JP7117422B2 - 圧縮シリンダ - Google Patents

Description

本発明は、圧縮シリンダに関し、より詳しくは、ロッドの外周をシールするロッドパッキンへの負荷が少ない圧縮シリンダに関する。

特許文献１には、往復動圧縮機が記載されている。このような往復動圧縮機においては、円筒状のシリンダ筒内に円柱状のピストンが摺動可能に配設された圧縮シリンダにより、供給されたガスを圧縮するものがある。

特開２０１７－０２６０４４号公報

ところで、シリンダ筒内においては、ピストンの移動により、内圧が吸入圧と圧縮圧との間で大きく脈動する。この圧力の脈動は、ロッドの外周をシールするロッドパッキンにも印加され、ロッドパッキンに振動、衝撃及び摺動摩擦熱による大きな負荷をかけて寿命を短くする。

そこで、本発明は、ロッドの外周をシールするロッドパッキンへの負荷が少ない圧縮シリンダを提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。

前記課題は、以下の各発明によって解決される。

１．
複数の圧縮段を有するコンプレッサの第２段以降の圧縮段が有する圧縮シリンダであって、
吸入口及び吐出口に連通されたシリンダ筒と、
前記シリンダ筒内に密着摺動可能に配設され、前記吸入口から吸入されたガスを圧縮して前記吐出口から吐出するピストンと、
前記ピストンに駆動力を伝達するロッドと、
前記ロッドの外周をシールするロッドパッキンとを備え、
前記ロッドパッキンは、前記ロッドの周囲に配置され該ロッドの軸方向に配列された複数のロッドパッキンリングからなり、該軸方向の中途の少なくとも１箇所において、前記ロッドパッキンリング間の間隙が、前記吸入口に連通され、
前記ロッドパッキンリング間の間隙の圧力は、一段前の圧縮段によって圧縮され前記吸入口から吸入されるガスの圧力にほぼ等しく、前記吐出口から吐出されるガスの圧力よりも低い圧力とされていることを特徴とする圧縮シリンダ。
２．
前記ロッドパッキンの軸方向の中途の複数箇所において、ロッドパッキンリング間の間隙が、前記吐出口から吐出されるガスの圧力よりも低く大気圧よりも高い圧力とされており、前段シリンダ筒側の箇所から大気側の箇所に向けて徐々に圧力が低くなっていることを特徴とする請求項１記載の圧縮シリンダ。
３．
前記ロッドパッキンは、潤滑油の供給が不要であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧縮シリンダ。
４．
前記シリンダ筒内には、円筒状のシリンダライナが装着されており、
前記ピストンの外周面には、ピストンリング及びライダリングが装着されており、これらピストンリング及びライダリングの外周部が前記シリンダライナの内周面に密着摺動することを特徴とする請求項１、２又は３記載の圧縮シリンダ。
５．
前記ガスを２００バール以上で使用することを特徴とする請求項１～４の何れかに記載の圧縮シリンダ。

本発明によれば、ロッドの外周をシールするロッドパッキンへの負荷が少ない圧縮シリンダを提供することができる。

本発明の圧縮シリンダの構成を示す断面図 本発明の圧縮シリンダのロッドパッキンの構造を示す縦断面図 本発明の圧縮シリンダを用いて構成されたコンプレッサを概略的に示すブロック図

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の圧縮シリンダの構成を示す断面図である。

本実施形態の圧縮シリンダは、図１に示すように、シリンダ筒１０と、このシリンダ筒１０内に配置されたシリンダライナ１１と、このシリンダライナ１１内に密着摺動可能に配設されたピストン１とを備え、吸入口２０から吸入弁２０ａを経由して供給されたガスをシリンダ筒１０内でピストン１により圧縮して吐出弁３０ａを経由して吐出口３０から送出する圧縮シリンダである。

シリンダ筒１０の内部は筒状に形成され、円筒状のシリンダライナ１１が内嵌装されている。なお、シリンダライナ１１は、シリンダ筒１０の内面部が十分な強度及び耐久性を有するならば、設けなくともよい。シリンダ筒１０は、後端側（図１中左端側）において、吸入口２０及び吐出口３０に連通されている。また、シリンダ筒１０の前端部（図１中右端部）は、シリンダカバー１０ａによって閉蓋されている。ピストン１の前端部（図１中右端部）１ａとシリンダカバー１０ａとの間のシリンダ筒１０内の空間は、連通孔１０ｂを経由して、外方（ガス吸入側）に連通している。

