JP6060028B2 - ガス圧縮機及び摩耗状態判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスを圧縮する往復動式の圧縮機に関するものである。

従来、水素ガスを圧縮する往復圧縮機が知られている。例えば、特許文献１には、シリンダと、シリンダ内に配置されたピストンと、シリンダ内に水素ガスを吸い込む吸込ラインと、シリンダ内で圧縮された水素ガスを吐出する吐出ラインとを備えた水素ガス圧縮機が開示されている。シリンダ内は、ピストンにより圧縮室と非圧縮室とに分けられている。圧縮室は、吸込ラインと接続されており、吸込ラインから吸い込まれた水素ガスが圧縮される空間である。非圧縮室は、ピストンを挟んで圧縮室とは反対側に位置する空間である。この水素ガス圧縮機は、例えば水素ステーションに用いられる。

特開２００５−１５５４８６号公報

一般に、特許文献１に記載されるような圧縮機では、ピストンにピストンリングが取付けられており、吐出ラインに圧縮ガスの流量を検知する流量計が設けられている。この流量計で計測される流量を利用して、ピストンリングの摩耗状態を判定することが可能である。具体的には、圧縮機の運転時において、流量計で計測された吐出流量が所定値を下回ると、シリンダの内面とピストンリングとの間を通って圧縮室から非圧縮室へ漏れた水素ガスの流量が所定量を上回っている、すなわち、ピストンリングが摩耗状態にあると判定される。ここで、特許文献１に記載された水素ガス圧縮機では、圧縮されるガスが水素ガスであることから、流量計には、水素脆化の耐性が求められる。また、この流量計には、高圧に耐え得る強度も求められる。このような流量計は非常に高価である。さらに、車載タンクに水素ガスが直接充填される場合、圧縮機における吸込条件や吐出条件等が時間とともに変化し、また、当該圧縮機の運転時間も短いため、吐出ラインを流れる水素ガスの吐出流量に基づいて圧縮室から非圧縮室へ漏れた水素ガスの流量、すなわち、ピストンリングの摩耗状態を判定することは極めて困難となる。

本発明の目的は、シール部の摩耗状態を容易に判定可能なガス圧縮機及びその判定方法を提供することである。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、軸方向に往復動する往復動部材と、前記往復動部材を収容する収容部と、前記収容部または前記往復部材の一方に取り付けられる環状のシール部と、を備え、前記収容部内に、前記往復動部材によりガスが圧縮される圧縮室、並びに、前記往復動部材および前記シール部によって前記圧縮室から隔てられた非圧縮室が形成されているガス圧縮機であって、前記圧縮室内に前記ガスを吸い込む吸込ラインと、前記圧縮室内で圧縮されたガスを前記収容部外へ吐出する吐出ラインと、前記収容部に接続され、前記圧縮室から前記シール部を通過するガスが存在する場合に、当該ガスの少なくとも一部が流れる接続ラインと、前記接続ラインに設けられており、ガスの流量を測定する流量計と、前記流量計で測定されたガスの流量が、予め設定された閾値以上であるか否かを判定する判定部とを備えるガス圧縮機を提供する。

本発明では、圧縮室から漏出してしまったガスが接続ラインに導入される。この接続ラインには流量計が設けられているので、シール部の摩耗状態が精度よく判定される。すなわち、従来のように吐出ラインを流れるガスの吐出流量に基づいて圧縮室から非圧縮室へ漏れたガスの流量を間接的に求めるのではなく、接続ラインを流れるガスの流量を測定することによって圧縮室から非圧縮室へ漏れたガスの流量を直接求めるため、流量計で測定された流量に基づいてシール部の摩耗状態を精度よく判定することが可能となる。しかも、接続ラインを流れるガスの流量の脈動は、吐出ラインを流れるガスの流量の脈動に比べて小さいため、この点でもシール部の摩耗状態の判定精度の向上に寄与する。また、接続ライン内は、吐出ライン内に比べて低圧であることから、流量計に高い耐圧性が求められないため、低コストの流量計が使用可能となる。

