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(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】P2024115903
(43)【公開日】2024-08-27
(54)【発明の名称】圧縮機ユニット
(51)【国際特許分類】
F04B 49/02 20060101AFI20240820BHJP
F17C 13/00 20060101ALI20240820BHJP
F04B 39/06 20060101ALI20240820BHJP
【ＦＩ】
F04B49/02 331B
F17C13/00 302A
F04B39/06 A
【審査請求】有
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023021803
(22)【出願日】2023-02-15
(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】前田 雄吾
【テーマコード（参考）】
3E172
3H003
3H145
【Ｆターム（参考）】
3E172AA03
3E172AA06
3E172AB01
3E172BA01
3E172EA03
3E172EB02
3E172EB20
3E172HA02
3E172HA03
3E172HA08
3E172KA03
3E172KA23
3H003AA02
3H003AC04
3H003BE00
3H003CD05
3H003CF01
3H145AA03
3H145AA25
3H145BA03
3H145BA43
3H145CA19
3H145DA01
3H145DA15
3H145EA16
3H145EA34
3H145EA43
(57)【要約】
【課題】水素ガスのボイルオフガスの幅広い温度変化からその構成機器を適切に保護することができるレシプロ式の圧縮機ユニットを提供する。
【解決手段】圧縮機ユニット１０において、制御部５０は、起動時であって中間温度センサ４６によって取得された温度ＴＳ１が閾値Ｔ１以上である場合に、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に流通するように第１切替手段ＣＶ１を第１切替状態とする。検出温度ＴＳ１が閾値Ｔ１未満である場合には、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスがクーラ部５８を経由しないように第１切替手段ＣＶ１を第２切替状態とする。第１切替手段ＣＶ１が第２切替状態である場合に、制御部５０は、吸込温度ＴＳ２が予め定められた温度範囲内になるようにスピルバック弁１８ｂを制御する。前記温度範囲は、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
【解決手段】圧縮機ユニット１０において、制御部５０は、起動時であって中間温度センサ４６によって取得された温度ＴＳ１が閾値Ｔ１以上である場合に、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に流通するように第１切替手段ＣＶ１を第１切替状態とする。検出温度ＴＳ１が閾値Ｔ１未満である場合には、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスがクーラ部５８を経由しないように第１切替手段ＣＶ１を第２切替状態とする。第１切替手段ＣＶ１が第２切替状態である場合に、制御部５０は、吸込温度ＴＳ２が予め定められた温度範囲内になるようにスピルバック弁１８ｂを制御する。前記温度範囲は、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、
吸込流路から吸入した水素ガスを圧縮する複数の圧縮ステージと、
前記複数の圧縮ステージを駆動するクランク機構と、
前記複数の圧縮ステージの間の中間流路に設けられるクーラ部と、
前記クーラ部への水素ガスの流入状態を切り替える第１切替手段と、
前記複数の圧縮ステージの吐出側の吐出流路に吐出された後の水素ガスまたは前記中間流路を流通する水素ガスを前記吸込流路に戻すスピルバック流路、および、前記スピルバック流路においてスピルバック量を調整するスピルバック弁を含むスピルバック部と、
前記中間流路に配置される第１温度センサと、
前記吸込流路において、前記スピルバック流路の接続部と前記複数の圧縮ステージの内の最前段の第１圧縮ステージとの間に配置される第２温度センサと、
前記第１切替手段および前記スピルバック弁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複数の圧縮ステージの内の前記第１圧縮ステージを除く後続圧縮ステージのそれぞれは、
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、
前記制御部は、
起動時であって前記第１温度センサによって取得された温度ＴＳ１が０℃より大きい所定の第１温度閾値Ｔ１以上である場合に、前記第１圧縮ステージから吐出された水素ガスを前記クーラ部に流通させて冷却させる第１切替状態となるように前記第１切替手段を制御し、
前記第１温度センサによって取得された温度ＴＳ１が前記第１温度閾値Ｔ１未満になった場合に、前記クーラ部を経由させずに水素ガスを当該クーラ部が設けられた箇所よりも下流側の圧縮ステージに送る第２切替状態となるように前記第１切替手段を制御し、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記第２温度センサによって取得された吸込温度ＴＳ２を参照し、前記吸込温度ＴＳ２が予め定められた温度範囲内になるように、前記スピルバック弁を制御し、
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、圧縮機ユニット。
吸込流路から吸入した水素ガスを圧縮する複数の圧縮ステージと、
前記複数の圧縮ステージを駆動するクランク機構と、
前記複数の圧縮ステージの間の中間流路に設けられるクーラ部と、
前記クーラ部への水素ガスの流入状態を切り替える第１切替手段と、
前記複数の圧縮ステージの吐出側の吐出流路に吐出された後の水素ガスまたは前記中間流路を流通する水素ガスを前記吸込流路に戻すスピルバック流路、および、前記スピルバック流路においてスピルバック量を調整するスピルバック弁を含むスピルバック部と、
前記中間流路に配置される第１温度センサと、
前記吸込流路において、前記スピルバック流路の接続部と前記複数の圧縮ステージの内の最前段の第１圧縮ステージとの間に配置される第２温度センサと、
前記第１切替手段および前記スピルバック弁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複数の圧縮ステージの内の前記第１圧縮ステージを除く後続圧縮ステージのそれぞれは、
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、
前記制御部は、
起動時であって前記第１温度センサによって取得された温度ＴＳ１が０℃より大きい所定の第１温度閾値Ｔ１以上である場合に、前記第１圧縮ステージから吐出された水素ガスを前記クーラ部に流通させて冷却させる第１切替状態となるように前記第１切替手段を制御し、
前記第１温度センサによって取得された温度ＴＳ１が前記第１温度閾値Ｔ１未満になった場合に、前記クーラ部を経由させずに水素ガスを当該クーラ部が設けられた箇所よりも下流側の圧縮ステージに送る第２切替状態となるように前記第１切替手段を制御し、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記第２温度センサによって取得された吸込温度ＴＳ２を参照し、前記吸込温度ＴＳ２が予め定められた温度範囲内になるように、前記スピルバック弁を制御し、
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、圧縮機ユニット。
【請求項2】
前記第１圧縮ステージに吸入される前の水素ガスと、前記吐出流路に吐出された後の水素ガス、または、前記中間流路を流通する水素ガスとを熱交換可能なプレヒータと、
前記吐出流路における前記プレヒータの下流に配置される第３温度センサと、
前記プレヒータへの水素ガスの流入状態を調整可能な流量調整手段と、
をさらに備え、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、
前記プレヒータによる前記吸込流路の水素ガスの加温を前記スピルバック部による加温に対して優先して行えるように前記プレヒータへの水素ガスの流入量を増加させつつ、前記第３温度センサによって取得された前記プレヒータの下流側の温度ＴＳ３が閾値以下とならないように前記流量調整手段を制御し、
前記吸込温度ＴＳ２が設定値温度以下になる場合には、当該吸込温度ＴＳ２が予め定められた温度範囲内になるように、前記流量調整手段および前記スピルバック弁を制御する、請求項１に記載の圧縮機ユニット。
前記吐出流路における前記プレヒータの下流に配置される第３温度センサと、
前記プレヒータへの水素ガスの流入状態を調整可能な流量調整手段と、
をさらに備え、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、
前記プレヒータによる前記吸込流路の水素ガスの加温を前記スピルバック部による加温に対して優先して行えるように前記プレヒータへの水素ガスの流入量を増加させつつ、前記第３温度センサによって取得された前記プレヒータの下流側の温度ＴＳ３が閾値以下とならないように前記流量調整手段を制御し、
前記吸込温度ＴＳ２が設定値温度以下になる場合には、当該吸込温度ＴＳ２が予め定められた温度範囲内になるように、前記流量調整手段および前記スピルバック弁を制御する、請求項１に記載の圧縮機ユニット。
【請求項3】
前記第１圧縮ステージに吸入される前の水素ガスと、前記中間流路における前記第１圧縮ステージと前記後続圧縮ステージとの間を流通する水素ガスとを熱交換可能なプレヒータと、
前記中間流路における前記プレヒータの下流に配置される第３温度センサと、
をさらに備え、
前記第１切替手段は、前記第１圧縮ステージから吐出された水素ガスを、前記クーラ部への水素ガスの流入状態、前記後続圧縮ステージへの直接的な水素ガスの流入状態、および、前記プレヒータへの水素ガスの流入状態の何れかに切替可能であり、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記スピルバック部による前記吸込流路の水素ガスの加温および前記プレヒータによる加温の併用により前記吸込流路の水素ガスが前記予め定められた温度範囲内となるように、前記スピルバック弁および前記第１切替手段を制御し、
前記第３温度センサによって取得された前記プレヒータの下流側の温度ＴＳ３が閾値未満となった場合に、前記プレヒータへの水素ガスの流入をそれ以上増加させないように前記第１切替手段を制御する、請求項１に記載の圧縮機ユニット。
前記中間流路における前記プレヒータの下流に配置される第３温度センサと、
をさらに備え、
