JP2022502597A - ピストン圧縮機およびピストン圧縮機の動作方法 - Google Patents

Abstract

ピストン圧縮機（１）はシリンダ（１１，１２，１３）と、シリンダの中に配置されたピストンと、キャリアハウジングに搭載されたクロスヘッドを有するキャリアハウジングと、シリンダ（１０）とキャリアハウジングとを接続するスペーサ（４０）と、長手方向（Ｌ）に延びてクロスヘッドとピストンとを接続するピストンロッドとを備えている。スペーサ（４０）は複数の支持アーム（４２，４３）を備えている。支持アーム（４２，４３）はシリンダ（１０）に接続され、シリンダ（１０）を支持している。

Description

本発明は、ピストン圧縮機およびピストン圧縮機の動作方法に関する。

液化天然ガスは、英語で「Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ」、略して「ＬＮＧ」とも呼ばれ、少なくとも−１６０℃の温度まで冷却された天然ガスであり、このような低温では液体の凝集した状態である。特許文献１には、天然ガス燃料を供給するためのピストン圧縮機が開示されており、この天然ガス燃料は、液体天然ガスから放出される蒸発ガスを往復動圧縮機で圧縮することによって得られる。このようなピストン圧縮機は、それ自体が非常に確立されたものであり、典型的には１バール（０．１ＭＰａ）の圧力で約−１６０℃の温度を持つ液体天然ガスの放出蒸気ガスを、好ましくは１００バール（１０ＭＰａ）〜５００バール（５０ＭＰａ）の間の範囲の可変の最終圧力、好ましくは２１０バール（２１ＭＰａ）〜３５０バール（３５ＭＰａ）の間の範囲の最終圧力に圧縮することができる。このような往復動圧縮機は、天然ガスを好ましくは−１６０℃〜＋１００℃の広い温度範囲で、吸入および圧縮することができるという利点がある。圧縮機は、天然ガスを広い適用範囲で圧縮するように使用されることができる。例えば、このような往復動圧縮機は、−１６０℃の温度を持つ入口流体を、−４０℃の温度を持つ圧縮流体に圧縮することができる。このアプリケーションでは、ピストン圧縮機の入口と出口の間に１２０℃の範囲の温度差がある。

国際公開第２００９／１１２４７９号 米国特許出願公開第２０１２／１５２１１０号明細書

今日まで、入口流体と出口流体との間に高い温度差がある流体を圧縮するのに適した、コスト効率の良い往復動圧縮機、特にラビリンスピストン圧縮機を作ることは、大きな技術的課題となっていた。

本発明の課題は、入口と出口の間に高い温度差があるにもかかわらず流体を圧縮するのに適しており、経済的にも有利な往復動圧縮機を設計することにある。
この課題は、請求項１の特徴を有するラビリンスピストン圧縮機によって解決される。従属請求項２〜１４は、さらに有利な実施形態に関する。

課題はまた、請求項１５の特徴を含む方法で解決される。従属請求項１６〜２１は、さらなる有利な方法の工程に関する。
この課題は、特に、シリンダと、シリンダの中に配置されたピストンと、キャリアハウジングに搭載されたクロスヘッドを有するキャリアハウジングと、シリンダをキャリアハウジングに接続するスペーサと、クロスヘッドをピストンに接続する長手方向に延びるピストンロッドとを備えたピストン圧縮機において、スペーサは複数の支持アームを備えており、支持アームがシリンダに接続されてシリンダを支持することで解決される。

この問題はまた、シリンダと、シリンダの中に配置されたピストンと、キャリアハウジングに搭載されたクロスヘッドを有するキャリアハウジングと、シリンダをキャリアハウジングに接続するスペーサと、長手方向に延びてクロスヘッドをピストンに接続するピストンロッドとを備えるピストン圧縮機であって、スペーサは、長手方向に延びる複数の支持アームを備えており、支持アームはそれぞれシリンダに向かって個別にシリンダに接続されていることを特徴とするピストン圧縮機によっても解決される。

本課題はまた特に、シリンダと、シリンダの中に配置されたピストンと、キャリアハウジングに搭載されたクロスヘッドを有するキャリアハウジングと、シリンダをキャリアハウジングに接続するスペーサと、長手方向に延びてクロスヘッドをピストンに接続するピストンロッドとを備えている往復動圧縮機を動作させる方法であって、シリンダとキャリアハウジングとの間に存在する熱差による熱エネルギーを、複数の支持アームを介して交換させる、往復動圧縮機の動作方法によって解決される。

この問題はまた、特に、シリンダと、シリンダの中に配置されたピストンと、キャリアハウジングの中に搭載されたクロスヘッドを有するキャリアハウジングと、シリンダとキャリアハウジングとを接続するスペーサと、および長手方向に延びてクロスヘッドとピストンを接続するピストンロッドとを備えているピストン圧縮機を操作する方法によって解決される。前記スペーサは、長手方向に延びる複数の支持アームを備えており、前記支持アームがそれぞれ取付点を介して前記シリンダに個別に接続されていることによって、前記取付点間の熱差による熱エネルギーは、前記取付点間で長手方向に対して周方向で直接には交換されず、前記長手方向に延びる支持アームを介して交換されるようになっていることを特徴とする。

ラビリンスピストン圧縮機は、ピストンとシリンダを備えており、少なくともピストンとシリンダのシリンダ壁とはラビリンスシールで形成されている。ラビリンスシールは、非接触型のシールである。密封効果は、密封される隙間を通る流路の延長に基づいており、それによって流れの抵抗が実質的に増加する。この経路延長は、ピストンの表面構造によって、および必要に応じてシリンダ壁の表面構造によって実現される。好ましくは、ピストンの表面には、ピストンの長手方向に互いに間隔をあけて配置された複数の周方向の凹部が設けられている。非接触式であるので、絶対的な締め付けはできない。一方、ラビリンスシールを備えているラビリンスピストン圧縮機では、ピストンとシリンダ壁とが互いに接触しないため、ラビリンスシールが非接触であり、ピストンとシリンダ壁との間に潤滑油を必要としないという利点がある。このようなラビリンスピストン圧縮機では、流体を圧縮するための潤滑剤が不要であり、特にオイルが不要なため、流体のいわゆるオイルフリー圧縮が可能である。このようなラビリンスピストン圧縮機のピストンでは、ラビリンスシールがシール効果を発揮するので、シールリングが無い。

