JP6823783B1

JP6823783B1 - 往復式圧縮膨張機

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Publication number: JP6823783B1
Application number: JP2019227516A
Authority: JP
Inventors: 元幸高橋
Original assignee: Mitsui E&S Machinery Co Ltd
Current assignee: Mitsui E&S Machinery Co Ltd
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2039-12-17
Also published as: JP2021095880A; CN112610442A; US20210180588A1; US11686304B2; CN112610442B

Abstract

【課題】圧縮及び膨張の何れに使用されても効率が極めて高く、しかも回転方向が同一であり、容量が大きく大容量の蓄電プラント等にも好適で、かつ、容量調整が極めて容易であり、蓄電プラントに利用された場合にも電力系統にコンバータ等の変換器が不要で安価になる、往復式圧縮膨張機を提供する。【解決手段】開弁して低圧の圧縮性流体をシリンダ内へ吸入する第１弁（７）及び開弁して第１弁から吸入されてピストンの作動により圧縮されて高圧となった圧縮性流体をシリンダ外へ吐出する第２弁（８）、又は、開弁して高圧の圧縮性流体をシリンダ内へ流入させる第２弁（８）及び開弁して第２弁から流入されてピストンの作動により膨張されて低圧となった圧縮性流体をシリンダ外へ吐出する第１弁（７）と、第１弁の弁軸及び第２弁の弁軸に連結されて第１弁及び第２弁を作動させる油圧駆動又は電動の弁駆動機構（１２，１３，２０，２５）とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、圧縮性流体の圧縮ないし膨張に使用されて好適な、往復式圧縮膨張機に関する。

従来から、再生可能エネルギとして太陽光発電装置や風力発電装置等が既に広く利用されている。しかし、これらの自然エネルギを利用した発電装置においては、その発電量が大きく変動するため、電力需要に応じて有効に利用することが困難な面がある。

これは、人的に制御することができない自然エネルギによる発電量が、時として需要電力を大幅に上回って過大な余剰電力を発生させるためで、これにより、最悪の場合には電力のブラックアウト現象を発生させることもある。このため、自然エネルギを利用した発電装置の場合には、このような過大な余剰電力が生じないように、その一部を遮断することも行われている。

そして、この過大な余剰電力対策として、余剰電力を一旦蓄電池で蓄電し、電力需要が増加しそうなときに放出してグリッドへ電力供給することにより、電力の平準化を図ることが考えられる。この蓄電池による蓄電方法は、電気エネルギを直接蓄電するもので、利用等の面で理想的ではあるが、蓄電池には特殊金属等が必要であり、極めて高価なエネルギ貯蔵装置となる。

自然エネルギに基づく余剰電力を保存するための別の解決方法として、電気エネルギを圧縮空気エネルギに変換して蓄える方法が考えられている。この蓄電方法に関しては、圧縮空気エネルギへの変換によるエネルギ貯蔵装置のパイロットプラントが建設され、実証実験も完了している。

この方法は、余剰電力を用いて電動機を作動させ、この電動機により圧縮機を回転駆動させて圧縮空気を形成して一旦タンクに貯蔵し、電力不足時にこの圧縮空気で膨張機を駆動させて発電機を回転駆動させ、これにより発電を行なって再び電力に変換するものである。実証実験の結果、総合効率で６０〜７０％になることが確認されている。このエネルギ貯蔵装置においては、圧縮膨張機としてスクリュ式コンプレッサが用いられている。

この一方、圧縮機としては、その他ピストンによる往復式もある。このピストンによる従来の往復式圧縮機は、吸入弁及び吐出弁の作動が板ばね等を利用した単純なばね力のみにより行われる（特許文献１参照）。

特開平２−１３０２７８号公報

しかしながら、上述の従来のスクリュ式コンプレッサにおいては、次のような問題が憂慮される。すなわち、スクリュ式コンプレッサは、雄雌ロータ同士の間、及びロータとケーシングとの間に構造上どうしても一定の隙間が生じ、圧縮時にこの隙間を通して被圧縮物の漏洩が発生し、圧縮効率や膨張効率が低下する。