前記第１切替手段は、前記第１圧縮ステージから吐出された水素ガスを、前記クーラ部への水素ガスの流入状態、前記後続圧縮ステージへの直接的な水素ガスの流入状態、および、前記プレヒータへの水素ガスの流入状態の何れかに切替可能であり、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記スピルバック部による前記吸込流路の水素ガスの加温および前記プレヒータによる加温の併用により前記吸込流路の水素ガスが前記予め定められた温度範囲内となるように、前記スピルバック弁および前記第１切替手段を制御し、
前記第３温度センサによって取得された前記プレヒータの下流側の温度ＴＳ３が閾値未満となった場合に、前記プレヒータへの水素ガスの流入をそれ以上増加させないように前記第１切替手段を制御する、請求項１に記載の圧縮機ユニット。
【請求項4】
前記中間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中間段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第３切替手段と、
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、
をさらに備え、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記スピルバック弁の制御と並行して、前記中間段需要先の要求量または前記需要先の要求量の変動分に応じて前記低圧ガス排出路に水素ガスが排出されるように前記第３切替手段を制御しつつ、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、請求項１に記載の圧縮機ユニット。
前記低圧ガス排出路または前記分岐点に設けられる第３切替手段と、
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、
をさらに備え、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記スピルバック弁の制御と並行して、前記中間段需要先の要求量または前記需要先の要求量の変動分に応じて前記低圧ガス排出路に水素ガスが排出されるように前記第３切替手段を制御しつつ、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、請求項１に記載の圧縮機ユニット。
【請求項5】
前記後続圧縮ステージが２以上の圧縮ステージで構成され、
前記中間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中間段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第３切替手段と、
前記後続圧縮ステージを構成する前記２以上の圧縮ステージの内の前記分岐点よりも下流側の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、
をさらに備え、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記スピルバック弁の制御と並行して、前記中間段需要先の要求量または前記需要先の要求量の変動分に応じて前記低圧ガス排出路に水素ガスが排出されるように前記第３切替手段を制御しつつ、前記後続圧縮ステージにおける前記下流側の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、請求項１に記載の圧縮機ユニット。
前記中間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中間段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第３切替手段と、
前記後続圧縮ステージを構成する前記２以上の圧縮ステージの内の前記分岐点よりも下流側の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、
をさらに備え、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記スピルバック弁の制御と並行して、前記中間段需要先の要求量または前記需要先の要求量の変動分に応じて前記低圧ガス排出路に水素ガスが排出されるように前記第３切替手段を制御しつつ、前記後続圧縮ステージにおける前記下流側の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、請求項１に記載の圧縮機ユニット。
【請求項6】
前記調整手段が、
前記スピルバック流路よりも上流側において前記後続圧縮ステージの吸込側に水素ガスを戻す第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スピルバック部を備え、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記中間段需要先の前記要求量または前記需要先の要求量の前記変動分に相当する流量が前記第２スピルバック部によって前記後続圧縮ステージの吸込側に戻されるように前記第２スピルバック弁を制御する、請求項４または５に記載の圧縮機ユニット。
前記スピルバック流路よりも上流側において前記後続圧縮ステージの吸込側に水素ガスを戻す第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スピルバック部を備え、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記中間段需要先の前記要求量または前記需要先の要求量の前記変動分に相当する流量が前記第２スピルバック部によって前記後続圧縮ステージの吸込側に戻されるように前記第２スピルバック弁を制御する、請求項４または５に記載の圧縮機ユニット。
【請求項7】
前記調整手段が、
前記後続圧縮ステージのシリンダ部に装着されたオンオフ式の吸込弁アンローダをさらに備え、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記第２スピルバック弁の開度が、あらかじめ設定されている開度閾値ｂ１より大きくなった場合には、前記吸込弁アンローダが制御されて前記後続圧縮ステージのロード量がダウンされ、前記第２スピルバック弁の開度が開度閾値ｂ２よりも小さくなった場合は、前記吸込弁アンローダが制御されて後続圧縮ステージのロード量がアップされるように制御が実行される、請求項６に記載の圧縮機ユニット。
前記後続圧縮ステージのシリンダ部に装着されたオンオフ式の吸込弁アンローダをさらに備え、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記第２スピルバック弁の開度が、あらかじめ設定されている開度閾値ｂ１より大きくなった場合には、前記吸込弁アンローダが制御されて前記後続圧縮ステージのロード量がダウンされ、前記第２スピルバック弁の開度が開度閾値ｂ２よりも小さくなった場合は、前記吸込弁アンローダが制御されて後続圧縮ステージのロード量がアップされるように制御が実行される、請求項６に記載の圧縮機ユニット。
【請求項8】
前記調整手段が、
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、
クランク軸の回転運動に連動させ前記吸込弁アンローダが動作するタイミングを制御する制御装置からなる無段階の容量調整装置と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記中間段需要先の前記要求量または前記需要先の要求量の前記変動分に相当する流量に応じて、前記シリンダ部内部から吸込側へと吸入された水素ガスが戻されるように前記容量調整装置を制御することにより、前記後続圧縮ステージの処理量を調整する、請求項４または５に記載の圧縮機ユニット。
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、
クランク軸の回転運動に連動させ前記吸込弁アンローダが動作するタイミングを制御する制御装置からなる無段階の容量調整装置と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記中間段需要先の前記要求量または前記需要先の要求量の前記変動分に相当する流量に応じて、前記シリンダ部内部から吸込側へと吸入された水素ガスが戻されるように前記容量調整装置を制御することにより、前記後続圧縮ステージの処理量を調整する、請求項４または５に記載の圧縮機ユニット。
【請求項9】
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、請求項１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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【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２００１－６５７９５号公報
【特許文献4】特開２０１９－２７５９０号公報
【特許文献5】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】
【0004】
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。」
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
特許文献２、３ではスクリュー圧縮機を対象として、プレヒータを利用して吸込みガスの温度を調整する技術が提案されている。また、特許文献４には、レシプロ式の圧縮機が開示されており、圧縮部に吸入される前のボイルオフガスと圧縮部から吐出された後のボイルオフガスとを熱交換させる熱交換器が示されている。しかし、この熱交換器は圧縮部で圧縮された後のボイルオフガスを再液化するためのものであるため、圧縮部の下流に配置されたクーラによって冷却されたボイルオフガスが熱交換器に導入される。
【0008】
一方、特許文献５では次のような問題も指摘されている。「従来、ＬＮＧ低温貯蔵タンク内で蒸発したＢＯＧ（ボイルオフガス）は低温ガス多段圧縮機で圧縮してプラントに供給する場合、ＢＯＧの温度はマイナス百数度から常温と広い範囲で変動しやすく、特に多段圧縮機の起動直後は、吸込側温度が常温近くまで昇温しており、これをそのまま圧縮すると吐出温度が許容温度以上となり運転できない。」
【0009】
液化水素では、ＬＮＧよりも沸点が低いことから特許文献５で開示された問題はより深刻となり得る。液化水素のボイルオフガスを扱うレシプロ圧縮機では、極低温の状態から常温までの幅広い温度帯域に対応させる必要がある。
【0010】
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、液化水素のボイルオフガスを扱うレシプロ式の圧縮機ユニットについて、ボイルオフガスの幅広い温度変化からその構成機器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】
【0011】
本発明の一態様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る。そして、本態様に係る圧縮機ユニットは、複数の圧縮ステージと、クランク機構と、クーラ部と、第１切替手段と、スピルバック部と、第１温度センサと、第２温度センサと、制御部と、を備える。
【0012】
