JP6087713B2 - 圧縮装置 - Google Patents

Description

本発明はガスを圧縮する圧縮装置に関する。

近年、燃料電池車に水素ガスを供給する水素ステーションが提案されている。水素ステーションでは、燃料電池車に効率良く水素ガスを充填するために水素ガスを圧縮した状態で供給する圧縮装置が用いられる。圧縮装置は、水素ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮されることによって昇温した水素ガスを冷却する熱交換器とを備える。熱交換器としては、例えば、下記特許文献１に示されているようなプレート式熱交換器の利用が提案されている。

プレート式熱交換器は、多数のプレートが積層された積層体からなり、積層されたプレート間には、流体を流通させる流路がそれぞれ形成されている。そして、熱交換器内では、プレートの積層方向において隣り合う流路にそれぞれ流れる流体同士の熱交換が行われる。

特開２０００−２８３６６８号公報

ところで、圧縮装置では、圧縮機と熱交換器とを接続する多数の配管が必要となる。圧縮装置の駆動時に、配管が振動することにより、配管に取り付けられた圧力計や安全弁などの計装機器の取付強度が低下してしまう虞がある。また、それらの配管から計装機器を取り付けるための分岐継手、配管等が必要であり、部品点数が多くなるとともに漏洩の点検箇所が多くなる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、圧縮装置に計装機器を強固に取り付けることを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明による圧縮装置は、ガスを圧縮する圧縮部を有する圧縮機と、熱交換器と、を備え、前記熱交換器が、前記圧縮部によって圧縮されたガスを冷却する冷却部と、前記圧縮部と前記冷却部とを繋ぐ連絡路と、前記連絡路の一部から分岐し、前記熱交換器の前記圧縮機に対向する面とは異なる面に計装機器が直接的に取り付けられる取付部を有する連絡路分岐部と、を備え、前記連絡路及び前記連絡路分岐部は、前記熱交換器内に形成されている。

この圧縮装置によれば、熱交換器と圧縮機とを繋ぐ配管上に計装機器が取り付けられる圧縮装置に比べて、計装機器を強固に取り付けることができる。また、配管の数を減らすことにより圧縮装置を小型化することができる。

上記圧縮装置において、前記熱交換器が、ガスの供給源から前記圧縮機へとガスを導く供給路と、前記供給路から分岐し、前記異なる面に計装機器が直接的に取り付けられる取付部を有する供給路分岐部と、をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、配管に取り付ける計装機器の数をより減らすことができる。

上記圧縮装置において、前記熱交換器が、ガスを需要先へと導く排出路と、前記排出路から分岐し、前記異なる面に計装機器が直接的に取り付けられる取付部を有する排出路分岐部と、をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、配管に取り付ける計装機器の数をより減らすことができる。

上記圧縮装置において、前記冷却部から前記圧縮部へとガスを送る前記連絡路から分岐する前記連絡路分岐部に圧力計または安全弁の少なくとも１つが取り付けられることが好ましい。

上記圧縮装置において、前記圧縮機が、直列に配列される複数の圧縮部を備え、前記熱交換器が、前記複数の圧縮部にて圧縮されたガスを冷却する複数の冷却部と、前記複数の圧縮部と前記複数の冷却部とを繋ぐ複数の連絡路と、前記複数の連絡路の一部から分岐し、前記異なる面に計装機器が取り付けられる取付部を備える連絡路分岐部と、を備えることが好ましい。

上記圧縮装置において、前記熱交換器が前記圧縮機の上部に配置され、前記異なる面が前記熱交換器の上面であることが好ましい。

上記圧縮装置において、前記熱交換器が、前記圧縮機から流入したガスが流れる複数のガス流路群と、前記ガスを冷却する冷却媒体が流れる複数の冷媒流路群と、を備え、前記複数のガス流路群と前記複数の冷媒流路群とが交互に積層されることが好ましい。

この構成によれば、圧縮装置をより小型化することができる。

上記圧縮装置において、前記圧縮機が、前記圧縮部と前記熱交換器との間に配置され、ガスを前記圧縮部に吸い込む吸込弁、および、前記圧縮部から前記冷却部へと吐出する吐出弁を収容する弁収容室、を備えることが好ましい。

