JP2010101311A - 往復動圧縮機のためのクランク機構 - Google Patents

Abstract

【課題】往復動圧縮機のためのクランク機構を提供する
【解決手段】本クランク機構は、連結ロッド１２を介してその回転運動を往復運動に変換するクランクシャフト１０で構成される。連結ロッド１２は、シャフト１０から運動を受けかつジャック１６を介してその運動をクロスヘッド１４に伝達する。次にクロスヘッド１４は、通常は２つのシューつまり下方シュー及び上方シューで構成され、それぞれの固定シュー受け１８、２０によって案内されかつロッドを介してその往復運動をピストン２２Ａ、２２Ｂに伝達する。摺動シューの一方のシューは、軌道１８、２０と接触するようになった表面を備え、その接触表面は、反対側摺動シューの接触表面とは異なる形状及び／又は寸法を有する。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、総括的には流体作動機械に関し、より具体的には、それに限定されないが、複動式往復動圧縮機の内部に設けられたクランク機構部材に関する。

公知の通り、圧縮機は、機械的エネルギーを使用することにより圧縮性流体（ガス）の圧力を上昇させることができる機械である。往復動圧縮機では、流体の圧縮（加圧）は、それぞれのシリンダの内部での１つ又はそれ以上の往復動ピストンによって行われる。加圧される流体は、１つ又はそれ以上の吸入ダクトを介してシリンダ内に吸込まれ、他方、加圧した流体は、シリンダから１つ又はそれ以上の放出ダクトに向けて吐出される。往復動圧縮機の１つ又は複数のピストンは一般に、電動機又は内燃機関によって、運動を伝達するための駆動シャフト及び従来型の連結ロッド−クランク機構を介して作動される。

複動式往復動圧縮機では、各ピストンは、何らの「アイドル」ストロークも行なわず、その両移動方向においてガスを加圧する。正にこの理由により、密閉形シリンダは、連結ロッドが振り子運動することを可能にしないことになるので、ピストン自体を連結ロッド−クランク機構の連結ロッドに対して直接連結することができない。従って、ピストンと連結ロッドとの間には、いわゆる「クロスヘッド」機構が配置される。ピストンは、直線状態でのみ移動することができるロッドに対して連結され、このロッドは、クロスヘッドに連結される。従ってステムは、振り子運動しないが、クロスヘッドの反対側に連結された連結ロッドは、自由に振り子運動することができる。クロスヘッドは、該クロスヘッドに設けられたシューにより、「シュー受け」と呼ばれる適当な固定軌道に沿って摺動することができ、それによって、クロスヘッドがピストンのストロークと同じ方向に移動することが可能になる。クロスヘッドのシューの外表面は、対応する軌道の内表面に対して移動するので、潤滑油を導入してそれらが互いに接触状態になるのを防止することが必要になる。潤滑システムは、強制循環タイプのものであり、またこの潤滑システムは主として、クロスヘッドに静圧タイプの支持を与えるので、組入れた可動部品が摩耗するのを防止する。

クロスヘッドの往復運動の間に、例えばピストンが低速度で移動する場合にクロスヘッド自体が十分な量の潤滑油を供給することができなくなるような特殊な作動状態が発生する可能性がある。そのような状況においては、潤滑油の層が極度に薄くなって摩擦による損耗が生じ、その結果熱が発生し、潤滑油自体の温度が上昇して潤滑油の粘性を低下させ、さらにその潤滑特性を低下させるおそれがある。最悪の場合には、表面が互いに接触状態になり、その結果、その流体機械を損傷させる可能性がある。

ドイツ特許第１０２２２３１３ Ｃ１号公報 米国特許第２，１１０，１０４ Ａ号公報 国際特許出願第９５０８０６６Ａ号公報 欧州特許出願第０３１８１８２ Ａ号公報 ドイツ特許出願公開第１０２００６０５９６００ Ａ１号公報 米国特許出願公開第２００６／１８００１８Ａ１号公報

従って、本発明の目的は、圧縮機にとって最も危険な作動状態においてさえもクロスヘッド及び対応する摺動軌道の表面の有効かつ均一な潤滑を達成ることを可能にする、それに限定されないが特に複動式往復動圧縮機のためのクランク機構を構成することである。