前記複数の圧縮ステージは、吸込流路から吸入した水素ガスを圧縮する。前記クランク機構は、前記複数の圧縮ステージを駆動する。前記クーラ部は、前記複数の圧縮ステージの間の中間流路に設けられる。前記第１切替手段は、前記クーラ部への水素ガスの流入状態を切り替える。前記スピルバック部は、前記複数の圧縮ステージの吐出側の吐出流路に吐出された後の水素ガスまたは前記中間流路を流通する水素ガスを前記吸込流路に戻すスピルバック流路、および、前記スピルバック流路においてスピルバック量を調整するスピルバック弁を含む。前記第１温度センサは、前記中間流路に配置される。前記第２温度センサは、前記吸込流路において、前記スピルバック流路の接続部と前記複数の圧縮ステージの内の最前段の第１圧縮ステージとの間に配置される。前記制御部は、前記第１切替手段および前記スピルバック弁をそれぞれ制御する。
【0013】
本態様に係る圧縮機ユニットにおいて、前記第１圧縮ステージおよび前記複数の圧縮ステージの内の前記第１圧縮ステージを除く後続圧縮ステージのそれぞれは、シリンダ部と、ピストンと、ピストンロッドと、ロッドパッキンと、を備える。前記ピストンロッドは、前記ピストンを前記クランク機構に接続する。前記ロッドパッキンは、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。
【0014】
前記第１圧縮ステージは、空冷式かつ無給油式である。
【0015】
前記制御部は、前記第１切替手段および前記スピルバック弁を次のように制御する。
【0016】
前記制御部は、起動時であって前記第１温度センサによって取得された温度ＴＳ１が０℃より大きい所定の第１温度閾値Ｔ１以上である場合に、前記第１圧縮ステージから吐出された水素ガスを前記クーラ部に流通させて冷却させる第１切替状態となるように前記第１切替手段を制御する。
【0017】
前記制御部は、前記第１温度センサによって取得された温度ＴＳ１が前記第１温度閾値Ｔ１未満になった場合に、前記クーラ部を経由させずに水素ガスを当該クーラ部が設けられた箇所よりも下流側の圧縮ステージに送る第２切替状態となるように前記第１切替手段を制御する。
【0018】
前記制御部は、前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記第２温度センサによって取得された吸込温度ＴＳ２を参照し、前記吸込温度ＴＳ２が予め定められた温度範囲内になるように、前記スピルバック弁を制御する。
【0019】
本態様に係る圧縮機ユニットにおいて、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。
【0020】
上記態様では、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、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おいて、中間流路におけるクーラ部よりも上流側の水素ガスをクーラ部により冷却することにより、下流側の圧縮ステージ（後続圧縮ステージ）に対して過度に温度上昇した水素ガスが送られるのを防止できる。すなわち、圧縮機ユニットでは、後続圧縮ステージを保護することができる。また、圧縮機ユニットでは、起動時であって第１切替手段が第１切替状態である場合でも、上記下流側の圧縮ステージに対して上記予め定められた温度範囲の水素ガスが送られるので、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。
【0021】
また、上記態様に係る圧縮機ユニットでは、第１切替手段が第２切替状態である場合に、スピルバック部が吸込流路に戻した水素ガスにより、第１圧縮ステージ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。このため、圧縮機ユニットでは、第１圧縮ステージに吸入される水素ガスの温度範囲を空気の液化温度に基づく基準温度よりも高くすることにより、支燃性ガスである酸素ガスの液化が発生することを回避できる。
【0022】
また、上記態様に係る圧縮機ユニットでは、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。
【0023】
上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、プレヒータと、第３温度センサと、流量調整手段と、をさらに備えてもよい。前記プレヒータは、前記第１圧縮ステージに吸入される前の水素ガスと、前記吐出流路に吐出された後の水素ガス、または、前記中間流路を流通する水素ガスとを熱交換可能である。前記第３温度センサは、前記吐出流路における前記プレヒータの下流に配置される。前記流量調整手段は、前記プレヒータへの水素ガスの流入状態を調整可能である。
【0024】
前記制御部は、前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記流量調整手段および前記スピルバック弁を次のように制御してもよい。
【0025】
前記制御部は、前記第２切替状態において、前記プレヒータによる前記吸込流路の水素ガスの加温を前記スピルバック部による加温に対して優先して行えるように前記プレヒータへの水素ガスの流入量を増加させつつ、前記第３温度センサによって取得された前記プレヒータの下流側の温度ＴＳ３が閾値以下とならないように前記流量調整手段を制御してもよい。
【0026】
前記制御部は、前記第２切替状態において、前記吸込温度ＴＳ２が設定値温度以下になる場合には、当該吸込温度ＴＳ２が予め定められた温度範囲内になるように、前記流量調整手段および前記スピルバック弁を制御してもよい。
【0027】
上記態様に係る圧縮機ユニットでは、第２切替状態において、プレヒータによる吸込温度ＴＳ２の加温をスピルバック部による加温に対して優先させ、加温が足らない場合はプレヒータで補う制御とすることにより、圧縮した水素ガスを第１圧縮ステージの吸込み側へ戻す動力のロスをミニマム化することで、処理効率の低下を抑制しつつ後続圧縮ステージへの水素ガスの吸込温度を一定範囲に管理することができる。
【0028】
また、上記圧縮機ユニットでは、プレヒータの下流に第３温度センサを配置し、当該第３温度センサによる検出温度ＴＳ３を用いてプレヒータの下流側の水素ガスの温度を管理することにより、水素ガスの過度の温度低下を抑止できる。
【0029】
上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、プレヒータと、第３温度センサと、をさらに備えてもよい。前記プレヒータは、前記第１圧縮ステージに吸入される前の水素ガスと、前記中間流路における前記第１圧縮ステージと前記後続圧縮ステージとの間を流通する水素ガスとを熱交換可能である。前記第３温度センサは、前記中間流路における前記プレヒータの下流に配置される。
【0030】
また、上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、前記第１切替手段は、前記第１圧縮ステージから吐出された水素ガスを、前記クーラ部への水素ガスの流入状態、前記後続圧縮ステージへの直接的な水素ガスの流入状態、および、前記プレヒータへの水素ガスの流入状態の何れかに切替可能であってもよい。
【0031】
さらに、上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、前記制御部は、前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記スピルバック弁および前記第１切替手段を次のように制御してもよい。
【0032】
前記制御部は、前記第２切替状態において、前記スピルバック部による前記吸込流路の水素ガスの加温および前記プレヒータによる加温の併用により前記吸込流路の水素ガスが前記予め定められた温度範囲内となるように、前記スピルバック弁および前記第１切替手段を制御してもよい。
【0033】
前記制御部は、前記第２切替状態において、前記第３温度センサによって取得された前記プレヒータの下流側の温度ＴＳ３が閾値未満となった場合に、前記プレヒータへの水素ガスの流入をそれ以上増加させないように前記第１切替手段を制御してもよい。
【0034】
上記態様に係る圧縮機ユニットでは、第１切替手段が第２切替状態である場合に、スピルバック部による吸込流路の水素ガスの加温に加えてプレヒータによる加温を併用するので、スピルバック部による加温だけを行う場合に比べてプレヒータでの加温を併用することで圧縮した水素ガスを後続圧縮ステージの吸込み側へ戻す動力のロスをミニマム化することができ、処理効率の低下を抑制しつつ後続圧縮ステージへの水素ガスの吸込温度を一定範囲に管理することができる。
【0035】
また、上記圧縮機ユニットでは、プレヒータの下流に第３温度センサを配置し、当該第３温度センサによる検出温度ＴＳ３を用いてプレヒータの下流側の温度を管理することにより、水素ガスの過度の温度低下を抑止できる。
【0036】
上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、低圧ガス排出路と、第３切替手段と、調整手段と、をさらに備えてもよい。前記低圧ガス排出路は、前記中間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中間段需要先に水素ガスを排出可能である。前記第３切替手段は、前記低圧ガス排出路または前記分岐点に設けられる。前記調整手段は、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。
【0037】
上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、前記制御部は、前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記スピルバック弁の制御と並行して、前記中間段需要先の要求量または前記需要先の要求量の変動分に応じて前記低圧ガス排出路に水素ガスが排出されるように前記第３切替手段を制御しつつ、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してもよい。
【0038】
上記態様に係る圧縮機ユニットでは、需要先での必要量（要求量）が削減された場合に中間段需要先へ水素ガスを排出することで、液体水素貯槽から発生するボイルオフガス（水素ガス）の量と第１圧縮ステージが送出する水素ガスの量をバランスさせることで、液体水素貯槽の圧力を一定に保つことができる。
【0039】
また、上記圧縮機ユニットでは、調整手段により後続圧縮ステージでの水素ガスの処理量を低減し、これによって後続圧縮ステージの圧縮比を抑えることで当該後続圧縮ステージでの水素ガスの処理量を削減し、後続圧縮ステージの動力を軽減することができる。
【0040】
上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、前記後続圧縮ステージが２以上の圧縮ステージで構成されてもよい。また、上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、低圧ガス排出路と、第３切替手段と、調整手段と、をさらに備えてもよい。前記低圧ガス排出路は、前記中間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中間段需要先に水素ガスを排出可能である。前記第３切替手段は、前記低圧ガス排出路または前記分岐点に設けられる。前記調整手段は、前記後続圧縮ステージを構成する前記２以上の圧縮ステージの内の前記分岐点よりも下流側の圧縮ステージによる水素ガスの処理量を調整する。
