JP2005521838A - 流体除去装置を備えた往復動ピストン及び流体除去方法 - Google Patents

Abstract

往復動ピストンは円柱状本体と少なくとも２個の離間したリングシールとを含む。円柱状本体は中空シリンダ内において往復動可能とされるとともに、リングシールは円柱状本体の周囲に配置される。円柱状本体内には除去装置が設けられる。除去装置は内室と一方向流体通路を含む。内室は離間するリングシールの間の空間と流体接続する。内室内の流体圧がシリンダ室内の流体圧よりも大きい時に、一方向流体通路は内室からシリンダ室への一方向の流体流通を許容する。流体除去方法は、ピストンシールから漏出した流体を収集する工程と、収集した流体をピストン内に配置された除去装置を介して元のシリンダ室へ戻す工程とを含む。

Description

本発明は流体除去装置を備えたピストン、及び流体除去方法に関する。ピストンは流体遮断壁として作用する一方で、シリンダ内において往復動する。流体除去装置及び方法は、ピストンリングシールから漏出した流体を除去するために設けられる。

ピストンとシリンダの間を確実に密封することは、所謂「浮動」ピストン圧縮機では特に重要である。浮動ピストン圧縮機にはピストンロッドがなく、圧縮機シリンダ内に設けられるピストン対向側室間の圧力差によってピストンの移動は制御される。一方の室は駆動室として作用し、反対の室は圧縮室として作用する。圧縮行程の間には、作動流体が駆動室へ供給されることにより、圧縮室内の流体は圧縮される。吸入行程の間には、作動流体が駆動室から取り除かれるとともに新しい流体が圧縮室へ流入する。

実際の圧力差は小さいが、流体圧の絶対値は非常に大きい。例えば浮動ピストン圧縮機では、吐出圧が約３４．５ＭＰａ（５０００ｐｓｉ）を超える。
ピストンリングの故障は有害な結果をもたらす。閉ループ液圧装置では、液圧装置からの作動流体の漏出を阻止することが重要である。作動流体が圧縮室へ漏出するとまた、圧縮流体を汚染するおそれがある。一例として、エンジンの燃料として利用されるガスが圧縮流体であり、且つ作動流体が燃料へ漏出するならば、作動流体が燃料中に存在することによりエンジン排気ガスの汚染物質レベルが高くなる。ピストンシールにより確実且つ効果的な密封が得られないならば、圧縮機の下流に流体セパレータが必要となる。流体セパレータを設けることでより複雑になるとともに費用が増大するのに加えて、この装置を横切る際の圧力降下によって圧縮装置の効率は低下する。従って、作動流体の圧縮流体への漏出を最小限にするピストンシールが好ましい。

また、圧縮流体の液圧装置への漏出は防護されなければならない。例えば圧縮流体がガスであるならば、ガスが液圧装置へ流入すると液圧ポンプが破損し、或いは液圧装置の作動が停止する可能性がある。

従って、ピストンシールから漏出した流体を除去するとともに、除去した流体を元のピストン室へ戻す高圧往復ピストン及びシリンダ装置が必要とされる。

往復動ピストンは中空シリンダ内において往復動可能な円柱状本体を含む。往復動ピストンは中空シリンダを第１シリンダ室と第２シリンダ室に分け隔てる。少なくとも２個の離間するリングシールが円柱状本体の周囲に配置されることにより、往復動可能な円柱状本体と中空シリンダの内壁の間が密封される。除去装置は円柱状本体内に配置される。この除去装置は内室と一方向流体通路とを含む。内室は離間するリングシールの間の空間と流体接続する。一方向流体通路は内室から第１シリンダ室への流体の一方向流を許容する。好適な実施形態において、一方向流体通路は逆止弁を含み、逆止弁は内室から第１シリンダ室へ流体を一方向のみに流通させる。

第１シリンダ室から発生しリングシールの一方から漏出した流体は、離間するリングシールの間の空間から収集されて、内室へ向けられる。内室内の流体圧が内室からの流出に関連する流出損失に打ち勝つ程度に第１シリンダ室内の流体圧よりも高い時には、流体は
元の第１シリンダ室へ返流する。

除去装置は更に環状空隙を含み、環状空隙は円柱状本体の周囲であって離間するリングシールの間に配置されることにより、除去された流体の収集が促進される。
除去装置により回収される流体はガス又は液体である。流体が液体である時には、除去装置は好適には、内室からの液体の吐出を援助する機構を更に含む。

一実施形態において、圧縮部材はこの目的のために使用される。圧縮部材の容積が減少することにより、内室内に収集された除去流体が収容される。内室内の液体圧がシリンダ室内の液体圧よりも高い時には、圧縮部材の容積が拡張することにより、液体を内室から吐出させる。この圧縮部材の一例は、空気又は窒素等の圧縮性ガスが充填される袋である。適切な圧縮部材の別の例は独立気泡発泡部材であり、各気泡は小袋として作用する。

ピストンが浮動ピストンであり、且つ第１及び第２シリンダ室の両方に流体が収容される時には、２個の除去装置を使用して各流体は各々の元のシリンダ室へ戻される。この２個の除去装置は独立した装置であってもよく、或いは後述するように相互に協働してもよい。

例えば、浮動ピストン装置を使用してガスを圧縮してもよい。この場合、第１シリンダ室にはガスが充填されるとともに、第２シリンダ室には作動油等の駆動流体が充填される。別の例では、ガスはガス圧を使用して液体ポンプを駆動する装置の駆動流体であってもよい。

２個の除去装置が相互に協働する例において、組み合わされた除去装置は、除去されたガスの圧力を利用して、除去された液体を液体充填シリンダ室へ返流させる。この実施形態において、変位部材が内室内に配置されることにより、内室は２個の副室に分け隔てられる。この部材はガス充填副室内のガス圧の影響を受けて変位可能であり、除去された液体を液体充填副室内から吐出させる。除去された液体は一方向流体通路を介して液体充填シリンダ室へ戻される。

