JP2016537558A - Piston compressor and method for compressing cryogenic gaseous media, especially hydrogen - Google Patents

Piston compressor and method for compressing cryogenic gaseous media, especially hydrogen Download PDF

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Abstract

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。The present invention relates to a piston compressor (1) for compressing a cryogenic fluid medium, in particular a cryogenic fluid medium in the form of hydrogen. According to the present invention, the first gap in the circumferential direction between the first piston (31) and the inner side (300a) of the first cylinder (30) facing the first piston (31). (S) is sealed as follows by at least one seal (32) provided on the first piston (31), that is, a leakage medium (M ′) is contained in the first cylinder inner chamber ( 300) through the first gap (S) to reach the internal chamber (100) of the housing (11) and are sealed to flow around the mover (20) and in particular around the stator. In this case, the permanent magnet (P) is coated (B) for protection from the medium (M ′), in particular for protection from hydrogenation when the medium (M ′) is in the form of hydrogen. ) Is given. The invention further relates to a method for compressing a cryogenic fluid medium (M), in particular hydrogen.

Description

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。   The invention relates to a piston compressor according to claim 1 and a method according to claim 8 for compressing a fluid medium, in particular a gaseous, especially cryogenic medium, in particular a cryogenic medium in the form of hydrogen.

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。   In the context of the present invention, a cryogenic fluid medium is to be understood as a fluid medium having a temperature in particular in the range from 0K to 130K. The fluid medium here is a gaseous or liquid medium or a phase mixed medium composed of a gas phase and a liquid phase. In any case, the piston compressor according to the invention operates at a relatively high inlet side temperature, in particular up to 320K, ie an inlet side temperature in the range from 0K to 320K.

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。   The gas under the specified conditions is much less dense than other energy carriers. In order to store this gas effectively, it is necessary to increase the mass of the gas in a usable storage space.

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。   Effective storage of gas is often achieved by increasing the gas pressure. Compressed systems such as reciprocating piston compressors such as ion compressors, screw compressors or diaphragm compressors are currently used as the most frequently used methods and devices for compressing gaseous media. ing. Furthermore, methods for the compression and discharge of liquid cryogenic media are known and this method is mainly realized by a piston compressor system.

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。   The method and apparatus according to the superordinate concept of the present invention can be used in a natural gas station or a hydrogen compressor station, for example, as realized in a gas station.

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。   From German Patent No. 102006060147 as a prior art, for example, a fluid machine driven by a linear motor is known. In this machine, for example, a stator and a mover in a linear motor are connected to a gap pipe and a static machine. It is separated by a seal.

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。   Such compressors typically operate at a gas inlet temperature in the range of the ambient temperature of the installation site. Therefore, in the case of a compressor system to which liquid gas is supplied, it is necessary to shift the liquid to a gaseous state. The adaptation of the gas inlet temperature in the compressor takes place via an evaporator. The energy required for increasing the temperature of the medium in the evaporator is obtained, for example, by extracting heat from the surrounding environment or for each electrical heating device.

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。   On the other hand, a cryopump having a high discharge capacity must be supplied in liquid form. The liquid tank required for this supply is extremely uneconomical based on the limited thermal insulation and the loss of liquid hydrogen as a result of wasted boil-off gas under long residence times.

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。   Based on the temperature difference generated in the compressor, for example, for a piston compressor, it is structurally required to provide a length tolerance, which is accompanied by an increase in dead space. And the re-expansion of gas that is caused by a relatively large dead space means a decrease in discharge capacity.

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。   In a compressor without dead space (for example, an ion compressor), the crystallization temperature of the ionic liquid is limited to use at a low temperature. Further, the ion compressor requires a horizontal assembly position to maintain the liquid column.

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。   Furthermore, piston compressors known from the prior art are often difficult to structure with pressure tightness. Therefore, some leakage to the surrounding environment of the medium to be compressed must be considered. Of course, static seals can only tolerate a limited leak-free seal. In the case of hydrogen discharge and compression with the system disclosed in DE 102006060147, the person skilled in the art is further faced with the problem of permanent magnet hydrogenation by leaking gases.

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。   Based on this, the object of the invention is to provide an improved piston compressor and a corresponding method for compressing fluids (eg gaseous), in particular cryogenic media, in particular hydrogen.

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。   The object is solved by a piston-type compressor described in the characterizing portion of claim 1. Advantageous embodiments of the piston compressor according to the invention are described in the corresponding dependent claims and are further described in the following specification.

