JP2017066959A

JP2017066959A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2017066959A
Application number: JP2015192542A
Authority: JP
Inventors: 伸之成澤; Nobuyuki Narusawa
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-04-06

Abstract

【課題】本発明は、流体を圧縮するクロスヘッドピストンを備えた往復動圧縮機において、クロスヘッドピストンとシリンダの間に設けられたライダーリングのメンテナンス寿命を延長することを目的とする。【解決手段】本発明は、シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダの端部に設けられたシリンダヘッドとを備え、前記ピストンは、断面積の異なる２つの部材を組み合わせた形状よりなるクロスヘッドピストンであって、前記クロスヘッドピストンの断面積が大きい部分である大径側の前記シリンダヘッド側の端面に前記クロスヘッドピストンの内部へ連通する連通孔を有していることを特徴とする圧縮機を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機に関する。

本技術分野の背景技術として、特許文献１がある。特許文献１にはクランクケース４上に取り付けられた低圧シリンダ５と、低圧シリンダ５上に取り付けられた高圧シリンダ６と、連接棒９に連結され、径の異なる低圧ピストン１１と高圧側ピストン１３と、高圧ピストン１３の摺動動作をガイドするライダーリング２４とを有する往復動圧縮機１が記載されている。

特開平１０―３７８５７

従来、流体を圧縮する往復動圧縮機においては、特許文献１のようにピストンを大小２種類の円筒よりなる段付き形状としたものがある。また、特に取り扱う流体の圧力が高い場合、側圧を受ける部位と圧縮室を構成する部位とを独立させたクロスヘッドピストンを有するものがある。

無給油式圧縮機においてこのクロスヘッドピストンを用いる場合、クロスヘッド部とシリンダ内周面の間にはライダーリングが摺動材として設けられ、このライダーリングによって側圧を支える構成をとることが多い。このライダーリングは一般にPTFEなどの樹脂製であり、摺動にともない摩耗するため定期的な交換を要するが、圧縮運転中にピストンリングから漏れ出た高温のブローバイガスに晒されたり、あるいは上段のピストンリングから生じた摩耗粉を噛み込んだりすると、摩耗を低減できず寿命を向上させることができない。

また、給油式圧縮機においてこのクロスヘッドピストンを用いる場合、クロスヘッド部とシリンダ内周面の間には潤滑油膜が介在しているが、高温のブローバイガスがこの隙間に流入することで、油の粘度が低下するだけでなく、油膜自体が押し流され潤滑状態の悪化を招く。この状態が進行すると、クロスヘッドピストンとシリンダ内周面の焼きつきなどが生じ寿命向上の妨げとなっている。

したがって、このブローバイガスがクロスヘッド部とシリンダ内周面との間に流入しないよう排出することができれば、無給油式においてはライダーリングの摩耗を低減し、給油式においては焼きつきなどの不具合を防止することが可能になると考えられる。

上記問題点を鑑み、本発明は、流体を圧縮するクロスヘッドピストンを備えた往復動圧縮機において、クロスヘッドピストンとシリンダの間に設けられたライダーリングのメンテナンス寿命を延長することを目的とする。

また、他の観点における本発明は、流体を圧縮するクロスヘッドピストンを備えた往復動圧縮機において、メンテナンス時期を適切に報知することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本発明は上記課題を解決する手段を多数含んでいるが、その一例を挙げるならば、シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダの端部に設けられたシリンダヘッドとを備え、前記ピストンは、断面積の異なる２つの部材を組み合わせた形状よりなるクロスヘッドピストンであって、前記クロスヘッドピストンの断面積が大きい部分である大径側の前記シリンダヘッド側の端面に前記クロスヘッドピストンの内部へ連通する連通孔を有していることを特徴とする圧縮機を提供する。

