(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダーと、該シリンダーの前端との間で圧縮室を区画する前端を有し前記シリンダー内で往復動するピストンプランジャーと、前記圧縮室に連通し前記ピストンプランジャーの往復動に応答して所定の流体を吸入する吸入口と、前記圧縮室に連通し前記ピストンプランジャーの往復動に連動して、前記圧縮室内の流体を吐出する吐出口とを有する往復動昇圧装置において、
前記シリンダーの後端部で前記ピストンプランジャーを往復動可能に支持し、前記シリンダーと前記ピストンプランジャーとの間隙を封止する封止装置と、
前記封止装置よりも前方で且つ封止装置に隣接して前記シリンダーに形成された潤滑油注入口と、
前記潤滑油注入口を経由して、前記シリンダーと前記ピストンプランジャーとの間隙に所定の圧力で潤滑油を注入する潤滑油注入装置とを備え、
少なくとも前記潤滑油注入口よりも所定距離前方の位置と前記圧縮室との間には、前記シリンダーと前記ピストンプランジャーとの間に一様な間隙が形成されており、該間隙には潤滑油を封止する封止装置を有しないで、
かつ、前記往復動昇圧装置の流体の吐出圧力をＰ（パスカル：Ｐａ）、前記潤滑油の注入圧力をＰｏ（Ｐａ）とし、前記ピストンプランジャーの直径をｄ、前記ピストンプランジャーと前記シリンダーとの間に形成された一様な間隙をδ、該一様な間隙が形成されたシリンダー部分の前記ピストンプランジャーの下死点の位置で計った長さをＬ、吐出圧力時における潤滑油の粘度をμ（Ｐａ・ｓ）とすると、下記関係が成立することを特徴とする往復動昇圧装置。
【数１】
0005069964.tif 000009
【請求項２】
往復動昇圧装置の流体の吸入圧力をＰｓとすると、下記関係が成立することを特徴とする請求項１に記載の往復動昇圧装置。
【数２】
0005069964.tif 000010
【請求項３】
前記往復動昇圧装置の流体の吐出圧力をＰ（パスカル：Ｐａ）、前記潤滑油の注入圧力をＰｏ（Ｐａ）とすると、０．５＜Ｐ／Ｐｏ＜４なる関係が成立することを特徴とする請求項１又は２に記載の往復動昇圧装置。
【請求項４】
前記シリンダーと前記ピストンプランジャーとの間隙δが、δ≦３０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の往復動昇圧装置。
【請求項５】
前記流体の吐出圧力Ｐが２０ＭＰａ≦Ｐ≦４００ＭＰａの範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の往復動昇圧装置。
【請求項６】
往復動昇圧装置の流体の吸入圧力をＰｓとすると、Ｐｓ＜Ｐｏ＜Ｐの関係が成立することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の往復動昇圧装置。
【請求項７】
前記ピストンプランジャーの外周面と、前記シリンダーの縦弾性係数が、それぞれ１．９×１０１１〜６．５×１０１１Ｎ／ｍ２の範囲であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の往復動昇圧装置。
【請求項８】
前記流体が重合性モノマー又は有機液体であることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の往復動昇圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石油化学工業の原料などとして使用される流体を圧縮する際に好適に使用される往復動昇圧装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、例えば、高圧法ポリエチレンの製造プロセス等において、モノマー又は有機溶剤等の液体を２０ＭＰａ〜４００ＭＰａの超高圧流体として反応させるプロセスにおいて、その昇圧装置として使用するのに好適な往復動昇圧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧法ポリエチレンの製造プロセスにおいては、圧力２０ＭＰａ〜４００ＭＰａの超高圧でエチレンの反応が行われている。このため、高圧法ポリエチレンの生産現場においては、常温・常圧下で気体または液体の流体を圧力２０ＭＰａ以上の超高圧に圧縮する圧縮機（昇圧装置）が多数使用されている。このような高圧を発生させるためには、往復動圧縮機（往復動昇圧装置）が特に適しており、石油化学工業の現場で広く使用されている。往復動圧縮機では、ピストンプランジャーの軸封が重要であり、原料ガスがピストンプランジャー用の軸孔から漏洩しやすく、外部に漏洩があると火災、爆発等の原因となる。また、原料は超高圧とされるために、その封止には高度の技術が必要とされる。
