JP5209570B2 - 往復動圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、往復動圧縮機に関するもので、特に発電式振動低減装置を備えた往復動圧縮機に関する。

台盤上に往復動方式の圧縮部を配設した往復動圧縮機が知られている。

このような往復動圧縮機においては、往復動方式の各段圧縮部の駆動により不釣合慣性力（交番荷重）が発生し、この不釣合慣性力により台盤が振動するため、台盤は複数の弾性支持部材（ばね部材）を介して建屋床部に支持され、台盤の両端部と建屋床部とは、複数のダンパーを介して連結されている（特許文献１）。

また特許文献２に記載された発電プラントの制振機構を参照すれば、台盤の振動が各段圧縮部に影響を与えないように、台盤の内部を縦方向に延びる壁と横方向に延びる壁で仕切った格子構造に構成し、格子にバネ要素、質量要素、減衰要素などの動吸振器や吸振ゴムブロックによる制振機構を設け、上記台盤をいわゆる防振ベッドとしたものが考えられる（特許文献２）。

特許第４０２９２２７号公報 特開２００７−１６５９９号公報

ところで、特許文献１に記載された発明の制振機構（弾性支持部材、ダンパー）は、往復動方式の圧縮部と建屋床部との間の相対的な振動を、制振機構の弾性変形によって吸収し、伝わり難くするものであり、制振作用のみを解消するようにしているだけで、振動のエネルギーを有効に利用することを考慮していなかった。

また、特許文献２に記載された発電プラントの制振機構は、コストアップにつながり、しかも特許文献１に記載された発明と同様に制振作用のみを解消するようにしているだけで、振動のエネルギーを有効に利用することを考慮していなかった。

そこで、本発明の目的は、往復動式の圧縮部から生じる振動源と設置対象部である建屋床部との間の振動エネルギーを、電気エネルギーとして有効に利用すると共に振動エネルギーを減衰させ、省エネ効果が得られつつ防振効果も得られる往復動圧縮機を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、往復動式の圧縮部が取り付けられた台盤を振動吸収用の弾性支持部材を介して建屋床部に設置した往復動圧縮機であって、前記弾性支持部材の上端と前記台盤との間に圧力や振動を電圧に変換する上部圧電体を介設し、前記弾性支持部材の下端と前記建屋床部との間に圧力や振動を電圧に変換する下部圧電体を介設したことを特徴とする。

上記構成によれば、台盤が振動することによって、弾性支持部材の上端と台盤との間に介設した圧電体と、弾性支持部材の下端と建屋床部との間に介設した圧電体とに外力を作用させて電気エネルギーとして取り出すことができる。そして、前記圧電素子によって振動エネルギーを電気エネルギーに変換するに伴って、振動エネルギーを低減することが可能となる。

前記上部圧電体は、前記台盤の下面に接する板部材と、前記弾性支持部材の上端に接する板部材と、これら板部材の間に介設された弾性部材と、該弾性部材に埋設された圧電素子とからなり、前記下部圧電体は、前記弾性支持部材の下端に接する板部材と、前記建屋床部に接する板部材と、これら板部材の間に介設された弾性部材と、該弾性部材に埋設された圧電素子とからなるものであってよい。

また前記圧電体は、前記圧電素子の過剰な変形を防止するために、前記板部材同士の近接を制限するストッパ部材を有するのが好ましい。

また前記往復動式の圧縮部の吸入口フィルタ装置が、前記圧縮部の駆動に伴う吸気圧力の変動により振動する振動部材を有し、該振動部材に圧力や振動を電圧に変換する圧電体を設けてもよい。

本発明によれば、往復動式の圧縮部から生じる振動源と設置対象部である建屋床部との間の振動エネルギーを、電気エネルギーとして有効に利用すると共に振動エネルギーを減衰させ、省エネ効果が得られつつ防振効果も得られる往復動圧縮機を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る往復動圧縮機を示す正面図である。 図２は、図１の左側面図である。 図３は、図１に示す台盤と建屋床部との間に設けられる弾性支持部材及び圧電体を示す概略図である。 図４は、圧電体の一例を示す断面図である。 図５は、圧電体の作用を示すブロック図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る往復動圧縮機の吸入口フィルタ装置を一部分解し、底板と遮蔽板に圧電体を取り付けた状態を示す概略図である。 図７は、図６の底板に圧電素子を埋設した状態を示す概略図である。

