JP2021004567A - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】周期的に高くなるガス圧環境下でピストンリングのシール性能を長期間に亘って維持することを可能にする技術を提供することを目的とする。【解決手段】本出願は、ガスを圧縮する圧縮機を開示する。圧縮機はシリンダと、前記ガスが圧縮される圧縮室を前記シリンダ内で形成するように前記シリンダ内に配置され、前記圧縮室内の前記ガスを圧縮するピストンと、前記圧縮室側において前記ピストンの外周部に装着されているとともにポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド及びポリベンゾイミダゾールからなる群から選択された少なくとも一種を主成分として形成された第１シール部と、前記第１シール部よりも前記圧縮室から離れた位置で前記ピストンの前記外周部に装着されているとともに前記第１シール部以下の硬さの第２シール部とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスを圧縮する圧縮機に関する。

従来、シリンダ内でピストンを往復動させシリンダ内に形成された圧縮室に導入されたガスを圧縮するように構成された圧縮機が知られている。圧縮室内で得られた圧縮ガスがピストンの外周部とシリンダの内周面との間の空隙を通じて漏出することを防止するために、ピストンの外周部には複数のピストンリングがシリンダの軸方向に整列するように装着されている（特許文献１及び２を参照）。

特開２０１５−４０５１９号公報 国際公開第２０１６／２０８６９８号

圧縮室においてガスの吸込及び吐出が繰り返されるので、圧縮室内部の圧力が周期的に変動し、圧縮室の近くのピストンリングに対して大きな衝撃力が周期的に加わる。衝撃力がピストンリングに周期的に作用する結果、ピストンリングは、衝撃力の作用方向に経時的に変形することがある。ピストンリングの経時的な変形の結果、ピストンリングの外周部がシリンダの内周面から離れると、変形したピストンリングは、ピストンリングに対して期待されているシール性能を失う。また、ロッドパッキンについても、同様の課題を有する場合がある。

本発明は、圧縮機のシール性能を長期間に亘って維持することを可能にする技術を提供することを目的とする。

本発明の一の局面に係る圧縮機は、ガスを圧縮するように構成されている。圧縮機は、シリンダ部と、前記ガスが圧縮される圧縮室を前記シリンダ部内で形成するように前記シリンダ部内に配置され、前記圧縮室内の前記ガスを圧縮するピストンと、前記ピストンの外周部に装着されているとともにポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド及びポリベンゾイミダゾールからなる群から選択された少なくとも一種を主成分として形成された第１シール部と、前記第１シール部よりも前記圧縮室から離れた位置で前記ピストンの前記外周部に装着されているとともに前記第１シール部以下の硬さの第２シール部と、を備えている。

上記の構成によれば、第１シール部及び第２シール部は、これらに期待されているシール性能を長期間に亘って保持することができる。

上記の構成に関して、圧縮機は、前記シリンダ部の軸方向において前記第２シール部について前記第１シール部とは反対側で前記ピストンの前記外周部に装着された第３シール部を更に備えていてもよい。前記ピストン及び前記シリンダ部は、前記ピストンについて前記圧縮室とは反対側の非圧縮室を形成していてもよい。前記第３シール部は前記第２シール部よりも前記非圧縮室の近くに位置しているとともに、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド及びポリベンゾイミダゾールからなる群から選択された少なくとも一種を主成分として形成されていてもよい。

上記の構成によれば、第３シール部は第３シール部に期待されているシール性能を長期間に亘って保持することができる。

上記の構成に関して、前記第１シール部は、前記ピストンの前記外周部に沿って周方向にそれぞれ延設された２つのリング要素を含んでいてもよい。前記２つのリング要素それぞれには、前記２つのリング要素それぞれの外周部から内周部に延設された合口部が形成されていてもよい。前記２つのリング要素の前記合口部が重ならないように、前記２つのリング要素は、前記シリンダ部の軸方向において重ねられて前記ピストンの前記外周部に装着されていてもよい。

上記の構成によれば、圧縮室から離れた位置のリング要素は圧縮室に近いリング要素の合口部を通じたガスの通過を抑制することができる。

上記の構成に関して、前記第２シール部は、ポリテトラフルオロエチレン及び変性ポリテトラフルオロエチレンからなる群から選択された少なくとも一種を主成分として形成された軟質リング要素と、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド及びポリベンゾイミダゾールからなる群から選択された少なくとも一種を主成分として形成されているとともに前記圧縮室とは反対側から前記軟質リング要素に重ねられた硬質リング要素とを含んでいてもよい。前記第２シール部は、前記第１シール部以下の硬さであってもよい。

上記の構成によれば、硬質リング要素は、軟質リング要素を介してガス圧を受けても変形しにくいので、軟質リング要素の変形を抑制することができる。

上記の構成に関して、前記ピストン及び前記シリンダ部は、前記圧縮室として第１圧縮室と前記シリンダ部の軸方向において前記第１圧縮室とは反対側の第２圧縮室とを形成していてもよい。前記第１シール部は、前記第２シール部よりも前記第１圧縮室及び前記第２圧縮室の近くの位置で、前記ピストンの前記外周部に装着されていてもよい。

