(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダとプランジャーまたはピストンを組み合わせて作動ガスを圧縮する圧縮段を複数有し、吐出圧力が４０ＭＰａを超え、前記圧縮段がプランジャーの軸をシールするパッキンシールと、このパッキンシールに潤滑油を注油する注油手段と、作動ガスから注油手段が注油した潤滑油を除去するフィルタ設備とを備える往復圧縮機装置において、
前記フィルタ設備は高圧容器である第１のフィルタ装置と第２のフィルタ装置とを連続して接続して構成されており、上流側に位置する第１のフィルタ装置は過フッ化水素樹脂で結合したマイクログラスファイバーエレメントを内蔵して１次フィルタを構成し、下流側に位置する第２のフィルタ装置は、仕切り板を介して上下に配置され、固定ボルトで固定した３次、２次フィルタを内蔵しており、下方に位置する２次フィルタは層間に円筒空間が形成された同心円状の２層の過フッ化水素樹脂で結合したマイクログラスファイバーエレメントであり、上方に位置する３次フィルタは機能性活性炭エレメントであり、３次フィルタの中心部には２次フィルタに作動ガスを導く流路が形成されており、前記フィルタ装置が１ｐｐｍ以下まで油分を除去可能としたことを特徴とする往復圧縮機装置。
【請求項２】
吐出圧力が４０ＭＰａを超える往復圧縮機装置に用いるフィルタ設備であって、
高圧容器である第１のフィルタ装置と第２のフィルタ装置とを連続して接続して構成されており、
上流側に位置する第１のフィルタ装置は、過フッ化水素樹脂で結合したマイクログラスファイバーエレメントを有する１次フィルタを内蔵しており、
下流側に位置する第２のフィルタ装置は、作動ガスの入り口流路と出口流路が形成されたフランジ蓋と中空部を有するボトルケースとを上下に機密に組み合わせた高圧容器内に３次フィルタと２次フィルタとを内蔵して構成されており、
さらに第２のフィルタ装置では、前記フランジ蓋に長軸の固定ボルトが取り付けられ、この固定ボルトの周囲部に、フランジ蓋の入口流路に連通する流路を形成する仕切り管が配設され、この仕切り管の外周部に機能性活性炭エレメントで構成された３次フィルタを配設し、前記仕切り管および３次フィルタの下端を仕切り板で支持し、
前記仕切り板の下面側に、層間に円筒空間が形成された同心円状の２層の過フッ化水素樹脂で結合したマイクログラスファイバーエレメントを配設して２次フィルタを形成し、
この２次フィルタの下端側に下側受け座およびばねを保持するばね押さえとを配設し、前記２次フィルタおよび下側受け座、ばね押さえを前記固定ボルトが貫通して２次フィルタおよび３次フィルタを固定保持し、往復圧縮機装置で発生した高圧の作動ガスから１ｐｐｍ以下まで油分を除去可能としたことを特徴とする往復圧縮機装置に用いるフィルタ設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可燃性ガスや毒性ガスを取扱う往復圧縮機装置に係り、特に４０ＭＰａを超える高圧で小容量の水素圧縮に好適な往復圧縮機装置およびそれに用いるフィルタ設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロセスラインに潤滑油が混入するのを防止するために、取扱いガスを圧縮する圧縮機として、非特許文献１に記載のダイヤフラム圧縮機を使用することが知られている。このようなダイヤフラム圧縮機を、燃料電池車の水素ガス圧縮機として利用することは、小流量で吐出圧力が３５ＭＰａ程度までの場合には可能である。ダイヤフラム圧縮機は圧縮部のガスを膜状のダイヤフラムで仕切り、ダイヤフラムを変形させて、ガスを圧縮しており、取扱いガスが潤滑油と接触せず、完全なオイルフリーになる。
【０００３】
吐出圧力がさらに高い仕様においては、ダイヤフラム圧縮機の代わりに多くプランジャ形の圧縮機が使用される。このような圧縮機の例が特許文献１に記載されている。この特許文献１では、燃料電池車に用いる水素を圧縮する水素圧縮機をプランジャ形とし、８０ＭＰａ以上まで圧縮している。そして、圧縮後の水素ガスを３段階のフィルタでフィルタリングして、潤滑油等の不純物を圧縮ガスから取り除いている。
【０００４】
【非特許文献１】テイサン株式会社カタログ、「ダイヤフラム圧縮機」、１９８２年６月
【特許文献１】特開２００４−１１６３２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記非特許文献１に記載のようなダイヤフラム圧縮機を使用した装置では、ガスの純度が好適に保たれる。しかしながら、ダイヤフラムが弾性変形を繰り返すので、ダイヤフラムが劣化して破損するおそれがある。たとえ破損しなくても弾性変形の繰り返しにより寿命限界があり、定期的な圧縮機の交換が必要となり、圧縮機装置の維持管理費用が大になる。