この組み合わされた除去装置と関連する装置は、第１リングシール対と第２リングシール対を含む。第１リングシール対は液体充填シリンダ室と結合するピストン本体の側面を密封するとともに、第２リングシール対はガス充填シリンダ室と結合するピストン本体の側面を密封する。第１リングシール対の間の空間は液体充填副室と流体接続されており、液体充填シリンダ室から漏出した液体は液体充填副室内に収集される。第２リングシール対の間の空間はガス充填副室と流体接続されており、ガス充填シリンダ室から漏出したガスはガス充填副室内に収集される。

装置がガス圧縮機である例では、作動中において、液体が液体充填シリンダ室である駆動室から取り除かれるガス吸入工程の間には、液体充填シリンダ室内の液体圧は最小である。ピストン本体内において、ガス充填シリンダ室及び液体充填シリンダ室内の流体圧が最大となる圧縮行程の間には、ガス充填副室及び液体充填副室には除去装置へ漏出した除去流体が充填される。従って、ガス吸入工程の間に副室内の流体圧は、圧縮行程間の各シリンダ室圧力よりも低く、且つ吸入行程間の各シリンダ室圧力よりも高い中間圧力となる。流体漏出率は各シリンダ室によって異なることから、これにより２個の副室には圧力差が存在する。吸入行程の間において、圧縮室内のガス圧は駆動室内の液体圧よりも高圧であることから、ガス充填副室内のガス圧は、少なくともガス圧及び液体圧の圧力差だけ液体充填副室内の液体圧よりも高圧になる傾向がある。従って、ピストン本体を移動させる圧力差と少なくとも同じ圧力が内室内の部材に作用してその部材を変位させることにより、液体充填副室からの液体の吐出が促進されるとともに、除去された液体の液体充填シリ
ンダ室への返流が促進される。

吸入行程間におけるガスシリンダ室内のガス圧は、装置及び装置の用途に左右される。例えば、装置がガスを約２７．６ＭＰａ（４０００ｐｓｉ）の圧力まで圧縮する圧縮機である場合には、吸入行程間におけるガス圧は圧縮比が１０対１であるならば約２．７６ＭＰａ（４００ｐｓｉ）となり、圧縮比が２対１であるならば約１３．８ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）となる。いずれの場合においても、圧縮行程及び吸入行程の間には圧力差が確立されるとともに、圧縮行程の間に捕獲された除去ガスが元の室から漏出する時には、除去流体の中間圧力は吸入圧よりもかなり高くなる。中間圧力値と各吸入圧との差によって、副室と各シリンダ室の圧力差は流出損失に打ち勝つ程度に大きくなり、結果的に除去流体が回収される。一例として、図３Ａ及び図３Ｂの実施形態を参照すると、僅かな量の液体が副室３２０ａに漏出するならば、副室３２０ｂ内の捕獲された除去ガス圧は変位部材（３２６，３２８）を移動させる程度に高くなり、副室３２０ａの容積は除去された液体の容積に実質的に一致する。副室及び各シリンダ室の圧力差によって除去された流体は回収されるが、容積が固定されている副室と比べて、変位部材の移動によって除去された液体の流体回収が促進される。

装置が液体ポンプである例において、除去装置は略同様に作動するが、液体がポンプ室へ供給されるとともに、ガスが駆動室から除去される時には、シリンダ室の圧力は最低になる。液体の吸入工程の間に、副室内の流体圧は各シリンダ室の流体圧よりも高くなり、この場合、ガス充填副室内のガス圧によって内室内の部材を移動させて液体充填副室から液体を吐出させることにより、除去された液体は液体充填副室から液体充填シリンダ室へ戻される。液体吸入行程の間に、液体充填シリンダ室内の液体圧はガス充填シリンダ室内のガス圧よりも高圧となるので、ガスをガス充填シリンダ室へ戻す逆止弁が選択され、充分なガス圧をガス充填副室内に保持して液体を除去装置から吐出する解放力が要求される。代わりに他の周知の手段を採用することにより、同じ効果を達成してもよい。一例として、ガスをガス充填シリンダ室に戻す一方向ガス通路の断面面積を減少させてもよく、或いはガス流を制限して流出損失を大きくするオリフィスを備えてもよい。しかしながら、全ての実施形態において、充分な圧力差が存在するならば、除去された液体及び除去されたガスは各々のシリンダ室へ同時に戻される。

一例として、内室内に配置される変位部材は可撓性流体不透過膜又は往復動ピストンである。
流体漏出を抑制するための付加的な特徴は面シール装置である。面シール装置は円柱状ピストン本体と対向するエンドプレート面の間を密封する。ピストン行程の間でピストンが方向を変化させた時、或いは装置が停止した時に、ピストン端面はエンドプレート面と接触する。好適な装置において、ピストンシール面及び端面の一方は弾性部材を含む。ピストンリングシールの周囲においてエンドプレートに設けられた流体口からの流出を抑制するために、端面のシール面及び対応するエンドプレート面は、流体口を包囲する連続環状形状を有する。同様に、ピストン端面に設けられた開口の周囲には、好適には密封領域が設けられており、開口は除去装置からの一方向流体通路の流出口である。

往復動ピストンの好適な装置において、ピストンは、
（ａ）第１端面と第２端面とを含む円柱状本体と、
（ｂ）第１端面に近接して円柱状本体の周囲に配置される第１リングシールと、
（ｃ）第２端面に近接して円柱状本体の周囲に配置される第２リングシールと、
（ｄ）少なくとも１個の中間リングシールと、中間リングシールは円柱状本体の周囲であって第１及び第２リングシールの間でそれらのリングシールから離間して配置され、
（ｅ）円柱状本体内に配置される除去装置とを含み、除去装置は、
第１第１内室と、第１内室は第１リングシールと中間シールの間の空間と流体接続し
、
第１一方向流体通路と、第１内室内の流体圧が第１シリンダ室内の流体圧よりも高い時に、第１シリンダ室から発生した第１流体は第１内室から第１一方向流体通路を通り第１シリンダ室へ流れ、
第２内室と、第２内室は第２リングシールと中間シールの間の空間と流体接続し、
第２一方向流体通路とを含み、第２内室内の流体圧が第２シリンダ室内の流体圧よりも高い時に、第２シリンダ室から発生した第２流体は、第２内室から第２一方向流体通路を通り第２シリンダ室へ流れる。