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。   A piston type compressor for compressing a cryogenic fluid medium, particularly a cryogenic fluid medium in the form of hydrogen, according to the present invention according to claim 1, wherein the piston compressor comprises a linear motor, , A stator, and a mover including a permanent magnet, the stator being configured to form a magnetic field for driving the mover, whereby the mover Reciprocates relative to the stator along a longitudinal axis extending along the axis. The piston compressor further includes a housing of the linear motor, a first cylinder of the piston compressor connected to the housing, and a first cylinder head of the first cylinder, , Defining an internal chamber in which the mover and the stator are disposed, wherein the first cylinder defines a first cylinder internal chamber starting from the internal chamber, and the first cylinder head is The medium can be introduced into the first cylinder internal chamber through the suction port, and the compressed medium can be introduced into the first cylinder through the discharge port. One cylinder internal chamber can be discharged. Further, the piston type compressor has a first piston projecting into the first cylinder inner chamber and extending along the longitudinal axis, and the first piston is joined to the mover. Thus, the first piston is reciprocated along the longitudinal axis in conjunction with the mover, wherein the first piston is connected to the first cylinder head by the first piston. The medium existing in the first cylinder inner chamber is compressed when moved in the direction. According to the invention, here, a first circumferential gap between the first piston and the inside of the first cylinder facing the first piston is provided in the first piston. Sealed by at least one seal provided, that is, the medium from the first cylinder inner chamber reaches the inner chamber of the housing through the first gap, and The permanent magnet is coated to flow around the mover and for protection from the medium, especially for hydrogenation when the medium is in the form of hydrogen. Propose that.

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)。   That is, at least one seal provided on the first piston should seal the first cylinder interior chamber, however, usually some leakage at the seal portion cannot be avoided. The same applies to the second piston (see below).

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。   Preferably, the piston compressor according to the invention or the method described below is constructed or designed to compress the fluid medium. That is, the medium may be purely gaseous or may exist as a mixture of gaseous and liquid phases. Furthermore, this medium may be present as a liquid.

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。   According to a preferred embodiment of the piston compressor according to the invention, the aforementioned permanent magnet comprises or is made of a neodymium-iron-boron alloy.

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。   In general, materials for permanent magnets according to the present invention include ferrites, zinc and / or nickel and compounds with manganese, strontium ferrite, cobalt ferrite, barium ferrite, and alloys from samarium-cobalt and aluminum-nickel-cobalt. Is suitable.

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。   According to a further preferred embodiment of the piston compressor according to the invention, it is proposed that the permanent magnet coating is provided by a nickel-copper-nickel coating. In other words, the permanent magnet is covered with a coating in which a copper layer is laminated on a nickel layer and a nickel layer is laminated (particularly on the outermost side). The NiCuNi coating according to the invention can be produced, for example, in a galvanic manner.

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。   Further, the permanent magnet coating for protecting the permanent magnet may comprise one of the following substances or compounds: That is, any of aluminum oxide, tungsten, molybdenum, gold, platinum, chromium, cadmium, tin, aluminum, silicates from tungsten and molybdenum, or nickel-aluminum compounds.

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。   Further, the coating may be an oxide layer of a permanent magnet substrate. This oxide layer is produced in particular before hydrogenation / embrittlement. Such an oxide layer can be produced, for example, by washing an unprotected permanent magnet, residence in atmospheric oxygen, or preferably by pressing a permanent magnet in oxygen (especially of high purity).

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。   The total layer thickness of each coating, preferably in the direction normal to the extended surface of the coating or in the direction normal to the individual layers, is preferably in the range between 3 μm and 500 μm.

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。   More preferably, the internal chamber is in fluid communication with a supply path to an inlet in the first cylinder head via a first leak return line, whereby the internal chamber is in the supply path. In this case, in particular, the first leak return pipe branches from the first end of the internal chamber, and in particular, the first cylinder internal chamber Starting from the first end of the chamber.