この場合において、前記接続ラインの前記流量計よりも下流に位置し、前記接続ラインから前記収容部へと向かうガスの流れを防止する逆止弁をさらに備えることが好ましい。

このようにすれば、流量計の精度の低下が抑制される。

また、本発明において、前記接続ラインが前記吸込ラインに接続されることが好ましい。

このようにすれば、漏出したガスを回収することにより、水素ガスを有効に利用することができる。

この場合において、前記圧縮室から前記シール部を通過するガスの一部を前記吸込ラインよりも低圧の部材へと導く他の接続ライン、をさらに備え、前記シール部が、前記収容部と前記往復動部材との間に配置される複数のリング部材を備え、前記接続ラインが、前記圧縮室の体積が最も大きい状態での前記収容部における前記シール部の存在範囲と、前記圧縮室の体積が最も小さい状態での前記収容部における前記シール部の存在範囲とが、重なる範囲に位置し、前記他の接続ラインが、前記接続ラインと前記非圧縮室との間、または、前記非圧縮室に位置し、前記判定部が、前記接続ラインおよび前記他の接続ラインのガスの流量の合計値が閾値以上であるか否かを判定することが好ましい。

このようにすれば、漏出したガスをより効率よく回収することができる。

また、本発明は、収容部と、前記収容部内に配置されており当該収容部に対して往復動する往復動部材と、前記収容部または前記往復動部材の一方に取り付けられた環状のシール部とを備えるガス圧縮機で用いられる前記シール部の摩耗状態を判定する摩耗状態判定方法であって、前記ガス圧縮機は、前記収容部の圧縮室内に前記ガスを吸い込む吸込ラインと、前記収容部の圧縮室内で圧縮されたガスを前記収容部外へ吐出する吐出ラインと、前記収容部に接続され、前記圧縮室から前記シール部を通過するガスが存在する場合に、当該ガスの少なくとも一部が流れる接続ラインとを備え、前記接続ラインを流れるガスの流量を測定し、この測定された流量が予め設定された閾値以上となったときに前記シール部が摩耗状態にあると判定する摩耗状態判定方法を提供する。

本発明によれば、従来のように吐出ラインを流れるガスの吐出流量に基づいて圧縮室から非圧縮室へと向かうガスの流量を間接的に求めるのではなく、接続ラインを流れるガスの流量を測定することによって圧縮室から非圧縮室へ漏れたガスの流量を直接求めるため、シール部の摩耗状態を精度よく判定することが可能となる。接続ラインを流れるガスの流量の脈動は、吐出ラインを流れるガスの流量の脈動に比べて小さいため、この点でもシール部の摩耗状態の判定精度の向上に寄与する。また、接続ライン内は、吐出ライン内に比べて低圧であることから、耐圧性の高くない低コストの流量計が使用可能となる。

以上のように、本発明によれば、シール部の摩耗状態を容易に判定可能なガス圧縮機及びその判定方法を提供することができる。

本発明の第一実施形態の水素ガス圧縮機の構成の概略を示す図である。 本発明の第二実施形態の水素ガス圧縮機の構成の概略を示す図である。

（第一実施形態）
本発明の第一実施形態の往復動式の水素ガス圧縮機及びそれに用いられるシール部の摩耗状態の判定方法について、図１を参照しながら説明する。本実施形態の水素ガス圧縮機は、水素ステーション等に用いられる。

