JP6080768B2 - ガス圧縮システムおよびそれを用いるガス圧縮方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス圧縮システム用のレギュレータ及びこのようなシステムを用いる方法に関する。

ガスを圧縮するさまざまな方法が知られている。特に、電力供給によって、化石燃料の燃焼によって、もしくは駆動ガスと呼ばれる第２のガスによって供給される圧縮エネルギーを用いる方法が知られている。

後者の場合、圧縮の原理は、圧縮機１００（図１）を用いて説明することができる。すなわち圧縮の原理は、圧縮機が圧縮されるガス１０２をシリンダ１０４内に導入し、ピストン１０６がシリンダ１０４内へシリンダの体積を減少しながら、導入したガス１０２の圧力を増加させるようにスライドしていくことで説明される。

ピストン１０６のスライド運動を制御するために、駆動ガス１０８は第２シリンダ１１０の中へ導入される。その内部でピストン１０６はまた、スライド可能であり、このとき区画１０４の中で圧縮されるガス１０２へ提供される接触表面Ｓ１０２よりも大きな接触表面Ｓ１０８が駆動ガス１０８に提供される。

結果として、シリンダ１１０の中の圧力Ｐ１０８に対して、シリンダ１０４の中の圧力１０２がＰ１０８×Ｓ１０８＝Ｐ１０２×Ｓ１０２となるように上昇して平衡を維持するように、ピストン１０６は２つのシリンダ１０４と１１０との間を移動することになる。

圧縮されるガスの圧縮段階においては、Ｓ１０８にＳ１０２における背圧による力よりもはるかに大きい力を得ることが可能であるとともに、非常に高圧の圧縮ガス１０２の作用をはるかに小さい駆動圧力Ｐ１０８で得ることができる。

圧縮されるガスの導入段階においては逆の現象が生成される。駆動ガス１０８は一般的には大気圧まで圧力を解放され、圧縮されるガス１０２がシリンダ１０４に導かれる。Ｓ１０２に加えられる力はＳ１０８における背圧による力よりもはるかに大きい。これにより、圧縮されるガス１０２の導入機能および駆動ガス１０８の排出機能の実行が可能になる。

導入および圧縮段階のリンクによって、ピストン１０６を交互に前後運動するように移動させる。

図２を参照すれば、圧縮されるガス１０２の供給源２０１を備え、供給源からのガス１０２のバッファタンク２０２が併用されるシステム２００において、前述の駆動ガスによる圧縮の原理を用いて、圧縮機１００によって圧縮されるガス１０２の供給を調節できることが知られている。

実際には、圧縮されるガスの供給源２０１は、前記ガス１０２を例えば水の電気分解または改質によって得られる水素および酸素の生成器のように、圧縮されるガスの生成器の生産能力に基づいた種々の流速で供給することができる。駆動ガス１０８の供給源２０４は、圧縮機１００が接続されている供給網におけるガス１０８の圧力に相当する圧力を用いる。

圧力スイッチ１０３は、バッファタンク２０２の中に存在するガス１０２の圧力がしきい値に達するや否や圧縮機１００を作動させるように前記ガス１０２の圧力を測定する。圧縮機１００が作動するや否や、バッファタンク２０２に存在するガス１０２の圧力は減少する。なぜならば、生産流速２０１は圧縮機の出力流速よりも小さいからである。この場合バッファタンク２０２において新しいガスの導入によって前記ガス１０２の圧力が増加するように、圧縮機１００は下方の圧力しきい値で停止する。換言すれば、ブースター１００がぎくしゃくと動作する。圧縮機のピストンの移動速度は大きく、大量の駆動ガスの消費を必要とする。

