JP7717039B2 - 昇圧ポンプおよび水素供給システム - Google Patents

Description

本開示は、液体水素などの低温流体を昇圧する昇圧ポンプ、昇圧ポンプを有する水素供給システムに関するものである。

従来の昇圧ポンプとしては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載された昇圧ポンプは、圧縮室を有するシリンダブロックと、低温流体を圧縮室に吸入する吸入弁と、圧縮室の低温流体を圧縮するピストンと、圧縮された低温流体を吐出する吐出弁とを備える。また、昇圧ポンプは、ピストンがシリンダブロックに移動自在支持される。そして、ピストンは、外周部にピストンリングが装着され、圧縮室からの高圧の低温流体の漏えいを阻止している。このようなピストンリングとしては、例えば、下記特許文献２に記載されたものがある。

特許第４０３１８０７号公報 特許第６１９３２９１号公報

従来のピストンリングは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）のなど樹脂材料が使用される。ピストンリングは、低摩擦、低摩耗、高強度を有する高いシール性能が求められる。しかし、昇圧ポンプで適用する低温流体の圧力が超高圧（例えば、１００ＭＰａ）になると、十分な性能を確保することが困難になるという課題がある。

本開示は、上述した課題を解決するものであり、シール性能の向上を図る昇圧ポンプおよび水素供給システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本開示の昇圧ポンプは、圧縮室を有するシリンダと、低温流体を前記圧縮室に吸入する吸入弁と、前記シリンダに移動自在に支持されて前記圧縮室の低温流体を圧縮するピストンと、前記圧縮室の低温流体を吐出する吐出弁と、前記ピストンの外周部に設けられるピストンリングと、を備え、前記ピストンリングは、前記シリンダの内周面側に位置するピストンリング本体と、前記ピストンリング本体より前記ピストンの中心側に位置するインナーリングと、を有し、前記インナーリングの硬度が前記ピストンリング本体の硬度より低い。

また、本開示の水素供給システムは、前記昇圧ポンプを有して低温流体としての液体水素を圧縮する圧縮装置と、前記圧縮装置により圧縮された液体水素を気化する蒸発装置と、前記蒸発装置により気化された水素ガスを供給するディスペンサと、を備える。

本開示の昇圧ポンプおよび水素供給システムよれば、シール性能の向上を図ることができる。

図１は、第１実施形態の水素供給システムの全体構成を表す模式図である。 図２は、圧縮装置を表す概略構成図である。 図３は、第１実施形態の昇圧ポンプの要部を表す縦断面図である。 図４は、ピストンリングの装着部を表す断面図である。 図５は、ピストンリングに作用する圧力分布を説明する概略図である。 図６は、ピストンリングの動作を説明する概略図である。 図７は、第２実施形態の昇圧ポンプに適用されるピストンリングの装着部を表す断面図である。 図８は、ピストンリングに作用する圧力分布を説明する概略図である。 図９は、ピストンリングの動作を説明する概略図である。

以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

［第１実施形態］
＜水素供給システム＞
図１は、第１実施形態の水素供給システムの全体構成を表す模式図である。

図１に示すように、水素供給システム１０は、コンテナ１１に貯留される液体水素を所定圧力の水素ガスとして車両１２の動力源に供給（補給）する。ここで、動力源は、例えば、燃料電池またはや水素エンジンなどであり、車両１２に搭載される。水素供給システム１０は、例えば、燃料である水素ガスを車両１２の動力源に供給（補給）する、いわゆる、水素スタンド施設である。但し、水素供給システム１０は、水素ガスを車両１２の動力源に供給するものに限らず、低温流体（例えば、液体水素、液体窒素、液体酸素、液化炭酸ガス、液化天然ガス、液化プロパンガス等）を圧縮して供給するものである。

水素供給システム１０は、圧縮装置２１と、蒸発装置２２と、ディスペンサ２３とを有する。圧縮装置２１は、コンテナ１１から供給される液体水素（低温流体）を予め設定された所定の高圧（高圧状態）まで圧縮する。蒸発装置２２は、圧縮装置２１により圧縮された高圧の液体水素を気化することで水素ガスを発生させる。ディスペンサ２３は、蒸発装置２２により発生した水素ガスを車両１２の動力源に充填する。

なお、圧縮装置２１は、コンテナ１１に貯留された液体水素を所定の高圧まで圧縮したが、この構成に限定されない。例えば、コンテナ１１が水素ガスを貯留していた場合、圧縮装置２１は、コンテナ１１に貯留された水素ガスを所定の高圧まで圧縮してもよい。

圧縮装置２１は、駆動モータ３１と、昇圧ポンプ３２とを有する。駆動モータ３１は、外部から供給される電力によって駆動可能な電動機である。駆動モータ３１は、回転数がインバータ（図示略）により制御される。駆動モータ３１は、回転力を昇圧ポンプ３２に伝達する。昇圧ポンプ３２は、駆動モータ３１の回転力により作動する。

