特許 6179006 タイミング弁を有する往復動圧縮機および関連する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6179006

(24)【登録日】2017年7月28日

(45)【発行日】2017年8月16日

(54)【発明の名称】タイミング弁を有する往復動圧縮機および関連する方法

(51)【国際特許分類】

   F04B 49/06 20060101AFI20170807BHJP

   F04B 39/10 20060101ALI20170807BHJP

【ＦＩ】

   F04B49/06 331Z

   F04B39/10 Z

【請求項の数】10

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-547865(P2014-547865)

(86)(22)【出願日】2012年12月13日

(65)【公表番号】特表2015-505001(P2015-505001A)

(43)【公表日】2015年2月16日

(86)【国際出願番号】EP2012075438

(87)【国際公開番号】WO2013092390

(87)【国際公開日】20130627

【審査請求日】2015年12月10日

(31)【優先権主張番号】CO2011A000071

(32)【優先日】2011年12月22日

(33)【優先権主張国】IT

(73)【特許権者】

【識別番号】505347503

【氏名又は名称】ヌオーヴォ ピニォーネ ソシエタ ペル アチオニ

(74)【代理人】

【識別番号】100137545

【弁理士】

【氏名又は名称】荒川 聡志

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】バガーリ，リカルド

(72)【発明者】

【氏名】トグナレッリ，レオナルド

【審査官】 所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭４８−０４５９１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国実用新案第２０１９５３６０５（ＣＮ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｂ ４９／０６

Ｆ０４Ｂ ３９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

吸入弁（１３０、２３０、３３０、４３０）を介してチャンバ（１１０）に流入する流体が内部で圧縮され、圧縮された前記流体が吐出弁（１４０、２４０、３４０、４４０）を介して前記チャンバ（１１０）から排出される、前記チャンバ（１１０）と、
前記チャンバ（１１０）と、タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）が開放されるときの前記チャンバ（１１０）内の圧力よりも低いリリーフ圧の流体量との間に位置する前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）と、
前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）を作動させるように構成されたアクチュエータ（１６０）と、
前記圧縮サイクルの膨張段階中に前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）を開放するため、また、前記吸入弁（１３０、２３０、３３０、４３０）が開放されたときに前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）を閉鎖するために、前記アクチュエータ（１６０）を制御するように構成された制御器（１７０）とを、
備える往復動圧縮機（１００）。

【請求項2】

前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）の流れ面積が、前記吸入弁（１３０、２３０、３３０、４３０）の流れ面積よりも小さい、請求項１に記載の往復動圧縮機（１００）。

【請求項3】

前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）が前記チャンバ（１１０）のヘッド端部（１１５、２１５、３１５）上に位置し、前記ヘッド端部（１１５、２１５、３１５）は前記ピストン（１２０）が沿って移動する方向に対して実質的に垂直である、請求項１または２に記載の往復動圧縮機（１００）。

【請求項4】

前記圧縮サイクルの前記膨張段階中に前記流体が前記チャンバ（１１０）から流出することを可能にするように構成された別のタイミング弁（２５５、４５２）であって、前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）および前記他方のタイミング弁（２５５、４５２）の面積が前記吸入弁（１３０、２３０、３３０、４３０）の面積よりも著しく小さい、前記他方のタイミング弁（２５５、４５２）と、
前記他方のタイミング弁（２５５、４５２）を開放するように構成された別のアクチュエータ（１６０）であって、前記制御器（１７０）が更に、（１）前記他方のチャンバ（１１０）内における前記圧縮サイクルの膨張段階中に前記他方のタイミング弁（２５５、４５２）を開放し、それにより流体が前記他方のチャンバ（１１０）から流出することを可能にするため、また（２）前記他方の吸入弁（１３０、２３０、３３０、４３０）が開放されたときに前記他方のタイミング弁（２５５、４５２）を閉鎖するために、前記他方のアクチュエータ（１６０）を制御するように構成される、前記他方のアクチュエータ（１６０）と、
を更に含む、請求項１〜３のいずれかに記載の往復動圧縮機（１００）。

