JP5065267B2 - 圧縮機、特にピストン形圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ガス状媒体を圧縮するための圧縮機、特にピストン形圧縮機であって、前記媒体を入口圧から中間圧に圧縮するための低圧段及び該媒体を中間圧から高圧に圧縮するための高圧段とを有する圧縮機に関するものである。

ピストン形圧縮機として構成されるガス状媒体用圧縮機では圧縮圧力比がシリンダ寸法によって決まる。低圧段と高圧段とからなる２つの圧縮段を圧縮圧力比約１７で作動させるピストン形圧縮機では、例えば入口圧１バールのガス状媒体を圧縮圧力比１７の低圧段において１７バールの中間圧に圧縮し、圧縮圧力比１７．６の高圧段において３００バールの高圧に圧縮することができる。

このようなピストン形圧縮機は特定の入口圧に合せて設計されており、その場合、ガス状媒体の入口圧の変動は僅かな範囲内でしか許容されない。１バールの入口圧に合せて設計されたピストン形圧縮機が１バールの入口圧よりも高い例えば５バールの入口圧で作動されると、低圧段による圧縮圧力比１７の圧縮で８５バールの中間圧が生じ、その結果、低圧段の過熱を招くことになる。

特許文献１には、種々の入口圧に適応する２段式ピストン形圧縮機が開示されている。このために、この公知のピストン形圧縮機には低圧段用と高圧段用に別々の駆動装置が設けられている。しかしながら、低圧段用の駆動装置と高圧段用の駆動装置とを個々に備えたこのような２段式ピストン形圧縮機は構造が複雑で高価とならざるを得ない。
独国特許出願公開第１９９３３９８９号明細書

本発明の課題は、比較的低コストで構成でき、種々の入口圧に適応可能な冒頭に記載した形式の圧縮機を提供することである。

この課題は、本発明によれば、調整可能な死容積を形成する容積補償室を高圧段の上流側に接続した構成とすることによって解決される。高圧段の上流側に接続されたこのような容積補償室により、調整可能な死容積を高圧段に付設することが簡単に可能となる。この場合、容積補償室には圧縮工程中の低圧段からガス状媒体の一部が供給されて蓄積される。この容積補償室に蓄積されたガス状媒体は、次いで後続の高圧段の吸入行程で高圧段へ供給され、このときガス状媒体の断熱膨張により圧縮機が低圧段の吸入温度以下に冷却される。容積補償室の死容積が調整可能であるので高圧段の吸入容積を簡単に変更することができ、しかも同時に圧縮機の付加的な冷却を果たすこともできる。これにより、種々の入口圧において圧縮機を作動させることが簡単に可能となるだけでなく、圧縮機の過熱も回避することが可能となる。

本発明の好ましい実施形態として、容積補償室によって形成される死容積を入口圧に応じて調整可能とすることにより更に格別な利点を得ることができる。即ち、容積補償室の死容積の調整により入口圧に応じた高圧段の死空間の制御が僅かなコスト負担で達成可能である。

本発明の別の好ましい実施形態として、容積補償室を最高入口圧のときに最小死容積に設定し、入口圧の低下に伴って最大死容積へ向けて調整可能とすることによっても更に格別な諸利点を得ることができる。即ち、入口圧の低下に応じて容積補償室による付加的な冷却効果を簡単に増大可能である。入口圧の低下に応じて高圧段の圧縮圧力比が増加し、同時に圧縮機の熱負荷が増加するが、本実施形態に従って容積補償室が高圧段に接続されて高圧段用の死容積を形成していると、入口圧の低下に応じて死容積が増大することにより容積補償室の冷却効果が対応して増大し、従って種々の入口圧において使用される圧縮機の機体温度を簡単に下げることができる。

本発明の更に別の好ましい実施形態によれば、容積補償室が補償シリンダとして構成され、この補償シリンダは補償室ケーシング内で長手方向に往復移動可能な補償ピストンを有する。このように、補償ピストンで容積を変化可能な補償シリンダで容積補償室を構成することにより、調整可能な死容積を簡単に実現することができる。