この構成によれば、圧縮装置をより小型化することができる。

本発明によれば、圧縮装置に計装機器を強固に取り付けることができる。

本発明の一の実施形態に係る往復動型の圧縮装置を示す概念図である。 圧縮装置の一部を示す断面図である。 図２の矢印Ａの位置にて圧縮機を切断した断面図であり、熱交換器の外観も示している。 図２の矢印Ｂの位置にて圧縮機を切断した断面図であり、熱交換器の外観も示している。 熱交換器の構造を示す図である。 本発明の変形例による圧縮装置を示す概略図である。

図１は本発明の一の実施形態に係る往復動型の圧縮装置１を示す概念図である。圧縮装置１は水素ステーション内に配置されて、水素ガスの圧縮に用いられる。圧縮装置１は、水素ガスを圧縮する圧縮機２と、圧縮機２によって圧縮された水素ガスを冷却する熱交換器４と、を備える。

圧縮機２は、水素ガスを圧縮する第１圧縮部６と、第１圧縮部６にて圧縮された水素ガスをさらに圧縮する第２圧縮部８と、を備える。熱交換器４は、第１圧縮部６から吐出された水素ガスを冷却する第１冷却部１０と、第２圧縮部８から吐出された水素ガスを冷却する第２冷却部１２とを備える。圧縮装置１では、第１圧縮部６、第１冷却部１０、第２圧縮部８および第２冷却部１２が１つの流路１４にて繋がる。後述するように、実際には、第１圧縮部６および第２圧縮部８は１つの圧縮機２内に形成され、第１冷却部１０および第２冷却部１２は１つの熱交換器４内に形成される。また、流路１４は熱交換器４内に形成される。以下の説明では、流路１４のうち、水素ガスの供給源から第１圧縮部６へと水素ガスを導く部位を「供給路１５」と呼び、第２冷却部１２から需要先へと水素ガスを導く部位を「排出路１６」と呼ぶ。また、第１圧縮部６と第１冷却部１０とを繋ぐ部位、第１冷却部１０と第２圧縮部８とを繋ぐ部位、および第２圧縮部８と第２冷却部１２とを繋ぐ部位をそれぞれ「連絡路１７」と呼ぶ。

図２は圧縮装置１の一部を示す断面図である。圧縮装置１では、熱交換器４が圧縮機２の上部に重力方向に当接した状態にて配置される。圧縮機２は、シリンダ部１８と、ピストン１９とを備える。シリンダ部１８は第１シリンダ室１８ａと、第２シリンダ室１８ｂと、を備える。第１シリンダ室１８ａの直径は、第２シリンダ室１８ｂの直径よりも大きい。第１シリンダ室１８ａおよび第２シリンダ室１８ｂは一繋がりの空間である。ピストン１９は、第１ピストン部１９ａと、第２ピストン部１９ｂと、を備える。第１ピストン部１９ａおよび第２ピストン部１９ｂは一繋がりの部材である。第１ピストン部１９ａの直径は、第２ピストン部１９ｂの直径よりも大きい。第１ピストン部１９ａは第１シリンダ室１８ａ内に配置される。第２ピストン部１９ｂは第２シリンダ室１８ｂ内に配置される。

圧縮機２では、第１シリンダ室１８ａおよび第１ピストン部１９ａにより第１圧縮部６が形成され、第２シリンダ室１８ｂと第２ピストン部１９ｂにより第２圧縮部８が形成される。このように、圧縮機２は、複数の圧縮部６，８が直列に配列される多段型の圧縮機である。ピストン１９は図示省略の駆動機構に接続され、シリンダ部１８内を往復移動することにより、第１圧縮部６および第２圧縮部８のそれぞれにて水素ガスが圧縮される。