【請求項5】

前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）および前記他方のタイミング弁（２５５、４５２）の面積が実質的に等しい、
前記制御器（１７０）が、前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）および前記他方のタイミング弁（２５５、４５２）を実質的に同時に開放するために、前記アクチュエータ（１６０）および前記他方のアクチュエータ（１６０）を制御するように構成される、ならびに、
前記吸入弁（１３０、２３０、３３０、４３０）、前記吐出弁（１４０、２４０、３４０、４４０）、前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）、および前記他方のタイミング弁（２５５、４５２）が、前記チャンバ（１１０）のヘッド端部（１１５、２１５、３１５）上に位置し、前記ヘッド端部（１１５、２１５、３１５）は、前記ピストン（１２０）が沿って移動する方向に対して実質的に垂直である、
のうちの少なくとも１つの条件が満たされる、請求項１〜４のいずれかに記載の往復動圧縮機（１００）。

【請求項6】

前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）および前記吸入弁（１３０、２３０、３３０、４３０）が、前記チャンバ（１１０）と、圧縮される流体が前記チャンバ（１１０）に供給される吸入ダクト（１３５）との間に接続される、請求項１〜５のいずれかに記載の往復動圧縮機（１００）。

【請求項7】

前記往復動圧縮機（１００）が、前記ピストン（１２０）により２つのチャンバ（１１０）に分割されたシリンダを有するデュアル往復動圧縮機（１００）であり、前記チャンバ（１１０）および別のチャンバ（１１０）が、別の吸入弁（３３２、４３２）を介して前記他方のチャンバ（１１０）に流入しかつ別の吐出弁（３４２、４４２）を介して前記他方のチャンバ（１１０）から排出される流体の圧力を増大させるように構成され、
前記吸入弁（１３０、２３０、３３０、４３０）、前記他方の吸入弁（３３２、４３２）、前記吐出弁（１４０、２４０、３４０、４４０）、前記他方の吐出弁（３４２、４４２）、および前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）が、前記シリンダのヘッド端部（１１５、２１５、３１５）上に位置し、前記ヘッド端部（１１５、２１５、３１５）は、前記ピストン（１２０）が沿って移動する方向に対して実質的に垂直である、
請求項１〜６のいずれかに記載の往復動圧縮機（１００）。

【請求項8】

前記往復動圧縮機（１００）が、前記ピストン（１２０）により２つのチャンバ（１１０）に分割されたシリンダを有するデュアル往復動圧縮機（１００）であり、前記チャンバ（１１０）および別のチャンバ（１１０）が、別の吸入弁（３３２、４３２）を介して前記他方のチャンバ（１１０）に流入しかつ別の吐出弁（３４２、４４２）を介して前記他方のチャンバ（１１０）から排出される流体の圧力を増大させるように構成され、
前記往復動圧縮機（１００）は、前記他方のチャンバ（１１０）内における圧縮サイクルの膨張段階中に前記流体が前記他方のチャンバ（１１０）から流出することを可能にするように構成された別のタイミング弁（２５５、４５２）を更に備え、
（Ａ）前記吸入弁（１３０、２３０、３３０、４３０）、前記他方の吸入弁（３３２、４３２）、前記吐出弁（１４０、２４０、３４０、４４０）、前記他方の吐出弁（３４２、４４２）、前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）、および前記他方のタイミング弁（２５５、４５２）が、前記シリンダのヘッド端部（１１５、２１５、３１５）上またはクランク端部（４１６）上に位置する、または、
（Ｂ）前記吸入弁（１３０、２３０、３３０、４３０）、前記吐出弁（１４０、２４０、３４０、４４０）、および前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）が前記シリンダのヘッド端部（１１５、２１５、３１５）上に位置し、かつ前記他方の吸入弁（３３２、４３２）、前記他方の吐出弁（３４２、４４２）、および前記他方のタイミング弁（２５５、４５２）が前記シリンダのクランク端部（４１６）上に位置する、
請求項１〜７のいずれかに記載の往復動圧縮機（１００）。