図１に示されるように、本実施形態の水素ガス圧縮機は、往復動部材であるピストン１８と、ピストン１８を収容する収容部であるシリンダ１０と、クランクケース１２と、クロスガイド１４と、仕切壁１６と、ピストンリング２０と、ピストンロッド２２と、クロスヘッド２４と、クランク軸２６と、コネクティングロッド２８と、吸込ライン３０と、吐出ライン３２と、接続ライン３４と、流量計３６と、逆止弁３８と、判定部４０とを備えている。クロスガイド１４は、シリンダ１０とクランクケース１２との間に設けられる。なお、クロスガイド１４は収容部の一部と捉えてもよい。仕切壁１６は、シリンダ１０とクロスガイド１４との間を仕切る。シール部であるピストンリング２０は、ピストン１８に取り付けられる。ピストンロッド２２は、仕切壁１６及び油切り部材１７を貫通するとともにピストン１８に接続されている。クロスヘッド２４は、ピストンロッド２２におけるピストン１８が接続されている側とは反対側に接続されておりクロスガイド１４内を往復動する。クランク軸２６は、クランクケース１２内に設けられておりモータにより回転駆動される。コネクティングロッド２８は、クランク軸２６とクロスヘッド２４とを接続する。吸込ライン３０は、シリンダ１０内に水素ガスを吸い込む。吐出ライン３２は、シリンダ１０内で圧縮された水素ガスをシリンダ１０外へ吐出する。接続ライン３４は、シリンダ１０と吸込ライン３０とを接続する。流量計３６は、接続ライン３４に設けられる。逆止弁３８は、接続ライン３４における流量計３６の下流側に設けられる。

シリンダ１０内は、ピストン１８及びピストンリング２０により圧縮室１０ａと非圧縮室１０ｂとに分けられている。圧縮室１０ａは、吸込ライン３０内及び吐出ライン３２内とつながっており、吸込ライン３０から吸い込まれた水素ガスが圧縮される空間である。非圧縮室１０ｂは、ピストン１８及びピストンリング２０によって圧縮室１０ａから隔てられた空間であり、接続ライン３４内とつながっている。

ピストンリング２０は、ピストン１８の外周面に形成された溝に嵌合される円環状の部材である。ピストンリング２０は、ピストン１８の外周面とシリンダ１０の内周面との間を埋めることにより、圧縮室１０ａ内のガスが非圧縮室１０ｂへ漏れることを抑制する機能を有する。

クランク軸２６は、図示しないモータによって回転駆動される。このクランク軸２６の回転運動は、コネクティングロッド２８を介してクロスヘッド２４に伝達されることにより、ピストン１８のシリンダ１０とクランクケース１２とを結ぶ方向への往復運動に変換される。これにより、ピストン１８は、シリンダ１０の内周面に沿って往復移動する。

接続ライン３４は、シリンダ１０内のうちの非圧縮室１０ｂと吸込ライン３０とを連通している。そのため、圧縮室１０ａから非圧縮室１０ｂに漏れた水素ガスは、接続ライン３４を通って吸込ライン３０に戻される。

流量計３６は、接続ライン３４を流れる水素ガス、より具体的には、非圧縮室１０ｂから吸込ライン３０に向かって流れる水素ガスの流量を測定する。

逆止弁３８は、水素ガスが非圧縮室１０ｂから吸込ライン３０へ向かって流れるのを許容する一方、水素ガスが吸込ライン３０から非圧縮室１０ｂへ向かって流れるのを防止する。本実施形態では、逆止弁３８は、接続ライン３４における流量計３６の下流側に設けられている。

水素ガス圧縮機の駆動時に、判定部４０は、流量計３６で測定された値が予め設定された閾値以上であるか否かを判定する。流量計３６の値が閾値以上となると、判定部４０は、この水素ガス圧縮機の運転状態を管理する管理者が知覚可能な情報、例えば警告音を発信する。これにより、管理者は、ピストンリング２０が摩耗状態にあることを把握することができる。また、判定部４０は、１０秒〜１分間に数回程度流量計３６の測定値の検知し、それらの平均値が前記閾値を超えたかどうかを判定する。

本実施形態では、前記閾値は、例えば吸込ライン３０を流れる水素ガスの全流量Ｑの１０％〜２０％程度に設定される。なお、閾値は、前記範囲に限られず、水素ガス圧縮機の機種等によって適宜変更される。ここで、水素ガスの全流量Ｑは、吸込ライン３０に流量計を設けることにより測定されるか、あるいは、以下の数式（１）により算出される。

