(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス圧縮膨張機であって、
ガスを受容するチャンバと、
前記チャンバに対して移動可能な容積式装置と、
前記チャンバに入るガスの流れおよび前記チャンバから出るガスの流れを制御するように動作可能な第１および第２の弁と、
第１および第２の弁の作動タイミングを制御する制御装置とを含み、
前記制御装置は、前記容積式装置の動作を、前記チャンバに受容されたガスが前記容積式装置によって圧縮される圧縮モードと、前記チャンバに受容されたガスが前記容積式装置によって膨張される膨張モードとの間で選択的に切り替えるように構成されており、これら２つのモードのうちの第１からこれら２つのモードのうちの第２への選択的切り替えは、前記第１および第２の弁の少なくとも一方の作動タイミングを、第１のモードでの動作中に選択的に変えることによって達成され、
少なくとも第１の弁は前記チャンバを低圧領域に接続するように構成されており、少なくとも第２の弁は前記チャンバを高圧領域に接続するように構成されており、前記ガス圧縮膨張機は、どの時点においても前記低圧領域および前記高圧領域のうちの一方のみが前記チャンバに接続されるように配列されているガス圧縮膨張機。
【請求項２】
前記容積式装置は、前記容積式装置と入力／出力装置との間で機械的動力を伝達するための回転装置に連結されており、前記制御装置は動作の第１のモードから第２のモードへ選択的に切り替えるように構成されており、前記切り替えの間、前記回転装置は、前記第１のモードに関連付けられた所定の方向に動き続ける請求項１に記載のガス圧縮膨張機。
【請求項３】
ガスを受容する更なるチャンバと、
前記更なるチャンバに対して移動可能な更なる容積式装置と、
前記更なるチャンバに入るガスの流れおよび前記更なるチャンバから出るガスの流れを制御するように動作可能な第３および第４の弁と
を更に備え、
前記制御装置は、前記更なる容積式装置の動作を、前記更なるチャンバに受容されたガスが前記更なる容積式装置によって圧縮される圧縮モードと、前記更なるチャンバに受容されたガスが前記更なる容積式装置によって膨張される膨張モードとの間で選択的に切り替えるように構成されており、前記２つのモードのうち第１から前記２つのモードのうち第２への選択的切り替えは、第１モードでの動作中に、前記第３および第４の弁の少なくとも一方の作動タイミングを選択的に変えることによって達成され、
少なくとも第３の弁は前記更なるチャンバを低圧領域に接続するように構成されており、少なくとも第４の弁は前記更なるチャンバを高圧領域に接続するように構成されており、前記ガス圧縮膨張機は、どの時点においても前記低圧領域および前記高圧領域のうちの一方のみが前記更なるチャンバに接続されるように配列されている請求項１または２に記載のガス圧縮膨張機。
【請求項４】
前記制御装置は最初に述べた容積式装置および更なる容積式装置の各々の動作を、前記第１のモードから前記第２のモードへ、実質的に同時に切り替えるように構成されている請求項３に記載のガス圧縮膨張機。
【請求項５】
前記最初に述べた容積式装置の前記第１のモード、および前記更なる容積式装置の第１のモードは一致するモードである請求項４に記載のガス圧縮膨張機。
【請求項６】
前記最初に述べた容積式装置の前記第１のモード、および前記更なる容積式装置の第１のモードは相反するモードである請求項４に記載のガス圧縮膨張機。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス圧縮膨張機を備えるエネルギー貯蔵装置。
【請求項８】
電気エネルギーを熱エネルギーとして貯蔵する充電モードで動作可能であり、かつ貯蔵された熱エネルギーから電気エネルギーを生成する放電モードで動作可能なポンプ熱貯蔵システムを含み、前記ポンプ熱貯蔵システムは高圧貯蔵部および低圧貯蔵部を含み、前記最初に述べた容積式装置および更なる容積式装置は、それぞれ、充電モードでは圧縮モードおよび膨張モードで作動し、放電モードではその逆で作動するように構成されている請求項３に従属する請求項７に記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項９】
ガス圧縮膨張機を操作する方法であって、前記ガス圧縮膨張機は、
ガスを受容するチャンバと、
前記チャンバに対して移動可能な容積式装置と、
前記チャンバに入るガスの流れおよび前記チャンバから出るガスの流れを制御するように動作可能な第１および第２の弁と、
