JP2009062871A - 往復圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】その目的は簡単な構成で外部への圧縮ガスの漏れを防止できるプランジャ式の往復圧縮機を提供する。
【解決手段】プランジャとシリンダ間に形成される圧縮室内のガスをプランジャの往復運動によって圧縮するプランジャ式の往復圧縮機において、前記圧縮室で圧縮されたガスが前記プランジャの外周部から漏れるのを防止するように前記プランジャの外周面に密着して摺動するようにプランジャ軸方向に複数設けられたロッドパッキンと、各ロッドパッキンを収納する複数のパッキンケースを備え、前記パッキンケース内側のロッドパッキンの収納面に、前記ロッドパッキンに弾性接触する環状パッキンを内蔵させた。
【選択図】図１

Description

本発明は、可燃性ガスなどを取扱う往復圧縮機に係り、特に３０ＭＰａ以上の超高圧のときに好適な往復圧縮機に関する。

従来のプランジャ式往復圧縮機の例が特開２００４−１１６３３０号公報に記載されている。この公報に記載された圧縮機では、プランジャとシリンダ間に形成される圧縮室内の作動ガスをプランジャの往復動で圧縮する。そして圧縮室で圧縮されたガスがプランジャ外周部から漏れるのを防止するため、プランジャ外周面に密接して摺動する円形のロッドパッキンシールをプランジャの軸方向に複数積層している。

上記従来の往復圧縮機のロッドパッキンシール構造の一般的な一例を図５に示す。図５でロッド（プランジャ）１の左側４がシリンダ側で、圧縮室で圧縮されたガスが低圧側５に漏れないようにロッドパッキンがロッド４に密接して装着されている。一組のロッドパッキンは低圧側パッキン２ｂと高圧側パッキン２ａが対となっており、それが各々のパッキンケース３の中に装着されて、複数ケースがロッドの軸方向に装着されている。

低圧側のパッキン２ｂは一般にタンジェンシャルカットパッキンと呼ばれ、軸直角断面内で接線方向の分割面を持つ３つのリングピースからなっている。高圧側のパッキン２ａは一般にラジアルカットパッキンと呼ばれ、軸直角内で半径方向の分割面を持つ３つのリングピースからなっている。３つ割れリングで構成する目的は、運転中の摺動によってパッキン内面が磨耗したときでも、パッキン内周面がロッド表面に追随出来るようにするためである。従って、低圧側パッキン、高圧側パッキンとも周方向分割面には初期運転時には合口隙間ができるように形状寸法が考慮されている。

圧縮ガスの漏れ流路は、パッキン内周とロッド外周との摺動面と、低圧側ロッドパッキンとパッキンケースとの接触面が考えられる。後者の漏れ流路を形成しないために低圧側ロッドパッキンには外周から内周に通じる通路に内タンジェンシャルパッキンが配置されている。そして、タンジェンシャルパッキンの内周部合口隙間を塞ぐようにラジアルパッキンが自身の合口隙間と重ならないように配置されている。このため、周方向の相対位置を拘束する方法が必要であり、一般的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形成して周方向の位置を固定している。

特開２００４−１１６３３０号公報

前記特許文献１や図５に記載された従来の往復圧縮機は、シリンダとプランジャの間に金属もしくは樹脂製のロッドパッキンを複数枚配置し、圧縮ガス漏れを極小とする技術が用いられている。

ところで、ロッドパッキンとプランジャの間には一般に適切な公差が設けられ、圧縮機の用途によって注油して油膜を作って漏れガスを抑える方式と、完全にドライの状態である程度の漏れを許容するシール方式があるが、本圧縮機では注油によるシール方式でプランジャとロッドパッキンの隙間からの漏れを極小とする方式を用いているが、このシール方式でも油膜の破壊が原因でガスが低圧側へと流れ込み、漏れガス量はゼロとはならない。

ロッドパッキンからの漏れガスの経路は大別すると、ロッドパッキン内周面とプランジャの外周面の間、及び、ロッドパッキン裏面とパッキンケースの接触面の間の２系統がある。前者の系統の漏れは、ロッドパッキンがプランジャの上下運動に伴い、その動きにならって接触したままフローティングするか、形状の不一致やフローティングに追従しきれない部分で生じる。一方、後者の系統の漏れは、プランジャの上死点、下死点で摺動の向きが１８０°変化するときにフリクションによってロッドパッキンの左右側面や裏面がパッキンケースの接触面から離れて隙間ができることで生じる。過去の経験では、プランジャの上下運動性が小さい（ピッチが短い）圧縮機ではフリクションによる接触面からの漏れが割合に大きいことが分かっている。圧縮ガスが吐出されず漏れ出すことは圧縮機の低効率につながり、圧縮機の利用者側に経済的な負担を課す結果となる。

