JP5868382B2 - Fluid machinery - Google Patents
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Description
本発明は、流体を圧縮若しくは圧送するための流体機械、殊にガスを高い圧力に圧縮するための流体機械であって、リニアモータ、シリンダー、該シリンダー内で軸線方向可動な固体ピストン若しくは該シリンダー内で軸線方向可動な液体ピストン及び、前記シリンダーと前記固体ピストン若しくは前記液体ピストンとの間に形成された圧縮室を備えており、前記リニアモータは並進駆動力を前記固体ピストン若しくは前記液体ピストンに生ぜしめるようになっている形式のものに関する。 The present invention relates to a fluid machine for compressing or pumping a fluid, in particular a fluid machine for compressing a gas to a high pressure, and includes a linear motor, a cylinder, a solid piston movable axially in the cylinder, or the cylinder An axially movable liquid piston, and a compression chamber formed between the cylinder and the solid piston or the liquid piston, and the linear motor applies a translational driving force to the solid piston or the liquid piston. Concerning a form that is supposed to give birth.
流体機械は、種々の構造のものが公知であり、液体若しくはガスを圧送するか若しくは圧縮するかによって分類される。液体を圧送若しくは吐出するために用いられる流体機械は、一般的にポンプと称されるのに対して、ガス若しくは気体を圧縮するために用いられる流体機械は、圧縮機若しくはコンプレッサーと称される。さらに流体機械は、駆動力の種類に応じて、液圧式、電動式、或いは電磁式に分類され、かつ駆動運動の種類に応じて回転駆動式と並進駆動式とに分類される。 Various types of fluid machines are known, and are classified according to whether liquid or gas is pumped or compressed. A fluid machine used to pump or discharge liquid is commonly referred to as a pump, whereas a fluid machine used to compress a gas or gas is referred to as a compressor or compressor. Furthermore, the fluid machine is classified into a hydraulic type, an electric type, or an electromagnetic type according to the type of driving force, and is classified into a rotational driving type and a translational driving type according to the type of driving motion.
本発明は、駆動力をリニアモータによって形成するようになっている形式の流体機械に関し、この場合にリニアモータは、シリンダー内に案内されたピストンに直接に、つまり伝動装置による回転運動の変換なしに、並進の駆動力(並進駆動力若しくは直線駆動力)を生ぜし若しくは伝達するようになっている。この種の流体機械を用いてガス若しくは気体を圧縮する場合には、流体機械はピストン圧縮機若しくはリニアコンプレッサー(リニア圧縮機)と称される。リニアモータは実質的に固定子若しくはステータと可動子若しくはアクチュエータとから成っていて、回転モータと同様に、非同期リニアモータ若しくは同期リニアモータとして形成されるものである。これによりリニアモータは、かご形誘導モータ若しくは永久磁石同期モータと同様に作動するものであり、この場合には固定子のコイル若しくは巻体によって回転磁界の代わりに移動磁界を生ぜしめるようになっている。力伝達は、回転磁界電動機と同じように非同期モータの可動子の誘導作用に基づき若しくは永久磁石の磁場との相互作用に基づき行われるようになっている。 The present invention relates to a fluid machine of the type in which the driving force is generated by a linear motor, in which case the linear motor is directly connected to the piston guided in the cylinder, i.e. without conversion of rotational movement by the transmission. In addition, a translational driving force (translational driving force or linear driving force) is generated or transmitted. When compressing gas or gas using this type of fluid machine, the fluid machine is called a piston compressor or a linear compressor (linear compressor). The linear motor substantially includes a stator or a stator and a mover or an actuator, and is formed as an asynchronous linear motor or a synchronous linear motor, similar to a rotary motor. As a result, the linear motor operates in the same manner as a squirrel-cage induction motor or a permanent magnet synchronous motor. In this case, a moving magnetic field is generated instead of a rotating magnetic field by a stator coil or winding body. Yes. The force transmission is performed on the basis of the inductive action of the mover of the asynchronous motor or the interaction with the magnetic field of the permanent magnet, as in the rotating magnetic field motor.
