JP2005330926A

JP2005330926A - 往復圧縮機

Info

Publication number: JP2005330926A
Application number: JP2004151650A
Authority: JP
Inventors: Haruo Miura; 治雄三浦; Shigeru Arai; 茂新井; Yoichiro Fukai; 陽一郎深井; Yasuo Fukushima; 康雄福島
Original assignee: Hitachi Industries Co Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-02
Anticipated expiration: 2024-05-21
Also published as: EP1598553A2; DE602005022651D1; US20050260080A1; EP1598553B1; EP1598553A3; JP4327019B2; US7563078B2

Abstract

【課題】
往復圧縮機おいて、小型で高効率しかも信頼性に優れた高圧力比の圧縮機とすること。
【解決手段】
往復圧縮機１０は、供給源から供給される低圧の作動ガスを圧縮する低圧段圧縮部１と、低圧段圧縮部１により圧縮された作動流体をさらに２段に圧縮する２つの高圧段圧縮部２、３と、低圧段圧縮部１及び高圧段圧縮部２、３を駆動するクランク機構４とを備える。２つの高圧段圧縮部２、３は、それぞれプランジャー１９、２１とシリンダ２４、２５とを備えると共に、クランク機構４の両側に対向して同軸で延びるように配置されている。低圧段圧縮部１は、ピストン１７とシリンダ２３とを備えると共に、２つの高圧段圧縮部２、３の中間に位置して延びるように配置されている。クランク機構４、低圧段圧縮部１、及び２つの高圧段圧縮部２、３は実質的に同じ平面内に位置するように設置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、往復圧縮機に係わり、特に、可燃性ガスや毒性ガスを作動ガスとして低圧力で吸込み、多段で圧縮して高圧力（例えば７０ＭＰａを越えるような高圧力）で吐出する小容量高圧力比の往復圧縮機に好適なものである。

例えば、水素供給ステーション用水素圧縮機の吸込圧力、吐出圧力仕様は、市場ニーズや水素供給源側の供給圧力によって決まる。改質プラント等で製造される水素の圧力は数Ｍｐａからその１０分の１程度の低い圧力の場合がある。一方で、燃料電池車への水素燃料充填量増加のために、圧縮機吐出圧力は７０Ｍｐａを越える圧力が要求される市場ニーズがある。このような低吸込圧力、高吐出圧力仕様に対しては、２段を超える多数圧縮段が必要である。

従来の多数圧縮段の往復圧縮機としては、特開平７−１８９８８５号公報（特許文献１）に示されたものがある。この往復圧縮機は、同一のクランクケースに３つのシリンダを取り付け、これら３つのシリンダ内を往復動する各ピストンを同一のクランクシャフトにより駆動するものである。

この圧縮機のクランクケースは、上面及び左右側面に第１〜第３のシリンダ取付部を有している。クランクケースの内部には、クランクシャフトが回転自在に軸承されており、クランクシャフトのクランクピンにはコンロッドが連結されている。上記第１〜第３のシリンダ取付部は、クランクシャフトの回転中心に対して回転方向に９０°ずらした位置となるように形成されている。この各シリンダ取付部には、第１〜第３が取付けられている。そして、各シリンダ内には第１〜第３のピストンが摺動自在に嵌合されている。各ピストンのピストンピンには、上記コンロッドの先端が連結されている。又、各シリンダはピストンピンの往復動により開閉する吸気弁及び排気弁を有する。これによって、クランクシャフトがモータにより回転駆動されると、コンロッドは揺動してピストンを往復動させる。

ここで、シリンダ、ピストン、コンロッドで構成される３つの圧縮部は、軸方向に並置されている。また、第２のシリンダが高圧用で、第１，第３のシリンダが中圧用として機能し、第１，第３のピストンの往復動により中圧に加圧された圧縮空気を第２のピストンにより高圧に圧縮する。

また、従来の多数圧縮段の往復圧縮機としては、特願２０００−１９２８７９号公報（特許文献２）に示されたものがある。

この往復圧縮機では、１対の対向するピストンは第１のヨークに連結し、他の１対の対向するピストンは第１のヨークと向きを９０度ずらして配設した第２のヨークに連結し、４つの往復圧縮部を構成している。電動機部によって、クランク軸を回転させ、クランクピンをクランク軸の回りに回転させて、一対のピストンを第１の軸の方向にのみ往復運動させ、他の一対のピストンを第２の軸の方向にのみ往復運動させるようになっている。

ここで、第１のヨークと第２のヨークとは、軸方向に並置されている。また、４つの圧縮部は、１つの圧縮部から順次９０度ずらした圧縮部で高圧化するように構成されている。

特開平７−１８９８８５号公報

特願２０００−１９２８７９号公報

従来技術１の往復圧縮機では、３つの圧縮部が軸方向に並置されている。この従来技術１で、低圧吸込、高吐出圧力圧縮機を構成しようとすると、軸方向の寸法が大きくなり、圧縮機の大型化を招くと共に、クランクシャフト、引いてはその軸受に大きな偶力を発生させ、これによる損失の増大及び構成部品の信頼性の低下を招く可能性がある。

