JP5801906B2 - ガス状流体圧縮デバイス - Google Patents

Description

本発明は、ガス状流体を圧縮するためのデバイスに関し、特に再生熱圧縮機に関するものである。

熱源からのガスを圧縮するために、いくつかの技術的解決策が既に存在する。

まず、熱エンジンと従来型圧縮機との結合に基づくデバイスが存在する。これらの解決策は、（発電機を介して）熱を機械的あるいは電気的エネルギーへと変換するために熱エンジン（一般に内燃エンジン）を使用し、続いて、機械的伝達システムを介して直接、あるいはモーターを介して間接的に圧縮機に、このエネルギーを伝達する。これらの解決策は複雑であり、汚染を発生させ、そして大掛かりなメンテナンスを必要とする。

冷凍サイクルで使用されるアンモニア圧縮システム（吸収ヒートポンプまたは冷蔵庫）など、特定の用途においてのみ使用可能な特定の流体（熱化学的プロセス）に固有の解決策も存在する。吸収ヒートポンプの欠点は、制限された熱力学的効率、そして有害な可燃性流体によってもたらされる安全性の問題であり、それを住宅暖房に関して全く魅力が乏しいものとしている。

熱圧縮機と呼ばれるデバイスも存在する。熱圧縮機は、外部のエンジンに対するカップリングを介した機械的なソースからではなく、直接的に、一体化された交換器によって伝達される熱のソースからのガスの取り入れ、圧縮、放出、および膨張のサイクル（たとえば機械式往復圧縮機の従来のサイクル）を実施するデバイスである。

特許文献１および２に記載されたもののような上記熱圧縮機においては、受け取った熱は、直接、圧縮される流体に伝達されるが、これは、圧縮および放出ステップにおける機械要素の必要性を排除する。

熱圧縮機では、可動ピストンなどの機械的手段は、サイクルの異なるステップの間、圧縮される流体の一部を、低温ゾーンおよび高温ゾーンを画定する異なる熱交換器を通過させる。圧力の変動は、本質的に一定の体積において熱交換によって引き起こされる。

これらのデバイスはまた再生熱交換器の存在によって特徴付けられるが、これを経て、流体の一部は、サイクルの異なるステップの間、ある方向に、そして続いて別の方向に流れる。これらの再生熱交換器技術は、開発途上で高価なままであり、しかも著しい圧力降下を発生させる。

これらのデバイスは、圧縮のレベルが限定された単段システムとして設計される。ある圧縮用途に関しては、直列配置で３個または４個を配置することによって単段圧縮機の数を増大させ、そして機械的にさまざまな段を同期させるための機構を設けることが必要になるであろう。そうした手法は、コストがかかりかつ複雑であり、しかも、機械損失は、機械的デバイスの増殖によって増大するであろう。同期機構の存在に起因する漏れのリスクも存在する。

さらに、これらのシステムは自己駆動式ではない。変位要素の移動は、ピストンの前後動作を保証する外部機械的システムによって制御される必要がある。これは、付加的な複雑さと、開放型機械式圧縮機と同じ漏れの問題を伴う。

米国特許第２，１５７，２２９号明細書 米国特許第３，４１３，８１５号明細書

本発明の目的は、上記欠点の一部または全部を解決することによって従来技術に対する改良をもたらすことである。

したがって本発明はガス状流体圧縮デバイスを提供するが、当該デバイスは、
・第１のエンクロージャと、
・圧縮されるガス状流体のための取り入れ口と、
・第１のエンクロージャ内で移動可能であるように組み付けられかつ第１のエンクロージャ内で第１のチャンバーおよび第２のチャンバーを流体封止様式で区切っている第１のピストンと、
・第２のチャンバーに対して接続された圧縮されたガス状流体のための取り出し口（取り入れ口は第１のチャンバーに対して接続されている）と、
・第２のエンクロージャと、
・第２のエンクロージャ内で移動可能であるように組み付けられかつ第２のエンクロージャ内で第３のチャンバーおよび第４のチャンバーを流体封止様式で区切っている第２のピストンと、
・ヒートシンクにカロリーを輸送する第１の熱交換器を有する、第１のチャンバーと第４のチャンバーとの間での流体の連通を確立する第１の交換回路と、
・熱源からカロリーを輸送する第２の熱交換器を有する、第２のチャンバーと第３のチャンバーとの間での流体の連通を確立する第２の交換回路と、
・介在させられた逆流防止デバイスを備えた、第１のチャンバーから第２のチャンバーへの流体の連通を確立する移送路と、を具備し、
第１および第２ピストンは機械的な接続要素によって接続されており、これによって、ピストンの前後移動が、取り出し口の方向へのガス状流体の圧縮をもたらす。

