(57)【要約】  往復動エンジン圧縮機はフレーム（３）を備え、そのフレーム（３）内にクランク軸（５）が回転可能に収められる。圧縮機ピストン（１７Ａ、１７Ｂ）はクランク軸（５）に駆動接続され、それによって各圧縮機シリンダ（１３Ａ、１３Ｂ）内で往復運動する。クランク軸は、組込み型スターリングエンジン（１Ｂ）によって駆動されて回転する。スターリングエンジンは、少なくとも高温シリンダ（５３）および低温シリンダ（７３）を備え、それらの中を各高温ピストン（５５）および各低温ピストン（７５）が往復運動する。熱出力が高温シリンダに供給され、機械的動力に部分的に変換されて往復動圧縮機を駆動する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレーム（３）と、
前記フレーム（３）内で回転支持され、複数のクランクピン（５．１、５．２、５．３、５．４）より成るクランク軸（５）と、
圧縮シリンダ（１３Ａ、１３Ｂ）および圧縮ピストン（１７Ａ、１７Ｂ）より成る少なくとも１つの圧縮シリンダ−ピストン装置（７Ａ、７Ｂ）であって、前記圧縮ピストン（１７Ａ、１７Ｂ）が前記圧縮シリンダ（１３Ａ、１３Ｂ）内で往復運動し、かつ前記ピストン（１７Ａ、１７Ｂ）および連接棒（３７Ａ、３７Ｂ）に一体的に接続されたクロスヘッド（４１Ａ、４１Ｂ）によって前記クランクピン（５．１、５．３）のそれぞれ１つに駆動接続される、少なくとも１つの圧縮シリンダ−ピストン装置（７Ａ、７Ｂ）と、
高温シリンダ（５３）より成る少なくとも１つの高温シリンダ−ピストン装置（９）であって、前記高温シリンダ（５３）内に高温ピストン（５５）が摺動可能に収められた、少なくとも１つの高温シリンダ−ピストン装置（９）、高温源（９１）、低温シリンダ（７３）より成る少なくとも１つの低温シリンダ−ピストン装置（１１）であって、前記低温シリンダ（７３）内に低温ピストン（７５）が摺動可能に収められた、少なくとも１つの低温シリンダ−ピストン装置（１１）、低温源（９３）、および、作動流体が前記高温シリンダ（５３）から前記低温シリンダ（７３）に流れて通る、かつその逆に流れて通る前記低温シリンダ（７３）と前記高温シリンダ（５３）との間の流体接続部（９４）を有する組込み型スターリングエンジン（１Ｂ）と
を備える往復動エンジン圧縮機であって、
前記高温ピストン（５５）および前記低温ピストン（７５）が、前記クランクピン（５．２、５．４）の少なくとも１つに駆動接続され、その結果、前記スターリングエンジン（１Ｂ）によって発生した動力が前記少なくとも１つの圧縮シリンダ−ピストン装置（７Ａ、７Ｂ）を駆動し、かつ前記クランク軸（５）が１５０と１５００ｒｐｍとの間を含む速度で回転する、往復動エンジン圧縮機。
【請求項２】
前記高温ピストン（５５）が前記クランクピンのうちの第１のクランクピン（５．２）に接続され、前記低温ピストン（７５）が前記クランクピンのうちの第２のクランクピン（５．４）に接続される、請求項１記載の往復動エンジン圧縮機。
【請求項３】
前記高温ピストン（１０９、１０９Ａ、１０９Ｂ）と前記低温ピストン（１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ）とが共通のクランクピン（５．５、５．６）に接続される、請求項１記載の往復動エンジン圧縮機。
【請求項４】
前記クランク軸（５）の２つのクランクピン（５．１、５．３、５．５、５．７）のそれぞれに接続され、互いに対して約１８０°で配置される少なくとも２つの圧縮ピストン（１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ）を備える、請求項１乃至３のいずれか１項記載の往復動エンジン圧縮機。
【請求項５】
前記少なくとも１つの圧縮シリンダ−ピストン装置（７Ａ、７Ｂ）が複動式圧縮シリンダ−ピストン装置である、請求項１乃至４のいずれか１項記載の往復動エンジン圧縮機。
【請求項６】
前記少なくとも１つの圧縮シリンダ−ピストン装置（７Ａ、７Ｂ）が単動式圧縮シリンダ−ピストン装置である、請求項１乃至４のいずれか１項記載の往復動エンジン圧縮機。
【請求項７】
少なくとも２つの圧縮シリンダ−ピストン装置（７Ａ、７Ｂ）を含み、それらの前記ピストン（１０１）が共通のクランクピン（５．１、５．２、５．３、５．４）に接続される、請求項１乃至６のいずれか１項記載の往復動エンジン圧縮機。
【請求項８】
前記スターリングエンジン（１Ｂ）の高温シリンダ−ピストン装置（９）の数と等しい、またはそれより多いＮ個の圧縮シリンダ−ピストン装置（７Ａ、７Ｂ）を備える、請求項１乃至７のいずれか１項記載の往復動エンジン圧縮機。
【請求項９】
前記高温源（９１）と前記低温源（９３）との間で、２００℃に等しい、または２００℃より大きい温度差が与えられる、請求項１乃至８のいずれか１項記載の往復動エンジン圧縮機。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項記載の往復動圧縮機、および前記スターリングエンジン（１Ｂ）の前記高温源（９１）と熱接触する廃熱源を備えるシステム。
【請求項１１】
請求項１乃至９のいずれか１項記載の往復動圧縮機、および前記スターリングエンジン（１Ｂ）の前記低温源（９３）と熱的に接触する低温流体流を備えるシステム。
【請求項１２】
フレーム（３）内に複数のクランクピン（５．１、５．２、５．３、５．４）を有するクランク軸（５）を提供するステップと、