また、一つの圧縮膨張機により圧縮行程と膨張行程の双方を行なった場合、それぞれの行程において圧縮膨張機の回転方向が逆になる。このため、圧縮に使用する電動機と発電に使用する発電機とを同方向に回転させて電力装置の簡素化を図るためには、何らかの切替装置等が必要になる。

また、スクリュ式コンプレッサは比較的容量が小さく、大容量のエネルギ貯蔵装置には不向きである。また、スクリュ式コンプレッサは容量調整を圧縮膨張機単独で行なうことができず、圧縮空気の調圧装置等が必要になる。さらに、このような問題を解決するためには、電力系統にコンバータ等の変換器が必要になることもあり、この場合には装置自体が高価になるという問題がある。

一方、従来の往復式圧縮機において、吸入弁及び吐出弁を作動させるのは、上述したように板ばね等によるばねであり、この場合には、内圧との差圧により予め設定されたばね力のみにより吸入弁及び吐出弁の作動が行われ、吸気流量や吐出流量を任意に、かつ最適に調整することが必ずしも容易ではないという問題がある。また、膨張機として兼用することができないという問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、圧縮及び膨張の何れに使用されても効率が極めて高く、しかも回転方向が同一であり、容量が大きく大容量の蓄電プラント等に好適であり、かつ、容量調整が極めて容易で、蓄電プラントに利用された場合にも電力系統にコンバータ等の変換器が不要で安価になる、往復式圧縮膨張機を提供することを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明の往復式圧縮膨張機は、シリンダ内を密に摺動するピストンと、ピストンに連結されて回転するクランク軸と、開弁して低圧の圧縮性流体をシリンダ内へ吸入する第１弁と、開弁して第１弁から吸入されてピストンの作動により圧縮されて高圧となった圧縮性流体を吐出する第２弁と、第１弁の弁軸及び第２弁の弁軸に連結されて第１弁及び第２弁を作動させる油圧駆動又は電動の弁駆動機構を備えたことにある。

又は、本発明の往復式圧縮膨張機は、シリンダ内を密に摺動するピストンと、ピストンに連結されて回転するクランク軸と、開弁して高圧の圧縮性流体をシリンダ内へ流入させる第２弁と、開弁して第２弁から流入されてピストンの作動により膨張されて低圧となった圧縮性流体を排出する第１弁と、第１弁の弁軸及び第２弁の弁軸に連結されて第１弁及び第２弁を相互に独立に作動させる油圧駆動又は電動の弁駆動機構を備えたことにある。ここで、上記の密とは、例えば液密や気密などをいう（以下、同様）。

このように、圧縮時又は膨張時に第１弁の弁軸及び第２弁の弁軸に連結されて第１弁及び第２弁を作動させる油圧駆動又は電動の弁駆動機構を備えることにより、従来の往復式圧縮機においては、内圧との関係で予め設定されたばね力のみにより吸入弁及び吐出弁の作動が行われるのに対し、本発明の往復式圧縮膨張機は、圧縮及び膨張の双方に使用することができると共に、第１弁及び第２弁の開閉動作を任意に、かつ最適に制御することができる。

また、シリンダ内を密に摺動するピストンにより、効率が極めて高く、圧縮及び膨張行程の何れに使用してもクランク軸の回転方向が同一となり、容量に特段の制限はなく大容量の蓄電プラント等にも好適であり、かつ、蓄電プラントに利用された場合にも電力系統にコンバータ等の変換器が不要で安価になる。

上記往復式圧縮膨張機において、弁駆動機構は、油圧駆動であると共に、第１弁の弁軸及び第２弁の弁軸に連結されて第１弁及び第２弁を作動させる油圧ピストンと、油圧ピストンの作動を制御する油圧制御部とを備えることが望ましい。このような構成にすることにより、第１弁及び第２弁の開閉動作を油圧によって最適に、かつ確実に行うことができると共に、弁駆動機構を簡易な構成とすることができる。

上記往復式圧縮膨張機において、第１弁及び第２弁を閉弁側に付勢するばね機構をさらに備え、弁駆動機構は、ばね機構の付勢力に抗して第１弁及び第２弁を開弁させることが望ましい。このような構成にすることにより、弁駆動機構をより簡易な構成とすることができる。