ここで、ＰＤは、圧縮容積であり、以下の数式（２）により算出される。また、Ｅｖは体積効率であり、以下の数式（３）により算出される。

ここで、Ｄはシリンダ１０の内径、Ｓｔはピストン１８のストローク、ＲＰＭはモータの回転数である。

ここで、Ｃｌはクリアランス率、Ｐｓは吸込圧力（絶対圧力）、Ｐｄは吐出圧力（絶対圧力）、Ｚｓは吸込条件の圧縮係数、Ｚｄは吐出条件の圧縮係数、κは比熱比である。また、Ｃｌは、ピストン１８が上死点にある状態での圧縮室１０ａの体積を、ピストン１８が上死点から下死点まで変位したときの圧縮室１０ａの体積変化量で除したものである。

次に、本実施形態の水素ガス圧縮機の運転状態について説明する。

図示略のモータが駆動されると、上記のようにピストン１８が軸方向に往復運動する。ピストン１８がクランクケース１２側（下死点側）に変位すると、吸込ライン３０から水素ガスが圧縮室１０ａ内に吸い込まれる。その後、ピストン１８が圧縮室１０ａ側（上死点側）に変位すると、水素ガスが圧縮室１０ａ内で圧縮されて吐出ライン３２に吐出される。このとき、シリンダ１０の内面とピストンリング２０との間を通って、圧縮室１０ａから非圧縮室１０ｂへ水素ガスが僅かに漏れる場合がある。この場合、水素ガスは、接続ライン３４を通って吸込ライン３０に導かれる。このとき、流量計３６は、接続ライン３４を流れた水素ガスの流量を測定する。

そして、流量計３６で測定された値が前記閾値以上となったとき、判定部４０は、警告音等の所定の信号を発信する。

以上説明したように、本実施形態の水素ガス圧縮機では、シリンダ１０の内面とピストンリング２０との間を通って圧縮室１０ａから非圧縮室１０ｂへ漏れた水素ガスが接続ライン３４に導入される。この接続ライン３４には流量計３６が設けられているので、ピストンリング２０の摩耗状態が精度よく判定される。すなわち、従来のように吐出ライン３２を流れる水素ガスの吐出流量に基づいて圧縮室１０ａから非圧縮室１０ｂへ漏れた水素ガスの流量を間接的に求めるのではなく、接続ライン３４を流れる水素ガスの流量を測定することによって圧縮室１０ａから非圧縮室１０ｂへ漏れた水素ガスの流量を直接求めるため、流量計３６で測定された流量に基づいてピストンリング２０の摩耗状態を精度よく判定することが可能となる。しかも、供給先へ直接水素ガスが充填される場合であっても、接続ライン３４を流れる水素ガスの流量の脈動は、吐出ライン３２を流れる水素ガスの流量の脈動に比べて小さいため、この点でもピストンリング２０の摩耗状態の判定精度の向上に寄与する。また、接続ライン３４内は、吸込ライン３０内と略同圧であり吐出ライン３２内に比べて低圧であることから、流量計３６に高い耐圧性が求められないため低コストの流量計３６が使用可能となる。

また、本実施形態では、接続ライン３４に逆止弁３８が設けられているので、流量計３６の精度の低下が抑制される。すなわち、ピストン１８が圧縮室１０ａ側（上死点側）に変位するときに非圧縮室１０ｂの圧力が低下するので、吸込ライン３０を流れる水素ガスが接続ライン３４を経由して非圧縮室１０ｂに至る虞があり、この場合、流量計３６の測定値が急変動することによって当該流量計３６の精度の低下につながることが懸念されるが、本実施形態では、接続ライン３４に逆止弁３８が設けられているので、吸込ライン３０を流れる水素ガスが流量計３６を通過するのが抑制される。よって、流量計３６の精度の低下が有効に抑制される。以下の実施形態においても同様である。

