JP6996023B1

JP6996023B1 - 圧縮機ユニット及びその制御方法

Info

Publication number: JP6996023B1
Application number: JP2021166826A
Authority: JP
Inventors: 智志手塚; 勝広瀬山
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2021-10-11
Filing date: 2021-10-11
Publication date: 2022-01-17
Anticipated expiration: 2041-10-11
Also published as: KR102475596B1; JP2023057345A

Abstract

【課題】冷却流路において冷却水の凍結を防止できる圧縮機ユニットを提供する。【解決手段】圧縮機ユニットは、ＬＮＧ貯槽から対象ガスを回収して需要先に供給するように構成されており、複数の圧縮ステージ２０１～２０５とクランク機構１９０とを備える。複数の圧縮ステージ２０１～２０５はそれぞれ、シリンダ２１１とピストン２１２とピストンロッド２１３と第１シール部２４１と第２シール部２４２とを有する。少なくとも最初の圧縮ステージ２０１は、第２シール部２４２を冷却するための冷却流路２９０と入口流路３０１とガス注入流路３０２と出口流路３０３と排水流路３０４と切替手段４００と制御部４０１と温度センサ４０２とを有する。制御部４０１は、温度センサ４０２の検出温度Ｔ４０２が第１設定温度Ｔ１以下の場合に、切替手段４００を非流通状態に切り替えてガス注入制御を実行する。【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮機ユニット及びその制御方法に関する。

従来、圧縮室内のガスをピストンの往復動により圧縮する往復動圧縮機が知られている。例えば、特許文献１には、シリンダと、シリンダ内を摺動するピストンと、シリンダを冷却するための水冷ジャケットと、を備えた往復動圧縮機が開示されている。特許文献１の圧縮機では、水冷ジャケットに冷却水を流してシリンダを冷却している。

また、特許文献２には、シリンダに設けられたシリンダライナの冷却流路に冷却液を流して、シリンダライナを冷却する往復動圧縮機が開示されている。

実開平５－７８９７９号公報特開２０２０－４１５１０号公報

特許文献１及び特許文献２の圧縮機では、冷却水の凝固点よりも低い温度のガスが圧縮機に供給される場合には、冷却流路において冷却水が当該ガスによって冷やされて、冷却流路内で凍結する虞がある。

そこで、本発明の目的は、冷却流路において冷却水の凍結を防止することにある。

本開示における圧縮機ユニットは、船舶内に設置され、前記船舶の液化ガス貯槽からボイルオフガスである対象ガスを回収して少なくとも一部を需要先に供給する圧縮機ユニットである。前記圧縮機ユニットは、対象ガスを順次昇圧する複数の圧縮ステージと、各圧縮ステージのピストンを駆動するクランク機構と、を備える。前記複数の圧縮ステージはそれぞれ、ピストンと、前記ピストンに接続され、前記クランク機構の動力を前記ピストンに伝えるピストンロッドと、前記ピストンを収容し、圧縮室を形成するシリンダと、前記ピストンと前記シリンダとの間をシールする第１シール部と、前記ピストンロッドの周囲を囲み、前記シリンダ内に吸入された対象ガスが前記クランク機構側へと流れることを抑止する第２シール部と、最初の圧縮ステージの吸入側流路を流れる対象ガスの温度を検出する温度センサと、を備える。前記最初の圧縮ステージは、前記第２シール部が接触式であり、前記第２シール部を冷却するための冷却流路と、前記冷却流路の供給口に接続された入口流路と、前記入口流路に接続されたガス注入流路と、前記冷却流路の排出口に接続された出口流路と、前記出口流路に接続された排水流路と、冷却水が前記入口流路から前記冷却流路を通じて前記出口流路に流れる流通状態と、前記冷却流路への流通を止める非流通状態との間で、状態を切り替え可能な切替手段と、前記切替手段の制御を行う制御部と、を有する。前記制御部は、前記温度センサの検出温度が、０℃よりも低い設定温度である第１設定温度以下の場合に、前記切替手段を前記非流通状態に切り替えて、前記冷却流路内の冷却水を前記排水流路に導出するとともに、前記ガス注入流路から前記冷却流路内へとガスを導入して前記排水流路へと排気するガス注入制御を実行する。

このように構成された圧縮機ユニットでは、少なくとも最初の圧縮ステージの吸込側流路に第１設定温度以下の温度の対象ガスが供給された場合に、制御部によって切替手段が流通状態から非流通状態に切り替えられて、ガス注入制御が実行される。これにより、入口流路から冷却流路への冷却水の注水が止められるとともに、ガス注入流路から冷却流路に冷却流路の冷却水を排水するためのガスが注入される。これにより、冷却流路内の冷却水は、注入されたガスによって押し出されて排水流路に排水される。したがって、圧縮機ユニットに第１設定温度以下の温度の対象ガスが供給された場合に、冷却流路において冷却水が冷やされることが抑制されるため、冷却流路における冷却水の凍結を防止できる。

前記ガスは加圧エアであってもよい。これにより、ガス注入制御を行う場合に、加圧エアによって、冷却流路の冷却水を、より効果的に押し出して、排水流路に排水させることができる。

前記制御部は、前記切替手段が前記非流通状態であり且つ前記温度センサの検出温度が前記第１設定温度よりも高く且つ０℃未満の設定温度である第２設定温度以上の場合に、前記切替手段を前記非流通状態から前記流通状態に切り替えて、前記冷却流路に冷却水を注水する注水制御を実行してもよい。