＜圧縮装置＞
図２は、圧縮装置を表す概略構成図である。

図２に示すように、駆動モータ３１は、減速機３３を介して昇圧ポンプ３２が連結される。減速機３３は、駆動モータ３１の回転力を減速して昇圧ポンプ３２に伝達する。昇圧ポンプ３２は、往復動式のポンプである。昇圧ポンプ３２は、減速機３３により減速された駆動モータ３１の回転力を往復動力に変換して作動する。昇圧ポンプ３２は、往復動力により液体水素の吸入と圧縮（昇圧）とを交互に行うことで、吸入した液体水素を所定の高圧状態に圧縮して外部に吐出する。

昇圧ポンプ３２は、クランク機構３４と、クロスヘッド３５と、ピストンロッド３６と、ピストン３７と、シリンダブロック３８とを有する。

クランク機構３４は、減速機３３から伝達された回転力を直線の往復動力に変換し、クロスヘッド３５に伝達する。クロスヘッド３５は、クランク機構３４から伝達された鉛直方向ＶＤの往復動力により鉛直方向ＶＤに往復動する。ピストンロッド３６は、上端部がクロスヘッド３５に連結され、他端部にピストン３７が連結される。シリンダブロック３８は、中空形状をなし、内部にピストン３７が鉛直方向ＶＤに沿って移動自在に支持される。

昇圧ポンプ３２は、下部、つまり、シリンダブロック３８が容器３９の内部に配置される。容器３９は、断熱真空容器であり、昇圧ポンプ３２と共に内部が真空状態に維持される。容器３９は、内部に液体水素が供給され、大気圧状態に満たされる。

昇圧ポンプ３２が作動すると、まず、ピストン３７が上昇する吸入工程にて、容器３９の液体水素がシリンダブロック３８の内部に吸入される。次に、ピストン３７が下降する圧縮工程にて、シリンダブロック３８の内部の液体水素が圧縮され、高圧の液体水素が容器３９の外部に吐出される。

＜昇圧ポンプ＞
図３は、第１実施形態の昇圧ポンプの要部を表す縦断面図である。

図３に示すように、昇圧ポンプ３２は、ピストン３７と、シリンダブロック（シリンダ）３８と、吸入弁４１と、吐出弁４２とを備える。

シリンダブロック３８は、シリンダとして機能し、内部に嵌合孔５１が形成される。ピストン３７は、シリンダブロック３８の嵌合孔５１に軸方向に移動自在に支持される。ピストン３７と嵌合孔５１は、軸心Ｏを中心とした円形断面をなす。シリンダブロック３８は、嵌合孔５１にピストン３７が配置されることで、圧縮室５２が区画される。ピストン３７が下降すると、圧縮室５２の容積が減少し、圧縮室５２の液体水素が圧縮される。

吸入弁４１と吐出弁４２は、シリンダブロック３８に設けられ、圧縮室５２に連通する。吸入弁４１は、ピストン３７が上昇する吸入工程で開放され、液体水素をシリンダブロック３８の圧縮室５２に吸入する。吐出弁４２は、ピストン３７が下降する圧縮工程で開放され、圧縮室５２で圧縮された高圧の液体水素を外部に吐出する。

また、昇圧ポンプ３２は、ピストンリング６１と、ウェアリング６２とを備える。すなわち、ピストン３７は、外周部にピストンリング６１とウェアリング６２が設けられる。ピストンリング６１とウェアリング６２は、ピストン３７の外周部にピストン３７の移動方向である軸心Ｏの方向に間隔を空けて配置される。ピストンリング６１は、軸心Ｏの方向に間隔を空けて複数（本実施形態では、３個）配置される。但し、ピストンリング６１の数は、３個に限定されるものではない。ウェアリング６２は、複数のピストンリング６１の軸心Ｏの方向の一方側に間隔を空けて配置される。但し、ウェアリング６２の数は、１個に限定されるものではない。

＜ピストンリング＞
図４は、ピストンリングの装着部を表す断面図である。

図４に示すように、ピストンリング６１は、ピストンリング本体７１と、インナーリング７２と、バックアップリング７３とを有する。ピストンリング本体７１とインナーリング７２とバックアップリング７３は、リング形状をなすが、外径および内径の寸法がそれぞれ相違する。

ピストン３７は、外周面に周方向に沿って環状溝７４が形成される。環状溝７４は、天井面７４ａと、側面７４ｂと、底面７４ｃとから構成される矩形断面形状をなし、嵌合孔５１の内周面側に開口する。環状溝７４は、天井面７４ａと側面７４ｂと底面７４ｃがそれぞれ平面である。環状溝７４は、天井面７４ａと底面７４ｃが平行をなして対向し、天井面７４ａと底面７４ｃが側面７４ｂと略直角をなす。また、環状溝７４は、側面７４ｂがシリンダブロック３８の嵌合孔５１の内面と平行をなして対向する。

ピストンリング６１は、環状溝７４に配置される。すなわち、ピストンリング本体７１は、環状溝７４にて、径方向の外方、つまり、嵌合孔５１の内周面側に配置される。インナーリング７２は、ピストンリング本体７１より径方向の内方、つまり、ピストン３７の中心（軸心Ｏ）側に配置される。バックアップリング７３は、インナーリング７２より径方向の内方、つまり、ピストン３７の中心（軸心Ｏ）側に配置される。ピストンリング６１は、環状溝７４にて、径方向の外方から内方に向けて、ピストンリング本体７１、インナーリング７２、バックアップリング７３の順に配置されて構成される。

