JP3491028B2 - 多段圧縮装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】この発明は、所要の流体を多段階
で圧縮する多段圧縮装置に関するものであり、特に、最
終段または最終段に近い高圧段階での往復圧縮部の改良
に係るものである。 【０００２】 【従来の技術】この種の装置としては、圧縮段数の増加
に従って往復圧縮部、つまり、シリンダとピストンとに
よる圧縮部を高圧側になるほどシリンダとピストンの直
径を細くするとともに、Ｌ型・Ｖ型・Ｗ型・半星型・星
型・対向釣り合い型などに配置して、各圧縮部を所要の
位相にずらせた行程で動作するように、クランク軸に連
結して連動することにより多段階の圧縮動作を行う機構
を電動機などの駆動源により運転する構成が日本機械学
会昭和４５年９月１５日「機械工学便覧」第１０編第３
０図〜第３２図などにより開示されている。 【０００３】また、図３のように、４つの往復圧縮部１
０１・１０２・１０３・１０４を直交する軸１０５・１
０６上で往復運動するように配置し、往復圧縮部１０１
から順次に高圧化して往復圧縮部１０４を最終段の高圧
圧縮部とした多段圧縮装置１００において、往復圧縮部
１０４をピストンリングを用いずに密封するようにした
細長円柱状のピストン（この発明において，プランジャ
ーピストンという）１１０を用いて圧縮室１１６内の流
体を圧縮するとともに、往復運動を与えるクランク軸１
２０との連結部分を、図４のように、球状体１２２を介
して、プランジャーピストン１１０の一端に設けた球面
状頭部１１１と対接させるとともに、袋状部分をもつ結
合部１２３で連結するようにした構成のものが周知であ
る。上記のプランジャーピストン１１０の外径とシリン
ダ１１５の内径との間の隙間をごく小さくして、プラン
ジャーピストン１００の周囲にピストンリング溝のよう
な溝を複数設けるようにした構成のものを、ラビリンス
シール方式と呼ぶ場合もある。 【０００４】また、図４の構成において、シリンダ１１
５の表面の熱膨張係数とプランジャーピストン１１０の
熱膨張係数との差異による損傷を避けるため、プランジ
ャーピストン１１０の表面を硬質金属材とし、シリンダ
１１５の内側にセラミック材によるライナー、つまり、
セラミック材の嵌め込み筒状体を施して構成するように
したものが周知である。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術のもの
では、プランジャーピストン１１０と往復駆動棒１２４
との結合部１２３の具体的構成が、球状体１２２と球面
状頭部１１１とを突き合わせた構造になっているので、
実質的には、球表面と球表面とが突き当てられた構成の
ため、この突き当て部分が変形または摩耗し易く、この
変形または摩耗により結合部１２３にガタが生ずると往
復動作の始点で衝撃を起こすため、この衝撃によって、
突き当て部分の変形と摩耗がますます増大され、圧縮装
置全体に衝撃振動を起こさせるに至るという不都合が生
ずる。 【０００６】また、上記の従来技術のものでは、プラン
ジャーピストン１１０の表面を硬質金属材とし、シリン
ダー１１５の内面をセラミック材としているため、プラ
ンジャーピストン１１０の表面側の方が摩耗し易く、こ
の摩耗によってプランジャーピストン１１０とシリンダ
ー１１５の間に隙間が生じ、プランジャーピストン１１
０の押し込み側の始点でシリンダー１１５の面に横当て
衝撃を与える振動が生じ、この衝撃によって、プランジ
ャーピストン１１０の断面が楕円状に変形してしまい、
密封度を低下させて圧縮効率を悪くするという不都合が
生ずる。 【０００７】 【課題を解決するための手段】この発明は、上記のよう
な複数の往復圧縮部を連動して所要の流体を多段階で圧
縮するとともに、往復圧縮部の所要のものにプランジャ
ーピストンとシリンダとの組み合わせによる往復圧縮部
を用い、プランジャーピストンを往復させるため往復駆
動棒とプランジャーピストンとを結合する結合部を設け
た多段圧縮装置において、上記の結合部におけるプラン
ジャーピストン側の部材の先端部分を上記の圧縮のため
の往復方向と直交する方向における一方向においてのみ
湾曲する凸曲面を設けて形成する曲面先端手段と、上記
の結合部における往復駆動棒側の部材と上記の凸曲面と
が対接する部分に、上記の一方向と直交する方向に転が
る回転体を介在させてる回転体介在対接手段と、プラン
ジャーピストン側の部材と往復駆動棒側の部材との間
に、少なくとも上記の一方向と直交する方向の隙間を設
ける隙間手段と、プランジャーピストンをセラミック材
