特開 2024-114401 圧縮機ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024114401

(43)【公開日】2024-08-23

(54)【発明の名称】圧縮機ユニット

(51)【国際特許分類】

   F04B 49/22 20060101AFI20240816BHJP

   F17C 13/00 20060101ALI20240816BHJP

【ＦＩ】

F04B49/22

F17C13/00 302A

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023020152

(22)【出願日】2023-02-13

(71)【出願人】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100137143

【弁理士】

【氏名又は名称】玉串 幸久

(72)【発明者】

【氏名】名倉 見治

(72)【発明者】

【氏名】久保 賢司

(72)【発明者】

【氏名】瀬山 勝広

(72)【発明者】

【氏名】手塚 智志

【テーマコード（参考）】

3E172

3H145

【Ｆターム（参考）】

3E172AA03

3E172AA06

3E172AB01

3E172AB04

3E172BA06

3E172BB12

3E172BB17

3E172EB02

3E172EB08

3E172EB20

3E172HA08

3E172JA08

3H145AA02

3H145AA15

3H145AA25

3H145AA31

3H145BA02

3H145BA19

3H145CA02

3H145CA03

3H145CA19

3H145DA13

3H145DA16

3H145DA19

3H145DA47

3H145EA13

3H145EA16

3H145EA26

3H145EA38

3H145EA42

3H145EA44

(57)【要約】

【課題】極低温である液化水素のボイルオフガスからレシプロ式の圧縮機ユニットを適切に保護する。
【解決手段】圧縮機ユニット１０は、第１スピルバック弁１８ｂと、後続圧縮ステージ１４による水素ガスの処理量を調整する調整手段４１と、上流側温度センサ４５と、制御部５０と、を備える。制御部５０は、上流側温度センサ４５によって取得された吸込温度を参照し、吸込温度が予め定められた温度範囲内になるように、第１スピルバック弁１８ｂを制御する第１制御と、前記第１制御により生じた中間流路２２における圧力の変化量に応じて後続圧縮ステージ１４の処理量が調整されるように調整手段４１を制御する第２制御と、を実行可能である。前記予め定められた温度範囲は、空気の液化温度に基づく基準温度よりも高く、かつ、０℃未満の範囲で設定される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体水素貯槽からボイルオフガスである水素ガスを回収し、その少なくとも一部をエンジン、発電設備又はボイラの少なくとも一つを含む需要先に供給するレシプロ式の圧縮機ユニットであって、
水素ガスを圧縮する第１圧縮ステージと、
前記第１圧縮ステージから吐出された水素ガスをさらに圧縮する１又は２以上の後続圧縮ステージと、
前記第１圧縮ステージおよび前記後続圧縮ステージを駆動するクランク機構と、
前記第１圧縮ステージから吐出された後の水素ガスを吸込流路に戻す第１スピルバック流路、および、前記第１スピルバック流路においてスピルバック量を調整する第１スピルバック弁を含む第１スピルバック部と、
前記後続圧縮ステージによる水素ガスの処理量を調整する調整手段と、
前記第１圧縮ステージと前記後続圧縮ステージとの間の中間流路に配置される圧力センサと、
前記吸込流路において、前記第１スピルバック流路の接続部と前記第１圧縮ステージとの間に配置される上流側温度センサと、
前記第１スピルバック弁および前記調整手段をそれぞれ制御する制御部と、
を備え、
前記第１圧縮ステージおよび前記後続圧縮ステージはそれぞれ、
シリンダ部と、
ピストンと、
前記ピストンを前記クランク機構に接続するピストンロッドと、
前記ピストンロッドと前記シリンダ部との間をシールするロッドパッキンと、
を備え、
前記第１圧縮ステージは、空冷式かつ無給油式であり、
前記後続圧縮ステージの少なくとも一部は、ロッドパッキンから前記吸込流路へとリークガスを戻すリークガス排出部を有し、
前記制御部は、
前記上流側温度センサによって取得された吸込温度を参照し、前記吸込温度が予め定められた温度範囲内になるように、前記第１スピルバック弁を制御する第１制御と、
前記第１制御により生じた前記中間流路における圧力の変化量に応じて前記後続圧縮ステージの処理量が調整されるように前記調整手段を制御する第２制御と、
を実行可能であり、
前記予め定められた温度範囲は、空気の液化温度に基づく基準温度よりも高く、かつ、０℃未満の範囲で設定されている、圧縮機ユニット。

【請求項2】

前記中間流路に配置される下流側温度センサと、
前記後続圧縮ステージよりも吐出側の吐出流路に設けられた分岐点から分岐して、前記需要先で要求される水素ガスの圧力よりも低い水素ガスを処理できる低圧需要先に水素ガスを排出可能な低圧ガス排出路と、
前記低圧ガス排出路または前記分岐点に設けられる切替手段と、
前記分岐点よりも下流側に位置する逆止弁と、
を備え、
前記制御部は、
起動時であって前記下流側温度センサの検出温度が０℃より高い所定の第１温度Ｔ１よりも高い場合に、前記後続圧縮ステージから吐出された水素ガスを前記低圧ガス排出路に流通させる第１切替状態になるように前記切替手段を制御し、
前記下流側温度センサの検出温度が前記第１温度Ｔ１未満になった場合に、前記後続圧縮ステージから吐出された水素ガスを前記需要先に向けて前記吐出流路に送る第２切替状態になるように前記切替手段を制御し、
前記切替手段が前記第２切替状態にあることを条件として、前記第１制御と前記第２制御とを実行する、請求項１に記載の圧縮機ユニット。

【請求項3】

前記中間流路に配置される下流側温度センサと、
前記第１圧縮ステージと前記後続圧縮ステージとの間に設けられるクーラ部と、
前記クーラ部に水素ガスを流入させる経路と、前記クーラ部を経由させないで前記後続圧縮ステージに水素ガスを流入させる経路と、を切り替え可能なクーラ切替手段と、
をさらに備え、
前記制御部は、
起動時であって前記下流側温度センサの検出温度が０℃より高い所定の第１温度Ｔ１よりも高い場合に、前記第１圧縮ステージから吐出された水素ガスが前記クーラ部に流通して冷却される第１切替状態になるように前記クーラ切替手段を制御し、
前記下流側温度センサの検出温度が前記第１温度Ｔ１未満になった場合に、前記第１圧縮ステージから吐出された水素ガスが前記クーラ部を経由せずに前記後続圧縮ステージに送られる第２切替状態になるように前記クーラ切替手段を制御し、
前記クーラ切替手段が前記第２切替状態にあることを条件として、前記第１制御と前記第２制御とを実行する、請求項１に記載の圧縮機ユニット。

【請求項4】

前記調整手段が、
少なくとも１つの後続圧縮ステージにおいて、
当該後続圧縮ステージの吐出側を流れる水素ガスを当該後続圧縮ステージの吸込側に戻す第２スピルバック流路、および、前記第２スピルバック流路においてスピルバック量を調整する第２スピルバック弁を含む第２スピルバック部と、
当該後続圧縮ステージのシリンダ部に装着された吸込弁アンローダと、
を備え、
前記第２制御において、前記制御部は、前記第１制御により生じた前記中間流路における圧力の変化量に応じて前記第２スピルバック弁を制御し、前記第２スピルバック弁の開度があらかじめ設定された値に達したときには前記吸込弁アンローダの駆動を併用させることにより前記シリンダ部の処理量を低減させ、それによって前記第２スピルバック部を通して当該後続圧縮ステージの吸込側へ戻す量を削減させる、請求項１ないし３のいずれかに記載の圧縮機ユニット。

