(57)【要約】  本発明は、極低温流動媒体、特に水素の形態の極低温流動媒体を圧縮するピストン式圧縮機（１）に関している。本発明によれば、第１のピストン（３１）と、前記第１のピストン（３１）に面する前記第１のシリンダ（３０）の内側（３００ａ）との間の周囲方向の第１の間隙（Ｓ）が、前記第１のピストン（３１）に設けられた少なくとも１つのシール（３２）によって次のように密封される、すなわち漏れ媒体（Ｍ’）が、前記第１のシリンダ内部チャンバ（３００）から前記第１の間隙（Ｓ）を通って前記ハウジング（１１）の前記内部チャンバ（１００）に到達し、前記可動子（２０）並びに特に固定子の周りを流れるように密封されており、この場合、前記媒体（Ｍ’）からの保護のために、特に前記媒体（Ｍ’）が水素の形態である場合の水素化からの保護のために、永久磁石（Ｐ）にコーティング（Ｂ）が施されている。さらに本発明は、極低温流動媒体（Ｍ）、特に水素を圧縮する方法に関している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温流動媒体、特に水素の形態の極低温流動媒体を圧縮するピストン式圧縮機であって、前記ピストン式圧縮機は、
リニアモータ（１０）と、
前記リニアモータ（１０）のハウジング（１１）と、
前記ハウジング（１１）に接続された第１のシリンダ（３０）と、
前記第１のシリンダ（３０）の第１のシリンダヘッド（４０）と、
第１のピストン（３１）とを備え、
前記リニアモータ（１０）は、固定子、並びに永久磁石（Ｐ）を含んだ可動子（２０）を有しており、前記固定子は、前記可動子（２０）の駆動のために磁場を形成するように構成されており、それによって前記可動子（２０）は、該可動子（２０）に沿って延在している長手軸線（Ｌ）に沿って、前記固定子に対して相対的に往復動しており、
前記ハウジング（１１）は、前記可動子（２０）と前記固定子とが配置される内部チャンバ（１００）を画定しており、
前記第１のシリンダ（３０）は、前記内部チャンバ（１００）から始まる第１のシリンダ内部チャンバ（３００）を画定しており、
前記第１のシリンダヘッド（４０）は、吸入口（４１）と排出口（４２）とを有し、前記吸入口（４１）を介して前記媒体（Ｍ）を、前記第１のシリンダ内部チャンバ（３００）内に導入可能であり、前記排出口（４２）を介して、圧縮された前記媒体（Ｍ）が前記第１のシリンダ内部チャンバ（３００）から排出可能であり、
前記第１のピストン（３１）は、前記第１のシリンダ内部チャンバ（３００）内へ突出し、前記長手軸線（Ｌ）に沿って延在し、前記可動子（２０）と接合されており、それによって前記第１のピストン（３１）は、前記可動子（２０）に連動して前記長手軸線（Ｌ）に沿って往復動しており、その際前記第１のピストン（３１）は、当該第１のピストン（３１）が前記第１のシリンダヘッド（４０）の方向に移動した場合に前記第１のシリンダ内部チャンバ（３００）内に存在する前記媒体（Ｍ）を圧縮するように構成されている、ピストン式圧縮機において、
前記第１のピストン（３１）と、前記第１のピストン（３１）に面する前記第１のシリンダ（３０）の内面（３００ａ）との間の周囲方向の第１の間隙（Ｓ）が、前記第１のピストン（３１）に設けられた少なくとも１つのシール（３２）によって次のように封止されており、すなわち前記第１のシリンダ内部チャンバ（３００）からの前記媒体（Ｍ’）が、前記第１の間隙（Ｓ）を通って前記ハウジング（１１）の前記内部チャンバ（１００）に到達し、前記可動子（２０）の周りを流れる程度に封止されており、さらに、
前記媒体（Ｍ’）からの保護のために、特に前記媒体（Ｍ’）が水素の形態である場合の水素化からの保護のために、永久磁石（Ｐ）にコーティング（Ｂ）が施されていることを特徴とするピストン式圧縮機。
【請求項２】
前記永久磁石（Ｐ）は、ネオジム、鉄およびボロンを含有する合金を有しており、特にＮｄ２Ｆｅ１４Ｂの組成を有している、請求項１記載のピストン式圧縮機。
【請求項３】
前記コーティング（Ｂ）は、以下のコーティング、すなわち、
ニッケル−銅−ニッケルコーティングであって、該コーティングは、少なくとも１つのニッケル層と、積層された銅層、積層されたニッケル層を有し、特に当該コーティング全体の層厚さが３μｍ〜５００μｍの範囲にあるコーティング、
酸化アルミニウム、タングステン、モリブデン、金、白金、クロム、カドミウム、錫、アルミニウム、タングステンおよびモリブデンからなるケイ酸塩、またはニッケル−アルミニウム化合物を含有するコーティング、
または、
永久磁石材料の少なくとも１つの酸化物を含有するコーティングであって、好ましくは永久磁石に酸素を接触させることで形成されるコーティングである、
請求項１または２記載のピストン式圧縮機。
【請求項４】
前記内部チャンバ（１００）は、第１の漏れ戻し管路（５１）を介して、前記第１のシリンダヘッド（４０）における吸入口（４１）への供給路（６１）と流体連通しており、それにより前記内部チャンバ（１００）は、前記供給路（６１）内の圧力に相当する圧力で加圧され、この場合特に前記第１の漏れ戻し管路（５１）は、前記内部チャンバ（１００）の第１の端部（１００ａ）から分岐しており、特に前記第１のシリンダ内部チャンバ（３００）は、前記内部チャンバ（１００）の前記第１の端部（１００ａ）から始まっている、請求項１から３いずれか１項記載のピストン式圧縮機。
