KR101797903B1 - 압축 장치 - Google Patents

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타쿠로 우바
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

압축 장치는, 가스를 압축하는 왕복동형의 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 가스를 냉각하는 열교환기를 구비하고, 상기 열교환기는, 가스를 냉각하는 냉각부와, 상기 압축기의 외측면에 접촉하고, 상기 압축기의 압축실로부터 토출된 가스를 상기 냉각부로 유입시키는 가스 유입로를 갖는 연락부를 구비한다.

Description

압축 장치{COMPRESSION DEVICE}

본 발명은, 가스를 압축하는 압축 장치에 관한 것이다.

최근, 연료 전지차에 수소 가스를 공급하는 수소 스테이션이 제안되어 있다. 수소 스테이션에서는, 연료 전지차에 효율적으로 수소 가스를 충전하기 위해 수소 가스를 압축한 상태에서 공급하는 압축 장치가 사용된다. 압축 장치는, 수소 가스를 압축하는 압축기와, 압축기에서 압축됨으로써 승온한 수소 가스를 냉각하는 가스 쿨러를 구비한다. 가스 쿨러로서는, 예를 들어, 하기 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같은 플레이트식 열교환기의 이용이 제안되어 있다.

플레이트식 열교환기는, 다수의 플레이트가 적층된 적층체를 포함한다. 적층된 플레이트 간에는, 유체를 유통시키는 유로가 각각 형성되어 있다. 그리고, 열교환기 내에서는, 플레이트의 적층 방향에 있어서 인접하는 유로에 각각 흐르는 유체끼리의 열교환이 행해진다.

그런데, 상기한 압축 장치에서는, 압축기와 가스 쿨러를 접속하는 다수의 배관이 필요해진다. 그로 인해, 넓은 설치 스페이스를 확보할 필요가 있다. 또한, 압축기로부터 토출되는 수소 가스가 고압으로 되기 때문에, 고강도이며 또한 고내압의 배관이 필요해진다. 그로 인해, 압축 장치의 제조 비용이 증대된다. 또한, 상기한 압축 장치에서는, 배관으로부터의 수소 가스의 누설을 방지할 필요도 있다.

일본 특허 공개 제2000-283668호 공보

본 발명의 목적은, 압축 장치의 소형화를 도모하는 것이다.

본 발명의 일 국면에 따른 압축 장치는, 가스를 압축하는 왕복동형의 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 가스를 냉각하는 열교환기를 구비하고, 상기 열교환기는, 가스를 냉각하는 냉각부와, 상기 압축기의 외측면에 접촉하고, 상기 압축기의 압축실로부터 토출된 가스를 상기 냉각부로 유입시키는 가스 유입로를 갖는 연락부를 구비한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 압축 장치의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 2는 도 1의 압축 장치를 구성하는 가스 쿨러의 본체부 및 유입부 조인트를 측방으로부터 본 도면이다.
도 3은 제1 실시 형태의 가스 쿨러를 구성하는 단부 플레이트의 평면도이다.
도 4는 제1 실시 형태의 가스 쿨러를 구성하는 수소 가스용 플레이트의 평면도이다.
도 5는 제1 실시 형태의 가스 쿨러를 구성하는 냉각수용 플레이트의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 압축 장치의 회수 헤더를 제거한 상태를 도시하는 개략도이다.
도 7은 제2 실시 형태에 의한 압축 장치를 도 6 중의 화살표 VII-VII의 위치에서 절단한 단면도이다.
도 8은 제2 실시 형태에 의한 압축 장치를 도 6 중의 화살표 VIII-VIII의 위치에서 절단한 단면도이다.
도 9는 제2 실시 형태의 가스 쿨러를 구성하는 단부 플레이트의 평면도이다.
도 10은 제2 실시 형태의 가스 쿨러를 구성하는 수소 가스용 플레이트의 평면도이다.
도 11은 제2 실시 형태의 가스 쿨러를 구성하는 냉각수용 플레이트의 평면도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 압축 장치의 구성을 부분적으로 도시하는 개략도이다.
도 13은 제3 실시 형태에 의한 압축기를 도 12 중의 화살표 XIII-XIII의 위치에서 절단한 단면도이며, 가스 쿨러의 외관도 도시하는 도면이다.
도 14는 제3 실시 형태에 의한 압축기를 도 12 중의 화살표 XIV-XIV의 위치에서 절단한 단면도이며, 가스 쿨러의 외관도 도시하는 도면이다.
도 15는 제3 실시 형태에 의한 압축 장치의 가스 쿨러 내부의 구조를 도시하는 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다.

(제1 실시 형태)

본 발명의 제1 실시 형태에 의한 압축 장치는, 예를 들어 연료 전지차에 수소를 공급하는 수소 스테이션에서 사용되는 장치이다.

제1 실시 형태에 의한 압축 장치는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 수소 가스를 압축하는 압축기(2)와, 압축기(2)에 의해 압축된 수소 가스를 냉각하는 가스 쿨러(4)를 구비한다. 가스 쿨러(4)는, 마이크로 채널 열교환기이다.

압축기(2)는, 왕복동 압축기이다. 압축기(2)는, 크랭크 케이스(6)와, 크랭크 축(8)과, 도시 생략의 구동부와, 크로스 가이드(10)와, 크로스 헤드(12)와, 연결 로드(14)와, 압축부(16)와, 급배부(18)를 갖는다.

크랭크 케이스(6) 내에는, 크랭크 축(8)이 수평축 주위로 회전 가능하게 설치되어 있다. 도시 생략의 구동부는, 크랭크 축(8)에 접속되어 있다. 구동부는, 동력을 크랭크 축(8)에 전달하여 크랭크 축(8)을 회전시킨다.

크로스 가이드(10)는, 크랭크 케이스(6)에 연속 설치된 통 형상의 부재이다. 크로스 가이드(10) 내에는, 크로스 헤드(12)가 크로스 가이드(10)의 축 방향으로 왕복동 가능하게 수용되어 있다. 연결 로드(14)는, 크랭크 축(8)과 크로스 헤드(12)를 연결하고 있다. 연결 로드(14)는, 크랭크 축(8)의 회전 운동을 직선적인 왕복 운동으로 변환하여 크로스 헤드(12)에 전달한다.