上記往復式圧縮膨張機において、クランク軸に連結されてクランク軸を回転させる回転動力体をさらに備え、弁駆動機構は、ピストンによる圧縮時に第１弁の開弁時期を調整することにより回転動力体の回転動力を制御することが望ましい。このような構成にすることにより、回転動力体の回転動力の調整、例えば電動機等の回転動力の調整を弁駆動機構により行うことができるようになり、回転動力体の構成を簡易なものにすることができる。

上記往復式圧縮膨張機において、クランク軸に連結されてクランク軸を回転させる回転動力体をさらに備え、弁駆動機構は、ピストンによる圧縮時に回転動力体の回転速度が略一定になるように第１弁の開弁期間を調整することが望ましい。このような構成にすることにより、回転動力体の回転動力の調整、例えば電動機等の回転動力の調整を弁駆動機構により行うことができるようになり、回転動力体の構成を簡易なものにすることができる。

上記往復式圧縮膨張機において、弁駆動機構は、第１弁の開弁から閉弁への移行時期を変化させることにより第１弁の開弁期間を調整することが望ましい。このような構成にすることにより、弁駆動機構による第１弁の開弁期間の調整がより単純化され、回転動力体の回転動力の調整がさらに容易になる。

上記往復式圧縮膨張機において、クランク軸に連結されてクランク軸により回転駆動される回転駆動体をさらに備え、弁駆動機構は、ピストンによる膨張時に第２弁の開弁期間を調整することにより回転駆動体の回転動力を制御することが望ましい。このような構成にすることにより、回転駆動体の回転動力の調整、例えば発電機等の回転動力の調整を弁駆動機構により行うことができるようになり、回転駆動体の構成を簡易なものにすることができる。

上記往復式圧縮膨張機において、クランク軸に連結されてクランク軸により回転させる回転駆動体をさらに備え、弁駆動機構は、ピストンによる膨張時に回転駆動体の回転速度が略一定になるように第２弁の開弁期間を調整することが望ましい。このような構成にすることにより、回転駆動体の回転動力の調整、例えば発電機等の回転動力の調整を弁駆動機構により行うことができるようになり、回転駆動体の構成を簡易なものにすることができる。

上記往復式圧縮膨張機において、弁駆動機構は、第２弁の開弁から閉弁への移行時期を変化させることにより第２弁の開弁期間を調整することが望ましい。このような構成にすることにより、弁駆動機構による第２弁の開弁期間の調整がより単純化され、回転駆動体の回転動力の調整がさらに容易になる。

上記の往復式圧縮膨張機において、弁駆動機構は、クランク軸の回転毎に第１弁及び第
２弁の開閉時期を調整することが望ましい。このような構成にすることにより、回転動力体や回転駆動体の回転動力の調整を弁駆動機構により仔細に行うことができるようになる。

上記往復式圧縮膨張機において、クランク軸の回転角度を検出するクランク角度検出センサをさらに備え、弁駆動機構は、クランク角度検出センサが検出したクランク軸の回転角度に基づいて第１弁及び第２弁の作動を制御することが望ましい。このような構成にすることにより、弁駆動機構は、第１弁及び第２弁の作動をクランク軸の回転角度に対して正確に制御することができる。

上記往復式圧縮膨張機において、圧縮性流体の圧力を検出する流体圧力検出センサをさらに備え、弁駆動機構は、流体圧力検出センサが検出した圧縮性流体の圧力に基づいて第１弁及び第２弁の作動を制御することが望ましい。このような構成にすることにより、弁駆動機構は、第１弁及び第２弁の作動を圧縮性流体の圧力に応じて最適に制御することができる。

上記往復式圧縮膨張機において、回転駆動体の回転動力を検出する回転動力検出センサをさらに備え、弁駆動機構は、回転動力検出センサが検出した回転動力に基づいて第１弁及び第２弁の作動を制御することが望ましい。このような構成にすることにより、弁駆動機構は、第１弁及び第２弁の作動を回転駆動体の回転動力、例えば発電機等の回転動力に応じて最適に制御することができる。

上述のように、本発明の往復式圧縮膨張機は、シリンダ内を密に摺動するピストンと、ピストンに連結されて回転するクランク軸と、開弁して低圧の圧縮性流体をシリンダ内へ吸入する第１弁と、開弁して第１弁から吸入されてピストンの作動により圧縮されて高圧となった圧縮性流体を吐出する第２弁と、第１弁の弁軸及び第２弁の弁軸に連結されて第１弁及び第２弁を作動させる油圧駆動又は電動の弁駆動機構を備える。