【0041】
上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、前記制御部は、前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記スピルバック弁の制御と並行して、前記中間段需要先の要求量または前記需要先の要求量の変動分に応じて前記低圧ガス排出路に水素ガスが排出されるように前記第３切替手段を制御しつつ、前記後続圧縮ステージにおける前記下流側の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してもよい。
【0042】
上記態様に係る圧縮機ユニットでは、需要先での必要量（要求量）が削減された場合に中間段需要先へ水素ガスを排出することで、液体水素貯槽から発生するボイルオフガス（水素ガス）の量と第１圧縮ステージが送出する水素ガスの量をバランスさせることで、液体水素貯槽の圧力を一定に保つことができる。
【0043】
また、上記圧縮機ユニットでは、調整手段により上記下流側の圧縮ステージへの水素ガス量を低減し、これによって後続圧縮ステージにおける上記下流側の圧縮ステージの圧縮比を抑えることで当該圧縮ステージでの水素ガスの処理量を削減して、圧縮ステージの動力を軽減することができる。
【0044】
上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、前記調整手段が第２スピルバック部を備えてもよい。前記第２スピルバック部は、前記スピルバック流路よりも上流側において前記後続圧縮ステージの吸込側に水素ガスを戻す第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。
【0045】
上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、前記制御部は、前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記中間段需要先の前記要求量または前記需要先の要求量の前記変動分に相当する流量が前記第２スピルバック部によって前記後続圧縮ステージの吸込側に戻されるように前記第２スピルバック弁を制御してもよい。
【0046】
上記態様に係る圧縮機ユニットでは、需要先での必要量（要求量）が削減された場合に中第２スピルバック部によって後続圧縮ステージの吸込側に戻す水素ガスの量を削減することで、液体水素貯槽から発生するボイルオフガス（水素ガス）の量と第１圧縮ステージが送出する水素ガスの量をバランスさせつつ、後続圧縮ステージでの水素ガスの処理量を削減して後続圧縮ステージの動力を軽減することができる。
【0047】
上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、前記調整手段が、前記後続圧縮ステージのシリンダ部に装着されたオンオフ式の吸込弁アンローダをさらに備えてもよい。
【0048】
上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、前記制御部は、前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記吸込弁アンローダを次のように制御してもよい。
【0049】
前記制御部は、前記第２切替状態において、前記第２スピルバック弁の開度が、あらかじめ設定されている開度閾値ｂ１より大きくなった場合には、前記吸込弁アンローダが制御されて前記後続圧縮ステージのロード量がダウンされるように前記吸込弁アンローダを制御してもよい。
【0050】
前記制御部は、前記第２切替状態において、前記第２スピルバック弁の開度が開度閾値ｂ２よりも小さくなった場合は、後続圧縮ステージのロード量がアップされるように前記吸込弁アンローダを制御してもよい。
【0051】
上記態様では、第２スピルバック部を備えるので、高圧需要先（Ｄ１）の要求量が減少した場合にも、第２スピルバック部により圧縮後の水素ガスを後続圧縮ステージの吸込側へ戻すことで、後続圧縮ステージの吸込圧力を略一定に保つことができる。よって、上記態様では、後続圧縮ステージの各段の圧力バランスを常に一定となり、圧縮機の高い信頼性を得ることができる。
【0052】
上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、前記調整手段が、吸込弁アンローダと、駆動装置と、無段階の容量調整装置と、を備えてもよい。前記吸込弁アンローダは、前記後続圧縮ステージのシリンダ部に装着されている。前記駆動装置は、前記吸込弁アンローダを開閉させる油圧式又は電気式である。前記無段階の容量調整装置は、クランク軸の回転運動に連動させ前記吸込弁アンローダが動作するタイミングを制御する制御装置からなる。
【0053】
上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、前記制御部は、前記第１切替手段が前記第２切替状態である場合に、前記中間段需要先の前記要求量または前記需要先の要求量の前記変動分に相当する流量に応じて、前記シリンダ部内部から吸込側へと吸入された水素ガスが戻されるようにして、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容量調整装置を制御してもよい。
【0054】
上記態様に係る圧縮機ユニットでは、第２切替状態において、吸込弁アンローダの動作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水素ガスの処理量を低減できる。これにより、より一層動力が削減できる。
【0055】
上記態様に係る圧縮機ユニットにおいて、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てもよい。
【0056】
圧縮機ユニットでは、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、上記態様に係る圧縮機ユニットでは、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側へ回収されるため、圧縮時の製品ガス（水素ガス）のロスを低減することができる。
【発明の効果】
【0057】
上記の各態様に係る圧縮機ユニットは、液化水素のボイルオフガスの幅広い温度変化からその構成機器を適切に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【0058】
【図1】第１実施形態に係る圧縮機ユニットの構成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圧縮ステージの構成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の構成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において、制御部が実行する運転制御を示すフローチャートである。
【図5】第１実施形態の変形例に係る圧縮機ユニットの一部構成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の一部構成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の一部構成を概略的に示す図である。
【図8】第１実施形態の変形例に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【図9】第２実施形態に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【図10】前記圧縮機ユニットの運転において、制御部が実行する運転制御を示すフローチャートである。
【図11】第２実施形態の変形例に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【図12】第３実施形態に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【図13】第３実施形態の変形例に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【図14】第４実施形態に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【図15】前記圧縮機ユニットの運転において、制御部が実行する運転制御を示すフローチャートである。
【図16】第４実施形態の変形例に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【図17】第４実施形態の変形例に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【図18】第４実施形態の変形例に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【図19】第４実施形態の変形例に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【図20】第５実施形態に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【図21】前記圧縮機ユニットの運転において、制御部が実行する運転制御の内の調整手段の制御を示すフローチャートである。
【図22】第５実施形態の変形例に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【図23】その他の変形例に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【図24】その他の変形例に係る圧縮機ユニットの一部構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0059】
以下では、本発明の実施形態について、図面を参酌しながら説明する。なお、以下で説明の形態は、本発明を例示的に示すものであって、本発明は、その本質的な構成を除き何ら以下の形態に限定を受けるものではない。
【0060】
（第１実施形態）
本実施形態に係る圧縮機ユニットは、レシプロ式の圧縮機ユニットであって、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の温度は、約－２５３℃である。
本実施形態に係る圧縮機ユニットは、レシプロ式の圧縮機ユニットであって、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の温度は、約－２５３℃である。
【0061】
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複数の圧縮ステージ（第１圧縮ステージ１２、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。
【0062】
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。
【0063】