ドイツ連邦共和国特許出願公開第102004055924A1号明細書に記載のリニアコンプレッサーにおいては、可動子のマグネットはマグネットフレームに取り付けられており、マグネットフレームはピストンの端面に固着されている。該公知のリニアコンプレッサーにはリニアモータの冷却のために冷却通路を設けてあり、該冷却通路を介して、固定子のコイルホルダーに取り付けられたコイルは冷却媒体で冷却されるようになっている。このためにポンプを設けてあり、ポンプは、リニアコンプレッサーを気密に密閉するケーシング内のオイルを冷却通路によってコイル若しくはコイルホルダーに向けて送るようになっている。この場合に、戻されたオイルはケーシングの下方の部分に捕集されるようになっている。 In the linear compressor described in DE 102004055924A1, the magnet of the mover is attached to a magnet frame, and the magnet frame is fixed to the end face of the piston. The known linear compressor is provided with a cooling passage for cooling the linear motor, and the coil attached to the coil holder of the stator is cooled by a cooling medium through the cooling passage. . For this purpose, a pump is provided, and the pump sends oil in a casing that hermetically seals the linear compressor toward the coil or the coil holder through the cooling passage. In this case, the returned oil is collected in the lower part of the casing.
ドイツ連邦共和国特許出願公開第10214047A1号明細書には、自動車の空調装置のための、閉じた冷却媒体回路を備えたコンプレッサーを開示してあり、該コンプレッサーはコンプレッサーケーシングを備えており、コンプレッサーケーシング内に圧縮室を形成してあり、圧縮室に行程ピストンを往復運動可能に配置してあり、この場合にコンプレッサーの駆動部として制御振動数の変化可能なリニアモータを用いてあり、リニアモータの作動部分の圧縮室側の端面に行程ピストンを取り付けてある。該公知のコンプレッサーは簡単に構成され、わずかな構成部分から成っていて、比較的に小さいスペースしか必要としておらず、80乃至160バールの高圧側の圧力レベルに際して支承、潤滑及びシールの問題は生じないようにするものである。この場合に圧縮室壁に対する行程ピストンの密閉は、行程ピストンに設けられた一般的なリングシール部分によって行われるようになっている。この種の可動のシール部分においては時間の経過に伴って大気への漏れが生じるので、ドイツ連邦共和国特許出願公開第10214047A1号明細書に記載の流体機械は、流体を高い圧力(150バールを越える圧力)に圧縮するためには適さないものであり、使用されるに至っていないものである。 German Offenlegungsschrift DE 102 140 47 A1 discloses a compressor with a closed cooling medium circuit for an air conditioner of a motor vehicle, the compressor comprising a compressor casing, in the compressor casing A compression chamber is formed in the compression chamber, and a stroke piston is arranged in the compression chamber so as to be able to reciprocate. In this case, a linear motor capable of changing the control frequency is used as a drive part of the compressor, and the operation of the linear motor A stroke piston is attached to the end face of the portion on the compression chamber side. The known compressor is simple to construct, consists of few components, requires a relatively small space, and gives rise to bearing, lubrication and sealing problems at high pressure levels of 80 to 160 bar. It is something to prevent. In this case, the stroke piston is sealed from the compression chamber wall by a general ring seal portion provided in the stroke piston. Since this kind of movable seal part leaks to the atmosphere over time, the fluid machine described in DE 10214047 A1 allows the fluid to flow at high pressures (above 150 bar). It is not suitable for compression to pressure) and has not yet been used.
前に述べてあるように、ここに述べる流体機械は、シリンダー内を軸線方向に可動な固体ピストン若しくは軸線方向に可動の液体ピストンを含むものである。固体ピストンは、本発明の枠内では従来慣用の(一般的な)剛性若しくは中実のピストン又は中実の金属ピストンを意味している。この種の固体ピストンを前記圧縮機は備えている。これに対して液体ピストンは、本発明の枠内では、流動性であるものの、固体のように振る舞い、液体の液面高さの変化に基づきガスの圧縮を達成する液体によって形成されているものである。この場合に、液体ピストンのための液体及び圧縮すべきガスの両方は、同一のシリンダー内に受容されているものの、液体とガスとの混合は生じることはない。これにより、液体ピストン若しくは液状のピストンは、固体ピストンと同様の機能を生ぜしめるようになっており、この場合に液体ピストンは固体ピストンと同様に、リニアモータのコイルによって生ぜしめる移動磁界に基づき並進的に駆動されるようになっている。 As previously mentioned, the fluid machine described herein includes a solid piston that is axially movable within a cylinder or a liquid piston that is axially movable. Solid piston means within the framework of the invention a conventional (general) rigid or solid piston or a solid metal piston. The compressor includes this type of solid piston. On the other hand, the liquid piston is fluid within the framework of the present invention, but is formed of a liquid that behaves like a solid and achieves gas compression based on a change in the liquid level of the liquid. It is. In this case, both the liquid for the liquid piston and the gas to be compressed are received in the same cylinder, but no mixing of the liquid and gas occurs. As a result, the liquid piston or liquid piston has the same function as the solid piston. In this case, the liquid piston translates based on the moving magnetic field generated by the coil of the linear motor, like the solid piston. Driven.
