JP3768042B2 - 高圧圧縮機のシール装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸入した作動流体を圧縮して高圧作動流体を発生する圧縮機構部を有した高圧圧縮機のシール装置に関し、詳しくは、シリンダとその外周を取り囲む部材とのシール構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダに対してモータの回転にてピストンを往復駆動しこの駆動によって吸入した作動流体を圧縮して高圧作動流体を発生する圧縮機構部を有した高圧圧縮機に関しては、本出願人に係る発明として、本出願の出願日以前に発明された高圧ガス圧縮機の一つである多段圧縮装置（以下、先行技術という）があり、それは、例えば、特願平１１−８１７８１号及び特願平１１−４６７４８号に示されている。
【０００３】
以下に、この先行技術を、図１乃至図４に基づいて説明する。多段圧縮装置１００は、４つの圧縮部（圧縮段部）１０１、１０２、１０３、１０４を有した４段圧縮機を構成している。圧縮部１０１と１０３は水平軸１０６上に配置され、圧縮部１０２と１０４は水平軸１０５上に配置され、それぞれこれらの軸１０６、１０５上で固定体であるシリンダ内を往復動作する可動体であるピストンを有する往復動圧縮機構を構成する。これによって、吸入管１１８から吸入された作動流体は、第１段圧縮部１０１で圧縮され、次に第１段圧縮部１０１で圧縮した作動流体が管路５を経て第２段圧縮部１０２へ入って圧縮され、第２段圧縮部１０２で圧縮した作動流体が管路６を経て第３段圧縮部１０３へ入って圧縮され、第３段圧縮部１０３で圧縮した作動流体が管路７を経て第４段圧縮部１０４へ入って圧縮され、このようにして所定の圧力及び流量を有する高圧作動流体が出口管８から出力される。
【０００４】
このような多段圧縮装置１００における前記作動流体は、窒素、天然ガス、６フッ化イオウ（ＳＦ₆）、空気等、所謂、ガス（気体）であり、多段圧縮装置１００は、天然ガス使用の自動車のボンベへの天然ガス充填機、合成樹脂のインジェクション成形時に高圧窒素ガスを使用するガスインジェクション成形機への高圧窒素ガス供給、空気ボンベへの高圧空気の充填機等、に適用される。
【０００５】
多段圧縮装置１００において、第１段圧縮部１０１のピストン５１と第３段圧縮部１０３のピストン５３は軸１０６上においてヨーク１Ａに連結され、ヨーク１Ａ内で軸１０６を横切るように移動可能に設けたクロススライダー２Ａは、クランクピン３を介してクランクシャフト４に連結している。軸１０５と軸１０６とは垂直視で９０度の角度を有する。また、第２段圧縮部１０２のピストン５２と第４段圧縮部１０４のピストン５４は、軸１０５上においてヨーク１Ｂに連結され、ヨーク１Ｂ内で軸１０５を横切るように移動可能に設けたクロススライダー２Ｂは、クランクピン３を介してクランクシャフト４に連結している。
【０００６】
クランクシャフト４は圧縮部１０１乃至１０４の下方に設けた電動機（図示せず）によって回転され、クランクシャフト４に偏心して設けたクランクピン３をクランクシャフト４の周りに回転させ、ヨーク１Ａに関しては、軸１０５の方向のクランクピン３の変位にはクロススライダー２Ａが移動して対応し、軸１０６の方向の変位にはヨーク１Ａが移動して対応することによって、ピストン５１、５３は軸１０６の方向にのみ往復運動をする。
【０００７】
一方、ヨーク１Ｂに関しては、軸１０６の方向クランクピン３の変位にはクロススライダー２Ｂが移動して対応し、軸１０５の方向の変位にはヨーク１Ｂが移動して対応することによって、ピストン５２、５４は軸１０５の方向にのみ往復運動をする。
【０００８】
