JP2017020500A - 往復動圧縮機及び水素供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】高い効率で動作できる往復動圧縮機を提供する。
【解決手段】本開示の往復動圧縮機１０ａは、シリンダ１０１と、ピストン１０２と、ガスを圧縮するための空間１０３と、圧縮されたガスを空間１０３から吐出するための吐出孔１０４と、吐出バルブ１０５と、ガスとは異なる種類の物質の液体１０７を供給するための給液孔１０８とを備える。シリンダ１０１は、重力方向に延びる軸線を有する。ピストン１０２は、シリンダ１０１の内部において軸線に沿って往復動可能に配置されている。空間１０３は、ピストン１０２より上方においてシリンダ１０１の内周面及びピストン１０２によって囲まれて形成されている。シリンダ１０１の内周面は、ストレート部１０６ａと、絞り部１０６ｂとを含む。絞り部１０６ｂは、吐出バルブ１０５に向かってシリンダ１０１の内径が縮小するように形成されている。
【選択図】図１

Description

本開示は、往復動圧縮機及び水素供給システムに関する。

従来、ガスを圧縮するための機械として往復動圧縮機が知られている。例えば、シリンダ、ピストン、吸気弁、及び排気弁を備えた往復動圧縮機が知られている。

図５Ａに示すように、特許文献１には、往復動圧縮機３００が記載されている。往復動圧縮機３００は、シリンダ３０４、ピストン３１２、吸気弁３０６ａ、排気弁３０６ｂ、クランク機構３０８、複数のピストンリング３１４、オイルパッキン３１８、及びロッドパッキン３２１を備えている。往復動圧縮機３００は、水素ガスを超高圧に圧縮するために用いられる。ピストンリング３１４は、弾性を有する材料によって形成されており、ピストン３１２に外嵌されている。ピストンリング３１４がピストン３１２に外嵌されてシリンダ３０４の内部に挿入された状態では、ピストンリング３１４の外周部がシリンダ３０４の内周面に摺接する。これにより、ピストンリング３１４は、ピストン３１２によって超高圧に圧縮されたガスが圧縮室からシリンダ３０４の内周面とピストン３１２の外周面との間の隙間を通じて漏出することを防止している。ピストン３１２は、ピストン３１２の軸方向に摺動可能な状態でロッドパッキン３２１に挿通されている。ロッドパッキン３２１は、シリンダ３０４からのガス漏れを防止している。

図５Ｂに示すように、特許文献２には、圧縮機５００が記載されている。圧縮機５００は、シリンダ５０１、液圧ピストン５０４、ピストンダミー５０５、吸入弁５０６、及び吐出弁５０７を備えている。圧縮機５００は、例えば、水素及び天然ガスなどのガス状媒質を圧縮する目的で使用される。シリンダ５０１の内部にはピストン室５０２が形成されており、ピストン室５０２の内部に液体５０３が配置されている。液体５０３は、好ましくはイオン性液体である。ピストンダミー５０５は液体５０３の中に配置され、ピストンダミー５０５の周囲を液体５０３が循環している。圧縮行程の間、液体５０３はピストンダミー５０５と共に上に向かって動かされる。ピストンダミー５０５の輪郭はシリンダ５０１の内部空間の頂部領域の形状と合致している。このため、ピストンダミー５０５が上死点に接近する時に、ピストンダミー５０５及びピストン室５０２によって環状の隙間５０８が形成され、環状の隙間５０８において液体５０３の加速が実現される。液体５０３の加速によって、液体５０３が冷却されるべきシリンダヘッドに長時間接触できる。加えて、環状の隙間５０８内で液体５０３が加速されるので、液体５０３内に乱流が形成され、その乱流による冷却効果がもたらされる。

特開２０１４−２１４６９５号公報 特表２０１２−５２６９４０号公報

特許文献１に記載の往復動圧縮機３００及び特許文献２に記載の圧縮機５００は、動作時の効率を高める観点から改良の余地を有する。そこで、本開示は、動作時に高い効率を有する往復動圧縮機を提供する。

本開示は、
重力方向に延びる軸線を有するシリンダと、
前記シリンダの内部において前記軸線に沿って往復動可能に配置されたピストンと、
前記ピストンより上方において前記シリンダの内周面及び前記ピストンによって囲まれて形成された、ガスを圧縮するための空間と、
前記空間の上方に位置し、前記空間において圧縮された前記ガスを前記空間から吐出するための吐出孔と、
前記吐出孔より上方に位置し、前記吐出孔から前記ガスが吐出されるときに開く吐出バルブと、
前記ピストンより上方に位置し、動作時に前記空間に前記ガスとは異なる種類の物質の液体が所定の量収容されるように前記空間に前記液体を供給するための給液孔と、を備え、
前記シリンダの前記内周面は、前記軸線が延びる方向において、前記ピストンの下死点から、前記ピストンの上死点よりも上方かつ前記吐出孔よりも下方に位置する特定の位置まで前記軸線に平行に延びているストレート部と、前記軸線が延びる方向において前記特定の位置から前記吐出バルブに向かって前記シリンダの内径が縮小するように形成されている絞り部とを含む、
往復動圧縮機を提供する。

上記の往復動圧縮機は、高い効率で動作できる。

本開示の実施形態に係る往復動圧縮機の動作を示す断面図 本開示の実施形態に係る往復動圧縮機を示す構成図 変形例に係る往復動圧縮機を示す断面図 図１に示す往復動圧縮機を備えた水素供給システムの構成図 図１に示す往復動圧縮機を備えた別の水素供給システムの構成図 従来の往復動圧縮機を示す断面図 別の従来の圧縮機を示す断面図

