(57)【要約】  被圧縮流体用の入口通路(6)と出口通路(7)に接続された一つ以上の圧縮シリンダ(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)を備えた気体圧縮用圧縮機(1)。該圧縮シリンダ(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)内には液相作動流体(5)が収容され、この作動流体が圧縮シリンダ(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)から押し退け容積機械(2)のシリンダ室(2a, 2b, 2c, 2d, 2e)まで満たされていることによって押し退け容積機械(2)がシリンダ室(2a, 2b, 2c, 2d, 2e)を一つ以上備えたピストンレス形のピストン機械(2)として構成され、各シリンダ室(2a, 2b, 2c, 2d, 2e)は作動流体を介して圧縮シリンダ(4a, 4b, 4c, 4d, 4e)に通じている。低コストで確実な運転を保証する圧縮機とすべく、出口通路(7)に作動流体(5)の分離装置(8)が付設され、分離装置(8)は作動流体(5)を還流させるために圧縮機の入口通路(6)に接続されている。
2010503787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相の流体を圧縮するための圧縮機であって、被圧縮流体のための入口通路と出口通路とに接続された一つ以上の圧縮シリンダを備え、該圧縮シリンダ内には液相作動流体が収容され、該作動流体が前記圧縮シリンダから押し退け容積機械のシリンダ室まで満たされていることによって前記押し退け容積機械が前記シリンダ室を一つ以上備えたピストンレス形のピストン機械として構成され、該ピストン機械のシリンダ室が前記作動流体を介して前記圧縮シリンダに通じているものにおいて、
前記出口通路（７）に前記作動流体（５）の分離装置（８）が付設され、前記作動流体（５）を還流させるために前記分離装置（８）が前記入口通路（６）に接続されていることを特徴とする圧縮機。
【請求項２】
前記分離装置（８）が還流通路（９）によって前記入口通路（６）に接続され、前記還流通路（９）中に開閉弁（１０）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項３】
前記ピストン機械（２）からの漏洩流体を導出するドレン通路（１１）に接続された漏洩流体収容室（１２）を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機。
【請求項４】
入口側で前記収容室（１２）に接続され、出口側で前記入口通路（６）に接続された作動流体供給ポンプ（１３）を更に備えたことを特徴とする請求項３に記載の圧縮機。
【請求項５】
前記収容室（１２）内の前記作動流体（５）の量に応じて前記供給ポンプ（１３）の作動を制御する手段を更に備えたことを特徴とする請求項３又は４に記載の圧縮機。
【請求項６】
前記収容室（１２）がレベル測定器（１５）を備え、前記供給ポンプ（１３）の作動を前記レベル測定器（１５）による測定信号に応じて制御する手段が設けられていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の圧縮機。
【請求項７】
前記ピストン機械（２）がラジアルピストン機械として構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧縮機。
【請求項８】
前記ピストン機械（２）がアキシアルピストン機械として構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
気相の流体を圧縮するための圧縮機に関し、特に被圧縮流体のための入口通路と出口通路とに接続された一つ以上の圧縮シリンダを備え、該圧縮シリンダ内には液相作動流体が収容され、該作動流体が前記圧縮シリンダから押し退け容積機械のシリンダ室まで満たされていることによって前記押し退け容積機械が前記シリンダ室を一つ以上備えたピストンレス形のピストン機械として構成され、該ピストン機械のシリンダ室が前記作動流体を介して前記圧縮シリンダに通じている形式の圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冒頭に述べたような形式の圧縮機は、気相流体、例えば天然ガスや水素を圧縮するのに利用される。この場合、入口通路から吸入される気相の被圧縮流体は圧縮シリンダ内で圧力伝達用の液相作動流体の液柱による押し退け作用を受け、従ってこの形式の圧縮機はピストンレス圧縮機と称されている。液相作動流体としてはイオン液体が使用可能である。但し、蒸気圧が低く、圧縮対象の気体に対して殆ど溶解性を示すことのない液体であれば使用可能であることは勿論である。このような液体に共通する点として、これらの液体は圧縮対象の気相流体に対して不溶であり、混合した場合にも痕跡を残すことなく圧縮対象流体から分離可能であり、圧縮後の流体は高純度を維持することである。
【０００３】