図４は、多段圧縮装置１００の第１段圧縮部１０１の構造を示す断面図ある。第１段圧縮部１０１には、ピストン５１の前後に第１圧縮室５８と第２圧縮室５９が設けてある。ピストン５１が前進すると弁ａ、ｂが閉の状態で、開いた弁ｅ、ｆを経て矢印で示した方向から作動流体が第１圧縮室５８へ吸入されると共に第２圧縮室５９の作動流体は圧縮されて所定の圧力に達すると、開いた弁ｃ、ｄを経て外部に吐出され、矢印で示したように、管路５を経て次の第２段圧縮部１０２へ送られる。
【０００９】
そして、ピストン５１が後退すると、弁ｅ、ｆが閉じて、第１圧縮室５８内の作動流体は圧縮され所定の圧力に達すると弁ａ、ｂが開いて、作動流体は第２圧縮室５９へ吐出されるようになっている。６０は、コンロッド５７が振動等しないように決められた位置にスムーズにガイドするためのロッドガイドである。
【００１０】
上記のように、多段圧縮装置１００の第１段圧縮部１０１は、一つのシリンダ５５内において、２段階で作動流体を吸入、圧縮して吐出する構造の二重圧縮機構（ダブルアクション機構）である。第２段圧縮部１０２、第３段圧縮部１０３及び第４段圧縮部１０４は、第１段圧縮部１０１のような二重圧縮機構ではなく、それぞれシリンダに対するピストンの往復運動にてシリンダ内に吸引したガスを１段圧縮する通常動作の構成、所謂、シングルアクション機構である。
【００１１】
上記の構成において、吸入管１１８から吸入される作動流体である窒素ガスの圧力は約０．０５ＭＰａ（Ｇ）であり、これが第１段圧縮部１０１で約０．５ＭＰａ（Ｇ）にまで圧縮され、この圧縮された窒素ガスは管路５を通って第２段圧縮部１０２に供給される。第２段圧縮部１０２では窒素ガスは約２ＭＰａ（Ｇ）まで圧縮され、この圧縮された窒素ガスは管路６を通って第３段圧縮部１０３に供給される。第３段圧縮部１０３では、窒素ガスは約７乃至１０ＭＰａ（Ｇ）まで圧縮され、この圧縮された窒素ガスは管路７を通って第４段圧縮部１０４に供給される。第４段圧縮部１０４では、約２０乃至３０ＭＰａ（Ｇ）まで圧縮された高圧ガス（高圧作動流体）が吐出管８から蓄圧器へ供給されて、蓄圧器からガスインジェクション成形機へ高圧窒素ガスが供給される。
【００１２】
上記の先行技術において、第１段圧縮部１０１乃至第４段圧縮部１０４の各シリンダ５５、７２、７３、７４のそれぞれは、ハウジング７０とこれにボルト結合された各シリンダヘッド７５、７６、７７、７８内に支持されている。そして、第１段圧縮部１０１乃至第４段圧縮部１０４は圧縮機構の構成によって、ピストンに対して吸入バルブ又は吐出バルブを有したバルブシートが設けられている。
【００１３】
いま、第１段圧縮部１０１について見れば、図５に示すように、シリンダ５５を取り囲む部材（この場合は、ハウジング７０とシリンダヘッド７５）とシリンダ５５との間のシールは、シリンダ５５の外周面を巡って形成した２つのシール溝８０内に配置されたシールリング（Ｏリング）８１が、シリンダ５５とハウジング７０の間、及びシリンダ５５とシリンダヘッド７５の間で圧縮されて、これらの間のシールがなされている。８２はピストン５１に設けたピストンリングである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の先行技術において、シールを強力にするとシールリング（Ｏリング）８１の強い圧縮が必要となるが、それに反して、シリンダ５５、ハウジング７０、シリンダヘッド７５との組立が難しくなり、適切なシール状態にするためには、シールリング（Ｏリング）８１に対するシール溝８０の深さと幅が重要となる。このため、シールリング（Ｏリング）８１の寸法との関係でシール溝８０の加工の正確性が要求されるため、シリンダ加工の簡素化と組立作業の容易さが要求される。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような問題点に鑑み、シール効果も十分あって、シリンダ加工の簡素化と組立作業の容易さが達成できる高圧圧縮機のシール装置を提供するものである。