この態様では、吸込側流路の対象ガスの温度が０℃未満であっても冷却流路の冷却水が凍結し難い状態に戻る場合があるため、圧縮機ユニットをガス注入制御から注水制御に切り替えることができる。

前記切替手段が、前記入口流路における前記ガス注入流路の接続点よりも上流側に設けられる第１開閉弁と、前記ガス注入流路に設けられる第２開閉弁と、前記出口流路における前記排水流路との接続点よりも下流側に設けられる第３開閉弁と、前記排水流路に設けられる第４開閉弁と、を備えていてもよく、前記制御部は、前記第１開閉弁と前記第３開閉弁３１３を開き、かつ、前記第２開閉弁と前記第４開閉弁を閉じることにより前記流通状態としてもよく、前記第１開閉弁と前記第３開閉弁とを閉じ、かつ、前記第２開閉弁と前記第４開閉弁を開くことにより前記非流通状態としてもよい。

この態様では、流通状態と非流通状態との切り替えを容易に行うことができる。

本開示における圧縮機ユニットの制御方法は、船舶内に設置されて、前記船舶の液化ガス貯槽からボイルオフガスである対象ガスを回収して少なくとも一部を需要先に供給する圧縮機ユニットの制御方法である。前記圧縮機ユニットは、対象ガスを順次昇圧する複数の圧縮ステージと、各圧縮ステージのピストンを駆動するクランク機構と、を備えていてもよい。前記複数の圧縮ステージがそれぞれ、ピストンと、前記ピストンを収容し、圧縮室を形成するシリンダと、前記ピストンと前記シリンダとの間をシールする第１シール部と、前記ピストンロッドの周囲を囲み、前記シリンダ内に吸入された対象ガスを前記クランク機構側へと流れることを抑制する第２シール部と、を備えていてもよい。前記複数の圧縮ステージのうち最初の圧縮ステージは、前記第２シール部が接触式であり、前記第２シール部を冷却する冷却流路を備えていてもよい。前記制御方法では、前記冷却流路に冷却水を流入させて前記第２シール部を冷却してもよく、前記最初の圧縮ステージの吸入側流路を流れる対象ガスの温度を温度センサによって検出してもよく、前記温度センサの検出温度が０℃よりも低い設定温度である第１設定温度以下の場合には、前記冷却流路にガスを注入させるとともにガスの押出によって前記冷却流路から冷却水を排水させてもよい。

上述の圧縮機ユニットによれば、冷却流路において冷却水の凍結を防止できる。

第１実施形態に係る圧縮機ユニットの概略図である。第１実施形態における第２シール部の概略的な断面図である。第１実施形態における第１圧縮ステージの第２シール部の冷却の構成を概略的に示す構成図である。第１実施形態における制御部の制御方法を概略的に示すフロー図である。図３に示す第２シール部の冷却の構成の変形例１を示す構成図である。図３に示す第２シール部の冷却の構成の変形例２を示す構成図である。

（第１実施形態）
圧縮機ユニット１００は、液化ガスであるＬＮＧ（ＬｉｑｕｉｆｉｅｄＮａｔｕｒａｌＧａｓ：液化天然ガス）が貯留されたＬＮＧ貯槽１０１を有する図略の船舶内に設置されている。圧縮機ユニット１００は、ＬＮＧ貯槽１０１内で生じたボイルオフガスである対象ガスを回収して、高圧に昇圧させた上で、船舶のエンジン等の所定の需要先に供給するように構成されている。当該船舶では、圧縮機ユニット１００が圧縮した対象ガスの一部が、再液化されてＬＮＧ貯槽１０１に戻されることがある。再液化が行われる際には、ＬＮＧ貯槽１０１から発生した低温の対象ガスと高温の圧縮された対象ガスとが熱交換される。すなわち、再液化ラインの対象ガスを冷却するための低温側の熱源として、圧縮機ユニット１００に供給される前のボイルオフガスが利用される。なお、以下の説明において、対象ガスの流れ方向を基準に「上流」及び「下流」の用語や、「上」及び「下」といった方向を表す用語が用いられる。これらの用語は、説明の明瞭化のみを目的としており、限定的に解釈されるべきではない。

図１は、第１実施形態に係る圧縮機ユニット１００の概略的な構成図である。圧縮機ユニット１００は、図１に示すように、ＬＮＧ貯槽１０１と図略の需要先とを互いに接続する流路１１０と、第１圧縮ステージ２０１～第５圧縮ステージ２０５と、各圧縮ステージ２０１～２０５を駆動させるクランク機構１９０と、を備える。

クランク機構１９０では、図略のクランクシャフトの回転運動に連動して、各圧縮ステージ２０１～２０５の図略のクロスヘッドが、クロスガイド１２０に沿って直線的に往復運動するように構成されている。なお、図１において、各圧縮ステージ２０１～２０５の配置は模式的に表されているが、実際には、各圧縮ステージ２０１～２０５は密接して配置されている。また、各圧縮ステージ２０１～２０５の配列の順番は、図１に示した順番に限られない。

