JP2019507271A - 流体を圧縮する装置および方法 - Google Patents

Abstract

第１の流体（１４）を圧縮する装置は、シリンダ管（６）と、その中に摺動可能に取り付けられるピストン組立体（７）とを備える。ピストン組立体（７）は、間に空間を画定する、第１の部材（１０）と第２のピストン部材（８）とを備える。空間は、第１の流体（１４）を圧縮させるために使用される第２の流体（１６）を収容するように構成される。装置（７）は、ポンプ（４８）と、第２の流体用送り導管（５０、３８）とをさらに備えて、第１のピストン部材と第２のピストン部材の間の空間に第２の流体を送り、第２のピストン部材（８）は、第２の流体用送り導管（５０、３８）を通ってピストン部材間の空間に至る第２の流体の流れを制御するように構成される弁（２４）を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、流体を圧縮する装置に関する。とりわけ、本発明は圧縮機に関し、排他的ではないが、詳細には往復動圧縮機（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）に関し、特に液圧駆動圧縮機に関する。本発明は、単段圧縮機であれ多段圧縮機であれ、ピストン圧縮機、またはイオニック圧縮機に関する。本発明は、主に、このような圧縮機の中の封止部に関し、とりわけステムシールまたはピストンシールの両方として実施され得る軸方向封止部に関する。本発明はさらに、流体、特にガスを圧縮する方法に及ぶ。

漏出リリーフ（ｌｅａｋａｇｅ ｒｅｌｉｅｆ）が装着される圧縮機のガス封止部は、圧縮プロセス中、（実際のガス圧力と同等の）最大限のガス圧力を受け、これにより、連続使用中、不可避的に摩耗がもたらされることになる。さらに、圧縮機の中の封止部に加わる背圧が上がるのに伴い、プレストレスが上昇する結果として、封止部の摩耗も増す。このような応力を受けるガス封止部の耐用期間は、寸法が適切であるとすると、２５００〜３０００ｋｍの範囲であることが、経験から示されている。

したがって、封止部の耐用期間を向上させる、改良型の圧縮機の設計を提供することが求められている。本発明は、従来技術に関連する問題を克服することを試みる、発明者の取組みから生まれる。

本発明の第１の態様によれば、第１の流体を圧縮する装置が提供され、装置は、ピストンシリンダと、その中に摺動可能に取り付けられるピストン組立体とを備える圧縮機ピストンであって、ピストン組立体が、間に空間が画定される、間隔を空けた第１のピストン部材と第２のピストン部材を備え、空間が、第１の流体を圧縮させるために使用される第２の流体を収容するように構成される、圧縮機ピストン、ならびに第１のピストン部材と第２のピストン部材の間の空間に第２の流体を送る手段を備える。

従来技術の圧縮機では、圧縮流体に接触した状態の流体封止部は、実際のガス圧力と同等の圧力にさらされ、これにより、封止部に著しい摩耗が生じる。しかし、対照的に、本発明の装置では、ピストン組立体は、間隔を空けた２つのピストン部材を備え、その結果、圧縮機の流体封止部は、わずか０．２Ｍｐａ（２ｂａｒ）である低減された圧力にさらされる。このように、装置は、流体封止部に加わる負荷の著しい低減をもたらし、摩耗および損傷の低減に結びつく。したがって、有利には、装置は、ピストン組立体とシリンダ管の間に生み出される優れた潤滑により、ピストンシールの摩耗時間の延長をもたらす。これにより、腐食防止の強化、および圧縮機のノッキングに対する機械的保護が可能になり、騒音放射の抑制につながる。さらなる利点には、保守費用の低減をもたらす耐用期間の長期化が含まれ、これはプラント稼働率の向上につながる。

好ましくは、装置は、第２の流体を中に貯蔵するように構成される貯蔵タンクを備える。好ましくは、第１のピストン部材と第２のピストン部材の間の空間に第２の流体を送る手段は、ポンプと、好ましくは、流体が伝って送られる、貯蔵タンクとピストン部材間の空間との間に延在する少なくとも１つの第２の流体用送り導管とを備える。

好ましくは、第１のピストン部材（本明細書では「浮動ピストン」と称される）は、シリンダ管の中で往復するように構成され、好ましくは第１の径方向封止部によってシリンダ管に対して封止される。第１の径方向封止部は、ステムシールでもよく、ピストンシールでもよい。好ましくは、第１のピストン部材は、第２のピストン部材の実質的に中央に取り付けられ、それによって同心円状に案内される。好ましくは、第２のピストン部材（本明細書では「メインピストン」と称される）は、シリンダ管の中で往復するように構成され、好ましくは第２の径方向封止部によってシリンダ管に対して封止される。第２の径方向封止部は、ステムシールでもよく、ピストンシールでもよい。

好ましくは、圧縮されることになる第１の流体は、第１のピストン部材の一方の面に接触し、第２の流体は、第１のピストン部材の反対側の面に接触する。好ましくは、第２の流体は、ピストン組立体の第１のピストン部材と第２のピストン部材の間に配置されるとき、第１の径方向封止部とシリンダ管の間の摩擦を軽減するように機能するので、潤滑流体として機能する。好ましくは、第２の流体は、ピストン組立体の下に配置されるとき、ピストン組立体をシリンダ管の中で往復させ、それによって第１の流体を圧縮する働きをするので、駆動流体として機能する。