第１および第２の弁の作動タイミングを制御する制御装置とを含み、
前記制御装置は、前記容積式装置の動作を、前記チャンバに受容されたガスが前記容積式装置によって圧縮される圧縮モードと、前記チャンバに受容されたガスが前記容積式装置によって膨張される膨張モードとの間で選択的に切り替え、これら２つのモードのうちの第１からこれら２つのモードのうちの第２への選択的切り替えは、前記第１および第２の弁の少なくとも一方の作動タイミングを、第１のモードでの動作中に選択的に変えることによって達成され、
少なくとも第１の弁は前記チャンバを低圧領域に接続するように構成されており、少なくとも第２の弁は前記チャンバを高圧領域に接続するように構成されており、前記ガス圧縮膨張機は、どの時点においても前記低圧領域および前記高圧領域のうちの一方のみが前記チャンバに接続されるように配列されている方法。
【請求項１０】
前記入力／出力装置は、圧縮モードと膨張モードとの間の切り替え中に、送電系統との同期を失うことなくモータとしての動作と発電器としての動作との間で切り替え可能な送電系統同期モータ／発電器を備える請求項２に記載のガス圧縮膨張機。
【請求項１１】
ガス圧縮膨張機であって、
ガスを受容するチャンバと、
前記チャンバに対して移動可能な容積式装置と、
前記チャンバに入るガスの流れおよび前記チャンバから出るガスの流れを制御するように動作可能な第１および第２の弁と、
第１および第２の弁の作動タイミングを制御する制御装置とを含み、
前記制御装置は、前記容積式装置の動作を、前記チャンバに受容されたガスが前記容積式装置によって圧縮される圧縮モードと、前記チャンバに受容されたガスが前記容積式装置によって膨張される膨張モードとの間で選択的に切り替えるように構成されており、これら２つのモードのうちの第１からこれら２つのモードのうちの第２への選択的切り替えは、前記第１および第２の弁の少なくとも一方の作動タイミングを、第１のモードでの動作中に選択的に変えることによって達成され、
前記第１および第２の弁のうちの少なくとも一方は、前記少なくとも一方の弁の両側のガス圧が実質的に等しくなった時に開くように構成されており、前記選択的切り替えは、弁を閉鎖するタイミングを変えることによって達成されるガス圧縮膨張機。
【請求項１２】
前記第１および第２の弁のうちの少なくとも一方は、前記少なくとも一方の弁の両側のガス圧が実質的に等しくなった時に自己開放するように構成されている請求項１１に記載のガス圧縮膨張機。
【請求項１３】
ガス圧縮膨張機であって、
ガスを受容するチャンバと、
前記チャンバに対して移動可能な容積式装置と、
前記チャンバに入るガスの流れおよび前記チャンバから出るガスの流れを制御するように動作可能な第１および第２の弁と、
第１および第２の弁の作動タイミングを制御する制御装置とを含み、
前記制御装置は、前記容積式装置の動作を、前記チャンバに受容されたガスが前記容積式装置によって圧縮される圧縮モードと、前記チャンバに受容されたガスが前記容積式装置によって膨張される膨張モードとの間で選択的に切り替えるように構成されており、これら２つのモードのうちの第１からこれら２つのモードのうちの第２への選択的切り替えは、前記第１および第２の弁の少なくとも一方の作動タイミングを、第１のモードでの動作中に選択的に変えることによって達成され、
圧縮モードと膨張モードとの間で切り替えが行われると、第１の弁の機能と第２の弁の機能とが逆転し、ガス圧縮膨張機内のガス流の方向が逆転するように構成された可逆的システムの一部を形成しているガス圧縮膨張機。
【請求項１４】
前記第１および第２の弁のうちの両方が、それぞれの弁の両側のガス圧が実質的に等しくなった時に自己開放するように構成されている請求項１２に記載のガス圧縮膨張機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス圧縮膨張機、それを作動させる方法に関し、限定するものではないが、特にそのようなガス圧縮膨張機を含むエネルギー貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのエネルギー貯蔵方法は、その技術の一部としてガス圧縮器および／または膨張器の作動を伴う。例えば、ＣＡＥＳ（Compressed Air Energy Storage：圧縮空気エネルギー貯蔵）およびその変形例等の従来のエネルギー貯蔵技術は、圧縮器および膨張器を使用してガスを処理する。出願人自身の以前の出願である特許文献１に開示されている新規なエネルギー貯蔵技術も同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００９／０４４１３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
