
【請求項９】
前記ピストンの周縁の回りに配置された複数のピストンリングをさらに含み、前記複数のピストンリングのうち少なくとも１つは、前記ピストンの第１端壁と第１ライダーリングとの間に配置され、前記複数のピストンリングのうち少なくとも他の１つは、前記ピストンの第２端壁と第２ライダーリングとの間に配置される、請求項７または８に記載の水平ピストン圧縮機。
【請求項１０】
水平ピストン圧縮機に使用するためのピストンであって、
前記圧縮機のシリンダー内に往復動可能に収容されるように構成され、内部チャンバおよび第１端壁と第２端壁を有し、気体が圧縮される少なくとも１つの圧縮チャンバを前記シリンダーとともに形成するように構成されたピストンと、
前記第１および第２端壁のうち少なくとも１つの少なくとも一部に配置され、前記ピストンの圧縮行程中に前記少なくとも１つの圧縮チャンバから前記内部チャンバに気体を流入するように構成された弁およびオリフィスとを備え、そのオリフィスは前記弁の本体部分を通じて延伸し、前記本体部分は複数の流れ経路を有し、それを通じて気体が前記オリフィスから弁座部領域へ通過し、そして、前記少なくとも１つの圧縮チャンバ内の気体圧力が上昇して前記弁のクラッキング圧力を超過すれば、前記少なくとも１つの圧縮チャンバ内の気体が前記オリフィス、複数の流れ経路及び弁座部領域を介して前記ピストンの内部チャンバ内に流入され、
前記ピストンは更に、
前記圧縮機のフレームに対して前記ピストンを支持するための気体軸受を備え、
前記気体軸受は、前記内部チャンバから前記ピストンと前記シリンダーの間の空間に気体を流入するための流出開口を含み、少なくとも１つの前記流出開口の位置および前記気体の圧力は、前記空間に流入される気体が前記ピストンに対して上向き圧力をかけるようにするものである、ピストン。
【請求項１１】
前記弁は、バネ負荷式弁を含み、前記オリフィスは、前記弁と前記少なくとも１つの圧縮チャンバとの間に位置するオリフィス挿入部を含む、請求項１０に記載のピストン。
【請求項１２】
前記弁は、１インチ公称弁であり、前記オリフィス挿入部は、約２ｍｍ〜５ｍｍの通常的なオリフィス直径と約７ｍｍのスロート長さを有する、請求項１１に記載のピストン。
【請求項１３】
前記流出開口は、前記ピストンと前記シリンダーの間の空間と、前記内部チャンバとの間の圧力比を維持するように構成され、前記圧力比が約０．６より大きい、請求項１０に記載のピストン。
【請求項１４】
前記流出開口は、前記ピストンと前記シリンダーの間の空間と、前記内部チャンバとの間の圧力比を維持するように構成され、前記圧力比が約０．６〜０．８である、請求項１０に記載のピストン。
【請求項１５】
前記流出開口は、複数の流出開口を含み、前記ピストンは、前記ピストンの周縁に配置された第１ライダーリングと第２ライダーリングをさらに含み、前記第１および第２ライダーリングが前記複数の流出開口を含み、第１ライダーリングは前記第１端壁に近接し、第２ライダーリングは前記第２端壁に近接して配置されている、請求項１０に記載のピストン。
【請求項１６】
前記複数の流出開口は、前記第１および第２ライダーリングの最下部に配置される、請求項１５に記載のピストン。
【請求項１７】
前記ピストンの周縁の回りに配置された複数のピストンリングをさらに含み、前記複数のピストンリングのうち少なくとも１つは、前記ピストンの第１端壁と第１ライダーリングとの間に配置され、前記複数のピストンリングのうち少なくとも他の１つは、前記ピストンの第２端壁と第２ライダーリングとの間に配置される、請求項１５または１６に記載のピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般的に気体を圧縮するためのピストン圧縮機に関し、より具体的には、自由浮動ピストン構成（free floating piston arrangement）を含む水平ピストン圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
