(57)【要約】ガス圧縮機は、高圧流体源と、圧縮されるガス用のガス入口、圧縮されたガス用のガス出口、および高圧流体用の流体入口を有する圧力容器とを備える。圧縮機は、流体入口を介して圧力容器内に高圧流体を導入し、それによって圧力容器内のガスの体積を圧縮するように構成される。
2014507594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス圧縮機であって、
高圧流体源と、
圧縮されるガス用のガス入口、前記圧縮されたガス用のガス出口、および前記高圧流体用の流体入口を有する圧力容器と
を備え、
前記流体入口を介して前記高圧流体を前記圧力容器内に導入し、それによって前記圧力容器内のガスの体積を圧縮するように構成されたガス圧縮機。
【請求項２】
前記圧力容器が、前記圧力容器内で前記高圧流体を前記ガスから分離するためのバリア部材を備えた、請求項１に記載のガス圧縮機。
【請求項３】
前記バリア部材が、前記圧力容器内に受容されたピストンの形を取る、請求項２に記載のガス圧縮機。
【請求項４】
使用中に、流体が前記圧力容器の底部に導入されかつガスが前記圧力容器の頂部に導入されるように、前記圧力容器が方向付けられた、請求項３に記載のガス圧縮機。
【請求項５】
前記バリア部材が、前記圧力容器の前記流体入口に接続された膨張可能な袋体の形を取る、請求項２に記載のガス圧縮機。
【請求項６】
前記高圧流体が液体である、請求項１〜５のいずれかに記載のガス圧縮機。
【請求項７】
前記高圧流体が水である、請求項６に記載のガス圧縮機。
【請求項８】
前記高圧流体源が、流体を前記圧力容器の前記流体入口に圧送するように構成されたポンプを備える、請求項１〜７のいずれかに記載のガス圧縮機。
【請求項９】
前記高圧流体源がタンクを備え、前記ポンプが、前記タンクから前記圧力容器の前記流体入口に流体を圧送するように構成された、請求項８に記載のガス圧縮機。
【請求項１０】
ガス入口および前記高圧流体用の流体入口を有する少なくとも１つのさらなる圧力容器を備え、
前記ポンプが、前記第１の圧力容器から前記さらなる圧力容器の前記流体入口に流体を圧送し、それによって前記さらなる圧力容器内のガスの体積を圧縮するように構成され、
前記ポンプが、その後に前記さらなる圧力容器から前記第１の圧力容器の前記流体入口に流体を圧送し、それによって前記第１の圧力容器内のガスの体積を圧縮するように構成された、請求項８に記載のガス圧縮機。
【請求項１１】
前記第１の圧力容器から前記さらなる圧力容器への流体の圧送により、前記第１の圧力容器の圧力低下が引き起こされ、それによってガスが前記ガス入口を介して前記第１の圧力容器内に引き込まれるように、かつ前記さらなる圧力容器から前記第１の圧力容器への流体の圧送により、前記さらなる圧力容器の圧力低下が引き起こされ、それによってガスが前記ガス入口を介して前記さらなる圧力容器内に引き込まれるように、前記第１の圧力容器および前記さらなる圧力容器が構成された、請求項１０に記載のガス圧縮機。
【請求項１２】
前記第１の圧力容器の前記ガス入口および前記さらなる圧力容器の前記ガス入口が同一のガス源に接続された、請求項１０または１１に記載のガス圧縮機。
【請求項１３】
前記第１の圧力容器の前記ガス出口に接続されたガス入口、および前記高圧流体用の流体入口を有する少なくとも１つのさらなる圧力容器を備え、
前記圧縮機が、前記流体入口を介して前記さらなる圧力容器内に前記高圧流体を導入し、それによって前記さらなる圧力容器内のガスの体積をさらに圧縮するように構成された、請求項１〜１２のいずれかに記載のガス圧縮機。
【請求項１４】
前記さらなる圧力容器の前記流体入口が、前記第１の圧力容器の前記流体入口と同一の高圧流体源に接続される、請求項１３に記載のガス圧縮機。
【請求項１５】
前記圧力容器の前記ガス入口に水電解装置からガスが供給される、請求項１〜１４のいずれかに記載のガス圧縮機。
【請求項１６】
前記ガスが水素である、請求項１〜１５のいずれかに記載のガス圧縮機。
【請求項１７】
前記圧力容器および／または前記さらなる圧力容器の前記流体入口が、高圧液体を前記（さらなる）圧力容器内に噴射するための噴射ノズルを備えた、請求項１〜１６のいずれかに記載のガス圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも現在の好適な実施形態では、主として、略等温圧縮のためエネルギー効率の高い高圧の水ポンプを用いた水素ガスおよび他のガス状物質の圧縮に関する。
【背景技術】
【０００２】
