JP2012041837A - 往復動圧縮機のクリアランスポケット - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、クリアランスピストンのロッドに螺合するナットを、ばね部材を介して係合する二体とし、ガタの無い螺合により安定した動作と遠隔操作等を可能とすることを目的とする。
【解決手段】本発明による往復動圧縮機のクリアランスポケットは、クリアランスピストン(58)に設けられおねじ(59a)を有すると共に廻り止め(84)により非回転状態に保持されたロッド(59)と、前記おねじ(59a)に螺合するナット(74)と、前記ナット(74)を形成しばね部材(77)を介して互いに逆方向に付勢されて係合する第１、第２ナット部(75,76)とを有し、ねじの噛み合いにガタがなく、ロッド(59)に変動荷重が作用しても安定動作を得ることができる構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、往復動圧縮機のクリアランスポケットに関し、特に、クリアランスピストンのロッドに螺合するナットを、ばね部材を介して係合する二体とし、ガタの無い螺合により安定した動作と遠隔操作等を可能とするための新規な改良に関する。
従来、用いられていた往復動圧縮機の容量制御の方法の１つとして、クリアランスポケットがある。代表的な構成として、特許文献１に開示された構成を図３として挙げることができる。
すなわち、図３において、クリアランスポケット３と、第２シリンダ体６０に第２ピストン体７を摺動自在に嵌合させてバランス室６１が区画され、連通路６２によって圧力室２ａとバランス室６１とが連通されると共に、第２ピストン体７が第１連結棒５によって第１ピストン体４に連結されて、バランス室６１に、圧力室２ａ内のガス圧力が調節室３１と対向させて導かれるバランス装置６と、第１ピストン体４を所定位置に移動させて調節室３１の容積を増減化させる作動装置８とを有すると共に、アクチュエータとしては油圧手段８が用いられている。また、圧縮機の容量を減少させたいとき、シリンダ１内に接続されたクリアランスポケット３を開くことにより、シリンダ１の隙間容積を増加させる。往復動圧縮機では、吐出行程が終わり吸入行程に入ってもシリンダ１内の隙間容積部に残った圧縮ガスが膨張するため、シリンダ１内の圧力が吸入圧力より低くなるまでガスの吸入は行われない。隙間容積を大きくすると、吸入行程で膨張ガスが占める体積が増加し、その分吸入量が減少する。この容量制御方式では、ピストン２が圧縮するガス量そのものが減るため消費動力も節減ができる。
また、クリアランスポケットを用いた可変容量型の往復動圧縮機として、特許文献２に開示された構成を図４として挙げることができる。
すなわち、図４は往復動圧縮機の要部のクリアランスポケットを示す断面図であり、隙間調整ロッド４３が、先端側のテーパロッド部４３ｔがピストンを収容するシリンダ４０を閉蓋するクリアランスポケット４１ａを有するシリンダカバー４１の隔壁４１ｂに設けられ、クリアランスポケット４１ａとシリンダ４０のヘッド側ガス圧縮室４０ｈとを連通させるテーパ孔状のガス通過孔４１ｃ内に位置するように、基端側のねじロッド部４３ｓのおねじをシリンダカバー４１を閉蓋する外蓋４２に固着されているロッド支持金具４４のめねじを螺着して支持し、隙間調整ロッド４３のロッド支持金具４４からの突出端をステッピングモーター４５の出力軸に連結して、この隙間調整ロッド４３を正逆自在に回転させることにより長手方向に往復動させる構成としている。
従って、隙間容積を遠隔操作で連続的に変化させれば、圧縮機の吸入量も連続的に変化するため、プロセスで必要となるガス量が時々刻々と変わる場合でも必要ガス量のみを圧縮することで大きな省エネ効果が得られる。このためアクチュエータを用いてクリアランスポケットの容積を遠隔操作できるように構成し、吐出圧力などのプロセス条件に応じて測定値を用いて制御装置を介して自動で必要量を吐出するよう制御する装置が用いられている。
特開平１１−８２３１４号公報 特開平１０−１２２１３８号公報