好ましくは、第１のピストン部材と第２のピストン部材の間の空間に配置される第２の流体は、好ましくは少なくとも１つの第２の流体用漏出導管を介して、貯蔵タンクに流体的に連結される。したがって、第２の封止部から漏れるいかなる第２の流体も、貯蔵タンクへと送られる。したがって、有利には、圧縮機ピストンの使用中、第２の封止部での第２の流体のいかなる漏れも、第２の流体の補充流れによって自動的に相殺されるので、装置は、第１のピストン部材と第２のピストン部材の間の空間への漏出循環戻りラインを備える。

好ましくは、第２のピストン部材は、少なくとも１つの第２の流体用送り導管を通ってピストン部材間の空間に至る第２の流体の流れを制御するように構成される弁を備える。好ましくは、弁は、第２の流体用送り導管の中で閉止構成へと弁を付勢するように構成される付勢手段を備える。好ましくは、付勢手段はばねを備え、より好ましくはコイルばねまたはカップスプリングを備える。

好ましくは、第２のピストン部材は、第１の封止部に加わる圧力の変化に応じて、または作動設定点に対する第１のピストン部材の位置に応じて、弁を作動させるように構成される作動手段を備える。

好ましくは、作動手段は、第１の封止部に加わる圧力の変化に応じて、または作動設定点に対する第１のピストン部材の位置に応じて、ポンプを作動させるように構成される。好ましくは、作動手段は、第１の封止部に加わる圧力が上昇したとき、弁を開き、好ましくはポンプを作動させて、弁を通して第２の流体をポンピングするように構成される。反対に、好ましくは、作動手段は、第１の封止部に加わる圧力が減少したとき、弁を閉じ、好ましくはポンプを作動停止して、第２の流体をポンピングさせないように構成される。

したがって、一例として、第２の封止部からの第２の流体の漏れにより、第１の封止部の第１の流体側に加わる圧力が上昇するとき、第１のピストン部材は、好ましくは第２のピストン部材の方へ押し付けられるように構成され、それにより、作動手段が弁を開くことになる。

別の好ましい実施形態では、作動手段は、第１のピストン部材の位置が作動設定点に到達したとき、弁を開くように構成され、かつ／または作動手段は、第１のピストン部材の位置が作動設定点を越えて動いたとき、弁を閉じるように構成される。弁およびポンプは、浮動ピストンの位置が作動設定点より下に下がったとき（これは流体の損失、または封入される圧縮性ガスによって引き起こされ得る）、作動手段によって作動され得ることが理解されよう。これは、第１の封止部に加わる圧力の減少または増加を必ずしももたらさない場合がある。

好ましくは、ポンプは、貯蔵タンクから、作動手段によって作動される開いた弁を通り、１つまたは複数の導管を伝って第１のピストン部材と第２のピストン部材の間の空間へと、第２の流体をポンピングするように構成される。好ましくは、第２のピストン部材は、弁からピストン部材間の空間へと径方向に外方へ延在する１つまたは複数の導管を備える。好ましくは、１つまたは複数の導管は、弁からピストン部材間の空間へと斜めに延在する。

有利には、第２の流体の実質的に一定の深さが、第１のピストン部材と第２のピストン部材の間で保たれる。第２の流体は、圧縮プロセスの任意の段で、ピストン部材間の空間へとポンピングされ得る。しかし、好ましくは、ポンプは、非圧縮段中（すなわちピストン組立体がシリンダ管の下部に、またはシリンダ管の下部と互いに隣り合って配置されるとき）に作動される。

好ましくは、装置は、第１のピストン部材の第１の流体側と第２の流体の間の圧力が、実質的に釣り合うように構成される。好ましくは、作動手段に作用する付勢手段のプレストレス張力は、第１のピストン部材の重量、およびシリンダ管と第１の封止部の間に生み出される摩擦に実質的に対応する。

好ましくは、第１のピストン部材の、第１の流体に接触する面と、第２の流体に接触する面の圧力差は、７．５Ｍｐａ（７５Ｂａｒ）未満、より好ましくは５Ｍｐａ（５０Ｂａｒ）未満、さらに好ましくは２．５Ｍｐａ（２５Ｂａｒ）未満、さらにより好ましくは１．５Ｍｐａ（１５Ｂａｒ）未満である。より好ましくは、第１のピストン部材の、第１の流体に接触する面と、第２の流体に接触する面の圧力差は、１Ｍｐａ（１０Ｂａｒ）未満、好ましくは０．５Ｍｐａ（５Ｂａｒ）未満、最も好ましくは０．３Ｍｐａ（３Ｂａｒ）未満である。

結果として、第１のピストン部材と第１の径方向封止部の間の径方向の力が小さいと、摩耗および損傷が少なくなる。有利には、装置は、第１の封止部に加わる摩耗を最小限にするために、第１の封止部によって定められる初張力の圧力のみをこの封止部が受けるように構成される。

好ましくは、圧縮機ピストンは、圧縮されていない第１の流体が通ってその中に送られる入口と、圧縮された第１の流体が通って出て行く出口とを備える。好ましくは、入口流体の圧力は、約０．１〜２０Ｍｐａ（１〜２００ｂａｒｇ）であり、より好ましくは約０．１〜３Ｍｐａ（１〜３０ｂａｒｇ）であり、最も好ましくは約０．３〜１Ｍｐａ（３〜１０ｂａｒｇ）である。