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。   According to yet another preferred embodiment of the invention, it is proposed that the piston compressor comprises a second cylinder connected to the housing. By using such a second cylinder, a two-stage compression of the medium to be compressed can be performed. Preferably, the second cylinder has a second cylinder internal chamber starting from the internal chamber of the housing of the linear motor and a second cylinder head of the second cylinder, wherein the second cylinder head The cylinder head has a suction port, and the medium can be introduced into the second cylinder internal chamber through the suction port. Further, the second cylinder head has a discharge port, and the medium compressed in the second cylinder internal chamber can be discharged from the second cylinder internal chamber through the discharge port. More preferably, a second piston is provided, which projects into the second cylinder internal chamber and extends along the longitudinal axis. This second piston is also preferably joined to the mover, whereby the second piston reciprocates along the longitudinal axis in conjunction with the mover, in which case the second piston The piston is configured to compress the medium present in the second cylinder internal chamber when the second piston moves in the direction toward the second cylinder head.

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)。   More preferably, a second gap in the circumferential direction is provided between the second piston and the inside of the second cylinder facing the second piston, and the second gap is , Is sealed as follows by at least one seal provided on the second piston, i.e. only a part of the medium from the second cylinder internal chamber (this is also referred to as leaking medium in the present invention). ) Through the second gap to reach the internal chamber of the housing and is sealed so that it also flows around the mover and in particular around the stator (see above).

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。   More preferably, the internal chamber is in fluid communication with a supply path to a suction port in the first cylinder head via a second leak return line, and in particular, the second leak return line is Branching off from the second end of the internal chamber, in particular the second cylinder internal chamber starts from the second end of the internal chamber. In other words, the two cylinders are provided on both sides of the linear motor, so that the medium is sucked into the internal cylinder chamber and the medium is discharged from the other cylinder inner chamber.

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。   Accordingly, the position of the first and / or second piston is preferably used in order to be able to influence the movement of the piston and in particular to be able to control the stroke of the first and second piston. A position detecting means for detecting is provided. Here, a sensorless method may be applied. In these methods, for example, position-specific inductance characteristics resulting from structural conditions in the vertical and horizontal directions that are the central axis of the linear motor are used. Furthermore, the method according to EP 1746718 or WO1992019038 may be applied.

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。   According to an embodiment of the present invention, the position detecting means includes a distance sensor connected to the first or second piston, and the distance sensor forms a first magnetic field ( The distance sensor may be formed by a magnet, for example, and a measuring element (which has a pressure-resistant rod, for example) is disposed or attached in a magnetic body that can be elastically deformed. The distance sensor is here configured such that a longitudinal magnetic field is formed in the measuring element. Furthermore, the position detecting means is configured such that a current signal can be applied by the measuring element, whereby a second magnetic field is formed around the measuring element in the radial direction. When the two magnetic fields overlap, the magnetic material is deformed, whereby a torsional wave is formed by the measuring element. This is detected by the position detecting means. The position of the piston is inferred along with the position of the distance sensor via the time difference between the current pulse and the arrival of the torsional wave.

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。   Furthermore, the object of the invention is solved by the method according to the invention, in particular using a piston compressor according to the invention to compress a cryogenic fluid medium, in particular a cryogenic fluid medium in the form of hydrogen. In this case, according to the present invention, the medium is compressed using at least the first piston in the first cylinder inner chamber, wherein a part of the medium (also referred to as a leaking medium) It reaches the interior chamber of the housing through the gap and flows around the mover and in particular the stator, in particular the permanent magnet is protected from the medium by the permanent magnet coating, in particular from hydrogenation and embrittlement. The

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。   According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the medium compressed in the first cylinder inner chamber is discharged from the first cylinder inner chamber and a second piston is used in the second cylinder inner chamber. In this case, in particular, only a part of the medium from the second cylinder inner chamber reaches the inner chamber of the housing via the second gap, where it flows around the mover, in particular the stator. Also flows around.

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。   More preferably, the medium that has reached the internal chamber is returned to the inlet of the first cylinder head via the first leakage return line and / or the second leakage return line. Thereby, the internal chamber of the housing is pressure-loaded or pressurized as described above, allowing the leakage medium to return to the inlet of the first cylinder head (the first compression stage of the piston compressor).

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。   More preferably, as already described above, the position of the mover and the positions of the first and / or second pistons are preferably detected, and in particular, detected by the position detecting means described above. Preferably, the stroke of the first and / or the second piston is controlled such that the dead space in the first and / or second cylinder internal chamber is reduced, thereby increasing the efficiency of the piston compressor. Rises. In this case, each dead space is a volume defined by the end surface side of each piston together with the inner peripheral surface of each cylinder and the inside facing each piston of each cylinder head. When this dead space has disappeared, the piston or its end face comes into contact with each cylinder head.