少なくとも１つの圧縮シリンダ−ピストン装置（７Ａ、７Ｂ）の少なくとも１つの往復動ピストン（１７Ａ、１７Ｂ）を、前記ピストン（１７Ａ、１７Ｂ）および連接棒（３７Ａ、３７Ｂ）に一体的に接続されたクロスヘッド（４１Ａ、４１Ｂ）によって前記クランク軸（５）の１つに駆動接続するステップと、
高温源（９１）、低温源（９３）、高温ピストン（５５）、および低温ピストン（７５）を有するスターリングエンジン（１Ｂ）を提供するステップと、
前記スターリングエンジン（１Ｂ）の前記高温ピストン（５５）および前記低温ピストン（７５）を前記クランク軸（５）に駆動接続するステップと、
前記スターリングエンジン（１Ｂ）に熱出力を供給するステップと、
前記スターリングエンジン（１Ｂ）内で前記熱出力の少なくとも一部を有用な機械的動力に変換し、前記機械的動力で前記往復動ピストン（１７Ａ、１７Ｂ）を駆動するステップと
を含む往復動圧縮機を駆動する方法であって、
前記クランク軸が１５０と１５００ｒｐｍとの間の速度で回転する、方法。
【請求項１３】
前記熱出力が廃熱源によって供給される、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
廃棄低温流体の流れとの熱交換によって前記スターリングエンジン（１Ｂ）の前記低温源から低温熱が取り除かれる、請求項１２または１３記載の方法。
【請求項１５】
前記高温源（９１）と前記低温源（９３）との間で適用される温度差を２００℃、またはそれより大きくする、請求項１２乃至１４のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題は往復動エンジン圧縮機の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
往復動圧縮機は、いくつかの産業分野で気体の圧力を上げるために使用されている。往復動圧縮機は、製油所、例えば、改質装置、水素化分解装置、および水素化処理装置プラントで典型的に用いられている。往復動圧縮機はまた、エチレンおよびその誘導体を製造するための高分子産業にも典型的に用いられているのを見いだすことができる。
【０００３】
往復動圧縮機は典型的には電気モータによって駆動され、電気モータは配電網からの電気エネルギによって動力を得る。いくつかの知られている実施形態では、往復動圧縮機は、往復動ディーゼルエンジンまたはオットーエンジンなどの内燃エンジンによって駆動される。他の設備では、往復動圧縮機を駆動するために蒸気タービンが使用される。このように、圧縮機を駆動するためには通常、大量の高品質なエネルギが必要になる。ディーゼルまたはオットー内燃エンジンを用いるエンジン圧縮機は、製作の観点ならびにメンテナンスの観点の両方から、特に複雑かつ高価である。
【０００４】
さらに、内燃エンジンは低速回転時には効率が低い。
【０００５】
本開示は、公知のエンジン圧縮機の問題の少なくともいくつかを解決する、または軽減するように改良された往復動エンジン圧縮機を提案する。
【０００６】
特に、本開示で提案する改良された往復動エンジン圧縮機によって解決される目的の技術的問題の一つは、回転数の低いときに高効率である往復動圧縮機を備える一体型機械を提供する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第３０７４２２９号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本開示によれば、往復動エンジン圧縮機はフレームを備え、そのフレーム内にクランク軸が回転可能に収められる。圧縮機ピストンはクランク軸に駆動接続され、それによって各圧縮機シリンダ内で往復運動する。ピストンは、連接棒に蝶着したクロスヘッドに一体的に接続される。連接棒はクランク軸の動きをクロスヘッドに伝えるように構成され、クロスヘッドは圧縮シリンダのピストンとともに直線運動するように構成される。クランク軸は、組込み型スターリングエンジンによって駆動されて回転する。スターリングエンジンは、少なくとも高温シリンダおよび低温シリンダを備え、それらの中を各高温ピストンおよび各低温ピストンが往復運動する。熱出力が高温シリンダに供給され、機械的動力に部分的に変換されて往復動圧縮機を駆動する。クランク軸の回転速度は１５０と１５００ｒｐｍとの間を含む。
【０００９】
往復動圧縮機のための駆動機としてスターリングエンジンを往復動圧縮機に組み込むことによって、例えば、ガスタービンの排気燃焼ガス、または工業プロセスの任意の他の廃熱源からの廃熱を使用して往復動圧縮機を駆動することができ、したがって、電気エネルギまたは化石燃料などの高品質なエネルギを節約することができる。いくつかの実施形態では、太陽エネルギを熱源として使用することができる。いくつかの実施形態では、周囲温度の高温源、または周囲温度より高い温度の高温源と組み合わせて、廃棄低温流れを低温源として使用することができる。
【００１０】
スターリングエンジンでは、作動流体が、高温源で高温熱を吸収し、低温源で低温熱を排出する閉サイクルに従って作動流体を処理するが、これによって行われる熱力学的な周期的変換によって、機械的動力がクランク軸で利用可能となって圧縮機ピストンを駆動する。
【００１１】
スターリングエンジンは比較的低い回転速度において高い効率で作動することができ、これは、大型往復動圧縮機、特にハイパー圧縮機を駆動する際に特に有用である。
【００１２】