好ましくは、圧縮機ピストンは、１０Ｍｐａ（１００ｂａｒａ）から１５０Ｍｐａ（１５００ｂａｒａ）の間まで、第１の流体の圧力を上昇させるように構成される。より好ましくは、圧縮機ピストンは、１５Ｍｐａ（１５０ｂａｒａ）から１２５Ｍｐａ（１２５０ｂａｒａ）の間まで、第１の流体の圧力を上昇させるように構成される。最も好ましくは、圧縮機ピストンは、３０Ｍｐａ（３００ｂａｒａ）から１００Ｍｐａ（１０００ｂａｒａ）の間まで、第１の流体の圧力を上昇させるように構成される。好ましくは、出口流体の圧力は、約３５Ｍｐａ（３５０Ｂａｒ）である。

第１の流体の所望の圧力は、使用される第１の流体に応じて変動することが理解され得る。したがって、第１の流体が水素であるとき、圧縮機ピストンは、５０Ｍｐａ（５００ｂａｒａ）から１５０Ｍｐａ（１５００ｂａｒａ）の間まで、より好ましくは７０Ｍｐａ（７００ｂａｒａ）から１４０Ｍｐａ（１４００ｂａｒａ）の間まで、最も好ましくは８０Ｍｐａ（８００ｂａｒａ）から１３０Ｍｐａ（１３００ｂａｒａ）の間まで、第１の流体の圧力を上昇させるように構成され得る。

別法として、第１の流体が天然ガスであるとき、圧縮機ピストンは、１０Ｍｐａ（１００ｂａｒａ）から７０Ｍｐａ（７００ｂａｒａ）の間まで、より好ましくは２０Ｍｐａ（２００ｂａｒａ）から６０Ｍｐａ（６００ｂａｒａ）の間まで、最も好ましくは３０Ｍｐａ（３００ｂａｒａ）から５０Ｍｐａ（５００ｂａｒａ）の間まで、ガスの圧力を上昇させるように構成され得る。

第１の流体は、液体を含んでもよい。しかし、好ましくは、第１の流体は、天然ガス、燃料ガス、水素、気体炭化水素、液化燃焼ガス、窒素、ヘリウム、酸素などのガス、およびアルゴンなどの貴ガス、またはこれらの混合物を含む。より好ましくは、第１の流体は、燃料ガス、たとえば天然ガスや水素を含む。

第２の流体は、好ましくは実質的に非圧縮性である液体を含んでもよい。好ましくは、第２の流体は、イオン液体、ＬＯＨＣ（液体有機水素担体）、半重水（ＨＤＯ）、酸化重水素（重水）、水、もしくは作動油、またはこれらの混合物を含む。最も好ましくは、第２の流体は、ＬＯＨＣまたはイオン液体を含む。イオン液体は、実質的にイオンのみから構成され、１００℃未満の温度で液体である材料の種類である。ＬＯＨＣは、イオン液体と非常に類似した特性を有する、炭素を主成分とする液体である。イオン液体およびＬＯＨＣの利点は、蒸気圧が低いかまたはなく、潤滑特性が優れ、気体溶解度が本質的になく、熱的安定性が高く、かつ熱容量が大きいことである。

一実施形態、および好ましくは第２の流体がイオン液体である実施形態では、装置は、ピストン組立体と圧縮される第１の流体との間に配置されるイオン液体クッションを使用するように構成される。好ましくは、イオン液体クッションは、第１のピストン部材（すなわち浮動ピストン部材）の上部に配置され、圧縮段階の間、空所のすべてを埋める。好ましくは、イオン液体クッションは、蒸気圧が低い流体を含み、実質的に純粋なイオン液体、またはイオン液体とＬＯＨＣの混合物を含むか、またはそれらから構成されてもよい。

好ましくは、装置は、往復動圧縮機を備える。好ましくは、装置は、液圧駆動圧縮機を備える。好ましい一実施形態では、装置は、ピストン圧縮機を備える。好ましくは、装置は、第２の流体（好ましくは液体）を使用して第１の流体（好ましくはガス）の圧縮を駆動する、液体ピストン圧縮機を備える。別の好ましい実施形態では、装置は、イオニック圧縮機を備える。

一実施形態では、装置は、単段圧縮機を備える。好ましくは、装置は、１つまたは複数の容積式ピストンに機能的に連結されるプランジャを備え、容積式ピストンは、ハウジングの中で往復するように構成され、圧縮機ピストンへと、かつ圧縮機ピストンから、第２の流体を移動させ、それによってその中の第１の流体を圧縮するように構成される。容積式ピストンは、直列に連結され得る。プランジャによって駆動されるその容積式ピストン、またはそれぞれの容積式ピストンの往復運動は、少なくとも１つの入口を介してハウジングへと送られる潤滑剤によって容易になる。いくつかの実施形態では、プランジャ用の潤滑剤は、作動油、ＬＯＨＣ、もしくはイオン液体、またはこれらの混合物でもよい。

別の実施形態では、好ましくは、装置は、一続きに連結される複数の圧縮機段を備える、多段圧縮機（たとえば２段、３段、または４段）を備える。好ましくは、装置は、１段から２０段の間の圧縮機段を備える。より好ましくは、装置は、２段から１０段の間の圧縮機段を備える。最も好ましくは、装置は、３段から５段の間の圧縮機段を備える。最も好ましい一実施形態では、装置は、直列に連結される４段の圧縮機段を備える。

装置は、並列に連結される複数の圧縮機段を備える多段圧縮機を備えてもよい。有利には、これにより、圧縮機の処理能力が増加することになる。
したがって、一実施形態では、装置は、複数の系列を備えてもよく、それぞれの系列は、一続きに連結される複数の圧縮機段を備え、複数の系列は、並列に連結される。