両方向のガス流で動作する回転機構が設計されているが、各方向の効率は通常かなり低い。しかしながら、大抵の回転機構は、通常、一方向に流れるガス流のみで動作するように構成される。したがって、充放電サイクルのための別個の機構が必要である。
【０００５】
本出願人は、改善されたガス圧縮膨張機の必要性を確認した。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、ガスを受容するチャンバ、そのチャンバに対して移動可能な容積式装置、チャンバに入るガスの流れおよびチャンバから出るガスの流れを制御するように動作可能な第１および第２の弁、および第１および第２の弁の作動タイミングを制御する制御装置を備えるガス圧縮膨張機が提供される。制御装置は、チャンバに受容されたガスが容積式装置によって圧縮される圧縮モードと、チャンバに受容されたガスが容積式装置によって膨張される膨張モードとの間で容積式装置の動作を選択的に切り替えるように構成される。その切り替えは、前記２つのモードのうちの第１から前記２つのモードのうちの第２への選択的切り替えを伴い、これは、第１モードでの作動中に、第１および第２の弁の少なくとも一方の作動タイミングを選択的に変えることによって達成される。
【０００７】
このようにして、容積式装置（普通は往復ピストン等の線状容積式装置）が圧縮モードと膨張モードとの間で動作を途切れなく変えることのできる機械が提供される。
一実施形態において、容積式装置は、容積式装置と入力／出力装置（例えば、発電機のモータ／発電器、エンジンまたは機械的駆動部）との間で機械的動力を伝達するための回転装置（例えば回転シャフト）に接続され、制御装置は、回転装置が第１のモードと関連付けられた所定の方向に動き続けている間に、第１のモードから第２のモードに動作を選択的に切り替えるように構成される。有利なことに、この構成は、回転装置またはそれに接続する入力／出力装置の動きに対して最小限の影響で動作の第１および第２のモードの間での切り替えを可能にすることにより、モードを素早く切り替えることができる。有利なことに、この実施形態は、送電系統同期モータ／発電器が、送電系統との同期を失うことなくモータとしての動作と発電器としての動作との間で切り替わることを可能にする。一実施形態において、回転装置は回転運動と直線運動との間で変換するように構成される（例えばクランクシャフト）。
【０００８】
一実施形態において、第１および第２の弁はチャンバを高圧領域か低圧領域のいずれかに選択的に接続するように構成される。圧縮モードでは、第１および第２の弁は、ガスが低圧領域からチャンバへ流れ、圧縮されたガスがチャンバから高圧領域へ流れるように構成される。膨張モードでは、第１および第２の弁は、ガスが高圧領域からチャンバへ流れ、膨張されたガスがチャンバから低圧領域へ流れるように構成される。一実施形態において、第１の弁はチャンバを低圧領域に接続し、第２の弁はチャンバを高圧領域に接続するように構成される。
【０００９】
一実施形態において、機械は、どの時点でも低圧領域または高圧領域の一方のみがチャンバに接続されるように構成される（例えば、第１の弁または第２の弁の一方のみが同時に開き、そこで各々の領域に接続される）。切り替え動作により一方の領域への接続を開く必要がある場合、制御装置は他方の領域への接続を閉じるように構成されてもよい。一実施形態において、第１および第２の弁は、所定の条件が生じた時のみ自動的に開くように構成される（すなわち、制御装置による駆動を必要としない）。例えば、第１および第２の弁はそれぞれ、弁の両側のガス圧が実質的に等しくなった時のみ自動的に開くように構成されてもよい。このようにして、低圧領域および高圧領域の存在は、第１および第２の弁が共に同時に開放状態となる可能性をなくす。
【００１０】
弁が既に閉じている場合、制御装置によって弁に提供される弁閉鎖信号は無駄になる。そのため、制御装置は動作モードを変えずに、更なるモードのための弁閉鎖信号を提供するように構成されてもよい。更なるモードのための弁閉鎖信号は、圧縮モードまたは膨張モードでの作動中、サイクル内の同時期に提供されてもよく、弁が開いている時に１回だけ作動する。
【００１１】
