JP4336197B2 - ピストンコンプレッサ - Google Patents

Description

本発明はコンプレッサに関し、このコンプレッサは軸を有するシリンダと、このシリンダ内の気体を圧縮するべくシリンダ軸に沿って往復動可能なピストンと、圧縮中にシリンダ内に水を噴射するために少なくとも周方向２列に形成された複数のスプレノズルと、を有する。このようなコンプレッサを以下に「上述タイプ」のコンプレッサと呼ぶことにする。

上述タイプのコンプレッサは本願出願人の先の出願に係る下記特許文献１に開示されている。この文献においては、過流ノズルを使用して噴射された液体に回転運動を起こし、細かい水滴の中空円錐状スプレを形成する。複数のノズルは円周上に配置されており、隣接したノズルからの水滴によって円錐形の中空を埋め合うべく各円錐状スプレが交錯するように、ノズルは互いに密接している。シリンダ内にまんべんなく水滴が散布されるように中空円錐状スプレを並べる種々の方法が示されている。
国際特許公開ＷＯ９８／１６７４１

本発明は、上述タイプのコンプレッサ内に水滴をより良く散布することを目的としている。

本発明によれば、上述タイプのコンプレッサにおいて、複数のスプレノズルは、前記シリンダ軸にほぼ平行な偏平扇形スプレを前記シリンダの中心部に向けて噴射するように配置されている。

本発明のスプレの構成は、高速及び高圧で操作される大型のコンプレッサに特に適している。コンプレッサの寸法、操作速度及び圧力が増加すると気体の流体抵抗のために、水滴がシリンダの十分奥まで浸透してノズルから離れた領域の気体を時間内に冷却することができないことが分かっている。さらに、強力な流体抵抗は大きい水滴を壊す傾向があるため、中空円錐状スプレ噴射ノズルによって非常に細かい水滴を噴射する意義が乏しくなる。そこで、気体中に水滴を最大浸透させることが最も重要となる。中空円錐状スプレ噴射ノズルを偏平扇形スプレ噴射ノズルと代えて、水滴をシリンダの中心部に向かってかつシリンダ軸に対して平行に、充分広い領域へ散布することで目的は達成される。この構成によれば、隣接するノズル同士の相互作用を最小にして水の運動エネルギーを損なわないため、水滴がシリンダの中心軸へ最大浸透できる。

液体の最大浸透のために、スプレノズルは実質的にシリンダ軸に向けられていることが好ましい。

スプレノズルは、少なくとも３列あるいは４列に設けられていることが好ましい。隣接する列のスプレノズル間の干渉を最小にするために、ノズルピッチの半分の距離だけ隣接する列のノズルをずらして並べる。

シリンダヘッドに最も近いノズルからの水がシリンダヘッドに衝突する量を減少させるかあるいは無くすために、各列のスプレノズルにおいて偏平扇形スプレの拡散角度をシリンダヘッドに近い列ほど小さくすることが好ましい。これによって、圧縮による熱が多く発生するピストン運動の終わり頃に、水滴の噴射をさらに集中させられる利点もある。つまり、シリンダヘッドに最も近いスプレノズルはシリンダヘッドから離れているスプレノズルよりも噴射の拡散角度が小さいため、シリンダヘッドに最も近い偏平扇形スプレはピストンの軸方向の短い距離に集中するという効果がある。シリンダの下部に液体をより多く散布するために、シリンダヘッドから最も離れた列のスプレノズルからの偏平扇形スプレの下端部が、シリンダヘッドに近いスプレノズルからの偏平扇形スプレよりも、シリンダ壁に対して小さい角度で噴射されるように、スプレノズルを傾斜させることが好ましい。

スプレノズルは、その中心軸がシリンダ軸に対して下向きに傾斜していることが好ましい。スプレノズルのシリンダ軸に対して下向きの傾斜角度を増加させる方法のひとつとしては、シリンダ壁の上部を先細にして、その内側にスプレノズルをシリンダヘッドによせて取り付ける方法がある。この構成においては、ピストンもシリンダにあわせて先細にする必要がある。