本発明の第２の態様によれば、第１の流体を圧縮する方法が提供され、方法は、
− ピストンシリンダと、その中に摺動可能に取り付けられるピストン組立体とを備える圧縮機ピストンに第１の流体を送るステップであって、ピストン組立体が、間に空間が画定される、間隔を空けた第１のピストン部材と第２のピストン部材を備え、前記空間は、第１の流体を圧縮させるために使用される第２の流体を収容するように構成される、ステップと、
− 第１のピストン部材と第２のピストン部材の間の空間に第２の流体を送り、第１の流体を圧縮するステップとを含む。

好ましくは、第２の態様の方法は、第１の態様の装置の使用を含む。
好ましくは、方法は、好ましくは第２の流体用貯蔵タンクとピストン部材間の空間との間に延在する少なくとも１つの第２の流体用送り導管を伝って、第１のピストン部材と第２のピストン部材の間の空間へと第２の流体をポンピングするステップを含む。

好ましくは、方法は、第２のピストン部材とシリンダ管の間に配置される第２の径方向封止部から漏れるいかなる第２の流体も、貯蔵タンクへと送るステップを含む。
好ましくは、方法は、少なくとも１つの第２の流体用送り導管に配置される弁により、少なくとも１つの第２の流体用送り導管を通ってピストン部材間の空間に至る第２の流体の流れを制御するステップを含む。好ましくは、方法は、第２の流体用送り導管の中で閉止構成へと弁を付勢するステップを含む。好ましくは、付勢手段はばねを備え、より好ましくはコイルばねを備える。

好ましくは、方法は、第１の径方向封止部に加わる圧力の変化に応じて、または作動設定点に対する第１のピストン部材の位置に応じて、弁を作動させるステップを含む。好ましくは、方法は、第１の径方向封止部に加わる圧力の変化に応じて、または作動設定点に対する第１のピストン部材の位置に応じて、ポンプを作動させるステップを含む。好ましくは、方法は、第１の径方向封止部に加わる圧力が上昇したとき、弁を開き、好ましくは弁を通して第２の流体をポンピングするステップを含む。好ましくは、方法は、第１の径方向封止部に加わる圧力が減少したとき、弁を閉じ、好ましくはポンプを作動停止して、第２の流体をポンピングさせないようにするステップを含む。

方法は、使用時、第２の径方向封止部からの第２の流体の漏れにより、第１の径方向封止部の第１の流体側に加わる圧力が上昇するとき、第２のピストン部材の方へ第１のピストン部材を付勢し、それによって弁を開くことになるステップを含む。

方法は、第１のピストン部材の位置が作動設定点に到達したとき、弁を開くステップを含むことができ、かつ／または第１のピストン部材の位置が作動設定点を越えて動いたとき、弁を閉じるステップを含むことができる。

好ましくは、方法は、貯蔵タンクから、開いた弁を通り、１つまたは複数の導管を伝って第１のピストン部材と第２のピストン部材の間の空間へと、第２の流体をポンピングするステップを含む。好ましくは、方法は、弁からピストン部材間の空間へと径方向に外方へ延在する１つまたは複数の導管を伝って、第２の流体をポンピングするステップを含む。

好ましくは、方法は、第１のピストン部材と第２のピストン部材の間で、第２の流体の実質的に一定の深さを保つステップを含む。方法は、圧縮プロセスの任意の段で、ピストン部材間の空間に第２の流体をポンピングするステップを含んでもよい。しかし、好ましくは、方法は、非圧縮段中（すなわちピストン組立体が、シリンダ管の下部に、またはシリンダ管の下部と互いに隣り合って配置されるとき）にポンプを作動させるステップを含む。

好ましくは、方法は、第１のピストン部材の第１の流体側と第２の流体の圧力を釣り合わせるステップを含む。好ましくは、第１のピストン部材の、第１の流体に接触する面と第２の流体に接触する面の圧力差は、７．５Ｍｐａ（７５Ｂａｒ）未満、より好ましくは５Ｍｐａ（５０Ｂａｒ）未満、さらに好ましくは２．５Ｍｐａ（２５Ｂａｒ）未満、さらにより好ましくは１．５Ｍｐａ（１５Ｂａｒ）未満である。より好ましくは、第１のピストン部材の、第１の流体に接触する面と第２の流体に接触する面の圧力差は、１Ｍｐａ（１０Ｂａｒ）未満、好ましくは０．５Ｍｐａ（５Ｂａｒ）未満、最も好ましくは０．３Ｍｐａ（３Ｂａｒ）未満である。

好ましくは、方法は、入口を介して、圧縮されていない第１の流体を圧縮機ピストンに送るステップと、出口を通して、圧縮流体を送るステップとを含む。好ましくは、方法は、第２の流体（好ましくは液体）を使用して第１の流体（好ましくはガス）の圧縮を駆動する、液体ピストン圧縮機の使用を含む。別の好ましい実施形態では、装置は、イオニック圧縮機を備える。

好ましくは、方法は、ハウジングの中で往復するように構成される１つまたは複数の容積式ピストンを用いて、圧縮機ピストンへと、かつ圧縮機ピストンから、第２の流体を移動させ、それによってその中の第１の流体を圧縮するステップを含む。

第１の流体は、液体を含んでもよい。好ましくは、第１の流体は、天然ガス、燃料ガス、水素、気体炭化水素、液化燃焼ガス、窒素、ヘリウム、酸素などのガス、およびアルゴンなどの貴ガス、またはこれらの混合物を含む。