液体ピストンを備えた流体機械は、例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第102004046316A1号明細書により公知であり、該明細書に記載されている圧縮機においては、イオン液体を用いてあり、したがって該圧縮機はイオン式の圧縮機とも称される。該公知の圧縮機は互いに接続された2つのシリンダーを有しており、該各シリンダー内にはそれぞれ液体及び圧縮すべきガスが存在している。液体ポンプを用いて両方のシリンダー内の液面高さは次のように変化させられ、つまり一方のシリンダー内には圧縮すべきガスを吸い込むのに対して、他方のシリンダー内ではガスの圧縮を行うようになっている。 A fluid machine with a liquid piston is known, for example, from DE 102004046316 A1, and in the compressor described there, an ionic liquid is used, and therefore the compressor Is also called an ion compressor. The known compressor has two cylinders connected to each other, and in each cylinder there is a liquid and a gas to be compressed, respectively. Using the liquid pump, the liquid level in both cylinders is changed as follows: the gas to be compressed is sucked into one cylinder while the gas is compressed in the other cylinder. To do.
本発明の課題は、流体を圧縮若しくは圧送するための冒頭に述べた形式の流体機械を改善して、該流体機械が極めて簡単な構造であり、漏れの生じないかつ潤滑剤の不要な状態で流体を圧縮若しくは圧送できるように、殊にガスを高い圧力に圧縮できるようにすることである。 The object of the present invention is to improve a fluid machine of the type mentioned at the outset for compressing or pumping a fluid so that the fluid machine has a very simple structure, no leakage and no lubricant. It is to be able to compress the fluid, in particular to compress the gas to a higher pressure.
前記課題を解決するために本発明に基づく構成では、固体ピストン若しくは液体ピストンは、リニアモータの領域で、不動に配置された隙間管によって包囲されている。隙間管(定位置式のシールパイプ若しくはシールスリーブ)の配置によって、簡単に大気若しくは外部に対する漏れ防止(密閉性)を達成している。駆動部、ひいては大気に対する固体ピストンの密閉のための可動のシール部分の箇所で生じている漏れは、隙間管によって防止されるようになっている。隙間管を配置してあることに基づき、大気に対する密閉をもっぱら静的なシール部分によって行ってある。 In order to solve the above-mentioned problems, in the configuration according to the present invention, the solid piston or the liquid piston is surrounded by a non-moving gap tube in the region of the linear motor. By arranging the clearance pipe (fixed position type seal pipe or seal sleeve), leakage prevention (sealing performance) to the atmosphere or the outside is easily achieved. Leakage occurring at the location of the drive and thus the movable seal for sealing the solid piston to the atmosphere is prevented by the gap tube. Based on the fact that the gap tube is arranged, the sealing to the atmosphere is performed exclusively by a static seal portion.
固体ピストン、つまり中実のピストン(棒状ピストン若しくはプランジャー形ピストン)を備える流体機械の有利な第1の実施態様では、リニアモータは固定子及び可動子を有しており、隙間管は、半径方向で可動子と固定子のコイル(巻体)との間に配置されていて、これによって可動子を包囲している。本発明の別の、つまり第2の実施態様では、可動子も固定子のコイルも隙間管内に配置されており、これによって隙間管は可動子及び固定子を包囲している。 In a first advantageous embodiment of the fluid machine comprising a solid piston, ie a solid piston (rod-like or plunger-type piston), the linear motor has a stator and a mover, and the gap tube has a radius It is arranged in the direction between the mover and the stator coil (winding body), thereby surrounding the mover. In another or second embodiment of the invention, both the mover and the stator coil are arranged in the gap tube, whereby the gap tube surrounds the mover and the stator.
