JP2007218179A - 往復圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトに高圧圧縮機を構成する。
【解決手段】燃料電池車の水素供給またはＣＮＧ自動車の燃料供給に用いる往復圧縮機
１００は、水平方向に移動可能な一対のプランジャー１７ａ，１７ｃ（１７ｂ，１７ｄ）と上下方向に移動可能なピストン２５ａ（２５ｂ，２５ｃ）とを駆動する駆動部を有する。駆動部は、同一のクランク軸１０ｘに連結しプランジャーを駆動するフォーク型の水平コネクティングロッド２２ａとピストンを駆動する縦コネクティングロッドとを有する。クランク軸は駆動源からの駆動力を伝達する主軸１０から偏心した真っ直ぐな軸である。
【選択図】図２

Description

本発明は高圧の往復圧縮機に係り、特に水素またはＣＮＧスタンドに好適な往復圧縮機に関する。

従来の高圧仕様の往復圧縮機の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の往復圧縮機は、プランジャー式の小容積高圧圧縮機である。高圧圧縮機は、１段シリンダおよび２段シリンダを有する２段圧縮機で、シリンダ内を軸方向に移動する１段，２段プランジャーは同一軸心上に配置されている。各プランジャーは、１個のクランク機構を介して駆動機であるモータに連結されており、モータの回転運動が往復運動に変換されて、プランジャーが作動ガスを圧縮している。

このプランジャーを駆動するクランク機構は、モータに接続されたクランクシャフトと、このクランクシャフトを収納するクランクケースとを有している。クランクシャフトには、コネクティングロッドの一端が取り付けられており、コネクティングロッドの他端はクロスピンを介してクロスヘッドに連結されている。

クロスピンは、コネクティングロッドに対してもクロスヘッドに対しても回動可能である。クロスヘッドの下面には、摺動可能なシュー部が形成されている。クランクケースの受け面との間で摺動するクランクシャフトが回転運動すると、コネクティングロッドは揺動運動し、クロスヘッドはシュー部にガイドされて往復運動する。クロスヘッドは枠型に形成されており、クロスヘッドの両端にはロッドが取り付けられている。ロッドの先端にはプランジャーが接続されている。

特開２００４−１１６３２９号公報

燃料自動車やＣＮＧ（Compressed Natural Gas）自動車に供給する燃料を、従来のガソリンスタンドと同様の供給スタンドで供給するためには、燃料を圧縮する水素圧縮機や
ＣＮＧ圧縮機をコンパクトにすることが必須である。圧縮機をコンパクト化するためには、圧縮機の相当の部分を占め、かつ圧縮機の主要構成となっている駆動機構部の小型化およびコンパクト化が重要である。

上記特許文献１に記載の高圧仕様の圧縮機では、一応の小型化が達成されている。しかしながら、燃料自動車やＣＮＧ自動車の運転距離を増大させるために、供給する燃料の高圧化が進んでいる現状では、さらに高圧化のための圧縮段が必要になり、更なるコンパクト化が求められている。

本発明は上記従来の不具合に鑑みなされたものであり、その目的はコンパクトに高圧圧縮機を構成することにある。本発明の他の目的は、圧縮機の吐出圧が７０ＭＰａを超えるような多段の圧縮機を、小型化およびコンパクト化することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、燃料電池車の水素供給またはＣＮＧ自動車の燃料供給に用いる往復圧縮機において、水平方向に移動可能な一対のプランジャーと上下方向に移動可能なピストンとを駆動する駆動部を有し、この駆動部は同一のクランク軸に連結しプランジャーを駆動するフォーク型の水平コネクティングロッドとピストンを駆動する縦コネクティングロッドとを有し、クランク軸は駆動源からの駆動力を伝達する主軸から偏心した真っ直ぐな軸であることにある。

そしてこの特徴において、駆動部を２個有し、これら２個の駆動部を軸方向に連結し、駆動部単位でプランジャーとピストンの移動方向を逆相にするのがよく、クランク軸の両端部にバランスウェイトを取り付け、このバランスウェイトを駆動部単位で逆相にするのがよい。また、プランジャーと水平コネクティングロッド間に枠型クロスヘッドおよびコンプレッションバーを介在させ、このコンプレッションバーはプランジャーよりも剛性の低い材質であるのが望ましい。

本発明によれば、１本のクランクピンに３個のシリンダを接続する構造としたので、圧縮機の駆動部がコンパクトになり、圧縮機全体が小型化およびコンパクト化された。また、この３個のシリンダを１本のクランクピンに接続したブロックを２個直列に接続し、ブロック毎にシリンダの位相が反対になるようにしたので、圧縮機の吐出圧が７０Ｍｐａを越える圧縮機でも駆動機構が小型化およびコンパクト化される。さらに、シリンダの位相を変えると共にバランスウェイトを取り付けているので、圧縮機の水平運動と垂直運動に関するモーメントを容易にバランスさせることができ、外部に伝播する振動を低減できる。

