JP3700032B2 - 水平形式のピストンコンプレッサ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に係るガスを圧縮するためのピストンコンプレッサに関する。
このような水平のピストンコンプレッサは、例えば、欧州特許出願第０４３４６０７号から既知のものである。前記前段に記載の形式のピストンコンプレッサは、一般的に、数本のシリンダを備えた非常に大きな複動コンプレッサであり、特に、石油産業及び石油化学工業において使用されている。コンプレッサの多数の交換部品により生じる慣性力がシリンダをフレームに水平に配置する主な理由である。前記力の大部分はピストン／ピストンロッドのユニットの動きのバランス調整により補償されるが、コンプレッサのフレームに残る力は、垂直ではなく水平に向けられる場合には、コンプレッサの台板により容易に吸収され得る。
しかしながら、前段に記載のピストンコンプレッサ形式の場合におけるシリンダの水平ピストンは、交換ピストン／ピストンロッドのユニットをコンプレッサの静止部、すなわち静止部を形成するフレーム及びシリンダに対し支持することに関し、一般的に知られている問題がある。これまでに知られたこの形式の水平コンプレッサの場合、ピストン／ピストンロッドのユニットは、フレーム中を案内されるクロスヘッドによりクロスヘッド側で支持され、反対側でピストンはシリンダ壁の底部に接する。この形式のコンプレッサの場合、ピストンは、欧州特許出願第０４３４６０７号に記載されているように、該ピストンの周りに周方向に存在しピストン本体を越えて突出する１つ又はそれより多くの交換可能なベルトを通常備えている。これらのベルトはライダリング（rider ring）として知られている。ピストンの周り全てに延びないで、ピストンの周囲の底部に沿ってのみ延びるライダリングもまた知られている。
欧州特許出願第０４３４６０７号に記載のように、ライダリングの磨耗は振れ（run-out）に通じ、一定の範囲内でのみ許容できる。これまで、油は、軸受面の過度の磨耗及び振れの発生を防止するため、一般的にピストンとシリンダの間の潤滑剤として使用されてきた。しかしながら、近年「オイルフリー形式」のコンプレッサ、言い換えれば、圧縮ガスがピストン周りのライダリングとシリンダとの間を潤滑させる潤滑油によって汚されないコンプレッサに対するニーズが増加してきている。前段に記載した形式のコンプレッサを「オイルフリーコンプレッサ」にすることを可能とするために、ライダリングの物質の成分及び該ライダリングのピストンへの固定に非常に注意が払わなければならない。例えば、ＰＴＦＥのような好都合な潤滑及び磨耗特性を備えた物質からライダリングを製作することが知られている。
先に記載のように、前段に記載の形式の水平ピストンコンプレッサは、主に連続作動が要求される状況で使用される。この形式のピストンコンプレッサの機械構造は、該コンプレッサが何年も高能率で連続して動作可能なように、何十年にも亘って開発された。しかしながら、近年の開発にもかかわらず、特に、影響を及ぼされ得ないパラメータにより、ライダリングの磨耗は未だ望ましくない早さであるということがわかった。これは、ライダリングの磨耗を測定し、磨耗した如何なるライダリングも交換することを可能にするために、実際にはコンプレッサが数ヶ月後に止められる必要があることを意味する。このメンテナンスは、この形式のコンプレッサの全体効率及び実用性に逆に影響する。
それゆえ、本発明の目的は、コンプレッサのピストン及びシリンダの間で有効であり、前段に記載された形式のこれまでに知られたコンプレッサよりもかなり長い期間連続して作動し得る水平形式のピストンコンプレッサを提供することを可能にする軸受手段を提案することである。実際、本発明の目的は、複動で「オイルフリー」である水平ピストンコンプレッサを提供することである。
この目的は、前段に記載された形式の水平ピストンコンプレッサであって、軸受手段が、
圧力下のガスを連続して排出するガス源と、
ガス源に接続し、該ガス源から来るガスを環状エレメント及びシリンダの間の位置に供給するため環状エレメント内に設けられた少なくとも１つの流出開口で開口する通路（conduit）手段で、少なくとも１つの開口の位置及びガス源から供給されるガスの圧力が、環状エレメント及びシリンダの間の位置に供給されるガスがピストン／ピストンロッドユニットに上昇力を一定に及ぼすようになっている前記手段とをさらに備えることを特徴とする前記水平ピストンコンプレッサを提供することにより達成される。
本発明により提案される軸受手段は、事実上、外部で加圧されるガス軸受システムを形成し、ガスフィルムが１つまたはそれ以上の環状エレメント及びシリンダの間の１つ又はそれより多くの場所で形成され、ガスフィルムはピストン／ピストンロッドユニットの大部分を少なくとも部分的に支持する。ここで重要なことは、ピストン／ピストンロッドユニット及びシリンダの間の磨耗を生じる接触を制限し又は可能であるなら完全に除去するために、ガスフィルムが連続して維持されるということである。実際には非常に小さなガスフィルムの厚みが安定した状態に保たれることも重要であり、さもなければ、ピストン／ピストンロッドユニットが垂直方向に振動し始め、過度の磨耗が未だ生じる危険性がある。