【請求項9】

往復動圧縮機（１００）の容積効率を向上させる方法であって、
前記往復動圧縮機（１００）のチャンバ（１１０）とリリーフ圧の所定量の流体との間に位置するタイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）を設けるステップと、
吸入弁（１３０、２３０、３３０、４３０）が閉鎖され且つ前記チャンバ（１１０）内部で行われる圧縮サイクルの膨張段階中に開放されるように前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）を制御するステップであって、前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）の流れ面積が前記往復動圧縮機（１００）の吸入弁（１３０、２３０、３３０、４３０）の流れ面積よりも小さい、前記制御するステップと、
を含む方法。

【請求項10】

圧縮サイクルの膨張段階中にチャンバ（１１０）から流体を排出するように圧縮機（１００）を改良する方法であって、
前記チャンバ（１１０）とリリーフ圧の所定量の流体との間に位置するタイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）を設けるステップと、
前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）を作動させるように構成されたアクチュエータ（１６０）を取り付けるステップと、
制御器（１７０）を前記アクチュエータ（１６０）に接続するステップであって、前記制御器（１７０）は、吸入弁（１３０、２３０、３３０、４３０）が閉鎖され且つ前記圧縮サイクルの前記膨張段階中に前記タイミング弁（１５０、２５０、３５０、４５０）を開放するために前記アクチュエータ（１６０）を制御するように構成される、前記接続するステップと、
を含む方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書に開示する主題の実施形態は、概して、石油およびガス産業で使用される往復動圧縮機に関し、より詳細には、圧縮サイクルの膨張段階中に開放するように作動させるタイミング弁を使用することにより、吸入容積を増大させ、隙間容積の影響を緩和することに関する。

【背景技術】

【0002】

石油およびガス産業で使用される圧縮機は、例えば、圧縮流体がしばしば腐食性でかつ可燃性であることを考慮した産業特有の要件を満たさなければならない。米国石油協会（ＡＰＩ）（すなわち、石油およびガス産業で使用される設備に関する公認工業規格を設定する組織）は、往復動圧縮機に関する最低限の要件の一式をリスト化したＡＰＩ６１８文書を発行している。

【0003】

圧縮機は、容積式圧縮機（例えば、往復動圧縮機、スクリュー圧縮機、もしくはベーン型圧縮機）または動圧縮機（例えば、遠心圧縮機もしくは軸流圧縮機）に分類することができる。容積式圧縮機において、圧縮は、ガスを捕捉し、次いで捕捉したガスの体積を縮小することにより達成される。動圧縮機において、圧縮は、圧縮機内部の所定の位置で（回転要素などの）運動エネルギーを圧力エネルギーに変換することにより達成される。

【0004】

図１は、石油およびガス産業で使用される従来のデュアルチャンバ往復動圧縮機１０を示したものである。単一チャンバの往復動圧縮機は、それほど頻繁に使用されないが、デュアルチャンバの往復動圧縮機と同様の圧縮サイクルに従って動作する。

【0005】

デュアルチャンバ往復動圧縮機１０では、流体圧縮がシリンダ２０内で生じる。圧縮される流体（例えば、天然ガス）は、入口３０を介してかつ弁３２および３４を通して、シリンダ２０内に投入され、圧縮後には、弁４２および４４、したがって出口４０を介して送り出される。圧縮は、シリンダ２０の長手方向軸線に沿ってヘッド端部２６とクランク端部２８との間をピストン５０が移動することにより流体が圧縮される周期的なプロセスである。実際に、ピストン５０は、シリンダ２０を圧縮サイクルの異なる段階で動作する２つのチャンバ２２および２４に分割し、チャンバ２２の容積は、チャンバ２４の容積が最大値であるときに最小値となり、その逆も成立する。