第１～第５圧縮ステージ２０１～２０５は、流路１１０上に、この順番に配置されており、対象ガスは各圧縮ステージ２０１～２０５によって順次昇圧される。各圧縮ステージ２０１～２０５の吸込側の流路及び吐出側の流路にはそれぞれ、図略のダンパーが設けられている。各ダンパーにより、各圧縮ステージ２０１～２０５においてピストンの往復動に伴う対象ガスの圧力の変動は抑制される。各圧縮ステージ２０１～２０５の下流にはそれぞれ、圧縮されて昇温した対象ガスを冷却するための図略のクーラが設けられている。

流路１１０は、ＬＮＧ貯槽１０１と第１圧縮ステージ２０１の吸込口とを互いに接続する吸込側流路１１１と、第１圧縮ステージ２０１の吐出側と第２圧縮ステージ２０２の吸込口とを互いに接続する吐出側流路１１２と、を含んでいる。

第１圧縮ステージ２０１は、シリンダ２１１と、ピストン２１２と、ピストンロッド２１３と、吸込側流路１１１に繋がる一対の吸込弁２１４と、吐出側流路１１２に繋がる一対の吐出弁２１５と、とを有する。

シリンダ２１１は、クロスガイド１２０と略同軸の筒部２１６と、筒部２１６のクランク機構１９０側の開口端に取り付けられたリアヘッド２１７と、筒部２１６の他方の開口端を閉じるフロントヘッド２１８とを含んでいる。

ピストン２１２は、筒部２１６とリアヘッド２１７とフロントヘッド２１８とによって囲まれたシリンダ２１１内の収容空間に収容されている。シリンダ２１１内では、ピストン２１２のクランク機構１９０側の端面とリアヘッド２１７との間に圧縮室２２１が形成されており、ピストン２１２のクランク機構１９０とは反対側の端面とフロントヘッド２１８との間に、圧縮室２２２が形成されている。このように、第１圧縮ステージ２０１は、ピストン２１２の両側に圧縮室２２１，２２２が形成されたダブルアクティング構造を備えている。なお、第１圧縮ステージ２０１は、シリンダ２１１内に圧縮室２２１，２２２のうちいずれか一方が形成されたシングルアクティング構造を備えていてもよい。

また、第２～第４圧縮ステージ２０２～２０４は２つの圧縮室を有するダブルアクティング構造を備え、第５圧縮ステージ２０５は１つの圧縮室を有するシングルアクティング構造を備えているがこれに限らない。例えば、第２～第４圧縮ステージ２０２～２０４の何れかの圧縮ステージはシングルアクティング構造を備えていてもよく、第５圧縮ステージ２０５はダブルアクティング構造を備えていてもよい。

一対の吸込弁２１４は、２つの圧縮室２２１，２２２に対応した位置に形成された吸込口に取り付けられている。これらの吸込弁２１４は、圧縮室２２１，２２２内の対象ガスの圧力が、吸込弁２１４の上流側の圧力よりも所定の圧力以上に低くなると、吸込側流路１１１から圧縮室２２１，２２２に対象ガスの流入を許容するように構成されている。

一対の吐出弁２１５は、圧縮室２２１，２２２に対応した位置において形成された吐出口に取り付けられている。これらの吐出弁２１５は、圧縮室２２１，２２２内の対象ガスの圧力が、吐出弁２１５の下流側の圧力よりも所定圧力以上高くなると、圧縮室２２１，２２２から吐出側流路１１２に対象ガスの流出を許容するように構成されている。

ピストンロッド２１３は、一方の端部がピストン２１２に接続されており、リアヘッド２１７を貫通するようにクランク機構１９０側に延びて形成されている。ピストンロッド２１３の他方の端部は、クロスヘッドに接続されている。

第１圧縮ステージ２０１は、２つの圧縮室２２１，２２２間における対象ガスの漏出を防ぐための第１シール部２４１と、圧縮室２２２からクロスガイド１２０内への対象ガスの漏出を防ぐための第２シール部２４２と、第２シール部２４２を冷却するための後述する冷却流路２９０（図２参照）と、を備えている。

第１シール部２４１は、ピストン２１２の外周部に装着された複数のピストンリング２４３によって構成される。すなわち、第１シール部２４１は、ピストンリング２４３の外周部がシリンダ２１１に接触することにより、ピストン２１２外周面とシリンダ２１１内周面との間の隙間を封止する接触式且つ無潤滑式の封止部位である。第１シール部２４１には、ピストン２１２の外周面とシリンダ２１１の内周面との接触を防止するための図略のライダーリングが設けられている。

第２シール部２４２は、ピストンロッド２１３外周面とリアヘッド２１７内周面との間の隙間を封止する接触式且つ無給油式の封止部位である。

第２～第５圧縮ステージ２０２～２０５にもそれぞれ、接触式且つ無給油式の第１シール部と、接触式且つ無給油式の第２シール部と、第２シール部を冷却するための冷却流路と、が設けられている。

図２は、第１圧縮ステージ２０１における第２シール部２４２の概略的な断面図である。第２シール部２４２は、複数のケース部材２４４と、複数のロッドパッキン２４９と、押さえ部材２９４とを含んでいる。

リアヘッド２１７は、ピストンロッド２１３と略同軸であるとともに下面から上向きに凹んでおり下向きに開口する凹部２１９と、凹部２１９の底面とリアヘッド２１７の上面との間を貫通する貫通孔２２０と、が形成されている。凹部２１９内には、複数のケース部材２４４が、ピストンロッド２１３の外周面を囲むようにして、上下方向（ピストンロッド２１３の軸方向）に並んで収容されている。