一実施形態において、第１および第２の弁の少なくとも一方は、前記少なくとも一方の弁の両側にかかるガス圧が実質的に等しい時に開くように構成される。例えば、第１および第２の弁の少なくとも一方は、前記少なくとも一方の弁の両側にかかるガス圧が実質的に等しい時に自己開放する（例えば、制御装置からの駆動信号を必要としない）ように構成されてもよい。
【００１２】
別の実施形態において、膨張モード中、前記少なくとも一方の弁は、チャンバからガスが完全に放出されるのを防止するように構成され、容積式装置はチャンバ内に残留するガスを、前記少なくとも一方の弁の他方の側のガス圧と実質的に等しい圧力まで圧縮するように構成される。
【００１３】
容積式装置は、容積式装置が第１の構成（例えば第１のピストン位置）から第２の構成（例えば第２のピストン位置）へ移動するのに従い、圧縮モード中にチャンバに受容されたガスを圧縮し、かつ、容積式装置が第２の構成から第１の構成へ移動するのに従い、ガスを膨張するように構成されてもよい。
【００１４】
圧縮モード中の第１の切り替え動作において、制御装置は、容積式装置が第１の構成から第２の構成に動く（例えば動き始める）のに従い、ガスがチャンバから低圧領域へ流れるように構成される（すなわち、チャンバ内のガスの圧縮を防止する）。
【００１５】
圧縮モード中の第２の切り替え動作において、制御装置は、装置が第２の構成から第１の構成に動く（例えば動き始める）のに従い、ガスが高圧領域からチャンバへ流れるように構成される（すなわち、圧縮させる低圧ガスに替えて膨張させる高圧ガスがチャンバに再び入るようにする）。
【００１６】
膨張モード中の第１の切り替え動作において、制御装置は、容積式装置が第１の構成から第２の構成に動く（例えば動き始める）のに従い、ガスがチャンバから低圧領域へ流れるのを防止するように構成される（すなわち、チャンバに受容された膨張ガスを圧縮する）。
【００１７】
膨張モード中の第２の切り替え動作において、制御装置は、容積式装置が第２の構成から第１の構成に動く（例えば動き始める）のに従い、ガスが高圧領域からチャンバへ流れるのを防止するように構成される。
【００１８】
一実施形態において、制御装置はさらに、容積式装置の動作をエネルギー消費が最小となる無負荷モードに選択的に切り替えるように構成される。例えば、制御装置は、第１モードから第２モードへの選択的切り替え中に容積式装置の動作を無負荷モードに選択的に切り替えるように構成されてもよい（すなわち、容積式装置の動作が第１モードから無負荷モードに変わり、さらに無負荷モードから第２モードに変わる）。一実施形態において、チャンバ内のガスが圧縮も膨張もされないように、第１および第２の弁の少なくとも一方は無負荷モードで開放状態に維持される。別の実施形態において、チャンバに受容されたガスが圧縮され、再膨張されるように、第１および第２の弁の少なくとも一方は閉鎖状態に維持される（例えば、結果として全体のエネルギー消費が少なくなる）。
【００１９】
一実施形態において、この機械は、上述の容積式装置が１つのみであり、圧縮モードおよび膨張モードの両方で作動させることができ、それによってシステムのコストおよびサイズを最小にすることができる可逆的システムの一部を構成する。例えば、ヒートポンプ／熱機関を１つのみ使用して充電および放電を行うエネルギー貯蔵システムが提供され得る。
【００２０】
この機械はさらに、ガスを受容する更なるチャンバ、更なるチャンバに対して移動可能な更なる容積式装置（例えば、更なる往復ピストン）、および、更なるチャンバに入るガスの流れおよび更なるチャンバから出るガスの流れを制御するように動作可能な第３および第４の弁を備えていてもよく、制御装置は、更なる容積式装置の動作を、更なるチャンバに受容されたガスが更なる容積式装置によって圧縮される圧縮モードと、更なるチャンバに受容されたガスが更なる容積式装置によって膨張される膨張モードとの間で選択的に切り替えるように構成され、前記２つのモードのうち第１から前記２つのモードのうち第２への選択的切り替えは、第１モードでの動作中に、第３および第４の弁の少なくとも一方の作動タイミングを選択的に変えることによって達成される。
【００２１】
一実施形態において、制御装置は最初に説明した容積式装置および更なる容積式装置の各々の動作を第１モードから第２モードへ実質的に同時に切り替えるように構成される。一実施形態において、最初に説明した容積式装置の第１モードおよび更なる容積式装置の第１モードは一致するモードである（すなわち、それぞれの圧縮モードまたはそれぞれの膨張モードである）。別の実施形態において、最初に説明した容積式装置の第１モードおよび更なる容積式装置の第１モードは相反するモードである（すなわち、１つは圧縮モードであり、１つは膨張モードである。したがって、最初に説明した容積式装置と更なる容積式装置とは実質的に一致せずに動作する）。
