JP4709016B2 - 複合圧縮機 - Google Patents

複合圧縮機

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Description

本発明は、上流側圧縮機から吐出される圧縮気体を、下流側圧縮機でさらに圧縮して吐出させるようにした複合圧縮機に関する。
複合圧縮機においては、上流側圧縮機としてターボ型圧縮機とし、また、下流側圧縮機として容積型圧縮機（例えば、往復式圧縮機、スクロール式圧縮機等）として、ターボ型圧縮機で圧縮した一次圧縮気体を容積型圧縮機に送り、容積型圧縮機でもってさらに一次圧縮気体を圧縮して高圧の二次圧縮気体を吐出するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
特許第２７０３３１９号公報
しかし、従来の複合圧縮機においては、上流側圧縮機を低圧の圧縮気体を大量に吐出するターボ型圧縮機として、ターボ型圧縮機から吐出される大量の一次圧縮気体を吸入する容積型圧縮機が大型のものが使用されるため、大型化、動力負荷の増大等の問題を有している。
本発明は、従来の上記したような複合圧縮機における問題を解決することを目的とするもので、その具体的手段は、特許請求の範囲に記載されている通りであり、次の如くである。
本発明によると、上記課題は、次のようにして解決される。
（１）上流側圧縮機から吐出される圧縮気体を、下流側圧縮機でさらに圧縮して吐出させるようにした複合圧縮機において、前記上流側圧縮機をスクロール式圧縮機とし、前記下流側圧縮機を往復式圧縮機とするとともに、前記スクロール式圧縮機の吐出口から吐出される一次圧縮気体を、前記往復式圧縮機の吸入口へ送り、前記往復式圧縮機でさらに圧縮してその吐出口から二次圧縮気体を吐出するようにしたものにあって、前記一次圧縮気体を前記往復式圧縮機の前記吸入口へ送る第１流路と前記往復式圧縮機を迂回してその前記吐出口よりも下流側へ送る第２流路とに切換可能な切換弁と、該切換弁が前記第１流路を開いて前記第２流路を閉じた場合、前記スクロール式圧縮機及び前記往復式圧縮機の各動力源を作動させ、また、前記切換弁が前記吸第１流路を閉じて前記第２流路を開いた場合、前記スクロール式圧縮機の動力源を作動させ、前記往復式圧縮機の動力源を停止させる制御を行う制御装置とを備える。
（２）上記(１)項において、前記切換弁は、前記往復式圧縮機の前記吐出口から吐出される前記二次圧縮気体を貯蔵するタンク内の圧力を測定する圧力センサの計測値に基いて切り換えられる。
（３）上記(１)又は(２)項において、前記スクロール式圧縮機の前記吐出口から吐出される前記一次圧縮気体を、前記往復式圧縮機における密閉状態のクランクケース内、前記切換弁、前記第１流路の順に通して前記往復式圧縮機の前記吸入口に導入させる。
（４）上流側圧縮機から吐出される圧縮気体を、下流側圧縮機でさらに圧縮して吐出させるようにした複合圧縮機において、前記上流側圧縮機をスクロール式圧縮機とし、前記下流側圧縮機を往復式圧縮機とするとともに、前記スクロール式圧縮機の吐出口から吐出される一次圧縮気体を、前記往復式圧縮機の吸入口へ送り、前記往復式圧縮機でさらに圧縮してその吐出口から二次圧縮気体を吐出するようにしたものにあって、前記一次圧縮気体の一部を、前記往復式圧縮機における密閉状態のクランクケース内に導入させる。
（５）上記(４)項において、前記スクロール式圧縮機と前記往復式圧縮機とを単一の動力源をもって駆動させる。
（６）上記(１)〜(５)項のいずれかにおいて、前記スクロール式圧縮機と前記往復式圧縮機を一体的に組み付ける。
本発明によれば、次のような効果が奏せられる。
