JP6962648B2 - 作動媒体を圧縮するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルの特徴を有する作動媒体を圧縮するための装置及び請求項８のプリアンブルの特徴を有する作動媒体を圧縮するための方法に関する。

そのようなコンプレッサは、様々な設計（例えば米国特許第４，１０４，００８号明細書を参照）の従来技術において公知である。米国特許第４，１０４，００８号明細書は、作動室及び空気圧式ピストンを備える圧縮空気作動油圧ポンプを開示する。ここで、空気圧式ピストンは、油圧ピストンに接続される。作動室及び制御スライダに関してシールされた補助スライダの助けを借りて、圧縮空気が空気圧式ピストンに運ばれ、それによりこれをらせん圧縮スプリングのばね力に抗して動かす。空気圧式ピストンの運動により、油圧ピストンは、油圧ラインを接続するために使用されるバルブ筐体が押し込まれる油圧シリンダ内で移動する。

米国特許第５,３２４,１７５号明細書は、一体化された同軸駆動ピストン、第１ステージ用のピストン及び第２ステージ用のピストンを備える２ステージ空気圧作動式空気ピストンコンプレッサを開示する。コンプレッサの第１ステージの圧迫側は、第２ステージの吸引側である。コンプレッサの第１ステージ内の圧縮の後、第２ステージ内でさらに圧縮される前に、圧縮される空気は、熱交換器を通じて誘導される。

独国特許発明第３０１８６２５号明細書及び米国特許第６,３８６,８４１号明細書は、コンプレッサの様々な設計を開示する、しかしながら、これらは、コンプレッサの効率を改善することを目的として設計されていない。

しかしながら、ガス駆動部を有するコンプレッサの高いエネルギー消費は、欠点であることが判明されている。

こうした背景を鑑みて、高圧ピストンの駆動の効率を増大することが本発明の目的である。

この目的は、請求項１の特徴を有する装置及び請求項８の特徴を有する方法により実現される。

作動媒体を圧縮するための本発明に係る装置は、少なくとも以下の構成要素、駆動媒体を圧縮するためのコンプレッサと、第１シリンダ内の駆動媒体により作動可能な駆動ピストン及び第２シリンダ内の作動媒体を圧縮する高圧ピストンを有する圧力変換器と、圧縮された作動媒体から圧縮された駆動媒体に熱を伝達するためのコンプレッサと圧力変換器の第１シリンダとの間の熱交換器と、を備える。

本発明によると、熱交換器は、第２シリンダ内での圧縮の後の作動媒体と、圧力変換器の第１シリンダに入る前の駆動媒体との間での熱交換に適合される。従って、有利には、圧縮状態の駆動媒体の温度は、駆動ピストンが圧縮状態で駆動媒体にさらされる前に、増大されることができる。結果として、高圧ピストンの作動のためにより高い作動力が利用可能であり、それにより、コンプレッサの効率は増大されることができる。

この原理は、様々な種類のコンプレッサにおいて、特に単又は複動式の単一ステージ又は２ステージのコンプレッサにおいて使用されることができる。ピストンコンプレッサのようなコンプレッサは、単又は複動式の単一ステージ又は２ステージとして設計されることもできる。

本開示の目的のため、「前（ｂｅｆｏｒｅ）」、「後（ａｆｔｅｒ）」、「間（ｂｅｔｗｅｅｎ）」などのような位置及び方向情報は、コンプレッサ動作における駆動媒体又は作動媒体の流れ方向に関する。