シリンダ室から発生するとともに往復動ピストン本体と連結するピストンシールから漏出した流体を除去する方法を提供する。本方法は、
離間するリングシール対の間から除去された流体を収集する工程と、リングシールはピストン本体の周囲に配置され、
ピストン本体内に保持された除去流体の流体圧がシリンダ室内の流体圧よりも低い時には、ピストン本体内に除去流体を保持する工程と、
ピストン本体内の除去流体圧がシリンダ室内の流体圧よりも高い時には、除去流体を元のシリンダ室へ返流する工程とを含む。

除去された流体が液体である時には、一実施形態において本方法は更に、内室内の圧力がシリンダ室内の圧力よりも低い時には、除去された流体をピストン本体の内室内に保持するとともに、内室内に配置された圧縮部材を圧縮する工程を含む。圧縮部材は、内室内の流体圧がシリンダ室内の流体圧よりも高い時に、内室から流体を吐出するように膨張可能である。一例として、圧縮部材はガスが充填された流体不透過袋、又は独立気泡発泡体片を含む。

別の実施形態では、ピストン本体内の内室は変位部材によって２個の副室に分け隔てられる。副室は相互に流体分離されており、除去されたガス及び除去された液体は各々の副室に保持される。第１シリンダ室から発生し除去された液体は、ピストン本体の周囲に配置された離間する第１リングシール対の間から収集される。第２シリンダ室から発生し除去されたガスは、ピストン本体の周囲に配置された離間する第２リングシール対の間から収集される。本方法は更に、除去された液体の流体圧が第１シリンダ室内の流体圧よりも低圧である時には、除去された液体を各副室内に保持する工程と、除去されたガスの流体圧が第２シリンダ室内の流体圧よりも低圧である時には、除去されたガスを各副室内に保持する工程と、除去されたガスの圧力を利用して変位部材を移動させることにより、除去された液体を副室から吐出させる工程とを含む。好適な実施形態では、変位部材は可撓性流体不透過膜、又は内室の中空円柱状部分内に配置される内側ピストンである。

好適な実施形態において、本方法は更に、ピストンが停止した時、或いは吸入工程の完了時に、ピストンをエンドプレート近くの位置に戻す工程を含み、ピストンのシール面はエンドプレートの一面と接触してその面を密封する。

図1を参照すると、図１は往復ピストンアセンブリ１００を示す概略部分断面図である。
往復ピストンアセンブリ１００はシリンダ１０２とシリンダ１０２内に配置されるピストンとを含む。ピストンはシリンダ１０２をピストンの一方側に設けられるシリンダ室１０４と、ピストンの他方側に設けられるシリンダ室１０６に分け隔てる。

ピストンは円柱状本体１１０を含み、円柱状本体１１０はシリンダ１０２のボアと嵌合する。全実施形態において、ピストン本体は好適には円柱状であり、ボアは好適には円形であるが、シリンダ本体の形状がシリンダボアの形状と適合するのであれば、他の形状も
可能である。

図１の実施形態において、離間した２個のリングシール１１２、１１４は、圧縮室１０４と対向するピストン側面付近において、ピストン本体１１０とシリンダ１０２の間を密封する。

除去装置は円柱状本体１１０内に配置されており、シリンダ室１０４からリングシール１１２を通って漏出した流体を捕獲する。除去装置は流体通路１１３を含み、流体通路１１３はリングシール１１２、１１４間の空間をピストン本体１１０内の内室１２０と流体接続する。

一方向流制御装置１３６は流体通路１３８に配置されており、内室１２０からピストンヘッド１４０を通りシリンダ室１０４への流体の一方向流を許容する。一方向流制御装置はここでは、流体通路を通る一方向流を許容する装置として定義される。この装置は当該技術分野に属する者には逆止弁として知られており、一例としてボール逆止弁、ばね補助式ボール逆止弁、ウェハ逆止弁、及びディスク逆止弁等の多種に亘る適切な逆止弁がある。シリンダ室１０４内の圧力が内室１２０内の圧力よりも低く、且つ圧力差が一方向流制御装置１３６を解放する程度に大きい時に、流体は一方向流制御装置を通り流れる。

一例として、ピストンアセンブリ１００はガス圧縮機の一部として使用され、シリンダ室１０４は圧縮室として作用してもよい。ピストン本体１１０は駆動手段によりコネクティングロッド（図示なし）を介して作動させられ、或いはシリンダ室１０６内の作動流体圧力により作動させられる。図１を参照すると、圧縮行程において、ピストン本体１１０は左方向へ移動することによりシリンダ室１０４のガスを圧縮する。圧縮行程の間に、圧縮ガスがリングシール１１２から漏出するならば、ガスは離間するリングシール１１２及び１１４の間の空間において捕獲されるとともに、流体通路１１３を通り内室１２０へ流れる。図１に示すように、流体通路１１３は環状溝を含む。環状溝はピストン本体１１０の外面に形成されており、漏出したガスの収集を助長する。

漏出したガスは、内室内のガス圧がシリンダ室１０４内のガス圧よりも大きくなるまで、ピストン本体１１０内の圧力が維持される。一般的に、圧縮行程の間には漏出したガスはピストン本体１１０内に保持されるとともに、シリンダ室１０４内のガス圧力がかなり低い吸入行程の間に、流体通路１３８及び一方向流制御装置１３６を介してシリンダ室１０４に戻される。

図１に示す装置は全種類の流体を除去するように利用することができるが、この装置は圧縮性ガス等の圧縮可能な流体を除去するのに最適である。なぜなら、流体自体の流体圧を利用して、流体をシリンダ室１０４へ戻すことができるからである。しかしながら、往復ピストンアセンブリ及び除去装置を使用して液体等の非圧縮性流体を回収する際には、除去された液体をシリンダ室へ押し戻す機構（例えば、図２Ａ及び図２Ｂ、又は図３Ａ及び図３Ｂの実施形態を参照して以下に詳述する機構等）を設けると好ましい。