また、従来技術２の往復圧縮機では、第１のヨークと第２のヨークとが軸方向に並置されている。この従来技術２で、低圧吸込、高吐出圧力圧縮機を構成しようとすると、軸方向の寸法が大きくなり、圧縮機の大型化を招いていた。また、４つの往復圧縮部が１つの往復圧縮部から順次９０度ずらした往復圧縮部で高圧化するように構成され、最も高い圧力の圧縮部がそれより２段低い圧力の圧縮部と対向しているので、その差圧によってクランクシャフトに大きな荷重が加わることとなり、損失の増大を招くことになり好ましいとは言えない。

本発明の目的は、小型で高効率しかも信頼性に優れた高圧力比の往復圧縮機を得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明の往復圧縮機は、２つの高圧段圧縮部が、それぞれプランジャーとシリンダとを備えると共に、クランク機構の両側に対向して同軸で延びるように配置され、低圧段圧縮部が、ピストンとシリンダとを備えると共に、２つの高圧段圧縮部の中間に位置して延びるように配置され、クランク機構、低圧段圧縮部、及び２つの高圧段圧縮部が実質的に同じ平面内に位置するように設置されていることを特徴とするものである。

本発明の第１の態様は、供給源から供給される低圧の作動ガスを圧縮する低圧段圧縮部と、前記低圧段圧縮部により圧縮された作動流体をさらに２段に圧縮する２つの高圧段圧縮部と、前記低圧段圧縮部及び前記高圧段圧縮部を駆動するクランク機構とを備える往復圧縮機において、前記２つの高圧段圧縮部は、それぞれプランジャーとシリンダとを備えると共に、前記クランク機構の両側に対向して同軸で延びるように配置され、前記低圧段圧縮部は、ピストンとシリンダとを備えると共に、前記２つの高圧段圧縮部の中間に位置して延びるように配置され、前記クランク機構、前記低圧段圧縮部、及び前記２つの高圧段圧縮部は実質的に同じ平面内に位置するように設置されている構成である。

係る本発明の第１の態様におけるより好ましい具体的構成は次の通りである。
（１）前記クランク機構は、クランクシャフトの主軸部に偏心して設けられた偏心軸部と、前記ピストンにピストンロッドを介して接続される低圧段クロスヘッドと、一側端部が前記偏心軸部に接続されると共に他側端部が前記低圧段クロスヘッドに接続される低圧段コネクティングロッドと、前記２つのプランジャーにそれぞれプランジャーロッドを介して接続される高圧段クロスヘッドと、一側端部が前記偏心軸部に接続されると共に他側端部が前記高圧段クロスヘッドに接続される高圧段コネクティングロッドとを備え、前記クランク機構の構成要素、前記低圧段圧縮部、及び前記２つの高圧段圧縮部は実質的に同じ平面内に位置するように設置されていること。
（２）前記２つの高圧段圧縮部は前記クランク機構の外面を構成するクランクケースの両側面から水平方向に延び、前記低圧段圧縮部は前記クランクケースの上面から上方に延びていること。
（３）上記（１）に加えて、前記高圧段クロスヘッドは１つの略矩形状枠で形成され、前記偏心軸部、前記低圧段コネクティングロッド、及び前記高圧段コネクティングロッドは前記高圧段クロスヘッドの枠内に配置されていること。
（４）上記（３）に加えて、前記高圧段クロスヘッドは水平方向に移動可能に設置され、前記高圧段コネクティングロッドは前記高圧段クロスヘッドの一側の側枠部に回転可能に結合され、前記２つのプランジャーロッドは前記高圧段クロスヘッドの両側の側枠部にそれぞれ結合されていること。
（５）上記（３）に加えて、前記高圧段クロスヘッドはその上枠部に上下に貫通する開口を形成しており、前記コネクティングロッドは前記開口を貫通して前記偏心軸部と前記低圧段クロスヘッドとに接続されていること。
（６）上記（５）に加えて、前記高圧段コネクティングロッドの一側端部が二股に分かれて前記偏心軸部に接続され、前記低圧段コネクティングロッドの一側端部が前記高圧段コネクティングロッドの二股に分かれた部分の中央隙間に位置されて前記偏心軸部に接続されていること。

本発明の第２の態様は、供給源から供給される低圧の作動ガスを圧縮する低圧段圧縮部と、前記低圧段圧縮部により圧縮された作動流体をさらに２段に圧縮する２つの高圧段圧縮部と、前記低圧段圧縮部及び前記高圧段圧縮部を駆動するクランク機構とを備える往復圧縮機において、前記２つの高圧段圧縮部は、それぞれプランジャーとシリンダとを備えると共に、前記クランク機構の両側に対向して同軸で延びるように配置され、前記低圧段圧縮部は、１つピストンとその両側に圧縮室を構成する１つのシリンダとで２段に圧縮する圧縮部を備えると共に、前記２つの高圧段圧縮部の中間に位置して延びるように配置され、前記クランク機構、前記低圧段圧縮部、及び前記２つの高圧段圧縮部は実質的に同じ平面内に位置するように設置されている構成である。

係る本発明の第２の態様におけるより好ましい具体的構成は次の通りである。
（１）前記低圧段圧縮部は、そのピストンの一側に供給源から供給された低圧の作動ガスを圧縮する第１圧縮段圧縮部を形成し、そのピストンの他側に前記第１圧縮段圧縮部で圧縮された作動ガスを圧縮する第２圧縮段圧縮部を形成し、前記２つの高圧段圧縮部の一方は前記第２圧縮段圧縮部で圧縮された作動ガスを圧縮する第３圧縮段圧縮部を構成し、前記２つの高圧段圧縮部の他方は前記第３圧縮段圧縮部で圧縮された作動ガスを圧縮する第４圧縮段圧縮部を構成すること。