ガスフィルムの高安定性のため、ピストン及びシリンダの間で有効であり、ピストン及びシリンダと共にピストンコンプレッサの各圧縮チャンバから分離された空間を区切るガスシール手段を設けることが望ましい。前記空間においては、少なくとも１つの流出開口が開口し、ガス排出手段が該空間からガスを排出するために設けられる。
軸受手段はまた、空間内のガスの圧力を制御するため、ガス圧制御手段を好都合に備える。ピストン及びシリンダの間のシールされた空間内のガス圧を制御することは、ガス圧を特定の値又は特定の許容できる範囲内に維持することも含み、適切な方法で実施され得る。例えば、実際のガス圧を所望のガス圧と比較する制御回路を設けることが可能である。ガス圧は、設ける手段を設定し又は寸法決めする、例えばガス圧の特定値で開閉する弁を設けることにより制御されるのが好ましい。ガス排出手段内にガス圧制御手段を設けることが好都合である。
ピストンリングは、避け難い機械公差及び種々の熱的及び機械的膨張が生じる場合に、高圧用の信頼性のあるガスシールを提供できるため、ここで関係する大きな寸法のピストンコンプレッサ形式の場合にガスシールとして非常に好都合であることがわかった。
本発明の概念は、「油潤滑」形式の現存のピストンコンプレッサを「オイルフリー」コンプレッサへ転換するために、又は現存の「オイルフリー」コンプレッサに「ガス潤滑」を設けるのに非常に好都合に使用され得る。
本発明の概念の好都合の実施形態は、請求の範囲及び明細書に記載されている。
本発明は、図面に示した典型的な実施形態を参照して、以下により詳細に説明される
図１は、本発明に係る水平ピストンコンプレッサの第１の典型的実施形態の垂直断面図を示す。
図２は、図１のコンプレッサのライダリングの典型的な実施形態を側面図で示す。
図３は、図２のライダリングを底面図で示す。
図４は、図２のＶ−Ｖ線に沿った断面を示す。
図５は、本発明に係る水平ピストンコンプレッサの第２の典型的実施形態の垂直断面図を示す。
図６は、本発明に係る水平ピストンコンプレッサの第３の典型的実施形態の垂直断面図を示す。
図７は、本発明に係る水平ピストンコンプレッサの第４の典型的実施形態の垂直断面図を示す。
図１に示す水平ピストンコンプレッサ７１は、シリンダ７３が収納されたフレーム７２を備えている。シリンダ７３は、シリンダ７３内で往復可能なピストン７４を収納している。図１においてピストンの底部は断面図で示され、頂部は正面図で示されている。
ピストンロッド７５は、図１において右端でピストン７４に固定され、図１において左端でクロスヘッド７６に接続している。クロスヘッド７６は、ガイド７７によりコンプレッサのフレーム７２内を水平方向の直線に沿って往復可能に案内される。
クロスヘッド７６の動作は、水平ピストンコンプレッサの場合に一般的に知られているクランク機構により生成される。駆動軸７８の回転動作は、該駆動軸に動かないように接続されたクランク７９並びに該クランク７９及びクロスヘッド７６の間に装着された連接棒８０によりクロスヘッド７６に伝動される。
図１に示すコンプレッサは、複動形式である。圧縮チャンバ８１及び８２は、ピストン７４によりシリンダ７３内に形成される。圧縮チャンバ８１、８２の各々は、吸気弁８４、８５及び排気弁８６、８７をそれぞれ備えている。クランク機構の方向におけるピストン７４の図１の左方向への動作中、吸込み圧力の状態であるガスが吸気弁８４によって圧縮チャンバ８１に吸込まれる。これと同時に、圧縮チャンバ８２内にあるガスは圧縮され、排出圧力の状態で排気弁８６により排出される。
周知の水平ピストンコンプレッサが既に示しているように、コンプレッサのフレーム７２は、シリンダ７３が水平位置に位置するよう台板上に配置されている。本発明によれば、ピストン７４及びピストンロッド７５により形成されるピストン／ピストンロッドユニットの軸受支持のための手段が提案されている。図１の左端において、前記ユニットは、クロスヘッド７６によりフレーム７２に係合し、一般的に潤滑油がガイド７７及びクロスヘッド７６の間に導入されている。しかしながら、クロスヘッド７６における前記支持は、ピストン７４が、特にクロスヘッド７６及びガイド７７の間に該クロスヘッド７６が傾くことを可能にする一定の遊びがあるため、さらに、細いピストンロッド７５が曲がるため、シリンダ７３の壁の底部に沿って引っ掛かりながら移動することを避けることができない。ピストン／ピストンロッドユニットを支持する他の軸受手段は以下に記載する。