【０００３】
一般に、往復動圧縮機の軸封手段としては、ピストンプランジャーの軸封部に潤滑油を注入して封止する技術が採用されている。例えば、特許文献１には、縦型の往復動圧縮器を用い、シリンダーの内壁に沿って潤滑油を滴下させ、ピストンプランジャーの前端に形成した油溝に受けることで、ピストンプランジャーとシリンダーとの間に潤滑油を供給し、これによって流体の軸封を行う技術が記されている。
【０００４】
また、特許文献２には、シリンダーとピストンプランジャーとの間隙に潤滑油を注入し、その潤滑油を軸方向前方及び後方のパッキンで間隙内に封止する高圧プランジャーポンプが記載されている。このプランジャーポンプでは、パッキンと潤滑油の双方を用いて流体を軸封するものであり、約２５ＭＰａ以上の超高圧での流体圧縮が可能な旨が記載されている。
【特許文献１】特開昭６２−１０４８２号公報（図１）
【特許文献２】特開平２−９５７７８号公報（図１）
【非特許文献１】潤滑油の高圧物性とトライボロジー  高圧力の科学と技術Ｖｏｌ．１１，Ｎｏ２（２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、高圧法ポリエチレン製造プロセスに用いる、上記２０〜４００ＭＰａの超高圧往復動昇圧装置の設計に当たり、以下のような考察を行った。特許文献１の圧縮機は、例えば真空ポンプなどの比較的低い圧力下において、潤滑油の滴下による流体の封止が可能である。しかし、モノマー又は有機液体等の流体の圧縮に必要な２０〜４００ＭＰａの超高圧でこの往復動昇圧装置を作動させると、圧縮すべき流体中に潤滑油が混入し、また、潤滑油により封止された間隙から流体が漏洩する問題がある。従って、上記超高圧下での利用は困難である。
【０００６】
また、特許文献２の超高圧圧縮機では、超高圧に耐える封止を可能にしているものの、圧縮室に隣接するパッキンには、圧縮室から大きな圧力が印加され、また、ピストンプランジャーの往復動による機械的な応力により、パッキンの損傷が大きいことから、実用的な耐久性が不足する問題があった。
【０００７】
更に、高圧法ポリエチレン製造プロセスには、エチレンとコモノマーとを共重合させるプロセスがあり、コモノマーの中には重合反応を起こし易いものがあり、重合反応を起こし易いコモノマーを圧縮する際に、パッキン等の機械的封止部材を用いると、軸封部の発熱によってコモノマーが重合し、トラブルの原因となる。このため、モノマーの重合に用いる往復動昇圧装置では、軸封部の発熱の防止も重要なファクタとなる。
【０００８】
本発明は、耐久性が高いために長期的に優れた軸封効果を示し、かつ、軸封部の発熱による副反応のおそれを除いた往復動昇圧装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明の第１の発明によれば、シリンダーと、該シリンダーの前端との間で圧縮室を区画する前端を有し前記シリンダー内で往復動するピストンプランジャーと、前記圧縮室に連通し前記ピストンプランジャーの往復動に応答して所定の流体を吸入する吸入口と、前記圧縮室に連通し前記ピストンプランジャーの往復動に連動して、前記圧縮室内の流体を吐出する吐出口とを有する往復動昇圧装置において、
前記シリンダーの後端部で前記ピストンプランジャーを往復動可能に支持し、前記シリンダーと前記ピストンプランジャーとの間隙を封止する封止装置と、
前記封止装置よりも前方で且つ封止装置に隣接して前記シリンダーに形成された潤滑油注入口と、
前記潤滑油注入口を経由して、前記シリンダーと前記ピストンプランジャーとの間隙に所定の圧力で潤滑油を注入する潤滑油注入装置とを備え、