【請求項5】

前記調整手段が、
少なくとも１つの後続圧縮ステージにおいて、
前記後続圧縮ステージのシリンダ部に装着された吸込弁アンローダと、
前記吸込弁アンローダを開閉させる油圧式又は電気式の駆動装置と、
を有する無段階の容量調整装置を備え、
前記制御部は、前記クランク機構の中のクランク軸の回転運動に連動して前記吸込弁アンローダの動作タイミングが調整されるように前記駆動装置を駆動するものであり、
前記第２制御において、前記制御部は、前記第１制御により生じた前記中間流路における圧力の変化量に応じて前記駆動装置を制御し、前記後続圧縮ステージの処理量を調整する、請求項１ないし３のいずれかに記載の圧縮機ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レシプロ式の圧縮機ユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、環境を考慮して、水素を発電や自動車等の燃料として用いることが考えられており、水素の需要が増大している。また、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液体水素（ＬＨ２）などの低温のボイルオフガス（ＢＯＧ）を圧縮機によって回収してエンジン等の需要先に供給することが行われている。特にＬＨ２から発生したボイルオフガスは非常に低温である。このため、圧縮機がそのままボイルオフガスを吸入する構成を採用すると、極低温に適した材料を選択する必要があったり、熱変形量を考慮した設計条件を採用したり、厳重な断熱処理を実施したりする必要がある等の制約がかかる。例えば、特許文献１には、水素ガスを圧縮するための往復動圧縮機が開示されている。

【0003】

また、特許文献２の図９には、タンデム構造のスクリュー圧縮機ユニットであって、水素ガスを圧縮可能な圧縮機ユニットが開示されている。この圧縮機ユニットには、中間段スピルバック弁と後段スピルバック弁とが設けられている。中間段スピルバック弁は、中間段に配置された圧力センサの検出圧力に基づいて制御され、後段スピルバック弁は、吐出流路に配置された圧力センサの検出圧力に基づいて制御される。

【0004】

また、特許文献３には、液化天然ガスのボイルオフガスを圧縮するための多段圧縮機が開示されている。この多段圧縮機では、低圧段圧縮部と高圧段圧縮部との間にクーラが設けられ、低圧段圧縮機から吐出されたガスの温度が高くなった場合に、クーラが使用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－１７２８７０号公報

【特許文献2】特許第７０８５０７９号公報

【特許文献3】特開平４－１２１７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、特許文献１では次のような問題が指摘されている。「近年、新たなエネルギ源として、水素が注目されている。エネルギ源として水素を利用する場合にも、天然ガスのように、貯蔵および輸送時には、液化した状態とすることが想定されている。しかし、水素は、液化温度が空気の液化温度よりも低いという特性を有する。そのため、天然ガス等を対象とした往復動圧縮機といった設備をそのまま水素に適用すると、極低温の液体水素に起因する不具合が生じる可能性がある。例えば、液体水素が供給される装置の周辺に液化空気を生じさせてしまう。」

【0007】

これに対して、特許文献１では「この往復動圧縮機は、ガスを圧縮する圧縮部が容器部に収容されている。そして、この容器部は、圧縮部の周囲に真空領域を形成する。そうすると、圧縮部は、真空領域によって外部領域から熱的に絶縁される。つまり、圧縮部に極低温のガスが提供された場合にも、往復動圧縮機の周辺領域を過度に冷却することがない。従って、液化空気の発生を抑制できる。」と説明されている。

【0008】

しかしながら、一般的に、運転中の振動を伴う動機械や、点検開口部を通して定期的なメンテナンスを必要とする設備（例えば往復動圧縮機など）等では高性能な断熱が非常に難しい。このため、特許文献１に開示された技術では、レシプロ式の圧縮機ユニットを適切に保護することが難しい。

【0009】

そこで、本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、極低温である液化水素のボイルオフガスからレシプロ式の圧縮機ユニットを適切に保護することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係る圧縮機ユニットは、液体水素貯槽からボイルオフガスである水素ガスを回収し、その少なくとも一部をエンジン、発電設備又はボイラの少なくとも一つを含む需要先に供給するレシプロ式の圧縮機ユニットであって、水素ガスを圧縮する第１圧縮ステージと、前記第１圧縮ステージから吐出された水素ガスをさらに圧縮する１又は２以上の後続圧縮ステージと、前記第１圧縮ステージおよび前記後続圧縮ステージを駆動するクランク機構と、前記第１圧縮ステージから吐出された後の水素ガスを吸込流路に戻す第１スピルバック流路、および、前記第１スピルバック流路においてスピルバック量を調整する第１スピルバック弁を含む第１スピルバック部と、前記後続圧縮ステージによる水素ガスの処理量を調整する調整手段と、前記第１圧縮ステージと前記後続圧縮ステージとの間の中間流路に配置される圧力センサと、前記吸込流路において、前記第１スピルバック流路の接続部と前記第１圧縮ステージとの間に配置される上流側温度センサと、前記第１スピルバック弁および前記調整手段をそれぞれ制御する制御部と、を備える。前記第１圧縮ステージおよび前記後続圧縮ステージはそれぞれ、シリンダ部と、ピストンと、前記ピストンを前記クランク機構に接続するピストンロッドと、前記ピストンロッドと前記シリンダ部との間をシールするロッドパッキンと、を備える。前記第１圧縮ステージは、空冷式かつ無給油式である。前記後続圧縮ステージの少なくとも一部は、ロッドパッキンから前記吸込流路へとリークガスを戻すリークガス排出部を有する。前記制御部は、前記上流側温度センサによって取得された吸込温度を参照し、前記吸込温度が予め定められた温度範囲内になるように、前記第１スピルバック弁を制御する第１制御と、前記第１制御により生じた前記中間流路における圧力の変化量に応じて前記後続圧縮ステージの処理量が調整されるように前記調整手段を制御する第２制御と、を実行可能である。前記予め定められた温度範囲は、空気の液化温度に基づく基準温度よりも高く、かつ、０℃未満の範囲で設定されている。

【0011】

本発明に係る圧縮機ユニットによれば、低温環境下において圧縮機ユニットを保護することができる。より具体的には、第１制御において、第１スピルバック部によって吸込流路に戻される水素ガスの流量を調整することにより、第１圧縮ステージに吸入される前の水素ガスの吸込温度を調整することができる。また、第１圧縮ステージに吸入される水素ガスの温度範囲が空気の液化温度に基づく基準温度よりも高くなるように調整されるため、第１圧縮ステージの吸込部または吸込流路において、支燃性ガスである酸素の液化が発生することを回避できる。また、吸込温度を空気の液化温度に基づく基準温度よりも高く、かつ、０℃未満の範囲で予め設定された温度範囲とすることにより、水素ガスの処理効率の低下を抑制できる。

【0012】

また、第１スピルバック部が第１圧縮ステージのみをバイパスするため、後続圧縮ステージの吐出流路から吸込流路へと水素ガスをスピルバックさせる場合、すなわち最も高圧の水素ガスを吸込流路２１に戻す場合と比べて、圧縮機ユニットの動力の悪化を抑制することができる。

【0013】

また、第１スピルバック部によるスピルバック動作に対応して、調整手段による後続圧縮ステージの処理量が調整されるため、後続圧縮ステージでの過剰な圧縮動作を抑制できる。これにより、圧縮機ユニットの動力を軽減することができる。

【0014】

また、少なくとも第１圧縮ステージが無給油式であるため、油の凍結リスクを回避できる。さらに、後続の圧縮ステージほど圧力が高くなって、水素ガスがリークしやすくなるが、後続圧縮ステージにおいてリークした水素ガスがリークガス排出部により、吸込流路へ回収されるため、圧縮時の製品ガスのロスを低減することができる。

