(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの圧縮段を備えた流体圧縮機であって、第１のチャンバー（１２、１４）と、第２のチャンバー（１０、１５）とを備え、前記チャンバーの各々が圧縮すべき第１の流体を受け入れることができる流体圧縮機において、
第１の流体の容積を減じることによって第１の流体の圧縮を行うために、前記第１のチャンバー（１２、１４）及び前記第２のチャンバー（１０、１５）の各々に、圧力の下で第２の流体を受け入れるための手段（１４、１０）と、
前記第１のチャンバー（１２；１４）の中で第１の流体と第２の流体との間に設けられた第１段のピストン（Ｂ）と、
前記第２のチャンバー（１０；１５）の中で第１の流体と第２の流体との間に設けられた第２段のピストン（Ａ）とを備え、
少なくとも前記第１段のピストン（Ｂ）は、第１の流体に面するピストンの面積が、第２の流体に面するピストンの面積よりも大きく構成されており、
前記第１段のピストン（Ｂ）は、第１のラムロッド（１９）によって駆動され、
前記第２段のピストン（Ａ）は、第２のラムロッド（１１）によって駆動され、
前記２つのラムロッド（１９、１１）は連動するようになっており、
前記２つのラムロッド（１９、１１）の直径は異なっており、
前記第２のラムロッド（１１）の直径は、前記第２段のピストン（Ａ）を第２の流体によって駆動するのに十分な寸法のものである、
ことを特徴とする流体圧縮機。
【請求項２】
前記ピストンに作用することによって、前記第１のチャンバー及び前記第２のチャンバー内の第１の流体を交互に圧縮するために、前記各チャンバー（１２、１４、１０、１５）の間で加圧流体の源を交替させるための切り替え手段（８）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の流体圧縮機。
【請求項３】
一方のチャンバーから放出圧力で連続的な流体の配送を行いつつ、他方のチャンバーを再充填するために、前記２つのラムロッド（１９、１１）は相互に連結されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の流体圧縮機。
【請求項４】
前記２つのチャンバー（１２、１５）は中心軸線上に存在し、前記２つのチャンバー（１２、１５）は、前記相互に連結されたラムロッド（１９、１１）を介して相互に連結されることを特徴とする、請求項３に記載の流体圧縮機。
【請求項５】
前記相互に連結されたラムロッド（１９、１１）は、前記相互に連結されたラムロッド（１９、１１）の特定の位置で、前記チャンバーの前記流体の部分を相互に連結するように配置された中空流体通路を含むことを特徴とする、請求項４に記載の流体圧縮機。
【請求項６】
吸込みストロークの端に向けて、前記第２のチャンバー（１５）に流体が供給圧で供給されるとき、前記第１のチャンバー（１２）の隙間容積内の圧縮流体を自動的に前記第２のチャンバー（１５）の中に排出させるための排出手段（２０、１７）を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の流体圧縮機。
【請求項７】
前記２つのチャンバー（１２、１５）は、冷却を助けるために、単一の本体内に構成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の流体圧縮機。
【請求項８】
配送ストローク中に配送される前記第１のチャンバーからの流体が、前記第２のチャンバーの吸込みストローク中に前記第２のチャンバーの中に入って、ガス圧縮機の２つの段を形成するように、前記２つのチャンバー（１２、１５）は通路によって相互に連結されることを特徴とする、請求項３又は４に記載の流体圧縮機。
【請求項９】
前記通路は、前記２つのチャンバーの外部に存在し、かつ、流体を冷却するのを助けるための冷却手段を含むことを特徴とする、請求項８に記載の流体圧縮機。
【請求項１０】
前記各チャンバーは同じサイズであり、また、第１の流体に行われる圧縮の程度は、前記各チャンバー内で同じであることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の流体圧縮機。