前記第1の実施態様では、隙間管は電気式の駆動装置と流体の充填される圧縮室若しくは可動の固体ピストンとの間の隔壁として用いられていて、エネルギー伝達のために磁束によって貫通されるようになっている。磁束は隙間管を貫通(通過)する場合に、隙間管にうず電流を生ぜしめ、うず電流は電気的な損失、ひいては隙間管を加熱してしまうことになり、この場合に効率は、外側に位置する隙間管を備えるリニアモータの効率よりも小さくなっている。損失が大きいというこのような欠点は、隙間管によって可動子及び固定子を包囲する第2の実施態様では生じていない。該第2の実施態様においては、少なくとも、流体機械を腐食してしまうような媒体を密封するという利点は得られる。前記第1の実施態様では、コイルをも媒体による腐食から保護していて、コイルの耐用年数の低下を防止している。 In the first embodiment, the gap tube is used as a partition between the electric drive and the fluid-filled compression chamber or movable solid piston and is penetrated by magnetic flux for energy transfer. It is like that. When the magnetic flux penetrates (passes through) the gap tube, an eddy current is generated in the gap tube, and the eddy current causes an electrical loss and eventually heats the gap tube. It is smaller than the efficiency of a linear motor with a gap tube located. Such a disadvantage of high loss does not occur in the second embodiment in which the mover and the stator are surrounded by the gap tube. In the second embodiment, at least the advantage of sealing a medium that would corrode the fluid machine is obtained. In the first embodiment, the coil is also protected from corrosion by the medium to prevent a decrease in the useful life of the coil.
本発明に基づく流体機械の有利な実施態様では、可動子はマグネットを有しており、該マグネットは固体ピストンに直接に配置されている。マグネットを固体ピストンに直接に取り付けることにより、別個のマグネットフレームの配置は不要になっている。さらに、流体機械、殊にシリンダーの半径方向の寸法を減少させることができる。 In a preferred embodiment of the fluid machine according to the invention, the mover has a magnet, which is arranged directly on the solid piston. By attaching the magnet directly to the solid piston, no separate magnet frame is required. Furthermore, the radial dimensions of the fluid machine, in particular the cylinder, can be reduced.
本発明の有利な別の実施態様では、流体機械は多段に形成されており、つまりガスの圧縮は少なくとも二段で、有利には四段で行われるようになっている。これとは異なる実施態様として、単段式の圧縮も可能であり、この場合に有利には補償段を設けて、圧縮の際の合成の力を小さく保つようになっている。ガスの圧縮を複数段で行う場合に有利には、固体ピストンは、直径の互いに異なる区分(ピストン区分)を有している。このようなピストンは、製作技術的に複数のピストン部分を互いに軸線方向で接合して組み立てられていてよい。 In another advantageous embodiment of the invention, the fluid machine is formed in multiple stages, i.e. the gas compression is performed in at least two stages, preferably in four stages. As a different embodiment, a single-stage compression is also possible, in which case a compensation stage is advantageously provided to keep the synthesis force during compression small. When the gas compression is carried out in a plurality of stages, the solid piston has sections with different diameters (piston sections). Such a piston may be assembled by joining a plurality of piston parts in the axial direction in terms of production technology.
固体ピストンを備える本発明に基づく流体機械の別の有利な実施態様では、隙間管に通じている圧縮室は、直接に流体機械の流体流入側、つまり流体吸引側に接続され、若しくは管路(導管)を介して或いは、シリンダー又はケーシング内に形成された通路を介して流体機械の流体流入側、つまり流体吸引側に接続されている。このような手段により、隙間管の領域の圧力は、流体流入側の低い圧力に低下されるようになっている。運動されるピストン密閉部に沿って流出する内部漏れは、流体流入側に導かれて吸い込み圧に放圧されるようになっている。このような作用効果により、隙間管の必要な壁厚を減少させることができ、ひいては、可動子と固定子のコイルとの間(隙間又は間隙)に配置された隙間管(間隙管)に生じる電気的な損失を減少させることができるようになっている。上記作用効果により、特に高い圧力の場合に従来技術では必要となる厚い若しくは二重壁の隙間管の使用を避けることができるようになっている。しかしながら安全性を高めるために、特に危険なガス(毒性のガス、環境負荷の高いガス若しくは放射性のガス)の場合に二重壁の隙間管の使用は可能である。 In another advantageous embodiment of the fluid machine according to the invention with a solid piston, the compression chamber leading to the clearance tube is directly connected to the fluid inflow side of the fluid machine, ie the fluid suction side, or the line ( The fluid inflow side, that is, the fluid suction side of the fluid machine through a conduit or a passage formed in the cylinder or casing. By such means, the pressure in the gap tube region is lowered to a low pressure on the fluid inflow side. The internal leak that flows out along the piston sealing portion that is moved is guided to the fluid inflow side and is released to the suction pressure. By such an effect, the necessary wall thickness of the gap tube can be reduced, and as a result, it occurs in the gap tube (gap tube) disposed between the mover and the stator coil (gap or gap). Electrical loss can be reduced. Due to the above-described effects, it is possible to avoid the use of a thick or double-walled gap tube, which is necessary in the prior art, particularly at high pressures. However, in order to increase safety, it is possible to use double-walled gap tubes, especially in the case of dangerous gases (toxic gases, gases with high environmental loads or radioactive gases).