少なくとも前記潤滑油注入口よりも所定距離前方の位置と前記圧縮室との間には、前記シリンダーと前記ピストンプランジャーとの間に一様な間隙が形成されており、該間隙には潤滑油を封止する封止装置を有しないで、
かつ、前記往復動昇圧装置の流体の吐出圧力をＰ（パスカル：Ｐａ）、前記潤滑油の注入圧力をＰｏ（Ｐａ）とし、前記ピストンプランジャーの直径をｄ、前記ピストンプランジャーと前記シリンダーとの間に形成された一様な間隙をδ、該一様な間隙が形成されたシリンダー部分の前記ピストンプランジャーの下死点の位置で計った長さをＬ、吐出圧力時における潤滑油の粘度をμ（Ｐａ・ｓ）とすると、下記関係が成立することを特徴とする往復動昇圧装置が提供される。
【数１】
0005069964.tif 000002
また、本発明の第２の発明によれば、第１の発明において、往復動昇圧装置の流体の吸入圧力をＰｓとすると、下記関係が成立することを特徴とする往復動昇圧装置が提供される。
【数２】
0005069964.tif 000003
また、本発明の第３の発明によれば、第１又は２の発明において、前記往復動昇圧装置の流体の吐出圧力をＰ（パスカル：Ｐａ）、前記潤滑油の注入圧力をＰｏ（Ｐａ）とすると、０．５＜Ｐ／Ｐｏ＜４なる関係が成立することを特徴とする請求項１又は２に記載の往復動昇圧装置が提供される。
また、本発明の第４の発明によれば、第１〜３のいずれかの発明において、前記シリンダーと前記ピストンプランジャーとの間隙δが、δ≦３０μｍであることを特徴とする往復動昇圧装置が提供される。
また、本発明の第５の発明によれば、第１〜４のいずれかの発明において、前記流体の吐出圧力Ｐが２０ＭＰａ≦Ｐ≦４００ＭＰａの範囲であることを特徴とする往復動昇圧装置が提供される。
また、本発明の第６の発明によれば、第１〜５のいずれかの発明において、往復動昇圧装置の流体の吸入圧力をＰｓとすると、Ｐｓ＜Ｐｏ＜Ｐの関係が成立することを特徴とする往復動昇圧装置が提供される。
また、本発明の第７の発明によれば、第１〜６のいずれかの発明において、前記ピストンプランジャーの外周面と、前記シリンダーの縦弾性係数が、それぞれ１．９×１０１１〜６．５×１０１１Ｎ／ｍ２の範囲であることを特徴とする往復動昇圧装置が提供される。
さらに、本発明の第８の発明によれば、第１〜７のいずれかの発明において、前記流体が重合性モノマー又は有機液体であることを特徴とする往復動昇圧装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の往復動昇圧装置によると、潤滑油注入口よりも前方側のシリンダーの部分には、前記ピストンプランジャーとの間に一様な間隙が形成されており、且つ、シリンダーとピストンプランジャーとの間に潤滑油を封止する封止装置を有しない構成を採用することにより、潤滑油と圧縮室との間に封止装置が存在しないため、封止装置の損傷に起因する装置の耐久性劣化のおそれを除き、且つ、封止装置の発熱などに起因する火災を防止する効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態の構成に先だって、本発明の原理を説明する。本発明は、前記のように、ピストンプランジャーの往復動によって流体を吸入・吐出して、２０ＭＰａ〜４００ＭＰａの超高圧流体を得るために好適な往復動昇圧装置であって、往復動を行うピストンプランジャーの外周面とピストンプランジャーが嵌装されたシリンダーとの間隙に軸封のための潤滑油が注入され、潤滑油の注入口よりピストンプランジャーの先端側には、潤滑油を封止するための機械的な封止装置を有しない超高圧往復動昇圧装置である。
【００１２】
本発明が採用する潤滑油の軸封機構は、従来は全く知られていなかった構造であって、潤滑油が注入される間隙と圧縮室との間に軸方向の封止装置を有しない。このように封止装置を除いても、吸入工程中に、潤滑油が圧縮室内に漏れ出すことがなく、且つ、昇圧工程中に、高圧の圧縮圧力によって潤滑油が圧縮室の圧力よりも低い潤滑油注入装置側に逆流しない原理は、以下の通りである。なお、以下の説明では、往復動昇圧装置における流体の吸入圧力をＰｓ、流体の吐出圧力をＰ、潤滑油の注入圧力をＰｏとする。