こうした構成によって、二つの圧縮段は、ピストンの機械的接続およびチャンバー間の流体の連通によって簡単な方式で結合される。得られる圧縮レベルは、特定の熱伝達流体回路にとって適切なものとなる。

本発明のさまざまな実施形態では、以下の構成の一つ以上を採用することができる。

本発明の一態様では、第１および第２のエンクロージャは、この第１および第２のエンクロージャが軸方向に隣り合って配置された状態で、主軸線を有する密閉シリンダー内部に形成される。そして、機械的な接続要素は第１および第２のピストンを堅固に接続するロッドであり、第２のピストンは主軸線に沿って移動可能である。これは、一つのユニットへと二つの圧縮段を統合するための特にコンパクトでかつ簡素な解決策である。

本発明の別の態様では、第１の交換回路および第２の交換回路はいずれもさらに、第１および第２のピストンが移動するときガス状流体が向流流れで移動するように二流向流熱交換器を通過する。こうして回生機能のために標準的な熱交換器を使用することが可能となるが、これは、従来技術に比べて、大幅に回生機能の設計を簡素化する。

本発明の別の態様において、第２の熱交換器は、取り入れ回路および取り出し回路を含むが、これはいずれも向流を伴う節約熱交換器を通過する。これは、熱源からの熱伝達の効率を最適化する。

本発明の別の態様では、移送路は補助冷却回路により冷却される。これは、第２圧縮段に入るときに適度な温度を得るために、それが第１の圧縮段を出るときにガスの温度を低下させる。

本発明の別の態様では、移送路は、チェックバルブを備えた開口として第１のピストン内に配置されている。これにより、第１および第２のチャンバーを接続する外部配管が不要になる。

本発明の別の態様では、圧縮デバイスはさらに、ピストンを駆動するための駆動システムを備え、この駆動システムは、補助チャンバーと、この補助チャンバーから第１のチャンバーを気密状態で分離させる補助ピストンと、フライホイールと、このフライホイールを補助ピストンに対して連結する連結ロッドとを備え、補助ピストンは機械的に第１および第２ピストンに連結されており、これによってピストンの前後移動は駆動システムによって自己維持されることが可能である。自己駆動システムはエンクロージャ内に収容され、可動要素はケーシングを貫通しておらず、これは、従来技術におけるような外部駆動システムのための流体封止シールを保証するための回転ジョイントあるいはスリップシールの必要性を排除する。

本発明の別の態様では、圧縮デバイスはさらに、フライホイールに接続された電気モーターを備え、このモーターは、自律駆動が初期化されるようにモーターフライホイールに対して初期回転運動を付与するように構成される。

本発明の別の態様では、モーターは制御ユニットによって発電機モードで制御することができ、これによってモーターフライホイールを遅くすることができ、かつ、モーターフライホイールの回転速度を調節することができる。

本発明の別の態様では、上記デバイスはさらに、密閉シリンダーの端部に配置された第２のシリンダーを備え、この第２のシリンダーは、
・第３のエンクロージャと、
・第３のエンクロージャ内に移動可能に組み付けられ、かつ、第３のエンクロージャ内で第５のチャンバーおよび第６のチャンバーを流体封止様式で区切る第３のピストンと、
・第４のエンクロージャと、
・第４のエンクロージャ内に移動可能に組み付けられ、かつ、第４のエンクロージャ内で第７のチャンバーおよび第８のチャンバーを流体封止様式で区切る第４のピストンと、
・ヒートシンクにカロリーを輸送する第３の熱交換器を有する、第５のチャンバーと第８のチャンバーとの間での流体の連通を確立する第３の交換回路と、
・熱源からカロリーを輸送する第４の熱交換器を有する、第６のチャンバーと第７のチャンバーとの間での流体の連通を確立する第４の交換回路と、
・介在させられた逆流防止デバイスを備えた、第５のチャンバーと第６のチャンバーとの間の流体の連通を確立する第２の移送路とを具備し、
第３および第４のピストンはロッドに取り付けられ、かつ、第２のチャンバーからの取り出し口は第５のチャンバーに接続される。したがって、四つの段を一つのユニット内で簡単な様式で一体化することができる。

本発明の別の態様では、第３および第４エンクロージャの内部断面は、第１および第２のエンクロージャの内部断面よりも小さい。これは、全てのピストンの移動ストロークは同じであるが、より高い圧縮段では圧力がより高くかつガス状流体はより小さな体積を占めるという事実に対応する。

最後に、本発明はまた、熱伝達回路と、上記の態様のいずれか一つに基づく圧縮機とを備えた熱システムに関する。当該熱システムは、密閉空間からのカロリーの除去のために意図されてもよく、この場合、それは空調あるいは冷却システムであり、あるいは当該熱システムは、密閉空間にカロリーをもたらすために意図されてもよく、この場合、それは住宅暖房あるいは産業暖房のためのシステムといった加熱システムである。