押さえ部材２９４は、中央にピストンロッド２１３が挿通される貫通孔２２３が形成された板状である。押さえ部材２９４は、凹部２１９内に収容された複数のケース部材２４４を下側から保持するようにして、図略のボルト等によりリアヘッド２１７の下面に固定されている。すなわち、リアヘッド２１７と押さえ部材２９４との間には、複数のケース部材２４４が上下方向に並んで固定されている。

複数のケース部材２４４にはそれぞれ、ピストンロッド２１３と略同軸で且つ下面から上向きに凹んで下向きに開口するリング収容部２４６と、リング収容部２４６の底面とケース部材２４４の上面との間を貫通する貫通孔２５０と、が形成されている。

各リング収容部２４６内には、複数のロッドパッキン２４９が、ピストンロッド２１３の外周面を囲むようにして上下方向（ピストンロッド２１３の軸方向）に並んで収容されている。例えば、図２に示すように、１つのケース部材２４４のリング収容部２４６には、３つのロッドパッキン２４９が収容されている。各ロッドパッキン２４９の内周面は、ピストンロッド２１３の外周面に当接している。すなわち、各ロッドパッキン２４９は、各ケース部材２４４とピストンロッド２１３との間の隙間からの対象ガスの漏出を封止する。なお、ロッドパッキン２４９の材料としては、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）または変性ＰＴＦＥを主成分とする材料が用いられる。

第１圧縮ステージ２０１には、ロッドパッキン２４９を冷却するための冷却水を流す冷却流路２９０が形成されている。第１圧縮ステージ２０１は、冷却流路２９０に冷却水を流すことにより、ピストンロッド２１３の摺動によりピストンロッド２１３とロッドパッキン２４９との間に生じる摩擦熱が除去されるように構成されている。

冷却流路２９０は、複数のケース部材２４４それぞれに形成された環状流路２９３と、複数のケース部材２４４及び押さえ部材２９４において上下方向（ピストンロッド２１３の軸方向）に貫通するように形成された複数の貫通流路２９５と、を含んでいる。複数の環状流路２９３と複数の貫通流路２９５とは互いに連通しており、第２シール部２４２を冷却するための流路として形成されている。

環状流路２９３は、複数のケース部材２４４それぞれの上面（圧縮室２２１側の面）に形成された環状の溝である。１つのケース部材２４４の上面に、別のケース部材２４４を当接させることにより、冷却水を流す環状流路２９３が形成される。貫通流路２９５は、ケース部材２４４においてリング収容部２４６よりも径方向の外側に配置されており、ケース部材２４４及び押さえ部材２９４の上面及び下面の間を貫通するように形成されている。

押さえ部材２９４の下面（クランク機構１９０側の面）には、貫通流路２９５に冷却水を流入させるための供給口２９７と、環状流路２９３を流れた冷却水を貫通流路２９５から流出させるための排出口２９８（図３参照）と、が設けられている。図２では、供給口２９７に流入する冷却水が実線矢印で表されており、排出口２９８から流出する冷却水が破線矢印で表されている。

図３は、第１圧縮ステージ２０１における第２シール部２４２を冷却するための構成を概略的に示している。第１圧縮ステージ２０１は、図３に示すように、冷却流路２９０に冷却水を供給する入口流路３０１と、入口流路３０１に加圧エアを注入するガス注入流路３０２と、冷却流路２９０から冷却水を排出させる出口流路３０３と、出口流路３０３から分岐する排水流路３０４と、を備える。

入口流路３０１は、圧縮機ユニット１００の外部に設けられた図略の冷却水タンクと冷却流路２９０の供給口２９７とを互いに接続している。圧縮機ユニット１００の外部から供給された冷却水は、入口流路３０１及び供給口２９７を通じて冷却流路２９０に流入する。

ガス注入流路３０２は、圧縮機ユニット１００の外部の図略のエア供給源と入口流路３０１とを互いに接続している。エア供給源の加圧エアとしては、例えば、船舶内に配設された多目的加圧エアや、圧縮機ユニット１００専用に設置された小型圧縮機の加圧エアなど、様々なものが利用できる。エア供給部から供給された加圧エアは、ガス注入流路３０２を通じて入口流路３０１に流入する。

出口流路３０３は、冷却流路２９０の排出口２９８と、上述の冷却水タンクと、を互いに接続している。冷却流路２９０を流れた冷却水は、出口流路３０３を通じて圧縮機ユニット１００の外部に排出される。圧縮機ユニット１００では、冷却水タンクから供給された冷却水が入口流路３０１、冷却流路２９０および出口流路３０３を通じて再び冷却水タンクに戻るように冷却水回路が構成される。ただし、必ずしも循環可能な冷却水回路が構成される必要はなく、入口流路３０１が接続される冷却水タンクと、出口流路３０３が接続される冷却水タンクとは、別機器であってもよい。

排水流路３０４は、出口流路３０３と、圧縮機ユニット１００の外部に設けられたドレン回収器とを互いに接続している。排水流路３０４は、加圧エアと、加圧エアによって冷却流路２９０から押し出された冷却水をドレン回収器に排出可能である。

第１圧縮ステージ２０１はさらに、切替手段４００と、切替手段４００の状態を流通状態と非流通状態との間で切り替える制御部４０１と、吸込側流路１１１上に設けられた温度センサ４０２（図１参照）と、を備える。

