JP4823381B1 - 気体圧縮移送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消費エネルギーが低く、且つ気体の圧縮率が高く、低圧の気体を加圧して高圧気体として貯蔵タンクに移送することができる気体圧縮装置を提供すること。
【解決手段】気体を、加圧しつつ圧縮気体貯蔵装置に移送する気体圧縮移送装置であって、気体が導入される気体入口１４と、加圧され圧縮された気体を圧縮気体貯蔵装置１０７に排出する圧縮気体出口２２と、気体入口１４から圧縮気体出口２２を連通させた、気体が通過する気体移送路３０とを具備し、気体移送路３０には、小径路３１と大径路３２とが、それぞれ複数個交互に形成されており、大径路３２内に、移送する気体の逆流を防止する逆止弁４０が配置されており、逆止弁４０は、小径路３１の端縁口を封止する大径の封止部４１と、大径の封止部４１よりも小径の軸部４２とからなる気体圧縮移送装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、低圧の気体を圧縮し加圧して高圧気体として、気体貯蔵タンクへと移送することができる気体圧縮装置に関するものである。

近年、空気を圧縮してなる高圧空気は、蓄電システム等種々分野に利用可能であるとして注目を集めている。特に、自然エネルギーの有効利用の観点から低消費電力で圧縮空気を製造することができる空気圧縮装置が種々提案されている。
たとえば、特許文献１には、低圧シリンダと高圧シリンダの２つのシリンダを備え、これら２つのシリンダのタンクとの接続方式をタンク内の圧力に応じて切り替える切り替え手段を有する多段式空気圧縮機が提案されている。
また、特許文献２には、排気空気を再利用することで、消費動力を増大させることなく増圧効果を向上させるべく、上流側の増圧弁の出口ポートと下流側の増圧弁の入口ポートとを連通し、上流側の増圧弁の入口ポートと下流側の増圧弁の排気ポートとを連通し、下流側の増圧弁の駆動室の排気空気を上流側の増圧弁の駆動室に導入できるようにした気体圧縮装置が提案されている。特許文献３には、モータ駆動によりクランク軸を介してピストンを上下動させて、フィルターを介してクランクケース内に取り込んだ空気を圧縮するように構成した圧縮機構において、フィルターを介して取り込んだ清浄な空気の雰囲気にモータを配設すべく、また空気を冷媒として発熱部を冷却し得るよう、モータをクランクケース内に配設した圧縮機構が提案されている。

特開平３−１３８４６５号公報 特開２００２−３９１０５号公報 特開２０００−３２０４５８号公報

しかしながら、上述の提案にかかる圧縮装置では、いまだ空気の圧縮率が十分ではなく、たとえば４ｋｆｇ／ｃｍ^２の圧縮空気をタンクに移送するのに、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度にしか増圧させることができなかった。
このため、低消費エネルギーであっても、より増圧効果の高い圧縮装置の開発が要望されている。

したがって、本発明の目的は、消費エネルギーが低く、且つ気体の圧縮率が高く、低圧の気体を加圧して高圧気体として貯蔵タンクに移送することができる気体圧縮装置を提供することにある。

本発明者は、上記の課題を解消すべく鋭意検討した結果、逆止弁を多段に且つ直列に設置してなる気体圧縮装置が上記目的を達成しうることを知見し本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は下記気体圧縮移送装置を提供するものである。
１． 気体を、加圧しつつ圧縮気体貯蔵装置に移送する気体圧縮移送装置であって、
気体が導入される気体入口と、
加圧され圧縮された気体を圧縮気体貯蔵装置に排出する圧縮気体出口と、
上記気体入口及び上記圧縮気体出口を連通させた、気体が通過する気体移送路とを具備し、
上記気体移送路には、小径路と大径路とが、それぞれ複数個交互に形成されており、上記大径路内に、移送する気体の逆流を防止する逆止弁が配置されており、
上記逆止弁は、気体の逆流時には小径路の端縁口を封止する大径の封止部と、該大径の封止部よりも小径の軸部とからなる気体圧縮移送装置。
２．上記小径路は、上記気体移送路の中心軸線から外れた位置に設けられており、
上記軸部は、上記大径路の内壁に当接可能となされている
１記載の気体圧縮移送装置。
３．上記小径路の内径と上記大径路の内径との比は、１：５〜１０であり、
上記封止部の外径は、上記大径路の内径よりも小さく、上記小径路の内径を１とした場合４．５〜９．５であり、軸部の外径は上記小径路の内径を１とした場合２〜４である
１記載の気体圧縮移送装置。