本発明の他の特徴および利点は、非限定的な例として提供される、その実施形態のうちの二つの以下の説明から明らかとなるであろう。本発明はまた、添付の図面を検討することによって、より良く理解されるであろう。

本発明に係るガス状流体圧縮デバイスの概略図である。 図１の圧縮デバイスによって実現されるサイクルの圧力‐時間グラフである。 図１の圧縮デバイスによって実現されるサイクルに関する圧力‐温度グラフである。 図１のものと類似した図であるが、さらに自己駆動システムを示している。 端部から見て図４のＶ−Ｖ面で図４のデバイスを示す図である。 図５のものに対する代替例を示す図である。 自己駆動デバイスによって実施されるサイクルのグラフである。 いくつかの変更を伴って図１の圧縮デバイスを示す図である。 四つの圧縮段を有する圧縮デバイスの第２実施形態を示す図である。

各図面における同じ参照符号は同一または類似の要素を示す。

図１は本発明に係るガス状流体圧縮デバイスを示しており、これは、圧力Ｐ１で、インテークすなわち取り入れ口８１によってガス状流体を受け容れ、そして、Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２で、取り出し口８２において圧縮された流体を提供するよう構成されている。取り入れ口８１にはバルブ８１ａ（すなわち「チェックバルブ」８１ａ）を取り付けることができ、一方、取り出し口にはバルブ８２ａ（すなわち「チェックバルブ」８２ａ）を取り付けることができる。これら二つのチェックバルブは必ずしも圧縮デバイスに近接していない。

図示の例では、圧縮デバイスは円筒形ケーシング１を備えるが、これは二つのエンクロージャ３１，３２を含んでおり、これらは円筒形状であり、同一の断面を有し、主軸線Ｘと同軸であり、そして気密壁９１によって分離させられている。第１のピストン７１は、第１のエンクロージャ３１内で移動可能に組み付けられ、したがって第１のエンクロージャ３１内で第１のチャンバー１１および第２のチャンバー１２を区切っている。同様に、第２ピストン７２は、第２のエンクロージャ３２内で移動可能に組み付けられ、したがって第２のエンクロージャ３２内で第３のチャンバー１３および第４のチャンバー１４を区切っている。

ピストン７１，７２はディスクの形態であり、このディスクは、それらが分離するチャンバーを気密状態で隔離するために、その周囲に沿ってピストンリングを有する。

（図示の例では小さな断面を有するロッド１９の形態の）機械的な接続要素は、壁９１を貫通することによって第１および第２のピストン７１，７２を機械的に接続する。二つのピストン７１，７２は、主軸線Ｘの方向と平行に、ロッド１９と共に移動する。ロッド１９が壁９１を貫通する位置においては、以下の説明から分かるように圧力差はゼロであるので、シールを考慮する必要はない。

補助ロッド１９ａはまた、第１のピストン７９を、以下に説明するようにピストントレインを駆動する外部デバイス９０と接続することができる。

図１に示すように、上記デバイスはさらに以下のものを備える。
・ヒートシンク５０にカロリーを搬送するための第１の熱交換器５を有する、第１のチャンバー１１と第４のチャンバー１４との間の流体の連続的な連通を確立する第１の交換回路２１
・熱源６０からカロリーを搬送するための第２の熱交換器６を有する、第２のチャンバー１２と第３のチャンバー１３との間の流体の連続的な連通を確立する第２の交換回路２２
・ガス状流体が第１のチャンバー１１から第２のチャンバー１２へと流れることができ、逆に流れることができないように、介在させられた逆流防止デバイス２９ａを備えた、第１のチャンバーと第２チャンバーとの間の流体の連通を確立する移送路２９

図示の例では、第１の交換回路２１および第２の交換回路２２は、再生熱交換器とも呼ばれる二流向流熱交換器４を通過する。この再生熱交換器４は２本のパイプ４１，４２を備えるが、その中では、ピストンの移動中、ガス流は向流である。

第１の交換回路２１は、第１のチャンバー１１に接続された端部２１ａから延び、続いて第１の交換器のパイプ５２を通り、続いて二流熱交換器６のパイプ４１の一方を通り、その他端２１ｂにおいて第４のチャンバー１４に再びつながる。

第２の交換回路２２は、第２のチャンバー１２に接続された端部２２ａから延び、続いて二流熱交換器４の別なパイプ４２を通り、続いて第２の交換器６のパイプ６２を通り、その他端２２ｂにおいて第３のチャンバー１３に再びつながる。