隙間管の使用により発生することになる電気的な損失を減少させるために、有利な実施態様では隙間管は、金属によってではなく、プラスチック若しくはセラミックによって形成されている。プラスチックを選ぶかセラミックを選ぶかは、隙間管が発生する最大の圧力に耐え得るかにもより決められる。 In order to reduce the electrical losses that would be caused by the use of the gap tube, in an advantageous embodiment the gap tube is made of plastic or ceramic rather than of metal. The choice between plastic and ceramic depends on whether the gap tube can withstand the maximum pressure generated.
本発明の別の実施態様では、流体機械にリニアモータの冷却のため、殊に固定子のコイルの冷却のための冷却媒体回路を設けてある。有利な実施態様では流体の冷却のための少なくとも1つの熱交換器を設けてある。熱交換器を設けること自体は従来技術においても行われている。多段式の流体機械においては、有利には各圧縮段に熱交換器を配置してある。流体若しくはガスの冷却のために熱交換器に用いられる冷却媒体は、リニアモータの冷却のためにも用いられるものである。この場合にリニアモータの冷却は、有利には外側から、つまりリニアモータを取り囲むケーシングを介して行われ、したがって可動子も固定子も冷却媒体と直接に接触することはない。別個の冷却媒体を使用する実施態様とは異なり、別の実施態様では、圧縮すべき流体の冷却のためにもリニアモータの冷却のためにも、圧縮すべき流体と同じ流体を用いることができ、この場合には流体は適切な低温の状態で与えられるようになっている。 In another embodiment of the invention, the fluid machine is provided with a cooling medium circuit for cooling the linear motor, in particular for cooling the stator coils. In an advantageous embodiment, at least one heat exchanger for cooling the fluid is provided. Providing the heat exchanger itself is also performed in the prior art. In a multistage fluid machine, a heat exchanger is preferably arranged in each compression stage. The cooling medium used in the heat exchanger for cooling the fluid or gas is also used for cooling the linear motor. In this case, the cooling of the linear motor is preferably effected from the outside, i.e. through a casing surrounding the linear motor, so that neither the mover nor the stator is in direct contact with the cooling medium. Unlike the embodiment using a separate cooling medium, in another embodiment, the same fluid as the fluid to be compressed can be used for cooling the fluid to be compressed and for the linear motor. In this case, the fluid is supplied at an appropriate low temperature.
液体ピストン(流体ピストン)を用いてガスを高い圧力に圧縮する流体機械において、液体ピストンは有利には、蒸発圧力若しくは気化圧力を有さない、つまり圧力下でも蒸発しない磁性流体若しくは磁化可能な液体によって形成されており、したがって、磁性流体若しくは磁化可能な液体の分子は圧縮すべきガスと混合することはない。液体ピストンのための流体若しくは液体として1つの実施態様ではイオン液体を用いてある。圧縮すべきガスと混合しない流体を用いると、該流体の分解温度は超えられない間は、流体と圧縮すべきガスとの分離は不要になっている。液体ピストンを備える流体機械において、隙間管は有利には半径方向で固定子のコイルの内側に配置されていて、したがって可動子として機能する磁性流体若しくはイオン液体を包囲している。これによって隙間管はリニアモータの領域でシリンダー壁の機能を有している。 In a fluid machine that compresses gas to a high pressure using a liquid piston (fluid piston), the liquid piston advantageously has no evaporating or vaporizing pressure, ie a magnetic fluid or magnetizable liquid that does not evaporate under pressure Thus, the molecules of the ferrofluid or magnetizable liquid do not mix with the gas to be compressed. In one embodiment, an ionic liquid is used as the fluid or liquid for the liquid piston. If a fluid that does not mix with the gas to be compressed is used, separation of the fluid from the gas to be compressed is not necessary as long as the decomposition temperature of the fluid cannot be exceeded. In a fluid machine with a liquid piston, the gap tube is preferably arranged radially inside the stator coil and thus surrounds a magnetic fluid or ionic liquid that functions as a mover. As a result, the gap tube has the function of a cylinder wall in the region of the linear motor.