内燃エンジンに対するスターリングエンジンの様々な利点のうち、以下のことが注目に値する、すなわち、必要な潤滑システムがより簡単であること、点火プラグ、エアフィルタ、タイミングチェーン、およびタイミングシステムの他の構成部品の必要がないこと、燃料噴射システムを使用しないこと、高価で高品質な化石燃料の必要がないことである。
【００１３】
加えて、スターリングエンジンのシリンダボアのサイズは、内燃エンジンのシリンダより大きくすることができるので、内燃エンジンではなくスターリングエンジンを用いる場合には、往復動圧縮機を作動させるのに必要な同じ駆動力をより少ない数のシリンダで発生させることができる。これによって、全体の配置がより簡単になり、よりコンパクトになる。いくつかの実施形態では、往復動圧縮機のシリンダの数は、スターリングエンジンのシリンダの数に等しい、またはそれより多くすることさえある。例えば、２シリンダのスターリングエンジンは、２シリンダまたは４シリンダの往復動圧縮機を作動させることができる。
【００１４】
好ましい実施形態によれば、往復動エンジン圧縮機は、フレームと、前記フレーム内で回転支持され、複数のクランクピンより成るクランク軸と、圧縮シリンダおよび圧縮ピストンより成る少なくとも１つの圧縮シリンダ−ピストン装置であって、圧縮ピストンが圧縮シリンダ内で往復運動し、かつ前記クランクピンのそれぞれ１つに駆動接続される、少なくとも１つの圧縮シリンダ−ピストン装置と、高温シリンダより成る少なくとも１つの高温シリンダ−ピストン装置であって、前記高温シリンダ内に高温ピストンが摺動可能に収められた、少なくとも１つの高温シリンダ−ピストン装置、高温源、低温シリンダより成る少なくとも１つの低温シリンダ−ピストン装置であって、前記低温シリンダ内に低温ピストンが摺動可能に収められた、少なくとも１つの低温シリンダ−ピストン装置、低温源、および作動流体が高温シリンダから低温シリンダに流れて通る、かつその逆に流れて通る低温シリンダと高温シリンダとの間の流体接続部を有する組込み型スターリングエンジンとを備えて提供することができる。高温ピストンおよび低温ピストンは、前記クランクピンの少なくとも１つに駆動接続されて、その結果、前記スターリングエンジンによって発生した動力は前記少なくとも１つの圧縮シリンダ−ピストン装置を駆動する。
【００１５】
さらなる態様によれば、本明細書で開示する主題は、
フレーム内に複数のクランクピンを有するクランク軸を提供するステップと、
少なくとも１つの圧縮シリンダ−ピストン装置の少なくとも１つの往復動ピストンを前記クランク軸の１つに駆動接続するステップと、
高温源、低温源、高温ピストン、および低温ピストンを有するスターリングエンジンを提供するステップと、
スターリングエンジンの高温ピストンおよび低温ピストンを前記クランク軸に駆動接続するステップと、
前記スターリングエンジンに熱出力を供給するステップと、
前記スターリングエンジン内で熱出力の少なくとも一部を有用な機械的動力に変換し、前記機械的動力で往復動ピストンを駆動するステップと
を含む往復動圧縮機を駆動する方法に関する。
【００１６】
特徴および実施形態は本明細書で以下に開示され、本説明の不可欠な部分を形成する添付の特許請求の範囲にさらに記載される。上記の簡単な説明は、以下の詳細な説明をよりよく理解することができるように、かつ当分野に対する本発明の寄与をよりよく認識できるように、本発明の様々な実施形態の特徴を記載している。もちろん、以下で説明され、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の他の特徴が存在する。この点において、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の様々な実施形態は、以下の説明で記載されまたは図面に示される構造の詳細および構成部品の配置に適用されることに限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、また様々な方法で実践および実行することができる。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであって、限定としてみなすべきではないことを理解されたい。
【００１７】
したがって、本開示が基礎を置いている概念は、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用することができることを当業者は理解するであろう。したがって、特許請求の範囲は、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り、このような同等な構造を含むものとみなすことが重要である。
【００１８】
以下の詳細な説明を添付の図面と併せて考察して参照することによって、本発明の開示される実施形態、およびそれらに付随する利点の多くをよりよく理解するようになったとき、これらを容易により完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】往復動圧縮機とスターリングエンジンの一体型構成の概略斜視図である。
【図２−３】図１の線ＩＩ−ＩＩおよびＩＩＩ−ＩＩＩによる概略断面図である。
【図４】本開示によるクランク軸および関連するピストン配置の例示的な実施形態の概略図である。
【図５】本開示によるクランク軸および関連するピストン配置の例示的な実施形態の概略図である。
【図６】本開示によるクランク軸および関連するピストン配置の例示的な実施形態の概略図である。