【0006】

吸入弁３２および３４は、異なる時間に開放して、圧縮されることになる流体が入口３０からそれぞれチャンバ２２および２４に流入することを可能にする。吐出弁４２および４４は、開放して、圧縮された流体が出口４０を介してそれぞれチャンバ２２および２４から送り出されることを可能にする。ピストン５０は、クロスヘッド７０およびピストンロッド８０を介してクランクシャフト６０から伝達されるエネルギーにより移動する。従来、往復動圧縮機で使用される吸入弁および吐出弁（例えば、３２、３４、４２、および４４）は、弁の前後差圧により閉状態と開状態とに切り替わる自動弁であった。

【0007】

（圧力対容積の変化を追跡することにより、図２にグラフで示す）理想的な圧縮サイクルは、少なくとも４つの段階：膨張、吸入、圧縮、および吐出を含む。圧縮サイクルの終了時に圧縮された流体がチャンバから排出されるときに、送出圧力Ｐ₁の少量の流体が隙間容積Ｖ₁（すなわち、チャンバの最小容積）内に捕捉されたままとなる。圧縮サイクルの膨張段階１および吸入段階２中に、ピストンは、チャンバの容積を増大させるように移動する。膨張段階１の開始時には、送出弁が閉鎖し（吸入弁は閉鎖したままである）、次いで、流体にとって利用できるチャンバの容積が増大するので、捕捉した流体の圧力が低下する。圧縮サイクルの吸入段階は、圧縮チャンバ内部の圧力が、吸入弁を容積Ｖ₂で開放するように動作させる吸入圧力Ｐ₂と等しくなったときに開始する。吸入段階２中、チャンバの最大容積Ｖ₃に達するまで、チャンバ容積および（吸入圧力Ｐ₂で）圧縮される流体の量が増大する。

【0008】

圧縮サイクルの圧縮段階および吐出段階中に、ピストンは、膨張段階および吸入段階中の運動方向とは反対方向に移動し、チャンバの容積を減少させる。圧縮段階３中に、吸入弁と送出弁の両方が閉鎖され（つまり、流体がシリンダに流入またはシリンダから流出しない）、チャンバの容積がＶ₄まで減少するため、チャンバ内の流体の圧力が（吸入圧力Ｐ₂から送出圧力Ｐ₁まで）増大する。圧縮サイクルの送出段階４は、チャンバ内部の圧力が、送出弁を開放するように動作させる送出圧力Ｐ₁と等しくなったときに開始する。送出段階４中、チャンバの最小（隙間）容積Ｖ₁に達するまで、送出圧力Ｐ₁の流体がチャンバから排出される。

【0009】

圧縮機の効率の１つの尺度は容積効率であり、この容積効率は、吸入段階中に往復動圧縮機のピストンにより掃引されるチャンバの容積Ｖ₃−Ｖ₂と圧縮サイクル中にピストンにより掃引される全容積Ｖ₃−Ｖ₁との比率である。圧縮機の目的はできるだけ多くの圧縮された流体を送出することと考えることができる。容積効率が大きければ大きいほど、各圧縮サイクルでより多くの流体が圧縮される。往復動圧縮機における非効率性の１つの重要な原因は隙間容積によるものであり、この隙間容積は、送出段階中にチャンバから送出されない圧縮ガスの容積である。

【0010】

吸入弁が早期に開放する場合、ガスの膨張によりチャンバ内部の圧力が吸入圧力Ｐ₂まで低下する前に、チャンバ内に残っている圧縮空気の一部がチャンバから流出する。しかしながら、吸入弁を開放するために必要な力は、弁の面積および吸入弁の前後の圧力差（すなわち、チャンバ内部の圧力と吸入圧力との圧力差）に比例して大きくなる。このような大きな力を得るには、おそらく作動時間も短い大型のアクチュエータが必要となるであろう。実用レベルでは、吸入弁を早期に開放することは、現在実行可能ではない。

【0011】

よって、吸入弁の早期の開放と同様の効果を有する、石油およびガス産業用の往復動圧縮機に使用可能な方法および装置を提供することが望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】中国実用新案第２０１９５３６０５号明細書

【発明の概要】

【0013】

実施形態のいくつかは、石油およびガス産業で使用される往復動圧縮機におけるチャンバの膨張段階中に開放されるタイミング弁に関する。タイミング弁の存在および動作により、吸入容積（したがって容積効率）の増大がもたらされ、隙間容積の影響が緩和される。