本発明の気体圧縮装置は、消費エネルギーが低く、且つ気体の圧縮率が高く、低圧の気体を加圧して高圧気体として貯蔵タンクに移送することができるものである。
本発明の装置で圧縮できる気体は特に制限されないが、空気の圧縮に適している。このため、自然エネルギーの有効利用の観点から、自然エネルギーを利用した発電システムにおける余剰電力を、圧縮空気を利用して蓄電する蓄電システム等に有効に利用できる。また、通常のコンプレッサーとボンベとの間に設置することで、コンプレッサーの消費電力を抑えて高圧気体を製造する等種々用途に活用できる。
本発明の装置によると、従来の往復ポンプ装置よりも圧縮空気の増圧効果が大きく、電動モーターを小さくすることができ、コストも低減される。

図１は、本発明の気体圧縮移送装置の１実施形態の要部を示す１部断面図であり、装置の容器部分のみを断面として内部の状態を示す図である。 図２は、図１のII矢視図である。 図３は、図１の１部を拡大して示す使用態様図である。 図４は、図１の１部を拡大して示す使用態様図である。 図５は、図１に示す気体圧縮移送装置を具備する蓄電システムを模式的に示す概要図である。 図６は、本発明の気体圧縮移送装置の他の実施形態の要部を示す１部断面図（図１相当図）である。

気体圧縮移送装置１；気体入口１４；圧縮気体出口２２；気体移送路３０；小径路３１；大径路３２；逆止弁４０；封止部４１；軸部４２；気体加圧部１０；気体移送部２０；ロッド１３；ピストン１２；円筒体１１；連結部分２１；連結路２３；先端部３２ａ；基端部３２ｂ；凸設部２３

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本実施形態の気体圧縮移送装置１は、気体を、加圧しつつ圧縮気体貯蔵装置１０７（図５参照）に移送する気体圧縮移送装置である。
本実施形態の気体圧縮移送装置１は、図１に示すように、気体が導入される気体入口１４と、加圧され圧縮された気体を圧縮気体貯蔵装置１０７に排出する圧縮気体出口２２と、気体入口１４から圧縮気体出口２２を連通させた、気体が通過する気体移送路３０とを具備し、気体移送路３０には、小径路３１と大径路３２とが、それぞれ複数個交互に形成されており、大径路３２内に、移送する気体の逆流を防止する逆止弁４０が配置されており、逆止弁４０は、小径路３１の端縁口を封止する大径の封止部４１と、大径の封止部４１よりも小径の軸部４２とからなる。

以下、更に詳細に説明する。
本実施形態の気体圧縮移送装置１は、円筒状の気体加圧部１０と、気体加圧部１０に連結された円柱状の気体移送部２０とからなる。
気体加圧部１０は、クランクの設置されたモーター（図示せず）にロッド１３を介して連結されたピストン１２を収容した円筒体１１からなり、気体移送部２０との連結部分に近接して気体入口１４が形成されている。
気体移送部２０は、その内部に気体移送路３０を具備し、その先端において気体の漏れがないように気体加圧部１０の端縁部分を内包して気体加圧部１０に連結されており、これにより連結部分２１が形成されている。連結部分に近接した気体移送路３０は小径路３１であり、次いで大径路３２が設けられている。小径路３１と大径路３２とは交互に設けられており、それぞれ３つ設けられている。最終の大径路３２の先には圧縮気体出口２２が形成されており、最終の大径路３２と圧縮気体出口２２とは連結路３３で連通されている。

小径路３１は、図２に示すように気体移送部２０の内部における上下２か所、それぞれ気体移送路２０の中心軸線から外れた位置に設けられており、図１〜４に示すように、それぞれ径が小さく直線状の空間となっている。
大径路３２は、円柱状の空間であり、気体加圧部１０側の先端部３２ａと圧縮気体出口２２側の基端部３２ｂとで内部の形状が異なる。先端部３２ａは、周縁がテーパー状となされており、基端部３２ｂはその中央（２つの小径部の間の部分）に後述する軸部４２のストッパーとして機能する凸設部２３が形成されている。
小径路３１の内径と大径路３２の内径との比は、１：５〜１０であるのが、現実に気体の圧力が増幅されるので好ましい。このような効果が発揮されるのは、加圧空気が小径路３１を通過して大径路３２へと流入する際にジェット噴出効果が生じ、気体の加圧が促進されると考えられる。
これらの構造は３つの小径部及び大径部いずれも同じである。