固体ピストンの代わりに液体ピストンを用いることによって、中実のピストンの使用を避けることができるだけではなく、中実のピストンの場合には必要なピストン密閉部材(ピストン密閉要素若しくはピストンシール部分)の使用も避けることができるようになっている。圧縮室の密閉は、液体ピストンを成す液体によって直接に行われ、したがって大気への漏れは生じない。さらに、ピストン閉鎖部材の省略によって流体機械の保守費用若しくは整備費用も節減することができ、それというのは作業室内に摩耗部材を用いてないからである。 By using a liquid piston instead of a solid piston, not only can the use of a solid piston be avoided, but in the case of a solid piston, the use of the necessary piston sealing element (piston sealing element or piston seal part). Can also be avoided. The compression chamber is sealed directly by the liquid forming the liquid piston, so that no leakage to the atmosphere occurs. Further, the omission of the piston closing member can also reduce the maintenance cost or maintenance cost of the fluid machine, since no wear member is used in the working chamber.
公知技術に基づくイオン式の圧縮機と異なり、本発明に基づく流体機械においては、液面高さの変化は、液圧ポンプを用いてではなく、リニアモータを用いて行われるようになっており、リニアモータのコイルによって形成される移動磁界は、磁化可能な液体に並進運動力を生ぜしめるようになっている。液圧ポンプの代わりにリニアモータを用いることによって、一面において圧縮すべきガスのより高い最大圧力を達成でき、他面において液圧ポンプの場合の摩耗を避けることができるようになっている。 Unlike the ionic compressor based on the known technology, in the fluid machine based on the present invention, the change in the liquid level is performed not by using a hydraulic pump but by using a linear motor. The moving magnetic field formed by the coil of the linear motor generates a translational movement force in the magnetizable liquid. By using a linear motor instead of a hydraulic pump, it is possible to achieve a higher maximum pressure of the gas to be compressed on one side and to avoid wear in the case of a hydraulic pump on the other side.
液体ピストンの使用においてはさらに利点として、液体を介して、圧縮に際して生じる圧縮熱の少なくとも部分的な排出(導出)、ひいてはリニアモータの冷却、殊に固定子のコイルの冷却を達成できることである。このために1つの実施態様では、液体の冷却のための熱交換器を設けてある。 A further advantage in the use of a liquid piston is that it is possible to achieve at least a partial discharge (derivation) of the compression heat generated during compression via the liquid, and thus cooling of the linear motor, in particular of the stator coils. For this purpose, in one embodiment, a heat exchanger for cooling the liquid is provided.
本発明に基づく流体機械は、ガスを高い圧力に圧縮するために、殊に水素を500バールの圧力若しくはそれより高い圧力に圧縮するために適している。したがってこの種のリニアコンプレッサーは、水素タンクスタンド若しくは水素供給タンク箇所の設備のために適している。 The fluid machine according to the invention is suitable for compressing gases to high pressures, in particular for compressing hydrogen to pressures of 500 bar or higher. This type of linear compressor is therefore suitable for the installation of a hydrogen tank stand or hydrogen supply tank location.
本発明に基づく流体機械は、種々に構成され、若しくは変更できるものである。次に本発明を図示の実施例に基づき詳細に説明する。 The fluid machine according to the present invention can be variously configured or modified. Next, the present invention will be described in detail based on the illustrated embodiment.