加えて、ピストンの大きな移動速度は、圧縮機の耐用寿命および駆動ガスの消費に必然的に影響を及ぼす。

圧縮機１００を通過後、圧縮されたガス１０２はタンク２０８の中に高圧で貯蔵され、同時に前記タンク２０８の中のガス１０２の圧縮によりこの高圧は増大する。

このような状況において、本発明は、先行技術のガス圧縮システムが直面している上記の問題を解決することを目的とする。より詳細には、本発明はエネルギー効率、すなわちその駆動ガスの消費が最適化され、耐用寿命が増大する圧縮システムを提案することを目的とする。この目的のために、本発明は、圧縮されるガスが、第１シリンダへ導入圧力で導入されて第２シリンダへの駆動ガスの導入によって圧縮されるような方法で相互に結びついた少なくとも１つの第１シリンダおよび少なくとも１つの第２シリンダを有して構成される圧縮機を備えるガス圧縮システムであって、前記ガス圧縮システムは、前記第２シリンダへのその（前記駆動ガスの）導入の際に、前記駆動ガスの圧力を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、以下を有して構成されることを特徴とする。
− 前記圧縮されるガスが前記第１シリンダへ入る導入の際に、前記圧縮されるガスの圧力を測定するための圧力検出器と、
− 前記圧縮されるガスが前記第１シリンダへ入る導入の際に、前記圧縮されるガスの圧力が一定であるような方法で前記第２シリンダへ入る前記駆動ガスの流速を調節するためのレギュレータとを有する。

本発明によれば、圧縮されるガスを収納しているバッファタンクの中の圧力が第１シリンダへの圧縮されるガスの導入の際に一定であるように保たれる。これは、圧縮機によって押しやられるガスの流速が、供給源で生成されるガスの流速と等しいような方法で実現される。その結果、圧力伝達ピストンの移動は最小の頻度で一定である。

より詳細には、ピストンがよりゆるやかに移動するので、圧縮機のピストンの最小の移動頻度によって圧縮機に耐用寿命の増加と、最小の駆動ガス消費をもたらす。

本発明によるシステムは、個別に、または技術的に可能な任意の組み合わせを考慮することにより、以下の特徴を１またはそれ以上、備えることができる。

好ましい実施形態によれば、システムは、第１シリンダの上流に設置された圧縮されるガスの供給源を備えると共に、圧縮されるガスが第１シリンダに入る際に、圧縮されるガスの圧力を圧縮されるガスの供給源が生産する圧力と等しい圧力で一定に保つ手段を有する制御手段を備える。

第１シリンダにおける最大の入力圧力（すなわち、圧縮されるガスの供給源の圧力と等しい圧力）は特に好ましい。なぜならば、ガスを圧縮するために必要な駆動ガスの量は、圧縮されるガスの圧力が増加するときに減少するからである。図３に、圧縮機から吐出す
る圧縮されたガスの圧力変動（３００で示す横軸を参照、単位はバールである）を、圧縮機に流入する圧縮されるガスの流速（３０２で示す縦軸を参照、単位はノルマルリットル／分（nl/min）である）の関数として示す。具体的には、ある同一圧力（６．２バール）の駆動ガスに対して、圧縮されるガスの異なる圧力、主に、６バール（曲線３０４）、９バール（曲線３０６）、１２バール（曲線３０８）、および１５．９バール（曲線３１０）の場合を示す。

例えば、圧縮されたガスの流速が４２ノルマルリットル（ｎｌ）／分のとき、駆動ガスの消費を考慮して、ノルマル立方メートル（Nm³）／分で表わすと、圧縮されるガスの供給が９バールのとき(1.5 Nm³/分)と、圧縮されるガスの供給が１２バール(1.15 Nm³/分)のときとでは、およそ５０％増加している。

駆動ガスの消費の減少は圧縮機のエネルギー効率を改善することが明らかである。このエネルギー効率は、駆動ガスによって圧縮されるガスへ伝達されるエネルギーを代表する圧縮比によって測定される。

典型的には、この圧縮効率は、圧縮サイクルにおける、一方では圧縮機によって圧縮されるガスへ供給されるエネルギーと、他方では駆動ガスによって圧縮機に供給されるエネルギーとの比として定義することができる。

加えて、圧縮されるガスが、圧縮機へ流入する際に生産圧力と等しい一定の圧力に保たれているとき、圧力伝達ピストンの移動はより少ない頻度になる。従って、圧縮機の耐用寿命は増大し、駆動ガスの消費は最小限である。