好ましい実施形態では、コンプレッサから第１シリンダへの第１ライン及び第１シリンダからコンプレッサへの第２ラインを有する駆動媒体の閉回路が設けられる。Ａｎｄｒｅａｓ Ｐ．Ｗｅｉｓｓの論文「より高いエネルギー効率−閉じた空気回路を有する理想的圧縮空気システムに関する理論的考察」（元のドイツ語のタイトル「Ｈｏｈｅｒｅ Ｅｎｅｒｇｉｅｅｆｆｉｚｉｅｎｚ−Ｔｈｅｏｒｅｔｉｓｃｈｅ Ｕｂｅｒｌｅｇｕｎｇｅｎ ｚｕ ｅｉｎｅｍ ｉｄｅａｌｅｎ Ｄｒｕｃｋｌｕｆｔｓｙｓｔｅｍ ｍｉｔ ｇｅｓｃｈｌｏｓｓｅｎｅｍ Ｌｕｆｔｋｒｅｉｓｌａｕｆ」）Ｏ＋Ｐ ５／２００９では、異なる状況で、圧縮空気シリンダを有する圧縮空気システムでは、閉じた空気回路の構成は、無駄な空気を戻さない開放参照システムと比較してエネルギー効率を増大することが示された。

熱交換器は、好ましくは、回収熱交換器として設計され、圧縮された駆動媒体及び圧縮された作動媒体は、少なくとも１つの壁により互いから分離される。代替的な設計では、熱交換器は、蓄熱器として設計され、熱格納は、熱交換器のマス内に設けられる。

例えば、プレート熱交換器及びチューブインチューブ熱交換器は、熱交換器として設けられることができる。しかしながら、熱交換器の様々な設計が知られており、これにより、圧縮された作動媒体の熱量が圧縮された作動媒体に伝達されることができる。

必要な駆動力をさらに下げるべく、コンプレッサが完全に気密又は半気密に設計されると好ましい。

本開示の目的のため、「完全に気密（ｆｕｌｌｙ ｈｅｒｍｅｔｉｃ）」なコンプレッサは、好ましくは耐圧性の筐体が駆動モータ及びコンプレッサユニットの両方を封入する設計として理解され、封入筐体は特に溶接され、媒体ラインは筐体を通じて誘導される。

本開示の目的のため、「半気密（ｓｅｍｉ−ｈｅｒｍｅｔｉｃ）」なコンプレッサは、駆動モータが耐圧性且つ着脱可能方式でコンプレッサ筐体に接続される設計として理解される。

さらなる実施形態では、オープンコンプレッサが設けられる。本開示の目的のため、「オープン」コンプレッサは、シャフトジャーナル又は別の負荷伝達手段が、コンプレッサユニットの少なくとも１つの側面から突出し、これにより作動力がコンプレッサユニットに導入されることができる設計として理解される。

特に好ましい実施形態によると、コンプレッサ及び駆動媒体の閉回路は、回路内の周囲圧力より高い圧力で駆動媒体を誘導するように適合される。

好ましい実施形態によれば、閉回路の第２ライン内の駆動媒体を冷却するための冷却器が、圧力変換器の第１シリンダとコンプレッサとの間に構成される。この実施形態では、駆動媒体の温度は、第１シリンダからコンプレッサに戻る間に下げられる。このように、駆動媒体の温度は、圧縮後、圧縮された作動媒体との熱交換により、閉回路内の温度が全体としてさらに増大されることなく、増大されることができる。従って、有利には、作動媒体は、閉回路内を異なる温度ステージで誘導されて、それにより高圧ピストンの駆動中に最適効率を実現する。

コンプレッサからの戻りライン内の駆動媒体の温度を好適なレベルに特に下げるべく、好ましい実施形態において、さらに、第２ライン内の温度測定素子と、第２ライン内の駆動媒体の温度に応じて冷却器を制御するために、一方で温度測定素子に接続され、他方で冷却器に接続される制御ユニットと、が設けられる。

圧力ピーク又は圧力変動を補償するべく、好ましくは、コンプレッサと熱交換器との間に第１バッファ格納装置及び／又は冷却器とコンプレッサとの間に第２バッファ格納装置が設けられる。