【請求項５】
前記ピストン式圧縮機（１）はさらに、
前記ハウジング（１１）に接続された第２のシリンダ（７０）と、
前記第２のシリンダ（７０）の第２のシリンダヘッド（８０）と、
第２のピストン（７１）とを備え、
前記第２のシリンダ（７０）は、前記内部チャンバ（１００）から始まる第２のシリンダ内部チャンバ（７００）を画定しており、
前記第２のシリンダヘッド（８０）は、吸入口（８１）と排出口（８２）とを有し、前記吸入口（８１）を介して前記媒体（Ｍ）が、前記第２のシリンダ内部チャンバ（７００）内に導入可能であり、前記排出口（８２）を介して、圧縮された前記媒体（Ｍ）が前記第２のシリンダ内部チャンバ（７００）から排出可能であり、
前記第２のピストン（７１）は、前記第２のシリンダ内部チャンバ（７００）内へ突出し、前記長手軸線（Ｌ）に沿って延在し、前記可動子（２０）と結合されており、それによって前記第２のピストン（７１）は、前記可動子（２０）に連動して前記長手軸線（Ｌ）に沿って往復動しており、その際前記第２のピストン（７１）は、当該第２のピストン（７１）が前記第２のシリンダヘッド（８０）の方向に移動した場合に前記第２のシリンダ内部チャンバ（７００）内に存在する前記媒体（Ｍ）を圧縮するように構成されており、さらに特に前記第２のピストン（７１）と、前記第２のピストン（７１）に面する前記第２のシリンダ（７０）の内面（７００ａ）との間の周囲方向の第２の間隙（Ｓ’）が、前記第２のピストン（７１）に設けられた少なくとも１つのシール（７２）によって次のように封止されており、すなわち前記第２のシリンダ内部チャンバ（７００）からの前記媒体（Ｍ’）が、前記第２の間隙（Ｓ’）を通って前記ハウジング（１１）の前記内部チャンバ（１００）に到達し、前記可動子（２０）の周りを流れる程度に封止されている、請求項１から４いずれか１項記載のピストン式圧縮機。
【請求項６】
前記内部チャンバ（１００）は、第２の漏れ戻し管路（５２）を介して、前記第１のシリンダヘッド（４０）における吸入口（４１）への供給路（６１）と流体連通しており、特に前記第２の漏れ戻し管路（５２）は、前記内部チャンバ（１００）の第２の端部（１００ｂ）から分岐しており、特に前記第２のシリンダ内部チャンバ（７００）は、前記内部チャンバ（１００）の前記第２の端部（１００ｂ）から始まっている、請求項４または５記載のピストン式圧縮機。
【請求項７】
前記第１および／または前記第２のピストン（３１，７１）の位置を検出する位置検出手段（９０）が設けられており、特に前記位置検出手段（９０）は、前記第１または前記第２のピストン（３１，７１）に接続された距離センサ（９１）を有しており、前記距離センサ（９１）は、第１の磁場を形成し、かつ前記可動子（２０）の前記往復動の際に、前記内部チャンバ（１００）内で前記長手軸線（Ｌ）に沿って移動する測定素子（９２）に沿って移動するように構成されており、前記測定素子（９２）は、弾性変形可能な磁性体を有しており、前記位置検出手段（９０）は、前記第２の測定素子（９２）への電流信号の印加によって当該第２の測定素子（９２）周りで第２の磁場が形成されるように構成されており、これによって、前記２つの磁場の相互作用に基づいて前記弾性変形可能な磁性体内でねじれ波が形成され、この場合前記位置検出手段（９０）は、前記ねじれ波を検出し、かつ前記電流信号の印加と前記ねじれ波の検出との間の時間差に基づいて前記位置を検出するように構成されている、請求項１から６いずれか１項記載のピストン式圧縮機。
【請求項８】
請求項１から７いずれか１項記載のピストン式圧縮機（１）を用いて、極低温流動媒体、特に水素の形態の極低温流動媒体を圧縮する方法であって、
前記媒体（Ｍ）を、少なくとも第１のシリンダ内部チャンバ（３００）内で第１のピストン（３１）を用いて圧縮し、その際前記媒体（Ｍ’）の一部は、第１の間隙（Ｓ）を通ってハウジング（１１）の内部チャンバ（１００）内に到達し、可動子（２０）の周りを流れ、特に永久磁石（Ｐ）が当該永久磁石（Ｐ）のコーティング（Ｂ）によって、前記媒体（Ｍ’）から保護されること、特に前記媒体（Ｍ’）が水素の形態である場合の水素化から保護されることを特徴とする方法。
【請求項９】
前記第１のシリンダ内部チャンバ（３００）内で圧縮された前記媒体（Ｍ）が当該第１のシリンダ内部チャンバ（３００）から排出され、第２のシリンダ内部チャンバ（７００）内で第２のピストン（７１）を用いて再度圧縮され、この場合特に前記第２のシリンダ内部チャンバ（７００）からの前記媒体（Ｍ’）の一部が第２の間隙（Ｓ’）を介してハウジング（１１）の内部チャンバ（１００）内に到達し、可動子（２０）の周りを流れる、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記内部チャンバ（１００）に到達した前記媒体（Ｍ’）は、第１の漏れ戻し管路（５１）および／または第２の漏れ戻し管路（５２）を介して第１のシリンダヘッド（４０）の吸入口（４１）まで戻される、請求項８または９記載の方法。
【請求項１１】
前記可動子（２０）の位置、前記第１および／第２のピストン（３１，７１）の位置が検出され、特に前記第１および／または第２のシリンダ内部チャンバ（３００，７００）内でのデッドスペースが縮小するように、前記第１および／または前記第２のピストン（３１，７１）のストロークが制御される、請求項８から１０いずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