図１に示す典型的な実施形態の場合において、ピストン７４は、ピストン７４の反対側でピストンロッド７５と一直線上に延びるロッド９０を備えている。ロッド９０は、シリンダ７３のシリンダカバー９２のスタフィングボックス（stuffing box）９１を通って突出している。ロッド９０の自由端は、シリンダカバー９２に装着された第２のシリンダ９４内に位置するピストン部分９３を支持している。符号９５は、ガス源を図示する。例えば、コンプレッサの排気弁８６及び８７に接続するチャンバによって形成され得る前記ガス源９５は、中に収納された吸気弁９７を有する通路（conduit）によりシリンダ９４内の圧縮チャンバ９８に連通している。ロッド９０は、ピストン部分９３の端面からピストン７４内に形成されるチャンバ１００へ延びる孔９９を有する。孔９９及び圧縮チャンバ９８の間の連通は、ピストン部分９３内に収納され圧縮チャンバ９８内が十分に高い圧力に達した場合に開口する排気バルブ１０１により制御される。ピストン／ピストンロッドユニットの往復動作中、これは、圧力下のガスがチャンバ１００内に一定に存在することを保証する。
ピストン７４の周りの各端面近傍に、図２、図３及び図４を参照してより詳細に説明するライダリング（rider ring）が、ピストン７４の本体の周囲の溝に装着されている。これら本質的に同一のライダリング１０５及び１０６は、ピストン７４の本体を越えてわずかな距離だけ突出している。ピストンリング１０９もまた、ライダリング１０５及び１０６の間の点においてガスがシリンダ７３の高圧側から低圧側へ流れるのを防止するため、ピストン７４の本体の周りにある。
図１においてわかり得るように、ピストン７４のチャンバ１００は、各ライダリングに形成された１つ又はそれより多くの流出開口１０７、１０８と連通している。圧力下のガスを前記チャンバ１００に供給するコンプレッサの一部と結合するチャンバ１００により形成されるガス源は、コンプレッサの作動中に圧力下のガスがチャンバ１００から流出開口１０７及び１０８に一定に流れるように設計される必要がある。これは、どんな場合にも圧縮チャンバ８１及び８２内のガスの最大排気圧よりもチャンバ１００内の圧力が高い必要があることを意味する。
ガスは、ライダリング１０５、１０６及びシリンダ７３の滑らかな壁の間にガスフィルムを形成する。このようなガスフィルムの軸受能力は、フィルム内のガスの圧力及び該圧力がピストン／ピストンロッドユニットの支持される部分に作用する表面により決まる。前記表面は、各場合においてライダリングの下半分の領域である。
図１に係る図示されていない種々のピストンコンプレッサにおいて弁手段がピストン７４に備えられている。該弁手段は、吸い込まれたガスが圧縮される圧縮チャンバ８１、８２内の一定のガス圧において、チャンバ１００及び前記圧縮チャンバに属する流出開口１０７又は１０８の間の連通が閉ざされ、ガスフィルムがピストン７４及びシリンダ７３の間にピストンリング１０９の低圧側で形成されるのみであることを保証する。これは、チャンバ１００内のガス圧が、達成することが容易な図２に示すピストンコンプレッサの場合よりも低くなり得ることを意味する。ピストンリング１０９の一方の側におけるガスフィルムの形成及び他方の側におけるガスフィルムの衰微の間に重複を生じさせるにもかかわらず、ガスフィルムがピストン及びシリンダの間に一定に存在することが保証される。
図示されていない他の変更例において、ライダリングはピストンの本体の溝に収納されておらず、ピストンの本体はいくつかの分割された部分から構成され、ライダリングは２つの部分の間にクランプされる。
ライダリング１０５及び１０６の典型的な実施形態について図２、図３及び図４に示すライダリングを参照して説明する。ライダリング１０５は、正確な円筒状の内径を備えた環状部材であり、ピストン本体に形成される周囲の溝に適合し、該溝内にリングが配置される。しかしながら、ライダリング１０５の外周は正確には円筒状ではない。図２でわかり得るように、ライダリングが装着される際の外周の底部は、そこに繋がる頂部よりもわずかに大きな半径を有する。底部は垂直線１１０のどちら側にも角度をなして延び、半径はライダリングが沿って動くシリンダの半径に仮想的に相当する。外周のこの設計の理由は、ベルト１０５及びシリンダ７３の間のガスフィルムを形成するために、ピストン７４をわずかな距離だけ上方に移動させることが可能でなければならず、機械的及び熱的な変形のために十分な遊びが維持されなければならないからである。
ニップル１１１が、円形の端面１１２で開口している孔を備えたライダリングにねじ止めされていることが図４の断面からわかり得る。端面１１２は、ライダリング１０５の外周に対して窪んだ状態で存在する。ガスフィルムを形成するために、ニップル１１１内の流出開口１２２はガス流れを制限する形態であることが重要である。流出開口１２２は、ピストン７４の壁の孔１１３によりチャンバ１００と連通する（図１参照）。
先に既に述べたように、このガス軸受システムの支持能力は、特に、ガスフィルムがピストン／ピストンロッドユニットを支持する有効面により決定される。安定したガスフィルムを備えた広い面を得るため、特に図３からわかり得る、ライダリング１０５の底部に溝のパターンが設けられている。溝のパターンは、２つの平行な主溝１２０、１２１を備え、それはニップル１１１の両側にある。主溝１２０、１２１の各々は、垂直線１１０に位置するニップル１１１の流出開口１２２に沿って両側に向かって左右対称に角度をなして延びていることが図２からわかり得る。中央の横断溝１２３は、２つの主溝１２０、１２１を流出開口１２２に接続させる。その端部で主溝１２０、１２１は横断溝１２４により接続されている。垂直線１１０に対して対称に存在する横断溝１２５から１３０までは、２つの主溝１２０、１２１に接続しフィールド１３１から１３８までを形成する。フィールド１３１から１３８までは、ライダリング１０５の底部の残りの部分と同一平面にある。