図２Ａ及び図２Ｂはピストンアセンブリ２００の２実施形態を示しており、各ピストンアセンブリ２００は、除去された液体を元のシリンダ室へ戻すために使用される除去装置を有する。これらの図面において、各図面における同一の符号は同様の構成要素を示すとともに、同様の構成要素は実質的に同じであるならば各実施形態に対して記載されない。これらの実施形態において、圧縮部材は除去された液体を除去装置の内室２２０から吐出させるために使用される。

図２Ａ及び図２Ｂは圧縮部材の２つの好適な実施形態を示しているが、他の圧縮部材を
同様に作動させることにより実質的に同様な結果を得てもよい。例えば、圧縮部材は分子レベルで圧縮可能である一方で実質的に不透過性の固体であってもよい。別の例では、圧縮部材は流体不透過性表皮層或いは被膜内に密封される解放構造を備えてもよい。

本質において、圧縮部材は図２Ａ及び図２Ｂを参照して以下に記述するように作用する。除去された流体が液体であり、従って圧縮性でない時には、圧縮部材は除去された液体の圧力に基づいて容積が減少し、内室２２０内には除去された液体を収容するための空間が形成される。シリンダ室２０４内の流体圧が内室２２０内の除去された液体の圧力よりも小さい時には、除去された流体はシリンダ室２０４へ戻される。除去された流体が内室２２０から流出するにつれて、圧縮部材に作用する流体圧が減少するとともに、圧縮部材の容積が増大して、除去された流体の内室２２０からの吐出が助長される。

図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、ピストン本体２１０はシリンダ２０２内において往復動可能であり、ピストンアセンブリ２００は多くの周知の用途に適するように作動可能である。一例として、ピストンアセンブリ２００はシリンダ室２０４内の作動流体圧力を使用してシリンダ室２０６内のガスを圧縮し、或いは別の用途では、ピストンアセンブリ２００を使用してシリンダ室２０４内の液体をポンプで送り出す。

リングシール２１２及び２１４は、可動ピストン本体２１０と中空シリンダ２０２の内側壁の間を動的に密封する。駆動室２０４からリングシール２１２を通り漏出する液体は流体通路２１３を通り内室２２０へ流れる。

図２Ａに示す特定の実施形態を参照すると、圧縮部材は袋２２２の形状を有しており、内室２２０内に配置される。袋２２２には圧縮性ガスが充填されており、袋２２２により占有される容積が自動的に拡大することにより、除去された液体が充填されていない内室２２０の容積は満たされる。一例として、袋２２２には窒素又は空気等のガスが充填される。除去される液体は圧縮性ではないので、内室２２０へ向けられる除去液体を収容するために、袋内のガスが圧縮することにより袋の容積が縮小する。

内室２２０内の圧力がシリンダ室２０４内の圧力よりも高圧である時には、袋の圧力及び除去された流体を内室２２０から押し出させる袋容積の拡大により、除去された液体は流体通路２３８及び一方向流制御装置２３６を通りシリンダ室２０４へ戻される。

図２Ｂに示す実施形態は図２Ａの実施形態と本質的には同様に作用するが、袋２２２に代えて、本実施形態では圧縮性独立気泡発泡部材２２３を使用する点が異なる。発泡部材２２３の各気泡は小袋として作用し、発泡部材が膨張及び収縮することにより、除去液体が充填されていない内室２２０の容積が満たされる。袋２２０と同様に、内室２２０内の流体圧がシリンダ室２０４内の流体圧よりも大きい時（典型的には、ピストンアセンブリ２００がガス圧縮機であるならばガス吸入行程の間、或いはピストンアセンブリ２００が液体ポンプであるならば流体吸入行程の間）に、発泡部材２２３の容積が拡大することにより、除去された液体をシリンダ室２０４へ押し戻す。

ピストンが浮動ピストンとして知られているものである時には、ピストンはピストン本体の対向側面に作用する流体圧力差により作動する。浮動ピストン圧縮機において、ピストンはシリンダを圧縮室と駆動室に分けており、ピストンリングシールは作動流体の圧縮室への流入を抑制するとともに、圧縮流体の駆動室への流入を抑制する。浮動ピストン装置では、一方のシリンダ室から他方のシリンダ室への流体の漏出を阻止することが重要であることから、浮動ピストン圧縮機では２個の除去装置を使用してもよい。例えば、液圧駆動式浮動ピストンにおいては、１個の除去装置を使用してピストンリングシールから漏出した作動流体を回収するとともに、除去された作動流体を駆動室へ戻す。第２除去装置
を使用してピストンリングシールから漏出した圧縮流体を回収するとともに、除去された圧縮流体を圧縮室へ戻す。

図３Ａ及び図３Ｂは結合された除去装置を備えたピストンを示しており、除去装置は除去されたガスの流体圧を使用してピストン本体内の部材を変位させることにより、除去された液体を元のシリンダ室へ戻す。図３Ａ及び図３Ｂにおいて使用される同一の符号は、実質的に同じに作動する同様の特徴を表す。これらの実施形態において、装置３００は液圧駆動式浮動ピストンガス圧縮機として記載されているが、当該技術分野に属する者であれば、本実施形態はまた、一例として油圧駆動式液体ポンプ等の他の浮動往復ピストン用途にも採用され得ることは理解できる。

図３Ａの実施形態において、浮動ピストン本体３１０はシリンダ３０２内に配置されており、ピストン本体３１０はシリンダ３０２の内容積を圧縮室３０６（ガスが充填される）と駆動室３０４（作動流体が充填される）に分ける。

リングシール３１２及び３１４は相互に離間し且つ駆動室３０４に近接しており、作動流体の駆動室３０４からの漏出を阻止する。リングシール３１６及び３１８は相互に離間し且つ圧縮室３０６に近接しており、圧縮流体の圧縮室３０６からの漏出を阻止する。

ピストン本体３１０は内室を含み、内室はピストン本体３１０内に設けられる。変位部材は内室内に配置されており、内室を副室３２０ａと副室３２０ｂに分ける。副室３２０ａは作動流体用の除去装置と連結されており、副室３２０ｂは圧縮流体用の除去装置と連結される。