第２の熱交換器６においては、熱寄与流体は、圧縮されるガス状流体とは関係なく、既に述べたパイプ６２に熱的に接続された交換パイプ６１を経て移動する。第１の熱交換器５においては、冷熱寄与流体は、やはり圧縮されるガス状流体に関係なく、既に述べたパイプ５２に熱的に接続された交換パイプ５１を通って移動する。

第１のチャンバー１１、第４のチャンバー１４および第１の交換回路２１は、実質的に同じ圧力（ＰＥ１で示す）であり、これは以下で説明するように、温度変化の影響下で経時的に変化することに留意されたい。第１のチャンバー１１および第４のチャンバー１４の容積の和は、ピストン７１，７２が移動するとき、実質的に一定のままであることにも留意されたい。第１のチャンバー１１、第４のチャンバー１４および第１の交換回路２１は第１の圧縮段を構成している。

同様に、第２のチャンバー１２、第３のチャンバー１３および第２の交換回路２２は、実質的に同じ圧力（ＰＥ２で示す）であり、これは以下で説明するように、温度変化の影響下で経時的に変化する。同様に、第２のチャンバー１２および第３のチャンバー１３の容積の和は、ピストン７１，７２が移動するとき、実質的に一定のままである。第２のチャンバー１２、第３のチャンバー１３および第２の交換回路２２は第２の圧縮段を構成している。

有利には、本発明においては、ピストントレインに作用する圧力の総和はバランスがとられる。実際には、第１のピストン７１への圧力差ＰＥ２−ＰＥ１は、第２のピストン７２への圧力差ＰＥ１−ＰＥ２によって補償される（ロッド断面の影響は無視できることに留意されたい）。

有利なことに、本発明においては、第１のエンクロージャ３１（チャンバー１１，１２）は低温ガスを含み、かつ、第２のエンクロージャ３２（チャンバー１３，１４）は高温ガスを含んでいる。二つのエンクロージャを分離する壁部９１は、断熱材料、例えばスチールあるいは高性能ポリマーからなる。同様に、外側ケーシング１（好ましくはステンレススチール、インコネル、または高性能ポリマーからなる）は、好ましくは、たとえば５０Ｗ／ｍ／Ｋ未満の比較的低い熱伝導率を有する。同様に、ロッド１９（好ましくはスチールまたは高性能ポリマー材料からなる）は、好ましくは、たとえば５０Ｗ／ｍ／Ｋ未満の比較的低い熱伝導率を有する。

動作について、以下で、さらに詳しく説明する。

圧縮機の動作は、ピストン７１，７２のトレインの交互の動作によって、そして、取り入れ口の取り入れバルブ８１ａ、取り出し口における放出のためのチェックバルブ８２ａおよび移送路２９内の移動のためにチェックバルブ２９ａの作用によって保証される。

以下、図２および図３に示される圧力の変化と共に、サイクル動作について説明する。

第１および第２の交換器（５，６）内の温度の長手方向のプロファイルは、実質的に一定である。本発明の代表的実施形態では、（冷却用の）第１の交換器５内で温度は５０℃周辺で安定し、一方、（加熱用の）第２の交換器６内で温度は６５０℃周辺で安定する。

以下で説明する各ステップＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、図１、図２および図３に示されている。

ステップＡ
ピストンは、最初に図１の左側において、右に向かって移動する。各バルブが閉じられる。図から分かるように、この時点で圧力は、第１の段ではＰＥ１＝Ｐ１であり、かつ、第２の段ではＰＥ２＝Ｐ２である。第１の段では、ガスは、（第１の交換回路２１を経て）第１の交換器を、続いて二流交換器４を通って流動することによって、第１のチャンバー１１（低温部）から第４のチャンバー１４へと移動し、約５０°の温度から６５０℃へと変化する。圧力ＰＥ１は、実質的に一定容積での加熱によって増大する。同時に第２の段では、ガスは、第２の交換器６を、続いて二流交換器４を通って移動することによって、（第２の交換回路２２を介して）約６５０℃の温度である第３のチャンバー１３から第２のチャンバー１２へと移動する。圧力ＰＥ２は、実質的に一定の体積での冷却によって低下する。このプロセスは、移送チェックバルブ（中間放出バルブとも呼ばれる）が開くように、圧力ＰＥ１がＰＥ２よりも少し大きくなるまで継続される。

ピストンは、この場合、図１の左側のピストンに関する矢印Ａの先端によって示される中間ポジションにある。

ステップＢ
移送チェックバルブ２９ａが開くとき、ピストン７１，７２のその後の右方向への移動は、第２の段に向う第１の段からの逆流を引き起こす。このステップの間、圧力ＰＥ１およびＰＥ２は、図２および図３にＰＴで示す中間レベルにあって実質的に等しいままである。このステップは、ピストンの右方向の移動が終わるまで続く。