市場で入手可能な最小の市販水素圧縮機の流量は、小型電解装置によるガス生成速度より著しく大きい。この理由から、それらの不整合を補償するために、電解装置と圧縮機との間にバッファタンクが必要である。
【０００３】
水を圧送するために圧縮空気を使用することは、先行技術で周知である。圧縮空気を用いる水ポンプに関係する既知の先行技術として、圧縮空気および水を供給することによって１つのユニット内で２つの別個の機能を実行するための水ポンプ−空気圧縮複合システムを開示している、米国特許第６，９４２，４６３号明細書がある。
【０００４】
米国特許第４，４７８，５５３号明細書は、インペラの羽根を用いて圧縮された水と空気の混合物を生成する等温圧縮を記載している。
【０００５】
水柱を用いて空気圧を増大させることも、ガスタービンおよび発電プラントをベースとする応用分野における先行技術で既知である。
【０００６】
米国特許第４，７９７，５６３号明細書は、水流を用いて追加的圧縮無しにタービンのバーナ用の圧縮空気を生成する発電プラントを開示している。
【０００７】
米国特許第５，５３７，８１３号明細書は、入口空気を圧縮機への導入前に処理することによって、圧縮機、燃焼器、およびタービン発電機を有する燃焼タービンシステムの運転容量および効率を増大する方法を開示している。これは、入口空気の垂直下降流を確立するステップと、入口空気の流れに処理水を導入して、入口空気に抗力誘発圧力増加を発生させるために、入口空気の下降速度より大きい下降速度を発生させるステップとによって行われる。
【０００８】
水力空気圧縮機は、北米および欧州中で鉱山集落に圧縮空気を供給するためにそれが使用された１８９０年頃から存在していた。
【０００９】
先行技術として、米国特許第５４３４１０号明細書、第５４３４１１号明細書、第５４３４１２号明細書、第６１８２４３号明細書、第８９２７７２号明細書、第１９９８１９号明細書、第３６４３４２６号明細書、第３７９７２３４号明細書、第４３４３５６９号明細書、第４３９１５５２号明細書も挙げられる。
【００１０】
これらの先行技術の開示は、空気を圧縮するというそれらのそれぞれの目的を果たすが、これらの発明はいずれも水素ガスの圧縮には適さない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、高圧流体源と、圧縮されるガス用のガス入口、圧縮されたガス用のガス出口、および高圧流体用の流体入口を有する圧力容器とを備えたガス圧縮機を提供する。圧縮機は、流体入口を介して圧力容器内に高圧流体を導入し、それによって圧力容器内のガスの体積を圧縮するように構成される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施形態は、水素のような爆発性ガスの圧縮を理想的なものにする水封を使用するため、安全な漏れ止めガス圧縮機を提供する。本発明は、大気水電解装置からの水素などの低圧ガスが、高コストの加圧電解装置または従来の水素圧縮機よりずっと経済的に、ガス圧を著しく増大させることを可能にする。この新しい圧縮機は、部品数を著しく減らし、したがって遠心空気圧縮機、ピストン式圧縮機、またはダイヤフラム式ガス圧縮機と比較して資本コストを低減することができる。さらに、本発明は、圧縮機の流量が水ポンプの流量のみに依存するため、これを毎分１０ｃｃから事実上毎時数百ノルマル立方メートルまでの範囲とすることができるので、水素ガスのバッファタンクの必要性を無くすことができる。さらに、本発明は、少なくとも好適な実施形態では、略等温圧縮による多段圧縮を使用することによって、７００バールまでの水素または他のガスを高効率で生成することができる。
【００１３】
本発明は、少なくともその好適な実施形態では、効率を高め、資本コストを低減し、維持費を低減し、非常に低い流量から非常に高い流量までの非常に幅広い動作範囲、および先行技術では利用できない広範囲の動作圧力を網羅する。
【００１４】
圧力容器内の流体は、圧縮すべきガスと直接接触することができる。例えば、ガスは、水ポンプによって、垂直方向に向けられた圧力容器にガスと直接接触して圧送される。水封および上昇水柱は液圧ピストンとして動作する。この場合、圧縮機は、システムから空気をパージするために水を圧力容器の出口まで充填することができるので、空気をパージするための窒素ガス源を持たなくてよい。
【００１５】
しかし、一実施形態では、圧力容器は、圧力容器内のガスから高圧流体を分離するためのバリア部材を備える。この方法では、流体は圧縮状態の対象ガスと接触しない。
【００１６】