（ａ）請求項１記載の発明によると、上流側圧縮機を音・振動で優れた性能を有し、かつ小型化が容易なスクロール式圧縮機とし、また、下流側圧縮機を構造が簡単で、かつ高圧力を得るのに最適な往復式圧縮機としたことにより、小型化、動力負荷の軽減を図り、高圧の二次圧縮気体を効率よく得ることができる。
さらに、切換弁の切換によって、必要に応じて低圧の一圧縮気体と高圧の二次圧縮気体とを選択的に得ることができる。特に、低圧の一次圧縮気体を必要とする場合には、往復式圧縮機を停止して、スクロール式圧縮機のみを駆動させるため、静粛性及び動力負荷の軽減を図ることができる。
（ｂ）請求項２記載の発明によると、往復式圧縮機の吐出口から吐出される二次圧縮気体を貯蔵するタンク内の圧力を測定する圧力センサの計測値に基いて、切換弁をタンクに低圧の一次圧縮気体を送る第１流路または高圧の二次圧縮気体を送る第２流路に自動的に切り換えることができる。
（ｃ）請求項３記載の発明によると、クランクケース内に一次圧縮気体を導入して、クランクケース内の圧縮気体とシリンダー内の圧縮気体との圧力差を小とすることにより、大きな圧力差に伴う各作動部の早期損傷を抑止することができるとともに、往復式圧縮機の小型化を図ることができる。
（ｄ）請求項４記載の発明によると、上流側圧縮機を音・振動で優れた性能を有し、かつ小型化が容易なスクロール式圧縮機とし、また、下流側圧縮機を構造が簡単で、かつ高圧力を得るのに最適な往復式圧縮機としたことにより、小型化、動力負荷の軽減を図り、高圧の二次圧縮気体を効率よく得ることができる。
さらに、クランクケース内に一次圧縮気体の一部を導入して、クランクケース内の圧縮気体とシリンダー内の圧縮気体との圧力差を小とすることにより、大きな圧力差に伴う各作動部の早期損傷を抑止することができるとともに、往復式圧縮機の小型化を図ることができる。
（ｅ）請求項５記載の発明によると、スクロール式圧縮機と往復式圧縮機とを単一の動力源をもって駆動させるようにしたことにより、小型化及びコストの低減を図ることができる。
（ｆ）請求項６記載の発明によると、スクロール式圧縮機と往復式圧縮機を一体的に組み付けることにより、複合圧縮機をより小型化することができる。
図１は、本発明に係わる複合圧縮機の概念図、図２は、本発明の実施例１を例示する複合圧縮機の縦断面図、図３は、本発明の実施例２を例示する複合圧縮機の縦断面図である。なお、以下の説明では、図２、３における左方を「前方」とし、右方を「後方」とする。
図１に示すように、本発明の複合圧縮機は、上流側圧縮機として静粛性、省エネルギーの面で優れたスクロール式圧縮機(１)を採用し、また、下流側圧縮機として構造が簡単でかつ高い圧力を容易に得ることができる往復式圧縮機(２)を採用するものとし、スクロール式圧縮機(１)で圧縮した一次圧縮気体(Ａ)を往復式圧縮機(２)に送り、往復式圧縮機(２)でもってさらに一次圧縮気体(Ａ)を圧縮して高圧の二次圧縮気体(Ｂ)を吐出する。そして、往復式圧縮機(２)から吐出された二次圧縮気体(Ｂ)は、往復式圧縮機(２)の下流側に設けられる圧縮気体を貯蔵するためのタンク(３)へ送られる。
図２に示す実施例１の複合圧縮機は、スクロール式圧縮機(１)における円筒状のハウジング(11)の後部に、往復式圧縮機(２)におけるクランクケース(22)の前部を固定するとともに、クランクケース(22)の後部に単一のモータ(４)を取り付けることによって一体的に構成される。このモータ(４)は、スクロール式圧縮機(１)と往復式圧縮機(２)を同時に駆動させる動力源をなす。
スクロール式圧縮機(１)は、密閉状態のハウジング(11)内にインボリュート曲線で形成された固定ラップ(13)及び固定ラップ(13)に対して１８０度ずらした状態で噛み合うことによって圧縮室(16)を形成する旋回ラップ(15)を有している。