本発明の第３の態様は、供給源から供給された低圧の作動ガスを圧縮する低圧段圧縮部と、前記低圧段圧縮部により圧縮された作動流体をさらに２段に圧縮する２つの高圧段圧縮部と、前記低圧段圧縮部及び前記高圧段圧縮部を駆動するクランク機構とを備える往復圧縮機において、前記２つの高圧段圧縮部は、それぞれプランジャーとシリンダとを備えると共に、前記クランク機構の両側に対向して同軸で延びるように配置され、前記低圧段圧縮部は、ピストンとシリンダとを備えると共に、前記２つの高圧段圧縮部の中間に位置して延びるように配置され、前記クランク機構は、クランクシャフトの主軸部に偏心して設けられた偏心軸部と、前記ピストンにピストンロッドを介して接続される低圧段クロスヘッドと、一側端部が前記偏心軸部に接続されると共に他側端部が前記低圧段クロスヘッドに接続される低圧段コネクティングロッドと、前記２つのプランジャーにそれぞれプランジャーロッドを介して接続される高圧段クロスヘッドと、一側端部が前記偏心軸部に接続されると共に他側端部が前記高圧段クロスヘッドに接続される高圧段コネクティングロッドとを備え、前記２つのプランジャーロッドはその外周に高圧段ロッドパッキンシールをそれぞれ備え、前記高圧段ロッドパッキンシールは、高圧側ロッドパッキン及び低圧側ロッドパッキンを並置して備えると共に、前記高圧側ロッドパッキンと前記低圧側ロッドパッキンとの中間部を前記低圧段圧縮部の吸込側と連通して形成され、前記クランク機構の構成要素、前記低圧段圧縮部、及び前記２つの高圧段圧縮部は実質的に同じ平面内に位置するように設置されている構成である。

係る本発明の第１の態様におけるより好ましい具体的構成は次の通りである。
（１）前記ピストンロッドはその外周に低圧段ロッドパッキンシールを備え、前記低圧段ロッドパッキンシールは、高圧側ロッドパッキン及び低圧側ロッドパッキンを並置して備えると共に、前記高圧側ロッドパッキンと前記低圧側ロッドパッキンとの中間部を前記低圧段圧縮部の吸込側と連通して形成されていること。
（２）前記２つの高圧段圧縮部は前記クランク機構の外面を構成するクランクケースの両側面から筒状ケースを介して水平方向に延び、前記低圧段圧縮部は前記クランクケースの上面から筒状ケースを介して上方に延び、前記低圧段クロスヘッドの外周にシールリングを設けると共に、前記プランジャーロッドの外周にシールリングを設けたこと。

本発明によれば、小型で高効率しかも信頼性に優れた高圧力比の往復圧縮機を得ることができる。

以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

本発明の第１実施例の往復圧縮機を図１〜図３を用いて説明する。

最初に、本実施例の往復圧縮機の外観構成に関して図１を参照しながら説明する。図１は本実施例の往復圧縮機を示す外観図である。

往復圧縮機１０は、低圧段圧縮部１、高圧段圧縮部２、３、クランク機構部４、及びモータ５を備えて構成されている。なお、作動ガスとしては、水素ガスなどの可燃性作動ガスや毒性作動ガスを用いることが可能であり、本実施例では水素ガスが用いられている。

低圧段圧縮部１は、供給源から供給された低圧の作動ガスを圧縮するものであり、第１圧縮段圧縮部１ａ（図２参照）と第２圧縮段圧縮部１ｂ（図２参照）とを有している。高圧段圧縮部２は、低圧段圧縮部１により圧縮された作動流体をさらに圧縮するものであり、第３圧縮段圧縮部を構成する。高圧段圧縮部３は、高圧段圧縮部２により圧縮された作動流体をさらに圧縮するものであり、第４圧縮段圧縮部を構成する。

クランク機構部４は、低圧段圧縮部１、高圧段圧縮部２、及び高圧段圧縮部３を駆動するためのものであり、その外面を形成するクランクケース４ａ及び筒状ケース４ｂ〜４ｄを有している。クランクケース４ａの基本的な形状は、前後に薄い略矩形状である。筒状ケース４ｂはクランクケース４ａと低圧段圧縮部１とを接続するものであり、筒状ケース４ｃはクランクケース４ａと中圧段圧縮部２とを接続するものであり、筒状ケース４ｄはクランクケース４ａと高圧段圧縮部３とを接続するものである。モータ５は、クランク機構部４を介して、低圧段圧縮部１、高圧段圧縮部２、及び高圧段圧縮部３を駆動するものである。

さらには、クランク機構部４は、低圧段圧縮部１、高圧段圧縮部２、高圧段圧縮部３、及びモータ５などの構成要素の中央に配置されている。換言すれば、高圧段圧縮部２、低圧段圧縮部１、高圧段圧縮部３はクランクケース４ａの周方向に連続する３面（本実施例では、底面を除く上面及び両側面）からそれぞれ突出して設けられ、モータ５はクランクケース４ａの前後面を構成する１面（本実施例では、後面）から突出して設けられている。かかる構成によって、往復圧縮機１０の小型化を図ることができる。