ピストンリング本体７１は、外周面７１ａと、上面７１ｂと、内周面７１ｃと、下面７１ｄとを有する。ピストンリング本体７１は、外周面７１ａが嵌合孔５１の内周面に対向し、上面７１ｂが環状溝７４の天井面７４ａに対向し、内周面７１ｃが環状溝７４の側面７４ｂ側に位置し、下面７１ｄが環状溝７４の底面７４ｃに対向する。インナーリング７２は、外周面７２ａと、上面７２ｂと、内周面７２ｃと、下面７２ｄとを有する。インナーリング７２は、外周面７２ａがピストンリング本体７１の内周面７１ｃに対向し、上面７２ｂが環状溝７４の天井面７４ａに対向し、内周面７２ｃが環状溝７４の側面７４ｂ側に位置し、下面７２ｄが環状溝７４の底面７４ｃに対向する。バックアップリング７３は、外周面７３ａと、上面７３ｂと、内周面７３ｃと、下面７３ｄとを有する。バックアップリング７３は、外周面７３ａがインナーリング７２の内周面７２ｃに対向し、上面７３ｂが環状溝７４の天井面７４ａに対向し、内周面７３ｃが環状溝７４の側面７４ｂ側に対向し、下面７３ｄが環状溝７４の底面７４ｃに対向する。

ピストンリング本体７１は、環状溝７４に配置され、ピストンリング本体７１とインナーリング７２とバックアップリング７３は、環状溝７４に作用する圧縮室５２（図３参照）からの液体水素の圧力に応じて移動可能である。

ピストンリング本体７１とインナーリング７２とバックアップリング７３とは、異なる材料で形成されることで、硬度が相違する。すなわち、インナーリング７２の硬度がピストンリング本体７１の硬度より低い。つまり、インナーリング７２は、ピストンリング本体７１より軟質である。ピストンリング本体７１は、ポリエーテルエーテルケトンを主成分とするＰＥＥＫ系材料により形成される。インナーリング７２は、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とするＰＴＦＥ材料により形成される。

ここで、硬度とは、デュロメータ硬さであり、デュロメータは、ゴム硬度計である。デュロメータは、決められた形の押針をスプリングの力で試料の表面に押しつけて変形を与え、試料の抵抗力とスプリングの力がバランスした状態での押針の試料への押込み深さに基づいて硬度を測定する。デュロメータは、押針を押し戻す力が大きいほど数値が大きくなり、硬いということである。なお、デュロメータは、米国Ｓｈｏｒｅ（ショア）社の商品名である。本実施形態にて、ピストンリング本体７１のデュロメータ硬さは、インナーリング７２のデュロメータ硬さの１．１倍から１．６倍となることが好ましい。

＜ピストンリング本体＞
ピストンリング本体７１は、主成分とされるＰＥＥＫと、５重量％以上２５重量％以下のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）と、５重量％以上２５重量％以下の炭素繊維と、５重量％以上２０重量％以下の酸化亜鉛ウィスカとを含む。これらが基本的な組成とされ、それ以外は不可避的に混入する材料である。

ピストンリング本体７１は、ＰＴＦＥよりも大きな強度を有するＰＥＥＫを主成分として用いた母材となる。ＰＥＥＫは、固体潤滑機能を有しないため、固体潤滑機能を有するＰＴＦＥを添加することとした。ＰＴＦＥは、５重量％を下回ると固体潤滑効果が発現しないので５重量％以上が好ましい。一方、ＰＴＦＥは、２５重量％を超えると、大幅な固体潤滑効果の向上が期待できないので、２５重量％以下が好ましい。なお、ＰＴＦＥは、２０重量％程度が最も好ましい。

炭素繊維は、５重量％を下回ると強度の向上が得られないので５重量％以上が好ましい。一方、炭素繊維は、２５重量％を超えると脱落が多くなり、脱落した炭素繊維が極低温用耐摩耗性材料を摩耗させることになるので、２５重量％以下が好ましい。なお、炭素繊維は、２０重量％程度が最も好ましい。炭素繊維としては、ＰＡＮ系またはピッチ系が好適に用いられ、繊維長が１０～１０００μｍ、好ましくは５０～２００μｍ、繊維径が１～５０μｍ、好ましくは７～１５μｍである。

酸化亜鉛ウィスカは、５重量％を下回ると炭素繊維の脱落防止機能が得られないので、５重量％以上が好ましい。一方、酸化亜鉛ウィスカは、２０重量％を超えても強度および移着効果について大幅な向上が期待できないので、２０重量％以下が好ましい。なお、酸化亜鉛ウィスカは、１０重量％程度が最も好ましい。酸化亜鉛ウィスカは、核部と核部から４軸方向に延びた針状結晶部からなるテトラポット形状とされることが好ましい。酸化亜鉛ウィスカは、パナテトラという商品名の製品として入手することができる。針状結晶部の長さは３～２００μｍ、好ましくは５～５０μｍとされ、核部の径は０．１～１０μｍ、好ましくは０．３～３μｍである。