固定ラップ(13)は、ハウジング(11)の固定端板(12)の後面に立設され、また、旋回ラップ(15)は、ハウジング(11)内に旋回自在に支持された旋回板(14)の前面に立設される。
旋回板(14)は、ハウジング(11)の後面を閉塞する蓋体（往復式圧縮機(２)のクランクケース(22)の一部）(24)の中心部を挿通してモータ(４)をもって回転させられる駆動軸(41)の偏心軸部(42)に枢支されるとともに、同一円周上に配設された公知の３個のピンクランク式自転防止機構(17)を介して蓋体(24)と連係され、駆動軸(41)の回転に伴って偏心公転運動を行う。
ハウジング(11)における固定端板(12)の外周部及び中心部には、それぞれ、外部の気体を圧縮室(16)に吸入するためのスクロール用吸入口(111)及び圧縮室(16)により圧縮された一次圧縮気体(Ａ)を吐出するスクロール用吐出口(112)が設けられている。
旋回板(14)がモータ(４)の駆動により偏心公転運動を行うと、それに伴って、固定ラップ(13)と旋回ラップ(15)とにより仕切られた圧縮室(16)の容積が外周から内周に向かって漸次減少する。これにより、スクロール用吸気口(111)から吸気した外部の気体を内周に向かって漸次圧縮し、圧縮した一次圧縮気体(Ａ)をスクロール用吐出口(112)から吐出する。スクロール用吐出口(112)から吐出した一次圧縮気体(Ａ)は、往復式圧縮機(２)に送られるとともに、その一部は往復式圧縮機(１)のクランクケース(22)内に導入される。
往復式圧縮機(２)は、円筒状のシリンダー(21)内をピストン(23)が往復運動することにより吸気と吐出を繰り返すようにしたもので、シリンダー(21)の上部には、スクロール用吐出口(112)から吐出された一次圧縮気体(Ａ)をシリンダー(21)内に導入するためのシリンダー用吸入口(25)及びシリンダー(21)内で圧縮された二次圧縮気体(Ｂ)を吐出するためのシリンダー用吐出口(26)が設けられている。
ピストン(23)は、モータ(４)をもって駆動される駆動軸(41)と一体をなすクランク軸(43)によりピストンロッド(27)を介して、シリンダー(21)内で往復運動させられる。
クランクケース(22)の上部には、スクロール用吐出口(112)から吐出された一次圧縮気体(Ａ)の一部をクランクケース(22)内に吸入するためのクランクケース用吸入口(221)が設けられている。
シリンダー(21)内のピストン(23)が往復運動すると、一次圧縮気体(Ａ)をシリンダー用吸入口(25)から吸入弁(28)を経てシリンダー(21)内のピストン(23)の上側に導入してさらに圧縮した後、吐出弁(29)を経てシリンダー用吐出口(26)から高圧の二次圧縮気体(Ｂ)を吐出してタンク(３)へ送る。
ピストン(23)の往復運動中、スクロール式圧縮機(１)のスクロール用吐出口(112)から吐出された一次圧縮気体(Ａ)の一部がクランクケース(22)内に導入されるため、クランクケース(22)内は大気圧以上に加圧されることとなる。従って、シリンダー(21)内のピストン(23)の上側の圧縮室内の圧縮気体の圧力と、クランクケース(22)内の圧縮気体の圧力との差は、クランクケース(22)内が大気圧程度のものに比して小となる。これにより、ピストン(23)の上下の圧力差が大きい場合、ピストン(23)に急激かつ強力な下向き力が作用して、ピストン(23)の外周面やピストンリングを始め、各枢支部やシール部に、過大かつ不均等な力が加えられて、早期故障の原因を招くおそれがあるが、本実施例においては、ピストン(23)の上下の圧力差が少ないため、早期故障の原因を除去して、小型でかつ高圧の圧縮気体を効率よく吐出することができる。