本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１及び図２に示すように、本発明にかかる往復動圧縮機１は、台盤３上に往復動式の圧縮部２０〜２２が取り付けられ、台盤３と建屋床部６との間に複数の弾性支持部材（コイルスプリング等のばね部材）３０を介して支持され、また台盤３の両端部と建屋床部６との間に複数のダンパー３１を介して連結されている。往復動式の圧縮部２０〜２２は、第１段圧縮部２０ａ，２０ｂ、第２段圧縮部２１、第３段圧縮部２２で構成されている。

圧縮機フレーム１０に、外部から空気を導入するための吸入口フィルタ装置１１ａ，１１ｂが併設され、各吸入口フィルタ装置１１ａ，１１ｂの流出口１２にそれぞれ第１段圧縮部２０ａ，２０ｂが接続され、空気の流れに沿って低圧側から順に第２段圧縮部２１、第３段圧縮部２２が直列に接続されている。また第１段圧縮部２０ａ，２０ｂと第２段圧縮機２１の間に第１段インタークーラ２５が接続され、第２段圧縮部２１と第３段圧縮部２２の間に第２段インタークーラ２６が接続され、第３段圧縮部２２の下流側に吐出口２３が設けられ、圧縮した空気を生成するようになっている。

圧縮機フレーム１０の中心にモータ１９の回転運動を往復運動に変換するクランク機構１８が設けられ、クランク機構１８に各段圧縮部２０ａ，２０ｂ，２１，２２がＸ形に連結されている。各段圧縮部２０ａ，２０ｂ，２１，２２には、それぞれ空気を加圧するためのシリンダ・ピストン機構（図示せず）を有している。

なお、各段インタークーラ２５，２６は、内部に常温の工業用水が流されて空気を冷却するようになっており、さらに冷却した空気をドレンセパレータ（気液分離容器）２８，２９により気液分離し、集めたドレンをドレン排出システム（図示せず）で往復動圧縮機１の外に排出する。

各段圧縮部２０ａ，２０ｂ，２１，２２、各段インタークーラ２５，２６、圧縮機フレーム１０等が載置された台盤３は、例えばＨ型鋼やチャンネル鋼を所要の形状に組み上げて構成されている。

本発明の特徴は、台盤３が振動する振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、これによって電気エネルギーを有効に利用し、振動エネルギーを減衰させることにある。

このため、本発明は、図３に示すように弾性支持部材３０の上端と台盤３との間に板部材４０，４１を介して圧力や振動を電圧に変換する上部圧電体４を介設し、また弾性支持部材３０の下端と建屋床部６との間にも板部材４０ａ，４１ａを介して圧力や振動を電圧に変換する下部圧電体４ａを介設している。

上部圧電体４は、例えば図３及び図４に示すように台盤３の下面に接して取り付けた板部材４０と、弾性支持部材３０の上端に接するように取り付けた板部材４１との間に弾性部材４２を収容し、この弾性部材４２に多数の圧電素子４３を埋設して構成される。

同様に下部圧電体４ａも、弾性支持部材３０の下端に接する板部材４１ａと、建屋床部６上面に接する板部材４０ａと、これら板部材４０ａ，４１ａの間に弾性部材４２ａを収容し、この弾性部材４２ａに多数の圧電素子４３ａを埋設して構成される。

弾性部材４２，４２ａは、天然ゴムや合成ゴム等さまざまなものを採用することができ、弾性変形が自在で、台盤３と建屋床部６との間に作用する振動を、圧電素子４３，４３ａに押圧力として作用するように構成されている。

圧電素子４３（４３ａ）は、外部から加えられた力を電圧に変換するピエゾ素子などの受動素子で、外力によって圧電素子４３（４３ａ）が圧縮変形、又は、撓み変形した際に、電荷が発生する圧電効果を利用したものである。

圧電素子４３（４３ａ）の構造としては、薄手の受動素子本体と金属板を貼り合わせて円形又は楕円形に形成したものや、２枚の受動素子本体を貼り合わせたものや、多数の受動素子本体を積層したものなど各種公知のものが考えられる。

