JP4477588B2 - 往復圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は往復圧縮機に係り、特に可燃性ガスや毒性ガスを取扱うのに好適な往復圧縮機に関する。

従来の往復圧縮機を含む容積形圧縮機の例が、非特許文献１に記載されている。この文献では、本発明のロッドパッキンシール部に相当するグランドパッキン部に発生する異常事象として、漏れの増加およびピストンロッドの加熱，パッキンの異常摩耗や焼付き、等を開示している。そして、漏れ量が多くなると、中間段圧力に変化が生じたり吐出温度が変化することが記載されている。また、異常摩耗や焼付きが発生すると、異常音や振動が発生し、異常を検出できることが記載されている。

伊藤茂 他著、「容積形圧縮機」、産業図書、昭和４５年６月、 １２０頁〜１２６頁

上記非特許文献１に記載の容積形圧縮機では、中間段圧力や吐出圧力から異常を検出しているが、中間段圧力や吐出温度の変化の原因は、ロッドパッキン部の漏れ量に限らず、吸込み弁や吐出弁の異常でもこれらの現象は発生する。また、異常音や振動で異常を検出すると、深刻な異常状態に至らないと、容積形圧縮機に異常が発生しているのを検出されないおそれがある。

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、その目的は小容量の高圧水素圧縮機に用いるロッドパッキンシールの異常を早期に検出することにある。本発明の他の目的は、ロッドパッキンシールの信頼性を向上させることにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、クランクシャフトにコネクティングロッドを介して接続されたクロスヘッドと、このクロスヘッドに連結されたプランジャーと、クロスヘッドを収容するフレームと、前記プランジャーの先端部がその内部を往復動するシリンダ部材とを備え、前記シリンダ部材内をプランジャーが往復動して水素ガスを圧縮する多段に形成された往復圧縮機において、前記プランジャーの外周部に設けられ、ラジアルカットパッキンとタンジェンシャルカットパッキンとを組みにしてパッキンケースに収容して形成されるロッドパッキンを軸方向に多数段積層したロッドパッキンシールと、このロッドパッキンシールを保持する筒状の部材と、一端が前記フレーム側に固定され、他端側がこの筒状の部材に連接する中間ガイドケースとを備え、前記プランジャの往復動により変化する前記ロッドパッキンシールの緊縛力に応じた前記中間ガイドケースの軸方向変位を検出する検出手段を設けたことにある。そして、中間ガイドケースを前記フレームに固定する中間ガイド締め付けボルトと、一端が前記フレームにねじ込まれ、軸方向に延在し前記中間ガイドケースに形成した貫通孔を貫通するバーとを設け、前記検出手段をこのバーの端部に対向して設けるのが好ましい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、クランクシャフトにコネクティングロッドを介して接続されたクロスヘッドと、このクロスヘッドに連結されたプランジャーと、クロスヘッドを収容するフレームと、前記プランジャーの先端部その内部を往復動するシリンダ部材とを備え、前記シリンダ部材内をプランジャーが往復動して水素ガスを圧縮する多段に形成された往復圧縮機において、前記プランジャーの外周部に設けられ、ラジアルカットパッキンとタンジェンシャルカットパッキンとを組みにしてパッキンケースに収容して形成されるロッドパッキンを軸方向に多数段積層したロッドパッキンシールと、このロッドパッキンシールを保持する筒状の部材と、一端が前記フレーム側に固定され、他端側がこの筒状の部材に連接する中間ガイドケースとを備え、前記プランジャの往復動により変化する前記ロッドパッキンシールの緊縛力に応じた前記中間ガイドケースの荷重を検出する検出手段であるロードセルを設けたことにある。

本発明によれば、容量の高圧水素圧縮機に用いるロッドパッキンシール部の軸方向変位または軸方向荷重を検出する手段を設けたので、ロッドパッキンシール部の摺動状況を監視できる。その結果、シール部の異常を早期に検出できる。また、高圧水素圧縮機の信頼性が向上する。

以下、本発明に係る往復圧縮機の一実施例を、図面を用いて説明する。図１に、多段に形成した往復圧縮機の１つの段を縦断面図で示す。本往復圧縮機１００は、プランジャー式の小容量高圧圧縮機である。箱型に形成されたフレーム１内に、プランジャー５を駆動する駆動部が内蔵されている。駆動部は、駆動機である図示しない電動機の出力軸に連結されたクランクシャフト２と、このクランクシャフト２に一端部が回動自由に接続されたコネクティングロッド３と、コネクティングロッド３の他端部が連結され枠型に形成されたクロスヘッド４とを有している。

