JPH11280649A - 多段圧縮装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ラビリンス溝の数を増やすことなく，より効
率的にピストンリークを少なくする。 【解決手段】 第４圧縮部Ｄのピストン２１Ｄの摺動面
にラビリンス溝を複数形成してラビリンスシール２３Ｄ
を構成する。その際，ラビリンス溝の形成密度を第４圧
縮室２２Ｄから背圧室１１側に向けて粗密度になるよう
にする。これにより第４圧縮室２２Ｄ側の高密度領域で
効率的に圧力低下を起させてピストンリークを抑制す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，ラビリンスシール
によりプランジャピストンをシールする際のシール特性
を向上させると共にメンテナンスを容易にした多段圧縮
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来，天然ガス等の作動流体を天然ガス
自動車のガスボンベ等に充填する際には，当該作動流体
を多段圧縮装置等により高圧圧縮して充填を行ってい
る。

【０００３】かかる多段圧縮装置については種々の構成
が提案され，図５に示す構成もその一つである。なお，
図６はその上面図である。

【０００４】当該多段圧縮装置は，上部に圧縮手段１０
２が配設され，その下部に密閉ケース１０４に収納され
た駆動手段１０３が配設されている。

【０００５】ケース１０４内の空間は，圧縮手段１０２
における背圧室と連通して形成されている。そして吸入
口１１０から吸気された作動流体は圧縮室で圧縮されて
吐出口１１４から装置外に吐出される構成となってい
る。

【０００６】圧縮手段１０２は，作動流体を圧縮する第
１〜４圧縮部Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄから構成され，それぞれ十
字位置に配設されている。なお，第１〜４圧縮部Ａ〜Ｄ
は，図示しない第１〜４ピストンをそれぞれ有してい
る。

【０００７】作動流体は，第１圧縮部Ａで圧縮されなが
ら第２圧縮部Ｂに送られ，該第２圧縮部Ｂで圧縮されな
がら第３圧縮部Ｃに送られる。このようにして順次圧縮
されながら第４圧縮部Ｄに送られ，当該第４圧縮部Ｄで
最終圧縮されて吐出口１１４から吐出される。

【０００８】このとき各圧縮室の作動流体が，ピストン
と該ピストンを収納するピストンシリンダとの間の空間
を介して背圧室側に流動すると，各圧縮部Ａ〜Ｄの圧縮
効率が低下する。

【０００９】なお，以下の説明では，ピストンとピスト
ンシリンダとの間の空間をクリアランスと記載し，当該
クリアランスを流動して背圧室側に流れる作動流体をピ
ストンリークと記載する。従って，ピストンリークはピ
ストンの側面（摺動面）に沿って流動する。

【００１０】そこで第１〜３ピストンには，例えばＯリ
ング等の接触型シールが設けられ，最終段の第４ピスト
ン１２１には図７に示すような非接触型シールであるラ
ビリンスシール１２３が設けられて当該ピストンリーク
を抑制している。

【００１１】図７に示すラビリンスシール１２３は，第
４ピストン１２１の摺動面に形成された溝の深さが約数
百ミクロンの環状溝（ラビリンス溝と記載する）で，当
該ラビリンス溝が等間隔で複数形成されてシール特性を
向上させている。

【００１２】一方，ケース１０４の側面にはリリーフバ
ルブ１０５が設けられている。当該リリーフバルブ１０
５は，予期せぬ理由で，ケース１０４内の圧力が異常に
高くなることがあり，かかる状態を放置するとケース１
０４が変形，ひび割れ等をする不測に事態を回避するた
めに設けられている。

【００１３】即ち，ケース１０４内の圧力が所定圧力に
達すると当該リリーフバルブ１０５が開弁して上記不測
の事態を未然に防止している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，ラビリ
ンスシール１２３のシール特性を高めるためには，ラビ
リンス溝の数を増やしたり，ラビリンス溝の形成密度を
大きくする必要があるが，ラビリンス溝の数を増やす場
合及びラビリンス溝の密度を大きくする場合には，その
分ラビリンス溝の形成コストが製品コストを押上げてし
まう問題がある。

【００１５】また，ラビリンス溝は等間隔に設けられて
いるので，第４ピストン１２１の長さが決ると，必然的
に形成できるラビリンス溝の数が決り，それ以上のシー
ル特性を達成することが困難になる問題がある。

【００１６】一方，かかる多段圧縮装置を長時間使用し
ていると，第１〜３ピストンに設けられているＯリング
等の接触型シールやピストンシャフト等の可動部が徐々
に摩耗したり，作動流体に含まれる水分等が凝縮等して
水滴化する場合がある。