水平ピストン圧縮機は、一般的に知られている。このようなピストン圧縮機は、一般的に複数のシリンダーを具備する非常に大きい複動式（double-acting）圧縮機であり、オイルおよび石油化学産業において使用されている。圧縮機の往復動する部品の大きい質量に起因して発生する慣性の力が、シリンダーをフレーム内に水平に配置する主な原因である。このような力の大部分は、ピストン／ピストンロッドユニットの移動をバランシングすることによって補償され得るが、圧縮機のフレーム上の残りの力は、垂直ではなく、水平に向ける場合、圧縮機の台板（bedplate）によって容易に吸収され得る。
【０００３】
水平ピストン圧縮機は、圧縮機の固定部品（すなわち圧縮機のフレームおよびシリンダー形成部品）に対して往復動するピストン／ピストンロッドユニットを支持することに関して一般的に知られた問題点を有する。一般的に、ピストン／ピストンロッドユニットは、フレーム内で誘導されるクロスヘッドによってクロスヘッド側で支持され、他側では、ピストンがシリンダーの壁の最下部上に静止（rest）する。ピストンには、１つ以上の交替可能ベルトが設置されることが多く、このようなベルトは、周縁方向にピストンの回りに配置され、ピストンの本体を外れて突出する。このようなベルトは、ライダーリング（rider ring）と知られている。
【０００４】
時間が経過するにつれて、ライダーリングが摩耗によって振れ（run-out）を引き起こし、これは、所定の限度内で許容される。オイルは、一般的に軸受表面の過度な摩耗を防止し、振れの発生を最小化するように、ピストンとシリンダー壁の間の潤滑剤として使用されてきた。しかし、オイル潤滑剤の問題点は、潤滑油が圧縮された気体を汚染させることがあるという点である。このように、「オイルを使用しない」（oil free）圧縮機が相変らず必要である。「オイルを使用しない」圧縮機を製造するには、ライダーリングの材料およびライダーリングをピストンに固定することを慎重に選択しなければならない。一部の場合に、ライダーリングは、Ｔｅｆｌｏｎとしてよく知られているポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの潤滑性と摩耗性を有する有利な材料で製造される。
【０００５】
前述したように、水平ピストン圧縮機は、連続動作が必要な状況で使用されることが多い。このような圧縮機が数年間高効率で連続的に動作できるように圧縮機の機械的構成が開発されてきたが、ライダーリングの摩耗率が予想より速いことにより、実際には、ライダーリングの摩耗を測定し、許容不可能な水準まで摩耗する可能性があるリングを交替できるように、数ヶ月後には圧縮機をシャットダウンしなければならない。
【０００６】
このようなメンテナンスは、このような類型の圧縮機の全体的な効率性と耐久性に悪影響を及ぼす。したがって、現在の圧縮機よりは非常に長期間圧縮機を連続的に動作させることができる、圧縮機のシリンダーとピストンの間の改善された軸受構成を提供することが好ましい。
【発明の概要】
【０００７】
気体を圧縮するための水平ピストン圧縮機を開示する。圧縮機は、水平軸に沿って配向されたシリンダーを有するフレームと、シリンダー内で往復動可能に収容されたピストンとを含むことができる。ピストンは、内部チャンバおよび第１端壁と第２端壁を有することができる。ピストンとシリンダーは、気体が圧縮される少なくとも１つの圧縮チャンバを形成することができる。圧縮機は、ピストンの第１端壁の少なくとも一部に配置された弁およびオリフィスをさらに含むことができる。弁およびオリフィスは、前記ピストンの圧縮行程(stroke)中に圧縮チャンバから内部チャンバに気体を流入するように構成することができる。圧縮機は、また、フレームに対してピストンを支持するための気体軸受を含むことができる。気体軸受は、内部チャンバからピストンとシリンダーの間の空間に気体を流入するための流出開口を含むことができる。少なくとも１つの流出開口の位置および気体の圧力は、空間に流入される気体がピストンロッドユニットに対して上向き圧力をかけるためのものであることがある。
【０００８】