ピストン１は、シリンダライナ１１に内嵌装され得る円柱状に形成されている。ピストン１には、環状のピストンリング２ａが複数外嵌装されている。また、ピストン１の前端側（図１中の右端側）及び基端側（図１中の左端側）には、ライダリング２ｂが外嵌装されている。ピストンリング２ａ及びライダリング２ｂの外周部は、シリンダライナ１１の内周面に密着摺動する。なお、ピストンリング２ａ及びライダリング２ｂは、十分な強度及び耐久性が確保されるならば、種々の方式のシーリング部材に代えてもよく、また、例えばラビリンスシールのように、これらのシーリング部材を設けなくともよい。

ピストン１がシリンダライナ１１内においてシリンダ筒１０の軸方向（図１中矢印Ａ）に摺動されることにより、シリンダ筒１０内（シリンダライナ１１内）のガスが圧縮される。シリンダ筒１０内（シリンダライナ１１内）においてはピストン１の移動の方向によって、内圧が大きく変動する。ピストン１の移動方向がシリンダ筒１０内の容積を大きくする方向（図１中の右方向）であるときには、シリンダ筒１０内の圧力は減少し、ピストン１の移動方向がシリンダ筒１０内の容積を小さくする方向（図１中の左方向）であるときには、シリンダ筒１０内の圧力は増大する。このとき、シリンダ筒１０内のガスが圧縮される。

ピストン１の基端部（図１中の左端部）１ｂには、ピストン１に駆動力を伝達するロッド５が、同軸に一体的に連設されている。このロッド５は、ピストン１よりも小径の円柱状に形成されている。ロッド５は、シリンダ筒１０に同軸に形成された連結筒１２を経て、大気側（外方）に延在されている。ロッド５は、ロッドパッキン６によって、外周がシールされている。

図２は、本発明の圧縮シリンダのロッドパッキンの構造を示す縦断面図である。

ロッドパッキン６は、図２に示すように、ロッド５の周囲に配置されロッド５の軸方向に配列されてロッド５の外周をシールする複数のロッドパッキンリング６ａと、これらロッドパッキンリング６ａを収納している複数のリングカップ６ｂを有して構成されている。ロッドパッキンリング６ａとロッド５との摺動によって、摺動摩擦熱が発生する。この摺動摩擦熱は、リングカップ６ｂに伝達される。

ロッドパッキン６は、軸方向の中途箇所（例えば、ほぼ中央箇所）が、吐出口３０から吐出されるガスの圧力よりも低く大気圧よりも高い圧力（例えば、吸入圧）とされている。

ロッドパッキン６の軸方向の中途箇所を上記所定の圧力にするには、図１及び図２に示すように、軸方向の中途箇所において、箇所のロッドパッキンリング６ａ間の間隙にリング状スペーサ６ｇを配置し、このリング状スペーサ６ｇの内周部を、吐出口３０から吐出されるガスの圧力よりも低い圧力の空間（例えば、吸入口２０）に連通孔１２ｂを経由して連通させることが好ましい。

なお、上記所定の圧力の空間とされる箇所（リング状スペーサ６ｇの内周部）よりも前段側（シリンダ筒１０側）のロッドパッキンリング６ａの数と、後段側（大気側）のロッドパッキンリング６ａの数とは、吐出口３０から吐出されるガスの圧力に応じて適宜定めることができる。

吐出圧よりも低い圧力とされるロッドパッキン６の軸方向の中途箇所は、少なくとも１箇所あればよく、複数箇所としてもよい。したがって、連通孔１２ｂの数は１本に限定されず、複数設けてもよい。ロッドパッキン６の軸方向の複数箇所を吐出圧よりも低い圧力とする場合には、前段側（シリンダ筒１０側）の箇所から後段側（大気側）の箇所に向けて徐々に圧力が低くなってゆくようにすることが好ましい。

このロッドパッキン６の前段側の部分には、シリンダ筒１０内と大気圧との高い圧力差が印加されることがない。この部分に印加されるのは、吐出圧と例えば吸入圧との圧力差のみであり、吐出圧と大気圧との圧力差ではない。また、ロッドパッキン６の後段側の部分に印加されるのは、例えば吸入圧と大気圧との圧力差のみであり、吐出圧と大気圧との圧力差ではない。したがって、シリンダ筒１０内の圧力が吸入圧と吐出圧との間で脈動してもロッドパッキン６に対する負荷が大きくならず、ロッドパッキン６において生ずる振動、衝撃及び摺動摩擦熱は小さい。そのため、ロッドパッキン６への負荷が少なく、寿命を長くすることができる。