作動流体がリングシール３１２から漏出するならば、リングシール３１２から離間するリングシール３１４は、作動流体がシリンダ本体３１０とシリンダ３０２の間から更に漏出するのを阻止する。代わりに除去装置は、除去された作動流体が駆動室３０４へ戻されるまで、その作動流体を流体通路３１３及び副室３２０ａに保持させる。他の実施形態と同様に、副室３２０ａ内圧力が駆動室３０４内の流体圧よりも大きく、且つ一方向流制御装置３３６を横切る流体圧力差が制御装置を解放する程度に大きい時には、除去装置は除去された作動流体を一方向流制御装置３３６及び流体通路３３８を介して駆動室３０４へ戻す。これは典型的には、作動流体が駆動室３０４から除去されるガス吸入行程の間に生じる。

同様に、圧縮流体がリングシール３１６から漏出するならば、リングシール３１６から離間するリングシール３１８は圧縮流体がシリンダ本体３１０とシリンダ３０２の間から更に流出するのを阻止する。代わりに除去装置は、除去された圧縮流体が圧縮室３０６へ戻されるまで、その圧縮流体を流体通路３１７及び副室３０２ｂに保持させる。他の実施形態と同様に、除去装置は除去された流体を元のシリンダ室へ戻す。換言すれば、副室３２０ｂ内の圧力が圧縮室３０６内の流体圧よりも高い時には、除去された圧縮流体は一方向流制御装置３３７及び流体通路３３９を通り圧縮室３０６へ戻される。これは典型的には、圧縮流体圧が圧縮流体供給圧まで降下するガス吸入行程の間に生じる。圧縮流体供給圧は圧縮行程間における圧縮室３０６内の圧力よりもかなり低い。

図３Ａの実施形態の特徴は変位部材であり、変位部材はピストン本体３１０内の内室に配置される。図示する実施形態において、変位部材はピストン３２６であり、ピストン３２６は内室内において往復動可能とされている。リングシール３２７はピストン２２６とピストン本体３１０の内面の間を密封しており、副室３２０ａ及び３２０ｂの間からの流体漏出を阻止する。ピストン３２６は副室３２０ｂのガス圧及び副室３２０ａの流体容積の影響を受けて均衡位置に移動する。ガス吸入行程において、作動流体が駆動室３０４へ
戻される時には、副室３２０ｂ内にある除去されたガスの圧力によってピストン３２６に力が付与されて、作動流体は副室３２０ａから吐出させられる。

ピストン本体３１０は可動ピストンヘッド３４０を含み、可動ピストンヘッド３４０が取り外し可能とされることにより、内側ピストン３２６が取り付け及び取り外される。
図３Ｂの実施形態において、内室を副室３２０ａと３２０ｂに分け隔てる変位部材は可撓性流体不透過膜３２８である。膜３２８及びスペーサ３４２はシリンダ本体３１０と蓋３４０の間で挟持される。スペーサ３４２はキー溝（図示なし）を含み、キー溝はピストン本体３１０の特徴と協働して、スペーサ３４２を通過する流体通路部分を、ピストン本体３１０を通過する流体通路３１３部分と確実に一致させる。一方向流制御装置３３６はスペーサ３４２内に配置されるように図示されているが、蓋３４０内に配置されてもよい。

図３Ａの実施形態と同様に、図３Ｂの実施形態において、除去された作動流体は副室３２０ａに導入されるとともに、除去された圧縮流体は副室３２０ｂに導入される。駆動室３０４の圧力が副室３２０ａの圧力よりも低い時には、副室３２０ｂ内の圧縮流体圧により膜３２８が湾曲させられて、作動流体は副室３２０ｂから除去させられる。

全実施形態と同様に、図３Ａ及び図３Ｂにおいては、副室（３２０ａ、３２０ｂ）及び副室と結合する室（３０４及び３０６の各々）の間の圧力差が、除去された流体を副室から副室と結合された各室へ戻す主な手段である。図３Ａ及び図３Ｂに図示するものと同様の変位部材を使用して、除去された流体は以下の段落において説明するように回収される。

図３Ａにおいて、圧縮室３０６にガスが充填され、且つ駆動室３０４に作動流体が充填される圧縮行程の間には、副室３２０ｂと副室３２０ａの間には非常に大きな圧力差が存在する。副室３２０ａの容積が除去された作動流体の容積と等しくない限り、液体が駆動室３０４から漏出しても副室３２０ａ内には実質的に圧力が存在しない。副室３２０ｂでは、ガスは膨張可能な流体であるので、圧縮行程の間に除去されたガスは膨張して副室３２０ｂを満たすとともに、圧力差が変位部材３２６に作用する。この圧力差により、副室３２０ａの容積が除去された作動流体の容積と等しくなるまで内側ピストン３２６が移動させられる。このようにして、内側ピストン３２６は圧縮行程の間に圧力差により移動させられる。

更に図３Ａを参照すると、吸入行程の間に作動流体は駆動室３０４から流出し、ピストン３１０は左側から右側へ移動するとともに、圧縮室３０６へ流入するガスの圧力は駆動室３０４の作動流体圧よりも大きくなる。除去されたガスは圧縮行程の間に副室３２０ｂで捕獲されており、その圧力は圧縮室３０６内のガス圧よりも高圧である。従って、吸入行程の開始時点において、除去されたガスの一部は回収されて圧縮室３０６へ戻される。しかしながら、一方向弁３３７及び流体通路３３９を流通するガスに関連する流出損失が存在することから、副室３２０ｂに残留するガスの圧力は圧縮室３０６内のガス圧力よりも高圧の状態で維持される。同時に、副室３２０ａ内の作動流体圧が駆動室３０４内の圧力よりも高いならば、吸入行程の開始時点において作動流体の一部は回収されて駆動室３０４へ戻される。吸入行程の間には、圧縮室３０６内のガス圧は駆動室３０４内の作動流体圧よりも高いので、副室３２０ｂ内に存在する除去されたガスの圧力は副室３２０ａ内に存在する除去された作動流体の圧力よりも高くなる。ピストン３１０及びシリンダ３０２間の摩擦に打ち勝つ程度の圧力差が副室３２０ａ及び３２０ｂに存在することにより、内側ピストン３２６及びピストン３１０間の摩擦に打ち勝つことができる。従って、吸入行程の間には、回収された作動流体量によって除去された作動流体の容積は減少させられるので、副室３２０ｂ内に存在する除去されたガスの圧力によって内側ピストン３２６は
右側へ変位して、副室３２０ａの容積を減少させる。