一部の実施形態において、弁は、バネ負荷式（spring-loaded）弁を含み、オリフィスは、弁と圧縮チャンバとの間に位置するオリフィス挿入部を含む。他の非制限的な実施形態において、弁は、１インチ公称弁であり、オリフィス挿入部は、約２ｍｍ〜約５ｍｍのオリフィス直径および約７ｍｍのスロート長さを有することができる。これらの値は、例示に過ぎず、本開示内容の範囲を逸脱することなく、他の値の類型、サイズ、オリフィス直径、およびスロート長さを使用することができることが分かる。
【０００９】
一部の非制限的な実施形態において、流出開口は、ピストンとシリンダーの間の空間と内部チャンバとの間の差圧比（differential pressure ratio）を約０．６〜約０．８に維持するように構成されることが分かる。これらの値は、例示に過ぎず、他の値を使用することも有り得る。また、差圧値がピストン／ピストンロッドユニットの質量によって決定されることが分かる。
【００１０】
前記少なくとも１つの圧縮チャンバは、第１圧縮チャンバと第２圧縮チャンバを含むことができ、第１圧縮チャンバは、シリンダーおよびピストンの第１端壁によって形成され、第２圧縮チャンバは、シリンダーおよびピストンの第２端壁によって形成される。第１圧縮チャンバは第１流入弁と第１流出弁を有することができ、第２圧縮チャンバは、第２流入弁と第２流出弁を有することができる。
【００１１】
前記少なくとも１つの圧縮チャンバ内の気体圧力が上昇し、弁のクラッキング（cracking）圧力を超過すれば、少なくとも１つの圧縮チャンバ内の気体は、弁を介してピストンの内部チャンバ内に流入され得る。
【００１２】
一部の実施形態において、流出開口は、複数の流出開口を含む。圧縮機は、ピストンの周縁の回りに配置された第１ライダーリングと第２ライダーリングをさらに含むことができ、第１および第２ライダーリングが前記複数の流出開口を含む。他の実施形態において、複数の流出開口は、第１および第２ライダーリングの最下部に配置される。
【００１３】
圧縮機は、ピストンの周縁の回りに配置された複数のピストンリングを含むことができる。複数のピストンリングのうち少なくとも１つは、第１ライダーリングとピストンの第１端壁との間に配置することができ、複数のピストンリングのうち少なくとも他の１つは、第２ライダーリングとピストンの第２端壁との間に配置することができる。
【００１４】
水平ピストン圧縮機に使用するピストンを開示する。ピストンは、圧縮機のシリンダー内で往復動可能に収容されるように構成することができる。ピストンは、内部チャンバおよび第１端壁と第２端壁を含むことができ、気体が圧縮される少なくとも１つの圧縮チャンバをシリンダーとともに形成するように構成することができる。ピストンは、第１端壁の少なくとも一部に配置された弁およびオリフィスを含むことができる。弁およびオリフィスは、ピストンの圧縮行程中に圧縮チャンバから内部チャンバに気体を流入するように構成することができる。ピストンは、圧縮機のフレームに対してピストンを支持するための気体軸受を形成することができる。気体軸受は、内部チャンバからピストンとシリンダーの間の空間に気体を流入するための流出開口を含むことができる。少なくとも１つの流出開口の位置および気体の圧力は、当該空間に流入される気体がピストンに対して上向き圧力をかけられる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
添付の図面は、本開示方法の原理の実際適用のために今まで発明した開示方法の好ましい実施形態を例示する。
図１は、開示された自由浮動ピストンを含む例示的な水平複動ピストン圧縮機の断面図である。
図２は、図１の圧縮機に使用するための例示的なライダーリングの側面図である。
図３は、図２のライダーリングを図２の３−３線に沿って切り取った断面図である。
図４は、図２のライダーリングの下面図である。
図５は、開示された自由浮動ピストン（ＦＦＰ）構成の例示的な実施形態の断面図である。
図６は、図５のＦＦＰ構成に使用するための例示的なＦＦＰ弁の断面図である。
