JP4435671B2 - 往復圧縮機システム - Google Patents

Description

従来の往復圧縮機システムの例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の圧縮機システムでは、クランクシャフトにコネクティングロッドの一端が接続されており、コネクティングロッドの他端はクロスヘッドに接続されている。クロスヘッドには、１対の,互いに反対方向に延びるシャフトも接続されている。各シャフトの先端にはシリンダに収容されるプランジャが接続されている。１対のプランジャはほぼ同軸上を往復し、クロスヘッドは一体で構成されている。

特開２００４−１１６３２９号公報

水素を利用する燃料電池自動車では、ガソリン車並の走行性能を発揮するために、燃料用の水素ガスの充填圧力を、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａもの高圧にする必要がある。そのため、水素ガスをこの充填圧力まで容易に昇圧できる往復圧縮機が求められている。上記特許文献１に記載の往復圧縮機は、水素ガスを高圧に昇圧するためのものであり、それ以前のものに比べ小型化もされており、水素ガスの漏れを防止する点でも優れている。しかしながら、燃料電池ステーションに用いるときには、さらに一層の小型コンパクト化が求められている。

小型コンパクト化の最も有効な方法は、シリンダ部分からの潤滑油の漏洩を防止するために設けたディスタントピースと呼ばれる分離手段を取り去ることであるが、このディスタントピースを取り去ると、粘度の異なる潤滑油とシール油が混合し、圧縮機の性能が低下する恐れがある。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、圧縮機性能を低下させることなく、往復圧縮機システムを小型コンパクト化することにある。本発明の他の目的は、水素ステーション用の小型コンパクトな圧縮機システムを実現することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、水素ガスを３０ＭＰａを超える圧力まで圧縮する往復動型の圧縮機を備えた多段の往復圧縮機システムにおいて、枠型クロスヘッドを収容するフレームの下部に形成された油溜まりとこの油溜まりに溜められた潤滑油を昇圧するポンプとを有し、このポンプで昇圧された潤滑油を圧縮機の潤滑部に送り潤滑後油溜まりに戻す低圧ラインと、前記低圧ラインから分岐したラインであって、注油器を有しこの注油器で前記ポンプよりも高圧に昇圧して圧縮機のシール部に給油する高圧ラインと、途中段間を結ぶ圧縮ガスラインに介在させたスナッバに一端を接続した排油ラインと、を設け、これら低圧ラインと高圧ラインを設けることにより、作動ガスの圧縮機外部への漏洩を防止するシール用油と前記圧縮機の摺動部を潤滑する潤滑油とを共用可能にしたことにある。

そしてこの特徴において、潤滑油は、ＩＳＯ規格 ＶＧ２２０を満足するものがよく、圧縮機は、共用油を使用するメカニカルシールまたはオイルシールを有するのがよい。また、圧縮機はシリンダの外周側にシリンダジャケットが形成されており、このシリンダジャケットに共用油を導くようにしてもよい。

本発明によれば、超高圧の往復圧縮機を有する圧縮機システムにおいて、ディスタントピースを省くとともに潤滑油とシール油とを共用する構造としたので、圧縮機の効率低下を引き起こすことなく、圧縮機システムを小型コンパクト化できる。また、燃料電池車の水素ステーション用として使用可能な圧縮機システムが得られる。

以下、本発明に係る圧縮機システム２００の一実施例を、図面を用いて説明する。図１は、往復圧縮機を有する圧縮機システムのブロック図である。往復圧縮機１００は、第１段圧縮部２１ａと第２段圧縮部２１ｂを有する低圧段圧縮部２１と、第３段圧縮部２２ａと第４段圧縮部２２ｂとを有する高圧段圧縮部２２とを備える。本実施例の圧縮機システム２００は、燃料電池の水素ステーションまたはガスステーション用であり、取扱いガスは、水素ガスまたは天然ガスである。