また、他の観点による本発明は、シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダの端部を閉鎖するシリンダヘッドと、前記ピストンを駆動する電動機と、前記電動機または前記ピストンの過負荷が検出されると前記電動機を停止する過負荷保護装置とを備え、前記ピストンは、断面積の異なる２つの部材を組み合わせた形状よりなるクロスヘッドピストンであって、前記クロスヘッドピストンの断面積が大きい部分である大径側には、ピストンリングが設けられることを特徴とする圧縮機を提供する。

本発明によれば、流体を圧縮するクロスヘッドピストンを備えた往復動圧縮機において、クロスヘッドピストンとシリンダの間に設けられたライダーリングのメンテナンス寿命を延長することが可能となる。

また、他の観点における本発明によれば、流体を圧縮するクロスヘッドピストンを備えた往復動圧縮機において、メンテナンス時期を適切に報知することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の各実施例における圧縮機全体の構成例を示す図である。本発明の各実施例における圧縮機本体内部の構成例を示す図である。本発明の実施例１におけるクロスヘッドピストンの詳細構成例を示す図である。本発明の実施例２におけるクロスヘッドピストンの詳細構成例を示す図である。本発明の実施例２におけるクロスヘッドピストンの構成例の概略上面図である。本発明の実施例３におけるクロスヘッドピストンの詳細構成例を示す図である。本発明の実施例４におけるクロスヘッドピストンの詳細構成例を示す図である。

以下、本発明の実施例１について図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本実施例における圧縮機の概略図を示す。また、図２は図１における圧縮機本体１を側面から見た内部構造を示している。

図１に示す圧縮機は、圧縮機本体１と、それを駆動する電動機２と、これらを上部に配置したタンク３からなっている。圧縮機本体１は空気または特定のガスまたは冷媒といった流体を圧縮するものであり、その内部構造は図２に示すように、クランク室２１と、クランク室２１から鉛直方向に突出するひとつのシリンダ２２と、このシリンダ２２の端部に設けられ、シリンダ２２の上部を閉鎖するシリンダヘッド２３と、クランク室２１の中央に回転可能に支持された回転軸であるクランクシャフト２４とを有している。この圧縮機本体１は、クランク室２１内のクランクシャフト２４が回転することで、クランクシャフト２４の偏心部に接続された連接棒２７が偏心運動を行う。連接棒２７の小端部３５に設けられたベアリングとしてのピストンピン３５ａが連接棒２７の偏心運動を往復運動に変換することにより、シリンダ２２a,２２b内に設置されたピストン２５が鉛直方向に往復動し、その結果としてシリンダ外部から流体を吸引し圧縮して吐出す。なお、図１および図２では説明簡略化のため、圧縮機形状はピストン・シリンダを１対しか持たない１気筒１段圧縮機としているが、クランクシャフトに対して直列あるいは放射状に複数のピストン・シリンダを有する圧縮機もある。

圧縮機本体１は、クランクシャフト２４を電動機２の回転軸と並行に配置した状態でタンク３の上面に固定されており、クランクシャフト２４には圧縮機プーリ４が、電動機軸には電動機プーリ５が固定されている。圧縮機本体１に付設された圧縮機プーリ４は羽根を有しており、その回転にともない冷却風を圧縮機本体１に向けて発生させることで、圧縮機本体１の放熱を促す。

圧縮機プーリ４および電動機プーリ５には、動力伝達のための伝動ベルト６が巻回されている。これにより、電動機２の回転にしたがって、電動機プーリ５、伝動ベルト６および圧縮機プーリ４を介して圧縮機本体１のクランクシャフト２４が回転駆動されて、圧縮機本体１が流体を圧縮する。なお、電動機の給電配線７は、過負荷保護装置７aを経由して電源へ接続されており、圧縮機本体１や電動機２に異常負荷が発生した場合には、直ちに運転を停止する。