図７は、ＦＦＰを介した気体の例示的な流れを示す図５の例示的なＦＦＰ構成の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
水平ピストン圧縮機に使用するための改善されたピストンを開示する。改善されたピストンは、ピストンと関連されたシリンダー壁との間で生成された気体膜上で浮動するように設計され、これによって、作動時にピストン部品の摩耗を低減する。摩耗を低減することによって、開示された設計は、関連された圧縮機が従来の設計に比べて部品改修の間でさらに長期間作動することができるようにする。さらに詳しく後述するように、開示された設計は、また、このような気体膜技術を採択する従来の装置に比べて、広い範囲の作動差圧（吸入対排気）と小さいピストン直径を収容し、このような従来の装置の一例は、ヨーロッパ特許番号第０８３９２８０号に開示されており、その全文は、本明細書に参照として援用される。
【００１７】
図１〜図４を参照すれば、例示的な水平ピストン圧縮機１が示されている。圧縮機は、シリンダー４が摺動可能に配置されるフレーム２を含むことができる。シリンダー４は、シリンダー４内で往復動可能なピストン６を含む。ピストンの最下部は、断面で図示されており、最上部は、立面で図示されている。
【００１８】
ピストンロッド８は、右端部でピストン６に固定され、左端部でクロスヘッド１０に連結される。クロスヘッド１０は、誘導部１２によって圧縮機のフレーム２内で水平直線に往復動可能に誘導される。クロスヘッド１０の移動は、水平ピストン圧縮機の場合に一般的に知られているように、クランクによって生成される。駆動軸１４の回転運動は、駆動軸に連結されたクランク１６、およびクランク１６とクロスヘッド１０との間に結合された連結ロッド１８によってクロスヘッド１０に伝達される。
【００１９】
圧縮機は、圧縮チャンバ２０、２２がシリンダー４内でピストン６の両側上に形成される複動型である。圧縮チャンバ２０、２２のそれぞれには、流入弁２４、２６と流出弁２８、３０がそれぞれ設けられる。クランク機構の方向に（すなわち図１の左側に）ピストン６が運動する場合、吸入圧力下の気体が流入弁２４によって圧縮チャンバ２０内に導入される。同時に、圧縮チャンバ２２内に存在する気体が圧縮され、流出弁３０によって排気圧力で排気される。図示してはいないが、気体のソースは、圧縮チャンバ２０、２２の流入弁２４、２６に結合される一方、流出弁２８、３０は、適切な排気管に結合される。
【００２０】
図示のように、圧縮機のフレーム２は、シリンダー４が水平位置にある方式で台板上に載置される。ピストン／ピストンロッドユニットの軸受支持部のための構成を開示し、ピストンロッドユニットは、ピストン６とピストンロッド８によって形成される。図１の左端部では、ピストンロッドユニットがフレーム２上にクロスヘッド１０を介して静止し、潤滑油は、一般的に誘導部１２とクロスヘッド１０との間に導入される。しかし、クロスヘッド１０でのこのような支持部は、特にクロスヘッド１０の傾きを許容するクロスヘッド１０と誘導部１２との間にある程度の遊びが存在するため、そしてスリムなピストンロッド８が曲がるため、ピストン６がシリンダー４の壁の最下部に沿ってドラッグ（drag）されることを防止することができない。ピストン／ピストンロッドユニットを支持する他の軸受手段は後述する。
【００２１】
ピストンの各端面近くであるピストン６の回りには、図２、図３、図４を参照してさらに詳しく説明するライダーリングがピストン６の本体の周縁溝に嵌着される。ライダーリング３２、３４は、ピストン６の本体から外れて短い距離にわたって突出する。ピストン６の本体の回りにピストンリング３６の組立体が設けられることもできる。例示した実施形態において、ピストンリング３６は、ライダーリング３２、３４の間に配置される。しかし、他の実施形態においては、ピストンリング３６がライダーリング３２、３４とピストン６の端部との間に配置されてもよいことが分かる。ピストンリング３６は、気体がシリンダー４の高圧側から低圧側に流れることを防止するように機能することができる。