【0015】

前記圧縮機ユニットは、前記中間流路に配置される下流側温度センサと、前記後続圧縮ステージよりも吐出側の吐出流路に設けられた分岐点から分岐して、前記需要先で要求される水素ガスの圧力よりも低い水素ガスを処理できる低圧需要先に水素ガスを排出可能な低圧ガス排出路と、前記低圧ガス排出路または前記分岐点に設けられる切替手段と、前記分岐点よりも下流側に位置する逆止弁と、を備えてもよい。この場合、前記制御部は、起動時であって前記下流側温度センサの検出温度が０℃より高い所定の第１温度Ｔ１よりも高い場合に、前記後続圧縮ステージから吐出された水素ガスを前記低圧ガス排出路に流通させる第１切替状態になるように前記切替手段を制御し、前記下流側温度センサの検出温度が前記第１温度Ｔ１未満になった場合に、前記後続圧縮ステージから吐出された水素ガスを前記需要先に向けて前記吐出流路に送る第２切替状態になるように前記切替手段を制御し、前記切替手段が前記第２切替状態にあることを条件として、前記第１制御と前記第２制御とを実行してもよい。

【0016】

この態様では、起動時に液体水素貯槽側の配管内の水素ガスがプラスの温度領域まで上昇している場合に、後続圧縮ステージから吐出された水素ガスが低圧需要先に送出されるため、後続圧縮ステージにおける水素ガスの過度の温度上昇をより効果的に防止できる。すなわち、レシプロ式の圧縮機ユニットにおいては、水素ガスの供給先によって設定された圧力に応じた圧力の水素ガスが送出されるため、低圧需要先に水素ガスが送出されるように切替手段が制御されることにより、後続圧縮ステージによる吐出ガス圧力が低減される。これにより、後続圧縮ステージをより確実に保護することができる。また、圧縮機ユニットの立ち上げも速やかに行うことができる。また、低温環境下において圧縮機ユニットを保護することができる。

【0017】

前記圧縮機ユニットは、前記中間流路に配置される下流側温度センサと、前記第１圧縮ステージと前記後続圧縮ステージとの間に設けられるクーラ部と、前記クーラ部に水素ガスを流入させる経路と、前記クーラ部を経由させないで前記後続圧縮ステージに水素ガスを流入させる経路と、を切り替え可能なクーラ切替手段と、をさらに備えてもよい。この場合、前記制御部は、起動時であって前記下流側温度センサの検出温度が０℃より高い所定の第１温度Ｔ１よりも高い場合に、前記第１圧縮ステージから吐出された水素ガスが前記クーラ部に流通して冷却される第１切替状態になるように前記クーラ切替手段を制御し、前記下流側温度センサの検出温度が前記第１温度Ｔ１未満になった場合に、前記第１圧縮ステージから吐出された水素ガスが前記クーラ部を経由せずに前記後続圧縮ステージに送られる第２切替状態になるように前記クーラ切替手段を制御し、前記クーラ切替手段が前記第２切替状態にあることを条件として、前記第１制御と前記第２制御とを実行してもよい。

【0018】

この態様では、起動時に液体水素貯槽側の配管内の水素ガスがプラスの温度領域まで上昇している場合に、第１圧縮ステージから吐出された水素ガスをクーラ部により冷却するため、後続圧縮ステージにおける水素ガスの過度の温度上昇を防止できる。すなわち、後続圧縮ステージを保護することができる。また、圧縮機ユニットの立ち上げも速やかに行うことができる。また、低温環境下において圧縮機ユニットを保護することができる。

【0019】

前記調整手段は、少なくとも１つの後続圧縮ステージにおいて、当該後続圧縮ステージの吐出側を流れる水素ガスを当該後続圧縮ステージの吸込側に戻す第２スピルバック流路、および、前記第２スピルバック流路においてスピルバック量を調整する第２スピルバック弁を含む第２スピルバック部と、当該後続圧縮ステージのシリンダ部に装着された吸込弁アンローダと、を備えてもよい。この場合、前記第２制御において、前記制御部は、前記第１制御により生じた前記中間流路における圧力の変化量に応じて前記第２スピルバック弁を制御し、前記第２スピルバック弁の開度があらかじめ設定された値に達したときには前記吸込弁アンローダの駆動を併用させることにより前記シリンダ部の処理量を低減させ、それによって前記第２スピルバック部を通して当該後続圧縮ステージの吸込側へ戻す量を削減させてもよい。

【0020】

この態様では、ガスを圧縮する動力をより一層削減することが可能となる。

【0021】

前記調整手段は、少なくとも１つの後続圧縮ステージにおいて、前記後続圧縮ステージのシリンダ部に装着された吸込弁アンローダと、前記吸込弁アンローダを開閉させる油圧式又は電気式の駆動装置と、を有する無段階の容量調整装置を備えてもよい。この場合、前記制御部は、前記クランク機構の中のクランク軸の回転運動に連動して前記吸込弁アンローダの動作タイミングが調整されるように前記駆動装置を駆動するものでもよい。また、前記第２制御において、前記制御部は、前記第１制御により生じた前記中間流路における圧力の変化量に応じて前記駆動装置を制御し、前記後続圧縮ステージの処理量を調整してもよい。

【0022】

この態様では、吸込弁アンローダの動作のタイミングおよび動作時間がコントロールされて、シリンダ部内の水素ガスの一部が吸入側に戻されるため、後続圧縮ステージでのガス処理量を削減できる。これにより、より一層動力が削減できる。

【発明の効果】

【0023】

以上説明したように、本発明によれば、極低温である液化水素のボイルオフガスからレシプロ式の圧縮機ユニットを適切に保護することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】第１実施形態に係る圧縮機ユニットを概略的に示す図である。

【図2】前記圧縮機ユニットにおける第１圧縮ステージを概略的に示す図である。

【図3】前記圧縮機ユニットにおける後続圧縮ステージを概略的に示す図である。

【図4】前記圧縮機ユニットの運転動作を説明するための図である。

【図5】第１実施形態の変形例に係る圧縮機ユニットを概略的に示す図である。

【図6】第１実施形態の変形例に係る圧縮機ユニットを概略的に示す図である。

【図7】第１実施形態の変形例に係る圧縮機ユニットを概略的に示す図である。

【図8】第２実施形態に係る圧縮機ユニットを概略的に示す図である。

【図9】前記圧縮機ユニットの運転動作を説明するための図である。

【図10】第３実施形態に係る圧縮機ユニットを概略的に示す図である。

【図11】前記圧縮機ユニットの運転動作を説明するための図である。

【図12】第４実施形態に係る圧縮機ユニットを概略的に示す図である。

【図13】前記圧縮機ユニットの運転動作を説明するための図である。

【図14】前記圧縮機ユニットの運転動作を説明するための図である。

【図15】第５実施形態に係る圧縮機ユニットを概略的に示す図である。

【図16】その他の実施形態に係る圧縮機ユニットを概略的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

【0026】

（第１実施形態）
本実施形態に係る圧縮機ユニットは、液体水素貯槽からボイルオフガスである水素ガスを回収し、回収した水素ガスを圧縮して需要先に供給するように構成されている。水素ガスであるボイルオフガスは約－２５３℃である。

【0027】

図１に示すように、圧縮機ユニット１０は、吸込流路２１の水素ガスを圧縮する第１圧縮ステージ１２と、中間流路２２を介して第１圧縮ステージ１２に接続された後続圧縮ステージ１４と、第１圧縮ステージ１２および後続圧縮ステージ１４を駆動するクランク機構１６と、を備えている。