【図７】本開示によるクランク軸および関連するピストン配置の例示的な実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
例示的な実施形態を添付の図を参照して以下で詳細に説明する。異なる図面における同じ参照符号は、同じまたは同様の要素とみなす。加えて、図面は必ずしも原寸に比例して描かれたものではない。また、以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。その代わり、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定される。
【００２１】
本明細書を通して「１つの実施形態」または「実施形態」または「いくつかの実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が本開示の主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通して様々な箇所で「１つの実施形態では」または「実施形態では」または「いくつかの実施形態では」という語句が現れるが、これらは、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な様態で組み合わせることができる。
【００２２】
図１は、組込み型スターリングエンジンを有する往復動圧縮機を概略的に示す。機械１は、フレームまたはクランクケース３を含み、その中にクランク軸５が配置される。クランク軸５は、複数の往復動ピストンに駆動接続され、ピストンは各シリンダ内に摺動可能に収められている。シリンダ−ピストン装置のいくつかが機械１の往復動圧縮機部１Ａを形成し、少なくとも２つのシリンダ−ピストン装置がスターリングエンジン部１Ｂを形成する。いくつかの実施形態では、往復動圧縮機部１Ａは、２つの圧縮シリンダ−ピストン装置７Ａ、７Ｂを含むことができる。
【００２３】
往復動圧縮機部１Ａのシリンダ−ピストン装置は、並列または直列に接続することができる。図１から３に示す例示的な実施形態では、２つのシリンダ−ピストン装置は直列に接続され、第１のシリンダ−ピストン装置７Ａの吐出側の出口は、第２のシリンダ−ピストン装置７Ｂの入口に流体接続される。気体は２つのシリンダ−ピストン装置７Ａ、７Ｂで連続して処理され、したがって、第２のシリンダ−ピストン装置７Ｂのシリンダの容積は、第１のシリンダ−ピストン装置７Ａのシリンダより小さい。
【００２４】
他の実施形態では、１つのみのシリンダ−ピストン装置、または２つより多いシリンダ−ピストン装置を、機械１の往復動圧縮機部１Ａに設けることができる。
【００２５】
機械１のスターリングエンジン部１Ｂは、高温シリンダ−ピストン装置９および低温シリンダ−ピストン装置１１を備える。
【００２６】
図２および３は、機械１のピストン移動方向に平行な断面による概略断面を示す。図２、３に示す例示的な実施形態では、往復動圧縮機は複動式往復動圧縮機である。他の実施形態では、単動式往復動圧縮機を使用することができる。
【００２７】
図２は、往復動圧縮機部１Ａの第１のシリンダ−ピストン装置７Ａの断面図、およびスターリングエンジン部１Ｂの高温シリンダ−ピストン装置９の断面図を示す。図３は、第２のシリンダ−ピストン７Ｂおよび低温シリンダ−ピストン装置１１の断面図を示す。
【００２８】
図２を参照すると、１つの実施形態では、第１のシリンダ−ピストン装置７Ａはシリンダ１３Ａを備え、シリンダ１３Ａはピストン１７Ａを収める内部円筒空洞１５Ａを有する。ピストン１７Ａは、空洞１５Ａ内を両方向矢印ｆ１７Ａに従って往復運動する。
【００２９】
空洞１５Ａはヘッド端およびクランク端を有し、それぞれ閉止要素１９Ａおよび２１Ａによって閉止することができる。閉止要素を、円筒状の胴２３Ａに対して拘束することができる。閉止要素２１Ａには、ピストン棒２５Ａが貫通して延在することができる通路を設けることができる。パッキンカップ２７Ａはピストン棒２５Ａの周りをシールすることができる。ピストン１７Ａは、シリンダ２３Ａの内部空洞１５Ａを、第１のまたはヘッド端チャンバ２９Ａと第２のまたはクランク端チャンバ３１Ａとにそれぞれ分割する。
【００３０】
前記第１のチャンバ２９Ａおよび第２のチャンバ３１Ａのそれぞれは、各吸入弁および各吐出弁を通じて、図示されていない吸入ダクトおよび吐出ダクトに接続される。いくつかの実施形態では、吸入弁および吐出弁は、自動弁、例えば、いわゆるリング弁などとすることができる。第１および第２のチャンバ２９Ａおよび３１Ａ用の吸入弁装置はそれぞれ３３Ａおよび３５Ａで示されている。２つのチャンバ２９Ａおよび３１Ａのうちの１つのチャンバのそれぞれに対する吸入弁と吐出弁の数は、往復動圧縮機の寸法および設計に応じて異なることがある。
【００３１】
ピストン１７Ａおよびピストン棒２５Ａの往復運動は、各連接棒３７Ａを介してクランク軸５によって制御される。連接棒３７Ａは、３９Ａにおいてクロスヘッド４１Ａに蝶着することができ、クロスヘッド４１Ａには、滑動面４５Ａと滑動接触するクロスヘッド滑動シュー４３Ａを設けることができる。クランク軸５の回転運動は、両方向矢印ｆ４１Ａに従って、クロスヘッド４１Ａの往復直線運動に変換される。ピストン棒２５Ａの第１の端部はクロスヘッド４１Ａに接続され、第２の端部はピストン１７Ａに接続され、その結果、クロスヘッド４１Ａとピストン１７Ａとは互いに一体となって往復運動する。
【００３２】