【００２２】
図１から明らかなように、ピストン６のチャンバ４２は、各ライダーリングに形成された１つ以上の流出開口３８、４０と連通する。加圧された気体をチャンバ４２に供給する圧縮機の部分と結合された前記チャンバ４２によって形成されるソースは、圧縮機の動作中に、加圧された気体がチャンバ４２から流出開口３８、４０に一定に流れる方式で設計されなければならない。また、気体は、ライダーリング３２、３４とシリンダー４の滑らかな壁との間に気体膜を形成する。この気体膜の軸受容量は、膜の気体の圧力、および支持されるピストン／ピストンロッドユニットの部分に対して当該圧力が作用する表面によって決定される。この表面は、ライダーリングの下半部の一部である。
【００２３】
一部の実施形態においては、ライダーリングがピストンの本体の溝に配置されなくてもよく、ピストンの本体が複数の個別的なセグメントで構成されてもよく、ライダーリングが２つのセグメントの間にクランピングされてもよいことが分かる。
【００２４】
以下、ライダーリング３２、３４の例示的な実施形態を図２、図３、図４のライダーリング３２に関して説明する。ライダーリング３２は、ピストンの本体に形成される周縁溝に適応された精密な円筒状の内径を有する環形要素であり、このような溝内にライダーリングが載置される。しかし、ライダーリング３２の外周縁部は、正確に円筒状ではない。
図２から明らかなように、ライダーリングが嵌着される場合、外周縁部の最下部セグメントは、ライダーリングに連結される最上部セグメントより若干大きい半径を有する。最下部セグメントは、垂直線４３の両側上で斜めに延長し、半径は、事実上、ライダーリングが移動するシリンダーの半径に相当する。このように外周縁部を設計する理由は、ライダーリング３２とシリンダー４との間に気体膜を形成するように、ピストン６を少しの距離をもって上向き移動させるように構成しなければならず、機械的および熱的変形のために
十分な遊び（play）が維持されなければならないからである。
【００２５】
図３から明らかなように、ニップル（nipple）４４がライダーリングを円形端面４５で開放されるボア（bore）と締結する。端面４５は、ライダーリング３２の外周縁部に対して凹設される。気体膜の固定のためには、ニップル４４の流出開口４６が気体流れを制限することができることが重要である。流出開口４６は、ピストン６の壁にあるボア４８によってチャンバ４２と連通する（図１参照）。
【００２６】
前述したように、この気体軸受システムの支持容量は、特に、気体膜がピストン／ピストンロッドユニットを支持する有効表面によって決定される。安定的な気体膜を有する広い表面を得るために、ライダーリング３２の最下部セグメントに溝のパターンが設けられ、これは、図４から具体的に明らかになる。一実施形態において、溝のパターンは、ニップル４４の両側上に存在する２つの平行な主溝４８、５０を含む。図２から明らかなように、主溝４８、５０のそれぞれが垂直線４３上に位置するニップル４４の流出開口４６に沿って両側に向けて対称的に斜めに延長する。中心横断溝５２は、２つの主溝４８、５０を流出開口４６に連結する。これらの端部で、主溝４８、５０は、横断溝５４によって連結される。垂直線４３に対して対称的に位置する横断溝５６〜６２は、２つの主溝４８、５０を連結し、このような式でフィールド６４〜７８を形成する。フィールド６４〜７８は、ライダーリング３２の最下部セグメントの残りの部分と同一平面上にある。
【００２７】
例示した溝のパターンは、１つの可能な解決策に過ぎず、したがって、限定的なものではないことが分かる。一部の応用分野では、溝のパターンを除去し、その代わりに簡単なボアの形態の１つ以上の流出開口を設けることを考慮することができる。ライダーリング３２、３４は、非常時に適用特性を有する有利な材料で製造することができ、これによって、気体膜が間違って落ちても、所望しないシリンダー壁の摩耗が発生しない。適切な材料の非制限的な例としては、ＰＴＦＥがある。
【００２８】