好ましい実施形態によれば、制御スライダは、コンプレッサと第１シリンダとの間に設けられ、これは、駆動媒体により第１シリンダの第２ボリュームに対して第１シリンダの第１ボリュームをシールする駆動ピストンを往復移動するべく、第１の位置と第２の位置との間で切り換えられることができる。第１の位置では、制御スライダは、第１ラインを第１シリンダの第１ボリュームに、第２ラインを第１シリンダの第２ボリュームに接続する。第２の位置では、制御スライダは、第１ラインを第１シリンダの第２ボリュームに、第２ラインを第１シリンダの第１ボリュームに接続する。

作動媒体を圧縮するための本発明に係る方法は、少なくとも以下のステップ、コンプレッサ内の駆動媒体を圧縮する段階と、第１シリンダ内の圧縮された駆動媒体により駆動ピストンを動かす段階と、第２シリンダ内の駆動ピストンにより作動媒体を圧縮する高圧ピストンを動かす段階と、を備え、圧縮された駆動媒体が駆動ピストンの第１シリンダに入る前に、圧縮された作動媒体から圧縮された駆動媒体に熱伝導する。

特に好ましい実施形態によれば、方法は、さらに、閉回路内の駆動媒体を、コンプレッサから第１シリンダを介してコンプレッサに戻るよう誘導する段階を備える。

特に好ましい実施形態によると、コンプレッサ内の駆動媒体は、入力圧力から出力圧力に圧縮され、入力圧力は、周囲圧力より高い。

コンプレッサの入力における駆動媒体の入力圧力は、好ましくは、０．５ｂａｒ及び５０ｂａｒの間、特に、２ｂａｒ及び３０ｂａｒの間である。コンプレッサの出力における駆動媒体の出力圧力は、好ましくは、１ｂａｒ及び１００ｂａｒの間、特に、５ｂａｒ及び４０ｂａｒの間である。

本開示の目的のため、すべての圧力値が、絶対圧力として理解されるべきである。

コンプレッサの前の駆動媒体の温度を下げるべく、第１シリンダから出現する駆動媒体の冷却が、好ましくは冷却器により実行される。

駆動媒体は、好ましくは、作動媒体と異なる。特に好ましい実施形態によると、駆動媒体は、気体であり、好ましくは空気、窒素、ＣＯ_２、アルゴン、又はクリプトンのうちの１つ又はこれらの混合物が駆動媒体として設けられる。ガス駆動部を備える従来のコンプレッサは、高圧ピストンの駆動に対して必要な駆動力を提供するべく、高いエネルギー要件を有する。一方では駆動媒体の閉回路、他方では圧縮された作動媒体から圧縮された駆動媒体へ熱伝導の結果として、駆動ピストンの作動中の効率は、実質的に増大されることができる。

特に好ましい用途では、作動媒体は、気体であり、好ましくは分子状水素が作動媒体として設けられる。好ましくは、作動媒体の圧力は、初期圧力、特に３ｂａｒと５００ｂａｒとの間から、最終圧力、特に１００ｂａｒと１５００ｂａｒとの間、特に７００ｂａｒと１０００ｂａｒとの間に引き上げられる。これらの値は、再度、各々が絶対圧力として理解される。

本発明は、さらに、以下において、図面に示される例示的な実施形態を参照して説明であろう。

高圧ピストンにより作動媒体を圧縮するための本発明に係る装置を示す。ここで、熱伝導は、駆動ピストンに対して圧縮された作動媒体から圧縮された駆動媒体へと達成される。

図１は、概略的に、気体作動媒体、好ましくは分子状水素を圧縮するための装置１を示す。装置１は、気体駆動媒体、好ましくは空気を圧縮するためのコンプレッサ２を備える。様々な種類のコンプレッサ２が従来技術において公知である。例えば、コンプレッサ２は、ピストン又は回転スクリューコンプレッサとして設計されることができる。コンプレッサは、正確に１ステージ又は少なくとも２ステージを有することができる。コンプレッサ２は、駆動媒体の圧力をコンプレッサ２の入力２ａにおける入力圧力からコンプレッサ２の出力２ｂにおける出力圧力に増大させる。