又は、本発明の往復式圧縮膨張機は、シリンダ内を密に摺動するピストンと、ピストンに連結されて回転するクランク軸と、開弁して高圧の圧縮性流体をシリンダ内へ流入させる第２弁と、開弁して第２弁から流入されてピストンの作動により膨張されて低圧となった圧縮性流体を排出する第１弁と、第１弁の弁軸及び第２弁の弁軸に連結されて第１弁及び第２弁を相互に独立に作動させる油圧駆動又は電動の弁駆動機構を備える。

したがって、圧縮及び膨張の何れに使用されても効率が極めて高く、しかも回転方向が同一であり、容量が大きく大容量の蓄電プラント等に好適であり、かつ、容量調整が極めて容易で、蓄電プラントに利用された場合にその電力系統にコンバータ等の変換器が不要で安価になる、往復式圧縮膨張機を提供することができる、という優れた効果を奏する。

往復式圧縮膨張機を示す概略図である。本発明に係る往復式圧縮膨張機を示す簡略図である。図２の復式圧縮膨張機を用いたエネルギ貯蔵装置の、蓄圧時の構成を示すシステム図である。図２の復式圧縮膨張機を用いたエネルギ貯蔵装置の、発電時の構成を示すシステム図である。コントローラと各センサとの関係を示す簡略図である。図２の往復式圧縮膨張機の圧縮行程時のクランク角度とシリンダ内の空気圧力との関係を示すグラフである。図２の往復式圧縮膨張機の膨張行程時のクランク角度とシリンダ内の空気圧力との関係を示すグラフである。図２の往復式圧縮膨張機の圧縮行程時におけるシリンダ内容積Ｖと空気圧力Ｐとの関係を示すＰＶ線図である。図２の往復式圧縮膨張機の膨張行程時におけるシリンダ内容積Ｖと空気圧力Ｐとの関係を示すＰＶ線図である。

本発明に係る往復式圧縮膨張機を実施するための形態を、図１ないし図９を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本往復式圧縮膨張機１は、シリンダ２内を気密に摺動するピストン３と、ピストン３にコネクチングロッド４を介して連結されて回転するクランク軸５とを有する。また、圧縮行程時（圧縮時）に低圧の空気（圧縮性流体）をシリンダ内へ吸入する吸入弁（第１弁）７と、吸入弁７から吸入されてピストン３の作動により圧縮されて、高圧となった圧縮空気を吐出する吐出弁（第２弁）８とを有する。

本往復式圧縮膨張機１の膨張行程時（膨張時）には、上述の吐出弁８は、開弁して、高圧の圧縮空気をシリンダ２内へ流入させる一方、上述の吸入弁７は、開弁して、吐出弁８から流入してピストン３の作動により膨張されて、低圧となった空気をシリンダ２外へ排出する。

図２に示すように、吸入弁７の弁軸７ａに、この吸入弁７を閉弁側に付勢する空気ばね（ばね機構）１１が配設される。また、吸入弁７の弁軸７ａに、空気ばね１１を介して油圧シリンダ１２が直接連結される。すなわち、油圧シリンダ１２に油圧がかかると、油圧シリンダ１２が吸入弁７を空気ばね１１の付勢力に抗して直接開弁させる。

油圧シリンダ１２の上流側に油圧アクチュエータ１３が配設され、この油圧アクチュエータ１３の作動は電子制御弁２５により制御される。また、コントローラ２０が電子制御弁２５の作動を電気的に制御する。電子制御弁２５には入口油圧主管１４から油圧が供給され、出口油圧主管１５から油圧が排出される。

吐出弁８にも、上述の吸入弁７と同様に、空気ばね１１、油圧シリンダ１２等が別途配設され、吸入弁７と吐出弁８は、コントローラ２０の制御により相互に独立に作動される。すなわち、吸入弁７と吐出弁８は、油圧機構上、相互に独立に開閉弁する。ただし、コントローラ２０内のプログラム上、両者が何らかの形で関係付けられて作動されることはある。