一実施形態によれば、制御手段は圧縮されるガスのためのバッファタンクを備え、このバッファタンクは圧縮されるガスの供給源の下流、かつ、第１シリンダの上流に設置されており、圧縮されるガスの圧力はこのバッファタンク内では一定である。圧縮されるガスの圧力をバッファタンク内で一定に維持するために駆動ガスの圧力が調節される。

一実施形態では、バッファタンクは、圧縮されるガスに対する配給導管によって形成されており、圧縮されるガスの圧力は前記配給導管の一区域において一定である。

一実施形態によれば、圧力検出器は、バッファタンクに設置されたプローブと結合している。

一実施形態では、このシステム（ガス圧縮システム）は、圧縮されるガスの圧力を維持するための手段を備え、第１シリンダに流入する圧縮されるガスの圧力は好ましくは５〜３０バールである。

一実施形態によれば、圧縮されるガスの供給源はガス生成器を備える。

本発明は、前述のいずれかの実施形態によるシステムを用いるガス圧縮方法に関する。このシステムは、圧縮されるガスが、第１シリンダへ導入圧力で導入されて第２シリンダへの駆動ガスの導入によって圧縮されるような方法で相互に結びついた１つの第１シリンダおよび１つの第２シリンダを有して構成される圧縮機を備えるガス圧縮システムであって、前記ガス圧縮システムは、前記第２シリンダへのその（前記駆動ガス）導入の際に、前記駆動ガスの圧力を制御する手段を備える。本発明は、次のステップを有することを特徴とする。
− 圧縮されるガスが第１シリンダへ入る導入の際に、前記圧縮されるガスの圧力を圧力検出器によって測定するステップと、
− 圧縮されるガスが第１シリンダへ入る導入の際に圧縮されるガスの圧力が一定であるような方法で、第２シリンダへ入る駆動ガスの流速をレギュレータによって調節するステップを有する。

本発明の他の特徴および利点は、限定のためでなく説明のために提供された添付図面を参照し、以下の記載に照らしてみることで明らかになるであろう。

既に述べているように、公知のガス圧縮機の機能を図示的に示す。 既に述べているように、図１に記載された圧縮機を備える公知のシステムの機能を図示的に示す。 図１に記載された圧縮機における駆動ガスの消費の変動を、圧力と圧縮されたガスの流速との関数で示す。 本発明によるシステムの機能を図示的に示す。 公知のシステムと本発明によるシステムの効率の比較をシステムの圧縮比の関数として示す。

図４に、本発明によるガス圧縮システム４００を示す。すなわち、このシステムは、圧縮されるガス（４０４）が、第１シリンダへ導入圧力で導入されて第２シリンダへの駆動ガス（４０６）の導入によって圧縮されるような方法で相互に結びついた１つの第１シリンダおよび１つの第２シリンダを有して構成される圧縮機４０２を備える。更に、このシステムは、前記第２シリンダへのその（前記駆動ガスの）導入の際に、前記駆動ガス（４０６）の圧力を制御する手段（４０８）を備える。

制御手段４０８は、
− 圧縮されるガスが第１シリンダへ入る導入の際に圧縮されるガス４０４の圧力を測定するための圧力検出器４１０と、
− 圧縮されるガスが圧縮機４０２へ入る導入の際に圧縮されるガス４０４の圧力が一定に保たれるような方法で、第２シリンダへ入る駆動ガス４０６の流速を調節するためのレギュレータ４１２とを有する。

加えて、制御手段４０８は、圧縮されるガス４０４の圧力を一定に保つとともに、圧縮されるガスが圧縮機４０２の第１シリンダに入るときに、圧縮されるガスの圧力供給源４１４と同じ圧力に保つ。

この目的のために、制御手段４０８は、圧縮されるガスの供給源４１４の下流でかつ、圧縮機４０２の上流に設置された圧縮されるガスのためのバッファタンク４１６を備えており、圧縮されるガス４０４の圧力がバッファタンク内で一定であるようになっている。

図示していない他の変形例によれば、バッファタンク４１６は圧縮されるガスの配管網によって形成されることができる。圧縮されるガスの圧力は、圧縮機４０２に接続している前記配管網の一区域内で一定に保たれている。