上記の構成によれば、第１シール部及び第２シール部は、これらに期待されているシール性能を長期間に亘って保持することができる。

上記の構成に関して、圧縮機は、前記ピストンを前記シリンダ部内で往復動させるように形成されたクランク機構を更に備えていてもよい。

上記の構成によれば、クランク機構によって駆動されたピストンの往復動によって生じた衝撃力の存在下においても、第１シール部及び第２シール部は、これらに期待されているシール性能を長期間に亘って保持することができる。

上記の構成に関して、圧縮機は、前記クランク機構の駆動力を前記ピストンへ伝達するピストンロッドと、前記シリンダ部と前記ピストンロッドの外周部との間をシールする第１パッキン部と、前記第１パッキン部に対して前記クランク機構側でシールする第２パッキン部と、を備えていてもよい。前記第１パッキン部は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド及びポリベンゾイミダゾールからなる群から選択された少なくとも一種を主成分として形成されてもよい。前記第２パッキン部は、前記第１パッキン部よりも軟質であってもよい。

上記の構成によれば、第１パッキン部及び第２パッキン部は、これらに期待されているシール性能を長期間に亘って保持することができる。

上述の技術は、圧縮機のシール性能を長期間に亘って維持することを可能にする。

第１実施形態の往復動圧縮機の概略的な断面図である。 往復動圧縮機のピストンの概略的な断面図である。 往復動圧縮機のリング要素の概略的な平面図である。 往復動圧縮機のリング要素の概略的な平面図である。 第２実施形態の往復動圧縮機の概略的な断面図である。 第３実施形態の往復動圧縮機の概略的な断面図である。 第４実施形態の往復動圧縮機の概略的な断面図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の往復動圧縮機（以下「圧縮機１００」と称される）の概略的な断面図である。図１を参照して、圧縮機１００が説明される。以下の説明において、「上」や「下」といった方向指標が用いられる。これらの方向指標は、説明の明瞭化のみを目的としており、限定的に解釈されるべきではない。

圧縮機１００は、シリンダ構造１１０と、シリンダ構造１１０の下方に配置されたクランクケース１１１と、クランクケース１１１内に収容されたクランク機構とを備えている。

シリンダ構造１１０は、シリンダ１２１と、シリンダ１２１の上端及び下端にそれぞれ固定された一対のシリンダヘッド１２２，１２３とを含むシリンダ部１２０を有している。シリンダ１２１の上端の近くには流入口１２６及び流出口１２７が形成され、流入口１２６及び流出口１２７は、シリンダ１２１内へのガスの流入出を許容する。図１において、上側のシリンダヘッド１２２は、シリンダ１２１の上端の開口部を閉じている。下側のシリンダヘッド１２３には、中心軸ＣＡＸに沿って形成された貫通孔１２４が形成されている。下側のシリンダヘッド１２３の内周面には、中心軸ＣＡＸの延設方向に間隔を空けて並ぶように形成された複数の環状溝１２５が形成されている。中心軸ＣＡＸの延設方向は、以下の説明において「軸方向」と称される。シリンダ１２１及びシリンダヘッド１２２，１２３によって囲まれた空間は、以下の説明において「内部空間」と称される。

シリンダ構造１１０は、内部空間内に配置されたピストン１２８と、ピストン１２８の下端面から中心軸ＣＡＸに沿って下方に延設されたピストンロッド１２９とを更に含んでいる。図２は、ピストン１２８の概略的な断面図である。図１及び図２を参照して、ピストン１２８及びピストンロッド１２９が説明される。

ピストン１２８は、シリンダ１２１と同軸に配置されている。ピストン１２８の軸長は、シリンダ１２１の軸長よりも短い。したがって、内部空間は、ピストン１２８の上側の空間と下側の空間とに分けられる。上側の空間は、以下の説明において「圧縮室１３１」と称される。下側の空間は、以下の説明において「非圧縮室１３２」と称される。非圧縮室１３２は、外部タンク（図示せず）と接続され、外部タンクは、シリンダ１２１の吸込側の流路に接続されている。

圧縮室１３１は、流入口１２６及び流出口１２７に繋がっている。流入口１２６及び流出口１２７にそれぞれ対応して逆止弁（図示せず）が取り付けられている。流入口１２６用の逆止弁は、圧縮室１３１へのガスの流入を許容する一方で、圧縮室１３１からのガスの流出を許容しない。流出口１２７用の逆止弁は、圧縮室１３１内のガスの圧力が所定の閾値を超えたときに、圧縮室１３１からのガスの流出を許容する一方で、圧縮室１３１へのガスの流入を許容しない。圧縮室１３１内においてガスの圧縮処理が行われる。

ピストン１２８の外径は、シリンダ１２１の内径よりも小さい。したがって、ピストン１２８の外周部とシリンダ１２１の内周面との間には、環状の隙間が形成されている。なお、図１等では、当該隙間を実際よりも誇張して表現している。