【００１３】
往復動昇圧装置の昇圧工程において、潤滑油の封止は、圧力上昇に伴い急激に粘度が上昇し流れにくくなる潤滑油の圧力依存特性と、狭い間隙に封入された潤滑油とピストンプランジャー壁面との摩擦により、ピストンプランジャーの移動方向と同方向の力がピストンプランジャーから潤滑油に作用することとによって得られる。このような原理による軸封は、従来、往復動昇圧装置の当業者には全く知られておらず、特に、２０〜４００ＭＰａの吐出圧力を有する往復動昇圧装置に適用できるとは、当業者には想像も出来なかったものである。なお、以下の説明では、本発明の実施形態の構成において、シリンダーとシリンダーライナーとを別体に構成したことにより、これらを別体のものとして説明するが、これらは一体に形成してもよい。
【００１４】
往復動昇圧装置の昇圧工程では、シリンダー内の被圧縮流体は、ピストンプランジャーが押し出されることにより、流体圧力が上昇し、Ｐｏ＜Ｐとなるため、シリンダーライナーとピストンプランジャーとの間隙に流体が逆流しようとする。このとき、ピストンプランジャーとシリンダーライナーとの間隙に封入した潤滑油には、被圧縮流体の超高圧の圧縮圧力Ｐと潤滑油の注入圧力Ｐｓとによる大きな差圧が印加される。この超高圧の差圧の存在下で上昇する潤滑油の粘度抵抗と、流体が逆流しようとする方向と逆方向に移動するピストンプランジャーによる潤滑油の摩擦抵抗に起因する大きな圧力損失とが、流体の逆流を阻止し、流体圧力よりも充分に低い潤滑油注入圧力下で、潤滑油のみによる流体の軸封を可能とする。なお、被圧縮流体の超高圧の吐出圧力Ｐと潤滑油の注入圧力Ｐｓとの間の差圧が小さい場合には、流体の逆流を生じさせる圧力自体が小さいため、このような逆流が起こらない。
【００１５】
また、往復動昇圧装置の吸入工程では、昇圧工程とは逆に圧縮室内の圧力が低下し、例えばＰｓ＜Ｐｏとなるため、封入された潤滑油が圧縮室内に流入しょうとする。しかし、潤滑油自体の粘度抵抗と、潤滑油が流入しようとする方向と逆方向に移動するピストンプランジャーと潤滑油の摩擦抵抗とによって、潤滑油が流入しようとする方向とは逆方向の力が作用し、圧縮室内への潤滑油の流入が抑制される。
【００１６】
シリンダーライナーと、ピストンプランジャーとの間隙（δ）が大きい場合には、例えばδが３０μｍよりも大きいと、ピストンプランジャーの移動により作用する摩擦抵抗がシリンダーライナー壁面側の潤滑油に充分には伝わらず、シリンダーライナー壁面と潤滑油との間でシリンダー内流体の逆流が発生するおそれがある。また、潤滑油で軸封するシリンダーライナーの長さ（Ｌ）が短い場合には、潤滑油の粘度抵抗による圧力損失が不足となり、シリンダー内の流体の逆流が発生する。このため、シリンダーライナーとピストンプランジャーとの間隙部分の構造を適当に設計することにより、潤滑油による軸封が可能となる。
【００１７】
本発明者は、流体及び潤滑油の軸封が可能な構造を検討するにあたり、直径がｄの円筒状のピストンプランジャーと、その外周面のシリンダーライナーとの間隙（δ）の中に潤滑油が存在する場合に、潤滑油がどのように挙動をするかを検討し、解析・実験を繰り返した。
【００１８】
上記解析では、ニュートン流体が平行板の間を層流で流れると仮定したときの潤滑油のリーク量の理論式として、以下の式が一般的に考えられる。
【数３】
0005069964.tif 000004
ここで、Qは潤滑油のリーク量、ΔPは潤滑油の注入圧力と圧縮室内の圧力との差圧、δはピストンプランジャーとシリンダーライナーとの間に形成された一様な間隙、ｄはピストンプランジャーの直径、μは吐出圧力時における潤滑油の粘度、Ｌは一様な間隙が形成されたシリンダー部分のピストンプランジャーの下死点の位置で計った長さである。
【００１９】
しかし、実験により得られた実測値は、間隙内の流体の速度分布が一様と見なせるような、間隙δが充分に小さな範囲、例えば、少なくともδ＜１００μｍの範囲では、上記一般的な理論式に一致しないことが判明し、粘度の圧力依存性を考慮に入れても充分な相関性が得られなかった。さらに検討を加えた結果、式（１）はＬが潤滑油のリーク量に対して反比例の関係にあるが、測定データを解析した結果、図２に示すように、潤滑油のリーク量がＬのほぼ２乗に反比例することが解明できた。その他の条件についても更に検討を重ねた結果、潤滑油の製品への混入量は、以下のような式で与えられることを見出した。