本発明によるピストン圧縮機は、吸い込まれる流体の温度と吐出される圧縮流体の温度が、例えば１００℃〜１２０℃あるいはそれ以上の大きな温度差があっても、安全に運転できるという利点がある。本発明によるピストン圧縮機は、適用された温度差によってピストン圧縮機の構成要素に大きな熱応力や大きな歪みが発生しないように、または適用された温度差によって引き起こされるピストン圧縮機の構成要素の膨張が、個々の構成要素が温度差によって相対的にほとんど変位しないような方法で行われるように設計されているので、印加された温度差にかかわらず、ピストン圧縮機を安全かつ確実に運転することができる。

本発明による往復動圧縮機は、少なくとも１つの入口弁と少なくとも１つの出口弁とがシリンダカバー内に配置されているので、圧縮されるべき流体が入口弁を通って流れた後にシリンダ内部に直接流入するという利点があり、それぞれ圧縮された流体が出口弁を通った後でシリンダ内部からすぐに出ていく。よって、ピストン圧縮機には、流体とピストン圧縮機の間で温度伝達が行われる可能性のあるガスデッドスペースやダメージスペースが極めて小さいか、あるいは全くないので、ピストン圧縮機には流体と熱交換する可能性のある接触面が比較的少なくなる。したがって、本発明によるピストン圧縮機では、圧縮されることになる流体の流入、圧縮されることになる流体の圧縮、および圧縮された流体の吐出に必須の接触面を除いて、ピストン圧縮機と搬送される流体との間の追加の接触面および接触点が無視できるか、または全くないことが好ましい。これによって、流体とピストン圧縮機との間の熱伝達が制限される。さらに、往復動圧縮機のシリンダおよび／またはピストンは、有利なことに、１００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋの範囲の熱伝導率を有する金属製、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金製である。比較的高い熱伝導率は、往復動圧縮機の運転中に往復動圧縮機の構成要素において温度平衡が確立され、その温度差が、流入する流体と、圧縮されて流出する流体との間の温度差よりも大幅に小さくなるという結果をもたらす。特に有利なのは、シリンダとピストンが同じ材料製であることである。

入口弁と出口弁は、シリンダの中心線に沿って延びる対称面に対して、シリンダ内で対称に配置されていることがさらに好ましい。その結果、対称面の領域で往復動圧縮機を動作させると、流入する流体の温度と、流出する流体の温度との間に存在する平均温度が確立され、シリンダ内で発生する可能性のある最大の温度差が減少することになる。

さらに有利な実施形態では、流体を供給または吐出する役割を果たす入口弁または出口弁に配置されたフランジまたはホースは、シリンダに対する接触面が小さく、これによって、フランジまたはホースとシリンダとの間の熱伝達が低減される。また、フランジやホースにはバレル化できるという利点がある。

往復動圧縮機は、クランクシャフトと少なくとも１つのクロスヘッドとが好ましく配置されたキャリアハウジングを備えている。本発明によるピストン圧縮機は、キャリアハウジングとシリンダとに順に接続されたスペーサを備えており、これは、一方ではシリンダをキャリアハウジングに対して規定の位置に維持し、他方ではシリンダとキャリアハウジングとの間のあらゆる温度の流れを低減するためのものである。特に有利な実施形態では、スペーサは、平均温度または実質的に平均温度が適用されるような領域でシリンダに接続されている。その結果、往復動圧縮機の運転中にシリンダとキャリアハウジングとの間のスペーサで発生する温度差は制限内に保たれ、スペーサは好ましくは対称面に対して対称な熱分布を持つように配置され、これはスペーサに印加される温度によるスペーサの歪みがほとんどないことを意味している。したがって、ピストン式圧縮機の運転中には、特に非対称な熱膨張または変形は起こらないか、または無視できるほど小さいが、有利にはせいぜい印加された温度による対称面に対して対称な熱膨張または変形が起こり、この効果は特にシリンダ、ピストン、およびスペーサで発生する。したがって、キャリアハウジングとシリンダの間を延びているピストンロッドも変形しない。

有利な実施形態では、シリンダおよび／またはピストンは、アルミニウムまたはアルミニウム合金製であるが、これらの金属は、熱伝導性が非常に優れている。また、熱伝導が非常に良いため、往復動圧縮機の連続運転中に、圧縮機の個々の部品の平均温度または平均動作温度が非常に早く確立され、それによって温度のピークが回避されるという利点がある。

本発明によるピストン圧縮機は、好ましい実施形態では、比較的少ない部品しか必要とせず、可動部品を比較的低質量になるように選択できるという利点がある。これによって、本発明によるピストン圧縮機を、例えば毎分１８００回転までの高速で動作させることができるという利点もある。

以下、本発明によるピストン圧縮機を、実施形態の例を参照して詳細に説明する。
実施形態の説明に使用した図面を示す。

断面線Ａ−Ａに沿ったピストン圧縮機の縦断面図。 図１のピストン圧縮機の詳細図で、特にシリンダとピストンを示す。 シリンダ内の弁の配置を示す詳細図。 スペーサ付きシリンダの側面図。 スペーサ付きシリンダのさらなる側面図。 断面線Ａ−Ａに沿ったピストン付きシリンダの縦断面図。 交差線Ｂ−Ｂに沿った、ピストン付きシリンダのさらなる縦断面図。 ピストン圧縮機の側面図。 実施形態構成のピストン圧縮機。