クロスヘッド４の側面には、プランジャー５の一端部が連結されている。プランジャー５の他端部には、プランジャー５との間に圧縮室を形成するシリンダ部材６が設けられている。プランジャー５の先端部は、このシリンダ部材６内に挿入される。シリンダ部材６の先端側には、図示を省略した吸込み弁と吐出弁を内蔵するヘッドカバー７が取付けられている。

フレーム１の側面には孔が形成されており、この孔をプランジャー５と枠型のクロスガイドを連結するロッドが往復動する。このロッドおよびプランジャー５の外周部を覆う筒状の中間ガイドケース１２の一端側が、フレーム１に固定されている。中間ガイドケース１２の反フレーム側側面には、内カバーが９取付けられている。内カバー９とシリンダ部材６間であってプランジャー５の外周部には、ロッドパッキンシール８が設けられている。ロッドパッキンシール８の外周部には、このロッドパッキンシール８を保持する筒状の部材が配置されている。

ロッドパッキンシール８は、軸方向に多数段積層されたロッドパッキンから形成されている。各ロッドパッキンは、パッキンケースに収容されて、軸方向に積層される。ロッドパッキンシール８は、プランジャー５とシリンダ部材６間で圧縮される圧縮ガスが、プランジャー５の軸方向に漏れるのを防止する。

ヘッドカバー７はフランジ状に形成されており、フランジ部には周方向複数箇所にボルト孔が形成されている。このボルト孔に中間ガイド締め付けボルト１３を貫挿する。中間ガイド締め付けボルト１３の一端部は、内カバー９にねじ込まれている。中間ガイド締め付けボルト１３のヘッドカバー７から延在した部分にナットを係合する。ナットを締めると、シリンダブロック１１の各部材が軸方向に押されて、シリンダとプランジャー５間で発生した高圧ガスが軸方向に漏れるのをシールする。

ここで、シリンダブロック１１は、内カバー９、および軸方向に積層されて形成されたロッドパッキンシール８，シリンダ部材６，ヘッドカバー７を含む組立体である。シリンダブロック１１を形成するヘッドカバー７の底部には、サポート１４が取付けられており、シリンダブロック１１を鉛直方向に支持する。

ところで、本実施例に示した圧縮機は、燃料電池車等に要する水素供給ステーションに用いることを前提としている。この水素供給ステーション用水素圧縮機として、現在吐出圧力４０ＭＰａの圧縮機が開発されたばかりであり、燃料電池車を実用に供するためには、燃料電池車の１回充填当りの走行距離を延長する必要がある。

走行距離を延長するには、水素タンクの容量を増大するか高圧化すればよい。タンク容量の増大に比べてタンク圧力の増大は、燃料電池車のコンパクト化に寄与する程度が高い。そこで、圧縮機の吐出圧力を、例えば８４ＭＰａ程度まで増大させた水素圧縮機が求められている。その際の水素圧縮機の容量は、数十から３００Ｎｍ³／ｈ 程度であり、一般産業用の往復圧縮機に比較して小容量である。

小容量圧縮機の高圧圧縮段では、ピストンロッドあるいはプランジャー５の径が僅か数十mmしかないので、ロッドパッキンシール８部の漏れ量の変化は圧縮機の性能に重大な影響を及ぼす。それとともに、使用ガスが水素であるから、ロッドパッキンシール８からの漏れガスを安全な場所に導く必要もある。また、小容量高圧力仕様の圧縮機では、ピストンあるいはプランジャー５に負荷されるロッドパッキンシール８部のシール差圧から生じる緊縛力は、数トンにも達する。

これらの理由から、ロッドパッキンシール８部における摺動状態の異常を、早期に検出することが望まれている。例えば、ロッドパッキンシール８がピストンあるいはプランジャー５に焼付く前に、摩擦摺動抵抗の増大、すなわち緊縛力の増大等を検出することが望まれている。緊縛力を検出するには、直接ピストンあるいはプランジャーに歪ゲージを貼り付けて、応力変化を検出すればよいが、稼動部品に検出手段を取付けて長時間信号検出する方法は、信頼性を考慮すると実用化が困難である。

そこで本実施例では、ロッドパッキンシール８が正常に作動しているか否かを検出するために、フレーム１の側面と中間ガイドケース１２の端面または内カバー９間の相対変位量を測定する装置２０を、内カバー９部に設けた。この詳細を、図２を用いて説明する。相対変位量測定装置２０では、一端をフレーム１の側面にねじ込んだバー２１を、中間ガイドケース１２から軸方向に延在させる。中間ガイドケース１２に取付けた内カバー９には、バー２１の位置に対応する位置に凹部が形成されており、中間ガイドケース１２から延在したバー２１の先端が、凹部の底面に隙間を持って対向している。