図1、図3、図5及び図6には、本発明に基づく流体機械の各実施例を示してあり、この場合に本発明にとって重要な構成部分のみを図示してある。図示の流体機械1は、ガス、殊に水素を例えば500バールの高い圧力に圧縮するために用いられている。つまりこの種の流体機械1は特に水素供給用の水素貯蔵スタンドの設備のために有利に用いられるものである。
1, 3, 5 and 6 show embodiments of the fluid machine according to the present invention, in which only the components which are important for the present invention are shown. The illustrated
図1、図3及び図5に示す流体機械1は、シリンダー3内に可動に配置された固体ピストン4の駆動のためのリニアモータ2を有している。駆動部としてリニアモータ2を用いることによって、固体ピストン4に並進駆動力を生ぜしめることができ、したがって固体ピストン4はシリンダー3内を軸線方向に往復運動するようになっている。シリンダー3,3′内には、圧縮すべきガスのための少なくとも1つの圧縮室5を設けてあり、この場合に圧縮室5の大きさは、固体ピストン4の位置に依存して変化させられるようになっている。
A
図1及び図3に示す両方の実施例において、流体機械1は全体で4段式に形成されており、したがってガスの圧縮は、順次に直列接続された4つの段で行われるようになっている。これに対応して、固体ピストン4には、直径の互いに異なる4つの区分41,42,43,44を形成してある。これに対応して、シリンダー3も内径の互いに異なる4つの区分を有しており、これにより全体で4つの圧縮室5を画成してある。これとは異なり、図5に示す流体機械1は1段式(単段式)に形成されていて、しかしながら、複動式の流体機械として構成されており、このために固体ピストン4の両方の端面側にそれぞれ圧縮室5を画成してある。
In both the embodiments shown in FIGS. 1 and 3, the
3つのすべての実施例に共通している点として、固体ピストン4はリニアモータ2の領域で、定位置に、つまり不動に配置された隙間管6によって包囲されている。隙間管6の配置によってシリンダー内室7の確実な密閉を保証し、その結果、流体機械1の所期の漏れ防止を簡単な手段で達成している。大気若しくは外部に対する漏れ防止は、もはや、固体ピストン4に配置されるピストン密閉部材若しくはピストン密閉部分によっては行われておらず、固体ピストンに配置されるピストン密閉部材若しくはピストン密閉部分(密閉構成要素)は、漏れ防止作用を、該ピストン密閉装置の、可動のシール部分若しくはシール装置としての構成及び配置に基づき原理的に若しくは構造上保証し得るものではなく、或いは長期にわたって、特に潤滑なしに保証し得るものではない。従来技術では通常一般的に用いられている、駆動のためのピストンロッドの一般的な貫通案内部は、本発明では省略されており、さらに慣用の貫通案内部のために必要な可動のシール部分も省略されている。大気若しくは外部に対する漏れ防止(密閉性若しくは気密性)は、もっぱら静的なシール部分18によって保証されている。
In common with all three embodiments, the
図1乃至図5に示してあるリニアモータ2は、コイル9から成る固定子並びに複数のマグネット10から成る可動子を含んでおり、この場合にはマグネット10を直接に固体ピストン4に配置してある。
The linear motor 2 shown in FIGS. 1 to 5 includes a stator made up of a
図1、並びに拡大図である図2に示す実施例においては、隙間管6は半径方向で可動子、つまりマグネット10と固定子のコイル9との間に配置されていて、したがって固体ピストン4だけではなく、可動子のマグネット10をも包囲している。該実施例では隙間管6を固定子と可動子との間に配置してあるので、磁束は隙間管6を通過するようになっている。これとは異なり、図3、並びに拡大図である図4に示す実施例においては、可動子、つまりマグネット10も固定子のコイル9も隙間管6の内側に配置されている。該実施例では、マグネット10並びにコイル9は、ピストンシール部分18を設けてあるにもかかわらずシリンダー内室7内で隙間管6の領域に流れ込む流体にさらされることになる。
In the embodiment shown in FIG. 1 and in FIG. 2 which is an enlarged view, the
図1、図3及び図5に示してあるように、間隙室6と通じている圧縮室5は、管路11を介して流体機械1の流体入口側12に接続されている。これによって、ピストンシール部材8にもかかわらず固体ピストン4の外周とシリンダー3の内周壁との間に流れる内部漏れは、吸い込み圧に減圧されて、流体入口側12に戻されるようになっている。その結果、隙間管6によって取り囲まれたシリンダー内室7内の圧力は減少されて、図1及び図2の構成における隙間管6、並びに図3及び図4の構成におけるコイル9及び隙間管6は不当には負荷されなくなっている。隙間管6によって取り囲まれたシリンダー内室7内の圧力の上述の減少に基づき、隙間管6の壁厚を相応に減少させることができ、ひいては隙間管6内に発生するうず電流損失を減少させることができるようになっている。
As shown in FIGS. 1, 3, and 5, the
別の実施例として、間隙室6と通じている圧縮室5は直接に流体入口側12に接続されていてよく、つまり、流体流入は、間隙室6と通じている圧縮室5内で行われるようになっていてよい。圧縮すべき流体は温度が低いので、リニアモータ2に冷却作用を生ぜしめるようになっている。
As another example, the
従来技術により知られているように、圧縮すべきガスの流入並びに流出は、各圧縮室5の領域に配置された弁13を介して行われるようになっており、弁は有利には板弁として形成されている。圧縮室5と各流入部若しくは各流出部と間に生じる差圧力により弁12の開閉は自動的に行われるようになっている。図1及び図3の両方の実施例ではガスの4段式の圧縮を行うようになっているので、流体機械1は各4つの流入弁13及び流出弁13を有している。
As is known from the prior art, the inflow and outflow of the gas to be compressed is effected via a
