JP4801409B2 - 低温流体用昇圧ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、低温の流体を圧縮して昇圧させる低温流体用昇圧ポンプに関するものである。

従来、低温（０℃以下）の流体（例えば、水素）を圧縮して昇圧させる低温流体用昇圧ポンプとしては、ピストンヘッドにピストンリングを有するピストン式のものが知られている（たとえば、非特許文献１参照）。
遠藤拓也ほか著、「新エネルギー自動車」、山海堂、１９９５年１月、ｐ．２２１−２２２

また、このような低温流体用昇圧ポンプに用いられる吸入弁としては、シリンダ内の圧力が負圧（シリンダ内に供給される低温流体（圧縮される前の低温流体）の圧力よりも低い圧力）になると、シリンダ内の圧力とシリンダ内に供給される（大気圧状態の）低温流体の圧力との差によって開状態となるもの（例えば、逆止弁（あるいはチェック弁）のようなもの）が知られている。
しかしながら、このような吸入弁を具備した低温流体用昇圧ポンプでは、シリンダ内の圧力が、シリンダ内に供給される（大気圧状態の）低温流体の圧力よりも下がらないと吸入弁が開状態にならないため、ポンプ効率が低下してしまうといった問題点があった。
また、シリンダ内において低温流体がガス化してしまうと、シリンダ内の圧力がさらに高くなってしまい、吸入弁が開状態となるまでにさらなる時間を要し、ポンプ効率がさらに悪化してしまうといった問題点もあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ポンプ効率を向上させることができる低温流体用昇圧ポンプを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明による低温流体用昇圧ポンプは、外周面に複数本のリング溝が形成されたピストンと、前記リング溝内に配置される複数本のピストンリングと、これらピストンおよびピストンリングをその内部に形成されたシリンダ内に往復動可能に収容するシリンダブロックと、前記シリンダ内に吸入される０℃以下とされた低温流体の流路を開閉する弁体を備えた吸入弁とを具備した低温流体用昇圧ポンプであって、前記弁体を開方向に付勢するとともに、前記シリンダ内の圧力が大気圧と等しいかあるいはそれよりも若干高い状態において、前記弁体を開状態に維持する付勢部材が設けられており、前記ピストンリングのうち、少なくとも前記シリンダブロックの一端側の側面に設けられた流体流出口に最も近いピストンリングの合口が、前記流体流出口の側に常に位置するように構成されているとともに、前記シリンダブロックの他端側に、ガス流出口が設けられている。
このような低温流体用昇圧ポンプによれば、弁体が、付勢手段により常にシリンダ内への流路を開く方向（例えば、図１および図２において上方向）に付勢されており、付勢手段の付勢力が、この弁体に作用する力（流路を閉じようとする力）に打ち勝つと、流路が開放された状態となる。すなわち、吸入行程において、シリンダ内の圧力が大気圧と等しいかあるいはそれよりも若干高くても弁体が持ち上げられて、流路が開放されることとなる。そして、ピストンが上死点に向かって後退し、シリンダ内の圧力が大気圧よりも低くなると、シリンダ内に（大気圧状態の）低温流体が流入してくる。これにより、シリンダ内に流入する（供給される）低温流体の液量を増加させることができ、ポンプ効率を向上させることができる。
また、弁体は、付勢手段により常に開く方向（例えば、図１および図２において上方向）に付勢されているので、吸入行程において、シリンダ内の圧力が大気圧と等しいかあるいはそれよりも若干高くても弁体を確実に開方向に移動させることができて、流路を開放させることができる。したがって、シリンダ内に流入する（供給される）低温流体の圧力を上げることなく、シリンダ内への流路を開放することができ、装置の簡略化を図ることができ、製造コストの低減化を図ることができる。
さらに、このような低温流体用昇圧ポンプによれば、シリンダ内の死容積中でガス化してしまった低温流体を、各ピストンリングの合口を介してシリンダブロックの外部に排出させることができるので、つぎの（引き続き行われる）吸入行程において、この死容積部の影響を受けずに低温流体を流入させることができ、シリンダ内に流入する（供給される）低温流体の液量を増加させることができて、ポンプ効率をさらに向上させることができる。