第２の流体は、好ましくは実質的に非圧縮性である液体を含んでもよい。好ましくは、第２の流体は、イオン液体、ＬＯＨＣ（液体有機水素担体）、半重水（ＨＤＯ）、酸化重水素（重水）、水、もしくは作動油、またはこれらの混合物を含む。最も好ましくは、第２の流体は、ＬＯＨＣまたはイオン液体を含む。

一実施形態、および好ましくは第２の流体がイオン液体である実施形態では、方法は、ピストン組立体と圧縮される第１の流体との間に配置されるイオン液体クッションの使用を含む。好ましくは、イオン液体クッションは、第１のピストン部材の上部に配置され、圧縮段階の間、空所のすべてを埋める。好ましくは、イオン液体クッションは、蒸気圧が低い流体を含み、実質的に純粋なイオン液体、またはイオン液体とＬＯＨＣの混合物を含むか、またはそれらから構成されてもよい。

本明細書（任意の添付の特許請求の範囲、要約書および図面を含む）に記載されるあらゆる特徴、ならびに／または開示される任意の方法またはプロセスのあらゆるステップは、こうした特徴および／またはステップのうちの少なくともいくつかが相互に排他的である組合せを除き、上記の態様のうちの任意のものと、任意の組合せで組み合わせられてもよい。

本発明の実施形態は、単に例を示す目的で、ここで添付図面を参照して説明されることになる。

シリンダ管の中に摺動可能に取り付けられるピストン組立体をそれぞれが有する、間隔を空けた２つのピストン圧縮機（左側および右側）を有する、本発明によるガス圧縮機の第１の実施形態の概略図である。 摺動可能に取り付けられるピストン組立体をそれぞれが有する、間隔を空けた２つのピストン圧縮機（左側および右側）を有する、本発明によるガス圧縮機の第２の実施形態の概略図である。各圧縮機のピストン組立体は、その上のイオン液体クッションを使用し、左側のピストン圧縮機のピストン組立体は、そのシリンダ管の上部へと動かされており、それにより、イオンクッションによってその中のガスを圧縮し、右側のピストン圧縮機のピストン組立体は、そのシリンダ管の中ほどに位置決めされ、その結果、ガスは、実質的に圧縮されないままである。 左側のピストン圧縮機のピストン組立体は、そのシリンダ管の上部へと動かされ、それによってその中のガスを圧縮し、右側のピストン圧縮機のピストン組立体は、そのシリンダ管の基部に位置決めされ、その結果、ガスは圧縮されないままである、図１に示される圧縮機の断側面図である。新しいガスは、下死点に向かって吸気される。 そのシリンダ管の上部に位置決めされたピストン組立体がガスを圧縮している状態の、図３に示される左側のピストン圧縮機上部の拡大断側面図である。 本発明の圧縮機に存在するピストン圧縮機の、あるピストン組立体の拡大断側面図である。

例
図１〜３を参照すると、天然ガス（ＣＮＧ）、燃料ガス、水素、気体炭化水素、液化燃焼ガス、窒素、ヘリウム、酸素などのガス１４、およびアルゴンなどの貴ガスを圧縮する、圧縮機２の実施形態が示される。たとえば、圧縮機２を使用して、水素で駆動される車両の燃料として使用される水素を圧縮することができる。圧縮は、図に示されるように、たとえばイオニック圧縮機やピストン圧縮機を用いて、液圧で駆動される。したがって、圧縮機２は、液体ピストン圧縮機であることが理解されよう。

図１および図２は、それぞれ圧縮機２の第１の実施形態および第２の実施形態を示す。各実施形態において、圧縮機２は、並列の、間隔を空けた２つのピストン圧縮機４を含み、圧縮されていないガス１４は、入口４０を介してそこに送り込まれ、圧縮ガス１４は、出口４１を介してそこから出て行く。入口のガス１４の圧力は、約０．６Ｍｐａ（６Ｂａｒ）であり、出口の圧縮ガス１４の圧力は、約３５Ｍｐａ（３５０Ｂａｒ）である。入口４０および出口４１には、周波数の期待値が非常に低い（０．１Ｈｚ〜５Ｈｚ、より好ましくは０．５Ｈｚ〜１．５Ｈｚである圧縮機周波数は、弁に関しても作動周波数が低いことを意味する）マルチチャネル弁４４が装着されて、そこをガス１４が通過することを可能にする。

各図において分かるように、図示される圧縮機２は、単段圧縮機（すなわち１段）である。図示される１段のシステムのピストン圧縮機４は、並列であり、単一のプランジャ３０によって駆動され、プランジャ３０は、ハウジング５８の中でプランジャ３０に連結されるピストン３２の相互往復運動を引き起こす。それぞれのピストン３２は、対応するポンプ４２に連結され、ポンプ４２は、その対応する圧縮機ピストン４へと、かつ圧縮機ピストン４から、槽６０に配置される液圧駆動流体１６を移動させ、それによってその中のガス１４を圧縮するように構成される。