（第二実施形態）
図２は、本発明の第二実施形態の水素ガス圧縮機の構成の概略を示す図である。なお、第二実施形態では、第一実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第一実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。

本実施形態では、往復動部材であるピストン１８の軸方向に沿って間欠的に設けられた複数のリング部材２１により環状のシール部２０が構成されている。以下の説明では、複数のリング部材２１のうち、最も圧縮室１０ａ側（図２では左側）に配置されたものを「圧縮室側リング部材２１ａ」といい、最も非圧縮室１０ｂ側（図２では右側）に配置されたものを「非圧縮室側リング部材２１ｂ」という。

水素ガス圧縮機は、シリンダ１０および吸込ライン３０に接続される接続ライン３４１と、シリンダ１０および吸込ライン３０よりも低圧の部材（図示省略）に接続される他の接続ライン３４２とを備える。以下、接続ライン３４１を「第一接続ライン３４１」といい、接続ライン３４２を「第二接続ライン３４２」という。

第一接続ライン３４１は、圧縮室１０ａの体積が最も大きい状態でのシリンダ１０におけるシール部２０の存在範囲、すなわち、圧縮室側リング部材２１ａと非圧縮室側リング部材２１ｂとの間の範囲と、圧縮室１０ａの体積が最も小さい状態でのシリンダ１０におけるシール部２０の存在範囲とが、重なる範囲に設けられる。本実施形態では、圧縮室１０ａから複数のリング部材２１間へ漏れた相対的に高圧の水素ガスが第一接続ライン３４１を通じて吸込ライン３０に戻される。第二接続ライン３４２は、シリンダ１０とピストン１８との間において圧縮室１０ａの体積が最も大きい状態でのシリンダ１０における非圧縮室側リング部材２１ｂの位置よりも非圧縮室１０ｂ側（図２では右側）に接続されている。第二接続ライン３４２にも流量計４６が設けられている。圧縮室１０ａから非圧縮室１０ｂへ漏れた相対的に低圧の水素ガスは、より高圧の吸込ライン３０に戻せないことから、第二接続ライン３４２を通じて吸込ライン３０よりも低圧の部材（図示省略）へ送られる。

水素ガス圧縮機の駆動時には、判定部４０が、各流量計３６，４６の値の合計値が所定の閾値以上であるか否かを判定し、合計値が閾値以上であると判断されると、管理者へシール部２０の摩耗状態を通知する。本実施形態では、第一実施形態と同様に、各接続ライン３４１，３４２に流量計３６，４６が設けられることにより、シール部２０の摩耗状態を精度よく判定することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、上記実施形態では、水素ガスの全流量Ｑを検知するために吸込ライン３０に流量計が設けられる例が示されたが、この流量計は、吐出ライン３２に設けられてもよい。この場合、当該流量計により吐出量をも測定することができる。

また、上記実施形態では、前記閾値が、水素ガスの全流量Ｑの１０％〜２０％に設定される例が示されたが、閾値としては、特定の絶対値が設定されてもよい。

上記第一実施形態では、接続ライン３４の数が２以上でもよい。複数の接続ライン３４は１つの流量計３６に繋がってもよく、接続ライン３４毎に流量計が設けられてもよい。第二実施形態においても、複数の第一接続ライン３４１が設けられてもよい。第二接続ライン３４２においても同様である。

上記第一実施形態では、複数のリング部材によりシール部２０が構成されてもよい。また、接続ライン３４は、圧縮室１０ａの体積が最も大きい状態でのシリンダ１０におけるシール部２０の存在範囲よりも非圧縮室１０ｂ側に設けられているのであれば、必ずしも非圧縮室１０ｂに設けられる必要はない。