【００２２】
本発明は、圧縮モードおよび膨張モードの両方で動作可能な容積式装置を含む機械（または各々をそのように動作可能な多数（例えば対）の機械）が、単に弁の作動タイミングを変えること、あるいは一実施形態では弁の閉鎖タイミングを変えることによって、ガスの圧縮からその膨張へ切り替えることを可能にし、ここで、弁の両側のガス圧がほぼ等しい時にはいつでも弁が（好ましくは自動的に）開くように構成される。通常、容積式装置は、機械的動力を入力／出力装置に伝達可能な回転装置に動作可能に接続された線状装置である。それによって、回転の方向が（および好ましくは回転の速度も）各モード間の切り替えの間も維持される。主要な用途はエネルギー貯蔵システムを含み、これらは固定式でも移動式でもよい。固定式システムの一例は、ＰＨＥＳ（Pumped Heat Energy Storage：ポンプ熱エネルギー貯蔵、本願出願人の先行出願である国際公開第２００９／０４４１３９号に開示されているタイプのもの）またはＣＡＥＳのいずれかを使用するシステムであり得る。このシステムでは、充電および放電の間の素早い切り替えが有利である。本発明の機械は同期モータ／発電器に動作可能に接続され、同期モータ／発電器は送電系統に同期させられる（例えばＰＨＥＳまたはＣＡＥＳ）。送電系統との同期を失うことなく、すなわち、方向または速度を変えることなく充電と放電との間で切り替え可能である。移動式用途の一例は車両での回生ブレーキであり得る。この実施形態では、本発明の機械は車両運転システムに動作可能に接続され、それによって車輪の回転方向が維持される。その上、そのシステムはブレーキ（充電）と走行（すなわち放電）との間で途切れることなく切り替えが可能である。
【００２３】
例えば、本願出願人の先行特許出願であるポンプ熱貯蔵システムに関する国際公開第２００９／０４４１３９号は、電気エネルギーを熱エネルギーとして貯蔵する充電モードで動作可能であり、かつ貯蔵した熱エネルギーから電気エネルギーを生成する放電モードで動作可能な可逆的システムに関する。そのシステムは、それぞれ１つの容積式装置を収容する２つのチャンバ（各容積式装置は圧縮器および膨張器として働く）、ならびに高圧（熱）貯蔵部および低圧（冷）貯蔵部を含む。充電段階中、一方の装置は低圧ガスを圧縮し、圧縮されたガスは高圧貯蔵部を通過する。ガスは高圧貯蔵部で熱を失い、その後、他方の装置で再膨張され、低圧で低圧貯蔵部を通過する。低圧貯蔵部でガスは熱を得、循環系の始まりに戻る。放電モードでは、これらの装置はその機能を逆転させる必要がある。
【００２４】
送電系統への適用では、同期モータ／発電器が使用され、機械の回転速度を送電系統に同期する速度に変えることがまず必要である。一度同期すると、送電系統周波数はモータ／発電器の回転速度を通常は所定の回転速度に効果的に制御する。したがって、従来、モードの変更は減速／断線／逆転／加速／再接続を必要としていた。しかし、本発明を用いれば、この同期を壊すことなく充電から放電へ切り替えることができる。モータ／発電器は、モータ運動、回転（どちらも負荷なし）および発電の間で、方向または速度を変化させることなく切り替え可能である。風力発電の突然の電力変化に対応するように電気貯蔵が使用される送電系統への適用については、システムは異なるモード間で素早く切り替えられることが重要である。さらに、わずかに異なる速度でモータ／発電器が同期する場合、または同期の時は正しい速度であるが、それが増加または減少する場合に、同期は特定の機械的ストレスをその機構に付与し得る。これらの場合、かなりのパルス負荷が存在し得、それによって構成要素にストレスがかかる。本発明はこれらの問題を小さくするか、完全に回避さえする。こうして、システムの同期サイクルがより少なくなるため、はるかに改善された応答性および寿命をもたらす。
【００２５】
本発明の一実施形態において、少なくとも第１の弁はチャンバを低圧領域に接続するように構成され、少なくとも第２の弁はチャンバを高圧領域に接続するように構成され、機械は、どの時点においても低圧領域または高圧領域の一方のみがチャンバに接続するように配列される。この配列では、弁が両側でほぼ同じ圧力の時に自動的に開くように適合される場合（したがって、弁開放指示は制御装置によって送信される必要がない）、かつ弁の機能性が弁閉鎖のタイミングの選択によって単独で制御される場合、最も簡単である。