連接棒、クロスヘッド、およびピストンを有するこの構成によって、往復動圧縮機が大型機械のときに機械的応力を低減することができる。
【００３３】
連接棒３７Ａの大端部は、クランク軸５のクランクピン５．１に支持される。クランク軸５の隣接するクランクピン５．２は、スターリングエンジン部１Ｂの高温シリンダ−ピストン装置９の連接棒５１の大端穴に係合することができる。高温シリンダ−ピストン装置９は、高温端シリンダ５３、および高温端シリンダ５３内に摺動可能に収められた高温端ピストン５５を備え、これらが膨張チャンバ５６を形成する。高温端ピストン５５は、滑動シュー６１を介して滑動面６３と滑動接触する高温端クロスヘッド５９に高温端ピストン棒５７を介して接続される。クロスヘッド５９は、６５において連接棒５１の小端部と枢動接続される。クランク軸５が回転すると、高温端ピストン５５は高温端シリンダ５３内で往復運動する。
【００３４】
次に図３を参照すると、１つの実施形態では、複動式往復動圧縮機の第２のシリンダ−ピストン装置７Ｂはシリンダ１３Ｂを備え、シリンダ１３Ｂはピストン１７Ｂを収める内部円筒空洞１５Ｂを有する。ピストン１７Ｂは、空洞１５Ｂ内を両方向矢印ｆ１７Ｂに従って往復運動する。
【００３５】
空洞１５Ｂはヘッド端およびクランク端を有し、それぞれ閉止要素１９Ｂおよび２１Ｂによって閉止することができる。閉止要素を、円筒状の胴２３Ｂに対して拘束することができる。閉止要素２１Ｂには、ピストン棒２５Ｂが貫通して延在することができる通路を設けることができる。パッキンカップ２７Ｂはピストン棒２５Ｂの周りをシールすることができる。ピストン１７Ｂは、シリンダ２３Ｂの内部空洞１５Ｂを、第１のまたはヘッド端チャンバ２９Ｂと第２のまたはクランク端チャンバ３１Ｂとにそれぞれ分割する。
【００３６】
前記第１のチャンバ２９Ｂおよび第２のチャンバ３１Ｂのそれぞれは、各吸入弁および各吐出弁を通じて、図示されていない吸入ダクトおよび吐出ダクトに接続される。いくつかの実施形態では、吸入弁および吐出弁は、自動弁、例えば、いわゆるリング弁などとすることができる。第１および第２のチャンバ２９Ｂおよび３１Ｂ用の吸入弁装置はそれぞれ３３Ｂおよび３５Ｂで示されている。２つのチャンバ２９Ｂおよび３１Ｂのうちの１つのチャンバのそれぞれに対する吸入弁と吐出弁の数は、往復動圧縮機の寸法および設計に応じて異なることがある。
【００３７】
ピストン１７Ｂおよびピストン棒２５Ｂの往復運動は、各連接棒３７Ｂを介してクランク軸５によって制御される。連接棒３７Ｂは、３９Ｂにおいてクロスヘッド４１Ｂに蝶着することができ、クロスヘッド４１Ｂには、滑動面４５Ｂと滑動接触するクロスヘッド滑動シュー４３Ｂを設けることができる。クランク軸５の回転運動は、両方向矢印ｆ４１Ｂに従って、クロスヘッド４１Ｂの往復直線運動に変換される。ピストン棒２５Ｂはクロスヘッド４１Ｂおよびピストン１７Ｂに接続されて、クロスヘッド４１Ｂからの運動をピストン１７Ｂに伝達することができる。
【００３８】
連接棒３７Ｂの大端部は、クランク軸５のクランクピン５．３に支持される。クランク軸５の隣接するクランクピン５．４は、スターリングエンジン部１Ｂの低温シリンダ−ピストン装置１１の連接棒７１の大端穴に係合することができる。低温シリンダ−ピストン装置１１は、低温端シリンダ７３、および低温端シリンダ７３内に摺動可能に収められた低温端ピストン７５を備える。低温圧縮チャンバ７４は、低温端ピストン７５と低温端シリンダ７３との間に形成される。低温端ピストン７５は、滑動シュー８１を介して滑動面８３と滑動接触する低温端クロスヘッド７９に低温端ピストン棒７７を介して接続される。低温端クロスヘッド７９は、８５において連接棒７１の小端部と枢動接続される。このようにして、クランク軸５が回転する間、低温端ピストン７５は低温端シリンダ７３内で往復運動する。
【００３９】
９１で概略的に示す高温源、すなわち熱エネルギの源は、高温シリンダ−ピストン装置９と組み合わされ、作動流体に高温の熱エネルギを供給し、作動流体は、熱力学的なスターリングサイクルを行う間、高温端シリンダ５３から低温端シリンダ７３に、かつ、その逆に周期的に移動する。
【００４０】
高温源９１はバーナを含むことができ、ここで、燃料が燃やされて熱を発生し、この熱は、例えば、９２で概略的に示す熱交換器を通じてスターリングエンジンの作動流体に伝達される。
【００４１】
いくつかの実施形態では、高温源は廃熱回収システムとすることができ、ここで、廃熱は作動流体に伝達される。例えば、ガスタービンからの排気燃焼ガスからの熱をスターリングエンジンの作動流体に伝達することができる。伝熱流体が循環する別個の伝熱ループ（図示せず）を用いて廃熱源からスターリングエンジンに熱を伝達することができる。透熱性オイル、水、または任意の他の適切な伝熱流体がループ内を循環して、一方の側でガスタービンからの排気燃焼ガスと熱交換し、かつ他方の側でスターリングエンジンの作動流体と熱交換することができる。
【００４２】