内カバー９の凹部の底面には、バー２１の先端に対向するように変位センサー２２が取付けられており、フレーム１の側面と中間ガイドケース１２の端面または内カバー９間の相対変位量を測定する。中間ガイドケース１２のフランジ部に形成した貫通孔を、バー
２１が貫通する。バー２１の振れ止め用に、Ｏリング２３を中間ガイドケース１２に保持している。

図３に、測定する相対変位量と荷重の関係を示す。横軸に中間ガイド締め付けボルト
１３および中間ガイドケース１２の変位量δを、縦軸に中間ガイド締め付けボルト１３および中間ガイドケース１２に生じる荷重Ｆを示す。変位量δと荷重Ｆとの傾きは剛性であり、剛性３２は中間ガイドケース１２の剛性を、剛性３１は中間ガイド締め付けボルト
１３の剛性である。

中間ガイド締め付けボルト１３にナットを係合して中間ガイドケース１２を締め付けたときに、中間ガイド締め付けボルト１３および中間ガイドケース１２の変位量と荷重が平衡した平衡点をＡ点で示す。圧縮機１００を定常運転し、シリンダ部材６内に位置するプランジャー５の先端部が、圧縮行程に移行したとき（吸込み圧力状態）の中間ガイド締め付けボルト１３の伸びをδ₁ 、そのとき中間ガイド締め付けボルト１３に発生する荷重をＦ_b1で示す。同様に、圧縮行程が終わるとき（吐出圧力状態）の中間ガイド締め付けボルト１３の伸びをδ₂ 、そのとき中間ガイド締め付けボルト１３に発生する荷重をＦ_b2で示す。中間ガイドケース１２に作用する荷重は、荷重Ｆ_b1，Ｆ_b2より大きく、圧縮工程移行時にはＦ₁ 、圧縮工程の終了時にはＦ₂である。

中間ガイド締め付けボルト１３に負荷される荷重の分布を図１により、説明する。プランジャー５の断面積にシリンダ部材６の内圧を乗じた荷重Ｆ_CYL が、フレーム１の反対方向に作用し、シリンダヘッドカバー７およびシリンダブロック１１に負荷される。中間ガイド締め付けボルト１３は、中間ガイドケース１２をフレーム１に固定する。シリンダブロック１１の内カバー９が中間ガイドケース１２に固定されているので、シリンダ部材６の内圧による荷重が中間ガイドケース１２に加わる。ただしこの荷重の一部は、プランジャー５やサポート１４が負担する。

プランジャー５が分担する力Ｆ_ROD はシリンダ部材６のガスをシールするロッドパッキンシール８の半径方向緊縛力と摩擦係数の積である。ここで、ロッドパッキンシール８の１組あたりの半径方向緊縛力は、以下のように求められる。図５（ａ）に、ロッドパッキンシール８から１組分を選んで示す。

１組のロッドパッキンでは、いわゆるラジアルカットパッキン５１を上流側に配置し、下流側にいわゆるタンジェンシャルカットパッキン５２を配置し、これら両パッキン５１，５２を隣り合わせて組み合わせ使用する。ここで、ラジアルカットパッキン５１は、周方向に３分割した形状であり、３分割した形状の各部分は、半径方向を向いた面を接して組み合わされる。一方、タンジェンシャルカットパッキン５２も同様に周方向に３分割した形状であるが、３分割した形状の各部分は、半径方向に直角な方向を向いた面を接して組み合わされる。

水素ガスの漏れをシールする圧力シールとして作用するのは、下流側のタンジェンシャルカットパッキン５２である。パッキン５１，５２の上流側圧力Ｐ₁ 、下流側の圧力を
Ｐ₂ とすると、パッキン５１，５２周りの圧力分布は、図５（ｂ）のように表される。すなわち、タンジェンシャルパッキン５２の外周には、上流圧力が負荷される。プランジャー５とパッキン５２の内周面の圧力はＰ₁ からＰ₂ に変化する分布となっている。パッキン５１，５２がプランジャー５を緊縛する半径方向の力Ｆｒは、式（１）で表される。