압축부(16)는, 수소 가스의 압축을 행하는 부위이다. 압축부(16)는, 크로스 가이드(10)에 결합된 통 형상의 실린더부(20)와, 실린더부(20) 내의 실린더실(20a)에 축 방향으로 왕복동 가능하게 수용된 피스톤(22)과, 피스톤(22)과 크로스 헤드(12)를 연결하는 피스톤 로드(24)를 갖는다. 실린더실(20a)과 피스톤(22) 사이에는 수소 가스가 압축되는 압축실(20b)이 형성된다. 압축실(20b)에는 개구(26)가 형성되어 있다. 실린더부(20)와 크로스 가이드(10) 사이에는 격벽(25)이 설치되어 있다.

급배부(18)는, 압축실(20b)에의 수소 가스의 급기 및 압축실(20b)로부터의 배기를 행하는 부위이다. 급배부(18)는, 급배부 하우징(28)과, 흡입 밸브(30)와, 흡입측 플랜지(32)와, 토출 밸브(34)를 갖는다.

급배부 하우징(28)은, 실린더부(20)에 결합되어 있다. 급배부 하우징(28)은, 실린더부(20)의 개구(26)에 연통되는 연통로(28a)와, 흡입로(28b)와, 토출로(28c)를 갖는다. 흡입로(28b) 및 토출로(28c)는, 상하 방향으로 연장된다. 연통로(28a) 및 개구(26)는, 압축실(20b)을 흡입로(28b) 및 토출로(28c)에 연결한다.

흡입로(28b) 내에는, 역지 밸브인 흡입 밸브(30)가 설치되어 있다. 흡입로(28b)의 개구부에는, 흡입측 플랜지(32)가 삽입 끼움되어 고정되어 있다. 흡입측 플랜지(32)에는, 수소 가스를 공급하는 공급 배관(36)이 접속된다. 토출로(28c) 내에는, 역지 밸브인 토출 밸브(34)가 설치되어 있다. 또한, 압축 장치에서는, 흡입 밸브 및 토출 밸브로서 전자 밸브 등이 사용되어도 된다.

가스 쿨러(4)는, 본체부(38)와, 유입부 조인트(40)와, 공급 헤더(42)와, 회수 헤더(44)를 갖는다.

도 2는, 도 1의 본체부(38) 및 유입부 조인트(40)를 측방으로부터 본 도면이다. 본체부(38)는, 직방체 형상의 외형을 갖는다. 본체부(38)는, 도 3에 도시하는 단부 플레이트(50), 도 4에 도시하는 수소 가스용 플레이트(46) 및 도 5에 도시하는 냉각수용 플레이트(48)가 적층된 적층체이다.

수소 가스용 플레이트(46)는, 스테인리스강에 의해 형성된 직사각 형상의 평판이다. 수소 가스용 플레이트(46)는, 유입로용 관통 구멍(46d)과, 배출로용 관통 구멍(46e)과, 한쪽의 면에 형성된 복수의 수소 가스 유로용 홈부(46a)를 구비한다.

냉각수용 플레이트(48)는, 수소 가스용 플레이트(46)와 마찬가지로, 스테인리스강에 의해 형성된 직사각 형상의 평판이다. 냉각수용 플레이트(48)는, 유입로용 관통 구멍(48b)과, 배출로용 관통 구멍(48c)과, 한쪽의 판면에 형성된 복수의 냉각수 유로용 홈부(48a)를 구비한다. 단부 플레이트(50)에는, 관통 구멍(50b)이 형성되어 있다.

본체부(38)는, 한 쌍의 단부 플레이트(50) 사이에 복수의 냉각수용 플레이트(48)와 복수의 수소 가스용 플레이트(46)가 교대로 적층됨으로써 형성된 적층체이다. 단, 본체부(38)의 하부의 단부 플레이트(50)는, 도 3을 좌우로 반전시킨 상태로 배치된다. 본체부(38)를 구성하는 플레이트(46, 48, 50)는, 확산 접합에 의해 일체로 형성된다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 본체부(38)에는, 복수의 미소 유로(54)가 형성된다. 복수의 미소 유로(54)는, 도 4에 도시하는 복수의 수소 가스 유로용 홈부(46a)에 의해 형성된다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 본체부(38)에는, 복수의 냉각수 유로(57)가 형성된다. 복수의 냉각수 유로(57)는, 도 5에 도시하는 복수의 냉각수 유로용 홈부(48a)에 의해 형성된다. 이하, 본체부(38) 중, 미소 유로(54) 및 냉각수 유로(57)가 형성되는 부위를 「냉각부(861)」라 칭한다.

본체부(38)에서는, 도 3에 도시하는 상측의 단부 플레이트(50)의 관통 구멍(50b)과, 복수의 냉각수용 플레이트(48)의 유입로용 관통 구멍(48b)(도 5 참조)과, 복수의 수소 가스용 플레이트(46)의 유입로용 관통 구멍(46d)(도 4 참조)이 연결됨으로써, 플레이트의 적층 방향으로 연장되는 가스 유입로(52)(도 2 참조)가 형성된다. 하측의 단부 플레이트(50)의 관통 구멍(50b)과, 복수의 냉각수용 플레이트(48)의 배출로용 관통 구멍(48c)과, 복수의 수소 가스용 플레이트(46)의 배출로용 관통 구멍(46e)이 연결됨으로써, 플레이트의 적층 방향으로 연장되는 가스 배출로(53)가 형성된다.