往復圧縮機１００では、枠型クロスヘッド５の左右外側端部に接続されたコネクティングロッド６１ａ、６１ｂにより、第３段圧縮部２２ａ及び第４段圧縮部２２ｂが駆動される。枠型クロスヘッド５の上部に形成された開口部５ａを貫通してコネクティングロッド３が配設されている。このコネクティングロッド３を介して、低圧段圧縮部２１が駆動される。

枠型クロスヘッド５の内側であって一方のコネクティングロッド６１ｂに接続する位置に、コネクティングロッド６１ｃの一端部が接続されている。コネクティングロッド６１ｃの他端側は、枠型クロスヘッド５の内側に配設されたクランクシャフト２に回動自在に取付けられたクランク部材２ａに接続されている。コネクティングロッド３の一端部は、クランクシャフト２に回動自在に接続されている。コネクティングロッド３の他端部は、枠型クロスヘッド５の上方に配置されたシリンダ４ｂ内のクロスヘッド４に接続されている。

図示しないフレームが、枠型クロスヘッド５を収容している。クランクシャフト２は、フレームを貫通しており貫通部に図示しない軸受が配置されている。クランクシャフト２の一方の貫通部には、メカニカルシール１７が配置されている。クランクシャフト２は、このメカニカルシール１７よりもさらに延在しており、カップリング２ｂにより駆動機であるモータ４１に接続されている。クランクシャフト２の反対側の貫通部を、図示しないシール部材がシールしている。クランクシャフト２の他端側には、軸端ポンプ１２がカップリングを介して取付けられている。

低圧段圧縮部２１では、シリンダ６内をピストン６２が区分した２つの部屋により第１段圧縮部２１ａと第２段圧縮部２１ｂが形成される。ピストン６２の第２段圧縮部側の端部はロッド４２に接続されており、ロッド４２の他端はクロスヘッド４に接続されている。高圧段圧縮部２２はプランジャ型の圧縮機段であり、第３段圧縮部２２ａではシリンダ７内にプランジャ６５が、第４段圧縮部２２ｂではシリンダ８内にプランジャ６６が配置されている。プランジャ６５の端部はコネクティングロッドに６１ａに、同様にプランジャ６６の端部はコネクティングロッド６１ｂに接続されている。

第１段圧縮部２１ａへのガス供給ライン９１には、ガス供給量を調整する吸込絞り弁６３と、取扱いガス中の不純物を取り除くフィルタ３１ｂが設けられている。第１段圧縮部２１ａと第２段圧縮部２１ｂの間のガスライン９２、第２段圧縮部２１ｂと第３段圧縮部２２ａの間のガスライン９３、第３段圧縮部２２ａと第４段圧縮部２２ｂの間のガスライン９４には、インタークーラ３７〜３９が配置されており、前段圧縮部で圧縮された取扱いガスを冷却する。各インタークーラ３７〜３９は、エアフィンクーラである。

なお、第３段圧縮部２２ａには、吸込弁２３ａと吐出弁２３ｂが、第４段圧縮部２２ｂには、吸込弁２３Ｃと吐出弁２３ｄが設けられている。第４段圧縮部２２ｂの下流のガスラインには、この第４段圧縮部２３ｂで圧縮された取扱いガスを冷却するアフタークーラ４０と、吐出流量を制御する吐出流量制御弁５０が設けられている。

このように構成した往復圧縮機１００の潤滑及びシールを、図２に示したブロック図を用いて説明する。フレームの下部は油溜まり５ｂになっており、ＩＳＯ ＶＧ２２０（粘土２２０ＣＳＴ／４０度）の高粘度の潤滑油が収容されている。この潤滑油のラインは、大別すると低圧ライン、高圧ライン及び排油ラインになる。以下、順次各ラインについて説明する。

低圧ライン：低圧ラインは、フレームの下部の油溜まり５ｂの潤滑油を軸端ポンプ１２で２ＭＰａ程度まで昇圧して各潤滑部に送り、最終的にフレームの油溜まり５ｂに戻す経路である。具体的には、油溜まり５ｂと軸端ポンプ１２を第１の低圧ライン７１で接続する。この第１の低圧ライン７１には、弁５２ａ、５２ｂにより切換えられる流路が設けられており、この流路には自動切換えフィルタ５１を介在させている。