バリア部材は、圧力容器内に受容されたピストンの形を取ることができる。圧力容器は、使用に際して流体が圧力容器の底部から導入され、かつガスが圧力容器の頂部から導入されるように方向付けることができる。この方法で、ピストン、他のバリア部材、または圧力容器内の流体の体積は、重力の作用により、圧力容器内でガスに利用可能な容積を拡張することができる。したがって、圧縮機は、垂直方向に向けられた圧力容器の内側に設置された機械的ピストンを備えることができる。機械的ピストンは、高圧流体源によって生成される背圧のため、上向きに駆動することができる。
【００１７】
一実施形態では、バリア部材は、圧力容器の流体入口に接続された膨張可能な袋体の形を取る。膨張可能な水袋体は、水と圧縮される対象ガスとの間の直接接触を防止するために、圧力容器の内部で使用されたことがない。膨張可能な水袋体は、入口水管の切替可能な通気孔を大気に開口し続けながらガスを加圧するために、膨張したときに圧力容器の内部空間を占有する大きさにすることができる。圧力容器の内部形状および容積は、膨張可能な水袋体の外部形状および容積と実質的に同一とすることができる。袋体は、強化ゴム、繊維強化プラスチック等のような可撓性材料または複合材料で作製することができる。水は、圧力容器の内部空間を占有し、続いて入口水管の切替可能な通気孔を大気に開口し続けながら圧力容器内のガスを加圧するように、高圧で膨張可能な水袋体内に圧送することができる。この状態で、水は、圧力容器内の圧縮されたガスと接触しない。
【００１８】
典型的には、高圧流体は液体である。好適な実施形態では、高圧流体は水である。水の代わりに非圧縮性液体または作動流体を使用することができる。本発明のガス圧縮機は、水、水−溶剤混合液、不凍液、沸点が高い種々の溶剤、作動油等のような任意の適切な液状媒体を使用することができる。圧力容器は、本管の高圧流体源に接続することができる。代替的に、高圧流体源は、圧力容器の流体入口に流体を圧送するように構成されたポンプを備えることができる。高圧流体源は、タンクを備えることができ、ポンプは、タンクから圧力容器の流体入口に流体を圧送するように構成することができる。
【００１９】
ガス圧縮機は、ガス入口および高圧流体用の流体入口を有する少なくとも１つのさらなる圧力容器を備えることができる。ポンプは、第１の圧力容器からさらなる圧力容器の流体入口へ流体を圧送し、それによってさらなる圧力容器内のガスを、体積を圧縮するように構成することができる。ポンプは、続いてさらなる圧力容器から第１の圧力容器の流体入口へ流体を圧送し、それによって第１の圧力容器内のガスの体積を圧縮するように構成することができる。第１の圧力容器およびさらなる圧力容器にそれぞれのポンプを設けることが可能であるが、これは好ましくない。
【００２０】
第１の圧力容器およびさらなる圧力容器は、第１の圧力容器からさらなる圧力容器への流体の圧送が第１の圧力容器内の圧力低下を引き起こし、それによってガス入口を介して第１の圧力容器内にガスを引き込むように構成することができる。さらなる圧力容器から第１の圧力容器への流体の圧送は、さらなる圧力容器内の圧力低下を引き起こし、それによってガス入口を介してさらなる圧力容器内にガスを引き込む。この方法で、往復動システムが提供される。
【００２１】
第１の圧力容器のガス入口およびさらなる圧力容器のガス入口は、同一ガス源に接続することができる。
【００２２】
圧縮機は、第１の圧力容器のガス出口に接続されたガス入口と高圧流体用の流体入口とを有する、少なくとも１つのさらなる圧力容器を備えることができる。圧縮機は、流体入口を介してさらなる圧力容器内に高圧流体を導入し、それによってさらなる圧力容器内のガスの体積をさらに圧縮するように構成することができる。この方法で、所望のガスの圧力を段階的に達成することができる。
【００２３】
効率的に、さらなる圧力容器の流体入口は、圧力容器の流体入口と同一の高圧流体源に接続することができる。
【００２４】
本発明の好適な適用例では、当該（または各）圧力容器のガス入口には、水電解装置からガスが供給される。この適用例などでは、ガスは水素である。ガス圧縮機は圧縮対象のガス源に接続することができ、あるいは電解装置に直接接続して水素および酸素ガスを圧縮することができる。
【００２５】
圧力容器および／またはさらなる圧力容器の流体入口は、高圧液体を当該（さらなる）圧力容器内に噴射するための噴射ノズルを備えることができる。これは、ガス内の不純物を吸収するために液体のより大きい表面積を圧力容器内のガスに提示することができるので、有利である。
【００２６】