前述したように、気体は、図示されておらず、互いに異なる多様な供給構成を考慮することができることが分かる。原則的に、このようなソースが満たすべき主要条件は、シリンダーとピストンとの間に気体膜を維持するように、気体が流出開口のうち１つ以上から一定に流れなければならないという点である。流出開口からの気体膜の流出は、この場合、気体が流れる領域での圧力に特に依存する。一部の実施形態においては、ソースが圧縮機の圧縮チャンバ内の気体の最大伝達圧力より高いか、または非常に低い圧力で気体を供給できることが重要である。例えば、同一圧縮機または他の圧縮機の高い圧力ステージによってソースを形成することができる。
【００２９】
以下、図５を参照して、開示した圧縮機１とともに使用するための例示的なピストン８０を詳しく説明する。ピストン８０は、内部チャンバ８２および第１端部８４と第２端部８６を有する略円筒状部材である。ピストンロッド８８は、ピストン８０をシリンダー９０内で往復動方式で移動させるように、第１および第２端部８４、８６の開口を介して延長する。ピストン８０は、ピストンの外面に形成された円周溝に配置された第１および第２ライダーリング９２、９４を含むことができる。第１および第２ライダーリング９２、９４は、図２〜図４に関して前述したライダーリングと略同一の構成を有することができる。したがって、各リングの最下部は、内部チャンバ８２内の気体が流出開口とボアを介して流出され得るように、ピストン壁に形成された各ボア１００、１０２と連通する流出開口９６、９８を含むことができる。ピストン８０は、また、ライダーリング９２、９４とピストンの各端部８４、８６との間に位置する複数のピストンリング１０４を含むことができる。ピストンリング１０４は、ピストンの外面に形成された円周溝に配置され得る。例示した実施形態においては、各ライダーリングと各ピストン端部との間に２対のピストンリング１０４を採択している。代替構成を利用してもよいことが分かる。
【００３０】
弁１０６は、気体がシリンダー４の圧縮チャンバ２２（図１参照）からピストンの内部チャンバ８２内に移動するための流れ経路を提供するように、ピストン８０の第１端部８４（または代案として、第２端部８６）に配置することができる。さらに詳しく後述するように、弁１０６は、弁の上流側に位置するオリフィス１０８を含むことができる。一実施形態において、弁１０６は、バネ負荷式弁であり、オリフィス１０８は、弁１０６と一体型に設けられる。したがって、このように構成された場合、シリンダーの圧縮チャンバ２２内に所定の圧力が達成されれば、内部チャンバ８２内に気体が流入され得る。次いで、気体は、ピストン８０の外面とシリンダー４の内面との間に前述した気体層を提供するように、矢印「Ａ」方向に沿ってライダーリング９２、９４の流出開口９６、９８を介して外部に伝達することができる。
【００３１】
図６を参照すれば、図５のピストン８０とともに使用するための弁１０６の非制限的な例示的実施形態が図示されている。弁１０６は、例示した実施形態において弁の流入部１１０に収容されるスレッド型挿入部（threaded insert）よりなる一体型オリフィス部分１０８を含むことができる。スレッド型オリフィス挿入部が図示されているが、このような構成に限定されず、他のオリフィス構成をも考慮することができることが分かる。例示した実施形態において、オリフィス部分１０８は、スレッド型本体１１２とオリフィス１１４を有することができる。オリフィス１１４は、オリフィス直径「ＯＤ」およびスロート長さ「ＴＬ」を有することができる。非制限的な例示的一実施形態において、オリフィス直径「ＯＤ」は、約２ｍｍ〜約５ｍｍであることができ、スロート長さは、最小約７ｍｍであることができる。しかし、他の弁、および他のオリフィス寸法とスロート長さを有する他のオリフィスをも使用することができることが分かる。弁１０６は、気体がオリフィス部分１０８から座部領域（seat area）１２０に伝達され得る複数の流れ経路１１８を有する本体部分１１６を含むことができる。