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。図２に示すように、第１圧縮ステージ１２は、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、および、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。
【0064】
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。
【0065】
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、シングルアクティング構造が採用されてもよい。
【0066】
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の往復動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。さらに、複数の圧縮段の圧縮機構を有していてもよい。すなわち、第一圧縮ステージ１２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。
【0067】
後続圧縮ステージ１４は、中間流路２２を介して第１圧縮ステージ１２に接続されており、第１圧縮ステージ１２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る。そして、後続圧縮ステージ１４で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に流れる水素ガスは、需要先Ｄ１に送られる。圧縮機ユニットから吐出された水素ガスは必ずしも直接的に需要先Ｄ１に供給される必要はなく、例えばボンベ等に充填された後に、当該ボンベの運搬や当該ボンベに接続されたガス配管などの種々の手段で需要先Ｄ１に供給されてもよい。高圧需要先Ｄ１としては、エンジン、発電設備またはボイラの少なくとも１つを含むが、それらに加えて、例えば、フレア設備、ベントなどガスを大気へ放出する設備が含まれていてもよい。
【0068】
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に接続される。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。
【0069】
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の往復動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。
【0070】
図１に示すように、圧縮機ユニット１０は、後続圧縮ステージ１４から吐出流路２４へと吐出された水素ガスの一部を吸込流路２１に戻すスピルバック部ＳＢ１を備えている。スピルバック部ＳＢ１は、スピルバック流路１８ａと、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スピルバック弁１８ｂと、を有する。スピルバック流路１８ａの一端部は、吐出流路２４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、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。スピルバック弁１８ｂは、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。
【0071】
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との間の中間流路２２に設けられたクーラ部５８を備えている。中間流路２２は、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。
【0072】
中間流路２２における第１流路２２ａと第２流路２２ｂとの分岐点には、第１切替手段ＣＶ１が設けられている。ただし、第１切替手段ＣＶ１については、第１流路２２ａに設けられていてもよいし、第２流路２２ｂに設けられていてもよい。第１切替手段ＣＶ１は、本実施形態では一例として三方弁５９ａにより構成されている。第１切替手段ＣＶ１は、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に流通させて冷却し、後続圧縮ステージ１４に流入させる状態（第１切替状態）と、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を経由させずに後続圧縮ステージ１４に流入させる状態（第２切替状態）と、の間で水素ガスの流路を切り替え可能である。なお、本実施形態では、三方弁５９ａによって構成された第１切替手段ＣＶ１を一例として採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、全開／全閉の二位置をとることができる開閉弁や、第１流路２２ａへの水素ガスの流量と第２流路２２ｂへの水素ガスの流量とを調節可能な調節弁などを採用することも可能である。
【0073】
圧縮機ユニット１０は、上流温度センサ（第２温度センサ）４５と、中間温度センサ（第１温度センサ）４６と、を備える。上流温度センサ４５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である。上流温度センサ４５は、吸込流路２１において、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、上流温度センサ４５は、スピルバック流路１８ａを水素ガスが流れるときには、液体水素貯槽２３からの水素ガスにスピルバック流路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ＴＳ２を取得することができる。
【0074】
中間温度センサ４６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である。中間温度センサ４６は、中間流路２２において、第１圧縮ステージ１２と中間流路２２における第１流路２２ａと第２流路２２ｂとの分岐点との間に位置している。したがって、中間温度センサ４６は、中間流路２２を流れる水素ガスの温度を取得することができる。
【0075】
上流温度センサ４５および中間温度センサ４６のそれぞれは、取得した各温度情報を制御部５０へと送出する。制御部５０は、ＭＰＵ／ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロプロセッサを備えて構成されており、メモリに予め格納されたファームウェア等を実行することにより、圧縮機ユニット１０の各種動作を制御する。制御部５０の機能には、第１制御部５０ａと、第２制御部５０ｂと、が含まれている。第１制御部５０ａは、中間温度センサ４６によって取得された水素ガスの温度ＴＳ１を参照して第１切替手段５９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、上流温度センサ４５によって取得された水素ガスの温度ＴＳ２を参照してスピルバック弁１８ｂを制御するように構成された機能部である。
【0076】
ここで、本実施形態に係る圧縮機ユニット１０の運転において、制御部５０が実行する運転制御について、図４を参照しつつ説明する。
【0077】
制御部５０は、圧縮機ユニット１０が既に駆動中であるか否か、駆動中でない場合に駆動の指令の有無を判断する。
【0078】
圧縮機ユニット１０に対して起動指令があった場合には、制御部５０は、クランク機構１６を作動させ、これにより第１圧縮ステージ１２および後続圧縮ステージ１４が駆動される（ステップＳＴ１）。第１圧縮ステージ１２および後続圧縮ステージ１４は、クランク機構１６の作動により、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、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、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。
【0079】
圧縮機ユニット１０の起動時には、中間流路２２を流れる（第１圧縮ステージ１２から吐出された）水素ガスの温度ＴＳ１が中間温度センサ（第１温度センサ）４６によって取得される。このとき制御部５０は、温度ＴＳ１を参照しており、温度ＴＳ１が所定の第１温度閾値Ｔ１以上であるか否かを判断する（ステップＳＴ２）。ここで、第１温度閾値Ｔ１は、０℃よりも大きい温度である。
【0080】
制御部５０がステップＳＴ２でＹＥＳ（ＴＳ１≧閾値Ｔ１）と判断した場合には、第１制御部５０ａは、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスが第１流路２２ａに流入するように第１切替手段ＣＶ１を制御する（ステップＳＴ３）。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はクーラ部５８で冷却されて後続圧縮ステージ１４へと送られる（第１切替状態）。
【0081】
一方、制御部５０がステップＳＴ２でＮＯ（ＴＳ１＜閾値Ｔ１）と判断した場合には、第１制御部５０ａは、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスが第１流路２２ａを経由せず第２流路２２ｂに流れるように第１切替手段ＣＶ１を制御する（ステップＳＴ４）。すなわち、第１制御部５０ａは、クーラ部５８への水素ガスの流入が停止されるように第１切替手段ＣＶ１を制御する。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はクーラ部５８を経由せずに後続圧縮ステージ１４へと送られる（第２切替状態）。
【0082】
圧縮機ユニット１０の駆動時には、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が上流温度センサ（第２温度センサ）４５によって取得される。制御部５０は、吸込温度ＴＳ２を参照しつつ、スピルバック制御を開始させる（ステップＳＴ５）。すなわち、ＴＳ２＜ＴＴＨ１の場合には、第２制御部５０ｂがスピルバック弁１８ｂを制御して吐出流路２４のガスの一部が吸込流路２１に戻されるようにする。これにより、第１切替手段ＣＶ１が第２切替状態である場合において、吸込温度ＴＳ２が予め定められた温度範囲内（ＴＴＨ１≦ＴＳ２≦ＴＴＨ２）となるように吸込流路２１の水素ガスが加温される。
【0083】
より詳細には、ＴＳ２＜ＴＴＨ１の場合に、第２制御部５０ｂがスピルバック弁１８ｂを制御して吐出流路２４のガスの一部を吸込流路２１に戻す、もしくは戻す量を増やすことにより、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、吐出流路２４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。
【0084】
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。
【0085】