本発明の別の目的は、不十分な潤滑により機械の構成要素が損傷する可能性を最小限まで低減することができる、往復動圧縮機のためのクランク機構を構成することである。

最後に本発明のさらに別の目的は、圧縮機の作動状態に応じて潤滑油の圧力を調整するのを可能にする、往復動圧縮機のためのクランク機構を構成することである。

本発明によるこれらの目的は、往復動圧縮機のためのクランク機構を請求項１に記載したように構成することによって達成される。

本発明の更なる特徴は、本記述の不可欠な部分である従属請求項に明記されている。

それに限定されないが主として複動式往復動圧縮機のための本発明によるクランク機構の特徴及び利点は、添付の概略図面を参照しながらかつ限定のためではなく実施例として示した以下の説明から一層明らかになるであろう。

複動式往復動圧縮機の主要構成要素を示す概略側面図。 ２つの対向する単動式シリンダを備えた往復動圧縮機の主要構成要素を示す概略側面図。 ガス圧力（往復動圧縮機のシリンダ内部の）によって発生した力の軸方向成分及び可動部品の軸方向慣性力の軸方向成分の全サイクルにわたる進行状態を示す線図。 往復動圧縮機のシリンダの内部のガス圧力によって発生した力の垂直方向成分（移動方向に対して）の進行状態を示す線図。 一般的な往復動圧縮機のクランク機構の主要構成要素を示す斜視図。 図５Ａは、先行技術により構成した往復動圧縮機のクランク機構の構成要素を示す上方から見た図であり、図５Ｂは、先行技術により構成した往復動圧縮機のクランク機構の構成要素を示す下方から見た図である。 図６Ａは、本発明の第１の実施形態による往復動圧縮機のクランク機構の構成要素を示す上方から見た図であり、図６Ｂは、本発明の第１の実施形態による往復動圧縮機のクランク機構の構成要素を示す下方から見た図である。 図７Ａは、本発明の第２の実施形態による往復動圧縮機のクランク機構の構成要素を示す上方から見た図であり、図７Ｂは、本発明の第２の実施形態による往復動圧縮機のクランク機構の構成要素を示す下方から見た図である。 図８Ａは、本発明の第３の実施形態による往復動圧縮機のクランク機構の構成要素を示す上方から見た図であり、図８Ｂは、本発明の第３の実施形態による往復動圧縮機のクランク機構の構成要素を示す下方から見た図である。 本発明により構成したクランク機構を備えた往復動圧縮機内で潤滑油を循環させるためのシステムのレイアウトを示す図。

特に図１Ａを参照すると、一般的複動式往復動圧縮機の内部に設けられた基本的要素を示している。

圧縮機は、連結ロッド１２に連結された少なくとも１つのクランク１０を備えたシャフトを含み、連結ロッド１２は、ジャック１６を介して、一般的電気式又は熱式機関（図示せず）によって作動するシャフトの回転運動をクロスヘッド１４に伝達する。クロスヘッドは、回転運動を往復運動に変換する役目を有し、該クロスヘッドがピストン２２のストロークと同じ方向に移動することを可能にする適当な対向する軌道１８及び２８の内部で強制的に移動させられる。ロッド２４は、ピストン２２に対してクロスヘッド１４を連結する。従って、シリンダ２６の内部で移動するピストンは、ガスを加圧することができる。

加圧されるガスは、１つ又はそれ以上の吸込弁２８及び３０を介して所定の吸込圧力でシリンダの内部に導入され、次に該ガスが所望の最終圧力値に達するまでピストンによって加圧される。ガスは、そのような最終圧力値に達すると、１つ又はそれ以上の吐出弁３２及び３４を介してシリンダから放出される。図１Ａに概略的に示すシリンダのような複動式シリンダでは、加圧は、２つの別個のチャンバの内部で、つまりシリンダヘッド２６に面したチャンバ３６及びクロスヘッド１４に面したチャンバ３８の内部で行なわれる。

次に図１Ｂを参照すると、一般的往復動圧縮機の内部に設けられかつ互いに対向する２つの単動式シリンダを備えた基本的要素を概略的に示している。各シリンダ２６Ａ、２６Ｂには、それぞれのロッド２４Ａ、２４Ｂを介してクロスヘッド１４に連結された対応するピストン２２Ａ、２２Ｂが設けられる。各シリンダ２６Ａ、２６Ｂはまた、それぞれのチャンバ３６、３８を備えており、それらのチャンバ内で、ガスは複動式圧縮機に関連して概説したのと全く同様に加圧される。