さらに、略１０重量％のブロンズ粉を含むこととしてもよい。ＰＴＦＥの移着効果の促進が期待できるブロンズ粉を添加することにより、耐摩耗性が向上する。また、ブロンズ粉を１０重量％程度に抑えることにより、母材であるＰＥＥＫに対する混合が適正化される。ブロンズ粉の組成は、Ｓｎが２～１５重量％、好ましくは３～１２重量％、Ｃｕが８５～９８重量％、好ましくは８８～９２重量％である。

＜インナーリング＞
インナーリング７２は、主成分とされる３５重量％以上のＰＴＦＥと、５重量％以上３０重量％以下のブロンズ粉と、５重量％以上１５重量％以下の炭素繊維と、５重量％以上２０重量％以下の酸化亜鉛ウィスカとを含む。これらが基本的な組成とされ、それ以外は不可避的に混入する材料である。

インナーリング７２は、固体潤滑剤としての機能を有するＰＴＦＥを主成分として用いた母材となる。ＰＴＦＥにブロンズ粉を添加することによって必要強度を確保する。また、ブロンズ粉は、摺動摩擦する相手となる金属材料に対してＰＴＦＥの移着を促進させる。ＰＴＦＥが金属材料に移着されることによって、摩耗が低減される。さらに大きな強度を実現するため、炭素繊維を添加することとした。また、炭素繊維の脱落を防止するために、酸化亜鉛ウィスカを添加する。この酸化亜鉛ウィスカは、さらに、液体水素温度（２０Ｋ）といった極低温環境下であっても、ブロンズ粉よりもＰＴＦＥの金属材料に対する移着効果を促進させる機能を備えている。

ブロンズ粉は、５重量％を下回ると所望の強度が得られないので５重量％以上添加することが好ましい。一方、ブロンズ粉は、３０重量％を超えても強度および移着効果について大幅な向上が期待できないので、３０重量％以下が好ましい。なお、ブロンズ粉は、２０重量％程度が最も好ましい。ブロンズ粉の組成は、Ｓｎが２～１５重量％、好ましくは３～１２重量％、Ｃｕが８５～９８重量％、好ましくは８８～９２重量％である。

炭素繊維は、５重量％を下回ると強度の向上が得られないので５重量％以上が好ましい。一方、炭素繊維は、１５重量％を超えると脱落が多くなり、脱落した炭素繊維が極低温用耐摩耗性材料を摩耗させることになるので、１５重量％以下が好ましい。なお、炭素繊維は、１０重量％程度が最も好ましい。炭素繊維としては、ピッチ系が好適に用いられ、繊維長が１０～１０００μｍ、好ましくは５０～２００μｍ、繊維径が１～５０μｍ、好ましくは７～１５μｍとされている。

酸化亜鉛ウィスカは、５重量％を下回ると炭素繊維の脱落防止機能が得られないので、５重量％以上が好ましい。一方、酸化亜鉛ウィスカは、２０重量％を超えても強度および移着効果について大幅な向上が期待できないので、２０重量％以下が好ましい。なお、酸化亜鉛ウィスカは、１０重量％程度が最も好ましい。酸化亜鉛ウィスカは、核部とこの核部から４軸方向に延びた針状結晶部からなるテトラポット形状とされことが好ましい。酸化亜鉛ウィスカは、パナテトラという商品名の製品として入手することができる。針状結晶部の長さは３～２００μｍ、好ましくは５～５０μｍとされ、核部の径は０．１～１０μｍ、好ましくは０．３～３μｍとされている。

酸化亜鉛ウィスカに対する炭素繊維の重量比は、１．０以上１．５以下とされている。酸化亜鉛ウィスカは炭素繊維の脱落防止機能を有するので、酸化亜鉛ウィスカに対する炭素繊維の重量比が１．５を超えると炭素繊維の脱落が多くなり摩耗を増加させてしまうことから、酸化亜鉛ウィスカに対する炭素繊維の重量比は１．５以下が好ましい。一方、炭素繊維による強度向上を考慮すると、少なくとも酸化亜鉛ウィスカと同等量の炭素繊維が添加されていることが好ましいので、酸化亜鉛ウィスカに対する炭素繊維の重量比は１．０以上が好ましい。

＜バックアップリング＞
バックアップリング７３は、ステンレス鋼により形成される。バックアップリング７３は、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌのいずれかを使用することが好ましいが、これらに限定されるものではない。

＜ウェアリング＞
ウェアリング６２は、シリンダブロック３８の嵌合孔５１に支持されるピストン３７などの軸受として機能し、焼付きや偏心を防止する。ウェアリング６２は、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とするＰＩＴＥ材料により形成される。ウェアリング６２に使用するＰＴＦＥ材料は、インナーリング７２と同様である。

＜ピストンリングの応力分布＞
図５は、ピストンリングに作用する圧力分布を説明する概略図である。

図４に示すように、ピストン３７の環状溝７４に配置されるピストンリング６１は、下方の圧縮室５２（図３参照）の高圧の液体水素から圧力Ｐを受ける。圧力Ｐは、ピストン３７の外周面と嵌合孔５１の内周面との隙間を通ってピストンリング６１の下部に作用する。そして、圧力Ｐは、ピストンリング６１と環状溝７４との隙間を通ってピストンリング６１の内周面（バックアップリング７３の内周面７３ｃ）側に作用し、ピストンリング６１の外周面（ピストンリング本体７１の外周面７１ａ）を嵌合孔５１の内周面に押圧してシールする。

