WO2025243646A1 - 圧縮機 - Google Patents

Abstract

圧縮機（１０）は、シリンダ室（３１）を有するシリンダ（２１）と、シリンダ（２１）の内部を往復するピストン（２７）と、シリンダ（２１）の一端面を塞ぐヘッドカバー（４１）と、ヘッドカバー（４１）を基準としてシリンダ（２１）の反対側に配置されるヘッドカバー押え（６１）と、ヘッドカバー押え（６１）とシリンダ（２１）を連結し、ヘッドカバー押え（６１）及びヘッドカバー（４１）をシリンダ（２１）に向けて付勢する緊結具（１５）と、を有する。

Description

圧縮機

　本発明は、水素などの流体を加圧する際に使用する圧縮機に関する。

　シリンダの端面がブロックで塞がれており、ブロックの内部には、吸入弁と吐出弁を有し、ブロックを挟んで圧縮室の反対側にガスの出入口を有する往復動コンプレッサが提案されている（特開２００６－５２７０９号公報、以下、特許文献１）。

　特許文献１のように、ブロックの内部に流体の流路を形成することで、流体との接触によってブロックの劣化が促進される恐れがある。特に流体が水素の場合、水素脆化を考慮する必要がある。水素脆化に対応するため、ブロックの素材については、ＳＵＨ６６０などの耐熱鋼の使用が適している。このような耐熱鋼は高価であるほか、加工が困難であり、圧縮機のコストアップの要因になる。

　ブロックにおいて、流体との接触面は高圧に晒される。接触面で応力集中を生じやすい箇所があれば、そこを起点としてブロックが破損する恐れがある。
　本発明は、流体との接触による劣化が懸念される場合においても、劣化を抑制しながらコストダウンが可能な圧縮機を提供することを目的とする。

　本発明の第１の観点は、
　シリンダ室を有するシリンダと、
　前記シリンダの内部を往復するピストンと、
　前記シリンダの一端面を塞ぐヘッドカバーと、
　前記ヘッドカバーを基準として前記シリンダの反対側に配置されるヘッドカバー押えと、
　前記ヘッドカバー押えと前記シリンダを連結し、前記ヘッドカバー押え及び前記ヘッドカバーを前記シリンダに向けて付勢する緊結具と、
　を有する、圧縮機である。

　シリンダ室は、流体の圧縮を行う空間である。ヘッドカバーの中心部分は、シリンダの内部に嵌まり込む構成としてもよい。ピストンの駆動方法は任意であり、例えば、油圧シリンダや電動機である。

　ヘッドカバー押えは、シリンダと接触しなくても良い。ヘッドカバー押えとヘッドカバーは、隣接してもよい。ヘッドカバー押えとヘッドカバーの間には、何らかの介在物が挟み込まれてもよい。

　緊結具は、ヘッドカバー押えと接続され、ヘッドカバー押えをシリンダに向けて付勢する。ヘッドカバーは、ヘッドカバー押えに押圧され、シリンダに密着する。緊結具は、例えば、タイロッドである。タイロッドの端部は、ヘッドカバー押えに差し込まれる。

　ヘッドカバーの流路は、シリンダ室と外部空間を結ぶ穴である。流路の一端は、シリンダ室に開口する。流路の他端は、ヘッドカバーの側面などに開口する。流路は、任意に配置可能である。流路の本数も任意である。各流路は、単純な直線状でも良いが、途中で屈曲しても良い。

　凹部は、シリンダ室に開口する面の中心寄りの部位を削り落とした凹みである。凹部により、ヘッドカバーの中心部と外縁部での肉厚差が抑制される。そのため、急激な温度変化時においても、ヘッドカバーの中心部と外縁部の温度差が抑制され、膨張及び収縮が円滑に進行する。また、流路の一端を凹部に開口させることで、流路を短縮できる。

　凸部は、ピストンの先端面に設けられる。ピストンがヘッドカバーに最接近した際、凸部が凹部に嵌まり込む。これにより、シリンダ室の最小体積が減り、流体の高圧化が促進される。凹部と凸部は、ピストンの動きを妨げない形状である。

