(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、このシリンダに嵌合し往復運動するプランジャと、このプランジャを往復運動させるクロスヘッドとを有する往復圧縮機において、
前記シリンダに、軸方向に積層して多段の低圧側ロッドパッキンケースと多段の高圧側ロッドパッキンケースを収容し、多段に形成された低圧側ロッドパッキンケースの各々には、ラジアルカットロッドパッキンとタンジェンシャルカットロッドパッキンとバックアップリングが高圧側から低圧側に順に配置されており、少なくとも１段の低圧側ロッドパッキンケースに配置されたバックアップリングとこのバックアップリングに当接する隣り合う低圧側ロッドパッキンケースとをシールするＯリングを、隣り合う前記ロッドパッキンケースの前記バックアップリングが当接する位置に保持したことを特徴とする往復圧縮機。
【請求項２】
多段に形成した前記ロッドパッキンケースの各々に、ラジアルカットロッドパッキンとタンジェンシャルカットロッドパッキンを高圧側から低圧側に順に配置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】
多段に形成された高圧側ロッドパッキンケースと多段に形成された低圧側ロッドパッキンケースとの間に中間リングを配置し、この中間リングにこの圧縮機の吸込みガスラインを連通したことを特徴とする請求項１に記載の往復圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は往復圧縮機に係り、特に水素ガスを圧縮するのに好適な往復圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の往復圧縮機に用いるロッドパッキンシールの例が、特許文献１ないし３に記載されている。特許文献１に記載のロッドパッキンシールでは、内周面から外周への斜め直線状の切断面により３個のパッキン部材に３等分された中空円板状のパッキンと、シールリングと、シール支持リングとを軸方向に積層し、これらをパッキンケースに収容している。そして、パッキンケースを軸方向に複数段積層して設けて、高圧の流体が圧縮部から外部へ漏洩するのを防止している。
【０００３】
また、特許文献２、３に記載のシール装置では、ＵＶ両パッキン、またはＵ主両パッキンを用いて、シール空間長を長くすることなくシール性能を保持するために、プランジャとシリンダとの間の空間に径方向の圧縮力が大きいＶパッキンまたは主パッキンと、径方向の圧縮力が小さいＵパッキンとを挿入している。さらに、非特許文献１には、低圧側パッキンと高圧側パッキンとを対にして使用することが記載されている。この中で低圧側パッキンは、特許文献１と同様の内周側から外周側に直線状に切断されており、タンジェンシャルカットパッキンと称されている。一方、高圧側パッキンは、半径方向に延びる直線で複数のパッキン素材に分割され、ラジアルカットパッキンと称されている。タンジェンシャルパッキンとラジアルカットパッキンは、パッキン素材の内周部で合口隙間を塞ぐために、それぞれ切断面の周方向位置を変えている。そのため、それぞれのパッキンの周方向相対位置が変化しないように、低圧側タンジェンシャルカットパッキンは、お互いの相対面にピンとピン穴を設けている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２００５１２号公報
【特許文献２】特開平８−１４５１８７号公報
【特許文献３】特開平９−１５８８３７号公報
【非特許文献１】Compressor Tech' January-February 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の往復圧縮機では、シリンダとピストンロッドまたはプランジャの間に、金属または樹脂製のロッドパッキンを複数枚軸方向に積層配置し、圧縮ガス漏れを極力低減している。その際、ロッドパッキンとピストンロッドもしくはプランジャの間には、組み立て誤差や運転中の熱変形等を考慮して適切な公差が設定されており、往復圧縮機の用途に従い、潤滑油を注油して油膜を形成したり、完全に非接触または油膜等を使用しないドライ状態にしたりして、シールしている。前者の場合には、実質的に圧縮ガスの漏れ量をゼロにすることも可能であるが、後者の場合には漏れを許容せざるを得ない。
【０００６】