上述の溝のパターンは、単に一つの取り得る解決手段を示す。一定の状況においては、溝のパターンを全く無しで済まし、１つ又はそれより多くの単純な孔の形態の流出開口を設けることでさえも可能である。
ライダリング１０５及び１０６を好都合な緊急流出特性（emergency running properties）を有する物質から製作することが好ましく、それにより、ガスフィルムが偶然に衰微した場合にシリンダ壁の望ましくない磨耗が生じない。そのため、ＰＴＦＥまたはホワイトメタルのような物質が好ましい。ライダリングの物質のこの選択にもかかわらず、本発明に係る軸受手段中のガスフィルムが完全である必要がない、及び／又は実際には完全でない、言い換えれば、直接摩擦接触がピストンの部分と、図１の場合にはライダリング１０５、１０６及びシリンダの間に未だ生じ得る状況が酌量される。
図１において、多くの解決策が適切であることを示すため、外部で加圧される対応するピストン／ピストンロッドユニットのガス軸受に圧力下で供給されるガスの源が図のみで示されている。原則として、そのようなガス源が直面する主な状況は、シリンダ及びピストンの間にガスフィルムを維持するためには、１つ又はそれより多くの流出開口からガスが一定に流れる必要があるということである。この場合流出開口からのガスの流出は、特に、ガスが流れる領域内の圧力に依存する。それは、図１を参照して記載した典型的な実施形態の場合、コンプレッサの圧縮チャンバ内のガスの最大排出圧力よりも高い圧力でガス源がガスを供給し得ることが特に重要だからである。例えば、ガス源が同一のコンプレッサ又は他のコンプレッサのより高い圧力状態により形成されることが可能である。さらに、特にガスフィルムのガスがシリンダ内に入る状況において、外部で圧力を与えられるガス軸受に供給されるガスが、コンプレッサにより圧縮されるガスと同一であることが望ましい。
図５に示す水平ピストンコンプレッサ１４１は、シリンダ１４３が収納されるフレーム１４２を備えている。シリンダ１４３は、該シリンダ１４３内を前後移動可能なピストン１４４を収納している。図５において、ピストン１４４の底部は縦断面図で示され、頂部は正面図で示されている。ピストンロッド１４５は、図５において右端でピストン１４４に固定され、図５において左端でクロスヘッド１４６に結合されている。クロスヘッド１４６は、ガイド１４７によりコンプレッサのフレーム１４２内を水平方向の直線に沿って往復移動可能なように案内される。
クロスヘッド１４６の動作は、水平ピストンコンプレッサの場合に一般的に知られているクランク機構により生成される。駆動軸１４８の回転動作は、該駆動軸に固定されたクランク１４９並びに該クランク１４９及びクロスヘッド１４６の間に装着された連接棒１５０によりクロスヘッド１４６に伝動される。
図５に示すコンプレッサは、複動形式である。圧縮チャンバ１５１及び１５２は、ピストン１４４によりシリンダ１４３内に形成される。圧縮チャンバ１５１は吸気弁１５４及び排気弁１５６を備え、圧縮チャンバ１５２は吸気弁１５５及び排気弁１５７を備えている。クランク機構の方向におけるピストン１４４の図６の左方向への動作中、吸込み圧力の状態であるガスが吸気弁１５４によって圧縮チャンバ１５１に吸込まれる。ピストン１４４の動作方向が反転した後、圧縮チャンバ１５１内のガスは圧縮され、排出圧力の状態で排気弁１５６により排出される。
周知の水平ピストンコンプレッサが既に示しているように、コンプレッサのフレーム１４２は、シリンダ１４３が水平位置に位置するよう台板上に配置されている。本発明によれば、ピストン１４４及びピストンロッド１４５により形成されるピストン／ピストンロッドユニットの軸受支持のための手段が提案されている。図５の左端において、前記ユニットは、クロスヘッド１４６によりフレーム１４２に係合し、一般的に潤滑油がガイド１４７及びクロスヘッド１４６の間に導入されている。しかしながら、クロスヘッド１４６における前記支持は、ピストン１４４が、特にクロスヘッド１４６及びガイド１４７の間に該クロスヘッド１４６が傾くことを可能にする一定の遊びがあるため、さらに、細いピストンロッド１４５が曲がるため、シリンダ１４３の壁の底部に沿って引っ掛かりながら移動することを避けることができない。ピストン／ピストンロッドユニットを支持する他の軸受手段は以下に記載する。
ピストン１４４は空洞を備え、仕切り１６０は該空洞を２つのチャンバ１６１及び１６２に分割する。チャンバ１６１は、排気弁１６４及び１６５により圧縮チャンバ１５１及び１５２に連通している。弁１６４及び１６５は、対応する圧縮チャンバ内で圧力が十分に高いときに開口するように設計されている。ピストン１４４の周囲の下半分の部分の周りには、１つまたはそれより多くの〜この場合２つの〜弓形形状の環状部材１６８、１６９（点線で示す）があり、各々は１つまたはそれより多くの流出開口１７０、１７１を備えている。前記流出開口１７０、１７１は、例えば、図１から図４を参照して記載したようにチャンバ１６１と連通している。