上記低温流体用昇圧ポンプにおいて、前記ピストンリングの合口すべてが、前記シリンダブロックの側面に設けられた流体流出口の側に常に位置するように構成されているとさらに好適である。
このような低温流体用昇圧ポンプによれば、シリンダ内の死容積中でガス化してしまった低温流体を、各ピストンリングの合口を介してシリンダブロックの外部に排出させることができるので、つぎの（引き続き行われる）吸入行程において、この死容積部の影響を受けずに低温流体を流入させることができ、シリンダ内に流入する（供給される）低温流体の液量を増加させることができて、ポンプ効率をさらに向上させることができる。

本発明によれば、ポンプ効率を向上させることができるという効果を奏する。

以下、本発明による低温流体用昇圧ポンプの第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る低温流体用昇圧ポンプ１０は、ピストン１１と、ピストンロッド（図示せず）と、シリンダブロック１２と、吸入弁１３とを主たる要素として構成されたものである。
ピストン１１は、シリンダブロック１２の内部に形成されたシリンダ１２ａ内に往復動可能に収容された概略円筒状を呈する部材であり、その一端面（図１において下側の端面）により低温流体（例えば、液体水素、液体窒素、液体酸素、液化炭酸ガス、液化天然ガス、液化プロパンガス等）が圧縮され得るようになっている。
また、ピストン１１の外周面（すなわち、シリンダ１２ａの内周面（シリンダ壁）と対向する面）にはリング溝１１ａが形成されているとともに、このリング溝１１ａ内には、樹脂（例えば、ポリ４フッ化エチレン）からなるピストンリング１４が配置されている。

ピストンロッドは、断面視円形を呈する概略棒状の部材であり、その一端部は、ピストン１１の他端面中央部に連結されているとともに、その他端部は、図示しない動力伝達部に接続されている。
動力伝達部は、図示しない駆動源からの動力によりピストンロッドを、例えば、２ｍｍのストロークで上下方向に直線的に往復動させるものである。

シリンダブロック１２は、その内部に概略中空円筒状のシリンダ１２ａを有する部材である。シリンダブロック１２の一端（図１において下端）は開口部とされており、この開口部には、吸入弁１３が設けられている。一方、シリンダブロック１２の他端は、ピストンロッドが貫通する貫通穴（図示せず）を除いて閉塞部となっており、ピストンロッドと貫通穴との間には低温シール（図示せず）が設けられている。
また、シリンダブロック１２の側面（例えば、図１において右側の面）には、ピストン１１の一端面により圧縮された（１．３ＭＰａ程度に昇圧された）低温流体が流出する流体流出口１５が設けられており、流体流出口１５の下流側には、図示しない逆止弁（チェック弁）が設けられている。この逆止弁は、所定圧力（例えば、１．２ＭＰａ）以上の流体圧力が加わる（かかる）と開状態となり、流体圧力が所定圧力未満になると閉状態となるものである。

吸入弁１３は、弁体１６と、弁ケーシング１７とを主たる要素として構成されたものである。
弁体１６は、円柱形状のロッド１８と、ロッド１８の一端側に設けられ、ロッド１８から遠ざかるにつれて拡径する略円錐台形状のヘッド１９とを備えている。
ロッド１８の他端部（図１において下側の端部）には、その平坦な一端面がバネ受け面２０ａとされた拡径部２０が形成されている。
ヘッド１９の平坦な一端面（図１において上側の端面）１９ａは、ピストン１１の一端面により圧縮される低温流体が押し付けられる受圧面とされており、その側面には、周方向に沿ってシート面１９ｂが形成されている。

弁ケーシング１７は、図１に示すように、断面視略Ｔ字型を呈する部材であり、その外周部には、周方向に沿って複数個（例えば、８個（図２（ｃ）参照））の流体流入口１７ａが、板厚方向（図１において上下方向）に形成されている。また、弁ケーシング１７の一端面（図１において上側の端面）には、ヘッド１９のシート面１９ｂと合致する弁座１７ｂが形成されており、シート面１９ｂが弁座１７ｂ上に着座したときに、流体流入口１７ａの出口端のすべてが完全に閉塞されるようになっている。

弁ケーシング１７の他端面（図１において下側の端面）側の中央部には、ロッド１８の拡径部２０と、ロッド１８の軸部（拡径部２０以外の部分）を軸受け支持する滑り軸受２１と、弁体１６をピストン１１の側（図１において上側）に付勢するバネ（付勢部材）２２と、バネ受け２３とを収容する凹所１７ｃが形成されている。
滑り軸受２１は、ロッド１８の軸部外周面と、凹所１７ｃの内壁面との間に、これらロッド１８の軸部外周面および凹所１７ｃの内壁面の一部と接するように配置されている。また、滑り軸受２１の一端面（図１において下側の端面）は、拡径部２０の他端面と当接する受け面とされている。滑り軸受２１の一端面と、拡径部２０の他端面とは、弁体１６がバネ２２の力によってピストン１１の側に押圧されて、ピストン１１の側へ所定距離移動した場合に当接し、これにより、弁体１６のピストン１１の側への動きが拘束されるようになっている。そして、この滑り軸受２１は、シリンダ１２ａ内の低温流体が、凹所１７ｃ内に流入することを防止するシール部材としての役目も果たすものである。