【０００６】
一方、上記特許文献１に記載の圧縮機では、ガスの純度を保つために圧縮段の後に３段のフィルタを設けているので、プランジャ形の特徴とフィルタの特徴をりようして吐出ガスの純度も高く、寿命も長い圧縮機装置が可能になる。しかしながら、高圧のガスをフィルタに通すので、フィルタの耐圧が厳しく、フィルタが高価になる。しかも高価なフィルタを３段も使用しているので、この段数の低減が望まれている。
【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、４０ＭＰａを超える高圧の圧縮機において、吐出ガスの品質を保つとともに小型化することにある。本発明の他の目的は、燃料電池車に使用する高圧の水素ガスを供給可能な小型で信頼性の高い圧縮機を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の特徴は、シリンダとプランジャーまたはピストンを組み合わせて作動ガスを圧縮する圧縮段を複数有し、吐出圧力が４０ＭＰａを超え、前記圧縮段がプランジャーの軸をシールするパッキンシールと、このパッキンシールに潤滑油を注油する注油手段と、作動ガスから注油手段が注油した潤滑油を除去するフィルタ設備とを備える往復圧縮機装置において、前記フィルタ設備は高圧容器である第１のフィルタ装置と第２のフィルタ装置とを連続して接続して構成されており、上流側に位置する第１のフィルタ装置は過フッ化水素樹脂で結合したマイクログラスファイバーエレメントを内蔵して１次フィルタを構成し、下流側に位置する第２のフィルタ装置は、仕切り板を介して上下に配置され、固定ボルトで固定した３次、２次フィルタを内蔵しており、下方に位置する２次フィルタは層間に円筒空間が形成された同心円状の２層の過フッ化水素樹脂で結合したマイクログラスファイバーエレメントであり、上方に位置する３次フィルタは機能性活性炭エレメントであり、３次フィルタの中心部には２次フィルタに作動ガスを導く流路が形成されており、前記フィルタ装置が１ｐｐｍ以下まで油分を除去可能とするものである。
【００１０】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、吐出圧力が４０ＭＰａを超える往復圧縮機装置に用いるフィルタ設備であって、高圧容器である第１のフィルタ装置と第２のフィルタ装置とを連続して接続して構成されており、上流側に位置する第１のフィルタ装置は、過フッ化水素樹脂で結合したマイクログラスファイバーエレメントを有する１次フィルタを内蔵しており、下流側に位置する第２のフィルタ装置は、作動ガスの入り口流路と出口流路が形成されたフランジ蓋と中空部を有するボトルケースとを上下に機密に組み合わせた高圧容器内に３次フィルタと２次フィルタとを内蔵して構成されており、さらに第２のフィルタ装置では、前記フランジ蓋に長軸の固定ボルトが取り付けられ、この固定ボルトの周囲部に、フランジ蓋の入口流路に連通する流路を形成する仕切り管が配設され、この仕切り管の外周部に機能性活性炭エレメントで構成された３次フィルタを配設し、前記仕切り管および３次フィルタの下端を仕切り板で支持し、前記仕切り板の下面側に、層間に円筒空間が形成された同心円状の２層の過フッ化水素樹脂で結合したマイクログラスファイバーエレメントを配設して２次フィルタを形成し、この２次フィルタの下端側に下側受け座およびばねを保持するばね押さえとを配設し、前記２次フィルタおよび下側受け座、ばね押さえ保持板を前記固定ボルトが貫通して２次フィルタおよび３次フィルタを固定保持し、往復圧縮機装置で発生した高圧の作動ガスから１ｐｐｍ以下まで油分を除去可能としたことにある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、同一の容器内で３段のフィルタリングしているので、４０ＭＰａを超える高圧の圧縮機であっても、吐出ガスの品質が高品質であり、かつ圧縮機装置が小型化する。また、吐出ガスの品質が高品質であるから、燃料電池車に使用する高圧の水素ガスを、この圧縮機で製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る圧縮機装置を、図面を用いて説明する。図１に、作動ガスから油分を除去するガスフィルタを備えたプランジャー式小容量高圧圧縮機システム１００の一実施例を、フローシートで示す。圧縮機本体５０には、説明を簡易にするため２段のプランジャー式圧縮機を用いている。図示しないガス供給設備から供給された供給ガス1が、圧縮機本体５０の１段吸込みライン２に流入する。