さらに、この図１Ｂに示す第２のタイプの圧縮機では、連結ロッド１２−クランク１０及びクロスヘッド１４は、図１Ａを参照しながら前述した複動式圧縮機のそれらと実質的に同様に構成される。従って、本発明により構成したクランク機構のようなクランク機構は、上に概説した両方のタイプの圧縮機に対して区別なく適用することができることを理解されたい。

従って、往復動圧縮機のタイプに拘わりなく、加圧チャンバ３６及び３８の内部のガス圧力は、シリンダ２６の各端部においてまた２つのチャンバ３６及び３８を形成したピストンのそれぞれの対応する表面において、軸方向力つまりピストン２２の移動方向と平行な力を発生する。図２において、「Ｇ_Ａ１」は、ヘッドに面したチャンバ３６の内部で発生した力の軸方向成分の進行状態を表しており、他方、「Ｇ_Ａ２」は、反対側チャンバ３８の内部で発生した力の軸方向成分の進行状態を表している。ガスによって生じかつ往復運動する要素の質量の慣性力Ｉ_Ａと組合さった全軸方向力Ｇ_Ａ＝（Ｇ_Ａ１＋Ｇ_Ａ２）により、クロスヘッド１４から連結ロッド１２に伝達される全軸方向抵抗荷重Ｇ_Ａ＋Ｉ_Ａが決定される。

同様に、図３は、垂直方向成分（それぞれＧ_Ｎ１、Ｇ_Ｎ２及びＩ_Ｎで表している）つまりピストン２２の移動方向に対して垂直でありかつ連結ロッドがその回転−並進運動においてクロスヘッドに伝達して（ジャックを介して）、シリンダ２６のチャンバ３６及び３８の内部で発生した力Ｇ_Ａ並びに慣性力Ｉ_Ａと動的にバランスさせる成分を示している。従って、全垂直方向荷重Ｇ_Ｎ＋Ｉ_Ｎは、それぞれ軌道１８及び２０と対面するクロスヘッド１４の対向する摺動シュー４０及び４２（図４）上に加わる。

例えばシャフトの角速度が大幅に低い時のように、ガスによって発生する全ての力Ｇ_Ａよりも慣性力Ｉ_Ａが大幅に低い場合には、荷重の垂直方向成分Ｇ_Ｎ＋Ｉ_Ｎのベクトルは、その圧縮機の作動サイクルの間における基本絶対値を有し、従って無視し得る又はゼロの荷重反転を示す。「荷重反転」という用語によって、ここでは、クロスヘッド１４のジャック１６における圧縮荷重から引張荷重への移行を意味している。そのような現象は、摺動シュー４０及び４２とそれぞれの軌道１８及び２０との間を潤滑油が規則正しく流れることを可能にする。

上に概説したことにより、クロスヘッド１４の２つの摺動シュー４０及び４２の一方は通常、圧縮機の作動サイクルの間に他方よりも大きい垂直方向荷重を受ける。これらのシュー間のそのようなアンバランス荷重状態は、最大支持可能垂直方向荷重を低下させ（最も厳しい状態に曝されるシューの限界値により）、またその結果、さらに全最大軸方向荷重Ｇ_Ａ＋Ｉ_Ａも低下させ、つまりその圧縮機の性能を低下させる。

シュー４０及び４２の表面が軌道１８及び２０に対して急速に摺動する時、壁１８及び２０自体上に形成した適当な入口孔４４、４６を介して供給される潤滑油は、接触表面全体を覆って該接触表面間の全ての空間を満たす。可動構成要素の両表面が潤滑剤の均一な層によって完全に分離された場合にのみ、流体動力学的及び流体靜力学的な観点から見て正しい潤滑が実際に行なわれて、両表面自体間の金属接触を回避することができる。

他方、クロスヘッド１４の往復運動の間に低速度及び／又は高い垂直方向荷重の作動状態が生じた場合には、摺動シュー４０及び４２は、設けられたそれぞれの表面溝４８及び５０（図５Ａ及び図５Ｂ）を介して、クランク機構が正しく作動するのに十分な厚さの潤滑剤層を形成するのに十分な潤滑油を分配しなくなる。そのような作動状態においては、構成要素間の摩擦が増大して熱が発生し、これが潤滑油の温度を上昇させる。

