JP5039798B2 - 往復動圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンの往復運動によりシリンダ内の容積を変化させて気体を圧縮する往復動圧縮機に関する。

往復動圧縮機は、シリンダと該シリンダ内に取り入れられた気体を圧縮するピストンとを有する気体圧縮部と、ピストンを駆動するためのピストン駆動部と、を備える。

また、気体圧縮部には吸気管と吐出し管とが接続されており、吸気管からシリンダの内部へ送られた気体がピストンによって圧縮され、圧縮された状態の気体がシリンダから吐出し管へ送られるようになっている。

往復動圧縮機では、吸入される気体の温度や圧縮による気体の温度上昇によって、気体圧縮部の温度が変化する。気体圧縮部の温度の変化に伴い、気体圧縮部とピストン駆動部との間で熱の移動が行われてピストン駆動部に温度の変化が生じる。これによって、ピストンロッドや各摺動部に使われている軸受などに歪が発生すると、ピストンロッドや各摺動部に使われている軸受の寿命低下や破損などを引き起こす虞がある。

そこで、一般的な往復動圧縮機には、特許文献１に開示されているようなシリンダ冷却用ジャケットが設けられており、このジャケットに冷媒を通すことでシリンダを一定温度に保っている。

一方、気体圧縮部とピストン駆動部との間における熱の移動を遮断する熱遮断部が設けられた往復動圧縮機も提案されている。水などの熱媒体を熱遮断部に流し、気体圧縮部の熱を熱媒体に移動させて、さらに該熱を往復動圧縮機の外部へ逃がす。気体圧縮部の熱を往復動圧縮機の外部へ逃がすことによって、気体圧縮部の熱がピストン駆動部に伝わることを抑制できるため、ピストンロッドや各摺動部に使われている軸受における歪が殆ど発生せず、往復動圧縮機を長時間運転させることが可能となる。

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しかしながら、上記のように熱媒体を用いて気体圧縮部の熱を往復動圧縮機の外部へ移動させるためには、熱媒体を循環させる熱媒体循環機構を必要とする場合が多い。

特に、気体圧縮部へ吸入される気体の温度が−２０℃以下の低温、または５０℃以上の高温の場合には、水の凍結または沸騰の危険性が考えられる。そのため、水よりも凝固点が低く且つ沸点が高いエチレングリコールや工業用油などの熱媒体が用いられる。熱媒体としてエチレングリコールや工業用油などが用いられる場合には、熱媒体循環機構が必須となる。

具体的な熱媒体循環機構としては、図３に示すような、熱媒体用温調装置２４、熱媒体用タンク２５、熱媒体用ポンプ２６及び熱媒体用フィルタ２７を有するものが知られている。熱媒体循環機構２８を設けているために、往復動圧縮機の構造が複雑になるだけでなく、熱媒体循環機構２８を構成する機器のコストや設置場所が必要になるという課題があった。

そこで、本発明は、熱媒体を循環させて気体圧縮部とピストン駆動部との間の熱の移動を遮断する往復動圧縮機において、往復動圧縮機の構造が簡略化できると共にコスト低減と設置場所の削減が可能な往復動圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、シリンダと該シリンダの内部に取り入れられた気体を圧縮するピストンとを有する気体圧縮部と、ピストンを駆動するためのピストン駆動部と、気体圧縮部とピストン駆動部との間に配置され、気体圧縮部の熱がピストン駆動部へ伝わるのを防ぐ熱遮断部と、を備える。ピストン駆動部は、潤滑油が熱遮断部と各摺動部に使われている軸受とをこの順に通って循環する循環経路を構成する潤滑油循環機構を有し、熱遮断部は、循環経路の一部であることを特徴とする。

本発明によれば、熱媒体を循環させて気体圧縮部とピストン駆動部との間の熱の移動を遮断する往復動圧縮機において、熱媒体循環機構を構成する機器が不要となり、往復動圧縮機の構造が簡略化できると共にコスト低減と設置場所の削減が可能となる。

本発明における往復動圧縮機の概略図である。 本発明における往復動圧縮機の断面図である。 従来における往復動圧縮機の概略図である。

以下、この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態における往復動圧縮機の概略図であり、図２は、図１に示す往復動圧縮機をＡ−Ａ面で切断したときの断面図である。