一般的に、同じ部品には同じ参照符号を付けて図面に記載している。
図１は、シリンダ１０と、シリンダ１０の中に配置されたピストン２０とを備えているピストン圧縮機（往復動圧縮機）１を通る縦断面を示している。ピストン圧縮機１は、軸受部６３ａを有するクロスヘッド６３が中に配置されたキャリアハウジング６０を備えており、クロスヘッド６３はクランクシャフト６１およびコネクティングロッド６２を介して駆動可能である。ピストン圧縮機１は、支持部４１を有するスペーサ４０を備えており、スペーサ４０は、シリンダ１０とキャリアハウジング６０とを接続し、図１に示すようにピストン圧縮機１が直立して配置されたときにシリンダ１０を支持するようになっている。ピストン圧縮機１は、クロスヘッド６３とピストン２０とを接続してピストン２０を駆動するピストンロッド２４を備えている。ピストン圧縮機１は、ピストンロッド２４の中心に、ピストンロッド２４に沿って延びる長手方向Ｌの軸線を有している。シリンダ１０は、第１シリンダカバー１１と、第２シリンダカバー１２と、およびその間に配置されたシリンダジャケット１３とを備えている。第１シリンダカバー１１には、入口弁９０および出口弁９１がそれぞれ配置された第１入口弁受入れ開口部１１ａおよび第１出口弁受入れ開口部１１ｂが形成されている。さらに、第１入口弁受入れ開口部１１ａおよび第１出口弁受入れ開口部１１ｂのそれぞれには、フランジ１４が接続されており、このフランジ１４は、シリンダ１０の外部と、シリンダ１０の内部空間（１０ａ）との間で流体を供給または吐出する役割を果たしている。流体の供給や吐出は、例えば、それぞれのフランジ１４に接続されたホース（１５）を介して行うことができる。また、第２シリンダカバー１２は、入口弁９０および出口弁９１がそれぞれ配置された第２入口弁受入れ開口部１２ａおよび第２出口弁受入れ開口部１２ｂを有している。また、第２シリンダカバー１２は、ピストンロッド２４がその長手方向Ｌに移動可能に配置される通路開口部１２ｇを有する中央部１２ｈを有している。

シリンダ１０またはピストン２０は、ピストン２０が第１シリンダ内部空間１０ａと第２シリンダ内部空間１０ｂとを区画する複動式である。さらなる実施形態では、第１シリンダカバー１１および第２シリンダカバー１２を長手方向Ｌに長くなるように構成することで、シリンダジャケット１３を省略することができる。

中央部１２ｈの長手方向Ｌの下流側には、第１、第２、および第３スタッフィングボックス室５０，５１，５２が配置されている。第１、第２、および第３スタッフィングボックス室５０，５１，５２は、中央部１２ｈに配置されている。スペーサ４０はスペーサ内部４０ａを有しており、スペーサ内部４０ａには、好ましくはガイドを備えていて概略的にしか示されていないオイルスクレーパパッキン５５が配置されており、このオイルスクレーパパッキン５５は、ピストンロッド２４を取り囲んでいる。また、ピストンロッド２４には、オイルシールド５４が配置されている。キャリアハウジング（サポートハウジング）６０には、クロスヘッド６３の摺動面を形成するボア６０ａが設けられており、よってクロスヘッド６３と、クロスヘッド６３に接続されたピストンロッド２４と、およびピストンロッド２４に接続されたピストン２０とを、長手方向Ｌに往復動可能になっている。好ましくは、クロスヘッド６３のための摺動面は潤滑されており、この潤滑は詳細には示されていないが、好ましくは油である。

シリンダ１０および／またはピストン２０、さらに好ましくはキャリアハウジング（サポートハウジング）６０およびクロスヘッド６３は、好ましくは１００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋの範囲の熱伝導率を有する金属製、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金製である。有利なことに、シリンダ１０とピストン２０、さらに好ましくはキャリアハウジング（サポートハウジング）６０とクロスヘッド６３も同じ材料製であるので、熱膨張の点で同じ特性を持つことができる。

図２は、図１によるピストン圧縮機１の詳細図であり、本質的には、シリンダ１０、ピストン２０、フランジ１４、および入口弁９０および出口弁９１を示している。可能な一実施形態では、シリンダ１０およびピストン２０は、例えば、１つの入口弁９０および１つの出口弁９１のみが第１シリンダカバー１１に配置されているという点で、単動式であるように設計されている。しかしながら、特に有利には、シリンダ１０およびピストン２０は、図２に示すように、第１シリンダ内部空間１０ａ、第２シリンダ内部空間１０ｂ、および２つの入口弁９０および２つの出口弁９１を備えた複動式設計である。本発明によれば、入口弁９０および出口弁９１は、このように、少なくとも第１シリンダカバー１１または第２シリンダカバー１２に配置されており、好ましくは、図２に示すように、入口弁９０および出口弁９１は、２つのシリンダカバーである第１シリンダカバー１１および第２シリンダカバー１２のそれぞれに配置されている。第１シリンダカバー１１および第２シリンダカバー１２のそれぞれにおいて、入口弁９０および出口弁９１は、ピストンロッド２４に沿って長手方向Ｌに延びる対称面Ｓに対して対称に配置されている。好ましくは、両入口弁９０だけでなく、両出口弁（吐出弁）９１もそれぞれ、図２に示すように、シリンダ１０の同じ側、つまり、対称面Ｓの左側に両方、そして対称面Ｓの右側に両方にそれぞれ配置されている。

本発明による往復動圧縮機は、入口弁９０を介して流入する入口流体ＦＥと、出口弁９１を介して流出する出口流体ＦＡとが例えば１００℃〜１５０℃の間の高い温度差を有する流体を、圧縮するのに特に適している。例えば、入口流体ＦＥ、例えば液化天然ガスの放出ガスは、−１６０℃の温度を有し、出口流体ＦＡは−４０℃の温度を有し、１２０℃の温度差を有するようにしてもよい。入口弁９０および出口弁９１が対称面Ｓに対して対称的に配置されていることは、シリンダ１０およびピストン２０が、対称面Ｓの領域またはピストンロッド２４に沿って延びる長手方向Ｌの軸線の領域のそれぞれで動作中に平均的な温度を想定するという利点があり、シリンダ１０およびピストン２０の長手方向Ｌの軸線に対して垂直な温度は、通常、入口弁９０に向かって減少し、出口弁９１に向かって増加する。好ましくは、長手方向Ｌの軸線の方向において、シリンダ１０は小さな温度差しか示さない。シリンダ１０およびピストン２０が動作中に長手方向Ｌの軸線の領域で平均的な温度を有することの結果、シリンダ１０、ピストン２０、およびピストンロッド２４は、これらの部分に存在する温度差に起因する歪みや、温度差に起因する長さの変化を、全く無いとするか無視することができる。有利な実施形態では、シリンダ１０および／またはピストン２０は、例えばアルミニウムのような熱伝導性の良い材料製であり、これによって、動作中にシリンダ１０およびピストン２０にかかる温度差を低減できるという利点がある。