全ての場合において、プローブ４１８は、バッファタンク４１６に設置されており、圧力検出器４１０に接続されている。これにより、圧縮機に入るときのガス４０４の圧力を後者（圧力検出器）が測定するとともにそれをコントローラ４１２に通知することができる。これにより、コントローラは、コマンド４２０を介して配管網における駆動ガス４０６の流速を変化させる。そのため、圧縮機４０２に入るときの圧縮されるガス４０４の圧力が一定で、かつ圧縮されるガスの供給源４１４で生産される圧力と等しいように保たれる。

典型的には、システム４０８は駆動ガスの消費を、供給源４１４によって供給される生産流速であって圧縮のために必要な最小限の流速に維持することができる。

図５に示すように、圧縮比５０２の関数であるガス圧縮システムの効率５００は、圧縮されたガスの出力圧力と、圧縮されるガスが用いられる圧縮機に入るときの圧力の比に等しいのであるが、本発明によるガス圧縮システムの効率（曲線５０６）は、従来技術によるガス圧縮システムの効率（曲線５０４）に比較して著しく改善されている。

この実施例では、システムの効率η_comp.H2は、圧縮されるガス、即ち、水素（Ｈ_２）の入力圧力P_e,H2、およびそれぞれ圧縮されるガスの出力圧力P_s,H2、および圧縮機を介したその流速

の関数として定義される。

加えて、駆動ガスの流速−即ち、大気の流速であるところの入力圧力

および出力圧力P_e,airはそれぞれ初期設定では１気圧に等しいことを考慮すれば、システムの効率η_comp.H2は、次式で表わされる。

ここで、ρ_{compressor,air}は、圧縮された空気を供給される圧縮機の効率をいい、γは、ガスの等エントロピー比である（γは、H₂, O₂, N₂などの二原子気体に対しては１．４である）。

本発明は、特に異なるタイプの圧縮機の使用に関して種々の変形が可能であり、具体的には、種々の複数のシリンダを備えて、他の圧縮されたガス、典型的には窒素ガスまたは
空気のような駆動ガス、およびそれらの圧縮されたガス、などからのエネルギーの伝達によってガスの圧力を増加させることが可能なブースターまたは他のいかなる機器にも関する。

本発明は、一般に、その取扱い出口での貯蔵圧力が生産圧力よりも大きい全てのガス生産システムに関する。典型的に、太陽熱または風力エネルギーのような断続的なエネルギー源によって、水の電気分解によって生産される水素(H₂)と酸素(O₂)に関する。

本発明のシステムが最適な方法で機能するためには、第１シリンダに入るときの圧縮されるガスの圧力が一定であることが必要である。加えて、この圧力が高いほど、圧縮機によって消費される駆動ガスは減少する。従って、本発明によるシステムによれば、第１シリンダに入るときの圧縮されるガスの圧力を、一定で、圧縮されるガスの供給源の生産圧力（即ち、供給源のガス生成器の圧力）と同じに（即ち、最大に）保つことができる。

注目すべきは、圧縮機に入るときの最大圧力は、特に、使用される圧縮されるガスの供給源のタイプに依存しており、より詳細には、圧縮されるガス生成器のタイプに依存していることである（例えば、水素エネルギーシステム（Proton Energy System）社のHOGEN（登録商標）シリーズＳの電解槽では１４．８バールであり、水素エネルギーシステム社のHOGEN（登録商標）シリーズＨの電解槽では３０バールであり、Hydrogenics社のHySTAT（登録商標）−６０の電解槽では１０バール、CETH社のGENHY 5000電解槽では、１０バール、CETH社のGENHY 100電解槽では、７バールである）。

本発明の大きな利点は、それが、「ブースター」または圧縮機に注入される駆動ガスの圧縮に用いられる装置のエネルギー消費を最小化することである。すなわち本発明は、特に、低い圧縮比における圧縮システムの総合エネルギー効率を改善する。

加えて、本発明による方法は、圧縮されるガスの供給源の生産流速に感応するように調節された最小の脈動数に制限することにより、「ブースター」または圧縮機の耐用寿命を最適化することができる。