ピストンリング３１４及びロッドパッキン３２１がシリンダ３０４の内周面又はピストン３１２の外周面と摺動するため、摩擦損失が大きい。このため、往復動圧縮機３００の動作時の効率は低い。また、ピストンリング３１４及びロッドパッキン３２１の摩耗によってガスの漏れが発生する可能性があり、ピストンリング３１４及びロッドパッキン３２１は定期的に交換される必要がある。このため、往復動圧縮機３００のメンテナンスのためのコストは高い。さらに、ピストン３１２の上死点から排出弁３０６ｂまでのシリンダ３０４の内部空間にガスが残存し、このガスが吸入行程において膨張する。これにより、ガスの吸入が十分に行えず、膨張したガスを再び圧縮するので外部に対して無効な仕事が発生する。このため、往復動圧縮機３００の動作時の効率は低い。

ピストンダミー５０５が上死点にあるとき、環状の隙間５０８において液体５０３の加速が実現される。しかし、ピストンダミー５０５の上死点から吐出弁５０７までのシリンダ５０１の内部空間の一部にはガスが残存する可能性がある。特に、環状の隙間５０８内で液体５０３が加速されて液体５０３内に乱流が形成されるので、液体５０３の液面が乱れてシリンダ５０１の内部空間の一部にガスが残存する可能性が高い。残存したガスは、吸入行程において膨張してガスの吸入が十分に行えず、膨張したガスを再び圧縮するので外部に対して無効な仕事が発生する。その結果、圧縮機５００の動作時の効率が低くなる。

本開示の第１態様は、
重力方向に延びる軸線を有するシリンダと、
前記シリンダの内部において前記軸線に沿って往復動可能に配置されたピストンと、
前記ピストンより上方において前記シリンダの内周面及び前記ピストンによって囲まれて形成された、ガスを圧縮するための空間と、
前記空間の上方に位置し、前記空間において圧縮された前記ガスを前記空間から吐出するための吐出孔と、
前記吐出孔より上方に位置し、前記吐出孔から前記ガスが吐出されるときに開く吐出バルブと、
前記ピストンより上方に位置し、動作時に前記空間に前記ガスとは異なる種類の物質の液体が所定の量収容されるように前記空間に前記液体を供給するための給液孔と、を備え、
前記シリンダの前記内周面は、前記軸線が延びる方向において、前記ピストンの下死点から、前記ピストンの上死点よりも上方かつ前記吐出孔よりも下方に位置する特定の位置まで前記軸線に平行に延びているストレート部と、前記軸線が延びる方向において前記特定の位置から前記吐出バルブに向かって前記シリンダの内径が縮小するように形成されている絞り部とを含む、
往復動圧縮機を提供する。

第１態様によれば、シリンダが重力方向に延びる軸線を有し、ガスとは異なる種類の物質の液体が往復動圧縮機の動作時にガスを圧縮するための空間に所定の量収容されている。このため、ガスはその空間に収容されている液体よりも上方に存在する。これにより、シリンダの内周面とピストンとの間に多数のシール部材を設けなくても、シリンダの内周面とピストンとの間の隙間からのガスの漏れを抑制できる。その結果、往復動圧縮機は動作時に高い効率を有する。また、往復動圧縮機の動作時に、ガスを圧縮するための空間に、ガスとは異なる種類の物質の液体が給液孔を通って供給される。このため、ピストンが上死点に近づくときに、ピストンの上死点から吐出バルブまでの空間にガスがほとんど残らないように、液体によってガスを押し出してその空間から排出させることができる。これにより、残存したガスの膨張及び再圧縮に伴う外部に対する無効な仕事を低減できるので、往復動圧縮機は動作時に高い効率を有する。さらに、シリンダの内周面は、ピストンの上死点よりも上方かつ吐出孔よりも下方に位置する特定の位置から吐出バルブに向かってシリンダの内径が縮小するように形成されている絞り部を含む。このため、ピストンが上死点に近づくときに、絞り部によって液体が吐出バルブまでスムーズに導かれる。これにより、液体の衝突による局所的な異常圧力上昇を抑制できる。また、ピストンの下死点から、ピストンの上死点よりも上方かつ吐出孔よりも下方に位置する特定の位置までストレート部が形成され、かつ、絞り部がストレート部よりも上方に位置するので、上死点の状態に至るまでに液面が次第に小さくなるため、液体の液面が乱れにくくガスの残存を抑制できる。その結果、往復動圧縮機は動作時に高い効率を有する。

本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記絞り部は、前記軸線が延びる方向において前記特定の位置から前記吐出孔まで前記シリンダの内径が連続的に減少するように形成されている、往復動圧縮機を提供する。第２態様によれば、ピストンが上死点に近づくときに、より確実に、絞り部によって液体が吐出バルブまでスムーズに導かれる。これにより、より確実に、液体の衝突による局所的な異常圧力上昇を抑制できる。

本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様に加えて、前記絞り部は、前記軸線が延びる方向において前記特定の位置から前記吐出孔の前記吐出バルブ側の端部まで前記シリンダの内径が連続的に減少するように形成されている、往復動圧縮機を提供する。第３態様によれば、ピストンが上死点に近づくときに、より確実に、絞り部によって液体が吐出バルブまでスムーズに導かれる。これにより、より確実に、液体の衝突による局所的な異常圧力上昇を抑制できる。

本開示の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記ピストンより上方に位置し、前記空間において圧縮されるべき前記ガスを前記空間に供給するための吸気孔と、前記吸気孔より下方に位置し、前記吸気孔から前記空間に前記ガスが供給されるときに開く吸入バルブと、をさらに備え、前記吸入バルブは、前記軸線が延びる方向において前記ピストンの上死点と前記吐出孔との間に配置されている、往復動圧縮機を提供する。第４態様によれば、ガスを圧縮するための空間における吸気孔の周辺にガスが残存することを防止できる。

本開示の第５態様は、第４態様に加えて、前記吸気孔が前記給液孔を兼ねている、往復動圧縮機を提供する。第５態様によれば、液体が吸気孔を通ってガスを圧縮するための空間に供給されるので、その空間からのガス漏れを引き起こす可能性のある流路をできるだけ少なくしつつ液体をその空間に供給できる。