切替手段４００は、第１～第４開閉弁３１１～３１４を有している。第１開閉弁３１１は、入口流路３０１におけるガス注入流路３０２の接続点よりも上流側に設けられている。第２開閉弁３１２はガス注入流路３０２に設けられている。第３開閉弁３１３は、出口流路３０３における排水流路３０４との接続点よりも下流側に設けられている。第４開閉弁３１４は排水流路３０４に設けられている。

第１～第４開閉弁３１１～３１４と、図１に示す温度センサ４０２とは、制御部４０１に電気的に接続されている。温度センサ４０２によって検出された検出温度Ｔ４０２（第１圧縮ステージ２０１の吸込側流路１１１における対象ガスの温度）を示す信号は制御部４０１に送信される。なお、制御部４０１はソフトウェアとして構築されてもよく、専用回路で構築されてもよい。

切替手段４００が流通状態のときには、入口流路３０１の第１開閉弁３１１と出口流路３０３の第３開閉弁３１３とは開いており、ガス注入流路３０２の第２開閉弁３１２と排水流路３０４の第４開閉弁３１４とが閉じている。すなわち、入口流路３０１から冷却流路２９０に冷却水が流入するとともに、冷却流路２９０を流れた冷却水が出口流路３０３に流出する。

一方で、切替手段４００が非流通状態のときには、第１開閉弁３１１と第３開閉弁３１３とは閉じており、第２開閉弁３１２と第４開閉弁３１４とは開いている。

制御部４０１は、温度センサ４０２の検出温度Ｔ４０２に基づいて切替手段４００の第１～第４開閉弁３１１～３１４の開閉を制御することにより、切替手段４００の状態を流通状態と非流通状態との間で切り替えるように構成されている。

（動作説明と制御方法）
ここで、圧縮機ユニット１００の動作について説明する。圧縮機ユニット１００が作動すると、クランク機構１９０のクロスヘッドが直線的に往復動する。クロスヘッドの動力は、第１～第５圧縮ステージ２０１～２０５の各ピストンロッドを介して、第１～第５圧縮ステージ２０１～２０５の各ピストンに伝達される。この結果、これらのピストンはシリンダ内において直線的に往復動する。第１～第４圧縮ステージ２０１～２０４では、ピストンの往復動に伴って２つの圧縮室において、対象ガスの吸込及び吐出が交互に繰り替えされる。第５圧縮ステージ２０５では、１つの圧縮室において、対象ガスの吸込及び吐出が交互に繰り替えされる。第１～第５圧縮ステージ２０１～２０５から吐出された対象ガスは、各クーラを通過することにより冷却される。

圧縮機ユニット１００の駆動時では、通常、第１圧縮ステージ２０１において冷却流路２９０に冷却水が流れる注水制御が行われる。すなわち、切替手段４００は流通状態に設定されており、第１開閉弁３１１と第３開閉弁３１３が開かれるとともに第２開閉弁３１２と第４開閉弁３１４が閉じられている。入口流路３０１から冷却流路２９０に冷却水が流入するとともに冷却流路２９０から出口流路３０３に冷却水が排出される。

第１圧縮ステージ２０１の第２シール部２４２において、摺動するピストンロッド２１３とロッドパッキン２４９との間に摩擦熱が生じるため、ロッドパッキン２４９及びその周辺部位の温度が上昇することがある。しかし、第１圧縮ステージ２０１では切替手段４００が流通状態になっており、冷却流路２９０を流れる冷却水により第２シール部２４２は冷却されるため、ロッドパッキン２４９及びその周辺部位の摩擦熱による温度の上昇は抑制される。

制御部４０１は、図４に示すように、ＬＮＧ貯槽１０１から吸込側流路１１１に供給された対象ガスの温度（検出温度Ｔ４０２）が、第１設定温度Ｔ１未満か否かを判定する（ステップＳＴ１００）。第１設定温度Ｔ１は、冷却流路２９０内の冷却水が凍結してしまう虞が生じる温度を考慮して設定される。第１設定温度Ｔ１は少なくとも０℃よりも低く、例えば－３０℃～－２０℃の温度範囲で設定される。

検出温度Ｔ４０２が第１設定温度Ｔ１以上の場合には、制御部４０１は、第１圧縮ステージ２０１における注水制御を継続する（ステップＳＴ１２０）。制御部４０１は、注水制御が継続されているときには、ステップＳＴ１００を繰り返す。

一方、圧縮機ユニット１００の駆動時に吸込側流路１１１に供給される対象ガスの温度が低下（変動）することがある。例えば、再液化ラインを流れる対象ガスの流量が少ない場合には、再液化ラインの対象流体を冷却するために必要な熱量が小さくなるため、ＬＮＧ貯槽１０１からのボイルオフガスは比較的低い温度のまま、対象ガスとして吸込側流路１１１に流入する。ただし、対象ガスの温度が変動する要因は再液化量の増減に限られない。