一構成では、ガス圧縮機は、底部水タンク、高圧水ポンプ、圧力容器の内側に設置された少なくとも１つの膨張可能な水袋体、圧力容器のガス入口弁、圧力容器からの高圧ガス出口パージ弁、窒素ガスパージ弁、底部水タンクの頂部に位置する切替可能な大気通気孔、配管構成および弁機構、圧力、温度、流量、および液面用の監視および制御装置、高圧ガスパージ弁の後および水ポンプの出口の後に設置された逆止弁、インラインガスセンサ、液体凝縮および分離ユニット、水素ガスから酸素を除去するための酸素除去ユニット、ガス乾燥ユニット、ならびに電子制御システムのうちの１つ以上を備えることができる。
【００２７】
窒素ガスパージ弁は、圧力容器または電解装置の水素電解液タンクに接続することができる。圧縮機の動作範囲は、水ポンプの出力圧力および圧力容器の容積に応じて１０ミリバールのゲージ圧から多段階で７００バールまでとすることができる。
【００２８】
出力ガスパージ弁は、圧縮ガスまたは圧縮混合ガスを送出することができる。
【００２９】
液体蒸気凝縮ユニット、液体分離ユニット、酸素除去ユニット、ガス乾燥機、および液体吸収ユニットを、圧力容器のガス出口パージ弁の後に取り付けることができる。
【００３０】
ガスセンサはガスの純度を検知し、電圧および／または電流信号を電子制御ボックスに送信することができる。圧縮ガスは、ガスの純度が所望のレベルでない場合、または保守作業のために、大気中に排出することができる。
【００３１】
動作中に、切替可能な通気孔が開いている場合、圧力容器の出口ガスパージ弁および入口ガス弁は閉じられ、差圧により、膨張可能な水袋体から、または圧力容器自体から底部水タンク内まで液面を下降させることができる。
【００３２】
多弁システムは、低部水タンク内に水を逆送するアクティブポンピングによって、圧力容器または膨張可能な水袋体の水を抜いて空にすることを容易にすることができる。
【００３３】
上述のように、典型的な動作中に、圧縮されるガスは空の圧力容器に供給され、続いて、膨張可能な水袋体中にまたは直接圧力容器内に水を圧送することによって圧縮される。
【００３４】
膨張可能な水袋体は、膨張時に圧力容器の内側に機械的に支持することができる。膨張可能な水袋体または空気袋体に対する差圧は、安全な動作圧力内に制御することができる。
【００３５】
膨張可能な水袋体または水封によってもたらされるガスとの接触面積が大きければ大きいほど、略等温状態でのガスの素早い冷却、およびしたがって従来の機械的ガス圧縮機より高い効率が確保される。圧縮されるガスの流量は、毎分１０立方センチメートルから毎時数百ノルマル立方メートルまでの範囲とすることができる。圧縮機は、マイナス６０℃から２００℃までの範囲の動作温度を有することができる。液状媒体および液体ポンプは、最適な動作温度、流量、および動作圧力に従って選択される。
【００３６】
本発明はまた、デオキソドライヤが水素ガス中に存在する酸素ガスの痕跡を除去し、その後にガス乾燥が行われるようにした、大気電解装置と直接結合されたガス圧縮機をも提供する。
【００３７】
本発明の主な目的は、極めて低コストの水素ガス圧縮機を作り出すことであるが、本発明は他のガスにも適用可能である。本発明の実施形態は、膨張可能な水袋体および高圧水ポンプを使用して、略等温状態で動作して高効率のガス圧縮機を作り出す。
【００３８】
圧縮機の動作範囲は、水ポンプの出力圧力および圧力容器の容積に応じて、１０ミリバールのゲージ圧から多段階で７００バールのような非常に高い圧力に及ぶ。ガス圧縮機の流量は、毎分１０立方センチメートルから毎時数百ノルマル立方メートルの範囲である。
【００３９】
ガス圧縮機の動作温度は、マイナス６０℃から２００℃の範囲である。
【００４０】
ガス圧縮機は、空気または他の不燃性ガスではなく、水素および他の爆発性ガスを圧縮する場合、システムからガス状物質をパージするために圧力容器への随意による窒素ガス供給点を有することができる。
【００４１】
圧縮ガスが供給管路に送出された後、ガス圧縮機は次の圧縮サイクルのために自己準備する。それは、例えば次のようなシーケンシャル方式で行われる。
ｉ）底部水タンクに位置する切替可能な通気孔をあけておく、
ｉｉ）出口ガス−パージ弁を閉じておく、
ｉｉｉ）圧力容器の入口ガス弁を閉位置にして閉じる。
【００４２】
圧力容器内部のガス圧が高ければ高いほど、水袋体は収縮し、ガス圧縮機は上記シーケンスに従って複数の弁を作動させ、底部水タンクに水を逆送することによって、圧力容器または膨張可能な水袋体の水を抜いて空にする。
【００４３】
次の圧縮サイクルのために、空の圧力容器内にガスが供給され、続いて膨張可能な水袋体中にまたは直接圧力容器内に水が圧送される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１Ａ】本発明の種々の構成部品の概略図である。