図２において、シリンダ２２a,２２bは上下２段に分かれた円筒形状をしており、クロスヘッドピストン２５を含む圧縮部の詳細断面図は、図３に示すとおりである。図３において、クロスヘッドピストン２５は断面積の異なる２つの部材、例えば、大小２つの円筒（円柱）を組み合わせた形状からなっている。クロスヘッドピストン２５の断面積の大きい部分である大径側は、連接棒２７の偏心運動を往復運動に変換するピストンピン３５aによって連接棒２７の小端部３５に接続されている。また、ライダーリング３４はクロスヘッドピストン２５の首振り（揺動）にともない発生する側圧を受けるものであって、クロスヘッドピストン２５の大径側の側面に帯状に巻かれている。ライダーリング２５は、合口部を有するリング形状である。また、クロスヘッドピストン２５のクロスヘッドピストン２５の断面積の小さい部分である小径側には、圧縮工程においてシリンダ内部を密封するためのピストンリング３３aが装着されているが、その本数は取り扱う気体の圧力に応じて１本あるいは複数本で構成される。ピストンリング３３ａは合口部を有する。合口部は半径方向、上下方向、周方向を分断する切り込みにより形成される。ピストンリング３３ａは、合口部が半径方向または上下方向に合口部が重なることで拡縮径可能な構造となっている。特にクロスヘッドピストン２５の揺動に伴い、シリンダ２２との隙間が変化するため、それに追従してピストンリング３３ａが拡縮径することで、流体の漏れを防止し、シール性を向上させている。

クロスヘッドピストン２５の大径側上端面（シリンダヘッド２３側の端面）には、その内部に連通する連通孔２５bが設けられており、圧縮運転中にピストンリング３３aから漏れ出した高温のブローバイガスはこの連通孔２５bを通過してクロスヘッドピストン２５の内部空間２５aに排出される。このため、ライダーリング３４の周囲の雰囲気温度上昇を防止することができ、ライダーリング３４の軟化による摩耗を低減することが可能となる。また、ブローバイガス中に含まれるピストンリング３３aの摩耗粉についてもこの連通孔２５bより排出することが可能であるから、ライダーリング３４とシリンダ内周面３２間への噛み込みによるアブレシブ摩耗も防止することができる。取り扱う圧縮ガスの圧力が高く、ピストンリング３３aを複数本から構成する必要がある場合、発生する摩耗粉量も増加するため、この効果はより発揮される。

なお、このときの連通孔２５bの断面積Ａholeとその個数Ｎについては、図３に示すライダーリング３４が取り付けられた状態のクロスヘッドピストン２５と、クロスヘッド側シリンダとの間の隙間４２（ライダーリング３４とシリンダ２２ｂとの間の径方向の隙間）の断面積(シリンダギャップ)Ａcgapよりも大きくなければ、ブローバイガスのライダーリング３４側への流入を効果的に抑制できない。したがって、数式（１）の関係が成立させることにより、ブローバイガスのライダーリング３４側への流入を効果的に抑制できる。

以上より、本実施例によれば、流体を圧縮するクロスヘッドピストン２５を備えた無給油式往復動圧縮機において、クロスヘッドピストン２５に設けられたライダーリング３４の摩耗を低減し、メンテナンス寿命を延長することが可能となる。また、流体を圧縮するクロスヘッドピストン２５を備えた給油式往復動圧縮機において、クロスヘッドピストン２５とシリンダ２２の間の油膜切れを防止し、焼きつきなどの不具合を防止することが可能となる。

本実施例では、ライダーリング３４の摩耗を防止しながらも、クロスヘッドピストン２５を支持する連接棒小端部３５の軸受グリースの劣化についても防止可能な構成について説明する。

図４は本実施例におけるクロスヘッドピストン２５の構成を示す。本図は図３に対し、大径のクロスヘッド側上端面に設けられた連通孔２５bの流路形状が異なる。

実施例１において説明した構成では、高温のブローバイをクロスヘッド２５の内部空間２５aに排出するため、連接棒小端部３５のピストンピン３５aの位置にグリース封入ベアリングなどを用いる場合、グリースがブローバイガスの熱により劣化する。本実施例では、クロスヘッドピストン２５の内部空間２５aの形状を変更し、連通孔２５bの流出部を連接棒小端部３５（ピストンピン３５a）よりも相対的に下側（シリンダヘッド２３から遠い位置）に設けることで、ブローバイガスによるグリースの温度上昇を防止することができる。