前記媒体（Ｍ）は液状の形態で前記ピストン式圧縮機（１）に供給され、前記第１のシリンダ内部チャンバ（３００）内へ導入される前にガス状の状態に移行され、その際特に媒体の気化のために周辺熱および／またはリニアモータ（１０）の廃熱が利用される、請求項８から１１いずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に係るピストン式圧縮機並びに請求項第８に係る、流動媒体、特にガス状の特に極低温媒体、特に水素の形態の極低温媒体を圧縮するための方法に関する。
【０００２】
本発明では、極低温の流動媒体とは、特に０Ｋ〜１３０Ｋの範囲の温度を有する流動媒体と理解されたい。またここでの流動媒体とは、ガス状の若しくは液状の媒体あるいは気相および液相からなる相混合媒体である。いずれにせよ本発明に係るピストン式圧縮機は、特に３２０Ｋまでの比較的高い入口側温度、すなわち０Ｋ〜３２０Ｋの範囲の入口側温度で動作する。
【０００３】
規定の条件下でのガスは、他のエネルギー担体に比べてことのほか低密度である。このガスを効果的に貯蔵するためには、使用できる貯蔵空間内でガスの質量を高める必要がある。
【０００４】
ガスの効果的な貯蔵は、大抵はガス圧を高めることによって実現される。ガス状媒体を圧縮するための現在最も使用頻度の高い方法および装置としては、イオン圧縮機、スクリュー圧縮機またはダイアフラム圧縮機などの往復動型のピストン式圧縮機のような圧縮機システムが使用されている。さらに液状の極低温媒体の圧縮および吐出のための方法が公知であり、この方法は主にピストン式圧縮機システムによって実現されている。
【０００５】
本発明の上位概念に係る方法並びに装置は、例えばガソリンスタンドにて実現されるような天然ガスステーションや水素圧縮機ステーションにおいて使用され得る。
【０００６】
従来技術として独国特許第１０２００６０６０１４７号明細書からは、例えば、リニアモータによって駆動される流体機械が公知であり、この機械では、例えばリニアモータ内の固定子と可動子とが隙間管と静的シールとによって分離されている。
【０００７】
前述の圧縮機は、通常は、その設置場所の周辺温度の範囲のガス入口温度で動作する。そのため液状のガスが供給される圧縮機システムの場合、その液体をガス状の状態に移行させる必要がある。圧縮機内でのガス入口温度の適合化は、蒸発装置を介して行われる。この蒸発装置内で媒体の温度上昇のために必要なエネルギーは、例えば周辺環境からの若しくは電気的な加熱装置毎の熱の取り出しによって行われる。
【０００８】
それに対して吐出能力の高いクライオポンプは、液状で供給されなければならない。この供給のために必要な液体タンクは、限られた断熱手段と、長い滞留時間のもとで無駄なボイルオフガスの結果として生じる液体水素の損失とに基づいて極端に非経済的である。
【０００９】
圧縮機内で発生する温度差に基づいて、例えばピストン式圧縮機に対しては、長さ許容誤差を設けることが構造的に必要とされるが、これにはデッドスペースの増加が伴う。そして比較的大きなデッドスペースに起因して高まるガスの再膨張は、吐出能力の低下を意味する。
【００１０】
デッドスペースなしの圧縮機（例えばイオン圧縮機）では、イオン液の結晶化温度が低温での使用に制限する。さらにイオン圧縮機は、液柱維持のために水平な組み付け位置を要求する。
【００１１】
さらに従来技術から公知のピストン式圧縮機は、多くの場合耐圧密閉性の構造化が困難である。そのため圧縮すべき媒体の周辺環境へのある程度の漏れを考慮しなければならない。もちろん静的シールは、限定的な漏れのないシール性しか許容できない。独国特許第１０２００６０６０１４７号明細書に開示されているシステムによる水素の吐出と圧縮の場合には、当業者はさらに漏洩ガスによる永久磁石水素化の問題に直面する。
【００１２】
これに基づき、本発明の課題は、改善されたピストン式圧縮機、並びに流体（例えばガス状）、特に極低温媒体、特に水素を圧縮する相応の方法を提供することにある。
【００１３】
前記課題は、請求項１の特徴部分に記載されたピストン式圧縮機によって解決される。本発明に係るピストン式圧縮機の有利な実施形態は、対応する従属請求項に記載されており、さらに以下の明細書でも説明される。
【００１４】
請求項１に記載の本発明に係る、極低温流動媒体、特に水素の形態の極低温流動媒体を圧縮するピストン式圧縮機は、前記ピストン式圧縮機は、リニアモータを備え、該リニアモータは、固定子、並びに永久磁石を含んだ可動子を有しており、前記固定子は、前記可動子の駆動のために磁場を形成するように構成されており、それによって前記可動子は、自身がそれに沿って延在している長手軸線に沿って、前記固定子に対して相対的に往復動する。さらに前記ピストン式圧縮機は、前記リニアモータのハウジング、並びに該ハウジングに接続された当該ピストン式圧縮機の第１のシリンダ、並びに該第１のシリンダの第１のシリンダヘッドを備え、前記ハウジングは、前記可動子と前記固定子とが配置される内部チャンバを画定し、前記第１のシリンダは、前記内部チャンバから始まる第１のシリンダ内部チャンバを画定しており、前記第１のシリンダヘッドは、吸入口と排出口とを有し、前記吸入口を介して前記媒体が、前記第１のシリンダ内部チャンバ内に導入可能であり、前記排出口を介して、圧縮された前記媒体が前記第１のシリンダ内部チャンバから排出可能である。