ステップＣ
ピストンはいま左に向かって移動する。第１の段では、高温ガスには、第４のチャンバー１４から第１のチャンバー１１へと移動し、（第１の交換回路２１を介して）二流交換器４のパイプ４１を通り、そして第１の交換器５を通って移動する（これがガスを冷却する）。圧力ＰＥ１は低下する。逆に第２の段では、ガスは、第２のチャンバー１２から第３のチャンバー１３へと移動し、（第２の交換回路２２を介して）パイプ４１に対して向流の二流交換器４のパイプ４２を通り、そして第２の交換器６を通って移動する（これがガスを再加熱し、圧力ＰＥ２が上昇する）。中間放出バルブ２９ａはそれゆえ、このステップの開始時に閉じる。

このプロセスは、圧力ＰＥ１が僅かにＰ１を下回りかつ圧力ＰＥ２が僅かにＰ２を上回るまで繰り返される。

取り入れバルブ８１ａおよび放出バルブ８２ａは、その時点で開く。ピストンは、この時点で、図１における左側のピストンに関する矢印Ｃの先端で示す中間ポジションにある。

ステップＤ
ピストンの左方向移動が終了する間、第１の段は、（タンク上流が十分なサイズを有する場合に）一定値Ｐ１であると仮定された圧力で取り入れバルブ８１ａを経てガスを吸い込み、一方、第２の段は、（タンク下流が十分なサイズを有する場合）一定値Ｐ２であると仮定された圧力で放出バルブ８２ａを経てガスを放出する。このステップは、ピストンの左方向の移動が終わるまで続く。

図１に示すように、ピストントレインは、ケーシング１の外部でシステム９０によって駆動され、ロッド１９を押圧するガスケット８８が存在する。

このタイプのガスケットまたはシールの使用が回避されることが本発明においては好ましい。図４、図５、図５ｂおよび図６はケーシング内に組み込まれたピストン駆動システム９を示しており、これは、補助チャンバー１０と、この補助チャンバー１０から第１のチャンバー１１を気密状態で分離する補助ピストン７９とを備える。当該システムはまた、フライホイール７７と、このフライホイール７７を補助ピストン７９に連結する連結ロッド７８とを備える。連結ロッドは、補助ピストンに対するピボット連結により取り付けられた第１の端部７８ａと、フライホイールに対するピボット連結によって取り付けられた第２の端部７８ｂとを有する。補助ピストン７９は、補助ロッド１９ｂによって、第１のおよび第２ピストン（７１，７２）に対して機械的に連結されている。

有利なことには、本発明によれば、ガスの取り入れ口は、圧力Ｐ１である補助チャンバー１０を通過する。したがって、圧力ＰＥ１は、補助ピストン７９の左側に対して支配的であり、一方、圧力Ｐ１は、補助ピストン７９の右側に対して支配的である。図６に示すように、ピストントレインに加えられる力は、ステップＡ，ＢおよびＤの間、フライホイールにエネルギーを供給し、一方、ステップＣでは、ピストンにエネルギーを供給するのはフライホイールである（ピストントレインは常にピストンリングからの摩擦力に打ち勝つ必要があることに留意されたい）。この結果、ピストンの往復運動は、この駆動システムによって自己維持することができる。

モーターフライホイールの回転速度、したがってピストンストロークの周波数は、摩擦で費やさるパワーが熱力学的サイクルによって補助ピストンに供給されるパワーに到達したときに確定される。

図５に示すように、補助チャンバーを囲むハウジング９８は、従来の取り付け手段９９によってシリンダー１に取り付けられたベース９３を有する。さらに、駆動システム９は、Ｙ軸上に中心が置かれたシャフト９４を介してモーターフライホイール７７に連結された電気モーター９５を含むことができる。図５に示される例では、モーター９５は、ハウジング９８の内部に、したがってガスが取り入れ圧力Ｐ１に閉じ込められるエンクロージャの内部にある。モーターに電力を供給する配線９６のみが相対移動を伴わずにハウジングの壁を貫通しており、これは高効率のシールを実現することを可能とする。

図５ｂに示される変形例では、モーターは、壁と向き合ってエンクロージャの内部に配置されたロータディスク９７（たとえば永久磁石タイプ）と、壁と向ってエンクロージャの外部に配置されたステータとを有する特定の形式のものである。この場合、電磁制御回路および配線９６は外部ある。

だが、モーターは外部に、完全にハウジング９８の外側に存在してもよいが、この場合にはシャフトの周りにシールが必要であることは明らかである。

さらに、フライホイールに結合された電動モーター９５は、自律駆動を初期化するために、フライホイールモータに対して初期回転運動を付与するよう構成されている。さらに、モーターは、制御ユニット（図示せず）によって発電機モードで制御することができ、これによって、モーターフライホイールを減速させることができ、かつ、モーターフライホイールの回転速度を調節することができる。