また、低圧段圧縮部１、高圧段圧縮部２、高圧段圧縮部３は、筒状に細長く形成されており、クランクケース４ａの３面から放射状に延びている。低圧段圧縮部１はクランクケース４ａの上面に垂直に突出するように配置されている。そして、高圧段圧縮部２と高圧段圧縮部３とは、両側面に水平方向に対向して同一軸心となるように突出して配置されている。換言すれば、クランク機構部４を挟んで互いに反対側に同一軸心となるように配置されている。かかる構成によって、クランクシャフト１１の荷重を低減し、その軸受損失を低減することができる。そして、低圧段圧縮部１と高圧段圧縮部２と高圧段圧縮部３とが前後方向（クランクシャフト１１の軸方向）に単列となり、軸方向の寸法を小さくすることができると共に、クランクシャフト１１の主軸受３１、３２に対する偶力を低減でき、損失を低減できると共に主軸受３１、３２などの構成部品の信頼性を向上させることができる。

次に、上述した配置を実現する往復圧縮機１０の具体的な構成に関して図２及び図３を参照しながら説明する。図２は本実施例の往復圧縮機の構成模式図、図３はその往復圧縮機のクランク機構部の斜視図である。

駆動源であるモータ５の回転軸５ａにはクランクシャフト１１が連結され、クランクシャフト１１はモータ５によって回転される。このクランクシャフト１１は、前後に延びるように配置され、主軸部１１ａと偏心軸部１１ｂとを有している。主軸部１１ａの一側端部はモータ５の回転軸５ａに結合されている。主軸部１１ａの他側部分には偏心軸部１１ｂが設けられ、この偏心軸部１１ｂは主軸部１１ａの軸心と偏心した軸心を有している。主軸受３１、３２は偏心軸部１１ｂの両側に位置する主軸部１１ａを軸支している。これによって、偏心軸部１１ｂに加わる力は偏心軸部１１ｂから主軸部１１ａを通して主軸受３１、３２により受けることとなり、この主軸受３１、３２の間隔はできるだけ小さいことが好ましい。上述した本実施例の構成によれば、低圧段圧縮部１と高圧段圧縮部２と高圧段圧縮部３とがクランクシャフト１１の軸方向に単列となり、主軸受３１、３２の間隔を小さくすることができるので、往復圧縮機１０の信頼性を向上することができる。

コネクティングロッド１３、１５のそれぞれの一側端部は、同じ偏心軸部１１ｂに、隣接して回転可能に結合されている。コネクティングロッド１３の一側端部は二股に分かれて形成され、コネクティングロッド１５の一側端部がその二股に分かれた部分の中央隙間に位置されている。そして、コネクティングロッド１３の他側端部は横方向に延びて矩形状枠型のクロスヘッド１２に連結ピン５１を介して回転可能に結合されている。コネクティングロッド１５の他側は上方に延びてクロスヘッド１４に連結ピン５２を介して回転可能に結合されている。かかる構成によって、往復圧縮機１０の前後方向の寸法が小さくなっている。

また、偏心軸部１１ｂとクロスヘッド１２とはコネクティングロッド１３を介して連結され、偏心軸部１１ｂの偏心回転運動をクロスヘッド１２の左右の往復運動に変換するようになっている。さらには、主軸部１１ａとクロスヘッド１４とはコネクティングロッド１５を介して連結され、偏心軸部１１ｂの偏心回転運動をクロスヘッド１４の上下の往復運動に変換するようになっている。

偏心軸部１１ｂ、コネクティングロッド１３、１５、クロスヘッド１２は、一つのクランクケース４ａ内に収納されている。クロスヘッド１４はクランクケース４ａの上面に設けられた筒状ケース４ｂ内に収納されている。この筒状ケース４ｂはクランクケース４ａと低圧段圧縮部１とを接続している。

クロスヘッド１２は、圧縮部を有していないクランクケース４ａの底面を利用して、その底面上に左右に摺動可能に載置されている。クロスヘッド１２の下枠部１２ｄとクランクケース４ａとの間にシュウ（図示せず）を介在させることによって滑らかな摺動を得ることができる。また、クロスヘッド１２の枠内に、偏心軸部１１ｂ、コネクティングロッド１３、１５を配置している。この点からも往復圧縮機１０の小型化を図ることができる。

クロスヘッド１２の上枠部１２ａの中央に開口１２eが形成され、この開口１２eを貫通してコネクティングロッド１５が上下に延びている。開口１２eは、コネクティングロッド１３の二股に分かれた部分の間の空隙と前後方向でほぼ一致して形成されている。かかる構成によって、クロスヘッド１２の枠体としての強度を確保しつつ、低圧段圧縮部１を高圧段圧縮部２及び高圧段圧縮部３と共に単列（同一平面）に配置することを可能としている。なお、クロスヘッド１２の上枠部１２の開口の形成については、別部材をボルト締付にて取付けることにより開口を形成するようにしても良い。

クロスヘッド１４には低圧段ピストンロッド１６の一側端部が連結され、そのピストンロッド１６の他側端部には低圧段ピストン１７が連結されている。ピストン１７は低圧段シリンダ２３内に摺動可能に収納されている。このピストン１７とシリンダ２３とにより、ピストン１７の両側に第１圧縮段圧縮部２３ａ及び第２圧縮段圧縮部２３ｂが形成されている。