上述のように、油圧シリンダ１２が吸入弁７の弁軸７ａと吐出弁８の弁軸８ａとにそれぞれ直接連結されて、吸入弁７及び吐出弁８をそれぞれ直接開弁させる。したがって、吸入弁７及び吐出弁８の開閉弁動作は、コントローラ２０の指示どおりに極めて迅速に、かつ確実に行われる。

これらの空気ばね１１、油圧シリンダ１２、油圧アクチュエータ１３、電子制御弁２５、コントローラ２０により油圧駆動の弁駆動機構が形成され、油圧シリンダ１２、油圧アクチュエータ１３、電子制御弁２５、コントローラ２０により弁駆動機構の油圧制御部が形成される。

図５に示すように、クランク軸５の回転角度を検出するクランク角度検出センサ２２と、圧縮空気タンク３３内の空気圧力を検出する圧縮空気タンク内圧検出センサ（流体圧力検出センサ）２１と、後述する発電機として作動するときの電動発電機（回転駆動体）３１の回転動力を検出する電気動力検出センサ（回転動力検出センサ）２３とがコントローラ２０に電気的に接続され、コントローラ２０は、これらのセンサ２１，２２，２３が検出した各パラメータに基づいて、上述の電子制御弁２５の作動を制御し、油圧アクチュエータ１３及び油圧シリンダ１２を介して、本往復式圧縮膨張機１の吸入弁７と吐出弁８を相互に独立に開閉弁させる。

図２に示すように、往復式圧縮膨張機１の吸入弁７又は吐出弁８の閉弁時には、油圧ピストン１２には油圧アクチュエータ１３から油圧が供給されていないから、吸入弁７又は吐出弁８は、空気ばね１１の付勢力によって閉弁する。コントローラ２０が開弁の指示を電子制御弁２５へ電気的に送ると、電子制御弁２５は、入口油圧主管１４から供給される油圧により油圧アクチュエータ１３を作動させて、油圧を油圧ピストン１２へ供給させる。これにより、吸入弁７又は吐出弁８は、空気ばね１１の付勢力の抗して開弁される。

コントローラ２０が閉弁の指示を電子制御弁２５へ電気的に送ると、電子制御弁２５は、油圧アクチュエータ１３を作動させて油圧ピストン１２への油圧の供給を遮断する。これにより、吸入弁７又は吐出弁８は、空気ばね１１の付勢力によって閉弁する。油圧は、出口油圧主管１５から排出される。上述の油圧駆動の弁駆動機構において、吸入弁７と吐出弁８の開閉弁は、それぞれコントローラ２０等により相互に独立に制御される。

図３は、一例として、本往復式圧縮膨張機１を利用したエネルギ貯蔵装置３０の圧縮行程時の状態を示す。２機の往復式圧縮膨張機１ａ，１ｂが直列に配設される。連結された往復式圧縮膨張機１ａ，１ｂの回転軸に、電動発電機３１が連結される。この電動発電機３１は、上述のように、圧縮行程時に余剰電力により回転駆動される電動機として作動して、２機の往復式圧縮膨張機１ａ，１ｂを回転駆動させる一方、膨張行程時には２機の往復式圧縮膨張機１ａ，１ｂにより回転駆動されて、発電を行う。

低圧側の往復式圧縮膨張機１ａの出口に熱交換器３２ａが配設され、ピストン３の作動により断熱圧縮されて高温となった圧縮空気は、熱交換器３２ａにより温度低下した後、高圧側の往復式圧縮膨張機１ｂにその吸入弁７から吸入される。

高圧側の往復式圧縮膨張機１ｂによりさらに圧力上昇された空気は、高圧側の熱交換器３２ｂを通って温度低下した後に圧縮空気タンク３３に送られ、次の発電時まで高圧空気エネルギとして貯蔵される。熱交換して高温となった低温側及び高温側の熱交換器３２ａ，３２ｂの熱媒体は、吸収した熱エネルギをそれぞれ蓄熱器３４ａ，３４ｂに蓄熱する。

図４は、上述のエネルギ貯蔵装置３０の膨張行程時の状態を示す。圧縮空気タンク３３に蓄えられた高圧空気は、電力必要時に高圧側の熱交換機３２ｂに送られ、ここで蓄熱器３４ｂからの熱エネルギにより温度上昇された後、高圧側の往復式圧縮膨張機１ｂの吐出弁８からそのシリンダ２内に流入し、ピストン３の作動により断熱膨張されて圧力及び温度が低下する。