弁ステム部分１２２は、弁ステム１２８の回りに装着されたバネ１２６を介して弁本体の弁座部１２４と接触するようにバネバイアシングされる接面（facing surface）１２２を含むことができる。このように構成される場合、接面１２２と弁座部１２４の間の相互作用によって、弁内の気体圧力が所定のクラッキング圧力より低い場合、流れ経路１１８からの気体流れを遮断する。弁内の気体圧力が所定のクラッキング圧力を超過すれば、バネ１２６が圧縮され、接面１２２が弁座部から遠くなるように移動し、気体が弁を介してピストンの内部チャンバ８２内に流れることができる（図５参照）。図６は、気体が圧縮チャンバ２２からピストンの内部チャンバ８２内に伝達され得る開放構成よりなる弁１０６を示す（図５参照）。弁内の気体圧力が所定のクラッキング圧力未満の値に減少すれば、バネ１２６の力によって、接面１２２が弁座部１２４と締結されるようになり、本体と座部との間から出る気体の流れを防止する。
【００３２】
オリフィス１０８をピストンの本体に個別的に装着することができ、したがって、弁１０６と一体型になる必要がないことが分かる。オリフィス直径は、流速を特定ピストンの伝達流れの約１％に制限するように設計される。クラッキング圧力は、板面１２２上のバネ負荷によって決定され、面１２２の安定性（漸進的な開放と閉鎖）のための主要パラメータである。一部の実施形態において、クラッキング圧力は、チャンバ２０および／または２２（図５）の圧力の０．５％未満であることができる。
【００３３】
図７は、動作中にＦＦＰオリフィス１０８、弁１０６、およびピストン８０を介した例示的な気体流れ経路を示す。図示のように、ピストン８０は、シリンダー９０内での往復動のために位置し、これによって、ピストン８０がシリンダー９０内で移動する場合、気体は、流入弁２４、２６を介して圧縮チャンバ２０、２４内にそれぞれ循環式に流入され、流出弁２８、３０を介してそれぞれ流出される。例示した位置で、ピストン８０の右側から左側への移動によって、気体が流入弁２４を介して圧縮チャンバ２０内に流入される。同時に、流入弁２６を介して以前に流入された気体は、圧縮チャンバ２２で圧縮され、流出弁２８を介して矢印「Ｂ」方向に流出される。圧縮チャンバ２２内の気体が弁１０６のクラッキング圧力（すなわち弁バネ１２６のバイアシング力を克服する圧力）に到逹すれば、弁１０６の接面１２２が弁座部１２４から遠くなるように移動し、圧縮された気体が矢印「Ｃ」で示されたように、ピストン８０の内部チャンバ８２に流入され得る。次いで、ピストン８０の内部チャンバ８２内の圧縮された気体は、ライダーリング９２、９４の流出開口９６、９８を介して（すなわち矢印「Ｄ」方向に沿って）流出され、ピストン８０とシリンダー９０との間に薄い気体層を生成する。このような薄い気体層は、ピストン８０に対する所望の上向き力を提供し、これによって、他の場合に存在することができるピストンリング１０４とライダーリング９２、９４に対する大きい下向き力に対抗する。したがって、ライダーリングとピストンリング上の下向き力を最小化することによって、圧縮機の寿命による摩擦摩耗を減少させる。
【００３４】
図７では、ピストン８０の右側から左側への行程のみを説明したが、左側から右側への行程（すなわち気体が流入弁２６を介してチャンバ２２内に流入され、圧縮された気体が流出弁２８を介してチャンバ２０から放出される）によって類似の気体圧縮技法を実施することができることが分かる。しかし、差異点は、ピストン８０の左側から右側への行程によって気体がピストン８０の内部チャンバ８２内に流入されないという点である。
【００３５】
一部の非制限的な実施形態において、開示されたＦＦＰ構成は、５００ｍｍ以下のピストン直径および５０バーを超過（最大２５０バー）する特定シリンダーの吸入力と排気力の間の差分を有する応用を収容することができる。開示された設計を利用して他の圧力差分を収容することができることが分かる。
【００３６】
前述したように、ＦＦＰ弁１０６は、圧縮チャンバ２２内の圧力がピストン８０の内部チャンバ８２の圧力を超過すれば開放される。気体層（すなわちシリンダーとピストンとの間の層）の圧力は、ライダーリング９２、９４の流出開口９６、９８のプロファイルおよびピストンの重量によって制御される。この気体層を「気体軸受」ということができる。