도 1에 있어서, 냉각수 유로(57)가 개구되는 본체부(38)의 좌우의 측면 중, 좌측의 측면에는, 공급 헤더(42)가 장착되어 있다. 공급 헤더(42)에는, 냉각수 공급 배관(58)이 접속되어 있다. 냉각수 유로(57)가 개구되는 본체부(38)의 우측의 측면에는, 회수 헤더(44)가 장착되어 있다. 회수 헤더(44)에는, 냉각수 회수 배관(59)이 접속되어 있다. 가스 쿨러(4)에서는, 냉각수 공급 배관(58)으로부터 공급 헤더(42), 냉각수 유로(57) 및 회수 헤더(44)를 통해 냉각수 회수 배관(59)으로 냉각수가 흐른다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 본체부(38)의 상부에는 유입부 조인트(40)가 접합된다. 유입부 조인트(40) 내에는, 수소 가스를 유입시키는 유입로(401)가 형성된다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 압축 장치에서는, 유입부 조인트(40)가 급배부 하우징(28)의 토출로(28c)에 삽입 끼움된 상태에서 본체부(38)가 급배부 하우징(28)의 외측면에 상하 방향에 있어서 접촉한다. 이에 의해, 유입로(401)와 토출로(28c)가 연통된다. 유입부 조인트(40)의 주위에는, 수소 가스의 누출을 방지하기 위한 시일(40a)이 설치되어 있다. 가스 쿨러(4)에서는, 삽입 끼움부인 유입부 조인트(40) 및 가스 유입로(52)를 형성하는 부위가, 압축기(2)의 압축실(20b)과 냉각부(861)를 연락하는 연락부로서의 역할을 한다. 이하, 유입로(401)를 가스 유입로(52)의 일부로서 설명한다. 이상의 구성에 의해, 배관을 개재하는 일 없이 압축기(2)로부터 가스 쿨러(4)로 수소 가스를 유입시킬 수 있다.

압축 장치의 구동시에는, 흡입 밸브(30)를 통해 공급 배관(36)으로부터 압축실(20b)로 수소 가스가 공급되고, 피스톤(22)이 압축실(20b)을 수축시킴으로써, 수소 가스가 압축된다. 수소 가스의 압력은 약 82㎫로 되고, 온도는 약 150℃로 된다. 압축된 수소 가스는, 토출 밸브(34)로부터 가스 쿨러(4)의 가스 유입로(52)를 통해 냉각부(861)에 유입된다.

냉각부(861)에서는, 수소 가스가, 미소 유로(54)를 흐르는 도중에 냉각수 유로(57)를 흐르는 냉각수와 열교환하고, 그것에 의해 냉각된다. 냉각된 수소 가스는, 배출 배관(51)으로부터 배출된다.

이상, 제1 실시 형태에 관한 압축 장치에 대해 설명하였지만, 제1 실시 형태에 관한 압축 장치에서는, 가스 쿨러(4)가 압축기(2)에 직접적으로 고정되기 때문에, 압축기(2)와 가스 쿨러(4) 사이의 배관을 생략할 수 있다. 그 결과, 배관의 설치 스페이스가 불필요해져, 압축 장치를 소형화할 수 있다. 또한, 배관의 수를 줄일 수 있으므로, 압축 장치의 제조 비용을 저감시킬 수 있다. 또한, 수소 가스의 누설을 확인할 필요가 있는 배관 조인트 개소를 삭감시킬 수 있다.

압축 장치에서는, 가스 쿨러(4)로서 마이크로 채널 열교환기가 이용됨으로써, 강도를 확보하면서 효율적으로 수소 가스를 냉각할 수 있다. 유입부 조인트(40)가 압축기(2)의 토출로(28c)에 삽입 끼움되어 고정되기 때문에, 가스 쿨러(4)를 보다 강고하게 압축기(2)에 고정할 수 있다. 가스 쿨러(4)에서는, 유입부 조인트(40)를 본체부(38)와는 별도 부재로 형성할 수 있다. 이로 인해, 가스 쿨러(4)를 다른 압축기와 조합하는 경우라도, 유입부 조인트(40)를 당해 다른 압축기의 토출로의 형상에 맞추어 제작함으로써, 가스 쿨러(4)를 다른 압축기(2)에 용이하게 장착할 수 있다. 이와 같이, 압축 장치의 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다. 또한, 압축 장치에서는, 본체부(38)와 급배부 하우징(28)이 실질적으로 접촉하는 것이면, 본체부(38)와 급배부 하우징(28) 사이에 밀봉에 사용되는 수지 재료가 개재되어도 된다. 이것은, 이하의 다른 실시 형태에 있어서도 마찬가지이다.

(제2 실시 형태)

도 6은, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 압축 장치를 도시하는 도면이다. 압축 장치는, 2단 압축식의 압축기(2)와, 압축기(2)에 의한 1단째의 압축 후의 수소 가스와 2단째의 압축 후의 수소 가스를 각각 냉각하는 가스 쿨러(4)를 구비한다. 또한, 압축 장치는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지의 크랭크 케이스(6), 크랭크 축(8), 도시 생략의 구동부, 크로스 가이드(10), 크로스 헤드(12) 및 연결 로드(14)를 구비한다. 이하, 제2 실시 형태에 의한 압축 장치의 구성에 대해, 도 6∼도 11을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 6에 도시하는 바와 같이, 압축기(2)는, 수소 가스의 1단째의 압축을 행하는 제1 압축부(61)와, 수소 가스의 2단째의 압축을 행하는 제2 압축부(62)를 갖는다.

제1 압축부(61)는, 제1 실린더부(63)와, 제1 피스톤(64)을 갖는다. 제2 압축부(62)는, 제1 실린더부(63)와 일체적으로 형성된 제2 실린더부(66)와, 제1 피스톤(64)과 일체적으로 형성된 제2 피스톤(67)을 갖는다.

제1 실린더부(63)는, 크로스 가이드(10)와 결합된다. 제1 실린더부(63)에는, 제1 피스톤(64)을 왕복동 가능하게 수용하는 제1 실린더실(63a)이 형성되어 있다. 제2 실린더부(66)에는, 제2 피스톤(67)을 왕복동 가능하게 수용하는 제2 실린더실(66a)이 형성되어 있다. 제1 실린더실(63a) 및 제2 실린더실(66a)은, 모두 단면 원형의 공간이다. 제2 실린더실(66a)은, 제1 실린더실(63a)보다도 소직경이다. 제1 피스톤(64)의 크로스 가이드(10)측의 단부에는, 크로스 헤드(12)와 연결되는 피스톤 로드(24)가 장착되어 있다. 제2 피스톤(67)은, 제1 피스톤(64)으로부터 피스톤 로드(24)와 반대측으로 연장되어 있다. 제1 피스톤(64) 및 제2 피스톤(67)은, 모두 원기둥 형상으로 형성되어 있다. 제2 피스톤(67)은, 제1 피스톤(64)보다도 소직경이다.