ピストン１２８の外周部には、ピストン１２８の周方向に延設された複数の環状溝２２５が形成されている。これらの環状溝２２５それぞれの中心は、中心軸ＣＡＸに略一致している。これらの環状溝２２５は、軸方向において間隔を空けて形成されている。

ピストンロッド１２９は、下側のシリンダヘッド１２３の貫通孔１２４を通じて、シリンダヘッド１２３を貫通し、下方に延設されている。ピストンロッド１２９の下端は、クランクケース１１１内のクランク機構に接続されている。クランク機構の駆動力は、ピストンロッド１２９を通じて、ピストン１２８へ伝達される。

シリンダ構造１１０は、圧縮室１３１内のガスがクランクケース１１１へ漏出することを抑制する部位を更に含んでいる。シリンダ構造１１０は、圧縮室１３１から非圧縮室１３２へのガスの漏出を抑制する部位として、ピストン１２８の外周部に装着された第１シール部１４５乃至第３シール部１４７を有している。シリンダ構造１１０は、非圧縮室１３２からクランクケース１１１へのガスの漏出を抑制する部位として、下側のシリンダヘッド１２３の環状溝１２５内に配置された複数のロッドパッキンを有している。これらのロッドパッキンは、第１パッキン部１５１、第２パッキン部１５２及び第３パッキン部１５３を構成している。

第１シール部１４５は、第１シール部１４５乃至第３シール部１４７の中で最も上側に配置された（すなわち、最も圧縮室１３１側に配置された）１つのピストンリングによって構成されている。第１シール部１４５を構成しているピストンリングは、略矩形状の断面及び２００℃以上の耐熱温度を有している。第１シール部１４５のピストンリングは、当該ピストンリングの下面が環状溝２２５の側部を形成しているピストン１２８の溝側面に当接するように、ピストン１２８の外周部の環状溝２２５に嵌め込まれている。第１シール部１４５のピストンリングは、ピストン１２８の外周面から外方に突出している。第１シール部１４５のピストンリングの外周面は、シリンダ１２１の内周面に当接している。第１シール部１４５のピストンリングの内径は、環状溝２２５の底部の外径よりも大きな値に設定されている。したがって、第１シール部１４５のピストンリングの内周面と環状溝２２５の底部との間には空隙が形成されている。第１シール部１４５のピストンリングの厚さは、複数の環状溝２２５の溝幅よりも小さくてもよい。したがって、環状溝２２５内において、第１シール部１４５のピストンリングの上面上には、空隙が形成されている。

第１シール部１４５のピストンリングは、軸方向に重ねられた一対のリング要素２４１，２４２から構成されている。リング要素２４１は、リング要素２４２よりも圧縮室１３１の近くに配置されている。第１シール部１４５のリング要素２４１，２４２は、環状溝２２５に嵌め込まれている。上側のリング要素２４１の概略的な平面図が図３Ａに示され、下側のリング要素２４２の概略的な平面図が図３Ｂに示されている。リング要素２４１は、リング要素２４２よりも圧縮室１３１の近くに配置されている。リング要素２４１，２４２それぞれは、シール材料から形成されている。

リング要素２４１，２４２それぞれは、環状の帯板部材である。リング要素２４１，２４２それぞれには、リング要素２４１，２４２それぞれの外周部から内周部に延設された合口部１４８が形成されている。したがって、リング要素２４１，２４２それぞれは、無端のリング部材とは異なり、合口部１４８を挟んで隣り合う第１端部１４３及び第２端部１４４を有している。リング要素２４１，２４２それぞれは、第１端部１４３から第２端部１４４までの円弧状の周区間に亘って、ピストン１２８の外周部に沿って周方向に延設されている。

第２端部１４４は、第１端部１４３から僅かに離間している。第１端部１４３と第２端部１４４との間の合口部１４８は、シール材料が連続的に円弧状に延びる周区間よりもシール性能において劣っている。

リング要素２４１の合口部１４８の周方向における位置は、リング要素２４２の合口部１４８の周方向における位置とは相違している。すなわち、これらのリング要素２４１，２４２の向きは、これらの合口部１４８が重ならないように設定されている。たとえば、図３Ａ及び図３Ｂに示されているように、これらのリング要素２４１，２４２の向きは、これらの合口部１４８が中心軸ＣＡＸ周りに約１８０°だけ異なるように設定されていてもよい。

第１シール部１４５は、硬質のシール材料から形成されている。硬度は、ＪＩＳ Ｋ７２０２−２やＪＩＳ Ｚ２２４５に準拠した方法に基づいて得られたロックウェル硬さを用いて評価されてもよいし、ＪＩＳ Ｋ６２５３やＪＩＳ Ｋ７２１５に準拠した方法に基づいて得られたデュロメータ硬さを用いて評価されてもよい。代替的に、ビッカース硬さや他の硬度試験によって硬度が評価されてもよい。