前述の図３の従来構成の場合、油圧シリンダが、小さなアクチュエータで大きな力を出すことが可能であることと、作動油は圧縮性が非常に小さいため変動荷重による振動を起さないために用いられている。このシリンダのガス圧縮室に直結されるクリアランスポケットの容量調節ピストン（クリアランスピストン）には、シリンダ内へのガスの吸入・圧縮・吐出行程に対応した圧力変動が作用するため、大きな変動荷重が働く。
また、例えば、助燃性が強い酸素ガス用の圧縮機では、高圧酸素による発火を避けるために油圧を用いない駆動方法が望ましい。
また、前述の図４の従来構成の場合、ねじロッド部の先端のテーパロッド部をテーパ孔状のガス通過孔に挿入し、その挿入具合によってクリアランスポケットに連通する度合を調整しているが、ポケットへのガス流入・流出通路が狭いため、圧力損失が大きくなる欠点がある。
さらに、図示していないが、手動式のクリアランスポケットでは、ねじ式アクチュエータによる駆動も採用されている。この場合、変動荷重によりねじ面が叩かれ、破損の原因となる恐れがある。これを避けるために手動式では、ピストンの移動を終了した時点で、別のロックナットを締付けることで、変動荷重によるねじ面の叩きによる破損を避ける構造としている。ただし、遠隔操作で２つのナットを個別に回転させるためには複雑な機構が必要であり、設置スペースやコスト面で問題があり、また、機械の信頼性を高めるのが困難であった。
本発明による往復動圧縮機のクリアランスポケットは、吸入口と吐出口が形成されピストンが内設されたシリンダと、前記シリンダ内に前記ピストンにより分割された上側ガス圧縮室及び下側ガス圧縮室と、前記シリンダの上部に設けられ前記上側ガス圧縮室と連通すると共にポケット室とポケット背圧室とを有するクリアランスポケット本体と、前記クリアランスポケット本体内のクリアランスピストンと、前記クリアランスピストンを摺動させるための駆動体とを備え、前記クリアランスピストンの摺動により、前記上側ガス圧縮室と連通する前記ポケット室の容積を可変とするようにした往復動圧縮機のクリアランスポケットにおいて、前記クリアランスビストンに設けられおねじを有すると共に廻り止めにより非回転状態に保持されたロッドと、前記おねじに螺合するナットと、前記ナットを形成し、ばね部材を介して互いに逆方向に付勢されて係合する第１、第２ナット部とを有する構成であり、また、前記ナットの外周に設けられた第１歯車と、前記駆動体に設けられ前記第１歯車と噛合する第２歯車とを有し、前記駆動体の駆動により前記ロッド及びクリアランスピストンの移動を行う構成であり、また、前記クリアランスピストンのピストン背圧として、前記シリンダの吸入圧と吐出圧の中間の中間圧を作用させる構成であり、また、前記クリアランスピストンのピストン背圧として、前記シリンダの吸入圧を作用させる構成であり、また、前記ばね部材は、皿ばねからなる構成である。
本発明による往復動圧縮機のクリアランスポケットは、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、吸入口と吐出口が形成されピストンが内設されたシリンダと、前記シリンダ内に前記ピストンにより分割された上側ガス圧縮室及び下側ガス圧縮室と、前記シリンダの上部に設けられ前記上側ガス圧縮室と連通すると共にポケット室とポケット背圧室とを有するクリアランスポケット本体と、前記クリアランスポケット本体内のクリアランスピストンと、前記クリアランスピストンを摺動させるための駆動体とを備え、前記クリアランスピストンの摺動により、前記上側ガス圧縮室と連通する前記ポケット室の容積を可変とするようにした往復動圧縮機のクリアランスポケットにおいて、前記クリアランスビストンに設けられおねじを有すると共に廻り止めにより非回転状態に保持されたロッドと、前記おねじに螺合するナットと、前記ナットを形成し、ばね部材を介して互いに逆方向に付勢されて係合する第１、第２ナット部とを有することにより、２つのナット部間にばね部材を挟み込み、めねじに予め荷重をかけられているため、ねじの噛合い部にガタが無くなり、ロッドに変動荷重が作用しても、ねじ面の叩きによる破損が起こらない。また、クリアランスビストンの前進と後退は、シリンダ側のめねじを正転および逆転させることで行う。また、クリアランスピストンが停止している状態では、ねじ面にはばね部材の力が働いているので、変動荷重が作用してもねじ面が常に一方向に押され摩擦力が働いており、クリアランスピストンが勝手に移動することは無い。