제1 실린더실(63a)과 제1 피스톤(64) 사이에는, 수소 가스가 압축되는 제1 압축실(63b)이 형성된다. 제2 실린더실(66a)과 제2 피스톤(67) 사이에는, 제1 압축실(63b)에서 압축된 수소 가스가 더욱 압축되는 제2 압축실(66b)이 형성된다.

도 7은, 압축 장치를 도 6 중의 화살표 VII-VII의 위치에서 절단한 단면도이다. 제1 실린더부(63)는, 제1 흡입 밸브 수용실(69a)과, 제1 흡입측 연통로(70a)와, 제1 흡입로(71)와, 제1 토출 밸브 수용실(69b)과, 제1 토출측 연통로(70b)와, 제1 토출로(72)를 구비한다. 제1 흡입 밸브 수용실(69a) 및 제1 토출 밸브 수용실(69b)은, 제1 압축실(63b)의 양측에 위치한다. 제1 흡입 밸브 수용실(69a) 및 제1 토출 밸브 수용실(69b)은, 각각, 수평면 내에 있어서 제1 및 제2 피스톤(64, 67)의 이동 방향에 수직한 방향으로 연장된다. 이하, 제1 및 제2 피스톤(64, 67)의 이동 방향을 단순히 「이동 방향」이라 한다.

제1 흡입 밸브 수용실(69a)에는, 제1 흡입 밸브(74a)가 수용되어 있다. 제1 흡입 밸브(74a)는, 제1 흡입 밸브 고정 플랜지(75a)에 의해 고정되어 있다. 제1 흡입측 연통로(70a)는, 제1 압축실(63b)과 제1 흡입 밸브 수용실(69a)을 연통시킨다. 제1 토출 밸브 수용실(69b)에는, 제1 토출 밸브(74b)가 수용되어 있다. 제1 토출 밸브(74b)는, 제1 토출 밸브 고정 플랜지(75b)에 의해 고정되어 있다. 제1 토출측 연통로(70b)는, 제1 압축실(63b)과 제1 토출 밸브 수용실(69b)을 연통시킨다.

제1 흡입로(71)는, 제1 흡입 밸브 수용실(69a)의 상측에 배치되어 있다. 제1 흡입로(71)는, 제1 실린더부(63)의 상면으로부터 하방으로 연장되어 제1 흡입 밸브 수용실(69a)에 연결되어 있다. 제1 흡입로(71)의 상단부에는, 도시 생략의 공급원으로부터의 수소 가스를 공급하는 공급 배관(76)이 접속되어 있다. 제1 토출로(72)는, 제1 토출 밸브 수용실(69b)로부터 제1 실린더부(63)의 하면으로 연장된다. 제1 토출로(72)는, 제1 실린더부(63)의 하면에 있어서 개구되는 제1 토출로 개구(72a)를 갖는다. 제1 실린더부(63)의 하면에는, 제1 토출로 개구(72a)의 주위를 둘러싸는 원형의 홈이 형성되어 있다. 제1 토출로 개구(72a)의 주위의 원형의 홈에는, 시일(72b)이 끼워져 있다.

도 8은, 압축 장치를 도 6 중의 화살표 VIII-VIII의 위치에서 절단한 단면도이다. 제2 실린더부(66)는, 제2 흡입 밸브 수용실(78a)과, 제2 흡입측 연통로(79a)와, 제2 흡입로(80)와, 제2 토출 밸브 수용실(78b)과, 제2 토출측 연통로(79b)와, 제2 토출로(81)를 구비한다. 제2 흡입 밸브 수용실(78a) 및 제2 토출 밸브 수용실(78b)은, 제2 압축실(66b)의 양측에 위치한다. 제2 흡입 밸브 수용실(78a) 및 제2 토출 밸브 수용실(78b)은, 각각, 수평면 내에 있어서 상기 이동 방향에 수직한 방향으로 연장된다. 제2 흡입 밸브 수용실(78a)에는, 제2 흡입 밸브(83a)가 수용되어 있다. 제2 흡입 밸브(83a)는, 제2 흡입 밸브 고정 플랜지(84a)에 의해 고정되어 있다. 제2 흡입측 연통로(79a)는, 제2 압축실(66b)과 제2 흡입 밸브 수용실(78a)을 연통시킨다. 제2 토출 밸브 수용실(78b)에는, 제2 토출 밸브(83b)가 수용되어 있다. 제2 토출 밸브(83b)는, 제2 토출 밸브 고정 플랜지(84b)에 의해 고정되어 있다. 제2 토출측 연통로(79b)는, 제2 압축실(66b)과 제2 토출 밸브 수용실(78b)을 연통시키는 통로이다.

제2 흡입로(80)는, 제2 밸브 수용실(78)의 하측에 배치되어 있다. 제2 흡입로(80)는, 제2 실린더부(66)의 하면으로부터 상방으로 연장되어 제2 밸브 수용실(78)에 연결되어 있다. 제2 흡입로(80)는, 제2 실린더부(66)의 하면에 있어서 개구되는 제2 흡입로 개구(80a)를 갖는다. 제2 실린더부(66)의 하면과 제1 실린더부(63)의 하면은, 동일 높이의 평면 형상으로 형성되어 있다. 제2 실린더부(66)의 하면에는, 제2 흡입로 개구(80a)의 주위를 둘러싸는 원형의 홈이 형성되어 있다. 제2 흡입로 개구(80a)의 주위의 원형의 홈에는, 시일(80b)이 끼워져 있다. 제2 토출로(81)는, 제2 토출 밸브 수용실(78b)의 상측에 배치되어 있다. 제2 토출로(81)는, 제2 실린더부(66)의 상면으로부터 하방으로 연장된다. 제2 토출로(81)의 상단부에는, 연통 배관(85)이 접속되어 있다.

도 6 내지 도 8에 도시하는 바와 같이, 가스 쿨러(4)의 본체부(38)는, 1단째의 압축 후의 수소 가스를 냉각하는 제1 냉각부(86)와, 2단째의 압축 후의 수소 가스를 냉각하는 제2 냉각부(87)를 갖는다. 제1 냉각부(86)는, 본체부(38) 중 플레이트의 적층 방향에 있어서 일측(상측)에 배치되고, 제2 냉각부(87)는, 본체부(38) 중 플레이트의 적층 방향에 있어서 타측(하측)에 배치되어 있다.