低温源またはヒートシンク９３は、低温シリンダ−ピストン装置１１と組み合わされる。低温の熱（すなわち、高温源９１によって供給される熱エネルギの温度よりも低い温度の熱エネルギ）が、低温源９３において作動流体から取り除かれる。通路またはダクト９４は、高温端シリンダ５３を低温端シリンダ７３に接続する。低温源またはヒートシンク９３は、熱交換器、例えば、空気熱交換器を含むことができ、ここでは、周囲の空気に低温の熱を吐出することによって、スターリングエンジンの作動流体が冷却される。水熱交換器もまたヒートシンクとして使用することができ、これによって、低温の水を循環させることによってスターリングエンジンの作動流体から低温の熱が取り除かれる。熱再生器９６もまたダクト９４に沿って配置することができる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、ヒートシンクは、周囲の温度より低い温度で熱が取り除かれる低温源を含むことができる。例えば、膨張プロセス、冷凍回路の冷却剤などからの低温流体を低温源として使用することができる。再ガス化プロセスによって低温源を得ることができるが、この再ガス化プロセスでは、低温源から熱が取り除かれ、その熱を使って液体天然ガス（ＬＮＧ：ｌｉｑｕｉｄ  ｎａｔｕｒａｌ  ｇａｓ）をガス化する。この場合、スターリングエンジンの低温源からの熱除去は、廃棄低温流体の流れと熱交換することによって得られる。
【００４４】
いくつかの実施形態では、低温源が周囲の温度より低い場合には、高温源を周囲の温度とすることができる。低温源の温度が周囲の温度より十分低い場合、高温源を周囲の空気自体とすることができる。
【００４５】
通常、高温源と低温源との間の温度降下が２００℃またはそれより大きければ、図１から３に示したような一体型往復動エンジン圧縮機に組み込まれたスターリングエンジンを作動させるには適している。
【００４６】
クランクピン５．１〜５．４の角度位置は、図４からよりよく理解できる。図４では、機械１のピストン、連接棒、ピストン棒、およびクロスヘッドを非常に概略的に示すとともに、クランク軸５は中心線のみが示されている。図４で概略的に示した構成部品は、図１から３で用いた参照符号と同じ符号が付けられている。
【００４７】
図２、３、および４に示すように、２つのクランクピン５．１、５．２は互いに対して１８０°角度的にずらされ、クランクピン５．３、５．４は互いに対して１８０°ずらされ、クランクピン５．２と５．３は９０°ずらされている。したがって、スターリングエンジン部１Ｂの２つのピストンは互いに対して９０°の位相となる。スターリングエンジンは、スターリングエンジン部１Ｂとして往復動機械に完全に一体化され、往復動圧縮機部１Ａとクランク軸、フレーム、軸受、および潤滑システム（もしあれば、潤滑油ポンプおよび冷却器）を共有する。
【００４８】
図４の概略図では、スターリングエンジンの高温側で供給される高温熱は矢印Ｈ１で表され、スターリングエンジンの低温側から取り除かれる低温熱はＨ２で表される。
【００４９】
スターリングエンジンの動作は当該技術から知られており、本明細書では詳細には説明しない。高温端シリンダ５３の高温端ピストン５５および低温端シリンダ７３の低温端ピストン７５の往復運動がいったん始められると、高温端で供給される熱出力によって継続し、その熱出力はクランク軸で利用できる機械的動力に部分的に変換され、一方、変換されない熱エネルギは低温シンクで排出される、ということを思い出せば十分である。エネルギ変換は、２つのシリンダ−ピストンシステム９、１１、熱再生器９６、冷却器９３、加熱器９２とともにこれらを互いに接続するダクト９４によって形成される閉鎖システムに含まれる作動流体が受ける周期的な熱力学的な変換によって実施される。
【００５０】
２つのシリンダ−ピストンシステム９、１１および関連する接続ダクト、高温源、および低温源によって形成されたスターリングエンジンによってこのようにして発生した機械的動力は、クランク軸５を駆動し、往復動機械１の往復動圧縮機部１Ａでガスを圧縮するために使用される。フライホイール（図示せず）はクランク軸５に設けられて、クランク軸が連続して回転運動し続けるのを助ける。
【００５１】
より多くの数の往復動圧縮機ピストンとスターリングエンジンピストンとを含むより大きな機械を同じコンセプトに基づいて設計することができる。図５は、図４と同じような概略的な方法で、４つの往復動圧縮機ピストン、ならびに２つの低温シリンダ−ピストン装置と２つの高温シリンダ−ピストン装置とを含む２つのスターリングエンジンを含む一体型往復動エンジン圧縮機のクランク軸、クランクピン、連接棒、クロスヘッド、およびピストンの配置を示す。より詳細には、図５の実施形態では、８つのクランクピン５．１、５．２、５．３、５．４、５．５、５．６、５．７、および５．８を有するクランク軸５が示されている。クランク軸５の回転軸は、Ａ−Ａで示されている。
【００５２】
図５では、往復動圧縮機部１Ａの４つのシリンダ−ピストンシステムの構成部品および要素は、図２および３で用いられた参照符号と同じ数字であるが、４つのシリンダ−ピストン装置に対してはその後ろにＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの文字が付けられている。この実施形態では、スターリングエンジン機械部１Ｂは、４つのシリンダ−ピストンユニット、すなわち、２つの高温シリンダ−ピストン装置および２つの低温シリンダ−ピストン装置を備える。２対の装置の構成部品は、図１、２、および３で示した高温および低温シリンダ−ピストン装置９および１１で用いられた参照符号と同じ番号で、その後ろにそれぞれＡおよびＢの文字が付けられている。いくつかの有利な実施形態では、２対の２つの高温ピストンの位置と２つの低温ピストンの位置とは１８０°ずらされている、すなわち、高温ピストン５５Ａと駆動可能に接続されたクランクピン５．２は、高温ピストン５５Ｂのクランクピン５．６に対して１８０°ずらされている。同様に、低温ピストン７５Ａは、クランクピン５．４と駆動可能に接続され、クランクピン５．４は、低温ピストン７５Ｂに駆動可能に接続されたクランクピン５．８に対して１８０°角度的にずらされている。各対の高温ピストンと低温ピストンは９０°ずらさなければならないので、クランクピン５．２と５．４は互いに９０°の位相となり、クランクピン５．６、５．８は９０°の位相となる。
