(57)【要約】【課題】本発明は、シリンダ側面に気体を注入しつつメカラン（圧縮用ガスを圧縮しないで運転）状態とすることにより、ラビリンスピストンとシリンダの干渉のない運転を可能とすることを目的とする。【解決手段】本発明によるラビリンスピストン式往復動圧縮機及びその運転方法は、前記ラビリンスピストン(1)の軸方向のピストン長さ(A)は、ラビリンスピストン(1)のピストンストローク(B)よりも長く、前記シリンダ(2)のシリンダ側面(2A)には、シリンダ側面(2A)に気体を注入するための配管(22)とノズル(21)が形成され、前記気体をシリンダ側面(2A)に注入しつつガスを圧縮しないメカラン状態とする構成と方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸込配管(23)及び吐出配管(24)に接続されたシリンダ(2)内に往復動自在に設けられピストン棒(4)に接続されたラビリンスピストン(1)を有し、前記ラビリンスピストン(1)の外周面は前記シリンダ(2)の内周面に対して隙間(D)を有する構成としたラビリンスピストン式往復動圧縮機において、
前記ラビリンスピストン(1)の軸方向のピストン長さ(A)は、前記ラビリンスピストン(1)のピストンストローク(B)よりも長く、前記シリンダ(2)のシリンダ側面(2A)には前記シリンダ側面(2A)に気体を注入するための配管(22)とノズル(21)が形成され、前記気体を前記シリンダ側面(2A)に注入しつつガスを圧縮しないメカラン状態とする構成としたことを特徴とするラビリンスピストン式往復動圧縮機。
【請求項２】
前記気体は、低圧エア又は圧縮用ガスからなることを特徴とする請求項１記載のラビリンスピストン式往復動圧縮機。
【請求項３】
前記ノズル(21)を有する配管(22)は、圧縮用ガス用の前記吸込配管(23)に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載のラビリンスピストン式往復動圧縮機。
【請求項４】
前記ノズル(21)を有する配管(22)には、圧縮用ガス用のリザーバタンク(28)が接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載のラビリンスピストン式往復動圧縮機。
【請求項５】
吸込配管(23)及び吐出配管(24)に接続されたシリンダ(2)内に往復動自在に設けられピストン棒(4)に接続されたラビリンスピストン(1)を有し、前記ラビリンスピストン(1)の外周面は前記シリンダ(2)の内周面に対して隙間(D)を有する構成としたラビリンスピストン式往復動圧縮機を用い、
前記ラビリンスピストン(1)の軸方向のピストン長さ(A)は、前記ラビリンスピストン(1)のピストンストローク(B)よりも長く、前記シリンダ(2)のシリンダ側面(2A)には前記シリンダ側面(2A)に気体を注入するためのノズル(21)が形成され、前記気体を前記シリンダ側面(2A)に注入しつつガスを圧縮しないメカラン状態とすることを特徴とするラビリンスピストン式往復動圧縮機の運転方法。
【請求項６】
前記気体は、低圧エア又は圧縮用ガスからなることを特徴とする請求項５記載のラビリンスピストン式往復動圧縮機の運転方法。
【請求項７】
前記ノズル(21)を有する配管(22)は、圧縮用ガス用の前記吸込配管(23)に接続されていることを特徴とする請求項５又は６記載のラビリンスピストン式往復動圧縮機の運転方法。
【請求項８】
前記ノズル(21)を有する配管(22)には、圧縮用ガス用のリザーバタンク(28)が接続されていることを特徴とする請求項５又は６記載のラビリンスピストン式往復動圧縮機の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラビリンスピストン式往復動圧縮機及びその運転方法に関し、特に、メカラン(圧縮用ガスを圧縮しないで運転)状態とした場合に、ラビリンスピストンとシリンダの干渉のないメカランを可能とするための新規な改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ラビリンスピストン式往復動圧縮機は、図４〜図６に示すようにラビリンスピストン１の外周面１ａとシリンダ２のシリンダ内周面２ａとの間に微少な隙間Ｄを有しているため摺動部がないことが特徴であるが、その反面、高回転運転を行った場合など圧縮機の振動が大きくなると、ラビリンスピストン１が振動によってシリンダ内周面２ａと干渉して運転不能となる。特にピストン振動系の固有振動数と運転回転数ｎ次成分が近接した場合には、共振によってラビリンスピストン１の振動が大きくなる（後述の図７に示された２ケ所の状態を参照）。そのため、圧縮機の許容運転回転数はラビリンスピストンの振動特性によって制限されることが一般的である。そこで従来より、非特許文献１に示されるようなピストン振動系の安定判別を行うことによる危険運転回転数の回避設計、および振動系応答ゲインの評価による回転数の制限設計を行ってきた。