なお、流出孔２５bはクロスヘッドピストン２５の内部空間２５aに余裕があれば任意の位置に設けることが可能であるが、通常は連接棒小端部３５が運転にともない揺動するために占める空間と、ピストンピン３５aの配置を考慮すれば、図５に示すようにピストンピン３５aの方向と揺動方向の間の角度に設けると、より余裕を持った連通孔断面積Ａholeにてレイアウトが可能である。

以上より、本実施例によれば、実施例１と比較して、さらにブローバイガスによるグリースの温度上昇を抑制することができる。

本実施例では、クロスヘッドピストン２５のシリンダギャップＡcgapが大きい場合においても、ライダーリング３４側へのブローバイガスの流入を防止できる構成について説明する。

図６は本実施例におけるクロスヘッドピストン２５の構成を示す。本図は図３に対し、クロスヘッドピストンの大径側上部に新たにピストンリング３３ｂが設けられた点のみが異なる。

実施例１において説明した構成では、クロスヘッドとピストン２５の大径側および小径側の径比によっては、(１)式を満足できるだけの連通孔２５bの断面積を設けられない場合がある。また、運転にともないライダーリング３４の摩耗が進行してくると、(１)式中のＡcgapも増加するため、徐々にブローバイガスはライダーリング３４側へも流入するようになり、経時的にライダーリング３４の摩耗量が増加する。

これに対し本実施例では、クロスヘッドピストン２５の大径側上部にピストンリング３３bを設けることでブローバイガスをシールすることができる。したがって、連通孔２５bが比較的小さい場合においてもブローバイガスを優先的にクロスヘッドピストン２５の内部空間２５aへ排出可能であり、ライダーリング３４の摩耗の経時的な増加を防止できる。なお、ピストンリング３３bについてはピストンリング３３aのように圧縮空気に直接さらされることがないため、面圧が低く、ほとんど摩耗粉が生じない。ゆえに、ピストンリング３３bから生じた摩耗粉によってライダーリング３４の摩耗が促進されることはない。

本実施例において、図６は簡略化のためピストンリング３３bを１本としているが、シール性向上のためには２本以上のピストンリングを設けても良い。

以上より、本実施例によれば、実施例１、２と比較して、さらにライダーリング３４の摩耗を抑制することができる。

本実施例では、クロスヘッドピストン２５のピストンリング３３aが過度の摩耗や折損によってシール性を維持できなくなった場合、安全装置を作動させることでメンテナンスを促すことが可能な構成について説明する。

図７は本実施例におけるクロスヘッドピストン２５の構成を示す。本図は図６に対し、クロスヘッドピストン２５の大径側に連通孔２５ｂを持たない点のみが異なる。

実施例１〜３に限らず、通常の無給油式圧縮機においては、ピストンリング３３aの摩耗が進行し、交換を要するに至っても、その状況をユーザへ告知するための装置を設けることが難しい。したがって、取扱説明書にてメンテナンスの推奨時期を指示したり、指定時間が経過した後にタイマーにてメンテナンスを促す警報を出力したりするなどの方策がとられる。しかし、ピストンリング３３aの摩耗状態を直接検知しているわけではないため、設置環境温度や粉塵の影響などによって摩耗速度が通常よりも速い場合には、警報が間に合わないことも考えられる。また、ピストンリング３３aの摩耗が進行するにつれ、ライダーリング３４側へ漏れ出すブローバイ量も増加するため、ライダーリング３４周囲の雰囲気温度が上昇し、摩耗量が増加し、最悪の場合クロスヘッドピストン２５とシリンダ内周面３２が接触、焼きつくなどの不具合をもたらす。