リング要素２４１，２４２それぞれは、熱硬化性又は熱可塑性のポリイミド（以下「ＰＩ」と称される）、ポリエーテルエーテルケトン（以下「ＰＥＥＫ」と称される）及びポリベンゾイミダゾール（以下「ＰＢＩ」と称される）から選択された少なくとも一種のシール材料を主成分として形成されている。リング要素２４１，２４２それぞれは、これらの引張強度が３０ＭＰａ以上になるように形成されている。主成分として選択されたシール材料は、これらの材料のうち１つであってもよいし、これらの材料の組み合わせであってもよい。

リング要素２４１，２４２の主成分として用いられるシール材料は、同一であってもよいし、相違していてもよい。たとえば、リング要素２４１，２４２の主成分はともに、ＰＩ及びＰＥＥＫの組み合わせであってもよい。あるいは、上側のリング要素２４１の主成分がＰＩ及びＰＥＥＫの組み合わせである一方で、下側のリング要素２４２の組み合わせは、ＰＥＥＫ及びＰＢＩの組み合わせであってもよい。

リング要素２４１，２４２には添加剤が添加されている。「主成分」との用語は、主成分として選択されたシール材料がリング要素２４１，２４２それぞれに占める割合がリング要素２４１，２４２それぞれの中に添加された添加剤の割合よりも多いことを意味している。複数のシール材料が主成分として選択されるならば、「主成分」との用語は、選択されたこれらのシール材料がリング要素２４１，２４２それぞれに占める割合の合計が、リング要素２４１，２４２それぞれの中に添加された添加剤の割合よりも多いことを意味している。

添加剤は、第１シール部１４５の潤滑性及び／又は成型性を向上させるために、リング要素２４１，２４２それぞれに添加されている。潤滑性を向上させる添加剤としてカーボンフィラーが好適に利用可能である。カーボンフィラーは、グラファイトであってもよいし、カーボンファイバーであってもよい。カーボンファイバーは、ポリアクリロニトリル（Ｐｏｌｙａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ）系であってもよいし、ピッチ（ＰＩＴＣＨ）系であってもよい。カーボンフィラーは、５質量％以上４０質量％以下の範囲で、リング要素２４１，２４２それぞれに添加されている。成型性を向上させる添加剤として、ポリアミドイミドが用いられていてもよい。２種以上の添加剤が添加されるならば、「添加剤の割合」との用語は、これらの添加剤の合計が、リング要素２４１，２４２それぞれに占める割合を意味している。

第３シール部１４７は、第１シール部１４５乃至第３シール部１４７の中で最も下側に配置された１つのピストンリングによって構成されている。第３シール部１４７を構成しているピストンリングは、非圧縮室１３２に臨んでいる。第３シール部１４７のピストンリングの構造は、第１シール部１４５のピストンリングの構造と共通している。第１シール部１４５のピストンリングの構造に関する説明は、第３シール部１４７のピストンリングに援用される。

第３シール部１４７のピストンリングのリング要素の材質に関して、第３シール部１４７のリング要素は、第１シール部１４５のリング要素２４１，２４２と同様である。すなわち、第３シール部１４７のリング要素は、ＰＩ、ＰＥＥＫ及びＰＢＩから選択された少なくとも一種のシール材料を主成分として形成されている。第３シール部１４７のリング要素は、第１シール部１４５のリング要素２４１，２４２と同一の組成であってもよいし、異なる組成であってもよい。たとえば、第１シール部１４５のリング要素２４１，２４２の主成分としてＰＩが選択されているときに、第３シール部１４７のリング要素の主成分としてＰＩが選択されてもよいし、ＰＢＩが選択されてもよい。

第２シール部１４６は、第１シール部１４５と第３シール部１４７との間で軸方向に間隔を空けて並べられた複数のピストンリングによって構成されている。すなわち、第２シール部１４６は、第１シール部１４５及び第３シール部１４７よりも圧縮室１３１及び非圧縮室１３２からそれぞれ離れた位置で配置されている。第２シール部１４６のピストンリングは、第１シール部１４５及び第３シール部１４７のピストンリングと構造的に共通しているけれども、材質において相違している。

第２シール部１４６のピストンリングは、全体として、第１シール部１４５及び第３シール部１４７のピストンリングよりも軟質である。第２シール部１４６のピストンリングの上側のリング要素は、以下の説明において、「軟質リング要素２４３」と称される。第２シール部１４６のピストンリングの下側のリング要素は、以下の説明において、「硬質リング要素２４４」と称される。軟質リング要素２４３は、硬質リング要素２４４よりも圧縮室１３１の近くでピストン１２８の外周部に装着されている。軟質リング要素２４３は、硬質リング要素２４４よりも柔らかい材料であってもよいし、圧力に十分に耐えうる場合には、硬質リング要素２４４と同じ材料であってもよい。

軟質リング要素２４３は、ポリテトラフルオロエチレン（以下「ＰＴＦＥ」と称される）及び変性ポリテトラフルオロエチレン（以下「変性ＰＴＦＥ」と称される）から選択された少なくとも一種のシール材料を主成分として形成されている。変性ＰＴＦＥは、ＰＴＦＥのフッ素が所定の官能基により置換された材料である。主成分として選択されたシール材料は、これらの材料のうち１つであってもよいし、これらの材料の組み合わせであってもよい。