【０００３】
一方、従来よりラビリンスピストン式往復動圧縮機では、運転中にはシリンダ内の圧縮ガスによってラビリンスピストン１には調心作用が発生することが経験的に知られている。前述の図７に種々の負荷条件で圧縮機を運転した時の圧縮機の運転回転数とピストン振幅の応答ゲインの関係を測定した結果の一例を示す。ラビリンスピストン１が何の制限もなく自由に振動できる状態（図中細い実線）では、ラビリンスピストン１振動の応答ゲインは回転数の増加とともに上昇し、加えて上述のようにピストン振動系の固有振動数と運転回転数ｎ次成分が近接した場合には共振によるピークを生じる。圧縮機がガスの圧縮を行うと（図中太い点線および実線）ラビリンスピストン上下に差圧が発生することにより、言い換えるとピストンとシリンダの微少隙間を流れるガスの流体力によって調心作用が発生し、ラビリンスピストン振動の応答ゲインの上昇を抑制すると共に、共振ピークを消失させる効果を発揮する。その効果は、ラビリンスピストン上下差圧０．１ＭＰａ程度で十分なものである。この調心作用を利用すれば、上述のピストン振動特性による運転回転数の種々の制限は緩和され、より自由な運転回転数の設計、例えば高速運転が可能となる。
【０００４】
しかしながら、完成時の工場内試運転や、メンテナンス後の試運転などガスを圧縮しない所謂メカラン状態では（図７中細い点線）、ラビリンスピストン上下にほとんど差圧が発生しない、言い換えるとピストンとシリンダ間を流れるガスが存在しないため、調心作用が発生せず、ピストン振動の応答ゲイン抑制効果は見られない。
そのため、現在のラビリンスピストン式往復動圧縮機の設計においては、調心作用は考慮せず、上述のピストン振動系の安定判別によって設計を行っている現状である。図１０に、現状のラビリンスピストン式往復動圧縮機のメカラン構成を示す。
【０００５】
すなわち、図１０において符号１で示されるものはシリンダ２内に隙間Ｄを介して往復動自在に設けられたラビリンスピストンであり、このラビリンスピストン１はピストン棒４を介してクランク軸７の連接棒６に接続されたクロスヘッド５に接続されている。また、前記シリンダ２内には、ストレーナ１１を介して外部からの圧縮用ガス（この場合空気）が供給できるように構成されている。
ここで、本出願人が現在実施している、係数励振系の安定判別方法の事例を示す。本事例はラビリンスピストン式往復動圧縮機の設計に関するもので、ピストンの振動によるピストンとシリンダの干渉を事前に検証して設計に反映させるためのものである。
本解析では、振動モデルとして図８に示すような、２点支持梁の一端に集中荷重をもち、ラビリンスピストンの往復動により、梁（ピストンロッド）のバネ定数が時間的変化をするモデルを考える。強制振動としては、シリンダのガス振動、不釣合い重量によるフレームの振動が考えられるが、本論文では、フレームの振動による強制振動を考える。
ここで、導出されるラビリンスピストンの運動方程式は次の数１の(１)式のように表される。
【０００６】
【数１】
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【０００７】
この方程式を数値的に解き、図９に示す安定判別図により不安定回転数などを求める。
実際の圧縮機設計において、求められた不安定回転数と、圧縮機の運転回転数を比較することにより、設計に反映する。具体的には、不安定回転数を回避するよう、設計・調整などを行うことになる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】１９８２年発行の日本製鋼所技報Ｎｏ．４１、６１〜６６頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のラビリンスピストン式往復動圧縮機は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
以上述べたような現状の設計では、ラビリンスピストン式往復動圧縮機の実際の定格運転条件ではピストン振動の抑制に有効に作用すると期待される調心作用を利用しないことを前提に、圧縮機の運転回転数に種々の制限を設けることとなり、特に高速運転を行おうとした際に大きな足かせとなっている。一方で、調心作用を利用することを前提とした設計を行った場合には、メカラン時においては十分な調心作用を発生できないため、ピストンとシリンダの干渉により運転が不可能となる恐れがある。