図３は図２の矢印Ａの位置にて圧縮機２を切断した断面図であり、熱交換器４の外観も示している。圧縮機２には第１圧縮部６と熱交換器４との間に、第１弁収容室２０が形成される。第１弁収容室２０は、水平面内においてピストン１９の移動方向に垂直な方向に延びる。第１弁収容室２０には、第１吸込弁２２と第１吐出弁２４が円筒状の第１スペーサ２６を間に挟んだ状態で収容されている。第１吸込弁２２、第１吐出弁２４および第１スペーサ２６は、２つのフランジ部２８によって固定されている。第１吸込弁２２と熱交換器４との間には第１吸込路３０が形成され、第１吸込弁２２は第１吸込路３０を介して熱交換器４から水素ガスを吸い込む。第１吐出弁２４と熱交換器４との間には第１吐出路３２が形成され、第１吐出弁２４は第１圧縮部６から第１吐出路３２を介して熱交換器４へと水素ガスを吐出する。なお、第１スペーサ２６の上側に形成された残孔３４はプラグ３６によって閉塞されている。

図４は図２の矢印Ｂの位置にて圧縮機２を切断した断面図であり、熱交換器４の外観も示している。圧縮機２には第２圧縮部８と熱交換器４との間に、第２弁収容室４０が形成される。第２弁収容室４０は、第１弁収容室２０と同様の構造であり、水平面内においてピストン１９の移動方向に垂直な方向に延びる。第２弁収容室４０には、第２吸込弁４２と第２吐出弁４４が円筒状のスペーサ４６を間に挟んだ状態で収容されている。第２吸込弁４２、第２吐出弁４４およびスペーサ４６は、２つのフランジ部４８によって固定されている。第２吸込弁４２と熱交換器４との間には第２吸込路５０が形成され、第２吸込弁４２は第２吸込路５０を介して熱交換器４から水素ガスを吸い込む。第２吐出弁４４と熱交換器４との間には第２吐出路５２が形成される。第２吐出弁４４は第２圧縮部８から第２吐出路５２を介して熱交換器４へと水素ガスを吐出する。なお、第２弁収容室４０に設けられた残孔５４は、プラグ５６によって閉塞されている。

図５は熱交換器４の構造を示す図である。熱交換器４は、輪郭が直方体状のマイクロチャネル熱交換器であり、複数の板状の部材が積層されることにより形成される。熱交換器４の上部に第１冷却部１０が形成され、下部に第２冷却部１２が形成される。以下の説明では、熱交換器４の長手方向である図５の奥行き方向を「Ｘ方向」という。熱交換器４の幅方向である図５の左右方向を「Ｙ方向」という。熱交換器４の高さ方向である図５の上下方向を「Ｚ方向」という。

第１冷却部１０は、Ｘ方向に延びる複数の第１冷媒流路群５８と、Ｙ方向に延びる複数の第１ガス流路群６０と、Ｘ方向に延びる複数のガス分配部６２と、Ｘ方向に延びる複数のガス収集部６４と、を備える。なお、図５では、第１冷媒流路群５８、第１ガス流路群６０、ガス分配部６２およびガス収集部６４の一部のみを示している。第２冷却部１２においても同様である。第１冷媒流路群５８はＹ方向に配列された所定数の第１冷媒流路５８ａにより構成される。第１冷媒流路群５８には冷却媒体である水が流される。

第１ガス流路群６０はＸ方向に配列された所定数の第１ガス流路６０ａにより構成される。第１ガス流路６０ａには水素ガスが流される。Ｚ方向において、複数の第１ガス流路群６０は複数の第１冷媒流路群５８と交互に積層される。ガス分配部６２は第１ガス流路群６０の（＋Ｙ）側の端部において複数の第１ガス流路６０ａを繋ぐ。ガス収集部６４は第１ガス流路群６０の（−Ｙ）側の端部において複数の第１ガス流路６０ａを繋ぐ。第１冷却部１０では、第１ガス流路群６０を流れる水素ガスが、第１冷媒流路群５８を流れる水と熱交換することにより冷却される。