少量のみが漏出する時には、除去された流体を元の室へ戻す程度に除去装置の流体圧が大きくなる前に、多数のサイクルが生じる。流体が液体であり、且つ副室が固定した容積を有するならば、図１に図示する実施形態と同様に、除去装置内において圧力が増大して、吸入行程の間に液体が連結する元の室に戻される前には、除去装置の流体包含部には液体が充填されなければならない。図３Ａ及び図３Ｂの実施形態において、（図３Ａでは変位ピストンによって、また図３Ｂでは変位膜によって）副室の容積は変更可能である。従って、副室３２０ｂ内のガス圧が可動部材（３２６，３２８）を移動させることにより、副室３２０ａから液体は吐出させられる。

図４は往復動ピストンの実施形態を図示しており、往復動ピストンは２個の独立した除去装置を含む。図３Ａ及び図３Ｂの実施形態と同様に、装置４００は例えば往復動可能な浮動ピストンを有するガス圧縮機であってもよい。この例において、ピストン本体４１０はシリンダ４０２内に配置されており、ピストン本体４１０はシリンダ４０２の内容積を（作動流体が充填される）駆動室４０４と（天然ガス等の圧縮流体が充填される）圧縮室４０６とに分け隔てる。

リングシール４１２及び４１４は相互に離間するとともに駆動室４０４に近接しており、作動流体の駆動室４０４からの漏出を阻止する。リングシール４１６及び４１８は相互に離間するとともに圧縮室４０６に近接しており、圧縮流体の圧縮室４０６からの漏出を阻止する。この例において、圧縮流体は圧縮装置４００により圧縮されるガスである。

ピストン本体４１０はその内部に設けられる２個の独立した内室を含む。本実施形態に示す作動流体除去装置は、図２Ａに示す除去装置と同様であるのに対して、圧縮流体除去装置は図１に示す除去装置と同様である。当該技術分野に属する者であれば、異なる除去装置の実施形態を図４に示すものと取り換えることにより、実質的に同じ結果を達成することが可能であり、また図４に示す実施形態は２個の独立した装置を含む除去装置の一例であることは理解し得る。

除去された作動流体は流体通路４１３を通り内室４２０ａへ流れる。袋４２２は室４２０ａ内に配置されるとともに、圧縮流体が充填される。内室４２０ａ内の作動流体圧が駆動室４０４内の流体圧よりも充分に大きい時には、膨張可能な袋４２２の助力を得て作動流体は内室４２０ａから吐出されるとともに、一方向流制御装置４３６及び流体通路４３８を通り駆動室４０４へ戻される。

除去されたガスが一方向流制御装置４３７及び流体通路４３９を通り圧縮室４０６へ戻される時には、内室４２０ｂ内の圧力が圧縮室４０６内の圧力よりも高くなるまで（典型的にはガス吸入行程の間に）、除去された圧縮流体は流体通路４１７を通り内室４２０ｂに保持される。

図４はまた面シール装置を図示しており、面シール装置は除去装置のいずれの実施形態と合わせて使用してもよい。面シールは、一方のシリンダ室から他方のシリンダ室への流体の漏出を阻止するための更なる特徴である。

端蓋４５０は駆動室４０４の端部を密封し、且つ流体通路４５２を含む。作動流体は流体通路４５２を通り駆動室４０４に流入するとともに駆動室４０４から流出する。ピストン本体４１０は***したシール面４５６、４５７を含み、シール面４５６、４５７は弾性シール部材４５８及び４５９の各々と協働して、ピストン本体４１０が端蓋４５０の横に配置された時に流体を密封する。この面シール装置は圧縮機の作動の間において圧縮機が
停止した時に作用する。典型的な往復圧縮機が作動する時には、例えば吸入行程と圧縮行程の間でピストン方向を切り替える際に普通に遅れが生じる。開示する面シール装置は、ピストンが端蓋４５０の横に配置されると、この時の駆動室と圧縮室の間の漏出阻止を助長する。圧縮機が停止する時には、圧縮室内の圧縮流体圧は、装置及び流入ガス圧に応じて、約４．１ＭＰａ（６００ｐｓｉ）程度の高圧のままである。圧縮流体圧によってピストン本体４１０は端蓋４５０へ向けて押され、シール面４５６及び４５７が各弾性シール部材４５８及び４５９に押し入れられることにより面シールは機能する。

シール面４５６及び弾性部材４５８は圧縮流体がリングシール４１６、４１８、４１４及び４１２を通りピストン本体４１０とシリンダ４０２の間から漏出するのを阻止する。シール面４５７及び弾性部材４５９は圧縮流体がリングシール４１６、４１８、及び４１４を通り、次に流体通路４１３、内室４２０ａ、及び流体通路４３８を通り作動流体除去装置を介してピストン本体４１０とシリンダ４０２の間から漏出するのを阻止する。シール面４５６及び４５７に適した***面を設ける代わりに、弾性部材４５８及び４５９の面を端蓋４５０から突出させて実質的に同じ効果を得てもよい。

当該技術分野に属する者には明白であるように、前述の開示を鑑みて、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく本発明を実践する際には、多数の交換及び変更が可能である。従って、本発明の範囲は以下の請求項により定義される本質に従って構成されるべきである。