ところで、注油によりプランジャとロッドパッキンの隙間からの漏れを極力低減する方法では、油膜が破壊すれば取扱ガスが低圧側に流れ込み、漏れガス量がゼロとならない。本発明は、このような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、漏れガス量を一層低減することにある。本発明の他の目的は、漏れガスのない信頼性の高い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、作動ガスに水素を用いた水素圧縮機の信頼性を向上させることにある。そして、本発明は少なくともこれら目的のいずれかを達成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の特徴は、シリンダと、このシリンダに嵌合し往復運動するプランジャと、このプランジャを往復運動させるクロスヘッドとを有する往復圧縮機において、前記シリンダに、軸方向に積層して多段の低圧側ロッドパッキンケースと多段の高圧側ロッドパッキンケースを収容し、多段に形成された低圧側ロッドパッキンケースの各々には、ラジアルカットロッドパッキンとタンジェンシャルカットロッドパッキンとバックアップリングが高圧側から低圧側に順に配置されており、少なくとも１段の低圧側ロッドパッキンケースに配置されたバックアップリングとこのバックアップリングに当接する隣り合う低圧側ロッドパッキンケースとをシールするOリングを、隣り合う前記ロッドパッキンケースの前記バックアップリングが当接する位置に保持したことにある。
【０００８】
そしてこの特徴において、多段に形成した前記ロッドパッキンケースの各々に、ラジアルカットロッドパッキンとタンジェンシャルカットロッドパッキンを高圧側から低圧側に順に配置するのがよく、多段に形成された高圧側ロッドパッキンケースと多段に形成された低圧側ロッドパッキンケースとの間に中間リングを配置し、この中間リングにこの圧縮機の吸込みガスラインを連通するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、往復圧縮機において、圧縮ガスの主たる漏れ流路がロッドパッキンとロッドパッキンケースとの間に形成される隙間にあることに注目して、その隙間を閉止するロッドパッキンを用いたので、漏れガス量を一層低減できる。また、漏れガスのない信頼性の高い往復圧縮機を実現できる。さらに、作動ガスに水素を用いた水素圧縮機に適用すれば、信頼性をより一層向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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、往復圧縮機１０の斜視図である。往復圧縮機１０は、低圧段圧縮部１、高圧段圧縮部２、３、クランク機構部４、及びモータ５を備えている。作動ガスとしては、水素ガスなどの可燃性作動ガスや毒性作動ガスを用いることも可能であり、本発明では水素ガスを用いる場合を例に取り説明する。
【００１２】
低圧段圧縮部１は、供給源から供給された低圧の作動ガスを圧縮する。低圧段圧縮部１で圧縮された作動ガスは、高圧段圧縮部２および高圧段圧縮部３を経ることにより、順次昇圧される。クランク機構部４は、低圧段圧縮部１、高圧段圧縮部２及び高圧段圧縮部３を駆動する機構である。クランク機構部４は、クランクケース４ａ及び筒状ケース４ｂ〜４ｄを有している。クランクケース４ａの基本的な形状は、前後に薄い略矩形状である。筒状ケース４ｂはクランクケース４ａと低圧段圧縮部１とを接続する。筒状ケース４ｃはクランクケース４ａと高圧段圧縮部２とを接続する。筒状ケース４ｄは、クランクケース４ａと高圧段圧縮部３とを接続する。モータ５は、クランク機構部４を介して、低圧段圧縮部１、高圧段圧縮部２及び高圧段圧縮部３を駆動する。
【００１３】
クランク機構部４は、低圧段圧縮部１、高圧段圧縮部２、高圧段圧縮部３及びモータ５などの構成要素の中央に配置されている。換言すれば、高圧段圧縮部２、低圧段圧縮部１、高圧段圧縮部３はクランクケース４ａの周方向に連続する３面（本実施例では、底面を除く上面及び両側面）からそれぞれ突出して設けられ、モータ５はクランクケース４ａの前後面を構成する１面（本実施例では、後面）から突出して設けられている。
【００１４】
低圧段圧縮部１および高圧段圧縮部２、３は、筒状に細長く形成されており、クランクケース４ａの３面から放射状に延びている。低圧段圧縮部１はクランクケース４ａの上面に垂直に突出するように配置されている。そして、高圧段圧縮部２と高圧段圧縮部３とは、両側面に水平方向に対向して同一軸心となるように突出して配置されている。換言すれば、クランク機構部４を挟んで互いに反対側に同一軸心となるように配置されている。