【００１７】かかる摩耗粉や水滴等は，ケース１０４の
底に貯まってしまうので，これを除去するためには当該
多段圧縮装置を分解掃除するしかなくメンテナンスの容
易性にかける問題があった。

【００１８】そこで，本発明は，ラビリンス溝の数を増
やすことなく，より効率的にピストンリークを少なくす
ることができるようにすると共に，メンテナンスが容易
に行えるようにした多段圧縮装置を提供することを目的
とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に，請求項１にかかる発明は，複数の圧縮部を備え，か
つ，該圧縮部のうちの少なくとも１つがプランジャピス
トン型圧縮機からなると共に，複数の圧縮部が連結管に
より直列に連結されて，前段の圧縮部で圧縮された作動
流体を後段の圧縮部に送り，当該後段の圧縮部で圧縮す
る圧縮過程を順次行って高圧の作動流体とする多段圧縮
装置において，プランジャピストン型圧縮機におけるプ
ランジャピストンが，複数のラビリンス溝により構成さ
れるラビリンスシールによりシールされ，かつ，当該ラ
ビリンス溝の形成密度が圧縮室側から背圧室側に向って
小さくなるように形成して，シール特性を改善したこと
を特徴とする。

【００２０】請求項２にかかる発明は，複数の圧縮部を
備えた圧縮手段と，該圧縮手段を駆動する駆動手段と，
該駆動手段が内設されると共に上部が圧縮手段に密着さ
れてなる密閉ケースとを有した多段圧縮装置において，
密閉ケース内の圧力が所定圧以上になったときに開弁す
るリリーフバルブが，当該密閉ケースの底に設けられ
て，装置を分解掃除することなく可動部の摩耗粉等をリ
リーフバルブから装置外に吐出すことができるようにし
たことを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図を参照し
て説明する。図１は，本発明にかかる多段圧縮装置の部
分破断側面図を示し，図２は圧縮手段の水平断面図であ
り，図３は第４ピストンの側面図を示している。

【００２２】多段圧縮装置は，上部に圧縮手段２が配設
され，その下部に密閉ケース４に収納された駆動手段３
が配設されている。

【００２３】吸込口１０から供給される天然ガス等の作
動流体は，ケース４内の空間に供給され，当該ケース４
内の空間は，圧縮手段２における作動流体の供給室を兼
ねた背圧室１１と連通して形成されている。

【００２４】そして，背圧室１１から圧縮室に供給され
た作動流体は，当該圧縮室で圧縮されて吐出口１４から
装置外に吐出される構成となっている。

【００２５】なお，お釜状のケース４の底６には，鉛直
下方方向にリリーフバルブ５が設けられている。

【００２６】圧縮手段２は，作動流体を圧縮する第１〜
４圧縮部Ａ〜Ｄが十字位置にそれぞれ配設された構成
で，第１〜４圧縮部Ａ〜Ｄは，第１〜４ピストン２１Ａ
〜２１をそれぞれ有している。

【００２７】第１ピストン２１Ａと第３ピストン２１Ｃ
はピストンシャフト１２により連結され，第２ピストン
２１Ｂと第４ピストン２１Ｄはピストンシャフト１３に
連結されて，それぞれが連動して同一方向に往復運動す
るようになっている。

【００２８】ピストンシャフト１２，１３は，各ピスト
ン２１Ａ〜２１Ｄの背圧室１１側に設けられている。

【００２９】第１ピストン２１Ａには背圧室１１と第１
圧縮室２２Ａとを連通する図示しない吸気口が設けら
れ，当該吸気口の途中には図示しない吸気側逆止弁が設
けられている。

【００３０】また，各圧縮室２２Ａ〜２２Ｄは，連結管
３０により接続され，当該連結管３０には図示しない吸
気側逆止弁及び吐出側逆止弁がそれぞれ設けられてい
る。

【００３１】各ピストン２１Ａ〜２１Ｄの位相は，第１
圧縮部Ａ→第２圧縮部Ｂ→第３圧縮部Ｃ→第４圧縮部Ｄ
と後段の圧縮部に進むに従い４５度ずつ遅れ，また各ピ
ストン２１Ａ〜２１Ｄの径は後段に進むに従い小さくな
っている。従って，各圧縮室２２Ａ〜２２Ｄも小さくな
っている。