【図１Ｂ】表１に示す計算例は、圧縮比の実施例を提示し、同一原理に従っても、本発明の物理パラメータを変化することによって異なる圧縮比が達成されることを示す。
【図１Ｃ】表２は、図１Ａに対応する弁制御のシーケンスを記載し、同一の物理構成を使用して、かつ／または同一構成部品を用いる異なる構成を使用して、運転を実行する方法が、複数存在することを示す。
【図２Ａ】本発明の一実施形態に係るガス圧縮機の代替的構成を示す。
【図２Ｂ】表３は、図２Ａに対応する弁制御のシーケンスを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明を実施する好適な方法の態様を示した添付の図面に関連して、以下で本発明をさらに詳細に説明するが、以下に続く説明を開始するに当たって、当業者は本書に記載する発明を変形しながら、依然として本発明の有利な結果を達成することができることを理解されたい。したがって、以下の説明は、当業者に向けられた広範な教示用の開示であって、本発明を限定するものではないことを理解されたい。
【００４６】
図１に最もよく示される通り、水素ガスは、本発明の実施形態に係る圧縮機に、水素ガス源から、接合管（１）および第１の弁（２）を介して、第１の圧力容器（４）のガス入口ポート（３）に供給される。図１に示した水素源は、電解装置スタック（６）の水素−電解液タンク（５）である。水素電解液タンクは窒素ガス入口ポート（７）および窒素ガスパージ弁（８）を有する。
【００４７】
第１の圧力容器（４）は、ガス出口ポート（９）と、漏れ無しポート（１１）によって圧力容器の内側に確実に取り付けられた膨張可能な水袋体（１０）とを有する。ガスおよび水は、第１の圧力容器（４）内で直接接触しない。第１の圧力容器の内部圧力および温度を監視するために、圧力センサ（１２）および温度センサ（１３）が第１の圧力容器内に取り付けられる。
【００４８】
膨張可能な水袋体（１０）は、強化ゴム、複合材料、繊維強化プラスチック袋体等のような可撓性材料から作られる。膨張可能な水袋体の安全な動作圧力は約１０〜１５バールであり、設計圧力は２５バールである。水袋体は完全に膨張したときに圧力容器の壁によって支持されるので、完全に膨張した水袋体の内部圧力と外部圧力との間の差圧が１５バールを超えることはない。収縮状態から膨張した水袋体への物理的体積の変化は２０倍以上であり、したがってガスは完全に膨張した水袋体によって２０倍に圧縮することができ、その結果第１の圧力容器（４）内部のガス圧は２０倍に増大する。
【００４９】
膨張可能な水袋体は、低レベルセンサ（１７）および高レベルセンサ（１８）の２つの液面センサを有する底部水タンク（１６）からの取込み水を受容する。水タンクは、水タンクに確実に接続された管（２０）に取り付けられた通気孔弁（１９）を有する。
【００５０】
高圧水ポンプ（２１）は、標準管継手を用いて所定の位置に確実に取り付けられた底部水タンク（１６）に接続された、吸込み管（２２）を有する。水ポンプからの出口管（２３）は、第２の弁（２４）および逆止弁（２５）を有する。逆止弁（２５）の後、出口管（２３）はＴ字継手（２６）の１つのポートに接続される。Ｔ字継手（２６）の第２のポートは、接合管（５６）および第６の弁（５５）を介して水ポンプ（２１）を迂回しながら、水タンク（１６）への水の逆流を容易にする。Ｔ字継手（２６）の残りのポートは、接合管（２７）を介して別のＴ字継手（２８）に水を圧送する。Ｔ字継手（２８）の第２のポートは、圧力調整器（２９）、低圧管（３０）、および第３の弁（３１）を介し、漏れ無しポート（１１）を介して膨張可能な水袋体に接続される。
【００５１】
第１の圧力容器（４）は、接合管（１４）および第４の弁（１４）を介して、第２の圧力容器（３３）の漏れ無しポート（３２）に確実に接続される。
【００５２】
第２の圧力容器（３３）はガス出口ポート（３４）を有する。膨張可能な水袋体（３５）は、漏れ無しポート（３６）を介して圧力容器の内側に確実に取り付けられる。ガスおよび水は、第２の圧力容器（３３）内で直接接触しない。第２の圧力容器（３３）の内部圧力および温度を監視するために、圧力センサ（３７）および温度センサ（３８）が第２の圧力容器内に取り付けられる。
【００５３】
ガス出口ポートは、高圧ガス送出管（３９）、第７の弁（４０）、および逆止弁（４１）に接続される。
【００５４】
第２の圧力容器（３３）の膨張可能な水袋体（３５）の水入口ポート（３２）は、接合管（４２）を介してＴ字継手（２８）の残りのポートに接続される。膨張可能な水袋体（３５）への水の流量を制御するために、管（４２）に第５の弁（４３）が確実に取り付けられる。