도 9는, 단부 플레이트(50a)를 도시하는 도면이다. 도 10은, 수소 가스용 플레이트(46)를 도시하는 도면이다. 도 11은, 냉각수용 플레이트(48)를 도시하는 도면이다. 본체부(38)는, 한 쌍의 단부 플레이트(50a)와, 복수의 수소 가스용 플레이트(46)와, 복수의 냉각수용 플레이트(48)와, 도 7 및 도 8에 도시하는 구획 플레이트(88)를 구비한다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 단부 플레이트(50a)는, 유입로용 관통 구멍(50b)과, 배출로용 관통 구멍(50d)을 구비한다. 도 10에 도시하는 바와 같이, 수소 가스용 플레이트(46)는, 복수의 수소 가스 유로용 홈부(46a)와, 분배부용 홈부(46b)와, 회수부용 홈부(46c)와, 분배부용 홈부(46b)에 연결되는 유입로용 관통 구멍(46d)과, 회수부용 홈부(46c)에 연결되는 배출로용 관통 구멍(46e)을 구비한다. 도 11에 도시하는 바와 같이, 냉각수용 플레이트(48)는, 복수의 냉각수 유로용 홈부(48a)와, 유입로용 관통 구멍(48b)과, 배출로용 관통 구멍(48c)을 구비한다.

가스 쿨러(4)에서는, 상측에 배치된 단부 플레이트(50a)와 구획 플레이트(88) 사이에 냉각수용 플레이트(48)와 수소 가스용 플레이트(46)가 교대로 반복 적층됨으로써, 도 6 내지 도 8에 도시하는 제1 냉각부(86)가 형성된다. 유입로용 관통 구멍(46d, 48b, 50b)이 연통됨으로써, 제1 가스 유입로(52a)가 형성된다. 배출로용 관통 구멍(46e, 48c, 50d)이 연통됨으로써 제1 가스 배출로(53a)가 형성된다.

또한, 하측에 배치된 단부 플레이트(50a)와 구획 플레이트(88) 사이에, 냉각수용 플레이트(48)와 수소 가스용 플레이트(46)가 교대로 반복 적층됨으로써, 제2 냉각부(87)가 형성된다. 단, 제2 냉각부(87)에서는, 수소 가스용 플레이트(46)에 있어서의 분배부용 홈부(46b)와 회수부용 홈부(46c)의 위치 관계 및 유입로용 관통 구멍(46d)과 배출로용 관통 구멍(46e)의 위치 관계가 각각 제1 냉각부(86)의 수소 가스용 플레이트(46)의 경우와 반대이다. 또한, 제2 냉각부(87)에서는, 냉각수용 플레이트(48)에 있어서의 유입로용 관통 구멍(48b)과 배출로용 관통 구멍(48c)의 위치 관계가 제1 냉각부(86)의 경우와 반대이다. 또한, 단부 플레이트(50a)에 있어서의 유입로용 관통 구멍(50b)과 배출로용 관통 구멍(50d)의 위치 관계가 제1 냉각부(86)의 경우와 반대이다.

유입로용 관통 구멍(46d, 48b, 50b)이 연통됨으로써, 도 6에 도시하는 제2 가스 유입로(52b)가 형성된다. 배출로용 관통 구멍(46e, 48c, 50d)이 연통됨으로써, 제2 가스 배출로(53b)가 형성된다.

본체부(38)의 상면은, 제1 및 제2 실린더부(63, 66)의 외측면에 상하 방향에 있어서 접촉된다. 제1 압축실(63b)의 하측에 형성된 제1 토출로 개구(72a)와 가스 쿨러(4)의 제1 가스 유입로(52a)의 개구(52c)는, 상하 방향으로 겹친다. 제2 압축실(66b)의 하측에 형성된 제2 흡입로 개구(80a)와 가스 쿨러(4)의 제1 가스 배출로(53a)의 개구(53c)는, 상하 방향으로 겹친다. 또한, 제1 토출로 개구(72a)의 주위에는, 수소 가스의 누설을 방지하는 시일(72b)이 설치된다. 제2 흡입로 개구(80a)의 주위에는, 수소 가스의 누설을 방지하는 시일(80b)이 설치된다.

압축 장치의 구동시에는, 수소 가스가 제1 흡입 밸브(74a)(도 7 참조)를 통해 제1 압축실(63b)로 흡입되고, 제1 피스톤(64)에 의해 수소 가스가 압축된다. 제1 압축실(63b)에서 압축된 수소 가스는, 제1 토출 밸브(74b)(도 7 참조) 및 제1 토출로(72)로부터 가스 쿨러(4)의 제1 가스 유입로(52a)를 통해 제1 냉각부(86)에 유입된다.

수소 가스는, 수소 가스 유로용 홈부(46a)(도 10 참조)에 의해 형성된 미소 유로(54)로 흐르고, 냉각수 유로용 홈부(48a)(도 11 참조)에 의해 형성된 냉각수 유로(57)를 흐르는 냉각수와의 열교환에 의해 냉각된다.

냉각된 수소 가스는, 제1 가스 배출로(53a)를 통해 제1 냉각부(86)로부터 제2 압축실(66b)로 배출된다. 제2 압축실(66b)에서는, 제2 피스톤(67)에 의해 수소 가스가 더욱 압축된다. 제2 압축실(66b)에서 압축된 수소 가스는, 제2 토출로(81)를 통해 연통 배관(85)으로 토출된다. 연통 배관(85)으로 토출된 수소 가스는, 제2 냉각부(87)의 제2 가스 유입로(52b)에 유입된다. 제2 가스 유입로(52b)에 유입된 수소 가스는, 제2 냉각부(87)에서 냉각된 후, 제2 가스 배출로(53b)로 흐르고, 배출 배관(89)으로 배출된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 가스 쿨러(4)에서는, 제1 가스 유입로(52a)를 형성하는 부위가 압축기(2)의 제1 압축실(63b)과 제1 냉각부(86)를 연락하는 연락부로서의 역할을 함과 함께, 제1 가스 배출로(53a)를 형성하는 부위가 압축기(2)의 제2 압축실(66b)과 제1 냉각부(86)를 연락하는 연락부로서의 역할을 한다.