【請求項１１】
前記圧縮を行うための手段は、少量の第２の流体が比較的大量の第１の流体を圧縮することができるような形態に作られていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の流体圧縮機。
【請求項１２】
前記第１の流体を圧縮するために用いられる前記第２の流体を貯蔵して冷却するために、前記圧縮機の本体内に設けられた油溜め（５）を含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の流体圧縮機。
【請求項１３】
作動速度が、２０サイクル／分よりも速くないように作られていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の流体圧縮機。
【請求項１４】
前記第２の流体は、漏れを防止するのを助けるために、前記第１の流体との境界に密閉シールとして機能することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の流体圧縮機。
【請求項１５】
圧縮されていないチャンバーを第１の流体で満たしつつ、第２の流体によって各チャンバーを交互に圧縮させるように動作することができるバルブ手段を含むことを特徴とする、請求項２に記載の流体圧縮機。
【請求項１６】
流体を圧縮する方法であって、
第１のチャンバーの中で第１の流体と第２の流体との間になるように第１段のピストンを設け、第２のチャンバーの中で第１の流体と第２の流体との間になるように第２段のピストンを設ける工程と、
圧縮すべき流体を第１のチャンバー又は第２のチャンバーに供給する工程と、
加圧した第２の流体の源を前記第１のチャンバー又は前記第２のチャンバーに供給して、夫々のチャンバー内の容積を減じ、第１の流体を圧縮する工程とを含み、
少なくとも前記第１段のピストンは、第１の流体に面するピストンの面積が、第２の流体に面するピストンの面積よりも大きく構成されており、
前記第１段のピストンは、第１のラムロッドによって駆動され、
前記第２段のピストンは、第２のラムロッドによって駆動され、
前記２つのラムロッドは連動するようになっており、
前記２つのラムロッドの直径は異なっており、
前記第２のラムロッドの直径は、前記第２段のピストンを第２の流体によって駆動するのに十分な寸法のものである、
ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、前記第１のチャンバーを開いて第１の流体を受け入れる工程と、その後、前記第１のチャンバーの大きさを減少させて、第２の加圧流体によって第１の流体を圧縮する工程と、同時に、第１の流体を前記第２のチャンバーに入れる工程と、その後、前記第２のチャンバーの容積を減じて、第２の加圧流体によって第１の流体を圧縮する工程と、同時に、第１の流体を前記第１のチャンバーに入れる工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１６又は１７に記載の方法であって、前記２つのチャンバーを相互連結して、第１の流体の配送ストローク中に、前記第１のチャンバーからの第１の流体を、吸込みストローク中の前記第２のチャンバーに配送して、２段の圧縮機を形成する工程を含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１７又は１８に記載の方法であって、前記第１のチャンバーの隙間容積内の圧縮流体を、前記第２のチャンバーの吸込みストロークの端に向けて、前記第２のチャンバーの中に自動的に排出する工程を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
この発明は、例えば天然ガスのような流体を圧縮するための圧縮装置に関する。
【０００２】
