JP2013170580A

JP2013170580A - 極低温の媒体を圧縮するための方法

Info

Publication number: JP2013170580A
Application number: JP2013030918A
Authority: JP
Inventors: Reese Wilfried-Henning; ヘニングレーゼヴィルフリート; Harald Kraus; クラウスハラルト
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2013-09-02
Also published as: US20130213059A1; DE102012003446A1; FR2987106A1; CN103256205A

Abstract

【課題】コスト、構成スペース、複雑性およびエネルギ効率に関して著しく改善された、極低温の媒体、特に水素を圧縮するための方法を提供する。
【解決手段】極低温の媒体を２つの圧縮機段Ｖ１，Ｖ２内で出発圧から中間圧を経て最終圧に圧縮し、第１の圧縮機段Ｖ１が、極低温圧縮機段として形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、極低温の媒体を圧縮するための方法に関する。

極低温の媒体、たとえば水素、酸素、窒素またはアルゴンを圧縮するための冒頭で述べた方法は、公知先行技術に基づき公知である。

「極低温の媒体」という概念は、通常、比較的低い温度を有する液化された極低温のガスを意味している。たとえば極低温の水素は、一般的に−２５３℃〜−２４５℃の温度にある。

極低温の媒体を圧縮するための冒頭で述べた方法は、たとえば貯蔵容器への充填および移送に際して使用される。たとえば、車両に組み込まれた水素貯蔵容器への充填時には、多種の充填法が実現される。

圧力補償法：定置の貯蔵容器またはパイプラインであってよい供給システムから、コンプレッサまたはクライオポンプによって、それぞれ異なる圧力レベルで複数のガスバッファ貯蔵器が充填される。これらのガスバッファ貯蔵器から、車両への燃料補給の際に圧力補償によって、圧縮された水素が、燃料補給最終圧が達成されるまで車両貯蔵容器内に充填される。

ブースタ法：供給システムから、大きな処理量の圧縮機を介して水素が圧縮され、車両貯蔵容器内に直接充填される。

圧力補償法とブースタ法との組合せ：まず、圧力補償を介して、ガスバッファ貯蔵器から充填すべき車両貯蔵容器への一部充填が行われ、その後、ブースタ法によって、最終圧への充填が行われる。

さらに、水素が極低温圧縮によって７００ｂａｒ（温度補償されて最大８７５ｂａｒ）に圧縮される燃料補給法が存在している。この燃料補給法では、第１の燃料補給ステップにおいて、極低温圧縮時に生じたボイルオフガスが車両貯蔵容器に供給される。液状の水素から超臨界のガス状の水素への極低温圧縮は、−２５３℃〜−２４５℃の流入温度で行われる。極低温圧縮時に生じたボイルオフガスの圧縮には、いわゆる「常温ガス圧縮機」が必要となる。この常温ガス圧縮機によって、−２０℃〜４０℃の温度範囲を意味する周辺温度下にあるガスが圧縮される。しかし、このような常温ガス圧縮機は比較的高価である。さらに、必要となる圧縮状況に基づき、少なくとも２〜３段式の圧縮機システムが必要となる。しかし、この圧縮機システムはエネルギ的に不利に作業する。また、水素が常温ガス圧縮機内への供給前に周辺空気気化器によって加温されなければならず、これによって、極低温のガスとしての高い密度の利点を失ってしまう。ボイルオフガスを４００〜５００ｂａｒの所要の圧力レベルに圧縮するために使用することができる極低温圧縮システムは従来存在していない。しかし、ボイルオフガスを現在の燃料補給技術による車両への燃料補給（この場合、燃料補給最終圧は７００〜８００ｂａｒにある）の目的で使用することができるようにするためには、４００〜５００ｂａｒの圧力が必要となる。

本発明の課題は、前述した欠点を回避する、つまり、コスト、構成スペース、複雑性およびエネルギ効率に関して著しく改善された、極低温の媒体、特に水素を圧縮するための方法を提供することである。

この課題を解決するために本発明に係る方法によれば、極低温の媒体を２つの圧縮機段内で出発圧から中間圧を経て最終圧に圧縮し、第１の圧縮機段が、極低温圧縮機段として形成されている。