しかし、図３では、少なくとも２つの圧縮機２が直列に連結されている多段圧縮機も想定され、その結果、同じ圧力段の圧縮機４両方の出口４１からの吐出は、より高段の圧力段の吸気入口ポート４０に連結される。たとえば、第１の圧縮機２に至る入口のガス１４の圧力は０．６Ｍｐａ（６ｂａｒａ）であり、出口での、圧縮ガス１４の圧力は１．６６１６．６ｂａｒａ）であり、第２の圧縮機２に至る入口のガス１４の圧力は１．６６Ｍｐａ（１６．６ｂａｒａ）であり、出口のガス１４の圧力は４．５７Ｍｐａ（４５．７ｂａｒａ）であり、第３の圧縮機２に至る入口のガス１４の圧力は４．５７Ｍｐａ（４５．７ｂａｒａ）であり、出口のガス１４の圧力は１２．６Ｍｐａ（１２６ｂａｒａ）であり、第４の圧縮機２に至る入口のガス１４の圧力は１２．６Ｍｐａ（１２６ｂａｒａ）であり、出口のガス１４の圧力は３５Ｍｐａ（３５０ｂａｒａ）である、４段の圧縮機２が存在し得る。

液圧駆動流体１６は、任意のイオン液体、ＬＯＨＣ（液体有機水素担体）、重水、酸化重水素、水、もしくは作動油、またはこれらの混合物でもよく、非圧縮性である。液圧系統全体は、たとえば油のような標準的な潤滑剤と比較した、重水の、より低い潤滑能力に向けて設計される必要がある。プランジャ３０によって駆動されるピストン３２の往復運動は、入口５４を介してハウジング５８に送られる潤滑剤３４によって容易になる。いくつかの実施形態では、プランジャ３０用の潤滑剤３４は、作動油３４、ＬＯＨＣ、もしくはイオン液体、またはこれらの混合物でもよい。潤滑剤３４は、圧縮比が異なっている必要があるので、駆動流体１６から隔てられていなければならない。

図２および図３では、その左側のピストン圧縮機４はガス１４を圧縮しているような構成であり、その右側のピストン圧縮機４は新しいガスが吸気弁４０から吸気された後、ガス１４がまだ実質的に圧縮されていない構成である、圧縮機２が示されている。それぞれのポンプ４２に連結される位置センサ４６は、各ピストン圧縮機４の構成を検出し、その中のそれぞれの往復運動を助け、その結果、ガス１４は、自動的に入口４０を通ってピストン圧縮機４に送られ、圧縮され、次いで高い圧力で出口４１から追い出される。

従来技術の圧縮機では、圧縮されるガス１４とピストンの間に配置されるガス封止部は、最大限のガス圧力を受け、これにより、連続使用中、摩耗がもたされる。しかし、図３および図４を参照すると、本発明の圧縮機２には、ある機構が装着され、これにより、ピストン圧縮機４の中のガス封止部１８の摩耗および損傷が低減されることによって、ガス封止部１８の寿命が著しく伸びる。図５において最もはっきりと分かるように、各ピストン圧縮機４は、ピストン組立体７（「ダミー」ピストンとしても知られている）が摺動可能に取り付けられるシリンダ管６を含む。それぞれのピストン組立体７は、間隔を空けてメインピストン８に連結される浮動ピストン１０から構成される。浮動ピストン１０は、シリンダ管６の中で往復するように構成され、Ｖピストンリングなどの径方向ガス封止部１８によってその中に封止される。浮動ピストン１０の一方の面（すなわち図１、図２および図５に示される上側）は、圧縮されることになるガス１４（たとえば水素や圧縮天然ガス（ＣＮＧ））に接触した状態である。その反対側の面（すなわち図１、図２および図５に示される下側）では、浮動ピストン１０は、ピストン３２によって移動されてシリンダ管６の中でピストン組立体７を往復させる、同じ非圧縮性液圧駆動流体１６の薄い層に接触した状態である。

浮動ピストン１０は、メインピストン８の中央に埋め込まれ、それによって同心円状に案内される。メインピストン８も、シリンダ管６の中に摺動可能に取り付けられ、Ｖピストンリングなどの径方向液圧封止部２０によってそれに対して封止される。浮動ピストン１０とメインピストン８の間の空間に配置される非圧縮性液圧駆動流体１６は、封止部２０から漏れる液圧流体が送られるダクト２６を通り、図１および２に示される、補充用液圧駆動流体１６が貯蔵される貯蔵タンク２８へと流体的に連結される。

図５を参照すると、以下のように、圧縮機ピストン４の使用中、液圧封止部２０での液圧駆動流体１６のいかなる漏れも、駆動流体１６の補充流れによって自動的に相殺され得るので、貯蔵タンク２８は、ピストン８とピストン１０の間の空間への漏出循環戻りラインを作り出す。メインピストン８は、液圧流体補充用供給弁２４を有し、これは導管３８、５０によって貯蔵タンク２８へと流体的に連結される。弁２４は、弁２４に対して作用するコイルばね２２またはカップスプリング２２によって、閉止位置へと付勢される。しかし、封止部２０からの駆動流体１６の漏れにより、第１の封止部１８のガス側に加わる圧力が上昇する場合、浮動ピストン１０は、メインピストン８の方へ付勢され、その結果、補充用供給システムが、弁２４に連結される作動ユニット１２によって作動される。弁２４は、作動ユニット１２によって開かれ、液圧流体１６は、ポンプ４８により、貯蔵タンク２８から導管５０、３８を伝い、開いた弁２４を通り、メインピストン８と浮動ピストン１０の間の空間へと直接通じる斜めの導管３６を伝ってポンピングされる。したがって、液圧駆動流体１６の一定の深さが、浮動ピストン１０とメインピストン８の間に保たれる。入れ替えられる駆動流体１６は、プロセスの任意の段で、浮動ピストン１０とメインピストン８の間の空間へと戻るようにポンピングされ得る。しかし、図に示される実施形態では、ポンプ４８は、ピストン組立体７がシリンダ管６の下部に配置されるとき、すなわち非圧縮段において作動される。