そして、検出温度Ｔ４０２が第１設定温度Ｔ１未満となった場合には、制御部４０１は、切替手段４００を流通状態から非流通状態に切り替えるため第１圧縮ステージ２０１におけるガス注入制御を開始する（ステップＳＴ１４０）。ガス注入制御では、まず、第１開閉弁３１１及び第３開閉弁３１３が閉じられる。次に、第４開閉弁３１４が開かれる。これにより、冷却水の供給が停止されるとともに、冷却流路２９０内の冷却水が排水流路３０４を通じて外部に排出される。第４開閉弁３１４を開いてから数分間（例えば、１分～１０分間）経過した後に、第２開閉弁３１２が開かれ、冷却流路２９０内に加圧エアが導入される。加圧エアの導入が数秒間（例えば、１秒～１０秒間）程度行われた後、第２開閉弁３１２が閉じられる。これにより、冷却流路２９０内に残っている冷却水が、排水流路３０４を通じて圧縮機ユニット１００の外部に押し出されるように排出される。冷却流路２９０内に加圧エアを導入した後、数分間（例えば１分～１０分間）経過した後、第４開閉弁３１４が閉じられる。

前記ステップＳＴ１４０において第１圧縮ステージ２０１をガス注入制御に切り替えた後に、制御部４０１は、検出温度Ｔ４０２が第２設定温度Ｔ２以上か否かを判定する（ステップＳＴ２００）。第２設定温度Ｔ２は、第１設定温度Ｔ１よりも高く且つ０℃よりも低い温度に設定され、例えば－１５℃～－１０℃の温度範囲で設定される。第１設定温度Ｔ１と第２設定温度Ｔ２との間の温度帯は、注水制御とガス注入制御との切り替えに係る制御上の不感帯である。

検出温度Ｔ４０２が第２設定温度Ｔ２以上となった場合には、制御部４０１は、切替手段４００を非流通状態から流通状態に切り替える。すなわち、第１開閉弁３１１及び第３開閉弁３１３を開いて注水制御を再開する（ステップＳＴ２２０）。これにより、冷却流路２９０に冷却水が再び流通する。一方で、検出温度Ｔ４０２が第２設定温度Ｔ２未満の場合には、制御部４０１は、ガス注入制御を継続し、ステップＳＴ２００を繰り返す。

以上のように構成された第１実施形態に係る圧縮機ユニット１００では、吸込側流路１１１に第１設定温度Ｔ１以下の温度の対象ガスが供給された場合に、制御部４０１は切替手段４００を流通状態から非流通状態に切り替えてガス注入制御を開始する。このため、入口流路３０１から冷却流路２９０への冷却水の流入が停止される一方で、ガス注入流路３０２から冷却流路２９０に加圧エアが注入される。これにより、冷却流路２９０内の冷却水は加圧エアにより押し出されて、排水流路３０４を通じて圧縮機ユニット１００の外部に排出される。したがって、吸込側流路１１１に第１設定温度Ｔ１以下の温度の対象ガスが供給されても、冷却流路２９０内における冷却水の凍結が防止できる。

さらに、第１圧縮ステージ２０１でガス注入制御が行われているときに、吸込側流路１１１に供給される対象ガスの温度が０℃未満の温度であっても、冷却流路２９０の冷却水は凍結し難い場合がある。そこで、第１圧縮ステージ２０１では、検出温度Ｔ４０２が第２設定温度Ｔ２（すなわち、第１設定温度Ｔ１よりも高く且つ０℃未満の設定温度）以上の場合に、制御部４０１が切替手段４００を非流通状態から流通状態に切り替えることにより、速やかに注水制御を再開できる。圧縮機ユニット１００では、切替手段４００が第１ないし第４開閉弁３１１～３１４により構成されることにより、冷却水の流通状態と非流通状態との切り替えを容易に行うことができる。

本実施形態では、第２～第５圧縮ステージ２０２～２０５には、各冷却流路においてガス注入制御及び注水制御を行うためのガス注入流路、排水流路、切替手段及び温度センサは設けられていない。すなわち、第２～第５圧縮ステージ２０２～２０５では、常時、注水制御が行われる。ただし、第２～第５圧縮ステージ２０２～２０５に低温（０℃未満）の対象ガスが流入する虞がある場合には、第１圧縮ステージ２０１と同様に、各圧縮ステージ２０２～２０５の冷却流路に対して注水制御及びガス注入制御を行うためのガス注入流路、排水流路、切替手段及び温度センサが設けられていてもよい。この場合、制御部４０１は、各圧縮ステージ２０２～２０５の吸込側流路に設けられた温度センサに基づいて各圧縮ステージ２０２～２０５の切替手段を制御する。

（変形例１）
図５は、圧縮機ユニット１００における第２シール部２４２の冷却の構成の変形例１を示している。変形例１では、図５に示すように、第１実施形態における第３開閉弁３１３及び第４開閉弁３１４を代替する三方弁３１７が設けられている点において、第１実施形態とは異なっているが、それ以外の構成については第１実施形態と同様である。

切替手段４００は、第１開閉弁３１１と、第２開閉弁３１２と、出口流路３０３における排水流路３０４の接続点に設けられた三方弁３１７と、を備えている。変形例１では、三方弁３１７において出口流路３０３の下流側の流路部分を繋ぐポート（以下、「出口流路側ポート」という。）が第３開閉弁３１３の役割を果たし、排水流路３０４を繋ぐポート（以下、「排水流路側ポート」という。）が第４開閉弁３１４の役割を果たす。