この場合、補償ピストンは、容積補償室内で中間圧の作用を受ける第１制御面及びこれと対向する方向に入口圧の作用を受ける第２制御面を有する段付きピストンによって構成し、この段付きピストンを、入口圧の低下時に容積補償室の死容積を自動的に増加するように変位可能とすることが好ましい。補償ピストンをこのような段付きピストンとして構成し、その第１制御面と第２制御面の各受圧面積を相応に選択することにより、補償ピストンを最大入口圧のときは最小死容積へ向けて、また入口圧の低下に応じて最大死容積へ向けて付勢することが簡単に可能となる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、容積補償室は冷却機構を備えており、これにより容積補償室内にあるガス状媒体を簡単に冷却でき、係る冷却機構によって容積補償室による冷却効果を更に高めることが可能である。

この場合、好適な一実施形態によれば冷却機構は容積補償室を構成する補償シリンダの補償室ケーシングに配置された冷却フィンによって形成され、このような容積補償室の冷却機構は僅かな構造コストで製作することが可能である。

本発明の好適な一実施形態による圧縮機は、液圧駆動によって圧縮機ケーシング内で長手方向に往復移動可能な圧縮ピストンを備えている。

低圧段は好ましくは第１加圧室と第２加圧室とを有し、これら低圧段の２つの加圧室の容積は１つの圧縮ピストンによって相補的に制御される。これにより、圧縮機内部にこれら２つの加圧室のための僅かな占有空間を確保するだけで圧力伝達通路内における圧力の脈動を低減することが可能となる。

本発明の好適な一実施形態によれば、高圧段も第１加圧室と第２加圧室との２つの加圧室を有している。この場合も高圧段の２つの加圧室の容積は１つの圧縮ピストンによって相補的に制御され、従って圧縮機内部にこれら２つの加圧室のための僅かな占有空間を確保するだけで吐出圧力の脈動を低減することが可能となる。

低圧段と高圧段の領域における圧縮機の冷却は、圧縮機ケーシングに外部冷却構造を設けることによって簡単に達成することができる。

冷却効率の向上のために、更に圧縮ピストンに内部冷却構造を設けておくことも好ましいことである。

この場合、圧縮ピストンは内部冷却構造として少なくとも１つの長手穴を備えていることが好ましく、この長手穴は液圧駆動のための加圧室に連通させておけばよい。これにより、圧縮ピストンの内部冷却を圧縮機の駆動液圧媒体との熱交換によって簡単に果たすことが可能となる。

高圧段が第１加圧室と第２加圧室との２つの加圧室を備えている場合、高圧段の各加圧室にはそれぞれ容積補償室が個別に接続されていることが好ましい。

本発明による圧縮機は、特に水素燃料供給スタンドにおける水素燃料の圧縮に好適に使用され、その場合、前述の諸利点が一層格別な効果を発揮する。

本発明の上述及びその他の特徴と利点を、添付図面に概略構成を示した具体的実施形態に基づいて詳述すれば以下の通りである。

図１には、本発明に従って構成された直線往復動ピストン形式の圧縮機１の構成が概略縦断面図の様式で示されている。

このピストン形圧縮機１は、筒状の圧縮機ケーシング３内の中空穴２内で長手方向に直線往復移動可能な段付き形状の圧縮ピストン４を有し、圧縮ピストン４と圧縮機ケーシングの中空穴２との間に低圧段５と高圧段６との二つの圧縮段が構成されている。

高圧段６はピストン形圧縮機１の中央領域に配置され、一端側と他端側とに分けられた第１と第２の２つの加圧室６ａ、６ｂを備えている。これら加圧室は、圧縮機ケーシング３の中央領域に配置された密封要素７によって仕切られた高圧段における圧縮ピストン４の両端部の領域に形成されている。高圧段を低圧段から仕切るために段付部から大径部側の圧縮ピストン４の両端部にはピストン部８ａ、８ｂが固定されており、高圧段６の加圧室６ａ、６ｂは圧縮ピストン４の大径部の領域内に形成されている。図１においては、圧縮ピストン４は液圧による駆動操作で右方向の移動端に位置しており、このときの左側の第１加圧室６ａは最小押しのけ容積、右側の第２加圧室６ｂは最大押しのけ容積となっている。

低圧段５は高圧段６の両端部の更に外側で段付き形状の圧縮ピストン４の小径部側に配置され、一端側の第１加圧室５ａと他端側の第２加圧室５ｂとの２つの加圧室を備えている。これら加圧室は、圧縮ケーシングの中空穴２と圧縮ピストン４に固定されたピストン部８ａ、８ｂとによって圧縮ピストン４の小径部の領域内に形成されている。