【0014】

例示的な一実施形態によれば、往復動圧縮機は、チャンバと、タイミング弁と、アクチュエータと、制御器とを有する。吸入弁を介してチャンバに流入する流体はチャンバ内部で圧縮され、圧縮された流体は、吐出弁を介してチャンバから排出される。タイミング弁は、チャンバと、タイミング弁が開放されるときのチャンバ内の圧力よりも低いリリーフ圧の流体量との間に位置する。アクチュエータは、タイミング弁を作動させるように構成される。制御器は、圧縮サイクルの膨張段階中にタイミング弁を開放するため、また、リリーフ圧がチャンバ内の圧力と等しくなったときまたは吸入弁が開放されたときにタイミング弁を閉鎖するために、アクチュエータを制御するように構成される。

【0015】

別の例示的な実施形態によれば、往復動圧縮機の容積効率を向上させる方法が提供される。方法は、往復動圧縮機のチャンバとリリーフ圧の所定量の流体との間に位置するタイミング弁を設けるステップと、リリーフ圧がチャンバ内部の圧力よりも小さい間に、圧縮サイクルの膨張段階中に開放されるようにタイミング弁を制御するステップとを含む。タイミング弁の流れ面積は、往復動圧縮機の吸入弁の流れ面積よりも小さい。

【0016】

別の例示的な実施形態によれば、圧縮サイクルの膨張段階中にチャンバから流体を排出するように圧縮機を改良する方法が提供される。方法は、（１）チャンバとリリーフ圧の所定量の流体との間に位置するタイミング弁を設けるステップと、（２）タイミング弁を作動させるように構成されたアクチュエータを取り付けるステップと、（３）制御器をアクチュエータに接続するステップとを含む。制御器は、チャンバ内の圧力がリリーフ圧よりも大きい間に、圧縮サイクルの膨張段階中にタイミング弁を開放するためにアクチュエータを制御するように構成される。

【0017】

本明細書に組み込まれかつその一部を構成する添付図面は、１つまたは複数の実施形態を例示し、明細書の記述と共にこれらの実施形態を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】従来のデュアルチャンバ往復動圧縮機の概略図である。

【図2】理想的な圧縮サイクルを示す圧力対容積のグラフである。

【図3】例示的な実施形態による、往復動圧縮機の概略図である。

【図4】例示的な実施形態による、タイミング弁の効果を示す圧力対容積のグラフである。

【図5】例示的な実施形態による、往復動圧縮機のヘッド端部上の弁の配置を示す図である。

【図6】例示的な実施形態による、デュアルチャンバ往復動圧縮機のヘッド端部上の弁の配置を示す図である。

【図7】例示的な実施形態による、デュアルチャンバ往復動圧縮機のクランク端部上の弁の配置を示す図である。

【図8】例示的な実施形態による、往復動圧縮機の容積効率を向上させる方法のフローチャートである。

【図9】別の例示的な実施形態による、圧縮サイクルの膨張段階中にチャンバから流体を排出するように往復動圧縮機を改良する方法のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

例示的な実施形態の以下の説明では、添付図面を参照する。異なる図面における同一の参照符号は、同一または類似の要素を示す。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により定義される。以下の実施形態では、簡潔にするために、石油およびガス産業で使用される往復動圧縮機の用語および構造に関して考察する。しかしながら、次に考察する実施形態は、この設備に限定されるものではなく、他の設備に適用してもよい。

【0020】

本明細書全体を通して、「一実施形態」または「実施形態」という場合、実施形態に関連して記載する特定の特徴、構造、または特性が、開示された主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な箇所で「一実施形態において」または「実施形態において」という表現が見られるが、必ずしも同一の実施形態について言及しているわけではない。更に、具体的な特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態においてあらゆる好適な態様で組み合わせてもよい。

【0021】

下記のいくつかの実施形態では、圧縮サイクルの膨張段階中に開放され、流体が往復動圧縮機のチャンバから流出することを可能にするタイミング弁を使用することにより、往復動圧縮機の容積効率を向上させる。タイミング弁は、チャンバ内の流体の圧力よりも低いリリーフ圧を有する流体量に接続される。