【0028】

第１圧縮ステージ１２は、吸込流路２１を介して液体水素貯槽２３に接続される。したがって、液体水素貯槽２３内で発生した液化ガスのボイルオフガスは吸込流路２１を通して第１圧縮ステージ１２に吸入される。

【0029】

第１圧縮ステージ１２は、レシプロ式の圧縮機構によって構成されている。すなわち、図２に示すように、第１圧縮ステージ１２は、シリンダ部２１１と、シリンダ部２１１内に配置されたピストン２１２と、ピストン２１２に接続されたピストンロッド２１３と、一対の吸込弁２１４と、一対の吐出弁２１５と、を有している。シリンダ部２１１内には、フロントヘッド２１１ａとピストン２１２との間、及び、リアヘッド２１１ｂとピストン２１２との間に圧縮室２１６が形成されている。第１圧縮ステージ１２は、空冷式であり、かつ潤滑油を用いない無給油式の圧縮機構によって構成されている。

【0030】

シリンダ部２１１のリアヘッド２１１ｂには、圧縮室２１６からの水素ガスのリークを防止するためのロッドパッキン２１７が設けられている。ロッドパッキン２１７は、ピストンロッド２１３とシリンダ部２１１との間をシールするように構成されており、ピストンロッド２１３を取り囲むように配置されたパッキンリング２１７ａと、パッキンリング２１７ａを保持するケース２１７ｂと、を有する。

【0031】

ピストン２１２はピストンロッド２１３を介してクランク機構１６に接続される。シリンダ部２１１内でピストン２１２が往復動することにより、圧縮室２１６内で水素ガスが圧縮される。図２では、ダブルアクティング構造の第１圧縮ステージ１２が示されているが、第１圧縮ステージ１２は、フロントヘッド側またはリアヘッド側のみに圧縮室があるシングルアクティング構造が採用されてもよい。

【0032】

なお、図１では便宜上第１圧縮ステージ１２を１つの台形で示しているが、第１圧縮ステージ１２は複数のシリンダ部２１１を有していてもよい。すなわち、第１圧縮ステージ１２は、並列に接続された複数のシリンダ部２１１内においてそれぞれピストン２１２により水素ガスが圧縮されて昇圧される構成とされてもよい。他の実施形態においても同様である。

【0033】

後続圧縮ステージ１４は、第１圧縮ステージから吐出された水素ガスをさらに圧縮するための圧縮機構であり、後続圧縮ステージ１４によって圧縮された水素ガスは吐出流路２４に吐出される。吐出流路２４を流れる水素ガスは、直接的または他の設備を介在させて間接的に需要先２６に送られる。需要先２６としては、発電設備、ボイラ、船舶等のエンジン等が挙げられ、フレア設備、ベント等のガスを大気へ放出する設備が含まれていてもよい。

【0034】

後続圧縮ステージ１４は、図３に示すように、第１圧縮ステージ１２と同様、レシプロ式の圧縮機構によって構成されている。後続圧縮ステージ１４のピストン２１２も、ピストンロッド２１３を介してクランク機構１６に接続されている。後続圧縮ステージ１４は、第１圧縮ステージ１２と同様に構成されているが、後続圧縮ステージ１４においては、ロッドパッキン２１７から吸込流路２１へとリークガスを戻すリークガス排出部２９がさらに設けられている。リークガス排出部２９は、ロッドパッキン２１７と吸込流路２１とを互いに接続するように設けられた管部材によって構成されていてもよい。

【0035】

なお、図１では便宜上後続圧縮ステージ１４を１つの台形で示しているが、後続圧縮ステージ１４は必ずしも１段式である必要はなく、複数の圧縮段の圧縮機構を有していてもよい。すなわち、後続圧縮ステージ１４は、複数のシリンダ部２１１内においてそれぞれピストン２１２により水素ガスが順次圧縮されて昇圧される構成とされてもよい。他の実施形態においても同様である。後続圧縮ステージ１４において、常温の水素ガスを吐出する圧縮段については、無給油式でも潤滑式でもよい。

【0036】

図１に示すように、圧縮機ユニット１０は、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスの一部を吸込流路２１に戻す第１スピルバック部１８を備えている。第１スピルバック部１８は、第１スピルバック流路１８ａと、第１スピルバック流路１８ａに配置された開度調整可能な弁からなる第１スピルバック弁１８ｂと、を有する。第１スピルバック流路１８ａの一端部は、中間流路２２に接続され、他端部は、吸込流路２１に接続されている。つまり、第１スピルバック流路１８ａを流れた水素ガスは、吸込流路２１において、液体水素貯槽２３からの水素ガスと合流する。第１スピルバック弁１８ｂは、第１スピルバック流路１８ａにおいてスピルバック量を調整する。

【0037】

圧縮機ユニット１０は、後続圧縮ステージ１４による水素ガスの処理量を調整する調整手段４１を備えている。調整手段４１は、クランク機構１６の回転数を調整する以外の方法によってガス処理量を調整するものであり、本実施形態では、後続圧縮ステージ１４から需要先２６に向けて送られるガス流量が調整されるように水素ガスの処理量を調整するスピルバック部（第２スピルバック部４３）によって構成されている。

【0038】

第２スピルバック部４３は、第２スピルバック流路４３ａと、第２スピルバック流路４３ａに配置された開度調整可能な弁からなる第２スピルバック弁４３ｂと、を有する。第２スピルバック流路４３ａの一端部は、吐出流路２４に接続され、他端部は、中間流路２２に接続されている。したがって、後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスの一部は中間流路２２に戻される。第２スピルバック弁４３ｂは、第２スピルバック流路４３ａにおいてスピルバック量を調整する。

【0039】

吸込流路２１には、吸込流路２１を流れる水素ガスの温度を検出する温度センサ（上流側温度センサ４５）が設けられている。上流側温度センサ４５は、吸込流路２１において、第１スピルバック流路１８ａの接続部と第１圧縮ステージ１２との間に配置されている。したがって、上流側温度センサ４５は、第１スピルバック流路１８ａを水素ガスが流れるときは、液体水素貯槽２３からの水素ガスに第１スピルバック流路１８ａからの水素ガスが合流した後の水素ガスであって第１圧縮ステージ１２に吸入される水素ガスの温度を取得することができる。

【0040】

中間流路２２には、中間流路２２を流れる水素ガスの圧力を検出する圧力センサ４７が設けられている。圧力センサ４７は、中間流路２２において、第１スピルバック流路１８ａの接続部と後続圧縮ステージ１４との間に位置している。したがって、圧力センサ４７により、第１スピルバック部１８によって圧力が調整された後の水素ガスであって後続圧縮ステージ１４に導入される水素ガスの圧力を検出することができる。

【0041】

圧力センサ４７は検出圧力を示す信号を出力し、上流側温度センサ４５は取得温度（吸込温度ＴＳ２）を示す信号を出力する。圧力センサ４７、上流側温度センサ４５からの信号は、制御部５０に入力される。制御部５０は、圧縮機ユニット１０の各種動作を制御するコンピュータであり、このコンピュータにより実行される制御部５０の機能には、第１制御部５０ａと、第２制御部５０ｂと、が含まれる。第１制御部５０ａは、上流側温度センサ４５によって取得された吸込温度ＴＳ２を参照しつつ第１スピルバック弁１８ｂを制御するように構成された機能部である。第２制御部５０ｂは、圧力センサ４７の検出圧力に基づいて調整手段４１を制御するように構成された機能部である。