第２シール部１４６の硬質リング要素２４４の主成分は、第１シール部１４５のリング要素２４１，２４２の主成分と同様に、ＰＩ、ＰＥＥＫ及びＰＢＩのうち少なくとも一種である。リング要素２４１，２４２の組成に関する説明は、硬質リング要素２４４に援用される。

軟質リング要素２４３及び硬質リング要素２４４にも、添加剤が配合されている。第１シール部１４５の添加剤に関する説明は、軟質リング要素２４３及び硬質リング要素２４４に援用される。

第１パッキン部１５１は、第１パッキン部１５１乃至第３パッキン部１５３の中で最も上側に配置された１つのロッドパッキンによって構成されている。第１パッキン部１５１のロッドパッキンは、ロッドパッキンの内周部がピストンロッド１２９の外周面に接触するように形成されている。第１パッキン部１５１のロッドパッキンは、ロッドパッキンの下面がシリンダヘッド１２３の環状溝１２５の側部を形成する溝側面に当接するように環状溝１２５に嵌め込まれている。第１パッキン部１５１のロッドパッキンの厚さは、環状溝１２５の幅よりも小さな値に設定されている。第１パッキン部１５１のロッドパッキンの外径は、環状溝１２５の外径よりも小さな値に設定されている。

第１パッキン部１５１のロッドパッキンは、内径及び外径において、第１シール部１４５のピストンリングとは相違しているけれども、構造及び材質において、第１シール部１４５のピストンリングと共通している。第１シール部１４５のピストンリングの構造及び材質に関する説明は、第１パッキン部１５１のロッドパッキンに援用される。

第３パッキン部１５３は、第１パッキン部１５１乃至第３パッキン部１５３の中で最も下側に配置された１つのロッドパッキンによって構成されている。第３パッキン部１５３のロッドパッキンは、構造及び材質において、第１パッキン部１５１のロッドパッキンと共通している。

第２パッキン部１５２は、第１パッキン部１５１と第３パッキン部１５３との間に配置された複数のロッドパッキンによって構成されている。第２パッキン部１５２は、第１パッキン部１５１よりもクランク機構側に配置されている。第３パッキン部１５３は、第２パッキン部１５２よりもクランク機構側に配置されている。

第２パッキン部１５２を構成しているロッドパッキンは、内径及び外径において、第２シール部１４６のピストンリングとは相違しているけれども、構造及び材質において、第２シール部１４６のピストンリングと共通している。第２シール部１４６のピストンリングの構造及び材質に関する説明は、第２パッキン部１５２を構成しているロッドパッキンに援用される。

クランク機構は、クランクシャフト（図示せず）やコネクティングロッド（図示せず）を用いてクランクケース１１１内で構成されている。クランク機構は、クランクシャフトの回転運動を鉛直方向の直線的な往復動に変換するように構成されている。クランク機構は、ピストンロッド１２９の下端に接続されている。したがって、クランク機構によって作り出された往復動は、ピストンロッド１２９に伝達される。

ピストンロッド１２９が往復動をすると、ピストンロッド１２９の上端に連なるピストン１２８も往復動する。ピストン１２８が上死点から下死点に向かっている期間中に、流入口１２６を通じて圧縮室１３１にガスが充填される。その後、ピストン１２８が上死点に向けて移動し、圧縮室１３１内に充填されたガスが圧縮される。

ピストン１２８が上死点と下死点との間で往復動している間、ピストン１２８の外周部に装着された第１シール部１４５乃至第３シール部１４７は、シリンダ１２１の内周面に摺接される。このとき、上述の添加剤として用いられるカーボンフィラーは、低い摩擦係数の膜をシリンダ１２１の内周面上に形成する。

ピストン１２８が上死点に向けて移動しているとき、非圧縮室１３２は大きくなる。したがって、非圧縮室１３２内の圧力は、第２シール部１４６と第３シール部１４７との間の空間内の圧力と較べて大幅に低くなる。

第１シール部１４５乃至第３シール部１４７のシール性能の維持機能が以下に説明される。

第１シール部１４５は、最も大きな力（ガス圧）を受ける。第１シール部１４５は、比較的硬質のシール材料を主成分として形成されているので、大きな力が繰り返し作用しても変形しにくい。したがって、第１シール部１４５は、第１シール部１４５の外周部が全体的にシリンダ１２１の内周面に摺接されるシール形状を長期間に亘って維持することができる。すなわち、第１シール部１４５は、第１シール部１４５に期待されるシール性能を長期間に亘って発揮することができる。

第１シール部１４５がシール形状を維持している間、第１シール部１４５を通過するガスの流量は小さい。したがって、第１シール部１４５の下方に配置された第２シール部１４６を構成している複数のピストンリングの間に形成された複数の空間内の圧力は、過度に高くならない。これらのピストンリングの過度の変形は生じず、これらのピストンリングは、シール形状を維持することができる。