エンジン燃料として圧縮天然ガスを用いて作動する自動車は、液体燃料に匹敵する十分な量を貯蔵するために、ガスを約２００バール(bar)まで圧縮することを求める。従来、ピストンを往復運動させるのに回転運動を用いる形式のレシプロ式ガス圧縮機が用いられている。このようなレシプロ式ガス圧縮機は、一般的に、各段での圧縮率が３：１と７：１との間であるような連続した数多くの段（ステージ）を用いて作動する。この種の圧縮機におけるピストンの動作速度は約１０Ｈｚであり、ガスを圧縮するときに発生する熱を放散するために、各圧縮段の間に中間冷却が設けられている。このような比較的高速の圧縮機にあっては、気密シールを行うための構造は、特に２００バールに達する圧力では高価である。
【０００３】
（発明の開示）
本発明は、既知の装置を越えた他の利点を備えた安価な装置に関連している。
本発明によれば、少なくとも１つの圧縮段（圧縮ステージ）を備えた流体圧縮機であって、各チャンバーが圧縮されるべき第１の流体を受け入れることのできる２つのチャンバーと、前記チャンバー内の容積を減じることによって前記第１の流体の圧縮を行うように圧力の下で第２の流体の源を受け入れるための手段を含む流体圧縮機が提供される。
圧縮機は、好ましくは、前記第１の流体と第２の流体を分離させるための各チャンバー内の仕切手段と、該仕切手段に作用することによって、前記第１のチャンバーと第２のチャンバーを交互に圧縮するために、加圧流体の源を各チャンバー間で交替させるために設けられた切り替え手段とを含む。
【０００４】
更に、本発明によれば、圧縮されるべき流体を第１の流体チャンバー又は第２の流体チャンバーに供給する工程と、加圧した第２の流体の源を前記第１のチャンバー又は第２のチャンバーに供給して、夫々のチャンバー内の容積を減じて他方の流体を圧縮する工程とを有することを特徴とする流体を圧縮する方法が提供される。
この方法は、好ましくは、前記第１のチャンバーが開いて前記第１の流体を受け入れる工程と、その後、前記チャンバーの大きさを減少させて、前記第２の加圧流体によって前記流体を圧縮する工程と、同時に、前記第１の流体を前記第２のチャンバーに入れさせる工程と、その後、前記第２のチャンバーの容積を減じて、前記第２の加圧流体によって前記流体を圧縮する工程と、同時に、前記第１の流体を前記第１のチャンバーに入れさせる工程とを含む。
【０００５】
製造コスト及び比較的少量のガスを圧縮するためのメンテナンス要求を減少させるために、ゆっくりと動く液圧作動式ピストン形式の装置が提供される。これは、要求最終ガス圧（２００バール）よりも小さな圧力で少量の流体の流速で相当のエネルギを配送する小型の液圧ポンプの能力を用いる。この提案する構想では、ピストンの動作速度は、１０サイクル／秒ではなくて、約１０サイクル／分であり（すなわち６０倍遅い）、したがって、密閉シールの摩耗率を減少し、また、熱を放散する時間を与えることができる。車両搭載用の付加的な流体冷却を備えた比較的速い形式ものを用いることができるが、それでも相当に速度が遅い。これらの構想の更なる利点は、ガス圧が類似の又は比較的高い液圧流体の圧力によって均衡される状態で、ピストン密閉シールへ一層均一な圧力をピストン密閉シールが受けるので、これらの密閉シールでのガス漏れを削減することができるということにある。
【０００６】
２５０：１までの高いガス圧縮率が単一段の圧縮機で達成される。変形例として、２段式では、各段で１５：１の圧縮率が可能であり、単一段式での８L／分の総行程ガス容量毎の典型的には１L／分のオイル流れよりも、低い油圧オイル流速及び低いピークパワー要求で、各段での１５：１の圧縮率が可能である。
【０００７】
（好ましい実施形態の説明）
以下に、添付の図面に基づいて本発明を詳しく説明する。
図１に概略的に示す圧縮機システムは、典型的には電動の双方向液圧ポンプ７による液圧パワーによって作動される低速の圧縮機を作るのに用いられる機構を示す。
【０００８】
この液圧式圧縮機は、在来の任意のサイズの多段往復動圧縮機に関して直接的に置換できるものとして意図されているが、この熟考した提案では、典型的には、１６リットルの車両用タンクを、次のように地域的な供給源からの圧縮ガスで満たすことを意図している。
【０００９】