このような圧電素子４３（４３ａ）を弾性部材４２（４２ａ）に埋設し、弾性部材４２（４２ａ）を上下から板部材４０（４０ａ），４１（４１ａ）で挟んで圧電体４（４ａ）を構成する。この圧電体４（４ａ）を台盤３の下面と弾性支持部材３０の上端との間に介設し、また弾性支持部材３０の下端と建屋床部６上面との間にも介設し、各段圧縮部２０ａ，２０ｂ，２１，２２等から繰り返し加えられる交番荷重による垂直方向の押圧力によって圧電素子４３（４３ａ）が歪むことで発電する。

なお、各圧電素子４３（４３ａ）には、図示してないが夫々電極が設けてあり、台盤３の振動に伴って圧縮力等の外力が板部材４０（４０ａ），４１（４１ａ）から弾性部材４２（４２ａ）を介して圧電素子４３（４３ａ）に作用すると、図示してない電極及び電気配線から図５に示すように蓄電装置５に電気が蓄電されるようになっている。

往復動圧縮機１を駆動させるに伴って、台盤３には交番荷重による振動が継続的に発生するが、この振動による押圧力で各圧電素子４３（４３ａ）が過剰に変形し、圧電素子４３（４３ａ）が破壊されるのを防止するために、各圧電体４（４ａ）には、例えば図４に示すように弾性部材４２の内部に棒状部材４４を埋設し、板部材４０，４１同士の近接を制限するストッパ部材を設けておくのがよい（図４は、上部圧電体４のストッパ部材４４を示しているが、下部圧電体４ａも同様である）。なお、ストッパ部材４４は、圧電素子４３の破壊を防止するために板部材４０，４１同士の近接を制限するものであるので、いずれかの板部材、例えば板部材４０の片側より弾性部材４２内に向けて棒状に突設するストッパ部材４４ａでもよく、あるいは板部材４０，４１の外縁を互いに対向するように突設した縁部４４ｂ，４４ｂであってもよい。

以下、本実施形態による往復動圧縮機１の作用について説明する。

往復動圧縮機１が駆動されると、各段圧縮部２０ａ，２０ｂ，２１，２２内のピストン（図示せず）の往復動に伴って台盤３が上下に継続的に振動し、この振動は板部材４０を介して弾性部材４２に伝達する。弾性部材４２には圧電素子４３が埋設されており、振動を圧電素子４３に押圧力として作用させ、圧電素子４３が変形する。台盤３の上下方向の継続的な振動は、台盤３と弾性支持部材３０との間に介設された上部圧電体４の圧電素子４３を変形させるだけでなく、弾性支持部材３０の弾力によって、弾性支持部材３０と建屋床部６との間に介設された下部圧電体４ａの圧電素子４３ａも同時に変形させる。

このように、台盤３の振動エネルギーが上下の圧電素子４３，４３ａに加わることで、電圧に変換される。圧電素子４３，４３ａから得られた出力を蓄電装置５に貯めておき、必要に応じて発電し、電力供給（工場内の照明や非常電源等）することができる。

また圧電素子４３，４３ａによって振動エネルギーを電気エネルギーに変換するに伴って弾性部材４２が弾性変形することで、本来の弾性支持部材３０に作用する振動エネルギーを低減することが可能となる。

ところで、本実施形態の往復動圧縮機１では、吸入口フィルタ装置１１ａ，１１ｂにも圧電体４を装着して、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するようにしており、以下これについて述べる。

吸入口フィルタ装置１１ａは、流出口１２を介して第１段圧縮部２０ａに接続され、吸入口フィルタ装置１１ｂも同様にして第１段圧縮部２０ｂに接続されている。吸入口フィルタ装置１１ａ，１１ｂは、図６に示すように円筒状の本体１４の上側にカバー１３を取り付け、下側に底板１６を取り付け、内部に遮蔽板１５を設けている。遮蔽板１５及び底板１６が請求項４で云う振動部材に相当する。

カバー１３と遮蔽板１５との間にフィルタエレメント１７が組み込まれている。外部から吸入した空気をフィルタエレメント１７で浄化した後、流出口１２より空気を第１段圧縮部２０ａ，２０ｂへ供給する。

遮蔽板１５及び底板１６の片面に、内部に圧電素子４３を収容した圧電体４を密着して装着する。圧電素子４３は、図示してないが電極が設けられ、電気配線が施されている。

なお、圧電体４は、遮蔽板１５及び底板１６の双方でなく、遮蔽板１５または底板１６のいずれか一方に装着してもよい。底板１６に装着する場合は、圧電体４を底板１６の外側（下側）に装着すると、電気配線が容易となる。