有利なことに、本発明によるピストン圧縮機は、周囲温度で運転される。本発明による往復動圧縮機が液体天然ガスの放出ガスを圧縮するために使用される場合、シリンダ１０の外面は周囲温度の空気で加熱され、これによって、特にシリンダ１０または少なくとも第１シリンダカバー１１および第２シリンダカバー１２が熱の良導体の材料製である場合には、シリンダ１０に加わる温度差がさらに小さくなる。

ピストン圧縮機（往復動圧縮機）１において、ガス空間とは、流体供給ライン１５と入口弁９０との間の空間、または出口弁９１と流体吐出ライン１６との間の空間であると理解される。有利には、外部からシリンダ１０に流体が供給されるために介される流体供給ライン１５またはフランジ１４が、流体流れ方向Ｆで入口弁９０のすぐ上流に配置されているか、またはシリンダ１０から外部に流体が吐出されるために介される流体吐出ライン１６またはフランジ１４が、流体流れ方向Ｆで出口弁９１のすぐ下流に配置されているため、本発明によるピストン圧縮機１にはガス空間が無いか、または非常に小さい。このように、入口弁９０のすぐ上流や出口弁９１のすぐ下流までは、搬送される流体は、シリンダ１０と直接に熱伝導するように接触することがなくなる。これによって、シリンダ１０が冷やされる深さが少なくなるという効果がある。

さらなる有利な実施形態では、構成要素である入口弁９０、出口弁９１、およびフランジ１４のうちの少なくとも１つは、入口弁９０、出口弁９１、および／またはフランジ１４を通って流れる冷たい流体によって第１シリンダカバー１１および第２シリンダカバー１２から低減された程度でしか熱を取り出さないように、第１シリンダカバー１１および第２シリンダカバー１２に対する熱抵抗が増加するように設計されている。図３は、熱抵抗を増加させるための実施形態の詳細図である。出口弁（吐出弁）９１は、第１シリンダカバー１１に完全には接触せず、弁部分面９１ａを介して部分的に接触しているだけなので、出口弁（吐出弁）９１と第１シリンダカバー１１との間の熱抵抗が大きくなっている。同様に、入口弁９０を第１シリンダカバー１１または第２シリンダカバー１２に配置することも可能である。熱抵抗を増加させる別の可能性として、図３に示すように、フランジ１４も第１シリンダカバー１１に完全に接触せず、フランジ部分面１４ａを介して第１シリンダカバー１１に部分的に接触するだけで、フランジ１４と第１シリンダカバー１１の間の熱抵抗を増加させることができる。同様に、フランジ１４を第２シリンダカバー１２に配置することも可能である。有利には、本発明によるピストン圧縮機（往復動圧縮機）１は、周囲温度で運転されるので、シリンダ１０は、例えば放出蒸気ガスの搬送および圧縮中に周囲空気によって加熱され、それによって、上述した熱抵抗の増加は、シリンダ１０が、シリンダ１０を流れる流体（Ｆ）に起因して低減された範囲で冷却されるという利点をもたらす。よって、シリンダ１０は、動作中にさらに高い温度を有し、また好ましくは、より均一な温度分布を有し、これによって、例えば、印加される温度差に起因するピストン圧縮機（往復動圧縮機）１の構成要素の反り、特に、シリンダ１０、ピストン２０、ピストンロッド２４、またはスペーサ４０の反りのリスクが低減される。

有利な実施形態では、第１シリンダカバー１１または第２シリンダカバー１２の内面と、第１ピストンカバー２１または第２ピストンカバー２２の外面とは、いわゆるダメージスペースが可能な限り小さく保たれるように、互いに適合するように設計されている。

図２および図３に示すように、有利な実施形態では、２つのピストンカバーである第１ピストンカバー２１および第２ピストンカバー２２のうちの少なくとも１つは、関連する第１シリンダカバー１１、第２シリンダカバー１２に向かって突出する特に凸状の第１ピストン端面２１ａおよび第２ピストン端面２２ａを有している。関連する第１シリンダカバー１１、第２シリンダカバー１２は、対応して突出した第１シリンダカバー外側面１１ｃおよび第２シリンダカバー外側面１２ｃを有しているか、または第１ピストン端面２１ａおよび第２ピストン端面２２ａに対して対応して後退する第１シリンダカバー内側面１１ｄおよび第２シリンダカバー内側面１２ｄを有している。ピストン２０の最上位置では、第１シリンダ内部空間１０ａがダメージスペースに相当するが、図３から分かるように、このダメージスペースは非常に小さい。

可能な実施形態では、第１シリンダカバー１１および／または第２シリンダカバー１２は、長手方向Ｌの軸線に対して垂直に延びる端面を有し得、この端面には、入口弁９０および出口弁９１が配置されている。しかし、特に有利なことに、第１シリンダカバー１１および／または第２シリンダカバー１２は、図２に示すように、第１シリンダカバー１１，第２シリンダカバー１２内に、入口弁９０および出口弁９１が対称面Ｓに対して傾斜して配置されるように設計されている。入口弁９０および出口弁９１は、対称面Ｓに対して傾斜するように第１シリンダカバー１１，第２シリンダカバー１２内に配置されている。これによって、入口弁９０，出口弁９１を大径化して使用することが可能となり、入口弁９０，出口弁９１の流路抵抗を低減することができる。