図面からさらに明らかなように、圧縮された駆動媒体は、圧力変換器３を駆動するのに使用される。圧力コンバータとしても示される圧力変換器３は、第１端部位置と第２端部位置との間で第１シリンダ５内で往復移動される駆動ピストン４を備える。駆動ピストン４の駆動のため、駆動媒体は、第１シリンダ５に誘導される。駆動ピストン４は、第１シリンダ５の第２ボリューム７に対して第１シリンダ５の第１ボリューム６をシールする。圧力変換器３は、追加的に、これにより作動媒体が初期圧力から最終圧力に圧縮される高圧ピストン８を備える。高圧ピストン８は、第１端部位置と第２端部位置との間で第２シリンダ９内で往復移動可能である。この目的のため、高圧ピストン８は、駆動ピストン４の運動が高圧ピストン８に伝達されるような方式で駆動ピストン４に接続される。低圧から高圧側への圧力変換を実現するべく、高圧ピストン８は、駆動又は低圧ピストン４より小さいピストン面積を有する。示される実施形態では、駆動ピストン４は、高圧ピストン８から離れて向かい合う駆動ピストン４側で高圧シリンダ１１内のさらなる高圧ピストン１０と複動するよう構成される。作動媒体は、初期圧力で、第１供給ライン１２を介して第２シリンダ９に、第２供給ライン１３を介して高圧シリンダ１１に供給される。圧縮後、最終圧力の作動媒体は、第１排出ライン１４を介して第２シリンダ９から、第２排出ライン１５を介して高圧シリンダ１１から導出される。バルブ１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａは、供給及び排出ライン内に設けられる。示される実施形態では、第１排出ライン１４及び第２排出ライン１５は、共通の排出ライン１６内で組み合わされる。駆動ピストン４（不図示）の単動設計では、第１排出ライン１４のみが設けされる。

図１からさらに明らかなように、作動媒体は、閉回路１７内で誘導される。閉回路１７は、コンプレッサ２の出力２ａから第１シリンダ５への第１ライン１８及び第１シリンダ５からコンプレッサ２の入力２ｂへの（へ戻る）第２ライン１９を備える。加えて、制御装置、特に制御スライダ２０は、第１シリンダ５内の駆動媒体の流れ方向を変えるために設けられる。結果として、制御装置の位置に応じて、駆動ピストン４は、一側から又は他側から圧力下にかけられることができ、それにより、制御装置の切換が駆動ピストン２の往復運動を引き起こす。示される実施形態では、コンプレッサ２は、完全気密又は半気密に設計される。従って、有利には、気体漏れは、低減されることができる。

図１から明らかなように、駆動媒体は、駆動媒体の流れ方向２１に見た場合に、コンプレッサ２と圧力変換器３の第１シリンダ５との間で、熱交換が圧縮された作動媒体により行われる熱交換器２２を介して誘導される。この目的のため、複動コンプレッサが共通の排出ライン１６に示される場合に、熱交換器２２は、第１排出ライン１４及び／又は第２排出ライン１５に接続される。従って、第２シリンダ９内で圧縮後の作動媒体の熱量は増大されて、駆動ピストン４に対する第１シリンダ５に入る前の駆動媒体の温度を増大することができる。理想的な気体方程式（ｐ×Ｖ＝ｎ×Ｒ×Ｔ）から、積ｐ×Ｖは、圧縮された駆動媒体の温度が増大されると、増大されることが導かれる。付加されることができる仕事量、従って、圧力コンバータでの動力は、それにより増大される。従って、従来のシステムと比べて同一の仕事量に対して、コンプレッサ２に必要とされる（電気）駆動エネルギーは小さい。

示される実施形態では、冷却器２３は、第２ライン１９内に追加的に構成されて、それにより圧力変換器３の第１シリンダ５からコンプレッサ２に戻る途中で駆動媒体の冷却を実現する。冷却器２３は、ファン２３ａを用いるさらなる熱交換器として構成されることができる。示される実施形態では、温度測定素子２６が、第２ライン１９内の駆動媒体の温度に応じてファン２３ａを動かす制御ユニット２７に作動媒体の温度を伝達する第２ライン１９内に追加的に設けられる。