この圧力及び温度が低下した圧縮空気は、高圧側の往復式圧縮膨張機１ｂの吸入弁７から排出され、低圧側の熱交換器３２ａを通って、低圧側の蓄熱器３４ａからの熱エネルギにより温度上昇した後、低圧側の往復式圧縮膨張機１ａの吐出弁８からシリンダ２内に流入し、ピストン３の作動により断熱膨張して圧力及び温度がさらに低下する。

この圧力及び温度が低下した圧縮空気は、低圧側の往復式圧縮膨張機１ａの吸入弁７から外部へ排出される。一方、２機の往復式圧縮膨張機１ａ，１ｂのピストン３の作動により、クランク軸５が回転駆動されて電動発電機３１を回転駆動させて、発電が行われる。
これにより、一旦高圧の圧縮空気に変換されて貯蔵されていた圧力エネルギは、再び電気エネルギに再生される。

このように、往復式圧縮膨張機１においては、余剰電力で作動する電動発電機３１によりクランク軸５が回転駆動されて、ピストン３の作動による断熱圧縮によって高圧の圧縮空気を形成すると共に、この形成された高圧の圧縮空気の断熱膨張によりクランク軸５が回転駆動されて、電動発電機３１により電力が再生される。

図６に示すように、往復式圧縮膨張機１の圧縮行程時において、コントローラ２０は、吸入弁７をクランク角度が約２３０°〜２７０°で開弁させ、約３１０°〜３６０°で閉弁させる一方、吐出弁８をクランク角度が約１１０°〜１４０°で開弁させ、約１８０°〜２１０°で閉弁させる。なお、クランク角度は、下死点において０°又は３６０°であり、上死点において１８０°である。

特に本往復式圧縮膨張機１においては、ピストン３による圧縮行程時に吸入弁７の開弁期間、より具体的には、開弁から閉弁への移行時期を変化させることにより、電動発電機３１の回転動力を調整する。

このようにすることにより、電動発電機３１の回転動力の調整を弁駆動機構側のコントローラ２０によって行うことができるようになり、電動発電機３１側の電気制御を簡易なものにすることができる。このため、さらにコントローラ２０は、ピストン３による圧縮行程時に電動発電機３１の回転速度が略一定になるように、吸入弁７の開弁期間、より具体的には、吸入弁７の開弁から閉弁への移行時期を変化させている。

図７に示すように、往復式圧縮膨張機１の膨張行程時において、コントローラ２０は、高圧空気を流入させる吐出弁８をクランク角度が約１６０°〜１８０°で開弁させ、約２２０°〜２７０°で閉弁させる一方、吸入弁８をクランク角度が約３１０°〜３６０°で開弁させ、約１２０°〜１８０°で閉弁させる。

特に本往復式圧縮膨張機１においては、ピストン３による膨張行程時に吐出弁８の開弁期間、より具体的には、開弁から閉弁への移行時期を変化させることにより、発電機として作動する電動発電機３１の回転動力を調整する。このようにすることにより、電動発電機３１の回転動力の調整を弁駆動機構側のコントローラ２０によって行うことができるようになり、発電機として作動する電動発電機３１側の電気制御を簡易なものにすることができる。

このため、さらにコントローラ２０は、ピストン３による膨張行程時に電動発電機３１の回転速度が略一定になるように、吐出弁８の開弁期間、より具体的には、開弁から閉弁への移行時期を変化させている。

図８及び図９において、２点破線は、吐出弁８の開弁から閉弁への移行時期を実線の場合よりも早めて開弁期間を短くした場合の、シリンダ内の流入空気容積と空気圧力との関係を示すＰＶ線図である。

このように、吐出弁８の開弁から閉弁への移行時期を変化させることにより、往復式圧縮膨張機１による発生仕事量を変化させ、これにより電動発電機３１による仕事量や発電量を変化させている。すなわち、上述の本往復式圧縮膨張機１を利用したエネルギ貯蔵装置３０においては、電動発電機３１側ではなく弁駆動機構側のコントローラ２０によって、電動発電機３１による仕事量や発電量の調整が極めて容易に行われる。