【0042】

ここで、本実施形態に係る圧縮機ユニット１０の運転動作について、図４を参照しつつ説明する。

【0043】

クランク機構１６の作動により、第１圧縮ステージ１２及び後続圧縮ステージ１４において、シリンダ部２１１内においてピストン２１２が往復動する。これにより、第１圧縮ステージ１２において、吸込流路２１の水素ガスが第１圧縮ステージ１２に吸い込まれ、また後続圧縮ステージ１４において、中間流路２２の水素ガスが後続圧縮ステージ１４に吸い込まれ、水素ガスの圧縮が行われる（ステップＳＴ１１）。

【0044】

第１圧縮ステージ１２の動作時には、第１圧縮ステージ１２に吸入される水素ガスの温度（吸込温度ＴＳ２）が上流側温度センサ４５によって取得されている（ステップＳＴ１２）。このとき第１制御部５０ａは、吸込温度ＴＳ２を参照しており、吸込温度ＴＳ２が予め定められた温度範囲内（ＴＴＨ１≦ＴＳ２≦ＴＴＨ２）になるように第１スピルバック弁１８ｂを制御する第１制御を実行する（ステップＳＴ１３）。

【0045】

より詳細には、第１制御において、ＴＳ２＜ＴＴＨ１の場合には、中間流路２２のガスの一部が吸込流路２１に戻されるように、または戻す量が増えるように、第２制御部５０ｂが第１スピルバック弁１８ｂを制御する。これにより、吸込温度ＴＳ２が上記温度範囲内とされる。なお、ＴＳ２＞ＴＴＨ２である場合には、中間流路２２のガスの一部を吸込流路２１に戻す動作は行われない、もしくは戻す量が減らされる。

【0046】

ここで、前記予め定められた温度範囲は、空気の液化温度に基づく基準温度よりも高く、かつ、０℃未満の範囲で設定されている。すなわち、前記予め定められた温度範囲の下限値ＴＴＨ１および上限値ＴＴＨ２は、上記基準温度よりも高く、かつ、０℃未満の範囲内に設定される。

【0047】

これにより、第１圧縮ステージ１２に吸入される水素ガスの温度である吸込温度ＴＳ２を適切な範囲に収めることができる。第１圧縮ステージ１２には、液体水素貯槽２３からの水素ガスがそのまま導入されるのではなく、第１圧縮ステージ１２で圧縮された水素ガスが合流して昇温した水素ガスが導入される。このため、第１圧縮ステージ１２が極低温の水素ガスに晒されることを防止できる。しかも、吸込温度ＴＳ２が空気の液化温度に基づく基準温度よりも高くなるように調整されるため、酸素の液化が発生することも防止できる。また、０℃未満の範囲に調整されるため、第１圧縮ステージ１２に吸入される水素ガスの密度が過度に低下することも防止できる。

【0048】

第１制御が行われることにより、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスのうち、後続圧縮ステージ１４に導入される水素ガスの流量が変化するため、後続圧縮ステージ１４の動作中には、後続圧縮ステージ１４に導入される水素ガスの圧力（中間圧力）が圧力センサ４７によって検出されている（ステップＳＴ１４）。

【0049】

このとき第２制御部５０ｂは、第１制御により生じた中間流路２２における圧力（中間圧力）の変化量に応じて後続圧縮ステージ１４の処理量が調整されるように調整手段４１を制御する第２制御を実行する（ステップＳＴ１５）。具体的に、第２制御では、圧力センサ４７による検出圧力が目標値よりも低い場合には、開度が所定値だけ大きくなるように第２スピルバック弁４３ｂを制御し、検出圧力が目標値よりも高い場合には、開度が所定値だけ小さくなるように第２制御部５０ｂが第２スピルバック弁４３ｂを制御する。これにより、後続圧縮ステージ１４の吸込口における圧力が所定範囲内に収まるため、後続圧縮ステージ１４での過剰な圧縮動作を抑制できる。後続圧縮ステージ１４において圧縮された水素ガスは、吐出流路２４を通して需要先に送られる。

【0050】

以上説明したように、本実施形態では、低温環境下において圧縮機ユニット１０を保護することができるため、安定した水素ガスの回収に寄与する。具体的には、第１制御において、第１スピルバック部１８によって吸込流路２１に戻される水素ガスの流量が調整されるため、第１圧縮ステージ１２に吸入される水素ガスの吸込温度ＴＳ２を調整することができる。また、第１圧縮ステージ１２に吸入される水素ガスの温度範囲が空気の液化温度に基づく基準温度よりも高くなるように調整されるため、第１圧縮ステージ１２における吸込部または吸込流路２１において、支燃性ガスである酸素の液化が発生することを回避できる。すなわち、水素ガスの流入部の外表面（水素ガスが供給される装置の周辺）において酸素の液化が発生することを回避できる。また、吸込温度ＴＳ２が空気の液化温度に基づく基準温度よりも高く、かつ、０℃未満の範囲で予め設定された温度範囲に調整されるため、水素ガスの処理効率の低下を抑制できる。

【0051】

また、第１スピルバック部１８が第１圧縮ステージ１２のみをバイパスするため、後続圧縮ステージ１４の吐出流路２４から吸込流路２１へと水素ガスをスピルバックさせる場合、すなわち最も高圧の水素ガスを吸込流路２１に戻す場合と比べて、圧縮機ユニット１０の動力の悪化を抑制することができる。

【0052】

また、少なくとも第１圧縮ステージ１２が無給油式であるため、油の凍結リスクを回避できる。さらに、後続の圧縮ステージほど圧力が高くなって、水素ガスがリークしやすくなるが、後続圧縮ステージ１４においてリークした水素ガスがリークガス排出部２９により、吸込流路２１へ回収されるため、圧縮時の製品ガスのロスを低減することができる。したがって、効率的な水素ガスの回収に寄与する。リークガス排出部２９は第１圧縮ステージ１２にも設けられてよい。

【0053】

なお、図１に示す圧縮機ユニット１０は、後続圧縮ステージ１４が１段の圧縮機構を有しているが、複数の圧縮段の圧縮機構を有してもよいことは上述したとおりである。この場合、例えば、図５に示すように、第２スピルバック部４３が最前段の圧縮機構のみに設けられていてもよく、あるいは、図６に示すように、第２スピルバック流路４３ａが後続圧縮ステージ１４を構成する全ての圧縮機構をバイパスする構成であってもよく、あるいは、図７に示すように、第２スピルバック部４３が後続圧縮ステージ１４の各圧縮機構にそれぞれ設けられていてもよい。圧縮機ユニット１０は、第１圧縮ステージ１２と後続圧縮ステージ１４がピストン棒方向に配列される構成となる、いわゆるタンデム構造とされてもよい。

【0054】

（第２実施形態）
図８に示すように、第２実施形態の圧縮機ユニット１０には、中間流路２２には、中間流路２２を流れる水素ガスの温度を検出する温度センサ（下流側温度センサ４６）が設けられ、低圧需要先５２に水素ガスを排出可能な低圧ガス排出路５３が設けられている点で、第１実施形態と異なっている。尚、ここでは第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0055】

低圧需要先５２としては、需要先２６で要求される水素ガスの圧力よりも低い水素ガスを処理できる設備であれば種々のものが利用されてよい。例えばフレア設備、ベント等のガスを大気へ放出する設備や供給圧力が略大気圧が利用される他の設備でもよい。

【0056】

低圧ガス排出路５３は、吐出流路２４から分岐しており、吐出流路２４において、低圧ガス排出路５３が分岐する分岐点２４ａよりも下流側の部位には、逆止弁５４が設けられている。この逆止弁５４は、水素ガスが分岐点２４ａから需要先２６に流れることを許容する一方で、その逆向きに流れることを阻止するための弁である。したがって、水素ガスが需要先２６から分岐点２４ａに逆流して低圧ガス排出路５３に流入することを防止することができる。