【００１５】
このように配置した往復圧縮機１０の高圧段部の詳細を、図２を参照しながら説明する。図２は、往復圧縮機の中央部と、一方の高圧段圧縮機２とを、縦断面で示した図である。水平方向に配置されたクロスヘッド１２の両側に、中間ガイドロッド５４が夫々設けられている。中間ガイドロッド５４のピストン部５５の外周部に、シールリング６２が取付けられている。シールリング６２は、シールリング６２の筒状ケース４ｃ、４ｄの内面と摺動する。さらに、シールリング６２は、中間ガイドロッド５４と筒状ケース４ｃ、４ｄとの間の気密を保つ。高圧段圧縮部２側の筒状ケース４ｃ及び高圧段圧縮部３側の筒状ケース４ｄには、それぞれガス導出孔７２が形成されている。なお、高圧段圧縮部３も、この高圧段圧縮部２と同一の構造を有している。
【００１６】
本実施例によれば、低圧段ロッドパッキンシール３８から大気側へ漏れた作動ガスが、導出孔７１からクランクケース４ａ内に漏れることなく安全にフレアへ導かれる。また、高圧側圧縮段２，３のロッドパッキンシール３９、４０から漏れた作動ガスも、同様に導出孔７２からクランクケース４ａ内に漏れることなく、フレアへ導かれる。
【００１７】
ところで、往復圧縮機の性能を向上させ、さらに信頼性を向上させるには、圧縮されたガスが圧縮機内部で漏れるのを防止することが最も重要である。上述したように、圧縮ガスの主たる漏れ流路は、ロッドパッキンとロッドパッキンケースとの間に形成される隙間であるから、この隙間を閉止するもしくは隙間を低減することが必要である。そこで本実施例では、図３および図４に示すシール構造を採用している。図３は、高圧段圧縮部２，３のシール部Ａを断面で示した図であり、図４はそのシール部Ａの動作を説明する図である。
【００１８】
円筒状に形成されたシリンダ１０１の左右端部であって内側には、それぞれ丸棒状のプランジャ５１が貫通するシリンダリング１０２と低圧リング４５が配置されている。シリンダリング１０２と低圧リング４５間には、ガイドリング４２、４段に形成された高圧側のロッドパッキンケース２１〜３４、中間リング３５、３段に形成された低圧側のロッドパッキンケース３６〜３８が順次軸方向に積層配置されている。
【００１９】
シリンダリング１０２の反クロスヘッド側には、シリンダヘッド１０３が配置されており、このシリンダヘッド１０３にはシリンダ１０１の左端部が取り付けられている。シリンダヘッド１０３は中央部にバルブ１０７を収容する空間が形成された容器であり、シリンダリング１０２に近い側には、この空間に外部から取扱いガスを導入するための入口流路１０５ａが、シリンダリング１０２に遠い側にはこの圧縮段で圧縮した取扱いガスを外部に導く出口流路１０６ａが形成されている。入口流路１０５ａ及び出口流路１０６ａは、ともに半径方向に延びる流路である。シリンダヘッド１０３の側面には、これら流路１０５ａ、１０６ａの開口部である取扱いガス吸入口１０５と取扱いガス吐出口１０６が形成されている。
【００２０】
プランジャ５１とシリンダ１０１、シリンダリング１０２、シリンダヘッド１０３は、圧縮室を形成する。プランジャ５１が往復動すると、取扱いガス吸入口１０５から吸い込まれ、バルブ１０７内部に設けた図示しない吸込み弁が切り換えられて圧縮室に取り扱いガスを導入する。圧縮された取扱いガスは、バルブ１０７内部に設けた図示しない吐出弁を切り換えて、吐出口１０６から外部に吐出される。
【００２１】
このように圧縮室で圧縮された取扱いガスが、シリンダリング１０２とプランジャ５１との間の隙間を、プランジャ５１に沿ってクロスヘッド１２側に漏洩するのを防止するために、高圧段及び低圧段の２段のロッドパッキンをプランジャ５１の周りに設けて段階的に圧力を下げている。この詳細を、以下に説明する。
【００２２】
シリンダ１０１には、上述したように４段の高圧側ロッドパッキンケース３１〜３４と３段の低圧側ロッドパッキンケース３６〜３８が配置されている。高圧側ロッドパッキンケース３１〜３４の各々の内部には、ラジアルカットロッドパッキン３１ａとタンジェンシャルカットロッドパッキン３１ｂが重ねて配置されている。低圧側ロッドパッキンケース３６〜３８の各々の内部には、ラジアルカットロッドパッキン３１ａとタンジェンシャルカットロッドパッキン３１ｂの他に、タンジェンシャルカットロッドパッキン３１ｂの背面側にバックアップリング４４を配置している。さらに、２段目及び３段目の低圧側ロッドパッキンケース３７〜３８と低圧リング４８の前面側であって、バックアップリング４４が当接する位置に、Ｏリング溝３９〜４１を形成し、Ｏリング６６をこの溝３９〜４１に嵌合する。Ｏリング６６がバックアップリング４４により変形されて、漏れガスをシールする。