【００５３】
図５のクランク軸５の構造は、外部駆動の８シリンダ往復動圧縮機と同じである。したがって、その結果得られる一体型エンジン圧縮機は、既存の８シリンダ往復動圧縮機と同じフレーム３とクランク軸５とを用いるが、往復動圧縮機部の構造および補助装置の一部、すなわち、フレーム３、クランク軸５、軸受、潤滑回路などを共有する組込み型スターリングエンジンを組み入れる。
【００５４】
図５の概略図では、スターリングエンジンの高温側で供給される高温熱は矢印Ｈ１およびＨ３で表され、スターリングエンジンの低温側から取り除かれる低温熱はＨ２およびＨ４で表されている。
【００５５】
４シリンダまたは８シリンダ機械では、クランク軸を再設計することなしに、対応する４つおよびそれぞれ８つの圧縮シリンダ−ピストン装置を有する往復動圧縮機に対して設計されたクランク軸を使用することができる。
【００５６】
他の実施形態では、スターリングエンジン部および往復動圧縮機部と一体化した往復動機械は、異なる数のシリンダで設計することができる。例えば、スターリングエンジン部の２つのスターリングエンジンシリンダ−ピストン装置と４つの圧縮機シリンダ−ピストン装置とを有する６シリンダ機械を設計することができる。しかしながら、この場合には、スターリングエンジンピストンの位相を正しく合わせるために、専用のクランク軸を設計しなければならない。
【００５７】
図１〜５の実施形態は、それぞれが単一のシリンダ−ピストン装置、例えば、複動式シリンダ−ピストン装置を駆動するクランクピンを含む。
【００５８】
互いに１８０°の位相の２つの対向するシリンダ−ピストン装置を１つの同じクランクピンが駆動する公知の往復動圧縮機が存在する。単一のクランクピンが対向ピストンを駆動する実施形態は、典型的にはハイパー圧縮機で使用される。
【００５９】
図６および７は、組込み型スターリングエンジンと多数の往復動圧縮機シリンダ−ピストン装置を使用する一体型往復動エンジン圧縮機を駆動するためのクランク軸の例示的な構造を概略的に示す。
【００６０】
図６を参照すると、クランク軸５はフレーム（図示せず）内に支持され、５．１〜５．５の符号を付けた５つのクランクピンを備える。クランクピン５．１〜５．４は、１０１の符号を重複して付けた４対の圧縮機ピストンに駆動接続される。図６の例示的な実施形態では、各クランクピン５．１〜５．４は、１８０°ずらした２つの対向ピストン１０１を駆動する。各ピストンは、単動式シリンダ−ピストンシステムの一部とすることができる。各ピストン１０１は、各ピストン棒１０３、クロスヘッド１０５、および連接棒１０７によって、各クランクピン５．１〜５．４に駆動接続することができる。
【００６１】
往復動圧縮機、および、特に往復動ハイパー圧縮機の同業者には知られているように、他の実施形態では、各クランクピンは、中央クロスヘッドを往復動させる単一の連接棒によって、単動式の１対の対向ピストンに駆動接続することができる。ピストン棒は中央クロスヘッドの両側で接続されて、それによって往復運動をする。追加の補助クロスヘッドをピストン棒に沿って配置することができる。
【００６２】
いくつかのハイパー圧縮機では、ピストン棒はシリンダ内に摺動可能に収められ、その端部は実際のピストンを形成する。
【００６３】
シリンダ−ピストン装置を、一体型往復動圧縮機の往復動圧縮機部１Ａにまとめることができる。
【００６４】
同じクランク軸および同じフレームを共有するスターリングエンジン部によってクランク軸５は駆動されて回転する。スターリングエンジン部は、当技術で知られているように、高温シリンダ−ピストン装置および低温シリンダ−ピストン装置を実質的に備えることができる。図６では、スターリングエンジン部１Ｂは、高温シリンダおよび低温シリンダ（図示せず）内にそれぞれ摺動可能に収められた高温ピストン１０９および低温ピストン１１１によって概略的に表されている。高温シリンダ−ピストン装置と低温シリンダ−ピストン装置は互いに約９０°で配置される。図６の例示的な実施形態では、スターリングエンジンの２つのシリンダ−ピストン装置は同じクランクピン５．５によって駆動される。簡潔にするため、クランクピン５．５とピストン１０９、１１１との間の接続部は、各連接棒１１２だけを含むように表されている。他の実施形態では、その代わりに、図１から５を参照して開示したのと全く同じように、連接棒、クロスヘッド、およびピストン棒を含む駆動接続部を使用することができる。
【００６５】
いくつかの実施形態では、スターリングエンジンの２つのシリンダ−ピストン装置を互いに並行に位置決めし、互いに対して９０°角度的にずらされた２つの異なるクランクピンによって駆動することができる。
【００６６】
矢印Ｈ１およびＨ２は、スターリングエンジンの高温端に供給される高温熱エネルギ、およびスターリングエンジンの低温端で取り除かれる低温熱エネルギを概略的に表す。
【００６７】