このため、上記課題を解決するための具体的な手段として、シリンダに対してモータの回転にてピストンを往復駆動しこの駆動によって吸入した作動流体を複数の圧縮段にて圧縮して高圧作動流体を発生する圧縮機構部を有した高圧圧縮機において、前記シリンダの両端外周部には、前記シリンダを取り囲む部材との間にシールリングが圧縮されるシール空間を設けた技術手段を採用した。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。本発明は、上記の先行技術に示した高圧圧縮機１００において、シリンダとこのシリンダを取り囲む部材との間のシール構造の改良に関するものであり、本発明の実施形態の説明において、上記の先行技術に示した高圧圧縮機１００と同等部分は、上記の先行技術に示した高圧圧縮機１００で説明した符号を引用するものとし、異なる部分については別途の符号を付して説明する。
【００１７】
本発明は、シリンダの両端外周部には、シリンダを取り囲む部材との間にシールリングが圧縮されるシール空間を設けたものである。その実施形態の一つとして、高圧圧縮機１００の第１段圧縮部１０１についての構成を図６及び図７に示す。図６及び図７において、図５と異なるところは、シールリング（Ｏリング）９１が配置される部分である。
【００１８】
即ち、シリンダ５５の両端外周部には、シリンダ５５の軸方向に対してほぼ４５度の角度のカット面（通称、Ｃ面取り）９０を有している。シリンダ５５の軸方向の端面には、それぞれ第１バルブシート９２、９３と第２バルブシート９４、９５が配置されている。これによって、シリンダ５５と、シリンダ５５を取り囲む部材である第１バルブシート９２及びシリンダヘッド７５との間、及びシリンダ５５と、シリンダ５５を取り囲む部材である第１バルブシート９３及びハウジング７０との間に、断面がほぼ三角形の環状溝のシール空間９６が形成される。
【００１９】
シールリング（Ｏリング）９１は、シリンダ５５と、ハウジング７０、シリンダヘッド７５、第１バルブシート９２、９３及び第２バルブシート９４、９５等の組立によって、シール空間９６内で圧縮された状態で、シリンダ５５とこれを取り囲む部材とのシールを達成する。
【００２０】
この組立に際しても、シールリング（Ｏリング）９１は、シリンダ５５の両端外周部に配置されるため、上記先行技術のように、シールリング（Ｏリング）をシリンダ５５の端からシリンダ５５の外周面の一部に形成したシール溝の位置まで移動させて填める面倒な作業が不要となる。また、シリンダ５５の両端外周部の面取り加工と同様の加工によって、シール空間が簡単に形成できる。
【００２１】
更に、シール空間９６内では、シールリング（Ｏリング）９１の周囲に鋭角の逃げ空間が存在するので、シールリング（Ｏリング）９１の直径がシリンダの直径よりもかなり大きく、組立状態にてシリンダヘッド７５やハウジング７０にて押圧されても、その作用力は斜めのカット面にて弱められるので、組立作業が容易となる。このため、シールリング（Ｏリング）９１の大きさに対して、従来のように、シール空間９６の加工精度が厳しくなくてよく、加工作業も容易となる。
【００２２】
上記実施形態は第１段圧縮部１０１に関するが、これに限定されず、圧縮機構の構成によって他段の圧縮部にも適用でき、種種の構成がなされる。このため、高圧圧縮機１００の圧縮機構部において、シリンダの両端外周部には、シリンダを取り囲む部材との間にシールリングが圧縮されるシール空間を形成する構成であれば、本発明の効果が達成される。
【００２３】
また、シリンダ５５の両端外周部には、シリンダ５５の軸方向に対してほぼ４５度の角度でカットした面（通称、Ｃ面取り）９０によって、シール空間を形成しているが、Ｃ面取りに代えて、曲面、その他の形状に形成することもでき、何れにしても、本発明の要旨を変更しない範囲で種種の変形が可能である。