本発明は、調心作用を利用することを前提とした設計により製作されたラビリンスピストン式往復動圧縮機のメカランを行う際にも、ラビリンスピストン振動の応答ゲイン抑制効果が十分に発揮されるだけの調心作用を発生させることが可能なラビリンスピストン式往復動圧縮機及びその運転方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるラビリンスピストン式往復動圧縮機は、吸込配管及び吐出配管に接続されたシリンダ内に往復動自在に設けられピストン棒に接続されたラビリンスピストンを有し、前記ラビリンスピストンの外周面は前記シリンダの内周面に対して隙間を有する構成として圧縮用ガスを圧縮するラビリンスピストン式往復動圧縮機において、前記ラビリンスピストンの軸方向のピストン長さは、前記ラビリンスピストンのピストンストロークよりも長く、前記シリンダのシリンダ側面には前記シリンダ側面に気体を注入するための配管とノズルが形成され、前記気体を前記シリンダ側面に注入しつつ圧縮用ガスを圧縮しないメカラン状態とする構成であり、また、前記気体は、低圧エア又は圧縮用ガスそのものからなる構成であり、また、本発明によるラビリンスピストン式往復動圧縮機の運転方法は、吸込配管及び吐出配管に接続されたシリンダ内に往復動自在に設けられピストン棒に接続されたラビリンスピストンを有し、前記ラビリンスピストンの外周面は前記シリンダの内周面に対して隙間を有する構成として圧縮用ガスを圧縮するラビリンスピストン式往復動圧縮機を用い、前記ラビリンスピストンの軸方向のピストン長さは、前記ラビリンスピストンのピストンストロークよりも長く、前記シリンダのシリンダ側面には前記シリンダ側面に気体を注入するためのノズルが形成され、前記気体を前記シリンダ側面に注入しつつ圧縮用ガスを圧縮しないメカラン状態とする方法であり、また、前記気体は、低圧エア又は圧縮用ガスそのものからなる方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によるラビリンスピストン式往復動圧縮機は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、吸込配管及び吐出配管に接続されたシリンダ内に往復動自在に設けられピストン棒に接続されたラビリンスピストンを有し、前記ラビリンスピストンの外周面は前記シリンダの内周面に対して隙間を有する構成として圧縮用ガスを圧縮するラビリンスピストン式往復動圧縮機及びその運転方法において、前記ラビリンスピストンの軸方向のピストン長さは、前記ラビリンスピストンのピストンストロークよりも長く、前記シリンダのシリンダ側面には前記シリンダ側面に気体を注入するための配管とノズルが形成され、前記気体を前記シリンダ側面に注入しつつガスを圧縮しないメカラン状態とする構成としたことにより、ラビリンスピストンとシリンダの間には、絶えず外部から配管を経てガス等の気体の流れが存在することにより、気体の流体力によってラビリンスピストンには調心作用が発生して、ラビリンスピストン振動の応答ゲインが抑制され、ピストンとシリンダの互いの干渉を防止した運転が可能となる。
また、前記気体は、低圧エア又は圧縮用ガスそのものからなるが、試運転時などの場合には、その入手性から、低圧エアが好適である。
この低圧エア源としては、例えば、工場エア又は計装エアを使用するが、仮にこのようなガスの設備がない場所での前述のメカランを行う場合でも、可搬式のベビコンを利用することで間に合わせることができる。
また、ノズルを有する配管は、圧縮用ガス用の吸込配管に接続されていることにより、圧縮用ガスのノズルへの供給が容易となる。
また、ノズルを有する配管には、圧縮用ガス用のリザーバタンクが接続されていることにより、リザーバタンクからの圧縮用ガスをノズルに容易に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明によるラビリンスピストン式往復動圧縮機のメカラン時の構成図である。
【図２】図１の他の形態を示す構成図である。
【図３】図１の他の形態を示す構成図である。
【図４】従来のラビリンスピストン式往復動圧縮機を示す構成図である。
【図５】図４の要部を示す拡大断面図である。
【図６】図５のＡ部を示す拡大断面図である。
【図７】従来の圧縮機（図１）の圧縮用ガスの圧縮運転状態を示す特性図である。
【図８】非特許文献１の圧縮機の解析モデルを示す説明図である。
【図９】図８の圧縮機の安定判別を示す安定判別図である。
【図１０】現状のメカラン時のシリンダ周辺の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、シリンダ側面に気体を注入しつつメカラン（圧縮用ガスを圧縮しないで運転）状態とすることにより、ラビリンスピストンとシリンダとが干渉のない運転状態となることにより、ラビリンスピストンとシリンダの干渉のない運転を可能とするようにしたラビリンスピストン式往復動圧縮機及びその運転方法を提供することを目的とする。
【実施例】
【００１４】
以下、図面と共に本発明によるラビリンスピストン式往復動圧縮機及びその運転方法の好適な実施の形態について説明する。
尚、従来例と同一又は同等部分には、同一符号を付して説明する。