図１に示すように、往復動圧縮機は、気体圧縮部１と、ピストン駆動部２と、を備えている。また、気体圧縮部１とピストン駆動部２との間には、気体圧縮部１とピストン駆動部２との間の熱の移動を遮断する熱遮断部３が配置されている。

図２に示すように、気体圧縮部１には、シリンダ４と、シリンダ４の内部に取り入れられた気体を圧縮するピストン８と、が設けられている。また、シリンダ４の内部には、気体の圧縮が行われる圧縮室５が区画されている。圧縮室５の内部にピストン８が設けられており、ピストン８によって圧縮室５が第１の圧縮室５ａと第２の圧縮室５ｂと分けられている。

ピストン８が移動を行うことにより、第１の圧縮室５ａ及び第２の圧縮室５ｂの圧縮を交互に行い、気体を圧縮する。本実施形態においては、ピストン８として、ピストンリングや潤滑油を用いなくても気密性が確保されるラビリンスピストンを用いている。ラビリンスピストンを用いることによって、潤滑油を含まない圧縮された気体が得られる。

さらに、気体圧縮部１には、圧縮室５を挟んで吸気室６と吐出し室７とが区画されている。吸気室６と第１の圧縮室５ａとの間には第１の吸入弁６ａが設けられており、吸気室６と第２の圧縮室５ｂとの間には第２の吸入弁６ｂが設けられている。吐出し室７と第１の圧縮室５ａとの間には第１の吐出し弁７ａが設けられており、吐出し室７と第２の圧縮室５ｂとの間には第２の吐出し弁７ｂが設けられている。

吸入弁６ａ、６ｂ及び吐出し弁７ａ、７ｂは、気体の差圧により受動的に作動する逆止弁となっている。それぞれ、吸気室６と圧縮室５、または圧縮室５と吐出し室７の圧力差により、吸入弁６ａ、６ｂは、吸気室６から圧縮室５の方向へのみ、吐出し弁７ａ、７ｂは、圧縮室５から吐出し室７の方向へのみ、該気体が流れるように、各弁内にあるガス通路が開閉される。

吸気室６及び吐出し室７には、不図示の吸気管及び吐出し管が接続されている。気体が吸気管から吸気室６へ送られ、吸気室６と圧縮室５との差圧により、第１の吸入弁６ａまたは第２の吸入弁６ｂが開き、該気体が第１の圧縮室５ａまたは第２の圧縮室５ｂへ移動する。また、圧縮後は圧縮室５と吐出し室７との差圧により、第１の吐出し弁７ａまたは第２の吐出し弁７ｂが開き、該気体が吐出し室７へ移動され、さらに吐出し管へと送られるようになっている。

ピストン駆動部２には、クロスヘッド９が、クロスヘッドガイド１６によって往復運動が可能に設けられている。また、クロスヘッド９とピストン８とが、熱遮断部３を上下に貫通するピストンロッド１４を介して接続されており、クロスヘッド９の往復運動に伴いピストン８も往復運動を行う。

クロスヘッド９の下方にはクランク軸１０が設けられており、クロスヘッド９とクランク軸１０とが連接棒１１を用いて連結されている。なお、クロスヘッド９と連接棒１１とがクロスヘッドピン１３によって揺動可能に連結されており、連接棒１１とクランク軸１０とがクランクピン軸受１２によって揺動可能に連結されている。

図１に示すように、クランク軸１０は、クロスヘッド９の往復運動の方向に対して垂直な方向（図１における水平方向）に、ピストン駆動部２を貫通するように設けられている。クランク軸１０の一端は、ピストン駆動部２の外部に設けられたモータなどの回転駆動源１７に接続されている。

回転駆動源１７が駆動することによって、クランク軸１０が回転する。クランク軸１０は、連接棒１１に連結されている位置において、回転駆動源１７の回転軸に対して偏心している。したがって、連接棒１１に連結されている位置におけるクランク軸１０の中心１０ａ（クランクピン中心：図２参照）が、クランク軸１０の回転に伴って図２に示す一点鎖線に沿って移動し、クロスヘッド９が往復運動を行う。