【0057】

圧縮機ユニット１０には、低圧ガス排出路５３における水素ガスの流通状態を切り替えるための切替手段５６が設けられている。切替手段５６は、開閉バルブ５６ａによって構成されるとともに低圧ガス排出路５３に設けられている。切替手段５６は、後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスが低圧ガス排出路５３に流通する状態（第１切替状態）と、後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスが低圧ガス排出路５３に流通しないで吐出流路２４を通して需要先２６に送られる状態（第２切替状態）と、の間で、低圧ガス排出路５３における水素ガスの流通状態を切り替える。第１切替状態では、開閉バルブ５６ａが開かれるため、水素ガスが低圧ガス排出路５３に流通する。その一方で、水素ガスは、需要先２６での水素ガスの圧力は低圧需要先５２での水素ガスの圧力より高いが逆止弁５４の作用により、需要先２６に向けて流れない。第２切替状態では、開閉バルブ５６ａが閉じられるため、水素ガスは低圧ガス排出路５３を流れない。したがって、後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスは、需要先２６に送られる。

【0058】

なお、切替手段５６は、低圧ガス排出路５３に設けられた開閉バルブ５６ａに限られるものではない。例えば、切替手段５６は、図略の三方弁によって構成されるとともに分岐点２４ａに設けられてもよい。この場合、三方弁は、後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスが需要先２６に向けて流れる状態（第２切替状態）、及び、後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスが低圧需要先５２に向けて流れる状態（第１切替状態）の何れかの状態を取り得る。

【0059】

制御部５０の機能には、切替手段５６を制御する切替制御部５０ｃが含まれている。

【0060】

切替制御部５０ｃは、起動時であって下流側温度センサ４６の検出温度ＴＳ１が、０℃より高い温度である所定の第１温度Ｔ１よりも高い場合に、切替手段５６が第１切替状態になるように切替手段５６を制御する。切替手段５６が第１切替状態にある場合には、後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスが低圧ガス排出路５３を流れることが許容されるため、比較的低い圧力の水素ガスが後続圧縮ステージ１４から吐出される。これにより、起動時の後続圧縮ステージ１４において、後続圧縮ステージ１４の吸込ガスの温度が高い場合は、高い圧力まで昇圧することによる過度な吐出温度上昇から圧縮機を保護することができる。

【0061】

また切替制御部５０ｃは、下流側温度センサ４６の検出温度ＴＳ１が第１温度Ｔ１未満になった場合に、切替手段５６が第２切替状態になるように切替手段５６を制御する。切替手段５６が第２切替状態にある場合には、低圧ガス排出路５３には水素ガスは流通しないため、後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスは吐出流路２４を通して需要先２６に向けて流れる。この場合、後続圧縮ステージ１４から吐出される水素ガスの圧力は比較的高くなるが、後続圧縮ステージ１４に導入される水素ガスの温度が高くない場合であるため、後続圧縮ステージ１４での温度が過度に高くなることはない。

【0062】

ここで、本実施形態に係る圧縮機ユニット１０の運転動作について、図９を参照しつつ説明する。

【0063】

圧縮機ユニット１０を起動すると、第１圧縮ステージ１２での水素ガスの圧縮が開始される（ステップＳＴ２１）。圧縮機ユニット１０の起動時においては、液体水素貯槽２３から第１圧縮ステージ１２までの間の配管の温度が常温になっていることがあるため、圧縮機ユニット１０の起動時には、切替手段５６が第１切替状態に切り替えられている。したがって、後続圧縮ステージ１４から吐出される水素ガスは低圧ガス排出路５３を通して低圧需要先５２に送られる（ステップＳＴ２２）。

【0064】

この状態で、下流側温度センサ４６の検出温度ＴＳ１が第１温度Ｔ１未満になったかどうかが判断される（ステップＳＴ２３）。検出温度ＴＳ１が第１温度Ｔ１以上である限り（ステップＳＴ２３においてＮＯ）、ステップＳＴ２３が繰り返し実行され、検出温度ＴＳ１が第１温度Ｔ１未満になると（ステップＳＴ２３においてＹＥＳ）、制御部５０の切替制御部５０ｃは、切替手段５６が第２切替状態になるように切替手段５６を制御する（ステップＳＴ２４）。これにより、後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスが低圧ガス排出路５３に流れる状態（起動運転）が停止され、水素ガスが需要先２６に供給される定常運転となる。

【0065】

定常運転においては、第１圧縮ステージ１２に吸入される水素ガスの温度（吸込温度ＴＳ２）が上流側温度センサ４５によって取得されている（ステップＳＴ１２）。このとき第１制御部５０ａは、吸込温度ＴＳ２を参照し、第１実施形態と同様に、第１スピルバック弁１８ｂを制御する第１制御を実行する（ステップＳＴ１３）。

【0066】

第１制御が行われることにより、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスのうち、後続圧縮ステージ１４に導入される水素ガスの流量が変化するため、後続圧縮ステージ１４に導入される水素ガスの圧力（中間圧力）が圧力センサ４７によって検出されている（ステップＳＴ１４）。このとき第２制御部５０ｂは、第１実施形態と同様に、第１制御により生じた中間流路２２における圧力（中間圧力）の変化量に応じて後続圧縮ステージ１４の処理量が調整されるように調整手段４１を制御する第２制御を実行する（ステップＳＴ１５）。

【0067】

したがって、本実施形態では、起動時において液体水素貯槽２３側の配管内の水素ガスがプラスの温度領域まで上昇している場合に、後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスが低圧需要先５２に送出される。このため、後続圧縮ステージ１４における水素ガスの過度の温度上昇をより効果的に防止できる。すなわち、レシプロ式の圧縮機ユニット１０においては、水素ガスの供給先によって設定された圧力に応じた圧力の水素ガスが送出されるため、低圧需要先５２に水素ガスが送出されるように切替手段５６が制御されることにより、後続圧縮ステージ１４による吐出ガス圧力が低減され高い圧力まで昇圧することによる過度な吐出温度上昇から圧縮機を保護する。これにより、後続圧縮ステージ１４をより確実に保護することができる。また、圧縮機ユニット１０の立ち上げも速やかに行うことができる。また、低温環境下において圧縮機ユニット１０を保護することができる。

【0068】

なお、その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが、第１実施形態の説明を第２実施形態に援用することができる。

【0069】

（第３実施形態）
図１０に示すように、第３実施形態に係る圧縮機ユニット１０には、クーラ部５８と、クーラ切替手段５９と、が設けられている点で第１実施形態と相違する。尚、ここでは第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0070】

クーラ部５８は、第１圧縮ステージ１２と後続圧縮ステージ１４との間に配置されている。すなわち、第３実施形態では、中間流路２２が、その途中部位において、分岐した流路（第１流路２２ａと第２流路２２ｂ）を有しており、クーラ部５８はその一方の流路（第１流路２２ａ）に配置されている。

【0071】

クーラ切替手段５９は、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスがクーラ部５８を経由して後続圧縮ステージ１４に流入する状態（第１切替状態）と、水素ガスがクーラ部５８を経由しないで後続圧縮ステージ１４に流入する状態（第２切替状態）との間で、水素ガスの経路を切り替え可能に構成されている。クーラ切替手段５９は、第１流路２２ａに設けられた第１開閉バルブ５９ａと、第２流路２２ｂに設けられた第２開閉バルブ５９ｂと、を含む。なお、クーラ切替手段５９は、２つの開閉バルブ５９ａ，５９ｂを有する構成に限られない。例えば、クーラ切替手段５９は、第１流路２２ａ及び第２流路２２ｂの接続部に配置された三方弁によって構成されていてもよい。