さらに、第１バッファ格納装置２４は、コンプレッサ２と熱交換器２２との間に設けられ、第２バッファ格納装置２５は、冷却器２３とコンプレッサ２との間に設けられる。

より明確にするために、示される実施形態を理解するために必要な構成要素のみが図面に図示される。当然に、コンプレッサ装置１は、示された実施形態と比べて、様々な追加の構成要素及び改良物を有することができる。

Claims (14)

1. 作動媒体を圧縮する装置であって、
   駆動媒体を圧縮するためのコンプレッサと、
   第１シリンダ内の前記駆動媒体により作動可能な駆動ピストン及び第２シリンダ内の作動媒体を圧縮する高圧ピストンを有する圧力変換器と、
   前記圧縮された作動媒体から前記圧縮された駆動媒体に熱を伝達するための前記コンプレッサと前記圧力変換器の前記第１シリンダとの間の熱交換器と、
   を備える装置。
2. 前記コンプレッサから前記第１シリンダへの第１ラインを有し且つ前記第１シリンダから前記コンプレッサへの第２ラインを有する前記駆動媒体の閉回路をさらに備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記コンプレッサは、完全気密、半気密、又は開放型として設計される、請求項２に記載の装置。
4. 前記コンプレッサ及び前記駆動媒体の前記閉回路は、前記閉回路内で、周囲圧力より高い圧力で前記駆動媒体を誘導するように適合される、請求項２又は３に記載の装置。
5. 前記圧力変換器の前記第１シリンダと前記コンプレッサとの間の前記第２ライン内で前記駆動媒体を冷却するための冷却器をさらに備える、請求項２から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記第２ライン内の温度測定素子と、
   前記第２ライン内の前記駆動媒体の温度に応じて前記冷却器を制御するべく、一方で前記温度測定素子に接続され、他方で前記冷却器に接続される制御ユニットと、
   をさらに備える、請求項５に記載の装置。
7. 前記コンプレッサと前記熱交換器との間の第１バッファ格納装置及び／又は前記冷却器と前記コンプレッサとの間の第２バッファ格納装置をさらに備える、請求項６に記載の装置。
8. 作動媒体を圧縮するための方法であって、
   コンプレッサ内の駆動媒体を圧縮する段階と、
   第１シリンダ内の前記圧縮された駆動媒体により駆動ピストンを動かす段階と、
   第２シリンダ内の前記駆動ピストンにより前記作動媒体を圧縮する高圧ピストンを動かす段階と、
   を備え、前記圧縮された駆動媒体が前記駆動ピストンの前記第１シリンダに入る前に、前記圧縮された作動媒体から前記圧縮された駆動媒体に熱伝導する、方法。
9. 前記駆動媒体を閉回路内で誘導して、前記コンプレッサから前記第１シリンダを介して前記コンプレッサに戻す段階をさらに備える、請求項８に記載の方法。
10. 前記コンプレッサ内の前記駆動媒体は、入力圧力から出力圧力に圧縮され、前記入力圧力は、周囲圧力より高い、請求項８又は９に記載の方法。
11. 前記入力圧力は、０．５ｂａｒ及び５０ｂａｒの間、特に、２ｂａｒ及び３０ｂａｒの間である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１シリンダから出てくる前記駆動媒体を、冷却器により冷却する段階をさらに備える、請求項８から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記駆動媒体は、気体であり、好ましくは空気、窒素、ＣＯ_２、アルゴン、又はクリプトンのうちの１つ又はこれらの混合物が駆動媒体として設けられる、請求項８から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記作動媒体は、気体であり、好ましくは分子状水素が作動媒体として設けられる、請求項８から１３のいずれか一項に記載の方法。

Images