このことは、潤滑油の粘性を低下させ、従って接触表面上で可能な限り均一に分散する潤滑油自体の能力をも低下させる。最も危険な状態においては、両表面が焼付くおそれさえある。

従って本発明によると、図５Ａ及び図５Ｂに示す先行技術による対称構成にしたものとは異なり、クロスヘッド１４の２つの摺動シューの一方のシュー４０は、軌道１８及び２０と接触するようになった接触表面を備え、この接触表面は、反対側摺動シュー４２の接触表面とは異なる形状及び／又は寸法を有する。

より具体的には、図６Ａ及び図６Ｂに示す実施形態によると、２つの摺動シュー４０及び４２は各々、互いに異なる面積を有しかつ潤滑油を分配するようになった等しい数のそれぞれの表面溝４８及び５０を有する接触表面を含み、この接触表面はさらに、各シュー４０及び４２の該接触表面に沿って同一の構成を有する。

それに代えて、図７Ａ及び図７Ｂに示す実施形態によると、２つの摺動シュー４０及び４２は各々、同じ面積を有しかつ潤滑油を分配するようになった等しい数のそれぞれの表面溝４８及び５０を有する接触表面を含み、この接触表面はさらに、各シュー４０及び４２の該接触表面に沿って異なる構成を有する。

さらに別の実施形態として、図８Ａ及び８Ｂに示す実施形態を参照すると、２つの摺動シュー４０及び４２は各々、同じ面積を有しかつ潤滑油を分配するようになった異なる数のそれぞれの表面溝４８及び５０を有する接触表面を含むことができ、この接触表面はさらに、各シュー４０及び４２の該接触表面に沿って同じ構成を有することができる。

クロスヘッド１４の上方摺動シュー４０と下方摺動シュー４２との間の形状及び／又は寸法における差異は、図６Ａ〜図８Ｂに力矢印で示すように、シュー４０及び４２自体のそれぞれの表面上に加圧潤滑油の異なる流体動力学的及び流体靜力学的支持荷重を生じさせて、圧縮機のクランク機構に加わる外部荷重変動をバランスさせることができる。

最後に、図９は、クロスヘッド１４の軌道１８及び２０上に形成した入口孔４４、４６を介して潤滑油を送ることができるシステムを示している。前述したように、摺動シュー４０及び４２がシリンダ２６の内部のガス圧力並びに往復運動における部品の慣性力の両方によって生じる全ての力の垂直方向成分Ｇ_Ｎ＋Ｉ_Ｎを受ける時に、潤滑油は、該摺動シュー４０及び４２を支持する潤滑剤の層を形成する。

潤滑システムは、加熱装置５４を備えた少なくとも１つの潤滑油タンク５２を含み、加熱装置５４は、潤滑油自体の温度を最適温度範囲内に維持して、圧縮機を正しく潤滑するようにする。容器（潤滑油タンク）５２の下流には、潤滑油吐出ポンプ５６（対応する安全弁を備えた）が設けられ、この潤滑油吐出ポンプ５６は、電動機５８によって制御されかつ潤滑油自体の圧力を高めることができる。

最大潤滑油圧力値は、圧力を制御するための弁６０（いわゆる、ＦＣ弁つまり「故障時閉鎖」弁）によって調整かつ制限される。弁６０の作動は、圧力トランスミッタ６２及び圧力制御装置６４により管理されて、圧縮機のクランク機構に作用する垂直方向荷重の大きさに応じて潤滑油の圧力を調整する。

弁６０によって制限された過剰潤滑油の量は、容器５２内に再導入されるが、潤滑に使用する潤滑油は、水冷式クーラ６６を通って流れる。潤滑油は、冷却された後にフィルタ６８に送られて、孔４４及び４６を介して摺動シュー４０及び４２とそれぞれの軌道１８及び２０との間のギャップ内に流入する前に、存在する可能性がある不純物が除去される。潤滑油は、ギャップを通って連続的に流れ、また流出する潤滑油は、回収されかつ適当な戻しダクトを介して容器５２に戻される。

従って、それに限定されないが、主として往復動圧縮機のための本発明によるクランク機構は、以上に概説した目的を達成することが分った。特に、クロスヘッドのシュー及び対応する支持部材の特殊な形状寸法並びに圧縮機内に導入される潤滑油の圧力を調整することができることにより、危険な潤滑状態を回避することが可能になる。適当な流体力学計算ソフトウエアを用いて得られた多数の計算値は、クロスヘッドの前述の摺動シューの寸法及び形状特性を適切に選択することにより、潤滑油層が機械の広範な作動状態に十分な厚さになることが保証されることを証明した。