この種の気体用ピストンレス圧縮機の一例が特許文献１により知られている。この公知のピストンレス圧縮機では、シリンダ形圧力容器内で液柱を形成する作動流体が液圧ポンプとして構成された押し退け容積機械による押し退け作用を受け、またレベル検出用の電子装置で測定される圧力容器内の作動流体液面レベルに応じて圧力容器に対する作動流体の導入と導出を制御するために制御弁が設けられている。シリンダ形圧力容器は、作動流体の導出を重力の作用で補う目的で縦長シリンダ形状で垂直に固定設置される。このような圧縮機では、シリンダ形圧力容器が固定設置であるため内部の作動流体の液柱を標準重力加速度を超える加速度で更に付勢することはできず、圧縮サイクル速度は設置場所における重力加速度によって制限される。従ってこのような圧縮機では、短い圧縮サイクルで長時間の稼働を行うと出口から送り出される圧縮流に大振幅の脈動が生じる虞がある。例えば加圧気体燃料を車両に補給するには圧縮した気体燃料を脈動のない流れとして供給する必要があり、このためには中間貯蔵設備を設け、この中間貯蔵設備へ圧縮機からの圧縮流を送り込む必要がある。また、圧縮機を高出力とするには圧縮サイクルを短くする必要があるが、そのためには圧力容器の寸法を大きくしなければならない。大寸法の圧力容器と中間貯蔵設備の設置には製造コストだけでなく大きな構造空間が必要であり、加えて上述のレベル検出用の電子装置や制御弁にも高い設備コストが要求される。大寸法の圧力容器には大量の作動流体が必要であり、これも設備コストと運転コストの増加要因である。更に、大量の作動流体を駆動するには高性能の流体ポンプが必要であり、そのような流体ポンプは相応に製造コストが高く、運転時の騒音レベルも大きくなる。
【０００４】
特許文献２には、作動流体としてイオン液体を使用したピストンレス圧縮機が開示されている。この圧縮機には、出口へ向かう圧縮流に随伴するイオン液体を出口通路から回収するために分離装置が設けられている。イオン液体は供給装置によって各圧縮シリンダに供給される。このためのレベル測定器も設けられており、このレベル測定器によって圧縮シリンダ内の作動流体の液面レベルが測定され、それが所定の基準値を下まわると供給装置から作動流体が圧縮シリンダへ補給される。特許文献１に記載された圧縮機の諸欠点に加えて、特許文献２に記載された圧縮機はレベル測定器の分だけ構造コストが相加する。
【０００５】
更に、一般的に知られてる圧縮機では、押し退け容積機械はそれぞれ圧縮シリンダに接続された一つ以上のシリンダ室を有するピストン機械として構成されている。この場合、圧縮機から最終的に吐出される圧縮流は複数の圧縮シリンダによって生成され、これらの圧縮シリンダには同じピストン機械の位相のずれたシリンダ室がそれぞれ接続されているので、各圧縮シリンダからは位相差をもつ圧縮流が順次出口通路内に送り出され、従って出口通路からは圧力の脈動が僅かなほぼ均一圧力の圧縮流が吐出される。このような一般的な圧縮機は比較的短い圧縮サイクルで動作可能であり、従って圧縮シリンダの寸法を比較的小さくすることができる。これにより必要な構造空間はさほど大きくはなく、製造コストも僅かである。また必要な作動流体の量を減らすことができ、これにより運転コストも少なくなる。更に、作動流体はほぼ重力加速度で動かすことができ、従って内部のピストン機械を高回転数で作動させることができる。これにより圧縮機を比較的低い構造コストで高出力化することができ、ピストン機械として構成される押し退け容積機械の騒音レベルも低下させることができる。しかしながら、このような一般的な圧縮機では、圧縮サイクルをあまり短くすると圧縮シリンダ内における作動流体の厳密なレベル測定が不可能となるので、圧縮シリンダ内に充分な量の作動流体が存在しなくなる虞があり、そのような場合にはもはや圧縮機の確実な運転は保証されなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６６５２２４３号明細書
【特許文献２】国際公開第２００６／０３４７４８号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の圧縮機において、従来技術の諸欠点を解消して僅かな構造コストで確実な運転を保証することのできる圧縮機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、本発明によれば、冒頭に述べた形式の圧縮機において、圧縮機の出口通路に作動流体の分離装置を付設し、この分離装置を作動流体の還流のために圧縮機の入口通路に接続することによって解決される。本発明によれば、圧縮機内で出口通路内に流入する作動流体は、該出口通路内を圧縮機吐出口へ向かって流れる圧縮流から分離装置によって分離され、分離された作動流体は入口通路内へ直接的に還流される。これにより、圧縮機の確実な運転に必要な作動流体の液面レベルを圧縮シリンダ内で維持することが容易に可能となり、圧縮機の運転制御のためにレベル測定器を圧縮シリンダ内に配置する必要もない。従って本発明によれば、圧縮機の確実な運転を僅かな構造コストの負担で保証することが可能である。
【０００９】
本発明の好適な一実施形態によれば、分離装置は還流通路によって入口通路に接続されており、この還流通路中に開閉弁が介装されている。この開閉弁は、例えば入口通路へ向かう流れのみ許容する逆止弁で構成することができる。切換操作可能な遮断弁で開閉弁を構成することも可能である。このような開閉弁により、分離装置によって分離された作動流体を出口通路から常時又は周期的に入口通路内へ還流することができ、これにより本発明による圧縮機は或る一定量の作動流体を装填しておくだけで新たな作動流体の補充を頻繁に行わなくても長期間に亘って稼働を継続することが可能である。
【００１０】
本発明の別の好適な一実施形態によれば、圧縮機内のピストン機械からの漏洩流体を導出するドレン通路に接続された漏洩流体収容室が設けられている。これにより、ピストン機械の運転時に発生する作動流体の漏洩を収容室に回収することができる。