ここで、Ｗはパッキン５１，５２の幅であり、Ｄ_o はパッキン５１，５２の外径、Ｄ_i はパッキン５１，５２の内径である。

シリンダ部材６の内圧が高いほどロッドパッキンシール８の差圧が大きくなり、複数組のロッドパッキン５１，５２を装着しなければならない。したがって、シリンダ部材６に近い方のロッドパッキン５１，５２では、式（１）中のＰ₁ がシリンダ部材６の内圧に、大気に近い側のロッドパッキン５１，５２では式（１）中のＰ₂ が大気圧力になる。

ロッドパッキンシール８が発生するプランジャー５の半径方向緊縛力Ｆｒは、各パッキン５１，５２の緊縛力Ｆｒを合計した値である。ロッドパッキンシール８の半径方向緊縛力Ｆｒに動摩擦係数を乗じた値がＦ_CYL に対抗する力であり、この力Ｆ_CYL 分だけ中間ガイドケース１２に働く力が軽減される。ヘッドカバー７を支えるシリンダサポート１４も僅かではあるがＦ_CYL に対抗する力を発生し、中間ガイドケース１２に作用する力Ｆ_GUD を軽減する。

この結果、慣性力による荷重を無視すれば、中間ガイドケース１２に作用する力Ｆ_GUD は、式（２）で表される。

Ｆ_GUD＝Ｆ_CYL−Ｆ_ROD−Ｆ_SUP …（２）
シリンダ部材６の内圧が高いと、中間ガイド締め付けボルト１３に作用する力Ｆ_GUD が大きく、逆に内圧が低いと、作用する力Ｆ_GUD は小さくなる。そして、シリンダ部材６の内圧が吸込み状態であればＦ_GUD は小さく、吐出状態であればＦ_GUD は大きい。

この演算結果を示したのが、図３の線図である。中間ガイド締め付けボルト１３のＦ₁ ，Ｆ₂ は、シリンダ部材６の内圧が吸込み状態および吐出状態のときのＦ_GUD に相当する。この荷重を、中間ガイドケース１２と中間ガイド締め付けボルト１３の合成変位量で表すこともできる。その場合、合成変位量はδ₁，δ₂で表される。

中間ガイドケース１２を、中間ガイド締め付けボルト１３を用いて締め付けたときのボルト締結特性は、設計的に求められる。また、実測も可能である。したがって、図３に示したように、フレーム１の側面に取付けたバー２１の先端の変位を、内カバー９に取付けた変位センサー２２で検出すると、中間ガイド締め付けボルト１３の各状態での伸びδ₁，δ₂を測定できる。この伸びδ₁，δ₂の量から、荷重を求めることができる。

変位センサー２２で測定した変位は、ロッドパッキンシール８の摺動状況が正常であっても、運転圧力条件によって変化する。そこで、圧縮機１００の運転圧力Ｐも測定する。これらの測定値を、予め求めておいた正常摺動状態の値と比較する。その際、中間ガイド締め付けボルト１３の伸びと圧力の比をパラメータにするのがよい。例えば、伸びδ₁／吸込み圧力Ｐ_s ，伸びδ₂／吐出圧力Ｐ_d 、あるいは変動幅δ（≒δ₂−δ₁）／圧力差
（Ｐ_d−Ｐ_s）を用いる。異常検出パラメータにも、これらの値を用いることができる。

上記実施例ではバー２１をフレーム１の側面に取付けているが、中間ガイドケース１２のフレーム側側面に取付けても、同様の検出が可能である。バー２１側に変位センサー
２２を取付け、中間ガイドケース１２または中間ガイド締め付けボルト１３の変位量を検出するようにしてもよい。

本発明の他の実施例を、図４に示した中間ガイドケース１２部の縦断面図を用いて説明する。本実施例では変位センサー２２の代わりに、中間ガイドケース１２に作用する荷重を、ロードセル４２を用いて検出する。中間ガイド締め付けボルト１３の外周をパイプ
４１で覆い、このパイプ４１の端部に軸方向長さを調節可能なリング４３を配置する。リング４３の端面に、１対のシート部品４４，４５に挟んだロードセル４２を取付ける。したがって、ロードセル４２は、中間ガイドケース１２のフレーム１側フランジと、内カバー９側フランジとの間に装着される。

リング４３の内周側にねじを形成し、パイプ４１の外周に形成したネジにねじ込んで、中間ガイド締め付けボルト１３を締め付ける前に、軸方向隙間が無いように、位置を調整する。軸方向に隙間無く位置させたリング４３の端部に取付けたロードセル４２は、中間ガイド締め付けボルト１３を締め付けることにより、中間ガイドケース１２のフレーム１側フランジと内カバー９側フランジ間に保持される。