【００５５】
逆止弁（４１）の後で出口管（３９）にガス純度センサ（４４）が接続され、Ｔ字継手（４５）に接合される。
【００５６】
接合管（４９）によってＴ字継手（４５）のポートの１つに通気孔（４６）が接続される。通気孔弁（４７）および火災防止器（４８）が管（４９）に取り付けられる。この通気孔は、保守のため、またはガスの純度が適切でない場合に、ガスを大気中の安全な場所に排出するために使用される。
【００５７】
Ｔ字継手（４５）の残りのポートは、接合管（５０）によってガス−水分離器（５１）に接続される。
【００５８】
高純度（９９．９９９％）の水素を生成するためにデオキソユニット（５２）が接続される。非常に乾燥した、すなわち露点が−６０℃までの水素ガスを生成するために、乾燥機（５３）組立体が接続される。デオキソユニット（５２）は、約１４０℃で水蒸気を形成するように、水素ガス中に存在する酸素ガスの痕跡と水素自体との間の反応を助ける、パラジウム触媒床を有する。次いで、純粋湿潤水素は、乾燥機（５３）で乾燥される。乾燥機は、非常に乾燥した水素ガスを生成するための分子篩床を含む。デオキソドライヤの後に逆止弁（５４）が取り付けられる。
【００５９】
図２は、低コストかつ高効率でガス圧縮、ガス乾燥、ガス冷却、およびガス清浄化の４つの機能を結合した、本発明に係るガス圧縮機の実施形態の代替的構成を示す。
【００６０】
図２に示す通り、液体ポンプ１０８は、第１の容器１０１から第２の容器１０２へ、かつ次いで第２の容器１０２から第１の容器１０１への液体の前進および後退運動により、相互接続された２つの容器１０１および１０２の間で液体を循環させることによって連続的に作動する。液体の往復動は、下述の通り、幾つかの弁の配設によって制御される。
【００６１】
プロセスの開始時に、第１の容器１０１には液体が充満しており、かつ第２の容器１０２にはガスが充満している。第１の容器１０１の液体はポンプ１０８によって第２の容器１０２内に供給され、第２の容器１０２内のガスを圧縮する。この段階で、ポンプ１０８の入力側と第１の容器１０１との間の第１の弁１０４は開いている一方、ポンプ１０８の出口側と第１の容器１０１との間の第２の弁１０５は閉じている。同様に、ポンプ１０８の出口側と第２の容器１０２との間の第３の弁１０６は開いている一方、ポンプ１０８の入力側と第２の容器１０２との間の第４の弁１０７は閉じている。第１の容器１０１と低圧電解装置スタック１０３との間の第５の弁１１１は開いている一方、第２の容器１０２と低圧電解装置スタック１０３との間の第６の弁１１２は閉じている。第１の容器１０１と高圧ガス送出管路１１６との間の第７の弁１１３は閉じている。第２の容器１０２と高圧ガス送出管路１１６との間の第８の弁１１４も閉じている。
【００６２】
第２の容器１０２内のガスは、高圧液体ポンプ１０８で液体を徐々に充填することによって、単一段階で大気圧から７００バール以上まで圧縮される。これらのポンプは一般に高圧洗浄用途、海上掘削産業、および水噴射切削工具に使用され、２０００バール超の吐出圧力を発生することができ、したがってこの構成では、要求される圧縮比は、これが高圧液圧ポンプの容量のみに依存するので、上限なく単一段階で達成される。
【００６３】
次いで、圧縮ガスは、第３の弁１０６および第６の弁１１２を閉じたままで、第８の弁１１４を開くことによって高圧ガス送出管路１１６に排出される。高圧ガスを送出するため、または貯蔵用のバッファタンクに充填するために、出力弁１０９が開かれる。
【００６４】
第１の容器１０１のガス入口は、水素ガスおよび酸素ガスを生成する電解槽１０３または他のガス源に接続された第５の弁１１１によって制御される。電解槽１０３は、英国特許第２４６９２６５号明細書に記載された通りとすることができる。第２の容器１０２における圧縮プロセス中に、液面の漸次低下のため、第１の容器１０１では真空が形成される。したがって、第１の容器１０１には電解装置１０３からのガスが充填される。この真空は、電解槽１０３から気泡をより効率的に引き出すのに役立つ。電解槽からの気泡の効率的かつより迅速な除去は、槽のイオン伝導率を改善し、したがって槽の効率を著しく改善する。これは、気泡と電極表面との間に働く表面張力のためガスが電極表面に固着する、現在の大気電解装置の主要な問題を克服する。
【００６５】