本開示の第６態様は、第１態様〜第５態様のいずれか１つの態様に加えて、前記吐出孔から排出された前記液体の少なくとも一部が貯留されるように前記吐出バルブから上方に延びている貯留空間をさらに備えた、往復動圧縮機を提供する。第６態様によれば、貯留空間に液体の少なくとも一部が貯留されることによって、吐出バルブを通過したガスが逆流することを防止できる。これにより、往復動圧縮機の性能を高めることができる。

本開示の第７態様は、第１態様〜第６態様のいずれか１つの態様に加えて、前記ピストンの下端部に配置され、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間の隙間をシールするシール部材をさらに備え、前記軸線が延びる方向に前記シール部材から前記ピストンの上端まで前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間に連続的に形成されたクリアランスを有する、往復動圧縮機を提供する。第７態様によれば、シール部材によって、ピストンの外周面とシリンダの内周面との間の隙間から液体が漏れることを抑制できる。特に、往復動圧縮機の動作が停止しているときに液体の漏れを抑制できる。また、シール部材からピストンの上端までピストンの外周面とシリンダの内周面との間に連続的にクリアランスが形成されるので、ピストンの外周面とシリンダの内周面との間の摩擦損失を低減できる。その結果、往復動圧縮機は動作時に高い効率を有する。

本開示の第８態様は、第１態様〜第７態様のいずれか１つの態様に加えて、前記液体は、当該往復動圧縮機の動作時に大気圧以下の蒸気圧を有する液体である、往復動圧縮機を提供する。第８態様によれば、ガスを圧縮するための空間に供給されるガスの圧力が大気圧であったとしても、液体の蒸気圧がガスの圧力を超えないので、沸騰などの急激な蒸発が液体に発生することが抑制され、液体が気化することによって発生したガスを圧縮するという無駄な仕事を低減できる。このため、往復動圧縮機は動作時に高い効率を有する。

本開示の第９態様は、第１態様〜第８態様のいずれか１つの態様に加えて、前記ガスとは異なる種類の物質の蒸気を含む前記給液孔を通過すべき流体を冷却して前記蒸気を凝縮させる冷却器、又は、前記給液孔を通過すべき流体に前記液体が含まれるように前記液体を給液するための給液路を備えた、往復動圧縮機を提供する。第９態様によれば、冷却器における蒸気の凝縮によって発生した液体又は給液路を通って給液された液体を、給液孔を通過させてガスを圧縮するための空間に供給できる。また、冷却器における冷却能力又は給液路における液体の流量を調整することによって、給液孔を通過してガスを圧縮するための空間に供給される液体の量を調整できる。

本開示の第１０態様は、前記ガスとして水素が使用され、かつ、前記液体として水が使用される、第１態様〜第９態様のいずれか１つの態様の往復動圧縮機と、
炭化水素ガスを改質して前記往復動圧縮機の前記空間に供給されるべき水素を含む供給ガスを生成する水素生成装置と、
前記供給ガスを冷却して前記供給ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部を凝縮させる冷却器又は前記往復動圧縮機の前記空間に向かって流れる前記供給ガスの流れに液体の水が混じるように給水するための給水路と、を備えた、
水素供給システムを提供する。

第１０態様によれば、往復動圧縮機において使用される液体として、冷却器によって水蒸気を凝縮させることにより得られた水又は給水路によって給水された水を用いて水素を圧縮できる。

本開示の第１１態様は、第１０態様に加えて、前記往復動圧縮機は、前記冷却器又は前記給水路を備える、水素供給システムを提供する。

本開示の第１２態様は、
重力方向に延びる軸線を有するシリンダと、
前記シリンダの内部において前記軸線に沿って往復動可能に配置されたピストンと、
前記ピストンより上方において前記シリンダの内周面及び前記ピストンによって囲まれて形成された、ガスを圧縮するための空間と、
前記空間の上方に位置し、前記空間において圧縮された前記ガスを前記空間から吐出するための吐出孔と、
前記吐出孔より上方に位置し、前記吐出孔から前記ガスが吐出されるときに開く吐出バルブと、
前記ピストンより上方に位置し、動作時に前記空間に前記ガスとは異なる種類の物質の液体が所定の量収容されるように前記空間に前記液体を供給するための給液孔と、
前記吐出孔から排出された前記液体の少なくとも一部が貯留されるように前記吐出バルブから上方に延びている貯留空間と、を備えた、
往復動圧縮機を提供する。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜往復動圧縮機＞
図１に示すように、往復動圧縮機１０ａは、シリンダ１０１と、ピストン１０２と、ガスを圧縮するための空間１０３と、吐出孔１０４と、吐出バルブ１０５と、給液孔１０８とを備える。シリンダ１０１は重力方向に延びる軸線を有する。ピストン１０２は、シリンダ１０１の内部において、シリンダ１０１の軸線に沿って往復動可能に配置されている。空間１０３は、ピストン１０２より上方においてシリンダ１０１の内周面及びピストン１０２によって囲まれて形成されている。吐出孔１０４は、空間１０３の上方に位置し、空間１０３において圧縮されたガスを空間１０３から吐出するための孔である。吐出バルブ１０５は、吐出孔１０４より上方に位置し、吐出孔１０４からガスが吐出されるときに開く。例えば、吐出バルブ１０５は逆止弁であり、空間１０３の圧力が所定の圧力以上であるときに開き、空間１０３の圧力が所定の圧力未満であるときに閉じている。これにより、吐出孔１０４を通って空間１０３から吐出されたガスが空間１０３に逆流することが抑制される。給液孔１０８は、往復動圧縮機１０ａの動作時に空間１０３に圧縮されるべきガスとは異なる種類の物質の液体１０７が所定の量収容されるように空間１０３にその液体１０７を供給するための孔である。シリンダ１０１の内周面は、ストレート部１０６ａと、絞り部１０６ｂとを含んでいる。ストレート部１０６は、軸線が延びる方向において、ピストン１０２の下死点から、ピストン１０２の上死点よりも上方かつ吐出孔１０４よりも下方に位置する特定の位置まで軸線に平行に延びている。絞り部１０６ｂは、軸線が延びる方向において、ピストン１０２の上死点よりも上方かつ吐出孔１０４よりも下方に位置する特定の位置から吐出バルブ１０５に向かってシリンダ１０１の内径が縮小するように形成されている。このようにして、往復動圧縮機１０ａの圧縮機構１００が構成されている。なお、空間１０３は、シリンダ１０２の内部空間のうち、ピストン１０２の上端から吐出孔１０４の吐出バルブ１０５側の端までの空間に相当し、吐出孔１０４は、空間１０３の一部を形成している。