で形成するとともに、シリンダの内面側をセラミック材
で形成する材質手段とを設けた装置を提供することによ
り、上記の課題を解決し得るようにしたものである。 【０００８】 【作用】プランジャーピストンと往復駆動棒とを結合す
る結合部分において、プランジャーピストン側の部材の
先端に形成した往復動作方向と直交する方向に湾曲する
凸曲面が、この凸曲面と直交する方向に回転する回転体
を介して、往復駆動棒側の部材と対接するとともに、回
転体が回転する方向に隙間を設けてあるため、対接面が
直交する凸曲面になるため球面と球面との対接よりも抗
力が大きくなり、また、回転体が回転することによって
対接する凸曲面の位置が移動するため、対接する先端部
分の変形と摩耗とが低減されるので、結合部にガタを生
じて、往復動作に衝撃を招くことを防止し得るように作
用する。 【０００９】また、プランジャーピストンの表面とシリ
ンダの表面とが、セラミック材で形成してあるので、シ
リンダのみが先に摩耗して、シリンダにプランジャーピ
ストンが横当たりする衝撃によって生ずる振動や摩耗部
分の隙間によって生ずる圧縮効率の低下などを防止し得
るように作用する。 【００１０】 【実施例】以下、図１・図２によって実施例を説明す
る。図１・図２は、図４におけるプランジャーピストン
１１０・シリンダ１１５・結合部１２３を主体とする部
分に相当する構成部分を示す部分であって、図３・図４
における符号と同一符号で示す部分は、図３・図４で説
明した同一符号の部分と同一の機能をもつ部分である。 【００１１】図１において、基体１は、図１のクランク
室１３０側の部材を形成する部分であって、金属材、例
えば、アルミニウム材で形成してあり、往復駆動棒１２
４を案内して往復させるための案内穴１１と部材を貫通
する通気穴１２とを設けるとともに隙間１３を設けて、
基体２を図示しないネジなどにより固定してある。 【００１２】基体２は、シリンダ１１５の外壁部と圧縮
室１１６の延長部分とを形成するとともに、圧縮室１１
６に出入りする流体に対する入口側の接続金具１４１と
出口側の接続金具１４２とを固定して保持する部分を形
成する部材であって、金属材、例えば、アルミニウム材
で形成してあり、隙間１３と通気穴１２とを連続させる
ための環状で袋状の連結穴２２を設けるとともに、シリ
ンダ１１５の内壁部を形成するための筒状体２３を、焼
き嵌め、または、圧入などにより固定保持してある。 【００１３】隙間１３と通気穴１２と連結穴２２とで形
成された通路は、プランジャーピストン１１０の往復動
作における背面側圧力を逃がすための通気穴であり、図
示しない経路を経て外気に通じている。 【００１４】筒状体２３は、シリンダ１１５の内面側を
形成するもので、いわゆるシリンダライナであり、セラ
ミック材、例えば、炭化硅素で形成するとともに、内面
を鏡面仕上げ加工してある。 【００１５】プランジャーピストン１１０は、セラミッ
ク材、例えば、炭化硅素で形成するとともに、細長棒状
体にして複数の圧力緩衝用の環状溝２４と、後記の保持
ピン１４を貫通させるための保持ピン用穴１５を後記の
保持ピン用穴２０と直交する方向に貫通させて設け、外
面を鏡面仕上げ加工してある。そして、プランジャーピ
ストン１１０の外径とシリンダ１１５の内径との間の半
径方向の隙間をごく小さく、例えば、３ミクロン程度と
し、環状溝２４の幅を、例えば、０．６ｍｍ程度、ま
た、環状溝２４の深さを、例えば、０．３ｍｍ程度とす
ることにより、プランジャーピストン１１０とシリンダ
１１５との間の隙間を通り抜けた被圧縮流体が、各環状
溝２４で膨張して圧力を下げることを繰り返すようにし
て、被圧縮流体の漏れを防御するように仕組んである。 【００１６】ピストン保持具１６は、プランジャーピス
トン１１０と往復駆動棒１２４との連結を仲介するため
の仲介部分を形成するもので、金属材、例えば、ブルー
イング処理したステンレス鋼材で形成するとともに、一
端側には、プランジャーピストン１１０を嵌め込んで固
定するための凹穴１７を設け、他端側は、プランジャー
ピストン１１０の往復動作の方向と直交する方向におけ
る一方向、例えば、クランク軸１２０の軸方向と直交す
る方向に湾曲する凸曲面１８を設け、後記の保持ピン１
９を貫通させるための保持ピン用穴２０を上記の一方向
と同一方向、つまり、凸曲面の曲心方向に貫通させて設
けてある。 【００１７】往復駆動棒１２４は、金属材、例えば、ブ
ルーイング処理したステンレス鋼材で形成するととも
に、一端側に、ピストン保持具１６を隙間３１を設けて
嵌め込むための凹穴２１を設け、他端側をクランク軸１