さらに前記ピストン式圧縮機は、前記第１のシリンダ内部チャンバ内に突出し前記長手軸線に沿って延在する第１のピストンを有し、該第１のピストンは、前記可動子と接合されており、それによって前記第１のピストンは、前記可動子に連動して前記長手軸線に沿って往復動しており、その際前記第１のピストンは、当該第１のピストンが前記第１のシリンダヘッドの方向に移動した場合に前記第１のシリンダ内部チャンバ内に存在する前記媒体を圧縮するように構成されている。本発明によれば、ここで、前記第１のピストンと、前記第１のピストンに面する前記第１のシリンダの内側との間の周囲方向の第１の間隙が、前記第１のピストンに設けられた少なくとも１つのシールによって次のように密封されており、すなわち前記第１のシリンダ内部チャンバからの前記媒体が、前記第１の間隙を通って前記ハウジングの前記内部チャンバに到達し、前記可動子の周りを流れるように密封されており、さらに、前記媒体からの保護のために、特に前記媒体が水素の形態である場合の水素化からの保護のために、永久磁石にコーティングが施すことを提案している。
【００１５】
すなわち第１のピストンに設けられた少なくとも１つのシールは、第１のシリンダ内部チャンバを密封すべきであるが、しかしながら通常は、シール部分におけるある程度の漏れは避けて通ることができない。同じことは第２のピストンにも当て嵌まる（下記参照）。
【００１６】
好ましくは、本発明に係るピストン式圧縮機若しくは以下で説明する方法は、流動媒体を圧縮するように構成若しくは設計されている。つまりこの媒体は、純粋にガス状であってもよいし、あるいはガス状と液状の相の混合物として存在していてもよい。さらにこの媒体は、液体として存在していてもよい。
【００１７】
本発明に係るピストン式圧縮機の好ましい実施形態によれば、前述の永久磁石が、ネオジム−鉄−ボロン合金を含み若しくはこの材料から製造されている。
【００１８】
一般的に、本発明による永久磁石用の材料としては、フェライトや亜鉛および／またはニッケル並びにマンガンとの化合物、ストロンチウムフェライト、コバルトフェライト、バリウムフェライト、さらにサマリウム−コバルトおよびアルミニウム−ニッケル−コバルトからの合金が適している。
【００１９】
本発明に係るピストン式圧縮機のさらに好ましい実施形態によれば、永久磁石のコーティングが、ニッケル−銅−ニッケルコーティングによって与えられることが提案される。すなわち永久磁石は、ニッケル層に、銅層が積層され、さらに（特に最も外側に）ニッケル層が積層されたコーティングで被覆されている。本発明によるＮｉＣｕＮｉコーティングは、例えばガルバニック方式で製造することができる。
【００２０】
さらに、永久磁石の保護のための永久磁石のコーティングは、以下の物質若しくは化合物の１つを有していてもよい。すなわち、酸化アルミニウム、タングステン、モリブデン、金、白金、クロム、カドミウム、スズ、アルミニウム、タングステンおよびモリブデンからのケイ酸塩、またはニッケル−アルミニウム化合物のいずれかである。
【００２１】
さらに前記コーティングは、永久磁石の基材の酸化物層であってもよい。この酸化物層は特に水素化／脆化の前に生成される。そのような酸化物層は、例えば保護されていない永久磁石の洗浄や大気酸素中の滞留によって、あるいは好ましくは（特に高純度の）酸素中の永久磁石の加圧によって生成され得る。
【００２２】
コーティングの延長面に対する法線方向若しくは個々の層に対する法線方向での各コーティングの全体の層厚さは、好ましくは３μｍ〜５００μｍの間の範囲である。
【００２３】
さらに好ましくは、内部チャンバは、第１の漏れ戻し管路を介して、前記第１のシリンダヘッドにおける吸入口への供給路と流体連通しており、それにより前記内部チャンバは、前記供給路内の圧力に相当する圧力で負荷され、この場合特に前記第１の漏れ戻し管路は、前記内部チャンバの第１の端部から分岐しており、特に前記第１のシリンダ内部チャンバは、前記内部チャンバの前記第１の端部から始まっている。
【００２４】
本発明のさらに別の好ましい実施形態によれば、ピストン圧縮機は、ハウジングに接続された第２のシリンダを含むことが提案される。そのような第２のシリンダを用いることにより、圧縮すべき媒体の二段階の圧縮が行われ得る。好ましくは、第２のシリンダは、リニアモータのハウジングの前記内部チャンバから始まる第２のシリンダ内部チャンバと、第２のシリンダの第２のシリンダヘッドとを有しており、この場合前記第２のシリンダヘッドは、吸入口を有しており、この吸入口を介して前記媒体が、前記第２のシリンダ内部チャンバ内に導入可能である。さらに前記第２のシリンダヘッドは、排出口を有しており、この排出口を介して、第２のシリンダ内部チャンバ内で圧縮された媒体が当該第２のシリンダ内部チャンバから排出可能である。さらに好ましくは第２のピストンが設けられており、この第２のピストンは、前記第２のシリンダ内部チャンバ内へ突出し、前記長手軸線に沿って延在している。この第２のピストンも好ましくは前記可動子と接合されており、それによって前記第２のピストンは、前記可動子に連動して前記長手軸線に沿って往復動しており、その際前記第２のピストンは、当該第２のピストンが前記第２のシリンダヘッドへの方向に移動した場合に前記第２のシリンダ内部チャンバ内に存在する前記媒体を圧縮するように構成されている。