シリンダ内に配置される往復動ピストンを示す概略部分断面図。この実施形態において、ピストンはピストン本体内に設けられる除去装置を含み、除去装置はリングシールから漏出したガスを除去するとともに、除去されたガスを元のシリンダ室へ戻す。 シリンダ内に配置される往復動ピストンの実施形態を示す部分断面図。これらの実施形態において、ピストンはピストン本体内の内室に配置される圧縮部材を含む。圧縮部材は除去された流体が充填されていない内室の容積を充填するとともに、除去された流体が元のシリンダ室へ戻される時には膨張して、除去された流体を内室から吐出させる。 同じくシリンダ内に配置される往復動ピストンの実施形態を示す部分断面図。 シリンダ内に配置される往復動ピストンの実施形態を示す部分断面図。これらの実施形態において、ピストンは結合された除去装置を含み、２つの除去された流体を各々の元のシリンダ室へ戻すように機能する。この除去装置は一方の除去流体の流体圧を利用してピストン本体内の部材を変位させることにより、他方の除去流体を元のシリンダ室へ返流する。 同じくシリンダ内に配置される往復動ピストンの実施形態を示す部分断面図。 シリンダ内に配置される往復動ピストンの実施形態を示す部分断面図。この実施形態において、ピストンは２個の独立した除去装置を含む。第１除去装置は第１シリンダ室から漏出した流体を除去するとともに、除去した流体を第１シリンダ室へ戻すように作用する。第２除去装置は第２シリンダ室から漏出した流体を除去するとともに、除去した流体を第２シリンダ室へ戻すように作用する。また、端面シール装置も示す。本装置は他のいずれの実施形態に設けてもよい。

Claims (40)