上述したように、実施例１においては、静粛性、省エネルギーの面で優れたスクロール式圧縮機(１)で圧縮した低圧の一次圧縮気体(Ａ)を、構造が簡単でかつ高い圧力を容易に得ることができる往復式圧縮機(２)でさらに圧縮して高圧の二次圧縮気体(Ｂ)を吐出させるようにしたため、高圧の圧縮気体を効率よく得ることができる。また、単一のモータ(４)をもって、スクロール式圧縮機(１)と往復式圧縮機(２)とを同時に駆動させることができるため、小型化及びコストの低減を図ることができる。さらには、上述のように、スクロール式圧縮機(１)のスクロール用吐出口(112)から吐出された一次圧縮気体(Ａ)の一部をクランクケース(22)内に導入させるようにしたため、往復式圧縮機(２)の小型化及び静粛性の向上を図ることができる。
図３に示す実施例２の複合圧縮機においては、スクロール式圧縮機(１)及び往復式圧縮機(２)がそれぞれ専用の動力源をなすモータ(４)(５)を備えること、及びスクロース式圧縮機(１)で圧縮した一次圧縮気体(Ａ)を往復式圧縮機(２)のシリンダー用吸入口(25)へ送る流路の途中に、切換弁(６)を設けた以外は、前記実施例１と多少の違いはあるものの基本構成は同一であるため、同一作用をなす部位には、前記実施例１と同一符号を付して詳細な説明は省略する。
スクロール式圧縮機(１)を駆動させるためのモータ(５)は、密閉された円筒状のハウジング(11)の前部に取り付けられる。
旋回ラップ(15)を有する旋回板(14)は、ハウジング(11)の蓋体(18)の中心部を貫通してモータ(５)をもって回転させられる駆動軸(51)の偏心軸部(52)に枢支されるとともに、ピンクランク式自転防止機構(17)を介して蓋体(18)と連係され、駆動軸(51)の回転に伴って偏心公転運動を行う。
ハウジング(11)の上部及び固定端板(12)の中心部には、それぞれ、外部の気体を圧縮室(16)に吸入するためのスクロール用吸入口(111A)及び圧縮室(16)により圧縮された一次圧縮気体(Ａ)を吐出して往復式圧縮機(２)のクランクケース(22)内に導入するためのスクロール用吐出口(112A)が設けられている。
なお、スクロール用吐出口(112A)から吐出される一次圧縮気体(Ａ)は、モータ(４)側における駆動軸(41)の先端側に軸線方向へ貫通して設けられた貫通孔(44)を通ってクランクケース(22)内に導入されるようになっている。
クランクケース(22)の上部には、クランクケース(22)内に導入された一次圧縮気体(Ａ)を吐出して往復式圧縮機(２)のシリンダー用吸入口(25)へ送るためのクランクケース用吐出口(222)が設けられている。
切換弁(６)は、クランクケース用吐出口(222)とシリンダー用吸入口(25)とを繋ぐ流路の途中に設けられるとともに、クランクケース用吐出口(222)から吐出された一次圧縮気体(Ａ)をシリンダー用吸入口(25)へ送る第１流路(９)と往復式圧縮機(２)を迂回してシリンダー用吐出口(26)の下流側へ送る第２流路(10)とに切換可能となっている。
切換弁(６)の切り換え、及びモータ(４)(５)の駆動、停止制御は、電気的回路を有する制御装置(７)によって行われる。また、シリンダー用吐出口(26)よりも下流側には、タンク(３)内の圧力を計測するための圧力センサ(８)が設けられている。圧力センサ(８)の計測値等の情報は、制御装置(７)に送信される。制御装置(７)は、タンク(３)内の圧縮気体の消費量が減少し、タンク(３)へ送られる圧縮気体が増加した場合には、モータ(４)(５)を停止制御する。
高圧の二次圧縮気体(Ｂ)を必要とする場合には、制御装置(７)の切り換えスイッチ（図示略）を高圧側に切り換え操作する。これにより、切換弁(６)の第１流路(９)を開いて第２流路(10)を閉じて、モータ(４)(５)がほぼ同時に駆動する。