【００２５】
前記第２のピストンと、該第２のピストンに面する前記第２のシリンダの内側との間には、さらに好ましくは周囲方向の第２の間隙が設けられており、この第２の間隙は、前記第２のピストンに設けられた少なくとも１つのシールによって次のように密封されている、すなわち前記第２のシリンダ内部チャンバからの媒体の一部のみが（これは本発明では漏れ媒体とも称される）、前記第２の間隙を通って前記ハウジングの前記内部チャンバに到達し、前記可動子並びに特に固定子の周りも流れるように密封されている（上記参照）。
【００２６】
さらに好ましくは、前記内部チャンバは、第２の漏れ戻し管路を介して、前記第１のシリンダヘッドにおける吸入口への供給路と流体連通しており、特に前記第２の漏れ戻し管路は、前記内部チャンバの第２の端部から分岐しており、特に前記第２のシリンダ内部チャンバは、前記内部チャンバの前記第２の端部から始まっている。つまり前記２つのシリンダは、リニアモータの両側に設けられており、そのため位法のシリンダ内部チャンバ内には媒体が吸入され、それに対して他方のシリンダ内部チャンバからは媒体が排出されている。
【００２７】
従って、ピストンの動きに影響を与えることができ、かつ特に第１及び第２のピストンのストロークを制御することができるようにするために、好ましくは、第１および／または第２のピストンの位置を検出する位置検出手段が設けられる。ここではセンサレスの方法が適用されてもよい。これらの方法では、例えばリニアモータの中心軸線にする縦方向と横方向における構造的条件に起因する位置特有のインダクタンス特性が用いられる。さらに欧州特許第１７４６７１８号明細書または国際公開第１９９２０１９０３８号明細書による方法が適用されてもよい。
【００２８】
本発明の一実施形態によれば、前記位置検出手段は、前記第１または前記第２のピストンに接続された距離センサを有しており、この距離センサは、第１の磁場を形成し（この距離センサは例えば磁石によって形成されていてもよい）、並びに測定素子（これは例えば耐圧性のロッドを有する）が弾性変形可能な磁性体の中に配置若しくは取り付けられている。前記距離センサはここでは前記測定素子の中で長手方向磁場が形成されるように構成されている。さらに前記位置検出手段は、電流信号が測定素子によって印加できるように構成されており、それによって第２の磁場が当該測定素子周りで径方向に形成される。前記２つの磁場が重なった場合に、前記磁性体の変形が起こり、これによってねじれ波が測定素子により形成される。これが前記位置検出手段によって検出される。前記電流パルスと前記ねじれ波の到達との間の時間差を介して前記距離センサの位置と共に前記ピストンの位置が推論される。
【００２９】
さらに、本発明の前記課題は、特に本発明に係るピストン式圧縮機を用いて特に極低温流動媒体、特に水素の形態の極低温流動媒体を圧縮する本発明に係る方法によって解決される。この場合本発明によれば、媒体が、少なくとも第１のシリンダ内部チャンバ内で第１のピストンを用いて圧縮され、その際前記媒体の一部（これは漏れ媒体とも称する）は、第１の間隙を通ってハウジングの内部チャンバ内に到達し、可動子並びに特に固定子の周りを流れ、特に永久磁石が当該永久磁石のコーティングによって、前記媒体から保護され、特に水素化および脆化から保護される。
【００３０】
本発明による方法の好ましい実施形態によれば、第１のシリンダ内部チャンバ内で圧縮された媒体が当該第１のシリンダ内部チャンバから排出され、第２のシリンダ内部チャンバ内で第２のピストンを用いて再度圧縮され、この場合特に前記第２のシリンダ内部チャンバからの媒体の一部だけが第２の間隙を介してハウジングの内部チャンバ内に到達し、そこで可動子の周りを流れ、特に固定子の周りも流れる。
【００３１】
さらに好ましくは、内部チャンバに到達した媒体は、第１の漏れ戻し管路および／または第２の漏れ戻し管路を介して第１のシリンダヘッドの吸入口まで戻される。それによりハウジングの内部チャンバは、上述したように圧力負荷若しくは加圧され、第１のシリンダヘッドの吸入口（ピストン式圧縮機の第１の圧縮段）への漏れ媒体の戻りを可能にする。
【００３２】
さらに好ましくは、既に前述したように、前記可動子の位置、前記第１および／第２のピストンの位置が好適に検出され、特に前述した位置検出手段によって検出される。好ましくは前記第１および／または第２のシリンダ内部チャンバ内でのデッドスペースが縮小するように、前記第１および／または前記第２のピストンのストロークが制御され、これによってピストン式圧縮機の効率が上昇する。前述の各デッドスペースとは、この場合各ピストンの端面側が、各シリンダの内周面並びに各シリンダヘッドのピストンに面した内側と一緒に画定している容積である。このデッドスペースが消失している場合には、前記ピストン若しくはその端面側は、各シリンダヘッドに接触する。
【００３３】
本発明に係る方法の特に好ましい実施形態によれば、前記第１の媒体は液状の形態で前記ピストン式圧縮機に供給され、典型的には前記第１のシリンダ内部チャンバ内へ導入される直前にガス状の状態に移行され、その際好ましくは当該媒体の気化のために周辺熱および／またはリニアモータの廃熱が利用される。
【００３４】