凹所１７ｃの一端部（滑り軸受２１が配置されている側と反対側の端部）には、バネ受け２３が設けられて（嵌入されて）おり、拡径部２０のバネ受け面２０ａと、バネ受け２３の一端面（図１において上側の端面）との間には、バネ２２が配置されている。バネ２２は、前述したように弁体１６をピストン１１の側に付勢するものである。そのため、ヘッド１９の一端面１９ａに作用する力（弁体１６をバネ２２の側へ押圧する力）が、バネ２２の力よりも小さいときには、図１（ａ）の状態をとることとなる。そして、バネ２２の力が、ヘッド１９の一端面１９ａに作用する力に対して、完全に抗することができなくなる（打ち勝つことができなくなる）と、流体流入口１７ａの出口端のすべてが完全に閉塞され、図１（ｂ）の状態をとることとなる。

以上の構成により、本実施形態による低温流体用昇圧ポンプ１０では、吸入工程において弁体１６がバネ２２の付勢力によりピストン１１の側に押圧され、シート面１９ｂが弁座１７ｂから離れることにより流体流入口１７ａの出口端のすべてが開放されて、大気圧状態の低温流体がシリンダ１２ａ内に流入するようになっている（図１（ａ）参照）。
また、圧縮行程においては、ピストン１１の一端面により圧縮される低温流体がヘッド１９の一端面１９ａに作用し、この力がバネ２２の付勢力に打ち勝つようになると弁体１６が徐々に弁ケーシング１７の側に押圧されていき、シート面１９ｂが弁座１７ｂ上に着座して、流体流入口１７ａの出口端のすべてが完全に閉塞される。その後、さらにピストン１１がヘッド１９の側に移動していくことにより、ピストン１１の一端面とヘッド１９の一端面１９ａとの間で低温流体がさらに圧縮されて、低温流体が所望の圧力（例えば、１．３ＭＰａ程度）に加圧（昇圧）されると、加圧された低温流体が流体流出口１５からシリンダブロック１２の外部に導き出されるようになっている。

本実施形態による低温流体用昇圧ポンプ１０によれば、弁体１６は、バネ２２により常に開く方向（図１において上方向）に付勢されており、バネ２２の付勢力がヘッド１９の一端面１９ａに作用する力に打ち勝つと、流体流入口１７ａの出口端のすべてが開放された状態となる。すなわち、吸入行程において、シリンダ１２ａ内の圧力が大気圧と等しいかあるいはそれよりも若干高くても弁体１６が持ち上げられて、流体流入口１７ａの出口端のすべてが開放されることとなる。そして、ピストン１１が上死点に向かって後退し、シリンダ１２ａ内の圧力が大気圧よりも低くなると、シリンダ１２ａ内に（大気圧状態の）低温流体が流入してくる。これにより、シリンダ１２ａ内に流入する（供給される）低温流体の液量を増加させることができ、ポンプ効率を向上させることができる。
また、弁体１６は、バネ２２により常に開く方向（図１において上方向）に付勢されているので、吸入行程において、シリンダ１２ａ内の圧力が大気圧と等しいかあるいはそれよりも若干高くても弁体１６を確実に開方向に移動させることができて、流体流入口１７ａの出口端のすべてを開放させることができる。したがって、シリンダ１２ａ内に流入する（供給される）低温流体の圧力を上げることなく、流体流入口１７ａを開放することができ、装置の簡略化を図ることができ、製造コストの低減化を図ることができる。

本発明による低温流体用昇圧ポンプの第２実施形態を、図２を用いて説明する。
本実施形態における低温流体用昇圧ポンプ３０は、吸入弁１３の代わりに、吸入弁３１が設けられているという点で前述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