図４および図５は、図２と同じシリンダ１０を示しているが、断面図ではなく、２つの異なる側面図である。シリンダ１０は、第１シリンダカバー１１、シリンダジャケット１３、第２シリンダカバー１２を備えている。第１シリンダカバー１１および第２シリンダカバー１２には複数のフランジ１４が配置されている。シリンダ１０は、スペーサ４０を介してキャリアハウジング（サポートハウジング）６０に固定的に接続されており、キャリアハウジング（サポートハウジング）６０に対して間隔を空けて配置されている。図示の実施形態例では、スペーサ４０は、対称面Ｓに対して対称的に配置された２つの第１および第２支持アーム４２，４３を備えており、第２シリンダカバー１２は、それぞれの第１および第２支持アーム４２，４３に固定的に接続された２つの第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆを備えている。２つの第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆのそれぞれは、好ましくは周方向に同一形状であり、図４に示すように、好ましくは１０°以上３０°以下の範囲の周方向の幅Ｃを有している。また、図４には交差線Ｂ−Ｂの軌跡と、対称面Ｓの軌跡とが示されている。また、図５には、断面線Ａ−Ａの軌跡と、第２対称面Ｓ_２の軌跡とを示している。第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆは、好ましくは、図４に第２取付点１２ｆを示すように、対称面Ｓに対して実質的に垂直に延びており、対称面Ｓに対して対称に延びるように配置される。点Ｓ_３は、第２取付点１２ｆと対称面Ｓとの交点を示している。好ましくは、第２取付点１２ｆは、点Ｓ_３に対して対称的に、また対称面Ｓに対して対称的に延びている。既に説明したように、ピストン圧縮機（往復動圧縮機）１の動作中、シリンダ１０は、対称面Ｓの領域または点Ｓ_３の領域で平均温度を有している。対称的な配置によって、両方の第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆに同じ温度が存在するか、またはシリンダ１０が同じ温度を有しているので、第１支持アーム４２および第２支持アーム４３も２つの第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆで同じ温度を有していることになる。シリンダ１０と、シリンダ１０に取り付けられたフランジ１４とが対称的に設計されていることに加えて、２つの第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆが対称的に配置されていること、およびスペーサ４０の第１および第２支持アーム４２，４３が対称的に設計されていることで、２つの第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆにおいて第１および第２支持アーム４２，４３が同じ温度になり、２つの第１および第２支持アーム４２，４３で互いに熱歪みが発生しないという利点がある。既に説明したように、入口流体ＦＥと出口流体ＦＡは、対応するフランジ１４、さらにはシリンダ１０、場合によってはピストン２０が流体流れ方向Ｆに温度差を持つように、大きな温度差を持つ可能性があり、これによって、特に流体流れ方向Ｆに、シリンダの歪みやその構成要素の歪みが生じる可能性がある。しかし、このような歪みは、点Ｓ_３や第１および第２支持アーム４２，４３には全く、あるいは無視できるほど影響を与えないので、ピストン圧縮機（往復動圧縮機）１の運転中に、シリンダ１０はスペーサ４０によって規定の位置に保持される。特に重要なのは、ピストンロッド２４が、対称面Ｓの領域である第２シリンダカバー（第２弁カバー）１２の通路開口部１２ｇを通過するという特徴であり、第２シリンダカバー（第２弁カバー）１２の領域が平均的な温度も有しているので、通路開口部１２ｇとピストンロッド２４との間には熱的に誘発された歪みも発生しないか、ごくわずかしか発生しないはずである。

図５では、スペーサ４０は、第１支持アーム４２と第２支持アーム４３とを備えているＵ字型であるが、スペーサ４０は、第２シリンダカバー１２に接続され、好ましくは対称面Ｓに対して対称的に配置された、例えば４つ、６つ、または８つのようにより多くの支持アームを有することも可能である。より良く説明するために、図５では第２スタッフィングボックス室５１と第３スタッフィングボックス室５２およびスペーサカバー５３は示されていない。

図６は、フランジ１４のないシリンダ１０とピストン２０を、断面線Ａ−Ａに沿った断面で実質的に示している。図７は、交差線Ｂ−Ｂに沿った断面において、フランジ１４のないシリンダ１０とピストン２０を実質的に示している。

シリンダ１０は、第１シリンダカバー１１、第２シリンダカバー１２、および好ましくは筒状のシリンダジャケット１３の少なくとも３つの部分を備えており、シリンダジャケット１３は、第１シリンダカバー１１と第２シリンダカバー１２との間に配置されている。

ピストン２０は、第１ピストンカバー２１と、第２ピストンカバー２２と、および第１ピストンカバー２１と第２ピストンカバー２２の間に配置されたピストンスカート２３との、少なくとも３つの部品を備えている。シリンダおよび／またはピストンのこのような層構造は、メンテナンスの際に、例えばシリンダジャケット（シリンダスカート）１３およびピストンスカート２３のような、かなりの摩耗が見られる部品のみを交換する必要があるため、特に有利なメンテナンスを可能にするものである。有利には、ピストンスカート２３は、少なくとも部分的にラビリンス状の外面２３ａを有しており、これによって、ピストン圧縮機１は、ラビリンスピストン圧縮機として構成されている。さらに有利な実施形態では、ラビリンス状の外面２３ａの代わりに、ピストンスカート２３上に少なくとも１つのシールリングが配置され、ピストンスカート２３は、好ましくは、シールリングが配置される少なくとも１つの周方向の溝を有しており、これによって、ピストン圧縮機１は、リングシールされたピストン圧縮機１として構成される。

第２シリンダカバー１２は、好ましくは第２シリンダカバー１２の外縁１２ｉに、図示しない取付手段、好ましくはネジを介して第１および第２支持アーム４２，４３が取り付けられる第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆを配置している。第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆは、対称面Ｓに対して互いに対称であることが好ましい。

有利な実施形態では、２つのピストンカバーである第１ピストンカバー２１および第２ピストンカバー２２のうちの少なくとも１つは、関連する第１シリンダカバー１１，第２シリンダカバー１２に向かって突出する特に凸状の第１ピストン端面２１ａおよび第２ピストン端面２２ａを有し、関連する第１シリンダカバー１１，第２シリンダカバー１２は、例えば図２に示すように、対応して突出した第１シリンダカバー外側面１１ｃおよび第２シリンダカバー外側面１２ｃを有しており、または第１ピストン端面２１ａおよび第２ピストン端面２２ａに対して対応して後退する第１シリンダカバー内側面１１ｄおよび第２シリンダカバー内側面１２ｄを有している。