つまり、往復動圧縮機のピストン駆動部２は、回転駆動源１７によって得られる回転運動をクロスヘッド９、クランク軸１０及び連接棒１１によって往復運動に変換する。

ここで、往復動圧縮機の潤滑油１８の循環を行う潤滑油循環機構２３について説明する。図１に示すように、潤滑油循環機構２３として、潤滑油１８を送るためのギアポンプ２０と、潤滑油１８の温度を調整するための温調装置２１と、潤滑油１８に混入するごみや不純物を取り除くためのフィルタ２２が設けられている。このとき、温調装置２１としては、熱遮断部での熱の授受量によっては、従来の往復動圧縮機にて使用されている水冷式クーラを用いる場合もある。

ギアポンプ２０は、クランク軸１０の回転駆動源１７が接続されている端部とは反対の端部に個設されている。ピストン駆動部２の下部には潤滑油１８を貯留するための油槽１９が設けられおり、ギアポンプ２０から油槽１９にかけて配管２９が設けられている。

ギアポンプ２０から熱遮断部３にかけて配管３０が設けられている。熱遮断部３は、図２に示すように、内部が空洞で潤滑油１８を流すことが可能な構造となっており、潤滑油循環機構２３の循環経路の一部となっている。

また、図１に示すように、熱遮断部３と温調装置２１とが配管３１で接続されており、温調装置２１とフィルタ２２とが配管３２で接続されている。

さらに、配管３２を用いて、各摺動部にて使われている軸受に潤滑油１８を供給できるようになっている。

その後、潤滑油１８は各摺動部にて使われている軸受から滴下し、油槽１９に再度貯留される。つまり、潤滑油１８の循環経路は、油槽１９、ギアポンプ２０、熱遮断部３、温調装置２１、フィルタ２２、及び各摺動部にて使われている軸受をこの順番に通るように構成されている。

次に、本発明の往復動圧縮機の動作について説明する。

図１に示す回転駆動源１７を駆動することにより、クランク軸１０が回転し、図２に示すクロスヘッド９及びピストン８の往復運動を開始する。ピストン８が往復運動をすることにより、圧縮室５の圧縮や膨張が行われる。

ピストン８が圧縮室５の上方にある状態では、第１の吸入弁６ａ内のガス通路は開かれており、第２の吸入弁６ｂ、第１の吐出し弁７ａ、第２の吐出し弁７ｂのガス通路は閉じられている。ピストン８が下方に移動すると、第２の圧縮室５ｂにある気体が圧縮され、また、第１の圧縮室５ａの膨張に伴って吸気室６から第１の圧縮室５ａに気体が移動する。

ピストン８が下方に移動したところで、第２の吐出し弁７ｂのガス通路が開き、第２の圧縮室５ｂにある圧縮された気体が吐出し室７に移動する。その後、第１の吸入弁６ａ及び第２の吐出し弁７ｂのガス通路が閉じ、第２の吸入弁６ｂのガス通路が開く。

次に、ピストン８が下方から上方に移動すると、第１の圧縮室５ａにある気体が圧縮され、また、第２の圧縮室５ｂの膨張に伴って吸気室６から第２の圧縮室５ｂに気体が移動する。

ピストン８が上方に移動したところで、第１の吐出し弁７ａのガス通路が開き、第１の圧縮室５ａにある圧縮された気体が吐出し室７に移動する。その後、第２の吸入弁６ｂ及び第１の吐出し弁７ａのガス通路が閉じ、第１の吸入弁６ａのガス通路が開き、最初の状態に戻る。ピストン８の往復運動と、第１の吸入弁６ａ、第２の吸入弁６ｂ、第１の吐出し弁７ａ及び第２の吐出し弁７ｂのガス通路の開閉動作と、を繰り返すことによって、吸気管から送られる気体が、圧縮された状態で吐出し管へと移動する。

このとき、気体圧縮部１に吸気される気体の温度や、ピストン８の気体への圧縮により、気体圧縮部１は温度が変化する。吸気される気体の温度が低温で、該気体が圧縮されても、気体圧縮部１の元の温度よりも低い場合には、気体圧縮部１の温度は低下する。逆に、圧縮された後の気体の温度が気体圧縮部１の元の温度よりも高い場合には、気体圧縮部１の温度は上昇する。