【００１６】
圧縮機本体５０では、モータ１２の出力軸１２ａが、クランクケース５１内に収容されたクランク軸５２に接続されている。クランク軸５２の一端側は、クランクケース５１内で主軸５３に回動可能に取り付けられている。主軸５３は、水平方向に往復動可能である。主軸５３の一方端には、１段圧縮機３を構成するプランジャー１３が取り付けられており、主軸５３の他端側には２段圧縮機４を構成するプランジャー１４が取り付けられている。
【００１７】
１段圧縮機３のプランジャー１３はケーシング１３ａとの間に圧縮室を形成し、吸入口および吐出口の近傍に設けたバルブ１３ｂ、１３ｃを切り換えて、圧縮室に作動ガスを吸入または圧縮室から作動ガスを排出させる。同様に、２段圧縮機４のプランジャー１４は、ケーシング１４ａとの間に圧縮室を形成し、バルブ１４ｂ、１４ｃを切り換えて、圧縮室に作動ガスを吸入または圧縮室から作動ガスを排出させる。
【００１８】
１段圧縮機３で圧縮された作動ガスは、１段吐出ライン５からインタークーラ６へ流入する。インタークーラ６で液冷または空冷された作動ガスは、２段吸込みライン７から２段圧縮機４に流入する。２段圧縮機４でさらに昇圧された作動ガスは、２段吐出ライン８からアフタークーラ９に流入し、液冷または空冷される。ここで、インタークーラ６とアフタークーラ９は、一体化されている。アフタークーラ９で冷却された作動ガスは、フィルタ設備１０に送られ、不純物を取り除かれる。その後、プラントへの送出ライン１１を経て、需要元に送られる。
【００１９】
このように構成した圧縮機システム１００の圧縮機本体５０では、１段圧縮機３のプランジャー１３は、ロッドパッキン１５により大気側へのガス漏れがシールされている。同様に、２段圧縮機４のプランジャー１４は、ロッドパッキン１６により大気側へのガス漏れがシールされている。さらに、１段圧縮機３と２段圧縮機４のロッドパッキン１５、１６に、ケーシング１３ａ、１４ａに形成した注油孔１７、１８から、微量のシール油が注油される。この注油されたシール油の一部は作動ガス中に混入する。そこで、圧縮機本体５０の出口側にフィルタ設備１０を設けて、オイル混入量が許容値以下になるようにする。
【００２０】
このフィルタ設備１０の詳細を、図２および図３を用いて説明する。なお、フィルタ設備１０は、第１のフィルタ装置１０ａと第２のフィルタ装置１０ｂとを有しており、図２には第２のフィルタ装置の一例を示している。図３は、図２に示した第２のフィルタ装置１０ｂのフィルタエレメント部の拡大図である。
【００２１】
第２のフィルタ装置１０ｂは、フィルタエレメントを収容するフィルタケース２０を有している。フィルタケース２０は、上部にフランジ２１ａが形成され下方に延びる円筒容器状のボトルケース２１と、このボトルケース２１のフランジ２１ａと嵌合する突起２２ａが形成されたフランジ蓋２２とを有する。これらボトルケース２１とフランジ蓋２２とは、外周部であって周方向に間隔をおいて設けた複数の締付けボルト３２で締結される。それとともに、突起２２ａに形成した溝に収容したＯ−リング２２ｂが、ボトルケース２１内の空間２１ｂから作動ガスが第２のフィルタ装置１０ｂ外へ漏洩するのを防止している。
【００２２】
上方に配置されるフランジ蓋２２には、水平方向にほぼ中央部まで延びるガスの入口流路２３ａと、中央部から外れた位置に、垂直に延びる貫通穴である吐出流路２４ａが形成されている。入口流路２３ａはフランジ蓋２２の側面に開口２３を有しており、この開口２３に配管接続可能なようにねじが形成されている。同様に、出口流路２４ａはフランジ蓋２２の上面に開口２４を有しており、この開口２４に配管接続可能なようにねじが形成されている。入口流路２３ａのフランジ蓋２２中央部側の端部には、下面側に開口する止まり穴である第２の入口流路２３ｂが接続している。
【００２３】
第２の入口流路２３ｂには、入口流路２３ａとの接続部側にねじ穴２３ｄが形成されており、このねじ穴２３ｄに段付きの固定ボルト３１の一端部がねじ込まれている。第２の入口流路２３ｂの開口側は段付に形成されており、この段付部に、開口２３からこのフィルタエレメント部に流入する圧縮機本体５０の吐出ガスと、このフィルタエレメント部でフィルタリングされた正常ガスが混じるのを防止する仕切り管３０が嵌合する。フランジ蓋２２には溝が形成されており、フランジ蓋２２と仕切り管３０との間をシールするＯ−リング２３ｃがこの溝に嵌め込まれている。