以下、本発明に係る水素圧縮機またはＣＮＧ圧縮機の一実施例を、図面を用いて説明する。図１は、水素圧縮機またはＣＮＧ圧縮機の駆動部の３面図であり、同図（ａ）は上面断面図、同図（ｂ）は正面断面図、同図（ｃ）は側面断面図である。図２はこの駆動部を含む水素圧縮機またはＣＮＧ圧縮機の主要部の斜視図である。

初めに図２を用いて、本発明に係る５段圧縮機１００を説明する。この図２では、５段圧縮機１００の駆動部を含む主要部を示している。本圧縮機１００では、２個のブロックを直列に接続している。図２で手前側に位置する第１のブロックでは、前後に延びる一対のプランジャー１７ａ，１７ｂが、コンプレッションバー１８ａ，１８ｂを介して枠型に形成された枠型クロスヘッド１３ａに接続されている。

枠型クロスヘッド１３ａの下部には、逆Ｔ字状のシュー部１３ｃが形成されている。このシュー部１３ｃの左右両側であって上部を覆って、クロスガイド１４ａが摺動可能に配置されている。クロスヘッド１３ａは後端部側に突出部を有し、この突出部にクロスピン１２ａが貫挿されている。クロスピン１２ａが枠型クロスヘッド１３ａから延在した両側の部分には、横コネクティングロッド１１ａが取り付けられている。横コネクティングロッド１１ａの左右両側には、細長いクランクプレート２１ａ，２１ｂが配置されている。クランクプレート２１ａ，２１ｂの長手方向一方端側には、バランスウェイト１６ａが取り付けられている。

枠型クロスヘッド１３ａは、上部に開口部を有し、この開口部を、両側から押え板24ａが押えている。押え板２４ａ間に形成される開口部には、一端部がクランクシャフト10ｘに回動可能に取り付けられた縦コネクティングロッド１５ａが挿入されている。縦コネクティングロッド１５の他端部は、縦クロスヘッド２０ａに回転可能に取り付けられている。縦クロスヘッド２０ａの上面には、一端部にピストン２５ａを備えたピストンシャフト１９ａが取り付けられている。

第１のブロックのプランジャー１７ａ，１７ｃの先端部およびピストン２５ａは、それぞれ図示しないシリンダ内に収容されている。そして、プランジャー１７ａ，１７ｂとシリンダおよびピストン２５ａとシリンダが形成する容積を変化させることにより、各シリンダに導かれたガスを圧縮する。プランジャー１７ａは５段圧縮段を形成し、プランジャー１７ｃは４段圧縮段を形成する。ピストン２５ａは、初段圧縮段を形成する。

図２で右側に配置した第２のブロックも第１のブロック同様に、枠型クロスヘッド13ｂに、前後方向に延びる一対のプランジャー１７ｂ，１７ｄがコンプレッションバー１８ｂ，１８ｄを介して取り付けられている。枠型クロスヘッド１３ｂの上部に形成された開口部には、縦コネクティングロッド１５ｂが貫挿されており、その一端部は縦クロスヘッド２０ｂのピンに回動自由に取り付けられている。縦クロスヘッド２０ｂの上面には、ピストンシャフト１９ｂの一端部が接続されている。ピストンシャフト１９ｂの上端部には、２個のピストン２５ｂ，２５ｃが取り付けられている。

枠型クロスヘッド１３ｂは枠型クロスヘッド１３ａと異なり、手前側の端部に突出部を有している。そしてこの突出部をクロスピン１２ｂが貫通している。枠型クロスヘッドから延在したクロスピン１２ｂの両側の部分には、横コネクティングロッド１１ｂが取り付けられている。横コネクティングロッド１１ｂの左右両側には、細長いクランクプレート２１ｃ（図示せず），２１ｄが配置されている。クランクプレート２１ｃ，２１ｄの長手方向一方端側には、バランスウェイト１６ｂが取り付けられている。バランスウェイト
１６ａとバランスウェイト１６ｂとは位相が逆、すなわち、主軸１０の中心に対して
１８０°反対の位置に配置されている。

第２のブロックのプランジャー１７ｂ，１７ｄの先端部およびピストン２５ｂ，２５ｃも、それぞれ図示しないシリンダ内に収容されている。そして、プランジャー１７ｂ，
１７ｄとシリンダおよびピストン２５ｂ，２５ｃとシリンダが形成する容積を変化させることにより、各シリンダに導かれたガスを圧縮する。プランジャー１７ｂは５段圧縮段を形成し、プランジャー１７ｄは４段圧縮段を形成する。ピストン２５ｂは、２段圧縮段を形成し、ピストン２５ｃは３段圧縮段を形成する。各圧縮段で圧縮されたガスは、図示しない中間冷却器およびアフタークーラで冷却されて、需要元に供給される。