圧縮の早い段階において気体を速く浸透させるために、ピストンヘッドからピストンの移動範囲内の最低２０％まで、好ましくは最低２５%まで、さらに好ましくは最低３０%の領域に複数のスプレノズルを配置することが好ましい。ピストンリングとスプレノズルの干渉による問題を避けるため、ピストンリングはピストンの頂部から離して設けられて、上死点においても、最も低い位置のスプレノズルの下にあることが好ましい。

本発明によるコンプレッサの一例を添付図面を参照して説明する。

図１に示すように、本発明のコンプレッサはシリンダ壁２を備えたシリンダ１と、シリンダヘッド３と、軸４とを有する。シリンダ１内においてピストン５が軸方向に往復動可能に備えられている。空気は、シリンダヘッド上の吸気弁（図示せず）からシリンダ１に導入される。導入される空気は通常、２〜３バールに予め圧縮されている。シリンダ内でさらに圧縮された空気は、シリンダヘッド３上の排気弁（図示せず）から排気される。この圧縮された空気の気圧は通常、最低２０バール、好ましくは最低４０バール、さらに好ましくは最低６０バールとなる。コンプレッサの一般的な操作は、先の出願に係るＷＯ９８／１６７４１に記載されている。

圧縮中に、複数の偏平扇形スプレノズル１０からシリンダ１内に下記のように水が噴射される。水は圧力をかけられて、シリンダ１を囲むノズルマニホルド（図示せず）からスプレノズルに供給される。適切な構成が国際出願ＷＯ０１／７５３０８に開示されている。この文献によれば、異なる複数のマニホルドを使用して異なる複数列のスプレノズルに供給を行い、時間当りの流量がそれぞれの列によって異なるようにしてもよい。シリンダ１内の水は排出弁からシリンダ１外の分離器に排出されて、圧縮空気から除去される。

一般的な設計の偏平扇形スプレノズルが図２Ａ,２Ｂおよび３にさらに詳細に示されて
いる。スプレノズル１０は中空円筒状のハウジングを有する。スプレノズル１０の先端部では、内端面１１は半球状となっている。スプレノズル１０の外端面には溝１２が刻設されており、その溝１２は半球状の内端面１１と交差するところに、先細のほぼ楕円形状のオリフィス１３が形成されている。このオリフィス１３は通常長さ３ミリ、幅１ミリである。水は円筒内を流れて半球状の内端面１１から溝１２に到着し、溝１２の両側に拡散する。水流の半分ずつが溝１２で互いに激突し、オリフィス１３から流出して、特有のスプレを形成する。公知の設計の偏平扇形スプレノズルを、図３に示されているスプレノズル１０の代わりに使用しても良い。

図２Ａから２Ｃに示されているように、スプレ１５は偏平扇形状で、図２Ｂに示す面１６においてほぼ平面である。偏平扇形スプレ１５が面１６の外にどうしても拡散してしまう部分があり、オリフィス１３の形状に対応して先細の楕円形の流出輪郭１７が生じる。

偏平扇形スプレノズル１０のシリンダ１内における配置構成を図１を参照して説明する
。この図では、偏平扇形スプレ１５はシリンダ内に向って極めて短い距離しか噴射されていないように示されているが、これは図示の明確化のためである。実際には、偏平扇形スプレ１５はシリンダ１の中央部まで噴射される。また、図示の明確化のために、図１では偏平扇形スプレ１５のみが図示されてスプレノズル１０は図示されていない。