第２の容器１０２から高圧ガスを吐出させた後、次いで液体は、第２の容器１０２から第１の容器１０１に逆送される。この段階で、ポンプ１０８の入力側と第１の容器１０１との間の第１の弁１０４は閉じる一方、ポンプ１０８の出力側と第１の容器１０１との間の第２の弁１０５は開いている。同様に、ポンプ１０８の出力側と第２の容器１０２との間の第３の弁１０６は閉じる一方、ポンプ１０８の入力側と第２の容器１０２との間の第４の弁１０７は開いている。第１の容器１０１と低圧電解装置スタック１０３との間の第５の弁１１１は閉じる一方、第２の容器１０２と低圧電解装置スタック１０３との間の第６の弁１１２は開いている。第１の容器１０１と高圧ガス送出管路１１６との間の第７の弁１１３は閉じている。第２の容器１０２と高圧ガス送出管路１１６との間の第８の弁１１４も閉じている。
【００６６】
第１の容器１０１で高圧ガスが形成される間、第２の容器１０２は、形成された真空のため、電解装置１０３から新しいガスを引き込む。次いで圧縮ガスは、第２の弁１０５および第５の弁１１１を閉じたまま、第７の弁１１３を開くことによって第１の容器１０１から高圧ガス送出管路１１６に吐出される。高圧ガスを送出するため、あるいは貯蔵用のバッファタンクに充填するために、出力弁１０９が開かれる。
【００６７】
容器１０１、１０２の各々を連続的に充填および排出させるために、上記のプロセスが繰り返される。表３は、両方の容器１０１、１０２におけるガス圧縮中およびガス排出中の弁の位置を示す。
【００６８】
図２の実施形態は、ガス乾燥機能をもたらす。第１の容器１０１および第２の容器１０２内部の圧縮中、湿気および他の不純物が凝縮され、自然に脱落して、高圧乾燥ガスが生成され、したがって圧縮機の前のガス乾燥機の必要性が排除される。従来のピストンベースの圧縮機は、圧縮機の前にガス乾燥機が必要である。
【００６９】
図２の実施形態は、ガス冷却機能をもたらす。高圧液体は第１の容器１０１および第２の容器１０２の内部で最初に低圧で膨張し、それが圧縮中に温度を略等温に制御する冷却効果を生じる。一部の熱は圧力容器の表面から消散する。圧縮中のこの冷却は第一に、従来の冷却回路の必要性を排除し、したがってコストを節約し、圧縮機のエネルギー効率を高める。
【００７０】
図２の実施形態は、ガス清浄化機能をもたらす。液体は、水、水に混合された種々の薬品、苛性溶液、水酸化ナトリム、水酸化カリウム、硫酸第二鉄溶液、酸性水等のような流体とすることができる。液体の選択は、圧縮中に液体によって清浄化される入口ガスに存在する不純物に依存する。種々の不純物を物理吸収によってまたは化学反応によってスクラブするように、液体は圧力容器１０１、１０２の内部のノズル１１０、１１５によって噴射される。例えば、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液は、圧縮中にバイオガスからＣＯ２を除去するために使用される。硫化水素（Ｈ２Ｓ）は、硫酸第二鉄溶液中でスクラブすることによって、または水中で生ガスを洗浄することによって除去される。タール、油、炭化水素、粒子状物質、および他の不純物の除去は、関連溶液による種々のスクラブ技術によって達成される。
【００７１】
要約すると、本発明は主として、高圧水ポンプを用いた水素ガスおよび他のガス状物質の圧縮に関する。本発明は、水素のような爆発性ガスの圧縮を理想的にする水封の利用により、安全かつ漏れることのないガス圧縮機を提供する。本発明は、大気水電解装置から得られるような低圧ガスが、高コストの加圧電解装置または従来の水素圧縮機よりずっと経済的に、ガス圧を著しく増大させることを可能にする。市場で入手可能な最小の市販水素圧縮機の流量は、小型電解装置によるガス生成速度より著しく大きい。この理由から、それらの不整合を補償するために、電解装置と圧縮機との間にバッファタンクが必要である。しかし、本発明では、この圧縮機の流量は、水ポンプの流量に依存するため、毎分１０ｃｃから毎時事実上数百ノルマル立方メートルの範囲に及ぶので、水素ガスのバッファタンクの必要性が排除される。この新しい圧縮機は部品数を著しく減らし、したがって遠心空気圧縮機、ピストン式、またはダイヤフラム式ガス圧縮機と比較して、資本コストを低減する。本発明は、空気、酸素、窒素、二酸化炭素、天然ガス等のような他のガスに適用可能である。本発明は、略等温圧縮のため、エネルギー効率の高いガス圧縮機を提供する。
【００７２】
本発明について、図１および表１に示した水ポンプおよび他の構成部品、ならびに表２に示した対応する弁シーケンスと共に、膨張可能な水袋体または空気袋体または他の膨張可能な装置を使用することによって、本発明の主要な特徴を幅広く網羅するように概説した。本発明は、図１または図２の構成に限定されないことを理解されたい。本発明は、図１および／または図２の構成部品を異なる仕方で再配設することによって、幾つかの異なる構成に具現することができる。また、本発明を説明するために使用した専門用語および語句は、本発明のより広い範囲を提供するように再構成することができることも理解されたい。