第２シリンダカバー１２は、第２シリンダカバー１２の中心に、長手方向Ｌに延びる通路開口部１２ｇを有し、これに沿ってピストンロッド２４が延びており、好ましくは、通路開口部１２ｇの下流の長手方向Ｌにおいて、第２シリンダカバー１２の外側に、少なくとも１つのスタッフィングボックス室（５０）が配置されており、好ましくは、複数のスタッフィングボックス室が配置されている。

往復動圧縮機の有利な実施形態では、入口弁９０、出口弁９１、およびフランジ１４のうちの少なくとも１つは、可能な表面積全体で第１シリンダカバー１１または第２シリンダカバー１２に接しておらず、入口弁９０、出口弁９１、フランジ１４と、第１シリンダカバー１１または第２シリンダカバー１２との間の熱抵抗を増大させるために、部分的な表面積、すなわち可能な全表面積の一部でのみ第１シリンダカバー１１または第２シリンダカバー１２に接している。

図８は、ピストン圧縮機１を側面から見た図である。これは、ピストン２０が配置された２つのシリンダ１０を備えており、各ピストン２０はスペーサ４０を介してキャリアハウジング６０に接続されており、各ピストンロッド２４は共通のクランクシャフト６１によって駆動されている。キャリアハウジング６０の下方には、オイルドレンパン６４が配置されている。さらに有利な実施形態では、ピストン圧縮機（往復動圧縮機）１は、ピストン２０を備えた単一のシリンダ１０のみを備えているか、または対応するピストン２０を備えた複数のシリンダ１０、例えば３〜１０個のシリンダ１０を備えていることもできる。

図９は、ピストン圧縮機（往復動圧縮機）１と、電動機８１と、流体供給ライン１５に接続された供給マニホルド８５と、流体吐出ライン１６に接続された吐出マニホルド８６とを備えている圧縮機ユニット８０を示す。流体供給ライン１５だけでなく、流体吐出ライン１６も、好ましくは、温度に関連する膨張を補償するように弾性的に構成されており、これらの流体供給ライン１５および流体吐出ライン１６は、例えば、金属メッシュで構成されている。

有利な実施形態では、ピストン圧縮機（往復動圧縮機）１はシリンダ１０と、シリンダ１０の中に配置されたピストン２０と、キャリアハウジング６０に搭載されたクロスヘッド６３を備えたキャリアハウジング６０と、シリンダ１０をキャリアハウジング６０に接続するスペーサ４０と、長手方向Ｌに延びてクロスヘッド６３をピストン２０に接続するピストンロッド２４とを備えている。スペーサ４０は複数の第１および第２支持アーム４２，４３を備えており、第１および第２支持アーム４２，４３はシリンダ１０に接続され、シリンダ１０を支持している。有利には、シリンダ１０は、長手方向Ｌの軸線に対して互いに対称に配置された複数の第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆを備えており、この第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆに第１および第２支持アーム４２，４３が取り付けられている。ピストン圧縮機は、ピストンロッド２４に沿って長手方向Ｌに延びる対称面Ｓを有しており、第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆおよび第１および第２支持アーム４２，４３は、対称面Ｓに対して対称に配置されている。有利には、スペーサ４０は、長手方向Ｌに延びる２つの第１および第２支持アーム４２，４３を有するＵ字型であり、シリンダ１０は、第１および第２支持アーム４２，４３が取り付けられる２つの第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆを有する。有利には、各第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆは、シリンダ１０の周方向における幅Ｃが１０°〜３０°の範囲内にある。有利なことに、シリンダ１０は入口弁９０と出口弁９１を備えており、入口弁９０と出口弁９１は、対称面Ｓに対して互いに対称である。有利には、シリンダ１０は、第１シリンダカバー１１だけでなく、第２シリンダカバー１２も備えており、第１シリンダカバー１１および第２シリンダカバー１２の両方は、シリンダ１０およびピストン２０が複動式であるように、入口弁９０だけでなく、出口弁９１も備えている。

有利には、中にピストン２０が配置された複数のシリンダ１０は、キャリアハウジング６０上に互いに間隔を空けて配置され、それぞれが別個のスペーサ４０を介してキャリアハウジング６０に接続されている。製有利には、ピストンロッド２４が各ピストン２０に関連付けられており、キャリアハウジング６０はモノブロックの形態であり、モノブロックは、ピストンロッド２４の数に対応する数のボアを有し、ボアのそれぞれにクロスヘッド６３が変位可能に搭載されており、各ピストン２０は、それぞれのピストンロッド２４を介して関連するクロスヘッド６３に接続されている。有利には、モノブロックとクロスヘッド６３は、１００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋの範囲の熱伝導率を有する金属製、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金製である。好ましくは、シリンダ１０および／またはピストン２０は、１００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋの範囲の熱伝導率を有する金属製、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金製である。

シリンダ１０だけでなく、シリンダ１０の中に配置されたピストン２０と、キャリアハウジング６０に搭載されたクロスヘッド６３を有するキャリアハウジング６０と、シリンダ１０をキャリアハウジング６０に接続するスペーサ４０と、長手方向Ｌに延びてクロスヘッド６３をピストン２０に接続するピストンロッド２４とを備えるピストン圧縮機１は、シリンダ１０とキャリアハウジング６０との間に存在する熱差に起因する熱エネルギーが複数の第１および第２支持アーム４２，４３を介して交換されるように、有利に動作する。有利には、入口弁９０を介してシリンダ１０に入口流体ＦＥが供給され、シリンダ１０内に位置する流体が出口弁９１を介してシリンダ１０から出口流体ＦＡとして吐出され、入口弁９０と出口弁９１は、ピストンロッド２４の長手方向Ｌに沿って延びる対称面Ｓに対して対称に配置されている。よってシリンダ１０は、対称面Ｓの領域で流体を送出する間に、入口流体ＦＥの温度と出口流体ＦＡの温度の間にある平均温度に加熱され、第１および第２支持アーム４２，４３は、第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆを介して対称面Ｓの領域でシリンダ１０に接続されている。有利なことに、第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆの間の２つの中心点である点Ｓ_３は、流体の送出の間、実質的に同じ温度に温められる。有利なことに、ピストンロッド２４は、対称面Ｓの領域に延びており、これは、流体の送出の間、第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆと実質的に同じ温度に調温される。