このように着想した本発明による往復動圧縮機のためのクランク機構は、いずれにしても数多くの変更及び変形を行なうことができ、それらは全て同一の発明概念に包含され、また全ての細部は、技術的に均等な要素で置き換えることができる。実用に際しては、使用する材料並びに形状及び寸法は、技術的必要性に応じて任意なものとすることができる。

従って、本発明の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって定まる。

１０ クランク
１２ 連結ロッド
１４ クロスヘッド
１６ ジャック
１８、２０ 軌道
２２、２２Ａ、２２Ｂ ピストン
２４、２４Ａ、２４Ｂ ロッド
２６、２６Ａ、２６Ｂ シリンダ
２８、３０ 吸込弁
３２、３４ 吐出弁
３６、３８ チャンバ
４０、４２ 摺動シュー
４４、４６ 入口孔
４８、５０ 表面溝
５２ 潤滑油タンク（容器）
５４ 加熱装置
５６ 潤滑油吐出ポンプ
５８ 電動機
６０ 圧力制御弁
６２ 圧力トランスミッタ
６４ 圧力制御装置
６６ 水冷式クーラ
６８ フィルタ

Claims (7)

1. クランクシャフト（１０）に対して圧縮機のピストン（２２、２２Ａ、２２Ｂ）のロッド（２４、２４Ａ、２４Ｂ）を固定連結するのに適したタイプのものであり、連結ロッド（１２）を介して前記クランクシャフト（１０）に対してまた前記ロッド（２４、２４Ａ、２４Ｂ）に対して作動連結されかつ少なくとも２つの対向する軌道（１８、２０）の内部で往復運動する少なくとも１つのクロスヘッド（１４）を含み、前記クロスヘッド（１４）が、それぞれ前記軌道（１８、２０）と対面する少なくとも２つの対向する摺動シュー（４０、４２）をさらに備えた往復動圧縮機のためのクランク機構であって、
   前記摺動シューの一方のシュー（４０）が、前記軌道（１８、２０）と接触するようになった接触表面を備え、
   前記接触表面が、前記反対側摺動シュー（４２）の接触表面とは異なる形状及び／又は寸法を有する、
   ことを特徴とする、クランク機構。
2. 前記対向する摺動シュー（４０、４２）の各接触表面が、該対向する摺動シュー（４０、４２）と前記軌道（１８、２０）との間に潤滑流体を分配するのに適した１つ又はそれ以上の表面溝（４８、５０）を備えることを特徴とする、請求項１記載のクランク機構。
3. 前記対向する摺動シュー（４０、４２）の各々が、互いに異なる面積を有しかつ等しい数のそれぞれの表面溝（４８、５０）を有する接触表面を含み、
   前記接触表面が、前記対向する摺動シュー（４０、４２）の各々の接触表面に沿って同じ構成を有する、
   ことを特徴とする、請求項２記載のクランク機構。
4. 前記対向する摺動シュー（４０、４２）が各々、同じ面積を有しかつ等しい数のそれぞれの表面溝（４８、５０）を有する接触表面を含み、
   前記接触表面が、前記対向する摺動シュー（４０、４２）の各々の接触表面に沿って異なる構成を有する、
   ことを特徴とする、請求項２記載のクランク機構。
5. 前記対向する摺動シュー（４０、４２）が各々、同じ面積を有しかつ異なる数のそれぞれの表面溝（４８、５０）を有し、
   前記接触表面が、前記対向する摺動シュー（４０、４２）の各々の接触表面に沿って同じ構成を有する、
   ことを特徴とする、請求項２記載のクランク機構。
6. 少なくとも１つの複動式シリンダ（２６）を備えた往復動圧縮機であって、
   請求項１から請求項６のいずれか１項記載の少なくとも１つのクランク機構を含む、
   往復動圧縮機。
7. 互いに対向する少なくとも２つの単動式シリンダ（２６Ａ、２６Ｂ）を備えた往復動圧縮機であって、
   請求項１から請求項６のいずれか１項記載の少なくとも１つのクランク機構を含む、
   往復動圧縮機。

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