【００２４】
図８は、本発明に係る高圧圧縮機１００を台座１２０に設置した構成を示す。台座１２０は、大きくは二つの部分を構成し、その一つは、本発明に係る高圧圧縮機１００を上段に載置するための第１基部１２１と、もう一つは、高圧圧縮機１００の下方に位置して高圧圧縮機１００へ下方から冷却風を吹き付ける送風機１２２を載置する第２基部１２３を有する。送風機１２２は、第２基部１２３に固定された電動機１２４とこれによって回転する羽根１２５を有する。高圧圧縮機１００は、第１基部１２１から延びた４本の脚１２６の上端に防振ゴム１２７を介して支持されている。
【００２５】
台座１２０には、高圧圧縮機１００の放熱を促進するために、高圧圧縮機１００を取り囲んで第１基部１２１に取り付けた複数のダクト板１２８を有する。ダクト板１２８は、高圧圧縮機１００の修理、点検のために、第１基部１２１或いは第１基部１２１に固定した支柱に対し、ねじにて取り外し自在に取り付けている。このため、ダクト板１２８によって高圧圧縮機１００の放熱が促進され、また、ダクト板１２８を取り外すことによって、高圧圧縮機１００の修理、点検が容易となる。
【００２６】
図９は、高圧圧縮機１００において、クロススライダー２Ａの摺動機構部の先行技術を示す。この機構は、前記特願平１１−８１７８１号の図３に示されており、図９はそれの転がり軸受け１１側から見た図である。ライナプレート１２は均一な厚さの平板形状であり、ヨーク１Ａに形成したライナプレート１２の受け部（シュー）１１０内にセットされている。長さ方向に複数のローラ１１１を配列した転がり軸受け１１は、このライナプレート１２面に配置されている。
【００２７】
図１０乃至図１２は、本発明に係る高圧圧縮機１００において、クロススライダー２Ａの本発明の摺動機構部の構成を示す。これにおいて、ヨーク１Ａに形成したライナプレート１２の受け部（シュー）１１０の大きさ（長さＬ１で示す）は、図５に示す先行技術の受け部（シュー）１１０の大きさと同一である。ライナプレート１２は、受け部（シュー）１１０内にセットされる中間部を均一な厚さに厚くし、その左右を薄くした段付きの平板形状である。長さ方向に複数のローラ１１１を配列した転がり軸受け１１は、このライナプレート１２面に配置され、ローラ１１１から受ける荷重は、ライナプレート１２の板厚の厚い中間部で受ける。ばね１３は、ライナプレート１２の板厚の厚い中間部を押す。この構成によって、ローラ１１１の直径は、先行技術のものが２．５ｍｍであるのに対し、３ｍｍの大きなローラを採用できる。
【００２８】
このようなクロススライダー摺動機構部の構成によって、先行技術の構成における第４段圧縮部１０４の圧縮が約２０ＭＰａ（Ｇ）であったものが、本発明の構成によって、第４段圧縮部１０４の圧縮が、約３０ＭＰａ（Ｇ）にアップさせることができる。これは、クロススライダー２Ａから受ける面圧を下げることができるためである。
【００２９】
上記の技術思想の範囲内であれば、上記の構成は、クロススライダー２Ｂについても採用できる。
【００３０】
図１３及び図１４には、高圧圧縮機１００への吸入ガスの吸入効率の向上と脈動の低減のための構成を示す。この図は、第２段圧縮部１０２について示している。第２段圧縮部１０２への吸入ポート１３０から吸入されたガスは、流路１３１を通ってシリンダ７２への吸入ポートである４個のシリンダポート１３２、１３３、１３４、１３５からそれぞれ対応する吸入バルブ（１３６はシリンダポート１３２に対応する吸入バルブを示す）を通ってシリンダ７２内へ吸入される。１３７は圧縮されたガスが吐出バルブ１３８を通ってシリンダ７２から吐出する吐出ポートである。吸入ポート１３０から吸入されたガスは、図１４において、吸入ポート１３０からシリンダポート１３２側とシリンダポート１３５側とに分流して流れる。