ここで、プランジャー１７ａ〜１７ｄを備える第４段圧縮段および第５段圧縮部は、それぞれ２個ずつ設けられているが、これは圧縮段を経るごとに容積を減少させるガスの脈動を低減するためである。そのため、プランジャー１７ａとプランジャー１７ｂ、およびプランジャー１７ｃとプランジャー１７ｄの移動方向が逆になるように、以下に詳細を述べる駆動機構を形成する。

図１に、第１段ブロックの駆動機構を示す。詳細説明を省略するが、第２段ブロックの駆動機構もこの第１段ブロックの駆動機構とほぼ同じ構成になっている。主軸１０に連結された第２段ブロックの連結軸１０ｚの端部は、細長く形成されたクランクプレート21ａに、長手方向の中心からずらして固定されている。クランクプレート２１ａの中心からずらした側の端部には、バランスウェイト１６ａが取り付けられている。クランクプレート２１ａの反対側端部には、クランクシャフト１０ｘの一端が固定されている。クランクシャフト１０ｘの他端もクランクプレート２１ｂに固定されており、クランクプレート21ｂには接続軸１０ｙが固定されている。

クランクシャフト１０ｘの中間には、フォーク型に形成された水平コネクティングロッド２２ａの一対のフォーク部が取り付けられている。水平コネクティングロッド２２ａは、クランクシャフト１０ｘに対して、回動自在である。クランクシャフト１０ｘには、ハウジング２３ａも回動自在に取り付けられている。ハウジング２３ａは、水平コネクティングロッド２２ａの一対のフォーク部間に位置している。ハウジング２３ａの上部には、縦コネクティングロッド１５ａが接続されている。縦コネクティングロッド１５ａの端部は、縦クロスヘッド２０ａに接続されている。

フォーク型の水平コネクティングロッド２２ａの背面側には、一対の横コネクティングロッド１１ａが取り付けられており、この横コネクティングロッド１１ａを、上述したようにクロスピン１２ａが貫通している。クロスピン１２ａには、枠型クロスヘッド１３ａの一端部が取り付けられており、枠型クロスヘッド１３ａは、一対の横コネクティングロッド１１ａ，１１ａ間に位置している。

このように構成した駆動機構の動作を、以下に説明する。主軸１０を図示しないモータで回転駆動すると、連結軸１０ｚもその軸心周りに回転する。連結軸１０ｚから距離Δだけ偏心して取り付けたクランクシャフト１０ｘは、クランクプレート２１ａ，２１ｂを腕として、連結軸１０ｚの中心周りに回転する。クランクシャフト１０ｘには、フォーク型の水平コネクティングロッド２２ａが接続されているから、この水平コネクティングロッド２２ａに固定された横コネクティングロッド１１ａが、前後方向に移動する。

このとき、横コネクティングロッド１１ａとクロスピン１２ａで一体化された枠型クロスヘッド１３ａも、シュー部１３ｃをガイドとして、前後方向に移動する。枠型クロスヘッド１３ａが前後方向に移動すると、枠型クロスヘッド１３ａにコンプレッションバー
１８ａ，１８ｃを介して接続されたプランジャー１７ａ，１７ｃが水平方向であって前後方向に移動し、図示しないシリンダとの間の容積を変化させ、作動ガスを圧縮する。

ここで本発明の特徴として、クランクシャフト１０ｘの中間部に縦コネクティングロッド１５ａを有するハウジング２３ａを取り付けているので、クランクシャフト１０ｘの偏心回転運動により、縦クロスヘッド２０ａに接続されたピストンシャフト１９ａが上下方向に移動する。ピストンシャフト１９ａの先端にはピストン２５ａが取り付けられているから、ピストン２５ａは図示しないシリンダとの間の容積を変化させて、作動ガスを圧縮する。

このように本実施例では、１本のクランクシャフト１０ｘに上下方向に移動する縦クロスヘッド２０ａと前後方向に移動するフォーク型の水平コネクティングロッド２２ａとを取り付けているので、一対の水平プランジャー１７ａ，１７ｃと垂直ピストン２５ａにより３段の圧縮を１本のクランクシャフト１０ｘの運動で可能になる。その結果、各圧縮段ごとにクランク部を設ける必要が無く、往復圧縮機の駆動部の軸方向寸法を低減できる。駆動部をコンパクト化できる。