第２シール部１４６の軟質リング要素２４３は、比較的軟質のシール材料を主成分としているので、軟質リング要素２４３の外周部は、シリンダ１２１の内周面に密着することができる。したがって、第２シール部１４６は、第１シール部１４５よりも優れたシール性能を発揮することができる。

軟質リング要素２４３は、優れたシール性能に貢献する一方で変形しやすい。しかしながら、軟質リング要素２４３の下面に硬質リング要素２４４が重ねられているので、軟質リング要素２４３の変形は抑制される。軟質リング要素２４３が下方に作用するガス圧を受けると、軟質リング要素２４３は、硬質リング要素２４４に押し付けられる。硬質リング要素２４４は、第１シール部１４５と同様に、硬質のシール材料を主成分としているので変形しにくく、軟質リング要素２４３の変形を抑制することができる。したがって、第２シール部１４６も、第１シール部１４５と同様に、ガス圧に抗してシール形状を長期間に亘って維持することができる。

第３シール部１４７の上面は、第１シール部１４５及び第２シール部１４６を順次通過したガスの圧力に曝される。一方、第３シール部１４７の下面は、非圧縮室１３２内の低圧環境に曝される。したがって、第３シール部１４７の上面及び下面の間で生ずる圧力差は、第２シール部１４６を構成しているピストンリングの上面及び下面間で生ずる圧力差よりも大きくなる。この結果、第３シール部１４７には、第２シール部１４６よりも下向きの大きな力が作用する。しかしながら、第３シール部１４７は、第１シール部１４５と同様に硬質のシール材料から形成されているので、圧力差に起因する大きな力に長期間に亘って抗することができる。すなわち、第３シール部１４７は、第１シール部１４５と同様に、シール形状を長期間に亘って維持することができる。

第１シール部１４５乃至第３シール部１４７のリング要素それぞれは、無端のリング部材とは異なり、第１端部１４３及び第２端部１４４を有している。第２端部１４４が第１端部１４３から離れるようにリング要素が変形されると、リング要素の内径が大きくなり、リング要素は、ピストン１２８の環状溝２２５に容易に嵌め込まれる。

上側のリング要素の合口部１４８には、高圧のガスが入り込もうとする。下側のリング要素の合口部１４８は、上側のリング要素の合口部１４８に対して周方向においてずれた位置に配置されているので、上側のリング要素の合口部１４８は、下側のリング要素によって軸方向において塞がれている。したがって、下側のリング要素は、上側のリング要素の合口部１４８を通じたガスの漏出を抑制する機能を果たす。

これらのリング要素の主成分として選択され得るＰＩ、ＰＥＥＫ、ＰＢＩ、ＰＴＦＥ、変性ＰＴＦＥは、硫黄を含有していない。したがって、ガスへの硫黄の混入が好ましくない技術分野（たとえば、燃料電池車への水素の供給）に、圧縮機１００は、好適に利用可能である。すなわち、圧縮機１００は、燃料電池車に水素を供給する水素ステーションに好適に搭載され得る。この場合、圧縮機１００によって圧縮されるガスは、水素ガスである。しかしながら、圧縮機１００は、他の種類のガスの圧縮に利用されてもよい。

これらのリング要素の潤滑性の添加剤として用いられ得るカーボンフィラーの添加量は、５質量％以上４０質量％以下の範囲である。

添加剤としてポリアミドイミドがリングが添加されると、これらのリング要素は、容易に成型され得る。

第１パッキン部１５１乃至第３パッキン部１５３間の硬度及び材質の関係は、第１シール部１４５乃至第３シール部１４７と共通している。したがって、第１シール部１４５乃至第３シール部１４７と同様に、第１パッキン部１５１乃至第３パッキン部１５３も長期間に亘って優れたシール性能を発揮することができる。

上述の実施形態に関して、第１シール部１４５乃至第３シール部１４７は、合計で８つのピストンリングによって構成されている。いくつのピストンリングがピストン１２８の外周部に装着されるかは、想定される最大のガス圧に基づいて決定されてもよい。したがって、いくつのピストンリングがピストン１２８の外周部に装着されるかは限定的に解釈されるべきではない。

上述の実施形態に関して、第１シール部１４５及び第３シール部１４７それぞれは、複数のピストンリングによって構成されてもよい。しかしながら、いくつのピストンリングが、第１シール部１４５乃至第３シール部１４７それぞれを構成するかは、想定される最大のガス圧に基づいて決定されてもよい。

上述の実施形態に関して、第１パッキン部１５１乃至第３パッキン部１５３が用いられている。しかしながら、第３パッキン部１５３に代えて、第２パッキン部１５２が用いられてもよい。

上述の実施形態に関して、材質及び硬度において異なるロッドパッキンが、第１パッキン部１５１乃至第３パッキン部１５３として用いられている。しかしながら、材質及び硬度において等しいロッドパッキンが用いられてもよい。

＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態の往復動圧縮機（以下「圧縮機１００Ａ」と称される）の概略的な断面図である。圧縮機１００Ａは、第１実施形態に関連して説明された第３シール部１４７を備えていない点においてのみ、第１実施形態の圧縮機１００とは相違している。図４を参照して、圧縮機１００Ａが説明される。