すなわち、ポンプ７を経由した流体が、第２ラムＢ及び逆止弁１６からのガスを、２４０：１の容積減少（天然ガスに関し２００バールでの圧縮率）で車両用燃料タンク２に圧送されると、バルブ３０を経由した低圧ガスは逆止弁（ＮＲＶ）１３を介して液圧ラムＡに引き込まれる。高圧配送ホース１が、迅速解放カップリング３を介してタンク入口２ａに連結される。ポンプ７が反転されると、各ラムの役割が変わり、その前に引き込まれたガスが、燃料タンク２の中に押し込まれ、他方、次のポンプ反転に備えて液圧吸引中のラムが低圧ガスで充填される。このポンプ反転は流体の量に基づいて制御されると、吐出圧力は、燃料タンクが２００バール（ＮＰＴで２４０ガス量）に達するまで徐々に上昇する。
【００１０】
この装置にあっては、流体は常にガスを圧縮し、また、ポンプは、最小量の流体つまり２４０×１６＝３８４０リットルだけ移動する。８時間の充填時間に関して、ポンピング率は８リットル／分である。
このようなやり方は、図２、図３の詳細な形態に適用される。図３は１段式を示し、図２は２段式を示す。
【００１１】
上述のように、このシステムは、直接的に連係され且つガス圧縮回路と一体の液圧パワー回路からなる。圧縮ガスを外部貯蔵シリンダ又はタンク２（破線で部分的に示されている）に配送するのに、迅速解放カップリング３を備えた可撓性ホース配送機構１が設けられている。
液圧パワー回路は、液圧ギア又はピストンポンプ７に連結された小型電気モータ４を有する。ポンプ７からの高圧流体出力は、スプール形シャトル弁８、圧力リリーフ弁、２つの液圧的に対向したシリンダ又はラムＡ、Ｂに連結されている。各ラムＡ、Ｂは、シャトル弁８への一つの流入／放出用連結部を備えている。シャトル弁８からの低圧又は放出は、液圧流体のリザーバを含む油溜め５に連結されている。液圧ポンプ吸込み口は、フィルタ６を介して、流体レベルよりも重力的に十分に下の油溜め５のポイントに連結されている。
【００１２】
ガス圧縮回路は、液圧ラム１２、１５と一体の２つの対向したシリンダ又はラム１２、１３を有する。各ガスラムは、２つのガス連結部を有する。一つはガス入口用であり、他は、高圧ガス放出用である。ガス入口には逆止弁１３又は１７が取り付けられ、また、各ガスラムの出口連結部には逆止弁１６が設けられている。
高圧ガス配送パイプは、迅速解放カップリング３に固定された小さなボアの可撓性タイプのものである。対をなすカップリングは、各高圧ガス貯蔵シリンダに固定される。自動車用に関しては、貯蔵シリンダは、通常、車両本体の下に搭載される。貯蔵シリンダから簡単に取り外すことができるように、シリンダの充填が完了した後に、配送ホース中のガス圧を減じるのにバイパス及びリリーフ回路が設けられる。
【００１３】
液圧ポンプモータ４は、電気で駆動され且つ引き外しリレースイッチ（trip relay switch）（図示せず）によって賦勢される。液圧オイルは、油溜め５から常圧で汲み上げられ、フィルタ６を介して油圧ポンプ７に送られる。ポンプ７内のギヤの回転によって、オイルは高圧でスプール弁８に流入する。この圧力が設定値、典型的には２７５バールを越えているとリリーフ弁９が開弁して、オイルは、スプール弁８をバイパスして油溜め５に戻る。
【００１４】
スプール弁８は、シャトルで操作される形式のものであり、これにより、オイルは、一方のポートから出て他方のポートに戻り、又はその逆である。流れの方向は、スプール弁内部のスプールの位置によって決定される。これは、圧力によって操作される双安定器具である。ポートＩの放出圧力が、典型的には２７０バールの設定圧力に達すると、リリーフ弁２１によって、この圧力でオイルがスプールを動かす。これは、ポートIIの吐出圧力がそのリリーフ弁２２によって設定された圧力に達して流れが原方向に戻るまで、吐出ポートを通る流れ方向を反転させる。
【００１５】
スプール弁８に入る低圧オイルは、冷却及びポンプ７への連続した供給のために油溜め５に還流され、他方、ポンプモータ４は作動し続けている。
スプール弁８からの高圧オイルは、油圧ラムＡのオイルチャンバー１０に流入する。これはピストンＡを押し、同時に、ラムロッド１１、１９によってピストンＢを引っ張る。ピストンＢは、ガスチャンバーＢ内の容積１２を拡大させるように移動する。これは、ガスを逆止弁１３及びシステムへの低圧ガス供給ラインを経由してチャンバーＢに引き込む。ピストンＡが、その許容可能なストロークの端に達すると、油圧ラムＡへの油圧が急速に上昇し、これによりスプール弁８は方向を変える。