上記のように第２制御部５０ｂがスピルバック弁１８ｂを開状態とする（ステップＳＴ５を実行する）場合には、液体水素貯槽２３からの水素ガスがそのまま第１圧縮ステージ１２に導入されるのではなく、後続圧縮ステージ１４で圧縮された水素ガスが合流して昇温した水素ガスが第１圧縮ステージ１２に導入されることになる。このため、第１圧縮ステージ１２が極低温（ＴＴＨ１未満の温度）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が上記下限温度ＴＴＨ１以上になるように調整されるため、酸素ガスの液化が発生することも防止できる。また、吸込温度ＴＳ２が上記上限温度ＴＴＨ２以下となるように調整されるため、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。
【0086】
以上のような構成を備える圧縮機ユニット１０は、中間流路２２の水素ガスがプラスの温度領域まで上昇している環境下や、吸込流路２１の水素ガスが下限温度ＴＴＨ１未満であるような低温環境下などにおいても保護が図られる。具体的には、圧縮機ユニット１０の中間流路２２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おいて、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により冷却することにより、後続圧縮ステージ１４に対して過度に温度上昇した水素ガスが送られるのを防止できる。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では、起動時であっても、後続圧縮ステージ１４に対してクーラ部５８で冷却された水素ガスが送られるので、立ち上げを速やかに行うことができる。
【0087】
また、圧縮機ユニット１０では、第１切替手段ＣＶ１が第２切替状態である場合に、スピルバック部ＳＢ１によって吸込流路２１に戻される水素ガスにより、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が上記予め定められた温度範囲内に調整される。このため、第１圧縮ステージ１２に吸入される水素ガスの温度を上記下限温度ＴＴＨ１以上にすることにより、支燃性ガスである酸素ガスの液化が発生することを回避できる。
【0088】
また、圧縮機ユニット１０では、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、複数の圧縮ステージでは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易くなるが、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に回収されるため、圧縮時の製品ロス（水素ガスのロス）を低減することができる。
【0089】
さらに、圧縮機ユニット１０を採用すれば、効率的な水素ガスの回収／供給が可能である。
【0090】
なお、図１に示す圧縮機ユニット１０では、中間流路２２における第１流路２２ａと第２流路２２ｂとの切り替えを行う第１切替手段ＣＶ１として三方弁５９ａを一例としたが、第１切替手段ＣＶ１の具体例としてはこれに限定されない。例えば、図５に示すように、第１流路２２ａの設けられた第１調節弁５９ｂと、第２流路２２ｂに設けられた第２調節弁５９ｃとを含む第１切替手段ＣＶ１が構成されてもよい。
【0091】
また、図１に示す圧縮機ユニット１０では、後続圧縮ステージ１４が１段の圧縮機構を有しているが、複数段の圧縮機構を有してもよい。例えば、図６に示すように、後続第１圧縮ステージ１４ａと後続第２圧縮ステージ１４ｂとで後続圧縮ステージ１４が構成されてもよい。なお、この構成を採用する場合に、例えば図７に示すように、中間温度センサ４６を中間流路２２における後続第１圧縮ステージ１４ａと後続第２圧縮ステージ１４ｂとの間の第３流路２２ｃに配置してもよい。この場合には、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスの温度を後続第１圧縮ステージ１４ａの下流側に配置された中間温度センサ４６で推定することができる。
【0092】
また、図１に示す圧縮機ユニット１０では、第１圧縮ステージ１２と後続圧縮ステージ１４との間の中間流路２２にクーラ部５８を設けることとしたが、クーラ部５８を設ける位置については、これに限定されない。例えば、図８に示すように、中間流路２２における後続圧縮ステージ１４の後続第１圧縮ステージ１４ａと後続第２圧縮ステージ１４ｂとの間の部分に分岐した流路（第１流路２２ａと第２流路２２ｂ）を設け、第１流路２２ａにクーラ部５８を設けてもよい。また、第１切替手段ＣＶ１については、図５に示した形態を採用してもよい。
【0093】
（第２実施形態）
図９に示すように、第２実施形態に係る圧縮機ユニット１０は、吸込流路２１を流れる水素ガス（第１圧縮ステージ１２に吸入される水素ガス）と、後続圧縮ステージ１４から吐出流路２４に吐出された後の水素ガスとを熱交換可能なプレヒータ７１を備える点で、上記第１実施形態と異なっている。図９では、上記第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、以下では、重複する部分の説明を省略する。
図９に示すように、第２実施形態に係る圧縮機ユニット１０は、吸込流路２１を流れる水素ガス（第１圧縮ステージ１２に吸入される水素ガス）と、後続圧縮ステージ１４から吐出流路２４に吐出された後の水素ガスとを熱交換可能なプレヒータ７１を備える点で、上記第１実施形態と異なっている。図９では、上記第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、以下では、重複する部分の説明を省略する。
【0094】
図９に示すように、吐出流路２４は、スピルバック流路１８ａが接続される位置よりも上流側の部位において、分岐した流路（第１流路２４ａと第２流路２４ｂ）を有しており、プレヒータ７１はその一方の流路（第１流路２４ａ）と吸込流路２１との間に設けられている。これにより、プレヒータ７１では、吐出流路２４の第１流路２４ａを流れる水素ガスと吸込流路２１を流れる水素ガスとの間で熱交換が可能となっている。
【0095】
吐出流路２４における第１流路２４ａと第２流路２４ｂとの分岐点には、流量調整手段ＦＣＶ１が設けられている。ただし、流量調整手段ＦＣＶ１については、第１流路２４ａに設けられてもよいし、第２流路２４ｂに設けられてもよい。流量調整手段ＦＣＶ１は、本実施形態では一例として三方弁７２ａにより構成されており、後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスを第１流路２４ａと第２流路２４ｂとの一方に流すことも可能であるし、第１流路２４ａと第２流路２４ｂとの両方に流しつつ第１流路２４ａに流す水素ガスの量を調整することも可能である。
【0096】
本実施形態に係る圧縮機ユニット１０は、吐出流路２４におけるプレヒータ７１の下流に配置される下流温度センサ（第３温度センサ）４８も備える。下流温度センサ４８は、吐出流路２４におけるプレヒータ７１よりも下流側の部分を流れる水素ガスの温度を取得することができる。下流温度センサ４８が取得した温度情報は、制御部５０へと送出される。
【0097】
圧縮機ユニット１０において、制御部５０の機能には、第１制御部５０ａおよび第２制御部５０ｂに加えて第３制御部５０ｃが含まれる。第３制御部５０ｃは、下流温度センサ４８によって取得された水素ガスの温度ＴＳ３を参照して流量調整手段ＦＣＶ１を制御するように構成された機能部である。
【0098】
ここで、本実施形態に係る圧縮機ユニット１０の運転において、制御部５０が実行する運転制御について、図１０を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、上記第１実施形態と重複する説明を一部省略する。
【0099】
制御部５０は、定常運転状態となった場合（ＴＳ１＜閾値Ｔ１）には、クーラ部５８への水素ガスの流入を停止すべく第１切替手段ＣＶ１を制御する（ステップＳＴ４）。ここまでの制御ステップについては、上記第１実施形態と同じである。
【0100】
制御部５０は、上流温度センサ４５によって取得された吸込温度ＴＳ２を参照しつつ、プレヒータ制御を開始させる（ステップＳＴ６）。すなわち、ＴＳ２＜ＴＴＨ１の場合には、第３制御部５０ｃが後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスが第１流路２４ａに流入し、プレヒータ７１を経由するように流量調整手段ＦＣＶ１を制御する（ステップＳＴ６）。そして、制御部５０は、水素ガスがプレヒータ７１を経由する状態において、下流温度センサ４８によって取得された温度ＴＳ３が温度ＴＴＨ３よりも大きいか否かを判断する（ステップＳＴ７）。制御部５０がステップＳＴ７でＹＥＳ（ＴＳ３＞ＴＴＨ３）と判断した場合には、第３制御部５０ｃは、プレヒータ７１に水素ガスが流入するする状態を継続させる。これにより、プレヒータ７１での熱交換が継続的に実行される。なお、ＴＳ２＞ＴＴＨ２である場合には、プレヒータ制御は行われない。
【0101】
一方、制御部５０がステップＳＴ７でＮＯ（ＴＳ３≦ＴＴＨ３）と判断した場合には、プレヒータ７１への水素ガスの流入量が固定されるように流量調整手段ＦＣＶ１を制御した上で（ステップＳＴ８）、スピルバック制御が開始されるようにする（ステップＳＴ５）。すなわち、第２制御部５０ｂがスピルバック弁１８ｂを制御して吐出流路２４のガスの一部が吸込流路２１に戻されるようにする。このように、ステップＳＴ７でＮＯと判断した場合には、プレヒータ７１による水素ガスの加温に加えてスピルバック部ＳＢ１を用いた水素ガスの加温が実行される。これによって、吸込温度ＴＳ２が前記予め定められた温度範囲の下限値ＴＴＨ１以上となるように調整される。
【0102】
以上のような構成を備える圧縮機ユニット１０では、第１切替手段ＣＶ１が第２切替状態である場合において（圧縮機ユニット１０が定常運転状態である場合において）、プレヒータ７１による吸込流路２１の水素ガスの加温をスピルバック部ＳＢ１による加温に対して優先させ、加温が足らない場合にはスピルバック部ＳＢ１による加温で補う制御としている。よって、本実施形態に係る圧縮機ユニット１０では、後続圧縮ステージ１４で圧縮した水素ガスを吸込流路２１へと戻す動力のロスをミニマム化することができる。よって、処理効率の低下を抑制しつつ後続圧縮ステージ１４へ送られる水素ガスの温度を一定範囲に管理することができる。
【0103】
また、圧縮機ユニット１０では、吐出流路２４におけるプレヒータ７１の下流に下流温度センサ４８を配置し、下流温度センサ４８によって取得される検出温度ＴＳ３を用いてプレヒータ７１の下流側での水素ガスの温度を管理することにより、需要先へ供給する水素ガスの過度の温度低下を抑止できる。需要先への供給配管を高価な低温仕様としなくとも良いなどの効果も期待できる。
【0104】
さらに、圧縮機ユニット１０を採用すれば、効率的な水素ガスの回収／供給が可能である。
【0105】
なお、図９に示す圧縮機ユニット１０では、吐出流路２４を第１流路２４ａと第２流路２４ｂとに分岐して第１流路２４ａにプレヒータ７１を設ける構成を一例としたが、プレヒータ７１の配設形態はこれに限定されない。例えば、図１１に示すように、吸込流路２１を第１流路２１ａと第２流路２１ｂとに分岐させ、分岐した流路の一方（第１流路２１ａ）と吐出流路２４との間にプレヒータ７１が設けられてもよい。この場合には、吸込流路２１における第１流路２１ａと第２流路２１ｂとの分岐点などにプレヒータ７１に流入する水素ガスの量を調整可能な流量調整手段ＦＣＶ１が設けられてもよい。