ピストン１０２は、例えば、シリンダ１０１の内部空間においてシリンダ１０１の軸線からシリンダ１０１の内周面の近くまで水平に延びる上壁と、その上壁の周縁からシリンダ１０１の軸線が延びる方向に下方に延びる側壁とを備える。ピストン１０２の上壁は、例えば、上壁の全体において水平に延びている。

往復動圧縮機１０ａの圧縮機構１００は、例えば、ピストンピン１１０、コンロッド１１１、シャフト１１２、及び偏心軸１１３をさらに備える。例えば、電動機（図示省略）への通電によって電動機の回転子がシャフト１１２を回転させる。偏心軸１１３はシャフト１１２の回転中心からシャフト１１２の径方向に偏心した位置でシャフト１１２に取り付けられている。ピストンピン１１０は、ピストン１０２の側壁によって囲まれている空間において、ピストン１０２の中心軸線を通る水平な線に沿って延びており、ピストンピン１１０の両端はピストン１０２の側壁に固定されている。コンロッド１１は、コンロッド１１１の一方の端部にピストンピン１１０が挿入されるべき小穴を有し、コンロッド１１１の他方の端部に偏心軸１１３が挿入されるべき大穴を有する。ピストンピン１１０がコンロッド１１１の小穴に挿入され、かつ、偏心軸１１３がコンロッド１１１の大穴に挿入されて、コンロッド１１１がピストンピン１１０及び偏心軸１１３に取り付けられている。このようにして、ピストンピン１１０と偏心軸１１３とがコンロッド１１１によって連結されている。

シャフト１１２が回転すると、偏心軸１１３は、シャフト１１２の回転中心に対して旋回運動（偏心回転運動）をする。偏心軸１１３の旋回運動は、コンロッド１１１によって往復運動に変換されてピストンピン１１０に伝えられる。このようにして、ピストン１０２は、シリンダ１０１の内部においてシリンダ１０１の軸線に沿って往復運動する。

往復動圧縮機１０ａは、例えば、吸気孔１１８と、吸入バルブ１１４とをさらに備える。吸気孔１１８は、ピストン１０２より上方に位置し、空間１０３において圧縮されるべきガスを空間１０３に供給するための孔である。吸入バルブ１１４は、吸気孔１１８より下方に位置し、吸気孔１１８から空間１０３にガスが供給されるときに開く。例えば、吸入バルブ１１４は逆止弁であり、空間１０３の圧力が所定の圧力未満であるときに開き、空間１０３の圧力が所定の圧力以上であるときに閉じている。これにより、吸気孔１１８を通って空間１０３に吸入されたガスが逆流することが抑制される。なお、吸入バルブ１１４は、吐出バルブ１０５が閉じているときのみ開く。吸入バルブ１１４は、シリンダ１０１の軸線が延びる方向においてピストン１０２の上死点と吐出孔１０４との間に配置されている。図１に示すように、吸気孔１１８が給液孔１０８を兼ねていてもよいし、給液孔１０８及び吸気孔１１８がそれぞれ別々に形成されていてもよい。

上記の通り、電動機（図示省略）への通電によって、ピストン１０２は図１に示すように往復運動する。このピストン１０２の往復運動により、ガスは、吸気孔１１８から空間１０３に吸入され、空間１０３で圧縮された後、吐出孔１０４から空間１０３の外部へ吐出される。この動作が繰り返されることにより、往復動圧縮機１０ａは、順次ガスを吸入し、圧縮し、吐出して、ガスの圧力を上昇させる。

ピストン１０２が下死点に位置するときの往復動圧縮機１０ａの状態が図１の左上に示されている。圧縮されるべきガスの密度より大きい密度を有する液体１０７がピストン１０２に接して空間１０３の下方に収容されている。空間１０３のうち、液体１０７よりも上方の空間が圧縮されるべきガスで満たされている。ピストン１０２の往復運動が進むと、図１の右上に記載されているように、ピストン１０２は上方に移動する。これにより、空間１０３のうちガスで満たされた空間の容積が減少してガスが圧縮される。ガスの圧力が所定の圧力以上になると、吐出バルブ１０５が上方に押し上げられて開き、吐出孔１０４を通って空間１０３の外部にガスが吐出される。この場合、空間１０３に収容されている液体１０７の液面が次第に上昇し、ガスが空間１０３にほとんど残存しないように空間１０３からガスが排出される。また、液体１０７の一部も吐出孔１０４を通って空間１０３から吐出される。ピストン１０２の往復運動が進むと、図１の右下に記載されているように、ピストン１０２が上死点に到達する。このとき、吐出バルブ１０５が閉じて、空間１０３が液体１０７のみで満たされる。

