JP5352322B2

JP5352322B2 - 水素圧縮機

Info

Publication number: JP5352322B2
Application number: JP2009093091A
Authority: JP
Inventors: 慎一郎栗田; 茂新井; 彰規赤沼
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-04-07
Also published as: JP2010242642A

Description

本発明は、可燃ガスなどを取扱う往復圧縮機に関し、特に燃料電池車に用いる水素ガスを圧縮するのに好適な往復圧縮機に関する。

現在、水素燃料電池自動車はガソリン車並の航続距離を達成する為に、燃料タンクへの水素ガス充填圧力は７０ＭＰａが必要であるとされており、軽量ガスの昇圧に優れた往復圧縮機が選定されている。従来、４０ＭＰａを超える高圧な往復圧縮機のシリンダは、プランジャとロッドパッキン、及びロッドパッキンケースが複数枚配置され、ロッドパッキンケースには高強度材料を用いてロッドパッキンケースを接触させることで、シリンダで昇圧されたガスを外部へ漏らさない構造が採用されている。例えば、特許文献１および特許文献２に示されるように、圧縮されたガスがプランジャの外周部から漏れるのを防止するため、プランジャの外周面に密着して摺動するロッドパッキンをプランジャ軸方向に複数備えている。そして、このロッドパッキンを収納するロッドパッキンケースもプランジャ軸方向に複数備え、ロッドパッキンケース同士の接触面には圧縮されたガスが漏れるのを防止するため、Ｏリング（特許文献１では輪状シール）が配置されている。

特開平８−２００５１２号公報特開２００７−２６９３号公報

しかしながら、上記特許文献１、２においては、プランジャの外周部からの漏れに対してはロッドパッキンを複数備えているが、ロッドパッキンケース同士の接触面からの漏れに対しては、Ｏリングとロッドパッキンケース同士の接触圧で対応するものであり、十分とは言えない。このため、４０ＭＰａを超える高圧ガスを扱う往復圧縮機では、ロッドパッキンケースに高強度鋼材を用いて、その接触面同士を高面圧状態で接触させたガスの漏れない構造が必要となり、高圧ガスの漏れを防止する面圧としては、ガス圧に応じてかなり大きな値が要求される。

ところが、往復圧縮機はその特有な動作により圧縮室の圧力変動があるため、ロッドパッキンケース同士の上記のような高い圧力の接触面に繰返し応力が作用すると、接触面にフレッティング疲労（金属の合せ面の微振動により、微小な表面酸化やハクリを繰り返し、接触部の塑性変形を起す表面損傷の現象）が発生し易く、その損傷部からしばしば疲労き裂が発生・進展して部材の破壊に至り、部材の強度が著しく低下して接触面から高圧ガスが漏れる恐れがある。

さらに、往復圧縮機の作動ガスが水素の場合、高圧・高温の水素ガスがロッドパッキンケース同士の接触面から金属内に吸収されて水素脆化を起し易く、この水素脆化により鋼材の強度（延性又は靭性）が低下し、接触面での高圧ガスの漏れにつながる恐れがある。水素脆化は、応力の集中する部分で起こり易く、また、高強度鋼材ほど現象が顕著であるため、特に水素の往復圧縮機における高強度鋼材を用いたロッドパッキンケースでは、上記接触面のフレッティング疲労と合わせて、高圧ガスの漏洩防止のための有効な対策が望まれている。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、圧縮機の高圧側シリンダ構造に複数設置されるロッドパッキンケースにおいて、高温・高圧の環境での繰り返し応力によるフレッティング疲労、及び作動水素ガスによる水素脆化を防止して、合わせて高圧ガスの漏洩防止を図った水素圧縮機を提供する。

前記課題を解決するため、本発明は、プランジャとシリンダ間に形成される圧縮室内の
水素ガスをプランジャの往復運動によって圧縮するプランジャ式の水素圧縮機において、前記圧縮室で圧縮された水素ガスが前記プランジャの外周部から漏れるのを防止するように前記プランジャの外周面に密着して摺動するようにプランジャ軸方向に複数設けられたロッドパッキンと、各ロッドパッキンを収納するロッドパッキンケースであってクロムモリブデン鋼のＳＣＭ４３５材料（耐水素脆性材）で環状に形成された複数のロッドパッキンケースと、前記圧縮室で圧縮された水素ガスが上記ロッドパッキンケースの互いの接触面から漏れるのを防止するように上記接触面を約７０Ｋｇ／ｍｍ ^２の高面圧で圧接させる締付機構を備え、上記ロッドパッキンケースは接触面に約０．４５ｍｍの深さでその硬度が約Ｈｖ（マイクロピッカーズ）４８０〜５５０の窒化層が形成されたことを特徴とする。