ところで、クランクシャフト１０ｘは連結軸１０ｚの周りを偏心回転運動するので、このクランクシャフト１０ｘに接続されたフォーク型の水平コネクティングロッド２２ａやそれに接続された枠型クロスヘッド１３ａ，ハウジング２３ａやそれに接続された縦コネクティングロッド１５ａ，クランクプレート２１ａ，２１ｂ等の各部材が偏重量として作用し、連結軸１０ｚにアンバランス荷重が発生する。

本実施例では、左右方向にほぼ同質量の２ブロックの駆動部を連結しているので、水平方向のアンバランス荷重は、ブロックを逆相に構成することでキャンセルできる。つまり、主軸１０を回転させたときに左側のブロックのプランジャー１７ａ，１７ｃが、図１に示すように後ろ方向に移動するときには、右側のブロックのプランジャー１７ｂ，１７ｄが前方向に移動するように、クランクシャフト１０ｘの位置をブロックごとに１８０°位相を変えて配置する。このとき、左側のブロックのピストン２５ａが上方向に移動するのであれば、右側のブロックのピストン２５ｂ，２５ｃは下方向に移動する。

ピストン２５ａ〜２５ｃの運動を逆相にするだけでは、上下方向のアンバランス荷重をキャンセルできないおそれがある。そこで、クランクプレート２１ａ〜２１ｄの反クランクシャフト側に、バランスウェイト１６ａ，１６ｂを設けている。このバランスウェイト１６ａ，１６ｂは、ブロック毎に１８０°逆相になっている。バランスウェイト１６ａ，１６ｂを採用したので、連結軸回りのモーメントのバランスが取れ、アンバランスによる振動を低減できる。

なお、高圧段である第４，第５圧縮段に使用するプランジャー１７ａ〜１７ｄは、硬くて脆いタングステンカーバイト製であるから、往復圧縮機を設置する基礎の起伏に起因して発生した曲げ応力により破損するおそれがある。そこで、プランジャー１７ａ〜１７ｄに比べて剛性の低い材料を使用したコンプレッションバー１８ａ〜１８ｄを枠型クロスヘッド１３ａ，１３ｂとプランジャー１７ａ〜１７ｄ間に介在させている。このコンプレッションバー１８ａ〜１８ｄのバネ効果により、往復圧縮機を設置した基礎が起伏していても起伏による変動を吸収できる。したがって、往復圧縮機の損傷を防止できる。

本発明に係る５段水素圧縮機の一実施例の駆動部の３面図。 本発明に係る５段水素圧縮機の一実施例の主要部の斜視図。

符号の説明

１０…主軸、１０ｘ…クランクシャフト、１０ｙ…接続軸、１１ａ，１１ｂ…横コネクティングロッド、１２ａ，１２ｂ…クロスピン、１３ａ，１３ｂ…枠型クロスヘッド、
１４ａ，１４ｂ…クロスガイド、１５ａ，１５ｂ…縦コネクティングロッド、１６ａ，
１６ｂ…バランスウェイト、１７ａ〜１７ｄ…プランジャー、１８ａ〜１８ｄ…コンプレッションバー、１９ａ，１９ｂ…ピストンシャフト、２０ａ，２０ｂ…縦クロスヘッド、２１ａ，２１ｂ…クランクプレート、２２ａ…フォーク型の水平コネクティングロッド、２３ａ…ハウジング、２４ａ…押え板、２５ａ〜２５ｃ…ピストン、１００…往復圧縮機。

Claims (4)

1. 燃料電池車の水素供給またはＣＮＧ自動車の燃料供給に用いる往復圧縮機において、水平方向に移動可能な一対のプランジャーと上下方向に移動可能なピストンとを駆動する駆動部を有し、この駆動部は、同一のクランク軸に連結し前記プランジャーを駆動するフォーク型の水平コネクティングロッドと前記ピストンを駆動する縦コネクティングロッドとを有し、前記クランク軸は駆動源からの駆動力を伝達する主軸から偏心した真っ直ぐな軸であることを特徴とする往復圧縮機。
2. 前記駆動部を２個有し、これら２個の駆動部を軸方向に連結し、前記駆動部単位で前記プランジャーと前記ピストンの移動方向を逆相にしたことを特徴とする請求項１に記載の往復圧縮機。
3. 前記クランク軸の両端部にバランスウェイトを取り付け、このバランスウェイトを前記駆動部単位で逆相にしたことを特徴とする請求項２に記載の往復圧縮機。
4. 前記プランジャーと前記水平コネクティングロッド間に枠型クロスヘッドおよびコンプレッションバーを介在させ、このコンプレッションバーは前記プランジャーよりも剛性の低い材質であることを特徴とする請求項１に記載の往復圧縮機。

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