【0072】

中間流路２２における第１スピルバック流路１８ａの接続部は、第１圧縮ステージ１２と後続圧縮ステージ１４との間であれば、第１流路２２ａ及び第２流路２２ｂとの接続部分よりも上流側でも下流側でもよい。

【0073】

制御部５０の機能には、クーラ切替手段５９を切替制御可能なクーラ制御部５０ｄが含まれている。

【0074】

クーラ制御部５０ｄは、起動時において下流側温度センサ４６の検出温度ＴＳ１が０℃より高い所定の第１温度Ｔ１よりも高い場合に、水素ガスがクーラ部５８に流通するようにクーラ切替手段５９を制御する。すなわち、下流側温度センサ４６の検出温度ＴＳ１が第１温度Ｔ１よりも高い場合には、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスが、後続圧縮ステージ１４に吸入される前にクーラ部５８によって冷却されるように、クーラ切替手段５９が制御される。

【0075】

またクーラ制御部５０ｄは、下流側温度センサ４６の検出温度ＴＳ１が第１温度Ｔ１未満になった場合には、水素ガスがクーラ部５８に流通しないようにクーラ切替手段５９を制御する。

【0076】

ここで、本実施形態に係る圧縮機ユニット１０の運転動作について、図１１を参照しつつ説明する。

【0077】

圧縮機ユニット１０を起動すると、第１圧縮ステージ１２での水素ガスの圧縮が開始される（ステップＳＴ３１）。圧縮機ユニット１０の起動時においては、液体水素貯槽２３から第１圧縮ステージ１２までの間の配管の温度が常温になっていることがあるため、圧縮機ユニット１０の起動時には、クーラ切替手段５９が第１切替状態に切り替えられている。このため、第１圧縮ステージ１２から吐出される水素ガスは、中間流路２２の第１流路２２ａに流れてクーラ部５８において冷却された後、後続圧縮ステージ１４に導入される（ステップＳＴ３２）。

【0078】

この状態で、下流側温度センサ４６の検出温度ＴＳ１が第１温度Ｔ１未満になったかどうかが判断される（ステップＳＴ３３）。検出温度ＴＳ１が第１温度Ｔ１以上である限り（ステップＳＴ３３においてＮＯ）、ステップＳＴ３３が繰り返し実行され、検出温度ＴＳ１が第１温度Ｔ１未満になると（ステップＳＴ３３においてＹＥＳ）、制御部５０のクーラ制御部５０ｄは、クーラ切替手段５９が第２切替状態になるようにクーラ切替手段５９を制御する（ステップＳＴ３４）。これにより、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスがクーラ部５８によって冷却される状態（起動運転）が停止され、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスが、クーラ部５８によって冷却されないで後続圧縮ステージ１４に導入される定常運転となる。

【0079】

定常運転においては、第１圧縮ステージ１２に吸入される水素ガスの温度（吸込温度ＴＳ２）が上流側温度センサ４５によって取得されている（ステップＳＴ１２）。このとき第１制御部５０ａは、第１実施形態と同様に第１制御を実行する（ステップＳＴ１３）。これにより、第１圧縮ステージ１２に吸入される水素ガスの吸込温度ＴＳ２を適切な範囲に収めることができる。

【0080】

第１制御が行われることにより、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスのうち、後続圧縮ステージ１４に導入される水素ガスの流量が変化する。このため、後続圧縮ステージ１４に導入される水素ガスの圧力（中間圧力）が圧力センサ４７によって検出されており（ステップＳＴ１４）、第２制御部５０ｂは、第１実施形態と同様に、調整手段４１を制御する第２制御を実行する（ステップＳＴ１５）。

【0081】

したがって、本実施形態によれば、起動時に液体水素貯槽２３側の配管内の水素ガスがプラスの温度領域まで上昇している場合に、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスをクーラ部５８により冷却するため、後続圧縮ステージ１４における水素ガスの過度の温度上昇を防止できる。したがって、安定した水素ガスの回収に寄与する。すなわち、後続圧縮ステージ１４を保護することができる。また、圧縮機ユニット１０の立ち上げも速やかに行うことができる。また、低温環境下において圧縮機ユニット１０を保護することができる。

【0082】

なお、その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが、第１及び第２実施形態の説明を第３実施形態に援用することができる。

【0083】

（第４実施形態）
図１２に示すように、第４実施形態に係る圧縮機ユニット１０では、調整手段４１が、第２スピルバック部４３とオンオフ式の吸込弁アンローダ６１と駆動装置６２とを備える点において、第１実施形態と異なっている。尚、ここでは第１～第３実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0084】

吸込弁アンローダ６１が駆動装置６２によって駆動されると、吸込弁２１４の弁板が開状態に維持され逆止弁の機能ができない状態がつくられる。なお、アンローダ６１を駆動させない状態でピストン２１２が吸込行程となった場合、圧縮室２１６の圧力が吸込側の通路である中間流路２２の圧力よりも下がるため、吸込弁２１４は開の状態となる。これにより、圧縮室２１６側へガスが導入される。ピストン２１２が圧縮行程となった場合には、圧縮室２１６の圧力が中間流路２２の圧力より上がるため、吸込弁２１４は閉の状態となる。

【0085】

調整手段４１は、少なくとも１つの後続圧縮ステージ１４に設けられ、吸込弁アンローダ６１は、当該後続圧縮ステージ１４の吸込弁２１４に装着されている。吸込弁アンローダは、シリンダ部２１１のフロントヘッド側圧縮室とリアヘッド側圧縮室それぞれに装着されており、それぞれ独立して作動させることができる。両方とも作動しない状態を１００％ロード、いずれか一方を作動した場合を５０％ロードと称する。

【0086】

吸込弁アンローダ６１は、空気または窒素などのガスによる駆動装置６２によって駆動される。吸込弁アンローダ６１は、駆動装置６２によって駆動されることにより、吸込弁２１４（図３参照）を、圧縮室２１６と吸込流路２１との差圧に応じて圧縮室２１６が吸込流路２１に対して開閉される状態にしたり（ロード状態）、圧縮室２１６と吸込流路２１との間を開状態で維持する状態にする（アンロード）。例えば、駆動装置６２に空気または窒素などのガスがかけられていなければ、吸込弁アンローダ６１は、圧縮室２１６と吸込流路２１との差圧に応じて圧縮室２１６が開閉可能な状態になるように吸込弁２１４をフリーな状態とする。一方、駆動装置６２に空気または窒素などのガスがかけられた場合には、本来圧縮室２１６と吸込流路２１との差圧によって圧縮室２１６が閉じられるものを、吸込弁アンローダ６１は、吸込弁２１４を強制的に開の状態に維持する。

【0087】

また、このアンローダの状態を示す信号と、第２スピルバック弁４３ｂの開度信号とは、制御部５０に送出され、制御部５０での制御に利用される。すなわち、制御部５０は、スピルバックするガス量を第２スピルバック弁４３ｂの開度から推定するとともに、第２スピルバック弁４３ｂの開度が予め設定される開度閾値（例えば、略５０％）を超える場合には、制御部５０は、後続圧縮ステージ１４のロードを前記の吸込弁アンローダ６１により５０％へ下げる。これにより、後続圧縮ステージ１４の吐出量が少なくなるため、第２スピルバック部４３でのスピルバック量を少なくすることができる。これにより、吸込弁２１４がフリーな状態にあるときに比べ後続圧縮ステージ１４の動力を削減することが可能となる。