また、本発明は、上記ロッドパッキンケースは、上記締付機構により互いに高面圧力で締付けられることを特徴とする。

また、本発明は、上記締付機構は、上記シリンダと共に上記複数のロッドパッキンケースを挟むシリンダの内カバー及び外カバーと、上記両カバーを締め付けるシリンダ締付ボルトからなることを特徴とする。

本発明によれば、水素圧縮機の高圧側ロッドパッキンケース同士の接触面に窒化処理による窒化層を設けることにより、高温・高圧水素ガス環境での水素脆化を効果的に防止することで、高圧ガスの漏洩を防止でき、水素圧縮機の安全性・信頼性が飛躍的に高めることができる。

以下、本発明の実施例について説明する。図1に水素圧縮機の外観図を示す。水素圧縮機は、クランクケース及びオイルパン、水素ガスのレシーバーの役割を持つハーメチックフレーム４と、縦軸に低圧側シリンダ１、横軸に高圧側シリンダ２及び３を備えている。

図２は、プランジャ式往復圧縮機にロッドパッキンと、これを内蔵するロッドパッキンケースを配置した例えば高圧側シリンダ３の縦断面図である。圧縮機は、燃料電池に用いる水素を加圧するものであり、その圧力は７０Ｍｐａにも達する。そのため、高圧のガスをシールして圧縮機外部への漏洩を防止するための漏れ防止装置を備えている。

５は、シリンダリング１３と棒状のプランジャ１５とシリンダの外カバー１６（後述）で構成される圧縮室であり、シリンダリング１３内を上記プランジャ１５がその軸方向に移動することにより、プランジャ１５の先端で水素作動ガスが圧縮される。プランジャ１５には図示しない駆動源に接続されたクランクシャフトと、クランクシャフトに接続されたコネクティングロッドと、コネクティングロッドに接続された中間ロッドとを介して、図２の右端から往復動の力が伝えられる。

プランジャ１５の圧縮側（左端側）のシリンダ１３の端面には、シリンダの外カバー１６が取付けられ、右端側にはプランジャ１５が貫通するシリンダの内カバー１０が取付けられる。プランジャ１５の軸方向には、上記内カバー１０とシリンダリング１３との間に、プランジャ１５が貫通した環状のロッドパッキンケース（後述）が複数個挟まれて支持される。

シリンダの外カバー１６の内部には、上記圧縮室５に接続されるバルブユニット１７が内蔵され、このバルブユニット１７には、水素ガスの吸込み口６と吐出口７を備える。上記プランジャ１５の右方向への移動により、上記吸込み口６よりバルブユニット１７内部の吸込み弁（図示せず）を介して水素ガス吸込んで圧縮室５に導き、プランジャ１５の左方向への移動により、前記で吸込まれた水素ガスを圧縮室５内で圧縮し、超高圧に圧縮された水素ガスは、上記バルブユニット１７内部の吐出弁（図示せず）を介して吐出口７より吐出され、必要な外部貯蔵タンク（図示せず）に供給される。

次にシリンダ１２のシール部（漏れ防止装置）の構造を説明する。圧縮室５内で圧縮された水素ガスは超高圧であって、シリンダリング１３の内周面とプランジャ１５の外周面との摺動する面の隙間から、ハーメチックフレーム側４へと流れようとする。複数枚の環状のロッドパッキン２１Ｐ〜３０Ｐが、プランジャ１５によって貫通されて配置されることにより、プランジャ１５の外周面に圧接して軸方向に沿って配置されている。従って、上記隙間からハーメチックフレーム側４へと流れようとする高圧の水素ガスは、上記複数枚のロッドパッキン２１Ｐ〜３０Ｐによって段階的に圧力が下げられ、最終段のロッドパッキン３０Ｐではガスの漏洩が完全に防止される。また、シリンダ１２内には上記ロッドパッキンを収納するためのロッドパッキンケース２１〜３０がプランジャ１５の軸方向に複数個配置されている。

上記ロッドパッキンケース２１〜３０は、例えばクロムモリブデン鋼のＳＣＭ４３５材料（耐水素脆性材）で環状に形成され、シリンダ１２の外カバー16と内カバーに挟まれ、ロッドパッキンケース２１〜３０半径方向の外側に位置するシリンダ締付ボルト１８で両カバーを締付ることで、約７０Ｋｇ／ｍｍ^２程度の高面圧で隣同士が保持される。この面圧は７０Ｍｐａの超高圧のガスを鋼材でシールするのに十分な値である。超高圧の水素ガスはシリンダリング１３の内周面とプランジャ１５の外周面との摺動する面の隙間を通じ、上記ロッドパッキンケース同士の接触面の隙間から半径方向に直接外部に漏れようとするが、上記のようにロッドパッキンケース同士が所定圧力で接しているので、面接触部分で半径方向に次第に減圧され、漏洩が防止される。