제2 실시 형태에 있어서도, 가스 쿨러(4)가 압축기(2)에 직접적으로 고정됨으로써, 압축 장치를 소형화할 수 있다. 또한, 부품 개수를 삭감하여 압축 장치의 제조 비용을 삭감시킬 수 있다. 수소 가스의 누설을 확인할 필요가 있는 배관의 조인트 개소도 삭감시킬 수 있다. 제2 실시 형태에서는, 제1 및 제2 압축실(63b, 66b)로부터 토출된 수소 가스의 냉각이 1개의 가스 쿨러(4)에 의해 행해지기 때문에, 압축 장치를 보다 소형화할 수 있다.

(제3 실시 형태)

다음으로, 도 12∼도 15를 참조하여, 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 압축 장치에 대해 설명한다.

도 12에 도시하는 바와 같이, 압축기(2)는, 제1 압축실(63b) 및 제2 압축실(66b)을 구비한다. 가스 쿨러(4)는, 압축기(2)의 상측에 배치된다. 가스 쿨러(4)는, 제1 압축실(63b)에서 압축된 수소 가스를 냉각하는 제1 냉각부(86)와, 제2 압축실(66b)에서 압축된 수소 가스를 냉각하는 제2 냉각부(87)를 구비한다. 제1 냉각부(86) 및 제2 냉각부(87)는, 상하 방향으로 늘어서도록 배열된다.

도 13은, 도 12의 화살표 XIII의 위치에서 압축기(2)를 절단한 단면도이다. 도 13은, 가스 쿨러(4)의 외관도 도시하고 있다. 제1 압축실(63b)과 가스 쿨러(4) 사이에, 제1 밸브 수용실(69)이 형성된다. 제1 밸브 수용실(69)은, 수평면 내에 있어서 상기 이동 방향에 수직한 방향으로 연장된다. 제1 밸브 수용실(69)에는, 제1 흡입 밸브(74a)와 제1 토출 밸브(74b)가 원통 형상의 제1 스페이서(91)를 사이에 끼운 상태로 수용되어 있다. 제1 흡입 밸브(74a), 제1 토출 밸브(74b) 및 제1 스페이서(91)는, 제1 밸브 고정 플랜지(75a, 75b)에 의해 고정되어 있다. 제1 흡입 밸브(74a)와 가스 쿨러(4) 사이에 제1 흡입로(71)가 형성된다. 제1 토출 밸브(74b)와 가스 쿨러(4) 사이에 제1 토출로(72)가 형성된다. 또한, 제1 스페이서(91)의 상측에 형성된 잔여 구멍(92a)은, 플러그(92b)에 의해 폐색되어 있다.

도 14는, 도 12의 화살표 XIV의 위치에서 압축기(2)를 절단한 단면도이다. 도 14는, 가스 쿨러(4)의 외관도 도시하고 있다. 제2 압축실(66b)과 가스 쿨러(4) 사이에, 제2 밸브 수용실(78)이 형성된다. 제2 밸브 수용실(78)은, 제1 밸브 수용실(69)과 마찬가지의 구조를 갖고, 수평면 내에 있어서 상기 이동 방향에 수직한 방향으로 연장된다. 제2 밸브 수용실(78)에는, 제2 흡입 밸브(83a)와 제2 토출 밸브(83b)가 원통 형상의 제2 스페이서(93)를 사이에 끼운 상태로 수용되어 있다. 제2 흡입 밸브(83a), 제2 토출 밸브(83b) 및 제2 스페이서(93)는, 제2 밸브 고정 플랜지(84a, 84b)에 의해 고정되어 있다. 제2 흡입 밸브(83a)와 가스 쿨러(4) 사이에 제2 흡입로(80)가 형성된다. 제2 토출 밸브(83b)와 가스 쿨러(4) 사이에 제2 토출로(81)가 형성된다. 또한, 제2 밸브 수용실(78)에 형성된 잔여 구멍(92c)은, 플러그(92d)에 의해 폐색되어 있다.

도 15는, 가스 쿨러(4)의 내부의 구조를 도시하는 도면이다. 가스 쿨러(4)는, 제1 냉각부(86)와, 제2 냉각부(87)와, 도입구(94)와, 배출구(97)와, 가스 도입로(95a)와, 제1 가스 유입로(52a)와, 제1 가스 배출로(53a)와, 제2 가스 유입로(52b)와, 가스 도출로(96)를 구비한다. 또한, 도 15에서는, 간략화를 위해 전체 유로 중 일부의 유로에 대해 도시하고 있다. 그러나, 실제로는, 상기 제2 실시 형태와 마찬가지로, 제1 냉각부(86)와 제2 냉각부(87)에 있어서 복수의 미소 유로(54)가 배열된 층과 복수의 냉각수 유로(57)가 배열된 층이 도 15의 상하 방향, 즉, 플레이트의 적층 방향에 있어서 교대로 나란히 배치되어 있다.

가스 쿨러(4)의 본체부(38)의 하나의 측면에, 수소 가스의 도입구(94) 및 배출구(97)가 형성된다. 가스 도입로(95a)는, 도입구(94)로부터 본체부(38)의 하방으로 연장되어, 본체부(38)의 하면에 개구된다. 이하, 가스 도입로(95a)의 개구를 「도입로 개구(95c)」라 한다. 제1 가스 유입로(52a)는, 본체부(38)의 하면으로부터 제1 냉각부(86)로 연장된다. 이하, 본체부(38)의 하면에 있어서의 제1 가스 유입로(52a)의 개구를 「제1 유입로 개구(52c)」라 한다. 제1 가스 배출로(53a)는, 제1 냉각부(86)의 회수부(56)로부터 하방으로 연장되고, 본체부(38)의 하면에 개구된다. 이하, 제1 가스 배출로(53a)의 개구를 「제1 배출로 개구(53c)」라 한다.

