JP2008544135A - 高圧気液分離器を備えた深冷圧縮機 - Google Patents

高圧気液分離器を備えた深冷圧縮機 Download PDF

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Abstract

圧縮機、特に液体水素をはじめとする深冷媒体用の圧縮機であって、シリンダ壁で囲まれた圧縮室、この圧縮室内で上下に直線往復移動する圧縮ピストン、圧縮ピストンの下降端位置で圧縮室内に接続配置された吸込弁及び吐出弁、圧縮室を少なくとも部分的に囲む液室を備えている。シリンダ壁(１)には液室(Ｆ)に通じる少なくとも一つの開口(２)と圧縮室(Ｒ)内のガス抜き用の少なくとも一つの開口(３)が設けられ、これら各開口(２、３)がシリンダ壁(１)における圧縮ピストン(Ｋ)の通過領域内に配置されている。

Description

本発明は圧縮機に関するものであり、シリンダ壁で囲まれた圧縮室と、この圧縮室内で上下に直線往復移動する圧縮ピストンと、圧縮ピストンの下降端位置で圧縮室内に接続配置された吸込弁及び吐出弁と、圧縮室を少なくとも部分的に囲む液室とを備えた形式の特に液体水素をはじめとする深冷媒体用の圧縮機に関するものである。
本発明に関する以下の説明において、「深冷媒体」とは所謂深冷状態にある液体、特に液体水素、液化天然ガス、液体窒素、液体酸素及びその他の液化ガスを意味する。
深冷媒体用の圧縮機としては種々のものが従来技術で充分に知られている。それらの全てに共通するのは、ばね付勢式の吸込弁を介して被圧縮媒体が圧縮室内に吸い込まれ、圧縮されたのち、吐出弁を介して圧縮室から送り出されることである。
吸込弁を閉鎖している付勢ばねは主にコイルばねであるが、一般にそのばね力は吸込弁を閉鎖する向き、即ち、吸込弁がその弁座に押付けられて確実に閉鎖される向きに作用するようになっている。
圧縮機の吸込行程では、圧縮ピストンが下降端位置から上昇端位置へ向かって移動するが、このときの吸込弁には、ばね力と吸込弁の配置姿勢による（少なくとも部分的な）弁体荷重とが弁閉鎖力として作用しており、従って圧縮室に吸い込まれる被圧縮媒体はこれらの弁閉鎖力に抗して吸込弁を開き、圧縮室へ流入する必要がある。
特に、圧縮機によって例えば液体水素等の深冷媒体を圧縮する場合、従来から用いられている吸込弁構造では、吸込弁を介して液相の深冷媒体媒体が圧縮室に吸い込まれるときに深冷媒体が上述のような吸込弁の弁閉鎖力に対応した圧力から圧縮室の負圧状態に急激に減圧されるので少なくとも部分的に気化し、気化ガス量に応じたかなりの損失を不可避的に生じる。
その結果、被圧縮媒体の液体比率が低下し、それに伴って圧縮機の吐出量の低下と比出力の上昇が避けられない。
本発明の課題は、上述の諸欠点を回避することのできる圧縮機、特に冒頭に述べた形式の深冷媒体用圧縮機を提供することである。
この課題を解決するため、本発明の圧縮機では、冒頭に述べた形式の圧縮機において、圧縮室のシリンダ壁に、液室に連通する少なくとも一つの開口と圧縮室内からのガス抜き用の少なくとも一つの開口とを設け、これら各開口をシリンダ壁における前記圧縮ピストンの通過領域内に配置してある。
本発明による圧縮機のその他の有利な構成上の特徴は以下の通りである。即ち、
・前記各開口が単一又は複数のスリット開口からなること。
・前記圧縮室からのガス抜き用の開口にガス導出通路が開閉可能に連結されていること。
・前記各開口は、前記圧縮ピストンがその上昇端位置又はその直前位置に達したときに該圧縮ピストンによってはじめて開かれるような箇所で前記シリンダ壁に配置されていること。
・前記吸込弁が、前記圧縮ピストンに対面する側の面に、該吸込弁と前記圧縮ピストンとの間に負圧を生ぜしめるための少なくとも一つの窪みを有すること。
本発明による高圧気液分離器付き深冷圧縮機の上述及びその他の特徴と利点を図示の好適な実施形態と共に詳述すれば以下の通りである。
図１において、圧縮機ケーシングＶの内部にはシリンダ壁１で囲まれた圧縮室Ｒが設けられており、この圧縮室の内部を圧縮ピストンＫが直線往復移動、即ち上下方向に移動する。圧縮ピストンＫの移動反転位置は下降端位置及び上昇端位置の二箇所である。
図中に略示するように、圧縮室Ｒの底部には、ばね５によって弁閉鎖方向に付勢された逆止弁形式の吸込弁Ｓと、これとは逆流れ方向の逆止弁形式でばねにより付勢された吐出弁Ｄとが配置されている。これらの弁は、それぞれの付勢ばねによって生じる弁閉鎖力により個々の弁座に押付けられ、必要時を除いて閉鎖されている。内部に圧縮室Ｒを形成したシリンダ壁１の外側は、圧縮対象の液相媒体によって形成される液室Ｆにより少なくとも部分的に囲まれている。この液室Ｆの上方空間は気相容積、即ち気室Ｇである。
従来の圧縮機構造では、図示の開口２、３が設けられていない。圧縮機の吸込行程では圧縮ピストンＫが下降端位置から上昇端位置へ向かって移動し、従って液室Ｆから液相媒体が吸込弁Ｓを介して圧縮室Ｒへと流入し、その際に先に述べたように液相媒体が少なくとも部分的に気化する。
本発明によれば、いまや少なくとも二つの開口２、３が設けられている。このうち、一方の開口２は液室に連通し、他方の開口３は圧縮室Ｒからのガス抜きを可能とするように設けられている。図示の実施形態による圧縮機では、圧縮室Ｒ内で気化した気相分が開閉可能なガス導出通路４を介して圧縮機外部へ導出される。従って吸込行程で圧縮室内に生じる気化ガスは圧縮室Ｒからガス抜き用の開口３とガス導出通路とを介して外部へ導出され、これに代わって開口２から圧縮室に流入する液相媒体が補われることになる。その結果、圧縮機の吐出量の向上と比出力の低減化が果たされる。
圧縮室内で圧縮ピストンＫの下降によって圧縮された深冷媒体は吐出弁Ｄの開弁と共に吐出流路６を介して圧縮室Ｒから取り出され、図示しない高圧流路を介して負荷に供給される。
本発明による圧縮機において、両開口２、３は圧縮ピストン移動方向に沿った単一又は複数のスリット開口で構成しておくことが好ましい。
また、これらの開口２、３は、圧縮ピストンＫがその上昇端位置又はその直前位置に達したときに該圧縮ピストンによってはじめて圧縮室内に開かれるような箇所でシリンダ壁１に設けられていることが好ましい。
図１には、圧縮ピストンＫがその上昇端位置にある状態が示されている。この状態では両方の開口２、３が圧縮室内に開かれており、開口２を介して液室Ｆから圧縮対象の深冷媒体が圧縮室Ｒ内で流入可能である（二組の平行な矢印）。この流入液相媒体は既に圧縮室Ｒ内にある液相媒体Ｆを補充し、この補充される液相媒体は吸込行程中に吸込弁Ｓを介して流入する液相媒体と同じ媒体源の深冷媒体である。
吸込行程中に形成される気相分Ｇ’は圧縮室Ｒから開口３及びガス導出通路４を介してガス抜き可能である。ガス抜きされる分の気相分は開口２を介して流入する液相媒体によって補完される。これは、圧縮室Ｒ内にの気相分Ｇ’が開口２から流入する液相媒体によって圧縮室Ｒからパージされるからである。
従来の圧縮機構造とは異なり、本発明による圧縮機では、吸入行程で圧縮対象の深冷媒体に不可避的に生じる気化現象により形成される圧縮室内の気相分Ｇ’が圧縮行程の前にガス抜きされて圧縮室Ｒから導出されるので、圧縮工程で液相と共に気相分を圧縮する必要がない。液室Ｆに通じる開口２をシリンダ壁に設けることにより、圧縮工程の開始前に圧縮室Ｒを液相媒体Ｆ’で完全に満たすことが保証される。
図示しないが、本発明に係る圧縮機の別の好適な実施形態によれば、吸込弁Ｓは圧縮ピストンＫに対面する側の面に、吸込弁Ｓと圧縮ピストンＫとの間に負圧を生ぜしめるための少なくとも一つの窪みを有している。
この場合、吸込行程中に圧縮ピストンＫが上方に移動すると、吸込弁Ｓと圧縮ピストンＫとの間に負圧が発生するので、吸込弁Ｓは圧縮ピストンが上方へ離れてゆくのに追従して上方へ吸引される。
圧縮ピストンＫに対面する側における吸込弁Ｓの弁体表面に設けられる窪みの数と形状は基本的に任意に選択することができる。結局、決定的なことは、圧縮ピストンが上昇するに伴って吸込弁Ｓと圧縮ピストンＫとの間に負圧が形成されるようにすることだけである。尚、このようなく窪みは、単一の窪みでも、又は複数の窪みでもよい。
以上に述べたように、本発明によれば圧縮室内の液相比率が向上し、従って本発明による圧縮機は高い吐出効率を享受することができると共に、従来の圧縮機に比べて圧縮吐出流量を同等とすれば圧縮機の比出力を低減することが可能である。
本発明による圧縮機は、圧縮機構造を従来のものよりもほんの僅かだけ複雑にするだけで、構造の複雑化に要するコスト負担に余りあるほどの利点をもたらすものである。
本発明による高圧気液分離器付き圧縮機の好適な実施形態の構成を略示する縦断面図である。