【００１６】
すぐに、高圧オイルは、スプール弁８から油圧ラムＢの領域１４に流入する。これは、ピストンＢを押し、また、同時にピストンＡをラムロッド１１、１９によって引っ張る。ピストンＡが、ガスチャンバーＡ内の容積１５を拡大し且つ油圧ラムＡ内のオイル容量を減じるように移動する。これにより、低圧オイルは、油圧ラムＡからスプール弁８のポートＩに戻る。
【００１７】
ピストンＢの動きは、ガスチャンバーＢ内の容積１２を減じて、その前のストロークによって取り込んだガスの体積を圧縮する。入口の逆止弁１３は、ガスが供給ラインに戻るのを防止する。（図３において、出口の逆止弁１６は、圧縮したガスが放出部へ流れるのを許容する。）
ピストンＢがその許容されたストローク１８の端に達すると、油圧ラムＢへのオイル圧が２７０バールまで急速に上昇し、これにより、スプール弁８は再び方向を変える。反転したオイルの流れは、ピストンＡを再び押して、油圧ラムＢ内のオイル量１４を減じる。これにより、低圧オイルが、油圧ラムＢからスプール弁８のポートIIに還流して、圧縮機の一つのサイクルを完了する。
【００１８】
図３の単一段の装置にあっては、ピストンＡ、Ｂ及びこれらの夫々の油圧オイル及びガスチャンバーは、同じサイズである。最大のピストン移動距離つまりストローク１８は、各々のピストンに関して同一である。各チャンバーＡ、Ｂからのガス出口は、高圧ガス放出ホース１と平行に連結されている。ピストンＡがガスを引き込むと、ピストンＢはガスを圧縮し、その逆も同じである。油圧オイル対引き込んだガスの流量の比は、典型的には、８：９の比である。ピーク油圧は、ピークガス放出圧力よりも僅かに大きく、典型的は、９：８の比である。２２５バールのガス放出圧力に対して、ピークオイル圧は２５３バールであろう。
【００１９】
図２の２段の装置にあっては、ピストンＡ、Ｂ及びこれらの夫々の油圧オイル及びガスチャンバーは、サイズが異なる。次の説明において、オイル量、ガス量及びこれらの夫々の量の比は、最大つまり総行程容積に関連している。ピストンＢは、ガスチャンバーＢ内に大きな容積１２を作る大きな直径を有する。油圧ラムＢ内のオイル容量は、連結ロッド１９が、この点、小さな油圧容積１４の環状部を形成する大きな直径であるので、ガス量よりも極めて少ない。典型的には１５：１のガス対オイル量の高い比によって、少ない量の典型的には２２５バールの高圧の油圧オイルが、大量のガスを、典型的には１５バールの中間圧力まで圧縮することができる。
【００２０】
最大のピストンストローク１８は、また、各ピストンに関して同一であるが、２段の装置にあっては、ガスチャンバーＢ内の容積１２とガスチャンバーＡ内の容積１５との比が典型的には１５：１となるように、ピストンＡはピストンＢよりも小さな直径を有する。油圧ラムＡ内のオイル量１０は、典型的には２１：２５の比で、ガスチャンバーＡ内の容積１５よりも僅かに少ない。けだし、連結ロッド１１が、この点、小さな直径のものであるからである。かくして、典型的には２６８バールの高圧の僅かなオイル量は、典型的には１５バールの中間圧力から典型的には２２５バールの高圧までガスを圧縮することができる。
【００２１】
第１段のチャンバーＢからのガス出口は、通路２０及び逆止弁１７を経由して、第２段のチャンバーＡへのガス入口に連結されている。ピストンＢがガスを引き込むと、ピストンＡはガスを圧縮する。ピストンＢがガスを圧縮すると、ガスは、ガスチャンバーＡに流入し、段１の最大圧縮率は、ピストンの面積比Ｂ：Ａによって規定される。
【００２２】
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【００２３】
対称的なデザインによって、ピストンに及ぶ圧力比は常に低く、ピストンは、液圧流体とガスとの間の単純なバリアとして機能する。この特徴は、ピストンの漏れ及びこのリニアに動作するピストン構成での高度の一体性のピストン密閉シールの必要性を減じる。
【００２４】