圧縮機１００Ａのシリンダ構造１１０Ａに関して、第１実施形態に関連して説明された第３シール部１４７に代えて、第２シール部１４６がピストン１２８の外周部に装着されている。

圧縮されるガスの圧力があまり高くないならば、第２シール部１４６を構成している複数のピストンリングの中で最も下のピストンリングの上面及び下面間の圧力差もあまり大きくならない。この場合、比較的軟質の第２シール部１４６が第３シール部１４７に代えて利用可能である。第２シール部１４６は、第３シール部１４７よりもシール性能において優れているので、非圧縮室１３２へのガスの漏出が効果的に抑制される。

なお、第１実施形態に関連して説明された第１パッキン部１５１乃至第３パッキン部１５３は、圧縮機１００Ａに適用可能である。

＜第３実施形態＞
図５は、第３実施形態の往復動圧縮機（以下「圧縮機１００Ｂ」と称される）の概略的な断面図である。圧縮機１００Ｂは、２つの圧縮室を備えている。図５を参照して、圧縮機１００Ｂが説明される。

圧縮機１００Ｂのシリンダ構造１１０Ｂは、シリンダ１２１に代えて、シリンダ１２１Ｂを有している。シリンダ１２１Ｂ及びピストン１２８は、２つの圧縮室を形成している。ピストン１２８の上側に形成された圧縮室は、以下の説明において「第１圧縮室１３１Ｃ」と称される。第１圧縮室１３１Ｃは、第１実施形態に関連して説明された圧縮室１３１に相当する空間である。圧縮室１３１に関する説明は、第１圧縮室１３１Ｃに援用される。ピストン１２８の下側に形成された圧縮室は、以下の説明において「第２圧縮室１３２Ｃ」と称される。

シリンダ１２１Ｂには、シリンダ１２１Ｂの下端の近くに流入口２２６及び流出口２２７が形成されている。流入口２２６及び流出口２２７は、第２圧縮室１３２Ｃに連通している。流入口２２６及び流出口２２７は、第２圧縮室１３２Ｃへのガスの供給及び第２圧縮室１３２Ｃからのガスの排出に用いられる。流入口２２６及び流出口２２７にそれぞれ対応して逆止弁（図示せず）が取り付けられている。流入口２２６用の逆止弁は、第２圧縮室１３２Ｃへのガスの流入を許容する一方で、第２圧縮室１３２Ｃからのガスの流出を許容しない。流出口２２７用の逆止弁は、第２圧縮室１３２Ｃ内の圧力が所定の閾値を超えたときに、第２圧縮室１３２Ｃからのガスの流出を許容する一方で、第２圧縮室１３２Ｃへのガスの流入を許容しない。第２圧縮室１３２Ｃに供給されたガスは、下死点に向かって移動するピストン１２８によって圧縮される。

最も上のピストンリング（すなわち、最も第１圧縮室１３１Ｃ側に配置されたピストンリング）は、他のピストンリングよりも第１圧縮室１３１Ｃに近い位置でピストン１３８の外周部に装着されている。最も下のピストンリング（すなわち、最も第２圧縮室１３２Ｃ側に配置されたピストンリング）は、他のピストンリングよりも第２圧縮室１３２Ｃに近い位置でピストン１３８の外周部に装着されている。ピストンリングの列の両端をなすこれらのピストンリングは、上述の第１シール部１４５として形成されている。残りのピストンリングは、上述の第２シール部１４６として形成されている。

ピストン１３８の両側に２つの圧縮室１３１Ｃ，１３２Ｃが形成されているので、圧縮ガスが効率的に作り出される。

第１圧縮室１３１Ｃ及び第２圧縮室１３２Ｃの近くに配置された２つの第１シール部１４５は、比較的硬質であるので、第１圧縮室１３１Ｃ及び第２圧縮室１３２Ｃでのガスの圧縮に起因する衝撃力に抗し、シール形状を長期間に亘って維持することができる。これらの第１シール部１４５の間で整列された第２シール部１４６は、これらの第１シール部１４５によって、上述の衝撃力から保護されるので、第１シール部１４５ほどは大きな衝撃力を受けない。したがって、第２シール部１４６もシール形状を長期間に亘って維持することができる。

圧縮機１００Ｃは、第１実施形態の圧縮機１００よりも多くの第２シール部１４６を有している。第２シール部１４６は、優れたシール性能を有しているので、第１圧縮室１３１Ｃと第２圧縮室１３２Ｃとの間でのガスの往来が効果的に抑制される。

＜第４実施形態＞
図６は、第４実施形態の往復動圧縮機（以下「圧縮機１００Ｃ」と称される）の概略的な断面図である。圧縮機１００Ｃは、ピストンリング構造においてのみ、第１実施形態の圧縮機１００とは相違している。図６を参照して、圧縮機１００Ｃが説明される。