本発明に係る方法の有利な態様によれば、極低温の媒体を第１の圧縮機段内で３０〜７０ｂａｒの圧力に圧縮する。

本発明に係る方法の有利な態様によれば、両圧縮機段をピストン圧縮機に実現し、該ピストン圧縮機を１つの共通の駆動装置を介して駆動する。

本発明に係る方法の有利な態様によれば、圧縮機段ごとに１つのシングルピストン圧縮機を使用し、両シングルピストン圧縮機を互いに逆方向ストロークで運転する。

本発明に係る方法の有利な態様によれば、極低温の媒体が、水素、酸素、窒素またはアルゴンである。

「極低温圧縮機段」もしくは「極低温圧縮」という概念は、以下において、極低温の液状の媒体を、圧縮された超臨界のガスに変換する、極低温の媒体の流入温度が−７０℃未満である圧縮プロセスを意味している。液状水素または極低温に液化された別のガスの極低温圧縮は、通常、極低温ピストンポンプによって行われる。圧縮すべき極低温の媒体は液体としてピストンに到達し、超臨界のガスとして排出される。

本発明によれば、極低温の媒体が、２つの圧縮機段内で出発圧から中間圧を経て最終圧に圧縮され、第１の圧縮機段が、極低温圧縮機段として形成されている。１〜３ｂａｒの出発圧を有する極低温の媒体は、極低温圧縮機段内で、有利には３０〜７０ｂａｒの圧力に圧縮される。

極低温の媒体を圧縮するための本発明に係る方法は、有利には、組み合わされた複合型の圧縮機で実現される。この複合型の圧縮機の第１の極低温圧縮機段は、極低温の媒体を出発圧から所望の中間圧に圧縮する。この極低温圧縮時には、特に圧縮すべき媒体が高い密度で存在していて、この理由から、圧縮シリンダが比較的小さく設計されてさえいればよいことが利用される。その結果、圧縮のために必要となる作業力が少なくなる。したがって、エネルギ的に有利な圧縮プロセスが結果的に得られる。

第１の圧縮機段内では、媒体がより高い温度にもたらされ、これによって、媒体を第２の圧縮機段内で常温の圧縮プロセスによって最終圧に圧縮することができる。極低温圧縮機段内での予圧縮に基づき、第２の圧縮機段のために必要となる圧縮室も比較的小さく形成することができる。

極低温の媒体を圧縮するための本発明に係る方法の改良態様では、両圧縮機段が、それぞれピストン圧縮機に実現され、両ピストン圧縮機が、１つの共通の駆動装置を介して駆動されることが提案される。この共通の駆動装置として、たとえば、２つの圧縮機段を作動させるための二重伝動装置を備えた１つの電動モータを使用することができる。

さらに、極低温の媒体を圧縮するための本発明に係る方法の有利な態様によれば、圧縮機段ごとに１つのシングルピストン圧縮機が使用され、両シングルピストン圧縮機が、有利には互いに逆方向ストロークで運転される。

両シングルピストン圧縮機もしくは両圧縮機段における圧縮状況の最適な設計の態様では、両シングルピストン圧縮機もしくは両圧縮機段が、１つの共通の駆動装置を介して互いに逆方向ストロークで作動させられてよい。この場合には、まず、一方のピストンが第１の圧縮機段内で極低温の媒体を圧縮する。同時に第２の圧縮機段のピストンは逆ストロークとなり、予圧縮された媒体を第１の圧縮機段から吸入する。（予圧縮された媒体を）第２の圧縮機段が圧縮すると、第１の圧縮機段が逆ストロークとなり、再度、極低温の媒体を吸入する。

本発明に係る方法を実施するためのポンプアッセンブリを示す図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。

図１に示したポンプアッセンブリは、２つのシングルピストン圧縮機を有している。両シングルピストン圧縮機は、それぞれ１つの圧縮室Ｖ１；Ｖ２と、ピストンロッドを介して駆動される１つのピストンＫ１；Ｋ２と、このピストンＫ１；Ｋ２を駆動するために必要となる１つの作業室Ａ１；Ａ２とを有している。両圧縮室Ｖ１，Ｖ２には、それぞれ１つの吸入弁ａ；ｃと流出弁ｂ；ｄとが対応配置されている。