流出開口１７０、１７１においてチャンバ１６１から流出するガスは、対応する環状部材及びシリンダ壁の間に非常に薄いガスフィルムを形成する。２つの環状部材１６８、１６９の両側のピストンリング１７３、１７５があることにより、環状部材１６８、１６９及びシリンダ壁の間のガスフィルムの領域内における圧力が常に圧縮チャンバ１５１及び１５２内の排出圧力よりも低いことが保証される。各場合においてチャンバ１６１は、圧縮チャンバ１５１及び１５２内の排出圧力に近い圧力状態のガスを供給されるという事実のため、ガスフィルムへのガスの一定の供給が保証される。
２つのピストンリング１７３、１７５の間の空間に供給されるガスは、もちろん、再度排出されなければならない。これは、ピストンリング１７３、１７５の間の空間をチャンバ１６２に接続するピストン１４４の壁の開口１７７を通して達成される。前記チャンバ１６２は、吸気弁１７８、１７９により圧縮チャンバ１５１及び１５２に連通している。問題の圧縮チャンバ内の圧力が十分に低い場合、問題の吸気弁１７８又は１７９が開口し、ガスはチャンバ１６２から排出される。チャンバ１６１及び１６２の容積が十分に大きい場合、チャンバ１６１、１６２内の圧力変化は制限され、環状部材１６８、１６９及びシリンダ壁１４３の間の安定したガスフィルムを維持するために必要なガスの流れを得ることができる。
上述し図５に示したピストン１４４は、現存の「油潤滑」形式のピストンコンプレッサから「オイルフリー」コンプレッサへの転換に非常に好都合に使用され得る。ピストン１４４は安定したガス軸受システムを形成するのに必要な全ての部材を有するため、本質的な現存のコンプレッサのピストンのみをピストン１４４で置換することが必要なだけである。
図６に示す水平ピストンコンプレッサ１９１は、シリンダ１９３を収納するフレーム１９２を備えている。シリンダ１９３は、該シリンダ１９３内を往復可能なピストン１９４を収納している。図６において、ピストン１９４の底部は断面図で示され、頂部は正面図で示されている。ピストンロッド１９５は、図６において右端でピストン１９４に固定され、図６において左端でクロスヘッド１９６に接続している。クロスヘッド１９６は、ガイド１９７によりコンプレッサのフレーム１９２内を水平方向の直線に沿って往復可能に案内される。
クロスヘッド１９６の動作は、水平ピストンコンプレッサの場合に一般的に知られているクランク機構により生成される。駆動軸１９８の回転動作は、該駆動軸に固定されたクランク１９９並びに該クランク１９９及びクロスヘッド１９６の間に装着された連接棒２００によりクロスヘッド１９６に伝動される。
図６に示すコンプレッサは、複動形式である。圧縮チャンバ２０１及び２０２は、ピストン１９４によりシリンダ１９３内に形成される。圧縮チャンバ２０１は吸気弁２０４及び排気弁２０６を備え、圧縮チャンバ２０２は吸気弁２０５及び排気弁２０７を備えている。クランク機構の方向におけるピストン１９４の図６の左方向への動作中、吸込み圧力の状態であるガスが吸気弁２０４によって圧縮チャンバ２０１に吸込まれる。ピストン２９４の動作方向が反転した後、圧縮チャンバ２０１内のガスは圧縮され、排出圧力の状態で排気弁２０６を通って排出される。
周知の水平ピストンコンプレッサが既に示しているように、コンプレッサのフレーム１９２は、シリンダ１９３が水平位置に位置するよう台板上に配置されている。本発明によれば、ピストン１９４及びピストンロッド１９５により形成されるピストン／ピストンロッドユニットの軸受支持のための手段が提案されている。図６の左端において、前記ユニットは、クロスヘッド１９６によりフレーム１９２に係合し、一般的に潤滑油がガイド１９７及びクロスヘッド１９６の間に導入されている。
ピストン１９４は空洞を備え、仕切り２１０は該空洞を２つのチャンバ２１１及び２１２に分割する。２つの中空ロッド２１３及び２１４がピストン１９４に装着されている。シリンダカバー２１５は、２つのチャンバ２１６及び２１７が形成され、ロッド２１３及び２１４が対応するスタフィングボックスによりシールされた状態でそれぞれチャンバ２１６及び２１７に突出するように設計されている。チャンバ２１６は通路２２０により圧縮チャンバ２２１に接続し、該圧縮チャンバ２２１はシリンダ１９３の２つの排気弁２０６、２０７に接続している。チャンバ２１７は通路２２５により吸気チャンバ２２６に接続し、該吸気チャンバ２２６はシリンダ１９３の吸気弁２０４、２０５に接続している。この配列は、圧力下のガスが一定にチャンバ２１１に供給され、ガスがチャンバ２１２から排出されることを保証する。
ピストン１９４の周囲の下半分の部分の周りには、１つまたはそれより多くの〜この場合２つの〜弓形形状の環状部材２３８、２３９（点線で示す）があり、各々は１つまたはそれより多くの流出開口２４０、２４１を備えている。前記流出開口２４０、２４１は、例えば、図２から図４を参照して記載したようにチャンバ２１１と連通している。