【００３２】そして，第１ピストン２１Ａが背圧室１１
側に移動した際には吸気側逆止弁は開き，当該背圧室１
１側の作動流体が第１圧縮室２２Ａに吸込まれて圧縮さ
れる。無論，圧縮時には吸気側逆止弁は閉じている。

【００３３】これにより作動流体は，第１圧縮部Ａで圧
縮されながら第２圧縮部Ｂに送られ，該第２圧縮部Ｂで
圧縮されながら第３圧縮部Ｃに送られる。このようにし
て順次圧縮されながら第４圧縮部Ｄに作動流体が送ら
れ，当該第４圧縮部Ｄで最終圧縮されて吐出口１４から
吐出される。

【００３４】このとき各圧縮室２２Ａ〜２２Ｄの作動流
体が，クリアランスを流動することによるピストンリー
クを抑えるために第１，２ピストン２１Ａ，２１Ｂに
は，例えば，Ｏリング等の接触型シール２３Ａ，２３Ｂ
が設けられ，第３，４ピストン２１Ｃ，２１Ｄには図４
に示すようなラビリンスシール２３Ｃ，２３Ｄが設けら
れたプランジャピストンで構成されている。

【００３５】図４に示す第４ピストン２１Ｄのラビリン
スシール２３Ｄは，第４ピストン２１Ｄの摺動面に形成
された溝の深さは約数百ミクロンの環状溝からなるラビ
リンス溝で，当該ラビリンス溝の密度は第４圧縮室２２
Ｄ側から背圧室１１側に向って小さくなるように形成さ
れている。

【００３６】なお，本明細書では，ラビリンス溝の密度
が一様な場合を「等ピッチ」，密度変化がある場合を
「変則ピッチ」という。

【００３７】図４は，ラビリンス溝の数を同じにしたと
きの等ピッチ（実線）と変則ピッチ（点線）とのシール
特性を比較した図で，縦軸に作動流体の流速，横軸に第
４圧縮室２２Ｄのピストン作用面からの距離を示してい
る。本実施の形態では，ピッチ間隔は第４圧縮室２２Ｄ
側から背圧室１１側に向い等差級数的に粗密度となって
いる。

【００３８】最も背圧室１１側寄りのラビリンス溝は，
約０．２４２ｍｍの当りで，図４における領域Ｐは，当
該ラビリンス溝と背圧室１１との間のクリアランス領域
での流速を示している。

【００３９】図４から変則ピッチにすることにより，少
なくとも領域Ｐでの流速を小さくすることができること
がわかる。なお，クリアランスは等ピッチ又は変則ピッ
チいずれの場合も同じであるので，流速が小さくなるこ
とは，ピストンリークが抑えられていることを意味して
いる。

【００４０】このように，変則ピッチとすることにより
ピストンリークが抑えられたのは以下の理由によるもの
と推察される。

【００４１】一般にリークは，高圧側から低圧側に作動
流体が流動することにより生じ，そのリーク量は圧力差
とコンダクタンスにより概ね規定される。即ち，同じリ
ーク路であっても圧力差が大きければ，リーク量は大き
くなり，また同じ圧力差であってもコンダクタンスが小
さければリーク量は大きくなる。

【００４２】本発明の場合，圧力差は第４圧縮室２２Ｄ
と背圧室１１との差圧である。また，コンダクタンスは
第４圧縮室２２Ｄから背圧室１１に作動流体が流動する
際の流動抵抗の逆数と解釈でき，当該コンダクタンスを
小さくするにはラビリンス溝の数を増やすか密度を大き
くすればよい。

【００４３】そして，ラビリンスシール２３Ｄは，クリ
アランスを流動してきた作動流体がラビリンス溝で膨張
することにより，隣接する低圧側のラビリンス溝との圧
力差を小さくし，これにより作動流体の流動量を抑える
ことにより生じる。

【００４４】従って，第４圧縮室２２Ｄ側のラビリンス
溝の密度を背圧室１１側より大きくすることにより，当
該高密度領域で効率的（急激）に圧力降下が生じてピス
トンリークが抑制されたと解釈する。

【００４５】このことは，第４圧縮室２２Ｄと背圧室１
１とのコンダクタンスが実質的に小さくなったことと等
価であり，ラビリンス溝の数や形成密度を増やしたと同
様の効果が，上述した変則ピッチにより得られることが
わかる。