圧縮ピストン４が図１に示す位置にあるとき、低圧段の左側の第１加圧室５ａは最大押しのけ容積、右側の第２加圧室５ｂは最小押しのけ容積となっている。

図示のピストン形圧縮機１は液圧操作で駆動され、このために圧縮ピストン４の両端で低圧段５の外側に隣接して液圧で交互に加圧可能な駆動用加圧室９ａ、９ｂが設けられている。圧縮ピストン４が図１に示す位置にあるときは駆動加圧室９ａに駆動用の液圧が印加されている状態である。これに代えて、他端側の駆動加圧室９ｂに駆動用の液圧が印加されると、それに応じて圧縮ピストン４は図１で左方向に付勢される。

ピストン形圧縮機１を制御するために低圧段５の加圧室５ａ、５ｂに各々１つずつ対となった低圧吸込弁１０ａ、１０ｂと低圧吐出弁１１ａ、１１ｂが付設されている。同様に高圧段６の加圧室６ａ、６ｂにも各々１つずつ対となった高圧吸込弁と高圧吐出弁が付設されているが、図１に現れているのは加圧室６ａに付設された高圧吸込弁１２ａと高圧吐出弁１３ａの対だけである。

ケーシング２の外周面には、低圧段５及び高圧段６の領域に外部冷却構造１５ａ、１５ｂが設けられている。

図示のピストン形圧縮機では、更なる冷却機能のための内部冷却構造として、圧縮ピストン４が盲孔、即ち圧縮ピストンの端面にのみ開口した有底穴からなる長手穴１６ａ、１６ｂを備えている。これらの長手穴は、それぞれ圧縮ピストン端面の開口で液圧駆動用加圧室９ａ、９ｂに連通しており、これにより圧縮ピストンの移動に際して液圧駆動用加圧室と長手穴との間で給排される駆動用液圧媒体によりピストン形圧縮機１の内部冷却が果たされるようになっている。

このピストン形圧縮機１はまた、圧縮ピストンの変位量を電気的に出力する位置センサー１７も装備している。

本発明の基本理念に従って、高圧段の各加圧室６ａ、６ｂの上流側には死容積を調整可能な容積補償室２０ａ、２０ｂが接続されている。

尚、図１及び図２には第１加圧室６ａの上流側に接続されているほうの容積補償室２０ａのみを縦断面で示し、その構成を以下に詳述するが、第２加圧室６ｂに接続されているほうの容積補償室２０ｂも同様の構成である。

容積補償室２０ａは補償シリンダ２１として構成され、ケーシング２２のケーシング穴２８内で長手摺動可能な補償ピストン２３を備えている。ケーシング２２のケーシング穴２８と補償ピストン２３の先端面との間に、容積補償室２０ａとして調整可能な死容積が形成されている。この死容積は、通路２６によって高圧段６の加圧室６ａの入口側、特に高圧段６における加圧室６ａの高圧吸込弁１２ａの下流側で、低圧段５の加圧室５ａと高圧段６の加圧室６ａとの接続通路に連結されている。補償ピストン２３は段付きピストンとして構成され、容積補償室２０ａ内に位置する先端面が第１制御面２４を構成する。この制御面は、低圧段によって生成されて容積補償室２０ａ内に蓄積される中間圧力の受圧面である。補償ピストン２３の尾端面は第２制御面２５を構成し、これは低圧段の入口圧力の受圧面である。ここで、第２制御面２５は第１制御面２４よりも大なる受圧面積を有する。

この場合、ケーシング穴２８内の補償ピストン２３を移動させて押しのけ容積を相応に調整し、以て容積補償室２０ａにより高圧段６の加圧室６ａのための調整可能な死容積を形成している。

容積補償室２０ａの領域でケーシング２２に配置されている冷却機構２７は、本例ではケーシング２２の外周面に形成された冷却フィンからなる。

図２に示す状態では圧縮機１の入口圧力が最小であり、このときの容積補償室２０ａは、補償ピストン２３が上方の移動端に位置していて最大の死容積を形成している。段付きピストンからなる補償ピストン２３の第２制御面２５に作用する低圧段５の入口圧力が増加するに伴って補償ピストン２３は図２で下方へ付勢され、これにより容積補償室２０ａの容積は、圧縮機１の入口圧力が最大のときの最小死容積へ向けて減少する。