第１開閉弁３１１と、第２開閉弁３１２と、三方弁３１７とは、制御部４０１に電気的に接続されている。注水制御時には、制御部４０１は、切替手段４００を流通状態に設定する。具体的には、第１開閉弁３１１が開かれる。また、三方弁３１７の排水流路側ポートが閉じられ、出口流路側ポートが開かれる。第２開閉弁３１２は閉じられる。これにより、入口流路３０１から冷却流路２９０に冷却水が流入するとともに冷却流路２９０から出口流路３０３に冷却水が排出される。

ガス注入制御時には、制御部４０１は、切替手段４００を非流通状態に設定する。具体的には、第１開閉弁３１１が閉じられ、三方弁３１７において排水流路側ポートが開かれ、出口流路側ポートが閉じられる。これにより、冷却流路２９０内の冷却水が排水流路３０４を通じて外部に排出される。排水流路側ポートを開いてから数分間（例えば、１分～１０分間）経過した後に、第２開閉弁３１２が開かれ、冷却流路２９０内に加圧エアが導入される。加圧エアの導入が数秒間（例えば、１秒～１０秒間）程度行われた後、第２開閉弁３１２が閉じられる。これにより、冷却流路２９０内に残っている冷却水が、排水流路３０４を通じて圧縮機ユニット１００の外部に排出される。加圧エアを導入した後、数分間（例えば１分～１０分間）経過した後、排水流路側ポートが閉じられる。

（変形例２）
図６は、圧縮機ユニット１００における第２シール部２４２の冷却の構成の変形例２を示している。変形例２では、図６に示すように、第１実施形態における第１開閉弁３１１及び第２開閉弁３１２を代替する三方弁３１６が設けられている点において、第１実施形態とは異なっているが、それ以外の構成については、第１実施形態と同様である。

切替手段４００は、第３開閉弁３１３、第４開閉弁３１４と、入口流路３０１におけるガス注入流路３０２の接続点に設けられた三方弁３１６と、を備えている。変形例２では、三方弁３１６において入口流路３０１の上流側の流路部分を繋ぐポート（以下、「入口流路側ポート」という。）が第１開閉弁３１１の役割を果たし、ガス流入流路３０２を繋ぐポート（以下、「ガス注入流路側ポート」という。）が第２開閉弁３１２の役割を果たす。

第３開閉弁３１３と、第４開閉弁３１４と、三方弁３１６とは、制御部４０１に電気的に接続されている。注水制御時には、制御部４０１は、切換手段４００を流通状態に設定する。具体的には、三方弁３１６において入口流路側ポートが開かれ、ガス注入流路側ポートが閉じられる。また、第３開閉弁３１３が開かれ、第４開閉弁３１４が閉じられる。これにより、入口流路３０１から冷却流路２９０に冷却水が流入するとともに冷却流路２９０から出口流路３０３に冷却水が排出される。

ガス注入制御時には、制御部４０１は、切換手段４００を非流通状態に設定する。具体的には、三方弁３１６において入口流路側ポートが閉じられる。また、第３開閉弁３１３が閉じられ、第４開閉弁３１４が開かれる。これにより、冷却流路２９０内の冷却水が排出流路３０４を通じて外部に排出される。さらに、変形例１と同様に、第４開閉弁３１４を開いてから数分間経過した後に、三方弁３１６のガス注入流路側ポートが開かれ、冷却流路２９０内に加圧エアが導入される。加圧エアの導入が数秒間程度行われた後、三方弁３１６のガス注入流路側ポートが閉じられる。これにより、冷却流路２９０内に残っている冷却水が、排水流路３０４を通じて圧縮機ユニット１００の外部に排出される。加圧エアを導入した後、数分間経過した後、第４開閉弁３１４が閉じられる。

なお、変形例２の切替手段４００は、出口流路３０３における排水流路３０４の接続点に設けられた三方弁３１７をさらに備えてもよい。この場合、第３開閉弁３１３及び第４開閉弁３１４は省略される。第１圧縮ステージ２０１では、制御部４０１が２つの三方弁３１６，３１７の流れ方向を制御することにより、注水制御とガス注入制御が行われる。

今回開示された実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと解されるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

例えば、上記実施形態では、ステップＳＴ１４０において、第４開閉弁３１４を開くと同時に、第２開閉弁３１２を開いてもよい。この場合、加圧エアの導入と同時に冷却水が排水流路３０４を通じて外部に排出される。

上記実施形態では、圧縮室２２１に最も近い位置に配置されたケース部材２４４には、貫通流路２９５と、環状流路２９３とが形成されていないが、これに限らない。圧縮室２２１に最も近い位置に配置されたケース部材２４４にも、貫通流路２９５及び環状流路２９３が形成されていてもよい。また、各ケース部材２４４では、環状流路２９３が、各ケース部材２４４の下面（クランク機構１９０側の面）に形成されていてもよい。また、複数のケース部材２４４のうち何れかのケース部材２４４には、環状流路２９３が形成されていなくてもよい。また、押さえ部材２９４の上面（圧縮室２２１側の面）に、環状流路２９３が形成されていてもよい。また、圧縮機ユニット１００は、液化水素など他の液化ガスのボイルオフガスの処理に利用されてもよい。