【0022】

図３は、例示的な実施形態による往復動圧縮機１００を示している。往復動圧縮機１００は、単一チャンバ１１０を有する。しかしながら、本発明の概念はまた、デュアルチャンバ往復動圧縮機にも適用可能である。

【0023】

ピストン１２０は、チャンバ１１０内部の流体を圧縮するために往復運動を行う。ピストン１２０は、クランクシャフト１２５から往復運動を受ける。ピストン１２０は、チャンバ１１０のヘッド端部１１５に対して接近離間するように移動する。換言すれば、ヘッド端部１１５は、ピストン１２０が沿って移動する方向に垂直である。

【0024】

圧縮される流体は、吸入ダクト１３５から、吸入弁１３０を介してチャンバ１１０に流入する。流体は、圧縮された後に、吐出弁１４０を介してチャンバ１１０から吐出ダクト１４５に向けて排出される。図示の実施形態において、吸入弁１３０および吐出弁１４０は、チャンバ１１０のヘッド端部１１５上に位置する。

【0025】

タイミング弁１５０は、チャンバ１１０内における圧縮サイクルの膨張段階中に流体がチャンバから流出することを可能にするように構成される。タイミング弁１５０は、アクチュエータ１６０により作動させる。タイミング弁１５０は、チャンバ１１０とチャンバ１１０内の圧力よりも小さいリリーフ圧を有する所定量の流体との間に位置する。図３では、タイミング弁１５０が吸入弁１３５に接続されるが、他の実施形態では、タイミング弁を、タイミング弁１５０が開放される間のチャンバ１１０内の圧力よりも低いリリーフ圧を有する別個の量の流体に異なるように接続してもよい。

【0026】

タイミング弁１５０は作動弁である。タイミング弁を開放するために必要な力は、タイミング弁１５０の両側の圧力差およびタイミング弁１５０の流れ面積に比例する。大きな力を発生させるために、大きな（容量の）アクチュエータが必要である。それゆえ、タイミング弁１５０の流れ面積は、小さな（容量の）アクチュエータ１６０を使用してタイミング弁１５０を開放することができるように、吸入弁１３０の流れ面積よりも小さい（著しく小さい）。

【0027】

制御器１７０は、圧縮サイクルの膨張段階中にタイミング弁１５０を開放するように、アクチュエータ１６０を制御する。アクチュエータがタイミング弁１５０を開放するのに与えなければならない力が小さければ小さいほど、タイミング弁１５０をより早期に開放することができる。制御器１７０は、チャンバ１１０内の圧力がリリーフ圧と等しくなった後、または吸入弁１３０が開放した後にタイミング弁１５０を閉鎖するように、アクチュエータ１６０を制御する。タイミング弁１５０は、圧縮サイクルの吸入段階の終了前に閉鎖しなければならない。図３に示す実施形態では、タイミング弁１５０が吸入ダクト１３５に接続されるので、リリーフ圧は吸入圧力Ｐ₂である。

【0028】

吸入弁１３０は、チャンバ内の圧力が吸入ダクト内の流体の圧力と実質的に等しいときに開放する自動弁であってもよく、この吸入弁は、チャンバと吸入ダクトとの間に位置する。しかしながら、吸入弁は作動弁であってもよく、この吸入弁のアクチュエータ（図示せず）を制御器１７０により制御してもよい。

【0029】

図４の圧力対容積のグラフは、タイミング弁１５０を使用する効果を示している。タイミング弁を使用しない場合、図２に示すように、膨張段階１は、ポリトロープ過程ｐＶⁿ＝一定（ここで、理想的には断熱過程ではｎ＝γ）であり、チャンバ内の圧力が、吸入弁１３０を開放するように動作させる吸入圧力Ｐ₂と等しくなったときに終了する。タイミング弁１５０は、アクチュエータ１６０が発生する力によりチャンバ内の圧力がＰ_A（グラフ上のＡ点）であるときに開放される。タイミング弁１５０の流れ面積が大きいか、または、タイミング弁が開放された後にピストン１２０が移動し続けない（つまり、チャンバ１１０の容積が一定のままである）場合、チャンバ１１０内で等積過程Ａ−Ａ’が起こったであろう。（つまり、グラフ内の縦線として示す一定の容積Ｖ_Aに対して圧力が低下する）。