図１に示すピストン圧縮機１は、シリンダ１０と、シリンダ１０の内部に配置されたピストン２０と、キャリアハウジング６０に搭載されたクロスヘッド６３を有するキャリアハウジング６０と、シリンダ１０とキャリアハウジング６０とを接続するスペーサ４０と、長手方向Ｌに延びてクロスヘッド６３とピストン２０とを接続するピストンロッド２４とを備えている。スペーサ４０は、長手方向Ｌに延びる複数の第１および第２支持アーム４２，４３を有し、第１および第２支持アーム４２，４３は、それぞれシリンダ１０に向かって個別にシリンダ１０に接続されている。

シリンダ１０は複数の第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆを有しており、それぞれの第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆにはそれぞれの第１および第２支持アーム４２，４３が取り付けられている。

第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆは、長手方向Ｌに対して互いに対称的に配置されている。
本発明による圧縮機は、ラビリンスピストン圧縮機として構成されていてもよいし、シールリングを備えた少なくとも１つのピストンを備えている圧縮機として構成されていてもよい。

ピストン圧縮機１の動作方法であって、ピストン圧縮機１はシリンダ１０と、シリンダ１０の中に配置されたピストン２０と、キャリアハウジング６０によって支持されたクロスヘッド６３を有するキャリアハウジング６０と、シリンダ１０とキャリアハウジング６０とを接続するスペーサ４０と、長手方向Ｌに延びてクロスヘッド６３とピストン２０とを接続するピストンロッド２４とを備えており、スペーサ４０は、複数の第１および第２支持アーム４２，４３を備えている。第１および第２支持アーム４２，４３はそれぞれ個別に第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆを介してシリンダ１０に接続されている。第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆの間に存在する熱差による熱エネルギーは、第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆの間で長手方向Ｌに対して周方向に直接交換されず、長手方向Ｌに延びる第１および第２支持アーム４２，４３を介して交換されるようになっている。

本方法では、入口流体ＦＥは好ましくは−１６２℃と−４０℃の間の範囲の温度で供給され、出口流体ＦＡは好ましくは圧縮によって１００℃と１５０℃の間の範囲の温度差で加熱される。

本方法では、第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆはそれぞれ、対称面Ｓの領域に中心点としの点Ｓ_３を有しており、流体の搬送中に実質的に同じ温度に調整される。
この方法では、スペーサ４０は、支持部４１と、長手方向Ｌに延びる２つの第１および第２支持アーム４２，４３とを備えたＵ字型であり、第１および第２支持アーム４２，４３および支持部４１を介して、シリンダ１０とキャリアハウジング６０との間で熱エネルギーが交換される。

本方法では、各第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆは、シリンダ１０の周方向における幅Ｃが１０°〜３０°の範囲にあり、各第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆは、中心点としての点Ｓ_３に対して対称的に配置されているので、熱エネルギーは、第１および第２取付点１２ｅ，１２ｆに沿って各第１および第２支持アーム４２，４３から周方向に伝達される。

今日まで、入口と出口の流体の間に高い温度差がある流体を圧縮するのに適した、コスト効率の良い往復動圧縮機、特にラビリンスピストン圧縮機を作ることは、大きな技術的課題となっていた。
特許文献２には、シリンダ、ピストン、キャリアハウジング、クロスヘッド、およびクランクシャフトを有する往復動圧縮機が開示されている。このピストン圧縮機は剛性を向上している。また、この往復動圧縮機では、入口流体と出口流体の温度差が大きい場合に問題が生じる。

Claims (21)