図1及び図3にさらに示してあるように、各圧縮室5は管路14を介して互いに接続されており、この場合に各管路14には、圧縮されたガスの冷却のための熱交換器15を設けてある。さらに図1及び図3に示してあるように、流体機械1は、固定子のコイル9の冷却のため、ひいてはリニアモータ2全体の冷却のための冷却媒体回路16を有している。この場合に冷却は、外側から、つまりコイル9を取り囲むケーシング17を介して行われ、これによってコイル9は冷却媒体と直接には接触しないようになっている。熱交換器15による圧縮されたガスの冷却のために、並びにリニアモータ2の冷却のために、同一の冷却媒体を用いることができる。
As further shown in FIGS. 1 and 3, the
さらに図面から明らかなように、流体機械1の図示の実施例はそれぞれ2つのシリンダー3,3′を有しており、この場合に隙間管6を含むリニアモータ2若しくはリニアモータ2を包囲するケーシング17は、両方のシリンダー3,3′間に配置されている。両方のシリンダー3,3′の端面とケーシング17の端面との間の密閉(パッキン)は、静的なシール部分18を介して行われている。
As is further apparent from the drawings, the illustrated embodiment of the
さらに図3及び図4から見て取れるように、隙間管6内に配置された固定子への電気的な導線19は、流体が漏れないように圧密のケーブル通し案内部20を用いて接続箱21に向けて案内されており、接続箱21も圧密のケーブル通し案内部21を有しており、したがって隙間管6によって達成された密閉性は導線19の接続部によって損なわれることはない。
Further, as can be seen from FIGS. 3 and 4, the
図6に示してある実施例の流体機械1は、無垢のピストン(中実ピストン)の代わりに液体ピストン4′を有している。液体ピストン4′を形成する液体は、両方のシリンダー3,3′及び隙間管6によって形成されたU字形のケーシング内に配置(収容)されている。両方のシリンダー3,3′内で液体の液面の上側に、圧縮すべきガスのための圧縮室5を設けてあり、この場合に両方の圧縮室5の大きさは液体の液面高さ、すなわち液体ピストン4′の位置に依存して変化されるようになっている。図6に示す流体機械1は、図5の流体機械1と同様に1段式に形成されていて、複動式の流体機械1であり、つまり液体ピストン4′の両方の端面側にそれぞれ1つの圧縮室5を画成してある。
The
両方の圧縮室5内において流入部並びに流出部にはそれぞれ1つの弁13を配置してあり、両方の圧縮室5の流出部は管路14を介して互いに接続されており、前記管路には圧縮されたガスの冷却のための熱交換器15を配置してある。リニアモータ2は、隙間管6を一緒に、若しくはリニアモータ2を包囲するケーシング17と一緒に両方のシリンダー3,3′間に配置されており、この場合にリニアモータ2の領域内の隙間管6は、液体のためのシリンダー壁を成している。
In both the
図示の流体機械1は、殊にガスを、有利には水素を高い圧力に、例えば1000バールに圧縮するために適していて、したがって水素貯蔵スタンドの設備に適している。
The illustrated
1 流体機械、 2 リニアモータ、 3 シリンダー、 3′ シリンダー、 4 固体ピストン、 4′ 液体ピストン、 5 圧縮室、 6 隙間管、 7 シリンダー内室、 9 コイル、 10 マグネット、 12 流体流入側、 13 弁、 14 管路、 15 熱交換器、 16 冷却媒体回路、 17 ケーシング、 18 シール部分、 19 導線、 20,21 ケーブル通し案内部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記液体ピストン(4′)は、前記リニアモータ(2)の領域で不動に配置された別体の隙間管(6)によって包囲されており、
前記リニアモータ(2)は、前記隙間管(6)と共に、前記2つのシリンダ−(3,3′)の間に配置されており、
前記液体ピストン(4′)は、蒸発圧力を有さない磁性流体若しくはイオン液体によって形成されており、前記磁性流体若しくはイオン液体の分子と前記圧縮すべきガスとは混合しないようになっていることを特徴とする、流体機械。 Fluid machine for compressing gas to high pressure, one linear motor (2), two cylinders (3 , 3 ' ), one liquid movable in the axial direction in the cylinders (3 , 3' ) the piston (4 ') and the cylinder (3, 3') and comprises two compression chambers (5) formed between said liquid piston (4 '), said linear motor (2) translational In the type adapted to generate a driving force on the liquid piston (4 '),
The liquid piston (4 ′) is surrounded by a separate gap tube (6) arranged immovably in the region of the linear motor (2),
The linear motor (2) is disposed between the two cylinders (3, 3 ') together with the gap pipe (6) ,
The liquid piston (4 ') is formed of a magnetic fluid or ionic liquid having no evaporation pressure, and the magnetic fluid or ionic liquid molecules are not mixed with the gas to be compressed. A fluid machine characterized by.
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