(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンローダ付き吸入弁（８）を有する高圧圧縮機（２２）と、該高圧圧縮機で圧縮されたガスを冷却するアフタークーラ（２４）と、該アフタークーラを出た加圧ガスを逆流を防止して排出する逆止弁（２６）と、アフタークーラ出口と高圧圧縮機のガス入口とを連通するリサイクルライン（２８）と、該リサイクルラインに設けた開閉弁（２８ａ）と、該開閉弁と高圧圧縮機のアンローダを制御する制御装置（３０）とを備え、
無負荷運転時に、アンローダ付き吸入弁の一部をアンロード状態にし、残りの吸入弁を作動状態の保持して冷却した加圧ガスをリサイクルライン（２８）を通して高圧圧縮機のガス入口にリサイクルし、作動状態の吸入弁を通してシリンダ内を流通させる、ことを特徴とする高圧圧縮設備。
【請求項２】
複数のアンローダ付き吸入弁（８）を有する高圧圧縮機（２２）と、該高圧圧縮機を出た加圧ガスを逆流を防止して排出する逆止弁（２６）と、高圧圧縮機のガス出口と高圧圧縮機のガス入口とを連通するリサイクルライン（２８）とを備え、
無負荷運転時に、複数のアンローダ付き吸入弁（８）の一部をアンロード状態にし、残りの吸入弁を作動状態の保持し、高圧圧縮機を出た加圧ガスをリサイクルライン（２８）を通して高圧圧縮機のガス入口にリサイクルし、作動状態の吸入弁を通してシリンダ内を流通させる、ことを特徴とする高圧圧縮設備の無負荷運転方法。
【請求項３】
複数のアンローダ付き吸入弁（８）のうち、作動状態の吸入弁を順次変更して、各シリンダ内をガスを流通させる、ことを特徴とする請求項２に記載の高圧圧縮設備の無負荷運転方法。
【請求項４】
前記作動状態の吸入弁の吸入圧とこれに対応する吐出弁の吐出圧をほぼ均圧に設定する、ことを特徴とする請求項２に記載の高圧圧縮設備の無負荷運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復圧縮機に係わり、更に詳しくは、高圧圧縮設備とその無負荷運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
往復圧縮機（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｔｉｎｇ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）の本体は、回転運動を往復運動に変換するクランク機構と、クランク機構に連結されガスを圧縮するピストン機構から構成される。クランク機構は、クランク室、クランク軸、連接棒、主軸受、クランクピン軸受、ピストン軸受等からなり、ピストン機構は、シリンダ、シリンダカバー、吸込弁、吐出し弁、ピストン等からなる。
【０００３】
図２に示す対向釣合い形往復圧縮機の場合、内燃機関、電動機等の駆動機１によりクランク軸２を回転駆動し、連接棒３（コネクティングロッド）及びピストンロッド４を介してピストン５を往復駆動し、Ｉ段シリンダ６の両側で圧縮されたガスを更にII段シリンダ７の両側に供給して圧縮し外部に吐出するようになっている。
【０００４】
また、図３に示す半星形４気筒の往復圧縮機の場合は、Ｉ段シリンダ６とII段シリンダ７を２組を有し、各Ｉ段シリンダ６の両側で圧縮されたガスを更に各II段シリンダ７の両側に供給して圧縮するようになっている。
【０００５】
上述した各シリンダ６，７は、ピストン５の両側でガスを吸入および吐出するようになっており、吸入口には吸入弁８、吐出口には吐出弁９が設けられている。
図４（Ａ）は、吐出弁９の原理図である。この図に示すように、吐出弁９は、弁受け（バルブシート）９ａ、弁板（バルブプレート）９ｂ、弁座（バルブガイド）９ｃ、弁ばね（バルブプレート）９ｄ等からなる。弁受け９ａは図示しないシリンダ６，７の吐出口（図で下側）に外周面をシールして固定され、複数の貫通孔１０を有する。弁座９ｃは、弁受け９ａの流路部上面に一定の間隙を保持して該弁受け９ａとを一体的に固定され、前記間隙の間に弁板９ｂを挟持し、弁座９ｃ部に弁ばね９ｄを設け弁受け７ａ方向に付勢している。
【０００６】
この構成により、吐出弁９が取付けられたシリンダ内の圧力が低いとき（例えば吸入時）には、弁板９ｂが弁受け９ａ上面に弁ばね９ｄにより押付けられ、弁受け９ａの貫通孔１０が閉塞され吐出弁９が閉じた状態となる。逆にピストン内の圧力が高いとき（例えば吐出時）には、弁ばね９ｄの付勢力に抗して弁板９ｂをわずかに浮上させ、その隙間から弁座、弁板及び弁受けに設けられた貫通孔１０を通して加圧ガスを外部に吐出する。従って、吐出弁は一種の逆止弁（又はチェック弁）として機能する。