【００２４】
フィルタエレメント部は、２種のエレメント２５、２６を有している。円筒形の２種のエレメント２５、２６を上下に配置し、その間を仕切り板２７で仕切っている。上側（下流側）に配置されるエレメント２６は、機能性活性炭エレメントであり、第２のフィルタ手段を構成する。下側（上流側）に配置されるエレメント２５は、マイクログラスファイバーエレメントであり、第１のフィルタ手段を構成する。上側エレメント２６を仕切り板２７とともに保持するために、フランジ蓋２２の突起部２２ａの下面に上側受け座２９を当接させている。上側受け座２９とフランジ蓋２２の間には、円筒状の空間２９ｃが形成されており、この空間２９ｃに吐出流路２４ａが連通している。
【００２５】
上側受け座２９の外周部には、下方に突き出た縁部２９ｂが形成されており、中央部には、固定ボルト３１および仕切り管３０が挿入される貫通穴が形成されている。さらに、この貫通穴に連続して作動ガスを空間２９ｃに導くための導通穴２９ａが、上側受け座２９に形成されている。縁部２９ｂをガイドにして、上側エレメント２６の上端部が保持される。上側エレメント２６と仕切り管３０間には円筒状の空間２６ａが形成されており、上側フィルタ２６でフィルタリングされた作動ガスの吐出流路を形成する。
【００２６】
仕切り板２７の中央部には、段付の穴が形成されており、この段付部に仕切り管３０の下端が嵌合する。仕切り板２７の上面外周部には上に突き出た縁部２７ａが形成されている。上側エレメント２６は、下端部をこの縁部２７ａでガイドされて保持される。仕切り板２７の下面側であって、縁部２７ａの径よりも小径位置にも段差２７ｂが形成されている。下側エレメント２５は、内外２重の円筒で構成されており、外側のエレメント２５ｂの上端部を段差２７ｂ部で保持する。内側のエレメント２５ａと外側のエレメント２５ｂ間には、隙間が形成されている。
【００２７】
下側エレメント２５の下端部を保持するために、固定ボルトの段付部に下側受け坐２８が嵌合している。下側受け座の中央部には上下両面とも突起部２８ｃ、２８ｄが形成されている。上側の突起部２８ｃは、内側エレメント２５ａの下端部を内周側で保持する際のガイドとして利用される。同様に、下側の突起部２８ｄは、コイルばね２８ａを保持するガイドとして利用されている。
【００２８】
下側の突起部２８ｄをガイドとしてコイルばね２８ａを配置した後に、ばね押さえ２８ｂでコイルばね２８ａの下端部を押さえ、固定ボルト３１の下端部に形成したねじ部にナット３１ａをねじ込む。なお、下側受け座２８と固定ボルト３１の間を、Ｏ−リング３１ｃでシールする。各エレメント２５、２６を、段差部や突起部をガイドとして組み込んだ後に、ナット３１ａを締めると、固定ボルト３１に張力が作用して、下側エレメント２５は下側受け座２８と仕切り板２７とで、上側エレメント２６は仕切り板２７と上側受け座２９とで挟持される。
【００２９】
このように構成した第２のフィルタ１０ｂでは、圧縮機本体５０から吐出されアフタークーラ９で冷却された作動ガスが、図２に示した矢印のように流動する。すなわち、入口流路２３ａに流入した作動ガスは、第２の入口流路２４ｂ内の固定ボルト３１の外周面に沿って下方に流れる。そして、仕切り管３０と固定ボルト３１間の隙間をさらに下方に流れて、第１のフィルタ手段であるマイクログラスファイバーエレメント２５の内周部に到る。
【００３０】
内側のマイクログラスファイバーエレメント２５ａの内周側に流入した作動ガスは、軸方向から半径方向に流れ方向を変え、内側エレメント２５ａ、円筒空間２５ｂ、次いで外側エレメント２５ｂの順に、下側エレメント２５を内側から外側に向かって通過する。その際、油分は除去されて、ボトルケース２１の底部に貯蔵される。つまり、マイクログラスファイバーエレメント２５は、油分を内部に蓄積しないので、分子またはミスト状の油分が液化して、下側エレメント２５の外周面からボトルケース２１の底部に落下する。
【００３１】
なお、下側エレメント２５を２重にすることにより、１重の場合に比べ、以下の利点を有する。内側エレメント２５ａで捕集された油分は、内側エレメント２５ａの外周面に沿って下方に集まる。その結果、外側エレメント２５ｂには、油分が減少した作動ガスが流入する。２つのエレメント２５ａ、２５ｂ間には、円筒空間２５ｃが形成されているので、この空間２５ｃで外側エレメント２５ｂへ流入するガス流速が一様化される。１個の厚いエレメントを使用するよりも、油分の除去性能が向上する。