このとき、図５に示すように、ピストンリング６１は、外周面と内周面に圧力分布が発生する。すなわち、ピストンリング６１は、圧縮室５２である下方側が高圧となり、上方側が低圧となる。そのため、ピストンリング６１の外周面は、上方側の圧力に対して下方側の圧力が高くなるような圧力分布となる。また、ピストンリング６１の内周面は、上方側の圧力と下方側の圧力が同等になるような圧力分布となる。具体的に、ピストンリング本体７１の外周面７１ａは、上方側の圧力に対して下方側の圧力が高くなるような圧力分布となる。また、バックアップリング７３の内周面は、上方側の圧力と下方側の圧力が同等になるような圧力分布となる。

＜ピストンリングの動作＞
図６は、ピストンリングの動作を説明する概略図である。

図５および図６に示すように、ピストンリング６１は、ピストンリング本体７１の外周面７１ａが、上方側の圧力に対して下方側の圧力が高くなるような圧力分布となると、ピストンリング本体７１に図６にて反時計回り方向の回転モーメントＭが働く。すると、ピストンリング本体７１は、回転モーメントＭにより図６にて反時計回り方向に回動する。ピストンリング本体７１が回動すると、外周面７１ａの上面７１ｂ側だけが嵌合孔５１の内周面に接触し、内周面７１ｃの下面７１ｄ側だけがインナーリング７２の外周面７２ａに接触した状態となる。ピストンリング本体７１は、嵌合孔５１の内周面およびインナーリング７２の外周面７２ａに対して片当たり状態になると、シール性能が低下する。また、ピストンリング本体７１は、片当たり状態が継続すると、ピストン３７の移動により局所的な摩耗が進行し、長期的なシール性能を維持することが困難となる。

ところが、第１実施形態にて、ピストンリング６１は、インナーリング７２の硬度がピストンリング本体７１の硬度より低い。そのため、ピストンリング本体７１が回転モーメントＭにより図６にて反時計回り方向に回動すると、インナーリング７２は、ピストンリング本体７１における内周面７１ｃの下面７１ｄ側から応力を受けて変形する。すなわち、インナーリング７２は、上下方向の中間部がバックアップリング７３側に反るように変形する。バックアップリングは、内周面７３ｃ側に圧力Ｐが作用しており、インナーリング７２は、バックアップリング７３からの圧力Ｐをピストンリング本体７１に伝える。すなわち、インナーリング７２は、外周面７２ａの上部（上面７２ｂ側）がピストンリング本体７１における内周面７１ｃの上部（上面７１ｂ側）に接触して押圧し、外周面７２ａの下部（下面７２ｄ側）がピストンリング本体７１における内周面７１ｃの下部（下面７１ｄ側）に接触して押圧する。

その結果、ピストンリング本体７１は、変形したインナーリング７２の押圧力により回転モーメントＭが打ち消され、図４に示すように、外周面７１ａにおける軸心Ｏに沿った全域が嵌合孔５１の内周面に接触可能となる。そのため、ピストンリング６１は、ピストンリング本体７１の外周面７１ａの全面が嵌合孔５１の内周面を押圧することができ、片当たりが抑制され、シール性能が確保される。

［第２実施形態］
＜ピストンリング＞
図７は、第２実施形態の昇圧ポンプに適用されるピストンリングの装着部を表す断面図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図７に示すように、ピストンリング６１Ａは、ピストンリング本体７１Ａと、インナーリング７２と、バックアップリング７３とを有する。ピストンリング本体７１Ａは、高圧ピストンリング本体８１と、低圧ピストンリング本体８２とを有する。高圧ピストンリング本体８１は、圧縮室５２（図３参照）側（図７の下方側）に位置する。低圧ピストンリング本体８２は、高圧ピストンリング本体８１より圧縮室５２とは反対側（図７の上方側）に位置する。

高圧ピストンリング本体８１と低圧ピストンリング本体８２は、リング形状をなし、外径および内径の寸法が同じである。ピストンリング６１Ａは、環状溝７４に配置される。ピストンリング６１Ａは、環状溝７４にて、径方向の外方から内方に向けて、ピストンリング本体７１Ａ、インナーリング７２、バックアップリング７３の順に配置されて構成される。そして、ピストンリング本体７１Ａは、圧縮室５２側に高圧ピストンリング本体８１が位置し、圧縮室５２とは反対側に低圧ピストンリング本体８２が位置する。

高圧ピストンリング本体８１は、外周面８１ａと、上面８１ｂと、内周面８１ｃと、下面８１ｄとを有する。低圧ピストンリング本体８２は、外周面８２ａと、上面８２ｂと、内周面８２ｃと、下面８２ｄとを有する。高圧ピストンリング本体８１および低圧ピストンリング本体８２は、外周面８１ａ，８２ａが嵌合孔５１の内周面に対向し、内周面８１ｃ，８２ｃがインナーリング７２の外周面７２ａに対向する。また、高圧ピストンリング本体８１は、上面８１ｂが環状溝７４の天井面７４ａに対向し、低圧ピストンリング本体８２は、下面８２ｄが環状溝７４の底面７４ｃに対向する。そして、高圧ピストンリング本体８１の下面８１ｄと低圧ピストンリング本体８２の上面８２ｂが対向する。