この結果、スクロール式圧縮機(１)及び往復式圧縮機(２)が共に作動して、スクロール式圧縮機(１)で圧縮された一次圧縮気体(Ａ)は、スクロール用吐出口(112A)及び貫通孔(44)を通ってクランクケース(22)内へ導入され、さらにクランクケース(22)内を通ってクランクケース用吐出口(222)から吐出される。
さらに、クランクケース用吐出口(222)から吐出された一次圧縮気体(Ａ)は、切換弁(６)及び第１流路(９)を介してシリンダー用吸入口(25)へ送られ、シリンダー(21)内に導入される。この結果、シリンダー用吐出口(26)から高圧の二次圧縮気体(Ｂ)が吐出される。
低圧の一次圧縮気体(Ａ)を必要とする場合には、制御装置(７)の切り換えスイッチを低圧側に切り換え操作する。これにより、切換弁(６)のソレノイド(61)が励磁され、切換弁(６)の第１流路(９)を閉じて第２流路(10)を開くとともに、モータ(５)のみを駆動する。この結果、スクロール式圧縮機(１)のみが作動して、スクロール式圧縮機(１)で圧縮された一次圧縮気体(Ａ)は、スクロール用吐出口(112A)及び貫通孔(44)を通ってクランクケース(22)内へ導入され、クランクケース(22)を通ってクランクケース用吐出口(222)から吐出される。そして、クランクケース用吐出口(222)から吐出された一次圧縮気体(Ａ)は、シリンダー用吸入口(25)へ送られることなく、切換弁(６)及び第２流路(10)を介してシリンダー用吐出口(26)の下流側へ低圧の一次圧縮気体(Ａ)を送る。
上述のように実施例１は、前記実施例１と同様に高圧の二次圧縮気体を効率よく得ることができるとともに、スクロール式圧縮機(１)で圧縮した一次圧縮気体(Ａ)を往復式圧縮機(２)のクランクケース(22)内に導入させるようにしたため、往復式圧縮機(２)の小型化及び静粛性の向上を図ることができる。また、切換弁(６)の切り換えによって、必要に応じて低圧の一圧縮気体(Ａ)と高圧の二次圧縮気体(Ｂ)とを選択的に得ることができる。特に、低圧の一次圧縮気体(Ａ)を必要する場合には、往復式圧縮機(２)が停止して、スクロール式圧縮機(１)のみが駆動するため、より静粛性及び省エネルギーの向上を図ることができる。
以上、本発明の各実施例について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、各実施例に対して、次のような変形や変更を施すことが可能である。
（ｉ）実施例１において、スクロール式圧縮機(１)で圧縮して吐出される一次圧縮気体(Ａ)を、実施例２のように往復式圧縮機(２)のクランクケース(22)に直接導入する。そして、クランクケース(22)に導入した一次圧縮気体(Ａ)をクランクケース(22)から吐出してシリンダー用吸入口(25)へ送るようにする。
（ii）実施例２において、スクロール式圧縮機(１)で圧縮して吐出される一次圧縮気体(Ａ)を、実施例１のようにその一部を往復式圧縮機(２)のクランクケース(22)に導入するようにする。
（iii）実施例２において、切換弁(６)は、往復式圧縮機(２)のシリンダー用吐出口(26)から吐出される二次圧縮気体(Ｂ)を貯蔵するタンク(３)内の圧力を測定する圧力センサ(８)の計測値、例えば、圧力センサ(８)が所定以上の圧力値を計測したことに基いて第１流路(９)を閉じて第２流路(10)を開き、また、圧力センサ(８)が所定以下の圧力を計測したことに基いて第１流路(９)を開いて第２流路(10)を閉じるようにする。
本発明に係わる複合圧縮機の概念図である。 本発明の実施例１を例示する複合圧縮機の縦断面図である。 本発明の実施例２を例示する複合圧縮機の縦断面図である。