吸入弁３１は、弁体３２と、弁ケーシング３３とを主たる要素として構成されたものである。
弁体３２は、中央部に平面視円形状の開口部３２ａを有する輪状（ドーナツ状）の板状部材（図２（ｃ）参照）であり、シリンダブロック１２の一端部（図２において下側の端部）に形成された凹所１２ｂ内に収められているとともに、この凹所１２ｂ内において、シリンダブロック１２の長手方向（図２において上下方向）に沿って摺動自在となっている。
弁体３２の一端面（図２において上側の端面）３２ｂは、ピストン１１の一端面により圧縮される低温流体が押し付けられる受圧面とされており、その他端面（図２において下側の端面）３２ｃは、シート面兼バネ受け面となっている。

弁ケーシング３３は、図１に示すように、断面視略凸型を呈する部材であり、その外周部には、周方向に沿って複数個（例えば、８個（図２（ｃ）参照））の流体流入口３３ａが、板厚方向（図２において上下方向）に形成されている。また、弁ケーシング３３の一端面（図２において上側の端面）には、弁体３２のシート面（他端面）３２ｃと合致する弁座３３ｂが形成されており、シート面３２ｃが弁座３３ｂ上に着座したときに、流体流入口３３ａの出口端のすべてが完全に閉塞されるようになっている。

また、流体流入口３３ａの入口側（弁ケーシング３３の他端面側（図２において下側の端面側）には、バネ受け３４が設けられて（嵌入されて）おり、弁体３２のバネ受け面（他端面）３２ｃと、バネ受け３４の一端面（図２において上側の端面）との間には、バネ（付勢部材）３５が配置されている。バネ３５は、弁体３２をピストン１１の側に付勢するものである。そのため、弁体３２の一端面３２ｂに作用する力（弁体３２をバネ３５の側へ押圧する力）が、バネ３５の力よりも小さいときには、図２（ａ）の状態をとることとなる。そして、バネ３５の力が、弁体３２の一端面３２ｂに作用する力に対して、完全に抗することができなくなる（打ち勝つことができなくなる）と、流体流入口３３ａの出口端のすべてが完全に閉塞され、図２（ｂ）の状態をとることとなる。なお、弁体３２の一端面３２ｂに作用する力は、開口部３２ａの内径を変更して、弁体３２の受圧面（一端面）３２ｂの面積を変えることにより、容易に調整することができる。

以上の構成により、本実施形態による低温流体用昇圧ポンプ３０では、吸入工程において弁体３２がバネ３５の付勢力によりピストン１１の側に押圧され、シート面３２ｃが弁座３３ｂから離れることにより流体流入口３３ａの出口端のすべてが開放されて、大気圧状態の低温流体がシリンダ１２ａ内に流入するようになっている（図２（ａ）参照）。
また、圧縮行程においては、ピストン１１の一端面により圧縮される低温流体が弁体３２の一端面３２ｂに作用し、この力がバネ３５の付勢力に打ち勝つようになると弁体３２が徐々に弁ケーシング３３の側に押圧されていき、シート面３２ｃが弁座３３ｂ上に着座して、流体流入口３３ａの出口端のすべてが完全に閉塞される。その後、さらにピストン１１が弁体３２の側に移動していくことにより、ピストン１１の一端面と弁体３２の一端面３２ｂとの間で低温流体がさらに圧縮されて、低温流体が所望の圧力（例えば、１．３ＭＰａ程度）に加圧（昇圧）されると、加圧された低温流体が流体流出口１５からシリンダブロック１２の外部に導き出されるようになっている。

本実施形態による低温流体用昇圧ポンプ３０の作用効果は、前述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明による低温流体用昇圧ポンプの第３実施形態を、図３を用いて説明する。
本実施形態における低温流体用昇圧ポンプ４０は、各ピストンリングの合口４２ｂが、常に流体流出口１５の側に位置するように構成されているという点で前述した第１実施形態および第２実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、図３には、第２実施形態のところで説明した低温流体用昇圧ポンプと同様の構成を有する低温流体用昇圧ポンプを示しており、前述した第１実施形態および第２実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

図３（ｂ）に示すように、水平面内において流体流出口１５と反対の側に位置するピストン４１の各リング溝４１ａ内には、長手方向（図３（ａ）において上下方向）に沿って凸部４１ｂが形成されている。
また、リング溝４１ａ内に収められる各ピストンリング４２の、凸部４１ｂと対向する内周面（すなわち、水平面内において流体流出口１５と反対の側に位置する内周面）には、凸部４１ｂに向かって凸部４２ａが形成されている。
ピストン４１とピストンリング４２との間には、バックアップリング４３がそれぞれ収められている。バックアップリング４３は、水平面内において流体流出口１５と反対の側に合口を有する（すなわち、ピストンリング４２の合口４２ｂと反対の側に合口を有する）リング状の部材であり、合口の一端面と他端面との間に、リング溝４１ａ内に形成された凸部４１ｂおよびピストンリング４２の凸部４２ａが位置し、ピストンリング４２がピストン４２およびバックアップリング４３に対して回転しないように（すなわち、各ピストンリング４２の合口４２ｂが、常に流体流出口１５の側に位置するように）なっている。