逆止弁４０は、各大径部３２に設置されており、それぞれの封止部４１は円盤状であり、その周縁は大径部３２の先端部３２ａの周縁の形状に合わせてテーパー状とされている。
軸部４２は、封止部４１の中心から封止部直径方向に対して垂直方向に延設されており、その先端が大径路の内壁を形成している凸設部２３に当接可能となされている。
軸部４２の周囲にはばね部材２４が設けられており、封止部４１はばね部材２４により小径部３１側に付勢されている。気体が移送されないときには、ばね部材２４により付勢されているため封止部４１は小径路３１の端縁口が形成されている大径部３２の内面に当接して小径路３１を封止する。この際、軸部４２の先端と凸設部２３とは間隔が開いているが、この間隔（気体が流入する際に小径部３１の端縁と封止部４１の表面との間の距離と同じ）は０．３〜２．０ｍｍ、より好ましくは０．５〜１．２ｍｍとするのが、加圧気体のジェット噴出効果を増進する点で望ましい。
封止部４１の外径は、大径路３２の内径よりも小さく、小径路３１の内径を１とした場合４．５〜９．５であり、軸部４２の外径は小径路の内径を１とした場合２〜４であるのが、上述のジェット噴出効果を増進させる点で好ましい。

また、気体移送部２０は４つのユニット２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを連結して構成されている。各ユニットはそれぞれ雄ねじ山と雌ねじ山とで形成されており（図示せず）、ねじ式の連結方式で連結されている。このようにユニット式となっていることにより通常の切削加工により本実施形態の気体圧縮移送装置は製造することが可能である。
また、各部材の形成材料は特に制限されず、ステンレス材等を用いて形成することができる。

次に、図１、３及び４を参照して本実施形態の気体圧縮移送装置１の使用態様について説明する。
まず、図１に示すように、別に連結されたコンプレッサー１０１（図５参照）から移送させる低圧の圧縮空気を気体入口１４から導入しつつ、ピストン１２を図１の矢印方向Ａに運動させると、チャンバー１５内が圧縮されて加圧気体が生成され、生成した加圧気体が気体移送部２０へと導入される。
すると、図３に示すように封止部４１が加圧気体の圧力に押されて圧縮気体出口２２側に移動して軸部４２の先端が凸設部２３に当接する。これにより封止部４１と小径路３１の端縁口３１ａとの間に狭い空隙２５が生じ、かかる空隙２５を加圧気体が矢印方向に通過して大径部３２内に流入する。この際小径部３１及び空隙２５を通過することで加圧気体にジェット噴出効果が加わり、圧縮された空気の圧縮率が増幅された状態で大径部３２内に蓄積される。このような動作は、全ての大径部３２内で同様に行われることになる。
次に、ピストン１２を図１の矢印方向Ｂに運動させると、チャンバー１５内が減圧状態となり、気体入口１４から気体がチャンバー１５内に流入すると共に、図４に示すように、封止部４１が小径路３１の端縁口３１ａを封止して加圧気体の逆流を阻止する。この際、軸部４２の先端と凸設部２３との間には隙間が生じることになる。

そして、ピストンの矢印方向Ａ及びＢへの往復運動を連続的に行うことにより、圧縮気体の脈動が生じ、脈動に準じて上述の図３及び４に示す逆止弁４０の運動とそれに伴う圧縮気体の圧縮率の増幅が生じる。これにより、大径部３２内の加圧気体の圧縮状態が増幅されて徐々に気体の圧力が増大する。このため本実施形態の気体圧縮移送装置１では気体入口から低圧若しくは常圧の気体を導入しても、気体移送路３０において、小径路３１及び封止部４１と大径部３２の内面との間の空隙２５を狭くすることでジェット噴出効果を得、且つピストン１２の連続運動による脈動を利用して、加圧気体の圧縮状態を増幅させることができるので、より低消費エネルギーで、より高圧の気体を蓄積することができる。
なお、特に図示しないが、本実施形態の気体圧縮移送装置を使用する際に用いることができるモーターは、シリンダー径を細く（φ２０ｍｍ〜３０ｍｍ）、サイクル数を少なく（１００〜２００回／分）、ストローク長を長く（１００〜２００ｍｍ）設定することができ、このような設定とすることで低消費電力にて運転することが可能となる。

本実施形態の気体圧縮移送装置１は、たとえば以下のような蓄電システムに組み込んで利用することができる。
図５に示す蓄電システム１００は、小型太陽光発電システム（図示せず）に連結され、余剰電力が生じた際に作動するコンプレッサー１０１と、コンプレッサー１０１に配管１１１を介して連結された低圧の圧縮空気を貯蔵する低圧空気貯蔵タンク１０３と、低圧空気貯蔵タンク１０３に配管１１２を介して連結された本実施形態の気体圧縮移送装置１と、気体圧縮移送装置１の気体出口２２（図１参照）に配管１１３を介して連結された高圧空気貯蔵タンク１０７とからなる。図中、１０２，１０６，１０８はそれぞれ逆止弁であり、１０４は減圧弁である。
気体圧縮移送装置１は、ピストンを往復運動させるクランクロッド１０５ａを介してモーター１０５に連結されており、高圧空気貯蔵タンク１０７は、圧縮空気で運転することができる公知の空気タービン（図示せず）に配管（図示せず）を通じて連結されている。