クロスヘッド１２の一側（右側）の側枠部１２ｂには第３圧縮段用プランジャーロッド１８の一側端部が連結されている。そのプランジャーロッド１８の他側端部には第３圧縮段用プランジャー１９が連結されている。このプランジャー１９は、第３圧縮段用シリンダ２４と共に第３圧縮段圧縮部２４ａを形成している。

また、クロスヘッド１２の他側（左側）の側枠部１２ｃには第４圧縮段用プランジャーロッド２０の一側端部が連結されている。そのピストンロッド２０の他側端部には第４圧縮段用プランジャー２０が連結されている。このプランジャー２０は、第４圧縮段用シリンダ２５と共に第４圧縮段圧縮部２５ａを形成している。

かかる構成によれば、一つの偏心軸部１１ｂの回転運動にて、低圧段圧縮部１を形成するためのピストンロッド１６と、高圧２段の圧縮部２、３を形成するためのプランジャーロッド１６、１７とを同一平面内で往復運動させることができる。

モータ３３によってクランクシャフト１１が回転すると、クランクシャフト１１の回転運動はコネクティングロッド１５の揺動運動からクロスヘッド１４の往復運動に変換され、ピストン１７が往復運動する。また、クランクシャフト１１の回転運動はコネクティングロッド１３の揺動運動からクロスヘッド１２の往復運動に変換され、プランジャー１９、２１が往復運動する。

ピストン１７が往復運動すると、作動ガスはバルブ３４ａを通してシリンダ２３の第１圧縮段圧縮部２３ａに吸込まれ圧縮されて吐出バルブ３４ｂを通して吐出される。本実施例では、供給された数Ｍｐａ以下の低い圧力から５Ｍｐａ程度の圧力に圧縮されて吐出される。なお、図２において、点線で示す系統は作動ガスの流れる系統を示し、その矢印は流れる方向を示す。

次いで、その作動ガスは吸込みバルブ３５ａを通してシリンダ２３の第２圧縮段圧縮部２３ｂに吸込まれ圧縮されて吐出バルブ３５ｂを通して吐出される。本実施例では、５Ｍｐａ程度の圧力から１４Ｍｐａ程度に圧縮されて吐出される。

次いで、その作動ガスは吸込みバルブ３６ａを通してシリンダ２４の第３圧縮段圧縮部２４ａに吸込まれ圧縮されて吐出バルブ３６ｂを通して吐出される。本実施例では、１４Ｍｐａ程度の圧力から３６Ｍｐａ程度に圧縮されて吐出される。

次いで、その作動ガスは吸込みバルブ３７ａを通してシリンダ２５の第４圧縮段圧縮部２５ａに吸込まれ圧縮されて吐出バルブ３７ｂを通して吐出される。本実施例では、３６Ｍｐａ程度の圧力から８４Ｍｐａ程度に圧縮されて吐出される。なお、本実施例で示す圧力比は一例である。

このようにして、クランクシャフト１１のクランク部分が一つ（即ち、単列クランクケース４ａ）の構造で４段圧縮部が構成され、高圧力比の圧縮が可能である。さらに、本実施例では、低圧段軸心と高圧２段の軸心が同一平面に位置されているので、主軸受３１、３２に偶力が発生せず、主軸受３１、３２の信頼性も向上する。

また、高圧２段の圧縮部２、３をクロスヘッド１２を介して同一軸心で対向させたので、クランクシャフト１１、引いてはクランクシャフト１１を支持する主軸受３１、３２の荷重を低減し、損失を低減できる。

垂直に配置した低圧段圧縮部は復動式にすることによって、ピストン１７等の慣性力と作動ガス圧力によって生じる作動ガスのスラスト力を相殺させてクランクシャフト１１に掛る荷重を低減し、ひいては主軸受３１、３２に掛る荷重を低減し、損失を低減できる。このように、クランクシャフト１１、主軸受３１、３２等に掛る荷重を低減できるので、これらの部品の長寿命化が図れる。

なお、本実施例では示していないが、高圧段プランジャー１９、２１とクロスヘッド１２との間にあるプランジャーロッド１８、２０をガイド部を有する構造にすればさらに好適である。

一方、低圧段ロッドパッキンシール３８、高圧２段のロッドパッキンシール３９、４０は、それぞれ高圧側パッキン群を構成する高圧側パッキン３８ａ，３９ａ，４０ａと低圧側パッキン群を構成する低圧側パッキン３８ｂ、３９ｂ、４０ｂとに分けている。そして、高圧側パッキン３８ａ，３９ａ，４０ａと低圧側パッキン３８ｂ、３９ｂ、４０ｂとの中間に位置する部屋が第１圧縮段圧縮部２３ａの吸込みラインに連通されている。このようにすることにより、各ロッドパッキンシール３８〜４０の大気側とのシール差圧は第１圧縮段圧縮部２３ａの吸込み圧力との差圧となり、系内で最も小さくできる。即ち、大気側への漏れ量を最少にすることができ、外部への漏れ量の極少化が図れ、圧縮機設備の安全性を向上できる。