【００１１】
本発明の特に好適な一実施形態によれば、入口側で収容室に接続され、出口側で圧縮機の入口通路に接続された作動流体供給ポンプが設けられている。これにより、収容室に回収されたピストン機械からの漏洩作動流体は収容室から圧縮機の入口通路に戻すことができ、従って圧縮機を或る一定量の作動流体で継続的に稼働させることが可能である。
【００１２】
この作動流体供給ポンプは、常に作動させていてもよく、或いは周期的に作動させてもよい。
【００１３】
本発明の更に別の実施形態によれば、漏洩流体収容室内の作動流体の量に応じて作動流体供給ポンプの作動を制御する手段が設けられている。これにより、圧縮機の確実な運転を保証するように圧縮機内における作動流体の量を一定量に維持することが可能となる。
【００１４】
この場合、漏洩流体収容室に作動流体の液面レベルを計測するレベル測定器を配置し、このレベル測定器による測定信号に応じて作動流体供給ポンプの作動を制御する手段を設けておけば、圧縮シリンダ内の作動流体の量を僅かなコストでほぼ一定に維持することが可能である。
【００１５】
本発明の更に別の一実施形態によれば、圧縮機内のピストン機械はラジアルピストン機械として構成されている。圧縮機の各圧縮シリンダはラジアルピストン機械の各シリンダ室に接続され、従ってこのような構成のラジアルピストン機械を採用することにより、構造的に僅かなコストと占有スペースで圧力の脈動の少ない圧縮流を吐出させることができる。加えて、ラジアルピストン機械は充分な耐用寿命を実現可能な実績のある流体機器であり、従って長寿命の圧縮機を実現可能である。
【００１６】
本発明の更に別の一実施形態によれば、圧縮機内のピストン機械はアキシアルピストン機械として構成される。圧縮機の各圧縮シリンダはアキシャルピストン機械の各シリンダ室に接続され、従ってこのような構成のアキシアルピストン機械を採用することにより、やはり構造的に僅かなコストと占有スペースで圧力の脈動の少ない圧縮流を吐出させることができ、同様に長寿命の圧縮機を実現可能である。
【００１７】
本発明の特徴と利点を添付図面と共に詳述すれば以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の好適な実施形態によるピストンレス圧縮機の構成を示す模式回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１に示す圧縮機１の回路図において。圧縮機１は一例としてラジアルピストン機械による押し退け容積機械として構成されたピストン機械２を備え、このピストン機械は、複数のシリンダ室２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅを備えている。各シリンダ室２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ内の構造は図示を省略してあるが、これらシリンダ室にはそれぞれ一つずつのピストンが内蔵され、モータで駆動されるロータの回転により各ピストンが均等な位相差をもって往復運動を行うようになっている。各シリンダ室は接続通路３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅによって圧縮機の圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅに個々に接続されている。圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ内には、各シリンダ室との間を満たすイオン液体が作動流体５として収容され、各圧縮シリンダ内では作動流体がピストン機械２の押し退け作用によって液柱として往復運動可能である。
【００２０】
圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅはそれぞれの入口側で各一つのずる吸入弁６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅを介して被圧縮流、例えば天然ガスや水素の入口通路６に接続されている。入口圧力を高くし、従って出口出力を高圧化するために入口通路６に予備圧縮機を付設してもよい。また、圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅはそれぞれの出口側で各一つずつの吐出弁７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅを介して出口通路７に接続されている。
【００２１】
出口通路７中には、例えば気液分離器からなる分離装置８が介装されており、この分離装置により、圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅから出口通路７に流入した作動流体５を分離できるようになっている。
【００２２】
この実施形態によれば、分離装置８はまた還流通路９によって入口通路６に接続されている。この還流通路９中には開閉弁１０が介装されている。分離装置８内で出口通路７に流れる圧縮流から分離された作動流体５は、還流通路９を通して入口通路６へと還流させることができる。これにより、圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ内の作動流体５の量をほぼ一定に維持することが可能である。
【００２３】