【０００７】
同様に吸入弁８も、図４（Ｂ）に示すように、弁受け８ａ、弁板８ｂ、弁座８ｃ、弁ばね８ｄ等からなる。吸入弁８の場合には、弁ばね８ｄが弁受け８ａに組み込まれ、弁板８ｂを弁座８ｃに向けて付勢し、貫通孔１０が閉塞されガスシールする。また、ガスの流れが吐出弁と逆方向であり、シリンダ内の圧力が高いときに閉じ、低いときに開いて外部から低圧のガスを吸引するようになっている。以下、特に断らない限り、吐出弁と吸入弁を合わせて「吸入・吐出弁」と呼ぶ。
【０００８】
更に、吸引抵抗および（または）吐出抵抗を低減し圧縮機の駆動機の負荷を低減するために、吸入口を必要に応じて開放状態に保持する吸入弁開放アンローダが設けられている。このアンローダは、図５に示すように、弁座９ｃの貫通孔１０を貫通するヨーク棒１１を備え、図示しない開閉駆動機構により該ヨーク棒１１を必要に応じて下方に移動して弁板８ｂを弁ばね８ｄに抗して下方に移動し、弁板８ｂと弁座８ｃの間に隙間を形成し、この隙間を介してシリンダを開放状態に保持するようになっている。
【０００９】
図６は、高圧圧縮機用ピストン５の斜視図である。この図に示すように、ピストン５には、ピストンリング１２とブルリング１３（ライダーリング）がリング状に嵌め込まれている。ピストンリング１２は、周方向に複数に分割されており、内側からスプリングで外方に付勢され、リングの摩耗が進行してもシリンダ６，７との間にギャップができず、スプリングの作用で必要な面圧が保持されている。ブルリング１３は、一体のリング状部材であり、ピストンリング１２の摩耗が進んだ場合でも、ピストン５とシリンダライナの直接接触を防ぐようになっている。なお、無給油式の高圧圧縮機では、ピストンリングやブルリングに素材自体に潤滑性がある材料、例えばテフロン（登録商標）やカーボンが用いられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の往復圧縮機において、従来無負荷運転時には上述したアンローダを作動させて吸入弁を開放状態に保持していた。しかし、特に吐出圧力が数ＭＰａ（例えば約４．７ＭＰａ）に達する高圧圧縮機では、このアンロード状態が長時間継続すると、以下の不具合が発生する問題点があった。
【００１１】
（１）吸入弁近くに位置する同じガスが開放状態の吸入弁を繰り返し吸引・吐出するため、吸入弁の圧損によりガス温度が上昇する。このガス温度がピストンリング１２とブルリング１３を加熱し、摩擦熱とあいまってピストンリング１２とブルリング１３が過熱される。ピストンリング１２やブルリング１３に、テフロン等の樹脂が用いられている場合、その熱膨張係数が大きいため、過熱による熱膨張を起こし、焼付けや損傷の原因となる。
（２）無負荷時に吸入弁を開放状態に保持しても、吸入圧が高い状態を持続するので、無負荷時の駆動動力が大きい。
（３）また、この問題を回避するために、吸入側を大気開放（放風）すると、高圧圧縮機では、遠心圧縮機等で０．８〜１．６ＭＰａまで加圧されているので、その圧縮分の動力損失が生じ、全体の圧縮効率が大幅に低下する。
【００１２】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、アンロード状態を長時間継続しても、シリンダ内を確実に冷却してピストンリングやブルリングの過熱を防止することができ、かつ無負荷時の駆動動力を低減することができる高圧圧縮設備とその無負荷運転方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、複数のアンローダ付き吸入弁（８）を有する高圧圧縮機（２２）と、該高圧圧縮機で圧縮されたガスを冷却するアフタークーラ（２４）と、該アフタークーラを出た加圧ガスを逆流を防止して排出する逆止弁（２６）と、アフタークーラ出口と高圧圧縮機のガス入口とを連通するリサイクルライン（２８）と、該リサイクルラインに設けた開閉弁（２８ａ）と、該開閉弁と高圧圧縮機のアンローダを制御する制御装置（３０）とを備え、無負荷運転時に、アンローダ付き吸入弁の一部をアンロード状態にし、残りの吸入弁を作動状態の保持して冷却した加圧ガスをリサイクルライン（２８）を通して高圧圧縮機のガス入口にリサイクルし、作動状態の吸入弁を通してシリンダ内を流通させる、ことを特徴とする高圧圧縮設備が提供される。
【００１４】