通常動作中、自己駆動デバイス９に供給される機械的パワーは、摩擦による損失よりも大きなものとなり、この結果、残余電力が利用可能である（発電機としての動作の通常モード）。この予備電力は、冷凍サイクルのポンプあるいはファンを駆動するために、始動バッテリーを充電するために、そしてコージェネレーションニーズのために、その調節システムを含む圧縮機外部の電気機器によって使用可能である。

図７に示されるように、特定の変形例が、別個に、あるいは既に説明した特徴と組み合わせて使用されてもよい。

補助冷却回路８は搬送路２９の冷却を可能とするが、これは、第２の圧縮段への入り口において適度な温度を得るために、それが第１の圧縮段から出るときに、ガスの温度を低下させる。ヒートシンクとして機能するためのこの補助冷却器８に供給される流体は、第１の交換器５のパイプ５１を通って移動する流体と同じであってもよい。住宅や産業用暖房を含む用途では、ヒートシンク５０として使用される流体は、一般的な加熱回路の流体であってもよい。

外部移送路２９に代えて、第１のピストン７１の内部でチェックバルブ２９ｂとして具現化される内部移送路２９ｂを使用することも可能である。

第２の交換器６に接続された節約熱交換器７は、取り入れ口７ｄと、リターン回路７ｂに熱的に接続された供給回路７ａと、取り出し口７ｃとを備える。熱寄与流体は圧縮されるガス状流体から独立しており、この向流節約熱交換器を経て反対方向に外に出て戻るように移動する。熱６０の寄与は、供給回路７ａと第２の交換器６のパイプ６１との間でなされる。リターン回路７ｂは供給回路７ａに熱を輸送するが、これは、熱源６０からの熱寄与の効率を最適化する。

別の変形例は、選択的に第１および第２の交換器５，６を通過する熱交換流を導くことを可能とするために、第１および第２の交換回路に補助部５３，６３を追加することからなる。さらに詳しく言うと、一連の１２個のソレノイドバルブ（５５〜５９および６５〜６９）が交換回路に付加される。

図７に示すように、ピストンが左から右へ移動するとき、ソレノイドバルブ５４，５８，５９，６５，６６，６９は閉状態にセットされ、一方、ソレノイドバルブ５５，５６，５７，６４，６７，６８は閉状態にセットされる。第１のチャンバー１１を出る流れは、第１の熱交換器５を通過しない。それはソレノイドバルブ５５を通過し、したがって第１の交換器５をバイパスし、続いて、それは交換器４のパイプ４１に入り、そしてバルブ６７および６８を経て第２の交換器６に流入する（この流れは点線矢印で示されている）。同様に、第３のチャンバー１３を出る流れは第２の熱交換器６を通過しない。それは、ソレノイドバルブ６４を通過し、続いて、それは交換器４のパイプ４２に入り、バルブ５７および５６を経て第１の交換器５に流入する（この流れは実線矢印によって示されている）。

一方、ピストンが右から左に移動するとき、ソレノイドバルブ５４，５８，５９，６５，６６，６９は開状態にセットされ、一方、ソレノイドバルブ５５，５６，５７，６４，６７，６８は閉状態にセットされる。第２のチャンバー１２を出る流れは、第１の熱交換器５を通過しない。それはソレノイドバルブ５４を通過し、続いて、それは交換器４のパイプ４２に入り、弁６９および６６を経て第２の交換器６に流入する（この流れは点線および破線の矢印で示されている）。同様に、第４のチャンバー１４を出る流れは第２の熱交換器６を通過しない。それはソレノイドバルブ６５を通過して、したがって第２の交換器６をバイパスし、続いて、それは交換器４のパイプ４１に入り、バルブ５９および５８を経て第１の交換器５に流入する（この流れは破線矢印で示されている）。

回路に付加された、これら１２個のソレノイドバルブおよび適切な制御によって、熱の流れを改善することができ、熱交換器５および６は、第１および第２の段によって共有することができる。

図８に示す第２実施形態は、第１実施形態において示される二段構成を二重にすることによって構成された四段を備えた圧縮機に関し、以下のものが付加されている。
・第３のエンクロージャ３３
・第３のエンクロージャの中に移動できるように組み付けられ、かつ、第３のエンクロージャ内で第５のチャンバー１５および第６のチャンバー１６を流体封止様式で区切っている第３のピストン７３
・第４のエンクロージャ３４
・第４のエンクロージャの中に移動できるように組み付けられ、かつ、第４のエンクロージャ内で第７のチャンバー１７および第８のチャンバー１８を流体封止様式で区切っている第４のピストン７４
・ヒートシンクへとカロリーを輸送するために第３の熱交換器５ｂを有する、第５のチャンバーと第８のチャンバーとの間の流体の連通を確立する第３の交換回路２３
・熱源からカロリーを輸送するために第４の熱交換器６ｂを有する、第６のチャンバーと第７のチャンバーとの間の流体の連通を確立する第４の交換回路２４
・介在させられた逆流防止デバイス２８ａを備える、第５のチャンバー１５と第６のチャンバー１６との間の流体の連通を確立する第２の移送路２８