本実施例においては、ピストンリング３３aが何らかの要因によって圧縮空気のシール不能となった場合、まず漏れ出した圧縮空気によってクロスヘッドピストン２５の大径側上部の空間４１aが満たされる。しかしクロスヘッドピストン２５の大径側上部にはピストンリング３３bが設けられているため、ライダーリング３４側へ圧縮空気が漏れ出すことはない。このとき、ガス荷重はクロスヘッドピストン２５の小径側上部とともに大径側上部も受けることになるため、電動機２の電流が増加し、サーマルリレーなどの過負荷保護装置７aを作動させることが可能となる。過負荷保護装置７aは例えば、電動機２の電流または電動機の温度が所定値以上になると、電動機２への通電を遮断する。また、過負荷保護装置７aが作動した場合、アラームやＬＥＤにより報知することで、メンテナンス時期を報知することができる。

以上より、本実施例によれば、ピストンリング３３aの摩耗に伴うメンテナンスの時期を適切に報知することができる。

１圧縮機本体
２電動機
３タンク
４圧縮機プーリ
５モータプーリ
６伝動ベルト
７給電配線
７ａ過負荷保護装置
２１クランクケース
２２ａシリンダ（小径側）
２２ｂシリンダ（大径側）
２３シリンダヘッド
２３ａ吸込み室
２３ｂ吐出し室
２４クランクシャフト
２５クロスヘッドピストン
２５ａクロスヘッドピストンの内部空間
２５ｂ連通孔
２６吸込みフィルタ
２７連接棒
２８空気弁
２９ａ吸込み弁板
２９ｂ吐出し弁板
３２シリンダ内周面
３３ａピストンリング（小径側）
３３ｂピストンリング（大径側）
３４ライダーリング
３５連接棒小端部
３５ａピストンピン
３６連接棒
４１シリンダギャップ（小径側）
４２シリンダギャップ（大径側）

Claims

シリンダ内を往復動するピストンと、
前記シリンダの端部に設けられたシリンダヘッドとを備え、
前記ピストンは、断面積の異なる２つの部材を組み合わせた形状よりなるクロスヘッドピストンであって、前記クロスヘッドピストンの断面積が大きい部分である大径側の前記シリンダヘッド側の端面に前記クロスヘッドピストンの内部へ連通する連通孔を有していることを特徴とする圧縮機。
前記連通孔の流路断面積の合計は、前記クロスヘッドピストンの大径側と、前記シリンダとの間に形成される隙間の断面積以上であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
前記連通孔の流路断面積の合計は、前記クロスヘッドピストンの大径側と、前記クロスヘッドピストンの大径側に取り付けられ、前記クロスヘッドピストンにかかる側圧を受けるライダーリングと、前記シリンダとの間の隙間の断面積以上であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
前記クロスヘッドピストンの断面積が小さい部分である小径側には、合口部を有し拡縮径する小径側ピストンリングが設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮機。
前記クロスヘッドピストンの大径側には、合口部を有し拡縮径する大径側ピストンリングが設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧縮機。
前記ピストンを駆動する電動機と、
前記ピストンと前記電動機の回転軸とを接続する連接棒と、
前記連接棒の偏心運動を前記ピストンの往復運動に変換するベアリングとを備え、
前記連通孔は、前記ベアリングよりも前記シリンダヘッドから遠い位置まで続いていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧縮機。
シリンダ内を往復動するピストンと、
前記シリンダの端部を閉鎖するシリンダヘッドと、
前記ピストンを駆動する電動機と、
前記電動機または前記ピストンの過負荷が検出されると前記電動機を停止する過負荷保護装置とを備え、
前記ピストンは、断面積の異なる２つの部材を組み合わせた形状よりなるクロスヘッドピストンであって、前記クロスヘッドピストンの断面積が大きい部分である大径側には、合口部を有し拡縮径するピストンリングが設けられることを特徴とする圧縮機。