圧縮の目的のために、圧縮すべき媒体の吸入温度は、ちょうど対応する吸気圧の平衡点のすぐ上におかれる。液体供給の他には、さらにガス状の極低温供給も可能であり、その際には圧縮すべき媒体が媒体源からガス状の極低温で、第１のシリンダ内部チャンバ内へ搬送される。
【００３５】
本発明のさらなる特徴および利点は、以下の本発明の実施形態の図面に基づく説明において明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係るピストン式圧縮機の部分断面図
【図２】図１に示した本発明に係るピストン式圧縮機のさらなる部分断面図
【００３７】
発明を実施するための形態
図１には、図２と関連した本発明に係るピストン式圧縮機１が示されている。このピストン式圧縮機１は、固定子を備えたリニアモータ１０と、前記固定子によって長手軸線Ｌに沿って往復動可能な可動子２０とを有している。この固定子は、可動子２０の永久磁石Ｐと相互作用して磁場を発生させており、この磁場により可動子は、長手軸線Ｌに沿って往復動している。本発明では円筒型リニアモータとして構成されているリニアモータ１０の固定子と可動子２０は、ここではリニアモータ１０のハウジング１１内に配置されており、このハウジング１１はリニアモータ１０の内部チャンバ１００を画定している。ピストン式圧縮機１は、ハウジング１１の両側において、長手軸線Ｌに沿って第１のシリンダ３０並びに第２のシリンダ７０を備え、これらのシリンダ３０，７０は、第１のシリンダ内部チャンバ３００若しくは第２のシリンダ内部チャンバ７００を取り囲んでいる。これらの２つのシリンダ内部チャンバ３００，７００は、長手軸線Ｌに沿ってハウジング１１の内部チャンバ１００の第１の端部１００ａ若しくは第２の端部１００ｂから始まっている。これらの２つの端部１００ａ，１００ｂは、長手軸線Ｌに沿って互いに相対向している。
【００３８】
第１のシリンダ内部チャンバ３００内では、第１のピストン３１が摺動しており、ここでは前記第１のピストン３１と、該第１のピストン３１に面する、第１のシリンダ内部チャンバ３００の内側との間で周方向の間隙Ｓが形成されており、この間隙Ｓは、少なくとも１つの、好ましくは複数の、特にスリット（溝）状のシール３２によって密封されている。このシール３２は、動的動作においては密閉性であるが、静的状態では密閉性ではない。この種のスリット状のシール３２は、とりわけ１つの箇所において、シールの円筒軸線に対して平行的、斜行的若しくは立体的分離断面によって起こり得る分離特性を有することで特徴付けられる。このシール３２は、そのような分離特性によって構成されるか、またはシール３２の形成の後で分離特性が生じる。
【００３９】
同様の方法で、第２のシリンダ内部チャンバ７００内では、第２のピストン７１が摺動しており、この第２のピストン７１も少なくとも１つ、好ましくは複数の特にスリット状のシール７２と共に第２のピストン７１に面する第２のシリンダ７０の内面に当接し、それによって、第２のピストン７１と、第２のシリンダ７０の内面７００ａとの間の周方向の第２の間隙Ｓ’が密閉される。
【００４０】
そのように形成された圧縮段の２つのピストン３１，７１は、動作中は２つのシリンダ３０，７０内をそれらの折り返し点の間で長手軸線Ｌに沿って往復動し、円筒型リニアモータ１０のピストンロッド若しくは可動子２０上の装置によってそれぞれセンタリングされて拘束される。ここでは、可動子２０の各自由端部にそれぞれ１つのセンタリングアダプタ２１，２３が載置されている。これらのセンタリングアダプタ２１，２３は、それぞれねじ山を備えている。対向リング２２，２４は、対応する対向ねじ山を備えており、それによってそれぞれ対応するセンタリングアダプタ２１，２３とねじ止めされる。この場合センタリングアダプタ２１，２３は、一方では可動子２０にねじ止めされ、各ピストン３１，７１は、各センタリングアダプタ２１，２３と、各対向リング２２，２４との間にクランプされ、それによって可動子２０とピストン３１，７１との間で堅固な接合が形成される。
【００４１】
第２のピストン７１は、ここでは二分割に構成され、２つの区分７１０，７２０を有している。ここでは第１の区分７１０は可動子２０に固定されており、詳細には前述のセンタリングアダプタ２３並びに対応する対向リング２４を介して固定されており、さらに第２のピストン７１の第２の区分７２０は、内部チャンバ１００から第２のシリンダ７０までを指し、そこでは第２のシリンダ内部チャンバ７００内に吸入された媒体Ｍが圧縮される。
【００４２】
２つのシリンダ３０，７０は、それぞれ第１若しくは第２のシリンダヘッド４０，８０によって端面側で密封されており、それらを介して、圧縮すべき媒体Ｍが各シリンダ３０，７０内に導入され、さらに各シリンダ圧縮部から放出される。
【００４３】
さらにシリンダ３０，７０は、それぞれフランジ１２のセンタリング面を介して各フランジ１２に関してセンタリングされ、その場合各フランジ１２も、当該センタリング面を介してリニアモータ１０のハウジング１１に対してセンタリングされる。２つのフランジ１２は、それぞれ端面側でハウジング１１にねじ留めされており、それによってシリンダ３０，７０もハウジング１１に固定される。この場合周辺環境に対するハウジング１１若しくはシリンダ３０，７０の密閉は、それぞれフランジ１２とハウジング１１との間に配置されているＯリング１０１，１０２の形態のそれぞれ１つの静的シールを介して行われる。それによりハウジング１１は、耐圧密閉性となる。リニアモータ１０自体は、ハウジング１１のフランジマウント１３を介してそれぞれの設置面に固定される。