流出開口２４０、２４１においてチャンバ２１１から流出するガスは、対応する環状部材及びシリンダ壁の間にフィルムを形成する。２つの環状部材２３８、２３９の両側のピストンリング２４３、２４５があるため、環状部材２３８、２３９及びシリンダ壁の間のガスフィルムの領域内における圧力が常に圧縮チャンバ２０１及び２０２内の排出圧力よりも低いことが保証される。各場合においてチャンバ２１１は、圧縮チャンバ２０１及び２０２内の排出圧力に近い圧力状態のガスを供給されるという事実のため、ガスフィルムへのガスの一定の供給が保証される。
２つのピストンリング２４３、２４５の間の空間に供給されるガスは、ピストンリング２４３、２４５の間の空間をチャンバ２１２に接続するピストン１９４の壁の開口２４７を通して排出される。
図７に示す水平ピストンコンプレッサ８４１は、シリンダ８４３を収納するフレーム８４２を備えている。シリンダ８４３は、該シリンダ８４３内を往復可能なピストン８４４を収納している。図７において、ピストン８４４の底部は断面図で示され、頂部は正面図で示されている。ピストンロッド８４５は、図７において右端でピストン８４４に固定され、図７において左端でクロスヘッド８４６に接続している。クロスヘッド８４６は、ガイド８４７によりコンプレッサのフレーム８４２内を水平方向の直線に沿って往復可能に案内される。
クロスヘッド８４６の動作は、水平ピストンコンプレッサの場合に一般的に知られているクランク機構により生成される。駆動軸８４８の回転動作は、該駆動軸に固定されたクランク８４９並びに該クランク８４９及びクロスヘッド８４６の間に装着された連接棒８５０によりクロスヘッド８４６に伝動される。
図７に示すコンプレッサは、複動形式である。圧縮チャンバ８５１及び８５２は、ピストン８４４によりシリンダ８４３内に形成される。圧縮チャンバ８５１は吸気弁８５４及び排気弁８５６を備え、圧縮チャンバ８５２は吸気弁８５５及び排気弁８５７を備えている。クランク機構の方向におけるピストン８４４の図７の左方向への動作中、吸込み圧力の状態であるガスが吸気弁８５４によって圧縮チャンバ８５１に吸込まれる。ピストン８４４の動作方向が反転した後、圧縮チャンバ８５１内のガスは圧縮され、排出圧力の状態で排気弁８５６を通って排出される。
周知の水平ピストンコンプレッサが既に示しているように、コンプレッサのフレーム８４２は、シリンダ８４３が水平位置に位置するよう台板上に配置されている。
本発明によれば、ピストン８４４及びピストンロッド８４５により形成されるピストン／ピストンロッドユニットの軸受支持のための手段が提案されている。図７の左端において、前記ユニットは、クロスヘッド８４６によりフレーム８４２に係合し、一般的に潤滑油がガイド８４７及びクロスヘッド８４６の間に導入されている。しかしながら、クロスヘッド８４６における前記支持は、ピストン８４４が、特にクロスヘッド８４６及びガイド８４７の間に該クロスヘッド８４６が傾くことを可能にする一定の遊びがあるため、さらに、細いピストンロッド８４５が曲がるため、シリンダ８４３の壁の底部に沿って引っ掛かりながら移動することを避けることができない。ピストン／ピストンロッドユニットを支持する他の軸受手段は以下に記載する。
ピストン８４４はチャンバ８６１を有する。チャンバ８６１は、排気弁８６４及び８６５により圧縮チャンバ８５１及び８５２にそれぞれ連通している。弁８６４及び８６５は、対応する圧縮チャンバ内で圧力が十分に高いときに開口するように設計されている。ピストン８４４の周囲の下半分の部分の周りには、１つまたはそれより多くの〜この場合２つの〜環状部材８６８、８６９があり、各々は１つまたはそれより多くの流出開口８７０、８７１を備えている。前記流出開口８７０、８７１は、例えば、図２から図４を参照して記載したようにチャンバ８６１と連通している。
流出開口８７０、８７１においてチャンバ８６１から流出するガスは、対応する環状部材及びシリンダ壁の間に非常に薄いガスフィルムを形成する。２つの環状部材８６８、８６９の両側のピストンリング８７３、８７５があることにより、環状部材８６８、８６９及びシリンダ壁の間のガスフィルムの領域内における圧力が圧縮チャンバ８５１及び８５２内の排出圧力に依存しないことが保証される。各場合においてチャンバ８６１は、適切な圧力状態のガスを供給されるという事実のため、ガスフィルムへのガスの連続供給が保証され得る。
２つのピストンリング８７３、８７５の間の空間に供給されるガスは、再度排出されなければならない。これは、ガス排出手段により達成され、該ガス排出手段はこの場合、シリンダ８４３の壁の１つまたはそれより多くの流出開口８９０の形態である。前記流出開口８９０は、ピストン８４４、シリンダ８４３及びピストンリング８７３、８７５により区切られた空間と連通する位置にある。流出開口８９０を通るガスの流出を制御するように設計されている制御装置８９１は、流出開口８９０に接続している。例えば単純な絞り弁であり得るこの装置８９１を用いて、前記空間内のガス圧を設定することができ、非常に安定したガスフィルムを得ることができる。