【００２３】
高圧側ロッドパッキンケース３１〜３４の前後には、ガイドリング４２と中間リング３５が配置されている。中間リング３５には、低圧段圧縮機１の初段吸込みガスラインに連通する図示しない孔が形成されている。すなわち、この孔を流通する漏れガスを初段圧縮機段で再圧縮して、外部への漏れを防止する。この連通孔は、中間リング３５と低圧段ロッドパッキンケース３８と低圧リング４５のそれぞれに形成した図示しない給油口と周方向位置をずらしている。
【００２４】
このように中間リング３５と初段吸い込みガスラインとを連通したので、ロッドパッキンケース３１〜３４部から大気へ取扱いガスが漏れる際のシール圧力は、吐出圧力と関係なくなる。したがって、シール圧力を初段吸込みガス圧力と大気圧力との差まで低下させることができる。ガイドリング４２とプランジャ５１との間の隙間部４２ａには、ＩＳＯ  ＶＧ２２０で規定されたシール油が供給される。
【００２５】
シール油を供給する供給路が、各ロッドパッキンケース３１〜３４、３６〜３８及び低圧リング４５に形成されている。供給路の途中には、チェック弁４３が設けられている。各ロッドパッキンケース３１〜３４、３６〜３８に収容されたラジアルカットロッドパッキン３１ａとタンジェンシャルカットロッドパッキン３１ｂがプランジャ５１との間に形成する隙間４２ａに、シール油を供給して油膜を形成させ、漏れガスをシールする。
【００２６】
図４は、低圧側ロッドパッキンケース６１部を拡大して示した縦断面図である。この図４で示すロッドパッキンケース６１部を、図３に示したロッドパッキンケース３６〜３８部のいずれの場合にも適用できる。ロッドパッキンケース６１の内側には、ラジアルカットロッドパッキン６２、タンジェンシャルカットロッドパッキン６３とバックアップリング６４が配置されている。
【００２７】
プランジャ５１とロッドパッキン６２、６３との間の隙間は、シール油によって満たされ、取扱いガスが混入することは防止されている。しかし、プランジャ５１が往復動すると、左右に微小な動きが生じたり、または振動が発生して、プランジャ５１の表面である境界面では、取扱いガスとシール油の気液二層流が生じる。その結果、プランジャ５１の微小な動きによりくさび効果によるシール力が弱められ、取扱いガスの漏れ流路６７が形成される。本発明者らは、この漏れ流路の形成が漏れガスの全体量を増大させる原因であると考えた。この不具合を解消するために、タンジェンシャルカットロッドパッキン６３の背面側にバックアップリング６４を配置するとともに、バックアップリング６４が当接するロッドパッキンケース６１のまたは低圧リングの前面で、Ｏリングでシールしている。Ｏリングにより、ほぼ確実に漏れ流路６７を閉塞するので、取扱いガスの外部への漏れをほぼ完全に回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る往復圧縮機の一実施例の斜視図。
【図２】図１に示した往復圧縮機の高圧段部の縦断面図。
【図３】図１に示した往復圧縮機の圧縮部とシール部の縦断面図。
【図４】図３に示したシール部の動作を説明する図。
【符号の説明】
【００２９】
３１〜３４…高圧側ロッドパッキンケース、３１ａ…ラジアルカットロッドパッキン、３１ｂ…タンジェンシャルカットロッドパッキン、３５…中間リング、３６〜３８…低圧側ロッドパッキンケース、３９〜４１…Ｏリング溝、４２…ガイドリング、４２ａ…ガイドリングとプランジャ間の隙間、４３…チェック弁、４４…バックアップリング、５１…プランジャ、６１…パッキンケース、６２…ラジアルカットロッドパッキン、６３…タンジェンシャルカットロッドパッキン、６４…バックアップリング、６５…プランジャ、６６…Ｏリング、１０１…シリンダ、１０２…シリンダリング、１０３…シリンダヘッド、１０５…取扱いガス吸入口、１０６…取扱いガス吐出口、１０７…バルブ．
【図１】
0004435719.tif 000002
【図２】
0004435719.tif 000003
【図３】
0004435719.tif 000004
【図４】
0004435719.tif 000005