中間ガイドケース１２の剛性に比べてロードセル４２の軸方向剛性が小さいので、中間ガイドケース１２を中間ガイド締め付けボルト１３でフレーム１に締結するときは、図３に示した特性と同様の特性を示す。その結果、万一ロードセル４２が変形して接触面に摩耗が発生しても、圧縮機１００の信頼性は損なわれない。

本実施例において、ロードセル４２が検出する荷重は、図３中に示した変位δ（またはδ₁，δ₂）とロードセル４２を含む検出装置の剛性との積である。したがって、検出値そのものの値は小さくなる。ただし、中間ガイド締め付けボルト１３の剛性とロードセル
４２を含む検出装置の剛性との比を用いて、中間ガイドケース１２に作用する荷重を求めることができる。このように、ロードセル４２が検出する荷重の変化を利用すれば、ロッドパッキンシール８の摺動状態を監視でき、異常が発生したことを検出することができる。また、シリンダサポート１４の緩みも検出できる。

上記実施例では、中間ガイドケース１２のフレーム１側フランジと内カバー９側フランジ間にロードセル４２を保持したが、中間ガイド締め付けボルト１３や中間ガイドケース１２に直接歪ゲージを貼り、この歪ゲージが検出した歪量から応力や荷重を求め、この応力や荷重の変化を監視することもできる。

本発明に係る往復圧縮機の一実施例の主要部の縦断面図。 図１に示した往復圧縮機の中間ガイドケース部の詳細縦断面図。 中間ガイド締め付けボルトに作用する荷重を説明する図。 本発明に係る往復圧縮機の他の実施例の図であり、中間ガイドケース部の詳細縦断面図。 ロッドパッキンシールを説明する図。

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…クロスヘッド、５…プランジャー、６…シリンダ部材、７…ヘッドカバー、８…ロッドパッキンシール、９…内カバー、１０…シリンダ締め付けボルト、１１…シリンダブロック、１２…中間ガイドケース、１３…中間ガイド締め付けボルト、１４…シリンダサポート、２１…バー、２２…変位センサー、２３…Ｏリング、３１…ボルト剛性、３２…中間ガイドケース剛性、４１…パイプ、４２…ロードセル、４３…調節リング、４４，４５…シート部品、
１００…往復圧縮機。

Claims (3)

1. クランクシャフトにコネクティングロッドを介して接続されたクロスヘッドと、このクロスヘッドに連結されたプランジャーと、クロスヘッドを収容するフレームと、前記プランジャーの先端部がその内部を往復動するシリンダ部材とを備え、前記シリンダ部材内をプランジャーが往復動して水素ガスを圧縮する多段に形成された往復圧縮機において、
   前記プランジャーの外周部に設けられ、ラジアルカットパッキンとタンジェンシャルカットパッキンとを組みにしてパッキンケースに収容して形成されるロッドパッキンを軸方向に多数段積層したロッドパッキンシールと、このロッドパッキンシールを保持する筒状の部材と、一端が前記フレーム側に固定され、他端側がこの筒状の部材に連接する中間ガイドケースとを備え、前記プランジャの往復動により変化する前記ロッドパッキンシールの緊縛力に応じた前記中間ガイドケースの軸方向変位を検出する検出手段を設けたことを特徴とする往復圧縮機。
2. 前記中間ガイドケースを前記フレームに固定する中間ガイド締め付けボルトと、一端が前記フレームにねじ込まれ、軸方向に延在し前記中間ガイドケースに形成した貫通孔を貫通するバーとを設け、前記検出手段をこのバーの端部に対向して設けたことを特徴とする請求項１に記載の往復圧縮機。
3. クランクシャフトにコネクティングロッドを介して接続されたクロスヘッドと、このクロスヘッドに連結されたプランジャーと、クロスヘッドを収容するフレームと、前記プランジャーの先端部その内部を往復動するシリンダ部材とを備え、前記シリンダ部材内をプランジャーが往復動して水素ガスを圧縮する多段に形成された往復圧縮機において、
   前記プランジャーの外周部に設けられ、ラジアルカットパッキンとタンジェンシャルカットパッキンとを組みにしてパッキンケースに収容して形成されるロッドパッキンを軸方向に多数段積層したロッドパッキンシールと、このロッドパッキンシールを保持する筒状の部材と、一端が前記フレーム側に固定され、他端側がこの筒状の部材に連接する中間ガイドケースとを備え、前記プランジャの往復動により変化する前記ロッドパッキンシールの緊縛力に応じた前記中間ガイドケースの荷重を検出する検出手段であるロードセルを設けたことを特徴とする往復圧縮機。

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