제2 가스 유입로(52b)는, 본체부(38)의 하면으로부터 제2 냉각부(87)로 연장된다. 이하, 본체부(38)의 하면에 있어서의 제2 가스 유입로(52b)의 개구를 「제2 유입로 개구(52d)」라 한다. 가스 도출로(96)는, 제2 냉각부(87)의 회수부(56)로부터 배출구(97)로 연장된다.

도 13에 도시하는 바와 같이, 가스 쿨러(4)와 압축기(2)가 상하 방향에 있어서 접촉한 상태에 있어서, 도입로 개구(95c)는, 압축기(2)의 제1 흡입로(71)의 개구(71a)와 상하 방향으로 겹친다. 제1 유입로 개구(52c)는, 제1 토출로(72)의 개구(72a)와 상하 방향으로 겹친다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 제1 배출로 개구(53c)는, 제2 흡입로(80)의 개구(80a)와 상하 방향으로 겹친다. 제2 유입로 개구(52d)는, 제2 토출로(81)의 개구(81a)와 상하 방향으로 겹친다. 또한, 도입로 개구(95c), 제1 유입로 개구(52c), 제1 배출로 개구(53c) 및 제2 유입로 개구(52d)의 주위에는, 시일(100)이 각각 설치된다.

압축 장치의 구동시에는, 도 15에 도시하는 가스 쿨러(4)의 도입구(94)로부터 도입된 수소 가스가, 가스 도입로(95a)를 통해 도 13에 도시하는 제1 압축실(63b)로 흐른다. 수소 가스는, 제1 압축실(63b)에서 압축된다. 제1 압축실(63b)로부터 토출된 수소 가스는, 제1 가스 유입로(52a)를 통해 제1 냉각부(86)로 유입되고, 제1 냉각부(86)에서 냉각된다. 냉각된 수소 가스는, 제1 가스 배출로(53a)를 통해 제1 냉각부(86)로부터 도 14에 도시하는 제2 압축실(66b)로 배출된다. 수소 가스는, 제2 압축실(66b)에서 더욱 압축된 후, 제2 가스 유입로(52b)를 통해 제2 압축실(66b)로부터 제2 냉각부(87)로 유입된다. 제2 냉각부(87)에서 냉각된 수소 가스는, 가스 도출로(96)를 통해, 배출구(97)로부터 배출된다.

이와 같이, 가스 쿨러(4)에서는, 제1 가스 유입로(52a)를 형성하는 부위, 제1 가스 배출로(53a)를 형성하는 부위 및 제2 가스 유입로(52b)를 형성하는 부위가, 압축기(2)의 압축실(63b, 66b)과 냉각부(86, 87)를 연락하는 연락부로서의 역할을 한다.

제3 실시 형태에 있어서도, 다른 실시 형태와 마찬가지로 압축 장치를 소형화할 수 있다. 압축 장치의 제조 비용도 저감시킬 수 있다. 압축 장치에서는, 제1 냉각부(86)가 제2 냉각부(87)의 하측에 배치되어도 된다. 또한, 제1 냉각부(86)가 제1 압축실(63b)의 상측에 설치되어도 되고, 제2 냉각부(87)가 제2 압축실(66b)의 상측에 설치되어도 된다. 압축 장치는, 상술한 압축기(2) 및 가스 쿨러(4)의 구조를 상하로 반전시킨 구조를 가져도 된다.

또한, 금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시 형태의 설명이 아니라 청구범위에 의해 개시되고, 또한, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함한다.

예를 들어, 열교환기로서, 마이크로 채널 열교환기 이외의 열교환기가 사용되어도 된다. 예를 들어, 열교환기로서, 플레이트 핀식 열교환기 등의 다양한 플레이트식 열교환기가 사용되어도 된다. 플레이트 핀 열교환기는, 홈 형상의 가공의 방법 및 적층된 층끼리의 접합의 방법은 마이크로 채널 열교환기와 다르지만, 기능상은 마이크로 채널 열교환기와 마찬가지의 구조를 갖는다. 또한, 열교환기로서 튜브식 열교환기가 사용되어도 된다.

제2 실시 형태에서는, 도 7에 도시하는 제1 흡입 밸브(74a) 및 제1 토출 밸브(74b) 대신에 합성 벨브가 사용되어도 된다. 합성 벨브는, 흡입 밸브와 토출 밸브의 양쪽의 기능을 갖는 밸브이다. 이 경우, 제1 흡입로(71)와 제1 토출로(72)가 하나로 연결된 유로로 되고, 당해 유로와 제1 압축실(63b)을 연결하는 부위에 합성 벨브가 배치된다. 마찬가지로, 도 8에 도시하는 제2 흡입로(80)와 제1 토출로(81)가 하나로 연결된 유로로 되고, 당해 유로와 제2 압축실(66b)을 연결하는 부위에 합성 벨브가 배치되어도 된다.

상기 제2 실시 형태 및 제3 실시 형태에서는, 압축기의 실린더부의 단부면과 가스 쿨러의 열교환기 본체의 단부면을 밀착시킴으로써 압축기의 유로와 열교환기 본체의 유로를 직접 접속하는 구성으로 하였다. 이 구성을, 1단 압축식의 압축기를 사용한 압축 장치에 적용해도 된다. 또한, 당해 구성을, 피스톤의 이동 방향이 상하 방향으로 되도록 크로스 가이드와 실린더부가 상하 방향에 있어서 결합되고, 가스 쿨러가 실린더부의 측면에 장착되는 압축 장치에 적용해도 된다.

수소 가스 유로는, 수소 가스용 플레이트의 판면 상에서 사행(蛇行)한 형상으로 형성되어 있어도 되고, 냉각수 유로는, 냉각수용 플레이트의 판면 상에서 사행한 형상으로 형성되어 있어도 된다. 이 구성에 따르면, 수소 가스 유로 및 냉각수 유로의 표면적을 증대시킬 수 있어, 보다 유효하게 수소 가스를 냉각할 수 있다. 상기 실시 형태의 압축 장치는, 수소 가스 이외에 헬륨 가스나 천연 가스 등 공기보다도 가벼운 가스의 압축에 이용되어도 되고, 이산화탄소 등의 가스의 압축에 이용되어도 된다. 가스 쿨러를 압축기에 직접 접속하는 방법은, 3단 이상의 압축부를 갖는 압축 장치에 적용되어도 된다.