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。   According to a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the first medium is supplied in liquid form to the piston compressor, typically just before being introduced into the first cylinder internal chamber. In this case, the ambient heat and / or the waste heat of the linear motor are preferably used for vaporizing the medium.

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。   For compression purposes, the intake temperature of the medium to be compressed is just above the corresponding intake pressure equilibrium point. In addition to the liquid supply, a gaseous cryogenic supply is also possible, in which case the medium to be compressed is conveyed from the medium source into the first cylinder internal chamber at a gaseous cryogenic temperature.

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。   Further features and advantages of the invention will become apparent in the following description of embodiments of the invention based on the drawings.

本発明に係るピストン式圧縮機の部分断面図Partial sectional view of a piston compressor according to the present invention 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Further partial sectional view of the piston type compressor according to the present invention shown in FIG.

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。
FIG. 1 shows a piston compressor 1 according to the present invention in connection with FIG. The piston compressor 1 includes a linear motor 10 having a stator and a mover 20 that can reciprocate along a longitudinal axis L by the stator. This stator interacts with the permanent magnet P of the mover 20 to generate a magnetic field, and the mover reciprocates along the longitudinal axis L by this magnetic field. In the present invention, the stator and the mover 20 of the linear motor 10 configured as a cylindrical linear motor are disposed in the housing 11 of the linear motor 10, and the housing 11 is an internal chamber 100 of the linear motor 10. Is defined. The piston compressor 1 includes a first cylinder 30 and a second cylinder 70 along the longitudinal axis L on both sides of the housing 11, and these cylinders 30, 70 are connected to the first cylinder inner chamber 300 or the second cylinder 70. Two cylinder internal chambers 700 are enclosed. These two cylinder inner chambers 300, 700 start along the longitudinal axis L from the first end 100 a or the second end 100 b of the inner chamber 100 of the housing 11. These two end portions 100a and 100b oppose each other along the longitudinal axis L.

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。   In the first cylinder inner chamber 300, the first piston 31 slides. Here, the first piston 31 and the first cylinder inner chamber 300 facing the first piston 31 are arranged. A circumferential gap S is formed between the inner side and the inner side, and this gap S is sealed by at least one, preferably a plurality of, in particular slit (groove) seals 32. The seal 32 is hermetically sealed in dynamic operation, but is not hermetically sealed in a static state. This type of slit-like seal 32 is characterized in particular by having separation characteristics that can occur at one point due to a parallel, skewed or three-dimensional separation section with respect to the cylindrical axis of the seal. The seal 32 is configured with such separation characteristics, or separation characteristics occur after formation of the seal 32.

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。   In a similar manner, a second piston 71 slides in the second cylinder inner chamber 700, and this second piston 71 also has at least one, preferably a plurality of particularly slit-shaped seals 72 together with the second piston 71. The second piston 71 abuts against the inner surface of the second cylinder 70, whereby a second circumferential gap S ′ between the second piston 71 and the inner surface 700 a of the second cylinder 70 is formed. Sealed.

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。   The two pistons 31 and 71 of the compression stage thus formed reciprocate along the longitudinal axis L between the turning points in the two cylinders 30 and 70 during operation, and the cylindrical linear motor 10 The piston rod or the device on the mover 20 is centered and restrained. Here, one centering adapter 21, 23 is placed on each free end of the mover 20. Each of these centering adapters 21 and 23 has a screw thread. The opposing rings 22, 24 are provided with corresponding opposing threads, and are screwed to the corresponding centering adapters 21, 23, respectively. In this case, the centering adapters 21 and 23 are screwed to the mover 20 on the one hand, and the pistons 31 and 71 are clamped between the centering adapters 21 and 23 and the opposing rings 22 and 24, thereby moving. A firm joint is formed between the child 20 and the pistons 31 and 71.

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。   Here, the second piston 71 is divided into two parts, and has two sections 710 and 720. Here, the first section 710 is fixed to the movable element 20, and in detail, is fixed through the centering adapter 23 and the corresponding counter ring 24, and the second section of the second piston 71 is further fixed. 720 refers from the internal chamber 100 to the second cylinder 70, where the medium M sucked into the second cylinder internal chamber 700 is compressed.

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。   The two cylinders 30 and 70 are sealed on the end face side by the first or second cylinder heads 40 and 80, respectively, through which the medium M to be compressed is introduced into the cylinders 30 and 70, Furthermore, it discharges | releases from each cylinder compression part.