ピストン１０２の往復運動が進むと、図１の左下に記載されているように、ピストン１０２は下方に移動する。ピストン１０２が上死点に位置しているときには空間１０３には液体１０７のみが存在しているので、ピストン１０２がピストン１０２の上死点から下方に移動するときに空間１０３における圧力が急激に減少する。空間１０３における圧力が所定の圧力以下になると、吸入バルブ１１４が押し下げられて開き、ガスが吸気孔１１８を通って空間１０３に吸入される。このとき、給液孔１０８を通って液体１０７が空間１０３に供給される。これにより、ピストン１０２が上死点に到達するまでに吐出孔１０４を通って吐出された液体１０７に相当する量の液体１０７が補充される。ピストン１０２の往復運動が進むと、図１の左上に記載されているように、ピストン１０２が下死点に到達する。これにより、空間１０３へのガスの吸入が終了し、吸入バルブ１１４が閉じる。往復動圧縮機１０ａはこのような動作を繰り返す。

液体１０７が空間１０３に収容されていることにより、ピストン１０２とシリンダ１０１との間の隙間を通じてガスが漏洩することが防止されて、往復動圧縮機１０ａが高い効率で動作する。例えば、往復動圧縮機１０ａにおいて、ガスとして水素ガスを使用し、液体１０７として水を使用する場合を考える。この場合、ピストン１０２とシリンダ１０１との間の隙間を通って洩れる水の体積は、液体１０７である水が空間１０３に収容されていない場合にピストン１０２とシリンダ１０１との間の隙間を通って洩れる水素ガスの体積の約１００分の１である。なぜなら、ピストン１０２とシリンダ１０１との間の隙間を流れる流体の体積流量は流体の粘度に反比例し、水の粘度は水素ガスの粘度の約１００倍であるからである。このため、往復動圧縮機１０ａにおける圧縮仕事のうちガスの漏れによる無効な仕事が低減され、往復動圧縮機１０ａが高い効率で動作する。さらに、ピストン１０２が上死点に近づくときに空間１０３にガスがほとんど残らないように液体１０７がガスを空間１０３から排除するので、空間１０３に残存するガスが膨張し、再圧縮されることによる損失が低減される。これにより、往復動圧縮機１０ａの動作時の効率が高まる。上記の通り、シリンダ１０１の内周面は、ピストン１０２の上死点よりも上方かつ吐出孔１０４よりも下方に位置する特定の位置から吐出バルブ１０５に向かってシリンダの内径が縮小するように形成されている絞り部１０６ｂを含む。これにより、ピストン１０２が上死点に近づくときにガスを排除した液体１０７が絞り部１０６ｂを通過して吐出バルブ１０５にスムーズに導かれて吐出される。このため、液体１０７の衝突による局所的な異常圧力上昇を抑制できる。シリンダ１０１の内周面は、ピストン１０２の下死点から、ピストン１０２の上死点よりも上方かつ吐出孔１０４よりも下方に位置する特定の位置まではストレート部１０６ａとして形成されている。また、絞り部１０６ｂがピストンの上死点よりも上方に位置する。このため、液体１０７の液面が乱れにくくなっている。これにより、ピストン１０２が上死点に位置するときに空間１０３にガスが残存することを抑制できる。その結果、往復動圧縮機１０ａは動作時に高い効率を有する。

上記の通り、ピストン１０２の上壁は、例えば、ピストン１０２の上壁の全体において水平に延びている。また、ストレート部１０６ａは、ピストン１０２の上死点よりも上方の位置まで延びている。これにより、ピストン１０２が上昇するときの液体１０７の流速は空間的にばらつきにくくなっている。このため、ピストン１０２の上昇がしているときに液体１０７の液面が乱れにくく、ピストン１０２が上死点に到達したときにガスが残存しにくい。その結果、往復動圧縮機１０ａは動作時に高い効率を有する。

ピストン１０２が上死点から下死点まで移動する期間に給液孔１０８を通って空間１０３に供給される液体１０７の量は、例えば、ピストン１０２が下死点に位置するときに空間１０３に収容される液体１０７の量が所定のしきい値を超えるように定められている。その所定のしきい値は、ピストン１０２が上死点に位置するときの空間１０３の容積に相当する液体１０７の量である。換言すると、ピストン１０２が上死点から下死点まで移動する期間に給液孔１０８を通って空間１０３に供給される液体１０７の量は、例えば、ピストン１０２が上死点に到達するときに吐出孔１０４から液体１０７の一部が吐出されるように定められている。これにより、ピストン１０２が上死点に到達するときに空間１０３にガスがほとんど残存しない。その結果、残存したガスの膨張及び再圧縮に伴う外部に対する無効な仕事を低減できる。

上記の通り、吸入バルブ１１４は、例えば、シリンダ１０１の軸線が延びる方向においてピストン１０２の上死点と吐出孔１０４との間に配置されている。これにより、ピストン１０２が上死点に到達したときに、空間１０３における吸気孔１１８の周辺にガスが残存することを防止できる。また、吸気口１１８が給液孔１０８を兼ねている場合、空間１０３からのガス漏れを引き起こす可能性のある流路を出来るだけ少なくしつつ液体１０７を空間１０３に供給できる。

図１に示すように、往復動圧縮機１０ａは、例えば、貯留空間１０９をさらに備えている。上記の通り、ピストン１０２が上死点に近づくときに、液体１０７の一部が吐出孔１０４を通って排出される。貯留空間１０９は、吐出孔１０４から排出された液体の少なくとも一部が貯留されるように吐出バルブ１０５から上方に延びている。貯留空間１０９に貯留された液体１０７によって、吐出バルブ１０５を通過したガスが空間１０３に向かって逆流することを防止できる。貯留空間１０９の大きさは、特に制限されないが、ガスの逆流を確実に防止する観点から、例えば、吐出バルブ１０５の上方に液体１０７によって高さ０．５ｃｍ以上の液柱が形成できるように定められている。