そして、本形態の蓄電システムは、太陽光発電において余剰電力が生じた際に、５ｋｇｆ／ｃｍ^２以下の低圧圧縮空気を、コンプレッサーで製造する。この程度の低圧の圧縮空気であれば、消費電力は少なくて済み、小型太陽光発電でも相当量の加圧空気を蓄積することが可能である。
生成された低圧圧縮空気は低圧空気貯蔵タンクに貯め、次いで、低圧圧縮空気を本実施形態の気体圧縮移送装置に減圧弁１０４を通して供給する。そして、上述のようにピストンを往復運動させて、高圧圧縮空気を生成させて高圧空気貯蔵タンク１０７に高圧圧縮空気を移送し、貯蔵する。
貯蔵された圧縮空気は、必要に応じてタービンに供給して電力として利用する。

なお、本発明の圧縮空気移送装置は、上述の実施形態に制限されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
たとえば、本実施形態では大径部の数及び逆止弁の数を３段に設定しているが、複数であればよく、たとえば２〜５段の範囲で任意に設定することが可能である。

以下、本発明を実施例を示して詳細に説明するが、本発明はこれらに制限されるものではない。
〔実施例１〕
以下のサイズで図１に示す装置を製造し、以下に示す運転条件で運転し、圧縮空気を製造したところ１８ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧縮空気を得た。
・サイズ
小径部：φ２．５ｍｍ
大径部：φ２０ｍｍ
封止部：φ１９ｍｍ
空隙の幅（軸の先端と凸設部との間隔）：０．５ｍｍ
・運転条件
気体入口に導入する１次圧縮空気の圧力：４ｋｇｆ/ｃｍ^２
電動モーターの容量：５００ｗ
シリンダー径：φ２０ｍｍ
サイクル数：１００回／分
ストローク長：２００ｍｍ

〔実施例２〕
小径部が気体移送部の中心軸に沿っており、凸設部が設けられておらず、小径部の内径と大径部の内径との比が１：１．２である以外は図１に示す実施形態と同様に作成した図６に示す装置を製造し、以下に示す運転条件で運転し、圧縮空気を製造したところ１２ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧縮空気を得た。
・サイズ
小径部：φ１４ｍｍ
・運転条件
気体入口に導入する１次圧縮空気の圧力：４ｋｇｆ/ｃｍ^２
電動モーターの容量：５００ｗ
シリンダー径：φ２０ｍｍ
サイクル数：１００回／分
ストローク長：２００ｍｍ

本発明の圧縮空気製造装置は、小型風力発電等自然エネルギーを利用した発電での余剰電力の蓄電システムとして有用である。また、各種気体を低消費エネルギーで高圧に加圧する用途に種々応用可能である。

Claims (3)

1. 気体を、加圧しつつ圧縮気体貯蔵装置に移送する気体圧縮移送装置であって、
   気体が導入される気体入口と、
   加圧され圧縮された気体を圧縮気体貯蔵装置に排出する圧縮気体出口と、
   上記気体入口及び上記圧縮気体出口を連通させた、気体が通過する気体移送路とを具備し、
   上記気体移送路には、小径路と大径路とが、それぞれ複数個交互に形成されており、上記大径路内に、移送する気体の逆流を防止する逆止弁が配置されており、
   上記逆止弁は、小径路の端縁口を封止する大径の封止部と、該大径の封止部よりも小径の軸部とからなり、
   上記小径路の端縁口と上記封止部とが最も離れた際の両者の間隔は、該端縁口と該封止部との間を通過する気体がジェット噴出する距離とされている
   気体圧縮移送装置。
   
2. 上記小径路は、上記気体移送路の中心軸線から外れた位置に設けられており、
   上記軸部は、上記大径路の内壁に当接可能となされている
   請求項１記載の気体圧縮移送装置。
   
3. 上記小径路の内径と上記大径路の内径との比は、１：５〜１０であり、
   上記封止部の外径は、上記大径路の内径よりも小さく、上記小径路の内径を１とした場合４．５〜９．５であり、軸部の外径は上記小径路の内径を１とした場合２〜４である
   請求項１記載の気体圧縮移送装置。