次に、本発明の第２実施例を図４を用いて説明する。図４は本発明の第２実施例の往復圧縮機の要部断面図である。なお、第２実施例の説明において、第１実施例と共通する部分の重複する説明は省略する。

この第２実施例では、垂直方向に配置されたクロスヘッド１４の外周部にシールリング６１が設けられ、このシールリング６１が筒状ケース４ｂの内面と摺動するようになっており、クロスヘッド１４と筒状ケース４ｂとの間の気密が保たれている。そして、シールリング６１より低圧段圧縮部１側の筒状ケース４ｂにガス導出孔７１が形成されている。

また、水平方向に配置されたクロスヘッド１２の両側に中間ガイドロッド５４が夫々設けられている。その中間ガイドロッド５４のピストン部５５の外周部にシールリング６２が取付けられ、そのシールリング６２の筒状ケース４ｃ、４ｄの内面と摺動するようになっており、中間ガイドロッド５４と筒状ケース４ｃ、４ｄとの間の気密が保たれている。そして、シールリング６２より中圧段圧縮部２側の筒状ケース４ｃ及び高圧段圧縮部３側の筒状ケース４ｄにそれぞれガス導出孔７２が形成されている。なお、図４では高圧段の片方の圧縮段（高圧段圧縮部３）は一部のみの図示であるが、同一の構造を有している。

このようにすることにより、低圧段ロッドパッキンシール３８から大気側へ漏れた作動ガスは導出孔７１からクランクケース４ａ内に漏らすことなく安全にフレアへ導くことができる。また、高圧側圧縮段のロッドパッキンシール３９、４０から漏れた作動ガスも同様に導出孔７２からクランクケース４ａ内に漏らすことなくフレアへ導くことができる。これによって安全性を向上することができる。

上述した実施例に関して機能的に纏めると次の通りである。
（１）小容量高圧力比圧縮機で且つ経済性を考慮した小型化、最適構造化について、
先ず作動ガスのスラスト力が極めて大きい高圧の第３及び第４圧縮段圧縮部２４ａ、２５ａを水平方向に対向させて配置する。この高圧の２段の圧縮部２４ａ、２５ａは容積流量が小さくなるので、プランジャー式圧縮機構造を用いる。そして、低圧の１、第２圧縮段圧縮部２３ａ、２３ｂを垂直方向に配置する。この低圧の２段の圧縮部２３ａ、２３ｂは比較的容積流量が大きいので、ピストン型復動式圧縮段を用いることにより、１つのピストンで２つの圧縮ができる構造とする。

さらに、次のような構造にすることによって、コンパクトに且つクランクシャフト１１、軸受に掛る荷重を低減でき、損失の低減、構造の小型化が達成できる。

一つのクランクケース４ａ内に、水平方向に移動可能で且つ上部に開口１２ｅを持ったクロスヘッド１２を配置すると共に、このクロスヘッド１２を貫通する一つの偏心軸部１１ｂを有するクランクシャフト１１を配置する。クロスヘッド１２とクランクシャフト１１を連結するコネクティングロッド１３は、クランクシャフト側に連結する部分を２股とし、中央部分に空隙を形成させる。この空隙部分にクランクシャフト１１と垂直方向に配置した圧縮段のクロスヘッド１４を連結するコネクティングロッド１５を配置する。ここで、クロスヘッド１２の上部には上述したように開口１２ｅが設けて有り、この開口１２ｅを通って低圧段コネクティングロッド１５を配する。このコネクティングロッド１５の一端はクランクシャフト１１の偏心軸部１１ｂに連結され、他端は低圧段クロスヘッド１４に連結される。さらに、クロスヘッド１４にはピストンロッド１６が連結され、そのピストンロッド１６の先端部には１段及び２段の圧縮段を形成するピストン部を有する。

このように第４圧縮段を構成すれば、一つのクランクケース４ａのみで全ての圧縮段数を一軸心内に納めることができる。即ち、第４圧縮段を単列に配置することができるのでクランク軸方向の必要寸法を削減することができ、小型化を達成する。また、高圧２段をクロスヘッド１２を介して対向させたので、クランクシャフト１１、引いてはクランクシャフト１１を支持する主軸受３１、３２の荷重を低減し、損失を低減できる。垂直に配置した低圧段圧縮部１は復動式にすることによってピストン等の慣性力と作動ガス圧力によって生じる作動ガスのスラスト力を相殺させてクランクシャフト１１に掛る荷重を低減、引いては主軸受３１、３２に掛る荷重を低減し、損失を低減できる。さらに言えば、これらの力は上述したように実質的に同一平面内にあるため、クランクシャフト１１に偶力を掛けない。即ち、過大荷重や方当りを発生しないので、軸受３１、３２の信頼性が向上する。
（２）可燃性、爆発性作動ガスの漏洩量の極少化及び漏れ作動ガスの安全な排出に関して
高圧２段の圧縮段のロッドパッキンシール３９、４０を高圧側ロッドパッキン３９ａ、４０ａと低圧側ロッドパッキン３９ｂ、４０ｂに分離し、その中間部を初段吸込みラインと連通することにより、大気側との作動ガスシール差圧を低減することができる。さらに低圧段ピストンロッド貫通部のロッドパッキンシール３８も同様に分割し、中間室を初段吸込みラインと連通することにより、大気側との作動ガスシール差圧を低減することができる。このように構成することによって、ロッドパッキンシール３８〜４０からクランクケース４ａ側へ漏れる作動ガス量を極少化することができる。なお、漏れた作動ガスはパージラインを経由して安全に大気へ放出する。
（３）信頼性、安全性に関して
上記のように高圧段圧縮部３、４を配置すればクランクシャフト１１、主軸受３１、３２等に掛る荷重を低減できるので、部品の長寿命化が図れる。また外部への漏れ量の低減が図れ、圧縮機設備の安全性が向上できる。さらに、垂直方向に配置されたクロスヘッド１４の外周部にシールリング６１を設け、水平方向に配置されたクロスヘッド１２の両側に、外周部にシールリング６２を取付けた中間ガイド５４を夫々設ける。このようにすることにより、低圧段ロッドパッキンシール６１から大気側へ漏れた作動ガスをクランクケース４ａ内に漏らすことなく安全にフレアへ導くことができる。また、高圧側圧縮段のロッドパッキンシール６２から漏れた作動ガスも同様にクランクケース４ａ内に漏らすことなくフレアへ導くことができる。