図１に示すように、往復動圧縮機１０ａは、例えば、シール部材１１９をさらに備えている。シール部材１１９は、ピストン１０２の下端部に配置され、ピストン１０２の外周面とシリンダ１０１の内周面との間の隙間をシールする。また、往復動圧縮機１０ａは、シリンダ１０１軸線が延びる方向にシール部材１１９からピストン１０２の上端までピストン１０２の外周面とシリンダ１０１の内周面との間に連続的に形成されたクリアランスＣを有する。換言すると、シリンダ１０１の軸線が延びる方向においてシール部材１１９からピストン１０２の上端まで、シリンダ１０１の内周面とピストン１０２の外周面との間には、シール部材１１９以外の部材は配置されていない。このため、シリンダ１０１の内周面に接触する部材の接触面積が小さいので、摩擦損失を低減できる。また、往復動圧縮機１０ａの動作時にはクリアランスＣは液体１０７で満たされている。シール部材１１９によってクリアランスＣに存在する液体１０７が漏れることが抑制される。特に、往復動圧縮機１０ａの停止時に、クリアランスＣから液体１０７が漏れることを防止できる。なお、場合によっては、シール部材１１９は省略されてもよい。

シール部材１１９は、例えば、ストレート部１０６ａにおけるシリンダ１０１の内径よりも大きい外径を有し、合い口すきまが形成されるように、樹脂又は金属などの弾性材料でできた環状のリングである。この場合、シール部材１１９が取り付けられているとき、シリンダ１０１の内周面がシール部材１１９の外周面に接触している。このとき、シール部材１１９はシリンダ１０１の内周面によってピストン１０２の外周面に押圧され、シール部材１１９の合い口すきまが取り付け前に比べて小さくなっている。また、シール部材１１９の弾性により、シール部材１１９はシリンダ１０１の内周面に密着している。シール部材１１９は、シリンダ１０１の内周面との摩擦により多少摩耗しても、シール部材１１９の弾性によりシール部材１１９の径方向の外側に広がってシリンダ１０１の内周面に密着する。このため、シール部材１１９は比較的長い部品寿命を有する。

空間１０３に収容されるべき液体１０７は、例えば、往復動圧縮機１０ａの動作時に大気圧以下の蒸気圧を有する液体である。この場合、空間１０３に供給されるガスの圧力が大気圧であったとしても、液体１０７の蒸気圧がガスの圧力を超えないので、沸騰などの急激な蒸発が液体１０７に発生することが抑制される。これにより、液体が気化することによって発生したガスを圧縮するという無駄な仕事を低減できる。その結果、往復動圧縮機１０ａが動作時に高い効率を有する。往復動圧縮機１０ａによって圧縮されるべきガスは特に制限されないが、例えば水素ガスである。この場合、液体１０７は例えば水である。

往復動圧縮機１０ａは、上記のように構成された圧縮機構１００に加えて、例えば、図２に示すように、冷却器１１又は給液路１２をさらに備えていてもよい。ここで、冷却器１１及び給液路１２のいずれか一方は省略されてもよい。冷却器１１は、ガスとは異なる種類の物質の蒸気を含む給液孔１０８を通過すべき流体を冷却して蒸気を凝縮させる。冷却器１１における蒸気の凝縮により生じた液体が給液孔１０８を通過して空間１０３に供給される。冷却器１１は、シェルアンドチューブ熱交換器、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器などの液体冷却式の熱交換器であってもよいし、フィンチューブ熱交換器などの気体冷却式の熱交換器であってもよい。図２に示すように、往復動圧縮機１０ａは、例えば制御器１３をさらに備えている。制御器１３は、例えば、マイクロプロセッサなどの演算装置、所定のプログラムが格納されたＲＯＭなどの記憶装置、及び演算装置による演算結果を一時的に記憶するＲＡＭなどの記憶装置を備える。制御器１３は、給液孔１０８を通って所望の量の液体１０７が空間１０３に供給されるように、給液孔１０８に向かって流れる流体に含まれる蒸気を凝縮させるための冷却器１１の冷却能力を調整する。冷却器１１の冷却能力は、例えば、給液孔１０８に向かって流れる流体を冷却するための液体又は気体の流量を調整することで変更できる。

給液路１２は、給液孔１０８を通過すべき流体に液体１０７が含まれるように液体１０７を給液するための流路である。図２に示すように、給液路１２は、給液孔１０８を通過すべき流体の流れ方向において給液孔１０８よりも上流側で、その流体のための流路につながっている。例えば、給液路１２は、給液孔１０８を通過すべき流体の流れ方向において、冷却器１１の出口より下流側でその流体のための流路につながっている。例えば、給液路１２の途中には流量調整弁１２ａが配置されている。流量調整弁１２ａは、例えば、電磁弁又は電動弁である。制御器１３は、給液孔１０８を通って所望の量の液体１０７が空間１０３に供給されるように、給液路１２を流れる液体１０７の流量を調整する。例えば、制御器１３は、流量調整弁１２ａの開閉状態又は開度を変更することによって給液路１２を流れる液体１０７の流量を調整する。

（変形例）
往復動圧縮機１０ａは様々な観点から変更が可能である。例えば、往復動圧縮機１０ａは、図３に示す、往復動圧縮機１０ｂのように変更されてもよい。往復動圧縮機１０ｂは、特に説明する場合を除き、往復動圧縮機１０ａと同様に構成されている。往復動圧縮機１０ａの構成要素と同一又は対応する往復動圧縮機１０ｂの構成要素には往復動圧縮機１０ａの構成要素と同一の符号を付し、詳細な説明を省略することがある。往復動圧縮機１０ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、往復動圧縮機１０ｂにもあてはまる。

ピストン１０２が上死点に位置するときの往復動圧縮機１０ｂの状態が図３に示されている。図３に示されるように、吐出孔１０４はシリンダ１０１の軸線上に設けられている。言い換えれば、吐出孔１０４はシリンダ１０１の内径の中心付近に設けられている。絞り部１０６ｂは、シリンダ１０１の軸線が延びる方向において、ピストン１０２の上死点よりも上方かつ吐出孔１０４よりも下方に位置する特定の位置から吐出孔１０４までシリンダ１０１の内径が連続的に減少するように形成されている。これにより、ピストン１０２が上死点に近づくときにガスを空間１０３から排除した液体１０７がスムーズに吐出孔１０４に導かれるので、液体１０７の衝突による局所的な異常圧力上昇を抑制できる。