ところで、油溜まり５ｂに戻された潤滑油には、詳細を後述するロッドパッキンにおける摩耗粉を含む恐れがある。そこで、自動切換えフィルタ５１を設けて摩耗粉等の不純物を除去する。初め、いずれか一方のフィルタ５１に潤滑油を通す。摩耗粉等によりフィルタが詰まり異常差圧を図示しない検出器が検出すると、弁５２ａ、５２ｂの開閉状態が自動的に切り換わり、他方のフィルタ５に潤滑油が流れ込む。したがって、摩耗粉等を除去するために、往復圧縮機１００を停止させる必要が無い。

軸端ポンプ１２で昇圧された潤滑油の一部は、第２の低圧ライン７２を通って、高圧ライン用のライン７２ａと、第４段圧縮部２２ｂを潤滑する潤滑ライン７２ａに流れ込む。第４段圧縮部を潤滑した潤滑油は、ライン７２ｃを通ってクーラ４１に流れ込みファン５３により冷却され、ライン７２ｄを経て、合流ライン７６から油溜まり５ｂに戻る。軸端ポンプ１２を出た潤滑油の残りは、第３〜第５の低圧ラインに７３〜７５流れ込む。第３の低圧ライン７３は、フレームとクランクシャフト２間のシールに用いるメカニカルシール１７を、低圧でシール及び潤滑する。

ところで、低圧段圧縮部２１及び高圧段圧縮部２２のシリンダ６〜８内で高圧に圧縮されたガスは、図示しないピストンリングやロッドパッキン１３〜１５と、ピストン６２及びプランジャ６５、６６との間に形成される微小隙間に供給された潤滑油またはシール油の膜を破壊する。そして、漏れガスとなり、低圧段圧縮部２１及び高圧段圧縮部２２の各部に流れる。漏れガスの一部は、最終的にフレームへ戻り、モータ４１側のクランクシャフト２とフレームとの間の隙間から外部へと流出しようとする。

本実施例の取扱いガスは純水素ガスまたは天然ガスであるから、外部へ流出したり滞留すると、可燃域を生成し爆発のおそれがある。そこで、モータ４１側のクランク軸２を密封するために、メカニカルシール１７または軸接触型のシールリング１７を使用したハーメティックフレーム構造を適用している。

第４のシールライン７４は第３段圧縮部２２ａを潤滑するラインであり、この第３段圧縮部２２ａを潤滑した後、ライン７４ｂを通ってクーラ４２に流れ込み、ファン５３で冷却される。クーラ４２で冷却された潤滑油は、ライン７４ｃを経て合流ライン７６から油溜まりに戻る。ここで、クーラ４１、４２はエアフィンクーラで、インタークーラ３７〜３９及びアフタークーラ４０の両側に一体的に形成されている。第５のシールライン７５は、枠型クロスヘッド５の内部を潤滑するもので、主としてクランクシャフト２とコネクティングロッドの接続部等を潤滑する。

高圧ライン：本実施例の最も特徴的なラインであり、注油器１１を有するラインである。軸端ポンプ１２の下流であって第２の低圧ライン７２の分岐ライン７２ｂには、注油器１１が接続されている。注油器１１は、１本のクランク軸に複数のピストンが取付けられた構造であり、注油先の圧力に応じた圧力を発生可能であり、本実施例では１００ＭＰａ程度まで加圧する。第１の高圧ライン７７は、第４段圧縮段２２ｂのパッキン１５部をシールするシール油に用いられる。同様に、第３の高圧ライン７９は、第３段圧縮段２２ａのパッキン１５部をシールするのに用いられる。第２の高圧ライン７８は、低圧段圧縮部２１の油切りパッキン１３部をシールするのに用いられる。

なお、本実施例では圧縮ガスの密封用に使用するロッドパッキン１３〜１５を、高圧側と低圧側に分けている。そして、ロッドパッキン１３〜１５の微小な隙間を密封するシール油として、注油器１１から各シリンダ６〜８に、高粘度の潤滑油ＩＳＯ ＶＧ２２０（粘土２２０ＣＳＴ／４０度）を供給して、各パッキン１３〜１５部に最適な粘度が得られるようにしている。