高圧ピストンリング本体８１と低圧ピストンリング本体８２とは、異なる材料で形成されることで、硬度が相違する。すなわち、低圧ピストンリング本体８２の硬度が高圧ピストンリング本体８１の硬度より低い。つまり、低圧ピストンリング本体８２は、高圧ピストンリング本体８１より軟質である。高圧ピストンリング本体８１は、ポリエーテルエーテルケトンを主成分とするＰＥＥＫ系材料により形成され、低圧ピストンリング本体８２は、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とするＰＴＦＥ材料により形成される。本実施形態にて、高圧ピストンリング本体８１のデュロメータ硬さは、低圧ピストンリング本体８２のデュロメータ硬さの１．０倍から１．５倍とすることが好ましい。

また、インナーリング７２の硬度が低圧ピストンリング本体８２の硬度以下である。つまり、インナーリング７２は、低圧ピストンリング本体８２と硬度が同じか、または、低圧ピストンリング本体８２より軟質である。本実施形態にて、低圧ピストンリング本体８２のデュロメータ硬さは、インナーリング７２のデュロメータ硬さの１．０倍から１．６倍とすることが好ましい。

＜ピストンリングの応力分布＞
図８は、ピストンリングに作用する圧力分布を説明する概略図である。

図７に示すように、ピストン３７の環状溝７４に配置されるピストンリング６１Ａは、下方の圧縮室５２（図７参照）の高圧の液体水素から圧力Ｐを受ける。圧力Ｐは、ピストン３７の外周面と嵌合孔５１の内周面との隙間を通ってピストンリング６１Ａの下部に作用する。そして、圧力Ｐは、ピストンリング６１Ａと環状溝７４との隙間を通ってピストンリング６１Ａの内周面（バックアップリング７３の内周面７３ｃ）側に作用し、ピストンリング６１Ａの外周面（ピストンリング本体８１，８２の外周面８１ａ，８２ａ）を嵌合孔５１の内周面に押圧してシールする。

このとき、図８に示すように、ピストンリング６１Ａは、外周面と内周面に圧力分布が発生する。すなわち、ピストンリング６１Ａは、圧縮室５２である下方側が高圧となり、上方側が低圧となる。そのため、ピストンリング６１Ａの外周面は、上方側の圧力に対して下方側の圧力が高くなるような圧力分布となる。また、ピストンリング６１Ａの内周面は、上方側の圧力と下方側の圧力が同等になるような圧力分布となる。具体的に、高圧ピストンリング本体８１および低圧ピストンリング本体８２の各外周面８１ａ，８２ａは、上方側の圧力に対して下方側の圧力が高くなるような圧力分布となる。また、バックアップリング７３の内周面は、上方側の圧力と下方側の圧力が同等になるような圧力分布となる。

＜ピストンリングの動作＞
図９は、ピストンリングの動作を説明する概略図である。

図８および図９に示すように、ピストンリング６１Ａは、高圧ピストンリング本体８１および低圧ピストンリング本体８２の各外周面８１ａ，８２ａが、上方側の圧力に対して下方側の圧力が高くなるような圧力分布となると、高圧ピストンリング本体８１および低圧ピストンリング本体８２に図９にて反時計回り方向の回転モーメントＭ１，Ｍ２が働く。すると、高圧ピストンリング本体８１は、回転モーメントＭ１により図９にて反時計回り方向に回動する。高圧ピストンリング本体８１が回動すると、外周面８１ａの上面８１ｂ側だけが嵌合孔５１の内周面に接触し、内周面８１ｃの下面８１ｄ側だけがインナーリング７２の外周面７２ａに接触した状態となる。同様に、低圧ピストンリング本体８２は、回転モーメントＭ２により図９にて反時計回り方向に回動する。低圧ピストンリング本体８２が回動すると、外周面８２ａの上面８２ｂ側だけが嵌合孔５１の内周面に接触し、内周面８２ｃの下面８２ｄ側だけがインナーリング７２の外周面７２ａに接触した状態となる。

高圧ピストンリング本体８１および低圧ピストンリング本体８２は、嵌合孔５１の内周面およびインナーリング７２の外周面７２ａに対して片当たり状態になると、シール性能が低下する。また、高圧ピストンリング本体８１および低圧ピストンリング本体８２は、片当たり状態が継続すると、ピストン３７の移動により局所的な摩耗が進行し、長期的なシール性能を維持することが困難となる。

ところが、第２実施形態にて、ピストンリング６１Ａは、高圧ピストンリング本体８１と低圧ピストンリング本体８２により構成され、インナーリング７２の硬度が高圧ピストンリング本体８１の硬度より低い。そのため、高圧ピストンリング本体８１および低圧ピストンリング本体８２が回転モーメントＭ，Ｍ２により図９にて反時計回り方向に回動すると、インナーリング７２は、高圧ピストンリング本体８１における内周面８１ｃの下面８１ｄ側から応力を受けて変形する。すなわち、インナーリング７２は、上下方向の中間部がバックアップリング７３側に反るように変形する。バックアップリング７３は、内周面７３ｃ側に圧力Ｐが作用しており、インナーリング７２は、バックアップリングからの圧力Ｐを高圧ピストンリング本体８１および低圧ピストンリング本体８２に伝える。すなわち、インナーリング７２は、外周面７２ａの上部（上面７２ｂ側）が低圧ピストンリング本体８２に接触して押圧し、外周面７２ａの下部（下面７２ｄ側）が高圧ピストンリング本体８１における内周面８１ｃの下部（下面８１ｄ側）に接触して押圧する。