本発明は前記の従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は簡単な構成で外部への圧縮ガスの漏れを防止できるプランジャ式の往復圧縮機を提供することにある。

前記目標を達成するための本発明は、プランジャとシリンダ間に形成される圧縮室内のガスをプランジャの往復運動によって圧縮するプランジャ式の往復圧縮機において、前記圧縮室で圧縮されたガスが前記プランジャの外周部から漏れるのを防止するように前記プランジャの外周面に密着して摺動するようにプランジャ軸方向に複数設けられたロッドパッキンと、各ロッドパッキンを収納する複数のパッキンケースを備え、前記パッキンケース内側のロッドパッキンの収納面に、前記ロッドパッキンに弾性接触する環状パッキンを内蔵させたことを特徴とする。

また、複数個からなるパッキンケースの間にチャンバーを設置し、前記パッキンケースと前記プランジャの外周面との隙間を前記チャンバーに連通し、漏れガスを前記チャンバーに導いて体積を膨張させるように構成しても良い。

また、前記環状パッキンは前記ロッドパッキンに前記プランジャの運動方向に弾性接触するように内蔵されても良い。

本発明によれば、漏れガス量を低減できるので圧縮効率の大幅な高効率化を実現でき、ランニングコストも低減できるので信頼性を高めることができる。

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、プランジャ式往復圧縮機のロッドパッキンを配置したシリンダの縦断面図である。プランジャ式往復圧縮機は、燃料電池に用いる水素を加圧するものであり、その圧力は７０Ｍｐａにも達する。そのため、高圧のガスをシールし、かつ圧縮機外部への漏洩を防止するための漏れ防止装置を備えている。

圧縮室１００を形成するシリンダリング１０２内を、棒状のプランジャ１０４がその軸方向に移動することにより、プランジャ１０４の先端に位置する圧縮室１００で作動ガスが圧縮される。プランジャ１０４には、図示しない駆動源に接続されたクランクシャフトと、クランクシャフトに接続されたコネクティングロッドと、コネクティングロッドに接続された中間ロッドとを介して、図１の右端から往復動の力が伝えられる。

プランジャ１０４の左端には、圧縮室１００が形成されるようにシリンダリング１０２の端面にシリンダヘッド１０３が取付けられている。シリンダヘッド１０３の内部には圧縮室１００に接続されるバルブ１０７が設けられ、バルブ１０７に水素ガスの吸込み口１０５と吐出口１０６を備える。プランジャ１０４の右方向への移動により、水素ガスが吸込み口１０５よりバルブ１０７内部の吸込み弁を介して吸込み、圧縮室１００に導く。プランジャ１０４の左方向への移動により、前記で吸込まれた水素ガスを圧縮室１００内で圧縮し、圧縮された水素ガスは、バルブ１０７内部の吐出弁を介して吐出口１０６より吐出される。

次にシリンダ１０１のシール部の構造を説明する。
圧縮された水素ガスは超高圧であって、シリンダリング１０２の内周面とプランジャ１０４の外周面との摺動する面の隙間からフレーム側２０１へと流れようとするため、複数枚のロッドパッキンをプランジャ１０４の外周面に圧接するように軸方向に配置し、段階的に圧力を下げてガスの漏洩を防止している。シリンダ１０１にはロッドパッキンを収納するための高圧側パッキンケース３１〜３４と、低圧側パッキンケース３５〜３８を配置する。

高圧側パッキンケース内部には、油溝付きスクロールカットタイプロッドパッキン３１ａと、油溝不付きスクロールカットタイプロッドパッキン３１ｂをカット面が重ならない様に、図４に示すようにピン３１ｄとピン穴３１ｃの嵌合によって拘束して並べて配置している。ロッドパッキンケース３２〜３４も同様の構成である。また、低圧側ロッドパッキンケース３５〜３８には、前記高圧側パッキンケース３１〜３４と同じ構成に、更に後ろにバックアップリング４４を配置する構造としている。

図２を用いて詳細に説明する。図２は、図１に示される低圧側パッキンケースの拡大断面図である。図２において、前記プランジャ１０４の外周面に軸方向にパッキンケース３５と３７を配置し、その間にチャンバーケース３６を配置している。チャンバーケース３６のプランジャ１０４側には、中空のチャンバー３６ａが形成されている。パッキンケース３５、３７の下端は、プランジャ１０４の外周面と摺動するため僅かな隙間３５ａ、３７ａができるが、これらの隙間は前記チャンバー３６ａと連通するようになっている。チャンバー３６ａは、前記隙間３５ａを通じる漏れガスを導いて体積を膨張させて圧力を低下させて、次のロッドパッキンに導くように作用する。