パッキン１３〜１５部からは潤滑油またはシール油が僅かしか漏れないので、高圧ラインから供給された潤滑油をシール後に回収するラインを設ける必要はない。パッキン１３〜１５部から漏れた潤滑油またはシール油は、各段の圧縮部２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂの圧縮室に流れ込み、取扱いガス中の不純物となる。そこで、主として潤滑油からなる不純物を取扱いガスから取り去り、排油ラインからフレーム下部の油溜まり５ｂに導く。

排油ライン：排油ラインは２ヶ所あり、第３段圧縮部と第４段圧縮部を結ぶガスライン９４に介在させたフィルタ３３ｂ入りのスナッバ３３ａの下部に接続した第１排油ライン１１８と、第４段圧縮部の吐出側のガスラインに介在させたフィルタ３４ｂ〜３６ｂ入りの３個のスナッバ３４ａ〜３６ａの下部に接続した第２の排油ライン１１９〜１２１群とである。スナッバ３３ａ〜３６ａは内容積が大の中空容器で、圧力緩衝により取扱いガス中の不純物や油を取り除く。排油ライン１１８〜１２１内の潤滑油は、油溜まり５ｂに戻される。

これらの潤滑及びシールラインの他に、取扱いガスが外部に漏れるのを防ぐためのガスシールラインが、低圧段圧縮部２１及び高圧段圧縮部２２に設けられている。低圧段圧縮部２１の下部に設けたガスシール部２５及び第３段圧縮部の反圧縮室側に設けたガスシール部２６には、ガスライン４８から高圧の取扱いガスが供給される。なお、ガスライン４８には、第２段圧縮部２１ｂの吐出ガスが、インタクーラ３８で冷却された後供給される。この第２段圧縮部２１ｂの吐出ガスは、第２段圧縮部２１ｂのガスシール部２５にも、供給される。

一方、第４段圧縮部２２ｂの反圧縮室側に設けたガスシール部２７には、第３段圧縮部２２ａで圧縮されたガスがライン４９から供給される。また、取扱いガス中に含まれる不純物を取り除く等のために、第１段圧縮部の吸込側には、フィルタ３１ｂ入りのスナッバが、第２段圧縮機２１ｂと第３段圧縮機２２ａとの間のガスライン９３には、スナッバ３２が設けられている。

このように構成した本実施例の圧縮機システム２００では、モータ４１を回転駆動すると、モータ４１の回転運動がコネクティングロッド３、６１ｃによりクロスヘッド４の垂直運動と枠型クロスヘッド５の水平運動に変換される。これによりシリンダ６〜８内のピストン６２及びプランジャ６５、６６が往復動し、シリンダ６〜８の先端に形成される圧縮室でガスを高圧に圧縮する。

一方、クランクシャフト２端に取り付けた軸端ポンプ１２が、クランクシャフト２ともに回転し、油溜まり５ｂから潤滑油を低圧ライン７１〜７５に供給する。このとき、注油器１１も動作させると、高圧ライン７７〜７９にも潤滑油がシール油として供給される。一旦潤滑油やシール油が往復圧縮機の各部に供給されると、微小な量の油が漏れ流れとして取扱いガスに混入する。これらは、フィルタ３１ｂ〜３６ｂに捕捉され、スナッバ３１ａ〜３６ａに溜められた後、排油ライン１１８〜１２１を通ってフレームの油溜まり５ｂに戻される。

この過程において、完全に密閉されフレーム内部に戻った油を含む漏れガスは、第１段圧縮部２１ａのガス供給ライン９１に戻している。これにより、圧縮ガスの無駄な消費を防止している。また、上述したようにフィルタ３１ｂ〜３６ｂで補足した油分をスナッバ３１ａ〜３６ａに一時的に蓄えた後、ドレンバルブ３１ｃ〜３６ｃを開いてフレーム内部への排油ライン１１８〜１２１に流すようにしたので、潤滑及びシールに使用した潤滑油を回収して再使用できる。