図３の単一段の装置にあっては、対向するチャンバー内へ排出することによって、残留するガスを空にするような代替え案を、図４に示すように提供することができる。これは、圧縮ストロークの端でいずれかの圧縮チャンバー内に閉じ込められた高圧ガスの残留量に対処するものであり、このような組立体の基本的なジオメトリーによる特徴である。
放出圧力が生成されると、圧縮ストロークの端に残留する高圧ガスの残存量（実効リニア排出量として測定される）は、次のストロークの押し出される量を徐々に減じる。
【００２５】
２００バールの放出圧力で、有効ストロークは、有効残留量の1mm毎に0.24メートルだけ減少するであろう。なぜならば、新たな低圧供給ガスを充填させるには、ピストンの変位を通じて十分に低圧の吸込みチャンバー圧力を生成する必要があるからである。
この変形例は、吸込みストロークが完了して、僅かな与圧を与えるときに、流体の逆流のポイントで対向する圧縮チャンバー内に残留ガス圧を排出することによって、この残留ガス圧をリリーフすることを意図している。
【００２６】
この特徴は、典型的には図示のように達成される。すなわち、ピストン（内側ピストン２１及び外側ピストンシェル２２）内にバルブ２０を組み込み、このバルブ２０は、取り込んだ圧力によって流体の逆流の瞬間に開かれて、ピストン２１が吸込みストロークを通じて牽引されると、開いたままである。すなわち、圧縮ストロークの端からの高圧の閉じ込められた残留ガスを、中空のピストン連結ロッド２３に沿って通過させ、流体の逆流の時にその吸込みストロークが完了した対向するチャンバー内のガスを与圧する。吸込みストロークによって次のガス充填をさせる圧縮ストロークのために液圧が蓄圧されると、対向する分割ピストンは再度密閉シールし、これにより、圧縮の全ての圧力で有効な高い押し出し量を維持することができ、また、吸込みガス充填に僅かな与圧を与えて、かくして、高いポンピング効率を確保することができる。
【００２７】
ピストンはクリップ２４によって保持され、柔らかいシャフト２５に当接する。数多くのリングシール２６は、望ましくない流体の流れを防止する。
かくして、上述した実施例は、ゆっくりと動く液圧／ガスピストンの圧縮チャンバー内の高圧液圧流体を用いることによって、少なくとも１段の圧縮で、従来の値を超えた圧縮率でガス圧縮を行うことができる。
【００２８】
リジッドな連結ロッドに代えて、単一段の機器のラムは、可撓性張力部材よって相互連結されてもよく、チャンバーは直列である必要が無く、或いはチャンバー内のセパレータを構成するラムを操作するのに他の機構を用いることができる。更に、圧縮機からの液圧流体を外部冷却機器（例えば、熱交換器又は冷却コイル）に通過させて、この流体の冷却を助けるようにしてもよい。これは、２０サイクル／分の領域での速度で好都合であろう。
【００２９】
液圧流体のためのピストンの面積は、高圧圧縮チャンバーの冷却を補助するために長いストローク期間を提供するように、第２段での圧縮部分と同じか又は大きい。
バルブ２１、２２の設定は、２つの別の制御圧力でシステムを作動させることができるように、別の値にセットされてもよい。
図面では水平に図示されているが、圧縮機は、典型的には垂直の態様で動作する。
【００３０】
他の変形例の形態として、ポンプシャフトのシールが故障し又は外部シェルが破損したときに、液圧流体の漏れだけが発生するように、スプール弁、リリーフ弁及びこれらに関連したパイプを含む液圧回路の全体が圧縮機の外側シェルに包囲されていてもよい。
迅速解放カップリングを用いて、その結合を解除する際に又はタンクが一杯になった時に、残存する高圧ガスを圧縮機システムに戻すことができるように、ホースが共軸のボアを含むように構成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  油圧式ガス圧縮機の概略図である。
【図２】  ２段圧縮機を詳細に示す図である。
【図３】  変形例の１段圧縮機を示す図である。
【図４】  １段圧縮機用のスーパーチャージャーの詳細を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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