　フィレットは、凹部の内周面と底面との角部に設ける面取である。フィレットが凹部の内周面と底面を円弧状に結ぶことで、鋭利な角部が解消される。フィレットにより、流体の圧縮時、凹部の底面外縁での応力集中が緩和される。

　流路の一端は、フィレットの表面に開口していても良い。フィレットの表面に対し、流路を概ね直角に形成することで、流路は、ピストンの移動方向に対して傾く。この場合、流路を途中で屈曲させ、流路の他端側をヘッドカバーの側面に開口させても良い。

　接続口は、流路が外部空間に開口する位置に設けられる。接続口には、チェックバルブなどが組み込むまれる。排気穴は、ヘッドカバーの内部に形成される。排気穴の一端は、接続口の内周面に開口する。排気穴の他端は、ヘッドカバー押えとの接触面に開口する。ヘッドカバー押えにおいて、ヘッドカバーとの接触面に逃げ溝が形成される。逃げ溝は、排気穴に応じて配置される。逃げ溝は、排気穴が塞がれることを防ぐ。

　本発明の圧縮機によれば、流体による劣化が懸念される場合においても、劣化を抑制しながらコストダウンが可能である。

第１実施形態の圧縮機の斜視図 図１のヘッドカバーを上下反転させた斜視図 図２の縦断面図 図１の組立図 第２実施形態の圧縮機の斜視図

＜第１実施形態＞
　図１に示すように、本実施形態の圧縮機１０は、駆動部１１と、駆動ロッド１７と、ベースプレート１３と、ピストン２７と、シリンダ２１と、ジャケット２３と、ヘッドカバー４１と、ヘッドカバー押え６１と、緊結具１５と、継手３３と、チェックバルブ５９と、を有する。駆動部１１は、ピストン２７の往復運動を発生させる。駆動部１１は、油圧などを動力源とする。ピストン２７と駆動部１１は、駆動ロッド１７を介して連結される。

　シリンダ２１は、筒状である。ジャケット２３は、シリンダ２１の外側を取り囲む筒状である。シリンダ２１とジャケット２３は、同心で配置される。シリンダ２１とジャケット２３との間には、隙間が形成される。シリンダ２１とジャケット２３は、ベースプレート１３の表面に載置される。

　ヘッドカバー４１は、フランジ部４３と、嵌入部４５と、を有する。フランジ部４３は、シリンダ２１及びジャケット２３の端面を塞ぐ。フランジ部４３は、ジャケット２３と同径の円断面である。嵌入部４５は、フランジ部４３の一端面側から突出する。嵌入部４５は、シリンダ２１の内周面に嵌合される。シリンダ２１とピストン２７とヘッドカバー４１とで区画された空間が、シリンダ室３１である。圧縮される流体は、例えば、水素である。

　嵌入部４５の外周面には、シール５５が配置される。シール５５は、シリンダ２１とヘッドカバー４１の隙間を封止する。シリンダ２１とジャケット２３の間には、冷却液が供給される。ジャケット２３は、接続口２５を有する。接続口２５には、継手３３が取り付けられる。継手３３は、冷却液の入口及び出口となる。

　嵌入部４５は、端面に、凹部４７を有する。凹部４７は、ピストン２７から遠ざかる方向に陥没する。凹部４７により、ヘッドカバー４１の中心部の肉厚が減り、ヘッドカバー４１の中心部と外縁部での肉厚差が抑制される。仮に、ヘッドカバー４１を加熱した際は、ヘッドカバー４１の中心部と外縁部の温度差が抑制される。

　ヘッドカバー４１は、流路５１を有する。流路５１の一端は、凹部４７の底面に開口する。流路５１の他端は、フランジ部４３の側面に開口する。フランジ部４３は、側面に、接続口５３を有する。接続口５３には、例えば、チェックバルブ５９が取り付けられる。流路５１の一端を凹部４７の底面に開口させることで、流路５１が短縮される。これにより、流路５１が高圧に晒されることの影響が軽減される。