また、本発明によれば、複数のアンローダ付き吸入弁（８）を有する高圧圧縮機（２２）と、該高圧圧縮機を出た加圧ガスを逆流を防止して排出する逆止弁（２６）と、高圧圧縮機のガス出口と高圧圧縮機のガス入口とを連通するリサイクルライン（２８）とを備え、無負荷運転時に、複数のアンローダ付き吸入弁（８）の一部をアンロード状態にし、残りの吸入弁を作動状態の保持し、高圧圧縮機を出た加圧ガスをリサイクルライン（２８）を通して高圧圧縮機のガス入口にリサイクルし、作動状態の吸入弁を通してシリンダ内を流通させる、ことを特徴とする高圧圧縮設備の無負荷運転方法が提供される。
【００１５】
上記本発明の装置及び方法によれば、無負荷運転時に、複数のアンローダ付き吸入弁（８）の一部をアンロード状態にし、残りの吸入弁を作動状態の保持し、高圧圧縮機を出た加圧ガスをリサイクルライン（２８）を通して高圧圧縮機のガス入口にリサイクルし、作動状態の吸入弁を通してシリンダ内を流通させるので、アフタークーラや放熱で冷却されたガスにより作動状態の吸入弁を通してシリンダ内に冷却ガスを供給できる。従って、アンロード状態を長時間継続しても、シリンダ内を確実に冷却してピストンリングやブルリングの過熱を防止することができる。
【００１６】
また、吸入圧と吐出圧をほぼ均圧状態にしたままガスをリサイクルできるので、大気放風した場合と比較して無負荷時損失を防ぐことができる。更に、アンロードが長時間継続することにより系の洩れにより、徐々に吸入圧力が低下することにより、無負荷時の駆動動力が低下し、省エネ化を図ることができる。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態によれば、複数のアンローダ付き吸入弁（８）のうち、作動状態の吸入弁を順次変更して、各シリンダ内をガスを流通させる。
この方法により、アンロード状態による温度上昇を、作動状態に切り換えて冷却ガスを循環させて冷却することができる。
【００１８】
また、前記作動状態の吸入弁の吸入圧とこれに対応する吐出弁の吐出圧をほぼ均圧に設定することが好ましい。この方法により、吐出圧と吸入圧が等しくなり、圧縮比を理論上１にしてシリンダ内にガスを通過させるので、無負荷時の動力を大幅に低減することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２０】
図１は、本発明の無負荷運転方法を適用する高圧圧縮設備の全体構成図である。この図に示すように、本発明の高圧圧縮設備２０は、高圧圧縮機２２、アフタークーラ２４及び逆止弁２６を備える。
【００２１】
高圧圧縮機２２は、この例では、半星形４気筒の往復圧縮機であり、Ｉ段シリンダ６とII段シリンダ７を２組を有し、各Ｉ段シリンダ６の両側で圧縮されたガスを更に各II段シリンダ７の両側に供給して圧縮するようになっている。また、各シリンダ６，７にはそれぞれアンローダ付き吸入弁８と吐出弁９が設けられている。なお、この図で１６は、ブースト用の圧縮機であり、予め０．８〜１．６ＭＰａまで加圧したガスを高圧圧縮機２２の入口側２２ａに供給するようになっている。
【００２２】
この高圧圧縮機２２は、通常運転時において、数ＭＰａ（例えば約４．７ＭＰａ）までガスを加圧して吐出する。また、必要に応じて、アンローダ付き吸入弁８のアンローダを作動させてアンロード状態にし、吐出量を低減できるようになっている。
【００２３】
アフタークーラ２４は、高圧圧縮機２２の出口側２２ｂに連結して設けられ、水冷又は空冷により高圧圧縮機２２で圧縮されたガスを冷却する。
逆止弁２６は、アフタークーラ２４の出口側に連結され、アフタークーラを出た低温の加圧ガスを逆流を防止して機外の消費設備へ供給（排出）するようになっている。逆止弁２６の開閉作動圧力は十分に低く、例えば供給側の圧力が約４．７ＭＰａである場合に、これより圧縮機側の圧力が低い場合には、逆止弁２６が完全に閉じて、その逆流が防止される。
【００２４】
本発明の高圧圧縮設備２０は、更に、リサイクルライン２８と制御装置３０を備える。リサイクルライン２８は、アフタークーラの出口（逆止弁２６より上流側）と高圧圧縮機２２のガス入口２２ａとを連通する。また、このリサイクルライン２８に開閉弁２８ａが設けられている。この開閉弁２８ａは、遠隔操作が可能な電磁開閉弁又はパイロット開閉弁であるのがよい。また、リサイクルライン２８及び開閉弁２８ａは低圧損のものが用いられ、少なくとも高圧圧縮機２２による最小流量のガスをリサイクルした場合に差圧が十分小さくなるように設定されている。
【００２５】
制御装置３０は、上述した開閉弁２８ａと高圧圧縮機２２の各アンローダを制御するようになっている。
【００２６】
以下、上述した高圧圧縮設備２０を用いた本発明の無負荷運転方法を説明する。
通常運転時には、開閉弁２８ａを閉鎖し、高圧圧縮機２２のＩ段シリンダ６とII段シリンダ７を作動させて、数ＭＰａ（例えば約４．７ＭＰａ）までガスを加圧して吐出する。また、必要に応じて、アンローダ付き吸入弁８のアンローダを作動させてアンロード状態にし、吐出量を増減させる。