図１において、符号１で示されるものはシリンダ２内に隙間Ｄを介して往復動自在に設けられたラビリンスピストンであり、このラビリンスピストン１はピストン棒４を介してクランク軸７の連接棒６に接続されたクロスヘッド５に接続されている。また、前記シリンダ２内には、ストレーナ１１を介して外部からの圧縮用ガス（この場合空気）が供給できるように構成されている。
さらに、前記シリンダ２のシリンダ側面２Ａには、外部からの配管２２が接続され、この配管２２のノズル２１がシリンダ２の両側の前記シリンダ側面２Ａに開口した状態で接続され、気体として、低圧エアを利用する場合を示している。
前述のメカラン時においても、ピストンとシリンダ２間に十分な調心作用を確保するだけのガスの流れを発生させるため、ピストン１の長さを圧縮機のストローク長さより十分に長く取ると同時に、シリンダ２の内壁面のピストンストロークの中間に相当する位置に、円周方向に等間隔に少なくとも４箇所のノズル２１を設け、外部から配管２２を通して供給された低圧エアを、該ノズル２１からピストン１とシリンダ２の間に注入できるようにしたものである。なお、図には示していないが、配管２２には、シリンダ２近傍に閉止バルブを設けて、メカラン終了後は該閉止バルブを閉じると共に、不要となった配管２２を取り外せる構造にすることができる。
【００１５】
また、図２は図１の他の形態を示すもので、前述の低圧エアの代りに圧縮用ガスを使用する場合の模式図である。
すなわち、図１と同一部分及び同等部分には同一符号を付し、その説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
前記各シリンダ側面２Ａに開口して接続された各ノズル２１は、配管２２を介して吸込配管２３に接続され、吸込配管２３は閉止フランジ２６、シリンダ弁３及び閉止フランジ２６を経て吐出配管２４に接続され、この吐出配管２４にはベント配管２５が接続されている。
【００１６】
図２の形態は、圧縮用ガスに十分な元圧がある場合に限り使用可能であるが、圧縮用ガスが空気以外のプロセスガスである場合でも、メカラン終了後にガス置換を行うことなく実負荷運転に移行できる利点がある。この場合、吸込配管２３は、シリンダ２の入口で閉止フランジ２６などによりシリンダ２と切り離される。この閉止フランジ２６より上流の吸込配管２３から分岐された配管２２より供給される圧縮用ガスはノズル２１を通ってピストン１とシリンダ２の間に注入される。また吐出配管２４も閉止フランジ２６などによりシリンダ２と切り離され、前記ノズル２１より注入された圧縮用ガスは、この閉止フランジ２６よりも上流から分岐したベント配管２５を通って適当な場所に放出される。また、本実施形態においても、配管２２にはシリンダ２の近傍に図示していない閉止バルブを設けてある。メカラン終了後は、該閉止バルブを閉じ、吸込配管２３、吐出配管２４は設置された閉止フランジ２６を取り除いてシリンダ２と連通させ、同時に図示しないベント配管２５の閉止バルブを閉止することで、圧縮用ガスを圧縮するための実負荷運転に移行する。
【００１７】
図３の形態では、前記ノズル２１に操作弁２９を介してリザーバタンク２８が接続され、前記吐出配管２４は逆止弁２７を介して前記リザーバタンク２８に接続されている。
前述の場合、前記吐出配管２４から分岐して、逆止弁２７を介して接続されたリザーバタンク２８に圧縮機によって圧縮された高圧の圧縮用ガスが貯蔵され、操作弁２９の開放によって、配管２２を経由してノズル２１を通してピストン１とシリンダ２の間に注入される。本実施形態では、圧縮用ガスに元圧がなくても、圧縮機によって高圧に圧縮された圧縮用ガスを利用することができ、操作弁２９を操作することによって、図２に示した実施例同様、圧縮用ガスが空気以外のプロセスガスである場合でも、ガス置換を行うことなく実負荷運転に移行できる利点があり、特に圧縮機起動時の無負荷運転に効果を発揮する。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明によるラビリンスピストン式往復動圧縮機及びその運転方法は、シリンダ側面に気体を注入しつつメカラン（圧縮用ガスを圧縮しないで運転）状態とすることにより、ラビリンスピストンとシリンダの干渉のない運転を可能とし、メカラン状態のラビリンスピストン振動の応答ゲインが抑制され、ラビリンスピストン１とシリンダ２の干渉を防止することができる。
【符号の説明】
【００１９】
１    ラビリンスピストン
２    シリンダ
２Ａ    シリンダ側面
３    シリンダ弁
４    ピストン棒
５    クロスヘッド
６    連接棒
７    クランク軸
１１    ストレーナ
２１    ノズル
２２    配管
２３    吸込配管
２４    吐出配管
２５    ベント配管
２６    閉止フランジ
２７    逆止弁
２８    リザーバタンク
２９    操作弁
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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