【００２６】
さらに、機械は所定の弁イベントのフレームワークに従うように構成されてもよい。すなわち、弁は往復ピストン装置のピストンの特定の所定位置においてのみ（例えば計画的な駆動により、または圧力変化により自動的に開始されて）駆動される。例えば、圧縮モードは所定のイベントの選択されたフレームワーク（例えばＣ１〜Ｃ４）を含む場合があり、一方の膨張モードも所定のイベントのフレームワーク（例えばＥ１〜Ｅ６）を含む場合がある。モード間の切り替えは圧縮所定イベントのフレームワークから選択したサブセットを実行し、その後、通常の膨張フレームワークのイベントを継続する前に、膨張所定イベントのフレームワークから選択したサブセットを実行することにより達成されてもよい。切り替えの全体的効果は弁閉鎖のタイミングが変化したことでもよい。
【００２７】
次に、本発明の実施形態を図面を参照しながら、例示として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態による機械の模式図を示す。
【図２】２Ａ〜２Ｄは圧縮モードにおける弁の動作を示す。
【図３】３Ａ〜３Ｆは膨張モードにおける弁の動作を示す。
【図４】４ａおよび４ｂは移動式および固定式エネルギー貯蔵システムの模式図であり、それぞれ本発明による機械を含む。
【図５】本発明による機械を含むポンプ熱貯蔵システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、回転クランクシャフト６０を介して入力／出力装置５０に接続された第１および第２のピストンアッセンブリ２０，３０を含むガス圧縮膨張機１０を示す。クランクシャフト６０はさらにフライホイール（図示せず）に接続されてもよい。
【００３０】
第１のピストンアッセンブリ２０は、ガスを受容する第１のチャンバ（例えばシリンダ）２２、第１のチャンバ２２内で動く第１の往復ピストン２４、および、第１のチャンバ２２に入るガスの流れおよび第１のチャンバ２２から出るガスの流れを制御するように動作可能な第１および第２の弁２６，２８を含む。第２のピストンアッセンブリ３０は、ガスを受容する第２のチャンバ（例えばシリンダ）３２、第２のチャンバ３２内で動く第２の往復ピストン３４、および、第２のチャンバ３２に入るガスの流れおよび第２のチャンバ３２から出るガスの流れを制御するように動作可能な第３および第４の弁３６，３８を含む。第１および第３の弁２６，３６は、第１および第２のチャンバ２２，３２をそれぞれ低圧領域（例えば外気源または国際公開第２００９／０４４１３９号で使用されているタイプの低圧冷貯蔵部）に選択的に接続するように構成される。第２および第４の弁２８，３８は第１および第２のチャンバ２２，３２をそれぞれ高圧領域（例えば高圧熱貯蔵部または高圧熱交換器）に選択的に接続するように構成される。
【００３１】
使用時、第１、第２、第３、および第４の弁２６，２８，３６，３８の全ての閉鎖イベントの作動タイミングは、それらの弁に接続された制御装置８０によって（例えば、電気的、機械的、空気圧または油圧接続によって、あるいは他の適切な手段によって）制御される。下記で更に詳細に記述されるように、制御装置８０は第１のピストン２４の動作を、第１のチャンバ２２に受容されたガスが第１のピストン２４によって圧縮される圧縮モードと、第１のチャンバ２２に受容されたガスが第１のピストン２４によって膨張される膨張モードとの間で選択的に切り替える（すなわち、ガスがピストンを動かす結果、チャンバに含まれるガスの膨張が生じる）ように構成される（例えば、プログラムされる）。前記２つのモードのうち第１から前記２つのモードのうち第２への選択的切り替えは、第１モードでの動作中に、第１および第２の弁２６，２８の少なくとも一方の作動タイミングを選択的に変えることによって達成される。その後、第１および第２の弁２６，２８は機能を逆転し、ガスは自動的に逆流し始める。同様に、制御装置８０は更に第２のピストン３４の動作を、第２のチャンバ３２に受容されたガスが第２のピストン３４によって圧縮される圧縮モードと、第２のチャンバ３２に受容されたガスが第２のピストン３４によって膨張される膨張モードとの間で選択的に切り替えるように構成される。前記２つのモードのうち第１から前記２つのモードのうち第２への選択的切り替えは、第１モードでの動作中に、第３および第４の弁３６，３８の少なくとも一方の作動タイミングを選択的に変えることによって達成される。
【００３２】