[실시 형태의 개요]

상기 실시 형태를 정리하면, 이하와 같다.

상기 실시 형태에 관한 압축 장치는, 가스를 압축하는 왕복동형의 압축기와, 상기 압축기에 의해 압축된 가스를 냉각하는 열교환기를 구비하고, 상기 열교환기는, 가스를 냉각하는 냉각부와, 상기 압축기의 외측면에 접촉하고, 상기 압축기의 압축실로부터 토출된 가스를 상기 냉각부로 유입시키는 가스 유입로를 갖는 연락부를 구비한다.

이 압축 장치에서는, 압축기와 열교환기가 배관을 개재하는 일 없이 접속되어 있기 때문에, 제조 비용을 저감시킬 수 있다. 배관의 설치 스페이스가 불필요해져, 압축 장치의 소형화를 도모할 수 있다. 또한, 압축기와 열교환기 사이에서의 가스의 누설의 우려를 저감시킬 수 있다.

상기 압축 장치에 있어서, 상기 압축기는, 상기 압축실에서 압축된 가스가 더욱 압축되는 다른 압축실을 구비해도 된다. 상기 연락부는, 상기 냉각부로부터 상기 다른 압축실로 가스를 배출하는 가스 배출로를 더 가져도 된다.

이 경우에 있어서, 상기 열교환기는, 상기 다른 압축실로부터 토출된 가스를 냉각하는 다른 냉각부를 더 구비해도 된다. 상기 연락부는, 상기 다른 압축실로부터 상기 다른 냉각부로 가스를 유입시키는 다른 가스 유입로를 더 가져도 된다.

또한 이 경우에 있어서, 상기 압축기는, 상기 압축실과 상기 열교환기 사이에 배치된 제1 밸브 수용실과, 상기 다른 압축실과 상기 열교환기 사이에 배치된 제2 밸브 수용실을 구비해도 된다. 상기 제1 밸브 수용실은, 가스를 상기 압축실로 유도하는 제1 흡입 밸브 및 상기 압축실로부터 상기 가스 유입로를 통해 상기 냉각부로 가스를 토출시키는 제1 토출 밸브를 수용해도 된다. 상기 제2 밸브 수용실은, 상기 냉각부로부터 배출된 가스를 상기 가스 배출로를 통해 상기 다른 압축실로 유도하는 제2 흡입 밸브 및 상기 다른 압축실로부터 상기 다른 가스 유입로를 통해 상기 다른 냉각부로 가스를 토출시키는 제2 토출 밸브를 수용해도 된다.

상기 압축 장치에 있어서, 상기 열교환기는, 상기 압축기로부터 유입된 가스를 유통시키는 복수의 미소 유로가 배열된 층과, 상기 가스를 냉각하는 냉각 유체를 유통시키는 복수의 냉각 유체 유로가 배열된 층이 교대로 적층된 적층체여도 된다.

이 구성에 따르면, 가스의 양호한 냉각 효율을 얻을 수 있다. 열교환기를 압축기에 용이하게 장착할 수 있다.

상기 압축 장치에 있어서, 상기 연락부는, 상기 압축기 내의 가스의 유로에 삽입되는 삽입 끼움부를 구비해도 된다.

이 구성에 따르면, 압축기와 열교환기를 서로 강고하게 고정할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 상기 실시 형태에 의하면, 압축 장치의 소형화를 도모할 수 있다.

Claims (2)

  1. 가스를 압축하는 왕복동형이고, 외측면의 적어도 일부에 평면 형상을 갖는 압축기와,
    상기 압축기에 의해 압축된 가스를 냉각하는 열교환기를 구비하고,
    상기 열교환기는,
    가스를 냉각하는 냉각부와,
    상기 압축기의 외측면에 접촉하고, 상기 압축기의 압축실로부터 토출된 가스를 상기 냉각부로 유입시키는 가스 유입로를 갖는 연락부를 구비하고,
    상기 냉각부는, 상기 압축기로부터 유입한 가스를 유통시키는 복수의 미소 유로와, 상기 가스를 냉각하는 냉각 유체를 유통시키는 복수의 냉각 유체 유로를 갖고,
    상기 열교환기는, 상기 복수의 미소 유로가 배열된 층과 상기 복수의 냉각 유체 유로가 배열된 층이 교대로 적층되는 적층체로서, 그의 적층 방향의 일단부에 단부 플레이트가 적층된, 적층체를 갖고,
    상기 적층 방향에 있어서의 상기 단부 플레이트의 외측의 판면이 상기 압축기의 상기 외측면의 평면 형상의 부분에 접촉한 상태로 하는 것에 의해 상기 열교환기가 상기 압축기에 직접적으로 고정되고,
    상기 압축기는, 상기 압축실에서 압축된 가스가 더욱 압축되는 다른 압축실을 구비하고,
    상기 연락부는, 상기 냉각부로부터 상기 다른 압축실로 가스를 배출하는 가스 배출로를 더 갖으며,
    상기 열교환기는, 상기 다른 압축실로부터 토출된 가스를 냉각하는 다른 냉각부를 더 구비하고,
    상기 연락부는, 상기 다른 압축실로부터 상기 다른 냉각부로 가스를 유입시키는 다른 가스 유입로를 더 갖는, 압축 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압축기는,
    상기 압축실과 상기 열교환기 사이에 배치된 제1 밸브 수용실과,
    상기 다른 압축실과 상기 열교환기 사이에 배치된 제2 밸브 수용실을 구비하고,
    상기 제1 밸브 수용실은, 가스를 상기 압축실로 유도하는 제1 흡입 밸브 및 상기 압축실로부터 상기 가스 유입로를 통해 상기 냉각부로 가스를 토출시키는 제1 토출 밸브를 수용하고,
    상기 제2 밸브 수용실은, 상기 냉각부로부터 배출된 가스를 상기 가스 배출로를 통해 상기 다른 압축실로 유도하는 제2 흡입 밸브 및 상기 다른 압축실로부터 상기 다른 가스 유입로를 통해 상기 다른 냉각부로 가스를 토출시키는 제2 토출 밸브를 수용하는, 압축 장치.
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