図７を参照して記載した本発明に係る手段を用いれば、現存の油潤滑形式のピストンコンプレッサから「オイルフリー」コンプレッサへ転換すること、又はガス軸受システムを備えた「オイルフリー」コンプレッサを提供することは容易である。このため、本質的にピストンを図７の形式のピストンで置換することが必要なだけであり、ガスフィルムを形成するガスのための流出開口を提供するため、一般的にシリンダ内に既にある潤滑油の供給口を利用し得る。
コンプレッサの静止部分に対するピストン／ピストンロッドユニットの軸受支持のための上述の解決策は、単動又はタンデムコンプレッサの場合にもまた使用され得ることは明らかである。

Claims (18)

1. 本質的に水平の軸を有する少なくとも１つのシリンダ（７３、１４３、１９３、８４３）を備えたフレーム（７２、１４２、１９２、８４２）と、ピストン本体を有し、シリンダ内を往復可能であり、中でガスが圧縮される少なくとも１つの圧縮チャンバ（８１、８２；１５１、１５２；２０１、２０２；８５１、８５２）を区切るピストン（７４、１４４、１９４、８４４）と、一端でピストンに固定されると同時に、他端でフレーム内を案内されかつ駆動機構により往復可能なクロスヘッド（７６、１４６、１９６、８４６）に結合しているピストンロッド（７５、１４５、１９５、８４５）と、ピストン及びそれに接続されたピストンロッドにより形成されるピストン／ピストンロッドユニットをフレームに対し支持する軸受手段であり、前記ピストン本体の少なくとも底部の周りに取り付けられるとともに前記ピストン本体の外周を超えて突出する少なくとも１つの環状エレメント（１０５、１０６；１６８、１６９；２３８、２３９；８６８、８６９）を含み、該環状エレメントは、前記シリンダーと直接摩擦接触するのに適切な材料からなる軸受手段とを備えたガスを圧縮するためのピストンコンプレッサ（７１、１４１、１９１、８４１）であって、前記軸受手段が、
   圧力下のガスを連続して排出するガス源（９５；１６１；２２１、２２６；８６１）と、
   前記ガス源に接続され、該ガス源から来るガスを前記環状エレメント及びシリンダ（７３、１４３、１９３、８４３）の間の位置に供給するため前記環状エレメント（１０５、１０６；１６８、１６９；２３８、２３９；８６８、８６９）内に設けられた少なくとも１つの流出開口（１０７、１０８；１７０、１７１；２４０、２４１；８７０、８７１）で開口している通路手段（９９、１１３；２２０、２２５、２１３、２１４）とをさらに備え、少なくとも１つの開口の位置及びガス源から供給されるガスの圧力は、前記環状エレメント及びシリンダの間の位置に供給されるガスがピストン／ピストンロッドユニットに上昇力を一定に及ぼすようになっていることを特徴とする前記ピストンコンプレッサ。
2. 前記ピストン本体は、少なくとも１つの周囲溝を備え、該周囲溝は、前記ガス源から来るガスのための少なくとも１つの流出開口（１０７、１０８；１７０、１７１；２４０、２４１；８７０、８７１）を備える環状エレメント（１０５、１０６；１６８、１６９；２３８、２３９；８６８、８６９）を収納することを特徴とする請求項１に記載のピストンコンプレッサ。
3. 前記軸受手段は、前記ピストン本体の周りにありガスの流出開口を備えたベルト（１０５、１０６；８６８、８６９）を含み、前記ベルトは頂部に、底部よりも小さい外周半径で設計された、前記ベルトの少なくとも上半分を備えることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のピストンコンプレッサ。
4. 前記ガス源から来るガスのための各流出開口は、前記通路手段に連通する口（１２２）及び該口に接続する溝のパターン（１２０−１３８）を備え、該パターンは前記環状エレメント内に形成され該環状エレメントの周囲部分を越えて延びることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のピストンコンプレッサ。
5. 少なくとも１つの流出開口（１０７、１０８）が開口するピストン（７４）及びシリンダ（７３）の間にある空間が、コンプレッサの圧縮チャンバ（８１、８２）に連通し、ガスを少なくとも１つの流出開口に供給するためのガス源（９５）が、前記圧縮チャンバ内の圧力よりも高い圧力状態にあるガスを供給するように適合されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のピストンコンプレッサ。
6. 各端面の近傍においてピストン（７４）は、ガス源（９５、１００）から来るガスのために下面近傍で開口する少なくとも１つの流出開口（１０７、１０８）を備え、ガスシール（１０９）が、一方の端面に位置する流出開口（１０７）及び他の端面に位置する流出開口（１０８）の間にあり、前記ガスシールがピストン（７４）及びシリンダ（７３）の間で有効であることを特徴とする請求項５に記載のピストンコンプレッサ。