第３および第４のピストンは、既に説明した第１の壁９１と同様、第３および第４のエンクロージャを分離する第２の壁９２を貫通すると共にチャンバー１４および１５を分離する壁９５もまた貫通するロッド１９に対して取り付けられている。

第２のチャンバーから出る第２の段からの取り出し口は、チェックバルブ８２ａを介して、第５のチャンバーへの取り入れ口（第３の段の取り入れ口）に接続されている。各段間の移送路は、好ましくは、ガス状流体の過度の加熱を避けるために、冷却回路８，８ａ，８ｂを通過する。好ましくは、加熱用途においては、冷却のために使用される流体は、一般的な加熱回路の流体である。

第３および第４の段の動作については、第１および第２の段に関する説明を準用する。

第４段からの取り出し口は、バルブ８３ａを経て圧力Ｐ４で圧縮ガスを供給する。

説明した構造物は、本発明の範囲内にある、いかなる形態および寸法を、特にいかなるボア／ストローク比、チェックバルブ形態、第１および第２のエンクロージャの配置状態などを有していてもよいことに留意されたい。

本発明の有利な実施形態によれば、使用されるガス状流体は、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ７４４などのようなＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）標準冷媒の中から選択できる。

本発明の有利な実施形態によれば、ピストントレインの動作周波数は、５Ｈｚないし１０Ｈｚ（３００ないし６００ｒｐｍ）の範囲内で選択することができる。

本発明の有利な実施形態によれば、圧縮機全容積（全てのチャンバー容積の和）は、１０ないし２０ｋＷのパワーを有するヒートポンプ用途に関して、０.２リットルから０.５リットルの範囲で選択することができる。

本発明の有利な実施形態によれば、ガス状流体の作動圧力は４０バールないし１２０バールへと変化し得る。

１ 円筒形ケーシング
４ 二流向流熱交換器
５ 第１の熱交換器
６ 第２の熱交換器
９ ピストン駆動システム
１０ 補助チャンバー
１１ 第１のチャンバー
１２ 第２のチャンバー
１３ 第３のチャンバー
１４ 第４のチャンバー
１９ ロッド
１９ａ 補助ロッド
２１ 第１の交換回路
２２ 第２の交換回路
２９ 搬送路
２９ａ 逆流防止デバイス
３１，３２ エンクロージャ
４１，４２ パイプ
５０ ヒートシンク
５１，５２ パイプ
６０ 熱源
６１，６２ パイプ
７１，７２ ピストン
７４ シャフト
７７ フライホイール
７８ 連結ロッド
７９ 補助ピストン
８１ 取り入れ口
８１ａ バルブ
８２ 取り出し口
８２ａ バルブ
８８ ガスケット
９０ 外部デバイス
９１ 気密壁
９３ ベース
９５ 電気モーター
９８ ハウジング
９９ 取り付け手段

Claims (12)