周方向４列に並ぶ複数のスプレノズル１０が設けられていることが、図１から分かる。各スプレノズル１０は、各偏平扇形スプレ１５の面１６がシリンダの軸４に平行になるように、軸に向って配置されている。各スプレノズル１０はまた、その中心軸が軸４に対して下向きになるように取り付けられている。シリンダヘッド３に隣接する偏平扇形スプレ１５の拡散角度θが最も小さく、シリンダヘッド３から遠ざかるにつれて大きくなっている。このため、シリンダヘッド３に最も近い位置で最も小さい拡散角度の偏平扇形スプレ１５が確実に形成されることで偏平扇形スプレ１５とシリンダヘッド３との接触がほぼ減少するかあるいは無くなり、シリンダヘッド３に最も近い領域にスプレが最も高密度となる。この結果、最も低い位置のスプレノズル１０はシリンダ壁２に最も近い領域に水を噴射し、最も高い位置のスプレノズル１０はシリンダ１内の広い領域に確実に噴射する。図１には示されていないが、各列のスプレノズル１０は好ましくは、隣接する列のスプレノズル１０に対して隣接スプレノズル１０間のピッチの半分に等しい距離だけずれており、隣接する列のスプレノズル１０が互いに干渉する可能性をさらに低くしている。

図１に示されているように、ピストン５の底部の方にピストンリング１８が備えられている。このため上死点において、ピストンリング１８が最も低い位置にあるスプレノズル１０より確実に下に位置することになる。ピストン５の上部がスプレノズル１０の列を通過すると、その列のスプレノズル１０から少量の水だけが噴射されるように水流が制御される。この時の水量は、ピストンリング１８上の隙間を埋めるに足る量であり、コンプレッサの効率が下がるのを防ぐ。

コンプレッサシリンダの内部と、複数のスプレノズルの配置を示す概略斜視図である。 一つのスプレノズルの側面図である。 図２Ａのスプレノズルの上面図である。 図２Ａ,２Ｂのスプレノズルの通常の噴射形状を示す図である。 上述のコンプレッサに適したスプレノズルの一例の構成を示す斜視図である。

Claims (12)

1. 軸を有するシリンダと、前記シリンダ内の気体を圧縮するべく前記シリンダの軸に沿って往復動可能なピストンと、圧縮中に前記シリンダ内に水を噴射するための少なくとも周方向２列のスプレノズルと、を有するコンプレッサであって、前記スプレノズルは、前記シリンダ軸にほぼ平行な偏平扇形スプレを前記シリンダの中心部に向けて噴射するように配置されていることを特徴とする、コンプレッサ。
2. 前記スプレノズルが実質的に前記シリンダ軸に向けられていることを特徴とする、請求項１に記載のコンプレッサ。
3. 隣接する列のスプレノズルは、ノズル間ピッチの半分の距離だけずれていることを特徴とする、請求項１または２に記載のコンプレッサ。
4. 前記各列のスプレノズルから噴射される偏平扇形スプレの拡散角度は前記シリンダヘッドに近いほど小さいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のコンプレッサ。
5. 前記シリンダヘッドから最も離れたスプレノズルの列からの偏平扇形スプレの下端部が、前記シリンダヘッドに近い前記スプレノズルからの偏平扇形スプレよりも、前記シリンダの壁に対して小さい角度で噴射されるように、前記スプレノズルが傾斜し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コンプレッサ。
6. 前記スプレノズルはその中心軸が前記シリンダ軸に対して下向きに傾斜するように取り付けられ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コンプレッサ。
7. 前記スプレノズルが取り付けられている前記シリンダ壁の上部は前記シリンダヘッドに向かって内向きに先細であり、前記ピストンもそれに合わせて先細であることを特徴とする、請求項６に記載のコンプレッサ。
8. 前記複数のスプレノズルは、前記シリンダヘッドから前記ピストンの移動範囲内の最低２０％、好ましくは最低２５％、さらに好ましくは最低３０％の領域に配置されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のコンプレッサ。
9. ピストンリングは、上死点においても、最も低い位置のスプレノズルの下方になるように前記ピストンの頂部から離れて設けられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のコンプレッサ。
10. 気体を前記シリンダに導入する前に２〜３バールに予め圧縮するための予備圧縮機をさらに有する、請求項１〜９のいずれかに記載のコンプレッサ。
11. 前記シリンダの耐圧力は、最低２０バール、好ましくは最低４０バール、さらに好ましくは最低６０バールであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載のコンプレッサ。
12. 前記スプレノズルの列の時間当りの流量を変更する手段をさらに有し、異なる列のスプレノズルに対する圧縮中の時間当りの流量がそれぞれ異なることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載のコンプレッサ。

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