前述したようにパッキンケース３５と３７の内部には、ロッドパッキン３１ａと３１ｂとバックアップリング４４が並べて配置されている。そしてバックアップリング４４の側面に対向してパッキンケース内に環状の収納溝３９、４０が形成され、これらの溝にそれぞれ環状パッキング（Ｏリング）３９ａ、４０ａが収納される。Ｏリング３９ａ、４０ａは、バックアップリング４４にプランジャ１０４の運動方向に常時弾性接触することで気密性を保つ。なお、このＯリングは、プランジャ１０４の運動によって表面が摺動しないので磨耗が無いため、気密性を長期間良好に保つことができる。

次にロッドパッキン部における漏れガスの経路と、本発明実施例での前記Ｏリングでの対応について説明する。図３は、ロッドパッキン部における漏れガスの経路を説明する断面図で、図３（１）は、プランジャ１０４が左に移動したプランジャ押し工程の状態を示し、図３（２）は、プランジャ１０４が右に移動したプランジャ引き工程の状態を示す。

図３（１）のプランジャ押し工程では、ロッドパッキン３１ａ、３１ｂ、及びバックアップリング４４（ロッドパッキン等と称する。）の全体が、プランジャ１０４の押し移動でのフリクションにより左に寄せられ、バックアップリング４４の右側面とパッキンケース３５内側の収納面に僅かな隙間３５ｃが生じる。また、ロッドパッキン等の裏面とパッキンケース３５内側の収納面との間にも僅かな隙間３５ｂが生じるが、これは、ロッドパッキン等が弾性により内側に縮むことや、プランジャの往復運動時のフリクションによりロッドパッキン等が歪むことにより生じる。

図３（２）のプランジャの引き工程では、前記ロッドパッキン等の全体が、プランジャ１０４の引き移動でのフリクションにより右に寄せられ、ロッドパッキン３１ａの左側面とパッキンケース３５内側の収納面に僅かな隙間３５ｄが生じる。

前記状況で、プランジャ１０４が往復運動すると、図３の（１）と（２）の動作が繰り返されることになり、圧縮されたガスが隙間３５ａ、３５ｂ、３５ｃからなるガス漏れ流路を順次流れて、往復動する毎に次第に漏れることになる。このガス漏れ流路はパッキンケース３７についても同様である。

本実施例では、図２に示すように、ロッドパッキン３１ｂの後方にバックアップリング４４を設置し、その後方でパッキンケース内側にＯリングを設けて、バックアップリング４４に弾性接触させることで、図３に示される隙間３５ｃをシール（閉塞）しているので、ガス漏れ流路を無くすことができる。これはパッキンケース３７についても同様である。従って、プランジャ１０４が往復運動してもガス漏れを防止することが出来る。

更に、パッキンケース３５，３７の間にチャンバー３６を設置することで、漏れガスを膨張させて圧力を低くしてから次のロッドパッキンに導くようにしているので、漏れガスの密閉効果を一層向上させることが出来る。なお、このＯリングは、プランジャ１０４の運動によって表面が摺動しないので磨耗が無いため、気密性を長期間良好に保つことができる。

本発明実施例の往復圧縮機のロッドパッキンを配置したシリンダの縦断面図である。 本発明実施例のパッキンケース部分の拡大断面図である。 本発明実施例のロッドパッキン部における漏れガスの経路を説明する断面図である。 本発明実施例のロッドパッキンの平面図である。 従来の往復圧縮機のロッドパッキンシール構造の説明図である。

符号の説明

３１〜３７…パッキンケース、３１ａ、３１ｂ…ロッドパッキン、３６…チャンバー、３９，４０…環状溝、３９ａ、４０ａ…環状パッキン（Ｏリング）、４４…バックアップリング、１００…圧縮室、１０１…シリンダ、１０２…シリンダリング、１０３…シリンダヘッド、１０４…プランジャ。

Claims (3)

1. プランジャとシリンダ間に形成される圧縮室内のガスをプランジャの往復運動によって圧縮するプランジャ式の往復圧縮機において、
   前記圧縮室で圧縮されたガスが前記プランジャの外周部から漏れるのを防止するように前記プランジャの外周面に密着して摺動するようにプランジャ軸方向に複数設けられたロッドパッキンと、各ロッドパッキンを収納する複数のパッキンケースを備え、前記パッキンケース内側のロッドパッキンの収納面に、前記ロッドパッキンに弾性接触する環状パッキンを内蔵させたことを特徴とする往復圧縮機。
2. 請求項１に記載の往復圧縮機において、複数個からなるパッキンケースの間にチャンバーを設置し、前記パッキンケースと前記プランジャの外周面との隙間を前記チャンバーに連通し、漏れガスを前記チャンバーに導いて体積を膨張させるように構成したことを特徴とする往復圧縮機。
3. 請求項１または２に記載の往復圧縮機において、前記環状パッキンは前記ロッドパッキンに前記プランジャの運動方向に弾性接触するように内蔵されたことを特徴とする往復圧縮機。

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