1. 往復動ピストンであって、
   （ａ）中空シリンダ内において往復動可能な円柱状本体と、前記円柱状本体は中空シリンダを第１シリンダ室と第２シリンダ室に分割しており、
   （ｂ）少なくとも２個の離間するリングシールと、リングシールは円柱状本体の周囲に配置されており、
   （ｃ）円柱状本体内に配置される除去装置とを含み、除去装置は、
   内室と、内室は離間するリングシールの間の空間と連通しており、第１シリンダ室から発生するとともに離間するリングシールの一方から漏出した流体は内室において回収可能であり、内室は寸法が可変である流体が充填される容積を画定し、
   一方向流体通路とを含み、内室内の流体圧が第１シリンダ室内の流体圧よりも高圧である時に、流体は内室から一方向流体通路を通り第１シリンダ室へ流通可能である
   ことを特徴とする往復動ピストン。
2. 除去装置は更に環状空隙を含み、環状空隙は離間するリングシールの間において円柱状本体の周囲に配置されることを特徴とする請求項１に記載の往復動ピストン。
3. 環状空隙を内室に連通させる流体通路を更に含むことを特徴とする請求項２に記載の往復動ピストン。
4. 流体はガスであることを特徴とする請求項１に記載の往復動ピストン。
5. 内室内に配置される圧縮部材を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の往復動ピストン。
6. 流体は液体であることを特徴とする請求項５に記載の往復動ピストン。
7. 圧縮部材は圧縮性ガスが充填される袋であることを特徴とする請求項５に記載の往復動ピストン。
8. 圧縮部材は独立気泡発泡部材であることを特徴とする請求項５に記載の往復動ピストン。
9. 除去装置は更に、第１及び第２シリンダ室の各々から発生した流体を除去する独立した流体通路を含み、除去装置は更に内室内に配置される変位部材を含み、変位部材は第２シリンダ室内から発生し除去されたガス圧の影響を受けて変位可能であり、変位部材は第１シリンダ室内から発生し除去された流体を内室内から吐出するように変位可能であることを特徴とする請求項１に記載の往復動ピストン。
10. 円柱状本体の周囲に配置されており、第１シリンダ室からの流体漏出を密封するための離間する第１リングシール対と、円柱状本体の周囲に配置されており、第２シリンダ室からの流体漏出を密封するための離間する第２リングシール対とを更に含み、変位部材は内室を第１副室と第２副室とに分け隔てており、第１副室は第１リングシール対の間の空間と流体接続するとともに、一方向流体通路を介して第１シリンダ室と流体接続しており、第２副室は第２リングシール対の間の空間と流体接続するとともに、第２の一方向流体通路を介して第２シリンダ室と流体接続することを特徴とする請求項９に記載の往復動ピストン。
11. 内室は円柱状空隙を含み、変位部材は円柱状空隙内において移動可能なピストンであることを特徴とする請求項１０に記載の往復動ピストン。
12. 変位部材は可撓性流体不透過膜であることを特徴とする請求項１０に記載の往復動ピストン。
13. 第１シリンダ室は作動流体が充填される駆動室であり、第２シリンダ室はガスが充填される圧縮室であることを特徴とする請求項１０に記載の往復動ピストン。
14. 一方向流体通路に配置される逆止弁を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の往復動ピストン。
15. 円柱状本体の少なくとも一方の端面に設けられるシール面を更に含み、シール面及び対向するエンドプレート面が相互に接触するときにそれらの面の間が密封されることを特徴とする請求項１に記載の往復動ピストン。
16. シール面及びエンドプレート面の一方は弾性部材を含むことを特徴とする請求項１５に記載の往復動ピストン。
17. 弾性部材は環形状を有するとともに、エンドプレートの流体開口は環の境界内に配置されることを特徴とする請求項１６に記載の往復動ピストン。
18. 一方向流体通路は端面を貫通する流出口を有し、シール面は流出口を包囲する連続シール面を含み、流出口は対向するエンドプレート面に対して密封可能であることを特徴とする請求項１６に記載の往復動ピストン。
19. 中空シリンダ内において往復動可能なピストンであって、ピストンは、
    （ａ）円柱状本体と、円柱状本体は第１端面と第２端面とを含み、第１端面は第１シリンダ室を部分的に画定するとともに第２端面は第２シリンダ室を部分的に画定し、
    （ｂ）第１端面に近接して円柱状本体の周囲に配置される第１リングシールと、
    （ｃ）第２端面に近接して円柱状本体の周囲に配置される第２リングシールと、
    （ｄ）少なくとも１個の中間リングシールと、中間リングシールは第１及び第２リングシールの間でそれらのリングシールから離間するように円柱状本体の周囲に配置されており、
    （ｅ）円柱状本体内に配置される除去装置とを含み、除去装置は、
    第１内室と、第１内室は第１リングシールと中間シールの間の空間と流体接続し、
    第１一方向流体通路と、第１内室内の流体圧が第１シリンダ室内の流体圧よりも高圧である時に、第１シリンダ室から生じた第１除去流体は第１内室から第１一方向流体通路を通り第１シリンダ室へ流れ、
    第２内室と、第２内室は第２リングシールと中間シールの間の空間と流体接続し、
    第２一方向流体通路と、第２内室内の流体圧が第２シリンダ室内の流体圧よりも高圧である時に、第２シリンダ室から生じた第２除去流体は、第２内室から第２一方向流体通路を通り第２シリンダ室へ流れ、
    円柱状本体内に配置される変位部材とを含み、変位部材は内室を第１内室と第２内室に分け隔てるとともに、変位部材は第１内室と第２内室の圧力差の影響を受けて変位可能である
    ことを特徴とするピストン。
20. ピストンは往復ピストン圧縮機用の浮動ピストンであり、第１除去流体は作動流体であることを特徴とする請求項１９に記載のピストン。
21. 第２除去流体はガスであることを特徴とする請求項２０に記載のピストン。
22. 内室は円柱状空隙を含み、変位部材は円柱状空隙内において移動可能なピストンであることを特徴とする請求項１９に記載のピストン。
23. 変位部材は可撓性流体不透過膜であることを特徴とする請求項１９に記載のピストン。
24. 第１一方向流体通路に配置される第１逆止弁と、第２一方向流体通路に配置される第２逆止弁とを更に含むことを特徴とする請求項１９に記載のピストン。
25. ピストンの第１及び第２端面の少なくとも一方に設けられるシール面を更に含み、シール面及びエンドプレート対向面が相互に接触する時に、それらの間が密封されることを特徴とする請求項１９に記載のピストン。
26. シール面及びエンドプレート対向面の一方は弾性圧縮部材を含むことを特徴とする請求項２５に記載のピストン。
27. 弾性圧縮部材は環形状を有するとともに、エンドプレートの流体開口は環の境界内に配置されることを特徴とする請求項２６に記載のピストン。
28. シリンダ室から発生するとともに往復動ピストン本体と連結するピストンシールから漏出した流体を除去する方法であって、
    除去された流体を一対の離間したリングシール間から収集する工程と、リングシールはピストン本体の周囲に配置され、
    ピストン本体内に保持された除去流体の流体圧がシリンダ室内の流体圧よりも低圧である時に、除去された流体をピストン本体内の内室に保持する工程と、
    除去された流体を内室に導入するのに応答して、内室の容積を変化させる工程と、
    内室内の除去流体圧がシリンダ室内の流体圧よりも高圧である時に、除去された流体を元のシリンダ室へ戻す工程と
    を含むことを特徴とする方法。
29. ピストン本体は往復ピストン圧縮機の一部であり、シリンダ室は圧縮室であり、圧縮機が作動している吸入工程の間であって、且つ新しい流体が圧縮室へ導入される間に、流体は圧縮室へ返流可能とされることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
30. 内室内の圧力がシリンダ室内の圧力よりも低い時に、内室内に配置された圧縮部材を圧縮する工程を更に含み、圧縮部材は、内室内の流体圧がシリンダ室内の流体圧よりも高い時に内室から流体を吐出するように膨張可能であることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
31. 圧縮部材はガスが充填された流体不透過袋を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
32. 圧縮部材は独立気泡発泡体片を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
33. 変位部材は内室を２個の副室に分け隔てており、副室は相互に流体分離され、
    内室内の流体圧がシリンダ室内の流体圧よりも低い時に、変位部材を移動させることにより、第１副室内に除去された流体を回収するための空間を得る工程と、
    第１副室内の流体圧がシリンダ室内の圧力よりも高い時に、変位部材を移動させることにより第１副室から流体を吐出する工程と
    を更に含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
34. 変位部材は可撓性流体不透過膜であることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
35. 変位部材は内側ピストンであり、且つ内室はシリンダを含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
36. ピストン本体は、圧縮室内のガスを圧縮する液圧駆動式浮動ピストンであり、圧縮室は浮動ピストンの第１側面と結合しており、流体は駆動室に戻される作動流体であり、駆動室は浮動ピストンの第２側面と結合することを特徴とする請求項３３に記載の方法。
37. 第１副室は一方向流体通路を介して駆動室と流体接続しており、一方向流体通路は作動流体を第１副室から駆動室へ戻すことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
38. ピストンが停止した時、或いは吸入行程の完了時に、ピストンをエンドプレート付近の位置に戻す工程を更に含み、ピストンのシール面はエンドプレートの一面と接触してその面を密封することを特徴とする請求項２８に記載の方法。
39. 浮動ピストンを含むピストンアセンブリの流体を除去する方法であって、浮動ピストンは中空シリンダを液体が充填される第１シリンダ室とガスが充填される第２シリンダ室に分け隔てており、
    離間する第１リングシール対の間から除去された液体を収集する工程と、第１リングシール対はピストン本体の周囲に配置されており、除去された液体は第１シリンダ室から発生しており、
    除去された液体の流体圧が第１シリンダ室内の流体圧よりも低い時に、除去された液体をピストン本体の内室に保持する工程と、
    離間する第２リングシール対の間から除去されたガスを収集する工程と、第２リングシール対はピストン本体の周囲に配置されており、除去されたガスは第２シリンダ室から発生しており、
    除去されたガスの流体圧が第２シリンダ室内の流体圧よりも低い時に、除去されたガスをピストン本体の内室に保持する工程と、
    変位部材を内室に設ける工程と、内室は除去された液体を除去されたガスから流体分離しており、
    除去されたガスの圧力が第１シリンダ室内の流体圧よりも高い時に、除去されたガスの圧力を利用して変位部材を移動させることにより、除去された液体を内室から吐出するとともに、除去されたガスの圧力が第２シリンダ室内の流体圧よりも高い時に、除去されたガスを第２シリンダ室へ戻す工程と
    を含むことを特徴とする方法。
40. 除去されたガスの圧力を利用して除去された液体を内室から第１シリンダ室へ吐出した後に、除去されたガスを第２シリンダ室へ戻す工程を更に含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。

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