1. シリンダ（１０）と、
   前記シリンダ（１０）の中に配置されたピストン（２０）と、
   キャリアハウジング（６０）に搭載されたクロスヘッド（６３）を有する前記キャリアハウジング（６０）と、
   前記シリンダ（１０）を前記キャリアハウジング（６０）に接続するスペーサ（４０）と、
   長手方向（Ｌ）に延びて前記クロスヘッド（６３）を前記ピストン（２０）に接続するピストンロッド（２４）と
   を備えているピストン圧縮機（１）であって、
   前記スペーサ（４０）は、前記長手方向（Ｌ）に延びる複数の支持アーム（４２，４３）を備えており、
   前記支持アーム（４２，４３）は、それぞれ個別に前記シリンダ（１０）に向かって前記シリンダ（１０）に接続されている、
   ピストン圧縮機。
2. 前記シリンダ（１０）は複数の取付点（１２ｅ、１２ｆ）を有しており、
   各１つの前記支持アーム（４２，４３）は各１つの前記取付点（１２ｅ、１２ｆ）に取り付けられている、
   請求項１に記載のピストン圧縮機。
3. 複数の前記取付点（１２ｅ，１２ｆ）は、前記長手方向（Ｌ）に対して互いに対称に配置されている、
   請求項２に記載のピストン圧縮機。
4. 前記シリンダ（１０）は、前記ピストンロッド（２４）に沿って前記長手方向（Ｌ）に延びる対称面（Ｓ）を有しており、
   前記取付点（１２ｅ，１２ｆ）および前記支持アーム（４２，４３）は、前記対称面（Ｓ）に対して対称に配置されている、
   請求項３に記載のピストン圧縮機。
5. 前記スペーサ（４０）はＵ字型であり、前記スペーサ（４０）は前記長手方向（Ｌ）に延びる２つの支持アーム（４２，４３）を備えており、
   前記シリンダ（１０）は、前記支持アーム（４２，４３）が固定される２つの取付点（１２ｅ，１２ｆ）を有する、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のピストン圧縮機。
6. 各取付点（１２ｅ，１２ｆ）は、１０°〜３０°の範囲で前記シリンダ（１０）の周方向の幅（Ｃ）を有している
   請求項２〜５のいずれか一項に記載のピストン圧縮機。
7. 前記シリンダ（１０）は入口弁（９０）および出口弁（９１）を備えており、
   前記入口弁（９０）および前記出口弁（９１）は対称面（Ｓ）に対して互いに対称である、
   請求項４〜６のいずれか一項に記載の往復動圧縮機。
8. 前記シリンダ（１０）は第１シリンダカバー（１１）および第２シリンダカバー（１２）を備えており、
   前記第１シリンダカバー（１１）および前記第２シリンダカバー（１２）の両方が前記入口弁（９０）および前記出口弁（９１）を備えていることで、前記シリンダ（１０）および前記ピストン（２０）は複動式である、
   請求項７に記載のピストン圧縮機。
9. 中に前記ピストン（２０）が配置された複数のシリンダ（１０）は、前記キャリアハウジング（６０）上に互いに間隔を空けて配置されており、
   前記複数のシリンダ（１０）のそれぞれが別個の前記スペーサ（４０）を介して前記キャリアハウジング（６０）に接続されている、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載のピストン圧縮機。
10. 前記ピストンロッド（２４）は各ピストン（２０）に割り当てられており、
    前記キャリアハウジング（６０）はモノブロックとして設計されており、
    前記モノブロックは、複数の前記ピストンロッド（２４）の数に対応する数のボアを有しており、
    前記ボアのそれぞれに前記クロスヘッド（６３）は変位可能に搭載されており、
    各ピストン（２０）は、それぞれの前記ピストンロッド（２０）を介して割り当てられた前記クロスヘッド（６３）に接続されている、
    請求項８に記載のピストン圧縮機。
11. 前記キャリアハウジング（６０）および前記クロスヘッド（６２）は、１００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋの範３囲の熱伝導率を有する金属製である、
    請求項１０に記載のピストン圧縮機。
12. 前記キャリアハウジング（６０）および前記クロスヘッド（６２）は、アルミニウムまたはアルミニウム合金製である、
    請求項１１に記載のピストン圧縮機。
13. 前記シリンダ（１０）と前記ピストン（２０）とのうちの少なくとも一方は、１００〜３００Ｗ／ｍ・Ｋの範囲の熱伝導率を有する金属製であり、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウム合金製である、
    請求項１〜１２のいずれか一項に記載のピストン圧縮機。
14. 前記シリンダ（１０）と前記ピストン（２０）は、アルミニウムまたはアルミニウム合金製である、
    請求項１３に記載のピストン圧縮機。
15. ピストン圧縮機（１）の動作方法であって、前記ピストン圧縮機はシリンダ（１０）と、前記シリンダの中に配置されたピストン（２０）と、キャリアハウジング（６０）に搭載されたクロスヘッド（６３）を有する前記キャリアハウジング（６０）と、前記シリンダ（１０）と前記キャリアハウジング（６０）とを接続するスペーサ（４０）と、長手方向（Ｌ）に延びて前記クロスヘッド（６３）と前記ピストン（２０）とを接続するピストンロッド（２４）とを備えており、
    前記スペーサ（４０）は、前記長手方向（Ｌ）に延びる複数の支持アーム（４２，４３）を備えており、
    前記支持アーム（４２，４３）は、前記シリンダ（１０）に向かって取付点（１２ｅ，１２ｆ）を介して前記シリンダ（１０）にそれぞれ個別に接続されており、
    前記取付点（１２ｅ，１２ｆ）同士の間に存在する熱差による熱エネルギーは、前記取付点（１２ｅ，１２ｆ）同士の間で前記長手方向（Ｌ）に対して周方向に直接交換されず、前記長手方向（Ｌ）に延びる前記支持アーム（４２，４３）を介して交換される、
    ピストン圧縮機の動作方法。
16. 入口流体（ＦＥ）は入口弁（９０）を介して前記シリンダ（１０）に供給され、
    前記シリンダ（１０）内に位置する流体は、出口弁（９１）を介して前記シリンダ（１０）から出口流体（ＦＡ）として吐出され、
    前記入口弁（９０）および前記出口弁（９１）は、前記ピストンロッド（２４）の前記長手方向（Ｌ）に沿って延びる対称面（Ｓ）に対して対称に配置され、
    前記シリンダ（１０）は、前記対称面（Ｓ）の領域で流体を供給する間に、前記入口流体（ＦＥ）の温度と前記出口流体（ＦＡ）の温度との間に存在する平均温度に加熱され、
    前記支持アーム（４２，４３）は、前記取付点（１２ｅ，１２ｆ）を介して前記対称面（Ｓ）の領域で前記シリンダ（１０）に接続される、
    請求項１５に記載のピストン圧縮機の動作方法。
17. 前記入口流体（ＦＥ）は−１６２℃と−４０℃の間の範囲の温度で供給され、
    前記出口流体（ＦＡ）は１００℃と１５０℃の間の範囲の温度差で圧縮によって加熱される、
    請求項１６に記載のピストン圧縮機の動作方法。
18. 前記取付点（１２ｅ，１２ｆ）はそれぞれ、流体の搬送中に実質的に同じ温度に調整される前記対称面（Ｓ）の領域に中心点（Ｓ_３）を有する、
    請求項１６または１７に記載のピストン圧縮機の動作方法。
19. 前記スペーサ（４０）はＵ字型であり、支持部（４１）と、前記長手方向（Ｌ）に延びる２つの支持アーム（４２，４３）とを備えており、
    前記熱エネルギーは、前記支持アーム（４２，４３）および前記支持部（４１）を介して前記シリンダ（１０）と前記キャリアハウジング（６０）との間で交換される、
    請求項１５〜１８のいずれか一項に記載のピストン圧縮機の動作方法。
20. 各取付点（１２ｅ，１２ｆ）は、前記シリンダ（１０）の周方向に１０°〜３０°の範囲の幅（Ｃ）を有しており、
    各取付点（１２ｅ，１２ｆ）は、中心点（Ｓ_３）に対して対称に配置され、
    前記熱エネルギーは、前記取付点（１２ｅ，１２ｆ）に沿ってそれぞれの前記支持アーム（４２，４３）から周方向に伝達される、
    請求項１８に記載のピストン圧縮機の動作方法。
21. 前記ピストンロッド（２４）は、前記対称面（Ｓ）の領域で延びており、流体が搬送されている間に前記取付点（１２ｅ，１２ｆ）と実質的に同じ温度に調整される、
    請求項１６に記載のピストン圧縮機の動作方法。

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