第二実施形態では、第二接続ライン３４２が、ピストン１８の圧縮室１０ａとは反対側に位置する非圧縮室に直接接続されてもよい。第一接続ライン３４１のガスの流量のみに基づいて摩耗状態の判定が行われてもよく、第二接続ライン３４２のガスの流量のみに基づいて摩耗状態の判定が行われてもよい。

シール部２０の摩耗状態を判定する手法は、シール部であるロッドシールがシリンダ１０の内周面に取り付けられた圧縮機に用いられてもよい。なお、水素ガスの一部が圧縮室１０ａから非圧縮室１０ｂ側へと漏れる場合は、往復動部材であるプランジャの外周面とロッドシールとの間を通ることとなる。

また、上記第一実施形態では、接続ライン３４がシリンダ１０と吸込ライン３０とを接続する例が示されたが、この接続ライン３４は、吸込ライン３０の圧力と略同じかそれよりも小さな圧力である吸込みライン３０の上流部（例えば、当該水素ガス圧縮機よりも上流に位置し当該水素ガス圧縮機よりも低圧の圧縮機の吸込ライン）とを接続してもよい。第二実施形態における第一接続ライン３４１においても同様である。シール部２０の摩耗状態を判定する手法は、水素以外のガスを圧縮する圧縮機に利用されてもよい。

１０ シリンダ
１０ａ 圧縮室
１０ｂ 非圧縮室
１２ クランクケース
１４ クロスガイド
１６ 仕切壁
１８ ピストン（往復動部材）
２０ ピストンリング（シール部）
２１ 複数のリング部材
２１ａ 圧縮室側リング部材
２１ｂ 非圧縮室側リング部材
２２ ピストンロッド
２４ クロスヘッド
２６ クランク軸
２８ コネクティングロッド
３０ 吸込ライン
３２ 吐出ライン
３４ 接続ライン
３６ 流量計
３８ 逆止弁
４０ 判定部
３４１ 第一接続ライン
３４２ 第二接続ライン

Claims (3)

1. 軸方向に往復動する往復動部材と、
   前記往復動部材を収容する収容部と、
   前記収容部または前記往復部材の一方に取り付けられる環状のシール部と、を備え、
   前記収容部内に、前記往復動部材によりガスが圧縮される圧縮室、並びに、前記往復動部材および前記シール部によって前記圧縮室から隔てられた非圧縮室が形成されているガス圧縮機であって、
   前記圧縮室内に前記ガスを吸い込む吸込ラインと、
   前記圧縮室内で圧縮されたガスを前記収容部外へ吐出する吐出ラインと、
   前記収容部に接続され、前記圧縮室から前記シール部を通過するガスが存在する場合に、当該ガスの少なくとも一部が流れる接続ラインと、
   前記接続ラインに設けられており、ガスの流量を測定する流量計と、
   前記流量計で測定されたガスの流量が、予め設定された閾値以上であるか否かを判定する判定部と、
   前記接続ラインの前記流量計よりも下流に位置し、前記接続ラインから前記収容部へと向かうガスの流れを防止する逆止弁と、を備えるガス圧縮機。
2. 請求項１に記載のガス圧縮機において、
   前記接続ラインが前記吸込ラインに接続される、ガス圧縮機。
3. 請求項２に記載のガス圧縮機において、
   前記圧縮室から前記シール部を通過するガスの一部を前記吸込ラインよりも低圧の部材へと導く他の接続ライン、をさらに備え、
   前記シール部が、前記収容部と前記往復動部材との間に配置される複数のリング部材を備え、
   前記接続ラインが、前記圧縮室の体積が最も大きい状態での前記収容部における前記シール部の存在範囲と、前記圧縮室の体積が最も小さい状態での前記収容部における前記シール部の存在範囲とが、重なる範囲に位置し、
   前記他の接続ラインが、前記接続ラインと前記非圧縮室との間、または、前記非圧縮室に位置し、
   前記判定部が、前記接続ラインおよび前記他の接続ラインのガスの流量の合計値が閾値以上であるか否かを判定する、ガス圧縮機。
   
   

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