そして、ロッドパッキンケース２１〜３０には、隣接するケース同士の接触面に窒化処理を施して表面に窒化層が形成され、水素ガスの進入を抑制して表面の水素脆化が抑制される。窒化処理は、組立て前の部品状態のロッドパッキンケース２１〜３０に、組立て時に接触面となる面以外の面に窒化防止剤を塗布する。次いで、このロッドパッキンケース２１〜３０をアンモニアの入ったガス炉（図示せず）に入れて熱処理を行う。上記ガス炉では窒化防止剤が塗布されてない表面に窒化処理がなされ、ロッドパッキンケースの鋼内部に存在するクロム（Ｃｒ）やモリブデン（Ｍｏ）などの元素と窒素が結びついて硬い窒化層が形成される。

図3に窒化後のロッドパッキンケースの模式図を示す。この図では、図2に示す例えばロッドパッキングケース２５を拡大して示し、隣接するロッドパッキンケース２４と、２６との接触面をそれぞれ１００、１０１と、１０２、１０３で示し、２５P´はロッドパッキン２５Pが内蔵されるスペースを示す。上記窒化処理により、ロッドパッキンケースの接触面１００〜１０３に、約０．４５ｍｍの深さの窒化層が形成され、その硬度は約Ｈｖ（マイクロピッカーズ）４８０〜５５０であって、隣接するロッドパッキンケース２４、２６の上記接触面１００、１０１と、１０２、１０３との接触面にも同様な窒化層が形成される。

ロッドパッキンケースの組み立工程では、上記のようにして窒化処理されたロッドパッキンケース２１〜３０の窒化層同士を接触させた状態で、内部にロッドパッキン２１Ｐ〜３０Ｐを内蔵するように積層して組み込まれる（図2）。

上記窒化処理で形成されたロッドパッキン２１Ｐ〜３０Ｐの窒化層は、上記で示す膜厚と硬度に設定されることにより、高温・高圧の水素ガス環境でも、金属内への水素の吸収を抑えて水素脆化を防止する。従って、高い接触圧状態で圧縮機特有な動作による繰返し応力が加わっても、窒化層による水素脆化防止作用により、接触面のフレッティング疲労を防止することができ、ロッドパッキンケースの長寿命化を図ることができる。

また、接触面は約７０Ｋｇ／ｍｍ^２程度に圧接されているので、高圧水素ガスの外部への漏洩が効果的に防止され、上述のように接触面が長寿命化されるので、漏洩防止が長期間維持され、水素圧縮機の安全性・信頼性が飛躍的に高まる。

本発明実施例の水素圧縮機本体の外観図である。同じく水素圧縮機の高圧側シリンダの縦断面図である。同じく窒化後のロッドパッキンケースの模式図である。

１…低圧側シリンダ、２・３…高圧側シリンダ、４…ハーメチックフレーム、５…圧縮室、１０…シリンダの内カバー、１２…シリンダ、１３…シリンダリング、１５…プランジャ、１６…シリンダの外カバー、１７…バルブユニット、１８…シリンダ締付ボルト、２１〜３０…ロッドパッキンケース、２１P〜３０P…ロッドパッキン、１００、１０１、１０２、１０３…ロッドパッキンケースの接触面（窒化層）。

Claims

プランジャとシリンダ間に形成される圧縮室内の水素ガスをプランジャの往復運動によって圧縮するプランジャ式の水素圧縮機において、
前記圧縮室で圧縮された水素ガスが前記プランジャの外周部から漏れるのを防止するように前記プランジャの外周面に密着して摺動するようにプランジャ軸方向に複数設けられたロッドパッキンと、各ロッドパッキンを収納するロッドパッキンケースであってクロムモリブデン鋼のＳＣＭ４３５材料（耐水素脆性材）で環状に形成された複数のロッドパッキンケースと、前記圧縮室で圧縮された水素ガスが上記ロッドパッキンケースの互いの接触面から漏れるのを防止するように上記接触面を約７０Ｋｇ／ｍｍ ^２の高面圧で圧接させる締付機構を備え、上記ロッドパッキンケースは接触面に約０．４５ｍｍの深さでその硬度が約Ｈｖ（マイクロピッカーズ）４８０〜５５０の窒化層が形成されたことを特徴とする水素圧縮機。
請求項１に記載の水素圧縮機において、上記締付機構は、上記シリンダと共に上記複数のロッドパッキンケースを挟むシリンダの内カバー及び外カバーと、上記両カバーを締め付けるシリンダ締付ボルトからなることを特徴とする水素圧縮機。