【００３１】
ここで、吸入ポート１３０の中心から第１シリンダポート１３２の中心までの距離Ｒ１と吸入ポート１３０の中心から第２シリンダポート１３３の中心までの距離Ｒ２の比と、第１シリンダポート１３２の横断面積Ｗ１と第２シリンダポート１３３の横断面積Ｗ２の比を等しくする。即ち、Ｒ２／Ｒ１＝Ｗ２／Ｗ１とする。同様に吸入ポート１３０の中心から第４シリンダポート１３５の中心までの距離Ｒ４と吸入ポート１３０の中心から第３シリンダポート１３４の中心までの距離Ｒ３の比と、第４シリンダポート１３５の横断面積Ｗ４と第３シリンダポート１３４の横断面積Ｗ３の比を等しくする。即ち、Ｒ３／Ｒ４＝Ｗ３／Ｗ４とする。
【００３２】
これによって、吸入ポート１３０からシリンダ７２へ吸入されるガスの流路抵抗を実質的に等しく（等しく又はほぼ等しく）することによって、吸入効率の向上が図れ、また、吸入ガスの脈動が軽減される。
【００３３】
上記の構成は、第２段圧縮部１０２について示したが、上記の技術思想の範囲内であれば、これに限定されず、他段の圧縮部にも本発明の構成を採用できる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、シリンダの両端外周部には、前記シリンダを取り囲む部材との間にシールリングが圧縮されるシール空間を設けたことにより、シリンダの外周中間部にシール溝を形成したものに比して加工が容易となり、また、組立に際しても、先行技術のように、シールリングをシリンダの端からシリンダの外周面の一部に形成したシール溝の位置まで移動させて填める面倒な作業が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が対象とする一実施形態の多段圧縮装置の平面図である。
【図２】本発明が対象とする一実施形態の多段圧縮装置の各圧縮機構部を断面で示す平面図である。
【図３】本発明が対象とする一実施形態の多段圧縮装置のヨークとクロススライダー部の平面図である。
【図４】本発明が対象とする一実施形態の多段圧縮装置の第１段圧縮機構部の断面図である。
【図５】先行技術のシール構成を示す断面図である。
【図６】本発明のシール構成を示す断面図である。
【図７】本発明のシール構成を示す拡大断面図である。
【図８】本発明に係る高圧圧縮機を台座に設置した一部断面の側面図である。
【図９】高圧圧縮機のクロススライダーの摺動機構部の先行技術に係る構成図である。
【図１０】本発明に係る高圧圧縮機のクロススライダーの摺動機構部の部分断面図である。
【図１１】本発明に係る高圧圧縮機のクロススライダーの摺動機構部の転がり軸受け側から見た側面図である。
【図１２】本発明に係る高圧圧縮機のクロススライダーの摺動機構部の部分断面図である。
【図１３】本発明に係る高圧圧縮機の第２圧縮部の断面図である。
【図１４】本発明に係る高圧圧縮機の第２圧縮部のシリンダポートの配置図である。
【符号の説明】
５１、５２、５３、５４………ピストン
５５、７２、７３、７４………シリンダ
７５、７６、７７、７８………シリンダヘッド
９０…………………カット面
９１…………………シールリング
９６…………………シール空間

Claims (1)

1. シリンダに対してモータの回転にてピストンを往復駆動しこの駆動によって吸入した作動流体を複数の圧縮段にて圧縮して高圧作動流体を発生する圧縮機構部を有した高圧圧縮機において、前記シリンダの両端外周部には、前記シリンダを取り囲む部材との間にシールリングが圧縮されるシール空間を設けたことを特徴とする高圧圧縮機のシール装置。

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