【0030】

しかしながら、実際には、タイミング弁１５０の流れ面積は小さく、タイミング弁が開放された後にも、ピストン１２０は移動し続ける。チャンバ１１０の容積を増大させるピストン１２０の運動により、また、流体がチャンバ１１０からタイミング弁１５０を通って流出する理由から、チャンバ１１０内部の圧力が低下する。グラフの線Ａ−Ａ”は、タイミング弁１５０の開放後の容積の圧力依存性を表している。線Ａ−Ａ”は、タイミング弁を開放しない膨張に対応する曲線Ａ−（Ｐ₂，Ｖ₂）と等積過程に対応する縦線Ａ−Ａ’との間に位置する。タイミング弁１５０が開放されている間に起こる膨張は、吸入圧力Ｐ₂と等しいチャンバ１１０内部の圧力を（タイミング弁が開放されていないときと比較して）より迅速にもたらす。加えて、タイミング弁を使用する際の膨張の終了時の容積Ｖ’_Aは、タイミング弁を使用しない膨張段階の終了時の容積Ｖ₂よりも小さくなる。Ｖ’_A＜Ｖ₂であるので、（吸入段階中に往復動圧縮機のピストンにより掃引されるチャンバの容積と圧縮サイクル中にピストンにより掃引される全容積との比率である）容積効率が増大する。

【0031】

いくつかの実施形態においては、往復動圧縮機に複数のタイミング弁が使用される。例えば、図５は、単一またはデュアル往復動圧縮機のヘッド端部２１５上のタイミング弁の配置を示している。この配置において、２つのタイミング弁２５０および２５５は、ヘッド端部２１５の中央Ｏに対して実質的に対称に配設される。吸入弁２３０および吐出弁２４０は、ヘッド端部２１５の中央Ｏに対して実質的に対称に配設してもよい。

【0032】

図３に示す往復動圧縮機１００は、単一チャンバを有する往復動圧縮機である。しかしながら、同じ本発明の概念を、ピストンにより２つのチャンバに分割されたシリンダを有するデュアルチャンバ往復動圧縮機に適用してもよい。タイミング弁をデュアルチャンバ往復動圧縮機の一方または両方のチャンバに設けてもよい。２つの吸入弁３３０および３３２、２つの吐出弁３４０および３４２、ならびにタイミング弁３５０をすべて、図６に示すように、デュアルチャンバ往復動圧縮機のヘッド端部３１５上に配設してもよい。

【0033】

弁はデュアルチャンバ往復動圧縮機のヘッド端部上および／またはクランク端部上に配設してもよい。２つの吸入弁４３０および４３２、２つの吐出弁４４０および４４２、２つのタイミング弁４５０および４５２を、図７に示すように、デュアルチャンバ往復動圧縮機のクランク端部４１６上に配設してもよい。デュアルチャンバ往復動圧縮機のヘッド端部およびクランク端部は、ピストンが沿って移動する方向に対して実質的に垂直である。クランク端部４１６は、追加の開口部４１８を有し、この開口部４１８を通して、ピストンが（例えば、ロッドおよびクロスヘッドを介してクランクシャフトから）往復運動を受ける。

【0034】

しかしながら、更に別の実施形態において、（１）一方のチャンバの吸入弁、吐出弁、およびタイミング弁は、デュアル往復動圧縮機のシリンダのヘッド端部上に位置してもよく、（２）他方のチャンバの吸入弁、吐出弁、およびタイミング弁は、シリンダのクランク端部上に位置してもよい。