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。   Further, the cylinders 30 and 70 are respectively centered with respect to each flange 12 via the centering surface of the flange 12, and in this case, each flange 12 is also centered with respect to the housing 11 of the linear motor 10 via the centering surface. The two flanges 12 are respectively screwed to the housing 11 on the end face side, whereby the cylinders 30 and 70 are also fixed to the housing 11. In this case, the housing 11 or the cylinders 30, 70 are sealed against the surrounding environment via one static seal in the form of O-rings 101, 102 arranged between the flange 12 and the housing 11, respectively. As a result, the housing 11 becomes pressure-resistant and airtight. The linear motor 10 itself is fixed to each installation surface via the flange mount 13 of the housing 11.

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。   Furthermore, each piston 31, 71 has an annular guide belt 33, 73 in the circumferential direction at each piston for receiving radial stress. As already described, under the swinging motion of the two pistons 31 and 71, a part of the medium M existing in each of the cylinder inner chambers 300 and 700 passes through the gaps S and S ′ described above to the housing 11. Can reach into the internal chamber 100. In this case, this seal leak is returned to the inlet side of the piston compressor 1 via first and second leak return lines 51, 52 in the form of conduits. In this case, the first leak return pipe 51 branches off from the first end 100 a of the internal chamber 100 and is in fluid communication with the supply path 61. The medium M to be compressed can be supplied to the suction port 41 of the first cylinder head 40 via the supply path 61. This suction port 41 can be closed via a valve in the form of a suction valve 410. The stator and the movable element 20 of the linear motor 10 are loaded with a pressure corresponding to the pressure on the inlet side of the piston compressor 1 at the suction port 41 by the pressure-tight sealing structure and the above-described leakage return configuration. The leakage gas M 'flows correspondingly around the stator and the mover 20, and heat is transferred to the leakage gas M' during operation. In the first cylinder inner chamber 300, the medium M compressed using the first piston 31 is discharged through the discharge port 42 of the first cylinder head 40, and the discharge port 42 is closed by the discharge valve 420. Is possible.

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。   The first cylinder head 40 including the intake and discharge valves 410 and 420 is disposed at one end of the first cylinder 30 and is connected to the cylinder via a coupling ring (union nut) of the first cylinder 30. Screw fixed. Similarly, the opposite end of the second cylinder 70 of the second cylinder head 80 is also fixed by a coupling ring. In this case, the second cylinder head 80 also has a suction port 81 and a discharge port 82, which can be closed using a suction valve 810 or a discharge valve 820. From the discharge port 42 of the first cylinder head 40, a connection pipe (not shown) is connected to the suction port 81 of the second cylinder head 80. In this case, the supply path 61 and this connection pipe are Preferably each is heat-insulated.

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。   When compressing the hydrogen-containing medium M, the permanent magnet P of the linear motor 10 must be protected from hydrogen molecules. The high-performance magnet used in the high-performance linear motor 10 is preferably made of a compound containing a neodymium-iron-boron element. In this case, neodymium is a rare earth metal. Rare earths are applied to metal hydrides for hydrogen storage. The adsorption action utilized in this case and the subsequent deposition of hydrogen atoms in the metal lattice are not particularly desirable in the linear motor 10 and may permanently destroy the permanent magnet P. Protecting the permanent magnet P from such hydrogen deposition is preferably done by a nickel-copper-nickel coating of the permanent magnet P.

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。   The positioning of the two pistons 31, 71 in the corresponding cylinder interior chamber 300, 700 is preferably performed via the position detection means 90. This position detection means 90 may be an appropriate distance measurement system or a sensorless control system. As a result, according to the drive invention using the cylindrical linear motor 10, it is possible to perform a high degree of dynamic intervention in the course of movement of the piston compressor 1 during the compression process, and thus the piston compressor 1 can be changed. It is possible to perform stroke adaptation adjustment according to the length change caused by the configuration and thermal expansion. In addition, the adjustment of the piston stroke adjustment of the pistons 31 and 71 also realizes the minimization of the dead space. This also has a positive effect on the discharge capacity of the piston compressor 1.