【数４】
0005069964.tif 000005
ここで、Q’は間隙を通る流体のリーク指数（m2/h）、Ｐｓは超高圧往復動昇圧装置の流体の吸入圧力（Ｐａ）、Ｐｏは軸封のための潤滑油の注入圧力（Ｐａ）、δはピストンプランジャーとシリンダーライナー間の間隙（ｃｍ）、ｄはピストンプランジャーの直径（ｃｍ）、μはシール圧力における潤滑油の粘度（Ｐａ・ｓ）、Ｌは先に述べた一様な間隙の軸方向の長さを、下死点の位置で計ったものである。吸入圧力Ｐｓは、例えば０〜０．４ＭＰａ程度であり、また、潤滑油の注入圧力Ｐｏは、装置の性能に依存し、例えば、０．５＜Ｐ／Ｐｏ＜４程度に選定する。
【００２０】
往復動昇圧器装置の吸入工程で、潤滑油が製品ガスに混入しても製品の品質に影響を与えないようにするためには、上記Ｑ’の値を、例えば、
−１００＜Ｑ’＜０
の範囲に保つ。Ｑ’の上限０は、製品に混入する潤滑油の量が０に相当する値であり、下限−１００は、製品に混入する潤滑油の量がその製品にとって許容範囲となる値である。下限は、製品及びその要求品質に依存する。
【００２１】
また、昇圧工程では、Ｑ’における往復動昇圧装置の吸入圧力Ｐｓを、吐出圧力Ｐに置き換えた次式：
【数５】
0005069964.tif 000006
を導入し、
【数１】
0005069964.tif 000007
を満たすように設計する。Ｑ”の値を上限３０m2/h以内に選定した昇圧装置では、種々の実験の結果、潤滑油を軸封している封止材や潤滑油注入装置に発生する圧力上昇や圧力変動が低く抑えられ、また、潤滑油のみによる流体の軸封が可能となることが見出された。
【００２２】
上式（３）が示すところは、式（３）が成立するように左辺の値を限界値以下に抑えると、流体昇圧時においても、潤滑油によるシールが、吐出圧力によって実質的に影響を受けない効果が得られる。例えば、Ｑ”が上記限界値を超えたときに、潤滑油を軸封している封止材や潤滑油注入装置に大きな圧力上昇及び圧力変動が発生する例が見られた。このような軸封部の圧力上昇及び圧力変動は、潤滑油により流体を軸封するポンプにおいて大幅な寿命低下をもたらす。
【００２３】
上記構成を採用した往復動昇圧装置は、潤滑油によってピストンプランジャーの軸封を可能とし、パッキン等の機械的手段によって潤滑油と流体との間を軸封する方式ではないため、ピストンプランジャーの運動が滑らかで、磨耗も小さく、機械的な封止部の高圧負荷に伴う寿命低下の問題を解決する。また、流体の圧縮、超高圧流体の移送等においても、保守が容易で、長期にわたり安定して運転をすることができる。
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に基づいて本発明を更に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る往復動昇圧装置の構成を示す。超高圧往復動昇圧装置１は、耐圧シリンダー２を有し、耐圧シリンダー２には、シリンダーライナー４を内装するための収容孔が軸方向に穿設され、収容孔内にシリンダーライナー４が挿入され、耐圧シリンダー２に結合される。
【００２５】
シリンダーライナー４には、ピストンプランジャー３を、その往復動が可能な状態に嵌装するライナー室が軸方向に延び、ピストンプランジャー３がライナー室内に挿入され装着される。なお、シリンダーライナー４は、圧縮された流体Ｍの漏洩を防止するため、ピストンプランジャー３の前端が往復動可能な範囲Lにおいて、ピストンプランジャー３との間隙が極小となるように構成され、内面は高度な鏡面仕上げとされる。
【００２６】
ピストンプランジャー３は、流体Ｍを昇圧する際に、別途搭載された動力装置（図示せず）の駆動によって、往復動を行う。シリンダーライナー４の先端（図１においては右側）には、流体Ｍを圧縮するための圧縮室５が形成され、圧縮室５には、逆止弁を有する吸込口５ａと吐出口５ｂとが連設される。