第２冷却部１２は、第１冷却部１０とほぼ同様の構造であり、Ｘ方向に延びる複数の第２冷媒流路群６６と、Ｙ方向に延びる複数の第２ガス流路群６８と、Ｘ方向に延びる複数のガス分配部７０と、Ｘ方向に延びる複数のガス収集部７２と、を備える。第２冷媒流路群６６はＹ方向に配列された所定数の第２冷媒流路６６ａにより構成される。第２ガス流路群６８は、Ｘ方向に配列された所定数の第２ガス流路６８ａにより構成される。Ｚ方向において、複数の第２ガス流路群６８は複数の第２冷媒流路群６６と交互に積層される。ガス分配部７０は第２ガス流路群６８の（−Ｙ）側の端部において複数の第２ガス流路６８ａを繋ぐ。ガス収集部７２は第２ガス流路群６８の（＋Ｙ）側の端部において複数の第２ガス流路６８ａを繋ぐ。第２冷却部１２においても、第２ガス流路群６８を流れる水素ガスが第２冷媒流路群６６を流れる水と熱交換する。

既述のように、熱交換器４内には流路１４が設けられる。供給路１５は、熱交換器４の右側の側面から下面４ｂに向かって伸び、図３の第１弁収容室２０の第１吸込路３０に接続される。供給路１５には、経路の一部から分岐して熱交換器４の上面４ａへと向かう複数の分岐部１５ａが設けられる。以下、分岐部１５ａを「供給路分岐部１５ａ」という。供給路分岐部１５ａは熱交換器４の上面４ａに開口し、開口部には計装機器７４が取り付けられる取付部７６が設けられる。図５では、計装機器７４として安全弁７４ａおよび圧力計７４ｂを例示しているが、実際には、温度計等の計装機器が取り付けられることもある。他の分岐部の取付部７７，７８においても同様である。

第１冷却部１０と図３の第１圧縮部６とを繋ぐ連絡路１７（以下、「第１連絡路１７ａ」という。）は、熱交換器４の下面４ｂから上方へと延びる。下面４ｂに設けられた第１連絡路１７ａの開口は、図３の第１弁収容室２０の第１吐出路３２に接続される。水素ガスは、第１連絡路１７ａを介して第１ガス流路群６０へと送られる。第１冷却部１０のガス分配部６２は第１連絡路１７ａの一部でもある。

第１冷却部１０と図４の第２圧縮部８とを繋ぐ連絡路１７（以下、「第２連絡路１７ｂ」という。）は、熱交換器４の下方へと延びる。熱交換器４の下面４ｂに設けられた第２連絡路１７ｂの開口は、図４の第２弁収容室４０の第２吸込路５０に接続される。第１ガス流路群６０にて冷却された水素ガスは、第２連絡路１７ｂを介して第２圧縮部８へと送られる。ガス収集部６４は第２連絡路１７ｂの一部でもある。ガス収集部６４では、経路の一部から分岐して熱交換器４の上面４ａへと向かう複数の分岐部１７ｄが設けられる。以下、分岐部１７ｄを「連絡路分岐部１７ｄ」と呼ぶ。連絡路分岐部１７ｄは上面４ａに開口し、開口部には計装機器７４が取り付けられる取付部７７が設けられる。

第２冷却部１２と第２圧縮部８とを繋ぐ連絡路１７（以下、「第３連絡路１７ｃ」という。）は、熱交換器４の下面４ｂから上方へと延びる。下面４ｂに設けられた第３連絡路１７ｃの開口は、図４の第２弁収容室４０の第２吐出路５２に接続される。水素ガスは、第３連絡路１７ｃを介して第２ガス流路群６８へと送られる。第２冷却部１２のガス分配部７０は第３連絡路１７ｃの一部でもある。

排出路１６は、熱交換器４の右側の側面から（−Ｙ）方向に延び、第２ガス流路群６８に接続される。ガス収集部７２は排出路１６の一部でもある。排出路１６には、経路の一部から分岐して熱交換器４の上面４ａへと向かう複数の分岐部１６ａが設けられる。以下、分岐部を「排出路分岐部１６ａ」という。排出路分岐部１６ａは上面４ａに開口し、開口部には計装機器７４が取り付けられる取付部７８が設けられる。