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。   The compression of the gaseous cryogenic medium M, particularly the medium M in the form of hydrogen, using the piston compressor 1 according to the present invention is preferably carried out as follows. That is, the hydrogen M is sucked into the first compression chamber or the first cylinder inner chamber 300 through the supply passage 61 which is suitably insulated from the hydrogen supply portion, through the suction valve 410 of the first cylinder head 40. In the next cycle, the sucked-in hydrogen M is compressed by the first piston 31 (in this case, the first piston 31 moves toward the first cylinder head 40). It is discharged through the discharge valve 410. The discharged and compressed gaseous medium M is sucked in through the suction valve 810 of the second cylinder head 80 of the second compression stage via the above-mentioned connecting pipe which is preferably insulated, and continues. Compressed by the corresponding movement of the second piston 71 in the second cylinder internal chamber 700 and discharged through the discharge valve 820. For hydrogen, this increase in pressure again leads to an increase in density. Based on the configuration, the first stage compression and the second stage inhalation are performed reversibly at the same time.

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。   The compression at the low temperature level according to the present invention results in a slight enthalpy difference of the medium M from the inhaled state to the compressed state compared to a higher temperature process using an equivalent pressure potential (eg, gas at room temperature). That means the same way. This reduces the amount of work required for compression, which appears as an extreme reduction in power demand.

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。   The compression at a low temperature level according to the present invention eliminates the need for heat exchange in the intervening path. This is because the temperature of the intervening path remains below the ambient temperature normally detected at the place of use, following the temperature rise based on the compression process by the first compression stage.

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。   The compression at the cold level according to the invention is further associated with a high specific density of the medium M, whereby a relatively particularly high discharge capacity is achieved for a pure gas compressor.

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。   The preferred fully enclosed structure of the piston compressor system 1 eliminates the need for dynamic sealing of the movable member with respect to the surrounding environment. This makes it possible to take advantage of the technical advantages of known static seals.

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。   Furthermore, the completely sealed structure of the piston type compressor system 1 can also contain contamination of the housing 11 by ambient air. This is achieved by the housing 11 being always loaded with an excess pressure corresponding to the inlet pressure of the first compression stage. This allows the gas leakage medium M 'of the dynamic piston seals 32, 72 to return into the intake pipe or cylinder internal chamber 300, 700.

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。   The above-described device for fixing the piston in the linear motor piston rod or the so-called movable element 20 enables easy replacement of the two pistons 31 and 71 in maintenance. Furthermore, simultaneously with the adaptation of the cylinder diameter, it is possible to change the piston diameter in order to obtain a higher final compression pressure or to improve the discharge capacity.

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。   In the compression station 1 supplied in a liquid state, it is also possible to absorb evaporative gas generated in the tank as a result of heat input and reuse it for compression.

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。   Despite the high discharge capacity achievable due to the process of the compressor system 1, the required space is maintained slightly compared to conventional gas compressor systems.

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。   The above-described compressor system 1 can be advantageously operated both in the horizontal direction and in the vertical direction.

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。   According to one embodiment of the piston compressor 1 for hydrogen compression, it is proposed that the first piston 31 has a diameter of 42 mm and the second piston 71 has a diameter of 16 mm. The frequency of the piston motion is preferably 10 Hz in this case, and the mass flow rate of the working medium M is preferably 10 kg / h, and the inertial force or inertial mass (moving element 20, centering adapters 21, 23, opposing) The combined stress from the individual oscillating inertia forces of the oscillating members such as the rings 22 and 24, the pistons 31 and 71, the seals 32 and 72, and the guide bands 33 and 73) is preferably 50 kg. The stroke of the pistons 31 and 71 is preferably 120 mm. Piston motion preferably fills a sine function. The resulting compression force is 10 kN, and the footprint of the compressor 1, that is, the projected area in plan view, is about 2.5 m × 1 m. The maximum capacity that can be achieved by the linear motor 10 is 13.8 kN, and the maximum speed that can be achieved by the linear motor 10 is 4.1 m / s. The rated output of the linear motor 10 is 26.6 kW.