浮動ピストン１０のガス側と非圧縮性液圧流体１６の圧力は、常に釣り合うように設計される。作動ユニット１２に加わるばね２２のプレストレス張力は、浮動ピストン１０の重量、およびシリンダ管６とガス封止部１８の間に生み出される摩擦に対応する。浮動ピストン１０のガス１４に接触する面と液圧流体１６に接触する面の圧力差は、０．２Ｍｐａ（２Ｂａｒ）未満であり、浮動ピストン１０と封止部１８の間の径方向の力が小さいと、摩耗および損傷が少なくなる。

したがって、上述のシステムは、封止部１８の摩耗を最小限にするために、封止部１８によって定められる初張力の圧力のみを第１のガス封止部１８が受けるように常に試みる。従来技術の圧縮機では、圧縮ガス１４に接触した状態のガス封止部は、ガス圧力と同等の圧力にさらされ、これが摩耗を生じさせるが、一方、本発明の圧縮機２のガス封止部１８は、ピストン組立体７を２つ（すなわち浮動ピストン１０とメインピストン８）に分割することにより、わずか０．２Ｍｐａ（２ｂａｒ）である低減された圧力にさらされる。したがって、本発明は、ガス封止部１８に加わる負荷を著しく低減させることになる。液圧封止部２０は、従来技術の圧縮機が受けるのと同様の圧力にさらされるが、液圧流体１６のいかなる漏れも、貯蔵タンク２８から導管３６を伝ってピストン１０、１２の間の空間に即座に再注入されるので、これはシステム全体に影響を及ぼさない。図３に示される圧縮機２の実施形態は、図３ではイオン液体クッション５６がピストン組立体７と圧縮されるガス１４の間に提供されることを除き、図２に示されるものと本質的に同じである。これは、液圧駆動流体１６自体がイオン液体であるとき、各実施形態において有用であり、駆動流体１６がＬＯＨＣであるときは必要でない可能性がある。イオン液体クッション５６は、浮動ピストン１０の上部にあり、圧縮段階の間、空所のすべてを埋める。イオン液体クッション５６は、蒸気圧が低い流体を含み、任意の純粋なイオン液体、またはイオン液体とＬＯＨＣの混合物から構成されてもよい。

圧縮機２の利点は、ピストン８、１０とシリンダ管６の間に生み出される非常に優れた潤滑による、ピストンシール１８、２０の摩耗時間の延長（＞２０，０００ｈ）に常駐する。これにより、優れた腐食防止および圧縮機のノッキングに対する機械的保護が可能になり、したがって騒音放射の抑制につながる。さらなる利点には、保守費用の低減をもたらす耐用期間の長期化が含まれる。これにより、プラント稼働率が向上し、接触圧力がより低いために反対側の接触面に対する要件が少なくなり、これは、やはり保守費用を最小限にする。

Claims (15)