絞り部１０６ｂは、例えば、シリンダ１０１の軸線が延びる方向において、ピストン１０２の上死点よりも上方かつ吐出孔１０４よりも下方に位置する特定の位置から吐出孔１０４の吐出バルブ１０５側の端部までシリンダ１０１の内径が連続的に減少するように形成されている。これにより、ピストン１０２が上死点に近づくときにガスを空間１０３から排除した液体１０７がスムーズに吐出バルブ１０５に導かれるので、液体１０７の衝突による局所的な異常圧力上昇を抑制できる。

＜水素供給システム＞
次に、往復動圧縮機１０ａを備えた水素供給システム１ａ及び水素供給システム１ｂについて説明する。なお、水素供給システム１ａ及び水素供給システム１ｂは、往復動圧縮機１０ａの代わりに、往復動圧縮機１０ｂを備えていてもよい。

図４Ａに示すように、水素供給システム１ａは、往復動圧縮機１０ａと、水素生成装置２０ａと、冷却器１１と、給水路１２とを備えている。往復動圧縮機１０ａにおいて、空間１０３において圧縮されるべきガスとして水素ガスが使用され、かつ、液体１０７として水が使用される。水素生成装置２０ａは、炭化水素ガスを改質して往復動圧縮機１０ａの空間１０３に供給されるべき水素を含む供給ガスを生成する。冷却器１１は、水素生成装置２０ａで生成された供給ガスを冷却して供給ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部を凝縮させる。給水路１２は、往復動圧縮機１０ａの空間１０３に向かって流れる供給ガスの流れに液体の水が混じるように給水するための流路である。冷却器１１及び給水路１２のいずれか一方は省略されてもよい。例えば、往復動圧縮機１０ａは、冷却器１１又は給水路１２を備えているが、水素供給システム１ａにおいて、冷却器１１又は給水路１２は、往復動圧縮機１０ａとは別個に配置されてもよい。

図４Ａに示すように、水素生成装置２０ａは、改質器２１、ＣＯ変成器２２、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）装置２３、及びバッファタンク２４を備える。改質器２１
、ＣＯ変成器２２、及びＰＳＡ装置２３は、この順番で配管によって接続されており、バッファタンク２４は、配管によって、ＰＳＡ装置２３及び改質器２１に接続されている。図４Ａに示すように、水素供給システム１ａは、例えば、原料ガス供給路５ａ、水蒸気供給路５ｂ、及び混合ガス供給路５ｃをさらに備える。混合ガス供給路５ｃの一端は、改質器２１につながっており、混合ガス供給路５ｃの他端は、原料ガス供給路５ａ及び水蒸気供給路５ｂにつながっている。炭化水素ガスは、原料ガス供給路５ａ及び混合ガス供給路５ｃを通って、改質器２１に供給される。また、水蒸気は、水蒸気供給路５ｂ及び混合ガス供給路５ｃを通って、改質器２１に供給される。

改質器２１において、炭化水素ガスと水蒸気とが反応し、水素ガス及び一酸化炭素（ＣＯ）ガスが主に生成される。改質器２１を通過したガスはＣＯ変成器２２に供給され、ＣＯ変成器２２において一酸化炭素ガスと水蒸気とが反応して二酸化炭素ガス及び水素が主に生成される。ＣＯ変成器２２を通過したガスは、ＰＳＡ装置２３に供給される。ＰＳＡ装置２３において、ＰＳＡ装置２３に供給されたガスから水素ガス以外のガスが分離された、水素ガスを主成分とする供給ガスが水素生成装置２０ａから排出される。ＰＳＡ装置２３は、水素生成装置２０ａから排出される供給ガスに所定量の水蒸気が含まれるように運転される。ＰＳＡ装置２３に供給されたガスのうち供給ガス以外のガスは、バッファタンク２４に供給される。バッファタンク２４には、炭化水素ガス、水蒸気、一酸化炭素ガス、及び二酸化炭素ガスを含む回収ガスが貯留される。バッファタンクに貯留された炭化水素ガスを有効利用するため、バッファタンクに貯留された回収ガスが改質器２１に供給される。

水素生成装置２０ａは、配管によって、往復動圧縮機１０ａに接続されている。水素生成装置２０ａから排出された供給ガスは、冷却器１１に供給される。冷却器１１は、供給ガスを冷却し供給ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部を凝縮させる。給水路１２によって供給ガスの流れに水が混じるように給水される。冷却器１１は、配管によって圧縮機構１００につながっている。また、給水路１２は、例えば、供給ガスの流れ方向に冷却器１１の出口よりも下流側において、供給ガスの流路につながっている。冷却器１１を通過した流体が圧縮機構１００に供給される。このとき、水が給液孔１０８を通過して空間１０３に供給される。圧縮機構１００において水素ガスが圧縮され、往復動圧縮機１０ａから水素ガスが排出される。

図４Ａに示すように、水素供給システム１ａは、例えば、除水器３０、水素貯蔵タンク４０、ディスペンサー５０、及びプレクーラー６０をさらに備える。除水器３０において、往復動圧縮機１０ａから排出された水素ガスに混ざっている水が取り除かれる。除水器３０を通過した水素ガスは、水素貯蔵タンク４０に貯蔵される。水素貯蔵タンク４０に貯蔵された水素ガスは、ディスペンサー５０によって燃料電池車などに供給される。このとき、水素ガスはプレクーラー６０によって冷却された状態でディスペンサー５０から水素供給システム１ａの外部に供給される。