圧縮機１の作動中は、吸入行程の後の圧縮行程でガス状媒体が低圧段５の加圧室５ａから吐出弁１１ａ及び吸込弁１３ａを介して吸入行程中にある高圧段６の加圧室６ａに導入される。高圧段６の高圧吸込弁１３ａの下流側で、低圧段５から高圧段６に至る接続通路に容積補償室２０ａを連結することで、やはり低圧段５によって中間圧力に圧縮された媒体が調整可能な死容積の容積補償室２０ａ内に導入され、冷却機構２７によって冷却される。高圧段６の次の吸入行程では容積補償室２０ａから高圧段６の加圧室６ａへと媒体が吸入され、その間に死容積を形成している容積補償室２０ａから出てくるガス状媒体は断熱膨張して吸入温度以下に冷却される。

このように、圧縮機の入口圧力に依存して死容積が調整される容積補償室２０ａによって高圧段６の吸入容積が変化され、従って圧縮機をさまざまな入口圧力において作動させることが可能となり、加えて容積補償室２０ａ自体の放熱及び付加的な冷却機構２７によって媒体が冷却されることにより、圧縮機の温度を特に低圧段５で圧縮後に段間圧力比、従って高圧段６の熱負荷が増加する入口圧力減少時に従来よりも低下させることが可能である。

本発明の一実施形態による直線往復動ピストン形圧縮機の構成を示す概略縦断面図である。 図１の圧縮機における容積補償室部分の拡大断面図である。

Claims (14)

1. ガス状媒体を圧縮するための特にピストン形圧縮機であって、前記媒体を入口圧から中間圧まで圧縮するための低圧段及び該媒体を中間圧から高圧まで圧縮するための高圧段を有するものにおいて、
   調整可能な死容積を形成する容積補償室（２０ａ；２０ｂ）が高圧段（６）の上流側に接続されており、前記容積補償室（２０ａ；２０ｂ）によって形成される死容積が入口圧に応じて調整可能であることを特徴とする圧縮機。
2. 容積補償室（２０ａ；２０ｂ）が、最高入口圧のときは最小死容積に設定され、入口圧の低下に伴って最大死容積へ向けて調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の圧縮機。
3. 容積補償室（２０ａ；２０ｂ）が補償シリンダ（２１）として構成され、該補償シリンダが補償室ケーシング（２２）内で長手方向に往復移動可能な補償ピストン（２３）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮機。
4. 補償ピストン（２３）が段付きピストンからなり、該段付きピストンが容積補償室（２０ａ；２０ｂ）内で中間圧の作用を受ける第１制御面（２４）及びこれと対向する方向に入口圧の作用を受ける第２制御面（２５）を有し、入口圧の低下時に容積補償室の死容積を自動的に増加するように変位可能であることを特徴とする請求項３記載の圧縮機。
5. 容積補償室（２０ａ；２０ｂ）が冷却機構（２７）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧縮機。
6. 冷却機構（２７）が補償室ケーシング（２２）に配置された冷却フィンによって形成されていることを特徴とする請求項５に記載の圧縮機。
7. 液圧駆動によって圧縮機ケーシング（３）内で長手方向に往復移動可能な圧縮ピストン（４）を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧縮機。
8. 低圧段（５）が第１加圧室（５ａ）と第２加圧室（５ｂ）とを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧縮機。
9. 高圧段（６）が第１加圧室（６ａ）と第２加圧室（６ｂ）とを有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧縮機。
10. 圧縮機ケーシング（３）に外部冷却構造（１５ａ；１５ｂ）が設けられていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧縮機。
11. 圧縮ピストン（４）に内部冷却構造が設けられていることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の圧縮機。
12. 圧縮ピストン（４）が少なくとも１つの長手穴（１６ａ；１６ｂ）を備え、該長手穴が液圧駆動用加圧室（９ａ；９ｂ）に連通していることを特徴とする請求項１１に記載の圧縮機。
13. 高圧段（６）の各加圧室（６ａ；６ｂ）に個別の容積補償室（２０ａ；２０ｂ）が接続されていることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の圧縮機。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項記載の圧縮機の特に水素燃料供給スタンドにおける水素燃料の圧縮への使用。

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