7. ピストン（１４４；１９４；８４４）及びシリンダ（１４３；１９３；８４３）の間で有効であるガスシール手段（１７３、１７５；２４３、２４５；８７３、８７５）が設けられ、該ガスシール手段が前記ピストン及び前記シリンダと共に、少なくとも１つの流出開口（１７０、１７１；２４０、２４１；８７０、８７１）が開口しコンプレッサの各圧縮チャンバ（１５１、１５２；２０１、２０２；８５１、８５２）から分離された空間を区切り、ガス排出手段（１６２、１７７、１７８、１７９；２１２、２４７、２１４、２２５；８９０、８９１）が前記空間からガスを排出するために設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のピストンコンプレッサ。
8. 前記ピストンとシリンダとの間において有効である前記ガスシール手段（１７３、１７５；２４３、２４５；８７３、８７５）が、前記ピストン本体の周りに設けられるピストンリングであることを特徴とする請求項７に記載のピストンコンプレッサ。
9. 前記軸受手段がまた、空間内のガスの圧力を制御するためにガス圧制御手段（１７８、１７９；２２６；８９１）を備えることを特徴とする請求項７または８に記載のピストンコンプレッサ。
10. ピストン（１４４；１９４；８４４）は、互いに距離を隔てて位置し、ピストン（１４４；１９４；８４４）及びシリンダ（１４３；１９３；８４３）の間で有効であるガスシール（１７３、１７５；２４３、２４５；８７３、８７５）を備え、該ガスシールの間でピストンは、ガス源（１５１、１５２、１６１；２２１、２１１；８６１）から来るガスのために下面近傍で開口する少なくとも１つの流出開口（１７０、１７１；２４０、２４１；８７０、８７１）を備えることを特徴とする請求項７または８に記載のピストンコンプレッサ。
11. ピストン（１４４；１９４）は、高圧チャンバ（１６１；２１１）及び低圧チャンバ（１６２；２１２）を備え、前記高圧チャンバ（１６１；２１１）が少なくとも１つの流出開口（１７０、１７１；２４０、２４１）と圧力下のガスを前記高圧チャンバに供給するための手段（１５１、１６４、１５２、１６５；２２１、２１６、２１３）とに連通し、前記低圧チャンバ（１６２；２１２）がガスシール（１７３、１７５；２４３、２４５）、ピストン（１４４；１９４）及びシリンダ（１４３；１９３）により形成される空間と前記低圧チャンバからガスを排出するためのガス排出手段（１５１、１７８、１５２、１７９；２２０、２２５、２２６、２１７、２１４）とに連通することを特徴とする請求項１０に記載のピストンコンプレッサ。
12. ピストン（１４４）は、コンプレッサ（１４１）の高圧チャンバ（１６１）を圧縮チャンバ（１５１、１５２）に接続し得る排気弁（１６４、１６５）を備え、ピストン（１４４）は、コンプレッサの低圧チャンバ（１６２）を圧縮チャンバ（１５１、１５２）に接続し得る吸気弁（１７８、１７９）を備えることを特徴とする請求項１１に記載のピストンコンプレッサ。
13. コンプレッサ（１９１）は、コンプレッサの高圧チャンバ（２１１）を排気側（２２１）に接続する通路手段（２２０、２１６、２１３）と、コンプレッサの低圧チャンバ（２１２）を吸気側（２２６）に接続する通路手段（２２５、２１７、２１４）とを備えることを特徴とする請求項１１に記載のピストンコンプレッサ。
14. ガス排出手段は、シリンダ（８４３）内に配置され、該シリンダ（８４３）、ピストン（８４４）並びに該シリンダ及び該ピストンの間で有効であるガスシール（８７３、８７５）により区切られた空間に接続する少なくとも１つの流出開口（８９０）を備えるため、ガスが前記少なくとも１つの流出開口（８９０）により前記空間から排出され得ることを特徴とする請求項７に記載のピストンコンプレッサ。
15. ガス制御装置（８９１）は、前記空間内のガス圧の調節のため、少なくとも１つのガスの流出開口（８９０）に接続することを特徴とする請求項１４に記載のピストンコンプレッサ。
16. 前記ガス源によって排出されるガスが、前記コンプレッサによって処理されるべきガスに相当することを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載のピストンコンプレッサ。
17. 前記ピストンは２段ピストンであり、通路手段は該ピストン内に形成され、圧力下のガス源を形成するコンプレッサの第２段に接続することを特徴とする請求項１６に記載のピストンコンプレッサ。
18. 前記ピストンは、ピストン本体を含み、１つまたはそれ以上の環状エレメント（１０５、１０６；１６８、１６９；２３８、２３９；８６８、８６９）が、前記ピストン本体（７４、１４４、１９４、８４４）の周縁の少なくとも底半分の周りに取り付けられ前記ピストン本体を超えて突出し、各環状エレメントは、前記ガス源から来るガスのための流出開口（１０７、１０８；１７０、１７１；２４０、２４１；８７０、８７１）が設けられ、該ガスは、前記ピストンコンプレッサの前記環状エレメントとシリンダ（７３、１４３、１９３、８４３）との間においてフィルムを形成することを特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載のピストンコンプレッサと組み合わせたピストン。

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