本発明の第１実施例の往復圧縮機を示す外観図である。第１実施例の往復圧縮機の構成模式図である。第１実施例の往復圧縮機のクランク機構部の斜視図である。本発明の第２実施例の往復圧縮機の要部断面図である。

符号の説明

１…低圧段圧縮部、２…高圧段圧縮部、３…高圧段圧縮部、４…クランク機構部、４ａ…クランクケース、４ｂ〜４ｄ…筒状ケース、５…モータ、１０…往復圧縮機、１１…クランクシャフト、１２…クロスヘッド、１２ａ〜１２ｄ…枠部、１２ｅ…開口、１３…コネクティングロッド、１４…クロスヘッド、１５…コネクティングロッド、１６…ピストンロッド、１７…ピストン、１８…プランジャーロッド、１９…プランジャー、２０…プランジャーロッド、２１…プランジャー、２３〜２５…シリンダ、２３ａ…第１圧縮段圧縮部、２３ｂ…第２圧縮段圧縮部、２４ａ…第３圧縮段圧縮部、２５ａ…第４圧縮段圧縮部、３１…主軸受、３２…主軸受、３３…モータ、３４ａ…吸込みバルブ、３…吐出バルブ、３５ａ…吸込みバルブ、３５ｂ…吐出バルブ、３６ａ…吸込みバルブ、３６ｂ…吐出バルブ、３７ａ…吸込みバルブ、３７ｂ…吐出バルブ、３８…低圧段ロッドパッキンシール、３９〜４０…高圧段ロッドパッキンシール、３８ａ…高圧側ロッドパッキン、３８ｂ…低圧側ロッドパッキン、３９ａ…高圧側ロッドパッキン、３９ｂ…低圧側ロッドパッキン、４０ａ…高圧側ロッドパッキン、４０ｂ…低圧側ロッドパッキン、５１…連結ピン、５２…連結ピン、５４…中間ガイドロッド、５５…ピストン部、６１…シールリング、６２…シールリング、７１…ガス導出孔、７２…ガス導出孔。