上述の実施形態の技術は、液化ガス貯槽を有している船舶に搭載された圧縮機ユニットに好適に利用される。

１００・・・・・・・・・・・・・・・圧縮機ユニット
１１１・・・・・・・・・・・・・・・吸込側流路
１９０・・・・・・・・・・・・・・・クランク機構
２０１～２０５・・・・・・・・・・・第１～第５圧縮ステージ
２１１・・・・・・・・・・・・・・・シリンダ
２１２・・・・・・・・・・・・・・・ピストン
２１３・・・・・・・・・・・・・・・ピストンロッド
２２１，２２２・・・・・・・・・・・圧縮室
２４１・・・・・・・・・・・・・・・第１シール部
２４２・・・・・・・・・・・・・・・第２シール部
２９０・・・・・・・・・・・・・・・冷却流路
３０１・・・・・・・・・・・・・・・入口流路
３０２・・・・・・・・・・・・・・・ガス注入流路
３０３・・・・・・・・・・・・・・・出口流路
３０４・・・・・・・・・・・・・・・排水流路
４００・・・・・・・・・・・・・・・切替手段
４０１・・・・・・・・・・・・・・・制御部
４０２・・・・・・・・・・・・・・・温度センサ

Claims

船舶内に設置され、前記船舶の液化ガス貯槽からボイルオフガスである対象ガスを回収して少なくとも一部を需要先に供給する圧縮機ユニットであって、
対象ガスを順次昇圧する複数の圧縮ステージと、
各圧縮ステージのピストンを駆動するクランク機構と、を備え、
前記複数の圧縮ステージがそれぞれ、
ピストンと、
前記ピストンに接続され、前記クランク機構の動力を前記ピストンに伝えるピストンロッドと、
前記ピストンを収容し、圧縮室を形成するシリンダと、
前記ピストンと前記シリンダとの間をシールする第１シール部と、
前記ピストンロッドの周囲を囲み、前記シリンダ内に吸入された対象ガスが前記クランク機構側へと流れることを抑止する第２シール部と、
最初の圧縮ステージの吸入側流路を流れる対象ガスの温度を検出する温度センサと、を備え、
前記最初の圧縮ステージは、
前記第２シール部が接触式であり、
前記第２シール部を冷却するための冷却流路と、
前記冷却流路の供給口に接続された入口流路と、
前記入口流路に接続されたガス注入流路と、
前記冷却流路の排出口に接続された出口流路と、
前記出口流路に接続された排水流路と、
冷却水が前記入口流路から前記冷却流路を通じて前記出口流路に流れる流通状態と、前記冷却流路への流通を止める非流通状態との間で、状態を切り替え可能な切替手段と、
前記切替手段の制御を行う制御部と、を有し、
前記制御部は、前記温度センサの検出温度が、０℃よりも低い設定温度である第１設定温度以下の場合に、前記切替手段を前記非流通状態に切り替えて、前記冷却流路内の冷却水を前記排水流路に導出するとともに、前記ガス注入流路から前記冷却流路内へとガスを導入して前記排水流路へと排気するガス注入制御を実行する、圧縮機ユニット。
前記ガスは加圧エアである、請求項１に記載の圧縮機ユニット。
前記制御部は、前記切替手段が前記非流通状態であり且つ前記温度センサの検出温度が前記第１設定温度よりも高く且つ０℃未満の設定温度である第２設定温度以上の場合に、前記切替手段を前記非流通状態から前記流通状態に切り替えて、前記冷却流路に冷却水を注水する注水制御を実行する、請求項１または２に記載の圧縮機ユニット。
前記切替手段は、
前記入口流路における前記ガス注入流路の接続点よりも上流側に設けられた第１開閉弁と、
前記ガス注入流路に設けられた第２開閉弁と、
前記出口流路における前記排水流路との接続点よりも下流側に設けられた第３開閉弁と、
前記排水流路に設けられた第４開閉弁と、を備え、
前記制御部は、
前記第１開閉弁と前記第３開閉弁を開き、かつ、前記第２開閉弁と前記第４開閉弁を閉じることにより前記流通状態とし、
前記第１開閉弁と前記第３開閉弁とを閉じ、かつ、前記第２開閉弁と前記第４開閉弁を開くことにより前記非流通状態とする、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の圧縮機ユニット。
船舶内に設置されて、前記船舶の液化ガス貯槽からボイルオフガスである対象ガスを回収して少なくとも一部を需要先に供給する圧縮機ユニットの制御方法であって、
前記圧縮機ユニットは、
対象ガスを順次昇圧する複数の圧縮ステージと、
各圧縮ステージのピストンを駆動するクランク機構と、を備え、
前記複数の圧縮ステージはそれぞれ、
ピストンと、
前記ピストンを収容し、圧縮室を形成するシリンダと、
前記ピストンと前記シリンダとの間をシールする第１シール部と、
前記ピストンロッドの周囲を囲み、前記シリンダ内に吸入された対象ガスを前記クランク機構側へと流れることを抑制する第２シール部と、を備え、
前記複数の圧縮ステージのうち最初の圧縮ステージは、前記第２シール部が接触式であり、前記第２シール部を冷却する冷却流路を備えており、
前記制御方法では、
前記冷却流路に冷却水を流入させて前記第２シール部を冷却し、
前記最初の圧縮ステージの吸入側流路を流れる対象ガスの温度を温度センサによって検出し、
前記温度センサの検出温度が０℃よりも低い設定温度である第１設定温度以下の場合には、前記冷却流路にガスを注入させるとともにガスの押出によって前記冷却流路から冷却水を排水させる、圧縮機ユニットの制御方法。