以上に説明したように、圧縮装置１の駆動時には、供給源（図１参照）から供給路１５を介して図３の第１圧縮部６へと水素ガスが導かれ、圧縮された水素ガスは第１連絡路１７ａを介して第１冷却部１０に送られて冷却される。冷却後の水素ガスは第２連絡路１７ｂを介して図４の第２圧縮部８へと送られ、第２圧縮部８によりさらに圧縮される。第２圧縮部８から吐出された水素ガスは、第３連絡路１７ｃを介して第２冷却部１２に送られて冷却され、排出路１６を介して需要先へと導かれる。

圧縮装置１では、配管に代えて、圧縮部６，８と熱交換器４の冷却部１０，１２とを繋ぐ流路１４が熱交換器４内に設けられることにより、配管の数を削減することができ、圧縮装置１を小型化することができる。また、配管からの水素ガスの漏洩を防止することができる。

以上、本発明の一の実施形態に係る圧縮装置１について説明したが、圧縮装置１では、熱交換器４に計装機器７４が直接的に取り付けられる。このように、熱交換器４がいわゆるコネクティングブロックの役割を果たすことにより、計装機器７４を強固に取り付けることができ、配管上に計装機器が取り付けられる圧縮装置に比べて、配管の振動による計装機器７４の故障や取付強度の低下を防止することができる。また、配管に計装機器７４を取り付けるための分岐継手、配管等が不要となり、部品点数を削減することができる。その結果、漏洩の点検箇所を減らすことができる。流路１４内に供給路分岐部１５ａ、連絡路分岐部１７ｄおよび排出路分岐部１６ａが設けられることにより、計装機器７４が取り付けられる取付部７６〜７８を容易に設けることができる。

熱交換器４では、取付部７６〜７８が熱交換器４の上面４ａ、すなわち、熱交換器４の圧縮機２に対向する面とは反対側の面に配置される構造であることから、熱交換器４に供給路分岐部１５ａ、連絡路分岐部１７ｄおよび排出路分岐部１６ａを加工するためのスペースを容易に確保することができる。

圧縮装置１では、圧縮される前の水素ガスが流れる供給路分岐部１５ａ、第１冷却部１０により冷却された直後の水素ガスが流れる第２連絡路１７ｂの連絡路分岐部１７ｄ、および、第２冷却部１２により冷却された直後の水素ガスが流れる排出路分岐部１６ａに圧力計７４ｂおよび安全弁７４ａが取り付けられる。これにより、高温の水素ガスが流れる流路１４の他の部位に計装機器が取り付けられる場合に比べて、計装機器７４の構成が大掛かりになることが防止される。なお、これらの分岐部１５ａ，１７ｄ，１６ａには、それぞれ圧力計７４ｂまたは安全弁７４ａの一方のみが取り付けられてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

例えば、供給路分岐部、排出路分岐部および連絡路分岐部の取付部は、熱交換器の圧縮機に対向する下面とは異なる面に設けられるのであれば、必ずしも上面に設けられる必要はない。熱交換器は必ずしも圧縮機に当接する必要はなく、この場合であっても、熱交換器に取付部が設けられることにより、計装機器を強固に取り付けることができる。上記実施形態では、高温の水素ガスが流れる第１および第３連絡路から分岐する連絡路分岐部を設け、耐熱性を有する計装機器を当該連絡路分岐部の取付部に取り付けてもよい。

圧縮装置は、熱交換器が圧縮機の下側や側方に配置される構造であってもよい。例えば、図６に示すように、熱交換器４が圧縮機２の下側に配置される構造の場合、熱交換器４の側面には、連絡路１７の連絡路分岐部１７ｄおよび排出路１６の排出路分岐部１６ａが設けられ、これらの分岐部１７ｄ，１６ａに計装機器７４が取り付けられる取付部７６が設けられる。熱交換器４では、第１冷却部１０および第２冷却部１２が水平方向に隣接して配置されてもよい。

熱交換器４は、マイクロチャネル熱交換器に限定されず、他のプレート式熱交換器が用いられてもよく、プレート式熱交換器以外の熱交換器でもよい。

熱交換器に計装機器を取り付ける手法は、圧縮部の数が１である圧縮装置に適用されてもよく、３以上の圧縮部を有する圧縮装置に適用されてもよい。当該手法は、スクリュ型やターボ型などの他の圧縮装置に適用されてもよい。上記実施形態の圧縮装置は、水素ガス以外にヘリウムガスや天然ガスなど空気よりも軽いガスに利用されてもよく、二酸化炭素のガスの圧縮に利用されてもよい。