【0035】

図８には、往復動圧縮機の容積効率を向上させる方法５００のフロー図が示されている。方法５００は、Ｓ５１０にて、往復動圧縮機のチャンバとリリーフ圧の所定量の流体との間に位置するタイミング弁を設けるステップを含む。更に、方法５００は、Ｓ５２０にて、リリーフ圧がチャンバ内部の圧力よりも小さい間に、チャンバ内部で行われる圧縮サイクルの膨張段階中に開放されるようにタイミング弁を制御するステップを含む。タイミング弁の流れ面積は、往復動圧縮機の吸入弁の流れ面積よりも小さい。

【0036】

既存の往復動圧縮機を、それらの容積効率を向上させるために改良してもよい。図９には、圧縮サイクルの膨張段階中にチャンバから流体を排出するように往復動圧縮機を改良する方法６００のフロー図が示されている。方法６００は、Ｓ６１０にて、チャンバとリリーフ圧である所定量の流体との間に位置するタイミング弁をチャンバに設けるステップを含む。方法６００は、Ｓ６２０にて、タイミング弁を作動させるように構成されたアクチュエータを取り付けるステップと、Ｓ６３０にて、制御器をアクチュエータに接続するステップとを更に含む。制御器は、チャンバ内の圧力がリリーフ圧よりも大きい間に、圧縮サイクルの膨張段階中にタイミング弁を開放するためにアクチュエータを制御するように構成される。タイミング弁は、往復動圧縮機の吸入弁も接続される吸入ダクトに接続されてもよい。タイミング弁の流れ面積は、チャンバの吸入弁の流れ面積よりも実質的に小さくてもよい。

【0037】

開示された例示的な実施形態は、圧縮サイクルの膨張段階中に開放するように作動させるタイミング弁を使用することにより、吸入容積（したがって容積効率）を増大させ、隙間容積の影響を緩和するために、往復動圧縮機で使用される方法および装置を提供する。この説明は本発明を限定することを意図するものではないことを理解するべきである。逆に、例示的な実施形態は、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の精神および範囲に含まれる、代替物、修正および均等物を包含するように意図されている。更に、例示的な実施形態の詳細な説明では、請求項に記載した本発明が包括的に理解されるように、数多くの特定の詳細事項を記載している。しかしながら、当業者であれば、そのような特定の詳細事項なしに種々の実施形態を実施できることを理解するであろう。

【0038】

本発明の例示的な実施形態の特徴および要素を、特定の組み合わせで実施形態において説明したが、各特徴または要素は、実施形態の他の特徴および要素を伴わず単独で、あるいは本明細書に開示の他の特徴および要素の有無に関わりなく種々の組み合わせで用いることができる。

【0039】

本明細書は、開示された主題の例を用いて、任意の装置またはシステムの製造および使用、ならびに任意の包含される方法の実施を含めて、当業者が開示された主題を実施できるようにする。主題の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が想到する他の実施例を含み得る。そのような他の例が、特許請求の範囲の範囲内にあるように意図されている。

【符号の説明】

【0040】

１ 膨張段階
２ 吸入段階
３ 圧縮段階
４ 送出段階
１０ デュアルチャンバ往復動圧縮機
２０ シリンダ
２２ チャンバ
２４ チャンバ
２６ ヘッド端部
２８ クランク端部
３０ 入口
３２ 吸入弁
４０ 出口
４２ 吐出弁
５０ ピストン
６０ クランクシャフト
７０ クロスヘッド
８０ ピストンロッド
１００ 往復動圧縮機
１１０ チャンバ
１１５ ヘッド端部
１２０ ピストン
１２５ クランクシャフト
１３０ 吸入弁
１３５ 吸入ダクト
１４０ 吐出弁
１４５ 吐出ダクト
１５０ タイミング弁
１６０ アクチュエータ
１７０ 制御器
２１５ ヘッド端部
２３０ 吸入弁
２４０ 吐出弁
２５０ タイミング弁
３１５ ヘッド端部
３３０ 吸入弁
３４０ 吐出弁
３５０ タイミング弁
４１６ クランク端部
４１８ 開口部
４３０ 吸入弁
４４０ 吐出弁
４５０ タイミング弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】