1. ガス状流体圧縮デバイスであって、
   ・圧縮されるガス状流体のための取り入れ口と、
   ・第１のエンクロージャ（３１）と、
   ・第１のピストン（７１）であって、前記第１のエンクロージャ内で動作可能であるように組み付けられ、かつ、前記第１のエンクロージャ内で第１のチャンバー（１１）および第２のチャンバー（１２）を流体封止様式で区切っている第１のピストン（７１）と、
   ・前記第１のチャンバーに対して接続された圧縮されたガス状流体のための取り出し口であって、前記取り入れ口は前記第１のチャンバーに対して接続されている取り出し口と、
   ・第２のエンクロージャ（３２）と、
   ・第２のピストン（７２）であって、前記第２のエンクロージャ内で動作可能であるように組み付けられ、かつ、前記第２のエンクロージャ内で第３のチャンバー（１３）および第４のチャンバー（１４）を流体封止様式で区切っている第２のピストン（７２）と、
   ・ヒートシンクに対してカロリーを輸送するための第１の熱交換器（５）を有する、前記第１のチャンバーと前記第４のチャンバーとの間での流体の連通を確立する第１の交換回路（２１）と、
   ・熱源からカロリーを輸送するための第２の熱交換器（６）を有する、前記第２のチャンバーと前記第３のチャンバーとの間での流体の連通を確立する第２の交換回路（２２）と、
   ・介在させられた逆流防止デバイスを備えた、前記第１のチャンバーから前記第２のチャンバーへの流体の連通を確立する移送路（２９）と、
   を備え、
   前記第１および第２のピストンは機械的な接続要素（１９）によって接続されており、これによって、前記第１および第２のピストンの前後移動は、前記取り出し口の方向への前記ガス状流体の圧縮をもたらすことを特徴とするガス状流体圧縮デバイス。
2. 前記第１および第２のエンクロージャ（３１，３２）は、主軸線（Ｘ）を有する密閉シリンダー（１）の内部に形成され、前記第１および第２のエンクロージャは軸方向に隣り合って配置されており、かつ、前記機械的な接続要素は前記第１および第２のピストンを堅固に接続するロッド（１９）であり、前記第１および第２のピストンは前記主軸線に沿って移動可能であることを特徴とする請求項１に記載のガス状流体圧縮デバイス。
3. 前記ガス状流体圧縮デバイスはさらに、前記密閉シリンダー（１）の端部でかつ前記主軸線（Ｘ）上に配置された第２のシリンダーを備え、この第２のシリンダーは、
   ・第３のエンクロージャ（３３）と、
   ・前記第３のエンクロージャ内で移動可能に組み付けられかつ前記第３のエンクロージャ内で第５のチャンバー（１５）および第６のチャンバー（１６）を流体封止様式で区切っている第３のピストン（７３）と、
   ・第４のエンクロージャ（３４）と、
   ・前記第４のエンクロージャ内で移動可能に組み付けられかつ前記第４のエンクロージャ内で第７のチャンバー（１７）および第８のチャンバー（１８）を流体封止様式で区切っている第４のピストン（７４）と、
   ・ヒートシンクに対してカロリーを輸送するための第３の熱交換器（５ｂ）を有する、前記第５のチャンバーと前記第８のチャンバーとの間での流体の連通を確立する第３の交換回路（２３）と、
   ・熱源からカロリーを輸送するための第４の熱交換器（６ｂ）を有する、前記第６のチャンバーと前記第７のチャンバーとの間での流体の連通を確立する第４の交換回路（２４）と、
   ・介在させられた逆流防止デバイス（２８ａ）を備えた、前記第５のチャンバー（１５）と前記第６のチャンバー（１６）との間での流体の連通を確立する第２の移送路（２８）と、
   を備え、
   前記第３および第４のピストンは前記ロッド（１９）に対して取り付けられ、かつ、前記第２のチャンバーからの前記取り出し口は前記第５のチャンバーに対して接続されていることを特徴とする請求項２に記載のガス状流体圧縮デバイス。
4. 前記第３および第４のエンクロージャ（３３，３４）の内部断面は、前記第１および第２のエンクロージャ（３１，３２）の内部断面よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載のガス状流体圧縮デバイス。
5. 前記第１の交換回路および前記第２の交換回路（２１，２２）はいずれも、さらに二流向流熱交換器（４）を通過し、これによって、前記第１および第２のピストンが動作するとき、前記ガス状流体は向流流れ内を移動することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のガス状流体圧縮デバイス。
6. 前記第２の熱交換器（６）は取り入れ回路および取り出し回路を備え、これらの回路はいずれも、向流流れを伴う節約熱交換器（７）を通過することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のガス状流体圧縮デバイス。
7. 前記第１のエンクロージャは補助冷却回路（８）によって冷却されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに１項に記載のガス状流体圧縮デバイス。
8. 前記移送路（２９）が、チェックバルブ（２９ｂ）を備えた開口として前記第１のピストン内に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のガス状流体圧縮デバイス。
9. 前記第１および第２のピストンを駆動するための駆動システム（９）をさらに備え、前記駆動システムは、補助チャンバー（１０）と、この補助チャンバー（１０）から前記第１のチャンバー（１１）を気密状態で分離させる補助ピストン（７９）と、フライホイール（７７）と、このフライホイールを前記補助ピストンに対して連結する連結ロッド（７８）と、を備え、前記補助ピストンは機械的に前記第１および第２のピストン（７１，７２）に連結されており、これによって前記第１および第２のピストンの前後移動は前記駆動システムによって自己維持されることが可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のガス状流体圧縮デバイス。
10. 前記フライホイールに接続された電気モーターをさらに備え、前記電気モーターは、自律駆動が初期化されるように、前記フライホイールに対して初期回転動作を付与することを特徴とする請求項９に記載のガス状流体圧縮デバイス。
11. 前記電気モーターは、制御ユニットによって発電機モードで制御されることが可能であり、これによって前記フライホイールを減速させることが可能であり、かつ、前記フライホイールの回転速度を調整することが可能であることを特徴とする請求項１０に記載のガス状流体圧縮デバイス。
12. 熱伝達回路と、請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のガス状流体圧縮デバイスと、を含むことを特徴とする熱システム。

Images