また、ロッドパッキン６は、ロッドパッキン６において生ずる振動、衝撃及び摺動摩擦熱が小さいために、ロッド５とロッドパッキンリング６ａとの間への潤滑油の供給を不要とすることができる。この場合には、圧縮したガスへの潤滑油の混入を防止することができる。

さらに、この圧縮シリンダにおいては、ピストンリング２ａ、４ａ及びライダリング２ｂを高耐熱性の材料から形成することにより、ピストン１への給油も不要とすることができる。または、この圧縮シリンダにおいては、冷却液を回流させる冷却機構を設けることにより、ピストン１、ピストンリング２ａ、ライダリング２ｂ、シリンダ筒１０及びシリンダライナ１１の熱を吸熱し、シリンダ筒１０の外において放熱して、シリンダ筒１０内を冷却し、ピストン１への給油も不要とすることができる。

なお、ロッドパッキン６は、図２に示すように、冷媒供給路６ｃから各リングカップ６ｂ内の流路に冷媒を分配して供給し、これら流路から冷媒を冷媒排出路６ｄに集めて排出するように構成してもよい。冷媒供給路６ｃは、冷媒供給口６ｅにおいて外部に連通し、各リングカップ６ｂ内を貫通するとともに、各リングカップ６ｂ内で分岐して各リングカップ６ｂ内の流路に連通している。冷媒排出路６ｄは、各リングカップ６ｂ内の流路から連通し各リングカップ６ｂ内で集合して、各リングカップ６ｂ内を貫通するとともに、冷媒排出口６ｆにおいて外部に連通している。各リングカップ６ｂ内の流路に冷媒を供給することにより、多量の摺動摩擦熱を除去することができ、ロッドパッキン６の耐久性を高めることができる。

なお、連通孔１２ｂは、冷媒供給路６ｃや冷媒排出路６ｄのように、各リングカップ６ｂ内を貫通して設けてもよい。

〔コンプレッサの構成例〕
図３は、本発明の圧縮シリンダを用いて構成されたコンプレッサを概略的に示すブロック図（再液化があるので潤滑油の供給が不要にしたい一例を示している）である。

本発明の圧縮シリンダを用いて構成されるコンプレッサ２００は、１段でもよいが、図３に示すように、一例として、それぞれが圧縮シリンダを有する複数（例えば、５段）の圧縮段２０１、２０２、２０３、２０４、２０５を有し、圧縮段２０１、２０２、２０３、２０４、２０５ごとに徐々にガスを圧縮して高圧化してゆく。複数の圧縮段２０１、２０２、２０３、２０４、２０５のうちの後段（例えば、第４段）においては、ガスがすでに１００バール（１０ＭＰａ）以上の高圧となっている。この態様において、第２段以降の圧縮段２０２、２０３、２０４、２０５が有する圧縮シリンダのロッドパッキン６は、軸方向の中途の少なくとも１箇所において、ロッドパッキンリング６ａ間の間隙が、該圧縮シリンダの吸入口２０に連通されていること、すなわち、一段前の吐出口３０に連通されていることが好ましい。

１００バール（１０ＭＰａ）以上の高圧のガスをさらに、例えば２００バール以上に圧縮するシリンダにおいては、従来、ピストン１及びロッドパッキン６の樹脂製シールリング（ピストンリング及びロッドパッキンリング）が高熱により短寿命になる虞がある。樹脂製シールリングは、低圧下では、潤滑油の供給が不要式でも実用的な寿命を維持できる。しかし、例えば、ＬＮＧボイルオフガスを圧縮して船舶用エンジンの燃料ガスとする様な場合には５段圧縮が必要で、第５段では、吸入圧が１００バール乃至１２０バールで、吐出圧が２００バール以上といった高圧条件下では、潤滑油の供給が不要な無給油式では、樹脂製シールリングの実用的な寿命を維持することができない虞がある。

本発明の圧縮シリンダは、何れの圧縮段２０１、２０２、２０３、２０４、２０５に用いる場合にもロッドパッキンへの給油が不要であり、冷却機構を備えれば、ピストンへの給油も不要とすることができる。この場合には、コンプレッサ２００においては、圧縮したガスが潤滑油により汚染される虞がない。したがって、後段の圧縮段を経たガスを極低温かつ高圧下で再液化して再利用することが可能となる。すなわち、本発明の圧縮シリンダは、高圧下における使用（すでに高圧（例えば１００バール以上）となっているガスをさらに高圧（例えば３００バール以上）にする用途）において特に有用である。

このコンプレッサ２００は、あらゆる用途に適用可能であり、例えば、天然ガスを圧縮する用途においては、最後圧縮段２０５を経た天然ガスを貯蔵タンク２０６に戻すことが可能となる。また、後段の圧縮段の前（第４段２０４と第５段２０５との間）に逆止弁は不要である。