【００２７】
また、シリンダーライナー４の後部（図１においては左側）には、封止用潤滑油Ｓを注入するための潤滑油注入口６が形成され、潤滑油注入口６は、潤滑油注入ポンプ７を介して潤滑油槽８に連結される。一般には、封止用の潤滑油Ｓがピストンプランジャー３の全周に分配されるように、潤滑油注入口６が形成された部分はシリンダーライナー４の直径を他の部分よりも大きくし、ピストンプランジャー３とシリンダーライナー４の間隙を大きくしている。
【００２８】
シリンダーライナー４の潤滑油注入口６より後方には、ピストンプランジャー３が嵌装された状態において、潤滑油Ｓの後方漏れを防止するために、封止材１０が装着される。ピストンプランジャー３の後方側の封止材１０は、通常のパッキンやグランドあるいはピストンリング等の機械的な軸封装置によって行うことができる。その理由は、通常の化学工業等で使用される反応原料となる流体Ｍの軸封よりも、潤滑油Ｓの軸封の方がはるかに容易であり、また、漏れがあった場合にも事故の発生が少ないからである。
【００２９】
一方、潤滑油注入口６より前方は、潤滑油Ｓによって化学原料等の流体Ｍを封止する。したがって、補助的な使用を排除するものではないが、一般には、機械的な封止材は使用することなく、ピストンプランジャー３とシリンダーライナー４間の間隙を前記式（３）に従って小さくし、その間隙に潤滑油Ｓを注入することによって封止を行う。これによって、流体Ｍと潤滑油Ｓとが分割状態を維持し、両者が混合することなく、潤滑油Ｓによって、圧縮された流体Ｍを封止することができる。なお、封止材の補助的な使用とは、ピストンプランジャーの往復動によって封止材が実質的に損傷を受けない程度に、封止材とピストンプランジャーとの間、又は、封止材とシリンダーライナーとの間に、大きな間隙が存在することを意味する。
【００３０】
本発明の往復動昇圧装置１を用いて、化学原料等の流体Ｍを圧縮するときは、シリンダーライナー４にピストンプランジャー３を嵌装すると共に、潤滑油注入口６より潤滑油Ｓが注入される。ピストンプランジャー３とシリンダーライナー４との間隙に注入される潤滑油Ｓは、当該往復動昇圧装置１の吐出圧力と軸封のための潤滑油Ｓの圧力とが、次の式（４）の関係を保つように保持されるのが好ましい。
０．５＜Ｐ／Ｐｏ＜４          （４）    
ここで、Ｐは超高圧往復動昇圧装置の流体の吐出圧力（Ｐａ）、Ｐｏは軸封のための潤滑油の注入圧力（Ｐａ）である。
【００３１】
式（４）から明らかなように、本発明の往復動昇圧装置は、従来の常識では考えられないようなＰ＞Ｐｏの条件でも流体Ｍの漏洩を防止することができ、Ｐ／Ｐｏが、Ｐ／Ｐｏ≒４と大きな値であっても、軸方向の軸封を可能にする。また、プロセスへの潤滑油Ｓの混入による障害が極めて大きい場合を除いて、Ｐ／Ｐｏが０．５近くの条件であっても、実用化が可能である。なお、Ｐ／Ｐｏが小さい場合には、軸封のための潤滑油圧力が高圧になるため、高度な潤滑油昇圧装置が必要となり、また、Ｐ／Ｐｏが大きい場合には、昇圧装置自体の構造が大型化となる。このためにも、前式（３）を満たすように設計するのが望ましい。
【００３２】
本発明は、実験と解析によって、新規な往復動昇圧装置の設計を可能としたものであり、特に性能の高い超高圧往復動昇圧装置を得るためには次の条件を採用することが望ましい。
【００３３】
条件１：圧力設計
軸封のための潤滑油Ｓが間隙に封入された状態において、往復運動を行うピストンプランジャー３の外周面とピストンプランジャー３が嵌装されたシリンダーライナー４が次式（３）
【数１】
0005069964.tif 000008
を満足する。ここで、Ｐは超高圧往復動昇圧装置の流体の吐出圧力（Ｐａ）、Ｐｏは軸封のための潤滑油の注入圧力（Ｐａ）、δはピストンプランジャーとシリンダーライナー間の間隙（ｃｍ）、ｄはピストンプランジャーの直径（ｃｍ）、μはシール圧力における潤滑油の粘度（Ｐａ・ｓ）、Ｌは一様な間隙が形成されたシリンダー部分のピストンプランジャーの下死点の位置で計った長さ、換言すると、潤滑油で軸封するシリンダーライナーの長さ（ｃｍ）である。