第１、第２、第３、および第４の弁２６，２８，３６，３８は摩擦ロックによって閉鎖状態に維持され、弁の両側のガス圧が実質的に等しくなった時のみ自動的に開くように構成される。したがって、第１および第２の弁２６，２８の一方のみが第１のピストンアッセンブリ２０内で同時に開放される場合もある。同様に、第３および第４の弁３６，３８の一方のみが第２のピストンアッセンブリ２０内で同時に開放される場合もある。第１のピストンアッセンブリの場合、切り替え動作によって第１および第２の弁２６，２８の一方を開く必要があるならば、制御装置８０は他方の弁を閉鎖するように構成される。第２のピストンアッセンブリの場合、切り替え動作によって第３および第４の弁３６，３８の一方を開く必要があるならば、制御装置８０は他方の弁を閉鎖するように構成される。
【００３３】
次に、制御装置８０の動作を、図２Ａ〜２Ｄおよび図３Ａ〜３Ｆを参照して説明する。これらの図中、弁Ａは、低圧領域に接続する第１または第３の弁２６，３６に相当し、弁Ｂは、高圧領域に接続する第２または第４の弁２８，３８に相当する。
【００３４】
［圧縮モード］
図２Ａ〜２Ｄを参照すると、圧縮モードにおける第１および第２のピストンアッセンブリ２０，３０のための弁タイミングは下記のように設定される。ここで、
ＴＤＣ＝上死点（top dead centre）、ＢＤＣ＝下死点（bottom dead centre）である。
【００３５】
【表１】
0006022450.tif 000002
［膨張モード］
図３Ａ〜３Ｆを参照すると、膨張モードにおける第1および第２のピストンアッセンブリ２０，３０のための弁タイミングは下記のとおりである。
【００３６】
【表２】
0006022450.tif 000003
［圧縮モードから膨張モードへの変化］
この実施形態では、制御装置８０は弁Ａまたは弁Ｂのいずれか一方を閉鎖した後の弁閉鎖タイミングを変えることによって、第１および第２のピストンアッセンブリ２０，３０の動作を圧縮モードから膨張モードに切り替えるように構成される。２つの異なる切り替えモードのためのタイミングの変化を以下に記載する。
【００３７】
【表３】
0006022450.tif 000004
【００３８】
【表４】
0006022450.tif 000005
［膨張モードから圧縮モードへの変化］
この実施形態では、制御装置８０は、弁Ａまたは弁Ｂのいずれか一方が閉鎖した後の弁閉鎖タイミングを変えることにより、第１および第２のピストンアッセンブリ２０，３０の動作を膨張モードから圧縮モードに切り替えるように更に構成される。２つの異なる切り替えモードのためのタイミングの変化を以下に記載する。
【００３９】
【表５】
0006022450.tif 000006
【００４０】
【表６】
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上記で特定された４つの切り替えモード全てにおいて、弁作動タイミングの変化はクランクシャフト６０が第１のモードに関連付けられた所定の方向（すなわち、時計回りまたは反時計回り）に回転し続けている間に生じるように構成される。有利なことに、この構成は、クランクシャフト６０および入力／出力装置５０の動きに対して最小限の影響で動作の第１および第２のモードの間での切り替えを可能にすることにより、モードを素早く切り替えることができる。
【００４１】
全ての切り替えモードにおいて、弁が既に閉鎖しており、かつ閉鎖アクチュエータが起動した場合、これは閉鎖したままの弁に何ら作用しない。このことは、所定の位置での閉鎖イベント以前に弁が閉鎖した構成にある場合、このイベントが無効にされ得ることを意味する。したがって、制御装置８０は、圧縮モードまたは膨張モードのいずれかでの動作中に、弁閉鎖信号をサイクルの同じ時点で提供するように構成されてもよい。
【００４２】
入力／出力装置５０は、例えば送電系統同期モータ／発電器であってもよく、機械は、エネルギーを圧縮空気として貯蔵する圧縮器として、およびそのエネルギーを電力として再生する膨張器として作動するように構成され得る。別の実施例では、入力／出力装置５０は車両用モータであってもよく、機械は、エネルギーを圧縮空気として貯蔵する圧縮器として（例えばブレーキ時）、およびそのエネルギーを電力として再生する膨張器として（例えば出力増大を提供するために）作動するように構成され得る。
【００４３】