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。   Hydrogen is preferably supplied and compressed in the first cylinder inner chamber 300 at a temperature of 60K and a pressure of 6 bar in this case and discharged at a temperature of 184K and a pressure of 133 bar and compressed in the second cylinder inner chamber 700. The Here it is compressed again and discharged at a temperature of 288 K and a pressure of 600 bar.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piston type compressor 10 Linear motor 11 Housing 12 Flange 13 Flange 20 Movable element 21 Centering adapter 22 Opposed ring 23 Centering adapter 24 Opposed ring 30 1st cylinder 31 1st piston 32 Seal 33 Guide belt 40 1st cylinder head 41 Suction Port 42 Discharge Port 51 First Leak Return Pipe Line 52 Second Leak Return Pipe Line 61 Supply Path 70 Second Cylinder 71 Second Piston 72 Seal 73 Guide Belt 80 Second Cylinder Head 81 Suction Port 82 Discharge port 90 Position detection means 91 Distance sensor 92 Measuring element 100 Internal chamber 100a First end portion 100b Second end portion 101 O-ring 102 O-ring 300 First cylinder internal chamber 300a Inner surface 400 Housing 410 Lube (inlet valve)
420 Valve (Discharge valve)
700 Second cylinder inner chamber 700a Inner surface 810 Valve (suction valve)
820 Valve (Discharge valve)
M medium (eg hydrogen)
M 'Leakage medium P Permanent magnet (mover)
B coating L longitudinal axis S first gap S 'second gap

Claims (12)