(１)スクロール式圧縮機（上流側圧縮機）
(２)往復式圧縮機（下流側圧縮機）
(３)タンク
(４)モータ（動力源）
(５)モータ（動力源）
(６)切換弁
(７)制御装置
(８)圧力センサ
(９)第１流路
(10)第２流路
(11)ハウジング
(12)固定端板
(13)固定ラップ
(14)旋回板
(15)旋回ラップ
(16)圧縮室
(17)ピンクランク式自転防止機構
(18)蓋体
(21)シリンダー
(22)クランクケース
(23)ピストン
(24)蓋体
(25)シリンダー用吸入口
(26)シリンダー用吐出口
(27)ピストンロッド
(28)吸入弁
(29)吐出弁
(41)駆動軸
(42)偏心軸部
(43)クランク軸
(44)貫通孔
(51)駆動軸
(52)偏心軸部
(61)ソレノイド
(111)(111A)スクロール用吸入口
(112)(112A)スクロール用吐出口
(221)クランクケース用吸入口
(222)クランクケース用吐出口

Claims (6)

  1. 上流側圧縮機から吐出される圧縮気体を、下流側圧縮機でさらに圧縮して吐出させるようにした複合圧縮機において、
    前記上流側圧縮機をスクロール式圧縮機とし、前記下流側圧縮機を往復式圧縮機とするとともに、前記スクロール式圧縮機の吐出口から吐出される一次圧縮気体を、前記往復式圧縮機の吸入口へ送り、前記往復式圧縮機でさらに圧縮してその吐出口から二次圧縮気体を吐出するようにしたものにあって、
    前記一次圧縮気体を前記往復式圧縮機の前記吸入口へ送る第１流路と前記往復式圧縮機を迂回してその前記吐出口よりも下流側へ送る第２流路とに切換可能な切換弁と、該切換弁が前記第１流路を開いて前記第２流路を閉じた場合、前記スクロール式圧縮機及び前記往復式圧縮機の各動力源を作動させ、また、前記切換弁が前記吸第１流路を閉じて前記第２流路を開いた場合、前記スクロール式圧縮機の動力源を作動させ、前記往復式圧縮機の動力源を停止させる制御を行う制御装置とを備えたことを特徴とする複合圧縮機。
  2. 前記切換弁は、前記往復式圧縮機の前記吐出口から吐出される前記二次圧縮気体を貯蔵するタンク内の圧力を測定する圧力センサの計測値に基いて切り換えられることを特徴とする請求項１記載の複合圧縮機。
  3. 前記スクロール式圧縮機の前記吐出口から吐出される前記一次圧縮気体を、前記往復式圧縮機における密閉状態のクランクケース内、前記切換弁、前記第１流路の順に通して前記往復式圧縮機の前記吸入口に導入させるようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の複合圧縮機。
  4. 上流側圧縮機から吐出される圧縮気体を、下流側圧縮機でさらに圧縮して吐出させるようにした複合圧縮機において、
    前記上流側圧縮機をスクロール式圧縮機とし、前記下流側圧縮機を往復式圧縮機とするとともに、前記スクロール式圧縮機の吐出口から吐出される一次圧縮気体を、前記往復式圧縮機の吸入口へ送り、前記往復式圧縮機でさらに圧縮してその吐出口から二次圧縮気体を吐出するようにしたものにあって、
    前記一次圧縮気体の一部を、前記往復式圧縮機における密閉状態のクランクケース内に導入させるようにしたことを特徴とする複合圧縮機。
  5. 前記スクロール式圧縮機と前記往復式圧縮機とを単一の動力源をもって駆動させるようにしたことを特徴とする請求項４記載の複合圧縮機。
  6. 前記スクロール式圧縮機と前記往復式圧縮機を一体的に組み付けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の複合圧縮機。
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