【００４６】また，第３圧縮室にプランジャピストンを
用いた場合にも，上述と同様の変則ピッチのラビリンス
シールを用いることにより同様の効果を得ることができ
る。

【００４７】次に，上記構成の多段圧縮装置のメンテナ
ンスについて説明する。上述したように多段圧縮装置に
は複数の可動部が設けられて，運転に伴い当該可動部は
摩耗して摩耗粉がケース４の底６に貯まり，また作動流
体には水分が含まれている場合があり，かかる水分がケ
ース４内で凝縮し水滴となってケース４の底に貯まる場
合がある。そして，従来は分解掃除してこれらを除去し
ていた。

【００４８】しかし，本発明では，リリーフバルブ５を
ケース４の底６に設け，かつ，下向きに設けている。こ
れにより，摩耗粉等が貯まったときには，ケース４内の
圧力を人為的に高めてリリーフバルブ５を開弁させて，
作動流体と共に当該摩耗粉等を装置外に吐出すようにな
っている。

【００４９】無論，不測の理由でケース４内の圧力が異
常に高くなったときにもリリーフバルブ５が開弁するの
で，このときにも当該摩耗粉等が装置外に吐出されるこ
とは言うまでもない。

【００５０】従って，分解掃除しなくてもケース４内を
清掃することができ非常にメンテナンス性が向上する。

【００５１】なお，上記説明では，多段圧縮装置はオイ
ルレス機構で構成されていることを前提としているが，
本発明はこれに限定されるものではない。

【００５２】この場合，リリーフバルブ５を底６に設け
たことにより，当該リリーフバルブ５が開弁するとオイ
ルが装置外に吐出されて，装置外が汚れたりオイルが無
駄になるといった懸念が生じる。

【００５３】装置外が汚れる問題に対しては，リリーフ
バルブ５から吐出されたオイルを貯留する貯留槽（図示
せず）を別途設けておけばよい。

【００５４】また，オイルが無駄になるとの問題は，後
述するように本質的にナンセンスである。即ち，摩耗粉
等が含まれたオイルを潤滑剤として継続して用いると，
当該摩耗粉が可動部等に付着して，例えばピストンをロ
ックさせてしまう等の重大な障害が生じる。従って，分
解掃除する場合でもオイルは交換しなければならない。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように，請求項１にかかる
発明によれば，ラビリンス溝の形成密度を圧縮室側から
背圧室側に向って小さくなるようにしたので，効率的に
シール特性を向上させることが可能になる。

【００５６】請求項２にかかる発明によれば，リリーフ
バルブを密閉ケースの底に設けたので，装置を分解掃除
することなく可動部の摩耗粉等を当該リリーフバルブか
ら装置外に吐出すことができ，メンテナンス性が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の説明に適用される多段圧
縮装置の部分破断側面図である。

【図２】圧縮手段の水平断面図である。

【図３】第４ピストンの側面図である。

【図４】ラビリンス溝を等ピッチで形成した場合と変則
ピッチで形成した場合のリーク特性を示す図である。

【図５】従来の技術の説明に適用される多段圧縮装置の
部分破断側面図である。

【図６】図５の上面図である。

【図７】第４ピストンの側面図である。

【符号の説明】

２ 圧縮手段 ３ 駆動手段 ４ 密閉ケース ５ リリーフバルブ ６ ケースの底 １１ 背圧室 ２１Ａ〜２１Ｄ ピストン ２２Ａ〜２２Ｄ 圧縮室 ２３Ｄ ラビリンスシール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野 公人 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の圧縮部を備え，かつ，該圧縮部の
   うちの少なくとも１つがプランジャピストン型圧縮機か
   らなると共に，前記複数の圧縮部が連結管により直列に
   連結されて，前段の前記圧縮部で圧縮された作動流体を
   後段の前記圧縮部に送り，当該後段の圧縮部で圧縮する
   圧縮過程を順次行って高圧の作動流体とする多段圧縮装
   置において，前記プランジャピストン型圧縮機における
   プランジャピストンが，複数のラビリンス溝により構成
   されるラビリンスシールによりシールされ，かつ，当該
   ラビリンス溝の形成密度が圧縮室側から背圧室側に向っ
   て小さくなるように形成されてなることを特徴とする多
   段圧縮装置。
2. 【請求項２】 複数の圧縮部を備えた圧縮手段と，該圧
   縮手段を駆動する駆動手段と，該駆動手段が内設される
   と共に上部が前記圧縮手段に密着されてなる密閉ケース
   とを有した多段圧縮装置において，前記密閉ケース内の
   圧力が所定圧以上になったときに開弁するリリーフバル
   ブが，当該密閉ケースの底に設けられてなることを特徴
   とする多段圧縮装置。