本発明によるガス圧縮システムは、水の電気分解によって水素と酸素を製造する分野への適用に格別に好ましいことが分かる。

Claims (8)

1. 第２シリンダへの駆動ガス（４０６）の圧力を調整することで第１シリンダ内に圧縮されるガス（４０４）が導入され、前記第２シリンダ内の前記駆動ガス（４０６）の圧力を調整することで前記第１シリンダ内に導入された前記圧縮されるガス（４０６）が圧縮されるように構成された少なくとも第１シリンダおよび第２シリンダを有して構成される圧縮機（４０２）を備えるガス圧縮システム（４００）であって、
   前記ガス圧縮システム（４００）は、前記第２シリンダへ前記駆動ガスが導入される際に、前記駆動ガス（４０６）の圧力を制御する制御手段（４０８）を備え、
   前記制御手段（４０８）は、
   前記圧縮されるガスが前記第１シリンダへ導入される際に前記圧縮されるガス（４０４）の圧力を測定するための圧力検出器（４１０）と、
   前記圧縮されるガスが前記第１シリンダへ導入される際に前記圧縮されるガス（４０４）の圧力が一定となるように、前記第２シリンダ内の前記駆動ガス（４０６）の流速を調節するためのレギュレータ（４１２）とを有することを特徴とするガス圧縮システム。
2. 前記第１シリンダの上流に設置された、圧縮されるガスの供給源（４１４）を備えることを特徴とする請求項１に記載のガス圧縮システム（４００）。
3. 圧縮されるガスの前記供給源（４１４）がガス生成器を有することを特徴とする請求項２に記載のガス圧縮システム（４００）。
4. 前記制御手段（４０８）は、前記圧縮されるガス（４０４）が前記第１シリンダに入る際に、前記圧縮されるガスの圧力を圧縮されるガスの前記供給源（４１４）が生産する圧力と等しい圧力で一定に保つ手段を有することを特徴とする請求項２または３に記載のガス圧縮システム（４００）。
5. 前記制御手段（４０８）は、前記圧縮されるガスの前記供給源（４１４）の下流、かつ、前記第１シリンダの上流に設置されている、圧縮されるガスのバッファタンク（４１６）を有し、前記圧縮されるガス（４０４）の前記圧力は、前記バッファタンク（４１６）内で一定であることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のガス圧縮システム（４００）。
6. 前記バッファタンク（４１６）は、前記圧縮されるガスに対する配管網によって形成されており、前記圧縮されるガス（４０４）の圧力は、前記配管網の一区域において一定であることを特徴とする請求項５に記載のガス圧縮システム（４００）。
7. 前記圧力検出器（４１０）が前記バッファタンク（４１６）に設置されたブローブ（４１８）に結合していることを特徴とする請求項５または６に記載のガス圧縮システム（４００）。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のガス圧縮システム（４００）を用いるガス圧縮方法であって、
   前記システム（４００）は、第２シリンダへの駆動ガス（４０６）の圧力を調整することで第１シリンダ内に圧縮されるガス（４０４）が導入され、前記第２シリンダ内の前記駆動ガス（４０６）の圧力を調整することで前記第１シリンダ内に導入された前記圧縮されるガス（４０６）が圧縮されるように構成された少なくとも第１シリンダおよび第２シリンダを有して構成される圧縮機（４０２）を備え、
   前記システム（４００）は、さらに、前記第２シリンダへ前記駆動ガスが導入される際に、前記駆動ガス（４０６）の圧力を制御する制御手段（４０８）を備え、
   前記方法は、
   前記圧縮されるガスが前記第１シリンダへ導入される際に前記圧縮されるガス（４０４）の圧力を圧力検出器（４１０）によって測定するステップと、
   前記圧縮されるガスが前記第１シリンダへ導入される際に前記圧縮されるガス（４０４）の圧力が一定となるように、前記第２シリンダ内の前記駆動ガス（４０６）の流速をレギュレータ（４１２）によって調整するステップと、を有することを特徴とするガス圧縮方法。

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