【0088】

図１３に示すように、制御部５０の第１制御部５０ａは、吸込温度ＴＳ２を参照しており、吸込温度ＴＳ２が予め定められた温度範囲内になるように第１スピルバック弁１８ｂを制御する第１制御を実行する（ステップＳＴ１３）。第１制御が行われることにより、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスのうち、後続圧縮ステージ１４に導入される水素ガスの流量が変化するため、後続圧縮ステージ１４の動作中には、後続圧縮ステージ１４に導入される水素ガスの圧力（中間圧力）が圧力センサ４７によって検出されている（ステップＳＴ１４）。

【0089】

制御部５０の第２制御部５０ｂは、第１制御により生じた中間流路２２における圧力の変化量に応じて第２スピルバック弁４３ｂを制御する（ステップＳＴ１５）。例えば、圧力センサ４７による検出圧力が目標値よりも低い場合には、開度が所定値だけ大きくなるように第２スピルバック弁４３ｂを制御する。そして、第２制御部５０ｂは、第２スピルバック弁４３ｂの開度が予め設定された値に達したときには吸込弁アンローダ６１が併用されるように、駆動装置６２を制御する（ステップＳＴ１６）。

【0090】

具体的には図１４に示すように、制御部５０は、制御部５０に入力される第２スピルバック弁４３ｂの開度と予め設定されている開度閾値ｂ１との比較を行っており、第２スピルバック弁４３ｂの状態（弁の開度）が、開度閾値ｂ１より大きくなった場合（スピルバック量が多い）には（ステップＳＴ４１でＹｅｓ）、ロード量がダウンするように吸込弁アンローダ６１（例えばフロントヘッド側の吸込弁アンローダ）を制御する（ステップＳＴ４２）。これにより後続圧縮ステージ１４のロード量がダウンする（１００％から５０％）。第２スピルバック弁４３ｂの開度が開度閾値ｂ２よりも小さくなった場合は（ステップＳＴ４３でＹｅｓ）、制御部５０は、ロード量がアップするように吸込弁アンローダ６１を制御する（ステップＳＴ４４）。これにより後続圧縮ステージ１４のロード量がアップ（５０％から１００％）する。これによって、スピルバックが過剰な場合において、後続圧縮ステージ１４のロードを下げることにより、動力削減することができる。

【0091】

なお、その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが、第１～第３実施形態の説明を第４実施形態に援用することができる。

【0092】

（第５実施形態）
第４実施形態では、調整手段４１が、第２スピルバック部４３とオンオフ式の吸込弁アンローダ６１と駆動装置６２とを備える。これに対し、第５実施形態に係る圧縮機ユニット１０は、図１５に示すように、調整手段４１が、第２スピルバック部４３を備えておらず、無段階容量調整装置６４ｂを備えている。制御部５０の機能には、無段階容量調整装置６４ｂを制御可能な無段階容量調整制御部５０ｅが含まれている。尚、ここでは第１～第４実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0093】

無段階容量調整装置６４ｂは、吸込弁アンローダ６１ｂと、駆動装置６２ｂと、クランク機構１６におけるクランク軸の回転を検出する検出器６３ｂと、を有する。吸込弁アンローダ６１ｂは、油圧式または電気式の駆動装置６２ｂによって駆動され、吸込弁２１４の弁板の開状態を維持又は解除をピストン２１２が往復にかかる時間よりも高速で実施することできる。また、クランク機構１６に設置された検出器６３ｂから送出される信号により、制御部５０では、ピストン２１２の位置を推定する演算処理が行われている。

【0094】

後続圧縮ステージ１４のシリンダ部２１１には、吸込側の流路である中間流路２２と圧縮室２１６との間に設置された吸込弁２１４は、ガス通路を開閉する弁板とそれを収納する弁体などで構成されている。吸込弁２１４は、逆止弁と同様に、上流の圧力が下流側よりも高い場合に、その差圧で弁板が開状態となり、下流側の圧力の方が高い場合は、ガスが流れない構造である。

【0095】

吸込弁アンローダ６１ｂが駆動装置６２ｂによって駆動されると、吸込弁２１４の弁板が開状態に維持され逆止弁の機能ができない状態がつくられる。なお、アンローダ６１ｂを駆動させない状態でピストン２１２が吸込行程となった場合、圧縮室２１６の圧力が吸込側の通路である中間流路２２の圧力よりも下がるため、吸込弁２１４は開の状態となる。これにより、圧縮室２１６側へガスが導入される。ピストン２１２が圧縮行程となった場合には、圧縮室２１６の圧力が中間流路２２の圧力より上がるため、吸込弁２１４は閉の状態となる。

【0096】

制御部５０の無段階容量調整制御部５０ｅは、クランク機構１６の中のクランク軸の回転運動に連動して吸込弁アンローダ６１ｂの動作タイミングが調整されるように駆動装置６２ｂを駆動する。具体的に、圧縮行程が始まった初期において、無段階容量調整装置６４ｂにより、吸込弁２１４の開状態を維持することにより、圧縮室２１６へ導入されたガスの一部を中間流路２２側へ戻す。そして、圧縮行程の途中から開状態を解除することにより、吸込弁２１４が閉となり、その時に圧縮室２１６に残っているガスが圧縮され、送出される。次のピストン吸込行程時には、再び駆動装置６２ｂを駆動させ、ピストン２１２の圧縮行程が始まってから開状態を解除する。これをピストンの往復運動にあわせて繰り返す。

【0097】

この解除のタイミングを早くすると、送出量が多くなり、遅くすると送出量が少なくなるので、第２スピルバック部４３と同じ機能を果たすことができる。すなわち、第１制御により生じた中間流路２２における圧力の変化量に応じて後続圧縮ステージ１４の処理量を調整するので、動力を削減する効果は大きい。

【0098】

なお、その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが、第１～第４実施形態の説明を第５実施形態に援用することができる。

【0099】

今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。

【0100】

例えば、図１に示す圧縮機ユニット１０は、図１６に示すように、第１圧縮ステージ１２の上流側に先頭圧縮ステージ１５をさらに有していてもよい。この場合、第１スピルバック部１８は、第１圧縮ステージ１２である先頭から２つ目の圧縮ステージの下流側に設けられる。図１６に示す形態であっても、後続圧縮ステージ１４の吐出流路２４から吸込流路２１へと水素ガスをスピルバックさせるよりも、圧縮機ユニット１０の動力の悪化を抑制することができる。なお、先頭圧縮ステージ１５の数は２以上でもよい。他の図においても同様である。

【符号の説明】

【0101】

１０ ：圧縮機ユニット
１２ ：第１圧縮ステージ
１４ ：後続圧縮ステージ
１６ ：クランク機構
１８ ：第１スピルバック部
１８ａ ：第１スピルバック流路
１８ｂ ：第１スピルバック弁
２１ ：吸込流路
２２ ：中間流路
２３ ：液体水素貯槽
２４ ：吐出流路
２４ａ ：分岐点
２６ ：需要先
２９ ：リークガス排出部
４１ ：調整手段
４３ ：第２スピルバック部
４３ａ ：第２スピルバック流路
４３ｂ ：第２スピルバック弁
４５ ：上流側温度センサ
４６ ：下流側温度センサ
４７ ：圧力センサ
５０ ：制御部
５０ｅ ：無段階容量調整制御部
５２ ：低圧需要先
５３ ：低圧ガス排出路
５４ ：逆止弁
５６ ：切替手段
５８ ：クーラ部
５９ ：クーラ切替手段
６１ ：吸込弁アンローダ
６２ ：駆動装置
６４ｂ ：無段階容量調整装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】