【００３７】
気体軸受と内部チャンバ８２の間の差圧は、流出開口９６、９８にわたって減少する。流出開口は、気体流れを制限し、これによって、気体軸受のギャップ（すなわち厚さ）を制限する。しかし、流出開口９６、９８は、揚力（lifting force）に影響を及ぼさず、よって、内部チャンバと気体軸受の間の圧力差が大きい場合、所望しない非常に狭いボアが使用されない限り、流出開口は、気体流れを適切に制限することができない。流出開口９６、９８に対する圧力比が臨界比（＜０．６）に近接する場合、気体軸受の軸受特性が不安定になることができる。これは、気体軸受が負荷の変動に応答しないことがあり、軸受の剛性度（stiffness）がゼロであるか、ほぼゼロであり、軸受がバウンスされることを意味する。
【００３８】
したがって、ライダーリング９２、９４の流出開口は、気体軸受の剛性度を決定する。流出開口９６、９８にわたる最適の圧力比が約０．６〜０．８である。特定シリンダーの差圧が５０バーを超過する場合、これは、気体流れを気体軸受に制限するのに十分ではないことがある。このような場合に、ピストンの内部チャンバ８２内の圧力を減少させなければならない。例えば、１”弁（弁１０６）の気体流路面積は、弁板の最小リフトにもかかわらず、必要とする流れに対して非常に大きくなることができる。解決策は、前述したように、流出開口９６、９８にわたる圧力比が所望の範囲（０．６〜０．８）内にある水準に供給圧力を低減することである。供給圧力は、ＦＦＰ弁１０６を通過する流れを減少させることによって低減することができる。流れを調節するように、オリフィス１０８が弁１０６の流入口に嵌着される。このオリフィス１０８のボアは、応用分野によって必要時に所望の調節面積を達成するように調節することができる。
【００３９】
オリフィス１０８は、弁を弁座領域１２０に対する速い衝撃速度および高い差圧から保護するように機能する。ＦＦＰ弁１０６に対する動作条件は、弁が開放されても、増加する差圧を受け、ピストン８０の運動によって加速力を受けるため、「標準」圧縮機弁の動作条件と非常に異なっている。
【００４０】
弁板の上流側に調節オリフィスを付着することは一般的に行われないが、これは、オリフィスが流れ損失を導入するからであり、これは、通常的な吸入および排気圧縮機弁において好ましくない。開示された構成によれば、オリフィス／弁組合は、流出開口９６、９８にわたる差圧比が約０．６〜約０．８で維持されるように、ピストン８０の内部チャンバ８２内の気体圧力を所望の水準で維持することができる。この範囲は、限定的なものではなく、開示された構成を他の差圧比に利用してもよいことが分かる。
【００４１】
このような開示された設計は、高圧圧縮機シリンダーに使用するに適しているが、これに限定されない。これは、応用分野の範囲をさらに柔軟にする。本発明は、任意のサイズの弁やシリンダー直径に適用することができる。
【００４２】
複動圧縮機について開示しているが、圧縮機の固定部分に対するピストン／ピストンロッドユニットの軸受支持部について前述した構成を単動圧縮機やタンデム圧縮機にも使用することができることは自明である。本発明を所定の実施形態を参照して開示したが、請求範囲で定義されたような本発明の思想と範囲を逸脱することなく、前述した実施形態に対して多くの修正、変動および変更が可能である。これによって、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、次の請求範囲およびその均等物の言語によって定義される全体範囲を含むものである。
【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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【図７】
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