また、前記ナットの外周に設けられた第１歯車と、前記駆動体に設けられ前記第１歯車と噛合する第２歯車とを有し、前記駆動体の駆動により前記ロッド及びクリアランスピストンの移動を行うことにより、駆動体を用いて歯車を回転させクリアランスピストンを前進・後退させることで、遠隔操作により隙間容積を変更することが可能となる。プロセス側の入力信号を取り込み、必要とされるガス量となるようにクリアランスピストンの前進・後退を行うよう制御装置を構成すれば、自動で圧縮機の容量調節を行うことが可能である。
また、クリアランスピストンに作用する変動荷重は、圧縮機の吸入・吐出圧力、部品質量のほか、クリアランスピストンのポケット背圧室に作用させる背圧が大きく影響する。ポケット背圧室にシリンダ内の平均圧力を作用させる場合は、シリンダ内とポケット背圧室をオリフィスなどの絞りを介して接続することになる。ただし、これはクリアランスピストンの前面からポケット背圧室に連通する細い穴を設けることでも同じ作用を得られるため、構造が簡単になる。一方、クリアランスピストンに働く荷重の振幅は、上下方向に大きく変化するため、ナット間に働かせるばね力を大きくする必要がある。更にクリアランスビストンを移動させるためナットを回転させるのに必要なトルクも大きくなる欠点がある。
ポケット背圧室に吸入圧力を作用させた場合でも荷重の振幅としては上記と同等だが、質量による荷重は圧力荷重に対して比較的小さいことにより、上向きの荷重が主で下向きの荷重は僅かなものとなる。このためばね部材で作用させるばね力は小さなものでよく、ナットを回転させるのに必要なトルクも小さくできる。
本発明による往復動圧縮機のクリアランスポケットを示す概略構成図である。 図１のクリアランスポケットの具体構成を示す拡大断面図である。 従来の往復動圧縮機を示す構成図である。 従来の往復動圧縮機の要部を示す断面図である。
本発明は、クリアランスピストンのロッドに螺合するナットを、ばね部材を介して係合する二体とし、ガタのない螺合により安定した動作と遠隔操作等を可能とする往復動圧縮機のクリアランスポケットを提供することを目的とする。
以下、図面と共に本発明による往復動圧縮機のクリアランスポケットの好適な実施の形態について説明する。
尚、図３と同一又は同等部分には同一符号を用いて説明する。
図１において、圧縮機のフレーム１Ａ上にシリンダ１が設置され、ピストン棒２ｃを介して駆動されるピストン２はシリンダ１内で往復動される。このシリンダ１はピストン２の上面と下面の両側でガスを圧縮するダブルアクティング式であり、上側ガス圧縮室２ａおよび下側ガス圧縮室２ｂにはそれぞれ吸入弁１２ａ，１２ｂおよび吐出弁１４ａ，１４ｂが設置されている。これらシリンダ弁（吸入弁１２ａ，１２ｂと吐出弁１４ａ，１４ｂ）は前後の差圧により受動的に開閉する逆止弁となっている。
前記シリンダ１の上部にはクリアランスポケット６が設けてあり、クリアランスポケット６の容積はクリアランスポケットの駆動部８で変更可能に構成されている。
前記シリンダ１の前記各吸入弁１２ａ，１２ｂ側には、吸入ガスＡを吸入するための吸入口１３ａが形成され、各吐出弁１４ａ，１４ｂ側には、吐出ガスＢを吐出するための吐出口１３ｂが形成されている。
前記クリアランスポケット６のクリアランスポケット本体６０の両側には一対の取付フランジ部５０が設けられ、前記シリンダ１の上側ガス圧縮室２ａとクリアランスポケット本体６０のポケット背圧室５１との間は、第１絞り５２を有する第１導圧配管５５によって連通されている。
また、前記吸入ガスＡの吸入口１３ａと前記ポケット背圧室５１との間は、第２絞り５４を有する第２導圧配管５５Ａによって連通されている。