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。
A piston compressor that compresses a cryogenic fluid medium, in particular a cryogenic fluid medium in the form of hydrogen, wherein the piston compressor is
A linear motor (10);
A housing (11) of the linear motor (10);
A first cylinder (30) connected to the housing (11);
A first cylinder head (40) of the first cylinder (30);
A first piston (31),
The linear motor (10) has a stator and a mover (20) including a permanent magnet (P), and the stator forms a magnetic field for driving the mover (20). So that the mover (20) is relative to the stator along a longitudinal axis (L) extending along the mover (20). Reciprocating,
The housing (11) defines an internal chamber (100) in which the mover (20) and the stator are disposed,
The first cylinder (30) defines a first cylinder inner chamber (300) starting from the inner chamber (100);
The first cylinder head (40) has a suction port (41) and a discharge port (42), and the medium (M) is passed through the suction port (41) to the first cylinder internal chamber. (300) can be introduced, and the compressed medium (M) can be discharged from the first cylinder inner chamber (300) through the discharge port (42).
The first piston (31) protrudes into the first cylinder inner chamber (300), extends along the longitudinal axis (L), and is joined to the mover (20). Thus, the first piston (31) reciprocates along the longitudinal axis (L) in conjunction with the mover (20). At this time, the first piston (31) When one piston (31) moves in the direction of the first cylinder head (40), the medium (M) existing in the first cylinder inner chamber (300) is compressed. In the piston type compressor,
A first circumferential gap (S) between the first piston (31) and the inner surface (300a) of the first cylinder (30) facing the first piston (31), It is sealed as follows by at least one seal (32) provided on the first piston (31), that is, the medium (M ′) from the first cylinder inner chamber (300) is Is sealed to such an extent that it reaches the internal chamber (100) of the housing (11) through the first gap (S) and flows around the mover (20),
For protection from the medium (M ′), in particular for protection from hydrogenation when the medium (M ′) is in the form of hydrogen, a coating (B) is applied to the permanent magnet (P). A piston type compressor characterized by that.
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NdFe14Bの組成を有している、請求項1記載のピストン式圧縮機。 The permanent magnet (P) is neodymium has an alloy containing iron and boron, in particular Nd 2 Fe 14 has a composition of B, the piston type compressor according to claim 1. 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。
Said coating (B) comprises the following coatings:
A nickel-copper-nickel coating, the coating comprising at least one nickel layer, a laminated copper layer, a laminated nickel layer, and in particular the total coating thickness is in the range of 3 μm to 500 μm Coating,
A coating containing aluminum oxide, tungsten, molybdenum, gold, platinum, chromium, cadmium, tin, aluminum, tungsten and molybdenum, or a nickel-aluminum compound,
Or
A coating comprising at least one oxide of a permanent magnet material, preferably a coating formed by contacting oxygen with a permanent magnet;
The piston type compressor according to claim 1 or 2.
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。   The internal chamber (100) is in fluid communication with a supply path (61) to a suction port (41) in the first cylinder head (40) via a first leak return pipe (51). Thereby, the internal chamber (100) is pressurized with a pressure corresponding to the pressure in the supply passage (61), and in this case, in particular, the first leak return pipe (51) is connected to the internal chamber (100). ) From the first end (100a), in particular the first cylinder inner chamber (300) starts from the first end (100a) of the inner chamber (100), The piston type compressor according to any one of claims 1 to 3. 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。
The piston compressor (1) further includes:
A second cylinder (70) connected to the housing (11);
A second cylinder head (80) of the second cylinder (70);
A second piston (71),
The second cylinder (70) defines a second cylinder inner chamber (700) starting from the inner chamber (100);
The second cylinder head (80) has a suction port (81) and a discharge port (82), and the medium (M) passes through the suction port (81) and the medium (M) is in the second cylinder internal chamber. (700) and the compressed medium (M) can be discharged from the second cylinder internal chamber (700) via the discharge port (82);
The second piston (71) protrudes into the second cylinder inner chamber (700), extends along the longitudinal axis (L), and is coupled to the mover (20). Accordingly, the second piston (71) reciprocates along the longitudinal axis (L) in conjunction with the mover (20). At this time, the second piston (71) When the second piston (71) moves in the direction of the second cylinder head (80), the medium (M) existing in the second cylinder inner chamber (700) is compressed. And, more particularly, a second circumferential gap between the second piston (71) and the inner surface (700a) of the second cylinder (70) facing the second piston (71) ( S ′) is provided on the second piston (71). The at least one seal (72) is sealed as follows, that is, the medium (M ′) from the second cylinder inner chamber (700) is in contact with the second gap (S ′). The piston according to any one of claims 1 to 4, wherein the piston is sealed to such an extent that it reaches the internal chamber (100) of the housing (11) through and flows around the mover (20). Type compressor.
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。   The internal chamber (100) is in fluid communication with a supply path (61) to an inlet (41) in the first cylinder head (40) via a second leak return pipe (52). In particular, the second leak return line (52) branches off from the second end (100b) of the internal chamber (100), and in particular the second cylinder internal chamber (700) 6. A piston compressor according to claim 4 or 5, starting from the second end (100b) of an internal chamber (100). 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。   Position detecting means (90) for detecting the position of the first and / or the second piston (31, 71) is provided, and in particular, the position detecting means (90) is the first or the second. A distance sensor (91) connected to the pistons (31, 71), the distance sensor (91) forms a first magnetic field and the reciprocating motion of the mover (20). And is configured to move along a measuring element (92) that moves along the longitudinal axis (L) within the internal chamber (100), the measuring element (92) being elastically deformable. The position detecting means (90) generates a second magnetic field around the second measuring element (92) by applying a current signal to the second measuring element (92). Is configured to be formed and thereby A torsional wave is formed in the elastically deformable magnetic body based on the interaction of two magnetic fields. In this case, the position detecting means (90) detects the torsional wave and applies the current signal and the torsional wave. The piston type compressor according to any one of claims 1 to 6, wherein the piston type compressor is configured to detect the position based on a time difference from detection of a wave. 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。
A method for compressing a cryogenic fluid medium, in particular a cryogenic fluid medium in the form of hydrogen, using the piston compressor (1) according to any one of claims 1 to 7,
The medium (M) is compressed using at least a first piston (31) in at least a first cylinder inner chamber (300), wherein a part of the medium (M ′) is a first gap ( Through S) to the interior chamber (100) of the housing (11) and flow around the mover (20), in particular the permanent magnet (P) by the coating (B) of the permanent magnet (P) A method characterized in that it is protected from said medium (M '), in particular from hydrogenation when said medium (M') is in the form of hydrogen.
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。   The medium (M) compressed in the first cylinder inner chamber (300) is discharged from the first cylinder inner chamber (300), and the second piston in the second cylinder inner chamber (700). (71), in which case a part of the medium (M ′) from the second cylinder internal chamber (700) in particular in the housing (11) via the second gap (S ′). The method according to claim 8, wherein the method reaches into the inner chamber (100) and flows around the mover (20). 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。   The medium (M ′) that has reached the internal chamber (100) passes through the first cylinder head (40) via the first leakage return line (51) and / or the second leakage return line (52). 10. The method according to claim 8 or 9, wherein the inlet is returned to the inlet (41). 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。   The position of the mover (20) and the position of the first and / or second pistons (31, 71) are detected, especially in the first and / or second cylinder internal chambers (300, 700). 11. The method according to claim 8, wherein a stroke of the first and / or the second piston is controlled such that a dead space is reduced. 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。   The medium (M) is supplied in liquid form to the piston compressor (1) and is transferred to a gaseous state before being introduced into the first cylinder internal chamber (300), in particular 12. The method according to any one of claims 8 to 11, wherein ambient heat and / or waste heat of the linear motor (10) are used for vaporizing the medium.
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