1. 第１の流体を圧縮する装置であって、前記装置が、ピストンシリンダと、その中に摺動可能に取り付けられるピストン組立体とを備える圧縮機ピストンであって、前記ピストン組立体が、間に空間が画定される、間隔を空けた第１のピストン部材と第２のピストン部材を備え、前記空間は、前記第１の流体を圧縮させるために使用される第２の流体を収容するように構成される、圧縮機ピストン、ならびに前記第１のピストン部材と前記第２のピストン部材の間の前記空間に第２の流体を送る手段を備える、装置。
2. 前記装置が、前記第２の流体を中に貯蔵するように構成される貯蔵タンクを備え、前記第１のピストン部材と前記第２のピストン部材の間の前記空間に前記第２の流体を送る前記手段が、ポンプと、前記流体が伝って送られる、前記貯蔵タンクと前記ピストン部材間の前記空間との間に延在する少なくとも１つの第２の流体用送り導管とを備え、好ましくは、前記ポンプが、非圧縮段中に作動され、前記第１のピストン部材と前記第２のピストン部材の間の前記空間に配置される前記第２の流体が、少なくとも１つの第２の流体用漏出導管を介して前記貯蔵タンクに流体的に連結される、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２のピストン部材が、前記少なくとも１つの第２の流体用送り導管を通って前記ピストン部材間の前記空間に至る前記第２の流体の流れを制御するように構成される弁を備え、好ましくは、前記弁が、前記第２の流体用送り導管の中で閉止構成へと前記弁を付勢するように構成される付勢手段を備え、より好ましくは、前記付勢手段が、ばね、任意選択でコイルばねまたはカップスプリングを備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記第２のピストン部材が、第１の封止部に加わる圧力の変化に応じて、または作動設定点に対する前記第１のピストン部材の位置に応じて、前記弁を作動させるように構成される作動手段を備え、好ましくは、前記ポンプが、前記貯蔵タンクから、前記作動手段によって作動される前記開いた弁を通り、１つまたは複数の導管を伝って前記第１のピストン部材と前記第２のピストン部材の間の前記空間へと、前記第２の流体をポンピングするように構成される、請求項３に記載の装置。
5. 前記作動手段は、前記第１の封止部に加わる前記圧力が上昇したとき、前記弁を開き、前記ポンプを作動させて、前記弁を通して第２の流体をポンピングするように構成され、かつ／または前記作動手段は、前記第１の封止部に加わる前記圧力が減少したとき、前記弁を閉じ、前記ポンプを作動停止して、第２の流体をポンピングさせないように構成され、かつ／または第２の封止部からの前記第２の流体の漏れにより、前記第１の封止部の前記第１の流体側に加わる前記圧力が上昇するとき、前記第１のピストン部材が、前記第２のピストン部材の方へ付勢されるように構成され、それにより、前記作動手段が前記弁を開くことになり、かつ／または前記作動手段に作用する前記付勢手段のプレストレス張力が、前記第１のピストン部材の前記重量、および前記シリンダ管と前記第１の封止部の間に生み出される前記摩擦に実質的に対応する、請求項４に記載の装置。
6. 前記作動手段は、前記第１のピストン部材の前記位置が前記作動設定点に到達したとき、前記弁を開くように構成され、かつ／または前記作動手段は、前記第１のピストン部材の前記位置が前記作動設定点を越えて動いたとき、前記弁を閉じるように構成される、請求項４に記載の装置。
7. 前記第１のピストン部材が、前記シリンダ管の中で往復するように構成され、第１の径方向封止部、任意選択でステムシールまたはピストンシールによって前記シリンダ管に対して封止され、前記第２のピストン部材が、前記シリンダ管の中で往復するように構成され、第２の径方向封止部、任意選択でステムシールまたはピストンシールによって前記シリンダ管に対して封止され、前記第１のピストン部材が、前記第２のピストン部材の実質的に中央に取り付けられ、それによって同心円状に案内される、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 圧縮されることになる前記第１の流体が、前記第１のピストン部材の一方の面に接触し、前記第２の流体が、前記第１のピストン部材の反対側の面に接触し、好ましくは、前記圧縮機ピストンの使用中、前記第２の封止部での前記第２の流体のいかなる漏れも、第２の流体の補充流れによって自動的に相殺されるので、前記装置が、前記第１のピストン部材と前記第２のピストン部材の間の前記空間への漏出循環戻りラインを備える、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
9. 前記第２のピストン部材が、前記弁から前記ピストン部材間の前記空間へと径方向に外方へ延在する１つまたは複数の導管を備え、好ましくは、前記１つまたは複数の導管が、前記弁から前記ピストン部材間の前記空間へと斜めに延在する、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
10. 前記第１のピストン部材の、前記第１の流体に接触する前記面と、前記第２の流体に接触する前記面の圧力差が、０．７５Ｍｐａ（７５Ｂａｒ）、５Ｍｐａ（５０Ｂａｒ）、２．５Ｍｐａ（２５Ｂａｒ）、１．５Ｍｐａ（１５Ｂａｒ）、１Ｍｐａ（１０Ｂａｒ）、０．５Ｍｐａ（５Ｂａｒ）未満、または０．３Ｍｐａ（３Ｂａｒ）未満であり、前記圧縮機ピストンが、１０Ｍｐａ（１００ｂａｒａ）から１５０Ｍｐａ（１５００ｂａｒａ）の間まで前記第１の流体の前記圧力を上昇させるように構成される、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
11. 前記第１の流体が、天然ガス、燃料ガス、水素、気体炭化水素、液化燃焼ガス、窒素、ヘリウム、酸素などのガス、およびアルゴンなどの貴ガス、またはこれらの混合物を含み、前記第２の流体が、実質的に非圧縮性である液体を含み、好ましくは、前記第２の流体が、イオン液体、ＬＯＨＣ（液体有機水素担体）、半重水（ＨＤＯ）、酸化重水素（重水）、水、もしくは作動油、またはこれらの混合物を含む、請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
12. 前記装置が、前記ピストン組立体と圧縮される前記第１の流体との間に配置されるイオン液体クッションを使用するように構成され、好ましくは、前記イオン液体クッションが、実質的に純粋なイオン液体、またはイオン液体とＬＯＨＣの混合物を含むか、またはそれらから構成される、請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
13. 前記装置が、
    − 往復動圧縮機および／もしくは液圧駆動圧縮機、ならびに／または
    − 液体ピストン圧縮機および／もしくはイオニック圧縮機、ならびに／または
    − 単段圧縮機または多段圧縮機、ならびに／または
    − ハウジングの中で往復するように構成され、前記圧縮機ピストンへと、かつ前記圧縮機ピストンから前記第２の流体を移動させ、それによってその中の前記第１の流体を圧縮するように構成される１つまたは複数の容積式ピストンに機能的に連結されるプランジャであって、好ましくは、前記プランジャによって駆動される前記容積式ピストンまたはそれぞれの前記容積式ピストンの往復運動が、少なくとも１つの入口を介して前記ハウジングへと送られる潤滑剤によって容易にされ、前記潤滑剤が、作動油、ＬＯＨＣもしくはイオン液体、またはこれらの混合物であるプランジャを備える、請求項１から１２のいずれかに記載の装置。
14. 第１の流体を圧縮する方法であって、前記方法が、
    − ピストンシリンダと、その中に摺動可能に取り付けられるピストン組立体とを備える圧縮機ピストンに第１の流体を送るステップであって、前記ピストン組立体が、間に空間が画定される、間隔を空けた第１のピストン部材と第２のピストン部材を備え、前記空間は、前記第１の流体を圧縮させるために使用される第２の流体を収容するように構成されるステップ、ならびに
    − 前記第１のピストン部材と前記第２のピストン部材の間の前記空間に第２の流体を送り、前記第１の流体を圧縮するステップを含む、方法。
15. 前記方法が、請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置を使用する、請求項１４に記載の方法。

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