図２は、図１のクリアランスポケット６の詳細拡大図であり、前記クリアランスポケット本体６０内には、スリッパーリング５６及びライダーリング５７からなるクリアランスピストン５８が上下方向に摺動自在に設けられている。
前記クリアランスピストン５８に設けられたロッド５９は、前記クリアランスポケット本体６０の上面に設けられたカバー７０のシール７２ａとシール固定蓋７２を介して上方へ延設され、このポケット背圧室５１内のガスをクリアランスポケット本体６０とカバー７０外には漏らさないように構成されている。
前記ロッド５９の上部には、おねじ５９ａが形成され、このおねじ５９ａ外周には、おねじ５９ａに螺合するめねじ７３を有するナット７４が設けられている。
前記ナット７４は、めねじ７３を有する上ねじとしての第１ナット部７５とめねじ７３を有する下ねじとしての第２ナット部７６とからなり、各ナット部７５，７６は、例えば、皿ばね等からなるばね部材７７を介して逆方向に付勢される状態で、わずかに摺動されるように構成されている。
前記各ナット部７５，７６は、ばね部材７７によるばね力が最適となり、おねじ５９ａとめねじ７３間にバックラッシュがない状態となった時点で、止めねじ７８が、第２ナット部７６の外側から挿入されて各ナット部７５，７６の位置関係が固定されるように構成されている。
前記カバー７０上には、複数の棒状体等からなるサポート部７９が植立した状態で設けられており、前記ロッド５９に設けられた廻り止め８４の端部８４ａは、前記サポート部７９に対して上下動自在に案内され、前記ロッド５９が正の荷重方向Ｃ及び負の荷重方向Ｄに沿って上下動するのみで回転しないように構成されている。
前記サポート部７９の上部には、台状の機械台９０が固定されており、この機械台９０には、一対の軸受９１を介して前記ナット７４が回転自在に保持されており、このナット７４の一方の前記第２ナット部７６の外周には、キー９２を介して第１歯車９３が固定して設けられている。
前記機械台９０の上部には、エアモータ等からなる駆動体９４が設けられ、この駆動体９４の回転軸９５に設けられた第２歯車９６は前記第１歯車９３と噛合している。
従って、駆動体９４の駆動により、各歯車９３，９６を介してナット７４が回転することにより、クリアランスピストン５８が上下動すると共に、駆動体９４のエアの供給ポート（図示せず）を切り替えることにより、ナット７４の正転・逆転ができるように構成されている。従って、図１のクリアランスポケットの駆動部８は、前述のおねじ５９ａ、ナット７４、各歯車９３、９６、機械台９０、サポート部７９及び駆動体９４等により構成されている。
次に、動作について述べる。前述のように駆動体９４を駆動し、各歯車９３，９６を介してナット７４を回転させる場合、ナット７４を構成するための各ナット部７５，７６がばね部材７７を介して互いに逆方向に付勢されているため、めねじ７３に予め荷重（予荷重）がかかり、前記クリアランスピストン５８にかかるガス圧力と前記予荷重のために、ナット７４を回転させるには比較的大きいトルクが必要となるが、第１歯車９３の直径が第２歯車９６の直径よりｎ倍大きくしてあることにより、大きい減速比による大きいトルクによって容易にナット７４が回転され、バックラッシュのないおねじ５９ａとめねじ７３の噛合回転によって高精度にクリアランスピストン５８を上下動させて、ガス圧調整用のポケット室３１の容積を可変とすることができる。
前述の場合、クリアランスピストン５８を移動させたとき、ポケット背圧室５１の容積が変わりガス圧縮・膨張される。これを避けるための一つの方法として、図１のように、シリンダ１とポケット背圧室５１とを第１絞り５２を有する第１導圧配管５５を介して接続する。また、シリンダ１内の圧力はピストン２の上下動に伴い吸入と吐出圧の間で変動するが、第１絞り５２があるためこれによって生じるポケット背圧室５１へのガスの出入りは少なく、結果としてポケット背圧室５１は吸入圧力と吐出圧力の平均圧力に保たれる。この場合、クリアランスピストン５８には、１サイクル毎に吸入／吐出圧力差の１／２の圧力が正負方向Ｃ，Ｄに交互に作用する。（実際にかかる荷重状態は、ロッド５９の断面積分の受圧面積の差およびクリアランスピストン５８やロッド５９の質量により多少変わる。）