【0106】
また、図９に示す圧縮機ユニット１０では、第１圧縮ステージ１２と後続圧縮ステージ１４の２段の圧縮ステージが備えられてなる構成を一例としたが、これに限定されない。例えば、後続圧縮ステージ１４と流量調整手段ＦＣＶ１との間に１段以上の圧縮ステージを追加してもよい。同様に、図１１に示す圧縮機ユニット１０において、後続圧縮ステージ１４とプレヒータ７１との間に１段以上の圧縮ステージを追加してもよい。
【0107】
（第３実施形態）
図１２に示すように、第３実施形態に係る圧縮機ユニット１０は、中間流路２２と吸込流路２１との間で水素ガス同士の熱交換が可能なようにプレヒータ７１が設けられている点で、上記第２実施形態と異なっている。図１２では、上記第１実施形態および上記第２実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、以下では、重複する部分の説明を省略する。
図１２に示すように、第３実施形態に係る圧縮機ユニット１０は、中間流路２２と吸込流路２１との間で水素ガス同士の熱交換が可能なようにプレヒータ７１が設けられている点で、上記第２実施形態と異なっている。図１２では、上記第１実施形態および上記第２実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、以下では、重複する部分の説明を省略する。
【0108】
圧縮機ユニット１０において、中間流路２２は、第１流路２２ａおよび第２流路２２ｂに加えて第４流路２２ｄを有する。第４流路２２ｄは、第１流路２２ａおよび第２流路２２ｂとは別に分岐するように構成されている。本実施形態に係る圧縮機ユニット１０では、中間流路２２における第４流路２２ｄと吸込流路２１との間にプレヒータ７１が設けられている。
【0109】
第１切替手段ＣＶ１は、第１流路２２ａに設けられた第１調節弁５９ｂと、第２流路２２ｂに設けられた第２調節弁５９ｃと、第４流路２２ｄに設けられた第３調節弁５９ｄと、を含む。したがって、圧縮機ユニット１０では、第１調節弁５９ｂ、第２調節弁５９ｃ、第３調節弁５９ｄの制御により、第１圧縮ステージ１２から吐出された水素ガスが第１流路２２ａ、第２流路２２ｂ、第４流路２２ｄに対して選択的に流れる。なお、本実施形態では、第１流路２２ａ、第２流路２２ｂ、および第４流路２２ｄのそれぞれに調節弁５９ｂ，５９ｃ，５９ｄを設けることとしたが、それぞれに単なる開閉を実行する開閉弁を設けることにしてもよい。
【0110】
なお、図示を省略しているが、制御部５０の第１制御部５０ａ（図１などを参照。）は、第１切替手段ＣＶ１を構成する第１調節弁５９ｂ、第２調節弁５９ｃ、および第３調節弁５９ｄをそれぞれ制御可能である。
【0111】
本実施形態に係る圧縮機ユニット１０では、下流温度センサ４８は、中間流路２２におけるプレヒータ７１およびクーラ部５８よりも下流側に配置されている。
【0112】
本実施形態に係る圧縮機ユニット１０の運転において、制御部５０は上記第２実施形態と同様の制御を実行する。即ち、図１０を用いて説明したのと同様の制御を実行する。
【0113】
以上のような構成を備える圧縮機ユニット１０は、第１切替手段ＣＶ１（第１調節弁５９ａ、第２調節弁５９ｂ、第３調節弁５９ｄ）が上記第２切替状態である場合に、プレヒータ７１による加温とスピルバック部ＳＢ１による加温とを併用して吸込流路２１を流れる水素ガスを加温するので、スピルバック部ＳＢ１だけで吸込流路２１の水素ガスを加温する場合に比べて圧縮した水素ガスを第１圧縮ステージ１２の吸込側へ戻す動力ロスをミニマム化することができ、さらに、第４流路２２ｄを流れるガスはプレヒータ７１で冷やされるため、後続圧縮ステージ１４の吸込みガス温度は下がる。このため、後続圧縮ステージでの動力も下がる。これらにより処理効率の低下を抑制しつつ第１圧縮ステージ１２への水素ガスの吸込温度ＴＳ２を一定範囲に管理することができる。
【0114】
また、圧縮機ユニット１０では、中間流路２２におけるプレヒータ７１の下流に下流温度センサ４８を配置し、下流温度センサ４８が取得する検出温度ＴＳ３を用いてプレヒータ７１の下流側の温度を管理することにより、後続圧縮ステージ１４に吸入される水素ガスの温度が過度に低下するのを抑止できる。
【0115】
さらに、圧縮機ユニット１０を採用すれば、効率的な水素ガスの回収／供給が可能である。
【0116】
なお、図１２に示す圧縮機ユニット１０では、中間流路２２に第１流路２２ａと第２流路２２ｂとは別に分岐する第４流路２２ｄを設け、第４流路２２ｄと吸込流路２１との間にプレヒータ７１を設ける構成を一例としたが、プレヒータ７１の配設形態はこれに限定されない。例えば、図１３に示すように、吸込流路２１を第１流路２１ａと第２流路２１ｂとに分岐させ、分岐した流路の一方（第１流路２１ａ）と中間流路２２の第２流路２２ｂとの間にプレヒータ７１が設けられてもよい。この場合には、吸込流路２１における第１流路２１ａと第２流路２１ｂとの分岐点などにプレヒータ７１に流入する水素ガスの量を調整可能な流量調整手段７２が設けられてもよい。
【0117】
また、図１２に示す圧縮機ユニット１０では、第１圧縮ステージ１２と後続圧縮ステージ１４の２段の圧縮ステージが備えられてなる構成を一例としたが、これに限定されない。例えば、後続圧縮ステージ１４と吐出流路２４におけるスピルバック流路１８ａの接続部分との間に１段以上の圧縮ステージを追加してもよい。
【0118】
（第４実施形態）
図１４に示すように、第４実施形態に係る圧縮機ユニット１０は、中間段需要先Ｄ２に対して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、および後続圧縮ステージ１４による水素ガスの処理量を調整する調整手段４１が設けられている点で、上記第１実施形態と異なっている。図１４では、上記第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、以下では、重複部分の説明を省略する。
図１４に示すように、第４実施形態に係る圧縮機ユニット１０は、中間段需要先Ｄ２に対して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、および後続圧縮ステージ１４による水素ガスの処理量を調整する調整手段４１が設けられている点で、上記第１実施形態と異なっている。図１４では、上記第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、以下では、重複部分の説明を省略する。
【0119】
中間段需要先Ｄ２は、需要先Ｄ１で要求される水素ガスの圧力よりも低い圧力の水素ガスを処理できる設備であり、例えば、エンジン、発電設備、ボイラなどのガスをエネルギ源として活用する設備以外にフレア設備、ベントなど略大気圧でガスを活用する設備が含まれていてもよい。
【0120】
低圧ガス排出路５３は、中間流路２２において、分岐点ＰＢで分岐されている。分岐点ＰＢは第１圧縮ステージ１２と後続圧縮ステージ１４の間であれば、第１流路２２ａおよび第２流路２２ｂを含む中間流路２２のいずれの位置に設けられてもよい。
【0121】
さらに、中間流路２２には圧力センサ４７が配置されている。圧力センサ４７は、中間流路２２における水素ガスの圧力を取得し、取得した圧力情報を制御部５０に送出する。
【0122】
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第３切替手段ＣＶ３が設けられている。第３切替手段ＣＶ３は、開閉弁５６ａによって構成されるとともに、本実施形態では一例として低圧ガス排出路５３に設けられている。第３切替手段ＣＶ３は、第１切替手段ＣＶ１が第２切替状態である場合に、後続圧縮ステージ１４に水素ガスが送られる水素ガスの量と、低圧ガス排出路５３に送られる水素ガスの量とを相互に調節する。
【0123】
なお、本実施形態では、開閉弁５６ａによって構成された第３切替手段ＣＶ３を一例として採用することとしているが、これに限定されるものではない。例えば、三方弁などによって構成された第３切替手段ＣＶ３を採用することも可能である。
【0124】
低圧ガス排出路５３における第３切替手段ＣＶ３よりも下流側の部位に圧力センサ４９が配置されている。圧力センサ４９は、低圧ガス排出路５３を中間段需要先Ｄ２に向けて流れる水素ガスの圧力を取得し、取得した圧力情報を制御部５０に送出する。
【0125】
調整手段４１は、分岐点ＰＢよりも下流側において後続圧縮ステージ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、一例として、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ＳＢ２）によって構成されている。
【0126】
第２スピルバック部ＳＢ２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、スピルバック流路１８よりも上流側において吐出流路２４に接続される。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、すなわち後続圧縮ステージ１４の吸込側に戻される。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。
【0127】
制御部５０には、需要先Ｄ１および中間段需要先Ｄ２からそれぞれの水素ガスの要求量に関する情報が入力される。そして、制御部５０の機能には、第１制御部５０ａおよび第２制御部５０ｂに加えて、第４制御部５０ｄおよび第５制御部５０ｅも含まれる。第４制御部５０ｄは、中間段需要先Ｄ２から入力される水素ガスの要求量または需要先Ｄ１から入力される水素ガスの要求量の変動分に応じて、第３切替手段ＣＶ３を制御するように構成された機能部である。第５制御部５０ｅは、中間段需要先Ｄ２から入力される水素ガスの要求量または需要先Ｄ１から入力される水素ガスの要求量の変動分に応じて、第２スピルバック弁４３ｂを制御するように構成された機能部である。
【0128】
ここで、本実施形態に係る圧縮機ユニット１０の運転において、制御部５０が実行する運転制御について、図１５を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、上記第１実施形態と重複する説明を一部省略する。
【0129】
制御部５０は、定常運転状態となった場合（ＴＳ１＜閾値Ｔ１）には、クーラ部５８への水素ガスの流入を停止すべく第１切替手段ＣＶ１を制御する（ステップＳＴ４）。ここまでの制御ステップについては、上記第１実施形態と同じである。
【0130】
制御部５０は、上流温度センサ４５によって取得された吸込温度ＴＳ２を参照しつつ、スピルバック制御を開始させる（ステップＳＴ５）。すなわち、ＴＳ２＜ＴＴＨ１の場合には、第１制御部５０ａは、後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスの一部が吸込流路２１へと戻されるようにスピルバック弁１８ｂを制御する（ステップＳＴ５）。これにより、吸込流路２１を流れる水素ガスの温度（吸込温度ＴＳ２）が上記予め定められた温度範囲（ＴＴＨ１≦ＴＳ２≦ＴＴＨ２）に収まるように吸込流路２１の水素ガスが加温される。なお、ＴＳ２＞ＴＴＨ２である場合には、吐出流路２４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。
【0131】