ピストン機械２は、多くの場合もそうであるように内部漏洩流体を導出するドレン通路１１を備えており、このドレン通路は漏洩流体収容室１２に接続されている。この場合、ピストン機械２の運転時に生じる漏洩流体は殆どが作動流体５であり、この漏洩作動流体はドレン通路１１から収容室１２へと回収される。収容室１２内には液面レベル測定器１５が設けられている。収容室１２には作動流体供給ポンプ１３も配置され、この供給ポンプは入口側（吸引側）で収容室１２内に接続され、出口側では通路１４を介して入口通路６に接続されている。ドレン通路１１を介して収容室１２内に流入する漏洩作動流体５は供給ポンプ１３によってピストン機械２の入口通路６へ移送可能である。この場合、供給ポンプ１３の作動はレベル測定器１５による測定信号に応じて図示しない制御装置により制御することができる。これにより圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ内の作動流体５の量を更に精度良くほぼ一定に維持することが可能である。
【００２４】
圧縮機１の運転時には、圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ内にある作動流体が圧縮機設置場所における重力加速度の作用のもとに液柱の形態でピストン機械２による押し退け作用によって昇降移動し、それに応じて圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ内では、入口通路６から気相の被圧縮流が吸引される一方で、圧縮された気相流体が出口通路７へ送り出されるという圧縮サイクルが均等な位相差で行われることになる。この場合、圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅからは、短時間で繰り返す圧縮サイクル動作、従って速いサイクル速度で圧縮流が出口通路７へ均等な位相差で順次送り出され、従って殆ど脈動のない圧縮流を出口通路から吐出させることができる。尚、圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ内における作動流体５の量は、圧縮行程の最終段階で作動流体５が出口通路７へ僅かに流出する程度に選んでおくことが好ましい。これにより入口通路６から吸引された気相流体が完全に圧縮されてから出口通路７へ送り出されることになり、各圧縮シリンダ内における被圧縮流体に対する死空間、従って吐出損失を減少することが可能となる。
【００２５】
圧縮機１の運転によって気相の圧縮流と共に出口通路７に流入した液相の作動流体５は分離装置８によって圧縮流から分離される。この場合、分離された作動流体５は分離装置８内から還流通路９と開閉弁１０とを介して入口通路６へ還流させることができ、それによって圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ内における作動流体の量をほぼ一定に維持することができる。
【００２６】
圧縮機の運転中にピストン機械２からドレンとして漏洩する作動流体５はドレン通路１１から収容室１２内に流入する。収容室１２内に溜まった漏洩作動流体５はレベル測定器１５によって液面レベルが測定される。供給ポンプ１３は、レベル測定器で測定された収容室１２内の作動流体５の液面レベルに応じて例えば周波数制御により制御され、これによってピストン機械２からのドレン流として溜まる作動流体５も収容室１２から入口通路６へと還流される。従って、圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ内における作動流体５の量を更に正確にほぼ一定量に維持することができる。
【００２７】
以上に述べたような構成を備えた本発明による圧縮機１は、短いサイクル時間で高速の圧縮サイクル動作を可能とし、吐出される圧縮流には圧力の脈動が殆ど現れないので、例えば車両に対して加圧気体燃料を補給するために一定圧力の圧縮気体流を吐出することが要求される用途に好適である。
【００２８】
また、出口通路７へ流入した作動流体５は分離装置８を介して圧縮機１の入口通路６へと還流され、ピストン機械２から漏洩する作動流体も専用の供給ポンプ１３によって圧縮機１の入口通路６へと戻されるので、圧縮シリンダ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ内に常に充分な量の作動流体５を確保することができる。この場合、供給ポンプ１３を制御するには単純な構成のレベル測定器１５と供給ポンプの制御系を付加すればよいだけである。更に、圧縮行程の最終段階で常に僅かな量の作動流体５が出口通路７に流入するように作動流体の量を定めておくことにより、圧縮シリンダ内における死空間の発生が無くなるので吐出損失も回避可能であり、これにより圧縮機１を高い効率で動作させることが可能となる。
【００２９】
本発明による圧縮機においてはピストン機械２を高速回転で作動させることができ、この場合、必要な作動流体５の量を少なくすると共に全体の構造寸法を小型化して騒音レベルも低く抑えた高出力の圧縮機１を実現することが可能である。
【図１】
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【国際調査報告】
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2010503787.tif 000007
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