Claims

供給源から供給される低圧の作動ガスを圧縮する低圧段圧縮部と、
前記低圧段圧縮部により圧縮された作動流体をさらに２段に圧縮する２つの高圧段圧縮部と、
前記低圧段圧縮部及び前記高圧段圧縮部を駆動するクランク機構とを備える往復圧縮機において、
前記２つの高圧段圧縮部は、それぞれプランジャーとシリンダとを備えると共に、前記クランク機構の両側に対向して同軸で延びるように配置され、
前記低圧段圧縮部は、ピストンとシリンダとを備えると共に、前記２つの高圧段圧縮部の中間に位置して延びるように配置され、
前記クランク機構、前記低圧段圧縮部、及び前記２つの高圧段圧縮部は実質的に同じ平面内に位置するように設置されていることを特徴とする往復圧縮機。
請求項１に記載の往復圧縮機において、前記クランク機構は、クランクシャフトの主軸部に偏心して設けられた偏心軸部と、前記ピストンにピストンロッドを介して接続される低圧段クロスヘッドと、一側端部が前記偏心軸部に接続されると共に他側端部が前記低圧段クロスヘッドに接続される低圧段コネクティングロッドと、前記２つのプランジャーにそれぞれプランジャーロッドを介して接続される高圧段クロスヘッドと、一側端部が前記偏心軸部に接続されると共に他側端部が前記高圧段クロスヘッドに接続される高圧段コネクティングロッドとを備え、前記クランク機構の構成要素、前記低圧段圧縮部、及び前記２つの高圧段圧縮部は実質的に同じ平面内に位置するように設置されていることを特徴とする往復圧縮機。
請求項１または２に記載の往復圧縮機において、前記２つの高圧段圧縮部は前記クランク機構の外面を構成するクランクケースの両側面から水平方向に延び、前記低圧段圧縮部は前記クランクケースの上面から上方に延びていることを特徴とする往復圧縮機。
請求項２に記載の往復圧縮機において、前記高圧段クロスヘッドは１つの略矩形状枠で形成され、前記偏心軸部、前記低圧段コネクティングロッド、及び前記高圧段コネクティングロッドは前記高圧段クロスヘッドの枠内に配置されていることを特徴とする往復圧縮機。
請求項４に記載の往復圧縮機において、前記高圧段クロスヘッドは水平方向に移動可能に設置され、前記高圧段コネクティングロッドは前記高圧段クロスヘッドの一側の側枠部に回転可能に結合され、前記２つのプランジャーロッドは前記高圧段クロスヘッドの両側の側枠部にそれぞれ結合されていることを特徴とする往復圧縮機。
請求項４に記載の往復圧縮機において、前記高圧段クロスヘッドはその上枠部に上下に貫通する開口を形成しており、前記コネクティングロッドは前記開口を貫通して前記偏心軸部と前記低圧段クロスヘッドとに接続されていることを特徴とする往復圧縮機。
請求項６に記載の往復圧縮機において、前記高圧段コネクティングロッドの一側端部が二股に分かれて前記偏心軸部に接続され、前記低圧段コネクティングロッドの一側端部が前記高圧段コネクティングロッドの二股に分かれた部分の中央隙間に位置されて前記偏心軸部に接続されていることを特徴とする往復圧縮機。
供給源から供給される低圧の作動ガスを圧縮する低圧段圧縮部と、
前記低圧段圧縮部により圧縮された作動流体をさらに２段に圧縮する２つの高圧段圧縮部と、
前記低圧段圧縮部及び前記高圧段圧縮部を駆動するクランク機構とを備える往復圧縮機において、
前記２つの高圧段圧縮部は、それぞれプランジャーとシリンダとを備えると共に、前記クランク機構の両側に対向して同軸で延びるように配置され、
前記低圧段圧縮部は、１つピストンとその両側に圧縮室を構成する１つのシリンダとで２段に圧縮する圧縮部を備えると共に、前記２つの高圧段圧縮部の中間に位置して延びるように配置され、
前記クランク機構、前記低圧段圧縮部、及び前記２つの高圧段圧縮部は実質的に同じ平面内に位置するように設置されていることを特徴とする往復圧縮機。
請求項８に記載の往復圧縮機において、前記低圧段圧縮部は、そのピストンの一側に供給源から供給された低圧の作動ガスを圧縮する第１圧縮段圧縮部を形成し、そのピストンの他側に前記第１圧縮段圧縮部で圧縮された作動ガスを圧縮する第２圧縮段圧縮部を形成し、前記２つの高圧段圧縮部の一方は前記第２圧縮段圧縮部で圧縮された作動ガスを圧縮する第３圧縮段圧縮部を構成し、前記２つの高圧段圧縮部の他方は前記第３圧縮段圧縮部で圧縮された作動ガスを圧縮する第４圧縮段圧縮部を構成することを特徴とする往復圧縮機。
供給源から供給された低圧の作動ガスを圧縮する低圧段圧縮部と、
前記低圧段圧縮部により圧縮された作動流体をさらに２段に圧縮する２つの高圧段圧縮部と、
前記低圧段圧縮部及び前記高圧段圧縮部を駆動するクランク機構とを備える往復圧縮機において、
前記２つの高圧段圧縮部は、それぞれプランジャーとシリンダとを備えると共に、前記クランク機構の両側に対向して同軸で延びるように配置され、
前記低圧段圧縮部は、ピストンとシリンダとを備えると共に、前記２つの高圧段圧縮部の中間に位置して延びるように配置され、
前記クランク機構は、クランクシャフトの主軸部に偏心して設けられた偏心軸部と、前記ピストンにピストンロッドを介して接続される低圧段クロスヘッドと、一側端部が前記偏心軸部に接続されると共に他側端部が前記低圧段クロスヘッドに接続される低圧段コネクティングロッドと、前記２つのプランジャーにそれぞれプランジャーロッドを介して接続される高圧段クロスヘッドと、一側端部が前記偏心軸部に接続されると共に他側端部が前記高圧段クロスヘッドに接続される高圧段コネクティングロッドとを備え、
前記２つのプランジャーロッドはその外周に高圧段ロッドパッキンシールをそれぞれ備え、
前記高圧段ロッドパッキンシールは、高圧側ロッドパッキン及び低圧側ロッドパッキンを並置して備えると共に、前記高圧側ロッドパッキンと前記低圧側ロッドパッキンとの中間部を前記低圧段圧縮部の吸込側と連通して形成され、
前記クランク機構の構成要素、前記低圧段圧縮部、及び前記２つの高圧段圧縮部は実質的に同じ平面内に位置するように設置されていることを特徴とする往復圧縮機。
請求項１０に記載の往復圧縮機において、前記ピストンロッドはその外周に低圧段ロッドパッキンシールを備え、前記低圧段ロッドパッキンシールは、高圧側ロッドパッキン及び低圧側ロッドパッキンを並置して備えると共に、前記高圧側ロッドパッキンと前記低圧側ロッドパッキンとの中間部を前記低圧段圧縮部の吸込側と連通して形成されていることを特徴とする往復圧縮機。
請求項１０に記載の往復圧縮機において、前記２つの高圧段圧縮部は前記クランク機構の外面を構成するクランクケースの両側面から筒状ケースを介して水平方向に延び、前記低圧段圧縮部は前記クランクケースの上面から筒状ケースを介して上方に延び、前記低圧段クロスヘッドの外周にシールリングを設けると共に、前記プランジャーロッドの外周にシールリングを設けたことを特徴とする往復圧縮機。