また、コントローラ２０は、クランク軸５の回転毎に往復式圧縮膨張機１の吸入弁７及び吐出弁８の開閉時期を調整する。したがって、電動発電機３１の回転動力の調整をコントローラ２０により仔細に行うことができる。

以上のように、従来の往復式圧縮機においては、シリンダの内圧との関係で予め設定されたばね力のみにより吸入弁及び吐出弁の作動が行われるのに対し、本往復式圧縮膨張機１においては、上述の油圧駆動の弁駆動機構により、吸入弁７及び吐出弁８の開閉動作を任意に、かつ最適に制御している。

また、シリンダ２内を気密に摺動するピストン３により、圧縮効率や膨張効率は極めて高く、さらに往復式圧縮膨張機１であるから、圧縮及び膨張行程の何れに使用してもクランク軸５の回転方向が同一となり、容量に特段の制限はなく大容量の蓄電プラント等にも好適であり、かつ、エネルギ貯蔵装置に利用された場合にも電力系統にコンバータ等の変換器が不要で安価なものにすることができる等、種々の利点を有する。

この一方、弁駆動機構を上述のように油圧駆動の弁駆動機構により形成するのではなく、電動の弁駆動機構により形成することもできる。電動の弁駆動機構の場合には、例えば、吸入弁７及び吐出弁８を電動アクチュエータ等により直接開閉弁させ、この電動アクチュエータの作動を上述と同様のコントローラにより電気的に制御させる等することにより、電動の弁駆動機構を形成することができる。

なお、上述の往復式圧縮膨張機は一例を示したにすぎず、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。

１，１ａ，１ｂ往復式圧縮膨張機
２シリンダ
３ピストン
４コネクチングロッド
５クランク軸
７吸入弁（第１弁）
７ａ弁軸
８吐出弁（第２弁）
８ａ弁軸
１１空気ばね
１２油圧シリンダ（弁駆動機構）
１３油圧アクチュエータ（弁駆動機構，油圧制御部）
１４入口油圧主管
１５出口油圧主管
２０コントローラ（弁駆動機構，油圧制御部）
２１圧縮空気タンク内圧検出センサ（流体圧力検出センサ）
２２クランク角度検出センサ
２３電気動力検出センサ（回転動力検出センサ）
２５電子制御弁（弁駆動機構，油圧制御部）
３０エネルギ貯蔵装置
３１電動発電機（回転動力体，回転駆動体）
３２，３２ａ，３２ｂ熱交換器
３３圧縮空気タンク
３４，３４ａ，３４ｂ蓄熱器

Claims

１つのシリンダ（２）と、前記シリンダ内を密に摺動するピストン（３）と、前記ピストンに連結されて回転するクランク軸（５）と、開弁して低圧の圧縮性流体を前記シリンダ内へ吸入する第１弁（７）と、開弁して前記第１弁から吸入されて前記ピストンの作動により圧縮されて高圧となった前記圧縮性流体を前記シリンダ外へ吐出する第２弁（８）と、前記第１弁の弁軸（７ａ）及び前記第２弁の弁軸（８ａ）に連結されて前記第１弁及び前記第２弁を作動させる油圧駆動又は電動の弁駆動機構（１２，１３，２０，２５）と、前記ピストンを前記クランク軸を介して駆動させる電動機（３１）及び前記ピストンにより前記クランク軸を介して駆動される発電機（３１）とを備え、前記第２弁は、開弁して高圧の圧縮性流体を前記シリンダ内へ流入させ、前記第１弁は、開弁して前記第２弁から流入されて前記ピストンの作動により膨張されて低圧となった前記圧縮性流体を前記シリンダ外へ排出し、前記弁駆動機構は、前記第１弁及び前記第２弁の作動を制御するコントローラ（２０）を有し、前記コントローラは、前記第１弁及び前記第２弁の作動を制御して前記電動機の仕事量及び前記発電機の発電量を調整することを特徴とする往復式圧縮膨張機。
前記コントローラ（２０）は、前記ピストン（３）による膨張行程時に前記第２弁（８）の開弁期間を調整することにより前記発電機の前記発電量を調整することを特徴とする、請求項１に記載の往復式圧縮膨張機。