第１段圧縮部２０ａ，２０ｂのピストン（図示せず）の往復動による間欠的な吸気、吐出で気体（空気）の脈動圧により遮蔽板１５、底板１６は、あたかも太鼓のごとく膜振動するので、その振動エネルギーが遮蔽板１５及び底板１６に密着して装着された圧電体４に加わることで、内部に収容された圧電素子４３が歪んで電圧に変換される。圧電素子４３から得られた出力を蓄電装置５に貯めておき、必要に応じて発電するようにする。

また図７に示すように、底板１６の内部に圧電素子４３を多数収容して、底板１６そのものを音圧で発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換する音圧（振動）発電板としてもよい。すなわち、この場合は、音圧（振動）発電板が請求項４の振動部材であり、かつ振動部材が弾性部材であると共に圧電素子４３を埋設した圧電体４ｃでもある。

本実施形態の往復動圧縮機１によれば、台盤３と建屋床部６との間を、圧電体４、弾性支持部材３０、圧電体４ａでつなぐことで台盤３と建屋床部６の双方に圧電体４，４ａを設けることができ、当該振動源からの振動を圧電体４，４ａによって受け止め、エネルギー減衰の少ない状態での発電が可能となり、より効率のよい発電を行うことが可能となる。

したがって、これまで問題点とされていた台盤３に生じる振動を逆利用して、その振動エネルギーを電気という形で取り出して、有効に利用することが可能となる。

さらには、圧電体４，４ａによって振動エネルギーを電気エネルギーに変換するに伴って弾性部材４２が弾性変形することで、本来の弾性支持部材３０に作用する振動エネルギーを低減することが可能となり、弾性支持部材３０の耐久性の向上を図ると共に防振性能を向上させることも可能となる。

また吸入口フィルタ装置１１の底板１６に圧電素子４３を収容し、底板１６を音圧（振動）発電板とすれば、音圧で発生する振動エネルギーを電気エネルギーに変換することもでき、さらに効率のよい発電を行うことが可能となる。

近年、地球環境改善のため、環境負荷の少ない圧縮機の開発が求められているが、本実施形態の往復動圧縮機１によれば、これまで往復動圧縮機１の交番荷重による振動エネルギーをやわらげるために防振対策にコストを費やしていたのを、振動エネルギーを電気的エネルギーに変換するようにして、むしろ欠点を長所にしたものである。

１ 往復動圧縮機
３ 台盤
４，４ａ，４ｃ 圧電体
５ 蓄電装置
６ 建屋床部
１０ 圧縮機フレーム
１１ａ，１１ｂ 吸入口フィルタ装置
１５ 遮蔽板
１６ 底板
２０ａ，２０ｂ 第１段圧縮部
２１ 第２段圧縮部
２２ 第３段圧縮部
３０ 弾性支持部材
４０，４０ａ，４１，４１ａ 板部材
４２，４２ａ 弾性部材
４３，４３ａ 圧電素子
４４，４４ａ，４４ｂ ストッパ部材

Claims (4)

1. 往復動式の圧縮部が取り付けられた台盤を振動吸収用の弾性支持部材を介して建屋床部に設置した往復動圧縮機であって、
   前記弾性支持部材の上端と前記台盤との間に圧力や振動を電圧に変換する上部圧電体を介設し、
   前記弾性支持部材の下端と前記建屋床部との間に圧力や振動を電圧に変換する下部圧電体を介設したことを特徴とする往復動圧縮機。
2. 前記上部圧電体は、前記台盤の下面に接する板部材と、前記弾性支持部材の上端に接する板部材と、これら板部材の間に介設された弾性部材と、該弾性部材に埋設された圧電素子とからなり、
   前記下部圧電体は、前記弾性支持部材の下端に接する板部材と、前記建屋床部に接する板部材と、これら板部材の間に介設された弾性部材と、該弾性部材に埋設された圧電素子とからなる請求項１記載の往復動圧縮機。
3. 前記圧電体は、前記圧電素子の過剰な変形を防止するために、前記板部材同士の近接を制限するストッパ部材を有する請求項２記載の往復動圧縮機。
4. 前記往復動式の圧縮部の吸入口フィルタ装置が、前記圧縮部の駆動に伴う吸気圧力の変動により振動する振動部材を有し、該振動部材に圧力や振動を電圧に変換する圧電体を設けた請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の往復動圧縮機。

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