更なるモードにおいて、第１および第２のピストンアッセンブリ２０，３０は、少なくとも一方の弁が閉鎖状態に維持されるか（例えば、それによってチャンバ２２，３２のうちの一方にあるガスが圧縮され、さらに再膨張される）、あるいは開放状態に保たれる（例えば、それによってチャンバ２２，３２内のガスの圧縮は生じ得ない）ことを確実にすることにより、無負荷にされる。このようにして、機械１０は最小のエネルギー消費パターンで動作するように構成され得る。
【００４４】
本実施形態は２つのピストンアッセンブリについて例示したが、この機械は少なくとも１つの更なるピストンアッセンブリを備えてもよい。動作の１つのモードでは、制御装置８０は、圧縮モードでこれらのピストンアッセンブリの所定割合（例えば半分）を作動させ、膨張モードでこれらのピストンアッセンブリの所定割合（例えば半分）を作動させるように構成されてもよい。動作の別のモードでは、制御装置８０は圧縮モードで全てのピストンアッセンブリを作動させるか、または膨張モードでピストンアッセンブリの全部を作動させるように構成されてもよい。更に別のモードでは、制御装置８０は圧縮器および膨張器の割合を可変とするように構成されてもよい。更に別のモードでは、制御装置８０は、ピストンアッセンブリが圧縮器、膨張器、無負荷、またはこれら３つを全て組み合わせたものとして作用するように、上述した無負荷モードにおいてピストンアッセンブリの少なくとも１つを作動させるように構成されてもよい。有利なことに、ピストンアッセンブリは、膨張器、圧縮器、および無負荷の間で、クランクシャフト６０の回転方向を変えることなく、必要に応じて動作のモードを変えることができる。
【００４５】
１つの圧縮モードにおいて、制御装置８０はピストンアッセンブリを部分的に無負荷にし、入口弁が遅く閉じるように（すなわち、上方移動中または出口弁が早期に、すなわちＴＤＣ後の下方移動中に閉じるように）構成されてもよい。このようにして、圧縮されたガス全体の容積が低減され、機械は部分的に負荷された様式で作動することができる。
【００４６】
１つの膨張モードにおいて、下方移動中に入口弁が早期に（すなわちＴＤＣ付近で）閉じ、または、出口弁が早期に（すなわちＴＤＣ前に）閉じることを確実にすることにより、制御装置８０がピストンアッセンブリを部分的に無負荷にするように構成してもよい。このようにして、膨張されたガス全体の容積が低減され、機械は部分的に負荷された様式で作動することができる。
【００４７】
図４ａは、エネルギー貯蔵システムの模式図であり、本発明による機械３００は、電力伝達のための回転装置３２０を介して入力／出力装置３３０に動作可能に接続された容積式装置３１０、好ましくは線状装置（例えば往復ピストン）を含む。それにより、モード間の切り替え中も回転方向が（さらに、一実施形態では、有利なことに回転速度も）維持される。このシステムは、移動式用途（例えば、車両の回生ブレーキシステム）で用いられ得る。あるいは図４ｂに示すように、同様のシステムを、入力／出力装置３３０が任意でナショナル・グリッド３４０に同期するような固定式用途に採用してもよい。
【００４８】
図５は、本発明による機械４３０，４４０、圧縮ガスからの熱エネルギーを受容し貯蔵する第１の熱貯蔵器４１０（高圧熱貯蔵部を形成する）、および熱エネルギーを膨張ガスに伝達するための第２の熱貯蔵器４２０（低圧冷貯蔵部を形成する）を備えるポンプ熱貯蔵システム４００の一例の模式図である。ポンプ熱貯蔵システム４００は、電気エネルギーを熱エネルギーとして貯蔵する充電モードで動作可能であり、また、貯蔵した熱エネルギーから電気エネルギーを生成する放電モードで動作可能である。システムは少なくとも２つの個別のチャンバ４３０，４４０を備え、各々本発明による容積式装置を含む。これらの容積式装置は、充電モードでは圧縮モードおよび膨張モードで作動し、放電モードではその逆で作動するように、それぞれ構成される。そのため、装置の切り替えは本発明にしたがって達成される。この、熱貯蔵システムにおいて熱貯蔵部および冷貯蔵部を使用する特定の構成は、本願出願人の先行出願である国際公開第２００９／０４４１３９号に関して上記で説明したシステムと一致する。その先行技術のシステムでは、２つの容積式装置は別々の装置に分割することができ、またはヒートポンプ／熱エンジンとして働く単一の装置に統合することもできる。
【図１】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図２】
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【図３】
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