　ピストン２７の外周面には、シール２８が配置される。シール２８は、シリンダ２１の内周面に密着する。ピストン２７は、先端面に、凸部２９を有する。ピストン２７がヘッドカバー４１に最接近した際、凸部２９が凹部４７に嵌まり込み、シリンダ室３１の体積が最小化される。

　ヘッドカバー押え６１は、ヘッドカバー４１を基準としてシリンダ２１の反対側に配置される。ヘッドカバー押え６１は、ベースプレート１３と同形状である。ヘッドカバー押え６１は、ヘッドカバー４１に接触し、ヘッドカバー４１を覆い隠す。ヘッドカバー押え６１の外縁部は、ヘッドカバー４１から突出する。

　緊結具１５は、ジャケット２３の外側を取り囲むように配置される。緊結具１５は、シリンダ２１の軸線方向に延びる。緊結具１５の一端は、ベースプレート１３に一体化している。緊結具１５の他端は、ヘッドカバー押え６１の固定穴６３に差し込まれる。固定穴６３から突出した緊結具１５にナット１６を螺合させることで、ヘッドカバー押え６１がシリンダ２１に向けて付勢される。併せて、ヘッドカバー４１がシリンダ２１に向けて付勢させる。これにより、シリンダ室３１が密閉される。緊結具１５は、例えば、タイロッドである。

　ヘッドカバー押え６１は、圧縮される流体と接触しない。そのため、流体に起因する劣化が抑制される。ヘッドカバー押え６１は、高価な素材を使用する必要がない。ヘッドカバー４１は、緊結具１５と接続される必要がない。そのため、ヘッドカバー４１を小型化できる。仮に、ヘッドカバー４１にＳＵＨ６６０などの高価な鋼材を使用する場合でも、ヘッドカバー４１の小型化により、コストダウンが可能になる。

　流路５１の端部の接続口５３には、排気穴５７が開口する。排気穴５７は、ヘッドカバー押え６１に向けて延びる。ヘッドカバー押え６１は、逃げ溝６７を有する。逃げ溝６７は、ヘッドカバー４１との接触面に配置され、排気穴５７と連通する。排気穴５７は、逃げ溝６７を介して外部に開放される。

　図２は、図１のヘッドカバー４１の詳細を示す。図２では、図１に対してヘッドカバー４１を上下反転させている。フランジ部４３は、嵌入部４５よりも大きな径を有する。嵌入部４５は、シリンダ２１の内周面に嵌まり込む。嵌入部４５の端面には、内部をくり抜いた凹部４７が開口する。嵌入部４５は、筒状である。フランジ部４３の側面には、流路５１が開口する。この開口位置において、フランジ部４３は、接続口５３を有する。

　図３は、図２のヘッドカバー４１の縦断面図である。凹部４７は、嵌入部４５の端面からフランジ部４３に向けてくり抜かれる。凹部４７の底面と、凹部４７の内周面との角部は、円弧状のフィレット４９を介して滑らかに接続される。フィレット４９により、シリンダ室３１が高圧になった場合でも、応力集中が緩和される。

　２つの流路５１が、ヘッドカバー４１の中心を挟んで対向配置される。各流路５１の一端は、フィレット４９に開口する。フィレット４９の表面に対し、流路５１を概ね直角に形成する。各流路５１は、途中で屈曲しており、フランジ部４３の側面に開口する。接続口５３の内周面には、排気穴５７が開口する。

　フィレット４９の表面から流路５１を形成することで、ピストン２７の移動方向に対する交角が大きくなるように、流路５１が延びる。そのため、流路５１を途中で屈曲させ、フランジ部４３の側面に向けて延ばす場合においても、屈曲点での交角が大きくなる。このように交角が大きくなることで、流路５１が高圧に晒された場合においても、流路５１の屈曲点での応力集中が緩和される。