【００３２】
下側エレメント２５を通過した作動ガスは、ボトルケース２１内で流れ方向を変え、一旦上昇してから内向きの半径方向流れとなって、第２のフィルタ手段である機能性活性炭エレメント２６の外周から内側に向かう。そしてこの上側のエレメント２６を通過する際に、さらに油分が除去される。エレメント２６の内周と仕切り管３０の外周との間には円筒空間２６ａが形成されており、この空間２６ａは、連通穴２９ａを介して上部の円筒空間２９ｃに連通しているので、作動ガスは、フランジ蓋２２に形成した吐出流路２４ａから出口孔２４に導かれ、外部へ流出する。
【００３３】
本実施例では詳細を略したが、第１のフィルタ１０ａ装置には、図２に示したマイクログラスファイバーエレメント２５と同様のエレメントが内蔵されている。第１のフィルタ装置１０ａ内のエレメントと第２のフィルタ装置１０ｂ内のマイクログラスファイバーエレメント２５とが、１次および２次フィルタとして油分の除去作用をし、活性炭エレメント２６が３次フィルタとして作用する。
【００３４】
したがって３次フィルタに流入する前に、すでに１次および２次のマイクログラスファイバーエレメントで作動ガスから油分が除去されるので、作動ガス中の油分を極少化できる。活性炭は油分を細胞内に捕獲するので有限寿命であるが、本実施例ではこの活性炭フィルタ２６の前段として、１次および２次のマイクログラスファイバーフィルタを設け、予め油分を極少化しているので、活性炭フィルタの交換寿命を長くすることができる。あるいは、必要除去油分量を基準にフィルタ装置を製作すれば、必要活性炭容量を少なくでき、フィルタ装置を小型化できる。１次および２次フィルタのマイクログラスファイバーエレメントは油分を蓄積しないので、エレメントの交換が不要であり、半永久的に使用可能である。この結果、フィルタ装置１０の寿命が延びるとともに信頼性が向上する。
【００３５】
本実施例では、高圧容器であるフィルタケースを２個しか必要としないので、圧縮機設備の製作費を低減でき、経済的である。なお、第１のフィルタ装置ケースを、圧縮機最終段のスナッバーと兼用することもできる。その場合、高圧容器数を更に低減でき、経済的である。上記実施例で１次及び２次フィルタとして使用したマイクログラスファイバーは、過フッ化炭化水素樹脂で結合されたマイクログラスファイバー製コアレッシングエレメントである。このフィルタエレメントと３次フィルタエレメントとして機能性活性炭エレメントを用い、２次フィルタエレメントと３次フィルタエレメントとを同一のケース内に収容したので、作動ガス中に混入した油分をプロセスで許容される極少量、例えば１ｐｐｍ以下まで除去することができる。
【００３６】
以上述べたように本実施例によれば、吐出圧力が４０ＭＰａ以上となるような高圧でかつ油分を嫌う水素圧縮機において、ロッドパッキン部のシール性を確保するために微量のシール油を注入して用いても、フィルタ装置が確実にかつ長寿命で油分を作動ガスから除去するので、プランジャー式或いはピストン式圧縮機の信頼性及び生成ガスの品質を向上できる。また、圧縮機装置の製作コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係るプランジャー式水素圧縮機装置のフローシートである。
【図２】図１に示した圧縮機装置が備える第２のフィルタの縦断面図である。
【図３】図２に示したフィルタ装置のエレメント部の拡大図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…ガス供給口、２…圧縮機吸込みライン、３…１段圧縮機、４…２段圧縮機、５…１段吐出ライン、６…インタークーラ、７…２段吸込みライン、８…２段吐出ライン、９…アフタークーラ、１０…ガスフィルタ設備、１０ａ…第１のフィルタ装置、１０ｂ…第２のフィルタ装置（合成フィルタ装置）、１１…プラントへの送出口、２１…ボトルケース、２２…フランジ蓋、２３、２４…開口、２５…マイクログラスファイバーエレメント(下側エレメント)、２６…機能性活性炭エレメント(上側エレメント)、２７…仕切り板、２８…下側受け座、２９…上側受け座、３０…仕切り管、３１…固定ボルト、３２…ボルト、３３…ナット、３４…ドレン孔。
【図１】
0004509910.tif 000002
【図２】
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【図３】
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