本実施形態による低温流体用昇圧ポンプ４０によれば、各ピストンリング４２の合口４２ｂが、常に流体流出口１５の側に位置するように構成されており、シリンダ１２ａ内の死容積中でガス化してしまった低温流体が、これらピストンリング４２の合口４２ｂを介してシリンダブロック１２の他端側に向かって導かれた後、図示しないガス流出口からシリンダブロック１２の外部に導き出されることとなる。
このように、本実施形態による低温流体用昇圧ポンプ４０では、シリンダ１２ａ内の死容積中でガス化してしまった低温流体を各ピストンリング４２の合口４２ｂを介してシリンダブロック１２の外部に排出させることができるので、つぎの（引き続き行われる）吸入行程において、この死容積中にも低温流体を流入させることができ、シリンダ１２ａ内に流入する（供給される）低温流体の液量を増加させることができて、ポンプ効率をさらに向上させることができる。
その他の作用効果は、前述した第１実施形態および第２実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

なお、本発明は上述した実施形態のものに限定されるものではなく、適宜必要に応じて変形実施することができる。例えば、第３実施形態のところで説明したピストンリング４２は、必ずしもすべてのピストンリング４２の合口４２ｂが流体流出口１５の側に向くように構成されている必要はなく、少なくとも最も流体流出口１５に近い（図３において最も下側に位置する）ピストンリング４２の合口４２ｂのみが流体流出口１５の側に向くように構成されていればよい。
また、弁体１６，３２の開閉のタイミングやシリンダ内に流入する低温流体の量は、バネ２２，３５のバネ力（付勢力）を調整することで容易に変更することができる。

本発明による低温流体用昇圧ポンプの第１実施形態を示す要部概略縦断面図であって、（ａ）はピストンが上死点の位置にある状態を示す図であり、（ｂ）はピストンが下死点の位置にある状態を示す図である。 本発明による低温流体用昇圧ポンプの第２実施形態を示す図であって、（ａ）はピストンが上死点の位置にある状態を示す要部概略縦断面図、（ｂ）はピストンが下死点の位置にある状態を示す要部概略縦断面図、（ｃ）は吸入弁の要部分解斜視図である。 本発明による低温流体用昇圧ポンプの第３実施形態を示す図であって、（ａ）はピストンが下死点の位置にある状態を示す要部概略縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。

１０ 低温流体用昇圧ポンプ
１１ ピストン
１１ａ リング溝
１２ シリンダ
１２ａ シリンダブロック
１３ 吸入弁
１４ ピストンリング
１５ 流体流出口
１６ 弁体
２２ バネ（付勢部材）
３０ 低温流体用昇圧ポンプ
３１ 吸入弁
３２ 弁体
３５ バネ（付勢部材）
４０ 低温流体用昇圧ポンプ
４１ ピストン
４１ａ リング溝
４２ ピストンリング
４２ｂ 合口

Claims (2)

1. 外周面に複数本のリング溝が形成されたピストンと、前記リング溝内に配置される複数本のピストンリングと、これらピストンおよびピストンリングをその内部に形成されたシリンダ内に往復動可能に収容するシリンダブロックと、前記シリンダ内に吸入される０℃以下とされた低温流体の流路を開閉する弁体を備えた吸入弁とを具備した低温流体用昇圧ポンプであって、
   前記弁体を開方向に付勢するとともに、前記シリンダ内の圧力が大気圧と等しいかあるいはそれよりも若干高い状態において、前記弁体を開状態に維持する付勢部材が設けられており、
   前記ピストンリングのうち、少なくとも前記シリンダブロックの一端側の側面に設けられた流体流出口に最も近いピストンリングの合口が、前記流体流出口の側に常に位置するように構成されているとともに、
   前記シリンダブロックの他端側に、ガス流出口が設けられていることを特徴とする低温流体用昇圧ポンプ。
2. 前記ピストンリングの合口すべてが、前記シリンダブロックの側面に設けられた流体流出口の側に常に位置するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の低温流体用昇圧ポンプ。

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