また、本実施形態では、ステップＳＴ５の実行と並行して、中間流路２２を流れる水素ガスが低圧ガス排出路５３を通り中間段需要先Ｄ２に排出されるように第３切替手段ＣＶ３を制御する（ステップＳＴ１１）。さらに、本実施形態では、ステップＳＴ５およびステップＳＴ１１の実行と並行して、後続圧縮ステージ１４から吐出された水素ガスの一部が中間流路２２に戻るように調整手段４１（第２スピルバック弁４３ｂ）を制御する（ステップＳＴ１２）。なお、上述のように、第３切替手段ＣＶ３および調整手段４１の制御は、中間段需要先Ｄ２からの水素ガスの要求量または需要先Ｄ１からの水素ガスの要求量の変動分に応じて実行される。
【0132】
以上のような構成を備える圧縮機ユニット１０は、定常運転時（第１切替手段ＣＶ１が第２切替状態である場合）において、需要先Ｄ１での水素ガスの必要量（要求量）が削減された場合に中間段需要先Ｄ２に水素ガスを排出することで、液体水素貯槽２３から発生するボイルオフガス（水素ガス）の量と第１圧縮ステージ１２が送出する水素ガスの量とをバランスさせることで、液体水素貯槽２３の圧力を一定に保つことができる。
【0133】
また、圧縮機ユニット１０では、調整手段４１（第２スピルバック部ＳＢ２）により後続圧縮ステージ１４での水素ガスの処理量を低減し、これによって後続圧縮ステージ１４の圧縮比を抑えることで後続圧縮ステージ１４での水素ガスの処理量を削減することができる。よって、圧縮機ユニット１０では、後続圧縮ステージ１４の動力を軽減することができる。
【0134】
さらに、圧縮機ユニット１０を採用すれば、効率的な水素ガスの回収／供給が可能である。
【0135】
図１４に示す圧縮機ユニット１０では、後続圧縮ステージ１４が１段の圧縮機構を有しているが、複数段の圧縮機構を有してもよい。例えば、図１６に示すように、後続第１圧縮ステージ１４ａと後続第２圧縮ステージ１４ｂとで後続圧縮ステージ１４が構成されてもよい。この構成を採用する場合には、第２スピルバック流路４３ａの一端部が中間流路２２における後続第１圧縮ステージ１４ａと後続第２圧縮ステージ１４ｂとの間の第３流路２２ｃに接続されてもよい。この場合には、後続第１圧縮ステージ１４ａから吐出された水素ガスの一部が当該後続第１圧縮ステージ１４ａの吸込側へと戻される。
【0136】
また、後続圧縮ステージ１４が後続第１圧縮ステージ１４ａと後続第２圧縮ステージ１４ｂとを有する場合において、図１７に示すように、第２スピルバック流路４３ａの一端部が吐出流路２４に接続され、他端部が中間流路２２における後続第１圧縮ステージ１４ａの上流側の部位に接続されてもよい。この場合には、後続第２圧縮ステージ１４ｂから吐出された水素ガスの一部が後続第１圧縮ステージ１４ａの吸込側へと戻される。
【0137】
また、後続圧縮ステージ１４が後続第１圧縮ステージ１４ａと後続第２圧縮ステージ１４ｂとを有する場合において、図１８に示すように、後続第１圧縮ステージ１４ａおよび後続第２圧縮ステージ１４ｂのそれぞれに対して第２スピルバック部ＳＢ２が設けられてもよい。この場合には、後続第１圧縮ステージ１４ａから第３流路２２ｃに吐出された水素ガスの一部が後続第１圧縮ステージ１４ａの吸込側へと戻され、後続第２圧縮ステージ１４ｂから吐出流路２４に吐出された水素ガスの一部が第３流路２２ｃへと戻される。
【0138】
さらに、図１６から図１８に示す圧縮機ユニット１０では、中間流路２２における後続第１圧縮ステージ１４ａの上流側の部位から低圧ガス排出路５３を分岐する構成を採用したが、低圧ガス排出路５３が分岐する分岐点ＰＢの位置については、これに限定を受けない。例えば、図１９に示すように、中間流路２２における後続第１圧縮ステージ１４ａと後続第２圧縮ステージ１４ｂとの間の第３流路２２ｃの配置された分岐点ＰＢから低圧ガス排出路５３が分岐されてもよい。なお、図１９に示す圧縮機ユニット１０では、一例として第３流路２２ｃにおける分岐点ＰＢの上流側の部位に中間クーラ部７４を設けてもよい。これにより、後続第１圧縮ステージ１４ａの圧縮により温度上昇した水素ガスを冷却して後続第２圧縮ステージ１４ｂへと送ることができる。この場合、調整手段４１は、前記後続圧縮ステージを構成する２つの圧縮ステージ１４ａ，１４ｂの内の分岐点ＰＢよりも下流側の圧縮ステージ１４ｂによる水素ガスの処理量を調整する。
【0139】
なお、図１６から図１９のそれぞれに示す圧縮機ユニット１０においては、後続圧縮ステージ１４が有する後続第１圧縮ステージ１４ａおよび後続第２圧縮ステージ１４ｂのそれぞれにリークガス排出部２９を設けることとしているが、後続圧縮ステージ１４を構成する複数段の圧縮ステージの内の一部の圧縮ステージにリークガス排出部２９を設ける構成としてもよい。
【0140】
【0141】
図２１に示すように、調整手段４１の制御では、制御部５０に入力される第２スピルバック弁４３ｂの状態（弁の開度）が、あらかじめ設定されている開度閾値ｂ１より大きくなった場合（スピスバック量が多い）には（ステップＳＴ４１でＹｅｓ）、吸込弁アンローダ６１が制御されて後続圧縮ステージ１４のロード量がダウン（１００％から５０％）される（ステップＳＴ４２）。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）、吸込弁アンローダ６１が制御されて後続圧縮ステージ１４のロード量がアップ（５０％から１００％）されるように制御が実行される（ステップＳＴ４４）。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。
【0142】
圧縮機ユニット１０は、図２２に示すように、調整手段４１として後続圧縮ステージ１４に設けられた無段階式容量調整装置６４ｂを備えてもよい。
【0143】
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、クランク機構の回転を検出する検出器６３ｂ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、吸込弁の弁板の開状態を維持又は解除をピストン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では、ピストンの位置を推定する演算処理が行われている。
【0144】
後続圧縮ステージ１４のシリンダ部には、吸込通路と圧縮室の間に設置された吸込弁は、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、逆止弁と同様に、上流の圧力が下流側よりも高い場合、その差圧で弁板が開状態となり、下流側の圧力が高い場合は、ガスが流れない構造である。
【0145】
吸込弁アンローダ６１ｂが駆動すると、吸込弁の弁板を開状態に維持され逆止弁の機能ができない状態をつくる。なお、アンローダを駆動させない状態でピストンが吸込行程となった場合、圧縮室の圧力が吸込通路より下がるため、吸込弁は開の状態となり、圧縮室側へガスが導入される。ピストンが圧縮行程となった場合、圧縮室の圧力が吸込通路より上がるため、吸込弁は閉の状態となる。
【0146】
圧縮行程が始まった初期において、前記無段階容量調整装置６４ｂにより、開状態を維持し、圧縮室へ導入されたガスの一部を吸込通路側へ戻し、圧縮行程の途中から開状態を解除することで、吸込弁が閉となり、その時に圧縮室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再び駆動部を駆動させ、ピストン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。
【0147】
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スピルバック弁と同じ機能をはたすことができる。さらに、圧縮するガス量を調整しているので、動力を削減する効果は大きい。
【0148】
［その他の変形例］
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。
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。
【0149】
例えば、図２３に示すように、圧縮機ユニット１０では、スピルバック部ＳＢ１が、中間流路２２における隣接する２つの後続圧縮ステージ１４（後続第１圧縮ステージ１４ａと後続第２圧縮ステージ１４ｂ）の間の第３流路２２ｃを流通する水素ガスの一部を吸込流路２１に戻すように構成されてもよい。この場合であっても、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が防止される。圧縮機ユニット１０では、後続圧縮ステージ１４の数は３以上でもよく、後続圧縮ステージ１４間の任意の中間流路にスピルバック部ＳＢ１が設けられてよい。
【0150】
図２４に示すように、圧縮機ユニット１０では、中間流路２２に第３流路２２ｃとは別に分岐する第４流路２２ｄが設けられ、プレヒータ７１が、吸込流路２１を流れる水素ガス（第１圧縮ステージ１２に吸入される水素ガス）と、第４流路２２ｄを流通する水素ガスとを熱交換させるように配置されてもよい。その他の構成は図２３とほぼ同様である。後続圧縮ステージ１４の数は３以上でもよく、後続圧縮ステージ１４間の任意の中間流路にプレヒータ７１が設けられてよい。
【符号の説明】
【0151】
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
１８ａ スピルバック流路
１８ｂ 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
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 上流温度センサ（第２温度センサ）
４６ 中間温度センサ（第１温度センサ）
４７ 圧力センサ
４８ 下流温度センサ（第３温度センサ）
５０ 制御部
５３ 低圧ガス排出路
５８ クーラ部
６１ 吸込弁アンローダ
６２ 駆動装置
６４ 容量調整装置
７１ プレヒータ
２１１ シリンダ部
２１２ ピストン
２１３ ピストンロッド
ＣＶ１ 第１切替手段
ＣＶ３ 第３切替手段
Ｄ１ 需要先
Ｄ２ 中間段需要先
ＦＣＶ１ 流量調整手段
ＳＢ１ スピルバック部
ＰＢ 分岐点
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
１８ａ スピルバック流路
１８ｂ 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
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 上流温度センサ（第２温度センサ）
４６ 中間温度センサ（第１温度センサ）
４７ 圧力センサ
４８ 下流温度センサ（第３温度センサ）
５０ 制御部
５３ 低圧ガス排出路
５８ クーラ部
６１ 吸込弁アンローダ
６２ 駆動装置
６４ 容量調整装置
７１ プレヒータ
２１１ シリンダ部
２１２ ピストン
２１３ ピストンロッド
ＣＶ１ 第１切替手段
ＣＶ３ 第３切替手段
Ｄ１ 需要先
Ｄ２ 中間段需要先
ＦＣＶ１ 流量調整手段
ＳＢ１ スピルバック部
ＰＢ 分岐点
【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】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