２０により往復動作させられる部材として形成してあ
る。 【００１８】回転体３０は、ピストン接続具１６の凸曲
面１８と、往復駆動棒１２４の凹穴２１の底部に設けた
平坦面３２との両面に接して、これら両面の間に介在さ
せた円柱状体または筒状体であり、図１の側面側から見
た外形、つまり、断面形状が円形または円環状になって
いるものであって、金属材、例えば、ブルーイング処理
したステンレス鋼材で形成してある。 【００１９】保持ピン１４は、断面を円形に形成したピ
ンであり、金属材、例えば、ステンレス鋼材で形成して
あって、ピストン保持具１６に圧入固定してあり、ピス
トン保持具１６の保持ピン用穴１５を遊び嵌め状態にし
てある。 【００２０】保持ピン１９は、断面を円形に形成したピ
ンであり、金属材、例えば、ステンレス鋼材で形成して
あって、往復駆動棒１２４に圧入固定してあり、ピスト
ン保持具１６の保持ピン用穴２０を遊び嵌め状態にして
ある。また、この保持ピン用穴２０は、保持ピン１９が
図１の左右方向に移動し得るように、図１の横方向に長
い長穴状に形成してある。 【００２１】隙間リング３３は、樹脂材、例えば、ＰＴ
ＦＥ樹脂で形成した環状体であり、往復駆動棒１２４に
設けた環状溝内に嵌め込み固定してあって、往復駆動棒
１２４が案内穴１１に沿って安定に往復動作するように
滑動させるための役目をするものである。 【００２２】図１の結合部１２３の部分を平面的にみる
と、図２のように、凹穴２１の口径は、図１における前
後方向では長径、図１の左右方向では短径になってい
て、ピストン保持具１６は、隙間３１によって、図１の
前後方向に移動できる。この前後移動により、凸曲面１
８が前後移動するときに、回転体３０が転がり接触しな
がら支えているので、移動を円滑に行わせることができ
る。 【００２３】また、ピストン保持具１６は、隙間３１
と、保持ピン用穴２０の横長穴と保持ピン１９との間の
隙間とによって、図１の左右方向にも移動できるが、こ
の場合には、凸曲面１８と回転体３０とは滑り接触しな
がら移動することになる。 【００２４】以上の構成を要約すると、複数の往復圧縮
部１０１〜１０４を連動して所要の流体を多段階で圧縮
するとともに、往復圧縮部の所要のものにプランジャー
ピストン１１０とシリンダ１１５との組み合わせによる
往復圧縮部１０４を用い、プランジャーピストン１１０
を往復させるため往復駆動棒１２４とプランジャーピス
トン１１０とを結合する結合部１２３を設けた多段圧縮
装置１００において、 【００２５】上記の結合部１２３におけるプランジャー
ピストン１１０側の部材の先端部分を上記の圧縮のため
の往復方向と直交する方向における一方向においてのみ
湾曲する凸曲面１８を設けて形成する曲面先端手段と、 【００２６】上記の結合部１２３における往復駆動棒１
２４側の部材と上記の凸曲面１８とが対接する部分に、
上記の一方向と直交する方向に転がる回転体３０を介在
させる回転体介在対接手段と、 【００２７】プランジャーピストン１１０側の部材と往
復駆動棒１２４側の部材との間に、少なくとも上記の一
方向と直交する方向の隙間２１を設ける隙間手段と、 【００２８】プランジャーピストン１１０をセラミック
材で形成するとともに、シリンダ１１５の内面側を形成
する筒状体２３、つまり、シリンダライナをセラミック
材で形成する材質手段とを設けた構成になっているもの
である。 【００２９】〔変形実施〕この発明は次のように変形し
て実施することを含むものである。 （１）複数の往復圧縮部を、上記のＬ型・Ｖ型・Ｗ型・
半星型・対向釣り合い型などに配置した構成、または、
３つまたは５つ以上の往復圧縮部を星型に配置した構成
の多段圧縮装置に適用して構成する。 【００３０】（２）プランジャーピストン１１０による
往復圧縮部を最終段階の圧縮動作以外の部分に用いる構
成の多段圧縮装置に適用して構成する。 【００３１】（３）往復駆動棒１２４の凹穴２１におけ
る底部の平坦面３１に、回転体３０の図１における幅よ
りも僅かに広く、ごく浅い溝を図１の前後方向に設ける
ことにより、回転体３０が図２の平面内における回転方
向に回転して、凸曲面１８に対する転がり接触を阻害す
ることがないように構成する。 【００３２】 【発明の効果】この発明によれば、プランジャーピスト
ン側の部材と往復駆動棒側の部材との対接箇所が、凸曲
面を回転体によって転がり接触するように支持されるほ
か、直交する凸曲面によって対接するため、従来の球面
と球面との対接よりも抗力が大きく、また、対接部分の
転がり接触により対接部分の摩耗が低減されるので、結
合部にガタによる往復動作の衝撃を招くことを防止し得