その結果、高圧ピストンリング本体８１および低圧ピストンリング本体８２は、変形したインナーリング７２の押圧力により回転モーメントＭ１，Ｍ２が打ち消され、図７に示すように、各外周面８１ａ，８２ａにおける軸心Ｏに沿った全域が嵌合孔５１の内周面に接触可能となる。そのため、ピストンリング６１Ａは、高圧ピストンリング本体８１および低圧ピストンリング本体８２の各外周面８１ａ，８２ａの全面が嵌合孔５１の内周面を押圧することができ、片当たりが抑制され、シール性能が確保される。

［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係る昇圧ポンプは、圧縮室５２を有するシリンダブロック（シリンダ）３８と、液体水素（低温流体）を圧縮室５２に吸入する吸入弁４１と、シリンダブロック３８に移動自在に支持されて圧縮室５２の液体水素を圧縮するピストン３７と、圧縮室５２の液体水素を吐出する吐出弁４２と、ピストン３７の外周部に設けられるピストンリング６１，６１Ａとを備え、ピストンリング６１，６１Ａは、嵌合孔５１の内周面側に位置するピストンリング本体７１，７１Ａと、ピストンリング本体７１，７１Ａよりピストン３７の中心側に位置するインナーリング７２とを有し、インナーリング７２の硬度がピストンリング本体７１，７１Ａの硬度より低い。

第１の態様に係る昇圧ポンプによれば、インナーリング７２の硬度がピストンリング本体７１，７１Ａの硬度より低いことから、ピストンリング本体７１，７１Ａに作用する圧力により回転モーメントＭ，Ｍ２が作用すると、インナーリング７２が変形することで、ピストンリング本体７１，７１Ａを押し返す圧力が作用する。すると、ピストンリング本体７１，７１Ａは、回転モーメントＭ１，Ｍ２が打ち消され、外周面７１ａ，８１ａ，８２ａが嵌合孔５１の内周面に適切に接触可能となる。その結果、ピストンリング６１，６１Ａによるシール性能の向上を図ることができ、適用する低温流体の圧力が超高圧であっても、十分なシール性能を確保することができる。

第２の態様に係る昇圧ポンプは、第１の態様に係る昇圧ポンプであって、さらに、ピストンリング本体７１，７１Ａは、ポリエーテルエーテルケトンを主成分とするＰＥＥＫ系材料により形成され、インナーリング７２は、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とするＰＴＦＥ材料により形成される。これにより、低摩擦、低摩耗、高強度を有する高いシール性能を維持することができる。

第３の態様に係る昇圧ポンプは、第１の態様または第２の態様に係る昇圧ポンプであって、さらに、ピストンリング本体７１Ａは、圧縮室２側に位置する高圧ピストンリング本体８１と、高圧ピストンリング本体８１より圧縮室５２とは反対側に位置する低圧ピストンリング本体８２とを有し、低圧ピストンリング本体８２の硬度が高圧ピストンリング本体８１の硬度より低い。これにより、インナーリング７２や低圧ピストンリング本体８２が変形することで、高圧ピストンリング本体８１は、外周面８１ａが嵌合孔５１の内周面に適切に接触可能となり、ピストンリング６１Ａによるシール性能の向上を図ることができる。

第４の態様に係る昇圧ポンプは、第３の態様に係る昇圧ポンプであって、さらに、インナーリング７２の硬度が低圧ピストンリング本体８２の硬度以下である。これにより、インナーリング７２が変形することで、低圧ピストンリング本体８２は、外周面８２ａが嵌合孔５１の内周面に適切に接触可能となり、ピストンリング６１Ａによるシール性能の向上を図ることができる。

第５の態様に係る昇圧ポンプは、第３の態様または第４の態様に係る昇圧ポンプであって、さらに、高圧ピストンリング本体８１は、ポリエーテルエーテルケトンを主成分とするＰＥＥＫ系材料により形成され、低圧ピストンリング本体８２は、ポリエーテルエーテルケトンを主成分とするＰＴＦＥ材料により形成される。これにより、低摩擦、低摩耗、高強度を有する高いシール性能を維持することができる。

第６の態様に係る昇圧ポンプは、第１の態様から第５の態様のいずれか一つに係る昇圧ポンプであって、さらに、ピストン３７は、外周部に環状溝７４が形成され、環状溝７４の最も径方向の外側にピストンリング本体７１，７１Ａが配置され、環状溝７４のピストンリング本体７１，７１Ａより径方向に内側にインナーリング７２が配置され、環状溝７４のインナーリング７２より径方向に内側にバックアップリング７３が配置され、バックアップリング７３は、ステンレス鋼により形成される。これにより、バックアップリング７３に作用した圧力Ｐを適切にインナーリング７２に伝達することができる。