図７は同様な実施形態を示し、ここでは、一体型往復動機械のスターリングエンジン部１Ｂは、２つの高温シリンダ−ピストン装置と２つの低温シリンダ−ピストン装置とを有する複式のスターリングエンジンを含む。図６と同じまたは同等の構成部品を示すために同じ参照符号が用いられる。高温端ピストンは１０９Ａおよび１０９Ｂの符号が付けられ、低温端ピストンは１１１Ａ、１１１Ｂの符号が付けられている。矢印Ｈ１およびＨ２は、スターリングエンジンの高温源で供給される熱、および低温源で取り除かれる熱をそれぞれ表す。２対のスターリングエンジンのシリンダ−ピストン装置は１８０°角度的にずらされ、２つのクランクピン５．５および５．６によって駆動される。
【００６８】
いくつかの実施形態では、クランク軸５は、例えば１５０と１５００ｒｐｍとの間を含む速度で回転することができ、ハイパー圧縮機に対しては特に低速度が適している。
【００６９】
上記の実施形態では、クランク軸５の回転を始動する始動モータを設けることができる。例えば、フレーム３の外側、または内側に、クランク軸の自由端の一方または他方のいずれかに電気始動モータを設けることができる。
【００７０】
本明細書で説明された主題の開示された実施形態は、図面に示され、かつ、いくつかの例示的な実施形態に関連して、具体的にかつ詳細に上記で完全に説明されてきたが、本明細書で述べられている新規の教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に列挙される主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変更、および省略が可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、開示された新規性の適正な範囲は、すべてのそのような修正、変更、および省略を包含するように、添付の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ決定されるべきである。様々な実施形態の異なる特徴、構造、および手段は、様々に組み合わせることができる。
【符号の説明】
【００７１】
１  機械
１Ａ  往復動圧縮機部
１Ｂ  スターリングエンジン部
３  フレーム
５  クランク軸
５．１  クランクピン
５．２  クランクピン
５．３  クランクピン
５．４  クランクピン
５．５  クランクピン
５．６  クランクピン
５．７  クランクピン
５．８  クランクピン
７Ａ  圧縮シリンダ−ピストン装置
７Ｂ  圧縮シリンダ−ピストン装置
９  高温シリンダ−ピストン装置
１１  低温シリンダ−ピストン装置
１３Ａ  シリンダ
１３Ｂ  シリンダ
１５Ａ  空洞
１５Ｂ  空洞
１７Ａ  ピストン
１７Ｂ  ピストン
１７Ｃ  ピストン
１７Ｄ  ピストン
１９Ａ  閉止要素
１９Ｂ  閉止要素
２１Ａ  閉止要素
２１Ｂ  閉止要素
２３Ａ  胴
２３Ｂ  胴
２５Ａ  ピストン棒
２５Ｂ  ピストン棒
２５Ｃ  ピストン棒
２５Ｄ  ピストン棒
２７Ａ  パッキンカップ
２７Ｂ  パッキンカップ
２９Ａ  チャンバ
２９Ｂ  チャンバ
３１Ａ  チャンバ
３１Ｂ  チャンバ
３３Ａ  吸入弁装置
３３Ｂ  吸入弁装置
３５Ａ  吸入弁装置
３５Ｂ  吸入弁装置
３７Ａ  連接棒
３７Ｂ  連接棒
３７Ｃ  連接棒
３７Ｄ  連接棒
３９Ａ  蝶着部
３９Ｂ  蝶着部
４１Ａ  クロスヘッド
４１Ｂ  クロスヘッド
４１Ｃ  クロスヘッド
４１Ｄ  クロスヘッド
４３Ａ  滑動シュー
４３Ｂ  滑動シュー
４５Ａ  滑動面
４５Ｂ  滑動面
５１  連接棒
５１Ａ  連接棒
５１Ｂ  連接棒
５３  高温端シリンダ
５５  高温端ピストン
５５Ａ  高温ピストン
５５Ｂ  高温ピストン
５６  膨張チャンバ
５７  高温端ピストン棒
５７Ａ  高温端ピストン棒
５７Ｂ  高温端ピストン棒
５９  高温端クロスヘッド
５９Ａ  高温端クロスヘッド
５９Ｂ  高温端クロスヘッド
６１  滑動シュー
６３  滑動面
６５  枢動接続部
７１  連接棒
７１Ａ  連接棒
７１Ｂ  連接棒
７３  低温端シリンダ
７４  圧縮チャンバ
７５  低温端ピストン
７５Ａ  低温ピストン
７５Ｂ  低温ピストン
７７  低温端ピストン棒
７７Ａ  低温端ピストン棒
７７Ｂ  低温端ピストン棒
７９  低温端クロスヘッド
７９Ａ  低温端クロスヘッド
８１  滑動シュー
８３  滑動面
８５  枢動接続部
９１  高温源
９２  熱交換器、加熱器
９３  低温源、ヒートシンク、冷却器
９４  ダクト
９６  熱再生器
１０１  ピストン
１０３  ピストン棒
１０５  クロスヘッド
１０７  連接棒
１０９  高温ピストン
１０９Ａ  高温端ピストン
１０９Ｂ  高温端ピストン
１１１  低温ピストン
１１１Ａ  低温端ピストン
１１１Ｂ  低温端ピストン
１１２  連接棒
ｆ１７Ａ  両方向矢印
ｆ１７Ｂ  両方向矢印
ｆ４１Ａ  両方向矢印
ｆ４１Ｂ  両方向矢印
Ｈ１  高温熱
Ｈ２  低温熱
Ｈ３  高温熱
Ｈ４  低温熱
【図１】
2017508911.tif 000003
【図２−３】
2017508911.tif 000004
【図４】
2017508911.tif 000005
【図５】
2017508911.tif 000006
【図６】
2017508911.tif 000007
【図７】
2017508911.tif 000008
【国際調査報告】
2017508911.tif 000009
2017508911.tif 000010
2017508911.tif 000011