【００４４】
さらに各ピストン３１，７１は、径方向の応力を受け入れのために各ピストンにおいて周方向の環状のガイドベルト３３，７３を有している。すでに述べたように、２つのピストン３１，７１の揺動運動のもとでは、各シリンダ内部チャンバ３００，７００内に存在する媒体Ｍの一部が前述の間隙Ｓ，Ｓ’を通ってハウジング１１の内部チャンバ１００内に到達し得る。その際にはこのシール漏れが導管の形態の第１および第２の漏れ戻し管路５１，５２を介してピストン式圧縮機１の入口側まで戻される。この場合第１の漏れ戻し管路５１は、内部チャンバ１００の第１の端部１００ａから分岐しており、さらに供給路６１と流体連通している。この供給路６１を介して、圧縮すべき媒体Ｍが、第１のシリンダヘッド４０の吸入口４１に供給可能である。この吸入口４１は、吸入弁４１０の形態のバルブを介して閉鎖可能である。耐圧密閉性の構造と前述の漏れ戻し構成とによって、リニアモータ１０の固定子と可動子２０は、吸入口４１におけるピストン式圧縮機１の入口側圧力に対応した圧力を負荷される。固定子と可動子２０の周りを相応に漏洩ガスＭ’が流れ、動作中に熱が漏洩ガスＭ’に伝達される。第１のシリンダ内部チャンバ３００内では、第１のピストン３１を用いて圧縮された媒体Ｍが第１のシリンダヘッド４０の排出口４２を介して排出され、この排出口４２は吐出弁４２０によって閉鎖可能である。
【００４５】
吸入および吐出弁４１０，４２０を備えた第１のシリンダヘッド４０は、第１のシリンダ３０の一方の端部に配置され、第１のシリンダ３０の結合リング（ユニオンナット）を介して当該シリンダにねじ固定されている。同様に、第２のシリンダヘッド８０の第２のシリンダ７０の反対側端部も結合リングで固定されている。この場合第２のシリンダヘッド８０も吸入口８１と排出口８２とを有し、これらは吸入弁８１０若しくは吐出弁８２０を用いて閉鎖可能である。第１のシリンダヘッド４０の排出口４２からは、接続管路（図示せず）が第２のシリンダヘッド８０の吸入口８１に接続しており、この場合供給路６１とこの接続管路は、好ましくはそれぞれ断熱構成されている。
【００４６】
水素含有媒体Ｍの圧縮の際には、リニアモータ１０の永久磁石Ｐが、水素分子から保護されなければならない。高性能リニアモータ１０で使用される高性能磁石は、好ましくは、ネオジム−鉄−ボロン元素を含有する化合物からなっている。この場合ネオジムは、希土類金属である。希土類は、水素貯蔵のための金属水素化物に適用される。この場合に利用される吸着作用と、金属格子中の水素原子の後からの堆積は、リニアモータ１０においては殊更に望ましいものではなく、永久磁石Ｐを継続的に破壊しかねない。このような水素堆積から永久磁石Ｐを保護することは、好ましくは永久磁石Ｐのニッケル−銅−ニッケルコーティングによってなされる。
【００４７】
対応するシリンダ内部チャンバ３００，７００内での２つのピストン３１，７１の位置決めは、好ましくは位置検出手段９０を介して行われる。この位置検出手段９０は、適切な距離測定システムであってもよいし、センサレス制御システムであってもよい。これにより円筒型リニアモータ１０を用いた駆動の発明によれば、圧縮過程中にピストン式圧縮機１の運動経過への高度な動的介入が可能となり、ひいてはピストン式圧縮機１の変更可能な構成や熱膨張に起因する長さ変化に応じたストローク適合化調整などを実施することが可能となる。またピストン３１，７１のピストンストロークの適合化調整は、デッドスペースの最小化も実現させるので、このことはピストン式圧縮機１の吐出能力にもプラスに作用する。
【００４８】
本発明に係るピストン式圧縮機１を用いたガス状極低温媒体Ｍ、特に水素の形態の媒体Ｍの圧縮は、好ましくは次のように行われる。すなわち前記水素Ｍが、水素供給部から好適に断熱された供給路６１を通り第１のシリンダヘッド４０の吸入弁４１０を介して第１の圧縮チャンバ内若しくは第１のシリンダ内部チャンバ３００内へ吸入され、次のサイクルにおいて、吸入された水素Ｍが第１のピストン３１によって圧縮され（その際第１のピストン３１は第１のシリンダヘッド４０の方向に移動する）、第１のシリンダヘッド４０における吐出弁４１０を通じて吐出される。この吐出されて圧縮されたガス状媒体Ｍは、好ましくは断熱構成された前述の接続管路を介して第２の圧縮段の第２のシリンダヘッド８０の吸入弁８１０を通って吸入され、引き続き第２のシリンダ内部チャンバ７００内で第２のピストン７１の相応の移動によって圧縮され、吐出弁８２０を介して吐出される。水素では、この圧力増加によって再び密度増加がもたらされる。構造形態に基づいて第１段階の圧縮と第２段階の吸入は時を同じくして可逆的に実行される。
【００４９】
本発明に係る低温レベルでの圧縮は、同等の圧力ポテンシャルを用いたより高温でのプロセスに比べて（例えば室温状態でのガス）、吸入状態から圧縮状態までの媒体Ｍの僅かなエンタルピー差となることを同様に意味する。これにより、圧縮に必要とされる仕事量が低減され、このことは電力需要の極端な減少となって現れる。
【００５０】