【００３４】
潤滑油Ｓの粘度の圧力特性は、非特許文献１に記載されている落球下高圧粘度測定法等で測定することができる。図１に示されるピストンプランジャー３とシリンダーライナー４間の間隙δの寸法は、シリンダーライナー４、及び、耐圧シリンダー２全体が圧縮された流体Ｍの圧力によってわずかではあるが膨張する。このため、その膨張の計算を行って補正することが望ましく、膨張の計算は、（往復動昇圧装置の吐出圧力＋軸封のための潤滑油Ｓの注入圧力）／２で定義されるシリンダーライナー４にかかる平均圧力によって行われる。
【００３５】
潤滑油で軸封するシリンダーライナーの長さＬに関しては、例えば、往復動昇圧装置が吸入工程から圧縮工程へ移る瞬間の際（下死点）での長さとする。上述の方法で圧縮機やポンプを設計すれば、驚くべきことに、圧縮された流体Ｍは、パッキンやピストンリング等の機械的な軸封装置を使用せずとも潤滑油Ｓのみによって流体Ｍ側の軸封機構を形成できる。これは、理論解析と実験とにより確かめられた。
【００３６】
条件２：潤滑油Ｓ（シール条件における潤滑油の粘度）
本発明による潤滑油Ｓによる封止は、２０ＭＰａ以上の高圧流体Ｍを対象としており、この場合、式（３）で示した高圧下での潤滑油Ｓの粘度（Ｐａ・ｓ）は、一般的なトライボロジーの検討で実施されている、非特許文献１に記載されている落球下高圧粘度測定法等で測定することが可能である。
【００３７】
また、本発明で使用される潤滑油Ｓとしては、ミネラルオイル、ポリブテンオイル、ポリアルキルグリコールオイル等を挙げることができるが、本発明を実施するにあたっては、これに限られるものではない。しかし、ミネラルオイル（鉱物油）の使用が望ましく、また、常圧、４０℃における動粘度が７５ｍｍ２／ｓから６５５ｍｍ２／ｓ程度が望ましい。
【００３８】
条件３：往復動昇圧装置の材料
ピストンプランジャー３とシリンダーライナー４の材質としては、耐圧性と耐磨耗性を有する材料であれば、いかなる材料であってもよいが、ピストンプランジャー３の外周面と、シリンダーライナー４の縦弾性係数が、それぞれ、１．９×１０１１〜６．５×１０１１Ｎ／ｍ２である材料が望ましく、特に、タングステンカーバイド（例えば、タングステンカーバイド粒を、コバルトを使って焼結加工したもの）を使用することが望ましい。
【００３９】
実際に設計された往復動昇圧装置の一例は、以下の仕様を有する。
（１）ポンプ仕様
ｄ＝１．０μｍ、Ｌ＝５．６ｃｍ、δ＝２６．０μｍ
（２）ポンプ運転条件
Ｐ＝２８０ＭＰａ、Ｐｏ＝１００ＭＰａ、Ｐｓ＝０．２ＭＰａ、ρ＝６．５５μＰａ・ｓ（吐出圧力時）
（３）Ｑ”の値
Ｑ”＝２９．０
【００４０】
本発明の往復動昇圧装置は、圧縮室側の潤滑油の封止装置を除いたことにより、封止装置の損傷による昇圧装置の耐久性低下が防止でき、且つ、封止装置の発熱に起因する副反応により発生する火災などの事故を防止できる。上記のように、２０〜４００ＭＰａの高圧下で潤滑油の封止装置を除く構成は、従来は知られておらず、このような構成を採用しても、潤滑油が圧縮装置内に漏れ出さず、且つ、圧縮流体が潤滑油によって封止できるという実用的な効果を得ることは、当業者の従来の常識を覆すものである。
【００４１】
以上、本発明をその好適な実施例に基づいて説明したが、本発明の往復動昇圧装置は、上記実施例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る往復動昇圧装置の一例を示す模式的縦断面図。
【図２】潤滑油のシール長さ（Ｌ）と、潤滑油の漏れ量との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００４３】
１：往復動昇圧装置
２：耐圧シリンダー
３：ピストンプランジャー
４：シリンダーライナー
５：圧縮室
５ａ：吸入口
５ｂ：吐出口
６：潤滑油注入口
７：潤滑油注入ポンプ
１０：封止材
Ｍ：流体
Ｓ：潤滑油
【図１】
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【図２】
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