　図４は、図１の組立図である。ヘッドカバー押え６１は、緊結具１５を介してベースプレート１３に固定される。ヘッドカバー押え６１は、ヘッドカバー４１と接触する。ヘッドカバー４１は、ヘッドカバー押え６１に付勢され、シリンダ２１及びジャケット２３を塞ぐ。ヘッドカバー４１は、圧縮する流体の吸入路となる流路５１と、圧縮された流体の排出路となる流路５１とを有する。

　各流路５１の一端は、シリンダ室３１に開口する。各流路５１の他端には、チェックバルブ５９が取り付けられる。チェックバルブ５９の周囲に流体が漏れ出した場合、流体は、排気穴５７と逃げ溝６７を経て外部に放出される。これにより、チェックバルブ５９の破損を防ぐ。

　シリンダ２１とジャケット２３との間には、隙間が形成される。この隙間に冷却液を供給して、シリンダ室３１の周辺を冷却する。ジャケット２３には、継手３３が取り付けられる。継手３３は、冷却液の入口と出口になる。ピストン２７がヘッドカバー４１に接近した際、ピストン２７の凸部２９は、凹部４７に嵌まり込む。

＜第２実施形態＞
　図５に示すように、本実施形態の圧縮機１１０は、ヘッドカバー１４１の流路５１を短縮化したものである。流路５１は、ピストン２７の移動方向に延びても良い。流路５１は、フランジ部４３を貫く最短経路となる。流路５１の一端は、フィレット４９に開口する。流路５１の他端は、接続口５３を有する。

　ヘッドカバー押え１６１は、ヘッドカバー１４１に接触する。ヘッドカバー押え１６１が流路５１を塞ぐことを避けるため、ヘッドカバー押え１６１は、配管穴６５を有する。

　本発明は前記した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象になる。前記実施形態は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書の開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。

１０、１１０　圧縮機
１１　駆動部
１３　ベースプレート
１５　緊結具
１６　ナット
１７　駆動ロッド
２１　シリンダ
２３　ジャケット
２５　接続口
２７　ピストン
２８　シール
２９　凸部
３１　シリンダ室
３３　継手
４１、１４１　ヘッドカバー
４３　フランジ部
４５　嵌入部
４７　凹部
４９　フィレット
５１　流路
５３　接続口
５５　シール
５７　排気穴
５９　チェックバルブ
６１、１６１　ヘッドカバー押え
６３　固定穴
６５　配管穴
６７　逃げ溝

Claims (7)

1. 　シリンダ室を有するシリンダと、
   　前記シリンダの内部を往復するピストンと、
   　前記シリンダの一端面を塞ぐヘッドカバーと、
   　前記ヘッドカバーを基準として前記シリンダの反対側に配置されるヘッドカバー押えと、
   　前記ヘッドカバー押えと前記シリンダを連結し、前記ヘッドカバー押え及び前記ヘッドカバーを前記シリンダに向けて付勢する緊結具と、
   　を有する、圧縮機。
2. 　前記ヘッドカバーは、前記シリンダ室で圧縮される流体の吸入路又は排出路となる流路を有する、
   　請求項１に記載の圧縮機。
3. 　前記ヘッドカバーは、前記シリンダ室に開口する面に、前記ピストンから遠ざかる方向に陥没した凹部を有する、
   　請求項１又は２に記載の圧縮機。
4. 　前記ピストンは、前記凹部に嵌まり込む凸部を有する、
   　請求項３に記載の圧縮機。
5. 　前記凹部は、底面外縁に、フィレットを有する、
   　請求項３又は４に記載の圧縮機。
6. 　前記流路の一端は、前記フィレットの表面に開口する、
   　請求項５に記載の圧縮機。
7. 　前記流路は、前記シリンダ室から離れた方の端部に、接続口を有し、
   　前記ヘッドカバーは、前記接続口の内周面から前記ヘッドカバー押えに向けて延びる排気穴を有し、
   　前記ヘッドカバー押えは、前記排気穴を外部に連通させる逃げ溝を有する、
   　請求項２～６のいずれかに記載の圧縮機。