【００７３】
本発明の実施形態は、極めて低コストの新しい水素圧縮機を提供する。この圧縮機はその製造において設計許容誤差に敏感ではない。本発明はまた、他のガスにも適用可能である。ガス圧縮機は、高圧流体源と、圧縮されるガス用のガス入口、圧縮されたガス用のガス出口、および高圧流体用の流体入口を有する圧力容器とを備える。圧縮機は、流体入口を介して圧力容器内に高圧流体を導入し、それによって圧力容器内のガスの体積を圧縮するように構成される。
【図１Ｂ】
2014507594.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2014507594.tif 000005
【図１Ａ】
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【図１Ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年10月8日(2013.10.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス圧縮機であって
高圧液体源と、
圧縮されるガス用のガス入口、前記圧縮されたガス用のガス出口、および前記高圧液体用の流体入口を有する圧力容器と
を備え、
前記圧縮機が、前記流体入口を介して前記高圧液体を前記圧力容器内に導入し、それによって前記圧力容器内のガスの体積を圧縮するように構成され、
前記圧力容器の前記流体入口が、前記高圧液体を前記圧力容器内に噴射するための噴射ノズルを備える、
ガス圧縮機。
【請求項２】
前記高圧液体が水である、請求項１に記載のガス圧縮機。
【請求項３】
前記高圧液体源が、液体を前記圧力容器の前記流体入口に圧送するように構成されたポンプを備える、請求項１〜２のいずれかに記載のガス圧縮機。
【請求項４】
前記高圧液体源がタンクを備え、前記ポンプが、前記タンクから前記圧力容器の前記流体入口に液体を圧送するように構成された、請求項３に記載のガス圧縮機。
【請求項５】
ガス入口および前記高圧液体用の流体入口を有する少なくとも１つのさらなる圧力容器を備え、
前記ポンプが、前記第１の圧力容器から前記さらなる圧力容器の前記流体入口に液体を圧送し、それによって前記さらなる圧力容器内のガスの体積を圧縮するように構成され、
前記ポンプが、その後に前記さらなる圧力容器から前記第１の圧力容器の前記流体入口に液体を圧送し、それによって前記第１の圧力容器内のガスの体積を圧縮するように構成された、請求項３に記載のガス圧縮機。
【請求項６】
前記第１の圧力容器から前記さらなる圧力容器への液体の圧送により、前記第１の圧力容器の圧力低下が引き起こされ、それによってガスが前記ガス入口を介して前記第１の圧力容器内に引き込まれるように、かつ前記さらなる圧力容器から前記第１の圧力容器への液体の圧送により、前記さらなる圧力容器の圧力低下が引き起こされ、それによってガスが前記ガス入口を介して前記さらなる圧力容器内に引き込まれるように、前記第１の圧力容器および前記さらなる圧力容器が構成された、請求項５に記載のガス圧縮機。
【請求項７】
前記第１の圧力容器の前記ガス入口および前記さらなる圧力容器の前記ガス入口が同一ガス源に接続された、請求項５または６に記載のガス圧縮機。
【請求項８】
前記第１の圧力容器の前記ガス出口に接続されたガス入口、および前記高圧液体用の流体入口を有する少なくとも１つのさらなる圧力容器を備え、
前記圧縮機が、前記流体入口を介して前記さらなる圧力容器内に前記高圧液体を導入し、それによって前記さらなる圧力容器内のガスの体積をさらに圧縮するように構成された、請求項１〜７のいずれかに記載のガス圧縮機。
【請求項９】
前記さらなる圧力容器の前記流体入口が、前記第１の圧力容器の前記流体入口と同一の高圧液体源に接続される、請求項８に記載のガス圧縮機。
【請求項１０】
前記圧力容器の前記ガス入口に水電解装置からガスが供給される、請求項１〜９のいずれかに記載のガス圧縮機。
【請求項１１】
前記ガスが水素である、請求項１〜１０のいずれかに記載のガス圧縮機。
【請求項１２】
前記液体が前記ガスを清浄化するための薬品を含む、請求項１〜１１のいずれかに記載のガス圧縮機。
【国際調査報告】
2014507594.tif 000008
2014507594.tif 000009