また、別の方法として、図１のようにシリンダ１の吸入ガスＡの吸入口１３ａまたは吸入弁室１２Ａとポケット背圧室５１を第２絞り５４を有する第２導圧配管５５Ａを介して接続する。前記吸入口１３ａや吸入弁室１２Ａもシリンダ１内への間欠的な吸入動作により圧力変動があるので、第２導圧配管５５Ａの途中に第２絞り５４を入れるのが望ましい。この場合、クリアランスピストン５８には概略で吸入／吐出圧力差分の荷重が正方向Ｃにのみ間欠的に作用する。
本発明による往復動圧縮機のクリアランスポケットは、例えば、化学プラント等のガス圧縮等の容量可変動作を遠隔操作で簡単に行うことができる。
１ シリンダ
１Ａ フレーム
２ ピストン
２ａ 上側ガス圧縮室
２ｂ 下側ガス圧縮室
２ｃ ピストン棒
Ａ 吸入ガス
Ｂ 吐出ガス
Ｃ 正の荷重方向
Ｄ 負の荷重方向
６ クリアランスポケット
８ クリアランスポケットの駆動部
１２ａ，１２ｂ 吸入弁
１２Ａ 吸入弁室
１３ａ 吸入口
１３ｂ 吐出口
１４ａ，１４ｂ 吐出弁
３１ ポケット室
５０ 取付フランジ部
５１ ポケット背圧室
５２ 第１絞り
５４ 第２絞り
５５ 第１導圧配管
５５Ａ 第２導圧配管
５６ スリッパーリング
５７ ライダーリング
５８ クリアランスピストン
５９ ロッド
５９ａ おねじ
６０ クリアランスポケット本体
７０ カバー
７１ Ｏリング
７２ シール固定蓋
７２ａ シール
７３ めねじ
７４ ナット
７５ 第１ナット部（上ねじ）
７６ 第２ナット部（下ねじ）
７７ ばね部材（皿ばね）
７８ 止めねじ
７９ サポート部
８４ 廻り止め
９０ 機械台
９１ 軸受
９２ キー
９４ 駆動体
９３ 第１歯車
９６ 第２歯車

Claims (5)

  1. 吸入口(13a)と吐出口(13b)が形成されピストン(2)が内設されたシリンダ(1)と、前記シリンダ(1)内に前記ピストン(2)により分割された上側ガス圧縮室(2a)及び下側ガス圧縮室(2b)と、前記シリンダ(1)の上部に設けられ前記上側ガス圧縮室(2a)と連通すると共にポケット室(31)とポケット背圧室(51)とを有するクリアランスポケット本体(60)と、前記クリアランスポケット本体(60)内のクリアランスピストン(58)と、前記クリアランスピストン(58)を摺動させるための駆動体(94)とを備え、
    前記クリアランスピストン(58)の摺動により、前記上側ガス圧縮室(2a)と連通する前記ポケット室(31)の容積を可変とするようにした往復動圧縮機のクリアランスポケットにおいて、
    前記クリアランスビストン(58)に設けられおねじ(59a)を有すると共に廻り止め(84)により非回転状態に保持されたロッド(59)と、前記おねじ(59a)に螺合するナット(74)と、前記ナット(74)を形成し、ばね部材(77)を介して互いに逆方向に付勢されて係合する第１、第２ナット部(75,76)とを有することを特徴とする往復動圧縮機のクリアランスポケット。
  2. 前記ナット(74)の外周に設けられた第１歯車(93)と、前記駆動体(94)に設けられ前記第１歯車(93)と噛合する第２歯車(96)とを有し、前記駆動体(94)の駆動により前記ロッド(59)及びクリアランスピストン(58)の移動を行うことを特徴とする請求項１記載の往復動圧縮機のクリアランスポケット。
  3. 前記クリアランスピストン(58)のピストン背圧として、前記シリンダ(1)の吸入圧と吐出圧の中間の中間圧を作用させることを特徴とする請求項１又は２記載の往復動圧縮機のクリアランスポケット。
  4. 前記クリアランスピストン(58)のピストン背圧として、前記シリンダ(1)の吸入圧を作用させることを特徴とする請求項１又は２記載の往復動圧縮機のクリアランスポケット。
  5. 前記ばね部材(77)は、皿ばねからなることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の往復動圧縮機のクリアランスポケット。
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