本発明に係る低温レベルでの圧縮は、特に介在経路の熱交換を不要にさせる。なぜなら介在経路の温度は、第１の圧縮段による圧縮過程に基づく温度上昇に続いて、使用場所で通常検出される周辺温度以下に留まるからである。
【００５１】
本発明に係る低温レベルでの圧縮は、さらに媒体Ｍの高い特定の密度に関連付けられ、それによって純粋なガス圧縮機にとって相対的に特に高い吐出能力が達成される。
【００５２】
ピストン式圧縮機システム１の好ましい完全密閉構造は、周辺環境に対する可動部材の動的シールを不要にさせる。これにより、公知の静的シールの技術的利点を利用することが可能である。
【００５３】
さらにピストン式圧縮機システム１の完全密閉構造は、周囲の空気によるハウジング１１の汚染も封じ込める。このことは、ハウジング１１が常に第１の圧縮段の入口側圧力に相当する過剰な圧力で負荷されることによって実現する。このことは、動的ピストンシール３２，７２のガス漏れ媒体Ｍ’の吸気管若しくはシリンダ内部チャンバ３００，７００内への戻しを可能にする。
【００５４】
前述したリニアモータピストンロッド若しくはいわゆる可動子２０におけるピストン固定のための装置は、メンテナンスでの２つのピストン３１，７１の容易な交換を可能にする。さらにシリンダ直径の適合化と同時に、ピストン直径を、より高い最終圧縮圧力が得られるかまたは吐出能力の向上がなされるように変化させることが可能である。
【００５５】
液状で供給する圧縮ステーション１では、さらに入熱の結果としてタンク内で生じる蒸発ガスを吸収して、圧縮のために再利用する手段も可能である。
【００５６】
圧縮機システム１のプロセスに起因して実現可能な高い吐出能力にもかかわらず、所要スペースは従来のガス圧縮機システムと比べて僅かに維持される。
【００５７】
上述した圧縮機システム１は、水平方向でも垂直方向でも有利に動作させることが可能である。
【００５８】
水素圧縮のためのピストン式圧縮機１の一実施形態によれば、第１のピストン３１が４２ｍｍの直径を有し、第２のピストン７１は、１６ｍｍの直径を有することが提案される。ピストン運動の周波数は、この場合好ましくは１０Ｈｚであり、作動媒体Ｍの質量流量は、好ましくは１０ｋｇ／ｈであり、揺動する慣性力若しくは慣性質量（可動子２０，センタリングアダプタ２１，２３、対向リング２２，２４、ピストン３１，７１、シール３２，７２、ガイドバンド３３，７３などの揺動部材の個々の揺動慣性力からの合成応力）は、好ましくは５０ｋｇである。ピストン３１，７１のストロークは、好ましくは１２０ｍｍである。ピストン運動は、正弦関数を好適に充たす。結果として得られる圧縮力は１０ｋＮであり、圧縮機１のフットプリント、すなわち平面視における投影面積は、約２．５ｍ×１ｍである。リニアモータ１０によって達成可能な最大能力は１３．８ｋＮであり、リニアモータ１０によって達成可能な最大速度は、４．１ｍ／ｓである。リニアモータ１０の定格出力は、２６．６ｋＷである。
【００５９】
水素は、この場合好ましくは６０Ｋの温度と６ｂａｒの圧力で第１のシリンダ内部チャンバ３００に供給されて圧縮され、１８４Ｋの温度と１３３ｂａｒの圧力で排出されて第２のシリンダ内部チャンバ７００において圧縮される。ここではそれが再度圧縮されて、２８８Ｋの温度と６００ｂａｒの圧力で排出される。
【符号の説明】
【００６０】
１      ピストン式圧縮機
１０    リニアモータ
１１    ハウジング
１２    フランジ
１３    フランジ
２０    可動子
２１    センタリングアダプタ
２２    対向リング
２３    センタリングアダプタ
２４    対向リング
３０    第１のシリンダ
３１    第１のピストン
３２    シール
３３    ガイドベルト
４０    第１のシリンダヘッド
４１    吸入口
４２    排出口
５１    第１の漏れ戻し管路
５２    第２の漏れ戻し管路
６１    供給路
７０    第２のシリンダ
７１    第２のピストン
７２    シール
７３    ガイドベルト
８０    第２のシリンダヘッド
８１    吸入口
８２    排出口
９０    位置検出手段
９１    距離センサ
９２    測定素子
１００  内部チャンバ
１００ａ  第１の端部
１００ｂ  第２の端部
１０１    Ｏリング
１０２    Ｏリング
３００    第１のシリンダ内部チャンバ
３００ａ  内面
４００    ハウジング
４１０    バルブ（吸入弁）
４２０    バルブ（吐出弁）
７００    第２のシリンダ内部チャンバ
７００ａ  内面
８１０    バルブ（吸入弁）
８２０    バルブ（吐出弁）
Ｍ        媒体（例えば水素）
Ｍ’      漏れ媒体
Ｐ        永久磁石（可動子）
Ｂ        コーティング
Ｌ        長手軸線
Ｓ        第１の間隙
Ｓ’      第２の間隙
【図１】
2016537558.tif 000003
【図２】
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【国際調査報告】
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2016537558.tif 000006
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