るとともに、プランジャーピストンの表面とシリンダの
表面とを、セラミック材で形成してあるので、一方のみ
が先に摩耗して、横当たり衝撃による振動や摩耗部分の
隙間による圧縮効率の低下などを防止し得るようにした
多段圧縮装置を提供し得る特長がある。

【図面の簡単な説明】 図１・図２はこの発明の実施例の構成を、また、図３・
図４は従来技術の構成を示し、各図の内容は次のとおり
である。 【図１】要部構成の縦断面図 【図２】図１のＡ−Ａ断面平面図 【図３】要部構成の縦断面図 【図４】全体構成の縦断面図 【符号の説明】 １ 基体 ２ 基体 １１ 案内穴 １２ 通気穴 １３ 間隙 １４ 保持ピン １５ 保持ピン用穴 １６ ピストン保持具 １７ 凹穴 １８ 凸曲面 １９ 保持ピン ２０ 保持ピン用穴 ２１ 凹穴 ２２ 連結穴 ２３ 筒状体 ２４ 環状溝 ３０ 回転体 ３１ 間隙 ３２ 平坦面 ３３ 間隙リング １０１ 往復圧縮部 １０２ 往復圧縮部 １０３ 往復圧縮部 １０４ 往復圧縮部 １０５ 軸 １０６ 軸 １１０ ピストン １１１ 球状頭部 １１５ シリンダ １１６ 圧縮室 １２０ クランク軸 １２２ 球状体 １２３ 結合部 １２４ 往復駆動棒 １３０ クランク室 １４１ 接続金具 １４２ 接続金具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 000196680 西部瓦斯株式会社 福岡県福岡市博多区千代１丁目17番１号 (72)発明者 水野 善仁 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電機株式会社内 (72)発明者 田島 祥人 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電機株式会社内 (72)発明者 金井 一男 千葉県習志野市袖ケ浦６−９−６ (72)発明者 小林 明文 大阪府大阪市中央区平野町４丁目１番２ 号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 由木 将 三重県四日市市桜花台１丁目63−６ (72)発明者 稲盛 日出美 福岡県福岡市博多区千代１丁目17番１号 西部瓦斯株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−2652（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−79277（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−233379（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−134192（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−7047（ＪＰ，Ａ) 実開 昭51−68006（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭41−464（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F04B 27/053 F04B 27/04 F16J 15/56

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 複数の往復圧縮部を連動して所要の流体
   を多段階で圧縮するとともに、前記往復圧縮部の所要の
   ものにプランジャーピストンとシリンダとの組み合わせ
   による往復圧縮部を用い、前記プランジャーピストンを
   往復させるため往復駆動棒とプランジャーピストンとを
   結合する結合部を設けた多段圧縮装置において、 前記結合部における前記プランジャーピストン側の部材
   の先端部分を前記圧縮のための往復方向と直交する方向
   における一方向においてのみ湾曲する凸曲面を設けて形
   成する曲面先端手段と、 前記結合部における前記往復駆動棒側の部材と前記凸曲
   面とが対接する部分に、前記一方向と直交する方向に転
   がる回転体を介在させる回転体介在対接手段と、 前記
   プランジャーピストン側の部材と前記往復駆動棒側の部
   材との間に、少なくとも前記一方向と直交する方向の隙
   間を設ける隙間手段と、 前記プランジャーピストンをセラミック材で形成すると
   ともに、前記シリンダの内面側をセラミック材で形成す
   る材質手段とを具備することを特徴とする多段圧縮装
   置。