【００２７】
更に、完全な無負荷運転時には、（Ａ）開閉弁２８ａを全開して、アフタークーラの出口（逆止弁２６より上流側）と高圧圧縮機２２のガス入口２２ａとを連通させ、その間をほぼ均圧させる。
また、並行して、（Ｂ）複数のアンローダ付き吸入弁８の一部をアンロード状態にし、残りの吸入弁を作動状態の保持する。なお、（Ａ）と（Ｂ）のステップは、（Ａ）（Ｂ）の順でも、その逆でも、同時でもよい。
【００２８】
図１において、作動状態の吸入弁を斜線で示している。この図に示すように、この状態では、高圧圧縮機２２を出た加圧ガスは、アフタークーラ２４で冷却された後、リサイクルライン２８を通して高圧圧縮機２２のガス入口２２ａにリサイクルされる。更に、この冷却ガスは、高圧圧縮機２２内において、作動状態の吸入弁８（図で右側の２つ）を通してシリンダ６，７内を流通する。従って、この方法により、作動状態の吸入弁８が取り付けられたシリンダ６，７を冷却されたガスで冷却することができる。
【００２９】
また、複数のアンローダ付き吸入弁８のうち、作動状態の吸入弁を順次変更して、各シリンダ内をガスを流通させるのがよい。すなわち、図１において、作動状態の吸入弁（斜線）を順次変更して、各シリンダ６，７に冷却ガスを順次供給することにより、アンロード状態の間に上昇したシリンダを、作動状態に切り換えて冷却することができる。
【００３０】
上述した本発明の装置及び方法によれば、無負荷運転時に、複数のアンローダ付き吸入弁８の一部をアンロード状態にし、残りの吸入弁を作動状態の保持し、高圧圧縮機を出た加圧ガスをリサイクルライン２８を通して高圧圧縮機のガス入口にリサイクルし、作動状態の吸入弁を通してシリンダ内を流通させるので、アフタークーラや放熱で冷却されたガスにより作動状態の吸入弁を通してシリンダ内に冷却ガスを供給できる。従って、アンロード状態を長時間継続しても、シリンダ内を確実に冷却してピストンリングやブルリングの過熱を防止することができる。
【００３１】
また、吸入圧と吐出圧をほぼ均圧状態にしたままガスをリサイクルできるので、大気放風した場合と比較して無負荷時損失を防ぐことができる。更に、アンロードが長時間継続することにより系の洩れにより、徐々に吸入圧力が低下することにより、無負荷時の駆動動力が低下し、省エネ化を図ることができる。
【００３２】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００３３】
【発明の効果】
上述したように、本発明の高圧圧縮設備とその無負荷運転方法では、（１）吐出圧を吸入圧と等しくし、圧縮比を理論上１として、シリンダ内にガスを通過させる。
これにより、従来のアンロード状態と相違し、ガスがピストンの往復の都度、シリンダ内を通過して温度上昇を低減することができる。（２）また、吸入圧は、アンロードが長時間継続することにより系の洩れにより、徐々に吸入圧力が低下することにより、動力が低下し省エネとなる。
【００３４】
従って、本発明の高圧圧縮設備とその無負荷運転方法は、アンロード状態を長時間継続しても、シリンダ内を確実に冷却してピストンリングやブルリングの過熱を防止することができ、かつ無負荷時の駆動動力を低減することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無負荷運転方法を適用する高圧圧縮設備の全体構成図である。
【図２】対向釣合い形往復圧縮機の模式図である。
【図３】半星形４気筒の往復圧縮機の模式図である。
【図４】吐出弁と吸入弁の原理図である。
【図５】アンローダ付き吸入弁の原理図である。
【図６】高圧圧縮機用ピストンの斜視図である。
【符号の説明】
１  駆動機、２  クランク軸、３  連接棒（コネクティングロッド）、
４  ピストンロッド、５  ピストン、６，７  シリンダ、
８  吸入弁、８ａ  弁受け、８ｂ  弁板、８ｃ  弁座、８ｄ  弁ばね、
９  吐出弁、９ａ  弁受け、９ｂ  弁板、９ｃ  弁座、９ｄ  弁ばね、
１０  貫通孔、１１  ヨーク棒、１２  ピストンリング、１３  ブルリング、
２０  高圧圧縮設備、２２  高圧圧縮機、
２４  アフタークーラ、２６  逆止弁、
２８  リサイクルライン、２８ａ  開閉弁、
３０  制御装置
【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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