圧縮機１００Ｃのシリンダ構造１１０Ｃのピストンリングは、２層構造を有している上述のピストンリングとは異なり、単層構造を有している。すなわち、シリンダ構造１１０Ｃのピストンリングは、２つのリング要素に分離可能ではなく一体的な構造を有している。

最も上のピストンリングは、第１シール部１４５の主成分として選択され得るシール材料を主成分として形成された第１シール部１４５Ｃである。最も下のピストンリングは、第３シール部１４７の主成分として選択され得るシール材料を主成分として形成された第３シール部１４７Ｃである。残りのピストンリングは、軟質リング要素２４３の主成分として選択され得るシール材料を主成分として形成された第２シール部１４６Ｃである。

圧縮室１３１及び非圧縮室１３２の近くに配置された第１シール部１４５Ｃ及び第３シール部１４７Ｃは、硬質であるので、第１シール部１４５Ｃ及び第３シール部１４７Ｃに期待されるシール性能を長期間に亘って保持することができる。第２シール部１４６Ｃは、比較的軟質であるので、シリンダ１２１の内周面に密着し高いシール性能を保持する。

上述の実施形態に関連して説明された構造は例示的であり、制限的に解釈されるべきではない。上述の実施形態に関連して説明された構造に対して様々な変更や改良が加えられてもよい。

上述の実施形態に関連して説明された技術は、ガスの圧縮が必要とされる様々な技術分野に好適に利用される。

１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ・・・・・圧縮機
１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ・・・・・シリンダ構造
１２１，１２１Ｂ・・・・・・・・・・・・・・・シリンダ
１２８・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ピストン
１３１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・圧縮室
１３２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・非圧縮室
１３１Ｃ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第１圧縮室
１３２Ｃ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第２圧縮室
１４５・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第１シール部
１４６・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第２シール部
１４７・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・第３シール部
１４８・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・合口部
２４１，２４２・・・・・・・・・・・・・・・・リング要素
２４３・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・軟質リング要素
２４４・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・硬質リング要素

Claims (7)

1. ガスを圧縮する圧縮機であって、
   シリンダ部と、
   前記ガスが圧縮される圧縮室を前記シリンダ部内で形成するように前記シリンダ部内に配置され、前記圧縮室内の前記ガスを圧縮するピストンと、
   前記ピストンの外周部に装着されているとともにポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド及びポリベンゾイミダゾールからなる群から選択された少なくとも一種を主成分として形成された第１シール部と、
   前記第１シール部よりも前記圧縮室から離れた位置で前記ピストンの前記外周部に装着されているとともに前記第１シール部以下の硬さの第２シール部と、を備えている
   圧縮機。
2. 前記シリンダ部の軸方向において前記第２シール部について前記第１シール部とは反対側で前記ピストンの前記外周部に装着された第３シール部を更に備え、
   前記ピストン及び前記シリンダ部は、前記ピストンについて前記圧縮室とは反対側の非圧縮室を形成し、
   前記第３シール部は前記第２シール部よりも前記非圧縮室の近くに位置しているとともに、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド及びポリベンゾイミダゾールからなる群から選択された少なくとも一種を主成分として形成されている
   請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記第１シール部は、前記ピストンの前記外周部に沿って周方向にそれぞれ延設された２つのリング要素を含み、
   前記２つのリング要素それぞれには、前記２つのリング要素それぞれの外周部から内周部に延設された合口部が形成され、
   前記２つのリング要素の前記合口部が重ならないように、前記２つのリング要素は、前記シリンダ部の軸方向において重ねられて前記ピストンの前記外周部に装着されている
   請求項１又は２に記載の圧縮機。
4. 前記第２シール部はポリテトラフルオロエチレン及び変性ポリテトラフルオロエチレンからなる群から選択された少なくとも一種を主成分として形成された軟質リング要素と、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド及びポリベンゾイミダゾールからなる群から選択された少なくとも一種を主成分として形成されているとともに前記圧縮室とは反対側から前記軟質リング要素に重ねられた硬質リング要素とを含み、
   前記第２シール部は前記第１シール部以下の硬さである
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧縮機。
5. 前記ピストン及び前記シリンダ部は前記圧縮室として第１圧縮室と前記シリンダ部の軸方向において前記第１圧縮室とは反対側の第２圧縮室とを形成し、
   前記第１シール部は、前記第２シール部よりも前記第１圧縮室及び前記第２圧縮室の近くの位置で、前記ピストンの前記外周部に装着されている
   請求項１又は２に記載の圧縮機。
6. 前記ピストンを前記シリンダ部内で往復動させるように形成されたクランク機構を更に備えている
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧縮機。
7. 前記クランク機構の駆動力を前記ピストンへ伝達するピストンロッドと、
   前記シリンダ部と前記ピストンロッドの外周部との間をシールする第１パッキン部と、
   前記第１パッキン部に対して前記クランク機構側でシールする第２パッキン部と、を備え、
   前記第１パッキン部は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド及びポリベンゾイミダゾールからなる群から選択された少なくとも一種を主成分として形成され、
   前記第２パッキン部は、前記第１パッキン部よりも軟質である
   請求項６に記載の圧縮機。

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