１ 圧縮装置
２ 圧縮機
４ 熱交換器
６ 第１圧縮部（圧縮部）
８ 第２圧縮部（圧縮部）
１０ 第１冷却部（冷却部）
１２ 第２冷却部（冷却部）
１５ 供給路
１５ａ 供給路分岐部
１６ 排出路
１６ａ 排出路分岐部
１７ 連絡路
１７ｄ 連絡路分岐部
２０ 第１弁収容室（弁収容室）
２２ 第１吸込弁（吸込弁）
２４ 第１吐出弁（吐出弁）
４０ 第２弁収容室（弁収容室）
４２ 第２吸込弁（吸込弁）
４４ 第２吐出弁（吐出弁）
５８ 第１冷媒流路群（冷媒流路群）
６０ 第１ガス流路群（ガス流路群）
６６ 第２冷媒流路群（冷媒流路群）
６８ 第２ガス流路群（ガス流路群）
７４ 計装機器
７４ａ 安全弁
７４ｂ 圧力計
７６ 取付部

Claims (8)

1. ガスを圧縮する圧縮部を有する圧縮機と、
   熱交換器と、
   を備え、
   前記熱交換器が、
   前記圧縮部によって圧縮されたガスを冷却する冷却部と、
   前記圧縮部と前記冷却部とを繋ぐ連絡路と、
   前記連絡路の一部から分岐し、前記熱交換器の前記圧縮機に対向する面とは異なる面に計装機器が直接的に取り付けられる取付部を有する連絡路分岐部と、
   を備え、
   前記連絡路及び前記連絡路分岐部は、前記熱交換器内に形成されている、圧縮装置。
2. 前記熱交換器が、
   ガスの供給源から前記圧縮機へとガスを導く供給路と、
   前記供給路から分岐し、前記異なる面に計装機器が直接的に取り付けられる取付部を有する供給路分岐部と、
   をさらに備える、請求項１に記載の圧縮装置。
3. 前記熱交換器が、
   ガスを需要先へと導く排出路と、
   前記排出路から分岐し、前記異なる面に計装機器が直接的に取り付けられる取付部を有する排出路分岐部と、
   をさらに備える、請求項１または２に記載の圧縮装置。
4. 前記冷却部から前記圧縮部へとガスを送る前記連絡路から分岐する前記連絡路分岐部に圧力計または安全弁の少なくとも１つが取り付けられる、請求項１ないし３のいずれかに記載の圧縮装置。
5. 前記圧縮機が、直列に配列される複数の圧縮部を備え、
   前記熱交換器が、
   前記複数の圧縮部にて圧縮されたガスを冷却する複数の冷却部と、
   前記複数の圧縮部と前記複数の冷却部とを繋ぐ複数の連絡路と、
   前記複数の連絡路の一部から分岐し、前記異なる面に計装機器が取り付けられる取付部を備える連絡路分岐部と、
   を備える、請求項１ないし４のいずれかに記載の圧縮装置。
6. 前記熱交換器が前記圧縮機の上部に配置され、
   前記異なる面が前記熱交換器の上面である、請求項１ないし５のいずれかに記載の圧縮装置。
7. 前記熱交換器が、
   前記圧縮機から流入したガスが流れる複数のガス流路群と、
   前記ガスを冷却する冷却媒体が流れる複数の冷媒流路群と、
   を備え、
   前記複数のガス流路群と前記複数の冷媒流路群とが交互に積層される、請求項１ないし６のいずれかに記載の圧縮装置。
8. 前記圧縮機が、
   前記圧縮部と前記熱交換器との間に配置され、ガスを前記圧縮部に吸い込む吸込弁、および、前記圧縮部から前記冷却部へと吐出する吐出弁を収容する弁収容室、を備える、請求項１ないし７のいずれか記載の圧縮装置。

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