Claims (4)

  1. 圧縮機、特に液体水素をはじめとする深冷媒体用の圧縮機であって、シリンダ壁で囲まれた圧縮室と、この圧縮室内で上下に直線往復移動する圧縮ピストンと、該圧縮ピストンの下降端位置で圧縮室内に接続配置された吸込弁及び吐出弁と、前記圧縮室を少なくとも部分的に囲む液室とを備え、前記シリンダ壁(１)には前記液室(Ｆ)に連通する少なくとも一つの開口(２)と前記圧縮室(Ｒ)内からのガス抜き用の少なくとも一つの開口(３)とが設けられ、これら各開口(２、３)が前記シリンダ壁(１)における圧縮ピストン(Ｋ)の通過領域内に配置されているものにおいて、
    前記圧縮室(Ｒ)からのガス抜き用の開口(３)にガス導出通路（４）が開閉可能に連結されていることを特徴とする圧縮機。
  2. 前記各開口(２、３)が単一又は複数のスリット開口からなることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
  3. 前記各開口(２、３)は、前記圧縮ピストン(Ｋ)がその上昇端位置又はその直前位置に達したときに該圧縮ピストンによってはじめて開かれるような箇所で前記シリンダ壁(１)に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機。
  4. 前記吸込弁(Ｓ)が、前記圧縮ピストン(Ｋ)に対面する側の面に、該吸込弁(Ｓ)と前記圧縮ピストン(Ｋ)との間に負圧を生ぜしめるための少なくとも一つの窪みを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮機。
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