また、気体圧縮部１における気体の圧縮と同時に、潤滑油１８の循環が行われる。すなわち、回転駆動源１７（図１）の駆動により、クランク軸１０の回転し、さらにギアポンプ２０が駆動する。ギアポンプ２０の駆動により、ギアポンプ２０が油槽１９から潤滑油１８を吸い上げ、さらにギアポンプ２０は潤滑油１８を熱遮断部３に送る。

熱遮断部３に送られた潤滑油１８は、熱遮断部３を介して気体圧縮部１との熱の授受を行う。つまり、気体圧縮部１の温度が低下していれば、潤滑油１８の熱を気体圧縮部１に与え、また気体圧縮部１の温度が上昇していれば、気体圧縮部１から熱を奪う。したがって、気体圧縮部１の温度の変化がピストン駆動部２に殆ど伝わることはない。

熱遮断部３を通過した潤滑油１８は、温調装置２１に送られる。気体圧縮部１との熱の授受によって温度が低下または上昇した潤滑油１８は、温調装置２１によって所定の温度、例えば３０℃〜５０℃程度に戻される。その後、潤滑油１８はフィルタ２２に送られ、潤滑油１８中のごみや不純物が取り除かれ、各摺動部に使われている軸受へ送られる。

潤滑油１８によって、ピストンロッド１４と各摺動部に使われている軸受との間における摺動摩擦が軽減される。その後、潤滑油１８は各摺動部に使われている軸受から滴下し、油槽１９に再度貯留される。したがって、潤滑油１８が往復動圧縮機を循環することができる。

本発明によれば、熱遮断部３に熱媒体を循環させるために従来技術では必要であった熱媒体循環機構、すなわちタンク、ポンプ、温調装置、フィルタなどの機器を、潤滑油循環機構に一本化することができる。したがって、往復動圧縮機の構造が簡略化できると共にコスト低減と設置場所の削減が可能となる。

また、熱遮断部３を通過した潤滑油１８が各摺動部に使われている軸受へ送られる前に温調装置２１で潤滑油１８の温度を調整されることによって、各摺動部に使われている軸受に供給される潤滑油１８の温度を所望の温度にする。このため、各摺動部に使われている軸受の温度変化が小さくなり、結果、各摺動部に使われている軸受の歪が生じにくくなるので、各摺動部に使われている軸受の寿命低下や破損が抑制される。

さらに、潤滑油１８が熱遮断部３を通過した際に、仮にごみや不純物が潤滑油に混入することがあっても、本実施形態では、潤滑油１８が各摺動部に使われている軸受に送られる前にフィルタ２２によってごみや不純物が取り除かれる。したがって、潤滑油１８が各摺動部に使われている軸受に送られるときにはごみや不純物がフィルタ２２によって取り除かれているため、各摺動部に使われている軸受へのごみや不純物の噛み込みを抑制することができる。

１ 気体圧縮部
２ ピストン駆動部
３ 熱遮断部
４ シリンダ
５ 圧力室
６ 吸気室
７ 吐出し室
８ ピストン
９ クロスヘッド
１０ クランク軸
１１ 連接棒
１２ クランクピン軸受
１３ クロスヘッドピン
１４ ピストンロッド
１５ ピストンロッド案内軸受
１６ クロスヘッドガイド
１７ 回転駆動源
１８ 潤滑油
１９ 油槽
２０ ギアポンプ
２１ 温調装置
２２ フィルタ
２３ 潤滑油循環機構

Claims (2)

1. シリンダと該シリンダの内部に取り入れられた気体を圧縮するピストンとを有する気体圧縮部と、
   前記ピストンを駆動するためのピストン駆動部と、
   前記気体圧縮部と前記ピストン駆動部との間に配置され、前記気体圧縮部の熱が前記ピストン駆動部へ伝わるのを防ぐ熱遮断部と、を備えた往復動圧縮機において、
   前記ピストン駆動部は、潤滑油が前記熱遮断部と各摺動部に使われている軸受とをこの順に通って循環する循環経路を構成する潤滑油循環機構を有し、
   前記熱遮断部は、前記循環経路の一部であることを特徴とする往復動圧縮機。
2. 前記循環経路の、前記熱遮断部と前記各摺動部に使われている軸受との間には、前記潤滑油の温度を調整する温調装置と前記潤滑油に含まれるごみを取り除くフィルタとをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の往復動圧縮機。

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