圧縮すべき媒体は、第１の圧縮機段もしくは第１の圧縮室Ｖ１に管路１を介して供給される。この管路１は、圧縮すべき媒体への望ましくない入熱を最小限に抑えた特殊に断熱された、有利には真空断熱された管路である。圧縮すべき媒体は、吸入弁ａの開放時に圧縮室Ｖ１に流入する。流入する媒体は、通常、１〜３ｂａｒの圧力を有している。圧縮室Ｖ１内では、３０〜７０ｂａｒの圧力への極低温圧縮が行われる。次いで、圧縮された媒体は、流出弁ｂの開放時に、両圧縮室Ｖ１，Ｖ２の間に配置された補償容器２内に圧送される。この補償容器２から、圧縮された媒体は、吸入弁ｃの開放時に第２の圧縮機段Ｖ２に流入する。この第２の圧縮機段Ｖ２内では、所望の最終圧への圧縮が行われる。流出弁ｄの開放時には、最終圧に圧縮された媒体が（高圧）管路３を介して導出される。

図１には、ピストンＫ１が圧縮室Ｖ１内で上死点ひいては吸入行程の終了に位置しているのに対して、ピストンＫ２は圧縮室Ｖ２内で下死点に達していて、したがって、圧縮行程が終了している瞬間が示してある。

互いに逆方向に作業する両ピストンＫ１，Ｋ２の駆動は、ハイドロリックポンプＰによって行われる。このハイドロリックポンプＰは管路４，５，６，７を介して、作業室Ａ１，Ａ２内に存在するハイドロリック液を圧送し、その結果、ピストンＫ１，Ｋ２の昇降運動が発生させられるようになっている。前述したハイドロリックポンプＰの代わりに、たとえば互いに逆方向に作業する二重伝動装置を備えた１つの電動モータが使用されてもよい。

極低温の媒体を圧縮するための本発明に係る方法は、公知先行技術に属する圧縮法に比べて以下の多数の利点を有している。
・本発明に係る方法は、エネルギ的にかつ設備技術的に有利な圧縮を有している。なぜならば、比較的小さな圧縮室ひいては低い駆動出力しか必要とならないからである。
・冒頭で説明した常温ガス圧縮と異なり、極低温の媒体を予め加温することが不要となる。さらに、両圧縮機段の間の中間冷却器が不要となる。
・高い最終圧を著しい処理量で実現することができる。
・２つの異なる圧縮システム（「極低温」および「常温」）にもかかわらず、最適な設計でただ１つの共通の駆動システムしか必要とならない。
・構成スペース、複雑性およびエネルギ効率に関して、極低温の媒体を圧縮するための本発明に係る方法は、公知先行技術に属する圧縮法に比べて著しく改善されている。

１管路
２補償容器
３管路
４管路
５管路
６管路
７管路
Ａ１，Ａ２作業室
Ｋ１，Ｋ２ピストン
Ｐハイドロリックポンプ
Ｖ１，Ｖ２圧縮室
ａ，ｃ吸入弁
ｂ，ｄ流出弁

Claims

極低温の媒体を圧縮するための方法において、極低温の媒体を２つの圧縮機段内で出発圧から中間圧を経て最終圧に圧縮し、第１の圧縮機段が、極低温圧縮機段として形成されていることを特徴とする、極低温の媒体を圧縮するための方法。
極低温の媒体を第１の圧縮機段内で３０〜７０ｂａｒの圧力に圧縮する、請求項１記載の方法。
両圧縮機段をピストン圧縮機に実現し、該ピストン圧縮機を１つの共通の駆動装置を介して駆動する、請求項１または２記載の方法。
圧縮機段ごとに１つのシングルピストン圧縮機を使用し、両シングルピストン圧縮機を互いに逆方向ストロークで運転する、請求項３記載の方法。
極低温の媒体が、水素、酸素、窒素またはアルゴンである、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。