図４Ｂに示すように、水素供給システム１ｂは、水素生成装置２０ａに代えて水素生成装置２０ｂを備える点を除いて、水素供給システム１ａと同様に構成されている。水素生成装置２０ｂには、原料ガス供給路５ａ及び混合ガス供給路５ｃを通って炭化水素ガスが供給され、水蒸気供給路５ｂ及び混合ガス供給路５ｃを通って水蒸気が供給される。これにより、水素生成装置２０ｂにおいて炭化水素ガスと水蒸気とが反応して水素ガスが生成される。水素生成装置２０ｂの内部には、水素透過膜モジュール２５が配置されている。水素生成装置２０ｂにおいて生成された水素ガスは水素透過膜モジュール２５の水素透過膜を透過して水素生成装置２０ｂから供給ガスの主成分として排出される。水素生成装置２０ｂから排出された供給ガスには所定量の水蒸気が混じっている。水素生成装置２０ｂから排出された供給ガスは、冷却器１１に供給される。

１ａ、１ｂ 水素供給システム
１０ａ、１０ｂ 往復動圧縮機
１１ 冷却器
１２ 給液路（給水路）
２０ａ、２０ｂ 水素生成装置
１０１ シリンダ
１０２ ピストン
１０３ 空間
１０４ 吐出孔
１０５ 吐出バルブ
１０６ａ ストレート部
１０６ｂ 絞り部
１０８ 給液孔
１０９ 貯留空間
１１４ 吸入バルブ
１１８ 吸気孔
１１９ シール部材
Ｃ クリアランス

Claims (12)

1. 重力方向に延びる軸線を有するシリンダと、
   前記シリンダの内部において前記軸線に沿って往復動可能に配置されたピストンと、
   前記ピストンより上方において前記シリンダの内周面及び前記ピストンによって囲まれて形成された、ガスを圧縮するための空間と、
   前記空間の上方に位置し、前記空間において圧縮された前記ガスを前記空間から吐出するための吐出孔と、
   前記吐出孔より上方に位置し、前記吐出孔から前記ガスが吐出されるときに開く吐出バルブと、
   前記ピストンより上方に位置し、動作時に前記空間に前記ガスとは異なる種類の物質の液体が所定の量収容されるように前記空間に前記液体を供給するための給液孔と、を備え、
   前記シリンダの前記内周面は、前記軸線が延びる方向において、前記ピストンの下死点から、前記ピストンの上死点よりも上方かつ前記吐出孔よりも下方に位置する特定の位置まで前記軸線に平行に延びているストレート部と、前記軸線が延びる方向において前記特定の位置から前記吐出バルブに向かって前記シリンダの内径が縮小するように形成されている絞り部とを含む、
   往復動圧縮機。
2. 前記絞り部は、前記軸線が延びる方向において前記特定の位置から前記吐出孔まで前記シリンダの内径が連続的に減少するように形成され、
   前記吐出孔は、前記シリンダの軸線上に設けられている、請求項１に記載の往復動圧縮機。
3. 前記絞り部は、前記軸線が延びる方向において前記特定の位置から前記吐出孔の前記吐出バルブ側の端部まで前記シリンダの内径が連続的に減少するように形成されている、請求項１又は２に記載の往復動圧縮機。
4. 前記ピストンより上方に位置し、前記空間において圧縮されるべき前記ガスを前記空間に供給するための吸気孔と、
   前記吸気孔より下方に位置し、前記吸気孔から前記空間に前記ガスが供給されるときに開く吸入バルブと、をさらに備え、
   前記吸入バルブは、前記軸線が延びる方向において前記ピストンの上死点と前記吐出孔との間に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の往復動圧縮機。
5. 前記吸気孔が前記給液孔を兼ねている、請求項４に記載の往復動圧縮機。
6. 前記吐出孔から排出された前記液体の少なくとも一部が貯留されるように前記吐出バルブから上方に延びている貯留空間をさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の往復動圧縮機。
7. 前記ピストンの下端部に配置され、前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間の隙間をシールするシール部材をさらに備え、
   前記軸線が延びる方向に前記シール部材から前記ピストンの上端まで前記ピストンの外周面と前記シリンダの内周面との間に連続的に形成されたクリアランスを有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の往復動圧縮機。
8. 前記液体は、当該往復動圧縮機の動作時に大気圧以下の蒸気圧を有する液体である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の往復動圧縮機。
9. 前記ガスとは異なる種類の物質の蒸気を含む前記給液孔を通過すべき流体を冷却して前記蒸気を凝縮させる冷却器、又は、前記給液孔を通過すべき流体に前記液体が含まれるように前記液体を給液するための給液路を備えた、請求項１〜８のいずれか１項に記載の往復動圧縮機。
10. 前記ガスとして水素が使用され、かつ、前記液体として水が使用される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の往復動圧縮機と、
    炭化水素ガスを改質して前記往復動圧縮機の前記空間に供給されるべき水素を含む供給ガスを生成する水素生成装置と、
    前記供給ガスを冷却して前記供給ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部を凝縮させる冷却器又は前記往復動圧縮機の前記空間に向かって流れる前記供給ガスの流れに液体の水が混じるように給水するための給水路と、を備えた、
    水素供給システム。
11. 前記往復動圧縮機は、前記冷却器又は前記給水路を備える、請求項１０に記載の水素供給システム。
12. 重力方向に延びる軸線を有するシリンダと、
    前記シリンダの内部において前記軸線に沿って往復動可能に配置されたピストンと、
    前記ピストンより上方において前記シリンダの内周面及び前記ピストンによって囲まれて形成された、ガスを圧縮するための空間と、
    前記空間の上方に位置し、前記空間において圧縮された前記ガスを前記空間から吐出するための吐出孔と、
    前記吐出孔より上方に位置し、前記吐出孔から前記ガスが吐出されるときに開く吐出バルブと、
    前記ピストンより上方に位置し、動作時に前記空間に前記ガスとは異なる種類の物質の液体が所定の量収容されるように前記空間に前記液体を供給するための給液孔と、
    前記吐出孔から排出された前記液体の少なくとも一部が貯留されるように前記吐出バルブから上方に延びている貯留空間と、を備えた、
    往復動圧縮機。

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