また本実施例では、シール油と潤滑油をＩＳＯ ＶＧ ２２０で統一して運転しているので、従来使用されていたディスタンスピースを省くことができる。さらに、図示しないギアポンプが、シリンダ６〜８に形成した冷却ジャケットに油溜まり５ｂから潤滑油ＶＧ２２０を供給するので、水素ガス供給ステーションや天然ガス供給ステーションのような補機を少なくする必要のある機器では、水冷装置が不要となりランニングコストを低減できる。また、潤滑油の冷却と取扱いガスの冷却を一体化したエアフィンクーラで一括冷却するので、冷却器を小型化できる。なお、冷却ライン用の油ポンプを別に設けてもよい。

以上述べたように、本実施例によれば、高圧な水素ガス圧縮や天然ガス圧縮用の圧縮機において、潤滑からシール、冷却に使用する潤滑油を統一したので、装置を小型コンパクト化できるとともに、低コスト化が可能になる。なお、高粘度の潤滑油を低圧ラインから潤滑部に供給しているが、高粘度であるので摩擦損失の増大が懸念される。その場合、軸端ポンプから吐出される潤滑油の温度を高くし、注油器に供給する前に冷却するようにすれば、高粘度での摩擦損失の増大を低減できる。

本発明に係るプランジャ式水素圧縮機システムに用いる圧縮機の一実施例の主要部のブロック図。 図１に示した圧縮機を有するプランジャ式水素圧縮機システムのブロック図。

符号の説明

１…フレーム、２…クランクシャフト、３…コネクティングロッド、４、５…クロスヘッド、６〜８…シリンダ、９…高圧側ロッドパッキン、１０…低圧側ロッドパッキン、１１…注油器、１２…軸端ポンプ、１３〜１５…油切り、１６…エアフィンクーラ、１７…ハーメティックシール、２１…低圧段圧縮部、２１ａ…第１段圧縮部、２１ｂ…第２段圧縮部、２２…高圧段圧縮部、２２ａ…第３段圧縮部、２３ａ…第４段圧縮部、３１ａ〜３６ａ…スナッバ、３１ｂ〜３６ｂ…フィルタ、３２…スナッバ、３７〜３９…インタークーラ、４０…アフタークーラ、５０…流量制御弁、５１…自動切替フィルタ、５３…冷却ファン、７１〜７５…低圧ライン、７７〜７９…高圧ライン、９１〜９５…ガスライン、１００…往復圧縮機、１１８〜１２１…排油ライン、２００…圧縮機システム。

Claims (4)

1. 水素ガスを３０ＭＰａを超える圧力まで圧縮する往復動型の圧縮機を備えた多段の往復圧縮機システムにおいて、
   枠型クロスヘッドを収容するフレームの下部に形成された油溜まりと、この油溜まりに溜められた潤滑油を昇圧するポンプとを有し、このポンプで昇圧された潤滑油を圧縮機の潤滑部に送り潤滑後油溜まりに戻す低圧ラインと、
   前記低圧ラインから分岐したラインであって、注油器を有しこの注油器で前記ポンプよりも高圧に昇圧して圧縮機のシール部に給油する高圧ラインと、
   途中段間を結ぶ圧縮ガスラインに介在させたスナッバに一端を接続した排油ラインと、を設け、
   これら低圧ラインと高圧ラインを設けることにより、作動ガスの圧縮機外部への漏洩を防止するシール用油と前記圧縮機の摺動部を潤滑する潤滑油とを共用可能にしたことを特徴とする往復圧縮機システム。
2. 前記潤滑油は、ＩＳＯ規格 ＶＧ２２０を満足することを特徴とする請求項１に記載の往復圧縮機システム。
3. 前記圧縮機は、共用油を使用するメカニカルシールまたはオイルシールを有することを特徴とする請求項１に記載の往復圧縮機システム。
4. 前記圧縮機はシリンダの外周側にシリンダジャケットが形成されており、このシリンダジャケットに共用油を導いたことを特徴とする請求項１に記載の往復圧縮機システム。

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