第７の態様に係る昇圧ポンプは、第１の態様から第６の態様のいずれか一つに係る昇圧ポンプであって、さらに、ピストンリング本体７１，７１Ａは、ピストン３７の移動方向に間隔を空けて複数設けられ、ピストン３７は、複数のピストンリング本体７１，７１Ａの軸方向一方側と他方側にそれぞれウェアリング６２が設けられ、ウェアリング６２は、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とするＰＴＦＥ材料により形成される。これにより、低摩擦、低摩耗、高強度を有する高いシール性能を維持することができる。

第８の態様に係る水素供給システムは、第１の態様から第７の態様のいずれか一つに係る昇圧ポンプ３２を有して低温流体としての液体水素を圧縮する圧縮装置２１と、圧縮装置２１により圧縮された液体水素を気化する蒸発装置２２と、蒸発装置２２により気化された水素ガスを供給するディスペンサ２３とを備える。これにより、昇圧ポンプ３２は、ピストンリング６１，６１Ａによるシール性能の向上を図ることができ、適用する低温流体の圧力が超高圧であっても、十分なシール性能を確保することができる。

なお、上述した実施形態では、ピストンリング本体７１，７１Ａを１個または２個としたが、３個以上としてもよい。

また、上述した実施形態では、昇圧ポンプ３２を水素供給システム１０の圧縮装置２１に適用して説明したが、この分野に限定されるものではなく、低温流体を適用する装置であれば適用することができる。

１０ 水素供給システム
１１ コンテナ
１２ 車両
２１ 圧縮装置
２２ 蒸発装置
２３ ディスペンサ
３１ 駆動モータ
３２ 昇圧ポンプ
３４ クランク機構
３５ クロスヘッド
３６ ピストンロッド
３７ ピストン
３８ シリンダブロック（シリンダ）
３９ 容器
４１ 吸入弁
４２ 吐出弁
５１ 嵌合孔
５２ 圧縮室
６１，６１Ａ ピストンリング
６２ ウェアリング
７１，７１Ａ ピストンリング本体
７２ インナーリング
７３ バックアップリング
７４ 環状溝
８１ 高圧ピストンリング本体
８２ 低圧ピストンリング本体

Claims (8)

1. 圧縮室を有するシリンダと、
   低温流体を前記圧縮室に吸入する吸入弁と、
   外周面に周方向に沿って環状溝が形成され、前記シリンダに移動自在に支持されて前記圧縮室の低温流体を圧縮するピストンと、
   前記圧縮室の低温流体を吐出する吐出弁と、
   前記ピストンの前記環状溝に設けられるピストンリングと、
   を備え、
   前記ピストンリングは、
   前記シリンダの内周面側に位置するピストンリング本体と、
   前記ピストンリング本体より前記ピストンの中心側に位置するインナーリングと、
   前記インナーリングより前記ピストンの中心側に位置する金属製のバックアップリングと、
   を有し、
   前記インナーリングの硬度が前記ピストンリング本体の硬度より低く、
   前記ピストンリング本体は、矩形断面形状をなして前記圧縮室側に位置する高圧ピストンリング本体と、矩形断面形状をなして前記高圧ピストンリング本体より前記圧縮室とは反対側に位置する低圧ピストンリング本体とを有し、
   前記低圧ピストンリング本体における軸方向の厚さが前記高圧ピストンリング本体における軸方向の厚さより薄い、
   昇圧ポンプ。
2. 前記ピストンリング本体は、ポリエーテルエーテルケトンを主成分とするＰＥＥＫ系材料により形成され、前記インナーリングは、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とするＰＴＦＥ材料により形成される、
   請求項１に記載の昇圧ポンプ。
3. 前記低圧ピストンリング本体の硬度が前記高圧ピストンリング本体の硬度より低い、
   請求項１または請求項２に記載の昇圧ポンプ。
4. 前記インナーリングの硬度が前記低圧ピストンリング本体の硬度以下である、
   請求項１または請求項２に記載の昇圧ポンプ。
5. 前記高圧ピストンリング本体は、ポリエーテルエーテルケトンを主成分とするＰＥＥＫ系材料により形成され、前記低圧ピストンリング本体は、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とするＰＴＦＥ材料により形成される、
   請求項３に記載の昇圧ポンプ。
6. 前記ピストンは、外周部に環状溝が形成され、前記環状溝の最も径方向の外側に前記ピストンリング本体が配置され、前記環状溝の前記ピストンリング本体より径方向に内側に前記インナーリングが配置され、前記環状溝の前記インナーリングより径方向に内側にバックアップリングが配置され、前記バックアップリングは、ステンレス鋼により形成される、
   請求項１に記載の昇圧ポンプ。
7. 前記ピストンリングは、前記ピストンの移動方向に間隔を空けて複数設けられ、前記ピストンは、複数の前記ピストンリングの軸方向一方側と他方側にそれぞれウェアリングが設けられ、前記ウェアリングは、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とするＰＴＦＥ材料により形成される、
   請求項１に記載の昇圧ポンプ。
8. 請求項１に記載の昇圧ポンプを有して低温流体としての液体水素を圧縮する圧縮装置と、
   前記圧縮装置により圧縮された液体水素を気化する蒸発装置と、
   前記蒸発装置により気化された水素ガスを供給するディスペンサと、
   を備える水素供給システム。