また、重油脱硫用に使用する高圧水素ガスでは、高圧故に潤滑油の供給を不要にすることが不可能なので、油分を含んだまま使用している。これがリアクター内の高価な触媒の寿命を縮めるが、現状致し方なしとして油分を含んだ高圧水素ガスを使用している。これが油分を含まない高圧水素ガスとなれば、触媒寿命延長が図られ、大きなメリットになる。

本発明は、前述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改良並びに設計の変更を行ってよい。

その他、具体的な細部構造や数値等及び制御装置の制御内容等についても適宜に変更可能であることは勿論である。加えて、今回開示された実施形態は、全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、前記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ ピストン
１ａ 前端部
１ｂ 基端部
２ａ ピストンリング
２ｂ ライダリング
５ ロッド
６ ロッドパッキン
６ａ ロッドパッキンリング
６ｂ リングカップ
６ｃ 冷媒供給路
６ｄ 冷媒排出路
６ｅ 冷媒供給口
６ｆ 冷媒排出口
６ｇ リング状スペーサ
１０ シリンダ筒
１０ａ シリンダカバー
１０ｂ 連通孔
１１ シリンダライナ
１２ 連結筒
１２ｂ 連通孔
２０ 吸入口
２０ａ 吸入弁
３０ 吐出口
３０ａ 吐出弁
２００ コンプレッサ
２０１ 第１の圧縮段
２０２ 第２の圧縮段
２０３ 第３の圧縮段
２０４ 第４の圧縮段
２０５ 第５の圧縮段
２０６ 貯蔵タンク

Claims (5)

1. 複数の圧縮段を有するコンプレッサの第２段以降の圧縮段が有する圧縮シリンダであって、
   吸入口及び吐出口に連通されたシリンダ筒と、
   前記シリンダ筒内に密着摺動可能に配設され、前記吸入口から吸入されたガスを圧縮して前記吐出口から吐出するピストンと、
   前記ピストンに駆動力を伝達するロッドと、
   前記ロッドの外周をシールするロッドパッキンとを備え、
   前記ロッドパッキンは、前記ロッドの周囲に配置され該ロッドの軸方向に配列された複数のロッドパッキンリングからなり、該軸方向の中途の少なくとも１箇所において、前記ロッドパッキンリング間の間隙が、前記吸入口に連通され、この間隙の圧力は、一段前の圧縮段によって圧縮され前記吸入口から吸入されるガスの圧力にほぼ等しく、前記吐出口から吐出されるガスの圧力よりも低い圧力とされており、
   前記ロッドパッキンの軸方向の中途の複数箇所において、ロッドパッキンリング間の間隙が、前記吐出口から吐出されるガスの圧力よりも低く大気圧よりも高い圧力とされており、前記シリンダ筒側の箇所から大気側の箇所に向けて徐々に圧力が低くなっていることを特徴とする圧縮シリンダ。
2. 前記ロッドパッキンは、潤滑油の供給が不要であることを特徴とする請求項１記載の圧縮シリンダ。
3. 複数の圧縮段を有するコンプレッサの第２段以降の圧縮段が有する圧縮シリンダであって、
   吸入口及び吐出口に連通されたシリンダ筒と、
   前記シリンダ筒内に密着摺動可能に配設され、前記吸入口から吸入されたガスを圧縮して前記吐出口から吐出するピストンと、
   前記ピストンに駆動力を伝達するロッドと、
   前記ロッドの外周をシールするロッドパッキンとを備え、
   前記ロッドパッキンは、潤滑油の供給が不要であり、前記ロッドの周囲に配置され該ロッドの軸方向に配列された複数のロッドパッキンリングからなり、該軸方向の中途の少なくとも１箇所において、前記ロッドパッキンリング間の間隙が、前記吸入口に連通され、
   前記ロッドパッキンリング間の間隙の圧力は、一段前の圧縮段によって圧縮され前記吸入口から吸入されるガスの圧力にほぼ等しく、前記吐出口から吐出されるガスの圧力よりも低い圧力とされていることを特徴とする圧縮シリンダ。
4. 前記シリンダ筒内には、円筒状のシリンダライナが装着されており、
   前記ピストンの外周面には、ピストンリング及びライダリングが装着されており、これらピストンリング及びライダリングの外周部が前記シリンダライナの内周面に密着摺動することを特徴とする請求項１、２又は３記載の圧縮シリンダ。
5. 前記ガスを２００バール以上で使用することを特徴とする請求項１～４の何れかに記載の圧縮シリンダ。

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